(57)【要約】【課題】光吸収量を高めた光起電力装置を提供する。【解決手段】光起電力装置１００は、受光面側に設けられる支持基板１８と、支持基板１８上に互いに離間して設けられる複数の光起電力素子７０と、支持基板１８上であって、光起電力素子７０のそれぞれの間の領域に形成される金属部８２と、光起電力素子７０上に設けられる裏面電極８０と、を備え、支持基板１８と金属部８２との間の領域および光起電力素子７０と裏面電極８０との接合部の界面には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成される。光起電力装置１００は、裏面電極８０に接合され屈折率ｎ１を有する第１層と、受光面１８ａと第１層との間に設けられ、第１層とは異なる屈折率ｎ２を有する第２層とを有し、凹凸構造は、その凹凸の周期がλ／ｎ２より小さい。凹凸構造は、その凹部の深さがλ／２ｎ１より小さい。【選択図】図２１
2014072343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面側に設けられる支持基板と、
前記支持基板上に設けられる光起電力素子と、
前記光起電力素子上に設けられる裏面電極と、
を備え、
前記光起電力素子と前記裏面電極との接合部の界面には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成されることを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記光起電力素子は、前記支持基板上に互いに離間して複数設けられ、
前記支持基板上であって、前記光起電力素子のそれぞれの間の領域に形成される金属部
をさらに備え、
前記支持基板と前記金属部との間の領域には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成されることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記裏面電極に接合され、前記光起電力素子が吸収する波長λの光に対して屈折率ｎ１を有する第１層と、前記受光面と前記第１層との間に設けられ、前記波長λに対して前記第１層とは異なる屈折率ｎ２を有する第２層と、を有する光起電力装置であって、
前記凹凸構造は、その凹凸の周期がλ／ｎ２より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記凹凸構造は、その凹部の深さがλ／２ｎ１より小さいことを特徴とする請求項３に記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記第１層は、結晶質シリコンを含む層であり、
前記第２層は、窒化シリコンを含む層であり、
前記凹凸構造は、その凹凸の周期が６００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３または４に記載の光起電力装置。
【請求項６】
前記凹凸構造は、その凹部の深さが１８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置に関し、特に支持基板上に複数の光起電力素子を形成した光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力素子の開発が各方面で精力的に行われている。例えば、単結晶シリコンや多結晶シリコン等の結晶質系シリコンを用いた光起電力素子または光起電力装置の研究および実用化が盛んに行われている。
【０００３】
近年、光入射面である受光面に対向する裏面にＰＮ接合と集電極を形成したバックコンタクト型（裏面接合型）の光起電力素子の開発も進んでいる。このタイプの光起電力素子では、受光面側にはテクスチャ構造や反射防止、及びキャリアの再結合防止のためのパッシベーション層が形成されるのみで、素子の構造に起因する損失を極力除き、高い変換効率が得られることから、注目を集めている。
【０００４】
さらに、このようなタイプの光起電力素子を複数形成した光起電力装置として、例えば、ガラス基板である支持基板上に絶縁層を介して複数のバックコンタクト型光起電力素子を取り付ける構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２８３３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光起電力装置は、発電効率向上の観点から、受光面に入射した光を効率よく光起電力素子に吸収させ、光起電力素子の光吸収量を高める構造を用いることが望ましい。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光吸収量を高めた光起電力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光起電力装置は、受光面側に設けられる支持基板と、支持基板上に設けられる光起電力素子と、光起電力素子上に設けられる裏面電極と、を備える。光起電力素子と裏面電極との接合部の界面には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光吸収量を高めた光起電力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る光起電力装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１の第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造を示す断面図である。
【図３】図１の第２領域Ｃ２に形成される凹凸構造を示す断面図である。
【図４】図１の第３領域Ｃ３に形成される凹凸構造を示す断面図である。
【図５】光起電力素子の製造に用いる材料基板を示す図である。
【図６】第１導電型層及びベース層を形成した材料基板を示す図である。
【図７】パッシベーション層を形成した材料基板を示す図である。
【図８】図７に示す材料基板を支持基板上に配置した状態を示す図である。
【図９】図８に示す支持基板上の材料基板の配置を示す図である。
【図１０】図８に示す材料基板と支持基板とを陽極接合する様子を示す図である。
【図１１】陽極接合後に第１導電型層から材料基板を分離した状態を示す図である。
【図１２】材料基板を分離した支持基板に絶縁層を形成した状態を示す図である。
【図１３】図１２の絶縁層及び第１導電型層がパターニングされた状態を示す図である。
【図１４】図１３のパターニングによって露出されたベース層及び絶縁層上にｉ型層、第２導電型層を形成した状態を示す図である。
【図１５】図１４のｉ型層、第２導電型層及び絶縁層をパターニングした状態を示す図である。
【図１６】図１５の第１領域Ｃ１に凹凸構造を形成した状態を示す図である。
【図１７】図１５の第２領域Ｃ２に凹凸構造を形成した状態を示す図である。
【図１８】図１５の第３領域Ｃ３に凹凸構造を形成した状態を示す図である。
【図１９】図１６〜図１８で形成した凹凸構造の上に透明電極層及び金属層を形成した状態を示す図である。
【図２０】図１９で形成した透明電極層及び金属層を含む層の一部領域をパターニングした状態を示す図である。
【図２１】本実施の形態に係る凹凸構造による光閉じ込め効果を示す模式図である。
【図２２】本実施の形態に係る光起電力装置の光吸収量を計算した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る光起電力装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態に係る光起電力装置１００は、裏面接合型光起電力素子であり、光起電力素子７０で発電された電力を外部へ取り出す裏面電極８０が、太陽光が入射する受光面１８ａに対向する裏面側に設けられる。光起電力素子７０と裏面電極８０との接合部の界面には、受光面１８ａから入射した光を効果的に散乱させて光起電力素子７０内部での光閉じ込め効果を高めるための周期的な凹凸構造８４ｎ、８４ｐ（後述する図２、３を参照）が形成される。
【００１３】
光起電力装置１００は、支持基板１８と、複数の光起電力素子７０と、裏面電極８０とを備える。支持基板１８は、受光面１８ａを有し、受光面１８ａに対向する裏面には光起電力素子７０と結合する結合部１８ｂが設けられる。
【００１４】
支持基板１８は、複数の光起電力素子７０を機械的に支持し、光起電力素子７０を外部環境から保護するとともに、光起電力素子７０が発電のために吸収する波長帯域の光を透過する。支持基板１８は、アルカリ金属元素を含有するガラス基板であり、例えば、アルカリ金属元素としてナトリウム（Ｎａ）を２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下（３．５重量％以上１５．０重量％以下）含む。なお、カリウム（Ｋ）などその他のアルカリ金属元素を含むガラス基板としてもよく、この場合にはその含有量を０．１重量％以上１．０重量％以下の範囲とすることが好ましい。また、支持基板１８は、熱膨張係数が２×１０−６／Ｋ以上１×１０−５／Ｋ以下であることが好ましい。
【００１５】
光起電力素子７０は、第１導電型層１２、ベース層１４、パッシベーション層１６、絶縁層２０、ｉ型層２２、第２導電型層２４を有する。光起電力素子７０の裏面側には、裏面電極８０である透明電極層２６、第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐが設けられる。
【００１６】
ベース層１４は、結晶質の半導体層であり、例えば、単結晶の半導体層や、多数の結晶粒が集合した多結晶の半導体層である。ここでは、ベース層１４として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ドーピング濃度は１０１６／ｃｍ３程度とする。ベース層１４は、光起電力素子７０の発電層となるため、発電層として十分にキャリアを発生できる膜厚とすることが好ましく、その膜厚は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１７】
パッシベーション層１６は、一方の面がベース層１４の表面に共有結合し、ベース層１４の未結合手（ダングリングボンド）を終端させる役割を果す。これにより、光起電力素子７０の受光面側におけるキャリアの再結合による損失を抑制することができる。パッシベーション層１６は、キャリアの再結合を抑制させるため窒化シリコン層（ＳｉＮ）を含むことが好ましく、酸化シリコン層（ＳｉＯｘ）と窒化シリコンとの積層構造とすることがより好ましい。例えば、酸化シリコン層及び窒化シリコン層をそれぞれ３０ｎｍ及び４０ｎｍの膜厚で順に積層した構造とする。
【００１８】
また、パッシベーション層１６は、他方の面が支持基板１８の結合部１８ｂと結合される。したがって、支持基板１８と光起電力素子７０とはパッシベーション層１６を介して接合される。なお、パッシベーション層１６は必須ではなく、ベース層１４と支持基板１８とが直接接合されてもよい。
【００１９】
第１導電型層１２は、結晶質の半導体層である。ここでは、第１導電型層１２として、ｎ型のドーパントが添加されたｎ型結晶質シリコン層を用い、ベース層１４よりも高いドーピング濃度とする。例えば、第１導電型層１２のドーピング濃度は１０１９／ｃｍ３程度とする。第１導電型層１２は、透明電極層２６を介して第１電極２８ｎに接合される層であり、接触抵抗を十分に低くできる範囲で薄くすることが好ましい。また第１導電型層１２は、図２で後述する周期的な凹部８６ｎが形成されるため、その膜厚は、凹部８６ｎの深さより厚い必要がある。例えば、０．２μｍ以上２μｍ以下とする。
【００２０】
ベース層１４と第１導電型層１２とは結晶質同士がホモ接合された導電型コンタクト領域である第１領域Ｃ１を形成する。第１領域Ｃ１は、例えば、光起電力装置１００の面上内においてフィンガー及びバスバーを含む櫛形に形成される。第１領域Ｃ１の面積は、ベース層１４の主面上において第１導電型層１２とホモ接合されている領域の面積を意味する。
【００２１】
絶縁層２０は、第１導電型層１２と後述するｉ型層２２及び第２導電型層２４とを電気的に絶縁する。絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料により構成され、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）とすればよい。絶縁層２０の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度とする。
【００２２】
ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、非晶質系の半導体層であり、アモルファス相又はアモルファス相内に微少な結晶粒が析出している微結晶相を含む半導体層である。ここでは、水素を含有するアモルファスシリコンとする。ｉ型層２２は、実質的に真性のアモルファスシリコン層であり、第２導電型層２４は、ｐ型のドーパントが添加されたアモルファスシリコン層である。第２導電型層２４は、ｉ型層２２よりもドーピング濃度が高い半導体層であり、例えば、ｉ型層２２には意図的にドーピングを行わず、第２導電型層２４のドーピング濃度を１０１８／ｃｍ３程度とする。
【００２３】
ｉ型層２２の膜厚は、光の吸収が抑えられる程度に薄く、ベース層１４の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好ましい。ｉ型層２２の膜厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすればよく、例えば１０ｎｍとする。また、第２導電型層２４の膜厚は、光の吸収が抑えられる程度に薄く、光起電力素子の開放電圧が十分に高くなる程度に厚くすることが好ましい。また第２導電型層２４は、図３で後述する周期的な凹部８６ｐが形成されるため、その膜厚は、凹部８６ｐの深さより厚い必要がある。その膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすればよく、例えば１００ｎｍとする。
【００２４】
ベース層１４とｉ型層２２及び第２導電型層２４とは結晶質と非晶質とがヘテロ接合された導電型コンタクト領域である第２領域Ｃ２を形成する。第２領域Ｃ２は、例えば、光起電力装置１００の面上内においてフィンガー及びバスバーを含み、第１領域Ｃ１と組み合わされた櫛形に形成される。第２領域Ｃ２の面積は、ベース層１４の主面上においてｉ型層２２及び第２導電型層２４とヘテロ接合されている領域の面積を意味する。ここで、第１領域Ｃ１の面積を第２領域Ｃ２の面積より小さくするようにパターンを形成することが好適である。
【００２５】
透明電極層２６は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低い等の利点を有している。透明電極層２６の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、例えば１００ｎｍとする。透明電極層２６を設けることにより、光起電力素子７０と金属層２８との接触抵抗を下げることができる。なお、透明電極層２６は設けられなくてもよく、光起電力素子７０と金属層２８とが直接接合されていてもよい。
【００２６】
金属層２８は、光起電力素子７０の裏面側に設けられる裏面電極８０を構成し、第１領域Ｃ１において第１導電型層１２に接続される第１電極２８ｎと、第２領域Ｃ２において第２導電型層２４に接続される第２電極２８ｐとを含む。金属層２８は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む導電性の材料である。なお、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。ただし、これに限定されるものでなく、金、銀等の他の金属、他の導電性材料、又はそれらの組み合わせとしてもよい。
【００２７】
複数の光起電力素子７０のそれぞれの間の領域である第３領域Ｃ３には、支持基板１８上にｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６、第３電極２８ａが設けられる。第３電極２８ａは、金属層２８と同様、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を含む導電性の材料であり、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）等の電解メッキ層を含んでもよい。
【００２８】
並置された複数の光起電力素子７０は、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐを図示しない導電性のタブでそれぞれ接続することで、直列又は並列に接続される。なお、第３電極２８ａは、光起電力素子７０を並列接続する際に、第１電極２８ｎおよび第２電極２８ｐとは電気的な接続を行わず、発電された電力を外部へ取り出すための電極として用いない。
【００２９】
また、光起電力装置１００は、充填材６０と封止材６２を備え、これらは光起電力素子７０の裏面側に設けられる。充填材６０及び封止材６２は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料である。これにより、光起電力装置１００が備える光起電力素子７０への水分の浸入等を防ぐことができ、光起電力素子全体の強度を向上させることができる。なお、封止材６２は、支持基板１８と同じガラスや、プラスチック等の透明基板としてもよい。
【００３０】
次に、光起電力装置１００に形成される周期的な凹凸構造について説明する。
図２は、図１の第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造８４ｎを示す断面図である。凹凸構造８４ｎは、受光面１８ａから入射した光を効果的に散乱させて光起電力素子７０内部での光閉じ込め効果を高めるために設けられる。凹凸構造８４ｎは、第１導電型層１２と第１電極２８ｎとの接合部の界面に形成されており、第１導電型層１２の裏面側に、深さｈを有する凹部８６ｎが周期ｗの間隔で周期的に形成され、その凹部８６ｎを埋めるように第１電極２８ｎの凸部８８ｎが周期的に形成される。なお、第１導電型層１２と第１電極２８ｎとの接合部とは、第１導電型層１２と第１電極２８ｎを電気的に接続する部分を意味する。また、図示するように第１導電型層１２と第１電極２８ｎとの間に透明電極層２６による凹凸構造が設けられる。
【００３１】
凹凸構造８４ｎは、櫛形に設けられる第１領域Ｃ１のフィンガーが延びる方向に垂直な一方向に対して周期的な凹凸が形成されており、凹部８６ｎと凸部８８ｎは、櫛形のフィンガーが延びる方向に平行して延びている。したがって、凹凸構造８４ｎは、第１領域Ｃ１のフィンガーが延びる方向に平行な方向の縞状の周期的形状を有する。
【００３２】
凹凸構造８４ｎは、周期的な凹凸構造を有するため、凹凸構造８４ｎに入射した光Ｘ１に対して回折格子として機能し、入射光Ｘ１を特定の方向に強く散乱させる。このとき凹凸構造８４ｎにより光が散乱される方向は、入射光Ｘ１の真空中の波長λ、第１導電型層１２の屈折率ｎ１２、凹凸構造８４ｎの凹凸の周期ｗにより決まり、例えば１次の散乱光Ｘ２の散乱角θ１に対して、ｓｉｎθ１＝λ／（ｎ１２×ｗ）の関係が成り立つ。その後、散乱光Ｘ２の一部は、第１導電型層１２とベース層１４の境界面で屈折し、ベース層１４とパッシベーション層１６の境界面に入射角θ２で入射する。このとき、ベース層１４の屈折率をｎ１４とすると、ｓｉｎθ２＝λ／（ｎ１４×ｗ）の関係が成立する。ここで、入射角θ２がベース層１４とパッシベーション層１６の境界面における臨界角を超える場合、つまり、パッシベーション層１６の屈折率をｎ１６としたときにｓｉｎθ２≧ｎ１６／ｎ１４の条件を満たす場合、境界面で全反射した反射光Ｘ３はベース層１４に閉じ込められる。
【００３３】
以上の関係式より入射光Ｘ１は、その波長λがλ≧ｗ×ｎ１６の関係を満たすとき、凹凸構造８４ｎにおいて１次の散乱光Ｘ２として散乱角θ１の方向に散乱し、ベース層１４とパッシベーション層１６との境界で全反射してベース層１４に閉じ込められる。そうすると、凹凸構造８４ｎが設けられない場合と比較して、ベース層１４に光が閉じ込められやすくなるため、ベース層１４における光の吸収量を増大させることができる。また、上記関係式を満たす波長λの入射光Ｘ１に対して、凹凸構造８４ｎで散乱される２次および３次以上の散乱光についてもベース層１４に閉じ込めることができ、ベース層１４における光吸収量の増大に寄与できる。
【００３４】
このとき、凹凸構造８４ｎの凹凸の深さｈは、裏面電極８０に接合する第１導電型層１２における波長λ／ｎ１２の１／４程度とすると回折効率が高くなることから、λ／４ｎ１２付近の値とすると望ましい。なお、必ずしもその深さｈをλ／４ｎ１２とする必要はなく、凹凸構造８４ｎを形成する際の加工精度などに応じて、λ／２ｎ１２以下とすることが好ましい。特に深さｈは、λ／４ｎ１２を中心に±λ／８ｎ１２の範囲、つまり、λ／８ｎ１２〜３λ／８ｎ１２であることがより好ましい。
【００３５】
本実施の形態では、ベース層１４として結晶質シリコンを用いており、ベース層１４は波長λが約１．２μｍ以下である光を吸収する。また、パッシベーション層１６として用いられる窒化シリコン層は、波長λが１．２μｍ付近の光に対して約２．１の屈折率ｎ１６を有する。したがって、波長λ＝１．２μｍの入射光に対して上述の光閉じ込め効果を発揮するには、ｗ≦λ／ｎ１６の関係から、凹凸構造８４ｎの周期ｗを約６００ｎｍ以下とすることが望ましい。その場合、波長λ＝１．２μｍの入射光に対して、周期ｗを３５０ｎｍ以上とすることが望ましい。
【００３６】
また、本実施の形態では、第１導電型層１２として結晶質のシリコンを用いており、波長λが約１．２μｍの光に対して約３．４の屈折率ｎ１２を有する。したがって、凹凸構造８４ｎの凹凸の深さｈは、ｈ≦λ／２ｎ１２の関係から、１８０ｎｍ以下とすることが好ましく、ｈ＝λ／８ｎ１２〜３λ／８ｎ１２の関係から、５０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下とすることがより好ましい。例えば、凹凸深さｈは、ｈ＝λ／４ｎ１２の関係を満たす９０ｎｍとすればよい。
【００３７】
なお、凹凸構造８４ｎの周期ｗを狭くすることで、より波長λの短い入射光についてもベース層１４に閉じ込めることができる。例えば、周期ｗを４５０ｎｍとすると、波長λが９００ｎｍ以上の入射光について、高い光閉じ込め効果を発揮させることができる。また、凹凸構造８４ｎの深さｈを小さくすることで、より波長λの短い入射光についても回折効率を高めることができる。例えば、深さｈを８０ｎｍとすると、波長λが９００ｎｍ付近の入射光について、高い回折効率を実現できる。
【００３８】
また、受光面に対して垂直に近い角度で入射した入射光Ｘ１は、凹凸構造８４ｎが設けられていない場合、垂直に近い角度で反射することとなるが、凹凸構造８４ｎが設けられている場合には、散乱光Ｘ２を斜めの方向に散乱させることできる。その結果、光が垂直に近い角度で反射した場合と比較して、散乱光Ｘ２および反射光Ｘ３がベース層１４を通る光路長を長くすることができ、ベース層１４における光の吸収量を増大させることができる。
【００３９】
図３は、図１の第２領域Ｃ２に形成される凹凸構造８４ｐを示す断面図である。凹凸構造８４ｐは、図２に示す凹凸構造８４ｎと同様、受光面１８ａから入射した光を効果的に散乱させて光起電力素子７０内部での光閉じ込め効果を高めるために設けられる。凹凸構造８４ｐは、第２導電型層２４と第２電極２８ｐとの接合部の界面に形成されており、第２導電型層２４の裏面側に、深さｈを有する凹部８６ｐが周期ｗの間隔で周期的に形成され、その凹部８６ｐを埋めるように第２電極２８ｐの凸部８８ｐが周期的に形成される。なお、第２導電型層２４と第２電極２８ｐとの接合部とは、第２導電型層２４と第２電極２８ｐを電気的に接続する部分を意味する。また、図示するように第２導電型層２４と第２電極２８ｐとの間に透明電極層２６による凹凸構造が設けられる。
【００４０】
図２に示した第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造８４ｎと同様、図３に示す凹凸構造８４ｐは、凹凸構造８４ｐに入射した入射光Ｘ１を特定の方向に強く散乱させる。凹凸構造８４ｐにより散乱した散乱光Ｘ２がベース層１４とパッシベーション層１６の境界面で全反射すると、その反射光Ｘ３はベース層１４に閉じ込められることとなる。このとき、第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造８４ｎと同様、ｗ×ｎ１６≦λの関係を満たす波長λの入射光Ｘ１は、凹凸構造８４ｐにおいて１次の散乱光Ｘ２として散乱角θ１の方向に散乱し、ベース層１４とパッシベーション層１６との境界で全反射してベース層１４に閉じ込められる。このとき凹凸構造８４ｐは、裏面電極８０に接合する第２導電型層２４の波長λに対する屈折率をｎ２４とすると、凹凸の深さｈをλ／４ｎ２４付近の値とすることで回折効率を高めることができる。
【００４１】
本実施の形態では、第２導電型層２４として結晶質シリコンを用いており、第２導電型層２４の屈折率ｎ２４は、同じく結晶質シリコンである第１導電型層１２の屈折率ｎ１２とほぼ等しい。したがって、第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造８４ｎと、第２領域Ｃ２に形成される凹凸構造８４ｐとは、同じ凹凸の周期ｗと深さｈとすることで、同じ波長λの入射光に対して、より高い光閉じ込め効果を発揮させることができる。
【００４２】
なお、上述した周期的な凹凸構造は、複数の光起電力素子７０のそれぞれの間の領域である第３領域Ｃ３に設けてもよい。
図４は、図１の第３領域Ｃ３に形成される凹凸構造８４ａを示す断面図である。凹凸構造８４ａは、受光面１８ａから入射した光を効果的に散乱させて支持基板１８の受光面１８ａにおいて全反射させ、その反射光を光起電力素子７０へ入射させるために設けられる。凹凸構造８４ａは、支持基板１８と第３電極２８ａの間に形成されており、緩衝層９０となる第２導電型層２４の裏面側に、深さｈを有する凹部８６ａが周期ｗの間隔で周期的に形成され、その凹部８６ｐを埋めるように第３電極２８ａの凸部８８ａが周期的に形成される。緩衝層９０を設けることで、支持基板１８に凹部を設けることなく凹凸構造８４ａを形成することができる。また図示するように、金属部８２として、第３電極２８ａの他に、第２導電型層２４と第３電極２８ａとの間に透明電極層２６が設けられる。したがって、凹凸構造８４ａは、支持基板１８と金属部８２との間の領域に設けらることとなる。
【００４３】
図２に示した第１領域Ｃ１に形成される凹凸構造８４ｎと同様、図４に示す凹凸構造８４ａは、凹凸構造８４ｐに入射した入射光Ｘ１を特定の方向に強く散乱させる。凹凸構造８４ａにより散乱した散乱光Ｘ２が支持基板１８と外気との境界にあたる受光面１８ａで全反射すると、その反射光Ｘ３は光起電力素子７０が設けられる裏面側へ進むこととなり、光起電力素子７０における光吸収量を増大させることができる。このとき、外気の屈折率ｎ０＝１とすると、ｗ≦λの関係を満たす波長λを有する入射光Ｘ１は、凹凸構造８４ａにおいて１次の散乱光Ｘ２として散乱角θ１の方向に散乱し、受光面１８ａで全反射して光起電力素子７０が設けられる裏面側へ進むこととなる。
【００４４】
仮に、第１領域Ｃ１及び第２領域Ｃ２に形成される凹凸構造８４ｎ、８４ｐと同様、第３領域Ｃ３における支持基板１８と金属部８２との間の領域に形成される凹凸構造８４ａの凹凸の周期ｗを４５０ｎｍとすると、波長λが４５０ｎｍ以上の入射光Ｘ１について、凹凸構造８４ａで散乱させ、受光面１８ａにおいて全反射させることができる。その結果、受光面１８ａにおいて全反射した光の少なくとも一部を、光起電力素子７０へ導くことができる。これにより、波長４５０ｎｍ以上の入射光について、光起電力素子７０の光吸収量を増大させることができる。
【００４５】
次に、光起電力装置１００の製造方法について説明する。
図５は、光起電力素子７０の製造に用いる材料基板１０を示す図である。材料基板１０は、結晶質の半導体材料であり、例えば、シリコン、多結晶シリコン、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体基板である。
【００４６】
なお、本実施の形態では、材料基板１０として単結晶シリコン基板を用いた例を示す。したがって、後述する第１導電型層１２、ベース層１４、ｉ型層２２及び第２導電型層２４もシリコン層とする。ただし、材料基板１０をシリコン以外の材料としてもよく、これらの層もシリコン層以外の材料としてもよい。
【００４７】
ポーラス層（脆化層）１０ａは、材料基板１０を陽極酸化処理等することにより形成される。陽極酸化に用いる電解質は、例えば、フッ化水素酸及びエタノールの混合液又はフッ化水素酸及び過酸化水素水の混合液とすることができる。陽極酸化の電流密度は、５ｍＡ／ｃｍ２以上６００ｍＡ／ｃｍ２以下とすればよく、例えば１０ｍＡ／ｃｍ２程度とする。
【００４８】
ポーラス層１０ａの厚さは、０．０１μｍ以上３０μｍ以下とすればよく、例えば１０μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔径は、０．００２μｍ以上５μｍ以下とすればよく、例えば０．０１μｍ程度とする。ポーラス層１０ａの空孔率は、１０％以上７０％以下とすればよく、例えば２０％程度とする。
【００４９】
図６は、第１導電型層１２及びベース層１４を形成した材料基板１０を示す図である。材料基板１０のポーラス層１０ａ上に第１導電型層１２、ベース層１４が形成される。第１導電型層１２及びベース層１４は、化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成することができる。第１導電型層１２及びベース層１４は、ポーラス層１０ａをシード層としたエピタキシャル成長により形成され、結晶質の半導体層同士が接合されたホモ接合領域を形成する。例えば、材料基板１０を９５０℃に加熱し、水素（Ｈ２）で希釈されたジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を原料ガスとして供給することにより成膜することができる。水素（Ｈ２）とジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）の流量は、例えばそれぞれ０．５（ｌ／ｍｉｎ）及び１８０（ｌ／ｍｉｎ）とする。また、必要に応じてホスフィン（ＰＨ３）をドーピングガスとして添加する。
【００５０】
図７は、パッシベーション層１６を形成した材料基板１０を示す図である。パッシベーション層１６は、ベース層１４上に形成される。パッシベーション層１６は、シラン（ＳｉＨ４）に酸素（Ｏ２）又は窒素（Ｎ２）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。
【００５１】
図８は、図７に示す材料基板１０を支持基板１８上に配置した状態を示す図である。図８に示す材料基板１０は、図７に示す材料基板１０と上下を逆さまにして描かれており、下を向いたパッシベーション層１６の表面が支持基板１８の結合部１８ｂに接している。
【００５２】
図９は、裏面から見た支持基板１８を示す概念図である。材料基板１０は、それぞれが互いに間隔をあけて設けられており、本図では、矩形の材料基板１０が縦４個、横６個、計２４個並んでいる様子を示している。
【００５３】
図１０は、図８に示す材料基板１０と支持基板１８を陽極接合する様子を示す図である。陽極接合は、材料基板１０と支持基板１８とを電極５０、５２により挟み込み、真空に排気した状態で２００℃以上６００℃以下の温度範囲で加熱し、電極５０、５２間に３００Ｖから１ｋＶ程度の電圧を印加して行う。例えば、材料基板１０と支持基板１８とを４００℃に加熱し、支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように６００Ｖの電圧を２０分間印加することにより、パッシベーション層１６と支持基板１８とを陽極接合する。
【００５４】
支持基板１８側の電極５２が負電圧となるように電圧を印加すると、支持基板１８に印加される電界により、支持基板１８中に含まれるアルカリ金属元素であるナトリウムが結合部１８ｂから電極５２の方向に移動する。これにより、結合部１８ｂのナトリウム濃度が、結合部１８ｂ以外の領域と比較して低くなる。具体的には、陽極接合前の支持基板１８のナトリウム濃度が、３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であるのに対し、結合部１８ｂのナトリウム濃度は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となる。そして、ナトリウム濃度が減少した結合部１８ｂには、ＳｉＯ−イオンが残される。このＳｉＯ−イオンがパッシベーション層１６の主材料であるＳｉとＳｉ−Ｏ−Ｓｉ共有結合を形成することで、より強固な接合が形成される。
【００５５】
また、陽極接合することにより、パッシベーション層１６である窒化シリコン層（ＳｉＮ）から窒素（Ｎ）が抜け、パッシベーション層１６と支持基板１８との間にはＳｉ−Ｏ共有結合が形成される。これにより、パッシベーション層１６と支持基板１８とが強固に接合される。なお、陽極接合を行う前に、パッシベーション層１６と支持基板１８との間に酸素プラズマを発生させて接合面を予め表面処理してもよい。
【００５６】
図１１は、陽極接合後に第１導電型層１２から材料基板１０を分離した状態を示す図である。陽極接合の際に加熱された材料基板１０が冷却されることによって、第１導電型層１２とポーラス層１０ａの接合面から材料基板１０が自然分離される。自然分離は、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力の発生により生じる。陽極接合による２００℃以上６００℃以下の加熱状態から室温程度の冷却状態へ移行することによって、支持基板１８と材料基板１０との熱膨張係数の違いによる内部応力が発生する。ガラスの熱膨張係数は９×１０−６／Ｋ程度であり、シリコンの熱膨張係数は２．５５×１０−６／Ｋ程度であることから、支持基板１８がベース層１４より大きく収縮することによって内部応力が発生する。この内部応力がポーラス層１０ａに掛かり、脆弱であるポーラス層１０ａと第１導電型層１２との間で剥離が生ずる。
【００５７】
なお、材料基板１０の分離処理では、機械的な処理を適用してもよい。例えば、材料基板１０及び支持基板１８を真空チャックで吸着し、双方を引き離すように引っ張ることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。また、材料基板１０の側面からポーラス層１０ａにウォータージェットを吹き付けることによって、ポーラス層１０ａ部分から材料基板１０を切り離すことができる。
【００５８】
以上のように、ポーラス層１０ａと第１導電型層１２との間で材料基板１０を分離することによって、支持基板１８上に第１導電型層１２、ベース層１４、パッシベーション層１６を含む分離層３０を転写形成することができる。
【００５９】
図１２は、材料基板１０を分離した支持基板１８に絶縁層２０を形成した状態を示す図である。まず、第１導電型層１２上に残留しているポーラス層１０ａの一部を除去するため、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）とを混合したフッ硝酸を用いて、支持基板１８をエッチング洗浄する。この処理により、ポーラス層１０ａの一部がエッチング除去される。その後、第１導電型層１２上に絶縁層２０を形成する。絶縁層２０は、シラン（ＳｉＨ４）に窒素（Ｎ２）を混合した原料ガスをプラズマ化して供給するプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成することができる。
【００６０】
図１３は、図１２の絶縁層２０及び第１導電型層１２がパターニングされた状態を示す図である。絶縁層２０及び第１導電型層１２は、エッチングペーストを用いてパターニングを行う。例えば、燐酸を含むエッチングペーストをスクリーン印刷法等により所望のパターンに塗布することによって、絶縁層２０と共に第１導電型層１２を除去することができる。これにより、絶縁層２０及び第１導電型層１２が設けられる第１領域Ｃ１と、絶縁層２０及び第１導電型層１２が除去された第２領域Ｃ２が形成される。
【００６１】
また、所望のパターンとなるように絶縁層２０をドライエッチングで除去し、絶縁層２０をマスクとして第１導電型層１２をドライエッチング又はウエットエッチングにより除去してもよい。絶縁層２０のドライエッチングには、四フッ化炭素（ＣＦ４）を用いた気相反応を適用すればよい。また、第１導電型層１２のドライエッチングには、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いた反応イオンエッチング（ＲＩＥ）を適用すればよい。第１導電型層１２のウエットエッチングには、フッ化水素酸を含むエッチャントを用いればよい。
【００６２】
なお、第１導電型層１２のパターニングの際には、第３領域Ｃ３を同時にエッチング除去してもよい。一方で、第３領域Ｃ３に膜が形成されないようにマスクを施しておいたり、膜が形成された後にエッチング等で選択的に除去したりしてもよい。後述する各膜の成膜時においても、同様である。
【００６３】
絶縁層２０及び第１導電型層１２は、光起電力素子の裏面からできるだけ均等に電力を集電できるようにパターニングすることが好ましい。例えば、光起電力素子に一般的に適用されているフィンガー及びバスバーを含む櫛形のパターンとすることが好ましい。ここで、第１領域Ｃ１の面積を第２領域Ｃ２の面積より小さくするようにパターンを形成することが好適である。
【００６４】
図１４は、図１３のパターニングによって露出されたベース層１４及び絶縁層２０上にｉ型層２２、第２導電型層２４を形成した状態を示す。ｉ型層２２及び第２導電型層２４は、シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスのＰＥＣＶＤにより形成することができる。シラン（ＳｉＨ４）等のケイ素含有ガスを供給しつつ、高周波電源から高周波電極へ高周波電力を供給することによって原料ガスのプラズマが生成され、プラズマからベース層１４及び絶縁層２０上に原料が供給されてシリコン薄膜が形成される。原料ガスには、必要に応じてジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のドーパント含有ガスを混合する。
【００６５】
図１５は、図１４で形成されたｉ型層２２、第２導電型層２４及び絶縁層２０をパターニングした状態を示す。パターニングは、エッチングペーストを用いて行うことができる。燐酸を含むエッチングペーストをスクリーン印刷法等により所望のパターンに塗布することによって、第１導電型層１２が形成される第１領域Ｃ１の一部領域において、第２導電型層２４、ｉ型層２２及び絶縁層２０を選択的に除去する。ここで形成されるパターンは、光起電力素子７０の裏面からできるだけ均等に電力を集電できるように設定する。例えば、第１導電型層１２の櫛形のパターンと交互に組み合わされる櫛形のパターンとすることが好ましい。
【００６６】
図１６〜１８は、図１５の光起電力素子７０の裏面側に凹凸構造８４を形成した状態を示す図である。図１６は、図１５の第１領域Ｃ１に凹凸構造８４ｎを形成した状態を示す図である。凹凸構造８４ｎを構成する複数の凹部８６ｎは、ナノインプリントによって周期ｗの周期的な開口部を有する樹脂材料のマスクを形成し、マスクの開口部をフッ化水素酸（ＨＦ）を含むエッチャントを用いてエッチングすることで形成することができる。凹部８６ｎの深さｈは、エッチング処理の時間などを調整することにより、所望の深さの凹部８６ｎを形成する。
【００６７】
図１７は、図１５の第２領域Ｃ２に凹凸構造８４ｐを形成した状態を示す図であり、図１８は、図１５の第３領域Ｃ３に凹凸構造８４ａを形成した状態を示す図である。図１６に示す第１領域Ｃ１の凹凸構造８４ｎと同様、ナノインプリントによって樹脂材料からなるマスクを形成し、マスクの開口部をフッ化水素酸（ＨＦ）を含むエッチャントを用いてエッチングすることで形成することができる。
【００６８】
なお、第１領域Ｃ１、第２領域Ｃ２、第３領域Ｃ３に形成される凹凸構造８４は、同じマスクを用いて周期ｗが同じ凹凸構造８４を一度に形成してもよい。この場合、それぞれ異なるマスクを用いて凹凸構造８４を形成する場合と比較して、処理を簡略化することができる。
【００６９】
図１９は、図１６〜図１８で形成した凹凸構造８４の上に透明電極層２６及び金属層２８を形成した状態を示す。透明電極層２６及び金属層２８は、スパッタリング法又はプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）等の薄膜形成方法で形成することができる。
【００７０】
図２０は、図１９で形成した透明電極層２６及び金属層２８を含む層の一部領域をパターニングした状態を示す。第１領域Ｃ１上の中心３２に位置するｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８を残したまま、その両端３４に位置するｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８を除去する。これにより、金属層２８が両端３４の位置に形成された溝部により分断され、第１導電型層１２に接続される第１電極２８ｎと、第２導電型層２４に接続される第２電極２８ｐと、支持基板１８上に配置される第３電極２８ａとが形成される。
【００７１】
なお、ｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８は、レーザーエッチングにより除去することができる。また、スクリーン印刷法等でレジストを塗布してパターニングされたマスクを形成し、マスクを利用してｉ型層２２、第２導電型層２４、透明電極層２６及び金属層２８をそれぞれ別々にエッチングしてもよい。金属層２８が銅（Ｃｕ）であれば塩化第二鉄をエッチャントとし、金属層２８がアルミニウム（Ａｌ）であれば燐酸をエッチャントとすればよい。また、透明電極層２６のエッチングには、塩酸（ＨＣｌ）を含むエッチャントを用いればよい。また、ｉ型層２２及び第２導電型層２４のエッチングには、フッ化水素酸（ＨＦ）を含むエッチャントを用いればよい。
【００７２】
また、第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐ及び第３電極２８ａにさらに電解メッキ等で金属層を積層してもよい。例えば、銅（Ｃｕ）や錫（Ｓｎ）を電解メッキにより形成する。第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐ及び第３電極２８ａに電位を印加した電解メッキ法を適用することにより、第１電極２８ｎ、第２電極２８ｐ及び第３電極２８ａが残された領域上に金属層が積層される。
【００７３】
その後、並置された複数の光起電力素子７０の第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐを導電性のタブで接続し、光起電力素子の裏面側に充填材６０を塗布し、封止材６２で封止する。なお、第３電極２８ａは光起電力素子７０を接続するための電極として用いず、第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐとは電気的な接続を行わない。
【００７４】
このようにして、図１に示す光起電力装置１００が形成される。以上の製造方法により、光起電力装置１００は、支持基板１８が受光面側となり、裏面電極８０である第１電極２８ｎ及び第２電極２８ｐが裏面側に設けられた裏面接合型となる。また、光起電力素子７０と裏面電極８０の界面には、周期的な凹凸構造が形成される。
【００７５】
図２１は、本実施の形態に係る凹凸構造８４による光閉じ込め効果を示す模式図である。図２１では、説明をわかりやすくするため、支持基板１８、パッシベーション層１６、ベース層１４、第１導電型層１２、第２導電型層２４、金属層２８である裏面電極８０及び金属部８２を示し、凹凸構造８４以外のパターニング部分を省略して示している。
【００７６】
光起電力素子７０が設けられる第１領域Ｃ１及び第２領域Ｃ２に入射した入射光１は、光起電力素子７０と裏面電極８０の界面に形成される凹凸構造８４ｎ、８４ｐにより散乱される。このとき凹凸構造８４ｎ、８４ｐは、周期ｗの周期的な凹凸を有するため、ｗ×ｎ１６≦λの関係を満たす波長λの入射光１は、凹凸構造８４ｎ、８４ｐにより散乱された後にベース層１４とパッシベーション層１６との境界面で全反射し、光起電力素子７０の内部に閉じ込められることとなる。また、凹凸構造８４ｎ、８４ｐにより散乱された光はベース層１４の内部を散乱角θの角度で斜めに進むため、入射光１が垂直に近い角度で入射し光起電力素子７０と裏面電極８０との界面で垂直に近い角度で反射される場合と比較して、光起電力素子７０での光路長を長くすることができる。これにより、凹凸構造８４を設けない場合と比較して、光起電力素子７０の光吸収量を増大させることができる。
【００７７】
また、光起電力素子７０が設けられていない第３領域Ｃ３に入射した入射光２は、支持基板１８と金属部８２の界面に形成される凹凸構造８４ａにより散乱される。このとき、ｗ×ｎ０≦λの関係を満たす波長λの入射光２は、凹凸構造８４ａにより散乱された後に支持基板１８と外気との境界面である受光面１８ａで全反射し、光起電力素子７０の設けられる第１領域Ｃ１または第２領域Ｃ２の方向へ進む。したがって、凹凸構造８４を設けない場合と比較して、光起電力素子７０へ向かう入射光の割合を増やし、光起電力素子７０の光吸収量を増大させることができる。
【００７８】
図２２は、本実施の形態に係る光起電力装置１００の光吸収量を計算した結果を示すグラフである。凹凸構造８４を設けた本実施の形態に係る光起電力装置１００と、凹凸構造８４を設けていない従来の光起電力装置について、ベース層１４の光吸収量をＦＤＴＤ（Finite difference time domain）法により計算した結果である。計算に際して、光起電力装置１００が有する凹凸構造８４の凹凸の周期ｗを４５０ｎｍ、深さｈを８０ｎｍとし、波長λを１１００〜１２５０ｎｍの範囲で計算した。本図に示すように、凹凸構造８４を設けることで、ベース層１４の光吸収量が増大していることがわかる。
【００７９】
以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について述べる。
【００８０】
本実施の形態では、凹凸構造８４を第１領域Ｃ１、第２領域Ｃ２及び第３領域Ｃ３に設けたが、これらのうち、いずれか一つの領域にのみ凹凸構造８４を形成してもよいし、これら三つの領域のうち任意に組み合わせた二つの領域に凹凸構造８４を形成してもよい。また、支持基板１８上に設けられる複数の光起電力素子７０のうち、一部の光起電力素子７０に対して凹凸構造８４を形成してもよい。
【００８１】
本実施の形態では、凹凸構造８４を第１領域Ｃ１及び第２領域Ｃ２が設けられる櫛形のフィンガーが延びる方向に垂直な一方向に周期的な凹凸が形成される場合を説明したが、凹凸構造８４が設けられる凹凸の周期の方向はこれに限られない。例えば、凹凸構造８４として、第１領域Ｃ１及び第２領域Ｃ２が設けられる櫛形のフィンガーが延びる方向に平行な一方向に周期的な凹凸を形成してもよいし、櫛形のフィンガーが延びる方向に斜めな一方向に周期的な凹凸を形成してもよい。
【００８２】
本実施の形態では、凹凸構造８４を縞状の周期的形状としたが、凹凸構造８４は、格子状など異なる二方向に周期的な形状を有してもよい。例えば格子状の周期的形状を有する場合、その周期は異なる二方向に同じ値を設定してもよいし、異なる値を設定してもよい。同じ周期を設定した場合、波長λに対して特定の散乱角θの方向へ光を強く散乱させることができ、異なる周期を設定した場合、波長λに対して複数の散乱角θの方向へ光を散乱させることができる。
【００８３】
本実施の形態では、パッシベーション層１６を設けることで、ベース層１４とパッシベーション層１６との間で散乱光を全反射させる構成としたが、パッシベーション層１６を設けずにベース層１４と支持基板１８との間で全反射させる構成としてもよい。その場合、ｗ×ｎ１８≦λの関係を満たす波長λの入射光に対して、その光を凹凸構造８４で散乱させ、ベース層１４と支持基板１８との界面で全反射させることができる。このとき、凹凸構造８４の周期ｗは、支持基板１８の屈折率ｎ１８に応じて適宜設定することが望ましい。
【００８４】
本発明の一態様の概要は、次の通りである。本発明のある態様の光起電力装置は、受光面側に設けられる支持基板と、支持基板上に設けられる光起電力素子と、光起電力素子上に設けられる裏面電極と、を備え、前記光起電力素子と前記裏面電極の界面には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成される。
【００８５】
この態様によれば、光起電力素子と裏面電極との接合部の界面に形成される凹凸構造により、受光面側から光起電力素子に入射した入射光を特定の方向に散乱させることができる。そうすると、光起電力素子を通る散乱光の光路長を長くすることができ、周期的な凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【００８６】
本発明のある態様の光起電力装置は、前記光起電力素子は、前記支持基板上に互いに離間して複数設けられ、前記支持基板上であって、前記光起電力素子のそれぞれの間の領域に形成される金属部をさらに備え、前記支持基板と前記金属部との間の領域には、少なくとも一方向に周期的な凹凸構造が形成されてもよい。
【００８７】
この態様によれば、支持基板と金属部との間の領域に形成される凹凸構造により、受光面側から光起電力素子の設けられていない間の領域に入射した光を特定の方向に散乱させ、その少なくとも一部を受光面で反射させて光起電力素子に向かわせることができる。これにより、光起電力素子を通る散乱光の光路長を長くするとともに、光起電力素子を通る光の割合を増やすことができ、周期的な凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【００８８】
本発明のある態様の光起電力装置は、前記裏面電極に接合され、前記光起電力素子が吸収する波長λの光に対して屈折率ｎ１を有する第１層と、前記受光面と前記第１層との間に設けられ、前記波長λに対して前記第１層とは異なる屈折率ｎ２を有する第２層と、を有し、前記凹凸構造は、その凹凸の周期がλ／ｎ２より小さい。
【００８９】
この態様によれば、波長λの入射光は裏面電極との界面に形成される凹凸構造により散乱された後、第２層の裏面側の界面において全反射されるため、その反射光は光起電力素子の内部に閉じ込められることとなる。したがって、このような凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【００９０】
前記凹凸構造は、その凹部の深さがλ／２ｎ１より小さい。
【００９１】
この態様によれば、凹凸構造により散乱される光の回折効率を高め、より多くの光を特定の散乱角の方向へ散乱させることができる。そうすると、より多くの光が第２層の裏面側の界面において全反射され、光起電力素子の内部に閉じ込められることから、このような凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【００９２】
前記第１層は、結晶質シリコンを含む層であり、前記第２層は、窒化シリコンを含む層であり、前記凹凸構造は、その凹凸の周期が６００ｎｍ以下であってもよい。
【００９３】
この態様によれば、結晶質シリコンを含む光起電力素子が吸収する波長λが１．２μｍ以下の入射光を、凹凸構造により効率的に散乱させ、その少なくとも一部を第２層の裏面側の界面で反射させることで、入射光を光起電力素子の内部に閉じ込めることができる。したがって、このような凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【００９４】
前記凹凸構造は、その凹部の深さが１８０ｎｍ以下であってもよい。
【００９５】
この態様によれば、結晶質シリコンを含む光起電力素子が吸収する波長λが１．２μｍ以下の入射光を、凹凸構造により効率的に散乱させることができる。したがって、このような凹凸構造を設けない場合と比較して、光起電力素子の光吸収量を増大させることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１２…第１導電型層、１４…ベース層、１６…パッシベーション層、１８…支持基板、１８ａ…受光面、２０…絶縁層、２２…ｉ型層、２４…第２導電型層、２６…透明電極層、２８…金属層、７０…光起電力素子、８０…裏面電極、８２…金属部、８４、８４ａ、８４ｎ、８４ｐ…凹凸構造、８６…凹部、８８…凸部、ｗ…周期、ｈ…深さ、１００…光起電力装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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