(57)【要約】【課題】光の吸収効率の向上、および製造費用の低減化を図ることができる光電変換装置の提供。【解決手段】本発明は、単結晶シリコン基板１の受光面に形成させた受光穴３を備え、その受光穴３は、２つの底面８１、８２を有する底部を含む。そして、受光穴３の最小深さ、受光穴３の開口の最大長、およびその底部の底面８１、８２の傾斜角度は、受光穴３内への入射光が受光穴３内で少なくとも２回反射するように設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンを使用した光電変換装置であって、
前記単結晶シリコンの受光面に形成させた受光穴を備え、
前記受光穴は、傾斜面を有する底部を含み、
前記受光穴の最小深さ、前記受光穴の開口の最大長、および前記底部の傾斜面の傾斜角度は、前記受光穴内への入射光が受光穴内で少なくとも２回反射する関係を満たすように設定されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記受光穴は、４つの側壁で囲まれた側壁部と、前記側壁部に続いて形成され２つの底面からなる底部と、を含み、
前記側壁部の最短長ｙ１、前記受光穴の開口の最大長ｘ、および前記底面のそれぞれの傾斜角度θは、ｙ１＞ｘ／ｔａｎθを満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記単結晶シリコンは単結晶シリコン基板からなり、
前記単結晶シリコン基板の受光面に前記受光穴を複数個形成させ、
前記複数個の受光穴は、前記単結晶シリコン基板の受光面上に高密度に配置させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
単結晶シリコンを使用した光電変換装置の製造方法であって、
面方位が（１１０）面の単結晶シリコン基板の受光穴を形成すべき位置にレーザ光を照射して、所定の深さを有する変質部を形成する第１の工程と、
前記変質部に対して異方性エッチングを行い、前記単結晶シリコン基板に所定の深さの受光穴を形成する第２の工程と、
前記単結晶シリコン基板の所定位置に電極を形成する第３の工程と、
を備えることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程で形成される受光穴は、４つの側壁で囲まれた側壁部と、前記側壁部に続いて形成され２つの底面からなる底部と、を含み、
前記側壁部の最短長ｙ１、前記受光穴の開口の最大長ｘ、および前記底面のそれぞれの傾斜角度θは、ｙ１＞ｘ／ｔａｎθを満たすことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンなどからなる光電変換装置、およびこの光電変換装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の光電変換装置としては、例えば特許文献１に記載の光起電力素子が知られている。
この光起電力素子は、受光面に多数の光閉じ込め溝が一定のピッチで形成されている。その光閉じ込め溝は、その断面形状が、一対の垂直側壁によって挟まれた上部の矩形領域と、一対の傾斜底壁によって挟まれた下部のくさび領域と、から構成されている。
【０００３】
このような構成からなる光起電力素子は、以下のように製造する。すなわち、まず光閉じ込め溝の上部側の矩形領域はドライエッチングで形成し、その後、光閉じ込め溝の下部側のくさび領域はウエットエッチングで形成する。
このように従来の光起電力素子は光閉じ込め溝を採用するが、光閉じ込め溝では光吸収率は必ずしも十分ではないと考えられる。また、従来の光起電力素子は、その製造に際してドライエッチングを採用するので、製造費用（製造コスト）が高くなってしまうという課題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−４６２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の幾つかの態様の目的は、光の吸収効率の向上を図ることができる上に、製造費用の低減化を図ることができる光電変換装置、およびその光電変換装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明は、以下のように構成される。
本発明の態様の１つは、単結晶シリコンを使用した光電変換装置であって、前記単結晶シリコンの受光面に形成させた受光穴を備え、前記受光穴は、傾斜面を有する底部を含み、前記受光穴の最小深さ、前記受光穴の開口の最大長、および前記底部の傾斜面の傾斜角度は、前記受光穴内への入射光が受光穴内で少なくとも２回反射する関係を満たすように設定されている。
このような構成によれば、受光穴への入射光を、その受光穴の内面において少なくとも２回反射させることが可能となり、受光穴における光の吸収効率の向上を図ることが可能となる。
【０００７】
前記受光穴は、４つの側壁で囲まれた側壁部と、前記側壁部に続いて形成され２つの底面からなる底部と、を含み、前記側壁部の最短長ｙ１、前記受光穴の開口の最大長ｘ、および前記底面のそれぞれの傾斜角度θは、ｙ１＞ｘ／ｔａｎθを満たすように設定されている。
このような構成によれば、受光穴への入射光を、その受光穴の壁面や底面において少なくとも２回反射させることができ、受光穴における光の吸収効率の向上を図ることができる。
【０００８】
また、前記単結晶シリコンは単結晶シリコン基板からなり、前記単結晶シリコン基板の受光面に前記受光穴を複数個形成させ、前記複数個の受光穴は、前記単結晶シリコン基板の受光面上に高密度に配置させた。
このような構成によれば、光の吸収効率の良い受光穴を有効に活用できるので、光電変換装置の変換効率を格段に向上できる。
【０００９】
さらに、本発明の他の態様は、単結晶シリコンを使用した光電変換装置の製造方法であって、面方位が（１１０）面の単結晶シリコン基板の受光穴を形成すべき位置にレーザ光を照射して、所定の深さを有する変質部を形成する第１の工程と、前記変質部に対して異方性エッチングを行い、前記単結晶シリコン基板に所定の深さの受光穴を形成する第２の工程と、前記単結晶シリコン基板の所定位置に電極を形成する第３の工程と、を備えている。
このような方法によれば、従来のようにドライエッチングを使用せずに製造することが可能となり、製造費用の低減化を図ることができる。
【００１０】
前記第２の工程で形成される受光穴は、４つの側壁で囲まれた側壁部と、前記側壁部に続いて形成され２つの底面からなる底部と、を含み、前記側壁部の最短長ｙ１、前記受光穴の開口の最大長ｘ、および前記底面のそれぞれの傾斜角度θは、ｙ１＞ｘ／ｔａｎθを満たすようにした。
このような方法によれば、光の吸収効率の良い受光穴を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の光電変換装置の実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線の断面図である。
【図３】受光穴の構成を示す斜視図である。
【図４】その受光穴の平面図である。
【図５】図４の最大長さ方向（−βとβ方向）の断面図である。
【図６】入射光が少なくとも２回反射するための受光穴を特定するための説明図である。
【図７】受光穴の最大長の一例と、その最大長に応じた各部の長さの一例を示す図である。
【図８】受光穴への入射光の反射を説明する説明図である。
【図９】本発明の光電変換装置の製造方法の実施形態の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（光電変換装置の実施形態）
図１は、本発明の光電変換装置の実施形態の構成を示す平面図である。図２は図１のＸ−Ｘ線の断面図である。
この実施形態に係る光電変換装置は、例えば太陽電池に適用されるものであり、図１に示すように、単結晶シリコン基板１の受光面２のＸ方向およびＹ方向に、微細な複数個の受光穴３がそれぞれ配列されている。この例では、受光穴３は、Ｘ方向にピッチｐ１で配列され、かつ、Ｙ方向にピッチｐ２で配列されている。
ここで、単結晶シリコン基板１は、例えば面方位が（１１０）の単結晶シリコン基板からなる。
【００１３】
そして、複数個の受光穴３は、そのサイズが微細であって、単結晶シリコン基板１の表面である受光面２上に高密度、すなわち、単位面積当たりの開口面積が最大となるように配置させるのが好ましい。これは、光電変換装置の全体の光の吸収効率を高めるためである。
単結晶シリコン基板１の受光面２と受光穴３の内周面には、光を透過し導電性の透明電極膜４がそれぞれ形成されている。透明電極膜４は所定の厚さからなる。また、透明電極膜４の材料としては、ＳｎＯ２  、ＩＮ２  Ｏ５  、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯなどが使用される。
そして、単結晶シリコン基板１の裏面５には、導電性の金属電極膜６が形成されている。金属電極膜６は所定の厚さからなる。金属電極膜６の材料としては、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔなどが使用される。
【００１４】
次に、受光穴３の構成について、図３〜図５などを参照して説明する。
ここで、図３は、受光穴３の構成を示す斜視図である。
図４は、図３の平面図を示す。また、図４には、底面６１のＤ−Ｄ’線、Ｅ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線における長さ（片側のみ表示）をそれぞれ示す。さらに、図４には、底面６１のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線における受光穴３の深さをそれぞれ示す。
【００１５】
図５は、図４の最大長さ方向の断面図である。
受光穴３は、図３、図４に示すように、例えば４つの側壁７１〜７４と、２つの底面８１、８２とで形成されている。すなわち、受光穴３は、垂直に延びる４つの側壁７１〜７４で囲まれた側壁部と、この側壁部に続いて形成され傾斜状の２つの底面８１、８２からなる底部と、を含んでいる。
【００１６】
また、受光穴３の横断面の形状（開口の形状）は、この例では平行四辺形からなる（図３、図４参照）。その平行四辺形は、側壁７３、７４で形成される鋭角が例えば７０．５３度からなる。側壁７１〜７４のそれぞれの形状は、図３に示すように台形からなる。
底面８１、８２のそれぞれは、３角形で構成されるとともに、受光穴３の横断面に対して傾斜角度θで傾斜している（図５参照）。この例では、傾斜角度θは３５．２６度である。
このような構成からなる受光穴３では、単結晶シリコン基板１が面方位が（１１０）の場合には、側壁７１〜７４および底面８１、８２のそれぞれを、面方位が（１１１）面のもので形成することができる。底面８１、８２は、完全な（１１１）面でなくても可能である。
【００１７】
また、受光穴３は、図３〜図５に示すように、最も深いところの深さである最大深さはｙであり、最も浅いところの深さである最小深さはｙ１である。
そして、受光穴３の大きさ（サイズ）は、受光穴３内への入射光が受光穴３内で少なくとも２回反射することができるように、設受光穴３の最小深さ、受光穴３の開口の最大長、および底面８１、８２の傾斜角度により設定されている。この点については後で詳述する。
この実施形態の受光穴３は、受光穴３への入射光がその方向や角度にかかわらず受光穴３の内部での反射回数が少なくとも２回は可能となるように構成したので、この点について以下に説明する。
【００１８】
図８に示すように、受光穴３への入射光はその入射角が様々であり、入射光ａは入射角が小さい場合であり、入射光ｂは入射角が大きな場合であり、入射光ｃは入射角が最大（９０度）の場合である。
受光穴３への入射光は、図８に示すように入射角の違いにより受光穴３内における反射回数が異なるが、その入射方向の違いによっても受光穴３内における反射回数が異なるといえる。
【００１９】
このため、入射光の中には、図６（Ａ）に示すように、受光穴３の底面８１に設けた法線ｄに沿って入射する入射光のように、底面８１に直接当たって反射し、この反射光が受光穴３の外部に出てしまう入射角のものが考えられる。このような入射光は、受光穴３内での反射は１回となり、光の吸収効率が悪いので避ける必要があり、これを避けるには、図６（Ｃ）のように受光穴３を深くすれば良い。
そこで、受光穴３の深さを図６（Ｂ）に示す境界条件の場合よりも深くすれば、受光穴３への入射光は入射角や入射方向にかかわらず受光穴３内で少なくとも２回反射させることができる。
【００２０】
このような点を考慮すると、受光穴３への入射光がその内部で少なくとも２回反射するには、以下の（１）〜（３）の条件を満たす必要がある。
（１）受光穴３の側壁７１〜７４への入射光はそれらの側壁で反射し、その反射光は底面８１、８２または反射した側壁とは異なる側壁で再び反射する（図８参照）。このため、その入射光は受光穴３内で少なくとも２回は反射する。
（２）図４に示すように、α方向、−α方向の成分を持つ方向から入射した光は、β方向、−β方向に比べて受光穴３の開口の幅が狭いため、受光穴３の側壁や底面で少なくとも２回は反射する。
（３）図４に示すように、β方向、−β方向の成分を持つ方位から入射した光は、後述の条件（ｙ１＞ｘ／tan θ）を満たす場合に少なくとも２回は反射する。
そして、受光穴３への入射光がその内部で少なくとも２回反射するには、条件（３）が一番厳しく、この条件を満たせば条件（１）〜（３）を満たすといえる。
【００２１】
そこで、条件（３）を導くための説明を、図５および図６を参照して以下に行う。
図５は、図６（Ｂ）に示す境界条件の下での受光穴３の構成（サイズ）を示す。
図５によれば、境界条件の下での受光穴３の最小深さｙ１、すなわち側壁７１〜７４の最短長ｙ１は、次に（１）式で表すことができる。
ｙ１＝ｘ／ｔａｎθ  ・・・（１）
ここで、ｘは受光穴３の開口の最大長であり、θは底面８１、８２のそれぞれが受光穴３の横断面との間で形成される傾斜角度である。
【００２２】
また、受光穴３の最大深さｙは、次の（２）式で表すことができる。
ｙ＝ｙ１＋ｙ２＝ｙ１＋（ｘ／２・ｔａｎθ）・・・（２）
ここで、ｙ２は受光穴３の底部（斜面部）の深さである。
図７は、境界条件の下で求めた受光穴３の開口の最大長ｘと、それに対応する受光穴３の深さの具体例を示す。
このようにして求めた境界条件のときの受光穴３のサイズは、図６（Ｂ）に示す通りである。そして、図６（Ａ）は受光穴３の深さが図６（Ｂ）に示す境界条件の場合よりも浅い場合であり、最悪条件の入射光は底面８１で反射し、この反射光は受光穴３の外に出てしまい、光の吸収効率が悪い。
【００２３】
一方、図６（Ｃ）は、受光穴３の深さが図６（Ｂ）に示す境界条件の場合よりも深い場合であり、最悪条件の入射光は底面８１で反射せずに側壁と底面とで少なくとも２回反射することができ、光の吸収効率を確保できる。
したがって、受光穴３への入射光がその方向や角度にかかわらず受光穴３の内部で少なくとも２回反射するための受光穴３の各部の寸法（サイズ）は、受光穴３の最小深さ（側壁７１〜７４の最短長）ｙ１、受光穴３の開口の最大長ｘ、および底面８１、８２の傾斜角度θは、次の（３）式を満たせば良い。
ｙ１＞ｘ／ｔａｎθ  ・・・（３）
【００２４】
以上のように、この実施形態では、受光穴３の大きさ（サイズ）を上記のように設定するようにした。このため、受光穴３の深さを必要以上に深くしなくても、受光穴３への入射光を、その受光穴３の側壁や底面において少なくとも２回反射させることが可能となり、受光穴８における光の吸収効率の向上を図ることができる。
また、この実施形態では、単結晶シリコン基板１の受光面２上に微細な複数個の受光穴３を高密度に配列させるようにした。このため、光の吸収効率の良い複数の受光穴３を有効に活用できるので、光電変換装置の変換効率を格段に向上できる。
【００２５】
（光電変換装置の製造方法の実施形態）
次に、光電変換装置の製造方法の実施形態について、図９を参照して説明する。この製造方法の実施形態で製造される光電変換装置は、図１〜図３などに示すものであって、その受光穴３のサイズが（３）式の条件を満たすものとする。
まず、図９（Ａ）に示すように、所定の厚さからなり面方位が（１１０）面の単結晶シリコン基板１を用意する。そして、シリコン基板１の表面である受光面２に、複数の孔９０を有するエッチング保護膜９１を形成する。複数の孔９０は、光電変換装置の複数の受光穴３を形成するために、その受光穴３の形状に対応するものである。さらに、シリコン基板１の裏面全体に、エッチング保護膜９２を形成する。
ここで、エッチング保護膜９１、９２は、シリコン基板１のエッチングのときに溶出せず、レーザ光の透過性を有するものであれば良い。エッチング保護膜９１、９２としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを使用する。
【００２６】
次に、シリコン基板１の受光穴３が形成される位置のそれぞれに、シリコン基板１の受光穴３を形成する経路（厚さ方向）に沿ってレーザ光を照射する（図９（Ｂ）参照）。レーザ光の照射は、レーザ光をレンズを用いて集光し、集光点が厚さ方向に沿って走査（移動）することにより行う。その後、レーザ光による照射（走査）が終了すると、シリコン基板１の受光穴３が形成される部分（領域）に、シリコン基板１の受光面２から所定深さの変質部（改質部）１２が形成される（図９（Ｃ）参照）。
【００２７】
ここで、シリコン基板１に形成される変質部１２は、例えばシリコン基板１の密度、屈折率、機械的強度、その他の物理的特性が周囲とは異なって変質が生じた部分をいい、エッチングで容易に除去できる部分をいう。
このような変質部１２をシリコン基板１内に形成し得る限り、レーザ光としては種々のものを採用し得る。上記のレーザ光の例としては、シリコンに対して透過性のある近赤外光レーザ光を使用する。例えば、波長が１０６４〔ｎｍ〕であるＹＡＧレーザ光とＶＹＯ４レーザ光、および波長が１０４６〔ｎｍ〕であるＹＬＦレーザ光などを使用する。
また、レーザ光を使用して変質部１２をより短時間に多数形成するためには、回折光学素子による多点分岐や、深さ方向に長い集光状態を形成できるアキシコン素子を使用すれば良い。
【００２８】
次に、シリコン基板１に対して、所定のエッチング液を使用して所定のエッチング条件（時間、温度、濃度）で異方性エッチングを行うと、複数の変質部１２はそれに係る部位が除去されていく（図９（Ｄ）参照）。そして、エッチングが終了すると、シリコン基板１に複数の受光穴３が形成される（図９（Ｅ）参照）。
ここで、シリコン基板１は、受光部３をエッチングで形成する際に、最適なエッチング特性を有する、面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を使用するようにした。このため、受光部３が形成される変質部１２をエッチングする際には、そのエッチングは変質部１２の長さ方向に進み、変質していない部分が出現すると、そこでエッチングが停止して（１１１）面が表われる。その一方、変質部１２の長さ方向と直交する方向では変質していない部分が出現すると、そこでエッチングが停止して（１１１）面が表われる。
【００２９】
したがって、シリコン基板１には、面方位（１１０）のシリコン基板のエッチング特性を活かして、４つの側壁および２つの底面がそれぞれ（１１１）面で形成される高精度、高品質の受光部３を作成できる。
なお、上記のエッチング液としては、例えば水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ溶液）を使用するが、シリコン基板７０がエッチング可能であれば良い。
【００３０】
次に、図９（Ｅ）の状態からエッチング保護膜９１、９２をそれぞれ除去すると、図９（Ｆ）の状態になる。
その後、図９（Ｇ）に示すように、シリコン基板１の受光面２だけ、あるいは受光面２および受光穴３の内周面の双方に、光を透過する所定の厚さの透明電極膜４をそれぞれ形成する（図９（Ｇ）では受光面２および受光穴３の内周面の双方に形成）。さらに、シリコン基板１の裏面５上に金属電極膜６を形成する。
ここで、透明電極膜４や金属電極膜６に使用される材料は上述の通りであり、それらの材料を複数組み合わせて使用しても良い。
【００３１】
また、透明電極膜４や金属電極膜６の形成には、スパッタ法、蒸着法（抵抗加熱法、ＥＢ法）、ＣＶＤ法、導電（Ａｇ）ペースト（スクリーン）印刷・焼成法、スプレー法などを使用される。
以上のように、この実施形態に係る製造方法によれば、従来のようにドライエッチングを使用せずに製造することができ、製造費用の低減化を図ることができる。
また、この製造方法によれば、光の吸収効率の良い受光穴３を容易に形成することができる。
【００３２】
（その他の実施形態など）
（１）第１の変形例
上記の光電変換装置の実施形態では、図３などに示すように、受光穴３の形状を４つの垂直状の側壁７１〜７４と２つの傾斜状の底面８１、８２で形成されるものとした。しかし、これに代えて、受光穴３を円筒状の側壁部と、これに続いて形成される円錐状の底部とで形成するようにしてもよい。
この場合にも、受光穴３のサイズが（３）式を満足すれば、受光穴３への入射光がその方向や角度にかかわらず受光穴３の内部で少なくとも２回反射することができると考えれる。
（２）第２の変形例
上記の光電変換装置の実施形態では、単結晶シリコンを使用して作成するようにしたが、多結晶シリコンを使用して作成することも可能である。この場合には、受光穴３の側壁面および底面は凹凸面となるが、実用上十分に使用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・単結晶シリコン基板、２・・・受光面、３・・・受光穴、４・・・透明電極膜、５・・・裏面、６・・・金属電極膜、１２・・・変質部、７１〜７４・・・側壁、８１、８２・・・底面、９０・・・孔、９１、９２・・・エッチング保護膜
【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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