(57)【要約】【課題】フィンガー電極およびバスバー電極を有し、シャドウロスを軽減できる高効率な光電変換装置を提供すること。【解決手段】導電性基板１の一主面に、第１の導電型の結晶半導体粒子２を多数個、下部を導電性基板１に接合し、隣接するもの同士の間に絶縁物質３を介在させるとともに上部を絶縁物質３から露出させて配置し、これら結晶半導体粒子２および絶縁物質３を覆うように第２の導電型の半導体層４を形成し、この上に透光性導体層５を積層し、透光性導体層５の結晶半導体粒子２間に位置する部位の上にフィンガー電極８を配設した光電変換装置である。フィンガー電極８と接する部分は元々発電にほとんど寄与しない部位であるので、フィンガー電極８の配線はシャドウロスを生じない。さらに、フィンガー電極８の形状に対応するように結晶半導体粒子２が配置されているときには、シャドウロスを生じないフィンガー電極８を配線するのが容易となる。【選択図】  図１
2005038990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板の一主面に、第１の導電型の結晶半導体粒子を多数個、下部を前記導電性基板に接合し、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置し、これら結晶半導体粒子および絶縁物質を覆うように第２の導電型の半導体層を形成し、該半導体層上に透光性導体層を積層し、該透光性導体層の前記結晶半導体粒子間に位置する部位の上にフィンガー電極となる導体層を配設したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記導体層の両側に位置する前記結晶半導体粒子が、前記フィンガー電極の形状に対応するように配置されてい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】
前記結晶半導体粒子が最密六方充填構造に配置されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間にジグザグ状に屈曲させて配設されていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記結晶半導体粒子が格子状に配置されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間に直線状に配設されていることを特徴とする請求項２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、特に結晶半導体粒子を用いた光電変換装置における電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な結晶板系の光電変換装置は、ｐ型シリコン基板の一主面側にｎ型半導体領域を形成してｐｎ接合部を形成し、さらにその上に透光性導体層により透明電極を全面に形成し、この基板の一主面側の透明電極上と基板の裏面側とにそれぞれ電極を形成したものである。透明電極上の電極としては、ｐｎ接合部への光の入射を極力妨げないように並列ライン状に形成された集電用のフィンガー電極と、各フィンガー電極が電気的に接続されて、各フィンガー電極からの電流を集合させる金属製のバスバー電極とが設けられているのが通常であり、これによって集電効率の向上が図られている。フィンガー電極としては、通常は、導電物質として銀（Ａｇ）を含有する熱硬化型導電性ペーストを透明電極上に並列ライン状にスクリーン印刷して形成したものが用いられている。
【０００３】
一方、ｐｎ接合部の形成に結晶半導体粒子を用いた光電変換装置においても同様に、フィンガー電極を形成するために、熱硬化型導電性ペーストを並列ライン状に結晶半導体粒子上あるいは結晶半導体粒子間あるいは結晶半導体粒子側面にスクリーン印刷したり、ワイヤボンディングを行なったりして形成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１６２４３４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平６−１３６３３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フィンガー電極とバスバー電極とを備えた従来の結晶板系の光電変換装置においては、受光面側にこれらの電極があるために、この受光面側電極によって入射光が遮られて、影によるデッドスペースが発生する、シャドウロスといわれる問題がある。
【０００７】
一般的な結晶板系の光電変換装置がこのような電極構造をとる理由は、透明電極中でのジュール熱損失を低減する目的である。すなわち、直列接続の電極構造を形成しない光電変換装置では、ｐｎ接合部で発生したキャリアが透明電極および裏面の電極中を、光電変換装置の端部に設けられるリード線取り出し部まで長い距離にわたって移動することになる。裏面の電極としては金属電極が用いられる場合が一般的であり、この場合、金属電極は抵抗が小さく、したがって金属電極中を電流が流れることによるジュール熱損失は無視することができる。
【０００８】
しかしながら、透明電極の材料から成る薄膜のシート抵抗は、通常５〜３０Ω／□と比較的大きいため、透明電極中ではジュール熱による電力損失が発生する。そのため、受光面側にフィンガー電極およびバスバー電極を設けることにより、ジュール熱による電力損失を極力抑えることが必要である。この際、フィンガー電極およびバスバー電極の配列は、シャドウロスはできるだけ小さくするとともに、ジュール熱による電力損失が極力小さくなるような配列に設計される。
【０００９】
このような問題は結晶半導体粒子を用いた光電変換装置においても例外ではなく、電極で発生するジュール熱を低減させるため、網目状に編んだ支持体の上にある正極導体および負極導体からなる各網目に粒状Ｓｉを配置した網目法（例えば、特許文献１参照。）、あるいはアルミ箔を用いて結晶半導体粒子を接続するアルミ法（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。
【００１０】
しかしながら、網目法では網状支持体の作製にコストがかかり網目の大きさの均一性にも問題があり、またアルミ法ではＳｉ粒子を所定の穴に埋めこむ工程が複雑で高速多量の製造には不向きであるという問題があった。
【００１１】
本発明は以上のような従来の技術における問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィンガー電極によるシャドウロスをできるだけ小さくし、かつ工程の複雑さを解消できるように、またフィンガー電極の面積の影響を受けることがないように結晶半導体粒子の粒子間にワイヤボンディングまたは印刷法によりフィンガー電極を配設することによって、電力損失が極力小さい結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電変換装置は、導電性基板の一主面に、第１の導電型の結晶半導体粒子を多数個、下部を前記導電性基板に接合し、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置し、これら結晶半導体粒子および絶縁物質を覆うように第２の導電型の半導体層を形成し、この半導体層上に透光性導体層を積層し、この透光性導体層の前記結晶半導体粒子間に位置する部位の上にフィンガー電極となる導体層を配設したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の光電変換装置は、上記構成において、前記導体層の両側に位置する前記結晶半導体粒子が、前記フィンガー電極の形状に対応するように配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置は、上記構成において、前記結晶半導体粒子が最密六方充填構造に配置されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間にジグザグ状に配設されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の光電変換装置は、上記構成において、前記結晶半導体粒子が格子状に配設されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間に直線状に配設されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の光電変換装置を詳細に説明する。
【００１７】
図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す平面図およびその要部拡大断面図である。図１において、１は導電性基板、２は結晶半導体粒子、３は絶縁物質、４は半導体層、５は透光性導体層、６は導電性基板１の材料、例えばアルミニウムと結晶半導体粒子２の材料、例えばシリコンとの溶着層、８はフィンガー電極、７はフィンガー電極８により集められた電流を集合させて取り出すためのバスバー電極である。
【００１８】
導電性基板１は、金属または表面に金属が被着されたセラミックス等から成る板状体であり、その金属としては、例えばアルミニウム，アルミニウム合金，鉄，ステンレス，ニッケル合金等が用いられる。また、そのセラミックスとしては、例えばアルミナセラミックス等が用いられる。
【００１９】
導電性基板１の一主面上には、第１の導電型の結晶半導体粒子２を多数個配設し、所定の温度で熱処理することによって、両者を溶着して溶着層６を介するなどして接合させる。この結晶半導体粒子２は、例えば半導体としてＳｉを用い、第１の導電型がｐ型の場合にはＢ，Ａｌ，Ｇａ等が、また第１の導電型がｎ型の場合にはＰ，Ａｓ等を微量元素として含んでいるものである。
【００２０】
絶縁物質３は、導電性基板１の一主面に、結晶半導体粒子２の隣接するもの同士の間に、結晶半導体粒子２の上部を露出させるように介在している。この絶縁物質３は、正極と負極とに相当する導電性基板１と透光性導体層５との電気的な分離を行なうための絶縁材料から成り、例えば低温焼成用ガラス材料から成るフィラーを複合したガラス組成物、あるいはシリコーン樹脂を主成分とする絶縁樹脂等が用いられる。これらの絶縁材料を導電性基板１の一主面に多数個配置された結晶半導体粒子２の隣接するもの同士の隙間に層状に形成することによって、絶縁物質３が配設される。
【００２１】
第２の導電型の半導体層４は、例えばＳｉから成り、気相成長法等で例えばシラン化合物の気相にｎ型を呈するリン系化合物の気相、またはｐ型を呈するホウ素系化合物の気相を微量導入して、結晶半導体粒子２の第１の導電型と逆の導電型（第１の導電型がｐ型ならｎ型、第１の導電型がｎ型ならｐ型）の半導体として、結晶半導体粒子２および絶縁物質３を覆うように形成する。この半導体層４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あってもよい。
【００２２】
半導体層４は、図１（ｂ）に示すように、結晶半導体粒子２およびそれらの間に介在している絶縁物質３の表面に沿って形成し、絶縁物質３から上部を露出させている結晶半導体粒子２の凸状の曲面形状に沿って形成することが望ましい。このように結晶半導体粒子２の凸状の曲面状の表面に沿って形成することによって、第１の導電型の結晶半導体粒子２と第２の導電型の半導体層４とによるｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、このｐｎ接合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ので、高効率な太陽電池として機能する光電変換装置を得ることができる。
【００２３】
半導体層４上には透光性導体層５を積層する。透光性導体層５はスパッタリング法や気相成長法等の成膜方法あるいは塗布焼成等によって形成し、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＺｎＯおよびＴｉＯ２等から選ばれる１種または複数種の酸化物系膜を形成する。透光性導体層５は膜厚を選べば反射防止膜としての効果も期待できる。
【００２４】
そして、光電変換装置における集電電極の直列抵抗値を低くするために、透光性導体層５の結晶半導体粒子２の間に位置する部位の上に、フィンガー電極８となるパターンに複数の導体層を配設し、これらをバスバー電極７でもって互いに接続し、これによって光電変換装置としての変換効率を向上させる。このとき、本発明の光電変換装置においては、フィンガー電極８は、シャドウロスを減らすべく結晶半導体粒子２をできるだけ覆わないように、結晶半導体粒子２の間に位置するように配設される。
【００２５】
本発明の光電変換装置によれば、このように透光性導体層５の結晶半導体粒子２間に位置する部位の上にフィンガー電極８となる導体層を配設したことから、フィンガー電極８と接する部分は元々発電にほとんど寄与しない部位であるので、フィンガー電極８の配線はシャドウロスを生じないという効果がある。
【００２６】
また、このとき、フィンガー電極８の両側に位置する結晶半導体粒子２が、例えば図１（ａ）に示すように通常は直線状に配線されるフィンガー電極８を避けて両側に沿って多数個が並ぶように、フィンガー電極８の形状に対応するように配置されていることが望ましい。また、直線状に配線されない場合は、結晶半導体粒子２を避けてフィンガー電極８を結晶半導体粒子２の側に沿うようにジグザグ状に配置してもよい。
【００２７】
このようにフィンガー電極８の両側に位置する結晶半導体粒子２がフィンガー電極８の形状に対応するように配置されているときには、シャドウロスとはならないフィンガー電極８を配線するのが容易となる。
【００２８】
次に、本発明の光電変換装置の実施の形態の他の例を、図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ図１（ａ）と同様の平面図およびそのａ部を拡大した要部拡大平面図で示す。図２において図１と同様の箇所には同じ符号を付してあり、１は導電性基板、２は結晶半導体粒子、７はバスバー電極、８はフィンガー電極であり、８’はフィンガー電極８の一部であり、ジグザグ状に屈曲させて配設されたフィンガー電極８の屈曲部を確実に接続するための導電性ペースト等からなる接続部である。
【００２９】
図２に示した例においては、多数個の結晶半導体粒子２は導電性基板１の一主面上で、平面上で球状の粒子が最も密に配置された状態である、最密六方充填構造に配置されており、フィンガー電極８は、それら結晶半導体粒子２間にジグザグ状に屈曲させて配設されている。
【００３０】
本発明の光電変換装置によれば、このように結晶半導体粒子２が最密六方充填構造に配置されており、フィンガー電極８がそれら結晶半導体粒子２間にジグザグ状に屈曲させて配設されているときには、最密六方充填構造で結晶半導体粒子２が配置されているので高い電流密度が得られると同時に、フィンガー電極８の配線がシャドウロスとはならないので、フィンガー電極８を設けても高い電流値を得ることができる。
【００３１】
また次に、本発明の光電変換装置の実施の形態のさらに他の例を、図３（ａ）および（ｂ）にそれぞれ図２と同様の平面図およびそのＢ部を拡大した要部拡大平面図で示す。図３においても図１および図２と同様の箇所には同じ符号を付してあり、１は導電性基板、２は結晶半導体粒子、７はバスバー電極、８はフィンガー電極である。
【００３２】
図３に示した例においては、多数個の結晶半導体粒子２は導電性基板１の一主面上で格子状の並びに縦横に配置されており、フィンガー電極８は、それら結晶半導体粒子２間に直線状に配設されている。
【００３３】
本発明の光電変換装置によれば、このように結晶半導体粒子２が格子状に配置されており、フィンガー電極８がそれら結晶半導体粒子２間に直線状に配設されているときには、その配設にはスクリーン印刷が比較的容易に適用できるとともに、前述の例と同様にフィンガー電極８の配線がシャドウロスとはならないので、フィンガー電極８を設けたことによる電流の低下を防止することができる。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明する。
【００３５】
［実施例１］
実施例１として、図２に示した例の本発明の光電変換装置を以下のようにして作製した。
【００３６】
まず、ＳＵＳ４３０から成る基板上にＮｉ箔を介して両面にアルミニウム合金層を冷間圧延させたアルミニウム合金基板から成る導電性基板１上に、ｐ型の結晶半導体粒子２としてのシリコン粒子を六方最密充填構造に並べて、６００℃で３０分間加熱して、これらシリコン粒子をアルミニウム合金層に溶着させることによって、シリコン粒子の下部を導電性基板１の主面に接合させた。
【００３７】
次いで、その上にシリコン樹脂を主成分とする絶縁物質３を用いて、シリコン粒子の上部を露出させて隣接するシリコン粒子間に介在するように塗布形成し、大気中にて加熱して絶縁物質３を形成した。その後、シリコン粒子の上部の表面をクリーニングするために酸にて洗浄し、シリコン粒子および絶縁物質３の上にｎ型の結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混晶の半導体層４を３００ｎｍの厚みに形成し、さらに透光性導体層５としてＩＴＯ膜を８０ｎｍの厚みに形成して積層した。
【００３８】
このようにして作製した光電変換装置の透光性導体層５上に、０．０２５ｍｍφのＮｉ線をフィンガー電極８として用いて、最密六方充填構造に配置されているシリコン粒子の間にジグザグ状に屈曲させて配設し、その屈曲部を導電性ペーストを用いた接続部８’により一定間隔で透光性導体層５上に固着して、フィンガー電極８とした。またこのとき、フィンガー電極８のピッチ（フィンガー間隔）をプログラムにより変えて、通常、透光性導体層５の材料から成る薄膜のシート抵抗が約３０Ω／□のときの一般的な結晶板系の光電変換装置のフィンガー電極のピッチは２〜４ｍｍであるので、シリコン粒子の表面積を考慮して、２．０３ｍｍ，１．０３ｍｍおよび０．３４ｍｍとしたものを作製した。これにより、本発明の実施例の光電変換装置を得た。
【００３９】
また、Ｎｉ線を配設する位置をシリコン粒子の粒状体の天頂部付近の上部とした比較例の光電変換装置も作製した。そして、これら実施例および比較例の光電変換装置について電気特性の比較を行なった。その結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2005038990.tif 000003
【００４１】
表１に示すように、結晶半導体粒子２間に位置するようにフィンガー電極８を配設したときは、シャドウロスによる電流密度の低下が抑制され、光電変換装置としての電気特性が優れていることが分かる。さらにフィンガー電極８のピッチを小さくして本数を増やしても、ほとんどシャドウロスが生じていないことが分かる。
【００４２】
〔実施例２〕
実施例２として、図３に示した例の本発明の光電変換装置を以下のようにして作製した。
【００４３】
まず、アルミニウム合金基板上にＮｉ箔を介して両面にアルミニウム合金層を冷間圧延させた導電性基板１上に、ｐ型の結晶半導体粒子２としてのシリコン粒子を格子状に並べて、大気中にて６００℃で３０分間加熱して、これらシリコン粒子をアルミニウム合金層に溶着させることによって、シリコン粒子の下部を導電性基板１の主面に接合させた。
【００４４】
以下、実施例１と同様にして、絶縁物質３を形成し、ｎ型の結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混晶の半導体層４を３００ｎｍの厚みに形成し、さらに透光性導体層５としてＩＴＯ層を形成した。このように作製した光電変換装置の透光性導体層５上に、フィンガー電極８として導電性ペーストを用いてシリコン粒子の間に直線状に印刷した。
【００４５】
またこのとき、フィンガー電極８のピッチを、実施例１と同様に、２．０３ｍｍ，１．０３ｍｍおよび０．３４ｍｍとしたものを作製した。これにより、本発明の実施例の光電変換装置を得た。
【００４６】
また、フィンガー電極８を直線状に配設する位置をシリコン粒子の粒状体の天頂部付近の上部とした比較例の光電変換装置も作製した。そして、これら実施例および比較例の光電変換装置について電気特性の比較を行なった。その結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
2005038990.tif 000004
【００４８】
表２に示すように、実施例１においてシリコン粒子間にＮｉ線を配設したときと同様に、シリコン粒子間にフィンガー電極８を配設したときの方が比較例よりも電流密度が向上することが分かる。さらに、フィンガー電極８のピッチを小さくし本数を増やして配設しても、ほとんどシャドウロスは生じていないことが分かる。
【００４９】
なお、本発明は以上の実施の形態の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であれば種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、結晶半導体粒子間のフィンガー電極の配線位置は、結晶半導体粒子のない部位のみならず、結晶半導体粒子の側面の一部も使用してもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の光電変換装置によれば、導電性基板の一主面に、第１の導電型の結晶半導体粒子を多数個、下部を前記導電性基板に接合し、隣接するもの同士の間に絶縁物質を介在させるとともに上部を前記絶縁物質から露出させて配置し、これら結晶半導体粒子および絶縁物質を覆うように第２の導電型の半導体層を形成し、この半導体層上に透光性導体層を積層し、この透光性導体層の前記結晶半導体粒子間に位置する部位の上にフィンガー電極となる導体層を配設したことから、フィンガー電極の配線がシャドウロスを生じないので、フィンガー電極を設けたことによる電流の低下を防止することができる。
【００５１】
また、本発明の光電変換装置によれば、前記導体層の両側に位置する前記結晶半導体粒子が、前記フィンガー電極の形状に対応するように配置されているときには、シャドウロスとはならないフィンガー電極を配線するのが容易となる。
【００５２】
また、本発明の光電変換装置によれば、前記結晶半導体粒子が最密六方充填構造に配置されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間にジグザグ状に屈曲させて配設されているときには、最密六方充填構造で結晶半導体粒子が配置されているので高い電流密度が得られると同時に、フィンガー電極の配線がシャドウロスを生じないので、フィンガー電極を設けても高い電流値を得ることができる。
【００５３】
また、本発明の光電変換装置によれば、前記結晶半導体粒子が格子状に配置されており、前記導体層がそれら結晶半導体粒子間に直線状に配設されているときには、その配設にはスクリーン印刷が比較的容易に適用できるとともに、前記と同様にフィンガー電極の配線がシャドウロスを生じないので、フィンガー電極を設けたことによる電流の低下を防止することができる。
【００５４】
以上により、本発明によれば、フィンガー電極によるシャドウロスをできるだけ小さくし、かつ工程の複雑さを解消できるように、またフィンガー電極の面積の影響を受けることがないように結晶半導体粒子の粒子間にワイヤボンディングまたは印刷法によりフィンガー電極を配設することによって、電力損失が極力小さい結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す平面図および要部拡大断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光電変換装置の実施の形態の他の例を示す平面図および要部拡大平面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の光電変換装置のさらに他の例を示す平面図および要部拡大平面図である。
【符号の説明】
１・・・・導電性基板（第１の電極）
２・・・・結晶半導体粒子
３・・・・絶縁物質
４・・・・半導体層
５・・・・透光性導体層（第２の電極）
６・・・・溶着層
７・・・・バスバー電極
８・・・・フィンガー電極（第３の電極）
【図１】
2005038990.tif 000005
【図２】
2005038990.tif 000006
【図３】
2005038990.tif 000007