JP2014053422A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の歩留まりが向上される光電変換装置、を提供する。
【解決手段】光電変換装置１０は、５０μｍ以下の厚みを有し、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰを主成分とする単結晶の化合物半導体層１２と、化合物半導体層１２の表面１２ａに形成され、ＡｕまたはＡｇを主成分とする表面電極１３と、化合物半導体層１２の裏面１２ｂに形成される裏面電極１４とを有する。裏面電極１４は、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を主成分とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、光電変換装置に関し、より特定的には、太陽電池として利用される光電変換装置に関する。

従来の光電変換装置に関して、たとえば、特開２００８−１５９８７９号公報には、太陽電池の裏面電極形成に伴う半導体基板の反りを抑制し、かつ面抵抗が小さく、密着強度が高い裏面電極を形成することを目的とした、光電変換素子が開示されている（特許文献１）。

図７は、特許文献１に開示された光電変換素子の一態様としての太陽電池を示す断面図である。図７を参照して、太陽電池１１０は、半導体基板１０１と、半導体基板１０１の表面側（受光面側）に形成されてなり、ｎ型不純物を有するｎ^＋層１０２と、半導体基板１０１の裏面側に形成されてなり、ｐ型不純物を有するｐ^＋層１０３と、ｎ^＋層１０２の表面に形成されてなり、Ａｇ等からなる受光面電極（表面電極）１０４と、半導体基板１０１の裏面側にｐ^＋層１０３を介在させて形成されてなる、Ａｌ合金からなる裏面電極１０５とから、主として構成されている。

半導体基板１０１としては、たとえば、外形が１５０ｍｍ□の、Ｂ（ボロン）などがｐ型のドーパントとして添加されてなる多結晶Ｓｉのインゴットを１５０〜２００μｍの範囲内の任意の厚みにスライシング加工したものが用いられる。ｎ^＋層１０２は、半導体基板１０１の一方の主面側に、公知のイオン打ち込み法によってＰ（リン）を打ち込むことによって形成される。

裏面電極１０５は、高純度Ａｌ粉末を含む導電性ペーストを用いて印刷法により形成される。具体的には、ｎ^＋層１０２を形成した後の半導体基板１０１の略全面にスクリーン印刷法により導電性ペーストを塗布し、１５０℃、数分間の乾燥処理を施した後、空気中で最高温度が７００〜８５０℃の焼成温度で１〜３０分間程度焼成することによって、裏面電極１０５が形成される。高純度Ａｌ粉末を含む導電性ペーストを用いて形成された裏面電極１０５のヤング率は、４０ＧＰａ以下である。

特開２００８−１５９８７９号公報

上述の特許文献１に開示された太陽電池においては、半導体基板１０１の厚みが１５０〜２００μｍと厚く、基板の強度も高くて十分に硬いため、半導体基板１０１と、半導体基板１０１との接触面積が小さい受光面電極（表面電極）１０４との熱線膨張係数の差により発生する反りを実質的に無視することができる。この場合、半導体基板１０１と、半導体基板１０１との接触面積が大きい裏面電極１０５との熱線膨張係数の差による反りが支配的となる。特許文献１に開示された太陽電池では、裏面電極１０５のヤング率を小さく柔らかい材料に変更することによって、光電変換装置の反りを低減している。

しかしながら、たとえば、ＧａＡｓ単結晶の半導体基板であって、その厚みが５０μｍ以下であると、基板の強度も低くて柔らかいため、半導体基板と、半導体基板との接触面積が小さい表面電極との熱線膨張係数の差により発生する反りも無視することができない。この場合、裏面電極に比較的に柔らかいヤング率が４０ＧＰａ以下の材料を使用すると、たとえ半導体基板と裏面電極との線膨張係数の差がない材料であったとしても、裏面電極が柔らかい故に、光電変換装置に反りが発生してしまう。これにより、その後の工程において、ハンドリングミスが生じ易くなり、太陽電池素子に割れや欠けが発生し、製造歩留まりを低下するという懸念が生じる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、製造時の歩留まりが向上される光電変換装置を提供することである。

この発明に従った光電変換装置は、５０μｍ以下の厚みを有し、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰを主成分とする単結晶の化合物半導体層と、化合物半導体層の表面に形成され、ＡｕまたはＡｇを主成分とする表面電極と、化合物半導体層の裏面に形成され、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を主成分とする裏面電極とを備える。

このように構成された光電変換装置によれば、光電変換装置に反りが発生することを抑制することで、製造時の歩留まりを向上させることができる。

また好ましくは、化合物半導体層は、さらに２μｍ以上の厚みを有する。このように構成された光電変換装置によれば、化合物半導体層における光の吸収が不十分なことに起因する光電変換効率の劣化を防ぐことができる。

また好ましくは、裏面電極は、３μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有する。このように構成された光電変換装置によれば、裏面電極を化合物半導体層の支持体として十分に機能させるとともに、裏面電極の形成時に光電変換装置に反りが発生することを抑制できる。

また好ましくは、裏面電極は、メッキ法により形成されている。このように構成された光電変換装置によれば、裏面電極の形成時の成膜温度が低く抑えられるため、光電変換装置に反りが発生することを抑制できる。

また好ましくは、裏面電極は、その主成分として、ＰｔまたはＰｄを含む。このように構成された光電変換装置によれば、主成分としてＰｔまたはＰｄを含む裏面電極を備えた光電変換装置において、上記効果を奏することができる。

また好ましくは、化合物半導体層の表面および裏面を平面視した場合に、裏面電極は、表面電極よりも大きい面積を有する。このように構成された光電変換装置によれば、表面電極の形成時に、光電変換装置に反りが発生することをより確実に防ぐことができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、製造時の歩留まりが向上される光電変換装置を提供することができる。

この発明の実施の形態における光電変換装置を示す断面図である。 図１中の矢印ＩＩに示す方向（表面電極側）から見た光電変換装置を示す平面図である。 図１中の光電変換装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。 図１中の光電変換装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。 図１中の光電変換装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。 実施例および比較例における光電変換装置の製造歩留まりを示す表である。 特許文献１に開示された光電変換素子の一態様としての太陽電池を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における光電変換装置を示す断面図である。図２は、図１中の矢印ＩＩに示す方向（表面電極１３側）から見た光電変換装置を示す平面図である。

図１および図２を参照して、まず、この発明の実施の形態における光電変換装置の基本的な構造について説明すると、本実施の形態における光電変換装置１０は、５０μｍ以下の厚みを有し、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰを主成分とする単結晶の化合物半導体層１２と、化合物半導体層１２の表面１２ａに形成され、ＡｕまたはＡｇを主成分とする表面電極１３と、化合物半導体層１２の裏面１２ｂに形成される裏面電極１４とを有する。裏面電極１４は、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を主成分とする。

続いて、図１および図２中に示す光電変換装置１０の構造について詳細に説明する。
化合物半導体層１２は、表面１２ａと、表面１２ａの裏側に配置される裏面１２ｂとを有する平板形状を有する。化合物半導体層１２は、ｐｎ接合を含む単結晶の化合物半導体層である。化合物半導体層１２は、ｐｎ接合を含む多層膜からなる単結晶の化合物半導体層であってもよい。化合物半導体層１２は、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰから形成されている。

化合物半導体層１２は、２μｍ以上５０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。化合物半導体層１２が２μｍ未満の厚みを有する場合、化合物半導体層１２における光の吸収が不十分となって、光電変換効率が損なわれる懸念がある。化合物半導体層１２が５０μｍを超える厚みを有する場合、光電変換装置１０の重量が増す一方で、光電変換効率は頭打ちになるため、単位重量当たりの光電変換効率が低下してしまう。

化合物半導体層１２は、３μｍ以上１０μｍ以下の厚みを有することがさらに好ましい。

表面電極１３は、化合物半導体層１２の表面１２ａに形成されている。表面電極１３は、櫛型形状を有する。本発明においては、当該櫛型形状に限定されず、表面電極１３の形状として、光電変換装置として機能する全ての電極形状を採用することができる。表面電極１３は、ＡｕまたはＡｇから形成されている。

裏面電極１４は、化合物半導体層１２の裏面１２ｂに形成されている。裏面電極１４と表面電極１３とは、化合物半導体層１２を介して対向して配置されている。裏面電極１４は、裏面１２ｂの全面に形成されている。本発明においては、当該全面電極の形状に限定されず、裏面電極１４の形状として、光電変換装置として機能する全ての電極形状を採用することができる。

裏面電極１４は、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を主成分として形成されている。裏面電極１４を形成する材料の一例として、５００ｎｍ以下の厚みを有するＮｉ、ＴｉまたはＡｕ膜と、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＲｈまたはＰｄからなる導電膜との積層構造を挙げることができる。

裏面電極１４は、３μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。裏面電極１４が３μｍ未満の厚みを有する場合、裏面電極１４を化合物半導体層１２の支持体として十分に機能させることができない。裏面電極１４が２５μｍを超える厚みを有する場合、化合物半導体層１２と裏面電極１４との熱線膨張係数の微小な差異に起因して、化合物半導体層１２が湾曲する懸念がある。

裏面電極１４は、５μｍ以上２０μｍ以下の厚みを有することがさらに好ましい。
表面電極１３および裏面電極１４は、化合物半導体層１２と接触している。本実施の形態における光電変換装置１０においては、化合物半導体層１２に接触している表面電極１３の面積が、化合物半導体層１２に接触している裏面電極１４の面積よりも小さい。化合物半導体層１２の表面１２ａおよび裏面１２ｂを平面視した場合に、裏面電極１４は、表面電極１３よりも大きい面積を有する。

続いて、図１中の光電変換装置１０の製造方法の工程について説明する。図３から図５は、図１中の光電変換装置の製造方法の工程を順に示す断面図である。

図３を参照して、半導体基板１５を準備し、その半導体基板１５の主面上に化合物半導体層１２を積層する。化合物半導体層１２の裏面１２ｂ上に裏面電極１４を形成する。

半導体基板１５としては、ＳｉまたはＧｅなどの元素単体の半導体基板が用いられる。半導体基板１５として、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板が用いられてもよい。半導体基板１５は、単結晶半導体基板であることが好ましい。この場合、当該半導体基板１５上に容易に単結晶半導体層をエピタキシャル成長して積層することができる。

化合物半導体層１２の形成に際しては、たとえば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy）法などが利用される。化合物半導体層１２は、後に続く工程で半導体基板１５の全てまたはその一部を除去するために歪の小さいエピタキシャル層であることが好ましい。

裏面電極１４の形成に際しては、たとえば、通常の蒸着法、蒸着法およびメッキ法、スパッタ法、ならびに金属膜成膜後のシンター法が利用される。また、その他の通常の電極形成法が利用される。

より好ましくは、蒸着法およびメッキ法の組み合わせによって、裏面電極１４が形成される。この場合、まず、メッキの給電電極となる、たとえば１００〜２００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜を蒸着法により形成する。その給電電極上に、メッキ法により裏面電極１４を形成する。メッキ法により裏面電極１４を形成することにより、電極形成時の成膜温度が常温に近くなるため、裏面電極１４と化合物半導体層１２との線膨張係数の差異の影響を最小化することができる。

図４を参照して、表面電極１３の形成および他の半導体プロセスを歩留まりよく実施することを目的に、両面テープ１７を介して支持基板１６と裏面電極１４とを貼り合わせる。支持基板１６としては、適当な硬度を有する基板が好適に利用され、たとえばサファイヤ基板が利用される。両面テープ１７としては、たとえば、日東電工社製のリバアルファ熱剥離シートが利用される。

図５を参照して、不要な半導体基板１５をエッチングにより除去して、化合物半導体層１２の表面１２ａを露出させる。半導体基板１５の除去には、エッチングリフトオフ法などのプロセスが利用される。

蒸着法などにより、化合物半導体層１２の表面１２ａ上に表面電極１３を形成する。表面電極１３の形成に際しては、蒸着法に限られず、当該分野で利用される電極形成方法が利用される。さらに表面電極１３を櫛型に形成するに際しては、公知の方法を用いることができる。一例として、化合物半導体層１２を所望する形状を有するマスクを介してエッチングし、当該エッチング部分に表面電極１３を形成するなどの方法が挙げられる。

以上の工程により、図１中に示す光電変換装置１０が完成する。
本実施の形態における光電変換装置１０においては、表面電極１３を形成する材料として、ＡｕまたはＡｇが用いられている。ＡｕやＡｇは、電気抵抗が小さく、オーミック電極材料として利用される。しかしながら、Ａｕの線膨張係数が１４．２^−６／Ｋであり、Ａｇの線膨張係数が１９．３^−６／Ｋである一方、化合物半導体層１２を形成するＧａＡｓの線膨張係数は５．７^−６／Ｋであり、化合物半導体層１２を形成するＧａＩｎＰの線膨張係数は４．９〜５．２^−６／Ｋであり、両者の差は大きい。このため、熱処理工程が加わる、または電極形成時に高温になった場合に、表面電極１３と化合物半導体層１２との線膨張係数の差による応力が発生する。

化合物半導体層１２が十分に大きい厚みを有する場合、化合物半導体層１２内に線膨張係数の差による応力が内包され、反りはほとんど観測されない。しかしながら、化合物半導体層１２が５０μｍ以下の厚みを有する場合、化合物半導体層１２内に線膨張係数の差による応力が内包されず、反りとして観測されるようになる。このため、反りを内包させるための化合物半導体層１２よりもヤング率の高い硬い他の材料が必要になる。

これに対して、本実施の形態における光電変換装置１０においては、化合物半導体層１２を介して表面電極１３の裏側に配置される裏面電極１４を、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料から形成する。このような構成により、化合物半導体層１２と表面電極１３との線膨張係数の差によって発生する応力を、高いヤング率を有する裏面電極１４で内包させることが可能となる。これにより、光電変換装置１０の製造時に、光電変換装置１０に発生する反りを低減することができる。

また、本実施の形態では、裏面電極１４を形成する材料が、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有する。このような構成により、化合物半導体層１２の裏面１２ｂに裏面電極１４を形成する際に、裏面電極１４と化合物半導体層１２との間の線膨張係数の差に起因して過大な応力が発生することを抑制できる。これにより、光電変換装置１０の製造時に、光電変換装置１０に発生する反りを低減することができる。

このように構成された、この発明の実施の形態における光電変換装置１０によれば、光電変換装置１０に発生する反りを低減することによって、光電変換装置１０の製造プロセスにおける化合物半導体層１２の割れや欠けを防止することができる。これにより、光電変換装置１０の製造時の歩留まりを向上させることができる。

続いて、図１中の光電変換装置１０によって上記作用効果が奏されることを確認するための実施例について説明する。

本実施例では、以下に説明する工程により、図１中の光電変換装置１０を作製した。まず、図３に示すように、Ｇｅ材料を用いた半導体基板１５上に、有機金属気相積層（ＭＯＣＶＤ）法により、化合物半導体層１２をエピタキシャル成長させた。化合物半導体層１２は、厚み１μｍを有するｎ型ＧａＡｓ層と、厚み３μｍを有するｐ型ＧａＡｓ層とからなる多層構造とした。光電変換装置１０を太陽電池として機能させる場合は、化合物半導体層１２が２μｍ以上の総厚みを有すればよい。

次に、化合物半導体層１２の裏面１２ｂに裏面電極１４を形成した。具体的には、蒸着法およびメッキ法を用いた。通常のＥＢ（Electron‐Beam）蒸着法により、真空度２×１０^−５Ｐａの条件下で、メッキの給電電極となるＡｕ膜（厚み１００ｎｍ）を形成した。次に、ＥＥＪＡ製パラジウムメッキ液ＬＦ−５を使用し、電流密度１Ａ／ｄｍ^２で６０分間通電することにより、Ｐｄ膜を１５μｍの全面電極として形成し、これを裏面電極１４とした。

次に、図４に示すように、通常の市販の貼り合わせ装置を用いて、裏面電極１４と、サファイヤ基板からなる支持基板１６とを日東電工社製のリバアルファ熱剥離シートからなる両面テープ１７を介して貼り合わせた。

次に、図５に示すように、不要な半導体基板１５をエッチングにより除去した。この際、フッ酸エッチャント（ＨＦ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１：１：１０）に約３０分浸漬することにより半導体基板１５をエッチング除去した。

次に、表面電極１３を形成した。具体的には、フォトリソグラフィ法と蒸着工程法とリフトオフ法と熱処理とを組み合わせて、銀（Ａｇ）から形成された表面電極１３を、化合物半導体層１２の表面１２ａ上に形成した。最後に先の工程で得られた製造物を１５０℃のオーブンに投入し、リバアルファ熱剥離シートを熱剥離して支持基板１６を分離することによって、図１中の光電変換装置１０を完成させた。

本実施例によれば、この後のインターコネクタ接続およびカバーガラス貼り付けを含めた製造歩留りが８５％となり、高い歩留りで光電変換装置１０を製造することができた。

図６は、実施例および比較例における光電変換装置の製造歩留まりを示す表である。さらに、他の材料を用いて裏面電極１４を形成した場合の製造歩留りの結果を、図６に示した。図６に示すように、裏面電極１４が、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料から形成されている場合に、８０％以上の製造歩留まりが確保されることを確認できた。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、宇宙用（人工衛星搭載用）の太陽電池に利用される。

１０ 光電変換装置、１２ 化合物半導体層、１２ａ 表面、１２ｂ 裏面、１３ 表面電極、１４ 裏面電極、１５ 半導体基板、１６ 支持基板、１７ 両面テープ。

Claims (6)

1. ５０μｍ以下の厚みを有し、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰを主成分とする単結晶の化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層の表面に形成され、ＡｕまたはＡｇを主成分とする表面電極と、
   前記化合物半導体層の裏面に形成され、３×１０^−６（１／Ｋ）以上１２×１０^−６（１／Ｋ）以下の線膨張係数を有し、かつ、１００ＧＰａ以上のヤング率を有する材料を主成分とする裏面電極とを備える、光電変換装置。
2. 前記化合物半導体層は、さらに２μｍ以上の厚みを有する、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記裏面電極は、３μｍ以上２５μｍ以下の厚みを有する、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記裏面電極は、メッキ法により形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記裏面電極は、その主成分として、ＰｔまたはＰｄを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記化合物半導体層の表面および裏面を平面視した場合に、前記裏面電極は、前記表面電極よりも大きい面積を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。

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