JP4679323B2

JP4679323B2 - 太陽電池素子

Info

Publication number: JP4679323B2
Application number: JP2005287909A
Authority: JP
Inventors: 友治勝
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007103434A

Description

本発明は太陽電池素子に関し、特に、半導体基板において太陽光線が入射する側とは反対側の主表面に集電のための電極を備えた太陽電池素子に関するものである。

太陽電池素子として、半導体基板の一方の主表面において、第１導電型領域と第２導電型領域がそれぞれ所定の領域に形成され、さらに、その第１導電型領域に接続される第１の電極と、第２導電型領域に接続される第２の電極とが形成された太陽電池素子がある。この種の太陽電池素子では、一方の主表面とは反対側の半導体基板の他方の主表面が受光面となって太陽光線が入射することになる。このため、第１の電極および第２の電極が形成される半導体基板の一方の主表面では太陽光線を入射させる必要がないため、第１の電極および第２の電極のそれぞれの電極の幅を比較的広く設定することができる。

そのような太陽電池素子の一例として、特許文献１に記載された太陽電池素子について説明する。図６に示すように、太陽電池素子ＳＳでは、半導体基板１０１の太陽光線が入射する側とは反対側の主表面には、所定の幅を有して一方向に延在する第１の電極１０９が間隔を隔てて複数形成されている。その複数の第１の電極１０９の一端側にそれぞれ接続されるように第３の電極１１１が形成されている。同様に、所定の幅を有して一方向に延在する第２の電極が間隔を隔てて複数形成されている。その複数の第２の電極１１０の一端側にそれぞれ接続されるように第４の電極１１２が形成されている。

このようにして第１の電極１０９と第２の電極１１０とはそれぞれ櫛型に形成され、しかも、一方の電極と電極との間に他方の電極を配置させることにより第１の電極１０９と第２の電極１１０とが交互に配置されている。その第１の電極１０９の下の半導体基板１０１の領域には第１の電極１０９と電気的に接続された第１導電型の領域（図示せず）が形成され、第２の電極１１０の下の半導体基板１０１の領域には第２の電極１１０と電気的に接続された第２導電型の領域（図示せず）が形成されている。
ＵＳＰ５,１６４,０１９

しかしながら、従来の太陽電池素子ＳＳでは次のような問題点があった。上述したように、第１の導電領域および第２の導電領域にそれぞれ接続される第１の電極１０９と第２の電極１１０は、それぞれ所定の幅を有して形成されている。太陽電池素子の大型化に伴って、第１の電極１０９および第２の電極１１０の長さも長くなるため、第１の電極１０９および第２の電極１１０をそれぞれ流れる電流量もより多くなり、電極幅を広げる必要があった。

ところが、それぞれ所定の幅を有する第１の電極１０９と第２の電極１１０とが交互に配置される場合には、半導体基板１０１の領域が限られてその幅を広げるには制約があり、そのため、各電極を流れる電流密度が増大して直列抵抗が大きくなることがあった。その結果、曲線因子（Fill Factor）が低下して太陽電素子ＳＳとして変換効率を低下させてしまうという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、電流密度を低減して変換効率の低下を抑制する太陽電池素子を提供することである。

本発明に係る太陽電池素子は、半導体基板と第１導電型領域および第２導電型領域と複数の第１の電極と複数の第２の電極とを備えている。半導体基板は太陽光線が入射する第１主表面を有している。第１導電型領域および第２導電型領域は、半導体基板の第１主表面とは反対側の第２主表面の所定の領域にそれぞれ形成されている。複数の第１の電極は半導体基板の第２主表面上に形成され、第１導電型領域と電気的に接続されている。複数の第２の電極は半導体基板の第２主表面上に形成され、第２導電型領域と電気的に接続されている。複数の第１の電極のそれぞれは、第１導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、互いに間隔を隔てて半導体基板において互いに対向する第１の端部から第２の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在している。一方、複数の第２の電極のそれぞれは、第２導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、互いに間隔を隔てて第２の端部から第１の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在している。複数の第１の電極と複数の第２の電極とは、それぞれが延在する方向と略直交する方向に交互に配設されている。

この構成によれば、第１導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、第１の端部から第２の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在している第１の電極と、第２導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、第２の端部から第１の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在している第２の電極とにおいて、第１の端部では第１の電極の幅が狭い側と第２の電極の幅が広い側が交互に位置するとともに、第２の端部では第１の電極の幅が広い側と第２の電極の幅が狭い側が交互に位置する。これにより、限られた半導体基板の領域において、複数の第１の電極（第２の電極）のそれぞれを第１の端部（第２の端部）から第２の端部（第１の端部）に向かって実質的に幅を広げながら延在させることになって、第１の端部側（第２の端部側）から第２の端部側（第１の端部側）に電流が流れる際に電流密度の増大が抑えられて直列抵抗が大きくなるのを防止することができる。その結果、太陽電池素子の電気出力特性の低下を抑制することができる。なお、実質的に幅を広げるとは、第１の端部（第２の端部）から第２の端部（第１の端部）にかけて全体として幅が広がる形状であればよいという意味であり、たとえば階段状のようなものであってもよく、また、直列抵抗が出ない程度の幅であれば延在方向途中の部分において幅が狭くなるような部分があってもよいという意味である。

このような複数の第１の電極と複数の第２の電極としてはテーパ状に形成されていることでより所望の効果を得ることができる。

また、複数の第１の電極（第２の電極）としては、狭い方の幅を同じ幅に設定したり広い方の幅を同じ幅に設定する他に、それぞれの幅を異なる幅に設定してもよく、この場合には、第１の電極における第２の端部側の幅と第２の電極における第１の端部側の幅とが異なるように形成された電極と、第１の電極における第１の端部側の幅と第２の電極における第２の端部側の幅とが異なるように形成された電極とを含むことになる。

複数の第１の電極を流れる電流を集電するために、第２の端部に沿って半導体基板の第２主表面に形成され、複数の第１の電極のそれぞれと電気的に接続される第３の電極を備え、複数の第２の電極を流れる電流を集電するために、第１の端部に沿って半導体基板の第２主表面に形成され、複数の第２の電極のそれぞれと電気的に接続される第４の電極を備えていることが好ましく、その第３の電極と第４の電極では、他の太陽電池素子と接続するコネクタを設ける部分では、加工上、それぞれの幅は５ｍｍ以上に設定されていることが好ましい。

また、第１の電極の平面形状と第１導電型領域の平面形状とは相似形であり、第２の電極の平面形状と第２導電型領域の平面形状とは相似形であることがより好ましい。

太陽電池素子のサイズ（第１の電極および第２の電極が延在する方向の長さ）が大きくなると電流量も大きくなる。そのため、上記第１の電極および第２の電極の構造によれば、半導体基板の形状を矩形状とすると、一辺の長さが８０ｍｍ以上のサイズの場合に特に効果を発揮することができる。

その第１の電極および第２の電極は、たとえば印刷法によって比較的容易に、かつ、精度よく形成することができる。

本発明の実施の形態に係る太陽電池素子について説明する。図１および図２に示すように、半導体基板１における太陽光線２０が入射する受光面３とは反対側の主表面（電極形成面２）には、所定の領域にｐ+型導電領域４とｎ+型導電領域５がそれぞれ形成されている。そのｐ+型導電領域４とｎ+型導電領域５を覆うように、半導体基板１の主表面上に絶縁膜６が形成されている。その絶縁膜６には、ｐ+型導電領域４の表面を露出するコンタクトホール７と、ｎ+型導電領域５の表面を露出するコンタクトホール８がそれぞれ形成されている。

さらに、絶縁膜６上には、コンタクトホール７を介してｐ+型導電領域４と電気的に接続される複数の第１の電極９と、コンタクトホール８を介してｎ+型導電領域５と電気的に接続される複数の第２の電極１０がそれぞれ形成されている。複数の第１の電極９のそれぞれは、互いに間隔を隔てて半導体基板１において互いに対向する第２の端部（第３の電極１１）から第１の端部（第４の電極１２）に向かってテーパ状に幅を広げながら延在している。一方、複数の第２の電極１０のそれぞれは、互いに間隔を隔てて第１の端部から第２の端部に向かってテーパ状に幅を広げながら延在している。複数の第１の電極９と複数の第２の電極１０とは、それぞれが延在する方向と略直交する方向に交互に配設されている。

第１の端部の側では、複数の第２の電極１０のそれぞれと電気的に接続されるように第１の端部に沿って第４の電極１２が形成されている。一方、第２の端部の側では、複数の第１の電極９のそれぞれと電気的に接続されるように第２の端部に沿って第３の電極１１が形成されている。

テーパ状にそれぞれ形成された第１の電極９と第２の電極１０では、第１の電極９の先端側（第４の電極１２の側）の幅Ｗ_1ｂと、第２の電極１０の先端側（第３の電極１１の側）の幅Ｗ_2ｂは、たとえば約０．０５ｍｍとされる。また、第１の電極９の根元側（第３の電極１１の側）の幅Ｗ_1ａと、第２の電極１０の根元側（第４の電極１２の側）の幅Ｗ_2ａは、たとえば約０．２ｍｍとされる。さらに、第１の電極９のピッチＰと第２の電極１０のピッチＰは、たとえば約０．６ｍｍとされる。また、第３の電極１１の幅Ｗ₃と第４の電極１２の幅Ｗ₄はそれぞれ同じ一定の幅とされ、たとえば約５ｍｍとされる。

次に、上述した太陽電池セルＳの製造方法について説明する。まず、たとえばＮ型シリコン基板の半導体基板１の主表面の所定の領域に、ｐ+型導電領域４とｎ+型導電領域５がそれぞれ形成される。その半導体基板１の主表面上にシリコン酸化膜等の絶縁膜６が形成される。その絶縁膜６に所定のフォトエッチング技術を用いて、ｐ+型導電領域４の表面を露出するコンタクトホール７と、ｎ+型導電領域５の表面を露出するコンタクトホール８がそれぞれ形成される。所定のリソグラフィー法を用い所定の銀材料を絶縁膜６上に蒸着することで、テーパ状の第１の電極９および第２の電極１０と一定の幅を有する第３の電極１１および第４の電極１２がそれぞれ形成される。このようにして、太陽電池素子Ｓの主要部分が形成される。

次に、このようにして製造された太陽電池素子Ｓについて電気出力特性を評価した結果について説明する。図３に示すように、本発明に係る太陽電池素子において、第１の電極９のピッチＰと第２の電極１０のピッチＰを約０．６ｍｍ、第１の電極９および第２の電極の１０のそれぞれの先端側の幅を約０．０５ｍｍ、第１の電極９および第２の電極の１０のそれぞれの根元側の幅を約０．２ｍｍとした場合における曲線因子ＦＦは、０．７８であることがわかった。また、この場合の変換効率は１９．１％であることが判明した。なお、曲線因子ＦＦとは、最大出力を開放電流と短絡電流の積で除した値をいい、太陽電池としての電流電圧特性曲線の良さを表わすパラメータである。

一方、比較例としての従来の太陽電池素子において、第１の電極１０９のピッチＰと第２の電極１１０のピッチＰを約０．６ｍｍ、第１の電極９および第２の電極１０のそれぞれの幅を一定の０．１２５ｍｍとした場合における曲線因子ＦＦは、０．７０であった。また、変換効率は１６．５％であった。このことより、本発明に係る太陽電池素子では、従来の太陽電池素子の場合と比較して曲線因子は１１．４％程度改善することができ、また、変換効率は１５．８％程度向上することができることが判明した。

本発明に係る太陽電池素子Ｓでは、まず、第１の電極９によって集電される電流は第１の電極９の先端から根元を経て第３の電極１１を流れる一方、第２の電極１０によって集電される電流は、第２の電極の先端から根元を経て第４の電極１２を流れる。つまり、第１の電極９の根元側は第２の電極１０の先端側になり、また、第２の電極１０の根元側は第１の電極９の先端側になる。

そのため、半導体基板の領域に制限があって第１の電極９と第２の電極１０との間隔が狭い場合であっても、第１の電極９では、先端側から根元側に向かってその幅を徐々に広くすることができるとともに、第２の電極１０でも、先端側から根元側に向かってその幅を徐々に広くすることができる。これにより、第１の電極９と第２の電極１０における電流密度の増大が抑えられて直列抵抗が大きくなるのを防止することができ、その結果、太陽電池素子の電気出力特性の低下を抑制することができる。

なお、上述した太陽電池素子では、第１の電極９および第２の電極１０としてそれぞれテーパ状のものを例に挙げて説明したが、第１の電極９および第２の電極１０としてはテーパ状に限られるものではなく、たとえば階段状にその幅が先端側から根元側にかけて広がるようなものであってもよく、先端側から根元側にかけて全体としてみれば幅が広がる形状であれば所望の効果を得ることができる。また、第１の電極９または第２の電極１０の延在方向途中の部分において幅が狭くなるような部分があっても、直列抵抗が出ない程度の幅であれば所望の効果を得ることができる。

さらに、第１の電極９および第２の電極１０のそれぞれの先端側の幅をそれぞれ同じ幅に設定する必要はなく、同様に根元側の幅もそれぞれ同じ幅に設定する必要はない。すなわち、第１の電極９および第２の電極１０は、先端側の幅が異なる電極を含んでいてもよいし、根元側の幅が異なる電極を含んでいてもよい。また、第１の電極９のピッチＰおよび第２の電極１０のピッチＰは任意の値に設定され、このピッチＰの値に基づいて先端側の幅と根元側の幅が決定される。

さらに、第３の電極１１の幅および第４の電極１２の幅についても、これらを同じ幅に設定する必要はなく、電流の流れに沿って幅を徐々に広げてテーパ状としてもよい。また、その第３の電極１１および第４の電極１２では、電気を取り出すためのコネクタを接続する部分については、加工性を考慮してそれぞれの幅を５ｍｍ以上に設定することが好ましい。一方、第３の電極１１の幅および第４の電極１２の幅を必要以上に広げると、限られた半導体基板１の領域においては、第１の電極７と第２の電極８の長さ（延在方向）が制限されてしまい、太陽電池素子としての特性が劣化するため、そのような劣化が生じない幅に設定することが望ましい。

さらに、また、太陽電池素子Ｓをなす矩形状の半導体基板１の一辺の長さを８０ｍｍ以上に設定することが望ましい。これは、太陽電池素子のサイズが比較的小さい場合には、電流量も少ないために電流を集電する電極の断面積は小さくてもよく、一定の幅を有して延在する電極形状でも影響はないが、太陽電池素子のサイズ、特に、第１の電極および第２の電極が延在する方向の長さがより長くなると、電流量も大きくなって電極断面積をそれに応じて大きくする必要があるからであり、本太陽電池素子における第１の電極９および第２の電極１０の構造は、特に、８０ｍｍ以上のサイズで特に効果を発揮することになる。一方、太陽電池素子Ｓのサイズに特に上限はないが、生産ラインにおいて製造可能なサイズが上限値ということになる。

また、第１の電極９および第２の電極１０のそれぞれは、ｐ+型導電領域４およびｎ+型導電領域の平面形状に対応するように形成されている。つまり、第１の電極９の場合には、第１の電極９の平面形状がｐ+型導電領域４の平面形状に対してたとえば相似形となるように形成されていることが好ましい。この場合には、図４に示すように、第１の電極９はｐ+型導電領域４よりもひと回り大きい平面形状を有するように形成されていてもよいし、一方、図５に示すように、第１の電極９がｐ+型導電領域４よりもひと回り小さい平面形状を有するように形成されていてもよい。

また、１つの第１の電極９に対しその直下に位置するｐ+型導電領域４としては、その一つの第１の電極９の外形形状（輪郭）を保って、複数の領域に分割されていてもよく、その場合には、分割された領域のそれぞれが第１の電極９と電気的に接続されることになる。第２の電極１０についても同様である。

半導体基板１としてはＮ型シリコン基板の代わりにＰ型シリコン基板を用いてもよく、この場合には、Ｎ型シリコン基板の場合と比べるとｐ+型導電領域とｎ+型導電領域のそれぞれの位置が入れ代わることになる。また、半導体基板１としてシリコン基板の他に、化合物半導体基板を用いてもよい。さらに、絶縁膜としてはシリコン酸化膜の他に、たとえばシリコン窒化膜等の絶縁性を有する膜を使用することができる。

また、第１の電極９〜第４の電極１２を形成する方法としてはリソグラフィー法以外に印刷法でもよい。この場合には、まず、粘度の高い銀ペーストをスクリーンを介して絶縁膜上に印刷し、そして、熱処理を施すことで銀ペーストに含まれる溶剤成分を蒸発させ銀ペーストを固形化することによって、第１の電極９〜第４の電極１２を容易に、かつ、精度よく形成することができる。また、絶縁膜６にコンタクトホールを形成する方法としてはフォトエッチングによる以外に、たとえば電極材料によるファイヤースルー法を用いてもよい。

なお、今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る太陽電池素子の平面図である。同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、太陽電池素子の電気出力特性評価結果を示す図である。同実施の形態において、第１の電極および第２の電極とｐ+型導電領域およびｎ+型導電領域の配置関係を示す第１の平面図である。同実施の形態において、第１の電極および第２の電極とｐ+型導電領域およびｎ+型導電領域の配置関係を示す第２の平面図である。従来の太陽電池素子の平面図である。

符号の説明

１半導体基板、２電極形成面、３受光面、４ｐ+型導電領域、５ｎ+型導電領域、６絶縁膜、７，８コンタクトホール、９第１の電極、１０第２の電極、１１第３の電極、１２第４の電極、２０太陽光線、Ｓ太陽電池素子。

Claims

太陽光線が入射する第１主表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１主表面とは反対側の第２主表面の所定の領域にそれぞれ形成された第１導電型領域および第２導電型領域と、
前記半導体基板の前記第２主表面上に形成され、前記第１導電型領域と電気的に接続された複数の第１の電極と、
前記半導体基板の前記第２主表面上に形成され、前記第２導電型領域と電気的に接続された複数の第２の電極と
を備え、
複数の前記第１の電極のそれぞれは、前記第１導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、互いに間隔を隔てて前記半導体基板において互いに対向する第１の端部から第２の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在し、
複数の前記第２の電極のそれぞれは、前記第２導電型領域の平面形状に対応するように形成されて、互いに間隔を隔てて前記第２の端部から前記第１の端部に向かって実質的に幅を広げながら延在し、
複数の前記第１の電極と複数の前記第２の電極とは、それぞれが延在する方向と略直交する方向に交互に配設された、太陽電池素子。
複数の前記第１の電極と複数の前記第２の電極はテーパ状に形成された、請求項１記載の太陽電池素子。
複数の前記第１の電極と複数の前記第２の電極は、
前記第１の電極における前記第２の端部側の幅と前記第２の電極における前記第１の端部側の幅とが異なるように形成された電極と、
前記第１の電極における前記第１の端部側の幅と前記第２の電極における前記第２の端部側の幅とが異なるように形成された電極と
を含む、請求項１または２に記載の太陽電池素子。
前記第２の端部に沿って前記半導体基板の前記第２主表面に形成され、複数の前記第１の電極のそれぞれと電気的に接続される第３の電極と、
前記第１の端部に沿って前記半導体基板の前記第２主表面に形成され、複数の前記第２の電極のそれぞれと電気的に接続される第４の電極と、
を備え、
前記第３の電極と前記第４の電極のそれぞれの幅は５ｍｍ以上に設定される部分を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記第１の電極の平面形状と前記第１導電型領域の平面形状とは相似形であり、
前記第２の電極の平面形状と前記第２導電型領域の平面形状とは相似形である、請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記半導体基板は矩形であり、
前記半導体基板の一辺の長さは短くても８０ｍｍ以上に設定される、請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池素子。
前記第１の電極および前記第２の電極は印刷法によって形成された、請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池素子。