JP3172759U - 半導体基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽電池の入射光線量及びその利用率を高めて、太陽電池の光電変換効率を向上させる半導体基板を提供する。
【解決手段】本半導体基板１は、基板１１と、少なくとも一つの半導体層１２と、第一抗反射層１３と、第二抗反射層１４とを備える。半導体層１２は、基板１１上に設置される。第一抗反射層１３は、半導体層１２上に設置される。第二抗反射層１４は、第一抗反射層１３上に設置されて、且つ、第二抗反射層１４は不連続層で、光子変換効果を有する。前記第一及び第二抗反射層は、スパッタリング、蒸着、塗布、スピンコート、印刷、インクジェット印刷またはそれらの組合せを含む方法により形成できる。前記第一抗反射層は、表面処理されたざらついた面に形成されることが望ましい。
【選択図】図１
【解決手段】本半導体基板１は、基板１１と、少なくとも一つの半導体層１２と、第一抗反射層１３と、第二抗反射層１４とを備える。半導体層１２は、基板１１上に設置される。第一抗反射層１３は、半導体層１２上に設置される。第二抗反射層１４は、第一抗反射層１３上に設置されて、且つ、第二抗反射層１４は不連続層で、光子変換効果を有する。前記第一及び第二抗反射層は、スパッタリング、蒸着、塗布、スピンコート、印刷、インクジェット印刷またはそれらの組合せを含む方法により形成できる。前記第一抗反射層は、表面処理されたざらついた面に形成されることが望ましい。
【選択図】図１
Description
本考案は、基板に関し、特に、半導体基板に関する。
近年、石化燃料の枯渇懸念に伴う石油価格の高騰、さらに、主要工業国が二酸化炭素排出削減が合意に達したことで、産業界は積極的に太陽光発電、風力発電及び水力発電等の再生可能エネルギー利用の技術及び装置の研究開発を進めている。このうち、太陽エネルギーの利用は現在最も主要な技術開発の方向である。それは、太陽光が世界各地に照射されることに起因する上、太陽エネルギーが変換される過程において、環境に汚染をもたらす危険がないからである。例えば、太陽光エネルギーが電気エネルギーに変換される過程において、その他のエネルギーの消費により温室効果を招くといった問題がない。
太陽電池の種類は非常に多く、各社の製造材料、構造設計もそれぞれ異なる。しかしながら、太陽電池の最も基本の構造は、N型とP型の半導体層、抗反射層（anti-reflection layer）及び金属電極等の三つの主要部分に分かれる。N型とP型の半導体層は、光起電性の根本となる部分である。抗反射層は、入射光の反射を減少させることで半導体層に発生する電流を強める。金属電極は、素子を外部負荷に接続するのに用いられる。
しかしながら、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する際の変換効率は、太陽電池の入射光線量及びその利用率の影響を受けやすい。
したがって、本考案は、太陽電池の入射光線量及びその利用率を高めて、太陽電池の光電変換効率を向上させる半導体基板を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本考案の半導体基板は、基板と、少なくとも一つの半導体層と、第一抗反射層と、第二抗反射層と、を備える。前記半導体層は、基板上に設置される。前記第一抗反射層は、半導体層上に設置される。前記第二抗反射層は、第一抗反射層上に設置されて、且つ、第二抗反射層は互いに不連続層で、入射した光線（光子）をN+/PまたはP+/N半導体太陽電池が吸収できる単一波長またはスペクトラムの波長に変換できる光子変換効果がある。
本考案の一実施形態において、前記第一抗反射層及び前記第二抗反射層を形成する方法は、スパッタリング、蒸着、塗布、スピンコート、印刷、インクジェット印刷またはそれらの組合せから選択される。
また、本考案の一実施形態において、前記第一抗反射層は、表面処理されたざらついた面に形成される。
本考案の一実施形態において、前記基板は、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、非結晶シリコン基板または微結晶シリコン基板である。
本考案の一実施形態において、前記半導体層は、N型半導体層またはP型半導体層である。
本考案の一実施形態において、前記第一抗反射層の材質は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化酸化シリコンまたは酸化アルミニウムである。
本考案の一実施形態において、前記第二抗反射層の材質は、複数の光子変換粒子を含む。光子変換粒子の材質は、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタン、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、硫化亜鉛、蛍光粉体、有機蛍光色素、高分子蛍光材料、無機蛍光材料、量子ドット蛍光材料、混成蛍光材料、リン光粉体、染料、またはそれらの材質の組合せを含む。光子変換粒子は高分子バインダに混ぜられて、膜層を容易に形成されることが望ましい。
本考案の一実施形態において、前記第二抗反射層は、高分子バインダに混ぜられた複数の光子変換粒子を含む。
本考案の一実施形態において、前記第二抗反射層は、複数のバンチ（bunch）から構成され、前記バンチは、複数粒子から組成される。
本考案の一実施形態において、前記バンチを組成する粒子の数量は同一または異なる。
本考案の一実施形態において、前記バンチは、規則的または不規則な形状である。
本考案の一実施形態において、前記バンチ相互の形状は同一、実質的に同一または異なる。
本考案の一実施形態において、前記バンチの設置位置は、規則的または不規則な分布である。
本考案の一実施形態において、前記半導体基板はさらに、電極層を備え、前記電極層は前記第一抗反射層上に設置される。各部分の電極層は、高分子バインダ及び光子変換粒子から構成した第二抗反射層で覆われる。望ましくは、前記電極層は、複数のバスバー電極（bus bar electrode）及び複数のくし型電極（finger electrode）を備える。なお、前記第二抗反射層は、前記バスバー電極で切断され、不連続層とされる。
このように、本考案の半導体基板は、第一抗反射層上に設置される不連続的で、且つ、光子変換効果を有する第二抗反射層が、入射光の反射を減少させて、光電変換効率を高める。これは、従来の技術とは異なり、不連続性の第二抗反射層が凹凸のある平らでない表面を形成しているという本考案の特徴に基づく。さらにまた、本考案の半導体基板の第二抗反射層の材質は、第二抗反射層に入射する光線の波長を、半導体層の光電変換率を決定する比較的長い波長に変換することで、入射光線の利用率が高まり、効果的に全体の光電変換の効率を向上させる。
以下、図を参照しながら、本考案の好適な実施形態における半導体基板について説明する。
図1は、本考案の第一の好適な実施形態における半導体基板の断面図である。半導体基板1は、基板11、半導体層12、第一抗反射層13、第二抗反射層14を備える。少なくとも一つの半導体層12は、基板11上に設置される。第一抗反射層13は、半導体層12上に設置される。第二抗反射層14は、第一抗反射層13上に設置される。さらに、第二抗反射層14は不連続層であり、且つ、光子変換効果を有する。
基板11は、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、非結晶シリコン基板または微結晶シリコン基板である。さらに、基板11は、N型半導体基板またはP型半導体基板で、本実施形態における基板11は、P型半導体基板の場合を例とする。また、基板11は、太陽電池の基板11として利用される。
半導体基板1は、前記基板11上に少なくとも一つの半導体層12を備え、本実施形態における半導体層12は、N型半導体層の場合を例とする。実際には、基板11がN型半導体基板またはP型半導体基板かによって、P型半導体層またはN型半導体層となる。基板11がN型半導体基板である時、P型半導体材料がN型半導体基板11上に拡散されて、N型半導体基板11上にP型半導体層12が形成される。基板11がP型半導体基板である時、N型半導体材料がP型半導体基板11上に拡散されて、P型半導体基板11上にN型半導体層12が形成される。P型とN型半導体層は、互いに接触すると、N型半導体層内の電子がP型半導体層中に勢いよく流れ込んで、その正孔(ホール)を埋める。P-N接合面近くにおいて、電子−正孔（ホール）の再結合によって、キャリア空乏領域が形成される。P型及びN型半導体中においても、それぞれが負、正の電荷を有することで、内蔵電界が形成される。太陽光がP-N構造に照射されると、P型及びN型半導体層が太陽光を吸収して電子−正孔(ホール)のペアが発生する。空乏領域によって提供された内蔵電界は、半導体層12内に発生した電子を電池内に流動させる。
半導体層12上に設置される第一抗反射層13は，空気とシリコンの屈折率の差が非常に大きいことにより、光線が空気とシリコンの接触面を通過すると、明らかな光線反射が生じる。このため、窒化ケイ素（Silicone Nitride ）材質の第一抗反射層13が半導体層12に塗布されることで、入射光の反射が減少できる。さらに、第一抗反射層13は、表面処理されたざらついた面を形成することで、第一抗反射層13が良好な抗反射効果を有するようにし、さらに、不動態化（passivation）作用を持たせ、全体の機能を高めるようにすることが望ましい。本実施形態における第一抗反射層13の材質は、前記窒化ケイ素のほか、酸化ケイ素（Silicone Oxide）、酸化窒化ケイ素（Silicone Oxynitride）、酸化アルミニウム、その他を用いることができ、それらは、シリコン表面に対して不動態化させる材質である。
第二抗反射層14は、第一抗反射層13上に設置される。さらに、それは図示する如く互いに不連続層であり、光子変換効果を有する。不連続の第二抗反射層14は複数の光子変換粒子を含む。さらに、本実施形態における不連続の第二抗反射層14の光子変換粒子は、円形の形状の場合を例とするが、鐘形、三角形、方形、はしご形、規則的または不規則な形状も可能である。
第二抗反射層14の光子変換粒子の材質は、酸化アルミニウム（Al2O3）、フッ化マグネシウム（MgF2）、酸化タンタル（Ta2O3）、五酸化ニオブ（Nb2O5）、酸化チタン（TiO2）、二酸化ケイ素（SiO2）、酸化ジルコニウム（ZrO2）、硫化亜鉛（ZnS）、蛍光粉体、有機蛍光色素、高分子蛍光材料、無機蛍光材料、量子ドット蛍光材料、混成蛍光材料、リン光粉体、染料または上述材質の組合せであることが望ましい。入射した太陽光線が第二抗反射層14材質内の光子変換粒子（例えば、蛍光粉粒子、図示されない）に照射されると、蛍光粉粒子は、例えば、紫外光のような波長の比較的短かい光線を吸収し、可視光線及び赤外光線のような波長の比較的長い光線を放出する。したがって、半導体基板1が太陽電池として使用された時、半導体層12に進入した大部分の光線がいずれも使用可能な波長の領域に落ち、さらに、太陽電池の全体の入射光の利用率が高まる。さらに、本実施形態における第一抗反射層13及び第二抗反射層14は、スパッタリング、蒸着、塗布、スピンコート、印刷、インクジェット印刷またはそれらの組合せの方法で形成することが可能である。
図2は、本考案の第二の好適な実施形態における半導体基板の断面図である。図1と異なるのは、その第二抗反射層24の構造である。本実施形態において、不連続の第二抗反射層24は、複数のバンチ（bunch）241、242、243、244から構成される。複数のバンチ241、242、243、244は、前段に述べた材質の複数の粒子（図示されない）から組成される。このうち、第二抗反射層を構成するバンチ241、242、243、244は、同一または異なる数量の粒子から組成される。さらに、各バンチ241、242、243、244は、規則的な形状（バンチ241のような）または不規則な形状（バンチ243のような）であり、バンチ相互の形状は同一（バンチ241、244のような）であったり、実質的に同一または異なったり（バンチ241、242、243のような）する。
図3は、本考案の第三の好適な実施形態における半導体基板の断面図である。図1と異なるのは、その第二抗反射層34の構造である。本実施形態において、不連続の第二抗反射層34は、複数のバンチから構成される。複数のバンチは、前述の材質の複数の粒子（図示されない）から組成される。このうち、第二抗反射層34のバンチは、図３の例の場合、その設置位置が不規則に分布する。
また、図4は、本考案の第四の好適な実施形態における半導体基板の断面図である。図1と異なるのは、本実施形態の半導体基板4はさらに、電極層15を備える点であり、前記電極層15は、前記第一抗反射層13上に設置される。電極層15は、複数のバスバー電極（bus bar electrode， 図6のように、指示符号は151）及び複数のくし型電極（finger electrode，断面は三角形で示す）を備える。くし型電極は、少なくとも一つのバスバー電極に電気的に接続される。半導体基板4が吸收した光線を電子に変換する時、くし型電極は、その発生した電子を、前記くし型電極が電気的に接続されるバスバー電極に集めるのに用いられる。最後に、バスバー電極が外部負荷に接続されることによって、光−電変換反応を経て発生した電子を外界に転送する。
図5に示したような半導体基板5において、膜層141は光子変換粒子を印刷またはスピンコートの工程により容易に形成して成る高分子バインダである。
図６は図５の平面図である。図に示したように、膜層141はバスバー電極151で切断されて、不連続部分になる。バスバー区域の高分子バインダを取り除くことで、連続はんだ工程及び太陽電池連結工程を妨げることを防止できる利点がある。
このように、本考案の半導体基板は、第一抗反射層上に設置される不連続的で、且つ、光子変換効果を有する第二抗反射層が、入射光の反射を減少させて、光電変換効率を高める。これは、従来の技術とは異なり、不連続性の第二抗反射層が凹凸のある平らでない表面を形成しているという本考案の特徴に基づく。さらにまた、本考案の半導体基板の第二抗反射層の材質は、第二抗反射層に入射する光線の波長を、半導体層の光電変換率を決定する比較的長い波長に変換することで、入射光線の利用率が高まり、効果的に全体の光電変換の効率を向上させる。したがって、本考案は、多大の産業上の利用可能性を有するものである。
以上、本考案の各種実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本考案に含まれる。
1、2、3、4、5 半導体基板
11 基板
12 半導体層
13 第一抗反射層
14、24、34 第二抗反射層
141 膜層
15 電極層
151 バスバー電極
241、242、243、244 バンチ
11 基板
12 半導体層
13 第一抗反射層
14、24、34 第二抗反射層
141 膜層
15 電極層
151 バスバー電極
241、242、243、244 バンチ
Claims (15)
- 基板と、
前記基板上に設置される少なくとも一つの半導体層と、
前記半導体層上に設置される第一抗反射層と、
前記第一抗反射層上に設置され、互いに不連続層で、光子変換効果を有する第二抗反射層とを備えることを特徴とする半導体基板。 - 前記第一抗反射層と前記第二抗反射層が、スパッタリング、蒸着、塗布、スピンコート、印刷、インクジェット印刷またはそれらの組合せを含む方法により形成された層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
- 前記第一抗反射層は、表面処理されたざらついた面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
- 前記第一抗反射層の材質は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、窒化酸化シリコンまたは酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
- 前記第二抗反射層は、複数の光子変換粒子を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
- 前記光子変換粒子の材質は、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、酸化タンタル、五酸化ニオブ、酸化チタン、二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、硫化亜鉛、蛍光粉体、有機蛍光色素、高分子蛍光材料、無機蛍光材料、量子ドット蛍光材料、混成蛍光材料、リン光粉体、染料、またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体基板。
- 前記第二抗反射層はさらに、高分子バインダを含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体基板。
- 前記第二抗反射層は、複数のバンチ（bunch）から構成され、前記バンチは、複数粒子から組成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
- 前記バンチを組成する前記粒子の数量は同一または異なることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
- 前記バンチは、規則的または不規則な形状であることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
- 前記バンチ相互の形状は同一、実質的に同一または異なることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
- 前記バンチの設置位置は、規則的または不規則な分布であることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板。
- 前記半導体基板はさらに、電極層を備え、前記電極層は前記第一抗反射層上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板。
- 前記電極層は、複数のバスバー電極（bus bar electrode）及び複数のくし型電極（finger electrode）を備えることを特徴とする請求項１３に記載の半導体基板。
- 前記第二抗反射層は、前記バスバー電極で切断され、不連続層とされたことを特徴とする請求項１４に記載の半導体基板。
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