JP5487295B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施例1に係る太陽電池セル構造の断面図の概略である。通常の太陽電池セルは、単一のpn接合あるいは単一のpin接合のみを有するが、一方、本発明の太陽電池セルは、複数のpin接合31が積層された構造を有する。ここで、本発明の太陽電池セルの特徴として、pin接合31のうちi層1の膜厚は、後述する効果を得るために、p層11やn層21の膜厚よりも厚くするという点を挙げておく。隣接するpin接合31の間には絶縁膜41が挿入されている。また、これらの積層されたpin接合を貫通する貫通電極が存在し、pin接合31同士は、この貫通電極によって電気的に並列接続される。貫通孔側面部には、図1に示すように、それぞれp層11、i層1、n層21を貫通して設けられる貫通孔側面部p層14および貫通孔側面部n層24が形成され、従って、i層1の周囲に鍵型のp層およびn層が形成される。この結果、i層1での光吸収により発生する電子と正孔とが、鍵型のp層およびn層の生成する内蔵電界により、互いに逆向きに移動する。すなわち、電子はi層1からn層21、さらに貫通孔側面部n層24へと移動し、一方、正孔はi層1からp層11、さらに貫通孔側面部p層14へと移動する。貫通孔側面部p層14および貫通孔側面部n層24は、それぞれ貫通電極と電気的に接続される。貫通電極は、貫通孔側面部p層14と接するか、貫通孔側面部n層24と接するかによって二種類に分けられ、ここではそれぞれp層側貫通電極51、n層側貫通電極52と呼ぶ。太陽電池セルの表面または裏面には電極が設けられ、それらが貫通電極と電気的に接続される。ここでは、p層側貫通電極51と接する電極をp層側電極53、n層側貫通電極52と接する電極をn層側電極54と、それぞれ呼ぶ。図1には、p層側電極53、n層側電極54が、ともに太陽電池セルの裏面に配置された例を示しているが、ともにセルの表面に配置してもよいし、また、一方を表面、もう一方を裏面にそれぞれ配置してもよい。セルの表面および裏面において、電極の存在しない領域は、表面絶縁膜42または裏面絶縁膜43で覆われる。なお、図1では、すべての層が平坦な膜として描かれているが、反射低減や光閉じ込めの目的のためのテクスチャ化の処理を施してもよい。また、表面絶縁膜42上に反射防止膜を追加してもよい。
図4は、本発明の実施例2に係る太陽電池セル構造の断面図の概略である。この構造の特徴は、実施例1の太陽電池セルにおいて、異なるpin接合31と接続される貫通孔側面部p層14および貫通孔側面部n層24とが、絶縁膜41で互いに電気的に絶縁されないということである。
図5は、本発明の実施例3に係る太陽電池セル構造の断面図の概略である。この構造の特徴は、実施例1の太陽電池セルと比較して、貫通孔側面部p層14および貫通孔側面部n層24がなく、また、貫通電極として、フェルミ準位の異なる金属または半導体を用いている点にある。具体的には、フェルミ準位のより低い材料で貫通孔p型電極15を、フェルミ準位のより高い材料で貫通孔n型電極25を、それぞれ形成するということである。
図6は、本発明の実施例4に係る太陽電池セルの構造の概略である。この構造の特徴は、実施例1の太陽電池セルにおいて、積層されるpin接合31を構成する半導体材料を、単一物質にするのではなく、複数の異なるバンドギャップを有する物質にするということである。積層の順番は、バンドギャップが大きい物質ほど太陽光の入射面に近くなるように設定する。積層の数と物質種の数とが一致する必要はない。すなわち、一種類の物質からなる層が複数存在してもよい。また、実施例1でなく、実施例2および実施例3の太陽電池セルに上記変更を適用してもよい。
図7は、本実施例5における太陽電池の構造を示す図である。この構造の特徴は、実施例3の太陽電池セルにおける光吸収層を、単一のi層1とするかわりに、i層1の上下を絶縁膜44で挟んだ三層積層構造を含むようにするということである。上記絶縁膜44の条件は、i層1中の電子と正孔の両方に対するエネルギー障壁を形成するバリア膜となることである。以後、絶縁膜44をバリア膜44と記す。例えば、i層1がSiからなる場合には、バリア膜44として、SiO2、SiN(窒化シリコン)、SiC(炭化シリコン)などを用いることができる。このとき、i層1の膜厚を十分に薄くすることにより、その膜のバンドギャップが、バルク物質のバンドギャップと異なる値をもつ、いわゆる量子閉じ込め効果が発生するように設定することが必要である。具体的には、量子閉じ込め効果が発生する膜厚の目安は励起子の有効ボーア半径a=(1/me+1/mh)×(εh2)/(πe2)程度とされる。ここでme、mhはそれぞれ電子および正孔の有効質量、εは誘電率、hはプランク定数、eは電気素量である。上記の式はMKSA単位系で表記されたものである。また、量子閉じ込め効果が発生する条件は、閉じ込められる膜、すなわちここではi層1、の膜厚以外にも、バリア膜44の形成するエネルギー障壁の高さおよびバリア膜44の膜厚に依存する。定量的な依存性を求めるにはシュレディンガー方程式を解く必要があるが、定性的には、バリア膜44の形成するエネルギー障壁が低くなるほど、また、バリア膜44の膜厚が減少するほど、量子閉じ込め効果は抑制され、バンドギャップはバルク物質のバンドギャップに近くなるという傾向がある。従って、所望のバンドギャップを得るためには、バリア膜44の形成するエネルギー障壁の高さおよびバリア膜44の膜厚の選択が重要である。一般に、量子閉じ込め効果によるバンドギャップのバルク物質からの変化は連続的であり、膜厚が小さくなるほど大きくなる。これを利用して、積層されるpin接合31におけるi層1の膜厚を、層ごとに異なる値とすることにより、実施例4の構造を作製することも可能である。また、本実施例5では、量子閉じ込め効果を発現する構造として、薄膜を絶縁膜で挟んだ構造、いわゆる量子井戸を例にとって説明するが、本実施例5の内容は、量子細線や量子ドットなどの、閉じ込め次元の異なる構造にも適用可能である。また、実施例3でなく、実施例1および実施例2の太陽電池セルに上記変更を適用してもよい。
図8は、本実施例6における太陽電池の構造を示す図である。この構造の特徴は、実施例1の太陽電池セルにおいて、各pin接合31のp層11およびn層21と、隣接する絶縁膜との間に、透明導電膜55を挿入するということである。この透明導電膜55としては、上記p層11およびn層21のいずれと比べてもシート抵抗が低いことが必要であり、太陽光の波長域における透過率が高いことが望ましく、これらの条件を満たすように、透明導電膜55の膜種と膜厚を選択する必要がある。また、実施例1でなく、実施例2および実施例3の太陽電池セルに上記変更を適用してもよい。
図9は、本実施例7における太陽電池の構造を示す図である。この構造は、本発明の実施例1の太陽電池セルと、従来型太陽電池セル63、すなわち、単一のpn接合あるいはpin接合のみからなるセル、とを直列接続したタンデム構造である。図9では、従来型太陽電池セル63の裏面側にp側電極が形成され、表面側にn層が形成され、そのn層と、本発明の太陽電池セルのp層側貫通電極51とが接続され、本発明の太陽電池セルのn層側貫通電極52はセル表面のn層側電極54と接続されている。これらのp層とn層とを反転した構造でもよい。また、実施例1でなく、実施例2から実施例6までのいずれの太陽電池セルを用いてもよい。従来型太陽電池63と本発明の太陽電池との接続部にトンネル接合ダイオードを形成してもよい。以下では、従来型太陽電池63の表面絶縁膜と、本発明の太陽電池の裏面絶縁膜43を同一の膜として説明するが、これらは互いに異なってもよい。
Claims (13)
- 第1のp層と、
第1のn層と、
前記第1のp層と前記第1のn層の間に設けられる第1のi層と、
第2のp層と、
第2のn層と、
前記第2のp層と前記第2のn層の間に設けられる第2のi層と、
前記第1のn層と前記第2のp層の間に設けられる第1の絶縁層と、
前記第1のp層とは異なるp層を介して前記第1のp層と接続され、前記第2のp層とは異なるp層を介して前記第2のp層と接続される第1の貫通電極と、
前記第1のn層とは異なるn層を介して前記第1のn層と接続され、前記第2のn層とは異なるn層を介して前記第2のn層と接続される第2の貫通電極と、
前記第1のp層と前記第1のi層の間に設けられる第2の絶縁層と、
前記第1のi層と前記第1のn層の間に設けられる第3の絶縁層と、
前記第2のp層と前記第2のi層の間に設けられる第4の絶縁層と、
前記第2のi層と前記第2のn層の間に設けられる第5の絶縁層と、を有し、
前記第1のi層の膜厚は、前記第1のp層の膜厚及び前記第1のn層の膜厚よりも厚く、
前記第2のi層の膜厚は、前記第2のp層の膜厚及び前記第2のn層の膜厚よりも厚いことを特徴とする太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1のp層とは異なるp層は、第3のp層であり、
前記第2のp層とは異なるp層は、第4のp層であり、
前記第1のn層とは異なるn層は、第3のn層であり、
前記第2のn層とは異なるn層は、第4のn層であり、
前記第3のp層と前記第4のp層の間、及び、前記第3のn層と前記第4のn層の間に、前記第1の絶縁層が設けられることを特徴とする太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1のp層とは異なるp層と、前記第2のp層とは異なるp層は、同一のp層であり、
前記第1のn層とは異なるn層と、前記第2のn層とは異なるn層は、同一のn層であることを特徴とする太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1の貫通電極と前記第2の貫通電極は、フェルミ準位が互いに異なることを特徴する太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1のp層と前記第2のp層は、バンドギャップが互いに異なり、
前記第1のi層と前記第2のi層は、バンドギャップが互いに異なり、
前記第1のn層と前記第2のn層は、バンドギャップが互いに異なることを特徴とする太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1の絶縁層と前記第2のp層の間に設けられる第1の導電膜をさらに有し、
前記第1の導電膜は、前記第2のp層、前記第2のi層及び前記第2のn層が吸収する波長の光に対する吸収率が、前記第2のp層、前記第2のi層、及び前記第2のn層よりも低いことを特徴とする太陽電池。 - 請求項1記載の太陽電池において、
前記第1の貫通電極又は前記第2の貫通電極と接続される太陽電池セルをさらに有し、
前記太陽電池セルは、単一のpn接合又は単一のpin接合を有することを特徴とする太陽電池。 - 第1のp層と、
第1のn層と、
前記第1のp層と前記第1のn層の間に設けられる第1のi層と、
第2のp層と、
第2のn層と、
前記第2のp層と前記第2のn層の間に設けられる第2のi層と、
前記第1のn層と前記第2のp層の間に設けられる第1の絶縁層と、
前記第1のp層、前記第1のn層、前記第1のi層、前記第2のp層、前記第2のn層、前記第2のi層、及び前記第1の絶縁層を貫通する第1の貫通電極と、
前記第1のp層、前記第1のn層、前記第1のi層、前記第2のp層、前記第2のn層、前記第2のi層、及び前記第1の絶縁層を貫通し、前記第1の貫通電極とはフェルミ準位が異なる第2の貫通電極と、
前記第1のp層と前記第1のi層の間に設けられる第2の絶縁層と、
前記第1のi層と前記第1のn層の間に設けられる第3の絶縁層と、
前記第2のp層と前記第2のi層の間に設けられる第4の絶縁層と、
前記第2のi層と前記第2のn層の間に設けられる第5の絶縁層と、を有し、
前記第1のi層の膜厚は、前記第1のp層の膜厚及び前記第1のn層の膜厚よりも厚く、
前記第2のi層の膜厚は、前記第2のp層の膜厚及び前記第2のn層の膜厚よりも厚いことを特徴とする太陽電池。 - 請求項8記載の太陽電池において、
前記第1の貫通電極は、第3のp層を介して前記第1のp層と接続され、第4のp層を介して前記第2のp層と接続され、
前記第2の貫通電極は、第3のn層を介して前記第1のn層と接続され、第4のn層を介して前記第2のn層と接続され、
前記第3のp層と前記第4のp層の間、及び、前記第3のn層と前記第4のn層の間に、前記第1の絶縁層が設けられることを特徴とする太陽電池。 - 請求項8記載の太陽電池において、
前記第1の貫通電極は、第3のp層を介して前記第1のp層及び前記第2のp層と接続され、
前記第2の貫通電極は、第3のn層を介して前記第1のn層及び前記第2のn層と接続されることを特徴とする太陽電池。 - 請求項8記載の太陽電池において、
前記第1のp層と前記第2のp層は、バンドギャップが互いに異なり、
前記第1のi層と前記第2のi層は、バンドギャップが互いに異なり、
前記第1のn層と前記第2のn層は、バンドギャップが互いに異なることを特徴とする太陽電池。 - 請求項8記載の太陽電池において、
前記第1の絶縁層と前記第2のp層の間に設けられる第1の導電膜をさらに有し、
前記第1の導電膜は、前記第2のp層、前記第2のi層及び前記第2のn層が吸収する波長の光に対する吸収率が、前記第2のp層、前記第2のi層、及び前記第2のn層よりも低いことを特徴とする太陽電池。 - 請求項8記載の太陽電池において、
前記第1の貫通電極又は前記第2の貫通電極と接続される太陽電池セルをさらに有し、
前記太陽電池セルは、単一のpn接合又は単一のpin接合を有することを特徴とする太陽電池。
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