光電変換装置
【課題】 集光板の凸レンズ状部と結晶半導体粒子とを位置決め良く配設することができ、また配設後の各材料の位置ずれや熱膨張差等による応力を緩和させることが可能な光電変換装置を提供すること。
【解決手段】 光電変換装置は、導電性基板１の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子２と、下面に各結晶半導体粒子２を覆う凹部１０が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子２に集光させる凸レンズ状部９が形成された集光板８とを具備しており、集光板８の厚さ１１に対する凹部１０の深さ１３と凸レンズ状部９の高さ１２の和の比が１以上である。
【解決手段】 光電変換装置は、導電性基板１の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子２と、下面に各結晶半導体粒子２を覆う凹部１０が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子２に集光させる凸レンズ状部９が形成された集光板８とを具備しており、集光板８の厚さ１１に対する凹部１０の深さ１３と凸レンズ状部９の高さ１２の和の比が１以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコン粒子等の結晶半導体粒子からなる光電変換素子を用いた集光型の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の光電変換装置は、結晶シリコン等から成る結晶半導体の板状体を切断して小面積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、結晶半導体粒子（シリコン球）を用いた従来の光電変換装置を図５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５において、２７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、シリコン球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、シリコン球間の隙間に入射した光エネルギーを隙間に隣接するシリコン球に引き込むために、シリコン球上にその曲面に平行に球状レンズ２７を形成している。
【特許文献１】特開平８−３３０６１９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号明細書
【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、結晶シリコン等からなる結晶半導体の板状体を切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（シリコン球）の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているが、その球状レンズを作製する際に、球状レンズと結晶半導体粒子との位置決めが困難であった。
【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、光電変換素子を結晶半導体の板状体を切断する等の煩雑な製造工程を経ずに簡易に製造でき、凸レンズ状部と結晶半導体粒子とを位置決め良く配設することができ、更に配設後の各材料の熱膨張差を緩和させることが可能であり、その結果、半導体の使用量が少なく、軽量化、低コスト化された信頼性の高い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、導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に前記各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に前記各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、前記集光板の厚さに対する前記凹部の深さと前記凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であ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、前記集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、前記導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、前記突出部の厚さに対する前記凹状部の深さと前記凸状部の高さの和の比が１以上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、前記集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられてい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は、導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、集光板の厚さに対する凹部の深さと凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であることから、凹部の底が凸レンズ状部側に入り込む形状となるため、凸レンズ状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸レンズ状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのを抑制することができる。
【００１２】
本発明の光電変換装置は好ましくは、集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、突出部の厚さ（突出部全体の高さ）に対する凹状部の深さと凸状部の高さの和の比が１以上であることから、導電性基板の側面に係止される突出部が形成されていることによって、集光板を結晶半導体粒子上に透明な充填剤等を介して配設する際に、集光板の凸レンズ状部と結晶半導体粒子とが位置決め良く配設されることとなる。
【００１３】
また、突出部の厚さ（突出部全体の高さ）に対する凹状部の深さと凸状部の高さの和の比が１以上であるために、凹状部の底が凸状部へ入り込む形状となり、凸状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのをさらに抑制することができる。従って、より信頼性が高い光電変換装置を提供することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられていることから、紫外線による集光板等の劣化を抑えて、光電変換装置の耐久性を向上させることができる。
【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〜図４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る。これらの図において、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は絶縁層、４は粒状光電変換体を構成する半導体層（半導体部）、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は透明な第１充填層、８は集光板、９は集光板８の凸レンズ状部、１０は集光板８の凹部、１４は集光板８の導電性基板１の側面に係止される突出部、１８は集光板８の表面に形成された紫外線吸収層、１９は第２充填層、２０は裏面保護層である。
【００１７】
本発明の光電変換装置は、導電性基板１の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子２と、下面に各結晶半導体粒子２を覆う凹部１０が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子２に集光させる凸レンズ状部９が形成された集光板８とを具備しており、集光板８の厚さ（集光板８全体の厚み）１１に対する凹部１０の深さ１３と凸レンズ状部９の高さ１２の和の比が１以上である構成である。
【００１８】
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，セラミックス等から成ればよく、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から成る。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。また、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。
【００１９】
以下、本発明の光電変換装置の製造方法にしたがって各部について説明する。
【００２０】
まず、複数（例えば数千個〜数１０万個）の第１導電型（例えばｐ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等に、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を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、その場合結晶半導体粒子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。０．８ｍｍを超えると、そのシリコン使用量が、従来の結晶シリコンの板状体（母板：ウエハ）から切り出して作製する板状体（バルク）タイプの光電変換装置であって、切削部も含めた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。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】
本発明の結晶半導体粒子２は、シリコン等の融液を落下させつつ固化し粒状とする溶融落下法（ジェット法）等の方法により形成される。
【００２５】
次に、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、結晶半導体粒子２の上方から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。
【００２６】
次に、結晶半導体粒子２間の導電性基板１上に絶縁層３を形成する。この絶縁層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の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から成る。
【００２７】
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。
【００２８】
結晶半導体粒子２の表層には半導体層４が形成されているが、半導体層４の形成は、結晶半導体粒子２の導電性基板１への接合前に行ってよく、または接合後に行うこともできる。
【００２９】
半導体層４は例えば、オキシ塩化リンをバブリングさせた石英管中で高温に保持することで結晶半導体粒子２の表面に、リンをドーピングさせることによってｎ型層を形成する。また、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でもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
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、結晶半導体粒子２の表面に形成した半導体層４はなくてもよい。この場合、結晶半導体粒子２の外郭（表層部）に、Ｐ，Ａｓ等またはＢ，Ａｌ，Ｇａ等の元素を熱拡散法等によって拡散させればよく、半導体層４は結晶半導体粒子２自体の表面から深さ方向に形成されたもの（半導体部）となる。また、この場合、結晶半導体粒子２の上に透光性導電層５を直接形成してもよい。
【００３２】
次に、半導体層（半導体部）４上に、導電性基板１を一方の電極とした場合に他方の電極を兼ねる透光性導電層５を形成する。
【００３３】
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付与できる。
【００３４】
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、下方の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子２に照射されることによって、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。
【００３５】
透光性導電層５は、半導体層（半導体部）４の表面に沿って形成されること、即ち結晶半導体粒子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。
【００３６】
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，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、単層または複数層の積層構造として、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付与できる。
【００３７】
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結晶半導体粒子２上に陰を形成す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。
【００３８】
次に、透光性導電層５及び集電極上に、各結晶半導体粒子２上に凸レンズ状部９が配置されるように、透明樹脂等からなる集光板８を配置する。集光板８の光入射面（上面）には、入射光を効率良く各結晶半導体粒子２に照射させるための凸レンズ状部９を形成する。また、集光板８の下面には各結晶半導体粒子を覆う凹部１０を形成する。凹部１０は、各結晶半導体粒子２の表面の曲面にほぼ合致した曲面を有していれば良く、導電性基板１上に集光板８を配置して、集光板８と光電変換素子を第１充填層７を介して配設する際に、集光板８の凸レンズ状部９と光電変換素子の結晶半導体粒子２とが位置決め良く配設されることが可能となる。
【００３９】
そして、集光板８と裏面保護層２０あるいは導電性基板１との熱膨張差による応力を緩和させるために、図２（ａ），（ｂ）に示す様に、集光板８の厚さ１１に対する、凸レンズ状部９の高さ１２と凹部１０の深さ１３との和（高さ１２＋深さ１３）の比｛（高さ１２＋深さ１３）／厚さ１１｝を１以上にする。なお、図２（ｂ）に示すように、集光板８の表面に紫外線吸収層１８が形成されている場合、集光板８の厚さ１１は、紫外線吸収層１８の厚みを加えたものとする。
【００４０】
この構成により、凹部１０の底が凸レンズ状部９側に入り込む形状となるため、凸レンズ状部９が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸レンズ状部９が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのを抑制することができる。即ち、集光板８全体の凹凸を蛇腹のように機能させることによって集光板８に伸縮性をもたせて、各部材の熱膨張差による応力を集光板８全体で緩和させることができる。
【００４１】
上記の比｛（高さ１２＋深さ１３）／厚さ１１｝は、１以上１．６以下であることが好ましい。１．６を超えると、凸レンズ状部９の厚みが薄くなり強度が低下すると共に、第１充填層７の体積が大きくなり高コストになり易い。
【００４２】
なお、集光板８の厚さ１１は０．３５〜０．６ｍｍ程度、凸レンズ状部９の高さ１２は０．２〜０．３５ｍｍ程度、凹部１０の深さ１３は０．１〜０．３ｍｍ程度がよい。
【００４３】
集光板８の厚さ１１が０．３５ｍｍ未満では、金型等を用いて形成できる凸レンズ状部９の厚みが制限されて望ましい集光率が得られないとともに、薄い個所の厚みがとれず破損しやすくなる。集光板８の厚さ１１が０．６ｍｍを超えると、微細に形状加工された２枚の金型等によって挟み込んで加熱成型して集光板８を作製するときに、表面と内部の中央部とに温度差が生じて集光板８の形状が崩れ易くなる。
【００４４】
凸レンズ状部９の高さ１２が０．２ｍｍ未満では、集光率が低下して、少ないシリコン等の半導体材料を用いて高い光電変換効率を維持することが難しくなる。凸レンズ状部９の高さ１２が０．３５ｍｍを超えると、太陽光等の光が斜めから入射するときに望ましい集光率が得られ難い。
【００４５】
凹部１０の深さ１３が０．１ｍｍ未満では、導電性基板１に接合されたが結晶半導体粒子２を凸レンズ状部９により十分に覆うことができず、その結果結晶半導体粒子２に対して凸レンズ状部９が水平方向にずれ易くなる。凹部１０の深さ１３が０．３ｍｍを超えると、結晶半導体粒子２の高さよりも深い凹部となってしまうため、結晶半導体粒子２上にＥＶＡ等の透明樹脂シートを介して集光板８を載置し高い圧力をかけて透明樹脂シートを熱硬化させるときに、集光板８が変形したり位置ずれを起こして、光電変換装置の設計形状がゆがんでしまい、望ましい集光率が得られ難くなる。
【００４６】
本発明の光電変換装置において好ましくは、図３に示すように、導電性基板１の側面に係止される突出部１４を集光板８に予め設けておくことによって、導電性基板１上に集光板８を配置する際に位置決め良く配置させることが可能となる。
【００４７】
この場合にも、図４に示すように、突出部１４の厚さ１５に対する、突出部１４の凸状部の高さ１６と突出部１４の凹部の深さ１７との和の比｛（高さ１６＋深さ１７）／厚さ１５｝を１以上にすることが好ましい。
【００４８】
この構成によって、凹状部の底が凸状部へ入り込む形状となり、凸状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのをさらに抑制することができる。即ち、集光板８全体の凹凸を蛇腹のように機能させることによって集光板８に伸縮性をもたせて、各部材の熱膨張差による応力を集光板８全体で緩和させるという効果をさらに高めることができる。
【００４９】
上記の比｛（高さ１６＋深さ１７）／厚さ１５｝は、１以上３以下であることが好ましい。３を超えると、凸状部の側部の厚みが薄くなり強度が低下する。
【００５０】
なお、突出部１４の厚さ１５は０．４〜１ｍｍ程度、突出部１４の凸状部の高さ１６は０．２〜０．７ｍｍ程度、突出部１４の凹部の深さ１７は０．２〜０．３５ｍｍ程度がよい。
【００５１】
突出部１４の厚さ１５が０．４ｍｍ未満では、導電性基板１（厚み０．３〜０．６ｍｍ）の貫通孔への挿入長さ及び導電性基板１の側面への係止長さが短くなり、集光板８が突出部１４の部位ですぐに浮き上がってしまい、突出部１４によって集光板８が安定に係止され難くなる。突出部１４の厚さ１５が１ｍｍを超えると、突出部１４の側部が薄くなり強度が低下し易くなる。
【００５２】
突出部１４の凸状部の高さ１６が０．２ｍｍ未満では、結晶半導体粒子２の径が大きかったり、集光板８と導電性基板１の間に充填されている透明樹脂等の厚みが厚くなったときに、集光板８の位置決めが困難になる。突出部１４の凸状部の高さ１６が０．７ｍｍを超えると、導電性基板１の厚みより長くなってしまい、外部の部品や装置のじゃまになる場合がある。
【００５３】
突出部１４の凹部の深さ１７が０．２ｍｍ未満では、突出部１４が硬くなりすぎて、導電性基板１の貫通孔に入り難くなる。突出部１４の凹部の深さ１７が０．３５ｍｍを超えると、突出部１４の形が崩れ易くなり、突出部１４を導電性基板１の貫通孔に挿入する際に突出部１４が破損し易くなる。
【００５４】
また、図３のように、導電性基板１の主面に貫通孔を形成しておき、その貫通孔に集光板８に設けた突出部１４を挿入することにより、集光板８の位置決めをより確実にすることもできる。
【００５５】
集光板８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。
【００５６】
集光板８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、導電性基板１上に配設された多数の結晶半導体粒子２のネガ形状（多数の凸形状）を有する下金型と、凸レンズ状部９のネガ形状（多数の凹形状）を有する上金型との間に挟み込んで、圧縮成形法等の成形方法で形成する。
【００５７】
さらに、集光板８の耐候性及び耐光性（耐紫外線性等）を向上させるために、集光板８の表面に紫外線吸収層１８を設ける。紫外線吸収層１８は、紫外線吸収材を含有させた透明材料がよく、例えば主材料としてポリフッ化ビニル（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、アクリル系樹脂、シリカ化合物系の材料等に、ベンゾフェノン系，ベンゾトリアゾ−ル系，ベンゾエート系，サリシエート系，シアノアクリレート系等の紫外線吸収材を０．１〜５重量％、より好ましくは０．４〜４重量％程度含有させた樹脂で構成する。また主材料が集光板８よりも屈折率の低い材料で構成しても良く、この場合、集光板８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。
【００５８】
また、導電性基板１の上面及び下面には、第１充填層７と第２充填層１９を、集光板８の材料と同様の材料を使って設け、さらに第２充填層１９の下面には裏面保護層２０を積層してもよい。裏面保護層２０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）等の樹脂が単層または複層で構成される。また裏面保護層２０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もある。
【００５９】
なお、本発明においては、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ことができる。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１】
【００６０】
本発明の光電変換装置の実施例を図１〜図４に基づいて説明する。
【００６１】
まず、光電変換装置を以下のようにして作製した。アルミニウム製の導電性基板１の主面上に、結晶半導体粒子２として直径約０．３ｍｍのｐ型の結晶シリコン粒子の多数個（３万個）を、その直径の約０．６倍の間隔を互いにあけて配置し、結晶シリコン粒子の上方から加熱板によって０．０５ＭＰａの圧力を加えつつ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、多数個の結晶シリコン粒子を導電性基板１上に接合した。
【００６２】
次に、導電性基板１上の多数個の結晶シリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁層３を充填し形成した。その後、結晶シリコン粒子の上部表面を洗浄し、結晶シリコン粒子及び絶縁層３の上に、オキシ塩化リンを用いた熱拡散法によって、ｎ型の結晶質シリコンからなる半導体層４を、３００ｎｍの厚みで形成した。
【００６３】
次に、透光性導電層５としてのＩＴＯ膜を、半導体層４上に８０ｎｍの厚みで形成した。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、隣接する結晶シリコン粒子間の透光性導電層５上に、集電極として熱硬化型の銀ペーストからなる一定間隔のフィンガー電極及び銅箔からなるバスバー電極を設け、１つのユニットの光電変換装置を作製し、複数のユニットをバスバー電極である銅箔の端部を電気的に接続することによって、直列に接続した。
【００６４】
次に、表面に紫外線吸収層１８として厚み約４０μｍの紫外線吸収材を含有させたアクリル層を設けた、集光板８となるポリカーボネートフィルムを、上金型と下金型の間に挟み込んで、断面形状が図２の形状になるように、真空圧縮成形法によって集光板８を作製した。このとき、圧縮時間、ポリカーボネートフィルムの厚み及び金型の形状を変えることによって、各種形状の集光板８を成形した。
【００６５】
作製した集光板８と、上記の複数のユニットを接続して成る光電変換装置との間に、厚み６０μｍのＥＶＡからなる第１充填層７を挟み込み、更に光電変換装置の導電性基板１の下面に厚み０．４ｍｍのＥＶＡからなる第２充填層１９及びＰＶＦ層／ＰＥＴ層／ＰＶＦ層の３層構造からなる裏面保護層２０を積層して、真空ラミネーターで貼り合わせて光電変換装置を各１０個作製した。各種光電変換装置について、その反り、及び実施例１ａの平均値を１としたときの光電変換効率の平均値（光電変換効率比）を、表１に示す。
【００６６】
なお、表１において、集光板８の厚さ１１に対する、凸レンズ状部９の高さ１２と凹部１０の深さ１３の和の比をレンズ部比とした。また、集光板８に予め設けておいた導電性基板１の側面に係止される突出部１４の厚さ１５に対する、突出部１４の凸状部の高さ１６と突出部１４の凹状部の深さ１７の和の比を突出部比とした。
【表１】
【００６７】
比較例１，２に示すように、レンズ部比が小さくなるにしたがって反りが大きくなり、光電変換特性も低下した。
【００６８】
一方、レンズ部比が１以上の実施例１ａ，１ｂは、反りがきわめて小さくなり、光電変換特性も変わらなかった。
【００６９】
また、実施例１ｄ，１ｅに示すように、突出部比が小さくなるにしたがって反りが大きくなったが、突出部比が１以上の実施例１ａ，１ｃは反りがきわめて小さくなった。
【００７０】
以上より、集光板８が伸縮する構造になることによって光電変換装置の応力を緩和したものと考えられる。
【実施例２】
【００７１】
実施例１と同様にして、紫外線吸収層１８の厚みを変えて集光板８を作製し、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００７２】
実施例２ａはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０とし、実施例２ｂはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０としたものである。また、実施例２ｃはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０とし、実施例２ｄはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０としたものである。
【００７３】
これらの光電変換装置について、紫外線照射装置（岩崎電気社製、スーパーＵＶテスター（ＳＵＶ））を用いて、１００℃の環境下で紫外線照射試験を１０００時間行い、試験前後の光電変換効率の変化を測定した結果を表２に示す。なお、表２の光電変換効率比は、試験前の光電変換効率を１としたときの試験後の光電変換効率の比を示す。
【表２】
【００７４】
実施例２ａ，２ｂは光電変換効率比が０．９１以上であり、光電変換効率の低下の変化率が１０％以内であり、光電変換効率の低下は小さかった。
【００７５】
一方、実施例２ｃ，２ｄは光電変換効率比が０．８９，０．８２と光電変換効率の低下の変化率が１０％を超えており、光電変換効率の低下が大きくなった。
【００７６】
以上の結果より、紫外線吸収層１８の厚みは２０μｍ以上がよいことが分かった。
【００７７】
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】
【００７８】
【図１】本発明の光電変換装置について実施の形態の１例を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の光電変換装置における集光板の実施の形態の２例をそれぞれ示す断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置について実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】本発明の光電変換装置における集光板の実施の形態の１例を示す要部断面図である。
【図５】従来の光電変換装置の１例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・導電性基板
２・・・結晶半導体粒子
３・・・絶縁層
４・・・半導体層
５・・・透光性導電層
７・・・第１充填層
８・・・集光板
９・・・凸レンズ状部
１０・・・凹部
１１・・・集光板の厚さ
１２・・・凸レンズ状部の高さ
１３・・・凹部の深さ
１４・・・突出部
１５・・・突出部の厚さ
１６・・・凸状部の高さ
１７・・・凹状部の深さ
１８・・・紫外線吸収層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶シリコン粒子等の結晶半導体粒子からなる光電変換素子を用いた集光型の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の光電変換装置は、結晶シリコン等から成る結晶半導体の板状体を切断して小面積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、結晶半導体粒子（シリコン球）を用いた従来の光電変換装置を図５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５において、２７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、シリコン球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、シリコン球間の隙間に入射した光エネルギーを隙間に隣接するシリコン球に引き込むために、シリコン球上にその曲面に平行に球状レンズ２７を形成している。
【特許文献１】特開平８−３３０６１９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号明細書
【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、結晶シリコン等からなる結晶半導体の板状体を切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（シリコン球）の曲面に平行に形成された球状レンズを用いているが、その球状レンズを作製する際に、球状レンズと結晶半導体粒子との位置決めが困難であった。
【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、光電変換素子を結晶半導体の板状体を切断する等の煩雑な製造工程を経ずに簡易に製造でき、凸レンズ状部と結晶半導体粒子とを位置決め良く配設することができ、更に配設後の各材料の熱膨張差を緩和させることが可能であり、その結果、半導体の使用量が少なく、軽量化、低コスト化された信頼性の高い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、導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に前記各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に前記各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、前記集光板の厚さに対する前記凹部の深さと前記凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であ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、前記集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、前記導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、前記突出部の厚さに対する前記凹状部の深さと前記凸状部の高さの和の比が１以上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、前記集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられてい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は、導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、集光板の厚さに対する凹部の深さと凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であることから、凹部の底が凸レンズ状部側に入り込む形状となるため、凸レンズ状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸レンズ状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのを抑制することができる。
【００１２】
本発明の光電変換装置は好ましくは、集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、突出部の厚さ（突出部全体の高さ）に対する凹状部の深さと凸状部の高さの和の比が１以上であることから、導電性基板の側面に係止される突出部が形成されていることによって、集光板を結晶半導体粒子上に透明な充填剤等を介して配設する際に、集光板の凸レンズ状部と結晶半導体粒子とが位置決め良く配設されることとなる。
【００１３】
また、突出部の厚さ（突出部全体の高さ）に対する凹状部の深さと凸状部の高さの和の比が１以上であるために、凹状部の底が凸状部へ入り込む形状となり、凸状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのをさらに抑制することができる。従って、より信頼性が高い光電変換装置を提供することが可能となる。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置は好ましくは、集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられていることから、紫外線による集光板等の劣化を抑えて、光電変換装置の耐久性を向上させることができる。
【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〜図４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る。これらの図において、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は絶縁層、４は粒状光電変換体を構成する半導体層（半導体部）、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は透明な第１充填層、８は集光板、９は集光板８の凸レンズ状部、１０は集光板８の凹部、１４は集光板８の導電性基板１の側面に係止される突出部、１８は集光板８の表面に形成された紫外線吸収層、１９は第２充填層、２０は裏面保護層である。
【００１７】
本発明の光電変換装置は、導電性基板１の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子２と、下面に各結晶半導体粒子２を覆う凹部１０が形成されるとともに上面に各結晶半導体粒子２に集光させる凸レンズ状部９が形成された集光板８とを具備しており、集光板８の厚さ（集光板８全体の厚み）１１に対する凹部１０の深さ１３と凸レンズ状部９の高さ１２の和の比が１以上である構成である。
【００１８】
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，セラミックス等から成ればよく、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から成る。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。また、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。
【００１９】
以下、本発明の光電変換装置の製造方法にしたがって各部について説明する。
【００２０】
まず、複数（例えば数千個〜数１０万個）の第１導電型（例えばｐ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等に、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を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、その場合結晶半導体粒子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。０．８ｍｍを超えると、そのシリコン使用量が、従来の結晶シリコンの板状体（母板：ウエハ）から切り出して作製する板状体（バルク）タイプの光電変換装置であって、切削部も含めた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。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】
本発明の結晶半導体粒子２は、シリコン等の融液を落下させつつ固化し粒状とする溶融落下法（ジェット法）等の方法により形成される。
【００２５】
次に、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、結晶半導体粒子２の上方から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。
【００２６】
次に、結晶半導体粒子２間の導電性基板１上に絶縁層３を形成する。この絶縁層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の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から成る。
【００２７】
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。
【００２８】
結晶半導体粒子２の表層には半導体層４が形成されているが、半導体層４の形成は、結晶半導体粒子２の導電性基板１への接合前に行ってよく、または接合後に行うこともできる。
【００２９】
半導体層４は例えば、オキシ塩化リンをバブリングさせた石英管中で高温に保持することで結晶半導体粒子２の表面に、リンをドーピングさせることによってｎ型層を形成する。また、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でもよい。
【００３０】
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。
【００３１】
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、結晶半導体粒子２の表面に形成した半導体層４はなくてもよい。この場合、結晶半導体粒子２の外郭（表層部）に、Ｐ，Ａｓ等またはＢ，Ａｌ，Ｇａ等の元素を熱拡散法等によって拡散させればよく、半導体層４は結晶半導体粒子２自体の表面から深さ方向に形成されたもの（半導体部）となる。また、この場合、結晶半導体粒子２の上に透光性導電層５を直接形成してもよい。
【００３２】
次に、半導体層（半導体部）４上に、導電性基板１を一方の電極とした場合に他方の電極を兼ねる透光性導電層５を形成する。
【００３３】
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付与できる。
【００３４】
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、下方の導電性基板１で反射して結晶半導体粒子２に照射されることによって、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。
【００３５】
透光性導電層５は、半導体層（半導体部）４の表面に沿って形成されること、即ち結晶半導体粒子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。
【００３６】
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，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、単層または複数層の積層構造として、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付与できる。
【００３７】
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結晶半導体粒子２上に陰を形成す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。
【００３８】
次に、透光性導電層５及び集電極上に、各結晶半導体粒子２上に凸レンズ状部９が配置されるように、透明樹脂等からなる集光板８を配置する。集光板８の光入射面（上面）には、入射光を効率良く各結晶半導体粒子２に照射させるための凸レンズ状部９を形成する。また、集光板８の下面には各結晶半導体粒子を覆う凹部１０を形成する。凹部１０は、各結晶半導体粒子２の表面の曲面にほぼ合致した曲面を有していれば良く、導電性基板１上に集光板８を配置して、集光板８と光電変換素子を第１充填層７を介して配設する際に、集光板８の凸レンズ状部９と光電変換素子の結晶半導体粒子２とが位置決め良く配設されることが可能となる。
【００３９】
そして、集光板８と裏面保護層２０あるいは導電性基板１との熱膨張差による応力を緩和させるために、図２（ａ），（ｂ）に示す様に、集光板８の厚さ１１に対する、凸レンズ状部９の高さ１２と凹部１０の深さ１３との和（高さ１２＋深さ１３）の比｛（高さ１２＋深さ１３）／厚さ１１｝を１以上にする。なお、図２（ｂ）に示すように、集光板８の表面に紫外線吸収層１８が形成されている場合、集光板８の厚さ１１は、紫外線吸収層１８の厚みを加えたものとする。
【００４０】
この構成により、凹部１０の底が凸レンズ状部９側に入り込む形状となるため、凸レンズ状部９が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸レンズ状部９が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのを抑制することができる。即ち、集光板８全体の凹凸を蛇腹のように機能させることによって集光板８に伸縮性をもたせて、各部材の熱膨張差による応力を集光板８全体で緩和させることができる。
【００４１】
上記の比｛（高さ１２＋深さ１３）／厚さ１１｝は、１以上１．６以下であることが好ましい。１．６を超えると、凸レンズ状部９の厚みが薄くなり強度が低下すると共に、第１充填層７の体積が大きくなり高コストになり易い。
【００４２】
なお、集光板８の厚さ１１は０．３５〜０．６ｍｍ程度、凸レンズ状部９の高さ１２は０．２〜０．３５ｍｍ程度、凹部１０の深さ１３は０．１〜０．３ｍｍ程度がよい。
【００４３】
集光板８の厚さ１１が０．３５ｍｍ未満では、金型等を用いて形成できる凸レンズ状部９の厚みが制限されて望ましい集光率が得られないとともに、薄い個所の厚みがとれず破損しやすくなる。集光板８の厚さ１１が０．６ｍｍを超えると、微細に形状加工された２枚の金型等によって挟み込んで加熱成型して集光板８を作製するときに、表面と内部の中央部とに温度差が生じて集光板８の形状が崩れ易くなる。
【００４４】
凸レンズ状部９の高さ１２が０．２ｍｍ未満では、集光率が低下して、少ないシリコン等の半導体材料を用いて高い光電変換効率を維持することが難しくなる。凸レンズ状部９の高さ１２が０．３５ｍｍを超えると、太陽光等の光が斜めから入射するときに望ましい集光率が得られ難い。
【００４５】
凹部１０の深さ１３が０．１ｍｍ未満では、導電性基板１に接合されたが結晶半導体粒子２を凸レンズ状部９により十分に覆うことができず、その結果結晶半導体粒子２に対して凸レンズ状部９が水平方向にずれ易くなる。凹部１０の深さ１３が０．３ｍｍを超えると、結晶半導体粒子２の高さよりも深い凹部となってしまうため、結晶半導体粒子２上にＥＶＡ等の透明樹脂シートを介して集光板８を載置し高い圧力をかけて透明樹脂シートを熱硬化させるときに、集光板８が変形したり位置ずれを起こして、光電変換装置の設計形状がゆがんでしまい、望ましい集光率が得られ難くなる。
【００４６】
本発明の光電変換装置において好ましくは、図３に示すように、導電性基板１の側面に係止される突出部１４を集光板８に予め設けておくことによって、導電性基板１上に集光板８を配置する際に位置決め良く配置させることが可能となる。
【００４７】
この場合にも、図４に示すように、突出部１４の厚さ１５に対する、突出部１４の凸状部の高さ１６と突出部１４の凹部の深さ１７との和の比｛（高さ１６＋深さ１７）／厚さ１５｝を１以上にすることが好ましい。
【００４８】
この構成によって、凹状部の底が凸状部へ入り込む形状となり、凸状部が比較的変形し易くなり、各部材の位置ずれや熱膨張等による変形を凸状部が吸収して、光電変換装置に余計な残留応力等が生じるのをさらに抑制することができる。即ち、集光板８全体の凹凸を蛇腹のように機能させることによって集光板８に伸縮性をもたせて、各部材の熱膨張差による応力を集光板８全体で緩和させるという効果をさらに高めることができる。
【００４９】
上記の比｛（高さ１６＋深さ１７）／厚さ１５｝は、１以上３以下であることが好ましい。３を超えると、凸状部の側部の厚みが薄くなり強度が低下する。
【００５０】
なお、突出部１４の厚さ１５は０．４〜１ｍｍ程度、突出部１４の凸状部の高さ１６は０．２〜０．７ｍｍ程度、突出部１４の凹部の深さ１７は０．２〜０．３５ｍｍ程度がよい。
【００５１】
突出部１４の厚さ１５が０．４ｍｍ未満では、導電性基板１（厚み０．３〜０．６ｍｍ）の貫通孔への挿入長さ及び導電性基板１の側面への係止長さが短くなり、集光板８が突出部１４の部位ですぐに浮き上がってしまい、突出部１４によって集光板８が安定に係止され難くなる。突出部１４の厚さ１５が１ｍｍを超えると、突出部１４の側部が薄くなり強度が低下し易くなる。
【００５２】
突出部１４の凸状部の高さ１６が０．２ｍｍ未満では、結晶半導体粒子２の径が大きかったり、集光板８と導電性基板１の間に充填されている透明樹脂等の厚みが厚くなったときに、集光板８の位置決めが困難になる。突出部１４の凸状部の高さ１６が０．７ｍｍを超えると、導電性基板１の厚みより長くなってしまい、外部の部品や装置のじゃまになる場合がある。
【００５３】
突出部１４の凹部の深さ１７が０．２ｍｍ未満では、突出部１４が硬くなりすぎて、導電性基板１の貫通孔に入り難くなる。突出部１４の凹部の深さ１７が０．３５ｍｍを超えると、突出部１４の形が崩れ易くなり、突出部１４を導電性基板１の貫通孔に挿入する際に突出部１４が破損し易くなる。
【００５４】
また、図３のように、導電性基板１の主面に貫通孔を形成しておき、その貫通孔に集光板８に設けた突出部１４を挿入することにより、集光板８の位置決めをより確実にすることもできる。
【００５５】
集光板８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。
【００５６】
集光板８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、導電性基板１上に配設された多数の結晶半導体粒子２のネガ形状（多数の凸形状）を有する下金型と、凸レンズ状部９のネガ形状（多数の凹形状）を有する上金型との間に挟み込んで、圧縮成形法等の成形方法で形成する。
【００５７】
さらに、集光板８の耐候性及び耐光性（耐紫外線性等）を向上させるために、集光板８の表面に紫外線吸収層１８を設ける。紫外線吸収層１８は、紫外線吸収材を含有させた透明材料がよく、例えば主材料としてポリフッ化ビニル（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、アクリル系樹脂、シリカ化合物系の材料等に、ベンゾフェノン系，ベンゾトリアゾ−ル系，ベンゾエート系，サリシエート系，シアノアクリレート系等の紫外線吸収材を０．１〜５重量％、より好ましくは０．４〜４重量％程度含有させた樹脂で構成する。また主材料が集光板８よりも屈折率の低い材料で構成しても良く、この場合、集光板８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。
【００５８】
また、導電性基板１の上面及び下面には、第１充填層７と第２充填層１９を、集光板８の材料と同様の材料を使って設け、さらに第２充填層１９の下面には裏面保護層２０を積層してもよい。裏面保護層２０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）等の樹脂が単層または複層で構成される。また裏面保護層２０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もある。
【００５９】
なお、本発明においては、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ことができる。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１】
【００６０】
本発明の光電変換装置の実施例を図１〜図４に基づいて説明する。
【００６１】
まず、光電変換装置を以下のようにして作製した。アルミニウム製の導電性基板１の主面上に、結晶半導体粒子２として直径約０．３ｍｍのｐ型の結晶シリコン粒子の多数個（３万個）を、その直径の約０．６倍の間隔を互いにあけて配置し、結晶シリコン粒子の上方から加熱板によって０．０５ＭＰａの圧力を加えつつ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、多数個の結晶シリコン粒子を導電性基板１上に接合した。
【００６２】
次に、導電性基板１上の多数個の結晶シリコン粒子の間に、ポリイミドからなる絶縁層３を充填し形成した。その後、結晶シリコン粒子の上部表面を洗浄し、結晶シリコン粒子及び絶縁層３の上に、オキシ塩化リンを用いた熱拡散法によって、ｎ型の結晶質シリコンからなる半導体層４を、３００ｎｍの厚みで形成した。
【００６３】
次に、透光性導電層５としてのＩＴＯ膜を、半導体層４上に８０ｎｍの厚みで形成した。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、隣接する結晶シリコン粒子間の透光性導電層５上に、集電極として熱硬化型の銀ペーストからなる一定間隔のフィンガー電極及び銅箔からなるバスバー電極を設け、１つのユニットの光電変換装置を作製し、複数のユニットをバスバー電極である銅箔の端部を電気的に接続することによって、直列に接続した。
【００６４】
次に、表面に紫外線吸収層１８として厚み約４０μｍの紫外線吸収材を含有させたアクリル層を設けた、集光板８となるポリカーボネートフィルムを、上金型と下金型の間に挟み込んで、断面形状が図２の形状になるように、真空圧縮成形法によって集光板８を作製した。このとき、圧縮時間、ポリカーボネートフィルムの厚み及び金型の形状を変えることによって、各種形状の集光板８を成形した。
【００６５】
作製した集光板８と、上記の複数のユニットを接続して成る光電変換装置との間に、厚み６０μｍのＥＶＡからなる第１充填層７を挟み込み、更に光電変換装置の導電性基板１の下面に厚み０．４ｍｍのＥＶＡからなる第２充填層１９及びＰＶＦ層／ＰＥＴ層／ＰＶＦ層の３層構造からなる裏面保護層２０を積層して、真空ラミネーターで貼り合わせて光電変換装置を各１０個作製した。各種光電変換装置について、その反り、及び実施例１ａの平均値を１としたときの光電変換効率の平均値（光電変換効率比）を、表１に示す。
【００６６】
なお、表１において、集光板８の厚さ１１に対する、凸レンズ状部９の高さ１２と凹部１０の深さ１３の和の比をレンズ部比とした。また、集光板８に予め設けておいた導電性基板１の側面に係止される突出部１４の厚さ１５に対する、突出部１４の凸状部の高さ１６と突出部１４の凹状部の深さ１７の和の比を突出部比とした。
【表１】
【００６７】
比較例１，２に示すように、レンズ部比が小さくなるにしたがって反りが大きくなり、光電変換特性も低下した。
【００６８】
一方、レンズ部比が１以上の実施例１ａ，１ｂは、反りがきわめて小さくなり、光電変換特性も変わらなかった。
【００６９】
また、実施例１ｄ，１ｅに示すように、突出部比が小さくなるにしたがって反りが大きくなったが、突出部比が１以上の実施例１ａ，１ｃは反りがきわめて小さくなった。
【００７０】
以上より、集光板８が伸縮する構造になることによって光電変換装置の応力を緩和したものと考えられる。
【実施例２】
【００７１】
実施例１と同様にして、紫外線吸収層１８の厚みを変えて集光板８を作製し、実施例１と同様にして光電変換装置を作製した。
【００７２】
実施例２ａはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０とし、実施例２ｂはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０としたものである。また、実施例２ｃはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０とし、実施例２ｄはレンズ部比を１．１７、突出部比を１．１０としたものである。
【００７３】
これらの光電変換装置について、紫外線照射装置（岩崎電気社製、スーパーＵＶテスター（ＳＵＶ））を用いて、１００℃の環境下で紫外線照射試験を１０００時間行い、試験前後の光電変換効率の変化を測定した結果を表２に示す。なお、表２の光電変換効率比は、試験前の光電変換効率を１としたときの試験後の光電変換効率の比を示す。
【表２】
【００７４】
実施例２ａ，２ｂは光電変換効率比が０．９１以上であり、光電変換効率の低下の変化率が１０％以内であり、光電変換効率の低下は小さかった。
【００７５】
一方、実施例２ｃ，２ｄは光電変換効率比が０．８９，０．８２と光電変換効率の低下の変化率が１０％を超えており、光電変換効率の低下が大きくなった。
【００７６】
以上の結果より、紫外線吸収層１８の厚みは２０μｍ以上がよいことが分かった。
【００７７】
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】
【００７８】
【図１】本発明の光電変換装置について実施の形態の１例を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の光電変換装置における集光板の実施の形態の２例をそれぞれ示す断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置について実施の形態の他例を示す断面図である。
【図４】本発明の光電変換装置における集光板の実施の形態の１例を示す要部断面図である。
【図５】従来の光電変換装置の１例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・導電性基板
２・・・結晶半導体粒子
３・・・絶縁層
４・・・半導体層
５・・・透光性導電層
７・・・第１充填層
８・・・集光板
９・・・凸レンズ状部
１０・・・凹部
１１・・・集光板の厚さ
１２・・・凸レンズ状部の高さ
１３・・・凹部の深さ
１４・・・突出部
１５・・・突出部の厚さ
１６・・・凸状部の高さ
１７・・・凹状部の深さ
１８・・・紫外線吸収層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に前記各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に前記各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、前記集光板の厚さに対する前記凹部の深さと前記凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、前記導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、前記突出部の厚さに対する前記凹状部の深さと前記凸状部の高さの和の比が１以上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】
前記集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。
【請求項１】
導電性基板の主面に間隔をおいて設置された複数の結晶半導体粒子と、下面に前記各結晶半導体粒子を覆う凹部が形成されるとともに上面に前記各結晶半導体粒子に集光させる凸レンズ状部が形成された集光板とを具備しており、前記集光板の厚さに対する前記凹部の深さと前記凸レンズ状部の高さの和の比が１以上であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記集光板は、その下面に、上面に凹状部を有するとともに下面に凸状部を有する、前記導電性基板の側面に係止される突出部が形成されており、前記突出部の厚さに対する前記凹状部の深さと前記凸状部の高さの和の比が１以上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】
前記集光板は、表面に紫外線吸収材を含有した紫外線吸収層が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−６０２０７（Ｐ２００８−６０２０７Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３３３０１（Ｐ２００６−２３３３０１）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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