JPH0656896B2 - 改善された電気接続部を有する太陽セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 １．発明の分野 本発明は一般に太陽セルに関し、特に改善された電気的
および機械的特性を有する前面接続部を備えた太陽セル
に関する。

２．関連技術の説明 通常のヒ化ガリウム（Ｇa Ａs ）太陽セルは、ヒ化ガリ
ウム放射層上に重なっているヒ化アルミニウムガリウム
ウインドウ層を有する半導体から成り、それはヒ化ガリ
ウムベース（バッファ）層上に重なる。ウインドウ層お
よびエミッタはＮ型またはＰ型のいずれかであり、一方
ベースは反対の導電型のＰ型またはＮ型のいずれかであ
る。Ｎ−ＰまたはＰ−Ｎ半導体接合は、エミッタとベー
ス層との間に設けられている。エミッタ層は、ウインド
ウ層の隣りに受光前面および背面であるベース層を有す
る。光エネルギがセルの受光前面に当たるとき、電子お
よび対応したホールはエミッタおよびベースの両方に生
成される。大部分において半導体接合部の存在のため、
電子はセルの一方の主面に方向付けられ、ホールは他方
の主面に方向付けられて光電流密度を生じる。典型的な
Ｐ−Ｎ接合太陽セルにおいてホールはセルの受光前面に
移動し、電子は背面に移動する。金属接続部は、一方の
接続部で電子を集め、他方の接続部でホールを収集する
ために太陽セル半導体の前面および背面に対して設けら
れる。

太陽セルをより実効的にするため少なからぬ努力が払わ
れてきた。太陽セル上の電気接続部は太陽セル全体の効
率に影響を与えるため、産業的に重要な領域である。金
属半導体境界における電子またはホールの再結合および
金属接続部と半導体との間の接続抵抗は、共に高い効率
の太陽セルを得るために最少に保たれなければならな
い。さらに前面電気接続部は、外部接続が強い相互結合
を形成するように高温で溶接またははんだ付けによって
固定されることのできる領域上に設けられなければなら
ない。

ヒ化ガリウム太陽セルに対して前面接続部は、グリッド
ラインおよびオーム接続バーを含む。グリッドラインは
半導体から電荷キャリアを収集するための手段を提供
し、オーム接続バーは他の太陽セルから相互結合する電
気ワイヤが溶接されることのできる領域を提供する。通
常グリッドラインおよびオーム接続バーは直接ヒ化アル
ミニウムガリウムウインドウ層上に設置されている。し
かしながら金属接続部とウインドウ層との間の低い抵抗
接続を実現することは難しい。これはヒ化アルミニウム
ガリウムが酸化し易い傾向があり、金属とヒ化アルミニ
ウムガリウムとの間の高い障壁のためである。

その代わりに溝が、エミッタ層の選択的な部分を露出す
るようにウインドウ層を通してエッチングされてもよ
い。亜鉛を含む合金から成るグリッドラインおよびオー
ム接続バーがエミッタ層に対して直接電気接続するよう
に溝に設けられる。半導体上に製造された接続部はエミ
ッタに対して低い抵抗接続を行なう。しかしながら相互
結合部のオーム接続バーに対する高温溶接またははんだ
付けは金属接続部から亜鉛をエミッタ層および半導体接
合区域中へ放散させ、セルの効率を低下させる。

発明の要約 したがって本発明の目的は、低い接続抵抗および優れた
機械的完全性を備えた電気接続部を有する太陽セルを提
供することである。

本発明の目的は、さらに別の改善された効率を有する太
陽セルを提供することである。

上記の目的によると本発明の太陽セルは１つ以上の端部
と、本質的に平行な前面および背面の２つの主面とを有
する半導体を含み、半導体材料の３つ以上の層は表面の
ヒ化アルミニウムガリウムウインドウ層と、真中のヒ化
ガリウムエミッタ層と、および背面のヒ化ガリウムベー
ス層とを有する。背面の金属接続部はセルの背面を被覆
する。前面は、端部に隣接する平坦な金属片と、金属片
の近くに設置された平坦な導電バーと、電気的に平坦な
金属片を平坦な導電バーに結合している１つ以上の金属
ブリッジと、および複数の金属接続ラインとを含む表面
金属接続部によって被覆されている。金属接続ラインは
露出された前面を横切り、ヒ化アルミニウムガリウムウ
インドウ層を通って垂直に延在し、電流を集めるために
エミッタ層に対して電気接続を行なう。導電バーは金属
接続ラインに交差して電気接続を行なっている。したが
って他のセルからの相互結合が、平坦な金属片に対して
半導体の反応領域と接続している金属接続ラインを過剰
に加熱することなしに、溶接またははんだ付けされるこ
とができる。

さらに本発明の他の目的、実効性および特徴は、添付さ
れた図面と以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明
から容易に明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 第１ａ図は本発明の原理による太陽セルの平面図であ
り、 第１ｂ図は第１図ａのライン1b−1bに沿った断面図であ
り、 第２図は本発明の他の実施例を示す太陽セルの平面図で
あり、 第３図は本発明の原理による好ましい方法で製造された
太陽セルを示し、第１ａ図のライン３−３に沿った断面
図である。

第１図乃至第３図は正確なスケールで図示されていない
ことが理解される。

好ましい実施例の説明 第１ａ図および第１ｂ図を参照すると半導体20を有する
太陽セル10が示されており、半導体は第１の対で向合っ
て実質的に平行な側面21および22と、第１の対の側面21
および22と実質的に垂直な向合って実質的に平行な第２
の対の側面23および24とを有し、さらに平行な前面26お
よび背面27をそれぞれ有する。半導体20は不純物ドープ
半導体材料の３つ以上の層31,33 および36を有する。上
部層31はヒ化アルミニウムガリウムウインドウ層であ
り、ｐ導電型またはｎ導電型のいずれかである。ウイン
ドウ層31に隣接する層はエミッタ層33であり、ウインド
ウ層31と同じ導電型の層である。エミッタ層33はヒ化ガ
リウム半導体材料から成る。ベース層36はエミッタ層33
に隣接しており、エミッタ層33と反対の導電型であり、
ｎまたはｐ導電型のいずれかであってヒ化ガリウムから
成る。ｎ−ｐ接合35はエミッタ層33とバッファ層36との
間に位置している。

本質的に平行な複数の金属接続ライン40は、対向する側
面21と22と間において前面26を縦方向に横切り本質的に
側面23および24に平行である。これらの接続ライン40
は、側面22の端部付近から側面21から僅かの距離まで延
在している。金属ライン40はまたヒ化アルミニウムガリ
ウム層31を通ってエミッタ層33の前面34と接続するよう
に延在する。接続ライン40は本質的に同じ幅であり、典
型的には15乃至25ミクロンである。

導電材料から成る平坦な金属片50は前面26上に設けられ
ている。平坦な金属片50は半導体20の側面21に隣接して
いる。この金属片50は、例えば典型的には1000Åの厚さ
の金・亜鉛層とこの金・亜鉛層上に設けられた典型的に
は40000 Åの厚さである銀層とから成る薄い金属層であ
る。平坦な金属片50は形状では典型的に直方形であり、
また第１図に示されているように側面21と同じ長さであ
ってよい。金属片50の幅（ディメンションＡ）は典型的
に約0.03インチであり、この長さは例えば溶接またはは
んだ付けされるワイヤの結合に十分である。金属接続ラ
イン40の端部と金属片50との間には間隔がある。

前面26上の平坦な導電バー60は、金属接続ライン40を横
切る。平坦なバー60は金属片50に本質的に平行であり、
金属片50から僅かに間隔を付けられ、例えばこれは典型
的には約0.02乃至0.05インチである。平坦な導電バー60
は金属接続ライン40に電気的接続されている。導電バー
60は金属性で典型的には約0.01乃至0.02インチ幅の薄い
直方形の形状層であり、例えば金と亜鉛と銀の合金から
構成されてもよい。

前面26上に設けられた金属ブリッジ70は、平坦な金属片
50を平坦な導電バー60に電気的に結合する。３つのブリ
ッジ70が第１ａ図に示されているが、３つより多い、或
いはもっと少ないブリッジが使用されてもよい。

オーム接続部80は背面27上に設けられており、典型的に
は太陽セルの背面27全体を被覆する。

太陽セルは、平坦な金属片50を熱感応性エミッタ層33に
隣接している金属接続ライン40から分離させる。したが
って外部接続部を平坦な金属片50に溶接するために高い
溶接温度が使用されても金属接続ライン40を過剰に加熱
することなく、それによってその下の半導体20に対する
ダメージを回避している。

本発明による太陽セルの別の実施例が第２図に示されて
いる。第１ａ図および第１ｂ図の実施例における部品と
それぞれ同じまたは類似の第２図の実施例における部品
は、第１ａ図および第１ｂ図におけるそれらの対応した
部品の参照番号の頭に“１”を加えた下の２桁が同じ参
照番号で示されている。上記の実施例と同様にこの太陽
セルは半導体、平坦な金属片150 、平坦な導電バー160
、および導電バー160 を平坦な金属片150 に電気的に
結合している金属ブリッジ170 を含む。しかしながら導
電バー160 は、太陽セルの前面126 の一部分だけを横切
って延在する。第１の複数の隣接して実施的に平行な金
属接続ライン140 は、前面26の中央領域を側面122 の付
近から平坦な金属片150 から僅かな距離まで縦方向に通
過している。第２の複数の金属接続ライン141 は、前面
126を側面122 の付近から平坦な金属片150 まで金属片
150 の僅か下方に延在する。これら接続ライン141 は、
中央領域に隣接する前面の外側領域に設けられている。
文字Ｂで示された平坦な金属片150 の領域は、第１の複
数の金属ライン140 および第２の複数の金属ライン141
のどちらとも直接接続されてはいない。高い温度の溶接
が金属接続ライン140 およ141 を過剰に加熱することの
ないように、この領域上で実行されてもよい。結果とし
て改善された特性および機械的安定性を有する太陽セル
が提供される。さらに本発明を使用する太陽セルは比較
的低コスト、高い生産性で製造される。

好ましい方法にしたがって製造された太陽セル10が第３
図に示されている。第１ａ図および第１ｂ図の実施例に
おける部品とそれぞれ同じまたは類似した第３図の実施
例における部品は、第１ａ図および第１ｂ図におけるそ
れらの対応した部品の参照番号の頭に“２”を加えた下
２桁が同じ参照番号で示されている。

半導体220 の製造は技術的によく知られており、文献
（Ｊ．Ｅuan ，Ｇ．Ｓ．ＫamathおよびＲ．Ｐ．Ｋnecht
liによる“Ｌarge Ａrea Ｇa Ａl Ａs ／Ｇa Ａs
Ｓolar Ｃell Ｄevelopment”第11回Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．
光起電専門委員会の会議記録第409 号（1975）、および
Ｇ．Ｓ．Ｋamath，Ｊ．Ｅuan およびＲ．Ｋnechtli に
よる“Ｈigh Ｅfficiency and Ｌarge Ａrea Ｇa Ａl
Ａs Ｇa Ａs Ｓolar Ｃell”第12回Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．
光発電専門委員会の会議記録第929 号（1976）に示さ
れ、ここで参照されている。Ｐ−Ｎ−Ｎ⁺ ヒ化ガリウム
太陽セルの製造は、約１乃至３×10^{1 8} ／cm³ の濃度を
有するＮ⁺ 導電型ドープウェハ基体213 を設けることか
ら始まる。ゲルマニウムまたはシリコンが代替として使
用されてもよいが、基体層213 はヒ化ガリウムであると
よい。Ｎ型ドーパントはテルル、シリコンまたは錫でよ
く、また基体としての典型的な厚さは例えば約300 ミク
ロンである。

典型的に約５乃至10ミクロンの厚さであるＮ型ヒ化ガリ
ウムの層237 は、Ｎ⁺ ヒ化ガリウム層213 の上部に成長
される。テルル、シリコンまたは錫でよいＮ型不純物を
含む層237 は、典型的に２乃至４×10^{1 7} ／cm³ の濃度
を有する。

次にヒ化アルミニウムガリウム層231 がＮ型層237 上に
形成される。ヒ化アルミニウムガリウム層231 は、１乃
至×10^{1 8} ／cm³ の典型的な濃度の例えばベリリウムま
たは亜鉛のようなＰ型ドーパントでドープされる。ヒ化
アルミニウムガリウム層231 を設けた後、この層からの
Ｐ型ドーパント（ベリリウム原子のような）がＮ層237
中に拡散し、ヒ化アルミニウムガリウム層231 に隣接し
た層237 （エミッタ層）の薄い層233 をｐ型に変換する
層233 は典型的に例えば0.3 乃至0.5 ミクロンの厚さを
有する。薄いエミッタ層233 の形成後、層236 として示
された層237 の残りの部分は半導体220 のベース層を形
成する。ヒ化アルミニウムガリウム層231 は約１×10
^{1 8} 個の原子を含み、典型的には例えば約0.1 乃至0.5
ミクロンの厚さで成長される。

半導体が製造された後、背面接続部280 は背面227 上の
金、ゲルマニウム、ニッケル、銀の合金を蒸着して金属
接続部280 と半導体材料との間に良好なオーム接続部を
形成するように焼成することによって形成される。

任意のステップとして１つ以上の反射防止被覆がヒ化ア
ルミニウムガリウムウインドウ層231 上に付着されても
よい。それぞれ酸化アルミニウムおよび酸化チタニウム
である２つの反射防止被覆が使用されてもよい。その代
わりとして例えば窒化シリコンＳi ₃ Ｎ₄ または酸化タ
ンタルＴａ₂ ＯO₅ のいずれかより成る単一の反射防止
被覆が使用されてもよい。ただし図を簡単にするために
反射防止被覆は第３図に示されていない。

次のステップにおいて、典型的には６ミクロンの厚さの
厚いフォトレジストマスク（図示されてはいない）は、
表面226 に露出されたヒ化アルミニウムガリウム層231
（またはもしあれば、その上の反射防止被覆）上に設け
られる。フォトレジストは金属接続ライン240 のための
所望のパターンで露出される。溝243 はヒ化アルミニム
ガリウム層231 を通してエミッタ層233 の前面234 まで
エッチングされる。溝243 の幅は例えば典型的には10乃
至20ミクロンである。

同じフォトレジストマスクは、金属片250 、導電バー26
0 および金属ブリッジ270 のためのヒ化アルミニウムガ
リウムウインドウ層231 の露出表面226 を通る第２の残
された開口（示されていない）を露出する。金と亜鉛の
合金である薄い層245 は約700 乃至1000Åの厚さまで溝
243 および露光表面226 に対する解放領域中にスパッタ
リングされ、その後銀被覆246 が金属接続ライン240 、
平坦な金属片250 、導電バー260 および金属ブリッジ27
0 を形成するために４マイクロメータの厚さに電子ビー
ム蒸着される。過剰な金属はリフト・オフで除去されて
パターン化された金属が焼結される。

接続ライン240 、導電バー260 、金属ブリッジ270 およ
び平坦な金属片250 を含む表面の金属は他の技術によっ
て製造されてもよい。薄いフォトレジストマスクは約２
マイクロメータの厚さでヒ化アルミニウムガリウム層23
1 の露出された前面226 上に設けられる。薄いフォトレ
ジストの使用は、多数回の露光中の破損を最少にするも
のである。フォトレジストは金属接続ライン240 のため
のパターンを生成するようにはじめに露光される。約５
乃至10ミクロンの幅である溝243 は、ヒ化アルミニウム
ガリウム層231 を通ってエミッタ層233 の前面234 まで
エッチングされる。フォトレジストは金属片250 、導電
バー260 および金属ブリッジ270 用のパターンを提供す
るように２番目に露光される。例えば亜鉛、金および銀
のような合金は、約1000乃至2000Åの厚さでパターン上
に設けられる。過剰な金属はその後リフト・オフで除去
される。

次のステップにおいて金属グリッドラインは、典型的に
は５乃至10マイクロメータの厚さに銀でメッキされる。
その後金属は焼結される。

本発明は、特に図示された実施例を参照して示され説明
されてきた。しかしながら当業者に明らかである種々の
変化および修正は本発明の技術的範囲に含まれるもので
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゼムリチ，デイター・ケイ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 91326，ノースリツジ，グランダ・サーク ル 18927 (56)参考文献 特開 昭57−204181（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−112954（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭59−43102（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の導電型の半導体材料の第１の層と、
   その間において半導体接合部を形成する前記第１の層の
   上に設けられた反対の導電型の第２の半導体材料の第２
   の層とを備え、第１の層および第２の層は本質的に平行
   で前記半導体接合部に平行である第１および第２の主面
   を有し、 さらに、前記第２の主面上に設けられ、前記第２の主面
   に平行な露出された前面を有し、さらに前記第２の層ま
   で垂直方向に延在する複数の溝を有する前記第２の導電
   型のヒ化アルミニウムガリウム半導体材料の層と、 金属接続ラインを形成するために、前記溝に充填されて
   前記第２の層と電気的に接続された導電材料とを具備し
   ている太陽セルにおいて、 前記露出された前面上に前記溝と交差して溝に対して横
   断方向に設けられ、溝中の前記導電材料と電気的に接続
   されている平坦な導電バーと、 この平坦な導電バーおよび前記溝から間隔を隔てて前記
   露出された前面上に設けられている平坦な導電片部材
   と、 前記導電バーを前記接続片に電気的に接続する１つ以上
   の導電ブリッジ部材とを具備していることを特徴とする
   太陽セル。
2. 【請求項２】前記第１の導電型はＮ型であり、前記第２
   の導電型はＰ型である請求項１記載の太陽セル。
3. 【請求項３】前記第１の導電型はＰ型であり、前記第２
   の導電型はＮ型である請求項１記載の太陽セル。
4. 【請求項４】前記複数の溝は本質的に互いに平行である
   請求項１記載の太陽セル。
5. 【請求項５】前記平坦な金属バーおよび前記平坦な導電
   片部材は前記前面を横切って互いに平行であり、また前
   記溝に充填された導電材料によって形成された金属接続
   ラインは前記平坦な金属バーに垂直である請求項４記載
   の太陽セル。