JP4827471B2 - バイパス機能付き太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、逆バイアス電圧に対してバイパス機能を有する太陽電池およびその製造方法に関する。

一般に、太陽電池を電力源として使用する場合には、要求される電圧に合うような複数の太陽電池を直列に接続した組を作り、その直列の組をいくつか並列に接続して、所定の電流値が得られるように回路設計をして使用する。よって、太陽電池が直列に接続された組の一部に影が生じた場合などは、影の部分が発電しないばかりか、大きな抵抗となり、その直列の組の発生電力を大きく落としてしまうのみならず、場合によっては、その抵抗へ直列の組全体の電圧がかかってしまい、その部分が破壊される事態も生じ得る。

このような不具合を防ぐために、発電時に発電効率に悪影響を及ぼさず、かつ影などによって太陽電池が発電しなくなった場合にその部分を避けて電流を流すように、バイパスダイオードを組み込むような回路設計を行なうことが一般的である。これは、普及率の高いシリコン太陽電池においてのみならず、化合物太陽電池においても同様である。特に多接合型化合物太陽電池の場合は、太陽電池の特性上、逆方向の電圧に対して弱く、壊れやすいため、太陽電池1つに対して1つのバイパスダイオードを設けるように設計することが多い。

一方、シリコン太陽電池では、バイパスダイオードとしてのダイオード素子の回路組み込みを行なわずに、太陽電池そのものにバイパス機能を持たせる、バイパス機能付きシリコン太陽電池が知られている（特許文献１参照）。バイパス機能付きシリコン太陽電池は、高温の熱処理に耐えるシリコンにおいて、拡散法によって比較的容易に接合が形成できることを利用する方法であり、主たるｐｎ接合のエミッタ領域とベース領域の両方に接するように、ベース領域よりも高い不純物濃度を持つ不純物領域であって、ベース領域と同じ導電型の不純物領域が点在して形成された構造を有している。

この太陽電池に逆方向の電圧が印加された場合に、その点在した不純物領域とエミッタ領域の間で形成されたｐｎ接合で、ツェナー効果によるブレークダウンを生じさせ、その部分に逆電流を流すことにより、主たるｐｎ接合に大きな逆方向電圧が印加されないような仕組みの太陽電池である。実際には、結晶シリコン太陽電池は逆方向電圧に対する耐性が比較的強く、よってこの場合には、太陽電池の破壊を防ぐことももちろんであるが、むしろ影などの影響によるシステム全体の発電効率の損失を低く抑える効果が大きいと考えられる。
特許第２８３７２９６号公報

一般に、化合物太陽電池は、シリコン太陽電池など他のタイプの太陽電池に比べて、光電変換効率が高く、限られた領域で大きな電力を得ることができる。反面、製造に高価な原料を用いるため、太陽電池自体の価格も高くなる。このため、集光システムのような少ない太陽電池で大きな電力が得られるシステム、または限られた発電領域しか確保することができない宇宙用途などに用いられる場合が多い。

このように、高価でかつ限定された用途で用いられている化合物太陽電池は、一方で逆方向電圧に対して弱いという一面を持っているため、それを含むシステムの中にバイパスダイオードを組み込むことは、必須となっている。バイパスダイオードを太陽電池発電の回路に組み込む場合には、たとえばそれぞれの太陽電池に対してダイオード素子をひとつずつ接続していく手間をかける必要がある。エネルギ密度の低い太陽光から光エネルギを利用する太陽電池発電では、数多くの太陽電池を使用するため、これらの作業量は大きなコスト負担となる。

これに対して、前述のバイパス機能付きシリコン太陽電池は、太陽電池にダイオードを付ける必要がないという利点がある。また、バイパス機能となる構造が太陽電池の全面にちりばめられているので、太陽電池が何らかの原因によって欠けてしまった場合などにもその機能を失わずに全体の能力を保持することができる。このため、特に宇宙用途など、容易にメンテナンスのできない場所で使用する場合などに、その機能が活かされている。しかしながら、化合物太陽電池の場合には、このようなバイパス機能付きの構造をとることが難しく、特に、大幅に変換効率が改善されて注目を浴びつつある多接合型化合物太陽電池においては、未だこのようなバイパス機能付き太陽電池は存在しない。

多接合型太陽電池は、複数個の単一接合太陽電池が直列に接続されたものと同様の等価回路を持つため、バイパス機能を付加する場合には、それぞれ全ての接合に対してバイパス機能を付加しなくてはならない。よって、エピタキシャル層が積み重なって接合が形成される多接合型化合物太陽電池が従来の単一接合のバイパス機能付き太陽電池のような構造をとるためには、積み重なったエピタキシャル層の間に島状の接合を作る必要がある。このような構造を、エピタキシャル層の成膜中に形成するのは困難であり、一方でエピタキシャル層成膜後に各接合に対して島状の接合を形成するのも難しい。さらに、多接合型化合物太陽電池が高い光電変換効率を得るためには、そこに形成された多数のエピタキシャル層は、その役割毎に狭い範囲で構造が限定されており、その中に別の接合を形成できたとしても、その電気的特性を制御することは非常に困難である。

本発明の課題は、逆バイアスに対してバイパス機能を発揮する信頼性の高い太陽電池を提供することにある。また、かかる太陽電池の安価な製造方法を提供することにある。

本発明のバイパス機能付き太陽電池は、第１の導電型のベース層と第２の導電型のエミッタ層がｐｎ接合する太陽電池であって、エミッタ層の側面からベース層の側面にかけて、第１の導電型を発現する不純物材料を含む金属材料層を備え、エミッタ層には、金属材料層との界面近傍に、金属材料層から導入された不純物材料によるｐｎ接合が形成されており、ベース層には、金属材料層との界面に、オーミックコンタクトが形成されており、エミッタ層における、金属材料層から導入された不純物材料の濃度は、ベース層の第１の導電型不純物の濃度よりも高く、ベース層とエミッタ層とによるｐｎ接合面に逆方向のバイアスが印加されたときに、ベース層とエミッタ層とによるｐｎ接合面で電流が流れ出す電圧よりも低い電圧で、エミッタ層における不純物材料によるｐｎ接合面に電流が流れ出し、金属材料層を通ってベース層へ流れることを特徴とする。本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池においても有効である。

金属材料層は、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＴｉを含む態様が好ましい。また、第１の導電型がｐ型であり、金属材料層に含まれる不純物材料がＺｎまたはＣである態様が好適である。

かかるバイパス機能付き太陽電池は、金属材料層の形成後に熱処理を施すことにより、製造できる。熱処理の温度は、３００℃〜８００℃が好ましい。

本発明によれば、逆バイアス電圧に対して安定したバイパス機能を有する太陽電池を提供することができる。また、安価で信頼性の高いバイパス機能付きの多接合型化合物太陽電池を提供することができる。

本発明の太陽電池は、図１に示すように、第１の導電型のベース層１と第２の導電型のエミッタ層２がｐｎ接合する太陽電池であって、エミッタ層２の側面からベース層１の側面にかけて、第１の導電型を発現する不純物材料を含む金属材料層３を備えることにより、ｐｎ接合面４に逆方向のバイアスが印加されたときにバイパス回路を形成することを特徴とする。ｐｎ接合部分を挟んで、エミッタ層２の側面からベース層１の側面にかけて、図１に示すように、ベース層１と同じ導電型の不純物材料を含む金属材料層３を形成することにより、金属材料層３とエミッタ層２との接合面５に、金属材料層３から導入された不純物により新たなｐｎ接合が形成される。また、図２に示すように、ベース層２１と金属材料層２３の界面では、同じ型の不純物によって良好なオーミックコンタクトが形成される。エミッタ層２２との接合を形成した不純物は、金属材料層２３からそれほど深く拡散して接合を形成しているわけではないので、この新たにできた接合面２５から金属材料層２３までが近い構造となっている。

したがって、この太陽電池に逆方向の電圧が加えられると、逆方向にリークがスタートする電圧は、図２に示すように、エミッタ層２２からベース領域２１に流れる電圧よりも、この新たに形成された接合面２５から金属材料層２３を通ってベース層２１へ流れる電圧の方が低く、しかも比較的多量の電流を流すことができる。しかも、エミッタ層２２には接合面２５が形成されているため、光電変換による発電時に、漏れ電流による特性劣化を引き起こすことはない。したがって、非常に理想的なバイパス機能が得られることとなり、ｐｎ接合面に逆方向のバイアスが印加されたときに、バイパス回路を形成する機能を有し、太陽電池全体に大きな逆方向電圧がかからないようにするための保護回路として働く。特にｐｎ接合が形成されている半導体材料が、ＩＩＩ-Ｖ族の化合物半導体である場合にも本発明は有効である。

一般に、拡散によって形成するｎ／ｐ接合においては、たとえば、ｐ型の基板にｎ型の不純物を拡散して接合を形成すると、形成されるｎ層は、もともとあったｐ型の不純物濃度を超えた高濃度にすることによってｎ型の性質を持つ層であるため、ｎ⁺／ｐ接合、すなわち、ｐの濃度よりｎの濃度が高い接合となる。よって、本発明においても、金属からの拡散によって新たに形成されるエミッタ層中の接合では、エミッタ層のｎ型不純物の濃度より拡散されたｐ型不純物の濃度の方が高くなる。

エピタキシャル基板中の各エピタキシャル層は、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤなどの半導体薄膜生成装置によって、基板上に積み上げられて形成され、原理的にはｎ／ｐの接合形成についても、任意の濃度のｐ層上に任意の濃度のｎ層を積むことができる。したがって、本発明中のエミッタ層とベース層の不純物濃度も任意に設定できるが、通常は太陽電池の光電変換効率を考慮して、同程度またはエミッタ層の濃度を多少高くするのが一般的である。また、ｐ型ベース層の濃度より、新たに形成されたｐ型層の濃度を十分に高濃度にすると、太陽電池の特性を損なわうことがない。

同じｎ型層に対して、濃度の異なるｐ型層によって形成されるｐｎ接合の特性は、順方向の電圧に対しては、低濃度の方が先に電流が流れ出し、逆方向の電圧に対しては、低濃度の方が高い耐圧を持ち、高濃度の方が先にブレークダウンを起こす。このため、太陽電池として発電しているときには、順方向の特性が問題となるため、新たに形成した濃度の高い接合は、順方向側で太陽電池のｐｎ接合の特性に悪影響を及ぼさない。逆に、発電していないときに、逆方向に電圧がかかった場合、ベース層との間のｐｎ接合で電流が流れ出す電圧よりも低い電圧で、新たに形成した濃度の高い接合に電流が流れ出す。このため、ベース層と同じ導電型の金属材料層は、太陽電池に大きな逆方向電圧がかからないようにするための保護回路として働き、バイパス回路として機能する。

図３に示すように、金属材料層３３はエミッタ層３２に対してショットキー接合を形成する材料を含む態様が好ましい。かかる態様により、金属材料層３３中の不純物の拡散が不十分である場合においても、エミッタ層３２との境界でショットキー接合を形成することができる。したがって、光電変換による発電時に、漏れ電流による特性劣化を引き起こすことはない。具体的には、金属材料層は、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＴｉを含む態様が好ましい。

第１の導電型がｐ型であるときは、金属材料層に含まれる不純物材料はＺｎまたはＣが好ましい。Ｚｎは融点が低く、比較的低温でも、ｐ型ベース層中に拡散しやすい。また、不純物がＣであるときは、高濃度の不純物層を形成することができる。図１には、ウエハをエッチングして空孔部６を形成し、空孔部６におけるエミッタ層２の側面からベース層１の側面にかけて、金属材料層３を形成した本発明の太陽電池を例示する。また、ウエハの側面９において、エミッタ層の側面からベース層の側面にかけて、金属材料層を形成しても同様に有効である。なお、図１の例では、エミッタ層２上に表電極８を、ベース層７上に裏電極７を形成してある。

本発明の太陽電池の製造方法においては、金属材料層の形成後に熱処理を施す。熱処理工程を設けることにより、金属材料と半導体材料との反応、拡散および合金化を進めることができ、不純物の拡散が生じて、バイパス機能を安定化することができる。このような観点から、熱処理温度は、３００℃以上が好ましく、５００℃以上がより好ましい。一般に、半導体材料の外側から内側へ不純物を拡散させようとする場合には、８００℃以上の高温での熱処理が必要とされる。しかしながら、本発明においては、金属材料層に予め不純物が混ぜられているので、金属と半導体の合金化の中で、比較的低いエネルギであっても、容易に半導体中に拡散でき、接合形成などが可能となる。このため、熱処理温度は、８００℃以下とすることができ、６００℃以下とすることも可能である。

実施例１
図４（ａ）に示すような、３接合型化合物太陽電池用のエピタキシャルウエハを用意し、このウエハをエッチングすることによってバイパス機能を付加するための各サブセルの接合部分を露出させた（図４（ｂ））。図４（ｂ）に示すように、このウエハは、ｐ型ベース層４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、ｎ型エミッタ層４２ａ、４２ｂ、４２ｃとを備える。また、
トンネル接合層（ｐ⁺⁺／ｎ⁺⁺）４４、４３ａを有するとともに、バッファ層（ｎ）４３ｂを有する。さらに、受光面には表電極４５を有する。

各サブセルのｐｎ接合部分を挟んで、エミッタ層４２ａ、４２ｂ、４２ｃの各側面からベース層４１ａ、４１ｂ、４１ｃの各側面にかけて、金属材料層４６を形成した（図４（ｃ））。第１の導電型のベース層はｐ型層であるため、金属材料層４６は、第１の導電型であるｐ型を発現する不純物Ｚｎを３０％含んだＡｇ層とした。つぎに、チッ化珪素からなる保護膜５７を全面に形成した後、窒素中、６００℃の温度で１０分間アニールを行なった（図５（ａ））。アニール化により、各サブセルの金属材料層５６との境界にあるｎ型エミッタ層にｐ型の拡散層５０を形成するとともに、金属材料層５６はエミッタ層に対してショットキー接合を形成した。最後に、保護膜５７を除去し、表面コンタクト層５８と裏面電極５９を形成した（図５（ｂ））。製造したタンデム型太陽電池は、ｐｎ接合面に逆方向のバイアスを印加することにより、バイパス回路を形成することができた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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内でのすべての変更が含まれることが意図される。

安価で安定な信頼性の高いバイパス機能つきの太陽電池を提供することができる。

本発明の太陽電池の典型的な構造を示す断面図である。 本発明の太陽電池における金属材料層、エミッタ層とベース層の接合状態を示す断面図である。 本発明の太陽電池における金属材料層、エミッタ層とベース層の接合状態を示す断面図である。 本発明の太陽電池の製造方法を示す工程図である。 本発明の太陽電池の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ ベース層、２ エミッタ層、３ 金属材料層、４ ｐｎ接合面。

Claims (6)

1. 第１の導電型のベース層と第２の導電型のエミッタ層がｐｎ接合する太陽電池であって、
   前記エミッタ層の側面から前記ベース層の側面にかけて、第１の導電型を発現する不純物材料を含む金属材料層を備え、
   前記エミッタ層には、前記金属材料層との界面近傍に、前記金属材料層から導入された前記不純物材料によるｐｎ接合が形成されており、
   前記ベース層には、前記金属材料層との界面に、オーミックコンタクトが形成されており、
   前記エミッタ層における、前記金属材料層から導入された前記不純物材料の濃度は、前記ベース層の第１の導電型不純物の濃度よりも高く、
   前記ベース層と前記エミッタ層とによる前記ｐｎ接合面に逆方向のバイアスが印加されたときに、前記ベース層と前記エミッタ層とによる前記ｐｎ接合面で電流が流れ出す電圧よりも低い電圧で、前記エミッタ層における前記不純物材料による前記ｐｎ接合面に電流が流れ出し、前記金属材料層を通って前記ベース層へ流れることを特徴とするバイパス機能付き太陽電池。
2. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載のバイパス機能付き太陽電池。
3. 前記金属材料層は、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＴｉを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のバイパス機能付き太陽電池。
4. 前記第１の導電型がｐ型であり、前記金属材料層に含まれる不純物材料がＺｎまたはＣであることを特徴とする請求項１に記載のバイパス機能付き太陽電池。
5. 請求項1〜４のいずれかに記載の太陽電池の製造方法であって、金属材料層の形成後に熱処理を施すことを特徴とするバイパス機能付き太陽電池の製造方法。
6. 前記熱処理の温度が、３００℃〜８００℃であることを特徴とする請求項５に記載のバイパス機能付き太陽電池の製造方法。

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