JP3299677B2 - 太陽電池セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば太陽電池
モジュールに影が生じた場合に発生する逆バイアス電圧
から太陽電池セルを保護するバイパスダイオードの機能
を付加したバイアス機能付太陽電池セルに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】複数の太陽電池セルを、直列・並列に組
合せて所定の出力電圧および出力電流を得る太陽電池モ
ジュールは、その一部のセルに影が生じた場合、他のセ
ルが発生する電圧が逆方向に印加される。この逆方向に
印加された逆バイアス電圧により、影を生じたセルの逆
耐電圧を超えると、当該セルがブレークダウンを生じ多
量の電流が流れるので、当該セルの短絡破壊に至る可能
性がある。この結果太陽電池モジュール全体の出力特性
が低下する。

【０００３】宇宙用太陽電池モジュールの場合では、衛
星の姿勢制御中に、衛星本体の一部あるいはアンテナ等
構造物の影が、太陽電池モジュール上に生ずることがあ
り得る。地上用の場合では、たとえば隣接した建築物の
影が生じたり、飛来した鳥類が糞を付着させ、影を生じ
ることがある。

【０００４】その一例として、太陽電池セルの一連の並
列接続からなる太陽電池モジュールの一部のサブモジュ
ールの上に影が生じた場合について考える。

【０００５】図８（ａ）において、太陽電池モジュール
Ｍの両端がほぼ短絡状態となるシャントモードでは、影
になったサブモジュール１１には、影の生じていない他
のグループのサブモジュール群１２が発生した電圧Ｖ₁₂
が逆バイアス電圧として印加される。サブモジュール１
１の電圧をＶ₁₁とすると、Ｖ₁₁＝−Ｖ₁₂となる。

【０００６】また、図８（ｂ）に示されるように、太陽
電池モジュールＭに外部電源Ｖ_B が接続されている場合
では、Ｖ₁₁＝Ｖ_B −Ｖ₁₂となる。

【０００７】すなわち、影になったサブモジュール１１
のＮ電極には正の電圧が印加され、その逆バイアス電圧
がサブモジュール１１を構成する太陽電池セルの逆耐電
圧以上であると、その太陽電池セルはブレークダウンを
生じ、その結果短絡破壊に至る可能性があり、影の生じ
たサブモジュール１１、さらに全体の太陽電池モジュー
ルＭの出力特性が劣化する。

【０００８】この逆バイアス電圧による事故を防止する
ために、個々の太陽電池セルごとや特定のモジュール単
位ごとに、バイパスダイオードを取付けたり、あるいは
太陽電池セルにバイパスダイオードを集積した、いわゆ
るダイオードインテグレーテッド太陽電池セルが使用さ
れている。

【０００９】その他にバイパスダイオードの機能を付加
した太陽電池セルがある。次に、従来のバイパスダイオ
ードの機能を付加した太陽電池セルの構成例を図面を参
照して説明する。

【００１０】図９は、バイパスダイオードの機能を付加
した高効率太陽電池セルの構造を示す斜視図であって、
いずれも表面にテクスチャといわれる反射を防止する無
反射表面形状が設けられてある。

【００１１】同図（ａ）は裏面に部分的なＢＳＦ層を有
する、部分ＢＳＦ型太陽電池に対するものであり、同図
（ｂ）は裏面全面にＢＳＦ層を有する、全面ＢＳＦ型太
陽電池である。

【００１２】同図（ａ）および（ｂ）双方に共通した部
分について説明する。太陽電池セルは、第１の導電型た
とえばＰ型シリコン基板１と、基板１の受光面に形成し
た第２の導電型たとえばＮ型領域２と、基板１の下面に
形成したＢＳＦ効果のためのＰ⁺ 型領域３と、基板１の
受光面の一部に設けられたバイパス用の島状のＰ⁺ 型領
域４とＮ型領域２の表面に設けたＮ電極７と、図示され
ないＮ電極接続部を除いたＮ型領域２のほぼ全面を覆う
反射防止膜８と、Ｐ⁺ 型領域３の下面ほぼ全面を覆うＰ
電極６等によって構成されている。受光面にはたとえば
逆ピラミッド状の多数の凹凸を有する無反射表面形状１
３が設けられており反射を防止している。（ａ）は部分
ＢＳＦ型であるから、Ｐ⁺ 型領域３は部分的に設けられ
ており、（ｂ）は全面ＢＳＦ型であるから、裏面全面に
Ｐ⁺ 型領域３が形成されている。９は表面に形成された
酸化膜である。５は裏面に形成した酸化膜である。

【００１３】このようなバイパス機能を持たせるための
構造の形成は、図１０（ａ）〜（ｅ）の工程順断面図に
示すような工程によって製造される。

【００１４】まず、受光面側にテクスチャ形状１３を形
成した図１０（ａ）に示されるようなＰ型シリコン基板
１の表面に熱酸化等の方法により、酸化膜９を形成する
と、図１０（ｂ）のようになる。

【００１５】次いで図１０（ｃ）に示すように、裏面の
酸化膜９を除去し、表面の酸化膜９に開口１４，１４…
をフォトリソグラフィー等により設ける。これらの開口
１４，１４…は、後で形成される島状のＰ⁺ 型領域４，
４…に対応するものである。このウェーハにたとえば、
不純物濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3程度のＰ⁺ 型不純物を拡
散する。

【００１６】その後、表面および側面の酸化膜９を除去
すると、図１０（ｄ）に示すようなウェーハが得られ
る。このウェーハは、その表面にたとえばボロン拡散に
より複数個の島状のＰ⁺ 型領域４，４…が形成され、全
面ＢＳＦ型の場合は、裏面には全面にわたりＰ⁺ 型領域
３が形成されている。

【００１７】次いで図１０（ｅ）に示すように、表面お
よび側面にＮ型領域２を熱拡散等により形成する。島状
のＰ⁺ 型領域４，４…は表面に残っているボロンガラス
により保護されるので、Ｎ型領域２の中にも島を形成す
る。この島状のＰ⁺ 型領域４は、たとえば図１１に示さ
れるようにテクスチャ形状１３の表面の円形の領域１０
内に形成される。その後電極，反射膜等を形成する。

【００１８】このような太陽電池を図８（ａ）に示すよ
うに、多数直列および並列に接続し、所望の電圧および
電流となるようにしたものを、通常太陽電池モジュール
Ｍとして使用する。

【００１９】上記構成の太陽電池セルに逆バイアス電圧
が印加されると、受光面側の第２の導電型（たとえばＮ
型）の領域と、この第２の導電型の領域に接して形成さ
れた高濃度の第１の導電型（たとえばＰ型）の領域とに
よるＰ⁺ Ｎ接合部が逆バイアスされる。この部分は、第
１の導電型の基板と第２の導電型の拡散層から形成され
るＰＮ接合より、ツェナー降下によってブレークダウン
が発生しやすい。

【００２０】比較的小さな逆バイアス電圧印加の状態に
おいて、この領域で逆方向電流を生じさせ、さらに逆バ
イアス電圧が高くなると、ツェナー降伏に至らしめるこ
とによって、太陽電池本体に逆バイアス電圧が印加され
ることを防止することができる。

【００２１】以上を等価回路で説明すると、図１２に示
すようにＮＰ接合からなる太陽電池にＮＰ⁺ ダイオード
が並列に接続された構造になる。逆バイアスが印加され
ると、逆方向の漏れ電流が大きいＮＰ⁺ ダイオードに電
流が流れるので、ＮＰ太陽電池はブレークダウンから保
護される。

【００２２】島状のＰ⁺ 型領域４，４…は、Ｐ型シリコ
ン基板１よりは不純物濃度を高くして、島状のＰ⁺ 型領
域４とＮ型領域２との間で形成されるＰＮ接合によっ
て、ツェナー降下によるブレークダウンが発生するよう
な構造となっている。Ｐ⁺ 型領域４の不純物濃度は、ツ
ェナー降下を発生するためには、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上
とすればよい。

【００２３】島状のＰ⁺ 型領域４，４…の合計面積が大
きくなると、太陽電池セルの出力が低下するので、ツェ
ナーブレークダウンが発生し、しかも太陽電池セルが破
損しない範囲内で、Ｐ⁺ 型領域４，４…の合計面積は、
できるだけ小さくするように設計する必要がある。

【００２４】なお、表面が平坦な太陽電池セルに島状の
バイパス用の領域を設けたものについては、平成３年１
０月１７日、本出願人の出願に係る特願平３−２６９５
６８号がある。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来型
のテクスチャ形状を有するバイパス機能付高効率太陽電
池セルでは、バイパス機能を持たせるための製造工程に
おいてフォトリソグラフィーを行なうときに次のような
問題点を有していた。

【００２６】図１１に示すように、テクスチャ構造１３
の表面に島状のＰ⁺ 型領域４を形成していたから、図１
３（ａ）に示すように、太陽電池セルは電極部分を除く
受光面部が無反射表面であるテクスチャ形状であるた
め、凹凸を有する表面にレジスト１７を塗布する際に、
凸部の先端までレジストを一様に塗布することが困難で
あり、また一様に塗布できた場合でもレジスト表面には
若干の凹凸が存在してしまう。

【００２７】露光時にはガラスマスク１５からウェーハ
表面までの距離Ｌが一定でないため、レジストの厚さも
一様ではなく、露光しすぎる部分もしくは露光不足な部
分が生じてしまう。

【００２８】図１４（ａ）に示すようにテクスチャから
の反射光によりガラスマスクパターン１６の下も露光さ
れてしまう場合がある。レジストの膜厚が厚くなること
から、レジストを乾燥するためのベーク時間や露光時間
および現像時間が長くなり、生産性が低下する。

【００２９】テクスチャ面上は平坦な面上に比べ、レジ
ストの密着性が悪く、パターンの形成精度が悪い。

【００３０】バイパス機能を持たせるためのフォトリソ
グラフィーは、上記に示すようにテクスチャ構造の上に
パターンを形成せねばならないため、不安定な工程であ
り、生産性も悪かった。以上の問題に鑑み、本発明の目
的は、前述のレジストの塗布性、密着性、および露光条
件の不安定性を解決し、パターンを設計通りに形成する
ための太陽電池セルの構造を提供することである。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の太陽電池は、受
光面側に無反射表面形状と平坦部とを有するＰ型または
Ｎ型から選ばれた第１の導電型の基板と、基板の受光面
側に形成されたＮ型またはＰ型から選ばれた第２の導電
型の領域と、第２の導電型の領域に形成した電極と、前
記基板および第２の導電型の領域の双方に接しかつ前記
電極と接触しないように配置された基板より高濃度の領
域によって構成されており、この領域は基板受光面側の
平坦部に設けられている。

【００３２】平坦部の周辺の無反射表面形状は、そのさ
らに外周の無反射表面形状よりピッチが微細にされる。

【００３３】無反射表面形状は多数の凹凸面により構成
され、その断面は正方形を含む任意の形状とされる。平
坦部の周辺の場所によって、ピッチおよび形状を変更す
ることができる。

【００３４】以上のようにバイパス機能を持たせるため
のパターン形成を行なう部分を平坦部にすることによ
り、従来の工程と比べレジストの塗布性、密着性および
露光条件の不安定性を解決でき、パターンを設計通り形
成することが可能なため、従来型のバイパス機能付高効
率太陽電池セルと比べ、デバイスの特性の信頼性の向上
が期待でき、また生産性の向上も期待できる。

【００３５】図１３（ｂ）に示すように、バイパス機能
を持たせるためのパターン形成を行なうウェーハ表面の
部分が平坦部２２になっているから、ガラスマスク１５
から平坦部２２までの距離Ｌは一定になる。

【００３６】図１４（ｂ）に示すように、ガラスマスク
パターン１６下方の露光される部分はテクスチャから離
れた平坦部２２の上になっているから反射光により露光
されることはない。そして、前述のその他の欠点も除か
れる。

【００３７】図１３および図１４はネガ型レジストおよ
びそのレジストに対応するガラスマスクを用いた時の一
例であるが、レジストがポジ型であっても、露光した際
にレジストが残る部分と除去される部分が逆になるだけ
であるから、レジストの種類は限定されない。

【００３８】また、ピッチが異なる微細な無反射表面形
状や正方形ではない無反射表面形状をバイパス機能を持
たせるためのパターン近くまで形成することにより、平
坦部が増加したことによる出力の低下ならびに反射率の
増加を低減することができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】図１（ａ）および（ｂ）は本発明
に係るバイパス機能付高効率太陽電池セルの実施の形態
の例の斜視図であり、それぞれ図９（ａ）および（ｂ）
に対応する。（ａ）は部分ＢＳＦ型であり、（ｂ）は全
面ＢＳＦ型である。図２は本発明に係るバイパスダイオ
ードの機能を付加するための導電型領域を設ける部分の
拡大図である。バイパスダイオード機能を付加するため
の導電型領域１０がテクスチャ構造１３の中の平坦部２
２に形成されている。

【００４０】以下の説明において図９および図１０に示
される従来と同一の部分は同一の符号で表示されてい
る。この実施の形態による太陽電池が従来のものと異な
るところは、図１に示されるように受光面側に設けられ
た島状のＰ⁺ 型領域４がテクスチャ構造の上には存在せ
ず、平坦部２２の上に形成されているところである。

【００４１】図３（ａ）〜（ｅ）は本発明に係るバイパ
ス機能付高効率太陽電池セルの製造工程を工程順断面図
として示したものである。図３は図１０と比較して、バ
イパスダイオードの機能を付加するための導電型領域を
平坦部に設けることが変更されただけであるので、製造
工程および工程順序は従来品と同様である。しかしなが
ら、図３の中には現れないが、前述のとおり、本発明の
ように導電型領域を平坦部に設けることにより、レジス
トの塗布量が低減でき、塗布時間、ベーク時間、露光時
間および現像時間等が短縮でき生産性が向上する。

【００４２】図３（ａ）において、図１０（ａ）と異な
るところは、Ｐ型シリコン基板１の受光面にテクスチャ
形状１３を形成するとき、島状のＰ⁺ 型領域を形成する
予定領域に平坦部２２を形成することである。

【００４３】図３（ｂ）は、上述のＰ型シリコン基板１
の表面に酸化膜９を形成した状態である。

【００４４】図３（ｃ）は、裏面の酸化膜９を除去し、
表面の酸化膜９に開口１４，１４を、フォトリソグラフ
ィー等により平坦部２２，２２の部分に設ける。

【００４５】図３（ｄ）は前記のＰ型シリコン基板１の
表面および裏面に不純物濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3程度の
Ｐ⁺ 型不純物を拡散し、表面および側面の酸化膜９を除
いた状態である。表面の平坦部には島状のＰ⁺ 型領域
４，４が形成され、裏面には全面ＢＳＦの場合には、全
面にわたりＰ⁺ 型領域３が形成されている。

【００４６】図３（ｅ）に示すように表面および側面に
Ｎ型領域２を、たとえば熱拡散により形成する。島状の
Ｐ⁺ 型領域４，４は表面に残っているボロンガラスによ
り保護されるので、Ｎ型領域２の中にも島を形成する。
電極および反射防止膜の形成等については省略する。

【００４７】図１３（ｂ）に示すように、平坦部はレジ
ストを一様に塗布することは容易であり、ガラスマスク
からウェーハ表面までの距離Ｌも一定なので露光も容易
に精度よくできる。

【００４８】さらに図１４（ｂ）に示すように、平坦部
は図１４（ａ）に示すようなテクスチャからの反射光が
ないためガラスマスクパターン部分の下が露光されるこ
とはない。

【００４９】前述の従来例および本発明の実施の形態に
おいては、バイパスダイオードの機能を付加するための
導電型領域の形状が円形のものについて図示したが、一
例として、図４および５に示すような導電型領域の形状
が円形以外のものについても本発明は有用である。図４
は、バイパスダイオード機能を付加するための導電型領
域１０が四辺形の場合であり、図５はそれが三角形の場
合である。

【００５０】以上のように、バイパスダイオードの機能
を付加するための導電型領域を平坦部に設けることによ
り、従来工程と比べレジストの塗布性、密着性および露
光条件の不安定性を解決でき、パターンを設計通り形成
することが可能なため、従来型のバイパス機能付高効率
太陽電池セルと比べ、デバイスの特性の信頼性の向上が
期待でき、また生産性の向上も期待できる。

【００５１】また、図６および図７に示すようなピッチ
が異なる微細な無反射表面形状や正方形ではない無反射
表面形状を、バイパス機能を持たせるためのパターン近
くまで形成することにより、平坦部が増加したことによ
る出力の低下ならびに反射率の増加を低減することがで
きる。バイパスダイオードの機能を付加するための導電
型の領域１０のその周辺部の平坦部をあまり広くするこ
とはできないので、平坦部に無反射表面形状を形成しよ
うとすると、そのピッチをその周辺の無反射表面形状よ
りも微細にする必要がある。

【００５２】説明の都合上、各例はＰ型シリコン基板を
用いた太陽電池について述べたが、Ｎ型シリコン基板も
しくはＧａＡｓ等シリコン単結晶以外の基板を用いた太
陽電池に対しても応用可能である。

【００５３】また、本発明は宇宙用太陽電池にも地上用
太陽電池にも適用可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、逆バイア
ス電圧によって短絡破壊が起こりにくい、従来品と比べ
信頼性の高い太陽電池を低コストで製造できる。特に、
保守の困難なたとえば、宇宙用の太陽電池アレイのよう
な場合、逆バイアス電圧に対する保護に著しい効果を発
揮し、ひいては、アレイ全体の信頼性を向上させる。ま
た、外付けバイパスダイオードを必要としないため、太
陽電池の製造コストを低下させる。

【００５５】さらに本発明によれば、バイパスダイオー
ドの機能を付加するための導電型領域を平坦部に設ける
ことにより、従来の工程と比べレジストの塗布性、密着
性および露光条件の不安定性を解決でき、パターンを設
計通り形成することが可能なため、従来型のバイパス機
能付高効率太陽電池セルと比べ、デバイスの特性の信頼
性の向上が期待でき、また生産性の向上も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の太陽電池セルの斜視図であって（ａ）
は部分ＢＳＦ型であり、（ｂ）は全面ＢＳＦ型である。

【図２】本発明のバイパスダイオード機能を付加するた
めの導電型領域の一例の拡大図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は本発明の製造工程の各断面図
である。

【図４】バイパスダイオード機能を付加するための導電
型領域の形状の一例の拡大図である。

【図５】バイパスダイオード機能を付加するための導電
型領域の形状のさらに他の一例である。

【図６】バイパスダイオード機能を付加するための導電
型領域の周辺の無反射表面形状の一例の拡大図である。

【図７】バイパスダイオード機能を付加するための導電
型領域の周辺の無反射表面形状の他の一例の拡大図であ
る。

【図８】（ａ）は太陽電池モジュールの構成の一例の配
線図であり、（ｂ）は太陽電池モジュールに外部電源が
接続されている場合の配線図である。

【図９】（ａ）は従来型の部分ＢＳＦ型太陽電池の斜視
図であり、（ｂ）は全面ＢＳＦ型太陽電池の斜視図であ
る。

【図１０】（ａ）〜（ｅ）は従来の太陽電池の製造工程
の断面図である。

【図１１】従来のバイパスダイオード機能を付加するた
めの導電型領域を設ける部分の拡大図の一例である。

【図１２】バイパス機能付太陽電池セルの等価回路図で
ある。

【図１３】（ａ）は従来のレジスト塗布の方法の断面図
であり、（ｂ）は本発明のレジスト塗布の方法の断面図
である。

【図１４】（ａ）は露光した場合の光路の説明図であ
り、（ａ）は従来例を示し（ｂ）は本発明を示す。

【符号の説明】

１ Ｐ型シリコン基板 ２ Ｎ型領域 ３ Ｐ⁺ 型領域 ４ Ｐ⁺ 型領域 ５ 酸化膜 ６ Ｐ電極 ７ Ｎ電極 ８ 反射防止膜 ９ 酸化膜 １３ 無反射表面形状（テクスチャ） １５ ガラスマスク １７ レジスト ２２ 平坦部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光面側に無反射表面形状と平坦部とを
   有する第１の導電型の基板と、前記基板の受光面側に形
   成された第２の導電型の領域と、第２の導電型の領域に
   形成した電極と、前記基板および第２の導電型の領域の
   双方に接しかつ前記電極と接触しないように配置された
   基板より高濃度の領域を有する太陽電池セルにおいて、 前記の基板より高濃度の領域は、前記基板受光面側の平
   坦部に設けられていることを特徴とする太陽電池セル。
2. 【請求項２】 平坦部の周辺の無反射表面形状は、その
   さらに外周の無反射表面形状よりピッチが微細にされて
   いることを特徴とする、請求項１記載の太陽電池セル。
3. 【請求項３】 無反射表面形状は多数の凹凸面により構
   成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池
   セル。