光電変換装置
【課題】 光電変換素子を板状結晶等を裁断することなく作製でき、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができ、その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を提供すること。
【解決手段】 導電性導電性基板１上に、結晶半導体粒子２の多数個が間隔をあけて接合され、それらの上に透光性導電層５が形成され、透光性導電層５上に透光性集光層７が形成されており、多数個の結晶半導体粒子２は、隣接するもの同士の間隔が結晶半導体粒子２の半径よりも大きく、透光性集光層７は、各結晶半導体粒子２上に、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている。
【解決手段】 導電性導電性基板１上に、結晶半導体粒子２の多数個が間隔をあけて接合され、それらの上に透光性導電層５が形成され、透光性導電層５上に透光性集光層７が形成されており、多数個の結晶半導体粒子２は、隣接するもの同士の間隔が結晶半導体粒子２の半径よりも大きく、透光性集光層７は、各結晶半導体粒子２上に、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入射角度の依存性を小さく抑えた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集光型の太陽電池としては、平板結晶の光電変換素子を裁断して小面積の平板結晶の光電変換素子を作製し、それらの光電変換素子を間隔を置いて配置し、各光電変換素子上に集光レンズを設けた構成のものが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、特許文献３に開示されている、従来の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を図１０に示す。第１のアルミニウム箔２３に開口を形成し、その開口にｐ型中心核２１の上にｎ型外郭２２を持つシリコン球を挿入し、シリコン球の裏側のｎ型外郭２２を除去し、第１のアルミニウム箔２３及びｎ型外郭２２を除去したシリコン球の表面に、絶縁層２４を形成し、シリコン球の裏側頂上部の絶縁層を除去した後に、シリコン球と第２のアルミニウム箔２６とを、金属接合部２５を介して接合して成るものである。なお、図１０において、１０はシリコン球に集光させるための球状レンズである。
【０００４】
この場合、結晶半導体粒子を用いた場合、結晶半導体粒子間に隙間が生じてしまい、結果として光電変換ロスとなる。そこで、結晶半導体粒子間の隙間に入射した光エネルギーを隙間に隣接する結晶半導体粒子に引き込むために、結晶半導体粒子上に結晶半導体粒子の曲面に平行に球状レンズを形成している。
【特許文献１】特許第２７３５１５４号公報
【特許文献２】特開平６−３７３４４号公報
【特許文献３】米国特許第５４１９７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に示された光電変換装置に用いられる光電変換素子は、シリコン結晶等からなる板状結晶を裁断して小面積の光電変換素子を作製し、光電変換素子間の隔てられた距離をタブ等で接続していく必要があり、製造工程数が多くなり製造が煩雑となるという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献３に示された光電変換装置は、結晶半導体粒子の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているが、その球状レンズを用いて光電変換効率の光の入射角依存性を小さくしようとすると、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０程度までしか広げることができない。その結果、光電変換装置における半導体の使用量が低減されず、軽量化、低コスト化に不利である。
【０００７】
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光電変換素子を板状結晶等を裁断することなく作製でき、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができ、その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光電変換装置は、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに該結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、該透光性導電層上に前記結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、前記多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が前記結晶半導体粒子の半径よりも大きく、前記透光性集光層は、前記各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光電変換装置は好ましくは、前記透光性集光層の前記凸部は、頂部が前記結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、前記透光性集光層の前記凸部は、縦断面における輪郭形状の前記頂部以外の両側部が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光電変換装置によれば、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、その透光性導電層上に結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が結晶半導体粒子の半径よりも大きく、透光性集光層は、各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることから、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができる。その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００１２】
また、結晶半導体粒子を用いることにより、板状結晶等を裁断する工程が不要となり、また、結晶半導体粒子を導電性基板上において間隔を置いて接続するために結晶半導体粒子同士を別途接続する必要がなくなる。
【００１３】
本発明の光電変換装置は好ましくは、透光性集光層の凸部は、頂部が結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることから、頂部に照射される入射光の入射角度が導電性基板の上面に対して少なくとも４５°〜１３５°の範囲で、入射光を結晶半導体粒子に透光性集光層を介して効率よく入射させることが可能となる。その結果、光電変換効率の光の入射角依存性をさらに小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、透光性集光層の凸部は、縦断面における輪郭形状の頂部以外の両側部が結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることから、両側部に照射する入射光の入射角度が導電性基板の上面に対して少なくとも４５°〜１３５°の範囲で、入射光を結晶半導体粒子に透光性集光層を介して効率よく入射させることが可能となる。その結果、光電変換効率の光の入射角依存性をさらに小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の光電変換装置について実施の形態の例を図面に基づいて以下に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の光電変換装置の実施の形態の例を示す断面図であり、図４はその平面面図である。図１において、１は導電性基板、２は粒状光電変換体を構成する結晶半導体粒子、３は絶縁体層、４は粒状光電変換体を構成する半導体部（半導体層）、５は透光性導電層、６は導電性基板１を成す例えばアルミニウムと結晶半導体粒子を成す例えばシリコンとの合金層、７は凸部を有する透明樹脂等からなる透光性集光層である。なお、導電性基板１は、それ自体がアルミニウムからなるものでもよく、また、絶縁基板の上にアルミニウム等から成る導電層を設けたものとしてもよい。
【００１７】
本発明の光電変換装置は、導電性基板１上に、表層に第２導電型の半導体部４が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子２の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに結晶半導体粒子２上に透光性導電層５が形成され、その透光性導電層５上に結晶半導体粒子２のそれぞれに光を集光させる透光性集光層７が形成された光電変換装置であって、多数個の結晶半導体粒子２は、隣接するもの同士の間の間隔が結晶半導体粒子２の半径よりも大きく、透光性集光層７は、各結晶半導体粒子２上に、結晶半導体粒子２の中心を通る縦断面における外側の輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている。
【００１８】
上記の構成により、結晶半導体粒子２間の距離を結晶半導体粒子２の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができる。その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００１９】
本発明の導電性基板１は、アルミニウム，アルミニウムの融点以上の融点を有する金属，セラミックスであればよく、例えばアルミニウム，アルミニウム合金，鉄，ステンレススチール，ニッケル合金，アルミナセラミックス等が用いられる。導電性基板１の材料がアルミニウム以外の場合、その材料からなる基板上にアルミニウムから成る導電層を形成したものとする。
【００２０】
まず、第１導電型の結晶半導体粒子２を導電性基板１上に間隔を置いて配設する。この結晶半導体粒子２は、Ｓｉにｐ型を呈するためのＢ，Ａｌ，Ｇａ等、またはｎ型を呈するためのＰ，Ａｓ等の元素が微量含まれているものである。
【００２１】
なお、以下の実施の形態では、導電性基板１がアルミニウム、結晶半導体粒子２がシリコンからなる場合について説明する。
【００２２】
結晶半導体粒子２の形状としては、凸曲面を持つことによって入射光の光線角度の依存性も小さくできる球状等の形状がよい。隣接する結晶半導体粒子２同士の間の間隔は、結晶半導体粒子２の使用量を少なくするためにも広い方がよいが、より好適には結晶半導体粒子２の半径（粒径の１／２）よりも広い間隔がよく、結晶半導体粒子２を最密に配設したときに比べて結晶半導体粒子２の個数が約１／２以下となる。
【００２３】
結晶半導体粒子２の粒径は、０．２〜０．８ｍｍがよい。なぜなら、０．８ｍｍを超えると、従来のシリコンの板状母結晶（ウエハ）の切削部も含めた板状結晶タイプの光電変換装置におけるシリコン使用量と変わらなくなり、結晶半導体粒子２を用いるメリットがなくなる。また、０．２ｍｍよりも小さいと、導電性基板１へのアッセンブルがしにくくなるという問題が発生するからである。従って、結晶半導体粒子２の粒径は、シリコン使用量との関係から０．２〜０．６ｍｍがより好適である。
【００２４】
導電性基板１上に結晶半導体粒子２を間隔を置いて配設した後、一定の加重をかけて導電性基板１を成すアルミニウムと結晶半導体粒子２を成すシリコンとの共晶温度（５７７℃）以上に加熱することによって、導電性基板１と結晶半導体粒子２の合金層６を形成し、その合金層６を介して導電性基板１と結晶半導体粒子２を接合させる。
【００２５】
絶縁体層３は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、例えばＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｐ２Ｏ５，Ｌｉ２Ｏ，ＳｎＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＴｉＯ２等を任意成分とする材料からなる低温焼成用ガラス材料、上記材料の１種または複数種から成るフィラーを複合したガラス組成物、或いはシリコーン樹脂等の有機系の絶縁物質などを用いる。
【００２６】
上記絶縁材料のペースト、溶液又は液体を結晶半導体粒子２上から塗布して、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以下の温度で加熱することによって、結晶半導体粒子２間の隙間に充填し、焼成固化或いは熱硬化させて絶縁体層３とする。この場合、加熱温度が５７７℃を超えると、アルミニウムとシリコンとの合金層６が溶融し始めるために、導電性基板１と結晶半導体粒子２との接合が不安定となり、場合によっては結晶半導体粒子２が導電性基板１から離脱して発電電流を取り出せなくなる。また、絶縁体層３を形成した後、結晶半導体粒子２の表面を洗浄するために、弗酸を含む洗浄液で洗浄する。
【００２７】
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型を呈するためのリン系化合物の気相、またはｐ型を呈するためのホウ素系化合物の気相を微量導入して形成する。半導体層４の膜質としては、結晶質、非晶質、結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよいが、光線透過率を考慮すると、結晶質または結晶質と非晶質とが混在するものがよい。
【００２８】
結晶半導体粒子２がない部分で入射光の一部が半導体層４を透過し、下部の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子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結晶半導体粒子２に照射することが可能となる。
【００２９】
半導体層４中の微量元素の濃度は、例えば１×１０１６〜１×１０２１原子／ｃｍ３程度である。さらに、半導体層４は、結晶半導体粒子２の表面の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。結晶半導体粒子２の凸形曲面の表面に沿って形成されることによって、ｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子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。
【００３０】
なお、第１導電型の結晶半導体粒子２の外郭に、第２導電型、つまり、結晶半導体粒子２がｐ型の場合にｎ型を呈するＰ，Ａｓ等、または結晶半導体粒子２がｎ型の場合にｐ型を呈するＢ，Ａｌ，Ｇａ等の元素が微量含まれている結晶半導体粒子２を用いる場合には、半導体層４はなくてもよい。この場合、結晶半導体粒子２の上に下記の透光性導電層５を直接形成してもよい。
【００３１】
半導体層４上、または結晶半導体粒子２の外郭に第２導電型の元素を微量含んでいる場合には結晶半導体粒子２上に、他方の電極を兼ねる透光性導電層５を形成する。なお、一方の電極の機能は導電性基板１が果たす。
【００３２】
この透光性導電層５は、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ２等から選ばれる１種または複数種の酸化物系膜等から成り、スパッタリング法、気相成長法、あるいは塗布焼成法等で形成される。透光性導電層５は、膜厚を選べば反射防止膜としての効果も期待できる。
【００３３】
なお、透光性導電層５は透明であり、結晶半導体粒子２がない部分で入射光の一部が透光性導電層５を透過し、下部の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子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結晶半導体粒子２に導いて照射させることが可能となる。
【００３４】
透光性導電層５は、半導体層４あるいは結晶半導体粒子２の表面に沿って形成され、結晶半導体粒子２の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。この場合、ｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子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できる。
【００３５】
また、半導体層４あるいは透光性導電層５上に保護層（不図示）を形成してもよい。このような保護層としては、透明誘電体の特性を持つものがよく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等によって、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，ＳｉＯ２−ＴｉＯ２（ＳｉＯ２−ＴｉＯ２の混合物），ＳｉＯ２：Ｔｉ（Ｔｉドープシリカ），酸化タンタル，酸化イットリウム等を単一組成または複数組成で単層または組み合わせて、半導体層４または透光性導電層５上に形成する。この保護層は、光の入射面側にあるために、透明性が必要であり、また半導体層４または透光性導電層５と外部との間の電流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。
【００３６】
透光性導電層５と外部端子との間の直列抵抗値を低くするために、隣接する結晶半導体粒子２間の透光性導電層５の上に、集電極として一定間隔のフィンガー電極（不図示）及びバスバー電極（不図示）から成るパターン電極を設けて、半導体層４と電気的に接続してもよい。結晶半導体粒子２上を避けてフィンガー電極を設けることによって、フィンガー電極によって陰となる領域ができるのをなくすことができ、入射光を効率よく光電変換することが可能となる。
【００３７】
他方の電極を兼ねる透光性導電層５及び集電極上に、各結晶半導体粒子２上において、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている透光性集光層７を形成する。
【００３８】
透光性集光層７の凸部は、具体的には図７に示すように非球面形状であり、好ましくは、凸部の頂部が結晶半導体粒子２の曲率と同じ球面状であり、凸部の縦断面における輪郭形状の頂部以外の両側部が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな円弧から成る。また、凸部は、その中心を通る垂線（鉛直線）を回転軸Ｖとした、非球面形状（縦置きしたラグビーボール状）の回転体である。
【００３９】
さらに凸部は、縦断面において、頂部以外の両側部が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな円弧となっているが、その円弧は、導電性基板１の主面に平行で結晶半導体粒子２の中心を通る水平線Ｈ上に中心を持つ、結晶半導体粒子２の円よりも直径が大きい２つの円の円弧である。また、凸部の頂部が、回転軸Ｖ上に中心をもつとともに結晶半導体粒子２の直径と同じ直径を有する円の円弧となっている。従って、凸部は、縦断面において、頂部の円弧と両側部の円弧とがつながった形状を有する。
【００４０】
また、凸部の縦断面における両側部の円弧は、図７に示すように、左右でそれぞれ同じ直径の２つの円の一部であるが、それら２つの円の直径は、結晶半導体粒子２の円の直径の２〜２．５倍程度の大きさを有する。
【００４１】
図７のような縦断面における輪郭形状８を有する透光性集光層７の凸部の集光性を、図５に示す２次元の光線追跡（コンピューターシミュレーション）によって、以下のようにして求めた。
【００４２】
透光性集光層７の屈折率を１．５〜１．６とした。凸部の頂部の直径Ａの仮想円９を、結晶半導体粒子２の円の直上に配置し、結晶半導体粒子２の円の中心から仮想円９の頂上までの距離をＢとする。後に計算する側部の円の直径をより大きくするためには、距離Ｂが大きい方が有利となる。即ち、距離Ｂを大きくして、側部の円の直径をより大きくすると、光の入射角依存性が小さくなるという効果がある。
【００４３】
一例として、入射角４５度の平行光のうち、凸部の頂部の仮想円９で屈折した光がすべて結晶半導体粒子２の円に当たるように、仮想円９の直径Ａを変数として距離Ｂを計算した。その結果、直径Ａと距離Ｂとの関係は図６のグラフのようになり、距離Ｂが最大となるのは、凸部の頂部の仮想円９の直径Ａが結晶半導体粒子２の円とほぼ同じである場合、即ち直径Ａが結晶半導体粒子２の円の０．８〜１．２倍程度である場合であることが判った。
【００４４】
次に、凸部の側部の仮想円１０の直径Ｃ（図７）を決める。仮想円１０の中心は、導電性基板１の主面に平行で結晶半導体粒子２の中心を通る水平線Ｈ上にあるものとし、仮想円１０が上記のように決定した直径Ａと距離Ｂの仮想円９と略内接するものとする。この場合、仮想円９が仮想円１０に完全に内接すると、仮想円９が仮想円１０の外側に現れないことになるため、即ち凸部の側部の円弧よりも直径が小さな頂部が形成されないことになるため、仮想円９の上端部（仮想円９の全周の上端側１／５〜１／６程度の部分）が仮想円１０の外側に現れるように形成する。即ち、仮想円９の上端部と、仮想円１０とを繋ぐように形成する。
【００４５】
一例として、直径Ｃを変数として、入射角４５度の平行光のうち仮想円１０で屈折する光が、結晶半導体粒子２の円に当たる照射比率Ｄを計算した。仮想円１０の直径Ｃと照射比率Ｄの関係は図８のグラフのようになり、照射比率Ｄの最大値は直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の約２倍程度の場合に得られ、結晶半導体粒子２の円よりも直径が大きいものとなった。
【００４６】
即ち、垂直入射の場合、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の１．５〜２．３倍程度のときに照射比率Ｄが最大となる。４５度入射の場合、照射比率Ｄは、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の１．７倍で上昇し始め、２．３倍程度で最大となり、２．５倍で１．７倍のときと同程度となる。以上より、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の２．０〜２．３倍程度のときに照射比率Ｄが最大となる。
【００４７】
以上のようにして決めた頂部の仮想円９と、側部の仮想円１０とで構成された縦断面における輪郭形状を、回転軸Ｖの回りに回転させて成る非球面形状の凸部とした。これらの非球面形状のの凸部を、導電性基板１上の各結晶半導体粒子２上に形成する。これにより、結晶半導体粒子２の導電性基板１上に配設する間隔を従来よりも大幅に広くすることができる。
【００４８】
透光性集光層７の材料としては、透明で成形性がよいものであればよく、例えばアクリル，ポリエチレン，ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート），シリコーン系樹脂，ポリカーボネート，ポリアミド，その他の透明樹脂がよい。より好ましくは、建築物の屋根等に設置される場合に隣接家屋の火災時の延焼防止という製品の性格上、難燃性の材料であればよく、シリコーン系樹脂，ポリカーボネート，ポリアミド等がよい。
【００４９】
透光性集光層７の凸部を形成する方法としては、上記の透明樹脂からなるシートを結晶半導体粒子２上に載せ、凸部のネガ形状（凹形状）を多数有する型を金属等の耐熱材料で形成し、圧縮成形、射出成形等の成形方法で形成する。
【００５０】
さらに、図２，図３のように、透光性集光層７の表面に、耐候性を有するとともに透光性集光層７よりも屈折率の低い低屈折率層１１（図２）または低屈折率板（低屈折率シート）１１（図３）を設けてもよい。この場合、透光性集光層７の表面反射を低減させて、入射光の利用効率を向上させることもできる。低屈折率層１１等の材料としては、透明で透光性集光層７よりも屈折率の低い材料からなっていれば良く、例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ），エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂、或いはシリカ化合物系の材料がよい。
【００５１】
また、導電性基板１の裏面には、充填層１２を、透光性集光層７の材料と同様の材料を使って設けることができ、さらに耐候性層１３を積層してもよい。耐候性層１３の材料としては、例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ），エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂がよい。また耐候性層１３としては、これらの樹脂を使ってアルミ箔や金属酸化膜を挟んで張り合わせたシート、ガラス、ステンレス等の金属シート等がある。
【００５２】
なお、上述した構成の光電変換素子（１個の結晶半導体粒子２を有する光電変換の単位体）を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）した光電変換装置とする。さらに、光電変換装置を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）したものを発電手段として用い、この発電手段から直接直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。また、その発電手段をインバータ等の電力変換手段を介して発電電力を適当な交流電力に変換した後、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な発電装置としてもよい。さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁面に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の光電変換装置の実施例について説明する。
【００５４】
（実施例１）
以下のようにして光電変換装置を作製した。アルミニウム製の導電性基板の主面上に、結晶半導体粒子として直径約０．３ｍｍのｐ型のシリコン粒子の多数を、その直径の約０．６倍の間隔を空けて配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で約１０分加熱して、多数のシリコン粒子を導電性基板上に接合した。
【００５５】
次に、導電性基板上の多数のシリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁体層を充填し形成した。その後、シリコン粒子の上部表面を洗浄し、シリコン粒子及び絶縁体層の上にｎ型の結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混晶からなる半導体層を、３００ｎｍの厚みで形成し、さらに透光性導電層としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。
【００５６】
上記の構成の光電変換素子上に、ポリカーボネートシートを置き、以下の形状を有する凸部のネガ型が形成された金型でポリカーボネートシートを上方から加熱圧縮し、シリコン粒子毎に凸部を形成した透光性集光層を形成した。
【００５７】
凸部は、縦断面における輪郭形状の側部の円弧をシリコン粒子の直径の約２．３倍の直径の２つの円の円弧とし、頂部をシリコン粒子の直径とほぼ同径の円の円弧とし、その縦断面における輪郭形状を回転軸の回りに回転させた非球面形状のものとした。
【００５８】
（実施例２）
本実施例２では、実施例１のポリカーボネートシートの上に、コロナ放電による表面改質処理を施したエチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる５０μｍ厚のフィルムを載せて、ポリカーボネートシート及びＥＴＦＥフィルムを加熱圧縮した以外は、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００５９】
（実施例３）
本実施例３では、実施例１の凸部の上に、コロナ放電による表面改質処理を施したＥＴＦＥからなる５０μｍ厚のフィルムを接着剤を介して貼り付けた以外は、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００６０】
（比較例１）
本比較例１では、透光性集光層の凸部の全体形状が、シリコン粒子の直径の約１．８倍の大きさの直径を有する球であるものとした。さらに、アルミニウム製の導電性基板上に多数のシリコン粒子を実施例１と同様に配置し接合し、シリコン粒子上には何も形成しなかった。それ以外は実施例１と同様にして作製した。
【００６１】
以上の光電変換装置について、フィールド（野外）での一日の発生電流を測定した結果を表１に示す。なお、表１において、多数のシリコン粒子をそれらの間に間隔を有しないようにして密に配置させた構成である比較例２の光電変換装置における一日の発生電流を１として規格化した値（発生電流比）を示す。
【表１】
【００６２】
実施例１の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９４であり、球面状の凸部を有する比較例１の光電変換装置よりも高い発生電流が得られ、単純な球面状の凸部よりも効率良く太陽光線をシリコン粒子に集めていることがわかった。また、実施例１の光電変換装置におけるシリコン粒子の使用量は、比較例２の光電変換装置のようにシリコン粒子を密に配置させたときの使用量の１／２〜１／３となり、比較例２の光電変換装置と同程度の発生電流を得ながらシリコン粒子の使用量を減らすことが可能であった。
【００６３】
比較例１の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．８８であり、低い値となった。
【００６４】
実施例２の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９６となり、実施例１の光電変換装置よりも向上した。これは、ＥＴＦＥフィルムの屈折率（ｎ＝１．４）が、ポリカーボネート（ｎ＝１．５９）よりも低いために、表面反射が抑えられて、より効率良く太陽光線をシリコン粒子に集められたためと考えられる。
【００６５】
実施例３の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９２となり、実施例１の光電変換装置よりは多少劣るものの、比較例１の光電変換装置よりも高い発生電流比が得られた。従って、凸部上に信頼性の高いフッ素樹脂フィルムを張り付けることも有効であることが判った。
【００６６】
なお、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の光電変換装置の実施の形態の１例を示す断面図である。
【図２】本発明の光電変換装置の実施の形態の他例を示す断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】図１の光電変換装置を示す平面図である。
【図５】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の頂部の位置を示す断面図である。
【図６】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の頂部の直径Ａと、結晶半導体粒子の中心から頂部の頂点までの距離Ｂとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の側部の位置を示す断面図である。
【図８】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の側部の直径Ｃと照射効率Ｄの関係を示すグラフである。
【図９】比較例の透光性集光層の球面状の凸部における光線入射角４５°での光線追跡を示す断面図である。
【図１０】従来の光電変換装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：導電性基板
２：第１導電型の結晶半導体粒子
４：第２導電型の半導体部
５：透光性導電層
７：透光性集光層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光入射角度の依存性を小さく抑えた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集光型の太陽電池としては、平板結晶の光電変換素子を裁断して小面積の平板結晶の光電変換素子を作製し、それらの光電変換素子を間隔を置いて配置し、各光電変換素子上に集光レンズを設けた構成のものが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、特許文献３に開示されている、従来の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置を図１０に示す。第１のアルミニウム箔２３に開口を形成し、その開口にｐ型中心核２１の上にｎ型外郭２２を持つシリコン球を挿入し、シリコン球の裏側のｎ型外郭２２を除去し、第１のアルミニウム箔２３及びｎ型外郭２２を除去したシリコン球の表面に、絶縁層２４を形成し、シリコン球の裏側頂上部の絶縁層を除去した後に、シリコン球と第２のアルミニウム箔２６とを、金属接合部２５を介して接合して成るものである。なお、図１０において、１０はシリコン球に集光させるための球状レンズである。
【０００４】
この場合、結晶半導体粒子を用いた場合、結晶半導体粒子間に隙間が生じてしまい、結果として光電変換ロスとなる。そこで、結晶半導体粒子間の隙間に入射した光エネルギーを隙間に隣接する結晶半導体粒子に引き込むために、結晶半導体粒子上に結晶半導体粒子の曲面に平行に球状レンズを形成している。
【特許文献１】特許第２７３５１５４号公報
【特許文献２】特開平６−３７３４４号公報
【特許文献３】米国特許第５４１９７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に示された光電変換装置に用いられる光電変換素子は、シリコン結晶等からなる板状結晶を裁断して小面積の光電変換素子を作製し、光電変換素子間の隔てられた距離をタブ等で接続していく必要があり、製造工程数が多くなり製造が煩雑となるという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献３に示された光電変換装置は、結晶半導体粒子の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているが、その球状レンズを用いて光電変換効率の光の入射角依存性を小さくしようとすると、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０程度までしか広げることができない。その結果、光電変換装置における半導体の使用量が低減されず、軽量化、低コスト化に不利である。
【０００７】
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光電変換素子を板状結晶等を裁断することなく作製でき、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができ、その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光電変換装置は、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに該結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、該透光性導電層上に前記結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、前記多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が前記結晶半導体粒子の半径よりも大きく、前記透光性集光層は、前記各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の光電変換装置は好ましくは、前記透光性集光層の前記凸部は、頂部が前記結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、前記透光性集光層の前記凸部は、縦断面における輪郭形状の前記頂部以外の両側部が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光電変換装置によれば、導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、その透光性導電層上に結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が結晶半導体粒子の半径よりも大きく、透光性集光層は、各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることから、結晶半導体粒子間の距離を結晶半導体粒子の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができる。その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００１２】
また、結晶半導体粒子を用いることにより、板状結晶等を裁断する工程が不要となり、また、結晶半導体粒子を導電性基板上において間隔を置いて接続するために結晶半導体粒子同士を別途接続する必要がなくなる。
【００１３】
本発明の光電変換装置は好ましくは、透光性集光層の凸部は、頂部が結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることから、頂部に照射される入射光の入射角度が導電性基板の上面に対して少なくとも４５°〜１３５°の範囲で、入射光を結晶半導体粒子に透光性集光層を介して効率よく入射させることが可能となる。その結果、光電変換効率の光の入射角依存性をさらに小さくすることができる。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、透光性集光層の凸部は、縦断面における輪郭形状の頂部以外の両側部が結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることから、両側部に照射する入射光の入射角度が導電性基板の上面に対して少なくとも４５°〜１３５°の範囲で、入射光を結晶半導体粒子に透光性集光層を介して効率よく入射させることが可能となる。その結果、光電変換効率の光の入射角依存性をさらに小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の光電変換装置について実施の形態の例を図面に基づいて以下に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の光電変換装置の実施の形態の例を示す断面図であり、図４はその平面面図である。図１において、１は導電性基板、２は粒状光電変換体を構成する結晶半導体粒子、３は絶縁体層、４は粒状光電変換体を構成する半導体部（半導体層）、５は透光性導電層、６は導電性基板１を成す例えばアルミニウムと結晶半導体粒子を成す例えばシリコンとの合金層、７は凸部を有する透明樹脂等からなる透光性集光層である。なお、導電性基板１は、それ自体がアルミニウムからなるものでもよく、また、絶縁基板の上にアルミニウム等から成る導電層を設けたものとしてもよい。
【００１７】
本発明の光電変換装置は、導電性基板１上に、表層に第２導電型の半導体部４が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子２の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに結晶半導体粒子２上に透光性導電層５が形成され、その透光性導電層５上に結晶半導体粒子２のそれぞれに光を集光させる透光性集光層７が形成された光電変換装置であって、多数個の結晶半導体粒子２は、隣接するもの同士の間の間隔が結晶半導体粒子２の半径よりも大きく、透光性集光層７は、各結晶半導体粒子２上に、結晶半導体粒子２の中心を通る縦断面における外側の輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている。
【００１８】
上記の構成により、結晶半導体粒子２間の距離を結晶半導体粒子２の直径の１／１０以上に広げても、光電変換効率の光の入射角依存性を小さくすることができる。その結果、半導体の使用量を少なくすることができ、軽量化、低コスト化された光電変換装置を作製できる。
【００１９】
本発明の導電性基板１は、アルミニウム，アルミニウムの融点以上の融点を有する金属，セラミックスであればよく、例えばアルミニウム，アルミニウム合金，鉄，ステンレススチール，ニッケル合金，アルミナセラミックス等が用いられる。導電性基板１の材料がアルミニウム以外の場合、その材料からなる基板上にアルミニウムから成る導電層を形成したものとする。
【００２０】
まず、第１導電型の結晶半導体粒子２を導電性基板１上に間隔を置いて配設する。この結晶半導体粒子２は、Ｓｉにｐ型を呈するためのＢ，Ａｌ，Ｇａ等、またはｎ型を呈するためのＰ，Ａｓ等の元素が微量含まれているものである。
【００２１】
なお、以下の実施の形態では、導電性基板１がアルミニウム、結晶半導体粒子２がシリコンからなる場合について説明する。
【００２２】
結晶半導体粒子２の形状としては、凸曲面を持つことによって入射光の光線角度の依存性も小さくできる球状等の形状がよい。隣接する結晶半導体粒子２同士の間の間隔は、結晶半導体粒子２の使用量を少なくするためにも広い方がよいが、より好適には結晶半導体粒子２の半径（粒径の１／２）よりも広い間隔がよく、結晶半導体粒子２を最密に配設したときに比べて結晶半導体粒子２の個数が約１／２以下となる。
【００２３】
結晶半導体粒子２の粒径は、０．２〜０．８ｍｍがよい。なぜなら、０．８ｍｍを超えると、従来のシリコンの板状母結晶（ウエハ）の切削部も含めた板状結晶タイプの光電変換装置におけるシリコン使用量と変わらなくなり、結晶半導体粒子２を用いるメリットがなくなる。また、０．２ｍｍよりも小さいと、導電性基板１へのアッセンブルがしにくくなるという問題が発生するからである。従って、結晶半導体粒子２の粒径は、シリコン使用量との関係から０．２〜０．６ｍｍがより好適である。
【００２４】
導電性基板１上に結晶半導体粒子２を間隔を置いて配設した後、一定の加重をかけて導電性基板１を成すアルミニウムと結晶半導体粒子２を成すシリコンとの共晶温度（５７７℃）以上に加熱することによって、導電性基板１と結晶半導体粒子２の合金層６を形成し、その合金層６を介して導電性基板１と結晶半導体粒子２を接合させる。
【００２５】
絶縁体層３は、正極と負極の分離を行うための絶縁材料からなり、例えばＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｐ２Ｏ５，Ｌｉ２Ｏ，ＳｎＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＴｉＯ２等を任意成分とする材料からなる低温焼成用ガラス材料、上記材料の１種または複数種から成るフィラーを複合したガラス組成物、或いはシリコーン樹脂等の有機系の絶縁物質などを用いる。
【００２６】
上記絶縁材料のペースト、溶液又は液体を結晶半導体粒子２上から塗布して、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以下の温度で加熱することによって、結晶半導体粒子２間の隙間に充填し、焼成固化或いは熱硬化させて絶縁体層３とする。この場合、加熱温度が５７７℃を超えると、アルミニウムとシリコンとの合金層６が溶融し始めるために、導電性基板１と結晶半導体粒子２との接合が不安定となり、場合によっては結晶半導体粒子２が導電性基板１から離脱して発電電流を取り出せなくなる。また、絶縁体層３を形成した後、結晶半導体粒子２の表面を洗浄するために、弗酸を含む洗浄液で洗浄する。
【００２７】
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型を呈するためのリン系化合物の気相、またはｐ型を呈するためのホウ素系化合物の気相を微量導入して形成する。半導体層４の膜質としては、結晶質、非晶質、結晶質と非晶質とが混在するもののいずれでもよいが、光線透過率を考慮すると、結晶質または結晶質と非晶質とが混在するものがよい。
【００２８】
結晶半導体粒子２がない部分で入射光の一部が半導体層４を透過し、下部の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子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結晶半導体粒子２に照射することが可能となる。
【００２９】
半導体層４中の微量元素の濃度は、例えば１×１０１６〜１×１０２１原子／ｃｍ３程度である。さらに、半導体層４は、結晶半導体粒子２の表面の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。結晶半導体粒子２の凸形曲面の表面に沿って形成されることによって、ｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子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。
【００３０】
なお、第１導電型の結晶半導体粒子２の外郭に、第２導電型、つまり、結晶半導体粒子２がｐ型の場合にｎ型を呈するＰ，Ａｓ等、または結晶半導体粒子２がｎ型の場合にｐ型を呈するＢ，Ａｌ，Ｇａ等の元素が微量含まれている結晶半導体粒子２を用いる場合には、半導体層４はなくてもよい。この場合、結晶半導体粒子２の上に下記の透光性導電層５を直接形成してもよい。
【００３１】
半導体層４上、または結晶半導体粒子２の外郭に第２導電型の元素を微量含んでいる場合には結晶半導体粒子２上に、他方の電極を兼ねる透光性導電層５を形成する。なお、一方の電極の機能は導電性基板１が果たす。
【００３２】
この透光性導電層５は、ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＺｎＯ，ＴｉＯ２等から選ばれる１種または複数種の酸化物系膜等から成り、スパッタリング法、気相成長法、あるいは塗布焼成法等で形成される。透光性導電層５は、膜厚を選べば反射防止膜としての効果も期待できる。
【００３３】
なお、透光性導電層５は透明であり、結晶半導体粒子２がない部分で入射光の一部が透光性導電層５を透過し、下部の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子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結晶半導体粒子２に導いて照射させることが可能となる。
【００３４】
透光性導電層５は、半導体層４あるいは結晶半導体粒子２の表面に沿って形成され、結晶半導体粒子２の凸形曲面に沿って形成されることが好ましい。この場合、ｐｎ接合の面積を広く稼ぐことができ、結晶半導体粒子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できる。
【００３５】
また、半導体層４あるいは透光性導電層５上に保護層（不図示）を形成してもよい。このような保護層としては、透明誘電体の特性を持つものがよく、ＣＶＤ法やＰＶＤ法等によって、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，ＳｉＯ２−ＴｉＯ２（ＳｉＯ２−ＴｉＯ２の混合物），ＳｉＯ２：Ｔｉ（Ｔｉドープシリカ），酸化タンタル，酸化イットリウム等を単一組成または複数組成で単層または組み合わせて、半導体層４または透光性導電層５上に形成する。この保護層は、光の入射面側にあるために、透明性が必要であり、また半導体層４または透光性導電層５と外部との間の電流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。
【００３６】
透光性導電層５と外部端子との間の直列抵抗値を低くするために、隣接する結晶半導体粒子２間の透光性導電層５の上に、集電極として一定間隔のフィンガー電極（不図示）及びバスバー電極（不図示）から成るパターン電極を設けて、半導体層４と電気的に接続してもよい。結晶半導体粒子２上を避けてフィンガー電極を設けることによって、フィンガー電極によって陰となる領域ができるのをなくすことができ、入射光を効率よく光電変換することが可能となる。
【００３７】
他方の電極を兼ねる透光性導電層５及び集電極上に、各結晶半導体粒子２上において、縦断面における輪郭形状が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されている透光性集光層７を形成する。
【００３８】
透光性集光層７の凸部は、具体的には図７に示すように非球面形状であり、好ましくは、凸部の頂部が結晶半導体粒子２の曲率と同じ球面状であり、凸部の縦断面における輪郭形状の頂部以外の両側部が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな円弧から成る。また、凸部は、その中心を通る垂線（鉛直線）を回転軸Ｖとした、非球面形状（縦置きしたラグビーボール状）の回転体である。
【００３９】
さらに凸部は、縦断面において、頂部以外の両側部が結晶半導体粒子２よりも直径が大きな円弧となっているが、その円弧は、導電性基板１の主面に平行で結晶半導体粒子２の中心を通る水平線Ｈ上に中心を持つ、結晶半導体粒子２の円よりも直径が大きい２つの円の円弧である。また、凸部の頂部が、回転軸Ｖ上に中心をもつとともに結晶半導体粒子２の直径と同じ直径を有する円の円弧となっている。従って、凸部は、縦断面において、頂部の円弧と両側部の円弧とがつながった形状を有する。
【００４０】
また、凸部の縦断面における両側部の円弧は、図７に示すように、左右でそれぞれ同じ直径の２つの円の一部であるが、それら２つの円の直径は、結晶半導体粒子２の円の直径の２〜２．５倍程度の大きさを有する。
【００４１】
図７のような縦断面における輪郭形状８を有する透光性集光層７の凸部の集光性を、図５に示す２次元の光線追跡（コンピューターシミュレーション）によって、以下のようにして求めた。
【００４２】
透光性集光層７の屈折率を１．５〜１．６とした。凸部の頂部の直径Ａの仮想円９を、結晶半導体粒子２の円の直上に配置し、結晶半導体粒子２の円の中心から仮想円９の頂上までの距離をＢとする。後に計算する側部の円の直径をより大きくするためには、距離Ｂが大きい方が有利となる。即ち、距離Ｂを大きくして、側部の円の直径をより大きくすると、光の入射角依存性が小さくなるという効果がある。
【００４３】
一例として、入射角４５度の平行光のうち、凸部の頂部の仮想円９で屈折した光がすべて結晶半導体粒子２の円に当たるように、仮想円９の直径Ａを変数として距離Ｂを計算した。その結果、直径Ａと距離Ｂとの関係は図６のグラフのようになり、距離Ｂが最大となるのは、凸部の頂部の仮想円９の直径Ａが結晶半導体粒子２の円とほぼ同じである場合、即ち直径Ａが結晶半導体粒子２の円の０．８〜１．２倍程度である場合であることが判った。
【００４４】
次に、凸部の側部の仮想円１０の直径Ｃ（図７）を決める。仮想円１０の中心は、導電性基板１の主面に平行で結晶半導体粒子２の中心を通る水平線Ｈ上にあるものとし、仮想円１０が上記のように決定した直径Ａと距離Ｂの仮想円９と略内接するものとする。この場合、仮想円９が仮想円１０に完全に内接すると、仮想円９が仮想円１０の外側に現れないことになるため、即ち凸部の側部の円弧よりも直径が小さな頂部が形成されないことになるため、仮想円９の上端部（仮想円９の全周の上端側１／５〜１／６程度の部分）が仮想円１０の外側に現れるように形成する。即ち、仮想円９の上端部と、仮想円１０とを繋ぐように形成する。
【００４５】
一例として、直径Ｃを変数として、入射角４５度の平行光のうち仮想円１０で屈折する光が、結晶半導体粒子２の円に当たる照射比率Ｄを計算した。仮想円１０の直径Ｃと照射比率Ｄの関係は図８のグラフのようになり、照射比率Ｄの最大値は直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の約２倍程度の場合に得られ、結晶半導体粒子２の円よりも直径が大きいものとなった。
【００４６】
即ち、垂直入射の場合、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の１．５〜２．３倍程度のときに照射比率Ｄが最大となる。４５度入射の場合、照射比率Ｄは、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の１．７倍で上昇し始め、２．３倍程度で最大となり、２．５倍で１．７倍のときと同程度となる。以上より、直径Ｃが結晶半導体粒子２の円の直径の２．０〜２．３倍程度のときに照射比率Ｄが最大となる。
【００４７】
以上のようにして決めた頂部の仮想円９と、側部の仮想円１０とで構成された縦断面における輪郭形状を、回転軸Ｖの回りに回転させて成る非球面形状の凸部とした。これらの非球面形状のの凸部を、導電性基板１上の各結晶半導体粒子２上に形成する。これにより、結晶半導体粒子２の導電性基板１上に配設する間隔を従来よりも大幅に広くすることができる。
【００４８】
透光性集光層７の材料としては、透明で成形性がよいものであればよく、例えばアクリル，ポリエチレン，ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート），シリコーン系樹脂，ポリカーボネート，ポリアミド，その他の透明樹脂がよい。より好ましくは、建築物の屋根等に設置される場合に隣接家屋の火災時の延焼防止という製品の性格上、難燃性の材料であればよく、シリコーン系樹脂，ポリカーボネート，ポリアミド等がよい。
【００４９】
透光性集光層７の凸部を形成する方法としては、上記の透明樹脂からなるシートを結晶半導体粒子２上に載せ、凸部のネガ形状（凹形状）を多数有する型を金属等の耐熱材料で形成し、圧縮成形、射出成形等の成形方法で形成する。
【００５０】
さらに、図２，図３のように、透光性集光層７の表面に、耐候性を有するとともに透光性集光層７よりも屈折率の低い低屈折率層１１（図２）または低屈折率板（低屈折率シート）１１（図３）を設けてもよい。この場合、透光性集光層７の表面反射を低減させて、入射光の利用効率を向上させることもできる。低屈折率層１１等の材料としては、透明で透光性集光層７よりも屈折率の低い材料からなっていれば良く、例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ），エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂、或いはシリカ化合物系の材料がよい。
【００５１】
また、導電性基板１の裏面には、充填層１２を、透光性集光層７の材料と同様の材料を使って設けることができ、さらに耐候性層１３を積層してもよい。耐候性層１３の材料としては、例えばポリフッ化ビニル（ＰＶＦ），エチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ），ポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂がよい。また耐候性層１３としては、これらの樹脂を使ってアルミ箔や金属酸化膜を挟んで張り合わせたシート、ガラス、ステンレス等の金属シート等がある。
【００５２】
なお、上述した構成の光電変換素子（１個の結晶半導体粒子２を有する光電変換の単位体）を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）した光電変換装置とする。さらに、光電変換装置を１つ設けるか、または複数を接続（直列、並列または直並列に接続）したものを発電手段として用い、この発電手段から直接直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。また、その発電手段をインバータ等の電力変換手段を介して発電電力を適当な交流電力に変換した後、この発電電力を商用電源系統や各種の電気機器等の交流負荷に供給することが可能な発電装置としてもよい。さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁面に設置する等して、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の光電変換装置の実施例について説明する。
【００５４】
（実施例１）
以下のようにして光電変換装置を作製した。アルミニウム製の導電性基板の主面上に、結晶半導体粒子として直径約０．３ｍｍのｐ型のシリコン粒子の多数を、その直径の約０．６倍の間隔を空けて配置し、アルミニウムとシリコンの共晶温度である５７７℃以上の温度で約１０分加熱して、多数のシリコン粒子を導電性基板上に接合した。
【００５５】
次に、導電性基板上の多数のシリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁体層を充填し形成した。その後、シリコン粒子の上部表面を洗浄し、シリコン粒子及び絶縁体層の上にｎ型の結晶質シリコンと非晶質シリコンとの混晶からなる半導体層を、３００ｎｍの厚みで形成し、さらに透光性導電層としてＩＴＯ膜を、８０ｎｍの厚みで形成した。
【００５６】
上記の構成の光電変換素子上に、ポリカーボネートシートを置き、以下の形状を有する凸部のネガ型が形成された金型でポリカーボネートシートを上方から加熱圧縮し、シリコン粒子毎に凸部を形成した透光性集光層を形成した。
【００５７】
凸部は、縦断面における輪郭形状の側部の円弧をシリコン粒子の直径の約２．３倍の直径の２つの円の円弧とし、頂部をシリコン粒子の直径とほぼ同径の円の円弧とし、その縦断面における輪郭形状を回転軸の回りに回転させた非球面形状のものとした。
【００５８】
（実施例２）
本実施例２では、実施例１のポリカーボネートシートの上に、コロナ放電による表面改質処理を施したエチレン−４フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）からなる５０μｍ厚のフィルムを載せて、ポリカーボネートシート及びＥＴＦＥフィルムを加熱圧縮した以外は、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００５９】
（実施例３）
本実施例３では、実施例１の凸部の上に、コロナ放電による表面改質処理を施したＥＴＦＥからなる５０μｍ厚のフィルムを接着剤を介して貼り付けた以外は、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００６０】
（比較例１）
本比較例１では、透光性集光層の凸部の全体形状が、シリコン粒子の直径の約１．８倍の大きさの直径を有する球であるものとした。さらに、アルミニウム製の導電性基板上に多数のシリコン粒子を実施例１と同様に配置し接合し、シリコン粒子上には何も形成しなかった。それ以外は実施例１と同様にして作製した。
【００６１】
以上の光電変換装置について、フィールド（野外）での一日の発生電流を測定した結果を表１に示す。なお、表１において、多数のシリコン粒子をそれらの間に間隔を有しないようにして密に配置させた構成である比較例２の光電変換装置における一日の発生電流を１として規格化した値（発生電流比）を示す。
【表１】
【００６２】
実施例１の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９４であり、球面状の凸部を有する比較例１の光電変換装置よりも高い発生電流が得られ、単純な球面状の凸部よりも効率良く太陽光線をシリコン粒子に集めていることがわかった。また、実施例１の光電変換装置におけるシリコン粒子の使用量は、比較例２の光電変換装置のようにシリコン粒子を密に配置させたときの使用量の１／２〜１／３となり、比較例２の光電変換装置と同程度の発生電流を得ながらシリコン粒子の使用量を減らすことが可能であった。
【００６３】
比較例１の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．８８であり、低い値となった。
【００６４】
実施例２の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９６となり、実施例１の光電変換装置よりも向上した。これは、ＥＴＦＥフィルムの屈折率（ｎ＝１．４）が、ポリカーボネート（ｎ＝１．５９）よりも低いために、表面反射が抑えられて、より効率良く太陽光線をシリコン粒子に集められたためと考えられる。
【００６５】
実施例３の光電変換装置は、一日の発生電流比が０．９２となり、実施例１の光電変換装置よりは多少劣るものの、比較例１の光電変換装置よりも高い発生電流比が得られた。従って、凸部上に信頼性の高いフッ素樹脂フィルムを張り付けることも有効であることが判った。
【００６６】
なお、本発明は、上記の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の光電変換装置の実施の形態の１例を示す断面図である。
【図２】本発明の光電変換装置の実施の形態の他例を示す断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】図１の光電変換装置を示す平面図である。
【図５】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の頂部の位置を示す断面図である。
【図６】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の頂部の直径Ａと、結晶半導体粒子の中心から頂部の頂点までの距離Ｂとの関係を示すグラフである。
【図７】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の側部の位置を示す断面図である。
【図８】本発明の透光性集光層の凸部の縦断面における円弧状の側部の直径Ｃと照射効率Ｄの関係を示すグラフである。
【図９】比較例の透光性集光層の球面状の凸部における光線入射角４５°での光線追跡を示す断面図である。
【図１０】従来の光電変換装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：導電性基板
２：第１導電型の結晶半導体粒子
４：第２導電型の半導体部
５：透光性導電層
７：透光性集光層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに該結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、該透光性導電層上に前記結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、前記多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が前記結晶半導体粒子の半径よりも大きく、前記透光性集光層は、前記各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記透光性集光層の前記凸部は、頂部が前記結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記透光性集光層の前記凸部は、縦断面における輪郭形状の前記頂部以外の両側部が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項１】
導電性基板上に、表層に第２導電型の半導体部が形成された球状の第１導電型の結晶半導体粒子の多数個が互いに間隔をあけて接合されるとともに該結晶半導体粒子上に透光性導電層が形成され、該透光性導電層上に前記結晶半導体粒子のそれぞれに光を集光させる透光性集光層が形成された光電変換装置であって、前記多数個の結晶半導体粒子は、隣接するもの同士の間の間隔が前記結晶半導体粒子の半径よりも大きく、前記透光性集光層は、前記各結晶半導体粒子上に、縦断面における輪郭形状が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな略半円状であって高さよりも横方向の幅が小さい略半円状である凸部が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記透光性集光層の前記凸部は、頂部が前記結晶半導体粒子の曲率と同じ球面状であることを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記透光性集光層の前記凸部は、縦断面における輪郭形状の前記頂部以外の両側部が前記結晶半導体粒子よりも直径が大きな円弧から成ることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−１２３３１２（Ｐ２００７−１２３３１２Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０９４８５（Ｐ２００５−３０９４８５）
【出願日】平成１７年１０月２５日（２００５．１０．２５）
【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５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２５日（２００５．１０．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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