JP2002208719A - シリコン太陽電池 - Google Patents

シリコン太陽電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、該ｐ型Ｓｉ膜とｎ型Ｓｉ膜との界面
の光強度を上げやすくして発電効率を高めることを課題
とする。 【解決手段】透明基板１１上に透明電極１２、多結晶又
は微結晶シリコンからなる発電層１３及び裏面電極１４
を順次形成したシリコン太陽電池において、前記発電層
１３は、透明電極１２側から順に多結晶又は微結晶状態
のｎ型Ｓｉ膜１３ａ、多結晶又は微結晶状態の第１のｐ
型Ｓｉ膜１３ｂ及び多結晶又は微結晶状態の第２のｐ型
Ｓｉ膜１３ｃを順次積層してなることを特徴とするシリ
コン太陽電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶又は微結晶
シリコンからなる発電層を備えたシリコン太陽電池に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコン太陽電池としては、図４
に示すものが知られている。図中の符番１はガラス基板
を示す。この基板１の片面側には、透明電極（アノー
ド）２、ｐｉｎ型構造の発電層３、電極（カソード）４
が順次形成されている。前記発電層３は、基板側からｐ
型のμｃＳｉ層３ａ、ｉ型のμｃＳｉ層３ｂ及びｎ型の
μｃＳｉ層３ｃの順に積層された構成となっている。こ
うした構成の太陽電池では、太陽光５はｐ型のμｃＳｉ
層３ａ側から入射すると、効率よく光起電力エネルギー
を取り出すことができる。そして、こうした太陽電池で
は、できる限り発電電力を取り出せること、すなわち変
換効率が高くなることが望まれている。
【０００３】ところで、こうした構成の太陽電池におい
て、ｉ型のμｃＳｉ層３ｂは欠陥や酸素不純物の影響で
ｎ型になっていた。従って、ガラス基板１側から入射し
た太陽光の吸収で発生したキャリア（電子、ホール）の
うち、ホールがｐ型のμｃＳｉ層３ａとｉ型のμｃＳｉ
層３ｂの界面に到達することで、発電が起きていた。
【０００４】しかし、ホールは電子に比べて移動度が低
いため、発電効率が低いという課題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情を考
慮してなされたもので、発電層のうち真性半導体層を意
図的に多結晶又は微結晶状態のｐ型Ｓｉ膜で構成するこ
とにより、該ｐ型Ｓｉ膜とｎ型Ｓｉ膜との界面の光強度
を上げやすくして発電効率を高めることができるシリコ
ン太陽電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、透明基板上に
透明電極、多結晶又は微結晶シリコンからなる発電層及
び裏面電極を順次形成したシリコン太陽電池において、
前記発電層は、透明電極側から順に多結晶又は微結晶状
態のｎ型Ｓｉ膜、多結晶又は微結晶状態の第１のｐ型Ｓ
ｉ膜及び多結晶又は微結晶状態の第２のｐ型Ｓｉ膜を順
次積層してなることを特徴とするシリコン太陽電池であ
る。
【０００７】本発明において、第１のｐ型Ｓｉ膜のドー
ピング濃度は２×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３以下である
ことが好ましい。これは、ドーピング濃度がこの値を超
えると、第１のｐ型のＳｉ膜と第２のｐ型Ｓｉ膜間の空
乏層の幅が小さくなって、発電効率を上げることができ
ないからである。ここで、ドーピング原子としてはボロ
ン（Ｂ）が好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例に係るシ
リコン太陽電池について比較例に係るシリコン太陽電池
とともに説明する。
【０００９】（比較例１）比較例１として、従来型の太
陽電池セルを仮定して、光電変換特性に計算予測を行っ
た。セルの構造は、図３に示すとおりである。図中の符
番６はガラス基板を示す。この基板６の片面側には、透
明電極（アノード）７、ｐｉｎ型構造の発電層８、電極
（カソード）９が順次形成されている。前記発電層８
は、基板６側から順次形成された、厚さ０．０３μｍで
ドープ濃度が５×１０１８／ｃｍ３のｐ＋型のμｃＳｉ
膜８ａと、厚さ１．５μｍで電子密度が１×１０１６／
ｃｍ３のｎ−型のμｃＳｉ膜８ｂと、厚さ０．０３μｍ
でドープ濃度１０１９／ｃｍ３のｎ＋型のμｃＳｉ膜８
ｃとから構成されている。
【００１０】理想的には、発電層８の中央の膜は完全な
真性であることが望ましいが、欠陥や酸素不純物のため
に１×１０１６／ｃｍ３の電子密度のあるｎ型になって
しまうため、上記のような設定とした。
【００１１】太陽光はＡＭ１．５の光を仮定し、ｐ＋型
のμｃＳｉ膜１３ａ側から入射した。図３の構造から半
導体デバイスシミュレーションを行い、上記セルから得
られる出力特性を求めた。半導体デバイスシミュレーシ
ョンは、アノードとカソードに任意の電位を与え、下記
式（１）、（２）の基礎方程式を解くことで、アノード
から出力される電流値を求めて、このセル構造のＶ−Ｉ
特性（出力特性）を求めることができた。
【００１２】 Ｊn＝ｑ・Ｄn・ｇｒａｄｎ−ｑ・μn・ｎ・ｇｒａｄφ …（１） Ｊp＝−ｑ・Ｄp・ｇｒａｄｐ−ｑ・μp・ｐ・ｇｒａｄφ …（２） となる。上記式で、Ｊn、Ｊpは夫々電子及びホール電流
密度、ｑは電子の電荷、ｎとｐは夫々電子とホールの密
度、φは電界分布、μp、μnは夫々ホールと電子の移動
度とする。また、電流連続の式として、下記式（３）、
（４）を用いた。
【００１３】 ｄｎ／ｄｔ＝（−１／ｑ）・ｄｉｖＪn＋Ｇn−Ｕn …（３） ｄｐ／ｄｔ＝（−１／ｑ）・ｄｉｖＪp＋Ｇｐ−Ｕp …（４） 上記式で、ＧnとＧpは夫々電子、ホールの単位時間あた
りの発生率、ＵnとＵpは夫々電子とホールの単位時間あ
たりの再結合率を表す。ポアソン式は、下記式（６）と
なる。
【００１４】 ∇２φ＝−ｑ（Ｎd−Ｎa＋ｐ−ｎ） …（５） となり、式（５）中、ＮdとＮaは夫々ｎ型ドーピング原
子及びｐ型ドーピング原子のドープ濃度を表す。なお、
以上の方程式を解くに当たって用いた物理定数の設定は
下記表１の通りである。
【００１５】
【表１】
【００１６】以上の方程式を解いて求めた太陽電池セル
の出力特性は、図５に示すとおりである。図３のセルの
光電変換効率は８．３％となった。
【００１７】（実施例１）以上の結果を比較元として、
本発明である発電層の中央の層を意図的にｐ型にドーピ
ングを行い、出力特性と光電変換特性を求めてみた。こ
のときに仮定した太陽電池セルの構成は図１に示すとお
りである。
【００１８】図中の符番１１はガラス基板を示す。この
基板１１の片面側には、透明電極（カソード）１２、ｐ
ｉｎ型構造の発電層１３、透明電極（アノード）１４が
順次形成されている。前記発電層１３は、基板１１側か
ら順次形成された、厚さ０．０３μｍでドープ濃度が５
×１０１８／ｃｍ３のｎ＋型のμｃＳｉ膜１３ａと、厚
さ１．５μｍで電子密度が１×１０１６／ｃｍ３のｐ型
のμｃＳｉ膜（中間層）１３ｂと、厚さ０．０３μｍで
ドープ濃度１０１９／ｃｍ３のｐ＋型のμｃＳｉ膜１３
ｃとから構成されている。
【００１９】また、詳しい物理定数データは、下記表２
の通りである。
【００２０】
【表２】
【００２１】図１の構成の太陽電池セルによれば、最大
効率は９．２％に増加した。その理由は、次の通りであ
る。即ち、発電層１３の中間の膜（中間層１３ｂ）が従
来からあるｎ−型の場合、中間層１３ｂで光吸収が起
き、電子−正孔ペアで正孔がｐ／ｉ界面に到達し、ｐ層
に注入されて、発電電流として取り出される。一方、中
間層がｐ型になった場合、発生した電子−正孔ペアの電
子はｎ／ｉ界面に到達して、ｎ層に注入されて発電電流
になる。このように、中間層がｐ型することで発電の駆
体が正孔から電子になる。電子は正孔に対して２倍程度
移動度が高く、効率よくｎ／ｉ界面に到達できるように
なり、発電効率は上昇する。
【００２２】事実、ｐ型に意図的にドープしたときのド
ープ濃度と発電効率との関係を求めたところ、下記表３
に示す結果が得られた。
【００２３】
【表３】
【００２４】表３より、本発明の効果を適切に発現させ
るためには、ｐ型のドープ濃度は２×１０１６／ｃｍ３
以下に抑える必要があることがわかった。
【００２５】（比較例２）図２は、発電層の中間層をｐ
型に反転させた太陽電池において、ｐ＋型層を太陽光の
方向に向けた場合を示す。なお、図１と同部材は同符番
を付して説明を省略する。
【００２６】図２中の符番２３は、基板１１の片面側に
透明電極（アノード）１２を介して形成されたｐｉｎ型
構造の発電層を示す。この発電層２３は、基板１１側か
ら順次形成された、厚さ０．０３μｍでドープ濃度１０
１９／ｃｍ３のｐ＋型のμｃＳｉ膜２３ａと、厚さ１．
５μｍで電子密度が１×１０１６／ｃｍ３のｐ型のμｃ
Ｓｉ膜２３ｂと、厚さ０．０３μｍでドープ濃度が５×
１０１８／ｃｍ３のｎ ＋型のμｃＳｉ膜２３ｃとから構
成されている。
【００２７】比較例２の太陽電池によれば、光吸収がお
きて電子と正孔ができ、ｎ型層（２３ｃ）に電子が注入
されて発電電流が取り出されるが、ｎ型層と中間層（μ
ｃＳｉ膜２３ｂ）の界面付近でおきる光吸収がより効率
的に光電変換につながる。比較例２の構造では膜内を通
過する光損失が起き、実施例１の場合に比べ、効率低下
がおきる。事実、この構造では、効率は８％と低いこと
がわかった。
【００２８】以上のことから、本発明の効果を明確に発
現させるためには、光の入射方向をｎ＋層側にすること
が重要である。
【００２９】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、発
電層のうち真性半導体層を意図的に多結晶又は微結晶状
態のｐ型Ｓｉ膜で構成することにより、該ｐ型Ｓｉ膜と
ｎ型Ｓｉ膜との界面の光強度を上げやすくして発電効率
を高めることができるシリコン太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るＳｉ太陽電池の概略的
な断面図。
【図２】比較例２に係るＳｉ太陽電池の概略的な断面
図。
【図３】比較例１に係るＳｉ太陽電池の概略的な断面
図。
【図４】従来のＳｉ太陽電池の概略的な断面図。
【図５】図３の太陽電池の出力特性図。
【符号の説明】
１１…ガラス基板（透明基板）、 １２…透明電極（カソード）、 １３、２３…発電層、 １３ａ…ｎ＋型のμｃＳｉ膜、 １３ｂ…ｐ型のμｃＳｉ膜（中間層）、 １３ｃ…ｐ＋型のμｃＳｉ膜、 １４…透明電極（アノード）、 ２３ａ…ｐ＋型のμｃＳｉ膜、 ２３ｂ…ｐ型のμｃＳｉ膜、 ２３ｃ…ｎ＋型のμｃＳｉ膜。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明基板上に透明電極、多結晶又は微結
    晶シリコンからなる発電層及び裏面電極を順次形成した
    シリコン太陽電池において、前記発電層は、透明電極側
    から順に多結晶又は微結晶状態のｎ型Ｓｉ膜、多結晶又
    は微結晶状態の第１のｐ型Ｓｉ膜及び多結晶又は微結晶
    状態の第２のｐ型Ｓｉ膜を順次積層してなることを特徴
    とするシリコン太陽電池。
  2. 【請求項２】 第１のｐ型Ｓｉ膜のドーピング濃度は２
    ×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３以下であることを特徴とす
    る請求項１記載のシリコン太陽電池。
  3. 【請求項３】 第１のｐ型Ｓｉ膜のドーピング原子はボ
    ロンであることを特徴とする請求項１もしくは請求項２
    いずれか記載のシリコン太陽電池。
  4. 【請求項４】 透明基板側を太陽光にむけるように配置
    された請求項１乃至請求項３いずれか記載のシリコン太
    陽電池。
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