(57)【要約】【課題】ドープ層による光吸収を低減すると共に、レーザ加工によらず光電変換セルの直並列接続を可能とする光電変換装置を提供する。【解決手段】基板１０と、基板１０上に形成された半導体層１２と、半導体層１２上に形成された電極層１４と、を備え、半導体層１２は、基板１０の表面に沿った方向にｐ型領域１２ｐ、ｉ型領域１２ｉ、ｎ型領域１２ｎが接合されたｐｉｎ接合が形成されている光電変換装置１００とする。【選択図】図２
2012234856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された半導体層と、
前記半導体層上に形成された電極層と、
を備え、
前記半導体層は、前記基板の表面に沿った方向にｐ型領域、ｉ型領域、ｎ型領域が接合されたｐｉｎ接合が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記半導体層は、シリコンを含むアモルファス層又は微結晶層であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光電変換装置であって、
前記電極層は、前記ｐ型領域と前記ｎ型領域とにまたがって形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換装置であって、
前記半導体層は、複数の半導体層が積層されてなり、前記複数の半導体層のそれぞれに、前記基板の表面に沿った方向にｐ型領域、ｉ型領域、ｎ型領域が接合されたｐｉｎ接合が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システム等の発電効率を高めるために様々なタイプの光電変換装置が考え出されている。これまで、薄膜型の光電変換装置は、基板上に透明電極層、ｎ型半導体層（又はｐ型半導体層）、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層（又はｎ型半導体層）、裏面電極層を順に積層した積層型が採用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２９８０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、積層型の光電変換装置では、光入射面から発電層であるｉ型半導体層に光が到達するまでにドープ層であるｎ型半導体層又はｐ型半導体層による光吸収が生ずる。特に、ｎ型半導体層又はｐ型半導体層を高濃度ドープ層とした場合、光吸収量が増加し、これによって短絡電流（Ｊｓｃ）が大幅に減少する。このため、高い開放電圧（Ｖｏｃ）を得ることが難しい。
【０００５】
また、積層型の光電変換装置では、複数の光電変換セルを直並列に接続するために透明電極層、半導体層、裏面電極をレーザ光で切断する加工を行う必要がある。このような加工を行うためには高価なレーザ光照射装置が必要であり、光電変換装置の製造コストや製造工程を増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板と、基板上に形成された半導体層と、半導体層上に形成された電極層と、を備え、半導体層は、基板の表面に沿った方向にｐ型領域、ｉ型領域、ｎ型領域が接合されたｐｉｎ接合が形成されている、光電変換装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ドープ層による光吸収を低減すると共に、レーザ加工によらず光電変換セルの直並列接続を可能とする光電変換装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の平面図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態における光電変換装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態における変形例１の光電変換装置の断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態における変形例２の光電変換装置セットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態における光電変換装置１００は、図１の平面図及び図２の断面図に示すように、半導体材料からなる基板１０、半導体層１２、電極層１４及び封止層１６を含んで構成される。なお、図１は、半導体層１２の構成を明確に示すために電極層１４及び封止層１６を省略して示している。
【００１０】
基板１０は、光電変換装置１００を構造的に支持する部材である。基板１０側を受光面側とする場合、基板１０は、光電変換装置１００において光電変換に利用される波長域の光を透過する透明材料で構成する。基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等とすることができる。
【００１１】
ただし、電極層１４側を受光面側とする場合には、基板１０は非透明材料としてもよい。この場合、基板１０は、アルミニウム、ステンレス等の金属基板としてもよい。
【００１２】
半導体層１２は、基板１０上に形成される。半導体層１２は、ｐ型領域１２ｐ、ｉ型領域１２ｉ及びｎ型領域１２ｎが基板１０の表面に沿った方向に接合されたｐｉｎ接合を有する光電変換ユニットを構成する。ここで、基板１０の表面とは、基板１０において半導体層１２が形成された面をいう。また、基板１０に沿った方向とは、基板１０の表面に平行な方向をいい、図１及び図２のＸ方向に相当する。
【００１３】
半導体層１２は、半導体材料であればよく、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等とすることができる。例えば、これに限定されるものではないが、アモルファスシリコン層、アモルファス炭化シリコン層、微結晶シリコン層、微結晶炭化シリコン層等のシリコンを含む材料で構成することが好適である。
【００１４】
半導体層１２は、図３の断面図に示すように、例えばプラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）によりｉ型の半導体層として形成される。プラズマＣＶＤ法は、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することが好適である。このとき、シラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）等のシリコン含有ガスを用いることによってアモルファスシリコン層や微結晶シリコン層を形成することができる。また、さらにメタン（ＣＨ4）等の炭素含有ガスを添加することによってアモルファス炭化シリコン層や微結晶炭化シリコン層を形成することができる。
【００１５】
半導体層１２の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下とすることが好適である。この膜厚は、後述するｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎを形成する際に一回のイオン注入処理（及び熱処理）で基板１０にまで達するようにドーピングが可能な深さに相当する。
【００１６】
なお、ｉ型領域１２ｉとは、真性の半導体領域に相当し、後述するｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎのドーパント濃度よりも低いドーパント濃度である領域をいう。具体的には、ｉ型領域１２ｉは、ボロン等のｐ型のドーパント及びリン等のｎ型のドーパントの濃度が１×１０16／ｃｍ3以下とすることが好適である。
【００１７】
次に、図４の断面図に示すように、半導体層１２上に開口部Ａ１を有するマスクＭ１を形成し、マスクＭ１を介してｎ型のドーパントのイオン注入を行う。半導体層１２がシリコンや炭化シリコンを含む場合、ｎ型のドーパントはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）とする。イオン注入は、１５０ｋｅＶ以上３０００ｋｅＶ以下の注入エネルギー、５×１０13／ｃｍ2以上５×１０15／ｃｍ2のドーズ量で行うことが好適である。また、イオン注入後に加熱処理を行うことが好適であるが、後述するＰ型のドーパントのイオン注入後に同時に行うことがより好適である。これにより、マスクＭ１の開口部Ａ１の領域にｎ型ドーパントが注入されて基板１０にまで達し、その領域がｎ型領域１２ｎとなる。その後、マスクＭ１を除去する。
【００１８】
次に、図５の断面図に示すように、半導体層１２上に開口部Ａ２を有するマスクＭ２を形成し、マスクＭ２を介してｐ型のドーパントのイオン注入を行う。半導体層１２がシリコンや炭化シリコンを含む場合、ｐ型のドーパントは、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）とする。イオン注入は、４０ｋｅＶ以上１２００ｋｅＶ以下の注入エネルギー、５×１０13／ｃｍ2以上５×１０15／ｃｍ2のドーズ量で行うことが好適である。また、イオン注入後に加熱処理を行うことが好適である。この際、加熱処理の温度は２００℃程度が好適である。これにより、マスクＭ２の開口部Ａ２の領域にｐ型ドーパントが注入されて基板１０にまで達し、その領域がｐ型領域１２ｐとなる。その後、マスクＭ２を除去する。
【００１９】
ここで、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎは、図４のＹ方向（紙面奥行き方向）に向けて延設された短冊状の領域として形成される。また、図４のＸ方向（紙面左右方向）に沿って、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎによってｉ型領域１２ｉが挟まれたｐｉｎ接合が形成される。本実施の形態では、１つのｐｉｎ接合からなる光電変換セルのｐ型領域１２ｐが隣り合う別の光電変換セルのｎ型領域１２ｎとｐｎ接合を形成するように、Ｘ方向に沿って光電変換セルが直列に接続された構成としている。
【００２０】
なお、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎのＸ方向の幅はそれぞれ０．１μｍ以上５μｍ以下とし、Ｙ方向の幅はそれぞれ１μｍ以上１ｍｍ以下とすることが好適である。また、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎによって挟まれたｉ型領域１２ｉのＸ方向の幅は０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好適である。また、基板１０のＹ方向の幅が１ｍｍ以上ある場合には、図１の平面図に示すように、間隙Ｓを設けてｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎを短冊状に繰り返して形成する。間隙Ｓは、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることが好適である。このような構造は、マスクＭ１，Ｍ２の開口部Ａ１，Ａ２のパターンニング及びイオン注入時のアライメントにより実現することができる。
【００２１】
電極層１４は、半導体層１２上に形成される。電極層１４は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属層で構成することができる。また、電極層１４は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）と金属層とを順に積層した構造とすることも好適である。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）としては、酸化錫（ＳｎＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等、又は、これらに不純物をドープしたものが用いられる。電極層１４として、このような構成を採ることによって、半導体層１２を透過した光を電極層１４にて反射させて発電層となる半導体層１２のｉ型領域１２ｉに再び入射させて光電変換に寄与させることができる。電極層１４には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けてもよい。
【００２２】
電極層１４は、図６の断面図に示すように、半導体層１２上に開口部Ａ３を有するマスクＭ３を形成し、マスクＭ３を介して電極層１４を形成する。電極層１４は、例えば、スパッタリング法又はＣＶＤ法等によって形成することができる。電極層１４の膜厚は、０．１μｍ以上１μｍ以下とすることが好適である。電極層１４形成後、マスクＭ３を除去する。
【００２３】
ここで、電極層１４は、図６のＹ方向に向けて延設された短冊状の領域として形成される。また、電極層１４は、隣接する光電変換セル間のｐｎ接合を形成するｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎにまたがるように形成される。これにより、Ｘ方向に沿って、隣接する光電変換セルが直列に接続される。電極層１４は、ｐｎ接合を形成するｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎからはみ出さない程度のＸ方向及びＹ方向の幅とする。
【００２４】
また、図２に示すように、電極層１４は、光電変換装置１００のＸ方向端部のｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎ上にも形成される。これらの電極層１４は、光電変換装置１００から外部へ電力を取り出すための正極１４ｐ及び負極１４ｎとなる。正極１４ｐ及び負極１４ｎは、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎからはみ出さない程度のＸ方向及びＹ方向の幅とする。
【００２５】
封止層１６は、半導体層１２及び電極層１４の露出部分を被うように形成される。封止層１６は、充填材等によってバックシートで半導体層１２及び電極層１４を被う構造とする。充填材及びバックシートは、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。充填材を塗布したバックシートで半導体層１２及び電極層１４の露出部分を被い、１５０℃程度の温度に加熱しつつバックシートに圧力を加えることによって封止を行うことができる。これによって、光電変換装置１００の発電層への水分等の浸入をより抑制することができる。
【００２６】
このとき、封止層１６に白色の充填材又はバックシートを適用することによって、半導体層１２を透過した光を封止層１６にて反射させて発電層となる半導体層１２のｉ型領域１２ｉに再び入射させて光電変換に寄与させることができる。
【００２７】
＜変形例１＞
図７の断面図に示すように、上記の半導体層１２（ｉ型領域１２ｉ、ｐ型領域１２ｐ、ｎ型領域１２ｎ）の形成工程を繰り返して、半導体層１２ａ及び１２ｂを積層した多層構造を有する光電変換装置１０２としてもよい。半導体層１２の積層は、２層に限定されるものではなく、３層以上を積層してもよい。この場合、半導体層１２ｂの膜厚は、半導体層１２ｂ内のｐ型領域及びｎ型領域を形成する際に一回のイオン注入処理（及び熱処理）で下層の半導体層１２ａにまで到達するようにドーピングが可能な深さに設定することが好適である。なお、この場合の半導体層１２の合計の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下に限定されるものではない。
【００２８】
ここで、半導体層１２ａ、１２ｂは、同一の膜質としてもよいし、それぞれ異なる膜質としてもよい。例えば、光入射側となる半導体層１２ａをアモルファスシリコン層とし、半導体層１２ｂを微結晶シリコン層とすることによって、アモルファスシリコン層において短波長側の光による光電変換を行い、微結晶シリコン層においてより長波長側の光による光電変換を行うようにしてもよい。これにより、より広い波長領域に亘って入射光を光電変換に寄与させることができる。
【００２９】
＜変形例２＞
図８の断面図に示すように、光電変換装置１００を機械的に積み上げて光電変換装置セット１０４としてもよい。光電変換装置セット１０４は、２つの光電変換装置１００の電極層１４ａ，１４ｂを互いに向かい合わせて封止層１６で接続した構成とされる。
【００３０】
このとき、受光面側となる基板１０ａはガラス基板やプラスチック基板等の透明な材料で構成し、受光面とは反対側の基板１０ｂは金属等の非透明で反射性を有する材料で構成することが好適である。これにより、半導体層１２ａ、封止層１６、半導体層１２ｂを透過してきた光を基板１０ｂで反射させ、半導体層１２ａ、半導体層１２ｂへ再度入射させることにより光の利用効率を高めることができる。
【００３１】
さらに、電極層１４ａ、１４ｂは、透明導電膜（ＴＣＯ）とすることが好適である。電極層１４ａ、１４ｂをＴＣＯとすることによって、例えば、光電変換装置１００を積み上げた際に電極層１４ａと電極層１４ｂとの位置がずれた場合であっても、半導体層１２ａを透過してきた光を電極層１４ａ、１４ｂを透過させて効率よく半導体層１２ｂへ導入させることができる。
【００３２】
また、光入射側となる半導体層１２ａをアモルファスシリコン層とし、半導体層１２ｂをアモルファスシリコン層より長波長側に吸収波長領域を有する微結晶シリコン層とすることによって、より広い波長領域に亘って入射光を光電変換に寄与させることができる。
【００３３】
なお、光電変換装置１００の代りに変形例２における光電変換装置１０２を機械的に積み上げてもよいし、光電変換装置１００と光電変換装置１０２とを機械的に積み上げてもよい。
【００３４】
本実施の形態における光電変換装置１００，１０２及び光電変換装置セット１０４によれば、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎの占有面積分の損失はあるものの、ドープ層であるｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎを透過させずにｉ型領域１２ｉに直接光を導入することができる。したがって、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎを高濃度にドープした場合であっても光吸収を抑制でき、短絡電流密度（Ｊｓｃ）の低下を抑制しつつ、開放電圧（Ｖｏｃ）を増加させることができる。
【００３５】
また、従来の積層型の光電変換装置では、直列接続方向の各光電変換セルの幅が１ｃｍ程度であり、直列接続の段数は１００段程度である。この段数は、レーザ光での加工精度に依存しておおよそ決定される。一方、本実施の形態における光電変換装置１００，１０２及び光電変換装置セット１０４では、ｐ型領域１２ｐ及びｎ型領域１２ｎを形成する際のマスクＭ１，Ｍ２の開口部Ａ１，Ａ２加工精度およびそれらの位置合わせ精度に依存して決定されるので、直列接続方向（Ｘ方向）の各光電変換セルの幅を従来より小さくすることができる。例えば、光電変換装置１００，１０２及び光電変換装置セット１０４において直列接続方向（Ｘ方向）の各光電変換セルの幅を１μｍとすると、開放電圧（Ｖｏｃ）を従来の１万倍に増加させることができる。
【００３６】
また、レーザ加工によらず光電変換セルの直並列接続を実現することができ、製造コストや製造工程の増加を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０（１０ａ，１０ｂ）  基板、１２（１２ａ，１２ｂ）  半導体層、１２ｉ  ｉ型領域、１２ｎ  ｎ型領域、１２ｐ  ｐ型領域、１４（１４ａ，１４ｂ）  電極層、１６  封止層、１００，１０２  光電変換装置、１０４  光電変換装置セット。
【図１】
2012234856.tif 000003
【図２】
2012234856.tif 000004
【図３】
2012234856.tif 000005
【図４】
2012234856.tif 000006
【図５】
2012234856.tif 000007
【図６】
2012234856.tif 000008
【図７】
2012234856.tif 000009
【図８】
2012234856.tif 000010