(57)【要約】【課題】複数の光電変換セルが所定の距離を隔てて複数配置され、隣接する光電変換セル同士を電気的に直列に接続した光電変換装置において、従来の光電変換装置に比して発電効率の向上を図ることができる光電変換装置を得ること。【解決手段】絶縁性透明基板２上に、透明電極層１１、光電変換を行う光電変換層、および裏面電極層１３が順に積層された光電変換素子１０が、隣接する光電変換素子１０の光電変換層１２同士の間隔をあけて複数配置される光電変換装置１において、絶縁性透明基板１における、光電変換層１２の形成位置に対応する領域を第１の領域とし、隣接する第１の領域間に挟まれる領域を第２の領域とした場合に、第２の領域は、絶縁性透明基板２の第２の領域に入射する光の進路を光電変換層１２の方向に変えるように形成された構成を有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な絶縁性の基板上に、透明な第１の電極層、光電変換を行う半導体層からなる光電変換層、および第２の電極層が順に積層された光電変換素子が、隣接する光電変換素子の光電変換層同士の間隔をあけて複数配置される光電変換装置において、
前記基板における、前記光電変換層の形成位置に対応する領域を第１の領域とし、隣接する前記第１の領域間に挟まれる領域を第２の領域とした場合に、
前記第２の領域は、前記基板の前記第２の領域に入射する光の進路を前記光電変換層の方向に変えるように形成された構成を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記基板の前記第２の領域の前記光電変換素子形成面に対向する面側に凹部が設けられ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】
前記凹部は、前記基板の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な物質で充填されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記基板の前記第２の領域の前記光電変換素子形成面に対向する面側に突起部が設けられ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５】
前記基板の前記第２の領域は、前記第１の領域の屈折率と異なる屈折率を有す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】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体薄膜を用いて光電変換を行う光電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄膜型光電変換セルは、透明な基板上に、透過性電極と、光拡散を生じさせるのに適した微細な凹凸を含む表面テクスチャを生じさせるように微粒子を含有する樹脂からなる光拡散層と、光電変換層としての非晶質シリコン層と、反射電極と、を形成した構造を有する（たとえば、特許文献１参照）。このような構造により、光拡散層よりも上位に形成された層の表面にも微細な凹凸を含む表面テクスチャが形成され、光拡散層以上の層の相互の界面における入射光の光拡散による光閉じ込め効果が生じ、非晶質シリコン層内での光路長を長くして光電変換効率を向上させている。
【０００３】
一般的に、このような構造の光電変換セルを、所定の距離を隔てて複数配置するとともに、隣接する光電変換セル同士を電気的に直列に接続することで、光電変換装置が形成される。なお、このとき隣接する光電変換セル間の非晶質シリコン層は、物理的に直接接続されずに分離された構造となっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２４４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような構造の光電変換装置を用いて光電変換を行った場合の入射光の経路について説明する。光電変換装置内の光電変換セルが存在する領域に表面から入射した光は、その光電変換セルに入射して起電力発生に寄与できる。しかし、光電変換装置内の光電変換セルが存在しない領域、すなわち隣接する光電変換セルの間の領域に入射した光は、光電変換セルに入射することなくそのまま光電変換装置を通過していってしまう。つまり、従来の光電変換装置では、隣接する光電変換セル間の領域に入射される光の分だけ、発電効率が悪く、出力電圧が低くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、複数の光電変換セルが所定の距離を隔てて複数配置され、隣接する光電変換セル同士を電気的に直列に接続した光電変換装置において、従来の光電変換装置に比して発電効率の向上を図ることができる光電変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光電変換装置は、透明な絶縁性の基板上に、透明な第１の電極層、光電変換を行う半導体層からなる光電変換層、および第２の電極層が順に積層された光電変換素子が、隣接する光電変換素子の光電変換層同士の間隔をあけて複数配置される光電変換装置において、前記基板における、前記光電変換層の形成位置に対応する領域を第１の領域とし、隣接する前記第１の領域間に挟まれる領域を第２の領域とした場合に、前記第２の領域は、前記基板の前記第２の領域に入射する光の進路を前記光電変換層の方向に変えるように形成された構成を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、光電変換装置内の隣接する光電変換セル間の無効領域に、光を散乱し得る構成を設けたので、隣接する光電変換セル間の無効領域に入射した光が散乱、屈曲され、光電変換装置内の無効領域以外の光電変換層形成領域へ導かれる。その結果、無効領域への入射光も光電変換層形成領域で光電変換に有効に利用され、光電変換装置の発電効率および出力特性を従来の光電変換装置に比して向上させることができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光電変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる光電変換装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明にかかる光電変換装置の実施の形態１の構成を模式的に示す断面図である。この光電変換装置１は、ガラスなどの絶縁性透明基板２上に、後述する光電変換層１２への不純物の阻止層として設けられる酸化珪素（ＳｉＯ2 ）などからなるアンダーコート層３が形成されており、このアンダーコート層３上に、複数の素子形成領域Ｒが設けられ、この素子形成領域Ｒ上に光電変換素子１０が形成される。なお、ここで、素子形成領域Ｒ内の後述する光電変換層１２が形成される位置に対応する領域を有効領域Ｒｅといい、有効領域Ｒｅ以外の領域を無効領域Ｒｉというものとする。
【００１１】
絶縁性透明基板２のアンダーコート層３形成面と反対側の面（光の入射側の面）の無効領域Ｒｉには、この部分に入射させた光を、有効領域Ｒｅ側へと散乱・屈曲させる入射光進路変更部が設けられている。つまり、この入射光進路変更部は、所定の間隔で絶縁性透明基板２の入射面側に形成されている。この例では、入射光進路変更部は、紙面に垂直な方向に延在した楔状の溝２１であり、延在方向に垂直な断面はＶ字型を有している。
【００１２】
この楔状の溝２１は、切削加工、たとえばダイサーなどを使用した加工によって、ガラス基板上の無効領域Ｒｉに形成される。なお、ここでは、絶縁性透明基板２として入射面側には楔状の溝２１を設けたガラス基板を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。図２は、絶縁性透明基板の他の例を示す断面図である。ガラス基板を切削する代わりに、この図に示されるように、金型などで楔状に溝２１を形成した樹脂片２ｂを平板なガラス基板２ａの一方の主面側に貼り付けたものを絶縁性透明基板２として用いてもよい。
【００１３】
また、この楔状の溝２１の深さや形成する面の角度は、隣接する２つの光電変換素子１０の間の無効領域Ｒｉに入射した光が、絶縁性透明基板２上に形成する光電変換層１２へと散乱・屈曲されるように、使用する絶縁性透明基板２の厚さと光電変換層１２の形成位置に基づいて定められる。さらに、ここでは、入射光進路変更部が、その延在方向に垂直な断面が楔状（Ｖ字型）である溝２１の場合を例に挙げて説明しているが、無効領域Ｒｉに入射した光が光電変換層１２へと導かれる形状であれば、どのような凹部であってもよい。また、このように形成した凹部（溝２１）に、絶縁性透明基板２とは異なる屈折率の物質を充填してもよい。
【００１４】
ここで、隣接する入射光進路変更部によって区切られる１つの素子形成領域Ｒに形成される光電変換素子１０の構造について説明する。素子形成領域Ｒ上には、素子形成領域Ｒの幅よりも短い幅を有し、素子形成領域Ｒに沿って延在するようにパターニングされた透明電極層１１が設けられている。この透明電極層１１上の一部と素子形成領域Ｒ上の一部とを一体的に覆うように、より具体的には絶縁性透明基板２上の入射光進路変更部形成領域（無効領域Ｒｉに対応）以外の領域に、光電変換層１２が形成される。この光電変換層１２は、自素子形成領域Ｒの透明電極層１１とは接触しているが、隣接する素子形成領域Ｒの透明電極層１１とは接触しないように、自素子形成領域Ｒの面積よりも小さく形成される。また、この光電変換層１２は、ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈおよびｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈが順に積層されたｐｉｎ接合を形成している。なお、光電変換層１２は、これに限定されるものではなく、他の種類のものを用いたり、組み合わせて用いたりすることも可能である。
【００１５】
そして、この光電変換層１２上の少なくとも一部と、隣接する一方の素子形成領域Ｒに形成された透明電極層１１上の一部と、これらの間の露出した素子形成領域Ｒ（アンダーコート層３）上とを一体的に覆うように裏面電極層１３が形成される。この裏面電極層１３は、隣接する一方の素子形成領域Ｒ上の透明電極層１１とは接触するように形成されるが、自素子形成領域Ｒ上の透明電極層１１とは接触しないように形成される。この例では、裏面電極層１３は、光電変換層１２に接触して形成されるＳｎＯ2などの透明な導電性金属化合物からなる第１の裏面電極膜１３ａと、ＡｇまたはＡｌなどの金属からなる第２の裏面電極膜１３ｂと、から構成されている。
【００１６】
このように、隣接する光電変換素子１０の裏面電極層１３と透明電極層１１とが電気的に接続されることによって、複数の光電変換素子１０が直列に接続される。
【００１７】
以上の構造において、アンダーコート層３は必要に応じて設ければよい。たとえば、絶縁性透明基板２としてよく用いられるガラス基板にはＮａなどのアルカリ金属が含まれており、このアルカリ金属が透明導電膜中に拡散して、透明導電膜の電気伝導率を低下させてしまう。そのため、このようなアルカリ金属を含むガラス基板を用いる場合には、上記したようにＳｉＯ2膜などの酸化膜をアンダーコート層３として設けた方がよい。しかし、絶縁性透明基板２にアルカリ金属を含まない無塩ガラス基板を用いる場合や、アルカリ金属の透明電極層１１への拡散が問題にならない場合には、このアンダーコート層３を設けなくてもよい。また、絶縁性透明基板２側から入射した光が透明電極層１１との界面で反射することを低減するために、反射防止膜をアンダーコート層３として設けられる場合もあるが、この反射防止膜としてのアンダーコート層３は必ずしも必要であるわけではないので、設けなくてもよい。
【００１８】
つぎに、このような構造を有する光電変換装置１内に入射する光の光路について説明する。図３は、光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から有効領域Ｒｅ内に光が入射した場合（図中のＬ１の場合）には、その光はそのまま光電変換層１２へと到達する。到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。
【００１９】
一方、絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から無効領域Ｒｉ内に光が入射する場合（図中のＬ２の場合）には、その光は、楔状の溝２１の領域に入射するが、このとき、絶縁性透明基板２への入射時に光は溝２１の側壁で屈折し、光電変換層１２に対応する領域に光路が屈曲され、光電変換層１２へと到達する。そして、到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。
【００２０】
つぎに、このような構造を有する光電変換装置１の製造方法について説明する。図４−１〜図４−７は、この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である。なお、ここでは、図１に示される構造の光電変換装置１を製造する場合を例に挙げる。
【００２１】
まず、図４−１に示されるような加工されていないガラス基板などの絶縁性透明基板２に対して、ダイサーなどを用いた切削加工を行い、楔状の溝２１を形成する（図４−２）。この楔状の溝２１によって区切られる領域を素子形成領域Ｒとする。ついで、この絶縁性透明基板２の楔状の溝２１を形成していない側の主面上の全面にＳｉＯ2膜からなるアンダーコート層３を形成し（図４−３）、さらにこのアンダーコート層３上の全面にＳｎＯ2，ＺｎＯ，ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）などからなる透明電極層１１を形成する（図４−４）。この透明電極層１１は、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの薄膜形成技術によって形成される。
【００２２】
その後、各素子形成領域Ｒにおける透明電極層１１の幅が、素子形成領域Ｒの幅よりも小さくなるように、不要な部分（透明電極層１１を形成しない領域）にレーザを照射して、その部分の透明電極層１１を除去することによってパターニングを行う（図４−５）。この照射するレーザとして、ＹＡＧ（Yttrium  Aluminum  Garnet）レーザなどを用いることができる。これにより、各素子形成領域Ｒ内には、楔状の溝２１と並行して延びる透明電極層１１が形成される。
【００２３】
ついで、透明電極層１１を形成したアンダーコート層３上に、光電変換層１２を形成する（図４−６）。この光電変換層１２として、ｐ型の非晶質炭化シリコン膜（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）、ｉ型の非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、ｎ型の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）を順に積層した構造のものを例示することができる。なお、これらの膜は、水素ガスを希釈ガスとして用いる蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの薄膜形成技術によって形成される。その後、この光電変換層１２が、透明電極層１１とこの透明電極層１１が形成される素子形成領域Ｒのアンダーコート層３内にのみ形成されるように、レーザ照射によってパターニングを行う（図４−７）。これによって、素子形成領域Ｒに透明電極層１１の一部を被覆し、透明電極層１１と並行した光電変換層１２が形成される。
【００２４】
ついで、光電変換層１２と透明電極層１１が形成されたアンダーコート層３上に、ＳｎＯ2などの透明な導電性金属化合物からなる第１の裏面電極膜１３ａと、ＡｇまたはＡｌなどの金属からなる第２の裏面電極膜３ｂと、を順に積層して裏面電極層１３を形成する（図４−８）。この裏面電極層１３は、蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの薄膜形成技術によって形成することができる。その後、光電変換層１２の一部を少なくとも多い、隣接する一方の素子形成領域Ｒの透明電極層１１の露出部分を覆うように、レーザ照射によってパターニングを行うことによって、図１に示される構造の光電変換装置１が得られる。なお、上述した説明では、形成した各層に対してレーザ照射によって、パターニングを行う場合を示したが、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、パターニングを行ってもよい。
【００２５】
この実施の形態１によれば、絶縁性透明基板２上に複数の光電変換素子１０を直列に接続して配置した光電変換装置１において、絶縁性透明基板２側の光電変換素子１０間に対応する位置に、楔状の溝２１を形成したので、この部分に入射した光は溝２１の側壁で屈折し、光電変換層１２が形成されている領域へと光路が屈曲される。その結果、従来では、光電変換に寄与していなかった領域の入射光を光電変換に利用することができ、光電変換装置１の実質的な発電効率が向上するという効果を有する。
【００２６】
実施の形態２．
図５は、この発明にかかる光電変換装置の実施の形態２の構成を模式的に示す断面図である。この光電変換装置１は、実施の形態１では楔状の溝２１からなっていた絶縁性透明基板２の入射光進路変更部が、楔状の突起構造２２で構成されている。この例の突起構造２２は、紙面に垂直な方向に延在している。このような突起構造２２を有する絶縁性透明基板２として、切削加工で楔状突起を形成させたガラス基板を用いることができる。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。また、このような構造の光電変換装置１の製造方法も実施の形態１で説明した工程と同様であるので、その説明を省略する。
【００２７】
なお、ここでは、絶縁性透明基板２として入射面側には楔状の突起構造２２を設けたガラス基板を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。図６は、絶縁性透明基板の他の例を示す断面図である。この図に示されるように、ガラス基板を切削する代わりに、金型などで突起状に形成した樹脂基片２ｃを平板なガラス基板２ａの一方の主面側に貼り付けたものを絶縁性透明基板２として用いてもよい。また、この楔状の突起構造２２の高さや形成する面の角度は、隣接する２つの光電変換素子１０の間の領域に入射した光が、絶縁性透明基板２の入射面とは反対側の主面上に形成される光電変換素子１０へと散乱されるように、使用する絶縁性透明基板２の厚さと光電変換素子１０の形成位置に基づいて定められる。
【００２８】
つぎに、このような構造を有する光電変換装置１内に入射する光の光路について説明する。図７は、光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から有効領域Ｒｅ内に光が入射した場合（図中のＬ１の場合）には、その光はそのまま光電変換層１２へと到達する。到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。
【００２９】
一方、絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から無効領域Ｒｉ内に光が入射する場合（図中のＬ２の場合）には、その光は、楔状の突起構造２２の領域に入射するが、このとき、絶縁性透明基板２への入射時に光は突起構造２２の側壁で屈折し、光電変換層１２に対応する領域に光路が屈曲され、光電変換層１２へと到達する。そして、到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。なお、上述した説明では、入射光進路変更部として楔状の突起構造２２を例に挙げているが、楔状ではなく、無効領域Ｒｉに入射した光を光電変換層１２へと光路を屈曲・散乱させることができるものであれば、どのような突起構造であってもよい。
【００３０】
この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様に、従来では、光電変換に寄与していなかった領域の入射光を光電変換に利用することができ、光電変換装置１の実質的な発電効率が向上するという効果を有する。
【００３１】
実施の形態３．
図８は、この発明にかかる光電変換装置の実施の形態３の構成を模式的に示す断面図である。この光電変換装置１は、実施の形態１では楔状の溝２１からなっていた絶縁性透明基板２の入射光進路変更部が、周囲とは異なる屈折率を有する屈折率変化領域２３によって構成されている。この例の屈折率変化領域２３は、紙面に垂直な方向に延在して形成されている。このような屈折率変化領域２３を有する絶縁性透明基板２として、イオン照射（イオン注入法）などによって局所的に屈折率を変化させたガラス基板や樹脂基板を用いることができる。つまり、無効領域Ｒｉに対応する絶縁性透明基板２上の領域に、周囲とは屈折率の異なる屈折率変化領域２３が形成された構成となっている。この屈折率変化領域２３の屈折率は、隣接する２つの光電変換素子１０の光電変換層１２間の領域（無効領域Ｒｉ）に入射した光が、絶縁性透明基板２上に形成する光電変換素子１０へと散乱されるように、使用する絶縁性透明基板２の厚さと光電変換素子１０の形成位置に基づいて定められる。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略している。また、このような構造の光電変換装置１の製造方法も実施の形態１で説明した工程と同様であるので、その説明を省略する。
【００３２】
つぎに、このような構造を有する光電変換装置１内に入射する光の光路について説明する。図９は、光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から有効領域Ｒｅ内に光が入射した場合（図中のＬ１の場合）には、その光はそのまま光電変換層１２へと到達する。到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。
【００３３】
一方、絶縁性透明基板２の光電変換素子１０が形成されていない面側から無効領域Ｒｉ内に光が入射する場合（図中のＬ２の場合）には、その光は、屈折率変化領域２３に入射するが、この絶縁性透明基板２への入射時に光は屈折率変化領域２３で屈折し、光電変換層１２に対応する領域に光路が屈曲され、光電変換層１２へと到達する。そして、到達した光は光電変換層１２で吸収され電子−正孔対を形成し、形成された電子と正孔が内蔵電位によってそれぞれ異なる電極へと到達し、光起電力が発生する。
【００３４】
この実施の形態３によっても、実施の形態１と同様に、従来では、光電変換に寄与していなかった領域の入射光を光電変換に利用することができ、光電変換装置１の実質的な発電効率が向上するという効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、この発明にかかる光電変換装置は、太陽光を用いて発電を行う太陽光発電システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明にかかる光電変換装置の実施の形態１の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】絶縁性透明基板の他の例を示す断面図である。
【図３】光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。
【図４−１】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その１）。
【図４−２】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その２）。
【図４−３】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その３）。
【図４−４】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その４）。
【図４−５】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その５）。
【図４−６】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その６）。
【図４−７】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その７）。
【図４−８】この実施の形態による光電変換装置の製造方法の一例を示す断面図である（その８）。
【図５】この発明にかかる光電変換装置の実施の形態２の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】絶縁性透明基板の他の例を示す断面図である。
【図７】光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。
【図８】この発明にかかる光電変換装置の実施の形態３の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】光電変換装置内における入射光の光路を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  光電変換装置
２  絶縁性透明基板
２ａ  ガラス基板
２ｂ  樹脂片
２ｃ  樹脂基片
３  アンダーコート層
１０  光電変換素子
１１  透明電極層
１２  光電変換層
１３  裏面電極層
１３ａ  第１の裏面電極膜
１３ｂ  第２の裏面電極膜
２１  溝
２２  突起構造
２３  屈折率変化領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図４−４】
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【図４−５】
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【図４−６】
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【図４−７】
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【図４−８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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