WO2012105153A1 - 光電変換素子 - Google Patents

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conversion element
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transparent conductive
type amorphous
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優也 中村
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三洋電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0745—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells
    • H01L31/0747—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells comprising a heterojunction of crystalline and amorphous materials, e.g. heterojunction with intrinsic thin layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/056—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion element.
  • Patent Document 1 includes a first conductive type crystalline semiconductor substrate having a front surface and a back surface, and light is incident from the front surface side, an amorphous semiconductor film formed on the surface of the crystalline semiconductor substrate, A first transparent conductive film formed on the amorphous semiconductor film and containing a metal dopant of 1.5 mass% or more and 5 mass% or less, and a first transparent conductive film formed on the back surface of the crystalline semiconductor substrate A photovoltaic device comprising a second transparent conductive film containing a metal dopant less than the content of the metal dopant is disclosed.
  • transmission of light in the infrared region is regarded as a problem.
  • transmission of light in other regions has also become a problem as the photoelectric conversion portion becomes thinner.
  • the photoelectric conversion element according to the present invention is laminated on substantially the entire surface of a crystalline semiconductor substrate, a semiconductor layer laminated on the crystalline semiconductor substrate, a transparent conductive layer laminated on the semiconductor layer, and the transparent conductive layer.
  • the semiconductor layer includes a p-type amorphous semiconductor layer in contact with the transparent conductive layer.
  • the characteristics of the photoelectric conversion element can be improved.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 and a cross-sectional view of the photoelectric conversion element.
  • FIG. 3 is sectional drawing of the modification of a photoelectric conversion element.
  • it is a figure which shows the flow of the electric current generated with the photoelectric conversion element.
  • it is a figure which shows the flow of the electric current generated with the photoelectric conversion element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the solar cell module 1.
  • the solar cell module 1 includes a plurality of photoelectric conversion elements 10, a plurality of wiring members 5, a sealing material 3, a first protection member 2, and a second protection member 4.
  • light such as sunlight is mainly incident from the light receiving surface side of the first protective member 2 (the side opposite to the side where the photoelectric conversion element 10 is disposed with respect to the first protective member 2). explain.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 10 are arranged in alignment. Each wiring member 5 electrically connects adjacent photoelectric conversion elements 10 to each other. Thereby, the some photoelectric conversion element 10 is connected in series or in parallel.
  • the first protective member 2 is disposed on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 10.
  • the 1st protection member 2 can be comprised using glass, translucent resin, etc., for example.
  • the second protective member 4 is disposed on the back side of the photoelectric conversion element 10.
  • the 2nd protection member 4 can be comprised using the resin film which interposed metal foil, such as aluminum foil.
  • the sealing material 3 is filled between the photoelectric conversion element 10 and the first protective member 2 and between the photoelectric conversion element 10 and the second protective member 4.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 10 are sealed with the sealing material 3.
  • the sealing material 3 can be comprised using resin which has translucency, such as an ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) and polyvinyl butyral (PVB), for example.
  • EVA ethylene-vinyl acetate copolymer
  • PVB polyvinyl butyral
  • FIG. 2 is a plan view of the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 10.
  • FIG. 3 is a plan view of the back surface side of the photoelectric conversion element 10.
  • 4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2, and is a cross-sectional view of the photoelectric conversion element 10.
  • the “light receiving surface” means a surface on which light such as sunlight is mainly incident.
  • the “back surface” means a surface opposite to the light receiving surface.
  • the photoelectric conversion element 10 includes a transparent conductive film 11, an n-type amorphous silicon film 12, an i-type amorphous silicon film 13, an n-type single crystal silicon substrate 14, and an i-type amorphous film.
  • a porous silicon film 15, a p-type amorphous silicon film 16, a transparent conductive film 17, and a metal film 18 are laminated.
  • a collecting electrode 21 is provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion element 10.
  • the collector electrode 21 includes a plurality of finger electrode portions 20 and a plurality of bus bar electrode portions 19.
  • a collecting electrode 23 is provided on the back surface of the photoelectric conversion element 10.
  • the collector electrode 23 includes a plurality of protruding electrode portions 22.
  • the i-type amorphous silicon film 13 is laminated on the light-receiving surface of the n-type single crystal silicon substrate 14.
  • the film thickness of the i-type amorphous silicon film 13 is preferably, for example, not less than 3.5 nm and not more than 8 nm.
  • the i-type amorphous silicon film 13 can be formed using, for example, a plasma CVD (chemical vapor deposition) method.
  • the n-type amorphous silicon film 12 is stacked on the i-type amorphous silicon film 13.
  • the film thickness of the n-type amorphous silicon film 12 is preferably 2 nm or more and 8 nm or less, for example.
  • the n-type amorphous silicon film 12 can be formed using, for example, a plasma CVD method.
  • the transparent conductive film 11 is stacked on the n-type amorphous silicon film 12.
  • the transparent conductive film 11 is made of, for example, a metal oxide such as indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and titanium oxide (TiO 2 ) having a polycrystalline structure. Including at least one. These metal oxides contain dopants such as tin (Sn), zinc (Zn), tungsten (W), antimony (Sb), titanium (Ti), aluminum (Al), cerium (Ce), and gallium (Ga). It may be doped. The concentration of the dopant can be 0 to 20 wt%.
  • the transparent conductive film 11 is described as being formed using indium tin oxide (ITO).
  • the film thickness of the transparent conductive film 11 is preferably 100 nm, for example.
  • the bus bar electrode portion 19 is an electrode member provided for collecting and taking out the electricity generated in the photoelectric conversion element 10.
  • the bus bar electrode portion 19 is preferably arranged so as to collect electricity collected in the finger electrode portion 20 described later as evenly as possible.
  • a plurality of bus bar electrode portions 19 may be provided.
  • the bus bar electrode portions 19 are preferably formed in parallel to each other on the transparent conductive film 11.
  • the width of the bus bar electrode portion 19 is appropriately determined according to the magnitude of the current to be collected, the thickness of the bus bar electrode portion 19, and the like, for example, 1.5 mm.
  • Finger electrode part 20 is an electrode member provided for collecting and taking out the electricity generated in photoelectric conversion element 10 together with bus bar electrode part 19.
  • the finger electrode unit 20 is preferably arranged so that current collection is performed uniformly from within the surface of the photoelectric conversion element 10.
  • the finger electrode part 20 is disposed on the transparent conductive film 11 so as to cross the bus bar electrode part 19 and be electrically connected thereto.
  • the plurality of finger electrode portions 20 are arranged in parallel to each other.
  • the width of the finger electrode portion 20 is appropriately determined according to the magnitude of the current to be collected, the thickness of the finger electrode portion 20, and the like, for example, 100 ⁇ m.
  • the pitch of the finger electrode portions 20 is preferably 2 mm, for example.
  • the bus bar electrode portion 19 and the finger electrode portion 20 are conductive materials, such as Ag (silver), Cu (copper), Al (aluminum), Ti (titanium), Ni (nickel), and Cr (chromium). It can be comprised with the metal and the alloy containing 1 or more types of these metals. Moreover, the bus-bar electrode part 19 and the finger electrode 20 may be comprised by the laminated body of the some conductive layer which consists of the said metal and alloy, for example.
  • the bus bar electrode portion 19 and the finger electrode portion 20 can be formed using a conductive paste such as an Ag paste, for example.
  • the bus bar electrode portion 19 and the finger electrode portion 20 will be described as being formed using Ag.
  • the i-type amorphous silicon film 15 is laminated on the back surface of the n-type single crystal silicon substrate 14.
  • the film thickness of the i-type amorphous silicon film 15 is preferably 10 nm or more and 20 nm or less, for example.
  • the i-type amorphous silicon film 15 can be formed using, for example, a plasma CVD method.
  • the p-type amorphous silicon film 16 is stacked on the i-type amorphous silicon film 15.
  • the thickness of the p-type amorphous silicon film 16 is preferably 6 nm or more and 80 nm or less.
  • the p-type amorphous silicon film 16 can be formed using, for example, a plasma CVD method.
  • the transparent conductive film 17 is stacked on the p-type amorphous silicon film 16.
  • the transparent conductive film 17 is made of, for example, a metal oxide such as indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), and titanium oxide (TiO 2 ) having a polycrystalline structure. It is configured to include at least one.
  • These metal oxides contain dopants such as tin (Sn), zinc (Zn), tungsten (W), antimony (Sb), titanium (Ti), aluminum (Al), cerium (Ce), and gallium (Ga). It may be doped. The concentration of the dopant can be 0 to 20 wt%.
  • the transparent conductive film 17 is described as being formed using indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • the film thickness of the transparent conductive film 17 is preferably equal to or greater than the thickness of the transparent conductive film 11, and is preferably greater than or equal to 100 nm and smaller than 150 nm, for example.
  • the metal film 18 is laminated on the transparent conductive film 17.
  • the metal film 18 is laminated so as to cover almost the entire surface of the formation region of the transparent conductive film 17.
  • “so as to cover substantially the entire surface of the formation region of the transparent conductive film 17” means a state that can be regarded as covering substantially the entire surface of the transparent conductive film 17. This includes a state in which a part of the metal film 18 laminated is missing.
  • the area of the formation region of the metal film 18 is preferably in the range of 90% to 100% of the area of the formation region of the transparent conductive film 17.
  • the metal film 18 has a higher light reflectivity for light in the infrared region of the wavelength range of about 800 nm to 1200 nm and higher conductivity than the transparent conductive film 17 in the wavelength region used in the photoelectric conversion element 10. It is preferable to use a metal. For this reason, the metal film 18 can be formed of a metal such as Ag, Al, Cu, Ni and Cr, or an alloy containing one or more of these metals.
  • the metal film 18 may be composed of a laminate of a plurality of films made of the above metals or alloys.
  • the metal film 18 is more preferably made of Ag having a high reflectance at wavelengths in the infrared region.
  • the film thickness of the metal film 18 is preferably, for example, 150 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 300 nm or more and 500 nm.
  • the metal film 18 is described as being formed using Ag.
  • the protruding electrode part 22 is an electrode member provided for collecting and taking out the electricity generated in the photoelectric conversion element 10.
  • the protruding electrode portion 22 is preferably disposed so as to collect electricity collected in the metal film 18 as evenly as possible.
  • a plurality of protruding electrode portions 22 may be provided.
  • the protruding electrode portions 22 are preferably formed in parallel to each other on the transparent conductive film 11.
  • the width of the protruding electrode portion 22 is appropriately determined according to the magnitude of the current to be collected, the thickness of the bus bar electrode portion 19 and the like, and is preferably about 0.05 ⁇ m to 2 mm, for example. It is more preferably about 0.05 ⁇ m to 0.5 mm.
  • the film thickness of the protruding electrode portion 22 is preferably thicker than that of the metal film 18, and is preferably 5 ⁇ m to 20 ⁇ m, for example. Since the material and forming method of the protruding electrode portion 22 are the same as those of the bus bar electrode portion 19, detailed description is omitted.
  • each film thickness illustrated above can be measured using a transmission electron microscope (TEM). And each film thickness illustrated above has shown the average film thickness of the thickness along the lamination direction in the cross section of the photoelectric conversion element 10.
  • TEM transmission electron microscope
  • the manufacturing method of the photoelectric conversion element 10 is not limited to the manufacturing method shown in each process. In each step, for example, a sputtering method, a plasma CVD method, a screen printing method, a plating method, or the like can be appropriately used.
  • the n-type single crystal silicon substrate 14 is carried into a vacuum chamber, and the i-type amorphous silicon film 13 is formed on the light receiving surface of the n-type single crystal silicon substrate 14 by using a plasma CVD method. Subsequently, an n-type amorphous silicon film 12 is formed on the i-type amorphous silicon film 13 using a plasma CVD method.
  • an i-type amorphous silicon film 15 is formed on the n-type single crystal silicon substrate 14 using a plasma CVD method.
  • a p-type amorphous silicon film 16 is formed on the i-type amorphous silicon film 15 using a plasma CVD method.
  • a transparent conductive film 11 and a transparent conductive film 17 made of ITO are formed on the n-type amorphous silicon film 12 and the p-type amorphous silicon film 16 by sputtering or vapor deposition, respectively.
  • a metal film 18 is formed on the transparent conductive film 17 using a sputtering method or a vapor deposition method.
  • the collector electrode 21 and the collector electrode 23 are formed on the transparent conductive film 11 and the metal film 18 by screen printing, respectively.
  • the photoelectric conversion element 10 In the photoelectric conversion element 10, light is incident on the n-type single crystal silicon substrate 14 from the transparent conductive film 11 side. At this time, light in the infrared region that has not contributed to power generation passes through the transparent conductive film 17 through the metal layer. Head to 18.
  • the metal film 18 is made of Ag having a high reflectance at wavelengths in the infrared region. The metal film 18 is in contact with substantially the entire surface of the transparent conductive film 17 formation region. Thereby, the reflectance of the light in a back surface can be raised rather than the structure which only provides a finger electrode part and a bus-bar electrode part in a back surface like the past.
  • the metal film 18 is disposed so as not to be in direct contact with the p-type amorphous silicon film 16 by the transparent conductive film 17. Thereby, generation
  • the p-type amorphous silicon film 16 In the photoelectric conversion element 10, the p-type amorphous silicon film 16 generally has a higher sheet resistance than the n-type amorphous silicon film 12. Therefore, as shown in FIG. 6, the current Ia flowing in the in-plane direction in the p-type amorphous silicon film 16 is less likely to flow than the current Ib flowing in the in-plane direction in the n-type amorphous silicon film 12. It becomes. Therefore, by laminating a metal film 18 having a lower resistivity than that of the transparent conductive film 17 on the back surface side of the transparent conductive film 17 to compensate for the high resistivity in the in-plane direction of the p-type amorphous silicon film 12, The current collection efficiency of the electric power generated by the photoelectric conversion element 10a can be increased.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion element 10a. Since the difference between the photoelectric conversion element 10a and the photoelectric conversion element 10 is only the arrangement relationship between the metal film 18 and the protruding electrode portion 22 (collecting electrode 23), the difference will be mainly described.
  • the protruding electrode part 22 is an electrode member provided for collecting and taking out the electricity generated in the photoelectric conversion element 10.
  • the protruding electrode part 22 is preferably arranged so as to uniformly collect electricity generated in the photoelectric conversion element 10.
  • a plurality of protruding electrode portions 22 may be provided.
  • the protruding electrode portions 22 are formed in parallel to each other on the back surface side of the transparent conductive film 17. Of each surface of the protruding electrode portion 22, three surfaces other than the contact surface with the transparent conductive film 17 are in contact with the metal film 18.
  • variety, film thickness, constituent material, and formation method of the protruding electrode part 22 are not specifically limited, Since it is the same as that of the protruding electrode part 22 of the photoelectric conversion element 10, detailed description is abbreviate
  • the metal film 18 is laminated on the back surface side of the transparent conductive film 17 and the above three surfaces of the protruding electrode portion 22.
  • the metal film 18 is laminated so as to cover almost the entire surface of the formation region of the transparent conductive film 17.
  • “so as to cover substantially the entire surface of the formation region of the transparent conductive film 17” means a state that can be regarded as covering substantially the entire surface of the transparent conductive film 17. This includes a state in which a part of the metal film 18 laminated is missing.
  • the area of the formation region of the metal film 18 is smaller than the area of the formation region of the transparent conductive film 17.
  • variety, film thickness, constituent material, and formation method of the metal film 18 are not specifically limited, Since it is the same as that of the metal film 18 of the photoelectric conversion element 10, detailed description is abbreviate
  • the operation of the photoelectric conversion element 10a will be described.
  • the photoelectric conversion element 10a light is incident on the n-type single crystal silicon substrate 14 from the transparent conductive film 11 side.
  • the light that has not contributed to power generation passes through the transparent conductive film 17 and the metal layer 18 and the protruding electrode. Head to part 22.
  • the metal film 18 and the protruding electrode portion 22 are configured using Ag having a high reflectance at wavelengths in the infrared region.
  • the metal film 18 and the protruding electrode portion 22 are in contact with each other over substantially the entire surface of the transparent conductive film 17 formation region. Thereby, the reflectance of the light in a back surface can be raised rather than the structure which only provides a finger electrode part and a bus-bar electrode part in a back surface like the past.
  • the p-type amorphous silicon film 16 In the photoelectric conversion element 10 a, the p-type amorphous silicon film 16 generally has a higher sheet resistance than the n-type amorphous silicon film 12. Therefore, as shown in FIG. 7, the current Ia flowing in the in-plane direction in the p-type amorphous silicon film 16 is less likely to flow than the current Ib flowing in the in-plane direction in the n-type amorphous silicon film 12. It becomes. Therefore, a metal film 18 having a lower resistivity than that of the transparent conductive film 17 is stacked on the transparent conductive film 17 to compensate for the high resistivity in the in-plane direction of the p-type amorphous silicon film 12, thereby photoelectric conversion. The current collection efficiency of the electric power generated by the element 10a can be increased.
  • the metal film 18 and the protruding electrode part 22 have been described as being configured using Ag.
  • the protruding electrode part 22 is made of a metal other than Ag.
  • Al or Cu with low manufacturing costs can be used. Thereby, the manufacturing cost of the photoelectric conversion element 10 and the photoelectric conversion element 10a can be reduced.
  • 1 solar cell module 2 first protective member, 3 encapsulant, 4 second protective member, 5 wiring material, 10 photoelectric conversion element, 11 transparent conductive film, 12 n-type amorphous silicon film, 13 i-type Amorphous silicon film, 14 n-type single crystal silicon substrate, 15 i-type amorphous silicon film, 16 p-type amorphous silicon film, 17 transparent conductive film, 18 metal film, 19 busbar electrode part, 20 finger electrode part , 21 collector electrode, 22 busbar electrode part, 23 collector electrode.

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Abstract

　光電変換素子１０は、ｎ型単結晶シリコン基板１４と、ｎ型単結晶シリコン基板１４上に積層されたｐ型非晶質シリコン膜１６と、ｐ型非晶質シリコン膜１６上に積層された透明導電膜１７と、透明導電膜１７上の略全面に積層された金属層１８と、を備え、ｐ型非晶質シリコン膜１６は、透明導電層１７と接触する。

Description

光電変換素子
　本発明は、光電変換素子に関する。
　特許文献１には、表面および裏面を有し、表面側から光が入射される第１導電型の結晶系半導体基板と、結晶系半導体基板の表面上に形成された非晶質半導体膜と、非晶質半導体膜上に形成され、１．５質量％以上５質量％以下の金属ドーパントが含有される第１透明導電膜と、結晶系半導体基板の裏面上に形成され、第１透明導電膜の金属ドーパントの含有量よりも少ない金属ドーパントが含有されている第２透明導電膜とを備えた、光起電力装置が開示されている。
特開２００４－２２１３６８号公報
　光電変換装置では、赤外領域の光の透過が問題視されている。加えて、光電変換部の薄膜化が進むにつれて、他の領域の光の透過も問題となってきた。
　このような問題に対して、光電変換部において、光が入射される受光面側だけでなく、裏面側からの反射光でも効率よく発電することで、光電変換効率を向上することが望まれる。また、光電変換部と集電極との間の抵抗値を下げることで集電効率を向上することが望まれる。
　本発明に係る光電変換素子は、結晶系半導体基板と、結晶系半導体基板上に積層された半導体層と、半導体層上に積層された透明導電層と、透明導電層上の略全面に積層された金属層と、を備え、半導体層は、透明導電層と接触するｐ型の非晶質系半導体層を含む。
　本発明によれば、光電変換素子の特性を向上させることができる。
本発明に係る実施の形態において、太陽電池モジュールの断面図である。 本発明に係る実施の形態において、光電変換素子の受光面側の平面図である。 本発明に係る実施の形態において、光電変換素子の裏面側の平面図である。 図２におけるＡ－Ａ線断面図であり、光電変換素子の断面図である。 本発明に係る実施の形態において、光電変換素子の変形例の断面図である。 本発明に係る実施の形態において、光電変換素子によって発電された電流の流れを示す図である。 本発明に係る実施の形態において、光電変換素子によって発電された電流の流れを示す図である。
　以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向、形成方法及び製造方法等は、例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
　以下では、全ての図面において、同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
　図１は、太陽電池モジュール１の断面図である。太陽電池モジュール１は、複数の光電変換素子１０と、複数の配線部材５と、封止材３と、第１の保護部材２と、第２の保護部材４とを備える。ここでは、第１の保護部材２の受光面側（第１の保護部材２に対して光電変換素子１０が配置される側と反対側）から太陽光等の光が主に入射されるものとして説明する。
　複数の光電変換素子１０は、整列して配置される。各配線部材５は、隣接する光電変換素子１０同士を電気的に接続する。これにより、複数の光電変換素子１０は、直列または並列に接続される。
　第１の保護部材２は、光電変換素子１０の受光面側に配置される。第１の保護部材２は、例えば、ガラス、透光性樹脂等を用いて構成することができる。
　第２の保護部材４は、光電変換素子１０の裏面側に配置される。第２の保護部材４は、アルミニウム箔等の金属箔を介在させた樹脂フィルムを用いて構成することができる。
　封止材３は、光電変換素子１０と第１の保護部材２との間、及び光電変換素子１０と第２の保護部材４との間に充填される。複数の光電変換素子１０は、この封止材３によって封止される。封止材３は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の透光性を有する樹脂を用いて構成することができる。
　図２は、光電変換素子１０の受光面側の平面図である。図３は、光電変換素子１０の裏面側の平面図である。図４は、図２におけるＡ－Ａ線断面図であり、光電変換素子１０の断面図である。ここで、「受光面」とは、太陽光等の光が主に入射される面を意味する。また、「裏面」とは、受光面と反対側の面を意味する。
　光電変換素子１０は、受光面側から、透明導電膜１１と、ｎ型非晶質シリコン膜１２と、ｉ型非晶質シリコン膜１３と、ｎ型単結晶シリコン基板１４と、ｉ型非晶質シリコン膜１５と、ｐ型非晶質シリコン膜１６と、透明導電膜１７と、金属膜１８とが積層されて構成される。
　光電変換素子１０の受光面上には、集電極２１が設けられる。集電極２１は、複数のフィンガー電極部２０と複数のバスバー電極部１９とを含む。光電変換素子１０の裏面上には、集電極２３が設けられる。集電極２３は、複数の突起電極部２２を含む。
　ｉ型非晶質シリコン膜１３は、ｎ型単結晶シリコン基板１４の受光面上に積層される。ｉ型非晶質シリコン膜１３の膜厚は、例えば、３．５ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好適である。ｉ型非晶質シリコン膜１３は、例えば、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法を用いて形成することができる。
　ｎ型非晶質シリコン膜１２は、ｉ型非晶質シリコン膜１３上に積層される。ｎ型非晶質シリコン膜１２の膜厚は、例えば、２ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好適である。ｎ型非晶質シリコン膜１２は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。
　透明導電膜１１は、ｎ型非晶質シリコン膜１２上に積層される。透明導電膜１１は、例えば、多結晶構造を有する酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ2）、及び酸化チタン（ＴｉＯ2）等の金属酸化物のうちの少なくとも１つを含む。これらの金属酸化物に、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）などのドーパントがドープされていてもよい。ドーパントの濃度は、０～２０ｗｔ％とすることができる。ここでは、透明導電膜１１はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いて形成されているものとして説明する。透明導電膜１１の膜厚は、例えば、１００ｎｍであることが好適である。
　バスバー電極部１９は、光電変換素子１０において発電された電気を集電して取り出すために設けられる電極部材である。バスバー電極部１９は、後述するフィンガー電極部２０において集電された電気をできるだけ均等に集電するように配置することが好適である。例えば、バスバー電極部１９は、複数設けてもよい。このとき、バスバー電極部１９は、透明導電膜１１上に互いに平行に形成することが好適である。バスバー電極部１９の幅は、集電される電流の大きさ、バスバー電極部１９の厚さ等に応じて適宜決定され、例えば、１．５ｍｍとされる。
　フィンガー電極部２０は、バスバー電極部１９とともに、光電変換素子１０において発電された電気を集電して取り出すために設けられる電極部材である。フィンガー電極部２０は、光電変換素子１０の面内からまんべんなく集電が行われるように配置することが好適である。フィンガー電極部２０は、透明導電膜１１上にバスバー電極部１９と交差して電気的に接続されるように配置される。例えば、複数のフィンガー電極部２０を互いに平行に配置する。フィンガー電極部２０の幅は、集電される電流の大きさ、フィンガー電極部２０の厚さ等に応じて適宜決定され、例えば、１００μｍとされる。また、フィンガー電極部２０のピッチは、例えば、２ｍｍであることが好適である。
　バスバー電極部１９及びフィンガー電極部２０は、導電材料であって、例えば、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）及びＣｒ（クロム）等の金属や、これらの金属のうちの一種類以上を含む合金によって構成することができる。また、バスバー電極部１９及びフィンガー電極２０は、例えば、上記金属や合金からなる複数の導電層の積層体によって構成されていてもよい。バスバー電極部１９及びフィンガー電極部２０は、例えば、Ａｇペースト等の導電性ペーストを用いて形成することができる。ここでは、バスバー電極部１９及びフィンガー電極部２０はＡｇを用いて形成されるものとして説明する。
　ｉ型非晶質シリコン膜１５は、ｎ型単結晶シリコン基板１４の裏面上に積層される。ｉ型非晶質シリコン膜１５の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好適である。ｉ型非晶質シリコン膜１５は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。
　ｐ型非晶質シリコン膜１６は、ｉ型非晶質シリコン膜１５上に積層される。ｐ型非晶質シリコン膜１６の膜厚は、６ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが好適である。ｐ型非晶質シリコン膜１６は、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。
　透明導電膜１７は、ｐ型非晶質シリコン膜１６上に積層される。透明導電膜１７は、例えば、多結晶構造を有する酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ2）、及び酸化チタン（ＴｉＯ2）等の金属酸化物のうちの少なくとも１つを含んで構成される。これらの金属酸化物に、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）、アンチモン（Ｓｂ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）、ガリウム（Ｇａ）などのドーパントがドープされていてもよい。ドーパントの濃度は、０～２０ｗｔ％とすることができる。ここでは、透明導電膜１７はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用いて形成されているものとして説明する。透明導電膜１７の膜厚は、透明導電膜１１の厚み以上であることが好適であり、例えば、１００ｎｍよりも大きく以上であって１５０ｎｍよりも小さいことが好適である。
　金属膜１８は、透明導電膜１７上に積層される。金属膜１８は、透明導電膜１７の形成領域の略全面を覆うように積層される。ここで、「透明導電膜１７の形成領域の略全面を覆うように」とは、透明導電膜１７上の実質的に全体を覆っているとみなせる状態を意味し、例えば、透明導電膜１７上に積層された金属膜１８の一部が欠けている状態も含む。金属膜１８の形成領域の面積は、透明導電膜１７の形成領域の面積の９０％～１００％範囲が好適である。
　金属膜１８は、透明導電膜１７よりも、光電変換素子１０で利用される波長領域のうち、特に波長８００ｎｍ～１２００ｎｍ程度の赤外領域の光の光反射率が高く、かつ、導電性が高い金属を用いて構成することが好適である。このため、金属膜１８は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣｒ等の金属や、これらの金属の一種類以上を含む合金により形成することができる。金属膜１８は、上記金属や合金からなる複数の膜の積層体によって構成されていてもよい。金属膜１８は、赤外領域の波長において反射率が高いＡｇを用いることがより好適である。金属膜１８の膜厚は、例えば、１５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好適であり、さらに３００ｎｍ以上５００ｎｍとすることが好適である。ここでは、金属膜１８はＡｇを用いて形成されるものとして説明する。
　突起電極部２２は、光電変換素子１０において発電された電気を集電して取り出すために設けられる電極部材である。突起電極部２２は、金属膜１８において集電された電気をできるだけ均等に集電するように配置することが好適である。突起電極部２２は、複数設けてもよい。このとき、突起電極部２２は、透明導電膜１１上に互いに平行に形成することが好適である。突起電極部２２の幅は、集電される電流の大きさ、バスバー電極部１９の厚さ等に応じて適宜決定され、例えば、０．０５μｍ～２ｍｍ程度であることが好適であり、さらに、０．０５μｍ～０．５ｍｍ程度であることがより好適である。突起電極部２２の膜厚は、金属膜１８よりも厚いことが好ましく、例えば、５μｍ～２０μｍであることが好適である。突起電極部２２の材料及び形成方法は、バスバー電極部１９と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　上記で例示した各膜厚は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定することができる。そして、上記で例示した各膜厚は、光電変換素子１０の断面において、積層方向に沿った厚みの平均膜厚を示している。
　次に、光電変換素子１０の製造方法の一例を説明する。なお、光電変換素子１０の製造方法は、各工程において示す製造方法に限定されない。各工程において、例えば、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、スクリーン印刷法或いはメッキ法等を適宜用いることができる。
　まず、ｎ型単結晶シリコン基板１４を真空チャンバ内に搬入し、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１４の受光面上にｉ型非晶質シリコン膜１３を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法を用いてｉ型非晶質シリコン膜１３上にｎ型非晶質シリコン膜１２を形成する。
　次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１４上にｉ型非晶質シリコン膜１５を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法を用いてｉ型非晶質シリコン膜１５上にｐ型非晶質シリコン膜１６を形成する。
　その後、スパッタリング法や蒸着法を用いて、ｎ型非晶質シリコン膜１２およびｐ型非晶質シリコン膜１６上に、それぞれＩＴＯからなる透明導電膜１１及び透明導電膜１７を形成する。
　そして、スパッタリング法や蒸着法を用いて、透明導電膜１７上に金属膜１８を形成する。最後に、スクリーン印刷法を用いて、透明導電膜１１及び金属膜１８上に、それぞれ集電極２１及び集電極２３を形成する。
　続いて、上記光電変換素子１０の作用について説明する。光電変換素子１０において、光は透明導電膜１１側からｎ型単結晶シリコン基板１４に入射され、この際、発電に寄与しなかった赤外領域の光は、透明導電膜１７を介して金属層１８に向かう。ここで、金属膜１８は、赤外領域の波長において反射率が高いＡｇを用いて構成されている。また、金属膜１８は、透明導電膜１７の形成領域の略全面において接触している。これにより、従来のように裏面にフィンガー電極部及びバスバー電極部を設けるのみの構成より裏面での光の反射率を高めることができる。
　また、ｐ型非晶質シリコン膜１６と金属膜１８とが接すると、金属膜１８を構成する金属原子がｐ型非晶質シリコン膜１６に拡散して欠陥準位を発生させ、キャリアがトラップされるという問題が生じうる。ここで、金属膜１８は、透明導電膜１７によって、ｐ型非晶質シリコン膜１６と直接接触しないように配置されている。これにより、欠陥順位の発生を抑制できる。
　また、光電変換素子１０では、一般的に、ｐ型非晶質シリコン膜１６は、ｎ型非晶質シリコン膜１２に比べてシート抵抗が高い。したがって、図６に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜１６において面内方向に流れる電流Ｉａは、ｎ型非晶質シリコン膜１２において面内方向に流れる電流Ｉｂに比べて流れにくく小さな値となる。そこで、透明導電膜１７の裏面側に透明導電膜１７よりも抵抗率の低い金属膜１８を積層し、ｐ型非晶質シリコン膜１２における面内方向の抵抗率の高さを補うことで、光電変換素子１０ａで発電された電力の集電効率を高めることができる。
　次に、光電変換素子１０の変形例である光電変換素子１０ａについて説明する。図５は、光電変換素子１０ａの断面図である。光電変換素子１０ａと光電変換素子１０との相違は、金属膜１８と突起電極部２２（集電極２３）の配置関係だけであるため、その相違点を中心に説明する。
　突起電極部２２は、光電変換素子１０において発電された電気を集電して取り出すために設けられる電極部材である。突起電極部２２は、光電変換素子１０において発電された電気を均等に集電するように配置することが好適である。例えば、突起電極部２２は、複数設けてもよい。突起電極部２２は、透明導電膜１７の裏面側に互いに平行に形成される。突起電極部２２の各面のうち、透明導電膜１７との接触面以外の三方の面は、金属膜１８と接触している。なお、突起電極部２２の幅、膜厚、構成材料及び形成方法は、特に限定されないが、光電変換素子１０の突起電極部２２と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　金属膜１８は、透明導電膜１７の裏面側及び突起電極部２２の上記三方の面に積層される。金属膜１８は、透明導電膜１７の形成領域の略全面を覆うように積層される。ここで、「透明導電膜１７の形成領域の略全面を覆うように」とは、透明導電膜１７上の実質的に全体を覆っているとみなせる状態を意味し、例えば、透明導電膜１７上に積層された金属膜１８の一部が欠けている状態も含む。ここでは、金属膜１８の形成領域の面積は、透明導電膜１７の形成領域の面積よりも小さい。また、金属膜１８の幅、膜厚、構成材料及び形成方法は、特に限定されないが、光電変換素子１０の金属膜１８と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　続いて、上記光電変換素子１０ａの作用について説明する。光電変換素子１０ａにおいて、光は透明導電膜１１側からｎ型単結晶シリコン基板１４に入射され、この際、発電に寄与しなかった光は、透明導電膜１７を介して金属層１８及び突起電極部２２に向かう。ここで、金属膜１８及び突起電極部２２は、赤外領域の波長において反射率が高いＡｇを用いて構成されている。また、金属膜１８及び突起電極部２２は、透明導電膜１７の形成領域の略全面において接触している。これにより、従来のように裏面にフィンガー電極部及びバスバー電極部を設けるのみの構成より裏面での光の反射率を高めることができる。
　また、光電変換素子１０ａでは、一般的に、ｐ型非晶質シリコン膜１６は、ｎ型非晶質シリコン膜１２に比べてシート抵抗が高い。したがって、図７に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜１６において面内方向に流れる電流Ｉａは、ｎ型非晶質シリコン膜１２において面内方向に流れる電流Ｉｂに比べて流れにくく小さな値となる。そこで、透明導電膜１７上に透明導電膜１７よりも抵抗率の低い金属膜１８を積層し、ｐ型非晶質シリコン膜１２における面内方向の抵抗率の高さを補うことで、光電変換素子１０ａで発電された電力の集電効率を高めることができる。
　上記のように、光電変換素子１０及び光電変換素子１０ａでは、金属膜１８及び突起電極部２２は、Ａｇを用いて構成するものとして説明したが、当該突起電極部２２については、Ａｇ以外の金属、例えば、製造コストの安いＡｌやＣｕを用いることができる。これにより、光電変換素子１０及び光電変換素子１０ａの製造コストを削減することができる。
　１　太陽電池モジュール、２　第１の保護部材、３　封止材、４　第２の保護部材、５配線材、１０　光電変換素子、１１　透明導電膜、１２　ｎ型非晶質シリコン膜、１３　ｉ型非晶質シリコン膜、１４　ｎ型単結晶シリコン基板、１５　ｉ型非晶質シリコン膜、１６　ｐ型非晶質シリコン膜、１７　透明導電膜、１８　金属膜、１９　バスバー電極部、２０　フィンガー電極部、２１　集電極、２２　バスバー電極部、２３　集電極。

Claims (4)

  1. 　結晶系半導体基板と、
    　前記結晶系半導体基板上に積層された半導体層と、
    　前記半導体層上に積層された透明導電層と、
    　前記透明導電層上の略全面に積層された金属層と、を備え、
    　前記半導体層は、前記透明導電層と接触するｐ型の非晶質系半導体層を含む光電変換素子。
  2. 　請求項１に記載の光電変換素子において、
    　前記金属層上に形成され、光電変換素子を相互に接続する配線部材を接続するための突起電極部をさらに備える光電変換素子。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の光電変換素子において、
    　前記透明導電層と前記金属層との間に形成され、光電変換素子を相互に接続する配線部材を接続するための突起電極部をさらに備える光電変換素子。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１に記載の光電変換素子において、
    　前記金属層は、Ａｇを含む光電変換素子。
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