JPH11177109A

JPH11177109A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH11177109A
Application number: JP9339759A
Authority: JP
Inventors: Tasuke Shindou; 太介進藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】非透光性のグリッド電極上に入射した光を有
効に利用して、光電変換効率を高める。【解決手段】受光面１に非透光性のグリッド電極５を
有する第１太陽電池素子１０に対して、グリッド電極５
上に第２太陽電池素子１１を絶縁体層１２を介して電気
的に分離して設け、第２太陽電池素子１１の受光面１８
は、第１太陽電池素子１０と同じ方向にする。各太陽電
池素子１０，１１は、それぞれ独立して電力を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換効率の高
い太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽電池を図９に示す。この太陽
電池は、結晶シリコン太陽電池であり、受光面１が凹凸
加工されたｐ型シリコン半導体基板（ｐ型基板）２の受
光面１側に、リン（Ｐ）を不純物とするｎ型半導体層
（ｎ型層）３が形成され、この上にはシリコン熱酸化膜
層４が形成されている。さらに、シリコン熱酸化膜層４
を貫通してｎ型層３に接続されたチタン（Ｔｉ）／パラ
ジウム（Ｐｄ）／銀（Ａｇ）の金属を積層して成るグリ
ッド電極５が形成されている。ｐ型基板２の受光面１と
反対側の裏面上にはシリコン熱酸化膜層６が形成され、
裏面からの電流を取り出すためのアルミニウム（Ａｌ）
層７がシリコン熱酸化膜層６を貫通してｐ型基板２に接
続されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、太陽電池の受
光面１上に形成されるグリッド電極５の断面形状は、図
１０に示すように矩形をしており、グリッド電極５上に
入射した光Ｌは真上に反射されてしまい、受光面１には
到達せず、光電変換に寄与しない。すなわち、受光面１
の有効受光面積が減少し、光電変換効率が低下する原因
となる。

【０００４】そこで、このグリッド電極上に入射した光
を有効に利用する方法が、例えば特開昭５６−１０９７
７号公報に記載されている。図１１に示すように、グリ
ッド電極８の断面形状を受光面１に対して４５°以上の
傾斜をもつ山形状とすることが有効である。この山形グ
リッド電極８の場合、図１２に示した入射光Ｌの経路の
ように、グリッド電極８上に入射した光Ｌが受光面１に
向けて反射され、光電変換に利用できるようになる。

【０００５】しかしながら、上記のような山形グリッド
電極８の場合、図１２に示すようにこのグリッド電極８
に反射されて受光面１に向かった光Ｌのうち一部は受光
面１において反射され、この反射された光Ｌｒは二度と
受光面１に向かうことはなく、入射光Ｌの利用としては
不十分である。

【０００６】本発明は、上記に鑑み、受光面のグリッド
電極上に入射した光を有効に利用することによって、光
電変換効率の向上を図った太陽電池を提供することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、受光面に非透光性のグリッド電極を有する第１太
陽電池素子と、前記グリッド電極上に設けられた第２太
陽電池素子とを備え、両太陽電池素子は、絶縁体層によ
り電気的に分離されたものである。

【０００８】これによって、グリッド電極によって遮ら
れて光電変換に寄与しなかった光は、第２太陽電池素子
により光電変換されることになり、入射光を有効に利用
することができ、第１太陽電池素子のみの場合に比べて
光電変換効率の向上を図ることができる。また、各太陽
電池素子は絶縁分離されているので、それぞれ独立して
電力を出力し、各太陽電池素子から最大の電力が得られ
る。

【０００９】そして、第２太陽電池素子に入射した光も
有効に利用できるようにして、光電変換効率をさらに向
上させるために、第２太陽電池素子は、第１太陽電池素
子と同じ方向に受光面を有し、該受光面に透光性の受光
面電極が設けられたり、また受光面とは反対側の裏面
に、光入射側から半導体層と接しこれよりも屈折率の低
い透明導電膜と非透光性導電膜とが積層されて成る裏面
電極が設けられたり、また凹凸構造とされたものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に本発明の
第１実施形態に係る太陽電池の断面構造を示す。この太
陽電池は、受光面１に非透光性のグリッド電極５を有す
る第１太陽電池素子１０と、グリッド電極５上に設けら
れた第２太陽電池素子１１とを備え、両太陽電池素子１
０，１１は、絶縁体層１２により電気的に分離されてい
る。

【００１１】第１太陽電池素子１０は、ｐ型基板２の受
光面１側にｎ型層３が設けられて、ｐｎ接合が形成され
た結晶シリコン半導体層を有する。ｎ型層３の表面は、
グリッド電極５を形成する部分を除いて入射光の反射を
低減するために凹凸に加工され、シリコン熱酸化膜層４
によってｎ型層３が覆われている。ｐ型基板２の受光面
１と反対側の裏面には、シリコン熱酸化膜層６が形成さ
れ、これを貫通してＡｌ層７がｐ型基板２に接続されて
いる。

【００１２】そして、グリッド電極５上には、絶縁体層
１２である二酸化珪素（ＳｉＯ₂）膜層を挟んで第２太
陽電池素子１１が形成されている。第２太陽電池素子１
１は、ＳｉＯ₂膜層１２上に裏面電極としてのＡｇ層１
３を形成し、水素化アモルファスシリコン膜のｎ型層１
４、水素化アモルファスシリコン膜のｉ型層１５、微結
晶シリコン膜のｐ型層１６からなるアモルファスシリコ
ン半導体層をＡｇ層１３上に積層して、ｐ型層１６上に
Ａｇ層１７からなる受光面電極を積層して形成されてい
る。なお、受光面電極は非透光性のグリッド電極である
ので、ｐ型層１６の全面を覆わないように形成される。

【００１３】第１太陽電池素子１０では、受光面１から
の電流はグリッド電極５を介して取り出され、また裏面
からの電流はＡｌ層７を介して取り出される。第２太陽
電池素子１１では、受光面１８からの電流は受光面電極
のＡｇ層１７を介して取り出され、また裏面からの電流
は裏面電極のＡｇ層１３を介して取り出される。したが
って、各太陽電池素子１０，１１からそれぞれ独立して
電力を出力することができる構造になっている。

【００１４】このように、第１太陽電池素子１０に結晶
シリコン半導体を用いることにより、光電変換効率を高
めることができ、第２太陽電池素子１１にアモルファス
シリコン半導体を用いることにより、光電変換効率は少
し劣るが、低価格で簡単に製造することができ、性能と
コストの両立が図られている。

【００１５】ところで、結晶シリコンの第１太陽電池素
子１０では、受光面１の近くで光の吸収が大きいためｐ
ｎ接合が受光面１に近いところに形成され、発生した少
数キャリヤがｐｎ接合に到達しやすくして、光電変換効
率の向上を図るが、電子よりもホールの方が拡散長が短
いため、少数キャリヤがホールとなるｎ層を薄くした方
が効率の向上を図ることができ、受光面１側からｎ層、
ｐ層と配置される。一方、アモルファスシリコンの第２
太陽電池素子１１では、光電変換はｉ層のみによって行
われ、受光面１８に近いところでの光の吸収が大きい。
ｉ層で発生した電子とホールは、内部電界によって電子
はｎ層、ホールはｐ層に移動するが、結晶シリコンと同
様に電子よりもホールの方が拡散長が短いため、ｐ層を
受光面側にした方が効率の向上を図ることができ、受光
面１８側からｐ層、ｉ層、ｎ層と配置される。したがっ
て、このような組み合わせが最も効率がよい。

【００１６】次に、上記太陽電池の製造方法について図
２に基づき説明する。まず、単結晶のｐ型基板２を洗浄
した後、熱酸化により受光面１側と裏面側にシリコン熱
酸化膜層４，６を同時に形成する。そして、フォトエッ
チング法を用いて、受光面１側のシリコン熱酸化膜層４
のパターニングを行い、受光面１側のグリッド電極５を
形成する部分を除いて表面が凹凸になるように異方性エ
ッチングを行う。ここで、単結晶のｐ型基板２の代わり
に、多結晶のｐ型基板を用いることもできる。この場合
は、単結晶のｐ型基板２のように、基板洗浄後にシリコ
ン熱酸化膜層４，６を形成する必要がなく、表面の凹凸
形成は、レーザーを用いて溝を掘ったり、機械的に溝を
掘る方法により行う。

【００１７】次に、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）を用
いたＰの気相拡散によって、ｐ型基板２の表面にｎ型層
３を形成する。続いて、硝酸とフッ酸の混合液を用いて
エッチングを行い、裏面側に形成されているｎ型層３を
除去する。そして、熱酸化により受光面１側と裏面側の
シリコン熱酸化膜層４，６を同時に形成する。

【００１８】さらに、裏面側のシリコン熱酸化膜層６を
フォトエッチング法で開口し、ｐ型基板２の裏面とこの
シリコン熱酸化膜層６の上にＡｌ層７を真空蒸着法で形
成する。

【００１９】その後、水素ガスあるいは水素ガスと窒素
ガスもしくはアルゴンガスの混合ガスの雰囲気中で４０
０℃で１時間の熱処理を行う。この熱処理条件は一例で
あり、雰囲気ガスによって適当な温度領域や時間は異な
るが、３５０℃〜４８０℃で数分〜２時間程度が適当で
ある。

【００２０】続いて、グリッド電極５を形成する予定の
領域を開口するようにマスクして、受光面１にフォトレ
ジストを２０μｍの厚さに塗布し、レジスト開口部のシ
リコン熱酸化膜層４をエッチングにより除去した後、Ｔ
ｉ、Ｐｄ、Ａｇの順で金属の蒸着を行い、５μｍ厚のグ
リッド電極５を形成する。このグリッド電極５上に１μ
ｍ厚のＳｉＯ₂膜層１２をスパッタリング法で形成す
る。

【００２１】次に、ＳｉＯ₂膜層１２上に第２太陽電池
素子１１を形成するが、それは以下のようにして行う。
まず、ＳｉＯ₂膜層１２上に０．５μｍ厚のＡｇ層１３
を蒸着法で形成し、続いて、ＲＦプラズマＣＶＤ法にて
水素化アモルファスシリコン膜からなるｎ型層１４、ｉ
型層１５、そして微結晶シリコン膜からなるｐ型層１６
を順次それぞれ２０ｎｍ、３００ｎｍ、１５ｎｍ堆積す
る。そして、アセトン中にてリフトオフにより、シリコ
ン熱酸化膜４の上部のフォトレジスト、Ｔｉ、Ｐｄ、Ａ
ｇの金属層、ＳｉＯ₂膜、Ａｇ膜、水素化アモルファス
シリコン膜、微結晶シリコン膜を除去する。

【００２２】その後、もう一度受光面１，１８にフォト
レジストを塗布し、ｐ型層１６上の一部のレジストを開
口した後、１μｍ厚のＡｇ層１７を形成し、リフトオフ
により、シリコン熱酸化膜４の上部のフォトレジストと
Ａｇ膜を除去して、この太陽電池は完成する。

【００２３】ここで、本実施形態の太陽電池と図１１に
示すグリッド電極８が山形状に形成された従来の太陽電
池とについて、光電変換特性を表１に比較して示す。光
電変換特性は，ＡＭ１．５グローバルのスペクトルで１
００ｍＷ／ｃｍ²の太陽光と同様の光強度をもつソーラ
ーシミュレーターを用いて測定した。なお、太陽電池の
セル面積は、第１太陽電池素子１０は２２ｃｍ²、第２
太陽電池素子は３ｃｍ^２である。

【００２４】本実施形態に係る太陽電池では、第１太陽
電池素子１０においてグリッド電極５に遮られて光電変
換に寄与しない光をそのグリッド電極５上に設けられた
第２太陽電池素子１１により光電変換することができる
ので、グリッド電極５上に入射した光を有効に活用でき
る。さらに、第１太陽電池素子１０と第２太陽電池素子
１１とは、絶縁体層１２にて電気的に絶縁分離され、そ
れぞれが独立に電力を出力することから、２つの太陽電
池素子１０，１１が直列あるいは並列に接続される場合
のように動作電流あるいは動作電圧が制限されることが
なく、各太陽電池素子１０，１１はおのおの最適な電流
値、電圧値により動作して、最大の電力を出力すること
ができるため、従来の太陽電池に比べて光電変換効率の
向上が認められた。

【００２５】

【表１】

【００２６】（第２実施形態）図３に本実施形態に係る
太陽電池の断面構造を示す。この太陽電池では、第２太
陽電池素子１１のｐ型層１６上の受光面電極が透明導電
膜層１９からなり、ｐ型層１６の表面全体を覆ってい
る。その他の構造は第１実施形態の太陽電池と同じであ
る。

【００２７】次に、上記太陽電池の製造方法を図４に示
す。ｐ型基板２の洗浄から微結晶シリコン膜のｐ型層１
６の形成までは上記の実施形態と同じである。この後、
ｐ型層１６上にスパッタリング法により酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）膜からなる透明導電膜層１９を膜厚１μｍで形成す
る。最後にリフトオフを行い、太陽電池は完成する。な
お、この透光性の受光面電極としては、酸化錫（ＳｎＯ
_２）膜、あるいは錫をドープした酸化インジウム（ＩＴ
Ｏ）膜なども用いることができる。

【００２８】この太陽電池についても上記と同様に光電
変換特性を測定した。その結果を表１に示す。第１実施
形態の太陽電池と比べて、第２太陽電池素子１１の受光
面電極を非透光性のＡｇ層１７から透光性の透明導電膜
層１９に代えたことから、第２太陽電池素子１１におい
ては受光面電極によって入射光を遮られることがなくな
り、第２太陽電池素子１１上に入射した光をすべて有効
に活用できるため、より一層の光電変換効率の向上が認
められた。

【００２９】（第３実施形態）図５に本実施形態に係る
太陽電池の断面構造、図６にその製造フローを示す。こ
の太陽電池では、ＳｉＯ₂膜層１２とｎ型層１４との間
にある裏面電極が非透光性導電膜層であるＡｇ層１３と
透明導電膜層２０とからなり、光入射側から順に透明導
電膜層２０、Ａｇ層１３が積層される。

【００３０】この透明導電膜層２０は、ＺｎＯ膜からな
り、スパッタリング法により膜厚５０ｎｍで形成され
る。そして、透明導電膜層２０は、屈折率が１．８〜
２．０と水酸化アモルファスシリコンよりも低く、一般
的な条件で形成することが可能である。また、透明導電
膜層２０の種類としては、ＳｎＯ₂膜やＩＴＯ膜なども
用いることができる。Ａｇ層１３についても、Ａｌなど
の金属を用いることができる。なお、その他の構造は第
２実施形態の太陽電池と同じである。

【００３１】この太陽電池についても上記と同様に光電
変換特性を測定した。その結果を表１に示す。第１太陽
電池素子１０と同一方向に受光面１８を持つ第２太陽電
池素子１１の裏面電極が、光入射側からｎ型層１４より
も屈折率の低い透明導電膜層２０とＡｇ層１３を順次形
成した構造を有するため、多重反射等により第２太陽電
池素子１１の裏面に到達した光を再度半導体層の内部に
反射させる割合を高めることができる。したがって、光
の吸収が増え、光電変換効率の向上が認められた。

【００３２】（第４実施形態）図７に本実施形態に係る
太陽電池の断面構造、図８にその製造フローを示す。こ
の太陽電池では、第２太陽電池素子１１が凹凸構造を有
している。その他の構造は第３実施形態の太陽電池と同
じである。

【００３３】ここで、太陽電池の製造方法において、単
結晶のｐ型基板２を洗浄した後、受光面１全面を異方性
エッチング、レーザーによる溝形成、機械加工による溝
形成などの方法により凹凸にする。すなわち、第１太陽
電池素子１０のグリッド電極５の表面も凹凸となる。こ
れ以降の工程は第３実施形態のものと同じである。これ
によって、凹凸のあるグリッド電極５上に設けられる第
２太陽電池素子１１では、各層の表面に凹凸が順次形成
されていく。

【００３４】この太陽電池についても上記と同様に光電
変換特性を測定した。その結果を表１に示す。第２太陽
電池素子１１が凹凸構造を有するため、第２太陽電池素
子１１の表面反射が低減されるとともに内部での多重反
射により光路長が増加して、光の吸収が増え、光電変換
効率の向上が認められた。

【００３５】以上のように、第１太陽電池素子１０のグ
リッド電極５上に第２太陽電池素子１１を設けることに
より、従来の太陽電池よりも光電変換効率を向上させる
ことができる。また、第２太陽電池素子１１の受光面電
極を透明導電膜層１９にしたり、第２太陽電池素子１１
の裏面電極を透明導電膜層２０と金属層１３を組み合わ
せた構造にしたり、第２太陽電池素子１１を凹凸構造に
することによっても、光電変換効率を向上させることが
できる。そして、これらを適当に組み合わせることによ
って、より一層光電変換効率を向上させることが可能と
なる。

【００３６】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多く
の修正および変更を加え得ることは勿論である。第１太
陽電池素子においてｐ型基板を用いた場合について説明
したが、ｎ型シリコン半導体基板を用いた場合にも適用
できる。この場合、ｎ型シリコン半導体基板の光入射側
に拡散される不純物は、ボロン（Ｂ）などが用いられ
る。

【００３７】また、第２太陽電池素子において、ｐ型層
に微結晶シリコン膜を用いたが、水素化アモルファスシ
リコン・カーバイト膜などを用いてもよい。さらに、受
光面側からｐ型層、ｉ型層、ｎ型層の順としたが、受光
面側からｎ型層、ｉ型層、ｐ型層の順としてもよい。こ
の場合、ｎ型層には、水素化アモルファスシリコン・カ
ーバイト膜などを用い、ｉ型層、ｐ型層には、水素化ア
モルファスシリコン膜などを用いて、受光面側にバンド
ギャップの大きい材料を用いるようにする。また、第２
太陽電池素子の水素化アモルファスシリコン膜の代わり
に、微結晶シリコン膜などの他の材料を用いてもよい。

【００３８】第１実施形態の太陽電池における第２太陽
電池素子の受光面電極の上に、さらに第３の太陽電池素
子を設けてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、受光面に非透光性のグリッド電極を有する第１
太陽電池素子と、グリッド電極上に絶縁体層を介して電
気的に分離されて設けられた第２太陽電池素子とによ
り、グリッド電極によって遮られて光電変換に寄与しな
かった光を第２太陽電池素子により光電変換することが
でき、入射光を有効に利用することができる。しかも、
各太陽電池素子はそれぞれ独立して電力を出力するた
め、２つの太陽電池素子が直列あるいは並列に接続され
る場合のように動作電流あるいは動作電圧が制限される
ことがなく、各太陽電池はおのおの最適な電流値、電圧
値により動作して、各太陽電池素子から最大の電力が得
られる。したがって、光電変換効率の向上を図ることが
できる。

【００４０】そして、第２太陽電池素子の受光面に透光
性の受光面電極を設けることにより、この受光面電極に
よって入射光が遮られることはなく、第２太陽電池素子
に入射した光も有効に利用することができ、光電変換効
率をさらに向上させることができる。

【００４１】また、第２太陽電池素子の受光面とは反対
側の裏面にある裏面電極が、光入射側から半導体層と接
し、これよりも屈折率の低い透明導電膜と非透光性導電
膜とを順に積層したものとすることにより、多重反射等
によって第２太陽電池素子の裏面に到達した光を再度第
２太陽電池素子の内部に反射させる割合を高めることが
できる。したがって、第２太陽電池素子において光の吸
収が増え、入射光をより有効に利用することができ、光
電変換効率をさらに向上させることができる。

【００４２】また、第２太陽電池素子を凹凸構造とする
ことにより、この受光面での光の表面反射を低減できる
とともに、内部での多重反射による光路長の増加とな
り、光の吸収が増え、入射光をより有効に利用すること
ができ、光電変換効率をさらに向上させることができ
る。

【００４３】しかも、第１太陽電池素子の受光面側のグ
リッド電極が第２太陽電池素子によって隠されるので、
このグリッド電極による光の反射を抑えることができ、
屋外に太陽電池を設置した場合、太陽光の乱反射がなく
なって美観的に優れたものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る太陽電池の断面構造を示す
図

【図２】同じく製造フローを示す図

【図３】第２実施形態に係る太陽電池の断面構造を示す
図

【図４】同じく製造フローを示す図

【図５】第３実施形態に係る太陽電池の断面構造を示す
図

【図６】同じく製造フローを示す図

【図７】第４実施形態に係る太陽電池の断面構造を示す
図

【図８】同じく製造フローを示す図

【図９】従来の太陽電池の断面構造を示す図

【図１０】グリッド電極に対する入射光の経路を示す図

【図１１】グリッド電極を山形状にした太陽電池の断面
構造を示す図

【図１２】山形状グリッド電極に対する入射光の経路を
示す図

【符号の説明】

１受光面（第１太陽電池素子）２ｐ型基板３ｎ型層４，６シリコン熱酸化膜層５グリッド電極７Ａｌ層１０第１太陽電池素子１１第２太陽電池素子１２ＳｉＯ₂膜層（絶縁体層）１３Ａｇ層（裏面電極）１４ｎ型層１５ｉ型層１６ｐ型層１７Ａｇ層（受光面電極）１８受光面（第２太陽電池素子）１９透明導電膜層（受光面電極）２０透明導電膜層（裏面電極）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光面に非透光性のグリッド電極を有す
る第１太陽電池素子と、前記グリッド電極上に設けられ
た第２太陽電池素子とを備え、両太陽電池素子は、絶縁
体層により電気的に分離され、それぞれ独立して電力を
出力することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】第２太陽電池素子は、第１太陽電池素子
と同じ方向に受光面を有し、該受光面に非透光性の受光
面電極が設けられたことを特徴とする請求項１記載の太
陽電池。
【請求項３】第２太陽電池素子は、第１太陽電池素子
と同じ方向に受光面を有し、該受光面に透明導電膜から
なる受光面電極が設けられたことを特徴とする請求項１
記載の太陽電池。
【請求項４】第２太陽電池素子は、受光面とは反対側
の裏面に裏面電極を有し、該裏面電極は、半導体層と接
し、光入射側から前記半導体層よりも屈折率の低い透明
導電膜と非透光性導電膜とが積層されて成ることを特徴
とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】第２太陽電池素子は凹凸構造とされたこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の太陽
電池。
【請求項６】第１太陽電池素子は結晶シリコン半導体
が用いられ、第２太陽電池素子はアモルファスシリコン
半導体が用いられたことを特徴とする請求項１から５の
いずれかに記載の太陽電池。