WO2012086522A1

WO2012086522A1 - 光電変換装置及びその製造方法

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Publication number: WO2012086522A1
Application number: PCT/JP2011/079094
Authority: WO
Inventors: 竜也桐山
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-28

Abstract

　入射された光を電気に変換する光電変換部と、光電変換部より光入射側に設けられ、頂点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの頂点から延びる稜線が交点で繋がり、その交点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの交点から延びる稜線が別の交点で繋がるテクスチャ構造体と、を設ける。

Description

光電変換装置及びその製造方法

　本発明は、光電変換装置及びその製造方法に関する。

　太陽光等の光を受けて、光エネルギーを電気エネルギーに変換して出力する光電変換装置が利用されている。例えば、アモルファスや微結晶等の半導体薄膜を積層した光電変換パネルを備えた太陽光発電システム等が知られている。

　このような光電変換装置では、入射された光を有効に利用するために光電変換層となる半導体層に光を閉じ込める光閉じ込め構造を採用することがある。例えば、特許文献１及び２のように、基板となるガラス表面や透明導電膜に凹凸を設け、その凹凸によって入射光を散乱させて光路長を増加させたり、反射を利用したりして光電変換効率を向上させる試みがなされている。

特開平０２－１７７５７３号公報特開２００３－８６８２３号公報

　ところで、光電変換装置では、できる限り光電変換層へ入射される光を増やすと共に、入射した光を閉じ込めて光電変換に利用されるように構成することが好ましい。

　そこで、本発明は、光閉じ込め効果を向上させた光電変換装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明は、入射された光を電気に変換する光電変換部と、光電変換部より光入射側に設けられ、頂点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの頂点から延びる稜線が交点で繋がり、交点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの交点から延びる稜線が交点で繋がる凹凸構造を有するテクスチャ構造体と、を備える、光電変換装置である。

　また、本発明は、入射された光を電気に変換する光電変換部を形成する工程と、光電変換部より光入射側に設けられ、頂点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの頂点から延びる稜線が交点で繋がり、交点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの交点から延びる稜線が交点で繋がる凹凸構造を有するテクスチャ構造を形成する工程と、を有する、光電変換装置の製造方法である。

　本発明によれば、光閉じ込め効果を向上させた光電変換装置及びその製造方法を提供することができる。

第１の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態におけるテクスチャ構造体の構成を示す平面図である。本発明に係る実施の形態におけるテクスチャ構造体の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態におけるテクスチャ構造体の構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態におけるテクスチャ構造体の形成方法を説明する図である。本発明に係る実施の形態における光電変換装置の表面側からの透過率を示す図である。本発明に係る実施の形態における光電変換装置の裏面側からの透過率を示す図である。本発明に係る実施の形態における光電変換装置の作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態における光電変換装置の作用を説明する図である。第２の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第２の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第３の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第４の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第５の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第６の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第６の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。第７の実施の形態における光電変換装置の構成を示す断面図である。

＜第１の実施の形態＞
　本発明の実施の形態における光電変換装置１００は、図１の断面図に示すように、基板１０、光電変換部１２及びテクスチャ構造体１４を含んで構成される。なお、図１は、光電変換装置１００の構成を明確に示すために、各構成要素のサイズの比は変更して示している。

　基板１０は、光電変換部１２及びテクスチャ構造体１４を構造的に支持するための構成要素である。また、本実施の形態では、基板１０は、光電変換部１２へ外部からの光を入射させるために、光電変換部１２において吸収されて電気エネルギーに変換され得る波長領域の光を透過する透明基板とする。基板１０は、例えば、ガラス、プラスチック等の材料で構成することができる。

　光電変換部１２は、透明電極、光電変換ユニット、裏面電極等を積層して形成される。透明電極は、例えば、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせた膜を用いることができる。また、光電変換ユニットは、例えば、アモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ－Ｓｉユニット）や微結晶シリコン光電変換ユニット（μｃ－Ｓｉユニット）等とされる。光電変換ユニットは、タンデム型やトリプル型のように複数の光電変換ユニットを積層した構造としてもよい。裏面電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）や反射性金属、それらの積層構造とすることができる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）としては、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等が用いられ、反射性金属としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が用いられる。

　テクスチャ構造体１４は、光電変換装置１００において光閉じ込めの作用を発揮させるための構成の１つである。テクスチャ構造体１４は、図２の平面図（図１の光入射側からみた図である。また、構造を明確に示すために各面に陰を示すハッチングを施してある。）に示すように、コーナーキューブ１４ａを組み合わせた立体的な構造を有する。なお、図３は、図２におけるラインＡ－Ａ及びラインＢ－Ｂに沿った断面図を示す。

　コーナーキューブ１４ａの各々は四角柱形状、好ましくは直方体形状、より好ましくは立方体形状の構造体である。コーナーキューブ１４ａは、直方体の１つの頂点ａを光入射側に向け、隣接する別のコーナーキューブ１４ａの３つの頂点を交点ｂ及び交点ｃで合わせるように配置される。すなわち、コーナーキューブ１４ａは、図４に示すように、隣接するコーナーキューブ１４ａの頂点ａの各々から３つの稜線が延び、隣接する３つのコーナーキューブ１４ａの頂点ａから延びる稜線が交点ｂで繋がり、交点ｂの各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの交点ｂから延びる稜線が交点ｃで繋がるように配置される。なお、図４では、コーナーキューブ１４ａの各辺に基板１０から遠い点から近い点へ向かう矢印を併せて示している。

　テクスチャ構造体１４は、基板１０の表面上に型押し等の方法で形成することができる。例えば、基板１０の表面に硬化性の樹脂１６を塗布し（図５（ａ））、テクスチャ構造体１４と同じ構造を有する型１８で樹脂１６に型押しをする（図５（ｂ））。これにより、テクスチャ構造体１４を基板１０の表面に形成することができ、テクスチャ構造体１４の凹凸構造が形成された面の反対の面と、基板１０とが向かい合って形成される（図５（ｃ））。

　なお、樹脂１６は、シリコーン樹脂等を用いることができる。ここで、樹脂１６は、屈折率が１．４程度の材料を用いることが好適である。すなわち、基板１０として主に使用されるガラスの屈折率は１．５～１．９であり、テクスチャ構造体１４を屈折率１．４程度の樹脂１６で構成することによって、光入射に対する反射防止膜として機能させることができる。

　光電変換部１２としてアモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ－Ｓｉユニット）を適用したシングル型光電変換装置において、テクスチャ構造体１４を適用した場合には、テクスチャ構造体１４を適用しない場合に比べて短絡電流が１３％増加した。また、光電変換部１２としてアモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ－Ｓｉユニット）と微結晶シリコン光電変換ユニット（μｃ－Ｓｉユニット）を積層させたタンデム型光電変換装置において、テクスチャ構造体１４を適用した場合には、テクスチャ構造体１４を適用しない場合に比べて短絡電流が３％増加した。

　このように、テクスチャ構造体１４を採用することによって短絡電流が増加する理由として、光電変換部１２への光閉じ込め効果が向上することが挙げられる。図６及び図７は、基板１０（ガラス基板）単体及びテクスチャ構造体１４を形成した基板１０の波長に対する光の透過率を示す。図６は、外部からテクスチャ構造体１４を介して基板１０へ光を入射させた場合の透過率を示し、図７は、基板１０側から光を入射させた場合の透過率を示す。なお、テクスチャ構造体１４を適用した場合、テクスチャ構造体１４と検出器との相対的な位置によって透過率の測定結果が異なったため、図６では３つの角度における測定結果を示している。

　図６から、波長３５０ｎｍ～１１００ｎｍの波長領域において、テクスチャ構造体１４を設けない場合に比べてテクスチャ構造体１４を設けた場合の方が透過率が高いことが分かる。すなわち、テクスチャ構造体１４側から光を入射させた場合、反射される光量を低減することができ、光電変換部１２へ届く光量が増加する。また、図７から、光電変換装置１００の裏面から反射される等して基板１０へ戻ってきた光はテクスチャ構造体１４を通って抜け難く、９０％近くの光が再び光電変換部１２側へ反射される。

　このような光閉じ込め効果は、以下のように実現されると推考される。テクスチャ構造体１４のコーナーキューブ１４ａに対して垂直方向（図８（ａ）の紙面に垂直な方向）に入射する光は、図８（ａ）の平面図及び図８（ｂ）の断面図の破線で示すように、テクスチャ構造体１４を構成するコーナーキューブ１４ａの各面によって三角形を描くように屈折させられる。すなわち、光電変換部１２の膜厚方向に対して平行でない角度をもって光電変換部１２へ光が入射する。これにより、光電変換部１２を透過する際の光路長が長くなる。さらに、光電変換装置１００の裏面側から反射してきた光は、図９に示すように、テクスチャ構造体１４と大気との屈折率差によってほとんど全反射されて光電変換部１２へ再び戻される。

＜第２の実施の形態＞
　また、第１の実施の形態では、テクスチャ構造体１４は、基板１０と大気との間に設ける構成としたが、光電変換部１２よりも光入射側に設ける構成であればよい。例えば、図１０に示すように、基板１０の表面に凹凸構造を設けたものをテクスチャ構造体１４としてもよい。この場合、基板１０がガラスであれば、テクスチャ構造体１４の型１８によって基板１０の一面に型押しをすることによって、基板１０の表面に凹凸構造が形成された型押しガラスとすればよい。すなわち、基板１０の凹凸構造が形成された面の反対の面と、光電変換部１２とが向かい合う構成となる。その基板１０の表面に樹脂１６を塗布する。このとき、基板１０の屈折率は、樹脂１６の屈折率より大きいものとすることが好適である。

　また、図１１に示すように、基板１０を覆う樹脂１６を設けない構成としてもよい。この場合、樹脂１６を塗布しなければよい。

＜第３の実施の形態＞
　第３の実施の形態では、図１２に示すように、基板１０の表面に凹凸構造を設け、その凹凸面の上に光電変換部１２の透明電極１２ａを設ける。このとき、透明電極１２ａは、テクスチャ構造体１４となる。基板１０がガラスであれば、テクスチャ構造体１４の型１８によって基板１０の一面に型押しをすることによって、基板１０の表面に凹凸構造が形成された型押しガラスとする。そして、凹凸面が形成された表面上に、透明電極１２ａ、光電変換ユニット１２ｂ、裏面電極１２ｃ等を順に積層して光電変換部１２を形成する。すなわち、透明電極１２ａの凹凸構造が形成された面と基板１０とが向かい合う構成となる。このとき、透明電極１２ａの屈折率は、基板１０の屈折率より大きいものとすることが好適である。

＜第４の実施の形態＞
　第４の実施の形態では、図１３に示すように、光電変換部１２の透明電極１２ａと光電変換ユニット１２ｂとの間に凹凸構造を設ける。このとき、透明電極１２ａはテクスチャ構造体１４となる。凹凸構造が形成された透明電極１２ａの表面上に、光電変換ユニット１２ｂ、裏面電極１２ｃ等を順に積層して光電変換部１２を形成する。すなわち、透明電極１２ａの凹凸構造が形成された面と光電変換ユニット１２ｂとが向かい合う構成となる。このとき、光電変換ユニット１２ｂの屈折率は、透明電極１２ａの屈折率より大きいものとすることが好適である。

＜第５の実施の形態＞
　第５の実施の形態では、図１４に示すように、光電変換装置１００の裏面側にテクスチャ構造体１４を設ける構成とする。以下の第５～第７の実施の形態では、裏面側から光を入射させるため、光電変換部１２の裏面電極１２ｃには透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のみを適用する。本実施の形態では、光電変換装置１００の裏面側に充填材２０を介して裏面ガラス２２が設けられる。裏面ガラス２２には、さらに樹脂が塗布される。その樹脂にテクスチャ構造体１４の型１８によって型押しをすることによってテクスチャ構造体１４を形成する。すなわち、テクスチャ構造体１４の凹凸構造が形成された面と裏面ガラス２２とが向かい合う構成となる。

＜第６の実施の形態＞
　第６の実施の形態では、図１５に示すように、第５の実施の形態と同様に、光電変換装置１００の裏面側にテクスチャ構造体１４を設ける構成とする。本実施の形態では、裏面ガラス２２の一面にテクスチャ構造体１４の型１８によって型押しをすることで、裏面ガラス２２に凹凸構造が形成された型押しガラスとする。このとき、裏面ガラス２２は、テクスチャ構造体１４となる。テクスチャ構造体１４が形成された面とは反対の面を充填材２０を介して光電変換部１２の裏面電極に貼り付ける。すなわち、裏面ガラス２２の凹凸構造が形成された面の反対の面と光電変換部１２とが向かい合う構成となる。そして、テクスチャ構造体１４が形成された面には、さらに樹脂２４が塗布される。このとき、裏面ガラス２２の屈折率は、充填材２０の屈折率より大きいものとすることが好適である。また、図１６に示すように、裏面ガラス２２を覆う樹脂２４を設けない構成としてもよい。

＜第７の実施の形態＞
　第７の実施の形態では、図１７に示すように、裏面電極１２ｃと充填材２０との界面に凹凸構造を設ける構成とする。このとき、裏面電極１２ｃはテクスチャ構造体１４となる。凹凸構造が形成された裏面電極１２ｃ上に充填材２０を塗布し、裏面ガラス２２を貼り付ける。すなわち、裏面電極１２ｃの凹凸構造が形成された面と裏面ガラス２２とが向かい合う構成となる。このとき、裏面電極１２ｃの屈折率は、充填材２０の屈折率より大きいものとすることが好適である。

　第５～第７の実施の形態における構成によれば、光電変換装置１００の裏面側からも光を入射させる場合に、裏面からの光の光閉じ込め効果を得ることができる。もちろん、第５～第７の実施の形態の構成に第１～第４の実施の形態の構成を組み合わせてもよい。

　なお、第１～第７の実施の形態では、透明の基板１０にアモルファスシリコンや微結晶シリコンからなる光電変換ユニットを設けた薄膜型の光電変換装置について説明したが、これに限られるものではない。薄膜型に限らず、結晶型や多結晶型等の他の光電変換装置に、テクスチャ構造体１４を設けることができる。特に、結晶型や多結晶型の光電変換装置にテクスチャ構造体１４を設ける場合、第１、第２、第５又は第６の実施の形態を適用することが好適である。

　１０　基板、１２　光電変換部、１２ａ　透明電極、１２ｂ　光電変換ユニット、１２ｃ　裏面電極、１４　テクスチャ構造体、１４ａ　コーナーキューブ、１６　樹脂、１８　型、２０　充填材、２２　裏面ガラス、２４　樹脂、１００　光電変換装置。

Claims

　入射された光を電気に変換する光電変換部と、
　前記光電変換部より光入射側に設けられ、頂点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの前記頂点から延びる稜線が交点で繋がり、前記交点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの前記交点から延びる稜線が交点で繋がる凹凸構造を有するテクスチャ構造体と、を備えることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１に記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造体は、前記光電変換部より光入射側に設けられることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１に記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造は、前記稜線間の角度が９０°であることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１から３のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
　前記光電変換部と前記テクスチャ構造体との間にガラス基板を備え、
　前記テクスチャ構造体は、前記凹凸構造が形成された面の反対の面と、前記ガラス基板と、が向かい合って形成されていることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１から３のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造体はガラスであって、前記凹凸構造が形成された面の反対の面と、前記光電変換部とが向かい合って形成されていることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１から３のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造体は透明導電膜であって、
　ガラス基板をさらに備え、前記テクスチャ構造体は前記ガラス基板と前記光電変換部との間に設けられ、
　前記テクスチャ構造体の前記凹凸構造が形成された面と前記ガラス基板とが向かい合って形成されていることを特徴とする光電変換装置。
　請求項２に記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造体は透明導電膜であって、前記凹凸構造が形成された面と前記光電変換部とが向かい合って形成されていることを特徴とする光電変換装置。
　請求項１に記載の光電変換装置であって、
　前記テクスチャ構造の屈折率は、外部からの光入射の方向に沿って前記テクスチャ構造に隣接する層の屈折率より大きいことを特徴とする光電変換装置。
　入射された光を電気に変換する光電変換部を形成する工程と、
　前記光電変換部より光入射側に設けられ、頂点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの前記頂点から延びる稜線が交点で繋がり、前記交点の各々から３つの稜線が延び、隣接する３つの前記交点から延びる稜線が交点で繋がる凹凸構造を有するテクスチャ構造体を形成する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。