WO2013077254A1 - Solar cell, solar cell panel, device provided with solar cell, and device provided with solar cell panel - Google Patents
Solar cell, solar cell panel, device provided with solar cell, and device provided with solar cell panel Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a solar cell, a solar cell panel in which a plurality of solar cells are arranged, and a device in which the solar cell or the solar cell panel is mounted as a power source.
- a solar cell using crystalline silicon as a medium in order to sufficiently absorb incident sunlight, in principle, it should have a thickness of about 30 ⁇ m.
- solar cells having a thickness of about 300 ⁇ m to 400 ⁇ m have been put into practical use, but currently, solar cells having a thickness of about 30 ⁇ m have hardly been put to practical use.
- the solar cell should have a thickness of about 30 ⁇ m in principle because it sufficiently absorbs sunlight on the long wavelength side having a low light absorptance, and sufficiently absorbs light as a solar cell. This is because the thickness required to obtain the rate is about 30 ⁇ m.
- the solar cell needs a thickness of about 300 ⁇ m to 400 ⁇ m practically. If the thickness is small, the shape of the solar cell cannot be maintained, and there is a risk of breakage. This is because a problem that it cannot be obtained occurs.
- FIG. 25 is a graph showing the characteristics of the light absorption rate of the solar cell and the irradiance of sunlight with respect to the wavelength of sunlight.
- the alternate long and short dash line indicates characteristics when the thickness of the solar cell is 400 ⁇ m
- the alternate long and two short dashes line indicates characteristics when the thickness of the solar cell is 30 ⁇ m
- the broken line indicates that the thickness of the solar cell is 500 nm. The characteristic in the case of is shown.
- the light absorption rate is 1.0 in the range of the wavelength of sunlight up to about 850 nm.
- the thickness of the solar cell is 400 ⁇ m, the light absorption rate is 1.0 in the range of the wavelength of sunlight up to about 1050 nm.
- the thickness of the solar cell is 30 ⁇ m, the light absorption rate on the short wavelength side is good, but the light absorption rate on the long wavelength side is low.
- the thickness of the solar cell is 400 ⁇ m, the light absorptance is good from the short wavelength side to the long wavelength side.
- the thickness is set to 500 nm, as shown in FIG. 25, the light absorptance with respect to the wavelength of sunlight of 450 nm or more is significantly reduced. End up.
- Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a photoelectric conversion device that increases the amount of light absorption as shown in FIG.
- FIG. 26 is a cross-sectional view illustrating an outline of a solar cell according to Patent Document 1.
- Patent Document 1 As shown in FIG. 26, the surface of a single crystal semiconductor layer (single crystal silicon) is made uneven so as to suppress reflection of light and confine incident light. Discloses a method for manufacturing a photoelectric conversion device that increases the amount of absorption of light having a wavelength of 600 nm or less even when the thickness is 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m or less. In Patent Document 1, for a wavelength of 800 nm or more, the amount of light absorption is increased by making the photoelectric conversion device a tandem type.
- Patent Document 1 the effect of reducing the surface reflectance of incident light and the effect of increasing the optical path length by providing a concavo-convex structure in a single crystal semiconductor layer are not so large, particularly long wavelengths. There was a problem that the light absorption rate on the side was not improved. Further, in the technique described in Patent Document 1, in order to increase the light absorption rate on the long wavelength side, the tandem type must be adopted for the photoelectric conversion device, which is contrary to the purpose of suppressing the thickness of the photoelectric conversion device. There was a problem of becoming.
- the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell in which the absorption rate of light particularly at a long wavelength is increased and the thickness is suppressed.
- a solar cell according to one embodiment of the present invention.
- a photoelectric conversion unit (2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit, (3)
- the photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion or the first convex portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and (3-2) including a first transparent body that at least fills the first concave portion of the first surface, or a first transparent body that at least fills the second concave portion formed by providing the first convex portion, (4)
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized by that.
- a solar cell according to one embodiment of the present invention.
- a photoelectric conversion unit (2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit, (3)
- the photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and (3-2) including a first transparent body that fills at least the first recess, (4)
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body.
- the second convex portions remaining around the first concave portions are joined to the support substrate, (6) A positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface of the photoelectric conversion layer opposite to the first surface.
- a solar cell according to one embodiment of the present invention.
- a photoelectric conversion unit (2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit, (3)
- the photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and (3-2) including a first transparent body that fills at least the first recess, (4)
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body.
- a positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer, (6)
- the second surface on which the positive electrode and the negative electrode are formed is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer.
- the solar cell according to the present invention includes a photoelectric conversion unit and a support substrate that supports the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit is a photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion.
- a first transparent body that at least fills the second concave portion formed by providing the first convex portion, and the concave-convex shape formed on the first surface is formed by the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized in that a photonic crystal is formed by giving periodicity to the difference in refractive index between the two.
- the solar cell can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell. Further, the photoelectric conversion layer can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer. Furthermore, since the said solar cell is equipped with the said support substrate, it can prevent that it becomes impossible to maintain the shape of the said solar cell by thinning the said photoelectric converting layer.
- FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an outline of a solar cell according to Patent Document 1.
- FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an outline of a solar cell according to Patent Document 1.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 1 of the present embodiment.
- the solar cell 1 includes a first transparent conductive film (first transparent body) 11, a photoelectric conversion layer 12, a metal electrode 13 (metal electrode layer), a transparent insulator layer (transparent insulating layer) 14, A support substrate 15 is provided. With these configurations, the solar cell 1 can photoelectrically convert incident light and use it as a current.
- a first transparent conductive film (TCO; Transparent Conducting Oxide) 11 is a transparent conductive film, and is provided as an incident surface on which sunlight is incident. Moreover, the 1st transparent conductive film 11 is formed so that the photoelectric converting layer 12 may be covered, and comprises the photonic crystal mentioned later with the photoelectric converting layer 12 by having the convex part 16 as shown in FIG. Yes.
- the photonic crystal structure will be described later with different drawings.
- the first transparent conductive film 11 is made of a medium having a refractive index smaller than that of the medium of the photoelectric conversion layer 12.
- the medium include ITO (Indium-Tin-Oxide: Indium Tin Oxide), IZO (Indium-Zinc-Oxide: Indium Zinc Oxide), SnO 2 and ZnO.
- the photoelectric conversion layer 12 is a semiconductor layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, and has a convex shape 17 as shown in FIG. 1 on the light incident side surface (incident surface) (first surface). Together with the first transparent conductive film 11, a photonic crystal to be described later is formed.
- the photoelectric conversion layer 12 has a structure in which semiconductor layers having different polarities are adjacent to each other, and the structure is not particularly limited.
- a p-type semiconductor layer 121 and an n-type semiconductor layer as shown in FIG. A pn vertical structure in which 122 is adjacent may be adopted.
- a pin vertical structure in which an i-type semiconductor layer (a so-called intrinsic semiconductor layer, not shown) is sandwiched between a p-type semiconductor layer 121 and an n-type semiconductor layer 122 can also be adopted.
- examples of the medium of the photoelectric conversion layer 12 include crystalline silicon (c-Si) having a refractive index of about 3.0 to 6.0, but are not limited thereto.
- crystalline silicon c-Si
- ⁇ c-Si microcrystalline silicon
- a-Si amorphous silicon
- p-Si having a refractive index of about 3.0 to 4.0: High purity polycrystalline silicon
- the metal electrode 13 is a layer disposed on the surface (second surface) opposite to the light incident surface (the first surface) of the photoelectric conversion layer 12.
- a material of the metal electrode 13 a material having a high light reflectance and a high electrical conductivity, for example, Ag, Mo, Al, or the like can be selected.
- the metal electrode 13 can also function as a reflector, and light that is not photoelectrically converted by the photoelectric conversion layer 12 and that has been transmitted can be reflected to the photoelectric conversion layer 12.
- the metal electrode 13 By arranging the metal electrode 13 so as to cover the entire back surface of the photoelectric conversion layer 12 (the second surface), the light transmitted through the photoelectric conversion layer 12 can be reliably reflected, so that more light is absorbed.
- the solar cell 1 with high efficiency can be configured.
- the transparent insulator layer 14 is a layer made of a transparent insulator having a smooth surface and a hydrophilic surface, and connects and insulates the metal electrode 13 and the support substrate 15.
- the support substrate 15 is a substrate for maintaining the shape of the solar cell 1.
- glass with a refractive index of about 1.52 can be selected, for example.
- the solar cell 1 functions as a battery by taking out the electric current photoelectrically converted in the photoelectric conversion layer 12 from the first transparent conductive film 11 and the metal electrode 13.
- the solar cell 1 includes a support substrate 15 as a lowermost layer (a surface opposite to the incident surface), on which a transparent insulator layer 14, a metal electrode 13, and a photoelectric conversion layer 12 are provided. They are stacked in this order.
- the photoelectric conversion layer 12 includes an n-type semiconductor layer 122 and a p-type semiconductor layer 121, and is stacked in this order from the surface opposite to the incident surface.
- a concavo-convex shape is formed on the incident surface of the p-type semiconductor layer 121 included in the photoelectric conversion layer 12, and the first transparent conductive film 11 is formed on the incident surface (the outermost surface) of the solar cell 1 so as to cover the concavo-convex shape.
- the outer layer is laminated.
- FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AB of the photonic crystal shown in FIG. 1, and is a top view schematically showing the structure of the photonic crystal of the solar cell 1 according to the present embodiment.
- a photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically.
- a plurality of cylindrically formed light incident surfaces of the photoelectric conversion layer 12 (more precisely, the p-type semiconductor layer 121 of the photoelectric conversion layer 12).
- the recesses (holes) are regularly formed.
- a convex shape 17 is formed between adjacent recesses.
- the first transparent conductive film 11 is formed so as to fill at least the concave portion of the photoelectric conversion layer 12.
- the first transparent conductive film 11 has a plurality of convex portions 16 formed in a columnar shape so as to fill at least the concave portion of the photoelectric conversion layer 12.
- the concave and convex portions formed in the light incident surface of the photoelectric conversion layer 12 are regular in order to form a photonic crystal. It forms the basic element that is formed.
- a photoelectric conversion unit is configured including the photoelectric conversion layer 12 and the first transparent conductive film 11.
- the plurality of convex portions 16 formed on the first transparent conductive film 11 are arranged in a square lattice so that the arrangement interval (pitch) between the adjacent convex portions 16 is equal. That is, the plurality of recesses formed in the photoelectric conversion layer 12 are arranged in a square lattice so that the arrangement intervals between adjacent recesses are equal.
- interval of adjacent convex parts 16 is also called the lattice constant a (nm).
- the plurality of convex portions 16 formed on the first transparent conductive film 11 are periodically arranged in the medium of the photoelectric conversion layer 12 having a refractive index different from that of the first transparent conductive film 11.
- a refractive index difference between the refractive index of the first transparent conductive film 11 and the refractive index of the photoelectric conversion layer 12 periodically exists.
- the plurality of convex portions 16 formed on the first transparent conductive film 11 and the convex shape 17 formed on the photoelectric conversion layer 12 constitute a photonic crystal whose refractive index changes periodically.
- the concave portion is formed in the photoelectric conversion layer 12 itself, the refractive index is reduced at the interface between the photoelectric conversion layer 12 and the first transparent conductive film 11 as the adjacent layer. Only two different materials are adjacent to each other to form a photonic crystal.
- the case where the plurality of convex portions 16 are formed in a columnar shape will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
- the plurality of convex portions 16 may be formed in a triangular prism shape or may be formed in a quadrangular prism shape.
- the convex part 16 the shape of a truncated cone, a triangular frustum, and a quadrangular pyramid can also be selected.
- Photonic band structure A photonic band structure is generated in the photonic crystal having the above configuration.
- the photonic band structure is represented by the relationship between the incident direction of light with respect to the photonic crystal and a normalized frequency V described later.
- the photonic band structure includes a photonic band gap sandwiched between a low dielectric band and a high dielectric band as a wavelength band of light that cannot exist in the photonic crystal.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the solar cell 1 according to the present embodiment.
- the photonic crystal formed by the convex portion 16 of the first transparent conductive film 11 and the convex shape 17 of the photoelectric conversion layer 12 resonates incident light in the in-plane direction, as indicated by an arrow A in FIG. Can do. That is, the entire photonic crystal functions as one large resonator that resonates in the in-plane direction. Thereby, the photonic crystal can confine incident light in the entire photonic crystal.
- the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the metal electrode 13 as shown by the arrow A in FIG. 3 that is, the incident light to the photoelectric conversion layer 62, and
- the light incident on the photoelectric conversion layer 12 is interposed between the photonic crystal and the metal electrode 13 as shown by an arrow B in FIG. You will be trapped.
- the solar cell 1 can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer 12.
- the solar cell 1 can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 12, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell 1.
- the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a
- the projections 16 in other words, the photoelectric conversion layer 12 formed on the first transparent conductive film 11. 2
- the height of the convex portion 16 is d
- the thickness of the photoelectric conversion layer 12 is h
- the thickness of the first transparent conductive film 11 and the photoelectric conversion layer 12 is L. Note that L corresponds to the distance from the light incident surface of the first transparent conductive film 11 to the second surface of the photoelectric conversion layer 12.
- n s be the refractive index of the crystalline silicon that is the medium of the photoelectric conversion layer 12
- n t be the refractive index of the medium of the first transparent conductive film 11
- ⁇ be the absorption coefficient of the crystalline silicon with respect to a certain wavelength of light.
- a resonance condition for a plurality of wavelengths of light is determined from the rate n s and the refractive index n t of the first transparent conductive film 11, and a resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength.
- the magnitude of light absorption is obtained from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient ⁇ of crystalline silicon and the height h of the photoelectric conversion layer 12 as other parameters. (That is, light absorption rate) S can be obtained.
- the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
- FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the relative strength (au) of the electromagnetic field with respect to the normalized frequency V (a / ⁇ ) in the solar cell 1 according to the present embodiment. (A) of FIG.
- the lattice constant is a (nm)
- the thickness h of the photoelectric conversion layer 12 is 3.3 a (nm)
- the height d of the convex portion 16 is 0.5 a.
- the solar cell 1 has improved light absorption compared with a conventional solar cell that does not use a photonic crystal. Can be designed.
- the range of the value of the normalized frequency V is not limited.
- FIGS. 5 and 6 for the optimum conditions for the height of the photonic crystal, that is, the height of the protrusions 16 (holes formed in the photoelectric conversion layer 12) formed in the first transparent conductive film 11.
- FIG. 5 is a graph showing the characteristic of the light absorption rate with respect to the wavelength of light in the solar cell 1 according to the present embodiment.
- FIG. 6 is a graph showing the relative ratio of the average value of the light absorption rate with respect to the height of the photonic crystal in the solar cell 1 according to the present embodiment.
- the graph which the broken line shows in FIG. 5 has shown the measurement result of the light absorption rate with respect to the wavelength of light in the conventional solar cell which does not use a photonic crystal.
- the average value of the light absorptance with respect to each light wavelength of the solar cell 1 according to this embodiment is the light absorptance of the conventional solar cell. Compared to, it has risen about 1.36 times. Therefore, according to the result shown in FIG. 5, the light absorption rate in the solar cell (particularly, the light absorption rate in the long wavelength region) can be improved by forming the photonic crystal in the solar cell.
- the wavelength of light is in the range of 500 nm to 1100 nm has been described as an example, but of course, the wavelength is less than 500 nm and in the range greater than 1100 nm by adjusting the above-described parameters. The same effect can be obtained in.
- the comparative value of the average value of the light absorption rate of the solar cell 1 with respect to each is shown.
- a comparison value (hereinafter, also simply referred to as “comparison value”) of the average value of the light absorption rate of the solar cell 1 is expressed by the following equation.
- the comparative value has shown the magnification of the light absorption rate in the solar cell 1 which concerns on this embodiment with respect to the light absorption rate in the solar cell of a prior art.
- Comparative value (average value of light absorption rate of solar cell 1) / (average value of light absorption rate of conventional solar cell) Equation 2
- the comparison value increases monotonously.
- the comparison value is 1.2 (that is, the light absorption rate is 1.2 times that of the conventional solar cell).
- the solar cell 1 can Equivalent or higher photoelectric effect can be obtained. Therefore, by designing the height d of the photonic crystal to be 75 nm or more, a photoelectric effect that is thinner than the conventional solar cell and equivalent to or higher can be obtained.
- the upper limit of the height of the photonic crystal is less than the thickness of the photoelectric conversion layer 12. Absent.
- FIG. 7 is a graph showing the characteristic of the average value of the light absorption rate with respect to the radius of the convex portion 16 formed in the first transparent conductive film 11 in the solar cell 1 according to the present embodiment.
- the average value of the light absorption rate with respect to the convex portion 16 shown in FIG. 7 does not depend on the height d of the photonic crystal.
- the optimal condition of the radius of the convex part 16 is obtained when the comparison value of the average value of the optical absorptance with respect to the height of the photonic crystal shown in FIG.
- the comparison shown in FIG. A value of 1.2 or more can be satisfied.
- the value of the radius r of the convex portion 16 that satisfies the average value of the light absorption rate of 0.8 or more is 0.20a or more and 0.50a or less (that is, the diameter 2r of the convex portion 16 as shown in FIG. Is 0.40a or more and 1.00a or less. Therefore, it is the optimum condition for the radius of the convex portion 16 that the value of the radius r is within this range.
- the optimum value of the diameter 2r of the convex portion 16 exists in the range where the diameter 2r of the convex portion 16 is 0.40a or more and 1.00a or less. To do.
- FIG. 8 is a graph showing the characteristics of the light absorption rate with respect to the wavelength of light in the solar cell 1 according to the present embodiment.
- the curve indicated by the alternate long and short dash line indicates the light absorptance in the conventional solar cell having a thickness of 400 ⁇ m
- the curve indicated by the broken line indicates the light absorptance in the conventional solar cell having a thickness of 500 nm.
- the curve shown as a continuous line in FIG. 8 has shown the light absorption rate in the solar cell 1 which concerns on this embodiment whose thickness is 500 nm.
- the refractive index difference between the refractive index of the first transparent conductive film 11 and the refractive index of the photoelectric conversion layer 12 periodically exists, so that in the in-plane direction.
- the effect of Bragg reflection can be obtained.
- Bragg reflection refers to a phenomenon in which light incident on a photonic crystal is reflected in a specific direction determined by the lattice constant a and the wavelength ⁇ of the light.
- the solar cell 1 In the solar cell 1 according to this embodiment, photoelectric conversion is performed by optimally designing the arrangement interval (lattice constant a), the diameter 2r, and the height d of the protrusions 16 formed in the first transparent conductive film 11. Incident light can be resonated in the layer 12. As shown by the solid line in FIG. 8, the solar cell 1 can maintain a light absorption rate of about 1.0 in all wavelength regions of 300 nm to 1100 nm by optimal design.
- the photonic crystal is optimally designed based on the optimum conditions as described above, and the thickness of the solar cell 1 is so thick that the conventional solar cell cannot maintain the shape (for example, about several hundred nm). Even if it is a case where it suppresses to (thickness), by providing the support substrate 15, the solar cell 1 can maintain the shape.
- the solar cell 1 according to the present embodiment has a photoelectric conversion equivalent to or higher than that of a conventional solar cell having a thickness of several hundred ⁇ m due to the effect of improving the light absorption rate by the photonic crystal even if the thickness is suppressed to several hundred nm. Efficiency can be realized.
- FIG. 9 is a process diagram showing manufacturing steps of the solar cell 1 according to this embodiment.
- the medium of the first transparent conductive film 11 is SnO 2
- the medium of the photoelectric conversion layer 12 is c-Si
- the medium of the metal electrode 13 is Al
- the medium of the transparent insulator layer 14 is SiO 2.
- the present invention is not limited to this example.
- a c-Si layer is formed and a p-type sub-semiconductor layer 121a is formed by doping a p-type impurity.
- the light incident direction is the lower surface of the p-type sub semiconductor layer 121a.
- n-type impurity for example, phosphorus
- an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged layer 120 in which the silicon crystal lattice is partially cut in the p-type sub-semiconductor layer 121a.
- the p-type sub-semiconductor layer 121a on the n-type semiconductor layer 122 side is a p-type sub-semiconductor layer 121b with the damaged layer 120 as a boundary
- the p-type sub-semiconductor layer 121a on the opposite side to the n-type semiconductor layer 122 is a p-type sub-semiconductor.
- the semiconductor layer 121c is used.
- the laminated body formed in the above (a) to (e) is inverted so that the transparent insulator layer 14 whose surface is flattened becomes the lower surface, and the transparent insulator The layer 14 and the support substrate 15 are bonded. Note that since the stacked body is inverted, the light incident surface is a surface on the semiconductor layer side of the stacked body.
- the p-type sub-semiconductor layer 121c and the p-type sub-semiconductor layer 121b are cleaved with the damaged layer 120 as a boundary to form the uppermost layer of the substrate.
- the p-type sub semiconductor layer 121c is removed (wafer removal by heat treatment).
- the damaged layer 120 is formed in the step shown in FIG. 9C, the p-type sub semiconductor layer 121 c can be removed along the damaged layer 120.
- the surface (surface of the p-type sub-semiconductor layer 121b) after the p-type sub-semiconductor layer 121c is removed from the wafer is modified (surface modification) and the uneven shape is formed.
- the p-type semiconductor layer 121 of the photoelectric conversion layer 12 is formed. Thereby, the photoelectric conversion layer 12 including the p-type semiconductor layer 121 and the n-type semiconductor layer 122 is obtained.
- the surface modification is performed by, for example, forming polysilicon using an ELA (Eximer Laser Annealing) technique.
- ELA Eximer Laser Annealing
- the planarized p-type semiconductor layer 121 is further thinned by dry etching, and holes for forming a photonic crystal are formed in the p-type semiconductor layer 121. Periodically formed (that is, the convex shape 17 is formed).
- dry etching inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) using carbon tetrafluoride (CF 4 ) as an etching gas can be given.
- ICP-RIE inductively coupled plasma-reactive ion etching
- CF 4 carbon tetrafluoride
- the present invention is not limited to this, and as the etching gas, sulfur hexafluoride (SF 6 ), trifluoromethane (CHF 3 ), or the like may be employed.
- the first transparent conductive film 11 is formed by vapor-depositing SnO 2 on the p-type semiconductor layer 121 on which the convex shape 17 is formed by dry etching.
- the solar cell 1 according to this embodiment is completed through the manufacturing steps (a) to (j) of FIG.
- a plurality of convex portions 16 are formed on the first transparent conductive film 11 by depositing SnO 2 into holes periodically formed in the p-type semiconductor layer 121.
- a photonic crystal is formed by the plurality of convex portions 16 formed on the first transparent conductive film 11 and the convex shape 17 formed on the p-type semiconductor layer 121.
- the solar cell 1 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 1 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 1 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 12.
- FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell 2 according to this embodiment.
- the solar cell 2 includes a first transparent conductive film (first transparent body) 21 and a photoelectric conversion layer 22, and the first transparent conductive film 21 and the photoelectric conversion are included.
- the configuration is the same as that of the solar cell 1 according to Embodiment 1 except that the photonic crystal is formed by the layer 22.
- the uneven shape formed at the interface between the first transparent conductive film 21 and the photoelectric conversion layer 22 is an inversion of the concave and convex portions formed at the interface between the first transparent conductive film 11 and the photoelectric conversion layer 12 of Embodiment 1. It has a shape.
- the first transparent conductive film 21 is a transparent conductive film and is provided as an incident surface on which sunlight is incident. Moreover, the 1st transparent conductive film 21 is formed so that the photoelectric converting layer 22 may be covered, and it comprises the photonic crystal mentioned later with the photoelectric converting layer 22 by having the convex shape 26 as shown in FIG. Yes.
- the photoelectric conversion layer 22 is a semiconductor layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, and a convex portion 27 (first convex portion) as shown in FIG. 10 is two-dimensionally on the light incident side surface (first surface). And periodically. Thus, a photonic crystal described later is formed together with the first transparent conductive film 21.
- the photoelectric conversion layer 22 has a structure in which semiconductor layers having different polarities are adjacent to each other, and the structure is not particularly limited.
- the structure is not particularly limited.
- FIG. A pn vertical structure in which the n-type semiconductor layer 222 is adjacent to each other is employed.
- an i-type semiconductor layer is sandwiched between the p-type semiconductor layer 221 and the n-type semiconductor layer 222 as the photoelectric conversion layer 22 structure.
- a pin vertical structure can also be adopted.
- FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AB of the photonic crystal shown in FIG. 10, and is a top view schematically showing the structure of the photonic crystal of the solar cell 2 according to this embodiment.
- the light incident surface of the photoelectric conversion layer 22 (more precisely, the p-type semiconductor layer 221 of the photoelectric conversion layer 22) is formed in a columnar shape.
- a plurality of convex portions 27 are regularly formed. In other words, by providing the plurality of convex portions 27 in the photoelectric conversion layer, a concave shape (second concave portion) is formed between the adjacent convex portions 27.
- the concavo-convex convex portions 27 formed on the light incident surface of the photoelectric conversion layer 22 form a basic element that is regularly formed in order to form a photonic crystal.
- the first transparent conductive film 21 is formed so as to satisfy at least the concave shape of the photoelectric conversion layer 22.
- the convex shape 26 is formed on the first transparent conductive film 21 with a complementary shape corresponding to the concave shape.
- the plurality of convex portions 27 formed on the photoelectric conversion layer 22 are arranged in a square lattice so that the arrangement interval (pitch) between the adjacent convex portions 27 is equal.
- interval of adjacent convex parts 27 is also called the lattice constant a (nm).
- the plurality of convex portions 27 formed on the photoelectric conversion layer 22 are periodically arranged in the medium of the first transparent conductive film 21 having a different refractive index.
- the convex portions 27 are arranged in this manner, there is a difference in refractive index between the refractive index of the first transparent conductive film 21 and the refractive index of the photoelectric conversion layer 22. That is, the convex shape 26 formed in the first transparent conductive film 21 and the plurality of convex portions 27 formed in the photoelectric conversion layer 22 constitute a photonic crystal whose refractive index changes periodically.
- the convex portion 27 is formed on the photoelectric conversion layer 22 itself, and the periphery of the convex portion 27 is covered with the first transparent conductive film 21. Therefore, at the interface between the photoelectric conversion layer 22 and the first transparent conductive film 21 as the adjacent layer, only two kinds of materials having different refractive indexes are adjacent to each other to form a photonic crystal.
- the case where the plurality of convex portions 27 are formed in a columnar shape will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
- the plurality of convex portions 27 may be formed in a triangular prism shape or may be formed in a quadrangular prism shape.
- the shape of a frustum, a triangular frustum, and a quadrangular frustum can also be selected.
- the holes are periodically formed in the p-type semiconductor layer 221.
- the protrusions 27 for forming the photonic crystal are periodically formed.
- the first transparent conductive film 21 is formed by vapor-depositing SnO 2 on the p-type semiconductor layer 221 on which the plurality of convex portions 27 are formed by dry etching.
- a photonic crystal is formed by the convex shape 26 formed on the first transparent conductive film 21 and the convex portion 27 formed on the photoelectric conversion layer 22.
- the solar cell 2 can increase the light absorptivity particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 2 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 2 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 22.
- FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 3 according to this embodiment.
- the solar cell 3 As shown in FIG. 12, the solar cell 3 according to this embodiment is implemented except that a second transparent conductive film (second transparent body) 38 is provided between the photoelectric conversion layer 12 and the metal electrode 13.
- the solar cell 1 has the same configuration as that of the first embodiment.
- the second transparent conductive film 38 is a transparent conductive film and is formed so as to be sandwiched between the photoelectric conversion layer 12 and the metal electrode 13.
- the second transparent conductive film 38 is made of a medium having a smaller refractive index than the medium of the photoelectric conversion layer 12, and examples of the medium include ITO, IZO, SnO 2 , and ZnO.
- FIG. 13 is a process diagram showing a manufacturing process of the solar cell 3 according to the present embodiment.
- the medium of the first transparent conductive film 11 and the second transparent conductive film 38 is SnO 2
- the medium of the photoelectric conversion layer 12 is c-Si
- the medium of the metal electrode 13 is Al
- transparent the medium of the insulator layer 14 is SiO 2
- the manufacturing process of the solar cell 3 according to this embodiment shown in FIG. 13 is the same as that of the solar cell 1 according to Embodiment 1 shown in FIG. 9 except that the steps shown in (d) and (e) are different. It is the same as the manufacturing process.
- SnO 2 is deposited on the n-type semiconductor layer 122 to form the second transparent conductive film 38.
- Al is vapor-deposited on the formed second transparent conductive film 38
- a metal electrode 13 is formed by forming an Al film
- SiO 2 is vapor-deposited on the formed metal electrode 13, and transparent insulation is formed.
- the body layer 14 is formed. If the surface of the formed transparent insulator layer 14 has an uneven shape, the surface is flattened by CMP as shown in FIG.
- the solar cell 3 according to the present embodiment is completed through the manufacturing steps (a) to (j) of FIG.
- SnO 2 is vapor deposited in holes periodically formed in the p-type semiconductor layer 121 (the p-type sub-semiconductor layer 121c is removed from the wafer and the planarized p-type sub-semiconductor layer 121b).
- a plurality of convex portions 16 are formed on the conductive film 11.
- a photonic crystal is formed by the plurality of convex portions 16 formed on the first transparent conductive film 11 and the convex shape 17 formed on the p-type semiconductor layer 121.
- the solar cell 3 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 3 includes the support substrate 15, it is possible to prevent the shape of the solar cell 2 from being maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 12.
- each refractive index of the 1st transparent conductive film 11 and the 2nd transparent conductive film 38 is smaller than the refractive index of the photoelectric converting layer 12, a high refractive index core is made into a low refractive index.
- a high refractive index core is made into a low refractive index.
- the light absorption rate by the photoelectric conversion layer 12 can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell 3 can be further increased.
- FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell 4 according to this embodiment.
- the same reference numerals are given to components having the same functions as those of the components according to the first to third embodiments, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first to third embodiments will be mainly described.
- the solar cell 4 includes a first transparent conductive film 21 and a photoelectric conversion layer 22, and a photonic crystal is formed by the first transparent conductive film 21 and the photoelectric conversion layer 22. It is the same as the solar cell 1 according to Embodiment 1 except that the second transparent conductive film (second transparent conductive film) 38 is provided between the photoelectric conversion layer 22 and the metal electrode 13. It is a configuration.
- the first transparent conductive film 21 is formed so as to cover the photoelectric conversion layer 22 in which a plurality of convex portions 27 are formed two-dimensionally and periodically.
- the convex shape 26 of the first transparent conductive film 21 and the photoelectric conversion layer 22 are formed.
- the photonic crystal is constituted by the periodic structure with the convex portion 27 of the.
- the convex portion 27 of the photoelectric conversion layer 22 is a basic element that is regularly formed in order to form a phophotonic crystal.
- the second transparent conductive film 38 is a transparent conductive film and is formed so as to be sandwiched between the photoelectric conversion layer 12 and the metal electrode 13.
- the second transparent conductive film 38 is made of a medium having a smaller refractive index than the medium of the photoelectric conversion layer 12, and examples of the medium include ITO, IZO, SnO 2 , and ZnO.
- the manufacturing process of the solar cell 2 according to the present embodiment is the same as the manufacturing process of the solar cell 3 of the third embodiment, except that the processes in the steps shown in (i) and (j) of FIG. 13 are different.
- the holes are periodically formed in the p-type semiconductor layer 221.
- the protrusions 27 for forming the photonic crystal are periodically formed.
- the first transparent conductive film 21 is formed by vapor-depositing SnO 2 on the p-type semiconductor layer 221 on which the plurality of convex portions 27 are formed by dry etching.
- a photonic crystal is formed by the convex shape 26 formed on the first transparent conductive film 21 and the convex portion 27 formed on the photoelectric conversion layer 22.
- the solar cell 4 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 4 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 4 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 22.
- each refractive index of the 1st transparent conductive film 21 and the 2nd transparent conductive film 38 is smaller than the refractive index of the photoelectric converting layer 22, a high refractive index core is made into a low refractive index.
- a high refractive index core is made into a low refractive index.
- the light absorption rate by the photoelectric conversion layer 22 can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell 4 can be further increased.
- FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 5 according to the present embodiment.
- the solar cell 5 includes a metal electrode (metal electrode layer) 13, a transparent insulator layer 14, a support substrate 15, a first transparent conductive film (first transparent body) 51, and The photoelectric conversion layer 52 is provided.
- the incident direction of light is on the support substrate 15 side.
- the first transparent conductive film 51 is a transparent conductive film, and is provided so as to cover the incident surface side of the photoelectric conversion layer 52 on which sunlight is incident. Moreover, the 1st transparent conductive film 51 comprises the photonic crystal with the photoelectric converting layer 52 by having the some convex part 56 as shown in FIG. 15 periodically.
- the first transparent conductive film 11 is preferably a medium having a refractive index smaller than that of the photoelectric conversion layer 12.
- the convex part 56 of the photoelectric conversion layer 52 forms a basic element that is regularly formed in order to form a phophotonic crystal.
- the photoelectric conversion layer 52 is a semiconductor layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, and has a convex shape 57 as shown in FIG. 15 to constitute a photonic crystal together with the first transparent conductive film 51.
- the convex shape 57 is formed as a result of a plurality of holes having a shape complementary to the convex portion 56 being formed in the photoelectric conversion layer 52.
- the photoelectric conversion layer 52 has a structure in which semiconductor layers having different polarities are adjacent to each other, and the structure is not particularly limited.
- a p-type semiconductor layer 521 and an n-type semiconductor layer as shown in FIG. A pn vertical structure in which 522 is adjacent may be adopted.
- a pin vertical structure in which an i-type semiconductor layer (a so-called intrinsic semiconductor layer, not shown) is sandwiched between a p-type semiconductor layer 521 and an n-type semiconductor layer 522 can also be employed.
- the photoelectric conversion layer 52 having the convex shape 57 is the n-type semiconductor layer 522, and the n-type semiconductor layer 522 of the photoelectric conversion layer 52 and the first transparent conductive film 51 are used. Constitutes a photonic crystal.
- the concave portion is formed in the photoelectric conversion layer 52 itself, the refractive index is reduced at the interface between the photoelectric conversion layer 52 and the first transparent conductive film 51 as the adjacent layer. Only two different materials are adjacent to each other to form a photonic crystal.
- the solar cell 5 includes a metal electrode 13 as a lowermost layer (a surface opposite to the incident surface), and a photoelectric conversion layer 52 is stacked thereon.
- the photoelectric conversion layer 52 includes a p-type semiconductor layer 521 and an n-type semiconductor layer 522, which are stacked in this order from the surface opposite to the incident surface.
- the n-type semiconductor layer 522 included in the photoelectric conversion layer 52 has a concavo-convex shape
- the first transparent conductive film 51 is formed so as to cover the concavo-convex shape
- the transparent insulator layer 14 is formed thereon.
- a support substrate 15 is laminated on the transparent insulator layer 14 as the uppermost layer (incident surface) of the solar cell 5.
- FIG. 16 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the solar cell 5 according to the present embodiment.
- the photonic crystal formed by the convex portion 56 of the first transparent conductive film 51 and the convex shape 57 of the photoelectric conversion layer 52 resonates incident light in the in-plane direction, as indicated by an arrow A in FIG. Can do. That is, the entire photonic crystal functions as one large resonator that resonates in the in-plane direction. Thereby, the photonic crystal can confine incident light in the entire photonic crystal.
- the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the metal electrode 13 as shown by the arrow A in FIG. 16 that is, the incident light to the photoelectric conversion layer 52, and Due to the light confinement effect due to the interference effect with the reflected light from the metal electrode 13, the light incident on the photoelectric conversion layer 52 is interposed between the photonic crystal and the metal electrode 53 as shown by an arrow B in FIG. You will be trapped.
- incident light is diffracted or scattered when passing through the photonic crystal, the solar cell 5 can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer 52.
- the solar cell 5 can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 52, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell 5. Further, the photoelectric conversion layer 52 can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 52. Furthermore, since the solar cell 5 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 5 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 52.
- the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a
- the diameter of the convex portion 56 (that is, the hole formed in the photoelectric conversion layer 52) formed in the first transparent conductive film 51 is 2r
- protrusion 56 height (hole) d the height of the photoelectric conversion layer 52 h, from the photoelectric conversion layer 52 to the supporting substrate 15 the height and L S.
- the refractive index of crystalline silicon that is a medium of the photoelectric conversion layer 52 is n s
- the refractive index of the medium of the first transparent conductive film 51 is n t
- the refractive index of the medium of the transparent insulator layer 14 is n SiO2
- the support substrate is n Glass
- the absorption coefficient of the crystalline silicon with respect to a certain wavelength of light is ⁇ .
- the resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength.
- the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient ⁇ of crystalline silicon, and the height h of the photoelectric conversion layer 52. Rate) S.
- the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
- FIG. 17 is a process diagram showing a manufacturing process of the solar cell 5 according to the present embodiment.
- the medium of the first transparent conductive film 51 is SnO 2
- the medium of the photoelectric conversion layer 52 is c-Si
- the medium of the metal electrode 13 is Al
- the medium of the transparent insulator layer 14 is SiO 2.
- the present invention is not limited to this example.
- a c-Si layer is formed, and a p-type sub-semiconductor layer 521a is formed by doping a p-type impurity.
- c-Si is vapor-deposited on the p-type sub-semiconductor layer 521a, and an n-type impurity (for example, phosphorus) is doped (implanted) to form an n-type semiconductor layer 522, and a pn junction is formed.
- a semiconductor layer is formed. Note that the incident direction of light is on the n-type semiconductor layer 522 side.
- an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged layer 120 in which the silicon crystal lattice is partially cut in the p-type sub-semiconductor layer 521a.
- the p-type sub-semiconductor layer 521a on the n-type semiconductor layer 122 side is the p-type sub-semiconductor layer 121b with the damaged layer 120 as a boundary
- the p-type sub-semiconductor layer 121a on the opposite side to the n-type semiconductor layer is the p-type sub-semiconductor. This is layer 121c.
- holes for forming a photonic crystal are periodically formed in the n-type semiconductor layer 522 by dry etching (that is, the convex shape 57 is formed).
- dry etching is inductively coupled reactive ion etching using carbon tetrafluoride (CF 4 ) as an etching gas.
- CF 4 carbon tetrafluoride
- the present invention is not limited to this, and as the etching gas, sulfur hexafluoride (SF 6 ), trifluoromethane (CHF 3 ), or the like may be employed.
- the first transparent conductive film 51 is formed by vapor-depositing SnO 2 on the n-type semiconductor layer 522 on which the convex shape 57 is formed by dry etching.
- SiO 2 is vapor-deposited on the formed first transparent conductive film 51 to form the transparent insulator layer 14.
- the surface of the formed transparent insulator layer 14 has an uneven shape, the surface is flattened by CMP as shown in FIG.
- the laminated body formed in the above (a) to (e) is inverted so that the transparent insulator layer 14 whose surface is flattened becomes the lower surface, so that the transparent insulator The layer 14 and the support substrate 15 are bonded. Since the laminate is inverted, the light incident surface is the surface of the laminate on the support substrate 15 side.
- the p-type sub-semiconductor layer 521c and the p-type sub-semiconductor layer 521b are cleaved with the damaged layer 120 as a boundary to form the uppermost layer of the substrate.
- the p-type sub semiconductor layer 521c is removed (wafer removal by heat treatment).
- the damaged layer 120 is formed in the step shown in FIG. 17B, the p-type sub semiconductor layer 521 c can be removed along the damaged layer 120.
- the surface after removing the p-type sub semiconductor layer 521c from the wafer (the surface of the p-type sub semiconductor layer 521b) is modified and the uneven shape is planarized. Then, the p-type semiconductor layer 521 of the photoelectric conversion layer 52 is formed.
- a plurality of convex portions 56 are formed in the first transparent conductive film 51 by depositing SnO 2 in holes periodically formed in the n-type semiconductor layer 522.
- a photonic crystal is formed by the plurality of convex portions 56 formed on the first transparent conductive film 51 and the convex shape 57 formed on the n-type semiconductor layer 522.
- the solar cell 5 can increase the light absorption rate particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (a thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 5 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 5 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 52.
- the photoelectric conversion layer 52 can be protected by the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, and the first transparent conductive film 51 by setting the surface of the support substrate 15 as the light incident surface, A solar cell having excellent resistance can be formed.
- the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, and the first transparent conductive film 51 are formed on one surface of the photoelectric conversion layer 52, the other side of the photoelectric conversion layer 52 is formed. It is not necessary to form any of the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, and the first transparent conductive film 51 on the surface. Thereby, handling of the photoelectric conversion layer 52 can be facilitated.
- the metal electrode 13 can be formed on the surface of the photoelectric conversion layer 52 opposite to the surface on which the support substrate 15 or the like is provided, a degree of freedom can be given to the patterning of the metal electrode 13. As a result, the cell configuration can be configured more efficiently.
- FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 6 according to the present embodiment.
- the solar cell 6 according to the present embodiment includes a second transparent conductive film (second transparent conductive film) 68 between the photoelectric conversion layer 52 and the metal electrode 13,
- the configuration is the same as that of the solar cell 5 according to Embodiment 5.
- the second transparent conductive film 68 is a transparent conductive film and is formed so as to be sandwiched between the photoelectric conversion layer 52 and the metal electrode 13.
- the second transparent conductive film 68 is made of a medium having a refractive index smaller than that of the photoelectric conversion layer 52, and examples of the medium include ITO, IZO, SnO 2 , and ZnO.
- FIG. 19 is a diagram showing a light resonance effect by the photonic crystal included in the solar cell 6 according to the present embodiment.
- the photonic crystal formed by the convex portion 56 of the first transparent conductive film 51 and the convex shape 57 of the photoelectric conversion layer 52 causes the incident light to resonate in the in-plane direction, as indicated by an arrow A in FIG. Can do. That is, the entire photonic crystal functions as one large resonator that resonates in the in-plane direction. Thereby, the photonic crystal can confine incident light in the entire photonic crystal.
- the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator as shown by the arrow A in FIG. 19 and the light reflection effect by the metal electrode 13 that is, the incident light to the photoelectric conversion layer 52, and Due to the light confinement effect due to the interference effect with the reflected light from the metal electrode 13, the light incident on the photoelectric conversion layer 52 is interposed between the photonic crystal and the metal electrode 53 as shown by an arrow B in FIG. You will be trapped.
- incident light is diffracted or scattered when passing through the photonic crystal, the solar cell 5 can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer 52.
- the solar cell 6 can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 52, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell 6. Further, the photoelectric conversion layer 62 can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 52. Furthermore, since the solar cell 6 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 6 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 52.
- the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a
- the diameter of the convex portion 56 (that is, the hole formed in the photoelectric conversion layer 52) formed in the first transparent conductive film 51 is 2r
- the height of the convex portion 56 (hole) is d
- the height of the photoelectric conversion layer 52 is h
- the height from the photoelectric conversion layer 52 to the support substrate 15 is L S2 .
- the refractive index of crystalline silicon that is a medium of the photoelectric conversion layer 52 is n s
- the refractive index of the medium of the first transparent conductive film 51 is n t
- the refractive index of the medium of the transparent insulator layer 14 is n SiO2
- the support substrate is n Glass
- the absorption coefficient of the crystalline silicon with respect to a certain wavelength of light is ⁇ .
- the resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength.
- the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient ⁇ of crystalline silicon, and the height h of the photoelectric conversion layer 52. Rate) S.
- the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
- FIG. 20 is a process diagram showing a manufacturing process of the solar cell 6 according to the present embodiment.
- the medium of the first transparent conductive film 51 and the second transparent conductive film 68 is SnO 2
- the medium of the photoelectric conversion layer 52 is c-Si
- the medium of the metal electrode 13 is Al
- transparent The case where the medium of the insulator layer 14 is SiO 2 will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
- the manufacturing process of the solar cell 6 according to this embodiment shown in FIG. 20 is the same as each manufacturing process of the solar cell 5 according to Embodiment 5 shown in FIG. 17 except that the process shown in (i) is different. Therefore, description of steps other than the step shown in (i) is omitted here.
- SnO 2 is deposited on the planarized p-type semiconductor layer 521 to form a second transparent conductive film 68.
- Al is vapor-deposited on the formed second transparent conductive film 68, and the metal electrode 13 is formed by forming an Al film.
- the solar cell 6 according to this embodiment is completed through the manufacturing steps (a) to (i) of FIG.
- the solar cell 6 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 6 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 6 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 52.
- each refractive index of the 1st transparent conductive film 51 and the 2nd transparent conductive film 68 is smaller than the refractive index of the photoelectric converting layer 52, a high refractive index core is made into a low refractive index.
- a high refractive index core is made into a low refractive index.
- the light absorption rate by the photoelectric conversion layer 52 can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell 6 can be further increased.
- the photoelectric conversion layer 52 can be protected by the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, and the first transparent conductive film 51 by setting the surface of the support substrate 15 as the light incident surface, A solar cell having excellent resistance can be formed.
- the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, the first transparent conductive film 51, and the second transparent conductive film 68 are formed on one surface of the photoelectric conversion layer 52, It is not necessary to form any of the support substrate 15, the transparent insulator layer 14, the first transparent conductive film 51, and the second transparent conductive film 68 on the other surface of the photoelectric conversion layer 52. Thereby, handling of the photoelectric conversion layer 52 can be facilitated.
- the metal electrode 13 can be formed on the surface of the photoelectric conversion layer 52 opposite to the surface on which the support substrate 15 or the like is provided, a degree of freedom can be given to the patterning of the metal electrode 13. As a result, the cell configuration can be configured more efficiently.
- FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 7 according to the present embodiment.
- the solar cell 7 includes a support substrate 15, a photoelectric conversion layer 72, a metal electrode 73 a, a metal electrode 73 b, a first transparent insulator layer (first transparent body) 71, and a second.
- a transparent insulator layer (transparent insulating layer) 74, an n + layer (cathode electrode) 78, and a p + layer (positive electrode) 79 are provided.
- the light incident surface of the solar cell 7 according to the present embodiment is on the support substrate 15 side.
- the photoelectric conversion layer 72 is a semiconductor layer that absorbs light and performs photoelectric conversion.
- the photoelectric conversion layer 72 has a plurality of holes as shown in FIG. 21 and convex shapes around the holes, thereby filling the holes.
- a photonic crystal is formed together with one transparent insulator layer 71.
- the case where the photoelectric conversion layer 72 is an n-type semiconductor layer will be described as an example.
- the present invention is not limited to this, and for example, a configuration in which the photoelectric conversion layer 72 is a p-type semiconductor layer. It may be adopted.
- the hole of the photoelectric conversion layer 72 is a basic element that is regularly formed to form a photonic crystal.
- examples of the medium of the photoelectric conversion layer 72 include crystalline silicon (c-Si), but are not limited thereto.
- silicon ( ⁇ c-Si), amorphous silicon (a-Si), and polysilicon (p-Si: high-purity polycrystalline silicon) may be employed as the medium of the photoelectric conversion layer 72.
- the metal electrodes 73a and 73b are layers formed on the surface (second surface) opposite to the side on which light enters the solar cell 1.
- a material of the metal electrodes 73a and 73b a material having high light reflectivity and high electrical conductivity, for example, Ag, Mo, Al, or the like can be selected.
- the metal electrodes 73a and 73b can be functioned also as a reflector, the solar cell 7 with high light absorption efficiency can be comprised by this.
- the second transparent insulator layer 74 is a layer made of a transparent insulator having a smooth surface and a hydrophilic surface, and connects and insulates the photoelectric conversion layer 72 and the support substrate 15.
- the first transparent insulator layer 71 is a transparent insulator.
- Each of the n + layer 78 and the p + layer 79 is an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer doped with impurities having a corresponding polarity at a high concentration, and is located at the boundary between the metal electrodes 73 a and 73 b and the photoelectric conversion layer 72. Is provided.
- the n + layer 78 and the p + layer 79 layer reduce the width of the depletion layer generated in the photoelectric conversion layer 72 and facilitate the flow of current by the tunnel effect.
- the solar cell 7 functions as a battery by taking out the electric current photoelectrically converted in the photoelectric converting layer 72 from the metal electrode 73a and the metal electrode 73b.
- the solar cell 7 includes a metal electrode 73a and a metal electrode 73b as the lowermost layer (surface opposite to the incident surface), and an n + layer 78 is disposed on the metal electrode 73a.
- a p + layer 79 is laminated on 73b.
- the photoelectric conversion layer 72 and the second transparent insulator layer 74 are laminated in this order.
- the photoelectric conversion layer 72 and the second transparent insulator layer 74 are formed with an uneven shape, and the first transparent insulator layer 71 is provided in the recessed portion of the uneven shape. Furthermore, the support substrate 15 is laminated on the second transparent insulator layer 74 and the first transparent insulator layer 71 as the uppermost layer (incident surface) of the solar cell 7.
- a plurality of concave portions (holes) (first concave portions) formed in a columnar shape are regularly formed on the light incident surface (first surface) of the photoelectric conversion layer 72. Is formed.
- the photoelectric conversion layer 72 has a convex shape (second convex portion) remaining around each of the regularly formed concave portions.
- the 2nd transparent insulator layer 74 is formed so that only the convex-shaped part of the photoelectric converting layer 72 may be covered, and the photoelectric converting layer 72 and the support substrate 15 are joined.
- the first transparent insulator layer 71 is formed so as to fill the concave portions formed in the photoelectric conversion layer 72 and the second transparent insulator layer 74. That is, the first transparent insulator layer 71 is formed as a plurality of cylinders so as to fill the concave portions formed in the photoelectric conversion layer 72 and the second transparent insulator layer 74.
- the concavo-convex shape formed on the light incident surface of the photoelectric conversion layer 72 causes the photonic crystal to have a periodicity in the refractive index difference between the photoelectric conversion layer 72 and the first transparent insulator layer 71. It is composed.
- the photoelectric conversion unit is configured to include the photoelectric conversion layer 72 and the first transparent insulator layer 71.
- FIG. 22 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the solar cell 7 according to the present embodiment.
- the photonic crystal can resonate incident light in the in-plane direction as indicated by an arrow A in FIG. That is, the entire photonic crystal functions as one large resonator that resonates in the in-plane direction. Thereby, the photonic crystal can confine incident light in the entire photonic crystal.
- the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the metal electrodes 73a and 73b that is, the incident light on the photoelectric conversion layer 72 as shown by an arrow A in FIG. 22).
- the light confinement effect by the interference effect with the reflected light from the metal electrodes 73a and 73b the light incident on the photoelectric conversion layer 72 is converted into the photonic crystal and the metal electrode 73a as shown by an arrow B in FIG. And 73b.
- the solar cell 7 can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer 52.
- the solar cell 7 can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 72 and can increase the amount of electromotive force in the solar cell 7.
- the photoelectric conversion layer 72 can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer 72.
- the solar cell 7 since the solar cell 7 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 7 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 72.
- the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a
- the diameter of the first transparent insulator layer 71 that is, the hole formed in the photoelectric conversion layer 72 and the second transparent insulator layer 74. 2r, the height of the hole formed in the photoelectric conversion layer 72 is d, the height of the photoelectric conversion layer 72 is h, and the height from the photoelectric conversion layer 72 to the support substrate 15 is L S3 .
- the refractive index of crystalline silicon that is a medium of the photoelectric conversion layer 72 is n s
- the refractive index of the medium of the first transparent insulator layer 71 is n SiO2
- the refractive index of the medium of the support substrate 15 is n Glass
- the crystalline silicon Let ⁇ be the absorption coefficient for a certain wavelength of light.
- the resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength. Further, at a certain light wavelength, the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient ⁇ of crystalline silicon, and the height h of the photoelectric conversion layer 72. Rate) S.
- the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
- FIG. 23 is a process diagram showing a manufacturing process of the solar cell 7 according to the present embodiment.
- the medium of the second transparent insulator layer 74 and the first transparent insulator layer 71 is SiO 2
- the medium of the photoelectric conversion layer 72 is c-Si
- the medium of the metal electrode 13 is Al.
- the present invention is not limited to this example.
- a c-Si layer is formed, and an n-type impurity (for example, phosphorus or the like) is doped (implanted) to thereby form a sub photoelectric conversion layer 72a that is an n-type semiconductor layer.
- n-type impurity for example, phosphorus or the like
- SiO 2 is vapor-deposited on the sub photoelectric conversion layer 72a to form the second transparent insulator layer 74. If the surface of the formed second transparent insulator layer 74 has a concavo-convex shape, the surface is flattened by CMP as shown in FIG. In addition, the incident direction of light is the 2nd transparent insulator layer 74 side.
- an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged layer 120 in which the silicon crystal lattice is partially cut in the sub photoelectric conversion layer 72a.
- the sub photoelectric conversion layer 72a on the second transparent insulator layer 74 side is defined as a sub photoelectric conversion layer 72b
- the sub photoelectric conversion layer 72a on the opposite side to the second transparent insulator layer 74 is defined as a sub photoelectric conversion layer.
- the conversion layer 72c is used.
- the hole (concave shape) for forming the photonic crystal is flattened by dry etching, the second transparent insulator layer 74, and the sub photoelectric conversion. Periodically formed on the layer 72b.
- SiO 2 is vapor-deposited in the holes formed by the step (d) to form the first transparent insulator layer 71. Further, the substrate on which the first transparent insulator layer 71 is formed is inverted, and the second transparent insulator layer 74 and the support substrate 15 are joined. Since the substrate is inverted, the light incident surface is the surface of the substrate on the support substrate 15 side.
- the sub photoelectric conversion layer 72c and the sub photoelectric conversion layer 72b are cleaved with the damaged layer 120 as a boundary, so that the sub photoelectric conversion which is the uppermost layer of the substrate is performed.
- the layer 72c is removed (wafer removal by heat treatment).
- the sub photoelectric conversion layer 72 c can be removed along the damaged layer 120.
- the surface after removing the sub-photoelectric conversion layer 72c from the wafer (the surface of the sub-photoelectric conversion layer 72b) is modified, and the uneven shape is flattened so that A conversion layer 72 is formed.
- n + is doped by doping impurities having a corresponding polarity at a high concentration in accordance with the positions where the metal electrode 73a and the metal electrode 73b of the photoelectric conversion layer 72 are formed.
- a layer 78 and a p + layer 79 are formed (back contact film formation).
- Al is vapor-deposited so as to cover the n + layer 78 and the p + layer 79 formed in the photoelectric conversion layer 72, and an Al film is formed to form the metal electrode 73a and the metal electrode 73b.
- the solar cell 7 according to this embodiment is completed through the manufacturing steps (a) to (h) in FIG.
- the case where the first transparent insulator layer 71 is solid has been described as an example, but the present invention is not limited to this.
- a configuration in which the first transparent insulator layer 71 is air may be employed.
- the substrate formed by the step (d) may be reversed as it is, and the second transparent insulator layer 74 and the support substrate 15 may be joined.
- the first transparent insulator layer 71 using air as a medium is formed in the hole formed by the step (d).
- the solar cell 7 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 7 includes the support substrate 15, it can be prevented that the shape of the solar cell 7 cannot be maintained by reducing the thickness of the photoelectric conversion layer 72.
- FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of a solar cell 7 ′ according to this modification.
- the solar cell 7 ′ includes a support substrate 15, a photoelectric conversion layer 72, metal electrodes 73a and 73b, a first transparent insulator layer (first transparent body) 71 ′, and a second one.
- a transparent insulator layer (transparent insulating layer) 74 ′, an n + layer 78, and a p + layer 79 are provided.
- the second transparent insulator layer 74 ′ is a layer made of an insulator having a smooth surface and a hydrophilic surface, and connects and insulates the metal electrodes 73a and 73b and the photoelectric conversion layer 72 and the support substrate 15. is doing.
- the first transparent insulator layer 71 ′ is a transparent insulator and is provided as an incident surface on which sunlight is incident.
- the solar cell 7 ′ includes a support substrate 15 as a lowermost layer (outermost surface opposite to the incident surface), and a second transparent insulator layer 74 ′ is stacked thereon. Further, a metal electrode 73a and a metal electrode 73b are formed on the second transparent insulator layer 74 ′, respectively, an n + layer 78 is formed on the metal electrode 73a, and a metal electrode 73b is formed on the metal electrode 73b. A p + layer 79 is laminated.
- a photoelectric conversion layer 72 is laminated on the metal electrodes 73a and 73b, the n + layer 78, and the p + layer 79.
- an uneven shape is formed on the incident surface of the photoelectric conversion layer 72, and the first transparent insulator layer 71 ′ is the uppermost layer of the solar cell 7 ′ (the outermost surface on the incident surface side) so as to cover the uneven shape.
- the outer layer is laminated. That is, the n + layer 78 and the p + layer 79 are formed on the surface (second surface) opposite to the light incident surface of the photoelectric conversion layer 72.
- the solar cell 7 ′ As described above, in the solar cell 7 ′ according to the present embodiment, an uneven structure is formed in the photoelectric conversion layer 72 itself, and the first transparent insulator layer 71 ′ is formed so as to cover the uneven structure. As a result, at the interface between the photoelectric conversion layer 72 and the first transparent insulator layer 71 ′ as the adjacent layer, only two types of materials having different refractive indexes are adjacent to each other to form a photonic crystal.
- n + layer 78 and the p + layer 79 are formed on the second surface, electric power can be taken out from the second surface side. Therefore, it is possible to obtain the effect of improving the light absorption rate by the above-described photonic crystal with a simple configuration.
- the solar cell according to one embodiment of the present invention (solar cells 1 to 6) (1) a photoelectric conversion unit (first transparent conductive films 11, 21, 51, photoelectric conversion layers 12, 22, 52, 62); (2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit; (3) The photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layers 12, 22, 52, 62) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and has a first recess on a first surface (light incident surface) on the light incident side.
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized by that.
- the first transparent body is arranged at each lattice point of a square lattice, for example, by filling the first concave portions regularly formed on the first surface of the photoelectric conversion layer. It is a form. As a result, the refractive index periodically changes so as to form a photonic crystal in the uneven shape of the first surface.
- the second concave portion is formed, and the second concave portion is formed into the first transparent portion.
- the first convex portion of the photoelectric conversion layer is arranged at each lattice point of a square lattice, for example.
- the refractive index periodically changes so as to form a photonic crystal in the uneven shape of the first surface.
- the solar cell can resonate the captured light in the in-plane direction of the photonic crystal, so that a high effect of confining the light can be obtained. Further, since incident light is diffracted or scattered when passing through the photonic crystal, the solar cell can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer.
- the solar cell can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell. Further, the photoelectric conversion layer can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer. Furthermore, since the said solar cell is equipped with the said support substrate, it can prevent that it becomes impossible to maintain the shape of the said solar cell by thinning the said photoelectric converting layer.
- the first transparent body can form a photonic crystal even if it is a transparent gas such as air.
- a transparent gas such as air.
- the solar cell in order for the solar cell to function as a battery, it is necessary to take out electrons from the solar cell. In order to extract electrons, it is preferable to form a transparent solid having conductivity on at least one of the light incident surface and the surface opposite to the light incident surface of the photoelectric conversion layer.
- Patent Document 1 since a local auxiliary electrode is directly attached to the photoelectric conversion layer without forming a transparent conductive layer on the photoelectric conversion layer, there is a problem that electron collection efficiency is low. I will add that.
- the said 1st transparent body is a solid electroconductive transparent body, since it can take out an electron from the said 1st transparent body, it differs from the said 1st transparent body used for taking out an electron. It is not necessary to form a layer separately, and the configuration of the solar cell can be simplified.
- the first concave portions or the first convex portions are arranged on the first surface in a square lattice pattern with a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less, (2)
- the shape of the first concave portion or the first convex portion is a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less, (3) It is preferable that the depth of the first concave portion or the height of the first convex portion is 100 nm or more and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
- the light absorption rate is increased to 1.2 times or more, which is a significant effect, as compared with a solar cell not provided with a photonic crystal.
- the light absorption rate is higher than that of the conventional solar cell, and the photoelectric conversion layer can be made thin (about several hundred nm) which cannot be achieved by the conventional solar cell.
- the first transparent body of the solar cell is a first transparent conductive film (first transparent conductive film 11, 21, 51) that covers the uneven shape of the first surface.
- the first transparent conductive film is preferably the outermost layer on the light incident side in the solar cell.
- the first transparent conductive film can serve both as a protective film for the photoelectric conversion layer and as one of two electrodes necessary for the solar cell. Further, since the first transparent conductive film is the outermost layer, it is only necessary to pass through the first transparent conductive film until the light reaches the first surface. Thereby, the loss of light can be reduced, which is advantageous for increasing the amount of incident light on the photoelectric conversion layer.
- the first transparent conductive film is solid, the reflectance on the first surface is kept low as described above, which is further advantageous for increasing the amount of incident light.
- a metal electrode layer (metal electrodes 13 and 53) is provided between the photoelectric conversion layer and the support substrate.
- the effect of confining the light between the photonic crystal and the metal electrode can be increased by the interference effect between the light that has passed through the photonic crystal and the light reflected by the metal electrode. it can.
- the light absorption rate by the photoelectric conversion layer can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell can be further increased.
- the first transparent body is a first transparent conductive film that covers the uneven shape of the first surface
- the first transparent conductive film is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer (transparent insulating layer 14)
- the metal electrode layer is provided in the 2nd surface (back surface of the photoelectric converting layer 12) on the opposite side to the said 1st surface of the said photoelectric converting layer.
- the solar cell can be configured such that light enters the photoelectric conversion layer from the support substrate through the transparent insulating layer and the first transparent conductive film.
- the photoelectric conversion layer using, for example, silicon as a medium can be protected by the support substrate, the transparent insulating layer, and the first transparent conductive film. An excellent solar cell can be formed.
- a support substrate, a transparent insulating layer, and a 1st transparent conductive film are formed into the surface of the one side of a photoelectric converting layer, a supporting substrate is formed in the surface of the other side of a photoelectric converting layer, Neither the transparent insulating layer nor the first transparent conductive film needs to be formed. Thereby, handling of the photoelectric conversion layer can be facilitated.
- the metal electrode layer can be formed on the surface of the photoelectric conversion layer opposite to the surface on which the support substrate or the like is provided, a degree of freedom can be given to patterning of the metal electrode layer.
- the freedom degree of the structure of the solar cell module which has arranged and wired multiple photovoltaic cells can be raised. This is because the degree of freedom can be given to the arrangement of the cells in the solar battery module by giving the degree of freedom to the patterning of the metal electrode layer of the solar battery cell.
- the solar cell module may be further attached with a protective substrate or the like.
- the solar battery cell is also referred to as one unit of the solar battery panel, and the solar battery module is also referred to as the solar battery panel.
- a second transparent conductive film (second transparent conductive films 38 and 68) provided so as to sandwich the photoelectric conversion layer with the first transparent conductive film is provided, (2) It is preferable that each refractive index of the said 1st transparent conductive film and the 2nd transparent conductive film is smaller than the refractive index of the said photoelectric converting layer.
- each refractive index of a 1st transparent conductive film and a 2nd transparent conductive film is smaller than the refractive index of a photoelectric converting layer, a high refractive index core is coat
- the light absorption rate by the photoelectric conversion layer can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell can be further increased.
- the solar cell (solar cell 7) is as follows. (1) a photoelectric conversion unit (first transparent insulator layer 71, photoelectric conversion layer 72); (2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit; (3) The photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layer 72) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and is formed in a first recess (cylindrical shape) on the first surface (light incident surface) on the light incident side. A plurality of recesses (holes) regularly formed, and a photoelectric conversion layer, (3-2) including a first transparent body (first transparent insulator layer 71) that at least fills the first recess.
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body.
- the second convex portions (convex shape) remaining around the first concave portions are joined to the support substrate, (6)
- a positive electrode (p + layer 79) and a negative electrode (n + layer 78) are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer.
- the first surface forming the concavo-convex shape and constituting the photonic crystal is joined to the support substrate by the second convex portion. Therefore, the light incident on the support substrate reaches the photonic crystal only by passing through the support substrate. For this reason, the loss of light can be reduced, which is advantageous for increasing the amount of incident light on the photoelectric conversion layer.
- the solar cell (solar cell 7 ′) is as follows. (1) a photoelectric conversion unit (first transparent insulator layer 71 ′, photoelectric conversion layer 72); (2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit; (3) The photoelectric conversion unit (3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layer 72) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and is formed in a first recess (cylindrical shape) on the first surface (light incident surface) on the light incident side.
- the concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body.
- a positive electrode (p + layer 79) and a negative electrode (n + layer 78) are formed on the second surface of the photoelectric conversion layer opposite to the first surface, (6)
- the second surface on which the positive electrode and the negative electrode are formed is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer (second transparent insulating layer 74 ′).
- the first recesses are arranged in a square lattice pattern on the first surface with a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less, (2)
- the shape of the first recess is a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less, (3)
- the depth of the first recess is preferably 100 nm or more and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
- the light absorption rate is increased to 1.2 times or more, which is a significant effect, as compared with a solar cell not provided with a photonic crystal.
- the light absorption rate is higher than that of the conventional solar cell, and the photoelectric conversion layer can be made thin (about several hundred nm) which cannot be achieved by the conventional solar cell.
- a solar cell panel in which the above-described solar cell is regarded as one unit and a plurality of units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally is also one category of the present invention. Therefore, since the solar cell with a high light absorption rate is arranged, a solar cell panel with a high photoelectric conversion rate can be obtained.
- an apparatus provided with any of the above-described solar cells as a power source is also one category of the present invention.
- Such devices include portable or stationary electronic devices, home appliances, advertising towers, and the like that operate using the solar cell as a power source.
- an apparatus provided with a solar cell panel as a power source is also one category of the present invention.
- Such devices include vehicles or advertising towers in addition to portable or stationary electronic devices or home appliances that operate using the solar cell panel as a power source.
- the present invention can be used for solar cells in general.
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池、複数の太陽電池を配列した太陽電池パネル、及び、太陽電池又は太陽電池パネルを電源として搭載した装置に関するものである。 The present invention relates to a solar cell, a solar cell panel in which a plurality of solar cells are arranged, and a device in which the solar cell or the solar cell panel is mounted as a power source.
一般的に、結晶シリコンを媒質に用いた太陽電池では、入射した太陽光を十分に吸収するためには、原理的には30μm程度の厚みを有していればよいとされている。しかし、実際には、300μm~400μm程度の厚みを有する太陽電池についての実用化が進んできているものの、現在、30μm程度の厚みを有する太陽電池の実用化には、ほとんど至っていない。 Generally, in a solar cell using crystalline silicon as a medium, in order to sufficiently absorb incident sunlight, in principle, it should have a thickness of about 30 μm. In practice, however, solar cells having a thickness of about 300 μm to 400 μm have been put into practical use, but currently, solar cells having a thickness of about 30 μm have hardly been put to practical use.
なお、太陽電池が原理的に30μm程度の厚みを有していればよいとされているのは、光吸収率の低い長波長側の太陽光を十分に吸収し、太陽電池として十分な光吸収率を得るために必要な厚さが30μm程度であるとされているためである。 In addition, it is said that the solar cell should have a thickness of about 30 μm in principle because it sufficiently absorbs sunlight on the long wavelength side having a low light absorptance, and sufficiently absorbs light as a solar cell. This is because the thickness required to obtain the rate is about 30 μm.
これに対し、太陽電池が実用的に300μm~400μm程度の厚さを必要としているのは、厚さが薄いと太陽電池の形状を維持できなくなり、破損の虞が生じ、また、十分な特性が得られなくなるという問題が生じるためである。 On the other hand, the solar cell needs a thickness of about 300 μm to 400 μm practically. If the thickness is small, the shape of the solar cell cannot be maintained, and there is a risk of breakage. This is because a problem that it cannot be obtained occurs.
ここで、図25を参照して、太陽電池の厚さが30μm、及び、400μmである場合における太陽電池の光吸収率について説明する。図25は、太陽光の波長に対する太陽電池の光吸収率及び太陽光の放射照度の特性を示すグラフである。図25において、一点鎖線は太陽電池の厚さが400μmである場合の特性を示し、二点鎖線は太陽電池の厚さが30μmである場合の特性を示し、破線は太陽電池の厚さが500nmである場合の特性を示している。 Here, with reference to FIG. 25, the light absorption rate of the solar cell when the thickness of the solar cell is 30 μm and 400 μm will be described. FIG. 25 is a graph showing the characteristics of the light absorption rate of the solar cell and the irradiance of sunlight with respect to the wavelength of sunlight. In FIG. 25, the alternate long and short dash line indicates characteristics when the thickness of the solar cell is 400 μm, the alternate long and two short dashes line indicates characteristics when the thickness of the solar cell is 30 μm, and the broken line indicates that the thickness of the solar cell is 500 nm. The characteristic in the case of is shown.
図25に示すように、太陽電池の厚さが30μmである場合には、太陽光の波長が約850nmまでの範囲において光吸収率が1.0である。また、太陽電池の厚さが400μmである場合には、太陽光の波長が約1050nmまでの範囲において光吸収率が1.0である。図25に示すように、太陽電池の厚さが30μmである場合には、短波長側の光の吸収率は良好であるものの、長波長側の光の吸収率は低い。これに対し、太陽電池の厚さが400μmである場合には、短波長側から長波長側まで、光の吸収率は良好なものとなる。また、太陽電池の厚さをさらに薄くした場合の一例として、厚さが500nmとした場合には、図25に示すように、450nm以上の太陽光の波長に対する光の吸収率が著しく低下してしまう。 As shown in FIG. 25, when the thickness of the solar cell is 30 μm, the light absorption rate is 1.0 in the range of the wavelength of sunlight up to about 850 nm. Further, when the thickness of the solar cell is 400 μm, the light absorption rate is 1.0 in the range of the wavelength of sunlight up to about 1050 nm. As shown in FIG. 25, when the thickness of the solar cell is 30 μm, the light absorption rate on the short wavelength side is good, but the light absorption rate on the long wavelength side is low. On the other hand, when the thickness of the solar cell is 400 μm, the light absorptance is good from the short wavelength side to the long wavelength side. Further, as an example when the thickness of the solar cell is further reduced, when the thickness is set to 500 nm, as shown in FIG. 25, the light absorptance with respect to the wavelength of sunlight of 450 nm or more is significantly reduced. End up.
ところで、厚みが300μm~400μm程度である太陽電池では、結晶シリコンの使用量が多いことから、結晶シリコンが有効活用されないばかりか、コストが大きくなり、太陽電池の収益を悪化させることが問題となっている。 By the way, in a solar cell having a thickness of about 300 μm to 400 μm, since the amount of crystalline silicon used is large, not only is the crystalline silicon not effectively used, but the cost is increased and the profit of the solar cell is deteriorated. ing.
このような問題に対し、特許文献1には、図26に示すような、光の吸収量を増やす光電変換装置の製造方法が開示されている。図26は、特許文献1に係る太陽電池の概要を表す断面図である。
To solve such a problem,
特許文献1では、図26に示すように、単結晶半導体層(単結晶シリコン)の表面を凹凸化することで光の反射を押さえ、入射した光を閉じ込めることによって、単結晶半導体層の厚さが0.1μm~10μm以下であっても600nm以下の波長の光の吸収量を増やす光電変換装置の製造方法が開示されている。なお、特許文献1では、800nm以上の波長については、光電変換装置をタンデム型とすることにより、光の吸収量を増している。
In
しかしながら、特許文献1に記載されているような、単結晶半導体層に凹凸構造を設けることによる入射光の表面反射率の低減効果、及び、光路長の増大効果は、さほど大きくなく、特に長波長側の光の吸収率は改善されないという問題があった。また、特許文献1に記載の技術では、長波長側の光の吸収率を高めるためには光電変換装置にタンデム型を採用するしかなく、光電変換装置の厚さを抑えるという目的とは相反することになるという問題があった。
However, as described in
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に長波長における光の吸収率を高めると共に、厚さを抑えた太陽電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell in which the absorption rate of light particularly at a long wavelength is increased and the thickness is suppressed.
本発明の一態様に係る太陽電池は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換ユニットと、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部または第1凸部が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1表面の上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体、または上記第1凸部を設けたことにより形成された第2凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成している、ことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a solar cell according to one embodiment of the present invention is provided.
(1) a photoelectric conversion unit;
(2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion or the first convex portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
(3-2) including a first transparent body that at least fills the first concave portion of the first surface, or a first transparent body that at least fills the second concave portion formed by providing the first convex portion,
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized by that.
また、本発明の一態様に係る太陽電池は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換ユニットと、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
(5)上記第1表面に上記第1凹部を複数設けたことにより、各第1凹部の周囲に残った第2凸部が、上記支持基板に接合され、
(6)上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極および陰電極が形成されている、ことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a solar cell according to one embodiment of the present invention is provided.
(1) a photoelectric conversion unit;
(2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
(3-2) including a first transparent body that fills at least the first recess,
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. And
(5) By providing a plurality of the first concave portions on the first surface, the second convex portions remaining around the first concave portions are joined to the support substrate,
(6) A positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface of the photoelectric conversion layer opposite to the first surface.
また、本発明の一態様に係る太陽電池は、上記の課題を解決するために、
(1)光電変換ユニットと、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
(5)上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極および陰電極が形成され、
(6)上記陽電極および上記陰電極が形成された上記第2表面が、透明絶縁層を介して上記支持基板に接合されている、ことを特徴としている。
In order to solve the above problems, a solar cell according to one embodiment of the present invention is provided.
(1) a photoelectric conversion unit;
(2) a support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
(3-2) including a first transparent body that fills at least the first recess,
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. And
(5) A positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer,
(6) The second surface on which the positive electrode and the negative electrode are formed is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer.
上記いずれかの太陽電池を1ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列された太陽電池パネル、上記いずれかの太陽電池を電源として備えた装置、および上記太陽電池パネルを電源として備えた装置も、本発明の範疇に含まれる。 A solar cell panel in which one of the above solar cells is used as a unit and a plurality of the units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, a device including any one of the solar cells as a power source, and the solar cell panel A device provided as a power source is also included in the scope of the present invention.
本発明に係る太陽電池は、以上のように、光電変換ユニットと、上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、上記光電変換ユニットは、光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部または第1凸部が規則的に形成された光電変換層と、上記第1表面の上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体、または上記第1凸部を設けたことにより形成された第2凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成している、ことを特徴としている。 As described above, the solar cell according to the present invention includes a photoelectric conversion unit and a support substrate that supports the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit is a photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion. A photoelectric conversion layer in which first concave portions or first convex portions are regularly formed on the first surface on the light incident side, and a first transparent body that at least fills the first concave portion on the first surface, or the above A first transparent body that at least fills the second concave portion formed by providing the first convex portion, and the concave-convex shape formed on the first surface is formed by the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized in that a photonic crystal is formed by giving periodicity to the difference in refractive index between the two.
したがって、上記太陽電池は、上記光電変換層における光の吸収率を向上させることができ、当該太陽電池における起電力量を増大させることができる。また、上記光電変換層における光の吸収率の向上により、当該光電変換層の薄型化も可能となる。さらに、上記太陽電池は、上記支持基板を備えているため、上記光電変換層の薄型化を行うことで当該太陽電池の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。 Therefore, the solar cell can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell. Further, the photoelectric conversion layer can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer. Furthermore, since the said solar cell is equipped with the said support substrate, it can prevent that it becomes impossible to maintain the shape of the said solar cell by thinning the said photoelectric converting layer.
<実施形態1>
本発明に係る太陽電池の一実施形態について、図1から図9を参照して以下に説明する。但し、本実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
<
One embodiment of a solar cell according to the present invention will be described below with reference to FIGS. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the present embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only, unless otherwise specified, and are merely descriptions. It is just an example.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成例について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態の太陽電池1の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the structural example of the solar cell which concerns on this embodiment is demonstrated with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the
図1に示すように、太陽電池1は、第1透明導電膜(第1透明体)11、光電変換層12、金属電極13(金属電極層)、透明絶縁体層(透明絶縁層)14、及び、支持基板15を備えている。太陽電池1は、これらの構成により、入射した光を光電変換し、電流として利用することができる。
As shown in FIG. 1, the
第1透明導電膜(TCO;Transparent Conducing Oxide)11は、透明な導電膜であり、太陽光が入射される入射面として設けられている。また、第1透明導電膜11は、光電変換層12を覆うように形成され、図1に示すような凸部16を有することによって、光電変換層12と共に、後述するフォトニック結晶を構成している。なお、フォトニック結晶構造については、図面を変えて後述する。
A first transparent conductive film (TCO; Transparent Conducting Oxide) 11 is a transparent conductive film, and is provided as an incident surface on which sunlight is incident. Moreover, the 1st transparent
また、第1透明導電膜11は、光電変換層12の媒質よりも屈折率が小さい媒質からなる。媒質としては、例えば、ITO(Indium-Tin-Oxide:インジウムスズオキシド)、IZO(Indium-Zinc-Oxide:インジウム亜鉛オキシド)、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。
The first transparent
光電変換層12は、光を吸収して光電変換する半導体層であり、光の入射側の面(入射面)(第1表面)に、図1に示すような凸形状17を有することによって、第1透明導電膜11と共に、後述するフォトニック結晶を構成している。
The
また、光電変換層12は、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有しており、その構造は特に限定されないが、例えば、図1に示すような、p型半導体層121とn型半導体層122とが隣接したpn縦型構造を採用してもよい。また、光電変換層12構造として、i型半導体層(いわゆる真性半導体層、不図示)をp型半導体層121とn型半導体層122とで挟んだpin縦型構造を採用することもできる。
The
なお、光電変換層12の媒質としては、屈折率が3.0~6.0程度である結晶シリコン(c-Si)を挙げることができるが、これに限定されるものではない。例えば、光電変換層12の媒質として、屈折率が3.0~4.0の程度である微結晶シリコン(μc-Si)、アモルファスシリコン(a-Si)、及び、ポリシリコン(p-Si:高純度多結晶シリコン)を採用してもよい。
Note that examples of the medium of the
金属電極13は、光電変換層12の光入射面(前記第1表面)と反対側の面(第2表面)に配された層である。金属電極13の材料としては、光反射率が高く、電気伝導度が大きな材料、例えば、Ag、Mo、又は、Alなどを選択できる。
The
第1透明導電膜11を介して光電変換層12に入射した光は、光電変換層にて電子と正孔とを発生させると共に、電子を価電子帯から導電帯へと励起することによって、吸収される。励起された電子は、第1透明導電膜11及び金属電極13を含む回路(不図示)を流れる電流となる。
Light incident on the
なお、金属電極13を、反射板としても機能させることができ、光電変換層12で光電変換されず、透過してきた光を、光電変換層12へと反射させることもできる。金属電極13を、光電変換層12の裏面(上記第2表面)の全面を覆って配することで、光電変換層12を透過した光を確実に反射することができるので、より、光の吸収効率が高い太陽電池1を構成することができる。
Note that the
透明絶縁体層14は、平滑面を有し、親水性表面を有した透明な絶縁体からなる層であり、金属電極13と支持基板15とを接続すると共に絶縁している。なお、透明絶縁体層14の媒質としては、SiO2、SiNx、及び、水晶基板などを挙げることができる。
The
支持基板15は、太陽電池1の形状を維持するための基板である。なお、支持基板15の材料としては、例えば、屈折率が1.52程度のガラスを選択できる。
The
なお、太陽電池1は、第1透明導電膜11と、金属電極13とから、光電変換層12において光電変換された電流を取り出すことによって、電池として機能する。
In addition, the
(太陽電池の各構成要素の配置)
太陽電池1は、図1に示すように、最下層(入射面と反対側の面)として支持基板15を備え、その上に透明絶縁体層14、金属電極13、及び、光電変換層12がこの順で積層されている。なお、光電変換層12は、n型半導体層122、及び、p型半導体層121からなり、入射面と反対側の面からこの順で積層されている。
(Arrangement of each component of solar cell)
As shown in FIG. 1, the
また、光電変換層12の有するp型半導体層121の入射面には凹凸形状が形成されており、その凹凸形状を覆うようにして、第1透明導電膜11が太陽電池1の入射面(最外層)として積層されている。
In addition, a concavo-convex shape is formed on the incident surface of the p-
〔フォトニック結晶の構造〕
次に、フォトニック結晶について、図1及び図2を参照して説明する。図2は、図1に示すフォトニック結晶のA-B断面図であり、本実施形態に係る太陽電池1のフォトニック結晶の構造の概略を示す上面図である。
[Structure of photonic crystal]
Next, the photonic crystal will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AB of the photonic crystal shown in FIG. 1, and is a top view schematically showing the structure of the photonic crystal of the
ここで、フォトニック結晶(Photonic Crystal)とは、屈折率が周期的に変化するナノ構造体である。 Here, a photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically.
図1及び図2に示すように、本実施形態では、光電変換層12(より正確には、光電変換層12のp型半導体層121)の光入射面には、円柱状に形成された複数の凹部(孔)(第1凹部)が規則的に形成されている。換言すれば、光電変換層12に、複数の凹部を規則的に形成した結果、隣り合う凹部同士の間が、凸形状17となっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, a plurality of cylindrically formed light incident surfaces of the photoelectric conversion layer 12 (more precisely, the p-
また、図1及び図2に示すように、光電変換層12の有する上記凹部を少なくとも満たすように第1透明導電膜11が形成されている。この結果、第1透明導電膜11には、光電変換層12の上記凹部を少なくとも満たすように、円柱状に形成された複数の凸部16が形成されている。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the first transparent
つまり、本実施形態では、光電変換層12の光入射面に形成された凹凸形状の凹部(より具体的には、凹部に形成される凸部16)が、フォトニック結晶を構成するために規則的に形成される基本要素をなしている。
That is, in the present embodiment, the concave and convex portions formed in the light incident surface of the photoelectric conversion layer 12 (more specifically, the
なお、本実施形態では、光電変換層12、及び、第1透明導電膜11を含んで、光電変換ユニットが構成されている。
In the present embodiment, a photoelectric conversion unit is configured including the
第1透明導電膜11に形成された複数の凸部16は、それぞれ、隣接する凸部16との配置間隔(ピッチ)が等間隔になるよう、正方格子状に配置されている。すなわち、光電変換層12に形成された複数の凹部が、それぞれ、隣接する凹部との配置間隔が等間隔になるよう、正方格子状に配置されている。なお、隣接する凸部16同士の配置間隔の値を、格子定数a(nm)とも呼称する。
The plurality of
上述したように、第1透明導電膜11に形成された複数の凸部16は、第1透明導電膜11と屈折率の異なる光電変換層12の媒質内に周期的に配置されている。凸部16がこのように配置されることにより、第1透明導電膜11の屈折率と、光電変換層12の屈折率との屈折率差が周期的に存在することになる。すなわち、第1透明導電膜11に形成された複数の凸部16と、光電変換層12に形成された凸形状17とによって、屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶が構成される。
As described above, the plurality of
このように、本実施形態に係る太陽電池1では、光電変換層12自体に凹部を形成しているため、光電変換層12および隣接層としての第1透明導電膜11の界面では、屈折率の異なる2種の材料のみが隣接してフォトニック結晶を構成している。
As described above, in the
なお、本実施形態では、複数の凸部16が円柱状に形成されている場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数の凸部16は、三角柱状に形成されていてもよく、四角柱状に形成されていてもよい。また、凸部16として、円錐台、三角錐台、四角錐台の形状を選択することもできる。
In the present embodiment, the case where the plurality of
(フォトニックバンド構造)
上記のような構成を備えたフォトニック結晶には、フォトニックバンド構造が生成される。フォトニックバンド構造は、フォトニック結晶に対する光の入射方向と、後述する規格化周波数Vとの関係によって表される。
(Photonic band structure)
A photonic band structure is generated in the photonic crystal having the above configuration. The photonic band structure is represented by the relationship between the incident direction of light with respect to the photonic crystal and a normalized frequency V described later.
より具体的には、第1透明導電膜11の媒質による低誘電バンドと、光電変換層12の媒質による高誘電バンドとが生成される。なお、フォトニックバンド構造には、フォトニック結晶内で存在できない光の波長帯域として、低誘電バンドと高誘電バンドとに挟まれたフォトニックバンドギャップが含まれている。
More specifically, a low dielectric band due to the medium of the first transparent
(フォトニック結晶における光の閉じ込め効果)
次に、フォトニック結晶における共振効果について、図3を参照して説明する。図3は、本実施形態に係る太陽電池1の有するフォトニック結晶による光の共振効果を示す図である。
(Light confinement effect in photonic crystals)
Next, the resonance effect in the photonic crystal will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the
第1透明導電膜11の凸部16、及び、光電変換層12の凸形状17によって形成されたフォトニック結晶は、図3の矢印Aに示すように、入射光を面内方向に共振させることができる。つまり、フォトニック結晶全体が、面内方向にて共振する1つの大きな共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶は、入射光をフォトニック結晶全体に閉じ込めることができる。
The photonic crystal formed by the
また、図3の矢印Aに示すような、共振器として機能するフォトニック結晶の共振効果と、金属電極13による光の反射効果との相互作用(すなわち、光電変換層62への入射光と、金属電極13による反射光との干渉効果)による光閉じ込めの効果によって、図3の矢印Bに示すように、光電変換層12に入射された光は、フォトニック結晶と金属電極13との間に閉じ込められることになる。また、入射光がフォトニック結晶を通過する際に、回折又は散乱するため、太陽電池1は、光電変換層12を通過する光の経路を増加させることができる。
Further, the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the
これによって、太陽電池1は、光電変換層12における光の吸収率を向上させることができ、太陽電池1における起電力量を増大させることができる。
Thereby, the
〔光吸収の最適条件〕
次に、本実施形態に係る太陽電池1における光吸収の最適条件について、図3から図8を参照して説明する。
[Optimal conditions for light absorption]
Next, the optimum conditions for light absorption in the
図3に示すように、共振の大きさQを決めるパラメータとして、フォトニック結晶の格子定数(ピッチ)をa、第1透明導電膜11に形成された凸部16(言い換えると、光電変換層12に形成された孔)の直径を2r、凸部16の高さをd、光電変換層12の厚みをh、第1透明導電膜11及び光電変換層12の厚みをLとする。なお、Lは、第1透明導電膜11の光入射面から光電変換層12の前記第2表面までの距離に相当する。
As shown in FIG. 3, as a parameter for determining the magnitude of resonance Q, the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a, and the projections 16 (in other words, the
また、光電変換層12の媒質である結晶シリコンの屈折率をns、第1透明導電膜11の媒質の屈折率をnt、結晶シリコンにおける、ある光の波長に対する吸収係数をαとする。
Also, let n s be the refractive index of the crystalline silicon that is the medium of the
格子定数a、凸部16の直径2r、凸部16の高さ(すなわち、フォトニック結晶の高さ)d、第1透明導電膜11及び光電変換層12の厚みL、光電変換層12の屈折率ns、及び、第1透明導電膜11の屈折率ntから、複数の光の波長に対する共振条件が決定され、波長ごとに共振の大きさQを得ることができる。
Lattice constant a,
また、ある光の波長において、上記のように得られた共振の大きさQと、他のパラメータとしての結晶シリコンの吸収係数α及び光電変換層12の高さhとから、光吸収の大きさ(すなわち、光吸収率)Sを得ることができる。
Further, at a certain wavelength of light, the magnitude of light absorption is obtained from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient α of crystalline silicon and the height h of the
ここで、光の波長をλとし、非線形関数をf及びgで表すと、共振の大きさQ、及び、光吸収率Sは、次式によって示すことができる。 Here, when the wavelength of light is λ and the nonlinear function is represented by f and g, the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
Q(λ)=f(a,r,d,L,ns(λ),nt(λ))
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h)
(格子定数の最適条件)
まず、格子定数の最適条件について、図4を参照して説明する。図4は、本実施形態に係る太陽電池1における、規格化周波数V(a/λ)に対する電磁界の相対強度(a.u.)の特性を示すグラフである。図4の(a)は、0.0以上0.6以下の範囲の規格化周波数に対する電磁界の強度の特性を示すグラフであり、(b)は、0.3以上0.5以下の範囲の規格化周波数に対する電磁界の強度の特性を拡大して示すグラフである。
Q (λ) = f (a, r, d, L, n s (λ), n t (λ))
S (λ) = g (Q (λ), α (λ), h)
(Optimum condition of lattice constant)
First, the optimum conditions for the lattice constant will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a graph showing the characteristics of the relative strength (au) of the electromagnetic field with respect to the normalized frequency V (a / λ) in the
ここでは、格子定数をa(nm)として、光電変換層12の厚みh=3.3a(nm)、凸部16の高さd=0.5aとした。
Here, the lattice constant is a (nm), the thickness h of the
図4の(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る太陽電池1の各規格化周波数に対する電磁界の強度を、シミュレーションにより得た。なお、図4の(a)及び(b)に示すグラフは、何れも、FDTD法(Finite Difference Time
Domain method:有限差分時間領域法)を用いたシミュレーションにより得られた結果を示すものである。
As shown to (a) and (b) of FIG. 4, the intensity | strength of the electromagnetic field with respect to each normalized frequency of the
The result obtained by the simulation using the Domain method (finite difference time domain method) is shown.
このシミュレーションから、0.3以上0.5以下の規格化周波数Vにおいて、共振の大きさQが比較的低く、吸収係数αによる最適条件とのマッチングが取りやすい規格化周波数Vとして、V=0.33325、及び、V=0.44739の値を得た。また、規格化周波数V(a/λ)は次式で表される。 From this simulation, at a normalized frequency V of 0.3 or more and 0.5 or less, the resonance frequency Q is relatively low, and V = 0 as a normalized frequency V that is easily matched with the optimum condition by the absorption coefficient α. .33325 and V = 0.44739 values were obtained. Further, the normalized frequency V (a / λ) is expressed by the following equation.
規格化周波数V=格子定数a(nm)/光の波長λ(nm)・・・式1
ここで、本実施形態の太陽電池1において、波長λ=450nm、規格化周波数V=0.33325とすると、式1から、格子定数aの最小値、a=150nm(450×0.33325=149.9625≒150)が得られる。また、波長λ=1200nm、規格化周波数V=0.44739とすると、式1から、格子定数aの最大値、a=540nm(1200×0.44739=536.868≒540)が得られる。
Normalized frequency V = lattice constant a (nm) / wavelength of light λ (nm)
Here, in the
したがって、格子定数aを150nm以上450nm以下の範囲に制限してフォトニック結晶を設計することにより、フォトニック結晶を用いない従来の太陽電池と比較して、光吸収率を向上させた太陽電池1を設計することができる。
Therefore, by limiting the lattice constant a to a range of 150 nm or more and 450 nm or less and designing a photonic crystal, the
なお、格子定数aの値を変えずに、光の波長λの値を変化させることにより、規格化周波数Vの値を変えることができるため、規格化周波数Vの値の範囲に制限はない。 In addition, since the value of the normalized frequency V can be changed by changing the value of the wavelength λ of light without changing the value of the lattice constant a, the range of the value of the normalized frequency V is not limited.
(フォトニック結晶の高さの最適条件)
次に、フォトニック結晶の高さ、すなわち、第1透明導電膜11に形成された凸部16(光電変換層12に形成された孔)の高さ最適条件について、図5及び図6を参照して説明する。図5は、本実施形態に係る太陽電池1における、光の波長に対する光吸収率の特性を示すグラフである。また、図6は、本実施形態に係る太陽電池1における、フォトニック結晶の高さに対する光吸収率の平均値の相対比率を示すグラフである。
(Optimal conditions for photonic crystal height)
Next, see FIGS. 5 and 6 for the optimum conditions for the height of the photonic crystal, that is, the height of the protrusions 16 (holes formed in the photoelectric conversion layer 12) formed in the first transparent
図5において実線が示すグラフは、本実施形態に係る太陽電池1を、格子定数a=500nm、光電変換層12の厚みh=1.5μm、第1透明導電膜11の厚みを400nm、フォトニック結晶の高さ(凸部16の高さ)d=125nm、凸部16の直径2r=400(0.8a)nmとして設計した場合の光の波長λ(nm)に対する光吸収率の測定結果を示す。また、図5において破線が示すグラフは、フォトニック結晶を用いない従来の太陽電池における、光の波長に対する光吸収率の測定結果を示している。
A graph indicated by a solid line in FIG. 5 indicates that the
図5に示すように、光の波長が500nm以上1100nm以下の範囲において、本実施形態に係る太陽電池1の、各光の波長に対する光吸収率の平均値は、従来の太陽電池の光吸収率と比較して、約1.36倍に上昇している。したがって、図5に示す結果によれば、太陽電池にフォトニック結晶を形成することによって、太陽電池における光吸収率(特に、長波長域における光吸収率)を向上させることができる。なお、ここでは、光の波長が500nm以上1100nm以下の範囲である場合を例に挙げて説明したが、もちろん、前述の各パラメータを調整することによって、波長が500nm未満、及び、1100nmより大きい範囲においても、同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 5, in the range where the wavelength of light is 500 nm or more and 1100 nm or less, the average value of the light absorptance with respect to each light wavelength of the
また、図6に示すグラフは、フォトニック結晶を用いない、すなわちd=0とした従来の太陽電池における光吸収率の平均値を1.0とした場合の、フォトニック結晶の高さdのそれぞれに対する太陽電池1の光吸収率の平均値の比較値を示している。太陽電池1の光吸収率の平均値の比較値(以降、単に「比較値」とも呼称する)は、次式で表される。なお、比較値は、従来技術の太陽電池における光吸収率に対する、本実施形態に係る太陽電池1における光吸収率の倍率を示している。
Further, the graph shown in FIG. 6 shows the height d of the photonic crystal when the photonic crystal is not used, that is, when the average value of the light absorptance in the conventional solar cell in which d = 0 is 1.0. The comparative value of the average value of the light absorption rate of the
比較値=(太陽電池1の光吸収率の平均値)/(従来の太陽電池の光吸収率の平均値)・・・式2
図6に示すように、フォトニック結晶の高さdが高くなるにつれ、比較値は、単調増加する。また、図6に示すように、フォトニック結晶の高さdを75nmとして太陽電池1を設計した場合に、比較値が1.2(すなわち、光吸収率が従来の太陽電池の1.2倍)となった。
Comparative value = (average value of light absorption rate of solar cell 1) / (average value of light absorption rate of conventional solar cell)
As shown in FIG. 6, as the height d of the photonic crystal increases, the comparison value increases monotonously. In addition, as shown in FIG. 6, when the
ここで、従来の太陽電池の光吸収率に対し、1.2倍以上の光吸収率が得られれば、光電変換層12を従来より薄くしても、太陽電池1においても従来の太陽電池と同等か、それ以上の光電効果を得ることができる。したがって、フォトニック結晶の高さdを75nm以上に設計することにより、従来の太陽電池より薄型で、かつ同等以上の光電効果を得ることができる。
Here, if the light absorptance of 1.2 times or more is obtained with respect to the light absorptivity of the conventional solar cell, even if the
なお、図6に示すように、フォトニック結晶の高さdが高くなればなるほど、光吸収率は高くなるため、光電変換層12の厚み以下であれば、フォトニック結晶の高さに上限はない。
As shown in FIG. 6, the higher the height d of the photonic crystal, the higher the light absorption rate. Therefore, the upper limit of the height of the photonic crystal is less than the thickness of the
(フォトニック結晶の孔の直径の最適条件)
次に、フォトニック結晶を構成するために第1透明導電膜11に形成された凸部16の直径(光電変換層12に形成された孔の直径)の最適条件について、図7を参照して説明する。図7は、本実施形態に係る太陽電池1における、第1透明導電膜11に形成された凸部16の半径に対する光吸収率の平均値の特性を示すグラフである。
(Optimum condition of hole diameter of photonic crystal)
Next, with reference to FIG. 7, the optimum condition for the diameter of the
図7は、フォトニック結晶の高さ(凸部16の高さ)をd=125nmとして太陽電池1を設計した場合の、凸部16の半径に対する光吸収率の平均値の特性を示している。
FIG. 7 shows the characteristics of the average value of the light absorption rate with respect to the radius of the
なお、図7の横軸に示す凸部16の半径は、格子定数aに対する比率で表されている。すなわち、横軸に示す半径が0.50である場合、凸部16の半径はr=0.50aである。また、横軸に示す凸部16の半径が格子定数aに対する比率であるため、半径の値が0.50(すなわち、直径が1.00)を超えると、隣接する凸部16同士が重なりあうことになる(凸部16の直径2rが、格子定数aを超えてしまうため)。このため、図7には、凸部16の半径が0.50a以下である範囲についてのみ、示している。
In addition, the radius of the
また、図7に示す凸部16に対する光吸収率の平均値は、フォトニック結晶の高さdには依存しない。また、凸部16の半径の最適な条件は、図6に示すフォトニック結晶の高さに対する光吸収率の平均値の比較値が1.2以上を満たす場合に得られる。ここで、フォトニック結晶の高さがd=250nmであるとすると、図7に示す凸部16の半径に対する光吸収率の平均値が、0.8以上である場合に、図6に示す比較値1.2以上を満たすことができる。このとき、光吸収率の平均値が0.8以上を満たす凸部16の半径rの値は、図7に示すように、0.20a以上0.50a以下(すなわち、凸部16の直径2rが0.40a以上1.00a以下)である。したがって、半径rの値がこの範囲にあることが、凸部16の半径の最適な条件となる。
Further, the average value of the light absorption rate with respect to the
なお、フォトニック結晶の高さがd=250nmより低い場合であっても、凸部16の直径2rが0.40a以上1.00a以下の範囲に、凸部16の直径2rの最適値が存在する。
Even when the height of the photonic crystal is lower than d = 250 nm, the optimum value of the
上述したように、格子定数aの最適条件が150nm以上540nm以下であることから、凸部16の半径の最小値はr=30nm(0.20a=0.20×150nm=30nm)となり、最大値はr=270nm(0.50a=0.50×540nm=270nm)となる。つまり、凸部16の直径の最小値は2r=60nmとなり、最大値は2r=540nmとなる。
As described above, since the optimum condition of the lattice constant a is 150 nm or more and 540 nm or less, the minimum value of the radius of the
(光吸収率)
次に、上述のように太陽電池1を設計することによって得られた、太陽電池1における光吸収率について、図8を参照して説明する。図8は、本実施形態に係る太陽電池1における、光の波長に対する光吸収率の特性を示すグラフである。図8において一点鎖線で示す曲線は、厚さが400μmの従来の太陽電池における光吸収率を示し、破線で示す曲線は、厚さが500nmの従来の太陽電池における光吸収率を示している。また、図8において実線で示す曲線は、厚さが500nmの本実施形態に係る太陽電池1における光吸収率を示している。
(Light absorption rate)
Next, the light absorption rate in the
本実施形態に係る太陽電池1は、上述したように、第1透明導電膜11の屈折率と光電変換層12の屈折率との屈折率差が周期的に存在することにより、面内方向にブラッグ反射の効果を得ることができる。ここで、ブラッグ反射とは、フォトニック結晶に入射した光が、格子定数a及び光の波長λによって決まる特定の方向に反射を起こす現象をいう。
As described above, in the
本実施形態に係る太陽電池1は、第1透明導電膜11に形成される凸部16の配置間隔(格子定数a)、直径2r、及び、高さdを最適に設計することにより、光電変換層12において入射光を共振させることができる。図8において実線で示すように、太陽電池1は、最適に設計することで、300nm以上1100nm以下の全ての波長領域において、約1.0の光吸収率を保つことができる。
In the
さらに、上述のように最適条件に基づいてフォトニック結晶を最適に設計し、太陽電池1の厚さを従来の太陽電池では形状を保つことができない程の厚さ(例えば、数百nm程度の厚さ)に抑えた場合であっても、支持基板15を備えることによって、太陽電池1は、その形状を保つことができる。
Furthermore, the photonic crystal is optimally designed based on the optimum conditions as described above, and the thickness of the
また、本実施形態に係る太陽電池1は、厚みを数百nmに抑えても、フォトニック結晶による光吸収率の向上効果により、厚みが数百μmの従来の太陽電池と同等以上の光電変換効率を実現することができる。
In addition, the
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池1の製造工程について、図9を参照して説明する。図9は、本実施形態に係る太陽電池1の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、第1透明導電膜11の媒質がSnO2であり、光電変換層12の媒質がc-Si、金属電極13の媒質がAl、透明絶縁体層14の媒質がSiO2である場合を例に挙げて説明するが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the
まず、図9の(a)に示すように、c-Si層を形成し、p型不純物をドープすることにより、p型サブ半導体層121aを形成する。なお、光の入射方向は、p型サブ半導体層121aの下面である。
First, as shown in FIG. 9A, a c-Si layer is formed and a p-
次に、図9の(b)に示すように、p型サブ半導体層121aの上にc-Siを蒸着し、n型不純物(例えば、リンなど)をドープ(注入)することにより、n型半導体層122を形成し、pn接合された半導体層を形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, by depositing c-Si on the p-
続いて、図9の(c)に示すように、水素を含むイオンビームを注入することで、p型サブ半導体層121aに、シリコンの結晶格子が部分的に切断された損傷層120を形成する。なお、損傷層120を境に、n型半導体層122側のp型サブ半導体層121aをp型サブ半導体層121bとし、n型半導体層122と逆側のp型サブ半導体層121aをp型サブ半導体層121cとする。
Subsequently, as shown in FIG. 9C, an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged
その後、図9の(d)に示すように、n型半導体層122の上にAlを蒸着し、Al膜を形成することで金属電極13を形成する。また、形成した金属電極13の上にSiO2を蒸着して、透明絶縁体層14を形成する。なお、形成した透明絶縁体層14の表面に凹凸形状がある場合には、図9の(e)に示すように、表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)により平坦化する。
Thereafter, as shown in FIG. 9D, Al is vapor-deposited on the n-
さらに、図9の(f)に示すように、表面を平坦化した透明絶縁体層14が下面になるように、上記(a)~(e)において形成した積層体を反転し、透明絶縁体層14と支持基板15とを接合する。なお、積層体を反転したため、光の入射面は積層体の半導体層側の面になる。
Further, as shown in FIG. 9 (f), the laminated body formed in the above (a) to (e) is inverted so that the
次に、加熱した後、図9の(g)に示すように、損傷層120を境にp型サブ半導体層121cとp型サブ半導体層121bとを劈開することにより、基板の最上層であるp型サブ半導体層121cを除去する(加熱処理によるウェハ除去)。このとき、図9の(c)に示す工程において損傷層120が形成されているため、この損傷層120に沿ってp型サブ半導体層121cを除去することができる。
Next, after heating, as shown in FIG. 9G, the p-
また、図9の(h)に示すように、p型サブ半導体層121cをウェハ除去した後の表面(p型サブ半導体層121bの表面)を改質(表面改質)すると共に、凹凸形状を平坦化することで、光電変換層12のp型半導体層121を形成する。これにより、p型半導体層121及びn型半導体層122を備えた光電変換層12が得られる。
Further, as shown in FIG. 9H, the surface (surface of the p-
なお、表面改質は、例えば、ELA(エキシマレーザーアニーリング:Eximer Laser Annealing)技術を用いてポリシリコン化させることによって行われる。 The surface modification is performed by, for example, forming polysilicon using an ELA (Eximer Laser Annealing) technique.
続いて、図9の(i)に示すように、ドライエッチングにより、平坦化されたp型半導体層121をさらに薄膜化すると共に、フォトニック結晶を構成するための孔をp型半導体層121に周期的に形成する(すなわち、凸形状17を形成する)。なお、ドライエッチングの一例として、四フッ化炭素(CF4)をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP-RIE:Inductive Coupled Plasma‐Reactive Ion Etching)を挙げることができる。もちろん、これに限定されるものではなく、エッチングガスとして、六フッ化硫黄(SF6)及び、トリフルオロメタン(CHF3)などを採用してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 9I, the planarized p-
最後に、図9の(j)に示すように、ドライエッチングによって凸形状17が形成されたp型半導体層121の上にSnO2を蒸着することによって第1透明導電膜11を形成する。上述のように、図9の(a)~(j)の製造工程を経ることにより、本実施形態に係る太陽電池1が完成する。
Finally, as shown in FIG. 9J, the first transparent
なお、p型半導体層121に周期的に形成された孔にSnO2が蒸着することによって、第1透明導電膜11に複数の凸部16が形成される。この第1透明導電膜11に形成された複数の凸部16と、p型半導体層121に形成された凸形状17とによって、フォトニック結晶が形成される。
A plurality of
上述の構成によって、太陽電池1は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池1は、支持基板15を備えているため、光電変換層12の薄型化を行うことで太陽電池1の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the
<実施形態2>
本発明の他の実施形態について、図10及び図11を参照して以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1との相違点について説明するものとする。
<
Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 10 and 11. For convenience of explanation, components having the same functions as those of the components according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成について、図10を参照して説明する。図10は、本実施形態に係る太陽電池2の構成の概略を示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the configuration of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
本実施形態に係る太陽電池2は、図10に示すように、第1透明導電膜(第1透明体)21と、光電変換層22とを備えており、第1透明導電膜21及び光電変換層22によってフォトニック結晶が形成されていること以外は、実施形態1に係る太陽電池1と同じ構成である。
As shown in FIG. 10, the
第1透明導電膜21及び光電変換層22の界面に形成された凹凸形状は、実施形態1の第1透明導電膜11及び光電変換層12の界面に形成された凹部と凸部とを反転した形状になっている。
The uneven shape formed at the interface between the first transparent
第1透明導電膜21は、透明な導電膜であり、太陽光が入射される入射面として設けられている。また、第1透明導電膜21は、光電変換層22を覆うように形成され、図10に示すような凸形状26を有することによって、光電変換層22と共に、後述するフォトニック結晶を構成している。
The first transparent
光電変換層22は、光を吸収して光電変換する半導体層であり、光の入射側の面(第1表面)に図10に示すような凸部27(第1凸部)が、二次元的かつ周期的に形成されている。これによって、第1透明導電膜21と共に、後述するフォトニック結晶を構成している。
The
また、光電変換層22は、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有しており、その構造は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、図10に示すように、p型半導体層221とn型半導体層222とが隣接したpn縦型構造を採用している。なお、本発明はこれに限定されるものではなく、光電変換層22構造として、i型半導体層(いわゆる真性半導体層、不図示)をp型半導体層221とn型半導体層222とで挟んだpin縦型構造を採用することもできる。
Further, the
〔フォトニック結晶の構造〕
次に、フォトニック結晶について、図10及び図11を参照して説明する。図11は、図10に示すフォトニック結晶のA-B断面図であり、本実施形態に係る太陽電池2のフォトニック結晶の構造の概略を示す上面図である。
[Structure of photonic crystal]
Next, a photonic crystal will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line AB of the photonic crystal shown in FIG. 10, and is a top view schematically showing the structure of the photonic crystal of the
図10及び図11に示すように、本実施形態では、光電変換層22(より正確には、光電変換層22のp型半導体層221)の光の入射面には、円柱状に形成された複数の凸部27が規則的に形成されている。換言すれば、光電変換層には、複数の凸部27を設けたことにより、隣り合う凸部27同士の間に、凹形状(第2凹部)が形成されている。
As shown in FIGS. 10 and 11, in this embodiment, the light incident surface of the photoelectric conversion layer 22 (more precisely, the p-
つまり、本実施形態では、光電変換層22の光の入射面に形成された凹凸形状の凸部27が、フォトニック結晶を構成するために規則的に形成される基本要素をなしている。
That is, in the present embodiment, the concavo-convex
また、図10及び図11に示すように、光電変換層22の有する凹形状を少なくとも満たすように第1透明導電膜21が形成されている。この結果として、上記第1透明導電膜21に、上記凸形状26が、上記凹形状に対応した相補的な形状を持って形成されている。
Also, as shown in FIGS. 10 and 11, the first transparent
光電変換層22に形成された複数の凸部27は、それぞれ、隣接する凸部27との配置間隔(ピッチ)が等間隔になるよう、正方格子状に配置されている。なお、隣接する凸部27同士の配置間隔の値を、格子定数a(nm)とも呼称する。
The plurality of
上述したように、光電変換層22に形成された複数の凸部27は、屈折率の異なる第1透明導電膜21の媒質内に周期的に配置されている。凸部27がこのように配置されることにより、第1透明導電膜21の屈折率と、光電変換層22の屈折率との屈折率差が存在することになる。すなわち、第1透明導電膜21に形成された凸形状26と、光電変換層22に形成された複数の凸部27とによって、屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶が構成される。
As described above, the plurality of
このように、本実施形態に係る太陽電池2では、光電変換層22自体に凸部27を形成し、凸部27の周囲を第1透明導電膜21で覆っている。このため、光電変換層22および隣接層としての第1透明導電膜21の界面では、屈折率の異なる2種の材料のみが隣接してフォトニック結晶を構成している。
Thus, in the
なお、本実施形態では、複数の凸部27が円柱状に形成されている場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数の凸部27は、三角柱状に形成されていてもよく、四角柱状に形成されていてもよい。また、凸部27として、円錐台、三角錐台、四角錐台の形状を選択することもできる。
In the present embodiment, the case where the plurality of
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池2の製造工程について説明する。なお、本実施形態に係る太陽電池2の製造工程は、図9の(i)及び(j)に示す工程における処理が異なること以外は、実施形態1の太陽電池1の製造工程と同じである。
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the
太陽電池2の製造工程においては、図9の(i)に示すように、ドライエッチングにより、平坦化されたp型半導体層221をさらに薄膜化した後、孔をp型半導体層221に周期的に形成する代わりに、フォトニック結晶を構成するための凸部27を周期的に形成する。
In the manufacturing process of the
最後に、ドライエッチングによって複数の凸部27が形成されたp型半導体層221の上にSnO2を蒸着することによって第1透明導電膜21を形成する。このように、第1透明導電膜21に形成された凸形状26と、光電変換層22に形成された凸部27とにより、フォトニック結晶が形成される。
Finally, the first transparent
上述の構成によって、太陽電池2は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池2は、支持基板15を備えているため、光電変換層22の薄型化を行うことで太陽電池2の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the
<実施形態3>
本発明のさらに他の実施形態について、図12及び図13を参照して以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1との相違点について説明するものとする。
<
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. For convenience of explanation, constituent elements having the same functions as those of the constituent elements according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成について、図12を参照して説明する。図12は、本実施形態に係る太陽電池3の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the configuration of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the
図12に示すように、本実施形態に係る太陽電池3は、光電変換層12と金属電極13との間に第2透明導電膜(第2透明体)38を備えていること以外は、実施形態1の太陽電池1と同じ構成である。
As shown in FIG. 12, the
第2透明導電膜38は、透明な導電膜であり、光電変換層12と、金属電極13とに挟まれるように形成されている。また、第2透明導電膜38は、光電変換層12の媒質よりも屈折率が小さい媒質からなり、媒質としては、例えば、ITO、IZO、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。
The second transparent
なお、本実施形態に係る太陽電池3の有するフォトニック結晶の構造は、図2に示す実施形態1に係る太陽電池1の有するフォトニック結晶の構造と同じであるため、ここでは説明を省略する。
In addition, since the structure of the photonic crystal which the
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池3の製造工程について、図13を参照して説明する。図13は、本実施形態に係る太陽電池3の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、第1透明導電膜11、及び、第2透明導電膜38の媒質がSnO2であり、光電変換層12の媒質がc-Si、金属電極13の媒質がAl、透明絶縁体層14の媒質がSiO2である場合を例に挙げて説明するが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the
なお、図13に示す、本実施形態に係る太陽電池3の製造工程は、(d)及び(e)に示す工程が異なること以外は、図9に示す実施形態1に係る太陽電池1の各製造工程と同じである。
In addition, the manufacturing process of the
図13の(d)に示すように、n型半導体層122の上にSnO2を蒸着して、第2透明導電膜38を形成する。続いて、形成した第2透明導電膜38の上にAlを蒸着し、Al膜を形成することで金属電極13を形成し、形成した金属電極13の上にSiO2を蒸着して、透明絶縁体層14を形成する。なお、形成した透明絶縁体層14の表面に凹凸形状がある場合には、図13の(e)に示すように、表面をCMPにより平坦化する。
As shown in FIG. 13D, SnO 2 is deposited on the n-
このように、図13の(a)~(j)の製造工程を経ることにより、本実施形態に係る太陽電池3が完成する。
Thus, the
なお、p型半導体層121(p型サブ半導体層121cをウェハ除去し、平坦化されたp型サブ半導体層121b)に周期的に形成された孔にSnO2が蒸着することによって、第1透明導電膜11に複数の凸部16が形成される。この第1透明導電膜11に形成された複数の凸部16と、p型半導体層121に形成された凸形状17とによって、フォトニック結晶が形成される。
Note that SnO 2 is vapor deposited in holes periodically formed in the p-type semiconductor layer 121 (the p-
上述の構成によって、太陽電池3は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池3は、支持基板15を備えているため、光電変換層12の薄型化を行うことで太陽電池2の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the
また、上述の構成によれば、第1透明導電膜11および第2透明導電膜38の各屈折率は、光電変換層12の屈折率よりも小さいので、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理により、光電変換層12を抜けて外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。したがって、光電変換層12に光を閉じ込める効果がさらに増強される。
Moreover, according to the above-mentioned structure, since each refractive index of the 1st transparent
この結果、光電変換層12による光の吸収率をさらに向上させることができ、太陽電池3における起電力量を一層増大させることができる。
As a result, the light absorption rate by the
<実施形態4>
本発明の他の実施形態について、図14を参照して以下に説明する。図14は、本実施形態に係る太陽電池4の構成の概略を示す断面図である。なお、説明の便宜上、実施形態1から3に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1から3との相違点について説明するものとする。
<Embodiment 4>
Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell 4 according to this embodiment. For convenience of explanation, the same reference numerals are given to components having the same functions as those of the components according to the first to third embodiments, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first to third embodiments will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
本実施形態に係る太陽電池4は、図14に示すように、第1透明導電膜21と、光電変換層22とを備え、第1透明導電膜21及び光電変換層22によってフォトニック結晶が形成されていること、及び、光電変換層22と金属電極13との間に第2透明導電膜(第2透明導電膜)38を備えていること以外は、実施形態1に係る太陽電池1と同じ構成である。
[Configuration of solar cell]
As shown in FIG. 14, the solar cell 4 according to this embodiment includes a first transparent
第1透明導電膜21は、複数の凸部27が二次元的かつ周期的に形成された光電変換層22を覆うように形成され、第1透明導電膜21の凸形状26と光電変換層22の凸部27との周期構造によって、フォトニック結晶を構成している。
The first transparent
なお、本実施形態では、光電変換層22の凸部27が、フフォトニック結晶を構成するために規則的に形成される基本要素をなしている。
In the present embodiment, the
第2透明導電膜38は、透明な導電膜であり、光電変換層12と、金属電極13とに挟まれるように形成されている。また、第2透明導電膜38は、光電変換層12の媒質よりも屈折率が小さい媒質からなり、媒質としては、例えば、ITO、IZO、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。
The second transparent
なお、本実施形態に係る太陽電池4の有するフォトニック結晶の構造は、図11に示す実施形態2に係る太陽電池2の有するフォトニック結晶の構造と同じであるため、ここでは説明を省略する。
In addition, since the structure of the photonic crystal which the solar cell 4 which concerns on this embodiment has is the same as the structure of the photonic crystal which the
〔太陽電池の製造工程〕
本実施形態に係る太陽電池2の製造工程は、図13の(i)及び(j)に示す工程における処理が異なること以外は、実施形態3の太陽電池3の製造工程と同じである。
[Solar cell manufacturing process]
The manufacturing process of the
太陽電池3の製造工程においては、図13の(i)に示すように、ドライエッチングにより、平坦化されたp型半導体層221をさらに薄膜化した後、孔をp型半導体層221に周期的に形成する代わりに、フォトニック結晶を構成するための凸部27を周期的に形成する。
In the manufacturing process of the
最後に、ドライエッチングによって複数の凸部27が形成されたp型半導体層221の上にSnO2を蒸着することによって第1透明導電膜21を形成する。このように、第1透明導電膜21に形成された凸形状26と、光電変換層22に形成された凸部27とにより、フォトニック結晶が形成される。
Finally, the first transparent
上述の構成によって、太陽電池4は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池4は、支持基板15を備えているため、光電変換層22の薄型化を行うことで太陽電池4の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the solar cell 4 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 4 includes the
また、上述の構成によれば、第1透明導電膜21および第2透明導電膜38の各屈折率は、光電変換層22の屈折率よりも小さいので、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理により、光電変換層22を抜けて外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。したがって、光電変換層22に光を閉じ込める効果がさらに増強される。
Moreover, according to the above-mentioned structure, since each refractive index of the 1st transparent
この結果、光電変換層22による光の吸収率をさらに向上させることができ、太陽電池4における起電力量を一層増大させることができる。
As a result, the light absorption rate by the
<実施形態5>
本発明のさらに他の実施形態について、図15から図17を参照して以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1との相違点について説明するものとする。
<
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. For convenience of explanation, constituent elements having the same functions as those of the constituent elements according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成について、図15を参照して説明する。図15は、本実施形態に係る太陽電池5の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the configuration of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the
本実施形態に係る太陽電池5は、図15に示すように、金属電極(金属電極層)13、透明絶縁体層14、支持基板15、第1透明導電膜(第1透明体)51、及び、光電変換層52を備えている。なお、本実施形態に係る太陽電池5は、光の入射方向が支持基板15側である。
As shown in FIG. 15, the
第1透明導電膜51は、透明な導電膜であり、光電変換層52の太陽光が入射される入射面側を覆うように設けられている。また、第1透明導電膜51は、図15に示すような複数の凸部56を周期的に有することによって、光電変換層52と共に、フォトニック結晶を構成している。また、第1透明導電膜11は、光電変換層12の媒質よりも屈折率が小さい媒質であることが好ましい。
The first transparent
なお、光電変換層52の凸部56が、フフォトニック結晶を構成するために規則的に形成される基本要素をなしている。
In addition, the
光電変換層52は、光を吸収して光電変換する半導体層であり、図15に示すような凸形状57を有することによって、第1透明導電膜51と共に、フォトニック結晶を構成している。なお、凸形状57は、上記凸部56と相補的な形状の孔が光電変換層52に複数形成された結果として、形成されている。
The
また、光電変換層52は、極性の異なる半導体層が隣接した構造を有しており、その構造は特に限定されないが、例えば、図15に示すような、p型半導体層521とn型半導体層522とが隣接したpn縦型構造を採用してもよい。また、光電変換層52構造として、i型半導体層(いわゆる真性半導体層、不図示)をp型半導体層521とn型半導体層522とで挟んだpin縦型構造を採用することもできる。
The
なお、本実施形態に係る太陽電池5は、凸形状57を有する光電変換層52がn型半導体層522であり、光電変換層52のn型半導体層522と、第1透明導電膜51とにより、フォトニック結晶を構成している。
In the
このように、本実施形態に係る太陽電池5では、光電変換層52自体に凹部を形成しているため、光電変換層52および隣接層としての第1透明導電膜51の界面では、屈折率の異なる2種の材料のみが隣接してフォトニック結晶を構成している。
As described above, in the
(太陽電池の各構成要素の配置)
太陽電池5は、図15に示すように、最下層(入射面と反対側の面)として金属電極13を備え、その上に光電変換層52が積層されている。なお、光電変換層52は、p型半導体層521、及び、n型半導体層522からなり、入射面と反対側の面からこの順で積層されている。
(Arrangement of each component of solar cell)
As shown in FIG. 15, the
また、光電変換層52の有するn型半導体層522には凹凸形状が形成されており、その凹凸形状を覆うようにして第1透明導電膜51が形成され、その上に透明絶縁体層14が積層されている。さらに、透明絶縁体層14の上に、支持基板15が太陽電池5の最上層(入射面)として積層されている。
The n-
〔フォトニック結晶における光の閉じ込め効果〕
次に、フォトニック結晶における共振効果について、図16を参照して説明する。図16は、本実施形態に係る太陽電池5の有するフォトニック結晶による光の共振効果を示す図である。
[Light confinement effect in photonic crystals]
Next, the resonance effect in the photonic crystal will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the
第1透明導電膜51の凸部56、及び、光電変換層52の凸形状57によって形成されたフォトニック結晶は、図16の矢印Aに示すように、入射光を面内方向に共振させることができる。つまり、フォトニック結晶全体が、面内方向にて共振する1つの大きな共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶は、入射光をフォトニック結晶全体に閉じ込めることができる。
The photonic crystal formed by the
また、図16の矢印Aに示すような、共振器として機能するフォトニック結晶の共振効果と、金属電極13による光の反射効果との相互作用(すなわち、光電変換層52への入射光と、金属電極13による反射光との干渉効果)による光閉じ込めの効果によって、図16の矢印Bに示すように、光電変換層52に入射された光は、フォトニック結晶と金属電極53との間に閉じ込められることになる。また、入射光がフォトニック結晶を通過する際に、回折又は散乱するため、太陽電池5は、光電変換層52を通過する光の経路を増加させることができる。
Further, the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the
これによって、太陽電池5は、光電変換層52における光の吸収率を向上させることができ、太陽電池5における起電力量を増大させることができる。また、光電変換層52における光の吸収率の向上により、光電変換層52の薄型化も可能となる。さらに、太陽電池5は、支持基板15を備えているため、光電変換層52の薄型化を行うことで太陽電池5の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
Thereby, the
〔共振の大きさ及び光吸収率〕
さらに、図16を参照して、本実施形態に係る太陽電池5における光吸収率について説明する。
[Resonance magnitude and light absorption rate]
Furthermore, with reference to FIG. 16, the light absorption rate in the
図16に示すように、フォトニック結晶の格子定数(ピッチ)をa、第1透明導電膜51に形成された凸部56(すなわち、光電変換層52に形成された孔)の直径を2r、凸部56(孔)の高さをd、光電変換層52の高さをh、光電変換層52から支持基板15までの高さをLSとする。また、光電変換層52の媒質である結晶シリコンの屈折率をns、第1透明導電膜51の媒質の屈折率をnt、透明絶縁体層14の媒質の屈折率をnSiO2、支持基板15の媒質の屈折率をnGlass、結晶シリコンにおける、ある光の波長に対する吸収係数をαとする。
As shown in FIG. 16, the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a, the diameter of the convex portion 56 (that is, the hole formed in the photoelectric conversion layer 52) formed in the first transparent
上記のパラメータから、複数の光の波長に対する共振条件が決定され、波長ごとに共振の大きさQを得ることができる。また、ある光の波長において、上記のように得られた共振の大きさQ、結晶シリコンの吸収係数α、及び、光電変換層52の高さhから、光吸収の大きさ(すなわち、光吸収率)Sを得ることができる。
From the above parameters, resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength. In addition, at a certain wavelength of light, the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient α of crystalline silicon, and the height h of the
ここで、光の波長をλとし、非線形関数をf及びgで表すと、共振の大きさQ、及び、光吸収率Sは、次式によって示すことができる。 Here, when the wavelength of light is λ and the nonlinear function is represented by f and g, the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
Q(λ)=f(a,r,d,LS,ns(λ),nt(λ),nSiO2(λ),nGlass(λ))
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h)
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池5の製造工程について、図17を参照して説明する。図17は、本実施形態に係る太陽電池5の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、第1透明導電膜51の媒質がSnO2であり、光電変換層52の媒質がc-Si、金属電極13の媒質がAl、透明絶縁体層14の媒質がSiO2である場合を例に挙げて説明するが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。
Q (λ) = f (a, r, d, L S , n s (λ), n t (λ), n SiO2 (λ), n Glass (λ))
S (λ) = g (Q (λ), α (λ), h)
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the
まず、図17の(a)に示すように、c-Si層を形成し、p型不純物をドープすることにより、p型サブ半導体層521aを形成する。次に、p型サブ半導体層521aの上にc-Siを蒸着し、n型不純物(例えば、リンなど)をドープ(注入)することにより、n型半導体層522を形成し、pn接合された半導体層を形成する。なお、光の入射方向は、n型半導体層522側である。
First, as shown in FIG. 17A, a c-Si layer is formed, and a p-
次に、図17の(b)に示すように、水素を含むイオンビームを注入することで、p型サブ半導体層521aに、シリコンの結晶格子が部分的に切断された損傷層120を形成する。なお、損傷層120を境に、n型半導体層122側のp型サブ半導体層521aをp型サブ半導体層121bとし、n型半導体層と逆側のp型サブ半導体層121aをp型サブ半導体層121cとする。
Next, as shown in FIG. 17B, an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged
続いて、図17の(c)に示すように、ドライエッチングにより、n型半導体層522にフォトニック結晶を構成するための孔を周期的に形成する(すなわち、凸形状57を形成する)。なお、ドライエッチングの一例として、四フッ化炭素(CF4)をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチングを挙げることができる。もちろん、これに限定されるものではなく、エッチングガスとして、六フッ化硫黄(SF6)及び、トリフルオロメタン(CHF3)などを採用してもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 17C, holes for forming a photonic crystal are periodically formed in the n-
その後、図17の(d)に示すように、ドライエッチングによって凸形状57が形成されたn型半導体層522の上にSnO2を蒸着することによって第1透明導電膜51を形成する。また、形成した第1透明導電膜51の上にSiO2を蒸着して、透明絶縁体層14を形成する。なお、形成した透明絶縁体層14の表面に凹凸形状がある場合には、図17の(e)に示すように、表面をCMPにより平坦化する。
Thereafter, as shown in FIG. 17D, the first transparent
さらに、図17の(f)に示すように、表面を平坦化した透明絶縁体層14が下面になるように、上記(a)~(e)において形成した積層体を反転し、透明絶縁体層14と支持基板15とを接合する。なお、積層体を反転したため、光の入射面は積層体の支持基板15側の面になる。
Further, as shown in FIG. 17 (f), the laminated body formed in the above (a) to (e) is inverted so that the
次に、加熱した後、図17の(g)に示すように、損傷層120を境にp型サブ半導体層521cとp型サブ半導体層521bとを劈開することにより、基板の最上層であるp型サブ半導体層521cを除去する(加熱処理によるウェハ除去)。このとき、図17の(b)に示す工程において損傷層120が形成されているため、この損傷層120に沿ってp型サブ半導体層521cを除去することができる。
Next, after heating, as shown in FIG. 17G, the p-
また、図17の(h)に示すように、p型サブ半導体層521cをウェハ除去した後の表面(p型サブ半導体層521bの表面)を改質すると共に、凹凸形状を平坦化することで、光電変換層52のp型半導体層521を形成する。
Further, as shown in FIG. 17H, the surface after removing the p-type
最後に、図17の(i)に示すように、p型半導体層521の上にAlを蒸着し、Al膜を形成することで金属電極13を形成する。上述のように、図17の(a)~(i)の製造工程を経ることにより、本実施形態に係る太陽電池5が完成する。
Finally, as shown in FIG. 17I, Al is vapor-deposited on the p-
なお、n型半導体層522に周期的に形成された孔にSnO2が蒸着することによって、第1透明導電膜51に複数の凸部56が形成される。この第1透明導電膜51に形成された複数の凸部56と、n型半導体層522に形成された凸形状57とによって、フォトニック結晶が形成される。
A plurality of
上述の構成によって、太陽電池5は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池5は、支持基板15を備えているため、光電変換層52の薄型化を行うことで太陽電池5の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the
また、支持基板15の表面を光の入射面とすることで、光電変換層52を、支持基板15、透明絶縁体層14、及び、第1透明導電膜51によって保護することができるため、環境耐性に優れた太陽電池を形成することができる。
Moreover, since the
また、上述の構成によれば、光電変換層52の片側の面に支持基板15、透明絶縁体層14、及び、第1透明導電膜51が製膜されるため、光電変換層52のもう片側の面に支持基板15、透明絶縁体層14、及び、第1透明導電膜51の何れも形成する必要がない。これによって、光電変換層52の取り扱いを容易にすることができる。
Moreover, according to the above-mentioned structure, since the
さらに、支持基板15などが設けられた面と反対側の光電変換層52の面に、金属電極13を製膜することができるので、金属電極13のパターニングに自由度を与えることができる。これによって、セルの構成をより効率よく構成することができる。
Furthermore, since the
<実施形態6>
本発明のさらに他の実施形態について、図18から図20を参照して以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1又は5に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1又は5との相違点について説明するものとする。
<Embodiment 6>
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. For convenience of explanation, constituent elements having functions similar to those of the constituent elements according to the first or fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first or fifth embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成について、図18を参照して説明する。図18は、本実施形態に係る太陽電池6の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the configuration of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the solar cell 6 according to the present embodiment.
図18に示すように、本実施形態に係る太陽電池6は、光電変換層52と金属電極13との間に第2透明導電膜(第2透明導電膜)68を備えていること以外は、実施形態5に係る太陽電池5と同じ構成である。
As shown in FIG. 18, the solar cell 6 according to the present embodiment includes a second transparent conductive film (second transparent conductive film) 68 between the
第2透明導電膜68は、透明な導電膜であり、光電変換層52と、金属電極13とに挟まれるように形成されている。また、第2透明導電膜68は、光電変換層52の媒質よりも屈折率が小さい媒質からなり、媒質としては、例えば、ITO、IZO、SnO2、ZnOなどを挙げることができる。
The second transparent
なお、本実施形態に係る太陽電池6の有するフォトニック結晶の構造は、図2に示す実施形態1に係る太陽電池1の有するフォトニック結晶の構造と同じであるため、ここでは説明を省略する。
In addition, since the structure of the photonic crystal which the solar cell 6 which concerns on this embodiment has is the same as the structure of the photonic crystal which the
〔フォトニック結晶における光の閉じ込め効果〕
次に、フォトニック結晶における共振効果について、図19を参照して説明する。図19は、本実施形態に係る太陽電池6の有するフォトニック結晶による光の共振効果を示す図である。
[Light confinement effect in photonic crystals]
Next, the resonance effect in the photonic crystal will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a diagram showing a light resonance effect by the photonic crystal included in the solar cell 6 according to the present embodiment.
第1透明導電膜51の凸部56、及び、光電変換層52の凸形状57によって形成されたフォトニック結晶は、図19の矢印Aに示すように、入射光を面内方向に共振させることができる。つまり、フォトニック結晶全体が、面内方向にて共振する1つの大きな共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶は、入射光をフォトニック結晶全体に閉じ込めることができる。
The photonic crystal formed by the
また、図19の矢印Aに示すような、共振器として機能するフォトニック結晶の共振効果と、金属電極13による光の反射効果との相互作用(すなわち、光電変換層52への入射光と、金属電極13による反射光との干渉効果)による光閉じ込めの効果によって、図19の矢印Bに示すように、光電変換層52に入射された光は、フォトニック結晶と金属電極53との間に閉じ込められることになる。また、入射光がフォトニック結晶を通過する際に、回折又は散乱するため、太陽電池5は、光電変換層52を通過する光の経路を増加させることができる。
Further, the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator as shown by the arrow A in FIG. 19 and the light reflection effect by the metal electrode 13 (that is, the incident light to the
これによって、太陽電池6は、光電変換層52における光の吸収率を向上させることができ、太陽電池6における起電力量を増大させることができる。また、光電変換層52における光の吸収率の向上により、光電変換層62の薄型化も可能となる。さらに、太陽電池6は、支持基板15を備えているため、光電変換層52の薄型化を行うことで太陽電池6の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
Thereby, the solar cell 6 can improve the light absorption rate in the
〔共振の大きさ及び光吸収率〕
さらに、図19を参照して、本実施形態に係る太陽電池6における光吸収率について説明する。
[Resonance magnitude and light absorption rate]
Furthermore, with reference to FIG. 19, the light absorption rate in the solar cell 6 according to the present embodiment will be described.
図19に示すように、フォトニック結晶の格子定数(ピッチ)をa、第1透明導電膜51に形成された凸部56(すなわち、光電変換層52に形成された孔)の直径を2r、凸部56(孔)の高さをd、光電変換層52の高さをh、光電変換層52から支持基板15までの高さをLS2とする。また、光電変換層52の媒質である結晶シリコンの屈折率をns、第1透明導電膜51の媒質の屈折率をnt、透明絶縁体層14の媒質の屈折率をnSiO2、支持基板15の媒質の屈折率をnGlass、結晶シリコンにおける、ある光の波長に対する吸収係数をαとする。
As shown in FIG. 19, the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a, the diameter of the convex portion 56 (that is, the hole formed in the photoelectric conversion layer 52) formed in the first transparent
上記のパラメータから、複数の光の波長に対する共振条件が決定され、波長ごとに共振の大きさQを得ることができる。また、ある光の波長において、上記のように得られた共振の大きさQ、結晶シリコンの吸収係数α、及び、光電変換層52の高さhから、光吸収の大きさ(すなわち、光吸収率)Sを得ることができる。
From the above parameters, resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength. In addition, at a certain wavelength of light, the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient α of crystalline silicon, and the height h of the
ここで、光の波長をλとし、非線形関数をf及びgで表すと、共振の大きさQ、及び、光吸収率Sは、次式によって示すことができる。 Here, when the wavelength of light is λ and the nonlinear function is represented by f and g, the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
Q(λ)=f(a,r,d,LS2,ns(λ),nt(λ),nSiO2(λ),nGlass(λ))
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h)
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池6の製造工程について、図20を参照して説明する。図20は、本実施形態に係る太陽電池6の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、第1透明導電膜51、及び、第2透明導電膜68の媒質がSnO2であり、光電変換層52の媒質がc-Si、金属電極13の媒質がAl、透明絶縁体層14の媒質がSiO2である場合を例に挙げて説明するが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。
Q (λ) = f (a, r, d, L S2 , n s (λ), n t (λ), n SiO2 (λ), n Glass (λ))
S (λ) = g (Q (λ), α (λ), h)
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the solar cell 6 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a process diagram showing a manufacturing process of the solar cell 6 according to the present embodiment. In this embodiment, the medium of the first transparent
なお、図20に示す、本実施形態に係る太陽電池6の製造工程は、(i)に示す工程が異なること以外は、図17に示す実施形態5に係る太陽電池5の各製造工程と同じであるため、(i)に示す工程以外の工程については、ここでは説明を省略する。
In addition, the manufacturing process of the solar cell 6 according to this embodiment shown in FIG. 20 is the same as each manufacturing process of the
図20の(i)に示すように、平坦化されたp型半導体層521の上にSnO2を蒸着して、第2透明導電膜68を形成する。続いて、形成した第2透明導電膜68の上にAlを蒸着し、Al膜を形成することで金属電極13を形成する。
As shown in FIG. 20I, SnO 2 is deposited on the planarized p-
このように、図20の(a)~(i)の製造工程を経ることにより、本実施形態に係る太陽電池6が完成する。 Thus, the solar cell 6 according to this embodiment is completed through the manufacturing steps (a) to (i) of FIG.
上述の構成によって、太陽電池6は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池6は、支持基板15を備えているため、光電変換層52の薄型化を行うことで太陽電池6の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the solar cell 6 can increase the light absorptance particularly at a long wavelength, improve the efficiency of photoelectric conversion, and can realize a reduction in thickness (thickness of about several hundred nm). . Furthermore, since the solar cell 6 includes the
また、上述の構成によれば、第1透明導電膜51および第2透明導電膜68の各屈折率は、光電変換層52の屈折率よりも小さいので、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理により、光電変換層52を抜けて外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。したがって、光電変換層52に光を閉じ込める効果がさらに増強される。
Moreover, according to the above-mentioned structure, since each refractive index of the 1st transparent
この結果、光電変換層52による光の吸収率をさらに向上させることができ、太陽電池6における起電力量を一層増大させることができる。
As a result, the light absorption rate by the
また、支持基板15の表面を光の入射面とすることで、光電変換層52を、支持基板15、透明絶縁体層14、及び、第1透明導電膜51によって保護することができるため、環境耐性に優れた太陽電池を形成することができる。
Moreover, since the
また、上述の構成によれば、光電変換層52の片側の面に支持基板15、透明絶縁体層14、第1透明導電膜51、及び、第2透明導電膜68が製膜されるため、光電変換層52のもう片側の面に支持基板15、透明絶縁体層14、第1透明導電膜51、及び、第2透明導電膜68の何れも形成する必要がない。これによって、光電変換層52の取り扱いを容易にすることができる。
Moreover, according to the above-mentioned structure, since the
さらに、支持基板15などが設けられた面と反対側の光電変換層52の面に、金属電極13を製膜することができるので、金属電極13のパターニングに自由度を与えることができる。これによって、セルの構成をより効率よく構成することができる。
Furthermore, since the
<実施形態7>
本発明のさらに他の実施形態について、図21から図23を参照して以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態1との相違点について説明するものとする。
<
Still another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. For convenience of explanation, constituent elements having the same functions as those of the constituent elements according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本実施形態に係る太陽電池の構成について、図21を参照して説明する。図21は、本実施形態に係る太陽電池7の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the configuration of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of the
本実施形態に係る太陽電池7は、図21に示すように、支持基板15、光電変換層72、金属電極73a、金属電極73b、第1透明絶縁体層(第1透明体)71、第2透明絶縁体層(透明絶縁層)74、n+層(陰電極)78、及び、p+層(陽電極)79を備えている。なお、本実施形態に係る太陽電池7の光の入射面は、支持基板15側である。
As shown in FIG. 21, the
光電変換層72は、光を吸収して光電変換する半導体層であり、図21に示すような複数の孔部と、その孔部周囲の凸形状とを有することによって、上記孔部を埋める第1透明絶縁体層71と共に、フォトニック結晶を構成している。また、本実施形態では、光電変換層72がn型半導体層である場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、p型半導体層である構成を採用してもよい。
The
なお、本実施形態では、光電変換層72の孔部が、フォトニック結晶を構成するために規則的に形成される基本要素をなしている。
In the present embodiment, the hole of the
なお、光電変換層72の媒質としては、結晶シリコン(c-Si)を挙げることができるが、これに限定されるものではない。例えば、光電変換層72の媒質として、シリコン(μc-Si)、アモルファスシリコン(a-Si)、及び、ポリシリコン(p-Si:高純度多結晶シリコン)を採用してもよい。
Note that examples of the medium of the
金属電極73a及び73bは、光が太陽電池1に入射する側とは反対側の面(第2表面)に形成された層である。金属電極73a及び73bの材料としては、光反射率が高く、電気伝導度が大きな材料、例えば、Ag、Mo、又は、Alなどを選択できる。なお、金属電極73a及び73bを反射板としても機能させることができるので、これにより、光の吸収効率が高い太陽電池7を構成することができる。
The
第2透明絶縁体層74は、平滑面を有し、親水性表面を有した透明な絶縁体からなる層であり、光電変換層72と支持基板15とを接続すると共に絶縁している。また、第1透明絶縁体層71は、透明な絶縁体である。
The second
n+層78及びp+層79層はそれぞれ、対応する極性を持つ不純物が高い濃度でドーピングされたn型半導体層及びp型半導体層であり、金属電極73a及び73bと光電変換層72との境界に設けられている。n+層78及びp+層79層は、光電変換層72に生じる空乏層幅を小さくし、トンネル効果によって電流を流れやすくしている。
Each of the n +
なお、太陽電池7は、金属電極73aと、金属電極73bとから、光電変換層72において光電変換された電流を取り出すことによって、電池として機能する。
In addition, the
(太陽電池の各構成要素の配置)
太陽電池7は、図21に示すように、最下層(入射面と反対側の面)として金属電極73a、及び、金属電極73bを備え、金属電極73aの上にはn+層78が、金属電極73bの上にはp+層79がそれぞれ積層されている。金属電極73a、73b、n+層78、及び、p+層79の上には、光電変換層72、及び、第2透明絶縁体層74がこの順で積層されている。
(Arrangement of each component of solar cell)
As shown in FIG. 21, the
また、光電変換層72、及び、第2透明絶縁体層74には凹凸形状が形成されており、その凹凸形状の凹形状部分に第1透明絶縁体層71が設けられている。さらに、第2透明絶縁体層74、及び、第1透明絶縁体層71の上に、支持基板15が太陽電池7の最上層(入射面)として積層されている。
Further, the
〔フォトニック結晶の構造〕
次に、フォトニック結晶の構造について、図21を参照して説明する。
[Structure of photonic crystal]
Next, the structure of the photonic crystal will be described with reference to FIG.
図21に示すように、本実施形態では、光電変換層72の光の入射面(第1表面)には、円柱状に形成された複数の凹部(孔)(第1凹部)が規則的に形成されている。換言すれば、光電変換層72には、規則的に形成された各凹部の周囲に残った凸形状(第2凸部)が形成されている。また、光電変換層72の凸形状部分のみを覆うように、第2透明絶縁体層74が形成され、光電変換層72と支持基板15とを接合している。
As shown in FIG. 21, in this embodiment, a plurality of concave portions (holes) (first concave portions) formed in a columnar shape are regularly formed on the light incident surface (first surface) of the
また、図21に示すように、光電変換層72及び第2透明絶縁体層74に形成された凹形状部分を満たすように第1透明絶縁体層71が形成されている。すなわち、第1透明絶縁体層71は、光電変換層72及び第2透明絶縁体層74に形成された凹部を満たすように、複数の円柱として形成される。
Further, as shown in FIG. 21, the first
光電変換層72の光の入射面に形成された凹凸形状は、当該光電変換層72と第1透明絶縁体層71との間での屈折率差に周期性をもたせることによって、フォトニック結晶を構成している。
The concavo-convex shape formed on the light incident surface of the
なお、本実施形態では、光電変換層72、及び、第1透明絶縁体層71を含んで、光電変換ユニットが構成されている。
In the present embodiment, the photoelectric conversion unit is configured to include the
なお、本実施形態に係る太陽電池7の有するフォトニック結晶の構造の断面は、図2に示す実施形態1に係る太陽電池1の有するフォトニック結晶の構造と同じであるため、ここでは説明を省略する。
In addition, since the cross section of the structure of the photonic crystal which the
(フォトニック結晶における光の閉じ込め効果)
次に、フォトニック結晶における共振効果について、図22を参照して説明する。図22は、本実施形態に係る太陽電池7の有するフォトニック結晶による光の共振効果を示す図である。
(Light confinement effect in photonic crystals)
Next, the resonance effect in the photonic crystal will be described with reference to FIG. FIG. 22 is a diagram illustrating a light resonance effect by the photonic crystal included in the
フォトニック結晶は、図22の矢印Aに示すように、入射光を面内方向に共振させることができる。つまり、フォトニック結晶全体が、面内方向にて共振する1つの大きな共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶は、入射光をフォトニック結晶全体に閉じ込めることができる。 The photonic crystal can resonate incident light in the in-plane direction as indicated by an arrow A in FIG. That is, the entire photonic crystal functions as one large resonator that resonates in the in-plane direction. Thereby, the photonic crystal can confine incident light in the entire photonic crystal.
また、図22の矢印Aに示すような、共振器として機能するフォトニック結晶の共振効果と、金属電極73a及び73bによる光の反射効果との相互作用(すなわち、光電変換層72への入射光と、金属電極73a及び73bによる反射光との干渉効果)による光閉じ込めの効果によって、図22の矢印Bに示すように、光電変換層72に入射された光は、フォトニック結晶と金属電極73a及び73bとの間に閉じ込められることになる。また、入射光がフォトニック結晶を通過する際に、回折又は散乱するため、太陽電池7は、光電変換層52を通過する光の経路を増加させることができる。
Further, the interaction between the resonance effect of the photonic crystal functioning as a resonator and the light reflection effect of the
これによって、太陽電池7は、光電変換層72における光の吸収率を向上させることができ、太陽電池7における起電力量を増大させることができる。また、光電変換層72における光の吸収率の向上により、光電変換層72の薄型化も可能となる。さらに、太陽電池7は、支持基板15を備えているため、光電変換層72の薄型化を行うことで太陽電池7の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
Thereby, the
〔共振の大きさ及び光吸収率〕
さらに、図22を参照して、本実施形態に係る太陽電池7における光吸収率について説明する。
[Resonance magnitude and light absorption rate]
Furthermore, with reference to FIG. 22, the light absorption rate in the
図22に示すように、フォトニック結晶の格子定数(ピッチ)をa、第1透明絶縁体層71(すなわち、光電変換層72及び第2透明絶縁体層74に形成された孔)の直径を2r、光電変換層72に形成された孔の高さをd、光電変換層72の高さをh、光電変換層72から支持基板15までの高さをLS3とする。また、光電変換層72の媒質である結晶シリコンの屈折率をns、第1透明絶縁体層71の媒質の屈折率をnSiO2、支持基板15の媒質の屈折率をnGlass、結晶シリコンにおける、ある光の波長に対する吸収係数をαとする。
As shown in FIG. 22, the lattice constant (pitch) of the photonic crystal is a, and the diameter of the first transparent insulator layer 71 (that is, the hole formed in the
上記のパラメータから、複数の光の波長に対する共振条件が決定され、波長ごとに共振の大きさQを得ることができる。また、ある光の波長において、上記のように得られた共振の大きさQ、結晶シリコンの吸収係数α、及び、光電変換層72の高さhから、光吸収の大きさ(すなわち、光吸収率)Sを得ることができる。
From the above parameters, resonance conditions for a plurality of light wavelengths are determined, and the resonance magnitude Q can be obtained for each wavelength. Further, at a certain light wavelength, the magnitude of light absorption (that is, light absorption) is calculated from the resonance magnitude Q obtained as described above, the absorption coefficient α of crystalline silicon, and the height h of the
ここで、光の波長をλとし、非線形関数をf及びgで表すと、共振の大きさQ、及び、光吸収率Sは、次式によって示すことができる。 Here, when the wavelength of light is λ and the nonlinear function is represented by f and g, the resonance magnitude Q and the light absorption rate S can be expressed by the following equations.
Q(λ)=f(a,r,d,LS3,ns(λ),nSiO2(λ),nGlass(λ))
S(λ)=g(Q(λ),α(λ),h)
〔太陽電池の製造工程〕
最後に、本実施形態に係る太陽電池7の製造工程について、図23を参照して説明する。図23は、本実施形態に係る太陽電池7の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、第2透明絶縁体層74、及び、第1透明絶縁体層71の媒質がSiO2であり、光電変換層72の媒質がc-Si、金属電極13の媒質がAlである場合を例に挙げて説明するが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。
Q (λ) = f (a, r, d, L S3 , n s (λ), n SiO2 (λ), n Glass (λ))
S (λ) = g (Q (λ), α (λ), h)
[Solar cell manufacturing process]
Finally, the manufacturing process of the
まず、図23の(a)に示すように、c-Si層を形成し、n型不純物(例えば、リンなど)をドープ(注入)することにより、n型半導体層であるサブ光電変換層72aを形成する。また、サブ光電変換層72aの上にSiO2を蒸着して、第2透明絶縁体層74を形成する。なお、形成した第2透明絶縁体層74の表面に凹凸形状がある場合には、図23の(b)に示すように、表面をCMPにより平坦化する。なお、光の入射方向は、第2透明絶縁体層74側である。
First, as shown in FIG. 23A, a c-Si layer is formed, and an n-type impurity (for example, phosphorus or the like) is doped (implanted) to thereby form a sub
次に、図23の(c)に示すように、水素を含むイオンビームを注入することで、サブ光電変換層72aに、シリコンの結晶格子が部分的に切断された損傷層120を形成する。なお、損傷層120を境に、第2透明絶縁体層74側のサブ光電変換層72aをサブ光電変換層72bとし、第2透明絶縁体層74と逆側のサブ光電変換層72aをサブ光電変換層72cとする。
Next, as shown in FIG. 23C, an ion beam containing hydrogen is implanted to form a damaged
続いて、図23の(d)に示すように、フォトニック結晶を構成するための孔(凹形状)を、ドライエッチングにより、平坦化された第2透明絶縁体層74、及び、サブ光電変換層72bに周期的に形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 23 (d), the hole (concave shape) for forming the photonic crystal is flattened by dry etching, the second
その後、図23の(e)に示すように、(d)の工程により形成された孔にSiO2を蒸着して、第1透明絶縁体層71を形成する。また、第1透明絶縁体層71の形成された基板を反転し、第2透明絶縁体層74と支持基板15とを接合する。なお、基板を反転したため、光の入射面は基板の支持基板15側の面になる。
Thereafter, as shown in FIG. 23E, SiO 2 is vapor-deposited in the holes formed by the step (d) to form the first
さらに、加熱した後、図23の(f)に示すように、損傷層120を境にサブ光電変換層72cとサブ光電変換層72bとを劈開することにより、基板の最上層であるサブ光電変換層72cを除去する(加熱処理によるウェハ除去)。このとき、図23の(c)に示す工程において損傷層120が形成されているため、この損傷層120に沿ってサブ光電変換層72cを除去することができる。また、図23の(g)に示すように、サブ光電変換層72cをウェハ除去した後の表面(サブ光電変換層72bの表面)を改質すると共に、凹凸形状を平坦化することで、光電変換層72を形成する。
Further, after the heating, as shown in FIG. 23F, the sub
次に、図23の(h)に示すように、光電変換層72の金属電極73a及び金属電極73bを形成する位置に合わせて、対応する極性を持つ不純物を高濃度でドープすることにより、n+層78、及び、p+層79を形成する(バックコンタクト用製膜)。また、光電変換層72に形成されたn+層78、及び、p+層79をそれぞれ覆うようにAlを蒸着し、Al膜を形成することで金属電極73a、及び、金属電極73bを形成する。
Next, as shown in FIG. 23 (h), n + is doped by doping impurities having a corresponding polarity at a high concentration in accordance with the positions where the
上述のように、図23の(a)~(h)の製造工程を経ることにより、本実施形態に係る太陽電池7が完成する。
As described above, the
なお、本実施形態では、第1透明絶縁体層71が固体である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第1透明絶縁体層71が空気である構成を採用してもよい。
In the present embodiment, the case where the first
この場合には、図23の(e)に示す工程において、(d)の工程により形成された基板をそのまま反転し、第2透明絶縁体層74と支持基板15とを接合すればよい。このように形成することにより、(d)の工程により形成された孔に、空気を媒質とした第1透明絶縁体層71が形成される。
In this case, in the step shown in FIG. 23 (e), the substrate formed by the step (d) may be reversed as it is, and the second
上述の構成によって、太陽電池7は、特に長波長における光の吸収率を高め、光電変換の効率を向上させることができると共に、薄型化(数百nm程度の厚さ)を実現することができる。さらに、太陽電池7は、支持基板15を備えているため、光電変換層72の薄型化を行うことで太陽電池7の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。
With the above-described configuration, the
<変形例>
本実施形態の変形例について、図24を参照して説明する。なお、説明の便宜上、本実施形態に係る構成要素と同様の機能を有する構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、主に、実施形態7との相違点について説明するものとする。
<Modification>
A modification of this embodiment will be described with reference to FIG. For convenience of explanation, components having functions similar to those of the components according to the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the present embodiment, differences from the seventh embodiment will be mainly described.
〔太陽電池の構成〕
まず、本変形例に係る太陽電池の構成について、図24を参照して説明する。図24は、本変形例に係る太陽電池7’の全体構成を概略的に示す断面図である。
[Configuration of solar cell]
First, the structure of the solar cell according to this modification will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of a
本変形例に係る太陽電池7’は、図24に示すように、支持基板15、光電変換層72、金属電極73a、73b、第1透明絶縁体層(第1透明体)71’、第2透明絶縁体層(透明絶縁層)74’、n+層78、及び、p+層79を備えている。
As shown in FIG. 24, the
第2透明絶縁体層74’は、平滑面を有し、親水性表面を有した絶縁体からなる層であり、金属電極73a、73b及び光電変換層72と支持基板15とを接続すると共に絶縁している。また、第1透明絶縁体層71’は、透明な絶縁体であり、太陽光が入射される入射面として設けられている。
The second
(太陽電池の各構成要素の配置)
太陽電池7’は、図24に示すように、最下層(入射面と反対側の最外面)として支持基板15を備え、その上に第2透明絶縁体層74’が積層されている。また、第2透明絶縁体層74’の上には、金属電極73a、及び、金属電極73bがそれぞれ形成されており、金属電極73aの上にはn+層78が、金属電極73bの上にはp+層79がそれぞれ積層されている。
(Arrangement of each component of solar cell)
As shown in FIG. 24, the
金属電極73a、73b、n+層78、及び、p+層79の上には、光電変換層72がで積層されている。また、光電変換層72の入射面には凹凸形状が形成されており、その凹凸形状を覆うようにして、第1透明絶縁体層71’が太陽電池7’の最上層(入射面側の最外層)として積層されている。すなわち、光電変換層72の光の入射面と反対側の面(第2表面)にn+層78、及び、p+層79が形成されている。
A
このように、本実施形態に係る太陽電池7’では、光電変換層72自体に凹凸構造を形成し、その凹凸構造を覆うように第1透明絶縁体層71’を製膜している。この結果、光電変換層72および隣接層としての第1透明絶縁体層71’の界面では、屈折率の異なる2種の材料のみが隣接してフォトニック結晶を構成している。
As described above, in the
上述の構成によれば、第2表面にn+層78およびp+層79が形成されているため、第2表面側から電力を取り出すことができる。したがって、シンプルな構成で、しかも、前述したフォトニック結晶による光吸収率の向上の効果を得ることができる。
According to the above-described configuration, since the n +
〔まとめ〕
本発明の一態様に係る太陽電池(太陽電池1~6)は、上述のように、
(1)光電変換ユニット(第1透明導電膜11、21、51、光電変換層12、22、52、62)と、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板(支持基板15)とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層(光電変換層12、22、52、62)であって、光の入射側の第1表面(光の入射面)に第1凹部(円柱状に形成された複数の凹部(孔))または第1凸部(凸部27)が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1表面の上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体(第1透明導電膜11、21、51)、または上記第1凸部を設けたことにより形成された第2凹部(凹形状)を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成している、ことを特徴としている。
[Summary]
As described above, the solar cell according to one embodiment of the present invention (
(1) a photoelectric conversion unit (first transparent
(2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit;
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layers 12, 22, 52, 62) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and has a first recess on a first surface (light incident surface) on the light incident side. (A plurality of concave portions (holes) formed in a columnar shape) or first conversion portions (convex portions 27) regularly formed photoelectric conversion layers;
(3-2) A first transparent body (first transparent
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. It is characterized by that.
上記の構成によれば、上記第1表面の凹凸形状が、フォトニック結晶を構成する形態には2通りある。 According to the above-described configuration, there are two forms in which the uneven shape of the first surface forms the photonic crystal.
第1の形態は、光電変換層の第1表面に規則的に形成された第1凹部を第1透明体が満たすことによって、第1透明体が、例えば正方格子の各格子点に配された形態である。これにより、第1表面の凹凸形状において、フォトニック結晶を構成するように屈折率が周期的に変化することになる。 In the first embodiment, the first transparent body is arranged at each lattice point of a square lattice, for example, by filling the first concave portions regularly formed on the first surface of the photoelectric conversion layer. It is a form. As a result, the refractive index periodically changes so as to form a photonic crystal in the uneven shape of the first surface.
第2の形態は、光電変換層の第1表面に、光電変換層の形成材料によって第1凸部を規則的に形成した結果として、第2凹部が形成され、その第2凹部を第1透明体が満たすことによって、光電変換層の第1凸部が、例えば正方格子の各格子点に配された形態である。これにより、第1の形態と同様に、第1表面の凹凸形状において、フォトニック結晶を構成するように屈折率が周期的に変化することになる。 In the second embodiment, as a result of regularly forming the first convex portion on the first surface of the photoelectric conversion layer by the material for forming the photoelectric conversion layer, the second concave portion is formed, and the second concave portion is formed into the first transparent portion. When the body fills, the first convex portion of the photoelectric conversion layer is arranged at each lattice point of a square lattice, for example. As a result, as in the first embodiment, the refractive index periodically changes so as to form a photonic crystal in the uneven shape of the first surface.
上記2つの形態のいずれであっても、上記太陽電池は、取り込んだ光を上記フォトニック結晶の面内方向で共振させることができるので、光を閉じ込める高い効果が得られる。また、入射光が上記フォトニック結晶を通過する際に、回折又は散乱するため、上記太陽電池は、上記光電変換層を通過する光の経路を増加させることができる。 In any of the above two forms, the solar cell can resonate the captured light in the in-plane direction of the photonic crystal, so that a high effect of confining the light can be obtained. Further, since incident light is diffracted or scattered when passing through the photonic crystal, the solar cell can increase the path of light passing through the photoelectric conversion layer.
これによって、上記太陽電池は、上記光電変換層における光の吸収率を向上させることができ、当該太陽電池における起電力量を増大させることができる。また、上記光電変換層における光の吸収率の向上により、当該光電変換層の薄型化も可能となる。さらに、上記太陽電池は、上記支持基板を備えているため、上記光電変換層の薄型化を行うことで当該太陽電池の形状が維持できなくなることを防ぐことができる。 Thereby, the solar cell can improve the light absorption rate in the photoelectric conversion layer, and can increase the amount of electromotive force in the solar cell. Further, the photoelectric conversion layer can be thinned by improving the light absorption rate in the photoelectric conversion layer. Furthermore, since the said solar cell is equipped with the said support substrate, it can prevent that it becomes impossible to maintain the shape of the said solar cell by thinning the said photoelectric converting layer.
なお、上記第1透明体は、空気のような透明の気体であっても、フォトニック結晶を構成することができるが、上記第1表面における反射率を低く抑え、入射光量をできるだけ稼ぐためには、固体の透明体が好ましい。これは、固体の透明体と光電変換層との間の屈折率差は、例えば空気と光電変換層との間の屈折率差より小さいため、上記第1表面における反射率を小さく抑えることができるからである。 The first transparent body can form a photonic crystal even if it is a transparent gas such as air. In order to keep the reflectance on the first surface low and increase the amount of incident light as much as possible. Is preferably a solid transparent body. This is because the refractive index difference between the solid transparent body and the photoelectric conversion layer is smaller than, for example, the refractive index difference between air and the photoelectric conversion layer, so that the reflectance at the first surface can be kept small. Because.
また、上記太陽電池を電池として機能させるためには、太陽電池から電子の取り出しを行うことが必要である。また、電子の取り出しには、導電性を有する透明固体を、光電変換層の光の入射面及び入射面と反対の面の少なくとも何れかの面に形成することが好ましい。 Also, in order for the solar cell to function as a battery, it is necessary to take out electrons from the solar cell. In order to extract electrons, it is preferable to form a transparent solid having conductivity on at least one of the light incident surface and the surface opposite to the light incident surface of the photoelectric conversion layer.
前記特許文献1の構成では、光電変換層に透明導電層を成膜することなく、光電変換層に直接的に局所的な補助電極を取り付けているので、電子の収集効率が低いという問題が生ずることを付言しておく。
In the configuration of
なお、上記第1透明体が固体の導電性透明体である場合には、当該第1透明体から電子の取り出しを行うことができるため、電子の取り出しに用いられる、当該第1透明体と異なる層を別途形成する必要がなく、上記太陽電池の構成をよりシンプルなものとすることができる。 In addition, when the said 1st transparent body is a solid electroconductive transparent body, since it can take out an electron from the said 1st transparent body, it differs from the said 1st transparent body used for taking out an electron. It is not necessary to form a layer separately, and the configuration of the solar cell can be simplified.
また、本発明の一態様に係る太陽電池では、
(1)上記第1凹部または第1凸部は、上記第1表面に正方格子状に、150nm以上540nm以下のピッチで配列され、
(2)上記第1凹部または第1凸部の形状は、直径60nm以上540nm以下を有する円柱状であり、
(3)上記第1凹部の深さ、または第1凸部の高さは、100nm以上、上記光電変換層の厚み以下である、ことが好ましい。
In the solar cell according to one embodiment of the present invention,
(1) The first concave portions or the first convex portions are arranged on the first surface in a square lattice pattern with a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less,
(2) The shape of the first concave portion or the first convex portion is a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less,
(3) It is preferable that the depth of the first concave portion or the height of the first convex portion is 100 nm or more and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
上記の構成によれば、フォトニック結晶を設けていない太陽電池と比較して、光の吸収率が、有意な効果といえる1.2倍以上に増大する。 According to the above configuration, the light absorption rate is increased to 1.2 times or more, which is a significant effect, as compared with a solar cell not provided with a photonic crystal.
これにより、従来の太陽電池より光の吸収率が高く、かつ、従来の太陽電池では達成しえない光電変換層の薄膜化(数100nm程度)を実現することができる。 Thereby, the light absorption rate is higher than that of the conventional solar cell, and the photoelectric conversion layer can be made thin (about several hundred nm) which cannot be achieved by the conventional solar cell.
また、本発明の一態様に係る太陽電池の上記第1透明体は、上記第1表面の凹凸形状を被覆する第1透明導電膜(第1透明導電膜11、21、51)であり、当該第1透明導電膜が、上記太陽電池における光の入射側の最外層になっている、ことが好ましい。
In addition, the first transparent body of the solar cell according to one aspect of the present invention is a first transparent conductive film (first transparent
上記の構成によれば、第1透明導電膜は、光電変換層の保護膜としての役割と、太陽電池に必要な2つの電極の一方としての役割とを兼ねることができる。また、第1透明導電膜が最外層なので、光が上記第1表面に到達するまでには、第1透明導電膜を通過するだけでよい。これにより、光の損失を小さくすることができ、光電変換層に対する入射光量を増やすために有利となる。 According to the above configuration, the first transparent conductive film can serve both as a protective film for the photoelectric conversion layer and as one of two electrodes necessary for the solar cell. Further, since the first transparent conductive film is the outermost layer, it is only necessary to pass through the first transparent conductive film until the light reaches the first surface. Thereby, the loss of light can be reduced, which is advantageous for increasing the amount of incident light on the photoelectric conversion layer.
さらに、第1透明導電膜は固体なので、既に説明したように、上記第1表面における反射率を低く抑えるので、入射光量を増やすためにさらに有利である。 Furthermore, since the first transparent conductive film is solid, the reflectance on the first surface is kept low as described above, which is further advantageous for increasing the amount of incident light.
また、本発明の一態様に係る太陽電池では、上記光電変換層と上記支持基板との間に、金属電極層(金属電極13、53)が設けられている、ことが好ましい。
In the solar cell according to one embodiment of the present invention, it is preferable that a metal electrode layer (
上記の構成によれば、上記フォトニック結晶を通過した光と、上記金属電極において反射した光との干渉効果により、フォトニック結晶と金属電極との間に光を閉じ込める効果を、増大させることができる。この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができ、当該太陽電池における起電力量を一層増大させることができる。 According to the above configuration, the effect of confining the light between the photonic crystal and the metal electrode can be increased by the interference effect between the light that has passed through the photonic crystal and the light reflected by the metal electrode. it can. As a result, the light absorption rate by the photoelectric conversion layer can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell can be further increased.
また、本発明の一態様に係る太陽電池では、
(1)上記第1透明体は、上記第1表面の凹凸形状を被覆する第1透明導電膜であり、
(2)当該第1透明導電膜が、上記支持基板に透明絶縁層(透明絶縁体層14)を介して接合され、
(3)上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面(光電変換層12の裏面)に、金属電極層が設けられている、ことが好ましい。
In the solar cell according to one embodiment of the present invention,
(1) The first transparent body is a first transparent conductive film that covers the uneven shape of the first surface,
(2) The first transparent conductive film is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer (transparent insulating layer 14),
(3) It is preferable that the metal electrode layer is provided in the 2nd surface (back surface of the photoelectric converting layer 12) on the opposite side to the said 1st surface of the said photoelectric converting layer.
上記の構成によれば、支持基板から透明絶縁層および第1透明導電膜を経て、光電変換層に光が入射するように、太陽電池を構成することができる。支持基板を光の入射面とすることで、媒質として例えばシリコンなどが用いられる光電変換層を、支持基板、透明絶縁層、及び、第1透明導電膜によって保護することができるため、環境耐性に優れた太陽電池を形成することができる。 According to the above configuration, the solar cell can be configured such that light enters the photoelectric conversion layer from the support substrate through the transparent insulating layer and the first transparent conductive film. By using the support substrate as the light incident surface, the photoelectric conversion layer using, for example, silicon as a medium can be protected by the support substrate, the transparent insulating layer, and the first transparent conductive film. An excellent solar cell can be formed.
また、上記の構成によれば、光電変換層の片側の面に支持基板、透明絶縁層、及び、第1透明導電膜が製膜されるため、光電変換層のもう片側の面に支持基板、透明絶縁層、及び、第1透明導電膜の何れも形成する必要がない。これによって、光電変換層の取り扱いを容易にすることができる。 Moreover, according to said structure, since a support substrate, a transparent insulating layer, and a 1st transparent conductive film are formed into the surface of the one side of a photoelectric converting layer, a supporting substrate is formed in the surface of the other side of a photoelectric converting layer, Neither the transparent insulating layer nor the first transparent conductive film needs to be formed. Thereby, handling of the photoelectric conversion layer can be facilitated.
さらに、支持基板などが設けられた面と反対側の光電変換層の面に、金属電極層を製膜することができるので、金属電極層のパターニングに自由度を与えることができる。これによって、太陽電池セルを複数配置して配線した太陽電池モジュールの構成の自由度を高めることができる。これは、太陽電池セルの金属電極層のパターニングに自由度を与えることにより、太陽電池モジュールにおけるセルの配置に自由度を与えることができるためである。 Furthermore, since the metal electrode layer can be formed on the surface of the photoelectric conversion layer opposite to the surface on which the support substrate or the like is provided, a degree of freedom can be given to patterning of the metal electrode layer. Thereby, the freedom degree of the structure of the solar cell module which has arranged and wired multiple photovoltaic cells can be raised. This is because the degree of freedom can be given to the arrangement of the cells in the solar battery module by giving the degree of freedom to the patterning of the metal electrode layer of the solar battery cell.
太陽電池モジュールは、さらに、保護基板などが取り付けられていてもよい。なお、以降では、太陽電池セルを太陽電池パネルの1ユニットとも呼称し、太陽電池モジュールを太陽電池パネルとも呼称する。 The solar cell module may be further attached with a protective substrate or the like. Hereinafter, the solar battery cell is also referred to as one unit of the solar battery panel, and the solar battery module is also referred to as the solar battery panel.
また、本発明の一態様に係る太陽電池では、
(1)上記光電変換層を、上記第1透明導電膜とともに挟むように設けられた第2透明導電膜(第2透明導電膜38、68)を備え、
(2)上記第1透明導電膜および第2透明導電膜の各屈折率は、上記光電変換層の屈折率より小さい、ことが好ましい。
In the solar cell according to one embodiment of the present invention,
(1) A second transparent conductive film (second transparent
(2) It is preferable that each refractive index of the said 1st transparent conductive film and the 2nd transparent conductive film is smaller than the refractive index of the said photoelectric converting layer.
上記の構成によれば、第1透明導電膜および第2透明導電膜の各屈折率は、光電変換層の屈折率よりも小さいので、高屈折率のコアを低屈折率のクラッドで被覆することで光を伝播させる光ファイバと同じ原理により、光電変換層を抜けて外部へと漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。したがって、光電変換層に光を閉じ込める効果がさらに増強される。 According to said structure, since each refractive index of a 1st transparent conductive film and a 2nd transparent conductive film is smaller than the refractive index of a photoelectric converting layer, a high refractive index core is coat | covered with a low refractive index clad. By using the same principle as that of an optical fiber for propagating light, it is possible to confine light that leaks out of the photoelectric conversion layer. Therefore, the effect of confining light in the photoelectric conversion layer is further enhanced.
この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができ、当該太陽電池における起電力量を一層増大させることができる。 As a result, the light absorption rate by the photoelectric conversion layer can be further improved, and the amount of electromotive force in the solar cell can be further increased.
本発明の一態様に係る太陽電池(太陽電池7)は、上述のように、
(1)光電変換ユニット(第1透明絶縁体層71、光電変換層72)と、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板(支持基板15)とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層(光電変換層72)であって、光の入射側の第1表面(光の入射面)に第1凹部(円柱状に形成された複数の凹部(孔))が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体(第1透明絶縁体層71)とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
(5)上記第1表面に上記第1凹部を複数設けたことにより、各第1凹部の周囲に残った第2凸部(凸形状)が、上記支持基板に接合され、
(6)上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極(p+層79)および陰電極(n+層78)が形成されている、ことを特徴としている。
As described above, the solar cell (solar cell 7) according to one embodiment of the present invention is as follows.
(1) a photoelectric conversion unit (first
(2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit;
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layer 72) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and is formed in a first recess (cylindrical shape) on the first surface (light incident surface) on the light incident side. A plurality of recesses (holes) regularly formed, and a photoelectric conversion layer,
(3-2) including a first transparent body (first transparent insulator layer 71) that at least fills the first recess.
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. And
(5) By providing a plurality of the first concave portions on the first surface, the second convex portions (convex shape) remaining around the first concave portions are joined to the support substrate,
(6) A positive electrode (p + layer 79) and a negative electrode (n + layer 78) are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer.
上記の構成によれば、凹凸形状が形成されフォトニック結晶を構成している第1表面が、第2凸部によって支持基板に接合されている。したがって、支持基板に入射した光は、支持基板を通過するだけで、フォトニック結晶に到達する。このため、光の損失を小さくすることができ、光電変換層に対する入射光量を増やすために有利である。 According to the above configuration, the first surface forming the concavo-convex shape and constituting the photonic crystal is joined to the support substrate by the second convex portion. Therefore, the light incident on the support substrate reaches the photonic crystal only by passing through the support substrate. For this reason, the loss of light can be reduced, which is advantageous for increasing the amount of incident light on the photoelectric conversion layer.
また、陽電極および陰電極が形成された光電変換層の第2表面と、支持基板との間に第1透明導電膜を設けなくても、第2表面側から電力を取り出すことができる。したがって、シンプルな構成で、しかも、前述したフォトニック結晶による光吸収率の向上の効果を得ることができる。 Moreover, electric power can be taken out from the second surface side without providing the first transparent conductive film between the second surface of the photoelectric conversion layer on which the positive electrode and the negative electrode are formed and the support substrate. Therefore, it is possible to obtain the effect of improving the light absorption rate by the above-described photonic crystal with a simple configuration.
本発明の一態様に係る太陽電池(太陽電池7’)は、上述のように、
(1)光電変換ユニット(第1透明絶縁体層71’、光電変換層72)と、
(2)上記光電変換ユニットを支持する支持基板(支持基板15)とを備え、
(3)上記光電変換ユニットは、
(3-1)光を吸収して光電変換する光電変換層(光電変換層72)であって、光の入射側の第1表面(光の入射面)に第1凹部(円柱状に形成された複数の凹部(孔))が規則的に形成された光電変換層と、
(3-2)上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体(第1透明絶縁体層71’)とを含み、
(4)上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
(5)上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極(p+層79)および陰電極(n+層78)が形成され、
(6)上記陽電極および上記陰電極が形成された上記第2表面が、透明絶縁層(第2透明絶縁体層74’)を介して上記支持基板に接合されている、ことを特徴としている。
As described above, the solar cell (
(1) a photoelectric conversion unit (first
(2) a support substrate (support substrate 15) that supports the photoelectric conversion unit;
(3) The photoelectric conversion unit
(3-1) A photoelectric conversion layer (photoelectric conversion layer 72) that absorbs light and performs photoelectric conversion, and is formed in a first recess (cylindrical shape) on the first surface (light incident surface) on the light incident side. A plurality of recesses (holes) regularly formed, and a photoelectric conversion layer,
(3-2) a first transparent body (first
(4) The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body. And
(5) A positive electrode (p + layer 79) and a negative electrode (n + layer 78) are formed on the second surface of the photoelectric conversion layer opposite to the first surface,
(6) The second surface on which the positive electrode and the negative electrode are formed is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer (second transparent insulating
上記の構成によれば、第2表面に陽電極および陰電極が形成されているため、第2表面側から電力を取り出すことができる。したがって、シンプルな構成で、しかも、前述したフォトニック結晶による光吸収率の向上の効果を得ることができる。 According to the above configuration, since the positive electrode and the negative electrode are formed on the second surface, electric power can be taken out from the second surface side. Therefore, it is possible to obtain the effect of improving the light absorption rate by the above-described photonic crystal with a simple configuration.
また、本発明の一態様に係る太陽電池(太陽電池7、7’)では、
(1)上記第1凹部は、上記第1表面に正方格子状に、150nm以上540nm以下のピッチで配列され、
(2)上記第1凹部の形状は、直径60nm以上540nm以下を有する円柱状であり、
(3)上記第1凹部の深さは、100nm以上、上記光電変換層の厚み以下である、ことが好ましい。
Moreover, in the solar cell (
(1) The first recesses are arranged in a square lattice pattern on the first surface with a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less,
(2) The shape of the first recess is a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less,
(3) The depth of the first recess is preferably 100 nm or more and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
上記の構成によれば、フォトニック結晶を設けていない太陽電池と比較して、光の吸収率が、有意な効果といえる1.2倍以上に増大する。 According to the above configuration, the light absorption rate is increased to 1.2 times or more, which is a significant effect, as compared with a solar cell not provided with a photonic crystal.
これにより、従来の太陽電池より光の吸収率が高く、かつ、従来の太陽電池では達成しえない光電変換層の薄膜化(数100nm程度)を実現することができる。 Thereby, the light absorption rate is higher than that of the conventional solar cell, and the photoelectric conversion layer can be made thin (about several hundred nm) which cannot be achieved by the conventional solar cell.
上記いずれかの太陽電池を1ユニットとして、複数の上記ユニットが一次元的または二次元的に配列された太陽電池パネル、上記いずれかの太陽電池を電源として備えた装置、および上記太陽電池パネルを電源として備えた装置も、本発明の範疇に含まれる。 A solar cell panel in which one of the above solar cells is used as a unit and a plurality of the units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, a device including any one of the solar cells as a power source, and the solar cell panel A device provided as a power source is also included in the scope of the present invention.
(付記事項)
なお、上述した太陽電池を1ユニットとして、複数のユニットが一次元的または二次元的に配列された太陽電池パネルも、本発明の1つのカテゴリーである。これにより、光の吸収率が高い太陽電池が配列されているので、光電変換率の高い太陽電池パネルを得ることができる。
(Additional notes)
Note that a solar cell panel in which the above-described solar cell is regarded as one unit and a plurality of units are arranged one-dimensionally or two-dimensionally is also one category of the present invention. Thereby, since the solar cell with a high light absorption rate is arranged, a solar cell panel with a high photoelectric conversion rate can be obtained.
また、上述した太陽電池のいずれかを電源として備えた装置もまた、本発明の1つのカテゴリーである。そのような装置には、上記太陽電池を電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器、家電製品または広告塔などが含まれる。 In addition, an apparatus provided with any of the above-described solar cells as a power source is also one category of the present invention. Such devices include portable or stationary electronic devices, home appliances, advertising towers, and the like that operate using the solar cell as a power source.
さらに、太陽電池パネルを電源として備えた装置もまた、本発明の1つのカテゴリーである。そのような装置には、上記太陽電池パネルを電源として動作する携帯型または据え置き型の電子機器または家電製品のほかに、車両または広告塔なども含まれる。 Furthermore, an apparatus provided with a solar cell panel as a power source is also one category of the present invention. Such devices include vehicles or advertising towers in addition to portable or stationary electronic devices or home appliances that operate using the solar cell panel as a power source.
本発明は、太陽電池全般に利用することができる。 The present invention can be used for solar cells in general.
1、2、3、4、5、6、7、7’ 太陽電池
11、21、51 第1透明導電膜(第1透明体、光電変換ユニット)
12、22、52、62、72 光電変換層(光電変換ユニット)
13、53 金属電極(金属電極層)
14 透明絶縁体層(透明絶縁層)
15 支持基板
16、26、56 凸部
17、57 凸形状
27 凸部(第1凸部)
38、68 第2透明導電膜
72a、72b、72c サブ光電変換層
73a、73b 金属電極
71、71’ 第1透明絶縁体層(第1透明体、光電変換ユニット)
74、74’ 第2透明絶縁体層(透明絶縁層)
78 n+層(陰電極)
79 p+層(陽電極)
120 損傷層
121、221 p型半導体層
121a、121b、121c p型サブ半導体層
122、222、522 n型半導体層
521a、521b、521c p型サブ半導体層
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 7 '
12, 22, 52, 62, 72 Photoelectric conversion layer (photoelectric conversion unit)
13, 53 Metal electrode (metal electrode layer)
14 Transparent insulator layer (transparent insulation layer)
15
38, 68 Second transparent
74, 74 ′ Second transparent insulator layer (transparent insulation layer)
78 n + layer (cathode)
79 p + layer (positive electrode)
120
Claims (17)
上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
上記光電変換ユニットは、
光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部または第1凸部が規則的に形成された光電変換層と、
上記第1表面の上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体、または上記第1凸部を設けたことにより形成された第2凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成している、
ことを特徴とする太陽電池。 A photoelectric conversion unit;
A support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is
A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion or the first convex portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
A first transparent body that at least fills the first concave portion of the first surface, or a first transparent body that at least fills the second concave portion formed by providing the first convex portion,
The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body.
A solar cell characterized by that.
上記第1凹部または第1凸部の形状は、直径60nm以上540nm以下を有する円柱状であり、
上記第1凹部の深さ、または第1凸部の高さは、100nm以上、上記光電変換層の厚み以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 The first concave portions or the first convex portions are arranged in a square lattice pattern on the first surface at a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less,
The shape of the first concave portion or the first convex portion is a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less,
The depth of the first recess or the height of the first protrusion is not less than 100 nm and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
The solar cell according to claim 1.
上記フォトニック結晶は、第1の径を持つ上記基本要素が、第1の格子定数で配列された第1の副構造と、上記第1の径と異なった第2の径を持つ上記基本要素が、上記第1の格子定数と異なった第2の格子定数で、上記第1の副構造の格子点の一部を置き換えるように配列された第2の副構造とを含む、少なくとも2種類の副構造を含み、
上記第1の径および第2の径は、上記第1透明体の面内方向における上記基本要素の断面の径であること
を特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 While one of the concave portion or the convex portion constituting the concavo-convex shape forms a basic element of the photonic crystal,
In the photonic crystal, the basic element having a first diameter has a first substructure arranged with a first lattice constant, and the basic element having a second diameter different from the first diameter. Includes at least two types of second substructures arranged to replace a part of the lattice points of the first substructure with a second lattice constant different from the first lattice constant. Including substructures,
2. The solar cell according to claim 1, wherein the first diameter and the second diameter are cross-sectional diameters of the basic element in an in-plane direction of the first transparent body.
を特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池。 One of the concave portion or the convex portion constituting the concavo-convex shape constitutes a basic element of the photonic crystal, and the basic element is a column whose central axis direction is substantially perpendicular to the surface of the first transparent body. The shape of the cross section perpendicular to the central axis is a circle, ellipse or polygon, and the polygon is a shape in which a straight side is replaced with a curved side, or the polygon The solar cell according to claim 1, wherein the solar cell includes an arcuate rounded shape.
上記フォトニック結晶は、4つの凹部または4つの凸部を正方格子状に配置した単位格子を備え、該単位格子を二次元的、かつ周期的に配置することによって構成され、
上記4つの凹部または4つの凸部の断面の形状は、該断面を含む面内方向に沿って、4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという条件を満たしていること
を特徴とする請求項1に記載の太陽電池。 One of the concave portion or the convex portion constituting the concavo-convex shape constitutes a basic element for forming the photonic crystal,
The photonic crystal includes a unit cell in which four concave portions or four convex portions are arranged in a square lattice shape, and is configured by arranging the unit lattices two-dimensionally and periodically,
The cross-sectional shape of the four concave portions or the four convex portions can be obtained by translating any of the four cross-sectional shapes to the position of the other cross-sectional shape along the in-plane direction including the cross-section. 2. The solar cell according to claim 1, wherein a condition that the shapes do not coincide with each other is satisfied.
を特徴とする請求項5に記載の太陽電池。 6. The solar cell according to claim 5, wherein the shape of the cross section of the four concave portions or the four convex portions is similar to each other in size.
4つの断面の形状のいずれかを、他の断面の形状の位置に平行移動させても、形状的に相互に不一致となるという上記条件を満たすように、各三角形の向きまたは形状が設定され、
上記三角形は、上記三角形の直線状の辺を、曲線状の辺に置き換えた形状、または、上記三角形の頂点に円弧状の丸みをつけた形状を含んでいること
を特徴とする請求項5に記載の太陽電池。 The shape of the cross section of the four concave portions or the four convex portions is a triangle,
The orientation or shape of each triangle is set so as to satisfy the above condition that even if one of the four cross-sectional shapes is translated to the position of the shape of the other cross-section, the shapes do not match each other.
The triangle includes a shape obtained by replacing a straight side of the triangle with a curved side, or a shape obtained by rounding an arc at the apex of the triangle. The solar cell described.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池。 The first transparent body is a first transparent conductive film that covers the uneven shape of the first surface, and the first transparent conductive film is an outermost layer on the light incident side of the solar cell.
The solar cell according to claim 1 or 2, wherein
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の太陽電池。 A metal electrode layer is provided between the photoelectric conversion layer and the support substrate.
The solar cell according to any one of claims 1 to 3, wherein:
上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、金属電極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に記載の太陽電池。 The first transparent body is a first transparent conductive film that covers the uneven shape of the first surface, and the first transparent conductive film is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer,
A metal electrode layer is provided on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer,
The solar cell according to claim 1 or 2, wherein
上記第1透明導電膜および第2透明導電膜の各屈折率は、上記光電変換層の屈折率より小さい、
ことを特徴とする請求項8または10に記載の太陽電池。 A second transparent conductive film provided to sandwich the photoelectric conversion layer together with the first transparent conductive film;
Each refractive index of the first transparent conductive film and the second transparent conductive film is smaller than the refractive index of the photoelectric conversion layer,
The solar cell according to claim 8 or 10, wherein:
上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
上記光電変換ユニットは、
光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部が規則的に形成された光電変換層と、
上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
上記第1表面に上記第1凹部を複数設けたことにより、各第1凹部の周囲に残った第2凸部が、上記支持基板に接合され、
上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極および陰電極が形成されている、
ことを特徴とする太陽電池。 A photoelectric conversion unit;
A support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is
A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
A first transparent body that at least fills the first recess,
The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body,
By providing a plurality of the first concave portions on the first surface, the second convex portions remaining around the first concave portions are bonded to the support substrate,
A positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer,
A solar cell characterized by that.
上記光電変換ユニットを支持する支持基板とを備え、
上記光電変換ユニットは、
光を吸収して光電変換する光電変換層であって、光の入射側の第1表面に第1凹部が規則的に形成された光電変換層と、
上記第1凹部を少なくとも満たす第1透明体とを含み、
上記第1表面に形成された凹凸形状は、上記光電変換層と上記第1透明体との間での屈折率差に周期性を持たせたことによって、フォトニック結晶を構成しており、
上記光電変換層の上記第1表面とは反対側の第2表面に、陽電極および陰電極が形成され、
上記陽電極および上記陰電極が形成された上記第2表面が、透明絶縁層を介して上記支持基板に接合されている、
ことを特徴とする太陽電池。 A photoelectric conversion unit;
A support substrate for supporting the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion unit is
A photoelectric conversion layer that absorbs light and performs photoelectric conversion, wherein the first concave portion is regularly formed on the first surface on the light incident side; and
A first transparent body that at least fills the first recess,
The concavo-convex shape formed on the first surface constitutes a photonic crystal by providing periodicity to the refractive index difference between the photoelectric conversion layer and the first transparent body,
A positive electrode and a negative electrode are formed on the second surface opposite to the first surface of the photoelectric conversion layer,
The second surface on which the positive electrode and the negative electrode are formed is bonded to the support substrate via a transparent insulating layer;
A solar cell characterized by that.
上記第1凹部の形状は、直径60nm以上540nm以下を有する円柱状であり、
上記第1凹部の深さは、100nm以上、上記光電変換層の厚み以下である、
ことを特徴とする、請求項12又は13に記載の太陽電池。 The first recesses are arranged on the first surface in a square lattice pattern with a pitch of 150 nm or more and 540 nm or less,
The first recess has a cylindrical shape having a diameter of 60 nm or more and 540 nm or less,
The depth of the first recess is not less than 100 nm and not more than the thickness of the photoelectric conversion layer.
The solar cell according to claim 12 or 13, characterized by the above.
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