JPH0451575A - 太陽電池およびその製造方法 - 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１ 本発明は、高効率の太陽電池の構造に関するものであり
、低コストで作業性のすぐれた太陽電池およびその製造
方法を提供することを目的とする。

［従来の技術］ 高効率の太陽電池を得るためには、バンドキャップ（禁
制帯幅）の異なる（すなわち、吸収する光の波長の違う
）半導体よりなる太陽電池を積層することにより、幅広
い光を吸収でき、光電変換効率を向上させることができ
る。異なるバンドキャップを有する半導体を用いた２つ
の太陽電池を積層した場合、３５％以上の変換効率が得
られるという計算結果があるが、それぞれのセル（太陽
電池を構成する１つの単位）よりどのように出力をとり
だすかによって、得られる効率に差が生じる。以下に端
子のとりだし方と得られる変換効率の関係を示す。

■２端子型 上部セル、下部セルをトンネル接合によって結び、上部
セルの表面と下部セルの裏面より出力を取り出す構造で
ある。２つのセルが直列に接合されるため、上・下部セ
ルに流れる電流が等しくなる。したがって、上・下部セ
ルで作り出される電流が等しくない場合には、変換効率
の損失が生じる。

■３端子型 上部セル裏面と下部セル表面の間を金属によって接続し
、そこから第３の端子を取り呂す。上部セルの表面、下
部セルの裏面からの端子と合わせ３本の端子を取り出す
構造である。この場合、上部セルの裏面と下部セルの表
面の電極部を兼用しているため、それぞれの負荷を独立
に変化させられないため、それぞれの電圧差が等しくな
ければ変換効率の損失を生じる。

■４端子型 上部セル、下部セルよりそれぞれ２端子ずつ取り出した
計４本の端子を取り出す構造である。上下のセルは独立
に動作するため変換効率は単純に上下のセルの変換効率
の和になる。

第３図に、２端子型、３端子型、４端子型の構造の太陽
電池について、変換効率と上部セルのバンドギャップと
の関係の計算結果を示す。（Ｔ、Ｊ。

Ｃｏｕｔｔｓ、Ｊ、ＤｏＭｅａｋｉｎ；Ｃｕｒｒｅｎｔ
　　Ｔｏｐｉｃｓ　　ｉｎ　　Ｐｈｏｔ。

ｖｏｌｔａｉｃｓ、Ｖｏｌ、３．ｐｐ２１３（＋９８８
）　）これは、下部セルとして、バンドギャップが１，
３４ｅＶである■ｎＰ半導体を用いた場合についての計
算である。

同図より、２端子型、３端子型では、それぞれ電流、電
圧に制約が加わるため、４端子型と比較して、上部セル
として選べるバンドギャップの自由度が小さくなってお
り、高い効率を得るのが非常に困難になっている。

上記に述べたように、構造上の限定が少ないため、４端
子型太陽電池では、比較的簡単に優れた変換効率が得ら
れる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の４端子型太陽電池では、第４図に示すよ
うにＧａＡｓ半導体からなる上部セルｌを透明接着剤３
を用いて、１ｎｃｕｓｅ、半導体からなる下部セル４と
接着した構造になっている。（Ｎ、Ｐ。

Ｋｉｍ、Ｒ，Ｍ、Ｍｉｃｋｅｌｓｅｎ、Ｊ、Ｅ、Ａｖｅ
ｒｙ；２０ｔｈ　　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ、ａｉｃ　５ｐ
ｅｃ、　Ｃｏｎｆ、、ｐｐ４５７（１９８８））このた
め以下に示すような欠点があった。

（ｉ）上部セルの厚さを１０μ程度と薄くし、下部セル
と張り合わせなくてはならない。１０μｍ以上の厚さが
あった場合、光電変換に寄与しない部分での光吸収が大
きくなり、下部セルの変換効率が低下してしまう。この
ため、上部セルの機械的強度が非常に弱く、作業性の低
下、セルの信頼性の低下につながる。

（１１）上部セルと下部セルを張りつける工程で、上部
セルの表面電極４、裏面電極５と下部セル表面電極６を
光入射方向に対して一直線上に配置することが必要とな
る。このように配置されない場合、入射面のうち光起電
力に関与しない面積が大きくなるため、変換効率が低下
する。また、電極幅が数十μｍであるため、張り合わせ
時の上・下セルのアライメントは非常に困難である。こ
のため、張り合わせによる変換効率の低下、バラツキが
大きくなる。

本発明は上記の欠点を除去したもので、本発明の目的は
、安定して作製できる４端子型高効率太陽電池の構造と
その製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明による太
陽電池は、第１の半導体物質からなり、２つの異なる導
電型層からなる第１（１）Ｐ／Ｎ接合層；　該第１（１
）Ｐ／Ｎ接合層の一方の主面上に設けられ、所定幅の開
口を有し、実質的に絶縁性である高抵抗層：　該開口に
設けられ、前記第１（１）Ｐ／Ｎ接合層の一方の導電型
層とオーミック接合する第１の電極；　前記高抵抗層上
に設けられ、前記第１の半導体物質よりもバンドギャッ
プの大きい第２の半導体物質からなり、２つの異なる導
電型層からなる第２（１）Ｐ／Ｎ接合層；前記第１の電
極上に設けられた第１の絶縁物層：該第１の絶縁物層上
に設けられ、前記第２（１）Ｐ／Ｎ接合層の一方の導電
型層とオーミック接合する第２の電極；　該第２（１）
Ｐ／Ｎ接合層の他方の導電型層とオーミック接合する第
３の電極；および　前記第１（１）Ｐ／Ｎ接合層の他方
の導電型層とオーミック接合する第４の電極；を含むも
のである。

また、本発明による製造方法は、第１の半導体物質から
なり、２つの異なる導電型層からなる第１（１）Ｐ／Ｎ
接合層を形成する第１の工程；　該第１（１）Ｐ／Ｎ接
合層の一方の主面上に、実質的に絶縁性である高抵抗層
を形成する第２の工程；　該高抵抗層上に、前記第１の
半導体物質よりもバンドギャップの大きい第２の半導体
物質からなり、２つの異なる導電型層からなる第２（１
）Ｐ／Ｎ接合層を形成する第３の工程；　所定領域の前
記第１（１）Ｐ／Ｎ接合層および前記高抵抗層を除去す
ることで開口を形成する第４の工程；　該開口の底部に
、前記第１（１）Ｐ／Ｎ接合の一方の導電型層とオーミ
ック接合する第１の電極を形成する第５の工程；　該第
１の電極上に第１の絶縁物層を形成する第６の工程；　
該第１の絶縁物層上に、前記第２（１）Ｐ／Ｎ接合層の
一方の導電型層とオーミック接合する第２の電極を形成
する第７の工程；　該第２（１）Ｐ／Ｎ接合層の他方の
導電型層とオーミック接合する第３の電極を形成する第
８の工程；および　前記第１（１）Ｐ／Ｎ接合の他方の
導電型層とオーミック接合する第４の電極を形成する第
９の工程；を含むものである。

本発明は、下部セル（第１（１）Ｐ／Ｎ接合層）に上部
セル（第２（１）Ｐ／Ｎ接合層）を、実質的に絶縁性で
ある高抵抗層を介して積層し、上部セルの上から穴を開
け、上部セルの下側の電極（第２の電極）と下部セルの
上側の電極（第３の電極）を形成し、それぞれの電極よ
り起電力を取り出すものである。したがって、４端子型
の構造の太陽電池を製造する際に上下のセルを張つける
作業が必要なく、作業性のよいプロセスで製造でき、低
コスト化が可能となる。

［実施例］ 以下、実施例により詳細に説明する。

まず、製造方法を工程に従って、第１の実施例を示した
第１図を用いて説明する。第１図（ａ）〜（ｆ）は断面
図、第１図（ｇ）は平面図を示している。

第１の工程；第１図（ａ）に示すように、Ｐ型のシリコ
ン単結晶ウェハ１０（厚さ：２００μｍ）の表面にリン
を気相拡散することでｎ＋Ｓ　ｉ層Ｊ１　（厚さ：０，
２μｍ程度）を形成して、ｐＳｉＳｉ２Ｆ６／Ｎ接合を
形成する。こ（１）Ｐ／Ｎ接合が下部セルを構成する。

また、シリコン単結晶ウェハの裏面は、オーミック電極
の形成のために、はう素を気相拡散してｐ＋Ｓ　ｉ層１
３（厚さ＝０．２μｍ程度）を形成する。

第２の工程；　ｎ＋Ｓ　ｉ層１１上に超格子バッファ層
１４をＭＯＣＶＤ法により作成し、その超格子バッファ
層１４上にクロライドＣＶＤ法により高抵抗の１−Ｉｎ
ＧａＰｎＧａＰ主１５３ｐｍ、ドープ濃度：１ＯＥ１５
以下）を形成する。この１−ＩｎＧａＰｎＧａＰ主１５
セルと下部セルを電気的に分離している。また、超格子
バッファ層１４は、シリコンとＩ　ｎｏ　４ｓＧａｏ　
ｓ５Ｐとの格子不整合による格子歪を緩和するために設
けられ、ｎ＋ｓｉ層１１側からＧａＰ／Ｉ　ｎｏ　７Ｇ
ａｏ３Ｐ／Ｉ　ｎｏ４５Ｇａｏ５ｂＰの組成で構成され
ている。

第３の工程；１−１ｎＧａＰ層１５の形成に引き続き、
上部セルを構成する。亜鉛ドープＰ型のｐ＋ＩｎＧａＰ
層１６（厚さ：２ｐｍ、ドープ濃度：１０Ｅ１８程度）
、亜鉛ドープＰ型のｐＩｎＧａＰＩｎＧａＰ主１７μｍ
、ドープ濃度＝１０Ｅ１６〜１７）および硫黄ドープＮ
型のｎ＋ＩｎＧａＰＭｔ１８（厚さ：０．２μｍ以下、
ドープ濃度：１０Ｅ１８程度）を順次クロライドＣＶ　
Ｄ法により作成する。以上の工程により第１図（ｂ）に
示す基板が作成される。

第４の工程；ｎ＋ＩｎＧａＰ層１８の上に層目８ｍ幅の
開口を有する第１のレジスト膜（図示せず）を形成し、
このレジスト膜をマスクとして、ｎ＋ＩｎＧａＰ層１８
、ｐ　層目８ａＰ層１７、ｐ＋ＩｎＧａＰ層１６．１−
ＩｎＧａＰｎＧａＰ主１５格子バッファ層１４をエツチ
ングして第１図（Ｃ）、に示すような開口１９を形成す
る。なお、このエツチングは異方性ドライエツチングに
より行う。

第５の工程；開口１９の底部に露出したｎ＋３１層１１
とオーミック接合する第１の電極２０（厚さ：２μｍ）
を真空蒸着により形成する。この電極は、Ｔｉ−Ａｇ合
金からなり、下部セルの表面電極となる。

第６の工程；開口１９の第１の電極２０上を覆う、よう
に、Ｓ　ｉ　Ｏ，からなる絶縁物層２１　（厚さ：２μ
ｍ）をスパッタにより形成する。次に、第１のレジスト
膜を除去することで、開口１９以外に形成された第１の
電極用の金属層および絶縁物層を同時に除去する。この
ようにして、第１図（ｄ）に示す構造を形成する。

第７の工程；ｎ＋ＩｎＧａＰ層１８の上に層目８９を包
含する３０μｍ幅の開口を有する第２のレジスト膜（図
示せず）を形成する。このレジスト膜をマスクとして、
ｎ＋ＩｎＧａＰ層１８、ｐＩ層目８ＰＩｎＧａＰ主１７
一部分のｐ＋ＩｎＧａＰ層１６をエツチング液によりウ
ェットエツチングして、絶縁物層２１より上の開口１９
の開口幅を広げる。次に、第１図（ｅ）に示すように、
絶縁物層２１上にｐ＋ＩｎＧａＰ層１６とオーミック接
合する第２の電極２２（厚さ：２μｍ）を真空蒸着によ
り形成する。この電極は、Ｚｎ　−Ａｇ合金からなり、
上部セルの裏面電極となる。

第８の工程；開口１９以外に開口部（開口幅＝２０μｍ
）を有する第３のレジスト膜（図示せず）をｎ＋ＩｎＧ
ａＰ層１８の上に層目８、ｎ＋ＩｎＧａＰＭｌｌとオー
ミック接合する第３の電極２３Ｘ厚さ＝１μｍ）を真空
蒸着により形成する。

この電極は、Ｔｉ−Ａｇ合金からなり、上部セルの表面
電極となる。その後、第３のレジスト層を除去する。

第９の工程：第１図（ｆ）に示すように、シリコン単結
晶基板１０の裏面全面にｐ＋Ｓ　ｉ層１３とオーミック
接合する第４の電極２４（厚さ２１μｍ）を真空蒸着に
より形成する。この電極は、Ａｌ金属からなり、下部セ
ルの裏面電極となる。

以上の工程により作成した第１の実施例の平面構造を第
１図（ｇ）に示す。１つの太陽電池の大きさは、２ｃｍ
角であり、入射面である表面上に開口１９と上部セルの
表面電柵である第３の電極２３が２ｍｍ間隔て交互に設
けられている。第３の電極２３、開口１９に設けられた
第１の電極および第２の電極はそれぞれがコンタクト部
２５．２６．２７に接続されており、電圧を取り出すこ
とができる。なお、第１図（ａ）〜（ｆ）の断面図は、
第１図（ｇ）の平面図中のＡ−Ａ″部分対応している。

第１の実施例によれば、高い効率の４端子型太陽電池を
高い歩留まりで作成することができる。

加えて、下部セルと上部セル間に超格子バッファ層を設
けたので、上・下部セルの半導体材料の選択が格子定数
が整合するものに限られることなく、変換効率を向上さ
せることができる。

次に、第２の実施例を第２図に示す。第２図（ａ）は断
面図を、第２図（ｂ）は平面図を示している。なお、第
２図（ａ）の断面図は、第１図（ｂ）の平面図中のＡ−
Ａ’部分に対応している。

第２の実施例の製造工程は、第１の実施例の第７の工程
までは同一である。第７の工程において、第２の電極２
２を形成した後に、次の第８の工程として、第２の電極
２２を覆うように開口１９内に第２の絶縁物層２８を作
成する。そして、。＋ＩｎＧａＰ層１８とＰ層ミック接
合する第３の電極２３′　をこの絶縁物層２８の上に形
成する。

このように構成することで、受光面中、電極が作成され
ている面積を少なくすることができ、変換効率をより向
上させることができる。

なお、上部セルおよび下部セルを構成する半導体材料は
本実施例に限定されるものではなく、受光スペクトルに
対応して最大の変換効率が得られるように設計を変更す
ることは可能である。また、用いられる半導体材料に応
じて、オーミック接合を形成する電極材料も適宜変更可
能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による太陽電池は、第１の
半導体物質からなり、２つの異なる導電型層からなる第
１（１）Ｐ／Ｎ接合層；　該第１（１）Ｐ／Ｎ接合層の
一方の主面上に設けられ、所定幅の開口を有し、実質的
に絶縁性である高抵抗層；　該開口に設けられ、前記第
１（１）Ｐ／Ｎ接合層の一方の導電型層とオーミック接
合する第１の電極前記高抵抗層上に設けられ、前記第１
の半導体物質よりもバンドギャップの大きい第２の半導
体物質からなり、２つの異なる導電型層からなる第２（
１）Ｐ／Ｎ接合層；　前記第１の電極上に設けられた第
１の絶縁物層；　該第１の絶縁物層上に設けられ、前記
第２（１）Ｐ／Ｎ接合層の一方の導電型層とオーミック
接合する第２の電極；　該第２（１）Ｐ／Ｎ接合層の他
方の導電型層とオーミック接合する第３の電極；および
　前記第１（１）Ｐ／Ｎ接合層の他方の導電型層とオー
ミック接合する第４の電極；を含むものである。

したがって、２つ（１）Ｐ／Ｎ接合層が電気的に分離さ
れており、かつ、少なくとも２つの電極を同一の位置に
作成することができるため、高い変換効率を得ることが
できる。同時に、こわれやすい２つ（１）Ｐ／Ｎ接合層
を高い精度で張りあわせる必要がないため、製造コスト
の低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第１の実施例を説明
するための断面図および平面図、第２図（ａ）（ｂ）は
、本発明の第２の実施例を説明するための断面図および
平面図、第３図は、変換効率と上部セルのバンドギャッ
プとの関係を示す図、 第４図は、従来技術による太陽電池の構造を示す断面図
である。 図において、 １０・・・ウェハ、　　　　１１・・・ｎ＋Ｓ　ｉ層、
１２−ｐＳｉ層　　　１３−ｐ＋ｓｉ層、１４・・・超
格子バッファ層、 １５・−１−ＩｎＧａＰ層、 ］　６−　ｐ　＋Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ｐ層、１７・−ｐｒ
ｎＧａＰ層、 １８−−−ｎ＋ＩｎＧａＰ層、 １９・・・開口、　　　　　２ｏ・・・第１の電極、２
１・・・絶縁物層、　　　２２・・・第２の電極、２３
・・・第３の電極、　　２４・・・第４の電極。 第 図 第 図 第１図 ／２１ 第 図 １／

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の半導体物質からなり、２つの異なる導電型
   層からなる第１のＰ／Ｎ接合層； 該第１のＰ／Ｎ接合層の一方の主面上に設けられ、所定
   幅の開口を有し、実質的に絶縁性である高抵抗層； 該開口に設けられ、前記第１のＰ／Ｎ接合層の一方の導
   電型層とオーミック接合する第１の電極；前記高抵抗層
   上に設けられ、前記第１の半導体物質よりもバンドギャ
   ップの大きい第２の半導体物質からなり、２つの異なる
   導電型層からなる第２のＰ／Ｎ接合層； 前記第１の電極上に設けられた第１の絶縁物層；該第１
   の絶縁物層上に設けられ、前記第２のＰ／Ｎ接合層の一
   方の導電型層とオーミック接合する第２の電極； 該第２のＰ／Ｎ接合層の他方の導電型層とオーミック接
   合する第３の電極；および 前記第１のＰ／Ｎ接合層の他方の導電型層とオーミック
   接合する第４の電極； を含むことを特徴とする太陽電池。
2. （２）前記第２の電極上に設けられた第２の絶縁物層を
   含み、 該第２の絶縁物層上に前記第３の電極が設けられている
   ことを特徴とする第１項記載の太陽電池。
3. （３）第１の半導体物質からなり、２つの異なる導電型
   層からなる第１のＰ／Ｎ接合層を形成する第１の工程； 該第１（１）Ｐ／Ｎ接合層の一方の主面上に、実質的に
   絶縁性である高抵抗層を形成する第２の工程；該高抵抗
   層上に、前記第１の半導体物質よりもバンドギャップの
   大きい第２の半導体物質からなり、２つの異なる導電型
   層からなる第２のＰ／Ｎ接合層を形成する第３の工程； 所定領域の前記第１のＰ／Ｎ接合層および前記高抵抗層
   を除去することで開口を形成する第４の工程； 該開口の底部に、前記第１のＰ／Ｎ接合の一方の導電型
   層とオーミック接合する第１の電極を形成する第５の工
   程； 該第１の電極上に第１の絶縁物層を形成する第６の工程
   ； 該第１の絶縁物層上に、前記第２のＰ／Ｎ接合層の一方
   の導電型層とオーミック接合する第２の電極を形成する
   第７の工程； 該第２のＰ／Ｎ接合層の他方の導電型層とオーミック接
   合する第３の電極を形成する第８の工程および 前記第１のＰ／Ｎ接合の他方の導電型層とオーミック接
   合する第４の電極を形成する第９の工程を含むことを特
   徴とする太陽電池の製造方法。