(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、第１導電型の結晶シリコン粒子３を多数配設し、この結晶シリコン粒子３間に絶縁物質２を介在させ、この結晶シリコン粒子３上に第２導電型の半導体部４を形成し、この第２導電型の半導体部４上に透明電極層５を形成した光電変換装置であって、上記透明電極層５の厚みが上記結晶シリコン粒子３上部で薄く、側部で厚くすることによって、直列抵抗低減効果及び光閉じ込め効果によって変換効率を向上させる。【選択図】  図１
2004200513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成した光電変換装置において、前記透明電極層の厚みが前記結晶シリコン粒子上部で薄く、側部で厚いことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記透明電極層の膜厚が結晶シリコン粒子上部より結晶シリコン粒子側部で５％以上厚い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】
前記透明電極層の膜厚が結晶シリコン粒子上部で７０ｎｍ以上１１０            ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記透明電極層が酸化錫、酸化亜鉛、ＩＴＯ又は酸化チタンからな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５】
一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層をバイアススパッタ法により形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項６】
一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層を塗布液を用いて形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項７】
一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層をイオンビームアシストスパッタ法により形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【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とその製造方法に関し、特に結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置とその製造方法に関する。
【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２に示す。この光電変換装置は、基板１上に低融点金属層７を形成し、この低融点金属層８上に半導体粒子３を配設し、この半導体粒子３上に第２導電型の非晶質半導体層６と透明導電層５を上記低融点金属層７との間に絶縁層２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１参照）。
【０００３】
また、図３に示すように、金属電極１０上にアルミペースト９を形成し、このアルミペースト９上に半導体粒子３を配設し、この半導体粒子３上に第２導電型の微結晶半導体層８と透明電極層５を上記アルミペースト９との間に絶縁層２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２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２６４１８００号公報
【特許文献２】
特開平３−２２８３７９号公報
【０００５】
【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、直列抵抗が大きいため曲線因子が低く、また半導体粒子間に入射した光を利用できないため、低変換効率であるという問題点があった。また、図３に示す従来の光電変換装置においても直列抵抗が大きいため曲線因子が低く、また半導体粒子間に入射した光を利用できないため、低変換効率であるという問題点があった。
【０００６】
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、その目的は高い変換効率且つ高い信頼性を有する光電変換装置とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【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、一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成した光電変換装置において、前記透明電極層の厚みが前記結晶シリコン粒子上部で薄く、側部で厚いことを特徴とする。
【０００８】
上記光電変換装置では、前記透明電極層の膜厚が結晶シリコン粒子上部より結晶シリコン粒子側部で５％以上厚いことが望ましい。
【０００９】
また、上記光電変換装置では、前記透明電極層の膜厚が結晶シリコン粒子上部で７０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１０】
また、上記光電変換装置では、前記透明電極層が酸化錫、酸化亜鉛、ＩＴＯ又は酸化チタンであることが望ましい。
【００１１】
本発明の請求項５に係る光電変換装置の製造方法によれば、一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層をバイアススパッタ法により形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に係る光電変換装置の製造方法によれば、一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層が塗布液を用いて形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に係る光電変換装置の製造方法によれば、一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記透明電極層をイオンビームアシストスパッタ法により形成することを特徴とする。
【００１４】
【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導電型の半導体層、５は上部電極層、６は補助電極である。
【００１５】
基板１としては、金属、ガラス、セラミック及び樹脂等が用いられ、好ましくは、銀、アルミニウム、銅等の高反射金属が用いられる。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。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。
【００１６】
絶縁層２は、正極と負極の分離を行うために粒状結晶シリコン３間に充填する。絶縁層２としては、ホウ酸系、鉛系、リン系等のガラス材料、エポキシ、アクリル、ポリイミド、ＥＶＡ等の樹脂材料等である。絶縁層２の波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの透過率は８０％以上であることが好ましい。透過率が８０％以下であると、粒状結晶シリコンへ入射する光の量が減少し変換効率が低下するからである。
【００１７】
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。前記粒状結晶半導体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１０14〜１０20ａｔｍ／ｃｍ3程度添加したものである。
【００１８】
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、スパッタ法等で形成する。また、第２導電型半導体部４の膜厚は５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。第２導電型半導体部４の膜厚が５ｎｍ未満の時、第２導電型半導体部４が途切れる個所が発生するおそれがある。第２導電型半導体部４の膜厚が５００ｎｍを超える時、第２導電型半導体部４の光吸収が大きくなり変換効率が低下するおそれがある。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型を呈するＢ、Ａｌ等、又はｎ型を呈する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。
【００１９】
また、本発明は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を呈する。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を呈する。複数の接合を有する光電変換装置として、例えば、ｐ型結晶半導体粒子上にｎ型微結晶質半導体層を形成し、その上に中間層を介してｐ型非晶質半導体層、Ｉ型非晶質半導体層、ｎ型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。
【００２０】
透明電極層５は、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＴＯ、酸化チタンからなる。不純物として、炭素、窒素、金属元素等が２０％程度含まれていてもよい。透明電極層５の厚みは結晶シリコン粒子３上部で薄く、側部で厚い。通常のスパッタ法においては、結晶シリコン粒子上部の膜厚が厚く、結晶シリコン粒子側部の膜厚が薄くなるため、直列抵抗が大きく、変換効率が低いという問題があった。本発明の透明電極層５においては、結晶シリコン粒子３の側部の透明電極層を厚くすることにより直列抵抗を低減することができる。更に、透明電極層５が結晶シリコン粒子３上部で薄いため、結晶シリコン粒子３上部に入射した光が透明電極層５の光吸収ロスが少なくでき、また、透明電極層５が結晶シリコン粒子３側部で厚いため、結晶シリコン粒子３間に入射した光をより多く結晶シリコン粒子３へ導くことができるため好ましい。これらの直列抵抗低減及び光閉じ込め構造の複合効果により変換効率が向上する効果を有する。
【００２１】
また、透明電極層５の膜厚は結晶シリコン粒子３上部より結晶シリコン粒子３側部が５％以上厚いことが好ましい。透明電極層５の膜厚が結晶シリコン粒子３上部より結晶シリコン粒子側部で５％未満厚いとき、直列抵抗低減効果、光閉じ込め効果が小さいからである。また、透明電極層５の膜厚は結晶シリコン粒子上部で７０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが好ましい。透明電極層５の膜厚が、７０ｎｍ未満または１１０ｎｍを超えるとき、反射防止効果が小さくなり、変換効率が低下するからである。
【００２２】
また、透明電極層５はバイアススパッタ法により形成することが好ましい。基板にバイアス電圧をかけながらスパッタ法で透明電極層５を形成することにより、透明電極層５の膜厚分布を結晶シリコン粒子３上部で薄く、結晶シリコン粒子側部で厚くすることが可能となる。このとき、基板に印加するバイアス電圧が大きすぎると透明電極層５が形成されにくくなって成膜レートが低下するために好ましくなく、バイアス電圧が小さすぎると好ましい膜厚分布が形成できないために好ましくない。最適なバイアス電圧は装置によって異なるが、例えば１Ｖ以上１００Ｖ以下である。装置条件によっては自己バイアスを利用することも可能である。
【００２３】
また、透明電極層５が塗布液を用いて形成されることが好ましい。塗布方法としては、スピンコート法、スプレー法、スクリーン印刷法等がある。ＩＴＯ微粒子を分散したＩＴＯインク、有機Ｉｎと有機Ｓｎを用いた熱分解系ＩＴＯインク等を塗布して熱処理を行うことによって透明電極層５を形成する。塗布量を制御することにより、結晶シリコン粒子３上部で薄く、側部で厚い膜厚分布を実現できる。塗布量としては、インクの種類にも依存するが、塗布した際に結晶シリコン粒子間に液溜りが観察できる程度が好ましい。
【００２４】
また、透明電極層５はイオンビームアシストスパッタ法により形成してもよい。基板１にイオンビームを照射しながらスパッタ法で透明電極層５を形成することにより、透明電極層５の膜厚分布を結晶シリコン粒子３上部で薄く、結晶シリコン粒子側部で厚くすることが可能となる。このとき、基板１に照射するイオンビームエネルギーが大きすぎると、透明電極層５が形成されにくくなって成膜レートが低下するために好ましくなく、反対にイオンビームエネルギーが小さすぎると好ましい膜厚分布が形成できないために好ましくない。最適なイオンビームエネルギーは装置によって異なるが、例えば５０ｅＶ以上１２００ｅＶ以下である。イオン種は、Ａｒ、窒素、酸素等である。
【００２５】
また、透明電極層５はレーザーアシストスパッタ法、イオンクラスタビーム法により形成してもよい。レーザーアシストスパッタ法、イオンクラスタビーム法にて透明電極層５を形成することによっても、透明電極層５の膜厚分布を結晶シリコン粒子３上部で薄く、結晶シリコン粒子側部で厚くすることが可能である。
【００２６】
補助電極６は、銀又は銅ペーストを適切なパターンで形成する。印刷法、ディスペンサー法、転写法等により形成する。結晶シリコン粒子３を配置しない箇所をあらかじめ設けておき、その箇所に補助電極６を形成するとより好ましい。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の光電変換装置について具体例を説明する。
まず、アルミニウム基板１上に平均粒径５００μｍの粒状結晶ｐ型シリコン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、ポリイミド樹脂を粒状結晶シリコン間に充填して加熱焼成して絶縁層２を形成した。次に、フッ酸水溶液にて粒状結晶シリコン表面の酸化層を除去した後、ｎ形微結晶シリコン部４を５０ｎｍ触媒ＣＶＤ法により形成した。次に、ＩＴＯからなる透明電極層５をバイアススパッタ法により粒状結晶シリコン３上部に９０ｎｍ形成し、粒状結晶シリコン３側部の膜厚を変化させ変換効率を評価した結果を表１にまとめる。
【００２８】
【表１】
2004200513.tif 000003
【００２９】
上記結果から分かるように、粒状結晶シリコン３側部の膜厚を５％以上厚くするとき変換効率が向上する。
【００３０】
次に、アルミニウム基板１上に平均粒径３００μｍの粒状結晶ｐ型シリコン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、ホウ酸系ガラスを粒状結晶シリコン間に充填させ加熱焼成し絶縁層２を形成した。次に、フッ酸水溶液にて粒状結晶シリコン表面の酸化層を除去した後、ｎ形シリコン部４を１００ｎｍプラズマドーピング法により形成した。次に、酸化錫からなる透明電極層５をスパッタ法により８０ｎｍ形成した後に更に平均粒径５０ｎｍＩＴＯ微粒子をアクリル樹脂に分散したＩＴＯインクをスプレー法により塗布し、２００℃３０分加熱処理して形成し、粒状結晶シリコン３側部の膜厚を変化させ変換効率を評価した結果を表２にまとめる。
【００３１】
【表２】
2004200513.tif 000004
【００３２】
上記結果から分かるように、粒状結晶シリコン３側部の膜厚を５％以上厚くするとき変換効率が向上するために好ましい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の光電変換装置によれば、一方の電極となる基板上に、第１導電型の結晶シリコン粒子を多数配設し、この結晶シリコン粒子間に絶縁物質を介在させ、この結晶シリコン粒子上に第２導電型の半導体部を形成し、この第２導電型の半導体部上に透明電極層を形成した光電変換装置において、上記透明電極層の厚みが上記結晶シリコン粒子上部で薄く、側部で厚いことによる直列抵抗低減効果及び光閉じ込め効果により変換効率が向上する。
【００３４】
また、請求項５の光電変換装置の製造方法によれば、上記透明電極層をバイアススパッタ法により形成することから、上記透明電極層の厚みが上記結晶シリコン粒子上部で薄く、側部で厚く形成でき、もって直列抵抗低減効果及び光閉じ込め効果によって変換効率を向上させることができる。
【００３５】
また、請求項６の光電変換装置の製造方法によれば、上記透明電極層を塗布液を用いて形成することから、上記透明電極層の厚みが上記結晶シリコン粒子上部で薄く、側部で厚く形成でき、もって直列抵抗低減効果及び光閉じ込め効果によって変換効率を向上させることができる。
【００３６】
また、請求項７の光電変換装置によれば、上記透明電極層をイオンビームアシストスパッタ法により形成することから、基板にイオンビームを照射しながらスパッタ法で透明電極層を形成することになり、透明電極層の膜厚分布を結晶シリコン粒子上部で薄く、結晶シリコン粒子側部で厚くすることが可能となる。
【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。
【符号の説明】
１・・・・基板
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・・・・透明導電層
６・・・・補助電極
７・・・・第２導電型の非晶質半導体層
８・・・・低融点金属層
９・・・・第２導電型の微結晶半導体層
１０・・・アルミペースト
【図１】
2004200513.tif 000005
【図２】
2004200513.tif 000006
【図３】
2004200513.tif 000007