JPWO2011065571A1 - 光電変換モジュールおよびその製造方法ならびに発電装置 - Google Patents

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Abstract

光が入射する第１面６１ａおよび第１面６１ａの反対側に位置する第２面６１ｂを有する基板６１と、基板６１の第２面６１ｂの上に、光電変換素子とこの光電変換素子の上に設けられた透光材６６と、透光材６６の上に設けられ、透光材６６を透過した光を反射させる反射材６７と、を備えてなる光電変換モジュールにおいて、反射材６７は、この反射材６７により反射した光が基板６１の第１面６１ａで全反射する傾斜した光反射面６７ａを備えているものとする。

Description

本発明は、太陽電池または光センサ等の光電変換モジュールおよびその製造方法ならびに発電装置に関する。
近年、エネルギー問題および環境問題の深刻化に伴い、光電変換モジュールを用いた光発電が注目を集めている。
この光電変換モジュールは、入射した光を光電変換素子により電気エネルギーに変換して電力にするものである。このような光発電は、さらなる普及のため光電変換効率の高効率化が期待されている。
光電変換効率を向上させるには、光電変換モジュールに入射した光を光電変換素子に効率よく吸収させるための光閉じ込め構造が重要な要素になる（下記の特許文献１〜５を参照）。
特開平２−１０６０７７号公報 特開平５−７５１５４号公報 特開平７−１３１０４０号公報 特開２００２−２９９６６１号公報 特開２００３−２９８０８８号公報
しかしながら、光電変換モジュールへの入射光のうち、光電変換素子の裏面側で反射した後に光電変換モジュールの受光面から外部に放出して失われる光（特に長波長の光）があると、光利用効率（エネルギー変換効率に比例）を低下させる。
例えば、結晶系シリコンの光電変換素子を用いた光電変換モジュールにおいては、結晶系シリコンが波長７００ｎｍ以上の赤外領域でも感度が高いので、光電変換モジュールの外に放出して失われる放出光を有効利用することは重要である。このように、光電変換モジュルールからの放出光をいかに低減するか、言い換えれば入射光をいかに効率的に光電変換モジュール内に閉じ込めて光電変換に寄与させるかが重要である。
また、太陽電池素子の基板となるシリコンウエハを薄型化することにより、シリコン原料の需給状態に伴う価格変動を回避し、少量のシリコンでも効率よく発電することが求められている。このため、基板の薄型化により基板を透過した光、および、太陽電池モジュールの裏面側で反射して太陽電池モジュールの受光面から外部に放出して失われる光を無駄なく利用する技術が望まれている。
本発明は、光電変換素子の裏面側で反射した光を光電変換モジュールの受光面側で全反射させることにより、入射光を有効に活用でき、これにより光電変換効率（エネルギー変換効率）が向上する光電変換モジュールおよびその製造方法、ならびに発電装置を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る光電変換モジュールは、光が入射する第１面および該第１面の反対側に位置する第２面を有する透光性の基板と、前記第２面の上に位置する光電変換素子と、該光電変換素子の上に位置する透光材と、該透光材の上に位置して該透光材を透過した光を反射させる反射材とを備えている光電変換モジュールであって、前記反射材は、該反射材から反射した光が前記基板の前記第１面で全反射するように、前記第１面に対して所定角度傾斜した山型面を複数有する凹凸形状を有する光反射面を備えていることを特徴とする。
また、前記反射材は、該反射材から反射した光が前記基板の前記第１面で全反射するように、曲面状凹面または曲面状凸面を複数有する凹凸形状を有する光反射面を備えていてもよい。
また、本発明の一形態に係る光電変換モジュールの製造方法は、前記光反射面を前記反射材への型を用いた転写により形成することを特徴とする。
さらに、本発明の一形態に係る発電装置は、上記光電変換モジュールの１以上を発電手段として備えていることを特徴とする。
上記構成によれば、入射した光のうち、光電変換素子の裏側に透過した光を、光電変換素子よりも裏側で反射させ、さらに受光面側の表面で全反射させ光電変換素子内に再入射させることができる。これにより、光閉じ込め効果が増進されて、光電変換効率を高めた光電変換モジュールおよび発電装置を提供することが可能になる。
光電変換素子の裏面で反射した光が透光性基板の表面に到達した際の反射および屈折の様子を示す断面模式図である。 （ａ）は凹凸構造がフラットな斜面からなっている場合に、その斜面が成す角度θに対するモジュール受光面での反射率（内部反射率）をシミュレーションした結果であり、（ｂ）は光反射面での光反射状態を示す断面模式図である。 透光材の屈折率と角度との関係を示すグラフである。 凹凸ピッチ／曲率半径と反射率との関係を示すグラフである。 （ａ）は光反射面における入射光と反射光の関係を示す断面模式図であり、（ｂ）および（ｃ）のそれぞれは、鉛直方向に光が照射された際の光反射面における各点で光が散乱している様子を示す断面模式図である。 （ａ）〜（ｃ）のそれぞれは、凹凸を有する界面からの反射光の光エネルギーの指向性に関するシミュレーション結果を示す極座標表示である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子を説明する模式図であり、受光面側からみた平面図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子を説明する模式図であり、裏面側からみた平面図である。 図７のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子の一部を説明する模式図であり、裏面側からみた拡大平面図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子の構造を説明する模式図であり、裏面側からみた平面図である。 図１１のＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子の構造を模式的に説明する断面図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する光電変換素子の構造を説明する断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールの構造を説明する模式図であり、受光面側からみた平面図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する拡大断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する拡大断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する拡大断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する拡大断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する反射材の一例を示す斜視図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する反射材の一例を示す斜視図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを構成する透光材と反射材の界面の一例を示す部分断面図である。 平板状ガラスをリアクティブイオンエッチングで処理し、さらにフッ化水素酸（ＨＦ）水溶液で処理した際の表面拡大写真であり、（ａ）はＨＦ水溶液の処理時間が短い場合の写真であり、（ｂ）は同処理時間が長い場合の写真である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する断面模式図である。 本発明の一形態に係る光電変換モジュールを説明する部分断面模式図である。 本発明の一形態に係る発電装置の構成を説明するブロック構成図である。
以下、本発明の一形態に係る光電変換モジュール、その製造方法および発電装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜＜基本的な形態＞＞
まず、本発明の一形態に係る光電変換モジュールの基本形態について説明する。なお、光電変換モジュールにおいて、少なくとも光電変換部分を備えた光電変換素子として、結晶系光電変換素子を利用する場合と薄膜系光電変換素子を利用する場合とに分けて説明する。
光電変換部分として単結晶シリコンまたは多結晶シリコンなどの半導体を用いた結晶系光電変換素子の場合は、例えば半導体の受光面側に反射防止膜と表面電極とを有しており、半導体の裏面側にパッシベーション膜と裏面電極とを有したものを光電変換素子とする。
この光電変換素子を用いた光電変換モジュールは、例えば図１に示すように、ガラスなどの表面の第１面６１ａとその裏面である第２面６１ｂとを有する透光性基板６１の第２面６１ｂの上に、不図示の受光面側封止材、光電変換素子（表透明電極６２、例えば半導体６３，６４、および裏透明電極６５から構成される）、および裏面側封止材である、例えば透光材６６と反射材６７とを、ラミネート等の熱圧着などにより一体化することで作製される。
ここで、透光材６６は、薄膜シリコン系の光電変換素子を用いる場合は、少なくとも８００ｎｍ以上の光に対して透明な材料からなるものとすることが変換効率を向上させる上で望ましい。また、結晶系シリコン系の光電変換素子を用いる場合は、少なくとも９５０ｎｍ以上の光に対して透明な材料からなるものとすることが変換効率を向上させる上で望ましい。
透光材６６と反射材６７の界面（以下、反射界面という）６９は繰り返し凹凸構造を有する。この凹凸構造において、第１面６１ａに対して所定角度傾斜した傾斜面の角度θは、光が第１面６１ａにおいて全反射するように、一定の角度範囲に制御されるものとする。凹凸構造の角度θは、図１に示すように、モジュールの受光面である第１面６１ａに平行な面に対して凹凸構造を有する反射材６７の傾斜した光反射面６７ａが成す角度であると定義する。
以上のように、本形態の光電変換モジュールは、光が入射する第１面６１ａおよび第１面６１ａの反対側に位置する第２面６１ｂを有する透光性基板１と、第２面６１ｂの上に位置する光電変換素子と、この光電変換素子の上に位置する透光材６６と、この透光材の６６上に位置して透光材６６を透過した光を反射させる反射材６７とを備えている。そして、反射材６７は、この反射材６７から反射した光が透光性基板１の第１面６１ａで全反射するように、第１面６１ａに対して所定角度傾斜した面を有する山型面を複数有する凹凸形状を有する光反射面６７ａを備えている。
この光電変換モジュールによれば、第１面６１ａから第１面６１ａに対して垂直に入射した光のうち光電変換素子を通過した光を、光電変換素子の裏面側に配置された裏面側封止材中の反射界面６９で反射させる。この反射界面６９で反射された光は、光電変換素子を通過して透光性基板１の第１面６１ａに到達した際に、第１面６１ａで全反射させることができる。
このようにして、光電変換素子の裏面側で反射した光（以下、裏面反射光という）が第１面６１ａからモジュールの外へ放出されることを全反射現象を利用して効果的に抑制すれば、入射した光が効率的に光電変換モジュール内に閉じ込められる。このため、光利用効率（光電変換効率）が向上して（光電流密度が増大して）エネルギー変換効率が向上する。
なお、以下、裏面反射光がモジュール受光面で全反射（反射率＝１）を実現している状態を、“Total Internal Reflection At Front Surface”の頭文字をとってＴＩＲＡＦＳが実現しているなどと表現する。また、この全反射現象によって光閉じ込めが実現している状態を全反射光閉じ込めが実現しているなどと表現する。
次に、使用する光電変換素子が水素化アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと略する）膜または水素化微結晶質シリコン（以下、μｃ−Ｓｉと略する）膜等を用いた薄膜系光電変換素子の場合は、透光性基板上に受光面側透明電極、ａ−Ｓｉまたはμｃ−Ｓｉから成る光電変換層、および裏面側透明電極を有する構造としたものを光電変換素子とする。この光電変換素子を用いた光電変換モジュールは、光電変換素子の裏面側透明電極の裏面側に裏面側封止材および裏面材を配置し、ラミネート等の熱圧着などにより一体化されることで作製される。この光電変換モジュールは、結晶系光電変換素子を用いた光電変換モジュールで説明したものと同じ原理（ＴＩＲＡＦＳの実現）により、高いエネルギー変換効率を有する。
＜ＴＩＲＡＦＳの実現方法＞
次に、優れた光閉じ込め効果を発揮する原理およびＴＩＲＡＦＳ条件の実現方法について、より具体的に説明する。
前述したように、透光材６６と反射材６７が成す反射界面６９の凹凸構造は、繰り返し凹凸形状を有する。ここで、凹凸構造の角度θを、次に説明する最適角度範囲に制御することで光閉じ込め効果を最大限に発揮させることができる。つまり、裏面反射光がモジュール受光面（透光性基板と空気との界面）に到達した際、ＴＩＲＡＦＳが実現することで効果的な光閉じ込めが実現し、光電変換モジュールのエネルギー変換効率が向上する。
図２（ａ）は、凹凸構造がフラットな斜面からなっている場合に、その斜面が成す角度θに対するモジュール受光面での反射率（内部反射率）をシミュレーションした結果を示す図である。このシミュレーションでは、屈折率ｎ６（代表的値として１．５を設定）の透光材６６が受光面６６ａ側では空気（屈折率ｎ０＝１）と接している。一方、その反対面６６ｂでは反射率１００％の仮想反射材と接し、この仮想反射材との界面（反対面６６ｂ）がフラットな斜面からなる凹凸構造を有する図２（ｂ）に示すモデル図を設定した。
図２（ｂ）に示すモデルが本形態の原理を説明するのに妥当であるといえるのは、以下に述べる理由からである。
第１に、図１に示すように、光電変換素子の裏面側で反射した光が透光性基板６１の第１面６１ａに到達した際、どのような反射角または屈折角になるか（全反射できるか否かを含む）は、透光材６６と第１面６１ａ側の空気との間にどのような媒質または層があっても影響がないからである。つまり、スネルの法則を図１に示す各媒質または層間における界面について順次表記すると、以下のようになる。
ｎ０・ｓｉｎ（φ０）＝ｎ１・ｓｉｎ（φ１）、
ｎ１・ｓｉｎ（φ１）＝ｎ２・ｓｉｎ（φ２）、
ｎ２・ｓｉｎ（φ２）＝ｎ３・ｓｉｎ（φ３）、
ｎ３・ｓｉｎ（φ３）＝ｎ４・ｓｉｎ（φ４）、
ｎ４・ｓｉｎ（φ４）＝ｎ５・ｓｉｎ（φ５）、
ｎ５・ｓｉｎ（φ５）＝ｎ６・ｓｉｎ（φ６）
となり、
結局、ｎ０・ｓｉｎ（φ０）＝ｎ６・ｓｉｎ（φ６）
となるからである。ただし、ｎ１は透光性基板６１の屈折率、ｎ２は表透明電極６２の屈折率、ｎ３は半導体６３の屈折率、ｎ４は半導体６４の屈折率、ｎ５は裏透明電極６５の屈折率である。また、φ６は透光性基板６１に垂直に入射した入射光が反射材６７で反射した反射光と前記した入射光と平行な光線（以下、平行光線）とのなす角度、φ５は平行光線と裏透明電極６５における屈折光とのなす角度、φ４は平行光線と半導体６４における屈折光とのなす角度、φ３は平行光線と半導体６３における屈折光とのなす角度、φ２は平行光線と表透明電極６２における屈折光とのなす角度、φ１は平行光線と透光性基板６１における屈折光とのなす角度である。図１中の矢印６８はφ０が平行光線と透光性基板６１の第１面６１ａとのなす角度が９０°になった瞬間の仮想上の光の進行方向を示す。
第２に、透光性基板６１の第１面６１ａでの裏面反射光の反射率は、光電変換素子の裏面側で反射界面を有する透光材６６と受光面側の透光性基板６１の屈折率がほぼ同一とみなせるため、透光性基板６１に代えて透光材６６が空気と接しているとみなしてもよいからである。
図２（ｂ）において、裏面反射光の空気と透光材６６との界面への入射角φ６と透光材６６の凹凸角度θの関係は、単純な幾何学的関係からφ６＝２θとなる。また、空気の屈折率ｎ０、透光材６６の屈折率ｎ６、屈折角φ０、入射角φ６との関係は、スネルの法則から、ｎ０・ｓｉｎ（φ０）＝ｎ６・ｓｉｎ（φ６）である。
特に、ＴＩＲＡＦＳが実現する際には、φ０＝９０°であるので、ＴＩＲＡＦＳ実現条件は、ｎ０≦ｎ６・ｓｉｎ（φ６）となる。ここで、空気の屈折率ｎ０＝１とおけることを考慮すれば、１≦ｎ６・ｓｉｎ（φ６）となる。さらに、φ６について解けば、φ６≧ｓｉｎ−１（１／ｎ６）となる。φ６＝２θであるから、結局、ＴＩＲＡＦＳを実現するためには、凹凸角度θは、θ≧０．５・ｓｉｎ−１（１／ｎ６）を満たすことが必要条件になることがわかる。
ここで注意すべき点は、角度θが大きすぎると凹凸斜面で２回以上反射する多数回反射モードが生じることである。容易にわかるように、この場合にはＴＩＲＡＦＳが実現するとは限らない。最も単純な例としては、角度θが４５°と６０°の場合を考えればよい。すなわち、角度θが４５°の場合は２回反射モードになり、裏面反射光は最終的に光電変換層に対して垂直入射で入射していくことになり、明らかにＴＩＲＡＦＳは実現しない。同様に、角度θが６０°の場合は３回反射モードになり、やはり最終的に光電変換層に対して垂直入射で入射していくことになり、明らかにＴＩＲＡＦＳは実現しない。
なお、このような凹凸構造が意図せずにランダムに発現した場合では、透光性基板６１と空気の界面における反射率は５０％未満であるため、本実施形態とは明確に区別できる。
図２（ａ）に示す結果は、これらの現象を考慮したものであり、角度θが３５°程度を超えた位置から急激に反射率が低下するのは（ＴＩＲＡＦＳ条件が実現しなくなるのは）、前記した多数回反射モードの発生によるものである。なお、角度θが５６°付近に鋭いピークがあるが、これは２回反射モードで反射した反射光の一部がＴＩＲＡＦＳを実現するような入射角φ６の状態に対応しているものである。しかしながら、図からも明らかなように、この角度領域は非常に狭く、また反射率も１に満たないのでＴＩＲＡＦＳを十全に発現させるためには不適である。
図２（ａ）より、一例として透光材６６の屈折率ｎ６＝１．５程度であった場合は、光電変換素子の裏面側で反射した裏面反射光がモジュール受光面で全反射する（反射率＝１となる。つまり、ＴＩＲＡＦＳが実現する）全反射光閉じ込めにするには、凹凸構造の斜面が成す角度θは２０°以上３５°以下程度の範囲にあればよいことがわかる。
図３は、前記透光材の屈折率ｎを１．４以上１．６５以下程度の範囲とした場合に、ＴＩＲＡＦＳが実現する凹凸構造の角度θの範囲を調べた結果である。これにより、図１に示す透光材６６と反射材６７が成す凹凸構造の反射界面（または光反射面６７ａ）の成す角度θは、透光材の屈折率ｎに応じて、［４３．７−１４．９×ｎ］を下限とし、［２２．８＋７．４×ｎ］を上限とする範囲になるようにすれば最適範囲となることが明らかである。
凹凸構造の傾斜した光反射面が成す角度θとしては、どの凹凸斜面についても、前記した最適角度範囲に入っていることがＴＩＲＡＦＳ効果を最大限に発揮するために望ましい。ただし、実質的に有意な効果を得るためには、必ずしも全ての凹凸斜面について角度が前記最適角度範囲を満たすことが要求されるわけではないことはいうまでもない。
ここで前記凹凸構造の界面形状としては、凹凸斜面がフラットなＶ溝形状が最も単純なものである。ただし、フラットな四面で囲まれたピラミッド型形状などフラット斜面を有する多角錐からなる凹凸形状であっても、そのフラットな斜面が成す角度θが前記した最適角度範囲に制御されていれば、効果を充分に発揮できる。
透光材６６と反射材６７の界面（または光反射面６７ａ）の凹凸構造が、後記する図２３に示すように、特に光が入射する側から見て下に凹型の曲面（ディンプル型曲面）の繰り返し構造からなる場合は、この曲面を形成する平均曲率半径ｒと凹凸形状の平均ピッチＰ（互いに隣り合う凸部間の平均距離）について、０．７≦Ｐ／ｒ≦２．０、より好ましくは ０．９≦Ｐ／ｒ≦１．５ の関係を満たすように凹凸構造を制御する。なお、平均は５箇所以上を測定した結果を平均して採用すればよい。
ここで、平均曲率半径ｒは、曲面における異なる２点から、これら２点のそれぞれにおける接平面に対する法線を引き、それらが交わる点を中心点とするような円の半径とする。すなわちｒはこの中心点と曲面との距離である。
また、図２３のθは前記の曲面状凹面がなす角度を示し、その最大のものを最大角度θmaxとする。前記の曲面状凹面の凹凸における、Ｐ／ｒと最大角度θｍａｘの関係を表１に示す。
なお、曲面状凹面の繰り返し構造はピッチが規則的な構造に限られるものではなく、後記する図２４に示す実施例の写真のように、ピッチがランダムな繰り返し構造であっても構わない。なお、図２４に示す凹凸構造の形成方法、制御方法については後述する。
図４は凹凸構造が曲面状凹面からなる場合について、モジュール受光表面での有効反射率をシミュレーションしたものである。すなわち、曲面の各微小部分についてその接平面と受光面に平行な面とが成す角度θに対応するモジュール受光面での反射率を計算し（曲面の微小部分はフラット斜面と見做すことができるので、凹凸構造がフラットな斜面からなる場合と同様に反射率を計算できる）、それらを曲面全域で合算（積分）したものである。
図４から明らかなように、有効反射率は凹凸の平均ピッチＰ／曲率半径ｒ（以下、単にＰ／ｒという）が０．７程度以上となる位置から急激に立ち上がっている。これはＰ／ｒが０．７以上となる条件から前記曲面状凹面で反射する光のうちの一部がモジュール受光表面で全反射する条件を満たすようになるからである（逆にいえば、Ｐ／ｒが０．７未満では曲面のどの部分で反射する光もモジュール受光面で全反射することはなく、相当量が受光面からモジュールの外へ放出して失われる）。
Ｐ／ｒが１．１以上１．３以下程度の範囲で有効反射率はピークを迎える。これは前記の最適範囲においてモジュール受光面で全反射する光の割合が最も高くなったことに相当する。つまり曲面で反射する光のうち、モジュール受光面で全反射する光の割合が最大になった状態に対応する。ただし、凹凸構造がフラットな斜面からなる場合に対して、曲面状凹面の場合は曲面で反射する光の全てをモジュール受光面で全反射させることはできない。そのため、その有効反射率は１に満たないところでピークを持つこととなる。
Ｐ／ｒが１．２以上１．３以下程度を超えた位置から有効反射率は急激に減少していく。これは曲面で反射する光のうちモジュール受光面で全反射できない成分がＰ／ｒの増加に応じて再び増加していくことに対応している。これは、多数回反射モードの発生による。
なお、上記では、下に凹型の曲面状凹面を有する凹凸構造を例にとり説明したが、上に凸型の曲面凹凸構造であっても同様の議論が成り立つ。
凹凸構造（斜面がフラットな場合でも、凹型曲面または凸型曲面の場合でも）の凹凸ピッチとしては、ほぼ均等な規則的な繰り返し構造であってもよいし、ランダムな繰り返し構造であってもよい。
また、前記凹凸構造の平均ピッチＰはλ／ｎよりも充分に大きいこととする。ここで、λは問題とする光の波長であり、ｎは透光材６６の屈折率である。λは前述したように特に長波長領域の光の波長であり、具体的には８００ｎｍ程度の波長で代表させることができる。また、透光材６６の屈折率ｎは代表的には１．５程度である。すなわち、平均ピッチＰは、少なくとも８００ｎｍ／１．５＝５３３ｎｍ（０．５μｍ程度）以上である必要があり、その数倍程度以上の（３μｍ程度以上の）値を有することが望ましい。
この理由について図５と図６を参照しながら説明する。
図５（ａ）において、光を反射する面５３は、透光材６６と反射材６７が成す反射界面に相当する。また、図５（ａ）における界面５３の上側の部分は透光材６６に相当する。よって以下の説明において入射光５０の真空中の波長をλ、透光材６６の屈折率をｎとすると、透光材６６内部での入射光５０の波長λ１は、真空中の波長より小さな値であるλ１＝λ／ｎとなっている。
図５（ｂ）および図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す凹凸構造の拡大図であり、図示の真上から鉛直方向に光を照射したとき、ホイヘンスの原理に従って斜面の各点で光が散乱している様子を示したものである。
図５（ｂ）は、界面５３の凹凸構造の水平方向における間隔の平均値の幅５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が光波長λ１よりも大きい場合、つまり光学的にフラットではない場合について示している。ここで、凹凸構造の傾斜面上の各点に入射した光５０は、それぞれの点から球面波として散乱し、点線４４に示す斜面の各点における同位相の散乱光波面を形成する。また、これら散乱光波面４４の包絡面が点線４５として示されており、包絡面４５が反射光の波面を形成する。この場合、反射光５１の進行方向はこの反射光の波面４５に垂直な方向となる。
図５（ｃ）は、界面５３の凹凸構造の水平方向における間隔の平均値の幅５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が光波長λ１より小さい場合、つまり光学的にフラットな場合について示している。ここで、凹凸構造の斜面上の各点に入射した光５０による散乱光波面４４の包絡面は、図から明らかなように多少の凹凸を有するものの略平坦である。すなわち、反射光の波面は界面５３の凹凸を平均化した面に略平行な平面となる。この場合、反射光の進行方向はこの反射光の波面に垂直な方向となるので、結局、入射光は凹凸面に入射してもほぼ垂直に反射することとなる。
図６（ａ）〜（ｃ）に、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示されるような凹凸構造を有する界面５３からの反射光の光のエネルギーが、どの方向にどれくらい向かうかという指向性についてシミュレーション計算した結果を極座標表示として示す。すなわち、反射光の向きを示す角度Ψと、その方向の強度Ｉとした点（Ψ，Ｉ）による極座標表示において曲線４３で示す。ここでは、界面５３の凹凸の各頂点の角度φを全て１２０°（透光材の凹凸斜面の角度θ＝３０°に相当）としており、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は凹凸の水平方向における間隔の平均値５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が媒質中の光波長λ１のそれぞれ０．１倍、１倍および３倍の場合を示したものである。
この図において、点線３９は図５（ｂ）の凹凸の斜面の傾きを示し、一点鎖線４０は前記凹凸の斜面に垂直な方向を示し、矢印４１は、斜面に向かう入射光を表し、真上から光が入射していることを示している。矢印４２は、入射角＝反射角に従う反射方向を表す。
図６（ｃ）では中央の点から斜面への入射角＝反射角である反射方向に強い指向性をもってエネルギーが反射されていることが見て取れる。これは、凹凸の水平方向における間隔の平均値５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が媒質中の光波長λ１の３倍であることに起因している。
一方、図６（ａ）は特に指向性がない。これは、凹凸構造の水平方向における間隔の平均値の幅５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が媒質中の光波長λ１の０．１倍であることに起因している。すなわち光学的にフラットな凹凸構造であることを反映している。
また、図６（ｂ）においても図６（ｃ）よりも指向性に劣ることがわかる。すなわち、凹凸の水平方向における間隔の平均値の幅５６（平均ピッチＰの１／２に対応）が媒質中の光波長λ１の１倍であるような場合では、反射光の指向性を制御するという効果に関して不充分であることがわかる。
以上により、凹凸構造がその傾斜面の反映する反射方向に十分な光エネルギーを反射することができるようにするためには、少なくともその凹凸構造の平均ピッチＰは問題とする光波長λ（真空中）の４倍程度以上必要であることがわかる（Ｐ／２≧媒質中光波長λ１×３倍、媒質中光波長λ１＝真空中光波長λ／透光材屈折率ｎ、代表的ｎ＝１．５より）。具体的には、真空中光波長λの代表的値として８００ｎｍ＝０．８μｍをとると、その４倍の３μｍ程度以上必要であることがわかる。
最後に、透光材と反射材から成り、その界面が凹凸構造を有する封止材を形成する材料としては、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体（以下、ＥＶＡと略す：屈折率は約１．５２）、ポリビニルアルコール樹脂（ＰＶＡ、屈折率：１．４９以上１．５３以下）、アクリル樹脂（屈折率：約１．４９）、塩化ビニル樹脂（屈折率：約１．５４）、シリコーン樹脂（屈折率：１４．１以上１．４３以下）、ポリカーボネート樹脂（屈折率：約１．５９）、ポリスチレン樹脂（屈折率：約１．６）、塩化ビニリデン樹脂（屈折率：約１．６１）、などを単独または組み合わせて使用することができる。ここで、反射材は、酸化チタンまたは顔料等の白色材料を前記した材料に加えること、あるいは、反射率の高い金属膜などを反射材表面にコーティングすること、などによって光を効果的に反射する性能を持つことができる。
＜＜具体的な形態＞＞
＜形態１＞
次に、具体的な形態例について説明する。なお、以下の例では、使用する光電変換素子が単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの結晶系半導体基板を用いる。
図７〜９は結晶系光電変換素子１の一例を示す。これらの図において、２は半導体基板、３は受光面側バスバー電極、４は受光面側フィンガー電極、５は反射防止膜、６はパッシベーション膜、７は裏面側バスバー電極、８は裏面側フィンガー電極を示す。なお、図９における２ａは半導体基板２の第１面であり、２ｂは半導体基板２の第２面である。
半導体基板２は、入射した光を電気に変換する機能を有している。このような半導体基板２は、例えば１辺が１５０μｍ以上１６０ｍｍ以下程度の矩形の平板状の結晶系シリコン基板である。また、半導体基板２は、第１導電型（例えば、ｐ型）を有している。そして半導体基板２上（半導体基板２の受光面側表面）には、第２導電型（例えば、ｎ型）の半導体層９が形成されており、この半導体基板２と半導体層９との界面でｐｎ接合が形成されている。
図７に示すように、半導体基板２の受光面には、幅１ｍｍ以上３ｍｍ以下程度の幅の広い受光面側バスバー電極３と、受光面側バスバー電極３に対して略垂直に交わるように設けられており、幅５０μｍ以上２００μｍ以下程度の細い受光面側フィンガー電極４とが形成されている。
図９に示すように、受光面には、反射防止膜５を形成することが望ましい。反射防止膜５には、例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）などを用いることができる。また、反射防止膜５の厚さは、前記した材料の屈折率によって適宜選択される。具体的には、屈折率が１．８以上２．３以下程度の場合、厚さは５０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下程度にすればよい。なお、反射防止膜５は、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成できる。
半導体基板２の裏面（非受光面）は、図８および図９に示すように、その略全面にパッシベーション膜６を形成し、裏面側バスバー電極７および裏面側フィンガー電極８が形成されている。この裏面側バスバー電極７、裏面側フィンガー電極８は、上述の受光面側バスバー電極３および受光面側フィンガー電極４と類似の形状とすることができる。
パッシベーション膜６としては、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４），アモルファスＳｉ窒化膜（a−ＳｉＮｘ）などのＳｉ系窒化膜、酸化シリコン（ＳｉＯ２），アモルファスＳｉ酸化膜（a−ＳｉＯｘ）などのＳｉ系酸化膜、炭化シリコン（ＳｉＣ），アモルファスＳｉ炭化膜（a−ＳｉＣｘ）などのＳｉ系炭化膜、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），酸化チタン（ＴｉＯ２）などが使用できる。
これら結晶系光電変換素子１の製造方法は、次の通りである。
まず、半導体基板２を準備する。この半導体基板２は、例えばボロン（Ｂ）などを含有することによりｐ型の導電型を呈するもので、チョクラルスキー法などの引き上げ法により作製された単結晶シリコン基板、または鋳造法などによって作製される多結晶シリコン基板である。
さらに半導体基板２は、１５０ｍｍ角以上１６０ｍｍ以下角程度の大きさを有するシリコンインゴットからワイヤーソーなどを用いて３５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下の厚みにスライスして作製される。また、半導体基板２の受光面に、ドライエッチング方法またはウェットエッチング方法などを用いて、光反射率低減機能を有する凹凸（粗面化）構造を形成するのが好ましい。
次に、半導体基板２にｎ型化を促進するドーピング元素となるリン（Ｐ）を拡散させることによってｎ型半導体層９を形成する。これによって、半導体基板２と半導体層９との間にｐｎ接合部が形成される。
このｎ型半導体層９は、例えば半導体基板２を７００℃以上９００℃以下程度に昇温して維持しながら、ペースト状態にした五酸化二燐（Ｐ２Ｏ５）を半導体基板１表面に塗布して熱拡散させる塗布熱拡散法、または拡散源としてガス状態にしたオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）雰囲気中７００℃以上９００℃以下程度で２０分以上４０分以下程度処理する気相熱拡散法などによって、ｎ型層が０．２μｍ以上０．７μｍ以下程度の深さに形成される。
次に半導体基板２の受光面側に反射防止膜５を形成し、裏面にパッシベーション膜６を形成する。この反射防止膜５とパッシベーション膜６は、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成できる。
次に、受光面バスバー電極３および受光面フィンガー電極４をｎ型半導体層９に、裏面側バスバー電極７および裏面側フィンガー電極８を半導体基板２に電気的コンタクトが行われるように形成する。これらの電極は、例えば銀を主成分とする導電ペーストを所定の電極形状に塗布し、最高温度が６００℃以上８５０℃以下で数秒から数分程度焼成することにより形成する。塗布法としては、スクリーン印刷法等を用いることができる。なお、前記した電極と半導体基板２とを接続させる領域に位置する反射防止膜５およびパッシベーション膜６を予め除去してもよく、または除去せずにファイヤースルー法により前記した電極と半導体基板２とを接続させてもよい。
前述のように印刷・焼成法による電極形成について説明したが、蒸着またはスパッタリング等の薄膜形成法、もしくはメッキ形成法等を用いることで、焼成法よりも比較的低い温度条件で形成することも可能である。この場合は前記した電気的コンタクトの領域となる反射防止膜５またはパッシベーション膜６を予め除去しておくことができる。また、表面側電極の電気的コンタクトの形成にあたっては、受光面バスバー電極３および受光面フィンガー電極４を印刷形成した後に、ファイヤースルー法で反射防止膜５を貫通させてｎ型半導体層９に電気的に接触させることができる。また、裏面側電極の電気的コンタクトの領域の形成にあたっては、パッシベーション膜６上に裏面側電極を形成した後、レーザービームを照射して裏面側電極の一部を溶融させて、この電極を構成する金属成分がパッシベーション膜６を貫通することで半導体基板２に電気的に接触させることもできる。
また、例えば以下に示すような構造であってもよい。
図１０（ａ）に示すように、裏面側フィンガー電極８の略全領域において、パッシベーション膜６を除去し、裏面側フィンガー電極８と半導体基板との接続部（後記する図１４中の１２）を設けている。一方、図１０（ｂ）に示すように、裏面側フィンガー電極８の一部において、パッシベーション膜６を除去し、裏面側フィンガー電極８と半導体基板との接続部をポイント状に形成する。これにより、金属と半導体の接触面積に比例した再結合電流量を低減することができ、光電変換素子１の出力特性を向上させることができる。このとき、ポイント状の接続部は２００μｍ以上１ｍｍ以下の間隔で形成される。また、裏面側バスバー電極７においても、半導体基板との接続部を設けることがキャリアの収集の点から好ましい。パッシベーション膜６の除去方法としては、除去する領域以外をマスクで覆い、ウェットエッチング法により、またはドライエッチング法により除去すればよい。また、レーザーを用いることにより、工程数を増やすことなく高速で簡易に除去することができる。
また、図１１および図１２に示すように、前記した裏面側フィンガー電極８を形成せずに、裏面側バスバー電極７と接続される透明導電膜１１を裏面のほぼ全領域に設けてもよい。このような構造とすることにより、反射材によって反射された光をより多く透過させることができる。透明導電膜１１としては、ＳｎＯ２、ＩＴＯまたはＺｎＯなどの酸化物系透明導電膜を用いることができる。また、この成膜方法としては、スパッタリング、熱ＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）等の方法が可能である。
また、図１３に示すように、裏面側フィンガー電極８の間に透明導電膜１１を設けてもよい。これにより、裏面側フィンガー電極８の間隔を広くしても抵抗損失を低減することができる。
さらに、裏面側バスバー電極７、裏面側フィンガー電極８または透明導電膜１１と半導体基板２との接続部に、高濃度の第１導電型を有する半導体層からなるＢＳＦ層１０を形成してもよい。これにより、半導体基板２と裏面側フィンガー電極８の接触領域におけるキャリアの再結合が低減され（いわゆる裏面電界効果が発現し）て、特性を向上させることができる。前記したＢＳＦ層１０の形成方法としては、三臭化ボロン（ＢＢｒ３）を拡散源とした熱拡散法を用いて温度８００℃以上１１００℃以下程度で形成する方法、Ａｌペーストを印刷法で塗布したのち、温度６００℃以上８５０℃以下程度で熱処理（焼成）してＡｌを半導体基板１に拡散する方法等を用いることができる。また、Ａｌペーストをパッシベーション膜６の上に直接、所定領域に形成して、高温の熱処理を行うファイヤースルー法により、予めパッシベーション膜６を除去することなく、ＢＳＦ（Back-Surface-Field）層１０を形成することができる。さらには、パッシベーション膜６の上にスパッタリング法または蒸着法等によりＡｌ層を形成して、このＡｌ層の局所にレーザー光を照射して溶融させる。これにより、Ａｌ成分をパッシベーション膜６を貫通させてシリコン基板と接触・反射させてＢＳＦ領域を形成することができる（レーザー焼成（溶融）コンタクト法（ＬＦＣ法）を用いる）。
なお、ＢＳＦ層１０の形成方法は前記方法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術を用いて、高濃度の第１導電型を有する水素化アモルファスシリコン膜、または微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜などの薄膜層を形成してもよい。さらに、半導体基板２とＢＳＦ層１０との間にｉ型シリコン領域を形成してもよい。
例えば、図１４に示すように、半導体基板２の裏面にパッシベーション膜６を形成した後、半導体基板２との接続部１２を形成するために、例えば、２００μｍ以上１ｍｍ以下の間隔でポイント状にサンドブラスト法またはメカニカルスクライブ法、さらにはレーザー法などを用いてパッシベーン膜６を除去した後、厚みが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度、ドーパント濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下程度で形成される高濃度の第１導電型を有する薄膜層１２（水素化アモルファスシリコン膜または微結晶シリコン膜）を形成した上に、透明導電膜１１と裏面側バスバー電極７を形成してよい。薄膜層１２はＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法またはＣａｔ−ＣＶＤ法などを好適に用いることができる。特に、Ｃａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いれば、極めて品質の高い薄膜層１２を形成することが可能であるので、半導体基板２と薄膜層１２との間に形成されるヘテロ接合の品質が向上する。シリコン薄膜層を形成する場合には、シランと水素とに加えて、ドーパントとしてｐ型であればＢ（ボロン）を添加するためにジボランを、また、ｎ型であればＰ（リン）を添加するためにホスフィンを原料ガスとして用いればよい。
図１５，１６に示すように、本実施形態に係る光電変換モジュール２０は、例えば第１面２２ａと第２面２２ｂとを有する透光性基板２２と裏面材２７との間に、金属製のリボン状接続配線２１により電気的に接続された複数の光電変換素子１を有する。複数の光電変換素子１は、受光面側封止材２３と裏面側封止材２４とで封止されて光電変換パネルを構成する。光電変換パネルの外周部には、枠体２９が取り付けられており、さらにその裏面に発電した電力を外部回路に接続するためのケーブルなどが接続された端子箱（不図示）を有する。
以下、図１６に示す光電変換パネルの各構成要素を具体的に説明する。
透光性基板２２としては、光が入射する第１面２２ａとその反対側に位置する第２面２２ｂを有する例えばガラスまたはポリカーボネート樹脂などからなる基板が用いられる。ガラスついては、白板ガラス、強化ガラス、倍強化ガラス、熱線反射ガラスなどが用いられるが、例えば、厚さ３ｍｍ以上５ｍｍ以下程度の白板強化ガラスを使用し、ポリカーボネート樹脂などの合成樹脂からなる基板を用いた場合には、厚みが５ｍｍ程度のものを使用する。
受光面側封止材２３と裏面側封止材２４は、ＥＶＡ（屈折率ｎは約１．５２）などの厚さ０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下程度のシート状に成形されたものから成る。これらはラミネート装置により減圧下にて加熱加圧を行うことで、軟化、融着して他の部材と一体化する。
裏面材２７は、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シート、または、アルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。
ここで本発明に係る光電変換モジュールにおいては、図１７に示すように、その裏面側封止材２４は絶縁性で透明な透光材２５と酸化チタンまたは顔料等を含有させ白色に着色させた反射材２６から成る。さらにこの透光材２５と反射材２６との界面は複数の傾斜面が交差する構造からなる凹凸構造を有し、その界面は光反射界面として機能する。このとき前記した傾斜した光反射面が受光面と水平な面と成す角度θは、前述したＴＩＲＡＦＳの発現原理に基づいて、透光材２５の屈折率ｎに応じて調整する。例えば、屈折率が１．５程度であれば、角度は２０°以上３５°以下とすればよい。また前記した傾斜した光反射面はフラット面となっていることがより好ましいが、後述する凹型の曲面凹凸構造などであってもＴＩＲＡＦＳの効果を有意に発揮させることができる。また凹凸の平均ピッチは３μｍ程度以上とする。
以上のような構造にすることで、モジュール受光面から入射した光のうち、光電変換素子１および光電変換素子１間を通過した光は、この反射界面で反射した後、透光性基板２２の受光面（第１面２２ａ）で全反射するようにでき、光閉じ込め性能を大幅に向上させることができる。
なお、このような傾斜面を備えた透光材２５と反射材２６の作製にあたっては、前述の角度条件を有する所定の凹凸構造を備えた、例えば金属製の型をＥＶＡのシート作製時に転写させることにより作製可能である。すなわち、ＥＶＡのシート作製において、溶融押出工程により製造されたＥＶＡ薄板状物を、その直後に所定の凹凸構造を備えた賦型ローラーと加圧ローラーの間で挟み込み、押し付けることで、このＥＶＡ薄板状物の表面に所定の凹凸形状を形成することができる。
透光性基板２２、受光面側封止材２３、光電変換素子１、裏面側封止材２４（透光材２５と反射材２６から成る）および裏面材２７は積層された状態でラミネーターにより減圧下で加熱加圧されることで一体化し、光電変換パネルが作製される。この光電変換パネルの外周部にアルミニウムなどで作製した枠体２９をはめ込み、角部をネジ止めして固定すると共に光電変換パネルの裏面側に端子箱を接着剤で固定し光電変換モジュールが完成する。
前記光反射界面を有する封止材を形成する透光材２５または反射材２６は、アクリル（屈折率ｎは約１．４９）またはポリカーボネート（屈折率は約１．５９）などの樹脂製の板を使用してもよい。例えば透光材２５には透明なＥＶＡを使用し、その裏面側に、前記所定形状の凹凸を形成した白色の樹脂製の板を反射材２６として使用することも可能である。この場合、透光材２５である透明なＥＶＡには、凹凸を形成する必要がなくなると共に、反射材２６としての樹脂製の板は裏面材としても用いることができ、光電変換モジュールを簡便に作製することができる。
なお、光電変換素子の裏面側に前記所定形状の凹凸を形成した透明の樹脂製の板を、凹凸面が光電変換モジュールの裏面側になるように配置し、さらにその裏面側に白色のＥＶＡを配置し、その裏面側に裏面材を配置すること構造にすることも可能である。ここで素子と樹脂製板の接着には透明ＥＶＡを用いることもできるし、その他の透明接着材を用いることもできる。また、前記白色ＥＶＡを省き白色の裏面材を前記樹脂製板に接着してもよい。
以下、透光材２５と反射材２６の少なくともどちらか一方を樹脂製の板にした光電変換モジュール２０について説明する。
図１８に示す光電変換モジュール２０において、透光材２５は、所定形状の凹凸を形成した前記した透明なアクリル等から成る透光性の樹脂の板を用いる。さらにその裏面側には反射材２６として白色のＥＶＡを配置し、その裏面側には裏面材２７を配置する。この構造においては、樹脂製の透光材２５とその裏面側の反射材２６としての白色ＥＶＡの界面は所定の角度を持つ傾斜面により形成されている。この光電変換モジュール２０によれば、裏面側の透明ＥＶＡを省くことができるので、光電変換モジュールをより簡便に低コストで作製することができる。
図１９に示す光電変換モジュール２０においては、光電変換素子１の裏面側に透光材２５として透明なＥＶＡが配置され、その裏面側に反射材２６として所定形状の凹凸を形成した白色の樹脂の板を用いたものである。さらにその裏面側には白色のＥＶＡ２８を配置するが、場合によっては省くことも可能である。さらに裏面側には、裏面材２７を配置する。この構造においては、光電変換素子１の透光材２５たる裏面側の透明なＥＶＡと反射材２６としての白色樹脂板の界面は所定の角度を持つ傾斜面により形成されている。この光電変換モジュール２０によれば、裏面側の白色ＥＶＡの使用量を削減できるので、光電変換モジュールをより簡便に低コストで作製することができる。
なお、反射材２６としての樹脂製の板は裏面材としても用いることも可能である。このような構造にすることにより、白色のＥＶＡ２８と裏面側の裏面材２７を省略でき、これにより光電変換モジュールを簡便に低コストで作製することができる。
図２０に示す光電変換モジュール２０においては、光電変換素子１の裏面側に透光材２５の一部となる透明なＥＶＡ（図中ＥＶＡ２３と同一物）が配置され、さらにその裏面側に同じく透光材２５の一部となる所定形状の凹凸を形成した透明の樹脂の板を用い、さらにその裏面側には、反射材２６としてこの凹凸と嵌合する凹凸形状を形成した白色の樹脂を用いる。さらにその裏面側には白色のＥＶＡ２８をするが、場合によっては省くことも可能である。さらにその裏面側には、裏面材２７を配置する。この光電変換モジュール２０によれば、ＥＶＡの厚みを面内均一にできるため、より耐湿性に優れた光電変換モジュールを作製することができる。
図２１に示すように、反射材２６は多数のピラミッド形状を四方に整然と並設した板体を用いてもよく、また図２２に示すように、三角柱を一定方向に多数整列させた、いわゆるＶ溝構造を有する板体を用いてもよい。このような反射材２６を用いることで光の反射を効率よく行わせることが可能となり、高効率の光電変換モジュールとすることができる。
ここで、透明または白色のアクリル板などの樹脂製の板で透光材１３ａと反射材１３ｂを作製する場合は、前記所定の凹凸構造を備えた例えば金属製またはガラス製の型に溶剤などで液状化させたアクリル樹脂を流し込むことで、前記した型の凹凸形状を転写した樹脂製の板の作製が可能である。ここで、樹脂の硬化については、熱硬化法または光硬化法などを用いることができる。
また前記透光材としてシリコン樹脂など用いてこれを素子裏面側に印刷し、前記所定の凹凸構造を備えた型をその印刷表面上から圧着することでその印刷表面上に所望の凹凸構造を作製することも可能である。
また、前記所定の凹凸構造を形成するための型の作製方法としては、前記したように金属などを加工して作製する方法もあるが、特に簡便な作製方法として次に述べる方法もある。
すなわち、平板状ガラスをＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置でフッ素系ガス、塩素系ガス、酸素ガスなどを用いて、高周波出力１Ｗ／ｃｍ２以上３Ｗ／ｃｍ２以下、４Ｐａ程度の条件で６分間程度処理し、さらにこれを０．１％以上３％以下程度のフッ化水素酸（ＨＦ）水溶液で常温で５分以上１２０分以下程度で処理すると、凹型の曲面凹凸構造（ディンプル構造）を有する型を作製することができる。このようにして形成された凹凸構造の模式図を図２３に示し、具体例の顕微鏡写真を図２４に示す。図２４（ａ）はＨＦ水溶液処理時間が短い５分以上３０分以下程度の場合、図２４（ｂ）は同処理時間が長い３０分以上１２０分以下程度の場合に対応する。
また同じような曲面凹凸構造が得られる手法として、平板状ガラスにサンドブラスト法でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子（例えば、アルミナ研磨剤の平均粒径が１２μｍ以上１７μｍ以下程度のもの）等の投射材を用いて表面を粗面化し、さらにこれを０．１％以上３％以下程度のフッ化水素酸（ＨＦ）水溶液で常温で５分以上６０分以下程度処理する手法もある。
このように、ガラス表面をＲＩＥ法またはサンドブラスト法で粗面化し、その後フッ化水素酸水溶液で処理する。これにより得られる凹型の曲面凹凸構造は、図２４に示す写真の通り、ＴＩＲＡＦＳを実現するにあたり、好適な角度角度範囲（最大角度３５°程度、平均ピッチＰ／曲率半径ｒ＝１．２程度）、および平均ピッチ（３μｍ程度）を有する緩やかな凹凸構造となる。よって、これを型として形成した前記凹凸構造を有する光電変換モジュールは高いエネルギー変換効率を実現することができる。
次に、形態１をより具体化した実施例について説明する。
＜実施例１＞
まず鋳造法で作製した多結晶シリコンからなる半導体基板を準備した。この半導体基板は、ｐ型不純物であるボロン（Ｂ）を１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下程度含有し、比抵抗０．２Ω・ｃｍ以上２．０Ω・ｃｍ以下程度のもので、その大きさは約１５０ｍｍ角、厚さは約０．２ｍｍ程度のものである。
この半導体基板の表面を清浄化するために、その表面を２０％程度の水酸化ナトリウム水溶液でごく微量エッチングし洗浄した。
次に、光入射面となる半導体基板の受光面側に、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置を用いて光反射率低減機能を有する凹凸（粗面化）構造を形成した。
その後、半導体基板表面全面にｎ型半導体層を形成した。ｎ型化ドーピング元素としてはＰ（リン）を用いることが好ましく、シート抵抗が３０Ω／□以上３００Ω／□以下程度のｎ型とする。これによって上述のｐ型バルク領域との間にｐｎ接合部が形成された。
ｎ型半導体層の形成は次のようにして形成した。半導体基板を７００℃以上９００℃以下程度に昇温して維持しながら、拡散源としてガス状態にしたオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）雰囲気中で２０分以上４０分以下程度処理する気相熱拡散法によって、ｎ型半導体層が０．２μｍ以上０．７μｍ以下程度の深さに形成した。この場合、半導体基板の表面全面にリンガラスが形成されるので、このリンガラスを除去するために、この半導体基板をフッ酸に浸漬し、洗浄乾燥した。
その後、ｐｎ分離を行うため、半導体基板の裏面側外周部にレーザービームを照射し、ｐｎ接合部に達する深さ以上に分離溝を形成する。このレーザー装置はＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザー装置で行った。
その後、裏面側のｎ型半導体層を除去した。除去にあたっては混酸（フッ酸と硝酸の混合液）などを用いたウェットエッチング法、または、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣｌＦ３などのエッチングガスを用いたドライエッチング法等を用いることができる。なお、この裏面側エッチングの際には、表面側にレジスト（ウェットエッチングの場合は耐酸性レジスト）などを塗布することで、表面側のダメージを防止することができる。
なお、この裏面側ｎ型半導体層を除去にあたっては、後述する反射防止膜たるＳｉＮｘ膜を形成した後、ＫＯＨなどのアルカリ液を用いて行うこともできる。この場合、表面側は反射防止膜たるＳｉＮｘ膜がエッチング防止膜として機能する。
その後、裏面側に局所的にｐ＋層を形成した。すなわち、アルミニウムを主成分とするペーストを後に形成される裏面側電極のパターンに対応した形でスクリーン印刷法を用い塗布した後、焼成した。このｐ＋層に用いるペーストは、アルミニウム粉末と有機ビヒクルなどからなるもので、これを塗布した後、温度７００℃以上８５０℃以下程度で熱処理（焼成）してアルミニウムをシリコンウエハに焼き付ける。その後８０℃、１５％程度の塩酸水溶液に１０分程度浸漬し、余分なアルミニウムを除去し、ｐ＋層を露出させた。このｐ＋層の形成により、ＢＳＦ効果で光電変換素子の光電変換効率を向上させることができ、後述する裏面に形成する銀から成る電極との接触性も改善することができた。
なおｐ＋層を露出させた裏面の表面については、必要に応じて洗浄することが望ましい。すなわち希フッ酸液に浸漬させる、あるいは、いわゆるＲＣＡ洗浄（米ＲＣＡ社が開発した半導体基板用の洗浄方法であり、過酸化水素をベースに、アルカリまたは酸を加えた濃厚薬液を高温で使う洗浄方法）またはそれに準ずる洗浄方法（ＳＰＭ（Sulfuric acid-Hydrogen Peroxide Mixture）洗浄など）を適用することができる。この場合、表面側の保護には前述したレジストを用いる方法、または後述する反射防止膜たるＳｉＮｘ膜を保護膜として用いる方法（この洗浄を反射防止膜５形成の後に行う方法）などを利用することができる。 次に、反射防止膜とパッシベーン膜を形成した。
受光面側表面には反射防止膜として、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜をＰＥＣＶＤ装置で、４５０℃程度の温度でモノシランガスまたはアンモニアガスを用いて成膜した。この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜は、反射防止効果を発現させるために、屈折率は２．０程度、膜厚は８０ｎｍ程度とした。
裏面側にはパッシベーン膜として、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜をＰＥＣＶＤ装置で、３５０℃程度の温度でモノシランガスまたはアンモニアガスを用いて成膜した。この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度とした。
なおパッシベーション膜の形成前に、その被製膜面たる半導体基板の表面に所定の前処理を加えることができる。具体的には水素プラズマ処理または水素／窒素混合ガスプラズマ処理などを施すことができ、これらガスによる処理によってパッシベーション性能を向上させることができる。
次に、反射防止膜の上に、導電ペーストをスクリーン印刷法を用いて、所定のパターンに直接塗布し、焼成することによって受光面側バスバー電極と受光面側フィンガー電極を形成した。この際、ファイヤースルーによって表側電極とｎ型半導体層とが電気的に接触する。これに使用する導電ペーストは、銀粉末と有機ビヒクルとガラスフリットを銀１００重量部に対してそれぞれ５質量部以上３０質量部以下、０．１質量部以上１０質量部以下を添加したものである。焼成は、導電ペーストを塗布・乾燥させた後、焼成炉内にて最高温度が７００℃以上８５０℃以下で数秒程度焼成することにより行った（ＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)プロセス）。このような焼成後の受光面側バスバー電極および受光面側フィンガー電極の厚みは、１０μｍ以上２０μｍ以下程度であった。
次に、裏面側のパッシベーン膜の上に、導電ペーストを所定のパターン（前記したｐ＋層が露出した部分に対応したパターン）に直接塗布し、焼成することによって、裏面側バスバー電極と裏面側フィンガー電極を形成した。この際、ファイヤースルーによって裏側電極と前記したｐ＋層とが電気的に接触する。
なお前記した受光面側電極と裏面側電極の焼成は同時に行うことができる。
また、前記した受光面側電極と裏面側電極の形成を行った後、アニール処理を行うことができる。具体的には、いわゆるＦＧＡ処理（水素と窒素の混合ガスを用いたフォーミングガスアニール処理）を４００℃程度、数分以上数１０分以下程度で行うことができる。これによってパッシベーション膜６のパッシベーション性能を向上させることができる。
光電変換モジュールは次の通りに作製した。まず、上述の光電変換素子の受光面側バスバー電極と裏面側バスバー電極のそれぞれに、幅約２ｍｍ、長さ約２５０ｍｍのリボン状接続配線をハンダ付けした。このリボン状接続配線は、銅箔の表面全面に共晶ハンダをコーティングしたものである。
また透光性基板としては、厚さ約５ｍｍ、大きさ約１８０ｍｍ角の白板強化ガラスを使用した。この上に受光面側封止材として厚さ約０．４ｍｍの透明のＥＶＡシートを配置し、その上に上述の光電変換素子を載置し、その上に厚さ透光材として約０．４ｍｍの透明のＥＶＡシートを載置した。この上に反射材としてその光反射面が所定形状の凹凸構造を有した厚さ約５ｍｍの白色のアクリル製の板を、凹凸面が前記透明のＥＶＡシートと当接するように載置した。ここで前記した所定の凹凸構造は、斜面がフラットで、その斜面の角度が２０°以上３５°以下の範囲に入る平均３０°程度で、凹凸の平均ピッチが１ｍｍのものとした。
これらの重畳物をラミネーター装置にセットし、１００Ｐａ程度の減圧下で１２０℃以上１５０℃以下に加熱しながら、１５分間押圧し、重畳物を一体化する。さらにこの一体化した重畳物を大気圧下で約１５０℃の架橋炉内で６０分間程度保持し、ＥＶＡの架橋反応を促進し、本実施例に係る光電変換モジュールを完成させた。
さらにこの光電変換モジュールに対する比較用光電変換モジュールとして、透光材と反射材の界面が凹凸構造を有しない界面フラットなものを作製した。
このようにして作製した２つの光電変換モジュールの出力特性を、２５℃の素子温度、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光で測定したところ、表２の通りであった。なお、表中のＪｓｃとＶｏｃはセル１枚あたりの特性に換算したものである。
表２に示すように、本実施例に係る光電変換モジュールは、従来のものに比べＪｓｃで３％、光電変換効率でも３％の向上が観られ、その効果が確認された。
＜形態２＞
次に、光電変換モジュールの光電変換素子として、ａ―Ｓｉ膜またはμｃ−Ｓｉ膜あるいはそれらを組み合わせて作製されたもの等を備えた薄膜系光電変換素子の形態例について説明する。
以下の説明では、薄膜系光電変換素子の代表的な構造として、光電変換素子のｉ層が、ａ−Ｓｉ膜から成るｐ−ｉ−ｎ接合セル（以下ａ−Ｓｉユニットセル）と、μｃ−Ｓｉ膜から成るｐ−ｉ−ｎ接合セル（以下μｃ―Ｓｉユニットセル）とを積層したタンデム型（ａ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉ型）光電変換素子を用いて説明するが、本形態はこれに限定されるものではない。すなわち、ａ−Ｓｉユニットセルのみを用いた単一ｐ−ｉ―ｎ接合セル、あるいはさらに前記ａ−Ｓｉユニットセルおよびμｃ―Ｓｉユニットセルを組み合わせて３層積層した３タンデム型（トリプル接合型）などの多接合型タンデム素子を用いてもよい。さらには、ＣＩＳ（銅インジウムセレナイド）系に代表されるカルコパイライト系太陽電池のような化合物半導体を用いた光電変換素子をスーパーストレート型で準備した素子でも利用可能である。
図２５に示すように、光電変換モジュール３０は、光が入射する第１面２２ａとこの第１面２２ａの反対側に位置する第２面２２ｂを有する透光性基板２２を備えている。この第２面２２ｂ上に、受光面側透光性電極３１と光電変換層３２，３４と裏面側透光性電極３５を積層している。
透光性基板２２として使用されるガラスは、光電変換層３２，３４の材料としてシリコン系薄膜を用いた場合、３５０ｎｍ以上の波長を高効率に透過し、さらに発電に寄与する光の波長上限である１２００ｎｍ近傍の長波長領域まで高い透過率を有するような、鉄分の含有量の少ない原料を溶解して製造された白色ガラス、望ましくは白板強化ガラスを用いることが好ましい。
受光面側透光性電極３１用の透明導電材料としてはフッ素添加酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）、ボロン添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｂ）などの酸化物系透明導電膜を用いることができる。このような受光面側透光性電極３１の成膜方法としては、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法等の方法が好適に用いられる。膜厚としては５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度とすることが望ましい。また、形成される酸化物系透明導電膜の表面は、光電変換素子での光の吸収量を向上させるため光路長を増大するように凹凸形状を有することが望ましい。熱ＣＶＤ法では膜形成時に適宜に条件を選択することで好適な凹凸形状とすることが可能であるが、スパッタリング法、ＬＰＣＶＤ法では必要に応じて成膜後のエッチング処理により凹凸形状とすることが望ましい。好適な凹凸形状としては、５点以上で測定した平均ピッチ（頂点と頂点の間隔の平均値、または谷と谷の間隔の平均値）を０．１μｍ以上数μｍ以下程度、平均高さ（頂点と谷底との間隔の平均値）を０．０５μｍ以上１μｍ以下程度とする。
さらに、受光面側透光性電極３１上には、光電変換層３２、３４が形成される。本実施形態では、光電変換層３２、３４はシリコン系薄膜が形成されている。その構造を、受光面側透光性電極側からａ−Ｓｉユニットセル３２、μｃ−Ｓｉユニットセル３４の順に積層したａ−Ｓｉ／μｃ−Ｓｉから成る２−タンデム構造素子とする。これにより、光電変換層の吸収できる光波長帯領域を広く取ることができ、発電効率を向上させることが可能である。光電変換層３２、３４の厚みは、ａ−Ｓｉユニットセル３２で０．１μｍ以上０．５μｍ以下、好ましくは０．１５μｍ以上０．３μｍ以下とし、μｃ−Ｓｉユニットセル３４で１μｍ以上４μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以上３μｍ以下とすれば良い。前記光電変換層３２、３４は、プラズマＣＶＤ法等の手法で形成することが可能である。
さらに、光電変換層３２、３４の上に透明導電材料からなる裏面側透光性電極３５を、形成する。この裏面側透光性電極を形成する場合、すでに形成されている光電変換層３２、３４の品質低下を生じないように、２５０℃程度以下の低い基板温度で成膜可能なスパッタリング法またはＬＰＣＶＤ法が好適に用いられる。このような裏面側透光性電極３５の透明導電材料としては、受光面側透光性電極同様にＳｎＯ２：Ｆ、ＩＴＯ、ＺｎＯ：Ａｌ（ＡＺＯ）、ＺｎＯ：Ｂ（ＢＺＯ）などの酸化物系透明導電膜を使用することができる。この中でも特にＺｎＯは長波長光の透過率に優れているためより好適に用いることができる。
なお、前記光電変換素子は、いわゆる集積型構造とすることができ、光電変換モジュールを作製する際には広く採用されている構造である（不図示）。該集積型構造は、受光面側透光性電極３１、光電変換層３２および３４、裏面側透光性電極３５のそれぞれについて、レーザーによるパターニング加工（レーザースクライブ加工）をすることで容易に形成することができる。
具体的には、受光面側透光性電極３１を形成した後にＰ１と通称されるスクライブを行ってこの受光面側透光性電極３１を所定のパターンで電気的に分離する。そして、光電変換層３２および３４を形成した後にＰ２と通称されるスクライブを行って、光電変換層に受光面側透光性電極３１が露出する溝（後工程で形成される裏面側透光性電極３５が受光面側透光性電極３１に接触するコンタクト領域となる）を形成する。また、裏面側透光性電極３５を形成した後にＰ３と通称されるスクライブを行って該裏面側透光性電極３５を所定のパターンで電気的に分離する。以上によっていわゆる集積型構造が実現される。
本形態の光電変換モジュールは、光電変換素子の裏面側透光性電極３５の裏面側に透光材２５と反射材２６から成る封止材、および裏面材２７を配置した構造である。透光材２５と反射材２６の界面（反射界面）は所定の凹凸構造（凹凸構造を形成する斜面）を有している。このとき前記した傾斜した光反射面が受光面と水平な面と成す角度θは、前述した本発明の発現原理に基づいて、透光材の屈折率ｎに応じて調整する。例えば、屈折率が１．５程度であれば、角度は２０°以上３５°以下とすればよい。また前記傾斜した光反射面はフラット面となっていることがより好ましいが、形態1で述べたような凹型の曲面凹凸構造などであっても本発明の効果を有意に発揮させることができる。また凹凸の平均ピッチは３μｍ程度以上とする。
透光材２５である樹脂の材料としてはＥＶＡまたはポリビニルアルコール樹脂（ＰＶＡ）が使用可能であるが、ＥＶＡは耐水性などの信頼性に関し優れているため、好適に使用できる。
反射材２６としては、透光材２５に接して光を反射するものであればよく、酸化チタンまたは顔料等を含有させ白色に着色させたＥＶＡまたはフッ素系樹脂、アクリル樹脂などの白色の樹脂などを利用することが可能である。
ここで、前記の反射界面が所定の凹凸構造を有するような傾斜した光反射面を備えた透光材２５および反射材２６の、材料の選択、組合せ方法、および、界面の凹凸構造の形成方法については、形態１で述べた内容と同様の材料、方法が利用可能である。
裏面材２７としては、水分を透過しないようにアルミ箔を挟持した耐候性を有するフッ素系樹脂シートまたはアルミナまたはシリカを蒸着したポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）シートなどが用いられる。
光電変換モジュール３０は、光電変換素子の裏面側透光性電極３５の上に透光材２５と反射材２６、裏面材２７を重畳し、ラミネート装置により減圧下にて加熱加圧を行って、これらの部材を一体化することで作製される。
なお、光電変換モジュールは、前記構造に限られるものではなく、前記裏面材２７のフッ素樹脂シートなどに代えてガラス板を用いることもできる。すなわち合わせガラス型構造とすることもできる。
また、図２６に示す光電変換モジュール３０のように、ａ−Ｓｉユニットセル３２とμｃ−Ｓｉのユニットセル３４の間に透光性の中間層３３を備えることができる。この中間層の屈折率は波長６００ｎｍ近傍で２．５以下、より好適には２．０以下であることが望ましい。また中間層３３の材料としては、例えば、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの酸化物系透明導電膜の他に、ＳｉＯ系、ＳｉＣ系、ＳｉＮ系などのＳｉ系化合物膜などが使用できる。Ｓｉ系化合物膜の場合、微結晶Ｓｉが含まれる微結晶質Ｓｉ系化合物であることが導電率を高くできる（抵抗ロスを低くできる）上で望ましく、さらにはボロン（Ｂ）またはリン（Ｐ）をドープすることで導電率をさらに高めることもできる。
このような中間層３３を備えることにより、光電変換素子３０の光電流をより向上させることが可能となる。それは次の２つの理由による。
まず第１に、６００ｎｍ近傍以短の波長域の入射光（比較的短波長領域の光）について、これを中間層により反射させ、該短波長領域の光に対する吸収係数の高いトップセルたるａ−Ｓｉユニットセル内に該短波長領域の光を閉じ込めるという効果が発現する。
第２に、６００ｎｍ近傍以長の波長域の入射光（比較的長波長領域の光）のうち、ボトムセルたるμｃ−Ｓｉユニットセルで吸収（光電変換）され切れずに、ユニットセルの裏面側に透過した光について、光が本実施形態の裏面側凹凸構造の反射界面で反射して再びボトムセルに所定の入射角をもって入射する。そして、一部がボトムセルで吸収（光電変換）されつつも残りの光が中間層／ボトムセル界面に到達した際に、この界面に所定の入射角で入射する。これにより、高い反射率が実現され、この高い反射率で反射された光が再びボトムセルに向かうことで、前記長波長域の光が効果的にボトムセル内に閉じ込められるという効果が発現する。
以上２つの要因によって、トップセルおよびボトムセル双方で効果的に光閉じ込めが行われるため、光電変換素子３０の光電流が向上する。
なお、本発明の裏面側凹凸構造がない場合は、中間層があってもボトムセルでの光閉じ込め性能の向上は、本実施形態で実現する程度に比べればほとんど無視できるほどである。裏面凹凸構造がない場合は、裏面での反射光がほぼ垂直反射となるのでボトムセルへの反射光の再入射はほぼ垂直な入射となり、対応して中間層／ボトムセル界面への該裏面反射光の入射もほぼ垂直となるためである（反射率は入射角が小さい場合ほど一般に小さくなり、より透過しやすくなる）。
ここで、特に中間層の屈折率を透光材の屈折率と同等程度に近づけることで、前記中間層／ボトムセル界面での反射率を高めることができ、より効率的な光閉じ込めが可能となって高効率化に好適である。中間層の屈折率を小さくするには、例えばＳｉＯ系の中間層であれば、Ｏ／Ｓｉ比を高めればよい。具体的には、膜中酸素濃度［Ｏ］を６０ａｔ％程度にすれば屈折率を１．７程度以下にすることができ、透光材の代表的屈折率１．５以上１．６以下程度に極めて近い値にすることができる。この場合、前記した中間層／ボトムセル界面での全反射確率が高まり光閉じ込め性能が向上する。
なお、この前記した中間層／ボトムセル界面での全反射確率をよりいっそう高めるには、受光面側透光性電極３１が有する凹凸構造を活用することができる。すなわち、この凹凸構造上に形成した各層は、該凹凸構造をある程度反映した形で形成されていくため、各層形成後の各層界面は前記凹凸構造を反映した緩やかな凹凸構造を有することになるが、裏面反射光がこの緩やかな凹凸構造が形成されている中間層／ボトムセル界面に入射する際、その入射角がより前記した中間層／ボトムセル間に凹凸構造がないときに比べてより大きくなる場合があり、該界面での全反射確率が高まって光閉じ込め性能が向上する。
以上、本発明の構造と中間層とを組み合わせることで、トップセルおよびボトムセル双方の光閉じ込め効率が同時に向上して両セルでの光電流密度が同時に向上し、タンデムセル全体としてのエネルギー変換効率が向上し、高効率な薄膜系光電変換モジュールが実現される。
＜実施例２＞
次に形態２をより具体化した実施例について説明する。
光電変換素子は次の手順で作製した。大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１．８ｍｍの白板ガラス上に受光面側透光性電極２として酸化スズ（ＳｎＯ２）を熱ＣＶＤ法により、８００ｎｍ程度の厚さで成膜した。このとき、酸化スズ膜表面の凹凸構造は、平均ピッチが０．１μｍ以上０．５μｍ以下程度、平均高さが最大０．２μｍ程度であった。
次に受光面側透光性電極２上に、プラズマＣＶＤ装置を用いて光電変換ユニットセルを順次形成した。
第１層目のユニットセルとして、ｉ層がａ−Ｓｉから成るユニットセルをｐ層、ｉ層、ｎ層の順に、それぞれ２０ｎｍ、２５０ｎｍ、３５ｎｍの厚みで形成した。これら各層における形成条件は表３に示す通りである。つまり、ＰＥＣＶＤ装置（型式：アルバック製ＣＭＥ−２００Ｊ）における高周波電力、使用ガス、ガス圧力、前記装置におけるカソード電極とアノード電極の電極間隔、基板温度は表３に示す通りである。
さらに第２層目のユニットセルとして、ｉ層がμｃ−Ｓｉから成るユニットセルをｐ層、ｉ層、ｎ層の順に、それぞれ２５ｎｍ、２．５μｍ、２０ｎｍの厚みで形成した。形成条件は表４に示す通りである。つまり、ＰＥＣＶＤ装置（型式：アルバック製ＣＭＥ−２００Ｊ）における高周波電力、使用ガス、ガス圧力、前記装置におけるカソード電極とアノード電極の電極間隔、基板温度は表３に示す通りである。
最後に、前記μｃ−Ｓｉユニットセルのｎ型ａ−Ｓｉ層上に裏面側透光性電極として、スパッタ装置を用いて、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｌ）膜を１００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、光電変換素子を完成させた。
光電変換モジュールの作製は、次のように行った。前記した光電変換素子の裏面側透光性電極上に封止材として厚さ約０．４ｍｍの透明のＥＶＡシートを透光材として配置した。そして、その上に反射材たる凹凸構造を有した厚さ約５ｍｍの白色のアクリル製板を、凹凸面が前記透明のＥＶＡシートと当接するように載置した。このとき凹凸構造として下記の２種類を用意した。
１）凹型の曲面凹凸で、その最大角度が３５°程度、凹凸の平均ピッチが３μｍ程度のもの（凹凸平均ピッチＰと曲率半径ｒにおいてＰ／ｒ＝約１．２程度となるもの）（実施例モジュール１）
２）凹凸の斜面がフラットで、その角度が２０°以上３５°以下の範囲に入り（平均３０°程度）、凹凸の平均ピッチが１ｍｍ程度のもの（実施例モジュール２）
３）実施例モジュール２の素子が中間層を有しているもの（実施例モジュール３）
ここで前記した中間層はＳｉＨ４ガス／ＣＯ２ガス／Ｈ２ガスを原材料ガスとしてプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯｘ膜とし、厚さは５０ｎｍ程度とした。
続いて、これらの重畳物をラミネーター装置にセットし、１００Ｐａ程度の減圧下で１２０℃以上１５０℃以下に加熱しながら、１５分間押圧し、重畳物を一体化した。さらにこの一体化した重畳物を大気圧下で約１５０℃の架橋炉内で６０分間程度保持し、前記ＥＶＡの架橋反応を促進し光電変換モジュールを完成させた。
さらに前記した光電変換モジュールに対する比較用光電変換モジュールとして、前記透光材と反射材の界面について、下記の２種類のモジュールを前記同様のプロセスで作製した。
１）透光材と反射材の界面が凹凸構造を有しない、受光面と平行フラットなのもの（比較モジュールＡ）
２）凹凸斜面がフラットで、その角度が１０°以上２０°以下の範囲に入り、凹凸の平均ピッチが１ｍｍ程度のもの（比較モジュールＢ１）
３）凹凸斜面がフラットで、その角度が３５°以上４５°以下の範囲に入り、凹凸の平均ピッチが１ｍｍ程度のもの（比較モジュールＢ２）
４）凹凸斜面がフラットで、その角度が５５°程度、凹凸の平均ピッチが１０μｍ以上２０μｍ以下程度のもの（比較モジュールＢ３）
なお、前記した角度５５°のフラット斜面凹凸構造を形成するための型としては、ミラー指数で（１００）配向の単結晶Ｓｉ基板をＫＯＨ液などのアルカリ液でエッチング処理した際に生じるピラミッドテクスチャーを用いた。
このようにして作製した光電変換モジュールの出力特性を、２５℃の素子温度、ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ２の擬似太陽光の条件下で測定したところ、表５の通りであった。なお、表中のＪｓｃとＶｏｃはセルあたりの特性に換算したものである。
表５に示すように、実施例モジュール１は、比較用モジュールＡに比べＪｓｃで９％、光電変換効率で８％の向上が観られ、その効果が確認された。
また、実施例モジュール２は、比較用モジュールＡに比べＪｓｃで１２％、光電変換効率で１１％の向上が観られ、その効果が確認された。
また、実施例モジュール３は、比較用モジュールＡに比べＪｓｃで１３％、光電変換効率で１２％の向上が観られ、その効果が確認された。
また比較用モジュールＢ１〜Ｂ３では、凹凸構造を有していても光電変換効率の向上はほとんど認められないか、あってもわずかであることが確認できた。これにより、前述したＴＩＲＡＦＳの原理が正しいことが証明された。すなわち、凹凸構造を有していてもその角度が本実施形態で主張する条件範囲から逸脱しているために、モジュール受光面での全反射光閉じ込めが実現できず効率向上がほとんど認められないか、あってもわずかとなったと解釈できる。
＜形態３＞
次に、結晶系光電変換素子を用いた光電変換モジュールの他の実施形態について説明する。図２７に光電変換モジュール４０の部分断面図を示す。図２７に示すように、透光性基板２２は、既述したようにガラスまたは透光性の樹脂などからなるものである。また、透光材２５はアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂などからなる透明な板状体であり、その裏面側には所定の傾斜面を有する凹凸構造を備えている。
反射材２６は、アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂などからなる白色の板状体が用いられ、その受光面側には、透光材２５の裏面側に設けられた凹凸構造と嵌合する凹凸構造を備えている。
透光材２５と反射材２６は、これらの表面の全面または外周部に透光性の接着剤を塗布することにより両者が嵌合状態で貼り合わされている。
また、透光性基板２２と透光材２５には、光電変換素子が配置される位置に、予め各光電変換素子１毎に２ポイント以上９ポイント以下程度の素子固定部材４１が設けられている。この素子固定部材４１には、アクリルゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴムまたはシリコーンゴムなどの樹脂製の弾性体を用いることができる。
光電変換素子１は、透光性基板２２と透光材２５に設けられた素子固定部材４１により両側から挟持されることで固定される。その後、透光性基板２２と透光材２５は、これらの外周部に接着剤を塗布することにより、両者を接着する。これにより、透光性基板２２と透光材２５の間隙部４２は、空気の混入、または、光電変換素子１または接続配線２１の酸化を抑制するために、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスを充填する。
このような構造にすることにより、受光面側封止材または裏面側封止材としてのＥＶＡなどの部材を使用する必要が無くなるとともに、ラミネートなどの工程も無くすることができ、高効率で容易に太陽電池モジュールを提供することができる。
＜形態４＞
次に、本発明の一形態に係る発電装置について説明する。例えば図２８に示すように、発電装置１００は、前記した光電変換モジュールの１以上を電気的に接続した光電変換モジュール群（例えば、太陽電池アレイ）１１０と、光電変換モジュール群の直流電力が入力される電力変換装置１１５とを備えたものである。
電力変換装置１１５は、例えば、入力フィルタ回路１１１、電力変換回路１１２、出力フィルタ回路１１３および制御回路１１４を備えたものである。このような構成により、電力変換装置１１５からの商用電力が商用電源系統１１６に入力させることができる。この発電装置１００によれば、これを構成する光電変換モジュールが高効率であるので、高効率の優れた太陽光発電装置等の発電装置を提供することができる。
１：光電変換素子
２：半導体基板
３：受光面側バスバー電極
４：受光面側フィンガー電極
５：反射防止膜
６：パッシベーション膜
７：裏面側バスバー電極
８：裏面側フィンガー電極
１０：ＢＳＦ層
１１：透明導電膜
２０，３０：光電変換モジュール
２２，６１：透光性基板
２２ａ，６１ａ：第１面
２２ｂ，６１ｂ：第２面
６２：表透明電極
６５：裏透明電極
６６：透光材
６７：反射材
６７ａ：光反射面
１００：発電装置
１１０：光電変換モジュール群
１１５：電力変換装置

Claims (8)

  1. 光が入射する第１面および該第１面の反対側に位置する第２面を有する透光性の基板と、前記第２面の上に位置する光電変換素子と、該光電変換素子の上に位置する透光材と、該透光材の上に位置して該透光材を透過した光を反射させる反射材とを備えている光電変換モジュールであって、
    前記反射材は、該反射材から反射した光が前記基板の前記第１面で全反射するように、前記第１面に対して所定角度傾斜した山型面を複数有する凹凸形状を有する光反射面を備えていることを特徴とする光電変換モジュール。
  2. 前記透光材の屈折率がｎである場合に、前記反射材の前記光反射面と前記基板の前記第１面とのなす角度θが下記式を満足していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換モジュール。
    ４３．７−１４．９×ｎ≦θ≦２２．８＋７．４×ｎ
  3. 光が入射する第１面および該第１面の反対側に位置する第２面を有する透光性の基板と、前記第２面の上に位置する光電変換素子と、該光電変換素子の上に位置する透光材と、該透光材の上に位置して該透光材を透過した光を反射させる反射材とを備えている光電変換モジュールであって、
    前記反射材は、該反射材から反射した光が前記基板の前記第１面で全反射するように、曲面状凹面または曲面状凸面を複数有する凹凸形状を有する光反射面を備えていることを特徴とする光電変換モジュール。
  4. 前記曲面状凹面または前記曲面状凸面の平均曲率半径がｒであり、前記繰り返し凹凸形状の互いに隣り合う凸部間または隣り合う凹部間の平均距離がＰである場合に、下記式を満足していることを特徴とする請求項３に記載の光電変換モジュール。
    ０．７≦Ｐ／ｒ≦２．０
  5. 前記光電変換素子は、アモルファスシリコン層を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光電変換モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換モジュールの製造方法であって、前記光反射面を前記反射材への型を用いた転写により形成することを特徴とする光電変換モジュールの製造方法。
  7. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換モジュールの１以上を発電手段として備えていることを特徴とする発電装置。
  8. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光電変換モジュールの１以上を有する発電手段と、該発電手段からの直流電力を交流電力に変換する電力変換手段とを備えたことを特徴とする発電装置。
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