JPH0442974A - バイパスダイオード付太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、太陽電池セルに逆バイアス電圧が印加さｊま
たとき、太陽電池セルの破ＩＩ奮防止する手段に関する
ものである。

（従来の技術） 一般に太陽光を利用した発電装置は、第６図に示される
Ｊうに、個々の太陽電池セル１０．１１゜１２．１３等
全並列に接続してサブモジュール３０ｔＳ成し、これと
直列に、太陽電池セル１０−１゜１１−１．１２−１．
１３−１等からなるサブモジュール３１、太陽電池セル
１０−２．１１−２゜１２−２．１３−２等からなるサ
ブモジュール３２等全接続１−で５太陽電池アレイ（以
下アｌ／イという）を構成し、これに負荷りを接続する
ようになっている。このアレイに光が入射しているとき
、アレイの周辺の構造物の影がアレイ奮構成する太陽電
池セル（以下セルという）群の一部に投影され、セルが
遮光されると、連光され次セＡ・が逆方向にバイアスさ
れ、この逆バイアスが大きい場合は、逆バイアスされた
セルが破ｊＩ！さ力５、アレイの発電性能が低下する。

この、？バイアスを防止するため、サブモジ、−ルある
いはセルの起電力の方向と逆方向ｉ＃ｃ、！イオードを
接続し、セルの逆バイアスをバイパスする手段が用いら
れている。ｌ！７図（＆）はセル１０，１１゜１２．１
３４１よシなるサブモジエールに対シテバイパスダイオ
ードＤｆ１＠逆方向に並列に接続１−た−例であり、ｌ
ｌｒ図（ｂ）は、各セル１０，１１゜１２．１３のそれ
ぞれに、バイパスダイオードＤｉ、Ｄ２．Ｄ３．Ｄ４を
逆方向に並列に接続した一例である。これらは何れ本セ
ル及びダイオードが個別部品として供給されてお夛、個
々のセルあるいはサブモジュールにダイオードを接続し
ていた。

他の技術としては、セルの受光面の反対側に、セルの基
板を共有する形でダイオードを形成し、バイパスダイオ
ードとして機能させるものがある。

纂８図はその一例の略断面図である。Ｐ型のシリコン基
板２０の一方の面にＮｌｌの拡散層２１ｔ−形成しその
一部に電極２４が設けられている。拡散層２１の側から
受光し、ＰＮ接合にニジ発電される。他方の面にメサを
形成しその表面にＮ型拡散層２２全形成しその表面に電
極２３を設ける。図示されていないがＰ型シリコン基板
２００表面の一部に、隣接する他のセルに接続するため
の電極が設けられている。この等価回路は第９図に示さ
れる。セルＳＣのプラス側はバイパスダイオードＢＤの
マイナス側に接続され、セルＳＣの！イナス側トバイパ
スダイオードＢＤのグラス側とは開放されてい−る。こ
のよりな三端子のセルは第１０因（＆）　、　（ｂ）の
ように接続される。第１０図（ａ）はセル３個ｔ−直列
（接続した場合の斜視図である。第１の太陽電池ｌのマ
イナス側と、第２の太陽電池２のプラス側とはリード線
２５に工す接続され、第２の太陽電池２のマイナス側と
第３の太陽電池３のグラス側も同様にリード線２５に工
９接続されている。ｊｆｉｍのリード線２７．２８は負
荷に接続される。Ｎ１の太陽電池１の表面のプラス側と
、第２の太陽電池２の表面のＮ型拡散層２２とは、リー
ド線２６によシ接続され、纂２の太陽電池２の表面のプ
ラス側と、第３の太陽電池３の表面のＮｌｌ！拡散層２
２とも、同様にリード線２６により接続されてｈる０こ
の等価回路は第ｘｏｆｇ（ｂ）Ｋ示されるようになる。

第２の太陽電池２０表面く形成されたＮ！ＳＩＩ拡散層
２２とＰ型のシリコン基板２０とよりなるバイパスダイ
オード人は、第１の太陽電池１のバイパスとなシ、第３
の太陽電池３０表面に形成されたバイパスダイオードＢ
は、第２の太陽電池２のバイパスとなる。従って、直列
に接続された最終の第３の太陽電池３には、これに逆方
向に個別のダイオードＣを並列に接続しなければならな
い。

つまシ、ｌ！７図−）（ｂ）に示される工うに、個別の
ダイオードを接続する方法は、セルとダイオードを接続
する配線が必要であシ、配線のための工数も必要でコス
トが上昇する。また、個別のダイオードや配線用のワイ
ヤーがセル面より突出することがある。このような突出
物は、宇宙用の太陽電池アレイのように折りたたむ必要
のある場合圧は、都合が悪い。

１次、第８図及び第１０図（ａ）（ｂ）に示されるよう
な、三端子接続となるバイパスダイオード付太陽電池は
、接続が複雑となり、直列接続の最終亀となるセルには
、個別ダイオードを使用しなければならない。第７図（
ａ）（ｂ）の場合と同様に、突出物により不都合も生ず
る。

さらに前述の欠点を除去する友め、バイパスダイオード
を太陽電池と一体化した二端子接続のバイパスダイオー
ド付太陽電池が考案されている。

第４図はその一例の略断面図である。Ｐ型のシリコン基
板４０の裏面にＰ＋層４１を形成し、さらにその上に裏
面電極４６を形成する。Ｐ型のシリコン基板４１の表面
の一方に受光面となる８層４２を形成し、その表面に反
射防止膜４５が施されている。Ｐ型のシリコン基板４１
の表面の他方にはＮ型のウェル４８を形成し、その表面
には２層４９が形成されており、これらの表面ｔ！５ｉ
０２膜４４で覆われている。５ｉ０２膜４４の適当な個
所に穴を設は所要の電極を形成する。８層４２の表面に
設けた櫛状の表面電極４４の一端は、２層４９に接続さ
れている。Ｎ型のウェル４８とＰｌｉのシリコン基板４
０とは接合短絡用電極４７によって短絡されている。

この等価回路は第５図に示される。電子６７と端子６８
との間に太陽電池ＳＣが接続されている。

これは第４図のｐＨのシリコン基板４０と８層４２との
ＰＮ接合によって形成される。これと並列に逆方向のバ
イパスダイオードＢＤと順方向の短絡さハ、た育生ダイ
オ−・ドＤ　Ｓ　Ｃが接続さｎ−でいる。

バイパスダイオードＢＤは、第４図の１層４９とＮ型の
ウェル４８とのＰＮ接合によって形成さね１、短絡され
ガー寮生ダイオードＤＳＣは、第４図のＮ型のウェル４
８とＮ型のシリコン基板４０とのＰＮ接合と接合短絡用
電極４７に訳って形成さ９、る。

従って光驚質換用のＰＮ接合に逆バイアスが印加された
とき、バイパス用のＰＮ接合か順方向になる。

（発明が解〃六（−〕二つとする陛跳〕第４図の工うｌ
構造に”！゛ると、それ以前の久点奮かなり線〈ことが
できるが、なお次のような問題がある。

バイパスダイオードが太陽電池の端部に位置している場
合、太陽電池の端部が破損し六二とき、バイパスダイオ
ードとしての椴能會果さな（７ｆｆｉ！。

また、バイパスダイオー・−ドを電流が流れることにＩ
り発生する熱１、効率工く発散することができない。

バイパスダイオ・−ドＮ型のウェル４８と、光電貢換用
のＮｉ４２との間の、ＰＵのシリコン基板４０の表面の
矢印で示す一部ａがＮ型に反転し、電気特性が劣化する
。

受光面となるＮ層４２とＰ型のシリコン基板４０とが、
表面電極４３にエリ短絡され電気特性が劣化することが
ある。短絡される部分を矢印すで示）゛。こわ−ｉ防止
するため、この付近にＣＶＤＨ化勝、熱酸化膜等全形成
し、絶縁処理することも可能であるが、その場合はコス
トが高くなる。

接合短絡用電極４７の面積が小さいと、直列抵抗が大き
くなシ、バイパスダイオードＢＤＯ順方向特性が悪ぐＡ
る。その結果、ダイメーードに電流が流れ六二際、発熱
量が大きくなり、電力損失となるはかりで乃：＜、場合
に工っでは、その熱によって太＃電池が破損することが
ある。

ｃｍａｔ解決するための手Ｒ） 本発明においては、以下の手段金講じて前述の腺ｌｉ″
ｆ：解決した。

バイパスダイオードを、櫛状の表面ｌＫ極の根元の幅の
広い部分の下方１ｃ設けた。

受光面側のＮ層とバイパスダイオードのＮ型のウェルと
の同に、チャネルストッパーとしてＰ＋型拡散層業形成
する。

−ｉの照射さ、ｌ’Ｌ７Ｊい個所［は、Ｎ層金極力形成
しｌい工うにする。

受光面側のＮ層の端部とＰ型のシリコン基板の表面との
境界部で表面電極の下方に、前記のＮ層Ｊり深いＮ型の
拡散層金例えばＮ型のウェル層と同じ厚さに形成する。

接合短絡用電極の個数金子くしたりその他により面積音
大きくする。

（作用） バイパスダイオード１ｒ：櫛状の表面電極の根元の幅の
広い部分の下方に形成することに、にり次のような作用
が得られる。

１　表面電極の根元の幅の広い部分は、集電とインター
コネクタ接続のためで、本来光が当らない個所であるか
ら、有効受光面積が減少せず、高効率のバイパスダイオ
・−ド付太陽亀池が得られる。

２　太陽電池に逆バイアスがかかった際に、ノくイバス
ダイオードに１！流が流れ発熱するが、この熱紮、イン
ターコネクタ？バイパスダイオードの付近に接続するこ
とにより放熱できる。

３、　ダイオードがインターコネクタの下方にあると、
バイパスダイオードのＰＮ接合は十分透光されると共に
、放射線によるダイオードの劣化を抑えることができる
。

チャネルストッパーは、バイパスダイオードのｒ層ｉウ
ェルに拡ＷＩ！、にＩｐ影形成際、同時に形成できるか
らコストを上昇することな（、Ｐ型のシリコン基板の表
面の反転による、受光面のＮ層とバイパスダイオードの
Ｎｆｉのウェルとの短絡全防ぎ、太陽電池の変換効率全
改善することができる。

光の照射されない表面電極の下方圧は、光を又換用のＰ
Ｎ接合【形成しないため、ＰＮ接合の巣位面積当りの少
数キャリア収集効率が改善さメコ５、開放電圧、電気出
力が増加する。

受光面＠拡散層であるＮ層の端部とＰ型のシリコン基板
の表面との境界部の櫛状電極の下方に、バイパスダイオ
ードのＮ型のウェルを拡散形成するのと同時に、短絡防
止用の深いＮ層を形成できるから、コストヲ上昇せずに
光電変換効率が改善される。

接合短絡用電極の個数を多くして、面積を大きくするこ
とによシ、抵抗値が小さくなり、電力損失が減少し、従
って発熱量も小さくなシ、信頼性が向上する。

（！Ｉ！施例） 第１図（＆）は本発明の一笑施例の略平面図である。

Ｐｆｆｉシリコン基板６１の表面は、光電変換を行う部
分は、図示されていないがＩＮ１図伽１に示されるよう
な透明な反射防止膜６６で覆われ、その下面には根元を
幅広くシ九櫛状の電極６７が設けられ、その他必要な部
分は、図示されていないが第１図（ｂ）に示されるよう
な酸化膜６６で覆われている。

電極６７の右趨中央＠＠７−１は他の部分よシ広くされ
、この部分にはインターコネクタが接続される。電極６
フ、反射防止膜６６、酸化膜６５等の下方のＰｆｆｉシ
リコン基板６１の表面には、Ｎ”型拡散層６２（二点鎖
線で示される）及びＮｌｌ拡散領域６３（点線で示され
る）が形成され、Ｎｌｌ拡散領域６３の一部にはＰ型拡
散層６４（点線で示される〕が形成されている。そして
Ｎ＋型型数散層６２ｐＨ拡散層６４とは、表面電極６７
にニジ接続されている。また必要な部分には、酸化膜６
５を貫いて、Ｎ型拡散領域６３とｐＨシリコン基板６１
０表面とを短絡する接合短絡部８０が適当な個数設けら
れている。従って、Ｐ型シリコン基板１とＮ＋型型数散
層６２１夛なる光電変換用のＰＮ接合と、ＰＩＥ拡散層
６４（！：Ｎｌｌ拡散領域６３とよりなるバイパスダイ
オード用のＰＮ接合とが逆方向に並列に一体に形成され
たことになる。後述の略断面図に示されるように、ＰＩ
Ｉｉシリ；ン基板１の裏面には裏面電極６畠が設けられ
ている。

従って、その等価回路は従来例について述べた第５図と
同一である。図中９１はＮＩＬ拡散層であって、Ｎ＋浚
拡散層６２とＰｆＪシリコン基板６１との表面電極６７
による短絡を防止する。

１１１図（ｂ）、・（ｏ）＝　（ｄ）、は、それぞれ同
図（ａ）ＯＡ　−Ａ’。

Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’断面図である。これらの図面に示さ
れるように、Ｐ型シリコン基板１の表面の一方に受光面
となるＮ＋型型数散層６２１ｆｔ形成る。表面の他の部
分ＫＮ型拡散領域６３を形成し、その表面の一部にＰ型
拡散層６４ｔ−形成する。Ｎ＋型型数散層６２表面は反
射防止膜６６によって覆われている。Ｎ”型拡散層６２
０表面の一部とＰ型拡散層６４とは、表面電極６７によ
って接続されている。Ｐ型シリコン基板６１の裏面には
Ｐ＋型拡散層９０を設け、ＢＳＦ効果による効率の向上
を計っている。さらにその裏面には、全面にわたシ裏面
電極６８が設けられている、酸化膜６５は、受光面及び
表面電極６７１に除＜Ｐ！ｌシリコン基板６１の表面を
保護している。表面のＮｆｆ１拡散領域６３の周ＩＩＫ
もＰ＋型拡散層９０が形成されているが、これはＮ＋型
型数散層６２Ｎｌｌ拡散領域６３とが、反転によるチャ
ネルのために短絡することｔ防止する。これらのＰ”ｆ
ｆｉ拡散層９０は、Ｐａｌ鉱散層６４の形成と同時に形
成することができる。

ＮＩｌ拡散層９１はＮ＋盟拡散層・２の周縁に、Ｎ型拡
散領域６３の形成と同時に表面電極６７の下方に形成さ
れ、Ｎ＋型型数散層６２Ｐ型シリコン基板６１とが、表
面電極６７に工って短絡されないようにする。ＮＷ拡散
領域６３とＰ型拡散層６４との接合面は表面電極６７の
巾の広い中央部６７−１によって透光されている。この
中央ｓ６フー１には、後でインターコネクタが接続され
る。

第５図の等価回路を参照して、第１図（ａ）〜（ｄ）に
示された構造の太陽電池の動作は以下のようＫなる。

正常な動作状態では、ＰｆＪシリコン基板６１とＮ＋型
型数散層６２の間のＦＮ接合よりなる太陽電池ＳＣは、
順方向バイアスとなシ、Ｐ型シリコン基板６１？プラス
、Ｎ＋型型数散層６２マイナスとする起電力を発生する
。従って、Ｎ層　ＭＩｌ拡散層・２と接続されているＰ
ｆｆｉ拡散層６４はマイナス、裏面電極６８に工ＣＰＩ
！シリコン基板６１に接続されるＮｆｆ１拡散領域６３
はプラスとなる。このＰＩｌ拡散層６４とＮｆｆ１拡散
領域６３との間のＰＮ接合は、バイパスダイオードＢＤ
が逆方向に並列接続されたことになる。なお、Ｐ型シリ
コン基板６１とＮ型拡散領域６３との間のＰＮ接合によ
る寄生ダイオードＤＳＣは、接合短絡部８０にＪ：、ジ
短絡さ力５ている。このときバイパスダイオードＢＤは
、表面電極６７の根元幅の広い部分によって遮光されで
いるから、バイパスダイオードＢＤは、光起電力を発生
せず良好な逆方向を保持しており、光電置換用のｒＮ接
合の起電力ＫＸは影響１与えない。−Ｔｔわち、第５図
のバイパスダイオードＢＤは、太陽電池５Ｃ４Ｃ，４１
：り逆バイアスとなり、太陽電池ＳＣからは正常な光起
電力を取り出すことができる。このような−伴星の太陽
電池ＳＣを、萬６図のプレイとして組立てて使用すると
き、一部の太陽１！池が何等かの原因で発電全停止した
場合は、発電を停止していない太１１！電池や負荷のバ
ッテリー等にＩシ、発電を停止した太陽電池には逆バイ
アスが印加される。その結果バイパスダイオードＢＤに
は、部方向のバイアスが印加されるから、太陽１！池Ｓ
Ｃ［は、バイパスダイオードＢＤＯ順方向以上の電圧が
印加されることはない。

以上のようなバイパスダイオード付太陽亀池は、以下の
ようＫして製造される。第２図（ａ）〜（９）はその・
−例であって、通常の一枚のシリコン基板に多数の太陽
電池のセルを形成し、ダイシングに、Ｃ９個々のセルを
取り出す。以下の図面は、その個々のセルについてのも
のである。

１ず第２図体）に示さカーる工うに、Ｐ型シリコン基板
６１の表裏両面に酸化膜６５，６５を形成する。

次に第２図（ｂ）に示される工うに、バイパスダイオー
ド形成予定領域及び短絡防止用のＮ型拡散層形成予定領
斌に、フォトエツチングに４−リ穴７１７１・・・を設
ける。左端の穴７１け、隣のセルのバイパスダイオード
形成予定領域である。

ＱＫ＄２図（ｅ）Ｋ示すｈ　ルＪ：つＩＣ５ｉ？１．７
１・・・の部分にＮ型不純物ケ拡散しＮ厖拡散層９１及
びＮ型拡散領域６３【形成し、表面１ｌＩＩ化して穴７
１．７１・・・を再び酸化Ａｌｌ＠Ｎ７ＣＪ：って覆う
。

次に、１！２図（ｄ、）　！／Ｉ：示さノする工うに、
Ｎ型拡散領域６３の表面の酸化ｇｓｓに、フォトエツチ
ングにより穴７２．７２・・・全形成する。また、裏面
の酸化＠６５ｉ除去する。Ｎ型拡散領域６３０表面の穴
７２はバイパスダイオード用のｒ型拡散層６４のためで
あり、筐たＮ型拡散領域６３の周縁の穴７２゜７２は、
チャネルストッパとなるＰ＋型拡散層のためである。

次１ｃ第２図（ｅ）に示されるエラＫ、表面の穴７２゜
７２・・・から及び裏面にｒ型の不純物を拡散し、その
後酸化する。そうすると１表面にはＰ型拡散層６４及び
Ｐ　型拡散ＭＧＯ，９０が形成され、穴７２．７２ｉ１
：再び酸化＄Ｉ６　Ｂ　Ｎ：　Ｊ：　りで覆われる。

また、裏面にはＰ＋型拡散層９０が形成される。

こｎｉｊ：ＢＳＦ構造のためである。

次に、第２図（ｆ）に示されるよ５に、光電置換の予定
領域の表面の酸化膜６５に、フォトエツチングにより穴
７３−ｉ形成する。

次に第２図（２））Ｋ、示されるように、穴７３からＮ
型不純物紮拡散し千Ｎ＋型拡散屑６２全形成する。

次に露２図缶）に示されるように、ｒ裂損散層６４０表
面の酸化膜ｏ５に、フォトエツチングに、！：す、穴７
５を形成する。このとき裏面の酸化膜６５も除去する。

次に第２図（ｉ）に示されるように、Ｎ＋型型数散層６
２表面の一部とＰ′型拡散層６４と紮接続する櫛状の表
面電極６７と、Ｆ型シリコン基板６］の裏面を覆う裏面
電極６８と１、例えば真空蒸ｔＫより形成する。この際
、バイパスダイオードのＮ型拡散領域６３とＰ＋型拡散
層９０とを短絡するための接合短絡部８０４同時に形成
する。なお、Ｎ型拡散領域６３の表面は表面電極８７の
端部の巾の広い部分によってａ党される工うに丁′る。

次に第２図（ｊ）に示さｔｌ−るＬう（、表面電極６７
の特にインターコネクタの接続部會マスキングして、Ｎ
＋製拡散層６２の表面に反射防止膜６８【形成する。Ｔ
スキングは、電極の表面に反射防止膜６６の形成１訪げ
、インターコネクターの接続を容Ｊ！ｌならしめる几め
に行う。

次に第２図（ト）に示されるように表面電極６７の右前
及びＮ″′盤拡散拡散層６２前の一点ａ線７Ｇに沿って
切断すると、篤１図−ン〜（（支）に示さ力、る工うな
バイパスダイオード付太陽電池が得られる。

このバイパスダイオード付太陽電池には次のようにして
インターコネクタが接続される。例えば！［３図（ａ）
（ｂ）に示されるように、太陽電池５０の表面の櫛状の
電極５４０幅の広くなった電極パッドの表面には一方の
インターコネクタ５１が接続され、電極パッドの裏面に
はバイパスダイオード５３が形成されている。他方のイ
ンターコネクタ５２は、太陽電池５０の裏面電極に沿っ
て、一方のインターコネクタ５１の裏面に達している。

従来は、バイパスダイオードかインターコネクタの裏面
でなく、他の部分に設けられており、インターコネクタ
も太陽電池の入出力端部に接続されてい次。

従って、同図のようにクラック５５が発生し太陽電池が
割ｒした場合、バイパスダイオードの機能が消滅するお
それがあった。纂３図（ＪＬ）（ｂ）のようにインター
コネクタを接続するとクラック５５が発生しても、バイ
パスダイオードの機能は残っておや、このクラック５５
の生じたセルに直列に接続されている太陽電池群の出力
の低下全防止できる。

（発明の効果） 以上に詳述した工うに、本発明によれば太陽電池に逆バ
イアスが印加され九ときに、バイパスを構成するダイオ
ードをシリコン基板中に一体に内蔵しており、二端子で
他のセルと結合できるから、モジュールの組立が簡単に
なる。

１几、このような太陽電池は、変換効率が高く、逆バイ
アスが印加された時にも、電力損失が小さい、しかも高
信頼性の太陽電池となる。特に宇宙空間で使用される太
陽電池に対しては極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一笑施例の平面図、第１図伽ン
；　（ａ）、　（ｄ）はそれぞれ第１図−）のＡ−＾１
　、　Ｂ　＋＋　ＢＬ。 ｃ−ｃ’略略画面図第２図体）〜（ト）は本発明の一冥
施例の製造の各１鵬の略断面図、第３図（ａ）はインタ
ーコネクタ接続の一例の平面図、第３９山）はその側面
図、８４図は従来の一例の略断面図、第５図はバイパス
ダイオード付太陽電池の等価回路図、第６図は一般の太
陽光発電装置のブロック図、第７図（ａ）（ｂ）ｕそれ
ぞ九バイパスダイオードの増付けの従来例のブロック図
、第８図は従来の三端子型バイパスダイオード付太陽電
池の一例の略断面図、第９図はその等価回路図、第１０
図（＆）は第８図の太陽電池の接続を示す斜視図、第１
０図（ｂ）はその等価回路図である。 ６１・・・Ｐ型シリコン基板、６２・・・Ｎ＋型型数散
層６３・・・Ｎ型拡散領域、６４・・・Ｐｆｆｉ拡散層
、６５・・・蒙化膜、６６・・・反射防止膜、６７・・
・表面電極、６８・・・裏面電極、８０・・・接合短絡
部、９ｏ・・・Ｐ型拡散層、９１・・・Ｎ型拡散層 第１図（Ｑ） 〜 第 図 畢 図 事　２図 ６＆自ｔｔり 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体基板の表面に形成された光電変換用のＰＮ接
   合と、これと逆方向に並列に形成されたバイパス用のＰ
   Ｎ接合と、これらの表面に形成された櫛状の電極とを有
   し、前記のバイパス用のＰＮ接合は櫛状の電極の根元の
   幅の広い部分の下方に形成されていることを特徴とする
   バイパスダイオード付太陽電池。