JP2007059644A - 光起電力素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャリアの収集効率が最大である光起電力素子を得て、その発電効率を向上させる。
【解決手段】 半導体基板の受光面とは反対側の裏面に正および負の電極を配置した裏面電極型の光起電力素子において、半導体基板（１１）の受光面と正電極（１５）間の層厚ａを正孔の拡散定数に基づいて決定し、受光面と負電極（１４）間の層厚ｂを電子の拡散定数に基づいて決定する。これによって、正電極における正孔の収集割合と負電極における電子の収集割合が等しくなり、最大の効率でキャリアを収集することができるので、光起電力素子の発電効率が向上する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、裏面電極型の光起電力素子に関し、特にその発電効率を改善した光起電力素子に関する。

裏面電極型の光起電力素子（光電池、太陽電池等を含む）は、従来から周知である（例えば特許文献１〜４参照）。図１は、従来の光起電力素子の概略断面図である。光起電力素子１００を構成する半導体基板１（ｐ型またはｎ型の単結晶半導体）において光吸収が起こると正負のキャリアとしての電子および正孔が発生する。基板１の裏面側（図の下面側）には、半導体基板１で発生したキャリアを選択的に収集するためのｎ⁺層（電子収集部）２およびｐ⁺層（正孔収集部）３が不純物拡散により形成されており、これらの層によって収集されたキャリアは、基板１の下面に形成された負電極４、正電極５によって外部に出力される。なお、負電極４はｎ⁺層２に接して形成され、正電極５はｐ⁺層３と接して形成されている。この接続部以外において基板１の下面は表面保護膜（絶縁膜）６ａにより被覆されている。基板１の受光面側（図の上面側）にも同様に表面保護膜６ｂが形成され、更にその上に反射防止膜７が形成されている。

上記従来の光起電力素子では、半導体基板１はｎまたはｐのいずれか一方の伝導型を有し、単一のキャリア濃度で形成されているので、光吸収によって発生した電子と正孔はキャリアの収集部即ちｎ⁺層２とｐ⁺層３に到達するまでに、共に半導体基板１内を通過する。そのため、基板１内で電子と正孔が再結合して消滅する確率が高く、再結合損失により発電効率が低下するという問題があった。

上記問題を解決するために、特許文献１に記載の発明では、半導体基板に、それぞれ１個の電子収集部あるいは正孔収集部を含んで基板の表面側から裏面側に延在する複数の領域を設け、隣接する領域間で導電型を異ならせ、あるいはキャリア濃度を異ならせることにより、キャリアの再結合を防止する構造をとっている（図１および図５参照）。また、同一領域内において、表面からの距離に応じてキャリア濃度に勾配を設け、さらにキャリアの再結合を防止する構造としている（図３および図７参照）。このような構造によって、光起電力素子の発電効率の向上が確認されている。

また、特許文献２に記載の光起電力素子では、半導体基板の側面、即ち切断面に基板半導体との間でショットキー障壁を形成する金属膜を設け、キャリアの捕獲中心が高濃度で形成されている半導体基板側面（即ち切断面）へのキャリアの移動を防止する構成をとっている。この構成により、キャリアの再結合損失が低下し、光起電力素子の発電効率が向上する。

また、特許文献３および４に記載の光起電力素子では、半導体基板の受光面側に不純物拡散層を設け、この拡散層と半導体基板間に形成されるエネルギー障壁によりキャリア追い返し効果を形成して、キャリアの再結合損失を低下させる技術を開示している。拡散層を還元雰囲気または不活性ガス雰囲気下で形成することにより、素子表面近傍の欠陥数が減少し、さらにキャリアの再結合損失が低下する。

特開２００５−１２１０８号公報 特開平２００４−３９７５１号公報 特開２００３−１５２２０７号公報 特開２００４−７１７６３号公報

上記従来の光起電力素子においては、キャリアである電子と正孔を受光面とは反対側の裏面で収集するために、半導体基板の厚さは、電子または正孔の拡散長以内で形成される。これは、基板厚さが拡散長以内であれば、半導体基板において生成された電子、正孔が、基板裏面に達するまでに再結合によって消滅してしまう確率が低下するからである。ところが、上記従来の光起電力素子では、受光面から正電極および負電極までの深さ（半導体基板の層厚）は基板全体を通じて一様であり、あるいは異なっている場合でも両者の深さについて特に規定がない。

一方、電子と正孔では拡散定数が異なっており、一般的に電子の拡散定数の方が正孔の拡散定数よりも大きい。そのため、表面からそれぞれの電極までの距離を電子の拡散長に基づいて設定した場合には、その拡散長が電子に比べて短い正孔の収集割合が電子の収集割合より劣ってしまい、結果的に電子と正孔とを最大限に効率よく収集することが困難であった。

本発明は、従来の光起電力素子における上記のような欠点を解決する目的でなされたものであり、最も効率的にキャリアを収集することが可能な新規な構造の光起電力素子を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、第１の発明では、半導体基板の受光面とは反対側の裏面に正および負の電極を配置した裏面電極型の光起電力素子において、半導体基板の受光面と正電極間の層厚ａを正孔の拡散定数に基づいて決定し、受光面と負電極間の層厚ｂを電子の拡散定数に基づいて決定する。

具体的には、層厚ａと層厚ｂが、
ａ：ｂ＝（Ｄ_h）^1/2：（Ｄ_e）^1/2
となるように、ａおよびｂの値を設定する。なお、Ｄ_hは半導体基板中の正孔の拡散定数、Ｄ_eは同じく電子の拡散定数を示す。

光起電力素子の光吸収層を構成する半導体基板をｐ型シリコン基板で構成した場合、上記層厚ａは８７μｍ、上記層厚ｂは１５０μｍが望ましい。また、半導体基板をｐ型ゲルマニウムとした場合、上記層厚ａは１２０μｍ、上記層厚ｂは１５０μｍが望ましい。

第１の発明にかかる光起電力素子では、光吸収層を構成する半導体基板の厚さを、基板裏面に設けた正電極部分では正孔の拡散定数に応じて、負電極部分では電子の拡散定数に応じて設定するので、正孔の収集割合と電子の収集割合が等しくなる。その結果、本光起電力素子において、最も効率的にキャリアを収集することができるので、発電効率が向上する。

キャリアが半導体基板中で拡散効果のみによって移動できる距離Ｌは、
Ｌ＝（Ｄ×τ）^1/2
で示される。ここでＤはキャリアの拡散定数、τはキャリアのライフタイムである。この距離Ｌを半導体基板の厚さとすれば、最も効率的にキャリアを収集することができる。キャリアを正孔とした場合の距離Ｌａを受光面と正電極間の層厚ａとし、キャリアを電子とした場合の距離Ｌｂを受光面と負電極間の層厚ｂとすることによって、正および負のキャリアに対して最大の収集効率が得られる。半導体基板中における正孔と電子のライフタイムはほぼ同じであるため、距離Ｌａと距離Ｌｂの比は、Ｄ_hを正孔の拡散定数、Ｄ_eを電子の拡散定数とした場合、
Ｌａ：Ｌｂ＝（Ｄ_h）^1/2：（Ｄ_e）^1/2
となる。したがって、上記の層厚ａおよびｂを、
ａ：ｂ＝（Ｄ_h）^1/2：（Ｄ_e）^1/2
によって決定すれば、正負のキャリアに対して最大の収集効率が得られる。

なお、正孔の拡散定数Ｄ_h＝１２ｃｍ²／ｓ、電子の拡散定数Ｄ_e＝３６ｃｍ²／ｓであるシリコン半導体基板の場合、距離ａを８７μｍ、距離ｂを１５０μｍとした場合に効率よくキャリアを収集することができる。

また、正孔の拡散定数Ｄ_h＝６４ｃｍ²／ｓ、電子の拡散定数Ｄ_e＝１００ｃｍ²／ｓであるゲルマニウム半導体基板の場合、距離ａを１２０μｍ、距離ｂを１５０μｍとした場合に、効率よくキャリアを収集することができる。

図２に本発明の一実施形態にかかる光起電力素子１０の断面構造を示す。図において、１１はｐ型またはｎ型の半導体基板、１２は電子収集層としてのｎ⁺層、１３は正孔収集層としてのｐ⁺層、１４は負電極、１５は正電極を示す。半導体基板１１の裏面側は、各電極とｎ⁺層またはｐ⁺層との接触部を残して表面保護膜（絶縁膜）１６ａによって被覆され、半導体基板１１の受光面側も表面保護膜１６ｂによって被覆されている。表面保護膜１６ｂ上には、反射防止膜１７が形成され、入射光が反射されず効率よく半導体基板に入射するようにされている。

半導体基板１１の正電極１５が形成されている部分の層厚ａと、負電極１４が形成されている部分の層厚ｂは、半導体基板１１における電子と正孔の拡散定数Ｄ_eおよびＤ_hに基づいて決定され、したがって本光起電力素子１０では、基板の厚さが一様ではなく電極の極性毎に異なっている。具体的には、ａ：ｂ＝（Ｄ_h）^1/2：（Ｄ_e）^1/2となるように、層厚ａおよびｂを設定する。その結果、半導体基板の層厚ａおよびｂは、正孔および電子の拡散距離に対応した値をとるようになり、最も効率よくキャリアを収集することができる。

なお、例えば特許文献１乃至４に示した従来の光起電力素子では、半導体基板の厚さを一様としているため、その厚さを例えば電子の拡散距離に対応して設定すれば、正孔の収集割合が低下する。一方、半導体基板の厚さを正孔の拡散距離に対応して設定すれば、半導体基板の層厚が電子の拡散距離よりも小さくなり、受光層としての充分な厚さを確保することができない。これに対して、本発明の光起電力素子１０では、半導体基板の層厚が正電極部分と負電極部分でそれぞれ最適化されているので、最大のキャリア収集効率を得ることができ、その結果、発電効率も向上する。

本実施形態による光起電力素子１０の具体例を下記に示す。なお、光起電力素子１０を構成するバルクは、単結晶Ｓｉによって形成されているものとする。また、Ｃはキャリア濃度を示す。

（実施例１）
半導体基板（光吸収部）１１：ｐ型Ｓｉ基板、Ｃ＝１×１０¹⁴ｃｍ^-3
ａ＝８７μｍ、ｂ＝１５０μｍ（ＳｉのＤ_e＝３６ｃｍ²／ｓ、Ｄ_h＝１２ｃｍ²／ｓ）
電子収集部１２：ｎ⁺型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3、拡散深さ１μｍ
正孔収集部１３：ｐ⁺型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3、拡散深さ１μｍ
負電極１４：Ａｌ、膜厚２μｍ
正電極１５：Ａｌ、膜厚２μｍ
表面保護膜１６ａ：ＳｉＯ₂、膜厚０．１μｍ
表面保護膜１６ｂ：ＳｉＯ₂、膜厚１０ｎｍ
反射防止膜１７：ＭｇＦ₂／ＺｎＳの２層膜、膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ

（実施例２）
半導体基板（光吸収部）１１：ｐ型Ｇｅ基板、Ｃ＝１×１０¹⁵ｃｍ^-3
ａ＝１２０μｍ、ｂ＝１５０μｍ（ＧｅのＤ_e＝１００ｃｍ²／ｓ、Ｄ_h＝６４ｃｍ²／ｓ）
電子収集部１２：ｎ⁺型Ｇｅ層、Ｃ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3、拡散深さ１μｍ
正孔収集部１３：ｐ⁺型Ｇｅ層、Ｃ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3、拡散深さ１μｍ
負電極１４：Ａｌ、膜厚２μｍ
正電極１５：Ａｌ、膜厚２μｍ
表面保護膜１６ａ：ＳｉＮ_x、膜厚０．１μｍ
表面保護膜１６ｂ：ＳｉＮ_x、膜厚１０ｎｍ
反射防止膜１７：ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂の２層膜、膜厚１００ｎｍ／６０ｎｍ

上記実施例１および２では、半導体基板材料としてＳｉおよびＧｅを挙げているが、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等のＩＶ族半導体材料を用いても同様な効果が得られることは勿論である。また、半導体基板をｐ型半導体によって構成しているが、ｎ型半導体であっても良い。さらにまた、本発明の特徴を、背景技術の項で説明した従来例としての光起電力素子の構成に組み込むことにより、さらに光電変換効率を改善して発電効率の高い光起電力素子を得ることができる。

従来の光起電力素子の断面構造を示す図。 本発明の一実施形態にかかる光起電力素子の断面構造を示す図。

符号の説明

１１ 半導体基板
１２ 電子収集部
１３ 正孔収集部
１４ 負電極
１５ 正電極
１６ａ、１６ｂ 表面保護膜
１７ 反射防止膜

Claims (4)

1. 半導体基板の受光面とは反対側の裏面に正および負の電極を配置した裏面電極型の光起電力素子において、前記半導体基板の前記受光面と前記正電極間の層厚ａを正孔の拡散定数に基づいて決定し、前記受光面と前記負電極間の層厚ｂを電子の拡散定数に基づいて決定したことを特徴とする、光起電力素子。
2. 請求項１に記載の光起電力素子において、Ｄ_ｈを前記半導体基板中の正孔の拡散定数、Ｄ_ｅを同じく電子の拡散定数とした場合、前記層厚ａおよびｂは、以下の式、
   ａ：ｂ＝（Ｄ_ｈ）^１／２：（Ｄ_ｅ）^１／２
   に従って決定されることを特徴とする、光起電力素子。
3. 請求項２に記載の光起電力素子において、前記半導体基板をｐ型シリコン基板で構成し、前記層厚ａを８７μｍ、前記層厚ｂを１５０μｍとしたことを特徴とする、光起電力素子。
4. 請求項２に記載の光起電力素子において、前記半導体基板をｐ型ゲルマニウムで構成し、前記層厚ａを１２０μｍ、前記層厚ｂを１５０μｍとしたことを特徴とする、光起電力素子。

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