JP2009188355A

JP2009188355A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2009188355A
Application number: JP2008029674A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Mishima; 孝博三島
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】電子及び正孔の収集効率を向上させた裏面接合型の太陽電池を提供する。
【解決手段】半導体基板１１は、裏面側において第１方向に沿って形成されたｐ型領域１６と、裏面側において第１方向に沿って形成されたｎ型領域１７とを含む。裏面に平行な投影面上において、ｐ型領域１６は、ｎ型領域１７側に向かって張出す張出し領域１６ｂを有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、裏面にｎ型領域とｐ型領域とを設けた裏面接合型の太陽電池に関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光を直接電気に変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。

従来、半導体基板の裏面上にｎ型領域とｐ型領域の両方が形成された、いわゆる裏面接合型の太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。

具体的には、図１に示すように、太陽電池１は、半導体基板２の裏面において、ライン状に交互に形成されたｎ型領域３とｐ型領域４とを有する。ｎ型領域３上には、電子を収集するｎ側収集電極（不図示）が形成される。ｐ型領域４上には、正孔を収集するｐ側収集電極（不図示）が形成される。このような太陽電池１によれば、半導体基板２の受光面上に収集電極が形成されないため、太陽電池１の受光面積を拡大することができる。
特開昭５３−５９８５号公報

しかしながら、図１に示すように、ｎ型領域３とｐ型領域４のそれぞれをライン状に形成した場合、次のような問題があった。

なお、太陽電池１が光を吸収することにより半導体基板２内部で生成された電子と正孔は、半導体基板２内部で散乱を繰り返しながら移動する。半導体基板２内部における電子及び正孔の位置を追尾することは難しいが、統計的な考え方を用いることにより、電子及び正孔の挙動を概略的に把握することができる。以下の説明では、半導体基板２内部における少数キャリアの寿命の指標である拡散長を用いて説明する。拡散長の範囲内であれば、少数キャリアは再結合を行うことなく半導体基板２内部を移動できる。

ここで、半導体基板２内部の起点Ｘで生成された正孔の拡散長がＬである場合、生成された正孔は再結合することなく拡散範囲Ｏまで移動できる。拡散範囲ＯのうちＡ〜Ｂ方向及びＣ〜Ｄ方向に移動する正孔は、不純物の濃度勾配に従ってｐ型領域４に到達し、ｐ側収集電極によって収集される。一方、拡散範囲ＯのうちＢ〜Ｃ方向及びＤ〜Ａ方向には不純物の濃度勾配がないため、Ｂ〜Ｃ方向及びＤ〜Ａ方向に移動する正孔は、ｐ型領域４に到達せず、ｐ側収集電極によって収集されない。このように、起点Ｘにおいて生成された正孔のうちＢ〜Ｃ方向及びＤ〜Ａ方向に移動する正孔を収集できないことに起因して、太陽電池１の収集効率の向上が図られないという問題があった。

なお、このような問題は、起点Ｘにおいて生成された正孔に限らず、半導体基板２内部のあらゆる起点において生成される電子又は正孔について同様に生じる得る。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、電子及び正孔の収集効率を向上させた裏面接合型の太陽電池を提供することを目的とする。

本発明の一の特徴に係る太陽電池モジュールは、光を受ける受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する半導体基板を備え、半導体基板は、裏面側において第１方向に沿って形成され、一導電型を有する第１領域と、裏面側において第１方向に沿って形成され、一導電型と異なる他導電型を有する第２領域とを含み、裏面に平行な投影面上において、第１領域と第２領域とは、第１方向に略直交する第２方向において隣接しており、第１領域は、第２領域側に向かって張出す張出し領域を有することを要旨とする。

このような太陽電池によれば、第１領域が有する張出し領域が第２領域側に向かって張出しているため、第１領域を第１方向に沿って直線状に形成する場合に比べて、より第２領域側に不純物の濃度勾配を形成できる。従って、半導体基板内部のうち第２領域の受光面側で生成される電子又は正孔の一方は、張出し領域によって形成される不純物の濃度勾配に従って効率的に張出し領域に集められる。その結果、太陽電池の光生成キャリアの収集効率を向上させることができる。

本発明の一の特徴に係る太陽電池において、第２領域の前記第１領域側の外周は、第１領域の外周に沿っていてもよい。

本発明の一の特徴に係る太陽電池において、半導体基板は、他導電型を有していてもよい。

本発明の一の特徴に係る太陽電池において、半導体基板は、第２領域を挟んで第１領域の反対側において、第１方向に沿って形成され、一導電型を有する第３領域を含み、第１領域及び第３領域は、第１方向に沿って直線状に形成された一対の直線領域を有しており、半導体基板内部で生成され、第２領域に集まる光生成キャリアの拡散長は、第２方向における一対の直線領域の中心間隔の半分より大きくてもよい。

本発明によれば、電子及び正孔の収集効率を向上させた裏面接合型の太陽電池を提供することができる。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（太陽電池の構成）
本発明の実施形態に係る太陽電池１０の構成について、図面を参照しながら説明する。

図２は、本実施形態に係る太陽電池１０の裏面側の平面図である。図３（ａ）は、図２のＥ−Ｅ線における断面図である。図３（ｂ）は、図２のＦ−Ｆ線における断面図である。

図２及び図３に示すように、太陽電池１０は、半導体基板１１、絶縁層１２、ｐ側電極１３、ｎ側電極１４及び反射防止層１５を備える。

半導体基板１１は、太陽光を受ける受光面と、受光面の反対側に設けられた裏面とを有する。半導体基板１１は、ｎ型又はｐ型の導電型を有する単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ等の結晶系半導体材料、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体材料などの一般的な半導体材料によって構成される。

半導体基板１１は、図３に示すように、裏面側に形成されたｐ型領域１６とｎ型領域１７とを含んでおり、受光面における受光によって内部で光生成キャリアを生成する。光生成キャリアとは、光が半導体基板１１に吸収されて生成される正孔と電子とをいう。

ｐ型領域１６は、半導体基板１１の裏面に不純物（ボロン、アルミニウムなど）をドーピングすることにより形成される高濃度のｐ型拡散領域である。半導体基板１１内部で生成される正孔は、ｐ型領域１６に集まる。

また、ｎ型領域１７は、半導体基板１１の裏面に不純物（リンなど）をドーピングすることにより形成される高濃度のｎ型拡散領域である。半導体基板１１内部で生成される電子は、ｎ型領域１７に集まる。ｐ型領域１６とｎ型領域１７との構成については、後に詳説する。

絶縁層１２は、半導体基板１１の裏面における光生成キャリアの再結合を抑制するためのパッシベーション性と絶縁性とを有する。絶縁層１２は、ｉ型アモルファスシリコン、窒化ケイ素、酸化ケイ素などの単層膜、又は、これらの積層膜によって構成される。絶縁層１２は、ＣＶＤ法、印刷法、塗布法などによって、半導体基板１１の裏面略全面に形成される。図３に示すように、絶縁層１２には、ｐ側電極１３及びｎ側電極１４が充填される貫通孔１２ａが複数形成される。

ｐ側電極１３は、ｐ型領域１６に集まる正孔を収集する収集電極である。図３に示すように、ｐ側電極１３は、絶縁層１２に形成される貫通孔１２ａ内に充填され、部分的にｐ型領域１６に接する。ｐ側電極１３は、例えば、銀のスパッタリングや、樹脂型導電性ペーストや焼結型導電性ペーストの印刷により形成することができる。

ｎ側電極１４は、ｎ型領域１７に集まる電子を収集する収集電極である。図３に示すように、ｎ側電極１４は、絶縁層１２に形成される貫通孔１２ａ内に充填され、部分的にｎ型領域１７に接する。ｎ側電極１４は、ｐ側電極１３と同様に形成することができる。

図２に示すように、ｐ側電極１３及びｎ側電極１４は、それぞれ櫛形に形成されており、互いに組み合わされる。ｐ側電極１３とｎ側電極１４とは、第１方向に沿って直線状に形成された直線部分を有する。このような直線部分は、第１方向に略直交する第２方向に沿って並ぶ。

反射防止層１５は、半導体基板１１に入射する光の反射を防止する。反射防止層１５は、例えば、窒化ケイ素、酸化ケイ素などを用いて半導体基板１１の受光面略全面に形成される。

（絶縁層の構成）
次に、絶縁層１２の構成について、図４を用いて説明する。図４は、絶縁層１２上にｐ側電極１３及びｎ側電極１４を形成する前の状態を示す平面図である。

図４に示すように、絶縁層１２は、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７上に形成された複数の貫通孔１２ａを有する。従って、貫通孔１２ａ内には、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７が露出する。

ｐ型領域１６上に形成された４つの貫通孔１２ａは、第１方向に沿ってノード状に点在する。図２に示すように、これら４つの貫通孔１２ａに沿ってｐ側電極１３が直線状に形成される。ｐ側電極１３は、貫通孔１２ａ内に充填される。

同様に、ｎ型領域１７上に形成された４つの貫通孔１２ａは、第１方向に沿ってノード状に点在する。図２に示すように、これら４つの貫通孔１２ａに沿ってｎ側電極１４が直線状に形成される。ｐ側電極１３は、貫通孔１２ａ内に充填される。

（ｐ型領域及びｎ型領域の構成）
次に、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７の構成について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、半導体基板１１の裏面に平行な投影面上に半導体基板１１、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７を投影した図である。図６は、図５の部分拡大図である。

図５に示すように、本実施形態では、３本のｐ型領域１６と３本のｎ型領域１７とが、半導体基板１１の裏面において第１方向に沿って交互に形成される。ｐ型領域１６とｎ型領域１７とは相似形状を有しており、第２方向に沿って近接する。従って、ｐ型領域１６の外周とｎ型領域１７の外周とは、互いに沿うように形成される。ｐ型領域１６とｎ型領域１７との間には、微小な間隙が設けられる。

図５に示すように、ｐ型領域１６は、第１方向に沿って直線状に形成されたｐ型直線領域１６ａと、ｎ型領域１７側に向かって張出す複数のｐ型張出し領域１６ｂとを有する。

ｎ型領域１７は、第１方向に沿って直線状に形成されたｎ型直線領域１７ａと、ｐ型領域１６側に向かって張出す複数のｎ型張出し領域１７ｂとを有する。複数のｐ型張出し領域１６ｂと複数のｎ型張出し領域１７ｂとは、互いに嵌め合わされるように形成される。

３本のｐ型直線領域１６ａそれぞれの第２方向における中心の間隔はＴ１である。また、３本のｎ型直線領域１７ａそれぞれの第２方向における中心の間隔はＴ２である。

ここで、図６に示すように、半導体基板１１内部の起点Ｘ´で生成された光生成キャリアの拡散長Ｌ´は、間隔Ｔ１の半分（（Ｔ１）／２）よりも大きい。

また、図６に示すように、起点Ｘ´で生成される正孔は、再結合することなく拡散範囲Ｏ´まで移動できる。拡散範囲Ｏ´のうちＡ´〜Ｂ´方向及びＣ´〜Ｄ´方向に移動する正孔は、不純物の濃度勾配に従ってｐ型領域１６に到達する。一方、拡散範囲Ｏ´のうちＢ´〜Ｃ´方向及びＤ´〜Ａ´方向に移動する正孔は、不純物の濃度勾配がないためｐ型領域１６には到達しない。

（作用及び効果）
本実施形態に係る太陽電池１０において、半導体基板１１は、裏面側において第１方向に沿って形成されたｐ型領域１６と、裏面側において第１方向に沿って形成されたｎ型領域１７とを含む。裏面に平行な投影面上において、ｐ型領域１６は、ｎ型領域１７側に向かって張出す張出し領域１６ｂを有する。

このように、張出し領域１６ｂがｎ型領域１７側に向かって張出しているため、ｐ型領域１６を第１方向に沿って直線状に形成する場合に比べて、よりｎ型領域１７側に不純物の濃度勾配を形成できる。従って、半導体基板１１内部のうちｎ型領域１７の受光面側で生成される正孔は、張出し領域１６ｂによって形成される不純物の濃度勾配に従って、張出し領域１６ｂに集められ易くなる。

具体的には、図７（ａ）に示すように、ｎ型領域３とｐ型領域４とを第１方向に沿って直線状に形成した場合、Ｂ〜Ｃ方向及びＤ〜Ａ方向では不純物の濃度勾配がない。そのため、Ｂ〜Ｃ方向及びＤ〜Ａ方向に移動する正孔はｐ型領域４に集めることができない。

一方、図７（ｂ）に示すように、ｐ型領域１６が張出し領域１６ｂを有することにより、Ａ´〜Ｂ´方向及びＣ´〜Ｄ´方向において不純物の濃度勾配が形成される。そのため、Ａ´〜Ｂ´方向及びＣ´〜Ｄ´方向に移動する正孔をｐ型領域１６に集めることができる。

このような効果は、ｐ型領域１６の受光面側で生成される電子についても、ｎ型張出し領域１７ｂを形成することにより同様に得られる。その結果、太陽電池１０全体としての光生成キャリア（電子及び正孔）の収集効率を向上させることができる。

また、本実施形態において、ｐ型領域１６の外周とｎ型領域１７の外周とは、互いに沿っている。従って、ｐ型領域１６とｎ型領域１７とを、より近接させることができる。その結果、急峻な不純物の濃度勾配を形成することができるため、光生成キャリアの収集効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態において、半導体基板１１内部で生成される光生成キャリアの拡散長Ｌ´は、２本のｐ型直線領域１６ａの第２方向における中心の間隔Ｔ１の半分よりも大きい。ここで、光生成キャリアの拡散長Ｌ´が大きいほど、張出し領域１６ｂに到達する正孔の数は多くなる。そのため、拡散長Ｌ´を間隔Ｔ１の半分よりも大きく設定することにより、上述の効果を十分に発揮することができる。

また、本実施形態において、絶縁層１２は、ノード状に形成される複数の貫通孔１２ａを有する。ｐ側電極１３は、貫通孔１２ａを介してｐ型領域１６に接する。ｎ側電極１４は、貫通孔１２ａを介してｎ型領域１７に接する。すなわち、不純物拡散層と収集電極との接触面積が小さい。従って、ｐ側電極１３とｐ型領域１６との界面、及びｎ側電極１４とｎ型領域１７との界面における光生成キャリアの再結合損失を低減できる。その結果、太陽電池１０の発電力を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記実施形態では、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７の形状、本数を同じく形成したが、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７の形状、本数は異なっていても良い。例えば、図８に示すように、ｐ型領域１６をｎ型領域１７より大きく形成するとともに、ｐ型領域１６の本数をｎ型領域１７の本数よりも多くしても良い。この場合、半導体基板１１がｎ型領域１７と同じ導電型であれば、少数キャリア（正孔）をｐ型領域１６によって優先的に集めることにより、太陽電池１０全体としての収集効率を向上させることができる。また、半導体基板１１がｎ型領域１７と異なる導電型であれば、ｎ型領域１７の形状を大きくすればよい。このように、ｐ型領域１６及びｎ型領域１７の形状は非相似であっても良い。

また、上記実施形態では、ｐ型直線領域１６ａの第２方向両側にｐ型張出し領域１６ｂを形成し、ｎ型直線領域１７ａの第２方向両側にｎ型張出し領域１７ｂを形成したが、直線領域の第２方向片側のみに張出し領域を形成してもよい。例えば、図９に示すように、互いに対応する張出し領域が形成された一対のｐ型領域１６とｎ型領域１７とを複数組形成することができる。

また、上記実施形態では、ｐ型領域１６とｎ型領域１７とを半導体基板１１の裏面側の外周（第１方向）に沿って形成したが、ｐ型領域１６とｎ型領域１７とは、半導体基板１１の裏面側の外周に沿っていなくても良い。

また、上記実施形態では、ｐ側電極１３とｎ側電極１４とを第１方向に沿って直線状に形成したが、ｐ側電極１３とｎ側電極１４とは直線状でなくても良い。

また、上記実施形態では、半導体基板１１は、受光面における受光により光生成キャリアを生成することとしたが、半導体基板１１は、裏面における受光によっても光生成キャリアを生成することができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

以下、本発明に係る太陽電池モジュールの実施例について具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができるものである。

（実施例１）
まず、φ１００ｍｍのｎ型シリコン薄板を用いて、１０ｍｍ角のｎ型シリコン基板を１０個形成した。ｎ型シリコン基板の受光面上にテクスチャ構造を形成した後、８０ｎｍ厚の窒化シリコン膜を形成した。

次に、ｎ型シリコン基板の裏面に形成された酸化膜を希フッ酸によって除去した。次に、リン及びガラス成分を含む第１拡散材料と、ボロン及びガラス成分を含む第２拡散材料とを図５に示すパターンで塗布した。次に、第１拡散材料と第２拡散材料とを仮焼成（５００℃、２０分）した後、熱処理（９００℃、３０分）を施した。これにより、ｎ型シリコン基板にリン及びボロンが拡散されるとともに、固化されたガラス成分によって絶縁膜が形成された。その後、絶縁膜上に３０μｍ厚の絶縁性樹脂膜を形成した。

次に、図４に示すパターンで、絶縁膜及び絶縁性樹脂膜にφ１００μｍの貫通孔を形成した。その後、メタルマスクを用いて図２に示すパターンで銀をスパッタリングすることにより、ｐ側電極及びｎ側電極を形成した。

以上により実施例１に係る１０個の太陽電池を作製した。

（実施例２）
次に、実施例２に係る１０個の太陽電池を作製した。実施例２と上記実施例１との相違点は、第１拡散材料と第２拡散材料とを図８に示すパターンで塗布した点である。その他の点は上記実施例１と同様である。

（比較例）
次に、比較例に係る１０個の太陽電池を作製した。比較例と上記実施例１との相違点は、第１拡散材料と第２拡散材料とを図１に示すパターンで塗布した点である。その他の点は上記実施例１と同様である。

（出力特性の評価）
実施例１，２及び比較例に係る太陽電池の出力特性を、ＡＭ１．５の模擬太陽光光源を用いて測定した。出力特性（１０個平均）の測定結果を表１に示す。

上表に示すように、実施例１において比較例よりも良好な出力特性を得ることができた。特に、実施例１では、比較例に比べてＪｓｃ（短絡電流密度）を向上することができた。これは、ｐ型領域とｎ型領域との両方に張出し領域を形成することにより、ｎ型シリコン基板内部における光生成キャリアの再結合損失を効果的に低減できたためである。

また、実施例２においても、比較例に比べてＪｓｃを向上することができた。これは、ｐ型領域に張出し領域を形成することにより、少数キャリアである正孔の再結合損失を効果的に低減できたためである。

また、実施例１において実施例２よりも良好な出力特性が得られたのは、図５に示すパターンは、図８に示すパターンに比べて、ｐ型領域とｎ型領域側とが互いに深く入り込んでいるためである。すなわち、不純物の濃度勾配を有する領域を微細に入り組ませることにより、光生成キャリアの再結合損失を効果的に低減できることが判った。

従来の太陽電池１が備える半導体基板２の裏面側平面図である。本発明の実施形態に係る太陽電池１０の裏面側平面図である。図３（ａ）は、図２のＥ−Ｅ線における断面図である。図３（ｂ）は、図２のＦ−Ｆ線における断面図である。本発明の実施形態に係る絶縁層１２の平面図である。本発明の実施形態に係る半導体基板１１の裏面に平行な投影面における投影図である。図５の部分拡大図である。図７（ａ）は、従来の太陽電池１における正孔の収集効率を説明するための図である。図７（ｂ）は、本発明の実施形態に係る太陽電池１０における正孔の収集効率を説明するための図である。本発明の実施形態に係るｐ型領域１６及びｎ型領域１７の形成パターンを示す図である（その１）。本発明の実施形態に係るｐ型領域１６及びｎ型領域１７の形成パターンを示す図である（その２）。

符号の説明

１…太陽電池
２…半導体基板
３…ｎ型領域
４…ｐ型領域
１０…太陽電池
１１…半導体基板
１２…絶縁層
１２ａ…貫通孔
１３…ｐ側電極
１４…ｎ側電極
１５…反射防止層
１６…ｐ型領域
１６ａ…ｐ型直線領域
１６ｂ…ｐ型張出し領域
１７…ｎ型領域
１７ａ…ｎ型直線領域
１７ｂ…張出し領域
Ｏ，Ｏ´…拡散範囲
Ｘ，Ｘ´…起点
Ｌ、Ｌ´…拡散長

Claims

光を受ける受光面と、前記受光面の反対側に設けられた裏面とを有する半導体基板を備え、
前記半導体基板は、
前記裏面側において第１方向に沿って形成され、一導電型を有する第１領域と、
前記裏面側において前記第１方向に沿って形成され、前記一導電型と異なる他導電型を有する第２領域と
を含み、
前記裏面に平行な投影面上において、
前記第１領域と前記第２領域とは、前記第１方向に略直交する第２方向において隣接しており、
前記第１領域は、前記第２領域側に向かって張出す張出し領域を有する
ことを特徴とする太陽電池。
前記第２領域の前記第１領域側の外周は、前記第１領域に沿う
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記半導体基板は、前記他導電型を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
前記半導体基板は、
前記第２領域を挟んで前記第１領域の反対側において、前記第１方向に沿って形成され、前記一導電型を有する第３領域を含み、
前記第１領域及び前記第３領域は、前記第１方向に沿って直線状に形成された一対の直線領域を有しており、
前記半導体基板内部で生成され、前記第２領域に集まる光生成キャリアの拡散長は、前記第２方向における前記一対の直線領域の中心間隔の半分より大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。