光電変換装置の製造方法および光電変換装置
【課題】 絶縁層と上部電極層を簡便に形成することにより、生産性を向上させ、かつ低コストで高性能、高信頼性の光電変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 下部電極としての導電性基板の一主面に、表面に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともにそれらの下部を前記導電性基板に接合し、次に前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数の貫通孔が形成された導電板を上部電極として設ける光電変換装置の製造方法であって、前記導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、次に前記樹脂ペーストを焼成することによって前記導電板を前記導電性基板に接着することにより、高耐熱性絶縁層と低抵抗上部電極層を実現させることで、コスト低減が可能となる。
【解決手段】 下部電極としての導電性基板の一主面に、表面に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともにそれらの下部を前記導電性基板に接合し、次に前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数の貫通孔が形成された導電板を上部電極として設ける光電変換装置の製造方法であって、前記導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、次に前記樹脂ペーストを焼成することによって前記導電板を前記導電性基板に接着することにより、高耐熱性絶縁層と低抵抗上部電極層を実現させることで、コスト低減が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光発電に使用される光電変換装置およびその製造方法に関し、特に結晶半導体粒子を用いた光電変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、粒状シリコン等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置が注目されており、製造コストの低減が厳しく要求される太陽電池等への適用が期待されている。つまり、従来は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）で育成された単結晶シリコンや鋳造法で作製された多結晶シリコンのように高価な半導体グレードのシリコン材料を３００μｍ程度の薄い平板状にして用いていたが、その際、ダイシング工程や研削工程において高価なシリコン材料が少なからず切屑として無駄になっており、これが製造コストを上昇させる要因となっていた。これに対し、粒状シリコンであれば、シリコン原料を赤外線や高周波コイルを用いて容器内で溶融させたのち溶融物を粒状となるように少量ずつ自由落下させることにより得ることができ、研削工程等を要することもなく、容易に製造コストの低減を図ることができるのである。さらに、結晶半導体粒子を用いた場合には、表面が凸曲面状を有しているので天頂部以外では結晶半導体粒子への入射光角度が大きくなって、反射光が斜めとなり、モジュール表面での再反射によって従来の平板の半導体基板を用いた場合よりも光電変換効率（以下、変換効率ともいう）の向上効果が得られる。
【０００３】
粒状シリコン等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置としては、例えば、第１の電極層を有する基板と複数の結晶半導体粒子とを、結晶半導体粒子と基板の合金中に前記結晶半導体粒子の材料からなる粒子が分散された複合体で接合し、接合した各結晶半導体粒子間には絶縁体を充填し、接合した結晶半導体粒子の上部には第２の電極層を設けてなる光電変換装置が提案されている（特許文献１参照）。また、絶縁された二層のアルミニウム箔それぞれに、第１の電極層と第２の電極層をアルミシリコン共晶温度以下で加圧して電極を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６４５５１号公報
【特許文献２】米国特許４６９１０７６ 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基板上に複数の結晶シリコン粒子を配置した光電変換装置において、大量の結晶シリコン粒子を一挙に電極接合するのは困難であり、製造コストが高い問題を抱えていた。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつ高性能で信頼性の高い光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換装置の製造方法は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明の他の光電変換装置の製造方法は、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光電変換装置は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光電変換装置の製造方法によれば、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有するようにしたことで、高耐熱性絶縁層と低抵抗上部電極層を簡便に形成することができ、コスト低減が可能となる。
【００１０】
また、本発明の他の光電変換装置の製造方法によれば、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化することにより、絶縁層を基板上に結晶半導体粒子まで延伸させて、導電性基板を被覆し絶縁することができる。
【００１１】
また、本発明の光電変換装置によれば、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることにより、低価格で高信頼性の光電変換装置を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る光電変換装置の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の光電変換装置の実施形態の一例を模式的に表した断面図である。
【００１３】
図１において、１９は導電性基板、１０は第１導電型の結晶半導体粒子、１１は第２導電型の半導体部、１４は第２導電型の半導体部１１の外側に形成した透明導電膜、１８は結晶半導体粒子１０と導電性基板１９で形成された接合部、１２は絶縁層、１５は導電板、１６は導電性接着性剤である。
【００１４】
本発明の光電変換装置の製造方法は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする。
【００１６】
導電性基板１９としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金からなる金属基板が好ましく挙げられる。このように、アルミニウムを含む金属基板であれば、低温で結晶半導体粒子１０を配設することが可能であり、しかも軽量で低価格である点でも有利である。なお、本発明においては、必ずしも導電性基板１９全体がアルミニウムを含む金属からなっている必要はなく、例えば、アルミニウム以外の材の一主面側表面のみにアルミニウム層やアルミニウム合金層などの薄膜を設けた基板であってもよい。
【００１７】
結晶半導体粒子１０としては、特に限定されるわけではないが、例えば、シリコン粒子が汎用性が高い点で好ましく挙げられる。
【００１８】
結晶半導体粒子１０として用いられるシリコン粒子は、次のようにして得ることができる。まず、赤外線や高周波コイルを用いて容器内で原料の半導体グレードの結晶シリコンを溶融し、溶融したシリコンを自由落下させるなどして多結晶の粒状シリコンを得る。この時点で得られる多結晶の粒状シリコンは、ほぼ球形状のもののほかにも涙型、流線型、連結型などを含むものであり、この多結晶の粒状シリコンをこのままで光電変換装置に使用したとしても、良好な光電変換特性は期待できない。そこで、さらに、温度制御したリメルト炉の中で再溶融させた後、酸素／窒素雰囲気下で降温する処理を施すことにより、一部に双晶などを含む粒子は有るが、ほとんどが単結晶シリコン粒子を得る。このようにして得られたシリコン粒子が結晶半導体粒子１０として好ましく使用される。
【００１９】
結晶半導体粒子１０は、第１の導電型としてｐ型の場合はボロンやガリウムが、ｎ型の場合はリンやヒ素がドーピングされている。
【００２０】
導電性基板１９の一主面には、複数個の第１導電型の結晶半導体粒子１０が下部を加熱溶着されて接合されている。本発明の光電変換装置は、結晶半導体粒子１０を構成する半導体元素が導電性基板１９に拡散しているものであり、このような半導体元素の拡散が達成されるように導電性基板１９と結晶半導体粒子１０との接合を行うことが重要である。換言すれば、導電性基板１９に半導体元素が拡散するまでアルミシリコン共晶を進行させることが重要である。アルミシリコン共晶からなる接合層１８が形成されることにより、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０の接着強度が強化され、オーミックで高信頼性の接合も形成される。
【００２１】
本発明では、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０をアルミシリコン共晶温度５７７℃以上に加熱し、さらに加圧している。また、共晶の形成を結晶半導体粒子の直径の１０〜４０％にするため、短時間で処理するのが良い。たとえば、共晶温度以上に制御された板を数分加圧させるなどの方法が好ましい。
【００２２】
結晶半導体粒子１０の上部には、第２導電型の半導体部１１が設けられている。第２導電型の半導体部１１は、第１の導電型とは逆の導電型を持った半導体からなる層であり、例えば、第１の導電型の結晶半導体粒子１０がｐ型の場合であれば、逆のｎ型の半導体部となっている。ドーパントとして、Ｖ族のＰ、Ａｓ、Ｓｂ、III族のＢ、Ａｌ、Ｇａなどを用いることができる。半導体部１１の形成は、導電性基板１９に接合する前に、熱拡散法等を用いて形成するのが好ましい。接合した後、第２の半導体部１１と導電性基板１９を分離させるために、結晶半導体粒子１０の少なくとも上部に耐酸レジストをロールコーターで塗布乾燥した後、レジストに覆われていない結晶半導体粒子の下部をエッチング除去する。このあと、薄いアルカリ液でレジスト膜を除去する。
【００２３】
あるいは結晶半導体粒子１０を導電性基板１９に接合した後、プラズマＣＶＤ法でｎ型の非晶質シリコン膜を形成してもよい。
【００２４】
本発明においては、複数の孔の開いた導電板１５を上部電極として用いる。材料は５０μｍ厚のアルミニウム箔またはニッケルメッキした銅箔が好ましい。孔はパターン形成した後エッチングして抜いてもよいし、パンチで抜いても良い。孔の径は結晶半導体粒子１０の径以上とし、孔に結晶半導体粒子１０が位置するように載置する。
【００２５】
次に、上記複数の孔の開いた導電板１５に樹脂ペーストを塗布する。樹脂材料としては、絶縁層を形成しうるものであれば、特に制限はないが、例えば、ポリシロキサンとポリカルボシランとの混合物または両者の反応物、高温に耐えるポリイミド樹脂等が、低温でムラや隙間なく全面にコーティングし易い点で好ましい。また、数μｍ〜十数μｍの径のシリカやセラミックからなる絶縁粒子１３を混入したものが好ましい。塗布方法としてはロールコーターやスクリーン印刷、スピンコーターでコーティングするのが良い。
【００２６】
樹脂ペーストを塗布した導電板１５を、樹脂ペーストが下になるように、結晶半導体粒子１０を接合した導電性基板１９に載置する。次に、導電板上面にゴムやスポンジからなる弾性体を介して荷重をかけながら焼成（硬化）する。荷重をかけてもペースト内に絶縁粒子１３が混入されており、導電板１５と導電性基板１９は確実に絶縁できる。このとき、真空にして加圧および加熱するほうが内部に気泡を残さないので好ましい。また、導電板１５に塗布された樹脂は、導電性基板１９上で広がり、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０との接合部を残して、ほぼ導電性基板１９表面を被覆する層間絶縁膜１２となる。
【００２７】
半導体部１１の上部には、さらに透明導電膜１４が設けられている。
【００２８】
また、透明導電膜１４は、導電板１５上、または、層間絶縁膜１３上に形成されていてもよい。
【００２９】
透明導電膜１４としては、例えば、錫ドープ酸化インジウム膜、酸化スズ膜、酸化亜鉛膜等が挙げられる。なお、透明導電膜１４を所定の膜厚（例えば８５nm程度）に制御すると反射防止効果をも期待できるようになるので好ましい。透明導電膜１４を形成するに際しては、量産に適した信頼性の高い膜質を形成するには、スパッタリング法を採用するのが通常であるが、ＣＶＤ法、ディップ法、スプレイ法、電析法などを採用することもできる。
【００３０】
次に、溶媒で希釈した導電性接着剤１６を透明導電膜１４と導電板１５との間の隙間に塗布し、これを焼成（硬化）することにより、導電板１５と透明導電膜１４が電気的に接続され、結晶半導体粒子で発生した光電流は導電板１５を通って、外部に出力されることになる。このとき、導電性接着剤１６が隙間以外の導電板１５や透明導電膜１４に一部形成されても構わない。
【００３１】
あるいは、溶媒で希釈した導電性接着剤１６を透明導電膜１４と導電板１５上に塗布すると、毛管現象により、少なくとも導電板１５と透明導電膜１４との隙間を埋めるように形成される。これを焼成（硬化）することにより、導電板１５と透明導電膜１４が電気的に接続され、結晶半導体粒子で発生した光電流は導電板１５を通って、外部に出力されることになる。
【００３２】
上記では、透明導電膜１４を形成した後に、導電性接着剤１６を塗布することとしたが、逆に、導電性接着剤１６を塗布した後に、透明導電膜１４を形成しても同等の効果を得ることができる。
【００３３】
次に、結晶半導体粒子１０のそれぞれの上に集光レンズを搭載して、光利用効率を向上させることもできる。あるいは、導電性基板１９と導電板１５とを屈曲させて、反射構造にすることで、光利用効率を向上させても良い。
【００３４】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の成膜方法および、本発明による光電変換装置の実施例について説明する。
【００３６】
直径０．３ｍｍのホウ素が添加されたｐ型結晶シリコン粒子１０の表面に、熱拡散法によりリンを１μm程度拡散させ、ｎ層半導体部１１とした。
【００３７】
０．３ｍｍ厚みの５０×１００ｍｍの純アルミニウム基板１９の上に、結晶シリコン粒子１０を球１個分の距離を置いて最密六方状に配置させるように、治具に固定された結晶シリコン粒子１０に一定の荷重をかけながら、６００℃で加熱することにより、アルミニウム基板１９に１０万個以上の複数の結晶シリコン粒子を一挙に接合した。このとき、アルミニウム基板１９と結晶シリコン粒子１０との間にアルミシリコン共晶層が接合層１８として形成され、強固な接着強度を有していた。
【００３８】
ロールコーターを用いて、結晶シリコン粒子１０の少なくとも上部に耐酸性レジストを塗布し乾燥させた後、フッ酸１：硝酸１００のエッチング液に１分間浸漬することにより、塗布されていない粒子表面部分のｎ層半導体層１１を除去した。このあと、０．４％のＮａＯＨ溶液に浸漬し、レジストを溶解して除去する。薄いアルカリ溶液であるため、シリコンをエッチングすることなく、レジストを溶解することができる。
【００３９】
次に、ニッケルメッキされた厚みが５０μｍの銅板を導電板１５として用い、パンチによって、結晶シリコン粒子が位置するところに３５０μｍφの孔をあけた。この導電板１５に、耐熱温度が３５０℃以上のポリイミド樹脂１２をＮ−メチルピロリドン溶液に溶解させたものに、径が１０μｍのシリカ粒子１３を混入した樹脂ペーストをロールコーターで２０μｍ厚になるように塗布した。その後、塗布面を下にして結晶シリコン粒子１０が接合されたアルミニウム基板１９と貼り合わせた。このとき、ポリイミド樹脂はアルミニウム基板１９上を広がった。次に、結晶シリコン粒子１０側より、弾力性の有るゴム板を押し当てながら、２５０℃で硬化させた。
【００４０】
スパッタ装置を用いてＩＴＯ透明導電膜１４を結晶シリコン粒子１０の半導体部１１上に厚み８５０ｎｍ形成し、シリコン表面は反射防止効果により青色を呈していた。
【００４１】
次に、銀を主成分とする導電性接着剤１６を溶媒として用いているエーテルアセテートで希釈し、粘度を１０Ｐａ・ｓに下げたものをディスペンサーでＩＴＯ透明導電膜１４と導電板１５との間の隙間に塗布したところ、導電板１５と結晶シリコン粒子１０の半導体部１１上の透明導電膜１４との間の隙間を充填した。これを乾燥することで導電板１５に結晶シリコン粒子で発生した光電流を取り入れて、ロス無く発電出力を外部に取り出すことができた。
【００４２】
この電気特性をＡＭ１．５のソーラーシミュレーターで評価した結果、１３．５％の変換効率を得ることができた。得られた特性の曲性因子も０．７６と好ましい値が得られており、絶縁層の絶縁性も、上部電極に起因する抵抗も従来に劣らないことに加え、工法を簡便にし、コスト低減に寄与する製造方法であることが確認された。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の光電変換装置の実施形態の一例を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：第１導電型を呈する結晶半導体粒子
１１：第２導電型を呈する半導体部
１２：層間絶縁膜
１３：層間絶縁粒子
１４：透明導電膜
１５：導電板
１６：導電性接着剤
１８：接合層
１９：基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽光発電に使用される光電変換装置およびその製造方法に関し、特に結晶半導体粒子を用いた光電変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、粒状シリコン等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置が注目されており、製造コストの低減が厳しく要求される太陽電池等への適用が期待されている。つまり、従来は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）で育成された単結晶シリコンや鋳造法で作製された多結晶シリコンのように高価な半導体グレードのシリコン材料を３００μｍ程度の薄い平板状にして用いていたが、その際、ダイシング工程や研削工程において高価なシリコン材料が少なからず切屑として無駄になっており、これが製造コストを上昇させる要因となっていた。これに対し、粒状シリコンであれば、シリコン原料を赤外線や高周波コイルを用いて容器内で溶融させたのち溶融物を粒状となるように少量ずつ自由落下させることにより得ることができ、研削工程等を要することもなく、容易に製造コストの低減を図ることができるのである。さらに、結晶半導体粒子を用いた場合には、表面が凸曲面状を有しているので天頂部以外では結晶半導体粒子への入射光角度が大きくなって、反射光が斜めとなり、モジュール表面での再反射によって従来の平板の半導体基板を用いた場合よりも光電変換効率（以下、変換効率ともいう）の向上効果が得られる。
【０００３】
粒状シリコン等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置としては、例えば、第１の電極層を有する基板と複数の結晶半導体粒子とを、結晶半導体粒子と基板の合金中に前記結晶半導体粒子の材料からなる粒子が分散された複合体で接合し、接合した各結晶半導体粒子間には絶縁体を充填し、接合した結晶半導体粒子の上部には第２の電極層を設けてなる光電変換装置が提案されている（特許文献１参照）。また、絶縁された二層のアルミニウム箔それぞれに、第１の電極層と第２の電極層をアルミシリコン共晶温度以下で加圧して電極を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６４５５１号公報
【特許文献２】米国特許４６９１０７６ 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基板上に複数の結晶シリコン粒子を配置した光電変換装置において、大量の結晶シリコン粒子を一挙に電極接合するのは困難であり、製造コストが高い問題を抱えていた。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストかつ高性能で信頼性の高い光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換装置の製造方法は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明の他の光電変換装置の製造方法は、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光電変換装置は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光電変換装置の製造方法によれば、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有するようにしたことで、高耐熱性絶縁層と低抵抗上部電極層を簡便に形成することができ、コスト低減が可能となる。
【００１０】
また、本発明の他の光電変換装置の製造方法によれば、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化することにより、絶縁層を基板上に結晶半導体粒子まで延伸させて、導電性基板を被覆し絶縁することができる。
【００１１】
また、本発明の光電変換装置によれば、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることにより、低価格で高信頼性の光電変換装置を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る光電変換装置の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の光電変換装置の実施形態の一例を模式的に表した断面図である。
【００１３】
図１において、１９は導電性基板、１０は第１導電型の結晶半導体粒子、１１は第２導電型の半導体部、１４は第２導電型の半導体部１１の外側に形成した透明導電膜、１８は結晶半導体粒子１０と導電性基板１９で形成された接合部、１２は絶縁層、１５は導電板、１６は導電性接着性剤である。
【００１４】
本発明の光電変換装置の製造方法は、下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする。
【００１６】
導電性基板１９としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金からなる金属基板が好ましく挙げられる。このように、アルミニウムを含む金属基板であれば、低温で結晶半導体粒子１０を配設することが可能であり、しかも軽量で低価格である点でも有利である。なお、本発明においては、必ずしも導電性基板１９全体がアルミニウムを含む金属からなっている必要はなく、例えば、アルミニウム以外の材の一主面側表面のみにアルミニウム層やアルミニウム合金層などの薄膜を設けた基板であってもよい。
【００１７】
結晶半導体粒子１０としては、特に限定されるわけではないが、例えば、シリコン粒子が汎用性が高い点で好ましく挙げられる。
【００１８】
結晶半導体粒子１０として用いられるシリコン粒子は、次のようにして得ることができる。まず、赤外線や高周波コイルを用いて容器内で原料の半導体グレードの結晶シリコンを溶融し、溶融したシリコンを自由落下させるなどして多結晶の粒状シリコンを得る。この時点で得られる多結晶の粒状シリコンは、ほぼ球形状のもののほかにも涙型、流線型、連結型などを含むものであり、この多結晶の粒状シリコンをこのままで光電変換装置に使用したとしても、良好な光電変換特性は期待できない。そこで、さらに、温度制御したリメルト炉の中で再溶融させた後、酸素／窒素雰囲気下で降温する処理を施すことにより、一部に双晶などを含む粒子は有るが、ほとんどが単結晶シリコン粒子を得る。このようにして得られたシリコン粒子が結晶半導体粒子１０として好ましく使用される。
【００１９】
結晶半導体粒子１０は、第１の導電型としてｐ型の場合はボロンやガリウムが、ｎ型の場合はリンやヒ素がドーピングされている。
【００２０】
導電性基板１９の一主面には、複数個の第１導電型の結晶半導体粒子１０が下部を加熱溶着されて接合されている。本発明の光電変換装置は、結晶半導体粒子１０を構成する半導体元素が導電性基板１９に拡散しているものであり、このような半導体元素の拡散が達成されるように導電性基板１９と結晶半導体粒子１０との接合を行うことが重要である。換言すれば、導電性基板１９に半導体元素が拡散するまでアルミシリコン共晶を進行させることが重要である。アルミシリコン共晶からなる接合層１８が形成されることにより、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０の接着強度が強化され、オーミックで高信頼性の接合も形成される。
【００２１】
本発明では、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０をアルミシリコン共晶温度５７７℃以上に加熱し、さらに加圧している。また、共晶の形成を結晶半導体粒子の直径の１０〜４０％にするため、短時間で処理するのが良い。たとえば、共晶温度以上に制御された板を数分加圧させるなどの方法が好ましい。
【００２２】
結晶半導体粒子１０の上部には、第２導電型の半導体部１１が設けられている。第２導電型の半導体部１１は、第１の導電型とは逆の導電型を持った半導体からなる層であり、例えば、第１の導電型の結晶半導体粒子１０がｐ型の場合であれば、逆のｎ型の半導体部となっている。ドーパントとして、Ｖ族のＰ、Ａｓ、Ｓｂ、III族のＢ、Ａｌ、Ｇａなどを用いることができる。半導体部１１の形成は、導電性基板１９に接合する前に、熱拡散法等を用いて形成するのが好ましい。接合した後、第２の半導体部１１と導電性基板１９を分離させるために、結晶半導体粒子１０の少なくとも上部に耐酸レジストをロールコーターで塗布乾燥した後、レジストに覆われていない結晶半導体粒子の下部をエッチング除去する。このあと、薄いアルカリ液でレジスト膜を除去する。
【００２３】
あるいは結晶半導体粒子１０を導電性基板１９に接合した後、プラズマＣＶＤ法でｎ型の非晶質シリコン膜を形成してもよい。
【００２４】
本発明においては、複数の孔の開いた導電板１５を上部電極として用いる。材料は５０μｍ厚のアルミニウム箔またはニッケルメッキした銅箔が好ましい。孔はパターン形成した後エッチングして抜いてもよいし、パンチで抜いても良い。孔の径は結晶半導体粒子１０の径以上とし、孔に結晶半導体粒子１０が位置するように載置する。
【００２５】
次に、上記複数の孔の開いた導電板１５に樹脂ペーストを塗布する。樹脂材料としては、絶縁層を形成しうるものであれば、特に制限はないが、例えば、ポリシロキサンとポリカルボシランとの混合物または両者の反応物、高温に耐えるポリイミド樹脂等が、低温でムラや隙間なく全面にコーティングし易い点で好ましい。また、数μｍ〜十数μｍの径のシリカやセラミックからなる絶縁粒子１３を混入したものが好ましい。塗布方法としてはロールコーターやスクリーン印刷、スピンコーターでコーティングするのが良い。
【００２６】
樹脂ペーストを塗布した導電板１５を、樹脂ペーストが下になるように、結晶半導体粒子１０を接合した導電性基板１９に載置する。次に、導電板上面にゴムやスポンジからなる弾性体を介して荷重をかけながら焼成（硬化）する。荷重をかけてもペースト内に絶縁粒子１３が混入されており、導電板１５と導電性基板１９は確実に絶縁できる。このとき、真空にして加圧および加熱するほうが内部に気泡を残さないので好ましい。また、導電板１５に塗布された樹脂は、導電性基板１９上で広がり、導電性基板１９と結晶半導体粒子１０との接合部を残して、ほぼ導電性基板１９表面を被覆する層間絶縁膜１２となる。
【００２７】
半導体部１１の上部には、さらに透明導電膜１４が設けられている。
【００２８】
また、透明導電膜１４は、導電板１５上、または、層間絶縁膜１３上に形成されていてもよい。
【００２９】
透明導電膜１４としては、例えば、錫ドープ酸化インジウム膜、酸化スズ膜、酸化亜鉛膜等が挙げられる。なお、透明導電膜１４を所定の膜厚（例えば８５nm程度）に制御すると反射防止効果をも期待できるようになるので好ましい。透明導電膜１４を形成するに際しては、量産に適した信頼性の高い膜質を形成するには、スパッタリング法を採用するのが通常であるが、ＣＶＤ法、ディップ法、スプレイ法、電析法などを採用することもできる。
【００３０】
次に、溶媒で希釈した導電性接着剤１６を透明導電膜１４と導電板１５との間の隙間に塗布し、これを焼成（硬化）することにより、導電板１５と透明導電膜１４が電気的に接続され、結晶半導体粒子で発生した光電流は導電板１５を通って、外部に出力されることになる。このとき、導電性接着剤１６が隙間以外の導電板１５や透明導電膜１４に一部形成されても構わない。
【００３１】
あるいは、溶媒で希釈した導電性接着剤１６を透明導電膜１４と導電板１５上に塗布すると、毛管現象により、少なくとも導電板１５と透明導電膜１４との隙間を埋めるように形成される。これを焼成（硬化）することにより、導電板１５と透明導電膜１４が電気的に接続され、結晶半導体粒子で発生した光電流は導電板１５を通って、外部に出力されることになる。
【００３２】
上記では、透明導電膜１４を形成した後に、導電性接着剤１６を塗布することとしたが、逆に、導電性接着剤１６を塗布した後に、透明導電膜１４を形成しても同等の効果を得ることができる。
【００３３】
次に、結晶半導体粒子１０のそれぞれの上に集光レンズを搭載して、光利用効率を向上させることもできる。あるいは、導電性基板１９と導電板１５とを屈曲させて、反射構造にすることで、光利用効率を向上させても良い。
【００３４】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の成膜方法および、本発明による光電変換装置の実施例について説明する。
【００３６】
直径０．３ｍｍのホウ素が添加されたｐ型結晶シリコン粒子１０の表面に、熱拡散法によりリンを１μm程度拡散させ、ｎ層半導体部１１とした。
【００３７】
０．３ｍｍ厚みの５０×１００ｍｍの純アルミニウム基板１９の上に、結晶シリコン粒子１０を球１個分の距離を置いて最密六方状に配置させるように、治具に固定された結晶シリコン粒子１０に一定の荷重をかけながら、６００℃で加熱することにより、アルミニウム基板１９に１０万個以上の複数の結晶シリコン粒子を一挙に接合した。このとき、アルミニウム基板１９と結晶シリコン粒子１０との間にアルミシリコン共晶層が接合層１８として形成され、強固な接着強度を有していた。
【００３８】
ロールコーターを用いて、結晶シリコン粒子１０の少なくとも上部に耐酸性レジストを塗布し乾燥させた後、フッ酸１：硝酸１００のエッチング液に１分間浸漬することにより、塗布されていない粒子表面部分のｎ層半導体層１１を除去した。このあと、０．４％のＮａＯＨ溶液に浸漬し、レジストを溶解して除去する。薄いアルカリ溶液であるため、シリコンをエッチングすることなく、レジストを溶解することができる。
【００３９】
次に、ニッケルメッキされた厚みが５０μｍの銅板を導電板１５として用い、パンチによって、結晶シリコン粒子が位置するところに３５０μｍφの孔をあけた。この導電板１５に、耐熱温度が３５０℃以上のポリイミド樹脂１２をＮ−メチルピロリドン溶液に溶解させたものに、径が１０μｍのシリカ粒子１３を混入した樹脂ペーストをロールコーターで２０μｍ厚になるように塗布した。その後、塗布面を下にして結晶シリコン粒子１０が接合されたアルミニウム基板１９と貼り合わせた。このとき、ポリイミド樹脂はアルミニウム基板１９上を広がった。次に、結晶シリコン粒子１０側より、弾力性の有るゴム板を押し当てながら、２５０℃で硬化させた。
【００４０】
スパッタ装置を用いてＩＴＯ透明導電膜１４を結晶シリコン粒子１０の半導体部１１上に厚み８５０ｎｍ形成し、シリコン表面は反射防止効果により青色を呈していた。
【００４１】
次に、銀を主成分とする導電性接着剤１６を溶媒として用いているエーテルアセテートで希釈し、粘度を１０Ｐａ・ｓに下げたものをディスペンサーでＩＴＯ透明導電膜１４と導電板１５との間の隙間に塗布したところ、導電板１５と結晶シリコン粒子１０の半導体部１１上の透明導電膜１４との間の隙間を充填した。これを乾燥することで導電板１５に結晶シリコン粒子で発生した光電流を取り入れて、ロス無く発電出力を外部に取り出すことができた。
【００４２】
この電気特性をＡＭ１．５のソーラーシミュレーターで評価した結果、１３．５％の変換効率を得ることができた。得られた特性の曲性因子も０．７６と好ましい値が得られており、絶縁層の絶縁性も、上部電極に起因する抵抗も従来に劣らないことに加え、工法を簡便にし、コスト低減に寄与する製造方法であることが確認された。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正及び変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の光電変換装置の実施形態の一例を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：第１導電型を呈する結晶半導体粒子
１１：第２導電型を呈する半導体部
１２：層間絶縁膜
１３：層間絶縁粒子
１４：透明導電膜
１５：導電板
１６：導電性接着剤
１８：接合層
１９：基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、
前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、
前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、
前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置の製造方法。
【請求項３】
下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項１】
下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合する工程と、
前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板を前記導電性基板の一主面上に樹脂ペーストを介して載置し、前記樹脂ペーストを硬化することによって前記導電板を前記導電性基板に固着する工程と、
前記結晶半導体粒子上に透明導電膜を形成する工程と、
前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続する工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂ペーストを硬化する際に、前記導電板の上面に弾性体を介して荷重をかけながら硬化する工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置の製造方法。
【請求項３】
下部電極としての導電性基板の一主面に、表面の一部に一方導電型の半導体部が形成された他方導電型の結晶半導体粒子を複数個互いに間隔をあけて配置するとともに前記一方導電型の半導体部が形成されていない部分が前記導電性基板に接合されており、前記複数個の結晶半導体粒子をそれぞれ露出させる複数個の貫通孔が形成された導電板が上部電極として設けられ、さらに前記透明導電膜と前記導電板との間の隙間に導電性接着剤を塗布し硬化することにより、前記結晶半導体粒子と前記導電板とを接続された光電変換装置であって、前記導電板は、前記導電性基板の一主面に絶縁性粒子が混入した樹脂層を介して接着されていることを特徴とする光電変換装置。
【図１】
【公開番号】特開２００７−３１８０５１（Ｐ２００７−３１８０５１Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４８９９７（Ｐ２００６−１４８９９７）
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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