JPH0548124A

JPH0548124A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPH0548124A
Application number: JP3203159A
Authority: JP
Inventors: Sota Moriuchi; 荘太森内; Koji Okamoto; 浩二岡本; Yuji Yokozawa; 雄二横沢; Tetsuhiro Okuno; 哲啓奥野; Kazutaka Nakajima; 一孝中嶋; Toru Nunoi; 徹布居
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、光電変換素子において、直列抵
抗損失の増大を抑え、かつ、実効的に表面不純物濃度を
低減することを可能とした光電変換素子の提供を目的と
する。【構成】第１導電型半導体基板の表面に形成された第
２導電型の不純物拡散領域の不純物濃度が、この不純物
拡散領域表面に平行に配置された受光面電極間の中央部
で低く、この受光面電極に近付くに従い高くなるように
拡散されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光電変換素子に関
し、特に、光電変換効率の高効率化を図ることを可能と
した光電変換素子の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光電変換素子の一例として、図６を参照
して、シリコン太陽電池の例について以下説明する。

【０００３】従来のシリコン太陽電池は、ｐ型半導体基
板１の表面すなわち受光面側に、ＰＯＣｌ₃などの熱拡
散を行なって、ｎ型半導体層２を形成し、これらの半導
体層の界面にｐｎ接合を形成する。

【０００４】裏面側には、全面にわたりＢＳＦ（バック
サーフェイスフィールド）層５を形成し、さらに裏面電
極６を形成する。この場合、Ａｌペーストを裏面に印刷
し焼成することにより裏面電極６が形成され、その内部
ではｐ／ｐ⁺のハイ・ロー障壁が形成されることによ
り、ＢＳＦ層５を形成することができる。

【０００５】また、受光面側には、全面にわたりパッシ
ベーションのためのＳｉＯ₂膜３および反射低減のため
の反射防止膜４が形成される。

【０００６】最後に、反射防止膜４の表面からｎ型半導
体層２の表面に達する所望のパターンの電極７を設けて
いる。

【０００７】上記の場合、反射防止膜４およびＳｉＯ₂
膜３に穴を開けて、電極７を蒸着する方法もあるが、近
年は量産化のため、反射防止膜４の表面にＡｇを主成分
とする金属ペーストを印刷し、焼成により前記反射防止
膜４およびＳｉＯ₂膜３を貫通して、ｎ型半導体層２と
接する焼成貫通型の電極が用いられている。

【０００８】上記構成よりなるシリコン太陽電池の動作
原理は、図７ないし図９を参照して、平衡状態にあるｐ
ｎ接合のｐ型層とｎ型層に、それぞれ１個の光子が入射
して、電子を帯電体に上げた場合を考えてみる。

【０００９】電子については、図７を参照して、上方向
に電子のエネルギをとる。図７より、ｐ層で発生した電
子は、エネルギの段差（下り坂）を右側のｎ層に向かっ
て転げ落ちるが、ｎ層で発生した電子は左側に動こうと
しても、上り坂に妨げられて移動できず、ｎ層に止まる
ことが容易に説明できる。

【００１０】一方、正孔の動きについては、正孔のエネ
ルギを上方向にとると、図８を参照して、Ｅ_F（フェル
ミレベル）を軸にして、図７と上下対称の形に表わすこ
とができ、正孔の動きとしては電子とは逆に、ｎ層で発
生した正孔がｐ層へ移動し、ｐ層の正孔はそのまま止ま
ることがわかる。

【００１１】次に、光の量が増えて、起電力（電圧）が
発生している状態を、通常の電子エネルギを上方へとっ
た図９を参照して説明する。

【００１２】この図９においては、図７および図８で示
した光子により発生した電子と正孔の移動の結果、電子
がｎ層に、正孔がｐ層に分離して進められている状態を
示す。電気的には、ｐ層が＋に、ｎ層が−に帯電したこ
とになり、両層内のフェルミレベル間には帯電した電荷
量に対応した段差（ΔＥ_F）が発生する。このΔＥ_Fが
光照射によって発生した起電力で、両端に電圧計をつな
ぐと、フェルミレベルが高くなっているｎ層側が−で、
ｐ層側が＋の電極の電圧が観測され、その値は、Ｖ＝ΔＥ_F／ｑとなる。

【００１３】上記により、結論的には、この起電力によ
って負荷に電流を供給する働きが、太陽電池の動作原理
となるものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成よりなるシリ
コン太陽電池において、光電変換効率の高効率化を図る
ための要素技術としては、表面不純物拡散層の不純物濃
度の低減が検討されている。この不純物濃度の低減に
は、以下の２つの目的が挙げられる。

【００１５】第１に、小数キャリアの不純物拡散層表面
における表面再結合の低減による開放電圧の向上であ
る。これは、小数キャリアが、ｎ型拡散層表面でシリコ
ン表面の未結合手などを介して表面再結合するのを、シ
リコン表面に薄いシリコン酸化膜を形成するパッシベー
ション技術によって防止しようというものである。この
表面パッシベーション技術の効果を高めるためには、不
純物拡散濃度を下げることが望ましい。

【００１６】第２に、上記不純物拡散層中での再結合の
低減による、短波長感度の向上である。これは、短波長
感度の向上を目的とした接合深さの低減にも合致するも
のである。

【００１７】しかしながら、上記２つの目的を達成させ
るためには、以下に述べる問題点が生じている。つま
り、パッシベーション技術の効果を高めるには表面の不
純物濃度が低い方がよいが、不純物濃度の低減は、拡散
層の抵抗を上げるため、発生電流が該拡散層を流れる際
の直列抵抗損失が大きくなり、曲線因子の低下を招いて
いた。この直列抵抗損失を低減するには、表面電極間隔
を狭くすることが有効ではあるが、これには、電極占有
率が大きくなることや、微細電極が必要であるなど問題
点が多い。

【００１８】以上のような理由により、従来、ｎ型不純
物拡散層は、熱拡散法によって拡散され、その濃度は、
直列抵抗を考慮して、接合深さ、電極間隔、電極幅も勘
案して設計されているが、上記目的を実現するに十分な
濃度にまで低減できていないのが実情であった。

【００１９】この発明は、上記問題点を解決するために
なされたもので、実効的に表面不純物濃度を低減し、短
波長感度、および、表面パッシベーション効果が高く、
さらに直列抵抗損失の少ない光電変換素子を提供するこ
とを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明による光電変換素子は、第１導電型の半導
体基板と、この第１導電型半導体基板の表面に形成され
た第２導電型の不純物拡散領域と、この第２導電型の不
純物拡散領域の表面に複数本平行に配置され、光起電力
効果により得られる起電力を取出すための受光面電極と
を有する光電変換素子であって、上記第２導電型の不純
物拡散領域の不純物濃度が、上記平行に配置された受光
面電極間の中央部で低く、上記受光面電極に近付くに従
い高くなるように拡散されている。

【００２１】

【作用】第１導電型の半導体基板の表面に形成された第
２導電型の不純物拡散領域の濃度が、受光面電極間の中
央部で低く、この受光面電極に近付くに従い高くなるよ
うに拡散されていることにより、実効的に表面不純物濃
度が低減し、これにより表面パッシベーション効果が高
くなる。また、短波長感度も向上しさらに直列抵抗損失
をも少なくすることができる。

【００２２】

【実施例】以下、この発明に基づいた一実施例について
図面を用いて説明する。

【００２３】この発明の一実施例による結晶シリコン系
太陽電池の構造は、図１を参照して、第１の導電型たと
えばｐ型半導体基板１の表面すなわち受光面側に、ＰＯ
Ｃｌ ₃などの熱拡散を行なって、第２の導電型たとえば
ｎ型半導体層２を形成し、これらの半導体層の界面にｐ
ｎ接合を形成している。

【００２４】裏面側には、全面にわたりＢＳＦ（バック
サーフェイスフィールド）層５を形成し、さらに裏面電
極６が形成されている。この場合Ａｌペーストを裏面に
印刷し焼成することにより裏面電極６が形成され、その
内部ではｐ／ｐ⁺のハイ・ロー障壁が形成されることに
より、ＢＳＦ層を形成することができる。

【００２５】また、受光面側には、全面にわたりパッシ
ベーションのためのＳｉＯ₂膜３および反射低減のため
の反射防止膜４が形成されている。

【００２６】最後に、反射防止膜４の表面からｎ型半導
体層２の表面に達する所望のパターンの電極５などを設
けている。この場合、反射防止膜４およびＳｉＯ₂膜３
に穴を開けて、電極５を蒸着する方法もあるが、近年は
量産化のため、反射防止膜３の表面にＡｇを主成分とす
る金属ペーストを印刷し、焼成により前記反射膜４およ
びＳｉＯ₂膜３を貫通して、ｎ型半導体層２と接する焼
成貫通型の電極が用いられている。

【００２７】上記に示すように、本発明における構造
は、図６に示す従来技術のシリコン系太陽電池の構造と
同一であり、従来の構造と異なるところは、ｎ型半導体
層２の不純物拡散領域の濃度分布が異なるところであ
る。

【００２８】なお、図６と同一の部分については同一の
符号を付してある。まず、シリコンよりなるｐ型半導体
基板１は、図１を参照して、その表面が洗浄された後、
表面の破壊層除去のため化学エッチングを施す。続い
て、ｐ型半導体基板１に対してｎ型ドーパント（たとえ
ばＰＨ₃、ＰＣｌ₃、Ａ_sＨ₃など）を含む気相中で、
レーザたとえば、３０８ｍｍの波長を持つＸｅＣｌエキ
シマレーザを、そのショット数を変化させながら、各電
極の間でｎ型半導体層２の濃度分布が変化するように照
射してドーピングを行なった。

【００２９】上記エキシマレーザによるドーピングの機
構は、高エネルギ密度の短波長レーザ照射によるシリコ
ン基板表面の溶融拡散であり、固体シリコンよりも溶融
シリコン中の方が拡散係数が大幅に大きいことを利用す
るとともに、エキシマレーザに対するシリコンの吸収係
数が約１０⁸ｃｍ^-1と極めて高いことを利用して、基板
の表面のみを加熱溶融する浅い接合形成に最適である。

【００３０】この実施例においては、ＰＣｌ₃ガス雰囲
気中で同一照射エネルギで、レーザの同一箇所における
ショット回数を変化させ、電極７，７の予定領域間で不
純物濃度を徐々に変化させている。

【００３１】図２に示すグラフは、横軸にレーザショッ
ト回数を示し、縦軸に基板表面の面抵抗（Ω／単位面
積）を示し、両者の関係を表わしたものである。このグ
ラフにおいて、レーザショット回数を増やすに従って、
面抵抗が低下していることがわかる。よって、この実施
例においては、電極７、７直下の領域でのショット回数
を多く、電極７．７から離れるに従いショット回数を少
なくしている。

【００３２】また、図３に示すグラフは、横軸に不純物
拡散層深さを示し、縦軸にリン原子密度を示し、両者の
関係を表したものである。

【００３３】これは、不純物拡散層中のリン原子の密度
を、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓ
ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって分析したものであ
り、図中において曲線１は２ショット、曲線２は１０シ
ョットの場合を示している。図３から明らかなように、
ショット数を増やすことによってリン原子の分布がより
ボックス型に近くなっているが、接合の深さは約０．２
０μｍで変わっていないことがわかる。また、曲線３
は、レーザのエネルギ密度を１．５Ｊ／ｃｍ²として、
レーザ光を１０ショット照射した場合を示している。こ
の場合は、接合の深さは０．４０μｍとなっており、レ
ーザの出力を変えれば接合の深さが変わることがわか
る。

【００３４】上記データより、実際の太陽電池セルのｐ
ｎ接合形成を行なう。現状では、一般的に電極ピッチが
４ｍｍで、電極幅が１００μｍであるため、これに合わ
せて、図４に示すように、電極間の中央部のＥの領域で
はレーザのショット数を２ショットとし、Ｄの領域では
４ショット、Ｃの領域では６ショット、Ｂの領域では８
ショット、Ａの領域では１２ショットとした。このとき
の基板表面における面抵抗は、図４に示すように、Ａの
領域においては約１．３×１０（Ω／単位面積）であ
り、Ｂの領域においては約３．５×１０（Ω／単位面
積）、Ｃの領域においては約５×１０（Ω／単位面
積）、Ｄの領域においては約８×１０（Ω／単位面
積）、Ｅの領域においては約２×１０²（Ω／単位面
積）となることがわかる。ここで、各領域は、この実施
例においては、電極７．７に対して平行に形成されてお
り、レーザスポット（口数ｍｍ×１０ｍｍ）をスキャン
させることにより形成されている。

【００３５】上記によりｎ型拡散層が形成された後、表
面パッシベーション膜となるＳｉＯ ₂膜３をｎ型半導体
層２上に熱酸化法により８００℃前後で約１００〜１５
０Å形成する。続いて、その表面に熱ＣＶＤ法により、
ＴｉＯ₂よりなる反射防止膜４を形成した後、ｐ型半導
体基板１の裏面側に、バルク側で吸収される長波調光の
収集効率を改善するためのＢＳＦ層５を形成する。この
ＢＳＦ層５は、Ａｌペーストよりなる裏面電極６の印刷
後、酸化性雰囲気中において７００℃で焼成して形成し
た。

【００３６】続いて、受光面電極７は、Ａｇを主成分と
するペーストを所望のパターンで印刷した後、６００℃
で焼成して形成する。このペーストは、反射防止膜４お
よびＳｉＯ₂膜３を焼成により貫通して、ｎ型半導体層
２の表面と強硬な接触をする。

【００３７】上記工程により、本願発明に基づいた太陽
電池セルが完成する。下記に示す表１は、本発明による
太陽電池セルにおける光電変換特性を示したものであ
り、従来構造における従来例１および従来列２との数値
を比較して表記されている。

【００３８】

【表１】

【００３９】上記、表に示す従来例１、２の断面構造
は、図１と同様ではあるが、不純物拡散領域の拡散は、
ＰＯＣｌ₃を用いた熱拡散によって行なわれ、その面抵
抗の分布は、図４中に示した均一の分布を持つ太陽電池
セルである。

【００４０】本発明による太陽電池セルは、従来例１と
比べると、短絡電流（Ｊ_sc）、開放電圧（Ｖ_oc）ともに
向上しており、表面再結合や不純物拡散層中の再結合が
低減されていることがわかる。また、従来例２と比べた
場合は、曲線因子（ＦＦ）が大幅に向上している。

【００４１】また、図５に示すグラフは、本発明による
太陽電池と、従来構造１および２の太陽電池との分光感
度特性を示すグラフであって、横軸に波長、縦軸に分光
感度を示している。実線Ａは本発明による太陽電池の特
性、一点鎖線Ｂは従来例１による特性、二点鎖線Ｃは従
来例２による特性を示すものであって、短長両波長領域
において感度が改善されていることがわかる。

【００４２】上記のように、拡散層の不純物濃度が中央
部から電極に向かって次第に高くなるよう分布させるこ
とにより、受光面電極間の中央部では、不純物拡散層中
を流れる電流は、中央部で発生した電流だけであるため
にその電流密度は低く、該拡散層の不純物濃度を低くし
て面抵抗を高めても直列抵抗損失は小さく、特性には重
大な影響を及ぼさない。また、受光面電極から距離が近
い部分では、その部分で発生した電流だけでなく、拡散
層中を流れてきた電流が加わるために拡散層中の電流密
度が高い。そこで、この部分では上記のように拡散層の
不純物濃度を高くして面抵抗を下げれば、直列抵抗損失
を抑えることが可能となっている。

【００４３】また、エキシマレーザを用いた拡散法を用
いることによっても、半導体基板表面の溶融化プロセス
であるために、バルクに対する熱の影響が小さくすみ、
少数キャリアのライフタイムを損なうことがない。これ
により、長波長感度も向上させることが可能となってい
る。

【００４４】上記により、従来に比べ直列抵抗損失を抑
え、かつ実効的な不純物濃度を下げることができ太陽電
池セルの高効率化を図ることが可能となる。

【００４５】なお、上記実施例は最適な効果を得るため
にｐ型半導体基板を用いその表面にｎ型不純物拡散領域
を形成した太陽電池セルであるが、ｎ型半導体基板を用
いてその表面にｐ型不純物拡散領域を形成した太陽電池
セルを用いて、上記と同様の構成にすることによって
も、太陽電池セルとしての機能を果たせることは可能で
ある。

【００４６】

【発明の効果】この発明に基づいた光電変換素子の一例
である太陽電池セルにおいて、その第２導電型の不純物
拡散領域の不純物濃度が、この不純物拡散領域平面に平
行に配置された受光面電極間の中央部で低く、この受光
面電極に近付くに従い高くなるように拡散することによ
り、実効的に表面不純物濃度を低減し、短波長感度、お
よび、表面パッシベーション効果を向上させることを可
能とし、さらに、直列抵抗損失の少ない高効率の太陽電
池セルを提供することを可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に基づいた実施例における太陽電池セ
ルの断面図である。

【図２】ＸｅＣｌエキシマレーザのショット回数と照射
されたシリコン基板表面の面抵抗の関係を示す図であ
る。

【図３】ＸｅＣｌエキシマレーザのショット回数におけ
るシリコン基板表面のリン拡散深さとリン原子密度を示
す図である。

【図４】不純物拡散層におけるＸｅＣｌエキシマレーザ
のショット回数と基板表面の面抵抗の分布の関係を示す
図である。

【図５】この発明に基づいて実施した太陽電池セルと従
来構造の太陽電池セルとの分光感度特性の比較を示す図
である。

【図６】従来技術における太陽電池セルの断面図であ
る。

【図７】太陽電池における光起電力効果の原理を示すエ
ネルギ帯図である。

【図８】太陽電池における光起電力効果の原理を示すエ
ネルギ帯図である。

【図９】太陽電池における光起電力効果の原理を示すエ
ネルギ帯図である。

【符号の説明】

１第１導電型半導体基板２第２導電型不純物拡散領域３パッシベーション膜４反射防止膜５ＢＳＦ層６裏面電極７受光面電極なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥野哲啓大阪市阿倍野区長池町22番22号シヤープ株式会社内 (72)発明者中嶋一孝大阪市阿倍野区長池町22番22号シヤープ株式会社内 (72)発明者布居徹大阪市阿倍野区長池町22番22号シヤープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板と、この第１導電型半導体基板の表面に形成された第２導電
型の不純物拡散領域と、この第２導電型の不純物拡散領域の表面に複数本平行に
配置され、光起電力効果により得られる起電力を取出す
ための受光面電極と、を有する光電変換素子であって、前記第２導電型の不純物拡散領域の不純物濃度が、前記
平行に配置された受光面電極間の中央部で低く、前記受
光面電極に近付くに従い高くなるように拡散されたこと
を特徴とする光電変換素子。