JPH10117008A - 集光型太陽電池素子 - Google Patents

集光型太陽電池素子

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JPH10117008A JP8268481A JP26848196A JPH10117008A JP H10117008 A JPH10117008 A JP H10117008A JP 8268481 A JP8268481 A JP 8268481A JP 26848196 A JP26848196 A JP 26848196A JP H10117008 A JPH10117008 A JP H10117008A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光度を下げることなく、集光スポットの過
度の一点集中を防止することができる集光型太陽電池素
子を提供する。 【解決手段】 シリコン基板１０の裏面側にｐ+ 層１４
及びｎ+ 層１２を形成し、それぞれに対応させて正極１
６及び負極１８が形成された集光型太陽電池素子であっ
て、表面側には、周囲に強度を向上させるための土手部
２８が設けられた受光面２４が形成されている。受光面
２４の中央部には、突起部２６が形成されており、突起
部２６により、太陽光の集光スポットが分散され、集光
スポットの一点集中が防止できる。これにより、受光面
２４の温度上昇及び微小面積における高濃度のキャリア
発生による電圧降下を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集光型太陽電池素
子、特にシリコン基板の裏面に電極が形成された集光型
太陽電池素子の受光面の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、各種用途に太陽電池が利用さ
れているが、太陽電池を用いた発電システムの低コスト
化のため、太陽光をレンズを用いて集光し、高価な太陽
電池セルの使用面積を少なくする集光型太陽電池装置が
種々考案されている。また、集光型太陽電池装置の発電
効率を向上させるため、太陽を追尾する追尾システムも
種々考案されている。
【０００３】このような集光型太陽電池装置では、太陽
電池セルが形成され、電流取り出し用の電極が設けられ
た集光型太陽電池素子が使用されている。この集光型太
陽電池素子の受光面に、太陽光が集光されて形成される
集光スポットが照射されると、シリコン基板内部でキャ
リアとしての自由電子と正孔が発生する。発生したキャ
リアは、ｐｎ接合で分離され、自由電子はｎ層を介し
て、正孔はｐ層を介してそれぞれ電極から電流として取
り出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の集光型太陽
電池素子においては、集光レンズで太陽光を集光しなが
ら二次元方向又は三次元方向に太陽を追尾するが、この
際に１００倍を超える集光スポット（１０Ｗ／ｃｍ2 以
上）が直接太陽電池の受光部に照射される場合がある。
集光型太陽電池装置においては、コストの低下及び発電
効率の向上のために、なるべく集光度を上げるのが望ま
しい。しかし、このように集光度が高くなりすぎると、
集光スポットの大きさが小さくなるので、キャリアが発
生する面積も小さくなり、電流密度が増加する。この結
果、キャリアが移動する際の内部抵抗も高くなり、電圧
降下が生じて出力電力の低下をもたらすという問題があ
った。
【０００５】また、上記のような高い集光度の集光スポ
ットを受光すると、受光面の温度が局部的に急上昇し、
冷却水等により太陽電池セルを冷却していても、この冷
却が追いつかない場合がある。特に、１８Ｗ／ｃｍ2 以
上の強さの集光スポットを受光する場合には、受光部分
の温度が１００℃以上に上昇し、はんだの付着力が低下
し集光型太陽電池素子の破損が生じるという問題があっ
た。さらに、冷却水により集光型太陽電池素子を直接冷
却している場合、実装基板と電極防水用の封止剤との密
着性が低下し、冷却水が集光型太陽電池素子の電極側へ
侵入して電極腐食及び断線が発生する危険があるという
問題もあった。
【０００６】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、集光度を下げることなく、集光
スポットの過度の一点集中を防止することができる集光
型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】上記目的を達成するため
に、本発明は、シリコン基板の裏面に電極が形成された
集光型太陽電池素子であって、受光面に１または２以上
の突起部が形成されており、この突起部は角錐形状ある
いは角錐台形状とされ、突起部の底部の一辺の長さが集
光レンズの径の１／１００から１／１０であることを特
徴とする。
【０００８】また、上記集光型太陽電池素子において、
突起部が１個の場合は受光面の中央に設けられ、２個以
上の場合は受光面の中央を中心として等間隔に配設さ
れ、いずれの場合も突起部の底面積の合計が受光面の面
積の１／５から１／２０であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。
【００１０】図１ａには、本発明に係る集光型太陽電池
素子の一実施形態の断面図が示される。図１ａにおい
て、シリコン基板１０は、単結晶シリコン（Ｓｉ）ウエ
ハにより構成されているが、２０〜１００Ωｃｍ程度の
比較的高い抵抗のものが用いられている。シリコン基板
１０としては、ｐ型、ｎ型のどちらでも使用できる。た
だし、不純物濃度が同程度であれば、キャリアライフタ
イムが若干長いｐ型基板が一般に用いられる。
【００１１】このシリコン基板１０の裏面側には、図２
に示されるように、ポイント状にリン拡散によるｎ+ 層
１２及びボロン拡散によるｐ+ 層１４がそれぞれ形成さ
れている。これらの表面不純物の濃度は、１０19〜１０
20ｃｍ-3であり、拡散の深さが１〜３μｍとなるように
熱拡散が行われる。これらポイント状のｎ+ 層１２、ｐ
+ 層１４の大きさは、数１０〜数１００μｍ角程度とな
っている。また、ｎ+層１２とｐ+ 層１４とは、図２の
ように、千鳥状に配列してもよく、櫛形に形成される電
極の並びに沿ってライン状に配列してもよい。
【００１２】図１ａに戻って、上記ｎ+ 層１２、ｐ+ 層
１４の形成後、シリコン基板１０の裏側の表面に、アル
ミニウム（Ａｌ）層が蒸着法、印刷法等により形成され
る。このアルミニウム層は、パターニング後エッチング
処理を行うフォトリソグラフィ法により、ｐ+ 層１４に
接続された正極１６とｎ+ 層１２に接続された負極１８
とに分離される。さらに、この際バス電極２０、２２も
形成される。
【００１３】シリコン基板１０の表面側、すなわち正極
１６、負極１８が形成された面と反対側の面には、フォ
トリソグラフィ法により受光面２４が形成される。この
際、受光面２４の一カ所あるいは数カ所に、ピラミッド
状の突起部２６が形成される。また、受光面２４の周囲
には、集光型太陽電池素子の強度を高め、破損を防止す
るための土手部２８が形成されている。
【００１４】上述した突起部２６は、受光面２４に１個
形成される場合には、受光面２４の中央部Ａに設けられ
る。また、受光面２４に複数の突起部２６が設けられる
場合には、突起部２６は、受光面２４の中央部Ａを中心
として受光面２４の周囲方向に等間隔に配設される。
【００１５】上記突起部２６の形状としては、図１ｂに
示されるピラミッド状すなわち四角錐形状、あるいは図
１ｃに示される四角錐の上部を切り取った形状である角
錐台形状であることが望ましい。ただし、突起状の構造
であれば円錐形状等他の形状も使用することが可能であ
る。
【００１６】以上のような構成により、受光面２４に図
示しない集光レンズによって集光された太陽光の集光ス
ポットが照射された場合、シリコン基板中でキャリアが
発生し、このキャリアのうち自由電子がｎ+ 層１２に、
正孔がｐ+ 層１４にそれぞれ集められ、正極１６、負極
１８から電流として取り出される。またこの際、受光面
２４の一点に高い集光度の集光スポットが照射されて
も、突起部２６によって集光スポットが周囲に分散され
るので、局所的な太陽光の集中を防止することができ
る。このため、微小面積での高電流密度による電力低下
や、温度上昇による集光型太陽電池素子の破損等を防止
することができる。
【００１７】上述した、集光スポットの一点集中を防止
するためには、突起部２６の大きさを大きくし、かつ突
起部２６の数を増やした方が効果が高い。しかし、突起
部２６を大きくすると、突起部２６の形状が例えば角錐
形状あるいは角錐台形状である場合に、その底辺の長さ
すなわち受光面２４と突起部２６とが交わる辺の長さｌ
も長くなる。また、突起部２６の数を増やすと、全ての
突起部２６の底辺の面積の合計も増加する。このよう
に、突起部２６の一辺の長さｌを大きくし、あるいは底
面積の合計を増やしていくと、突起部２６の中へ入射さ
れた光によって生成されたキャリアと、突起部２６以外
の受光面２４から入射された太陽光によって生成された
キャリアとの混合により、集光型太陽電池素子の出力電
力が低下するという問題がある。
【００１８】この理由は以下の通りと考えられる。突起
部２６の中で生成されたキャリアは、ｎ+ 層１２及びｐ
+ 層１４までに到達する距離が、突起部２６以外で生成
されたキャリアに比べて非常に長くなる。このため、正
極１６、負極１８において、突起部２６中で生成された
キャリアの電位が、移動距離が長いことによる電圧降下
（ＩＲ）の分だけ突起部２６以外で生成されたキャリ
アの電位よりも低くなる。これらのキャリア同士は、並
列接続の関係となるので、突起部２６が大きくなり、そ
の数が増えると、突起部２６中で生成された電位が低い
キャリアも増え、この影響により集光型太陽電池素子の
出力電力が低下することになる。
【００１９】以上のような理由により、突起部２６の一
辺の長さｌ及び全ての突起部２６の底面積の合計値に
は、以下のような最適範囲がある。すなわち、突起部２
６の形状が角錐形状あるいは角錐台形状である場合に、
その底辺の長さｌは、使用する集光レンズの面積にも依
存するが、集光レンズの径の１／１００〜１／１０程度
にするのが好適である。さらに、突起部２６の底辺の面
積は、全ての突起部２６の合計の値として、受光面２４
の面積の１／５〜１／２０程度であるのが好適である。
【００２０】これらの値が上記範囲よりも小さくなる
と、集光スポットの分散能力が低下し、受光面２４の局
部的な温度上昇等が引き起こされる。一方、上記範囲よ
りも大きい場合には、集光型太陽電池素子としての発電
能力が低下する。
【００２１】例えば、集光レンズにより太陽光を２００
倍に集光した集光スポット（２０Ｗ／ｃｍ2 を受光面２
４に照射する場合、突起部２６として一辺の長さｌが集
光レンズの１／３０のものを受光面２４に１つ設けて集
光型太陽電池素子の温度上昇を測定した。この際、集光
スポットは突起部２６に当たるように設計されている。
【００２２】受光面２４は、停止した水で冷却しながら
温度の上昇を測定したが、受光面２４の温度は水温＋２
７℃以下であり、集光型太陽電池素子が破損するような
高温とはならなかった。これに対して、突起部２６を形
成しない場合には、水温＋５８℃まで受光面２４の温度
が上昇するので、例えば水温が４２℃以上まで上昇する
と受光面２４の温度は１００℃以上となり、集光型太陽
電池素子の破損の可能性がでてくる。
【００２３】したがって、突起部２６を形成すること
は、受光面２４への集光スポットの一点集中を防止する
ために有効であることがわかる。
【００２４】また、突起部２６を形成した場合と形成し
ない場合とで光電変換効率の測定を行ったが、上記大き
さの突起部２６を形成した場合には光電変換効率が１
７．２〜１７．５％であったのに対し、突起部２６がな
い場合には１７．４〜１７．６％であった。この結果か
ら、上述した程度の突起部２６であれば、突起部２６の
形成による集光型太陽電池素子の発電能力の低下はほと
んどないことが確認された。
【００２５】図３には、突起部２６の形成方法の工程図
が示される。図３ａにおいて、裏面に正極、負極１６、
１８が形成されたシリコン基板１０の表面側に、レジス
ト３０が塗布される。次に、図３ｂに示されるように、
シリコン基板１０の周囲及び中央部にレジスト３０が残
るようにパターンニングされる。中央部に残すレジスト
３０の大きさは、１００μｍ角〜１０００μｍ角程度の
大きさとする。図では、シリコン基板１０の中央部に一
カ所だけレジスト３０を残す構成としているが、突起部
２６の数に応じて適宜残すレジスト３０の数を決定す
る。
【００２６】次に、図３ｃに示されるように、ＫＯＨ、
ＮａＯＨ等のアルカリ液により、シリコン基板１０のエ
ッチングが行われ、シリコン基板１０の周囲には土手部
２８が形成されるとともに、中央部には突起部２６が形
成される。
【００２７】最後に、図３ｄに示されるように、レジス
ト３０を除去し、中央に突起部２６が形成された集光型
太陽電池素子となる。なお、図３に示された例では、突
起部２６の形状が角錐台形状となっているが、前述した
ように突起部２６の形状としてはこれに限られるもので
はない。
【００２８】図４及び図５には、本発明に係る集光型太
陽電池素子の他の実施形態の断面図が示される。図４に
おいては、突起部２６の数が２個とされている。他の構
成は図１と同様である。また、図５においては、突起部
２６の数が３個とされているが、その他の構成は図１と
同様である。
【００２９】図４及び図５に示されるように、突起部２
６の数は適宜増やすことができ、これにより集光スポッ
トの一点集中を防止することができるが、前述したよう
に、突起部２６の数が増えて、底面積の合計が増加しす
ぎると集光型太陽電池素子の発電能力が低下するので、
発電能力の低下を起こさない程度の数に決定する必要が
ある。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集光型太陽電池素子を二次元方向又は三次元方向に移動
させて太陽光を追尾する際に、突起部により集光スポッ
トを周囲に分散できるので、集光スポットが受光面の一
点に集中することを防止でき、受光面の温度が局所的に
上昇することを防止でき、集光型太陽電池素子の破損を
防止できる。また、電流密度の上昇による電圧降下によ
って出力電力が低下することを防止できる。この結果、
耐久性が高く、光電変換効率が高い集光型太陽電池素子
を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る集光型太陽電池素子の一実施形
態の説明図である。
【図２】 図１の実施形態のｎ+ 層及びｐ+ 層の配列例
を示す図である。
【図３】 図１の実施形態の突起部の形成工程の説明図
である。
【図４】 本発明に係る集光型太陽電池素子の他の実施
形態の断面図である。
【図５】 本発明に係る集光型太陽電池素子のさらに他
の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
１０ シリコン基板、１２ ｎ+ 層、１４ ｐ+ 層、１
６ 正極、１８ 負極、２０，２２ バス電極、２４
受光面、２６ 突起部、２８ 土手部、３０レジスト。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板の裏面に電極が形成された
    集光型太陽電池素子であって、 受光面に１または２以上の突起部が形成されており、前
    記突起部は角錐形状あるいは角錐台形状とされ、前記突
    起部の底部の一辺の長さが集光レンズの径の１／１００
    から１／１０であることを特徴とする集光型太陽電池素
    子。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の集光型太陽電池素子にお
    いて、 前記突起部が１個の場合は前記受光面の中央に設けら
    れ、２個以上の場合は前記受光面の中央を中心として等
    間隔に配設され、いずれの場合も前記突起部の底面積の
    合計が前記受光面の面積の１／５から１／２０であるこ
    とを特徴とする集光型太陽電池素子。
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