JP2808004B2 - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は太陽電池に関し、特に短波長光吸収の大きい
太陽電池に関する。
(従来の技術及びその問題点) 従来、第4図に示すように、多結晶シリコンや単結晶
シリコンからなるP型基板11内に、N型拡散層13を形成
して基板11の表面側に格子状電極14と基板11の裏面側に
全面電極15を形成した太陽電池がある(例えば特開昭59
−79580号公報参照)。
上記のような太陽電池における拡散層13は、リン等の
不純物を拡散させてN型にしているが、この表面不純物
濃度は通常2×1020/cm3以上であり、キャリアを有効に
取り出すことができず、大きな変換効率を得ることが出
来なかった。
即ち、地表での太陽光は、0.4〜0.7μmの波長範囲で
エネルギー強度が強く、そのピークは0.5μm付近とな
っている。
一方、半導体結晶への光吸収は、I(hν)=Io(h
ν)exp[−α(hν)χ]で表され(α(hν):あ
る波長λの光を吸収する能力を示す吸収係数、Io(h
ν):入射光の強度、I(hν):伝搬路にそっての距
離χでの強度)、半導体結晶の表面から1/αの距離で光
強度が1/eに減少する。
例えば、第5図に示すシリコンの光吸収係数α(h
ν)から、波長λ=0.5μmの光は厚さ約0.8μm部分
で、また波長λ=0.6μmの光は厚さ約2μm部分でほ
とんど吸収されることがわかる。この表面近傍で多量に
生成するキャリアを有効に取り出して変換効率を高める
ためには、電子・正孔を速やかに分離する電界をこの近
傍に形成してやる必要がある。
このような内蔵電界を形成するためにN型層内の不純
物濃度が表面濃度1021/cm3となるようにリン拡散を行っ
た場合、太陽電池の分光感度は、第7図実線に示すよう
に、太陽エネルギー強度の大きい波長0.4〜0.7μm付近
の分光感度が低くなってしまう。
これを改善するために第6図点線で示すように、表面
濃度を5×1020/cm3まで減らした拡散を行うと、第7図
点線で示すように、短波長光の分光感度は若干改善する
が、反対にシート抵抗が高くなって直列抵抗が大きくな
るために曲線因子FFに影響を及ぼしたり、N型層内の内
蔵電界はむしろ小さくなって分光感度は依然として改善
されない。
一方、第8図に示すように、従来から、P型基板表面
に酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(Si3N4)等の
絶縁膜17を形成し、この絶縁膜17中や絶縁膜17とシリコ
ン層16の界面近傍に形成される将の固定電荷によって誘
起されるN型逆転層を利用した誘起接合型太陽電池も提
案されている(例えば特開昭55−59784号公報参照)。
尚、第8図中、18は表面電極、19は裏面電極である。
この太陽電池では、絶縁膜とシリコンの界面直下に大
きな電界が形成されるために、短波長に対する感度は優
れているが、界面準位の影響を受けやすく、紫外線の吸
収などで絶縁膜とシリコン界面に界面準位が形成される
など不安定要素が多い。また、上述の接合型太陽電池に
比べて、N型逆転層の抵抗が高くなるために、変換効率
を小さくしないようにするためには、電極間ピッチを狭
くする必要があり、結果的に電極面積の増大をもたらし
てしまう。
(発明の目的) 本発明は、このような背景のもとに案出されたもので
あり、太陽電池の光入射側表面近傍の及びN型層内の電
界分布を改善することにより、短波長光吸収が大きく変
換効率の高い太陽電池を提供することを目的とするもの
である。
(問題点を解決するための手段) 本発明に係わる太陽電池によれば、P型シリコン基板
の表面側にN型拡散層を形成して該基板のの表裏面に直
接接するように集電電極を形成してなる太陽電池におい
て、前記N型拡散層の表面不純物濃度を2×1020/cm3
下にすると共にシート抵抗を50〜300Ω/□にし、且つ
前記電極部以外のN型拡散層表面にシリコン化合物から
なる3×1012/cm2以上の正の固定電荷を持つ絶縁膜を形
成することにより、上記目的を達成するものである。
(実施例) 以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
第1図は、本発明に係わる太陽電池の一実施例を示す
概略構成図であり、1はボロン等を不純物として含むP
型シリコン基板、3はシリコン基板1内にリン等を拡散
して形成したN型拡散層、4、5はシリコン基板1の表
裏面に形成した集電電極、6は絶縁膜である。
前記シリコン基板1は、シリコンの微粉末にP型領域
を形成するボロンなどをあらかじめ混合してキャスティ
ングによって得られたインゴットを所定の大きさに設定
して切り出し、この基板の一主面から熱拡散法又はイオ
ン注入法によってN型領域3を形成するリンなどを所定
深さまで拡散させることにより得られ、裏面側にアルミ
ニュウム(Al)などを拡散したP+層2を形成した後、表
裏面に真空蒸着又はスクリーン印刷法でアルミニュウム
や銀等からなる集電電極4、5を形成して、表面側の電
極部分以外の部分に絶縁膜6を形成して得られる。
前記シリコン基板1のN型拡散領域3は、リンなどが
表面不純物濃度2×1020/cm3以下、望ましくは2×1019
/cm3程度拡散され、このN型拡散領域3のシート抵抗が
50〜300Ω/□、望まくは150Ω/□程度に形成される。
このように、リンなどを不純物濃度2×1020/cm3
下、望ましくは2×1019/cm3程度拡散し、シート抵抗が
50〜300Ω/□、望ましくは150Ω/□程度に形成する
と、第2図に示すように、オージェ再結合によるτpの
低下が防止されると共に、第3図に示すように、禁制帯
幅を広くとることができ、且つ不純物原子半径とシリコ
ン原子半径の相違に基づく転位を防止でき、更にリン等
の不純物を完全にシリコン内に固溶させてドナーとして
有効に働かせることができる。尚、第2図は、少数キャ
リアのライフタイムτpとドナー不純物濃度NDとの関係
を示す図、第3図はバンド幅減少に及ぼす不純物濃度影
響を示す図である。
前記N型拡散層の表面不純物濃度が2×1020/cm3以上
の場合は、シリコンに対するリンの固溶限界以上となっ
てリンが析出しドナーとして有効に働かないばかりでな
く、シリコン結晶の性質を悪くしてしまう。
前記N型拡散層のシート抵抗が50Ω/□以下の場合は
短絡電流が小さくなり、300Ω/□以上の場合は曲線因
子FFが低くなる。
前記シリコン基板1には、格子状の集電電極4、5が
所定間隔置きに複数本、表裏面側に対応して形成されて
いる。
前記シリコン基板1のN型拡散層側の表面で集電電極
4が形成されていない部分には、シリコン化合物等から
なる3×1012/cm2以上の正の固定電荷を持つ絶縁膜6が
形成される。この絶縁膜6は、例えば酸化シリコン(Si
O2)、窒化シリコン(Si3N4)などのシリコン化合物な
どからなる2層構造や、窒化シリコン(Si3N4)などの
シリコン化合物で形成される。
このように、N型拡散層の表面にシリコン化合物など
からなる固定電荷を多量に持つような絶縁膜6を形成す
ると、光入射側表面近傍に強電界が形成されてN型拡散
層のシート抵抗は、絶縁膜中の固定電荷によって誘起さ
れるN型蓄積層のために実質的に20〜40Ω/□のN型層
と同様となり、この部分の直列抵抗によるFF低下は無視
できる。よって、主に波長λ≦0.7μmの短波長分光感
度の向上により、電流密度JSCは10〜15%アップし、開
放電圧VOCもアップする。また、FFは変化しないために
キャストポリシリコン基板を用いても、光電変換効率η
=17.5〜18.5%が得られる。
前記絶縁膜6の正の固定電荷量が3×1012/cm2以下の
場合は、光入射側表面近傍に強電界を形成することがで
きず、キャリアを有効に取り出すことができない。
この絶縁膜6を例えば酸化シリコン(SiO2)、窒化シ
リコン(Si3N4)などのシリコン化合物からなる2層構
造に形成する場合は、700〜900℃の温度による低温熱酸
化、又はO2、N2O、CO2ガスのプラズマ処理によりSiO2
を50〜80Å成膜し、次にNH3又はN2ガスとSiH4ガスを用
いてプラズマCVD法によってSi3N4を650〜850Å成膜する
ことにより形成される。また、絶縁膜6を例えば窒化シ
リコン(Si3N4)などのシリコン化合物からなる構造に
形成する場合は、プラズマCVD法によってSi3N4膜を700
〜900Å成膜することにより形成される。
前記絶縁膜6中の固定電荷量は、上述のようにいわゆ
る水素アニール後のQSS/q(表面電荷密度/電気素量)
≧3×1012/cm2が好適であるが、このように絶縁膜6中
の固定電荷量を増加させるためには、Si3N4膜をプラズ
マCVD法によって形成する際に、NH3/SiH4またはN2/SiH4
を例えばH2/SiH4=5〜20となるようにH2、He、Arなど
で適当に希釈して、NH3/SiH4又はN2/SiH4のNH3(N2)と
SiH4の比を例えばNH3(N2)/SiH4≧30のように大きくし
て、RFパワーを例えば0.3w/cm2以上で成膜すれば良い。
また、Na、K、Cs、Caなどの塩化物をアルコールに溶
かし、スピンコート法等で、シリコン基板1または酸化
シリコン膜の表面にのみ塗布してプラズマCVD法で窒化
シリコン膜を成膜し、固定電荷源原子が絶縁膜6中に分
布するようにアニーリングして形成してもよい。
(発明の効果) 以上のように、本発明に係わる太陽電池によれば、PN
接合型太陽電池におけるN型拡散層の表面不純物濃度を
2×1020/cm3以下にすると共にシート抵抗を50〜300Ω
/□にし、且つ前記電極部以外のN型拡散層表面にシリ
コン化合物からなる3×1012以上の固定電荷を持つ絶縁
膜を形成したことから、短波長光吸収が大きく変換効率
の高い太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係わる太陽電池の一実施例を示す概略
構成図、第2図は少数キャリヤのライフタイムと不純物
濃度との関係を示す図、第3図はバンド幅減少に及ぼす
不純物濃度の影響を示す図、第4図は従来の太陽電池の
構造を示す一部破断面図、第5図は光吸収係数の波長依
存性を示す図、第6図は不純物濃度プロファイルを示す
図、第7図はキャストポリシリコン基板を用いた接合型
太陽電池の分光感度を示す図、第8図は誘起接合型太陽
電池の構造を示す一部破断面図である。 1……P型シリコン基板、2……N型拡散層 4、5……集電電極、6……絶縁膜
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−59784(JP,A) 特開 昭61−2374(JP,A) 特開 昭62−205667(JP,A) 特開 昭64−41277(JP,A) 特開 昭64−89569(JP,A) 特開 平2−143569(JP,A) 特表 昭63−501668(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/04

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】P型シリコン基板の表面側にN型拡散層を
    形成して該基板の表裏面に直接接するように集電電極を
    形成してなる太陽電池において、前記N型拡散層の表面
    不純物濃度を2×1020/cm3以下にすると共に、シート抵
    抗を50〜300Ω/□にし、且つ前記電極部以外のN型拡
    散層表面にシリコン化合物からなる3×1012/cm2以上の
    正の固定電荷を持つ絶縁膜を形成したことを特徴とする
    太陽電池。
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