JP3442418B2 - 光起電力素子 - Google Patents

光起電力素子

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JP3442418B2 JP00323893A JP323893A JP3442418B2 JP 3442418 B2 JP3442418 B2 JP 3442418B2 JP 00323893 A JP00323893 A JP 00323893A JP 323893 A JP323893 A JP 323893A JP 3442418 B2 JP3442418 B2 JP 3442418B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光起電力素子に関し、特に、光が入
射される側の電極構造が改良された光起電力素子に関す
る。 【0002】 【従来の技術】太陽電池などの光起電力素子において発
電量を高めるには、光の入射量を多くする必要がある。
他方、光起電力素子では、Siのような半導体からなる
発電層の受光面側に、透明電極及び集電極を形成した構
造が多用されている。これらの電極のうち、透明電極は
光を透過させるが、集電極はAlなどの光を透過しない
材料からなる。従って、変換効率を高めるには、集電極
の面積を可能な限り小さくすることが望ましいとされて
いる(R.Mertens,et al.6thInt
PVSEC,New Delhi,1992,第33
頁〜第39頁)。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、薄膜半
導体、たとえば薄膜Siを発電層とした光起電力素子で
は、発電層の膜厚は10μm程度とかなり薄くされてい
る。従って、光吸収係数の小さい長波長の光は、光起電
力素子の裏面側、すなわち光が入射される側とは反対側
の面で反射された後、その大部分が発電層を透過して受
光面側から外部に散乱してしまうという問題があった。 【0004】上記のような長波長光の発電層外への散乱
は、発電層の表面側に微小な凹凸を設けることにより改
善される。しかしながら、上記のような凹凸を設けたと
しても、外部に散乱してしまう光を無くすことはできな
い。 【0005】さらに、発電層と異なる材料からなる基板
上に薄膜Siからなる発電層を形成して得られた、いわ
ゆる逆タイプと称されている太陽電池では、下地の基板
上に凹凸を設けることにより、長波長光を裏面側で乱反
射させている。しかし、薄膜Si表面における凹凸は、
下地基板から離れている分だけ、凹凸の程度が緩やかと
なっている。従って、長波長光の光閉じ込め効果は未だ
充分とはいえなかった。その結果、〜200μm程度の
厚みを有する厚膜タイプのSi太陽電池に比べて、薄膜
半導体を用いた太陽電池では、長波長光に対する感度が
低いという欠点があった。 【0006】本発明の目的は、薄膜半導体からなる発電
層を用いているにも係わらず、長波長光に対する感度が
高く、従って変換効率が高められた光起電力素子を提供
することにある。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明の光起電力素子で
は、薄膜半導体からなる発電層を有し、該発電層の受光
面側に集電極を形成してなる光起電力素子において、発
電層に光を入射させるために、前記集電極が受光面側に
部分的に形成されており、該集電極が、集電極間の光が
入射される領域に向かうにつれて発電層側に傾斜したテ
ーパー面を有するようにテクスチュアー化されており、
集電極の面積と集電極間の光が入射される領域の面積と
が等しくされていることを特徴とする光起電力素子であ
る。 【0008】なお、本発明の光起電力素子においては、
上記のように発電層の受光面側に集電極が形成されてい
るが、この集電極は、発電層の受光面に直接形成されて
もよく、あるいは受光面に形成された透明電極等の上に
形成されていてもよい。 【0009】 【作用】本発明の光起電力素子では、集電極間において
発電層に光が入射されるが、集電極が上記テクスチュア
ー構造を有するため、集電極に到達した光は上記テーパ
ー面により反射されて、最終的に集電極間の上記光が入
射される領域に導かれ、発電層に入射される。従って、
集電極の面積が比較的大きくても、充分な量の光が発電
層に導かれる。 【0010】また、光起電力素子の受光面側に上記集電
極が形成されているため、集電極が形成されている領域
では、裏面側において反射されてきた光、特に長波長光
が該集電極により反射されて素子内に効果的に閉じ込め
られる。 【0011】 【実施例の説明】以下、本発明の実施例を説明すること
により、本発明を明らかにする。図1及び図2を参照し
て本発明の一実施例の光起電力素子を説明する。光起電
力素子1では、下地となる基板2上に発電層3が形成さ
れている。発電層3の下面には、特に図示はしないが、
裏面電極が形成されている。 【0012】発電層3の上面には複数本の短冊状の集電
極4及び透明電極5が形成されている。上記透明電極を
除いた平面図である図1(b)に示されているように、
複数本の集電極4は、所定ピッチで平行に配置されてい
る。なお、本実施例では、集電極4の面積と、集電極
4,4間の光が入射される領域6との面積が等しくされ
ている。従って、領域6においては、図1(a)に示す
ように、発電層3の受光面3aが集電極4で覆われてお
らず、矢印Xで示す入射光は、該領域6内において発電
層3に入射される。 【0013】さらに、集電極4には、上記領域6に近づ
くにつれて発電層3側に傾斜したテーパー面4aが形成
されている。テーパー面4aは、光が集電極4で反射さ
れて上記領域6に導かれるように、その傾斜角度が選択
されている。従って、本実施例の光起電力素子1では、
上記テーパー面4aで反射された光が、領域6内に臨ん
でいる発電層部分に導かれる。よって、集電極4が発電
層3の受光面側を覆っている面積が比較的大きくとも、
上記テーパー面4aが設けられているため、充分な光量
の入射光が領域6内の発電層部分に導かれる。 【0014】なお、本実施例では、領域6は平面形状が
矩形とされていたが、円形もしくは三角形等の他の形状
とされていてもよい。また、領域6に代えて、図5に示
す開口部36や一部が開かれた切欠を有するように、集
電極4が形成されていてもよい。 【0015】さらに、本実施例の光起電力素子1では、
集電極4が発電層3の受光面を覆っている面積と、上記
領域6の面積とが約1:1とされている。この場合、図
2に示すように、上記テーパー面4aの作用により、集
電極4で覆われていない部分、すなわち領域6内に露出
されている領域の発電層部分Aにおける短絡光電流は、
集光されていない場合(すなわち、集電極4に上記テー
パー面4aを設けなかった場合)の2倍の電流値から、
集電極4で覆われている部分の発電層部分B側に入る光
が発電層部分A内に存在した場合に生成される電流を差
し引いたものとなる。 【0016】他方、集電極4で覆われた発電層部分Bで
は、発電層部分A側から散乱した光のみが入射すること
になるが、発電層部分Bは、裏面電極(図示せず)と、
受光面側の集電極4とにより挟まれている。従って、光
吸収係数の小さい長波長光が、受光面側と裏面側との間
で繰り返し反射されてすべて吸収される。その結果、全
体の光起電力素子の特性は、発電層部分Aにより構成さ
れる光起電力素子と、発電層部分Bで構成される光起電
力素子とを並列接続したものの特性と等価となる。 【0017】よって、本実施例の光起電力素子では、従
来の光起電力素子に比べて、発電層部分Bにおいて発電
層部分Aで吸収されない長波長光を吸収し得る分だけ、
長波長光に対する感度が増大し、従って短絡光光電流値
が高められる。 【0018】次に、具体的な実験例につき説明する。図
3は、本発明の一実施例において製造した光起電力素子
の模式的断面図である。本実施例の光起電力素子におい
て、光の入射方向は、矢印Cで示す方向である。 【0019】本実施例の光起電力素子10を得るにあた
っては、図4(a)に示すように上面に凹凸が形成され
た下地基板11上に裏面電極(図示せず)を形成し、該
裏面電極上に発電層12を形成する。発電層12は、下
方から薄膜多結晶Si及びa−Si薄膜を積層した構造
を有する。 【0020】発電層12上に、図4(b)に示すよう
に、全面にAlを蒸着し、厚み50μmの電極13を形
成する。 【0021】次に、レジストからなるマスク15と、H
2 PO4 とHNO3 との混液からなるエッチング液を用
い、上記電極13をエッチングし、図4(c)に示すよ
うに断面が三角形状の複数本の集電極13を、集電極間
の領域16の幅が50μm、集電極13の幅が50μm
となるように形成した。 【0022】次に、上記発電層12の上面及び集電極1
3の上面を覆うようにITO(インジウム錫酸化物)か
らなる透明電極14を形成し、図4(d)の光起電力素
子10を得た。 【0023】なお、図4では、発電層12は単一の層と
して図示していたが、実際には、図3に示すように本実
施例の光起電力素子10では、n型の薄膜多結晶Si層
17と、p型のa−Si層18とを積層した構造を有す
る。また、図3に示したように、下地基板11の上面に
は凹凸が付与されている。下地基板11上に形成される
薄膜半導体よりなる発電層12の上面にも、図示のよう
に下地基板11の上面の凹凸よりも緩和されてはいる
が、同じく凹凸が形成されることになる。このように下
地基板11の上面に、すなわち発電層12の下面に凹凸
を付与することより、入射してきた長波長光を、裏面側
において効果的に乱反射させることができ、それによっ
て集電極13の直下に位置している発電層部分内に長波
長光をより効果的に導くことができる。 【0024】図6は、比較のために用意した従来の光起
電力素子を示す断面図である。光起電力素子20では、
下地基板21上に、実施例と同様にn型薄膜多結晶Si
27及びp型a−Si薄膜28からなる発電層22が形
成されている。ここまでは、図3に示した実施例と同様
である。異なる点は、発電層22の上面の全面にITO
よりなる透明電極24が形成されており、かつ透明電極
24の上面に隣合う開口部中心間隔2mm及び開口部幅
100μmのマスクを用いて、上面が平坦な線幅100
μmの集電極23が複数本形成されていることにある。
この実施例では、全集電極23の面積が受光面側の全表
面積の5%であり、従って全照射光のうち5%は発電層
22には入らずに反射される。 【0025】なお、図3及び図6における発電層12,
22は、表面に凹凸が付与されたタングステン製下地基
板11,21上にn- 型a−Siを厚み10μmに形成
した後、固相成長法により結晶化してn型多結晶Si層
17,27とし、その上にp型a−Si層18,28を
形成することにより得たものである。このa−Si層の
形成条件を下記の表1に示す。なお、発電層12の上面
の表面積は100mm 2 である。 【0026】 【表1】 【0027】上記のようにして用意した従来例及び図3
の実施例(集電極により覆われている部分の面積と、光
入射領域の面積とが等しいもの)の特性を測定したとこ
ろ、下記の表2に示す結果が得られた。 【0028】 【表2】【0029】表2から明らかなように、受光面側の表面
の1/2の面積が集電極に覆われているにも係わらず、
実施例の光起電力素子では、受光面側が5%しか覆われ
ていない従来例を上回る変換効率が得られることが分か
る。 【0030】上述した説明では、半導体薄膜はSiによ
り構成されていたが、GeやGaAs等の他の半導体材
料により構成してもよい。また、発電層の構成について
も、上記ヘテロ接合タイプのものに限らず、従来より公
知の光起電力素子の発電層を適宜用いることができる。 【0031】 【発明の効果】以上のように、本発明の光起電力素子で
は、発電層の受光面側が比較的大きな面積の集電極で覆
われている場合でも、集電極に上記テーパー面が形成さ
れているため、入射光がテーパー面により反射されて集
電極間の光が入射される領域に臨む発電層部分に導かれ
る。しかも、発電層の受光面側が集電極で覆われている
部分では、素子の裏面側で反射されてきた光吸収係数の
小さい長波長光が該集電極によって反射され、発電層内
に効果的に閉じ込められる。 【0032】よって、集電極の面積をかなり大きくした
場合であっても、従来の光起電力素子に比べて変換効率
の高い、特に長波長光に対する感度に優れた光起電力素
子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】(a)及び(b)は、それぞれ、一実施例の光
起電力素子の断面図及び集電極の平面図。 【図2】図1に示した光起電力素子における集光及び長
波長光の閉じ込めの原理を説明するための断面図。 【図3】本発明の具体的実験例に用いた光起電力素子を
示す断面図。 【図4】(a)〜(d)は、それぞれ、図3に示した光
起電力素子を製造する工程を説明するための各断面図。 【図5】集電極の形状の他の例を示す平面図。 【図6】比較ために用意した従来の光起電力素子を示す
断面図。 【符号の説明】 1…光起電力素子 3…発電層 4…集電極 4a…テーパー面 5…透明電極 6…光が入射される領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 薄膜半導体からなる発電層を有し、該発
    電層の受光面側に集電極を形成してなる光起電力素子に
    おいて、 発電層に光を入射させるために、前記集電極が受光面側
    に部分的に形成されており、該集電極が、集電極間の光
    が入射される領域に向かうにつれて発電層側に傾斜した
    テーパー面を有するようにテクスチュアー化されて
    り、集電極の面積と集電極間の光が入射される領域の面
    積とが等しくされていることを特徴とする、光起電力素
    子。
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