(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低変換効率であった。【解決手段】一方の電極となる基板１上に、結晶半導体粒子３を多数配設した光電変換装置であって、結晶半導体粒子３上に板状透明体から成る光屈折体６を設ける。【選択図】　図１
2004047615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体部、正極及び負極からなる光電変換装置において、前記結晶半導体粒子上に板状透明体から成る光屈折体を配設したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光屈折体に垂直入射した光が屈折する角度が５度以上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３】
前記光屈折体は垂直入射した光の屈折する角度が５度未満の低屈折部を有しており、かつこの低屈折部の面積が前記光屈折体の全表面積の２０％未満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】
前記結晶半導体粒子の充填率が３０％以上且つ９０％未満であることを特徴とする請求項２乃至３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】
本発明は太陽光発電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を用いた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。省資源に有利な粒形もしくは球形のシリコン結晶粒子を用いる従来の光電変換装置を図８に示す（例えば米国特許５４１９７８２号公報）。第１のアルミニウム箔９に開口を形成し、その開口にｐ形の上にｎ形表皮部１１を持つｐ形シリコン球１０を結合し、球１０の裏側のｎ形表皮部１１を除去し、第２のアルミニウム箔１３上に酸化物１２をコーティングし、球１０の裏側の酸化物を除去して第２のアルミニウム箔１３と接合し、この透明なコーティング層１４を表面に設け、このコーティング層１４が最下点でＶ字状に急激に変化する形状を有することでｐ形シリコン球１０の無い位置に入射した光をｐ形シリコン球１０に導いて変換効率を向上させた光電変換装置が開示されている。
【０００３】
また、図９に示すように、第１のアルミニウム箔１５開口を形成し、その開口にｐ形中心核の上にｎ形表皮部を持つシリコン球１６を挿入し、シリコン球１６の裏側のｎ形表皮部を除去し、シリコン球１６と第２のアルミニウム箔１７とを接合し、第１のアルミニウム箔１５と第２のアルミニウム箔１７の端部１８を重ねて接合する光電変換装置が開示されている（例えば特開昭６１−１２４１７９号公報参照）。
【０００４】
また、図１０に示すように、透明導電膜層２１、半導体層２２、裏面電極層２３、ＥＶＡ膜２４、裏面ガラス２５を有してなる太陽電池に用いられるカバーガラス１９において、前記カバーガラス１９の光入射側の表面２０が凹凸を有し、前記凹凸の頂部が平坦化された太陽電池用カバーガラス及びその製造方法並びに太陽電池が開示されている（例えば特開平１１−２９８０３０号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す従来の光電変換装置では、透明なコーティング層１４が最下点でＶ字状に急激に変化する形状を設けることにより、球１０と球１０の間に入射する光を半導体粒子１０へ導くとあるが、Ｖ字状に急激に変化する形状に形成することは難しく、プロセスが増え生産性が悪く、また高コストになるという問題点があった。加えて、半導体粒子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点があった。
【０００６】
また、図９に示す従来の光電変換装置では、アルミニウム箔１５の開口とシリコン球１６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点があった。加えて、半導体粒子の粒径が例えば１ｍｍ未満などに小さくなると、更に困難になるという問題点があった。低変換効率であるという問題点があった。
【０００７】
また、図１０に示す従来の太陽電池では、凹凸を有するカバーガラスを光電変換装置の上部に設けているものの、カバーガラスの凹凸頂部の平坦化された領域において光屈折効果は期待できない等、粒状結晶半導体を用いた光電変換装置に用いて光屈折効果により特性を向上させるための要件に関する具体的記述は無いという問題点があった。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光電変換装置によれば、第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体部、正極及び負極からなる光電変換装置において、前記結晶半導体粒子上に板状透明体から成る光屈折体を配設したことを特徴とする。
【００１０】
上記光電変換装置によれば、前記光屈折体に垂直入射した光が屈折する角度が５度以上であることが望ましい。
【００１１】
また、上記光電変換装置によれば、前記光屈折体は垂直入射した光の屈折する角度が５度未満の低屈折部を有しており、かつこの低屈折部の面積が前記光屈折体の全表面積の２０％未満であることが望ましい。
【００１２】
また、上記光電変換装置によれば、前記結晶半導体粒子の充填率が３０％以上且つ９０％未満であることが望ましい。
【００１３】
【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は基板、２は絶縁層、３は第１導電型の粒状結晶半導体、４は第２導電型の半導体部、５は上部電極層、６は光屈折体、７は補助電極、８は引き出し電極である。
【００１４】
基板１は、金属、ガラス、セラミック及び樹脂等が用いられる。銀、アルミニウム、銅等の高反射金属が好適である。基板１の反射率が大きいことで、光を基板１で反射させて粒状結晶シリコン３へより多くの光を導くことができ、変換効率が向上するために好ましい。また、基板１として絶縁体を用いる場合には、基板１の表面に下部電極となる導電層を形成する必要がある。この導電層は、高反射材料であることが好ましい。
【００１５】
絶縁層２は、正極と負極の分離を行うために粒状結晶半導体３の間に充填する。絶縁層２としては、ガラス材料、樹脂材料等がある。
【００１６】
第１導電型の粒状結晶半導体３は、シリコン、ゲルマニウム等からなり、半導体３に微量元素としてＢ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂを含んでもよい。粒状結晶半導体３は、０．８ｍｍ未満且つ５０μｍ以上のほぼ球径であることが好ましい。０．８ｍｍ以上であるときは、量子効率が低下し光電流が低下すると共に半導体材料の使用量が増加し高コストになるため、好ましくなく、５０μｍ未満であるとき光吸収量が低下し光電流が低下するため、好ましくない。このような粒状結晶半導体３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導電型の粒状結晶半導体３はｐ形であることが好ましい。例えば、半導体に添加してｐ形を呈するＢ、Ａｌを１×１０１４〜１０２０ａｔｍ／ｃｍ３程度添加したものである。
【００１７】
第２導電型の半導体部４は、プラズマドーピング法、熱拡散法、イオン注入法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法、スパッタリング法等で形成する。また、第２導電型の半導体部４の膜厚は５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。第２導電型の半導体部４の膜厚が５ｎｍ未満のときは、第２導電型の半導体部４が途切れる個所が発生する好ましくない。第２導電型の半導体部４の膜厚が５００ｎｍを超えるときは、第２導電型の半導体部４の光吸収が大きくなって変換効率が低下するために好ましくない。第２導電型の半導体部４は、シリコン、シリコンカーバイト、ゲルマニウム等からなり、ｐ形を呈するＢ、Ａｌ等、又はｎ形を呈するＰ等を微量添加する。添加の微量元素濃度は、例えば１×１０１４〜１０２２ａｔｍ／ｃｍ３程度である。第２導電型の半導体部４は非晶質、微結晶質、結晶質のいずれであってもよい。
【００１８】
また、本発明の効果はｐｎ接合型の光電変換装置に限ったものではなく、ショットキー型、ＭＩＳ型等の光電変換装置においても同様の効果が得られる。例えば、ショットキー型の光電変換装置として、結晶半導体粒子３上に酸化インジウム錫を形成した光電変換装置等であってもよい。また、本発明の効果は単一接合型の光電変換装置に限ったものではなく、複数の接合を有する光電変換装置においても同様の効果が得られる。複数の接合を有する光電変換装置として、例えば、ｐ形結晶半導体粒子３上にｎ形微結晶質半導体層４を形成し、その上に中間層を介してｐ形非晶質半導体層、Ｉ型非晶質半導体層、ｎ形非晶質半導体層を順次形成したタンデム型光電変換装置等がであってもよい。
【００１９】
上部電極層５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を適切なパターンで補助電極７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８を適宜形成してもよい。
【００２０】
上部電極層５上には、光屈折体６が配設されている。この光屈折体６は、ガラス、ポリカーボネート、アクリル、ポリイソブチレン、フッ素系樹脂等の単層または複層からなり、光を屈折させる役割を有するものである。粒状結晶半導体３を用いた光電変換装置は粒状結晶半導体３の間に隙間が存在し、その隙間に入射した光は発電に寄与しないため、光電流が低下するという問題がある。この問題を解決するため、光屈折体６の機能は光を屈折させて適当な角度で光を入射させることにより、粒状結晶半導体３の間の隙間に直接入射する光を減らし、粒状結晶半導体３へ入射する光を増大させて光電流を向上させるものである。
【００２１】
光屈折体６は板状であることが好ましい。板状であることで信頼性を向上させる保護カバーを兼ねることができる。光屈折体６は透明であることが好ましく、光透過率は８０％以上であることが好ましい。
【００２２】
また、光電変換装置に垂直に入射した光が光屈折体６を透過した後に５度以上屈折していることが好ましい。屈折角度は波長４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の屈折角度の平均とする。屈折角度が５度以下の場合、光電流向上効果が小さいため、好ましくない。
【００２３】
光屈折体６の表面に凹凸部を形成することにより、光電変換装置に垂直に入射した光が光屈折体６を通過した後に５度以上屈折させてもよい。この凹凸部の形状は図２のような断面形状を有するＶ字溝形、ピラミッド形等、図３のような断面形状を有するＵ字溝形、富士山形等、図４のような断面形状を有する波形等及びそれらを組み合わせた形状があり、凸部が角又は曲線、凹部が角又は曲線いずれの形状であっても、光電変換装置に対して垂直に入射した光が５度以上屈折する形状であればよい。また、図５のように光屈折体６内の低屈折率部６ａ及び光屈折体内の高屈折率部６ｂにより、屈折率分布を形成することにより光電変換装置に対して垂直に入射した光を５度以上屈折させてもよい。この効果は６ａと６ｂの屈折率が異なることが必要であり、６ａを高屈折率部、６ｂを低屈折率部であっても同様の効果を呈する。
【００２４】
より好ましくは、光屈折体６の低屈折部は２０％以下であることが好ましい。低屈折部とは光電変換装置に対し垂直に入射した光を屈折する角度が５度未満である箇所のことを示す。低屈折部の具体例として、光電変換装置に対してほぼ平行かつ屈折率分布が無いな部位があり（例えば図６に示す）、これは光電変換装置に対し垂直に入射した光を屈折させないため、低屈折部に該当する。光屈折体６の低屈折部が２０％を超えると光電流向上効果が小さくなるため、好ましくない。
【００２５】
また、粒状結晶半導体３の充填率が３０％以上且つ９０％未満であることが好ましい。粒状結晶半導体３の充填率は、光電変換装置の面積に対し、粒状結晶半導体３の断面積が占める面積比とする。例えば、充填率４０％とは、光電変換装置に対して４０％粒状結晶半導体が占めており、６０％粒状結晶半導体３の間に隙間が存在する状態を示す。充填率が３０％未満の場合、光屈折による粒状結晶半導体３の間の隙間に直接入射する光を低減する効果が小さくなり、光電流向上効果が小さくなるため、好ましくなく、充填率が９０％以上の場合、粒状結晶半導体３の間の隙間が小さいため光屈折による光電流向上効果が小さいため、好ましくない。
【００２６】
また、より好ましくは、粒状結晶半導体３の配設位置と光屈折体６の形状を適切に設けることにより粒状結晶半導体３へ導く光を増加させる。光屈折角度は、空気と光屈折体の屈折率及び光屈折体の角度にて制御可能である。また、スネルの法則に従うため計算が可能であり、適当な設計が可能となる。一例を図１に示す通り、光屈折体６の形状は粒状結晶半導体３を配設した位置の上部の光屈折体６を凸状とし、粒状結晶半導体３を配設しない位置の上部を凹状とすることで粒状結晶半導体３へ入射する光を増加させることができる。また、適切な凹凸を設けることにより補助電極７上又は引き出し電極８上に入射する光を減らし、球状結晶半導体３上へ入射する光を増大させるとより好ましい。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
まず、アルミニウム基板１上に平均粒径６００μｍの粒状結晶ｐ形シリコン３を密に１層配設し、加熱して基板１と粒状結晶シリコン３を拡散接合させた。次に、エポキシ樹脂を粒状結晶シリコン３間に充填して絶縁層２を形成した。次に、ｎ形微結晶シリコン部４を５０ｎｍの厚みに触媒ＣＶＤ法で形成した。次に、酸化錫からなる保護膜５をスパッタリング法で８０ｎｍの厚みに形成した。次に、光電変換装置の上部にポリカーボネートからなる光屈折体６を設けた。光屈折体６は三角凹凸溝型（断面形状を図２に示す）とし、三角凹凸の角度を変化させることにより、光屈折体に垂直に入射する光が屈折する角度を変化させ、光電流密度を評価した結果を表１にまとめる。光屈折体６の厚みを３ｍｍとし三角凹凸深さ０．５ｍｍとした。三角凹凸の角度は光電変換装置に対して平行を０度、垂直を９０度とし、光が屈折する角度は垂直入射から屈折した角度とした。
【００２８】
【表１】
2004047615.tif 000003
【００２９】
上記結果から分かるように、光屈折体６を設けた場合光電流が向上し好ましい。好ましくは、光屈折体６による垂直に入射する光の屈折角度は５度以上である。次に、光屈折体６の低屈折部面積を変化させ光電流密度を評価した結果を表２にまとめる。光屈折体６の材料はガラスを用い、光屈折角度は１０度とした。
【００３０】
【表２】
2004047615.tif 000004
【００３１】
上記結果から分かるように、光屈折体６の低屈折部面積を２０％以下にするとより好ましい。
【００３２】
【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、第１導電型結晶半導体粒子、第２導電型半導体部、正極及び負極からなる光電変換装置において、上記結晶半導体粒子上に板状透明体から成る光屈折体を配設したことにより、光電流が向上し、変換効率が向上する効果を有する。また、生産性も高く、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】本発明の光電変換装置の光屈折体を示す断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の光屈折体を示す断面図である。
【図４】本発明の光電変換装置の光屈折体を示す断面図である。
【図５】本発明の光電変換装置の光屈折体を示す断面図である。
【図６】光屈折体の比較例を示す断面図である。
【図７】本発明の光電変換装置の光屈折体を示す断面図である。
【図８】従来の光電変換装置を示す断面図である。
【図９】従来の他の光電変換装置を示す断面図である。
【図１０】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・・・・アルミニウム層
２・・・・絶縁層
３・・・・第１導電型の粒状結晶半導体
４・・・・第２導電型の半導体部
５・・・・上部電極層
６・・・・光屈折体
６ａ・・・光屈折体の低屈折率部
６ｂ・・・光屈折体の高屈折率部
７・・・・補助電極
８・・・・引き出し電極
９・・・・第１のアルミニウム箔
１０・・・ｐ形シリコン球
１１・・・ｎ形表皮部
１２・・・酸化物層
１３・・・第２のアルミニウム箔
１４・・・透明コーティング
１５・・・第１のアルミニウム箔
１６・・・ｐ形中心核上にｎ形表皮部を持つシリコン球
１７・・・第２のアルミニウム箔
１８・・・端部
１９・・・カバーガラス
２０・・・凹凸上部が平坦化された表面
２１・・・透明導電膜層
２２・・・半導体層
２３・・・裏面電極層
２４・・・ＥＶＡ膜
２５・・・裏面ガラス
【図１】
2004047615.tif 000005
【図２】
2004047615.tif 000006
【図３】
2004047615.tif 000007
【図４】
2004047615.tif 000008
【図５】
2004047615.tif 000009
【図６】
2004047615.tif 000010
【図７】
2004047615.tif 000011
【図８】
2004047615.tif 000012
【図９】
2004047615.tif 000013
【図１０】
2004047615.tif 000014