(57)【要約】      （修正有）【課題】内部量子効率を高めて光電変換効率の高い太陽電池を提供する。【解決手段】表面が絶縁性の基板１００上に実質的に真性半導体層である結晶性Ｓｉ層１０１とＳｉＯ２層１０２が交互に積層された超格子構造体を有する構造部を備え、超格子構造体の第１の側面はｐ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ２層が交互に積層されたｐ型超格子構造体１１０ｐとされるとともに、第１の側面に対抗する第２の側面はｎ型の結晶性ＳｉとＳｉＯ２層が交互に積層されたｎ型超格子構造体１１０ｎとされ、ｐ型の結晶性Ｓｉ層と真性半導体層である結晶性Ｓｉ層がｐｉ接合するとともに、ｎ型の結晶性Ｓｉ層と真性半導体層である結晶Ｓｉ層がｎｉ接合することにより、拡散中のキャリアのロスが顕著に抑制され、内部量子効率を高めて高い光電変換効率の太陽電池を得る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が絶縁性の基板上に、結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層された超格子構造体を有する構造部を備え、
前記結晶性Ｓｉ層は実質的に真性半導体層であり、
前記超格子構造体の第１の側面はｐ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｐ型超格子構造とされるとともに、前記第１の側面に対向する第２の側面はｎ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｎ型超格子構造とされており、
前記ｐ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｐｉ接合するとともに、前記ｎ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｎｉ接合している、
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記基板上に、前記超格子構造体が相互に離間して複数形成されている、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記複数の超格子構造体の隣接する超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造同士が対向するとともに、前記ｎ型超格子構造同士が対向して配置されている、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記複数の超格子構造体の隣接する超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造と前記ｎ型超格子構造同士が対向して配置されている、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記超格子構造体が相互に離間する領域に、ｐ型電極もしくはｎ型電極が形成されている、請求項２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造および前記ｎ型超格子構造が形成されている側面に傾斜を有するメサ形状を有している、請求項１〜５の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記ｐ型の結晶性Ｓｉ層中のアクセプタおよび前記ｎ型の結晶性Ｓｉ層中のドナーは、イオン注入された不純物である、請求項１〜６の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記結晶性Ｓｉ層の厚みは５ｎｍ以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記基板は透光性基板である、請求項１〜８の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記超格子構造体を構成するＳｉＯ2層の厚みは受光側ほど厚い、請求項１〜９の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記超格子構造体の前記第１の側面と前記第２の側面との距離は１０μｍ以下である、請求項１〜１０の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記超格子構造体の中央領域に開口部が設けられている、請求項１〜１１の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１３】
前記超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を直列接続する電極パターンを備えている、請求項５〜１２の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を並列接続する電極パターンを備えている、請求項５〜１２の何れか１項に記載の太陽電池。
【請求項１５】
光入射側に設けられたトップセルと該トップセルの下方に設けられたボトムセルが積層されたタンデム型の太陽電池であって、
前記トップセルは請求項１〜１４の何れか１項に記載の構造部を備え、
前記ボトムセルは結晶性Ｓｉからなり、
前記トップセルの表面には受光面電極が、前記ボトムセルの裏面には裏面電極が設けられている、
ことを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池技術に関し、より詳細には、量子サイズ効果を利用した光電変換効率の高いシリコン太陽電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境保全への社会的関心が高まるにつれ、化石燃料に代替するクリーンエネルギーの技術開発の重要性は益々高くなってきている。このような社会背景の下、太陽電池は、自然エネルギーを利用した電力用デバイスとして普及してきたが、太陽電池が主要なエネルギー供給源として利用されるようになるためには、更なるコスト低減と光電変換効率の向上が求められる。
【０００３】
これまで、太陽電池の構造として種々のものが提案されてきているが、例えば特許文献１（特開２０１４−２７１１９号公報）には、光吸収層を、例えばシリコンから成る半導体層と、この半導体層よりバンドギャップの大きな材料（例えば酸化シリコン）からなる障壁層とを交互に積層した超格子構造とした態様のものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２７１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、上述の超格子構造を備える太陽電池において、光生成したキャリア（電子および正孔）の流れを概念的に説明するための図である。この図に示した例では、ｎ型のＳｉ基板２００の主面上に、結晶性のＳｉ層２０１とＳｉＯ2層２０２が交互に複数積層された超格子構造体２１０が設けられており、その上面に、ｐ型Ｓｉ層２０３と透明導電膜層２０４と表面電極２０５が順次形成されている。この太陽電池に光が入射すると、超格子構造体２１０を構成するＳｉ層２０１中で電子２０６と正孔２０７が生成し、電子２０６はｎ型Ｓｉ基板２００側へ、正孔２０７はｐ型Ｓｉ層２０３側へと、ＳｉＯ2層２０２を横切りながら縦方向に拡散することにより電流が流れることになる。
【０００６】
しかし、このような電流は、キャリアがＳｉＯ2層２０２が有する高いエネルギー障壁をトンネル効果により横切ること（透過する）で生じるものであるため、ＳｉＯ2層２０２の厚みを最適化してその厚みを高い精度で制御することが必要になるだけでなく、拡散中のキャリアのロスを招き、内部量子効率を高めて高い光電変換効率の太陽電池を得るという観点からは望ましくない。加えて、Ｓｉ層２０１を結晶化させるために行う比較的高温でのアニールに伴い、ｎ型Ｓｉ基板からドーパント（この場合はドナーであるＰなど）が不可避的に拡散して、ｎ側でのコンタクト形成が設計どおりに行えないという懸念もある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光生成したキャリアを効率的に電流に変換して内部量子効率を高めることにより高い光電変換効率の太陽電池を提供すること、また、高温でのアニールに伴い不可避的に生じるドーパントの拡散が生じてもコンタクト形成を設計どおりに行いやすい太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池は、表面が絶縁性の基板上に、結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層された超格子構造体を有する構造部を備え、前記結晶性Ｓｉ層は実質的に真性半導体層であり、前記超格子構造体の第１の側面はｐ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｐ型超格子構造とされるとともに、前記第１の側面に対向する第２の側面はｎ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｎ型超格子構造とされており、前記ｐ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｐｉ接合するとともに、前記ｎ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｎｉ接合している、ことを特徴とする。
【０００９】
ある態様では、前記基板上に、前記超格子構造体が相互に離間して複数形成されている。
【００１０】
また、ある態様では、前記複数の超格子構造体の隣接する超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造同士が対向するとともに、前記ｎ型超格子構造同士が対向して配置されている。
【００１１】
また、ある態様では、前記複数の超格子構造体の隣接する超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造と前記ｎ型超格子構造同士が対向して配置されている。
【００１２】
さらに、ある態様では、前記超格子構造体が相互に離間する領域に、ｐ型電極もしくはｎ型電極が形成されている。
【００１３】
また、好ましい態様では、前記超格子構造体は、前記ｐ型超格子構造および前記ｎ型超格子構造が形成されている側面に傾斜を有するメサ形状を有している。
【００１４】
例えば、前記ｐ型の結晶性Ｓｉ層中のアクセプタおよび前記ｎ型の結晶性Ｓｉ層中のドナーは、イオン注入された不純物である。
【００１５】
好ましくは、前記結晶性Ｓｉ層の厚みは５ｎｍ以下である。
【００１６】
また、好ましくは、前記基板は透光性基板である。
【００１７】
ある態様では、前記超格子構造体を構成するＳｉＯ2層の厚みは受光側ほど厚い。
【００１８】
また、ある態様では、前記超格子構造体の前記第１の側面と前記第２の側面との距離は１０μｍ以下である。
【００１９】
さらに、ある態様では、前記超格子構造体の中央領域に開口部が設けられている。
【００２０】
ある態様では、前記超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を直列接続する電極パターンを備えている。
【００２１】
また、別の態様では、前記超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を並列接続する電極パターンを備えている。
【００２２】
本発明の太陽電池は、光入射側に設けられたトップセルと該トップセルの下方に設けられたボトムセルが積層されたタンデム型の太陽電池であって、前記トップセルは上述した構造部を備え、前記ボトムセルは結晶性Ｓｉからなり、前記トップセルの表面には受光面電極が、前記ボトムセルの裏面には裏面電極が設けられている態様とすることもできる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る太陽電池では、光生成したキャリアが結晶性Ｓｉ層／ＳｉＯ2層からなる超格子構造体中を拡散する際にＳｉＯ2層が有する高いエネルギー障壁を横切る必要がないため、ＳｉＯ2層の厚みに対する制約が緩和されるとともに、拡散中のキャリアのロスが顕著に抑制され、内部量子効率を高めて高い光電変換効率の太陽電池を得ることが可能となる。
【００２４】
また、接合（ｐｉ接合およびｎｉ接合）を横方向に形成するため、Ｓｉ層を結晶化させるための比較的高温でのアニールに伴い仮に基板からドーパントが不可避的に拡散しても、コンタクト形成は概ね設計どおりに行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の超格子構造を備える太陽電池において、光生成したキャリア（電子および正孔）の流れを概念的に説明するための図である。
【図２】本発明に係る太陽電池の基本構造の概略を説明するための断面図である。
【図３】表面が絶縁性の基板上に、本発明で採用する超格子構造体が相互に離間して複数形成されている態様の太陽電池の構造を概念的に説明するための図である。
【図４】隣接する複数の超格子構造体が、ｐ型超格子構造同士が対向するとともにｎ型超格子構造同士が対向して配置されている態様の太陽電池の構造を概念的に説明するための図である。
【図５】超格子構造体が、ｐ型超格子構造およびｎ型超格子構造が形成されている側面に傾斜を有するメサ形状を有している態様を説明するための図である。
【図６】超格子構造体の中央領域に開口部が設けられている構造例を説明するための図である。
【図７Ａ】超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を並列接続する電極パターンを備えている構成例を説明するための図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示した電極パターンを備える太陽電池の斜視図である。
【図８Ａ】超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を直列接続する電極パターンを備えている構成例を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示した電極パターンを備える太陽電池の斜視図である。
【図９】本発明に係る構造体を、タンデム型太陽電池に応用した例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、図面を参照して、本発明に係る太陽電池の構造について説明する。なお、以降の説明において、結晶性Ｓｉ層は、単結晶Ｓｉ層であっても多結晶Ｓｉ層であってもよい。
【００２７】
［基本構造の概略］
図２は、本発明に係る太陽電池の基本構造の概略を説明するための断面図である。この図に示した例では、表面が絶縁性の基板１００の主面上に、結晶性のＳｉ層１０１とＳｉＯ2層１０２が交互に複数積層されて超格子構造体を形成している。なお、結晶性Ｓｉ層１０１は実質的に真性半導体である。この超格子構造体の第１の側面（この図では左側面）はｐ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｐ型超格子構造１１０ｐとされている。また、第１の側面に対向する第２の側面（この図では右側面）はｎ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｎ型超格子構造１１０ｎとされている。そして、ｐ型超格子構造１１０ｐを構成するｐ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層はｐｉ接合し、ｎ型超格子構造１１０ｎを構成するｎ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層はｎｉ接合している。なお、ｐ型超格子構造１１０ｐとｎ型超格子構造１１０ｎのそれぞれには、ｐ型電極１０５ｐとｎ型電極１０５ｎが形成されており、図中に符号１０４で示したものは保護膜である。
【００２８】
すなわち、本発明に係る太陽電池は、表面が絶縁性の基板上に、結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層された超格子構造体を有する構造部を備え、前記結晶性Ｓｉ層は実質的に真性半導体層であり、前記超格子構造体の第１の側面はｐ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｐ型超格子構造とされるとともに、前記第１の側面に対向する第２の側面はｎ型の結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層されたｎ型超格子構造とされており、前記ｐ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｐｉ接合するとともに、前記ｎ型の結晶性Ｓｉ層と前記真性の結晶性Ｓｉ層がｎｉ接合している構造を有している。
【００２９】
この太陽電池に光が入射すると、超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層１０１中で電子１０６と正孔１０７が生成し、電子１０６はｎ型電極１０５ｎ側へ、正孔１０７はｐ型電極１０５ｐ側へと拡散することにより電流が流れることになる。つまり、この構成の太陽電池では、光生成したキャリアが結晶性Ｓｉ層／ＳｉＯ2層からなる超格子構造体中を拡散する際にＳｉＯ2層が有する高いエネルギー障壁を横切る必要がない。加えて、超格子構造体を構成するそれぞれの真性結晶性Ｓｉ層１０１の面内では、電界の印加に関わらず、キャリアは局在することなく面内全体に広がる状態が維持される。このため、ＳｉＯ2層の厚みに対する制約が緩和されるとともに、拡散中のキャリアのロスが顕著に抑制され、内部量子効率を高めて高い光電変換効率の太陽電池を得ることが可能となる。
【００３０】
しかも、ｐ型超格子構造１１０ｐを構成するｐ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層のｐｉ接合、および、ｎ型超格子構造１１０ｎを構成するｎ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層のｎｉ接合は、何れも超格子構造体の側面に形成されている。従来構造のものでは、超格子と基板との間でｐｉ接合もしくはｎｉ接合を形成するためにドーパント不純物を含有する基板を用いる必要があったが、本発明では斯かる基板を用いる必要がなくなる。その結果、スパッタリング等の手法で成膜されたＳｉ層を結晶化させるための比較的高温（例えば１０００〜１１００℃）でのアニールに伴う意図しない基板からのドーパントの不可逆的な拡散の問題を回避することができる。このため、本件発明の場合、コンタクト形成が概ね設計どおりに行うことが可能となる。
【００３１】
基板１００はその表面が絶縁性であればよく、石英基板等の絶縁性基板はもとより、例えば、ｎ型もしくはｐ型のＳｉ基板上にＳｉＯ2等の絶縁膜を設けた基板などでもよい。なお、基板側を光入射面とする構造の太陽電池の場合には、基板は透光性基板である必要がある。また、基板側を光入射面とする構造の太陽電池の場合、超格子構造体の表面にＺｎＯ等の材料から成るテクスチャ層を設けて裏面（基板と反対側の面）での反射率を高めるようにしてもよい。
【００３２】
上述のとおり、本発明に係る太陽電池では、ｐ型超格子構造１１０ｐを構成するｐ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層はｐｉ接合し、ｎ型超格子構造１１０ｎを構成するｎ型結晶性Ｓｉ層と超格子構造体を構成する真性結晶性Ｓｉ層はｎｉ接合している。つまり、この太陽電池は、ｐ型超格子／ｉ型超格子／ｎ型超格子の構造を有し、ｐｉ接合とｎｉ接合はＳｉ層／ＳｉＯ2層が複数積層された超格子のみで構成されている。これは、ｐｉ接合領域とｎｉ接合領域に１．７ｅＶ程度の広いバンドギャップ（すなわち、超格子構造体のバンドギャップ）をもたせ、接合を形成したことに起因する開放電圧の低下を防ぐためである。
【００３３】
仮に、結晶性Ｓｉ層とＳｉＯ2層が交互に複数積層された超格子構造体の対向する側面に、超格子構造を有さないｐ型およびｎ型のポリシリコン電極を形成してしまうと、これら接合領域のバンドギャップはポリシリコン電極のそれ（約１．１ｅＶ）となり、太陽電池の開放電圧はこの値に律則され、接合領域での開放電圧の低下を招く恐れがある。
【００３４】
このようなｐｉ接合およびｎｉ接合は、例えば、上記超格子構造体を形成した後に、その側面にｐ型不純物（アクセプター）ないしｎ型不純物（ドナー）をイオン注入することで形成する。
【００３５】
量子サイズ効果によりバンドギャップを広げて開放電圧を高める効果を担保するためには、超格子構造体を構成する結晶性Ｓｉ層の厚みを５ｎｍ以下に設計することが好ましい。また、超格子構造体を構成するＳｉＯ2層の厚みを制御すると超格子構造体の屈折率を変化させることができる。この原理を利用して、超格子構造体を構成するＳｉＯ2層の厚みが受光側（光入射面側）ほど厚くなるように設計し、光電変換効率を高めることも可能である。
【００３６】
［超格子構造体を複数有する構造の概略］
図２には、上述の超格子構造体がひとつのみ図示されているが、太陽電池として構成するに際しては、このような超格子構造体を隣接して複数設けるようにしてもよいことは勿論である。
【００３７】
図３は、表面が絶縁性の基板１００上に、上述した超格子構造体１１０が相互に離間して複数形成されている態様の太陽電池の構造を概念的に説明するための図である。
【００３８】
なお、この図に示した態様では、互いに隣接する超格子構造体は、ｐ型超格子構造１１０ｐとｎ型超格子構造１１０ｎ同士が対向して配置され、超格子構造体が相互に離間する領域に、ｐ型電極もしくはｎ型電極が形成されているが、図４に示したように、隣接する複数の超格子構造体１１０が、ｐ型超格子構造１１０ｐ同士が対向するとともにｎ型超格子構造１１０ｎ同士が対向して配置されている態様としてもよい。
【００３９】
また、図５に示したように、超格子構造体１１０は、ｐ型超格子構造１１０ｐおよびｎ型超格子構造１１０ｎが形成されている側面に傾斜を有するメサ形状を有している態様としてもよい。このようなメサ形状の超格子構造体１１０とした場合には、ｐ型超格子構造１１０ｐおよびｎ型超格子構造１１０ｎをイオン注入法により形成する際の注入イオンの分布制御が容易になる等の利点がある。
【００４０】
さらに、図６に示したように、超格子構造体の中央領域に開口部１０８が設けられている構造としてもよい。このような、開口部１０８を設けておくと、超格子構造体を構成する結晶性Ｓｉ層１０１中に比較的多くの欠陥が含まれているような場合に、水素処理化により当該欠陥を不活性化し易くなるという利点がある。超格子構造体の第１の側面（ｐ型超格子構造１１０ｐ形成面）と第２の側面（ｎ型超格子構造１１０ｎ形成面）との距離は１０μｍ以下であることが好ましいが、上記開口部１０８の直径は例えば２μｍ程度とする。
【００４１】
［電極パターンのデザイン例］
超格子構造体を隣接して複数設けた構成の太陽電池において、超格子構造体を有するそれぞれの構造部に設けられたｐ型電極およびｎ型電極をどのように相互接続するかについての特別な制限はない。
【００４２】
例えば図７Ａに図示した一例のように、超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を並列接続する電極パターン１０９を備えている構成としてもよい。この場合の太陽電池１０の斜視図を図８Ａに示す。なお、図中の符号１０３はウォール形成部である。
【００４３】
また、例えば図８Ａに図示した一例のように、超格子構造体が相互に離間する領域に形成されたｐ型電極およびｎ型電極を直列接続する電極パターン１０９を備えている構成としてもよい。この場合の太陽電池１０の斜視図を図８Ｂに示す。
【００４４】
［タンデム型太陽電池への応用］
上述した構造を有する太陽電池は、タンデム型の太陽電池とすることもできる。
【００４５】
図９は、本発明に係る構造体を、タンデム型太陽電池に応用した例を説明するための図で、符号１０で示したものはトップセル、符号２０で示したものは結晶性Ｓｉから成るボトムセルである。この図に示した例では、トップセルとして、図５に示した構造部を利用している。なお、この場合の基板は透光性を有するものであることが必要であることは言うまでもない。
【００４６】
すなわち、この太陽電池は、光入射側に設けられたトップセルと該トップセルの下方に設けられたボトムセルが積層されたタンデム型の太陽電池であって、トップセルは上述した構造部を備え、ボトムセルは結晶性Ｓｉからなり、トップセル１０の表面には受光面電極が、ボトムセル２０の裏面には裏面電極が設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
このように、本発明に係る太陽電池では、光生成したキャリアが結晶性Ｓｉ層／ＳｉＯ2層からなる超格子構造体中を拡散する際にＳｉＯ2層が有する高いエネルギー障壁を横切る必要がないため、ＳｉＯ2層の厚みに対する制約が緩和されるとともに、拡散中のキャリアのロスが顕著に抑制され、内部量子効率を高めて高い光電変換効率の太陽電池を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１００  基板
１０１  結晶性Ｓｉ層
１０２  ＳｉＯ2層
１０３  ウォール部
１０４  保護膜
１０５ｐ  ｐ型電極
１０５ｎ  ｎ型電極
１０６  電子
１０７  正孔
１０８  開口部
１０９  電極パターン
１１０ｐ  ｐ型超格子構造
１１０ｎ  ｎ型超格子構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2019083220.tif 000009
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2019083220.tif 000011
【図８Ｂ】
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【図９】
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