JP2004039751A

JP2004039751A - 光起電力素子

Info

Publication number: JP2004039751A
Application number: JP2002192465A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Okumura; 奥村　健一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】切断面すなわち側面での再結合損失を低減することでエネルギー変換効率の向上を図った光起電力素子を提供する。
【解決手段】半導体基板１０と、その半導体基板の裏面に形成され半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｐ^＋型半導体層１４及びｎ^＋型半導体層１２と、そのｐ^＋型半導体層１４及びｎ^＋型半導体層１２にそれぞれ接続された正電極２４及び負電極２２と、を備えた裏面電極型の光起電力素子において、半導体基板１０の側面にショットキー障壁となる金属膜５２及び５４を形成し、電子又は正孔が側面すなわち切断面へ移動するのを防止する。また、裏面電極型に代えて表裏面電極型としてもよい。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の、光エネルギーを電力に変換する光起電力（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる光起電力素子のエネルギー変換効率を高めるためには、表面側や裏面側における界面の欠陥を減少させることにより、光吸収によって生成されたキャリアが界面での再結合により消滅するのを防止することが肝要である。
【０００３】
そのため、従来、かかる光起電力素子の表面及び裏面に欠陥を低減するための表面保護膜（パッシベーション膜）を形成することが知られている（例えば、特開平２００１−２８４６１６号公報参照）。パッシベーション（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）は、水素や酸化膜等を用いて未結合手（ダングリングボンド（ｄａｎｇｌｉｎｇ　ｂｏｎｄ））を不活性化させる、すなわち化学的に安定にする技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光起電力素子をダイサーやへき開で素子サイズに切り出したときに形成される切断面（光起電力素子の側面）は、図１に示されるように、結晶内の元素の結合が分断された状態にある。この未結合手は、活性であるため、外部から欠陥となる不純物元素を取り込み、また、キャリアをトラップする欠陥を形成することとなる。なお、図１は、Ｓｉ基板による光起電力素子の場合を例示する。
【０００５】
かかる切断面については、従来、特に表面処理が施されていない。そのため、切断面近傍を流れるキャリアの再結合が促進され、結果として光起電力素子による発電量が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、切断面（側面）での再結合損失を低減することでエネルギー変換効率の向上を図った光起電力素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、半導体基板と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層と、前記ｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層にそれぞれ接続された正電極及び負電極と、を備えた裏面電極型の光起電力素子において、前記半導体基板の側面にショットキー障壁となる金属膜が形成されていることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【０００８】
また、本発明の第二の面によれば、半導体基板と、前記半導体基板の表面及び裏面のそれぞれ一方及び他方の面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層と、前記ｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層にそれぞれ接続された正電極及び負電極と、を備えた表裏面電極型の光起電力素子において、前記半導体基板の側面にショットキー障壁となる金属膜が形成されていることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【０００９】
上述の如く構成された、本発明の第一及び第二の面による光起電力素子においては、ショットキー障壁により電子又は正孔のどちらか一方が側面すなわち切断面へ移動するのが防止される。そのため、電子と正孔とが対になることで発生する再結合が低減され、光起電力素子のエネルギー変換効率が向上する。
【００１０】
また、光が表面に対し斜め方向に入射したとき、光起電力素子の内部を透過して側面まで到達した光が金属膜により反射される。すなわち、光閉じ込め効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図２は、本発明の第一実施形態に係る光起電力素子の断面図である。ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０の裏面には、拡散法を用いて、ｎ^＋型半導体層１２とｐ^＋型半導体層１４とがそれぞれ交互に形成されている。キャリアを収集するために、これらのｎ^＋型半導体層１２及びｐ^＋型半導体層１４のキャリア濃度は、ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０のキャリア濃度よりも高い。
【００１３】
また、半導体基板１０の表面には、基板１０のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型（又はｐ^＋型）半導体層１６が形成されている。この半導体層１６により、表面近傍で発生したキャリアが欠陥の多い表面側に移動する割合が大きく減少する。
【００１４】
また、半導体基板１０の裏面側には、ｎ^＋型半導体層１２に接続される負（−）電極２２とｐ^＋型半導体層１４に接続される正（＋）電極２４とが設けられ、裏面電極型構造を実現している。
【００１５】
また、半導体基板１０の表面側には、界面の欠陥を減少させて界面でのキャリアの消滅を減少させるべく表面保護膜（パッシベーション膜）３２が設けられている。同様に、半導体基板１０の裏面側においては、半導体層１２及び１４と電極２２及び２４とがそれぞれ接続する部分以外の部分に表面保護膜（パッシベーション膜）３４が設けられている。さらに、半導体基板１０の表面側においては、表面保護膜３２の上に反射防止膜４０が設けられている。
【００１６】
図２の光起電力素子では、表面側から入射した光が半導体基板１０において吸収され、電子と正孔とが生成される。生成された電子は、ｎ^＋型半導体層１２の領域へと拡散していき負（−）電極２２に集められる一方、生成された正孔は、ｐ^＋型半導体層１４へと拡散していき正（＋）電極２４に集められる。かくして、光の吸収によって生成された電子と正孔とが分離され、光起電力が生ずることとなる。
【００１７】
ところで、前述のように、素子サイズに切り出したときの切断面となる側面については、従来、特に表面処理が施されていなかったため、切断面近傍を流れるキャリアの再結合が促進され、結果として発電量が低下するという問題があった。
【００１８】
そこで、図２の光起電力素子では、その側面にショットキー障壁となる金属膜５２及び５４が形成されている。すなわち、金属膜５２及び５４は、ショットキー障壁となるように、半導体層の仕事関数をφｓ、金属膜の仕事関数をφｍとすると、ｎ型層ではφｓ＜φｍ、ｐ型層ではφｓ＞φｍの条件を満たす金属膜である。
【００１９】
このようにその側面にショットキー障壁となる金属膜５２及び５４を有する図２の光起電力素子では、ショットキー障壁により電子又は正孔のどちらか一方が側面すなわち切断面へ移動するのが防止される。そのため、電子と正孔とが対になることで発生する再結合が低減され、光起電力素子のエネルギー変換効率が向上する。また、光が表面に対し斜め方向に入射したとき、光起電力素子の内部を透過し、側面まで到達した光が金属膜５２及び５４により反射される。すなわち、光閉じ込め効果がある。
【００２０】
ここで、図２に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００２１】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。ｎ^＋型半導体層１６は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。
【００２２】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００２３】
また、表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉＮｘであり、表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉＮｘである。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。また、ショットキー障壁を形成する金属膜５２及び５４は、膜厚１μｍのＣｕである。
【００２４】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。
【００２５】
図３は、本発明の第二実施形態に係る光起電力素子の断面図である。図３においては、図２における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。
【００２６】
図２の構造に対する図３の構造の相違点について説明すると、図２の光起電力素子は、裏面側にのみ電極を有する裏面電極型であるのに対し、図３の光起電力素子は、ｎ^＋型半導体層１２及び負（−）電極２２を表面側に有することで表裏面電極型を構成している。
【００２７】
そのため、側面に設けられる、ショットキー障壁となる金属膜５２及び５４は、ｐｎ接合を短絡することがないように形成されている。なお、図３に示される光起電力素子の作用効果は、前述した図２に示される光起電力素子の作用効果と同一である。
【００２８】
ここで、図３に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ３００μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００２９】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．２μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。
【００３０】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００３１】
また、表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉＯ_２であり、表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉＯ_２である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。また、ショットキー障壁を形成する金属膜５２及び５４は、膜厚１μｍのＣｕである。
【００３２】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の基板を用いることができる。図３では、素子上部からｎ^＋−ｐ−ｐ^＋型層としているが、ｐ^＋−ｎ−ｎ^＋型層の順であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光起電力素子の側面すなわち切断面にショットキー障壁となる金属膜が形成されることで、電子又は正孔のどちらか一方が側面すなわち切断面へ移動するのが防止され、その結果、電子と正孔との再結合が低減されて光起電力素子のエネルギー変換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｉ基板による光起電力素子の切断面の様子を示す図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【符号の説明】
１０…ｐ型（又はｎ型）半導体基板
１２…ｎ^＋型半導体層
１４…ｐ^＋型半導体層
１６…ｎ^＋型（又はｐ^＋型）半導体層
２２…負（−）電極
２４…正（＋）電極
３２…表面保護膜（パッシベーション膜）
３４…表面保護膜（パッシベーション膜）
４０…反射防止膜
５２…金属膜
５４…金属膜

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層と、
前記ｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層にそれぞれ接続された正電極及び負電極と、
を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
前記半導体基板の側面にショットキー障壁となる金属膜が形成されていることを特徴とする光起電力素子。
半導体基板と、
前記半導体基板の表面及び裏面のそれぞれ一方及び他方の面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層と、
前記ｐ^＋型半導体層及びｎ^＋型半導体層にそれぞれ接続された正電極及び負電極と、
を備えた表裏面電極型の光起電力素子において、
前記半導体基板の側面にショットキー障壁となる金属膜が形成されていることを特徴とする光起電力素子。