JP5225275B2

JP5225275B2 - 太陽電池セル

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Publication number: JP5225275B2
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Inventors: 仗祐中田
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Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
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Description

本発明は、太陽電池セルに関し、特に太陽電池セルが逆方向にバイアスされたときにｐｎ接合の一部に形成したｐ⁺ｎ⁺接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するものに関する。

一般に、光起電力を発生可能なｐｎ接合を有する太陽電池セルにおいては、太陽電池セル１個当りが発生する光起電力の最大出力電圧が低いため、複数の太陽電池セルを直列接続して光起電力の最大出力電圧を高めた状態で使用される。
図２４に示すように、複数の太陽電池セルを直列接続した太陽電池アレイにおいて、何れかの太陽電池セルが影の中に入って光起電力を発生しなくなった場合、その太陽電池セルに対して他の太陽電池セルで発生した光起電力の総和に等しい電圧が逆方向にバイアスされることになる。

印加電圧が太陽電池セルの逆方向耐圧以上の場合、その太陽電池セルが破壊される虞があるが、印加電圧が太陽電池セルの逆方向耐圧以下であっても、太陽電池セルに対して高電圧が印加されたり多くの電流が流れると、その太陽電池セルが発熱し太陽電池セル自体やその周辺の部材が劣化する虞がある。

そこで、図２５に示すように、太陽電池セル毎に１個の外部のバイパスダイオードを設けて、各太陽電池セルと逆並列にバイパスダイオードを夫々接続し、逆方向にバイアスされたときに太陽電池セルに流れる電流をバイパスすることにより、その太陽電池セルを保護する構造が考えられる。しかし、全ての太陽電池セルに対してバイパスダイオードを夫々設けると、太陽電池アレイの構造が複雑になり製造コストが高価になる。

そのため、図２６に示すように、ｎ個の太陽電池セルを直列接続した太陽電池アレイにおいて、ｍ個の太陽電池セルから構成されるブロック毎に１個のバイパスダイオードを逆並列に接続する構造が採用されている。この場合、ブロック内の１個の太陽電池セルが影に入ると、他のブロックを流れる電流、つまり、（ｎ−ｍ）個の太陽電池セルを流れる電流が、影に入った太陽電池セルが属するブロックの他の太陽電池セルには流れず、そのブロックのバイパスダイオードを通って流れることになる。

よって、影に入った太陽電池セルが属するブロックでは、他の太陽電池セルが発電していても、このブロックから負荷に電力が供給されないため、（ｎ−ｍ）個の太陽電池セルが発電した電力しか供給できず、太陽電池アレイの発電効率が低下する。
さらに、影に入った太陽電池セルには、残りの（ｍ−１）個の太陽電池セルの開放電圧に、バイパスダイオードを流れる電流によって生じた電圧降下を加えた電圧が逆方向にバイアスされるため、それに耐え得る高逆耐圧性能を有する太陽電池セルが必要である。

特許文献１には、同一のシリコンウェハに、太陽電池としてのｐｎ接合と、このｐｎ接合と分離領域（isolation region）を介して逆向きにｐｎ接合を形成したシャント（バイパス）ダイオードを設けた集積形の太陽電池セルが開示されている。太陽電池セルにバイパスダイオードが集積化されているため、太陽電池セルに外部のバイパスダイオードを電気的に接続する必要がない。

また、本願発明者は、特許文献２において、複数の球状太陽電池セルを並列且つ直列接続した太陽電池モジュールを開示した。この太陽電池モジュールは、球状太陽電池セルを複数行複数列に導電方向を揃えて配置し、隣接する太陽電池セルと並列且つ直列接続している。そのため、何れかの太陽電池セルが影に入った場合にも、太陽電池モジュール中の何れかの太陽電池セルが発電し電流路が残っている限り、その太陽電池セルに対して１個の太陽電池セルの開放電圧以上の電圧が逆方向にバイアスされない。
米国特許４３２３７１９号公報ＷＯ２００３／０１７３８２号公報

しかし、特許文献１に記載の太陽電池セルにおいては、太陽電池のｐｎ接合と分離領域を介して逆並列のｐｎ接合を設けているため、シリコンウエハ内に発電に寄与しないスペースが必要となり構造が大型化する。また、発電時に、太陽電池のｐｎ接合から分離領域の抵抗(parasitic shunt resistance)にも電流が流れるため開放電圧が低下するという欠点がある。

特許文献２に記載の太陽電池モジュールにおいては、並列接続した何れかの行全体が影に入って発電を停止すると、電流路がなくなりその行の太陽電池セルには、直列接続した他の太陽電池セルの総発電電圧が逆方向にバイアスされるため、その行の太陽電池セルが破壊されたり、発熱により劣化する虞がある。この場合、バイパスダイオードを設けるなどして電流路を確保する必要がある。

本発明の目的は、外部のバイパスダイオードと電気的に接続することなく、逆方向にバイアスされたときに電流が流れる逆導通特性を有する太陽電池セルを提供すること、小型で発電効率が低下しない太陽電池セルを提供すること、この太陽電池セルを使用して太陽電池モジュールを製造した場合の製造コストを低減できる太陽電池セルを提供すること、等である。

本発明に係る太陽電池セルは、平板状に形成された半導体基材に光起電力を発生可能なｐｎ接合を設けた太陽電池セルにおいて、前記半導体基材の太陽光入射側の片面近傍部に前記ｐｎ接合が形成され、前記半導体基材の前記片面及び反対側面には格子状の電極が形成され、前記半導体基材の前記片面には前記電極で遮光されない受光窓が形成され、前記半導体基材のうちの前記受光窓に臨まない全表面に前記半導体基材と同じ導電型で不純物が高濃度にドープされた第１の高濃度導電層が形成され、前記片面側の電極の背面側部分に前記半導体基材と異なる導電型で不純物が高濃度にドープされた第２の高濃度導電層が形成され、前記ｐｎ接合の一部に、前記第１，第２の高濃度導電層で構成したｐ⁺ｎ⁺接合であって、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合を設け、前記太陽電池セルが逆方向にバイアスされたとき前記ｐ⁺ｎ⁺接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するように構成したことを特徴としている。

本発明の太陽電池セルによれば、平板状の半導体基材に形成したｐｎ接合の一部に、不純物を高濃度にドープしたｐ⁺形導電層とｎ⁺形導電層で構成したｐ⁺ｎ⁺接合であって、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合を設け、太陽電池セルが逆方向にバイアスされたときｐ⁺ｎ⁺接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するように構成したため、太陽電池セルにバイパスダイオードを逆並列接続した場合と同様の効果を得ることができる。

つまり、この太陽電池セルを使用して太陽電池モジュールを製造した場合、何れかの太陽電池セルが影に入ったときに、その太陽電池セルのｐ⁺ｎ⁺接合を通じて電流が流れるので、その太陽電池セルが発熱したり劣化するのを防止することができると共に、太陽電池モジュール全体の発電効率が低下するのを防止することができる。しかも、新たにバイパスダイオードを設ける必要がないため、構造が小型化し製造コストを低減できる。

本発明の上記の構成に加えて、次のような種々の構成を採用してもよい。
（１）前記ｐｎ接合が、ｐｎ⁺接合又はｐ⁺ｎ接合である。

参考例１に係る平坦面を形成した球状のｐ形シリコン単結晶の断面図である。ｐ⁺拡散層を形成したｐ形シリコン単結晶の断面図である。ｎ⁺拡散層とｐｎ⁺接合とｐ⁺ｎ⁺接合とを形成したｐ形シリコン単結晶の断面図である。太陽電池セルの断面図である。太陽電池セルの要部の拡大断面図である。太陽電池セルの等価回路図である。ｐ⁺ｎ⁺接合のエネルギー帯構造（熱平衡状態）を示す説明図である。ｐ⁺ｎ⁺接合のエネルギー帯構造（逆方向バイアス状態）を示す説明図である。従来の太陽電池セルと本発明の太陽電池セルの電圧電流特性を示す線図である。ＢＳＦ構造を有する太陽電池セルのエネルギー帯構造を示す図である。複数の太陽電池セルを有する太陽電池モジュールの等価回路図である。参考例２に係る平坦面を形成したｐ形シリコン単結晶の断面図である。ｐ⁺拡散層を形成したｐ形シリコン単結晶の断面図である。ｎ⁺拡散層とｐｎ⁺接合とｐ⁺ｎ⁺接合とを形成したｐ形シリコン単結晶の断面図である。太陽電池セルとリードフレームの断面図である。太陽電池セルとリードフレームの要部の拡大断面図である。実施例１に係るｐ⁺拡散層を形成したｐ形シリコン単結晶ウエハの平面図である。図１７のXVIII −XVIII 線断面図である。実施例１に係る太陽電池セルの平面図である。実施例１に係る太陽電池セルの断面図である。参考例３に係る太陽電池セルの斜視図である。図２１のXXII-XXII 線断面図である。太陽電池セルの要部の拡大断面図である。従来技術に係るｎ個の太陽電池セルを直列接続した太陽電池アレイの回路図である。従来技術に係る太陽電池セル毎に１個のバイパスダイオードを逆並列接続した太陽電池アレイの回路図である。従来技術に係るブロック毎に１個のバイパスダイオードを逆並列接続した太陽電池アレイの回路図である。

３１太陽電池セル
３２ｐ形シリコン単結晶ウエハ
３４ｐ⁺拡散層
３５ｎ⁺拡散層
３６ｐｎ⁺接合
３７ｐ⁺ｎ⁺接合
３８正電極
３９負電極
３３受光窓

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。
［参考例１］

次に、参考例１の太陽電池セル１について、図１〜図５に基づいて説明する。
この球状太陽電池セル１は、球状のｐ形シリコン単結晶２に形成されたｐｎ⁺接合６の一部に、不純物を高濃度にドープしたｐ⁺拡散層４とｎ⁺拡散層５で構成したｐ⁺ｎ⁺接合７を形成したものである。

最初に、太陽電池セル１の構造について説明する。
図４、図５に示すように、太陽電池セル１は、球状のｐ形シリコン単結晶２（これが半導体基材に相当する）と、シリコン単結晶２の一端部に形成された平坦面３と、この平坦面３を除いてシリコン単結晶２の表面部に形成されたｎ⁺拡散層５（これがｎ⁺導電層に相当する）と、シリコン単結晶２の中心を挟んで対向する１対の電極８，９と、正電極８のシリコン単結晶２側の内面部に形成されたｐ⁺拡散層４（これがｐ⁺導電層に相当する）と、太陽電池セル１の表面のうちの正電極８及び負電極９以外の部分を覆う反射防止膜１０とを備えている。尚、正電極８は平坦面３に設けられている。
シリコン単結晶２の表面部には、光起電力を発生可能なｐｎ接合として機能するｐｎ⁺接合６が形成されており、このｐｎ⁺接合６は、平坦面３を除く、シリコン単結晶２の表面から一定の深さ位置に実質的に球面状に形成されている。ｐｎ⁺接合６の両端には、スポット状の１対の電極８，９が接続されている。正電極８の外周近傍部のうちの正電極８よりもシリコン単結晶２側部分には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合７が環状に形成されており、この太陽電池セル１の等価回路は、図６のようになる。また、正電極８は、ｐ⁺ｎ⁺接合７よりも大きい面積に形成されている。

次に、この太陽電池セル１の製造方法について説明する。
図１に示すように、第１工程において、直径１．８ｍｍの半導体基材としての球状のｐ形シリコン単結晶２（抵抗率約１Ωｃｍ）の下端部に直径約０．８ｍｍの平坦面３を形成し、この平坦面３は、基準面として以降の工程においてシリコン単結晶２を位置決めするのに利用される。第２工程において、シリコン単結晶２の平坦面３以外をＳｉＯ₂膜でマスクしてからボロンを熱拡散し、図２に示すように、平坦面３の内面部に、厚さ約１μｍの薄い円盤状の高不純物濃度（（１〜３）×１０²⁰ｃｍ^-3）を有するｐ⁺拡散層４を形成する。

図３に示すように、第３工程において、ｐ⁺拡散層４を含むシリコン単結晶２の球体全面にＳｉＯ₂膜を成膜した後、ｐ⁺拡散層４の直径よりもやや小さい平坦面３の中心部にＳｉＯ₂膜がマスクとして残るようにＳｉＯ₂膜をエッチングして除去してからリンを熱拡散し、球面部分と平坦面３の周縁部に、厚さ約０．５μｍの高不純物濃度（（４〜６）×１０²⁰ｃｍ^-3）を有するほぼ球状のｎ⁺拡散層５を形成する。その結果、平坦面３において、ｐ⁺拡散層４の周縁部に、ｐｎ⁺接合６と接する環状のｐ⁺ｎ⁺接合７が形成される。次に、ｎ⁺拡散層５の表面のうち０．１〜０．２μｍだけエッチングで除去し、高不純物濃度層を形成したことによる表面欠陥を除去する。

図４、図５に示すように、第４工程において、厚さ１〜２μｍの反射防止膜１０（例えばＳｉＯ₂膜）を全体に成膜した後、平坦面３のｐ⁺拡散層４の中心部にアルミニウムを含む樹脂ペーストを塗布し、且つｎ⁺拡散層５の球面頂部に銀を含む樹脂ペーストを塗布してから加熱処理し、ｐ⁺拡散層４と低抵抗接触する正電極８と、ｎ⁺拡散層５と低抵抗接触する負電極９を形成する。電極８，９の直径は０．４〜０．６ｍｍとすることが望ましい。その結果、正電極８、負電極９間には、ｐｎ⁺接合６を通る電路とｐ⁺ｎ⁺接合７を通る電路が夫々形成され、逆導通特性を有する球状の太陽電池セル１が完成する。

次に、太陽電池セル１が有する逆導通特性について説明する。
図７、図８は、ｐ⁺ｎ⁺接合７のエネルギー帯構造を示す図であり、図７は熱平衡状態、図８は逆方向にバイアスした状態を夫々示す。
図７に示すように、ｐ⁺ｎ⁺接合７の熱平衡状態におけるフェルミ準位は、ｐ⁺領域とｎ⁺領域の両領域に亙って同一レベルである。そのレベルはｐ⁺領域では価電子帯の直上にあり、ｎ⁺領域では伝導帯の直下にあり、しかも、ｐ⁺ｎ⁺接合７の遷移領域の幅は非常に薄くなっている。

図８に示すように、ｐ⁺側をマイナス、ｎ⁺側をプラスとした逆バイアス電圧Ｖを印加すると、ｐ⁺領域とｎ⁺領域のポテンシャル差が大きくなり、ｐ⁺ｎ⁺接合７の遷移領域の幅が一層薄くなり、トンネル効果によってｐ⁺領域の価電子帯の電子ｅが遷移領域を通り抜けて、ｎ⁺領域の伝導帯へ直接移動し電流が流れる。つまり、ｐ⁺ｎ⁺接合７がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するため、太陽電池セル１に逆方向にバイアスされたときｐ⁺ｎ⁺接合７を通じて容易に電流が流れる。

次に、太陽電池セル１の電圧電流特性と作用、効果について説明する。
図９は、従来の一般的な太陽電池セルと本発明の太陽電池セル１の電圧電流特性を示す線図である。図９における実線と１点鎖線に示すように、太陽光が遮断された状態（影に入った状態）では、両方の太陽電池セルの順方向電圧電流特性は、所定の閾値電圧を超えると急激に電流が増加する。逆方向電圧電流特性において、従来の太陽電池セルでは、電流が流れにくい領域を経て所定の電圧から電流が急増する降伏領域に入る特性を示すが、本発明の太陽電池セル１では、ｐ⁺ｎ⁺接合７がトンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するため、電流が流れるのを阻止する領域がなく直ぐ導通領域に入るようになっている。

一方、太陽光を受光した状態では、図９の第４象限における点線と２点鎖線に示すように、本発明の太陽電池セル１は、従来の太陽電池セルと同様の出力電圧電流特性を有するため、従来の太陽電池セルと同様に光起電力を発生する。
このように、本発明の太陽電池セル１は、太陽光を受光した場合、従来の太陽電池と同様に光起電力を発生し、太陽電池セル１が影に入って逆方向にバイアスされた場合は、正電極８と負電極９との間に起電力発生部分であるｐｎ⁺接合６とバックワードダイオード特性を持つｐ⁺ｎ⁺接合７が並列に接続されており、ｐ⁺ｎ⁺接合７を通してバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を備えることにより、太陽電池セル１が逆電圧によって破壊されたり、発熱により太陽電池セル１自体やその周辺の部材が劣化するという事態を回避できる。

太陽電池セル１を直列接続して使用した場合、何れかの太陽電池セル１が影に入り光起電力を発生しなくなると自動的に電流路はｐ⁺ｎ⁺接合７の部分へ瞬時にスイッチし、他の発電セルの出力電流を低抵抗でパスし無駄なく出力を負荷に供給し続けることが可能である。太陽電池セル１に逆導通特性を備えたため、従来のように外部のバイパスダイオードと接続する必要がなく、構造が小型化し製造コストが低減する。

さらに、球面状のｐｎ⁺接合６を有するため、直射太陽光の入射角が変化しても一定の受光面積が確保され太陽光を受光する指向性が広いうえ、周囲から来る反射光を利用することが可能である。ｐｎ⁺接合６の縁端がｎ⁺拡散層５を含むｐ形シリコン単結晶２の表面に現れずにｐ⁺ｎ⁺接合７が表面に現れるため、ｎ⁺拡散層５を含むｐ形シリコン単結晶２の表面における再結合電流が減少し、太陽電池セル１の開放電圧と短絡電流の向上に寄与する。

さらに、ｐ⁺拡散層４は、正電極８と低抵抗接触するうえ、図１０に示すように、ｐ形領域に対して電子エネルギー的に高い準位となり、光励起で発生した電子ｅを追い返すＢＳＦ（back surface field) 効果が生じるため、開放電圧や短絡電流を高めることが可能となる。ｐ形シリコン単結晶２の中心を挟んで両側にスポット状に正電極８と負電極９を設けたため、太陽電池セル１のうちの電極８，９以外の表面で入射光を受けて発電することができ、発電効率を高く維持できる。しかも、シリコンで吸収できない長波長の熱線は、太陽電池セル１を透過しやすいため、太陽電池セル１の温度上昇が少なくなる。

次に、複数の太陽電池セル１を接続した太陽電池モジュール１１の作用、効果について説明する。図１１に示すように、太陽電池モジュール１１においては、例えば２５個の太陽電池セル１が導電方向を揃えて５行５列に配置され、各列の複数の太陽電池セル１が電気的に直列接続され、各行の複数の太陽電池セル１が電気的に並列接続され、２５個の太陽電池セル１がメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続されている。尚、図１１においては、各太陽電池セル１に内蔵されるバイパスダイオードを図示省略してある。

この太陽電池モジュール１１では、並列接続された複数行のうちの１行の全部の太陽電池セル１が影に入っても、その行の太陽電池セルのｐ⁺ｎ⁺接合７を通ってバイパス電流が流れる。従って、複数の太陽電池セル１をメッシュ状の直列並列回路により電気的に接続してなる太陽電池モジュール１１において、どのようなパターンの影（日陰）が発生しても、発電電力をロスなく、取り出すことが可能になり、個々の太陽電池セル１に悪影響が生ずることもない。尚、太陽電池セル１に形成した平坦面３は必須のものではないので、省略してもよい。
［参考例２］

次に、参考例２の太陽電池セル１２について説明する。
図１２〜図１６に示すように、参考例２の球状太陽電池セル１２は、負電極２２と平行且つ負電極２２で隠れる位置にｐ⁺拡散層１５と、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合１８を設けると共に、ｐ⁺シリコン再結晶層２０をアルミニウム合金製の正電極１９とｐ形シリコン単結晶１３の共晶反応により形成したものである。

先ず、太陽電池セル１２の構造について説明する。
図１５、図１６に示すように、太陽電池セル１２は、球状のｐ形シリコン単結晶１３と、このｐ形シリコン単結晶１３の表面部に形成されたｎ⁺拡散層１６と、ｐ形シリコン単結晶１３の中心を挟んで対向する１対の電極１９，２２と、負電極２２のｐ形シリコン単結晶１３側の内面部に形成されたｐ⁺拡散層１５と、正電極１９のｐ形シリコン単結晶１３側の内面部に形成されたｐ⁺シリコン再結晶層２０と、太陽電池セル１２の表面のうちの正電極１９及び負電極２２以外の部分を覆う反射防止膜２３とを備えている。

負電極２２に接合されたｎ⁺拡散層１６の部分と、このｎ⁺拡散層１６の部分に接合されたｐ⁺拡散層１５とで円形のｐ⁺ｎ⁺接合１８が構成され、正電極１９のｐ形シリコン単結晶１３側の内面部のｐ⁺シリコン再結晶層２０と、このｐ⁺シリコン再結晶層２０が接触するｎ⁺拡散層１６の部分とで環状のｐ⁺ｎ⁺接合２１が構成されている。

次に、この太陽電池セル１２の製造方法について説明する。
図１２に示すように、第１工程において、実施例１の第１工程と同様に、半導体基材としての抵抗率１Ωｃｍ程度で直径１．８ｍｍのｐ形シリコン単結晶１３に直径約０．８ｍｍの平坦面１４を形成する。
第２工程において、ｐ形シリコン単結晶１３の頂部における直径約０．４ｍｍの部分を除き、全体をＳｉＯ₂膜でマスクしボロンを熱拡散して、図１３に示すように、厚さ約１μｍの高不純物濃度（（１〜３）×１０²⁰ｃｍ^-3）を有するｐ⁺拡散層１５を形成する。

図１４に示すように、第３工程において、ｐ形シリコン単結晶１３の全表面にリンを熱拡散して、厚さが約０．５μｍの高不純物濃度（（４〜５）×１０²⁰ｃｍ^-3）を有するｎ⁺拡散層１６をｐ形シリコン単結晶１３の球面全体に形成する。これにより、ｐｎ⁺接合１７と、ｎ⁺拡散層１６の頂部のｐ形シリコン単結晶１３側の内面部に組み込まれたｐ⁺ｎ⁺接合１８が形成される。次に、ｎ⁺拡散層１６の表面のうち約０．１〜０．２μｍだけエッチングで除去し、高濃度不純物層を形成したことによる表面欠陥を除去する。

図１５に示すように、第４工程において、例えば、幅０．９ｍｍ、厚さ０．２ｍｍに形成された鉄ニッケル合金（鉄５８％、ニッケル４２％）製のリードフレーム２４上に、第３工程で得られた球状体を載置してアルミニウム合金により固着する。具体的には、球状体の平坦面１４とリードフレーム２４の間にアルミニウム合金（ボロン０．１％、シリコン約０．２％を含む）の円板（例えば、直径０．６ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍ）を重ね合わせた状態で挟み込み、真空又は不活性ガス中で約８３０℃まで急速加熱した後直ぐ急速冷却することで、アルミニウム合金とシリコンとを共晶反応させる。

アルミニウム合金とシリコンとの共晶反応によりｐ⁺シリコン再結晶層２０が平坦面１４のｎ⁺拡散層１６の部分を貫通して形成され、このｐ⁺シリコン再結晶層２０のうちの正電極１９の外周側の部分がｎ⁺拡散層１６と接し、環状のｐ⁺ｎ⁺接合２１が形成される。ｐ⁺シリコン再結晶層２０はボロンとアルミニウムを不純物として高濃度に含み、アルミニウムとシリコンからなる合金部分はリードフレーム２４と固着し正電極１９となる。尚、この第４工程において負電極２２を形成する為に予め頂部のｎ⁺拡散層１６の表面にアンチモンを約０．５％含む銀ペーストをドット状に塗布し、正電極１９の形成と同時に負電極２２も形成する。その後、公知のスパッター法により所定の厚さの反射防止膜２３を太陽電池セル１２の電極１９，２２を除く表面に成膜する。

太陽電池セル１２は、図示しないが同時に多数の太陽電池セル１２をリードフレーム２４上に載置して上記の作業を行うことができ、その後頂部の負電極２２をリードフレームで並列接続しモジュールを製造することが可能である。また、太陽電池セル１２の電圧電流特性は、実施例１の場合とほぼ同様である。

このように、太陽電池セル１２は、実施例１の太陽電池セル１と比較してｐ⁺ｎ⁺接合１８，２１の面積が大きいため、多くの逆電流を流すことができ、太陽電池セル１２に逆方向にバイアスされたときの保護性能が格段に高まる。負電極２２と平行且つ負電極２２で隠れる位置にｐ⁺ｎ⁺接合１８を設けて、負電極２２によって入射光が遮蔽される領域を有効利用しているため、光発電領域のスペースを犠牲にしない。正電極１９の外周面に対向する位置に環状のｐ⁺ｎ⁺接合２１を設けたため、逆導通時の直列抵抗が減少する。そして、ｐ⁺シリコン再結晶層２０の形成と正電極１９の形成とリードフレーム２４との接続を同時に行えるため、製造工程が簡単化し製造コストが低減できる。尚、この太陽電池セル１２に形成した平坦面１４は必須のものではないので省略してもよい。

次に、実施例１の太陽電池セル３１について図１７〜図２０に基づいて説明する。
図１９，図２０に示すように、平板状太陽電池セル３１は、平板状のｐ形シリコン単結晶ウエハ３２に太陽光入射側の片面近傍部にｐｎ⁺接合３６を形成すると共に、負電極３９の背面側部分にｐ⁺拡散層３４を介して、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合３７を形成したものである。

先ず、太陽電池セル３１の構造について説明する。
図１９、図２０に示すように、太陽電池セル３１は、平板状のｐ形シリコン単結晶ウエハ３２と、シリコン単結晶ウエハ３２の太陽光入射側の片面に形成された格子状の負電極３９及びシリコン単結晶ウエハ３２の反対側面に形成された格子状の正電極３８と、シリコン単結晶ウエハ３２の前記片面に形成された負電極３９で遮光されない受光窓３３と、シリコン単結晶ウエハ３２のうちの受光窓３３に臨まない全表面に形成されたｐ⁺拡散層３４（第１の高濃度導電層に相当する）と、シリコン単結晶ウエハ３２の前記片面側の表面部に形成されたｎ⁺拡散層３５と、受光窓３３の表面を覆う反射防止膜４１と、太陽電池セル３１の前記反対側面の表面のうちの正電極３８以外の部分を覆う裏面反射膜４０とを備えている。シリコン単結晶ウエハ３２の前記片面近傍部にはｐｎ⁺接合３６（ｐｎ接合に相当する）が形成され、前記片面側の負電極３９の背面側部分には、前記ｐｎ ⁺ 接合３６の一部に、ｐ⁺拡散層３４とｎ⁺拡散層３５（第２の高濃度導電層に相当する）とでｐ⁺ｎ⁺接合３７が形成されている。

次に、太陽電池セル３１の製造方法について説明する。
第１工程において、最初に半導体基材として抵抗率約１Ωｃｍのｐ形シリコン単結晶ウエハ３２を用意する。このシリコン単結晶ウエハ３２は、厚さ０．２５ｍｍの所定のサイズ（例えば、２ｃｍ×２ｃｍ）の平板状に形成されているが、種々のサイズのものを適用可能である。

次に、第２工程において、図１７，図１８に示すように、シリコン単結晶ウエハ３２の太陽光入射側の後述の受光窓３３に対応する部分をシリコン酸化膜でマスクしてシリコン単結晶ウエハ３２の全表面にボロンを選択的に熱拡散し、厚さが０．５〜１μｍの高不純物濃度（（1 〜３）１０²⁰ｃｍ^-3）を有するｐ⁺拡散層３４を形成する。これにより、シリコン単結晶ウエハ３２における太陽光入射側の表面部における４つの正方形の受光窓３３を除いた太陽光入射側の表面部の格子状の部分は、ボロンを熱拡散したｐ⁺拡散層３４で覆われている。

図１９、図２０に示すように、第３工程において、シリコン単結晶ウエハ３２における太陽光入射側の表面だけリンを熱拡散し、厚さが０．４〜０．５μｍの高不純物濃度（（４〜５）×１０²⁰ｃｍ^-3）を有するｎ⁺拡散層３５を形成する。これにより、シリコン単結晶ウエハ３２の前記片面近傍部にｐｎ⁺接合３６が形成されると共に、格子状のｐ⁺ｎ⁺接合３７が形成される。尚、ｐｎ⁺接合３６の縁端はｐ⁺ｎ⁺接合３７と接しており、ｎ⁺拡散層３５を含むシリコン単結晶ウエハ３２の外面とは接しない。

次に、第４工程において、シリコン単結晶ウエハ３２の前記反対側面におけるｐ⁺拡散層３４の表面に、格子状に金属膜を蒸着し加熱処理して低抵抗接触させた正電極３８を形成し、前記反対側面におけるｐ⁺拡散層３４の表面のうち正電極３８が形成された部分以外には、外から入射した光を内部に反射させるシリコン酸化膜などからなる裏面反射膜４０を形成する。また、ｎ⁺拡散層３５の表面には、格子状に金属膜を蒸着し加熱処理して低抵抗接触させた負電極３９を形成すると共に、４つの正方形状の受光窓３３を形成する。この負電極３９の格子幅は、ｐ⁺拡散層３４の格子幅より若干大きく形成される。次に、受光窓３３の表面にシリコン酸化膜等からなる反射防止膜４１を形成し、バックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有する平面状の太陽電池セル３１が完成する。

このように、太陽電池セル３１は、受光窓３３を除くシリコン単結晶ウエハ３２の全表面がｐ⁺拡散層３４によって覆われているため、シリコン内部で光励起により発生した電子が表面や電極界面で失われないように周り全体で追い返すＢＳＦ効果を有する。
その結果、開放電圧と短絡電流の向上が可能になる。また、ｐ⁺ｎ⁺接合３７は、負電極３９の背面側部分の受光できない部分に形成されているため、太陽電池セル３１の有効受光面積を減ずることなく実施できる。
［参考例３］

次に、参考例３の太陽電池セル５１について説明する。
図２１〜図２３に示すように、この実施例の太陽電池セル５１は、ほぼ円形の断面を有するロッド形の太陽電池セルである。

先ず、太陽電池セル５１の構造について説明する。
図２１〜図２３に示すように、太陽電池セル５１は、ロッド形のｐ形シリコン単結晶５２（半導体基材に相当する）と、シリコン単結晶５２の軸心と直交する方向における一端部に全長に亘って成形された平坦面５３と、この平坦面５３を除いてシリコン単結晶５２の表面部に形成された部分円筒形のｎ⁺拡散層５５と、シリコン単結晶５２の中心を挟んで対向する帯状の１対の電極５８，５９であってシリコン単結晶５２の全長に亘る１対の電極５８，５９と、平坦面５３におけるシリコン単結晶５２側の内面部に形成されたｐ⁺拡散層５４と、太陽電池セル５１の表面のうちの正電極５８及び負電極５９以外の部分を覆う反射防止膜６０とを備えている。尚、正電極５８は平坦面５３に設けられている。

シリコン単結晶５２の表面部には部分円筒形のｐｎ⁺接合５６が形成され、ｐｎ⁺接合５６の両端には、シリコン単結晶５２の長さ方向に延びる１対の電極５８，５９が接続されている。ｐ⁺拡散層５４の幅方向両端部には、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合５７が形成されている。
このロッド形の太陽電池セル５１は、軸心に対してほぼ対称性を有し、種々の方向からの太陽光を受光できるため、広い角度で受光感度を有する。尚、ｐ形シリコン単結晶５２の直径は１．８ｍｍ以下とするのが望ましく、ｐ形シリコン単結晶５２の長さは、その直径の２倍以上とするのが望ましく、平坦面５３の幅は０．８ｍｍ以下とするのが望ましく、電極５８，５９の幅は０．４〜０．６ｍｍとするのが望ましい。また、この太陽電池セル５１に形成した平坦面５３は必須のものではないので省略してもよい。

ここで、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。

［１］半導体基材を多結晶で構成してもよい。
［２］ｐ形の半導体基材の代わりにｎ形の半導体基材を採用すると共に、前記実施例のｐとｎを夫々入れ替えた構造とし、ｐｎ⁺接合の代わりにｐ⁺ｎ接合を形成してもよい。
［３］半導体基材をシリコンで構成する代わりに、ＧｅやＧａＡｓ，ＩｎＰ、ＧａＮなどのIII−Ｖ族、ＣＩＳ、ＣＩＧＳなどのI−III−VI₂化合物半導体で構成してもよい。
［４］不純物を熱拡散で導入する代わりに、イオン打ち込み法により不純物を導入してもよい。

逆方向にバイアスされたときに逆導通特性を有する太陽電池セルを提供するため、複数の太陽電池セルを有する太陽電池モジュールにおいて、何れかの太陽電池セルが影に入った際の太陽電池セルの発熱や劣化を防止することができると共に、太陽電池モジュール全体の発電効率の低下を防止することができる。

Claims

平板状に形成された半導体基材に光起電力を発生可能なｐｎ接合を設けた太陽電池セルにおいて、
前記半導体基材の太陽光入射側の片面近傍部に前記ｐｎ接合が形成され、
前記半導体基材の前記片面及び反対側面には格子状の電極が形成され、
前記半導体基材の前記片面には前記電極で遮光されない受光窓が形成され、
前記半導体基材のうちの前記受光窓に臨まない全表面に前記半導体基材と同じ導電型で不純物が高濃度にドープされた第１の高濃度導電層が形成され、
前記片面側の電極の背面側部分に前記半導体基材と異なる導電型で不純物が高濃度にドープされた第２の高濃度導電層が形成され、
前記ｐｎ接合の一部に、前記第１，第２の高濃度導電層で構成したｐ⁺ｎ⁺接合であって、トンネル効果によるバックワードダイオード特性を有するｐ⁺ｎ⁺接合を設け、
前記太陽電池セルが逆方向にバイアスされたとき前記ｐ⁺ｎ⁺接合を通じてバックワードダイオード特性に基づく逆電流が流れる逆導通特性を有するように構成した、
ことを特徴とする太陽電池セル。
前記ｐｎ接合が、ｐｎ⁺接合又はｐ⁺ｎ接合であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池セル。