(57)【要約】【課題】温度依存性を高精度に補償し、太陽電池を高効率化すること。【解決手段】高濃度ｎ型の単結晶半導体層８、ｎ型の単結晶半導体層４、ｐ型の単結晶半導体基板１、高濃度ｐ型の単結晶半導体層１０は、光電変換層として機能する。さらに、絶縁膜２によって光電変換層から電気的に隔絶された半導体層１２、半導体層１３、半導体層３、半導体層１４は、ＰＮダイオードを構成する。このように、太陽電池と同一基板上にＰＮダイオードを集積化することで、太陽電池の温度とＰＮダイオードの温度を一致させる。また、光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および同一濃度の半導体層を、光電変換層と同一の順番で接合してＰＮダイオードを構成することで、光電変換層とＰＮダイオードの温度特性を一致させる。【選択図】        図１
2007311424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に外部から光が入射可能な状態に形成され、ｎ型半導体とｐ型半導体とを含む光電変換層と、
前記基板上に前記光電変換層に対して絶縁して形成され、ｎ型半導体とｐ型半導体とを組み合わせたＰＮダイオードと、
を備えたことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記基板はｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板であり、前記基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層と、第１の単結晶半導体層と同一の導電型で高濃度の第２の単結晶半導体層とを形成するとともに前記基板の第２主面側に基板と同一の導電型で高濃度の第３の単結晶半導体層を形成して前記光電変換層を構成し、前記ＰＮダイオードは、前記光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および濃度の半導体層を、前記光電変換層と同一の順番で接合してなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記基板はｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板であり、前記基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層を形成し、前記基板の第２主面側に前記第１の単結晶半導体層と同一導電型で高濃度の第１の単結晶半導体領域を形成し、前記基板内で前記第１の単結晶半導体層と前記第１の単結晶半導体領域とを接続する前記第１の単結晶半導体層と同一導電型の第２の単結晶半導体領域を形成し、前記基板の第２主面側に前記基板と同一導電型で高濃度の第３の単結晶半導体領域を形成して前記光電変換層を構成し、前記ＰＮダイオードは、前記第１の単結晶半導体領域、前記第２の単結晶半導体領域、前記第１の単結晶半導体層、前記基板、前記第３の単結晶半導体領域の順番に対応する半導体層を順次接合してなり、各半導体層の導電型および濃度は対応先と同一であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記ＰＮダイオード内の各半導体層の厚さは、それぞれ対応する光電変換層内の層の厚さと同一であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ＰＮダイオード内の各半導体層を前記基板面に対して水平後方に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率化が可能な最大電力追従機能を有する太陽光発電モジュール用太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池の出力が環境温度に対して依存性を示すことが知られており、環境温度の変化に対応して太陽電池の動作電圧を変更する最大電力追従機能が考案されている。例えば、非特許文献１は、ＰＮ接合ダイオードを利用した最適動作点追尾方式を提案している。
【０００３】
この従来技術にかかる太陽光発電モジュールについて図４および図５を参照して説明する。図４は、太陽光発電モジュールに適用可能な太陽電池の一例である。図４に示した太陽電池１２０は、ｐ型の単結晶シリコン半導体基板１０１の第１主面側に、凹凸を有するｎ型の単結晶シリコン半導体層１０２、絶縁膜１０３、反射防止膜１０４を形成し、第２主面側に絶縁膜１０５を形成している。
【０００４】
さらに、単結晶シリコン半導体層１０２の所望の領域に高濃度のｎ型の不純物を有する単結晶シリコン半導体層１０６を有し、単結晶シリコン半導体層１０６上の所望の領域の絶縁膜１０３と反射防止膜１０４を除去して単結晶シリコン半導体層１０６に接続する電極１０７を形成している。
【０００５】
同様に、単結晶シリコン半導体基板１０１の第２主面側に高濃度のｐ型を有する単結晶シリコン半導体層１０８を有し、絶縁膜１０５の所望の領域を除去して単結晶シリコン半導体層１０８に接続する電極１０９を形成している。
【０００６】
図５は、図４に示した太陽電池１２０を用い、最大電力追従機能を持たせた太陽光発電モジュールの構成例である。同図に示す太陽光発電モジュールは、太陽電池１２０の温度特性とおおよそ似たような温度特性のＰＮダイオード１２１に定電流供給回路１２２により電流を給電している。
【０００７】
最大電力追従装置１２４内の温度補償装置１２３は、ＰＮダイオード１２１の順方向降下電圧ＶＢを温度補償電圧として検出し、温度補償信号を生成する。コンバータ１２５は、この温度補償信号に基づいて変換電圧を制御することで、太陽電池から最大電力を引き出す。
【０００８】
【非特許文献１】小林公禎  他  「太陽電池電源システムの新しい最適動作点追尾」  電子情報通信学会技術研究報告Vol.99,No.624,(EE99-60),pp.45-50,2000年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術が提案するシステムでは、太陽電池の温度とＰＮ接合ダイオードの温度が同一でなく、また太陽電池が有する温度特性とＰＮ接合ダイオードの順方向降下電圧ＶＢが完全に同一ではないために、太陽電池の温度の検出精度が低く、最大電力追従装置を用いても、高効率に太陽電池から最大電力を引き出すことができなかった。
【００１０】
本発明は従来技術が持つ問題点を鑑みてなされたものであり、太陽電池における温度と検出精度の問題を除去し、高効率な太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る太陽電池は、基板上に外部から光が入射可能な状態に形成され、ｎ型半導体とｐ型半導体とを含む光電変換層と、前記基板上に前記光電変換層に対して絶縁して形成され、ｎ型半導体とｐ型半導体とを組み合わせたＰＮダイオードと、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項２の発明に係る太陽電池は、請求項１に記載の発明において、前記基板はｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板であり、前記基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層と、第１の単結晶半導体層と同一の導電型で高濃度の第２の単結晶半導体層とを形成するとともに前記基板の第２主面側に基板と同一の導電型で高濃度の第３の単結晶半導体層を形成して前記光電変換層を構成し、前記ＰＮダイオードは、前記光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および濃度の半導体層を、前記光電変換層と同一の順番で接合してなることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３の発明に係る太陽電池は、請求項１に記載の発明において、前記基板はｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板であり、前記基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層を形成し、前記基板の第２主面側に前記第１の単結晶半導体層と同一導電型で高濃度の第１の単結晶半導体領域を形成し、前記基板内で前記第１の単結晶半導体層と前記第１の単結晶半導体領域とを接続する前記第１の単結晶半導体層と同一導電型の第２の単結晶半導体領域を形成し、前記基板の第２主面側に前記基板と同一導電型で高濃度の第３の単結晶半導体領域を形成して前記光電変換層を構成し、前記ＰＮダイオードは、前記第１の単結晶半導体領域、前記第２の単結晶半導体領域、前記第１の単結晶半導体層、前記基板、前記第３の単結晶半導体領域の順番に対応する半導体層を順次接合してなり、各半導体層の導電型および濃度は対応先と同一であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４の発明に係る太陽電池は、請求項１，２または３に記載の発明において、前記ＰＮダイオード内の各半導体層の厚さは、それぞれ対応する光電変換層内の層の厚さと同一であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５の発明に係る太陽電池は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記ＰＮダイオード内の各半導体層を前記基板面に対して水平後方に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば太陽電池は、同一基板上にＰＮダイオードを集積化するので、太陽電池の温度の温度を高精度に検出可能な太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
【００１７】
また、請求項２の発明によれば太陽電池は、ｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層と、第１の単結晶半導体層と同一の導電型で高濃度の第２の単結晶半導体層とを形成し、基板の第２主面側に基板と同一の導電型で高濃度の第３の単結晶半導体層を形成した光電変換層を有し、光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および濃度の半導体層を、光電変換層と同一の順番で接合したＰＮダイオードを同一基板上に集積化するので、光電変換層と同じ温度特性をＰＮダイオードに持たせ、出力の温度補償を高精度に実施可能な高効率の太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
【００１８】
また、請求項３の発明によれば太陽電池は、ｎ型もしくはｐ型の導電型を有する単結晶半導体基板の第１主面側に基板の導電型とは異なる導電型を有する第１の単結晶半導体層を、第２主面側に第１の単結晶半導体層と同一導電型で高濃度の第１の単結晶半導体領域を形成し、基板内で第１の単結晶半導体層と前記第１の単結晶半導体領域とを接続する第１の単結晶半導体層と同一導電型の第２の単結晶半導体領域、基板の第２主面側に基板と同一導電型で高濃度の第３の単結晶半導体領域を形成した光電変換層を有し、第１の単結晶半導体領域、第２の単結晶半導体領域、第１の単結晶半導体層、基板、第３の単結晶半導体領域の順番に対応する半導体層を順次接合したＰＮダイオードを同一基板上に集積化するので、光電変換層と同じ温度特性をＰＮダイオードに持たせ、出力の温度補償を高精度に実施可能な高効率の太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
【００１９】
また、請求項４の発明によれば太陽電池は、ＰＮダイオード内の各半導体層の厚さをそれぞれ対応する光電変換層内の層の厚さと一致させるので、ＰＮダイオードの温度特性と光電変換層の温度特性にさらに高精度に一致させ、出力効率を向上した太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
【００２０】
また、請求項５の発明によれば太陽電池は、ＰＮダイオード内の各半導体層を前記基板面に対して水平後方に配置することで、製造を簡易化するとともにＰＮダイオードにおける光電変換の発生を防止可能な太陽電池を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る太陽電池の好適な実施例について詳細に説明する。
【実施例】
【００２２】
本発明では、太陽電池と同一基板上に、太陽電池と同じ温度特性を有するＰＮダイオードを集積化し、高精度な温度補償電圧を最大電力追従装置に入力することにより太陽電池の高効率化を実現している。
【００２３】
そこで、まず図１および図２を参照して本発明で提案する太陽電池の具体的な構成例を示し、その後、図３を参照して本発明で提案する太陽電池の適用例を詳細に説明する。
【００２４】
図１に示した太陽電池は、例えばｐ型の単結晶半導体基板１の第１主面側に絶縁膜２（例えばシリコン酸化膜）で囲まれた、単結晶半導体基板１と同一導電型で同一の濃度を有する単結晶半導体層３（例えばｐ型の単結晶シリコン半導体層）を有している。
【００２５】
また、単結晶半導体層３を除いた第１主面側に凹凸を有する第１の単結晶半導体層４としてｎ型の単結晶シリコン半導体層を有し、単結晶半導体層３，４の上方に絶縁膜５、基板の第２主面側に絶縁膜６を有する。絶縁膜５，６としては、例えばシリコン酸化膜を用いることが好適である。
【００２６】
さらに、絶縁膜５上に反射防止膜７（例えば酸化チタン）を有し、単結晶半導体層４と絶縁膜５との間に高濃度のｎ型の不純物を有する第２の単結晶半導体層８としてｎ型の単結晶シリコン半導体層を有する。そして、単結晶半導体層８上の所望の領域の絶縁膜５と反射防止膜７を除去し、単結晶半導体層８に接続する第１の電極９を形成している。
【００２７】
同様に、単結晶半導体基板１の第２主面側では、基板と絶縁膜６との間に高濃度のｐ型の不純物を有する第３の単結晶半導体層１０としてｐ型の単結晶シリコン半導体層を有する。そして、絶縁膜６の所望の領域を除去し、単結晶半導体層１０に接続する第２の電極１１を形成している。
【００２８】
さらに、単結晶半導体層３の所望の領域に単結晶半導体層８と同一導電型で同一濃度を有する半導体層１２としてｎ型の単結晶シリコン半導体層、単結晶半導体層１２に連接して単結晶半導体層４と同一導電型で同一濃度を有する半導体層１３としてｎ型の単結晶シリコン半導体層、単結晶半導体層３を介して半導体層１３とは反対側に単結晶半導体層１０と同一導電型で同一濃度を有する半導体層１４としてｐ型の単結晶シリコン半導体層を有する。
【００２９】
そして、半導体層１２と半導体層１４上の絶縁膜５を除去し、半導体層１２に接続する電極１５、半導体層１４に接続する電極１６をそれぞれ形成している。
【００３０】
すなわち、単結晶半導体層８、単結晶半導体層４、単結晶半導体基板１、単結晶半導体層１０は、光電変換層として機能し、この光電変換層に入射した光（太陽光）は電気に変換されて電極９，１１から取り出される。
【００３１】
一方、絶縁膜２によって光電変換層から電気的に隔絶された半導体層１２、半導体層１３、半導体層３、半導体層１４はＰＮダイオードを構成し、電極１５，１６はＰＮダイオードの電極として機能する。ここで、ＰＮダイオードを構成する各層は、基板面に対して水平後方に配置することで製造を簡易にするとともに、ＰＮダイオードで光電変換が発生することを防止することが望ましい。
【００３２】
このように、太陽電池と同一基板上にＰＮダイオードを集積化することで、太陽電池の温度とＰＮダイオードの温度を一致させることができる。また、光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および同一濃度の半導体層を、光電変換層と同一の順番で接合してＰＮダイオードを構成しているので、太陽電池（光電変換層）と同じ温度特性をＰＮダイオードに持たせることが可能となる。
【００３３】
また、ＰＮダイオードの温度特性を太陽電池（光電変換層）の温度特性にさらに正確に一致させるためには、ＰＮダイオード内の各半導体層の厚さを、それぞれ対応する光電変換層内の層の厚さと同一とすることが有効である。
【００３４】
例えば、単結晶半導体基板１の厚さ（Ａ）を３００μｍ、凹凸を２０μｍ（Ａ’は２８０μｍ）とした場合、半導体層の幅（ａ）を２８０〜３００μｍ、単結晶半導体層８の厚さ（Ｂ）を１μｍとした場合、半導体層１２の幅（ｂ）を１μｍ、単結晶半導体層４の厚さ（Ｃ）を５μｍとした場合、半導体層１３の幅（ｃ）を５μｍ、単結晶半導体層１０の厚さ（Ｄ）を６μｍとした場合、半導体層１４の幅（ｄ）を５μｍとすることが望ましい。
【００３５】
つづいて、図２に示した太陽電池は、例えばｐ型の単結晶半導体基板５１の第１主面側に絶縁膜５２（例えばシリコン酸化膜）で囲まれた、単結晶半導体基板１と同一導電型で同一の濃度を有する単結晶半導体層５３（例えばｐ型の単結晶シリコン半導体層している。
【００３６】
また、単結晶半導体層５３を除いた第１主面側に凹凸を有する第１の単結晶半導体層５４としてｎ型の単結晶シリコン半導体層を有し、単結晶半導体層５３、５４の上方に絶縁膜５５、基板の第２主面側に絶縁膜５６を有する。絶縁膜５５，５６としては、例えばシリコン酸化膜を用いることが好適である。
【００３７】
さらに、絶縁膜５５上に反射防止膜５７（例えば酸化チタン）を有し、単結晶半導体基板５１内に単結晶半導体層５４に接続し、単結晶半導体基板５１の第２主面側に至る第２の単結晶半導体領域５８としてｎ型単結晶シリコン半導体領域を有する。
【００３８】
また、単結晶半導体領域５８の第２主面側に第１の単結晶半導体領域５９として高濃度のｎ型単結晶シリコン半導体層を有し、単結晶半導体基板５１の第２主面側に第３の単結晶半導体領域６０として高濃度のｐ型単結晶シリコン半導体層を有する。
【００３９】
そして、単結晶半導体領域５９、６０の第２主面側の所望の領域の絶縁膜５６を除去し、単結晶半導体領域５９に接続する電極６１と単結晶半導体領域６０に接続する電極６２を形成している。
【００４０】
さらに、単結晶半導体層５３の所望の領域に単結晶半導体領域５９と同一導電型で同一濃度を有する半導体層６３としてｎ型の単結晶シリコン半導体層、単結晶半導体層６３に連接して単結晶半導体領域５８と同一導電型で同一濃度を有する半導体層６４としてｎ型の単結晶シリコン半導体層、単結晶半導体層６４に連接して単結晶半導体層５４と同一導電型で同一濃度を有する半導体層６５としてｎ型の単結晶シリコン半導体層、単結晶半導体層５３を介して単結晶半導体層６５とは反対側に単結晶半導体領域６０と同一導電型で同じ濃度を有する半導体層６６を有する。
【００４１】
そして、半導体層６３と半導体層６６上の絶縁膜５５を除去し、半導体層６３に接続する電極６７、半導体層６６に接続する電極６８をそれぞれ形成している。
【００４２】
すなわち、単結晶半導体領域５９、単結晶半導体領域５８、単結晶半導体層５４、単結晶半導体基板５１、単結晶半導体領域６０は、光電変換層として機能し、この光電変換層に入射した光（太陽光）は電気に変換されて電極６１，６２から取り出される。
【００４３】
一方、絶縁膜５２によって光電変換層から電気的に隔絶された半導体層６３、半導体層６４、半導体層６５、半導体層５３、半導体層６６はＰＮダイオードを構成し、電極６７，６８はＰＮダイオードの電極として機能する。ここで、ＰＮダイオードを構成する各層は、基板面に対して水平後方に配置することで製造を簡易にするとともに、ＰＮダイオードで光電変換が発生することを防止することが望ましい。
【００４４】
この太陽電池においても、同一基板上にＰＮダイオードを集積化することで、太陽電池の温度とＰＮダイオードの温度を一致させることができる。また、光電変換層の各層とそれぞれ同一の導電型および同一濃度の半導体層を、光電変換層の構成に対応した順番で接合してＰＮダイオードを構成しているので、太陽電池（光電変換層）と同じ温度特性をＰＮダイオードに持たせることが可能となる。
【００４５】
また、ＰＮダイオードの温度特性を太陽電池（光電変換層）の温度特性にさらに正確に一致させるため、ＰＮダイオード内の各半導体層の厚さを、それぞれ対応する光電変換層内の層の厚さと同一とすることが有効である点についても図１に示した太陽電池と同様である。
【００４６】
例えば、単結晶半導体基板５１の厚さ（Ｅ）を３００μｍ、凹凸を２０μ（Ｅ’は２８０μｍ）、単結晶半導体領域５９の厚さ（Ｆ）を５μｍ、単結晶半導体領域６０の厚さ（Ｉ）を５μｍ、単結晶半導体層５４の厚さ（Ｈ）を５μｍとした場合、単結晶半導体領域５８の厚さ（Ｇ）は２９０μｍとなり、単結晶半導体層５３の幅（ｅ）は２８０〜３００μｍ、単結晶半導体層６３の幅（ｆ）は５μｍ、単結晶半導体層６４の幅（ｇ）は２９０μｍ、単結晶半導体層６５の幅（ｈ）は５μｍ、単結晶シリコン半導体層６６の幅（ｉ）は５μｍとなる。
【００４７】
なお、図１および図２に示した構成および素材はあくまで一例であり、適宜変更して実施することができるものである。例えば、基板として化合物半導体基板、反射防止膜としてフッ化マグネシウム、酸化アルミニウム、窒化シリコン等を用いても同様な効果が得られる。
【００４８】
また、ＰＮダイオードを基板の第２主面側に形成してもよいし、任意の構造の太陽電池に対してＰＮダイオードを形成することができる。
【００４９】
つづいて図３を参照し、本発明で提案する太陽電池の適用例について説明する。図３に示す太陽光発電モジュールは、図１もしくは図２に示した構成を有する太陽電池８１に、定電流供給回路８４と最大電力追従装置８６とを接続している。
【００５０】
太陽電池８１は、既に述べたように、光電変換層８２とＰＮダイオード８３とを同一基板上に有する。定電流供給回路８４は、太陽電池８１内のＰＮダイオード８３に接続されて電流を供給し、この定電流に対するＰＮダイオードの８３の順方向降下電圧ＶＢが最大電力追従装置８６内部の温度補償装置８５に温度補償電圧として与えられる。
【００５１】
温度補償装置８５は、温度補償電圧から温度補償信号を生成し、コンバータ８７は、この温度補償信号に基づいて変換電圧を制御することで、光電変換層８２から最大電力を引き出す。
【００５２】
ＰＮダイオード８３を光電変換層８２と同一基板上に形成したことでＰＮダイオード８３の温度が光電変換層８２の温度と精度よく一致し、また、ＰＮダイオード８３の構造を光電変換層８２に対応させることで温度依存性を一致させているので、この太陽光発電モジュールは、高効率に太陽電池から最大電力を引き出すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明にかかる太陽電池は、太陽電池の高効率化に有効であり、特に高精度な温度補償による高効率化に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明で提案する太陽電池の構成例を説明する説明図である（その１）。
【図２】本発明で提案する太陽電池の構成例を説明する説明図である（その２）。
【図３】本発明で提案する太陽電池の適用例について説明する説明図である。
【図４】従来の太陽電池の構成例について説明する説明図である。
【図５】従来の太陽光発電モジュールの構成例について説明する説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    単結晶半導体基板
２    絶縁膜
３    単結晶半導体層
４    単結晶半導体層
５    絶縁膜
６    絶縁膜
７    反射防止膜
８    単結晶半導体層
９    電極
１０    単結晶半導体層
１１    電極
１２    単結晶半導体層
１３    半導体層
１４    半導体層
１５    電極
１６    電極
５１    単結晶半導体基板
５２    絶縁膜
５３    単結晶半導体層
５４    単結晶半導体層
５５    絶縁膜
５６    絶縁膜
５７    反射防止膜
５８    単結晶半導体領域
５９    単結晶半導体領域
６０    単結晶半導体領域
６１    電極
６２    電極
６３    単結晶半導体層
６４    単結晶半導体層
６５    単結晶半導体層
６６    単結晶半導体層
６７    電極
６８    電極
８１    太陽電池
８２    光電変換層
８３    ダイオード
８４    定電流供給回路
８５    温度補償装置
８６    最大電力追従装置
８７    コンバータ
１０１    単結晶シリコン半導体基板
１０２    単結晶シリコン半導体層
１０３    絶縁膜
１０４    反射防止膜
１０５    絶縁膜
１０６    単結晶シリコン半導体層
１０７    電極
１０８    単結晶シリコン半導体層
１０９    電極
１２０    太陽電池
１２１    ダイオード
１２２    定電流供給回路
１２３    温度補償装置
１２４    最大電力追従装置
１２５    コンバータ
【図１】
2007311424.tif 000003
【図２】
2007311424.tif 000004
【図３】
2007311424.tif 000005
【図４】
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【図５】
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