(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極上に多数の粒状結晶半導体を配設し、この粒状結晶半導体間に絶縁体を充填して、この粒状結晶半導体の上部側に上部電極を形成した光電変換装置において、前記絶縁体と上部電極を透光性部材で形成するとともに、前記粒状結晶半導体間の前記下部電極上に、反射性部材から成り、上面が凸曲面状であり、前記絶縁体の厚みよりも小さい高さの凸部を、前記粒状結晶半導体から離間して形成したことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記凸部の高さが１μｍ以上で、かつ前記粒状結晶半導体の直径の１／２以下であ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】
前記凸部を成す反射性部材がアルミニウム、銅、ニッケル、鉄及びその合金、窒化チタンであ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】
前記粒状結晶半導体を第１導電形の半導体で形成するとともに、この粒状結晶半導体上に第２導電形の半導体層を形成した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】
前記粒状結晶半導体上に透明誘電体保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか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】
本発明は光電変換装置に関し、特に多数の半導体粒子を用いた光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から提案されている結晶半導体粒子を用いた光電変換素子を図５および図６に示す。
【０００３】
図５に示すように、特開２０００−２２１８４号公報によれば、球状または棒状の複数の半導体結晶２を、周期的な凹凸構造を持つ第１の基板１４上に配置された構造を持たせ、該第１の基板１４に構成された周期的な凹凸構造上に第１の導電層１３を配置し、該第１の導電層１３に対し、上記球状または棒状の半導体結晶２の一部を電気的に接触させ、該第１の導電層１３と接触した、球状又は棒状の半導体結晶２の一部とは異なる部分の半導体結晶の一部に電気的に接触した第２の導電層１０を配置した太陽電池が開示されている。図５において、９は高反射膜、１１はスピンオンガラスＳＯＧ１、１２はスピンオンガラスＳＯＧ２を示す。
【０００４】
図６に示すように、米国特許５４１９７８２号公報によれば、第１のアルミニウム箔１５に開口を形成し、その開口にｐ形の上にｎ形表皮部１７を持つｐ形シリコン球１６を結合し、球の裏側のｎ形表皮部１７を除去し、アルミニウム上に酸化物コーティング１８をし、球裏側のｐ形接面上の酸化物を除去し、第２のアルミニウム箔１９と接合し、透明なコーティング２０を表面に設け、このコーティング２０が最下点でＶ字状に急激に変化する形状を有することによりｐ形シリコン球１６の無い位置に入射した光をｐ形シリコン球１６へ導き変換効率を向上させた光電変換装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す特開２０００−２２１８４号公報の光電変換装置では、基板１４の凹凸面に合わせて球状半導体結晶２を並べるために、絶縁物１２（例えばスピンオンガラスＳＯＧ２）を基板１４の凹凸面に沿って形成する必要があり、一般の印刷法では形成できないために、生産性に欠けるという問題があった。また、基板１４の凹凸一つ一つに球状半導体結晶２を配置する構造であるため、球状半導体結晶２を小さくするとアッセンブルが困難になり、原料となる半導体の使用量を少なくするために、球状半導体結晶２を小さくすることができなくなり、低生産性・高コストになるという問題があった。
【０００６】
また、図６に示す米国特許５４１９７８２号公報の光電変換装置では、最下点でＶ字状に急激に変化する形状を持つコーティング２０により変換効率を向上させるとあるが、最下点でＶ字状に急激に変化する形状を形成することは技術的に難しいため、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２０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った。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は高効率且つ高生産性の光電変換装置を提供することにある。
【０００８】
【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、下部電極上に多数の粒状結晶半導体を配設し、この粒状結晶半導体間に絶縁体を充填して、この粒状結晶半導体の上部側に上部電極を形成した光電変換装置において、前記絶縁体と上部電極を透光性部材で形成するとともに、前記粒状結晶半導体間の前記下部電極上に、反射性部材から成り、上面が凸曲面状であり、前記絶縁体の厚みよりも小さい高さの凸部を、前記粒状結晶半導体から離間して形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、上記光電変換装置によれば、前記凸部の高さが１μｍ以上であり、かつ前記粒状結晶半導体の直径の１／２以下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、前記凸部を成す反射性部材がアルミニウム、銅、ニッケル、鉄及びその合金、窒化チタン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、前記粒状結晶半導体を第１導電形の半導体で形成するとともに、この粒状結晶半導体上に第２導電形の半導体層を形成することが望ましい。
【００１３】
また、上記光電変換装置によれば、前記粒状結晶半導体上に透明誘電体保護膜が形成されていることが望ましい。
【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１において、下部電極１は導電性をもつものであればよく、セラミックや樹脂等の絶縁物質を基板として用いる場合はその表面に導電層を形成する必要がある。
【００１５】
第１導電形半導体粒子２は、Ｓｉ、Ｇｅ等にｐ形を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等が微量元素含まれているものである。半導体粒子２の形状としては多角形を持つもの、曲面を持つもの等がある。粒径分布としては均一、不均一を問わないが、均一の場合は粒径を揃えるための工程が必要になるため、コスト的には不均一の方が有利である。更に凸曲面を持つことによって光の光線角度の依存性も小さい。
【００１６】
半導体粒子２の配列方法の一例を次に示す。箱型の冶具に半導体粒子２の粒径より小さな穴を設計した配列に形成し、箱形の冶具内部をポンプにより減圧し、粒径より小さな穴に半導体粒子２を吸着させる。基板１上へ前記冶具を搬送した後、冶具内部の圧力を上げて半導体粒子２を基板１上へ並べる。前記配列方法によると、箱型冶具に形成した穴の配列を設計することで容易に半導体粒子２を適当な配列に並べることができる。その他、超音波等の振動を与えて半導体粒子２を配列する方法もある。
【００１７】
反射性部材から成る凸部３は、半導体粒子２の無い位置に入射した光を半導体粒子２へ導く効果を有するものである。凸部３に入射した光は反射して半導体粒子２へ導かれて発電に寄与することができ、高い変換効率を実現できる。上記凸部３は図１又は図２に示すように、周期的又は非周期的のどちらでもよく、凸部３の間に半導体粒子２が存在しなければならないといった制約もない。
【００１８】
また、凸部３は下部電極の表面に形成することが好ましい。これは、下部電極の表面に凸部３を形成する場合が凸部３の高さを最も高くとれ、多量の光を半導体粒子２へ導くことができるためである。更に、下部電極層に形成した凸部３頂点間を結ぶ曲線が湾曲した凹形状であることが好ましい。
【００１９】
凸部３を形成する部材は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄及びその合金、窒化チタンであることが好ましい。更に好ましくは、アルミニウム又は銅を主として銀、金、白金、錫、マンガン、クロム、チタン、鉄、シリコンを加えたアルミニウム又は銅合金であることが好ましい。この理由は、高い反射率を有し、安価であることによる。
【００２０】
凸部３を下部電極上に形成するとき、凸部３の高さは１μｍ以上で、且つ半導体粒子２の直径の１／２以下であることが好ましい。凸部３の頂点の高さが１／２以上のときは、凸部３を覆うように絶縁体４を形成する必要があるために絶縁体４が厚くなり、ｐｎ接合面積が減少する場合や上部電極が形成しにくくなる場合があるために好ましくない。凸部３の頂点の高さが１μｍ以下の場合は光を集める効果が小さくなるために好ましくない。凸部３の形成方法として、下部電極にプレス成形して凸部３を形成する方法、粒状半導体を下部電極に押し込んで粒状半導体間の下部電極を凸状に盛り上がらせて形成する方法、半導体粒子よりも小さな反射性金属粒子を散在させて加圧して下部電極に沈み込ませて形成する方法、反射性金属粉末のペーストを印刷して焼成して形成する方法、下部電極表面をサンドブラスト法・ＲＩＥ法・薬液によるエッチングにより凹凸を形成する方法等がある。
【００２２】
絶縁体４は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料で透光性を有する材料からなる。特に発電に寄与する波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの光の透過率が５０％以上である材料が好ましい。例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯ、Ｂ2Ｏ3、ＺｎＯ等を任意な成分とするガラススラリーを用いた絶縁物質、ポリカーボネート等の樹脂絶縁物質等がある。
【００２３】
第２導電形半導体部４は、気相成長法、熱拡散法等により形成され、例えばシラン化合物の気相にｎ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。
なお、第２導電形半導体部４は、単結晶質、多結晶質、微結晶質、非晶質であれば良い。第２導電形半導体部４中の微量元素の濃度は、例えば１×１０16〜１０22ａｔｍ／ｃｍ3程度であれば良い。第２導電形半導体部４は上部電極を兼ねても良い。また、第２導電形半導体部４と保護膜５の間に酸化錫、酸化亜鉛等の上部電極を形成しても良い。
【００２４】
保護膜５は透明誘電体の特性を持つものが良く、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等によって例えば酸化珪素、酸化セシウム、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化チタン、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2、酸化タンタル、酸化イットリウム等を単一組成又は複数組成で単層又は組み合わせて第２導電形半導体層４上に形成する。この保護層５を適当な膜厚に合わせることにより反射防止効果を持たせると更に好適である。
【００２５】
また、抵抗を下げるために適宜フィンガー、バスバー等の補助電極をスクリーン印刷法や蒸着法により任意のパターンで形成しても良い。図３に示すように補助電極を凸状に形成して補助電極に入射した光を半導体粒子２へ導く構造とすると更に好適である。
【００２６】
【実施例１】
次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明する。
まず、下部電極１上に絶縁体層４を形成する。下部電極１はアルミニウム・シリコン合金を用いた。下部電極１上にアルミニウム・シリコン合金粒子を散在させ、加圧して下部電極１に沈み込ませ、凸部３を形成した。この凸部３の平均高さを変化させた結果を表１に示す。
【００２７】
表１のシリコン粒子に対する凸部３の高さの比とは、平均のシリコン粒子径に対する平均の凸部３の高さの比率を示す。図４に示すように、凸部３を形成しなかった比較例も同時に示す。
【００２８】
絶縁体層４はガラスペーストを用いてこの基板上に５００μｍの厚みに形成した。ガラスペーストに用いたガラスは酸化鉛系の軟化温度４４０℃で波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均透過率９０％のものを使用した。次に、その上に平均直径８００μｍのｐ形シリコン粒子２を配置した。このときｐ形シリコン粒子２を振動を与えながらゆるやかに加圧し、先に配置した凸部３をさけて直接下部電極１に接触するように配置させた。次に、加熱してガラスペーストを焼成した。
次に、前記シリコン粒子２と前記絶縁物質層４の上にｎ形シリコン層５を上部電極層も兼ねて３００ｎｍ形成した。この上部電極層を兼ねたｎ形シリコン層５の波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均透過率は９２％のものを形成した。更に、保護膜６として窒化珪素を２００ｎｍ形成した。
【００２９】
【表１】
0004570255.tif 000002
【００３０】
上記結果から、凸部３が形成された方が高い変換効率を示す。また、凸部３の高さが１μｍ以下のときは変換効率向上効果が小さくて好ましくない。また、シリコン粒子に対する凸部３の高さの比が１／２以上のとき、絶縁体４が凸部３を覆うことができず一部絶縁体４上に突きだし、上部電極と凸部３が接触してショートするために好ましくない。絶縁体４を厚くしてショートしない構造とした場合であっても、ｐｎ接合面積が小さくなるために変換効率が低下して好ましくない。
【００３１】
次に、絶縁体層４の透過率を変化させ変換効率を評価した結果を表２に示す。
表２に示した透過率は波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均で示した。シリコン粒子に対する凸部３の高さの比は１／１０（８０μｍ）とした。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
上記結果から、絶縁体層４の平均透過率が５０％以上のときに好適である。平均透過率が５０％以下のときは変換効率が低下するために好ましくない。
【００３４】
次に、凸部３を形成する材料を変化させて凸部材料の反射率と変換効率を評価した結果を表３に示す。シリコンに対する凸部３の高さの比は１／１０とし、絶縁体層４の平均透過率を９５％とした。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
上記結果から、凸部３の材料は、アルミニウム、アルミニウム・銀合金、アルミニウム・シリコン合金、銅、ニッケル、鉄、窒化チタンであることが好適である。凸部３の材料がアルミニウム、アルミニウム・銀合金、アルミニウム・シリコン合金、銅、ニッケル、鉄、窒化チタン以外であるときは変換効率が低下して好ましくない。また、凸部３の材料の反射率は５０％以上であることが好ましい。凸部３の材料の反射率が５０％未満であるとき変換効率が低下して好ましくない。
【００３７】
【実施例２】
下部電極１をアルミニウムとし、下部電極１の表面に凸部３をプレス成形により形成した。この凸部３の高さを変化させて変換効率を評価した結果を表４に示す。凸部３を形成した下部電極１上に絶縁体層４を形成した。絶縁体層４はガラスペーストを用いてこの下部電極１上に２００μｍの厚みに形成した。ガラスペーストに用いたガラスは酸化ビスマス系の軟化温度５１０℃で波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均透過率８５％のものを使用した。次に、その上に平均直径５００μｍのｐ形シリコン結晶粒子２を配置した。次に、加熱してガラスペーストを焼成した。次に、前記ｐ形シリコン結晶粒子２と前記絶縁体層４の上にｎ形シリコン層５を１００ｎｍ形成し、更に酸化錫の上部電極７を１００ｎｍ形成した。このとき上部電極７の波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均透過率を８３％のものを形成した。次に、保護膜６として窒化珪素を３００ｎｍ形成した。
【００３８】
【表４】
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【００３９】
上記結果から、凸部３が形成された方が高い変換効率を示す。また、凸部３の高さが１μｍ以下のときは変換効率向上効果が小さくて好ましくない。また、シリコン粒子に対する凸部３の高さの比が１／２以上のとき、絶縁体４が凸部３を覆うことができずに一部が絶縁体４上に突きだし、上部電極と凸部３が接触してショートするために好ましくない。絶縁体４を厚くしてショートしない構造とした場合であってもｐｎ接合面積が小さくなるために変換効率が低下して好ましくない。
【００４０】
次に、上部電極の透過率を変化させて変換効率を評価した結果を表５に示す。
表５に示した透過率は波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの平均で示した。シリコン粒子に対する凸部３の高さの比は１／５（１００μｍ）とした。
【００４１】
【表５】
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【００４２】
上記結果から、上部電極の平均透過率は５０％以上のときは好適である。上部電極の透過率が５０％以下であるときは変換効率が大きく低下し好ましくない。
【００４３】
【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、下部電極上に多数の粒状結晶半導体を配設し、この粒状結晶半導体間に絶縁体を充填して、この粒状結晶半導体の上部側に上部電極を形成した光電変換装置において、前記絶縁体と上部電極を透光性部材で形成するとともに、前記粒状結晶半導体間に反射性部材から成る凸部を形成したことにより、高い変換効率と高い生産性を有する光電変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のその他の実施の形態のその他の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の比較例を示す断面図である。
【図５】従来例１の光電変換素子の例を示す断面図である。
【図６】従来例２の光電変換素子の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・下部電極
２・・・・第１導電形半導体粒子
３・・・・下部電極表面の反射性部材から成る凸部
４・・・・透光性絶縁体層
５・・・・第２導電形半導体部
６・・・・保護層
７・・・・透明導電層
８・・・・上部補助電極の反射性部材から成る凸部
９・・・・高反射膜
１０・・ｐ電極
１１・・スピンオンガラスＳＯＧ１
１２・・スピンオンガラスＳＯＧ２
１３・・透明電極
１４・・第１の基板（透明ガラス）
１５・・第１アルミニウム箔
１６・・ｐ形シリコン球
１７・・ｎ形表皮部
１８・・酸化物コーティング
１９・・第２アルミニウム箔
２０・・透明コーティング
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004570255.tif 000009
【図４】
0004570255.tif 000010
【図５】
0004570255.tif 000011
【図６】
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