(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池素子の発電効率を向上させること。【解決手段】半導体基板２と、半導体基板上に配された表面層と、表面層上に配された電極４と、を備えている。半導体基板は、ｎ型またはｐ型の不純物を有している。表面層は、半導体基板の一部に配された第１半導体層３１１と、半導体基板の他部に配された絶縁層３１２と、を有している。そして、第１半導体層は、半導体基板がｎ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも大きい仕事関数を有しており、半導体基板がｐ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも小さい仕事関数を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型またはｐ型の不純物を有する半導体基板と、
前記半導体基板の一部に配された第１半導体層、および前記半導体基板の他部に配された絶縁層を有している表面層と、
前記表面層上に配された電極と、を備え、
前記半導体基板がｎ型の前記不純物を有する場合、前記第１半導体層は、前記半導体基板よりも大きい仕事関数を有しており、
前記半導体基板がｐ型の前記不純物を有する場合、前記第１半導体層は、前記半導体基板よりも小さい仕事関数を有している、太陽電池素子。
【請求項２】
ｎ型またはｐ型の不純物半導体基板と、
前記半導体基板の一部に配された第１半導体層、および前記半導体基板の他部に配され、前記第１半導体層よりも大きい電気抵抗率を有する第２半導体層を有している表面層と、
前記表面層上に配された電極と、を備え、
前記半導体基板がｎ型の前記不純物を有する場合、前記第１半導体層は、前記半導体基板よりも大きい仕事関数を有しており、
前記半導体基板がｐ型の前記不純物を有する場合、前記第１半導体層は、前記半導体基板よりも小さい仕事関数を有している、太陽電池素子。
【請求項３】
前記半導体基板がｎ型の前記不純物を有する場合、前記第２半導体層は、前記半導体基板よりも小さい仕事関数を有しており、
前記半導体基板がｐ型の前記不純物を有する場合、前記第２半導体層は、前記半導体基板よりも大きい仕事関数を有している、請求項２に記載の太陽電池素子。
【請求項４】
前記第１半導体層は、前記絶縁層または前記第２半導体層を覆っている、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池素子。
【請求項５】
前記絶縁層または前記第２半導体層の厚みは、前記絶縁層または前記第２半導体層を覆っている前記第１半導体層の厚みよりも厚い、請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池素子。
【請求項６】
前記表面層は、前記第１半導体層の上面に配された金属層を有している、請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池素子。
【請求項７】
前記電極は、上下方向において、前記半導体基板の一部の領域に重なっている、請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池素子。
【請求項８】
前記絶縁層または前記第２半導体層は、前記第１半導体層よりも内側に位置している、請求項１〜７に記載の太陽電池素子。
【請求項９】
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板の一部に配された第１半導体層、および前記半導体基板の他部に配された第２半導体層を有している表面層と、
前記表面層上に配された電極と、を備え、
前記第１半導体層は、酸化モリブデンから成り、
前記第２半導体層は、フッ化リチウムから成る、太陽電池素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載された構成を有している、複数の太陽電池素子と、
前記複数の太陽電池素子同士を電気的に接続している配線と、を備えている太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池素子および太陽電池モジュール
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に記載されているように、太陽電池基板にパッシベーション膜を設けた太陽電池が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４２４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような太陽電池では、発電効率を向上させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態に係る太陽電池素子は、半導体基板と、半導体基板上に配された表面層と、表面層上に配された電極と、を備えている。半導体基板は、ｎ型またはｐ型の不純物を有している。表面層は、半導体基板の一部に配された第１半導体層と、半導体基板の他部に配された絶縁層と、を有している。そして、第１半導体層は、半導体基板がｎ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも大きい仕事関数を有しており、半導体基板がｐ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも小さい仕事関数を有している。
【０００６】
本発明の他の実施形態に係る太陽電池素子は、半導体基板と、半導体基板上に配された表面層と、表面層上に配された電極と、を備えている。半導体基板は、ｎ型またはｐ型の不純物を有している。表面層は、半導体基板の一部に配された第１半導体層と、半導体基板の他部に配され、第１半導体層よりも多き電気抵抗率を有する第２半導体層と、を有している。そして、第１半導体層は、半導体基板がｎ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも大きい仕事関数を有しており、半導体基板がｐ型の不純物を有する場合、半導体基板よりも小さい仕事関数を有している。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の太陽電池素子によれば、太陽電池素子の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す上面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる太陽電池を示す上面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュールを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜太陽電池＞
以下に、本発明の一実施形態にかかる太陽電池素子について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面では直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義し、以下の説明ではＺ軸方向の正側を上方とする。
【００１０】
図１に、本開示の太陽電池素子を上下方向に切断したときの断面を示す。図２に、本開
示の太陽電池素子の上面を示す。なお、図２では、太陽電池素子の表面層の構造を示している。また、図１は、図２をＩ−Ｉ線で切断しときの断面であり、断面の一部を拡大して示している。
【００１１】
太陽電池素子１は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。太陽電池素子１は、半導体基板２と、半導体基板２の上下面に配された複数の表面層３と、複数の表面層３に配置された複数の電極４とを有している。
【００１２】
半導体基板２は、光を受けてキャリアを発生させることができる。本開示の半導体基板２の材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）であればよい。具体的に、半導体基板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）の多結晶または単結晶であればよい。半導体基板２は、例えば、平板状であればよい。また、半導体基板２の平面形状は、例えば、矩形状であればよい。
【００１３】
本開示の半導体基板２は、ｎ型の不純物を有しているシリコン基板である。すなわち、半導体基板２は、ｎ型の不純物が拡散したシリコン（Ｓｉ）基板であればよい。シリコン（Ｓｉ）に対するｎ型の不純物としては、例えば、ボロン（Ｂ）または（Ｇａ）などを使用すればよい。
【００１４】
なお、本開示の半導体基板２の導電型は、ｎ型の不純物を有しているが、本発明において半導体基板２の導電型は、ｐ型の不純物を有していてもよい。半導体基板２の仕事関数と複数の表面層３の仕事関数と関係によって、半導体基板２に拡散させる不純物は適宜設定されればよい。
【００１５】
半導体基板２は、従来から周知の方法で形成することができる。
【００１６】
複数の表面層３は、キャリアの取り出し効率を向上させることができる。半導体基板２の上面に配された第１表面層３１と、半導体基板２の下面に配された第２表面層３２とを有している。なお、本開示の第１表面層３１は、半導体基板２の上面に配されているが、本発明において、第１表面層３１は半導体基板２の下面に配されていてもよい。また、第１表面層３１が、半導体基板２の下面に配されている場合には、第２表面層３２が半導体基板２の上面に配されていてもよい。
【００１７】
第１表面層３１は、図２に示すように、半導体基板２の上面の一部に配された第１半導体層３１１と、半導体基板２の上面の他部に配された絶縁層３１２を有している。言い換えれば、半導体基板２の上面は第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を有しており、第１領域Ｒ１には第１半導体層３１１が接しており、第２領域Ｒ２には絶縁層３１２が接している。なお、図２は、第１半導体層３１１と絶縁層３１２を露出させた状態を示している。また、本開示の絶縁層３１２は複数の帯状部材から形成されており、その他の領域に第１半導体層３１１が配されている。また、本開示の半導体基板２では、第１領域Ｒ１は第２領域Ｒ２よりも大きく設定されている。
【００１８】
また、第１半導体層３１１は、半導体基板２がｎ型の不純物を有する場合、半導体基板２よりも大きい仕事関数を有している。一方で、半導体基板２がｐ型の不純物を有する場合、半導体基板２よりも小さい仕事関数を有している。そのため、半導体基板２は、含有する不純物に起因して、主にｎ型またはｐ型のいずれか一方の導電型を有するが、半導体基板２の第１領域Ｒ１の近傍領域Ｒ３の導電型は反転し、半導体基板２の一部はｎ型またはｐ型の他方の導電型を有することになる。すなわち、半導体基板２の第１領域Ｒ１の近傍領域Ｒ３においてｐｎ接合が形成され、太陽電池として機能することができる。
【００１９】
本開示の太陽電池素子１の場合、半導体基板２はｎ型の不純物を有しているため、第１
半導体層３１１は、半導体基板２よりも大きい仕事関数を有している。そして、半導体基板２の第１領域Ｒ１の近傍領域Ｒ３の導電型は、ｐ型に反転させることができる。なお、導電型が反転した領域（近傍領域Ｒ３）は、図１の点線によって模式的に示している。
【００２０】
本発明に係る太陽電子素子１では、上記の通り、半導体基板２と第１半導体層３１１との接触領域が、絶縁層３１２によって制限されている。すなわち、第１半導体層３１１が半導体基板２に接触することによって形成されるｐｎ接合は、半導体基板２の一部にのみ形成されている。したがって、発生したキャリアの取り出し経路を限定させることで電流密度を向上させることができ、ひいては発電効率を向上させることができる。
【００２１】
なお、本開示の半導体基板２の仕事関数は、例えば４ｅＶ以上４．４ｅＶ以下に設定される。また、本開示の第１半導体層３１１の仕事関数は、第１半導体層３１１の仕事関数は、例えば４．８ｅＶ以上に設定される。第１半導体層３１１の材料は、例えば酸化モリブデン（ＭｏＯ３）または酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などの材料であればよい。また、絶縁層３１２の材料は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）またはホウ化ランタン（ＬａＢ６）などの材料であればよい。なお、第１半導体層３１１および絶縁層３１ｗ２は、従来から周知の方法で形成することができる。
【００２２】
また、半導体基板２がｐ型の不純物を有する場合、半導体基板２の仕事関数は、例えば４．７ｅＶ以上５．１ｅＶ以下に設定されればよい。また、この場合、第１半導体層３１１の仕事関数は、例えば４．３ｅＶ以下に設定されればよい。第１半導体層３１１の材料は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）またはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、マグネシウム（Ｍｇ）などの材料であればよい。
【００２３】
本明細書において、仕事関数とは真空準位とフェルミ準位との差を指す。各構成部材の仕事関数は、例えばケルビン法（振動容量法）等を利用して測定することができる。
【００２４】
第１表面層３１は、絶縁層３１２の代わりに、第２半導体層３１２´を適用してもよい。そして、第２半導体層３１２´は、第１半導体層３１１よりも大きい電気抵抗率を有していてもよい。その結果、第２半導体層３１２´を絶縁層３１２と同様に機能させることができる。
【００２５】
なお、第２半導体層３１２´は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）等の材料であればよい。また、第１半導体層３１１の電気抵抗率は、例えば１０Ω・ｃｍ以上１０４Ω・ｃｍ以下であればよい。また、第２半導体層３１２´の電気抵抗率は、例えば１０２Ω・ｃｍ以上１０６Ω・ｃｍ以下であればよい。また、第２半導体層３１２´の電気抵抗率は、第１半導体層３１１の１０倍以上であればよい。なお、電気抵抗率は、例えば太陽電池素子１から第１半導体層３１１および第２半導体層３１２´を取り出し、第２半導体層３１２´を含む領域と、含まない領域との上下面に電極を形成して電気測定を行なうことによって測定することができる。
【００２６】
本開示の太陽電池素子１において、第２半導体層３１２´は、ｎ型の半導体基板２よりも小さい仕事関数を有していてもよい。その結果、第２半導体層３１２´によって半導体基板２のエネルギーバンドを第１半導体層３１１と反対方向に曲げることができる。すなわち、第１半導体層３１１の影響により第２半導体層３１２´の直下の半導体基板２の導電型が反転することを低減することができる。なお、第２半導体層３１２´の仕事関数は、例えば４．３ｅＶ以下に設定されていればよい。なお、第２半導体層３１２の材料は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）またはホウ化ランタン（ＬａＢ６）などの材料であればよい。なお、第２半導体層３１２は、従来から周知の方法で形成することができる。
【００２７】
なお、上記の例では第２半導体層３１２´が半導体基板２よりも小さい仕事関数を有している場合を説明したが、半導体基板２がｐ型の不純物を有する場合、第２半導体層３１２´は、半導体基板２よりも大きい仕事関数を有することになる。
【００２８】
また、以下、本明細書において、「絶縁層／第２半導体層３１２」の記載は、「絶縁層３１２、または絶縁層３１２の代わりに適用される第２半導体層３１２´」を示すものとする。
【００２９】
絶縁層／第２半導体層３１２の厚みは、可視光線の波長よりも小さくてもよい。その結果、太陽電池素子１に入射する太陽光が、絶縁層／第２半導体層３１２に吸収されることを低減することができる。
【００３０】
絶縁層／第２半導体層３１２は、透光性を有していてもよい。絶縁層／第２半導体層３１２の透光性は、例えば９０％以上であればよい。
【００３１】
絶縁層／第２半導体層３１２は、図２に示すように、第１半導体層３１１よりも内側に位置していてもよい。すなわち、半導体基板２の上面における第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１に囲まれていてもよい。その結果、絶縁層／第２半導体層３１２が外側に有る場合と比較して、端部におけるキャリアの拡散距離を低減することができる。
【００３２】
また、図３に示すように、絶縁層／第２半導体層３１２は、格子状であってもよい。その結果、キャリアの拡散距離の過剰な増加を抑えつつ、絶縁層／第２半導体層３１２の面積を増加させることができ、電流密度を向上させることができる。なお、図３は、本発明に係る太陽電池素子１の他の実施形態を、図２と同じ視点で示している。
【００３３】
第１半導体層３１１は、絶縁層／第２半導体層３１２を被覆していてもよい。その結果、第１表面層３１での反射率を均一に近づけることができる。
【００３４】
絶縁層／第２半導体層３１２の厚み（Ｔ２）は、絶縁層／第２半導体層３１２を被覆している第１半導体層３１１の厚み（Ｔ１）よりも小さくてもよい。その結果、第１半導体層３１１のカバレッジを良くすることができる。
【００３５】
なお、第１半導体層３１１の厚みのうち、絶縁層／第２半導体層３１２を被覆している部分の厚み（Ｔ１）は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であればよい。絶縁層／第２半導体層３１２の厚み（Ｔ２）は、例えば３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であればよい。また、第１半導体層３１１および絶縁層／第２半導体層３１２の厚みは、例えば分光エリプソメトリによって測定することができる。
【００３６】
第１表面層３１は、第１半導体層３１１の上面に配された第１金属層３１３をさらに有していてもよい。その結果、電気抵抗を低減するという顕著な効果を奏する。
【００３７】
第１金属層３１３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＴｉＯ（Indium titanium Oxide）またはＩｎＯ（Indium Oxide）などのＴＣＯ（Transparent Conductive Oxide）であればよい。第１金属層３１３の厚みは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に設定される。第１金属層３１３は、従来から周知の方法によって形成することができる。
【００３８】
第２表面層３２は、半導体基板２の下面に配された第３半導体層３２１と、第３半導体層３２１の下面に配された第２金属層３２２を有していてもよい。第３半導体層３２１の
厚みは、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下に設定される。第２金属層３２２の厚みは、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下に設定される。なお、第３半導体層３２１と第２金属層３２２は、従来から周知の方法によって形成することができる。
【００３９】
第３半導体層３２１は、ｎ型の不純物を有する半導体基板２よりも小さい仕事関数を有していてもよい。その結果、電界効果を発生させ、少数キャリアの再結合を低減させることができる。この場合、第３半導体層３２１の材料は、例えばフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）またはホウ化ランタン（ＬａＢ６）などであればよい。
【００４０】
第３半導体層３２１は、第２半導体層３１２´と同じ材料から成っていてもよい。その結果、成膜材料が同じになるため、製造工程を簡略化することができる。
【００４１】
第３半導体層３２１が第２半導体層３１２´と同じ材料から成っている場合、第２半導体層３１２´の厚みは、第３半導体層３２１の厚みよりも大きくてもよい。その結果、第２半導体層３１２´では電気抵抗を向上させることができ、第３半導体層３２１では電気抵抗を低減させることができる。
【００４２】
なお、上記の例では第３半導体層３２１が半導体基板２よりも小さい仕事関数を有している場合を説明したが、半導体基板２がｐ型の場合、第３半導体層３２１は、半導体基板２よりも大きい仕事関数を有することになる。
【００４３】
第２金属層３２２は、電気抵抗の低減をすることができ、また第３半導体層３２１を保護することができる。第２金属層３２２の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）などであればよい。
【００４４】
複数の電極４は、半導体基板２からキャリアを取りだすことができる。電極４は、カソード電極４１とアノード電極４２とを有している。カソード電極４１は、第１表面層３１の表面に配置されている。その結果、カソード電極４１は、半導体基板２内で発生した正孔を取り出すことができる。アノード電極４２は、第２表面層３２の表面に配置されている。その結果、アノード電極４２は、半導体基板２内で発生した電子を取り出すことができる。
【００４５】
複数の電極４（カソード電極４１およびアノード電極４２）のそれぞれは、例えば格子状または層状に形成されている。複数の電極４のぞれぞれは、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはクロム（Ｃｒ）などの金属材料で形成されていればよい。電極４の厚みは、例えば１μｍ以上１００μｍ以下に設定されていればよい。
【００４６】
電極４は、蒸着法や印刷法などによって、半導体基板２上に、従来周知の方法によって形成することができる。
【００４７】
太陽電池素子１を上面透視したときに、カソード電極４１は、第１領域Ｒ１と重なっていてもよい。その結果、キャリアの横方向への移動を抑制し、電気抵抗を低減させることができる。
【００４８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【００４９】
＜太陽電池モジュール＞
図４、本発明の実施形態にかかる太陽電池モジュール１００を示す。
【００５０】
本実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１と、複数の太陽電池素子１を電気的に接続している配線部材１０１と、を備えている。より具体的には、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池素子１の上方に配置された透明部材１０２と、複数の太陽電池素子１の下方に配置された保護材１０３と、透明部材１０２と保護材１０３との間に配されて、複数の太陽電池素子１および配線部材１０１を封止している封止材１０４と、を備えている。
【００５１】
透明部材１０２は、太陽電池モジュール１００において太陽光を受光する受光面を保護するための部材である。この透明部材１０２は、例えば、透明な平板状の部材である。透明部材１０２の材料は、例えば、ガラスなどである。
【００５２】
保護材１０３は、太陽電池モジュール１００裏面から保護するための部材である。保護材１０３の材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）などである。なお、保護材１０３は、単層構造を有していても積層構造を有していてもよい。
【００５３】
封止材１０４は、例えば、透明な部材である。封止材１０４の材料は、例えば、エチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などである。
【００５４】
配線部材１０１は、複数の太陽電池素子１を電気的に接続する部材（接続部材）である。太陽電池モジュール１００に含まれる複数の太陽電池素子１のうちの一方向に隣り合う太陽電池素子１同士は、一方の太陽電池素子１のカソード電極４１と他方の太陽電池素子１のアノード電極４２とが配線部材２１によって接続されている。
【符号の説明】
【００５５】
１    ・・・太陽電池素子
２    ・・・半導体基板
３    ・・・表面層
３１  ・・・第１表面層
３１１  ・・第１半導体層
３１２  ・・絶縁層／第２半導体層
３１３  ・・第１金属層
３２  ・・・第２表面層
３２１  ・・第３半導体層
３２２  ・・第２金属層
４    ・・・電極
４１  ・・・カソード電極
４２  ・・・アノード電極
１００・・・太陽電池モジュール
１０１・・・配線部材
１０２・・・透明部材
１０３・・・保護材
１０４・・・封止材
Ｒ１  ・・・第１領域
Ｒ２  ・・・第２領域
Ｒ３  ・・・近傍領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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