(57)【要約】【課題】変換効率の更なる向上を実現する技術を提供する。【解決手段】光電変換装置１０は、光を吸収しキャリアを発生させる光電変換層１４と、光電変換層１４の受光面１６側に設けられている透明導電膜３０と、を備える。透明導電膜３０は、入射した光子の数よりも多くの光子を生成し、該生成した光子を光電変換層１４へ向けて出射するように構成されている。透明導電膜は、生成した光子のエネルギーが光電変換層が有する半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように構成されていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を吸収しキャリアを発生させる光電変換層と、
前記光電変換層の受光面側に設けられている透明導電膜と、を備え、
前記透明導電膜は、入射した光子の数よりも多くの光子を生成し、該生成した光子を光電変換層へ向けて出射するように構成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記透明導電膜は、生成した光子のエネルギーが前記光電変換層が有する半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように構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】
前記透明導電膜は、厚み方向に貫通している複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記透明導電膜は、互いに隙間を有した複数の島状導電領域が格子状に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記透明導電膜は、厚みが５００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に好適な光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、クリーンで無尽蔵なエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。
【０００３】
また、太陽電池は、発生した電気を外部に取り出すための一対の電極が必要であるが、通常は、この電極を、太陽光を受光する表面と、その反対側の裏面とに設けている。
【０００４】
しかしながら、受光面側の電極の下部領域には太陽光が入射しないため、その領域は発電に寄与しない。そのため、表面電極は変換効率の低下の一因となる。そこで、一対の電極を裏面に形成した太陽電池が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５９６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、半導体層で吸収される光の波長（エネルギー）は、半導体層を構成する材料のバンドギャップＥｇに依存する。例えば、材料が結晶シリコンの場合、バンドギャップＥｇは１．１ｅＶ程度であり、バンドギャップＥｇより小さなエネルギーを持つ光（波長が約１１００ｎｍ以上の光）は発電に寄与しない。
【０００７】
また、バンドギャップＥｇよりも大きなエネルギーｈνを持つ光（波長が約１１００ｎｍ以下の光）は半導体に吸収され、キャリアを発生するが、その際にｈν−Ｅｇに相当するエネルギーが熱として放出される。そのため、短波長側の光であっても、吸収した光のエネルギーのすべてが電気エネルギーに変換されるわけではなく、太陽光の短波長側の光の利用効率については更なる改善の余地がある。
【０００８】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変換効率の更なる向上を実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光電変換装置は、光を吸収しキャリアを発生させる光電変換層と、光電変換層の受光面側に設けられている透明導電膜と、を備える。透明導電膜は、入射した光子の数よりも多くの光子を生成し、該生成した光子を光電変換層へ向けて出射するように構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変換効率の更なる向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。
【図２】図１に示す矢印Ａ方向から見た透明導電膜の上面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る透明導電膜の上面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る光電変換装置の要部を示す模式図である。
【図５】変形例に係る光電変換装置の層構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。なお、以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態に係る光電変換装置１０は、第１の導電型を示す第１の半導体層１２を有する光電変換層１４を備える。また、光電変換層１４は、受光面１６とは反対側の裏面１８側に形成されている、第２の半導体層２０および第３の半導体層２２を更に備える。
【００１５】
本実施の形態に係る第１の半導体層１２は、単結晶のｎ型結晶シリコン層であり、屈折率は約３．５（光の波長が１．１μｍの場合）である。なお、屈折率はキャリア濃度や光の波長によって増減する。また、光電変換層１４の厚みは１００〜１５０μｍである。結晶シリコン層の形態は、単結晶、多結晶、微結晶のいずれか、または、混合物であってもよい。
【００１６】
第２の半導体層２０は、第１の半導体層１２と反対の極性である第２の導電型を示す。本実施の形態に係る第２の半導体層２０は、ｐ型不純物の濃度が高い領域（ｐ＋層）である。第３の半導体層２２は、第１の半導体層１２と同じ極性である第１の導電型を示す。本実施の形態に係る第３の半導体層２２は、第１の半導体層１２よりもｎ型不純物の濃度が高い領域（ｎ＋層）である。
【００１７】
なお、本実施の形態に係る光電変換装置１０においては、第２の半導体層２０と接する第１の電極２４、および、第３の半導体層２２と接する第２の電極２６が光電変換層１４の裏面１８側に設けられている。これにより、入射光が第１の電極２４および第２の電極２６で遮られることなく第１の半導体層１２に到達するため、電極を光電変換層１４の受光面１６側に設けた場合と比較して、光電変換装置１０の発電効率が向上する。
【００１８】
なお、電極の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）が好ましい。電極をアルミニウム（Ａｌ）で形成する場合、蒸着法が好適である。一方、電極を銅（Ｃｕ）で形成する場合、スパッタリング法やメッキ法が好適である。
【００１９】
光電変換層１４の受光面１６側には、保護膜（パッシベーション膜）２８が積層されている。保護膜２８の上には透明導電膜３０が積層されており、透明導電膜３０を被覆するように更に反射防止膜３２が積層されている。
【００２０】
なお、透明導電膜３０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの抵抗率の低い透明な薄膜である。換言すると、透明導電膜３０は、キャリア密度が１．５×１０２１［ｃｍ−３］以下の材料で構成されているとよい。これにより、透明導電膜３０を透過する光が多くなる。また、反射防止膜３２は、窒化膜などが好適である。
【００２１】
次に、透明導電膜の構成について説明する。図２は、図１に示す矢印Ａ方向から見た透明導電膜の上面図である。図２に示す透明導電膜３０は、全体として一体の透明導電領域３０ａと、透明導電領域３０ａに格子状に形成されている複数の孔３０ｂとで構成されている。
【００２２】
透明導電膜３０の厚みは、光電変換装置１０が対象とする吸収光の種類や、光電変換層を構成する材料の種類に応じて、適宜設定される。例えば、太陽光を対象とした場合、変換効率に寄与する通常の光（波長５００〜１１００ｎｍ程度）がそのまま光電変換層１４に向けて透過するように、透明導電膜３０の厚みは５００ｎｍ未満が好ましい。これにより、おおよそ５００ｎｍ以上の波長の光が透過しやすくなる。
【００２３】
本実施の形態に係る光電変換装置１０は、光を吸収しキャリアを発生させる光電変換層１４と、光電変換層１４の受光面１６側に設けられている透明導電膜３０と、を備える。
【００２４】
図１に示す光電変換装置１０において、光Ｌ１が透明導電膜３０の透明導電領域３０ａに入射すると、透明導電領域３０ａ中のキャリアとコンプトン散乱することがある。入射した光Ｌ１は、コンプトン散乱によりエネルギーを失い、波長が長い（エネルギーの低い）光Ｌ２となる。一方、透明導電領域３０ａ中のキャリアは、透明導電膜３０の幾何学的な形状に依存して、電荷分布を形成し、その電荷分布の時間的変化により光Ｌ３が放出される。なお、透明導電膜３０は、電荷分布の時間的変化が波長１０００ｎｍ程度の光の振動数と同程度になるように幾何学的形状を調整しておくとよい。
【００２５】
例えば、３．１ｅＶ（４００ｎｍ）の光Ｌ１が透明導電膜３０に入射し、キャリアとコンプトン散乱することで１．６ｅＶの光Ｌ２となり、残りの１．５ｅＶのエネルギーが透明導電領域３０ａ表面でキャリアの運動エネルギーとなる。そして、孔３０ｂによりキャリアの運動が停止すると、それが１．５ｅＶの光Ｌ３となって第１の半導体層１２に入射する（なお、ここではエネルギーの授受によるエネルギーロスは考慮していない。）。
【００２６】
そして、第１の半導体層１２に入射した光Ｌ２や光Ｌ３は、それぞれ一対のキャリア（電子と正孔）を発生させることができる。このように、本実施の形態に係る透明導電膜３０は、入射した光子の数よりも多くの光子を生成し、該生成した光子を光電変換層１４へ向けて出射するように構成されている。
【００２７】
そのため、エネルギーの高い（波長の短い）光子が１つ半導体層に入射した場合と比較して、入射光よりもエネルギーが低い（波長の長い）２つの光子が半導体層に入射した場合の方が、光電変換層１４で発生するキャリアの数が多くなる。つまり、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
また、透明導電膜３０は、入射光に基づいて生成された光子のエネルギーが光電変換層１４が有する半導体層のバンドギャップＥｇよりも大きくなるように構成されているとよい。これにより、光電変換層１４で吸収されないエネルギーの光が少なくなる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る透明導電膜の上面図である。図３に示す透明導電膜３４は、図１に示す第１の実施の形態に係る光電変換装置１０における透明導電膜３０と同じ領域に設けられる。
【００３０】
透明導電膜３４は、互いに隙間ｇを有した複数の島状導電領域３４ａが格子状に配置されている。島状導電領域３４ａは、互いに導通しないように離間して配置されている。島状導電領域３４ａを形成するためには、島状導電領域３４ａの形状を考慮したマスクパターンを用い、パターニングにより行ってもよい。また、島状導電領域３４ａの大きさや厚みが薄い場合には、スパッタリングによる成膜で島状部分を形成してもよい。このように構成されている透明導電膜３４に入射した光の挙動について以下に説明する。
【００３１】
図４は、第２の実施の形態に係る光電変換装置の要部を示す模式図である。光電変換装置４０は、光電変換層１４と、光電変換層１４の受光面１６側に設けられている透明導電膜３４と、を備える。透明導電膜３４は、隙間ｇを有した島状導電領域３４ａが複数配置されているため、１つの島状導電領域３４ａをコイルＬ、隙間ｇを有して対向している１組の島状導電領域をコンデンサＣと考えることができる。
【００３２】
そのため、このように構成された透明導電膜３４は、共振周波数ｆ（＝１／［２π・［ＣＬ］１／２］）の回路と考えることができる。そこで、ＣとＬを最適化することで、透明導電膜３４に入射した光のエネルギーの一部を受けたキャリアの運動エネルギーが所望の周波数の光として放出される。
【００３３】
このように、本実施の形態に係る透明導電膜３４は、入射した光子の数よりも多くの光子を生成し、該生成した光子を光電変換層１４へ向けて出射することができる。
【００３４】
次に、前述の透明導電膜を備える光電変換装置の変形例について説明する。図５は、変形例に係る光電変換装置の層構造を示す模式図である。
【００３５】
光電変換装置４２は、受光側から、反射防止膜４４、透明導電膜４６、表面ガラス板４８、第１電極層５０、半導体層５２、透明導電膜５４および第２電極層５６を有する。第１電極層５０、半導体層５２、透明導電膜５４および第２電極層５６は、周知のレーザパターニングを施されながら表面ガラス板４８上に順次積層される。また、第２電極層５６の上には、充填材５８、裏面ガラス板６０が積層されている。
【００３６】
表面ガラス板４８の受光面６２側には透明導電膜４６が積層されており、透明導電膜４６を被覆するように更に反射防止膜４４が積層されている。
【００３７】
第１電極層５０は、表面ガラス板４８の受光面６２と反対側の面上に形成されており、導電性および透光性を有する。本実施の形態に係る第１電極層５０としては、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられ、特に、高い光透過性、低抵抗性を有し、低価格である酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられる。
【００３８】
半導体層５２は、第１電極層５０側からの入射光により電荷（電子および正孔）を生成する。半導体層５２としては、例えば、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を基本構造として有するアモルファス（非晶質）シリコン半導体層や微結晶シリコン半導体層の単層体あるいは積層体を用いることができる。本実施の形態に係る半導体層５２は、第１電極層５０側からそれぞれアモルファスシリコン半導体、微結晶シリコン半導体が積層されたものとして構成されている。なお、本明細書において、「微結晶」の用語は、完全な結晶状態のみならず、部分的にアモルファス状態を含む状態をも意味するものとする。
【００３９】
透明導電膜５４は、半導体層５２上に形成されている。透明導電膜５４には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。透明導電膜５４により、半導体層５２と第２電極層５６が合金化することが防止され、半導体層５２と第２電極層５６との接続抵抗を減少させることができる。
【００４０】
第２電極層５６は、透明導電膜５４上に形成される。第２電極層５６には、銀（Ａｇ）などの反射性金属が用いられる。一の光電変換装置４２の透明導電膜５４と第２電極層５６は、隣接する他の光電変換装置４２の第１電極層５０に接触する。これにより、一の光電変換装置４２と他の光電変換装置４２とが電気的に直列に接続される。
【００４１】
このように構成されたアモルファス型の光電変換装置４２においても、第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様の透明導電膜４６を設けることで発電効率を向上することができる。
【００４２】
また、光電変換装置の他の変形例として、アモルファスシリコンと単結晶シリコンを積層した構成であっても、第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様の透明導電膜を受光面側に設けることで発電効率を向上することができる。
【００４３】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  光電変換装置、  １２  第１の半導体層、  １４  光電変換層、  １６  受光面、  ３０  透明導電膜、  ３０ａ  透明導電領域、  ３０ｂ  孔、  ３２  反射防止膜、  ３４ａ  島状導電領域。
【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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