JP2012142568A - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受光面の側に微細周期構造を有する光電変換素子の、他方の面が反射する光の進行方向に着眼した。そして、他方の面に光を反射する凹凸構造を設けて、受光面の側から他方の面の側に向かって進行してきた光を、光電変換層に沿って進行する成分が増えるように反射する構成とすればよい。反射光が光電変換層の内部を進行する距離が長くなることで、光電変換素子に入射した光が光電変換層に吸収され易くなり、また受光面の側から放出され難くなり、依って変換効率の高い光電変換素子を提供することができる。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、光電変換層と、光電変換層の受光面の側に微細周期構造と、光電変換層の他方の面の側にマイクロテクスチャ構造と、マイクロテクスチャ構造に接する反射電極と、を有する光電変換素子について図1を参照して説明する。具体的には、微細周期構造はアスペクト比が3以上15以下の微細構造物を、60nm以上500nm以下の周期で備え、マイクロテクスチャ構造はアスペクト比が0.5以上3以下の構造物を、2μm以上100μm以下、好ましくは2μm以上10μm以下の周期で備え、反射電極は反射率が10%以上100%未満である光電変換素子について説明する。
<光電変換素子の構成>
<微細周期構造とマイクロテクスチャ構造の相乗作用>
本実施の形態では、単結晶の半導体基板を用い、光電変換層と、光電変換層の受光面の側に微細周期構造と、光電変換層の他方の面の側にマイクロテクスチャ構造と、マイクロテクスチャ構造に接する反射電極と、を有する光電変換素子の構成と、その作製方法について図3を参照して説明する。また図4を参照してその変形例を説明する。
本実施の形態の光電変換素子は単結晶の半導体基板を備える。単結晶の半導体基板としては、光電変換層を形成することができれば特に限定されず、例えばIV族半導体からなる単結晶基板、化合物半導体(III−V族、II−VI族、I−III−VI族など)からなる単結晶基板等をその例に挙げることができる。また、単結晶基板の導電型は特に限定されず、n型であってもp型であってもよい。
レジストマスクを形成したシリコン基板をエッチングして表面に微細周期構造を形成する。レジストマスクとしては、直径が60nm以上500nm以下であって且つ単分散の酸化珪素粒子を、単結晶シリコン基板の表面に配列したものを用いる。酸化珪素粒子を配列する方法としては、酸化珪素粒子を純水等に分散したスラリーにシリコン基板を浸漬し、該シリコン基板をスラリーから10μm/sec程度のゆっくりした速度で引き上げる方法がある。
次に、微細周期構造を形成したシリコン基板の他方の面にマイクロテクスチャを形成する。なお、マイクロテクスチャの作製工程に投入する前に、作製した微細周期構造にレジストポリマーを塗布して、当該微細周期構造をマイクロテクスチャの作製工程から保護する。
次に、第3の半導体層302bの微細周期構造310が形成された面に、第1の半導体層301としてp型の非晶質のシリコン半導体層を形成する。第1の半導体層301としては、例えばCVD法により形成した厚さ10nm程度の膜を用いることができる。
次に、第3の半導体層302bのマイクロテクスチャ構造320が形成された面に、第2の半導体層302aとしてn型の非晶質のシリコン半導体層を形成する。第2の半導体層302aとしては、例えばCVD法により形成した厚さ10nm程度の膜を用いることができる。第2の半導体層302aはBSF(Back Surface Field)層として機能し、裏面接合における電界分布の制御を行うことができる。この段階の構成を図3(B)に示す。
次に、第2の半導体層302aに接して反射電極321を形成する。本実施の形態で例示する反射電極321は光電変換層303が吸収する光に対して透光性を有し、かつ導電膜321bとの屈折率差の大きい導電膜321aと、光電変換層303が吸収する光を反射する導電膜321bと、電気抵抗が低い導電膜321cが積層されている。透光性を有する導電膜321aを形成する導電膜としては、例えばインジウム錫酸化物、酸化スズ及び酸化亜鉛のいずれか一を含む導電膜等を用いることができる。また、導電膜321bを形成する導電膜としては反射率が高いものが好ましく、例えば銀(Ag)、アルミニウム(Al)等を含む導電膜が好ましい。また、導電膜321cを形成する導電膜としては導電性が高く安価なものが好ましく、例えばアルミニウム(Al)等を含む導電膜を用いることができる。なお、反射電極321は光電変換層303が吸収する光を反射する導電膜だけであってもよい。
次に、第1の半導体層301に接して第1の電極311を形成する。第1の電極311は、光電変換層303が吸収する光に対して透光性を有する導電膜を用いて形成する。例えば、インジウム錫酸化物、酸化スズ及び酸化亜鉛のいずれか一を含む導電膜等を用いることができる。
本実施の形態の変形例である光電変換素子の構成と、その作製方法について図4を参照して説明する。本実施の形態の変形例である光電変換素子400の構成を図4(C)に示す。図4(C)に示す光電変換素子400と、図3(C)に例示する光電変換素子300は、微細周期構造の構成および作製方法が異なる。よって、ここでは光電変換素子400の微細周期構造の構成および作製方法について主に説明し、光電変換素子300と同様の材料、方法及び条件を用いて形成することができる他の部分については、光電変換素子300の記載を参酌する。
光電変換素子400は、光電変換素子300と同様の半導体基板を用いて作製することができる。ここでは、単結晶のシリコン基板を用いる場合について説明する。なお、光電変換素子300の作製方法とは異なり、光電変換素子400に用いる半導体基板の一方の面には微細構造を形成しない。また、シリコン基板の両面にマイクロテクスチャを形成してもよいが、他方の面の側にのみマイクロテクスチャを形成する場合は、一方の面を保護するために一方の面にレジストポリマーを塗布すればよい。
次に、第3の半導体層402bの一方の面に、第1の半導体層401としてp型の非晶質のシリコン半導体層を形成する。第1の半導体層401は光電変換素子300の第1の半導体層301と同様な方法を用いて形成すればよい。
次に、第3の半導体層402bのマイクロテクスチャ構造420が形成された面に、第2の半導体層402aとしてn型の非晶質のシリコン半導体層を形成する。第2の半導体層402aは光電変換素子300の第2の半導体層302aと同様な方法を用いて形成すればよい。第2の半導体層402aはBSF層として機能する。この段階の構成を図4(B)に示す。
次に、第2の半導体層402aに接して反射電極421を形成する。反射電極421は光電変換素子300の反射電極321と同様な方法を用いて形成すればよい。
次に、第1の半導体層401に接して第1の電極411を形成し、第1の電極411と電気的に接続する配線412を形成する。第1の電極411は光電変換素子300の第1の電極311と、配線412は光電変換素子300の配線312と、それぞれ同様な方法を用いて形成すればよい。
<変形例の微細周期構造の形成方法>
次に、第1の電極411に接して微細周期構造410を形成する。微細周期構造410はあらかじめ微細周期構造が形成されたフィルムを第1の電極411に接着剤を用いて貼付して形成すればよい。なお、フィルムに微細周期構造を形成する方法としては、電子線や紫外線を用いて形成したレジストマスクを用いて原版を作製し、当該原版を用いて熱可塑性の樹脂又は光硬化性の樹脂等を成型する方法、所謂ナノインプリント法を用いて形成することができる。
本実施の形態では、光電変換層と、光電変換層の受光面の側に微細周期構造と、光電変換層の他方の面の側にマイクロテクスチャ構造と、マイクロテクスチャ構造に接する反射電極と、を有する光電変換素子の構成と、その作製方法について図5を参照して説明する、また、図6を参照してその変形例を説明する。
本実施の形態の光電変換素子は、基板550上に形成する。基板550は、少なくとも光電変換素子の作製工程中に加わる温度に対する耐熱性、光電変換素子を支持するだけの機械的強度、寸法安定性、及び光電変換素子の信頼性をそこなう不純物の拡散を抑制できるバリア性を備えていれば、特に限定されない。また基板550は、光電変換層503が吸収する光に対して透光性を有するものであっても、光電変換層503が吸収する光に対して透光性を有していなくてもよい。また、表面は絶縁性であっても、導電性であっても良い。
基板550の一方の面にマイクロテクスチャの母型となる構造を形成する。母型となる構造を形成する方法としては、例えばレーザを照射して表面をアブレーションする方法、基板にレジストマスクを形成してエッチングする方法又は基板にサンドブラストを当てる方法等を挙げることができる。本実施の形態では、サンドブラスト法を用いて母型となる構造を基板550に形成する。
次いで、マイクロテクスチャの母型となる構造に導電膜を成膜し、反射電極521を形成する。反射電極521としては導電性を備え光電変換層503が吸収する光を反射するものを用いる。特に、電気抵抗が低く反射率が高いものが好ましく、例えば銀(Ag)、アルミニウム(Al)等を含む導電膜が好ましい。本実施の形態では、アルミニウム(Al)に珪素(Si)を添加した合金からなる300nmの導電膜を反射電極に用いる。また、レジストマスク等を用いて反射電極521は必要に応じて島状等に形成してもよい。なお、この段階の構成を図5(A)に示す。
次に、反射電極521上にn型の非晶質のシリコン半導体からなる第2の半導体層502を形成し、第2の半導体層502上にi型の非晶質のシリコン半導体からなる光電変換層503を形成する。本実施の形態では、第2の半導体層502として10nmのn型の非晶質のシリコン半導体層を形成し、光電変換層503として例えば200nm以上400nm以下のi型の非晶質のシリコン半導体層を形成する。
次に、第1の半導体層501の表面に微細周期構造を形成する。微細周期構造は実施の形態2で説明した方法を用いて形成できる。具体的には、単分散の酸化珪素粒子を配列してレジストマスクとし、異方性のドライエッチングによりエッチングして微細周期構造を形成できる。また、極短パルスのレーザを用いて形成してもよい。この段階の構成を図5(C)に示す。
次に、第1の半導体層501に接して第1の電極511を形成する。第1の電極511は、光電変換層503が吸収する光に対して透光性を有する導電膜を用いて形成する。例えば、インジウム錫酸化物、酸化スズ及び酸化亜鉛のいずれか一を含む導電膜等を用いることができる。
本実施の形態の変形例である光電変換素子の構成と、その作製方法について図6を参照して説明する。本実施の形態の変形例である光電変換素子600の構成を図6(D)に示す。図6(D)に示す光電変換素子600と、図5(D)に例示する光電変換素子500は、微細周期構造の構成および作製方法が異なる。よって、ここでは光電変換素子600の微細周期構造の構成および作製方法について主に説明し、光電変換素子500と同様の材料、方法及び条件を用いて形成することができる他の部分については、光電変換素子500の記載を参酌する。
光電変換素子600は、光電変換素子500と同様に基板上に形成する。光電変換素子600を形成する基板650は、光電変換素子500と同様の基板を用いることができる。また、基板650の一方の面には、光電変換素子500と同様の方法を用いてマイクロテクスチャの母型となる構造を形成する。
次に、光電変換素子500と同様の方法を用いてマイクロテクスチャの母型となる構造に導電膜を成膜し、反射電極621を形成する。この段階の構成を図6(A)に示す。
次に、光電変換素子500と同様の方法を用いて反射電極621上にn型の非晶質のシリコン半導体からなる第2の半導体層602を形成し、第2の半導体層602上にi型の非晶質のシリコン半導体からなる光電変換層603を形成する。
次に、第1の半導体層601に接して第1の電極611を形成する。第1の電極611は、光電変換層603が吸収する光に対して透光性を有する導電膜を用いて形成する。例えば、インジウム錫酸化物、酸化スズ及び酸化亜鉛のいずれか一を含む導電膜等を用いることができる。この段階の構成を図6(C)に示す。
<変形例の微細周期構造の形成方法>
次に、第1の電極611に接して微細周期構造610を形成する。微細周期構造610はあらかじめ微細周期構造が形成されたフィルムを第1の電極611に接着剤を用いて貼付して形成すればよい。なお、フィルムに微細周期構造を形成する方法としては、電子線や紫外線を用いて形成したレジストマスクを用いて原版を作製し、当該原版を用いて熱可塑性の樹脂又は光硬化性の樹脂等を成型する方法、所謂ナノインプリント法を用いて形成することができる。
101 半導体層
102 半導体層
103 光電変換層
110 微細周期構造
111 電極
112 配線
121 反射電極
121a 導電膜
121b 導電膜
121c 導電膜
200 光電変換素子
201 半導体層
202 半導体層
203 光電変換層
210 微細周期構造
211 電極
212 配線
220 マイクロテクスチャ構造
221 反射電極
221a 導電膜
221b 導電膜
221c 導電膜
300 光電変換素子
301 半導体層
302a 半導体層
302b 半導体層
303 光電変換層
310 微細周期構造
311 電極
312 配線
320 マイクロテクスチャ構造
321 反射電極
321a 導電膜
321b 導電膜
321c 導電膜
400 光電変換素子
401 半導体層
402a 半導体層
402b 半導体層
403 光電変換層
410 微細周期構造
411 電極
412 配線
420 マイクロテクスチャ構造
421 反射電極
500 光電変換素子
501 半導体層
502 半導体層
503 光電変換層
510 微細周期構造
511 電極
512 配線
520 マイクロテクスチャ構造
521 反射電極
550 基板
600 光電変換素子
601 半導体層
602 半導体層
603 光電変換層
610 微細周期構造
611 電極
612 配線
620 マイクロテクスチャ構造
621 反射電極
650 基板
Claims (5)
- 光電変換層と、
前記光電変換層の受光面の側に微細周期構造と、
前記光電変換層の他方の面の側にマイクロテクスチャ構造と、
前記マイクロテクスチャ構造に接する反射電極と、を有し、
前記微細周期構造は、アスペクト比が3以上15以下の微細構造物を、60nm以上500nm以下の周期で備え、
前記マイクロテクスチャ構造は、アスペクト比が0.5以上3以下の構造物を、2μm以上100μm以下の周期で備え、
前記反射電極は反射率が10%以上100%未満である光電変換素子。 - 前記光電変換層に侵入する光のうち、光電変換に寄与する光の波長を有する光の10%以上99%以下が、反射電極に到達する請求項1記載の光電変換素子。
- 前記マイクロテクスチャ構造が光電変換層の受光面に対し8°以上45°未満又は49°以上90°未満の角をなす面を備える請求項1又は請求項2記載の光電変換素子。
- 前記微細周期構造が一導電型を有する半導体からなり、
前記マイクロテクスチャ構造が一導電型とは逆の導電型を有する半導体からなる
請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の光電変換素子。 - 前記光電変換層が単結晶シリコン基板を含み、
前記マイクロテクスチャ構造が前記単結晶シリコンの結晶方位に沿った面を備える、請求項1乃至請求項4のいずれか一に記載の光電変換素子。
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