JPWO2014175066A1 - 光電変換素子 - Google Patents

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Abstract

均一にパッシベーションされることによって変換効率を高めた光電変換素子を提供する。光電変換素子は、光を電気に変換する光電変換素子であって、複数の傾斜面（１０１ａ）を含む凹凸構造が少なくとも一方の面に形成されたシリコン基板（１０１）を備える。前記凹凸構造の凹部（ＴＸｂ）を挟んで隣接する２つの傾斜面（１０１ａ）が交わる線に垂直な断面において、前記２つの傾斜面（１０１ａ）の一方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点Ｐａと、前記２つの傾斜面（１０１ａ）の他方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点Ｐｂとの間の距離をボトム幅Ｌｂとしたとき、前記ボトム幅Ｌｂは、２０ｎｍ以上である。

Description

本発明は、光を電気に変換する光電変換素子に関するものである。
従来、単結晶シリコン基板の（１００）面を異方性エッチングすることによって、（１１１）面に起因したピラミッド形状の凹凸構造を形成した光閉じ込め構造が知られている。この光閉じ込め構造によれば、シリコン基板の表面の反射率が低減されるので、短絡電流を増加させることができる。
特開２０１１−７７２４０号公報には、第１導電型の単結晶シリコン基板と、この単結晶シリコン基板表面に真性な非晶質シリコン層を介して形成された他導電型の非晶質シリコン層と、この非晶質シリコン層上に形成された透明導電膜とを備えた光起電力装置が記載されている。この光起電力装置においては、単結晶シリコン基板の非晶質シリコン層が設けられる表面は、表面の凹凸を近似直線からの標準偏差が１．０ｎｍ未満になるように規定されている。
シリコン結晶系の光電変換素子では、表面のダングリングボンドによって少数キャリアのライフタイムが短くなる。そのため、シリコン基板の表面にパッシベーション膜を形成して、表面での少数キャリアの消滅を抑制している。
一方、上述した凹凸構造上にパッシベーション膜を形成すると、凹部近傍でパッシベーション膜に強い応力がかかり、パッシベーションの効果が低下する。
本発明の目的は、ピラミッド形状の凹凸構造を持つ受光面を均一にパッシベーションされることによって変換効率を高めた光電変換素子を提供することである。
ここに開示する光電変換素子は、光を電気に変換する光電変換素子であって、複数の傾斜面を含む凹凸構造が少なくとも一方の面に形成されたシリコン基板を備える。前記凹凸構造の凹部を挟んで隣接する２つの傾斜面が交わる線に垂直な断面において、前記２つの傾斜面の一方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点と、前記２つの傾斜面の他方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点との間の距離をボトム幅としたとき、前記ボトム幅は、２０ｎｍ以上である。
上記の構成によれば、ボトム幅を２０ｎｍ以上にすることによって、凹部を挟んで隣接する２つの傾斜面から加わる応力を緩和できる。そのため、ピラミッド形状の凹凸構造を持つ受光面に均一なパッシベーション膜を形成することができ、光電変換素子の変換効率を向上させることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、シリコン基板の凹凸構造を模式的に示す平面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であって、凹部付近の断面のＴＥＭ像である。 図４は、ボトム幅Ｌｂを説明するための模式図である。 図５は、ボトム幅Ｌｂを説明するための模式図であって、凹部に平坦部分が無い場合を示す図である。 図６Ａは、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図６Ｂは、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図６Ｃは、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図６Ｄは、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図７は、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ未満の場合の、凹部付近の断面のＴＥＭ像である。 図８は、図７中の領域Ａの拡大図である。 図９は、本発明の第２の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１１Ａは、本発明の第３の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｂは、本発明の第３の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｃは、本発明の第３の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１２は、本発明の第４の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１３は、本発明の第５の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１４は、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１５は、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子を裏面側から見た平面図である。 図１６Ａは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１６Ｂは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１６Ｃは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１６Ｄは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１６Ｅは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１６Ｆは、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子の製造方法の一例を説明するための図である。 図１７は、本発明の第７の実施形態にかかる光電変換素子の概略構成を示す断面図である。 図１８は、実施例１にかかる光電変換素子の凹凸構造の凹部付近の断面ＴＥＭ像である。 図１９は、比較例１にかかる光電変換素子の凹凸構造の凹部付近の断面ＴＥＭ像である。 図２０は、反射率とボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２１は、短絡電流密度Ｊｓｃとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２２は、キャリアライフタイムとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２３は、開放電圧Ｖｏｃとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２４は、直列抵抗Ｒｓとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２５は、変換効率ηとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２６は、図２５の一部を拡大して示す図である。 図２７は、傾斜角αとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。 図２８は、本実施形態にかかる光電変換モジュールの構成の一例を示す概略図である。 図２９は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。 図３０は、図２９に示す光電変換モジュールアレイの構成の一例を示す概略図である。 図３１は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の他の一例を示す概略図である。 図３２は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の他の一例を示す概略図である。 図３３は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の他の一例を示す概略図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子１の構成を模式的に示す断面図である。光電変換素子１は、シリコン基板１０１、半導体層１０２および１０３、透明導電膜１０４および１０５、ならびに電極１０６および１０７を備えている。以下では、電極１０６および１０７の厚さ方向をｚ方向と呼び、ｚ方向に垂直な平面（ｘｙ平面）を基準面と呼ぶ。
シリコン基板１０１は、導電型がｎ型の単結晶基板である。シリコン基板１０１の厚さは、例えば８０〜２００μｍである。シリコン基板１０１の比抵抗は、例えば１〜４Ωｃｍである。
シリコン基板１０１の両面に、複数の傾斜面１０１ａから構成される凹凸構造ＴＸが形成されている。凹凸構造ＴＸは、シリコン基板１０１の表面反射率を低減する。光電変換素子１は、凹凸構造ＴＸによって、より多くの光を取り込むことができる。
シリコン基板１０１の光が入射する側の面（以下、受光面と呼ぶ）には、半導体層１０２、透明導電膜１０４、および電極１０６が、この順で形成されている。シリコン基板１０１の他方の面（以下、裏面と呼ぶ）には、半導体層１０３、透明導電膜１０５、および電極１０７が、この順で形成されている。
半導体層１０２は、ｉ型非晶質膜１０２ｉと、ｎ型非晶質膜１０２ｎとを含んでいる。ｉ型非晶質膜１０２ｉおよびｎ型非晶質膜１０２ｎは、シリコン基板１０１の受光面を覆って、この順で形成されている。同様に、半導体層１０３は、ｉ型非晶質膜１０３ｉと、ｐ型非晶質膜１０３ｐとを含んでいる。ｉ型非晶質膜１０３ｉおよびｐ型非晶質膜１０３ｐは、シリコン基板１０１の裏面を覆って、この順で形成されている。
ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉは、実質的に真性で、水素を含有する非晶質半導体の膜である。なお、この明細書において、非晶質半導体には、微結晶半導体が含まれるものとする。微結晶半導体とは、非晶質半導体中に析出している半導体結晶の平均粒子径が１〜５０ｎｍである半導体である。
ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉは例えば、ｉ型非晶質シリコン、ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム、ｉ型非晶質ゲルマニウム、ｉ型非晶質シリコンカーバイド、ｉ型非晶質シリコンナイトライド、ｉ型非晶質シリコンオキサイド、ｉ型非晶質シリコンカーボンオキサイド等の膜である。ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉの厚さは例えば、数Å〜２５ｎｍである。
ｎ型非晶質膜１０２ｎは、導電型がｎ型で、水素を含有する非晶質半導体の膜である。ｎ型非晶質膜１０２ｎは例えば、ドーパントとしてリンを含有する。ドーパント濃度は、例えば１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。ｎ型非晶質膜１０２ｎは例えば、ｎ型非晶質シリコン、ｎ型非晶質シリコンゲルマニウム、ｎ型非晶質ゲルマニウム、ｎ型非晶質シリコンカーバイド、ｎ型非晶質シリコンナイトライド、ｎ型非晶質シリコンオキサイド、ｎ型非晶質シリコンカーボンオキサイド等の膜である。ｎ型非晶質膜１０２ｎの厚さは例えば、２〜５０ｎｍである。
ｐ型非晶質膜１０３ｐは、導電型がｐ型で、水素を含有する非晶質半導体の膜である。ｐ型非晶質膜１０３ｐは例えば、ドーパントとしてボロンを含有する。ドーパント濃度は、例えば１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。ｐ型非晶質膜１０３ｐは例えば、ｐ型非晶質シリコン、ｐ型非晶質シリコンゲルマニウム、ｐ型非晶質ゲルマニウム、ｐ型非晶質シリコンカーバイド、ｐ型非晶質シリコンナイトライド、ｐ型非晶質シリコンオキサイド、ｐ型非晶質シリコンカーボンオキサイド等の膜である。ｐ型非晶質膜１０３ｐの厚さは例えば、２〜５０ｎｍである。
ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉは、後述するようにシリコン基板１０１のパッシベーション膜として機能する。したがって、光電変換素子１は、ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉを備えていることが好ましい。しかし、光電変換素子１は、ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉを備えていなくても良い。
半導体層１０２は、ｉ型非晶質シリコンとｎ型非晶質シリコンとの組み合わせであることが好ましい。また、半導体層１０３は、ｉ型非晶質シリコンとｐ型非晶質シリコンとの組み合わせであることが好ましい。
透明導電膜１０４は、半導体層１０２を覆って形成されている。透明導電膜１０５は、半導体層１０３を覆って形成されている。透明導電膜１０４および１０５は、例えば透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ）である。透明導電膜１０４および１０５の厚さは例えば、５０〜１００ｎｍである。
なお、透明導電膜１０４および１０５として、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ２、またはＺｎＯを用いることが好ましい。
透明導電膜１０４の上には電極１０６が、透明導電膜１０５の上には電極１０７が、それぞれ形成されている。電極１０６および１０７は、例えば、銀粉末等の導電性フィラーを練り込んだ樹脂組成物である。
図２は、シリコン基板１０１の凹凸構造ＴＸを模式的に示す平面図である。
凹凸構造ＴＸは、複数の凸部ＴＸａを含んでいる。図２に示す例では、凸部ＴＸａのそれぞれは、４つの傾斜面１０１ａから構成されるピラミッド形状を有している。このような凹凸構造ＴＸは、後述するように、例えば単結晶シリコン基板の（１００）面を異方性エッチングすることによって形成することができる。この方法によれば、（１１１）面に起因した互いに対称な傾斜面１０１ａが形成される。
なお、図２の凹凸構造ＴＸはあくまでも例示であり、傾斜面１０１ａは互いに非対称な形状であっても良いし、凸部ＴＸａが３つ以下または５つ以上の傾斜面から構成されていても良い。
凸部ＴＸａの大きさは、凸部ＴＸａの底面の一辺の長さ（底面の各辺の長さが異なる場合は、最も長い辺の長さ）ｒの値で、０．６〜２０μｍであることが好ましい。太陽光に含まれる３５０〜１１００ｎｍの波長の光を散乱させる効果を高くすることができるためである。
隣接する凸部ＴＸａの間には、凹部ＴＸｂが形成されている。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であって、凹部ＴＸｂ付近の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。
図４は、ボトム幅Ｌｂを説明するための模式図である。図４は、図３と同様に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示している。図４は、より詳しくは、凹部ＴＸｂを挟んで隣接する２つの傾斜面１０１ａが交わる線ＬＸ（図２）に垂直な断面である。この断面において、２つの傾斜面１０１ａの一方の接線と前記凹部ＴＸｂの最深部の接線とが交わる点を点Ｐａとし、２つの傾斜面１０１ａの他方の接線と前記凹部ＴＸｂの最深部の接線とが交わる点を点Ｐｂとする。そして、点Ｐａと点Ｐｂとの間の距離を、ボトム幅Ｌｂと定義する。
すなわち、凹部ＴＸｂを挟んで隣接する２つの傾斜面１０１ａが交わる線ＬＸ（図２）に垂直な断面において、２つの傾斜面１０１ａの一方の接線と凹部ＴＸｂの最深部の接線とが交わる点Ｐａと、２つの傾斜面１０１ａの他方の接線と凹部ＴＸｂの最深部の接線とが交わる点Ｐｂとの間の距離を、ボトム幅Ｌｂと定義する。
図５は、ボトム幅Ｌｂを説明するための模式図であって、凹部ＴＸｂに平坦部分（基準面と平行な部分）が無い場合を示す図である。図５に示すように、上記の定義によれば、凹部ＴＸｂに平坦部分が無い場合であっても、ボトム幅Ｌｂを一意に決定することができる。
本実施形態にかかる光電変化素子１は、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ以上である。
［光電変換素子１の製造方法］
次に、図６Ａ〜図６Ｄを参照して、光電変換素子１の製造方法の一例を説明する。ただし、光電変換素子１の製造方法は、ここで例示する方法に限定されない。
両面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板１０１を製造する（図６Ａ）。まず、平坦面が（１００）面である単結晶シリコン基板をアルカリ溶液に浸漬する。溶液は例えば、ＫＯＨ１〜５重量％とイソプロピルアルコール１〜１０重量％の混合溶液を用いることができる。処理温度は例えば８０〜９０℃とすることができ、処理時間は例えば３０分とすることができる。
この方法によれば、（１００）面のエッチング速度と（１１１）面のエッチング速度との違いによって、（１１１）面に起因した互いに対称な傾斜面１０１ａが形成される。ここで、傾斜面１０１ａと基準面とがなす角度を傾斜角α（図１）と定義する。なお、（１１１）面と基準面とがなす角度は約５４．７°である。
続いて、両面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板１０１を、フッ酸と硝酸の混合水溶液（以下、フッ硝酸と呼ぶ）に浸漬してさらにエッチングする。フッ硝酸は例えば、５０重量％のフッ酸水溶液と６０重量％の硝酸水溶液とを１：１０〜１：１００の混合比で混合した水溶液を用いることができる。純粋で薄めて使用してもよい。処理時間は例えば３０〜３００秒である。
このエッチングによって、シリコン基板の表面は平坦な表面に近づく。すなわち、このエッチングによって、凸部ＴＸａの高さは低くなり、ボトム幅Ｌｂは広がり、傾斜角αは小さくなる。
後述するように、ボトム幅Ｌｂが大きくなると、ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉのパッシベーション機能が向上する。ボトム幅Ｌｂを２０ｎｍ以上にすることによって、パッシベーション機能を顕著に向上させることができる。ボトム幅Ｌｂは、好ましくは１００ｎｍ以上である。
一方、シリコン基板の表面が平坦な表面に近づくほど、凹凸構造ＴＸの光の閉じ込め効果が低下する。そのため、ボトム幅Ｌｂは、好ましくは６００ｎｍ以下である。また、傾斜角αは、好ましくは４８°以上である。
次に、シリコン基板１０１の受光面側に、半導体層１０２を形成する（図６Ｂ）。
まず、シリコン基板１０１の受光面上に、例えばプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、ｉ型非晶質膜１０２ｉを形成する。例えば、基板温度：１３０〜２２０℃、Ｈ２ガス流量：２００〜３０００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：２００〜１０００ｓｃｃｍ、圧力：３０〜５００Ｐａ、高周波電力密度５〜４０ｍＷ／ｃｍ２の条件でプラズマＣＶＤを実施することによって、ｉ型非晶質シリコンを成膜することができる。
続いて、ｉ型非晶質膜１０２ｉ上に、例えばプラズマＣＶＤによって、ｎ型非晶質膜１０２ｎを形成する。例えば、基板温度：１３０〜２２０℃、Ｈ２ガス流量：２００〜３０００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：２００〜１０００ｓｃｃｍ、ＰＨ３／Ｈ２ガス流量：３０〜５００ｓｃｃｍ、圧力：２０〜１００Ｐａ、高周波電力密度：５〜４０ｍＷ／ｃｍ２の条件でプラズマＣＶＤを実施することによって、リン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコンを成膜することができる。なお、ＰＨ３／Ｈ２ガスはＰＨ３ガスをＨ２ガスで希釈したガスを表し、Ｈ２に対するＰＨ３の濃度は例えば１％とすることができる。
次に、シリコン基板１０１の裏面側に、半導体層１０３を形成する（図６Ｃ）。
まず、シリコン基板１０１の裏面上に、例えばプラズマＣＶＤによって、ｉ型非晶質膜１０３ｉを形成する。ｉ型非晶質膜１０３ｉの形成条件は、ｉ型非晶質膜１０２ｉと同様である。ｉ型非晶質膜１０２ｉとｉ型非晶質膜１０３ｉとは、同じ条件で成膜しても良いし、異なる条件で成膜しても良い。
続いて、ｉ型非晶質膜１０３ｉ上に、例えばプラズマＣＶＤによって、ｐ型非晶質膜１０３ｐを形成する。例えば、基板温度：１３０〜２２０℃、Ｈ２ガス流量：２００〜３０００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：２００〜１０００ｓｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２ガス流量：３０〜５００ｓｃｃｍ、圧力：２０〜１００Ｐａ、高周波電力密度：５〜４０ｍＷ／ｃｍ２の条件でプラズマＣＶＤを実施することによって、ボロン（Ｂ）がドープされたｐ型非晶質シリコンを成膜することができる。なお、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２ガスはＢ２Ｈ６ガスをＨ２ガスで希釈したガスを表し、Ｈ２に対するＢ２Ｈ６の濃度は例えば２％とすることができる。
次に、半導体層１０２上に透明導電膜１０４を、半導体層１０３上に透明導電膜１０５を、それぞれ形成する（図６Ｄ）。
透明導電膜１０４および１０５として、例えば、次のようなスパッタによって、ＩＴＯを形成することができる。まず、ＳｎＯ２粉末が５重量％混入したＩｎ２Ｏ３粉末の焼結体をターゲットとしてカソードに設置する。半導体層１０２および１０３が形成されたシリコン基板１０１を、カソードに対して平行になるように配置し、チャンバー内を真空排気する。シリコン基板１０１の温度が１８０℃になるように加熱し、Ａｒガス（流量：２００〜８００ｓｃｃｍ）とＯ２ガス（流量：０〜３０ｓｃｃｍ）の混合ガスを流してチャンバー内の圧力を０．４〜１．３Ｐａに保ちながら、カソードに直流電力を０．２〜２ｋＷ投入して放電させる。
最後に、透明導電膜１０４上に電極１０６を、透明導電膜１０５上に電極１０７を、それぞれ形成する。電極１０６および１０７は、例えば、エポキシ樹脂に銀（Ａｇ）微粉末を練り込んだＡｇペーストをスクリーン印刷法によってパターニングした後、これを２００℃、８０分焼成硬化することによって形成することができる。
以上、光電変換素子１の製造方法の一例を説明した。上記の例では、平坦面が（１００）面である単結晶シリコン基板をアルカリ溶液に浸漬して凹凸構造ＴＸを形成する方法を説明したが、凹凸構造ＴＸを形成する方法はこれに限定されない。例えば、反応性ガスを用いたドライエッチングによって凹凸構造ＴＸを形成しても良い。
［光電変換素子１の効果］
図７は、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ未満の場合の、凹部ＬＸｂ付近の断面のＴＥＭ像である。図８は、図７中の領域Ａの拡大図である。
図８に示すように、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ未満の光電変換素子では、半導体層１０２にひび割れＣＲ１が発生している。これは、半導体層１０２が形成される際に、両側の傾斜面１０１ａから強い応力を受けるためと考えられる。半導体層１０２は、パッシベーション膜としての機能を有するが、ひび割れＣＲ１が発生している部分では、パッシベーション膜として機能しない。また、半導体層１０２は、電流取出し時のキャリア輸送層としての機能も有するが、ひび割れＣＲ１が発生している部分では、キャリアの再結合が起こり取出し電流が小さくなる。
図７に示すように、透明導電膜１０４にもひび割れＣＲ２が発生している。これも上記と同様に、両側の傾斜面１０１ａからの応力によるものと考えられる。透明導電膜１０４は電流取出し時のキャリア輸送層としての機能を有するが、ひび割れＣＲ２が発生している部分では、キャリアの再結合が起こり取出し電流が小さくなる。さらに、透明導電膜１０４がひび割れＣＲ２によって分断されるため、横方向導電性が悪くなり、光電変換素子１の直列抵抗Ｒｓが大きくなる。
光電変換素子１の裏面側において、同様のひび割れが半導体層１０３および透明導電膜１０５にも発生し得る。
本実施形態によれば、ボトム幅Ｌｂを２０ｎｍ以上にする。これによって、傾斜面１０１ａからの応力を緩和することができる。これによって、半導体層１０２、１０３のパッシベーション機能が向上する。これによって、光電変換素子１の変換効率を向上させることができる。ボトム幅Ｌｂの大きさと、光電変換素子１の変換効率等の関係については、実施例において詳しく説明する。
ボトム幅Ｌｂを２０ｎｍ以上にすることによって、透明導電膜１０４および１０５に加わる応力も緩和することができる。これによって、光電変換素子１の直列抵抗Ｒｓを小さくすることができる。
本実施形態では、光電変換素子１の受光面側にｉ型非晶質膜１０２ｉ、裏面側にｉ型非晶質膜１０３ｉを形成している。本実施形態では、光電変換素子１の両面がパッシベーションされているため、より高いパッシベーション効果が得られる。また、本実施形態では、光電変換素子１が受光面側と裏面側とで対称な構成を有することにより、光電変換素子１の製造工程における反りを抑制することができる。
本実施形態では、半導体膜１０２および１０３は、非晶質膜からなる。そのため、光電変換素子１は、高温プロセスを経ないで作製することができ、キャリアライフタイムを長くすることができる。
以上、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子１の構成、製造方法、および効果について説明した。本実施形態では、導電型がｎ型のシリコン基板１０１にｐ型の半導体膜を形成することでｐｎ結合を形成しているが、ｐ型のシリコン基板にｎ型の半導体膜を形成した場合でも同様の効果を得ることができる。
上記の例では、シリコン基板１０１として単結晶シリコン基板を用いる例を説明した。しかし、シリコン基板１０１として、多結晶シリコン基板を用いても良い。多結晶シリコン基板を用いる場合、例えば、反応性ガスを用いたドライエッチングによってストライプ状の凹凸構造を形成し、その後、フッ硝酸によるエッチングによってボトム幅を調整しても良い。
光電変換素子１は、裏面側の透明導電膜１０５に代えて、透光性を有しない導電膜を備えていても良い。導電膜は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｄ等の金属、およびこれらの金属の１種以上を含む合金の膜である。
［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態にかかる光電変換素子２の概略構成を示す断面図である。光電変換素子２では、ｐ型非晶質膜１０３ｐを含む半導体層１０３がシリコン基板１０１の受光面側に形成されており、ｎ型非晶質膜１０２ｎを含む半導体層１０２がシリコン基板１０１の裏面側に形成されている。それ以外の構成は、光電変換素子１と同じである。光電変換素子２においても、シリコン基板１０１の両面に凹凸構造ＴＸが形成されており、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
［第３の実施形態］
図１０は、本発明の第３の実施形態にかかる光電変換素子３の概略構成を示す断面図である。光電変換素子３は、シリコン基板１０１に代えて、受光面側にだけ凹凸構造ＴＸが形成された導電型がｎ型のシリコン基板３０１を備えている。光電変換素子３は、電極１０７に代えて、導電膜１０５の概略全面を覆って形成された電極３０７を備えている。それ以外の構成は、光電変換素子１と同じである。光電変換素子３においても、受光面側に形成された凹凸構造ＴＸにおいて、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
［光電変換素子３の製造方法］
以下、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、光電変換素子３の製造方法の一例を説明する。ただし、光電変換素子３の製造方法は、ここで例示する方法に限定されない。
片面だけに凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板３０１を作製する（図１１Ａ）。まず、単結晶シリコン基板の一方の面にスパッタ等でＳｉＯ２等の膜９０を形成する。続いて、膜９０をマスクとして、このシリコン基板をアルカリ溶液等でエッチングし、膜９０を形成した面と反対側の面にだけ凹凸構造ＴＸを形成する。凹凸構造ＴＸを形成後、膜９０を除去する。
次に、シリコン基板３０１の受光面側に半導体層１０２を、裏面側に半導体層１０３を、それぞれ形成する（図１１Ｂ）。半導体層１０２および１０３の形成方法は、第１の実施形態と同様である。
次に、半導体層１０２上に透明導電膜１０４を、半導体層１０３上に透明導電膜１０５を、それぞれ形成する（図１１Ｃ）。透明導電膜１０４および１０５の形成方法は、第１の実施形態と同様である。
次に、透明導電膜１０４の上に電極１０６を形成し、透明導電膜１０５の上に導電膜３０７を形成する。電極１０６の形成方法は、第１の実施形態と同様である。電極３０７は、例えばスパッタによって形成することができる。
［第３の実施形態の効果］
本実施形態によっても、受光面側に形成された凹凸構造ＴＸの凹部ＴＸｂにおいて、半導体層１０２および透明導電膜１０４に加わる応力が緩和される。これによって、変換効率を向上させることができる。
本実施形態では、透明導電膜１０５の概略全面を覆って、電極３０７を形成する。光電変換素子３の受光面側から裏面に到達した光は、電極３０７によって反射される。これによって、光電変換素子３は、より多くの光を取り込むことができる。
［第４の実施形態］
図１２は、本発明の第４の実施形態にかかる光電変換素子４の概略構成を示す断面図である。光電変換素子４では、ｐ型非晶質膜１０３ｐを含む半導体層１０３がシリコン基板３０１の受光面側に形成されており、ｎ型非晶質膜１０２ｎを含む半導体層１０２がシリコン基板３０１の裏面側に形成されている。それ以外の構成は、光電変換素子３と同じである。光電変換素子４においても、シリコン基板３０１の受光面側には凹凸構造ＴＸが形成されており、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
［第５の実施形態］
図１３は、本発明の第５の実施形態にかかる光電変換素子５の概略構成を示す断面図である。光電変換素子５は、シリコン基板５０１と、パッシベーション膜５０２と、透明導電膜１０５と、電極１０６および３０７とを備えている。
シリコン基板５０１は導電型がｎ型であり、受光面側にｐ型拡散領域５０１ｐが形成されており、裏面側にｎ型拡散領域５０１ｎが形成されている。電極１０６は、ｐ型拡散領域５０１ｐに接するように形成されている。光電変換素子５においても、シリコン基板５０１の受光面側には凹凸構造ＴＸが形成されており、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
パッシベーション膜５０２は例えば、プラズマＣＶＤによって体積させたｉ型非晶質シリコンの膜であっても良いし、シリコン基板５０１の表面を熱処理して形成した酸化膜であっても良い。パシベーション膜５０２の一部には、ｐ型拡散領域５０１ｐと電極１０６とを接触させるためのコンタクトホールが形成されている。
［光電変換素子５の製造方法］
以下、光電変換素子５の製造方法の一例を説明する。ただし、光電変換素子５の製造方法は、ここで例示する方法に限定されない。
まず、片面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板を、第３の実施形態と同様にして製造する。片面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板に、ｐ型拡散領域５０１ｐとｎ型拡散領域５０１ｎとを形成する。
ｐ型拡散領域５０１ｐは例えば、シリコン基板５０１の受光面にＡＰＣＶＤ（Ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってＢＳＧ（Ｂ−ｄｏｐｅｄ Ｓｉｌｉｇａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を堆積し、堆積したＢＳＧ膜を熱処理することによって形成することができる。ｐ型拡散領域５０１ｐのドーパント濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型拡散領域５０１ｎは例えば、シリコン基板５０１の裏面をＰｏＣｌ３、Ｎ２、およびＯ２の混合ガス雰囲気化で熱処理することによって形成することができる。ｎ型拡散領域５０１ｎのドーパント濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
次に、パッシベーション膜５０２を形成する。パッシベーション膜５０２は、上述のように、プラズマＣＶＤによって体積させたｉ型非晶質シリコンの膜であっても良いし、シリコン基板５０１の表面を熱処理して形成した酸化膜であっても良い。ｐ型拡散領域５０１ｐと電極１０６とを接触させるためのコンタクトホールは、例えばフォトリソグラフィによって形成することができる。
次に、透明導電膜１０５、ならびに電極１０６および３０７を形成する。透明導電膜１１０５は、例えば、スパッタによって形成することができる。電極１０６は例えば、印刷法によって形成することができる。電極３０７は例えば、スパッタによって形成することができる。
［第５の実施形態の効果］
本実施形態によっても、受光面側に形成された凹凸構造ＴＸの凹部ＴＸｂにおいて、パッシベーション膜５０２に加わる応力が緩和される。これによって、変換効率を向上させることができる。
本実施形態では、導電型がｎ型のシリコン基板５０１にｐ型拡散領域５０１ｐを形成することでｐｎ結合を形成しているが、ｐ型のシリコン基板にｎ型拡散領域を形成した場合でも同様の効果を得ることができる。
［第６の実施形態］
図１４は、本発明の第６の実施形態にかかる光電変換素子６の概略構成を示す断面図である。光電変換素子６は、シリコン基板３０１、半導体層１０２、６０２、および６０３、絶縁膜６０４、透明導電膜６０５および６０６、ならびに電極６０７および６０８を備えている。
絶縁膜６０４は、半導体層１０２を覆って形成されている。絶縁膜６０４は、反射防止膜としての機能と保護膜としての機能とを有する。絶縁膜６０４は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコンである。半導体層１０２のパッシベーション性を考慮すると、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンが好ましい。絶縁膜６０４の厚さは、付与しようとする反射防止特性に応じて適宜に設定されるが、例えば８０〜３００ｎｍである。
半導体層６０２および６０３は、シリコン基板３０１の裏面に接して、シリコン基板３０１の面内方向に配置されている。半導体層６０２は、ｉ型非晶質膜６０２ｉと、ｎ型非晶質膜６０２ｎとを含んでいる。半導体膜６０３は、ｉ型非晶質膜６０３ｉと、ｐ型非晶質膜６０３ｐとを含んでいる。ｉ型非晶質膜６０２ｉおよび６０３ｉは、ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉと同様の物質を用いることができる。ｎ型非晶質膜６０２ｎは、ｎ型非晶質膜１０２ｎと同様の物質を用いることができる。ｐ型非晶質膜６０３ｐは、ｐ型非晶質膜１０３ｐと同様の物質を用いることができる。
半導体層６０２の上には、透明導電膜６０５および電極６０７がこの順で形成されている。半導体層６０３の上には、透明導電膜６０６および電極６０８がこの順で形成されている。
図１５は、光電変換素子６を裏面側から見た平面図である。図１５に示すように、透明導電膜６０５および電極６０７と、透明導電膜６０６および電極６０８とは、互いに導通しないように形成されている。
透明導電膜６０５および６０６は、例えばＩＴＯ、ＳｎＯ２、またはＺｎＯである。電極６０７および６０８は、銀等の反射率の高い金属である。この構成によれば、光電変換素子６の受光面側から裏面に到達した光は、反射率の高い電極６０７および６０８によって反射されるため、より多くの光を取り込むことができる。
光電変換素子６においても、シリコン基板３０１の受光面側には凹凸構造ＴＸが形成されており、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
［光電変換素子６の製造方法］
以下、図１６Ａ〜図１６Ｆを参照して、光電変換素子６の製造方法の一例を説明する。ただし、光電変換素子６の製造方法は、ここで例示する方法に限定されない。
まず、片面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板３０１を作製する。シリコン基板３０１は、第３の実施形態と同様にして作製することができる。
次に、シリコン基板３０１の受光面側に、半導体層１０２を形成する。半導体層１０２は、第１の実施形態と同様にして作製することができる。
次に、シリコン基板３０１の裏面側に、半導体層６０２および６０３を形成する。
まず、プラズマＣＶＤによって、シリコン基板３０１の裏面の概略全面を覆って、ｉ型非晶質膜６０３ｉＡとｐ型非晶質膜６０３ｐＡとを順次形成する（図１６Ａ）。その後、フォトリソグラフィによって、半導体層６０３を形成する部分にレジスト９１を形成し、残部をエッチングによって除去する（図１６Ｂ）。これによって、半導体層６０３が形成される。半導体層６０３を形成後、レジスト９１を除去する。
続いて、プラズマＣＶＤによって、シリコン基板３０１の裏面および半導体層６０３の概略全面を覆って、ｉ型非晶質膜６０２ｉＡとｎ型非晶質膜６０２ｎＡとを順次形成する（図１６Ｃ）。その後、フォトリソグラフィによって、半導体層６０２を形成する部分にレジスト９２を形成し、残部をエッチングによって除去する（図１６Ｄ）。これによって、半導体層６０２が形成される。半導体層６０２を形成後、レジスト９２を除去する。
次に、半導体層１０２上に、絶縁膜６０４を形成する。絶縁膜６０４は例えば、ＡＰＣＶＤによって形成することができる。
次に、半導体層６０２および６０３を覆って、透明導電膜６０５Ａと導電膜６０７Ａとを順次形成する（図１６Ｅ）。透明導電膜６０５Ａおよび導電膜６０７Ａは例えば、スパッタによって形成することができる。その後、フォトリソグラフィによって、透明導電膜６０５および電極６０７、ならびに透明導電膜６０６および電極６０８を形成する部分にレジスト９３を形成し、残部をエッチングによって除去する（図１６Ｆ）。これによって、透明導電膜６０５および電極６０７、ならびに透明導電膜６０６および電極６０８が形成される。透明導電膜６０５および電極６０７、ならびに透明導電膜６０６および電極６０８を形成後、レジスト９３を除去する。
［光電変換素子６の効果］
光電変換素子６は、受光面側に電極が存在しない、いわゆる裏面接合型の光電変換素子である。この構成によれば、受光面側に電極が存在しないため、より多くの光を取り込むことができる。
本実施形態によっても、受光面側に形成された凹凸構造ＴＸの凹部ＴＸｂにおいて、半導体層１０２および絶縁膜６０４に加わる応力が緩和される。これによって、変換効率を向上させることができる。
［第７の実施形態］
図１７は、本発明の第７の実施形態にかかる光電変換素子７の概略構成を示す断面図である。光電変換素子７は、光電変換素子６と比較して、以下の点が異なっている。
光電変換素子７は、シリコン基板３０１に代えて、シリコン基板７０１を備えている。シリコン基板７０１は導電型がｎ型であり、受光面側にｎ型拡散領域７０１ｎ１が形成されており、裏面側にｎ型拡散領域７０１ｎ２およびｐ型拡散領域７０１ｐが形成されている。光電変換素子７は、半導体層１０２に代えてパッシベーション膜５０２を備えている。半導体層６０２および６０３は形成されていない。それ以外の構成は、光電変換素子６と同じである。光電変換素子７においても、シリコン基板７０１の受光面側には凹凸構造ＴＸが形成されており、ボトム幅Ｌｂは２０ｎｍ以上である。
シリコン基板７０１は、片面に凹凸構造ＴＸが形成されたシリコン基板に、ｎ型拡散領域７０１ｎ１、ｎ型拡散領域７０１ｎ２、およびｐ型拡散領域７０１ｐを形成することによって得られる。
ｎ型拡散領域７０１ｎ１は例えば、シリコン基板７０１の受光面をＰｏＣｌ３、Ｎ２、およびＯ２の混合ガス雰囲気化で熱処理することによって形成することができる。ｎ型拡散領域７０１ｎ１のドーパント濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
ｎ型拡散領域７０１ｎ２およびｐ型拡散領域７０１ｐは例えば、次にようにして形成することができる。
まず、シリコン基板７０１の裏面の概略全面に、ＡＰＣＶＤによってＢＳＧ膜を堆積する。ＢＳＧ膜を堆積後、フォトリソグラフィによってｐ型拡散領域７０１ｐを形成する部分にレジストを形成し、残部を除去する。その後、熱処理を行ってＢＳＧからボロンを拡散させることで、ｐ型拡散領域７０１ｐが形成される。ｐ型拡散領域７０１ｐのドーパント濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
次に、シリコン基板７０１の裏面の概略全面に、ＡＰＣＶＤによってＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｇａｔｅ Ｇｌａｓｓ）膜を堆積する。ＰＳＧ膜を堆積後、フォトリソグラフィによってｎ型拡散領域７０１ｎ２を形成する部分にレジストを形成し、残部を除去する。その後、熱処理を行ってＰＳＧからリンを拡散させることで、ｎ型拡散領域７０１ｎ２が形成される。ｎ型拡散領域７０１ｎ２のドーパント濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
本実施形態によっても、受光面側に形成された凹凸構造ＴＸの凹部ＴＸｂにおいて、受光面側のパッシベーション膜５０２および絶縁膜６０４に加わる応力が緩和される。これによって、変換効率を向上させることができる。
本実施形態では、シリコン基板７０１の受光面側にｎ型拡散領域７０１ｎ１を形成している。ｎ型拡散領域７０１ｎ１は、表面障壁として機能する。したがって、ｎ型拡散領域７０１ｎ１は形成されていることが好ましい。しかし、ｎ型拡散領域７０１ｎ１は形成されていなくても良い。
本実施形態では、導電型がｎ型のシリコン基板７０１の裏面にｎ型拡散領域７０１ｎ２およびｐ型拡散領域７０１ｐを形成することでｐｎ結合を形成しているが、ｐ型のシリコン基板の裏面にｐ型拡散領域およびｎ型拡散領域を形成した場合でも同様の効果を得ることができる。
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。
本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、光を電気に変換する光電変換素子であって、複数の傾斜面を含む凹凸構造が少なくとも一方の面に形成されたシリコン基板を備える。前記凹凸構造の凹部を挟んで隣接する２つの傾斜面が交わる線に垂直な断面において、前記２つの傾斜面の一方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点と、前記２つの傾斜面の他方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点との間の距離をボトム幅としたとき、前記ボトム幅は、２０ｎｍ以上である（第１の構成）。
上記の構成によれば、ボトム幅を２０ｎｍ以上にすることによって、凹部を挟んで隣接する２つの傾斜面から加わる応力を緩和できる。そのため、凹凸構造上に均一なパッシベーション膜を形成することができ、光電変換素子の変換効率を向上させることができる。
上記第１の構成において、好ましくは、前記ボトム幅は、１００〜６００ｎｍである（第２の構成）。
上記第１または第２の構成において、前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、前記シリコン基板の一方の面に接して形成された第１非晶質真性半導体層と、前記第１非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と異なる導電型である第１導電型半導体層と、前記シリコン基板の他方の面に接して形成された第２非晶質真性半導体層と、前記第２非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と同じ導電型である第２導電型半導体層とをさらに備えていても良い（第３の構成）。
上記第１〜第３のいずれかの構成において、好ましくは、前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、前記シリコン基板の受光面側に形成された第１透明導電膜をさらに備える（第４の構成）。
上記の構成によれば、第１透明導電膜によって、光電変換素子から電流を取り出し易くする。ボトム幅を２０ｎｍ以上にすることによって、第１透明導電膜が受ける応力を緩和できるため、第１透明導電膜の抵抗が増加するのを抑制できる。
上記第１〜第３のいずれかの構成において、前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面と反対側に形成され、前記シリコン基板の受光面と反対側に形成された第２透明導電膜と、前記第２透明導電膜上に形成された金属膜とをさらに備えていても良い（第５の構成）。
上記の構成によれば、第２透明導電膜と金属膜とによって、シリコン基板の受光面と反対側へ到達した光を反射し、光の利用率を高めることができる。ボトム幅を２０ｎｍ以上にすることによって、第２透明導電膜が受ける応力を緩和できるため、第２透明導電膜の抵抗が増加するのを抑制できる。
上記第１または第２の構成において、前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、前記シリコン基板の受光面に接して形成された第１非晶質真性半導体層と、前記シリコン基板の他方の面に接して形成され、前記シリコン基板の面内方向に配置された第２非晶質真性半導体層および第３非晶質真性半導体層と、前記第２非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と異なる導電型である第１導電型半導体層と、前記第３非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と同じ導電型である第２導電型半導体層とをさらに備えていても良い（第６の構成）。
上記第１〜第６のいずれかの構成において、好ましくは、前記凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さが、０．６〜２０μｍである。
上記の構成によれば、太陽光に含まれる光に対する散乱能が高まるので、より効率的に光を利用することができる。
上記第１〜第７のいずれかの構成において、好ましくは、前記傾斜面の傾斜角が４８°以上である（第８の構成）。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。
［実施例１］
導電型がｎ型であり、平坦面が（１００）面である単結晶シリコン基板を、アルカリ溶液に浸漬して、両面に凹凸構造が形成されたシリコン基板を作製した。両面に凹凸構造が形成されたシリコン基板をフッ硝酸に浸漬してエッチングした。
その後、第１の実施形態にかかる光電変換素子１の製造方法に準じて、光電変換素子を作製した。なお、ｉ型非晶質膜１０２ｉおよび１０３ｉとしてｉ型非晶質シリコンを、ｎ型非晶質膜１０２ｎとしてリンがドープされたｎ型非晶質シリコンを、ｐ型非晶質膜１０３ｐとしてボロンがドープされたｐ型非晶質シリコンを、透明導電膜１０４および１０５としてＩＴＯを、それぞれ使用した。
この光電変換素子のボトム幅Ｌｂは、３００ｎｍであった。
［比較例１］
フッ硝酸によるエッチングを行わなかった以外は、実施例１と同様にして光電変換素子を作製した。この光電変換素子のボトム幅Ｌｂは、２０ｎｍ未満であった。
図１８は、実施例１にかかる光電変換素子の凹凸構造の凹部付近の断面ＴＥＭ像である。図１９は、比較例１にかかる光電変換素子の凹凸構造の凹部付近の断面ＴＥＭ像である。
図１９に示すように、比較例１にかかる光電変換素子では、透明導電膜１０４にひび割れが発生していた。図１８に示すように、実施例１にかかる光電変換素子では、透明導電膜１０４にひび割れは発生していなかった。
実施例１および比較例１にかかる光電変換素子について、短絡電流密度Ｊｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、フィルファクタＦＦ、直列抵抗Ｒｓ、および変換効率ηを測定した。結果を表１に示す。
この結果から、ボトム幅Ｌｂが大きい実施例１の光電変換素子の方が、変換効率ηが大きくなることが分かった。
［実施例２］
次に、フッ硝酸によるエッチングの処理条件を変えて、ボトム幅Ｌｂの異なる複数の光電変換素子を作製した。より具体的には、フッ酸（５０重量％水溶液）と硝酸（６０重量％水溶液）との混合比、および処理時間を、表２に示すように変えながらエッチングを行った。それ以外は実施例１と同様にして、光電変換素子を作製した。この光電変換素子のボトム幅Ｌｂは、２０〜６００ｎｍであった。また、比較例２として、フッ硝酸によるエッチングを行わずに光電変換素子を作製した。この光電変換素子のボトム幅Ｌｂは、１５ｎｍであった。
実施例２および比較例２にかかる光電変換素子について、反射率、短絡電流密度Ｊｓｃ、キャリアライフタイム、開放電圧Ｖｏｃ，直列抵抗Ｒｓ、変換効率η、および傾斜角αを測定し、ボトム幅Ｌｂとの関係を調べた。キャリアライフタイムはＳＥＭＩＬＡＢ社のＷＴ−２０００を用いて測定した。
図２０は、光電変換素子の反射率とボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２０から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、反射率が大きくなることが分かる。これは、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、平坦な部分が増えるためであると考えられる。
図２１は、短絡電流密度Ｊｓｃとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２１から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、短絡電流密度Ｊｓｃが低下することが分かる。これは、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって反射率が高くなるためであると考えられる。ボトム幅Ｌｂが６００ｎｍを超えると、短絡電流密度Ｊｓｃが小さくなり過ぎ、光電変換素子の性能が低下する。
図２２は、キャリアライフタイムとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２２から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、キャリアライフタイムが増加することが分かる。これは、ボトム幅Ｌｂが大きくなることで、半導体層１０２および１０３等が受ける応力が緩和され、シリコン基板が均一にパッシベーションされるためであると考えられる。
図２３は、開放電圧Ｖｏｃとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２３から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、開放電圧Ｖｏｃが増加することが分かる。これも、ボトム幅Ｌｂが大きくなることで、シリコン基板が均一にパッシベーションされるためであると考えられる。
図２４は、直列抵抗Ｒｓとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２４から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、直列抵抗Ｒｓが低下することが分かる。これは、ボトム幅Ｌｂが大きくなることで、透明導電膜１０４および導電膜１０５に加わる応力が緩和されるためであると考えられる。
図２５は、変換効率ηとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２５から、ボトム幅Ｌｂが大きくなるにしたがって、変換効率ηが増加することが分かる。これは、ボトム幅Ｌｂが大きくなることによって、半導体層１０２および１０３が受ける応力が緩和されることでシリコン基板が均一にパッシベーションされ、開放電圧Ｖｏｃが大きくなるためであると考えられる。
図２６は、図２５の一部を拡大して示す図である。図２６から、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ以上になると、変換効率ηが顕著に増加することが分かる。なお、図２５から、ボトム幅Ｌｂが１００ｎｍまでは、変換効率ηが増加し続けていることが分かる。
以上から、ボトム幅Ｌｂが２０ｎｍ以上であれば、高い変換効率ηが得られることが分かった。ボトム幅Ｌｂは、好ましくは１００〜６００ｎｍである。
図２７は、傾斜角αとボトム幅Ｌｂとの関係を示すグラフである。図２７から、傾斜角αとボトム幅Ｌｂとの間に相関があることが分かる。ボトム幅Ｌｂを６００ｎｍ以下にするためには、傾斜角αを４８°以上にすれば良い。
以下、本発明の別の局面として第１〜第７実施形態の光電変換素子のうち少なくとも１つを備える光電変換モジュール（第８実施形態）および太陽光発電システム（第９実施形態、第１０実施形態）について説明する。
第１〜第７実施形態の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える光電変換モジュールおよび太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。
［第８実施形態］
第８実施形態は、第１〜第７実施形態の光電変換素子のうち少なくとも１つを備える光電変換モジュールである。
＜光電変換モジュール＞
図２８は、本実施形態にかかる光電変換モジュールの構成の一例を示す概略図である。図２８を参照して光電変換モジュール１０００は、複数の光電変換素子１００１と、カバー１００２と、出力端子１０１３，１０１４とを備える。
複数の光電変換素子１００１はアレイ状に配列され直列に接続されている。図２８には光電変換素子１００１を直列に接続する配列を図示しているが、配列および接続方式はこれに限定されず、並列に接続して配列しても良いし、直列と並列とを組み合わせた配列としても良い。複数の光電変換素子１００１の各々には、第１〜第７実施形態の光電変換素子のいずれか１つが用いられる。なお、光電変換モジュール１０００は、複数の光電変換素子１００１のうち少なくとも１つが第１〜第７実施形態の光電変換素子のいずれかからなる限り、上記の説明に限定されず如何なる構成もとり得るものとする。また、光電変換モジュール１０００に含まれる光電変換素子１００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
カバー１００２は耐候性のカバーから構成されており、複数の光電変換素子１００１を覆う。カバー１００２は、例えば、光電変換素子１００１の受光面側に設けられた透明基材（例えばガラス等）と、前記光電変換素子１００１の受光面側とは反対の裏面側に設けられた裏面基材（例えば、ガラス、樹脂シート等）と、前記透明基材と前記樹脂基材との間の隙間を埋める封止材（例えばＥＶＡ等）とを含む。
出力端子１０１３は、直列に接続された複数の光電変換素子１００１の一方端に配置される光電変換素子１００１に接続される。
出力端子１０１４は、直列に接続された複数の光電変換素子１００１の他方端に配置される光電変換素子１００１に接続される。
［第９実施形態］
第９実施形態は、第１〜第７実施形態の光電変換素子のうち少なくとも１つを備える太陽光発電システムである。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。なお、太陽光発電システムとは、光電変換モジュールが出力する電力を適宜変換して、商用電力系統または電気機器等に供給する装置である。
＜太陽光発電システム＞
図２９は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の一例を示す概略図である。図２９を参照して、太陽光発電システム２０００は、光電変換モジュールアレイ２００１と、接続箱２００２と、パワーコンディショナ２００３と、分電盤２００４と、電力メータ２００５とを備える。後述するように光電変換モジュールアレイ２００１は複数の光電変換モジュール１０００（第８実施形態）から構成される。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。
太陽光発電システム２０００には、一般に「ホーム・エネルギー・マネジメント・システム（ＨＥＭＳ：Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）」、「ビルディング・エネルギー・マネジメント・システム（ＢＥＭＳ：Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）」等と呼ばれる機能を付加することができる。これにより太陽光発電システム２０００の発電量の監視、太陽光発電システム２０００に接続される各電気機器類の消費電力量の監視・制御等を行うことで、エネルギー消費量を削減することができる。
接続箱２００２は光電変換モジュールアレイ２００１に接続される。パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２に接続される。分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３および電気機器類２０１１に接続される。電力メータ２００５は分電盤２００４および商用電力系統に接続される。
なお、図３２に示すようにパワーコンディショナ２００３には蓄電池２１００が接続されていても良い。この場合、日照量の変動による出力変動を抑制することができるとともに、日照のない時間帯であっても蓄電池２１００に蓄電された電力を供給することができる。前記蓄電池２１００はパワーコンディショナ２００３に内蔵されていてもよい。
（動作）
太陽光発電システム２０００の動作を説明する。
光電変換モジュールアレイ２００１は太陽光を電気に変換して直流電力を発電し、直流電力を接続箱２００２へ供給する。
パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２から受けた直流電力を交流電力に変換して分電盤２００４へ供給する。なお、接続箱２００２から受けた直流電力の一部または全部を交流電力に変換せず、直流電力のままで分電盤２００４へ供給してもよい。
なお、図３２に示すようにパワーコンディショナ２００３に蓄電池２１００が接続されている場合（または、蓄電池２１００がパワーコンディショナ２００３に内蔵される場合）、パワーコンディショナ２００３は接続箱２００２から受けた直流電力の一部または全部を適切に電力変換して、蓄電池２１００に蓄電することができる。蓄電池２１００に蓄電された電力は、光電変換モジュールの発電量や電気機器類２０１１の電力消費量の状況に応じて適宜パワーコンディショナ２００３側に供給され、適切に電力変換されて分電盤２００４へ供給される。
分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３から受けた電力および電力メータ２００５を介して受けた商用電力の少なくともいずれかを電気機器類２０１１へ供給する。また分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３から受けた交流電力が電気機器類２０１１の消費電力よりも多いとき、パワーコンディショナ２００３から受けた交流電力を電気機器類２０１１へ供給する。そして余った交流電力を電力メータ２００５を介して商用電力系統へ供給する。
また分電盤２００４はパワーコンディショナ２００３から受けた交流電力が電気機器類２０１１の消費電力よりも少ないとき、商用電力系統から受けた交流電力およびパワーコンディショナ２００３から受けた交流電力を電気機器類２０１１へ供給する。
電力メータ２００５は、商用電力系統から分電盤２００４へ向かう方向の電力を計測するとともに、分電盤２００４から商用電力系統へ向かう方向の電力を計測する。
（光電変換モジュールアレイ）
光電変換モジュールアレイ２００１について説明する。
図３０は、図２９に示す光電変換モジュールアレイ２００１の構成の一例を示す概略図である。図３０を参照して、光電変換モジュールアレイ２００１は、複数の光電変換モジュール１０００と出力端子２０１３，２０１４とを含む。
複数の光電変換モジュール１０００はアレイ状に配列され直列に接続されている。図３０には光電変換モジュール１０００を直列に接続する配列を図示しているが、配列および接続方式はこれに限定されず、並列に接続して配列してもよいし、直列と並列とを組み合わせた配列としてもよい。なお光電変換モジュールアレイ２００１に含まれる光電変換モジュール１０００の数は２以上の任意の整数とすることができる。
出力端子２０１３は、直列に接続された複数の光電変換モジュール１０００の一方端に位置する光電変換モジュール１０００に接続される。
出力端子２０１４は、直列に接続された複数の光電変換モジュール１０００の他方端に位置する光電変換モジュール１０００に接続される。
なお以上の説明はあくまでも一例であり、本実施形態の太陽光発電システムは、複数の光電変換素子１００１のうち、少なくとも１つが第１〜第７実施形態の光電変換素子のいずれかからなる限り、上記の説明に限定されず如何なる構成もとり得るものとする。
［第１０実施形態］
第１０実施形態は、第９実施形態として説明した太陽光発電システムよりも大規模な太陽光発電システムである。第１０実施形態にかかる太陽光発電システムも、第１〜第７実施形態の光電変換素子のうち少なくとも１つを備えるものである。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。
＜大規模太陽光発電システム＞
図３１は、本実施形態にかかる太陽光発電システムの構成の他の一例を示す概略図である。図３１を参照して、太陽光発電システム４０００は、複数のサブシステム４００１と、複数のパワーコンディショナ４００３と、変圧器４００４とを備える。太陽光発電システム４０００は、図２９に示す太陽光発電システム２０００よりも大規模な太陽光発電システムである。本発明の光電変換素子は高い変換効率を有するため、これを備える本発明の太陽光発電システムも高い変換効率を有することができる。
複数のパワーコンディショナ４００３は、それぞれサブシステム４００１に接続される。太陽光発電システム４０００において、パワーコンディショナ４００３およびそれに接続されるサブシステム４００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
なお、図３２に示すようにパワーコンディショナ４００３には蓄電池４１００が接続されていても良い。この場合、日照量の変動による出力変動を抑制することができるとともに、日照のない時間帯であっても蓄電池４１００に蓄積された電力を供給することができる。また、前記蓄電池４１００はパワーコンディショナ４００３に内蔵されていても良い。
変圧器４００４は、複数のパワーコンディショナ４００３および商用電力系統に接続される。
複数のサブシステム４００１の各々は、複数のモジュールシステム３０００から構成される。サブシステム４００１内のモジュールシステム３０００の数は２以上の任意の整数とすることができる。
複数のモジュールシステム３０００の各々は、複数の光電変換モジュールアレイ２００１と、複数の接続箱３００２と、集電箱３００４とを含む。モジュールシステム３０００内の接続箱３００２およびそれに接続される光電変換モジュールアレイ２００１の数は２以上の任意の整数とすることができる。
集電箱３００４は複数の接続箱３００２に接続される。またパワーコンディショナ４００３はサブシステム４００１内の複数の集電箱３００４に接続される。
（動作）
太陽光発電システム４０００の動作を説明する。
モジュールシステム３０００の複数の光電変換モジュールアレイ２００１は、太陽光を電気に変換して直流電力を発電し、直流電力を接続箱３００２を介して集電箱３００４へ供給する。サブシステム４００１内の複数の集電箱３００４は、直流電力をパワーコンディショナ４００３へ供給する。さらに複数のパワーコンディショナ４００３は、直流電力を交流電力に変換して、交流電力を変圧器４００４へ供給する。
なお、図３２に示すようにパワーコンディショナ４００３に蓄電池４１００が接続されている場合（または、蓄電池４１００がパワーコンディショナ４００３に内蔵される場合）、パワーコンディショナ４００３は集電箱３００４から受けた直流電力の一部または全部を適切に電力変換して、蓄電池４１００に蓄電することができる。蓄電池４１００に蓄電された電力は、サブシステム４００１の発電量に応じて適宜パワーコンディショナ４００３側に供給され、適切に電力変換されて変圧器４００４へ供給される。
変圧器４００４は複数のパワーコンディショナ４００３から受けた交流電力の電圧レベルを変換して商用電力系統へ供給する。
なお太陽光発電システム４０００は第１〜第７実施形態の光電変換素子のうち少なくとも１つを備えるものであればよく、太陽光発電システム４０００に含まれるすべての光電変換素子が第１〜第７実施形態の光電変換素子である必要はない。例えば、あるサブシステム４００１に含まれる光電変換素子のすべてが第１〜第７実施形態の光電変換素子のいずれかであり、別のサブシステム４００１に含まれる光電変換素子の一部または全部が、第１〜第７実施形態の光電変換素子でない場合等もあり得るものとする。
以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述した各実施形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
本発明は、光電変換素子として産業上の利用が可能である。

Claims (5)

  1. 光を電気に変換する光電変換素子であって、
    複数の傾斜面を含む凹凸構造が少なくとも一方の面に形成されたシリコン基板を備え、
    前記凹凸構造の凹部を挟んで隣接する２つの傾斜面が交わる線に垂直な断面において、前記２つの傾斜面の一方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点と、前記２つの傾斜面の他方の接線と前記凹部の最深部の接線とが交わる点との間の距離をボトム幅としたとき、
    前記ボトム幅は、２０ｎｍ以上である、光電変換素子。
  2. 前記ボトム幅は、１００〜６００ｎｍである、請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、
    前記シリコン基板の一方の面に接して形成された第１非晶質真性半導体層と、
    前記第１非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と異なる導電型である第１導電型半導体層と、
    前記シリコン基板の他方の面に接して形成された第２非晶質真性半導体層と、
    前記第２非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と同じ導電型である第２導電型半導体層とをさらに備える、請求項１または２に記載の光電変換素子。
  4. 前記凹凸構造が前記シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、
    前記シリコン基板の受光面に接して形成された第１非晶質真性半導体層と、
    前記シリコン基板の他方の面に接して形成され、前記シリコン基板の面内方向に配置された第２非晶質真性半導体層および第３非晶質真性半導体層と、
    前記第２非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と異なる導電型である第１導電型半導体層と、
    前記第３非晶質真性半導体層上に形成され、前記シリコン基板と同じ導電型である第２導電型半導体層とをさらに備える、請求項１または２に記載の光電変換素子。
  5. 前記凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さが、０．６〜２０μｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電変換素子。
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