JP2005005376A - 光起電力素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子を提供。
【解決手段】第1発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在する。第2発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第1面、第2面を有し、第1面側と第2面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第1面側の各キャリア分極層と同一極性の第2面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在する。
【選択図】 図1
【解決手段】第1発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在する。第2発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第1面、第2面を有し、第1面側と第2面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第1面側の各キャリア分極層と同一極性の第2面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成された光起電力素子に関し、特に裏面電極型光起電力素子および両面受光型光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、太陽電池で代表される光起電力素子としては、P型およびN型の半導体を組み合わせたPN接合タイプが主流であり、出力電極の配置形態としては表裏面電極型(例えば特許文献1:特開2001−203376号公報)および裏面電極型(例えば特許文献2:特開2001−85718号公報)がある。
【0003】
裏面電極型は、N(またはP)型半導体基板の裏面に正負の電極を設けた構造であり、正電極および負電極に接続したキャリア分極層として不純物拡散によりそれぞれP+層およびN+層を形成する。半導体基板の表面(受光面)から入射した光により半導体基板内で発生した正負のキャリア(正孔と電子)がそれぞれ対応するキャリア分極層に到達して収集されることで、各キャリア分極層に接続された両電極から電力が出力される。
【0004】
その際、受光面近傍の半導体内で発生したキャリアは、受光面から裏面側のキャリア分極層まで半導体基板のほぼ全厚を移動しなくてはならず、移動過程で正負キャリアの再結合により損失が発生する。出力を高めるにはこの再結合損失を低減する必要があり、そのためにはキャリア移動距離の短縮が必要であり、半導体基板を薄くしなくてはならず、光吸収量を高められない。すなわち、光照射により発生したキャリア(電子と正孔)に対してキャリア分極層の電界を有効に作用させるためには、キャリア分極層(拡散層)近傍まで到達する光量をできるだけ多く確保する必要がある。結局、受光面から裏面電極までの距離すなわち基板厚さを薄くせざるを得ず、光吸収量が低下するため、出力を高められないという問題があった。
【0005】
上記のように、従来の技術では、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減することができないため、出力の向上に限界があった。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−203376号公報(特許請求の範囲)
【特許文献2】
特開2001−85718号公報(特許請求の範囲)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第1発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在することを特徴とする裏面電極型光起電力素子が提供される。
【0009】
更に、第2発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第1面と第2面とを有する光起電力素子において、
第1面側および第2面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第1面側の各キャリア分極層と同一極性の第2面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在することを特徴とする両面受光型光起電力素子が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
第1発明の構造によれば、受光面側にもキャリア分極層を設けたことにより、裏面側のみにキャリア分極層を備えた従来構造に比べて、キャリア移動距離が素子総体として短縮したので、移動過程における再結合の発生確率が減少し、再結合損失が低減することにより出力が向上する。
【0011】
受光面側に設けたのはp+半導体層、n+半導体層のいずれかで形成されるキャリア分極層であり、これらは電極と異なり光の進行を妨げないため、受光ロスが発生することはない。
【0012】
また、素子厚さを減少することなくキャリア移動距離を短縮できるので、光吸収量を確保できる。
【0013】
第1発明の裏面電極型光起電力素子においては、上記受光面側の正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【0014】
第2発明においては、第1発明と同様に基板両面でキャリア収集を行なえることにより、キャリア移動距離の短縮により再結合損失が低減して出力が向上する効果に加えて、第2発明特有の効果として両面受光により光吸収量をほぼ倍増できるので、更に出力が向上する。
【0015】
第2発明の両面受光型光起電力素子においても、素子両面においてキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【0016】
【実施例】
〔実施例1〕
図1(A)〜(C)を参照して、第1発明による裏面電極型の起電力素子の構造例を説明する。図1において(A)は素子外形を概念的に示す斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。また、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【0017】
図示した裏面電極型光起電力素子100は、p型またはn型の半導体基板1に形成されており、(A)に示すように図の上面が光Lを受け入れる受光面であり、下面が裏面である。(B)に示すように、裏面側にはキャリア分極層としてのn+層2とp+層3が設けられ、それぞれ対応する負電極4および正電極5と接続しており、これは従来通りの構造である。更に、本発明の特徴として、受光面側にもキャリア分極層としてのn+層6とp+層7が設けられている。なお、受光面は表面保護膜(絶縁膜)8およびその上の反射防止膜9で被覆され、裏面は表面保護膜(絶縁膜)8で被覆されている。
【0018】
(C)に示すように、素子厚さ方向に延在する結線電極10は、受光面側の一方のキャリア分極層すなわちn+層6と、同一極性の裏面側の一方のキャリア分極層すなわちn+層2とを電気的に接続する。結線電極10と半導体基板1との界面には絶縁膜8が介在して両者を絶縁している。また、素子の別の断面位置において、図示していない別の結線電極10が、受光面側の他方のキャリア分極層すなわちp+層7と、同一極性の裏面側の他方のキャリア分極層すなわちp+層3とを電気的に接続する。これにより、受光面側のキャリア分極層6、7で収集されたキャリアが、同極性の裏面側キャリア分極層2、3で収集されたキャリアと合流して、裏面電極4、5から電力として出力される。
【0019】
図2に、受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示す。図2は、図1(C)の線II−IIの位置で水平に(紙面に垂直に)切った断面図である。図示したように、キャリア分極層すなわちn+層6とp+層7とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。これにより、基板半導体1内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。受光面側n+層6は結線電極10を介して裏面側n+層2と接続されており、受光面側p+層7は別の結線電極10を介して裏面側p+層3と接続されている。なお、図1(C)は図2の線C−Cにおける断面に対応する。また、受光面側に限らず裏面側についても、キャリア分極層すなわちn+層2とp+層7とを互いに入れ子状態になった櫛の歯形状とすることで、上記と同様にキャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【0020】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0021】
・半導体基板1…ベース層
p型Si基板:不純物濃度1×1014cm−3、厚さ150μm
・n+層2…裏面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…裏面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…裏面電極(出力電極)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…受光面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…受光面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiO2薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
MgF2/ZnSの2層膜:膜厚110nm/50nm
・結線電極10
Al電極:長さ148.5μm
〔実施例2〕
図3を参照して、第1発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例を説明する。図3において(A)は素子の一側端を望む斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のy−z面を含む断面図である。x−y面を含む断面構造は実施例1と同様である。実施例1の部位と対応する部位には実施例1と同じ参照番号を付した。
【0022】
本実施例の素子200は、基本構造は実施例1の素子100と同じであるが、受光面側キャリア分極層6、7と裏面側キャリア分極層2、3とを接続する結線電極(図1の10)が素子の両側端に露出して形成され、出力電極4、5の一部を成している構成が特徴である。素子両側端に出力電極4、5が露出しているので、複数の素子を組み合わせてモジュール化を容易に行なえる。
【0023】
図4に、受光面側での素子平面構成の望ましい例を2つ示す。図4は、実施例1の図2と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。図4(A)の例では、実施例1の図2に示したのとほぼ同様に、キャリア分極層すなわちn+層6とp+層7とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。ただ、実施例1では結線電極10が素子内部に埋め込まれていたのに対して、本実施例では素子の両側端に露出して出力電極4、5の一部を構成している点で異なる。
【0024】
また、図4(B)の例も、キャリア分極層6、7が基本的には相互入れ子状態の櫛の歯形状であるが、n+層6が中央から両側に延びた櫛の歯を持ち、これをp+層7の櫛の歯が外側から取り囲んで入れ子状態になっている形状例である。
【0025】
上記(A)(B)のいずれの形状でも、実施例1で説明したのと同様に、キャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【0026】
もちろん相互入れ子状態櫛の歯形状は、図示の例に限らず多種多様なバリエーションが可能である。
【0027】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0028】
・半導体基板1…ベース層
p型Si基板:不純物濃度1×1014cm−3、厚さ150μm
・n+層2…裏面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…裏面側のhigh−low接合層(図示せず)
p+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…裏面/側端電極(出力電極と結線電極を兼ねる)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…受光面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…受光面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiO2薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
MgF2/ZnSの2層膜:膜厚110nm/50nm
〔実施例3〕
図5を参照して、第2発明による両面受光型の光起電力素子の構造例を説明する。図5において(A)は素子外形を概念的に示す斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。また、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。実施例1の部位と対応する部位には実施例1と同じ参照番号を付した。
【0029】
図示した両面受光型光起電力素子300は、実施例2の図3に示した構造において出力電極4、5の素子裏面側の部分を削除した構造が特徴である。これにより素子両面からの受光が可能となり、裏面電極型に対して受光量をほぼ倍増させて出力を大幅に向上させることが可能となる。また、出力電極4、5が素子両側端に露出していることにより、複数の素子を組み合わせてモジュール化することが容易に行なえる。
【0030】
本実施例の構造において、素子の両面側または片面側で、実施例1、2と同様にキャリア分極層(n+層2、6、p+層3、7)を相互入れ子状櫛の歯形状とすることにより、キャリア移動距離の均等短縮効果を得ることができる。
【0031】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0032】
・半導体基板1…ベース層
p型Ge基板:不純物濃度1×1015cm−3、厚さ150μm
・n+層2…第1面(下面)側のエミッタ層
n+型Ge層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…第1面(下面)側のhigh−low接合層
p+型Ge層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…側端電極(出力電極と結線電極を兼ねる)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…第2面(上面)側のエミッタ層
n+型Ge層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…第2面(上面)側のhigh−low接合層
p+型Ge層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiNx薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
SiO2/TiO2の2層膜:膜厚100nm/60nm
以上の各実施例において、半導体基板1として、SiまたはGeを用いているが、これらに限定する必要はなく、Si、Ge、SiGe、SiC、C等の半導体基板を用いても各実施例による作用効果は同様に得られる。また、電極4、5、10、表面保護膜(絶縁膜)8、反射防止膜9についても、実施例に示した材質に限定する必要はなく、一般に光起電力素子(太陽電池)に用いられる材質であれば良い。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、第1発明による裏面電極型の起電力素子の構造例(実施例1)を示しており、(A)は素子外形を概念的に示す斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。
なお、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【図2】図2は、図1の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示しており、図1(C)の線II−IIの位置で水平に(紙面に垂直に)切った断面図である。
【図3】図3は、第1発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例(実施例2)を示しており、(A)は素子の一側端を望む斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のy−z面を含む断面図である。
【図4】図4は、図3の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい例を(A)および(B)の2つ示しており、図2と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。
【図5】図5は、第2発明による両面受光型の光起電力素子の構造例(実施例3)を示しており、(A)は素子外形を概念的に示す斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。なお、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【符号の説明】
1…半導体基板1:ベース層
2…n+層:裏面(または下面)側のエミッタ層
3…p+層:裏面(または下面)側のhigh−low接合層
4…負電極:出力電極または出力電極兼結線電極
5…正電極:出力電極または出力電極兼結線電極
6…n+層:受光面(または上面)側のエミッタ層
7…p+層7:受光面(または上面)側のhigh−low接合層
8…表面保護膜
9…反射防止膜
10…結線電極(出力電極4、5を兼ねる場合は、「4」「5」で表示)
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成された光起電力素子に関し、特に裏面電極型光起電力素子および両面受光型光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、太陽電池で代表される光起電力素子としては、P型およびN型の半導体を組み合わせたPN接合タイプが主流であり、出力電極の配置形態としては表裏面電極型(例えば特許文献1:特開2001−203376号公報)および裏面電極型(例えば特許文献2:特開2001−85718号公報)がある。
【0003】
裏面電極型は、N(またはP)型半導体基板の裏面に正負の電極を設けた構造であり、正電極および負電極に接続したキャリア分極層として不純物拡散によりそれぞれP+層およびN+層を形成する。半導体基板の表面(受光面)から入射した光により半導体基板内で発生した正負のキャリア(正孔と電子)がそれぞれ対応するキャリア分極層に到達して収集されることで、各キャリア分極層に接続された両電極から電力が出力される。
【0004】
その際、受光面近傍の半導体内で発生したキャリアは、受光面から裏面側のキャリア分極層まで半導体基板のほぼ全厚を移動しなくてはならず、移動過程で正負キャリアの再結合により損失が発生する。出力を高めるにはこの再結合損失を低減する必要があり、そのためにはキャリア移動距離の短縮が必要であり、半導体基板を薄くしなくてはならず、光吸収量を高められない。すなわち、光照射により発生したキャリア(電子と正孔)に対してキャリア分極層の電界を有効に作用させるためには、キャリア分極層(拡散層)近傍まで到達する光量をできるだけ多く確保する必要がある。結局、受光面から裏面電極までの距離すなわち基板厚さを薄くせざるを得ず、光吸収量が低下するため、出力を高められないという問題があった。
【0005】
上記のように、従来の技術では、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減することができないため、出力の向上に限界があった。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−203376号公報(特許請求の範囲)
【特許文献2】
特開2001−85718号公報(特許請求の範囲)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第1発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在することを特徴とする裏面電極型光起電力素子が提供される。
【0009】
更に、第2発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第1面と第2面とを有する光起電力素子において、
第1面側および第2面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第1面側の各キャリア分極層と同一極性の第2面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在することを特徴とする両面受光型光起電力素子が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
第1発明の構造によれば、受光面側にもキャリア分極層を設けたことにより、裏面側のみにキャリア分極層を備えた従来構造に比べて、キャリア移動距離が素子総体として短縮したので、移動過程における再結合の発生確率が減少し、再結合損失が低減することにより出力が向上する。
【0011】
受光面側に設けたのはp+半導体層、n+半導体層のいずれかで形成されるキャリア分極層であり、これらは電極と異なり光の進行を妨げないため、受光ロスが発生することはない。
【0012】
また、素子厚さを減少することなくキャリア移動距離を短縮できるので、光吸収量を確保できる。
【0013】
第1発明の裏面電極型光起電力素子においては、上記受光面側の正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【0014】
第2発明においては、第1発明と同様に基板両面でキャリア収集を行なえることにより、キャリア移動距離の短縮により再結合損失が低減して出力が向上する効果に加えて、第2発明特有の効果として両面受光により光吸収量をほぼ倍増できるので、更に出力が向上する。
【0015】
第2発明の両面受光型光起電力素子においても、素子両面においてキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【0016】
【実施例】
〔実施例1〕
図1(A)〜(C)を参照して、第1発明による裏面電極型の起電力素子の構造例を説明する。図1において(A)は素子外形を概念的に示す斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。また、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【0017】
図示した裏面電極型光起電力素子100は、p型またはn型の半導体基板1に形成されており、(A)に示すように図の上面が光Lを受け入れる受光面であり、下面が裏面である。(B)に示すように、裏面側にはキャリア分極層としてのn+層2とp+層3が設けられ、それぞれ対応する負電極4および正電極5と接続しており、これは従来通りの構造である。更に、本発明の特徴として、受光面側にもキャリア分極層としてのn+層6とp+層7が設けられている。なお、受光面は表面保護膜(絶縁膜)8およびその上の反射防止膜9で被覆され、裏面は表面保護膜(絶縁膜)8で被覆されている。
【0018】
(C)に示すように、素子厚さ方向に延在する結線電極10は、受光面側の一方のキャリア分極層すなわちn+層6と、同一極性の裏面側の一方のキャリア分極層すなわちn+層2とを電気的に接続する。結線電極10と半導体基板1との界面には絶縁膜8が介在して両者を絶縁している。また、素子の別の断面位置において、図示していない別の結線電極10が、受光面側の他方のキャリア分極層すなわちp+層7と、同一極性の裏面側の他方のキャリア分極層すなわちp+層3とを電気的に接続する。これにより、受光面側のキャリア分極層6、7で収集されたキャリアが、同極性の裏面側キャリア分極層2、3で収集されたキャリアと合流して、裏面電極4、5から電力として出力される。
【0019】
図2に、受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示す。図2は、図1(C)の線II−IIの位置で水平に(紙面に垂直に)切った断面図である。図示したように、キャリア分極層すなわちn+層6とp+層7とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。これにより、基板半導体1内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。受光面側n+層6は結線電極10を介して裏面側n+層2と接続されており、受光面側p+層7は別の結線電極10を介して裏面側p+層3と接続されている。なお、図1(C)は図2の線C−Cにおける断面に対応する。また、受光面側に限らず裏面側についても、キャリア分極層すなわちn+層2とp+層7とを互いに入れ子状態になった櫛の歯形状とすることで、上記と同様にキャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【0020】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0021】
・半導体基板1…ベース層
p型Si基板:不純物濃度1×1014cm−3、厚さ150μm
・n+層2…裏面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…裏面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…裏面電極(出力電極)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…受光面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…受光面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiO2薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
MgF2/ZnSの2層膜:膜厚110nm/50nm
・結線電極10
Al電極:長さ148.5μm
〔実施例2〕
図3を参照して、第1発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例を説明する。図3において(A)は素子の一側端を望む斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のy−z面を含む断面図である。x−y面を含む断面構造は実施例1と同様である。実施例1の部位と対応する部位には実施例1と同じ参照番号を付した。
【0022】
本実施例の素子200は、基本構造は実施例1の素子100と同じであるが、受光面側キャリア分極層6、7と裏面側キャリア分極層2、3とを接続する結線電極(図1の10)が素子の両側端に露出して形成され、出力電極4、5の一部を成している構成が特徴である。素子両側端に出力電極4、5が露出しているので、複数の素子を組み合わせてモジュール化を容易に行なえる。
【0023】
図4に、受光面側での素子平面構成の望ましい例を2つ示す。図4は、実施例1の図2と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。図4(A)の例では、実施例1の図2に示したのとほぼ同様に、キャリア分極層すなわちn+層6とp+層7とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。ただ、実施例1では結線電極10が素子内部に埋め込まれていたのに対して、本実施例では素子の両側端に露出して出力電極4、5の一部を構成している点で異なる。
【0024】
また、図4(B)の例も、キャリア分極層6、7が基本的には相互入れ子状態の櫛の歯形状であるが、n+層6が中央から両側に延びた櫛の歯を持ち、これをp+層7の櫛の歯が外側から取り囲んで入れ子状態になっている形状例である。
【0025】
上記(A)(B)のいずれの形状でも、実施例1で説明したのと同様に、キャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【0026】
もちろん相互入れ子状態櫛の歯形状は、図示の例に限らず多種多様なバリエーションが可能である。
【0027】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0028】
・半導体基板1…ベース層
p型Si基板:不純物濃度1×1014cm−3、厚さ150μm
・n+層2…裏面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…裏面側のhigh−low接合層(図示せず)
p+型Si層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…裏面/側端電極(出力電極と結線電極を兼ねる)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…受光面側のエミッタ層
n+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…受光面側のhigh−low接合層
p+型Si層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiO2薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
MgF2/ZnSの2層膜:膜厚110nm/50nm
〔実施例3〕
図5を参照して、第2発明による両面受光型の光起電力素子の構造例を説明する。図5において(A)は素子外形を概念的に示す斜視図であり、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。また、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。実施例1の部位と対応する部位には実施例1と同じ参照番号を付した。
【0029】
図示した両面受光型光起電力素子300は、実施例2の図3に示した構造において出力電極4、5の素子裏面側の部分を削除した構造が特徴である。これにより素子両面からの受光が可能となり、裏面電極型に対して受光量をほぼ倍増させて出力を大幅に向上させることが可能となる。また、出力電極4、5が素子両側端に露出していることにより、複数の素子を組み合わせてモジュール化することが容易に行なえる。
【0030】
本実施例の構造において、素子の両面側または片面側で、実施例1、2と同様にキャリア分極層(n+層2、6、p+層3、7)を相互入れ子状櫛の歯形状とすることにより、キャリア移動距離の均等短縮効果を得ることができる。
【0031】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【0032】
・半導体基板1…ベース層
p型Ge基板:不純物濃度1×1015cm−3、厚さ150μm
・n+層2…第1面(下面)側のエミッタ層
n+型Ge層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・p+層3…第1面(下面)側のhigh−low接合層
p+型Ge層:不純物濃度1×1019cm−3、拡散深さ1μm
・負電極4、正電極5…側端電極(出力電極と結線電極を兼ねる)
Al薄膜:膜厚2μm
・n+層6…第2面(上面)側のエミッタ層
n+型Ge層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・p+層7…第2面(上面)側のhigh−low接合層
p+型Ge層:不純物濃度1×1018cm−3、拡散深さ0.5μm
・表面保護膜8
SiNx薄膜:膜厚0.3μm(受光面側は10nm)
・反射防止膜9
SiO2/TiO2の2層膜:膜厚100nm/60nm
以上の各実施例において、半導体基板1として、SiまたはGeを用いているが、これらに限定する必要はなく、Si、Ge、SiGe、SiC、C等の半導体基板を用いても各実施例による作用効果は同様に得られる。また、電極4、5、10、表面保護膜(絶縁膜)8、反射防止膜9についても、実施例に示した材質に限定する必要はなく、一般に光起電力素子(太陽電池)に用いられる材質であれば良い。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、第1発明による裏面電極型の起電力素子の構造例(実施例1)を示しており、(A)は素子外形を概念的に示す斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。
なお、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【図2】図2は、図1の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示しており、図1(C)の線II−IIの位置で水平に(紙面に垂直に)切った断面図である。
【図3】図3は、第1発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例(実施例2)を示しており、(A)は素子の一側端を望む斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のy−z面を含む断面図である。
【図4】図4は、図3の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい例を(A)および(B)の2つ示しており、図2と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。
【図5】図5は、第2発明による両面受光型の光起電力素子の構造例(実施例3)を示しており、(A)は素子外形を概念的に示す斜視図、(B)は(A)に示したx−y−z座標系のx−y面を含む断面図、(C)はy−z面を含む断面図である。なお、(C)は(B)の線C−Cにおける断面図であり、(B)は(C)の線B−Bにおける断面図である。
【符号の説明】
1…半導体基板1:ベース層
2…n+層:裏面(または下面)側のエミッタ層
3…p+層:裏面(または下面)側のhigh−low接合層
4…負電極:出力電極または出力電極兼結線電極
5…正電極:出力電極または出力電極兼結線電極
6…n+層:受光面(または上面)側のエミッタ層
7…p+層7:受光面(または上面)側のhigh−low接合層
8…表面保護膜
9…反射防止膜
10…結線電極(出力電極4、5を兼ねる場合は、「4」「5」で表示)
Claims (6)
- 半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在することを特徴とする裏面電極型光起電力素子。 - 請求項1において、上記受光面側の正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状であることを特徴とする裏面電極型光起電力素子。
- 請求項1または2において、上記結線電極が素子の両側端に露出していることを特徴とする裏面電極型光起電力素子。
- 半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第1面と第2面とを有する光起電力素子において、
第1面側および第2面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第1面側の各キャリア分極層と同一極性の第2面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在することを特徴とする両面受光型光起電力素子。 - 請求項4において、上記第1面側および第2面側において、正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状であることを特徴とする両面受光型光起電力素子。
- 請求項4または5において、上記結線電極が素子の両側端に露出していることを特徴とする両面受光型光起電力素子。
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2003
- 2003-06-10 JP JP2003165073A patent/JP2005005376A/ja active Pending
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