JPH0846227A - 光起電力素子の光閉じ込め構造 - Google Patents

光起電力素子の光閉じ込め構造

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JPH0846227A
JPH0846227A JP6197674A JP19767494A JPH0846227A JP H0846227 A JPH0846227 A JP H0846227A JP 6197674 A JP6197674 A JP 6197674A JP 19767494 A JP19767494 A JP 19767494A JP H0846227 A JPH0846227 A JP H0846227A
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JP
Japan
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light
photovoltaic element
vertical side
pair
receiving surface
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Pending
Application number
JP6197674A
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English (en)
Inventor
Takahisa Sakakibara
孝久 榊原
Hiroaki Izu
博昭 伊豆
Tatsuya Kura
達哉 倉
Seiichi Kiyama
精一 木山
Shinya Tsuda
信哉 津田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

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  • Micromachines (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光の入射角度に拘わらず高い光吸収率が得ら
れる光起電力素子の光閉じ込め構造を提供する。 【構成】 光起電力素子1の受光面14に、多数条の光閉
じ込め溝11が互いに間隔をおいて凹設される。各光閉じ
込め溝11の内壁は、受光面14に対して垂直な左右一対の
垂直側壁12、12と、これらの垂直側壁の端部から互いに
接近する方向へ斜めに伸びる左右一対の傾斜底壁13、13
とを具えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池等の光起電力
素子に関し、特に入射光の吸収率を改善した光起電力素
子の光閉じ込め構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、1つの機能構成要素の大きさが1
mm以下のマイクロマシンと称される微小機械の研究開
発が進んでいる。マイクロマシンは固定式微小機械と自
走式微小機械に分類されるが、自走式微小機械において
は、エネルギー供給方式の開発が大きな課題となってい
る。
【0003】マイクロマシンへのエネルギー供給方式は
有線方式と無線方式に分類される。有線方式によれば、
高密度のエネルギーを供給することが出来るが、エネル
ギー源とマイクロマシンとが電線によって互いに連結さ
れるため、マイクロマシンの移動に制約が加わる問題が
ある。そこで、マイクロ波、光等のエネルギーを外部か
らマイクロマシンへ向けて照射する無線方式が検討され
ている。例えば、光によるエネルギー供給方式において
は、マイクロマシンの表面を光起電力素子によって覆
い、光起電力素子に照射された光を直接に電力に変換す
るのである。
【0004】ところで、太陽電池は、基本的には図2に
示す如くn+層(20)及びp層(30)からなる光起電力素子
(10)の両面に、表面電極(5)及び裏面電極(6)を形成し
たものである。そして、光起電力素子(10)に入射する光
エネルギーを有効に利用する1つの方法として、光起電
力素子(10)の表面には、Ta25等の反射防止膜(4)が
形成される。
【0005】又、光エネルギーの有効利用を図る更に効
果的な方法として、太陽電池の受光面に、高さ2〜10
μm程度の多数のピラミッドを形成し、該ピラミッドの
表面における多重反射によって、光の吸収率を高める集
光構造が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の太陽電池におけ
る集光構造は、受光面に対して垂直に光が入射すること
を前提としている。しかしながら、自走式のマイクロマ
シンにおいては、光起電力素子の実装面が主に曲面であ
り、然もマイクロマシンの移動に伴って光の入射角が変
化するため、必ずしも常に高い光吸収率が達成されてい
るとは言えない。本発明の目的は、光の入射角度に拘わ
らず高い光吸収率が得られる光起電力素子の光閉じ込め
構造を提供することである。
【0007】
【課題を解決する為の手段】本発明に係る光起電力素子
の光閉じ込め構造は、光起電力素子(1)の受光面(14)
に、多数条の光閉じ込め溝(11)を互いに間隔をおいて凹
設したものである。各光閉じ込め溝(11)の内壁は、受光
面(14)に対して垂直な左右一対の垂直側壁(12)(12)と、
これらの垂直側壁の端部から互いに接近する方向へ斜め
に伸びる左右一対の傾斜底壁(13)(13)とを具えている。
【0008】具体的構成において、光閉じ込め溝(11)の
断面形状は、一対の垂直側壁(12)(12)によって挟まれた
矩形領域と、一対の傾斜底壁(13)(13)によって挟まれた
くさび形領域から構成され、該くさび領域の頂点までの
溝深さを一対の垂直側壁(12)(12)の間隔で除したアスペ
クト比は、2乃至4である。
【0009】更に具体的構成において、光閉じ込め溝(1
1)の傾斜底壁(13)の傾斜角度は、垂直側壁(12)に対して
30°乃至40°である。
【0010】
【作用】上記光起電力素子の光閉じ込め構造において
は、受光面(14)に対して垂直に光が入射した場合、光は
先ず傾斜底壁(13)(13)に入射して、該傾斜底壁(13)を透
過して吸収される光と、反射される光に分れる。ここで
多くの反射光は、他方の傾斜底壁(13)或いは垂直側壁(1
2)へ向けて反射される。この様にして複数回の反射を経
て、入射光は高い吸収率で光起電力素子(1)に吸収され
ることとなる。受光面(14)に対して斜めに入射した光
は、先ず垂直側壁(12)へ入射して、該垂直側壁(12)を透
過して吸収される光と、反射される光に分れる。多くの
反射光は、他方の垂直側壁(12)或いは傾斜底壁(13)へ向
けて反射される。この様にして複数回の反射を経て、入
射光は高い吸収率で光起電力素子(1)に吸収されること
となる。
【0011】特に光閉じ込め溝(11)のアスペクト比を2
乃至4に形成した具体的構成においては、受光面(14)に
対して斜めに入射した光が垂直側壁(12)及び傾斜底壁(1
3)にて繰り返し反射され、多重反射によって殆どが光起
電力素子(1)に吸収されることになる。この場合、受光
面(14)に対する入射角度が変化したとしても、同様の多
重反射によって高い光吸収率が維持される。
【0012】又、光閉じ込め溝(11)の傾斜底壁(13)の傾
斜角度を30°乃至40°に設定することによって、該
傾斜底壁(13)にて反射された光を適切な角度で垂直側壁
(12)へ導いて、効率的な多重反射を生起させることが出
来る。この結果、高い光吸収率が達成される。
【0013】
【発明の効果】本発明に係る光起電力素子の光閉じ込め
構造によれば、光の入射角度に拘わらず多重反射が実現
されて、高い光吸収率が得られる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。図1は本発明に係る光起電力素子の光閉じ
込め構造を示しており、n+層(2)及びp層(3)から構
成される光起電力素子(1)の受光面(14)には、多数条の
光閉じ込め溝(11)が一定ピッチで凹設されている。
【0015】光閉じ込め溝(11)は、受光面(14)に対して
垂直な左右一対の垂直側壁(12)(12)と、これらの垂直側
壁の下端部から互いに接近する方向へ斜めに伸びる左右
一対の傾斜底壁(13)(13)とから形成され、その断面形状
は、一対の垂直側壁(12)(12)によって挟まれた上部の矩
形領域と、一対の傾斜底壁(13)(13)によって挟まれた下
部のくさび形領域とから構成されている。
【0016】ここで、本発明の完成に至るまでに出願人
が行なった種々の断面形状を対象とする光吸収率の計算
機シミュレーションについて説明する。該シミュレーシ
ョンにおいては、図4の(1)乃至(4)に示す各種断面形
状について、光起電力素子に入射する光を有限個の光線
の束に分割し、各光線の凹凸内での多重反射によるエネ
ルギー減衰を算出する。次に、減衰した光線のエネルギ
ーを合計して、入射した光エネルギーの内、素子に吸収
されたエネルギー(入射エネルギー−減衰後のエネルギ
ー)の割合として光吸収率を算出する。尚、材料表面で
の反射係数は、光線の入射方向によるため、波長、材
料、入射角に対する関数として計算した。
【0017】ここで、図4(2)のくさび型の凹幅は30
μm、深さは20μm、傾斜角1は35.25度である。
図4(3)の台形における凹幅は20μm、凸幅は10μ
m、深さは20μm、傾斜角1は17.5度である。図4
(4)の矩形における凹幅は20μm、凸幅は10μm、深
さは60μmである。又、本発明に係る図4(5)の底面
くさび型矩形における凹幅は20μm、凸幅は10μm、
深さは60μm、傾斜角2は35.25度である。又、光
起電力素子の材質は単結晶シリコンであって、入射光の
波長は633nmである。
【0018】上記の計算機シミュレーションの結果を図
5及び図6に示す。図5は、各断面形状についての光入
射角と光吸収率の関係を示しており、従来のフラットな
受光面の場合は、光入射角の増大に伴って光吸収率が大
きく低下している。
【0019】一方、くさび型、台形、矩形の断面形状で
は、何れもフラットな受光面に比べて高い光吸収率が得
られているが、光入射角度の変化に応じて光吸収率が大
きく変動している。これに対し、本発明に係る底面くさ
び型矩形の場合は、光入射角の変動に拘わらず、80%
或いはそれ以上の高い光吸収率が得られており、然もそ
の変動は僅かである。
【0020】図6は、本発明に係る底面くさび型矩形の
光閉じ込め溝において、光閉じ込め溝の深さを凹幅で除
したアスペクト比をパラメータとして、光入射角と光吸
収率の関係を示している。図6から明らかな様に、アス
ペクト比が1の場合は、光入射角に対する光吸収率の変
動は比較的大きい。これに対し、アスペクト比が2乃至
4の場合は、光入射角に対する光吸収率の変動は小さ
く、然もアスペクト比が1の場合に比べて大きな光吸収
率が得られている。
【0021】上記の計算機シミュレーションの結果は実
際の光起電力素子においても良好な再現性を有するもの
と推定される。そこで、本発明の光起電力素子において
は、図1に示す様に、光起電力素子(1)の受光面(14)
に、断面形状が底面くさび型矩形の光閉じ込め溝(11)を
凹設し、高い光吸収率を実現するのである。ここで、光
閉じ込め溝(11)のアスペクト比は2乃至4の範囲に設定
される。又、光閉じ込め溝(11)の傾斜底壁(13)の傾斜角
度は、垂直側壁(12)に対して30°乃至40°、例えば
35.25°に設定される。
【0022】これによって、光入射角に拘わらず、略8
0%を越える高い光吸収率が得られ、この光吸収率の増
大に比例して、光起電力素子の出力が増大することにな
る。又、底面くさび型矩形の光閉じ込め溝においては、
他の断面形状の光起電力素子に比べて放熱面積が大きく
なるから、放熱特性の改善によって出力が増大する。従
って、本発明の光起電力素子は、特に自走式のマイクロ
マシンに実装すべき光起電力素子として好適である。
【0023】図3は、上記本発明に係る光起電力素子の
製造工程を示している。先ず図3(a)の如くp型にドー
プされた単結晶Si基板(31)を作製する。該Si基板(3
1)は、後述の異方性エッチングの目的のために、表面が
(100)の結晶方位に形成されている。
【0024】次に、図3(b)の如くSi基板(31)の表面
に、マスク(7)を介した反応性イオンエッチングを施し
て、断面矩形の溝(15)を凹設する。ここでマスク(7)と
しては、レジスト、或いはSiO2やAl23等の絶縁
資材が用いられる。
【0025】続いて、上記Si基板(31)をKOH等のア
ルカリ溶液に浸して、異方性エッチングを施し、図3
(c)の如く光閉じ込め溝(11)を深さ数μm〜数十μmに形
成するのである。この際、Si基板(31)は、表面が(1
00)の面方位に形成されているため、異なる結晶面の
エッチングレートに差が生じ、光閉じ込め溝(11)は底部
くさび型に形成されることになる。
【0026】以後は従来の製造工程と同一であって、気
相拡散、塗布拡散、イオン打込み等によって図3(d)の
如くSi基板(31)の表層部にn型領域(21)を形成して、
pn接合構造を得る。そして、最後に表面電極及び裏面
電極を形成して、太陽電池を完成する。
【0027】上記製造工程では、反応性イオンエッチン
グによって一旦、矩形溝(15)を形成した後、異方性エッ
チングを施して、2工程で底面くさび型矩形の光閉じ込
め溝(11)を完成しているが、これに限らず、プラズマエ
ッチング等によって、1工程で光閉じ込め溝(11)を凹設
することも可能である。
【0028】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。
【0029】例えば、本発明は反射防止膜の有無や光起
電力素子の材料に拘わらず実施可能であって、反射防止
膜を形成した太陽電池においては、反射防止膜の表面に
光閉じ込め溝が凹設されることになる。又、光起電力素
子は単結晶シリコンのみならず、多結晶シリコンやアモ
ルファスシリコン等の周知の種々の半導体材料を用いる
ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光起電力素子の光閉じ込め構造を
示す斜視図である。
【図2】従来の太陽電池の構造を表わす断面図である。
【図3】本発明に係る光起電力素子の製造工程を示す図
である。
【図4】光起電力素子に形成される各種断面形状の溝を
示す図である。
【図5】各種断面形状の溝についての光入射角と光吸収
率の関係を示すグラフである。
【図6】底面くさび型矩形の断面形状について、アスペ
クト比をパラメータとする光入射角と光吸収率の関係を
示すグラフである。
【符号の説明】
(1) 光起電力素子 (2) n+層 (3) p層 (14) 受光面 (11) 光閉じ込め溝 (12) 垂直側壁 (13) 傾斜底壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木山 精一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 津田 信哉 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光起電力素子(1)の受光面(14)に、多数
    条の光閉じ込め溝(11)が互いに間隔をおいて凹設され、
    各光閉じ込め溝(11)の内壁は、受光面(14)に対して垂直
    な左右一対の垂直側壁(12)(12)と、これらの垂直側壁の
    端部から互いに接近する方向へ斜めに伸びる左右一対の
    傾斜底壁(13)(13)とを具えている光起電力素子の光閉じ
    込め構造。
  2. 【請求項2】 光閉じ込め溝(11)の断面形状は、一対の
    垂直側壁(12)(12)によって挟まれた矩形領域と、一対の
    傾斜底壁(13)(13)によって挟まれたくさび形領域から構
    成され、該くさび領域の頂点までの溝深さを一対の垂直
    側壁(12)(12)の間隔で除したアスペクト比は、2乃至4
    である請求項1に記載の光起電力素子の光閉じ込め構
    造。
  3. 【請求項3】 光閉じ込め溝(11)の傾斜底壁(13)の傾斜
    角度は、垂直側壁(12)に対して30°乃至40°である
    請求項1又は請求項2に記載の光起電力素子の光閉じ込
    め構造。
JP6197674A 1994-07-30 1994-07-30 光起電力素子の光閉じ込め構造 Pending JPH0846227A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009050314A1 (es) 2007-10-17 2009-04-23 Universidad Politecnica De Madrid Célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos con acoplamiento óptimo de la luz por difracción
US9118272B2 (en) * 2010-09-08 2015-08-25 Momentive Performance Materials Inc. Light trapping photovoltaic cells

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009050314A1 (es) 2007-10-17 2009-04-23 Universidad Politecnica De Madrid Célula solar de banda intermedia de puntos cuánticos con acoplamiento óptimo de la luz por difracción
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