JP6529743B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
(A)光閉じ込め技術を用いて変換効率を高める方法。
(B)キャリアの再結合を抑制する方法。
(C)半導体基板と電極との界面でのショットキー接合の形成を回避する方法。
従来型の太陽電池においては、受光面における光の反射を抑制するために、半導体基板の受光面に凹凸構造を設けることが行われている。受光面に凹凸構造を設けると、受光面の凸部で反射された光が隣接する凸部に再吸収される。このような受光面に設ける凹凸構造及びその製造方法については、種々の提案がなされている。
特許文献2には、均一な無反射表面形状(ピラミッド構造)を、フォトマスクを用いずに形成できるエッチング液として、モノスルホン酸又はこれらの塩、アルカリ化合物、及び、水を含むアルカリエッチング液が開示されている。
(a)ワイヤースライス、サンドブラスト、サンドペーパー研磨等の機械的ダメージ形成方法、あるいは不純物拡散、イオン衝撃、ラジカル照射等の化学的ダメージ形成方法によって、半導体基板の表面にダメージ層を形成し、
(b)次いで、半導体基板の表面に酸エッチングを施す
方法が開示されている。
特許文献4には、凹凸構造を形成する方法として、
(a)シリコン基板の表面にレーザー光を照射することで溝を形成し、
(b)フッ酸:硝酸=3〜10:1の割合で含まれる酸による化学エッチングで凹凸を形成する
方法が開示されている。
従来型の多くの太陽電池では、例えば、特許文献1に開示されているように、半導体基板の受光面側に、半導体基板の伝導型とは異なる伝導型の第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。半導体基板の表面にエミッタ層を形成すると、両者の界面にはpn接合面が形成される。pn接合面は、光によって生成したキャリアを太陽電池の2つの電極(+電極と、−電極)のそれぞれの方向に向かって分離・加速移動させる原動力となる。光によって生成したキャリアの密度は、受光面に近い部分で大きいため、エミッタ層を受光面側に設けることにより、2つの電極から効率よくキャリアを取り出すことができる。
例えば、非特許文献3には、
(a)不純物を含む塗布液を半導体基板に塗布し、熱処理によってドープする方法、
(b)半導体基板を電気炉等の内部に挿入し、電気炉中に不純物を含む気体を送り込み、電気炉中で気体が分解されて生じた不純物原子を半導体基板中に拡散させる方法(気相拡散法)
が開示されている。
気相拡散法には、
(a)不純物源として、不純物原子を文字通りその分子内に持つ気体を用いる方法、
(b)不純物源は液体であるが、窒素等のキャリアガスを不純物源に通すことによって不純物源のガスをキャリアガスに含ませ、これを半導体基板の表面に供給する方法、
などがある。
(a)リンを含む液状の有機化合物をスピナーでウェハ上に塗布し、800℃で熱処理する方法(特許文献6)、
(b)五酸化二リン(P2O5)を含む塗布液をウェハ上に塗布し、800〜1200℃で熱処理する方法(特許文献7)、
などが知られている。
電極/半導体基板の界面にショットキー接合が形成されると、変換効率が低下する。そのため、光電変換素子においては、ショットキー接合の形成を回避する必要がある。
ショットキー接合の形成の回避に関しては、一般に、半導体基板の組成に応じて、最適な電極材料を選択する方法が採られる。例えば、半導体基板がシリコンであり、かつ、裏面側に第2の拡散層を形成する場合、第2の拡散層に接続する電極材料には、アルミニウムが用いられる(非特許文献4)。
さらに、入射光として単色光を用い、かつ、光吸収部材の受光面とは反対側の面に凹凸構造(拡散反射面)を設けた光電変換素子、並びに、このような光電変換素子にとって理想的な凹凸構造及びその製造方法が提案された例は、従来にはない。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、入射光として単色光を用い、かつ、光吸収部材の受光面とは反対側の面に凹凸構造を設けた光電変換素子において、高い変換効率を得るのに適した凹凸構造を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような光電変換素子において、キャリアの再結合を抑制し、かつ、光吸収部材/電極界面におけるショットキー結合の形成を回避することにある。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つ。
(4)前記拡散反射面は、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
(6)前記光吸収部材の光拡散部の厚さは、前記光吸収材料への前記入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下である。
ここで、「光拡散部」とは、前記光吸収部材を前記受光面の法線方向から見た時に、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極の投影面と、前記拡散反射面の投影面とが重なり合う部分をいう。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
(7)前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面及び裏面に、それぞれ、前記バンドパスフィルター及び前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。
(8)前記表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方は、
前記光吸収部材の表面に形成された、前記光吸収部材とオーミック接合を形成することが可能な第1導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に形成された、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備え、
前記第1層の厚さは、前記第1導電材料へのキャリアの侵入深さの3倍以上であり、かつ、前記第1導電材料への前記入射光の侵入深さ以下である。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
さらに、表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方が第1層と第2層の積層構造からなる場合には、光吸収率を低下させることなく、ショットキー結合の形成を回避することができる。
[1. 光電変換素子]
本発明に係る光電変換素子は、以下の構成を備えている。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つ。
(4)前記拡散反射面は、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
本発明において、入射光は、波長λ0の単色光からなる。すなわち、本発明に係る光電変換素子は、単色光照射用の光電変換素子である。
「波長λ0の単色光」とは、中心波長がλ0であり、かつ、中心波長λ0に対するスペクトルの半値半幅(Δλ/2)の比(=Δλ/2λ0)が0.04以下である光をいう。
「略平行光線」とは、光の進行方向を示す角の分布βが23°以下である光をいう。βは、小さいほど良い。高い変換効率を得るためには、入射光は、β≒0の平行光線が好ましい。
「入射角θ」とは、受光面の法線方向と、入射光の入射方向とのなす角をいう。
「入射光の入射方向」とは、入射光の平均的な進行方向をいう。例えば、入射光が平行光線(β=0)である場合は、入射方向とは、入射光に平行な方向をいう。また、例えば、入射光の進行方向が頂角:2β(β≠0)の円錐形状内にある場合、入射方向とは、円錐の中心軸に平行な方向をいう。
本発明において、入射角θは、目的とする変換効率が得られる限りにおいて、ゼロ(=垂直入射)より大きくても良い。但し、入射角θが大きくなりすぎると、変換効率が低下する。従って、入射角θは、23°以下が好ましい。入射角θは、さらに好ましくは、5°以下である。
光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備えている。
本発明において、光吸収材料は、直接遷移型半導体、又は間接遷移型半導体のいずれも選択でき、入射光の波長に応じて適宜選択すればよい。光吸収材料としては、例えば、Si、Ge、GaP、GaAsなどがある。
例えば、λ0=1064nmの場合は、光吸収材料は、シリコン、特に単結晶シリコンが好適である。禁制帯幅Egの半導体にエネルギーがELの光が吸収されるためには、Eg<ELである必要がある。このような半導体に光が吸収された時には、EL−Egのエネルギーは熱となって発電に寄与しないので、ELとEgは近いことが好ましい。λ0=1064nmの光のエネルギーELは1.17eVであり、シリコンの禁制帯幅Egは1.11eVである。両者は、ELとEgが近いので、好ましい組み合わせである。
同様に、λ0=800〜860nmの光(EL=1.55〜1.44eV)に対しては、例えば、Eg=1.43eVの砒化ガリウムが好適である。
光吸収材料が光を吸収すると、少数キャリア(p型の場合は電子、n型の場合は正孔)が発生する。非特許文献3に記載されているように、少数キャリアの拡散長は、正孔に比べて電子の方がより長い。
一方、単結晶シリコンの基板の場合、第1の拡散層の部分の厚さは、1μm以下に設定するのが一般的である。第1の拡散層の厚さと、それ以外の部分の厚さを比べると、後者の方が圧倒的に厚い。
従って、単結晶シリコンを光吸収材料に用いる場合には、少数キャリアが電子となるように、p型を選択するのが好ましい。
光吸収部材の受光面側の表面には後述するバンドパスフィルターと表面電極が形成される。一方、受光面とは反対側の表面には、後述する拡散反射面が形成され、さらに拡散反射面の表面には、裏面電極が形成される。
光吸収部材の一方の面には、光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。さらに、光吸収部材の他方の面には、必要に応じて、光吸収部材の伝導型と同じ伝導型を示す第2の拡散層(バックサーフェスフィールド(BSF)層)を設けても良い。
本発明に係る光電変換素子において、入射光は、光吸収部材の表面と裏面との間で多重反射を繰り返しながら光吸収部材に吸収される。そのため、光拡散部の厚さと、光吸収材料への入射光の侵入深さは、変換効率に影響を与える。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
受光面側のバンドパスフィルターと裏面側の拡散反射面による多重反射の効果により、光拡散部の厚さが光吸収材料への入射光の侵入深さの1/200以上ならば、入射光をかなりの比率で吸収することができる。厚さを更に厚くすると、光吸収率は徐々に向上するが、厚さが光吸収材料への入射光の侵入深さの1/10になると、入射光はほぼ完全に吸収される。そのため、それ以上厚くすると、直列抵抗が高くなるという悪影響のみが大きくなり、その結果、変換効率は低下する。
従って、光拡散部の厚さは、光吸収材料への入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下が好ましい。
本発明において、バンドパスフィルター及び表面電極、並びに、拡散反射面及び裏面電極は、いずれも入射光を反射させる機能、又は反射光を光吸収部材の内部に再反射させる機能を持つ。入射光は、光拡散部の表面と裏面との間で多重反射を繰り返しながら、光吸収部材の受光面に対して平行方向に拡散する。そのため、光拡散部の大きさ(すなわち、表面電極、裏面電極、及び、拡散反射面の大きさ)は、変換効率に影響を与える。
同様に、拡散反射面の大きさは、必ずしも裏面電極の大きさに完全に一致している必要はない。但し、拡散反射面のみで入射光を完全に反射させるのは難しい。従って、拡散反射面の内、多重反射に寄与する部分の全面が裏面電極で覆われているのが好ましい。
高い変換効率を得るためには、前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上が好ましい。最短距離は、さらに好ましくは、拡散距離の3倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面及び裏面に、それぞれ、前記バンドパスフィルター及び前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。
従って、前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の10倍以下が好ましい。最短距離は、さらに好ましくは、拡散距離の5倍以下、さらに好ましくは、拡散距離の4倍以下である。
光吸収部材の裏面側又は受光面側のいずれか一方には、光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成される。他方の面には、必要に応じて、さらに光吸収部材の伝導型と同じ伝導型を示す第2の拡散層(BSF層)を形成しても良い。エミッタ層をいずれの面に設けるかは、光吸収材料の組成、拡散層の形成方法等に応じて選択することができる。
なお、光吸収部材の裏面側の表面にエミッタ層を形成した場合、入射光がエミッタ層に到達する前に入射光が減衰するおそれがある。しかしながら、入射光の減衰については、光拡散部の厚さを薄くすることにより軽減することができる。
[1.4.1. 定義]
本発明に係る光電変換素子は、前記単色光が入射角θで入射する面(受光面)にバンドパスフィルターが形成されている。
「バンドパスフィルター」とは、少なくとも波長λ0の光を選択的に透過させる機能を持つものをいう。バンドパスフィルターは、通常、白色光の中から、特定の波長を持つ光を抽出するために用いられている。本発明において、バンドパスフィルターは、入射光(単色光)をそのまま透過させ、かつ、裏面からの反射光を再び光吸収部材内部に反射させるために用いられる。この点が従来とは異なる。
バンドパスフィルターを透過することが可能な光の波長は、所定の幅(透過帯域)を持つ。
「中心波長λ」とは、バンドパスフィルターを透過することが可能な光の波長の中央値をいう。
「少なくとも波長λ0の光を選択的に透過する」とは、バンドパスフィルターの中心波長λが、必ずしも入射光の中心波長λ0に完全に一致している必要はないことを意味する。しかしながら、波長λと波長λ0との差が大きく異なると、バンドパスフィルターを透過する光子の数が減少し、変換効率が低下する。
高い変換効率を得るためには、バンドパスフィルターの中心波長λは、0.97×λ0以上1.039×λ0以下が好ましい。中心波長λは、さらに好ましくは、0.98×λ0以上1.025×λ0以下、さらに好ましくは、0.99×λ0以上1.01×λ0以下である。
バンドパスフィルターの構造は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。バンドパスフィルターとしては、例えば、
(a)(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2の積層構造を持つもの、
(b)AR/(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2の積層構造を持つもの、
(c)(H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2の積層構造を持つもの、
(d)AR/(H4/L4/)m1H2(L4/H4/)m2の積層構造を持つもの、
などがある。
「AR」は、屈折率がnARである材料からなる反射防止層、
「L4」は、屈折率がnL4である低屈折材料(A)からなる低屈折率層(A)、
「L2」は、屈折率がnL2である低屈折材料(B)からなる低屈折率層(B)、
「H4」は、屈折率がnH4(>nL4、>nL2)である高屈折材料(A)からなる高屈折率層(A)、
「H2」は、屈折率がnH2(>nL4、>nL2)である高屈折材料(B)からなる高屈折率層(B)、
m1、m2は、それぞれ、1以上の整数。
「(L4/H4/)m1」は、「L4/H4/」の積層単位がm1回繰り返されることを表す。前半の繰り返し数m1と後半の繰り返し数m2は、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
「(L4/H4/)m1L2(H4/L4/)m2」は、(L4/H4/)m1の積層構造と、(H4/L4/)m2の積層構造の間にL2層が挿入されていることを表す。
「AR/」は、バンドパスフィルターの最表面(光の入射側)に反射防止層が形成されていることを表す。
同様に、H4を構成する高屈折率材料(A)と、H2を構成する高屈折率材料(B)は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。さらに、積層構造中に含まれる個々のH4は、後述する条件を満たす限りにおいて、同一材料であっても良く、あるいは、異なる材料であっても良い。
但し、dL40は、低屈折率層(A)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dL40=(1−sin2θ/nL4 2)1/2×(λ0/4)×(1/nL4)で表される。
但し、dL20は、低屈折率層(B)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dL20=(1−sin2θ/nL2 2)1/2×(λ0/2)×(1/nL2)で表される。
但し、dH40は、高屈折率層(A)の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dH40= (1−sin2θ/nH4 2)1/2×(λ0/4)×(1/nH4)で表される。
但し、npvは、前記光吸収材料の屈折率である。
但し、dAR0は、反射防止層の理想的な厚さ(実厚さ)であり、dAR0=(1−sin2θ/nAR 2)1/2×(λ0/4)×(1/nAR)で表される。
バンドパスフィルターを構成する各層の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の材料を用いることができる。
低屈折率材料としては、例えば、MgF2(波長1064nmの光の屈折率:約1.36)、SiO2(波長1064nmの光の屈折率:約1.43)などがある。
高屈折率材料としては、例えば、ZnS(波長1064nmの光の屈折率:約2.29)、TiO2(波長1064nmの光の屈折率:約2.25)などがある。
反射防止層の材料としては、例えば、Y2O3(波長1064nmの光の屈折率:約1.73)、TiO2−SiO2などの複合酸化物などがある。
バンドパスフィルターの周囲には、表面電極が形成される。そのため、バンドパスフィルターの大きさが、入射光の断面の大きさより小さくなると、入射光の一部が表面電極で反射される。従って、バンドパスフィルターの大きさは、入射光の断面の大きさ以上であるのが好ましい。
一方、バンドパスフィルターの大きさを必要以上に大きくしても、実益がない。バンドパスフィルターを構成する薄膜の作製の容易さを鑑みて、適宜設計すればよい。
光吸収部材は、その裏面に、拡散反射面を備えている。拡散反射面は、光吸収部材で吸収しきれなかった入射光を反射させるためのものである。換言すれば、拡散反射面は、多重反射によって受光面に対して平行方向に入射光を拡散させる機能を持つ。拡散反射面は、光吸収部材の裏面の全面に形成しても良いが、少なくとも光の多重反射に実質的に寄与する部分(すなわち、光拡散部)に形成されていれば良い。
(I/I0)・sinθの半値全幅≧30° ・・・(1)
但し、I/I0は規格化された反射強度、θは入射方向から計った反射角。
高い変換効率を得るためには、半値全幅は、さらに好ましくは、50°以上である。
(a)大きさ(底面の大きさ、及び/又は高さ)がランダムなピラミッドがランダムに並んでいる面、
(b)大きさがランダムなピラミッドがランダムに並んでおり、かつ、ピラミッドの尖端部及び側面が粗面化又は曲面化されている面、
(c)直径1〜5μmの楔状のくぼみが緻密に形成されている面、
などがある。
従来の拡散反射面作製評価の報告によると、反射強度の反射角度依存性をcoswθで近似するPhongモデルと対応させてwの値を求め、これを拡散反射の指標とした例がある。そこでは、鏡面シリコン/スクリーン印刷Al界面に対して、w=10(参考文献A)、アルカリエッチングシリコン/蒸着Ag界面に対してw=30(参考文献B)が報告されている。w=10、30は、それぞれ、(I/I0)・sinθの半値全幅26.2°、及び16.2°に相当する。従って、従来の作製方法では、十分な光拡散反射機能を得ることができない。
これに対し、後述する異方性エッチング法、酸による等方エッチング法、又はこれらの併用により、上記の条件を満たす拡散反射面を形成することができる。
[参考文献A]M. Hermle, E. Schneiderlochner, and G. Grupp, S. W. Glunz, Proc. 20th European Photovoltaice Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005) 810
[参考文献B]D. Kray, M. Hermle, and S. W. Glunz, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 16, 1(2008)
光吸収部材の受光面側の表面であって、バンドパスフィルターの周囲には、表面電極が形成される。また、光吸収部材の裏面側の表面であって、バンドパスフィルター及び表面電極に対向する位置(すなわち、拡散反射面の表面)には、裏面電極が形成される。表面電極及び裏面電極は、それぞれ、キャリアを取り出す集電体としての機能と、入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。
表面電極及び裏面電極の大きさ及び形状は、特に限定されるものではないく、目的に応じて最適なものを選択することができる。また、表面電極及び裏面電極は、互いに同一の大きさ及び/又は形状を有している必要はない。表面電極及び裏面電極の内、光の多重反射に寄与する部分は、光拡散部として機能する。そのため、高い変換効率が得られるように、表面電極及び裏面電極の大きさ及び形状を選択するのが好ましい。
高い変換効率を得るためには、裏面電極は、拡散反射面の全面を覆っているのが好ましい。但し、変換効率を著しく低下させない限りにおいて、裏面電極は、拡散反射面の一部を覆うものでも良い。
電極には、通常、金属材料が用いられる。光吸収部材の表面に直接、金属電極を形成した場合、光吸収部材/電極間にショットキー接合が形成される場合がある。光吸収部材/電極間にショットキー接合が形成されると、高い変換効率は得られない。従って、電極材料は、光吸収材料とオーミック接合を形成することが可能な材料が好ましい。
また、本発明において、電極は、反射膜としても機能するため、電極には、入射光に対する高い反射率が求められる。反射率は、具体的には、90%以上が好ましい。反射率は、さらに好ましくは、95%以上である。
一方、このような2つの条件を同時に満たす材料がない場合には、電極は、
前記光吸収部材の表面に設けられた、前記光吸収部材とオーミック接合を形成可能な導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に設けられた、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備えたものが好ましい。
このような積層構造を備えた電極は、表面電極又は裏面電極のいずれか一方に用いても良く、あるいは、双方に用いても良い。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
ここで、「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
反射率の高い材料としては、例えば、Agが知られている。Agは、p型単結晶シリコンのエミッタ層との間でショットキー接合を形成しにくい。従って、裏面電極には、Agをそのまま用いることができる。
一方、Alは、シリコンLSIに用いられる一般的な電極材料である。シリコン表面にAl層を形成した後、400℃前後の温度で数10分程度の熱処理(シンタリング処理)を行うと、Al中にSiが拡散する。シンタリング処理されたAlは、p型及びn型のいずれの伝導層に対してもオーミック接合を形成する。しかしながら、Alの反射率は、Agより低い。
[参考文献1] E. D. Palik, Handbook of Optical Constant of solids, (Academic Press 1985)
図1に、本発明の一実施の形態に係る光電変換素子の概略構成図を示す。図1において、光電変換素子10は、光吸収部材12と、バンドパスフィルター(BPF)14と、表面電極16と、裏面電極18とを備えている。
光吸収部材12の薄板部は、「光拡散部」、すなわち、光吸収部材12を受光面の法線方向から見た時に、バンドパスフィルター14及び表面電極16の投影面と、拡散反射面12bの投影面とが重なり合う部分に該当する。
本発明に係る光電変換素子は、
(a)必要に応じて、光吸収部材に光拡散部となる薄板部を形成し、
(b)少なくとも光拡散部(薄板部)の裏面側の表面に拡散反射面を形成し、
(c)光吸収部材の表面に拡散層(エミッタ層及び、必要に応じてBSF層)を形成し、
(d)光吸収部材の受光面側の表面に、バンドパスフィルター及び表面電極を形成し、かつ、光吸収部材の裏面側の表面に裏面電極を形成する、
ことにより製造することができる。
なお、各工程の順序は、上記の順序に限定されるものではなく、物理的に可能な限りにおいて、手順を前後させることができる。
光吸収部材が単結晶シリコン基板のようなバルク材である場合には、光吸収部材の裏面側に、光拡散部となる薄板部を形成する(薄板部形成工程)。なお、光吸収部材が初めから光の多重反射に適した厚さを有する場合(例えば、光吸収部材が薄膜である場合)には、薄板部形成工程を省略することができる。
薄板部を形成する方法としては、例えば、
(a)光吸収部材の裏面の内、薄板化すべき領域以外の領域をマスキングし、マスキングされた光吸収部材をエッチング液に浸漬する方法、
(b)マスキングを行うことなく、光吸収部材の裏面全体をエッチングする方法、
(c)研磨等の機械加工により、光吸収部材の裏面全体を除去する方法
などがある。
光吸収部材がバルク材である場合、光吸収部材の全体を薄板化すると、光吸収部材の強度が低下するので実用的ではない。従って、エッチング法を用いて、光電変換に実質的に寄与する部分のみを薄板化するのが好ましい。
薄板化をエッチングで行う場合において、エッチング液は、特に限定されるものではなく、光吸収部材の組成に応じて最適なものを選択する。但し、マスキングを行う場合には、マスキング材を剥離・消失させないエッチング液を用いる必要がある。
エッチング液としては、例えば、
(a)水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、エチレンジアミン−ピロカテコール、水和ヒドラジンなどを含むアルカリ性エッチング液、
(b)フッ化水素酸と硝酸とを主成分とする酸エッチング液、
などがある。
薄板化の際には、いずれか1つのエッチング液を用いても良く、あるいは、2種以上のエッチング液を組み合わせて用いても良い。
(a)一般的には異方性エッチングとなるため、凹凸のあるエッチング面を形成しやすい。但し、エッチング条件によってはエッチング面が平坦となることもある。
(b)マスク材として、マスクパターンの形成及び除去が容易なシリコン酸化膜を用いることができる。
(c)エッチング速度は、酸エッチング液に比べて遅い。
(a)一般的には等方性エッチングとなるため、平坦なエッチング面を形成しやすい。但し、光吸収部材の表面にマイクロな結晶構造上の違いがある場合、あるいは、酸エッチング液の組成を最適化した場合には、凹凸のあるエッチング面を形成することができる。
(b)マスク材として、シリコン酸化膜を用いることができない場合がある。
(c)エッチング速度は、アルカリ性エッチング液に比べて速い。
これを防止するために、マスク材として、例えばシリコン窒化膜を用いることも考えられる。しかしながら、シリコン窒化膜を用いたマスクパターンの形成及びその除去は、非常に煩雑である。
従って、光吸収部材がシリコンである場合において、光吸収部材を部分的に薄板化するときには、アルカリ性エッチング液を用いるのが好ましい。
(a)水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、
(b)水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液、
(c)エチレンジアミン−ピロカテコール、水和ヒドラジン
などを用いることができる。
従って、薄板化のためのエッチングには、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液を用いるのが好ましい。アルカリ金属イオン又はアルカリ土類金属イオンを含むエッチング液を用いる場合には、エッチング後、極めて厳重な洗浄工程が必要である。
次に、少なくとも光拡散部(薄板部)の裏面側の表面に拡散反射面を形成する(拡散反射面形成工程)。
薄板化された部分の表面は、通常、滑らかである。そのため、薄板部の表面を拡散反射面とするために、少なくとも光拡散部の裏面側の表面にランダムな凹凸を形成する必要がある。拡散反射面の形成方法は、特に限定されるものではなく、目的とする反射率が得られる方法であればよい。拡散反射面の形成方法としては、具体的には、以下のような方法がある。
拡散反射面を形成するための第1の具体例は、酸エッチング液により、少なくとも光拡散部の裏面側の表面を粗面化又は曲面化する方法である。
酸エッチング液は、等方性エッチングとなることが多いが、組成を最適化すると、光吸収部材の表面を粗面化又は曲面化することができる。
粗面化又は曲面化に用いる酸エッチング液としては、
(a)フッ化水素酸、硝酸、及び硫酸の混酸、
(b)フッ化水素酸、硝酸、及び酢酸の混酸
などがある。
なお、拡散反射面を形成するための混酸の好適な組成は、後述する第2エッチング液と同様である(図2参照)。
拡散反射面を形成するための第2の具体例は、
(a)第1エッチング液を用いて、前記光吸収部材の裏面に大きさがランダムなピラミッドを形成し、
(b)第2エッチング液を用いて、前記ピラミッドの尖端部及び側面を粗面化又は曲面化する
方法である。
(a)アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンのいずれも含まないアルカリ性エッチング液であって、一端が疎水性、他端が親水性の鎖状の分子構造を持つ添加剤を加えて、前記光吸収部材のエッチング速度を15μm/時以下に調整したもの、
(b)フッ化水素酸、硝酸及び酢酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、
(c)フッ化水素酸、硝酸及び硫酸を混合した酸エッチング液であって、前記光吸収部材のエッチング速度を10μm/時以下に調整したもの、
などがある。
これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。アルカリ性エッチング液及び酸エッチング液の双方を用いる場合、先にアルカリ性エッチング液で粗面化又は曲面化を行い、次いで酸エッチング液で粗面化又は曲面化を行うのが好ましい。
(a)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%のポリエチレングリコールを含むエッチング液、
(b)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテル(通称、トリトン−X−100)を含むエッチング液、
(c)11〜15重量%のTMAHと、0.01〜0.1重量%の界面活性剤NC−200を含むエッチング液、
などがある。
また、フッ化水素酸−硝酸−硫酸の混酸の場合、図2(b)に示すように、その組成は、(HF、HNO3、H2SO4)=(2、38、60)、(2、13、85)、(7、8、85)、(20、20、60)を直線で結んだ領域内が好ましい。
次に、光吸収部材の表面に第1の拡散層(エミッタ層)、及び、必要に応じて第2の拡散層(BSF層)を形成する(拡散層形成工程)。
拡散層の形成方法としては、
(a)ドープしようとする不純物を含む層を、拡散層を形成しようとする面に塗布等の方法で堆積させ、熱処理等の方法で不純物を拡散させる方法(溶液塗布法)、
(b)イオン注入による方法、
(c)不純物を含む気体を、拡散層を形成しようとする面に接触させながら熱処理する方法(気相拡散法)
などがある。
一方、光吸収部材の受光面側の表面に拡散層を形成する場合、上述したいずれの方法を用いても良い。
(a)光吸収部材の表面及び裏面の内、拡散層を形成する領域以外の領域を、不純物原子が透過しないマスク材(例えば、二酸化珪素)で覆い、
(b)不純物原子を含む気体が充満している電気炉内に光吸収部材を挿入し、電気炉内で不純物原子を光吸収部材に熱拡散させる
ことにより行う。
一方、不純物原子を含む化合物が常温で液体であるが、その蒸気圧がある程度の大きさを持っている場合、不純物原子を含む液体に酸素、窒素等のキャリアガスを流し、キャリアガスを不純物原子を含む液体の蒸気で飽和させ、これを電気炉内に送り込む。
あるいは、不純物原子を含む化合物が常温で固体であるが、熱分解しやすい場合、不純物原子を含む固体と光吸収部材とを電気炉内で対向させ、電気炉内で加熱する。
また、リンをドープする途中で、拡散層の表面にリンガラス(ホスホシリケートガラス)が形成される場合がある。この場合、リンガラスを除去した後、酸素、窒素、又はこれらの混合ガス雰囲気中で熱処理(「ドライブイン」と呼ばれる追い込み拡散)を行っても良い。
また、ホウ素をドープする途中で、拡散層の表面にボロンガラス(ボロシリケートガラス)が形成される場合がある。この場合、ボロンガラスを除去した後、酸素、窒素、又はこれらの混合ガス雰囲気中で熱処理(ドライブイン)を行っても良い。
次に、光吸収部材の受光面側の表面に、バンドパスフィルター及び表面電極を形成し、かつ、光吸収部材の裏面側の表面に裏面電極を形成する(電極・BPF形成工程)。
表面電極、裏面電極、及びバンドパスフィルターは、いずれも、公知の薄膜積層技術を用いて形成することができる。この場合、受光面側の薄膜と裏面側の薄膜の形成順序は、特に限定されない。
[3.1. 光閉じ込め効果]
図3に、従来型の太陽電池の受光面側に設けられた無反射表面形状(テキスチャ)の断面模式図を示す。図3(a)に示すように、従来型の太陽電池は、半導体基板の受光面側の表面に、規則正しい凹凸が形成されている。第1の凸部の側面に光が入射すると、その多くの部分が半導体基板中に侵入し(第1の侵入光)、一部は第1の凸部の側面で反射される(第1の反射光)。半導体基板に形成された凹凸の高さや大きさが均一に分布するならば、第1の反射光は第2の凸部に当たり、第2の侵入光と第2の反射光を生ずる。光が凸部に入射するごとに、その多くの部分が半導体基板に侵入するので、凸部での入射が繰り返されるほど、反射光の強度は大きく減少する。
光吸収部材(半導体基板)の表面に凹凸を形成する方法として、例えば、
(a)アルカリ性エッチング液を用いる第1の方法、
(b)酸エッチング液を用いる第2の方法、
(c)機械的又は化学的ダメージ形成と酸エッチングとを組み合わせる第3の方法、
などが知られている。
第2の方法は、等方性エッチングであるため、半導体基板にマイクロな結晶構造上の違いがないと、凹凸面を形成しにくい。また、酸エッチング液の組成によっては、エッチング中にマスク材が溶解又は剥離することがある。
さらに、第3の方法は、製造工程が煩雑となるだけでなく、光吸収部材の結晶構造にミクロにダメージを与える場合がある。そのため、キャリアの再結合の増加等により、光電変換素子の変換効率を低下させる原因となる。
図5に、第1の拡散層(1)が受光面近傍に存在する太陽電池のエネルギーバンド図を示す。従来型の多くの太陽電池では、半導体基板の受光面側に第1の拡散層(エミッタ層)(1)を形成する。その理由は、半導体基板が光を吸収することにより発生するキャリアの密度は、受光面に近い部分で大きいため、pn接合面(3)を受光面に近い部分に設けることにより、効率よく2つの電極からキャリアを取り出すことができるからである。pn接合面(3)は、光によって生成したキャリアを太陽電池の2つの電極(+電極と−電極)のそれぞれの方向に向かって分離・加速させる原動力となる。
また、pn接合面(3)を受光面に近い部分に設けた太陽電池では、受光面側に拡散移動すべき少数キャリア(図5の場合は、電子)が裏面側に拡散移動するのを抑制するために、半導体基板の裏面に第2の拡散層(BSF層)(2)を設けることが多い。
また、イオン注入法において、イオンの侵入深さは、注入イオンの質量とエネルギー、及び基板の材料によってほぼ決まる。そのため、凹凸面にイオン注入法で不純物をドープした場合、拡散層は、平坦面では厚くなり、傾斜面では薄くなる。
従って、凹凸面に拡散層を形成する場合には、気相拡散法を用いるのが好ましい。
本発明においては、pn接合面を受光幅全体にわたって形成できるので、従来の太陽電池のように変換効率を犠牲にすることがない。
バンドパスフィルターから入射した光は、裏面側の拡散反射面及び裏面電極により反射される。反射された光は、受光面側のバンドパスフィルター及び表面電極により再反射される。このような多重反射を繰り返しながら、光は、受光面に対して平行方向に拡散する。本発明においては、光の吸収率を高めるために、光拡散部を多重反射に適した構造にすると同時に、光拡散部が薄板化されている。そのため、第1の拡散層を裏面側に形成した場合であっても、入射光はほとんど減衰せずに第1の拡散層まで到達する。このことは、次の計算によって説明できる。
本発明において、電極は、キャリアを取り出すための集電体としての機能だけでなく、入射光を反射する反射膜としての機能も求められる。金属材料の中で、最大の反射率を有するものは、銀である。光吸収部材がp型単結晶シリコンである場合、銀と第1の拡散層(エミッタ層)とを接触させても、ショットキー接合は形成されない。そのため、第1の拡散層と接する電極には、銀を用いることができる。しかしながら、図6に示すように、銀を第2の拡散層に直接接続すると、ショットキー接合を形成し、電極として都合が悪いという問題がある。
[1. 試料の作製]
水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチングを行った。TMAH水溶液中のTMAH濃度は、10〜25重量%とした。また、エッチング時の液温は、88℃〜90℃とした。
図7に、p型単結晶シリコンをTMAH水溶液(液温90℃)でエッチングした時の濃度とエッチング速度の関係を示す。図8に、TMAH水溶液を用いて、エッチング速度50〜60μm/hで3時間エッチングした時のエッチング面の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。図7及び図8より、以下のことがわかる。
(2)TMAH水溶液を用いてエッチング速度50μm/h以上でエッチングを行った場合、部分的にピラミッド構造が見られる場合もあった(図8(a))。しかし、エッチング表面は、概して滑らかであった(図8(b))。そのため、エッチング速度50μm/h以上のTMAH水溶液は、薄板部を形成するためのエッチング液として使用できる。
[1. 試料の作製]
フッ化水素酸−硝酸−硫酸の混合液、又はフッ化水素酸−硝酸−酢酸の混合液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチングを行った。エッチング時間は、90秒とした。酸エッチング液中の酸の組成比は、以下の通りである。
(a)HF:HNO3:H2SO4=4:16:80(試料No.1、図9(a))。
(b)HF:HNO3:H2SO4=10:15:75(試料No.2、図9(b))。
(c)HF:HNO3:CH3COOH=18:36:46(試料No.3、図9(c))。
図9(a)〜図9(c)に、それぞれ、試料No.1〜試料No.3のエッチング後のSi表面のSEM写真を示す。図9より、以下のことがわかる。
(1)酸エッチングは等方性エッチングとなりやすいが、液組成を最適化すると、拡散反射面として使用可能なランダムな凹凸を形成することができる。
(2)エッチング液(c)でエッチングした場合、表面に形成されるくぼみの径は、5μm以上であった。また、エッチング液(b)の場合、くぼみの径は2〜5μmであった。さらに、エッチング液(a)の場合、くぼみの径は1〜2μmであった。即ち、くぼみの径は、エッチング液(c)→(b)→(a)の順に入射光の波長に近くなった。入射光の波長に近い凹凸面の方が様々な方向に光が反射されるので、エッチング液(a)が最も好ましい。
[1. 試料の作製]
まず、TMAH水溶液を用いて、p型単結晶シリコンのエッチング(薄板化)を行った。TMAH水溶液中のTMAH濃度は、15重量%とした。また、エッチング時の液温は、90℃とした。
次に、第1エッチング液を用いて、薄板化された部分のエッチング(ピラミッド形成)を行った。第1エッチング液には、TMAH濃度が11重量%のTMAH水溶液中を用いた。エッチング時間は、1時間とした。さらに、エッチング時の液温は、90℃とした(試料No.11、図10(a))。
(a)0.05重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテルを含有する15重量%のTMAH水溶液(液温:90℃)で1時間エッチング(粗面化)(試料No.12、図10(b))。
(b)0.05重量%のポリエチレングリコールモノ−4−オクチルフェニルエーテルを含有する15重量%のTMAH水溶液(液温:90℃)で1時間エッチングし(粗面化)、さらにHF:HNO3:CH3COOH=20:40:40の酸エッチング液(液温:23℃)でさらに2分間エッチング(曲面化)(試料No.13、図10(c))。
(c)HF:HNO3:H2SO3=4:16:80の酸エッチング液(液温:23℃)で90秒間エッチング(粗面化)(試料No.14、図10(d))。
図10(a)〜図10(d)に、それぞれ、試料No.11〜試料No.14のSEM写真を示す。図10より、以下のことがわかる。
(1)11重量%のTMAH水溶液でエッチングすると、ランダムな大きさのピラミッドをSi表面の全体に形成することができる(図10(a))。
(2)ランダムな大きさのピラミッドが形成されたSiを、さらに所定の組成のアルカリ性エッチング液及び/又は酸エッチング液でエッチングすると、ピラミッドの表面を粗面化又は曲面化することができる(図10(b)〜図10(d))。
[1. 試料の作製]
実施例2及び実施例3に記載のエッチング方法を用いて、以下の反射強度測定用試料を作製した。
(1)試料No.21: 薄板化のみ。
(2)試料No.22: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)。
(3)試料No.23: 薄板化+酸エッチング(HF:HNO3:H2SO4=10:15:75)。
(4)試料No.24: 薄板化+酸エッチング(HF:NHO3:H2SO4=4:16:80)。
(5)試料No.25: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)+曲面化(15重量%TMAH(Triton))
(6)試料No.26: 薄板化+ピラミッド形成(11重量%TMAH)+粗面化(HF:NHO3:H2SO4=4:16:80)。
図11(a)に、薄板化したシリコン基板(試料No.21)、及び、表面に凹凸が形成されたシリコン基板(試料No.22〜No.26)に波長1064nmの光を入射させた時の、規格化された反射強度(I/I0)の反射角度依存性を示す。図11(b)に、反射角θと(I/Io)・sinθとの関係を示す。なお、図11中、「cos(θ)」は、完全拡散反射を表す。図11より、以下のことがわかる。
(1)薄板化のみの場合(試料No.21)、裏面は部分的にピラミッド構造が形成されたが、ほとんどの領域で平坦面であった。そのため、入射光は、入射方向にほとんどそのまま反射した。すなわち、(I/Io)・sinθの半値全幅は、6.2°であった。
(3)薄板化の後、酸エッチングを行った場合(試料No.23、試料No.24)、シリコン基板表面には、図9(a)及び図9(b)に示すような凹凸が形成された。そのため、90°までの角度範囲に幅広く分布する反射角度依存性が得られた。このときの(I/Io)・sinθの半値全幅は、それぞれ、62.2°、及び60.6°であった。
一方、試料No.25は、(I/I0)・sinθの値がθ≦80°まで広く分布したが、半値全幅は14.3°であった。
また、この反射強度は、試料No.24に比べて、50°〜90°の角度範囲で反射強度が増加した。その結果、(I/Io)・sinθの半値全幅は、72.0°に達した。そのため、ピラミッド形状を形成した後に酸エッチングにより粗面化することは、より好ましい結果をもたらすことがわかった。
(5)光閉じ込めのためには、反射角の分布が広いことが重要である。反射強度の角度(極角θ)分布は、方位角方向にはおおよそ等方的であるので、測定された反射強度にsin(θ)をかけた値に比例する。試料No.22では、入射方向から約22°の方向に強い反射が生じるが、その分布の幅が狭い。
これに対し、試料No.23〜26(試料No.25を除く)では、半値全幅50°以上が得られた。
(6)反射強度の角度分布がcosn(θ)であることを仮定して、表面バンドパスフィルター付きの厚さ50μmのSi素子に1064nm光が入射する場合の光吸収率のシミュレーションを行った結果が図12である。この場合、n≦2ならば半値半幅50°以上、n≦8ならば半値全幅30°以上が得られ、それぞれ光吸収率0.83以上、0.80以上が得られる。
[1. 試料の作製]
p型単結晶シリコン基板上に、第2の拡散層を形成した。次いで、第2の拡散層の上に、アルミニウム厚さ:1.8nm、銀厚さ:500nmの積層電極を形成した。さらに、基板を温度:400℃(試料No.31)又は420℃(試料No.33)、処理時間:15分間の条件下でシンタリング処理を行った。
同様に、第2の拡散層の上に、アルミニウム厚さ:2.7nm、銀厚さ:500nmの積層電極を形成した。さらに、基板を温度:400℃、処理時間:15分間の条件下でシンタリング処理を行った(試料No.32)。
[2.1. 電流電圧特性]
図13(a)に、p型単結晶シリコン基板上に第2の拡散層を形成し、かつ、第2の拡散層上に銀/アルミニウム積層電極を形成した時の電流電圧特性を示す。図13(b)及び図13(c)に、それぞれ、アルミニウム厚さが1.8nm(試料No.31)又は2.7nm(試料No.32)である銀/アルミニウム積層電極を形成したp型単結晶シリコン基板の断面の透過電子顕微鏡写真を示す。図13より、以下のことが分かる。
(1)アルミニウム厚さを2.7nm以下にしても、シンタリング処理条件を400℃×15分とすれば、オーミック特性が得られる(試料No.31、32)。
(2)シンタリング温度を420℃にすると、銀−アルミニウムの相互拡散によって、銀原子が第2の拡散層の表面に達する。そのため、ショットキー障壁が形成され始め、電流電圧曲線に整流特性が現れ始める(試料No.33)。よって、シンタリング温度は、420℃を超えない範囲で定めるのが好ましい。
図14に、第2の拡散層から銀/アルミニウム積層電極に向かって波長1064nmの光が進む時の、銀/アルミニウム積層電極のアルミニウム層の厚さと反射率との関係を示す。図14より、アルミニウム層の厚さを3nm以下にすると、反射率が90%を超えることが分かる。従って、アルミニウム層の厚さを3nm以下とし、かつ、420℃を超えない範囲内で15分のシンタリング処理を行えば、ショットキー接合を形成することがなく、かつ、高い光閉じ込め効果を示す電極構造を形成することができる。
なお、p型単結晶シリコン基板の第1の拡散層(n型)に接する電極は、銀単体として何ら問題はない。銀は、反射率が95%を超える高反射率材料であるため、基板の薄板部に十分光を閉じ込めることができる。
厚さ20μm又は50μmにエッチングされたSi光電変換素子に、波長1064nm、直径50μm又は100μmの光束が垂直に入射する場合を考える。
入射光(光束ではない)が拡散反射面及びバンドパスフィルター付き表面にて多重反射される際に、横方向に伝搬する距離を光線追跡法により調べた。裏面の拡散反射現象は、モンテカルロ法により取り扱った。
図15に、光の入射位置からの距離(伝搬距離)とその点での光強度との関係を示す。これを指数関数によりフィッティングして、拡散距離(光強度が1/eとなる距離)を求めた。図15より、厚さ20μm及び50μmのSiの拡散距離は、それぞれ、86μm及び130μmと求められた。
光束が素子に入射するときの入射光強度の分布を求めた。図16に、直径50μm(図16(a))又は直径100μm(図16(b))の光束中心からの距離とその点での光強度とその点での光強度の関係を示す。なお、光束直径=2×(ビーム半径)である。図16より、入射光束の縁から、おおよそ光の拡散距離の2〜3倍の範囲まで入射光強度の0.05倍以上の強度の光が到達していることがわかる。
Siウェハの厚さと素子の変換効率との関係をシミュレーションソフトPC1Dを用いて計算した。このとき、入射光強度は、1kW/cm2で、面内方向に一様であることを仮定した。
図17に、Siウェハの厚さと変換効率との関係を示す。図17より、以下のことがわかる。
(a)Siウェハの厚さを100μm以下にすると、変換効率は40%を超える。
(b)Siウェハの厚さを50μm以下にすると、変換効率は55%を超える。
(c)Siウェハの厚さを約20μmにすると、変換効率は最大となる。
図16に示されるように、光強度に分布があり、かつ光が裏面エッチングの範囲を超えているような場合の素子の変換効率ηを、次式のような近似を用いて計算した。
η=(ηa×Ia+ηb×Ib)/Itotal
但し、
ηaは、エッチング部の変換効率、
Iaは、エッチング部の光強度の積算、
ηbは、非エッチング部の変換効率、
Ibは、非エッチング部の光強度の積算、
Itotalは、全領域での光強度の積算。
ηaには、61.1%(厚さ:20μm)、又は56.0%(厚さ:50μm)を用いた。また、ηbには、25.7%(厚さ:200μm)を用いた。
12 光吸収部材
12a 第2の拡散層(バックサーフェースフィールド層)
12b 拡散反射面
12c 第1の拡散層(エミッタ層)
14 バンドパスフィルター
16 表面電極
18 裏面電極
Claims (7)
- 以下の構成を備えた光電変換素子。
(1)前記光電変換素子は、波長λ0の単色光を吸収して、キャリアを発生させることが可能な光吸収材料からなる光吸収部材を備え、入射光として前記単色光からなる略平行光線が用いられる。
(2)前記光電変換素子は、
前記光吸収部材と、
前記光吸収部材の受光面側の表面に形成されたバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターの周囲に形成された表面電極と、
前記光吸収部材の裏面側の表面であって、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極に対向する位置に形成された拡散反射面と、
前記拡散反射面の表面の全部又は一部を覆うように形成された裏面電極と
を備えている。
(3)前記バンドパスフィルターは、少なくとも前記波長λ0の光を選択的に透過させる機能と、前記入射光を遮ることなく、裏面からの反射光を再び前記光吸収部材内部に反射させる機能とを持つ。
(4)前記拡散反射面は、大きさや傾斜角が様々である凹凸面を備え、多重反射によって前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させる機能を持つ。
(5)前記表面電極は、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持ち、
前記裏面電極は、前記キャリアを取り出す集電体としての機能と、前記入射光を反射させる反射膜としての機能とを持つ。 - 以下の構成をさらに備えた請求項1に記載の光電変換素子。
(6)前記光吸収部材の光拡散部の厚さは、前記光吸収材料への前記入射光の侵入深さの1/200以上1/10以下である。
ここで、「光拡散部」とは、前記光吸収部材を前記受光面の法線方向から見た時に、前記バンドパスフィルター及び前記表面電極の投影面と、前記拡散反射面の投影面とが重なり合う部分をいう。
「光吸収材料への入射光の侵入深さ」とは、前記光吸収材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
(7)前記バンドパスフィルターの端縁から前記光拡散部の端縁までの最短距離は、拡散距離の2倍以上である。
ここで、「拡散距離」とは、前記光拡散部の厚さに相当する厚さを有する前記光吸収材料の表面に前記バンドパスフィルターを形成し、前記光吸収材料の裏面に前記拡散反射面を形成し、前記バンドパスフィルターと前記拡散反射面との間で前記入射光を多重反射させながら前記受光面に対して平行方向に前記入射光を拡散させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる距離をいう。 - 前記拡散反射面は、前記入射光の反射スペクトルが次の(1)式の関係を満たす請求項1又は2に記載の光電変換素子。
(I/I0)・sinθの半値全幅≧30° ・・・(1)
但し、I/I0は規格化された反射強度、θは入射方向から計った反射角。 - 前記拡散反射面は、
前記光吸収部材の裏面に形成された大きさがランダムなピラミッドを含み、
前記ピラミッドの尖端部及び側面が粗面化又は曲面化されている
請求項1から3までのいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 以下の構成をさらに備えた請求項1から4までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
(8)前記表面電極及び前記裏面電極の少なくとも一方は、
前記光吸収部材の表面に形成された、前記光吸収部材とオーミック接合を形成することが可能な第1導電材料からなる第1層と、
前記第1層の表面に形成された、前記第1導電材料より前記入射光の反射率が高い第2導電材料からなる第2層と
の積層構造を備え、
前記第1層の厚さは、前記第1導電材料へのキャリアの侵入深さの3倍以上であり、かつ、前記第1導電材料への前記入射光の侵入深さ以下である。
ここで、「第1導電材料へのキャリアの侵入深さ」とは、前記光吸収材料中のキャリア(A)と前記第1導電材料中のキャリア(B)とを区別できると仮想して、ポアソンの方程式を用いて前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の前記第1導電材料中での濃度分布を計算したとき、前記第1導電材料中の前記キャリア(A)の濃度が前記光吸収材料中の前記キャリア(A)の濃度の1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。
「第1導電材料への入射光の侵入深さ」とは、前記第1導電材料に前記入射光を入射させた時に、前記入射光の強度が1/e(eは、ネイピア数)となる深さをいう。 - 前記表面電極及び前記裏面電極は、それぞれ、前記入射光の反射率が90%以上である請求項1から5までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 以下の構成をさらに備えた請求項1から6までのいずれか1項に記載の光電変換素子。
(9)前記光吸収部材の裏面側に、前記光吸収部材の伝導型とは異なる伝導型を示す第1の拡散層(エミッタ層)が形成されている。
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