JP2014207310A - 太陽電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高い発電効率を有する高電圧出力の太陽電池セルを提供する。【解決手段】太陽電池セルは、発電層を形成するｐ型またはｎ型の単結晶半導体基板（１）と、半導体基板（１）の受光面と対向する裏面に接して半導体基板（１）内に設けられた複数の正孔収集層（２）、電子収集層（３）及び溝（７）と、隣接する前記溝（７）の間に正孔収集層（２）と電子収集層（３）が設けられ、かつ、溝（７）を挟んで正孔収集層（２）と電子収集層（３）が設けられており、溝（７）を挟む正孔収集層（２）及び電子収集層（３）とを接続する配線層（８）とを備え、溝（７）は、裏面側から半導体基板（１）内に向かって形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池セルに関し、特に一枚のセルで高電圧出力を形成可能な太陽電池セルに関する。

一般に太陽電池の出力電圧は低く、従って通常は複数個の太陽電池セルを直列に接続して、所望の出力電圧を得ることが行われている。特許文献１に、複数個の太陽電池セルを直列に接続して高電圧出力とした太陽電池が記載されている。一方、複数個の太陽電池セルを配置できないような場合、即ち、車両のルーフ上の様に設置面積が小さい場所に太陽電池を搭載して高電圧出力を得ることが必要な場合には、市販の一枚の太陽電池セルを複数個の小型セルに分割し、分割された小型セルを直列に接続して所望の高電圧出力を得るようにしている。

図１０Ａは、出力電圧が０．７Ｖの市販の一枚の太陽電池セル１００（１５６ｍｍ×１５６ｍｍ）を示している。この太陽電池セル１００を、例えば１２個の小型セル２００、２００・・・に物理的に分割して、図１０Ｂに示すように配線によって直列に接続すれば、０．７×１２＝８．４Ｖの出力電圧を備える太陽電池パネルを構成することができる。太陽電池セル１００の個別の小型セルへの切断は、円形の刃を用いて機械的に行われる。

しかしながら、図１０Ｂのように構成した太陽電池パネルでは次のような問題が発生する。即ち、ａ）隣接する小型セル２００間に隙間が発生し、その分の太陽光エネルギーを有効に利用することができない。太陽電池パネルを製造する場合（ラミネート時）、セルを取り囲む保護材（ＥＶＡ、ゴムのような材料）が熱収縮するため、配置するセルとセルの間に隙間を設ける必要がある。隙間がないと、隣接するセル同士が干渉してセルを破損する。そのため、セルとセル間の間隔を例えば２ミリ程度取るようにしている。この間隔を取らないと、不良率の低い太陽電池パネルの製造が困難となる。

更に、ｂ）一枚の太陽電池セルを複数個の小型セル２００に物理的に切断することによってセル面積が低下し、その分発電量が低下するので、所望の出力電力を得るための太陽電池パネルの製造コストが増加する。セルの切断は円形の刃を使用して機械的に行うため、少なくとも刃の厚さ（数十μｍ）分はセル面積が低下する。分割数が増加すればするほどその影響は大きくなる。

また、ｃ）図１１に示すように、小型セル２００を直列に接続するにあたって、個々のセルに配置ズレが生じ、見た目が悪化する。上記のように、太陽電池パネルを製造する場合、セルを囲む保護材が熱収縮を起こし、その収縮につれてセルも多少動いてしまう。熱収縮はランダムな方向に起こるため、セルの配置ズレが生じる。小型のセルが多数連なれば連なるほど、微妙に動いたセルの配置ズレが目立つようになり、見た目が非常に悪くなる。

特開２００６−１５６６６３号公報

上述したように、一枚の太陽電池セルを複数個に分割して直列接続し、高電圧出力を得るようにした太陽電池パネルでは、太陽エネルギーの利用効率の低下、セル面積の物理的な減少等に基づいて、所定の発電量を得るためのコストが増加し、且つ見た目が悪くなるという問題点を有している。従って本発明の課題は、一枚の太陽電池セルを分割することなく高電圧出力を得ることが可能な、太陽電池セルを提供することである。

上記の課題を解決する為に、本発明の第１の態様では、発電層を形成するｐ型またはｎ型の単結晶半導体基板と、前記半導体基板の受光面と対向する裏面に接して前記半導体基板内に設けられた複数の正孔収集層、電子収集層及び溝と、隣接する前記溝の間に前記正孔収集層と前記電子収集層が設けられ、かつ、前記溝を挟んで前記正孔収集層と前記電子収集層が設けられており、前記溝を挟む前記正孔収集層及び前記電子収集層とを接続する配線層とを備え、前記溝は、前記裏面側から前記半導体基板内に向かって形成されている、太陽電池セルを提供する。

第１の態様の太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の受光面と前記溝の底との間に前記発電層の導電型に応じて、ドープ濃度が所定以上である高濃度ドープ層を形成しても良い。また、前記半導体基板の受光面と前記溝の底との間に前記発電層のキャリア濃度より低いキャリア濃度である低キャリア濃度層を形成しても良い。更に、前記半導体基板の受光面側には、前記隣接する溝間で導電型の異なる拡散層を形成しても良い。

また更に、前記溝の表面に絶縁膜を形成しても良い。溝は、前記半導体基板の厚さの４分の３以下の深さを有している必要がある。前記発電層は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣを材料として形成しても良い。

本発明の太陽電池セルでは、一枚のセルを複数の小型セルに分割することなく、高電圧出力を得ることが可能である。そのため、セルが本来有する受光面積を損なうことなく全てを利用して発電を行えるので、高い発電効率を得ることができる。また、それに伴って太陽電池パネルの製造コストも低下する。更に、一枚のセルで高電圧出力を達成できるため、小型セルを複数配置した場合に発生するセルの配置ズレの問題を起こすことがなく、見た目のきれいな太陽電池パネルを形成することが可能となる。

なお、太陽電池セルを複数の領域に分割する溝は、太陽電池セルの表面まで達することがない。従って、太陽電池セル表面と溝の底との間に非分割領域が残るが、この部分に、例えば不純物の高濃度ドープ層、低キャリア濃度層、或いは非分離領域の左右に異なる導電型の拡散層を設けることにより、非分割領域を介した領域間のキャリアの移動が防止され、発電効率の低下が防止される。また、溝の表面に絶縁膜を設けることにより、設置場所等の要求により太陽電池セルが湾曲した場合でも、隣接する領域同士の接触による短絡を防止できる。

裏面電極型太陽電池セルの断面図。 本発明の一実施形態に係る太陽電池セルの断面図。 図２に示す太陽電池セルの平面図。 図１に示す太陽電池セルの変形例の平面図。 本発明の他の実施形態に係る太陽電池セルの断面図。 図５に示す太陽電池セルの一部を拡大して示す図。 図５に示す実施形態の変形例を示す断面図。 本発明の更に他の実施形態に係る太陽電池セルの断面図。 図８に示す太陽電池セルの効果を説明する図。 従来の太陽電池セルの平面図。 図１０Ａの太陽電池セルから構成される高出力太陽電池パネルを示す概略図。 図１０Ｂに示す太陽電池パネルにおけるセルの配置ズレを示す図。

以下に図面を参照して本発明の種々の実施形態について説明する。なお、以下に示す図面全体では、同じ符号は同一または類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の説明のみを目的としており、従って構成要素の図面上の大きさは実際の縮尺に対応するものではない。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る裏面電極型太陽電池セル１０の構造を、図１及び２を参照して説明する。図１は、例えばＳｉのｎ型単結晶半導体基板で構成される発電層１に対して、正孔収集層として機能するｐ⁺拡散層２、電子収集層として機能するｎ⁺拡散層３を複数対形成し、それぞれの拡散層２、３に対して正電極４または負電極５を設けた太陽電池セルの断面図を示している。このような状態の太陽電池セルにおいて、従来は分割線６に沿って太陽電池セルを物理的に切断して、面積が等しい複数の小型セルを形成し、これらを配線によって直列に接続して高電圧出力を提供する太陽電池パネルを形成していた。

これに対して、本実施形態の太陽電池セル１０では、図２に示すように、分割線６の位置に発電層１の表面にまで達しない溝７を設けることにより、発電層１を複数の等容積の領域１ａに区画し且つ物理的に分離することを特徴としている。溝７は、太陽電池セル表面（受光面）から少なくとも発電層１の層厚の４分の１程度を残して形成される。隣接する領域１ａ、１ａを完全に分離するためには、溝７は発電層１の表面近くまで形成することが望ましいが、太陽電池セル１０全体の機械的強度を確保するために、ある程度の非分割領域、例えば発電層１の層厚の４分の１程度、を残す必要がある。

図示の実施形態では、例えば全体が１５６ｍｍ×１５６ｍｍのサイズを有する太陽電池セルにおいて、発電層１の厚み（Ｔ）が１５０μｍの場合、溝７の裏面からの深さ（ｔ）を約１００μｍ、幅（ｗ）を約１μｍとしている。

図２において、８はＡｌ等を材料とする配線層であって、発電層１の各領域１ａを直列接続する為に、隣接する領域１ａ、１ａ間の正電極４及び負電極５を直列に接続するように設けられている。９は、他の太陽電池セルまたは機器との接続のための取出し電極である。正電極４、負電極５、配線層８及び取出し電極９は、例えばＡｌを材料として形成される。

溝７は、図１の状態の太陽電池セル１０に対して、裏面側（受光面と反対側）から、例えばドライエッチングを行うことによって容易に形成することができる。エッチングパターンの形成には、例えばリソグラフィー工程が利用可能である。なお、溝７の底と発電層１の受光面との間の、分割されずに残った領域（非分割領域）は、１つの単結晶であることが望ましいが、多結晶状態で繋がっていても良い。

図３に、本実施形態に係る太陽電池セル１０を裏面側から見た平面図を示すが、ここでは正、負の電極４、５、配線層８、取出し電極９を省略して示している。図３に示すように、本実施形態の太陽電池セル１０では、一対のｐ⁺拡散層２とｎ⁺型拡散層３とを有する複数の領域１ａが、溝７によって区画されている。溝７は、図示するように太陽電池セル１０の横幅を横断して形成されており、また、縦幅に対して５本がそれぞれ平行に形成されている。そのため、太陽電池セル１０は、ほぼ２５ｍｍ×１５６ｍｍのサイズの６個の領域に分割される。

図３には示されていないが、溝７を介して隣接するｐ⁺拡散層２とｎ⁺拡散層３とを配線８（図２参照）によって接続することにより、１個の太陽電池セル１０内で６個の領域１ａが直列接続され、その結果、例えば、０．７×６＝４．２Ｖの出力を得ることができる。このように、本実施形態の太陽電池セルでは、セルを物理的に切断して分割することなく、セル一枚の大きさで、高い電圧出力を得ることができる。

なお、図２は図３のＸ−Ｘ線上の断面に相当する。また、一般に発電層１の表面（受光面）上にはパッシベーション層、反射防止層等が設けられる場合もあるが、本発明の構成を説明する上で直接の関連はないので、ここでは省略している。

図４は、本発明の第１の実施形態の変形例を示す概略図である。この太陽電池セル２０は、太陽電池セルを縦、横の複数の溝７によって等面積に分割した例である。溝７によって分割された隣接する領域１ｂ、１ｂ間で、ｐ⁺拡散層２とｎ⁺拡散層３とが直列に接続されるように配線すれば、接続された領域の個数に応じた高電圧出力を形成することができる。なお、溝７の形成パターンは種々のものがあり、図３及び４に示すものに限定されない。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る太陽電池セルでは、従来装置とは異なって１個のセルを複数の小型セルに物理的に分割することなく、高電圧出力を達成しているので、受光ロスを生じることなく、太陽エネルギーを有効利用することができる。更に、複数の小型セルを物理的に配置して高電圧出力のパネルを形成する必要がないため、配置ズレによる見た目の悪化なども発生しない。

［第２の実施形態］
図２に示す本発明の第１の実施形態に係る太陽電池セルでは、隣接する領域１ａ、１ａ（或いは１ｂ、１ｂ）間が溝７によって分離されているが、溝７の底と発電層１の受光面との間で非分割領域が残り、電気的に接続されている。そのため、わずかではあるがこの非分割領域を通してキャリアが隣接の領域間を移動する。本発明の隣接する領域１ａ、１ａは直列に接続されているため、電流（キャリア）のバランスが各領域で一定でないと、各領域の中で一番小さな電流の影響を受け、結果として全体の発電量が低下する。第２の実施形態に係る太陽電池セルは、この点を考慮してなされたもので、隣接領域間のキャリア移動を制限する機構を設けたことを特徴とする。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る太陽電池セルの断面図である。本実施形態の太陽電池セル３０は、図示するように、隣接する領域間の非分割領域にｎ型またはｐ型の不純物の高濃度ドープ層１２を設けることによって隣接する領域間でのキャリア移動を抑え、発電量の低下を防止している。高濃度ドープ層１２の深さは、溝７の底面に達する程度であり、またその幅は溝７の幅以下であることが望ましい。ドープ濃度は、高濃度ドープ層１２の導電型が発電層１と同じである場合には発電層１よりも高い値とし、高濃度ドープ層１２の導電型が発電層１の逆である場合は、ある程度以上、例えば、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上とすれば良い。

また、高濃度ドープ層１２は、図６に示すように、１組のｐ型領域１２ａ、ｎ型領域１２ｂを持つように形成しても良い。更に、太陽電池セル３０の全ての溝７に対応して高濃度ドープ層１２を設けることが望ましいが、１つ以上の高濃度ドープ層１２が存在すれば隣接する領域１ａ、１ａ間においてキャリア移動を抑制する効果が発生する。

なお、図５の構造において、高濃度ドープ層１２を設ける代わりに、低キャリア濃度層（ｉ層）を設けるようにしても良い。低キャリア濃度層は、発電層１のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する。キャリア濃度が低ければ低いほどその部分の抵抗値が高くなり、キャリア移動の防止効果が増大する。低キャリア濃度層の深さ、幅等は、図５の高濃度ドープ層１２と同程度である。

高濃度ドープ層１２または低キャリア濃度層を有する太陽電池セル３０は、例えば、発電層１の表面と裏面側に、保護層としてのＳｉＯ₂層をプラズマＣＶＤによって形成し、高濃度ドープ層１２等を形成する部分のＳｉＯ₂層を、フォトリソグラフィー工程等を利用してエッチングパターンを形成し、その後、ｎ型またはｐ型のドーパントガスを充満させた密閉容器内でこれを加熱することによって形成される。ドーパントガスは、形成する層がｎ型の場合はフォスフィン、ｐ型の場合はジボラン等を利用する。ドーピング濃度と拡散深さは、加熱温度とガス濃度を制御することで所望の値とすることができる。低キャリア濃度層を形成する場合は、発電層とは逆の極性を有するドーピングガスを利用する。高濃度ドープ層１２または低キャリア濃度層の形成は、溝７を形成する前でも良く、或いは溝７を形成した後でも良い。

図７は、第２の実施形態の変形例を示す図である。この太陽電池セル３０’では、溝７によって分割された領域１ａにおいて、隣り合う領域の表面部分にｐ⁺型拡散層１３ａ、ｎ⁺型拡散層１３ｂを設けている。ｐ⁺型拡散層１３ａ、ｎ⁺型拡散層１３ｂの深さは、隣り合った領域１ａが繋がった部分（非分割領域）の深さと同程度となっている。この太陽電池セル３０’では、非分割領域においてエネルギー障壁が形成されて、隣接する領域間でのキャリア移動が防止されるので、発電量の低下が防止される。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る太陽電池セル４０の断面図である。本実施形態の太陽電池セル４０は、例えば図５に示す太陽電池セル３０に対して、溝７の表面に絶縁膜７ａを形成したことを特徴としている。絶縁膜７ａは、例えばボロンまたはリンを含有したガラス、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、樹脂等を材料としている。

図９は、例えば図２等に示す太陽電池セル１０を車両のルーフ上に設置した場合を示している。車両のルーフは平面ではなく曲面を形成しているので、その上に設置する為に太陽電池セル１０をルーフ形状に成形すると、表面側よりも裏面側での変形量が大きく、裏面側で隣り合う領域１ａ同士が接触してしまう事がある。裏面電極型太陽電池では主に裏面付近において発電が起こるため、裏面付近で隣り合う領域同士が接触すると短絡状態が発生し、その結果発電量が大幅に低下し、或いは完全に発電しなくなる。図８に示す実施形態の太陽電池セル４０では、このような事態を防止する為に、溝７の表面に絶縁膜７ａを形成している。

絶縁膜７ａは、例えば以下の方法によって形成することが可能である。即ち、絶縁膜７ａがボロンまたはリンを含有したガラスの場合は、液体の固層拡散源を溝７の表面に塗布し、熱処理によって有機バインダーを蒸発させて除去することにより、ガラス層を形成する。また、絶縁膜７ａがＳｉＯ₂である場合は、エッチング面を水蒸気雰囲気中で加熱処理することにより、溝７の表面にＳｉＯ₂膜を形成する。絶縁膜７ａがＳｉＮ_xの場合は、プラズマＣＶＤによりエッチング面上にＳｉＮ_xを堆積させて形成する。絶縁膜７ａが樹脂膜の場合は、有機溶媒に溶解した樹脂をエッチング面に塗布したのちこれを加熱して有機溶媒を蒸発除去し、溝７の表面に樹脂層を形成する。

なお、図８に示す実施形態では、溝７と発電層１の表面との間に高濃度ドープ層１２を設けているが、溝７の表面に絶縁膜を形成する本実施形態は、例えば他の図面に示した、本発明に係る太陽電池セルの何れにも適用可能であることは勿論である。

また、上記各実施形態では、太陽電池セルを構成する発電層の材料としてＳｉを用いた例を示したが、Ｇｅ、Ｃ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ等によっても本発明を同様に実施できる。

さらに、上記各実施形態は、１個の太陽電池セルに対して複数個の溝７を設けているが、本発明は１個の太陽電池セルに対して１個の溝を設けることによっても実施可能である。例えば、セルの縦方向或いは横方向の中心に１個の溝７を形成することによって、通常の太陽電池セルの２倍の出力電圧を有する装置を構成することができる。従って、本発明は、溝７が１個の場合にも適用可能である。

１ 発電層
２ ｐ⁺拡散層
３ ｎ⁺拡散層
４ 正電極
５ 負電極
７ 溝
７ａ 絶縁膜
８ 配線層
１０ 太陽電池セル
１２ 高濃度ドープ層

Claims (7)

1. 発電層を形成するｐ型またはｎ型の単結晶半導体基板と、
   前記半導体基板の受光面と対向する裏面に接して前記半導体基板内に設けられた複数の正孔収集層、電子収集層及び溝と、
   隣接する前記溝の間に前記正孔収集層と前記電子収集層が設けられ、かつ、前記溝を挟んで前記正孔収集層と前記電子収集層が設けられており、
   前記溝を挟む前記正孔収集層及び前記電子収集層とを接続する配線層とを備え、
   前記溝は、前記裏面側から前記半導体基板内に向かって形成されている、太陽電池セル。
2. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の受光面と前記溝の底との間に前記発電層の導電型に応じて、ドープ濃度が所定以上である高濃度ドープ層が形成されている、太陽電池セル。
3. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の受光面と前記溝の底との間に前記発電層のキャリア濃度より低いキャリア濃度である低キャリア濃度層が形成されている、太陽電池セル。
4. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記半導体基板の受光面側には、前記隣接する溝間で導電型の異なる拡散層が形成されている、太陽電池セル。
5. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記溝の表面には絶縁膜が形成されている、太陽電池セル。
6. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記溝は、前記半導体基板の厚さの４分の３以下の深さに形成される、太陽電池セル。
7. 請求項１に記載の太陽電池セルにおいて、前記半導体基板は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣを材料として形成される、太陽電池セル。

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