JP2013524501A - Ｐｎ接合およびショットキー接合を有する多重太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ＰＮ接合およびショットキー接合を有する多重太陽電池およびその製造方法に関する。本発明の一実施形態に係る太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を有するＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１電極と、前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合したショットキー接合層と、前記ショットキー接合層と接するように形成された第２電極を含む。
Description
本発明は太陽電池に関し、より詳細には、ＰＮ接合およびショットキー接合を有する多重太陽電池に関する。
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は、他のエネルギー源とは異なって無限かつ環境親和的であるため、時間が経つにつれてその重要性が増加している。
特に、原油高と化石燃料賦存の制限性は、再生エネルギーに対する利用を増大化させるものと思われるが、この中でも移動が簡単で携帯することができる太陽電池の依存性はさらに大きくなるものと予測される。
太陽電池の構造および原理に対して簡単に説明すれば、太陽電池は、Ｐ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型半導体とＮ（ｎｅｇａｔｉｖｅ）型半導体を接合させたＰＮ接合構造をなしている。このような構造の太陽電池に太陽光が入射すれば、入射した太陽光が持つエネルギーによって前記半導体内で正孔（ｈｏｌｅ）と電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）とが発生する。このとき、ＰＮ接合で発生した電場によって前記正孔（＋）はＰ型半導体側に移動し、前記電子（−）はＮ型半導体側に移動し、電位が発生することにより、電力を生産できるようになるという原理である。
このような太陽電池は、基板型太陽電池と薄膜型太陽電池とに区分される。基板型太陽電池は、シリコンのような半導体物質自体を基板として利用して太陽電池を製造したものであり、薄膜型太陽電池は、ガラスなどのような基板上に薄膜形態で半導体を形成して太陽電池を製造したものである。
基板型太陽電池は薄膜型太陽電池に比べて効率は多少優れているが、工程上で厚さを最小化するのに限界があり、高価な半導体基板を利用するために製造費用が上昇するという短所がある。薄膜型太陽電池は基板型太陽電池に比べて効率は多少落ちるが、薄い厚さでの製造が可能であり、低価な材料を利用することができるために製造費用が減少するという長所があり、大量生産に適している。
しかし、基板型太陽電池と薄膜型太陽電池との場合でも、１つのＰＮ半導体が１つの太陽電池を形成するため、工程が複雑であり、電圧を高めるためには並んで配列している太陽電池を直列に連結しなければならないという問題がある。
本発明は、効率性が向上したＰＮ接合およびショットキー接合を有する多重太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが積層配置されたＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１電極と、前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合したショットキー接合層と、前記ショットキー接合層と接するように形成された第２電極と、前記ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間には絶縁性を有する物質として再結合防止層と、を含む。
前記再結合防止層は、０．１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有するように形成されてもよい。また、前記Ｎ型半導体層が前記再結合防止層と接するように配置されてもよく、前記ショットキー接合層は前記Ｎ型半導体層よりもさらに大きい仕事関数を有するように形成されてもよい。
前記Ｐ型半導体層が前記再結合防止層と接するように配置されてもよく、前記ショットキー接合層は前記Ｐ型半導体層よりもさらに小さい仕事関数を有するように形成されてもよい。前記ＰＮ半導体層はウエハ形態で形成されてもよく、ウエハはシリコンまたはＧａＡｓで形成されてもよい。また、前記ＰＮ半導体層は有機物質で形成されてもよい。
前記ショットキー接合層上には反射防止膜が付着してもよく、前記反射防止膜はＳｉＯｘまたはＳｉＮで形成されてもよい。また、前記反射防止膜は、０．１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有するように形成されてもよい。
前記第１電極には光透過性基板が接するように配置され、前記ＰＮ半導体層は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層および前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層の間に配置されたＩ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層を有する薄膜形態で形成されてもよい。
本発明の他の側面に係る太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１電極と、前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合したショットキー接合層と、前記ＰＮ半導体層の前記第２面にオーミック接合し、前記ショットキー接合層と並んで配置されたオーミック金属層と、前記ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、前記オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、前記第２前面電極と前記第１電極とを電気的に連結する第１配線と、前記第１前面電極と前記第１電極とを電気的に連結する第２配線と、を含む。
本発明の他の側面に係る太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１オーミック金属層と、前記ＰＮ半導体層の前記第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、前記ＰＮ半導体層の第１面と反対方向を向く第２面にオーミック接合した第２オーミック金属層と、前記ＰＮ半導体層の前記第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層と、前記第１ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、前記第１オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、前記第１前面電極と前記第２前面電極とを電気的に連結する第１配線と、前記第１前面電極と前記第２オーミック金属層とを電気的に連結する第２配線と、を含む。
ここで、前記第１ショットキー接合層は前記第２オーミック金属層と上下方向に対応する位置に配置され、前記第１オーミック金属層は前記第２ショットキー接合層と上下方向に対応する位置に配置され、第２ショットキー接合層と第２オーミック金属層が当接するように配置されてもよい。
本発明の他の側面に係る太陽電池は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１オーミック金属層と、前記ＰＮ半導体の前記第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、前記ＰＮ半導体層の第１面と反対方向を向く第２面にオーミック接合した第２オーミック金属層と、前記ＰＮ半導体層の前記第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層と、前記第１ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、前記第１オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、前記第１前面電極と前記第２ショットキー接合層とを電気的に連結する第１配線と、前記第２前面電極と前記第２オーミック金属層とを電気的に連結する第２配線と、を含む。
ここで、前記第１ショットキー接合層は前記第２オーミック金属層と上下方向に対応する位置に配置され、前記第１オーミック金属層は前記第２ショットキー接合層と上下方向に対応する位置に配置され、第２ショットキー接合層と第２オーミック金属層が離隔配置されてもよい。
本発明の他の側面に係る太陽電池は、光透過性基板と、前記光透過性基板上に形成され、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層および前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層との間に配置されたＩ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層を有するＰＮ半導体層と、前記ＰＮ半導体層の第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合し、前記光透過性基板と前記ＰＮ半導体層との間に配置された第２ショットキー接合層と、前記第１ショットキー接合層上に形成された電極と、前記第１ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置されて絶縁性を有する物質で形成される第１再結合防止層と、前記第２ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される第２再結合防止層と、を含む。
前記第１ショットキー接合層は前記Ｎ型半導体層よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、前記Ｎ型半導体層にショットキー接合し、前記第２ショットキー接合層は前記Ｐ型半導体層よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、前記Ｐ型半導体層にショットキー接合し、前記第１ショットキー接合層は前記Ｐ型半導体層よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、前記Ｐ型半導体層にショットキー接合し、前記第２ショットキー接合層は前記Ｎ型半導体層よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、前記Ｎ型半導体層にショットキー接合してもよい。
前記太陽電池は、前記第１ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される第１再結合防止層と、前記第２ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される第２再結合防止層をさらに含んでもよい。
本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造方法は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層を準備するＰＮ半導体層準備段階と、前記ＰＮ半導体層上に絶縁性を有する再結合防止層を形成する再結合防止層形成段階と、前記ＰＮ半導体層にショットキー接合した金属層を形成するショットキー接合層形成段階と、前記ショットキー接合層上に導電性を有する前面電極を形成する前面電極形成段階と、を含む。
前記ＰＮ半導体層形成段階は、ウエハをドーピングしてＮ型半導体層を形成するウエハドーピング段階と、ＰＮ半導体層の背面に第１電極を形成する第１電極形成段階を含んでもよく、ＰＮ半導体層準備段階は、Ｎ型半導体層のフェルミ準位を増加させるフェルミ準位調節段階をさらに含んでもよい。
本発明に係る太陽電池は、ＰＮ接合半導体層とショットキー接合層が直列に連結した２つの太陽電池を形成するため、光を電気に変換するため光電効率が向上する。また、２つの空乏領域が形成されるため、開放回路電圧（ＯＣＶ）が向上する。
さらに、ＰＮ接合半導体層の両面にショットキー接合層を形成することにより、３つの太陽電池が直列に連結した効果を有する。これにより、直列に連結した太陽電池を容易に製作できるだけでなく、太陽電池の光効率および開放回路電圧が向上する。
本発明において「〜上に」とは、対象部材の上または下に位置することを意味するものであり、必ずしも重力方向を基準として上部に位置することを意味するものではない。また、本記載において「ＰＮ接合」とは、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが接合した構造を意味するものであり、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間にＩ型半導体が介在したＰＩＮ接合を含む広い意味のＰＮ接合として定義する。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明は多様に相違した形態で実現されることができ、以下で説明する実施形態に限定されることはない。なお、図面において、本発明を明確に説明するために説明上で不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似する構成要素については同一する参照符号を付与する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図１を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る太陽電池は、ＰＮ半導体層１３と、ＰＮ半導体層１３の第１面に接するように配置された第１電極１１と、ＰＮ半導体層１３の第１面と反対方向を向く第２面に接するように配置されたショットキー接合層１５と、ショットキー接合層１５とＰＮ半導体層１３との間に形成された再結合防止層１４と、ショットキー接合層１５と接するように形成された第２電極１２を含む。
ＰＮ半導体層１３はウエハ形態で形成され、Ｐ型半導体層１３１とＮ型半導体層１３２と、を含む。ＰＮ半導体層１３は結晶形シリコンで形成され、Ｐ型の性質を有する結晶質シリコンにＮ型物質をドーピングしてＰＮ半導体層１３を得てもよい。また、ウエハは、シリコンの他にＧａＡｓで形成されてもよい。
本発明がこれに制限されることはなく、ＰＮ半導体層は有機物質で形成されてもよいが、このとき、ＰＮ半導体層は、ＰＰＶ，Ｐ３ＨＴ，Ｐ３ＯＴなどのＮ型物質（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｏｎｏｒ）と、Ｃ６０，ＰＣＢＣＲ，ＰＣＢＣａなどのＰ型物質（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｃｃｅｐｔｏｒ）とが適用されてもよい。
ＰＮ半導体層１３の背面には、オーミック接合によって結合した第１電極１１が形成される。第１電極１１はＰＮ半導体層１３の背面に全体的に形成され、アルミニウムなどの金属素材で形成されてもよい。
ＰＮ半導体層１３において、背面側にはＰ型半導体層１３１が配置され、前面側にはＮ型半導体層１３２が配置される。一方、ＰＮ半導体層１３の前面には再結合防止層１４が形成される。再結合防止層１４は、絶縁性を有するＯｘｉｄｅ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘなどを含む物質で形成されてもよい。再結合防止層１４は０．１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さで形成され、光によって発生したキャリアが再結合することを防ぐことによって電圧特性を向上させる。再結合防止層１４の厚さが０．１ｎｍよりもさらに小さく形成されれば、励起した電子が正孔と再結合するという問題が発生し、再結合防止層１４の厚さが１０ｎｍよりもさらに大きく形成されれば、抵抗が過度に増加するという問題が発生する。
本実施例では、光効率の向上のためにＰＮ半導体層１３とショットキー接合層１５との間に再結合防止層１４が形成されたものを例示しているが、本発明がこれに制限されることはなく、ショットキー接合層１５がＰＮ半導体層１３と直接接触するように形成されてもよい。
再結合防止層１４上には、ＰＮ半導体層１３とショットキー接合したショットキー接合層１５が形成される。ショットキー接合層１５はＮ型半導体層１３２と対向するように配置され、Ｎ型半導体層１３２よりもさらに大きい仕事関数を有する物質で形成される。ショットキー接合層１５の素材は特定の金属に制限されることはなく、Ｎ型半導体層１３２よりもさらに大きい仕事関数を有すれば、多様な種類の金属が適用されてもよい。また、ショットキー接合層１５は、金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯなどを含む物質で形成されてもよい。ショットキー接合層１５にＩＴＯ、ＡＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯなどを混合すれば、電気伝導性を低下させずにショットキー接合層１５の光透過性が向上する。
ショットキー接合層１５の厚さは１ｎｍ〜２０ｎｍで形成されてもよい。ショットキー接合層１５の厚さが１ｎｍよりもさらに小さければ、空乏層が適切に形成されないという問題が発生することがあり、ショットキー接合層１５の厚さが２０ｎｍよりもさらに大きければ、光の透過効率が著しく低下するという問題が発生する。ショットキー接合層１５上には反射防止膜１６が形成されるが、反射防止膜１６はショットキー接合層１５と第２電極１２との間に配置される。反射防止膜１６はＳｉＯｘ、ＳｉＮで形成されてもよく、厚さは０．１ｎｍ〜１００ｎｍで形成されてもよい。
再結合防止層１４とショットキー接合層１５とは、光透過性を有するように十分に小さい厚さで形成される。再結合防止層１４とショットキー接合層１５との光透過性は大きいほど有利であるが、少なくとも５０％以上の光を透過させることができるように形成される。
図１および図２に示すように、ショットキー接合層１５上には第２電極１２が形成されるが、第２電極１２は一方向に長く繋がった帯形状で形成される。第２電極は、銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）などの電気伝導性に優れた金属で形成される。第２電極１２は第１電極１１と反対方向を向く面に配置され、第１電極１１を背面電極、第２電極１２を前面電極として定義してもよい。
第２電極１２は複数が離隔配置され、それぞれの第２電極１２には第２電極１２を電気的に連結するバスバー１７が形成される。第２電極１２およびバスバー１７は、抵抗が低くて電気伝導度が優れたＣｕやＡｇなどで形成されてもよい。
図３を参照しながら、第１実施形態に係る太陽電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る太陽電池１０１の製造方法は、ＰＮ半導体層１３準備段階（Ｓ１０１）と、再結合防止層１４形成段階（Ｓ１０２）と、ショットキー接合層１５形成段階（Ｓ１０３）と、第２電極１２形成段階（Ｓ１０４）と、を含む。
ＰＮ半導体層１３準備段階（Ｓ１０１）は、ウエハをドーピングしてＰ型半導体層１３１上にＮ型半導体層１３２を形成するウエハドーピング段階と、ウエハの背面に第１電極１１を形成する第１電極１１形成段階と、をさらに含んでもよい。
ウエハは太陽電池に常用される結晶質シリコンで形成されてもよく、ウエハの製作方法は広く知られているため、これについての詳しい説明は省略する。
ウエハドーピング段階は、リン（Ｐ）やアセナイド（Ａｓ）などの５族物質をドーピングして形成してもよい。第１電極１１形成段階は、アルミニウムなどの金属を蒸着やコーティングなどの方法によってウエハの背面に第１電極１１を形成する。
ＰＮ半導体層１３準備段階（Ｓ１０１）は、Ｎ型半導体層１３２のフェルミ準位を増加させるフェルミ準位調節段階をさらに含んでもよい。フェルミ準位調節段階は、Ｎ型半導体層１３２を形成した後、アンモニア（ＮＨ３）や酸素などのガスを利用してＮ型半導体層１３２のフェルミ準位を増加させてもよい。また、フェルミ準位の調節方法は、カリウム（Ｋ）やブロム（Ｂｒ）などの機能分子と反応および熱処理する方式、ポリマー（ＰＥＩ）物質との連結チェーンを利用する方式、およびアルミニウムなどのような金属をドーピングする方法などが適用されてもよい。
一方、再結合防止層１４形成段階（Ｓ１０２）では、Ｎ型半導体層１３２にＯｘｉｄｅ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘなどの物質を蒸着などの方法によって形成する。ショットキー接合層１５形成段階（Ｓ１０３）では、再結合防止層１４上にショットキー接合層１５を蒸着、スパッタリング、コーティングなどの方法によって形成する。ショットキー接合層１５は、金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯなどを含む物質で形成されてもよい。
第２電極１２形成段階（Ｓ１０４）は、蒸着やコーティングなどの方法によってショットキー接合層１５上に第２電極１２を形成する。第２電極は、銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）などの電気伝導性に優れた金属で形成されてもよい。
図４ａおよび図４ｂを参照しながら、第１実施形態に係る太陽電池１０１の作用について説明する。光が入射すれば、Ｐ型半導体層１３１とＮ型半導体層１３２とが接する第１空乏領域（Ａ１）で光によって電子が励起し、励起した電子はＮ型半導体層１３２に移動して電圧差が発生する。また、Ｎ型半導体層１３２とショットキー接合層１５とが接する部分には第２空乏領域（Ａ２）が形成され、光が入射すれば第２空乏領域（Ａ２）で自由電子が発生し、これによって電圧差が発生する。Ｎ型半導体層１３２に電子が蓄積されれば、トンネル効果（ｔｕｎｎｅｌ ｅｆｆｅｃｔ）によって電子が障壁を越えてショットキー接合層１５に移動し、外部に引き出されるようになる。
本実施形態によれば、ＰＮ半導体層１３が１つの太陽電池となり、Ｎ型半導体層１３２とショットキー接合層１５とが他の１つの太陽電池となるため、２つの太陽電池が直列に連結したものと同じ効果を有する。また、従来のウエハ形態の太陽電池上にショットキー接合層１５を形成することにより、簡単に多重太陽電池を形成することができるため製作が容易であり、原価が節減される効果を得ることができる。本記載の太陽電池は、１つのショットキー接合層１５を形成することによって直列に連結した太陽電池を得ることができるため、薄膜太陽電池のように複数のＰＩＮ半導体層を形成することよりも、製作において遥かに有利である。
図５は、本発明の第２実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図５を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る太陽電池１０２は、ＰＮ半導体層２３と、ＰＮ半導体層２３の一面に接するように配置された第１電極２１と、ＰＮ半導体層２３の一面と反対方向を向く他面と対向するように配置されたショットキー接合層２５と、ショットキー接合層２５とＰＮ半導体層２３との間に形成された再結合防止層２４と、ショットキー接合層２５と接するように形成された第２電極２２と、を含む。
本実施形態に係る太陽電池１０２は、ＰＮ半導体層２３およびショットキー接合層２５の構造を除いては前記第１実施形態に係る太陽電池と同じ構造であるため、同じ構造についての重複説明は省略する。
ＰＮ半導体層２３は半導体ウエハで形成され、Ｎ型半導体層２３１とＰ型半導体層２３２と、を含む。ＰＮ半導体層２３は結晶形シリコンで形成され、Ｎ型の性質を有する結晶質シリコンにＰ型物質をドーピングしてＰＮ半導体層２３を得てもよい。
ショットキー接合層２５はＰ型半導体層２３２とショットキー接合し、ショットキー接合層２５はＰ型半導体層２３２よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成される。これにより、ショットキー接合層２５とＰ型半導体層２３２とが接する領域にも空乏領域が形成される。
このように、本実施形態によれば、ＰＮ接合太陽電池とショットキー接合太陽電池とが直列に連結した構造の太陽電池を得ることができる。
図６は、本発明の第３実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図７は、本発明の第３実施形態に係る太陽電池を示す平面図である。
図６および図７を参照説明すれば、本実施形態に係る太陽電池１０３は、ＰＮ半導体層３３と、ＰＮ半導体層３３の一面に接するように配置された第１電極３１と、ＰＮ半導体層３３の一面と反対方向を向く他面に接するように配置された再結合防止層３４と、再結合防止層３４上に形成されたショットキー接合層３５と、オーミック金属層３６と、を含む。
ＰＮ半導体層３３は、Ｐ型半導体層３３１と、Ｐ型半導体層３３１上に形成されたＮ型半導体層３３２と、を含み、前記第１実施形態に係るＰＮ半導体層と同じ構造である。再結合防止層３４は、Ｏｘｉｄｅ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘなどの物質で形成される。
再結合防止層３４上にはショットキー接合層３５とオーミック金属層３６とが離隔配置され、ショットキー接合層３５はＮ型半導体層３３２よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、Ｎ型半導体層３３２にショットキー接合する。オーミック金属層３６はＮ型半導体層３３２よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、Ｎ型半導体層３３２にオーミック接合する。ショットキー接合層３５とオーミック金属層３６とは、同じ平面上で並んで配置される。
ショットキー接合層３５上には第１前面電極３２１が配置され、オーミック金属層３６上には第２前面電極３２２が配置される。ショットキー接合層３５，オーミック金属層３６，第１前面電極３２１，第２前面電極３２２、および再結合防止層３４は、光がＰＮ半導体層３３に入射するように十分に小さい厚さを有する。
一方、Ｐ型半導体層３３１と接するように第１電極３１が形成され、 第１電極３１はアルミニウムなどの金属で形成されてもよい。
本実施形態によれば、光が入射するとき、Ｐ型半導体層３３１とＮ型半導体層３３２とが接する空乏領域で電子が生成され、Ｎ型半導体層３３２とショットキー接合層３５とが接する空乏領域で電子が生成される。
ショットキー接合層３５とＮ型半導体層３３２との間で形成された電子は、Ｐ型半導体層３３１を経て第１電極３１に移動したり、第２前面電極３２２に移動する。一方、Ｐ型半導体層３３１とＮ型半導体層３３２との間で形成された電子は、第１電極３１に移動する。
本実施形態によれば、第１前面電極３２１から第１電極３１に移動する電子の流れにおいて、ショットキー接合層３５とＮ型半導体層３３２とが第１単位電池となり、Ｐ型半導体層３３１とＮ型半導体層３３２とが第２単位電池となる。また、第１前面電極３２１から第２前面電極３２２に移動する電子の流れにおいて、ショットキー接合層３５とＮ型半導体層３３２とが第３単位電池となる。このように、本実施形態によれば、３つの太陽電池が形成される。
第２前面電極３２２と第１電極３１とが第１配線３７１を通じて電気的に連結し、第１前面電極３２１と第１電極３１とが第２配線３７２を通じて蓄電池３７３に連結すれば、第１単位電池と第２単位電池は直列に連結し、第３単位電池はこれらに並列に連結する。
図８は、本発明の第４実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図８を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る太陽電池１０４は、ＰＮ半導体層４３と、ＰＮ半導体層４３の一面に接するように配置された第１電極４８と、ＰＮ半導体層４３の一面と反対方向を向く他面と対向するように配置されたショットキー接合層４６と、ショットキー接合層４６とＰＮ半導体層４３の間に形成された再結合防止層４５と、ショットキー接合層４６と接するように形成された第２電極４７と、を含む。
本実施形態に係る太陽電池１０４は、光透過性基板４１上に形成された薄膜形態の太陽電池として形成される。光透過性基板４１は、ガラスまたはポリマー材質の基板で形成されてもよい。光透過性基板４１上には、ナノサイズの微細突起が形成された反射防止膜が付着してもよい。反射防止膜はＳｉＯｘやＳｉＮで形成されてもよく、厚さは０．１ｎｍ〜１００ｎｍで形成されてもよい。
光透過性基板４１は第１電極４８と接するように配置され、光透過性基板４１上に第１電極４８が形成される。第１電極４８は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＦＴＯなどの透明素材で形成される。一方、ＰＮ半導体層４３は薄膜形態で形成され、Ｐ型半導体層４３１とＮ型半導体層４３２およびＰ型半導体層４３１とＮ型半導体層４３２の間に形成されたＩ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層４３３を含む。このような薄膜太陽電池のＰＩＮ接合構造は広く知られているため、詳しい説明は省略する。ここで、Ｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層４３３は真性半導体物質で形成される。
このようなＰＮ半導体層は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅなどを含む物質で形成されてもよい。
このようなＰＮ半導体層４３上に、再結合防止層４５，ショットキー接合層４６、および第２電極４７が順に積層される。再結合防止層４５，ショットキー接合層４６、および第２電極４７は、前記第１実施形態に係る太陽電池と同じ構造であるため、重複する説明は省略する。
このように、本実施形態によれば、薄膜太陽電池上にショットキー接合層４６を形成することにより、多重太陽電池を容易に製作することができる。
図９は、本発明の第５実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。本実施形態に係る太陽電池１０５は、ＰＮ半導体層５３と、ＰＮ半導体層５３の一面に対向するように配置された第１ショットキー接合層５５１と、第１オーミック金属層５５２と、ＰＮ半導体層５３の一面と反対方向を向く他面と対向するように配置された第２ショットキー接合層５４1と、第２オーミック金属層５４２と、を含む。
第１ショットキー接合層５５１はＰＮ半導体層５３の第１面にショットキー接合し、第１オーミック金属層５５２はＰＮ半導体層５３の第１面にオーミック接合する。第２ショットキー接合層５４１はＰＮ半導体層５３の第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合し、第２オーミック金属層５４２はＰＮ半導体層５３の第２面にオーミック接合する。
また、ＰＮ半導体層５３と第１ショットキー接合層５５１および第１オーミック金属層５５２との間には第１再結合防止層５７が形成され、ＰＮ半導体層５３と第２ショットキー接合層５４１および第２オーミック金属層５４２との間には第２再結合防止層５６が形成される。また、第１ショットキー接合層５５１上には第１前面電極５２１が形成され、第１オーミック金属層５５２上には第２前面電極５２２が形成される。
本実施形態に係る太陽電池１０５は、光透過性基板５１上に形成された薄膜形態の太陽電池として形成される。光透過性基板５１は、ガラスまたはポリマー材質の基板で形成されてもよい。
光透過性基板５１上には、第２ショットキー接合層５４１および第２オーミック金属層５４２が形成される。第２ショットキー接合層５４１および第２オーミック金属層５４２は、光透過性基板５１上で並んで配置される。
一方、ＰＮ半導体層５３は薄膜形態で形成され、Ｐ型半導体層５３１とＮ型半導体層５３２およびＰ型半導体層５３１とＮ型半導体層５３２の間に形成されたＩ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層５３３を含む。
このようなＰＮ半導体層上には再結合防止層５７が形成され、再結合防止層５７上には第１ショットキー接合層５５１と第１オーミック金属層５５２とが並んで形成される。
第１ショットキー接合層５５１と対応する下部の位置に第２オーミック金属層５４２が形成され、第１オーミック金属層５５２と対応する下部の位置に第２ショットキー接合層５４１が形成される。
第１ショットキー接合層５５１はＮ型半導体層５３２よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、第２ショットキー接合層５４１はＰ型半導体層５３１よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成される。また、第１オーミック金属層５５２はＮ型半導体層５３２よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、第２オーミック金属層５４２はＰ型半導体層５３１よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成される。
本実施形態によれば、第１ショットキー接合層５５１とＮ型半導体層５３２との間、ＰＮ半導体層５３，第２ショットキー接合層５４１とＰ型半導体層５３１との間で電子が生成される。
電子の流れを詳察すれば、第１ショットキー接合層５５１とＮ型半導体層５３２との間および第１ショットキー接合層５５１の下に位置するＰＮ半導体層５３で生成された電子は第２オーミック金属層５４２に移動し、第２ショットキー接合層５４１とＰ型半導体層５３１との間および第２ショットキー接合層５４１の上に位置するＰＮ半導体層５３で生成された電子は第２ショットキー接合層５４１に移動する。
これにより、本実施形態によれば、第１ショットキー接合層５５１とＮ型半導体層５３２とが第１単位電池となり、第１ショットキー接合層５５１の下に位置するＰＮ半導体層５３が第２単位電池となり、第２ショットキー接合層５４１とＰ型半導体層５３１とが第３単位電池となり、第２ショットキー接合層５４１の上に位置するＰＮ半導体層５３が第４単位電池となる。
第１前面電極５２１と第２前面電極５２２が第１配線５８１によって電気的に連結し、第２ショットキー接合層５４１と第２オーミック金属層５４２とが互いに当接して電気的に連結し、第１前面電極５２１と第２オーミック金属層５４２とが第２配線５８２によって蓄電池５８３と電気的に連結すれば、第１単位電池と第２単位電池とが直列に連結して第３単位電池と第４単位電池とが直列に連結し、直列に連結した電池集合が並列に連結する。
図１０は、本発明の第５実施形態の変形例に係る太陽電池を示す断面図である。図１０を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る第２ショットキー接合層５４１と第２オーミック金属層５４２とは互いに離隔配置される。前記構成および配線を除いては、第５実施形態に係る太陽電池と同じ構造である。
第１前面電極５２１は第２ショットキー接合層５４１と第１配線５９１とを通じて電気的に連結し、第２前面電極５２２と第２オーミック金属層５４２とには蓄電池５９３が第２配線５９２を通じて電気的に連結する。
これにより、本実施形態によれば、第１単位電池、第２単位電池、第３単位電池、および第４単位電池が直列に連結する。
図１１は、本発明の第６実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図１１を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る太陽電池１０６は、光透過性基板６１と、光透過性基板６１上に形成されたＰＮ半導体層６３と、ＰＮ半導体層６３の第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層６６と、ＰＮ半導体層６３の第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層６８と、第１ショットキー接合層６６上に形成された電極６７と、を含む。ここで、ＰＮ半導体層６３の第２面は、第１面と反対方向を向く面となる。
本実施形態に係る太陽電池１０６は、光透過性基板６１上に形成された薄膜形態の太陽電池として形成される。光透過性基板６１は、ガラスまたはポリマー材質の基板で形成されてもよい。
ＰＮ半導体層６３は薄膜形態で形成され、Ｐ型半導体層６３１とＮ型半導体層６３２およびＰ型半導体層６３１とＮ型半導体層６３２の間に形成されたＩ型半導体層６３３を含む。このような薄膜太陽電池のＰＩＮ接合構造は広く知られているため、詳しい説明は省略する。
第１ショットキー接合層６６は、ＰＮ半導体層６３上に配置され、Ｎ型半導体層６３２にショットキー接合する。第１ショットキー接合層６６は、Ｎ型半導体層６３２よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成される。第１ショットキー接合層６６とＮ型半導体層の間には、絶縁物質からなる第１再結合防止層６５が形成される。
第２ショットキー接合層６８は、光透過性基板６１とＰＮ半導体層６３との間に配置され、Ｐ型半導体層６３１にショットキー接合する。第２ショットキー接合層６８は、Ｐ型半導体層６３１よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成される。
このとき、第２ショットキー接合層６８は、光透過性基板と接するように配置され、第２ショットキー接合層６８とＰ型半導体層６３１との間には絶縁物質からなる第２再結合防止層６４が形成される。
第１ショットキー接合層６６と第２ショットキー接合層６８とは、光透過性を有するように１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成される。これによれば、両面に入射する光によって電力を生産することができる。
電極６７と第２ショットキー接合層６８とに蓄電池を連結すれば、第１ショットキー接合層６６とＮ型半導体層６３２とが１つの太陽電池をなし、ＰＮ半導体層６３が１つの太陽電池をなし、Ｐ型半導体層６３１と第２ショットキー接合層６８とが１つの太陽電池をなすことにより、３つの太陽電池が直列に連結した構造となる。
本実施形態によれば、ＰＮ半導体層６３の両面にショットキー接合層６６，６８を形成することにより、３つの太陽電池が直列に連結した構造を容易に製作することができる。
図１２は、本発明の第７実施形態に係る太陽電池を示す断面図である。図１２を参照しながら説明すれば、本実施形態に係る太陽電池１０７は、光透過性基板７１と、光透過性基板７１上に形成されたＰＮ半導体層７３と、ＰＮ半導体層７３の第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層７６と、ＰＮ半導体層７３の第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層７８と、第１ショットキー接合層７６上に形成された電極７７と、を含む。ここで、ＰＮ半導体層７３の第２面は、第１面と反対方向を向く面となる。
本実施形態に係る太陽電池１０７は、光透過性基板７１上に形成された薄膜形態の太陽電池として形成される。光透過性基板７１は、ガラスまたはポリマー材質の基板で形成されてもよい。
ＰＮ半導体層７３は薄膜形態で形成され、Ｎ型半導体層７３１とＰ型半導体層７３２およびＮ型半導体層７３１とＰ型半導体層７３２の間に形成されたＩ型半導体層７３３を含む。このような薄膜太陽電池のＰＩＮ接合構造は広く知られているため、詳しい説明は省略する。
第１ショットキー接合層７６は、ＰＮ半導体層７３上に配置され、Ｐ型半導体層７３２にショットキー接合する。第１ショットキー接合層７６は、Ｐ型半導体層７３２よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成される。第１ショットキー接合層７６とＰ型半導体層の間には、絶縁物質からなる第１再結合防止層７５が形成される。
第２ショットキー接合層７８は、光透過性基板７１とＰＮ半導体層７３との間に配置され、Ｎ型半導体層７３１にショットキー接合する。第２ショットキー接合層７８は、Ｎ型半導体層７３１よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成される。
このとき、第２ショットキー接合層７８は、光透過性基板７１と接するように配置され、第２ショットキー接合層７８とＮ型半導体層７３１との間には絶縁物質からなる第２再結合防止層７４が形成される。
第１ショットキー接合層７６と第２ショットキー接合層７８とは、光透過性を有するように１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成される。これによれば、両面に入射する光によって電力を生産することができる。
電極７７と第２ショットキー接合層７８に蓄電池を連結すれば、第１ショットキー接合層７６とＮ型半導体層７３１とが１つの太陽電池をなし、ＰＮ半導体層７３が１つの太陽電池をなし、Ｐ型半導体層７３２と第２ショットキー接合層７８とが１つの太陽電池をなすことにより、３つの太陽電池が直列に連結した構造となる。
本実施形態によれば、ＰＮ半導体層７３の両面にショットキー接合層７６，７８を形成することにより、３つの太陽電池が直列に連結した構造を容易に製作することができる。
上述では本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
Claims (25)
- Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１電極と、
前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合したショットキー接合層と、
前記ショットキー接合層と接するように形成された第２電極と、
前記ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される再結合防止層と、を含む太陽電池。 - 前記再結合防止層は０．１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有する請求項１に記載の太陽電池。
- 前記Ｎ型半導体層は、前記再結合防止層と接するように配置される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ショットキー接合層は、前記Ｎ型半導体層よりもさらに大きい仕事関数を有する請求項３に記載の太陽電池。
- 前記Ｐ型半導体層は、前記再結合防止層と接するように配置される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ショットキー接合層は、前記Ｐ型半導体層よりもさらに小さい仕事関数を有する請求項５に記載の太陽電池。
- 前記ショットキー接合層は金属で形成される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ショットキー接合層は、金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯからなる群より選択されたいずれか１つ以上の物質で形成される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ＰＮ半導体層はウエハで形成される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ＰＮ半導体層は有機物質で形成される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記ショットキー接合層上には反射防止膜が付着する請求項１に記載の太陽電池。
- 前記反射防止膜はＳｉＯｘまたはＳｉＮで形成される請求項１１に記載の太陽電池。
- 前記反射防止膜は０．１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する請求項１１に記載の太陽電池。
- 前記第１電極には光透過性基板が接するように配置され、
前記ＰＮ半導体層は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層および前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層の間に配置されたＩ（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体層を有する薄膜形態で形成される請求項１に記載の太陽電池。 - Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１電極と、
前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合したショットキー接合層と、
前記ＰＮ半導体層の前記第２面にオーミック接合し、前記ショットキー接合層と並んで配置されたオーミック金属層と、
前記ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、
前記オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、
前記第２前面電極と前記第１電極とを電気的に連結する第１配線と、
前記第１前面電極と前記第１電極とを電気的に連結する第２配線と、を含む、太陽電池。 - Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１オーミック金属層と、
前記ＰＮ半導体の前記第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面と反対方向を向く第２面にオーミック接合した第２オーミック金属層と、
前記ＰＮ半導体層の前記第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層と、
前記第１ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、
前記第１オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、
前記第１前面電極と前記第２前面電極とを電気的に連結する第１配線と、
前記第１前面電極と前記第２オーミック金属層とを電気的に連結する第２配線と、を含む太陽電池。 - 前記第１ショットキー接合層は前記第２オーミック金属層と上下方向に対応する位置に配置され、
前記第１オーミック金属層は前記第２ショットキー接合層と上下方向に対応する位置に配置され、
第２ショットキー接合層と第２オーミック金属層とが当接するように配置される請求項１６に記載の太陽電池。 - Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面にオーミック接合した第１オーミック金属層と、
前記ＰＮ半導体の前記第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面と反対方向を向く第２面にオーミック接合した第２オーミック金属層と、
前記ＰＮ半導体層の前記第２面にショットキー接合した第２ショットキー接合層と、
前記第１ショットキー接合層上に形成された第１前面電極と、
前記第１オーミック金属層上に形成された第２前面電極と、
前記第１前面電極と前記第２ショットキー接合層とを電気的に連結する第１配線と、
前記第２前面電極と前記第２オーミック金属層とを電気的に連結する第２配線と、を含む太陽電池。 - 前記第１ショットキー接合層は前記第２オーミック金属層と上下方向に対応する位置に配置され、
前記第１オーミック金属層は前記第２ショットキー接合層と上下方向に対応する位置に配置され、
第２ショットキー接合層と第２オーミック金属層とが離隔配置される請求項１８に記載の太陽電池。 - 光透過性基板と、
前記光透過性基板上に形成され、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを含むＰＮ半導体層と、
前記ＰＮ半導体層の第１面にショットキー接合した第１ショットキー接合層と、
前記ＰＮ半導体層の前記第１面と反対方向を向く第２面にショットキー接合し、前記光透過性基板と前記ＰＮ半導体層の間に配置された第２ショットキー接合層と、
前記第１ショットキー接合層上に形成された電極と、
前記第１ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される第１再結合防止層と、
前記第２ショットキー接合層と前記ＰＮ半導体層との間に配置され、絶縁性を有する物質で形成される第２再結合防止層と、を含む太陽電池。 - 前記第１ショットキー接合層は、前記Ｎ型半導体層よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、前記Ｎ型半導体層にショットキー接合し、
前記第２ショットキー接合層は、前記Ｐ型半導体層よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、前記Ｐ型半導体層にショットキー接合する請求項２０に記載の太陽電池。 - 前記第１ショットキー接合層は、前記Ｐ型半導体層よりも仕事関数がさらに小さい物質で形成され、前記Ｐ型半導体層にショットキー接合し、
前記第２ショットキー接合層は、前記Ｎ型半導体層よりも仕事関数がさらに大きい物質で形成され、前記Ｎ型半導体層にショットキー接合する請求項２０に記載の太陽電池。 - Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを有するＰＮ半導体層を準備するＰＮ半導体層準備段階と、
前記ＰＮ半導体層上に絶縁性を有する再結合防止層を形成する再結合防止層形成段階と、
前記ＰＮ半導体層にショットキー接合した金属層を形成するショットキー接合層形成段階と、
前記ショットキー接合層上に導電性を有する前面電極を形成する前面電極形成段階と、を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記ＰＮ半導体層形成段階は、ウエハをドーピングしてＮ型半導体層を形成するウエハドーピング段階と、ＰＮ半導体層の背面に第１電極を形成する第１電極形成段階と、を含む請求項２３に記載の太陽電池の製造方法。
- ＰＮ半導体層準備段階は、Ｎ型半導体層のフェルミ準位を増加させるフェルミ準位調節段階をさらに含む請求項２３に記載の太陽電池の製造方法。
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