JP7270597B2 - 太陽電池およびその太陽電池を備えた電子機器 - Google Patents
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Description
図2および図3に示すように、太陽電池1は、裏面電極型(裏面接合型)の太陽電池である。太陽電池1は、2つの主面を備える半導体基板11を備え、半導体基板11の主面において第1導電型領域7と第2導電型領域8とを有する。
半導体基板11としては、導電型単結晶シリコン基板、例えばn型単結晶シリコン基板またはp型単結晶シリコン基板が用いられる。これにより、高い光電変換効率が実現する。
半導体基板11は、n型単結晶シリコン基板であると好ましい。これにより、結晶シリコン基板内のキャリア寿命が長くなる。また、p型単結晶シリコン基板では、光照射によってp型ドーパントであるB(ホウ素)が影響して再結合中心となるLID(Light Induced Degradation)が起こる場合があるが、n型単結晶シリコン基板ではLIDがより抑制される。
また、半導体基板11は、受光面側に、テクスチャ構造と呼ばれるピラミッド型の微細な凹凸構造を有していてもよい。これにより、受光面において入射光の反射が低減し、半導体基板11における光閉じ込め効果が向上する。
なお、半導体基板11として、導電型多結晶シリコン基板、例えばn型多結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板を用いてもよい。この場合、より安価に裏面電極型太陽電池が製造される。
反射防止層15は、半導体基板11の受光面側にパッシベーション層13を介して形成されている。パッシベーション層13は、真性シリコン系層で形成される。パッシベーション層13は、半導体基板11の表面欠陥を終端し、キャリアの再結合を抑制する。
反射防止層15としては、屈折率1.5以上2.3以下程度の透光性膜が好適に用いられる。反射防止層15の材料としては、SiO、SiN、またはSiON等が好ましい。反射防止層15の形成方法は特に限定されないが、精密な膜厚制御が可能なCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いると好ましい。CVD法による製膜によれば、材料ガスまたは製膜条件のコントロールで膜質が制御される。
第1導電型半導体層25は、半導体基板11の裏面側の第1導電型領域7にパッシベーション層23を介して形成され、第2導電型半導体層35は、半導体基板11の裏面側の第2導電型領域8にパッシベーション層33を介して形成される。第1導電型半導体層25は、後述する第1電極層27の形状(図2参照)に対応した形状となり、第2導電型半導体層35は、後述する第2電極層37の形状(図2参照)に対応した形状となる。
p型シリコン系層およびn型シリコン系層は、非晶質シリコン層、または、非晶質シリコンと結晶質シリコンとを含む微結晶シリコン層で形成される。p型シリコン系層のドーパント不純物としては、B(ホウ素)が好適に用いられ、n型シリコン系層のドーパント不純物としては、P(リン)が好適に用いられる。
第1導電型半導体層25および第2導電型半導体層35の形成方法の他の一例としては、熱拡散ドーピング法、レーザードーピング法等が挙げられる。
パッシベーション層23,33は、真性シリコン系層で形成される。パッシベーション層23,33は、半導体基板11の表面欠陥を終端し、キャリアの再結合を抑制する。これにより、キャリアのライフタイムが向上するために、太陽電池の出力が向上する。
第1電極層27は、第1導電型半導体層25上に形成されており、第2電極層37は、第2導電型半導体層35上に形成されている。第1電極層27と第2電極層37は離間している(なお、電気的に直接には接続されていない)。
このような透明電極層の形成方法としては、スパッタリング法等の物理気相堆積法、または有機金属化合物と酸素または水との反応を利用した化学気相堆積法(例えばCVD法)等が用いられる。
金属電極層の形成方法としては、例えばAgペーストを用いたスクリーン印刷等の印刷法、または例えばCuを用いた電解メッキ等のメッキ法等が用いられる。また、第1電極層27および第2電極層37は、金属電極層のみから形成されていても構わない。
なお、第1導電型半導体層25と第2導電型半導体層35との境界部分に絶縁層やその他の層が設けられて、第1電極層27と第2電極層37とが離間している場合には、第1電極層27および第2電極層37の幅は、それぞれ、第1導電型半導体層25の幅および第2導電型半導体層35の幅より大きくてもよい。
第1枝電極層27fと第2枝電極層37fおよびそれぞれの枝電極層に対応する第1導電型半導体層25と第2導電型半導体層35の幅は、ある程度小さければ特に限定されないが、それぞれ、50~3000μmの範囲であると好ましい。なお、導電型層および電極層の幅とは、特に断りがない限り、延在方向と直交する方向を表す。
一方で、電気輸送の観点から、電気抵抗ロスを抑制するためには、幹電極層はある程度の断面積を必要とし、幹電極層の幅および高さで断面積を確保する必要がある。これにより、第1幹電極層27bと第2幹電極層37bおよびそれぞれの幹電極層に対応する第1導電型半導体層25と第2導電型半導体層35の幅は、それぞれ、50~5000μmの範囲が好ましい。
なお、電極の高さは、基板の主面から電極の頂点までの距離である。半導体層形成のためのエッチング等により、部分的に基板の厚みが小さくなっている領域が存在する場合は、基板の主面に平行な基準面を定め、当該基準面から電極の頂点までの距離を電極の高さと定義すればよい。
太陽電池1には、半導体基板11の主面において、1または複数の第1特定領域60と1または複数の第2特定領域61とが形成されている。図2に示す本実施形態の太陽電池1には、3つの第1特定領域60と1つの第2特定領域61とが形成されている。第1特定領域60および第2特定領域61は、第1電極層27および第2電極層37を含まない領域である。なお、第1特定領域60および第2特定領域61には、パッシベーション層23および第1導電型半導体層25、並びに、パッシベーション層33および第2導電型半導体層35が含まれていてもよい。例えば、ウェアラブル機器または腕時計等の電子機器において、第1特定領域60は、太陽電池の下部に設けられた表示部の覗き窓等のための貫通孔であり、第2特定領域61は、腕時計の針の軸等のための貫通孔ある。
或いは、第1特定領域60および第2特定領域61は、半導体基板11上に設けられ、第1電極層27および第2電極層37よりも高抵抗な材料を有する領域であってもよい。
第1特定領域60および第2特定領域61は、半導体基板11内において複数個形成されてもよいし、単数個形成されてもよい。複数の第1特定領域60が形成される場合、複数の第1特定領域60の面積は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、複数の第2特定領域61が形成される場合、複数の第2特定領域61の面積は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第1特定領域60および第2特定領域61の面積も、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第1電極層27および第2電極層37は、半導体基板11の主面において、第1特定領域60および第2特定領域61を除く全ての領域に分布して形成されると好ましい。これにより、有効発電面積が拡大し、光電変換効率が向上する。
第1電極層27は、複数の第1枝電極層27fと3つの第1幹電極層27bとを含む。また、第2電極層37は、複数の第2枝電極層37fと3つの第2幹電極層37bとを含む。
第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fは、所謂フィンガー電極であり、帯のような形状(帯状)を有する。第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fの形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fの電極パターンは特に限定されないが、例えば、第1特定領域60、第2特定領域61、第1幹電極層27bおよび第2幹電極層37bの形成領域を除いた領域において、半導体基板11と同心円状のパターンであると好ましい。換言すれば、第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fは、中心が半導体基板11の中心と重なり、半導体基板11の相似形と重なるように形成されると好ましい。これにより、第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fは、半導体基板11内の領域全体に渡って隙間なく分布し、かつ半導体基板11の周縁において分断し難くなる。
更には、枝電極層がこのような形状になることにより、枝電極層の形成により半導体基板11に反りが発生した場合においても、その反りは基板全体に比較的均一に発生し、局所的に大きな反りが発生し難くなる。これにより、太陽電池の破損等の発生が抑制される。
第1幹電極層27bは、所謂バスバー電極であり、帯のような形状(帯状)、または、帯状を巻いたり連結させたりした複雑な形状である。第1幹電極層27bの形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。第1幹電極層27bは、第1囲み状幹電極層27beと第1帯状幹電極層27bbとを含む。
第1囲み状幹電極層27beは、第1特定領域60の外縁を囲むように形成される。第1囲み状幹電極層27beの形状は、環状(閉環状)であってもよいし、開環状であってもよい。第1囲み状幹電極層27beの形状は、曲線状であってもよいし、直線状であってもよく、第1囲み状幹電極層27beの形状は、円形形状であってもよいし、多角形形状であってもよい。
第1帯状幹電極層27bbは、半導体基板11の中心から外縁に向かう放射方向に沿って、換言すれば、第1枝電極層27fの同心円中心からの放射方向に沿って、第1囲み状幹電極層27beから延びる帯状である。これにより、第1帯状幹電極層27bbは、同心円状の第1枝電極層27fと交差するように、第1囲み状幹電極層27beから延びる。第1帯状幹電極層27bbの形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
第1囲み状幹電極層27beおよび第1帯状幹電極層27bbには、複数の第1枝電極層27fが接続される。これにより、貫通孔または高抵抗領域などの第1特定領域60による枝電極層の断絶が防がれ、第1枝電極層27fが第1幹電極層27bに接続されずに電気的に孤立することが防がれる。これにより、複数の第1枝電極層27fで回収されたキャリアが、第1幹電極層27b(第1囲み状幹電極層27be、第1帯状幹電極層27bb)を介して回収される、すなわち太陽電池1の出力が向上する。
<<第2幹電極層>>
第2幹電極層37bは、所謂バスバー電極であり、半導体基板11において放射状に延びる帯状である。第2幹電極層37bは、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
第2幹電極層37bは、隣り合う第1幹電極層27bの間に配置されており、第2幹電極層37bには、複数の第2枝電極層37fが接続される。これにより、第2枝電極層37fが第2幹電極層37bに接続されず電気的に孤立することが防がれる。これにより、複数の第2枝電極層37fで回収されたキャリアが、第2幹電極層37bを介して回収される、すなわち、太陽電池1の出力が向上する。
図4は、本実施形態の第1変形例に係る太陽電池を裏面側からみた図である。図4に示す太陽電池1は、図2に示す太陽電池1において、第2電極層37の第2幹電極層37bが、第2囲み状幹電極層37beと第2帯状幹電極層37bbとを有する点で本実施形態と異なる。
第1電極層27の第1幹電極層27bの第1囲み状幹電極層27beは、4つの第1特定領域60のうちの2つ(一部)の外縁を囲むように形成される。一方、第2囲み状幹電極層37beは、4つの第1特定領域60のうちの残りの2つ(一部以外の他部)の外縁を囲むように形成される。
換言すれば、第1囲み状幹電極層27beは、第1特定領域60および第2特定領域61のうちの2つの第1特定領域60の外縁を囲むように形成される。一方、第2囲み状幹電極層37beは、残りの第1特定領域60および第2特定領域61のうちの2つの第1特定領域60の外縁を囲むように形成される(なお、第2特定領域61のように、第1、第2囲み状幹電極層27be、37beに囲まれていない特定領域が、存在しても構わない)。
第2囲み状幹電極層37beの形状は、環状(閉環状)であってもよいし、開環状であってもよい。第2囲み状幹電極層37beの形状は、曲線状であってもよいし、直線状であってもよく、第2囲み状幹電極層37beの形状は、円形形状であってもよいし、多角形形状であってもよい。
第2帯状幹電極層37bbは、半導体基板11の中心から外縁に向かう放射方向に沿って、換言すれば、第2枝電極層37fの同心円中心からの放射方向に沿って、第2囲み状幹電極層37beから延びる帯状である。これにより、第2帯状幹電極層37bbは、同心円状の第2枝電極層37fと交差するように、第2囲み状幹電極層37beから延びる。第2帯状幹電極層37bbの形状は、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
これによれば、図2に示したように隣り合う第1囲み状幹電極層27beの間に単なる帯状の第2幹電極層37bを設ける必要が無く、材料コストの面等でメリットがある。また、このように交互に異種同士の囲み状幹電極層を配置させるには第1特定領域60の個数が偶数個であることが好ましい。なお、第1特定領域60の個数が奇数個である場合には、少なくとも一か所において同種同士の囲み状幹電極層が隣り合って配置されることとなるため、その間に別種の幹電極を配置する必要があるが、その場合においても幹電極の数を最小限にとどめることができるため、材料コストが抑制される。
図5は、本実施形態の第2変形例に係る太陽電池を裏面側からみた図である。図5に示す太陽電池1は、図2に示す太陽電池1において、一つの第1特定領域60の外縁を第1囲み状幹電極層27beと第2囲み状幹電極層37beとの両方で囲む点で本実施形態と異なる。
第1電極層27の第1囲み状幹電極層27beは、第1特定領域60の外縁の半分(一部)を囲み、第2電極層37の第2囲み状幹電極層37beは、第1特定領域60の外縁の残りの半分(一部以外の他部)を囲む。第1電極層27の第1帯状幹電極層27bbと第2電極層37の第2帯状幹電極層37bbとは隣接して延びている。
これによれば、図2のように隣り合う第1囲み状幹電極層27beの間に単なる帯状の第2幹電極層37bを設ける必要が無く、材料コストの面等でメリットがある。更には、図5のように第1特定領域60が奇数個存在する場合においても、隣り合う囲み状幹電極の対抗する周縁を異種とすることで、隣り合う囲み状幹電極の間に幹電極を設ける必要が無いため、材料コストの面等でメリットがある。
図6は、本実施形態の第3変形例に係る太陽電池を裏面側からみた図である。図6に示す太陽電池1は、図2に示す太陽電池1において第1囲み状幹電極層27beが例えば一直線状に一列に並んでいる点で本実施形態と異なる。中央に位置する第2特定領域61は、複数の枝電極が接続された囲み状幹電極層ではなく、第1枝電極層27fで囲われている点で、第1特定領域60と異なる。この中央に位置する第2特定領域61は、枝電極を分断しない位置に形成されているため、囲み状幹電極層を有している必要は無いが、このような第2特定領域61は枝電極のパターンに対して限られた位置にしか形成できない。太陽電池のデザインの任意性を高める上においては、このような限られた位置における特定領域のみでなく、任意の位置に特定領域を有することが求められるため、囲み状幹電極層を用いることが重要となる。
図7は、本実施形態の第4変形例に係る太陽電池を裏面側からみた図である。図7に示す太陽電池1は、半導体基板11の周縁において第1幹電極層27bを有している点で本実施形態と異なる。図7では、他の図と異なり、第1枝電極層27fと第2枝電極層37fが基板の形状の相似形とは全く異なる例を示している。このような場合は、図2のように中心が半導体基板11の中心と重なり、かつ半導体基板11の相似形と重なるように第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fが形成されるような場合と異なり、半導体基板11の周縁による枝電極層の分断を防ぐため、半導体基板11の周縁において第1幹電極層27bを有することが好ましい。このような場合でも、帯状幹電極層は、枝電極層と交差するように、囲み状幹電極層から延びていればよい。
本実施形態の太陽電池1は、実用化に際して、モジュール化されることが好ましい。太陽電池のモジュール化は、適宜の方法により行われる。例えば、陽極と陰極との両方の幹電極層27b,37b、または、それぞれに設けた取出電極(不図示)に配線またはコンタクトピンなどが接続されることで、電気取出しが行える。また、裏面電極型太陽電池は、封止剤およびガラス板により封止されることによりモジュール化される。このようにしてモジュール化された太陽電池は、ウェアラブル用途(腕時計またはスマートウォッチ、センサー)の電子機器に搭載されることができる。
7 第1導電型領域
8 第2導電型領域
11 半導体基板
13,23,33 パッシベーション層
15 反射防止層
25,25X 第1導電型半導体層
27,27X 第1電極層
27b 第1幹電極層(バスバー電極、バスバー部)
27bb 第1帯状幹電極層
27be 第1囲み状幹電極層
27f 第1枝電極層(フィンガー電極、フィンガー部)
35,35X 第2導電型半導体層
37,37X 第2電極層
37b 第2幹電極層(バスバー電極、バスバー部)
37bb 第2帯状幹電極層
37be 第2囲み状幹電極層
37f 第2枝電極層(フィンガー電極、フィンガー部)
60 貫通孔(第1特定領域)
61 貫通孔(第2特定領域)
Claims (15)
- 半導体基板と、前記半導体基板の両主面のうち一方主面の側に配置された第1導電型半導体層および第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層に対応する第1電極層および前記第2導電型半導体層に対応する第2電極層とを備える裏面電極型の太陽電池であって、
前記一方主面において、前記第1電極層および前記第2電極層を含まない特定領域を有し、
前記第1電極層および前記第2電極層の各々は、帯状の複数の枝電極層と、前記複数の枝電極層の一端が接続された幹電極層とを有し、
前記第1電極層の幹電極層は、前記特定領域の外縁を囲む囲み状幹電極層と、前記囲み状幹電極層から延びる帯状幹電極層とを有し、
前記枝電極層は、前記幹電極層および前記特定領域を除いた領域において、中心が前記半導体基板の中心と重なり、前記半導体基板の相似形と重なるように形成される、
太陽電池。 - 複数の前記特定領域を有し、
前記第1電極層は、複数の前記幹電極層を有し、
複数の前記幹電極層の囲み状幹電極層は、複数の前記特定領域の外縁を囲む、
請求項1に記載の太陽電池。 - 複数の前記特定領域を有し、
前記第1電極層および前記第2電極層の各々は、1以上の前記幹電極層を有し、
前記第2電極層の幹電極層は、囲み状幹電極層と、前記囲み状幹電極層から延びる帯状幹電極層とを有し、
前記第1電極層の1以上の前記幹電極層の囲み状幹電極層は、複数の前記特定領域のうち少なくとも1つの前記特定領域の外縁を囲み、
前記第2電極層の1以上の前記幹電極層の囲み状幹電極層は、複数の前記特定領域のうち残った前記特定領域のうち少なくとも1つの外縁を囲む、
請求項1に記載の太陽電池。 - 前記第1電極層の囲み状幹電極層は、前記第2電極層の囲み状幹電極層と隣り合う、請求項3に記載の太陽電池。
- 隣り合う前記第1電極層の幹電極層の間には、前記第2電極層の前記幹電極層が配置される、請求項2に記載の太陽電池。
- 前記第1電極層は、複数の前記幹電極層を有し、
隣り合う前記第1電極層の幹電極層の間には、前記第2電極層の前記幹電極層が配置される、請求項3に記載の太陽電池。 - 前記第2電極層の幹電極層は、囲み状幹電極層と、前記囲み状幹電極層から延びる帯状幹電極層とを有し、
前記第1電極層の囲み状幹電極層は、前記特定領域の外縁の一部を囲み、
前記第2電極層の囲み状幹電極層は、前記特定領域の外縁の前記一部以外の他部を囲み、
前記第1電極層の帯状幹電極層と前記第2電極層の帯状幹電極層とは隣接する、
請求項1に記載の太陽電池。 - 前記囲み状幹電極層の形状は、環状または開環状である、請求項1~7のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記囲み状幹電極層の形状は、曲線状または直線状である、請求項8に記載の太陽電池。
- 前記帯状幹電極層の形状は、曲線状または直線状である、請求項1~9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記枝電極層の形状は、曲線状または直線状である、請求項1~10のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記特定領域は、貫通孔、または、前記第1電極層および前記第2電極層よりも高抵抗な材料を有する、請求項1~11のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 複数の前記特定領域の面積は、同一である、または相違する、請求項2または3に記載の太陽電池。
- 複数の前記特定領域は、一列に並ぶ、請求項2または3に記載の太陽電池。
- 請求項1~14のいずれか1項に記載の太陽電池を備える、電子機器。
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