JP5224444B2 - 太陽電池における有害な分極の防止 - Google Patents

Description

１．発明の分野
本発明は、一般に太陽電池に関し、特に、太陽電池の構造、モジュール、製造、及びフィールド設置に関する（但しこれらに限定されない）。

関連特許出願の相互参照
本出願は、2005年3月3日にファイリングされた米国特許仮出願第６０／６５８，７０６の利益を請求し、その仮出願全体が参照によって本明細書内に組み込まれる。

２．背景技術の説明
太陽電池（ソーラーセル）は、太陽放射を電気的エネルギーに変換するための周知のデバイスである。半導体処理技術を用いて、半導体ウェーハ上にそれらを製造することができる。一般的にいえば、ｐ型領域とｎ型領域とを１つのシリコン基板内に形成することにより、太陽電池を製造することができる。各近傍のｐ型領域とｎ型領域とは、ｐｎ接合を形成する。太陽電池上に当る太陽放射が、電子と正孔とを生じさせ、それらがｐ型及びｎ型領域に移動し、それにより、ｐｎ接合間に電位差が生じる。裏面コンタクト太陽電池内において、ｐ型領域とｎ型領域とが、該太陽電池の裏面上の金属コンタクトに結合され、それにより、外部電子回路又はデバイスが、該太陽電池に結合されることが可能となり、該太陽電池によって電力供給されることが可能となる。裏面コンタクト太陽電池はまた、米国特許第５，０５３，０８３号、及び第４，９２７，７７０号において開示されており、それら特許は両方とも、その全体が参照によって本明細書内に組み込まれる。
米国特許第５，０５３，０８３号明細書 米国特許第４，９２７，７７０号明細書

幾つかの太陽電池を互いに接続して、太陽電池アレイを形成することができる。該太陽電池アレイを、保護層を含む太陽電池モジュール内へとパッケージ化することができ、それにより、該太陽電池アレイが、環境条件に対する耐性ができ、フィールド内において使用されることが可能となる。防止策がとられない場合には、太陽電池が、フィールド内において極度に分極されることになる可能性があり、それにより、出力電力が低減させられる可能性がある。太陽電池における有害な分極を防止するための技法が、本明細書内において開示される。

概要
一実施形態において、太陽電池の前面側からウェーハのバルクに電荷を抜き出す（ブリードする）導電経路を提供することによって、有害な太陽電池分極が防止されるか又は最小化される。該導電経路には、例えば、誘電性パッシベーション層内か、導電性反射防止コーティング内か、又は反射防止コーティングの表面上又は底面上に形成された導電性材料の層内におけるパターン化された正孔を含めることができる。有害な太陽電池分極を、該太陽電池の前面側上の太陽電池モジュールの領域をバイアスさせることによって防止することもまた可能である。

本発明の、これらの及び他の特徴が、添付の図面及び特許請求の範囲を含む本開示全体を読み解くことで当業者にとって容易に明らかになるであろう。

異なる図面における同じ参照ラベルの使用は、同等か又は類似の構成要素を示す。別様に注釈がつけられない限り、図面は必ずしも一定の縮尺に従っているとは限らない。

詳細な説明
本発明の開示において、本発明の実施例の完全な理解を提供するために、装置、構成要素、及び方法、の例のような、多くの特定の詳細部が提供されている。しかしながら、１つか又は複数のその特定の詳細部がなくても、本発明を実施することができることが、当業者であれば認識されるであろう。他の例において、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるため、周知の詳細部が示されてないか又は説明されていない。

次に図１を参照すると、本発明の実施形態を利用することが可能な、一例の太陽電池モジュール１００の分解図が示されている。このような太陽電池モジュールはまた、2003年8月1日にファイリングされた、共通に譲渡された米国特許出願第１０／６３３，１８８内において開示されている。しかしながら、本発明の実施形態がまた他の太陽電池モジュールに対しても適用可能であることにも留意されたい。

図１の例において、太陽電池モジュール１００は、透過性カバー１０４と、カプセル材料１０３（すなわち、１０３−１、１０３−２）と、相互接続された太陽電池２００を含む太陽電池アレイ１１０と、裏面シート１０２とを含む。太陽電池モジュール１００は、典型的には、屋根か、又は発電局による等の据え置き型の用途において使用される点で、いわゆる「地球上の太陽電池モジュール」である。従って、太陽電池モジュール１００は、太陽に向いている透過性カバー１０４と共に設置される。一実施形態において、透過性カバー１０４は、ガラスを含む。太陽電池２００の前面側は、透過性カバー１０４を介して太陽の方に向いている。カプセル材料１０３は、太陽電池２００、カバー１０４、及び裏面シート１０２を相互リンクさせ及び結合させて、保護パッケージを形成する。一実施形態において、カプセル材料１０３は、ポリエチル酢酸ビニル（「ＥＶＡ」）を含む。

太陽電池２００の裏面側は、裏面シート１０２に面しており、カプセル材料１０３−１に取り付けられている。一実施形態において、裏面シート１０２は、Ｍａｄｉｃｏ社によるＴｅｄｌａｒ／ポリエステル／ＥＶＡ（「ＴＰＥ」）を含む。該ＴＰＥにおいて、Ｔｅｄｌａｒは、環境に対する保護を行う最も外側の層であり、該ポリエステルは、追加的な電気的絶縁を提供し、該ＥＶＡは、カプセル材料１０３−１に対する粘着性を促進させる相互リンクされない薄い層である。裏面シート７０３として使用されるためのＴＰＥの代替は、例えば、Ｔｅｄｌａｒ／ポリエステル／Ｔｅｄｌａｒ（「ＴＰＴ」）を含む。

図２は、太陽電池モジュール１００の断面図を概略的に示す。図２は、理解を容易にするために例示的な材料と共に、注釈が付されている。しかしながら、本発明の利点を損なうことなく、他の材料を用いることもまた可能であることにも留意されたい。本開示の目的のために、太陽電池の前面側は、ウェーハ２０３の前面側上に（すなわち、パッシベーション層２０２からカバー１０４に向かって）、材料、構成要素、及び機能を含むが、太陽電池の裏面側は、ウェーハ２０３の裏面上に（すなわち、ドープされた領域２０４から裏面シート１０２に向かって）、材料、構成要素、及び機能を含む。太陽電池２００の前面側上の材料は、通常動作中に、太陽に向けられるよう構成される。太陽電池２００の前面側上の材料は、本質的に透過性であるか、又は太陽放射が通過して照らされることが可能な厚みである。

図２の例において、ウェーハ２０３は、ｎ型前面側拡散領域２０７と共にｎ型シリコンウェーハを含む。前面側拡散領域２０７が、ウェーハ２０３のシリコン内にあることを示すために、ダッシュ線によって図式的に分離されている。図２の例において、二酸化ケイ素を含む誘電性パッシベーション層２０２は、ウェーハ２０３の前面側上に形成されている。反射防止コーティング（「ＡＲＣ」）２０１は、誘電性パッシベーション層２０２の上に形成されている。一実施形態において、反射防止コーティング２０１は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって約４００オングストロームの厚みに形成された窒化シリコンを含む。一実施形態において、前記パッシベーション層２０２は、約２００オングストロームの厚みに形成された二酸化シリコンを含む。前記パッシベーション層２０２を、高温酸化によって、ウェーハ２０３の表面上に直接的に成長させることができる。

図２の例において、太陽電池２００の電荷収集接合（チャージ・コレクション・ジャンクション）として機能するｐ型ドープされた（「Ｐ＋」）及びｎ型ドープされた（「Ｎ＋」）領域２０４が、ウェーハ２０３内において形成されている。ｐ型及びｎ型ドープされた領域２０４を、本発明の利点を損なうことなく、ウェーハ２０３の裏面側上に形成された層内のような、ウェーハ２０３の外部に形成することもできる。金属コンタクト２０６は、太陽電池２００の裏面側上に形成されており、対応するｐ型ドープされたか又はｎ型ドープされた収集領域に各金属コンタクト２０６が結合されている。酸化物層２０５がパターン形成されることによって、ドープされた領域２０４に、金属コンタクト２０６が接続されることが可能になる。典型的には、太陽電池アレイ１１０内の他の太陽電池２００の金属コンタクトに金属コンタクト２０６が接続される。金属コンタクト２０６によって、外部回路又はデバイスが、太陽電池モジュール１００からの電流を受けることが可能となる。太陽電池２００は、その収集領域に対する全ての電気的接続が太陽電池の裏面側に形成されている点において、裏面側コンタクト太陽電池である。

図２内に示されるように、太陽電池２００は、裏面シート１０２、カプセル材料１０３、及びカバー１０４によって保護されている。フレーム２１１が、太陽電池２００とその保護層とを取り囲んでいる。ある条件下において、太陽電池モジュール１００の出力電力生成能力が、実質的には低減される可能性がある。例えば、有利な電流流動方向における高電圧によって太陽電池１００をバイアスさせることによって、太陽電池１００がその元の条件に回復されることが可能であるということから、出力電力におけるこの低減を、元に戻すことができる。矢印２１２によって示されるように太陽電池２００の前面側からフレーム２１１に電荷が漏れた時に分極状態になる太陽電池２００に、この出力電力低減が起因するということを発明者は確信している。一例において、正の電荷キャリアが、太陽電池２００の前面側から漏れ、それにより、反射防止コーティング２０１の表面が負に帯電されたままとなる。反射防止コーティング２０１の表面上のその負の帯電が、正に帯電された、光生成された正孔を引き寄せる。該光生成された正孔のうちの幾つかは、ドープされた収集領域において収集される代りに、ｎ型シリコンウェーハ２０３内において電子と再結合される。

太陽電池２００がｎ型前面側拡散領域を有することから、フィールド内において、誘電性パッシベーション層２０２と前面側拡散領域２０７との間の境界面に対して、電子が反発され、正孔が引き寄せられるような電界極性を誘電性パッシベーション層２０２が有する時に、すなわち、誘電性パッシベーション層２０２の電位が、前面側拡散領域２０７の電位よりも低い時に、有害な分極が発生する可能性がある。太陽電池２００が、アースに対して正の電圧において動作させられる時には、フィールド動作中、このことが生じることとなる。別の実施形態において、太陽電池が、ｎ型前面側拡散領域を有する場合には、太陽電池が、フィールド内においてアースに対して負にバイアスさせられる時に（すなわち、より負になる（よりマイナスになる））時に、有害な太陽電池分極が生じる可能性がある。周知なように、ｐ型シリコンウェーハをドープして、ｎ型前面側拡散領域を得ることができる。同様に、ｎ型シリコンウェーハをドープして、ｐ型前面側拡散領域を得ることができる。前記例の太陽電池２００は、ｎ型シリコンウェーハ内にｎ型前面側拡散領域を有しているが、本発明の教示を、他のタイプの太陽電池基板に構成することもできる。

図３Ａは、太陽電池分極の要因であると発明者が確信するメカニズムについてのモデルを概略的に示す。図３Ａのモデルにおいて、太陽電池にか又は太陽電池から、電流がガラス（例えば、カバー１０４）の前面を通じて電流が流れ、該電流は、太陽電池の裏面側表面への分路によって漏れている。抵抗Ｒ_ｇｌは、窒化ＡＲＣ（例えば、反射防止コーティング２０１）からガラス前面への漏れ抵抗を表し、抵抗Ｒ_ｓｈは、窒化ＡＲＣから太陽電池の裏面までの前記分路の漏れである。実際には 太陽電池間に生じる分散された電圧が存在することになり、該電圧は、そのエッジにおける低電圧において開始し、その中間に向かって増加する。任意の場合において、窒化ＡＲＣからシリコンウェーハまでの電圧は、酸化膜破壊電圧（酸化物ブレークダウン電圧）を超えるべきではない。図３Ａ及び３Ｂにおいて、キャパシタンス「Ｃ」は、誘電体として機能する酸化物パッシベーション層（例えば、誘電性パッシベーション層２０２）と、第１のコンデンサプレートとして機能する窒化ＡＲＣと、第２のコンデンサプレートとして機能するシリコンウェーハとを含むコンデンサを表す。

図３Ｂは、図３Ａの構成についてのまとめられた要素の近似等価回路を概略的に示す。この分析の目的のために、その電圧は、太陽電池の裏面側に対して基準にされる。この回路に対する過渡解は、開始ゲート電圧が零であると仮定すると、式ＥＱ．１によって示される。

ここで、

であり、Ｒ_ｅｑは、並列な等価抵抗である。前面ＥＶＡカプセル材料における電圧をＶ_Ｇは表し、該前面ＥＶＡカプセル材料は、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジスタのゲートのように振舞う。該ＭＯＳトランジスタのゲート酸化物は、酸化物誘電性パッシベーション層である。上述のように、キャパシタンス「Ｃ」は、窒化ＡＲＣ、酸化物パッシベーション層、及びシリコンウェーハによって形成されたコンデンサを表す。

太陽電池の電力増加時、前記ゲート（すなわち、前面側ＥＶＡカプセル材料）が、上昇していくことになり、電圧Ｖ_Ｔに到達し、そのことが、式ＥＱ．２によって表された劣化時間ｔ_ｄｅｇの後に、ある劣化量を生じさせる。

式ＥＱ．２において、「Ｖ」が正であると仮定されているが、電圧に対する絶対値が用いられる場合には、マイナスＶ及びマイナスＶ_Ｔ（ＭＯＳトランジスタの閾値電圧）についてもまた真である。

である時の通常の場合には、式ＥＱ．２は、式ＥＱ．３に縮小される。

式ＥＱ．３から、高電圧の場合には、ある特定の量の劣化に対する時間は、印加される電圧に反比例することを、容易に理解することができる。

零印加電圧の場合のゲート電圧の回復は、ＥＱ．４によって提供される。

Ｖ_Ｔは、無視できるほどの劣化が生じた場合の閾値である場合には、回復時間ｔ_ｒｅｃが、式ＥＱ．５によって提供される。

紫外線が、存在する分路抵抗に並列に、追加的な分路抵抗を追加する効果を有することになる。このことは、紫外線が窒化ＡＲＣからシリコンウェーハへと電子を注入する比率が、捕捉された電子の密度に比例するということを仮定することによって理解することができる。しかしながら、コンデンサ「Ｃ」間の電圧（図３Ｂを参照）は、前記捕捉された電荷に比例するため、その電流がゲートコンデンサ上の電圧に（すなわち、抵抗のように）比例する。この抵抗が、他の分路と比較して（効果を得るために必要であるだけ）小さいと仮定すると、光における回復時間ｔ_{ｒｅｃ，ｌｉｇｈｔ}は、式ＥＱ．６によって提供される。

太陽電池モジュールが劣化しないようにするために十分となるように、分路が引き起こされる紫外線にとって必要な条件を、計算することができる。このことは、ＥＱ．７によって提供される条件が満足される必要がある。

光における回復時間が式ＥＱ．８によって提供される時にＥＱ．７が満足されることを示すために、上記の式を再構成することができる。

換言すると、提供されるバイアスによって暗闇内において劣化をもたらすよりも短時間においてバイアスされない時に、太陽光線内においてモジュール太陽電池モジュールが回復する場合には、その提供されるバイアスによって太陽光線内において該モジュールが安定することになる。

幾つかの実施形態において、前面側反射防止コーティング／パッシベーション層のスタックにおける垂直の導電率を増加させることによって、有害な太陽電池分極が、防止されるか又は最小化される。これらの実施形態において、太陽電池の前面側からウェーハのバルクへと電荷が抜き出される。これらの実施形態が、図４Ａ及び図４Ｂに関連して、次に説明される。

図４Ａは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ａの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ａは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。パッシベーション層２０２として非常に薄い酸化物（すなわち、二酸化ケイ素）の層２０２Ａを用いていることと、反射防止コーティング２０１として反射防止コーティング２０１Ａを用いていることとを除いて、太陽電池２００Ａは太陽電池２００と同等である。図４Ａの例において、反射防止コーティング２０１Ａは、約４００オングストロームの厚みを有する炭化シリコンを含むことができ、ウェーハ２０３は、Ｎ型シリコンウェーハを含む。薄い酸化物層２０２Ａは、好適には、電荷増加を防ぐために、該ウェーハのバルクに電荷を抜き出すのに十分なほど薄く、これにより、該電荷増加が比較的高電圧に発展した時に、酸化破壊（酸化物ブレークダウン）が発生する。その薄い酸化物層２０２Ａを、ウェーハ２０３上において直接的に形成することができる。一実施形態において、薄い酸化物層２０２Ａは、脱イオン水内において浮遊させられたオゾンを含む槽内に該ウェーハ２０３を浸すことを含むオゾン酸化処理を用いて、約１０オングストローム〜２０オングストロームの厚みに形成される。

図４Ｂは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｂの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｂは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。パターン成形された誘電性パッシベーション層２０２Ｂをパッシベーションレベル２０２として用いていることを除いて、太陽電池２００Ｂは太陽電池２００と同等である。図４Ｂの例において、パッシベーション層２０２Ｂは二酸化ケイ素を含み、反射防止コーティング２０１は窒化シリコンを含み、ウェーハ２０３はＮ型シリコンウェーハを含む。図４Ｂに示されるように、パッシベーション層２０２Ｂは、正孔を有するようにパターン成形されており、それにより、窒化シリコン反射防止コーティング２０１がシリコンウェーハ２０３に接触することが可能となる。このことにより、反射防止コーティング２０１上の電荷が、酸化物パッシベーション層２０２Ｂ内の前記パターン成形された正孔を介して、ウェーハ２０３のバルクに抜き出されることが可能となる。パッシベーション層２０２Ｂ内の各正孔を、従来のリソグラフィ処理を用いて形成することができ、利用可能なリソグラフィ装置に許されるほどに小さくすることができる。前記パターン成形される正孔を、例えば、約０．１ｍｍから約２．０ｍｍだけ互いに隔離することができる。穴が開けられたパッシベーション層２０２Ｂは、反射防止コーティング２０１内において電荷が増加するのを防止することによって、太陽電池分極を有利に防止する。

幾つかの実施形態において、前面側上の及び太陽電池のエッジに向う水平方向の伝導が、太陽電池分極を防止するために増加させられる。パッシベーション層はそれら全体で固有の欠乏（すなわち、もともと形成された正孔）を有するため、蓄積された電荷を該欠乏を通じてウェーハのバルクに抜き出させることが、導電性反射防止コーティングにとって可能である。しかしながら、幾つかの太陽電池反射防止コーティングは、このことを生じさせるのに十分なほどには導電性がない可能性がある。従って、幾つかの実施形態において、反射防止コーティングに接触させるために導電層は水平方向に形成される。これにより、該導電層とパッシベーション層内の固有の欠乏とを介して、反射防止コーティングからウェーハのバルクに電荷が抜き出されることが可能となる。他の実施形態において、反射防止コーティングは、それ自体が十分に導電性を有する。これらの実施形態が、図５Ａ〜５Ｄに関連して、次に説明される。

図５Ａは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｃの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｃは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。透過性の導電性コーティング５０１が、反射防止コーティング２０１の表面上に形成されていることを除いて、太陽電池２００Ｃは太陽電池２００と同等である。図５Ａの例において、パッシベーション層２０２は二酸化ケイ素を含み、反射防止コーティング２０１は窒化シリコンを含み、ウェーハ２０３はＮ型シリコンウェーハを含む。一実施形態において、透過性の導電性コーティング５０１は、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ（Ｂａｙｔｒｏｎ−Ｐ）コーティングのような導電性の有機性コーティングを含む。透過性の導電性コーティング５０１を、反射防止コーティング２０１上に直接的に、噴霧するか又はスクリーン印刷することができる。透過性の導電性コーティング５０１を、例えば、約１００オングストロームの厚みに形成することができる。透過性の導電性コーティング５０１を、カプセル化の直前に、太陽電池の製造プロセス内の最終ステップとして、太陽電池２００に提供することができる。

窒化シリコン反射防止コーティング２０１は、十分に導電性が無いため、該窒化シリコン内の電荷は、パッシベーション層２０２内の固有の欠乏に到達するには不十分な短距離しか伝搬することができない。透過性の導電性コーティング５０１によって、反射防止コーティング２０１内の電荷が、パッシベーション層２０２内の固有の欠乏に到達するのに十分な距離を伝搬することができ、ウェーハ２０３のバルクに抜き出されることができる。

図５Ｂは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｄの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｄは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。導電性反射防止コーティング（ＡＲＣ）２０１Ｂが反射防止コーティング２０１として用いられることを除いて、太陽電池２００Ｄは太陽電池２００と同等である。図５Ｂの例において、パッシベーション層２０２は二酸化ケイ素を含み、ウェーハ２０３はＮ型シリコンウェーハを含む。導電性ＡＲＣ２０１Ｂは、その中に電荷が蓄積されることが防止されることにより、太陽電池分極を有利に最小化する。前記導電性ＡＲＣ２０１Ｂ内の電荷は、パッシベーション層２０２内の固有の欠乏を介して、ウェーハのバルクに抜き出されることが可能である。

一実施形態において、導電性ＡＲＣ２０１Ｂは、酸化チタン（ＴｉＯ_２）のような、もともと導電性の（すなわち、不純物を追加することなく導電性である）反射防止コーティングを含む。

別の実施形態において、導電性ＡＲＣ２０１Ｂは、不純物の追加によって導電性にされる非導電性の反射防止材料を含む。このようにすることの１つの方法は、パッシベーション層２０２上における反射防止材料の形成中に、金属ガス源から金属不純物を追加することによる。例えば、前記導電性ＡＲＣ２０１Ｂは、フッ素がドープされた酸化スズ（ＳｎＯ：Ｆ）か、ホウ素がドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｂ）か、或いはリンがドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｐ）又はホウ素がドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｂ）を含むことができる。ある特定の例として、蒸着中でのリン化水素ガス（ＰＨ_３）か又はシボランガス（Ｂ_２Ｈ_６）の追加による炭化シリコン（ＳｉＣ）のプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって約４００オングストロームの厚みに導電性ＡＲＣ２０１Ｂを形成することができる。

図５Ｃは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｅの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｅは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。透過性の導電層５０２が反射防止コーティング２０１の上に形成されていることを除いて、太陽電池２００Ｅは太陽電池２００と同等である。図５Ｃの例において、パッシベーション層２０２は二酸化ケイ素を含み、反射防止コーティング２０１は窒化シリコンを含み、シリコンウェーハ２０３はＮ型ウェーハを含む。太陽電池２００Ｃ導電性コーティング５０１（図５Ａ）のように、透過性の導電層５０２によって、反射防止コーティング２０１内の電荷が、パッシベーション層２０２内における固有の欠乏に到達するのに十分な距離を伝搬することが可能となり、ウェーハ２０３のバルクに抜き出されることが可能となる。

透過性の導電層５０２は、蒸着されるか、スパッター蒸着されるか、又は反射防止コーティング２０１の上に直接蒸着されることが可能である。透過性の導電層５０２は、約２００オングストロームの厚みが形成された、フッ素がドープされた酸化スズ（ＳｎＯ：Ｆ）か、ホウ素がドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｂ）か、或いはリンがドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｐ）又はホウ素がドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｂ）のような、透過性の導電性酸化物を含むことができる。

図５Ｄは、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｆの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｆは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。パッシベーション層２０２と反射防止コーティング２０１との間に比較的薄い（例えば、約２００オングストロームの）導電層５０３が形成されていることを除いて、太陽電池２００Ｆは太陽電池２００と同等である。図５Ｄの例において、パッシベーション層２０２は二酸化ケイ素を含み、反射防止コーティング２０１は窒化シリコンを含み、シリコンウェーハ２０３はＮ型ウェーハを含む。前記薄い導電層５０３によって、電荷が、反射防止コーティング２０１から該薄い導電層５０３へ、及びウェーハ２０３のバルクへと、パッシベーション層２０２内の固有の欠乏を介して抜き出されることが可能となる。一実施形態において、導電層５０３は、パッシベーション層２０２の表面上に直接的に約２００オングストロームの厚みに形成されたポリシリコンを含む。反射防止コーティング２０１を、導電層５０３の表面上に直接形成することができる。導電層５０３を、反射防止コーティング２０１の形成と共にＰＥＣＶＤ及びプロセスが生じる場所（すなわち、同じチャンバ内か又は１ローディング内のクラスタツール）によって、形成することができる。導電層５０３はまた、フッ素がドープされた酸化スズ（ＳｎＯ：Ｆ）か、ホウ素がドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ：Ｂ）か、或いは約２００オングストロームの厚みが形成された、リンがドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｐ）又はホウ素がドープされた炭化シリコン（ＳｉＣ：Ｂ）を含むことができる。

図４及び図５の実施形態において、太陽電池の前面側からウェーハのバルクへの導電性が増加させられて、有害な太陽電池分極が防止される。このことは、図３Ｂのモデル内の分路抵抗Ｒ_ｓｈを下げることと等価である。他の実施形態において、太陽電池の前面側からモジュールの残りまでの、透過性カバーを介した抵抗が増加させられて、電荷漏れが防止される。このことは、図３Ｂのモデル内の抵抗Ｒ_ｇｌを増加させることと等価である。太陽電池の前面側から太陽電池モジュールの残りまでの抵抗を、図６に関連して次に説明されるように、電荷漏れ経路を遮断することによって増加させることができる。

図６は、本発明の一実施形態による太陽電池２００Ｇの断面を概略的に示す。太陽電池２００Ｇは、図２に示される太陽電池２００のある特定の実施形態である。透過性の電気的絶縁体層６９１が反射防止コーティング２０１上にわたって形成されていることを除いて、太陽電池２００Ｇは太陽電池２００と同等である。図６の例において、パッシベーション層２０２は二酸化ケイ素を含み、反射防止コーティング２０１は窒化シリコンを含み、シリコンウェーハ２０３はＮ型ウェーハを含む。前記電気的絶縁体層６９１が、反射防止コーティング２０１上にわたって形成されて、太陽電池２００Ｇの前面側からカバー１０４に向って電荷が漏れ出ることが防止されることにより（図２を参照）太陽電池分極が防止されている。一実施形態において、前記電気的絶縁体層６９１は、常圧化学的気相堆積法（ＡＰＣＶＤ）によって約０．１〜１．０μｍの厚みに形成された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含む。

有害な太陽電池分極を、図７Ａに関連して次に説明されるように、太陽電池の前面側上の太陽電池モジュールの、ある領域を、バイアスさせることによって防止することもできる。

図７Ａは、本発明の一実施形態による太陽電池モジュール１００Ａを概略的に示す。太陽電池モジュール１００Ａは、図２に示される太陽電池モジュール１００のある特定の実施形態である。幾つかの太陽電池２００が、それらの相互接続２００と共に、図７Ａ内に示されている。相互接続２００が、一方の太陽電池を他方の太陽電池に直列に接続している。有害な漏れ電流を防ぐためにセルの前におけるモジュールの一部分の電位を引き上げるために（すなわち、ｎ型セルモジュールの場合には３０Ｖより上にか、３０Ｖにか、又は３０Ｖ内において）、電気的な導電性経路が追加されていることを除いて、太陽電池モジュール１００Ａは太陽電池モジュール１００と本質的には同じである。一実施形態において、導電性経路は、透過性カバー１０４（例えば、ガラス）の裏面上に透過性導電層６８４を配置して、該透過性導電層６８４を太陽電池２００の裏面上に接続することによって形成される。図７Ａの例において、導電層６８４は、１つの相互接続６８２に電気的に接続され、電気的接続６８３を介して太陽電池２００の裏面側に接続される。図７Ａの例において、相互接続２００に接続されることになる導電層６８４にとっての好適実施形態は、すなわち、該導電層６８４が、ｎ型前面側拡散領域を有するセルについてのアレイ内の最も高い（すなわち、最も正の）か又は最も高い電位付近の太陽電池２００に接続され、及び、ｐ型前面側拡散領域を有するセルについてのアレイ内の最も低い（すなわち、最も負の）か又は最も負の電位付近の太陽電池２００に接続される。高電圧がモジュール外にある場合の、安全でない条件を防止するために、太陽電池モジュール１００Ａのフレームから導電層６８４は絶縁される。導電層６８４は、フッ素がドープされた酸化スズ（ＳｎＯ：Ｆ）か、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）か、酸化亜鉛（ＺｎＯ）か、或いは他の透過性の酸化物か又は透過性の有機性伝導物を含むことができる。好適実施形態において、この導電層は、約５ｅ４オーム／平方のシート抵抗を有する。裏面シート１０２が、前述のようにカプセル材料１０３の底面上に形成されている。代替の一実施形態において、カプセル材料１０３が、導電性にさせられて、太陽電池２００の上の等ポテンシャルフィールドの付近を形成する。すなわち、モジュールのエッジにおけるカプセル材料が、電気的に絶縁のままとなって、高電圧がモジュール外にある場合の、安全でない条件が防止される。

システムレベルのアプローチにおいて、太陽電池の前面側から電荷が漏れることを防止するために、太陽エネルギーシステム全体が考慮される。例えば、太陽電池モジュールのアレイを、バイアスさせることができる。これにより、太陽電池の前面側から伝搬される電荷の漏れが防止される。太陽電池分極問題に対する、例示的なシステムレベルのアプローチが、図７Ｂ及び７Ｃに関連して、次に説明される。

図７Ｂは、本発明の一実施形態による太陽エネルギーシステム７９０を概略的に示す。図７Ｂの例において、太陽電池モジュールアレイ６３０は、相互接続された太陽電池２００を含む幾つかの太陽電池モジュールを有する。太陽電池モジュールアレイ６３０の正の出力端子が、ノード６１６としてラベル付けられている一方で、その負の出力端子が、ノード６１７としてラベル付けられている。図７Ｂの例において、太陽電池２００は、それらの正の端子がノード６１６に向うように、及びそれらの負の端子がノード６１７に向うように、直列接続されている。図７Ｂ内に示される直列接続に並列に、他の直列接続された太陽電池２００を存在させることもできる。

図７Ｂの例において、太陽電池モジュールアレイ６３０が、インバータ６００に結合されている。インバータは、直流電流（ＤＣ）を交流電流（ＡＣ）に変換する。太陽エネルギーシステム７９０において、インバータ６００は、太陽電池モジュールアレイ６３０からの直流電流を受けて、電力グリッドに交流電流を出力する。図７Ｂ内において示されるように、ＤＣ−ＤＣ変換器６０１が、太陽電池モジュールアレイ６３０からの直流電流を別の直流電流に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器６０１の直流電流出力は、ＤＣ−ＡＣ変換器６０２によって交流電流に変換される。ＤＣ−ＡＣ変換器６０２の交流電流出力は、絶縁回路６０３を介して電力グリッドに提供される。代替的には、絶縁回路６０３は、ＤＣ−ＤＣ変換器６０１とＤＣ−ＡＣ変換器６０２との間において直列接続とすることもできる。

太陽エネルギーシステム７９０において、太陽電池アレイモジュール６３０の正の端子は接地される。該太陽エネルギーシステム７９０に類似するシステムを、北米及び日本と他の国々との間において用いることができる。太陽電池モジュールアレイ６３０内における全ての太陽電池モジュールのフレームを表すフレーム６１４がまた、ラベル６１１によって示されるように接地される。太陽電池モジュールアレイ６３０の正の端子と、フレーム６１４とを接地することは、太陽電池２００とフレーム６１４との間の電位差を低減して、太陽電池２００の前面側からの漏れを最小化する。太陽電池モジュールアレイ６３０の正の端子を、インバータ６００内においてか、又はインバータ６００の外側において、アースに結合することができる。

図７Ｂの例において、各太陽電池２００は、ｎ型前面側拡散領域を有する。この場合には、太陽電池２００が、アースに対して正にバイアスさせられることになるため、有害な太陽電池分極が生じる。有害な分極を防止するためには、太陽電池モジュールアレイ６３０の最も高い電位か又は最も高い電位付近（この場合にはノード６１６）が、従って、アースに結合される。別の実施形態において、太陽電池がｐ型前面側拡散領域を有する場合には、アースに対して太陽電池が負にバイアスされる時に、有害な分極が生じる可能性がある。この場合には、アレイ内における最も低い電位か又は最も低い電位付近の太陽電池（例えば、太陽電池モジュールアレイの負の出力端子）を、アースに結合して、有害な太陽電池分極を防止することができる。

図７Ｃは、本発明の一実施形態による太陽エネルギーシステム７９５を概略的に示す。図７Ｃの例において、太陽電池モジュールアレイ６３０は、幾つかの相互接続された太陽電池２００を含む幾つかの太陽電池モジュールを有する。太陽電池モジュールアレイ６３０の正の出力端子が、ノード６１６としてラベル付けられている一方で、その負の出力端子が、ノード６１７としてラベル付けられている。図７Ｃの例において、太陽電池２００は、それらの正の端子がノード６１６に向うように、及びそれらの負の端子がノード６１７に向うように、直列接続されている。図７Ｃ内に示される直列接続に並列に、他の直列接続された太陽電池２００を存在させることもできる。

図７Ｃの例において、太陽電池モジュールアレイ６３０が、インバータ６５０に結合されている。インバータ６５０は、太陽電池モジュールアレイ６３０からの直流電流を受けて、電力グリッドに対して交流電流を出力する。図７Ｃ内において示されているように、ＤＣ−ＤＣ変換器６５１は、太陽電池モジュールアレイ６３０からの直流電流を、別の直流電流に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器６５１の直流電流出力は、絶縁回路６５３によって、ＤＣ−ＡＣ変換器６５２に結合される。ＤＣ−ＡＣ変換器６５２の交流電流出力は、電力グリッドに提供される。代替的には、絶縁回路６５３を、ＤＣ−ＡＣ変換器６５２の出力に配置して、電力グリッドに対してＡＣ出力を提供することができる。太陽エネルギーシステム７９５に類似するシステムを、欧州の国々の大部分、連合王国、及び他の国々のようなＩＥＣレギュレーションによってカバーされる国々内において用いることができる。

図７Ｃの例において、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力が、太陽電池モジュールアレイ６３０の総電圧の値の＋／−１／２（すなわちプラス／マイナス・半分）の値に平衡がとられる。すなわち、ノード６１６における電圧は、理想的には、太陽電池モジュールアレイ６３０の総電圧の＋１／２である一方、ノード６１７における電圧は、理想的には、太陽電池モジュールアレイ６３０の総電圧の−１／２である。抵抗器６７２及び６７３は、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力を、接地点付近において平衡させる高い値の抵抗器（又はバリスタ）である。実際には、平衡抵抗器６７２と６７３とが、高抵抗（例えば、各々約１０ＭΩ）を有するので、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力が、ほぼ平衡がとられるだけである。

典型的な実装において、太陽電池モジュールアレイ６３０は浮遊することになる。何故ならば、抵抗器６１７が存在せず、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力と電力グリッドに対するＡＣ出力との間において、インバータ６５０がＤＣ−ＤＣ絶縁を有するからである。しかしながら、そのような実装が、太陽電池２００の有害な分極を生じさせることになることを、本発明者は発見した。一実施形態において、太陽電池モジュールアレイ６３０の正の端子は、抵抗器６７１を介してアースに結合される。抵抗器６７１は、本発明の利点を損なうこと無く、固定されるか、可変されるか、又は電気的に制御される抵抗とすることができる。抵抗器６７１は、太陽電池モジュールアレイ６３０を、その出力の正の側近くにバイアスさせて、正の電荷が、太陽電池２００の前面側から漏れることが防止される。換言すると、抵抗器６７１は、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力を、正の方向に「不平衡」にさせて、太陽電池分極を防止する。同様に、太陽電池２００の前面側から漏れる（正の電荷でなく）電子によって太陽電池分極が生じられた場合には、ノード６１７を（ノード６１６の代りに）、抵抗器６７１を介してアースに接続して、太陽電池モジュールアレイ６３０を、その負の出力に向ってバイアスさせることができる。抵抗器６７１は、平衡抵抗器（すなわち、抵抗器６７２か又は６７３）の値の約１／１０^ｔｈ以下の抵抗を有することができる。太陽電池モジュールアレイ６３０の、平衡がとられた出力を、漏れる電荷キャリア（すなわち、電子か又は正孔）極性に依存して、正か又は負の方向に向って、インバータが不平衡にさせるように、インバータ６５０がまた構成されることに留意されたい。例えば、抵抗器６７２の値を、抵抗器６７３に対して増加させて、抵抗器６７１を用いることなく、太陽電池モジュールアレイ６３０の出力を不平衡にさせることができる。

抵抗器６７１はまた、電気的に制御される抵抗も含む。例えば、抵抗器６７１の抵抗を、条件に依存して異なる抵抗値に切り換えることによって電子回路により制御することができる。このような電子回路は、例えば、雨が降っている時のような、太陽電池モジュールアレイ抵抗がアースレベルに低減された時の、より低い抵抗が必要とされる場合を検出するセンサーを有することができる。

図７Ｃの例において、各太陽電池２００は、ｎ型前面側拡散領域を有する。この場合には、太陽電池２００がアースに対して正にバイアスさせられることになるため、有害な太陽電池分極が生じる。有害な分極を防止するためには、太陽電池モジュールアレイ６３０における最も高い電位か又は最も高い電位付近が（この場合には、ノード６１６）が、従って、抵抗（例えば、抵抗器６７１）を介してアースに結合される。別の実施形態において、太陽電池がｐ型前面側拡散領域を有する場合には、太陽電池がアースに対して負にバイアスされることになる時に、有害な分極が生じる可能性がある。この場合には、アレイ内における最も低い電位か又は最も低い電位付近の太陽電池（例えば、太陽電池モジュールアレイの負の出力端子）を、抵抗を介してアースに結合して、有害な太陽電池分極を防止することができる。

有害な太陽電池分極を防止するための技法が開示された。本発明の特定の実施形態が提供されたが、これらの実施形態は例示する目的のためであり、制限するためではないことを理解されたい。この開示を読み解く当業者によって、多くの更なる実施形態が明らかにされるであろう。

本発明の実施形態を利用ことが可能な一例の太陽電池モジュールの分解図を示す図である。 図１の太陽電池モジュールの断面を概略的に示す図である。 太陽電池分極が生じることを発明者が確信するメカニズムについてのモデルを示す図である。 太陽電池分極が生じることを発明者が確信するメカニズムについてのモデルを示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池の断面を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽電池モジュールを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽エネルギーシステムを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による太陽エネルギーシステムを概略的に示す図である。

Claims (8)

1. 前面側と裏面側とを有する太陽電池であって、前記太陽電池の前記前面側は、通常動作中、太陽に面しており、前記太陽電池が、
   前記太陽電池の前記裏面側上に形成された複数の金属コンタクトであって、前記複数の金属コンタクトの各々が、前記太陽電池における、対応するｐ型ドープされたか又はｎ型ドープされた収集領域に結合されている、複数の金属コンタクトと、
   前記太陽電池の前記前面側に面しているシリコンウェーハの表面上に直接的に形成された誘電性パッシベーション層と、
   前記誘電性パッシベーション層上に形成された導電性反射防止コーティングと、
   前記太陽電池の前記前面側から前記シリコンウェーハのバルクへと電荷を抜き出すことによって、前記太陽電池における有害な分極を防止するよう構成された導電性経路
   とを備え、
   前記誘電性パッシベーション層の表面と、前記導電性反射防止コーティングの表面とに直接的に接触する、前記導電性反射防止コーティングと前記誘電性パッシベーション層との間に形成された導電材料の層を更に含む、太陽電池。
2. 前記導電性経路が、前記誘電性パッシベーション層を含み、前記誘電性パッシベーション層が、１０〜２０オングストロームの厚みを有する二酸化ケイ素を含む、請求項１に記載の太陽電池。
3. 金属不純物がドープされた反射防止材料を、前記反射防止コーティングが含む、請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記反射防止コーティングが、もともと導電性である、請求項１に記載の太陽電池。
5. 通常動作中に太陽に面する前記反射防止コーティングの表面上に直接的に形成された導電性コーティングを、前記導電性経路が含む、請求項１に記載の太陽電池。
6. 前記反射防止コーティングの表面上に直接的に形成された導電性材料の層を更に含む、請求項１に記載の太陽電池。
7. 前記反射防止コーティング上に形成された透過性の電気的絶縁体を更に含む、請求項１に記載の太陽電池。
8. 前記導電性経路が、前記誘電性パッシベーション層を通じてパターン成形された正孔を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の太陽電池。

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