(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記凹状部が一導電型半導体層の表面側に周期的に多数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記一導電型半導体結晶粒子が配設された前記凹状部の空隙に絶縁物質が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記一導電型半導体層の厚みが前記一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さ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５】
前記一導電型半導体層が結晶質半導体から成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６】
前記逆導電型半導体層が結晶質半導体から成ることを特徴とする請求項１に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】
本発明は太陽電池などに用いられる光電変換装置に関し、特に基板上に多数の半導体結晶粒子を配設した光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンなどを素材とする太陽電池は、他の電力生成手段に比べてその製造・使用の過程において環境を汚染する要素が少なく、しかも太陽が主なエネルギー源であるために、経済的であるという特徴をもつ。従来から広く実用に供されている比較的高効率の太陽電池は、比較的低価格の金属級シリコンから種々の高純度化工程を経て、最終的に溶融引き上げ等によって形成した単結晶ないし多結晶シリコンから切り出したウェハを出発素材としているため、素材ウェハ自身が高価格であり、従って太陽電池素子もその分高価にならざるを得ず、普及の妨げになっていた。
【０００３】
一方、太陽電池素子の低価格化をはかるために、シリコンからなる球状の結晶半導体粒子を作製する方法が提案されている。従来の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を図４および図５に示す。
【０００４】
図４に示すように、米国特許第４５１４５８０号公報によれば、鋼基板８の周囲にアルミニウム膜２を形成し、粉砕シリコン粒子９をアルミニウム膜２に接合し、絶縁物質層６、ｎ形シリコン部１０、透明導電層１１を順次形成した光電変換素子が開示されている。
【０００５】
また、図５に示すように、米国特許第５４１９７８２号公報によれば、第１のアルミニウム箔１２に開口を形成し、その開口にｐ形の上にｎ形表皮部１４を持つシリコン球１３を結合し、球１３の裏側のｎ形表皮部１４を除去し、アルミニウム１６上に酸化物１５をコーティングし、球１３の裏側の酸化物１５を除去し、第２のアルミニウム箔１６と接合し、透明なコーティング１７を表面に設け、このコーティング１７がシリコン球１３のない位置でＶ字状に鋭角的に交差する部分を設けることによりシリコン球１３のない位置に入射した光をシリコン球１３へ導いて変換効率を向上させる光電変換装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示す従来の米国特許第４５１４５８０号公報の光電変換装置では、半導体粒子９の周辺部に入射した光を効率的に利用することができず、変換効率が低いという問題があった。
【０００７】
また、図５に示す米国特許第５４１９７８２号公報の光電変換装置では、シリコン球のない位置でＶ字状に交差する形状を持つコーティング１７により変換効率を向上させるとあるが、シリコン球のない位置でＶ字状に交差する形状を形成することは技術的に難しいために生産性が悪く、また長期に渡って太陽光にさらされる場合、コーティング材料１７に劣化が生じ、徐々に変換効率が低下するという問題があり、さらに３次元的に考察すると球を敷き詰めた間の領域の部分に到達した太陽光線を十分に活用できていないため、大きな値の変換効率は得られないという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は高効率の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、請求項１に係る光電変換装置では、表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことを特徴とする。
【００１０】
上記光電変換装置では、前記凹状部が一導電型半導体層の表面側に周期的に多数形成されていることが望ましい。
【００１１】
上記光電変換装置では、前記一導電型半導体結晶粒子が配設された前記凹状部の空隙に絶縁物質が充填されていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記光電変換装置では、前記一導電型半導体層の厚みが前記一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さいことが望ましい。
【００１３】
また、上記光電変換装置では、前記一導電型半導体層および／または逆導電型半導体層が結晶質半導体から成ることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図２は本発明の実施形態の一例を示す平面図であり、図１は図２のＸ−Ｘ’線断面である。図１の光電変換装置では、セラミックや樹脂等の絶縁基板１上に、Ａｌなどからなる導電領域（金属膜）２が形成されており、この導電領域２上に、表面に凹状部３ａが多数形成された例えばｐ型（一導電型）のＳｉなどからなる結晶半導体層３が形成され、この凹状部３ａ内に同じくｐ型のＳｉなどからなる球状の半導体結晶粒子４が配設されてコンタクトホール７を介して導電領域２に電気的に接続されており、このｐ型の半導体結晶粒子４及び結晶半導体層３上にｎ型（逆導電型）の結晶半導体層５が配置されている。
【００１５】
上記ｐ型結晶半導体層３およびｐ型半導体結晶粒子４と、ｎ型結晶半導体層５は、これらの界面に良好なｐｎ接合が形成されていれば、それぞれ互いに入れ替えても構わない。また、ｎ型結晶半導体層５はＳｉまたはＧｅにＢ、Ａｌ、Ｇａ等が微量含まれているものであり、ｐ型結晶半導体層３およびｐ型半導体結晶粒子４はＳｉまたはＧｅにＰ、Ａｓ等が微量含まれているものである。
【００１６】
一導電型半導体結晶粒子４が配設された凹状部３ａの空隙３ｂには、一導電型半導体層３の表面を平坦化するために、絶縁物質６が充填される。この絶縁物質６としては、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯ、Ｂ2Ｏ3、ＺｒＯ等を任意な成分とするガラススラリーを用いた絶縁材料、ポリイミド、ポリカーボネート等の樹脂絶縁材料が好適に用いられる。
【００１７】
また、ｎ型半導体結晶５上にＺｎＳ、ＣｅＯ2、ＳｉＯなどの反射防止膜（不図示）あるいは、引き回し抵抗を下げる目的でＡｌなどの電極を形成してもよい。
【００１８】
図2に示すように、一導電型半導体層３に周期的に多数形成された凹状部３ａには一導電型半導体結晶粒子４が配設されている。このような凹状部３ａの形状、配列、周期を適宜設定することにより、様々な形態が可能であるが、所望の特性を得ることができる。すなわち、周期的な凹状部３ａが形成された一導電型半導体層３及びこれらの凹状部３ａ内に配設された一導電型半導体結晶粒子４が並列に太陽電池を構成しており、一導電型半導体結晶粒子４間に位置する一導電型半導体層３の反射光を一導電型半導体結晶粒子４が有効に吸収するため、従来と比較して格段に変換効率の向上を図ることができる。
【００１９】
一導電型半導体層３の厚みは、一導電型半導体結晶粒子４の半径より小さくなるように設定することが望ましい。このように設定すると、一導電型半導体結晶粒子４の表面で反射した光が、他の一導電型半導体結晶粒子４に吸収される割合を減らすことはない。
【００２０】
また、一導電型半導体結晶粒子４間に位置する一導電型半導体層３に入射した太陽光の透過光は一導電型半導体層３で発電に寄与し、一導電型半導体結晶粒子４間に位置する一導電型半導体層３で反射、散乱された太陽光も大部分が一導電型半導体結晶粒子４で発電に寄与するため、全体として変換効率が大きく向上する。したがって、変換効率をもっとも向上させるためには、凹状部３ａは周期的に形成されていることが望ましい。
【００２１】
なお、上記一導電型半導体層３と逆導電型半導体層５は、単結晶または多結晶の結晶質半導体層に限らず、微結晶または非晶質あるいはこれらを混在させた半導体層でもよい。
【００２２】
次に、本発明の光電変換装置の製造方法の一例を図面を参照しながらその概略を説明する。まず、図３（ａ）のようにセラミックや樹脂等の絶縁物質からなる基板１の上面にＡｌからなる導電層２を形成する。あるいは、導電性を有する基板１をそのまま用いてもよい。次にｐ型シリコンからなる一導電型結晶半導体層３を気相成長法、熱拡散法等により形成する。例えばシラン化合物の気相にｐ形を呈するリン系化合物の気相を微量導入して形成する。その後、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、開口部（不図示）を形成した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング法）、ＣＤＥ（化学的ドライエッチング法）などを用いて、所望の凹状部３ａを形成する。レジスト除去後、図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、コンタクトホール７を形成し、導電層２の一部が露出されるように形成した。
【００２３】
次に、図３（ｃ）に示すようにガラスペーストからなる絶縁物質６をこの基板１上に約５０μｍの厚みに形成した。その上に直径がおおよそ６００μｍのｐ形シリコン球４を置いた。ｐ形シリコン球４は、溶融落下方式により製造され、落下中はいわゆる微小重力系であるため、浮力、対流などがほとんどなく、物体の重さもないため、結晶が自分の重さでつぶれることはなく、真球に近い球が得られる。配列方法は、箱型冶具を用いた真空吸着法を用いた。次に、加熱してガラスペーストからなる絶縁物質６を焼成することにより、絶縁物質６は変形し、図３（ｄ）に示すように最終的にコンタクトホール７を通して導電層２と電気的に接触するように形成された。最後に、不必要な箇所の絶縁物質６を除去した後、半導体粒子４間のｐ型シリコンからなる一導電型結晶半導体層３とｐ形半導体結晶粒子４の上にｎ形シリコン層５を２００ｎｍ形成し、更に保護膜として窒化珪素（不図示）を５００ｎｍ形成し、図１、２に示す光電変換装置が形成される。
【００２４】
本実施例においては、一導電型結晶半導体層３の厚み（高さ）を１５０μｍとし、一導電型半導体結晶粒子４の直径を６００μｍとした。このため、一導電型半導体結晶粒子４間の一導電型結晶半導体層３の透過光のみならず、反射光、散乱光の大部分が再び一導電型半導体結晶粒子４に吸収される。さらに、一導電型半導体結晶粒子４からの反射、散乱光が再び他の一導電型半導体結晶粒子４に吸収されることを妨げないため、従来と比較し、大幅な変換効率の向上が達成された。また、絶縁物質６は一導電型結晶半導体層３、一導電型半導体結晶粒子４の間の絶縁性を確保すると同時に、信頼性を向上させる役割をしており、高信頼性の光電変換装置が達成された。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る光電変換装置によれば、表面側に凹状部が多数形成された一導電型半導体層を基板の導電領域上に設け、この凹状部の略中央部にスルーホールを設け、この凹状部内にスルーホールを介して前記導電領域と電気的に接触するように一導電型半導体結晶粒子を配設し、この一導電型半導体結晶粒子上と前記一導電型半導体層上に、逆導電型半導体層を設けたことから、一導電型半導体結晶粒子と一導電型半導体結晶粒子間に位置する一導電型半導体層の双方が並列に太陽電池を構成するため、高効率の光電変換装置が達成される。
【００２６】
また、請求項２、請求項５、および請求項６に係る光電変換装置では、さらに高効率の光電変換装置が達成される。
【００２７】
また、請求項３に係る光電変換装置では、一導電型半導体結晶粒子が配設された凹部の空隙に絶縁体が配設されていることから、高信頼性の光電変換装置が達成される。
【００２８】
さらに、請求項４に係る光電変換装置では、一導電型半導体層の厚みが一導電型半導体結晶粒子の半径よりも小さいことから、一導電型半導体結晶粒子間の一導電型結晶半導体層部分の透過光のみならず、反射光、散乱光の大部分が再び一導電型半導体結晶粒子で発電に寄与する。さらに、前記一導電型半導体結晶粒子からの反射、散乱光が再び他の一導電型半導体結晶粒子で発電に寄与することを妨げないため、従来と比較し、大幅な変換効率の向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の一例を示す断面図であり、図２のＸーＸ’線断面図である。
【図２】本発明の光電変換装置の平面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の製造方法を説明するための図であり、（ａ）〜（ｄ）は製造工程毎の断面図である。
【図４】従来の光電変換素子の例を示す断面図である。
【図５】従来の他の光電変換素子の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・基板、２・・・・・・導電領域（金属膜）、３・・・・・・一導電型半導体層、４・・・・・・一導電型半導体結晶粒子、５・・・・・・逆導電型半導体層、６・・・・・・絶縁物質、７・・・・・・コンタクトホール、８・・・・・・鋼基板、９・・・・・・粉砕シリコン粒子、１０・・・・・・ｎ形シリコン部、１１・・・・・・透明導電層、１２・・・・・・第１アルミニウム箔、１３・・・・・・ｐ形シリコン球、１４・・・・・・ｎ形表皮部、１５・・・・・・酸化物コーティング、１６・・・・・・第２アルミニウム箔、１７・・・・・・透明コーティング
【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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