(57)【要約】【課題】テクスチャ構造による半導体基板の表面欠陥量を減少でき、しかも、入射光の反射率の増加を抑制して入射光量を極力増大できる光電変換素子を提供する。【解決手段】半導体基板１１の表面の受光面は、頂部が平坦に形成された特定のテクスチャ構造とされており、従来一般の頂部が尖ったテクスチャ構造に較べて表面積が減少しているため、その分、半導体基板１１の表面欠陥量が減少する。また、特定のテクスチャ構造の頂部に向けて入射される入射光は、四角錐状の反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面である拡散層１２に向けて反射されるため、入射光の反射率の増加が抑制され、その分、入射光量が増大する。【選択図】図２
2008218467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面にテクスチャ構造の受光面を有し、半導体基板の裏面に正負の電極を有する光電変換素子であって、
前記受光面のテクスチャ構造は、頂部が平坦に形成された特定のテクスチャ構造とされており、この平坦な頂部には、入射光を前記受光面に向けて反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記反射鏡の鏡面の角度は、前記受光面に向けて反射された反射光が再度受光面に向けて反射する特定の角度範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面にテクスチャ構造の受光面を有する光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池などに使用される光電変換素子として、半導体基板の表面にテクスチャ構造の受光面を形成したものが従来一般に知られている（例えば特許文献１参照）。このテクスチャ構造は、例えばピラミッド状の微細な凹凸が面方向に連続したものであり、受光面が平坦な場合に較べて入射光の反射率が低減し、入射光量が増大するという利点がある。
【特許文献１】特開平１０−２２９２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般に半導体基板の表面には、結晶の配列が途切れた表面欠陥があり、この表面欠陥が多いと光電変換素子の出力が低下する。この点、特許文献１などの従来例のように、微細な凹凸が面方向に連続するテクスチャ構造の受光面が半導体基板の表面に形成された光電変換素子においては、受光面が平坦に形成されたものに較べて半導体基板の表面積が増大し、その分、半導体基板の表面欠陥量も増大する。その結果、光電変換素子の出力低下が懸念される。
【０００４】
そこで、本発明は、テクスチャ構造による半導体基板の表面欠陥量を減少でき、しかも、入射光の反射率の増加を抑制して入射光量を極力増大できる光電変換素子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】
【０００５】
本発明に係る光電変換素子は、半導体基板の表面にテクスチャ構造の受光面を有し、半導体基板の裏面に正負の電極を有する光電変換素子であって、受光面のテクスチャ構造は、頂部が平坦に形成された特定のテクスチャ構造とされており、この平坦な頂部には、入射光を受光面に向けて反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る光電変換素子では、半導体基板の表面側に入射される入射光が半導体基板の表面の受光面を透過して半導体基板内に入射されると、その入射光の光エネルギが半導体基板内で電気エネルギに変換されて半導体基板の裏面の正負の電極から取り出される。
【０００７】
ここで、半導体基板の表面の受光面は、頂部が平坦に形成された特定のテクスチャ構造とされており、従来一般的な頂部の尖ったテクスチャ構造に較べて表面積が減少しているため、その分、半導体基板の表面欠陥量が減少する。また、特定のテクスチャ構造の頂部に向けて入射される入射光は、反射鏡により受光面に向けて反射されるため、入射光の反射率の増加が抑制され、その分、入射光量が増大する。
【０００８】
本発明に係る光電変換素子において、反射鏡により受光面に向けて反射された反射光が再度受光面に向けて反射するように反射鏡の鏡面の角度が特定の角度範囲に設定されていると、入射光の反射率の増加がより一層抑制されるので好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る光電変換素子によれば、従来一般的な頂部の尖ったテクスチャ構造の受光面を半導体基板の表面に有するものに較べ、半導体基板の表面欠陥量を減少でき、入射光量も増大できるため、その分、出力を増大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明に係る光電変換素子の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る光電変換素子の断面構造の一部を拡大して模式的に示す部分拡大断面図、図２は図１に示した半導体基板の表面側の受光面のテクスチャ構造を一部拡大して示す部分拡大断面図である。
【００１１】
第１実施形態に係る光電変換素子は、太陽電池などに使用されるものであって、図１に示すような断面構造を有する。すなわち、光電変換素子１０は、光吸収部を構成する半導体基板１１の表面側に受光面を構成する拡散層１２が形成され、裏面側に電子収集部を構成するｎ＋型拡散層１３および正孔収集部を構成するｐ＋型拡散層１４が形成された基本構造を有する。
【００１２】
半導体基板１１の表面側の拡散層１２は表面保護膜（絶縁膜）１５で覆われ、裏面側のｎ＋型拡散層１３およびｐ＋型拡散層１４も同様の表面保護膜（絶縁膜）１６で覆われている。そして、半導体基板１１の裏面側には、ｎ＋型拡散層１３に接続された−電極１７と、ｐ＋型拡散層１４に接続された＋電極１８とが交互に配設されている。
【００１３】
半導体基板１１は、例えば厚さ１００μｍ程度の単結晶のｐ型シリコン（Ｓｉ）基板で構成されており、入射光の受光により正負のキャリアである正孔と電子とを生成する。拡散層１２は、例えば拡散深さが０．３μｍ程度のｎ＋型シリコン（Ｓｉ）層で構成されており、半導体基板１１との間にポテンシャル障壁を形成することで、生成された正負のキャリアである正孔と電子との再結合を防止する。
【００１４】
ｎ＋型拡散層１３は、例えば拡散深さが１μｍ程度のｎ＋型シリコン（Ｓｉ）層で構成されており、半導体基板１１内で生成された電子を収集する。また、ｐ＋型拡散層１４は、例えば拡散深さが１μｍ程度のｐ＋型シリコン（Ｓｉ）層で構成されており、半導体基板１１内で生成された正孔を収集する。
【００１５】
表面保護膜（絶縁膜）１５は、例えば膜厚が０．１μｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成されており、半導体基板１１の表面近傍に存在する未結合手（ダングリングボンド）を不活性化することで結晶欠陥の濃度を低減させる。また、表面保護膜（絶縁膜）１６も同様の膜厚が０．１μｍ程度の酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成されており、半導体基板１１の裏面近傍の結晶欠陥の濃度を低減させる。
【００１６】
−電極１７は、例えば膜厚が１μｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。また、＋電極１８も同様の膜厚が１μｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。
【００１７】
ここで、第１実施形態の光電変換素子１０においては、半導体基板１１の表面側の受光面、すなわち半導体基板１１の表面と、この表面を覆う拡散層１２とがいわゆるテクスチャ構造とされている。このテクスチャ構造は、頂部が平坦に形成された台形のピラミッド状の微細な凸部がＶ字溝状の微細な凹部を挟んで面方向に連続した特定のテクスチャ構造となっている。
【００１８】
そして、このような特定のテクスチャ構造の拡散層１２を覆う表面保護膜（絶縁膜）１５の平坦な各頂部１５Ａには、入射光を受光面である拡散層１２に向けて反射する四角錐状の反射鏡１９がそれぞれ設けられている。この反射鏡１９は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によりに表面保護膜１５の平坦な各頂部１５Ａに一体に形成されており、その高さは３〜５μｍ程度に設定されている。
【００１９】
以上のように構成された第１実施形態の光電変換素子１０では、半導体基板１１の表面側に入射される入射光が表面保護膜１５および拡散層１２を透過して半導体基板１１内に入射されると、半導体基板１１が入射光の光エネルギにより正負のキャリアである正孔と電子とを生成して光エネルギを電気エネルギに変換する。
【００２０】
そして、半導体基板１１内で生成された正孔をｐ＋型拡散層１４が収集し、半導体基板１１内で生成された電子をｎ＋型拡散層１３が収集することで、半導体基板１１の裏面側に配設された＋電極１８および−電極１７から電気エネルギが取り出される。
【００２１】
ここで、第１実施形態の光電変換素子１０においては、半導体基板１１の表面側の受光面（半導体基板１１の表面および拡散層１２）が特定のテクスチャ構造となっており、その頂部が平坦に形成されている。このため、頂部が尖った従来一般的なテクスチャ構造に較べて半導体基板１１の表面積が減少しており、その分、半導体基板１１の表面欠陥量が減少する。
【００２２】
また、特定のテクスチャ構造の頂部に向けて入射される入射光は、図２に示すように、四角錐状の反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面を構成する拡散層１２に向けて反射される。このため、第１実施形態の光電変換素子１０では、入射光の反射率の増加が抑制され、その分、入射光量が増大する。
【００２３】
従って、第１実施形態の光電変換素子１０によれば、従来一般的な頂部の尖ったテクスチャ構造の受光面を半導体基板１１の表面に有するものに較べ、半導体基板１１の表面欠陥量を減少でき、入射光量も増大できるため、その分、出力を増大することができる。
【００２４】
次に、第２実施形態に係る光電変換素子２０を図３により説明する。この光電変換素子２０は、図２に示した第１実施形態の光電変換素子１０における反射鏡１９の鏡面の角度を特定の角度範囲としたものであり、それ以外は第１実施形態の光電変換素子１０と同様に構成されているため、同様の構成部分については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２５】
ここで、第２実施形態の光電変換素子２０は、反射鏡１９の鏡面１９Ａの角度を特定の角度範囲に設定することにより、反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面である拡散層１２に向けて反射された反射光が再度拡散層１２に向けて反射されるように構成したものである。
【００２６】
第２実施形態の光電変換素子２０においては、特定のテクスチャ構造がアルカリ溶液を用いた異方性エッチングにより形成されており、頂部が平坦に形成された各台形のピラミッド状の凸部の間のＶ字溝状の凹部の頂角βが７０．５°となっている。
【００２７】
ここで、四角錐状の反射鏡１９の軸線方向を垂直方向、軸線と直交する面を水平面Ｈ、反射鏡１９の鏡面１９Ａの角度をα、反射鏡１９の頂角を２α、Ｖ字溝状の凹部の開口幅をａ、反射鏡１９の底辺をｂとする。また、反射鏡１９の頂点部に垂直に入射する入射光が反射鏡１９の鏡面１９Ａで反射されてＶ字溝状の凹部の片側の壁面１２Ａに入射し、この壁面１２Ａで再度反射されて反対側の壁面１２Ｂに入射する光路を点線で示す。
【００２８】
この場合、反射鏡１９の鏡面１９Ａで反射される反射光と鏡面１９Ａとの間の角度はαとなり、Ｖ字溝状の凹部の片側の壁面１２Ａで再度反射された反射光と水平面Ｈとの間の角度θは２α−１９．５°となる。
【００２９】
ここで、Ｖ字溝状の凹部の片側の壁面１２Ａで再度反射された反射光が反対側の壁面１２Ｂに入射する入射点をＰ、この入射点Ｐと水平面Ｈとの垂直距離をＸ’、水平面Ｈと台形のピラミッド状の凸部の平坦な頂部１２Ｃとの垂直距離をＸとしたとき、Ｘ≧Ｘ’の条件が満たされれば、反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面である拡散層１２に向けて反射された反射光が再度拡散層１２に向けて反射されることとなる。
【００３０】
そこで、Ｘ≧Ｘ’となる条件をＶ字溝状の凹部の開口幅ａ、反射鏡１９の底辺ｂ、反射鏡１９の鏡面１９Ａの角度αを用いて表記する。ここで、以下の数１のようにｄを定めると、Ｘ≧Ｘ’となる条件は、以下の数２のように表記される。
【数１】
2008218467.tif 000003
【数２】
2008218467.tif 000004
【００３１】
従って、第２実施形態の光電変換素子２０においては、数２の式のようにＶ字溝状の凹部の開口幅ａ、反射鏡１９の底辺ｂ、反射鏡１９の鏡面１９Ａの角度αを設定することにより、反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面である拡散層１２に向けて反射された反射光が再度拡散層１２に向けて反射されるようになる。
【００３２】
従って、第２実施形態の光電変換素子２０によれば、反射鏡１９の鏡面１９Ａから受光面である拡散層１２に向けて反射された反射光を再度拡散層１２に向けて反射させることができ、入射光の反射率の増加をより一層抑制することができる。その結果、入射光量をより一層増大して出力を増大することができる。
【００３３】
本発明に係る光電変換素子は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光吸収部を構成する半導体基板１１は、ｐ型に限らずｎ型であってもよい。同様に、拡散層１２もｎ＋型に限らずｐ＋型であってもよい。
【００３４】
また、反射鏡１９は、四角錐状に限らず三角錐状や円錐状に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電変換素子の断面構造の一部を拡大して模式的に示す部分拡大断面図である。
【図２】図１に示した半導体基板の表面側の受光面のテクスチャ構造を一部拡大して示す部分拡大断面図である。
【図３】第２実施形態に係る光電変換素子の図２に対応した部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…光電変換素子、１１…半導体基板、１２…拡散層、１３…ｎ＋型拡散層、１４…ｐ＋型拡散層、１５…表面保護膜、１５Ａ…頂部、１６…表面保護膜、１７…−電極、１８…＋電極、１９…反射鏡、１９Ａ…鏡面。
【図１】
2008218467.tif 000005
【図２】
2008218467.tif 000006
【図３】
2008218467.tif 000007