JP2016092243A - Photoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element suitable for irradiation of a monochromatic light with high efficiency.SOLUTION: A photoelectric conversion element 10 comprises: a light absorption member 12; a band-pass filter 14 that is formed to a front surface of a light-receiving surface side of the light absorption member 12; a surface electrode 16 that is formed to a circumference of the band-pass filter 14; a diffusion reflection surface 12b that is the front surface of a back surface side of the light absorption member 12, and is formed at a position opposite to the band-pass filter 14 and the surface electrode 16; and a back surface electrode 18 that is formed so as to cover a whole or a part of the front surface of the diffusion reflection surface 12b. The band-pass filter 14 has a function for selectively transmitting a monochromatic light of at least wavelength λ. The diffusion reflection surface 12b has a function for diffusing an incident light in a parallel direction to the light-receiving surface by a multiple reflection. Each of the surface electrode 16 and the back surface electrode 18 has a function as a collector extracting a carrier, and a function as a reflection coating for reflecting the incident light.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光電変換素子に関し、さらに詳しくは、単色光(例えば、太陽光励起レーザーからの10W/cm2以上、特に〜1kW/cm2以上の高パワー密度を持つ単色光)のエネルギーを電気エネルギーに変換するのに適した光電変換素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element, and more specifically, the energy of monochromatic light (for example, monochromatic light having a high power density of 10 W / cm 2 or more, particularly ˜1 kW / cm 2 or more from a solar light excitation laser) is converted into electric energy. The present invention relates to a photoelectric conversion element that is suitable for conversion into a light source.

非特許文献1には、従来から宇宙用太陽電池として用いられている砒化ガリウム太陽電池を用いて、半導体レーザーからの波長808nmの光を電気エネルギーに変換する試みが記載されている。しかし、既製の形の素子の組み合わせであるため、変換効率が不十分との問題点が指摘されている。   Non-Patent Document 1 describes an attempt to convert light having a wavelength of 808 nm from a semiconductor laser into electric energy using a gallium arsenide solar cell that has been conventionally used as a solar cell for space use. However, it is pointed out that the conversion efficiency is insufficient due to the combination of the ready-made elements.

一方、従来型の太陽電池においても、変換効率を高める努力がなされている。従来型の太陽電池の変換効率を向上させる方法としては、具体的には、以下のような方法が知られている。
(A)光閉じ込め技術を用いて変換効率を高める方法。
(B)キャリアの再結合を抑制する方法。
(C)半導体基板と電極との界面でのショットキー接合の形成を回避する方法。
On the other hand, efforts are also being made to increase conversion efficiency in conventional solar cells. Specifically, the following methods are known as methods for improving the conversion efficiency of a conventional solar cell.
(A) A method of increasing the conversion efficiency using an optical confinement technique.
(B) A method of suppressing carrier recombination.
(C) A method for avoiding the formation of a Schottky junction at the interface between the semiconductor substrate and the electrode.

(A)光閉じ込め技術:
従来型の太陽電池においては、受光面における光の反射を抑制するために、半導体基板の受光面に凹凸構造を設けることが行われている。受光面に凹凸構造を設けると、受光面の凸部で反射された光が隣接する凸部に再吸収される。このような受光面に設ける凹凸構造及びその製造方法については、種々の提案がなされている。
(A) Optical confinement technology:
In a conventional solar cell, an uneven structure is provided on the light receiving surface of a semiconductor substrate in order to suppress light reflection on the light receiving surface. When the concavo-convex structure is provided on the light receiving surface, the light reflected by the convex portions of the light receiving surface is reabsorbed by the adjacent convex portions. Various proposals have been made for the concavo-convex structure provided on such a light-receiving surface and the manufacturing method thereof.

例えば、非特許文献2には、光閉じ込め技術として、1mm2当たり2500個の規則正しい逆ピラミッドからなる無反射表面形状が記載されている。また、特許文献1には、無反射表面形状を、フォトエッチング法で作製することが記載されている。
特許文献2には、均一な無反射表面形状(ピラミッド構造)を、フォトマスクを用いずに形成できるエッチング液として、モノスルホン酸又はこれらの塩、アルカリ化合物、及び、水を含むアルカリエッチング液が開示されている。
For example, Non-Patent Document 2 describes a non-reflective surface shape composed of 2500 regular inverted pyramids per 1 mm 2 as an optical confinement technique. Patent Document 1 describes that a non-reflective surface shape is produced by a photoetching method.
Patent Document 2 discloses an alkali etching solution containing monosulfonic acid or a salt thereof, an alkali compound, and water as an etching solution that can form a uniform non-reflective surface shape (pyramid structure) without using a photomask. It is disclosed.

特許文献3には、凹凸構造を形成する方法として、
(a)ワイヤースライス、サンドブラスト、サンドペーパー研磨等の機械的ダメージ形成方法、あるいは不純物拡散、イオン衝撃、ラジカル照射等の化学的ダメージ形成方法によって、半導体基板の表面にダメージ層を形成し、
(b)次いで、半導体基板の表面に酸エッチングを施す
方法が開示されている。
特許文献4には、凹凸構造を形成する方法として、
(a)シリコン基板の表面にレーザー光を照射することで溝を形成し、
(b)フッ酸:硝酸=3〜10:1の割合で含まれる酸による化学エッチングで凹凸を形成する
方法が開示されている。
In Patent Document 3, as a method of forming an uneven structure,
(A) A damage layer is formed on the surface of the semiconductor substrate by a mechanical damage formation method such as wire slicing, sandblasting, sandpaper polishing, or chemical damage formation method such as impurity diffusion, ion bombardment, radical irradiation,
(B) Next, a method for performing acid etching on the surface of a semiconductor substrate is disclosed.
In Patent Document 4, as a method of forming an uneven structure,
(A) A groove is formed by irradiating the surface of the silicon substrate with laser light,
(B) A method of forming irregularities by chemical etching with an acid contained in a ratio of hydrofluoric acid: nitric acid = 3 to 10: 1 is disclosed.

(B)キャリアの再結合の抑制:
従来型の多くの太陽電池では、例えば、特許文献1に開示されているように、半導体基板の受光面側に、半導体基板の伝導型とは異なる伝導型の第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。半導体基板の表面にエミッタ層を形成すると、両者の界面にはpn接合面が形成される。pn接合面は、光によって生成したキャリアを太陽電池の2つの電極(+電極と、−電極)のそれぞれの方向に向かって分離・加速移動させる原動力となる。光によって生成したキャリアの密度は、受光面に近い部分で大きいため、エミッタ層を受光面側に設けることにより、2つの電極から効率よくキャリアを取り出すことができる。
(B) Suppression of carrier recombination:
In many conventional solar cells, for example, as disclosed in Patent Document 1, a first diffusion layer (emitter layer) having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate is provided on the light receiving surface side of the semiconductor substrate. Is formed. When the emitter layer is formed on the surface of the semiconductor substrate, a pn junction surface is formed at the interface between the two. The pn junction surface serves as a driving force for separating and accelerating the carriers generated by light in the respective directions of the two electrodes (+ electrode and −electrode) of the solar cell. Since the density of carriers generated by light is large near the light-receiving surface, carriers can be efficiently extracted from the two electrodes by providing the emitter layer on the light-receiving surface side.

また、pn接合面を受光面に近い部分に設けた太陽電池では、半導体基板の受光面とは反対側の面(裏面)に、第2の拡散層(バックサーフェースフィールド(BSF)層)を設けることが多い。BSF層とは、半導体基板の伝導型と同じ伝導型となる不純物を高濃度にドーピングした層をいう。BSF層は、半導体基板が光を吸収することによって生じた少数キャリアであって、本来ならば受光面近傍に設けたpn接合面の方向に拡散移動すべきものが、裏面に設けた電極方向に拡散移動するのを抑制する(半導体基板側に追い返す)働きをする。   In a solar cell in which a pn junction surface is provided near the light receiving surface, a second diffusion layer (back surface field (BSF) layer) is provided on the surface (back surface) opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate. Often provided. The BSF layer refers to a layer doped with a high concentration of impurities having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate. The BSF layer is a minority carrier generated when the semiconductor substrate absorbs light, and is originally diffused in the direction of the pn junction surface provided in the vicinity of the light receiving surface, but diffused in the direction of the electrode provided on the back surface. It works to suppress movement (return to the semiconductor substrate side).

一方、特許文献5には、第1の拡散層と第2の拡散層の双方を、半導体基板の裏面側に形成した太陽電池が開示されている。太陽電池の電極には、一般に金属電極が用いられるが、金属電極は光を太陽電池外に反射する。第1の拡散層と第2の拡散層をともに裏面に形成することにより、受光面側に電極を設けずに済むので、電極が光を反射することに起因する効率の減少をある程度抑制することができる。   On the other hand, Patent Document 5 discloses a solar cell in which both a first diffusion layer and a second diffusion layer are formed on the back side of a semiconductor substrate. A metal electrode is generally used as the electrode of the solar cell, but the metal electrode reflects light to the outside of the solar cell. By forming both the first diffusion layer and the second diffusion layer on the back surface, it is not necessary to provide an electrode on the light receiving surface side, so that the decrease in efficiency due to the electrode reflecting light is suppressed to some extent. Can do.

このような第1及び第2の拡散層は、一般に、不純物ドーピング法によって形成される。拡散層を形成する方法としては、種々の方法が知られている。
例えば、非特許文献3には、
(a)不純物を含む塗布液を半導体基板に塗布し、熱処理によってドープする方法、
(b)半導体基板を電気炉等の内部に挿入し、電気炉中に不純物を含む気体を送り込み、電気炉中で気体が分解されて生じた不純物原子を半導体基板中に拡散させる方法(気相拡散法)
が開示されている。
気相拡散法には、
(a)不純物源として、不純物原子を文字通りその分子内に持つ気体を用いる方法、
(b)不純物源は液体であるが、窒素等のキャリアガスを不純物源に通すことによって不純物源のガスをキャリアガスに含ませ、これを半導体基板の表面に供給する方法、
などがある。
Such first and second diffusion layers are generally formed by an impurity doping method. Various methods are known as a method of forming the diffusion layer.
For example, Non-Patent Document 3 includes
(A) A method of applying a coating solution containing impurities to a semiconductor substrate and doping by heat treatment,
(B) A method of inserting a semiconductor substrate into an electric furnace or the like, feeding a gas containing impurities into the electric furnace, and diffusing impurity atoms generated by the decomposition of the gas in the electric furnace (gas phase Diffusion method)
Is disclosed.
For vapor phase diffusion,
(A) a method using a gas having an impurity atom literally in its molecule as an impurity source;
(B) Although the impurity source is a liquid, the carrier gas such as nitrogen is passed through the impurity source so that the impurity source gas is included in the carrier gas and supplied to the surface of the semiconductor substrate.
and so on.

シリコンにn型不純物であるリンをドーピングする場合を例にとると、
(a)リンを含む液状の有機化合物をスピナーでウェハ上に塗布し、800℃で熱処理する方法(特許文献6)、
(b)五酸化二リン(P25)を含む塗布液をウェハ上に塗布し、800〜1200℃で熱処理する方法(特許文献7)、
などが知られている。
For example, when silicon is doped with phosphorus, which is an n-type impurity,
(A) A method in which a liquid organic compound containing phosphorus is applied onto a wafer with a spinner and heat-treated at 800 ° C. (Patent Document 6),
(B) A method in which a coating solution containing diphosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) is applied on a wafer and heat-treated at 800 to 1200 ° C. (Patent Document 7),
Etc. are known.

さらに、イオン注入法は、不純物をイオンの形で加速し、半導体基板に注入する方法である。イオン注入法は、大規模集積回路(LSI)等で、浅い不純物層を、不純物濃度と深さを精密にコントロールして形成する方法として一般的であるが、光電変換素子(太陽電池)の製造に用いられた例も知られている(特許文献8)。   Further, the ion implantation method is a method in which impurities are accelerated in the form of ions and implanted into a semiconductor substrate. The ion implantation method is generally used as a method of forming a shallow impurity layer with precise control of impurity concentration and depth in a large-scale integrated circuit (LSI) or the like, but manufacturing a photoelectric conversion element (solar cell). The example used for this is also known (Patent Document 8).

(C)ショットキー接合の形成の回避:
電極/半導体基板の界面にショットキー接合が形成されると、変換効率が低下する。そのため、光電変換素子においては、ショットキー接合の形成を回避する必要がある。
ショットキー接合の形成の回避に関しては、一般に、半導体基板の組成に応じて、最適な電極材料を選択する方法が採られる。例えば、半導体基板がシリコンであり、かつ、裏面側に第2の拡散層を形成する場合、第2の拡散層に接続する電極材料には、アルミニウムが用いられる(非特許文献4)。
(C) Avoidance of Schottky junction formation:
When a Schottky junction is formed at the electrode / semiconductor substrate interface, conversion efficiency decreases. Therefore, in the photoelectric conversion element, it is necessary to avoid the formation of a Schottky junction.
In order to avoid the formation of the Schottky junction, generally, a method of selecting an optimum electrode material according to the composition of the semiconductor substrate is employed. For example, when the semiconductor substrate is silicon and the second diffusion layer is formed on the back surface side, aluminum is used as an electrode material connected to the second diffusion layer (Non-Patent Document 4).

上述したように、従来型の太陽電池において、変換効率を向上させるための種々の方法が提案されている。しかしながら、これらの技術を単色光用の太陽電池にそのまま転用するだけでは、高い変換効率は得られない。
さらに、入射光として単色光を用い、かつ、光吸収部材の受光面とは反対側の面に凹凸構造(拡散反射面)を設けた光電変換素子、並びに、このような光電変換素子にとって理想的な凹凸構造及びその製造方法が提案された例は、従来にはない。
As described above, in the conventional solar cell, various methods for improving the conversion efficiency have been proposed. However, high conversion efficiency cannot be obtained simply by diverting these techniques to a monochromatic solar cell.
Furthermore, a photoelectric conversion element using monochromatic light as incident light and having a concavo-convex structure (diffuse reflection surface) on the surface opposite to the light receiving surface of the light absorbing member, and ideal for such a photoelectric conversion element There has never been proposed an example of a concavo-convex structure and a manufacturing method thereof.

特開2000−022185号公報JP 2000-022185 A 特開2013−236027号公報JP 2013-236027 A 特開2005−340643号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-340643 特開2003−258285号公報JP 2003-258285 A 特開2013−183004号公報JP 2013-183004 A 特開2013−012532号公報JP 2013-012532 A 特開2011−171600号公報JP 2011-171600 A 特開2013−197538号公報JP 2013-197538 A

河島 信樹、「ワイヤレスエネルギー伝送技術−4、レーザーによる伝送技術」、電気学会誌、129巻、第7号、422頁〜425頁(2009)Nobuki Kawashima, “Wireless Energy Transmission Technology-4, Laser Transmission Technology”, The Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 129, No. 7, pages 422-425 (2009) 上村 邦夫、佐賀 達男、松谷 壽信、「宇宙用単結晶シリコン太陽電池」、シャープ技報、第70号、59頁〜64頁(2009)Kunio Uemura, Tatsuo Saga, Yasunobu Matsutani, “Single-crystal silicon solar cell for space use”, Sharp Technical Report, No. 70, pp. 59-64 (2009) S.M.ジー、「半導体デバイス 第2版 基礎理論とプロセス技術」(産業図書、2004)、第13章 不純物ドーピング、pp.402−434S. M.M. G, “Semiconductor Devices 2nd Edition, Basic Theory and Process Technology” (Industry Books, 2004), Chapter 13 Impurity doping, pp. 402-434 社団法人日本セラミックス協会編集、「太陽電池材料」(日刊工業新聞社、2006)Edited by the Ceramic Society of Japan, “Solar Cell Materials” (Nikkan Kogyo Shimbun, 2006)

本発明が解決しようとする課題は、単色光の照射に適した高効率の光電変換素子を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、入射光として単色光を用い、かつ、光吸収部材の受光面とは反対側の面に凹凸構造を設けた光電変換素子において、高い変換効率を得るのに適した凹凸構造を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような光電変換素子において、キャリアの再結合を抑制し、かつ、光吸収部材/電極界面におけるショットキー結合の形成を回避することにある。
An object of the present invention is to provide a highly efficient photoelectric conversion element suitable for monochromatic light irradiation.
Another problem to be solved by the present invention is a high conversion efficiency in a photoelectric conversion element using monochromatic light as incident light and having a concavo-convex structure on the surface opposite to the light receiving surface of the light absorbing member. It is an object of the present invention to provide a concavo-convex structure suitable for obtaining the above.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to suppress the carrier recombination and avoid the formation of a Schottky bond at the light absorbing member / electrode interface in such a photoelectric conversion element. .

上記課題を解決するために本発明に係る光電変換素子は、以下の構成を備えている。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つ。
(4)前記拡散反射面は、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
In order to solve the above problems, a photoelectric conversion element according to the present invention has the following configuration.
(1) The photoelectric conversion element includes a light-absorbing member made of a light-absorbing material capable of absorbing monochromatic light having a wavelength λ 0 and generating carriers, and substantially parallel rays made of the monochromatic light as incident light. Is used.
(2) The photoelectric conversion element is
The light absorbing member;
A band pass filter formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member;
A surface electrode formed around the bandpass filter;
A surface on the back side of the light absorbing member, a diffuse reflection surface formed at a position facing the band pass filter and the surface electrode;
A back electrode formed so as to cover all or part of the surface of the diffuse reflection surface.
(3) The band-pass filter has a function of selectively transmitting at least light having the wavelength λ 0 .
(4) The diffuse reflection surface has a function of diffusing the incident light in a direction parallel to the light receiving surface by multiple reflection.
(5) The front electrode and the back electrode each have a function as a current collector for extracting the carriers and a function as a reflective film for reflecting the incident light.

本発明に係る光電変換素子は、以下の構成をさらに備えているものが好ましい。
(6)前記光吸収部材の光拡散部の厚さは、前記光吸収材料への前記入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下である。
ここで、「光拡散部」とは、前記光吸収部材を前記受光面の法線方向から見た時に、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極の投影面と、前記拡散反射面の投影面とが重なり合う部分をいう。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
(7)前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面及び裏面に、それぞれ、前記バンドパスフィルター及び前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。
The photoelectric conversion element according to the present invention preferably has the following configuration.
(6) The thickness of the light diffusion part of the light absorbing member is 1/200 or more and 1/10 or less of the penetration depth of the incident light into the light absorbing material.
Here, the “light diffusing portion” means that when the light absorbing member is viewed from the normal direction of the light receiving surface, the projection surface of the bandpass filter and the surface electrode and the projection surface of the diffuse reflection surface are An overlapping part.
The “depth of penetration of incident light into the light absorbing material” is a depth at which the intensity of the incident light becomes 1 / e (e is the number of Napier) when the incident light is incident on the light absorbing material. Say.
(7) The shortest distance from the edge of the bandpass filter to the edge of the light diffusing unit is at least twice the diffusion distance.
Here, the “diffusion distance” means that the band-pass filter and the diffusive reflection surface are formed on the front and back surfaces of the light-absorbing material having a thickness corresponding to the thickness of the light diffusion portion, respectively. When the incident light is diffused in a direction parallel to the light receiving surface while multiple reflection of the incident light is performed between a band pass filter and the diffuse reflection surface, the intensity of the incident light is 1 / e (e is , Napier number).

前記拡散反射面は、前記入射光の反射スペクトルが後述する(1)式の関係を満たすものが好ましい。   The diffuse reflection surface is preferably one in which the reflection spectrum of the incident light satisfies the relationship of formula (1) described later.

本発明に係る光電変換素子は、以下の構成をさらに備えているものが好ましい。
(8)前記表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方は、
前記光吸収部材の表面に形成された、前記光吸収部材とオーミック接合を形成することが可能な第1導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に形成された、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備え、
前記第1層の厚さは、前記第1導電材料へのキャリアの侵入深さの3倍以上であり、かつ、前記第1導電材料への前記入射光の侵入深さ以下である。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
The photoelectric conversion element according to the present invention preferably has the following configuration.
(8) At least one of the front electrode and the back electrode is
A first layer made of a first conductive material formed on a surface of the light absorbing member and capable of forming an ohmic junction with the light absorbing member;
A laminated structure with a second layer made of a second conductive material formed on the surface of the first layer and having a higher reflectance of the incident light than the first conductive material;
The thickness of the first layer is not less than three times the penetration depth of carriers into the first conductive material, and is not more than the penetration depth of the incident light into the first conductive material.
Here, “the penetration depth of the carrier into the first conductive material” is assumed that the carrier (A) in the light absorbing material and the carrier (B) in the first conductive material can be distinguished, When the concentration distribution in the first conductive material of the carrier (A) in the light absorbing material is calculated using Poisson's equation, the concentration of the carrier (A) in the first conductive material is The depth which becomes 1 / e (e is the Napier number) of the concentration of the carrier (A) in the absorbent material.
“Invasion depth of incident light into the first conductive material” means that when the incident light is incident on the first conductive material, the intensity of the incident light is 1 / e (e is the number of Napier). Say depth.

バンドパスフィルターは、従来、白色光の中から特定波長の光を抽出するために用いられていた。このバンドパスフィルターを光電変換素子の受光面の上に設け、受光面に向かって単色光を入射すると、バンドパスフィルターは、入射光を遮ることなく、裏面からの反射光を再び光吸収部材内部に反射する。これにより、光吸収部材を薄型化しても高い光吸収率が確保される。また、材料の低減、タクトタイムの短縮が可能となり、コストを削減することができる。   A bandpass filter has been conventionally used to extract light of a specific wavelength from white light. When this band pass filter is provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion element and monochromatic light is incident on the light receiving surface, the band pass filter again reflects the reflected light from the back surface inside the light absorbing member without blocking the incident light. Reflect on. Thereby, even if the light absorbing member is thinned, a high light absorption rate is secured. Further, the material can be reduced and the tact time can be shortened, so that the cost can be reduced.

また、バンドパスフィルターの周囲を所定の大きさの表面電極で覆い、かつ、バンドパスフィルター及び表面電極に対向するように拡散反射面及び裏面電極を設けると、入射光は、これらの間で多重反射を繰り返しながら、光吸収部材の内部を受光面に対して平行方向に拡散する。そのため、光吸収部材による入射光の吸収率が向上する。特に、拡散反射面が後述する(1)式を満たす場合には、光吸収部材による入射光の吸収率がさらに向上する。   In addition, if the periphery of the bandpass filter is covered with a surface electrode of a predetermined size and a diffuse reflection surface and a back electrode are provided so as to face the bandpass filter and the surface electrode, the incident light is multiplexed between them. While repeating the reflection, the inside of the light absorbing member is diffused in a direction parallel to the light receiving surface. Therefore, the absorption rate of incident light by the light absorbing member is improved. In particular, when the diffuse reflection surface satisfies the formula (1) described later, the absorption rate of incident light by the light absorbing member is further improved.

また、光拡散部の厚さを所定の厚さにすると、直列抵抗の小さい光電変換素子を形成することができる。
さらに、表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方が第1層と第2層の積層構造からなる場合には、光吸収率を低下させることなく、ショットキー結合の形成を回避することができる。
Further, when the thickness of the light diffusion portion is set to a predetermined thickness, a photoelectric conversion element having a small series resistance can be formed.
Furthermore, when at least one of the front surface electrode and the back surface electrode has a laminated structure of the first layer and the second layer, formation of a Schottky bond can be avoided without reducing the light absorption rate.

本発明の一実施の形態に係る光電変換素子の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the photoelectric conversion element which concerns on one embodiment of this invention. ピラミッド形状の尖端部及び側面の粗面化又は曲面化に適した酸エッチング液の組成範囲を示す図である。It is a figure which shows the composition range of the acid etching liquid suitable for the roughening or curved surface of a pyramid shape tip part and a side surface. 従来型の太陽電池の受光面側に設けられた無反射表面形状(テキスチャ)の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the non-reflective surface shape (texture) provided in the light-receiving surface side of the conventional solar cell. 光電変換素子の裏面側に設けられた拡散反射面の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the diffuse reflection surface provided in the back surface side of the photoelectric conversion element.

第1の拡散層が受光面近傍に存在する太陽電池のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the solar cell in which the 1st diffused layer exists in the light-receiving surface vicinity. 銀とシリコン(第2の拡散層)の界面のエネルギーバンド図である。It is an energy band figure of the interface of silver and silicon (second diffusion layer). p型単結晶シリコンを水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(液温約90℃)でエッチングした時の濃度とエッチング速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the density | concentration at the time of etching p-type single crystal silicon with the tetramethylammonium hydroxide aqueous solution (liquid temperature about 90 degreeC), and an etching rate. 水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を用いて、エッチング速度50〜60μm/hで3時間エッチングしたp型単結晶シリコンのエッチング面の走査電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the etched surface of p-type single crystal silicon etched for 3 hours at an etching rate of 50 to 60 μm / h using a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution.

酸エッチング液で90秒エッチングしたSi表面のSEM写真である。酸エッチング液中の酸の組成は、(a)HF:HNO3:H2SO4=4:16:80、(b)HF:HNO3:H2SO4=10:15:75、(c)HF:HNO3:CH3COOH=18:36:46である。It is a SEM photograph of Si surface etched for 90 seconds with acid etching liquid. The acid composition in the acid etchant is (a) HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 4: 16: 80, (b) HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 10: 15: 75, (c ) HF: HNO 3 : CH 3 COOH = 18: 36: 46. (a)11重量%のTMAH水溶液、(b)11重量%のTMAH水溶液、及び0.05重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテルを含有する15重量%のTMAH水溶液、(c)11重量%のTMAH水溶液、及びHF:HNO3:CH3COOH=20:40:40の酸エッチング液、又は、(d)11重量%のTMAH水溶、及びHF:HNO3:H2SO4=4:16:80の酸エッチング液で、それぞれ、エッチングしたSi表面のSEM写真である。(A) 11 wt% TMAH aqueous solution, (b) 11 wt% TMAH aqueous solution, and 15 wt% TMAH aqueous solution containing 0.05 wt% polyethylene glycol mono-4-octylphenyl ether, (c) 11 % By weight TMAH aqueous solution and HF: HNO 3 : CH 3 COOH = 20: 40: 40 acid etching solution, or (d) 11% by weight TMAH aqueous solution, and HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 4 : SEM photographs of Si surfaces etched with an acid etchant of 16:80, respectively. 図11(a)は、薄板化したシリコン基板(試料No.21)、及び、表面に凹凸構造が形成されたシリコン基板(試料No.22〜試料No.26)に波長1064nmの光を入射させた時の、規格化された反射強度(I/I0)の反射角度依存性である。図11(b)は、反射角θと(I/Io)・sinθとの関係を示す図である。FIG. 11A shows a case where light having a wavelength of 1064 nm is incident on a thin silicon substrate (sample No. 21) and a silicon substrate (sample No. 22 to sample No. 26) having an uneven structure on the surface. The reflection angle dependence of the standardized reflection intensity (I / I 0 ) at the time. FIG. 11B is a diagram showing the relationship between the reflection angle θ and (I / I o ) · sin θ. 反射率の角度分布がcosnθであることを仮定した時の、n値と半値全幅との関係(図12(a))、及び、半値全幅と光吸収率との関係(図12(b))を示す図である。When it is assumed that the angular distribution of reflectance is cos n θ, the relationship between the n value and the full width at half maximum (FIG. 12A), and the relationship between the full width at half maximum and the light absorption rate (FIG. 12B). )). 図13(a)は、p型単結晶シリコン基板上に第2の拡散層を形成し、かつ、第2の拡散層上に銀/アルミニウム積層電極を形成した時の電流電圧特性である。図13(b)及び図13(c)は、それぞれ、アルミニウム厚さが1.8nm又は2.7nmである銀/アルミニウム積層電極を形成したp型単結晶シリコン基板の断面の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 13A shows current-voltage characteristics when the second diffusion layer is formed on the p-type single crystal silicon substrate and the silver / aluminum stacked electrode is formed on the second diffusion layer. FIGS. 13B and 13C are transmission electron micrographs of a cross section of a p-type single crystal silicon substrate on which a silver / aluminum laminated electrode having an aluminum thickness of 1.8 nm or 2.7 nm is formed, respectively. is there.

第2の拡散層から銀/アルミニウム積層電極に向かって波長1064nmの光が進む時の、銀/アルミニウム積層電極のアルミニウム層の厚さと反射率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of the aluminum layer of a silver / aluminum laminated electrode, and a reflectance when the light of wavelength 1064nm advances toward a silver / aluminum laminated electrode from a 2nd diffused layer. 光の入射位置からの距離(伝搬距離)とその点での光強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance (propagation distance) from the incident position of light, and the light intensity at the point. 直径50μm(図16(a))又は直径100μm(図16(b))の光束中心からの距離とその点での光強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance from the light beam center of diameter 50 micrometers (FIG. 16 (a)) or diameter 100 micrometers (FIG.16 (b)), and the light intensity at the point. Siウェハの厚さと変換効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of Si wafer, and conversion efficiency. 直径50μm(図18(a))又は直径100μm(図18(b))の光束を、裏面がエッチングされたSiに入射させた時のエッチング部分の半径と変換効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the radius of an etching part, and conversion efficiency when the light beam of diameter 50 micrometers (FIG. 18 (a)) or diameter 100 micrometers (FIG.18 (b)) is made to inject into Si with which the back surface was etched. .

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 光電変換素子]
本発明に係る光電変換素子は、以下の構成を備えている。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つ。
(4)前記拡散反射面は、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element according to the present invention has the following configuration.
(1) The photoelectric conversion element includes a light-absorbing member made of a light-absorbing material capable of absorbing monochromatic light having a wavelength λ 0 and generating carriers, and substantially parallel rays made of the monochromatic light as incident light. Is used.
(2) The photoelectric conversion element is
The light absorbing member;
A band pass filter formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member;
A surface electrode formed around the bandpass filter;
A surface on the back side of the light absorbing member, a diffuse reflection surface formed at a position facing the band pass filter and the surface electrode;
A back electrode formed so as to cover all or part of the surface of the diffuse reflection surface.
(3) The band-pass filter has a function of selectively transmitting at least light having the wavelength λ 0 .
(4) The diffuse reflection surface has a function of diffusing the incident light in a direction parallel to the light receiving surface by multiple reflection.
(5) The front electrode and the back electrode each have a function as a current collector for extracting the carriers and a function as a reflective film for reflecting the incident light.

[1.1. 入射光]
本発明において、入射光は、波長λ0の単色光からなる。すなわち、本発明に係る光電変換素子は、単色光照射用の光電変換素子である。
「波長λ0の単色光」とは、中心波長がλ0であり、かつ、中心波長λ0に対するスペクトルの半値半幅(Δλ/2)の比(=Δλ/2λ0)が0.04以下である光をいう。
[1.1. Incident light]
In the present invention, the incident light is composed of monochromatic light having a wavelength λ 0 . That is, the photoelectric conversion element according to the present invention is a photoelectric conversion element for monochromatic light irradiation.
“Monochromatic light of wavelength λ 0 ” means that the center wavelength is λ 0 and the ratio of the half-width (Δλ / 2) of the spectrum to the center wavelength λ 0 (= Δλ / 2λ 0 ) is 0.04 or less. A certain light.

本発明において、入射光は、受光面(入射光が入射する面)に向かって略平行に入射する略平行光線からなる。
「略平行光線」とは、光の進行方向を示す角の分布βが23°以下である光をいう。βは、小さいほど良い。高い変換効率を得るためには、入射光は、β≒0の平行光線が好ましい。
In the present invention, the incident light consists of substantially parallel light rays that are incident substantially in parallel toward the light receiving surface (the surface on which the incident light is incident).
The “substantially parallel light beam” refers to light having an angular distribution β indicating a traveling direction of light of 23 ° or less. The smaller β is, the better. In order to obtain high conversion efficiency, the incident light is preferably a parallel ray with β≈0.

本発明において、入射光は、入射角θで受光面に入射する。
「入射角θ」とは、受光面の法線方向と、入射光の入射方向とのなす角をいう。
「入射光の入射方向」とは、入射光の平均的な進行方向をいう。例えば、入射光が平行光線(β=0)である場合は、入射方向とは、入射光に平行な方向をいう。また、例えば、入射光の進行方向が頂角:2β(β≠0)の円錐形状内にある場合、入射方向とは、円錐の中心軸に平行な方向をいう。
本発明において、入射角θは、目的とする変換効率が得られる限りにおいて、ゼロ(=垂直入射)より大きくても良い。但し、入射角θが大きくなりすぎると、変換効率が低下する。従って、入射角θは、23°以下が好ましい。入射角θは、さらに好ましくは、5°以下である。
In the present invention, incident light enters the light receiving surface at an incident angle θ.
The “incident angle θ” refers to an angle formed by the normal direction of the light receiving surface and the incident direction of incident light.
The “incident light incident direction” refers to the average traveling direction of incident light. For example, when the incident light is a parallel light beam (β = 0), the incident direction is a direction parallel to the incident light. Further, for example, when the traveling direction of incident light is in a conical shape with apex angle: 2β (β ≠ 0), the incident direction is a direction parallel to the central axis of the cone.
In the present invention, the incident angle θ may be greater than zero (= normal incidence) as long as the desired conversion efficiency is obtained. However, if the incident angle θ becomes too large, the conversion efficiency decreases. Therefore, the incident angle θ is preferably 23 ° or less. The incident angle θ is more preferably 5 ° or less.

[1.2. 光吸収材料]
光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備えている。
本発明において、光吸収材料は、直接遷移型半導体、又は間接遷移型半導体のいずれも選択でき、入射光の波長に応じて適宜選択すればよい。光吸収材料としては、例えば、Si、Ge、GaP、GaAsなどがある。
[1.2. Light absorbing material]
The photoelectric conversion element includes a light-absorbing member made of a light-absorbing material that can absorb monochromatic light having a wavelength λ 0 and generate carriers.
In the present invention, the light-absorbing material can be either a direct transition type semiconductor or an indirect transition type semiconductor, and may be appropriately selected according to the wavelength of incident light. Examples of the light absorbing material include Si, Ge, GaP, and GaAs.

光吸収材料の組成は、単色光の波長λ0(nm)(その光のエネルギーEL[eV]=hc/eλ0=1240/λ0)と、光吸収材料の禁制帯幅Egによって決まる。
例えば、λ0=1064nmの場合は、光吸収材料は、シリコン、特に単結晶シリコンが好適である。禁制帯幅Egの半導体にエネルギーがELの光が吸収されるためには、Eg<ELである必要がある。このような半導体に光が吸収された時には、EL−Egのエネルギーは熱となって発電に寄与しないので、ELとEgは近いことが好ましい。λ0=1064nmの光のエネルギーELは1.17eVであり、シリコンの禁制帯幅Egは1.11eVである。両者は、ELとEgが近いので、好ましい組み合わせである。
同様に、λ0=800〜860nmの光(EL=1.55〜1.44eV)に対しては、例えば、Eg=1.43eVの砒化ガリウムが好適である。
The composition of the light absorbing material is determined by the wavelength λ 0 (nm) of monochromatic light (the energy of the light E L [eV] = hc / eλ 0 = 1240 / λ 0 ) and the forbidden band width E g of the light absorbing material. .
For example, in the case of λ 0 = 1064 nm, the light absorbing material is preferably silicon, particularly single crystal silicon. In order for light with energy E L to be absorbed by the semiconductor having the forbidden bandwidth E g , it is necessary that E g <E L. When light is absorbed by such a semiconductor, the energy of E L -E g becomes heat and does not contribute to power generation, so that E L and E g are preferably close. The energy E L of light at λ 0 = 1064 nm is 1.17 eV, and the forbidden band width E g of silicon is 1.11 eV. Both are preferred combinations because E L and E g are close.
Similarly, for light with λ 0 = 800 to 860 nm (E L = 1.55 to 1.44 eV), for example, gallium arsenide with E g = 1.43 eV is suitable.

光吸収部材の主要部を構成する光吸収材料の伝導型は、p型、又はn型のいずれであっても良く、光吸収材料の組成や単色光の波長λ0に応じて、最適なものを選択する。
光吸収材料が光を吸収すると、少数キャリア(p型の場合は電子、n型の場合は正孔)が発生する。非特許文献3に記載されているように、少数キャリアの拡散長は、正孔に比べて電子の方がより長い。
一方、単結晶シリコンの基板の場合、第1の拡散層の部分の厚さは、1μm以下に設定するのが一般的である。第1の拡散層の厚さと、それ以外の部分の厚さを比べると、後者の方が圧倒的に厚い。
従って、単結晶シリコンを光吸収材料に用いる場合には、少数キャリアが電子となるように、p型を選択するのが好ましい。
The conductivity type of the light-absorbing material constituting the main part of the light-absorbing member may be either p-type or n-type, and is optimal depending on the composition of the light-absorbing material and the wavelength λ 0 of monochromatic light Select.
When the light-absorbing material absorbs light, minority carriers (electrons in the case of p-type and holes in the case of n-type) are generated. As described in Non-Patent Document 3, the diffusion length of minority carriers is longer for electrons than for holes.
On the other hand, in the case of a single crystal silicon substrate, the thickness of the first diffusion layer is generally set to 1 μm or less. When the thickness of the first diffusion layer is compared with the thickness of the other portions, the latter is overwhelmingly thick.
Therefore, when single crystal silicon is used for the light absorbing material, it is preferable to select the p-type so that minority carriers are electrons.

[1.3. 光吸収部材]
光吸収部材の受光面側の表面には後述するバンドパスフィルターと表面電極が形成される。一方、受光面とは反対側の表面には、後述する拡散反射面が形成され、さらに拡散反射面の表面には、裏面電極が形成される。
光吸収部材の一方の面には、光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。さらに、光吸収部材の他方の面には、必要に応じて、光吸収部材の伝導型と同じ伝導型を示す第2の拡散層(バックサーフェスフィールド(BSF)層)を設けても良い。
[1.3. Light absorbing member]
A band pass filter and a surface electrode, which will be described later, are formed on the surface of the light absorbing member on the light receiving surface side. On the other hand, a diffuse reflection surface described later is formed on the surface opposite to the light receiving surface, and a back electrode is formed on the surface of the diffuse reflection surface.
A first diffusion layer (emitter layer) having a conductivity type different from that of the light absorbing member is formed on one surface of the light absorbing member. Furthermore, a second diffusion layer (back surface field (BSF) layer) showing the same conductivity type as that of the light absorbing member may be provided on the other surface of the light absorbing member, if necessary.

[1.3.1. 光拡散部の厚さ]
本発明に係る光電変換素子において、入射光は、光吸収部材の表面と裏面との間で多重反射を繰り返しながら光吸収部材に吸収される。そのため、光拡散部の厚さと、光吸収材料への入射光の侵入深さは、変換効率に影響を与える。
[1.3.1. Light diffusion thickness]
In the photoelectric conversion element according to the present invention, incident light is absorbed by the light absorbing member while repeating multiple reflections between the front surface and the back surface of the light absorbing member. Therefore, the thickness of the light diffusion portion and the penetration depth of incident light into the light absorbing material affect the conversion efficiency.

ここで、「光拡散部」とは、前記光吸収部材を前記受光面の法線方向から見た時に、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極の投影面と、前記拡散反射面の投影面とが重なり合う部分をいう。入射光は、少なくとも、バンドパスフィルター及び表面電極と、拡散反射面との間で多重反射を繰り返す。拡散反射面の内、多重反射に寄与する部分に裏面電極が形成されている場合には、裏面電極も多重反射に寄与する。高い変換効率を得るためには、拡散反射面の表面の内、多重反射に寄与する部分の全面を裏面電極で覆い、拡散反射面及び裏面電極の双方で光を反射させるのが好ましい。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
Here, the “light diffusing portion” means that when the light absorbing member is viewed from the normal direction of the light receiving surface, the projection surface of the bandpass filter and the surface electrode and the projection surface of the diffuse reflection surface are An overlapping part. Incident light repeats multiple reflections at least between the bandpass filter and the surface electrode and the diffuse reflection surface. In the case where the back electrode is formed in a portion of the diffuse reflection surface that contributes to multiple reflection, the back electrode also contributes to multiple reflection. In order to obtain high conversion efficiency, it is preferable to cover the entire surface of the diffuse reflection surface, which contributes to multiple reflection, with the back electrode, and to reflect light on both the diffuse reflection surface and the back electrode.
The “depth of penetration of incident light into the light absorbing material” is a depth at which the intensity of the incident light becomes 1 / e (e is the number of Napier) when the incident light is incident on the light absorbing material. Say.

一般に、光拡散部の厚さが厚くなるほど、生成したキャリアの移動距離が長くなり、直列抵抗が高くなる。一方、光拡散部の厚さが薄くなりすぎると、光を十分吸収できないという問題がある。
受光面側のバンドパスフィルターと裏面側の拡散反射面による多重反射の効果により、光拡散部の厚さが光吸収材料への入射光の侵入深さの1/200以上ならば、入射光をかなりの比率で吸収することができる。厚さを更に厚くすると、光吸収率は徐々に向上するが、厚さが光吸収材料への入射光の侵入深さの1/10になると、入射光はほぼ完全に吸収される。そのため、それ以上厚くすると、直列抵抗が高くなるという悪影響のみが大きくなり、その結果、変換効率は低下する。
従って、光拡散部の厚さは、光吸収材料への入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下が好ましい。
In general, the greater the thickness of the light diffusion portion, the longer the distance traveled by the generated carriers and the higher the series resistance. On the other hand, if the thickness of the light diffusion portion becomes too thin, there is a problem that light cannot be sufficiently absorbed.
If the thickness of the light diffusion part is 1/200 or more of the penetration depth of the incident light into the light absorbing material due to the multiple reflection effect by the band pass filter on the light receiving surface side and the diffuse reflection surface on the back surface side, the incident light is It can be absorbed at a considerable rate. When the thickness is further increased, the light absorption rate is gradually improved. However, when the thickness becomes 1/10 of the penetration depth of the incident light into the light absorbing material, the incident light is almost completely absorbed. Therefore, if it is thicker than that, only the adverse effect of increasing the series resistance increases, and as a result, the conversion efficiency decreases.
Therefore, the thickness of the light diffusion portion is preferably 1/200 to 1/10 of the penetration depth of incident light into the light absorbing material.

例えば、光吸収部材が単結晶シリコンである場合、光拡散部の厚さは、100μm以下が好ましい。光拡散部の厚さは、さらに好ましくは、50μm以下、さらに好ましくは、20μm以下である。   For example, when the light absorbing member is single crystal silicon, the thickness of the light diffusion portion is preferably 100 μm or less. The thickness of the light diffusion portion is more preferably 50 μm or less, and still more preferably 20 μm or less.

光拡散部以外の部分の厚さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な厚さを選択することができる。本発明において、光吸収部材の裏面側に拡散反射面(凹凸構造)が形成されるため、光吸収部材の全体を上述した厚さにすると、光吸収部材の機械的強度が低下するおそれがある。従って、光拡散部の周囲には、光拡散部より厚い厚肉部を形成するのが好ましい。   The thickness of the part other than the light diffusion part is not particularly limited, and an optimum thickness can be selected according to the purpose. In the present invention, since the diffuse reflection surface (uneven structure) is formed on the back side of the light absorbing member, the mechanical strength of the light absorbing member may be reduced if the entire thickness of the light absorbing member is as described above. . Therefore, it is preferable to form a thick part thicker than the light diffusion part around the light diffusion part.

[1.3.2. 光拡散部の大きさ]
本発明において、バンドパスフィルター及び表面電極、並びに、拡散反射面及び裏面電極は、いずれも入射光を反射させる機能、又は反射光を光吸収部材の内部に再反射させる機能を持つ。入射光は、光拡散部の表面と裏面との間で多重反射を繰り返しながら、光吸収部材の受光面に対して平行方向に拡散する。そのため、光拡散部の大きさ(すなわち、表面電極、裏面電極、及び、拡散反射面の大きさ)は、変換効率に影響を与える。
[1.3.2. Size of light diffuser]
In the present invention, the bandpass filter and the front surface electrode, and the diffuse reflection surface and the back surface electrode all have a function of reflecting incident light or a function of rereflecting the reflected light inside the light absorbing member. Incident light diffuses in a direction parallel to the light receiving surface of the light absorbing member while repeating multiple reflections between the front and back surfaces of the light diffusing section. Therefore, the size of the light diffusion portion (that is, the size of the front electrode, the back electrode, and the diffuse reflection surface) affects the conversion efficiency.

なお、拡散反射面の大きさは、必ずしもバンドパスフィルタ+表面電極の大きさに完全に一致している必要はない。これは、双方の投影面の重複部分が光拡散部となるためである。
同様に、拡散反射面の大きさは、必ずしも裏面電極の大きさに完全に一致している必要はない。但し、拡散反射面のみで入射光を完全に反射させるのは難しい。従って、拡散反射面の内、多重反射に寄与する部分の全面が裏面電極で覆われているのが好ましい。
Note that the size of the diffuse reflection surface does not necessarily need to completely match the size of the band-pass filter + surface electrode. This is because the overlapping part of both projection surfaces becomes a light diffusion part.
Similarly, the size of the diffuse reflection surface does not necessarily need to completely match the size of the back electrode. However, it is difficult to completely reflect the incident light only by the diffuse reflection surface. Therefore, it is preferable that the entire surface of the diffuse reflection surface that contributes to multiple reflection is covered with the back electrode.

光拡散部の外側の領域(例えば、表面電極のみが存在する領域)まで光が拡散すると、光の大半は、再反射されることなく、そのまま光吸収部材の外側に透過する。そのため、光拡散部の大きさが小さくなるほど、光吸収部材による光の吸収量が減少する。
高い変換効率を得るためには、前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上が好ましい。最短距離は、さらに好ましくは、拡散距離の3倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面及び裏面に、それぞれ、前記バンドパスフィルター及び前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。
When light diffuses to a region outside the light diffusion portion (for example, a region where only the surface electrode exists), most of the light is transmitted to the outside of the light absorbing member as it is without being re-reflected. Therefore, the amount of light absorbed by the light absorbing member decreases as the size of the light diffusion portion decreases.
In order to obtain high conversion efficiency, the shortest distance from the edge of the bandpass filter to the edge of the light diffusing portion is preferably at least twice the diffusion distance. More preferably, the shortest distance is at least three times the diffusion distance.
Here, the “diffusion distance” means that the band-pass filter and the diffusive reflection surface are formed on the front and back surfaces of the light-absorbing material having a thickness corresponding to the thickness of the light diffusion portion, respectively. When the incident light is diffused in a direction parallel to the light receiving surface while multiple reflection of the incident light is performed between a band pass filter and the diffuse reflection surface, the intensity of the incident light is 1 / e (e is , Napier number).

光拡散部の大きさが大きくなるほど、より多くの多重反射が繰り返されるので、変換効率が向上する。しかしながら、光拡散部の大きさが大きくなるほど、その効果が飽和する。そのため、光拡散部の大きさを必要以上に大きくしても、実益がない。
従って、前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の10倍以下が好ましい。最短距離は、さらに好ましくは、拡散距離の5倍以下、さらに好ましくは、拡散距離の4倍以下である。
As the size of the light diffusion portion increases, more multiple reflections are repeated, so that the conversion efficiency improves. However, the effect is saturated as the size of the light diffusion portion increases. Therefore, even if the size of the light diffusion portion is increased more than necessary, there is no practical benefit.
Therefore, the shortest distance from the edge of the bandpass filter to the edge of the light diffusion portion is preferably 10 times or less of the diffusion distance. The shortest distance is more preferably 5 times or less of the diffusion distance, and further preferably 4 times or less of the diffusion distance.

[1.3.3. 拡散層]
光吸収部材の裏面側又は受光面側のいずれか一方には、光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。他方の面には、必要に応じて、さらに光吸収部材の伝導型と同じ伝導型を示す第2の拡散層(BSF層)を形成しても良い。エミッタ層をいずれの面に設けるかは、光吸収材料の組成、拡散層の形成方法等に応じて選択することができる。
[1.3.3. Diffusion layer]
A first diffusion layer (emitter layer) having a conductivity type different from that of the light absorbing member is formed on either the back surface side or the light receiving surface side of the light absorbing member. If necessary, a second diffusion layer (BSF layer) showing the same conductivity type as that of the light absorbing member may be formed on the other surface. Which surface the emitter layer is provided on can be selected according to the composition of the light absorbing material, the method of forming the diffusion layer, and the like.

高い変換効率を得るためには、拡散層の厚さは均一であることが好ましい。しかしながら、光吸収部材の組成やドーパントの種類によっては、凹凸面に均一な拡散層を形成するのが困難な場合がある。例えば、光吸収部材がp型単結晶シリコンである場合、凹凸面に均一な厚さを有するBSF層を形成するのが難しい。従って、このような場合には、光吸収部材の裏面側の表面にエミッタ層を形成するのが好ましい。
なお、光吸収部材の裏面側の表面にエミッタ層を形成した場合、入射光がエミッタ層に到達する前に入射光が減衰するおそれがある。しかしながら、入射光の減衰については、光拡散部の厚さを薄くすることにより軽減することができる。
In order to obtain high conversion efficiency, the thickness of the diffusion layer is preferably uniform. However, depending on the composition of the light absorbing member and the type of dopant, it may be difficult to form a uniform diffusion layer on the uneven surface. For example, when the light absorbing member is p-type single crystal silicon, it is difficult to form a BSF layer having a uniform thickness on the uneven surface. Therefore, in such a case, it is preferable to form an emitter layer on the back surface of the light absorbing member.
When the emitter layer is formed on the back surface of the light absorbing member, the incident light may be attenuated before the incident light reaches the emitter layer. However, the attenuation of the incident light can be reduced by reducing the thickness of the light diffusion portion.

[1.4. バンドパスフィルター]
[1.4.1. 定義]
本発明に係る光電変換素子は、前記単色光が入射角θで入射する面(受光面)にバンドパスフィルターが形成されている。
「バンドパスフィルター」とは、少なくとも波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つものをいう。バンドパスフィルターは、通常、白色光の中から、特定の波長を持つ光を抽出するために用いられている。本発明において、バンドパスフィルターは、入射光(単色光)をそのまま透過させ、かつ、裏面からの反射光を再び光吸収部材内部に反射させるために用いられる。この点が従来とは異なる。
[1.4. Band pass filter]
[1.4.1. Definition]
In the photoelectric conversion element according to the present invention, a band pass filter is formed on a surface (light receiving surface) on which the monochromatic light is incident at an incident angle θ.
“Band pass filter” refers to a filter having a function of selectively transmitting at least light of wavelength λ 0 . The bandpass filter is usually used to extract light having a specific wavelength from white light. In the present invention, the band-pass filter is used to transmit incident light (monochromatic light) as it is and to reflect reflected light from the back surface into the light absorbing member again. This is different from the conventional one.

[1.4.2. 中心波長λ]
バンドパスフィルターを透過することが可能な光の波長は、所定の幅(透過帯域)を持つ。
「中心波長λ」とは、バンドパスフィルターを透過することが可能な光の波長の中央値をいう。
「少なくとも波長λ0の光を選択的に透過する」とは、バンドパスフィルターの中心波長λが、必ずしも入射光の中心波長λ0に完全に一致している必要はないことを意味する。しかしながら、波長λと波長λ0との差が大きく異なると、バンドパスフィルターを透過する光子の数が減少し、変換効率が低下する。
高い変換効率を得るためには、バンドパスフィルターの中心波長λは、0.97×λ0以上1.039×λ0以下が好ましい。中心波長λは、さらに好ましくは、0.98×λ0以上1.025×λ0以下、さらに好ましくは、0.99×λ0以上1.01×λ0以下である。
[1.4.2. Center wavelength λ]
The wavelength of light that can be transmitted through the band-pass filter has a predetermined width (transmission band).
“Center wavelength λ” refers to the median value of the wavelength of light that can pass through the band-pass filter.
The phrase “at least selectively transmits light having the wavelength λ 0 ” means that the center wavelength λ of the bandpass filter does not necessarily need to completely match the center wavelength λ 0 of the incident light. However, if the difference between the wavelength λ and the wavelength λ 0 is greatly different, the number of photons that pass through the band-pass filter is reduced, and the conversion efficiency is lowered.
In order to obtain high conversion efficiency, the center wavelength λ of the bandpass filter is preferably 0.97 × λ 0 or more and 1.039 × λ 0 or less. The center wavelength λ is more preferably 0.98 × λ 0 or more and 1.025 × λ 0 or less, and further preferably 0.99 × λ 0 or more and 1.01 × λ 0 or less.

[1.4.3. 構造]
バンドパスフィルターの構造は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。バンドパスフィルターとしては、例えば、
(a)(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2の積層構造を持つもの、
(b)AR/(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2の積層構造を持つもの、
(c)(H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2の積層構造を持つもの、
(d)AR/(H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2の積層構造を持つもの、
などがある。
[1.4.3. Construction]
The structure of the bandpass filter is not particularly limited as long as it exhibits the above-described function. As a bandpass filter, for example,
(A) (L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 laminated structure,
(B) having a laminated structure of AR / (L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 ,
(C) (H4 / L4 /) m1 H2 (L4 / H4 /) m2 laminated structure,
(D) AR / (H4 / L4 /) m1 H2 (L4 / H4 /) m2 having a laminated structure,
and so on.

但し、
「AR」は、屈折率がnARである材料からなる反射防止層、
「L4」は、屈折率がnL4である低屈折材料(A)からなる低屈折率層(A)、
「L2」は、屈折率がnL2である低屈折材料(B)からなる低屈折率層(B)、
「H4」は、屈折率がnH4(>nL4、>nL2)である高屈折材料(A)からなる高屈折率層(A)、
「H2」は、屈折率がnH2(>nL4、>nL2)である高屈折材料(B)からなる高屈折率層(B)、
1、m2は、それぞれ、1以上の整数。
However,
“AR” is an antireflection layer made of a material having a refractive index of n AR ,
“L4” is a low refractive index layer (A) made of a low refractive material (A) having a refractive index of n L4 ,
“L2” is a low refractive index layer (B) made of a low refractive material (B) having a refractive index of n L2 ;
“H4” is a high refractive index layer (A) made of a high refractive material (A) having a refractive index of n H4 (> n L4 ,> n L2 ),
“H2” is a high refractive index layer (B) made of a high refractive material (B) having a refractive index of n H2 (> n L4 ,> n L2 ),
m 1 and m 2 are each an integer of 1 or more.

「L4」、「L2」は、それぞれ、その光学厚さ(=屈折率n×実厚さd)がλ0/4又はλ0/2に比例する層を表す。入射角θの場合、バンドパスフィルターを構成する各層の光学厚さndの条件は、nd=(1−sin2θ/n2)1/2×(λ0/4 or λ0/2)となる。この点は、「H4」、「H2」も同様である。
「(L4/H4/)m1」は、「L4/H4/」の積層単位がm1回繰り返されることを表す。前半の繰り返し数m1と後半の繰り返し数m2は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
「(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2」は、(L4/H4/)m1の積層構造と、(H4/L4/)m2の積層構造の間にL2層が挿入されていることを表す。
「AR/」は、バンドパスフィルターの最表面(光の入射側)に反射防止層が形成されていることを表す。
"L4", "L2", respectively, the optical thickness (= the refractive index n × actual thickness d) represents a layer that is proportional to lambda 0/4 or λ 0/2. If the incident angle theta, conditions of the optical thickness nd of each layer constituting the band-pass filter, nd = a (1-sin 2 θ / n 2) 1/2 × (λ 0/4 or λ 0/2) Become. This also applies to “H4” and “H2”.
“(L4 / H4 /) m1 ” represents that the lamination unit of “L4 / H4 /” is repeated m 1 times. The number of repetitions m 1 in the first half and the number of repetitions m 2 in the second half may be the same or different.
“(L4 / H4 /) m1 L2 (H4 / L4 /) m2 ” means that the L2 layer is inserted between the stacked structure of (L4 / H4 /) m1 and the stacked structure of (H4 / L4 /) m2. Represents that
“AR /” indicates that an antireflection layer is formed on the outermost surface (light incident side) of the bandpass filter.

L4を構成する低屈折材料(A)と、L2を構成する低屈折率材料(B)は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。さらに、積層構造中に含まれる個々のL4は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。
同様に、H4を構成する高屈折率材料(A)と、H2を構成する高屈折率材料(B)は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。さらに、積層構造中に含まれる個々のH4は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。
The low refractive index material (A) constituting L4 and the low refractive index material (B) constituting L2 may be the same material or different materials as long as the conditions described later are satisfied. . Further, the individual L4 included in the laminated structure may be the same material or different materials as long as the conditions described later are satisfied.
Similarly, the high refractive index material (A) constituting H4 and the high refractive index material (B) constituting H2 may be the same material or different materials as long as the conditions described later are satisfied. There may be. Further, the individual H4 contained in the laminated structure may be the same material or different materials as long as the conditions described later are satisfied.

バンドパスフィルターは、特に、積層構造(a)又は積層構造(b)を備えているものが好ましい。これらの積層構造を備えたバンドパスフィルターは、他の積層構造を備えたバンドパスフィルターに比べて高い変換効率が得られる。   The band pass filter is particularly preferably provided with a laminated structure (a) or a laminated structure (b). A band-pass filter having such a laminated structure can obtain higher conversion efficiency than a band-pass filter having another laminated structure.

バンドパスフィルターを構成する各層の厚さ(実厚さ)dには、理想的な厚さ(実厚さ)d0が存在する。各層の厚さdは、必ずしも理想的な厚さd0と完全に同一である必要はない。しかしながら、厚さdと理想的な厚さd0との差が大きくなると、変換効率が低下する。従って、厚さdは、理想的な厚さd0に近いのが好ましい。 An ideal thickness (actual thickness) d 0 exists for the thickness (actual thickness) d of each layer constituting the bandpass filter. Of each layer thickness d is not necessarily completely identical with the ideal thickness d 0. However, if the difference between the thickness d and the ideal thickness d 0 increases, the conversion efficiency decreases. Thus, the thickness d is closer to the ideal thickness d 0 is preferable.

例えば、上述した積層構造(a)又は積層構造(b)を備えたバンドパスフィルターの場合、低屈折率層(A)の厚さdL4、低屈折率層(B)の厚さdL2、及び、高屈折率層(A)の厚さdH4は、それぞれ、以下の関係を満たしているのが好ましい。 For example, in the case of a bandpass filter having the above-described laminated structure (a) or laminated structure (b), the thickness d L4 of the low refractive index layer (A), the thickness d L2 of the low refractive index layer (B), The thickness d H4 of the high refractive index layer (A) preferably satisfies the following relationship.

すなわち、低屈折率層(A)の厚さdL4は、0.75×dL40以上1.20×dL40以下が好ましい。厚さdL4は、さらに好ましくは、0.85×dL40以上1.10×dL40以下、さらに好ましくは、0.92×dL40以上1.06×dL40以下である。
但し、dL40は、低屈折率層(A)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dL40=(1−sin2θ/nL4 21/2×(λ0/4)×(1/nL4)で表される。
That is, the thickness d L4 of the low refractive index layer (A) is preferably 0.75 × d L40 or more and 1.20 × d L40 or less. The thickness d L4 is more preferably 0.85 × d L40 or more and 1.10 × d L40 or less, and further preferably 0.92 × d L40 or more and 1.06 × d L40 or less.
However, d L40 is an ideal thickness of the low refractive index layer (A) (actual thickness), d L40 = (1- sin 2 θ / n L4 2) 1/2 × (λ 0/4 ) × (1 / n L4 ).

また、低屈折率層(B)の厚さdL2は、0.926×dL20以上1.058×dL20以下が好ましい。厚さdL2は、さらに好ましくは、0.95×dL20以上1.03×dL20以下、さらに好ましくは、0.97×dL20以上1.02×dL20以下である。
但し、dL20は、低屈折率層(B)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dL20=(1−sin2θ/nL2 21/2×(λ0/2)×(1/nL2)で表される。
The thickness d L2 of the low refractive index layer (B) is preferably 0.926 × d L20 or more and 1.058 × d L20 or less. The thickness d L2 is more preferably 0.95 × d L20 or more and 1.03 × d L20 or less, and further preferably 0.97 × d L20 or more and 1.02 × d L20 or less.
However, d L20 is an ideal thickness of the low refractive index layer (B) (actual thickness), d L20 = (1- sin 2 θ / n L2 2) 1/2 × (λ 0/2 ) × (1 / n L2 ).

また、高屈折率層(A)の厚さdH4は、0.87×dH40以上1.10×dH40以下が好ましい。厚さdH4は、さらに好ましくは、0.92×dH40以上1.05×dH40以下、さらに好ましくは、0.96×dH40以上1.02×dH40以下である。
但し、dH40は、高屈折率層(A)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dH40= (1−sin2θ/nH4 21/2×(λ0/4)×(1/nH4)で表される。
The thickness d H4 of the high refractive index layer (A) is preferably 0.87 × d H40 or more and 1.10 × d H40 or less. The thickness d H4 is more preferably 0.92 × d H40 or more and 1.05 × d H40 or less, and still more preferably 0.96 × d H40 or more and 1.02 × d H40 or less.
However, d H40 is an ideal thickness of the high refractive index layer (A) (actual thickness), d H40 = (1- sin 2 θ / n H4 2) 1/2 × (λ 0/4 ) × (1 / n H4 ).

積層構造(b)又は積層構造(d)を備えたバンドパスフィルターにおいて、反射防止層の屈折率nAR及び厚さ(実厚さ)dARは、特に限定されない。すなわち、反射防止層は、少なくとも光を透過する材料からなる層であればよい。 In the bandpass filter having the laminated structure (b) or the laminated structure (d), the refractive index n AR and the thickness (actual thickness) d AR of the antireflection layer are not particularly limited. That is, the antireflection layer may be a layer made of a material that transmits at least light.

また、積層構造(b)を備えたバンドパスフィルターにおいて、さらに高い変換効率を得るためには、反射防止層の屈折率nAR及び厚さdARは、それぞれ、以下の関係を満たしているのが好ましい。 Further, in the bandpass filter having the laminated structure (b), in order to obtain higher conversion efficiency, the refractive index n AR and the thickness d AR of the antireflection layer satisfy the following relationships, respectively. Is preferred.

すなわち、反射防止層の屈折率nARは、0.60×npv 1/2以上が好ましい。屈折率nARは、さらに好ましくは、0.7×npv 1/2以上1.8×npv 1/2以下、さらに好ましくは、0.8×npv 1/2以上1.5×npv 1/2以下である。
但し、npvは、前記光吸収材料の屈折率である。
That is, the refractive index n AR of the antireflection layer is preferably 0.60 × n pv 1/2 or more. The refractive index n AR is more preferably 0.7 × n pv 1/2 or more and 1.8 × n pv 1/2 or less, more preferably 0.8 × n pv 1/2 or more and 1.5 × n. pv 1/2 or less.
Where n pv is the refractive index of the light absorbing material.

また、反射防止層の厚さdARは、1.70×dAR0以下が好ましい。厚さdARは、さらに好ましくは、0.4×dAR0以上1.4×dAR0以下、さらに好ましくは、0.7×dAR0以上1.2×dAR0以下である。
但し、dAR0は、反射防止層の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dAR0=(1−sin2θ/nAR 21/2×(λ0/4)×(1/nAR)で表される。
The thickness d AR of the antireflection layer is preferably 1.70 × d AR0 or less. The thickness d AR is more preferably 0.4 × d AR0 or more and 1.4 × d AR0 or less, and further preferably 0.7 × d AR0 or more and 1.2 × d AR0 or less.
However, d AR0 is an ideal thickness of the antireflection layer (actual thickness), d AR0 = (1- sin 2 θ / n AR 2) 1/2 × (λ 0/4) × (1 / N AR ).

[1.4.4. 材料]
バンドパスフィルターを構成する各層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
低屈折率材料としては、例えば、MgF2(波長1064nmの光の屈折率:約1.36)、SiO2(波長1064nmの光の屈折率:約1.43)などがある。
高屈折率材料としては、例えば、ZnS(波長1064nmの光の屈折率:約2.29)、TiO2(波長1064nmの光の屈折率:約2.25)などがある。
反射防止層の材料としては、例えば、Y23(波長1064nmの光の屈折率:約1.73)、TiO2−SiO2などの複合酸化物などがある。
[1.4.4. material]
The material of each layer constituting the band pass filter is not particularly limited, and various materials can be used depending on the purpose.
Examples of the low refractive index material include MgF 2 (refractive index of light having a wavelength of 1064 nm: about 1.36), SiO 2 (refractive index of light having a wavelength of 1064 nm: about 1.43), and the like.
Examples of the high refractive index material include ZnS (refractive index of light having a wavelength of 1064 nm: about 2.29), TiO 2 (refractive index of light having a wavelength of 1064 nm: about 2.25), and the like.
Examples of the material for the antireflection layer include Y 2 O 3 (refractive index of light having a wavelength of 1064 nm: about 1.73), composite oxides such as TiO 2 —SiO 2, and the like.

[1.4.5. バンドパスフィルターの大きさ]
バンドパスフィルターの周囲には、表面電極が形成される。そのため、バンドパスフィルターの大きさが、入射光の断面の大きさより小さくなると、入射光の一部が表面電極で反射される。従って、バンドパスフィルターの大きさは、入射光の断面の大きさ以上であるのが好ましい。
一方、バンドパスフィルターの大きさを必要以上に大きくしても、実益がない。バンドパスフィルターを構成する薄膜の作製の容易さを鑑みて、適宜設計すればよい。
[1.4.5. Size of bandpass filter]
A surface electrode is formed around the bandpass filter. Therefore, if the size of the bandpass filter is smaller than the size of the cross section of the incident light, a part of the incident light is reflected by the surface electrode. Therefore, the size of the band pass filter is preferably equal to or larger than the size of the cross section of the incident light.
On the other hand, even if the size of the bandpass filter is increased more than necessary, there is no practical benefit. What is necessary is just to design suitably in view of the ease of preparation of the thin film which comprises a band pass filter.

[1.5. 拡散反射面]
光吸収部材は、その裏面に、拡散反射面を備えている。拡散反射面は、光吸収部材で吸収しきれなかった入射光を反射させるためのものである。換言すれば、拡散反射面は、多重反射によって受光面に対して平行方向に入射光を拡散させる機能を持つ。拡散反射面は、光吸収部材の裏面の全面に形成しても良いが、少なくとも光の多重反射に実質的に寄与する部分(すなわち、光拡散部)に形成されていれば良い。
[1.5. Diffuse reflective surface]
The light absorbing member includes a diffuse reflection surface on the back surface. The diffuse reflection surface is for reflecting incident light that could not be absorbed by the light absorbing member. In other words, the diffuse reflection surface has a function of diffusing incident light in a direction parallel to the light receiving surface by multiple reflection. The diffuse reflection surface may be formed on the entire back surface of the light absorbing member, but may be formed at least in a portion that substantially contributes to multiple reflection of light (that is, a light diffusion portion).

受光面に対して平行方向に入射光を拡散させるためには、拡散反射面は、入射光の反射スペクトルが次の(1)式の関係を満たすものが好ましい。
(I/I0)・sinθの半値全幅≧30° ・・・(1)
但し、I/I0は規格化された反射強度、θは入射方向から計った反射角。
高い変換効率を得るためには、半値全幅は、さらに好ましくは、50°以上である。
In order to diffuse the incident light in a direction parallel to the light receiving surface, the diffuse reflection surface preferably has a reflection spectrum of the incident light satisfying the relationship of the following expression (1).
Full width at half maximum of (I / I 0 ) · sinθ ≧ 30 ° (1)
Where I / I 0 is the normalized reflection intensity, and θ is the reflection angle measured from the incident direction.
In order to obtain high conversion efficiency, the full width at half maximum is more preferably 50 ° or more.

このような条件を満たす拡散反射面としては、例えば、
(a)大きさ(底面の大きさ、及び/又は高さ)がランダムなピラミッドがランダムに並んでいる面、
(b)大きさがランダムなピラミッドがランダムに並んでおり、かつ、ピラミッドの尖端部及び側面が粗面化又は曲面化されている面、
(c)直径1〜5μmの楔状のくぼみが緻密に形成されている面、
などがある。
従来の拡散反射面作製評価の報告によると、反射強度の反射角度依存性をcoswθで近似するPhongモデルと対応させてwの値を求め、これを拡散反射の指標とした例がある。そこでは、鏡面シリコン/スクリーン印刷Al界面に対して、w=10(参考文献A)、アルカリエッチングシリコン/蒸着Ag界面に対してw=30(参考文献B)が報告されている。w=10、30は、それぞれ、(I/I0)・sinθの半値全幅26.2°、及び16.2°に相当する。従って、従来の作製方法では、十分な光拡散反射機能を得ることができない。
これに対し、後述する異方性エッチング法、酸による等方エッチング法、又はこれらの併用により、上記の条件を満たす拡散反射面を形成することができる。
[参考文献A]M. Hermle, E. Schneiderlochner, and G. Grupp, S. W. Glunz, Proc. 20th European Photovoltaice Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005) 810
[参考文献B]D. Kray, M. Hermle, and S. W. Glunz, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 16, 1(2008)
As a diffuse reflection surface satisfying such conditions, for example,
(A) a surface on which pyramids with random sizes (the size and / or height of the bottom surface) are randomly arranged;
(B) a surface in which pyramids with random sizes are randomly arranged, and the tip and side surfaces of the pyramid are roughened or curved;
(C) a surface on which a wedge-shaped depression having a diameter of 1 to 5 μm is formed densely;
and so on.
According to a conventional diffused reflection surface fabrication evaluation report, there is an example in which the value of w is obtained by associating with the Phong model that approximates the reflection angle dependency of the reflection intensity by cos w θ, and this is used as an index of diffuse reflection. There, w = 10 (reference document A) is reported for the mirror silicon / screen printed Al interface, and w = 30 (reference document B) is reported for the alkali-etched silicon / deposited Ag interface. w = 10 and 30 correspond to the full width at half maximum of (I / I 0 ) · sin θ of 26.2 ° and 16.2 °, respectively. Therefore, the conventional manufacturing method cannot provide a sufficient light diffusion reflection function.
On the other hand, a diffuse reflection surface satisfying the above conditions can be formed by an anisotropic etching method described later, an isotropic etching method using an acid, or a combination thereof.
[Reference A] M. Hermle, E. Schneiderlochner, and G. Grupp, SW Glunz, Proc. 20th European Photovoltaice Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005) 810
[Reference B] D. Kray, M. Hermle, and SW Glunz, Prog. Photovolt .: Res. Appl. 16, 1 (2008)

[1.6. 表面電極及び裏面電極]
光吸収部材の受光面側の表面であって、バンドパスフィルターの周囲には、表面電極が形成される。また、光吸収部材の裏面側の表面であって、バンドパスフィルター及び表面電極に対向する位置(すなわち、拡散反射面の表面)には、裏面電極が形成される。表面電極及び裏面電極は、それぞれ、キャリアを取り出す集電体としての機能と、入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
[1.6. Front electrode and back electrode]
A surface electrode is formed on the light receiving surface side of the light absorbing member and around the band pass filter. A back electrode is formed on the back surface of the light absorbing member at a position facing the bandpass filter and the front electrode (that is, the surface of the diffuse reflection surface). The front electrode and the back electrode each have a function as a current collector for extracting carriers and a function as a reflective film for reflecting incident light.

[1.6.1. 電極の大きさ及び形状]
表面電極及び裏面電極の大きさ及び形状は、特に限定されるものではないく、目的に応じて最適なものを選択することができる。また、表面電極及び裏面電極は、互いに同一の大きさ及び/又は形状を有している必要はない。表面電極及び裏面電極の内、光の多重反射に寄与する部分は、光拡散部として機能する。そのため、高い変換効率が得られるように、表面電極及び裏面電極の大きさ及び形状を選択するのが好ましい。
高い変換効率を得るためには、裏面電極は、拡散反射面の全面を覆っているのが好ましい。但し、変換効率を著しく低下させない限りにおいて、裏面電極は、拡散反射面の一部を覆うものでも良い。
[1.6.1. Size and shape of electrode]
The size and shape of the front surface electrode and the back surface electrode are not particularly limited, and an optimal one can be selected according to the purpose. Further, the front electrode and the back electrode need not have the same size and / or shape. Of the front electrode and the back electrode, a portion that contributes to multiple reflection of light functions as a light diffusion portion. Therefore, it is preferable to select the size and shape of the front and back electrodes so that high conversion efficiency can be obtained.
In order to obtain high conversion efficiency, the back electrode preferably covers the entire surface of the diffuse reflection surface. However, as long as the conversion efficiency is not significantly reduced, the back electrode may cover a part of the diffuse reflection surface.

[1.6.2. 電極の材料]
電極には、通常、金属材料が用いられる。光吸収部材の表面に直接、金属電極を形成した場合、光吸収部材/電極間にショットキー接合が形成される場合がある。光吸収部材/電極間にショットキー接合が形成されると、高い変換効率は得られない。従って、電極材料は、光吸収材料とオーミック接合を形成することが可能な材料が好ましい。
また、本発明において、電極は、反射膜としても機能するため、電極には、入射光に対する高い反射率が求められる。反射率は、具体的には、90%以上が好ましい。反射率は、さらに好ましくは、95%以上である。
[1.6.2. Electrode material]
A metal material is usually used for the electrode. When a metal electrode is formed directly on the surface of the light absorbing member, a Schottky junction may be formed between the light absorbing member / electrode. When a Schottky junction is formed between the light absorbing member / electrode, high conversion efficiency cannot be obtained. Therefore, the electrode material is preferably a material capable of forming an ohmic junction with the light absorbing material.
In the present invention, since the electrode also functions as a reflective film, the electrode is required to have a high reflectance with respect to incident light. Specifically, the reflectance is preferably 90% or more. The reflectance is more preferably 95% or more.

ある光吸収材料に対して、このような2つの条件を同時に満たす材料がある場合には、光吸収材料の表面に、電極を直接、形成することができる。
一方、このような2つの条件を同時に満たす材料がない場合には、電極は、
前記光吸収部材の表面に設けられた、前記光吸収部材とオーミック接合を形成可能な導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に設けられた、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備えたものが好ましい。
このような積層構造を備えた電極は、表面電極又は裏面電極のいずれか一方に用いても良く、あるいは、双方に用いても良い。
When there is a material that satisfies both of these two conditions for a certain light-absorbing material, an electrode can be formed directly on the surface of the light-absorbing material.
On the other hand, if there is no material that satisfies these two conditions at the same time, the electrode
A first layer made of a conductive material provided on a surface of the light absorbing member and capable of forming an ohmic junction with the light absorbing member;
It is preferable to have a laminated structure with a second layer made of a second conductive material provided on the surface of the first layer and having a higher reflectance of the incident light than the first conductive material.
An electrode having such a laminated structure may be used for either the front electrode or the back electrode, or may be used for both.

積層構造を備えた電極において、キャリアは、第1層から第2層を通って外部に取り出される。第2層が光吸収材料との間でショットキー接合を形成する材料である場合において、第1層の厚さが薄すぎると、キャリアは第2層の影響を受ける。高い変換効率を得るためには、第1層の厚さは、第1導電材料へのキャリアの侵入深さの3倍以上が好ましい。第1層の厚さは、さらに好ましくは、キャリアの侵入深さの5倍以上である。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
In the electrode having a stacked structure, carriers are taken out from the first layer through the second layer. In the case where the second layer is a material that forms a Schottky junction with the light-absorbing material, if the thickness of the first layer is too thin, the carriers are affected by the second layer. In order to obtain high conversion efficiency, the thickness of the first layer is preferably at least three times the penetration depth of carriers into the first conductive material. The thickness of the first layer is more preferably 5 times or more the penetration depth of the carrier.
Here, “the penetration depth of the carrier into the first conductive material” is assumed that the carrier (A) in the light absorbing material and the carrier (B) in the first conductive material can be distinguished, When the concentration distribution in the first conductive material of the carrier (A) in the light absorbing material is calculated using Poisson's equation, the concentration of the carrier (A) in the first conductive material is The depth which becomes 1 / e (e is the Napier number) of the concentration of the carrier (A) in the absorbent material.

入射光の一部は、拡散反射面を透過する。積層構造を備えた電極において、透過した光の一部は、第1層をさらに透過し、第2層の表面で反射される。第1層の厚さが厚すぎると、第1層における光の減衰が大きくなる。高い変換効率を得るためには、第1層の厚さは、第1導電材料への入射光の侵入深さ以下が好ましい。第1層の厚さは、さらに好ましくは、入射光の侵入深さの1/2倍以下である。
ここで、「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
Part of the incident light is transmitted through the diffuse reflection surface. In the electrode having the laminated structure, part of the transmitted light further passes through the first layer and is reflected by the surface of the second layer. If the thickness of the first layer is too thick, the attenuation of light in the first layer increases. In order to obtain high conversion efficiency, the thickness of the first layer is preferably equal to or less than the penetration depth of incident light into the first conductive material. More preferably, the thickness of the first layer is not more than ½ times the penetration depth of incident light.
Here, “the penetration depth of incident light into the first conductive material” means that the incident light intensity is 1 / e (e is the Napier number) when the incident light is incident on the first conductive material. ).

例えば、入射光がλ0=1064nmの単色光であり、光吸収材料がp型単結晶シリコンであり、裏面側の表面にエミッタ層(n型)を形成し、受光面側の表面にBSF層(p型)を形成する場合を考える。
反射率の高い材料としては、例えば、Agが知られている。Agは、p型単結晶シリコンのエミッタ層との間でショットキー接合を形成しにくい。従って、裏面電極には、Agをそのまま用いることができる。
For example, the incident light is monochromatic light with λ 0 = 1064 nm, the light-absorbing material is p-type single crystal silicon, an emitter layer (n-type) is formed on the back surface, and the BSF layer is formed on the light receiving surface. Consider the case of forming (p-type).
For example, Ag is known as a material having a high reflectance. Ag hardly forms a Schottky junction with the emitter layer of p-type single crystal silicon. Therefore, Ag can be used as it is for the back electrode.

これに対し、表面電極としてAgを用いた場合、Agとp型単結晶シリコンのBSF層とを直接接触させると、ショットキー接合が形成される。
一方、Alは、シリコンLSIに用いられる一般的な電極材料である。シリコン表面にAl層を形成した後、400℃前後の温度で数10分程度の熱処理(シンタリング処理)を行うと、Al中にSiが拡散する。シンタリング処理されたAlは、p型及びn型のいずれの伝導層に対してもオーミック接合を形成する。しかしながら、Alの反射率は、Agより低い。
On the other hand, when Ag is used as the surface electrode, a Schottky junction is formed when Ag is brought into direct contact with the BSF layer of p-type single crystal silicon.
On the other hand, Al is a general electrode material used for silicon LSI. When an Al layer is formed on the silicon surface and then a heat treatment (sintering process) is performed at a temperature of about 400 ° C. for about several tens of minutes, Si diffuses into the Al. The sintered Al forms an ohmic junction with both the p-type and n-type conductive layers. However, the reflectance of Al is lower than Ag.

本発明の光電変換素子は、光吸収部材の受光面側の表面と裏面側の表面との間で多重反射を行わせることにより、光吸収部材内での光路長を増大させ、光の吸収率を高めることを特徴とする。そのため、Alの反射率がAgのそれと比べてわずかでも小さいことは、変換効率の低下に決定的な影響を及ぼす。従って、表面電極には、Alをそのまま用いるのではなく、Al(第1層)とAg(第2層)の積層電極を用いるのが好ましい。   The photoelectric conversion element of the present invention increases the optical path length in the light absorbing member by performing multiple reflection between the light receiving surface side surface and the back surface side of the light absorbing member, and absorbs light. It is characterized by raising. For this reason, the fact that the reflectance of Al is slightly smaller than that of Ag has a decisive influence on the decrease in conversion efficiency. Therefore, it is preferable to use a laminated electrode of Al (first layer) and Ag (second layer) instead of using Al as it is for the surface electrode.

λ0=1064nmの光に対するAlの消衰係数kは、下記の参考文献1によれば、k=10.6であるので、波長1064nmのAlへの侵入深さは、約8nmと計算される。従って、Al層の厚さが8nmに比べて十分薄ければ、波長1064nmの光にとっては、Al層は無いも同然であり、ほとんどの光子はAl層を透過し、Alより反射率の大きいAgによって反射されることになる。
[参考文献1] E. D. Palik, Handbook of Optical Constant of solids, (Academic Press 1985)
According to Reference Document 1 below, the extinction coefficient k of Al for light of λ 0 = 1064 nm is k = 10.6, so the penetration depth of Al at a wavelength of 1064 nm is calculated to be about 8 nm. . Therefore, if the thickness of the Al layer is sufficiently thinner than 8 nm, it is as if there is no Al layer for light having a wavelength of 1064 nm. It will be reflected by.
[Reference 1] ED Palik, Handbook of Optical Constant of solids, (Academic Press 1985)

一方、BSF層(p型)の少数キャリアである電子の侵入深さは、0.1nm程度である。そのため、Al層の厚さが0.1nmより十分厚ければ、電子はAl層がBSF層に接していると感ずる。従って、このような条件を満たすAl層(第1層)と、Ag層(第2層)との積層電極をBSF層の上に形成すればよいことになる。   On the other hand, the penetration depth of electrons which are minority carriers in the BSF layer (p-type) is about 0.1 nm. Therefore, if the thickness of the Al layer is sufficiently thicker than 0.1 nm, electrons feel that the Al layer is in contact with the BSF layer. Therefore, a stacked electrode of an Al layer (first layer) and an Ag layer (second layer) satisfying such conditions may be formed on the BSF layer.

但し、Al層とBSF層とをオーミック接合させるためには、400℃前後の温度で数10分程度の熱処理を行う必要がある。Al層は、Ag層に比べて圧倒的に薄いので、400℃前後の温度で数10分程度の熱処理によって、AlとAgが合金化し、Al層の表面にAg原子が露出する確率が高くなる。そのようにならないように、シンタリング処理の温度と時間を決定する必要がある。   However, in order to make ohmic contact between the Al layer and the BSF layer, it is necessary to perform a heat treatment for several tens of minutes at a temperature of about 400 ° C. Since the Al layer is overwhelmingly thinner than the Ag layer, Al and Ag are alloyed by a heat treatment of about several tens of minutes at a temperature of about 400 ° C., and the probability that Ag atoms are exposed on the surface of the Al layer increases. . In order to prevent this from happening, it is necessary to determine the temperature and time of the sintering process.

[1.7. 具体例]
図1に、本発明の一実施の形態に係る光電変換素子の概略構成図を示す。図1において、光電変換素子10は、光吸収部材12と、バンドパスフィルター(BPF)14と、表面電極16と、裏面電極18とを備えている。
[1.7. Concrete example]
In FIG. 1, the schematic block diagram of the photoelectric conversion element which concerns on one embodiment of this invention is shown. In FIG. 1, the photoelectric conversion element 10 includes a light absorbing member 12, a band pass filter (BPF) 14, a front surface electrode 16, and a back surface electrode 18.

光吸収部材12は、所定の厚さを持つp型半導体基板(例えば、p型単結晶シリコン基板)からなる。光吸収部材12の受光面側の表面には、SiO2膜20を介して、BPF14が形成されている。SiO2膜は、厚さが13nm程度であり、光吸収部材(シリコン)12の表面を保護するためのものである。この保護機能を発揮するためには、13nm程度の厚さが必要である。但し、この際、BPF14を構成する各層の内、光吸収部材12に接する低屈折率層の厚さを調整する必要がある。また、光吸収部材12の受光面側の表面であって、BPF14の周囲には、表面電極16が形成されている。表面電極16は、Alからなる第1層16aと、Agからなる第2層16bの積層電極である。さらに、光吸収部材の受光面側の表面直下には、BSF層(第2の拡散層)12aが形成されている。 The light absorbing member 12 is made of a p-type semiconductor substrate (for example, a p-type single crystal silicon substrate) having a predetermined thickness. A BPF 14 is formed on the surface of the light absorbing member 12 on the light receiving surface side through the SiO 2 film 20. The SiO 2 film has a thickness of about 13 nm and protects the surface of the light absorbing member (silicon) 12. In order to exhibit this protective function, a thickness of about 13 nm is required. However, at this time, it is necessary to adjust the thickness of the low refractive index layer in contact with the light absorbing member 12 among the layers constituting the BPF 14. A surface electrode 16 is formed on the light receiving surface side of the light absorbing member 12 and around the BPF 14. The surface electrode 16 is a laminated electrode of a first layer 16a made of Al and a second layer 16b made of Ag. Further, a BSF layer (second diffusion layer) 12a is formed immediately below the surface on the light receiving surface side of the light absorbing member.

光吸収部材12の裏面側の中央には薄板部が形成され、薄板部の全面には拡散反射面12bが形成されている。拡散反射面12bを含む光吸収部材12の裏面側の表面直下には、エミッタ層(第1の拡散層)12cが形成されている。さらに、拡散反射面12bを含む光吸収部材12の裏面側の表面には、裏面電極(例えば、Ag電極)18が形成されている。
光吸収部材12の薄板部は、「光拡散部」、すなわち、光吸収部材12を受光面の法線方向から見た時に、バンドパスフィルター14及び表面電極16の投影面と、拡散反射面12bの投影面とが重なり合う部分に該当する。
A thin plate portion is formed at the center on the back surface side of the light absorbing member 12, and a diffuse reflection surface 12b is formed on the entire surface of the thin plate portion. An emitter layer (first diffusion layer) 12c is formed immediately below the surface on the back surface side of the light absorbing member 12 including the diffuse reflection surface 12b. Further, a back electrode (for example, an Ag electrode) 18 is formed on the back surface of the light absorbing member 12 including the diffuse reflection surface 12b.
The thin plate portion of the light absorbing member 12 is a “light diffusing portion”, that is, when the light absorbing member 12 is viewed from the normal direction of the light receiving surface, the projection surface of the bandpass filter 14 and the surface electrode 16, and the diffuse reflecting surface 12b. This corresponds to the portion where the projection plane overlaps.

図1に示す光電変換素子10のBPF14に向かって波長λ0の単色光を入射させると、単色光は、BPF14を透過し、拡散反射面12bで反射される。入射光の一部は、拡散反射面12bを透過し、裏面電極18で反射される。拡散反射面12b及び裏面電極18で反射された光は、さらに、BPF14又は表面電極16により再反射される。以下、このような多重反射を繰り返しながら、光のエネルギーが光吸収部材12に吸収される。 When monochromatic light having a wavelength λ 0 is incident on the BPF 14 of the photoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1, the monochromatic light is transmitted through the BPF 14 and reflected by the diffuse reflection surface 12b. Part of the incident light passes through the diffuse reflection surface 12 b and is reflected by the back electrode 18. The light reflected by the diffuse reflection surface 12 b and the back surface electrode 18 is further reflected again by the BPF 14 or the front surface electrode 16. Hereinafter, the light absorption member 12 absorbs light energy while repeating such multiple reflection.

この時、拡散反射面12bの形状、光拡散部の厚さ及び大きさなどを最適化すると、光閉じ込め効果により光の吸収率が向上し、かつ、キャリアの再結合が抑制される。また、表面電極16及び裏面電極18の材料を最適化すると、ショットキー接合の形成を回避することができる。その結果、従来の光電変換素子に比べて、高い変換効率が得られる。   At this time, if the shape of the diffusive reflecting surface 12b, the thickness and size of the light diffusing portion, and the like are optimized, the light absorption rate is improved by the light confinement effect and the recombination of carriers is suppressed. Further, if the materials of the front electrode 16 and the back electrode 18 are optimized, the formation of a Schottky junction can be avoided. As a result, higher conversion efficiency can be obtained as compared with conventional photoelectric conversion elements.

[2. 光電変換素子の製造方法]
本発明に係る光電変換素子は、
(a)必要に応じて、光吸収部材に光拡散部となる薄板部を形成し、
(b)少なくとも光拡散部(薄板部)の裏面側の表面に拡散反射面を形成し、
(c)光吸収部材の表面に拡散層(エミッタ層及び、必要に応じてBSF層)を形成し、
(d)光吸収部材の受光面側の表面に、バンドパスフィルター及び表面電極を形成し、かつ、光吸収部材の裏面側の表面に裏面電極を形成する、
ことにより製造することができる。
なお、各工程の順序は、上記の順序に限定されるものではなく、物理的に可能な限りにおいて、手順を前後させることができる。
[2. Method for manufacturing photoelectric conversion element]
The photoelectric conversion element according to the present invention is
(A) If necessary, form a thin plate portion to be a light diffusion portion in the light absorbing member,
(B) forming a diffuse reflection surface at least on the surface on the back side of the light diffusion portion (thin plate portion);
(C) forming a diffusion layer (an emitter layer and, if necessary, a BSF layer) on the surface of the light absorbing member;
(D) A band pass filter and a surface electrode are formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member, and a back surface electrode is formed on the back surface side of the light absorbing member.
Can be manufactured.
In addition, the order of each process is not limited to said order, A procedure can be made to move back and forth as much as physically possible.

[2.1. 薄板部形成工程]
光吸収部材が単結晶シリコン基板のようなバルク材である場合には、光吸収部材の裏面側に、光拡散部となる薄板部を形成する(薄板部形成工程)。なお、光吸収部材が初めから光の多重反射に適した厚さを有する場合(例えば、光吸収部材が薄膜である場合)には、薄板部形成工程を省略することができる。
[2.1. Thin plate part forming process]
When the light absorbing member is a bulk material such as a single crystal silicon substrate, a thin plate portion serving as a light diffusion portion is formed on the back surface side of the light absorbing member (thin plate portion forming step). When the light absorbing member has a thickness suitable for multiple reflection of light from the beginning (for example, when the light absorbing member is a thin film), the thin plate portion forming step can be omitted.

[2.1.1. 薄板部の形成方法]
薄板部を形成する方法としては、例えば、
(a)光吸収部材の裏面の内、薄板化すべき領域以外の領域をマスキングし、マスキングされた光吸収部材をエッチング液に浸漬する方法、
(b)マスキングを行うことなく、光吸収部材の裏面全体をエッチングする方法、
(c)研磨等の機械加工により、光吸収部材の裏面全体を除去する方法
などがある。
光吸収部材がバルク材である場合、光吸収部材の全体を薄板化すると、光吸収部材の強度が低下するので実用的ではない。従って、エッチング法を用いて、光電変換に実質的に寄与する部分のみを薄板化するのが好ましい。
[2.1.1. Method for forming thin plate portion]
As a method of forming the thin plate portion, for example,
(A) A method of masking a region other than the region to be thinned out of the back surface of the light absorbing member and immersing the masked light absorbing member in an etching solution,
(B) a method of etching the entire back surface of the light absorbing member without masking;
(C) There is a method of removing the entire back surface of the light absorbing member by machining such as polishing.
When the light absorbing member is a bulk material, when the entire light absorbing member is thinned, the strength of the light absorbing member is lowered, which is not practical. Therefore, it is preferable to use an etching method to thin only the portion that substantially contributes to photoelectric conversion.

[2.1.2. 薄板部を形成するためのエッチング液]
薄板化をエッチングで行う場合において、エッチング液は、特に限定されるものではなく、光吸収部材の組成に応じて最適なものを選択する。但し、マスキングを行う場合には、マスキング材を剥離・消失させないエッチング液を用いる必要がある。
エッチング液としては、例えば、
(a)水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、エチレンジアミン−ピロカテコール、水和ヒドラジンなどを含むアルカリ性エッチング液、
(b)フッ化水素酸と硝酸とを主成分とする酸エッチング液、
などがある。
薄板化の際には、いずれか1つのエッチング液を用いても良く、あるいは、2種以上のエッチング液を組み合わせて用いても良い。
[2.1.2. Etching solution for forming thin plate portion]
When thinning is performed by etching, the etching solution is not particularly limited, and an optimum one is selected according to the composition of the light absorbing member. However, when performing masking, it is necessary to use an etching solution that does not peel off or disappear the masking material.
As an etchant, for example,
(A) an alkaline etching solution containing sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide, ethylenediamine-pyrocatechol, hydrated hydrazine, etc.
(B) an acid etching solution mainly composed of hydrofluoric acid and nitric acid;
and so on.
At the time of thinning, any one etching solution may be used, or two or more etching solutions may be used in combination.

これらの内、アルカリ性エッチング液は、以下のような特徴がある。
(a)一般的には異方性エッチングとなるため、凹凸のあるエッチング面を形成しやすい。但し、エッチング条件によってはエッチング面が平坦となることもある。
(b)マスク材として、マスクパターンの形成及び除去が容易なシリコン酸化膜を用いることができる。
(c)エッチング速度は、酸エッチング液に比べて遅い。
Among these, the alkaline etching solution has the following characteristics.
(A) Generally, since anisotropic etching is performed, it is easy to form an uneven etched surface. However, the etched surface may be flat depending on the etching conditions.
(B) As a mask material, a silicon oxide film that can easily form and remove a mask pattern can be used.
(C) The etching rate is slower than that of the acid etching solution.

一方、酸エッチング液は、以下のような特徴がある。
(a)一般的には等方性エッチングとなるため、平坦なエッチング面を形成しやすい。但し、光吸収部材の表面にマイクロな結晶構造上の違いがある場合、あるいは、酸エッチング液の組成を最適化した場合には、凹凸のあるエッチング面を形成することができる。
(b)マスク材として、シリコン酸化膜を用いることができない場合がある。
(c)エッチング速度は、アルカリ性エッチング液に比べて速い。
On the other hand, the acid etching solution has the following characteristics.
(A) Since it is generally isotropic etching, it is easy to form a flat etching surface. However, when there is a difference in microscopic crystal structure on the surface of the light absorbing member, or when the composition of the acid etching solution is optimized, an uneven etched surface can be formed.
(B) A silicon oxide film may not be used as a mask material.
(C) The etching rate is faster than that of the alkaline etching solution.

薄板化のためのエッチングにおいて、エッチング速度が遅すぎると、エッチング時間が単に長くなるだけでなく、液温や濃度のコントロール上も実用的ではない。例えば、光吸収部材が単結晶シリコンである場合、十分な機械的強度を有し、かつ、実用的な時間内にエッチング処理を完了させることが可能な厚さ(実用的な初期厚さ)は、150μm〜300μmである。また、最終的な薄板部の厚さは、5〜50μmである。これらを考慮すると、エッチング液のエッチング速度は、50μm/h以上が好ましい。   In the etching for thinning, if the etching rate is too slow, the etching time is not only long, but it is not practical for controlling the liquid temperature and concentration. For example, when the light absorbing member is single crystal silicon, the thickness (practical initial thickness) that has sufficient mechanical strength and can complete the etching process within a practical time is 150 μm to 300 μm. The final thin plate portion has a thickness of 5 to 50 μm. Considering these, the etching rate of the etching solution is preferably 50 μm / h or more.

酸エッチング液の組成を最適化すると、シリコンのエッチング速度として、300μm/h〜1200μm/hが得られる。従って、実用的な初期厚さ、及び最終的な薄板部の厚さを考慮すると、酸エッチング液を用いてエッチングを行った場合、10分程度で目的とする厚さを有する薄板部が得られることになる。   When the composition of the acid etching solution is optimized, an etching rate of silicon of 300 μm / h to 1200 μm / h is obtained. Therefore, in consideration of the practical initial thickness and the final thickness of the thin plate portion, when etching is performed using an acid etching solution, a thin plate portion having the desired thickness can be obtained in about 10 minutes. It will be.

しかしながら、シリコンを酸エッチングする場合において、マスク材として、シリコン酸化膜を用いると、酸エッチング液の組成を最適化したとしても、シリコン酸化膜は、酸エッチング液により腐食され、10分以内にマスク効果を発揮できなくなる。
これを防止するために、マスク材として、例えばシリコン窒化膜を用いることも考えられる。しかしながら、シリコン窒化膜を用いたマスクパターンの形成及びその除去は、非常に煩雑である。
従って、光吸収部材がシリコンである場合において、光吸収部材を部分的に薄板化するときには、アルカリ性エッチング液を用いるのが好ましい。
However, in the case where silicon is acid-etched, if a silicon oxide film is used as a mask material, even if the composition of the acid etching solution is optimized, the silicon oxide film is corroded by the acid etching solution and is masked within 10 minutes. The effect cannot be demonstrated.
In order to prevent this, for example, a silicon nitride film may be used as the mask material. However, formation and removal of a mask pattern using a silicon nitride film is very complicated.
Therefore, in the case where the light absorbing member is silicon, it is preferable to use an alkaline etching solution when partially thinning the light absorbing member.

アルカリ性エッチング液には、
(a)水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、
(b)水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液、
(c)エチレンジアミン−ピロカテコール、水和ヒドラジン
などを用いることができる。
For alkaline etchants,
(A) sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution,
(B) an aqueous tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution,
(C) Ethylenediamine-pyrocatechol, hydrated hydrazine and the like can be used.

半導体プロセスにおいては、半導体基板、それに積層される各種薄膜、半導体基板や薄膜を処理するための処理液、各種処理を行うための装置部品で半導体基板や薄膜に接触する部分に、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属イオン、あるいは、カルシウム等のアルカリ土類金属イオンが0.001ppb程度(イオンの数密度で1010個/cm3)の濃度で存在しても、半導体デバイスの特性に支障を来す場合がある。
従って、薄板化のためのエッチングには、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液を用いるのが好ましい。アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンを含むエッチング液を用いる場合には、エッチング後、極めて厳重な洗浄工程が必要である。
In the semiconductor process, the semiconductor substrate, various thin films stacked thereon, the processing liquid for processing the semiconductor substrate and the thin film, and the parts that are in contact with the semiconductor substrate and the thin film in the parts for performing various processing, such as sodium and potassium Alkaline metal ions or alkaline earth metal ions such as calcium are present at a concentration of about 0.001 ppb (10 10 ions / cm 3 in terms of the number density of ions). There is a case.
Therefore, it is preferable to use an alkaline etching solution which does not contain any of alkali metal ions and alkaline earth metal ions for etching for thinning. When an etching solution containing alkali metal ions or alkaline earth metal ions is used, an extremely strict cleaning process is required after the etching.

エチレンジアミン−ピロカテコール、及び水和ヒドラジンは、いずれもアルカリ金属及びアルカリ土類金属を含まない。しかしながら、これらのエッチング液を用いてシリコンをエッチングする場合において、エッチング速度50μm/hを得るためには、液の温度を100℃以上に上昇させる必要がある。そのため、エッチング設備が煩雑となる。   Neither ethylenediamine-pyrocatechol nor hydrated hydrazine contains alkali metals and alkaline earth metals. However, when silicon is etched using these etching solutions, the temperature of the solution needs to be raised to 100 ° C. or higher in order to obtain an etching rate of 50 μm / h. Therefore, the etching facility becomes complicated.

これに対し、TMAH水溶液は、アルカリ金属及びアルカリ土類金属イオンを含まない。また、90℃程度の温度で50μm/h以上のエッチング速度が得られ、しかも、TMAH濃度を変えることにより、エッチング速度を種々調整できる。そのため、TMAH水溶液は、薄板化のためのエッチング液として最も適している。この場合、TMAH水溶液中のTMAHの重量濃度は、13〜22重量%が好ましい。   On the other hand, the TMAH aqueous solution does not contain alkali metal and alkaline earth metal ions. Further, an etching rate of 50 μm / h or more can be obtained at a temperature of about 90 ° C., and various etching rates can be adjusted by changing the TMAH concentration. Therefore, the TMAH aqueous solution is most suitable as an etching solution for thinning. In this case, the weight concentration of TMAH in the TMAH aqueous solution is preferably 13 to 22% by weight.

[2.2. 拡散反射面形成工程]
次に、少なくとも光拡散部(薄板部)の裏面側の表面に拡散反射面を形成する(拡散反射面形成工程)。
薄板化された部分の表面は、通常、滑らかである。そのため、薄板部の表面を拡散反射面とするために、少なくとも光拡散部の裏面側の表面にランダムな凹凸を形成する必要がある。拡散反射面の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的とする反射率が得られる方法であればよい。拡散反射面の形成方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
[2.2. Diffuse reflecting surface forming process]
Next, a diffuse reflection surface is formed at least on the surface on the back surface side of the light diffusion portion (thin plate portion) (diffuse reflection surface forming step).
The surface of the thinned part is usually smooth. Therefore, in order to make the surface of the thin plate portion a diffuse reflection surface, it is necessary to form random irregularities on at least the surface on the back surface side of the light diffusion portion. The method for forming the diffuse reflection surface is not particularly limited as long as the desired reflectance can be obtained. Specific examples of the method for forming the diffuse reflection surface include the following methods.

[2.2.1. 酸エッチングによる拡散反射面の形成]
拡散反射面を形成するための第1の具体例は、酸エッチング液により、少なくとも光拡散部の裏面側の表面を粗面化又は曲面化する方法である。
酸エッチング液は、等方性エッチングとなることが多いが、組成を最適化すると、光吸収部材の表面を粗面化又は曲面化することができる。
粗面化又は曲面化に用いる酸エッチング液としては、
(a)フッ化水素酸、硝酸、及び硫酸の混酸、
(b)フッ化水素酸、硝酸、及び酢酸の混酸
などがある。
なお、拡散反射面を形成するための混酸の好適な組成は、後述する第2エッチング液と同様である(図2参照)。
[2.2.1. Formation of diffuse reflection surface by acid etching]
A first specific example for forming the diffuse reflection surface is a method of roughening or curving at least the back surface of the light diffusion portion with an acid etching solution.
In many cases, the acid etching solution is isotropic etching, but when the composition is optimized, the surface of the light absorbing member can be roughened or curved.
As an acid etching solution used for roughening or curved surface,
(A) a mixed acid of hydrofluoric acid, nitric acid, and sulfuric acid,
(B) There is a mixed acid of hydrofluoric acid, nitric acid, and acetic acid.
In addition, the suitable composition of the mixed acid for forming a diffuse reflection surface is the same as that of the 2nd etching liquid mentioned later (refer FIG. 2).

[2.2.2. ランダムピラミッドの形成及びピラミッド表面の粗面化又は曲面化]
拡散反射面を形成するための第2の具体例は、
(a)第1エッチング液を用いて、前記光吸収部材の裏面に大きさがランダムなピラミッドを形成し、
(b)第2エッチング液を用いて、前記ピラミッドの尖端部及び側面を粗面化又は曲面化する
方法である。
[2.2.2. Random pyramid formation and rough or curved pyramid surface]
The second specific example for forming the diffuse reflection surface is:
(A) Using the first etching solution, a random pyramid is formed on the back surface of the light absorbing member;
(B) A method of roughening or curving the tip and side surfaces of the pyramid using a second etching solution.

第1エッチング液は、上述したアルカリ性エッチング液が好ましい。アルカリ性エッチング液は、異方性エッチングとなる場合が多いので、大きさがランダムなピラミッドを容易に形成することができる。アルカリ性エッチング液の中でも、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液が好ましく、特に、TMAH水溶液が好ましい。   The first etching solution is preferably the alkaline etching solution described above. Since the alkaline etching solution is often anisotropic etching, a random pyramid can be easily formed. Among the alkaline etching solutions, an alkaline etching solution containing neither alkali metal ions nor alkaline earth metal ions is preferable, and a TMAH aqueous solution is particularly preferable.

第1エッチング液として、TMAH水溶液を用いる場合、TMAHの重量濃度は、5〜11重量%が好ましい。例えば、光吸収部材が単結晶シリコン基板である場合、5〜11重量%のTMAH水溶液で、1〜2時間エッチングすることで、大きさがランダムなピラミッドを形成することができる。   When a TMAH aqueous solution is used as the first etching solution, the weight concentration of TMAH is preferably 5 to 11% by weight. For example, when the light absorbing member is a single crystal silicon substrate, a random pyramid can be formed by etching for 1 to 2 hours with 5 to 11% by weight of TMAH aqueous solution.

前記第2エッチング液としては、例えば、
(a)アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液であって、一端が疎水性、他端が親水性の鎖状の分子構造を持つ添加剤を加えて、前記光吸収部材のエッチング速度を15μm/時以下に調整したもの、
(b)フッ化水素酸、硝酸及び酢酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、
(c)フッ化水素酸、硝酸及び硫酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、
などがある。
これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。アルカリ性エッチング液及び酸エッチング液の双方を用いる場合、先にアルカリ性エッチング液で粗面化又は曲面化を行い、次いで酸エッチング液で粗面化又は曲面化を行うのが好ましい。
As the second etching solution, for example,
(A) An alkaline etching solution containing neither alkali metal ions nor alkaline earth metal ions, wherein an additive having a chain molecular structure in which one end is hydrophobic and the other end is hydrophilic is added to the light. What adjusted the etching rate of the absorbing member to 15 μm / hour or less,
(B) an acid etching solution in which hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid are mixed, wherein the etching rate of the light absorbing member is adjusted to 10 μm / hour or less,
(C) An acid etching solution in which hydrofluoric acid, nitric acid and sulfuric acid are mixed, wherein the etching rate of the light absorbing member is adjusted to 10 μm / hour or less,
and so on.
Any one of these may be used, or two or more may be used in combination. When both an alkaline etching solution and an acid etching solution are used, it is preferable that the surface is first roughened or curved with an alkaline etching solution, and then the surface is roughened or curved with an acid etching solution.

ピラミッド形状の尖端部と側面の粗面化又は曲面化に適したアルカリ性エッチング液としては、例えば、
(a)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%のポリエチレングリコールを含むエッチング液、
(b)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテル(通称、トリトン−X−100)を含むエッチング液、
(c)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%の界面活性剤NC−200を含むエッチング液、
などがある。
As an alkaline etching solution suitable for roughening or curving of the pyramid-shaped tip and side surface, for example,
(A) an etching solution containing 11 to 15% by weight of TMAH and 0.01 to 0.1% by weight of polyethylene glycol;
(B) an etching solution containing 11 to 15% by weight of TMAH and 0.01 to 0.1% by weight of polyethylene glycol mono-4-octylphenyl ether (common name, Triton-X-100);
(C) an etching solution containing 11 to 15% by weight of TMAH and 0.01 to 0.1% by weight of surfactant NC-200,
and so on.

図2に、ピラミッド形状の尖端部及び側面の粗面化又は曲面化に適した酸エッチング液の組成範囲を示す。フッ化水素酸−硝酸−酢酸の混酸の場合、図2(a)に示すように、その組成は、(HF、HNO3、CH3COOH)=(10、70、20)、(10、40、50)、(20、30、50)、(30、30、40)、(25、45、30)、(25、63、12)を直線で結んだ領域内が好ましい。
また、フッ化水素酸−硝酸−硫酸の混酸の場合、図2(b)に示すように、その組成は、(HF、HNO3、H2SO4)=(2、38、60)、(2、13、85)、(7、8、85)、(20、20、60)を直線で結んだ領域内が好ましい。
FIG. 2 shows a composition range of an acid etching solution suitable for roughening or curving a pyramidal apex and side surfaces. In the case of a mixed acid of hydrofluoric acid-nitric acid-acetic acid, as shown in FIG. 2 (a), the composition is (HF, HNO 3 , CH 3 COOH) = (10, 70, 20), (10, 40 , 50), (20, 30, 50), (30, 30, 40), (25, 45, 30), and (25, 63, 12) are preferably in a region connected by a straight line.
In the case of a mixed acid of hydrofluoric acid-nitric acid-sulfuric acid, as shown in FIG. 2B, the composition is (HF, HNO 3 , H 2 SO 4 ) = ( 2, 38, 60), ( 2, 13, 85), (7, 8, 85), and (20, 20, 60) are preferably in a region connected by a straight line.

[2.3. 拡散層形成工程]
次に、光吸収部材の表面に第1の拡散層(エミッタ層)、及び、必要に応じて第2の拡散層(BSF層)を形成する(拡散層形成工程)。
拡散層の形成方法としては、
(a)ドープしようとする不純物を含む層を、拡散層を形成しようとする面に塗布等の方法で堆積させ、熱処理等の方法で不純物を拡散させる方法(溶液塗布法)、
(b)イオン注入による方法、
(c)不純物を含む気体を、拡散層を形成しようとする面に接触させながら熱処理する方法(気相拡散法)
などがある。
[2.3. Diffusion layer forming process]
Next, a first diffusion layer (emitter layer) and, if necessary, a second diffusion layer (BSF layer) are formed on the surface of the light absorbing member (diffusion layer forming step).
As a method of forming the diffusion layer,
(A) A method (solution coating method) in which a layer containing an impurity to be doped is deposited on a surface on which a diffusion layer is to be formed by a method such as coating, and the impurity is diffused by a method such as heat treatment (solution coating method);
(B) a method by ion implantation,
(C) A method of performing a heat treatment while bringing a gas containing impurities into contact with a surface on which a diffusion layer is to be formed (vapor phase diffusion method)
and so on.

光吸収部材の裏面側には拡散反射面が形成されているので、裏面側の表面(すなわち、拡散反射面の表面)に拡散層を形成する場合には、気相拡散法を用いるのが好ましい。気相拡散法を用いると、凹凸がある拡散反射面の表面に、均一な厚さの拡散層を形成することができる。
一方、光吸収部材の受光面側の表面に拡散層を形成する場合、上述したいずれの方法を用いても良い。
Since the diffuse reflection surface is formed on the back surface side of the light absorbing member, it is preferable to use a vapor phase diffusion method when forming a diffusion layer on the back surface (that is, the surface of the diffuse reflection surface). . When the vapor phase diffusion method is used, a diffusion layer having a uniform thickness can be formed on the surface of the diffuse reflection surface having irregularities.
On the other hand, when the diffusion layer is formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member, any of the methods described above may be used.

気相拡散法を用いた拡散層の形成は、具体的には、
(a)光吸収部材の表面及び裏面の内、拡散層を形成する領域以外の領域を、不純物原子が透過しないマスク材(例えば、二酸化珪素)で覆い、
(b)不純物原子を含む気体が充満している電気炉内に光吸収部材を挿入し、電気炉内で不純物原子を光吸収部材に熱拡散させる
ことにより行う。
Specifically, the formation of the diffusion layer using the vapor phase diffusion method is as follows:
(A) Covering a region other than a region for forming the diffusion layer among the front and back surfaces of the light absorbing member with a mask material (for example, silicon dioxide) that does not allow impurity atoms to pass through,
(B) A light absorbing member is inserted into an electric furnace filled with a gas containing impurity atoms, and the impurity atoms are thermally diffused in the light absorbing member in the electric furnace.

不純物原子を含む気体を電気炉内に充満させる方法としては、種々の方法がある。例えば、不純物原子を含む化合物が常温で気体である場合、その気体をそのまま、又はキャリアガスで希釈して電気炉内に送り込む。
一方、不純物原子を含む化合物が常温で液体であるが、その蒸気圧がある程度の大きさを持っている場合、不純物原子を含む液体に酸素、窒素等のキャリアガスを流し、キャリアガスを不純物原子を含む液体の蒸気で飽和させ、これを電気炉内に送り込む。
あるいは、不純物原子を含む化合物が常温で固体であるが、熱分解しやすい場合、不純物原子を含む固体と光吸収部材とを電気炉内で対向させ、電気炉内で加熱する。
There are various methods for filling an electric furnace with a gas containing impurity atoms. For example, when the compound containing impurity atoms is a gas at normal temperature, the gas is fed into the electric furnace as it is or diluted with a carrier gas.
On the other hand, if the compound containing impurity atoms is a liquid at room temperature, but the vapor pressure has a certain level, a carrier gas such as oxygen or nitrogen is allowed to flow through the liquid containing the impurity atoms, and the carrier gas is used as the impurity atoms. Saturated with a liquid vapor containing, and fed into an electric furnace.
Alternatively, when the compound containing impurity atoms is solid at normal temperature but is easily thermally decomposed, the solid containing impurity atoms and the light absorbing member are opposed to each other in the electric furnace and heated in the electric furnace.

光吸収部材としてp型単結晶シリコン基板を用いる場合、第1の拡散層(エミッタ層)にドープするn型不純物は、リンが一般的である。この場合、常温で気体であるリン源としては、例えば、ホスフィンなどがある。また、常温で液体であるリン源としては、例えば、オキシ塩化リンなどがある。いずれのリン源を用いる場合であっても、適正なリン濃度分布が得られるように、キャリアガスの濃度、温度、処理時間などを制御する。
また、リンをドープする途中で、拡散層の表面にリンガラス(ホスホシリケートガラス)が形成される場合がある。この場合、リンガラスを除去した後、酸素、窒素、又はこれらの混合ガス雰囲気中で熱処理(「ドライブイン」と呼ばれる追い込み拡散)を行っても良い。
When a p-type single crystal silicon substrate is used as the light absorbing member, phosphorus is generally used as the n-type impurity doped in the first diffusion layer (emitter layer). In this case, examples of the phosphorus source that is a gas at normal temperature include phosphine. Examples of the phosphorus source that is liquid at room temperature include phosphorus oxychloride. Regardless of which phosphorus source is used, the carrier gas concentration, temperature, processing time, and the like are controlled so that an appropriate phosphorus concentration distribution is obtained.
In addition, phosphorus glass (phosphosilicate glass) may be formed on the surface of the diffusion layer during the doping of phosphorus. In this case, after removing the phosphorus glass, heat treatment (forcing-in diffusion called “drive-in”) may be performed in an atmosphere of oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof.

また、光吸収部材としてp型単結晶シリコン基板を用いる場合、第2の拡散層(BSF層)にドープするp型不純物は、ホウ素が一般的である。この場合、常温で気体であるホウ素源としては、例えば、ジボランなどがある。また、常温で固体であるホウ素源としては、例えば、窒化ホウ素などがある。いずれのホウ素源を用いる場合であっても、適正なホウ素濃度分布が得られるように、キャリアガスの濃度、温度、処理時間などを制御する。
また、ホウ素をドープする途中で、拡散層の表面にボロンガラス(ボロシリケートガラス)が形成される場合がある。この場合、ボロンガラスを除去した後、酸素、窒素、又はこれらの混合ガス雰囲気中で熱処理(ドライブイン)を行っても良い。
When a p-type single crystal silicon substrate is used as the light absorbing member, boron is generally used as the p-type impurity doped into the second diffusion layer (BSF layer). In this case, examples of the boron source that is a gas at normal temperature include diborane. Examples of the boron source that is solid at room temperature include boron nitride. Regardless of which boron source is used, the carrier gas concentration, temperature, processing time, and the like are controlled so that an appropriate boron concentration distribution is obtained.
Further, in the middle of doping with boron, boron glass (borosilicate glass) may be formed on the surface of the diffusion layer. In this case, after removing the boron glass, heat treatment (drive-in) may be performed in an atmosphere of oxygen, nitrogen, or a mixed gas thereof.

光吸収部材の表面にエミッタ層とBSF層の双方を形成する場合、エミッタ層とBSF層の形成順序は、いずれが先でもかまわない。しかし、プロセスの後の方で凹凸面を形成する方が、ウェハ処理上煩雑ではない。従って、受光面側の表面への拡散層の形成を先に行うのが好ましい。   When both the emitter layer and the BSF layer are formed on the surface of the light absorbing member, either the emitter layer or the BSF layer may be formed in any order. However, forming the uneven surface later in the process is not complicated in wafer processing. Therefore, it is preferable to form the diffusion layer on the light receiving surface side first.

[2.4. 電極・BPF形成工程]
次に、光吸収部材の受光面側の表面に、バンドパスフィルター及び表面電極を形成し、かつ、光吸収部材の裏面側の表面に裏面電極を形成する(電極・BPF形成工程)。
表面電極、裏面電極、及びバンドパスフィルターは、いずれも、公知の薄膜積層技術を用いて形成することができる。この場合、受光面側の薄膜と裏面側の薄膜の形成順序は、特に限定されない。
[2.4. Electrode / BPF formation process]
Next, a band pass filter and a surface electrode are formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member, and a back surface electrode is formed on the back surface side of the light absorbing member (electrode / BPF forming step).
The front electrode, the back electrode, and the band pass filter can all be formed using a known thin film lamination technique. In this case, the order of forming the thin film on the light receiving surface side and the thin film on the back surface side is not particularly limited.

また、受光面側にバンドパスフィルター及び表面電極を形成する場合、その形成順序も特に限定されない。すなわち、先にバンドパスフィルターを形成し、その周囲に表面電極を形成しても良い。あるいは、先に表面電極を形成し、バンドパスフィルターを形成すべき部分にエッチングにより開口部を形成し、開口部にバンドパスフィルターを形成しても良い。   Moreover, when forming a band pass filter and a surface electrode in the light-receiving surface side, the formation order is not specifically limited, either. That is, a band pass filter may be formed first, and a surface electrode may be formed around it. Alternatively, the surface electrode may be formed first, the opening may be formed by etching in a portion where the band pass filter is to be formed, and the band pass filter may be formed in the opening.

[3. 作用]
[3.1. 光閉じ込め効果]
図3に、従来型の太陽電池の受光面側に設けられた無反射表面形状(テキスチャ)の断面模式図を示す。図3(a)に示すように、従来型の太陽電池は、半導体基板の受光面側の表面に、規則正しい凹凸が形成されている。第1の凸部の側面に光が入射すると、その多くの部分が半導体基板中に侵入し(第1の侵入光)、一部は第1の凸部の側面で反射される(第1の反射光)。半導体基板に形成された凹凸の高さや大きさが均一に分布するならば、第1の反射光は第2の凸部に当たり、第2の侵入光と第2の反射光を生ずる。光が凸部に入射するごとに、その多くの部分が半導体基板に侵入するので、凸部での入射が繰り返されるほど、反射光の強度は大きく減少する。
[3. Action]
[3.1. Light confinement effect]
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a non-reflective surface shape (texture) provided on the light-receiving surface side of a conventional solar cell. As shown in FIG. 3A, in the conventional solar cell, regular irregularities are formed on the surface of the semiconductor substrate on the light receiving surface side. When light is incident on the side surface of the first convex portion, a large part of the light enters the semiconductor substrate (first intrusion light), and part of the light is reflected on the side surface of the first convex portion (first reflected light). If the height and size of the irregularities formed on the semiconductor substrate are evenly distributed, the first reflected light hits the second convex portion and generates second intrusion light and second reflected light. Each time light is incident on the convex portion, a large portion of the light enters the semiconductor substrate, so that the intensity of the reflected light greatly decreases as the incidence on the convex portion is repeated.

一方、図3(b)に示すように、凸部の高さが不均一であると、第1の反射光が第2の凸部に当たらない場合が生ずる。この場合、第1の反射光は、半導体基板中に侵入することがないので、発電に寄与しない。以上の理由で、従来型の太陽電池では、受光面側の表面に、できるだけ規則的な凹凸を形成する必要があった。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the height of the convex portion is not uniform, the first reflected light may not strike the second convex portion. In this case, since the first reflected light does not enter the semiconductor substrate, it does not contribute to power generation. For the above reasons, in the conventional solar cell, it is necessary to form irregularities as regular as possible on the surface on the light receiving surface side.

図4に、光電変換素子の裏面側に設けられた拡散反射面の断面模式図を示す。本発明に係る光電変換素子は、光吸収部材の受光面側にバンドパスフィルター(BPF)と表面電極を形成し、裏面側に拡散反射面と裏面電極を形成したことを特徴とする。   In FIG. 4, the cross-sectional schematic diagram of the diffuse reflection surface provided in the back surface side of the photoelectric conversion element is shown. The photoelectric conversion element according to the present invention is characterized in that a band-pass filter (BPF) and a surface electrode are formed on the light receiving surface side of the light absorbing member, and a diffuse reflection surface and a back electrode are formed on the back surface side.

BPFは、従来、白色光の中から特定波長の光を抽出するために用いられていた。このBPFを光電変換素子の受光面の上に設け、受光面に向かって単色光を入射すると、BPFは、入射光を遮ることなく、裏面からの反射光を再び光吸収部材内部に反射する。これにより、光吸収部材を薄型化しても高い光吸収率が確保される。また、材料の低減、タクトタイムの短縮が可能となり、コストを削減することができる。   BPF has been conventionally used to extract light of a specific wavelength from white light. When this BPF is provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion element and monochromatic light is incident on the light receiving surface, the BPF reflects the reflected light from the back surface again into the light absorbing member without blocking the incident light. Thereby, even if the light absorbing member is thinned, a high light absorption rate is secured. Further, the material can be reduced and the tact time can be shortened, so that the cost can be reduced.

また、BPFの周囲を所定の大きさの表面電極で覆い、かつ、BPF及び表面電極に対向するように拡散反射面及び裏面電極を設けると、入射光は、これらの間で多重反射を繰り返しながら、光吸収部材の内部を受光面に対して平行方向に拡散する。そのため、光吸収部材による入射光の吸収率が向上する。   Further, when the periphery of the BPF is covered with a surface electrode of a predetermined size and a diffuse reflection surface and a back electrode are provided so as to face the BPF and the surface electrode, the incident light repeats multiple reflections between them. The inside of the light absorbing member is diffused in a direction parallel to the light receiving surface. Therefore, the absorption rate of incident light by the light absorbing member is improved.

しかしながら、光吸収部材の裏面側に、凹凸の傾斜角や大きさが一様であり、かつ、凹凸が規則正しく並んだ拡散反射面を形成すると、図4(a)に示すように、光が常に一定方向に反射する。そのため、光は、光吸収部材内に広く拡散伝搬しない。特に、凹凸の傾斜角が45°に近い角度(例えば、35°から55°の範囲)であると、凹凸面で複数回反射された光が、BPFの臨界角より小さい角度でBPFに再入射するため、入射光が光電変換素子外部に漏れだしてしまう。   However, when a diffuse reflection surface is formed on the back surface side of the light absorbing member, the inclination angle and the size of the unevenness are uniform and the unevenness is regularly arranged, as shown in FIG. Reflects in a certain direction. Therefore, light does not diffuse and propagate widely in the light absorbing member. In particular, when the inclination angle of the unevenness is close to 45 ° (for example, in the range of 35 ° to 55 °), the light reflected several times on the uneven surface reenters the BPF at an angle smaller than the critical angle of the BPF. Therefore, incident light leaks outside the photoelectric conversion element.

これに対し、図4(b)に示すように、凹凸面の大きさや傾斜角が様々であると、受光面から光吸収部材に入射した光は、凹凸面で様々な方向に反射する。そのため、光吸収部材内に光が広く拡散伝搬する。その結果、光吸収部材に光が十分に吸収され、光電変換素子の変換効率に十分寄与できる。特に、拡散反射面の形状が上述した(1)式を満たす場合には、光吸収部材による入射光の吸収率がさらに向上する。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the uneven surface has various sizes and inclination angles, the light incident on the light absorbing member from the light receiving surface is reflected by the uneven surface in various directions. Therefore, light diffuses and propagates widely in the light absorbing member. As a result, light is sufficiently absorbed by the light absorbing member, which can sufficiently contribute to the conversion efficiency of the photoelectric conversion element. In particular, when the shape of the diffuse reflection surface satisfies the above-described expression (1), the absorption rate of incident light by the light absorbing member is further improved.

[3.2. 拡散反射面]
光吸収部材(半導体基板)の表面に凹凸を形成する方法として、例えば、
(a)アルカリ性エッチング液を用いる第1の方法、
(b)酸エッチング液を用いる第2の方法、
(c)機械的又は化学的ダメージ形成と酸エッチングとを組み合わせる第3の方法、
などが知られている。
[3.2. Diffuse reflective surface]
As a method for forming irregularities on the surface of a light absorbing member (semiconductor substrate), for example,
(A) a first method using an alkaline etching solution;
(B) a second method using an acid etching solution;
(C) a third method combining mechanical or chemical damage formation and acid etching;
Etc. are known.

これらの内、第1の方法は、規則的な凹凸が形成されやすい。
第2の方法は、等方性エッチングであるため、半導体基板にマイクロな結晶構造上の違いがないと、凹凸面を形成しにくい。また、酸エッチング液の組成によっては、エッチング中にマスク材が溶解又は剥離することがある。
さらに、第3の方法は、製造工程が煩雑となるだけでなく、光吸収部材の結晶構造にミクロにダメージを与える場合がある。そのため、キャリアの再結合の増加等により、光電変換素子の変換効率を低下させる原因となる。
Of these, the first method tends to form regular irregularities.
Since the second method is isotropic etching, it is difficult to form an uneven surface unless there is a difference in the microcrystalline structure of the semiconductor substrate. Depending on the composition of the acid etching solution, the mask material may be dissolved or peeled off during etching.
Furthermore, the third method not only complicates the manufacturing process, but sometimes damages the crystal structure of the light absorbing member microscopically. For this reason, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element is reduced due to an increase in carrier recombination or the like.

これに対し、まず、第1エッチング液を用いて、光吸収部材の裏面に大きさがランダムなピラミッドを形成し、次いで、第2エッチング液を用いて、ピラミッドの尖端部及び側面を粗面化又は曲面化する方法を用いると、理想的な拡散反射面を比較的容易に形成することができる。また、この方法は、マスク材の選択の自由度が大きいため、光吸収部材の裏面に、選択的に拡散反射面を形成することができる。さらに、光吸収部材の結晶構造にミクロなダメージを与えることがないので、キャリアの再結合も抑制される。   On the other hand, first, a pyramid having a random size is formed on the back surface of the light absorbing member by using the first etching solution, and then the tip and side surfaces of the pyramid are roughened by using the second etching solution. Alternatively, using a curved surface method, an ideal diffuse reflection surface can be formed relatively easily. Further, since this method has a high degree of freedom in selecting a mask material, a diffuse reflection surface can be selectively formed on the back surface of the light absorbing member. Furthermore, since no micro damage is given to the crystal structure of the light absorbing member, carrier recombination is also suppressed.

[3.3. 拡散層]
図5に、第1の拡散層(1)が受光面近傍に存在する太陽電池のエネルギーバンド図を示す。従来型の多くの太陽電池では、半導体基板の受光面側に第1の拡散層(エミッタ層)(1)を形成する。その理由は、半導体基板が光を吸収することにより発生するキャリアの密度は、受光面に近い部分で大きいため、pn接合面(3)を受光面に近い部分に設けることにより、効率よく2つの電極からキャリアを取り出すことができるからである。pn接合面(3)は、光によって生成したキャリアを太陽電池の2つの電極(+電極と−電極)のそれぞれの方向に向かって分離・加速させる原動力となる。
また、pn接合面(3)を受光面に近い部分に設けた太陽電池では、受光面側に拡散移動すべき少数キャリア(図5の場合は、電子)が裏面側に拡散移動するのを抑制するために、半導体基板の裏面に第2の拡散層(BSF層)(2)を設けることが多い。
[3.3. Diffusion layer]
FIG. 5 shows an energy band diagram of a solar cell in which the first diffusion layer (1) exists in the vicinity of the light receiving surface. In many conventional solar cells, a first diffusion layer (emitter layer) (1) is formed on the light-receiving surface side of a semiconductor substrate. The reason is that the density of carriers generated when the semiconductor substrate absorbs light is large in the portion close to the light receiving surface. Therefore, by providing the pn junction surface (3) in the portion close to the light receiving surface, This is because carriers can be taken out from the electrodes. The pn junction surface (3) serves as a driving force for separating and accelerating carriers generated by light in the respective directions of the two electrodes (+ electrode and −electrode) of the solar cell.
Further, in the solar cell in which the pn junction surface (3) is provided near the light receiving surface, the minority carriers (electrons in the case of FIG. 5) to be diffused to the light receiving surface are prevented from diffusing and moving to the back surface. Therefore, the second diffusion layer (BSF layer) (2) is often provided on the back surface of the semiconductor substrate.

このような拡散層の形成方法としては、上述したように、溶液塗布法、イオン注入法、気相拡散法などが知られている。これらの内、溶液塗布法は、凹凸面に溶液を均一に塗布したとしても、溶液はやがて凹部に溜まり、凸部には十分な厚さで残らない。そのため、溶液塗布法では、不純物を均一な濃度で凹凸面にドープするのが難しい。
また、イオン注入法において、イオンの侵入深さは、注入イオンの質量とエネルギー、及び基板の材料によってほぼ決まる。そのため、凹凸面にイオン注入法で不純物をドープした場合、拡散層は、平坦面では厚くなり、傾斜面では薄くなる。
従って、凹凸面に拡散層を形成する場合には、気相拡散法を用いるのが好ましい。
As a method for forming such a diffusion layer, as described above, a solution coating method, an ion implantation method, a vapor phase diffusion method, and the like are known. Among these, even if the solution application method uniformly applies the solution to the concavo-convex surface, the solution eventually accumulates in the concave portion and does not remain in the convex portion with a sufficient thickness. Therefore, in the solution coating method, it is difficult to dope the uneven surface with a uniform concentration of impurities.
In the ion implantation method, the penetration depth of ions is substantially determined by the mass and energy of implanted ions and the material of the substrate. For this reason, when the concavo-convex surface is doped with an impurity by the ion implantation method, the diffusion layer becomes thick on the flat surface and thin on the inclined surface.
Therefore, when a diffusion layer is formed on the uneven surface, it is preferable to use a vapor phase diffusion method.

光吸収部材がp型の単結晶シリコンからなる場合、光吸収部材の裏面側には、気相拡散法が適用できるエミッタ層を形成するのが好ましい。従来型の太陽電池でもエミッタ層を裏面に設けた例が存在する(特許文献5参照)。しかし、同文献に記載の太陽電池では、BSF層も裏面に形成されている。エミッタ層とBSF層をともに裏面に形成することにより、受光面側に電極(一般に金属電極であり、光を太陽電池外へ反射する)を設けずに済むので、効率の減少をある程度抑制することができる。しかしながら、pn接合面を受光幅全体にわたって形成できないので、一部効率を犠牲にしている。
本発明においては、pn接合面を受光幅全体にわたって形成できるので、従来の太陽電池のように変換効率を犠牲にすることがない。
When the light absorbing member is made of p-type single crystal silicon, an emitter layer to which a vapor phase diffusion method can be applied is preferably formed on the back surface side of the light absorbing member. There is an example in which an emitter layer is provided on the back surface of a conventional solar cell (see Patent Document 5). However, in the solar cell described in this document, the BSF layer is also formed on the back surface. By forming both the emitter layer and the BSF layer on the back surface, it is not necessary to provide an electrode (generally a metal electrode, which reflects light outside the solar cell) on the light receiving surface side, so that a decrease in efficiency is suppressed to some extent. Can do. However, since the pn junction surface cannot be formed over the entire light receiving width, a part of efficiency is sacrificed.
In the present invention, since the pn junction surface can be formed over the entire light receiving width, the conversion efficiency is not sacrificed unlike the conventional solar cell.

[3.4. 光拡散部]
バンドパスフィルターから入射した光は、裏面側の拡散反射面及び裏面電極により反射される。反射された光は、受光面側のバンドパスフィルター及び表面電極により再反射される。このような多重反射を繰り返しながら、光は、受光面に対して平行方向に拡散する。本発明においては、光の吸収率を高めるために、光拡散部を多重反射に適した構造にすると同時に、光拡散部が薄板化されている。そのため、第1の拡散層を裏面側に形成した場合であっても、入射光はほとんど減衰せずに第1の拡散層まで到達する。このことは、次の計算によって説明できる。
[3.4. Light diffusion part]
Light incident from the bandpass filter is reflected by the diffuse reflection surface and the back electrode on the back surface side. The reflected light is re-reflected by the band-pass filter and the surface electrode on the light receiving surface side. While repeating such multiple reflection, light diffuses in a direction parallel to the light receiving surface. In the present invention, in order to increase the light absorptance, the light diffusing portion has a structure suitable for multiple reflection, and at the same time, the light diffusing portion is thinned. Therefore, even when the first diffusion layer is formed on the back surface side, the incident light reaches the first diffusion layer with almost no attenuation. This can be explained by the following calculation.

本発明に係る光電変換素子において、入射光の波長λ0を1064nmとすると、単結晶シリコンの消衰係数kは、k=6.7×10-5である(参考文献1参照)。よって、波長1064nmの単結晶シリコンへの侵入深さは、約1.3mmと計算される。本発明においては、光拡散部の厚さは、入射光の侵入深さの1/200〜1/10に設定されるので、好ましい厚さは、6.5〜130μmとなる。 In the photoelectric conversion element according to the present invention, when the wavelength λ 0 of incident light is 1064 nm, the extinction coefficient k of single crystal silicon is k = 6.7 × 10 −5 (see Reference 1). Therefore, the penetration depth into the single crystal silicon having a wavelength of 1064 nm is calculated to be about 1.3 mm. In the present invention, the thickness of the light diffusing portion is set to 1/200 to 1/10 of the penetration depth of incident light, so the preferred thickness is 6.5 to 130 μm.

単結晶シリコンにおいて、実用的に最も好ましいと思われる光拡散部の厚さは、20〜80μmである。入射光が厚さ20、50、80μmの単結晶シリコンの底面に到達した時、入射光のエネルギーの減少率は、それぞれ、僅か1.6、3.9、6.1%である。そのため、入射光のエネルギーの厚さ方向の分布は、ほぼ一様と考えて良い。従って、入射光が単結晶シリコンに吸収されることによって発生するキャリアの密度も、厚さ方向の断面でほぼ一様と考えて良い。そのため、単結晶シリコンの裏面に第1の拡散層を設けても、光電変換素子の変換効率が実用上障害のあるほど低下することはない。   In single crystal silicon, the thickness of the light diffusion portion considered to be most preferable practically is 20 to 80 μm. When the incident light reaches the bottom surface of the single crystal silicon having a thickness of 20, 50, and 80 μm, the energy decrease rate of the incident light is only 1.6, 3.9, and 6.1%, respectively. Therefore, the distribution of incident light energy in the thickness direction may be considered to be substantially uniform. Therefore, the density of carriers generated when incident light is absorbed by single crystal silicon may be considered to be substantially uniform in the cross section in the thickness direction. Therefore, even if the first diffusion layer is provided on the back surface of the single crystal silicon, the conversion efficiency of the photoelectric conversion element does not decrease so much that there is a practical impediment.

[3.5. 積層電極]
本発明において、電極は、キャリアを取り出すための集電体としての機能だけでなく、入射光を反射する反射膜としての機能も求められる。金属材料の中で、最大の反射率を有するものは、銀である。光吸収部材がp型単結晶シリコンである場合、銀と第1の拡散層(エミッタ層)とを接触させても、ショットキー接合は形成されない。そのため、第1の拡散層と接する電極には、銀を用いることができる。しかしながら、図6に示すように、銀を第2の拡散層に直接接続すると、ショットキー接合を形成し、電極として都合が悪いという問題がある。
[3.5. Multilayer electrode]
In the present invention, the electrode is required not only to function as a current collector for extracting carriers but also to function as a reflective film that reflects incident light. Among the metal materials, silver has the highest reflectance. When the light absorbing member is p-type single crystal silicon, a Schottky junction is not formed even when silver and the first diffusion layer (emitter layer) are brought into contact with each other. Therefore, silver can be used for the electrode in contact with the first diffusion layer. However, as shown in FIG. 6, when silver is directly connected to the second diffusion layer, there is a problem that a Schottky junction is formed, which is inconvenient as an electrode.

この問題を解決するために、第2の拡散層と接する電極の材料として、光吸収部材とショットキー接合を形成しない金属(例えば、p型単結晶シリコンの場合は、Al)を用いることも考えられる。しかしながら、ショットキー接合の形成を回避可能な金属が存在したとしても、その金属は、入射光に対する反射率が十分であるとは限らない。反射率の僅かな低下は、大きな変換効率の低下を引き起こす。   In order to solve this problem, it is also considered to use a metal that does not form a Schottky junction with the light absorbing member (for example, Al in the case of p-type single crystal silicon) as the electrode material in contact with the second diffusion layer. It is done. However, even if there is a metal that can avoid the formation of a Schottky junction, the metal does not always have sufficient reflectivity for incident light. A slight decrease in reflectance causes a large decrease in conversion efficiency.

これに対し、電極を、光吸収部材とオーミック接合を形成することが可能な第1導電材料からなる第1層と、第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層との積層構造にすると、ショットキー接合の形成と、反射率の低下を同時に抑制することができる。また、光吸収材料の組成によらず、第2層の材料として反射率の高い材料を常に選択することができるので、設計上の自由度が増大する。   In contrast, the electrode is made of a first layer made of a first conductive material capable of forming an ohmic junction with the light absorbing member, and a second conductive material having a higher reflectance of the incident light than the first conductive material. With a stacked structure with the second layer, formation of a Schottky junction and a decrease in reflectance can be suppressed at the same time. In addition, a highly reflective material can always be selected as the second layer material regardless of the composition of the light-absorbing material, increasing design freedom.

(実施例1: 水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を用いたエッチング)
[1. 試料の作製]
水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチングを行った。TMAH水溶液中のTMAH濃度は、10〜25重量%とした。また、エッチング時の液温は、88℃〜90℃とした。
(Example 1: Etching using tetramethylammonium hydroxide aqueous solution)
[1. Preparation of sample]
Etching of p-type single crystal silicon was performed using a tetramethylammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution. The TMAH concentration in the TMAH aqueous solution was 10 to 25% by weight. The liquid temperature during etching was 88 ° C. to 90 ° C.

[2. 結果]
図7に、p型単結晶シリコンをTMAH水溶液(液温90℃)でエッチングした時の濃度とエッチング速度の関係を示す。図8に、TMAH水溶液を用いて、エッチング速度50〜60μm/hで3時間エッチングした時のエッチング面の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。図7及び図8より、以下のことがわかる。
[2. result]
FIG. 7 shows the relationship between the etching rate and the concentration when p-type single crystal silicon is etched with a TMAH aqueous solution (liquid temperature 90 ° C.). FIG. 8 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the etched surface when etched using an aqueous TMAH solution at an etching rate of 50 to 60 μm / h for 3 hours. 7 and 8 show the following.

(1)TMAH水溶液中のTMAH濃度を変えることにより、エッチング速度を調節することができる。TMAH水溶液中のTMAH濃度を最適化すると、90℃程度の温度で、50μm/h以上のエッチング速度が得られる。
(2)TMAH水溶液を用いてエッチング速度50μm/h以上でエッチングを行った場合、部分的にピラミッド構造が見られる場合もあった(図8(a))。しかし、エッチング表面は、概して滑らかであった(図8(b))。そのため、エッチング速度50μm/h以上のTMAH水溶液は、薄板部を形成するためのエッチング液として使用できる。
(1) The etching rate can be adjusted by changing the TMAH concentration in the TMAH aqueous solution. When the TMAH concentration in the TMAH aqueous solution is optimized, an etching rate of 50 μm / h or more can be obtained at a temperature of about 90 ° C.
(2) When etching was performed using a TMAH aqueous solution at an etching rate of 50 μm / h or more, a pyramid structure may be partially observed (FIG. 8A). However, the etched surface was generally smooth (FIG. 8 (b)). Therefore, a TMAH aqueous solution having an etching rate of 50 μm / h or more can be used as an etching solution for forming a thin plate portion.

(実施例2: 酸エッチング液を用いたエッチング)
[1. 試料の作製]
フッ化水素酸−硝酸−硫酸の混合液、又はフッ化水素酸−硝酸−酢酸の混合液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチングを行った。エッチング時間は、90秒とした。酸エッチング液中の酸の組成比は、以下の通りである。
(a)HF:HNO3:H2SO4=4:16:80(試料No.1、図9(a))。
(b)HF:HNO3:H2SO4=10:15:75(試料No.2、図9(b))。
(c)HF:HNO3:CH3COOH=18:36:46(試料No.3、図9(c))。
(Example 2: Etching using acid etching solution)
[1. Preparation of sample]
Etching of p-type single crystal silicon was performed using a mixed solution of hydrofluoric acid-nitric acid-sulfuric acid or a mixed liquid of hydrofluoric acid-nitric acid-acetic acid. The etching time was 90 seconds. The composition ratio of the acid in the acid etching solution is as follows.
(A) HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 4: 16: 80 (Sample No. 1, FIG. 9 (a)).
(B) HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 10: 15: 75 (Sample No. 2, FIG. 9 (b)).
(C) HF: HNO 3 : CH 3 COOH = 18: 36: 46 (Sample No. 3, FIG. 9 (c)).

[2. 結果]
図9(a)〜図9(c)に、それぞれ、試料No.1〜試料No.3のエッチング後のSi表面のSEM写真を示す。図9より、以下のことがわかる。
(1)酸エッチングは等方性エッチングとなりやすいが、液組成を最適化すると、拡散反射面として使用可能なランダムな凹凸を形成することができる。
(2)エッチング液(c)でエッチングした場合、表面に形成されるくぼみの径は、5μm以上であった。また、エッチング液(b)の場合、くぼみの径は2〜5μmであった。さらに、エッチング液(a)の場合、くぼみの径は1〜2μmであった。即ち、くぼみの径は、エッチング液(c)→(b)→(a)の順に入射光の波長に近くなった。入射光の波長に近い凹凸面の方が様々な方向に光が反射されるので、エッチング液(a)が最も好ましい。
[2. result]
9 (a) to 9 (c), sample No. 1 to Sample No. 3 shows an SEM photograph of the Si surface after the etching of No. 3; FIG. 9 shows the following.
(1) Although acid etching tends to be isotropic etching, random irregularities that can be used as a diffuse reflection surface can be formed by optimizing the liquid composition.
(2) When etched with the etching solution (c), the diameter of the recess formed on the surface was 5 μm or more. In the case of the etching solution (b), the diameter of the recess was 2 to 5 μm. Further, in the case of the etching solution (a), the diameter of the recess was 1 to 2 μm. In other words, the diameter of the recess became closer to the wavelength of the incident light in the order of the etching solution (c) → (b) → (a). Since the light is reflected in various directions on the uneven surface close to the wavelength of the incident light, the etching solution (a) is most preferable.

(実施例3: 2段階エッチングによる拡散反射面の形成)
[1. 試料の作製]
まず、TMAH水溶液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチング(薄板化)を行った。TMAH水溶液中のTMAH濃度は、15重量%とした。また、エッチング時の液温は、90℃とした。
次に、第1エッチング液を用いて、薄板化された部分のエッチング(ピラミッド形成)を行った。第1エッチング液には、TMAH濃度が11重量%のTMAH水溶液中を用いた。エッチング時間は、1時間とした。さらに、エッチング時の液温は、90℃とした(試料No.11、図10(a))。
(Example 3: Formation of diffuse reflection surface by two-step etching)
[1. Preparation of sample]
First, p-type single crystal silicon was etched (thinned) using a TMAH aqueous solution. The TMAH concentration in the TMAH aqueous solution was 15% by weight. The liquid temperature during etching was 90 ° C.
Next, etching (pyramid formation) of the thinned portion was performed using the first etching solution. As the first etching solution, a TMAH aqueous solution having a TMAH concentration of 11% by weight was used. The etching time was 1 hour. Furthermore, the liquid temperature at the time of etching was 90 ° C. (Sample No. 11, FIG. 10A).

さらに、第2エッチング液を用いて、ピラミッドの尖端部及び側面のエッチング(粗面化、曲面化)を行った。エッチング条件は、以下の通りである。
(a)0.05重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテルを含有する15重量%のTMAH水溶液(液温:90℃)で1時間エッチング(粗面化)(試料No.12、図10(b))。
(b)0.05重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテルを含有する15重量%のTMAH水溶液(液温:90℃)で1時間エッチングし(粗面化)、さらにHF:HNO3:CH3COOH=20:40:40の酸エッチング液(液温:23℃)でさらに2分間エッチング(曲面化)(試料No.13、図10(c))。
(c)HF:HNO3:H2SO3=4:16:80の酸エッチング液(液温:23℃)で90秒間エッチング(粗面化)(試料No.14、図10(d))。
Furthermore, the etching (roughening, curved surface) of the point part and side surface of the pyramid was performed using the second etching solution. Etching conditions are as follows.
(A) Etching (roughening) for 1 hour with a 15% by weight TMAH aqueous solution (liquid temperature: 90 ° C.) containing 0.05% by weight polyethylene glycol mono-4-octylphenyl ether (sample No. 12, FIG. 10 (b)).
(B) Etching (roughening) for 1 hour with a 15% by weight TMAH aqueous solution (liquid temperature: 90 ° C.) containing 0.05% by weight polyethylene glycol mono-4-octylphenyl ether, followed by HF: HNO 3 : CH 3 COOH = 20: 40: 40 etching with acid etching solution (liquid temperature: 23 ° C.) for 2 minutes (curved surface) (Sample No. 13, FIG. 10 (c)).
(C) Etching (roughening) for 90 seconds with an acid etching solution (liquid temperature: 23 ° C.) of HF: HNO 3 : H 2 SO 3 = 4: 16: 80 (Sample No. 14, FIG. 10 (d)) .

[2. 結果]
図10(a)〜図10(d)に、それぞれ、試料No.11〜試料No.14のSEM写真を示す。図10より、以下のことがわかる。
(1)11重量%のTMAH水溶液でエッチングすると、ランダムな大きさのピラミッドをSi表面の全体に形成することができる(図10(a))。
(2)ランダムな大きさのピラミッドが形成されたSiを、さらに所定の組成のアルカリ性エッチング液及び/又は酸エッチング液でエッチングすると、ピラミッドの表面を粗面化又は曲面化することができる(図10(b)〜図10(d))。
[2. result]
10 (a) to 10 (d), sample No. 11 to Sample No. 14 SEM photographs are shown. FIG. 10 shows the following.
(1) When etched with an 11 wt% TMAH aqueous solution, random-sized pyramids can be formed on the entire Si surface (FIG. 10A).
(2) The surface of the pyramid can be roughened or curved when Si on which a pyramid having a random size is formed is further etched with an alkaline etching solution and / or an acid etching solution having a predetermined composition (see FIG. 10 (b) to FIG. 10 (d)).

(実施例4: 反射強度測定)
[1. 試料の作製]
実施例2及び実施例3に記載のエッチング方法を用いて、以下の反射強度測定用試料を作製した。
(1)試料No.21: 薄板化のみ。
(2)試料No.22: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)。
(3)試料No.23: 薄板化+酸エッチング(HF:HNO3:H2SO4=10:15:75)。
(4)試料No.24: 薄板化+酸エッチング(HF:NHO3:H2SO4=4:16:80)。
(5)試料No.25: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)+曲面化(15重量%TMAH(Triton))
(6)試料No.26: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)+粗面化(HF:NHO3:H2SO4=4:16:80)。
(Example 4: Measurement of reflection intensity)
[1. Preparation of sample]
Using the etching method described in Example 2 and Example 3, the following reflection intensity measurement samples were prepared.
(1) Sample No. 21: Thin plate only.
(2) Sample No. 22: Thinning + pyramid formation (11 wt% TMAH).
(3) Sample No. 23: Thinning + acid etching (HF: HNO 3 : H 2 SO 4 = 10: 15: 75).
(4) Sample No. 24: Thinning + acid etching (HF: NHO 3 : H 2 SO 4 = 4: 16: 80).
(5) Sample No. 25: Thin plate + pyramid formation (11 wt% TMAH) + curved surface (15 wt% TMAH (Triton))
(6) Sample No. 26: Thinning + pyramid formation (11 wt% TMAH) + roughening (HF: NHO 3 : H 2 SO 4 = 4: 16: 80).

[2. 結果]
図11(a)に、薄板化したシリコン基板(試料No.21)、及び、表面に凹凸が形成されたシリコン基板(試料No.22〜No.26)に波長1064nmの光を入射させた時の、規格化された反射強度(I/I0)の反射角度依存性を示す。図11(b)に、反射角θと(I/Io)・sinθとの関係を示す。なお、図11中、「cos(θ)」は、完全拡散反射を表す。図11より、以下のことがわかる。
(1)薄板化のみの場合(試料No.21)、裏面は部分的にピラミッド構造が形成されたが、ほとんどの領域で平坦面であった。そのため、入射光は、入射方向にほとんどそのまま反射した。すなわち、(I/Io)・sinθの半値全幅は、6.2°であった。
[2. result]
When light with a wavelength of 1064 nm is incident on the thinned silicon substrate (sample No. 21) and the silicon substrate (samples No. 22 to No. 26) with unevenness formed on the surface in FIG. Shows the dependence of the normalized reflection intensity (I / I 0 ) on the reflection angle. FIG. 11B shows the relationship between the reflection angle θ and (I / I o ) · sin θ. In FIG. 11, “cos (θ)” represents complete diffuse reflection. FIG. 11 shows the following.
(1) In the case of only thinning (sample No. 21), the back surface was partially formed with a pyramid structure, but was flat in most regions. Therefore, the incident light was reflected almost as it was in the incident direction. That is, the full width at half maximum of (I / I o ) · sin θ was 6.2 °.

(2)薄板化の後、11重量%TMAH水溶液でエッチングした場合(試料No.22)、エッチング面の全面にピラミッド形状が形成された。ピラミッド形状の側面は、一定の傾斜を持つ平面であるため、特定の角度方向への反射が顕著となった。このときの(I/Io)・sinθの半値全幅は、6.4°であった。
(3)薄板化の後、酸エッチングを行った場合(試料No.23、試料No.24)、シリコン基板表面には、図9(a)及び図9(b)に示すような凹凸が形成された。そのため、90°までの角度範囲に幅広く分布する反射角度依存性が得られた。このときの(I/Io)・sinθの半値全幅は、それぞれ、62.2°、及び60.6°であった。
一方、試料No.25は、(I/I0)・sinθの値がθ≦80°まで広く分布したが、半値全幅は14.3°であった。
(2) After thinning, when etched with an 11 wt% TMAH aqueous solution (Sample No. 22), a pyramid shape was formed on the entire etching surface. Since the side surface of the pyramid shape is a flat surface having a certain inclination, reflection in a specific angular direction becomes remarkable. The full width at half maximum of (I / I o ) · sin θ at this time was 6.4 °.
(3) When acid etching is performed after thinning (Sample No. 23, Sample No. 24), unevenness as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b) is formed on the silicon substrate surface. It was. Therefore, the reflection angle dependency distributed widely in the angle range up to 90 ° was obtained. The full widths at half maximum of (I / I o ) · sin θ at this time were 62.2 ° and 60.6 °, respectively.
On the other hand, sample No. 25, the value of (I / I 0 ) · sin θ was widely distributed up to θ ≦ 80 °, but the full width at half maximum was 14.3 °.

(4)ピラミッド形状を形成した後、さらに酸エッチングを行った場合(試料No.26)、図10(d)に示すように、ピラミッドの側面が粗面化された。そのため、30°〜90°の角度範囲にわたって、反射強度が著しく増加した。
また、この反射強度は、試料No.24に比べて、50°〜90°の角度範囲で反射強度が増加した。その結果、(I/Io)・sinθの半値全幅は、72.0°に達した。そのため、ピラミッド形状を形成した後に酸エッチングにより粗面化することは、より好ましい結果をもたらすことがわかった。
(5)光閉じ込めのためには、反射角の分布が広いことが重要である。反射強度の角度(極角θ)分布は、方位角方向にはおおよそ等方的であるので、測定された反射強度にsin(θ)をかけた値に比例する。試料No.22では、入射方向から約22°の方向に強い反射が生じるが、その分布の幅が狭い。
これに対し、試料No.23〜26(試料No.25を除く)では、半値全幅50°以上が得られた。
(6)反射強度の角度分布がcosn(θ)であることを仮定して、表面バンドパスフィルター付きの厚さ50μmのSi素子に1064nm光が入射する場合の光吸収率のシミュレーションを行った結果が図12である。この場合、n≦2ならば半値半幅50°以上、n≦8ならば半値全幅30°以上が得られ、それぞれ光吸収率0.83以上、0.80以上が得られる。
(4) When the acid etching was further performed after forming the pyramid shape (Sample No. 26), the side surface of the pyramid was roughened as shown in FIG. Therefore, the reflection intensity increased remarkably over an angle range of 30 ° to 90 °.
Further, this reflection intensity is the same as that of Sample No. Compared with 24, the reflection intensity increased in the angle range of 50 ° to 90 °. As a result, the full width at half maximum of (I / I o ) · sin θ reached 72.0 °. Therefore, it has been found that roughening by acid etching after forming the pyramid shape gives more favorable results.
(5) A wide distribution of reflection angles is important for optical confinement. The angle (polar angle θ) distribution of the reflection intensity is approximately isotropic in the azimuth direction, and is proportional to a value obtained by multiplying the measured reflection intensity by sin (θ). Sample No. In 22, strong reflection occurs in the direction of about 22 ° from the incident direction, but the distribution width is narrow.
In contrast, sample no. In 23-26 (except for sample No. 25), a full width at half maximum of 50 ° or more was obtained.
(6) Assuming that the angular distribution of the reflection intensity is cos n (θ), a simulation of the optical absorptance was performed when 1064 nm light was incident on a 50 μm thick Si element with a surface bandpass filter. The result is FIG. In this case, if n ≦ 2, the half width at half maximum is 50 ° or more, and if n ≦ 8, the full width at half maximum is 30 ° or more, and the light absorptance is 0.83 or more and 0.80 or more, respectively.

(実施例5: 積層電極)
[1. 試料の作製]
p型単結晶シリコン基板上に、第2の拡散層を形成した。次いで、第2の拡散層の上に、アルミニウム厚さ:1.8nm、銀厚さ:500nmの積層電極を形成した。さらに、基板を温度:400℃(試料No.31)又は420℃(試料No.33)、処理時間:15分間の条件下でシンタリング処理を行った。
同様に、第2の拡散層の上に、アルミニウム厚さ:2.7nm、銀厚さ:500nmの積層電極を形成した。さらに、基板を温度:400℃、処理時間:15分間の条件下でシンタリング処理を行った(試料No.32)。
(Example 5: Multilayer electrode)
[1. Preparation of sample]
A second diffusion layer was formed on the p-type single crystal silicon substrate. Next, a laminated electrode having an aluminum thickness of 1.8 nm and a silver thickness of 500 nm was formed on the second diffusion layer. Further, the substrate was subjected to sintering treatment under the conditions of temperature: 400 ° C. (sample No. 31) or 420 ° C. (sample No. 33) and treatment time: 15 minutes.
Similarly, a laminated electrode having an aluminum thickness of 2.7 nm and a silver thickness of 500 nm was formed on the second diffusion layer. Further, the substrate was sintered under conditions of a temperature of 400 ° C. and a processing time of 15 minutes (Sample No. 32).

[2. 結果]
[2.1. 電流電圧特性]
図13(a)に、p型単結晶シリコン基板上に第2の拡散層を形成し、かつ、第2の拡散層上に銀/アルミニウム積層電極を形成した時の電流電圧特性を示す。図13(b)及び図13(c)に、それぞれ、アルミニウム厚さが1.8nm(試料No.31)又は2.7nm(試料No.32)である銀/アルミニウム積層電極を形成したp型単結晶シリコン基板の断面の透過電子顕微鏡写真を示す。図13より、以下のことが分かる。
(1)アルミニウム厚さを2.7nm以下にしても、シンタリング処理条件を400℃×15分とすれば、オーミック特性が得られる(試料No.31、32)。
(2)シンタリング温度を420℃にすると、銀−アルミニウムの相互拡散によって、銀原子が第2の拡散層の表面に達する。そのため、ショットキー障壁が形成され始め、電流電圧曲線に整流特性が現れ始める(試料No.33)。よって、シンタリング温度は、420℃を超えない範囲で定めるのが好ましい。
[2. result]
[2.1. Current-voltage characteristics]
FIG. 13A shows current-voltage characteristics when the second diffusion layer is formed on the p-type single crystal silicon substrate and the silver / aluminum laminated electrode is formed on the second diffusion layer. In FIG. 13B and FIG. 13C, a p-type formed with a silver / aluminum laminated electrode having an aluminum thickness of 1.8 nm (sample No. 31) or 2.7 nm (sample No. 32), respectively. The transmission electron micrograph of the cross section of a single crystal silicon substrate is shown. FIG. 13 shows the following.
(1) Even if the aluminum thickness is 2.7 nm or less, ohmic characteristics can be obtained if the sintering process conditions are 400 ° C. × 15 minutes (Sample Nos. 31 and 32).
(2) When the sintering temperature is 420 ° C., silver atoms reach the surface of the second diffusion layer by silver-aluminum interdiffusion. Therefore, a Schottky barrier begins to be formed, and rectification characteristics begin to appear in the current-voltage curve (Sample No. 33). Therefore, the sintering temperature is preferably determined within a range not exceeding 420 ° C.

[2.2. 光の反射率]
図14に、第2の拡散層から銀/アルミニウム積層電極に向かって波長1064nmの光が進む時の、銀/アルミニウム積層電極のアルミニウム層の厚さと反射率との関係を示す。図14より、アルミニウム層の厚さを3nm以下にすると、反射率が90%を超えることが分かる。従って、アルミニウム層の厚さを3nm以下とし、かつ、420℃を超えない範囲内で15分のシンタリング処理を行えば、ショットキー接合を形成することがなく、かつ、高い光閉じ込め効果を示す電極構造を形成することができる。
なお、p型単結晶シリコン基板の第1の拡散層(n型)に接する電極は、銀単体として何ら問題はない。銀は、反射率が95%を超える高反射率材料であるため、基板の薄板部に十分光を閉じ込めることができる。
[2.2. Light reflectivity]
FIG. 14 shows the relationship between the thickness of the aluminum layer of the silver / aluminum multilayer electrode and the reflectance when light having a wavelength of 1064 nm travels from the second diffusion layer toward the silver / aluminum multilayer electrode. FIG. 14 shows that the reflectance exceeds 90% when the thickness of the aluminum layer is 3 nm or less. Therefore, if the aluminum layer has a thickness of 3 nm or less and is subjected to a sintering process for 15 minutes within a range not exceeding 420 ° C., a Schottky junction is not formed and a high light confinement effect is exhibited. An electrode structure can be formed.
Note that the electrode in contact with the first diffusion layer (n-type) of the p-type single crystal silicon substrate has no problem as a single silver. Since silver is a highly reflective material having a reflectance exceeding 95%, light can be sufficiently confined in the thin plate portion of the substrate.

(実施例6: 光拡散部の大きさ)
厚さ20μm又は50μmにエッチングされたSi光電変換素子に、波長1064nm、直径50μm又は100μmの光束が垂直に入射する場合を考える。
(Example 6: Size of light diffusion portion)
Consider a case where a light beam having a wavelength of 1064 nm and a diameter of 50 μm or 100 μm is perpendicularly incident on a Si photoelectric conversion element etched to a thickness of 20 μm or 50 μm.

[1. 拡散距離]
入射光(光束ではない)が拡散反射面及びバンドパスフィルター付き表面にて多重反射される際に、横方向に伝搬する距離を光線追跡法により調べた。裏面の拡散反射現象は、モンテカルロ法により取り扱った。
図15に、光の入射位置からの距離(伝搬距離)とその点での光強度との関係を示す。これを指数関数によりフィッティングして、拡散距離(光強度が1/eとなる距離)を求めた。図15より、厚さ20μm及び50μmのSiの拡散距離は、それぞれ、86μm及び130μmと求められた。
[1. Diffusion distance]
When incident light (not a light beam) was multiple-reflected on the diffuse reflection surface and the surface with the bandpass filter, the distance propagating in the lateral direction was examined by the ray tracing method. The diffuse reflection phenomenon on the back surface was handled by the Monte Carlo method.
FIG. 15 shows the relationship between the distance (propagation distance) from the incident position of light and the light intensity at that point. This was fitted with an exponential function to obtain a diffusion distance (a distance at which the light intensity becomes 1 / e). From FIG. 15, the diffusion distances of Si having a thickness of 20 μm and 50 μm were determined to be 86 μm and 130 μm, respectively.

[2. 入射光束の強度分布]
光束が素子に入射するときの入射光強度の分布を求めた。図16に、直径50μm(図16(a))又は直径100μm(図16(b))の光束中心からの距離とその点での光強度とその点での光強度の関係を示す。なお、光束直径=2×(ビーム半径)である。図16より、入射光束の縁から、おおよそ光の拡散距離の2〜3倍の範囲まで入射光強度の0.05倍以上の強度の光が到達していることがわかる。
[2. Incident beam intensity distribution]
The distribution of the incident light intensity when the light beam entered the element was determined. FIG. 16 shows the relationship between the distance from the center of the light beam having a diameter of 50 μm (FIG. 16A) or 100 μm in diameter (FIG. 16B), the light intensity at that point, and the light intensity at that point. Note that the beam diameter = 2 × (beam radius). From FIG. 16, it can be seen that light having an intensity of 0.05 times or more of the incident light intensity reaches from the edge of the incident light beam to a range of about 2 to 3 times the diffusion distance of the light.

[3. Siウェハの厚さ]
Siウェハの厚さと素子の変換効率との関係をシミュレーションソフトPC1Dを用いて計算した。このとき、入射光強度は、1kW/cm2で、面内方向に一様であることを仮定した。
図17に、Siウェハの厚さと変換効率との関係を示す。図17より、以下のことがわかる。
(a)Siウェハの厚さを100μm以下にすると、変換効率は40%を超える。
(b)Siウェハの厚さを50μm以下にすると、変換効率は55%を超える。
(c)Siウェハの厚さを約20μmにすると、変換効率は最大となる。
[3. Si wafer thickness]
The relationship between the thickness of the Si wafer and the conversion efficiency of the element was calculated using simulation software PC1D. At this time, the incident light intensity was assumed to be 1 kW / cm 2 and uniform in the in-plane direction.
FIG. 17 shows the relationship between the thickness of the Si wafer and the conversion efficiency. FIG. 17 shows the following.
(A) When the thickness of the Si wafer is 100 μm or less, the conversion efficiency exceeds 40%.
(B) When the thickness of the Si wafer is 50 μm or less, the conversion efficiency exceeds 55%.
(C) When the thickness of the Si wafer is about 20 μm, the conversion efficiency is maximized.

[4. 光拡散部の半径]
図16に示されるように、光強度に分布があり、かつ光が裏面エッチングの範囲を超えているような場合の素子の変換効率ηを、次式のような近似を用いて計算した。
η=(ηa×Ia+ηb×Ib)/Itotal
但し、
ηaは、エッチング部の変換効率、
aは、エッチング部の光強度の積算、
ηbは、非エッチング部の変換効率、
bは、非エッチング部の光強度の積算、
totalは、全領域での光強度の積算。
ηaには、61.1%(厚さ:20μm)、又は56.0%(厚さ:50μm)を用いた。また、ηbには、25.7%(厚さ:200μm)を用いた。
[4. Radius of light diffusion part]
As shown in FIG. 16, the conversion efficiency η of the element in the case where the light intensity is distributed and the light exceeds the range of the back surface etching was calculated using an approximation such as the following equation.
η = (η a × I a + η b × I b ) / I total
However,
η a is the conversion efficiency of the etched part,
I a is the integrated light intensity of the etched part,
η b is the conversion efficiency of the non-etched part,
I b is the integrated light intensity of the non-etched part,
I total is the total of light intensity in all areas.
As η a , 61.1% (thickness: 20 μm) or 56.0% (thickness: 50 μm) was used. Further, 25.7% (thickness: 200 μm) was used as η b .

図18に、直径50μm(図18(a))又は直径100μm(図18(b))の光束を、裏面がエッチングされたSiに入射させた時のエッチング部分の半径と変換効率との関係を示す。図18より、高い変換効率を得るためには、エッチング部分(光拡散部)の半径は、光束半径+拡散距離の2〜3倍が必要であることがわかる。   FIG. 18 shows the relationship between the radius of the etched portion and the conversion efficiency when a light beam having a diameter of 50 μm (FIG. 18A) or a diameter of 100 μm (FIG. 18B) is incident on Si whose back surface is etched. Show. As can be seen from FIG. 18, the radius of the etched portion (light diffusion portion) needs to be 2 to 3 times the beam radius + the diffusion distance in order to obtain high conversion efficiency.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る光電変換素子は、太陽電池、光導電セル、フォトダイオード、フォトトランジスタなどに用いることができる。   The photoelectric conversion element according to the present invention can be used for solar cells, photoconductive cells, photodiodes, phototransistors and the like.

10 光電変換素子
12 光吸収部材
12a 第2の拡散層(バックサーフェースフィールド層)
12b 拡散反射面
12c 第1の拡散層(エミッタ層)
14 バンドパスフィルター
16 表面電極
18 裏面電極
10 Photoelectric Conversion Element 12 Light Absorbing Member 12a Second Diffusion Layer (Back Surface Field Layer)
12b Diffuse reflecting surface 12c First diffusion layer (emitter layer)
14 Band pass filter 16 Front electrode 18 Back electrode

Claims (9)

以下の構成を備えた光電変換素子。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つ。
(4)前記拡散反射面は、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
A photoelectric conversion element having the following configuration.
(1) The photoelectric conversion element includes a light-absorbing member made of a light-absorbing material capable of absorbing monochromatic light having a wavelength λ 0 and generating carriers, and substantially parallel rays made of the monochromatic light as incident light. Is used.
(2) The photoelectric conversion element is
The light absorbing member;
A band pass filter formed on the light receiving surface side surface of the light absorbing member;
A surface electrode formed around the bandpass filter;
A surface on the back side of the light absorbing member, a diffuse reflection surface formed at a position facing the band pass filter and the surface electrode;
A back electrode formed so as to cover all or part of the surface of the diffuse reflection surface.
(3) The band-pass filter has a function of selectively transmitting at least light having the wavelength λ 0 .
(4) The diffuse reflection surface has a function of diffusing the incident light in a direction parallel to the light receiving surface by multiple reflection.
(5) The front electrode and the back electrode each have a function as a current collector for extracting the carriers and a function as a reflective film for reflecting the incident light.
以下の構成をさらに備えた請求項1に記載の光電変換素子。
(6)前記光吸収部材の光拡散部の厚さは、前記光吸収材料への前記入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下である。
ここで、「光拡散部」とは、前記光吸収部材を前記受光面の法線方向から見た時に、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極の投影面と、前記拡散反射面の投影面とが重なり合う部分をいう。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
(7)前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面及び裏面に、それぞれ、前記バンドパスフィルター及び前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。
The photoelectric conversion element according to claim 1, further comprising the following configuration.
(6) The thickness of the light diffusion part of the light absorbing member is 1/200 or more and 1/10 or less of the penetration depth of the incident light into the light absorbing material.
Here, the “light diffusing portion” means that when the light absorbing member is viewed from the normal direction of the light receiving surface, the projection surface of the bandpass filter and the surface electrode and the projection surface of the diffuse reflection surface are An overlapping part.
The “depth of penetration of incident light into the light absorbing material” is a depth at which the intensity of the incident light becomes 1 / e (e is the number of Napier) when the incident light is incident on the light absorbing material. Say.
(7) The shortest distance from the edge of the bandpass filter to the edge of the light diffusing unit is at least twice the diffusion distance.
Here, the “diffusion distance” means that the band-pass filter and the diffusive reflection surface are formed on the front and back surfaces of the light-absorbing material having a thickness corresponding to the thickness of the light diffusion portion, respectively. When the incident light is diffused in a direction parallel to the light receiving surface while multiple reflection of the incident light is performed between a band pass filter and the diffuse reflection surface, the intensity of the incident light is 1 / e (e is , Napier number).
前記拡散反射面は、前記入射光の反射スペクトルが次の(1)式の関係を満たす請求項1又は2に記載の光電変換素子。
(I/I0)・sinθの半値全幅≧30° ・・・(1)
但し、I/I0は規格化された反射強度、θは入射方向から計った反射角。
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the diffuse reflection surface has a reflection spectrum of the incident light satisfying a relationship expressed by the following expression (1).
Full width at half maximum of (I / I 0 ) · sinθ ≧ 30 ° (1)
Where I / I 0 is the normalized reflection intensity, and θ is the reflection angle measured from the incident direction.
前記拡散反射面は、
第1エッチング液を用いて、前記光吸収部材の裏面に大きさがランダムなピラミッドを形成し、
第2エッチング液を用いて、前記ピラミッドの尖端部及び側面を粗面化又は曲面化する
ことにより得られたものである請求項1から3までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
The diffuse reflection surface is
Using the first etching solution, a random pyramid is formed on the back surface of the light absorbing member,
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the photoelectric conversion element is obtained by roughening or curving the tip and side surfaces of the pyramid using a second etching solution.
前記第1エッチング液は、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液である請求項4に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 4, wherein the first etching solution is an alkaline etching solution that contains neither alkali metal ions nor alkaline earth metal ions. 前記第2エッチング液は、
(a)アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液であって、一端が疎水性、他端が親水性の鎖状の分子構造を持つ添加剤を加えて、前記光吸収部材のエッチング速度を15μm/時以下に調整したもの、
(b)フッ化水素酸、硝酸及び酢酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、及び/又は、
(c)フッ化水素酸、硝酸及び硫酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、
である請求項4又は5に記載の光電変換素子。
The second etchant is
(A) An alkaline etching solution containing neither alkali metal ions nor alkaline earth metal ions, wherein an additive having a chain molecular structure in which one end is hydrophobic and the other end is hydrophilic is added to the light. What adjusted the etching rate of the absorbing member to 15 μm / hour or less,
(B) An acid etching solution in which hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid are mixed, wherein the etching rate of the light absorbing member is adjusted to 10 μm / hour or less, and / or
(C) An acid etching solution in which hydrofluoric acid, nitric acid and sulfuric acid are mixed, wherein the etching rate of the light absorbing member is adjusted to 10 μm / hour or less,
The photoelectric conversion element according to claim 4 or 5.
以下の構成をさらに備えた請求項1から6までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
(8)前記表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方は、
前記光吸収部材の表面に形成された、前記光吸収部材とオーミック接合を形成することが可能な第1導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に形成された、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備え、
前記第1層の厚さは、前記第1導電材料へのキャリアの侵入深さの3倍以上であり、かつ、前記第1導電材料への前記入射光の侵入深さ以下である。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, further comprising the following configuration.
(8) At least one of the front electrode and the back electrode is
A first layer made of a first conductive material formed on a surface of the light absorbing member and capable of forming an ohmic junction with the light absorbing member;
A laminated structure with a second layer made of a second conductive material formed on the surface of the first layer and having a higher reflectance of the incident light than the first conductive material;
The thickness of the first layer is not less than three times the penetration depth of carriers into the first conductive material, and is not more than the penetration depth of the incident light into the first conductive material.
Here, “the penetration depth of the carrier into the first conductive material” is assumed that the carrier (A) in the light absorbing material and the carrier (B) in the first conductive material can be distinguished, When the concentration distribution in the first conductive material of the carrier (A) in the light absorbing material is calculated using Poisson's equation, the concentration of the carrier (A) in the first conductive material is The depth which becomes 1 / e (e is the Napier number) of the concentration of the carrier (A) in the absorbent material.
“Invasion depth of incident light into the first conductive material” means that when the incident light is incident on the first conductive material, the intensity of the incident light is 1 / e (e is the number of Napier). Say depth.
前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記入射光の反射率が90%以上である請求項1から7までのいずれか1項に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein each of the front electrode and the back electrode has a reflectance of 90% or more for the incident light. 以下の構成をさらに備えた請求項1から8までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
(9)前記光吸収部材の裏面側に、前記光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成されている。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8, further comprising the following configuration.
(9) A first diffusion layer (emitter layer) having a conductivity type different from that of the light absorbing member is formed on the back side of the light absorbing member.
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