光電変換素子
【課題】製造コストを抑えながら、光電変換素子の光吸収率を高め、光電変換効率を向上させる。
【解決手段】光電変換素子１０は、反射防止層２０、光電変換層３０、透明薄膜層４０、および光反射層５０を含む。反射防止層２０は、光電変換層３０の受光面側に設けられている。透明薄膜層４０は、光電変換層３０の裏面側に設けられている。光反射層５０は、透明薄膜層４０に積層されており、光電変換層３０の側の主表面に複数の凹部５４が形成された金属膜５２を含む。
【解決手段】光電変換素子１０は、反射防止層２０、光電変換層３０、透明薄膜層４０、および光反射層５０を含む。反射防止層２０は、光電変換層３０の受光面側に設けられている。透明薄膜層４０は、光電変換層３０の裏面側に設けられている。光反射層５０は、透明薄膜層４０に積層されており、光電変換層３０の側の主表面に複数の凹部５４が形成された金属膜５２を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換により光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池などの光電変換素子は、省資源化や低コスト化を図るために光電変換層のさらなる薄膜化が望まれている。しかしながら、単純に光電変換層を薄膜化しただけでは光電変換層における光吸収量が減少し、光電変換効率が低下してしまう。そのため、光電変換層における吸収量を増加させる技術の開発が不可欠である。
【０００３】
このような技術として、光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製し、光電変換層の表面、裏面において、それぞれ入射光、反射光を散乱させて、光電変換層での光路長を増大させる方法がある。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する技術が知られている。この場合には、光電変換層を透過しようとする光が周期的な微細パターンによって回折し、反射した光が光電変換層において全反射する条件を設定することで光が光電変換層内に閉じ込められ、光電変換効率の向上が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２８８４７３号公報
【特許文献２】特開平４−１３３３６０号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４８１８号公報
【特許文献４】特表２００９−５３３８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のように光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製する構成では、比較的多くの光が光電変換層に向けて反射されずに光電変換素子の外部に漏れていた。この外部に漏れる光を低減する方法としては、テクスチャ構造を周期的に配列することが考えられるが、周期配列されたテクスチャ構造の作製はコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する場合も、同様にコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑えながら、光電変換素子の光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることのできる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、光電変換素子である。当該光電変換素子は、 光電変換層と、光電変換層の一方の主表面側に設けられた反射防止層と、光電変換層の他方の主表面側に設けられた金属膜を含む光反射層と、を備え、金属膜の光電変換層の側の主表面に複数の凹部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記態様の光電変換素子によれば、光電変換層で吸収しきれなかった入射光が、光反射層によって散乱反射されるため、光電変換層内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。
【０００９】
任意の凹部の開口における重心と任意の凹部に隣接する他の凹部の開口における重心との距離が２５０〜４００ｎｍであってもよい。
【００１０】
また、金属膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金からなっていてもよい。光電変換層がｐｎ接合を有する単結晶もしくは多結晶シリコンを含んでもよい。光反射層が、金属膜の形成用のマスクを含有してもよい。光反射層が、集電のための裏面電極を兼ねてもよい。
【００１１】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光電変換素子によれば、製造コストを抑えながら、光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る光電変換素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態に係る光電変換素子を受光面側から平面視したときの金属膜の形態を示す平面図である。
【図３】変形例に係る光電変換素子の構成を示す概略断面図である。
【図４】変形例に係る光電変換素子を受光面側から平面視したときの金属膜の形態を示す平面図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態に係る光電変換素子の作製工程を示す工程断面図である。
【図６】図６（Ａ）〜（Ｂ）は、実施の形態に係る光電変換素子の作製工程を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る光電変換素子１０の構成を示す概略断面図である。図２は、実施の形態に係る光電変換素子１０を受光面側から平面視したときの、金属膜５２の形態を示す平面図である。図１は、図２のＦ−Ｆ線上の断面図に相当する。また、図２では、金属膜５２以外の光電変換層３０等の構成が省略されている。図１に示すように、光電変換素子１０は、反射防止層２０、光電変換層３０、透明薄膜層４０、光反射層５０、反射防止層２０の受光面側に形成されている集電のための表面電極（図示せず）、および、場合によっては光反射層５０の受光面側とは対側に形成されている集電のための裏面電極（図示せず）を備える。本実施の形態では光電変換素子１０は太陽電池である。
【００１６】
反射防止層２０は、光電変換層３０の受光面側に設けられている。反射防止層２０は、光電変換層３０が受光する光の波長領域での透明性と、光電変換層３０が受光する光の反射を防止する機能を兼ね備えていればよく、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＩＴＯなどが好ましいがこの限りではない。
【００１７】
反射防止層２０の厚みは、好ましくは０〜５００ｎｍ、より好ましくは０〜３００ｎｍ、さらに好ましく５０〜２００ｎｍであるが、この限りではない。
【００１８】
また、反射防止層２０の受光面側に形成されている表面電極としては、Ａｕ、Ａｇ、ＡｌＣｕまたはこれらの金属を含む合金を用いることが好ましいが、この限りではない。また集電性向上のため、前記表面電極は反射防止層２０を貫通して、光電変換層３０と直接接触していてもよい。
【００１９】
光電変換層３０は、少なくともｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有してることが好ましく、ｐｎ接合の光起電力効果により太陽からの光エネルギーを電気エネギーに変換することができる。光電変換層３０としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、ＩＶ族半導体などを用いることが好ましいがこの限りではない。
【００２０】
また、光電変換層３０の表面および／または裏面は、入射光、反射光を散乱させて、光変換層での光路長を増大させるためのテクスチャ構造を有していてもよい。
【００２１】
透明薄膜層４０は、光電変換層３０の受光面側と反対側に設けられており、光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有している、すなわち透明薄膜層４０のバンドギャップが光電変換層３０のバンドギャップよりも大きいことが望まれる。また、集電性向上の観点から、透明薄膜層４０は導電性を有することが好ましい。透明薄膜層４０の材料として、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、サファイア、アルミナ、水晶、フッ素樹脂、ＳｎＯ２、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｙ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、μｃ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯｘ：Ｈ、ＳｉＣ、ＳｉＮｘ、ＡｌＯｘ：Ｈ、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、トリアセチルセルロース、ポリウレタン、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられるが、この限りではない。なお、透明薄膜層４０は任意の構成であり、透明薄膜層４０を設けない構成も採用されうる。
【００２２】
光反射層５０は、透明薄膜層４０に積層された金属膜５２を含む。金属膜５２の光電変換層３０の側の主表面に複数の凹部５４が設けられている。金属膜５２を平面視した際の凹部５４の開口形状は円形であるが、凹部５４の開口形状はこれに限られず、楕円形、三角形、四角形などであってもよい。
【００２３】
光反射層５０を構成する金属膜５２の材料としては、金属材料であれば特に限定されないが、Frohlichモード(Bohren and Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983 を参照)の共鳴波長が光電変換を行う光の波長と近い材料が望ましい。この条件に合う材料として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、やこれらの金属を含む合金が挙げられる。
【００２４】
光反射層５０の厚みＤは特に限定されないが、凹部５４の深さＥよりも厚い、すなわちＤ＞Ｅである。厚みＤは、好ましくは５〜２０００ｎｍ、より好ましくは５〜１０００ｎｍ、さらに好ましくは５〜５００ｎｍである。
【００２５】
また、実施の形態の一つにおいて、任意の凹部５４の開口における重心と当該任意の凹部５４に隣接する他の凹部５４の開口における重心との距離Ａは、好ましくは２５０〜４５０ｎｍ、より好ましくは２５０〜４００ｎｍ、さらに好ましくは２５０〜３５０ｎｍである。
【００２６】
上述した距離Ａに関して、２５０〜４００ｎｍの範囲に入っている数の割合は、好ましくは３０％〜１００％、より好ましくは５０％〜１００％、さらに好ましくは７０％〜１００％である。
【００２７】
さらに、実施の形態の一つにおいて、凹部５４の開口において、凹部の内壁の２点間の最大距離Ｂは、好ましくは５０〜３５０ｎｍ、より好ましくは５０〜３００ｎｍ、さらに好ましくは１００〜２５０ｎｍである。最大距離Ｂは、凹部５４の開口を平面視した場合の形状が真円である場合は直径の長さ、楕円の場合は長径の長さ、正方形や長方形の場合は対角線の長さとなる。なお、図１に示す光電変換素子１０では、凹部５４の底部が湾曲しているが、凹部５４の断面形状はこれに限られず、矩形状であってもよい。
【００２８】
複数の凹部５４に関し、最大距離Ｂが５０〜３５０ｎｍの範囲に入っている数の割合は、好ましくは３０％〜１００％、より好ましくは５０％〜１００％、さらに好ましくは７０％〜１００％である。
【００２９】
光反射層５０の全面積をＧ、凹部５４が形成された金属膜５２の面積をＨとすると、光反射層５０中の金属膜５２部分の含有率は、以下の式（ア）で定義される。
金属膜５２部分の含有率（％）＝Ｈ／Ｇ×１００…………（ア）
金属膜５２部分の含有率は大きければ大きいほど好ましく、具体的には、好ましくは３０％〜８０％、より好ましくは５０％〜８０％、さらに好ましくは６０％〜８０％である。
【００３０】
凹部５４が形成された金属膜５２を形成する手法としては、ナノスフィアリソグラフィー（Ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、電子ビームリソグラフィー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、ナノインプリントリソグラフィー（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、集積イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）による金属膜の加工などが挙げられる。
【００３１】
本発明の実施の形態の一つにおいて、光反射層５０は、光電変換層３０を作製した後に作製することが望ましい。光反射層５０を作製した後に光電変換層３０を作製した場合には、光電変換層３０にも光反射層５０が有する凹凸と同じ凹凸が形成されてしまうため、光電変換層３０において電子がトラップされる確率が増加し、素子性能の低下が懸念される。一方で、光電変換層３０を作製した後に、光反射層５０を作製した場合には、光電変換層３０に凹凸が形成されることがないため、上述した懸念点が解消される。
【００３２】
さらに、本発明の実施の形態の一つにおいて、凹部５４が形成された金属膜５２を形成するために、マスクを用いた場合、そのマスクを取り除かず、光電変換素子の中に残したままにしておいてもよい。当該マスクとは、例えば、ナノスフィアリソグラフィー法においては粒子から形成されている膜、電子ビームリソグラフィー法、ナノインプリントリソグラフィー法においてはレジスト材からなる膜が挙げられる。マスクを取り除かないことで、光電変換素子の製造工程を簡素化することができ、さらなる光電変換素子の製造コストの削減が期待できる。
【００３３】
また、光反射層５０の受光面側とは反対側に形成されている裏面電極としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金を用いることが好ましく、またこれら前記金属もしくは前記金属を含む合金が多層に重ね合わせられていてもよい。
【００３４】
また、実施の形態の一つにおいて、光反射層５０が集電のための裏面電極を兼ねてもよい。この場合、前記光反射層５０の受光面側とは反対側に形成されている裏面電極は不要となるため、光電変換素子の製造工程を簡素化することができ、さらなる光電変換素子の製造コストの削減が期待できる。
【００３５】
上記説明した光電変換素子１０では、光電変換層３０で吸収しきれなかった入射光が、光電変換層３０の受光側と反対側に設けられた少なくとも金属ホールを含有する光反射層５０によって散乱反射されるため、光電変換層３０内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。
【００３６】
（変形例）
図３は、変形例に係る光電変換素子１０の構成を示す概略断面図である。図４は、変形例に係る光電変換素子１０を受光面側から平面視したときの、金属膜５２の形態を示す平面図である。図３は、図４のＧ−Ｇ線上の断面図に相当する。また、図４では、金属膜５２以外の光電変換層３０等の構成が省略されている。凹部５４は球状であり、光反射層５０と接する凹部５４の開口の面積は、金属膜５２の主表面と平行な任意の断面における凹部５４の断面積の中で最大ではない。このような場合には、凹部５４の断面積が最大となる断面における、凹部の内壁の２点間の最大距離Ｂ’は、好ましくは５０〜３５０ｎｍ、より好ましくは５０〜３００ｎｍ、さらに好ましくは１００〜２５０ｎｍである。
【００３７】
（光電変換素子の作製方法）
図５および図６は、実施の形態に係る光電変換素子の作製方法を示す工程断面図である。以下、図５および図６を参照にして光電変換素子の作製方法を説明する。
【００３８】
光電変換層３０は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板を含み、周知の熱拡散法、イオン注入法、真空成膜法などを用いて予めｐ−ｎ接合が形成されている。まず、図５（Ａ）に示すように、光電変換層３０の受光面側に膜厚５０〜２００ｎｍの反射防止層２０を積層する。反射防止層２０の積層方法は特に限定されないが、例えば、真空成膜法によりＳｉＮｘやＩＴＯなどの透明材料を成膜する方法が挙げられる。
【００３９】
次に、図５（Ｂ）に示すように、光電変換層３０の受光面とは反対側に膜厚２００ｎｍ以下の透明薄膜層４０を積層する。透明薄膜層４０の積層方法は特に限定されないが、例えば、真空成膜法によってＳｉＯ２、ａ−Ｓｉ：Ｈ、μｃ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯｘ：Ｈ、ＳｉＣなどの透明材料を成膜する方法が挙げられる。
【００４０】
以下、光反射層５０（金属膜５２）の形成工程を示す。具体的には、実施の形態の一つとしてナノスフィアリソグラフィー法を用いて金属ホールを形成する手法を示す。図５（Ｃ）に示すように、透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、例えばポリスチレン（以下、ＰＳと表記する）ビーズやシリカビーズ、アクリルビーズなどの粒子９０の単層膜を形成する。なお、粒子９０は、透明薄膜層４０と同様に、光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有している。
【００４１】
次に、図６（Ａ）に示すように、図５（Ｃ）において形成した粒子９０の単層膜を、例えば酸素や水素ガスやこれらを含む含有ガスなどによるエッチング処理やＵＶ処理によって、粒子の大きさを所望する大きさにする。このエッチングされた粒子の単層膜が、金属ホールを作製する際のマスク１００となる。隣接するマスク１００間に、透明薄膜層４０が露出する開口部１０２が形成される。
【００４２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、マスク１００を介して透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属またはこれらの金属を含む合金を真空蒸着法などにより堆積させる。金属が開口部１０２を通過し、透明薄膜層４０の受光面とは反対側に堆積することで凹部５４が形成された金属膜５２すなわち光反射層５０が形成される。なお、マスク１００は凹部５４内に残存しているが、上述したように、マスク１００の材料となる粒子９０は光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有しているため、光反射層５０の光反射性は凹部５４全体が物体で占められていない空間である場合と同等である。
【００４３】
以上説明した工程により、実施の形態に係る光電変換素子１０を簡便に形成することができ、さらには光電変換素子１０の製造コストを低減することができる。なお、図６（Ｂ）に示す工程において、ペースト状の金属を用いて金属膜５２を形成すると、マスク１００の周囲に金属が隙間なく周り込むため、変形例の光電変換素子１０を作製することができる。この場合には、凹部５４全体をマスク１００が占めるが、マスク１００の材料となる粒子９０は光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有しているため、光反射層５０の光反射性は凹部５４全体が物体で占められていない空間である場合と同等である。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００４５】
（実施例１）
（光電変換層の作製）
厚さ１００μｍのｐ型シリコンウェハー（抵抗率０．５〜５Ωｃｍ）の受光面側に、ｉ層として厚さ５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈを積層し、さらにｉ層の上に厚さ７．５ｎｍのｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈを積層し、光電変換層を作製した。
【００４６】
（反射防止層の作製）
光電変換層のｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ上に、反射防止層として厚さ７５ｎｍのＩＴＯを成膜した。
【００４７】
（透明薄膜層の作製）
光電変換層のｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ層と反対側に、透明薄膜層としてｐ型の微結晶Ｓｉ：Ｈを３０ｎｍ成膜した。
【００４８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５０００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。なお、光反射層は集電のための裏面電極を兼ねる。以上の工程により、実施例１の光電変換素子（太陽電池）を作製した。
【００４９】
（実施例２）
実施例２の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５０】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスク８を除去し、光反射層を作製した。
【００５１】
（実施例３）
実施例３の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５２】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５３】
（実施例４）
実施例４の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５４】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５５】
（実施例５）
実施例５の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５６】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５７】
（実施例６）
実施例６の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径２５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５９】
（実施例７）
実施例７の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６０】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径４００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６１】
（実施例８）
実施例８の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６２】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径４５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６３】
（実施例９）
実施例９の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６４】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｕを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６５】
（実施例１０）
実施例１０の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６６】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｌを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６７】
（実施例１１）
実施例１１の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ｃｕを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６９】
（実施例１２）
実施例１２の太陽電池は、マスクを除去しない以外は、実施例４の素子作製手順と同様である。
【００７０】
（比較例１）
比較例１の太陽電池は、光反射層としてＡｇ膜を用い、かつ光反射層が裏面電極を兼ねる素子構造である。透明薄膜層までの作製手順は、実施例１と同様である。
【００７１】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、マスクを作製することなくＡｇを５００ｎｍ堆積させ、光反射層を作製した。
【００７２】
（比較例２）
比較例２の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７３】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径１５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを３０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７４】
（比較例３）
比較例３の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７５】
（光反射層の作製）
透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、直径４５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを４００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７６】
（比較例４）
比較例４の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７７】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径５００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７８】
（比較例５）
比較例５の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７９】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径２００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００８０】
（太陽電池性能の評価）
実施例１〜１２および比較例１〜５の太陽電池について、擬似太陽光（１００ｍＷ／ｃｍ２）を照射しながら、電流−電位特性を評価した。比較例１を基準となる試料とし、実施例１〜１２および比較例１〜５の太陽電池について、基準となる試料に対する相対的な短絡電流密度を算出した結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１〜１２の太陽電池では、比較例１〜５の太陽電池に対して短絡電流密度が顕著に増大しており、実施例１〜１２の太陽電池では、光吸収が増大する効果が確認された。
【表１】
【００８１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００８２】
たとえば、上述した実施の形態では、光電変換層３０にｐ−ｎ接合が形成されているが、光電変換層３０は、光電変換が可能な構造であればよく、光電変換層３０にｐ−ｉ−ｎ接合が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 光電変換素子、２０ 反射防止層、３０ 光電変換層、４０ 透明薄膜層、５０ 光反射層、５２ 金属膜、５４ 凹部、６ 凸部、７ 観察する方向、１００ マスク、１０２ 開口部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換により光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池などの光電変換素子は、省資源化や低コスト化を図るために光電変換層のさらなる薄膜化が望まれている。しかしながら、単純に光電変換層を薄膜化しただけでは光電変換層における光吸収量が減少し、光電変換効率が低下してしまう。そのため、光電変換層における吸収量を増加させる技術の開発が不可欠である。
【０００３】
このような技術として、光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製し、光電変換層の表面、裏面において、それぞれ入射光、反射光を散乱させて、光電変換層での光路長を増大させる方法がある。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する技術が知られている。この場合には、光電変換層を透過しようとする光が周期的な微細パターンによって回折し、反射した光が光電変換層において全反射する条件を設定することで光が光電変換層内に閉じ込められ、光電変換効率の向上が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２８８４７３号公報
【特許文献２】特開平４−１３３３６０号公報
【特許文献３】特開２０００−２９４８１８号公報
【特許文献４】特表２００９−５３３８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のように光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製する構成では、比較的多くの光が光電変換層に向けて反射されずに光電変換素子の外部に漏れていた。この外部に漏れる光を低減する方法としては、テクスチャ構造を周期的に配列することが考えられるが、周期配列されたテクスチャ構造の作製はコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する場合も、同様にコスト高であり、光電変換素子の低コスト化を図ることが難しくなる。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑えながら、光電変換素子の光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることのできる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、光電変換素子である。当該光電変換素子は、 光電変換層と、光電変換層の一方の主表面側に設けられた反射防止層と、光電変換層の他方の主表面側に設けられた金属膜を含む光反射層と、を備え、金属膜の光電変換層の側の主表面に複数の凹部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記態様の光電変換素子によれば、光電変換層で吸収しきれなかった入射光が、光反射層によって散乱反射されるため、光電変換層内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。
【０００９】
任意の凹部の開口における重心と任意の凹部に隣接する他の凹部の開口における重心との距離が２５０〜４００ｎｍであってもよい。
【００１０】
また、金属膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金からなっていてもよい。光電変換層がｐｎ接合を有する単結晶もしくは多結晶シリコンを含んでもよい。光反射層が、金属膜の形成用のマスクを含有してもよい。光反射層が、集電のための裏面電極を兼ねてもよい。
【００１１】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光電変換素子によれば、製造コストを抑えながら、光吸収率を高め、光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る光電変換素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態に係る光電変換素子を受光面側から平面視したときの金属膜の形態を示す平面図である。
【図３】変形例に係る光電変換素子の構成を示す概略断面図である。
【図４】変形例に係る光電変換素子を受光面側から平面視したときの金属膜の形態を示す平面図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態に係る光電変換素子の作製工程を示す工程断面図である。
【図６】図６（Ａ）〜（Ｂ）は、実施の形態に係る光電変換素子の作製工程を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る光電変換素子１０の構成を示す概略断面図である。図２は、実施の形態に係る光電変換素子１０を受光面側から平面視したときの、金属膜５２の形態を示す平面図である。図１は、図２のＦ−Ｆ線上の断面図に相当する。また、図２では、金属膜５２以外の光電変換層３０等の構成が省略されている。図１に示すように、光電変換素子１０は、反射防止層２０、光電変換層３０、透明薄膜層４０、光反射層５０、反射防止層２０の受光面側に形成されている集電のための表面電極（図示せず）、および、場合によっては光反射層５０の受光面側とは対側に形成されている集電のための裏面電極（図示せず）を備える。本実施の形態では光電変換素子１０は太陽電池である。
【００１６】
反射防止層２０は、光電変換層３０の受光面側に設けられている。反射防止層２０は、光電変換層３０が受光する光の波長領域での透明性と、光電変換層３０が受光する光の反射を防止する機能を兼ね備えていればよく、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ２、ＩＴＯなどが好ましいがこの限りではない。
【００１７】
反射防止層２０の厚みは、好ましくは０〜５００ｎｍ、より好ましくは０〜３００ｎｍ、さらに好ましく５０〜２００ｎｍであるが、この限りではない。
【００１８】
また、反射防止層２０の受光面側に形成されている表面電極としては、Ａｕ、Ａｇ、ＡｌＣｕまたはこれらの金属を含む合金を用いることが好ましいが、この限りではない。また集電性向上のため、前記表面電極は反射防止層２０を貫通して、光電変換層３０と直接接触していてもよい。
【００１９】
光電変換層３０は、少なくともｐ型半導体とｎ型半導体が接合したｐｎ接合を有してることが好ましく、ｐｎ接合の光起電力効果により太陽からの光エネルギーを電気エネギーに変換することができる。光電変換層３０としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、ＩＶ族半導体などを用いることが好ましいがこの限りではない。
【００２０】
また、光電変換層３０の表面および／または裏面は、入射光、反射光を散乱させて、光変換層での光路長を増大させるためのテクスチャ構造を有していてもよい。
【００２１】
透明薄膜層４０は、光電変換層３０の受光面側と反対側に設けられており、光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有している、すなわち透明薄膜層４０のバンドギャップが光電変換層３０のバンドギャップよりも大きいことが望まれる。また、集電性向上の観点から、透明薄膜層４０は導電性を有することが好ましい。透明薄膜層４０の材料として、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、サファイア、アルミナ、水晶、フッ素樹脂、ＳｎＯ２、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｙ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、μｃ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯｘ：Ｈ、ＳｉＣ、ＳｉＮｘ、ＡｌＯｘ：Ｈ、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、トリアセチルセルロース、ポリウレタン、シクロオレフィンポリマーなどが挙げられるが、この限りではない。なお、透明薄膜層４０は任意の構成であり、透明薄膜層４０を設けない構成も採用されうる。
【００２２】
光反射層５０は、透明薄膜層４０に積層された金属膜５２を含む。金属膜５２の光電変換層３０の側の主表面に複数の凹部５４が設けられている。金属膜５２を平面視した際の凹部５４の開口形状は円形であるが、凹部５４の開口形状はこれに限られず、楕円形、三角形、四角形などであってもよい。
【００２３】
光反射層５０を構成する金属膜５２の材料としては、金属材料であれば特に限定されないが、Frohlichモード(Bohren and Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, 1983 を参照)の共鳴波長が光電変換を行う光の波長と近い材料が望ましい。この条件に合う材料として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、やこれらの金属を含む合金が挙げられる。
【００２４】
光反射層５０の厚みＤは特に限定されないが、凹部５４の深さＥよりも厚い、すなわちＤ＞Ｅである。厚みＤは、好ましくは５〜２０００ｎｍ、より好ましくは５〜１０００ｎｍ、さらに好ましくは５〜５００ｎｍである。
【００２５】
また、実施の形態の一つにおいて、任意の凹部５４の開口における重心と当該任意の凹部５４に隣接する他の凹部５４の開口における重心との距離Ａは、好ましくは２５０〜４５０ｎｍ、より好ましくは２５０〜４００ｎｍ、さらに好ましくは２５０〜３５０ｎｍである。
【００２６】
上述した距離Ａに関して、２５０〜４００ｎｍの範囲に入っている数の割合は、好ましくは３０％〜１００％、より好ましくは５０％〜１００％、さらに好ましくは７０％〜１００％である。
【００２７】
さらに、実施の形態の一つにおいて、凹部５４の開口において、凹部の内壁の２点間の最大距離Ｂは、好ましくは５０〜３５０ｎｍ、より好ましくは５０〜３００ｎｍ、さらに好ましくは１００〜２５０ｎｍである。最大距離Ｂは、凹部５４の開口を平面視した場合の形状が真円である場合は直径の長さ、楕円の場合は長径の長さ、正方形や長方形の場合は対角線の長さとなる。なお、図１に示す光電変換素子１０では、凹部５４の底部が湾曲しているが、凹部５４の断面形状はこれに限られず、矩形状であってもよい。
【００２８】
複数の凹部５４に関し、最大距離Ｂが５０〜３５０ｎｍの範囲に入っている数の割合は、好ましくは３０％〜１００％、より好ましくは５０％〜１００％、さらに好ましくは７０％〜１００％である。
【００２９】
光反射層５０の全面積をＧ、凹部５４が形成された金属膜５２の面積をＨとすると、光反射層５０中の金属膜５２部分の含有率は、以下の式（ア）で定義される。
金属膜５２部分の含有率（％）＝Ｈ／Ｇ×１００…………（ア）
金属膜５２部分の含有率は大きければ大きいほど好ましく、具体的には、好ましくは３０％〜８０％、より好ましくは５０％〜８０％、さらに好ましくは６０％〜８０％である。
【００３０】
凹部５４が形成された金属膜５２を形成する手法としては、ナノスフィアリソグラフィー（Ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、電子ビームリソグラフィー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、ナノインプリントリソグラフィー（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法、集積イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）による金属膜の加工などが挙げられる。
【００３１】
本発明の実施の形態の一つにおいて、光反射層５０は、光電変換層３０を作製した後に作製することが望ましい。光反射層５０を作製した後に光電変換層３０を作製した場合には、光電変換層３０にも光反射層５０が有する凹凸と同じ凹凸が形成されてしまうため、光電変換層３０において電子がトラップされる確率が増加し、素子性能の低下が懸念される。一方で、光電変換層３０を作製した後に、光反射層５０を作製した場合には、光電変換層３０に凹凸が形成されることがないため、上述した懸念点が解消される。
【００３２】
さらに、本発明の実施の形態の一つにおいて、凹部５４が形成された金属膜５２を形成するために、マスクを用いた場合、そのマスクを取り除かず、光電変換素子の中に残したままにしておいてもよい。当該マスクとは、例えば、ナノスフィアリソグラフィー法においては粒子から形成されている膜、電子ビームリソグラフィー法、ナノインプリントリソグラフィー法においてはレジスト材からなる膜が挙げられる。マスクを取り除かないことで、光電変換素子の製造工程を簡素化することができ、さらなる光電変換素子の製造コストの削減が期待できる。
【００３３】
また、光反射層５０の受光面側とは反対側に形成されている裏面電極としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金を用いることが好ましく、またこれら前記金属もしくは前記金属を含む合金が多層に重ね合わせられていてもよい。
【００３４】
また、実施の形態の一つにおいて、光反射層５０が集電のための裏面電極を兼ねてもよい。この場合、前記光反射層５０の受光面側とは反対側に形成されている裏面電極は不要となるため、光電変換素子の製造工程を簡素化することができ、さらなる光電変換素子の製造コストの削減が期待できる。
【００３５】
上記説明した光電変換素子１０では、光電変換層３０で吸収しきれなかった入射光が、光電変換層３０の受光側と反対側に設けられた少なくとも金属ホールを含有する光反射層５０によって散乱反射されるため、光電変換層３０内での入射光の光路長が増大し、入射光を効率的に光吸収することができる。
【００３６】
（変形例）
図３は、変形例に係る光電変換素子１０の構成を示す概略断面図である。図４は、変形例に係る光電変換素子１０を受光面側から平面視したときの、金属膜５２の形態を示す平面図である。図３は、図４のＧ−Ｇ線上の断面図に相当する。また、図４では、金属膜５２以外の光電変換層３０等の構成が省略されている。凹部５４は球状であり、光反射層５０と接する凹部５４の開口の面積は、金属膜５２の主表面と平行な任意の断面における凹部５４の断面積の中で最大ではない。このような場合には、凹部５４の断面積が最大となる断面における、凹部の内壁の２点間の最大距離Ｂ’は、好ましくは５０〜３５０ｎｍ、より好ましくは５０〜３００ｎｍ、さらに好ましくは１００〜２５０ｎｍである。
【００３７】
（光電変換素子の作製方法）
図５および図６は、実施の形態に係る光電変換素子の作製方法を示す工程断面図である。以下、図５および図６を参照にして光電変換素子の作製方法を説明する。
【００３８】
光電変換層３０は、ｐ型単結晶Ｓｉ基板を含み、周知の熱拡散法、イオン注入法、真空成膜法などを用いて予めｐ−ｎ接合が形成されている。まず、図５（Ａ）に示すように、光電変換層３０の受光面側に膜厚５０〜２００ｎｍの反射防止層２０を積層する。反射防止層２０の積層方法は特に限定されないが、例えば、真空成膜法によりＳｉＮｘやＩＴＯなどの透明材料を成膜する方法が挙げられる。
【００３９】
次に、図５（Ｂ）に示すように、光電変換層３０の受光面とは反対側に膜厚２００ｎｍ以下の透明薄膜層４０を積層する。透明薄膜層４０の積層方法は特に限定されないが、例えば、真空成膜法によってＳｉＯ２、ａ−Ｓｉ：Ｈ、μｃ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯｘ：Ｈ、ＳｉＣなどの透明材料を成膜する方法が挙げられる。
【００４０】
以下、光反射層５０（金属膜５２）の形成工程を示す。具体的には、実施の形態の一つとしてナノスフィアリソグラフィー法を用いて金属ホールを形成する手法を示す。図５（Ｃ）に示すように、透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、例えばポリスチレン（以下、ＰＳと表記する）ビーズやシリカビーズ、アクリルビーズなどの粒子９０の単層膜を形成する。なお、粒子９０は、透明薄膜層４０と同様に、光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有している。
【００４１】
次に、図６（Ａ）に示すように、図５（Ｃ）において形成した粒子９０の単層膜を、例えば酸素や水素ガスやこれらを含む含有ガスなどによるエッチング処理やＵＶ処理によって、粒子の大きさを所望する大きさにする。このエッチングされた粒子の単層膜が、金属ホールを作製する際のマスク１００となる。隣接するマスク１００間に、透明薄膜層４０が露出する開口部１０２が形成される。
【００４２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、マスク１００を介して透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属またはこれらの金属を含む合金を真空蒸着法などにより堆積させる。金属が開口部１０２を通過し、透明薄膜層４０の受光面とは反対側に堆積することで凹部５４が形成された金属膜５２すなわち光反射層５０が形成される。なお、マスク１００は凹部５４内に残存しているが、上述したように、マスク１００の材料となる粒子９０は光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有しているため、光反射層５０の光反射性は凹部５４全体が物体で占められていない空間である場合と同等である。
【００４３】
以上説明した工程により、実施の形態に係る光電変換素子１０を簡便に形成することができ、さらには光電変換素子１０の製造コストを低減することができる。なお、図６（Ｂ）に示す工程において、ペースト状の金属を用いて金属膜５２を形成すると、マスク１００の周囲に金属が隙間なく周り込むため、変形例の光電変換素子１０を作製することができる。この場合には、凹部５４全体をマスク１００が占めるが、マスク１００の材料となる粒子９０は光電変換層３０が受光する光の波長領域で透明性を有しているため、光反射層５０の光反射性は凹部５４全体が物体で占められていない空間である場合と同等である。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００４５】
（実施例１）
（光電変換層の作製）
厚さ１００μｍのｐ型シリコンウェハー（抵抗率０．５〜５Ωｃｍ）の受光面側に、ｉ層として厚さ５ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈを積層し、さらにｉ層の上に厚さ７．５ｎｍのｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈを積層し、光電変換層を作製した。
【００４６】
（反射防止層の作製）
光電変換層のｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ上に、反射防止層として厚さ７５ｎｍのＩＴＯを成膜した。
【００４７】
（透明薄膜層の作製）
光電変換層のｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ層と反対側に、透明薄膜層としてｐ型の微結晶Ｓｉ：Ｈを３０ｎｍ成膜した。
【００４８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５０００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。なお、光反射層は集電のための裏面電極を兼ねる。以上の工程により、実施例１の光電変換素子（太陽電池）を作製した。
【００４９】
（実施例２）
実施例２の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５０】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスク８を除去し、光反射層を作製した。
【００５１】
（実施例３）
実施例３の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５２】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５３】
（実施例４）
実施例４の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５４】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５５】
（実施例５）
実施例５の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５６】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５７】
（実施例６）
実施例６の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００５８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径２５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００５９】
（実施例７）
実施例７の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６０】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径４００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６１】
（実施例８）
実施例８の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６２】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径４５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６３】
（実施例９）
実施例９の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６４】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｕを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６５】
（実施例１０）
実施例１０の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６６】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｌを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６７】
（実施例１１）
実施例１１の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００６８】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径３００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ｃｕを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００６９】
（実施例１２）
実施例１２の太陽電池は、マスクを除去しない以外は、実施例４の素子作製手順と同様である。
【００７０】
（比較例１）
比較例１の太陽電池は、光反射層としてＡｇ膜を用い、かつ光反射層が裏面電極を兼ねる素子構造である。透明薄膜層までの作製手順は、実施例１と同様である。
【００７１】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、マスクを作製することなくＡｇを５００ｎｍ堆積させ、光反射層を作製した。
【００７２】
（比較例２）
比較例２の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７３】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径１５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを３０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７４】
（比較例３）
比較例３の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７５】
（光反射層の作製）
透明薄膜層４０の受光面とは反対側に、直径４５０ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを４００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７６】
（比較例４）
比較例４の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７７】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径５００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを２００ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００７８】
（比較例５）
比較例５の太陽電池は、光反射層の作製方法を除き、実施例１と同様な手順にて作製された。
【００７９】
（光反射層の作製）
透明薄膜層の受光面とは反対側に、直径２００ｎｍのＰＳビーズを最密充填した単層膜を形成し、Ｏ２ガスによるエッチングによってＰＳビーズの大きさを１５０ｎｍにし、マスクを作製した。その後、マスクを介して透明薄膜層の受光面とは反対側に、Ａｇを５００ｎｍ堆積させ、マスクを除去し、光反射層を作製した。
【００８０】
（太陽電池性能の評価）
実施例１〜１２および比較例１〜５の太陽電池について、擬似太陽光（１００ｍＷ／ｃｍ２）を照射しながら、電流−電位特性を評価した。比較例１を基準となる試料とし、実施例１〜１２および比較例１〜５の太陽電池について、基準となる試料に対する相対的な短絡電流密度を算出した結果を表１に示す。表１に示すように、実施例１〜１２の太陽電池では、比較例１〜５の太陽電池に対して短絡電流密度が顕著に増大しており、実施例１〜１２の太陽電池では、光吸収が増大する効果が確認された。
【表１】
【００８１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００８２】
たとえば、上述した実施の形態では、光電変換層３０にｐ−ｎ接合が形成されているが、光電変換層３０は、光電変換が可能な構造であればよく、光電変換層３０にｐ−ｉ−ｎ接合が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 光電変換素子、２０ 反射防止層、３０ 光電変換層、４０ 透明薄膜層、５０ 光反射層、５２ 金属膜、５４ 凹部、６ 凸部、７ 観察する方向、１００ マスク、１０２ 開口部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層と、
前記光電変換層の一方の主表面側に設けられた反射防止層と、
前記光電変換層の他方の主表面側に設けられた金属膜を含む光反射層と、
を備え、
前記金属膜の前記光電変換層の側の主表面に複数の凹部が設けられていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
任意の前記凹部の開口における重心と前記任意の前記凹部に隣接する他の前記凹部の開口における重心との距離が２５０〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記金属膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金からなる請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記光電変換層がｐｎ接合を有する単結晶もしくは多結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記光反射層が、前記金属膜の形成用のマスクを含有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記光反射層が、集電のための裏面電極を兼ねることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項１】
光電変換層と、
前記光電変換層の一方の主表面側に設けられた反射防止層と、
前記光電変換層の他方の主表面側に設けられた金属膜を含む光反射層と、
を備え、
前記金属膜の前記光電変換層の側の主表面に複数の凹部が設けられていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
任意の前記凹部の開口における重心と前記任意の前記凹部に隣接する他の前記凹部の開口における重心との距離が２５０〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記金属膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金からなる請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記光電変換層がｐｎ接合を有する単結晶もしくは多結晶シリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記光反射層が、前記金属膜の形成用のマスクを含有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記光反射層が、集電のための裏面電極を兼ねることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４８０５（Ｐ２０１３−４８０５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５５６４（Ｐ２０１１−１３５５６４）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発（ナノハイブリッド太陽電池）」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「新エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発（ナノハイブリッド太陽電池）」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【Ｆターム（参考）】
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