JP2011210802A - 太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】受光効率、発電効率の高い大面積の太陽電池を提供すること。
【解決手段】第１導電型半導体層１は、表面が受光面となっており、第２導電型半導体層２は、第１導電型半導体層１の裏面側に設けられ、第１導電型半導体層１との間でｐｎ接合を構成している。第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通して第１導電型半導体層１に向かい、先端が第１導電型半導体層１に食い込んでその内部で止まっている。第２電極４は、電池裏面に設けられている。
【選択図】図２
【解決手段】第１導電型半導体層１は、表面が受光面となっており、第２導電型半導体層２は、第１導電型半導体層１の裏面側に設けられ、第１導電型半導体層１との間でｐｎ接合を構成している。第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通して第１導電型半導体層１に向かい、先端が第１導電型半導体層１に食い込んでその内部で止まっている。第２電極４は、電池裏面に設けられている。
【選択図】図２
Description
本発明は、太陽電池に関する。
太陽電池は、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。太陽電池としては、シリコン系、化合物系、有機系、さらには、色素増感太陽電池など、多種多様のもが知られている。
このうち、現在最もよく知られているシリコン系太陽電池は、例えば、特許文献１、２に開示されているように、半導体基板としてのｐ型シリコン基板の受光面に、ｎ+層を形成することによって、ｐ型シリコン基板とｎ+層とによりｐｎ接合を形成する。
ｐ型シリコン基板の受光面となる第１主面上には反射防止膜および銀電極がそれぞれ形成されている。この銀電極はインターコネクタに接続するためのバスバー電極と、バスバー電極から伸びるフィンガー電極とから構成される。ｐ型シリコン基板の受光面と反対側の第２主面上にはｐ+層が形成されている。ｐ型シリコン基板の裏面上にはアルミニウム電極およびインターコネクタに接続するための銀電極がそれぞれ形成されている。
しかし、上記のような構造では、第１主面上の銀電極及びバスバー電極、フィンガー電極によって入射光が遮られて影によるロスが発生するとともに、この銀電極下部でキャリアの再結合損失が発生するという問題がある。
この問題を解決する手段として、特許文献１、２は、シリコン基板に予め形成された貫通電極によって、第１主面上の銀電極の一部を第２主面上の銀電極に取り回す構造を提案している。
しかしながら、上述したような貫通電極構造を採用した場合でも、銀電極によって入射光が遮られて影によるロスが発生する。このため、当然の結果として、発電効率が低下してしまう。
しかも、複数の銀電極を、第１主面上に間隔を隔ててストライプ状に形成する必要があるので、一枚の太陽電池で見た場合、その面積拡大に限度がある。
本発明の課題は、単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を提供することである。
本発明のもう一つの課題は、大面積化に適した太陽電池を提供することである。
上述した課題を解決するため、本発明に係る太陽電池は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、第１電極と、第２電極とを含んでいる。前記第１導電型半導体層は、表面が受光面となっており、前記第２導電型半導体層は、前記第１導電型半導体層の裏面側に設けられ、前記第１導電型半導体層と共にｐｎ接合を構成する。
前記第１電極は、前記第２導電型半導体層を貫通して前記第１導電型半導体層に向かい、先端が前記第１導電型半導体層に食い込んで止まっており、前記第２電極は、電池裏面に設けられている。
上述したように、第２導電型半導体層は、第１導電型半導体層の裏面側に設けられ、第１導電型半導体層との間でｐｎ接合を構成しているから、入射した太陽光エネルギーが光起電力に変換される。
第１電極は、第２導電型半導体層を貫通して第１導電型半導体層に向かい、先端が第１導電型半導体層に食い込んで止まっているから、第１電極が受光面に現れることがない。従って、第１電極によって入射光が遮られて影によるロスが発生するということがなくなる。このため、単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を実現することができる。
更に、第１電極が、第１導電型半導体層に対する集電作用を担うことになるので、従来必須であった受光面上の電極が不要となり、大面積化の制約がなくなる。第１電極を、適切な間隔をおいて、例えばマトリクス状に配置する等により、大面積の太陽電池を実現することができる。
しかも、第１電極は、第２導電型半導体層を貫通して第１導電型半導体層に向かっているのであるから、外部との接続部分が、電池裏面側に位置することになる。第２電極は、もともと、電池裏面にある。従って、バスバー電極やフィンガー電極等も全て、裏面側で処理することができるから、これらによって入射光が遮られて影によるロスが発生するということがなくなる。このため、単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を実現することができる。
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を提供することができる。
（ｂ）大面積化に適した太陽電池を提供することができる。
（ａ）単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を提供することができる。
（ｂ）大面積化に適した太陽電池を提供することができる。
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。
図１及び図２は、結晶シリコン型太陽電池の代表例を図示するもので、第１導電型半導体層１と、第２導電型半導体層２と、第１電極３と、第２電極４とを含んでいる。
第１導電型半導体層１は、表面が受光面となっており、第２導電型半導体層２は、第１導電型半導体層１の裏面側に設けられ、第１導電型半導体層１と共にｐｎ接合を構成する。より詳しくは、第２導電型半導体層２は、ｐ型シリコン基板で構成されており、第２導電型半導体層２の受光面側に、ｎ+層の第１導電型半導体層１が形成されている。従って、ｐ型シリコン基板でなる第２導電型半導体層２と、ｎ+層である第１導電型半導体層１とによりｐｎ接合が形成されることになる。第２導電型半導体層２はシリコン結晶が最も好ましいが、多結晶シリコン、非結晶シリコンであってもよい。
ｐ型シリコン基板でなる第２導電型半導体層２に、ｎ+層である第１導電型半導体層１を形成する方法は、特許文献１などにも記載されているように周知であり、特に説明を要するものではない。
第１導電型半導体層１の受光面となる第１主面上には、反射防止膜７（又は保護膜）が形成されている。また、第２導電型半導体層２の受光面と反対側の第２主面上には、ｐ+層６が形成されている。第２導電型半導体層２の裏面上には第２電極４が形成されている。
上述した構成は、従来の太陽電池にも見られるものである。本発明の特徴は、第１電極３の点にある。第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通して第１導電型半導体層１に向かい、先端が第１導電型半導体層１に食い込んで、その内部で止まっている。第１電極３は、電気絶縁の必要な領域、例えば、第２導電型半導体層２を貫通する部分や、第２電極４と近い後端部が、絶縁膜５によって覆われている。第１導電型半導体層１に食い込んでいる先端は、絶縁膜５を持たず、むき出しになっている。図では、第１電極３の先端面が、第１導電型半導体層１の表面と面一の位置にあるが、若干後退させてもよい。第１電極３の後端部３１は、ターミナルとして利用される。
図示の実施の形態では、第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通し第１導電型半導体層１に到達する微細孔３０内に、導体を充填することによって構成されている。微細孔３０は、好ましくは、所定の面密度で分布させる。微細孔３０は、基板１のXY平面において、所定のピッチ間隔Ｐｘ、Ｐｙで、マトリクス状に配置されていることが好ましい。行数及び列数は任意である。微細孔３０は、その孔径がμｍオーダでありえる。ピッチ間隔もそのようなオーダでよい。
微細孔３０は、レーザ穿孔法又は化学的穿孔法など、公知の穿孔技術を適用して容易に開けることができる。第１電極３は、このようにして穿孔された微細孔３０内に導体ペーストまたは溶融金属を充填することによって形成することができる。この方法によれば、微細孔３０内に空洞のない緻密な第１電極３を形成することができる。加圧状態を維持したままで硬化させると、更に良好な結果が得られる。
上述した加圧充填製造方法は、プレス工法に属するものであり、従来のICP型RIE装置を用いたドライエッチング法に比較して、設備費が著しく安価で、処理時間も短くて済む。従って、コストの安価な発光ダイオードを実現することができる。
第１電極３は、上述したように、導体ペーストを用いて形成することもできるが、電気的特性の向上及び電極自体の品質向上等の観点から、溶融金属を用いて形成することが好ましい。この場合に用いられる金属材料の主なものとしては、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）及び銅（Ｃｕ）を例示することができる。特に、ビスマス（Ｂｉ）を含有させると、ビスマス（Ｂｉ）の持つ凝固時の体積膨張特性により、微細孔３０の内部で、空洞や空隙を生じることのない緻密な第１電極３を形成することができる。溶融金属としては、上述した金属材料を用いて、粒径１μｍ以下、結晶径が２００ｎｍ以下の多結晶体の集合体でなる粒子（ナノ粒子）の粉体を溶融したものを用いることができる。
上述したように、本発明に係る太陽電池では、第２導電型半導体層２と第１導電型半導体層１との間でｐｎ接合を構成しているから、受光面側に入射した太陽光エネルギーを、光起電力に変換することになる。
ここで、第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通して第１導電型半導体層１に向かい、先端が第１導電型半導体層１に食い込んで止まっているから、第１電極３が受光面に現れることがない。従って、第１電極３によって入射光が遮られて影によるロスが発生するということがなくなる。このため、単位面積で見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を実現することができる。
更に、第１電極３が、第１導電型半導体層１に対する集電作用を担うことになるので、従来必須であった受光面上電極が不要となり、大面積化の制約がなくなる。第１電極３を、適切な間隔をおいて、例えばマトリクス状に配置する等により、大面積の太陽電池を実現することができる。
しかも、第１電極３は、第２導電型半導体層２を貫通して第１導電型半導体層１に向かっているのであるから、外部との接続部分が、電池裏面側に位置することになる。第２電極４は、もともと、電池裏面にある。従って、バスバー電極やフィンガー電極等も全て、裏面側で処理することができるから、これらによって入射光が遮られて影によるロスが発生するということがなくなる。このため、単位面積当たりで見た受光効率、発電効率の高い太陽電池を実現することができる。
本発明は、実施例に示した結晶シリコン系太陽電池に限らず、例えば、化合物半導体を用いた太陽電池（CIGSなど）、有機系半導体を用いた太陽電池、さらには、複数のｐｎ接合を持つ多接合型太陽電池など、種々のタイプの太陽電池に適用することができる。
例を挙げれば、シリコン系太陽電池でも、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、薄膜シリコン型などがあり、ハイブリッド型（HIT型）なども知られている。
化合物太陽電池としては、InGaAs太陽電池 、GaAs系太陽電池、CIS系（カルコパイライト系）太陽電池などがある。CIS系（カルコパイライト系）太陽電池は、光吸収層の材料として、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｅ、Ｓなどから成るカルコパイライト系と呼ばれるI-III-VI族化合物を用いたもので、代表的なものにはCu(In,Ga)Se2 やCu(In,Ga)(Se,S)2, CuInS2などがあり、それぞれCIGS, CIGSS, CIS などと略称されている。
何れの場合でも、本発明の適用が可能であり、その適用において、光入射面に最も近い位置にある第１導電型半導体層１の表面から、第１電極３の先端が突出しないように、その先端を第１導電型半導体層１の内部に留めることになる。
以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。
１ 第１導電型半導体層
２ 第２導電型半導体層
３ 第１電極
４ 第２電極
２ 第２導電型半導体層
３ 第１電極
４ 第２電極
Claims (1)
- 第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、第１電極と、第２電極とを含む太陽電池であって、
前記第１導電型半導体層は、表面が受光面となっており、
前記第２導電型半導体層は、前記第１導電型半導体層の裏面側に設けられ、前記第１導電型半導体層との間でｐｎ接合を構成するものであり、
前記第１電極は、前記第２導電型半導体層を貫通して前記第１導電型半導体層に向かい、先端が前記第１導電型半導体層に食い込んでその内部で止まっており、
前記第２電極は、電池裏面に設けられている、
太陽電池。
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