JPH05243594A

JPH05243594A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH05243594A
Application number: JP4044852A
Authority: JP
Inventors: Hideki Matsubara; 秀樹松原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】変換効率の高い、高性能の太陽電池を提供す
る。【構成】ｎ型半導体基板の受光面側とは逆の表面上に
は、裏面電極が形成されている。また、ｎ型半導体基板
の受光面側の表面上には、ｎ型半導体基板エピタキシャ
ル層が形成されている。このｎ型半導体エピタキシャル
層の表面上にはｐ型半導体エピタキシャル層が形成され
ている。このｐ型半導体エピタキシャル層の表面上に
は、電極１が形成されている。また、ｐ型半導体エピタ
キシャル層の表面上は反射防止膜によって被覆されてい
る。この受光面側に形成された電極１は、ハチの巣状を
なしている。ハチの巣状の電極は、第１の電極部１ｂと
この第１の電極部に対して鋭角又は鈍角をなす第２の電
極部１ｃとからなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】まず、従来の太陽電池の構成について以
下に説明する。

【０００３】図１１は、従来の太陽電池の概略構成を示
す斜視図である。図１１を参照して、ｐ型単結晶ウェハ
１０３の受光面側の表面には、ｎ⁺層１０４が形成され
ている。このｎ⁺層１０４は０．３〜０．５μｍ程度と
非常に薄い。このｎ⁺層１０４の表面上には、電極１０
１が形成されている。この電極１０１は、ｎ⁺層１０４
と電気的に接続されている。また、ｎ⁺層１０４の表面
上には、反射防止膜１０５が形成されている。この反射
防止膜１０５は、電極１０１から露出したｎ⁺層１０４
の表面を覆っている。ｐ型単結晶ウェハ１０３の受光面
側と逆の表面には、電極１０２が形成されている。この
電極１０２は、ｐ型単結晶ウェハ１０３の表面全面に形
成されている。また電極１０２はｐ型単結晶ウェハ１０
３と電気的に接続されている。なお、この太陽電池で
は、矢印方向から光が照射される。

【０００４】上記のように、従来の太陽電池は構成され
ている。次に、従来の太陽電池の受光面側に形成された
電極の構成について説明する。

【０００５】図１２は、従来の電極の構成を概略的に示
す平面図，図１３は、図１２のＣ部を拡大して示す平面
図である。これらの図を参照して、基板の受光面側に形
成された電極１０１は、一方向に延びる枝部分１０１ｂ
とこの枝部分１０１ｂから垂直に延びる複数の枝部分１
０１ｃから構成されている。すなわち、電極１０１はく
し形の形状をなしている。また、枝部分１０１ｂの一方
端部には、電流取出口１０１ａが形成されている。

【０００６】上記のように、従来の受光面側の電極は構
成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】太陽電池の性能を示す
指数として最も重要なものは変換効率である。この変換
効率の値は太陽電池素子の電気出力の、入射光量に対す
る比がパーセントで示される。数式では次のように表わ
される。

【０００８】

【数１】

【０００９】上式から明らかなように、変換効率は素子
の出力（電流×電圧）が高いほど高くなる。すなわち、
出力が高いほど太陽電池の性能が良いことになる。

【００１０】従来の太陽電池の電極構成は、図１２，図
１３に示すようにくし形の形状をなしている。このよう
に、従来の太陽電池の受光面側の電極は、直交する直線
電極のみから構成されている。このため、光の照射によ
って太陽電池内で発生した電荷が、電流取出点１０１ａ
に到達するまでの距離が長くなる。電荷が移動する電極
の距離が長くなるため、電荷が受ける直列抵抗成分は多
くなる。よって、出力の電流−電圧特性が劣化する。す
なわち、電流と電圧の積である出力が低下する。この出
力の低下により、変換効率が低下するという問題点があ
った。

【００１１】また、ｐｎ接合を構成する太陽電池材料の
表面上には、傷もしくはクラックが導入されやすい。こ
の傷やクラックが導入された状態で、図１２，図１３に
示すくし形状の電極を形成すると、電極の一部に破損が
生じる。また、プロセス過程における失敗などによって
も電極の一部に破損が生じることもある。このような場
合に、くし形状の電極では、破損部より先の領域で発生
した電荷を取出すことができなくなる。よって、電荷の
量が減少するため出力が低下し、やはり変換効率の低下
を招くという問題点があった。

【００１２】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、変換効率の高い、高性能な太陽電
池を得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の太陽電
池は、ｐｎ接合を介在させた１対の電極層を有してい
る。この１対の電極層の少なくとも一方が、第１の枝部
分と、第２の枝部分とを含んでいる。第１の枝部分は、
主表面に沿って第１の方向に延びている。第２の枝部分
は、第１の枝部分に接続され、かつ第１の方向と鋭角を
なす第２の方向に延びている。

【００１４】請求項２に記載の太陽電池は、ｐｎ接合を
介在させた１対の電極層を有している。この１対の電極
層の少なくとも一方が、第１の枝部分と、第２の枝部分
と、第３の枝部分とを含んでいる。第１の枝部分は、主
表面に沿って延びている。第２の枝部分は、第１の枝部
分に接続され、かつ第１の方向と所定の角度をなす第２
の方向に延びている。第３の枝部分は、第１と第２の枝
部分の接続点で接続され、かつ第２の方向と所定の角度
をなす第３の方向に延びている。

【００１５】好ましくはｐｎ接合をなすｐ型層が第１の
材料からなり、かつｎ型層が第１の材料とは異なる第２
の材料からなっていてもよい。

【００１６】また、ｐｎ接合が２以上積重ねられていて
もよい。

【００１７】

【作用】請求項１に記載の太陽電池によれば、電極層の
第２の枝部分は、第１の方向に延びる第１の枝部分と鋭
角をなす第２の方向へ延びている。このため、電荷は、
第２の枝部分を用いて第１の方向から鋭角をなす第２の
方向へ移動することができる。すなわち、第２の枝部分
を経路とすることで、鋭角をなす第２の方向へ一経路の
みで直接移動することが可能となる。

【００１８】これに対して、従来の太陽電池の電極層
は、直交する枝部分のみからなっている。このため、第
１の枝部分から鋭角方向へ移動するには、１の経路のみ
で直接移動することはできない。すなわち、直角方向へ
の進路変更の必要がある。

【００１９】このように、第１の方向と鋭角をなして延
びる第２の枝部分を設けたことにより、直角方向へ進路
を変更する必要はなく、目的地への移動距離の短縮を図
ることが可能となる。移動距離を短縮できるため、この
電極層中を移動する電荷に対して、直列抵抗成分が少な
くなる。よって、電流−電圧特性の劣化を防止すること
が可能となり、出力の向上を図ることができる。したが
って、変換効率を上昇させることができ、高性能な太陽
電池を得ることができる。

【００２０】請求項２に記載の太陽電池によれば、相互
に延びる方向の異なる３つの枝部分が、１つの接続点で
接続されている。このため、たとえ、第１の枝部分が破
損により断線しても、電荷は第２から第３の枝部分へ、
もしくは第３から第２の枝部分へ移動可能である。すな
わち、１の枝部分が破損しても他の枝部分を通じて、電
流は電流取出点へ達することができる。よって、電流取
出点へ達する電流の量は破損によって減少しない。した
がって、電流−電圧特性は低下せず、出力の低下も防止
できる。出力が低下しないため、変換効率の低下も防止
できる。

【００２１】ｐｎ接合をなすｐ型層が第１の材料からな
り、かつｎ型層が第１の材料とは異なる第２の材料から
なっていることが好ましい。

【００２２】ｐｎ接合が２以上積重ねられていることが
好ましい。電極層に含まれる枝部分の幅は１０μｍ以上
５００μｍ以下であることが好ましい。枝部分の幅が１
０μｍより小さいと、枝部分の直線抵抗に対して枝部分
に流れる電流が少なくなる。このため、出力が小さくな
り変換効率が低下する。５００μｍより大きいと、枝部
分がその表面を覆う占有率が増加する。このため、太陽
光の照射面積が減少し、実用的でない。

【００２３】枝部分の厚みは１μｍ以上であることが好
ましい。１μｍより薄いと、枝部分内を流れる電流に対
して、直線抵抗が大きくなる。これにより、変換効率が
低下する。

【００２４】枝部分が表面を覆う占有率は４％以上、２
５％以下であることが好ましい。４％より小さいと、電
極が電荷等を受取る面積が減少し、流れる電流に対して
抵抗が大きくなる。２５％よりも大きいと、電極が表面
を覆う占有率が増加し、太陽光の照射面積が減少する。
この照射面積の減少により、変換効率が低下し、実用的
ではない。

【００２５】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例による太陽電
池の受光面側の表面の概略構成を示す平面図，図２は、
図１のＡ部を拡大して示す平面図である。これらの図を
参照して、受光面側の電極１は、ハチの巣を四角い枠で
取り囲んだ形状をなしている。このハチの巣状は、第１
の電極部１ｂと、この第１の電極部に対して鋭角又は鈍
角をなす第２の電極部１ｃとからなっている。ハチの巣
状の電極は、まわりを取囲む電極と電気的に接続されて
いる。また、四角く取囲んだ枝部分の角部には、電流取
出点１ａが形成されている。

【００２６】図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図であ
る。図３を参照して、ｎ型半導体基板３ａの受光面側の
表面上には、ｎ型半導体エピタキシャル層３ｂが形成さ
れている。このｎ型半導体エピタキシャル層３ｂの表面
上には、ｐ型半導体エピタキシャル層４が形成されてい
る。このｐ型半導体エピタキシャル層４の表面上には、
図１，図２で示したハチの巣状の電極１が形成されてい
る。この電極１は、ｐ型半導体エピタキシャル層４と電
気的に接続されている。また、ｐ型半導体エピタキシャ
ル層４の電極１で覆われていない表面上には、反射防止
膜５が被覆されている。ｎ型半導体基板３ａの受光面と
反対側の表面上には、裏面電極２が形成されている。こ
の裏面電極２はｎ型半導体基板３ａのほぼ表面全面に形
成されている。なお、この太陽電池では矢印方向から光
が照射される。

【００２７】上記のように、本発明の第１の実施例によ
る太陽電池は構成されている。次に、電極中を移動する
電荷の移動距離について説明する。

【００２８】図４は、電極中を移動する電荷の移動過程
を概略的に示す平面図である。図４を参照して、電極の
任意の一点Ｔで発生した電荷は、電流取出点１ａへ移動
した後、外部へ引出される。このときの電荷の移動経路
は電極１の形状に沿ってｐ₁→ｑ₁→ｐ₂→…→１ａで
ある。これに対して従来のくし形状の電極においては、
任意の点Ｔで発生した電荷は、電極の形状に沿って矢印
ｐ₀方向に沿って移動する。矢印ｐ₀方向の端部へ達し
た電荷は矢印ｐ₀方向に対して直角方向に延びる矢印ｓ
₀方向へ移動する。この移動により電荷は電流取出点１
ａに達する。このように、ハチの巣状の電極では、第１
の電極部１ｂに対して鋭角または鈍角方向への進路変更
（第２の電極部）１ｃがある。これに対し、くし形状の
電極では直角方向への進路変更があるだけである。図５
を参照して、点Ｔ₁から点Ｔ₂へ移動するには、直角の
経路ｐ_i→ｓ_iの経路よりも二点間を直線で結ぶｑ_iの
経路の方が移動距離が短い。すなわち、図４より、ハチ
の巣状の電極では経路ｑ₁，ｑ₂などにより経路ｐ₀に
対して鋭角または鈍角方向へ移動できるため、移動距離
を短縮することが可能となる。このことから明らかなよ
うにハチの巣状の電極では、くし形状の電極に比較し
て、その移動距離は短くなる。

【００２９】次に、ハチの巣状の電極を採用した太陽電
池とくし形状の電極を採用した太陽電池の電流−電圧特
性を比較した実験結果を示す。

【００３０】まず、ＧａＡｓ単結晶基板上に有機金属気
相エピタキシャル法（以下、ＭＯＶＰＥ法とする）によ
りＧａＡｓのエピタキシャル層を形成した。このエピタ
キシャル層とＧａＡｓ単結晶基板とによりｐｎ接合を形
成した。また、エピタキシャルウェハ上には、ハチの巣
状もしくはくし形状の電極を形成した。電極の形成方法
は、通常のフォトリソグラフィ法を採用した。すなわ
ち、エピタキシャル層上にネガレジストを塗布した。こ
のネガレジストを、各々のパターンを書いたフォトマス
クを用いて、紫外線露光器により露光させた。現像後、
電極用金属をエピタキシャル層上に蒸着した。蒸着した
金属はエピタキシャル層がｐ型の場合はＡｕ（５０Å）
／Ｚｎ（２００Å）／Ａｕ（１μｍ）もしくは、Ａｕ−
Ｂｅ［Ｂｅ５ｍｏｌ％以上］（１μｍ）とした。また、
エピタキシャル層がｎ型の場合、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ（１
０００Å）／Ｎｉ（３００Å）／Ａｕ（１μｍ以上）と
した。電極用金属を蒸着後、有機溶媒中でリフトオフ
し、レジストを除去した。このようにして電極パターン
を形成した後、４００℃〜５００℃の温度で３分程度の
合金化熱処理を行なった。さらに、必要に応じてめっき
法によりＡｕをめっきし、数μｍ厚の電極を形成した。
加えて、反射防止膜となるＳｉＮ_x膜をプラズマ法によ
り７００Å堆積した。

【００３１】以上の方法によって得られた２つの太陽電
池の出力電流−電圧特性を比較した図が図６である。図
６を参照して、曲線がハチの巣状の電極を採用した太
陽電池の出力電流−電圧特性を示す曲線である。また、
曲線がくし形状の電極を採用した太陽電池の出力電流
−電圧特性を示す曲線である。曲線，を比較して、
曲線の方が曲線より曲線の角形性がよい。すなわ
ち、電流−電圧特性がよい。この実験結果よりハチの巣
状の電極を採用した太陽電池の方が、最大出力が高いこ
とがわかる。したがって、ハチの巣状の電極を採用した
太陽電池の方が、くし形状の電極を採用した太陽電池に
比較して変換効率が向上していることがわかる。

【００３２】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図７は、本発明の第２の実施例による太陽電池の
概略構成を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図
７を参照して、ｐ型シリコン基板１３ａの受光面側と逆
の表面上には、裏面電極１２が被覆されている。また、
ｐ型シリコン基板１３ａの受光面側の表面上には、ｐ型
シリコン層１３ｂが形成されている。このｐ型シリコン
層１３ｂの表面上には、ｎ型シリコン層１４が形成され
ている。このｎ型シリコン層１４の表面上には、ハチの
巣状をなす第１の電極１１が形成されている。また、こ
の第１の電極１１を覆うように、ｎ型化合物半導体層２
３がｎ型シリコン層１４の表面上に形成されている。ｎ
型化合物半導体層２３の表面上には、ｐ型化合物半導体
層２４が形成されている。このｐ型化合物半導体層２４
の表面上には、ハチの巣状をなす第２の電極２１が形成
されている。また、第２の電極２１で覆われていないｐ
型化合物半導体層２４の表面上は、反射防止膜２５によ
って覆われている。なお、この太陽電池では矢印方向か
ら光が照射する。

【００３３】上記のように、本発明の第２の実施例によ
る太陽電池は構成されている。このように材料種の異な
る太陽電池を２層もしくは３層積層させたタンデム型の
太陽電池においても、電極の形状をハチの巣状とするこ
とにより変換効率の向上を図ることができる。すなわ
ち、ｎ型化合物半導体層２３とｐ型化合物半導体層２４
からなる上層側の太陽電池の変換効率と、ｐ型シリコン
基板１３ａ，ｐ型シリコン層１３ｂおよびｎ型シリコン
層１４からなる下層側の太陽電池の変換効率の各々を向
上させることができ、トータルで大きな変換効率の改善
が期待できる。

【００３４】また、Ｓｉ単結晶基板上にＭＯＶＰＥ法に
よりＧａＡｓを形成した。このＧａＡｓとＳｉ単結晶基
板によりｐｎ接合を形成したヘテロ接合型太陽電池につ
いても、上記と同様の方法で特性比較を行なった。この
ヘテロ接合型の太陽電池では、多数のクラックが観察さ
れた。また、ヘテロ接合型太陽電池においても、ハチの
巣状の電極を採用した太陽電池の方が出力電流−電圧特
性が大きく向上することがわかった。

【００３５】なお、太陽電池に用いる材料として、Ｓｉ
やＧｅのほかに、ＧａＡｓなどの化合物半導体の単結晶
を材料としてもよい。

【００３６】また、電極の形状はハチの巣状に限定され
ず、図８，図９，図１０に示すように第１の電極部５１
ｂ，６１ｂ，７１ｂに対して鋭角または鈍角をなす第２
の電極部５１ｃ，６１ｃ，７１ｃを含む形状の電極であ
ればよい。

【００３７】特に、図１０に示す電極７１は、メッシュ
の開口が大きく入射光を有効に利用できる。また、この
電極７１では並列に接続される枝が多いため、電極での
抵抗が小さくなる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の太陽電池によれば、電
極層の第２の枝部分は、第１の方向へ延びる第１の枝部
分と鋭角をなす第２の方向へ延びている。このため、電
荷は、第２の枝部分を用いて第１の方向から鋭角をなす
第２の方向へ移動することができる。すなわち、第２の
枝部分を経路とすることで、鋭角をなす第２の方向へ直
接移動することができる。これに対して、従来の太陽電
池の電極層は、直交する枝部分のみからなっている。こ
のため、第１の枝部分から鋭角方向へ移動するには、１
の経路のみで直接移動することはできない。すなわち、
直角方向への移動を繰り返しながら移動する必要があ
る。このように、第１の方向と鋭角をなして延びる第２
の枝部分を設けたことにより、目的地への移動距離の短
縮を図ることが可能となる。移動距離を短縮できるた
め、電極中の直列抵抗成分を減少させることができる。
したがって、出力は向上し、これによって、変換効率も
向上する。

【００３９】請求項２に記載の太陽電池によれば、相互
に延びる方向の異なる３つの枝部分が、１つの接続点で
接続されている。このため、たとえ第１の枝部分が破損
により断線しても、電荷は第２から第３の枝部分へ、も
しくは第３から第２の枝部分へ移動可能である。すなわ
ち、１の枝部分が破損しても他の枝部分を通じて、電流
は電流取出点へ達することができる。よって、電流取出
点へ達する電流の量は破損によって減少しない。したが
って、電流−電圧特性は低下せず、出力の低下も防止で
きる。出力が低下しないため、変換効率の低下を防止す
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による太陽電池の受光面
側の概略構成を示す平面図である。

【図２】図１のＡ部を拡大して示す平面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図４】電極中を移動する電荷の移動経路を示す図であ
る。

【図５】移動距離の短縮を概略的に示す図である。

【図６】ハチの巣状の電極を採用した太陽電池とくし形
状の電極を採用した太陽電池の出力電流−電圧特性の実
験結果を比較して示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例による太陽電池の概略構
成を示す断面図である。

【図８】本発明の太陽電池に採用される電極の概略構成
を示す平面図である。

【図９】本発明の太陽電池に採用される電極の概略構成
を示す平面図である。

【図１０】本発明の太陽電池に採用される電極の概略構
成を示す平面図である。

【図１１】従来の太陽電池の概略構成を示す斜視図であ
る。

【図１２】従来の太陽電池の受光面側の電極を概略的に
示す平面図である。

【図１３】図１２のＣ部を拡大して示す平面図である。

【符号の説明】

１，５１，６１，７１電極１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，７１ｂ第１の電極部１ｃ，５１ｃ，６１ｃ，７１ｃ第２の電極部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｎ接合を介在させた１対の電極層を有
する太陽電池において、前記１対の電極層の少なくとも一方が、その主表面に沿って第１の方向に延びる第１の枝部分
と、前記第１の枝部分に接続され、かつ前記第１の方向と鋭
角をなす第２の方向に延びる第２の枝部分とを含むこと
を特徴とする、太陽電池。
【請求項２】ｐｎ接合を介在させた１対の電極層を有
する太陽電池において、前記１対の電極層の少なくとも一方が、その主表面に沿って第１の方向に延びる第１の枝部分
と、前記第１の枝部分に接続され、かつ前記第２の方向と所
定の角度をなす第２の方向に延びる第２の枝部分と、前記第１と第２の枝部分の接続点で接続され、かつ前記
第２の方向と所定の角度をなす第３の方向に延びる第３
の枝部分とを含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項３】前記ｐｎ接合をなすｐ型層が第１の材料
からなり、かつｎ型層が第１の材料とは異なる第２の材
料からなることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電
池。
【請求項４】前記ｐｎ接合が２以上積重ねられている
ことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。