JP2004071828A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】切断面（側面）での再結合損失を低減することで光電変換効率の向上を図った太陽電池を提供する。
【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板の裏面に形成されたｎ^＋型拡散層及１２及びｐ^＋型拡散層１４と、それらに接続された負電極２２及び正電極２４と、を備えた裏面電極型太陽電池において、半導体基板において発生したキャリアがｎ^＋型拡散層１２又はｐ^＋型拡散層１４によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定される。その設定は、ｎ^＋型拡散層１２の間隔及びｐ^＋型拡散層１４の間隔を素子中央部に比較して素子端部において小さくすることにより、又はｎ^＋型拡散層１２の面積及びｐ^＋型拡散層１４の面積を素子中央部に比較して素子端部において大きくすることにより達成される。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に関し、より詳細には、裏面側にのみ電極を有する裏面電極型太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池では、受光面側に電極を設けた場合、入射する光の量が減少することから、裏面側にのみ電極を有する裏面電極型という構造のものが知られている。この裏面電極型太陽電池では、半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型拡散層及びｐ^＋型拡散層が半導体基板の裏面に形成され、そのｎ^＋型拡散層によって電子が収集されるとともに、ｐ^＋型拡散層によって正孔が収集される。
【０００３】
従来の裏面電極型太陽電池では、図１に示されるように、素子の中央部と端部との区別なく、同一の間隔（ピッチ）及び同一の面積（大きさ）でｎ^＋型拡散層１２もｐ^＋型拡散層１４も配置されている（例えば、特開２００１−８５７１８号公報参照）。なお、図１（ａ）は、ｎ^＋型拡散層１２及びｐ^＋型拡散層１４がライン形状に形成される場合を示し、図１（ｂ）は、それらがドット形状に形成される場合を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽電池をダイサーやへき開で素子サイズに切り出したときに形成される切断面（太陽電池の側面）は、結晶内部と異なり、元素の結合が分断された状態にある。この未結合手は、活性であるため、外部から欠陥となる不純物元素を取り込み、また、キャリアをトラップする欠陥を形成することとなる。
【０００５】
したがって、素子の中央部と端部との区別なく同一の間隔及び同一の面積で裏面拡散層を形成した場合、切断面の近傍すなわち素子の端部では、素子の中央部に比較して再結合損失が多くなり、発生する電流密度が小さくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、切断面（側面）での再結合損失を低減することで光電変換効率の向上を図った太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型拡散層及びｐ^＋型拡散層と、前記ｎ^＋型拡散層及び前記ｐ^＋型拡散層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、を備えた裏面電極型の太陽電池において、前記半導体基板において発生したキャリアが前記ｎ^＋型拡散層又は前記ｐ^＋型拡散層によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されていることを特徴とする太陽電池が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、前記キャリア移動距離の設定が、前記ｎ^＋型拡散層の間隔及び前記ｐ^＋型拡散層の間隔を素子中央部に比較して素子端部において小さくすることによって達成される。
【０００９】
あるいは、本発明によれば、前記キャリア移動距離の設定が、前記ｎ^＋型拡散層の面積及び前記ｐ^＋型拡散層の面積を素子中央部に比較して素子端部において大きくすることによって達成される。
【００１０】
上述の如く構成された太陽電池においては、素子端部においてキャリアが収集されるまでの移動距離が短くされることで、素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図２（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る裏面電極型太陽電池の断面図であり、図２（ｂ）は、その太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０の裏面には、ライン状のｎ^＋型拡散層１２とｐ^＋型拡散層１４とがそれぞれ交互に形成されている。キャリアを収集するために、これらのｎ^＋型拡散層１２及びｐ^＋型拡散層１４のキャリア濃度は、ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０のキャリア濃度よりも高くされている。
【００１３】
また、半導体基板１０の受光面には、基板１０のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型（又はｐ^＋型）拡散層１６が形成されている。この受光面側拡散層１６により、受光面近傍で発生したキャリアが欠陥の多い受光面側に移動する割合が大きく減少する。
【００１４】
また、半導体基板１０の受光面側には、界面の欠陥を減少させて界面でのキャリアの消滅を減少させるべく表面保護膜（パッシベーション膜）３２が設けられている。さらに、半導体基板１０の受光面側においては、表面保護膜３２の上に反射防止膜４０が設けられている。
【００１５】
一方、半導体基板１０の裏面側には、ｎ^＋型拡散層１２に接続される負（−）電極２２とｐ^＋型拡散層１４に接続される正（＋）電極２４とが設けられ、裏面電極型構造を実現している。
【００１６】
また、半導体基板１０の裏面側においては、拡散層１２及び１４と電極２２及び２４とがそれぞれ接続する部分以外の部分に表面保護膜（パッシベーション膜）３４が設けられている。
【００１７】
図２の太陽電池では、受光面（上面）側から入射した光が半導体基板１０において吸収され、電子と正孔とが生成される。生成された電子は、ｎ^＋型拡散層１２の領域へと拡散していき負（−）電極２２に集められる一方、生成された正孔は、ｐ^＋型拡散層１４へと拡散していき正（＋）電極２４に集められる。かくして、光の吸収によって生成された電子と正孔とが分離され、光起電力が生ずることとなる。
【００１８】
ところで、前述のように、素子の中央部と端部との区別なく同一の間隔及び同一の面積で裏面の拡散層を形成した場合、切断面の近傍すなわち素子の端部では、素子の中央部に比較して再結合損失が多くなるという問題がある。
【００１９】
そこで、図２の太陽電池では、ライン形状のｎ^＋型拡散層１２の間隔を素子中央部に比較して素子端部において小さくするとともに、同様に、ライン形状のｐ^＋型拡散層１４の間隔も素子中央部に比較して素子端部において小さくしている。すなわち、半導体基板１０において発生したキャリアがｎ^＋型拡散層１２又はｐ^＋型拡散層１４によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されている。なお、端部とは、切断面より少数キャリアの拡散長以内の範囲をいう。
【００２０】
したがって、欠陥の多い切断面の近傍すなわち素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【００２１】
ここで、図２に示される太陽電池の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１４ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００２２】
また、ライン形状の裏面側ｎ^＋型拡散層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ、拡散幅４０μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。そして、そのラインどうしの間隔（ピッチ）は、中央部で１６０μｍ、端部で１００μｍである。同様に、ライン形状の裏面側ｐ^＋型拡散層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ、拡散幅４０μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。そして、そのラインどうしの間隔（ピッチ）は、中央部で１６０μｍ、端部で１００μｍである。
【００２３】
受光面側拡散層１６は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。
【００２４】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００２５】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ、５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００２６】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、受光面側拡散層１６をｎ^＋型、としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００２７】
図３は、本発明の第二実施形態に係る裏面電極型太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。前述した、図２の実施形態は、ライン形状の裏面側拡散層を有する太陽電池に本発明を適用したものであるが、本発明がドット形状の裏面側拡散層を有する太陽電池にも適用可能であることはいうまでもない。
【００２８】
すなわち、図３の太陽電池では、ドット状のｎ^＋型拡散層１２の間隔を素子中央部に比較して素子端部において小さくするとともに、同様に、ドット形状のｐ^＋型拡散層１４の間隔も素子中央部に比較して素子端部において小さくしている。
【００２９】
この場合にも、半導体基板１０において発生したキャリアがｎ^＋型拡散層１２又はｐ^＋型拡散層１４によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されていることとなる。したがって、欠陥の多い切断面の近傍すなわち素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【００３０】
図４（ａ）は、本発明の第三実施形態に係る裏面電極型太陽電池の断面図であり、図４（ｂ）は、その太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。図４においては、図２における要素と同一の要素に同一の符号が付されている。
【００３１】
図２の構造に対する図４の構造の相違点について説明すると、図２の太陽電池では、ライン形状のｎ^＋型拡散層１２の間隔及びｐ^＋型拡散層１４の間隔が素子中央部に比較して素子端部において小さくされているのに対し、図４の太陽電池では、ライン形状のｎ^＋型拡散層１２の間隔及びｐ^＋型拡散層１４の間隔は中央部と端部との区別なく同一の間隔に維持されるものの、ライン形状のｎ^＋型拡散層１２の拡散幅（すなわち面積）及びｐ^＋型拡散層１４の拡散幅（すなわち面積）が素子中央部に比較して素子端部において大きくされている。
【００３２】
したがって、この第三実施形態においても、前述した第一実施形態と同様に、半導体基板１０において発生したキャリアがｎ^＋型拡散層１２又はｐ^＋型拡散層１４によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されている。かくして、欠陥の多い切断面の近傍すなわち素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【００３３】
ここで、図４に示される太陽電池の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１４ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００３４】
また、ライン形状の裏面側ｎ^＋型拡散層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ、ライン間隔（ピッチ）１４０μｍ、を有するｎ^＋型Ｓｉ層である。そして、裏面側ｎ^＋型拡散層１２の拡散幅は、中央部で４０μｍ、端部で６０μｍである。同様に、ライン形状の裏面側ｐ^＋型拡散層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ、ライン間隔（ピッチ）１４０μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。そして、裏面側ｐ^＋型拡散層１４の拡散幅は、中央部で４０μｍ、端部で６０μｍである。
【００３５】
受光面側拡散層１６は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。
【００３６】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００３７】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ、５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００３８】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、受光面側拡散層１６をｎ^＋型、としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００３９】
図５は、本発明の第四実施形態に係る裏面電極型太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。前述した、図４の実施形態は、ライン形状の裏面側拡散層を有する太陽電池に本発明を適用したものであるが、図５の実施形態は、ドット形状の裏面側拡散層を有する太陽電池に本発明を適用した例である。
【００４０】
すなわち、図５の太陽電池では、ドット状のｎ^＋型拡散層１２の面積を素子中央部に比較して素子端部において大きくするとともに、同様に、ドット形状のｐ^＋型拡散層１４の面積も素子中央部に比較して素子端部において大きくしている。
【００４１】
この場合にも、半導体基板１０において発生したキャリアがｎ^＋型拡散層１２又はｐ^＋型拡散層１４によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されていることとなる。したがって、欠陥の多い切断面の近傍すなわち素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、素子端部においてキャリアが収集されるまでの移動距離が短くされることで、切断面（側面）での再結合損失が低減せしめられ、素子端部においても、キャリアを効率良く収集することが可能となり、発生する電流密度が増加して光電変換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の裏面電極型太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図であり、（ａ）はライン形状の例を示し、（ｂ）はドット形状の例を示す。
【図２】（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る裏面電極型太陽電池の断面図であり、（ｂ）は、その太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る裏面電極型太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第三実施形態に係る裏面電極型太陽電池の断面図であり、（ｂ）は、その太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る裏面電極型太陽電池における裏面側拡散層のパターンを示す図である。
【符号の説明】
１０…ｐ型（又はｎ型）半導体基板
１２…裏面側ｎ^＋型拡散層
１４…裏面側ｐ^＋型拡散層
１６…受光面側拡散層
２２…負（−）電極
２４…正（＋）電極
３２…受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）
３４…裏面側表面保護膜（パッシベーション膜）
４０…反射防止膜

Claims (3)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型拡散層及びｐ^＋型拡散層と、
   前記ｎ^＋型拡散層及び前記ｐ^＋型拡散層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、
   を備えた裏面電極型の太陽電池において、
   前記半導体基板において発生したキャリアが前記ｎ^＋型拡散層又は前記ｐ^＋型拡散層によって収集されるまでのキャリア移動距離が、電池の素子中央部に比較して素子端部において短く設定されていることを特徴とする太陽電池。
2. 前記キャリア移動距離の設定が、前記ｎ^＋型拡散層の間隔及び前記ｐ^＋型拡散層の間隔を素子中央部に比較して素子端部において小さくすることによって達成されている、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記キャリア移動距離の設定が、前記ｎ^＋型拡散層の面積及び前記ｐ^＋型拡散層の面積を素子中央部に比較して素子端部において大きくすることによって達成されている、請求項１に記載の太陽電池。

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