(57)【要約】【課題】  半導体の使用量を少なくして低コストに製造できるとともに軽量化された光電変換装置とし、また、凹面鏡形状の光反射面を有する光反射部材を用いた光電変換装置において、光電変換に対する光の寄与率（光の利用効率）が高いものを提供すること。【解決手段】  光電変換装置は、導電性基板１上に、表層に第２導電型の半導体部３が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子２の多数個が互いに間隔をあけて接合されており、結晶半導体粒子２間の導電性基板１上に絶縁層４が形成され、絶縁層４上に透光性導体層５に導通する集電層が形成されており、集電層上に、結晶半導体粒子２に集光させる凹面鏡形状の光反射面を有するとともに光反射面の下端部に結晶半導体粒子２の上部を露出させる開口が形成された光反射部材７が設置されており、前記開口の大きさが結晶半導体粒子２の直径よりも小さい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成されるとともに前記半導体部上に透光性導体層が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されており、前記結晶半導体粒子間の前記導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記透光性導体層に導通する集電層が形成されている光電変換装置であって、前記集電層上に、前記結晶半導体粒子に集光させる凹面鏡形状の光反射面を有するとともに前記光反射面の下端部に前記結晶半導体粒子の上部を露出させる開口が形成された光反射部材が設置されており、前記開口の大きさが前記結晶半導体粒子の直径よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光反射部材は、前記光反射面に金属膜からなる光反射層が形成された樹脂から成り、前記樹脂の硬度は前記結晶半導体粒子の硬度よりも低いことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【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、特に結晶シリコン粒子等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の集光型の太陽電池としては、結晶シリコン平板等の結晶半導体平板を切断した小面積の結晶半導体平板を用いた光電変換素子を作製し、それらの光電変換素子を間隔を置いて配置し、各光電変換素子上に集光レンズを設けた構成のものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、結晶半導体粒子を用いた従来の光電変換装置が特許文献２に開示されており、この光電変換装置は、第１のアルミニウム箔に開口を形成し、その開口にｐ型中心核の上にｎ型外殻を持つシリコン球を挿入し、シリコン球の裏側のｎ型外殻を除去し、第１のアルミニウム箔及びｎ型外殻を除去したシリコン球の表面に絶縁層を形成し、シリコン球の裏側頂上部の絶縁層を除去した後に、シリコン球と第２のアルミニウム箔とを金属接合部を介して接合して成り、シリコン球上に集光させるための球状レンズが形成されている。
【０００４】
この光電変換装置においては、シリコン球間に隙間が生じてしまい、結果として光電変換ロスが生じる。そこで、シリコン球間の隙間に入射した光エネルギーを隙間に隣接するシリコン球に引き込むために、シリコン球上にその曲面に平行に球状レンズを形成している。
【０００５】
また、特許文献３に開示されているような基板を凹面鏡に形成することにより光を反射させてシリコン球に集光させる構成が提案されている。
【特許文献１】特開平８−３３０６１９号公報
【特許文献２】米国特許明細書第５４１９７８２号
【特許文献３】特開２００２−１６４５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示された光電変換装置は、結晶シリコン平板等の結晶半導体平板を切断して小面積の光電変換素子を作製し、光電変換素子同士の間をタブ等で接続する必要があり、製造工程数が多くなり製造が煩雑になるという問題点がある。また、このような結晶半導体平板を用いて形成した光電変換装置は半導体の使用量が多くなり、重量が重くなるという問題点がある。
【０００７】
また、特許文献２に示された光電変換装置は、シリコン球の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているが、その球状レンズを用いて光電変換効率の光の入射角依存性を小さくしようとすると、シリコン球間の距離をその直径の１／１０程度までしか広げることができない。その結果、光電変換装置におけるシリコンの使用量が低減されず、軽量化、低コスト化に不利である。
【０００８】
また、特許文献３に示された光電変換装置は、基板を凹面形状に変形させて形成するが、基板の形状維持が難しく、また製法上凹面の隣接境界が鋭角に形成されないために境界部での光の反射が無視できず、光電変換のロスが発生してしまう。
【０００９】
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体の使用量を少なくして低コストに製造できるとともに軽量化された光電変換装置とし、また、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができ、また基板を曲げることなく凹面形状（反射型の形状）を形成することができる光電変換装置を提供することである。また、凹面鏡形状の光反射面を有する光反射部材を用いた光電変換装置において、光電変換に対する光の寄与率（光の利用効率）が高いものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光電変換装置は、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成されるとともに前記半導体部上に透光性導体層が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されており、前記結晶半導体粒子間の前記導電性基板上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に前記透光性導体層に導通する集電層が形成されている光電変換装置であって、前記集電層上に、前記結晶半導体粒子に集光させる凹面鏡形状の光反射面を有するとともに前記光反射面の下端部に前記結晶半導体粒子の上部を露出させる開口が形成された光反射部材が設置されており、前記開口の大きさが前記結晶半導体粒子の直径よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
本発明の光電変換装置は好ましくは、前記光反射部材は、前記光反射面に金属膜からなる光反射層が形成された樹脂から成り、前記樹脂の硬度は前記結晶半導体粒子の硬度よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光電変換装置によれば、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成されるとともに半導体部上に透光性導体層が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されており、結晶半導体粒子間の導電性基板上に絶縁層が形成され、絶縁層上に透光性導体層に導通する集電層が形成されている光電変換装置であって、集電層上に、結晶半導体粒子に集光させる凹面鏡形状の光反射面を有するとともに光反射面の下端部に結晶半導体粒子の上部を露出させる開口が形成された光反射部材が設置されており、前記開口の大きさが結晶半導体粒子の直径よりも小さいことから、導電性基板上における結晶半導体粒子の占める面積が少なくても光を結晶半導体粒子に十分に集めることができるため、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００１３】
また、凹面鏡形状を形成するために導電性基板や電極板を変形させる必要がないので、絶縁層が破壊されることもない。従って、信頼性の高い光電変換装置を作製できる。
【００１４】
また、光反射部材を樹脂成型法等によって形成できるため、例えば種々の形状の光反射部材を金型を用いて大面積でもって一挙に形成することができる。
【００１５】
さらに、集光された光が結晶半導体粒子の上部に入射するため、結晶半導体粒子に入射した光は結晶半導体粒子内部を長い距離通過し、結晶半導体粒子内で光電流に寄与する電子及び正孔を多く発生する。そして、結晶半導体粒子に入射した光が導電性基板に到達する頃には十分に結晶半導体粒子に吸収されて減衰しているため、アルミニウム等からなる導電性基板の表面に形成されている光反射率の低いアルミニウム−シリコン共晶部での吸収による損失を軽減できる。従って、光を結晶半導体粒子で有効に吸収することができるので光電流を大きくすることができる。
【００１６】
本発明の光電変換装置は好ましくは、光反射部材は、光反射面に金属膜からなる光反射層が形成された樹脂から成り、樹脂の硬度は結晶半導体粒子の硬度よりも低いことから、光反射部材が結晶半導体粒子に直接接触しても結晶半導体粒子を傷つけることがないようにして光反射部材を配置でき、信頼性の高い光電変換装置モジュールを構成することができる。
【００１７】
即ち、光反射部材は、シリコン等から成る結晶半導体粒子に接触することになるため、もし結晶半導体粒子の表面の半導体部を傷つけると、ｐｎ接合部が破壊されてリーク電流を発生させてしまい、光電変換効率が低減される結果となる。従って、本発明においては、光反射部材が結晶半導体粒子よりも軟らかいため、結晶半導体粒子の表面に傷が付きにくく、良好な光電変換効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の光電変換装置について実施の形態の１例を図面に基づいて以下に詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の光電変換装置について実施の形態の１例を示す断面図である。図１において、１は導電性基板、２は粒状光電変換体を構成する結晶半導体粒子、３は粒状光電変換体を構成する半導体部（以下、半導体層ともいう）、４は絶縁層、５は透光性導体層、６は導電性基板１を成す例えばアルミニウムと結晶半導体粒子２を成す例えばシリコンとの共晶層、７は光反射部材、８は光反射部材７の表面の光反射層、９は絶縁スペーサとしての絶縁粒子、１０は集電層としての電極板である。また、電極板１０は、透光性導体層５によって覆われている。従って、集電層は、電極板１０と透光性導体層５とから構成されている。
【００２０】
本発明の光電変換装置は、導電性基板１上に、表層に第２導電型の半導体部３が形成されるとともに半導体部３上に透光性導体層５が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子２の多数個が互いに間隔をあけて接合されており、結晶半導体粒子２間の導電性基板１上に絶縁層４が形成され、絶縁層４上に透光性導体層５に導通する集電層が形成されている光電変換装置であって、集電層上に、結晶半導体粒子２に集光させる凹面鏡形状の光反射面を有するとともに光反射面の下端部に結晶半導体粒子２の上部を露出させる開口が形成された光反射部材７が設置されており、前記開口の大きさが結晶半導体粒子２の直径よりも小さい構成である。
【００２１】
上記の構成により、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００２２】
また、凹面鏡形状を形成するために導電性基板１や電極板１０を変形させる必要がないので、絶縁層４が破壊されることもない。従って、信頼性の高い光電変換装置を作製できる。
【００２３】
また、光反射部材７を樹脂成型法等によって形成できるため、例えば種々の形状の光反射部材７を金型を用いて大面積でもって一挙に形成することができる。
【００２４】
さらに、集光された光が結晶半導体粒子２の上部に入射するため、結晶半導体粒子２に入射した光は結晶半導体粒子２内部を長い距離通過し、結晶半導体粒子２内で光電流に寄与する電子及び正孔を多く発生する。そして、結晶半導体粒子２に入射した光が導電性基板１に到達する頃には十分に結晶半導体粒子２に吸収されて減衰しているため、アルミニウム等からなる導電性基板１の表面に形成されている光反射率の低いアルミニウム−シリコン共晶部での吸収による損失を軽減できる。従って、光を結晶半導体粒子２で有効に吸収することができるので光電流を大きくすることができる。
【００２５】
本発明の導電性基板１は、それ自体がアルミニウムからなるものでもよく、また、絶縁基板の上にアルミニウム等から成る導電層を設けたものとしてもよい。また、導電性基板１は、アルミニウム，アルミニウムの融点以上の融点を有する金属，導電層を有するセラミックス等から成ればよく、例えばアルミニウム，アルミニウム合金，鉄，ステンレススチール，ニッケル合金，アルミナセラミックス等が用いられる。導電性基板１の材料がアルミニウム以外の場合、その材料からなる基板上にアルミニウムから成る導電層を形成したものとすることができる。
【００２６】
第１導電型の結晶半導体粒子２は、多数個が導電性基板１上に間隔をあけて配設される。この結晶半導体粒子２は、例えば主成分としてのＳｉに、第１導電型がｐ型であればｐ型不純物としてのＢ，Ａｌ，Ｇａ等の元素、または第１導電型がｎ型であればｎ型不純物としてのＰ，Ａｓ等の元素が微量含まれているものである。
【００２７】
なお、以下の実施の形態では、導電性基板１がアルミニウム、結晶半導体粒子２がシリコンからなる場合について説明する。
【００２８】
結晶半導体粒子２の形状としては、凸型曲面を持つことによって入射光の光線角度の依存性を小さくできる球状がよい。隣接する結晶半導体粒子２同士の間の間隔は、結晶半導体粒子２の使用量を少なくするために広い方がよいが、より好適には結晶半導体粒子２の半径よりも広い間隔がよく、結晶半導体粒子２を最密に配設したときに比べて結晶半導体粒子２の個数が約１／２以下となる。
【００２９】
また、結晶半導体粒子２の表面を粗面にすることにより、結晶半導体粒子２表面での反射率を低減させることができる。この粗面を形成するには、アルカリ液中で結晶半導体粒子２の表面をエッチングしても良いし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置等で結晶半導体粒子２の表面を微細加工しても良い。
【００３０】
結晶半導体粒子２の直径は０．２〜０．８ｍｍがよい。０．８ｍｍを超えると、結晶シリコン平板（ウエハ）から切り出した小型の結晶シリコン平板を用いた光電変換装置における、ウエハの切削部も含めたシリコン使用量と変わらなくなり、結晶半導体粒子２を用いる半導体の使用量を減少させるという利点がなくなる。また、０．２ｍｍよりも小さいと、導電性基板１への結晶半導体粒子２のアッセンブルがしにくくなるという問題が発生する。従って、結晶半導体粒子２の直径は、シリコン使用量との関係から０．２〜０．６ｍｍがより好適である。
【００３１】
本発明の光電変換装置は、例えば以下のようにして製造される。導電性基板１上に、多量のホウ素を含有した過共晶のアルミニウム−シリコン共晶ペーストを、少なくとも結晶半導体粒子２が配置される部位に塗布し、多数個（数１０００〜１０００００個程度）の結晶半導体粒子２を互いに間隔を置いて配設した後、上方より押圧板等により一定の加重をかけて、導電性基板１を成すアルミニウムと結晶半導体粒子２を成すシリコンとの共晶温度（５７７℃）以上に加熱することによって、導電性基板１と結晶半導体粒子２の共晶層（共晶部）６を形成し、その合金層６を介して導電性基板１と結晶半導体粒子２とを接合させる。さらに、アルミニウム−シリコン共晶ペーストが加熱されて形成された過共晶層（過共晶部）からホウ素を多量に含むシリコン層が析出され、それがｐ＋層となることでＢＳＦ（Back Surface Field）効果を得ることができる。
【００３２】
絶縁層４は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、例えばＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｐ２Ｏ５，Ｌｉ２Ｏ，ＳｎＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＴｉＯ２等の材料を任意成分とする低温焼成用ガラス（ガラスフリット）材料、上記材料の１種または複数種から成るフィラーを複合したガラス組成物、ポリイミド樹脂またはシリコーン樹脂等の有機系の絶縁物質等からなる。
【００３３】
絶縁スペーサである球状の絶縁粒子１２は、ガラス，セラミックス，樹脂等の絶縁物質からなり、大きさ（直径）は４〜２０μｍが好ましい。絶縁粒子１２を絶縁層４中に分散させることによって、絶縁層４上に配設される電極板１０と導電性基板１とが接触しないように設けられるものである。
【００３４】
絶縁粒子１２を含む絶縁層４は以下のようにして形成される。絶縁粒子１２を含む絶縁材料のペースト、溶液、シートまたは液体を、結晶半導体粒子２上から塗布して、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以下の温度で加熱することによって、結晶半導体粒子２間の隙間に充填させて、焼成固化或いは熱硬化させて絶縁層４とする。この場合、加熱温度が５７７℃を超えると、アルミニウムとシリコンとの合金層６が溶融し始めるために、導電性基板１と結晶半導体粒子２との接合が不安定となり、場合によっては結晶半導体粒子２が導電性基板１から離脱して発電電流を取り出せなくなる。また、絶縁層４を形成した後、結晶半導体粒子２の表面を洗浄するために、弗酸を含む洗浄液で洗浄する。
【００３５】
第２導電型の半導体層３は例えばＳｉから成り、気相成長法等により、例えばシラン化合物の気相に、第２導電型がｎ型である場合ｎ型を呈するためのリン系化合物の気相、または第２導電型がｐ型である場合ｐ型を呈するためのホウ素系化合物の気相を微量導入して形成する。半導体層３の膜質としては、結晶質、非晶質、結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよいが、光線透過率を考慮すると、結晶質または結晶質と非晶質とが混在するものがよい。
【００３６】
また、半導体層３は、結晶半導体粒子２を導電性基板１に接合する前に、結晶半導体粒子２の表面部（表層部）に例えば熱拡散法により形成しても良い。結晶半導体粒子２が例えばｐ型のときには、オキシ塩化リンを拡散剤として、石英管に９００℃の温度で３０分間、結晶半導体粒子２を挿入することにより、結晶半導体粒子２の表面に１μｍの厚みでｎ型の半導体層３を形成しておいても良い。このとき、半導体層３と共晶層６を電気的に分離するために、共晶層６の近傍を除いて半導体層３の下端部以外の表面を耐酸レジスト等で被覆し、非被覆部分（半導体層３の下端部）をエッチング液で除去することにより、半導体層３の下端部を除去する。
【００３７】
半導体層３中の第２導電型を付与するための微量元素の濃度は、例えば１×１０１６〜１×１０２１原子／ｃｍ３程度である。さらに、半導体層３は、結晶半導体粒子２の表面の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。結晶半導体粒子２の凸形曲面の表面に沿って形成されることによって、ｐｎ接合部の面積を広く取ることができ、結晶半導体粒子２の内部で生成したキャリアを効率よく収集することが可能となる。
【００３８】
半導体層３上及び絶縁層４上に他方の電極を兼ねる透光性導体層５を形成する。なお、絶縁層４上には電極板１０が形成されており、電極板１０を覆って透光性導体層５を形成する。図１の例では、電極板１０及び透光性導体層５が集電層を構成する。なお、一方の電極の機能は導電性基板１が果たす。
【００３９】
この透光性導電層５は、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ２等から選ばれる１種または複数種の酸化物系膜等から成り、スパッタリング法、気相成長法あるいは塗布焼成法等により形成される。透光性導体層５は、厚みを選べば反射防止膜としての効果も付与できる。
【００４０】
また、透光性導体層５は、結晶半導体粒子２及び半導体層３の表面に沿って形成され、結晶半導体粒子２及び半導体層３の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。この場合、ｐｎ接合部の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子２の内部で生成したキャリアを効率よく収集することができる。
【００４１】
また、半導体層３あるいは透光性導体層５上に保護層（不図示）を形成してもよい。このような保護層としては、透明誘電体の特性を持つものがよく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等によって、例えば酸化珪素，酸化セシウム，酸化アルミニウム，窒化珪素，酸化チタン，酸化タンタル，酸化イットリウム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形成する。この保護層は、光の入射側にあるために透明性が必要であり、また半導体層３または透光性導体層５と外部との間の電流リークを防止するために絶縁体であることが必要である。なお、保護層の厚みを最適化すれば、反射防止層としての機能も付与できる。
【００４２】
透光性導体層５と外部端子との間の直列抵抗値を低くするために、隣接する結晶半導体粒子２間の絶縁層４上に、集電極として電極板１０を設けることがよい。これにより、結晶半導体粒子２で発電された光電流を、抵抗損失を小さくして光電変換装置から効率的に取り出すことができる。即ち、電極板１０は低抵抗導体として機能する。また、電極板１０により光反射部材７を載置する部位の平面度、機械的強度が向上し、光反射部材７を高い信頼性でもって設置することができる。なお、電極板１０は透光性導体層５上に形成してもよい。
【００４３】
この電極板１０は、結晶半導体粒子２の上部を露出させるための開口が形成された金属板からなることが好ましく、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇやこれらの合金が、高い反射率が得られること等の点で適している。電極板１０の厚みは、低抵抗及び機械的強度を維持するために２０〜２００μｍが好ましい。この電極板１０の使用は、この上に設置される光反射部材７をしっかり支える支持部材ともなる点で好ましい。
【００４４】
また、集電極として、電極板１０の代わりに、一定間隔のフィンガー電極（不図示）から成るパターン電極を透光性導体層５上に設けて、透光性導体層５と電気的に接続してもよい。
【００４５】
結晶半導体粒子２上を避けて、電極板１０またはフィンガー電極を設けることによって、電極板１０やフィンガー電極によって直接に陰となる領域ができるのをなくすことができる。さらに、光反射部材７によって、電極板１０やフィンガー電極を覆うことができ、外観、美観上の向上を図ることができる。集電極としてさらにバスバー電極（不図示）を形成しても良い。
【００４６】
そして、各結晶半導体粒子２同士の間の他方の電極を兼ねる電極板１０及び透光性導体層５上に、光反射部材７を形成する。光反射部材７の形状は、図１に示すように、結晶半導体粒子２を中心とした凹面鏡形状であり、凹面鏡形状同士の境界部が鋭角の凸部を成していることが好ましい。特許文献３の凹面形状に変形させた基板を用いた光電変換装置のように、凹面形状同士の間の境界部が広い場合には、境界部が広い平坦面となっており、そのために境界部で光がそのまま上方に反射されてしまうという問題がある。本発明の光反射部材７の場合、境界部が鋭角を成していることにより、境界部で上方に反射される光はなくなり、光電変換装置に入射してくる光を有効に結晶半導体粒子２へと集光することができる。
【００４７】
本発明においては、光反射部材７で集光された光が結晶半導体粒子２に入る光反射部材７の開口の大きさ（例えば、開口が円形であれば直径）が、結晶半導体粒子２の直径よりも小さい。従って、光の入射部は結晶半導体粒子２の上部となり、結晶半導体粒子２に入射した光は結晶半導体粒子２のほぼ直径に相当する結晶半導体粒子２内の長い距離を通過して、共晶層６に達するため、共晶層６に達する途中で大部分の光が結晶半導体粒子２に吸収されて、光発電に有効に寄与することができる。即ち、光反射部材７で集光された光が結晶半導体粒子２の上部に入射するため、結晶半導体粒子２に入射した光は結晶半導体粒子２内部を長い距離通過し、結晶半導体粒子２内で光電流に寄与する電子及び正孔を多く発生する。そして、結晶半導体粒子２に入射した光が導電性基板１に到達する頃には十分に結晶半導体粒子２に吸収されて減衰しているため、アルミニウム等からなる導電性基板１の表面に形成されている光反射率の低いアルミニウム−シリコンの共晶層６での吸収による損失を軽減できる。従って、光を結晶半導体粒子２で有効に吸収することができるので光電流を大きくすることができる。
【００４８】
一方、結晶半導体粒子２の上部及び下部が露出するように光反射部材７が形成された場合、結晶半導体粒子２の下部の表面から入射した光は短い距離で共晶層６に到達することとなり、結晶半導体粒子２により十分に吸収されない。吸収されなかった光は共晶層６で反射されるが、共晶層６表面での反射率は低く、共晶層６によって吸収されてしまうため、光の損失が生ずることとなる。このため、発生する光電流が低減し、光電変換効率を下げてしまう。本発明は、このような知見に基いて成されたものであり、光の入射部を結晶半導体粒子２の上部に限定する構成とすることにより、光の損失を防ぎ、光電変換効率を向上させることができる。
【００４９】
光反射部材７の開口の大きさは、円形の開口の場合にその直径をＲ１とし、結晶半導体粒子２の直径をＲ２とした場合、０．４≦Ｒ１／Ｒ２＜１であることが好ましい。Ｒ１／Ｒ２＜０．４では、光反射による集光領域が小さく限定されることになり、特に斜めからの光入射時の集光率が低下してしま。Ｒ１／Ｒ２≧１では、開口と結晶半導体粒子２との隙間に光が入射するために、光の有効利用率が低下することとなる。
【００５０】
光反射部材７の開口の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形等の種々の形状とすることができる。
【００５１】
また、光反射部材７の凹面鏡の上端部の最大開口部の大きさは、円形の場合、結晶半導体粒子２の直径の１．３〜３程度の直径であり、最大開口部の形状は円形、楕円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形等の種々の形状とすることができる。
【００５２】
また、光反射部材７の凹面鏡の内面の形状は、球面、回転楕円体面等の集光に適した形状とすることができる。
【００５３】
凹面鏡形状の光反射部材７は、例えばポリカーボネート，アクリル樹脂，フッ素樹脂，オレフィン樹脂等の樹脂、金属、その他の形状を維持できる材料で形成される。これらの材料により凹面鏡形状を形成し、凹面鏡形状の底部には結晶半導体粒子２の上部が入って露出する程度の開口が設けてあり、さらに凹面鏡形状の内表面には光反射層８が設けてあり、光反射面とされている。
【００５４】
この光反射部材７は、シリコンから成る結晶半導体粒子２に接触することになるため、もし半導体層３を傷つけると、ｐｎ接合部が破壊されてリーク電流を発生させてしまい、光電変換効率が低減される結果となる。従って、光反射部材７は、光反射面に金属膜からなる光反射層が形成された樹脂から成り、樹脂の硬度は結晶半導体粒子の硬度よりも低いことが好ましい。これにより、光反射部材７が結晶半導体粒子２よりも軟らかいため、結晶半導体粒子２の表面に傷が付きにくく、良好な光電変換効率を得ることができる。
【００５５】
さらに、導電性基板１上に接合された結晶半導体粒子２の位置精度が良好でなく、結晶半導体粒子２の位置が所定の位置からずれる場合があり、その場合、光反射部材７を成す樹脂が硬いと、位置ずれを起こした光反射部材７及びその周囲の光反射部材７が浮き上がってしまい、望ましい集光特性が得られないこととなる。従って、光反射部材７を成す樹脂を容易に変形する柔らかい材料（例えば、エポキシ樹脂，テフロン（登録商標）樹脂，ポリカーボネイト樹脂等）とすることにより、光反射部材７に位置ずれが発生しても、その周辺の光反射部材７が浮き上がることがなく、光反射性、集光性を改善することができる。また、導電性基板１、電極板１０、絶縁層４等に凹凸があっても、それらに添うように光反射部材７を配設することができる。
【００５６】
光反射部材７は、その凹面鏡形状のネガ形状（相補的形状）を成型面に多数有する金型を作製し、樹脂、金属或いはその他の形状を維持できる材料で成型する。光反射部材７の表面の光反射層８は、真空蒸着法、スパッタリング法、無電解メッキ法、電解メッキ法等の方法により、Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｒ等の高反射率を有する金属で形成する。そして、光反射部材７の開口から結晶半導体粒子２の上部が露出するように、光反射部材７を絶縁層４上の集電層上に載置し、そのまま接着するか、または光反射部材７上に透明な充填剤、透明保護材等を積層して真空加熱装置等で封止する。
【００５７】
特許文献３の光電変換装置においては、光反射面を電極板を兼ねるアルミニウム箔によって形成しているが、本発明の光電変換装置では、光反射面を樹脂製の基体の表面に形成された金属膜により形成することによって、より高い反射率を得ることができる。それは、アルミニウム箔等のバルクの部材の表面の反射率よりも、真空蒸着法によって形成された金属薄膜の表面の反射率が高いことによる。
【００５８】
また、特許文献３の光電変換装置の製造方法では、結晶半導体粒子を一個々アルミニウム箔の開孔部に挿入していくが、例えば１０万個にも及ぶ結晶半導体粒子を一個々並べる作業は極めて手間がかかる作業であり、低コストにエネルギーを供給すべき太陽電池としては、実際上製造、運用が難しくなる。これに対して、本発明の光電変換装置は、金型等の治具を用いて、多数個の結晶半導体粒子２を導電性基板１上の所定の位置に一括的に配置して接合することができ、また金型で一挙に成型した光反射部材７を多数個の結晶半導体粒子２上に一括的に設置することができるため、光電変換装置を容易かつ安定的に製造することができる。
【００５９】
光反射部材７による集光率は、光学的なシミュレーションによると、光反射部材７がない場合の２〜３０倍とすることが可能である。集光率が高い方が、結晶半導体粒子２で発生する光電流が大きくなると共に、開放電圧も大きくなるため、より高い光電変換効率を得ることができる。しかしながら、一方、集光することにより発生する熱のために結晶半導体粒子２が高温となり、光電流の出力を低減させてしまうので、集光による光電変換効率の向上と、熱の発生による光電変換効率の低減とをバランスさせるように、集光率を決定する。本発明の光電変換装置は、結晶半導体粒子２が導電性基板１上に直接接合されて配設されているため、結晶半導体粒子２で発生した熱は容易に導電性基板１に放熱され、温度上昇は抑制される。また、結晶半導体粒子２の直径が１ｍｍ以下（１００〜４００μｍ）であるため、導電性基板１の熱分布は均一に近いものになり、結晶半導体粒子２の温度上昇を小さくすることができる。従って、導電性基板１の水冷等は不要であり、システムが安定で故障の少ないものなる。
【００６０】
なお、上述した構成の光電変換素子（１個の結晶半導体粒子２を有する光電変換の単位体）を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）した光電変換装置とすることができる。さらに、光電変換装置を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）した光電変換モジュールを発電手段として用い、この発電手段から直接直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。また、その発電手段を、インバータ等の電力変換手段を介して発電電力を適当な交流電力に変換した後、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な発電装置としてもよい。さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁面に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。
【実施例】
【００６１】
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。
【００６２】
図１の構成の光電変換装置を以下のようにして作製した。結晶半導体粒子２として、直径約０．３ｍｍのｐ型の結晶シリコン粒子を用い、多数個（約１万個）の結晶シリコン粒子の表層部にリン（Ｐ）を熱拡散処理することにより、結晶シリコン粒子の外郭部をｎ型の半導体部（ｎ＋層）３としてｐｎ接合部を形成した。
【００６３】
次に、アルミニウム製の導電性基板１の主面上の結晶シリコン粒子が配置される各部位に、アルミニウム−シリコン共晶ペーストを塗布し焼成してアルミニウム−シリコン過共晶層を形成し、それらのアルミニウム−シリコン過共晶層上に、多数の結晶シリコン粒子を、その直径の約３倍の間隔を空けて配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度（６３０℃）で約１０分加熱して、多数の結晶シリコン粒子を導電性基板１上に接合した。
【００６４】
次に、結晶シリコン粒子の下端部の全周をエッチングしてｎ型の半導体部を除去し、ｐｎ分離を行った後、導電性基板１上の多数個の結晶シリコン粒子の間に、電極板１０としての厚み５０μｍの銅板を、ポリイミドからなる絶縁層４上に設置した。この銅板は、各結晶シリコン粒子が露出するように多数の開口を有する板状体である。
【００６５】
次に、結晶シリコン粒子の半導体部の表面を洗浄し、絶縁層４、電極板１０及び結晶シリコン粒子の上に、透光性導体層５としてのＩＴＯ膜をスパッタリング法により８０ｎｍの厚みで形成した。
【００６６】
次に、光反射部材７を以下のようにして作製した。結晶シリコン粒子の直径の２．５倍の最大幅を有する縦長の半回転楕円体が多数個配列するように成型面に形成された金型を用いて、真空成型法によって、ポリカーボネートフィルムに結晶シリコン粒子の直径３００μｍより小さい直径２００μｍの開口を有する凹面鏡形状を多数形成し、光反射部材７を作製した。
【００６７】
光反射部材７の凹面鏡を形成する上部の凹部に対して、集光には寄与しない下部にも凹部が形成されている。これは、上記の金型と、下部の凹部形成用の金型とでポリカーボフィルムを挟み込み、加熱溶融して成形することで形成した。接合された結晶シリコン粒子の位置精度には偏差があり、このずれを吸収するためには、光反射部材７の開口を結晶半導体粒子２より大きく取る必要があるが、下部の凹部の形成により、光反射部材７がスムーズに結晶シリコン粒子間に入り込んで、光反射部材７を電極板１０の上方に押しつけることができた。
【００６８】
次に、真空蒸着法により、光反射部材７の凹面鏡の内面に、光反射層８としての厚み０．２μｍのＡｌ膜を真空蒸着法によって形成した。
【００６９】
そして、各結晶シリコン粒子の上部が光反射部材７の開口から突出するように、導電性基板１上の集電層（電極板１０及び透光性導体層５）上に光反射部材７をエポキシ樹脂で接着して配置し、光電変換装置を作製した。
【００７０】
（比較例）
導電性基板１の主面上に多数個の結晶シリコン粒子を密に配置した点、集電極として電極板１０の代わりに絶縁層４上の透光性導体層５上に熱硬化型のＡｇペーストを塗布し加熱硬化させてなるフィンガー電極を形成した点、光反射部材７を使用していない点以外は上記実施例と同様にして光電変換装置を作製した。
【００７１】
本発明の光電変換装置を比較例の光電変換装置とを比較すると、比較例の光電変換装置の結晶シリコン粒子の使用数量は、実施例の光電変換装置の約９倍となった。また、実施例の光電変換装置の光電変換効率は、比較例の光電変換装置の１．１倍となった。
【００７２】
これは、実施例と比較例とで短絡電流はほぼ同じであるが、実施例の開放電圧が比較例の開放電圧よりも上昇したためであり、本発明の光電変換装置は、半導体原料を大きく削減することができるとともに、光電変換効率を向上させ得ることが確認できた。
【００７３】
なお、本発明は上記の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種々の変更を施すことができるのはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の光電変換装置について実施の形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１・・・導電性基板
２・・・結晶半導体粒子
３・・・半導体部（半導体層）
４・・・絶縁層
５・・・透光性導体層
６・・・アルミニウム−シリコンの共晶層
７・・・光反射部材
８・・・光反射層
９・・・絶縁粒子
１０・・・電極板
【図１】
2008010531.tif 000003