JP7270598B2 - 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。
金属電極層は、金属材料で形成される。金属材料としては、例えば、Cu、Ag、Alおよびこれらの合金が用いられる。
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。
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、複数の第1特定領域60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が形成されている。第1特定領域60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が含まれていても構わない。例えば、第1特定領域60は、ウェアラブル機器または腕時計等の電子機器において、太陽電池の下部に設けられた表示部の覗き窓、または腕時計の針の軸等のための貫通孔である。
或いは、第1特定領域60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は、半導体基板11内において複数個形成されている。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。
太陽電池1は、半導体基板11の主面において、3つの第1特定領域60をそれぞれ囲うように、3つの領域に区分けした3つの区分け領域50を有する。
区分け領域50内の第1特定領域60を単数個とすることで、後述する第1特定領域60による第1枝電極層27fおよび第2枝電極層37fの分断が抑制される。
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。
各区分け領域50において、第1電極層27は、複数の第1枝電極層27fと第1幹電極層27bとを含む。また、各区分け領域50において、第2電極層37は、複数の第2枝電極層37fと第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、各区分け領域50において、第1特定領域60、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、第1特定領域60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、中心が第1特定領域60の中心と重なり、第1特定領域60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、貫通孔または高抵抗領域などである第1特定領域60に起因する枝電極層の断絶が防がれ、枝電極層が幹電極層に接続されずに電気的に孤立することが防がれる。その結果、複数の枝電極層で回収されたキャリアが、幹電極層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1特定領域60の外縁を囲む枝電極の形状は、環状(閉環状)であってもよいし、開環状であってもよい。この環状または開環状の枝電極の形状は、曲線状であってもよいし、直線状であってもよい。
第1幹電極層27bおよび第2幹電極層37bは、所謂バスバー電極であり、帯のような形状(帯状)を有する。第1幹電極層27bおよび第2幹電極層37b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。
各区分け領域50において、第1幹電極層27bは、第1枠用幹電極層27bfと第1帯状幹電極層27bbとを含む。また、各区分け領域50において、第2幹電極層37bは、第2枠用幹電極層37bfと第2帯状幹電極層37bbとを含む。
第1枠用幹電極層27bfと第2枠用幹電極層37bfとは枠電極層40を構成する。枠電極層40は、各区分け領域50を囲むように、換言すれば区分け領域50の外縁に重畳するように、形成されている。枠電極層40の形状は、第1枠用幹電極層27bfと第2枠用幹電極層37bfとの間が離間した開環状であってもよい。なお、枠電極層40の形状は、後述する変形例のように第1枠用幹電極層27bfまたは第2枠用幹電極層37bfのみで形成された環状(閉環状)であってもよいこの環状または開環状の枠電極層40の形状は、曲線状であってもよいし、直線状であってもよい。
第1帯状幹電極層27bbは、枠電極層40の第1枠用幹電極層27bfから、第1特定領域60に向けて延びる帯状である。また、第2帯状幹電極層37bbは、枠電極層40の第2枠用幹電極層37bfから、第1特定領域60に向けて延びる帯状である。第1帯状幹電極層27bbおよび第2帯状幹電極層37bbは、直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。
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特定領域61を更に有している点で本実施形態と異なる。
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が含まれていても構わない。例えば、第2特定領域61は、ウェアラブル機器または腕時計等の電子機器において、太陽電池の下部に設けられた表示部の覗き窓、または腕時計の針の軸等のための貫通孔である。
或いは、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2特定領域61は、例えば、半導体基板11の主面の平面視で円形形状である。なお、第2特定領域61の形状はこれに限定されず、帯形形状または多角形形状(例えば三角形形状や四角形形状)であってもよい。
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2特定領域61および複数の第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。
第2特定領域61の外縁は、後述する第1電極層27(または、第2電極層37)における第1囲み状幹電極層27be(または、第2囲み状幹電極層37be)で囲まれる。
なお、第1幹電極層27bにおける第1帯状幹電極層27bbは、第1囲み状幹電極層27beから、第1特定領域60に向けて延びている。
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、上述した第2特定領域61を有している点、隣り合う区分け領域50の境界において枠電極層40が隣接している点、および、区分け領域50内における半導体基板11の周縁において、第1枠用幹電極層27bfと第2枠用幹電極層37bfとを有する点で異なる。なお、第1帯状幹電極層27bbと第2帯状幹電極層37bbとも隣接している。
図2の本実施形態では、隣り合う区分け領域50の境界における第1枠用幹電極層27bfがこれらの区分け領域50で共有されていた。これに対して、第2変形例では、区分け領域50ごとに第1枠用幹電極層27bfまたは第2枠用幹電極層37bfが形成されるため、例えば隣り合う他の区分け領域に依存せずに、区分け領域50の電極パターンが設計される。
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、上述した第2特定領域61を有している点、および、第1特定領域60および第2特定領域61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。第2特定領域61は、複数の枝電極層が接続された幹電極層(枠電極層)で囲われており、第2枝電極層37fで囲われた特定領域60とは異なる。
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、枠電極層40が第2枠用幹電極層37bf(または第1枠用幹電極層27bf)のみで形成され、枠電極層40の形状が環状(閉環状)である点で本実施形態と異なる。
この場合、第1幹電極層27bは、第1帯状幹電極層27bbのみを有していてもよい。第4変形例では、第1幹電極層27bは、2つの第1帯状幹電極層27bbを有する。一方の第1帯状幹電極層27bbは、各区分け領域50内、すなわち枠電極層40(第2枠用幹電極層37bf)で囲まれる領域内において、第1特定領域60と交わらないように、かつ、第1枝電極層27fと交差するように延びる帯状である。また、他方の第1帯状幹電極層27bbは、一方の第1帯状幹電極層27bbから、第1特定領域60に向けて延びる帯状である。
図8は、本実施形態の第5変形例に係る太陽電池を裏面側からみた図である。図8に示す太陽電池1は、図2に示す太陽電池1において、上述した第2特定領域61を有している点、第1特定領域60と第2特定領域61とが例えば一直線状に一列に並んでいる点、および、複数の第1特定領域の形状がそれぞれ異なっている点で本実施形態と異なる。
図8の太陽電池1は、円形状の第1特定領域60と、四角形形状の第1特定領域60とを有している。このような場合、各区分け領域50内の枝電極層の形状はその境界に対して対照的ではない。しかし、この太陽電池1では、各区分け領域の境界上に第1枠用幹電極層27bfを有しているため、枝電極層で収集されたキャリアを効率よく回収することができ、太陽電池1の出力が効率よく回収される。
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
27bf 第1枠用幹電極層
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
37bf 第2枠用幹電極層
37f 第2枝電極層(フィンガー電極、フィンガー部)
40 枠電極層
50 区分け領域
60 貫通孔(第1特定領域)
61 貫通孔(第2特定領域)
Claims (13)
- 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電極層を含まない複数の第1特定領域を有し、
前記複数の第1特定領域をそれぞれ囲うように、前記一方主面を複数の領域に区分けした複数の区分け領域を有し、
前記複数の区分け領域の各々において、
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電極層または前記第2電極層の複数の枝電極層の一部は、前記第1特定領域の外縁の少なくとも一部を囲み、
前記第1電極層および前記第2電極層の幹電極層は、前記区分け領域を囲む枠電極層を有する、
太陽電池。 - 前記枠電極層の形状は、環状または開環状である、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記枠電極層の形状は、曲線状または直線状である、請求項2に記載の太陽電池。
- 前記第1電極層の幹電極層および前記第2電極層の幹電極層の少なくとも一方は、前記枠電極層から延びる帯状幹電極層を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 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4に記載の太陽電池。
- 前記複数の第1特定領域は、前記枠電極層の内側に1つずつ含まれる、請求項4または5に記載の太陽電池。
- 前記第1電極層または前記第2電極層の幹電極層は、前記枠電極層の内側に配置された前記帯状幹電極層を有する、請求項4~6のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記第1電極層の帯状幹電極層は、前記第1特定領域の外縁を囲む前記第1電極層の枝電極層と連結される、または
前記第2電極層の帯状幹電極層は、前記第1特定領域の外縁を囲む前記第2電極層の枝電極層と連結される、
請求項7に記載の太陽電池。 - 前記一方主面において、前記第1電極層および前記第2電極層を含まない第2特定領域を有し、
前記第1電極層の幹電極層は、前記第2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する、
請求項1~8のいずれか1項に記載の太陽電池。 - 前記第1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1~9のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 前記第2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9に記載の太陽電池。
- 前記枝電極層は、前記区分け領域内において、前記幹電極層および前記第1特定領域を除いた領域において、中心が前記第1特定領域の中心と重なり、前記第1特定領域の相似形と重なるように形成される、請求項1~11のいずれか1項に記載の太陽電池。
- 請求項1~12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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