JPH05508267A - 先進的な太陽電池 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 先進的な太陽電池 免帆立１１　一 本発明は、一般的に光電池に関し、より詳細には太陽エネルギーをより効率的に 電気エネルギーに変換するために使用することができる太陽電池に関する。

いろいろな光電池、太陽電池および同種のデバイスが提案されてきた。たとえば 、太陽の光子の放射を電流に変換するために使用されている１つの従来の太陽電 池の構造は、層状に形成された外因性半導体を含む。この従来の太陽電池は、入 射した光子放射を半導体の内部で電子−ホール対に変換することによって動作す る。これらの電子−ホール対は、半導体内のＰ−Ｎ接合のところで集められ、太 陽電池によって作り出された電流を供給する。

従来の太陽電池では、半導体は対向する入射側と捕集側を持ち、電池の入射側で 光子の放射を受ける。この半導体は、入射側に隣接して設けられた、重度にドー プされた（すなわち純粋な半導体物質に指定された不純物が添加された）負すな わちＮ型の層（以後Ｎ”と呼ぶ）を持を持つ。Ｎ＋領領域、太陽電池のカソード （陰極）の働きをする。重度にドープされた正すなわちＰ型の層（以後Ｐ＋と呼 ぶ）が、電池の捕集側に隣接して形成される。このＰ０領域は、電池のアノード （陽極）の働きをする。この半導体はまた、僅かに正すなわちＰ型（以後Ｐ（− ）　と呼ぶ）で、Ｐ”層とＮ＋層の間にはさまれた、軽度にドープされた基層を 持つ。シリコン中の電子は拡散距離がより長いので、はとんどの普通に使用され るシリコン太陽電池はこの相補形のＮ”Ｐ（−）Ｐ“電池を利用している。

この従来の太陽電池を光源に向けると、飛び込む光子は半導体内に電子−ホール 対を生成する。電子の部分は負電荷キャリヤであり、ホールの部分は正電荷キャ リヤである。飛び込む光子はまた、Ｐ−Ｎ接合を横切る空乏領域の形成を引き起 こす。この空乏領域の内部の正電荷および負電荷キャリヤの数はほぼ等しい。空 乏領域で生成されたキャリヤはすべて光電流出力に寄与する。

入射側に近いＮ１領域内で生成されたキャリヤが光電流出力に寄与するためには 、これらのキャリヤは拡散してＮ“領域の厚さを通りぬけＰ−Ｎ接合に到達しな ければならない。しかしながら表面再結合のために、キャリヤの一部は、Ｐ−Ｎ 接合に到達する前に、Ｎ＋領領域格子中の原子と再結合する。そのため、これら の再結合したキャリヤは太陽電池の電流に寄与せず、太陽電池の効率が低下する 。

Ｐ（−）基層領域の深部で生成されたキャリヤが光電流に寄与するためには、こ れらのキャリヤは拡散して空乏領域の端まで移動しなければならない。しかしな がら、根本的に、Ｐ−Ｎ接合に対するバイアスが小さいことから、Ｐ３−１基層 内に延びる空乏領域の幅は比較的小さい。

この移動中に、キャリヤはＰ３−１基層の格子中の原子と再結合し、いっそう効 率が低下する。さらに、キャリヤの寿命すなわち再結合が起きるまでの時間の長 さが短いときは、Ｐ（−）領域内のキャリヤの損失が非常に多くなる可能性があ る。

このように、Ｐ−Ｎ接合において電子−ホール対を形成する光電流の捕集は、３ つの態様（１）Ｐ−Ｎ接合の両側の空乏領域における電子−ホール対の生成によ り、（２）Ｐ−Ｎ接合に隣接した高ドープのＮ＋層における少数キャリヤの拡散 により、そして（３）軽ドープのＰ（−）基層中の少数キャリヤの拡散により起 こる。

従来の太陽電池では、空乏領域で生成されたすべての電子−ホール対はＰ−Ｎ接 合によって集められ、したがって電池により発生される光電流に寄与する（上記 の項１）。しかしながら、軽ドープのＰ←１基層中に生成されたホール−電子対 （上記の項３）の一部分しか、実際にＰ−Ｎ接合まで拡散することができない。

Ｐ（−）基層領域内でのキャリヤのこの再結合は、低い光子エネルギーにおける 分光応答の低下を引き起こし、太陽電池の出力電圧が総合的に低下する。

それに加えて、従来の太陽電池は、高い光子エネルギーにおいて分光応答が低下 する。これは入射光子が高いエネルギーを持つときＮ１領域内で発生されるキャ リヤ（上記の項２）の損失から生じる。キャリヤの損失は、Ｎ＋領域内における 、発生したキャリヤの一部の再結合に起因する。ざらに、シリコンの太陽電池に たいしては、１．１　ｅＶよりも小さい光子エネルギーにおいてゼロ分光応答が ある。なぜなら光子エネルギーがこの値以下のときは、電池のバンドギャップを 飛び越えてキャリヤが生成され得ないからである。

このように、従来の層状に形成される外因性半導体の太陽電池の構造には、いろ いろな問題点がある。したがって、太陽すなわち光子のエネルギーを電気エネル ギーたとえば電流に変換するための、上記した制約と問題点を克服することに向 けられ、かつそれらの影響を受けない改良された太陽電池にたいする需要が存在 する。

ル匪ｐ１上 本発明の第１の特徴によれば、光電池は層状の外因性半導体を持つ。この半導体 は、２つの重度にドープされた反対の極性を持つ層の間にはさまれて半導体の内 部にＰ−Ｎ接合を形成する実際上中性の基層を持つ層状の外因性の半導体を持つ 。この電池は、光子の放射が半導体に飛び込むときに、半導体に外部で発生され た電界をかけて、前記Ｐ−Ｎ接合の周りに形成された空乏領域を拡大するための 手段を含む。

本発明の第２の特徴によれば、太陽電池は、太陽光がその内部で電荷キャリヤを 発生する、軽度にドープされた半導体物質の基層を備えている。この基層は、第 １の極性であり、対向する入射面と捕集面を持つ。この入射面と捕集面の少なく とも１つは、接触領域およびノくイアスをかける領域を持つ。第１の極性の重度 にドープされた捕集層が、基層の捕集面に隣接して形成される。第２の極性−第 １の極性と反対−の重度にドープされた入射層が、基層の捕集面に隣接して形成 される。捕集層と入射層の少なくとも１つは、実際上前記基層の接触領域内に限 定されている。この太陽電池はまた、基層のノくイアスをかける領域に隣接し、 前記軽度にドープされた基層から前記重度にドープされた捕集層および入射層の 少なくとも１つに向う電荷キャリヤの動きを促進するようにバイアスがかけられ るエンハンスメント層を持つ。

１つの説明した実施例では、基層の接触領域は、ノくイアスをかける領域にたい して相対的に凹まされており、捕集層および入射層の少なくとも１つは、実際上 この凹陥された接触領域内に限定されている。

もう１つの説明した実施例では、上記した太陽電池のエンハンス層が、層状の金 属、酸化物、半導体ＣＭＯ８）構造である。このＭＯＳ構、造は、基層のバイア スをかける領域に隣接する誘電層と、この誘電層を覆う導電層を持つ。この導電 層は、鉛−酸化スズ合金の膜のような透明な導電膜でもよい。

さらにもう１つの説明した実施例では、基層の捕集面が接触領域とバイアスをか ける領域を持つ。これに代る１つの実施例では、基層の入射面が接触領域とバイ アスをかける領域を持つ。さらにもう１つの実施例では、基層の入射面が入射接 触領域と入射バイアス付加領域を持ち、基層の捕集面が捕集接触領域と捕集バイ アス付加領域を持つ。捕集バイアス付加領域の上に形成されるエンハンス層は、 層状のＭＯ８構造、多結晶シリコンのゲートまたは蒸着された金属のゲートなど から構成される。

本発明のさらにもう１つの芦徴によれば、太陽エネルギーを電気エネルギーに変 換する方法が提供される。この方法は、その内部において太陽エネルギーが電荷 キャリヤを発生させる層構造の外因性半導体物質を用意するステップを含む。こ の半導体は、２つの重度にドープされた反対の極性を持つ層の間にはさまれて半 導体の内部にＰ−Ｎ接合を形成する、実際上中性の基層を持つ。照射ステップで は、この半導体が太陽の光子放射の形の太陽エネルギーに当てられる。バイアス を加えるステップでは、光子の放射が半導体に飛び込んでいるときに、Ｐ−Ｎ接 合の周囲に形成される空乏領域を拡大して、基層から前記の重度にドープされた 層の１つに向う電荷キャリヤの動きを促進するために、外部で発生された電界が 半導体に加えられる。

本発明の全体的な目的は、太陽または他の光子エネルギーを電気エネルギーに変 換するための改良された太陽電池を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、既知の太陽電池よりも安定性および信頼性が高く、 寿命が長い太陽電池を提供す本発明のもう１つの目的は、再結合による効率の低 下がきわめて少ない改良された太陽電池を提供することである。　・ 本発明のさらにもう１つの目的は、既知の太陽電池よりも効率が高い太陽電池を 提供することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、低コストで製造することができる改良された 太陽電池を提供することである。

本発明は、上記の特徴と目的に全体としてまた個別に関係する。

本発明のこれらのおよびその他の目的、特徴、利点は、以下の説明と図面とから 、当業者には明らかになるであろう。

の　な−Ｂ 図１は、本発明の太陽電池の１つの構成の平面図である。

図２は、図１の線２−２に沿って取られた垂直断面の１部分の模式的な拡大図で ある。

図３は、本発明の別の太陽電池の１つの構成の垂直断面の１部分の模式的な拡大 図である。

図４は、本発明の太陽電池のもう１つ別の実施例の１つの構成の垂直断面の１部 分の模式的な拡大図である。

ましい　の−　な−日 図１および図２は、本発明にしたがって構成された、太陽または他の光源からの 光子のエネルギーＰを電気エネルギーに変換して電流、光電流■と呼ぶ、の形で 取り出すための進歩した太陽電池１０の実施例を図示している。本発明の太陽電 池の実施例は、従来の集積回路の製造技術と共に従来の太陽電池の製造技術を用 いて構成される。図２において、太陽電池１０は実際上中性の基層１２を含む。

基層１２は、真性半導体物質、すなわち、純粋すなわちドープされておらず同数 のホールと電子を持つ物質でよい。しかしながら好ましい実施例では、この基層 １２は、第１の極性たとえば正極性で軽度にドープしてＰ（−）領域を形成した 外因性半導体、すなわちホール（正電荷キャリヤ）の数が僅かに多い外因性半導 体である。半導体物質に軽度および重度にドープするということの意味およびそ の方法は、半導体のドーピングの技術分野に熟達した人々には知られている。

この基層は対向する第１と第２の表面を持ち、第１の表面を入射面１４とし、第 ２の表面を捕集面１６とする向きに形成されている。使用時には、太陽電池１０ は、入射面１４を光子Ｐの源に向けて置かれる。太陽電池１０の入射面１４は、 少なくとも１つの凹陥した入射接触領域１８を持つ。図２には、２つのこのよう な接触領域１８が示されている。入射面はまた、接触領域１８に隣接しかつそれ を取り囲む入射バイアス付加領域２０を持つＯ 重度にドープされた捕集層２２が、基層の捕集面１６に隣接して設けられている 。捕集層２２は、第１の極性を持つようにドープされた、すなわちＰ＋領域とな るよ゛うに正にドープされた外因性半導体である。この捕集層２２は、基層１２ と導電性物質により形成された捕集板すなわち捕集電極２４の間にはさまれてい る。捕集電極２４は、従来の捕集板でも捕集格子でもよい。太陽電池１０により 発生される光電流Ｉは、捕集電極２４によって集められ、電気的な負荷または蓄 電池群のような貯蔵デバイス（図示されていない）に供給される。

重度にドープされた入射層２６が、基層の入射面１４に隣接して設けられており 、実際上入射接触領域１８内に限定されている。この入射層２６は、第１の極性 と反対の第２の極性を持つようにドープされた外因性の半導体である。すなわち 、図示されている入射層２６は、負にドープして、電子（負電荷キャリヤ）の数 が上回るＮ“が形成されている。Ｎ″″入射層２６とｐ　（−１基層１２の境界 部は、この太陽電池の内部にＰ−Ｎ接合を形成する。このＰ−Ｎ接合は、実際上 凹陥した接触領域１８の壁によって範囲と形状が決められてる。さらに、層１６ ゜１２および２２のＮ”Ｐ’−’Ｐ＋サンドイッチは、相補形セル構造として知 られているものを構成する。

発生される電流のための太陽電池１０内を通る電流経路を完全に形成するために 、導電性物質からなる入射電極細片すなわち接触部２８が入射層２６に電気的に 結合され、オーム接触領域が形成される。電極２８は、入射層２６にたいして、 層２６が基層１２と電極２８の間にはさみ込まれるように、従来の方法で電気的 に結合してもよい。図１および２において模式的に図示されている負荷導体３０ は、電気的な負荷または蓄電池群（図示されていない）から入射電極２８への光 電流の帰路を完成させる。

太陽電池１０の効率は、外部電場を太陽電池に加えるための手段を含めることに よって、既知の太陽電池の効率よりも高めらねる。この外部電場を太陽電池に加 えるための手段は、基層の入射バイアシング領域２０に隣接するエンハンスメン ト層３２でもよい。１つの実施例では、エンハンスメント層３２は、バイアシン グ領域２０と入射層２６の一部を覆う絶縁誘電体層３４、たとえば酸化物層、を 持つ層状の金属、酸化物、半導体（ＭＯＳ）構造を含んでもよい。このようＭＯ Ｓ構造はまた、誘電体層３４を覆う導体層３６．たとえば金属層、を含む。

たとえば基層１２がシリコンの半導体材の場合は、誘電体層３４は２酸化ケイ素 （Ｓ＋Ｏｚ）にすることができる。好ましい実施例では、導体層３６は、たとえ ばスズ石（ＳｎＯ，）または鉛−酸化スズ合金の、透明な導体膜である。

エンハンスメント層３２は、バイアス付加導体３８（図１および２において模式 的に示されている）によって正の電圧源（図示されていない）に電気的に結合さ ベエンハンスメント層に正のバイアス（＋）が加えられる。

図示されているＮ”Ｐ（−１Ｐ“太陽電池１０のためのエンハンスメント３２の 正のバイアスは、軽度にドープされた基層から重度にドープされた捕集層および 入射層の少なくとも１つへの電荷キャリヤの動きを高める。エンハンスメント層 ３２は、図２において破線４０ａ、４０ｂおよび４０ｃにより示されているよう に、基層１２および入射層２６内に、従来の太陽電池における空乏領域よりも大 きい拡大された空乏領域４０を形成する。

空乏領域内では、正キャリヤのホールの数は、負キャリヤの電子の数にほぼ等し い。実際に、半導体にドープすることによって供給される超過の電荷キャリヤの 影響は、空乏領域内の反対の極性を持つ電荷キャリヤの存在によって打ち消され るすなわち減少せしめられる。半導体に外部で発生された電界をかけるためにエ ンハンスメント層３２にバイアスを加えると、従来の太陽電池において知られて いる数よりも多くの電荷キャリヤを空乏領域に引き込むことができる。Ｐ−Ｎ接 合の周囲に形成された拡大された空乏領域４０は、光子の放射が半導体に飛び込 んできたとき、以下にさらに説明するように、太陽電池１０の動作効率を高める 。

エンハンスメント層３２と入射電極細片２８の１つの可能な配置が図１に示され ている。たとえば、ＭＯ８構成の実施例を用い、エンハンスメント層３２をエン ハンスメント格子４２として、また入射電極細片２８を入射電極格子４４として 構成することができる。エンハンスメント格子４２の電流に対する非常に高い抵 抗が、入射電極格子４４から格子４２を電気的に分離する。入射電極細片２８は 、光電流バスパー４６により、すべて互いに電気的に結合されている。負荷導体 ３０は、バスパー４６を、捕集電極２４からの光電流■を受ける負荷または蓄電 池群（図示されていない）に結合する。同様に、エンハンスメント格子４２の部 分は、入射エンハンスメントバスバー４８により、すべて互いに電気的に結合さ れている。エンハンスメントバスバー４８は、バイアス付加導体３８により、正 のバイアス電圧源（図示されていない）に電気的に結合されている。

前述シたように、エンハンスメント格子４２の形成は、確立されたＬＳＩ（大規 模集積回路）製造技術、たとえばＭＯＳトランジスタを製造するために使用され る技術を用いることによって、行うことができる。たとえば、代表的な太陽電池 １０は、現在の技術によれば１．５インチから６インチまでの直径のものが可能 であるが、４インチのウェーハとして製造する。４インチ径のウェーハは、４５ ０ミクロンの全厚さを持ち、基層１２が３００〜４００ミクロンの厚さを持つで あろう。このような４インチ径のウェーハは、１つまたは複数の光電流バスパー ４６によりすべて互いに電気的に結合された数十個の入射電極細片２８を持つで あろう。同様に格子４２のエンハンスメント層３２は電極細片２８の間に差し入 れられた数十個の部分を含み、エンハンスメント層のこれらの部分はすべて、少 なくとも１つのエンハンスメントバスバー４８により、互いに電気的に結合され る。

同様の厚み寸法を持つ従来の太陽電池では、放射による性能低下（宇宙での使用 において、キャリヤの寿命を短くするガンマ線のせいである）が起こらないと仮 定すると、このような太陽電池は、１６０ミクロンのオーダーの少数キャリヤの 拡散距離を持つ。”キャリヤの寿命”という語は、電荷キャリヤ、電子またはホ ールのどちらでもよい、が半導体の格子中の反対の電荷キャリヤと再結合するま でに移動する時間を意味する。”拡散距離”という語は、電荷キャリヤが、その キャリヤの寿命の間に移動する距離を意味する。°このキャリヤの寿命は、物質 内部における電気力と共に、電荷キャリヤがその中を移動する物質の拡散しやす さに依存する。したがって、電荷キャリヤが再結合が起きる前に捕集電極２４に 集められ、集められた電荷キャリヤが電池の光電流出力に寄与するならば、太陽 電池の・効率を向上させることができるであろう。この効率の向上は、太陽電池 １０を以下に説明するように使用することによって理解される。

使用時には、たとえばＭＯＳ構造の実施例を用いるとき、正極性のバイアスがバ イアス付加導体３８によってエンハンスメント格子４２に加えられ、基層１２の 内部に外部電界がかけられる。格子４２を正電位にすることは、従来の太陽電池 のＰ−Ｎ接合を取り囲む空乏領域よりも厚い拡大された空乏領域４０を発生させ る。太陽電池１０を太陽または他の光子源に向けると、太陽電池に飛び込む光子 Ｐが、空乏領域４０に電子−ホール対を発生させる。

拡大された空乏領域４０は従来の太陽電池におけるよりも多数の電子を引き付け 、ずっと多数の電子がＰ＋捕集層２２に向けられる。したがって、より大きな空 乏領域４０は光電流■を増大させ、太陽電池１０の全体的な効率を従来の太陽電 池の効率よりも高くする。

このようにして、正にバイアスされたエンハンスメント層３２は、太陽電池の照 射される側から捕集電極２４に流れる負電荷キャリヤの数を、従来の太陽電池の それよりも増大させる。この電界により誘起される効果が、都合良く、太陽電池 の既知の太陽電池よりも高い効率を持つ太陽電池１０を提供する。太陽のスペク トルは、基層１２の内部で吸収が起こる範囲にかなりより多くのエネルギーを含 むので、この増大した効率も予期されるものである。吸収の範囲は、太陽のスペ クトルの範囲、具体的にはここで興味のあるＡＭＯおよびＡＭ２太陽スペクトル を意味する。ＡＭＯスペクトルは地球の大気圏外の宇宙環境における太陽の放射 に関し、ＡＭ２スペクトルは平均的な天候、大気および環境条件にたいする地球 の表面における太陽の放射に関する。本発明の太陽電池は地球環境および宇宙環 境の両方で使用してもよいので、ＡＭＯおよびＡＭ２太陽太陽スルトル方におけ る吸収の範囲を増やすことは特に有利である。

エンハンスメント層３２により加えられる外部電界は、分光応答、すなわち太陽 電池が受けたすべての光子の波長にたいする出力電圧を、従来の太陽電池の分光 応答よりも約２５％だけ向上させることが期待される。この分光応答の向上は、 本発明の太陽電池の短絡回路電流定格の他の既知の太陽電池の定格に比べて約２ ０％の増大になる。

エンハンスメント層３２により加えられる外部電界はまた、再結合により引き起 こされる太陽電池１０の性能の低下を極めて少なくできるか、実際上完全になく することができる。エンハンスメント層３２の下における表面再結合速度は、入 射層２６の内部における西回結合速度よりもずっと小さい。たとえば、Ｎ＋層２ ６内の表面再結合速度は１０’ｃｍ／秒のオーダーであろうが、エンハンスメン ト層３２の下の空乏域４０では、この速度は１００ｃｍ／秒のオーダーであろう 。このように、入射層２６をベースセル接触領域１８の内に限定することによっ て、Ｎ＋領域内の電荷キャリヤの再結合が好都合に減少する。具体的には、この 限定は、Ｎ＋層２６の内部における電荷キャリヤの水平方向の拡散とそれによる 再結合を減少させる。このことはより高い性能につながり、また太陽電池１０の 安定性、信頼性および寿命を著しく向上させる。

導電層３６にたいして透明な導電膜を使うこともでき、そうすることによっても また太陽電池１０の効率を向上させることができる。透明な導電膜３６は、導電 層３６に不透明な金属を使ったときに起きるような内部での吸収や反射がないの で、エンハンスメント層３２内での光子の損失を防ぐ。説明した実施例では、透 明な導電層３６に受けられたすべての光子は、それを通過して酸化物の層３４に 達する。さらに、光子Ｐの一部は、Ｎ４入射領域において、透明な被膜３６によ り影響を受ける。透明な層は、太陽電池に鋭角でぶつかる光子のより多くが反射 されずに透過する確率を増大させる。

図３には、本発明にしたがって構成された、光子のエネルギーＰを光電流Ｉに変 換するための進歩した太陽電池１０°の別の実施例が図示されている。太陽電池 １０’は実際上中性の基層５０を持ち、基層５０は真性半導体物質でよい。しか しながら基層５０は、基層１２にたいして上述したように、第１の極性たとえば 正極性で軽度にドープしてＰｌ−′領域を形成したものであることが好ましい。

基層５０は、それぞれ入射面５２および捕集面５４として向きづけられた対向す る第１と第２の表面を持つ。捕集面５４は、少なくとも１つの凹陥した捕集接触 領域５６と、隣接する捕集バイアス付加領域５８を持重度にドープされた入射層 ６０が、基層の入射面５４に隣接して設けられている。図示された実施例では、 入射層６０は、Ｎ“領域を形成するようにドープされ、第１の極性と反対の第２ の極性の外因性半導体である。Ｎ１入射層６０とＰ（−）基層５０の境界部は、 実際上基層の入射面５４によって画定されるＰ−Ｎ接合を形成する。

入射層６０は、基層５０と反射防止被覆層６２の間にはさまれている。従来の反 射防止被覆膜を使用できる。その代りに、被覆層６２は、導電層３６にたいして 上述したような、透明な導電膜でもよい。

太陽電池１０゛に順バイアスをかけて電池内の光電流の流れを促進するために、 少なくとも１つの電極細片すなわち接触部６４を持つ従来の入射側電極格子を用 いて、オーム接触領域を形成してもよい。図示の入射側の格子は、それぞれ入射 層６０に電気的に結合され、被覆層６２内に埋め込まれた複数の電極細片６４を 持つ。電極細片６４はすべて、入射光電流導体６６により、図３に模式的に示す ように互いに電気的に接続されている。太陽電池１０°に順バイアスをかけるた めに、導体６６は負電圧源（図示されていない）に結合される。

太陽電池１０’　は、Ｐ＋領域として図示された、重度にドープされた第１の極 性の捕集層７０を持つ。捕集層７０は、基層の捕集面５４に隣接して形成されて おり、実際上捕集接触領域５４の内部に限定されている。

２４の間にはさまれている。捕集電極２４は、従来の捕集板でも捕集格子でもよ い。太陽電池１０により発生される光電流Ｉは、捕集電極２４によって集められ 、電気的な負荷または蓄電池群のような貯蔵デバイス（図示されていない）に供 給される。

重度にドープされた入射層２６が、基層の入射面１４に隣接して設けられており 、実際上入射接触領域１８内に限定されている。図示した層６０．５０および７ ０のＮ”Ｐ’−’Ｐ＋サンドイッチは、相補形セル構造をしている。太陽電池１ ０’　により発生された光電流■を集めるためのオーム接触領域を形成するため に、捕集層７０に導電性物質の捕集電極細片または接触部７２が電気的に結合さ れている。電極細片７２は、従来のやり方で、捕集層７０を基層５ｏと電極７２ の間にはさむことにより、捕集層７０に電気的に結合されている。

図３に模式的に示されている負荷導体７４は、複数の電極細片７２の各々を互い に電気的に結合する。負荷導体７４は、また、発生された光電流Ｉを太陽電池１ ０゜から負荷または蓄電池群のような貯蔵デバイス（図示されていない）に供給 する。図示の実施例にたいしては、複数のコレクタ接触領域５６を、コレクタ電 極格子（図示されていない）を形成するように、基層５０内に配置してもよい。

この構成は、図１に示した入射電極格子４４と同じでよい。

太陽電池１０′の効率は、この太陽電池に外部電界をかけるための手段を含める ことにより、既知の太陽電池の効率よりも高くなる。この外部電界をかけるため の手段は、既知の基層の捕集バイアス付加領域５８に隣接するエンハンスメント 層７６でもよい。１つの実施例では、エンハンスメント層７６は、バイアスをか ける領域５８と捕集層７０の一部を覆う絶縁誘電体層７８．たとえば酸化物層を 持つ層状の金属、酸化物、半導体（ＭＯＳ）構造から構成されていてもよい。こ のＭＯ９構造はまた、誘電体層７８を覆う導電性物質の導電層８０を持つ。バイ アス付加導体８２は導電層８０に電気的に結合されている。太陽電池１０’　の エンハンスメント層７６の配置は、図１に示したエンハンスメント格子４２の配 置と同じでよい。

さらに他の実施例では、捕集エンハンスメント層７６は、多結晶シリコンのゲー トまたは蒸着金属のゲートでもよい。これらはどちらも従来の製造技術を用いて 製造できる。エンハンスメント層によって行われるオン／オフのゲート方式の機 能はないということに注意されたい。

むしろ、”ゲート”という語は、ここでは、既知のゲートに似た１つの構成、こ の構成はエンハンスメント層として機能する、についてのアイデアを伝えるため に使われている。

太陽電池１０′は、エンハンスメント層７６に適宜にバイアスをかけるときは、 アバランシェ（雪崩）に近い状態のもとで、すなわちＮ“ｐ　＋−１接合の降伏 限界の近くで動作するようにドープしてもよい。近アバランシェ動作の条件は、 使用する半導体の型に依存して経験的に決められる。たとえば、基層５０内のド ープを注意深く制御することにより、導体８２によりエンハンスメント層に供給 される負のバイアスを調節して、この効率的な近アバラシエ動作を行わせること ができる。

動作時には、エンハンスメント層７６は導体８２によって供給される負電圧で負 にバイアスして、エンハンスメント層をエンハンスメントモードで働かせる。エ ンハンスメントモードは、基層５０および入射層６０内に、破線８４ａ、８４ｂ および８４ｃにより示すような、空乏領域を発生させる。この従来の太陽電池に おける空乏領域よりも大きい拡大された空乏領域８４は、図２の実施例の空乏層 ４０にたいして上述したような働きをして、太陽電池の効率を高める。

たとえば、拡大された空乏領域８４は、キャリヤの寿命が短かくなった場合でさ えも、より多くの電荷キャリヤの捕集を可能にする。このことは、太陽電池１０ ’　の効率を、従来の太陽電池の効率よりも向上させる。さらに、Ｐ＋捕集層７ ０を基層の接触領域５６内に閉じ込めることによって、従来の太陽電池において 発生するような水平方向の再結合に起因するキャリヤの損失を減少させる。した がって、捕集層の閉じ込めは太陽電池１０’の効率をさらに向上させる働きをす る。

図４には、本発明にしたがって構成された、太陽または他からの光子のエネルギ ーＰを光電流■に変換するための、進歩した太陽電池１０”の第３の実施例が図 示されている。太陽電池１０”は実際上中性の基層９０を持ち、基層９０は真性 半導体物質でよい。しかしながら基層９０は、軽度にドープした外因性の半導体 が好ましい。

図示した実施例は相補形セル構造であり、基層９０がＰ（−）領域から形成され るように第１の極性が正に選択されている。

基層９０は対向する第１と第２の表面を持ち、第１の表面は入射面９２として向 きづけられている。入射面９２は凹陥された入射接触領域９４と、隣接する入射 バイアス付加領域９６を持つ。基層９０の第２の表面は、凹陥された捕集接触領 域１００と、隣接する捕集バイアス付加領域１０２を持つ捕集面９８である。基 層９０は複数の入射接触領域９４および捕集接触領域１００を持つことが好まし い。

重度にドープされた第２の極圧の入射層１０４−ここではＮ＋領領域形成するよ うにドープされている−は、実際上入射接触領域９４内に閉じ込められている。

Ｎ＋入射層１０４とｐ　！−１基層５０の境界部は、この太陽電池１０“の内部 に、実際上凹陥された入射接触領域９４の壁によって形が決められたＰ−Ｎ接合 を形成する。入射電極細片すなわち接触部１０６が、オーム接触領域を構成して いる入射層１０４に電気的に接続されている。

この入射電極細片１０６は、図１の入射電極格子４４と同じように構成すること ができる。図４において模式的に示されている負荷導体１０８は、電極細片１０ ６に電気的に結合されている。導体１０８は、太陽電池１０”によって電力が供 給される負荷または貯蔵デバイス（図示されていない）からのリターンバス（回 路の戻り経路）を構成する。

太陽電池１０”は、この太陽電池に外部電界をかけるための手段を持つ。この手 段は、基層の入射バイアス付加領域９６に隣接して形成された入射エンハンスメ ント層１１０を含む。エンハンスメント層１１０は、図１に示すエンハンスメン ト格子４２と同じ様に構成してもよい。１つの実施例では、エンハンスメント層 １１０は、入射バイアス付加領域９６と入射層１０４の一部分を覆う誘電体層１ １２、たとえば酸化物の層、を持っ層状のＭＯ９Ｏ９構造構成されていてもよい 。このエンハンスメント層１１．０はまた、誘電体層１１２を覆う導電層１１４ を含む。このＭＯ３構造をエンハンスメントモードで働かせるために、バイアス 付加導体１１６を介して導電層１１４に正のバイアスを加える。

太陽電池に外部電界をかけるための太陽電池１０”の手段はまた、重度にドープ された第１の極性の捕集層１２０、ここではＰ＋領域を形成するようにドープさ れている、を含む。捕集層１２０は、実際上基層９０の捕集接触領域１００の内 部に閉じ込められている。捕集層１２０には、捕集電極細片すなわち接触部１２ ２が電気的に結合され、オーム接触領域が形成されている。電極１２２は、図４ に模式的に示した負荷導体１２３を介して、捕集層１２０を負荷または貯蔵デバ イスに結合する。複数の捕集電極１２２を、図１の入射電極格子４４のように配 置してもよい。

太陽電池１０”はまた、基層９０の捕集バイアス付加領域１０２に隣接する捕集 エンハンスメント層１２４を持つ。エンハンスメント層１２４は、図１に示され ているエンハンスメント格子４２のように構成することができる。１つの実施例 では、捕集エンハンスメント層１２４は、捕集バイアス付加領域１０２と捕集層 １２０の一部分を覆う絶縁誘電体層１２６、たとえば酸化物の層、を持つ層状の ＭＯ８構造でもよい。ＭＯ８構造の実施例はまた、誘電層１２６を覆う導電層１ ２８を持つ。このＭ　ＯＳ構造の実施例は、図３の実施例に関して上述したよう に構成してもよい。さらにもう１つの実施例では、捕集エンハンスメント層１２ ４は、図３の太陽電池１０’のためのエンハンスメント層７６について上述した ように、多結晶シリコンゲートまたは蒸着金属ゲートでもよい。

使用時には、エンハンスメント層１１０と１２４は、電池をエンハンスメントモ ードで動作させるために、バイアスされる。捕集エンハンスメント層１２４には 、導体１３０を介して、負のバイアスが力司フられる。このバイアスは、隣接す る捕集領域１００の間の基層９０内に、破線１３２ａで示される捕集空乏領域１ ３２を発生させる。入射エンハンスメント層１１０には、導体１１６を介して、 正のバイアスがかけられ、基層９０および入射層１０４の内部に入射空乏層１３ ４ができる。入射空乏領域は、破線１３４ａ、１３４ｂおよび１３４Ｃにより示 されている。空乏領域１３２と１３４は、前述したように、従来の太陽電池にお いて捕集されるキャリヤよりも多くのキャリヤが再結合する前に捕集されること を可能にすることによって、太陽電池の性能を向上させる。

図４の太陽電池１０”の製造は、従来の両面ウェーハ処理を用いて行うことがで きる。両面ウェーハ処理は、アプリケーションによっては、より経済的である。

我々の発明の原理を幾つかの好ましい実施例に関して説明したので、この分野の 当業者には、我々の発明が、この原理から逸脱することなく構成や細部において いるいろに変更可能であることは明らかであろう。たとえば、太陽電池に外部電 界をかけるために他の適宜なエンハンスメント層を使用したり、ゲルマニウムの ような他の半導体を使用したりすることができる。

さらに、Ｎ“Ｐ（−）Ｐ＋領域を持つ相補形太陽電池構造を説明したが、Ｐ　” Ｎ　−Ｎ　”領域を持つ太陽電池も、エンハンスメント層に上述したのと反対に バイアスをかけることにより使用できる。捕集接触領域および入射接触領域の他 の構成、たとえば図４に示した対向する捕集接触領域および入射接触領域を相対 的にジグザグにした構成なども可能である。我々は、以下の請求の範囲と精神に 含まれるすべてのこのような変形を請求する。

亜坊童 知られている従来の太陽電池よりも高い効率を持つ先進的な太陽電池（１０；１ ０’　；１０”）、太陽エネルギー（Ｐ）の電気エネルギー（Ｉ）への変換を促 進するために外部の電界を利用する。この電池は、相対向する入射面と捕集面（ １４−１６，５２−５４，９２，９８）を持つ軽度にドープされた基層（１２； ５０；９０）を含む層状の外因性半導体を持ち、入射面と捕集面の少なくとも１ つは、バイアスをかける領域（２０；５８；９６；１０２）の間に差し込むよう に配置された。凹陥された接触領域（１８；５６；９４，１００）を持つ。基層 は、２つの反対にかつ重度にドープされた層（２２゜２６：６０，７０；１０４ ，１２０）の間にはさまれている。この２つの重度にドープされた層の少なくと も１つは、実際上凹陥された接触領域の内部に限定されている。バイアスをかけ る領域の上には、バイアスが加えられる、たとえば層状のＭＯＳ構造のエンハン スメント層（３２，７６，１１０，１２４）が形成される。導電性の物質の透明 な層（３６；６２；１１４）を、重度にドープされた層の１つの上に形成しても よいし、構造の一部として形成してもよい。太陽エネルギー（Ｐ）を電気エネル ギー（１）に変換する１つの方法が提供される。

？ｆｉ″ＥＩＦＯＩＩＥゞ”８１　− （特許法１８４条の７第１卯 平成５年　１月　４日

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．２つの重度にドープされた反対の極性を持つ層の間にはさまれて半導体の内 部にＰ−Ｎ接合を形成する実際上中性の基層を持つ層状の外因性の半導体と、光 子の放射が前記半導体に飛び込んでいるときに、前記半導体に外部で発生された 電界をかけて、前記Ｐ−Ｎ接合の周りに形成された空乏領域を拡大するための手 段を含む光電池。
2. ２．前記半導体が、軽度にドープされた、第１の極性の、対向する入射面と捕集 面を持つ基層を含み、入射面と捕集面の１つがバイアスがかけられる領域に隣接 する凹陥された接触領域を持ち、２つの重度にドープされた層の１つが前記基層 の捕集面に隣接して形成された第１の極性の捕集層を含み、さらに２つの重度に ドープされた層の他方が前記基層の捕集面に隣接して形成された第２の極性の入 射層を含み、前記捕集層と入射層の１つが実際上基層の接触領域内に限定されて いる、請求項１による光電池。
3. ３．前記半導体に外部で発生された電界をかけるための手段が、前記基層のバイ アスをかける領域に隣接したエンハンスメント層を含む、請求項２による光電池 。
4. ４．その内部において太陽エネルギーが電荷キャリヤを発生させる軽度にドープ された半導体物質からなる基層、ただし該基層は第１の極性であり対向する入射 面と捕集面を持ち、前記表面の少なくとも１つが接触領域とバイアスをかける領 域を持つ、 前記基層の捕集面に隣接する、重度にドープされた、第１の極性の捕集層、 重度にドープされた、前記第１の極性と反対の第２の極性を持つ入射層、ただし 該入射層は前記基層の捕集面に隣接している、 前記捕集層および入射層は、実際上前記基層の接触領域に限定されており、そし て 前記基層のバイアスをかける領域に隣接し、前記軽度にドープされた基層から前 記重度にドープされた捕集層および入射層の少なくとも１つに向う電荷キャリヤ の動きを活発にするエンハンスメント層 を含む太陽電池。
5. ５．前記基層の接触領域が前記バイアスをかける領域に対して相対的に凹陥され 、少なくとも前記捕集層および入射層の少なくとも１つが実際上前記凹陥された 接触領域の内部に限定されている、請求項４による太陽電池。
6. ６．前記エンハンスメント層が、前記基層のバイアスをかける領域に隣接する誘 電層と、前記誘電層を覆う導電層を持つ層状の金属酸化物半導体（ＭＯＳ）構造 により構成される請求項４による太陽電池。
7. ７．前記導電層が透明な導電膜である、請求項６による太陽電池。
8. ８．前記透明な導電膜が、鉛−酸化スズ合金である、請求項７による太陽電池。
9. ９．前記第１の極性が正であり、前記第２の極性が負である請求項４による太陽 電池。
10. １０．前記基層の入射面が、接触領域とバイアスをかける領域を持つ請求項４に よる太陽電池。
11. １１．前記捕集面が、接触領域とバイアスをかける領域を持つ請求項４による太 陽電池。
12. １２．前記基層が、前記エンハンスメント層がアバランシェ動作を起こさせるの に十分なだけバイアスされているとき、前記基層と前記捕集層との境界において 近アバランシェ状態の動作を可能にするのに十分なドーピングレベルを持つ、請 求項１１による太陽電池。
13. １３．前記捕集面のバイアスをかける領域に隣接する前記エンハンシング層が、 多結晶シリコンのゲートから成る、請求項１１による太陽電池。
14. １４．前記捕集面のバイアスをかける領域に隣接する前記エンハンシング層が、 蒸着された金属のゲートから成る、請求項１１による太陽電池。
15. １５．前記入射面が入射接触領域と入射側バイアス付加領域を持ち、 前記捕集層が捕集接触領域と捕集側のバイアス付加領域を持ち、 入射層は実際上前記入射接触領域の内部に限定されており、 捕集層は実際上前記捕集接触領域の内部に限定されており、 前記エンハンシング層は、前記入射バイアス付加領域に隣接する入射エンハンシ ング層を含み、そして太陽電池がさらに捕集バイアス付加領域に隣接する捕集エ ンハンシング層を含む、 請求項４による太陽電池。
16. １６．下記のステップを含む、太陽のエネルギーを電気エネルギーに変換する方 法： その内部において太陽エネルギーが電荷キャリヤを発生させる層状の外因性半導 体物質を用意すること、前記半導体は、２つの重度にドープされた反対の極性を 持つ層の間にはさまれて半導体の内部にＰ−Ｎ接合を形成する，実際上中性の基 層を持つ； 前記半導体を太陽の光子放射の形の太陽エネルギーに当てること；および 前記Ｐ−Ｎ接合の周りに形成される空乏領域を拡大し、光子放射が前記半導体に 飛び込むときに、前記軽度にドープされた基層から前記重度にドープされた層の １つに向う電荷キャリヤの動きを促進するために前記半導体に外部で発生された 電界をかけること。
17. １７．前記用意するステップが、前記２つの重度にドープされた層の少なくとも １つの１部分に隣接するエンハンスメント層を持つ半導体を用意するステップを 含み、前記加えるステップが、外部で発生された電界を前記半導体にかけるため に、１つの電圧で前記エンハンスメント層をバイアスするステップを含む、請求 項１６による方法。
18. １８．前記用意するステップが、前記２つの重度にドープされた層の１つの１部 分に隣接する第１のエンハンスメント層と、前記２つの重度にドープされた層の 他方の１部分に隣接する第２のエンハンスメント層を持ち、そして 前記加えるステップが、前記外部で発生された電界を前記半導体にかけるために 、前記第１のエンハンスメント層を前記第１のエンハンスメント層に隣接する重 度にドープされた層のそれと極性が反対の電圧でバイアスするステップと、前記 第２のエンハンスメント層を前記第２のエンハンスメント層に隣接する重度にド ープされた層のそれと極性が反対の電圧でバイアスするステップを含む、 請求項１６による方法。