(57)【要約】【課題】光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子を提供。【解決手段】第１発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在する。第２発明は半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第１面、第２面を有し、第１面側と第２面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第１面側の各キャリア分極層と同一極性の第２面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在することを特徴とする裏面電極型光起電力素子。
【請求項２】
請求項１において、上記受光面側の正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状であることを特徴とする裏面電極型光起電力素子。
【請求項３】
請求項１または２において、上記結線電極が素子の両側端に露出していることを特徴とする裏面電極型光起電力素子。
【請求項４】
半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第１面と第２面とを有する光起電力素子において、
第１面側および第２面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第１面側の各キャリア分極層と同一極性の第２面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在することを特徴とする両面受光型光起電力素子。
【請求項５】
請求項４において、上記第１面側および第２面側において、正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状であることを特徴とする両面受光型光起電力素子。
【請求項６】
請求項４または５において、上記結線電極が素子の両側端に露出していることを特徴とする両面受光型光起電力素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成された光起電力素子に関し、特に裏面電極型光起電力素子および両面受光型光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、太陽電池で代表される光起電力素子としては、Ｐ型およびＮ型の半導体を組み合わせたＰＮ接合タイプが主流であり、出力電極の配置形態としては表裏面電極型（例えば特許文献１：特開２００１−２０３３７６号公報）および裏面電極型（例えば特許文献２：特開２００１−８５７１８号公報）がある。
【０００３】
裏面電極型は、Ｎ（またはＰ）型半導体基板の裏面に正負の電極を設けた構造であり、正電極および負電極に接続したキャリア分極層として不純物拡散によりそれぞれＰ＋層およびＮ＋層を形成する。半導体基板の表面（受光面）から入射した光により半導体基板内で発生した正負のキャリア（正孔と電子）がそれぞれ対応するキャリア分極層に到達して収集されることで、各キャリア分極層に接続された両電極から電力が出力される。
【０００４】
その際、受光面近傍の半導体内で発生したキャリアは、受光面から裏面側のキャリア分極層まで半導体基板のほぼ全厚を移動しなくてはならず、移動過程で正負キャリアの再結合により損失が発生する。出力を高めるにはこの再結合損失を低減する必要があり、そのためにはキャリア移動距離の短縮が必要であり、半導体基板を薄くしなくてはならず、光吸収量を高められない。すなわち、光照射により発生したキャリア（電子と正孔）に対してキャリア分極層の電界を有効に作用させるためには、キャリア分極層（拡散層）近傍まで到達する光量をできるだけ多く確保する必要がある。結局、受光面から裏面電極までの距離すなわち基板厚さを薄くせざるを得ず、光吸収量が低下するため、出力を高められないという問題があった。
【０００５】
上記のように、従来の技術では、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減することができないため、出力の向上に限界があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２０３３７６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２００１−８５７１８号公報（特許請求の範囲）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する受光面と裏面とを有し、裏面側に正負の電極およびこれら電極と電気的に接続したキャリア分極層を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
受光面側にも少なくとも正負一対のキャリア分極層を備え、受光面側の各キャリア分極層と同一極性の裏面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に延在することを特徴とする裏面電極型光起電力素子が提供される。
【０００９】
更に、第２発明によれば、半導体基板に形成された光起電力素子であって、半導体基板の両面に対応する第１面と第２面とを有する光起電力素子において、
第１面側および第２面側のいずれにも、正負の電極およびこれらの電極と電気的に接続したキャリア分極層を備え、第１面側の各キャリア分極層と同一極性の第２面側のキャリア分極層とを電気的に接続する結線電極が素子厚さ方向に沿って延在することを特徴とする両面受光型光起電力素子が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１発明の構造によれば、受光面側にもキャリア分極層を設けたことにより、裏面側のみにキャリア分極層を備えた従来構造に比べて、キャリア移動距離が素子総体として短縮したので、移動過程における再結合の発生確率が減少し、再結合損失が低減することにより出力が向上する。
【００１１】
受光面側に設けたのはｐ＋半導体層、ｎ＋半導体層のいずれかで形成されるキャリア分極層であり、これらは電極と異なり光の進行を妨げないため、受光ロスが発生することはない。
【００１２】
また、素子厚さを減少することなくキャリア移動距離を短縮できるので、光吸収量を確保できる。
【００１３】
第１発明の裏面電極型光起電力素子においては、上記受光面側の正負のキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【００１４】
第２発明においては、第１発明と同様に基板両面でキャリア収集を行なえることにより、キャリア移動距離の短縮により再結合損失が低減して出力が向上する効果に加えて、第２発明特有の効果として両面受光により光吸収量をほぼ倍増できるので、更に出力が向上する。
【００１５】
第２発明の両面受光型光起電力素子においても、素子両面においてキャリア分極層が互いに入れ子状態になった櫛の歯形状である形態とすると、基板半導体内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。また、上記結線電極が素子の両側端に露出している形態とすると、複数個の素子を組み合わせてモジュール化することが容易になる。
【００１６】
【実施例】
〔実施例１〕
図１（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第１発明による裏面電極型の起電力素子の構造例を説明する。図１において（Ａ）は素子外形を概念的に示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｘ−ｙ面を含む断面図、（Ｃ）はｙ−ｚ面を含む断面図である。また、（Ｃ）は（Ｂ）の線Ｃ−Ｃにおける断面図であり、（Ｂ）は（Ｃ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【００１７】
図示した裏面電極型光起電力素子１００は、ｐ型またはｎ型の半導体基板１に形成されており、（Ａ）に示すように図の上面が光Ｌを受け入れる受光面であり、下面が裏面である。（Ｂ）に示すように、裏面側にはキャリア分極層としてのｎ＋層２とｐ＋層３が設けられ、それぞれ対応する負電極４および正電極５と接続しており、これは従来通りの構造である。更に、本発明の特徴として、受光面側にもキャリア分極層としてのｎ＋層６とｐ＋層７が設けられている。なお、受光面は表面保護膜（絶縁膜）８およびその上の反射防止膜９で被覆され、裏面は表面保護膜（絶縁膜）８で被覆されている。
【００１８】
（Ｃ）に示すように、素子厚さ方向に延在する結線電極１０は、受光面側の一方のキャリア分極層すなわちｎ＋層６と、同一極性の裏面側の一方のキャリア分極層すなわちｎ＋層２とを電気的に接続する。結線電極１０と半導体基板１との界面には絶縁膜８が介在して両者を絶縁している。また、素子の別の断面位置において、図示していない別の結線電極１０が、受光面側の他方のキャリア分極層すなわちｐ＋層７と、同一極性の裏面側の他方のキャリア分極層すなわちｐ＋層３とを電気的に接続する。これにより、受光面側のキャリア分極層６、７で収集されたキャリアが、同極性の裏面側キャリア分極層２、３で収集されたキャリアと合流して、裏面電極４、５から電力として出力される。
【００１９】
図２に、受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示す。図２は、図１（Ｃ）の線ＩＩ−ＩＩの位置で水平に（紙面に垂直に）切った断面図である。図示したように、キャリア分極層すなわちｎ＋層６とｐ＋層７とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。これにより、基板半導体１内のどの部分で発生したキャリアについてもほぼ同等に移動距離を短縮することができる。受光面側ｎ＋層６は結線電極１０を介して裏面側ｎ＋層２と接続されており、受光面側ｐ＋層７は別の結線電極１０を介して裏面側ｐ＋層３と接続されている。なお、図１（Ｃ）は図２の線Ｃ−Ｃにおける断面に対応する。また、受光面側に限らず裏面側についても、キャリア分極層すなわちｎ＋層２とｐ＋層７とを互いに入れ子状態になった櫛の歯形状とすることで、上記と同様にキャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【００２０】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【００２１】
・半導体基板１…ベース層
ｐ型Ｓｉ基板：不純物濃度１×１０１４ｃｍ−３、厚さ１５０μｍ
・ｎ＋層２…裏面側のエミッタ層
ｎ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・ｐ＋層３…裏面側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
ｐ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・負電極４、正電極５…裏面電極（出力電極）
Ａｌ薄膜：膜厚２μｍ
・ｎ＋層６…受光面側のエミッタ層
ｎ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・ｐ＋層７…受光面側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
ｐ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・表面保護膜８
ＳｉＯ２薄膜：膜厚０．３μｍ（受光面側は１０ｎｍ）
・反射防止膜９
ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜：膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
・結線電極１０
Ａｌ電極：長さ１４８．５μｍ
〔実施例２〕
図３を参照して、第１発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例を説明する。図３において（Ａ）は素子の一側端を望む斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｙ−ｚ面を含む断面図である。ｘ−ｙ面を含む断面構造は実施例１と同様である。実施例１の部位と対応する部位には実施例１と同じ参照番号を付した。
【００２２】
本実施例の素子２００は、基本構造は実施例１の素子１００と同じであるが、受光面側キャリア分極層６、７と裏面側キャリア分極層２、３とを接続する結線電極（図１の１０）が素子の両側端に露出して形成され、出力電極４、５の一部を成している構成が特徴である。素子両側端に出力電極４、５が露出しているので、複数の素子を組み合わせてモジュール化を容易に行なえる。
【００２３】
図４に、受光面側での素子平面構成の望ましい例を２つ示す。図４は、実施例１の図２と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。図４（Ａ）の例では、実施例１の図２に示したのとほぼ同様に、キャリア分極層すなわちｎ＋層６とｐ＋層７とが、互いに入れ子状態になった櫛の歯形状に形成されている。ただ、実施例１では結線電極１０が素子内部に埋め込まれていたのに対して、本実施例では素子の両側端に露出して出力電極４、５の一部を構成している点で異なる。
【００２４】
また、図４（Ｂ）の例も、キャリア分極層６、７が基本的には相互入れ子状態の櫛の歯形状であるが、ｎ＋層６が中央から両側に延びた櫛の歯を持ち、これをｐ＋層７の櫛の歯が外側から取り囲んで入れ子状態になっている形状例である。
【００２５】
上記（Ａ）（Ｂ）のいずれの形状でも、実施例１で説明したのと同様に、キャリア移動距離の均等短縮効果が得られる。
【００２６】
もちろん相互入れ子状態櫛の歯形状は、図示の例に限らず多種多様なバリエーションが可能である。
【００２７】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【００２８】
・半導体基板１…ベース層
ｐ型Ｓｉ基板：不純物濃度１×１０１４ｃｍ−３、厚さ１５０μｍ
・ｎ＋層２…裏面側のエミッタ層
ｎ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・ｐ＋層３…裏面側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層（図示せず）
ｐ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・負電極４、正電極５…裏面／側端電極（出力電極と結線電極を兼ねる）
Ａｌ薄膜：膜厚２μｍ
・ｎ＋層６…受光面側のエミッタ層
ｎ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・ｐ＋層７…受光面側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
ｐ＋型Ｓｉ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・表面保護膜８
ＳｉＯ２薄膜：膜厚０．３μｍ（受光面側は１０ｎｍ）
・反射防止膜９
ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜：膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
〔実施例３〕
図５を参照して、第２発明による両面受光型の光起電力素子の構造例を説明する。図５において（Ａ）は素子外形を概念的に示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｘ−ｙ面を含む断面図、（Ｃ）はｙ−ｚ面を含む断面図である。また、（Ｃ）は（Ｂ）の線Ｃ−Ｃにおける断面図であり、（Ｂ）は（Ｃ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。実施例１の部位と対応する部位には実施例１と同じ参照番号を付した。
【００２９】
図示した両面受光型光起電力素子３００は、実施例２の図３に示した構造において出力電極４、５の素子裏面側の部分を削除した構造が特徴である。これにより素子両面からの受光が可能となり、裏面電極型に対して受光量をほぼ倍増させて出力を大幅に向上させることが可能となる。また、出力電極４、５が素子両側端に露出していることにより、複数の素子を組み合わせてモジュール化することが容易に行なえる。
【００３０】
本実施例の構造において、素子の両面側または片面側で、実施例１、２と同様にキャリア分極層（ｎ＋層２、６、ｐ＋層３、７）を相互入れ子状櫛の歯形状とすることにより、キャリア移動距離の均等短縮効果を得ることができる。
【００３１】
本実施例の構造における具体的な材質構成の一例を下記に示す。
【００３２】
・半導体基板１…ベース層
ｐ型Ｇｅ基板：不純物濃度１×１０１５ｃｍ−３、厚さ１５０μｍ
・ｎ＋層２…第１面（下面）側のエミッタ層
ｎ＋型Ｇｅ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・ｐ＋層３…第１面（下面）側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
ｐ＋型Ｇｅ層：不純物濃度１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
・負電極４、正電極５…側端電極（出力電極と結線電極を兼ねる）
Ａｌ薄膜：膜厚２μｍ
・ｎ＋層６…第２面（上面）側のエミッタ層
ｎ＋型Ｇｅ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・ｐ＋層７…第２面（上面）側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
ｐ＋型Ｇｅ層：不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．５μｍ
・表面保護膜８
ＳｉＮｘ薄膜：膜厚０．３μｍ（受光面側は１０ｎｍ）
・反射防止膜９
ＳｉＯ２／ＴｉＯ２の２層膜：膜厚１００ｎｍ／６０ｎｍ
以上の各実施例において、半導体基板１として、ＳｉまたはＧｅを用いているが、これらに限定する必要はなく、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等の半導体基板を用いても各実施例による作用効果は同様に得られる。また、電極４、５、１０、表面保護膜（絶縁膜）８、反射防止膜９についても、実施例に示した材質に限定する必要はなく、一般に光起電力素子（太陽電池）に用いられる材質であれば良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、光吸収量を確保した上で再結合損失を低減した光起電力素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１発明による裏面電極型の起電力素子の構造例（実施例１）を示しており、（Ａ）は素子外形を概念的に示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｘ−ｙ面を含む断面図、（Ｃ）はｙ−ｚ面を含む断面図である。
なお、（Ｃ）は（Ｂ）の線Ｃ−Ｃにおける断面図であり、（Ｂ）は（Ｃ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図２】図２は、図１の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい一例を示しており、図１（Ｃ）の線ＩＩ−ＩＩの位置で水平に（紙面に垂直に）切った断面図である。
【図３】図３は、第１発明の望ましい一実施形態による裏面電極型光起電力素子の構造の一例（実施例２）を示しており、（Ａ）は素子の一側端を望む斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｙ−ｚ面を含む断面図である。
【図４】図４は、図３の素子の受光面側での素子平面構成の望ましい例を（Ａ）および（Ｂ）の２つ示しており、図２と同様の位置で受光面側キャリア分極層を水平に切った断面図である。
【図５】図５は、第２発明による両面受光型の光起電力素子の構造例（実施例３）を示しており、（Ａ）は素子外形を概念的に示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示したｘ−ｙ−ｚ座標系のｘ−ｙ面を含む断面図、（Ｃ）はｙ−ｚ面を含む断面図である。なお、（Ｃ）は（Ｂ）の線Ｃ−Ｃにおける断面図であり、（Ｂ）は（Ｃ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板１：ベース層
２…ｎ＋層：裏面（または下面）側のエミッタ層
３…ｐ＋層：裏面（または下面）側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
４…負電極：出力電極または出力電極兼結線電極
５…正電極：出力電極または出力電極兼結線電極
６…ｎ＋層：受光面（または上面）側のエミッタ層
７…ｐ＋層７：受光面（または上面）側のｈｉｇｈ−ｌｏｗ接合層
８…表面保護膜
９…反射防止膜
１０…結線電極（出力電極４、５を兼ねる場合は、「４」「５」で表示）
【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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