(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極上に一導電型を呈する多数の半導体粒子を配設し、この半導体粒子間に絶縁物質を充填して、この半導体粒子の上部に逆導電型の半導体層を設けた光電変換装置において、前記下部電極に多数の凹凸部を設け、この凸部上および凹部上に前記半導体粒子を配設することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記凹部に配置する前記半導体粒子と、それに隣接する前記凸部に配置する前記半導体粒子とが、未接触のまま平面視で重畳し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】
前記下部電極が光反射材で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４】
前記下部電極がアルミニウム、銅、ニッケル、鉄およびその合金、および窒化チタンのうちのいずれか一種以上からな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】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、光電変換装置としては板状の半導体基板を用いた光電変換装置が知られており、広く使用されている。この従来の光電変換装置は、変換素子の全面で太陽光を受光できるため高い変換効率を有しているが、半導体の使用量が多く、低コスト化が困難であるという問題を有していた。
【０００３】
また、半導体材料の使用量を減らし、より低コストな光電変換装置として、一導電型を呈する多数の半導体粒子を基板上に搭載したボールソーラが考案されている。
【０００４】
従来のボールソーラの構造を図３に示す。図３に示すように、下部電極１上に複数個の一導電型を呈する半導体粒子５を設置し、その上部に逆導電型の半導体部３と保護層４を積層することによって形成されている。この構造においては、一導電型を呈する多数の半導体粒子５を使用するため、半導体の使用量が少なく、低コスト化が可能である。
【０００５】
しかしながら、一導電型を呈する多数の半導体粒子５間に入った光を電気に変換できず、充分な変換効率が得られないという致命的な欠点があった。また、半導体粒子５が球状をなしているため、半導体粒子５の頂上付近に入射した太陽光は、上部空間に反射してしまうため、十分な変換効率が得られないという欠点もあった。
【０００６】
前者の問題を解決するために、特願２００１−５４２８号に示すような構造が提案されている。この構造を図４に示す。図４に示すように、下部電極１上に一導電型を呈する半導体粒子５を複数配設し、その上部に逆導電型の半導体部３と保護層４を積層したものであり、隣接する半導体粒子５間に光反射材よりなる突起８を形成し、隣接する半導体粒子５間に入った光を反射させて、隣接する半導体粒子５で吸収させるというものである。
【０００７】
しかしながら、図４に示す特願２００１−５４２８号の光電変換装置では、隣接する一導電型を呈する半導体粒子５間に設けられた光反射材よりなる突起８に入射した光の一部は反射して半導体粒子５で吸収されるが、多くは半導体粒子５以外の方向へ反射するため、充分な変換効率が得られないという問題があった。また、突起８として光反射材を用いても、発電に寄与する波長４００ｎｍ〜１２００ｎｍの光線のうち一部は吸収してしまうため、十分な変換効率が得られないという問題があった。さらには、図４に示す光電変換装置では、半導体粒子５の頂上付近に入射した太陽光が上部空間に反射する問題については全く改善されない。
【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、少量の半導体原料で高い変換効率を有する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によれば、下部電極上に一導電型を呈する多数の半導体粒子を配設し、この半導体粒子間に絶縁物質を充填して、この半導体粒子の上部に逆導電型の半導体層を設けた光電変換装置において、前記下部電極に多数の凹凸部を設け、この凸部上および凹部上に前記半導体粒子を配設することを特徴とする。
【００１０】
本発明の光電変換装置によれば、上記の構成により、凹部に配設した半導体粒子の頂上付近に入射した太陽光が反射した後、その大部分が凸部に配設した半導体粒子に入射するため、光電変換装置の変換効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００１１】
また、上記光電変換装置によれば、前記凹部に配置する前記半導体粒子と、それに隣接する前記凸部に配置する前記半導体粒子とが、未接触のまま平面視で重畳しているのが好ましい。
【００１２】
この構成により、平面視して半導体粒子を重畳するように配設することが可能となる。この結果、従来の光電変換装置で問題であった、太陽光が半導体粒子の間隙に入射することにより、変換効率が不十分になる問題を大幅に改善することが可能となる。また、上記光電変換装置によれば、上記半導体粒子の直径ｄ1と上記凹凸部の高低差ｈが、ｈ≦３ｄ1であることが好ましい。
【００１３】
この構成により、凹部に配設した半導体粒子の頂上付近に入射した太陽光を凸部に設置した半導体粒子に効果的に導き、かつ前記凸部の側面が露出する面積を最小限に抑えることが可能となり、従来の光電変換装置よりも変換効率が大幅に向上することが可能となる。すなわち、凸部の側面が露出すると、凹部の半導体粒子に突入した太陽光が反射した後、凸部の半導体粒子に当る確率が減り、逆に電極の側面に当る確率が増える。電極に当った光エネルギーの１部は吸収されてしまうため、変換効率を落とす原因になる。
【００１４】
また、上記光電変換装置によれば、上記下部電極が光反射材で構成されているのが好ましい。
【００１５】
この構成により、太陽光が下部電極に入射した場合にも、電極に吸収されるエネルギーを最小限に抑え、反射した光線の大部分が前記半導体粒子に導かれて発電に寄与することができ、その結果として変換効率の向上が可能となる。
【００１６】
また、上記光電変換装置によれば、上記下部電極がアルミニウム、銅、ニッケル、鉄およびその合金、および窒化チタンのうちのいずれか一種以上からなることが好ましい。
【００１７】
上記の構成により、光線反射率の高い下部電極を安価に製造できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光電変換装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す断面図である。図１に示すように、本発明の光電変換装置は、下部電極１上に多数の凹凸部を設け、一導電型を呈する半導体粒子５を凸部６上および凹部７上に配設し、その上部に逆導電型の半導体部３と保護層４を積層することにより形成されている。
【００１９】
下部電極１は導電性をもつものであればよく、基板を兼ねてもよい。基板としてセラミックや樹脂などの絶縁物質を用いる場合は、その表面に導電層を形成して下部電極１としてもよい。
【００２０】
凹部７上に配置する前記半導体粒子の半径をｄ1、凸部６上に配置する前記半導体粒子の直径をｄ2としたとき、この凸部６間の間隔ｉが、ｉ＜ｄ1＋ｄ2であるのが好ましい。この構成により、半導体粒子５を未接触のまま、図２のように、半導体粒子５を重畳するように配設することが可能となる。この結果、従来の光電変換装置で問題であった、太陽光が半導体粒子５の間隙に入射することにより変換効率が低下する問題を大幅に改善することが可能となる。
【００２１】
また、凸部６と凹部７の高低差ｈはある程度の大きさが必要である。ｈが大きい程、凹凸部を設けない場合に比較して、凹部７に配設した半導体粒子に到達した太陽光が反射した後、上部空間に放出せず隣接する半導体粒子に到達する割合が増えるためである。しかし、高低差ｈは大き過ぎても好ましくない。高低差ｈが大き過ぎると、凹部７の半導体粒子に突入した太陽光が反射した後、凸部６の半導体粒子に当る確率が減り、逆に電極の側面に当る確率が増える。このため、光エネルギーの１部は電極で吸収されてしまうため変換効率を落とす原因になる。発明者等の検討により、凸部６と凹部７の高低差ｈは、凹部７に配設する半導体粒子５が有する直径ｄとすると、ｈ≦３ｄを満足することが好ましいことが分かった。
【００２２】
一導電型を呈する半導体粒子５は、Ｓｉ、Ｇｅ等にｐ型を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等、又はｎ型を呈するＰ、Ａｓ、Ｓｂ等が微量元素含まれているものである。また、半導体粒子５の粒径は１００μｍ以上かつ４００μｍ以下が好ましい。１００μｍ以下では太陽光を十分に吸収できず、変換効率が低下するため、好ましくなく、４００μｍ以上では半導体粒子５の中心部で発生したキャリアが接合部まで移動する際に再結合しやすくなって変換効率が低下し、また半導体原料の使用量が増えて高コストとなるために好ましくない。
【００２３】
前記半導体粒子５は、気相成長法、アトマイズ法、直流プラズマ法等で形成可能であるが、コスト低減には非接触環境下に融液を落下させる融液落下法が好ましい。
【００２４】
絶縁物質２は正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、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の光線透過率が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。
【００２５】
一導電型を呈する半導体粒子５の配列方法の一例を次に示す。箱型の冶具に半導体粒子５の粒径ｄ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５を吸着させる。下部電極１上へ前記冶具を搬送した後、冶具内部の圧力を上げて第１半導体粒子５を基板１上へ並べる。この際、箱型冶具に形成した穴の配列を下部電極上の凸部６および凹部７に一致させて設計することで容易に第１半導体粒子５を適切な配列に並べることができる。
【００２６】
逆導電型の半導体層３は、ＶＨＦ−ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法等で、半導体粒子５と逆の導電型をもたせる。
【００２７】
また、逆導電型の半導体層３上に保護層４を設けてもよい。保護層４は透明誘電体の特性を持つものがよく、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３上に形成する。この保護層４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。
【００２８】
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よい。また、補助電極を凸状に形成して補助電極に入射した光を第１半導体粒子５へ導く構造とすると更に好適である。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明する。まず、幅５０μｍ、高さ１００μｍ、ピッチ３２０μｍの凸部６を型加工により形成したセラミック基板を用意し、前記セラミック基板上にアルミニウムからなる導電層を形成した。この導電層上に絶縁物質を形成した。絶縁物質はガラスペーストを用いて上記導電層上に１１０μｍ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燐系の軟化温度４８０℃のものを使用した。次に、粒径２００μｍのｐ型シリコン粒子を凹部の中央に沿ってピッチ３２０μｍで配設し、粒径３００μｍのｐ型シリコン粒子を凹部に設けたｐ型シリコン粒子と千鳥配置になるように凸部中央に配設し、それぞれのｐ型シリコン粒子を導電層に接触するまで押し込んだ。
【００３０】
次に、ガラスペーストを加熱して焼成し、上記シリコン粒子と上記絶縁物質上にｎ型シリコン層を上部電極層も兼ねて４００ｎｍ形成した。更に、保護層として窒化珪素を８０ｎｍ形成した。
【００３１】
このようにして形成された光電変換装置を用いて変換効率を測定したところ１０．５％の性能を得た。
【００３２】
【比較例】
表面が平坦なセラミック基板を用意し、このセラミック基板上にアルミニウムからなる導電層を形成した。さらに導電層に絶縁物質を形成した。絶縁物質はガラスペーストを用いて前記導電層上に１１０μｍ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燐系の軟化温度４８０℃のものを使用した。次に、粒径３００μｍのｐ型シリコン粒子を３２０μｍのピッチで碁盤状に配置し、それぞれのｐ型シリコン粒子を導電層に接触するまで押し込んだ。
【００３３】
その後ガラスペーストを焼成し、ｎ型シリコン層を形成し、保護層を形成した。ガラスペースト、ｎ型シリコン層および保護層の形成方法と材料は実施例１と同じである。
【００３４】
このようにして形成された光電変換装置を用いて変換効率を測定したところ８．５％の性能であった。
【００３５】
【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、下部電極上に一導電型を呈する多数の半導体粒子を配設し、この半導体粒子間に絶縁物質を充填して、この半導体粒子上部に逆導電型の半導体層を設けた光電変換装置において、上記下部電極に多数の凹凸部を設け、この凸部上および凹部上に上記半導体粒子を配設することにより、太陽光を効率よく半導体粒子に取り込むことが可能となり、高い変換効率が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の光電変換装置の配置例を示す正面図である。
【図３】従来のボールソーラーの構造を示す断面図である。
【図４】突起状曲光体を設けた従来のボールソーラーの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・下部電極
２・・・絶縁物質
３・・・逆導電型の半導体
４・・・保護層
５・・・一導電型を呈する半導体粒子
６・・・凸部
７・・・凹部
８・・・突起状曲光体
【図１】
0004129355.tif 000002
【図２】
0004129355.tif 000003
【図３】
0004129355.tif 000004
【図４】
0004129355.tif 000005