JPWO2009011013A1 - 太陽電池セル - Google Patents
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Abstract
Description
図24に示すように、複数の太陽電池セルを直列接続した太陽電池アレイにおいて、何れかの太陽電池セルが影の中に入って光起電力を発生しなくなった場合、その太陽電池セルに対して他の太陽電池セルで発生した光起電力の総和に等しい電圧が逆方向にバイアスされることになる。
さらに、影に入った太陽電池セルには、残りの(m−1)個の太陽電池セルの開放電圧に、バイパスダイオードを流れる電流によって生じた電圧降下を加えた電圧が逆方向にバイアスされるため、それに耐え得る高逆耐圧性能を有する太陽電池セルが必要である。
(1)前記pn接合が、pn+ 接合又はp+ n接合である。
(2)前記p+ n+ 接合がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有する。
(3)前記p+ n+ 接合が前記pn接合の開放電圧と同等かそれ以下の低電圧で導通する特性を有する。
(5)前記p+ n+ 接合を一方の電極の外周近傍部のうちの前記電極よりも半導体基材側部分に設ける。
(6)前記半導体基材の表面部に形成されたn+ 形導電層を介して前記pn接合を形成し、前記p+ n+ 接合の少なくとも一部は、一方の電極の前記半導体基材側の内面部に形成されたp+ 形導電層と、このp+ 形導電層が接触する前記n+ 形導電層の部分とで構成されている。
(8)前記p+ n+ 接合の少なくとも一部は、他方の電極に接合されたn+ 形導電層部分と、このn+ 形導電層部分に接合されたp+ 形導電層とで構成されている。
(9)前記半導体基材が円柱状に形成され、この半導体基材の表面から一定の深さ位置に実質的に円筒状のpn接合を設ける。
(11)前記半導体基材を平板状に形成し、この半導体基材の太陽光入射側の片面近傍部に前記pn接合を形成し、前記半導体基材の前記片面と反対側面に格子状の電極を形成し、前記半導体基材の前記片面に前記電極で遮光されない受光窓を形成し、前記半導体基材のうちの前記受光窓に臨まない全表面にこの半導体基材と同じ導電型で不純物を高濃度にドープされた高濃度導電層を形成し、前記片面側の電極の背面側部分に前記高濃度導電層を介して前記p+ n+ 接合を形成する。
2,13,52 p形シリコン単結晶
4,15,34,54 p+ 拡散層
5,16,35,55 n+ 拡散層
6,17,36,56 pn+ 接合
7,18,21,37,57 p+ n+ 接合
8,19,38,58 正電極
9,22,39,59 負電極
20 p+ シリコン再結晶層
32 p形シリコン単結晶ウエハ
33 受光窓
この球状太陽電池セル1は、球状のp形シリコン単結晶2に形成されたpn+ 接合6の一部に、不純物を高濃度にドープしたp+ 拡散層4とn+ 拡散層5で構成したp+ n+ 接合7を形成したものである。
図4、図5に示すように、太陽電池セル1は、球状のp形シリコン単結晶2(これが半導体基材に相当する)と、シリコン単結晶2の一端部に形成された平坦面3と、この平坦面3を除いてシリコン単結晶2の表面部に形成されたn+ 拡散層5(これがn+ 導電層に相当する)と、シリコン単結晶2の中心を挟んで対向する1対の電極8,9と、正電極8のシリコン単結晶2側の内面部に形成されたp+ 拡散層4(これがp+ 導電層に相当する)と、太陽電池セル1の表面のうちの正電極8及び負電極9以外の部分を覆う反射防止膜10とを備えている。尚、正電極8は平坦面3に設けられている。
シリコン単結晶2の表面部には、光起電力を発生可能なpn接合として機能するpn+ 接合6が形成されており、このpn+ 接合6は、平坦面3を除く、シリコン単結晶2の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状に形成されている。pn+ 接合6の両端には、スポット状の1対の電極8,9が接続されている。正電極8の外周近傍部のうちの正電極8よりもシリコン単結晶2側部分には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+ n+ 接合7が環状に形成されており、この太陽電池セル1の等価回路は、図6のようになる。また、正電極8は、p+ n+ 接合7よりも大きい面積に形成されている。
図1に示すように、第1工程において、直径1.8mmの半導体基材としての球状のp形シリコン単結晶2(抵抗率約1Ωcm)の下端部に直径約0.8mmの平坦面3を形成し、この平坦面3は、基準面として以降の工程においてシリコン単結晶2を位置決めするのに利用される。 第2工程において、シリコン単結晶2の平坦面3以外をSiO2 膜でマスクしてからボロンを熱拡散し、図2に示すように、平坦面3の内面部に、厚さ約1μmの薄い円盤状の高不純物濃度((1〜3)×1020cm-3)を有するp+ 拡散層4を形成する。
図7、図8は、p+ n+ 接合7のエネルギー帯構造を示す図であり、図7は熱平衡状態、図8は逆方向にバイアスした状態を夫々示す。
図7に示すように、p+ n+ 接合7の熱平衡状態におけるフェルミ準位は、p+ 領域とn+ 領域の両領域に亙って同一レベルである。 そのレベルはp+ 領域では価電子帯の直上にあり、n+ 領域では伝導帯の直下にあり、しかも、p+ n+ 接合7の遷移領域の幅は非常に薄くなっている。
図9は、従来の一般的な太陽電池セルと本発明の太陽電池セル1の電圧電流特性を示す線図である。図9における実線と1点鎖線に示すように、太陽光が遮断された状態(影に入った状態)では、両方の太陽電池セルの順方向電圧電流特性は、所定の閾値電圧を超えると急激に電流が増加する。逆方向電圧電流特性において、従来の太陽電池セルでは、電流が流れにくい領域を経て所定の電圧から電流が急増する降伏領域に入る特性を示すが、本発明の太陽電池セル1では、p+ n+ 接合7がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するため、電流が流れるのを阻止する領域がなく直ぐ導通領域に入るようになっている。
このように、本発明の太陽電池セル1は、太陽光を受光した場合、従来の太陽電池と同様に光起電力を発生し、太陽電池セル1が影に入って逆方向にバイアスされた場合は、正電極8と負電極9との間に起電力発生部分であるpn+ 接合6とバックワードダイオード特性を持つp+ n+ 接合7が並列に接続されており、p+ n+ 接合7を通して電流が流れる逆導通特性を備えることにより、太陽電池セル1が逆電圧によって破壊されたり、発熱により太陽電池セル1自体やその周辺の部材が劣化するという事態を回避できる。
図12〜図16に示すように、実施例2の球状太陽電池セル12は、負電極22と平行且つ負電極22で隠れる位置にp+ 拡散層15とp+ n+ 接合18を設けると共に、p+ シリコン再結晶層20をアルミニウム合金製の正電極19とp形シリコン単結晶13の共晶反応により形成したものである。
図15、図16に示すように、太陽電池セル12は、球状のp形シリコン単結晶13と、このp形シリコン単結晶13の表面部に形成されたn+ 拡散層16と、p形シリコン単結晶13の中心を挟んで対向する1対の電極19,22と、負電極22のp形シリコン単結晶13側の内面部に形成されたp+ 拡散層15と、正電極19のp形シリコン単結晶13側の内面部に形成されたp+ シリコン再結晶層20と、太陽電池セル12の表面のうちの正電極19及び負電極22以外の部分を覆う反射防止膜23とを備えている。
図12に示すように、第1工程において、実施例1の第1工程と同様に、半導体基材としての抵抗率1Ωcm程度で直径1.8mmのp形シリコン単結晶13に直径約0.8mmの平坦面14を形成する。
第2工程において、p形シリコン単結晶13の頂部における直径約0.4mmの部分を除き、全体をSiO2 膜でマスクしボロンを熱拡散して、図13に示すように、厚さ約1μmの高不純物濃度((1〜3)×1020cm-3)を有するp+ 拡散層15を形成する。
図19,図20に示すように、平板状太陽電池セル31は、平板状のp形シリコン単結晶ウエハ32に太陽光入射側の片面近傍部にpn+ 接合36を形成すると共に、負電極39の背面側部分にp+ 拡散層34を介してp+ n+ 接合37を形成したものである。
図19、図20に示すように、太陽電池セル31は、平板状のp形シリコン単結晶ウエハ32と、シリコン単結晶ウエハ32の太陽光入射側の片面に形成された格子状の負電極39及びシリコン単結晶ウエハ32の反対側面に形成された格子状の正電極38と、シリコン単結晶ウエハ32の前記片面に形成された負電極39で遮光されない受光窓33と、シリコン単結晶ウエハ32のうちの受光窓33に臨まない全表面に形成されたp+ 拡散層34と、シリコン単結晶ウエハ32の前記片面側の表面部に形成されたn+ 拡散層35と、受光窓33の表面を覆う反射防止膜41と、太陽電池セル31の前記反対側面の表面のうちの正電極38以外の部分を覆う裏面反射膜40とを備えている。シリコン単結晶ウエハ32の前記片面近傍部にはpn+ 接合36が形成され、前記片面側の負電極39の背面側部分には、p+ 拡散層34を介してp+ n+ 接合37が形成されている。
第1工程において、最初に半導体基材として抵抗率約1Ωcmのp形シリコン単結晶ウエハ32を用意する。このシリコン単結晶ウエハ32は、厚さ0.25mmの所定のサイズ(例えば、2cm×2cm)の平板状に形成されているが、種々のサイズのものを適用可能である。
その結果、開放電圧と短絡電流の向上が可能になる。また、p+ n+ 接合37は、負電極39の背面側部分の受光できない部分に形成されているため、太陽電池セル31の有効受光面積を減ずることなく実施できる。
図21〜図23に示すように、この実施例の太陽電池セル51は、ほぼ円形の断面を有するロッド形の太陽電池セルである。
図21〜図23に示すように、太陽電池セル51は、ロッド形のp形シリコン単結晶52(半導体基材に相当する)と、シリコン単結晶52の軸心と直交する方向における一端部に全長に亘って成形された平坦面53と、この平坦面53を除いてシリコン単結晶52の表面部に形成された部分円筒形のn+ 拡散層55と、シリコン単結晶52の中心を挟んで対向する帯状の1対の電極58,59であってシリコン単結晶52の全長に亘る1対の電極58,59と、平坦面53におけるシリコン単結晶52側の内面部に形成されたp+ 拡散層54と、太陽電池セル51の表面のうちの正電極58及び負電極59以外の部分を覆う反射防止膜60とを備えている。尚、正電極58は平坦面53に設けられている。
このロッド形の太陽電池セル51は、軸心に対してほぼ対称性を有し、種々の方向からの太陽光を受光できるため、広い角度で受光感度を有する。尚、p形シリコン単結晶52の直径は1.8mm以下とするのが望ましく、p形シリコン単結晶52の長さは、その直径の2倍以上とするのが望ましく、平坦面53の幅は0.8mm以下とするのが望ましく、電極58,59の幅は0.4〜0.6mmとするのが望ましい。また、この太陽電池セル51に形成した平坦面53は必須のものではないので省略してもよい。
[1]p+ n+ 接合7,17,20,37が有するトンネル効果による逆導通特性を利用する代わりに、p+ n+ 接合7,17,20,37に並置するpn+ 接合6,16,36の開放電圧と同等かそれ以下の低電圧で逆電流が雪なだれ式に増加する低電圧ブレークダウン特性を有するp+ n+ 接合を形成してもよい。この場合、ブレークダウン電圧が小さいので逆バイアスされたときのパワーロスを低減することができ、発熱による太陽電池セル1,11,31やモジュールの劣化などの故障の要因を回避できる。
[3]p形の半導体基材の代わりにn形の半導体基材を採用すると共に、前記実施例のpとnを夫々入れ替えた構造とし、pn+ 接合の代わりにp+ n接合を形成してもよい。
[4]半導体基材をシリコンで構成する代わりに、GeやGaAs,InP、GaNなどのIII−V族、CIS、CIGSなどのI−III−VI2 化合物半導体で構成してもよい。
[5]不純物を熱拡散で導入する代わりに、イオン打ち込み法により不純物を導入してもよい。
[6]前記実施例1,2の太陽電池セル1,12においては、シリコン単結晶2,13の直径を1.8mm以下、平坦面3,14の直径を0.8mm以下とすることが望ましく、また、電極8,9,19,22の直径を0.8mm以下、且つ平坦面3,14の直径よりも小さくすることが望ましい。
[0001]
本発明は、太陽電池セルに関し、特に太陽電池セルが逆方向にバイアスされたときに、pn接合の一部に形成したp+n+接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するものに関する。
背景技術
[0002]
一般に、光起電力を発生可能なpn接合を有する太陽電池セルにおいては、太陽電池セル1個当りが発生する光起電力の最大出力電圧が低いため、複数の太陽電池セルを直列接続して光起電力の最大出力電圧を高めた状態で使用される。
図24に示すように、複数の太陽電池セルを直列接続した太陽電池アレイにおいて、何れかの太陽電池セルが影の中に入って光起電力を発生しなくなった場合、その太陽電池セルに対して他の太陽電池セルで発生した光起電力の総和に等しい電圧が逆方向にバイアスされることになる。
[0003]
印加電圧が太陽電池セルの逆方向耐圧以上の場合、その太陽電池セルが破壊される虞があるが、印加電圧が太陽電池セルの逆方向耐圧以下であっても、太陽電池セルに対して高電圧が印加されたり多くの電流が流れると、その太陽電池セルが発熱し太陽電池セル自体やその周辺の部材が劣化する虞がある。
[0004]
そこで、図25に示すように、太陽電池セル毎に1個の外部のバイパスダイオードを設けて、各太陽電池セルと逆並列にバイパスダイオードを夫々接続し、逆方向にバイアスされたときに太陽電池セルに流れる電流をバイパスすることにより、その太陽電池セルを保護する構造が考えられる。しかし、全ての太陽電池セルに対してバイパスダイオードを夫々設けると、太陽電池アレイの構造が複雑になり製造コストが高価になる。
[0005]
そのため、図26に示すように、n個の太陽電池セルを直列接続した太陽
特許文献2:WO2003/017382号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
[0009]
しかし、特許文献1に記載の太陽電池セルにおいては、太陽電池のpn接合と分離領域を介して逆並列のpn接合を設けているため、シリコンウエハ内に発電に寄与しないスペースが必要となり構造が大型化する。また、発電時に、太陽電池のpn接合から分離領域の抵抗(parasitic shunt resistance)にも電流が流れるため開放電圧が低下するという欠点がある。
[0010]
特許文献2に記載の太陽電池モジュールにおいては、並列接続した何れかの行全体が影に入って発電を停止すると、電流路がなくなりその行の太陽電池セルには、直列接続した他の太陽電池セルの総発電電圧が逆方向にバイアスされるため、その行の太陽電池セルが破壊されたり、発熱により劣化する虞がある。この場合、バイパスダイオードを設けるなどして電流路を確保する必要がある。
[0011]
本発明の目的は、外部のバイパスダイオードと電気的に接続することなく、逆方向にバイアスされたときに電流が流れる逆導通特性を有する太陽電池セルを提供すること、小型で発電効率が低下しない太陽電池セルを提供すること、この太陽電池セルを使用して太陽電池モジュールを製造した場合の製造コストを低減できる太陽電池セルを提供すること、等である。
課題を解決するための手段
[0012]
本発明に係る太陽電池セルは、半導体基材に光起電力を発生可能なpn接合を設けた太陽電池セルにおいて、前記pn接合の一部に、不純物を高濃度にドープしたp+形導電層とn+形導電層で構成したp+n+接合であって、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+n+接合を設け、前記太陽電池セルが逆方向にバイアスされたとき、前記p+n+接合を通じて前記バックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するように構成したことを特徴としている。
発明の効果
[0013]
本発明の太陽電池セルによれば、pn接合の一部に、不純物を高濃度にド
ープしたp+形導電層とn+形導電層で構成したp+n+接合であって、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+n+接合を設け、太陽電池セルが逆方向にバイアスされたとき、p+n+接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するように構成したため、太陽電池セルにバイパスダイオードを逆並列接続した場合と同様の効果を得ることができる。
[0014]
つまり、この太陽電池セルを使用して太陽電池モジュールを製造した場合、何れかの太陽電池セルが影に入ったときに、その太陽電池セルのp+n+接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れるので、その太陽電池セルが発熱したり劣化するのを防止することができると共に、太陽電池モジュール全体の発電効率が低下するのを防止することができる。しかも、新たにバイパスダイオードを設ける必要がないため、構造が小型化し製造コストを低減できる。
[0015]
本発明の上記の構成に加えて、次のような種々の構成を採用してもよい。
(1)前記pn接合が、pn+接合又はp+n接合である。
[0016]
(2)前記半導体基材を球状に形成し、この半導体基材の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状の前記pn接合を設け、前記半導体基材の中心を挟んで対向する1対の電極であって前記pn接合の両端に接続された1対の電極を設ける。
(3)前記p+n+接合を一方の電極の外周近傍部のうちの前記電極よりも半導体基材側部分に設ける。
(4)前記半導体基材の表面部に形成されたn+形導電層を介して前記pn接合を形成し、前記p+n+接合の少なくとも一部は、一方の電極の前記半導体基材側の内面部に形成されたp+形導電層と、このp+形導電層が接触する前記n+形導電層の部分とで構成されている。
[0017]
(5)前記電極を前記p+n+接合よりも大きい面積に形成する。
(6)前記p+n+接合の少なくとも一部は、他方の電極に接合されたn+形
導電層部分と、このn+形導電層部分に接合されたp+形導電層とで構成されている。
(7)前記半導体基材が円柱状に形成され、この半導体基材の表面から一定の深さ位置に実質的に円筒状のpn接合を設ける。
[0018]
(8)前記一方の電極の内面部に形成されたp+形導電層を、前記一方の金属製の電極と前記半導体基材の共晶反応により形成される再結晶層により形成する。
(9)前記半導体基材を平板状に形成し、この半導体基材の太陽光入射側の片面近傍部に前記pn接合を形成し、前記半導体基材の前記片面と反対側面に格子状の電極を形成し、前記半導体基材の前記片面に前記電極で遮光されない受光窓を形成し、前記半導体基材のうちの前記受光窓に臨まない全表面にこの半導体基材と同じ導電型で不純物を高濃度にドープされた高濃度導電層を形成し、前記片面側の電極の背面側部分に前記高濃度導電層を介して前記p+n+接合を形成する。
図面の簡単な説明
[0019]
[図1]実施例1に係る平坦面を形成した球状のp形シリコン単結晶の断面図である。
[図2]p+拡散層を形成したp形シリコン単結晶の断面図である。
[図3]n+拡散層とpn+接合とp+n+接合とを形成したp形シリコン単結晶の断面図である。
[図4]太陽電池セルの断面図である。
[図5]太陽電池セルの要部の拡大断面図である。
[図6]太陽電池セルの等価回路図である。
[図7]p+n+接合のエネルギー帯構造(熱平衡状態)を示す説明図である。
[図8]p+n+接合のエネルギー帯構造(逆方向バイアス状態)を示す説明図である。
[図9]従来の太陽電池セルと本発明の太陽電池セルの電圧電流特性を示す線図である。
中心部にアルミニウムを含む樹脂ペーストを塗布し、且つn+拡散層5の球面頂部に銀を含む樹脂ペーストを塗布してから加熱処理し、p+拡散層4と低抵抗接触する正電極8と、n+拡散層5と低抵抗接触する負電極9を形成する。電極8,9の直径は0.4〜0.6mmとすることが望ましい。その結果、正電極8、負電極9間には、pn+接合6を通る電路とp+n+接合7を通る電路が夫々形成され、逆導通特性を有する球状の太陽電池セル1が完成する。
[0027]
次に、太陽電池セル1が有する逆導通特性について説明する。
図7、図8は、p+n+接合7のエネルギー帯構造を示す図であり、図7は熱平衡状態、図8は逆方向にバイアスした状態を夫々示す。
図7に示すように、p+n+接合7の熱平衡状態におけるフェルミ準位は、p+領域とn+領域の両領域に亙って同一レベルである。そのレベルはp+領域では価電子帯の直上にあり、n+領域では伝導帯の直下にあり、しかも、p+n+接合7の遷移領域の幅は非常に薄くなっている。
[0028]
図8に示すように、p+側をマイナス、n+側をプラスとした逆バイアス電圧Vを印加すると、p+領域とn+領域のポテンシャル差が大きくなり、p+n+接合7の遷移領域の幅が一層薄くなり、トンネル効果によってp+領域の価電子帯の電子eが遷移領域を通り抜けて、n+領域の伝導帯へ直接移動し電流が流れる。つまり、p+n+接合7がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するため、太陽電池セル1に逆方向にバイアスされたときp+n+接合7を通じて容易に電流が流れる。
[0029]
次に、太陽電池セル1の電圧電流特性と作用、効果について説明する。
図9は、従来の一般的な太陽電池セルと本発明の太陽電池セル1の電圧電流特性を示す線図である。図9における実線と1点鎖線に示すように、太陽光が遮断された状態(影に入った状態)では、両方の太陽電池セルの順方向電圧電流特性は、所定の閾値電圧を超えると急激に電流が増加する。逆方向電圧電流特性において、従来の太陽電池セルでは、電流が流れにくい領域を経て所定の電圧から電流が急増する降伏領域に入る特性を示すが、本発明の太陽電池セル1では、p+n+接合7がトンネル効果によるバックワードダイ
オード特性を有するため、電流が流れるのを阻止する領域がなく直ぐ導通領域に入るようになっている。
[0030]
一方、太陽光を受光した状態では、図9の第4象限における点線と2点鎖線に示すように、本発明の太陽電池セル1は、従来の太陽電池セルと同様の出力電圧電流特性を有するため、従来の太陽電池セルと同様に光起電力を発生する。
このように、本発明の太陽電池セル1は、太陽光を受光した場合、従来の太陽電池と同様に光起電力を発生し、太陽電池セル1が影に入って逆方向にバイアスされた場合は、正電極8と負電極9との間に起電力発生部分であるpn+接合6とバックワードダイオード特性を持つp+n+接合7が並列に接続されており、p+n+接合7を通してバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を備えることにより、太陽電池セル1が逆電圧によって破壊されたり、発熱により太陽電池セル1自体やその周辺の部材が劣化するという事態を回避できる。
[0031]
太陽電池セル1を直列接続して使用した場合、何れかの太陽電池セル1が影に入り光起電力を発生しなくなると自動的に電流路はp+n+接合7の部分へ瞬時にスイッチし、他の発電セルの出力電流を低抵抗でパスし無駄なく出力を負荷に供給し続けることが可能である。太陽電池セル1に逆導通特性を備えたため、従来のように外部のバイパスダイオードと接続する必要がなく、構造が小型化し製造コストが低減する。
[0032]
さらに、球面状のpn+接合6を有するため、直射太陽光の入射角が変化しても一定の受光面積が確保され太陽光を受光する指向性が広いうえ、周囲から来る反射光を利用することが可能である。pn+接合6の縁端がn+拡散層5を含むp形シリコン単結晶2の表面に現れずにp+n+接合7が表面に現れるため、n+拡散層5を含むp形シリコン単結晶2の表面における再結合電流が減少し、太陽電池セル1の開放電圧と短絡電流の向上に寄与する。
[0033]
さらに、p+拡散層4は、正電極8と低抵抗接触するうえ、図10に示すように、p形領域に対して電子エネルギー的に高い準位となり、光励起で発生した電子eを追い返すBSF(back surface field)効果が生じるため、開
放電圧や短絡電流を高めることが可能となる。p形シリコン単結晶2の中心を挟んで両側にスポット状に正電極8と負電極9を設けたため、太陽電池セル1のうちの電極8,9以外の表面で入射光を受けて発電することができ、発電効率を高く維持できる。しかも、シリコンで吸収できない長波長の熱線は、太陽電池セル1を透過しやすいため、太陽電池セル1の温度上昇が少なくなる。
[0034]
次に、複数の太陽電池セル1を接続した太陽電池モジュール11の作用、効果について説明する。図11に示すように、太陽電池モジュール11においては、例えば25個の太陽電池セル1が導電方向を揃えて5行5列に配置され、各列の複数の太陽電池セル1が電気的に直列接続され、各行の複数の太陽電池セル1が電気的に並列接続され、25個の太陽電池セル1がメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続されている。尚、図11においては、各太陽電池セル1に内蔵されるバイパスダイオードを図示省略してある。
[0035]
この太陽電池モジュール11では、並列接続された複数行のうちの1行の全部の太陽電池セル1が影に入っても、その行の太陽電池セルのp+n+接合7を通ってバイパス電流が流れる。従って、複数の太陽電池セル1をメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続してなる太陽電池モジュール11において、どのようなパターンの影(日陰)が発生しても、発電電力をロスなく、取り出すことが可能になり、個々の太陽電池セル1に悪影響が生ずることもない。尚、太陽電池セル1に形成した平坦面3は必須のものではないので、省略してもよい。
実施例2
[0036]
次に、実施例2の太陽電池セル12について説明する。
図12〜図16に示すように、実施例2の球状太陽電池セル12は、負電極22と平行且つ負電極22で隠れる位置にp+拡散層15と、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+n+接合18を設けると共に、p+シリコン再結晶層20をアルミニウム合金製の正電極19とp形シリコン単結晶13の共晶反応により形成したものである。
[0037]
先ず、太陽電池セル12の構造について説明する。
光発電領域のスペースを犠牲にしない。正電極19の外周面に対向する位置に環状のp+n+接合21を設けたため、逆導通時の直列、抵抗が減少する。そして、p+シリコン再結晶層20の形成と正電極19の形成とリードフレーム24との接続を同時に行えるため、製造工程が簡単化し製造コストが低減できる。尚、この太陽電池セル12に形成した平坦面14は必須のものではないので省略してもよい。
実施例3
[0045]
次に、実施例3の太陽電池セル31について図17〜図20に基づいて説明する。
図19,図20に示すように、平板状太陽電池セル31は、平板状のp形シリコン単結晶ウエハ32に太陽光入射側の片面近傍部にpn+接合36を形成すると共に、負電極39の背面側部分にp+拡散層34を介して、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+n+接合37を形成したものである。
[0046]
先ず、太陽電池セル31の構造について説明する。
図19、図20に示すように、太陽電池セル31は、平板状のp形シリコン単結晶ウエハ32と、シリコン単結晶ウエハ32の太陽光入射側の片面に形成された格子状の負電極39及びシリコン単結晶ウエハ32の反対側面に形成された格子状の正電極38と、シリコン単結晶ウエハ32の前記片面に形成された負電極39で遮光されない受光窓33と、シリコン単結晶ウエハ32のうちの受光窓33に臨まない全表面に形成されたp+拡散層34と、シリコン単結晶ウエハ32の前記片面側の表面部に形成されたn+拡散層35と、受光窓33の表面を覆う反射防止膜41と、太陽電池セル31の前記反対側面の表面のうちの正電極38以外の部分を覆う裏面反射膜40とを備えている。シリコン単結晶ウエハ32の前記片面近傍部にはpn+接合36が形成され、前記片面側の負電極39の背面側部分には、p+拡散層34を介してp+n+接合37が形成されている。
[0047]
次に、太陽電池セル31の製造方法について説明する。
第1工程において、最初に半導体基材として抵抗率約1Ωcmのp形シリ
ハ32の全表面がp+拡散層34によって覆われているため、シリコン内部で光励起により発生した電子が表面や電極界面で失われないように周り全体で追い返すBSF効果を有する。
その結果、開放電圧と短絡電流の向上が可能になる。また、p+n+接合37は、負電極39の背面側部分の受光できない部分に形成されているため、太陽電池セル31の有効受光面積を減ずることなく実施できる。
実施例4
[0052]
次に、実施例4の太陽電池セル51について説明する。
図21〜図23に示すように、この実施例の太陽電池セル51は、ほぼ円形の断面を有するロッド形の太陽電池セルである。
[0053]
先ず、太陽電池セル51の構造について説明する。
図21〜図23に示すように、太陽電池セル51は、ロッド形のp形シリコン単結晶52(半導体基材に相当する)と、シリコン単結晶52の軸心と直交する方向における一端部に全長に亘って成形された平坦面53と、この平坦面53を除いてシリコン単結晶52の表面部に形成された部分円筒形のn+拡散層55と、シリコン単結晶52の中心を挟んで対向する帯状の1対の電極58,59であってシリコン単結晶52の全長に亘る1対の電極58,59と、平坦面53におけるシリコン単結晶52側の内面部に形成されたp+拡散層54と、太陽電池セル51の表面のうちの正電極58及び負電極59以外の部分を覆う反射防止膜60とを備えている。尚、正電極58は平坦面53に設けられている。
[0054]
シリコン単結晶52の表面部には部分円筒形のpn+接合56が形成され、pn+接合56の両端には、シリコン単結晶52の長さ方向に延びる1対の電極58,59が接続されている。p+拡散層54の幅方向両端部には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するp+n+接合57が形成されている。
このロッド形の太陽電池セル51は、軸心に対してほぼ対称性を有し、種々の方向からの太陽光を受光できるため、広い角度で受光感度を有する。尚、p形シリコン単結晶52の直径は1.8mm以下とするのが望ましく、p
形シリコン単結晶52の長さは、その直径の2倍以上とするのが望ましく、平坦面53の幅は0.8mm以下とするのが望ましく、電極58,59の幅は0.4〜0.6mmとするのが望ましい。また、この太陽電池セル51に形成した平坦面53は必須のものではないので省略してもよい。
[0055]
ここで、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
[0056]
[1]半導体基材を多結晶で構成してもよい。
[2]p形の半導体基材の代わりにn形の半導体基材を採用すると共に、前記実施例のpとnを夫々入れ替えた構造とし、pn+接合の代わりにp+n接合を形成してもよい。
[3]半導体基材をシリコンで構成する代わりに、GeやGaAs,InP、GaNなどのIII−V族、CIS、CIGSなどのI−III−VI2化合物半導体で構成してもよい。
[4]不純物を熱拡散で導入する代わりに、イオン打ち込み法により不純物を導入してもよい。
[5]前記実施例1,2の太陽電池セル1,12においては、シリコン単結晶2,13の直径を1.8mm以下、平坦面3,14の直径を0.8mm以下とすることが望ましく、また、電極8,9,19,22の直径を0.8mm以下、且つ平坦面3,14の直径よりも小さくすることが望ましい。
産業上の利用可能性
[0057]
逆方向にバイアスされたときに逆導通特性を有する太陽電池セルを提供するため、複数の太陽電池セルを有する太陽電池モジュールにおいて、何れか
Claims (12)
- 半導体基材に光起電力を発生可能なpn接合を設けた太陽電池セルにおいて、
前記pn接合の一部に、不純物を高濃度にドープしたp+ 形導電層とn+ 形導電層で構成したp+ n+ 接合を設け、
前記太陽電池セルが逆方向にバイアスされたとき前記p+ n+ 接合を通じて電流が流れる逆導通特性を有するように構成した、
ことを特徴とする太陽電池セル。 - 前記pn接合が、pn+ 接合又はp+ n接合であることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池セル。
- 前記p+ n+ 接合がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池セル。
- 前記p+ n+ 接合が前記pn接合の開放電圧と同等かそれ以下の低電圧で導通する特性を有することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池セル。
- 前記半導体基材が球状に形成され、この半導体基材の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状の前記pn接合が設けられ、
前記半導体基材の中心を挟んで対向する1対の電極であって前記pn接合の両端に接続された1対の電極が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池セル。 - 前記p+ n+ 接合が一方の電極の外周近傍部のうちの前記電極よりも半導体基材側部分に設けられたことを特徴とする請求項5に記載の太陽電池セル。
- 前記半導体基材の表面部に形成されたn+ 形導電層を介して前記pn接合が形成され、 前記p+ n+ 接合の少なくとも一部は、一方の電極の前記半導体基材側の内面部に形成されたp+ 形導電層と、このp+ 形導電層が接触する前記n+ 形導電層の部分とで構成されたことを特徴とする請求項5に記載の太陽電池セル。
- 前記電極が前記p+ n+ 接合よりも大きい面積に形成されたことを特徴とする請求項6に記載の太陽電池セル。
- 前記p+ n+ 接合の少なくとも一部は、他方の電極に接合されたn+ 形導電層部分と、このn+ 形導電層部分に接合されたp+ 形導電層とで構成されたことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池セル。
- 前記半導体基材が円柱状に形成され、この半導体基材の表面から一定の深さ位置に実質的に円筒状のpn接合を設けたことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の太陽電池セル。
- 前記一方の電極の内面部に形成されたp+ 形導電層は、前記一方の金属製の電極と前記半導体基材の共晶反応により形成される再結晶層により形成されたことを特徴とする請求項7に記載の太陽電池セル。
- 前記半導体基材が平板状に形成され、この半導体基材の太陽光入射側の片面近傍部に前記pn接合が形成され、前記半導体基材の前記片面と反対側面には格子状の電極が形成され、前記半導体基材の前記片面には前記電極で遮光されない受光窓が形成され、
前記半導体基材のうちの前記受光窓に臨まない全表面にこの半導体基材と同じ導電型で不純物が高濃度にドープされた高濃度導電層が形成され、
前記片面側の電極の背面側部分に前記高濃度導電層を介して前記p+ n+ 接合が形成されたことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の太陽電池セル。
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