JPH03206670A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は太陽電池に関するものであり，＃に異なる半
導体材料からなる２以上の太陽電池を積重ねて使用する
のに適した電極構造をもった太陽？ｌｌｊ池に関するも
のである。

（従来の技術） 異なる半導体材料からなる２以上の太陽電池を積重ねて
形成された所謂タンデム形太陽電池は、太陽光のスペク
トルを幅広く有効に利用することかでき、光発電効率の
よい太陽電池を得る上で有効な方法であると考えられて
いる。

従来は上側に位置する太陽電池（第１の太陽電池）とし
て例えば第３図に示すような構造の太陽電池が使用され
ていた。同図（ａ）はその表面図、（ｂ）は（ａ）図の
Ａ−Ａ線に沿う断面図、（ｃ）はその裏面図である。同
図でｎ形半導体基板（１）上にはｐ形半導体層（２）が
形成され、両者の間に光発電に必要なｐｎ接合（３）が
形成されている。

ｐ形半導体Ｒ（２）の表面の受光面（４）の有効受光領
域（５）内には、例えば複数の同心円と放射状の線との
組合せからなるパターンの集電極（６）が形成されてい
る。また、集電極（５）の周囲にはこれに接続された共
通電極（７）が形成されている。

これらの集電極（６）と共通電極（７）とによりアノー
ト電極（８）として作用する第１電極が形戊されている
。アノート電極（８）は、例えば半導体層（２）の表面
上に金属を蒸着した後、写真製版、エッチング等でバタ
ーニングして、同一の金属膜により形成される。外部へ
の接続は共通電極（７）の部分で行われる． 光の受光面（４）と反対側の半導体基板（１）の衷面に
は同様にカソート電極（９）として作用する第２−？ｌ
ｔ極が形成されている。カソード電極（９）もアノート
電極（８）と同様に、アノード電極（８）の集電極（６
）と対向する位置に設けられた集電極（ｌＯ）と、アノ
ード電極（８）の共通電極（７）と対向する位置に設け
られた共通電極（１１）とからなっている。このように
アノート電極（８）とカソード電極（９）のパターンを
一致させるのは、有効受光領域（５）の集電極（６）の
部分以外の領域から入射した光のうち半導体層（２）お
よび半導体基板（１）で吸収されずに透過した光を有効
に取り出して、後程説明する下に重ねて設けられた他の
太陽電池に入射させるようにするためてある。

第３図の太陽電池を第１の太陽電池として他の太陽電池
（第２の太陽電池）の上に積重ねて構成された所謂タン
デム形太陽電池を第４図に示す。

同図て、（２ｌ）は第３図の構造をもった第１の太陽電
池、（２２）は第１の太陽電池（２１）の真下に配置さ
れた第２の太陽電池てある。第２の太陽電池（２２）は
第１の太陽電池（２１）を構戒する半導体材料よりもエ
ネルギーギャップの小さい半導体材料で構成２されてお
り、ｎ形半導体基板（ｌ２）上にｐ形半導体層（１３）
か形成され、両者の間に光発電に必要なｐｎ接合（ｌ４
）が形成されている。半導体層（１３）の表面には第１
の太陽電池（２１）のアノード電極（８）あるいはカソ
ード電極（９）と同じパターンのアノード電極（ｌ５）
が形成されている。すなわち、アノード電極（１５）は
集電極（ｌ６）と共通電極（１７）とからなっている。

半導体基板（１２）の裏面には全面にカソート電極（１
８）か形成されている．上記のように第２の太陽電池（
２２）のアノード電極（１５）のパターンと第１の太陽
電池（ｚ１）のアノード電極（８）あるいはカソード電
極（９）のパターンとを一致させることにより、第１の
太陽電池（２１）の受光領域（５）に入射し、この第１
の太陽電池（２ｌ）を透過した太陽光は、第２の太陽電
池（２２）の受光領域（ｌ９）に入射し、該第２の太陽
電池（２２）は光発電を行うことができる。

〔発明か解決しようとする課題〕

上記のような構造をもった従来の太陽電池では、アノー
ド電極（８）とカソート電極（９）とが正確に整合する
ように、これらの各電極を精度よく配置する必要かある
。この太陽電池で第４図のようなタンデム形太陽電池を
構或する場合は、数百倍の集光を行い、また動作電流密
度か極めて高いため、アノード電極（８）の集電極（６
）、カソード電極（９）の集電極（１０）を、幅ｔが１
０角１程度、間隔Ｐが平均で２００ルー程度の細かいパ
ターンに形或する必要かあり、上記集電極（６）と（１
０）とを精度よく合せることは極めて困難であった。こ
のため、第１の太陽電池（２１）を透過する光量が減少
し、第２の太陽電池（２２）に入射する太陽光が減少し
てその光起電力が低下してしまうという欠点があった。

さらに、第１の太陽電池（２１）の集電極（６）および
（ｌＯ）と第２の太陽電池（２２）のアノート電極（１
５）の集電極（ｌ６）とを一致させることは一層困難で
あり、これら集電極のずれによって、第２の太陽電池（
２２）の起電力が一層低下するという欠点があった。

この発明は、上記のような集電極どうしを精度よく整合
させる必要がなく、高効率の太陽電池、特に高効率のタ
ンデム形の太陽電池を得ることを目的としたものである
． （課題を解決するための手段） この発明の太陽電池は、第１導電形半導体基板上に形成
された第２導電形半導体層の表面の受光面の有効受光領
域内に設けられた集電極および上記有効受光領域の周囲
に設けられ、上記集電極に接続された共通電極からなる
第１の電極と、上記半導体基板の裏面で上記有効受光領
域と対向する領域以外の領域に形成された第２電極とか
らなっている。タンデム形太陽電池として使用する場合
は、上記太陽電池を第１の太陽電池として使用し、この
第１の太陽電池を透過した太陽光か入射される第２の太
陽電池として，上記第１の太陽電池と対向する表面には
全く電極を有しない構造の太陽電池が使用される。

（作　用） この発明の太陽電池では，カソード電極として使用され
る第２電極は、有効受光領域に対向する領域以外の領域
に形成されているから、第１の太陽電池に入射し、この
第１の太陽電池で吸収されずに透過した光は上記第２電
極で遮蔽されることなく第２の太陽電池に入射される．
これにより、タンデム形の太陽電池として構成されたと
きの発電効率を大幅に改善することができる。

（実　施　例） 以下，この発明の太陽電池の一実施例を第１図を参照し
て説明する．なお、図面上の各部の寸法は、図面を明確
にするために必ずしも実際の寸法比を正確に表わすもの
ではない． 第１図（ａ）はこの発明の太陽電池の表面図、第１図（
ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、第１図（ｃ）は
その裏面図である．同図で、第３図に示す従来の太陽電
池と同等部分には同じ参照番号を付す．すなわち、（１
）はキャリア濃度が１０”ａｍ−’程度、厚みが約３０
０　ＩＬ園のｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板で、該半
導体基板（１）上にはキャリア濃度が５　ｘ　１０”ｃ
ｍ−３程度、厚みが約１ｇｍのｐ形ＧａＡｓからなる半
導体層（２）が形成されており、両者の間には光発電に
必要なｐｎ接合（３）が形成されている．Ｐ形半導体層
（２）の表面の受光面（４）の有効受光領域（５）内に
は、従来の太陽電池と同様に同心円と放射状の線とを組
合せたパターンの集電極（６）が形成されており、該集
電極（６）の周囲には，これに接続された共通電極（７
）が形成されている．これら集電極（６）と共通電極（
７）とにより第１電極となるアノード電極（８）が形成
されている．アノード電極（８）は、例えば金属を蒸着
した後、写真製版、エッチング等でバターニングして形
成される．ｎ形半導体基板（１）の裏面には上記円形の
有効受光領域（５）と同程度か，これよりもやや大きな
円形の穴（２７）が形或された第２電極として作用する
カソート電極（２８）が形成されている． この構造の太陽電池では、有効受光領域（５）に入射し
た太陽光のうち、半導体層（２）および半導体基板（１
）で吸収されなかった太陽光成分は裏面のカソード電極
（２８）によって全く遮蔽されることなく取り出すこと
ができ、タンデム形太陽電池を構成した場合、下側に配
置される第２の太陽電池の光発電起電力を増大すること
ができる。

カソート電極（２８）の円形の穴（２７）の直径Ｄは、
透過光の利用効率を高くするためには出来るだけ大きい
ことか望ましいが、あまり大きくすると、ｎ形半導体基
板（１）の拡がり抵抗にょる電カ損失か大きくなるため
、上記直径Ｄにはある許容範囲かある。一つの目安とし
て，ｎ形半導体基板（１）の拡がり抵抗とｐ形半導体Ｍ
（２）の拡かり抵抗とが同程度に威るようにＤの寸法を
設定するのがよい ここで、 集電極（６）の平均間隔Ｐ（第１図（ａ））をＬｇ、ｎ
形半導体基板（１）のキャリア濃度をｃｎ、ｎ形半導体
基板（１）のキャリア移動度を井。、ｎ形半導体基板（
１）の厚みをｄ。、 ｐ形半導体層（２）のキャリア濃度を０２、ｐ形半導体
層（２）のキャリア移動度をル，、ｐ形半導体層（２）
の厚みをｄ．、 とすれば、カソード電極（２８）の円形の穴（２７）の
直径Ｄは次式て表わされる。

実施例として、 Ｃ，＝２ｘｌＯ　重７ｃ１３、　　　　　ＩＬ　ｎ　　
　＝　　４０００ｃ　園２／ｖｓ　、ｄｎ＝３００　１
Ｌｍ　．　Ｃ．　＝５Ｘ１０ｌ６ｃｍ−３ｌＬｐ　＝５
０ｃ１／ｖｓ．　ｄ，　＝　１　ｇｍ　，とすれば、（
１）式よりＤ＝３１Ｌｇとなる，数百倍の集光を行って
動作させる場合は、Ｌｇ＝２００ル■とすれば、ｐ形Ｇ
ａＡｓ半導体層（２）での拡がり抵抗の影響は小さくな
る。従って、Ｌｇ＝２００ルーとすれば、Ｄ　＝　６．
２となる。このことから、半導体層（２）の表面に平均
間隔Ｐが約２００　ｔＬ一の集電極を設けた場合の当該
半導体層（２）での拡がり抵抗と、直径が約６■の穴（
２７）をもったカソード電極（２８）を設けた場合の半
導体基板（１）での拡がり抵抗とはほぼ同程度になる．
また、この場合のベレットサイズは一辺が約６■強の正
方形となり、高倍率集光で動作させる太陽電池として妥
当な寸法になる． なお、穴（２７）の直径Ｄか２００ｇｍ以上になると、
ｎ形ＧａＡｓ半導体基板（１）の拡がり抵抗が大きくな
り、これによる電力損失が大きくなって望ましくない．
また、前述の集電極（６）の幅が１０１Ｌｌ１以下にな
ると，電流が流れる電極の断面積が小さくなり、抵抗損
が大きくなり望ましくない。さらに，集電極（６）の幅
が１０μ１以上になると、膚効受光領域の実行面積が小
さくなって、光の透過量が少なくなり、望ましくない．
よって、大体の目安としてｐ＝２００ｐ重．ｔ＝ｉｏμ
１程度が望ましい． ｎ形半導体基板（１）のキャリア濃度Ｃ。は（０．５〜
２　）　ｘ　１０”ａｍ−’、ｎ形半導体基板（１）の
厚みｄｎは３００±５０井■、ｐ形半導体層（２）のキ
ャリア濃度Ｃ，は（　３　〜１０）　Ｘ　１０”ｃｍ−
３、ｐ形半導体層（２）の厚みｄ．はｌ〜２ル論の範囲
で変更可能である。また、半導体基板（１）、半導体層
（２）の各材料としては、前述のＧａＡｓ化合物半導体
の他に任意の半導体材料を使用することができる。

第２図は第１図に示すこの発明の太陽電池を第１の太陽
電池（２１）として使用し、該第１の太陽電？（２１）
のカソート電極（２８）に面する側に第２の太陽電池（
２２）を配置して構成されたタンデム形太陽電池を示す
。第２の太陽電池（２２）としては，上記カソード電極
（２８）に対向する受光面に電極のような光遮蔽部分を
全く右しない例えばポイントコンタクト形太陽電池が使
用される． 第２の太陽電池（２２）として使用されるポイントコン
タクト形太陽電池は，例えばＲ．Ａ．Ｓｉｎｔｏｎ等に
よる論文ＩＥＥＥ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ　ＥＤＬ−７巻、ＩＯ号（１９８６年）
、第５６７頁に記載されているように、ｐ−Ｓｉ基板（
２３）の下面に例えばＳｉＯ■のような絶縁膜（２４）
を形成し、該絶縁膜（２４）に等間隔に複数の孔を形成
し，これらの孔にｐ”　−Ｓｉ領域（２５）．　（２５
）−　−−、ｎ”−Ｓｉ領域（２６）、（２６）−−・
を設けて構成され、上記ｐ”　−Ｓｉ領域（２５）、（
２５）　−　−−、ｎ”−Ｓｉ領域（２６）、（２６）
−　−　−をそれぞれアノート電極、カソード電極とし
て動作させる．第２の太陽電池（２２）として上記のポ
イントコンタクト形太陽電池を使用すると，第１の太陽
電池（２ｌ）を透過した太陽光は全て第２の太陽電池（
２２）の受光面（２９）に入射するから、該第２の太陽
電池（２２）の光起電力は極めて大きくなる．（発明の
効果） 以上のように、この発明によれば、半導体基板（１）の
カソード電極（２８）を、半導体層（２）の受光面（４
）の有効受光領域（５）と対向する領域以外の領域に設
けたので、従来の太陽電池のようにアノード電極とカソ
ード電極とのパターンのずれによる透過光の損失をな＜
スことができ，従って，この太陽電池を使用して発電効
率の極めて高いタンデム形の太陽電池を構成することが
できる．また，この太陽電池′と、受光面に電極のよう
な光遮蔽物の存在しない第２の太陽電池とを組合せるこ
とにより、一層効率のよいタンデム形太陽電池を得るこ
とができる．

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の太陽電池の一実施例の表面図
，第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図
、第１図（Ｃ）はこの発明の太陽電池の一実施例の裏面
図、第２図はこの発明の太陽電池を使用したタンデム形
の太陽電池の構造を示す断面図、第３図（ａ）は従来の
太陽電池の一例の表面図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）
の八一八線に沿う断面図，第３図（ｃ）は従来の太陽電
５池の一例の裏面図，第４図は従来の太陽電池を使用し
たタンデム形の太陽電池の構造を示す断面図である． （１）・・・半導体基板、（２）・・・半導体層、（４
）・・・受光面、（５）・・・有効受光領域、（６）・
・・集電極、（７）・，・・共通電極、（８）・・・第
１電極、（９）・・・第２電極、（２ｌ）・・・第１の
太陽電池、（２２）・・・第２の太陽電池、（２５）・
・・アノード電極、（２６）・・・カソ一ド電極． 代　　理　　人　　　大　　岩　　増　　雄’Ｊｌ５２ 目 糖４ 圓

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電形の半導体基板と、該半導体基板上に形
   成された第２導電形の半導体層と、該半導体層の表面の
   受光面の有効受光領域内に設けられた集電極および上記
   有効受光領域の周囲に設けられ、上記集電極に接続され
   た共通電極とからなる第１電極と、上記半導体基板の上
   記半導体層が形成された側と反対側の面に上記有効受光
   領域と対向する領域以外の領域に形成された第２電極と
   からなる太陽電池。
2. （２）第１の太陽電池と第２の太陽電池とを積重ねて構
   成され、上記第１の太陽電池を透過した太陽光によって
   上記第２の太陽電池に光起電力を発生させるタンデム形
   太陽電池であって、上記第１の太陽電池として特許請求
   の範囲第１項記載の太陽電池を使用し、上記第２の太陽
   電池として、少なくとも上記第１の太陽電池の有効受光
   領域に対向する表面には全く電極を有しない構造のもの
   を使用したことを特徴とする太陽電池。
3. （３）第２の太陽電池として、第１の太陽電池に面する
   側と反対側の半導体基板の面にアノード電極とカソード
   電極とを形成してなるポイントコンタクト形の太陽電池
   を使用したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の太陽電池。