(57)【要約】【課題】従来の結晶質半導体粒子を用いた光電変換装置では変換効率が低く、生産性も低くかった。【解決手段】下部電極、第１導電型半導体層、多数の第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体層及び上部電極を順次形成した光電変換装置であって、上記第１導電型結晶半導体粒子間及び上記第１導電型半導体層と上記第２導電型半導体層間に絶縁層を形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極、第１導電型半導体層、多数の第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体層及び上部電極を順次形成した光電変換装置において、前記第１導電型結晶半導体粒子間及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層間に絶縁層を形成したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記絶縁層及び下部電極が透光性物質からなることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記絶縁層が０．１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１導電型半導体層と前記第１導電型結晶半導体粒子間に真性半導体層を形成したことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第２導電型半導体層と前記第１導電型結晶半導体粒子間に真性半導体層を形成した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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光電変換装置に関し、特に結晶シリコン粒子を用いた太陽光発電に使用される光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
省シリコン原料の低コストな次世代太陽電池の出現が強く望まれている。
また、図２に示すように、第１のアルミニウム箔９に開口９ａを形成し、その開口９ａにｐ型中心核１０ａの上にｎ型表皮部１０ｂを持つシリコン球１０を挿入し、シリコン球１０の裏側のｎ型表皮部１０ｂを除去し、シリコン球１０と第２のアルミニウム箔１１とを接合する光電変換装置が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、図３に示すように、基板１２上に低融点金属層１３を形成し、この低融点金属層１３上に半導体粒子１４を配設し、この半導体粒子１４上に第２導電型の非晶質半導体層１５と透明導電層１６を上記低融点金属層１３との間に絶縁層１７を介して形成する光電変換装置も開示されている。（例えば特許文献２参照）
また、図４に示すように、金属電極１８上にアルミニウムペースト１９を形成し、このアルミニウムペースト１９上に半導体粒子２０を配設し、この半導体粒子２０上に第２導電型の微結晶半導体層２１と透明電極層２２を上記アルミニウムペースト１９との間に絶縁層２３を介して形成する光電変換装置が開示されている（例えば特許文献３参照）。
【０００４】
また、図５に示すように、一方の電極となる基板２４上に、第１導電型の結晶質半導体粒子２５を多数配設し、この結晶質半導体粒子２５間に絶縁物質２６を介在させ、この結晶質半導体粒子２５上に第２導電型の半導体層２７、上部電極層２８を形成した光電変換装置が開示されている（例えば特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１２４１７９号公報
【特許文献２】
特許第２６４１８００号公報
【特許文献３】
特開平３−２２８３７９号公報
【特許文献４】
特開２００１−３１３３９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２に示す従来の光電変換装置では、アルミニウム箔９の開口９ａとシリコン球１０とに高い寸法精度が必要であり、アッセンブル時に高い位置精度が要求されて生産性が悪く、高コストになるという問題があった。加えてシリコン球１０の粒径が例えば１ｍｍ未満などに小さくなると、更に困難になるという問題があった。
【０００７】
また、図３に示す従来の光電変換装置では、半導体粒子１４間の絶縁層１７を研磨して半導体粒子１４を露出させ、その露出させた表面に第２導電型の非晶質半導体層１５を形成してＰＮ接合を形成する。そのためにＰＮ接合界面に研磨による物理的ダメージが残り、ＰＮ接合の品質が低下して変換効率が低下するとともに、このような研磨工程が必要なことから生産性が悪いという問題があった。
【０００８】
また、図４に示す従来の光電変換装置でも研磨によって半導体粒子２０を露出させた面にＰＮ接合を形成するために、ＰＮ接合の品質が低下して変換効率が低下するとともに、このような研磨工程は生産性が悪いという問題があった。
【０００９】
また、図５に示す従来の光電変換装置では、下部電極と第１導電型結晶質半導体粒子の界面の再結合速度が大きく、変換効率が低いという問題があった。
【００１０】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は高い生産性を有し、且つ低コストで製造できる高効率な光電変換装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る光電変換装置によれば、下部電極、第１導電型半導体層、多数の第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体層及び上部電極を順次形成した光電変換装置において、前記第１導電型結晶半導体粒子間及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層間に絶縁層を形成したことを特徴とする。
【００１２】
また、前記絶縁層及び下部電極は透光性物質からなることが望ましい。
【００１３】
また、前記絶縁層が０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。
【００１４】
また、前記第１導電型半導体層と前記第１導電型結晶半導体粒子間に真性半導体層を形成することが望ましい。
【００１５】
また、前記第２導電型半導体層と前記第１導電型結晶半導体粒子間に真性半導体層を形成することが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明に係る光電変換装置の一実施形態を示す断面図であり、１は下部電極、２は第１導電型半導体層、３は下部真性半導体層、４は第１導電型の結晶半導体粒子、５は上部真性半導体層、６は第２導電型半導体層、７は上部電極層、８は絶縁層である。
【００１７】
下部電極１は、スパッタリング法、蒸着法、印刷法等で形成する。下部電極１は、導電体層からなり、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化錫、銀、アルミニウム等を用いる。好ましくは、透光性物質からなり、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化錫等を用いる。透光性は、透過率が５０％以上のものである。下部電極１及び絶縁層８が共に透光性を有することで、半透過性光電変換装置を実現可能となり、デザイン性、裏面での発電寄与による変換効率の向上効果を有する。
【００１８】
第１導電型半導体層２は、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成する。第１導電型半導体層２は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイト等からなり、第１導電型半導体層２に微量元素としてｐ型又はｎ型を呈するＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む。第１導電型半導体層２は、結晶質、微結晶質、非晶質のいずれでもよい。膜厚は１ｎｍ以上５００ｎｍ未満が好ましい。１ｎｍ未満のときは層を均一に形成するのが困難であり、また５００ｎｍ以上のときは直列抵抗が大きくなって曲線因子が低下すると共に生産性が低下するためである。
【００１９】
下部真性半導体層３を設ける場合は、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成する。下部真性半導体層３は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイト等からなる。下部真性半導体層３は、実質的に真性半導体層であればよく、１×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下程度の微量濃度のＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む場合であっても同等の効果を有する。第１導電型半導体層２と第１導電型結晶半導体粒子４との間に下部真性半導体層３を設けると、表面再結合を低減し、変換効率を向上させる効果がある。膜厚は１ｎｍ以上５０ｎｍ未満が好ましい。１ｎｍ未満のときは層を均一に形成するのが困難であり、また５０ｎｍ以上のときは直列抵抗が大きくなって曲線因子が低下すると共に生産性が低下するためである。
【００２０】
第１導電型の結晶半導体粒子４は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイト等からなり、第１導電型の結晶半導体粒子４に微量元素としてｐ型又はｎ型を呈するＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む。結晶半導体粒子４は、１ｍｍ未満且つ３０μｍ以上のほぼ球径であることが好ましい。１ｍｍ以上のときは量子効率が低下して光電流が低下すると共に半導体材料の使用量が増加して高コストになり、また３０μｍ未満のときは光吸収量が低下し光電流が低下するためである。このような結晶質半導体粒子４は、気相成長法、アトマイズ法、直流プラズマ法等で形成可能であるが、非接触環境下に融液を落下させる融液落下法が好ましい。また、第１導電型の結晶質半導体粒子４はｎ型であることが好ましい。例えば半導体に添加してｎ型を呈するＰを１×１０１４〜１０２０ａｔｍ／ｃｍ３程度添加したものである。また、第１導電型の結晶質半導体粒子４は、素子化する際には周囲に酸化膜を形成した半導体粒子であることが好ましい。周囲に酸化膜を形成することで不純物による汚染を防ぐと共に、表面再結合を低減することが可能となり、変換効率が向上するためである。なお、この酸化膜は上下に半導体層３、５を形成する前に取り除いておく。
【００２１】
上部真性半導体層５を設ける場合は、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成する。上部真性半導体層５は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイト等からなる。上部真性半導体層５は、実質的に真性半導体層であればよく、１×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下程度の微量濃度のＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む場合であっても同等の効果を有する。第２導電型半導体層６と第１導電型結晶半導体粒子４との間に上部真性半導体層５を設ける。表面再結合を低減して変換効率を向上させる効果がある。膜厚は１ｎｍ以上５０ｎｍ未満が好ましい。１ｎｍ未満のときは層を均一に形成するのが困難であり、また５０ｎｍ以上のときは直列抵抗が大きくなって曲線因子が低下すると共に生産性が低下するためである。
【００２２】
第２導電型半導体層６は、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成する。第２導電型半導体層６は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイト等からなり、第２導電型半導体層６に微量元素としてｐ型又はｎ型を呈するＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む。第１導電型半導体層２は、結晶質、微結晶質、非晶質のいずれでもよい。膜厚は１ｎｍ以上５００ｎｍ未満が好ましい。１ｎｍ未満のときは層を均一に形成するのが困難であり、また５００ｎｍ以上のときは直列抵抗が大きくなって曲線因子が低下すると共に生産性が低下するためである。
【００２３】
上部電極層７は、酸化錫、酸化インジウム等をスパッタリング法等で形成する。膜厚及び屈折率を調整することにより反射防止効果を持たせることも可能である。更に、その上に銀又は銅ペーストの適切なパターンからなる補助電極を形成してもよい。また、素子と素子を接続する引き出し電極を適宜形成してもよい。
【００２４】
絶縁層８は、第１導電型結晶半導体粒子４を配設した後に上下から冶具で押さえ、シート状絶縁層８に開口部８ａを設けその開口部８ａに第１導電型結晶半導体粒子４を挿入して固定する開口シート法、または複数の第１導電型結晶半導体粒子４の隙間に絶縁体ペーストを注入して形成する注入法等で形成する。絶縁体ペーストを注入して形成する方法として、球形状に沿った冶具を用いる方法、フォトリソプロセスにより膜厚を制御する方法等がある。また、絶縁層８は、ポリイミド樹脂、ＥＶＡ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、低融点ガラス、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等からなる。絶縁層８を熱硬化又は焼成により形成する場合、加熱時に絶縁層８と第１導電型半導体粒子４の反応が小さいことが好ましい。絶縁層８と第１導電型半導体粒子４との反応が大きいときは、絶縁層８と第１導電型半導体粒子４との界面品質が低下して再結合が増大して変換効率が低下するためである。また、絶縁層８は透光性を有することが好ましい。透光性は透過率５０％以上であればよい。絶縁層８の膜厚は０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。０．１μｍ未満のときは信頼性の低下及び絶縁不良を生じやすくなり、また１００μｍを超えるときはｐｎ接合面積が低下し変換効率が低下するためである。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
まず、４５０μｍ径の円形の穴を多数設けた厚み１０μｍのポリイミドシートを形成し、５００μｍ径の球状ｎ型結晶シリコン粒子４を前記ポリイミドシートに設けた穴に押し込んだ。次に、５０ｎｍのｎ型非晶質シリコン層２、１０ｎｍのｐ型非晶質シリコン層６を触媒ＣＶＤ法により形成し、９０ｎｍの下部酸化亜鉛層１及び９０ｎｍの上部酸化錫層７をスパッタリング法により形成した。この光電変換装置の変換効率を評価した結果を表１に示す。また、前記ｎ型非晶質シリコン層２とｎ型結晶シリコン粒子４との間に５ｎｍの下部真性非晶質シリコン層３を形成し変換効率を評価した結果も表１に示す。また、前記ｐ型非晶質シリコン層６とｎ型結晶シリコン粒子４との間に５ｎｍの上部真性非晶質シリコン層５を形成し変換効率を評価した結果も表１に示す。
【００２６】
【表１】
2004140112.tif 000003
【００２７】
上記結果から分かるように、本発明の光電変換装置により良好な特性を得ることができる。真性非晶質シリコン層を上部、下部又は両側に形成するのがよいことがわかった。
【００２８】
また、粒径３００μｍのｎ型結晶シリコン粒子４を多数配設し、その上下からシリコン粒子形状に沿って変形する冶具で押さえ、その隙間にエポキシ樹脂を注入した。次に、２００℃１時間の加熱によりエポキシ樹脂を硬化して絶縁層８を形成した後に、半導体粒子４の上下を押さえていた冶具を外した。エポキシ樹脂の波長４００〜１２００ｎｍの平均透過率は９０％であった。次に、８０ｎｍのｎ型多結晶シリコン層２、２０ｎｍのｐ型シリコンカーバイト層６をプラズマＣＶＤ法により形成し、下部ＩＴＯ層１及び上部ＩＴＯ層７をスパッタリング法により形成した。また、前記ｎ型多結晶シリコン層２とｎ型結晶シリコン粒子４との間に１０ｎｍの下部真性非晶質シリコン層３を形成して変換効率を評価した結果を表２に示す。また、前記ｐ型シリコンカーバイト層６とｎ型結晶シリコン粒子４との間に３ｎｍの上部真性微結晶シリコン層５を形成して変換効率を評価した結果も表２に示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
上記結果から分かるように、本発明の光電変換装置により良好な特性を得ることができる。この方法でも真性非晶質シリコン層を上部、下部又は両側に形成するのがより好ましいことがわかった。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る光電変換装置によれば、下部電極、第１導電型半導体層、多数の第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体層及び上部電極を順次形成した光電変換装置であって、上記第１導電型結晶半導体粒子間及び上記第１導電型半導体層と上記第２導電型半導体層間に絶縁層を形成することにより、高い変換効率を実現すると共に、高い生産性と低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置を示す断面図である。
【図２】従来の光電変換装置を示す断面図である。
【図３】従来の他の光電変換装置を示す断面図である。
【図４】従来の他の光電変換装置を示す断面図である。
【図５】従来の他の光電変換装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・下部電極
２・・・・第１導電型半導体層
３・・・・下部真性半導体層
４・・・・第１導電型の結晶半導体粒子
５・・・・上部真性半導体層
６・・・・第２導電型半導体層
７・・・・上部電極層
８・・・・絶縁層
９・・・・第１のアルミニウム箔
１０・・・ｐ型中心核の上にｎ型表皮部を持つシリコン球
１１・・・第２のアルミニウム箔
１２・・・基板
１３・・・低融点金属層
１４・・・半導体粒子
１５・・・非晶質半導体層
１６・・・透明導電層
１７・・・絶縁層
１８・・・金属電極
１９・・・アルミニウムペースト
２０・・・半導体粒子
２１・・・微結晶半導体層
２２・・・透明電極層
２３・・・絶縁層
２４・・・基板
２５・・・第１導電型の結晶質半導体粒子
２６・・・絶縁物質
２７・・・第２導電型の半導体層
２８・・・上部電極層
【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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