JPH0277172A - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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JPH0277172A
JPH0277172A JP1112302A JP11230289A JPH0277172A JP H0277172 A JPH0277172 A JP H0277172A JP 1112302 A JP1112302 A JP 1112302A JP 11230289 A JP11230289 A JP 11230289A JP H0277172 A JPH0277172 A JP H0277172A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は太陽光を電気に変換する薄膜光起電力太陽電池
の技術分野に関する。
〔従来の技術〕
光起電力太陽電池は太陽光を電気に変換する半導体素子
である。結晶シリコンに基づく太陽電池は高性能および
安定性の利益を提供する。電力発生用として太陽電池の
利用を拡張するのに主要な障害は太陽電池のコストが現
時点では高いことである。
意義あるコスト低減は薄膜太陽電池を使用することによ
って達成しろる。薄膜太陽電池は低コスト基板上に付着
されまたは成長される半導体物質の薄層を用いる。著者
上、エム、バネット氏等（Ａ、Ｍ、　ｌ１ａｒｎｅＬｔ
）による第１９回アイイーイーイフォトヴオルクイック
スペシャリストコンファランス（ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏ
ｖｏｌｔａｉｃ　５ｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ）（１９８７）のコンファランスレコード（
ＣｏｎｆｏｒｅｎｃｅＲｅｃｏｒｄ）における刊行物ｐ
ｐ、１２６６−１２７０は、参考文献によってこの中に
入れられていて、低コスト基板上の多結晶シリコン薄膜
太陽電池を説明する。
低光起電力縁シリコンすなわち４００ミクロン厚さウェ
ーハに代わって１００ミクロン以下の厚さの層を用いる
ことから生ずる低コストに加えて、改良された性能もシ
リコンを薄くする結果として予測される。該刊行物は、
さらに、光閉じ込め技術を用いることから生ずる性能向
上を説明する。ザテクニカル　ダイジェスト　オブ　ザ
　サードインタナショナル　フォトヴオルクイック　サ
イアンス　アンド　エンジニアリング　コンファランス
（ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　
ｔｈｅ　Ｔｈ１ｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｈ
ｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　５ｏｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎ
ｇｉ−ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）で発行
される関連刊行物において、ＰＶＳＥＣ−３（１９Ｂ？
）　ＰＰ、１０１〜１０４は、著者工。
エム、バネット氏等の参考文献によって、この中に入れ
られていて、高性能太陽電池をもたらすために、薄膜シ
リコンに関するーセットの設計基準を開示する。
従来の技術は薄シリコン太陽電池の多数の説明書からな
る。例えば、工、エム、バネノド氏に発行された米国特
許第４，５７１，４８８号は、種々の基板物質上に形成
された薄膜太陽電池および太陽電池の基板上のアクティ
ブ層間の導電または半導電冶金障壁層を開示する。第１
８回アイイーイーイーフォトヴオルクイックススペシャ
リストコンファランス（１９８５）（ｔｈｅ　ＩＥＥＥ
　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ　５ｐｅｃｉａｌｉ−ｓ
ｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）の著者エム、ジ、モーク
氏（Ｍ。
Ｇ、　Ｍａｕｋ）による論文ＰＰ、　１９２−１９７は
、アクティブ層と基板との間にあるシリコン２酸化物の
薄膜を有する大量ドープシリコンウェーハ上に薄エピタ
キシャルシリコンアクティブ層を有する太陽電池につい
て説明する。工、エム、バネット氏等に対する米国特許
第４，６７７．２５０号は、種々の基板上に付着された
多結晶薄膜半導体アクティブ層および基板とアクティブ
半導体層との間にある導電性核形成場所を有する絶縁体
を用いる太陽電池を開示する。
〔発明が解決しようとする課題〕
低コスト基板上に形成される低コスＩ・、高効率薄シリ
コン太陽電池を提供することが本発明の目的である。
〔課題を解決するための手段〕
多結晶薄膜アクティブ半導体層を有する光起電力太陽電
池は、熱膨張に合せた基板上に形成される。基板とアク
ティブ半導体との間に、光の反射を与えるように；背表
面再結合を最小にするように；基板によってアクティブ
半導体層を汚染することを防止するように選択される障
壁層がある。
該障壁層は、アクティブ半導体が基板の導電面と電気的
に連絡する多数の接触領域からなる。好ましい実施例で
は、基板はシリコンからなる導電性セラミック物質およ
び溶けやすいガラスおよび／またはシリコン炭化物であ
り、障壁は絶縁物質であり、接触領域は基板の５％以下
を露出する障壁層の開口部であり、およびアクティブ半
導体はシリコンＰ−ｎ均−接合部である。
〔実施例］ 本発明の示唆による多結晶薄膜シリコンアクティブ半導
体の望ましい性質は：単一結晶粒を有するとともに、少
くとも厚さの２倍広い平坦膜；５から１００ミクロンの
範囲の厚さ；良性の粒界；少くとも厚さの２倍である少
数キャリア拡散長；および機械的支持と背面導体を設け
た基板である。
粒子縦横比、拡散長および粒界の基準は再結合損失を最
小にするように用いられる。光閉じ込めはシリコンの薄
さに起因する光電流の損失を再捕獲するために必要であ
る。光閉じ込めは薄シリコン太陽電池では有効光吸収長
を増加させることによって、再捕獲を達成する。
図には、本発明による太陽電池の模式的断面が示される
。この素子は前述した設計基準に従い、たま、低コスト
で製造しうる。太陽電池は機械的支持として作用する基
板１００上に形成されまた太陽電池が形成される背面導
体１１０を含む。基板物質は太陽電池の製造中に応力を
最小にするためにシリコンに合った熱膨張係数をもつよ
うに選択され、一方シリコンの融点１４１０°Ｃ以上の
温度で処理することを要求してもよい。シリコンの熱膨
張係数は温度範囲４００から１０００℃で４から５ＸＩ
Ｏ−６ｃｍ／ｃｍ　　’Ｃへ単調に増加する。熱膨張係
数４Ｘ１０−”ｃｍ　／　ｃｍ　−”Ｃをもつ本発明の
示唆による基板物質は受は入れられる。基板は、導電性
基板が好まいけれども、電気的に導電性または非導電性
であってもよい。もし基板が導電性でないならば、金属
層のように背面導電性物質（図示しない）は電池が形成
される基板表面に設けられる。光学的には、背面導電性
物質は、加えて、導電性基板上の分離層として設けられ
てもよい。基板は光の拡散反射および光閉じ込めの特性
を備えるように処理されうる。導電性基板の場合には銀
のような外部電気接触手段は基板１００の底部に塗布さ
れる。
本発明の示唆による好ましい基板はセラミック物質、す
なわち、高比率のシリコンを含む非金属無機物質である
。重量で２０から９０％ならびにシリコンカーバイドお
よび／またはガラスの重量で８０％までの範囲の低純度
シリコンからなるセラミックが適していることが発見さ
れた。例えば、導電性セラミック基板は５００ミクロン
以下の初期粒子寸法を有する重量で４０％のシリコン粉
末と１００ミクロン以下の粒子寸法を有する６０％のＳ
ｉＣとの混合から粉末冶金技術の手段によって製造され
る。該粉末冶金技術は酸素を除去するとともに焼結物を
得るべく適切な熱形成を与えるように設けられた黒鉛ヒ
ータを用いる室を有する装置で焼結することからなる。
よって、粉末混合は、ｏ、ｏｏｔから１０．ＱＯオーム
〜ｃｍの平均容積抵抗、立方１あたり約１．５から１．
９グラムの平均密度、０．０３から０．０８ｃｍの厚さ
および１０ｃｍＸ１０ｃｍまたはこれより大きい面積を
有する稠密導電性セラミック基板を形成するため、十分
な高温度で焼結されまたは融解される低密度部材へ形成
される。
障壁層２００は基板の背面導体上にあり、アクティブ半
導体は該障壁層上に形成される。障壁層２００は：電池
の製造として要求される温度での強度を与えるように；
基板から太陽電池のアクティブ層への不純物拡散を妨げ
る障壁として振る舞うように；光生成キャリアの表面再
結合を最小にするため、障壁層とアクティブ半導体の間
のインフェースを不活性化するように；光閉じ込め用度
射面を備えるために、アクデイ半導体と異なる屈折率を
有するように選択される。障壁２００は、単一層または
各層が上記要求の−または二基上を満足する多重層であ
ってもよい。多重層障壁は、強度を与えおよび拡散障壁
として作用させるために、基板上にチタン２崩化物また
はチタン２酸化物またはアルミ酸化物の第一障壁層から
なる。表面再結合を最小にするとともに反射を備えるよ
うに作用するシリコン２酸化物の第２障壁層は、本発明
の示唆による多重層障壁を形成するために、第１障壁を
おおう。チタン２Ａ化物からなる２重層障壁が用いられ
るときに、チタン２磁化物は背面導体１１０および反射
体の用をする。多重層の場合に対して、シリコン２酸化
を加えたチタン２　、ｒａ化物が好ましい。障壁２００
の厚さは０．１から１ミクロンである。単一層の場合に
対して、シリコン２酸化物またはシリコン窒化物が使用
されてもよく、また、シリコン２酸化物が好ましい。単
一シリコン２酸化物障壁厚さは０．４ミクロンである。
接触領域２１０は背接触面１１０とアクティブ半導体３
００の間に電気的伝達特性を備える。本発明の示唆によ
る接触領域２１０は障壁層２００における多数の開口で
ある。開口の寸法および空間分布は、接触領域２１０が
障壁２００の面積の０，５から５％を占めるように選択
される。例えば中心が１００ミクロンの間隔で離れてい
る１０ミクロン直径の円形開口の配列または１０ミクロ
ン幅で５００ミクロン離れている一連の平行溝が適して
いる。
障壁２００および接触領域２１０は、基板１００の背接
触面１１０を望ましいパターンの障壁でおおうことによ
って形成しうる。スクリーン印刷、吹付塗またはマスク
を介するスパッタリングは、本発明による接触領域を有
する障壁を形成する有効手段である。他には、障壁層は
、単一連続層として塗布されてもよく、接触領域は障壁
物質を選択に除去して形成されてもよい。選択除去は、
化学エンチング、機械的けがきまたはジェットエツチン
グが後に続（、フォトリングラフイックまたはセリグラ
フィックパターン形成からなる多種技術によって達成さ
れうる。
さらに本発明は、アクティブ半導体層３００の塗布を容
易にするため、背接触面上の障壁２００の高さおよび接
触領域の高さが近似的に同一であるように接触領域２１
０を形成することを目的とする。
この目的は、障壁の開口を導体セラミックまたは金属の
ような適当な物質で満たずことによって達成されうる。
該物質は半導体層にオーム接触することを可能にすべき
であり、また、半導体に背裏面を形成するためにドーパ
ント源の用をしてもよい。
基板が十分な純度からなるときには、障壁層２００は、
障壁によって生ずる光強化の欠乏に起因する効率損失に
伴なって省略されてもよい。障壁が省略されると、１５
％の効率が期待される。アクティブ半導体Ｎ３００は２
つの正反対の導電型の接触領域と光起電力接合とからな
る。本発明によれば、半導体層３００は、５および１０
０ミクロン厚さの間にあって、好ましくは３０ミクロン
厚さのシリコンの多結晶薄膜である。多結晶シリコンの
粒子直径は少くとも膜厚さの２倍でなければならない。
半導体層３００のベース領域は、５から１００ミクロン
厚さでありかつｌＸｌ０”から５ＸＩＯＩ７ｃｍ−”の
Ｐ−型キャリア濃度を有するようにドープされるＰ−型
シリコンであって、少くとも厚さ２倍の少数キャリア拡
散長によって特徴を与えられる。薄ｎ型シリコンエミッ
タ領域３２０は典形例として０．２ミクロン厚さで、か
つ１０”、ｃｍ−’のｎ型キャリア濃度に１′−プされ
、ベース領域３２０でＰ−ｎ均一接合を形成する。本発
明による多結晶シリコン薄膜半導体を特徴とする太陽電
池は１９％以上の高変換効率を有することを期待される
。本発明の薄太陽電池の他の特徴は、少数キャリア輸送
特性に対する要求が従来の厚さのシリコン電池に対して
よりもはるかにきびしくなくなった。例えば、アクティ
ブ半導体が３０ミクロン厚さにあるとき、唯一６０ミク
ロンの拡散長が高性能を達成するために要求されるにす
ぎない。従って、アクティブ半導体を形成する方法の柔
軟性を太き（することは、本発明による太陽電池を製造
することに低コスト製造方法を採用ることを有利にする
。
アクティブ半導体を形成するのに適する方法の中で、単
独でまたは半導体物質の塗布のあとにくる再結晶ステッ
プと関連して用いられうるコーティング技術は公知であ
る。例えば、化学蒸着、飽和溶液からの成長、スパッタ
リング、真空蒸着、イオン東ビーム蒸着、吹付コーティ
ング、プラズマアーク吹付および粉末冶金術がアクティ
ブ半導体を付着するために用いられてもよい。再結晶に
関連する化学蒸着はアクティブ半導体３００のベース領
域３１０を形成するためには好ましくまた拡散ドーピン
グはエミッタ領域３１０を形成するためには好ましい。
本発明の太陽電池はスクリーン印刷、蒸着等のような公
知技術の方法を用いて、半導体３００の表面を受ける光
に用いられる金属グリノドのような透明接触手段４００
によって完成される。反−反射および表面不活性コーテ
ィング、公知技術の全てが、本発明の示唆による太陽電
池の性能を増大させるために用いられてもよい。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように、本発明によれば、基板と隣
接アクティブ半導体層の間に設けられて、光の反射特性
を備える障壁層が背裏面の再結合を最小にし、アクティ
ブ半導体の汚染を妨げるようにしたので、導電性セラミ
ック基板上に形成された薄条結晶シリコンアクティブ半
導体を特徴とずる薄膜光起電力太陽電池は低コスト、高
効率を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る薄膜太陽電池の一定でない比率で
拡大した断面図である。 図において、 １０・・・薄膜光起電力電池、 １００・・・基板、　　　　１１０・・・背面導体、２
００・・・障壁層、　　　２１０・・・接触領域、３０
０・・・半導体層、　　３１０．３２０・・・導電型領
域、４００・・・電気的接触手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、機械的支持として機能する基板（１００）と、第１
    の電気的接触として機能する背面導体（１１０）と、少
    くとも一つの光起電力接合からなる少くとも一つの半導
    体層（３００）と第２の電気的接触手段（４００）を含
    む薄膜光起電力太陽電池において、半導体に合せられる
    熱膨張係数を有するように選らばれる高比率シリコンか
    らなるセラミック物質を含む基板（１００）と、 背面導体（１１０）と多結晶薄膜である半導体層（３０
    ０）との間に置かれた多数の接触領域（２１０）からな
    る障壁層（２００）とを設けたことを特徴とする薄膜光
    起電力太陽電池。 ２、該セラミック物質がシリコン炭化物、ガラス、また
    はこれらの混合物からなる請求項１記載の薄膜光起電力
    太陽電池（１０）。 ３、基板が電気的に導電性である請求項１記載の薄膜光
    起電力太陽電池（１０）。 ４、背面導体（１１０）が基板（１００）の表面である
    請求項３記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 ５、背面導体（１１０）が基板（１００）上に形成され
    る金属層である請求項１記載の薄膜光起電力太陽電池（
    １０）。 ６、基板（１００）がセラミック物質層によっておおわ
    れる金属である請求項１記載の薄膜光起電力太陽電池（
    １０）。 ７、基板（１００）が光閉じこめ特性を備えるように処
    理される請求項１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）
    。 ８、障壁層（２００）が光反射特性を備えるため、半導
    体（３００）と異なる屈折率を有する請求項１記載の薄
    膜光起電力太陽電池（１０）。 ９、障壁層（２００）が太陽電池の背表面再結合を最小
    にするように選択される請求項、１記載の薄膜光起電力
    太陽電池（１０）。 １０、障壁層（２００）が基板（１００）と半導体（３
    ００）の間に不純物を拡散することを妨げるように選択
    される請求項１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）１
    １、障壁層（２００）がシリコン２酸化物層である請求
    項１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １２、障壁層（２００）がシリコン窒化物層である請求
    項１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １３、障壁層（２００）が少くとも２層からなる請求項
    １記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １４、障壁層（２００）がチタン２■化物、チタン２酸
    化物またはアルミ２酸化物から選択される第１の障壁層
    およびシリコン２酸化物の第２の障壁層から構成される
    請求項１３記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １５、第１の障壁層が背面導体（１１０）として機能す
    るチタン２酸化物である請求項１４記載の薄膜光起電力
    太陽電池（１０）。 １６、接触領域（２１０）が障壁層（２００）を介して
    背接触面（１１０）へ伸張しかつ障壁層（２００）の面
    積の０．５から５％を占める多数の開口である請求項１
    記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １７、該開口が障壁層（２００）と同じ高さに導電性物
    質で満たされる請求項１６記載の薄膜光起電力太陽電池
    （１０）。 １８、導電性物質がセラミックである請求項１７記載の
    薄膜光起電力太陽電池（１０）。 １９、導電性物質が金属である請求項１７記載の薄膜光
    起電力太陽電池（１０）。 ２０、導電性物質が、半導体層（３００）の背表面を形
    成するドーパントからなる請求項１７記載の薄膜光起電
    力太陽電池（１０）。 ２１、半導体（３００）がシリコンである請求項１記載
    の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 ２２、シリコンが１００ミクロン厚さ以下である請求項
    ２１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）。 ２３、半導体（３００）が、少くとも厚さの２倍である
    粒経によって特徴を与えられる請求項１記載の薄膜光起
    電力太陽電池（１０）。 ２４、半導体（３００）が、厚さの２倍である少数キャ
    リア拡散長によって特徴を与えられる請求項１記載の薄
    膜光起電力太陽電池（１０）。 ２５、半導体（３００）が２つの正反対の導電型領域（
    ３１０および３２０）からなり、光起電力接合が均一接
    合である請求項１記載の薄膜光起電力太陽電池（１０）
    。 ２６、ａ、高比率のシリコンからなり、機械的支持およ
    び第１の電気的接触として機能する導電性セラミック基
    板（１００）； ｂ、背表面再結合を最小にし、不純物の拡散を妨げるた
    めに光の反射特性を備える基板上のシリコン２酸化物障
    壁層（２００）； ｃ、基板（１００）の背接触面（１１０）に電気的接触
    特性を備えるため、障壁層（２００）の面積の５％以下
    を占める障壁層の多数の開口（２１０）； ｄ、Ｐ−型領域（３１０）とその上のｎ−型領域（３２
    ０とからなりその間に光起電力均一接合を形成する障壁
    上に多結晶シリコンの１００ミクロン以下厚さの層（３
    ００）；および ｅ、半導体領域（３２０）に塗布される透明な第２の電
    気的接触手段（４００）を含む薄膜光起電力太陽電池（
    １０）。 ２７、ａ、高比率シリコンからなり、機械的支持および
    第１の電気的接触として機能する導電性セラミック基板
    （１００）； ｂ、Ｐ−型領域（３１０）とその上のｎ−型領域（３２
    ０）からなりその間に光起電力均一接合を形成する基板
    上に多結晶シリコンの１００ミクロン以下の厚さの層（
    ３００）；および ｃ、半導体領域（３２０）に塗布される透明な第２の電
    気的接触手段（４００）を含む薄膜光起電力太陽電池（
    １０）。
JP1112302A 1988-05-04 1989-05-02 太陽電池 Expired - Lifetime JP2774142B2 (ja)

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US07/190,138 US5057163A (en) 1988-05-04 1988-05-04 Deposited-silicon film solar cell
US190138 1988-05-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0277172A true JPH0277172A (ja) 1990-03-16
JP2774142B2 JP2774142B2 (ja) 1998-07-09

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