(57)【要約】【課題】  シリコン単一材料を用いた太陽電池では吸収できるフォトン流量が限られ、その為、薄膜シリコン太陽電池やバルクシリコン太陽電池の変換効率が制限される。ゲルマニウム太陽電池と多接合太陽電池を形成することで余分にフォトン流量を吸収することができるが、しかしこれまで考えられて来た直列接合されたシリコン太陽電池とゲルマニウム太陽電池では電流マッチングが困難で、現実的ではなかった。【解決手段】本発明は、Ｐｎ接合型シリコン太陽電池の出力電圧は約０．６Ｖで、ｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池出力電圧０．３Ｖの２倍となっていることに着目した。図２に本発明概念を示す。ｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池を二つ直列接続すれば出力電圧は０．６Ｖとなるので、ｐｎ接合型シリコン太陽電池と並列接続すれば簡単に電圧整合され、電流整合する必要はなくなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンで形成したトップセルと、前記トップセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと、前記第一ボトムセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルを有し、前記第一ボトムセルと前記第二ボトムセルとは直列接続されてから前記トップセルと並列接続される多接合型セル
【請求項２】
前記トップセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと、前記第一ボトムセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルとは、スパッタエピタキシャル法で堆積されることを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【請求項３】
前記トップセルと、第一ボトムセルと、第二ボトムセルとは、ｐｎ接合型セルであることを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【請求項４】
前記シリコンとはシリコンウェーハ、またはガラス上に形成されたシリコン薄膜であることを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【請求項５】
前記トップセルと第一ボトムセルの間にはシリコンとゲルマニウムからなる結晶格子緩衝層があることを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【請求項６】
前記ゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと前記ゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルとは、ｘが０．５から１の間にあるＳｉ（１−ｘ）Ｇｅｘであって、且つ第二ボトムセルのｘは第一ボトムセルのｘより大きいか等しいことを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【請求項７】
前記第一ボトムセルと第二ボトムセルはｐｎ接合型セルであり、遮蔽マスクを通して異なる導電型の膜をスパッタ堆積することにより素子領域が直接形成されることを特徴とする請求項１記載の多接合型セル
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【００１０】本発明は、太陽電池セルの構造およびその製造方法に関し、さらに詳しくは多重接合型の太陽電池セルによる高効率化に関する。
【背景技術】
【００２０】本明細書の説明において、セルとは所謂、太陽電池素子、光電変換素子、光起電力素子を指すものであり、これらは同等の意味を持つ。【００３０】シリコンは、地球上で酸素に次ぎ多く存在する元素であり、ＩＣ分野や太陽電池分野でも最も多く使われている半導体材料である。結晶シリコンは温度３００Ｋでのバンドギャップは１．１２ｅＶであり、従って半導体としてシリコンのみを使用した太陽電池セルは、これに対応した波長より短波長の光しか発電に寄与しない。図１に地表太陽光ＡＭ１．５Ｇのフォトン流量（実線）と、シリコン吸収係数（一点鎖線）と、ゲルマニウム吸収係数（破線）、の波長依存性を示す。シリコンの吸収端は約１１００ｎｍであり、これよりも長波長のフォトンは吸収できない。また現実には吸収端に近づくほどシリコンの吸収係数は小さくなり、例えば波長５７０ｎｍと９５０ｎｍでの吸収係数はそれぞれ５×１０３ｃｍ−１と１０２ｃｍ−１に減少する。  従ってシリコンの厚さが２×１０−４ｃｍと１０−２ｃｍである場合では短波長側からそれぞれ大よそ５７０ｎｍと９５０ｎｍまでのフォトンしか吸収できず、それらはフォトン流量全体の約２０％と５９％でしかない。【００４０】シリコンで吸収しきれない長波長側のフォトンを吸収させるには、シリコンより小さいバンドギャップの材料をボトムセルに使ってトップセルと直列接続する所謂タンデムセルがよく知られている。例えば結晶シリコンをトップセルに用いた場合では、ボトムセルには０．６６ｅＶのバンドギャップを持つ結晶ゲルマニウムが有効である。結晶ゲルマニウムの近赤外での光吸収係数は高く、波長１５００ｎｍでは吸収係数は５×１０３ｃｍ−１である。従って２×１０−４ｃｍのゲルマニウム薄膜でも、短波長側から大よそ１５００ｎｍまでの全体の８８％のフォトン流量を取り出せることになり、変換効率の向上が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００５０】
【非特許文献１】Ｒ．Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎら，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．１０９，ｐｐ．６９５−７１０，１９５８．
【００６０】
【非特許文献２】Ｔ．Ｔｉｅｄｊｅら，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．ＥＤ−３１，７１１，１９８４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００７０】しかしタンデムセル構造ではトップセルの光電流とボトムセルの光電流を整合させる必要がある。不整合の場合では出力光電流は小さい方の光電流で制限されてしまう。例えば厚さが１０−２ｃｍのシリコンウェーハをトップセル、２×１０−４ｃｍのゲルマニウムをボトムセルにした場合では、トップセルで５９％、ボトムセルで残りの２９％のフォトン流量を吸収することになるが、トップセルで余分に吸収した３０％のフォトン流量はキャリア再結合を通じて熱となり、取り出せることができない。或いは例えば厚さが２×１０−４ｃｍのシリコン薄膜をトップセル、２×１０−４ｃｍのゲルマニウムをボトムセルにした場合では、トップセルで２０％、ボトムセルで残りの６８％のフォトン流量を吸収することになるが、ボトムセルで余分に吸収した４８％のフォトンは同じく取り出すことができない。このようにトップセルとボトムセルを直列接続するタンデムセルでは、光電流のマッチングが必要であるため、実際のデバイス形成では多くの制限が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００８０】本発明は、ｐｎ接合型シリコン太陽電池の出力電圧は約０．６Ｖで、ｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池出力電圧０．３Ｖの２倍となっていることに着目した。図２に本発明概念を示す。ｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池を二つ直列接続すれば出力電圧は０．６Ｖとなるので、ｐｎ接合型シリコン太陽電池と並列接続すれば簡単に電圧整合され、電流整合する必要はなくなる。【００９０】上記の課題を解決するために本発明は、シリコンで形成したトップセルと、前記トップセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと、前記第一ボトムセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルを有し、前記第一ボトムセルと前記第二ボトムセルとは直列接続されて前記トップセルと並列接続される多接合型セルである【０１００】前記トップセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと、前記第一ボトムセル上に積層したゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルとは、スパッタエピタキシャルで積層されることを特徴とする【０１１０】前記トップセルと、第一ボトムセルと、第二ボトムセルとは、ｐｎ接合型セルである。【０１２０】前記シリコンとはシリコンウェーハ、またはガラス上に形成されたシリコン薄膜であることを特徴とする。【０１３０】前記トップセルと第一ボトムセルの間にはシリコンとゲルマニウムを主成分とする結晶格子緩衝層があることを特徴とする。【０１４０】前記ゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと前記ゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルとは、ｘが０．５から１の間にあるＳｉ１−ｘＧｅｘであって、且つ第二ボトムセルのｘは第一ボトムセルのｘより大きいか等しいことを特徴とする。【０１５０】前記第一ボトムセルと第二ボトムセルはｐｎ接合型セルであり、遮蔽マスクを通して異なる導電型の膜をスパッタ堆積することにより素子領域が直接形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０１６０】第一ボトムセルと第二ボトムセルを直列接続してトップセルと並列接続することで、トップセルとボトムセル間の電流整合の制約がなくなり、ゲルマニウムを主成分とするボトムセルによりシリコントップセルが吸収しきれないフォトン流量を光電流に変換して取り出し、太陽電池変換効率の増大に寄与する。【０１７０】例えば厚さが１０−２ｃｍのシリコンウェーハをトップセル、厚さが約７×１０−５ｃｍのゲルマニウムを第一ボトムセル、厚さ約１．３×１０−４ｃｍのゲルマニウムを第一ボトムセルにした場合では、トップセルで５９％、第一ボトムセルと第二ボトムセルでそれぞれ約１４．５％のフォトン流量を吸収することになり、変換効率はトップセルのみの場合と比べて２５％増加する。厚さが１０−２ｃｍのシリコン太陽電池の限界効率が２９％とされているので（非特許文献２）、本発明を応用すれば変換効率は３６％に増加する。
【図面の簡単な説明】
【０１８０】
【図１】地表太陽光の平均的なフォトン流量の波長依存性（実線）と、シリコン吸収係数（一点鎖線）とゲルマニウム吸収係数（破線）の波長依存性
【図２】本発明の概念を表す図
【図３】太陽電池の  （ａ）断面図  （ｂ）受光面の平面図  （ｃ）裏面の平面図  （実施例１）
【図４】太陽電池の  （ａ）断面図  （ｂ）裏面の平面図  （実施例２）
【発明を実施するための形態】
【０１９０】本発明の概念は図２に示した通りであり、ゲルマニウムを主成分とする第一ボトムセルと同じくゲルマニウムを主成分とする第二ボトムセルを直列接続した後にシリコントップセルと並列接続するものである。本発明はバルク型太陽電池と薄膜型太陽電池のどちらにも適応可能である。
【実施例１】
【０２００】バルク型太陽電池への実施例については、その構造を図３（ａ）の断面図、図３（ｂ）の受光面平面図、図３（ｃ）の裏面平面図に示す。図３（ａ）の断面図は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）をＩ−Ｉに沿った断面であり、下側が受光面になる。シリコン基板ウェーハ１０ｂに第一伝導型シリコン層１０ａと第二伝導型シリコン層１０ｃを形成してトップセル１０とする。第一伝導型シリコン層１０ａ及び第二伝導型シリコン層１０ｃの形成方法については、熱拡散法またはスパッタエピタキシャル法の何れでも形成できる。【０２１０】続いてスパッタエピタキシャル法で、第一伝導型シリコン層１０ａ上にＳｉＧｅｘバッファ層２０を形成する。このＳｉＧｅｘバッファ層２０は本発明では必ずしも必要ではないが、役割はゲルマニウム膜の格子歪緩和であり、第一ボトムセル２１と第二ボトムセル２２の膜内欠陥の減少に寄与し、変換効率の向上に寄与する。ＳｉＧｅｘバッファ層２０に続いて第一伝導型ゲルマニウム層２１ａ、ゲルマニウム光吸収層２１ｂ、第二伝導型ゲルマニウム層２１ｃをエピタキシャル成長して第一ボトムセル２１とする。更に第一伝導型ゲルマニウム層２２ａ、ゲルマニウム光吸収層２２ｂ、第二伝導型ゲルマニウム層２２ｃをエピタキシャル成長して第二ボトムセル２２とする。ここでＳｉＧｅｘバッファ層２０、第一ボトムセル２１、と第二ボトムセル２２はシリコントップセル１０上にアイランド状に局所的に存在するように堆積しており、従って一部の第一伝導型シリコン層１０ａは露出された状態にしてある。【０２２０】続いてＳｉＯ２等の絶縁パシベーション膜３０ａを裏に、受光面絶縁パシベーション膜３０ｂを表に全面堆積する。そして受光面に図３（ｂ）に示すような金属電極５６を堆積する。裏面については、図３（ｃ）に示すように２０，２１，２２が被覆されている領域上に金属電極５２を形成し、第一伝導型シリコン層１０ａが絶縁パシベーション膜３０ａを通して露出している領域に金属電極５４を形成する。続いて太陽電池を熱処理することで金属電極５２，５４，５６が絶縁パシベーション膜３０を貫通してそれぞれ第二伝導型のゲルマニウム層２２ｃ、第一伝導型シリコン層１０ａ、第二伝導型シリコン層１０ｃに接触される。或いはレーザビームを使って電極コンタクト部１００のみを局所加熱することで、金属電極５２，５４，５６が絶縁パシベーション膜３０を貫通して、それぞれ第二伝導型のゲルマニュウム層２２ｃ、第一伝導型シリコン層１０ａ、第二伝導型シリコン層１０ｃに接触される。【０２３０】太陽電池のモジュール化に際してはインターコネクタを使って金属電極５６と５２のバス領域５６ａと５２ａを接触させて一電極とし、金属電極５４を反対極性の電極として使う。【０２４０】ここで第一ボトムセルと第二ボトムセルの光電流は整合させる必要があるため、それぞれのゲルマニウム光吸収層２１ｂと２２ｂの厚さは、吸収されるフォトン流量が同じになるように調整する必要がある。膜に吸収されるフォトン流量は（１−反射率）×［１−ｅｘｐ（−１×吸収係数×膜厚）］で概算できることから、この式をすべての波長に対して積分することで第一ボトムセルと第二ボトムセルに吸収されるフォトン流量が概算でき、これに基づいて第一ボトムセルと第二ボトムセルの膜厚を設計できる。たとえば第一ボトムセルが０．７μｍの場合では、第二ボトムセルが０．９μｍ〜１．３μｍ程の時に光電流は同じになる。【０２５０】第一ボトムセルと第二ボトムセルの光電流を同じにするもう一つの手段として、第一ボトムセル２１のゲルマニウムにシリコンを添加して吸収係数を下げる方法がある。ゲルマニウムとシリコンは混晶を作り、吸収係数は混晶の組成比に依存した値となる（非特許文献２）。従って第一ボトムセル光吸収層２１ｂと第二ボトムセル光吸収層２２ｂの膜厚を一定にし、代わりに第一ボトムセル光吸収層２１ｂにシリコンを添加して吸収係数を下げて吸収フォトン流量を小さくして第二ボトムセルと整合をとることもできる。
【実施例２】
【０２６０】薄膜型太陽電池については、その構造を図４（ａ）の断面図、図４（ｂ）の裏面平面図に示す。図４（ａ）の断面図は、図４（ｂ）の裏面平面図のＩ−Ｉに沿った断面であり、下側が受光面になる。ガラス基板６０に第二伝導型シリコン層１６ｃを成膜し、レーザアニール法又は熱アニール法で結晶化させる。続いてレーザスクライブで第二伝導型シリコン層１６ｃを図４（ｂ）に示すようにアイランド化する。続いてエピタキシャル成長法でシリコン光吸収層１６ｂと第一伝導型シリコン層１６ａを形成してトップセル１６とする。ここでシリコン光吸収層１６ｂと第二伝導型シリコン層１６ａはシャドウマスクを通してスパッタエピタキシャル成長させるので、低コストで所要のパターン通りにアイランド化できる。【０２７０】続いて第一伝導型シリコン層１６ａの上にＳｉＧｅｘバッファ層２０等を堆積するが、これ以降は、実施例１と同様に第一ボトムセル２１、第二ボトムセル２２、裏面絶縁パシベーション膜３０ａ、金属電極５２と５４を形成する。トップセルの第二伝導型シリコン層１６ｃと第二ボトムセルの第二伝導型ゲルマニウム層２２ｃは接続させる必要があり、本発明では図４（ｂ）に示すように第二伝導型シリコン層１６ｃのアイランドと第一伝導型シリコン層１６ａのアイランドはずらして形成している。即ち一部の領域で第二伝導型シリコン層１６ｃは裏面絶縁パシベーション膜３０ａを通して露出した状態となっている。そして第二伝導型ゲルマニウム層２２ｃと接続された金属電極５２のバス領域５２ａで第二伝導型シリコン層１６ｃと接触させることで、トップセルの第二伝導型シリコン層１６ｃと第二ボトムセルの第二伝導型ゲルマニウム層２２ｃは接続される。【０２８０】第一ボトムセルと第二ボトムセルのそれぞれのゲルマニウム光吸収層２１ｂと２２ｂの厚さ設計とゲルマニウム光吸収層へのシリコンの添加は、実施例１と同様である。
【符号の説明】
【０２９０】１０    シリコントップセル
１０ａ  シリコンウェーハ１０ｂに形成された第一伝導型シリコン層
１０ｂ  シリコンウェーハ光吸収層
１０ｃ  シリコンウェーハ１０ｂに形成された第二伝導型シリコン層
１６    シリコントップセル
１６ａ  第一伝導型シリコン層
１６ｂ  シリコン光吸収層
１６ｃ  第二伝導型シリコン層
２０    第一伝導型のシリコンゲルマニウムバッファー層
２１    第一ボトムセル
２１ａ  第一伝導型のゲルマニュウム層
２１ｂ  ゲルマニュウム光吸収層
２１ｃ  第二伝導型のゲルマニュウム層
２２    第二ボトムセル
２２ａ  第一伝導型のゲルマニュウム層
２２ｂ  ゲルマニュウム光吸収層
２２ｃ  第二伝導型のゲルマニュウム層
３０    絶縁パシベーション膜
３０ａ  裏面絶縁パシベーション膜
３０ｂ  受光面絶縁パシベーション膜
５２    第二伝導型ゲルマニュウム層２２ｃの金属電極
５２ａ  金属電極５２のバス領域
５２ｂ  金属電極５２のフィンガー領域
５４    第一伝導型シリコン層１０ａの金属電極
５４ａ  金属電極５４のバス領域
５４ｂ  金属電極５４のフィンガー領域
５６    第二伝導型シリコン層１０ｃの金属電極
５６ａ  金属電極５６のバス領域
５６ｂ  金属電極５６のフィンガー領域
６０    基板
１００  電極コンタクト部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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