JPH07105519B2 - 太陽電池セル - Google Patents

太陽電池セル

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JPH07105519B2
JPH07105519B2 JP1259581A JP25958189A JPH07105519B2 JP H07105519 B2 JPH07105519 B2 JP H07105519B2 JP 1259581 A JP1259581 A JP 1259581A JP 25958189 A JP25958189 A JP 25958189A JP H07105519 B2 JPH07105519 B2 JP H07105519B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は太陽電池を配列したアレイにおいて、アレイ上
に発生した影による太陽電池セルの損傷を防止する構造
に関するものである。
(従来の技術) 太陽電池のアレイが、一般の電源の使用されない場所、
例えば、離島その他の避地,人工衛星等で使用されてい
る。このアレイ上に影が生じた場合、影になつた太陽電
池に逆バイアス電圧が印加されて、太陽電池が故障する
ことがある。
以下人工衛星に使用された場合について説明する。第3
図は人工衛星に使用される太陽電池アレイ(以下モジュ
ールともいう)の回路図であって、複数の並列に接続さ
れた太陽電池群(以下サブモジュールという)10,10…
が複数個直列に接続され、負荷Lに供給される。近年の
人工衛星の大型化、多機能化に伴ない、通信用アンテナ
その他各種構造物が増加し、人工衛星の姿勢によって太
陽との位置が変化し、太陽電池アレイ上に影が発生する
場合がある。また、通常の姿勢の場合には影が発生しな
くても、不慮の事故が発生した時に、姿勢制御が乱れた
場合は、太陽電池アレイ上に影が生じてしまう。第3図
の最下段のサブモジュール10の左方の2個の太陽電池に
影11が生じると、影が生じていない部分の発生電圧のた
め、このサブモジュールにはp側にマイナス、n側にプ
ラスの逆バイアスが印加される。この影の発生したサブ
モジュール内では、印加される逆バイアス電圧とモジュ
ールに流れる電流の積に等しい電力消費が行われ、サブ
モジュールの温度が上昇する。逆バイアス電圧の印加に
よって、影の生じたサブモジュール内の太陽電池セル
は、ブレークダウンを起す場合がある。ブレークダウン
した太陽電池セルには、モジュールの発生電流が流れこ
み、短絡モードの破壊を生じる可能性が高い。また、前
記の温度上昇はブレークダウンの発生を促進する。
この逆バイアスの印加を防止するため、従来は太陽電池
の外部にバイアスダイオードを付加する各種の方法が講
じられていた。
(発明が解決しようとする課題) バイパスダイオードを印加すると、太陽電池の受光面積
が減少し、出力が低下する。また、結線が複雑化し、故
障の原因となる。
(課題を解決するための手段) 本発明は前述の欠点を除去するため、太陽電池セルの基
板として、高濃度にドープされたp型基板上にp型エピ
タキシャル層を成長させたものを使用し、その表面にPN
接合を形成した。
(作用) 以上のような構造にすることにより、ある限度以上の逆
バイアス電圧が印加された場合、太陽電池セル内に流れ
る逆方向電流が急激に増加し、そのセルには前記の限度
以上の逆バイアス電圧がかからない。第4図は、その作
用を説明するための太陽電池のI−V特性のグラフであ
る。影が生じていないサブモジュールと、影が生じて逆
バイアス電圧が印加されたサブモジュールが直列に接続
されているので、影が生じたサブモジュールに流れるモ
ジュール電流、及び印加される逆バイアス電圧は、図中
の実線で示される影の生じていないサブモジュールの
出力特性を示すI−Vカーブと、図中の点線又はで
示される影が生じたサブモジュールの逆方向特性の電圧
軸の正負を逆転させたI−Vカーブとの交点からも推測
される。もし、影が生じた太陽電池セル内に流れる逆方
向電流が大きくなれば、点線に示されるように、逆バ
イアス電圧は小さくなる。一方、逆方向電流が小さい
と、点線に示されるように、逆バイアス電圧は大きく
なる。
(実施例) 本発明の一実施例は、以下シリコン基板を用いたものに
ついて説明されるが、他の材料を用いた場合は、他の数
値が適用される。
本発明者は、太陽電池における逆バイアス電圧とブレー
クダウンの関係の詳しいデータを得るために、種々の條
件下において実験を行った。実験の対象としては、宇宙
用50μm厚BSFR型シリコン太陽電池を用いた。その結
果、太陽電池セル温度が−196〜60℃の範囲で、逆バイ
アス電圧を約10秒間にブレークダウン電圧まで上昇させ
たときは、193〜50V程度でブレークダウンし、逆バイア
ス電圧が30秒間印加され続け5V毎に上昇して行くとき
は、200〜34V程度でブレークダウンすることが判明し
た。また、ブレークダウン発生時の電流は、ばらつきが
大きいが、実験した範囲内で最も小さいものでは、6mA
程度でブレークダウンする場合があることが判った。従
って、約30V以上の逆バイアス電圧が印加されないよう
にすればよいことになる。
太陽電池セルの開放電圧を支配する拡散電位を規定する
ものは、pn接合界面近傍のp型n型各々のキャリア濃度
であるのに対して、逆バイアス印加時の逆方向電流を規
定するものは、空乏層端におけるキャリア濃度である。
p型の基板を用いた場合にはp型のキャリア濃度であ
る、 一般的な宇宙用太陽電池セルは、4×1016/cm3〜8×10
14/cm3程度の比較的低キャリア濃度のp型基板の表面
に、n型不純物を拡散させて、キャリア濃度1020〜1021
/cm3程度で厚さ0.1〜0.3μmのn型拡散層を形成させて
いるので、ほぼ階段接合とみなし得る構造となってい
る。よって、空乏層の大部分は、p型基板内に形成され
ており、太陽電池セルに逆方向電圧(太陽電池のn型拡
散層側に正、p型基板側に負)を連続的に印加していく
場合を考えると、p側の空乏層端は接合面からp側へ深
く入り込んで行く。第5図はその一例の略断面図であ
る。p型基板1の表面には、n型拡散層2が形成され、
その界面にはpn接合が形成され、その両側に点線で示さ
れる範囲内に空乏層3が形成されている。この空乏層3
の下端のp側の空乏層端は、逆方向電圧に従って下方に
移動する。
温度が0゜〜60゜の範囲で、前述のブレークダウン発生
電圧の下限より稍々小さい逆方向電圧として30Vが印加
された場合の空乏層幅を計算したところ、約1.0〜7.1μ
mであることがわかった。そこでp型の低抵抗の基板の
表面にキャリア濃度4×1016/cm3〜8×1014/cm3程度で
厚さ1.0〜7.1μmのp型エピタキシャル層を成長させた
ものを基板として用い、その表面にn型拡散層を形成す
ると、逆方向に30V印加したとき、空乏層端は低抵抗の
p型基板に達する。
ところで、一般にキャリア濃度が実効状態密度と同程度
ないしそれ以上に高いp型半導体とn型半導体からなる
p+n+接合は、逆方向のリーク電流が著しく大きいことが
知られている。これは、高濃度ドープに起因した結晶場
の歪や欠陥が、少数キャリア再結合の再結合中心として
働くためである。よって、逆バイアス電圧が30V以上印
加された場合、空乏層端がp+低抵抗領域に達し逆方向の
リーク電流を著しく増加させることができる。これによ
って第4図で示したように、30V以上の逆バイアス電流
が印加されたときに、リーク電流を増加させると、逆バ
イアス電圧が増加することを防止できる。
第1図(a)〜(d)は前記の原理に基づいた本発明の
一実施例を製造する各工程の略断面図である。
第1図(a)に示されるように、例えば比抵抗0.006Ωc
m、キャリア濃度約2×1019/cm3のシリコンの低抵抗p
型基板1−1上に、MBE(Molecular Beam Epitaxicy)
法、SiH4の熱分解法、SiH2Cl2、,SiHCl3等ハロゲン化物
の熱分解法等の方法によって、キャリア濃度8×1014
4×1016/cm3,厚さ1.0〜7.1μmのp型シリコンエピタ
キシャル成長膜1−2を形成する。ここで、たとえ、実
質的に上記エピタキシャル層と同じ導電型、同程度のキ
ャリア濃度と層厚が得られるとしても、例えば、n型の
不純物をイオンインプランテーション法で打ち込み、基
板のp+を補償して所望のp層を得る方法は、好ましくな
い。その理由は、このp層が空乏層近傍の最も光を吸収
する領域であり、p+を補償する過程で、少数キャリアの
ライフタイムを減少させるので、このようなn型の不純
物によりp+を補償する方法では、太陽電池セルの出力を
著しく減少させてしまうことになるからである。
次に、第1図(b)に示されるように、エピタキシャル
成長膜1−2の表面に、例えば、PH3,POCl3等を用いて
燐の熱拡散を行い、0.1〜0.3μmのn+型拡散層2を形成
する。
次に、第1図(c)に示されるように、n+型拡散層2の
表面に銀を主成分とする集電用くし型電極5を形成し、
裏面には同様な成分の裏面電極6を形成する。
次に、第1図(d)に示されるように、n+型拡散層2及
び集電用くし型電極5を覆うように、例えば、SiO2,TiO
2,Ta2O3等からなる単層又は複数層の反射防止膜7を設
ける。これを所定形状に切断成形する。
第2図は、このようにして製造された太陽電池セルに逆
バイアス電圧が印加された場合の状態を示す。エピタキ
シャル成長膜1−2に平行な点線で挾まれる領域は空乏
層3を示し、逆バイアス電圧が増加するに従って、その
下端4は下方に下り、ある電圧例えば30V以上になると
低抵抗p型基板1−1に達する。そうすると逆方向のリ
ーク電流を著しく増加させ、第4図に示されるように、
逆バイアス電圧の上昇を防止する。
第6図は本発明による太陽電池セルと従来の構造の太陽
電池セルとの比較を示すグラフである。実線Aは本発明
による太陽電池セルに逆バイアス電圧を増加させた場合
で、点線Bは従来の太陽電池セルに逆バイアス電圧を増
加させた場合である。実線Aに示されるように本発明に
よる場合は、逆バイアス電圧が例えば約30Vになると電
流が増加し、逆バイアス電圧はある限度以上には増加し
ない。一方点線Bの場合は、あるブレークダウン電圧に
達すると、太陽電池セルは破壊する。
(発明の効果) 本発明によれば、もし、太陽電池アレイ上に影が発生し
て、その部分の太陽電池セルに逆バイアス電圧が印加さ
れても、ブレークダウンを発生する電圧より小さい電圧
で、太陽電池セルの逆方向電流を急増させることができ
るので、それ以上の逆バイアス電圧が印加されず、太陽
電池セルのブレークダウン、破壊による電源の出力低下
を防止できる。人工衛星の電源に使用するときは、その
信頼性を向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(d)は本発明の一実施例の装置の製造
の各工程の略断面図、第2図はその動作を示す略断面
図、第3図は太陽電池アレイの回路図、第4図は太陽電
池に逆バイアス電圧が印加されたときのI−V特性のグ
ラフ、第5図は空乏層端の移動を説明するための略断面
図、第6図は本発明による太陽電池と従来の太陽電池と
の比較を示すグラフである。 1−1……低抵抗P型基板、1−2……エピタキシャル
成長膜、3……空乏層、4……空乏層端、5……集電用
くし型電極、6……裏面電極、7……反射防止膜、10…
…サブモジュール

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の導電型の半導体基板と、その上に成
    長された上記半導体基板より低濃度の第1の導電型のエ
    ピタキシャル層と、さらにその上に形成された第2の導
    電型の拡散層とよりなり、上記第1の導電型のエピタキ
    シャル層と上記の第2の導電型の拡散層とのブレークダ
    ウン電圧以下の逆バイアス電圧が印加された場合に、上
    記拡散層からの空乏層が上記半導体基板に達するよう
    に、上記エピタキシャル層の濃度と厚みが調整されたこ
    とを特徴とする太陽電池セル。
  2. 【請求項2】第1の導電型の半導体基板はp型であり、
    そのキャリア濃度は1×1019/cm3以上で、上記半導体基
    板上に成長された上記半導体基板より低濃度の第1の導
    電型のエピタキシャル層はp型であり、そのキャリア濃
    度は4×1016〜8×1014/cm3であり、かつ、その厚さは
    1.0〜7.1μmであることを特徴とする請求項1記載の太
    陽電池セル。
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