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公開番号2025030419
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-07
出願番号2023135701
出願日2023-08-23
発明の名称表面改質レーザ照射装置、表面改質レーザ照射方法、及び、半導体部材、並びに、シリコン太陽光電池
出願人学校法人東海大学
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類B23K 26/352 20140101AFI20250228BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】処理が困難な化学薬品を使用することがなく、ナノドット構造が融解することなく形成できる表面改質レーザ照射装置を提供することを課題とする。
【解決手段】レーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を、表面改質を行うターゲット1に向かって予め設定された光路に配置して誘導する光学系20と、を備える光源装置70と、ターゲット1を、空気よりも熱伝導率が高い液体又は気体である媒体7と共に収納する収納部50と、ターゲット又はレーザ光の照射位置のいずれか一方又は両方を移動させる移動機構40と、を備え、収納部は、媒体を介してレーザ光により照射されるターゲットを支持する支持部53を有し、光源装置からレーザ光が媒体中のターゲットに照射されるレーザエネルギ密度は、ターゲットの錐形状の第1凸部の錐側面に形成される第2凸部5の隆起開始閾値以上で、媒体中のターゲットの溶解閾値以下である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
レーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を、表面改質を行うターゲットに向かって予め設定された光路に配置して誘導する光学系と、を備える光源装置と、
前記ターゲットを、空気よりも熱伝導率が高い液体又は気体である媒体と共に収納する収納部と、
前記ターゲット又は前記レーザ光の照射位置のいずれか一方又は両方を移動させる移動機構と、を備え、
前記収納部は、前記媒体を介して前記レーザ光により照射される前記ターゲットを支持する支持部を有し、
前記光源装置からレーザ光が前記媒体中のターゲットに照射されるレーザエネルギ密度は、前記ターゲットの錐形状の第１凸部の錐側面に形成される第２凸部の隆起開始閾値以上で、前記媒体中のターゲットの溶解閾値以下である表面改質レーザ照射装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記媒体は、液体である、水、メタノール、エタノール、アセトン、油のいずれか、又は、気体である、ヘリウム、水素のいずれかである請求項１に記載の表面改質レーザ照射装置。
【請求項３】
表面改質を行うターゲットを空気よりも熱伝導率が高い液体又は気体である媒体が充填される収納部に収納して準備する工程と、
準備した収納部内のターゲットにレーザ光源からのレーザ光を、光路に配置した光学系により前記媒体を介して照射する工程と、
前記ターゲットの予め設定されている照射領域の全域に前記レーザ光を照射するように前記ターゲット又は前記レーザ光の照射位置の一方又は両方を、移動機構を介して移動させる工程と、を含み、
前記レーザ光を照射する工程において、前記レーザ光が前記ターゲットに照射されるレーザエネルギ密度は、前記ターゲットの錐形状の第１凸部の錐側面に形成される第２凸部の隆起開始閾値以上で、前記媒体中の前記ターゲットの溶解閾値以下である表面改質レーザ照射方法。
【請求項４】
前記レーザ光は、５０パルス以上６００パルス以下で、２６６ｎｍから１０.６μｍの波長の範囲である請求項５に記載の表面改質レーザ照射方法
【請求項５】
表面に錐形状の凸部を備えて受光する光を電気に変換する半導体部材であって、
前記凸部は、前記半導体部材の表面に形成した角錐形状の第１凸部と、前記第１凸部の錐側面に第２凸部と、を備え、
前記第１凸部は、１μｍ以上３０μｍ以下の大きさであり、
前記第２凸部は、照射されるレーザ光の波長の１／５０以上１／２以下の大きさであり、頂部の１辺と底面部の１辺の長さの比が、１≦底面部／頂部≦４、であるか、又は、底辺と高さのアスペクト比が０．１≦底辺／高さ≦２であるか、のいずれか一方又は両方である半導体部材。
【請求項６】
前記第１凸部及び前記第２凸部を有する表面で受光する、波長が５００ｎｍ±２ｎｍの光に対する表面反射率は、前記第１凸部のみの表面で受光する表面反射率と比較して３％以上において低下する請求項５の半導体部材。
【請求項７】
前記第１凸部及び前記第２凸部を有する表面で受光する、４００ｎｍから８００ｎｍの波長帯域の光に対する表面反射率が、前記第１凸部のみの表面で受光する表面反射率と比較して３％以上において低下する請求項５の半導体部材。
【請求項８】
光電変換に使用するシリコンパネルと、シリコンパネルの受光面側に配置される第１電極と、シリコンパネルの受光面とは反対側となる他面に配置される第２電極と、を備える太陽光電池であって、
前記シリコンパネルは、請求項５から請求項７のいずれかの半導体部材であるシリコン太陽光電池。
【請求項９】
前記シリコンパネルは、第２凸部として１０ｎｍ以下の大きさであるものを含む請求項８に記載のシリコン太陽光電池。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換を行う場合に使用される半導体部材の表面を改質する表面改質レーザ照射装置、表面改質レーザ照射方法、及び、半導体部材、並びに、シリコン太陽光電池に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
シリコンなどの半導体部材の表面にパルスレーザを照射して微小ドット構造を形成する技術が知られている。この技術は、例えば、太陽光電池で使用されるシリコンパネルの表面に微小な凸部を形成することで光－電気変換効率を向上させることができるものである。特に、凸部として数μから十数μ程度のピラミッド構造を形成し、そのピラミッド構造の表面にナノドット構造を形成することで、シリコンパネルでの光の反射を抑制して光電変換の効率が向上することが期待されている。なお、一例として、シリコン太陽光電池の表面に微細周期構造を形成した報告が知られている（非特許文献１，２，３参照）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
Fumitaka Nigo1 ・ Masaki Hashida2 ・ Masahiro Tsukamoto3 ・ Shuji Sakabe2 ・ Mitsuhiro Kusaba1 「Reflectance and crystallinity of silicon solar cells with LIPSS produced by XeCl excimer laser pulses」Received:14 October 2019/Accepted:9 January 2020 Springer-Verlag GmbH Germany,part of Springer Nature 2020
児子史崇草場光博（大阪産業大学大学院工学研究科：大阪府大東市中垣内３‐１‐１）橋田昌樹阪部周二（京都大学化学研究所：京都府宇治市五ケ庄）「エキシマレーザー非熱的加工によるシリコン太陽光電池表面ナノ微細構造形成」レーザー研究：２０１９年３月号１６０頁-１６３頁
児子史崇草場光博（大阪産業大学大学院工学研究科：大阪府大東市中垣内３‐１‐１）橋田昌樹阪部周二（京都大学化学研究所：京都府宇治市五ケ庄）塚本雅裕（大阪大学接合科学研究所：大阪府茨木市美穂が丘１１―１）「紫外線フェムト秒レーザ照射されたシリコン太陽光電池の表面粗さと結晶構造」学会論文誌Ａ（基礎・材料・共通部門紙）Ｖｏｌ.１４０Ｎｏ.８ｐｐ.４０１‐４０６ＤＯＩ：１０.１５４１／ieejfins.140.401 ＩＥＥＪＴｒａｎｓ.ＦＭ，Ｖｏｌ.１４０，Ｎｏ.８，２０２０（２０１９年１０月２４日受付、２０１９年１２月１４日再受付）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、レーザを照射したときの熱によりナノドット構造の一部が融解を伴った形状となってしまい、ナノドット構造による効果が思うように達成できない状態となっている。なお、前記した数μから十数μ程度のピラミッド構造の表面にナノドット構造を形成するために化学薬品を使用することでナノドット構造の効果が達成できるようにする技術もあるが、使用した化学薬品の廃液処分に手間と費用がかかってしまい望まれていないのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明は、前記した状況に鑑み創案されたものであり、処理が困難な化学薬品を使用することがなく、ナノドット構造が融解することなく形成できる表面改質レーザ照射装置、表面改質レーザ照射方法、及び、半導体部材、並びに、シリコン太陽光電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る表面改質レーザ照射装置は、レーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を、表面改質を行うターゲットに向かって予め設定された光路に配置して誘導する光学系と、を備える光源装置と、前記ターゲットを、空気よりも熱伝導率が高い液体又は気体である媒体と共に収納する収納部と、前記ターゲット又は前記レーザ光の照射位置のいずれか一方又は両方を移動させる移動機構と、を備えている。また、前記収納部は、前記媒体を介して前記レーザ光により照射される前記ターゲットを支持する支持部を有している。さらに、前記光源装置からレーザ光が前記媒体中のターゲットに照射されるレーザエネルギ密度は、前記ターゲットの錐形状の第１凸部の錐側面に形成される第２凸部の隆起開始閾値以上で、前記媒体中のターゲットの溶解閾値以下である。
【０００７】
また、前記課題を解決するために、本発明に係る表面改質レーザ照射方法は、表面改質を行うターゲットを空気よりも熱伝導率が高い液体又は気体である媒体が充填される収納部に収納して準備する工程と、準備した前記収納部内のターゲットにレーザ光源からのレーザ光を、光路に配置した光学系により前記媒体を介して照射する工程と、前記ターゲットの予め設定されている照射領域の全域に前記レーザ光を照射するように前記ターゲット又は前記レーザ光の照射位置の一方又は両方を、移動機構を介して移動させる工程と、を含み、前記レーザ光を照射する工程において、前記レーザ光が前記ターゲットに照射されるレーザエネルギ密度は、前記ターゲットの錐形状の第１凸部の錐側面に形成される第２凸部の隆起開始閾値以上で、前記媒体中の前記ターゲットの溶解閾値以下であることとした。
【０００８】
さらに、前記課題を解決するために、本発明に係る半導体部材は、表面に錐形状の凸部を備えて受光する光を電気に変換する半導体部材であって、前記凸部は、前記半導体部材の表面に形成した角錐形状の第１凸部と、前記第１凸部の錐側面に第２凸部と、を備えている。そして、前記第１凸部は、１μｍ以上３０μｍ以下の大きさであり、前記第２凸部は、照射されるレーザ光の波長の１／５０以上１／２以下の大きさであり、頂部の１辺と底面部の１辺の長さの比が、１≦底面部／頂部≦４、であるか、又は、底辺と高さのアスペクト比が０．１≦底辺／高さ≦２であるか、のいずれか一方又は両方である構成とした。
【０００９】
そして、前記課題を解決するために、本発明に係るシリコン太陽光電池は、光電変換に使用するシリコンパネルと、シリコンパネルの受光面側に配置される第１電極と、シリコンパネルの受光面とは反対側となる他面に配置される第２電極と、を備える太陽光電池であって、前記シリコンパネルは、前記した構成の半導体部材である構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る表面改質レーザ照射装置及び、表面改質レーザ照射方法によれば、処理が困難な化学薬品を使用することがなく、ナノドット構造が融解することなく、半導体部材を形成できる。そのため、表面改質された半導体部材及びシリコン太陽光電池では、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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