(57)【要約】【課題】単結晶シリコンのような結晶半導体を用いる場合であっても、薄型化と軽量化を図ると共に可撓性を有する光電変換装置を提供することを課題とする。【解決手段】支持基板の一方の面に設けられた絶縁膜に密接して光電変換層が設けられ、光電変換層の一方の面と接触する電極（裏面電極）は、支持基板及び絶縁膜を貫通する貫通口に合わせて設けられている。当該電極は光電変換層及び支持基板と電気的に接触している。光電変換層の他方の面には光入射側の電極（表面電極）が設けられている。光電変換層は半導体材料で構成され、好ましくは単結晶半導体又は多結晶半導体が用いられる。【選択図】図１
2011014892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性支持基板の一方の面に設けられた第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に密接して設けられた光電変換層と、
前記導電性支持基板及び前記第１絶縁膜を貫通し前記光電変換層を露出させる貫通口に合わせて設けられ該導電性支持基板及び該光電変換層と接触する裏面電極と、
前記光電変換層の前記導電性支持基板とは反対側の面に設けられた表面電極とを有することを特徴とするとする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１絶縁膜と前記光電変換層との間に第２絶縁膜が介在していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記導電性支持基板が可撓性を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記光電変換層が単結晶半導体であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
絶縁性支持基板の一方の面に設けられた第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に密接して設けられた光電変換層と、
前記絶縁性支持基板及び前記第１絶縁膜を貫通し前記光電変換層を露出させる貫通口に合わせて設けられ該光電変換層と接触する裏面電極と、
前記光電変換層の前記絶縁性支持基板とは反対側の面に設けられた表面電極とを有することを特徴とするとする光電変換装置。
【請求項６】
請求項５において、前記第１絶縁膜と前記光電変換層との間に第２絶縁膜が介在していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記絶縁性支持基板が可撓性を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項において、前記光電変換層が単結晶半導体であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項９】
絶縁性支持基板の一方の面に設けられた第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜上に密接して設けられた第１光電変換層及び第２光電変換層と、
前記絶縁性支持基板及び前記第１絶縁膜を貫通し前記第１光電変換層と接触する第１裏面電極及び前記第２光電変換層と接触する第２裏面電極と、
前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層の前記絶縁性支持基板とは反対側の面に設けられ該第１光電変換層と接触する第１表面電極及び該第２光電変換層と接触する第２表面電極と、
前記絶縁性支持基板を貫通し前記第１表面電極と前記第２裏面電極とが接触する接続部とを有することを特徴とするとする光電変換装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記第１絶縁膜と前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層との間に第２絶縁膜が介在していることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、前記絶縁性支持基板が可撓性を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項において、前記第１光電変換層及び前記第２光電変換層が単結晶半導体であ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】
半導体の光起電力効果を利用する光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量を削減し地球環境を保護する意識の高まりから、ハイブリット自動車が注目されている。さらに内燃機関を動力源としない電気自動車の開発も進んでいる。電気を使って走行する自動車の電力源として光電変換装置を考えた場合、太陽光エネルギーの変換効率が高いことはもとより、軽量であり車体の曲面に合わせて設置できることが求められている。
【０００３】
このような用途において、アモルファスシリコンをプラスチックフィルム基板や金属フィルム基板上に形成したフレキシブル太陽電池を、車両用の光電変換装置として用いることが開示されている（特許文献１参照）。しかし、アモルファスシリコンを使った光電変換装置は軽量で曲面に装着できるものの、変換効率が低く自動車のような限られた面積に設置するには適切ではない。
【０００４】
変換効率が高いとされる単結晶太陽電池を導線で結線し、前面及び背面をポリウレタン樹脂で封止して軽量化を図った光電変換装置が開示されている（特許文献２参照）。しかし、厚さ数百マイクロメートルの単結晶太陽電池自体には可撓性がないので、アモルファスシリコン太陽電池を用いる場合に比べ、光電変換装置の厚さや柔軟性の面では劣ってしまう。
【０００５】
単結晶シリコン層の厚さを０．１μｍ以上５μｍ以下としたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）型の太陽電池も開発されているが、単結晶シリコン層を固定する支持基板には厚手のガラス板が必要である（特許文献３参照）。すなわち、単結晶シリコン層を薄くしても、光電変換装置全体として薄くすることは実現されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１８１４８３号公報
【特許文献２】米国特許第７，０４９，８０３号
【特許文献３】特開２００８−１１２８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
単結晶シリコンのような結晶半導体を用いる場合であっても、薄型化と軽量化を図ると共に可撓性を有する光電変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態に係る光電変換装置は、支持基板の一方の面に設けられた絶縁膜に密接した光電変換層を有する光電変換装置である。支持基板及び支持基板の一方の面に設けられた絶縁膜には貫通口が形成されている。光電変換装置の光入射側の面と反対側の面（裏面）に設けられる電極（裏面電極）は、支持基板の光電変換層の反対側の面に設けられ、該貫通口で光電変換層と接触している。当該電極は光電変換層及び支持基板と電気的に接触している。光電変換装置の光入射側の面には、光電変換層と接する電極（表面電極）が設けられている。光電変換層は半導体材料で構成され、好ましくは単結晶半導体又は多結晶半導体が選択される。
【０００９】
絶縁膜は支持基板及び光電変換層と密接し、これらは原子間力又は分子間力によって接合している。すなわち、支持基板と光電変換層との間には、絶縁膜が設けられており、この絶縁膜は複数の層で構成されていても良い。
【００１０】
支持基板は、導電性支持基板又は絶縁性支持基板を含む。導電性支持基板として代表的には金属材料が用いられ、金属材料としてアルミニウム、チタン、銅、ニッケル等の単体金属又はこれらの金属の少なくとも一を成分とする合金が選択される。鉄系の材料として、ステンレス鋼板の他、自動車等のボディーに用いられる圧延鋼板、高張力鋼板などを用いることができる。絶縁性支持基板はガラス材料、プラスチック材料、セラミック材料などにより構成される。
【００１１】
「単結晶」とは、結晶面、結晶軸が揃っている結晶であり、それを構成している原子又は分子が空間的に規則正しい配列になっているものをいう。もっとも、単結晶は原子が規則正しく配列することによって構成されるものであるが、一部にこの配列の乱れがある格子欠陥を含むもの、意図的又は非意図的に格子歪みを有するものなどの規則性の乱れを除外するものではない。
【００１２】
「脆化層」とは、分割工程で、単結晶半導体基板が、単結晶半導体層と剥離基板（単結晶半導体基板）とに分割される領域及びその近傍のことを示す。「脆化層」を形成する手段によって「脆化層」の状態は異なるが、例えば、「脆化層」は、局所的に結晶構造が乱され、脆弱化された領域である。なお、場合によっては単結晶半導体基板の表面側から「脆化層」までの領域も多少脆弱化される場合があるが、本明細書の「脆化層」は後に分割される領域及びその付近を指すものとする。
【００１３】
「光電変換層」とは、光電効果（内部光電効果）を発現する半導体の層を含む他、内部電界や半導体接合を形成するために接合された不純物半導体層を含めたものをいう。すなわち、光電変換層とは、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合などを代表例とする接合が形成された半導体層をいう。
【００１４】
本明細書において「第１」、「第２」又は「第３」等の数詞の付く用語は、要素を区別するために便宜的に付与しているものであり、数的に限定するものではなく、配置及び段階の順序を限定するものでもない。
【発明の効果】
【００１５】
一実施形態に係る光電変換装置によれば、裏面電極を支持基板の裏面に設け、該支持基板を貫通する貫通口を通って光電変換層と接触させることで、光電変換装置の裏面（光入射側と反対側の面）を有効利用することができる。それにより、光電変換装置において、光電変換に寄与する実効面積を大きくし、単位面積当たりの実効的な出力を増加させることができる。
【００１６】
一実施形態に係る光電変換装置によれば、支持基板の一面に絶縁膜を形成し、光電変換層と接合させることで、薄型化及び軽量化された光電変換装置を得ることができる。裏面電極を支持基板の裏面に設け、貫通口を設けて光電変換層と接触させることで、光電変換層と支持基板との接合強度を高めることができる。
【００１７】
一実施形態に係る光電変換装置によれば、可撓性を得つつ支持基板に強固に接着された光電変換層を有する光電変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態に係る光電変換装置の形態を示す平面図。
【図２】一実施形態に係る光電変換装置の形態を示す断面図。
【図３】一実施形態に係る光電変換装置の形態を示す平面図。
【図４】一実施形態に係る光電変換装置の形態を示す断面図。
【図５】一実施形態に係る光電変換装置の形態を示す平面図と断面図。
【図６】一実施形態に係る光電変換装置の作製方法を示す断面図。
【図７】一実施形態に係る光電変換装置の作製方法を示す断面図。
【図８】一実施形態に係る光電変換装置の作製方法を示す断面図。
【図９】一実施形態に係る光電変換装置の作製方法を示す断面図。
【図１０】一実施形態に係る光電変換装置を自動車に設ける一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
開示される発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。但し、開示される発明は以下の説明に限定されず、その発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、開示される発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２０】
以下に説明する実施の形態において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。なお、図面において示す構成要素、すなわち層や領域等の厚さ幅、相対的な位置関係等は、実施の形態において説明する上で明確性のために誇張して示される場合がある。
【００２１】
図１及び図２を参照して一実施形態に係る光電変換装置の態様を説明する。なお、図１（Ａ）は光電変換装置１００の受光面側から見た平面図を示し、図１（Ｂ）は受光面と反対側（裏面）から見た平面図を示す。図２は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すＡ−Ｂ切断線に対応する断面図を示す。以下の説明ではこれらの図面を参照して説明する。
【００２２】
光電変換装置１００は、導電性支持基板１０２の一面に光電変換層１０６が設けられている。導電性支持基板１０２と光電変換層１０６との間には第１絶縁膜１０４が設けられている。第１絶縁膜１０４と導電性支持基板１０２は、光電変換層１０６と密接することで、イオン結合又は共有結合を形成することにより強固な接合が形成される。第１絶縁膜１０４は導電性支持基板１０２と光電変換層１０６が直接接しないようにして、光電変換層１０６の表面再結合を低減するように作用する。
【００２３】
導電性支持基板１０２には貫通口１１２が設けられている。貫通口１１２は、光電変換層１０６の底面を露出させている。裏面電極１１４は、貫通口１１２が設けられている位置に合わせて設けられている。
【００２４】
裏面電極１１４は、貫通口１１２によって露出した光電変換層１０６及び導電性支持基板１０２と接触している。この構造により、裏面電極１１４は、光電変換層１０６と導電性支持基板１０２とを電気的に接続する。裏面電極１１４が導電性支持基板１０２と電気的に接続されることで、導電性支持基板１０２は支持体として機能することの他、裏面電極としての機能も発揮する。
【００２５】
光電変換層１０６は、導電性支持基板１０２上の第１絶縁膜１０４と密接しており、部分的に裏面電極１１４と接触することで、光電変換層１０６の表面再結合速度を低減している。通常、表面再結合速度は、光電変換層１０６と導電性支持基板１０２及び裏面電極１１４を構成する金属とが接触すると大きくなる。しかし、光電変換層１０６と絶縁膜が密接する面積を大きくすると、光電変換層１０６の表面準位が低減して表面再結合速度は小さくなる。なお、表面再結合速度は半導体表面で起こる再結合によるキャリアの損失を特徴付けるパラメータである。
【００２６】
光電変換層１０６は半導体材料で構成される。半導体材料として単結晶半導体又は多結晶半導体が好適には用いられる。単結晶半導体又は多結晶半導体は、シリコン若しくはシリコンを主成分とする半導体材料が好ましい。可視光から近赤外光を吸収する特性を有し、地球に存在する資源としても豊富だからである。なお、支持基板上に光電変換層を密接して形成できるものであれば、非晶質半導体、化合物半導体を用いて光電変換層を構成しても良い。
【００２７】
光電変換層１０６の母体となる半導体はｐ型の単結晶半導体で形成することが好ましい。ｐ型半導体の少数キャリアは電子であり、電子の方がホールよりも拡散長が長いからである。すなわち、半導体内部で生成された電子及びホールを有効に取り出すことができる。
【００２８】
光電変換層１０６には半導体接合が含まれる。例えば、光電変換層１０６の導電性支持基板１０２側には、ｐ型の第１不純物半導体層１２０が設けられる。これは裏面電極１１４との接触抵抗を低減するためである。その意味で、第１不純物半導体層１２０は、光電変換層１０６の全面に設けられている必要はなく、裏面電極１１４との接触部に選択的に形成されていても良い。第１不純物半導体層１２０はｐ型の不純物濃度を高めたｐ＋型として光電変換層１０６に内部電界が形成されるようにする。
【００２９】
光電変換層１０６の母体となる半導体がｐ型の場合、第２不純物半導体層１２２はｎ型で形成する。これにより、光入射側にｎｐ接合が形成され、電子とホールを有効に取り出すことができる。
【００３０】
光電変換層１０６の光入射側の面は、反射を低減するために凹凸（テクスチャ構造）に加工されていても良い。
【００３１】
光電変換層１０６の光入射側の面には、表面電極１２６が設けられている。表面電極１２６は櫛形若しくはグリッド形状として、第２不純物半導体層１２２の面抵抗を実質的に低減している。このように、光電変換層１０６の一方の面に裏面電極１１４が接触し、他方の面に表面電極１２６が接触する光電変換セルが構成される。
【００３２】
導電性支持基板１０２は導電性材料により構成される。導電性材料として代表的には金属材料が用いられる。金属材料としてアルミニウム、チタン、銅、ニッケル等の単体金属又はこれらの金属の少なくとも一を成分とする合金が選択される。鉄系の材料として、ステンレス鋼板の他、自動車等のボディーに用いられる圧延鋼板、高張力鋼板などを用いることができる。導電性支持基板１０２は、軽量化のために１ｍｍ以下とすることが好ましく、可撓性を有せしめるために０．６ｍｍ以下の薄板とすることが好ましい。
【００３３】
導電性支持基板１０２が可撓性である場合、光電変換層１０６は、導電性支持基板１０２と共に撓むような厚さとする。光電変換層１０６の厚さを１μｍ乃至１０μｍ程度とすると、可撓性の導電性支持基板１０２と共に撓ませることができる。光電変換層１０６は、このような厚さでも可視光から近赤外光を吸収して起電力を生じさせることができる。
【００３４】
第１絶縁膜１０４は耐熱性や耐候性の観点から無機絶縁材料で形成することが好ましい。光電変換層１０６と密接するために表面の平坦性が要求される。第１絶縁膜１０４の平坦性は、平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。無機絶縁材料としては酸化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウムなどが適用される。これらの無機絶縁材料でなる第１絶縁膜１０４は、気相成長法、スパッタリング法、塗布法などで形成される。
【００３５】
第２不純物半導体層１２２と接触するように表面電極１２６が設けられている。表面電極１２６は金属材料で形成される。金属材料としては、アルミニウム、銀、半田などが適用可能である。
【００３６】
金属材料で形成される表面電極１２６は遮光性であるので、光電変換層１０６の有効受光面積が小さくならないように、グリッド状若しくは格子状に形成する。例えば、バスバー（幹）から細いグリッドバー（枝）が伸びるように構成して、第２不純物半導体層１２２側での抵抗損失が最小になるようにする。
【００３７】
一実施形態に係る光電変換装置によれば、裏面電極１１４を導電性支持基板１０２の裏面に設けられた貫通口１１２を通して光電変換層１０６と接触させることで、光電変換装置の裏面（光入射側と反対側の面）を有効利用することができる。それにより、光電変換装置において、光電変換に寄与する実効面積を大きくし、単位面積当たりの実効的な出力を増加させることができる。
【００３８】
導電性支持基板１０２の一面に第１絶縁膜１０４を形成し、光電変換層１０６と接合させることで、薄型化及び軽量化された光電変換装置を得ることができる。裏面電極１１４を導電性支持基板１０２の裏面に設け、貫通口１１２で光電変換層１０６と接触させることで、光電変換層１０６と導電性支持基板１０２との接合強度を高めることができる。すなわち、金属膜と半導体の密着性（付着強度）は絶縁膜と半導体の密着性に比べて低いので、本形態の構成とすることにより、光電変換層１０６が導電性支持基板１０２から剥離するのを防ぐことができる。
【００３９】
一実施形態に係る光電変換装置によれば、可撓性を得つつ支持基板に強固に接着された光電変換層を有する光電変換装置を得ることができる。
【００４０】
図３及び図４は導電性支持基板に替えて絶縁性支持基板１３２を用いた場合の光電変換装置の一形態を示す。なお、図３（Ａ）は光電変換装置の受光面側から見た平面図を示し、図３（Ｂ）は受光面と反対側（裏面）から見た平面図を示す。図４は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すＣ−Ｄ切断線に対応する断面図を示す。以下の説明ではこれらの図面を参照して説明する。
【００４１】
絶縁性支持基板１３２はガラス材料、プラスチック材料、セラミック材料などで形成される。絶縁性支持基板１３２と光電変換層１０６との間には、第１絶縁膜１０４が設けられている。絶縁性支持基板１３２の一面に、第１絶縁膜１０４を介して光電変換層１０６が設けられている。第１絶縁膜１０４と絶縁性支持基板１３２は、光電変換層１０６と密接することで、イオン結合又は共有結合を形成することにより強固な接合が形成される。第１絶縁膜１０４は絶縁性支持基板１３２と光電変換層１０６が直接接しないようにして、光電変換層１０６へ不純物が拡散しないように作用する。
【００４２】
絶縁性支持基板１３２には貫通口１１２が設けられている。貫通口１１２は光電変換層１０６の底面を露出させる。絶縁性支持基板１３２の光電変換層１０６が設けられた面の反対側の面には裏面電極１１４が設けられている。裏面電極１１４は貫通口１１２が設けられた部分で光電変換層１０６と接触している。光電変換層１０６に第１不純物半導体層１２０が設けられている場合には、裏面電極１１４と第１不純物半導体層１２０が接触を形成する。
【００４３】
光電変換層１０６の面積が１００ｍｍ２以上である場合には、絶縁性支持基板１３２に貫通口１１２が複数個設けられていることが好ましい。裏面電極１１４は、複数の貫通口１１２のそれぞれにおいて光電変換層１０６と接触することで、直列抵抗による電力損失を低減している。上記構成は、裏面電極１１４と光電変換層１０６とが接触する面積を小さくして、キャリアの表面再結合を低減している。
【００４４】
他の構成は、図１及び図２で示す光電変換装置と同様であり、同様の効果を奏する。さらに本形態の光電変換装置は、絶縁性支持基板１３２を用いることにより、より軽量で薄型化を図ることができる。
【００４５】
光電変換装置は、複数の光電変換層が、導電性支持基板又は絶縁性支持基板に設けられた構成とすることもできる。そのような光電変換装置の一態様を、図５を参照して説明する。
【００４６】
図５（Ａ）は絶縁性支持基板に複数の光電変換層を設けた光電変換装置の平面図を示す。図５（Ａ）に示すＥ−Ｆ切断線及びＧ−Ｈ切断線に対応する断面図を、それぞれ図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示す。
【００４７】
図５（Ａ）乃至（Ｃ）で示す光電変換装置１００は、絶縁性支持基板１３２に第１光電変換層１０６ａと第２光電変換層１０６ｂが並置されている。第１光電変換層１０６ａには、第１裏面電極１１４ａと第１表面電極１２６ａが接触している。同様に第２光電変換層１０６ｂには、第２裏面電極１１４ｂと第２表面電極１２６ｂが接触している。
【００４８】
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）において、接続部１３８は絶縁性支持基板１３２に設けられた貫通口１１２によって、第１表面電極１２６ａと第２裏面電極１１４ｂが接続する領域である。すなわち、本形態では、接続部１３８によって、第１光電変換層１０６ａによって構成される第１光電変換セル１３２ａと第２光電変換層１０６ｂによって構成される第２光電変換セル１３２ｂとが直列に接続される。
【００４９】
この接続部１３８の貫通口１１２の径は、上述のように５０μｍ〜４００μｍとすれば良いので、第１光電変換層１０６ａと第２光電変換層１０６ｂの間隔を狭くすることができる。このような接続部を設ければ、支持基板上に設けた光電変換セルを相互に接続することが可能となり、隣接する光電変換セル同士の間隔を狭めることができる。
【００５０】
図５で示す光電変換装置の一形態によれば、接続部１３８で第１表面電極１２６ａと第２裏面電極１１４ｂを接続することで、光電変換装置の裏面（光入射側と反対側の面）を有効に利用して光電変換セル同士を直列接続することができる。それにより、光電変換装置において、光電変換に寄与する実効面積を大きくし、単位面積当たりの実効的な出力を増加させることができる。
【００５１】
次に、一実施形態に係る光電変換装置の作製方法について、図６、図７、図８、図９を参照して説明する。
【００５２】
本形態では、光電変換層を単結晶半導体で形成する場合について示す。光電変換層は、単結晶基板を薄層化して形成される。単結晶半導体基板を薄層化する方法として、単結晶半導体基板を研磨して薄層化する方法、単結晶半導体基板をエッチングして薄層化する方法などがあるが、本形態では単結晶半導体基板の表面から所定の深さの領域に脆化層を形成して、該単結晶半導体基板を薄層化する方法について示す。
【００５３】
図６（Ａ）は半導体基板１４０に脆化層１４２を形成する段階を示す。半導体基板１４０として、代表的には単結晶シリコン基板が選択される。その他にも、シリコンゲルマニウム基板、多結晶シリコン基板、その他バルク半導体基板を用いることができる。
【００５４】
半導体基板１４０の導電型はｎ型又はｐ型のいずれか一方を選択可能である。好ましくは、半導体基板１４０の導電型としてｐ型を選択する。ｐ型半導体の少数キャリアは電子であり、電子の方がホールよりも拡散長が長いからである。半導体基板１４０の抵抗率は０．１〜１Ωｃｍ範囲であることが好ましい。基板の抵抗率が高い場合には、キャリアのライフタイムが低下するからである。
【００５５】
半導体基板１４０の形態（形状、大きさ、厚さなど）は任意である。例えば、半導体基板１４０の平面形状が、円形状又は角形のものを用いることができる。半導体基板１４０の厚さは、ＳＥＭＩ規格に準じた厚さとしてもよいし、インゴットから切り出す際に適宜調整した厚さとしてもよい。インゴットから単結晶半導体基板を切り出す際、その板厚を厚くすることで、切り代として無駄になる材料を低減することができる。半導体基板１４０として、直径１００ｍｍ（４インチ）、直径１５０ｍｍ（６インチ）、直径２００ｍｍ（８インチ）、直径３００ｍｍ（１２インチ）、直径４００ｍｍ（１６インチ）、直径４５０ｍｍ（１８インチ）のものを用いることができる。大面積の半導体基板１４０を用いることで、光電変換モジュールの大面積化を図る際に有利である。
【００５６】
半導体基板１４０の一表面から所定の深さの領域に脆化層１４２を形成する。脆化層１４２は、半導体基板１４０の表層部を分離して半導体層を形成するために設ける。当該半導体層は光電変換層とするものである。
【００５７】
脆化層１４２を形成する方法として、電圧で加速したイオンを照射する方法であるイオン注入法或いはイオンドーピング法を利用することができる。これらの方法は、半導体基板１４０の表面から所定の深さの領域にイオン化した元素を打ち込んで、当該元素の高濃度領域を形成するものである。そして、半導体基板１４０の中に結晶構造が破壊され、脆くなった領域（脆弱化された領域）を形成する。
【００５８】
なお、「イオン注入」は原料ガスから生成されるイオンを質量分離して対象物に照射して該イオンを構成する元素を添加する方式を指すものとし、「イオンドーピング」とは原料ガスから生成されるイオンを質量分離せず対象物に照射して該イオンを構成する元素を添加する方式を指すものとする。
【００５９】
一例として、半導体基板１４０の内部に、水素、ヘリウム、またはハロゲンを導入して、脆化層１４２を形成する。図６（Ａ）では、半導体基板１４０の一表面から電界で加速されたイオンを照射して、半導体基板１４０の所定の深さの領域に脆化層１４２を形成する一例を示している。具体的には、半導体基板１４０に電界で加速されたイオン（代表的には水素イオン）を照射し、単原子イオン又は多原子イオン（クラスタイオンともいう）を半導体基板１４０に導入する。それにより、半導体基板１４０の局所的な領域の結晶構造を乱し、脆弱化することで脆化層１４２を形成する。
【００６０】
脆化層１４２は、照射するイオンの加速電圧及び／又はチルト角（基板の傾斜角度）などを制御することによって、半導体基板１４０に形成する深さ（ここでは、半導体基板１４０の照射面側から脆化層１４２までの膜厚方向の深さ）を決定する。したがって、薄片化して得る半導体層の所望の厚さを考慮して、イオンを加速する電圧及び／又はチルト角を決定する。
【００６１】
照射するイオンとして、水素イオンを用いることが好ましい。半導体基板１４０の所定の深さに導入された水素は、当該深さ領域に脆化層１４２を形成する。例えば、水素ガスより水素プラズマを生成し、水素プラズマ中に生成されるイオンを電界によって加速し照射することで、脆化層１４２を形成する。水素の代わりにヘリウム、または水素とヘリウムを原料ガスとしてイオンを生成し、脆化層１４２を形成しても良い。なお、半導体基板１４０が損傷するのを防ぐため、半導体基板１４０のイオンを照射する面上に保護層を形成しておいても良い。
【００６２】
脆化層１４２の水素濃度は、水素原子換算でピーク値が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含まれるようにすると好ましい。このような濃度で半導体基板１４０の特定領域に水素が含まれることにより、当該領域は結晶構造が失われ微小な空洞が形成された多孔質構造となる。このような脆化層１４２は、比較的低温（およそ７００℃以下）の熱処理によって微小な空洞の体積変化が起こり、脆化層１４２または当該脆化層１４２近傍に沿って亀裂する。
【００６３】
図６（Ｂ）において、第２絶縁膜１４４を形成し、一導電型の第１不純物半導体層１２０を形成する段階を示す。第２絶縁膜１４４は絶縁性の被膜であれば形成材料に限定するものはないが、平滑で親水性の表面を有するものであれば良い。第２絶縁膜１４４の平滑性は、平均面粗さＲａ値が１ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ここでいう平均面粗さとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう三次元に拡張したものである。例えば、第２絶縁膜１４４は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁膜で形成される。なお、第２絶縁膜１４４は省略することも可能である。
【００６４】
図６（Ｂ）において、半導体基板１４０に一導電型の第１不純物半導体層１２０を形成する。半導体基板１４０がｐ型である場合、一導電型の不純物として硼素を添加して、第１不純物半導体層１２０をｐ型とする。第１不純物半導体層１２０は、本形態の光電変換装置において、光入射側と反対側の面に配置され、裏面電界（ＢＳＦ：Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）を形成するように作用する。硼素の添加は、Ｂ２Ｈ６、ＢＦ３をソースガスとして、生成されたイオンを質量分離しないで電界で加速して、生成されるイオン流を基板に照射するイオンドーピング装置を用いて行う。
【００６５】
図７（Ａ）は半導体基板１４０の第２絶縁膜１４４が形成された面と、導電性支持基板１０２の一表面とを対向させて貼り合わせる段階を示す。導電性支持基板１０２の一表面には第１絶縁膜１０４が形成されている。第１絶縁膜１０４は、第２絶縁膜１４４と同様に作製される。
【００６６】
導電性支持基板１０２に形成された第１絶縁膜１０４及び半導体基板１４０に形成された第２絶縁膜１４４は親水表面を有し、水酸基や水分子が接着剤として働き、後に熱処理を行うことで水分子が拡散し、残留成分がシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）を形成して水素結合により接合を形成する。さらにこの接合部は、水素が抜けることでシロキサン結合（Ｏ−Ｓｉ−Ｏ）を形成して共有結合となり、より強固な接合となる。第１絶縁膜１０４及び第２絶縁膜１４４の親水性は、純水に対する接触角が２０度以下、好ましくは１０度以下、より好ましくは５度以下であるとよい。接合面がこれらの条件を満たすと、貼り合わせを良好に行うことができ、強固な接合を形成できる。
【００６７】
第１絶縁膜１０４と第２絶縁膜１４４の表面に原子ビーム若しくはイオンビームの照射処理、またはプラズマ処理若しくはラジカル処理した後に、導電性支持基板１０２と半導体基板１４０の貼り合わせを行ってもよい。このような処理を行うことで、接合面を活性化することができ、貼り合わせを良好に行うことができる。例えば、アルゴンなどの不活性ガス中性原子ビーム若しくは不活性ガスイオンビームを照射して接合面を活性化することができ、あるいは接合面に酸素プラズマや窒素プラズマ若しくは酸素ラジカルや窒素ラジカルを曝すことで活性化することもできる。接合面の活性化を図ることで、低温（例えば４００℃以下）処理で接合を形成することができる。オゾン添加水、酸素添加水、水素添加水、又は純水などで第１絶縁膜１０４と第２絶縁膜１４４の表面を処理することにより、親水性にして接合面の水酸基を増大させることで、強固な接合を形成することもできる。
【００６８】
なお、本形態では、第１絶縁膜１０４と第２絶縁膜１４４を密接させて接合する態様を示すが、平坦で親水性表面が得られれば、第２絶縁膜１４４を省略することも可能である。
【００６９】
半導体基板１４０と導電性支持基板１０２とを重ね合わせた状態で、熱処理及び／又は加圧処理を行うことが好ましい。この状態で熱処理及び／又は加圧処理を行うことにより、接着強度を高めることができる。熱処理の温度範囲は導電性支持基板１０２の歪み点温度以下で、且つ半導体基板１４０に形成した脆化層１４２から剥離が生じない温度とする。例えば、当該熱処理の温度範囲は２００℃以上４１０℃未満とする。加圧処理する場合は、導電性支持基板１０２と半導体基板１４０の接合面に対し、垂直方向に圧力が加わるようにする。
【００７０】
図７（Ｂ）は、脆化層１４２を利用して、半導体基板１４０を導電性支持基板１０２から分離する段階を示す。半導体基板１４０は４１０℃以上の熱処理により、脆化層１４２に形成された微小な空洞に体積変化が起こり、脆化層１４２若しくはその近傍で分割される。半導体基板１４０は導電性支持基板１０２に固定されていたので、導電性支持基板１０２上には半導体層１４６が残存する。熱処理は、電気炉（ファーネス炉）、瞬間熱アニール炉（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、高周波発生装置を用いたマイクロ波或いはミリ波などの高周波による誘電加熱炉などを用いて行う。レーザビームの照射や熱プラズマジェットの照射を行っても良い。
【００７１】
半導体基板１４０から分離される半導体層１４６の厚さは０．５μｍ乃至１０μｍ、好ましくは１μｍ乃至５μｍとする。
【００７２】
以上の工程により、導電性支持基板１０２上に半導体層１４６を設けることができる。半導体層１４６には、脆化層１４２を形成する際に誘発された結晶欠陥が残存し、非晶質化領域が形成される場合がある。そのような結晶欠陥ないし非晶質化領域の修復は、熱処理により行うことができる。当該熱処理は電気炉などを用いて５００℃から７００℃に加熱して行えば良い。レーザビームを半導体層１４６に照射して結晶欠陥ないし非晶質化領域の修復を行っても良い。レーザビームを半導体層１４６に照射することで、半導体層１４６の少なくとも表面側は溶融し、固相状態の下層部を種結晶としてその後の冷却過程で再単結晶化させることができる。
【００７３】
図８（Ａ）は、半導体層１４６に第１不純物半導体層１２０とは逆の導電型の不純物を添加して、第２不純物半導体層１２２を形成する。本形態では第１不純物半導体層１２０をｐ型で形成するので、第２不純物半導体層１２２はリン又は砒素を添加してｎ型に形成する。半導体層１４６への不純物の添加は、イオン注入法またはイオンドーピング法で行う。第２不純物半導体層１２２を形成する他の方法として、ｎ型の半導体膜を半導体層１４６上に堆積しても良い。
【００７４】
半導体層１４６に第２不純物半導体層１２２が設けられることによって、光電変換層１０６が構成される。上述のように、半導体層１４６には内部電界を高めるために第１不純物半導体層１２０が形成されていても良く、このような半導体接合を含む半導体層を便宜上、光電変換層と呼ぶ。
【００７５】
なお、脆化層１４２によって半導体層１４６が分離された半導体基板１４０は、再生処理を行った後、繰り返し利用することができる。使用された半導体基板１４０は、光電変換装置を作製する単結晶半導体基板として利用しても良いし、その他の用途に流用してもよい。半導体層１４６を形成するために、再生処理をして半導体基板１４０を繰り返し使用することで、１枚の半導体基板（原基板）から複数個の光電変換層を作製することが可能となる。
【００７６】
図８（Ｂ）は、導電性支持基板１０２に貫通口１１２を形成する段階を示す。導電性支持基板１０２の裏面（光電変換層１０６が形成された面とは反対側の面）を加工して、光電変換層１０６の底面を露出させる貫通口１１２を形成する。導電性支持基板１０２への貫通口１１２の形成は、導電性支持基板１０２及び第１絶縁膜１０４をエッチングすることにより行う。レーザ加工により導電性支持基板１０２及び第１絶縁膜１０４を除去して光電変換層１０６の底面を露出させても良い。
【００７７】
導電性支持基板１０２には貫通口１１２を複数個設けることが好ましい。貫通口１１２の形状は任意である。例えば、貫通口１１２を円形とする場合には、直径を５０μｍ〜４００μｍとし、貫通口の間隔を５００μｍ〜２０００μｍとすれば良い。導電性支持基板１０２に形成する貫通口１１２の口径が大きくなり、形成される貫通口１１２の数が多くなると、導電性支持基板１０２の機械的強度が低下してしまうので、貫通口１１２の口径及び間隔は上記の範囲とすることが好ましい。
【００７８】
図９（Ａ）は、裏面電極１１４を形成する段階を示す。裏面電極１１４は、貫通口１１２によって露出した光電変換層１０６及び導電性支持基板１０２と接触し、電気的な導通が得られるように形成する。裏面電極１１４は、アルミニウム、銀、半田などで形成すれば良い。例えば、裏面電極１１４を、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成する。
【００７９】
図９（Ｂ）は、表面電極１２６及び反射防止膜１２４を形成する段階を示す。表面電極１２６は、裏面電極１１４と同様に金属材料で形成する。例えば、櫛形又はグリッド型の表面電極１２６を、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成する。
【００８０】
反射防止膜１２４はスパッタリング法、気相成長法（ＣＶＤ法）等の方法により、絶縁膜を堆積することで形成される。例えば、反射防止膜１２４として、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成する。なお、反射防止膜１２４は適宜設ければ良い。
【００８１】
このようにして、本形態の光電変換装置は作製される。本形態によれば、薄片化した半導体層を導電性支持基板に接合することにより、薄型化した光電変換装置を得ることができる。導電性支持基板を可撓性とすることも可能であり、かかる場合、結晶性の半導体層を用いつつ可撓性の光電変換装置を得ることができる。
【００８２】
図６乃至図９を参照して説明される工程では、導電性支持基板を用いる場合について示されているが、これを絶縁性支持基板に置き換えても同様に光電変換装置を作製することができる。絶縁性支持基板として、ガラス材料、プラスチック材料、セラミック材料などを用いれば、図４と同様の光電変換装置を作製することができる。
【００８３】
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、上記によって作製される光電変換装置を自動車に設ける一例を示す。図１０（Ａ）は自動車１４８のルーフ部分に光電変換装置１００を設けた一例を示す。この光電変換装置１００は、上記によって説明されたように、導電性支持基板又は絶縁性支持基板に光電変換層が設けられた構成を有している。例えば、図５（Ａ）乃至（Ｃ）で示すように、複数の光電変換層を支持基板上に並置した構成を有している。
【００８４】
本形態の一態様によれば、可撓性の支持基板を用いることで、光電変換装置１００自体に可撓性を持たせることができる。そのため、光電変換装置１００を自動車のルーフ部分の曲面形状に沿って設けることができる。それにより、自動車の外観形状に基づく空力学的性能や審美機能を破壊することなく、光電変換装置を自動車等の構造体に設けることができる。なお、図１０（Ａ）は自動車１４８のルーフ部分に光電変換装置１００を設ける構成を示すが、ボンネット、トランク、ドア等の部分にも光電変換装置１００を設けることができる。
【００８５】
透明な絶縁性支持基板を用い、光電変換層を概略１μｍ以下として、表面電極及び裏面電極を透明導電材料で構成すれば、透光性のある光電変換装置を構成することができる。そして、このような光電変換装置を、図１０（Ａ）で示すように自動車１４８のルーフ部分に用いれば、いわゆるサンルーフとしても用いることができる。
【００８６】
図１０（Ｂ）は光電変換装置１００を用いた自動車１４８の構成の一例を示す。光電変換装置１００が発電した電力は充電制御回路１５０を経て蓄電装置１５２に充電される。蓄電装置１５２の電力は、制御回路１５４により出力が調整されて、駆動装置１５６に供給される。制御回路１５４はコンピュータ１５８によって制御される。
【００８７】
蓄電装置１５２は、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどで構成される。駆動装置１５６は直流若しくは交流の電動機単体、または当該電動機と内燃機関を組み合わせて構成される。コンピュータ１５８は、自動車１４８の運転者の操作情報（加速、減速、停止など）や走行時の情報（登坂、下坂など、走行輪にかかる負荷など）の入力情報に基づき制御回路１５４に制御信号を出力する。制御回路１５４は、コンピュータ１５８の制御信号により、蓄電装置１５２から供給される電気エネルギーを調整して駆動装置１５６の出力を制御する。交流電動機搭載の場合は直流を交流に変換するインバータも内蔵される。空調装置１６０は、自動車１４８の車内を換気するものであり、光電変換装置１００を用いることにより、駐車時においても動作させることができる。
【００８８】
本形態に係る光電変換装置は、ガラス基板を用いて作製される薄膜光電変換装置と比べても、薄型化及び軽量化が可能であり、かつ高出力が得られるという利点がある。そして、電気自動車若しくはハイブリット自動車に、本形態の光電変換装置を用いることで、車両の軽量化を図ることができる。光電変換装置の光電変換層が結晶系半導体で構成されるので、高出力を得ることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１００  光電変換装置
１０２  導電性支持基板
１０４  第１絶縁膜
１０６  光電変換層
１０６ａ  第１光電変換層
１０６ｂ  第２光電変換層
１１２  貫通口
１１４  裏面電極
１１４ａ  第１裏面電極
１１４ｂ  第２裏面電極
１２０  第１不純物半導体層
１２２  第２不純物半導体層
１２４  反射防止膜
１２６  表面電極
１２６ａ  第１表面電極
１２６ｂ  第２表面電極
１３２  絶縁性支持基板
１３２ａ  第１光電変換セル
１３２ｂ  第２光電変換セル
１３８  接続部
１４０  半導体基板
１４２  脆化層
１４４  第２絶縁膜
１４６  半導体層
１４８  自動車
１５０  充電制御回路
１５２  蓄電装置
１５４  制御回路
１５６  駆動装置
１５８  コンピュータ
１６０  空調装置
【図１】
2011014892.tif 000003
【図２】
2011014892.tif 000004
【図３】
2011014892.tif 000005
【図４】
2011014892.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011014892.tif 000008
【図７】
2011014892.tif 000009
【図８】
2011014892.tif 000010
【図９】
2011014892.tif 000011
【図１０】
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