JP2007281447A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】日陰損失および電気的損失を低減させる後面電極型太陽電池を提供する。
【解決手段】第１部分および第２部分が設けられた半導体基板と、半導体基板の前面に形成され、第１部分において半導体基板の後面まで延長されるエミッタ部と、エミッタ部と電気的に連結し、半導体基板の後面側に形成される第１電極と、半導体基板と電気的に連結し、半導体基板の後面側に形成される第２電極とを備え、第１部分の厚さは、第２部分の厚さよりも薄い太陽電池が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池に関し、特に構造が改善された太陽電池に関する。
太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギー（light energy）を直接電力に変換し、電気エネルギーを生成する電力機器である。上記光エネルギーとしては、例えば、太陽光のエネルギー（太陽エネルギー）を用いることができる。太陽電池は、太陽エネルギーを利用することができるので、環境に優しくエネルギー源が無限である。また、太陽電池は、寿命が長いという長所を有する。ここで、太陽電池の種類としては、例えば、シリコン太陽電池、染料感応太陽電池などが挙げられる。
太陽電池のうち、シリコン太陽電池は、ｐ−ｎ接合を形成する互いに異なる導電型の半導体基板、エミッタ層、当該エミッタ層と電気的に連結する第１電極、および半導体基板と電気的に連結される第２電極を含んで構成される。
第１電極は、半導体基板の前面側に形成され、第２電極は、半導体基板の後面側に形成されるのが一般的である。しかし、上記のような構成を有する太陽電池では、例えば、太陽光が遮られるなどにより太陽エネルギーが供給されない場合、第１電極の遮光による損失（以下、「日陰損失」という。）は約１０％と大きいため、太陽電池の効率は低下してしまう。
上述したような日陰損失を減らすために、第１電極を半導体基板の後面側に形成する後面電極型太陽電池が考案された。しかしながら、後面電極型太陽電池では、ｐ−ｎ接合で生成された電荷が第１電極に移動するために相対的に長い距離を移動しなければならない。したがって、不純物および結晶結合などと再結合する確率が高く、電気的損失が増加する。
上記のような電気的損失を防止するためには、欠陥がない半導体基板を使わなければならない。しかし、欠陥がない半導体基板の製造は非常に困難（実際にはほぼ不可能）であり、また、製造コストが上がることにより経済性が低くなるなどの問題が生じる。
したがって、従来の後面電極型太陽電池では、日陰損失が低減されるにもかかわらず、電荷の移動距離が増加することによって、電気的損失も増加するため、変換効率はさほど大きく向上しない。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、日陰損失および電気的損失を同時に低減させることが可能な、新規かつ改良された後面電極型太陽電池を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、第１部分および第２部分が設けられた半導体基板と、上記半導体基板の前面に形成され、上記第１部分において上記半導体基板の後面まで延長されるエミッタ部と、上記エミッタ部と電気的に連結し、上記半導体基板の後面側に形成される第１電極と、上記半導体基板と電気的に連結し、上記半導体基板の後面側に形成される第２電極とを備え、上記第１部分の厚さは、上記第２部分の厚さよりも薄い太陽電池が提供される。
また、上記第１部分には上記第１電極が形成され、上記第２部分には上記第２電極が形成されるとしてもよい。
また、上記半導体基板の上記第１部分と、上記第２部分との境界に段差が形成されるとしてもよい。
また、上記第１部分に対応して、上記半導体基板の後面に凹部が形成されるとしてもよい。
また、上記凹部内には上記第１電極が形成されるとしてもよい。
また、上記第１部分には上記第１電極と連結する貫通孔が形成され、上記エミッタ部は、上記貫通孔に沿って上記後面まで伸びるとしてもよい。
本発明に係る太陽電池は、半導体基板の前面から後面までエミッタ部が形成される半導体基板の第１部分を、第２部分より薄く形成して、電荷の移動距離を縮めることができる。これにより、電荷が電極まで移動する場合に発生し得る再結合を防止して、電気的損失を低減させることができる。また、第１電極および第２電極が半導体基板全体の後面側に形成されることにより、光エネルギー（例えば、太陽光のエネルギー）の損失を低減させることができる。
したがって、本発明に係る太陽電池は、第１電極および第２電極が半導体基板の後面側に形成された後面電極型太陽電池により電気的損失を低減させ、太陽電池の効率を効果的に向上させることができる。
また、本発明に係る太陽電池は、半導体基板の後面に凹部を備えた単純な構造を有するので、多様な太陽電池に適用でき、量産工程にも簡単に適用できる
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池の部分断面図である。
図１を参照すると、本実施形態に係る太陽電池は、半導体基板１０、半導体基板１０に形成されるエミッタ部１２、半導体基板１０の前面側に形成される反射防止膜１４、半導体基板１０の後面側に形成される第１電極１６および第２電極１８を含んで構成される。なお、本実施形態に係る前面とは、本実施形態に係る太陽電池の一の面であり、また、本実施形態に係る後面とは、当該一の面とは反対に位置する面をいう。特に、以下では、図面の上側を前面、下側を後面として説明するが、本発明の実施形態に係る太陽電池を限定するものではないことは、言うまでもない。また、以下では、本実施形態に係る太陽電池に入射される光の光源が太陽であるとして説明するが、上記に限られない。以下、本実施形態に係る太陽電池について、詳細に説明する。
本実施形態において半導体基板１０はシリコンで構成され、例えば、ｐ（positive）型の導電型を有する。しかしながら、本発明の実施形態に係る半導体基板１０は、上記に限定されるものではなく、例えば、半導体基板がシリコン以外の多様な半導体物質で構成されることもでき、また、ｎ（negative）型の導電型で形成されてもよい。
本実施形態に係る太陽電池では、半導体基板１０に第１部分１０ａと第２部分１０ｂとが定義される。ここで、第１部分１０ａは、エミッタ部１２が半導体基板１０の前面から後面まで延びると共に、後面にもエミッタ部１２が形成される部分を示し、第２部分１０ｂは半導体基板１０の前面にだけエミッタ部１２が形成される部分を示す。このとき、第１部分１０ａにはエミッタ部１２と半導体基板１０の後面に形成される第１電極１６を連結するための貫通孔１０ｃが形成される。
また、本実施形態に係る太陽電池では、第１部分１０ａに対応して、半導体基板１０の後面に凹部（Ａ）が形成されて、第１部分１０ａと第２部分１０ｂの境界に段差が生じる。このような段差によって、第１部分１０ａの厚さ（ｔ１）が第２部分１０ｂの厚さ（ｔ２）よりさらに薄く形成される。
また、本実施形態に係る太陽電池では、半導体基板１０に、例えば、ｎ型のエミッタ部１２が形成される。なお、エミッタ部１２の導電型と半導体基板１０の導電型とは互いに異なる導電型を用いることができるので、半導体基板がｎ型の場合にはエミッタ部をｐ型とすることもできる。本実施形態においてエミッタ部１２は、半導体基板１０の前面に形成されて半導体基板１０とｐ−ｎ接合を形成する一方、第１部分１０ａでは貫通孔１０ｃに沿って半導体基板１０の後面まで延びて形成される。
エミッタ部１２のうち、半導体基板１０の前面に形成された部分の上に反射防止膜１４が形成される。反射防止膜１４は、太陽電池の内部に入射される太陽光が反射されて光エネルギーが損失することを低減させる役割を果たすと共に、表面で発生し得る電子の損失を防止する役割を果たす。つまり、表面でダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ-ｂｏｎｄ）によって捕捉されて損失となる電子を反射防止膜１４を形成することにより守ることができる。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池において、ダングリングボンドを低減させる手段は、上記に限られず、例えば、シリコン表面のダングリングボンドを水素処理で低減させることができることは、言うまでもない。
また、本実施形態に係る太陽電池では、半導体基板１０の後面側にエミッタ部１２と電気的に連結する第１電極１６、および半導体基板１０と電気的に連結する第２電極１８が形成される。上記のように、本実施形態に係る太陽電池では、第１電極１６および第２電極１８が半導体基板１０の後面側に形成されているので、日陰損失を低減させて、これにより太陽電池の効率を向上させることができる。
第１電極１６は、第１部分１０ａの凹部（Ａ）内に形成される。このとき、第１電極１６は、第１部分１０ａの後面に形成されたエミッタ部１２と接触形成され、貫通孔１０ｃを通して、第１部分１０ａの前面に形成されたエミッタ部１２まで電気的に連結される。ここで、第１電極１６は、例えば、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等の伝導性物質からなり、その形は帯形状とすることができる。
また、第２電極１８は、第２部分１０ｂの後面全体に形成されてもよい。第２電極１８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の伝導性物質からなる。第２電極１８が形成された部分に対応して、半導体基板１０の後面に後面電界層２０を形成することができる。ここで、後面電界層２０は、光励起された電子が半導体基板１０の後面に移動することを防止する役割を果たす。
上記のような構成の本実施形態に係る太陽電池に光が入射すると、光電効果によって生成された正孔−電子対が分離されて、電子はｎ型のエミッタ部１２に集積され、正孔はｐ型の半導体基板１０に集積し、電位差が発生する。このような電位差によって、第１電極１６、第２電極１８を通して電流が流れ、太陽電池として動作する。
このとき、エミッタ部１２のうち、半導体基板１０の前面に形成された部分の電子は、第１部分１０ａから半導体基板１０の後面側に形成された第１電極１６まで移動する。本実施形態に係る太陽電池では、第１部分１０ａを第２部分１０ｂより薄く形成して、電荷の移動距離を縮めることができる。上記構成により、電荷が電極から移動する場合に発生し得る再結合を防止することができるので、電気的損失を低減させ、結果的に太陽電池の効率を効果的に向上させることができる。
本発明の実施形態に係る太陽電池では、半導体基板の後面に凹部を有する構造を備えることにより、第１部分と第２部分の厚さを変える。ここで、半導体基板の後面に凹部を有する構造を採用すれば、上述した効果を得ることができるので、多様な構造の太陽電池への適用が可能であり、また、量産工程にも簡単に適用することができる。
以下、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を図２ａ〜図２ｉを参照して詳細に説明する。
図２ａ〜図２ｉは、図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第１〜第９の断面図である。
まず、図２ａに示すように、例えば、シリコンで構成されるｐ型半導体基板１０を用意する。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、上記に限定されるものではなく、例えば、ｎ型半導体基板、および／または、シリコン以外の多様な半導体物質で構成される半導体基板を用意してもよい。
次に、図２ｂに示すように、後述する第１電極（図２ｇの符号１８を参照）に対応する、半導体基板１０の後面に凹部（Ａ）を形成して、第１部分１０ａと第２部分１０ｂを定義する。ここで、凹部（Ａ）を形成する方法としては、例えば、物理／機械的方法、または化学的方法などの多様な方法を使用できる。
次に、図２ｃに示すように、第１部分１０ａに対して、例えば、レーザーを利用することにより、貫通孔１０ｃを形成する。そして、例えば、アルカリ水溶液または混合酸溶液を利用して、半導体基板１０の損傷した部分を除去する。このとき、半導体基板１０の表面に凹凸が形成され、当該凹凸は太陽光の損失を低減させる役割を果たす。
次に、図２ｄに示すように、半導体基板１０に不純物をドーピングしてｎ型エミッタ部１２を形成する。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、上記に限定されるのではない。例えば、エミッタ部（１２）の導電型が半導体基板１０の導電型と異なってもよいため、ｎ型半導体基板が用いられる場合にはｐ型のエミッタ部を形成してもよい。
このとき、半導体基板１０の前面だけでなく貫通孔１０ｃに沿って貫通孔１０ｃの周辺部、半導体基板１０の側面および後面にもエミッタ部１２と同時に作られる拡散層が形成される。ドーピング方法としては、例えば、高温拡散法などの多様な方法が適用される。
また、ドーピング以後には、例えば、リン拡散時に形成されたＰＳＧ（燐ガラス）をフッ酸水溶液などで除去する工程を行うこともできる。
次に、図２ｅに示すように、半導体基板１０の前面に形成されたエミッタ部１２の上に反射防止膜１４を形成する。反射防止膜１４は、例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化チタンなどで構成でき、また、例えば、プラズマ化学気相蒸着法、電子ビーム蒸着法、スクリーン印刷法、スプレー法などの多様な方法で形成できる。
次に、図２ｆに示すように、第２部分１０ｂの後面に、例えば、アルミニウムを含むペースト１８ａを印刷法などで塗布した後乾燥する。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、アルミニウムを含むペースト１８ａを利用することに限られず、例えば、多様な導電性物質を用いることができる。
次に、図２ｇに示すように、第１部分１０ａの後面に、例えば、銀または銅を含むペースト１６ａをインクジェット法またはディスペンサーで塗布した後乾燥する。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、銀または銅を含むペースト１６ａを利用することに限られず、例えば、多様な導電性物質を用いることができる。
次に、図２ｈに示すように、例えば、熱処理をして、第１電極１６、第２電極１８および後面電界層２０を形成する。
すなわち、例えば、アルミニウムを含むペースト（図２ｇの参照符号１８ａ参照）が熱処理によって、半導体基板１０に電気的に連結する第２電極１８を構成する。そして、アルミニウムが半導体基板１０の後面に所定厚さ程拡散して、この部分のエミッタ部１２がなくなって、後面電界層２０が形成される。また、例えば、銀または銅を含むペースト１６ａが熱処理によって、エミッタ部１２に連結する第１電極１６を構成する。
次に、図２ｉに示すように、例えば、レーザーを利用して、第１部分１０ａの後面に形成されたエミッタ部１２と、第２部分１０ｂの後面に形成された第２電極１８を短絡させる。
以上のようにして、本発明の実施形態に係る太陽電池を製造することができる。なお、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、上記に限られず、例えば、互いに異なる工程は、互いに順序を変えて行うことが可能である。
また、上記では半導体基板の前面に電極が形成されていない例を説明したが、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、上記に限定されるのではなく、例えば、電子の収集を容易にできるように薄い線幅の補助電極を形成することも可能である。
さらに、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法は、例えば、第１部分の後面に窒化シリコンなどで構成される保護膜をさらに形成することもできる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の一実施形態に係る太陽電池の部分断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第１の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第２の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第３の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第４の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第５の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第６の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第７の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第８の断面図である。 図１に示された太陽電池を製造する方法を説明する第９の断面図である。
符号の説明
１０ 半導体基板
１０ｃ 貫通孔
１２ エミッタ部
１４ 反射防止膜
１６、１８ 電極
１６ａ、１８ａ ペースト
２０ 後面電界層

Claims (6)

  1. 第１部分および第２部分が設けられた半導体基板と；
    前記半導体基板の前面に形成され、前記第１部分において前記半導体基板の後面まで延長されるエミッタ部と；
    前記エミッタ部と電気的に連結し、前記半導体基板の後面側に形成される第１電極と；
    前記半導体基板と電気的に連結し、前記半導体基板の後面側に形成される第２電極と；
    を備え、
    前記第１部分の厚さは、前記第２部分の厚さよりも薄いことを特徴とする、太陽電池。
  2. 前記第１部分には前記第１電極が形成され、
    前記第２部分には前記第２電極が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記半導体基板の前記第１部分と、前記第２部分との境界に段差が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記第１部分に対応して、前記半導体基板の後面に凹部が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記凹部内には前記第１電極が形成されることを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記第１部分には前記第１電極と連結する貫通孔が形成され、
    前記エミッタ部は、前記貫通孔に沿って前記後面まで伸びることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
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