JP3133494B2 - 光起電力素子 - Google Patents
光起電力素子Info
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- photovoltaic element
- photovoltaic
- porous silicon
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells
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- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光起電力素子に関する。
ネルギーに変換する光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光起電力素子の特性向上を目的と
しては、光電変換機能を担う半導体接合の界面準位の低
減化や光入射側電極の高導電化、更には入射した光の低
反射率化等の種々の工夫が成されている。
しては、光電変換機能を担う半導体接合の界面準位の低
減化や光入射側電極の高導電化、更には入射した光の低
反射率化等の種々の工夫が成されている。
【０００３】図７は、従来の光起電力素子の素子構造図
である。図中の(121)は本素子の支持体となる基板、(12
2)は光電変換機能を示す半導体接合の一方を担う、一導
電型の多結晶半導体、(123)は多結晶半導体(122)と半導
体接合を形成する、他導電型の非晶質半導体、(124)は
非晶質半導体(123)の表面に形成された光入射側の酸化
インジュウムや酸化錫等から成る透明電極、(125)は多
結晶半導体(122)と基板(121)との間に形成されたアルミ
ニューム等からなる金属電極である。
である。図中の(121)は本素子の支持体となる基板、(12
2)は光電変換機能を示す半導体接合の一方を担う、一導
電型の多結晶半導体、(123)は多結晶半導体(122)と半導
体接合を形成する、他導電型の非晶質半導体、(124)は
非晶質半導体(123)の表面に形成された光入射側の酸化
インジュウムや酸化錫等から成る透明電極、(125)は多
結晶半導体(122)と基板(121)との間に形成されたアルミ
ニューム等からなる金属電極である。
【０００４】この光起電力素子では、透明電極(124)を
経て入射した光は、多結晶半導体(122)と非晶質半導体
(123)によって形成された半導体接合(126)近傍で吸収さ
れた後、電子と正孔となってそれぞれ外部に取り出され
る。斯る構造の光起電力素子では、例えば多結晶半導体
(122)と非晶質半導体(123)との界面特性の向上を図った
り、あるいは透明電極(124)の透過特性を向上させると
ともにその導電率を高めるなどの工夫がされている。
経て入射した光は、多結晶半導体(122)と非晶質半導体
(123)によって形成された半導体接合(126)近傍で吸収さ
れた後、電子と正孔となってそれぞれ外部に取り出され
る。斯る構造の光起電力素子では、例えば多結晶半導体
(122)と非晶質半導体(123)との界面特性の向上を図った
り、あるいは透明電極(124)の透過特性を向上させると
ともにその導電率を高めるなどの工夫がされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、これまで光起
電力素子では、その特性向上は前述の如く光吸収量の増
加や、あるいは吸収した光によって形成された光生成キ
ャリアの再結合防止に注力して検討されていた。
電力素子では、その特性向上は前述の如く光吸収量の増
加や、あるいは吸収した光によって形成された光生成キ
ャリアの再結合防止に注力して検討されていた。
【０００６】然し乍ら、これら対策は比較的大面積の光
起電力素子を念頭において検討されているものであり、
たとえば極めて小面積な光起電力素子にあっては別に解
決すべき新たな問題点が出現する。その一つが素子自体
の熱による素子特性の劣化である。
起電力素子を念頭において検討されているものであり、
たとえば極めて小面積な光起電力素子にあっては別に解
決すべき新たな問題点が出現する。その一つが素子自体
の熱による素子特性の劣化である。
【０００７】通常、半導体接合を光電変換部として使用
する光起電力素子では、素子の温度が上昇するにつれて
光電変換効率の低下が生じる。とりわけ、素子温度の上
昇は光起電力素子の特性のうち開放電圧を著しく低下さ
せてしまう。この様な光起電力素子の温度依存性に関し
ては、例えば太陽電池ハンドブック（電気学会，p.64〜
65，1985年)に詳細に記載されている。
する光起電力素子では、素子の温度が上昇するにつれて
光電変換効率の低下が生じる。とりわけ、素子温度の上
昇は光起電力素子の特性のうち開放電圧を著しく低下さ
せてしまう。この様な光起電力素子の温度依存性に関し
ては、例えば太陽電池ハンドブック（電気学会，p.64〜
65，1985年)に詳細に記載されている。
【０００８】この素子温度の問題は、光起電力素子自体
が光照射を受けたことに因る温度上昇だけに限られるも
のではなく、たとえば光起電力素子と隣接配置された他
の機能素子から伝導した熱による温度上昇であっても同
様に光電変換効率の低下が生じてしまう。
が光照射を受けたことに因る温度上昇だけに限られるも
のではなく、たとえば光起電力素子と隣接配置された他
の機能素子から伝導した熱による温度上昇であっても同
様に光電変換効率の低下が生じてしまう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明光起電力素子の特
徴とするところは、半導体基板の一方の主面に、相異な
る導電型の半導体領域を具備してなる光起電力素子であ
って、上記基板の他主面には陽極化成法から成るポーラ
スシリコンを設けたことにある。
徴とするところは、半導体基板の一方の主面に、相異な
る導電型の半導体領域を具備してなる光起電力素子であ
って、上記基板の他主面には陽極化成法から成るポーラ
スシリコンを設けたことにある。
【００１０】
【作用】本発明光起電力素子にあっては、光電変換機能
を担う相異なる導電型からなる半導体領域を一方の主面
に形成し、他主面には陽極化成法から成るポーラスシリ
コンを設けた半導体基板を光起電力素子とするものであ
ることから、本光起電力素子に蓄積される熱をこのポー
ラスシリコンを介して放熱することができる。
を担う相異なる導電型からなる半導体領域を一方の主面
に形成し、他主面には陽極化成法から成るポーラスシリ
コンを設けた半導体基板を光起電力素子とするものであ
ることから、本光起電力素子に蓄積される熱をこのポー
ラスシリコンを介して放熱することができる。
【００１１】とりわけ、このポーラスシリコンはその表
面が微細な凹凸形状となることから、ポーラスシリコン
の表面が露出するいわゆる表面積は極めて大きなものと
なることから、有効な放熱作用を得ることができる。
面が微細な凹凸形状となることから、ポーラスシリコン
の表面が露出するいわゆる表面積は極めて大きなものと
なることから、有効な放熱作用を得ることができる。
【００１２】
【実施例】図１は、本発明光起電力素子の第１の実施例
を説明するための素子構造図であり、図２はこの光起電
力素子の製造方法を説明するための工程別素子構造図で
ある。特に図１（ａ）は本素子の平面図で、（ｂ）は同
図（ａ）中のＡ−Ａ’断面を示す構造図である。この実
施例光起電力素子の特徴とするところは、半導体の一主
面に光電変換機能を担う半導体接合を構成する導電性半
導体領域を形成し、その他主面に素子の冷却用部材を形
成した点にある。
を説明するための素子構造図であり、図２はこの光起電
力素子の製造方法を説明するための工程別素子構造図で
ある。特に図１（ａ）は本素子の平面図で、（ｂ）は同
図（ａ）中のＡ−Ａ’断面を示す構造図である。この実
施例光起電力素子の特徴とするところは、半導体の一主
面に光電変換機能を担う半導体接合を構成する導電性半
導体領域を形成し、その他主面に素子の冷却用部材を形
成した点にある。
【００１３】この第１の実施例光起電力素子を、図２に
示す製造工程の手順に従って説明する。同図（ａ）に示
す第１工程では、単結晶半導体(71)の光入射側となる一
主面に陽極化成法により、ポーラスシリコン(72)を形成
する。
示す製造工程の手順に従って説明する。同図（ａ）に示
す第１工程では、単結晶半導体(71)の光入射側となる一
主面に陽極化成法により、ポーラスシリコン(72)を形成
する。
【００１４】陽極化成法の具体的な方法としては、まず
ＨＦ：Ｈ2Ｏ：Ｃ2Ｈ5ＯＨ＝１：１：２〜３の比で混合
されたＨＦ溶液中に、外部から給電可能に配線された陽
電極と陰電極を浸漬しその陽電極側に半導体(71)を設置
する。そして、その陽電極と陰電極との間に５〜５０ｍ
Ａ／ｃｍ2の電流を３〜１５０分間流す。これにより半
導体(71)の表面には、厚み５〜１００μｍのポーラスシ
リコン(72)が生成される。通常このポーラスシリコン(7
2)の表面は微細な凹凸形状を成すことから、その表面積
は２００〜９００ｍ2／ｃｍ3と非常に大きなものであ
る。
ＨＦ：Ｈ2Ｏ：Ｃ2Ｈ5ＯＨ＝１：１：２〜３の比で混合
されたＨＦ溶液中に、外部から給電可能に配線された陽
電極と陰電極を浸漬しその陽電極側に半導体(71)を設置
する。そして、その陽電極と陰電極との間に５〜５０ｍ
Ａ／ｃｍ2の電流を３〜１５０分間流す。これにより半
導体(71)の表面には、厚み５〜１００μｍのポーラスシ
リコン(72)が生成される。通常このポーラスシリコン(7
2)の表面は微細な凹凸形状を成すことから、その表面積
は２００〜９００ｍ2／ｃｍ3と非常に大きなものであ
る。
【００１５】尚、この陽極生成法によって形成されたポ
ーラスシリコンにはその形成の際その表面に薄いＳｉＯ
X膜(73)が形成される。又、本実施例における半導体(7
1)としてはｐ型のものを使用したが、この陽極生成法に
よればｎ型の半導体のものであってもポーラスシリコン
を生成することができる。
ーラスシリコンにはその形成の際その表面に薄いＳｉＯ
X膜(73)が形成される。又、本実施例における半導体(7
1)としてはｐ型のものを使用したが、この陽極生成法に
よればｎ型の半導体のものであってもポーラスシリコン
を生成することができる。
【００１６】次に図２（ｂ）に示す第２工程では、半導
体(71)の他主面側に絶縁膜(74)であるＳｉＯ2膜を形成
した後、後工程で形成される相異なる導電型の半導体領
域間の半導体表面を覆うように、その絶縁膜(74)(74)を
パターニングする。
体(71)の他主面側に絶縁膜(74)であるＳｉＯ2膜を形成
した後、後工程で形成される相異なる導電型の半導体領
域間の半導体表面を覆うように、その絶縁膜(74)(74)を
パターニングする。
【００１７】そして、同図（ｃ）に示す第３工程では、
本発明光起電力素子の光電変換機能を担う導電性半導体
領域を、イオン・インプランテーション法等により形成
する。(75)(75)…はｐ+形の半導体領域であり、(76)(7
6)…はｎ+形の半導体領域である。
本発明光起電力素子の光電変換機能を担う導電性半導体
領域を、イオン・インプランテーション法等により形成
する。(75)(75)…はｐ+形の半導体領域であり、(76)(7
6)…はｎ+形の半導体領域である。
【００１８】同図（ｄ）に示す第４工程では、形成され
た半導体領域(75)(75)…(76)(76)…上にキャリア取り出
し用電極としてアルミニューム等の金属からなる電極(7
7)(78)…を夫々形成する。
た半導体領域(75)(75)…(76)(76)…上にキャリア取り出
し用電極としてアルミニューム等の金属からなる電極(7
7)(78)…を夫々形成する。
【００１９】本発明光起電力素子の動作機構は以下の如
くである。まず、ポーラスシリコン(72)側から入射した
光は半導体(71)内で共に吸収され、電子及び正孔を発生
させる。そして発生したこれらキャリアは、ｐ+半導体
領域(75)とｎ+半導体領域(76)とで形成された内部電界
によってそれぞれ分離された後、電極(77)(78)から外部
に取り出される。
くである。まず、ポーラスシリコン(72)側から入射した
光は半導体(71)内で共に吸収され、電子及び正孔を発生
させる。そして発生したこれらキャリアは、ｐ+半導体
領域(75)とｎ+半導体領域(76)とで形成された内部電界
によってそれぞれ分離された後、電極(77)(78)から外部
に取り出される。
【００２０】図３は、本実施例光起電力素子のその内部
電界の様子を示すための電気力線(81)が描かれた特性図
である。同図から明らかなように、本素子ではｐ+半導
体領域(75)とｎ+半導体領域(76)間で生じる電界は半導
体内のその位置によって強弱が生じ、光入射側の主面か
ら深くなる程、内部電界が強くなっていることが分か
る。
電界の様子を示すための電気力線(81)が描かれた特性図
である。同図から明らかなように、本素子ではｐ+半導
体領域(75)とｎ+半導体領域(76)間で生じる電界は半導
体内のその位置によって強弱が生じ、光入射側の主面か
ら深くなる程、内部電界が強くなっていることが分か
る。
【００２１】本発明実施例光起電力素子は、以上の如き
構造を採ることからポーラスシリコンの微細な表面の凹
凸形状を活かして、素子内の熱を外部に放熱することが
可能となる。また、このポーラスシリコンの凹凸形状は
光入射の際に反射により光損失を生じても、その表面が
凹凸であるが故に、その反射した光が再度そのポーラス
シリコンに入射する確率を高めることができることとな
り、引いては光の吸収量の増加に寄与することとなる。
構造を採ることからポーラスシリコンの微細な表面の凹
凸形状を活かして、素子内の熱を外部に放熱することが
可能となる。また、このポーラスシリコンの凹凸形状は
光入射の際に反射により光損失を生じても、その表面が
凹凸であるが故に、その反射した光が再度そのポーラス
シリコンに入射する確率を高めることができることとな
り、引いては光の吸収量の増加に寄与することとなる。
【００２２】また、本実施例では図１（ａ）で示すよう
な電極(77)(78)として、櫛型電極としたことから、半導
体内部で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すこ
とができる図４は 上記実施例光起電力素子(91)と、ポ
ーラスシリコンを備えていない従来の光起電力素子(92)
との、光照射下における温度変化を示した特性図であ
る。同図が示すように、いずれの光起電力素子にあって
も時間の経過と共に素子温度が上昇するもののその本発
明光起電力素子(91)では初期の温度に比べ約４倍の温度
で飽和するのに対し、従来例光起電力素子(92)の方にあ
っては約７倍も素子温度が上昇してしまう。従って、本
発明光起電力素子(91)の特徴である表面凹凸形状による
効果により素子の温度が効果的に抑制できていることが
判る。
な電極(77)(78)として、櫛型電極としたことから、半導
体内部で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すこ
とができる図４は 上記実施例光起電力素子(91)と、ポ
ーラスシリコンを備えていない従来の光起電力素子(92)
との、光照射下における温度変化を示した特性図であ
る。同図が示すように、いずれの光起電力素子にあって
も時間の経過と共に素子温度が上昇するもののその本発
明光起電力素子(91)では初期の温度に比べ約４倍の温度
で飽和するのに対し、従来例光起電力素子(92)の方にあ
っては約７倍も素子温度が上昇してしまう。従って、本
発明光起電力素子(91)の特徴である表面凹凸形状による
効果により素子の温度が効果的に抑制できていることが
判る。
【００２３】図５は、図４と同様に各光起電力素子毎の
光照射下における光電変換効率の経時変化を示してい
る。同図にあっても時間経過とともに本発明光起電力素
子(91)と従来例光起電力素子(92)とのいずれの場合でも
初期の光電変換効率の低下が生じる。この低下は、前述
した光起電力素子自体の温度上昇に因るもので、先に示
した図４における温度上昇と対応した漸次効率の低下が
観測される。従って、本実施例の光起電力素子であって
も素子温度の上昇を効果的に抑圧し得ることが分かる。
光照射下における光電変換効率の経時変化を示してい
る。同図にあっても時間経過とともに本発明光起電力素
子(91)と従来例光起電力素子(92)とのいずれの場合でも
初期の光電変換効率の低下が生じる。この低下は、前述
した光起電力素子自体の温度上昇に因るもので、先に示
した図４における温度上昇と対応した漸次効率の低下が
観測される。従って、本実施例の光起電力素子であって
も素子温度の上昇を効果的に抑圧し得ることが分かる。
【００２４】次に、本発明光起電力素子の第２の実施例
について説明する。図６はその実施例を示す素子構造図
で、第２の実施例と共通するものについては同一の符号
を付している。本実施例が前述した第２の実施例と異な
る点は、半導体(71)の一方の主面に形成するポーラスシ
リコン(72)をその主面の全面とせず、一部にのみ形成し
たことである。とりわけ、ポーラスシリコン(72)を形成
した部分としては、図３に示した電気力線から明らかな
ようにその内部電界強度が比較的小さい部分に限定して
形成したことであり、その他の部分については反射防止
膜(111)を形成している。本実施例においても、第２の
実施例と同様にポーラスシリコンによる放熱効果を有効
に利用し得るものである。
について説明する。図６はその実施例を示す素子構造図
で、第２の実施例と共通するものについては同一の符号
を付している。本実施例が前述した第２の実施例と異な
る点は、半導体(71)の一方の主面に形成するポーラスシ
リコン(72)をその主面の全面とせず、一部にのみ形成し
たことである。とりわけ、ポーラスシリコン(72)を形成
した部分としては、図３に示した電気力線から明らかな
ようにその内部電界強度が比較的小さい部分に限定して
形成したことであり、その他の部分については反射防止
膜(111)を形成している。本実施例においても、第２の
実施例と同様にポーラスシリコンによる放熱効果を有効
に利用し得るものである。
【００２５】以上の如く、第１乃至第２の実施例で説明
したように、本発明光起電力素子によれば、その放熱効
果が顕著に期待できることから、この光起電力素子と隣
接して配置された他の機能素子からの熱をもこの光起電
力素子を介して放熱する、いわば放熱部材として利用す
ることも可能である。然るに、この光起電力素子を駆動
電源とする回路をこの光起電力素子に隣接して配置した
場合にあっても、この回路自体が発生する熱をこの光起
電力素子を介して放熱することが可能となる。
したように、本発明光起電力素子によれば、その放熱効
果が顕著に期待できることから、この光起電力素子と隣
接して配置された他の機能素子からの熱をもこの光起電
力素子を介して放熱する、いわば放熱部材として利用す
ることも可能である。然るに、この光起電力素子を駆動
電源とする回路をこの光起電力素子に隣接して配置した
場合にあっても、この回路自体が発生する熱をこの光起
電力素子を介して放熱することが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】本発明光起電力素子にあっては、光電変
換機能を担う相異なる導電型からなる半導体領域を一方
の主面に形成し、他主面には陽極化成法から成るポーラ
スシリコンを設けた半導体基板を光起電力素子とするも
のにあっても、本光起電力素子に蓄積される熱をこのポ
ーラスシリコンを介して有効に放熱することができる。
換機能を担う相異なる導電型からなる半導体領域を一方
の主面に形成し、他主面には陽極化成法から成るポーラ
スシリコンを設けた半導体基板を光起電力素子とするも
のにあっても、本光起電力素子に蓄積される熱をこのポ
ーラスシリコンを介して有効に放熱することができる。
【００２７】とりわけ、このポーラスシリコンはその表
面が微細な凹凸形状となることから、ポーラスシリコン
の表面に露出するいわゆる表面積は極めて大きなものと
なることから、有効な放熱作用を得ることが可能とな
る。
面が微細な凹凸形状となることから、ポーラスシリコン
の表面に露出するいわゆる表面積は極めて大きなものと
なることから、有効な放熱作用を得ることが可能とな
る。
【図１】本発明光起電力素子の第１の実施例を説明する
ための素子構造図である。
ための素子構造図である。
【図２】前記光起電力素子の製造方法を説明するための
工程別素子構造断面図である。
工程別素子構造断面図である。
【図３】前記光起電力素子の内部電界状態を示す特性図
である。
である。
【図４】前記光起電力素子の駆動時の温度変化特性図で
ある。
ある。
【図５】前記光起電力素子の光電変換効率の経時変化を
示す特性図である。
示す特性図である。
【図６】本発明光起電力素子の第２の実施例を示す素子
構造断面図である。
構造断面図である。
【図７】従来例光起電力素子の素子構造断面図である。
(3)…半導体 (5)…非
晶質シリコン (6)…光入射側電極
晶質シリコン (6)…光入射側電極
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078
Claims (1)
- 【請求項１】 半導体基板の一方の主面に、相異なる導
電型の半導体領域を具備してなる光起電力素子であっ
て、上記基板の他主面には陽極化成法から成るポーラス
シリコンを設けたことを特徴とする光起電力素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04194022A JP3133494B2 (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光起電力素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04194022A JP3133494B2 (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光起電力素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0645623A JPH0645623A (ja) | 1994-02-18 |
| JP3133494B2 true JP3133494B2 (ja) | 2001-02-05 |
Family
ID=16317646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04194022A Expired - Lifetime JP3133494B2 (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光起電力素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3133494B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007135081A (ja) * | 2005-11-11 | 2007-05-31 | Matsushita Electric Works Ltd | 半導体リレー装置 |
| JP5185236B2 (ja) * | 2009-02-24 | 2013-04-17 | 浜松ホトニクス株式会社 | フォトダイオードの製造方法及びフォトダイオード |
| JP5185205B2 (ja) | 2009-02-24 | 2013-04-17 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体光検出素子 |
| JP5185208B2 (ja) | 2009-02-24 | 2013-04-17 | 浜松ホトニクス株式会社 | フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ |
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-
1992
- 1992-07-21 JP JP04194022A patent/JP3133494B2/ja not_active Expired - Lifetime
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