JPH10510097A

JPH10510097A - バイパス・ダイオードで保護された多層太陽電池

Info

Publication number: JPH10510097A
Application number: JP8517202A
Authority: JP
Inventors: マーティンアンドリューグリーン; ステュワートロスウェンハム
Original assignee: パシフィックソーラーピーティーワイリミテッド
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1995-12-08
Publication date: 1998-09-29
Also published as: EP0796508A4; EP0796508A1; WO1996018213A1; AU4168196A; AUPM996094A0; AU700200B2; US5990415A

Abstract

(57)【要約】バイパス・ダイオードを備えた多層太陽電池は、多数の整流光起電接合（１５、１６、１７、１８）を形成するため配置されたｐ型とｎ型の交互の半導体層（１０、１１、１２、１３、１４）から成る積層を含む。下の層との接触は全活動層を貫いて下に伸びる溝から成る埋め込み接点構造を通して行なわれ、各溝の壁には、各接点の接続先となる層に応じてｎ型またはｐ型の不純物が添加され（３３、３４）、溝には金属接点材料（３１、３２）が詰められる。量子トンネル現象で逆バイアス特性が得られ、それにより所定の逆バイアス条件で伝導が生じるように、電池の接合（１６）の１つまたは複数の部分の両側（１０、１３）で添加不純物量を増やすことによって、１つまたは複数のバイパス・ダイオードが形成される。上記バイパス・ダイオードの添加不純物量を10¹⁸原子／cm³以上とし、またその接合面積を小さくすることが理想的である。

Description

【発明の詳細な説明】バイパス・ダイオードで保護された多層太陽電池発明の属する技術分野本発明は一般的には太陽電池技術の分野に関し、特にバイパス・ダイオードを統合した太陽電池の製造に関する。本発明は、一部分を構成するバイパス・ダイオードを多層構造に組み込むことによって、作動中に保護しかつこれらの素子の製造歩留まりを向上させる可能性を持つ新たな方法を提示するものである。この多層構造の特徴のおかげでこれらのダイオードの組み込みが、従来の素子なら難しいような方法でも可能になる。発明の背景バイパス・ダイオードを統合した太陽電池は、参照により本明細書に含まれる早期に共同譲渡された「Multiple Layer Thin Film Solar Cells」と題する豪州特許出願第PM4834号の主題である多層太陽電池の製造に特に関連する。従来の技術では、バイパス・ダイオードは、太陽電池を構成するダイオードに極性を逆にして接続されるダイオードである。通常の方法によれば、これらのバイパス・ダイオードはディスクリート・ダイオードであり、はんだ付けなどの方法で個々のセルまたはセルのグループに物理的に接続される。通常の動作では、これらのバイパス・ダイオードに逆バイアスがかけられ、セルの動作を妨げることはない。ところが、システム内でセルの電流出力が他より低くなると、シャドーイング、セルの損傷などの影響のため、これらのダイオードによって低出力セルの周囲に抵抗の小さい経路ができる。これが２つの機能を果たす。１つは、過熱によりセルの破壊につながる可能性のある、低出力セルでの逆電圧の極端な上昇を防止することである。もう１つは、このような出力が落ちまたは損傷したセルのため、相互接続されたセルのシステムで発生する可能性のある出力電力の不均衡な損失を制御することである。バイパス・ダイオードの目的と機能は十分に理解されており、また、Martin A.Green著「SOLAR CELLS: Operating Principle s，Technology and System Applications」（プルンティス・ホール社、ニュージャージー、1982年）、S.R.Wenham、M.A.Green、M.Watt共著「Applied Photovo ltaics」（ブリッジ・プリンテリ社、シドニー、1994年）などの定評のある書物で広く論じられている。従来の技術による統一体の一部分を構成するバイパス・ダイオードは太陽電池の構造に直接組み込まれているため、一般にセルの活動量は低下し、それに対応してバイパス・ダイオードに逆バイアスをかけても効率は低下するが、果たす機能は似通っている。通常、バイパス・ダイオードを組み込むことで、保護ならびに実際に使用して作動中の電力損失の低減を図るが、本発明の新しくかつ有利な出願内容は、このようなダイオードを使用し、モジュール内の損傷しまたは機能不全に陥ったセルを自動的にバイパスすることによって、相互接続したセルのモジュールの高い製造歩留まりを維持する点にある。個々のセルの事前テストが実施できないようなモジュール製造に適合する方法の一つは、少数のセルが万一破損した場合でも保証最低出力が得られるように、少数の追加セルを含めることである。課題を解決するための手段第１の態様によれば、本発明は、少なくともその一部が、逆バイアス特性を持つバイパス・ダイオードを形成しそれにより所定の逆バイアス条件で伝導が生じる光電池の整流接合を形成する、不純物を添加した多数の半導体領域を含む太陽電池を提示する。第２の態様によれば、本発明は、光電池の第１整流接合、および少なくともその一部が、逆バイアス特性を持つバイパス・ダイオードを形成しそれにより所定の逆バイアス電圧の条件で伝導が生じ、上記第１整流接合と並列で極性を同一にして効果的に接続される第２整流接合を形成する、不純物を添加した多数の半導体領域を含む太陽電池を提示する。接合が所定の値に逆バイアスされたとき量子トンネル現象が生じるように、バイパス・ダイオード接合を形成する半導体領域のそれぞれに不純物を大量に添加して、バイパス・ダイオードを形成する接合部分を形成することが好ましい。バイパス・ダイオードを形成する半導体領域の添加不純物量は10¹⁸cm^-3（原子／cm³）を上回ることが好ましい。従来、要求される逆バイアス伝導に必要な特性は光起電効率に不利と考えられており、したがって不純物を大量に添加したｎ型とｐ型の領域が隣接する場合でも、これらの特性は意図的に回避されてきた。本発明では、このような特性を意図的に制御してこの効果を高めることを提案している。従来はこれらの接合型が意図的に回避されてきたが、本発明にはこれらの接合型が含まれており、光起電効率に対する重大な影響を回避するため面積は十分に小さくしている。例えば、バイパス・ダイオードの添加不純物量が、逆バイアス電圧が３ボルト未満、特に１ボルト未満で逆導通が生じるようになっている実施形態では、この添加不純物量を有する接合の総面積は、光起電力効果を有する活動接合の面積に対して小さく定められる。本発明のある実施形態では、多層で多接合の光電池が、バイパス・ダイオードとして形成される１つ以上の接合領域を有する。この実施形態では、バイパス・ダイオード接合は多層セルの２層によって形成される。バイパス接合部の添加不純物量によっては、バイパス接合が、多層セルの隣接する２層の間に形成される接合全体を含むものでもよければ、あるいはまたバイパス接合が、隣接する２層の間に形成される接合の一部に限定されるものでもよい。多層構造は、厚みがそれぞれの層における材料の不純物濃度に対する少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくなく、極性が交互に異なる材料から成り、交互に異なる２層どうしの間にそれそれｐ-ｎ接合を形成する層を３つ以上含むことが好ましい。不純物を添加した層の厚みは、不純物を添加した各材料の少数キャリア拡散距離に比べて薄いことが好ましい。セルの素材は、不純物を添加した結晶または多結晶シリコン、アモルファス・シリコンとその合金、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、二セレン化銅インジウムまたはガリウムおよび／または硫黄を含む合金、または他の半導体材料で差し支えない。シリコン層の積層から成るセルでは、厚みがかなり薄いシリコン／ゲルマニウム合金の層も含めることができる。積層の中に、シリコンの酸化物、窒化物などの絶縁材料層を挟むこともできる。シリコン材料をもとにした実施形態では、一般に最低３層内の最大不純物濃度として10¹⁷原子／cm³以上を用い、不純物添加層の厚みは一般に0.1ないし40μm の範囲にある。シリコン材料では、不純物濃度は各層内部の最低５０％にわたって10¹⁷原子／cm³を上回ることが好ましく、しかも各層のほぼ全体にわたって10¹ ⁷ ないし10¹⁸原子／cm³の範囲にあることがさらに好ましい。シリコン材料を使用する好適な実施形態では各層の厚みは0.2ないし15ミクロンである。シリコン・セルでは、一番上の層の不純物濃度が10¹⁸原子／cm³以上であることが好ましい。他の態様によれば、本発明は以下のステップを含む薄膜太陽電池の形成方法を提示する。（a）少なくとも１つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の多数の薄層を基板上に形成するステップと、（b）この形成ステップの間に、添加不純物量が10¹⁸原子／cm³のｐ型およびｎ型の隣接領域によって、太陽電池の少なくとも１つのｐ-ｎ接合部を形成するステップ。好適な実施形態では、本態様にさらに以下のステップが含まれる。（c）不純物添加層の一部または全部を露出させるため、多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成するステップと、（d）少なくとも１つの溝において、その１つまたは複数の溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（e）少なくとも１つの他の溝において、その１つまたは複数の溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成するステップと、（f）上記のｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、各溝の中に金属接点を形成するステップ。さらに他の態様によれば、本発明は以下のステップを含む薄膜太陽電池の形成方法を提示する。（a）少なくとも１つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の多数の薄層を基板上に形成し、太陽電池の１つの層の少なくとも１つの不純物大量添加部分の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³を上回るステップと、（b）不純物添加層の一部または全部を露出させるため、多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成し、少なくとも１つの溝が少なくとも１つの不純物大量添加部分を通りかつこれを露出させるステップと、（c）少なくとも１つの溝において、その１つまたは複数の溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（d）少なくとも１つの他の溝において、１つまたは複数の溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成し、この１つまたは複数の溝の表面が、不純物の型が不純物大量添加部分と反対でありかつ少なくとも不純物大量添加部分と隣接する領域の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³以上である不純物大量添加部分を露出させるステップ。好適な実施形態では、本態様はさらに以下のステップを含む。（e）上記のｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、各溝の中に金属接点を形成するステップ。基板は、結晶、多結晶、アモルファスのいずれかのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラスの中から選択すること、また活性層は、化学的または物理的蒸着法、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出と再結晶の中から選択可能な１つまたは複数のプロセスによって形成することが好ましい。また、形成ステップの間に形成される層の厚みは、不純物が添加される各材料の少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことが好ましい。本発明の他の実施形態では、第１不純物型の半導体領域と直接接触するように配置されかつ第１不純物型の半導体材料から成る厚みの薄い不純物大量添加層によって第２不純物型の不純物大量添加領域から隔てられた埋め込み接点を有する光電池を提示する。本発明の好適な実施形態では多層薄膜シリコン太陽電池の構造を採用しているが、本発明の原理は他の材料および構造に対しても応用できることが分かる。図面の簡単な説明以下、添付の図面に関連して本発明の実施形態を説明する。なお、図面の内容は次のとおりである。図１は、不純物を添加したｎ型とｐ型の結晶または多結晶のシリコン層が交互に多数挟まれ、埋め込み層と接触させるため埋め込み接点を使用した、本発明にかかる太陽電池の基本構造を示す。図２に示す太陽電池の構造は図１と同じであるが、ここでは質の悪いシリコン材料を使用する実施形態について寸法を記載する。図３は図１の基本構造を示しており、ここでは積層内の隣接する２層の間にバイパス・ダイオードが形成されている。図４は図３の太陽電池構造を示したものであるが、ここでは不純物添加層と溝の壁に沿った不純物添加領域との接合によってバイパス・ダイオードが形成されている。図５は図３および図４と類似の構造を持つ本発明の他の実施形態を示すが、ここではバイパス・ダイオードとして作動させるためさらに不純物添加領域が含まれる。図６はバイパス・ダイオードも含む単純な３層構造を示す。発明の実施の形態図１に関連して、本発明の実施形態は、間に整流接合１５、１６、１７、１８を形成する交互になった多数のｐ型半導体層１０、１１とｎ型半導体層１２、１３、１４から成る構造を持つ。交互になった半導体層１０〜１４は基板１９上に形成されかつこの基板によって支えられる。この基板は、結晶、多結晶、またはアモルファスのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラス、もしくは表面に半導体薄膜をうまく形成できるその他の素材の中から選んで差し支えない。ｎ型層１２、１３、１４およびｐ型層１０、１１のそれぞれとの接点３１、３２を形成するには、まず垂直な溝を形成して活動半導体材料の層をすべて露出させ、そのあとｎ型領域をつないでいる接点については、ｎ型層１２、１３、１４のすべてとつながり、ｐ型層１０、１１のすべてと接合を作るｎ型不純物添加層３３を形成する。同様に、ｐ型層１０、１１をつなぐ接点を形成する場合は溝の中にｐ型不純物添加層３４を形成し、この垂直のｐ型層３４は露出したｎ型層１２、１３、１４と接合を作る。そのあと、ｎ型層およびｐ型層３３、３４に沿った溝の中に金属接点３１、３２を形成する。図１に示す半導体活性層１０〜１４は薄膜であり、これを基板１９上に形成するときは、化学的蒸着法、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出と再結晶など、いくつかある既知の方法のどれを使用しても差し支えなく、各場合において層形成ステップの間または後に不純物を添加する。図１と図２に関連して説明する多層太陽電池は、完成後のセル内の層の特性の選択に当たって十分に融通が利き、基本セルの加工の一環として新しい方法でバイパス・ダイオードをセルに組み込むことができる。具体的には、シリコンに不純物を大量に添加して不純物濃度値が10¹⁸cm^-3を上回る領域どうしの間の接合を利用することで、多層セルの実施形態においてバイパス・ダイオードを実現する。ダイオードのバイパス動作は、このように不純物を大量に添加した領域どうしの間に形成される接合の逆特性を利用することで得られる。このような接合に逆バイアスをかけると、ｎ型領域およびｐ型領域では伝導帯と価電子帯のエネルギーがそれぞれ部分的に重なる。これは双方の電子の持つエネルギーが同じためである。ｎ型領域、ｐ型領域の両方の不純物添加量が多いと、電子は量子トンネル現象のプロセスによってｐ型材料の価電子帯からｎ型材料の伝導帯に移動することができる。接合の逆バイアスが大きくなり、これに応じてｎ型領域とｐ型領域に挟まれた接合領域の電界強度が大きくなるにつれてこれらのプロセスはさらに効率的になり、その結果ダイオードの逆バイアス方向の伝導がよくなる。このように不純物を大量に添加した接合の特性は、S.M.Sze著「Physics of Semiconduc tor Devices」（ワイリー社、ニューヨーク、1981年）などの定評のある書物で論じられている。しかしながら、これらの特性によって、メイン・セルと同じ極性の接合でも、逆極性のバイパス・ダイオードによって通常与えられるのと同様の保護を与えることができる。もっとも、この接合の短絡または主太陽電池の通常動作電圧における接合での再結合によって、メイン・セルの効率低下という問題が発生することも考えられる。上記の不純物大量添加ダイオードの寸法（特に接合の面積）、その位置、さらにある程度までであればこれに伴う添加不純物濃度も適切に制御することによって、これらの損失をきわめて低いレベルに抑えることができる。多層太陽電池でこれを行なっても、経費と複雑さはあまり増加しない。従来の技術である統一体の一部分をなす逆極性のバイパス・ダイオードを使用する場合と比較して、ここに説明するバイパス・ダイオードを使用するいくつかの実施形態を多層太陽電池に取り入れても、太陽電池の有効体積は多大の犠牲を払うことは一切ない。したがって、万一モジュール内のすべてのセルが故障せずに作動する場合でも、そのようなダイオードを含めたことによりモジュールの効率と経費の面で受ける不利益は小さくなっている。多層セルは、従来の素子にはないこのようなダイオードを組み込む機会を与えるものである。図３に示す本発明の一つの実施形態では、多層の積層内の隣接層に適した特性、特に添加不純物量に関する特性を選ぶことによって、これらの特性を備えたダイオードをこれらの隣接層の間に形成することができる。多層素子の設計に融通が利くため、素子全体の効率をあまり犠牲にしなくてもこれを実現することが可能である。例えば、不純物をきわめて大量に添加した層であれば、少数キャリア収集力を維持するため厚みをきわめて薄くすることができる。図４に示す本発明の第２の実施形態では、多層構造の内部にある溝の壁に沿った不純物添加層と多層の積層内の１つまたは複数の層の間に、必要な特性を備えたダイオードを形成することができる。図５に示す本発明の第３の実施形態では、後述のとおり、さらに不純物添加領域を含めることによって、必要な特性を備えたダイオードを作ることができる。この方法は溝がない多層素子にも適している。図３に関連して、本発明のこの改良された実施形態の構造は図１および図２とまったく同じである。ただし、ここではダイオード接合１６に適切な逆バイアス特性を持たせるため、層Ｉ０、１３の組み合わせを選び他の層１１、１２、１４に比べて不純物の添加量を大幅に増やしている。これらの層に不純物をきわめて大量に添加すると、最高のバイパス動作が得られる。しかし、不純物を過度に添加すると通常動作での太陽電池の効率が低下する可能性もある。両層の不純物添加量が5×10¹⁹cm^-3を超えると、バイアスがゼロでも前述した帯の部分的重なりが発生しうることになり、ダイオード接合１６では順バイアスがかかっていても量子トンネル現象により電流が流れる。これによって、セルで発生する光電流が減少し、通常の動作条件でのセルの効率が低下することもありうる。材料の少数キャリア特性も不純物添加量の増加に伴って低下し、その結果これらの領域はアクティブ・セルの材料としての効果が落ちる。しかし、不純物添加量が10²⁰/cm³ を超える場合でも、そのような不純物量を有する接合の総面積が小さければ（図４および図５の実施形態のように）対応は可能である。このような不純物大量添加層を利用する結果さらに生じる別の利点としてゲッタリング効果がある。特に、不純物を大量に添加したリン層は欠陥と不純物を隣接領域からゲッタリングする上で非常に効果的であることがわかっている。このような不純物大量添加層を積層のさまざまな場所に多数入れることによって、不純物はこれらの層の内部領域にゲッタリングされる。以前は太陽電池で内部領域にゲッタリングすることはできなかった。ところが、多数の領域に多数のゲッタリング層を作ると、ゲッタリングされた不純物を、素子の総合効率をできるだけ低下させないような領域に集めることができる。質の悪い材料では、不純物と欠陥を接合の空乏領域からゲッタリングすることが特に重要である。図３に示すバイパス・ダイオード効果を作り出す方法は、溝に依存する方法はさておき、層を接触させる他の方法にも応用可能であり、さらに溝が存在しない実施方法にも応用可能である。図３に示すように層全体に不純物を大量に添加するのでなく、接合１７の近傍領域にのみ不純物を大量に添加する必要がある。これによって、関連する層の望ましい他の特性を犠牲にすることなく、必要な特性を備えた接合を形成することができる。同様の考え方は、必要な特性を備えたダイオードが、積層内の１つまたは複数の層１０と金属で被覆した溝３１の不純物添加壁３３の間に形成された接合３６を形成する図４の実施形態にも当てはまる。この構成では適切な特性を備えた接合の面積は大幅に減少し、設計面での融通が一層利くようになる。不純物をさらに大量に添加しても前述したほどの深刻な問題は生じない。層が溝の壁で遮られ両側の不純物添加量が最も多い領域は、自動的に電流密度が最も大きい場所になり、バイパス・ダイオードとして最も効果的な動作を行なう。また、前述の分散ゲッタリングの利点はこの場合にも当てはまる。図５の第３の実施形態では、金属で被覆した溝３２の不純物添加壁領域３８を利用してバイパス・ダイオード接合３９を形成するため、一番上の層１２にさらに領域３７を設ける。この場合、溝の近くの領域３７に大量に拡散した部分が別に追加される。あるいは、層の特性を他の方法で操作することによって、選んだ場所の添加不純物密度を高くしてもよい。金属で被覆した溝３１、３２がない構造でもこの方法は応用可能である。図６の素子は従来の太陽電池に一層近い。この場合、同様の方法を用いて接触領域にバイパス・ダイオードを形成することができる。図示の場合、接合４９は、裏側「浮動」接合４７のｎ型領域４１及び溝の中のｐ型接触部分４５とセルの裏面にある溝の拡散領域との間に形成される。この場合、電流は、ベース電流が光生成キャリアによって供給される光トランジスタに類似した方法による接合の相互作用にもとづき、ｎ型層どうしの間を流れることができる。裏側接合が「浮動」型でなく、表面接点と直接もしくは基板を通る接触経路を介して接触しているときは、同様の方法を用いることができる。また、溝の存在に依存しない類似の実施方法も可能である。図３のセル構造の製造に利用できるプロセスには次のステップを含めることができる。１．表面にセルを成長させる基板を用意する。２．化学的蒸着法（ＣＶＤ）でｎ型シリコン層を成長させる。３．前の層の上にＣＶＤでｐ型シリコン層を成長させる。４．前の層の上にＣＶＤでｎ型シリコン層を成長させる。この層が次の堆積層との間に形成する接合の最小添加不純物量は10¹⁸原子／cm³以上である。５．前の層の上にＣＶＤでｐ型シリコン層を成長させる。この層が前の層との間に形成する接合の最小添加不純物量は10¹⁸原子／cm³以上である。６．前の層の上にＣＶＤでｎ型シリコン層を成長させる。７．マスキング／表面保護層をつける。８．レーザまたは機械式スクライビングで第１の一連の溝を形成し、そのあと溝の洗浄を行なう。９．第１溝の壁に拡散またはＣＶＤでｎ型の不純物添加層を形成する。１０．第１溝の壁の表面にマスキング層をつける。１１．第２の一連の溝を形成し、そのあと溝の洗浄を行なう。１２．第２溝の壁に拡散またはＣＶＤでｐ型の不純物添加層を形成する。１３．化学エッチングを行なって溝の中でシリコンを露出させる。１４．ニッケルの化学めっきを行なって溝の中のシリコンと接触させる。１５．ニッケルの焼結を行なう。１６．ニッケルの上に銅の化学めっきで銅の導線をつける。１７．銅の上に銀の表面層を成長させる。図面は平らな接触面で示しているが、実際にはセル内の光のトラップ効果を上げるため、これらの接触面に明確な構造を持たせあるいは模様をつけることもあり得る。材料の選択、製造方法、および構造の寸法に関して上記内容の変形を用いても本発明の趣旨を逸脱するものでないことは、上記技術に精通した方ならお分かりいただけるだろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９６年１０月１７日【補正内容】請求の範囲１．光起電電池の少なくとも２つの整流接合を形成する、少なくとも３つの不純物添加半導体領域を含み、前記接合の少なくとも一部が、所定の逆バイアス条件で伝導が生じる逆バイアス特性を持つバイパス・ダイオードを形成することを特徴とする太陽電池。２．請求の範囲１に記載の太陽電池であって、前記接合が前記所定の条件に逆バイアスされたとき量子トンネル現象が生じるように、前記バイパス・ダイオード接合を形成する前記半導体領域のそれぞれに不純物を大量に添加して前記バイパス・ダイオードを形成する前記接合部分を形成することを特徴とする太陽電池。３．請求の範囲２に記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードを形成する前記半導体領域の添加不純物量が10¹⁸cm^-3（原子／cm³）以上であることを特徴とする太陽電池。４．請求の範囲１から３のいずれかに記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの接合の総面積は、光起電力を生ずる接合の面積に対して小さく定められることを特徴とする太陽電池。５．請求の範囲１から４のいずれかに記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの逆バイアス伝導電圧が３ボルト未満であることを特徴とする太陽電池。６．請求の範囲５に記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの逆バイアス伝導電圧が１ボルト未満であることを特徴とする太陽電池。７．請求の範囲１から６のいずれかに記載の太陽電池であって、前記各不純物添加半導体領域は、それぞれ多層電池の１つの層であり、前記バイパス・ダイオード接合は前記多層電池の隣接する２層によって形成されることを特徴とする太陽電池。８．請求の範囲７に記載の太陽電池であって、前記バイパス接合が前記多層電池の前記隣接する２層の間に形成される接合全体を含むことを特徴とする太陽電池。９．請求の範囲７に記載の太陽電池であって、前記バイパス接合が隣接する前記２層の間に形成される前記接合の一部に限定されることを特徴とする太陽電池。１０．請求の範囲１から６のいずれかに記載の太陽電池であって、前記電池が、第１不純物型の半導体領域と直接接触するように配置され、かつ前記第１不純物型の半導体材料から成る厚みの薄い不純物大量添加層によって第２不純物型の不純物大量添加領域から隔てられた埋め込み接点を含むことを特徴とする太陽電池。１１．上記の請求の範囲のいずれかに記載の太陽電池であって、極性が交互に異なる材料から成り、交互に異なる２層どうしの間にそれぞれｐ-ｎ接合を形成する層を３つ以上有し、それら３つの層の厚みがそれぞれの層における材料の不純物濃度に対する少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする太陽電池。１２．請求の範囲１１に記載の太陽電池であって、前記不純物添加層の厚みが、前記各不純物添加材料の前記少数キャリア拡散距離に比べて薄いことを特徴とする太陽電池。１３．請求の範囲１１、１２のいずれかに記載の太陽電池であって、前記電池の素材が、不純物を添加した結晶または多結晶シリコン、アモルファス・シリコンとその合金、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、二セレン化銅インジウム、およびガリウムと硫黄を含むその合金の中から１つ以上のものが選ばれることを特徴とする太陽電池。１４．請求の範囲１３に記載の太陽電池であって、前記電池が、シリコン層および相対的に厚みの薄いシリコン／ゲルマニウムの合金層から成る積層を含むことを特徴とする太陽電池。１５．請求の範囲１１、１２、１３、１４のいずれかに記載の太陽電池であって、前記太陽電池の素材がシリコンで、不純物添加層の厚みが0.1μmないし40μm の範囲にあることを特徴とする太陽電池。１６．請求の範囲１５に記載の太陽電池であって、各層の厚みが0.2μmないし15 μmであることを特徴とする太陽電池。１７．（a）少なくとも２つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の少なくとも３つの薄層を基板上に形成するステップと、（b）前記形成ステップの間に、添加不純物量が10¹⁸原子／cm³以上のｐ型およびｎ型の隣接領域によって、前記太陽電池の少なくとも１つのｐ-ｎ接合部を形成するステップと、を含むことを特徴とする薄膜太陽電池の形成方法。１８．請求の範囲１７に記載の方法であって、さらに、（c）前記不純物添加層の一部または全部を露出させるため、前記多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成するステップと、（d）前記溝の少なくとも１つにおいて、１つまたは複数の当該溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（e）前記溝のうち少なくとも１つの他の溝において、１つまたは複数の当該溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成するステップと、（f）前記ｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、前記溝のそれぞれにおいて金属接点を形成するステップと、を含むことを特徴とする方法。１９．請求の範囲１７、１８のいずれかに記載の方法であって、各層の厚みが、不純物が添加された前記各材料の少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする方法。２０．請求の範囲１７、１８、１９のいずれかに記載の方法であって、前記基板が、結晶、多結晶、アモルファスのいずれかのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラスの中から選択されることを特徴とする方法。２１．請求の範囲１７、１８、１９、２０のいずれかに記載の方法であって、前記活性層が、化学的または物理的蒸着、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出及び再結晶の中から選択された１つまたは複数のプロセスによって形成されることを特徴とする方法。２２．（a）少なくとも１つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の多数の薄層を基板上に形成し、太陽電池の１つの層の少なくとも１つの不純物大量添加部分の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³を上回るようにされるステップと、（b）前記不純物添加層の一部または全部を露出させるため、前記多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成し、前記溝の少なくとも１つが少なくとも１つの前記不純物大量添加部分を通りかつこれを露出させるステップと、（c）前記溝の少なくとも１つにおいて、１つまたは複数の当該溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（d）前記溝のうち少なくとも１つの他の溝において、１つまたは複数の当該溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成するステップと、を有し、１つまたは複数の前記溝の表面が、不純物の型が前記不純物大量添加部分と反対であり、かつ少なくとも前記不純物大量添加部分と隣接する領域の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³以上である不純物大量添加部分を露出させることを特徴とする薄膜太陽電池の形成方法。２３．請求の範囲２２に記載の方法であって、さらに、（e）前記ｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、前記溝のそれぞれの中に金属接点を形成するステップを含むことを特徴とする方法。２４．請求の範囲２２、２３のいずれかに記載の方法であって、各層の厚みが、不純物が添加された前記各材料の少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする方法。２５．請求の範囲２２、２３、２４のいずれかに記載の方法であって、前記基板が、結晶、多結晶、アモルファスのいずれかのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラスの中から選択されることを特徴とする方法。２６．請求の範囲２２、２３、２４、２５のいずれかに記載の方法であって、前記活性層が、化学的または物理的蒸着、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出及び再結晶の中から選択された１つまたは複数のプロセスによって形成されることを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ウェンハムステュワートロスオーストラリアニューサウスウェールズ州 2234 メナイハイツフォンニダプレイス 13

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくともその一部が、逆バイアス特性を持つバイパス・ダイオードを形成し、それにより所定の逆バイアス条件で伝導が生じる光電池の整流接合を形成する、不純物を添加した多数の半導体領域を含む太陽電池。２．請求の範囲１に記載の太陽電池であって、前記接合が前記所定の条件に逆バイアスされたとき量子トンネル現象が生じるように、前記バイパス・ダイオード接合を形成する前記半導体領域のそれぞれに不純物を大量に添加して前記バイパス・ダイオードを形成する前記接合部分を形成することを特徴とする太陽電池。３．請求の範囲２に記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードを形成する前記半導体領域の添加不純物量が10¹⁸cm^-3（原子／cm³）以上であることを特徴とする太陽電池。４．請求の範囲１から３のいずれかに記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの接合の総面積は、光起電力を生ずる接合の面積に対して小さく定められることを特徴とする太陽電池。５．請求の範囲１から４のいずれかに記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの逆バイアス伝導電圧が３ボルト未満であることを特徴とする太陽電池。６．請求の範囲４に記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオードの逆バイアス伝導電圧が１ボルト未満であることを特徴とする太陽電池。７．請求の範囲１から６のいずれかに記載の太陽電池であって、前記バイパス・ダイオード接合が多層電池の２層によって形成されることを特徴とする太陽電池。８．請求の範囲７に記載の太陽電池であって、前記バイパス接合が前記多層電池の隣接する２層の間に形成される接合全体を含むことを特徴とする太陽電池。９．請求の範囲７に記載の太陽電池であって、前記バイパス接合が隣接する前記２層の間に形成される前記接合の一部に限定されることを特徴とする太陽電池。１０．請求の範囲１から６のいずれかに記載の太陽電池であって、前記電池が、第１不純物型の半導体領域と直接接触するように配置され、かつ前記第１不純物型の半導体材料から成る厚みの薄い不純物大量添加層によって第２不純物型の不純物大量添加領域から隔てられた埋め込み接点を含むことを特徴とする太陽電池。１１．上記の請求の範囲のいずれかに記載の太陽電池であって、極性が交互に異なる材料から成り、交互に異なる２層どうしの間にそれぞれｐ-ｎ接合を形成する層を３つ以上有し、それら３つの層の厚みがそれぞれの層における材料の不純物濃度に対する少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする太陽電池。１２．請求の範囲１１に記載の太陽電池であって、前記不純物添加層の厚みが、前記各不純物添加材料の前記少数キャリア拡散距離に比べて薄いことを特徴とする太陽電池。１３．請求の範囲１１、１２のいずれかに記載の太陽電池であって、前記電池の素材が、不純物を添加した結晶または多結晶シリコン、アモルファス・シリコンとその合金、テルル化カドミウム、硫化カドミウム、二セレン化銅インジウム、およびガリウムと硫黄を含むその合金の中から１つ以上のものが選ばれることを特徴とする太陽電池。１４．請求の範囲１３に記載の太陽電池であって、前記電池が、シリコン層および相対的に厚みの薄いシリコン／ゲルマニウムの合金層から成る積層を含むことを特徴とする太陽電池。１５．請求の範囲１１、１２、１３、１４のいずれかに記載の太陽電池であって、前記太陽電池の素材がシリコンで、不純物添加層の厚みが0.1μmないし40μm の範囲にあることを特徴とする太陽電池。１６．請求の範囲１５に記載の太陽電池であって、各層の厚みが0.2μmないし15 μmであることを特徴とする太陽電池。１７．（a）少なくとも１つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の多数の薄層を基板上に形成するステップと、（b）前記形成ステップの間に、添加不純物量が10¹⁸原子／cm³以上のｐ型およびｎ型の隣接領域によって、前記太陽電池の少なくとも１つのｐ-ｎ接合部を形成するステップと、を含むことを特徴とする薄膜太陽電池の形成方法。１８．請求の範囲１７に記載の方法であって、さらに、（c）前記不純物添加層の一部または全部を露出させるため、前記多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成するステップと、（d）前記溝の少なくとも１つにおいて、１つまたは複数の当該溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（e）前記溝のうち少なくとも１つの他の溝において、１つまたは複数の当該溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成するステップと、（f）前記ｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、前記溝のそれぞれにおいて金属接点を形成するステップと、を含むことを特徴とする方法。１９．請求の範囲１７、１８のいずれかに記載の方法であって、各層の厚みが、不純物が添加された前記各材料の少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする方法。２０．請求の範囲１７、１８、１９のいずれかに記載の方法であって、前記基板が、結晶、多結晶、アモルファスのいずれかのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラスの中から選択されることを特徴とする方法。２１．請求の範囲１７、１８、１９、２０のいずれかに記載の方法であって、前記活性層が、化学的または物理的蒸着、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出及び再結晶の中から選択された１つまたは複数のプロセスによって形成されることを特徴とする方法。２２．（a）少なくとも１つの整流ｐ-ｎ接合を形成するため、交互に不純物を添加した半導体材料の多数の薄層を基板上に形成し、太陽電池の１つの層の少なくとも１つの不純物大量添加部分の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³を上回るようにされるステップと、（b）前記不純物添加層の一部または全部を露出させるため、前記多数の層に少なくとも２組の溝を順番に形成し、前記溝の少なくとも１つが少なくとも１つの前記不純物大量添加部分を通りかつこれを露出させるステップと、（c）前記溝の少なくとも１つにおいて、１つまたは複数の当該溝の表面全体にｐ型の表面領域を形成するステップと、（d）前記溝のうち少なくとも１つの他の溝において、１つまたは複数の当該溝のそれぞれの表面全体にｎ型の表面領域を形成するステップと、を有し、１つまたは複数の前記溝の表面が、不純物の型が前記不純物大量添加部分と反対でありかつ少なくとも前記不純物大量添加部分と隣接する領域の添加不純物量が10¹⁸原子／cm³以上である不純物大量添加部分を露出させることを特徴とする薄膜太陽電池の形成方法。２３．請求の範囲２２に記載の方法であって、さらに、（e）前記ｐ型およびｎ型の表面領域と接触するように、前記溝のそれぞれの中に金属接点を形成するステップ、を含むことを特徴とする方法。２４．請求の範囲２２、２３のいずれかに記載の方法であって、各層の厚みが、不純物が添加された前記各材料の少数キャリア拡散距離に比べてあまり大きくないことを特徴とする方法。２５．請求の範囲２２、２３、２４のいずれかに記載の方法であって、前記基板が、結晶、多結晶、アモルファスのいずれかのシリコン、黒鉛、鋼、セラミック、ガラスの中から選択されることを特徴とする方法。２６．請求の範囲２２、２３、２４、２５のいずれかに記載の方法であって、前記活性層が、化学的または物理的蒸着、溶液成長、液相エピタキシー、プラズマ析出及び再結晶の中から選択された１つまたは複数のプロセスによって形成されることを特徴とする方法。