JPH0645627A - 光起電力素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放熱効果を高めると共に光電変換効率を向上
し得る光起電力素子を提供することにある。 【構成】 本発明光起電力素子は、表面の凹凸形状に沿
って、光電変換機能を呈する半導体接合(4)を設け、そ
の表面には光反射を低減する反射防止膜(5)を設けたこ
とにあり、また、表面を凹凸形状とした反射防止膜を光
起電力素子の表面に設けたことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【０００２】

【従来の技術】光起電力素子の特性を評価するものの一
つに、光エネルギーから電気エネルギーへの変換の程度
を示す光電変換効率がある。

【０００３】従来、この光電変換効率を向上させること
を目的として、光電変換の中心的役割を担う半導体層の
厚みの最適化や、使用する電極の電気抵抗の低減化等の
種々の工夫がなされてきた。

【０００４】図５は、従来例の光起電力素子の素子構造
図である。図中の(51)はガラス等の透光性基板、(52)は
酸化錫等の透明導電膜からなる透光性の光入射側電極、
(53)は半導体接合を有する光電変換層で、非晶質シリコ
ンカーバイド膜からなるｐ型半導体層(53p)と、真性非
晶質シリコンからなる光活性層(53i)そして非晶質シリ
コンからなるｎ型半導体層(53n)とで構成されている。
(54)はアルミニュームやクロムなどからなる背面電極で
ある。

【０００５】この光起電力素子によれば、透光性基板(5
1)の側から入射した光(55)は光入射電極(52)を通過した
後、光電変換層(53)に進入し吸収される。そして光の吸
収ににより光電変換層(53)内で生成された電子及び正孔
は夫々ｎ型半導体層(53n)とｐ型半導体層(53p)とに引き
寄せられた後、外部に取り出されることとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来例光起電
力素子では、光入射表面を通常平坦な状態で使用するこ
とから、いきおいその表面に対しできる限り垂直に光入
射させることを必要となる。また、光起電力素子は一般
に素子温度が上昇すると、光電変換効率、特に開放電圧
の低下が生じることから、異常な温度上昇をもたらすよ
うな光照射や、あるいは他の部分からの熱伝導を回避す
ることが必要となる。

【０００７】本発明は、斯る不都合を回避すべく、熱に
対する影響を小さなものにすると共に、光の有効利用が
可能な光起電力素子を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、表面の凹凸形状に沿って、光電変換機能を呈する
半導体接合を設けた光起電力素子であって、その表面に
は良熱伝導性の反射防止膜が形成されていることにあ
り、とりわけ上記反射防止膜の屈折率がその反射防止膜
の表面からその内部に向かうにつれて大きくしたことに
ある。

【０００９】また、本発明光起電力素子は光起電力素子
の表面に、凹凸形状とした表面を備えた良熱伝導性の反
射防止膜を具備したことにある。

【００１０】

【作用】本発明光起電力素子は、表面の凹凸形状に沿っ
て、光電変換機能を呈する半導体接合を設けて成ること
から、入射する光の角度にほとんど影響を受けることな
く光を吸収することができ、又たとえ入射表面で光が反
射されたとしても表面を凹凸形状としていることから、
隣接する凸部にその反射された光が再度入射することと
なり、引いては光起電力素子の光吸収量が増加し光電変
換効率の向上が成し得ることとなる。

【００１１】また、この凹凸形状は、光起電力素子とし
ての表面積を大きくすることとなることから、光起電力
素子内の熱を外部に放出する、放熱としての作用を担う
ことが出来、光起電力素子自体の温度上昇を抑圧するこ
とができる。

【００１２】更に、その入射記表面には反射防止膜が形
成されていることから反射による光損失が低減でき、特
にその反射防止膜の屈折率を防止膜の表面から内部に向
かうにつれて大きくすることにより、光がこの反射防止
膜を進行するに従って、半導体接合の表面に垂直となる
ようにその光の走行路を曲げることができることとな
り、効率的な光電変換を行わしめることができる。

【００１３】一方、光電変換機能を呈する半導体接合を
設けた光起電力素子の表面に凹凸形状を施した反射防止
膜を設けた光起電力素子にあっては、先の光起電力素子
と同様に光吸収量の増加が成し得ると共に、上述した放
熱作用を利用することができる。

【００１４】

【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は本実施例の
製造方法を説明するための工程別素子構造図である。以
下では、製造工程に沿って本発明光起電力素子を説明す
る。

【００１５】図２（ａ）に示す第１工程では、一導電型
特性を備えた単結晶系、多結晶系あるいは非晶質系の半
導体(1)表面に、レーザビームやイオンビームなどの高
エネルギービーム(2)を照射することにより、所望の凹
凸形状となるようにその半導体表面をエッチング除去す
る。本実施例ではこの半導体(1)としてｐ型多結晶半導
体を使用し、凹凸の程度としては、凸部の深さは０．１
〜１０μｍとし、凸部の間隔は１〜１００μｍ程度とし
た。

【００１６】同図（ｂ）に示す第２工程では、所望の凹
凸形状に加工された半導体(1)を加熱しつつ他導電型決
定不純物、例えばリンを含んだ雰囲気中に放置すること
により、この半導体中にその導電型決定不純物を拡散さ
せ、ｎ型半導体(3)を形成する。

【００１７】これにより、この半導体(1)の内部には、
本発明光起電力素子の光電変換機能を担う、ｐｎ接合か
ら成る半導体接合(4)が形成される。なお、本工程では
凹凸形状を施した後ｐｎ接合を形成することから、この
半導体接合(4)はその凹凸形状に沿って設けられること
となる。

【００１８】次に、同図（ｃ）に示す第３工程では、半
導体(1)表面の凹凸形状を均等に覆うように反射防止膜
(5)（膜厚５００〜２０００Å）を形成することにより
光起電力素子が完成する。この際、この反射防止膜内の
屈折率は、膜の成膜が進むにつれて漸次小さくなるよう
に膜質を調整する。具体的な材料としては、良熱伝導率
を有する反射防止用の膜であることが必要で、酸化シリ
コンや酸化チタン、あるいはダイアモンドなどが利用で
きる。

【００１９】この反射防止膜(5)として、酸化シリコン
を使用する場合にあっては、その形成方法としてはＳｉ
−Ｏ−ＮとＳｉＯ₂の混合物をターゲットとして使用す
る高周波スパッタ法により形成することができ、特にそ
の屈折率を制御する方法としてはターゲットとして使用
するその混合物の比を制御することにより容易に調整す
ることができる。

【００２０】また、ダイアモンドを利用する場合にあっ
ては、低圧プラズマＣＶＤ法により形成した後、Ｃ
ｓ⁺，Ｏ^2-などのイオンをドーピングして屈折率を低下
させることができる。酸化チタン（ＴｉＯ₂）を反射防
止膜として使用する場合にあっては、反応性蒸着法やイ
オン・ビーム蒸着法によって酸化チタンを形成した後、
Ｏ ^2-イオンをドーピングすることによって、容易に屈折
率の調整を行うことができる。

【００２１】本実施例光起電力素子によれば、その表面
を凹凸形状としたことから、素子の表面積を大きくする
ことができ、効果的に放熱することができる。このた
め、光照射に因る温度上昇や、他の部分からの熱伝導に
よって生じた光起電力素子の温度上昇を抑圧することが
でき、結果として光電変換効率の向上が成し得ることと
なる。

【００２２】更に、凹凸形状に沿ってｐｎ接合等の半導
体接合が形成されていることから、入射する光の角度に
殆どよらずに効果的に光吸収を行うことができる。又図
１中に示すように入射する光(6)の内、一度反射防止膜
(5)に入射したものの反射されてしまった光であって
も、表面の凹凸形状に因り隣接する凸部に再度入射する
ことが可能となり、光起電力素子全体としての光吸収量
を高めることができる。

【００２３】次に、図３及び図４に本発明光起電力素子
の第２の実施例を示す。図３は本実施例の素子構造図で
あり、図４はそ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。本発明実施例のうち第１
の実施例と異なるところは、光起電力素子の表面に設け
られた凹凸形状を反射防止膜のみで作製し、半導体自体
は平坦な形状とした点にある。

【００２４】この光起電力素子は以下のように形成す
る。図４（ａ）は、内部にｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合
等からなる半導体接合を備えた、単結晶系、多結晶系あ
るいは非晶質系の半導体である。斯る接合の形成方法と
しては、使用する半導体材料によって異なるが、たとえ
ば単結晶半導体や多結晶半導体では所謂熱拡散法等によ
る方法があり、非晶質半導体にあってはプラズマＣＶＤ
法等によって容易に形成することができる。本実施例で
はｐ型多結晶半導体(31)とｎ型多結晶半導体(32)とを使
用した。

【００２５】次に、同図（ｂ）に示す第１工程では、反
射防止膜(33)となる酸化シリコンや酸化チタン等を膜厚
１μｍ〜１０μｍの範囲で形成する。この反射防止膜の
形成方法は、上述した第１の実施例で使用した反射防止
膜と同様である。但し、その膜厚は厚く、また膜内にお
ける屈折率の調整は行っていない。

【００２６】そして、同図（ｃ）に示す第２工程では、
イオンビームやレーザビーム等により反射防止膜(33)に
所望の間隔でエッチング除去し、光起電力素子の表面に
凹凸形状(33a)(33a)…を設ける。本例ではエッチング深
さを約０．１〜１μｍとし、エッチング間隔(33b)は１
〜１０μｍ程度とした。

【００２７】この実施例光起電力素子は第１の実施例光
起電力素子と異なり、表面の凹凸形状とする部分は反射
防止膜のみで形成していることから、光が反射防止膜に
入射すると直ちに光電変換されることはないものの、こ
の反射防止膜を有することに因り第１の実施例と同様の
放熱効果を享受し得るとともに、これら反射防止膜によ
って形成された凸部間における光反射により所謂光閉じ
込め効果を得ることができる。

【００２８】尚、本実施例では半導体として多結晶半導
体を使用して説明したが、これに限られず非晶質半導体
としてもよく、この場合にあっては半導体接合としては
ｐｉｎ接合とすることが素子の特性上好ましい。

【００２９】

【発明の効果】本発明光起電力素子によれば、表面の凹
凸形状に沿って半導体接合を設けていることから、入射
する光の角度に殆ど影響を受けることなく光を吸収する
ことができる。またたとえその表面において光反射が生
じても、隣接する凸部にその反射した光が捕らえられる
確率を高めることができることから、反射による光損失
の低減も可能となる。

【００３０】加えて、この表面の凹凸形状は光起電力素
子の熱エネルギーを外部に放出するための熱伝導部とな
り、放熱を効果的に行うことが可能となる。これにより
光起電力素子は全体としての光電変換効率の向上を成し
得ることとなる。

【００３１】また、表面の凹凸形状を反射防止膜のみに
よって形成した光起電力素子にあっても、同様の光吸収
量の増加と、熱放出を行えることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力素子の第１の実施例に於ける素
子構造断面図である。

【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。

【図３】本発明光起電力素子の第２の実施例に於ける素
子構造断面図である。

【図４】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。

【図５】従来例光起電力素子の素子構造断面図である。

【符号の説明】

(1)…ｐ型半導体 (3)…ｎ型半
導体 (4)…半導体接合 (5)…反射防
止膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細川 弘 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 桑原 隆 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 伊豆 博昭 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 堂本 洋一 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 蔵本 慶一 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 木山 精一 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面の凹凸形状に沿って、光電変換機能
   を呈する半導体接合を設けた光起電力素子であって、上
   記表面には良熱伝導性の反射防止膜が形成されているこ
   とを特徴とする光起電力素子。
2. 【請求項２】 前記請求項１の光起電力素子に於て、上
   記反射防止膜の屈折率が該反射防止膜の表面からその内
   部に向かうにつれて大きくしたことを特徴とする光起電
   力素子。
3. 【請求項３】 光電変換機能を呈する半導体接合を設け
   た光起電力素子であって、該光起電力素子の表面には、
   凹凸形状とした表面を備えた良熱伝導性の反射防止膜を
   具備することを特徴とする光起電力素子。