JPH0745843A - 太陽電池素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板厚さが薄くても、大きな光電流が得ら
れ、しかも基板内部の熱上昇を抑えて出力低下を防止で
きる高信頼性の太陽電池素子を提供する。 【構成】 表面近傍にＰＮ接合４が形成された半導体基
板１の表裏それぞれに、櫛状の電極５，７を表裏におい
て平行となるように形成するとともに、基板１の表裏の
各々の電極間に該電極に平行な複数の微小Ｖ字型溝２を
形成してなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間において人工
衛星の電源として用いられる太陽電池素子の構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より人工衛星の電源として用いられ
る太陽電池として、シリコンやガリウムひ素基板を用
い、その表面近傍にＰＮ接合を形成した構造のものが使
用されている。通常、これら従来の太陽電池は太陽から
の直接光のみにより発電するよう設計されている。近
年、人工衛星の大型化に伴う搭載機器の電力需要の増大
により太陽電池の高効率化の要求も高まり、太陽からの
直接光のみならず地球からの反射光も利用した高効率発
電の太陽電池が研究されている。

【０００３】図４は、このような表裏両面からの入射光
により発電する太陽電池素子の断面図である。Ｐ型の半
導体基板（以下、単に基板と記す）２１の表面側にＮ型
の拡散層２２が形成され、ＰＮ接合層２３が設けられて
いる。また、基板２１内部で光励起により発生したキャ
リアが有効にこのＰＮ接合２３に到達するようＰ⁺層２
４が裏面電界層として裏面近傍に形成されている。そし
て、表面側には反射防止膜２５、電極２６が、また裏面
側には酸化膜２７、電極２８が形成されている。両電極
２６，２８とも光入射を妨げないよう櫛形形状を有して
いる。表面及び裏面はほぼ平坦な面に仕上げている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来構造では、基板２１の表面からの垂直入射光２９
は基板内部を直進し、基板裏面に到達すると基板裏面へ
と透過する。従って、軽量化のため基板厚さを薄くして
いくと、基板内の光路長が短くなり、光励起キャリアが
減少し出力が低下するという問題がある。

【０００５】また、光吸収を増大させるためにテクスチ
ャと呼ばれる表面形状に加工すると、キャリアを励起す
るエネルギーを持たない赤外光までが基板内部に閉じ込
められ熱に変換されるため、動作温度が上昇し出力が低
下するという問題がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、基板厚さが薄く
ても大きな光電流が得られるとともに基板内部の熱上昇
を抑えて出力低下を防止できる高信頼性の太陽電池素子
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明による太陽電池素子は、表面近傍にＰＮ接合が
形成された半導体基板の表裏それぞれに、櫛状の電極を
表裏において平行となるように形成するとともに、前記
表裏の各々の電極間に該電極に平行な複数の微小Ｖ字型
溝を形成してなることを特徴とする。

【０００８】

【作用】基板への入射光は、表面に設けた微小なＶ字型
溝の壁面に対して斜め方向に入射するため屈折し、基板
内部を斜めに進行する。従って、基板内部を垂直に進行
する場合よりも光路長が長くなり光励起キャリアの発生
率が増大する。従って、基板厚さが薄くても、大きな光
電流が得られる。

【０００９】また、表面と裏面のＶ字型溝を互いに平行
に形成しているため、表面から裏面に達した光はちょう
ど表面からの入射・屈折とは逆に裏面に垂直に透過する
ことになるので、裏面から容易に外部へ透過する。この
ように裏面にまで達する、半導体基板の禁制帯幅以下の
エネルギーしか持たない長波長光は、基板裏面へと容易
に透過するので半導体基板内部では熱に変換されず、太
陽電池素子の温度上昇を抑制できる。裏面電極を面積の
小さい櫛状にしていることも、この光の外部への透過に
寄与している。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例による太陽電池素子につい
て、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本実施例
による太陽電池素子の部分断面図、図２（ａ）及び
（ｂ）はそれぞれ、本実施例による太陽電池素子の表面
図及び裏面図、図３は図１の太陽電池素子に入射する光
の光路を説明するための図である。

【００１１】本実施例の特徴は、図１に示すように、櫛
状の電極を表裏において平行となるように形成するとと
もに、前記表裏の各々の電極間に該電極に平行な複数の
微小Ｖ字型溝を形成した点にある。図１に従って説明す
ると、半導体基板１としては、面方位が（１００）のＰ
型シリコン単結晶基板を用いる。半導体基板１の表面及
び裏面の微小なＶ字型溝２は、アルカリ性溶液による異
方性エッチングにより形成する。

【００１２】次に、表面にリン等のＮ型不純物を熱拡散
してＮ型拡散層３を形成することにより、表面近傍にＰ
Ｎ接合４を形成する。表面に形成するＮ電極５は、太陽
光の入射を妨げず有効に表面層のキャリアを収集するた
め、図２（ａ）に示すように櫛形形状としている。図１
の２つのＮ電極５は図２（ａ）の複数の電極ラインの内
の２本の断面を示すものである。ここで、図２（ａ）及
び後述する図２（ｂ）の５’及び７’は収束用電極であ
るとともに、隣接する太陽電池素子との接続用電極でも
ある。

【００１３】また、裏面のＰ電極７も図２（ｂ）に示す
ように、同様の櫛形形状に形成し、さらに裏面の電極接
触部には、Ｐ型不純物を高濃度に拡散した裏面電界層８
と呼ばれる電位障壁を設ける。裏面電界層８以外の領域
には酸化膜９を形成し、裏面での少数キャリア再結合を
抑制し、光励起キャリアの収集効率を高めるとともに裏
面に入射する地球からの反射光の裏面での反射を低減さ
せる。

【００１４】上記構造における入射光の光路を図３を参
照して以下説明する。ここでは、基板表面から入射する
光について述べているが、基板裏面からの光の入射につ
いても同様である。

【００１５】基板表面からの入射光１０はＶ字型溝２の
壁面に当たりフレネルの法則に従い反射屈折する。この
とき、基板内部に入射せず表面で反射した光１１は再び
対向する壁面に入射し反射屈折し、その反射光が表面か
ら外部に出ていく。垂直入射光１０は屈折により基板内
部を光路１２に沿って進行するため、基板内部を垂直に
進行する場合に比べ光路長は長くなり、基板内部での光
励起キャリアが増加する。従って、基板厚さが薄くて
も、大きな光電流が得られる。また、表面で一旦反射し
た光１１も再度壁面に当たり、光路１３に沿って基板内
部を進行するため、一層、光電流の増大が期待できる。

【００１６】一方、基板内部に入射した光１２及び１３
は、裏面に到達するとちょうど表面からの入射・屈折と
は逆に裏面に垂直に透過することになるので、裏面側か
ら容易に外部へ透過する。入射光１２及び１３の一部は
裏面において再度反射屈折を繰返し、再度基板内部に反
射する光１６及び１７となる。この反射光１６及び１７
は再度表面で反射屈折をし、その一部は基板内部に反射
されるが、同様の繰返しにより序々に強度は減衰してい
く。

【００１７】このように、半導体基板の禁制帯幅以下の
エネルギーしか持たず、基板内部で吸収されにくく基板
裏面にまで到達する長波長光のほとんどは基板外部へと
放出され、動作温度の上昇を抑制できる。

【００１８】なお、この構造において、裏面電極７が従
来と同じほぼ全面に設けられた形状であれば、裏面に到
達した光はそこで吸収され熱に変換されてしまうため、
上記効果、即ち動作温度の上昇抑制の実現には、本実施
例のように裏面電極７を例えば櫛状にしてその占有面積
を小さくすることが必要不可欠である。

【００１９】また、Ｖ字型溝２を表裏で互いに平行でな
い交差方向に形成すれば、不要な赤外光が素子内部で全
反射を繰り返して閉じ込められ素子温度の上昇緩和がで
きない。従って、本実施例のように表裏のＶ字型溝２を
平行に配置することも不可欠な構成である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板厚さが薄くても大きな光電流を発生でき、また、不要
赤外光の吸収を抑制できて動作温度を低く抑えられる高
信頼性の太陽電池素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による太陽電池素子の断面図
である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施
例による太陽電池素子の断面図である。

【図３】図１の太陽電池素子に入射した光の光路を示す
断面図である。

【図４】従来例による太陽電池素子の断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 微小Ｖ字型溝 ４ ＰＮ接合 ５ 表面電極（Ｎ電極） ７ 裏面電極（Ｐ電極）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面近傍にＰＮ接合が形成された半導体
   基板の表裏それぞれに、櫛状の電極を表裏において平行
   となるように形成するとともに、前記表裏の各々の電極
   間に該電極に平行な複数の微小Ｖ字型溝を形成してなる
   ことを特徴とする太陽電池素子。