(57)【要約】  【課題】  結晶半導体粒子を導電性基板に接合するに際して、結晶半導体粒子と導電性基板との熱膨脹差に起因して温度サイクル等の信頼性評価を行った場合に接合部の境界面にクラックが発生、進展し、光電変換効率が劣化するという問題があった。  【解決手段】  光電変換装置は、導電性基板１の一主面に、一方導電型の結晶半導体粒子４が多数個、下部を導電性基板１に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質３を介在させるとともに上部を絶縁物質３から露出させて配置されて、これら結晶半導体粒子４に他方導電型の半導体部３および透光性導体層６が設けられており、結晶半導体粒子４は、導電性基板１との接合部とその残部との境界面が導電性基板１の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板側１に位置している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板の一主面に、表面に他方導電型の半導体部が設けられた一方導電型の結晶半導体粒子が多数個、下部を前記導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置されて、これら結晶半導体粒子に透光性導体層が設けられた光電変換装置において、前記結晶半導体粒子は、前記導電性基板との接合部とその残部との境界面が前記導電性基板の一主面と略平行であるか、または前記境界面の中央部が外周部よりも前記導電性基板側に位置していることを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電等に使用される光電変換装置に関し、特にシリコン等の半導体から成る結晶半導体粒子を用いた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光電変換装置として結晶シリコンウエハを用いた光電変換効率の高い太陽電池が実用化されている。この結晶シリコンウエハは、結晶性がよく、かつ不純物が少なくてその分布に偏りのない大型の結晶シリコンインゴットから切り出されて作製されている。しかし、大型の結晶シリコンインゴットは作製するのに長時間を要するため生産性が悪く、これにより高価となるので、大型の結晶シリコンインゴットを必要とせず高効率な次世代太陽電池の出現が強く望まれている。
【０００３】
大型の結晶シリコンインゴットを必要としない光電変換装置として、結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置が提案されている。例えば、アルミニウム製の導電性基板もしくは表面にアルミニウム層が形成された導電性基板上に多数の結晶シリコン粒子を配設し、導電性基板表面もしくはアルミニウム層と結晶シリコン粒子との界面に、アルミニウムとシリコンとの合金層から成る接合部を形成した構成のものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開2002−43602号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来の技術においては、結晶シリコン粒子とアルミニウム層とで合金層を形成し両者を接合する構成であるが、結晶シリコン粒子のシリコン（Ｓｉ）と、導電性基板を成すアルミニウムと、アルミニウム−シリコン合金層との熱膨脹差に起因して、温度サイクル等の信頼性評価を行なうと接合部の境界面にクラックが発生進展し、その結果光電変換効率が劣化するという問題がある。
【０００５】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、低コストで製造可能な結晶半導体粒子を用いた高信頼性の光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換装置は、導電性基板の一主面に、表面に他方導電型の半導体部が設けられた一方導電型の結晶半導体粒子が多数個、下部を前記導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置されて、これら結晶半導体粒子に透光性導体層が設けられた光電変換装置において、前記結晶半導体粒子は、前記導電性基板との接合部とその残部との境界面が前記導電性基板の一主面と略平行であるか、または前記境界面の中央部が外周部よりも前記導電性基板側に位置していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光電変換装置によれば、導電性基板の一主面に、表面に他方導電型の半導体部設けられた一方導電型の結晶半導体粒子が多数個、下部を導電性基板に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を絶縁物質から露出させて配置されて、これら結晶半導体粒子に透光性導体層が設けられた光電変換装置において、結晶半導体粒子は、導電性基板との接合部とその残部との境界面が導電性基板の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板側に位置していることにより、温度サイクル等の信頼性評価において境界面に発生するクラックの発生進展が抑制され、長期間の実使用において光電変換効率の劣化の少ない高信頼性の光電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の光電変換装置について図面に基づいて以下に詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明の光電変換装置の実施の形態の１例を示す断面図であり、１は導電性基板、２は導電性基板１の成分と結晶半導体粒子４の成分とで形成された合金層、３は絶縁物質、４は一方導電型の結晶半導体粒子、５は他方導電型の半導体部、６は透光性導体層である。合金層２は、導電性基板１と一方導電型の結晶半導体粒子４との接触部を加熱溶融させて生成した合金層であり、導電性基板１の一部を成すものといえる。
【００１０】
導電性基板１は導電性の金属からなり、例えばアルミニウム、またはアルミニウム層を表面に有する複合材料を用いることができる。複合材料の下地基板としては、アルミニウムの融点以上の融点を有する金属であればよく、例えば鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），ステンレススチール（ＳＵＳ）や、Ｆｅ−Ｎｉ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等を主成分とする低熱膨張係数の合金等が用いられる。なお、この複合材料における表層のアルミニウム層の厚みは、結晶半導体粒子４を導電性基板１上に均一に溶融接合するのに必要なアルミニウム量からすると、0.01ｍｍ（10μｍ）以上が好ましい。
【００１１】
また、導電性基板１が複合材料から成る場合、熱的負荷等により発生する導電性基板１の反りを抑える目的で、結晶半導体粒子４を配設する側と反対側の主面の一部もしくは全面に、アルミニウム層（図示せず）を設けることも可能である。
【００１２】
また、導電性基板１の厚さは、0.1〜２ｍｍであることが好ましい。0.1ｍｍ未満の場合、導電性基板１の厚さが薄くなるため、導電性基板１に結晶半導体粒子４を溶着させた際に、導電性基板１に反りが発生し易くなり、光電変換効率が低下する。また、２ｍｍ超の場合、導電性基板１自体の重量が増えるため、光電変換装置の軽量化が困難となる。
【００１３】
絶縁物質３は、正極と負極との分離を行なうための絶縁材料からなる。例えば酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），酸化鉛（ＰｂＯ），酸化硼素（Ｂ２Ｏ３），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を成分とするガラス、耐熱性樹脂材料、耐熱性樹脂材料と無機フィラーとの混合体、珪素を含有する有機無機複合材料、珪素を含有する有機無機複合材料と無機フィラーとの混合体等からなる。絶縁物質３は、結晶半導体粒子４間に介在するように合金層２の表面に層状に形成され、その好適な厚みは絶縁物質３の絶縁抵抗により異なるが、絶縁物質３が耐熱性樹脂から成る場合、0.001ｍｍ（１μｍ）以上であることが好ましい。
【００１４】
結晶半導体粒子４は、珪素（Ｓｉ）にｐ型を呈する硼素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）等、またはｎ型を呈するリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等が微量元素として含まれているものである。結晶半導体粒子４の粒径は0.1〜0.6ｍｍがよく、0.6ｍｍを超えると従来型の結晶板系の光電変換素子の珪素（Ｓｉ）使用量と変わらなくなり、結晶半導体粒子４を用いる利点が小さくなる。一方、0.1ｍｍよりも小さいと、光透過等による光エネルギーのロスが大きくなり、光電変換効率が低下する傾向がある。また、結晶半導体粒子４の形状としては、球状、回転楕円体状、多角立体状、多角立体状の角部が曲面とされたもの等、種々の形状であってよい。
【００１５】
他方導電型の半導体部５は、例えば珪素（Ｓｉ）から成り、熱拡散法、気相成長法等により、例えばシラン化合物の気相にｎ型を呈するリン系化合物の気相、またはｐ型を呈する硼素系化合物の気相を微量導入して形成する。その厚みは10ｎｍ以上が好ましく、膜質としては結晶質、非晶質、または結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよい。
【００１６】
さらに、他方導電型の半導体部５は、一方導電型の結晶半導体粒子４の表面形状に沿って形成されることが好ましい。それにより、一方導電型の結晶半導体粒子４は凸形の曲面状の表面を有することから、結晶半導体粒子４と半導体部５との間で形成されるｐｎ接合部の面積を広くすることができ、結晶半導体粒子４内部で光電変換により発生した電子を効率よく収集することができる。
【００１７】
なお、結晶半導体粒子４として、その表面にｎ型を呈するリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等またはｐ型を呈する硼素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）等が微量含まれている領域を層状に有するものを用いる場合、この層状の領域を他方導電型の半導体部５とし、この半導体部５上に透光性導体層６を直接形成してもよい。
【００１８】
透光性導体層６は、スパッタリング法や気相成長法の成膜方法あるいは塗布焼成法等によって形成され、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等から選ばれる１種または複数の酸化物の層、またはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ等から選ばれる１種または複数の金属から成る層として形成される。この透光生導電層６は結晶半導体粒子４がない部分で入射した光の一部を透過させ、下側の導電性基板１で反射させて結晶半導体粒子４に照射させることで、光電変換装置全体に照射される光エネルギーを効率よく結晶半導体粒子４に照射させることが可能となる。
【００１９】
透光性導体層６上には保護層（図示せず）を形成してもよい。このような保護層としては、透光性でかつ誘電体の特性を持つものを用いるのがよく、例えば酸化珪素、酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）等を、単一組成または複数組成で、単層または複数層を組み合わせて、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等により形成すればよい。この保護膜は、光の入射面に配置されているために透光性が必要であり、また光電変換により得られた電流のリーク防止のために誘電体であることが必要である。さらに、保護層は、厚みを最適化することにより反射防止膜としての機能も期待できる。
【００２０】
また、直列抵抗値を低くするために他方導電型の半導体部５または透光性導体層６の上に一定間隔のフィンガー電極およびバスバーからなるパターン電極（図示せず）を設け、光電変換効率を向上させることも可能である。
【００２１】
本発明において、導電性基板１の一主面に、一方導電型の結晶半導体粒子４が多数個、下部を導電性基板１に接合され、隣接するもの同士の間に絶縁物質３を介在させるとともに上部を絶縁物質３から露出させて配置されて、これら結晶半導体粒子４に他方導電型の半導体部３および透光性導体層６が設けられた光電変換装置において、結晶半導体粒子４は、導電性基板１との接合部とその残部との境界面が導電性基板１の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板側１に位置している。この構成により、温度サイクル等の信頼性評価において境界面に発生するクラックの発生および進展が抑制され、長期間の実使用において光電変換効率の劣化の少ない高信頼性の光電変換装置を得ることができる。
【００２２】
上記のような、結晶半導体粒子４が、導電性基板１との接合部とその残部との境界面が導電性基板１の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板側１に位置しているという構成（構成Ａともいう）は、結晶半導体粒子４を導電性基板１に、それらの成分（例えばアルミニウムとシリコン）の共晶点以上に加熱して接合するときに、粘性のある共晶合金に結晶半導体粒子４がめり込むように圧力を加えるという製造方法により実現することができる。
【００２３】
例えば、700個程度の結晶半導体粒子４に対して、それらの上方より0.002〜1Ｎ／ｃｍ２程度の圧力を加えることによって上記の構成Ａとすることができる。圧力が0.002Ｎ／ｃｍ２未満では、結晶半導体粒子４を共晶部に押し込むことが難しくなる。１Ｎ／ｃｍ２を超えると、結晶半導体粒子４を破損したり、共晶部を押しすぎて共晶金属が結晶半導体粒子４下部から外に押し出されてしまい易くなる。
【００２４】
加圧しないで共晶形成のみによる接合をしたときには、結晶半導体粒子４内部の共晶の進行に較べ、結晶半導体粒子４表面に形成されている自然酸化膜での共晶の進み方が遅いため、図３のように外周部が境界面の中央部よりも導電性基板１側に位置している形状となる。
【００２５】
本発明では、接合部の共晶の形成時に結晶シリコン粒子４を導電性基板１側に加圧することで、図３のような導電性基板１側に位置する外周部が共晶内に押し込まれて外周部の共晶化が促進される。その結果、境界面が図２（ａ）〜（ｅ）のような、導電性基板１の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板１側に位置した構成とすることができる。
【実施例】
【００２６】
本発明の光電変換装置の実施例について以下に説明する。
【００２７】
図１に示した光電変換装置としての結晶シリコン粒子を用いた太陽電池について説明する。まず、ｐ型ドーパントとして硼素（Ｂ）を微量添加した、結晶半導体粒子としての平均粒径400μｍの結晶シリコン粒子の表面を洗浄した後、ＰＯＣｌ３雰囲気中において850℃、30分で熱拡散を行い、結晶シリコン粒子の表面に他方導電型の半導体部５としてｎ型シリコン層を形成した。このとき、硼素を拡散しない部分を酸化珪素で覆うことで、必要な部分だけにｎ型シリコン層を形成した。
【００２８】
次に、アルミニウム製の導電性基板１上に、ｎ型シリコン層が形成された結晶シリコン粒子を密に１層配設し、接合温度、接合時間、昇温速度、降温速度等の拡散接合条件を種々変更し、導電性基板１と結晶シリコン粒子とを拡散接合させたサンプルを作製した。
【００２９】
次に、絶縁物質３の絶縁体材料としてポリイミドを選択し、結晶シリコン粒子間に導電性基板１表面を覆うように絶縁物質３を形成した。次に、導電性基板１上にＩＴＯからなる透光性導体層６を100ｎｍの厚みで形成し、光電変換装置を作製した。
【００３０】
この光電変換装置の初期光電変換特性、信頼性評価、および断面観察を行ない、クラック進展の有無および境界面形状を確認した結果を表１に示す。信頼性は、温度−40℃〜90℃、６時間を１サイクルとして、温度サイクル試験を500サイクル行ない、その信頼性評価前後の光電変換効率の低下割合を評価した。
【００３１】
なお、表１において、サンプル１は、700個の結晶シリコン粒子に対して0.07Ｎ／ｃｍ２の圧力を加えて導電性基板１に接合させた例であり、サンプル２は700個の結晶シリコン粒子に対して0.06Ｎ／ｃｍ２の圧力、サンプル３は700個の結晶シリコン粒子に対して0.05Ｎ／ｃｍ２の圧力、サンプル４は700個の結晶シリコン粒子に対して0.04Ｎ／ｃｍ２の圧力、サンプル５は700個の結晶シリコン粒子に対して0.03Ｎ／ｃｍ２の圧力、サンプル６は700個の結晶シリコン粒子に対して0.02Ｎ／ｃｍ２の圧力を加えた例である。
【００３２】
また、サンプル７，８は、結晶シリコン粒子に対して、導電性基板１への接合時に圧力を加えていない例である。
【表１】
2006156874.tif 000003
【００３３】
表１より、導電性基板１と結晶シリコン粒子とを加熱溶着させて生成した合金層（接合部）と結晶シリコン粒子の残部との境界面が、導電性基板１の一主面と略平行であるか、または境界面の中央部が外周部よりも導電性基板側１に位置していることによって、信頼性評価後のクラック進展は確認されず、光電変換効率劣化率も低減した。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の光電変換装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光電変換装置における結晶半導体粒子の接合部の境界面の各種の例を示す断面図である。
【図３】比較例における光電変換装置の結晶半導体粒子の接合部の境界面の形状を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・導電性基板
２・・・合金層
３・・・絶縁物質
４・・・一方導電型の結晶半導体粒子
５・・・他方導電型の半導体部
６・・・透光性導体層
【図１】
2006156874.tif 000004
【図２】
2006156874.tif 000005
【図３】
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