JP4493209B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池などに用いられる光電変換装置に関し、特に基板上に多数の半導体結晶粒子を配設した光電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンなどを素材とする太陽電池は、他の電力生成手段に比べてその製造・使用の過程において環境を汚染する要素が少なく、しかも太陽が主なエネルギー源であるために、経済的であるという特徴をもつ。従来から広く実用に供されている比較的高効率の太陽電池は、比較的低価格の金属級シリコンから種々の高純度化工程を経て、最終的に溶融引き上げ等によって形成した単結晶ないし多結晶シリコンから切り出したウェハを出発素材としているため、素材ウェハ自身が高価格であり、従って太陽電池素子もその分高価にならざるを得ず、普及の妨げになっていた。
【0003】
一方、太陽電池素子の低価格化をはかるために、シリコンからなる球状の結晶半導体粒子を作製する方法が提案されている。従来の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を図4および図5に示す。
【0004】
図4に示すように、米国特許第4514580号公報によれば、鋼基板8の周囲にアルミニウム膜2を形成し、粉砕シリコン粒子9をアルミニウム膜2に接合し、絶縁物質層6、n形シリコン部10、透明導電層11を順次形成した光電変換素子が開示されている。
【0005】
また、図5に示すように、米国特許第5419782号公報によれば、第1のアルミニウム箔12に開口を形成し、その開口にp形の上にn形表皮部14を持つシリコン球13を結合し、球13の裏側のn形表皮部14を除去し、アルミニウム16上に酸化物15をコーティングし、球13の裏側の酸化物15を除去し、第2のアルミニウム箔16と接合し、透明なコーティング17を表面に設け、このコーティング17がシリコン球13のない位置でV字状に鋭角的に交差する部分を設けることによりシリコン球13のない位置に入射した光をシリコン球13へ導いて変換効率を向上させる光電変換装置が開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示す従来の米国特許第4514580号公報の光電変換装置では、半導体粒子9の周辺部に入射した光を効率的に利用することができず、変換効率が低いという問題があった。
【0007】
また、図5に示す米国特許第5419782号公報の光電変換装置では、シリコン球のない位置でV字状に交差する形状を持つコーティング17により変換効率を向上させるとあるが、シリコン球のない位置でV字状に交差する形状を形成することは技術的に難しいために生産性が悪く、また長期に渡って太陽光にさらされる場合、コーティング材料17に劣化が生じ、徐々に変換効率が低下するという問題があり、さらに3次元的に考察すると球を敷き詰めた間の領域の部分に到達した太陽光線を十分に活用できていないため、大きな値の変換効率は得られないという問題があった。
【0008】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は高効率の光電変換装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る光電変換装置では、表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことを特徴とする。
【0010】
上記光電変換装置では、前記凹状部が一導電型半導体層の表面側に周期的に多数形成されていることが望ましい。
【0011】
上記光電変換装置では、前記一導電型半導体結晶粒子が配設された前記凹状部の空隙に絶縁物質が充填されていることを特徴とする。
【0012】
また、上記光電変換装置では、前記一導電型半導体層の厚みが前記一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さいことが望ましい。
【0013】
また、上記光電変換装置では、前記一導電型半導体層および/または逆導電型半導体層が結晶質半導体から成ることが望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図2は本発明の実施形態の一例を示す平面図であり、図1は図2のX−X’線断面である。図1の光電変換装置では、セラミックや樹脂等の絶縁基板1上に、Alなどからなる導電領域(金属膜)2が形成されており、この導電領域2上に、表面に凹状部3aが多数形成された例えばp型(一導電型)のSiなどからなる結晶半導体層3が形成され、この凹状部3a内に同じくp型のSiなどからなる球状の半導体結晶粒子4が配設されてコンタクトホール7を介して導電領域2に電気的に接続されており、このp型の半導体結晶粒子4及び結晶半導体層3上にn型(逆導電型)の結晶半導体層5が配置されている。
【0015】
上記p型結晶半導体層3およびp型半導体結晶粒子4と、n型結晶半導体層5は、これらの界面に良好なpn接合が形成されていれば、それぞれ互いに入れ替えても構わない。また、n型結晶半導体層5はSiまたはGeにB、Al、Ga等が微量含まれているものであり、p型結晶半導体層3およびp型半導体結晶粒子4はSiまたはGeにP、As等が微量含まれているものである。
【0016】
一導電型半導体結晶粒子4が配設された凹状部3aの空隙3bには、一導電型半導体層3の表面を平坦化するために、絶縁物質6が充填される。この絶縁物質6としては、例えばSiO2、Al2O3、PbO、B2O3、ZrO等を任意な成分とするガラススラリーを用いた絶縁材料、ポリイミド、ポリカーボネート等の樹脂絶縁材料が好適に用いられる。
【0017】
また、n型半導体結晶5上にZnS、CeO2、SiOなどの反射防止膜(不図示)あるいは、引き回し抵抗を下げる目的でAlなどの電極を形成してもよい。
【0018】
図2に示すように、一導電型半導体層3に周期的に多数形成された凹状部3aには一導電型半導体結晶粒子4が配設されている。このような凹状部3aの形状、配列、周期を適宜設定することにより、様々な形態が可能であるが、所望の特性を得ることができる。すなわち、周期的な凹状部3aが形成された一導電型半導体層3及びこれらの凹状部3a内に配設された一導電型半導体結晶粒子4が並列に太陽電池を構成しており、一導電型半導体結晶粒子4間に位置する一導電型半導体層3の反射光を一導電型半導体結晶粒子4が有効に吸収するため、従来と比較して格段に変換効率の向上を図ることができる。
【0019】
一導電型半導体層3の厚みは、一導電型半導体結晶粒子4の半径より小さくなるように設定することが望ましい。このように設定すると、一導電型半導体結晶粒子4の表面で反射した光が、他の一導電型半導体結晶粒子4に吸収される割合を減らすことはない。
【0020】
また、一導電型半導体結晶粒子4間に位置する一導電型半導体層3に入射した太陽光の透過光は一導電型半導体層3で発電に寄与し、一導電型半導体結晶粒子4間に位置する一導電型半導体層3で反射、散乱された太陽光も大部分が一導電型半導体結晶粒子4で発電に寄与するため、全体として変換効率が大きく向上する。したがって、変換効率をもっとも向上させるためには、凹状部3aは周期的に形成されていることが望ましい。
【0021】
なお、上記一導電型半導体層3と逆導電型半導体層5は、単結晶または多結晶の結晶質半導体層に限らず、微結晶または非晶質あるいはこれらを混在させた半導体層でもよい。
【0022】
次に、本発明の光電変換装置の製造方法の一例を図面を参照しながらその概略を説明する。まず、図3(a)のようにセラミックや樹脂等の絶縁物質からなる基板1の上面にAlからなる導電層2を形成する。あるいは、導電性を有する基板1をそのまま用いてもよい。次にp型シリコンからなる一導電型結晶半導体層3を気相成長法、熱拡散法等により形成する。例えばシラン化合物の気相にp形を呈するリン系化合物の気相を微量導入して形成する。その後、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、開口部(不図示)を形成した後、RIE(反応性イオンエッチング法)、CDE(化学的ドライエッチング法)などを用いて、所望の凹状部3aを形成する。レジスト除去後、図3(b)に示すようになる。すなわち、コンタクトホール7を形成し、導電層2の一部が露出されるように形成した。
【0023】
次に、図3(c)に示すようにガラスペーストからなる絶縁物質6をこの基板1上に約50μmの厚みに形成した。その上に直径がおおよそ600μmのp形シリコン球4を置いた。p形シリコン球4は、溶融落下方式により製造され、落下中はいわゆる微小重力系であるため、浮力、対流などがほとんどなく、物体の重さもないため、結晶が自分の重さでつぶれることはなく、真球に近い球が得られる。配列方法は、箱型冶具を用いた真空吸着法を用いた。次に、加熱してガラスペーストからなる絶縁物質6を焼成することにより、絶縁物質6は変形し、図3(d)に示すように最終的にコンタクトホール7を通して導電層2と電気的に接触するように形成された。最後に、不必要な箇所の絶縁物質6を除去した後、半導体粒子4間のp型シリコンからなる一導電型結晶半導体層3とp形半導体結晶粒子4の上にn形シリコン層5を200nm形成し、更に保護膜として窒化珪素(不図示)を500nm形成し、図1、2に示す光電変換装置が形成される。
【0024】
本実施例においては、一導電型結晶半導体層3の厚み(高さ)を150μmとし、一導電型半導体結晶粒子4の直径を600μmとした。このため、一導電型半導体結晶粒子4間の一導電型結晶半導体層3の透過光のみならず、反射光、散乱光の大部分が再び一導電型半導体結晶粒子4に吸収される。さらに、一導電型半導体結晶粒子4からの反射、散乱光が再び他の一導電型半導体結晶粒子4に吸収されることを妨げないため、従来と比較し、大幅な変換効率の向上が達成された。また、絶縁物質6は一導電型結晶半導体層3、一導電型半導体結晶粒子4の間の絶縁性を確保すると同時に、信頼性を向上させる役割をしており、高信頼性の光電変換装置が達成された。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る光電変換装置によれば、表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことから、一導電型半導体結晶粒子と一導電型半導体結晶粒子間に位置する一導電型半導体層の双方が並列に太陽電池を構成するため、高効率の光電変換装置が達成される。
【0026】
また、請求項2、請求項5、および請求項6に係る光電変換装置では、さらに高効率の光電変換装置が達成される。
【0027】
また、請求項3に係る光電変換装置では、一導電型半導体結晶粒子が配設された凹部の空隙に絶縁体が配設されていることから、高信頼性の光電変換装置が達成される。
【0028】
さらに、請求項4に係る光電変換装置では、一導電型半導体層の厚みが一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さいことから、一導電型半導体結晶粒子間の一導電型結晶半導体層部分の透過光のみならず、反射光、散乱光の大部分が再び一導電型半導体結晶粒子で発電に寄与する。さらに、前記一導電型半導体結晶粒子からの反射、散乱光が再び他の一導電型半導体結晶粒子で発電に寄与することを妨げないため、従来と比較し、大幅な変換効率の向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換装置の一例を示す断面図であり、図2のXーX’線断面図である。
【図2】本発明の光電変換装置の平面図である。
【図3】本発明の光電変換装置の製造方法を説明するための図であり、(a)〜(d)は製造工程毎の断面図である。
【図4】従来の光電変換素子の例を示す断面図である。
【図5】従来の他の光電変換素子の例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・基板、2・・・・・・導電領域(金属膜)、3・・・・・・一導電型半導体層、4・・・・・・一導電型半導体結晶粒子、5・・・・・・逆導電型半導体層、6・・・・・・絶縁物質、7・・・・・・コンタクトホール、8・・・・・・鋼基板、9・・・・・・粉砕シリコン粒子、10・・・・・・n形シリコン部、11・・・・・・透明導電層、12・・・・・・第1アルミニウム箔、13・・・・・・p形シリコン球、14・・・・・・n形表皮部、15・・・・・・酸化物コーティング、16・・・・・・第2アルミニウム箔、17・・・・・・透明コーティング
Claims (6)
- 表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことを特徴とする光電変換装置。
- 前記凹状部が一導電型半導体層の表面側に周期的に多数形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記一導電型半導体結晶粒子が配設された前記凹状部の空隙に絶縁物質が充填されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記一導電型半導体層の厚みが前記一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記一導電型半導体層が結晶質半導体から成ることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記逆導電型半導体層が結晶質半導体から成ることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
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