JP2005012108A - 光起電力素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電子および正孔が収集過程で再結合する確率を低減して発電効率を高めた光起電力素子を提供する。
【解決手段】裏面電極型の光起電力素子において、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在するキャリア濃度の異なる複数の領域から成るか、または、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在する一導電型の領域と反対導電型の領域とから成る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、裏面電極型の光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、裏面電極型の光起電力素子（光電池、太陽電池等を含む）は特許文献１〜４等により知られている。共通する基本構造を図９に示す。半導体基板１０（ｐ型またはｎ型）の主要部である光吸収部１において、光吸収により正負のキャリアとしての電子および正孔が発生する。基板１０の裏面側（図の下面側）には、光吸収部１で発生したキャリア収集層としてのｎ＋層２およびｐ＋層３が不純物拡散により形成されており、基板１０の下面に形成された負電極４、正電極５はそれぞれｎ＋層２、ｐ＋層３と接続している。この接続部以外は基板１０の下面は表面保護膜（絶縁膜）８Ｂにより被覆されている。基板１０の受光面側（図の上面側）に形成された拡散層６（ｐ＋層またはｎ＋層）は、基板表面での再結合を防止するためのポテンシャル障壁として機能する（特許文献２参照）。この受光面側拡散層６の表面は、下面と同様の保護膜（絶縁膜）８Ａにより被覆されており、更にその上に反射防止膜９が形成されている。
【０００３】
上記従来の光起電力素子は、光吸収部１が単一のキャリア濃度および伝導型で形成されているため、発生した電子と正孔が収集層すなわちｎ＋層２とｐ＋層３まで到達する過程で光吸収部１内の同じ領域を通るので、電子と正孔が再結合して消滅する確率が高いため、再結合損失により発電効率が低下するという問題があった。
【０００４】
欠陥により形成されるトラップ準位を介した電子と正孔の挙動は、図１０に示す４つの過程で表される（ＳＲＨモデル）。電子と正孔の再結合は図中の〔１〕と〔３〕の過程が生じることにより発生する。なお、〔３〕、〔４〕における破線は電子の遷移でこれらの過程を表したものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３１７５３３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平１１−３１２８１４号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開２００１−２８４６６６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】
特開２００１−８５７１８号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題を解消し、電子および正孔が収集過程で再結合する確率を低減して発電効率を高めた光起電力素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、裏面電極型の光起電力素子において、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在するキャリア濃度の異なる複数の領域から成ることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【０００８】
また、第２発明によれば、裏面電極型の光起電力素子において、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在する一導電型の領域と反対導電型の領域とから成ることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１発明の光起電力素子は、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在するキャリア濃度の異なる複数の領域から成るので、光吸収により発生した電子と正孔が異なるキャリア濃度の領域にそれぞれ選択的に移動するため、電子と正孔の出会う確率が著しく小さくなり、再結合損失が大幅に低減して発電効率が大きく向上する。
【００１０】
前記領域はそれぞれ受光面側から裏面側にかけてキャリア濃度に勾配を有することが望ましい。これにより、各領域内にそれぞれ受光面側から裏面側にかけてエネルギーバンドに勾配をつけて、この勾配に沿って電子および正孔の裏面電極への移動を促進させ、出力を更に向上させることができる。
【００１１】
第２発明の光起電力素子は、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在する一導電型の領域と反対導電型の領域とから成るので、異なる導電型の領域同士がｐｎ接合を形成し、光吸収により発生した電子と正孔がそれぞれｎ型領域とｐ型領域に選択的に移動するため、電子と成功の出会う確率が著しく小さくなり、再結合損失が大幅に低減して発電効率が大きく向上する。
【００１２】
第２発明においても、前記領域はそれぞれ受光面側から裏面側にかけてキャリア濃度に勾配を有することが望ましい。これにより、各領域内にそれぞれ受光面側から裏面側にかけてエネルギーバンドに勾配をつけて、この勾配に沿って電子および正孔の裏面電極への移動を促進させ、出力を更に向上させることができる。
【００１３】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に、第１発明の一実施形態による光起電力素子の断面構造を示す。図示した光起電力素子１００は、ｐ型半導体から成る光吸収部１１２が、電子移動領域としてのｐ−層１０１と正孔移動領域としてのｐ層１０２とから成る。電子移動領域（ｐ−層）１０１および正孔移動領域（ｐ層）１０２は交互に隣接して配置しており受光面側（図中の上面側）から裏面側（図中の下面側）まで延在している。
【００１４】
光吸収部１１２はｐ型、ｎ型のいずれでもよい。ただし、光吸収部１１２の導電型がｐ型かｎ型かによって、電子移動領域のキャリア濃度と正孔移動領域のキャリア濃度の大小関係は逆転させる。すなわち、図示の例のようにｐ型の場合には、〔電子移動領域ｐ−層１０１のキャリア濃度〕＜〔正孔移動領域ｐ層１０２のキャリア濃度〕とし、ｎ型の場合にはこれと逆の大小関係にする。例えば、〔電子移動領域ｎ層１０１のキャリア濃度〕＞〔正孔移動領域ｎ−層１０２のキャリア濃度〕というようになる。
【００１５】
電子移動領域１０１の裏面側に電子収集層としてのｎ＋層１０３、正孔移動領域の裏面側に正孔収集層としてのｐ＋層１０４をそれぞれ形成する。電子収集層（ｎ＋層）１０３および正孔収集層（ｐ＋層）１０４は、それぞれキャリア濃度が電子移動領域１０１および正孔移動領域１０２よりも高い。
【００１６】
素子１００の裏面には、電子収集層（ｎ＋層）１０３に接続した負電極１０５と、正孔収集層（ｐ＋層）１０４に接続した正電極１０６とが設けてあり、電極対１０５／１０６から電力が出力される。素子１００の裏面は、電極接続部を除いて表面保護膜（絶縁膜）１０９Ｂによって被覆されている。
【００１７】
素子１００の上端部には受光面側拡散層（ｐ＋層またはｎ＋層）１０８が設けてあり、受光面直下でのキャリア再結合防止用のポテンシャル障壁として機能する。受光面側拡散層１０８の上面は、裏面と同様の表面保護膜（絶縁膜）１０９Ａで被覆してあり、更にその上に反射防止膜１０７が設けてある。
【００１８】
図２に、素子中央部における横方向（受光面と平行な方向）のエネルギーバンド図を示す。本発明では、上記のようにキャリア濃度の異なる領域を設けたことにより、伝導帯の下端および価電子帯の上端のエネルギーレベルが凹凸を持った形状となる。光を吸収すると、先ず図２（ａ）に示すように、キャリア濃度によらずどの領域でも同様にキャリア（電子と正孔）が発生する。その後、エネルギー的により安定な状態を取るように領域間でキャリアが移動して、図２（ｂ）に示すキャリア分布となる。すなわち、電子と正孔がそれぞれ異なる領域に選択的に存在する状態になるため、両者が出会う確率が格段に小さくなり、その結果、図１０に示した〔１〕または〔３〕の過程が生じ難くなって、再結合割合が大幅に低減する。それにより、再結合損失が低減し、高い発電効率が得られる。
【００１９】
本実施例による光起電力素子１００を構成する材質の具体例を下記に示す。
【００２０】
光吸収部の電子移動領域１０１：ｐ−型Ｓｉ層（５×１０^１３ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
光吸収部の正孔移動領域１０２：ｐ型Ｓｉ層（１×１０^１５ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
エミッタ層１０３ ：ｎ＋型Ｓｉ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
裏面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層１０４ ：ｐ＋型Ｓｉ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
負電極１０５ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
正電極１０６ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
反射防止膜１０７ ：ＭｇＦ_２／ＺｎＳ二層膜（膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ）
受光面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層１０８：ｐ＋型Ｓｉ層（１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍ）
表面保護膜１０９Ａ、１０９Ｂ：ＳｉＯ_２（膜厚 ０．３μｍ（裏面）、１０ｎｍ（受光面））
なお、本実施例では半導体材料としてＳｉを用いた場合を示したが、これに限定する必要はなく、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等を用いても同様な効果が得られる。
【００２１】
〔実施例２〕
図３に、第１発明の望ましい実施形態による光起電力素子の断面構造を示す。図示した光起電力素子２００は、ｐ型半導体で形成された光吸収部１２０が、電子移動領域１２１と正孔移動領域１２２とから成る。電子移動領域１２１は受光面側のｐ層から裏面側のｐ−層にかけてキャリア濃度が連続的に漸減する形の濃度勾配を有しており、正孔移動領域１２２は逆に受光面側のｐ層から裏面側のｐ＋層にかけてキャリア濃度が連続的に漸増する形の濃度勾配を有している。図中で点々の粗密によりキャリア濃度の高低を表している。上記以外の構造は図１の実施例１と同様であり、対応する部位を同じ参照符号で示した。
【００２２】
光吸収部１２０はｎ型であってもよい。ただし、その場合は、各領域における濃度勾配の増減の向きはそれぞれ逆になる。
【００２３】
図４に、（ａ）電子移動領域１２１および（ｂ）正孔移動領域１２２の縦方向（受光面と垂直な方向）のエネルギーバンド図を示す。電子移動領域１２１におけるキャリア濃度を受光面側から裏面側に向かい変化（光吸収部１２０がｐ型の場合は高キャリア濃度から低キャリア濃度へ変化）させると、図４（ａ）に示すように伝導帯の下端および価電子帯の上端のエネルギーレベルが、受光面側の高レベルから裏面側の低レベルに漸減するように傾斜する。その結果、電子が裏面側へ移動する割合が増加する。また、正孔移動領域１２２におけるキャリア濃度を電子移動領域１２１とは逆向きに変化させると、図４（ｂ）に示すようにエネルギーレベルの傾斜も逆になり、正孔が裏面側へ移動する割合が増加する。これにより、実施例１の効果に加えて更に高い発電効率が得られる。
【００２４】
本実施例による光起電力素子２００を構成する材質の具体例を下記に示す。
【００２５】
光吸収部の電子移動領域１２１：ｐ〜ｐ−型Ｓｉ層（受光面側１×１０^１６ｃｍ^−３〜裏面側１×１０^１４ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
光吸収部の正孔移動領域１２２：ｐ〜ｐ＋型Ｓｉ層（受光面側１×１０^１６ｃｍ^−３〜裏面側１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
エミッタ層１０３ ：ｎ＋型Ｓｉ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
裏面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層１０４ ：ｐ＋型Ｓｉ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
負電極１０５ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
正電極１０６ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
反射防止膜１０７ ：ＭｇＦ_２／ＺｎＳ二層膜（膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ）
フローティングエミッタ層１０８ ：ｎ＋型Ｓｉ層（１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍ）表面保護膜１０９Ａ、１０９Ｂ：ＳｉＯ_２（膜厚 ０．３μｍ（裏面）、１０ｎｍ（受光面））
なお、本実施例では半導体材料としてＳｉを用いた場合を示したが、これに限定する必要はなく、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等を用いても同様な効果が得られる。
【００２６】
また、電子移動領域１２１および正孔移動領域１２２においてキャリア濃度を連続的に変化させたが、段階的に変化させても同様な効果が得られる。
【００２７】
〔実施例３〕
図５に、第２発明の一実施形態による光起電力素子の断面構造を示す。図示した光起電力素子３００は、光吸収部１３０が、電子移動領域としてのｎ層１３１と正孔移動領域としてのｐ層１３２とから成る。電子移動領域（ｎ層）１３１および正孔移動領域（ｐ層）１３２は交互に隣接して配置しており受光面側（図中の上面側）から裏面側（図中の下面側）まで延在している。
【００２８】
電子移動領域１３１の裏面側に電子収集層としてのｎ＋層１０３、正孔移動領域１３２の裏面側に正孔収集層としてのｐ＋層１０４をそれぞれ形成する。電子収集層（ｎ＋層）１０３および正孔収集層（ｐ＋層）１０４は、それぞれキャリア濃度が電子移動領域（ｎ層）１３１および正孔移動領域（ｐ層）１３２よりも高い。
【００２９】
素子３００の裏面には、電子収集層（ｎ＋層）１０３に接続した負電極１０５と、正孔収集層（ｐ＋層）１０４に接続した正電極１０６とが設けてあり、電極対１０５／１０６から電力が出力される。素子３００の裏面は、電極接続部を除いて表面保護膜（絶縁膜）１０９Ｂによって被覆されている。
【００３０】
素子３００の上端部には受光面側拡散層（ｐ＋層またはｎ＋層）１０８が設けてあり、受光面直下でのキャリア再結合防止用のポテンシャル障壁として機能する。受光面側拡散層１０８の上面は、裏面と同様の表面保護膜（絶縁膜）１０９Ａで被覆してあり、更にその上に反射防止膜１０７が設けてある。
【００３１】
図６に、素子中央部における横方向（受光面と平行な方向）のエネルギーバンド図を示す。本発明では、上記のように導電型の異なる領域を設けたことにより、裏面側だけでなく横方向にもｐｎ接合が形成される。光を吸収すると、先ず図６（ａ）に示すように、導電型にかかわらずどの領域でも同様にキャリア（電子と正孔）が発生する。その後、領域同士のｐｎ接合により電子と正孔が分離され、図６（ｂ）に示すキャリア分布となる。すなわち、電子と正孔がそれぞれ異なる領域に選択的に存在する状態になるため、両者が出会う確率が格段に小さくなり、その結果、図１０に示した〔１〕または〔３〕の過程が生じ難くなって、再結合割合が大幅に低減する。それにより、再結合損失が低減し、高い発電効率が得られる。
【００３２】
本実施例による光起電力素子３００を構成する材質の具体例を下記に示す。
【００３３】
光吸収部の電子移動領域１３１：ｎ型Ｇｅ層（１×１０^１４ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
光吸収部の正孔移動領域１３２：ｐ型Ｇｅ層（１×１０^１４ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
エミッタ層１０３ ：ｎ＋型Ｇｅ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
裏面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層１０４ ：ｐ＋型Ｇｅ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
負電極１０５ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
正電極１０６ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
反射防止膜１０７ ：ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２二層膜（膜厚１１０ｎｍ／６０ｎｍ）
受光面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層かつフローティングエミッタ層１０８：ｐ＋型Ｇｅ層（１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍ）
表面保護膜１０９Ａ、１０９Ｂ：ＳｉＮｘ（膜厚 ０．３μｍ（裏面）、１０ｎｍ（受光面））
なお、本実施例では半導体材料としてＧｅを用いた場合を示したが、これに限定する必要はなく、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等を用いても同様な効果が得られる。
【００３４】
〔実施例４〕
図７に、第２発明の望ましい実施形態による光起電力素子の断面構造を示す。図示した光起電力素子４００は、光吸収部１４０が、電子移動領域としてのｎ層１４１と正孔移動領域としてのｐ層１４２とから成る。電子移動領域１４１は受光面側のｎ層から裏面側のｎ＋層にかけてキャリア濃度が連続的に漸増する濃度勾配を有しており、正孔移動領域１４２は受光面側のｐ層から裏面側のｐ＋層にかけてキャリア濃度が連続的に漸増する濃度勾配を有している。図中で点々の粗密によりキャリア濃度の高低を表している。上記以外の構造は図５の実施例３と同様であり、対応する部位を同じ参照符号で示した。
【００３５】
図８に、（ａ）電子移動領域１４１および（ｂ）正孔移動領域１４２の縦方向（受光面と垂直な方向）のエネルギーバンド図を示す。各領域において、図示したようにエネルギーレベルが傾斜することにより、電子および正孔が裏面側に移動する割合が増加する。これにより、実施例３の効果に加えて更に高い発電効率が得られる。
【００３６】
本実施例による光起電力素子４００を構成する材質の具体例を下記に示す。
【００３７】
光吸収部の電子移動領域１４１：ｎ型Ｇｅ層（受光面側１×１０^１４ｃｍ^−３〜裏面側１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
光吸収部の正孔移動領域１４２：ｐ型Ｇｅ層（受光面側１×１０^１４ｃｍ^−３〜裏面側１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍ）
エミッタ層１０３ ：ｎ＋型Ｇｅ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
裏面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層１０４ ：ｐ＋型Ｇｅ層（１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍ）
負電極１０５ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
正電極１０６ ：Ａｌ（膜厚２μｍ）
反射防止膜１０７ ：ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２二層膜（膜厚１１０ｎｍ／６０ｎｍ）
受光面側ｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層かつフローティングエミッタ層１０８ ：ｎ＋型Ｇｅ層（１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍ）
表面保護膜１０９Ａ、１０９Ｂ：ＳｉＮｘ（膜厚 ０．３μｍ（裏面）、１０ｎｍ（受光面））
なお、本実施例では半導体材料としてＧｅを用いた場合を示したが、これに限定する必要はなく、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等を用いても同様な効果が得られる。
【００３８】
また、電子移動領域１４１および正孔移動領域１４２においてキャリア濃度を連続的に変化させたが、段階的に変化させても同様な効果が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、電子および正孔が収集過程で再結合する確率を低減して発電効率を高め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発明の一実施形態による光起電力素子の断面図である。
【図２】図２は、素子中央部における横方向（受光面と平行な方向）のエネルギーバンドを模式的に示すグラフである。
【図３】図３は、第１発明の望ましい実施形態による光起電力素子の断面図である。
【図４】図４は、（ａ）電子移動領域１２１および（ｂ）正孔移動領域１２２の縦方向（受光面と垂直な方向）のエネルギーバンドを模式的に示すグラフである。
【図５】図５は、第２発明の一実施形態による光起電力素子の断面図である。
【図６】図６に、素子中央部における横方向（受光面と平行な方向）のエネルギーバンドを模式的に示すグラフである。
【図７】図７は、第２発明の望ましい実施形態による光起電力素子の断面図である。
【図８】図８は、（ａ）電子移動領域１４１および（ｂ）正孔移動領域１４２の縦方向（受光面と垂直な方向）のエネルギーバンドを模式的に示すグラフである。
【図９】図９は、従来の光起電力素子の基本構造を示す断面図である。
【図１０】図１０は、欠陥により形成されるトラップ準位を介した電子と正孔の挙動をについてのＳＲＨモデルの４つの過程を示すグラフである。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００…光起電力素子
１１２、１２０、１３０、１４０…光吸収部
１０１、１２１、１３１、１４１…電子移動領域
１０２、１２２、１３２、１４２…正孔移動領域
１０３…電子収集層
１０４…正孔収集層
１０５…負電極
１０６…正電極
１０７…反射防止膜
１０８…受光面側拡散層
１０９Ａ、１０９Ｂ…表面保護膜（絶縁膜）

Claims (4)

1. 裏面電極型の光起電力素子において、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在するキャリア濃度の異なる複数の領域から成ることを特徴とする光起電力素子。
2. 請求項１において、前記領域は受光面側から裏面側にかけてキャリア濃度に勾配を有することを特徴とする光起電力素子。
3. 裏面電極型の光起電力素子において、光吸収部が、受光面側から裏面側まで延在する一導電型の領域と反対導電型の領域とから成ることを特徴とする光起電力素子。
4. 請求項３において、前記領域は受光面側から裏面側にかけてキャリア濃度に勾配を有することを特徴とする光起電力素子。

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