WO2014171351A1 - 光電変換素子 - Google Patents

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WO2014171351A1
WO2014171351A1 PCT/JP2014/059956 JP2014059956W WO2014171351A1 WO 2014171351 A1 WO2014171351 A1 WO 2014171351A1 JP 2014059956 W JP2014059956 W JP 2014059956W WO 2014171351 A1 WO2014171351 A1 WO 2014171351A1
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WO
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photoelectric conversion
conversion element
silicon substrate
film
type amorphous
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PCT/JP2014/059956
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神川　剛
真臣 原田
和也 辻埜
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シャープ株式会社
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion element that converts light into electricity.
  • an optical confinement structure in which a pyramidal uneven structure due to the (111) plane is formed by anisotropically etching the (100) plane of a single crystal silicon substrate is known. According to this optical confinement structure, since the reflectance of the surface of the silicon substrate is reduced, the short-circuit current can be increased.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-77240 discloses a first conductivity type single crystal silicon substrate and another conductivity type amorphous silicon layer formed on the surface of the single crystal silicon substrate via an intrinsic amorphous silicon layer. And a photovoltaic device comprising a transparent conductive film formed on the amorphous silicon layer is described. In this photovoltaic device, the surface of the single crystal silicon substrate on which the amorphous silicon layer is provided is defined so that the standard deviation of the surface irregularities from the approximate line is less than 1.0 nm.
  • the light incident on the photoelectric conversion element is refracted at the interface of the photoelectric conversion element. Therefore, light incident at an arbitrary incident angle is collected in a specific angle range from the normal line of the incident surface. As a result, the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element is distributed in a specific range. For this reason, a bias occurs in a region where light is irradiated in the photoelectric conversion element. The bias of the region irradiated with light causes a decrease in long-term reliability.
  • An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of dispersing the direction of light traveling inside, and to provide a method for manufacturing such a photoelectric conversion element.
  • the photoelectric conversion element disclosed here is a photoelectric conversion element that converts light into electricity, and is a single element in which an uneven structure including a first inclined surface and a second inclined surface having different inclination angles is formed on at least one surface.
  • a crystalline silicon substrate is provided.
  • the method for manufacturing a photoelectric conversion element disclosed herein includes a step of preparing a single crystal silicon substrate having an off angle from the (100) plane, and a step of etching the single crystal silicon substrate with an alkaline solution.
  • the first inclined surface and the second inclined surface have different inclination angles. Therefore, the light incident from the first inclined surface and the light incident from the second inclined surface have different angular distributions. Thereby, the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element can be dispersed.
  • a photoelectric conversion element having an uneven structure having inclined surfaces with different inclination angles can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the uneven structure of the silicon substrate.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3D is a view for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the
  • FIG. 4A is a cross-sectional view schematically showing a part of the light receiving surface side of the photoelectric conversion element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view schematically showing a photoelectric conversion element having a concavo-convex structure with all equal inclination angles for comparison.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining another example of forming a concavo-convex structure of a silicon substrate.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining another example of forming a concavo-convex structure of a silicon substrate.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a photoelectric conversion element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 3rd Embodiment of this invention.
  • FIG. 8A is a drawing for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8C is a drawing for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 10 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 5th Embodiment of this invention.
  • FIG. 9 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 11 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 6th Embodiment of this invention.
  • FIG. 12 is the top view which looked at the photoelectric conversion element concerning the 6th Embodiment of this invention from the back surface side.
  • FIG. 13A is a drawing for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13B is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13C is a view for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13D is a diagram for explaining an example of the photoelectric conversion element manufacturing method according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A is a drawing for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13B is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion
  • FIG. 13E is a drawing for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13F is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the photoelectric conversion element according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element concerning the 7th Embodiment of this invention.
  • FIG. 15 is a plan view schematically showing an uneven structure of a photoelectric conversion element according to a comparative example.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the photoelectric conversion module according to the present embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the photovoltaic power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the photoelectric conversion module array illustrated in FIG.
  • FIG. 19 is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the solar power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the photovoltaic power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the photovoltaic power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the photoelectric conversion element 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the photoelectric conversion element 1 includes a silicon substrate 101, semiconductor layers 102 and 103, transparent conductive films 104 and 105, and electrodes 106 and 107.
  • the thickness direction of the electrodes 106 and 107 is referred to as the z direction
  • a plane (xy plane) perpendicular to the z direction is referred to as a reference plane.
  • the silicon substrate 101 is an n-type single crystal silicon substrate.
  • the thickness of the silicon substrate 101 is, for example, 80 to 200 ⁇ m.
  • the specific resistance of the silicon substrate 101 is, for example, 1 to 4 ⁇ cm.
  • the concavo-convex structure TX is formed on both surfaces of the silicon substrate 101.
  • the uneven structure TX reduces the surface reflectance of the silicon substrate 101.
  • the photoelectric conversion element 1 can take in more light by the uneven structure TX.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the concavo-convex structure TX of the silicon substrate 101.
  • the uneven structure TX includes a plurality of protrusions TXa.
  • Each of the convex portions TXa includes four inclined surfaces 101a, 101b, 101c, and 101d.
  • the inclination angles of the four inclined surfaces 101a, 101b, 101c, and 101d are different from each other.
  • the inclination angle of the inclined surface is an angle formed by the inclined surface and the reference surface (xy plane in the example of FIG. 1).
  • the inclination angle of the inclined surface is equal to the angle formed by the normal line of the inclined surface and the normal line of the reference surface (z axis in the example of FIG. 1).
  • the inclination angle of the inclined surface 101a is indicated by ⁇
  • the inclination angle of the inclined surface 101b is indicated by ⁇ ( ⁇ ⁇ ⁇ ).
  • the size of the convex portion TXa is the length of one side of the bottom surface of the convex portion TXa (the length of the longest side when the length of each side of the bottom surface is different) r, and is 0.6 to 2 ⁇ m. It is preferable. This is because the effect of scattering light having a wavelength of 350 to 1100 nm contained in sunlight can be enhanced.
  • a semiconductor layer 102, a transparent conductive film 104, and an electrode 106 are formed in this order on the surface of the silicon substrate 101 on which light enters (hereinafter referred to as a light receiving surface).
  • a semiconductor layer 103, a transparent conductive film 105, and an electrode 107 are formed in this order on the other surface (hereinafter referred to as the back surface) of the silicon substrate 101.
  • the semiconductor layer 102 includes an i-type amorphous film 102i and an n-type amorphous film 102n.
  • the i-type amorphous film 102 i and the n-type amorphous film 102 n are formed in this order so as to cover the light receiving surface of the silicon substrate 101.
  • the semiconductor layer 103 includes an i-type amorphous film 103i and a p-type amorphous film 103p.
  • the i-type amorphous film 103 i and the p-type amorphous film 103 p are formed in this order so as to cover the back surface of the silicon substrate 101.
  • the i-type amorphous films 102i and 103i are amorphous semiconductor films that are substantially intrinsic and contain hydrogen.
  • an amorphous semiconductor includes a microcrystalline semiconductor.
  • a microcrystalline semiconductor is a semiconductor in which an average particle diameter of a semiconductor crystal precipitated in an amorphous semiconductor is 1 to 50 nm.
  • the i-type amorphous films 102i and 103i are, for example, i-type amorphous silicon, i-type amorphous silicon germanium, i-type amorphous germanium, i-type amorphous silicon carbide, i-type amorphous silicon nitride. , I-type amorphous silicon oxide, i-type amorphous silicon carbon oxide and the like.
  • the thicknesses of the i-type amorphous films 102i and 103i are, for example, several to 25 nm.
  • the n-type amorphous film 102n is an amorphous semiconductor film having n-type conductivity and containing hydrogen.
  • the n-type amorphous film 102n contains phosphorus as a dopant.
  • the dopant concentration is, for example, 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the n-type amorphous film 102n includes, for example, n-type amorphous silicon, n-type amorphous silicon germanium, n-type amorphous germanium, n-type amorphous silicon carbide, n-type amorphous silicon nitride, n Type amorphous silicon oxide, n-type amorphous silicon carbon oxide and the like.
  • the thickness of the n-type amorphous film 102n is, for example, 2 to 50 nm.
  • the p-type amorphous film 103p is a film of an amorphous semiconductor having a p-type conductivity and containing hydrogen.
  • the p-type amorphous film 103p contains, for example, boron as a dopant.
  • the dopant concentration is, for example, 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type amorphous film 103p includes, for example, p-type amorphous silicon, p-type amorphous silicon germanium, p-type amorphous germanium, p-type amorphous silicon carbide, p-type amorphous silicon nitride, p Type amorphous silicon oxide, p-type amorphous silicon carbon oxide and the like.
  • the thickness of the p-type amorphous film 103p is, for example, 2 to 50 nm.
  • the photoelectric conversion element 1 preferably includes i-type amorphous films 102i and 103i. However, the photoelectric conversion element 1 may not include the i-type amorphous films 102i and 103i.
  • the semiconductor layer 102 is preferably a combination of i-type amorphous silicon and n-type amorphous silicon.
  • the semiconductor layer 103 is preferably a combination of i-type amorphous silicon and p-type amorphous silicon.
  • the transparent conductive film 104 is formed so as to cover the semiconductor layer 102.
  • the transparent conductive film 105 is formed so as to cover the semiconductor layer 103.
  • the transparent conductive films 104 and 105 are, for example, transparent conductive oxides (TCO: Transparent Conductive Oxide).
  • TCO transparent Conductive Oxide
  • the thickness of the transparent conductive films 104 and 105 is, for example, 70 to 100 nm.
  • ITO indium tin oxide
  • SnO 2 SnO 2
  • ZnO ZnO
  • An electrode 106 is formed on the transparent conductive film 104, and an electrode 107 is formed on the transparent conductive film 105.
  • the electrodes 106 and 107 are resin compositions in which a conductive filler such as silver powder is kneaded, for example.
  • the silicon substrate 101 having the concavo-convex structure TX formed on both sides is manufactured (FIG. 3A).
  • a single crystal silicon substrate having a (100) plane is immersed in an alkaline solution.
  • a concavo-convex structure composed of symmetrically inclined surfaces due to the (111) plane is formed by the difference between the etching rate of the (100) plane and the etching rate of the (111) plane.
  • the angle formed by the (111) plane and the reference plane is about 54.7 °.
  • a single crystal silicon substrate having an off angle from the (100) plane is immersed in an alkaline solution.
  • the substrate having an off angle from the (100) plane is a substrate having a plane whose normal is inclined by a predetermined angle (off angle) from the normal of the (100) plane.
  • the concavo-convex structure TX composed of inclined surfaces having different inclination angles is formed. More specifically, some of the inclined surfaces 101a, 101b, 101c, and 101d have an inclination angle larger than 54.7 °, and the remaining inclined surfaces have an inclination angle smaller than 54.7 °.
  • the concavo-convex structure TX composed of inclined surfaces having various inclination angles can be obtained.
  • the off angle is preferably 0.5 to 10 °, and more preferably 1 to 7 °.
  • the alkaline solution for example, a mixed solution of 1 to 5% by weight of KOH and 1 to 10% by weight of isopropyl alcohol can be used.
  • the treatment temperature can be, for example, 80 to 90 ° C.
  • the treatment time can be, for example, 30 minutes.
  • the size of the convex portion TXa is preferably 0.6 to 2 ⁇ m in terms of the length r of one side of the bottom surface of the convex portion TXa.
  • the size of the protrusion TXa is 0.6 to 2 ⁇ m, it is preferable to adjust the KOH concentration and the processing temperature so that the etching rate is 3 ⁇ m / h or less.
  • the etching rate is 3 ⁇ m / h or less, the inclined surfaces 101a, 101b, 101c and 101d can be further away from the symmetrical shape.
  • dry etching using a reactive gas may be performed.
  • the semiconductor layer 102 is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 101 (FIG. 3B).
  • the i-type amorphous film 102i is formed on the light receiving surface of the silicon substrate 101 by, for example, plasma CVD (plasma chemical vapor deposition).
  • plasma CVD plasma chemical vapor deposition
  • substrate temperature 130 to 210 ° C.
  • H 2 gas flow rate 0 to 100 sccm
  • SiH 4 gas flow rate 40 sccm
  • pressure 40 to 120 Pa
  • high frequency power density 5 to 15 mW / cm 2.
  • an n-type amorphous film 102n is formed on the i-type amorphous film 102i by, for example, plasma CVD.
  • substrate temperature 170 ° C.
  • H 2 gas flow rate 0 to 100 sccm
  • SiH 4 gas flow rate 40 sccm
  • PH 3 / H 2 gas flow rate 40 sccm
  • pressure 40 Pa
  • high frequency power density 8.33 mW / cm 2
  • n-type amorphous silicon doped with phosphorus (P) can be formed.
  • PH 3 / H 2 gas represents a gas obtained by diluting PH 3 gas with H 2 gas, and the concentration of PH 3 with respect to H 2 can be set to 1%, for example.
  • the semiconductor layer 103 is formed on the back side of the silicon substrate 101 (FIG. 3C).
  • an i-type amorphous film 103i is formed on the back surface of the silicon substrate 101 by, for example, plasma CVD.
  • the conditions for forming the i-type amorphous film 103i are the same as those for the i-type amorphous film 102i.
  • the i-type amorphous film 102i and the i-type amorphous film 103i may be formed under the same conditions, or may be formed under different conditions.
  • a p-type amorphous film 103p is formed on the i-type amorphous film 103i by, for example, plasma CVD.
  • substrate temperature 150 to 210 ° C.
  • H 2 gas flow rate 0 to 100 sccm
  • SiH 4 gas flow rate 40 sccm
  • B 2 H 6 / H 2 gas flow rate 40 sccm
  • pressure 40 to 120 Pa
  • high frequency power density 5 to
  • B 2 H 6 / H 2 gas represents a gas diluted with B 2 H 6 gas with H 2 gas
  • the concentration of B 2 H 6 to H 2 may be 2%, for example.
  • a transparent conductive film 104 is formed on the semiconductor layer 102, and a transparent conductive film 105 is formed on the semiconductor layer 103 (FIG. 3D).
  • ITO can be formed by the following sputtering.
  • a sintered body of In 2 O 3 powder mixed with 5% by weight of SnO 2 powder is set on the cathode as a target.
  • the silicon substrate 101 on which the semiconductor layers 102 and 103 are formed is disposed so as to be parallel to the cathode, and the inside of the chamber is evacuated.
  • the silicon substrate 101 is heated to a temperature of 180 ° C., and a mixed gas of Ar gas (flow rate: 200 to 800 sccm) and O 2 gas (flow rate: 0 to 30 sccm) is allowed to flow so that the pressure in the chamber is 0.4 to While maintaining the pressure at 1.3 Pa, 0.2 to 2 kW of DC power is applied to the cathode to discharge it.
  • a mixed gas of Ar gas flow rate: 200 to 800 sccm
  • O 2 gas flow rate: 0 to 30 sccm
  • an electrode 106 and an electrode 107 are formed on the transparent conductive film 104 and the transparent conductive film 105, respectively.
  • the electrodes 106 and 107 can be formed, for example, by patterning an Ag paste obtained by kneading silver (Ag) fine powder in an epoxy resin by a screen printing method, followed by baking and curing at 200 ° C. for 80 minutes. Thereby, the photoelectric conversion element 1 is completed.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view schematically showing a part of the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 1.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view schematically showing a photoelectric conversion element having a concavo-convex structure with all equal inclination angles for comparison.
  • the light incident on the photoelectric conversion element 1 is refracted at the interface of the photoelectric conversion element 1.
  • the relationship between the refractive angle theta B and the incident angle theta A when the light is incident on a medium having a refractive index N B from a medium having a refractive index N A is determined from the following Snell's law.
  • the light incident on the photoelectric conversion element 1 at an arbitrary incident angle ( ⁇ 90 ° to + 90 °) is about ⁇ 17 ° from the normal line of each inclined surface of the concavo-convex structure TX, as shown in FIGS. 4A and 4B. Collected in the range.
  • the direction of the light traveling inside the photoelectric conversion element 1 is distributed in a range of about ⁇ 17 ° from the normal line of each inclined surface of the concavo-convex structure TX. Therefore, a bias occurs in a region where light is irradiated in the photoelectric conversion element 1.
  • the photoelectric conversion element 1 includes an amorphous film in the semiconductor layer.
  • the photoelectric conversion element 1 is irradiated with strong light for a long period of time, dangling bonds (unbonded hands) of the amorphous film increase and the lattice defect density gradually increases. Therefore, from the viewpoint of long-term reliability, it is preferable that the region irradiated with light is distributed as uniformly as possible.
  • the inclined angles of the inclined surfaces 101a to 101d are different from each other. Thereby, the direction of the light traveling inside the photoelectric conversion element 1 can be dispersed. Accordingly, it is possible to mitigate the occurrence of bias in the region irradiated with light in the photoelectric conversion element 1, and thus it is possible to improve long-term reliability.
  • the photoelectric conversion element 1 includes semiconductor films 102 and 103 (FIG. 1).
  • the semiconductor films 102 and 103 have a function as a passivation film.
  • the semiconductor films 102 and 103 receive strong stress from the inclined surfaces 101a and 101b on both sides in the vicinity of the concave portion TXb of the concave-convex structure TX. For this reason, the passivation effect of the semiconductor layers 102 and 103 is not uniform and decreases in the vicinity of the recess TXb. In the region where the passivation effect is reduced, carrier recombination is likely to occur, and conversion efficiency is locally reduced.
  • the influence of the recess TXb can be relatively reduced by dispersing the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 1. That is, the conversion efficiency can be improved by more widely dispersing the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 1.
  • the i-type amorphous film 102i is formed on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 1, and the i-type amorphous film 103i is formed on the back surface side.
  • both surfaces of the photoelectric conversion element 1 are passivated, a higher passivation effect can be obtained.
  • the photoelectric conversion element 1 can suppress the curvature in the manufacturing process of the photoelectric conversion element 1 by having a symmetrical structure by the light-receiving surface side and a back surface side.
  • the semiconductor films 102 and 103 are made of amorphous films. Therefore, the photoelectric conversion element 1 can be manufactured without going through a high temperature process, and the carrier lifetime in the silicon substrate 101 can be extended.
  • a pn bond is formed by forming a p-type semiconductor film on an n-type silicon substrate 101, but even when an n-type semiconductor film is formed on a p-type silicon substrate. Similar effects can be obtained.
  • the photoelectric conversion element 1 may include a conductive film that does not have translucency instead of the transparent conductive film 105 on the back surface side.
  • the conductive film is, for example, a metal such as Ag, Cu, Sn, Pt, or Au, and an alloy film containing one or more of these metals.
  • the inclination angles of the four inclined surfaces 101a to 101d of the concavo-convex structure TX are all different. It is preferable that the inclination angles of the four inclined surfaces 101a to 101d are all different because the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 1 can be more widely dispersed. However, if the four inclined surfaces 101a to 101d have at least two types of inclination angles, the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 1 is dispersed as compared with the case where all of them have the same inclination angle. be able to.
  • some of the inclined surfaces 101a, 101b, 101c and 101d have an inclination angle larger than 54.7 °, and the remaining inclination angles of the inclined surfaces 101a, 101b, 101c and 101d are more than 54.7 °. small. As described above, it is preferable to make a part larger than 54.7 ° and the remaining smaller than 54.7 ° because the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 1 can be more widely dispersed.
  • the inclination angles of the inclined surfaces 101a, 101b, 101c, and 101d may all be larger than 54.7 °, or may be all smaller than 54.7 °.
  • Such a concavo-convex structure can be formed by combining, for example, anisotropic etching according to the present embodiment and dry etching using a reactive gas. Even in this case, if the inclined surfaces 101a, 101b, 101c, and 101d have two or more types of inclination angles, the light that travels inside the photoelectric conversion element 1 as compared with the case where all the inclination angles are the same. Can be dispersed.
  • a method of forming a concavo-convex structure including inclined surfaces having different inclination angles from each other by etching a substrate having an off angle from the (100) plane with an alkaline solution has been described.
  • the method for forming the concavo-convex structure is not limited to this.
  • An uneven structure including inclined surfaces having different inclination angles can be formed, for example, as follows.
  • a thin mask 99 is formed in a stripe shape on the surface of the silicon substrate 101A whose flat surface is the (100) surface, and then etching with an alkaline solution is performed.
  • the mask 99 is a SiO 2 film formed by sputtering, for example, and is patterned by photolithography.
  • the mask 99 is set to a thickness that is durable to the alkaline solution for a time shorter than the etching time. In other words, the mask 99 is set to a thickness that is removed during the etching process.
  • the time of exposure to the alkaline solution differs between the part where the mask is formed and the part where the mask is not formed. Therefore, as shown in FIG. 5B, the inclination angle of the inclined surface formed in the portion where the mask is formed is different from the inclination angle of the inclined surface formed in the portion where the mask is not formed. Can do.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the photoelectric conversion element 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the semiconductor layer 103 including the p-type amorphous film 103 p is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 101
  • the semiconductor layer 102 including the n-type amorphous film 102 n is the back surface of the silicon substrate 101. Formed on the side.
  • Other configurations are the same as those of the photoelectric conversion element 1.
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed on the silicon substrate 101.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the photoelectric conversion element 3 according to the third embodiment of the present invention.
  • the photoelectric conversion element 3 includes a silicon substrate 301 on which a concavo-convex structure TX is formed only on the light receiving surface instead of the silicon substrate 101.
  • the silicon substrate 301 is a single crystal silicon substrate having an n conductivity type.
  • the photoelectric conversion element 3 includes an electrode 307 formed so as to cover the entire surface of the conductive film 105 instead of the electrode 107. Other configurations are the same as those of the photoelectric conversion element 1.
  • the silicon substrate 301 is also provided with a concavo-convex structure TX including inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ .
  • a silicon substrate 301 having a concavo-convex structure TX formed on only one surface is produced (FIG. 8A).
  • a film 90 such as SiO 2 is formed on one surface of a single crystal silicon substrate by sputtering or the like.
  • the silicon substrate is etched with an alkaline solution or the like to form the concavo-convex structure TX only on the surface opposite to the surface on which the film 90 is formed.
  • the film 90 is removed.
  • the semiconductor layer 102 is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 301, and the semiconductor layer 103 is formed on the back surface side (FIG. 8B).
  • the method for forming the semiconductor layers 102 and 103 is the same as that in the first embodiment.
  • a transparent conductive film 104 is formed on the semiconductor layer 102, and a transparent conductive film 105 is formed on the semiconductor layer 103 (FIG. 8C).
  • the method for forming the transparent conductive films 104 and 105 is the same as that in the first embodiment.
  • the electrode 106 is formed over the transparent conductive film 104, and the conductive film 307 is formed over the transparent conductive film 105.
  • the method for forming the electrode 106 is the same as in the first embodiment.
  • the electrode 307 can be formed by sputtering, for example.
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed.
  • the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 3 can be dispersed.
  • the long-term reliability of the photoelectric conversion element 3 can be improved.
  • the conversion efficiency of the photoelectric conversion element 3 can be improved.
  • the electrode 307 is formed so as to cover substantially the entire surface of the transparent conductive film 105. Light that reaches the back surface from the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 3 is reflected by the electrode 307. Thereby, the photoelectric conversion element 3 can take in more light.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the photoelectric conversion element 4 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the semiconductor layer 103 including the p-type amorphous film 103 p is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 301, and the semiconductor layer 102 including the n-type amorphous film 102 n is the back surface of the silicon substrate 301. Formed on the side.
  • Other configurations are the same as those of the photoelectric conversion element 3.
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed on the silicon substrate 301.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a photoelectric conversion element 5 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the photoelectric conversion element 5 includes a silicon substrate 501, a passivation film 502, a transparent conductive film 105, and electrodes 106 and 307.
  • the silicon substrate 501 is a single crystal silicon substrate having an n-type conductivity.
  • a p-type diffusion region 501p is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 501, and an n-type diffusion region 501n is formed on the back surface side.
  • the electrode 106 is formed in contact with the p-type diffusion region 501p.
  • the silicon substrate 501 also has a concavo-convex structure TX including inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ .
  • the passivation film 502 may be, for example, an i-type amorphous silicon film that has been volumetrically formed by plasma CVD, or may be an oxide film formed by heat-treating the surface of the silicon substrate 501. In part of the passivation film 502, a contact hole for contacting the p-type diffusion region 501p and the electrode 106 is formed.
  • a silicon substrate having a concavo-convex structure TX formed on one side is manufactured in the same manner as in the third embodiment.
  • a p-type diffusion region 501p and an n-type diffusion region 501n are formed on a silicon substrate having a concavo-convex structure TX on one side.
  • the p-type diffusion region 501p can be formed, for example, by depositing a BSG (B-doped Silicate Glass) film on the light-receiving surface of the silicon substrate 501 by APCVD (Atmospheric Chemical Vapor Deposition) and heat-treating the deposited BSG film. .
  • the dopant concentration of the p-type diffusion region 501p is, for example, 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-type diffusion region 501n can be formed by heat-treating the back surface of the silicon substrate 501 in a mixed gas atmosphere of PoCl 3 , N 2 , and O 2 .
  • the dopant concentration of the n-type diffusion region 501n is, for example, 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the passivation film 502 may be an i-type amorphous silicon film volume-stored by plasma CVD, or may be an oxide film formed by heat-treating the surface of the silicon substrate 501.
  • the contact hole for contacting the p-type diffusion region 501p and the electrode 106 can be formed by, for example, photolithography.
  • the transparent conductive film 105 and the electrodes 106 and 307 are formed.
  • the transparent conductive film 1105 can be formed by sputtering, for example.
  • the electrode 106 can be formed by, for example, a printing method.
  • the electrode 307 can be formed by sputtering, for example.
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed on the light receiving surface side. Thereby, the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 5 can be more widely dispersed.
  • the pn bond is formed by forming the p-type diffusion region 501p in the silicon substrate 501 having the conductivity type, but the same applies even when the n-type diffusion region is formed in the p-type silicon substrate. The effect of can be obtained.
  • FIG. 11 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element 6 concerning the 6th Embodiment of this invention.
  • the photoelectric conversion element 6 includes a silicon substrate 301, semiconductor layers 102, 602, and 603, an insulating film 604, transparent conductive films 605 and 606, and electrodes 607 and 608.
  • the insulating film 604 is formed so as to cover the semiconductor layer 102.
  • the insulating film 604 has a function as an antireflection film and a function as a protective film.
  • the insulating film 604 is, for example, silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. In consideration of the passivation property of the semiconductor layer 102, silicon nitride or silicon oxynitride is preferable.
  • the thickness of the insulating film 604 is appropriately set according to the antireflection characteristic to be imparted, and is, for example, 80 to 300 nm.
  • the semiconductor layers 602 and 603 are arranged in the in-plane direction of the silicon substrate 301 in contact with the back surface of the silicon substrate 301.
  • the semiconductor layer 602 includes an i-type amorphous film 602i and an n-type amorphous film 602n.
  • the semiconductor film 603 includes an i-type amorphous film 603i and a p-type amorphous film 603p.
  • the i-type amorphous films 602i and 603i can use the same material as the i-type amorphous films 102i and 103i.
  • the n-type amorphous film 602n can be formed using a material similar to that of the n-type amorphous film 102n.
  • the p-type amorphous film 603p can be formed using a material similar to that of the p-type amorphous film 103p.
  • a transparent conductive film 605 and an electrode 607 are formed in this order.
  • a transparent conductive film 606 and an electrode 608 are formed in this order.
  • FIG. 12 is a plan view of the photoelectric conversion element 6 viewed from the back side. As shown in FIG. 12, the transparent conductive film 605 and the electrode 607 and the transparent conductive film 606 and the electrode 608 are formed so as not to conduct each other.
  • the transparent conductive films 605 and 606 are, for example, ITO, SnO 2 , or ZnO.
  • the electrodes 607 and 608 are a highly reflective metal such as silver. According to this configuration, since the light reaching the back surface from the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 6 is reflected by the electrodes 607 and 608 having high reflectivity, more light can be taken in.
  • the silicon substrate 301 is provided with a concavo-convex structure TX including inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ .
  • a silicon substrate 301 having a concavo-convex structure TX formed on one side is produced.
  • the silicon substrate 301 can be manufactured in the same manner as in the third embodiment.
  • the semiconductor layer 102 is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 301.
  • the semiconductor layer 102 can be manufactured in the same manner as in the first embodiment.
  • semiconductor layers 602 and 603 are formed on the back side of the silicon substrate 301.
  • an i-type amorphous film 603iA and a p-type amorphous film 603pA are sequentially formed by plasma CVD so as to cover substantially the entire back surface of the silicon substrate 301 (FIG. 13A).
  • a resist 91 is formed on a portion where the semiconductor layer 603 is formed by photolithography, and the remaining portion is removed by etching (FIG. 13B). Thereby, the semiconductor layer 603 is formed. After the semiconductor layer 603 is formed, the resist 91 is removed.
  • an i-type amorphous film 602iA and an n-type amorphous film 602nA are sequentially formed by plasma CVD so as to cover the entire back surface of the silicon substrate 301 and the entire surface of the semiconductor layer 603 (FIG. 13C).
  • a resist 92 is formed on a portion where the semiconductor layer 602 is formed by photolithography, and the remaining portion is removed by etching (FIG. 13D). Thereby, the semiconductor layer 602 is formed. After forming the semiconductor layer 602, the resist 92 is removed.
  • an insulating film 604 is formed over the semiconductor layer 102.
  • the insulating film 604 can be formed by APCVD, for example.
  • a transparent conductive film 605A and a conductive film 607A are sequentially formed so as to cover the semiconductor layers 602 and 603 (FIG. 13E).
  • the transparent conductive film 605A and the conductive film 607A can be formed by sputtering, for example.
  • a resist 93 is formed on a portion where the transparent conductive film 605 and the electrode 607 and the transparent conductive film 606 and the electrode 608 are formed by photolithography, and the remaining portion is removed by etching (FIG. 13F). Thereby, the transparent conductive film 605 and the electrode 607, and the transparent conductive film 606 and the electrode 608 are formed.
  • the resist 93 is removed.
  • the photoelectric conversion element 6 is a so-called back junction type photoelectric conversion element in which no electrode is present on the light receiving surface side. According to this configuration, since no electrode is present on the light receiving surface side, more light can be taken in.
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed.
  • the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 6 can be dispersed.
  • FIG. 14 is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element 7 concerning the 7th Embodiment of this invention.
  • the photoelectric conversion element 7 is different from the photoelectric conversion element 6 in the following points.
  • the photoelectric conversion element 7 includes a silicon substrate 701 instead of the silicon substrate 301.
  • the silicon substrate 701 is a single crystal silicon substrate having an n conductivity type.
  • an n-type diffusion region 701n1 is formed on the light receiving surface side, and an n-type diffusion region 701n2 and a p-type diffusion region 701p are formed on the back surface side.
  • the photoelectric conversion element 7 includes a passivation film 502 instead of the semiconductor layer 102.
  • the semiconductor layers 602 and 603 are not formed. Other configurations are the same as those of the photoelectric conversion element 6.
  • the silicon substrate 701 is also provided with a concavo-convex structure TX including inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ .
  • the silicon substrate 701 is obtained by forming an n-type diffusion region 701n1, an n-type diffusion region 701n2, and a p-type diffusion region 701p on a silicon substrate having an uneven structure TX formed on one side.
  • the n-type diffusion region 701n1 can be formed by heat-treating the light-receiving surface of the silicon substrate 701 in a mixed gas atmosphere of PoCl 3 , N 2 , and O 2 .
  • the dopant concentration of the n-type diffusion region 701n1 is, for example, 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-type diffusion region 701n2 and the p-type diffusion region 701p can be formed as follows, for example.
  • a BSG film is deposited on the entire back surface of the silicon substrate 701 by APCVD.
  • a resist is formed on the portion where the p-type diffusion region 701p is to be formed by photolithography, and the remaining portion is removed.
  • heat treatment is performed to diffuse boron from BSG, whereby p-type diffusion region 701p is formed.
  • the dopant concentration of the p-type diffusion region 701p is, for example, 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • a PSG (Phosphorus Silicate Glass) film is deposited on the entire back surface of the silicon substrate 701 by APCVD.
  • a resist is formed on the portion where the n-type diffusion region 701n2 is to be formed by photolithography, and the remaining portion is removed.
  • heat treatment is performed to diffuse phosphorus from PSG, thereby forming n-type diffusion region 701n2.
  • the dopant concentration of the n-type diffusion region 701n2 is, for example, 1 ⁇ 10 17 to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the concavo-convex structure TX including the inclined surfaces 101a and 101b having different inclination angles ⁇ and ⁇ is formed.
  • the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element 7 can be dispersed.
  • the n-type diffusion region 701n1 is formed on the light receiving surface side of the silicon substrate 701.
  • the n-type diffusion region 701n1 functions as a surface barrier. Therefore, the n-type diffusion region 701n1 is preferably formed. However, the n-type diffusion region 701n1 may not be formed.
  • the pn bond is formed by forming the n-type diffusion region 701n2 and the p-type diffusion region 701p on the back surface of the n-type silicon substrate 701.
  • the back surface of the p-type silicon substrate Even when the p-type diffusion region and the n-type diffusion region are formed, the same effect can be obtained.
  • a photoelectric conversion element is a photoelectric conversion element that converts light into electricity, and has a concavo-convex structure including a first inclined surface and a second inclined surface having different inclination angles on at least one surface.
  • a formed single crystal silicon substrate is provided (first configuration).
  • the first inclined surface and the second inclined surface have different inclination angles. Therefore, the light incident from the first inclined surface and the light incident from the second inclined surface have different angular distributions. Thereby, the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element can be dispersed.
  • the first amorphous intrinsic semiconductor layer formed in contact with one surface of the single crystal silicon substrate, and the single crystalline silicon formed on the first amorphous intrinsic semiconductor layer.
  • the first amorphous intrinsic semiconductor layer and the second amorphous intrinsic semiconductor layer function as a passivation film that suppresses the disappearance of minority carriers on the surface of the single crystal silicon substrate.
  • the passivation effect may be reduced in the concave portion.
  • the influence of a recessed part is reduced relatively by disperse
  • the concavo-convex structure is formed on at least the light receiving surface side of the single crystal silicon substrate, and is formed in contact with the light receiving surface of the single crystal silicon substrate;
  • a second amorphous intrinsic semiconductor layer and a third amorphous intrinsic semiconductor layer formed in contact with the other surface of the single crystal silicon substrate and disposed in an in-plane direction of the single crystal silicon substrate;
  • a first conductive type semiconductor layer formed on the crystalline intrinsic semiconductor layer and having a different conductivity type from the single crystal silicon substrate, and formed on the third amorphous intrinsic semiconductor layer and the same as the single crystal silicon substrate You may further provide the 2nd conductivity type semiconductor layer which is a conductivity type (3rd structure).
  • the first amorphous intrinsic semiconductor layer functions as a passivation film that suppresses the disappearance of minority carriers on the surface of the single crystal silicon substrate.
  • a passivation film is formed on the concavo-convex structure, the passivation effect may be reduced in the concave portion.
  • the influence of a recessed part is reduced relatively by disperse
  • an inclination angle of the first inclined surface is larger than 54.7 degrees, and an inclined angle of the second inclined surface is smaller than 54.7 degrees ( Fourth configuration).
  • the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element can be more widely dispersed.
  • the single crystal silicon substrate may be a substrate having an off angle with respect to the (100) plane (fifth configuration).
  • the length of one side of the bottom surface of the convex portion of the concavo-convex structure is 0.6 to 2 ⁇ m (sixth configuration).
  • the concavo-convex structure further includes a third inclined surface and a fourth inclined surface, and the inclination angles of the first to fourth inclined surfaces are all different (first 7 configuration).
  • the direction of light traveling inside the photoelectric conversion element can be more widely dispersed.
  • a method for manufacturing a photoelectric conversion element includes a step of preparing a single crystal silicon substrate having an off angle from the (100) plane, and a step of etching the single crystal silicon substrate with an alkaline solution. Prepare.
  • a photoelectric conversion element having an uneven structure having inclined surfaces with different inclination angles can be obtained.
  • Example 1 A photoelectric conversion element was produced according to the configuration and the manufacturing method of the photoelectric conversion element 2 according to the second embodiment. Note that i-type amorphous silicon is used as the i-type amorphous films 102i and 103i, n-type amorphous silicon doped with phosphorus is used as the n-type amorphous film 102n, and boron is used as the p-type amorphous film 103p. P-type amorphous silicon was used, and ITO was used as the transparent conductive film 104 and the conductive film 105, respectively.
  • Samples 1 to 5 were produced by changing the off angle and the etching rate.
  • Comparative Example 1 a single crystal silicon substrate having a (100) flat surface was dipped in an alkaline solution to produce a silicon substrate having an uneven structure on both surfaces. Other than that, photoelectric conversion elements were fabricated in the same manner as Samples 1 to 5.
  • FIG. 15 is a plan view schematically showing the concavo-convex structure TX1 of the photoelectric conversion element according to Comparative Example 1.
  • the concavo-convex structure TX1 included a plurality of convex portions TX1a.
  • Each of the convex portions TX1a is composed of symmetrically inclined surfaces 901a, 901b, 901c, and 901d caused by the (111) plane.
  • the inclination angles of the inclined surfaces 901a, 901b, 901c, and 901d were all equal.
  • the conversion efficiencies of the photoelectric conversion elements according to Samples 1 to 5 and Comparative Example 1 were measured. Moreover, the deterioration rate was calculated
  • Table 1 also shows the maximum value and the minimum value of the inclination angle of the inclined surface of the concavo-convex structure.
  • the length of one side of the bottom of the convex portion of the concavo-convex structure of the photoelectric conversion elements according to Samples 1 to 3 was 1 to 2 ⁇ m.
  • the length of one side of the bottom of the convex portion of the concavo-convex structure of the photoelectric conversion elements according to Samples 4 and 5 was 0.6 to 1.2 ⁇ m.
  • the length of one side of the bottom surface of the convex portion of the concavo-convex structure of the photoelectric conversion element according to Comparative Example 1 was 10 to 15 ⁇ m.
  • the photoelectric conversion element was produced according to the structure and manufacturing method of the photoelectric conversion element 6 concerning 6th Embodiment. Note that i-type amorphous films 102i, 602i, and 603i are i-type amorphous silicon, and n-type amorphous films 102n and 602n are n-type amorphous silicon doped with phosphorus. P-type amorphous silicon doped with boron was used as the material film 603p, and ITO was used as the transparent conductive films 605 and 608, respectively.
  • Samples 6 to 10 were produced by changing the off angle and the etching rate.
  • Comparative Example 2 a single crystal silicon substrate having a (100) flat surface was dipped in an alkaline solution to produce a silicon substrate having a concavo-convex structure formed on both surfaces. Other than that, photoelectric conversion elements were fabricated in the same manner as Samples 6 to 10.
  • the photoelectric conversion element according to Comparative Example 2 also had a concavo-convex structure composed of inclined surfaces having the same inclination angle.
  • Table 2 also shows the maximum value and the minimum value of the inclination angle of the inclined surface of the concavo-convex structure.
  • the length of one side of the bottom of the convex portion of the concavo-convex structure of the photoelectric conversion elements according to Samples 6 to 8 was 1 to 2 ⁇ m.
  • the length of one side of the bottom of the convex portion of the concavo-convex structure of the photoelectric conversion elements according to Samples 9 and 10 was 0.6 to 1.2 ⁇ m.
  • the length of one side of the bottom surface of the convex portion of the concave-convex structure of the photoelectric conversion element according to Comparative Example 2 was 10 to 15 ⁇ m.
  • a photoelectric conversion module (eighth embodiment) including at least one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments, and a photovoltaic power generation system (ninth embodiment, tenth embodiment). Mode) will be described.
  • the photoelectric conversion module and the photovoltaic power generation system including the photoelectric conversion elements can also have high conversion efficiency.
  • the eighth embodiment is a photoelectric conversion module including at least one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the photoelectric conversion module according to the present embodiment.
  • the photoelectric conversion module 1000 includes a plurality of photoelectric conversion elements 1001, a cover 1002, and output terminals 1013 and 1014.
  • a plurality of photoelectric conversion elements 1001 are arranged in an array and connected in series.
  • FIG. 16 illustrates an arrangement in which the photoelectric conversion elements 1001 are connected in series.
  • the arrangement and connection method are not limited to this, and the photoelectric conversion elements 1001 may be connected in parallel or may be combined in series and parallel. It may be an array.
  • any one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments is used.
  • the photoelectric conversion module 1000 is not limited to the above description as long as at least one of the plurality of photoelectric conversion elements 1001 includes any of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments, and can take any configuration. To do. Further, the number of photoelectric conversion elements 1001 included in the photoelectric conversion module 1000 can be any integer of 2 or more.
  • the cover 1002 is composed of a weatherproof cover and covers the plurality of photoelectric conversion elements 1001.
  • the cover 1002 includes, for example, a transparent base material (for example, glass) provided on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 1001 and a back surface base material provided on the back surface side opposite to the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 1001. (For example, glass, a resin sheet etc.) and the sealing material (for example, EVA etc.) which fills the clearance gap between the said transparent base material and the said resin base material.
  • a transparent base material for example, glass
  • a back surface base material provided on the back surface side opposite to the light receiving surface side of the photoelectric conversion element 1001.
  • the sealing material for example, EVA etc.
  • the output terminal 1013 is connected to a photoelectric conversion element 1001 arranged at one end of a plurality of photoelectric conversion elements 1001 connected in series.
  • the output terminal 1014 is connected to the photoelectric conversion element 1001 arranged at the other end of the plurality of photoelectric conversion elements 1001 connected in series.
  • the ninth embodiment is a photovoltaic power generation system including at least one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments. Since the photoelectric conversion element of the present invention has high conversion efficiency, the photovoltaic power generation system of the present invention including the photoelectric conversion element can also have high conversion efficiency. Note that the solar power generation system is a device that appropriately converts the power output from the photoelectric conversion module and supplies the converted power to a commercial power system or an electric device.
  • FIG. 17 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the photovoltaic power generation system according to the present embodiment.
  • the photovoltaic power generation system 2000 includes a photoelectric conversion module array 2001, a connection box 2002, a power conditioner 2003, a distribution board 2004, and a power meter 2005.
  • the photoelectric conversion module array 2001 includes a plurality of photoelectric conversion modules 1000 (eighth embodiment). Since the photoelectric conversion element of the present invention has high conversion efficiency, the photovoltaic power generation system of the present invention including the photoelectric conversion element can also have high conversion efficiency.
  • the solar power generation system 2000 is added with a function generally called “Home Energy Management System (HEMS)”, “Building Energy Management System (BEMS)”, or the like. can do. Accordingly, the energy consumption can be reduced by monitoring the power generation amount of the solar power generation system 2000, monitoring / controlling the power consumption amount of each electrical device connected to the solar power generation system 2000, and the like.
  • HEMS Home Energy Management System
  • BEMS Building Energy Management System
  • connection box 2002 is connected to the photoelectric conversion module array 2001.
  • the power conditioner 2003 is connected to the connection box 2002.
  • the distribution board 2004 is connected to the power conditioner 2003 and the electrical equipment 2011.
  • the power meter 2005 is connected to the distribution board 2004 and the commercial power system.
  • a storage battery 2100 may be connected to the power conditioner 2003 as shown in FIG. In this case, output fluctuation due to fluctuations in the amount of sunlight can be suppressed, and power stored in the storage battery 2100 can be supplied even in a time zone without sunlight.
  • the storage battery 2100 may be built in the power conditioner 2003.
  • the photoelectric conversion module array 2001 converts sunlight into electricity to generate DC power and supplies the DC power to the connection box 2002.
  • the power conditioner 2003 converts the DC power received from the connection box 2002 into AC power and supplies it to the distribution board 2004. Note that part or all of the DC power received from the connection box 2002 may be supplied to the distribution board 2004 as it is without being converted to AC power.
  • the power conditioner 2003 receives the direct current received from the connection box 2002. A part or all of the electric power can be appropriately converted into electric power and stored in the storage battery 2100.
  • the power stored in the storage battery 2100 is appropriately supplied to the power conditioner 2003 according to the amount of power generated by the photoelectric conversion module and the power consumption of the electrical equipment 2011, and is appropriately converted to the distribution board 2004. Supplied.
  • the distribution board 2004 supplies the electric equipment 2011 with at least one of the electric power received from the power conditioner 2003 and the commercial electric power received via the electric power meter 2005.
  • the distribution board 2004 supplies the AC power received from the power conditioner 2003 to the electrical equipment 2011 when the AC power received from the power conditioner 2003 is larger than the power consumption of the electrical equipment 2011.
  • the surplus AC power is supplied to the commercial power system via the power meter 2005.
  • the distribution board 2004 receives the AC power received from the commercial power system and the AC power received from the power conditioner 2003 in the electrical equipment. To 2011.
  • the power meter 2005 measures the power in the direction from the commercial power system to the distribution board 2004 and measures the power in the direction from the distribution board 2004 to the commercial power system.
  • the photoelectric conversion module array 2001 will be described.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the photoelectric conversion module array 2001 shown in FIG. Referring to FIG. 18, photoelectric conversion module array 2001 includes a plurality of photoelectric conversion modules 1000 and output terminals 2013 and 2014.
  • a plurality of photoelectric conversion modules 1000 are arranged in an array and connected in series.
  • FIG. 18 illustrates an arrangement in which the photoelectric conversion modules 1000 are connected in series.
  • the arrangement and connection method are not limited to this, and the photoelectric conversion modules 1000 may be connected in parallel or may be combined in series and parallel. It is good also as an arrangement.
  • the number of photoelectric conversion modules 1000 included in the photoelectric conversion module array 2001 can be any integer of 2 or more.
  • the output terminal 2013 is connected to the photoelectric conversion module 1000 located at one end of the plurality of photoelectric conversion modules 1000 connected in series.
  • the output terminal 2014 is connected to the photoelectric conversion module 1000 located at the other end of the plurality of photoelectric conversion modules 1000 connected in series.
  • the photovoltaic power generation system of the present embodiment is such that at least one of the plurality of photoelectric conversion elements 1001 includes any one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments.
  • the present invention is not limited to the above description, and any configuration can be taken.
  • the tenth embodiment is a photovoltaic power generation system that is larger than the photovoltaic power generation system described as the ninth embodiment.
  • the solar power generation system according to the tenth embodiment also includes at least one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments. Since the photoelectric conversion element of the present invention has high conversion efficiency, the photovoltaic power generation system of the present invention including the photoelectric conversion element can also have high conversion efficiency.
  • FIG. 19 is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the solar power generation system according to the present embodiment.
  • solar power generation system 4000 includes a plurality of subsystems 4001, a plurality of power conditioners 4003, and a transformer 4004.
  • the photovoltaic power generation system 4000 is a larger scale photovoltaic power generation system than the photovoltaic power generation system 2000 shown in FIG. Since the photoelectric conversion element of the present invention has high conversion efficiency, the photovoltaic power generation system of the present invention including the photoelectric conversion element can also have high conversion efficiency.
  • the plurality of power conditioners 4003 are each connected to the subsystem 4001.
  • the number of the power conditioners 4003 and the subsystems 4001 connected thereto can be any integer of 2 or more.
  • a storage battery 4100 may be connected to the power conditioner 4003 as shown in FIG. In this case, output fluctuation due to fluctuations in the amount of sunshine can be suppressed, and power stored in the storage battery 4100 can be supplied even in a time zone without sunshine.
  • the storage battery 4100 may be built in the power conditioner 4003.
  • the transformer 4004 is connected to a plurality of power conditioners 4003 and a commercial power system.
  • Each of the plurality of subsystems 4001 includes a plurality of module systems 3000.
  • the number of module systems 3000 in the subsystem 4001 can be any integer greater than or equal to two.
  • Each of the plurality of module systems 3000 includes a plurality of photoelectric conversion module arrays 2001, a plurality of connection boxes 3002, and a current collection box 3004.
  • the number of the junction box 3002 in the module system 3000 and the photoelectric conversion module array 2001 connected to the junction box 3002 can be any integer of 2 or more.
  • the current collection box 3004 is connected to a plurality of connection boxes 3002.
  • the power conditioner 4003 is connected to a plurality of current collection boxes 3004 in the subsystem 4001.
  • the plurality of photoelectric conversion module arrays 2001 of the module system 3000 convert sunlight into electricity to generate DC power, and supply the DC power to the current collection box 3004 via the connection box 3002.
  • a plurality of current collection boxes 3004 in the subsystem 4001 supplies DC power to the power conditioner 4003.
  • the plurality of power conditioners 4003 convert DC power into AC power and supply the AC power to the transformer 4004.
  • the power conditioner 4003 is received from the current collection box 3004. A part or all of the DC power can be appropriately converted into power and stored in the storage battery 4100.
  • the electric power stored in the storage battery 4100 is appropriately supplied to the power conditioner 4003 side according to the power generation amount of the subsystem 4001, appropriately converted into electric power, and supplied to the transformer 4004.
  • the transformer 4004 converts the voltage level of AC power received from a plurality of power conditioners 4003 and supplies it to the commercial power system.
  • the photovoltaic power generation system 4000 only needs to have at least one of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments, and all the photoelectric conversion elements included in the photovoltaic power generation system 4000 are the first to seventh. It is not necessary to be the photoelectric conversion element of the embodiment. For example, all of the photoelectric conversion elements included in one subsystem 4001 are any of the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments, and some or all of the photoelectric conversion elements included in another subsystem 4001 are There may be cases where the photoelectric conversion elements of the first to seventh embodiments are not used.
  • the present invention can be industrially used as a photoelectric conversion element.

Abstract

　内部を進行する光の方向を分散させることができる光電変換素子を提供する。光電変換素子１は、光を電気に変換する光電変換素子であって、互いに傾斜角の異なる第１傾斜面（１０１ａ）および第２傾斜面（１０１ｂ）を含む凹凸構造（ＴＸ）が少なくとも一方の面に形成された単結晶シリコン基板（１０１）を備える。

Description

光電変換素子
　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。
　光電変換素子に入射する光は、光電変換素子の界面で屈折する。そのため、任意の入射角で入射した光は、入射面の法線から特定の角度範囲に集められる。これによって、光電変換素子の内部を進行する光の方向は、特定の範囲に偏って分布する。そのため、光電変換素子内で光が照射される領域に偏りが生じる。光が照射される領域の偏りは、長期信頼性を低下させる原因となる。
　本発明の目的は、内部を進行する光の方向を分散させることができる光電変換素子を提供すること、および、そのような光電変換素子の製造方法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、互いに傾斜角の異なる第１傾斜面および第２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単結晶シリコン基板を備える。
　ここに開示する光電変換素子の製造方法は、（１００）面からのオフ角度を有する単結晶シリコン基板を準備する工程と、前記単結晶シリコン基板をアルカリ溶液によってエッチングする工程とを備える。
　上記の構成によれば、第１傾斜面と第２傾斜面とは、傾斜角が異なる。そのため、第１傾斜面から入射した光と、第２傾斜面から入射した光とは、互いに異なる角度分布を有する。これによって、光電変換素子の内部を進行する光の方向を分散させることができる。
　上記の製造方法によれば、互いに傾斜角の異なる傾斜面を有する凹凸構造を有する光電変換素子が得られる。
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３Ａ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３Ｂ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３Ｃ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３Ｄ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４Ａは、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子の受光面側の一部を模式的に示す断面図である。 図４Ｂは、比較のため、傾斜角がすべて等しい凹凸構造を持った光電変換素子を模式的に示す断面図である。 図５Ａは、シリコン基板の凹凸構造を形成する他の例を説明するための図である。 図５Ｂは、シリコン基板の凹凸構造を形成する他の例を説明するための図である。 図６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７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８Ａ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８Ｂ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８Ｃ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９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１０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１１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１２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１３Ａ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１３Ｂ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１３Ｃ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１３Ｄ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１３Ｅ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１３Ｆ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１４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１５は、比較例にかかる光電変換素子の凹凸構造を模式的に示す平面図である。 図１６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１７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１８は、図１７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１９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２０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２１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型の単結晶シリコン基板である。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、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。
　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。凸部ＴＸａのそれぞれは、４つの傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄから構成されている。
　本実施形態にかかる光電変換素子１では、４つの傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄのそれぞれの傾斜角が、互いに異なっている。ここで、傾斜面の傾斜角とは、傾斜面と基準面（図１の例では、ｘｙ平面）とがなす角度である。傾斜面の傾斜角は、傾斜面の法線と基準面の法線（図１の例では、ｚ軸）とがなす角度と等しい。なお、図１では、傾斜面１０１ａの傾斜角をαで示し、傾斜面１０１ｂの傾斜角をβ（α≠β）で表している。
　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、０．６～２μｍ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。
　再び図１を参照して、光電変換素子１の構成の説明を続ける。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１×１０１８～１×１０１９ｃｍ－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１×１０１８～１×１０１９ｃｍ－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、７０～１００ｎｍ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。
　［光電変換素子１の製造方法］
　次に、図３Ａ～図３Ｄ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。
　まず、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３Ａ）。
　従来の異方性エッチングでは、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する。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から構成された凹凸構造が形成される。なお、この場合に（１１１）面が基準面となす角度は、約５４．７°である。
　これに対し、本実施形態における光電変換素子１の製造工程では、（１００）面からオフ角度を有する単結晶シリコン基板をアルカリ溶液に浸漬する。ここで、（１００）面からオフ角度を有する基板とは、法線が（１００）面の法線から所定の角度（オフ角度）だけ傾いた面を持つ基板である。
　これによって、互いに傾斜角の異なる傾斜面から構成された凹凸構造ＴＸが形成される。より具体的には、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄの一部は傾斜角が５４．７°よりも大きくなり、残りの傾斜面は傾斜角が５４．７°よりも小さくなる。
　基板の平坦面を（１００）面から傾ける方向、またはオフ角度を変えることによって、様々な傾斜角を持った傾斜面から構成される凹凸構造ＴＸを得ることができる。オフ角度は、好ましくは０．５～１０°であり、より好ましくは１～７°である。
　アルカリ溶液は例えば、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。
　上述のように、凸部ＴＸａの大きさは、凸部ＴＸａの底面の一辺の長さｒの値で０．６～２μｍであることが好ましい。凸部ＴＸａの大きさを０．６～２μｍにする場合、エッチング速度が３μｍ／ｈ以下になるように、ＫＯＨの濃度および処理温度を調整することが好ましい。エッチング速度を３μｍ／ｈ以下にすることによって、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄを、対称な形状からより遠ざけることができる。
　なお、アルカリ溶液によるエッチングに加えて、反応性ガスを用いたドライエッチングを行っても良い。
　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３Ｂ）。
　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：１３０～２１０℃、Ｈ２ガス流量：０～１００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０～１２０Ｐａ、高周波電力密度５～１５ｍＷ／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：１７０℃、Ｈ２ガス流量：０～１００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：４０ｓｃｃｍ、ＰＨ３／Ｈ２ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０Ｐａ、高周波電力密度：８．３３ｍＷ／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３Ｃ）。
　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：１５０～２１０℃、Ｈ２ガス流量：０～１００ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４ガス流量：４０ｓｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０～１２０Ｐａ、高周波電力密度：５～１５ｍＷ／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３Ｄ）。
　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。これによって、光電変換素子１が完成する。
　［光電変換素子１の効果］
　図４Ａは、光電変換素子１の受光面側の一部を模式的に示す断面図である。図４Ｂは、比較のため、傾斜角がすべて等しい凹凸構造を持った光電変換素子を模式的に示す断面図である。
　光電変換素子１に入射する光は、光電変換素子１の界面で屈折する。一般に、光が屈折率ＮＡの媒質から屈折率ＮＢの媒質へ入射するときの入射角θＡと屈折角θＢとの関係は、次のスネルの法則から求まる。
　ｓｉｎ（θＡ）／ｓｉｎ（θＢ）＝ＮＢ／ＮＡ
　空気の屈折率を１、およびシリコンの屈折率を３．４とすると、ｓｉｎ（θＢ）＝ｓｉｎ（θＡ）×３．４となる。したがって、任意の入射角（－９０°～＋９０°）で光電変換素子１に入射した光は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、凹凸構造ＴＸの各傾斜面の法線から約±１７°の範囲に集められる。
　そのため、光電変換素子１の内部を進行する光の方向は、凹凸構造ＴＸの各傾斜面の法線から約±１７°の範囲に偏って分布する。そのため、光電変換素子１内で光が照射される領域に偏りが生じる。
　光電変換素子１は、半導体層中に、非晶質膜を含む。光電変換素子１は、強い光が長期間照射されると、非晶質膜のダングリングボンド（未結合手）が増加し、格子欠陥密度が徐々に増加する。そのため、長期信頼性の点からは、光が照射される領域は、できるだけ均一に分布していることが好ましい。
　本実施形態によれば、傾斜面１０１ａ～１０１ｄの傾斜角が互いに異なっている。これによって、光電変換素子１の内部を進行する光の方向を分散させることができる。これによって、光電変換素子１内で光が照射される領域に偏りが生じるのを緩和することができるため、長期信頼性を向上させることができる。
　光電変換素子１は、半導体膜１０２および１０３（図１）を備えている。半導体膜１０２および１０３は、パッシベーション膜としての機能を有している。一方、半導体膜１０２および１０３は、凹凸構造ＴＸの凹部ＴＸｂの近傍では、両側の傾斜面１０１ａおよび１０１ｂから強い応力を受けている。そのため、半導体層１０２および１０３のパッシベーションの効果は均一ではなく、凹部ＴＸｂの近傍で低下する。パッシベーションの効果が低下した領域では、キャリアの再結合が起こりやすく、局所的に変換効率が低下する。
　本実施形態によれば、光電変換素子１の内部を進行する光の方向を分散させることによって、凹部ＴＸｂの影響を相対的に低下させることができる。すなわち、光電変換素子１の内部を進行する光の方向をより広く分散させることによって、変換効率を向上させることができる。
　本実施形態では、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が形成されている。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、シリコン基板１０１中の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。
　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。
　本実施形態では、凹凸構造ＴＸの４つの傾斜面１０１ａ～１０１ｄの傾斜角がすべて異なっている。４つの傾斜面１０１ａ～１０１ｄの傾斜角がすべて異なれば、光電変換素子１の内部を進行する光の方向をより広く分散させることができるので好ましい。しかし、４つの傾斜面１０１ａ～１０１ｄが少なくとも２種類の傾斜角を有していれば、すべてが同じ傾斜角の場合と比較して、光電変換素子１の内部を進行する光の方向を分散させることができる。
　本実施形態では、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄの一部は傾斜角が５４．７°よりも大きく、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄの残りの傾斜角が５４．７°よりも小さい。このように、一部を５４．７°よりも大きく、残りを５４．７°よりも小さくすれば、光電変換素子１の内部を進行する光の方向をより広く分散させることができるので好ましい。しかし、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄの傾斜角は、すべて５４．７°よりも大きくても良いし、すべて５４．７°よりも小さくても良い。このような凹凸構造は例えば、本実施形態による異方性エッチングと反応性ガスを用いたドライエッチングとを組み合わせることによって形成することができる。この場合においても、傾斜面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび１０１ｄが２種類以上の傾斜角を有していれば、すべてが同じ傾斜角の場合と比較して、光電変換素子１の内部を進行する光の方向を分散させることができる。
　本実施形態では、（１００）面からのオフ角度を有する基板をアルカリ溶液によってエッチングすることによって、互いに傾斜角の異なる傾斜面を含む凹凸構造を形成する方法を説明した。しかし、凹凸構造の形成方法はこれに限定されない。互いに傾斜角の異なる傾斜面を含む凹凸構造は、例えば、次の様にして形成することも可能である。
　図５Ａに示すように、平坦面が（１００）面であるシリコン基板１０１Ａの表面に、ストライプ状に薄いマスク９９を形成してから、アルカリ溶液によるエッチングを行う。ここで、マスク９９は、例えばスパッタによって形成されるＳｉＯ２の膜であり、フォトリソグラフィによってパターニングされる。マスク９９は、例えばエッチング時間より短い時間だけアルカリ溶液に耐久する厚さに設定する。換言すれば、マスク９９は、エッチング処理の途中で除去される厚さに設定する。
　これによって、マスクが形成されている部分と、マスクが形成されていない部分とで、アルカリ溶液に曝される時間とが異なる。そのため、図５Ｂに示すように、マスクが形成されていた部分に形成される傾斜面の傾斜角と、マスクが形成されていなかった部分に形成される傾斜面の傾斜角とを、異ならせることができる。
　［第２の実施形態］
　図６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。本実施形態においても、シリコン基板１０１には、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　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７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が形成されたシリコン基板３０１を備えている。シリコン基板３０１は導電型がｎ型の単結晶シリコン基板である。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。シリコン基板３０１にも、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　［光電変換素子３の製造方法］
　以下、図８Ａ～図８Ｃ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８Ａ）。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８Ｂ）。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８Ｃ）。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］
　本実施形態においても、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。これによって、光電変換素子３の内部を進行する光の方向を分散させることができる。これによって、光電変換素子３の長期信頼性を向上させることができる。また、光電変換素子３の変換効率を高めることができる。
　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９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。本実施形態においても、シリコン基板３０１には、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　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１０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型の単結晶シリコン基板である。シリコン基板５０１の受光面側に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。シリコン基板５０１にも、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　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。パッシベーション膜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、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。これによって、光電変換素子５の内部を進行する光の方向を、より広く分散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１１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１２は、光電変換素子６を裏面側から見た平面図である。図１２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。
　本実施形態においても、シリコン基板３０１には、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　［光電変換素子６の製造方法］
　以下、図１３Ａ～図１３Ｆ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１３Ａ）。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１３Ｂ）。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１３Ｃ）。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１３Ｄ）。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１３Ｅ）。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１３Ｆ）。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。
　本実施形態においても、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。これによって、光電変換素子６の内部を進行する光の方向を分散させることができる。
　［第７の実施形態］
　図１４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型の単結晶シリコン基板である。シリコン基板７０１は、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。シリコン基板７０１にも、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。
　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。
　本実施形態においても、互いに異なる傾斜角α、βを有する傾斜面１０１ａおよび１０１ｂを含む凹凸構造ＴＸが形成されている。これによって、光電変換素子７の内部を進行する光の方向を分散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、互いに傾斜角の異なる第１傾斜面および第２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単結晶シリコン基板を備える（第１の構成）。
　上記の構成によれば、第１傾斜面と第２傾斜面とは、傾斜角が異なる。そのため、第１傾斜面から入射した光と、第２傾斜面から入射した光とは、互いに異なる角度分布を有する。これによって、光電変換素子の内部を進行する光の方向を分散させることができる。
　上記第１の構成において、前記単結晶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、前記単結晶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、前記単結晶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、前記単結晶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２の構成）。
　第１非晶質真性半導体層および第２非晶質真性半導体層は、単結晶シリコン基板表面での少数キャリアの消滅を抑制するパッシベーション膜として機能する。しかし、凹凸構造上にパッシベーション膜を形成すると、凹部において、パッシベーションの効果が低下する場合がある。上記の構成によれば、光電変換素子の内部を進行する光の方向を分散させることで、凹部の影響を相対的に低下させる。これによって、光電変換素子の変換効率を高くすることができる。
　上記第１の構成において、前記凹凸構造が前記単結晶シリコン基板の少なくとも受光面側に形成され、前記単結晶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、前記単結晶シリコン基板の他方の面に接して形成され、前記単結晶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、前記単結晶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、前記単結晶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）。
　第１非晶質真性半導体層は、単結晶シリコン基板表面での少数キャリアの消滅を抑制するパッシベーション膜として機能する。しかし、凹凸構造上にパッシベーション膜を形成すると、凹部において、パッシベーションの効果が低下する場合がある。上記の構成によれば、光電変換素子の内部を進行する光の方向を分散させることで、凹部の影響を相対的に低下させる。これによって、光電変換素子の変換効率を高くすることができる。
　上記第１～第３のいずれかの構成において、前記第１傾斜面の傾斜角は５４．７度よりも大きく、前記第２傾斜面の傾斜角は５４．７度よりも小さいことが好ましい（第４の構成）。
　上記の構成によれば、光電変換素子の内部を進行する光の方向を、より広く分散させることができる。
　上記第１～第４のいずれかの構成において、前記単結晶シリコン基板は、（１００）面からのオフ角度を有する基板であっても良い（第５の構成）。
　上記第１～第５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、０．６～２μｍである（第６の構成）。
　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６のいずれかの構成において、前記凹凸構造は、第３傾斜面および第４傾斜面をさらに含み、前記第１～第４傾斜面の傾斜角がすべて異なることが好ましい（第７の構成）。
　上記の構成によれば、光電変換素子の内部を進行する光の方向を、より広く分散させることができる。
　本発明の一実施態様にかかる光電変換素子の製造方法は、（１００）面からのオフ角度を有する単結晶シリコン基板を準備する工程と、前記単結晶シリコン基板をアルカリ溶液によってエッチングする工程とを備える。
　上記の態様によれば、互いに傾斜角の異なる傾斜面を有する凹凸構造を有する光電変換素子が得られる。
　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］
　第２の実施形態にかかる光電変換素子２の構成および製造方法に準じて、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および導電膜１０５としてＩＴＯを、それぞれ使用した。
　オフ角度およびエッチング速度を変えて、５種類のサンプル１～５を作製した。
　比較例１として、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。それ以外は、サンプル１～５と同様にして光電変換素子を作製した。
　図１５は、比較例１にかかる光電変換素子の凹凸構造ＴＸ１を模式的に示す平面図である。凹凸構造ＴＸ１は、複数の凸部ＴＸ１ａを含んでいた。凸部ＴＸ１ａのそれぞれは、（１１１）面に起因した互いに対称な傾斜面９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、および９０１ｄから構成されていた。傾斜面９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、および９０１ｄの傾斜角は、すべて等しかった。
　サンプル１～５および比較例１にかかる光電変換素子の変換効率を測定した。また、次の方法で劣化率を求め、光電変換素子の長期信頼性を評価した。環境温度を４０℃に加熱した状態で、通常の太陽光の１０倍の強度の光を２０００時間照射した。その後に変換効率を測定し、測定された変換効率を初期の変換効率で除して劣化率とした。
　結果を表１に示す。表１には、凹凸構造の傾斜面の傾斜角の最大値と最小値とを併せて示している。なお、サンプル１～３にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、１～２μｍであった。サンプル４，５にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、０．６～１．２μｍであった。比較例１にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、１０～１５μｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１を参照して、サンプル１～５にかかる光電変換素子はすべて、比較例１にかかる光電変換素子よりも変換効率が高かった。また、サンプル１～５にかかる光電変換素子はすべて、比較例１にかかる光電変換素子よりも劣化が少なく、長期信頼性に優れていることが分かった。
　［実施例２］
　第６の実施形態にかかる光電変換素子６の構成および製造方法に準じて、光電変換素子を作製した。なお、ｉ型非晶質膜１０２ｉ、６０２ｉ、および６０３ｉとしてｉ型非晶質シリコンを、ｎ型非晶質膜１０２ｎおよび６０２ｎ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６０３ｐ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６０５および６０８としてＩＴＯを、それぞれ使用した。
　オフ角度およびエッチング速度を変えて、５種類のサンプル６～１０を作製した。
　比較例２として、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。それ以外は、サンプル６～１０と同様にして光電変換素子を作製した。
　比較例２にかかる光電変換素子も、比較例１にかかる光電変換素子と同様に、傾斜角がすべて等しい傾斜面から構成される凹凸構造を有していた。
　サンプル６～１０および比較例２にかかる光電変換素子の変換効率と、劣化率とを測定した。
　結果を表２に示す。表２には、凹凸構造の傾斜面の傾斜角の最大値と最小値とを併せて示している。なお、サンプル６～８にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、１～２μｍであった。サンプル９，１０にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、０．６～１．２μｍであった。比較例２にかかる光電変換素子の凹凸構造の凸部の底面の一辺の長さは、１０～１５μｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２を参照して、サンプル６～１０にかかる光電変換素子はすべて、比較例２にかかる光電変換素子よりも変換効率が高かった。また、サンプル６～１０にかかる光電変換素子はすべて、比較例２にかかる光電変換素子よりも劣化が少なく、長期信頼性に優れていることが分かった。
　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１６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１６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１６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１７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１７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２０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２０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１８は、図１７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１８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１８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１９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１９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１７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２１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２１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、
    　互いに傾斜角の異なる第１傾斜面および第２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単結晶シリコン基板を備える、光電変換素子。
  2. 　前記単結晶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、前記単結晶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、
    　前記単結晶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、前記単結晶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に記載の光電変換素子。
  3. 　前記第１傾斜面の傾斜角は５４．７度よりも大きく、
    　前記第２傾斜面の傾斜角は５４．７度よりも小さい、請求項１または２に記載の光電変換素子。
  4. 　前記単結晶シリコン基板は、（１００）面からのオフ角度を有する基板である、請求項１～３のいずれか一項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、０．６～２μｍ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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