JP2002198550A

JP2002198550A - 光電変換装置

Info

Publication number: JP2002198550A
Application number: JP2000396716A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kyoda; 豪京田; Makoto Sugawara; 信菅原; Hisao Arimune; 久雄有宗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで信頼性の高い光電変換装置を提供
することを目的とする。【解決手段】一方の電極層を有する基板１上に一導電
形を呈する粒状結晶半導体２を多数配設して基板１と接
合し、この粒状結晶半導体２間に絶縁体３を充填してこ
の粒状結晶半導体２上に逆導電形を呈する半導体層４を
設けるとともに、この逆導電形を呈する半導体層４に他
方の電極を接続して設けた光電変換装置であって、上記
絶縁体３を熱膨張係数が３０〜６０×１０^-7／℃で軟化
点が５００℃以下の材料を用いて形成することによっ
て、クラック及びボイド等の欠陥の発生を防止した良好
な絶縁体３を形成し、よって信頼性の高い光電変換装置
を提供する。

Description

【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、特に太陽光発電などに使用される粒状結晶半導体を
用いた光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の粒状結晶半導体を用いた光電変換
装置を図３〜図５に示す。例えば図３に示すように、第
１のアルミニウム箔１０に開口を形成し、その開口にｐ
形の上にｎ形表皮部９を持つシリコン球２を結合し、球
２の裏側のｎ形表皮部９を除去し、第１のアルミニウム
箔１０の裏面側に酸化物絶縁層３を形成し、シリコン球
２の裏側の酸化物絶縁層３を除去し、シリコン球１と第
２のアルミニウム箔８とを接合する光電変換装置が開示
されている（例えば特開昭６１−１２４１７９号公報参
照）。

【０００３】また、図４に示すように、基板１上に低融
点金属層１１を形成し、この低融点金属層１１上に第１
導電形の粒状結晶半導体２を配設し、この粒状結晶半導
体２上に第２導電形のアモルファス半導体層７を上記低
融点金属層１１との間に絶縁層３を介して形成する光電
変換装置が開示されている（例えば特許第２６４１８０
０号公報参照）。

【０００４】また、図５に示すように、基板１上に高融
点金属層１２と低融点金属層１１と半導体微小結晶粒と
を堆積し、半導体の微小結晶粒を融解させて飽和させた
上で徐々に冷却して半導体を液相エピタキシャル成長さ
せることによって多結晶薄膜１３を形成する方法が開示
されている（例えば特公平８−３４１７７号公報参
照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示すような光電変換装置においては、第１のアルミニウ
ム箔１０に開口を形成し、その開口にシリコン球２を押
し込んでシリコン球を第１のアルミニウム箔１０に接合
させる必要があるため、シリコン球２の球径に均一性が
要求され、高コストになるという問題点があった。ま
た、接合させるときの処理温度がアルミニウムとシリコ
ンの共晶温度である５７７℃以下であるため、接合が不
安定になるという問題があった。

【０００６】また、図４に示すような光電変換装置によ
れば、第１導電形の粒状結晶半導体２上に第２導電形の
アモルファス半導体層７を設けるため、安定なｐｎ接合
を形成するにはアモルファス導電層７の形成前に粒状結
晶半導体２の表面を十分にエッチングおよび洗浄する必
要があった。また、アモルファス半導体層７の光吸収が
大きいことに起因して膜厚を薄くしなければならず、ア
モルファス半導体層７の膜厚が薄い場合、欠陥に対する
許容度も小さくなり、洗浄工程や製造環境の管理を厳し
くする必要があり、その結果、高コストになるという問
題があった。

【０００７】また、図５に示すような光電変換装置によ
れば、低融点金属層１１が第１導電形の液相エピタキシ
ャル多結晶層１３中に混入するために性能が落ち、絶縁
体がないために下部電極１２との間にリークが発生する
という問題があった。

【０００８】本発明は上記従来技術における問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、低コストの光電
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は、一方の電極層を有
する基板上に一導電形を呈する粒状結晶半導体を多数配
設して基板と接合し、この粒状結晶半導体間に絶縁体を
充填してこの粒状結晶半導体上に逆導電形を呈する半導
体層を設けるとともに、この逆導電形を呈する半導体層
に他方の電極を接続して設けた光電変換装置において、
前記絶縁体を熱膨張係数が３０〜６０×１０^-7／℃で軟
化点が５００℃以下の材料を用いて形成したことを特徴
とする。

【００１０】本発明の光電変換装置によれば、基板上に
粒状結晶半導体を多数配置して加熱して両者の溶融した
合金部によって接合し、この多数の粒状結晶半導体の間
に絶縁体を充填した構造において、絶縁体が露出してい
る基板の全面を欠陥なく覆い、なお且つ絶縁体及び粒状
結晶半導体におけるクラック発生を防止することによっ
て、従来の特開昭６１−１２４１７９号公報、特許第２
６４１８００号公報、特公平８−３４１７７号公報、特
公昭６１−５９６７８号公報、特開平１０−２３３５１
８号公報で開示されている光電変換装置と比較して製造
マージンが大きく、低コストの製造が可能となる。つま
り、粒状結晶半導体をより低い粒径精度で製造すればよ
く、絶縁体によって正電極と負電極の分離を確実に行う
ことができるため、低コストの製造が可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を詳
細に説明する。図１および図２は、請求項１に係る光電
変換装置の一実施形態を示す図である。図１および図２
において、１は基板、２は粒状結晶半導体、３はガラス
材料から成る絶縁体、４は半導体層、５は保護層、６は
導電層（他方の電極）、１５は基板１と粒状結晶半導体
の接合部である。

【００１２】基板１は金属、セラミック、樹脂等から成
る。基板１は下部電極を兼ねるため、特性としてアルミ
ニウムから成る導電性を持つものであればよく、基板１
全体がアルミニウムから成る場合は図１に示すような単
層にし、基板１がアルミニウムを含まない場合は図２に
示すようなアルミニウムから成る導電層１’との複層に
する。なお、基板１がセラミックや樹脂などの絶縁体の
場合には、その表面に図２に示すアルミニウムから成る
導電層１’を形成する必要がある。

【００１３】粒状結晶半導体２は、中心部がＳｉ、Ｇｅ
にｐ形を呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等、又はｎ形を呈する
Ｐ、Ａｓ等が微量含まれているものである。そして、基
板１と粒状結晶半導体２が接触した状態で基板１の材料
であるＡｌとＳｉとの共晶温度である５７７℃を越える
温度で焼成することによって合金部１５を形成するが、
合金部１５は基板１の材料であるＡｌと基板１と接触し
ている部分の粒状結晶半導体２の材料とが共に溶解して
溶融した合金部である。また、合金部１５に接触してい
る第１導電形の領域では、基板１の材料であるアルミニ
ウムが拡散してｐ ⁺層を形成している。しかしながら、
単に導電性拡散領域を形成するのであれば、ＡｌとＳｉ
との共晶温度である５７７℃以下でもできるが、基板１
と粒状結晶半導体２の接合が弱いために基板１から粒状
結晶半導体２が離脱し、太陽電池としての構造を維持で
きなくなる。

【００１４】粒状結晶半導体２の粒径分布としては均
一、不均一を問わないが、均一の場合は粒径を揃えるた
めの工程が必要になるため、より安価に製造するために
は不均一な方が有利である。更に粒状結晶半導体２が凸
状曲面を持つことによって光の光線角度の依存性も小さ
くなる。

【００１５】また、粒子２の直径は１０〜５００μｍが
よく、１０μｍ未満では基板１との接合の際に粒状結晶
半導体２が完全に溶融するために上部の半導体層４との
リークが発生し、また５００μｍを越えると従来形の平
面板の光電変換装置で使用される半導体原料の使用量と
変わらなくなり、半導体原料の節約の意味で粒子を適用
する利点がなくなる。なお、粒状結晶半導体２は、その
外郭にｎ形を呈するＰ、Ａｓ等、又はｐ形を呈するＢ、
Ａｌ、Ｇａ等が微量含まれているものでもよい。

【００１６】絶縁体３は、正極と負極の分離を行うため
の絶縁材料からなるが、材料の特性として熱膨張係数が
３０〜６０×１０^-7／℃で軟化点が５００℃以下の材料
を用いる。熱膨張係数においては、３０×１０^-7／℃以
下だとアルミニウムを用いた基板（Ａｌの熱膨張係数：
２４０×１０^-7／℃）との熱膨張係数差が大きいために
絶縁体３を形成した後に絶縁体表面にクラックが発生し
てしまい、６０×１０ ^-7／℃を越えると粒状結晶半導体
２（例えばＳｉの熱膨張係数：２６×１０^-7／℃）との
熱膨張係数差が大きくなるために粒状結晶半導体２及び
その周辺の絶縁体３にクラックが発生してしまう。また
軟化点においては、半導体層を形成する際の温度で融解
又は分解しないことが必要であり、且つ軟化点が５００
℃を越えると、基板１と粒状結晶半導体２の接合温度で
ある５７７℃近辺の温度において材料が融解せずにボイ
ド等の欠陥が発生して、露出している基板１の面を覆う
ことができず、絶縁体としての機能が果たせなくなる。
よって軟化点の範囲は非晶質の半導体層を形成する温度
を考慮して２００〜５００℃、好適には非晶質と結晶質
の混晶から成る半導体層を形成する温度を考慮して３５
０〜５００℃がよい。絶縁体３の材料は上記の条件を満
たすものであればよく、例えばＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂
Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｐ₂Ｏ₅、Ｌｉ₂Ｏ、ＳｎＯ、Ｐｂ
Ｏ、ＺｎＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ₂等を任意な成分とする主
材料の低温焼成用ガラス材料単体あるいは上記材料の１
種又は複数から成るフィラーを複合した絶縁体等があ
る。この絶縁体３の形成は基板１上に少なくとも粒状結
晶半導体２を多数配置して基板と接合するときに同時に
形成するか接合後に形成してもよい。また、形成後の表
面にエッチング等の処理をしてもよい。

【００１７】半導体層４は例えばＳｉから成り、気相成
長法等で例えばシラン化合物の気相にｎ形を呈するリン
系化合物の気相、又はｐ形を呈するホウ素系化合物の気
相を微量導入して形成する。膜質としては結晶質、非晶
質、結晶質と非晶質とが混在するのどちらでもよいが、
光線透過率を考慮すると結晶質又は結晶質と非晶質とが
混在するものがよく、光線透過率については、粒状結晶
半導体２がない部分で入射光の一部が半導体層４を透過
し、下部の基板１で反射して粒状結晶半導体２に照射さ
れることで、光電変換装置全体に照射される光エネルギ
ーを効率よく粒状結晶半導体２に照射することが可能と
なる。

【００１８】導電性については、層中の微量元素の濃度
は高くてもよく、例えば１×１０¹⁶〜１０²¹ａｔｍ／ｃ
ｍ³台程度である。

【００１９】更に、半導体層４は粒状結晶半導体２の表
面に沿って形成し、粒状結晶半導体２の凸曲面形状に沿
って形成することが望ましい。粒状結晶半導体２の凸曲
面状の表面に沿って形成することによってｐｎ接合の面
積を広く稼ぐことができ、粒状結晶半導体２の内部で生
成したキャリアを効率よく収集することが可能となる。
なお、その外郭にｎ形を呈するＰ、Ａｓ等、又はｐ形を
呈するＢ、Ａｌ、Ｇａ等が微量含まれている粒状結晶半
導体２を用いる場合には、半導体層４はなくてもよく、
その上に下記の導電層６を形成してもよい。

【００２０】半導体層４上には導電層（他方の電極層）
６を形成してもよい。導電層６はスパッタリング法や気
相成長法等の成膜方法あるいは塗布焼成等によって形成
し、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂等か
ら選ばれる１種又は複数の酸化物系膜、又はＴｉ、Ｐ
t、Ａｕ等から選ばれる１種又は複数の金属系膜を形成
する。透明導電層は膜厚を選べば反射防止膜としての効
果も期待できる。なお、導電層６は透明であることが必
要であり、粒状結晶半導体２がない部分で入射光の一部
が導電層６を透過し、下部の基板１で反射して粒状結晶
半導体２に照射されることで、光電変換装置全体に照射
される光エネルギーを効率よく粒状結晶半導体２に照射
することが可能となる。更に、導電層６は半導体層４あ
るいは粒状結晶半導体２の表面に沿って形成し、粒状結
晶半導体２の凸曲面形状に沿って形成することが望まし
い。粒状結晶半導体２の凸曲面状の表面に沿って形成す
ることによってｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、
粒状結晶半導体２の内部で生成したキャリアを効率よく
収集することが可能となる。

【００２１】半導体層４あるいは導電層６上に保護層５
を形成してもよい。このような保護層５としては透明誘
電体の特性を持つものがよく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等で
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、ＳｉＯ ₂−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
又は組み合わせて半導体層４又は導電層６上に形成す
る。保護層５は、光の入射面に接しているために、透明
性が必要であり、また半導体層４又は導電層６と外部と
の間のリークを防止するために、誘電体であることが必
要である。なお、保護層５の膜厚を最適化すれば反射防
止膜としての機能も期待できる。

【００２２】また、直列抵抗値を低くするために、半導
体層４又は導電層６の上に一定間隔のフィンガーやバス
バーといったパターン電極（他方の電極）を設けて直接
又は間接的に半導体層４と接続し、変換効率を向上させ
ることも可能である。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の光電変換装置の実施例を説明
する。〔例１〕実施例として以下のようにして作製した試料１
を用いた。鉄を含む基板１上にアルミニウム層１’を５
０μｍの厚みに形成し、その上に絶縁体３を形成するた
めのＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｐ₂
Ｏ ₅、Ｌｉ₂Ｏ、ＳｎＯ、ＰｂＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ｔｉ
Ｏ₂等を任意な成分とする主材料の低温焼成用ガラス粒
子単体あるいは上記の材料の１種又は複数から成るフィ
ラーを複合したガラス粒子をペースト化したものを焼成
後の厚みがシリコン粒子２の粒径の半分近くになるよう
に塗布形成した。その上に中心径２５０μｍのｐ形のシ
リコン粒子２を密に配置して絶縁体３中に押し込みアル
ミニウム層１’に接触させた。次に、絶縁体３の融解と
シリコン粒子２をアルミニウム層１’に接合させるため
に５７７℃付近の温度で焼成した。以上の方法で絶縁体
３の材料を変えて作製した試料（ｎ＝５）のシリコン粒
子２と絶縁体３の応力クラック及び絶縁体３の融解状態
を確認した結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】比較例１、実施例１〜４、比較例２は絶縁
体３の熱膨張係数を変えた例を示す。比較例１は絶縁体
３が溶解するものの絶縁体全面にクラックが発生した。
これは、熱膨張係数が３０×１０^-7／℃未満であるため
に基板に用いているアルミニウムの熱膨張係数（２４０
×１０^-7／℃）との熱膨張係数差が大きいために絶縁体
形成後にクラックが発生してしまったものと考えられ、
発生したクラックは信頼性上リークの原因等で問題とな
る。また、比較例２はシリコン粒子２の周辺にクラック
が発生した。これは熱膨張係数が６０×１０^-7／℃を越
えるためにシリコン粒子２の熱膨張係数（２６×１０^-7
／℃）との熱膨張係数差が大きいために絶縁体形成後に
クラックが発生してしまったものと考えられる。一方実
施例１〜４ではクラックは発生せず、ガラス粒子も融解
して絶縁体の膜を形成することができた。以上のことか
ら、絶縁体３の熱膨張係数は３０〜６０×１０^-7／℃の
範囲がよいことがわかった。

【００２６】次に、実施例５〜７、比較例３は絶縁体３
の軟化点を変えた例を示す。比較例３は、シリコン粒子
２をアルミニウム層１９に接合させるための５７７℃付
近の温度ではガラス粒子が完全に融解せず、ボイドが発
生してしまった。これは、絶縁体の軟化点が５００℃を
越えて高すぎるためと考えられる。一方、実施例５〜７
では、ガラス粒子が融解してボイドを発生させることな
く絶縁体の膜を形成することができ、クラックも発生し
なかった。以上のことから、絶縁体３の軟化点は５００
℃以下の範囲がよいことがわかった。

【００２７】また、実施例８は、鉄を含む基板１上にア
ルミニウム層１’を５０μｍの厚みに形成し、その上に
中心径２５０μｍのｐ形のシリコン粒子２を密に配置し
てＡｌとＳｉの共晶温度である５７７℃付近の温度で加
熱して基板１とｐ形シリコン粒子２を接合させ、その
後、シリコン粒子２間の隙間を熱膨張係数及び軟化点が
上記範囲のガラスの粒子で埋めて基板１とｐ形シリコン
粒子２の接合温度未満の温度で焼成して絶縁体３を形成
した例を示す。ガラス粒子が融解してボイドを発生させ
ることなく絶縁体の膜を形成することができ、クラック
も発生しなかった。

【００２８】以上のことより、本発明の光電変換装置に
よれば、クラック及びボイド等の欠陥の発生を防止した
良好な絶縁体を形成できることが確認できた。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る光電変換
装置によれば、一方の電極層を有する基板上に一導電形
を呈する粒状結晶半導体を多数配設して基板と接合し、
この粒状結晶半導体間に絶縁体を充填してこの粒状結晶
半導体上に逆導電形を呈する半導体層を設けるととも
に、この逆導電形を呈する半導体層に他方の電極を接続
して設けた光電変換装置において、前記絶縁体を熱膨張
係数が３０〜６０×１０^-7／℃で軟化点が５００℃以下
の材料を用いて形成したことから、クラック及びボイド
等の欠陥の発生を防止した良好な絶縁体を形成でき、よ
って信頼性の高い光電変換装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示
す断面図である。

【図２】本発明の光電変換装置のその他の実施の形態の
一例を示す断面図である。

【図３】従来例１の光電変換装置を示す断面図である。

【図４】従来例２の光電変換装置を示す断面図である。

【図５】従来例３の光電変換装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・・基板１’・・導電層（一方の電極）２・・・・粒状結晶半導体３・・・・絶縁体４・・・・半導体層５・・・・誘電体保護層６・・・・透明導電膜７・・・・アモルファス半導体層８・・・・第２のアルミニウム箔９・・・・ｎ形表皮部１０・・第１のアルミニウム箔１１・・低融点金属層１２・・高融点金属層１３・・第一導電形の液相エピタキシャル多結晶層１４・・第二導電形の多結晶あるいはアモルファス層１５・・基板と粒状結晶半導体の合金部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有宗久雄滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀工場八日市ブロック内Ｆターム(参考） 5F051 AA03 AA20 FA06 GA02 GA03 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の電極層を有する基板上に一導電形
を呈する粒状結晶半導体を多数配設して基板と接合し、
この粒状結晶半導体間に絶縁体を充填してこの粒状結晶
半導体上に逆導電形を呈する半導体層を設けるととも
に、この逆導電形を呈する半導体層に他方の電極を接続
して設けた光電変換装置において、前記絶縁体を熱膨張
係数が３０〜６０×１０^-7／℃で軟化点が５００℃以下
の材料を用いて形成したことを特徴とする光電変換装
置。