TW201201383A - Solar cell - Google Patents

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201201383 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關太陽能電池。 【先前技術】 太陽能電池元件係對於吸收入射之太陽光，必須具有 充分的厚度。但經由構成太陽能電池元件之材料，係有在 光吸收所產生的電子及電洞，於移動在相當於元件厚度之 距離之間產生有再結合，而產生太陽能電池的輸出電流之 損失的課題。特別是在近年所注目之薄膜型太陽能電池材 料中，電子或電洞的壽命短，上述之課題而爲重要。爲了 解決此問題，要求光吸收與電流損失降低並存之技術。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本特表平9-511102號 【發明內容】 [發明欲解決之課題] 作爲並存在太陽能電池元件之光吸收與電流損失降低 的技術工法，在專利文獻1提案有經由交互層積之pn接合 之並聯連接而構成太陽能電池元件之手法。此手法的優點 係爲即使薄化各P層及η層的膜厚，由增加層積數亦可確保 充分之光吸收的點。但在記載於專利文獻1之手法中，擔 -5 - 201201383 當光吸收的層則設定成P層及η層，而有必然性地產生少數 載體的壽命變短之問題。雖亦有於Ρ層與η層之間插入i層 之方式的記載，但其目的係界面的質之提昇，而對於擔當 光吸收，未確保充分之膜厚。 本發明之目的係由解決如上述之在光吸收層之少數載 體壽命短之問題者，實現電流損失之降低。本發明之前述 及其他目的與新的特徵，係可從本說明書的記述及附加圖 面了解。 [爲解決課題之手段] 如將在本申請所揭示之發明之中所代表之構成’簡單 地進行說明時，如以下。 第1，一種太陽能電池’其特徵爲具有：第1之P層’ 和第1之.η層，和設置於第1之P層與第丨之n層之間的第1之i 層，和第2之ρ層，和第2之η層’和設置於第2之ρ層與第2 之η層之間的第2之i層’和設置於第1之η層與第2之Ρ層之 間的第1之絕緣層，和藉由與第iiP層不同之卩層而與第1 之P層加以連接’藉由與第2之P層不同之？層而與第2之？層 加以連接之第1之貫通電極’和藉由與第1之n層不同之11層 而與第1之η層加以連接’藉由與第2之11層不同之11層而與 第2之η層加以連接之第2之貫通電極；第1之1層的膜厚係 較第1之P層的膜厚及第iin層的膜厚爲厚，而第2之i層的 膜厚係較第2之ρ層的膜厚及第2之n層的膜厚爲厚。 第2，一種太陽能電池，其特徵爲具有：第1之P層’ 201201383 和第1之η層，和設置於第1之P層與第1之n層之間的第1之1 層，和第2之ρ層，和第2之η層’和設置於第2之ρ層與第2 之η層之間的第2之i層’和設置於第1之η層與第2之Ρ層之 間的第1之絕緣層’和貫通第1之ρ層’第1之η層’第 層，第2之ρ層，第2之η層’第2之i層’及第1之絕緣層之 第1之貫通電極，和貫通第1之】，層’第1之n層’第丨之丨層 ，第2之ρ層，第2之η層’第2之i層’及第1之絕緣層’與 第1之貫通電極費米準位不同之第2之貫通電極；第1之丨層 的膜厚係較第1之ρ層的膜厚及第1之η層的膜厚爲厚’而第 2之i層的膜厚係較第2之ρ層的膜厚及第2之η層的膜厚爲厚 [發明之效果] 當根據本發明時，可倂存在太陽能電池元件之光吸收 與電流損失降低。 【實施方式】 [實施例1] 圖1係有關本發明之實施例1之太陽能電池元件構造的 剖面圖之槪略。通常的太陽能電池元件係只具有單一之Ρη 接合或單一之pin接合，但另一方面，本發明之太陽能電 池元件係具有層積有複數之pin接合31之構造。在此，作 爲本發明之太陽能電池元件的特徵，舉出有pin接合31之 中i層1的膜厚係爲了得到後述之效果，作爲較P層1 1或η層 201201383 21的膜厚爲厚。對於鄰接之pin接合31之間係插入有絕緣 膜41»另外，存在有貫通層積此等之pin接合的貫通電極 ，pin接合31彼此係經由此貫通電極而電性加以並聯連接 。對於貫通孔側面部係如圖1所示，形成有貫通各p層丨i， i層1，η層2 1而加以設置之貫通孔側面部p層1 4及貫通孔側 面部η層24，隨之，於i層1之周圍形成有鍵型之ρ層及η層 。其結果，經由在i層1之光吸收而產生的電子與電洞，則 經由鍵型之ρ層及η層之生成的內藏電場，相互移動至相反 方向。即，電子係從i層1對於η層21，更且貫通孔側面部η 層24進行移動，另一方面，電洞係從i層1對於卩層"，更 且貫通孔側面部ρ層14進行移動。貫通孔側面部卩層丨4及貫 通孔側面部η層24係各與貫通電極加以電性連接。貫通電 極係經由與貫通孔側面部ρ層1 4接和，或與貫通孔側面部η 層24接合而分成二種類，在此係各稱作ρ層側貫通電極51 ，η層側貫通電極52。對於太陽能電池元件的表面或背面 係設置有電極，此等則與貫通電極加以電性連接。在此， 各將與Ρ層側貫通電極51接合之電極稱作ρ層側電極53，將 與η層側貫通電極52接合之電極稱作η層側電極54。對於圖 1係顯示ρ層側電極53，η層側電極54同時配置於太陽能電 池元件的背面的例，但同時配置於元件之表面亦可，另外 ，亦可各將一方配置於表面，而另一方配置於背面。在元 件的表面及背面，未存在有電極的範圍係由表面絕緣膜42 或背面絕緣膜43所被覆。然而，在圖1中，作爲平坦的膜 而描繪有所有的層，但施以反射降低或爲了封閉光線之目 -8- 201201383 的的紋理化的處理亦可。另外，於表面絕緣膜42上追加反 射防止膜亦可。 圖2係從背面而視有關本發明之實施例1之太陽能電池 元件構造的圖之槪略。P層側電極53及η層側電極54則各形 成爲梳狀，成爲與外部的電極端子之連接部。圖2之Α-Β線 剖面圖則對應於圖1。 接著，說明本發明之太陽能電池元件之動作機構》入 射至元件之太陽光係在i層1，ρ層11，η層21之任一的層所 吸收，使電子電洞對產生。此時，如上述，作爲i層1之膜 厚則較P層1 1或η層21之膜厚爲厚之特徵的結果，由i層1所 吸收之光量則成爲較由P層11或η層21所吸收的光量爲多， 隨之，i層1則成爲電子電洞對之主要的發生處。所產生的 電子與電洞係經由根據pin接合31之內藏電場之飄移運動 ，及擴散運動，各移動至η層21，ρ層11。到達至η層21之 電子，及到達至Ρ層1 1之電洞係經由根據貫通孔側面部Ρ層 14與貫通孔側面部η層24所生成之內藏電場的飄移運動， 及擴散運動，各移動至η層側貫通電極52，ρ層側貫通電極 5 1。到達至貫通電極之電子與電洞係各移動至η層側電極 54及ρ層側電極53，於外部使輸出電流產生。然而，插入 於鄰接之pin接合31彼此之間的絕緣膜41係加上於達成一 方之pin接合31中之ρ層11，和鄰接之pin接合31之η層21的 電性絕緣的作用，亦帶來有界面鈍化之效果。表面絕緣膜 42及背面絕緣膜43亦同樣地做爲鈍化膜而發揮機能。 有關專利文獻1之發明與本發明之最大差異係主要擔 -9 - 201201383 當光吸收的層’則在記載於專利文獻1之太陽能電池中， 對於P層11及η層21而言，在本發明之太陽能電池中爲i層1 的點。對於專利文獻1亦記載有並非pn接合而採用pin接合 之技術，但其目的係作爲pin接合界面的質之提昇，隨之 ’ i層係對於主要擔當光吸收未具有充分之膜厚。對此， 本發明之太陽能電池係如上述，i層1之膜厚較p層11或11層 21之膜厚爲厚之情況作爲特徵，隨之，i層1則成爲主要擔 當光吸收之情況。 說明光吸收由i層，還是由p層或η層產生之不同，對 於太陽能電池特性帶來的影響》ρ層或η層擔當光吸收之情 況，在Ρ層產生的電子，及在η層產生之電洞係因同時爲少 數載體之故而壽命短，其結果，於各到達至η層或ρ層以前 ，再結合之機率爲高。對此，i層擔當光吸收之情況係產 生的電子及電洞的壽命，與少數載體之壽命做比較爲非常 的長之故，未有再結合，而各到達至η層或ρ層之機率變高 。隨之，此等二方式之不同係對於太陽能電池元件之輸出 電流產生影響，i層擔當光吸收之情況則比較於Ρ層或η層 擔當光吸收之情況，可得到大的輸出電流。 如在以上所詳述，有關本實施例之太陽能電池，其特 徵爲具有：第1之ρ層11 ’和第1之η層21，和設置於第1之Ρ 層與第1之η層之間的第1之i層1，和第2之ρ層11，和第2之 η層21，和設置於第2之ρ層與第2之η層之間的第2之i層1， 和設置於第1之η層和第2之ρ層之間的第1之絕緣層41 ’和 藉由與第1之Ρ層不同之Ρ層而與第1之Ρ層加以連接’藉由 -10- 201201383 與第2之p層不同之P層而與第2之p層加以連接之第1之貫通 電極51，和藉由與第1之η層不同之η層而與第1之η層加以 連接，藉由與第2之η層不同之η層而與第2之π層加以連接 之第2之貫通電極52;第1之i層的膜厚係較第1之Ρ層的膜 厚及第1之η層的膜厚爲厚’而第2之i層的膜厚係較第2之P 層的膜厚及第2之η層的膜厚爲厚。經由具有有關之特徵之 時，可得到以下之效果。 首先，第I之貫通電極則經由藉由「與第1之p層不同 之Ρ層」而與第1之Ρ層加以連接，藉由「與第2之p層不同 之Ρ層」而與第2之ρ層加以連接之時’於i層1之周圍’可 形成上述之鍵型的P層。對於η層亦同樣地，第2之貫通電 極則經由藉由「與第1之η層不同之η層」而與第1之π層加 以連接，藉由「與第2之η層不同之η層」而與第2之η層加 以連接之時，於i層1之周圍，可形成鍵型的η層。 其結果，經由在i層1之光吸收而產生的電子與電洞’ 則成爲可經由鍵型之P層及η層之生成的內藏電場’相互移 動至相反方向。 更且，經由第1之i層的膜厚較第1之Ρ層的膜厚及第1 之η層的膜厚爲厚，而第2之i層的膜厚較第2之ρ層的膜厚 及第2之η層的膜厚爲厚之時，比較於ρ層或η層擔當光吸收 之情況，成爲可得到大的輸出電流。 在此，作爲「與第1之Ρ層不同之Ρ層」「與第2之ρ層 不同之Ρ層」係想定2個構造。具體而言，如圖1，「與第1 之ρ層不同之ρ層」及「與第2之ρ層不同之ρ層」則成爲各 -11 - 201201383 藉由絕緣層41而獨立之p層14之構造，和如後述之圖4 ’作 爲未藉由絕緣層41之p層14而形成爲一體之構造。當比較 圖1之構造，和後述之圖4之構造時，圖1之構造係因電性 絕緣「與第1之P層不同之P層」與「與第2之P層不同之P層 j之故，即使於一方的P層存在有缺陷之情況’亦有不會 對於另一方之P層帶來影響之優點。本申請發明之技術思 想係包含此等2個構造之雙方之構成。 圖3係顯示在本實施例1之太陽能電池元件之製造方法 的圖。以下，依據圖3，說明本發明之太陽能電池元件之 構成材料及製造方法。 首先，於基板61上，形成從表面絕緣膜42至背面絕緣 膜43的膜。基板6 1之材料並未特別加以限定，例如可採用 Si基板，石英基板，玻璃基板等。圖3係基板61爲透明，p 層側電極53及η層側電極54則同時配置於元件背面側之情 況的製造方法之一例。此情況，如圖3(a)所示，於基板 61上，係首先形成表面絕緣膜42。製造方法係根據基板61 之種類，及電極配置於表面側與背面側哪一方而有所差異 。例如，基板6 1爲非透明之情況，在太陽能電池元件之最 終的構造中，基板61未於表面側爲佳。爲此，必須採取於 基板61上，從背面絕緣膜43依序形成，或者於基板61上， 從表面絕緣膜42依序形成，最後切離基板61之任一方法。 然而，對於從圖3(b)至圖3(f)的圖係未顯示基板61。 之後，如圖3(b)所示，以藉由絕緣膜41而複數層層 積pin接合31之形式加以形成。形成太陽能電池元件之pin -12- 201201383 接合3 1的半導體材料係並無特別加以限定，而例如有Si、 CdTe、CuInGaSe、InP、GaAs、Ge等，此等係可得到單結 晶’多結晶，微結晶，非晶形等各種構造。此等半導體層 之形成係經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜 法而進行。作爲絕緣膜4 1之材料係如Si02，SiN (氮化矽 )等，使用上述半導體材料之化合物亦可，而亦可使用其 他之絕緣體。絕緣層41之形成係可經由CVD法，濺鏟法， 磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而進行，更且，對於上述絕緣 體爲半導體材料之化合物的情況，係亦可經由上述半導體 層之氧化，氮化等而進行。 之後，如圖3 ( c )所示，形成貫通孔62。貫通孔62之 形成係經由雷射，光微影法，蝕刻等之手法進行》 p層側 電極5 3與η層側電極5 4則均配置於元件背面側之情況，貫 通孔係必須至少從背面絕緣膜43貫通至表面絕緣膜42正下 方之pin接合31，但更且貫通表面絕緣膜42及基板61亦可 。經由雷射進行貫通孔62之形成的情況，對於爲了不貫通 基板6 1，係有使用作爲表面絕緣膜42，具有貫通防止之阻 障性的膜之方法。例如，有將表面絕緣膜42作爲二層構造 ，其中各作爲與基板61接合的膜而使用SiN (氮化矽）， 作爲與pin接合3 1接合的膜而使用Si02的方法。在此方法中 ，Si02爲熱傳導度低的膜之故，下部所層積之pin接合3 1則 即使經由雷射所加熱，亦抑制對於基板6 1之熱傳導。另外 ，形成pin接合31之半導體材料爲Si之情況，由將Si02作爲 鈍化膜之情況，可實現較將SiN作爲鈍化膜之情況爲低之 -13- 201201383 界面準位密度。SiN係達成抑制含於基板61之不純物擴散 於pin接合31之作用。由使用此層積構造，可同時實現防 止對於基板61之貫通孔形成，和良好的界面鈍化，和基板 61中不純物之擴散防止之三點。然而，於貫通孔形成時， 呈未產生溝地，貫通孔形成係在真空吸引的空間進行爲佳 〇 之後，如圖3(d)所示，形成p層側貫通電極51，及η 層側貫通電極52。貫通電極之形成係經由濺鍍法，蒸鍍法 ，CVD法等之成膜法，或印刷法而進行。作爲貫通電極材 料係使用金屬，或爲了降低電性阻抗而高濃度地添加不純 物之半導體。如後述，爲了將貫通孔側面部ρ層14及貫通 孔側面部η層24之形成，經由不純物擴散而進行，ρ層側貫 通電極51與η層側貫通電極52係必須各含有成爲受體，施 體之元素。另外，貫通電極爲金屬之情況，ρ層側貫通電 極51之材料的工作函數則具有較η層側貫通電極52之材料 的工作函數爲小的値爲佳，而貫通電極爲半導體之情況， 各作爲Ρ層側貫通電極51使用ρ型半導體，而作爲η層側貫 通電極52使用η型半導體爲佳。由此，由在i層1之光吸收 而產生，之後到達至η層21的電子，及到達至ρ層11之電洞 *可使各飄移運動於η層側貫通電極52，及ρ層側貫通電極 51之內藏電場增大》 之後，進行電極燒成之熱處理，由此同時，或接著由 加上熱處理，將含於貫通電極之受體及施體，經由擴散於 pin接合31之時，如圖3 ( e)所示，形成貫通孔側面部ρ層 -14- 201201383 14及貫通孔側面部n層24。 然而’在本實施例1中，將貫通電極，較貫通孔側面 部Ρ層及貫通孔側面部η層爲先形成，但於貫通電極之形成 前，經由離子注入，氣相擴散法，固相擴散層等之不純物 擴散法’形成貫通孔側面部ρ層及貫通孔側面部η層，之後 ’形成貫通電極亦可。此情況係無需於貫通電極之材料含 有受體或施體。 電極係於貫通電極之形成時，同時形成，或者如圖3 (f)所示，於貫通電極形成後，另外形成。作爲電極材 料，電性阻抗低之金屬爲佳。ρ層側電極5 3之材料與η層側 電極54之材料係可爲同種或異種。電極之形成係一般以印 刷法進行，但亦可經由濺鍍法，蒸鍍法，CVD法等之成膜 法而進行。電極的寬度係爲任意，但對於形成電極於太陽 能電池元件的表面之情況，考慮經由電極的遮蔽損失，和 電極之電性阻抗，有必要決定最佳的電極寬度。對於形成 電極於太陽能電池元件的背面之情況，在未有ρ層側電極 53與η層側電極54接觸而產生短路之虞的範圍內，由盡可 能加寬電極寬度，可同時實現電極之電性阻抗減少，和在 入射光的元件背面之反射率提昇。延伸於圖2之縱方向的 電極，和延伸於圖2之橫方向的電極係電極材料及電極寬 度相互不同亦可。 加上於上述工程，適宜追加爲了各個膜之結晶性或膜 質之改善，或者爲了提昇與鄰接膜之界面的質之熱處理’ 電漿處理等亦可。 -15- 201201383 [實施例2] 圖4係有關本發明之實施例2之太陽能電池元件構造的 剖面圖之槪略。此構造之特徵係在實施例1之太陽能電池 元件，與不同之pin接合31加以連接之貫通孔側面部p層14 及貫通孔側面部η層24則未以絕緣膜41相互加以電性絕緣 之情況。 如根據本實施例2，可使貫通孔側面部ρ層14，和ρ層 側貫通電極5 1及ρ層側電極53的接觸面積，及貫通孔側面 部η層24，和η層側貫通電極52及η層側電極54的接觸面積 ，比較於實施例1之情況同時增大，其結果。可降低上述 接觸部之接觸阻抗。另外，本實施例2之太陽能電池元件 之動作原理係與實施例1相同，經由以在i層1之光吸收產 生的電子與電洞相互移動於相反方向之時，產生輸出電流 〇 對於形成本實施例2之構造，在實施例1之構造的製造 過程之中’於貫通電極形成之前，如將貫通孔側面部ρ層 14及貫通孔側面部η層24，經由CVD法，濺鍍法，磊晶法 ，蒸鍍法等之成膜法而形成即可。 本實施例2之構造係與實施例1之構造做比較時，在實 施例1之製造過程中，有著可省去將ρ層11及η層21之一部 分，經由不純物擴散，各作爲貫通孔側面部η層24及貫通 孔側面部Ρ層1 4之一部分的工程之優點。—般，對於反轉ρ 型與η型之極性，進行不純物擴散，係有擴散超過原本不 -16- 201201383 純物濃度之濃度的逆極性之不純物。隨之，在本實施例2 中，未產生有關p層Π與貫通孔側面部η層24之不純物濃度 之大小關係，及η層21與貫通孔側面部ρ層14之不純物濃度 之大小關係之限制條件。更且，在本實施例2中，因經由 成膜法而形成貫通孔側面部η層24及貫通孔側面部ρ層14之 故，與實施例1做比較，加厚此等膜厚則爲容易。其結果 ，本實施例2之構造係有著可實現貫通孔側面部ρ層24及η 層Η，和pin接合中之ρ層21及η層11所形成之ρη接合高之 整流性的優點》 [實施例3] 圖5係有關本發明之實施例3之太陽能電池元件構造的 剖面圖之槪略。此構造之特徵係與實施例1之太陽能電池 元件做比較，未有貫通孔側面部ρ層1 4及貫通孔側面部η層 24，另外，作爲貫通電極而使用費米準位不同之金屬或半 導體的點。具體而言，各以費米準位之更低之材料而形成 貫通孔Ρ型電極15，而以費米準位之更高之材料而形成貫 通孔η型電極25。 如根據本實施例3，在實施例1之製造過程之中，可省 略對於貫通孔側面部ρ層14及貫通孔側面部η層24之形成爲 了做必要之不純物擴散之熱處理。由此，作爲pin接合31 等，較上述熱處理先形成的層之材料，亦可使用經由熱處 理而電性或光學性性質產生劣化之材料。另外，本實施例 3之太陽能電池元件之動作原理係與實施例1相同，因貫通 -17- 201201383 孔P型電極15與貫通孔η型電極25之費米準位不同之故，經 由以在i層1之光吸收產生的電子與電洞相互移動於相反方 向之時，產生輸出電流》 對於形成本實施例3之構造，在實施例1之構造之製造 過程中，在貫通電極形成中，作爲電極材料而如使用費米 準位不同之金屬或半導體，形成貫通孔P型電極15及貫通 孔η型電極25即可。有關本實施例3之發明係如前述，有著 無需爲了形成貫通孔側面部Ρ層14及貫通孔側面部η層24之 熱處理的優點。 [實施例4] 圖6係有關本發明之實施例4之太陽能電池元件之構造 的槪略。此構造之特徵係在實施例1之太陽能電池元件中 ，將構成層積之pin接合31之半導體材料，並非作爲單一 物質，而作爲具有複數之不同能帶隙之物質。層積順序係 呈能帶隙越大之物質越接近太陽光的入射面地設定。層積 數與物質種數無需一致。即，由一種類的物質所成的層則 複數存在亦可。另外，並非實施例丨’對於實施例2及實施 例3之太陽能電池元件亦可適用上述變更。 經由上述能帶隙之條件，本實施例4之太陽能電池元 件係顯示如以下之光吸收特性。將Pin接合31之層積數表 記爲T，將各層之構成物質的能帶隙（Eg)表記爲Egl、

Eg2.....EgT。如根據上述之層積順序，爲Egl 2 Eg2 2 …2 EgT。當將光的能量表記爲EL時，從元件表面在第1 -18- 201201383 的pin接合32吸收滿足ELgEgl之條件的光，從元件表面在 第2的pin接合33，未在第1的pin接合32所吸收的光之中， 吸收滿足ELg Eg2之條件的光。第3之後亦爲同樣。 如根據本實施例4，可將在太陽能電池元件之寬度廣 之波長域的吸收，和熱載體產生之抑制，和輸出電流之不 均的降低，所有同時實現。表示此之前，簡單地說明此等 三個點。首先，太陽光係包含寬度廣之波長域的光，對於 爲了太陽能電池之效率提昇，必須有盡可能吸收如此寬度 廣之波長域的光之技術。接著爲抑制熱載體產生，滿足上 述之光吸收條件的光之能量之中，從EL減去Eg之部分係作 爲過剩的能量而賦予至電子與電洞。如此之載體係爲較傳 導帶端或者價電子帶端爲高能量狀態，稱作熱載體。在太 陽能電池元件中，熱載體之具有的過剩之能量係通常，於 載體到達至電極以前，作爲熱而散逸。此熱係不只爲作爲 電力而無法取出之無用，還加熱構成元件之半導體材料， 使其特性惡化。具體而言，作爲不純物半導體中之費米準 位，在溫度上升而接近真性準位的結果，太陽能電池之輸 出電壓係與溫度上升同時而下降。除此之外，根據溫度上 升之載體散亂機率之上升等，對於太陽能電池特性帶來之 溫度影響爲多。隨之，對於爲了太陽能電池之特性提昇， 如何抑制熱載體之產生的情況爲重要。最後，爲輸出電流 之不均，此係較在太陽能電池元件單體的特性，反而串聯 連接元件之模組的特性而爲重要。當有各元件之輸出電流 不均時，作爲模組之輸出電流係相同於其最小値之故，唯 -19 - 201201383 不均的部分降低。隨之，太陽能電池元件之輸出電流的不 均降低之技術係對於模組效率之提昇而成爲必要。 接著，說明經由本實施例4之太陽能電池元件構造， 實際上可解決上述之課題情況。爲了做此說明，作爲比較 對象，考量以下的三例。第一例係在本實施例1之太陽能 電池元件構造中，所有的pin接合，則以太陽光光譜之中 具有相當於比較長波長側之能帶隙之物質所構成之情況。 第二例係在本實施例1之太陽能電池元件構造中，所有的 pin接合，則以太陽光光譜之中具有相當於比較短波長側 之能帶隙之物質所構成之情況。第三例係稱作所謂串聯太 陽能電池之構造，串聯連接複數之pn接合或pin接合之太 陽能電池元件構造。 首先，進行第一例，和本實施例4之比較。兩者的差 係熱載體產生抑制則只能實現在本實施例4的情況的點》 此理由係在第一例中，因所有之pin接合之構成物質之能 帶隙爲比較小，而無法迴避經由含於太陽光之短波長成分 的熱載體產生之故。 接著，進行第二例，和本實施例4之比較。兩者的差 係寬度廣之波長域的吸收則只能實現在本實施例4的情況 的點。此理由係在第二例中，因所有之Pin接合之構成物 質之能帶隙爲比較大，而無法吸收含於太陽光之長波長成 分的情況之故。 最後，進行第三例，和本實施例4之比較。兩者的差 係輸出電流之不均的降低則只能實現在本實施例4的情況 -20- 201201383 的點。將理由記述於以下。首先，作爲共通於第三例與本 實施例4的點，層積之pn接合或pin接合之中，在一部分的 層之光吸收則因膜厚或膜組成之任一引起，於和設計時不 同之情況’有其他的層可補償其光吸收的點。但在第三例 中’串聯連接有複數之pn接合或pin接合之故，各個pn接 合或pin接合之輸出電流的不均則直接成爲太陽能電池元 件之全輸出電流之不均。隨之，在第三例中，即使作爲補 償光吸收之不均，亦無法補償全輸出電流之不均。對此， 在本實施例4中，並聯連接有pn接合或pin接合之故，全輸 出電流係成爲各pin接合之輸出電流的和。因此，因光吸 收的不均引起，而即使存在有各pin接合之輸出電流之不 均，亦補償全輸出電流之不均<•隨之，本實施例4，係與 上述之比較對象三例不同，可將在寬度廣波長域之吸收， 和熱載體產生之抑制，和輸出電流之不均的降低，所有同 時實現。 對於形成本實施例4之構造，在實施例1之構造的製造 過程之中，於pin接合3 1之形成時，如上述如適宜形成能 帶隙不同的層即可。作爲能帶隙不同的物質，元素組成不 同的物質，組成係相同，但結晶狀態不同之物質，組成、 結晶狀態均相同，但可使用經由在實施例5所述之量子封 閉效果而能帶隙產生變化之物質等。 [實施例5] 圖7係顯示在本實施例5之太陽能電池之構造的圖。此 201201383 構造的特徵係將在實施例3之太陽能電池元件的光吸收層 ，取代作爲單—之i層1，而作爲呈含有以絕緣膜44夾持i層 1之上下的三層層積構造。上述絕緣膜44之條件係成爲形 成對於i層1中之電子與電洞雙方而言之能量障壁的阻障膜 »之後，將絕緣膜44記述爲阻障膜44。例如，對於i層1由 Si所成之情況，作爲阻障膜44，可使用Si02，SiN (氮化 矽），SiC (碳化矽）等》此時，經由充分薄化i層1之膜 厚之時，其膜之能帶隙則具有與整體物質之能帶隙不同的 値，呈產生所謂量子封閉效果地設定情況則爲必要。具體 而言，產生量子封閉效果之膜厚的基準係作爲激子的有效 內徑半徑 a=( l/me+l/mh) x( eh2) /( ;re2)程度。在 此，me，mh係各電子及電洞之有效質量，ε係介電率，h 係普朗克常數，e係元電荷。上述的式係以MKSA單位系所 表記之構成。另外，量子封閉效果產生的條件係所封閉的 膜，即在此除了 i層1之膜厚以外，亦依存於阻障膜44之形 成之能量障壁的高度及阻障膜44之膜厚。對於求取定量的 依存性係必須解水丁格方程式，但對於定性，阻障膜44之 形成的能量障壁變越低，另外，阻障膜44之膜厚越減少， 越抑制量子封閉效果，能帶隙係有接近整體物質之能帶隙 之傾向。隨之，對於爲了得到所期望之能帶隙，係阻障膜 44之形成之能量障壁的高度及阻障膜44之膜厚之選擇則爲 重要。一般而言，來自經由量子封閉效果之能帶隙的整體 物質之變化係爲連續性，膜厚變越小而變越大。利用此， 將在層積之pin接合3 1之i層1之膜厚，經由對於各層作爲不 -22- 201201383 同的値，亦可製作實施例4之構造。另外，在本實施例5中 ，作爲發現量子封閉效果之構造，將以絕緣膜夾持薄膜之 構造，所謂量子井，舉例加以說明，但本實施例5的內容 係對於量子細線或量子點等之封閉次元不同之構造，亦可 適用。另外，並非實施例3，對於實施例1及實施例2之太 陽能電池元件亦可適用上述變更。 爲了明確本實施例5之太陽能電池元件之效果，首先 敘述以往技術之課題》期待經由組合根據上述之量子封閉 效果而調控能帶隙之物質所成之太陽能電池，和整體物質 之太陽能電池，可實現可吸收寬度廣之波長域的光之太陽 能電池。但對於發現量子封閉效果係如上述，有必要插入 絕緣體之阻障膜44，此等則帶來電性阻抗之增大，作爲結 果有著太陽能電池之輸出電流大量降低之課題。對於此課 題之解決，係有必要薄化電子或電洞通過之阻障膜厚，但 根據以下的理由，以往，阻障膜厚降低則爲困難。首先， 由阻障膜44所封閉之i層1之膜厚係有必要薄化爲產生量子 封閉效果之程度。因此，將此應用於太陽能電池之情況， 爲了確保充分之光吸收，將阻障膜44與i層1交互地進行多 數層積，加大i層1之膜厚之合計則爲一般。但作爲多數層 積阻障膜44與i層1之結果，電子或電洞通過之阻障膜44之 膜厚的合計亦變大，電性阻抗係大幅增大。隨之，在量子 封閉效果之太陽能電池應用中，作爲並存充分之光吸收的 確保，和電性阻抗降低之情況，以往係不可能。 如根據本實施例5，可並存上述之充分之光吸收的確 -23- 201201383 保，和電性阻抗降低。首先，爲了確保充分之光吸收，多 數層積P層11-光吸收層-η層21的單位構造，加大i層1之膜 厚的合計。在此，在實施例1中，Pin接合3 1之處則在本實 施例5中，成爲含有阻障膜44之構造之故，更一般而言， 表記爲P層11-光吸收層-η層21。重要之情況係在上述之以 往技術中，對於交互層積阻障膜44與i層1，即只多數層積 光吸收層而言，在本實施例中，將以P層11及η層21夾持光 吸收層之構造作爲單位構造，多數層積此單位構造的點》 作爲此結果，在光吸收層產生的電子與電洞係對於以往技 術之情況，可所有通過多數層積之光吸收層而首先到達至 Ρ層11及η層21，但如根據本實施例5，電子與電洞係如只 通過單位構造中之光吸收層，可到達至Ρ層11及η層21。隨 之，如根據本實施例5，電子與電洞通過之阻障膜44之膜 厚的合計係相等於含於單位構造中之阻障膜44之膜厚，其 結果，可將太陽能電池之輸出電流，比較於以往方式可大 幅地增大。然而，在本實施例5中，說明過含於ρ層11-光 吸收層-η層21的單位構造之i層1爲一層之情況，但單位構 造中之i層1之層數係爲任意。層積數越少，可越降低電子 與電洞通過之阻障膜44之膜厚之故，電流損失降低效果係 變大。 對於形成本實施例5之構造，在實施例3之構造的製造 過程之中，如將吸收層之形成，置換爲上述之三層層積膜 之形成即可。i層1上之阻障膜44的形成係亦可以CVD法， 濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜法而進行，而亦可經由 -24- 201201383 i層1之氧化或氮化等而進行。另外，適宜追加爲了上述i層 1之結晶性或膜質之改善，或者爲了提昇與鄰接膜之界面 的質之熱處理，電漿處理等亦可。 [實施例6] 圖8係顯示在本實施例6之太陽能電池之構造的圖。此 構造之特徵係在實施例1之太陽能電池元件中，於各Pin接 合3 1之p層1 1及η層2 1，和鄰接之絕緣膜之間，插入透明導 電膜55。作爲其透明導電膜55係與上述ρ層11及η層21之任 一做比較，片狀阻抗亦必須爲低，在太陽光的波長域之透 過率爲高爲佳，必須呈滿足此等條件地選擇透明導電膜55 之膜種與膜厚。另外，並非實施例1，對於實施例2及實施 例3之太陽能電池元件亦可適用上述變更。 對於形成本實施例6之構造，係於實施例1之構造的製 造過程，如追加透明導電膜5 5之形成過程即可。上述透明 導電膜55之具體例係含有In，Zri，Sn，Ga等之元素的氧化 物及此等複合氧化物，對於此等加上氟素等之添加物亦可 。成膜係經由濺鍍法，CVD法，塗佈法，印刷法等而進行 。然而，爲了使上述透明導電膜55與ρ層11及η層21之界面 的質提昇，於此等之間更插入另外的膜亦可。另外，適宜 追加爲了上述透明導電膜55之結晶性或膜質之改善，或者 爲了提昇與鄰接膜之界面的質之熱處理，電漿處理等亦可 〇 上述透明導電膜55之材料係許多情況，由與構成pin -25- 201201383 接合31之半導體材料不同之元素所成，對於此情況，作爲 貫通孔側面部p層14及貫通孔側面部η層21的形成方法，無 法如實施例1，使用不純物擴散法。隨之，對於生成爲了 使透明導電膜55中的電子與電洞相互移動於相反方向之內 藏電場，係有必要採取如實施例2，以成膜法形成貫通孔 側面部Ρ層14與貫通孔側面部η層24，或如實施例3，形成 貫通孔Ρ型電極15與貫通孔η型電極25，或在實施例1中， 只經由貫通電極之金屬材料的工作函數的差而生成內藏電 場之任一方法。 如根據本實施例6，可降低實施例1之太陽能電池元件 之串聯阻抗成分。此理由係以光吸收產生的電子及電洞則 在實施例1中，對於必須將pin接合31之ρ層11及η層21移動 至面內方向之情況而言，在本實施例6中，可將較ρ層11及 η層21片狀阻抗低之透明導電膜55中移動至面內之故。 [實施例7] 圖9係顯示在本實施例7之太陽能電池之構造的圖。此 構造係將本發明之實施例1的太陽能電池元件，和以往型 太陽能電池元件63，即只由單一之ρη接合或pin接合所成 之元件串聯連接之串聯構造。在圖9中，於以往型太陽能 電池元件63之背面側形成有ρ側電極，於表面側形成有η層 ，連接此η層，和本發明之太陽能電池元件之ρ層側貫通電 極51，本發明之太陽能電池元件之η層側貫通電極52係與 元件表面之η層側電極54加以連接。亦可爲反轉此等ρ層與 -26- 201201383 η層之構造。另外，並非實施例1，使用實施例2至實施例6 之任一的太陽能電池元件。於以往型太陽能電池63與本發 明之太陽能電池之連接部形成隧道接合二極體亦可。在以 下中，將以往型太陽能電池63之表面絕緣膜，和本發明之 太陽能電池之背面絕緣膜43作爲同一膜而加以說明，但此 等係相互不同亦可。 在本實施例7之太陽能電池之以往型太陽能電池63， 和本發明之太陽能電池元件之層積的順序係與一般的串聯 太陽能電池同樣地，將以較能帶隙爲大之半導體材料所構 成之太陽能電池，作爲太陽光的入射面側爲佳。另外，本 發明之太陽能電池係從對於成爲載體壽命短之問題的半導 體材料之適用而言，特別有效果之情況，在本實施例7之 串聯太陽能電池，對於由較載體壽命短之半導體材料所成 之太陽能電池而言，適用本發明之太陽能電池元件構造爲 佳。 如根據本實施例7，串聯太陽能電池之高效率化則成 爲可能。特別是對於組合載體壽命大不同之半導體材料所 成之太陽能電池彼此之串聯太陽能電池的情況，高效率化 之效果爲大。關於此點，敘述以往技術之課題。在串聯太 陽能電池中，因串聯連接複數之太陽能電池元件之故，必 須將流動在此等元件之電流値作爲一致。因此，將輸出電 流不同之複數的元件作爲串聯化時，此等輸出電流之最小 値則成爲全體之輸出電流。隨之，以往係輸出電流不同之 元件彼此的串聯太陽能電池則比較於其中較輸出電流爲大 -27- 201201383 之元件單體，效率低之情況爲多。另一方面，在本實施例 7之串聯太陽能電池中，對於輸出電流小的太陽能電池元 件而言，由適用本發明之太陽能電池元件構造者，可使輸 出電流提升。其結果，可使串聯太陽能電池全體的輸出電 流，比較於以往之串聯太陽能電池而提升之故，可實現高 效率之串聯太陽能電池》 對於形成本實施例7之構造，係有先形成以往型太陽 能電池63之方法，和先形成本發明之太陽能電池之方法。 首先，先形成以往型太陽能電池63之方法，之後，隨 著實施例1所示之方法，對於形成本發明之太陽能電池之 方法加以敘述。此時，如圖9所示，p層側貫通電極51係呈 從本發明之太陽能電池之表面絕緣膜42之下端，貫通至背 面絕緣膜43之下端，η層側貫通電極52係呈從本發明之太 陽能電池之表面絕緣膜42之上端，貫通至背面絕緣膜43之 上端地加以設定。作爲Ρ層側貫通電極5 1之形成方法係例 如，使用將貫通孔形成至背面絕緣膜43之上端，將ρ層側 貫通電極51之材料埋入於貫通孔內之後，經由以超過Ρ層 側貫通電極51之材料的熔點的溫度之短時間燒成，電極材 料貫通背面絕緣膜43之過程，所謂燒成貫通處理之方法。 作爲η層側貫通電極52之形成方法，例如有將在實施例1所 述，具有耐雷射貫通性之阻障膜，作爲背面絕緣膜43而使 用之方法。 先形成本發明之太陽能電池之方法係由是否將形成本 發明之太陽能電池之基板61作爲透明材料，更分爲二個方 -28- 201201383 法。使用透明基板之情況係其在最終的太陽能電池元件構 造，呈配置於最表面地設定膜的形成順序。此時，電極呈 露出於表面地，貫通孔係有必要完全貫通基板6 1。另一方 面，對於作爲上述基板6 1而使用非透明材料之情況，有必 要追加切離基板61，和形成於其上方之太陽能電池之工程 。作爲切離之方法係例如爲SOI (Silicon On Insulator) 晶圓之形成方法之一，可適用精確切割法等。另外，於本 發明之太陽能電池上，作爲形成以往型太陽能電池63之方 法，係有經由CVD法，濺鍍法，磊晶法，蒸鍍法等之成膜 法，形成上述以往型太陽能電池63的層之方法，和個別製 作以往型太陽能電池63，貼合此等之方法。對於貼合，亦 可適用上述之SOI晶圓形成方法。 以上，將經由本發明者所成之發明，依據實施形態已 具體做過說明，但本發明並不限定於前述實施例，在不脫 離其內容之範圍可做各種變更。 【圖式簡單說明】 [圖1]顯示有關本發明之實施例1之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖2]顯示有關本發明之實施例1之太陽能電池之構成 的背面圖》 [圖3(a)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 製造方法的第1剖面圖。 [圖3(b)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 -29- 201201383 製造方法的第2剖面圖。 [圖3(c)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 製造方法的第3剖面圖。 [圖3 ( d )]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 製造方法的第4剖面圖。 [圖3 ( e)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 製造方法的第5剖面圖。 [圖3 ( f)]顯示關於本發明之實施例1之太陽能電池之 製造方法的第6剖面圖。 [圖4]顯示關於本發明之實施例2之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖5]顯示關於本發明之實施例3之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖6]顯示關於本發明之實施例4之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖7]顯示關於本發明之實施例5之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖8]顯示關於本發明之實施例6之太陽能電池之構成 的剖面圖。 [圖9]顯示關於本發明之實施例7之太陽能電池之構成 的剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 : i層 -30- 201201383 2 :具有能帶隙Egl之半導體物質之i層 3 :具有能帶隙Eg2之半導體物質之1層 1 1 : p層 12:具有能帶隙Egl之半導體物質之P層 13 :具有能帶隙Eg2之半導體物質之P層 14 ··貫通孔側面部P層 15 :貫通孔p型電極 16 :具有能帶隙Egl之半導體物質所成之太陽能電池 元件之貫通孔側面部P層 17:具有能帶隙Eg2之半導體物質所成之太陽能電池 元件之貫通孔側面部P層 2 1: η 層 22:具有能帶隙Egl之半導體物質之η層 23 :具有能帶隙Eg2之半導體物質之η層 24 :貫通孔側面部η層 25 :貫通孔η型電極 26 :具有能帶隙Egl之半導體物質所成之太陽能電池 元件之貫通孔側面部η層 27 :具有能帶隙Eg2之半導體物質所成之太陽能電池 元件之貫通孔側面部η層 3 1 : pin接合 32 :具有能帶隙Egr之半導體物質之pin接合 33:具有能帶隙Eg2之半導體物質之pin接合 41 :絕緣膜 -31 - 201201383 42 :表面絕緣膜 43 :背面絕緣膜 44 :阻障膜 5 1 : p層側貫通電極 52 : η層側貫通電極 5 3 : ρ層側電極 5 4 : η層側電極 5 5 :透明導電膜 61 :基板 62 :貫通孔 63 :以往型太陽能電池元件 -32-

Claims (1)

1. 201201383 七、申請專利範圍： 1.一種太陽能電池’其特徵爲具有： 第1之P層； 和第1之η層： 和設置於前述第1之ρ層與前述第1之η層之間的第1之 暦， 和第2之ρ層； 和第2之η層； 和設置於前述第2之ρ層與前述第2之η層之間的第2之1 層； 和設置於前述第1之η層與前述第2之Ρ層之間的第1之 絕緣層； 和藉由與前述第1之Ρ層不同之Ρ層而與前述第1之？層 加以連接，藉由與前述第2之Ρ層不同之Ρ層而與前述第2之 Ρ層加以連接之第1之貫通電極； 和藉由與前述第1之η層不同之η層而與前述第1之11層 加以連接，藉由與前述第2之η層不同之η層而與前述第2之 η層加以連接之第2之貫通電極： 前述第1之i層的膜厚係較前述第丨之15層的膜厚及則述 第1之η層的膜厚爲厚， 前述第2之i層的膜厚係較前述第2之Ρ層的膜厚及前述 第2之n層的膜厚爲厚。 2 .如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池’其中’ 與前述第1之ρ層不同之P層係第3之P層’ -33- 201201383 與前述第2之P層不同之P層係第4之p層’ 與前述第1之η層不同之η層係第3之π層’ 與前述第2之η層不同之η層係第4之η層’ 於前述第3之ρ層與前述第4之ρ層之間’及前述第3之η 層與前述第4之η層之間，設置有前述第1之絕緣層。 3 .如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中， 與前述第1之Ρ層不同之Ρ層，和與前述第2之Ρ層不同 之Ρ層係同一之ρ層， 與前述第1之η層不同之η層’和與前述第2之η層不同 之η層係同一之η層， 4.如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池’其中， 前述第1之貫通電極與前述第2之貫通電極係費米準位 則相互不同。 5 ·如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池，其中’ 前述第1之ρ層與前述第2之ρ層係能帶隙相互不同， 前述第1之i層與前述第2之i層係能帶隙相互不同， 前述第1之η層與前述第2之η層係能帶隙相互不同。 6.如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池’其中’ 更具有： 設置於前述第1之ρ層與前述第1之i層之間的第2之絕 緣層； 和設置於前述第1之i層與前述第1之η層之間的第3之 絕緣層； 和設置於前述第2之ρ層與前述第2之i層之間的第4之 -34- 201201383 絕緣層； 和設置於前述第2之1層與前述第2之11層之間的第5之 絕緣層。 7如申請專利範匿I第1項記載之太陽能電池’其中’ 更具有： 設置於前述第1之絕緣層與前述第2之P層之間的第1之 導電膜； 前述第1之導電膜係對於前述第2之p層，前述第2之i 層及前述第2之n層所吸收之波長的光之吸收率’則較前述 第2之ρ層，前述第2之i層及前述第2之π層爲低。 8 ·如申請專利範圍第1項記載之太陽能電池’其中’ 更具有： 與前述第1之貫通電極或前述第2之貫通電極加以連接 之太陽能電池元件； 前述太陽能電池元件係具有單一的Pn接合或單一的 pin接合。 9.一種太陽能電池，其特徵爲具有： 第1之p層； 和第1之η層； 和設置於前述第1之Ρ層與前述第丨之11層之間的第1之1 層； 和第2之ρ層； 和第2之η層； 和設置於前述第2之Ρ層與前述第2之11層之間的第2之1 -35- 201201383 層； .& «λ 7夕0層之間的第1之 和設置於前述第1之n層與則述第2λώΡ 絕緣層； 和貫通前述第1之ρ層，前述第1之11層，則述第1之1層 ，前述第2之ρ層’前述第2之η層，前述第2之1層’及目丨』述 第1之絕緣層之第1之貫通電極； 和貫通前述第1之Ρ層，前述第1之η層，前述第1之丨層 ,前述第2之ρ層，前述第2之η層，前述第2之1層，及即述 第〗之絕緣層，與前述第1之貫通電極費米準位不同之第2 之貫通電極； 前述第1之i層的膜厚係較前述第1之ρ層的膜厚及前述 第1之η層的膜厚爲厚’ 前述第2之i層的膜厚係較前述第2之Ρ層的膜厚及則述 第2之η層的膜厚爲厚。 1 〇·如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中， 前述第1之貫通電極係藉由第3之Ρ層而與則述第1之ρ 層加以連接，藉由第4之Ρ層而與前述第2之ρ層加以連接’ 前述第2之貫通電極係藉由第3之η層而與前述第1之η 層加以連接，藉由第4之η層而與前述第22η層加以連接’ 於前述第3之Ρ層與前述第4之Ρ層之間，及前述第3之11 層與前述第4之η層之間’設置有前述第1之絕緣層。 1 1 ·如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池’其中’ 前述第1之貫通電極係藉由第3之Ρ層而與前述第1之Ρ 層及前述第2之Ρ層加以連接’ -36- 201201383 前述第2之貫通電極係藉由第3之η層而與前述第1之η 層及前述第2之η層加以連接。 1 2 ·如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池’其中’ 前述第1之Ρ層與前述第2之Ρ層係能帶隙相互不同， 前述第1之i層與前述第2之丨層係能帶隙相互不同， 前述第1之η層與前述第2之η層係能帶隙相互不同。 1 3 .如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中， 更具有： 設置於前述第1之Ρ層與前述第1之1層之間的第2之絕 緣層； 設置於前述第1之丨層與前述第1之11層之間的第3之絕 緣層； 設置於前述第2之Ρ層與前述第2之i層之間的第4之絕 緣層； 和設置於前述第2之丨層與前述第2之n層之間的第5之 絕緣層。 14.如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池’其中’ 更具有： 設置於前述第1之絕緣層與前述第2之ρ層之間的第1之 導電膜； 前述第1之導電膜係對於前述第2之Ρ層，前述第2之i 層及前述第2之η層所吸收之波長的光之吸收率，則較前述 第2之ρ層，前述第2之i層及前述第2之η層爲低。 1 5.如申請專利範圍第9項記載之太陽能電池，其中’ -37- 201201383 更具有： 與前述第1之貫通電極或前述第2之貫通電極加以連接 之太陽能電池元件； 前述太陽能電池元件係具有單一的pn接合或單一的 pin接合。 -38-