JP5303494B2 - タンデム型太陽電池 - Google Patents
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Description
この発明は、タンデム型太陽電池に関するものである。
太陽光を効率よく光電変換する太陽電池として、バンドギャップ(禁制帯幅)が異なる複数の太陽電池を積層したタンデム型太陽電池(積層型太陽電池)が知られている。このタンデム型太陽電池は、複数の太陽電池がそれぞれ、そのバンドギャップに対応する波長範囲の光を光電変換し、連続的スペクトルを示す光(例えば、太陽光)を効率よく光電変換するので、高い変換効率を示す太陽電池として期待されている。例えば、燐化インジウム(InP)基板上に、砒化インジウム化ガリウム(GaInAsP)からなる太陽電池と、燐化インジウム(InP)からなる太陽電池とを有する単結晶モノシリック型タンデム型太陽電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、砒化ガリウム(GaAs)基板又はゲルマニウム(Ge)基板上に、砒化窒化ガリウムインジウム(GaInNAs)より構成される太陽電池と、砒化ガリウム(GeAs)より構成される太陽電池と積層されたタンデム型太陽電池が知られている(例えば、特許文献2参照)。さらに、ボトムセルをシリコン(Si)で構成し、ミドルセルをシリコンゲルマニウムカーボン(SiGeC)で構成し、トップセルをミドルセルと異なるバンドギャップエネルギーのシリコンゲルマニウムカーボン(SiGeC)で構成するタンデム型太陽電池が知られている(例えば、特許文献3参照)。
これらのタンデム型太陽電池は、太陽電池を構成する結晶を積層する場合、太陽電池と太陽電池との間で結晶の格子を整合させる必要がある。例えば、シリコン基板を用いてタンデム型太陽電池を構成する場合に、整合層を設け、窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(SiC)、窒化チタン(TiN)などの材料からなる層を整合層として用いたり、エピタキシャル技術によりInGaN結晶を形成してタンデム型太陽電池を構成する場合に単結晶GaNやゲルマニウム(Ge)基板を用いたりしている。
これらのタンデム型太陽電池は、太陽電池を構成する結晶を積層する場合、太陽電池と太陽電池との間で結晶の格子を整合させる必要がある。例えば、シリコン基板を用いてタンデム型太陽電池を構成する場合に、整合層を設け、窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(SiC)、窒化チタン(TiN)などの材料からなる層を整合層として用いたり、エピタキシャル技術によりInGaN結晶を形成してタンデム型太陽電池を構成する場合に単結晶GaNやゲルマニウム(Ge)基板を用いたりしている。
しかし、タンデム型太陽電池の整合層として窒化チタン(TiN)からなる層を用いると、窒化チタン(TiN)は導電性が高いものの、透明性が低いので、整合層の材料には望ましくない。また、窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(SiC)の材料からなる層を整合層として用いると、これらの層は、透明性は高いものの、導電性が低いため、太陽電池を直列接続する整合層の材料として望ましくない。このように、整合層を設けたとしても、透明性が高くかつ導電性が高い材料で整合層を形成する必要があり、その材料選択が難しい。このため、整合層を形成する材料が有する導電性によらず、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力を取り出すことができるタンデム型太陽電池が望まれている。
また、タンデム型太陽電池に単結晶GaNやゲルマニウム(Ge)基板を用いると、基板が高価であるため、タンデム型太陽電池が高価なものとなる。このため、安価な基板(例えば、シリコン基板)にも適用できる構造を備えるタンデム型太陽電池が望まれている。
また、タンデム型太陽電池に単結晶GaNやゲルマニウム(Ge)基板を用いると、基板が高価であるため、タンデム型太陽電池が高価なものとなる。このため、安価な基板(例えば、シリコン基板)にも適用できる構造を備えるタンデム型太陽電池が望まれている。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、整合層を形成する材料が有する導電性によらず、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力を取り出すことができるタンデム型太陽電池を提供するものである。また、安価な基板にも適用できる構造を備えるタンデム型太陽電池を提供するものである。
この発明によれば、半導体基板に形成された第1太陽電池と、第1太陽電池に隣接して形成され、前記半導体基板の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成された第2太陽電池と、第1太陽電池と第2太陽電池との間に形成され、前記半導体基板を形成する材料の結晶格子と第2太陽電池を形成する半導体材料の結晶格子とを整合するための整合層と、第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成され、第1太陽電池と第2太陽電池とを電気的に直列接続する接続部材と、を備えるタンデム型太陽電池が提供される。
この発明によれば、第1太陽電池と第1太陽電池に隣接して形成された第2太陽電池と整合層を介して形成され、第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成された接続部材が、第1太陽電池と第2太陽電池とを電気的に直列接続するので、この発明のタンデム型太陽電池は、整合層を形成する材料が有する導電性特性によらず、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力を取り出すことができる。例えば、整合層を形成する材料の導電性が低いものであったとしても、タンデム型太陽電池から電力を取り出すことができる。
この発明のタンデム型太陽電池は、半導体基板に形成された第1太陽電池と、第1太陽電池に隣接して形成され、前記半導体基板の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成された第2太陽電池と、第1太陽電池と第2太陽電池との間に形成され、前記半導体基板を形成する材料の結晶格子と第2太陽電池を形成する半導体材料の結晶格子とを整合するための整合層と、第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成され、第1太陽電池と第2太陽電池とを電気的に直列接続する接続部材と、を備えることを特徴とする。
ここで、接続部材は、第1太陽電池における第2太陽電池側の面と反対側の面から第1太陽電池及び前記整合層を貫通し、第2太陽電池における前記整合層側の面まで達するように形成される。例えば、接続部材は、第1太陽電池における第2太陽電池側の面に、第1太陽電池及び前記整合層を貫通する貫通孔が形成され、前記貫通孔を覆うように形成された電極であってもよい。前記貫通孔は、第1太陽電池と、第1太陽電池と第2太陽電池との間に形成された整合層とを貫通する孔であり、第2太陽電池をも貫通する貫通孔は含まない。例えば、第1及び第2太陽電池並びに整合層が積層されて形成されている場合、第1太陽電池及び整合層のみを貫通し、貫通孔の底部が第2太陽電池の整合層側の面である貫通孔や、第1太陽電池及び整合層を貫通し、貫通孔の底部が第2太陽電池の整合層側の面に凹部(第2太陽電池を貫通しない孔)を形成する貫通孔が含まれる。
ここで、接続部材は、第1太陽電池における第2太陽電池側の面と反対側の面から第1太陽電池及び前記整合層を貫通し、第2太陽電池における前記整合層側の面まで達するように形成される。例えば、接続部材は、第1太陽電池における第2太陽電池側の面に、第1太陽電池及び前記整合層を貫通する貫通孔が形成され、前記貫通孔を覆うように形成された電極であってもよい。前記貫通孔は、第1太陽電池と、第1太陽電池と第2太陽電池との間に形成された整合層とを貫通する孔であり、第2太陽電池をも貫通する貫通孔は含まない。例えば、第1及び第2太陽電池並びに整合層が積層されて形成されている場合、第1太陽電池及び整合層のみを貫通し、貫通孔の底部が第2太陽電池の整合層側の面である貫通孔や、第1太陽電池及び整合層を貫通し、貫通孔の底部が第2太陽電池の整合層側の面に凹部(第2太陽電池を貫通しない孔)を形成する貫通孔が含まれる。
この発明のタンデム型太陽電池は、前記構成に加え、第1太陽電池は、半導体基板の第2太陽電池側の面に形成され、第1導電型の不純物が拡散された第1導電型領域と、半導体基板の第2太陽電池側の面と反対側の面に第1導電型領域と接して形成され、第1導電型と異なる導電型の不純物が拡散された第2導電型領域とで構成され、第2太陽電池は、前記整合層を介して、第1太陽電池を形成する半導体基板と隣接して形成され、第2導電型領域と同じ導電型の不純物が拡散された半導体層と、前記半導体層と接して形成され、第1導電型領域と同じ導電性同じ導電型の不純物が拡散された第2半導体層とで構成され、接続部材が、第1導電型領域と第2太陽電池の前記半導体層とを電気的に接続してもよい。
このような構成によれば、接続部材が第1太陽電池の第1導電型領域と第2太陽電池の前記半導体層とを電気的に接続するので、第1太陽電池を形成する半導体基板上に前記整合層が存在しても、このタンデム型太陽電池は、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力を取り出すことができる。
ここで、第1の導電型とは、N型又はP型の導電型をいい,第1導電型と異なる導電型とは、第1の導電型と逆の導電型をいう。例えば、第1の導電型がN型の導電型の場合、第1導電型と異なる導電型はP型の導電型となり、第1の導電型がP型の導電型の場合、第1導電型と異なる導電型はN型の導電型となる。
また、第1及び第2太陽電池は、半導体に第1導電型の不純物が拡散された領域(又は層)と、半導体に第1導電型と異なる導電型の不純物が拡散された領域(又は層)とで構成され、いわゆるPN接合で構成される。
このような構成によれば、接続部材が第1太陽電池の第1導電型領域と第2太陽電池の前記半導体層とを電気的に接続するので、第1太陽電池を形成する半導体基板上に前記整合層が存在しても、このタンデム型太陽電池は、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力を取り出すことができる。
ここで、第1の導電型とは、N型又はP型の導電型をいい,第1導電型と異なる導電型とは、第1の導電型と逆の導電型をいう。例えば、第1の導電型がN型の導電型の場合、第1導電型と異なる導電型はP型の導電型となり、第1の導電型がP型の導電型の場合、第1導電型と異なる導電型はN型の導電型となる。
また、第1及び第2太陽電池は、半導体に第1導電型の不純物が拡散された領域(又は層)と、半導体に第1導電型と異なる導電型の不純物が拡散された領域(又は層)とで構成され、いわゆるPN接合で構成される。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、接続部材が、第1太陽電池及び前記整合層の厚みよりもその深さが大きい貫通孔を覆う電極であってもよい。この実施形態によれば、貫通孔の深さが第1太陽電池及び前記整合層の厚みよりも大きいので、貫通孔は、第1太陽電池及び前記整合層を貫通するとともに、第2太陽電池の内側に達する孔となる。このため、接続部材が貫通孔を覆うと、接続部材が接触する第2太陽電池の領域が増し、第1太陽電池と第2太陽電池とをより確実に電気的に接続できる。従って、第1太陽電池を形成する半導体基板上に前記整合層が存在しても、このタンデム型太陽電池は、第1及び第2太陽電池により光電変換された電力をより確実に取り出すことができる。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、さらに、第1太陽電池に設けられた第1電極と、第2太陽電池に設けられた第2電極と、備えてもよい。この構成によれば、例えば、第1電極及び第2電極から第1太陽電池と第2太陽電池とが直列接続された電力を取り出すことができ、また、第3電極を利用すれば、第1電極及び第3電極から、第1太陽電池の電力を取り出すとともに、第2電極及び第3電極から、第2太陽電池の電力を取り出すことができる。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、上記形態に加え、接続部材が第2電極の下方に配置されて形成されてもよい。例えば、接続部材が第1太陽電池における第2太陽電池側と反対の面に形成され、第2電極が第2太陽電池における第1太陽電池側と反対の面に形成され、接続部材と第2電極とが対向する位置に配置されてもよい。このような構成にして、第2太陽電池側から第1太陽電池側へ光(例えば、太陽光)が入射するように使用すれば、第2太陽電池側から入射した光が第2電極により遮られたとしても、貫通孔にある接続部材近傍は光電変換にあまり寄与しないので、第1太陽電池が光電変換する領域をできるだけ広くすることができ、タンデム型太陽電池の光電変換効率を上げることができる。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、上記形態に加え、第1電極が第2電極と対向しない位置に配置されてもよい。この構成によれば、タンデム型太陽電池に入射する光が第2電極に遮られることなく、第1電極に到達することができるので、タンデム型太陽電池の光電変換効率を上げることができる。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、第1電極が第1太陽電池における第2太陽電池側の面と反対側の面に設けられてもよい。この構成にし、第2太陽電池側から第1太陽電池側へ光(例えば、太陽光)が入射するように使用すれば、第2太陽電池側から入射した光が第1電極により遮られることなく、第1太陽電池で光電変換され電力をもれなく取り出すことができる。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、前記半導体基板がシリコンで形成された基板であり、第2太陽電池が窒化物半導体で形成されてもよい。例えば、第2太陽電池が窒化ガリウムと窒化インジウムとが混じりあった結晶で形成されてもよいし、第2太陽電池が窒化インジウムを40%〜60%の比率で含む材料により形成されてもよい。例えば、前記窒化物半導体の結晶は、約1.75eVのバンドギャップを有してもよい。
また、前記半導体基板がその導電型がP型又はN型のシリコン基板であってもよい。前記半導体基板は単結晶、多結晶のいずれの結晶であってもよい。
また、前記半導体基板がその導電型がP型又はN型のシリコン基板であってもよい。前記半導体基板は単結晶、多結晶のいずれの結晶であってもよい。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記シリコン基板及び前記窒化物半導体の構成に加え、前記整合層が、窒化アルミニウム又は炭化珪素の少なくとも1つを含む材料で形成されてもよい。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、接続部材が、チタン、アルミニウム又はタングステンの少なくとも1つを含む材料で形成されてもよい。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、前記発明の構成に加え、第2太陽電池に設けられた第2電極を備え、第2電極が、金、ニッケル又は白金の少なくとも1つを含む材料で形成されてもよい。
また、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池は、第1太陽電池の第1及び第2導電型領域の構成に加え、第1導電型の不純物が拡散された半導体基板を用いることにより第1導電型領域が形成されてもよい。例えば、半導体基板がP型又はN型のシリコン基板であり、このシリコン基板を用いることにより第1導電型領域が形成されてもよい。また、第2太陽電池側の面と反対側の面に、この半導体基板の導電性と異なる導電型の不純物が拡散されたウエル領域が第2導電型領域として形成され、このウエル領域以外の半導体基板内の領域が第1導電型領域とされてもよい。
以下、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池について、図1〜図4に基づいて具体的に説明する。
(実施形態)
図1に、実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す。図1は、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す模式図(断面図)である。図1は、タンデム型太陽電池の使用状態において、図1の上方から太陽の光が太陽電池に入射し、図1の下方に向かって太陽の光が太陽電池を透過するように記載している。
図1に、実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す。図1は、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す模式図(断面図)である。図1は、タンデム型太陽電池の使用状態において、図1の上方から太陽の光が太陽電池に入射し、図1の下方に向かって太陽の光が太陽電池を透過するように記載している。
図1に示されるように、実施形態に係るタンデム型太陽電池は、半導体基板10に形成された第1太陽電池1と、半導体基板10上に形成された整合層2と、第1太陽電池1に隣接して形成され、半導体基板10の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成された第2太陽電池3とを備えている。
(第1太陽電池の構成)
第1太陽電池1は、P型不純物が拡散された半導体基板10により形成されている。
半導体基板10は、単結晶シリコン基板で形成されている。半導体基板に拡散された不純物には、P型不純物であるボロン(B)が用いられ、その拡散濃度は、2×1015cm-3となるように形成されている。P型不純物には、ボロンのほか、アルミニウム、ガリウム、インジウムを用いることができる。これらの不純物を、3×1014〜3×1015cm-3程度の濃度で基板に拡散して、半導体基板10を形成するとよい。
第1太陽電池1は、P型不純物が拡散された半導体基板10により形成されている。
半導体基板10は、単結晶シリコン基板で形成されている。半導体基板に拡散された不純物には、P型不純物であるボロン(B)が用いられ、その拡散濃度は、2×1015cm-3となるように形成されている。P型不純物には、ボロンのほか、アルミニウム、ガリウム、インジウムを用いることができる。これらの不純物を、3×1014〜3×1015cm-3程度の濃度で基板に拡散して、半導体基板10を形成するとよい。
半導体基板10は、P型、N型、いずれの導電型の不純物が拡散されて形成されてもよいが、後述する整合層2が、窒化物半導体で形成され、この窒化物半導体にシリコン原子が拡散されてN型窒化物半導体になる傾向があることを考慮すると、半導体基板10は、P型不純物が拡散された半導体基板であるほうがよい。また、半導体基板10は、単結晶、多結晶、いずれの結晶であってもよい。
半導体基板10には、この実施形態に係るタンデム型太陽電池の使用状態において、第2太陽電池3側(図1の上方)から光が入射することになる。このため、半導体基板10における第2太陽電池3側の面は、鏡面でもよいし、テクスチャー構造にして、反射防止構造としてもよい。このテクスチャー構造は、アルカリ性及び酸性の薬液によるエッチングや反応性イオンエッチング(RIE)法などの方法で異方性エッチングを行って形成すればよい。
また、半導体基板10の第2太陽電池3側の面は、後述する整合層2を形成する際に整合層2の結晶性を向上させるため、ストライプ状の溝を形成してもよい。
また、半導体基板10の第2太陽電池3側の面は、後述する整合層2を形成する際に整合層2の結晶性を向上させるため、ストライプ状の溝を形成してもよい。
また、第1太陽電池1は、図1に示されるように、半導体基板10の第2太陽電池3側の面に形成され、かつP型の不純物が拡散されたP型領域101と、第2太陽電池3側の面と反対側の面にP型領域101と接して形成され、P型領域101と異なる導電型の不純物が拡散されたN型不純物領域12とで構成されている。N型不純物領域12は、第2太陽電池3側の面と反対側の面における一部の領域に形成されている。
また、第1太陽電池1は、第2太陽電池3側の面と反対側の面の、N型不純物領域11が形成された領域と異なる領域(他の部分の領域)に、P型領域101と接して形成され、かつP型領域101よりもP型の不純物濃度が高いP型不純物領域11が形成され、さらにN型不純物領域12の表面に第1電極7が形成されている。この第1電極7は、第1太陽電池が光電変換した電力を取り出すために設けられている。
また、第1太陽電池1は、第2太陽電池3側の面と反対側の面の、N型不純物領域11が形成された領域と異なる領域(他の部分の領域)に、P型領域101と接して形成され、かつP型領域101よりもP型の不純物濃度が高いP型不純物領域11が形成され、さらにN型不純物領域12の表面に第1電極7が形成されている。この第1電極7は、第1太陽電池が光電変換した電力を取り出すために設けられている。
P型領域101は、半導体基板10により構成され、この実施形態では、P型不純物が拡散された半導体基板10を用いることにより、P型領域101が構成されている。このP型領域101は、上記半導体基板10の場合と同様に、P型不純物として、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウムを用いればよく、また、これらの不純物を1×1014〜1×1015cm-3程度の濃度で基板に拡散して、P型領域101を形成すればよい。このP型領域101は、半導体基板10の第2太陽電池2側の面に形成され、後述する整合層2に接するように配置される。なお、このP型領域101は、半導体基板にいわゆるP型のウエル領域を形成して構成してもよい。
N型不純物領域12は、P型領域101と接し、PN結合を形成している。N型不純物領域12に拡散されているN型不純物は、リン(P)が用いられ、半導体基板10に対して、1×1019cm-3の濃度でN型不純物が拡散されて形成されている。N型不純物には、リン、ヒ素、アンチモン等を用いてもよいし、また、N型不純物の拡散濃度は、P型領域101に拡散された不純物濃度よりも高い濃度であるとともに、金属(第1電極7)とのオーミック性抵抗接触が可能となる濃度である1×1019〜1×1020cm-3程度の濃度としてもよい。N型不純物領域12は、シリコン基板の第2太陽電池3側の面と反対側の面に、所定の領域の開口を有するマスク(例えばシリコン酸化膜)を形成し、気相拡散法、固相拡散法、イオン注入法等により形成する。
また、N型不純物領域12は、第2太陽電池3側の面と反対側の面に0.5〜2μm程度の深さで形成されている。この深さは、0.5〜2μmの範囲内であればよい。N型不純物領域12の平面形状(光が入射する太陽電池2側から見たときの平面)は、特に限定されないが、例えば、ストライプ状、蛇行状、格子状などの形状で形成するとよい。タンデム型太陽電池の使用状態において、光が入射しない領域(太陽電池2側から光が入射するときに、光を反射等して太陽電池2に光が入射しない領域。例えば、後述する第2電極。以下、非受光面という。)に対するN型不純物領域12の非受光面占有面積率は5〜20%とすればよい。なお、この実施形態では、N型不純物領域12を1箇所形成しているが複数の個所に形成してもよく、例えば、N型不純物領域12を点状(円状の領域)にして複数の位置に形成してもよい。この場合、直径を10〜100μmとし、その間隔を30〜300μmとするとよい。
P型不純物領域11は、N型不純物領域12が形成された面と同じ半導体基板の面に、N型不純物領域12と分離された領域に形成されている。P型不純物領域11に拡散されているP型不純物は、ボロン(B)が用いられ、半導体基板10に対して、P型領域101に拡散された不純物濃度よりも高い濃度である1×1019cm-3の濃度でP型不純物が拡散されて形成されている。P型不純物には、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム等を用いてもよいし、また、P型不純物の拡散濃度は、P型領域101に拡散された不純物濃度よりも高い濃度であるとともに、金属(例えば、第3電極6。以下、接続部材6ともいう)とのオーミック性抵抗接触が可能となる濃度である1×1019〜1×1020cm-3程度の濃度としてもよい。P型不純物領域11は、N型不純物領域12と同様に、シリコン基板の第2太陽電池3側の面と反対側の面に所定の領域の開口を有するマスク(例えばシリコン酸化膜)を形成し、気相拡散法、固相拡散法、イオン注入法等により形成すればよい。
なお、後述するように貫通孔5及び第3電極6がP型不純物領域11に形成され、光は貫通孔5及び第3電極6で反射されるので、P型不純物領域11での光電変換量(発電量)は少ない。このため、N型不純物領域12と半導体基板10でPN接合を形成するとよい。
なお、後述するように貫通孔5及び第3電極6がP型不純物領域11に形成され、光は貫通孔5及び第3電極6で反射されるので、P型不純物領域11での光電変換量(発電量)は少ない。このため、N型不純物領域12と半導体基板10でPN接合を形成するとよい。
第1電極7は、N型不純物領域12に接して形成されるとともに、N型不純物領域12と電気的に接続され、第1太陽電池1が光電変換した電力を取り出すための端子となっている。つまり、このタンデム型太陽電池の出力端子の1つとなっている。この実施形態では、チタン及び銅が積層された膜(Cu/Ti)で形成され、N型不純物領域12の領域内にこれと接するように形成されている。第1電極7は、端子(電極)として機能すればよいので、導電性を有しているものであればよく、例えば、チタン、アルミニウムの材料を用いて第1電極7を形成してもよい。また、第1電極7の材料に、タングステン、金、ニッケル、白金、銀等の金属を用いてもよい。第1電極7は、蒸着法、スパッタリング法、電界又は無電界メッキ法等で形成すればよく、また、後述する第3電極6と同時形成をすることも可能である。
(整合層)
整合層2は、半導体基板10を形成する材料の結晶格子と第2太陽電池3を形成する材料の結晶格子とを整合するため層であり、第1太陽電池1の半導体基板10(P型領域101)に形成され、第2太陽電池3を形成する材料(例えば、窒化物半導体)の結晶をエピタキシャル成長させるために形成する層である。この実施形態では、窒化物アルミニウム(GaN)の材料で形成され、半導体基板10上に5μmの厚さで形成されている。
整合層2は、半導体基板10を形成する材料の結晶格子と第2太陽電池3を形成する材料の結晶格子とを整合するため層であり、第1太陽電池1の半導体基板10(P型領域101)に形成され、第2太陽電池3を形成する材料(例えば、窒化物半導体)の結晶をエピタキシャル成長させるために形成する層である。この実施形態では、窒化物アルミニウム(GaN)の材料で形成され、半導体基板10上に5μmの厚さで形成されている。
整合層2の材料は、タンデム型太陽電池に入射する入射光を第1太陽電池1に透過させる材料であればよいが、第2太陽電池3を形成する材料(半導体層31及び第2半導体層32の材料)が有するバンドギャップよりも大きい材料である必要があり、また格子の整合が可能な材料である必要がある。このため、例えば、半導体基板10がシリコンであり、第2太陽電池3が窒化物半導体(例えば、この明細書の実施例に示す窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶。バンドギャップ1.75eV)の場合、接合層2には、炭化珪素(SiC),窒化アルミニウム(AlN),窒化ガリウム(GaN),窒化アルミニウム及び窒化ガリウムの混晶(AlGaN)などの材料を用いるとよい。これらの材料はワイドギャップ半導体といわれ、このようなワイドギャップ半導体が接合層2の材料に適している。整合層2の膜厚は特に限定されないが、例えば、このような材料を0.2〜1μmの厚さで形成するとよい。この整合層2は、スパッタリング法、有機金属気相成長(MOCVD)法、分子線エピタキシー(MBE)法などの方法を用いて形成することができる。
なお、整合層2は、ここに記載した整合層2の材料(窒化アルミニウム,炭化珪素など)の一つを含めばよく、例えば、これらの材料から複数の材料を選んで整合層2を形成してもよい。
なお、整合層2は、ここに記載した整合層2の材料(窒化アルミニウム,炭化珪素など)の一つを含めばよく、例えば、これらの材料から複数の材料を選んで整合層2を形成してもよい。
(第2太陽電池の構成)
第2太陽電池3は、図1に示されるように、第1太陽電池1を形成する半導体基板10上に整合層2を介して形成され、N型不純物領域12と同じ導電型のN型の不純物が拡散された半導体層31と、半導体層31上に形成され、P型領域101と同じ導電型のP型の不純物が拡散された第2半導体層32とで構成されている。また、第2太陽電池3は、第1太陽電池1を形成する半導体基板10の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成されている。さらに第2太陽電池3は、第2太陽電池の電力を取り出すために設けられた第2電極が、第2半導体層32上に形成されている。
第2太陽電池3は、図1に示されるように、第1太陽電池1を形成する半導体基板10上に整合層2を介して形成され、N型不純物領域12と同じ導電型のN型の不純物が拡散された半導体層31と、半導体層31上に形成され、P型領域101と同じ導電型のP型の不純物が拡散された第2半導体層32とで構成されている。また、第2太陽電池3は、第1太陽電池1を形成する半導体基板10の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成されている。さらに第2太陽電池3は、第2太陽電池の電力を取り出すために設けられた第2電極が、第2半導体層32上に形成されている。
半導体層31は、整合層2上に窒化物半導体の材料で形成されている。この窒化物半導体は、窒化ガリウム及び窒化インジウムであり、これらが混じりあった結晶(混晶)で形成されている。この実施形態では、シリコン(Si)を3×1018cm-3の濃度で拡散した窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(N型InGaN)で形成され、その層厚が1μmとなるように形成されている。
半導体層31の材料は、窒化ガリウム(GaN), 窒化インジウム(InN)、窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN),窒化アルミニウム並びに窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(AlInGaN)を用いることができる。タンデム型太陽電池は、第1太陽電池1と第2太陽電池3とが入射する光を光電変換するように設計するものであるから、第2太陽電池3の半導体層31の材料は、第1太陽電池1の材料を考慮して選定することになる。この実施形態に係るタンデム型太陽電池では、第1太陽電池1がシリコン基板10で形成され、このシリコン基板10(単結晶又は多結晶)シリコンのバンドギャップは1.12eVであるから、半導体層31の材料である窒化物半導体は、理論的には1.75eVのバンドギャップであることが望ましくなる。このバンドギャップを実現する窒化物半導体は、窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN)であり、その組成は、InNとGaNとの組成が0.4:0.6〜0.6:0.4の範囲である。このため、この組成で半導体層31を形成すると、タンデム型太陽電池の光電変換の効率の観点から望ましい。
半導体層31は、後述する第3電極6により第1太陽電池1と第2太陽電池3とを電気的に接続されたタンデム型太陽電池として機能させるため、シリコン基板10の導電型と異なる導電型(つままり、P型不純物領域11と異なる導電型)の不純物が拡散され形成される必要がある。このため、この実施形態では、半導体層31はN型の不純物であるシリコンが拡散されて形成されている。シリコン(Si)のほか、N型の不純物には、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)等の不純物を用いてもよい。このような不純物を窒化物半導体に5×1017〜1×1019cm-3の濃度で拡散して半導体層31を形成すればよく、また、半導体層31は、0.1〜0.8μmの厚さで形成するとよい。
第2半導体層32は、半導体層31上に形成され、半導体層31とPN接合させるためにP型の不純物が拡散されて形成されている。この実施形態では、第2半導体層32は、P型の窒化物半導体で形成され、具体的には、マグネシウム(Mg)が3×1018cm-3の濃度で拡散された窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(P型InGaN)で形成されて、その膜厚が1μmとなるように形成されている。
第2半導体層32の材料は、半導体層31の材料と同じ窒化物半導体であり、拡散される不純物は、半導体層31と異なるP型の不純物である。窒化物半導体は、半導体層31と同様の材料を選定すればよいが、不純物は、P型の不純物であるマグネシウム(Mg)等を用いる。マグネシウム(Mg)のほか、例えば、亜鉛(Zn)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、ベリリウム(Be)などの不純物を用いてもよい。このような不純物を5×1017〜1×1019cm-3の濃度で拡散して、第2半導体層32を形成すればよく、第2半導体層32の厚さが、0.1〜0.8μmとなるように形成するとよい。
なお、タンデム型太陽電池により多くの光が入射するようにするため、第2半導体層32上に窒化シリコン(SiN)や酸化シリコン(SiO2)及び酸化チタン(TiO2)などの膜を形成して、この膜を反射防止膜としてもよい。
第2電極8は、第2半導体層32上に形成されるとともに、第2半導体層32と電気的に接続され、第2太陽電池1が光電変換した電力を取り出すための端子となっている。つまり、このタンデム型太陽電池の出力端子の1つとなっている。この実施形態では、金(Au)からなる膜(Cu/Ti)で形成され、後述する貫通孔5及び第3電極6の上方に相当する位置に配置されている。第2電極8は、導電性を有する材料で形成されるとよいが、第2半導体層32がP型の導電型の不純物が拡散されている場合、金、ニッケル、白金等の材料を用いて第2電極8を形成するとよい。これらの材料(金など)を用いると、第2電極8と第2半導体層32との接触抵抗が低くなるので、第2電極8の電極材料として適している。これらの材料をその層厚が0.5〜1μmとなるように形成するとよい。また、タンデム型太陽電池により多くの光が入射するようにするため、第2電極8を二酸化スズ(SnO2),酸化インジウムチタン(ITO)等の透明電極で形成して、第2太陽電池3に入射する入射光をできるだけ透過させるとよい。第2電極8は、蒸着法、スパッタリング法、電界又は無電界メッキ法等で形成すればよい。なお、メッキ法による場合、後述する第3電極6と同時形成をすることも可能である。
(貫通孔及び第3電極の構成)
また、図1に示されるように、実施形態に係るタンデム型太陽電池は、第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成された第3電極6(接続部材6)を備えている。また、第3電極6(接続部材6)は第1太陽電池1と第2太陽電池3とを電気的に接続している。具体的には、第1太陽電池1における第2太陽電池3側の面と反対側の面に、第1太陽電池1及び整合層2を貫通する貫通孔5が形成され、貫通孔5を覆うように第3電極6が形成されている。貫通孔5は、第1太陽電池1を形成する半導体基板10と整合層2とを貫通し、貫通孔5の底部(図1では上辺)に半導体層31が露出するように形成されている。そして、第3電極6は、この貫通孔の表面及び底部(半導体層31)並びに貫通孔周辺の半導体基板10を覆うように形成されている。
また、図1に示されるように、実施形態に係るタンデム型太陽電池は、第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成された第3電極6(接続部材6)を備えている。また、第3電極6(接続部材6)は第1太陽電池1と第2太陽電池3とを電気的に接続している。具体的には、第1太陽電池1における第2太陽電池3側の面と反対側の面に、第1太陽電池1及び整合層2を貫通する貫通孔5が形成され、貫通孔5を覆うように第3電極6が形成されている。貫通孔5は、第1太陽電池1を形成する半導体基板10と整合層2とを貫通し、貫通孔5の底部(図1では上辺)に半導体層31が露出するように形成されている。そして、第3電極6は、この貫通孔の表面及び底部(半導体層31)並びに貫通孔周辺の半導体基板10を覆うように形成されている。
貫通孔5は、半導体基板10におけるN型不純物領域11の領域内に配置され、このN型不純物領域11を貫通するとともに、半導体基板10を貫通している。貫通孔5の形状は、N型不純物領域11より狭い面積となる形状(N型不純物領域11の領域内に配置できる形状)であれば特に限定されず、例えば、散点状、ストライプ状、蛇行状、格子状などの形状で配置してもよい。
なお、第2電極8が不透明な膜で形成された場合に、第2電極8側の面から光が入射しても第2電極8下方まで光が届きにくく、また、貫通孔5は光電変換に寄与しにくいので、貫通孔5を第2電極8の下方に配置して形成してもよい。
なお、第2電極8が不透明な膜で形成された場合に、第2電極8側の面から光が入射しても第2電極8下方まで光が届きにくく、また、貫通孔5は光電変換に寄与しにくいので、貫通孔5を第2電極8の下方に配置して形成してもよい。
貫通孔5は、半導体基板10の第2太陽電池3と反対の面に所定領域の口を有するマスク(例えばポジ型フォトレジストシ)を形成し、ウェットエッチング法、反応性イオンエッチング(RIE)法、レーザー等の方法を用いて形成する。
貫通孔5の深さは、貫通孔5の底部(図1では上辺)に半導体層31が露出するような深さであればよいが、例えば、第1太陽電池1及び整合層2の厚みよりもその深さが深くなってもよい。つまり、第1太陽電池1(N型不純物領域11)と第2太陽電池3(半導体層31)とを電気的に接続されればよい。
第3電極6は、貫通孔5を覆うように形成され、N型不純物領域11と半導体層31とを電気的に接続している。この実施形態では、第1電極7と同じ材料であるチタン及び銅が積層された膜(Cu/Ti)で形成されている。半導体層31がN型の不純物が拡散されて形成されている場合、第3電極6の材料にチタン、アルミニウム又はタングステン等の材料を用いるとよい。これらの材料(チタン等)を用いると、半導体層31と第3電極との接触抵抗が低くなるので、第3電極6の材料としてこれらの材料が適している。第3電極6は、0.5〜1μmの厚さで形成するとよく、例えば、蒸着法、スパッタリング法、電界又は無電界メッキ法等の方法を用いて形成できる。
なお、貫通孔5に金属材料を充填して形成してもよく、貫通孔表面を覆うとともに、貫通孔内部を埋める電極(いわゆるプラグ構造)であってもよい。
なお、貫通孔5に金属材料を充填して形成してもよく、貫通孔表面を覆うとともに、貫通孔内部を埋める電極(いわゆるプラグ構造)であってもよい。
(製造方法)
次に、第1の実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法について図2〜図4を用いて説明する。図2〜4に、実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法を説明するための工程図を示す。図2〜4は、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す模式図(断面図)である。図2〜4は、図1と同様に、タンデム型太陽電池の使用状態において、図1の上方から太陽の光が太陽電池に入射するように表示している。
次に、第1の実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法について図2〜図4を用いて説明する。図2〜4に、実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法を説明するための工程図を示す。図2〜4は、この発明の実施形態に係るタンデム型太陽電池の構成を示す模式図(断面図)である。図2〜4は、図1と同様に、タンデム型太陽電池の使用状態において、図1の上方から太陽の光が太陽電池に入射するように表示している。
実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法は、ボロン(B)が2×1015cm-3で拡散された単結晶シリコン基板10に、シリコン基板10の濃度よりも高い2×1019 cm-3の濃度でボロン(B)が拡散されたp型不純物領域11と、2×1019 cm-3の濃度でリン(P)が拡散されたn型不純物領域12とを形成する工程(A)と、p型不純物領域11とn型不純物領域12とが形成されたシリコン基板10の面と逆の面に、整合層2を形成し、整合層2上にシリコン(Si)が3×1018cm-3の濃度で拡散された窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(n型InGaN)(n型窒化物半導体31)と、マグネシウム(Mg) が3×1018cm-3の濃度で拡散された窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(p型InGaN) (p型窒化物半導体31)とを形成する工程(B)と、p型不純物領域11とn型不純物領域12とが形成されたシリコン基板10の面の、p型不純物領域11が形成された領域内に、貫通孔5及び第3電極6を形成する工程(C)と、を備える。
以下、これらの工程について説明する。
以下、これらの工程について説明する。
<工程(A)>
まず、図2(1)に示されるように、シリコン基板10の一方の面(図の下方の面)の一部分に、p型不純物領域11を形成する。材料となるP型のシリコン基板10を用意し、このシリコン基板10の一方の面に、気相化学成長(CVD)法により不純物をドープしていないシリコン酸化膜(SiO2)を形成する。次に、周知のフォトリソ法を用いて、このシリコン酸化膜上に所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして上記シリコン酸化膜の一部をエッチングして開口部を形成する。この開口部は、p型不純物領域11を形成する位置に対応する位置に設ける(開口部は複数設けてもよい)。次に、フォトレジスト膜を酸素プラズマにより除去する。そして、上記開口部が設けられたシリコン酸化膜上にボロンドープ酸化膜(BSG)を気相化学成長(CVD)法で堆積し、900℃の熱処理にて90分間の固相拡散を行うことにより、シリコン基板10の一方の面にp型不純物領域11を形成する。そして、シリコン酸化膜をエッチングにより除去する。
まず、図2(1)に示されるように、シリコン基板10の一方の面(図の下方の面)の一部分に、p型不純物領域11を形成する。材料となるP型のシリコン基板10を用意し、このシリコン基板10の一方の面に、気相化学成長(CVD)法により不純物をドープしていないシリコン酸化膜(SiO2)を形成する。次に、周知のフォトリソ法を用いて、このシリコン酸化膜上に所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして上記シリコン酸化膜の一部をエッチングして開口部を形成する。この開口部は、p型不純物領域11を形成する位置に対応する位置に設ける(開口部は複数設けてもよい)。次に、フォトレジスト膜を酸素プラズマにより除去する。そして、上記開口部が設けられたシリコン酸化膜上にボロンドープ酸化膜(BSG)を気相化学成長(CVD)法で堆積し、900℃の熱処理にて90分間の固相拡散を行うことにより、シリコン基板10の一方の面にp型不純物領域11を形成する。そして、シリコン酸化膜をエッチングにより除去する。
次いで、図2(2)に示されるように、シリコン基板10の一方の面(図の下方の面)の他の部分に、n型不純物領域12を形成する。気相化学成長(CVD)法により不純物をドープしていないシリコン酸化膜(SiO2)を形成し、周知のフォトリソ法を用いて、このシリコン酸化膜(SiO2)上に、所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成する。次に、開口部が形成された上記フォトレジスト膜をマスクとして、5%に希釈したフッ酸(HF)溶液中で上記フォトレジスト膜が形成されたシリコン基板10をエッチングする。これにより、上記シリコン酸化膜の一部に開口を形成する。この開口部は、n型不純物領域12を形成する位置に対応する位置に設ける(開口部は複数設けてもよい)。次に、フォトレジスト膜を酸素プラズマにより除去し、開口部が形成されたシリコン酸化膜をマスクとして、オキシ塩化リン(POCl3)を900℃,15分間気相拡散することにより、シリコン基板10の一方の面にn型不純物領域12を形成する。そして、シリコン酸化膜をエッチングにより除去する。
<工程(B)>
次いで、図2(3)に示されるように、一方の面にp型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成されたシリコン基板10の他方の面に整合層2を形成する。有機金属気相体積(MOCVD)法を用いて、トリメチルアルミニウム(TMAl)及びアンモニア(NH3)の混合雰囲気中で、シリコン基板10の温度を700℃にし、p型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成されたシリコン基板10の他方の面に膜厚5μmの窒化アルミニウム(AlN)堆積する。これにより、シリコン基板10の他方の面に整合層2が形成される。
次いで、図2(3)に示されるように、一方の面にp型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成されたシリコン基板10の他方の面に整合層2を形成する。有機金属気相体積(MOCVD)法を用いて、トリメチルアルミニウム(TMAl)及びアンモニア(NH3)の混合雰囲気中で、シリコン基板10の温度を700℃にし、p型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成されたシリコン基板10の他方の面に膜厚5μmの窒化アルミニウム(AlN)堆積する。これにより、シリコン基板10の他方の面に整合層2が形成される。
次いで、図3(4)に示されるように、シリコン基板10の他方の面にn型窒化物半導体31(半導体層31)及びp型窒化物半導体32(第2半導体層32)を形成する。有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法を用いて、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルガリウム(TMGa)、アンモニア(NH3)及びシラン(SiH4)の混合雰囲気中で、シリコン基板10の温度を1000℃にし、シリコン基板10に形成された整合層2上に、膜厚1μmのn型窒化物半導体31を堆積する。堆積するn型窒化物半導体が窒化インジウム(InN)と窒化ガリウム(GaN)との混合比が0.5:0.5になるようにエピタキシャル成長させ、シラン(SiH4)の量は3×1018cm-3になるように形成する。
続いて、有機金属気相体積(MOCVD)法を用いて、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルガリウム(TMGa)、アンモニア(NH3)及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)の混合雰囲気中でシリコン基板10の温度を1000℃にし、シリコン基板10に形成されたn型窒化物半導体31上に、膜厚1μmのp型窒化物半導体32を堆積する。堆積するp型窒化物半導体32が窒化インジウム(InN)と窒化ガリウム(GaN)との混合比が0.5:0.5になるようにエピタキシャル成長させる。この混合比付近において、この明細書の実施例のタンデム型太陽電池における最適なバンドギャップ1.57Evの第2太陽電池が得られる。p型窒化物半導体32の堆積において、マグネシウムの量は3×1018cm-3になるように形成する。次いで、窒素(N2)中で700℃,1時間の熱処理を行い、窒化物半導体32をp型化する。
続いて、有機金属気相体積(MOCVD)法を用いて、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルガリウム(TMGa)、アンモニア(NH3)及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)の混合雰囲気中でシリコン基板10の温度を1000℃にし、シリコン基板10に形成されたn型窒化物半導体31上に、膜厚1μmのp型窒化物半導体32を堆積する。堆積するp型窒化物半導体32が窒化インジウム(InN)と窒化ガリウム(GaN)との混合比が0.5:0.5になるようにエピタキシャル成長させる。この混合比付近において、この明細書の実施例のタンデム型太陽電池における最適なバンドギャップ1.57Evの第2太陽電池が得られる。p型窒化物半導体32の堆積において、マグネシウムの量は3×1018cm-3になるように形成する。次いで、窒素(N2)中で700℃,1時間の熱処理を行い、窒化物半導体32をp型化する。
なお、この実施形態に係るタンデム型太陽電池の製造方法では、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法を用いているが、単結晶エピタキシャル成長が可能な方法であれば他の方法を用いてもよい。例えば、分子線エピタキシー(MBE)法などを用いてもよい。ここで説明したガスおよび温度等は例示であり、他のガスおよび温度等でn型窒化物半導体31及びp型窒化物半導体32を形成してもよい。
<工程(C)>
次いで、図3(5)に示されるように、シリコン基板10の一方の面(p型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成された面)に貫通孔を形成する。まず、周知のフォトリソ法を用いて、シリコン基板10の一方の面におけるp型不純物領域11が形成された領域内に所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成する。この開口部は、貫通孔5を形成する位置に対応する位置に設ける(開口部を複数の位置に設けてもよい)。そして、反応性イオンエッチング(RIE)法に用いて、フォトレジスト膜をマスクとして、シリコン基板10及び格子整合層2の開口部に対応する部分をエッチングする。これにより、シリコン基板10及び格子整合層2を貫通する貫通孔を形成する。次に、フォトレジスト膜を酸素プラズマにより除去する。
次いで、図3(5)に示されるように、シリコン基板10の一方の面(p型不純物領域11及びn型不純物領域12が形成された面)に貫通孔を形成する。まず、周知のフォトリソ法を用いて、シリコン基板10の一方の面におけるp型不純物領域11が形成された領域内に所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成する。この開口部は、貫通孔5を形成する位置に対応する位置に設ける(開口部を複数の位置に設けてもよい)。そして、反応性イオンエッチング(RIE)法に用いて、フォトレジスト膜をマスクとして、シリコン基板10及び格子整合層2の開口部に対応する部分をエッチングする。これにより、シリコン基板10及び格子整合層2を貫通する貫通孔を形成する。次に、フォトレジスト膜を酸素プラズマにより除去する。
次いで、図3(6)に示されるように、第1電極7及び第3電極6を形成する。シリコン基板10の貫通孔が形成された一方の面に、チタン(Ti)を全面にわたってスパッタリング法にて50nm形成する。次に、周知のフォトリソ法を用いて、貫通孔6が形成された領域内及びn型不純物領域12が形成された領域内に開口部がそれぞれ開口するフォトレジスト膜を形成する。この開口部は、貫通孔5を覆う第3電極6及びn型不純物領域12上に形成する第1電極7に対応する位置に設ける。次に、電界メッキにて、シリコン基板10の貫通孔が形成された一方の面に銅(Cu)を10μm形成し、その後、アセトンに浸漬してフォトレジストを除去するとともに、第1電極7及び第3電極6を形成する位置(貫通孔6が形成された領域内及びn型不純物領域12が形成された領域内の所定領域である上記開口部。)以外の位置にある銅(Cu)をリフトオフ除去する。そして、残るチタン(Ti)をフッ酸(HF)と過酸化水素水(H2O2)で除去する。
次いで、図4(7)に示されるように、n型窒化物半導体31及びp型窒化物半導体32が形成されたシリコン基板の他方の面に、第2電極8を形成する。周知のフォトリソ法を用いて、p型窒化物半導体32上に所定領域を開口するフォトレジスト膜を形成する。この開口部は、第2電極8を形成する位置に設ける。次に、電界メッキ法を用いて、金(Au)を10μmの層厚に形成し、上記フォトレジストを除去するとともに、第2電極8を形成する位置以外の位置にある金(Au)をリフトオフ除去する。これにより、第2電極8が形成され、以上の工程により、実施形態に係るタンデム型太陽電池が完成する。
(第1太陽電池及び第2太陽電池の変形例)
上記で説明した実施形態に係るタンデム型太陽電池は、第1太陽電池1の半導体基板10の導電型をN型に、P型不純物領域11(第1導電型領域11)をN型に、N型不純物領域12(第2導電型領域12)の導電型をP型に、それぞれ変更してもよい。また、第2太陽電池3のn型窒化物半導体31(半導体層31)の導電型をP型に、p型窒化物半導体32(第2半導体層32)の導電型をN型に、それぞれそれぞれ変更してもよい。以下、導電型を変更した第1太陽電池及び第2太陽電池の変形例について、説明する。
上記で説明した実施形態に係るタンデム型太陽電池は、第1太陽電池1の半導体基板10の導電型をN型に、P型不純物領域11(第1導電型領域11)をN型に、N型不純物領域12(第2導電型領域12)の導電型をP型に、それぞれ変更してもよい。また、第2太陽電池3のn型窒化物半導体31(半導体層31)の導電型をP型に、p型窒化物半導体32(第2半導体層32)の導電型をN型に、それぞれそれぞれ変更してもよい。以下、導電型を変更した第1太陽電池及び第2太陽電池の変形例について、説明する。
第1太陽電池1をN型不純物が拡散された半導体基板10により形成する場合、リン、ヒ素、アンチモン等のN型不純物を半導体基板に拡散した基板を用いる。これらの不純物の拡散濃度は、3×1014〜3×1015cm-3程度の濃度にするとよい。
また、N型半導体基板10を用いる場合、第1導電型領域11に、1×1019〜1×1020cm-3程度の濃度でN型不純物を拡散して第1導電型領域11を形成し、第2導電型領域12に、1×1019〜1×1020cm-3程度の濃度でP型不純物を拡散して第2導電型領域12を形成するとよい。第1導電型領域11及び第2導電型領域12は、その形状、深さ、配置は、上記実施形態で説明したP型のP型不純物領域11(第1導電型領域11)及びN型のN型不純物領域12(第2導電型領域12)と同様にすればよい。なお、第1導電型領域11をP型の導電型とした場合、この領域の非受光面に対する占有面積率は5〜20%としてもよいし、第2導電型領域12をN型の導電型とした場合、この領域の非受光面に対する占有面積率は60〜93%としてもよい。また、隣接する第1導電型領域11と第2導電型領域12との間隔は3〜300μmとしてもよい。
また、第2太陽電池3の半導体層31は、タンデム型太陽電池を構成するために、第1太陽電池1の第1導電型領域11の導電型と異なる導電型にする必要がある。このため、N型半導体基板10を用い、第1導電型領域11をN型の導電型とした場合、第2太陽電池3は、P型の導電型の不純物が拡散された半導体層31及びN型の導電型の不純物が拡散された第2半導体層32を採用するとよい。
さらに、半導体層31がP型の導電型の不純物が拡散されて形成されている場合、第3電極6は、第3電極6と窒化物半導体31との接触抵抗が低くなる材料である金、ニッケル、白金等の材料で形成されるとよい。また、第2半導体層32がN型の導電型の不純物が拡散されて形成されている場合、第2電極8は、第2電極8と第2半導体層32との接触抵抗が低くなる材料であるチタン、アルミニウム又はタングステン等の材料で形成されるとよい。
(実施例1)
次に、この実施形態に係る実施例について説明する。図5〜6は、この発明の実施形態に係る実施例の構成を示す模式図である。図5は、断面図を示し、図6は、タンデム型太陽電池の使用状態において、光が出射する側、つまり、第1太陽電池側からタンデム型太陽電を見たときの平面図を示している。なお、図5は、図6におけるA−A線断面図である。
次に、この実施形態に係る実施例について説明する。図5〜6は、この発明の実施形態に係る実施例の構成を示す模式図である。図5は、断面図を示し、図6は、タンデム型太陽電池の使用状態において、光が出射する側、つまり、第1太陽電池側からタンデム型太陽電を見たときの平面図を示している。なお、図5は、図6におけるA−A線断面図である。
実施例に係るタンデム型太陽電池は、実施形態と同じ構造で形成されているが、形状が相違している。図5に示されるように、第1電極7を2つ設けた。また、図6に示されるように、この第1電極7は、2列ライン状に形成し、貫通孔5及び第3電極6並びにN型不純物領域をドットの列に形成した。
半導体基板10は、p型不純物のボロン(B)を2×1015cm-3の濃度で拡散された単結晶シリコン基板10を用いた。この半導体基板10(シリコン基板10)は、1cm角の正方形であり、厚さが200μmであり、抵抗率が2.5Ω・cmであった。
また、整合層2は、シリコン基板10の第2太陽電池側である面に窒化アルミニウム(AlN)からなる整合層2を形成した。そして、この整合層2の上にn型窒化物半導体であるシリコン(Si)を不純物とした窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN)3と、p型窒化物半導体であるマグネシウム(Mg)を不純物とした窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN)4とを形成した。
また、シリコン基板10の第2太陽電池3側と反対の面(表層部)に、シリコン基板10の有する濃度よりも高い1×1019cm-3の濃度でボロン(B)が拡散された複数のP型不純物領域11と、1×1019cm-3の濃度で不純物としてリン(P)が拡散された複数のN型不純物領域12とを形成した。
また、整合層2は、シリコン基板10の第2太陽電池側である面に窒化アルミニウム(AlN)からなる整合層2を形成した。そして、この整合層2の上にn型窒化物半導体であるシリコン(Si)を不純物とした窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN)3と、p型窒化物半導体であるマグネシウム(Mg)を不純物とした窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(InGaN)4とを形成した。
また、シリコン基板10の第2太陽電池3側と反対の面(表層部)に、シリコン基板10の有する濃度よりも高い1×1019cm-3の濃度でボロン(B)が拡散された複数のP型不純物領域11と、1×1019cm-3の濃度で不純物としてリン(P)が拡散された複数のN型不純物領域12とを形成した。
貫通孔5は、N型不純物領域11と接触するようにシリコン基板10に形成し、シリコン基板10とn型窒化物半導体31(半導体層31)とを電気的に接合するチタン及び銅からなる積層膜(Cu/Ti)を第3電極として形成した。
また、第1電極7は、チタン及び銅からなる積層膜(Cu/Ti)で形成した。さらに、第2電極8は、p型窒化物半導体32(第2半導体層32)と接するように、金(Au)からなる導電膜を形成した。
また、第1電極7は、チタン及び銅からなる積層膜(Cu/Ti)で形成した。さらに、第2電極8は、p型窒化物半導体32(第2半導体層32)と接するように、金(Au)からなる導電膜を形成した。
貫通孔5の形状は、直径60μmであり、p型不純物領域11側から整合層2及びシリコン基板10を貫通し、n型窒化物半導体31がある深さまでの形状とした。貫通孔5の深さは205.5μmとした。
第3電極6と第1電極7は共に、チタン(Ti)50nmの膜上に銅(Cu)10μmの膜を積層して形成した。また第2電極8は金(Au)10μmの膜で形成した。
第3電極6と第1電極7は共に、チタン(Ti)50nmの膜上に銅(Cu)10μmの膜を積層して形成した。また第2電極8は金(Au)10μmの膜で形成した。
また、整合層2は窒化物アルミニウム(GaN)で形成し、シリコン基板10上に5μmの厚さで形成した。n型窒化物半導体31は、シリコン(Si)を3×1018cm-3の濃度で拡散した窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(n型InGaN)で形成し、1μm厚みで形成した。
また、p型窒化物半導体32は、マグネシウム(Mg)を3×1018cm-3の濃度で拡散した窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(p型InGaN) で形成し、1μm厚みで形成した。
また、p型窒化物半導体32は、マグネシウム(Mg)を3×1018cm-3の濃度で拡散した窒化ガリウム及び窒化インジウムの混晶(p型InGaN) で形成し、1μm厚みで形成した。
図6に示されるように、1つのp型不純物領域11の形状は、深さ0.5μm、直径80μmのドット状とし、66個からなるドットの列111がシリコン基板10の辺のうち二辺と平行となるようにして複数列配置した。また、1つのn型不純物領域12の形状は、深さ0.5μm、幅1200μmのライン状とし、p型不純物領域11の複数のドット列の間に配置した。隣接するp型不純物領域11とn型不純物領域12との間隔Lは90μmとした。
また、貫通孔5および第3電極6は、p型不純物領域11内に形成し、深さ205.5μm、直径60μmのドット状形状とした。また、p型不純物領域11と同様に66個からなるドットの列で、シリコン基板10の辺のうち二辺と平行となるようにして複数列配置した。
また、第1電極7は、幅80μmで2列、n型不純物領域12と平行に形成し、第2電極8は、幅80μmで、p型不純物領域11の下方に配置した。そして、p型不純物領域11のドットの列11Aと平行に配置し、p型窒化物半導体32に接する形で形成した。
また、貫通孔5および第3電極6は、p型不純物領域11内に形成し、深さ205.5μm、直径60μmのドット状形状とした。また、p型不純物領域11と同様に66個からなるドットの列で、シリコン基板10の辺のうち二辺と平行となるようにして複数列配置した。
また、第1電極7は、幅80μmで2列、n型不純物領域12と平行に形成し、第2電極8は、幅80μmで、p型不純物領域11の下方に配置した。そして、p型不純物領域11のドットの列11Aと平行に配置し、p型窒化物半導体32に接する形で形成した。
完成した実施例1のタンデム型太陽電池における発電特性を評価した。AM-1.5, 100W/cm2の25℃における擬似太陽光照射条件にて行ったところ、短絡電流=22mA/cm2, 開放電圧=1.73V, 曲線因子83.4%及び発電効率=31.7%が得られた。
この明細書で説明した実施形態および実施例はこの発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれらよって限定されるものではない。この発明は請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についてもこの発明の技術的範囲に含まれる。
1 第1太陽電池
10 シリコン基板 (半導体基板)
101 P型領域 (第1導電型領域)
11 P型不純物領域 (第1不純物領域)
111 P型不純物領域のドット列
12 N型不純物領域(第2導電型領域)
2 整合層
3 第2太陽電池
31 n型窒化物半導体 (半導体層)
32 p型窒化物半導体(第2半導体層)
5 貫通孔
6 第3電極 (接続部材)
7 第1電極
8 第2電極 (電極)
10 シリコン基板 (半導体基板)
101 P型領域 (第1導電型領域)
11 P型不純物領域 (第1不純物領域)
111 P型不純物領域のドット列
12 N型不純物領域(第2導電型領域)
2 整合層
3 第2太陽電池
31 n型窒化物半導体 (半導体層)
32 p型窒化物半導体(第2半導体層)
5 貫通孔
6 第3電極 (接続部材)
7 第1電極
8 第2電極 (電極)
Claims (10)
- 半導体基板に形成された第1太陽電池と、
第1太陽電池に隣接して形成され、前記半導体基板の材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料により形成された第2太陽電池と、
第1太陽電池と第2太陽電池との間に形成され、前記半導体基板を形成する材料の結晶格子と第2太陽電池を形成する半導体材料の結晶格子とを整合するための整合層と、
第1太陽電池から前記整合層を貫通して第2太陽電池に達するように形成され、第1太陽電池と第2太陽電池とを電気的に直列接続する接続部材と、
を備えることを特徴とするタンデム型太陽電池。 - 第1太陽電池は、半導体基板の第2太陽電池側の面に形成され、第1導電型の不純物が拡散された第1導電型領域と、半導体基板の第2太陽電池側の面と反対側の面に第1導電型領域と接して形成され、第1導電型と異なる導電型の不純物が拡散された第2導電型領域とで構成され、
第2太陽電池は、前記整合層を介して、第1太陽電池を形成する半導体基板と隣接して形成され、第2導電型領域と同じ導電型の不純物が拡散された半導体層と、前記半導体層と接して形成され、第1導電型領域と同じ導電性同じ導電型の不純物が拡散された第2半導体層とで構成され、
接続部材は、第1導電型領域と第2太陽電池の前記半導体層とを電気的に接続する請求項1に記載のタンデム型太陽電池。 - 接続部材は、第1太陽電池及び前記整合層の厚みよりもその深さが大きい貫通孔を覆う電極である請求項1又は2に記載のタンデム型太陽電池。
- 前記半導体基板がシリコンで形成された基板であり、第2太陽電池が窒化物半導体で形成された請求項1〜3のいずれか1項に記載のタンデム型太陽電池。
- 第2太陽電池が窒化ガリウムと窒化インジウムとが混じりあった結晶で形成された請求項4に記載のタンデム型太陽電池。
- 第2太陽電池が、窒化インジウムを40%〜60%の比率で含む材料により形成された請求項5に記載のタンデム型太陽電池。
- 前記整合層が、窒化アルミニウム又は炭化珪素の少なくとも1つを含む材料で形成された請求項4〜6のいずれか1項に記載のタンデム型太陽電池。
- 接続部材が、チタン、アルミニウム又はタングステンの少なくとも1つを含む材料で形成された請求項1〜7記載のいずれか1項に記載のタンデム型太陽電池。
- さらに、第2太陽電池に設けられた電極を備え、
前記電極が、金、ニッケル又は白金の少なくとも1つを含む材料で形成された請求項1〜8記載のいずれか1項に記載のタンデム型太陽電池。 - 第1導電型の不純物が拡散された半導体基板を用いることにより第1導電型領域が形成された請求項2に記載のタンデム型太陽電池。
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