JPH04296060A

JPH04296060A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH04296060A
Application number: JP3061476A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Otsuka; 寛之大塚; Juichi Shimada; 嶋田　寿一; Tsuyoshi Uematsu; 上松　強志; Takeyuki Hiruma; 健之比留間; Toshiaki Masuhara; 増原　利明; Mitsunori Ketsusako; 光紀蕨迫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1992-10-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は太陽光等の光エネルギー
を直接電気エネルギ−に変換する太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の単結晶Ｓｉ太陽電池は、単結晶イ
ンゴットから切りだしたウエハーに通常の熱拡散法によ
ってウエハーと異なる導伝型の半導体層を形成し、ｐ−
ｎ接合とすることによって作られている。また、ＧａＡ
ｓ太陽電池は、ＧａＡｓまたはＳｉウエハー上に光電変
換部となる数μｍ厚のＧａＡｓ層を結晶成長させること
によって作られている。他に、アモルファス太陽電池は
金属板や透明電極付ガラス板上に光電変換部となる１μ
ｍ厚程度のｐ−ｉ−ｎアモルファスシリコンやその合金
層を積層して作られている。

【０００３】なお、この種の装置として関連するものに
は、例えば、第３回インターナショナル・フォトボルタ
イック・サイエンス・アンド・エンジニアリング・コン
ファレンス　　１９８７年　１１月　日本　　東京　　
第７１頁から７４頁（３ｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ　Ｐｈｏｔｏ−ｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　Ｎ
ｏｖ．　３−６　１９８７，　Ｔｏｋｙｏ　Ｊａｐａｎ
）が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来技術の問題
点は、材料のコスト低減に対して全く配慮がなされてい
ないこと、光電変換効率が絶対的に不足していることで
ある。

【０００５】単結晶Ｓｉ太陽電池の場合、電気的特性よ
り約２０μｍにおいて最も高い出力電圧を得ることがで
きる。これに対して結晶自身で機械的強度を保持するた
めには２００μｍ〜４００μｍと桁違いの厚さが必要で
あり、余分な単結晶Ｓｉが必要である。このような厚い
ウエハーを用いた太陽電池の光電変換効率は２０％程度
しかなく、実用上不十分である。

【０００６】ＧａＡｓ太陽電池では、材料コスト低減の
ため、Ｓｉウエハー上にＧａＡｓをヘテロエピタキシャ
ル成長させることにより作製している。しかし、この方
法では無欠陥で大面積のＧａＡｓ結晶を得ることは容易
ではない。

【０００７】また、上述の２種類の太陽電池について、
ウエハーはインゴットから切りだすため切りしろのロス
が生じたり、フレキシビリテイが低いためモジュールに
する場合に割れ易いという問題点もある。

【０００８】アモルファス太陽電池の場合、材料の利用
効率は良いものの現状の技術では光電変換効率が低いと
いう問題点がある。

【０００９】これらの問題点に対して、本発明は光電変
換が高効率で低コストな太陽電池を実現することを目的
とする。また、太陽電池の作製にあたって、切り代によ
るロスをなくし、原材料の使用量を電気的特性から必要
とされる極限まで低減することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体基板上に成長させたウイスカー結
晶を応用し、太陽電池を作製しようとするものである。具体的には、ウイスカー結晶内およびウイスカー結晶と
基板との間にｐ−ｎ接合を１個、あるいは複数個設け、
また、さらに、バンドギャップの異なる材料を使いタン
デム構造を付加する。

【００１１】また、本発明は、太陽電池をフレキシブル
にし、生産コストを下げるために、結晶成長後、ウイス
カー結晶の周りの少なくとも一部を充填剤で満たし、太
陽電池を基板から分離して使用できるようにするもので
ある。

【００１２】

【作用】ウイスカー結晶を用いた太陽電池の原理は、以
下のとおりである。半導体基板上に成長させたウイスカ
ー結晶に光を照射、吸収させるとホール・エレクトロン
ペアが発生する。ホールとエレクトロンは、ウイスカー
結晶内やウイスカー結晶と基板との間等のｐ−ｎ接合等
によって分離され、外部負荷に電力として取り出すこと
ができる。

【００１３】次に、ウイスカー結晶を太陽電池に応用し
たときのウイスカー結晶の効果を説明する。一般に、ウ
イスカー結晶は結晶欠陥が非常に少ない。このため、結
晶内での光生成キャリヤの再結合による光電変換効率の
低下を最小限度に抑えることができる。また、ウイスカ
ー結晶は、その直径を１０００Å以下にできるため光の
量子閉じ込め効果、およびインダイレクトバンドギャッ
プ材料のダイレクトギャップ化が期待でき、光吸収が増
す。さらに、キャリアの拡散長に比べてウイスカー結晶
が小さいため、キャリアの再結合確率が減る。これらの
要因により、太陽電池にウイスカー結晶を応用すれば光
電変換効率は高くなる。また、ｐ型基板にｐ型ウイスカ
ー結晶を成長させてやれば、ウイスカー結晶の表面が自
然にｎ型に表面反転するため容易に太陽電池にしてやる
ことも可能である。この方法によれば、太陽電池生産プ
ロセスが著しく簡易になることが予想される。

【００１４】ウイスカー結晶と組み合わせた種々の技術
的手段の効果は、次のとおりである。バンドギャップの
小さな材料から大きな材料順にタンデムにウイスカー結
晶を成長させれば、光を効率よく吸収するため、発生電
流が増す。また、結晶成長後、ウイスカー結晶の周りを
充填剤で満たし、基板から分離すれば、基板を再度利用
でき、原料コストの低減につながると共に、フレキシブ
ルな太陽電池を作ることも可能である。この際、ウイス
カー結晶の周りをウイスカー結晶の光吸収領域以外の領
域の光を吸収できる充填剤を用いれば、さらに変換効率
が増す。また、ウイスカー結晶と接してアモルファスや
微結晶の非単結晶を配置し、ヘテロ接合を作ることがで
きる。アモルファスや微結晶材料のバンドギャップがウ
イスカー結晶のものより大きければ、ヘテロ接合を作っ
たほうが得られる開放電圧は大きくなる。これらは、１
００〜５００℃の比較的低温で形成できるのでウイスカ
ー結晶成長後や充填剤注入後、あるいはウイスカー結晶
を基板から分離後に行うこともでき、プロセス上、特に
ｐ−ｎ接合形成に自由度が増す。他に、ウイスカー結晶
の少なくとも一ケ所を膨らますと、基板から分離する際
にウイスカー結晶が充填剤から抜けるのを防ぐことがで
き、太陽電池としての歩留まりが向上する。

【００１５】

【実施例】（実施例１）図１と図２に本発明の実施例の
１つを示す。本実施例では、ウイスカー結晶を作るため
に熱分解法（ＣＶＤ法）による気相化学反応を用いた。

【００１６】具体的には、図１に示すように、まず、ｎ
型Ｓｉ基板１（面方位（１１１））面上にＳｉＯ２から
なる絶縁膜２をＣＶＤ法により０．３μｍの厚さに堆積
した。次に、フォトリソグラフィーによりＳｉＯ２絶縁
膜２に５０μｍ×５０μｍの大きさの窓３形成した。そ
して、原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、ＣＶ
Ｄ法により、Ｓｉウイスカー結晶（ｎ＋型、キャリヤ濃
度１０１８個／ｃｍ３）を成長させた。これは、原料ガ
スＳｉＣｌ４／Ｈ２を用いた普通の気相成長法でも構わ
ない。このとき、基板温度は９００℃、原料ガス供給時
間は３００秒に設定した。次に、上記の結晶成長条件の
まま、途中でドーパントのキャリヤ濃度（１０１６個／
ｃｍ３）を変えてウイスカー結晶をさらに成長させたと
ころ、ｎ＋型４からｎ型５へ変化した。さらに、成長の
途中でドーパントの種類（ｐ＋型１０２０個／ｃｍ３）
を変えてウイスカー結晶成長を続けたところ、ウイスカ
ー結晶の途中から導伝型が変わり、ｎ型５からｐ＋型６
へ変化した。結晶成長後、観察を行ったところ、ウイス
カー結晶の長さは約１０μｍ、直径は約０．１μｍであ
った。ここで、絶縁パターン窓部に形成されるウイスカー結晶
の数、太さ、長さは、窓部と窓以外の絶縁膜の寸法Ｄと
ｄとの比、基板温度、原料供給量、成長時間、基板の結
晶面方位等で容易に制御しうる。その後、ウイスカー結
晶の周りを充填剤（ローダミン）７で埋め、これを基板
から機械的に分離した。この後、上、下面に透明導電膜
であるＩＴＯ層８、９を設けた。最後に、それぞれのＩ
ＴＯ層の上下に、第２図に示すようにＡｌ電極１０、１
１をオーミック接合で形成した。そして、ソーラーシミ
ュレーターのもとで疑似太陽光を照射したところ、本実
施例によれば短絡電流４４ｍＡ、開放電圧０．９Ｖで約
３０％の光電変換効率を得た。なお、充填剤と共にウイ
スカー結晶を基板から引きはがすことによって、フレキ
シブルでシート状の太陽電池が得られた。

【００１７】上記、中間のｎ層５をｉ層（真性半導体層
）に代えて結晶成長させた場合も、同様の光電変換効率
を持つウイスカー結晶太陽電池が得られた。

【００１８】本実施例ではＳｉを用いた例を示したが、
Ｇｅや化合物半導体であるＧａＡｓ、ＩｎＰを用いた場
合もウイスカー結晶太陽電池を作製することができた。また、実施例では基板面方位に（１１１）面を用いたが
、（１１０）面、（１００）面でも同様の結果が得られ
た。

【００１９】（実施例２）図３に本発明の実施例の１つ
を示す。図３において、ｎ型Ｓｉ基板１２（面方位（１
１１））面上にＣＶＤ法によりＡｕの微小液滴を形成し
、基板温度を８００〜９００℃に保った。この後は実施
例１と同じようにＣＶＤ法でウイスカー結晶を成長させ
、太陽電池とした。ウイスカー結晶はＡｕの微小液滴よ
り成長し始めるため、ウイスカー結晶の数や直径は最初
に基板にばらまいたＡｕの微小液滴の量に依存する。このとき、その頂上部１３はＡｕとＳｉの混晶のまま成
長し続け、尖らずに横に膨らんで球形になった。このよ
うな方法でウイスカー結晶を成長させた場合、基板から
分離する際に、基板側に残るウイスカー結晶が減少して
いることが走査電子顕微鏡を用いた観察より判明した。よって、ウイスカー結晶の太陽電池としての歩留まりが
向上した。

【００２０】（実施例３）図４に本発明の実施例の１つ
を示す。図４において、実施例１と同様の成長条件で基
板の上にｎ＋型（キャリヤ濃度１０１８個／ｃｍ３）半
導体１４を成長させ、順に下からｐ型（キャリヤ濃度１
０１８個／ｃｍ３）半導体１５、ｎ型（キャリヤ濃度１
０１６個／ｃｍ３）半導体１６を交互に１０段成長させ
た後にｐ＋型（キャリヤ濃度１０２０個／ｃｍ３）半導
体１７を成長させ、直列水平多接合型太陽電池とした。このときのウイスカー結晶の長さは約１００μｍ、直径
は約０．１μｍであった。本実施例ではＣＶＤ法で付け
たＳｉＯ２絶縁膜上にポリイミド（低αＰＩ：ＰＩＱ−
Ｌ１００）をコーティングし、出力４００Ｗでプラズマ
処理を施した。結晶成長後、ウイスカー結晶の周りを充
填剤（ローダミン）１８で埋め、基板から機械的に引き
はがしたところ容易に引きはがすことができた。そして
、図３に示すように、上、下面共にＩＴＯ層１９、２０
を付け、Ａｌ電極２１、２２を付けたところ、本実施例
では短絡電流４ｍＡ、開放電圧９．０Ｖで約３５％の光
電変換効率を得た。また、実施例１の場合も併せて、分
離した基板は、フッ化水素酸を用いてエッチングし、表
面を軽く研磨すれば再度使えることが分かった。

【００２１】（実施例４）図５に本発明の実施例の１つ
を示す。図５において、ｎ型Ｇｅ基板２３（キャリヤ濃
度１０１６個／ｃｍ３、面方位（１１１））面上に実施
例１と同様にしてＳｉＯ２からなる絶縁膜２４をＣＶＤ
法により０．３μｍの厚さに堆積した。次に、フォトリ
ソグラフィーによりＳｉＯ２絶縁膜２４に０．２μｍ×
０．２μｍの大きさの窓２５をＤとｄの比が１／３に成
るように形成した。まず、ｎ型Ｇｅ（キャリヤ濃度１０
１６個／ｃｍ３）を成長させ、その上にｐ型Ｇｅ２６（
キャリヤ濃度１０１８個／ｃｍ３）を成長させ、さらに
その上に下から順にｎ型Ｓｉ２７（キャリヤ濃度１０１
６個／ｃｍ３）、ｐ型Ｓｉ２８（キャリヤ濃度１０１８
個／ｃｍ３）、Ｓｉをドーパントしたｎ型ＧａＡｓ２９
（キャリヤ濃度１０１８個／ｃｍ３）、Ｚｎをドーパン
トしたｐ型ＧａＡｓ３０（キャリヤ濃度１０１８個／ｃ
ｍ３）を成長させた。このときのウイスカー結晶の長さ
は約３０μｍ、直径は約０．１μｍであり、絶縁窓１つ
に対してほぼ１つのウイスカー結晶が成長した。その後
、図５に示すようにウイスカー結晶の周りを充填剤（ロ
ーダミン）３１で埋め、上面にＩＴＯ層３２を付けた。最後に、成長させた基板の上下に、図５に示すようなＡ
ｌ３３電極をオーミック接合で形成した。そして、ソー
ラーシミュレーターのもとで疑似太陽光を照射したとこ
ろ、本実施例では短絡電流１８ｍＡ、開放電圧２．４Ｖ
で約４２％の光電変換効率を得た。

【００２２】（実施例５）図６に本発明の実施例の１つ
を示す。図６において、ｎ型晶Ｓｉ基板（キャリヤ濃度
１０１６個／ｃｍ３）上に実施例１と同様の成長条件で
ｎ型（キャリヤ濃度１０１６個／ｃｍ３）半導体３４を
成長させ、そのウイスカー結晶の周りを充填剤（ポリイ
ミド、ＰＩＱ−Ｌ１００）３５で埋めた。この時点で基
板から機械的に分離し、基板と接していた側から、ｐ型
ａ−ＳｉＣ：Ｈ（水素化アモルファスシリコンカーバイ
ト：バンドギャプ２．１ｅＶ）３６あるいはｐ型μｃ−
ＳｉＣ：Ｈ（水素化微結晶シリコンカーバイト）をプラ
ズマ放電法で０．０２μｍ厚に堆積させた。このとき、
基板温度を１１０℃に保った。その後、上面には透明導
電膜であるＩＴＯ層３７を設け、上下面に第６図に示す
ようにＡｌ電極３８、３９をオーミック接合で形成した
。そして、ソーラーシミュレーターのもとで疑似太陽光
を照射したところ、本実施例では予想通り開放電圧が１
．１Ｖと増した。結局、短絡電流４２ｍＡで約３２％の
光電変換効率を得た。

【００２３】なお、本実施例ではｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈあ
るいはｐ型μｃ−ＳｉＣ：Ｈを基板と接していた側に堆
積させた例を示したが、反対側に堆積させても構わない
。

【００２４】（実施例６）図７に本発明の実施例の１つ
を示す。図７において、ｐ型多結晶Ｓｉ基板４０（キャ
リヤ濃度１０１８個／ｃｍ３）上に実施例１と同様の成
長条件でｐ型（キャリヤ濃度１０１８個／ｃｍ３）半導
体４１を成長させた。このままの状態で、実施例１同様
、ウイスカー結晶の周りを充填剤（ローダミン）４２で
埋めた。そして、図７に示すように、充填剤の上面に透
明導電膜であるＩＴＯ層４３を設け、上下両面に、Ａｌ
電極４４、４５をオーミック接合で形成した。本実施例
のＩ−Ｖ特性を調べたところ、整流性が見られ、ｐ−ｎ
接合が形成されていることが判明した。これは、ｐ層４
１の表面が自然反転し、ｎ層４６ができたためと考えら
れる。このように、本実施例では著しく簡単に太陽電池
を開発することができた。ちなみに、ソーラーシミュレ
ーターのもとで疑似太陽光を照射したところ、本実施例
では短絡電流３８ｍＡ、開放電圧０．６Ｖで約２１％の
光電変換効率を得た。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、ウイスカー結晶は、そ
の大きさおよび形状が吸収係数や光閉じこめ率を上げ、
キャリアの再結合確率を減らすため、本太陽電池の光電
変換効率を高くする効果がある。また、ウイスカー結晶
を充填剤によって埋めることにより基板から切り放すこ
とができるので、基板材料のコスト低減およびフレキシ
ブルな太陽電池を製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による太陽電池の試作過程の途中段階の
断面図である。

【図２】本発明による太陽電池の断面図である。

【図３】本発明による太陽電池の試作過程の途中段階の
断面図である。

【図４】本発明による太陽電池の断面図である。

【図５】本発明による太陽電池の断面図である。

【図６】本発明による太陽電池の断面図である。

【図７】本発明による太陽電池の断面図である。

【符号の説明】

１−半導体基板、　　　　　　　　　　　　２−ＳｉＯ
２絶縁膜、３−開口部、　　　　　　　　　　　　　　
　　４−ｎ＋型半導体、５−ｎ型半導体、　　　　　　
　　　　　　６−ｐ＋型半導体、７−充填剤（ローダミ
ン）、　　８−ＩＴＯ膜、９−ＩＴＯ膜、　　　　　　
　　　　　　１０−Ａｌ電極、１１−Ａｌ電極、　　　
　　　　　　　　　１２−Ｓｉ基板、１３−ウイスカー
結晶頂上部、１４−ｎ＋型半導体、１５−ｐ型半導体、
　　　　　　　　　　１６−ｎ型半導体、１７−ｐ＋型
半導体、　　　　　　　　　１８−充填剤（ローダミン
）、１９−ＩＴＯ膜、　　　　　　　　　　　　２０−
ＩＴＯ膜、２１−Ａｌ電極、　　　　　　　　　　　　
２２−Ａｌ電極、２３−ｎ型Ｇｅ半導体、　　　　　　
２４−ＳｉＯ２絶縁膜、２５−開口部、　　　　　　　
　　　　　　　２６−ｐ型Ｇｅ半導体、２７−ｎ型Ｓｉ
半導体、　　　　　　２８−ｐ型Ｓｉ半導体、２９−ｎ
型ＧａＡｓ半導体、　　３０−ｐ型ＧａＡｓ半導体、３
１−充填剤（ローダミン）、３２−ＩＴＯ層、３３−Ａ
ｌ電極、　　　　　　　　　　　　３４−ｎ型Ｓｉ半導
体、３５−充填剤（ローダミン）、３６−ｐ型ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ、３７−ＩＴＯ膜、　　３８−Ａｌ電極、３９−
Ａｌ電極、　　　　　　　　　　　　４０−ｐ型多結晶
Ｓｉ半導体、４１−ｐ型Ｓｉ半導体、　　　　　　４２
−充填剤（ローダミン）、４３−ＩＴＯ膜、４４−Ａｌ
電極、４５−Ａｌ電極、　　　　　　　　　　　　４６
−ｎ型Ｓｉ半導体（反転層）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に成長させたウイスカー結晶
を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項２】請求項第１項記載の太陽電池において、上
述のウイスカー結晶がｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合
の一部を構成することを特徴とする太陽電池。
【請求項３】請求項第２項記載の太陽電池において、上
述のｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合がヘテロ接合であ
ることを特徴とする太陽電池。
【請求項４】請求項第２項記載の太陽電池において、多
段のｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有することを特
徴とする太陽電池。
【請求項５】請求項第４項記載の太陽電池において、バ
ンドギャップの異なる材料で構成されることを特徴とす
る太陽電池。
【請求項６】請求項第２項から第５項まで記載の太陽電
池において、上述のウイスカー結晶と基板との間にもｐ
−ｎ接合を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項７】請求項第２項から第５項まで記載の太陽電
池において、アモルファスや微結晶材料がｐ−ｎ接合ま
たはｐ−ｉ−ｎ接合の一部を構成することを特徴とする
太陽電池。
【請求項８】請求項第２項から第７項まで記載の太陽電
池において、上述のウイスカー結晶の周りの少なくとも
一部を充填剤で埋めたことを特徴とする太陽電池。
【請求項９】請求項第８項記載の太陽電池において、上
述の充填剤の少なくとも一部がウイスカー結晶の光吸収
領域以外の領域の光を吸収することを特徴とする太陽電
池。
【請求項１０】請求項第８項および第９項記載の太陽電
池において、基板上のウイスカー結晶を充填剤と共に基
板から分離し、この部分のみを用いることを特徴とする
太陽電池。
【請求項１１】請求項第１０項記載の太陽電池において
、ウイスカー結晶の少なくとも一部分を膨らませて、充
填剤から抜けにくい構造になっていることを特徴とする
太陽電池。
【請求項１２】請求項第２項から第１１項記載の太陽電
池において、充填剤を埋めた後に、あるいは基板から分
離した後に、ｐ−ｎやｐ−ｉ−ｎ接合、電極、バンドギ
ャップの異なる材料、アモルファスや多結晶材料等々の
太陽電池として機能する構造の一部を形成することを特
徴とする太陽電池。
【請求項１３】請求項第１項から第１２項記載の太陽電
池において、ウイスカー結晶を成長させる半導体基板の
面方位が（１１０）あるいは（１１１）からなることを
特徴とする太陽電池。
【請求項１４】請求項第１項から第１２項記載の太陽電
池において、半導体基板の面方位が（１００）からなり
、（１００）面に対して斜めに成長したウイスカー結晶
を有することを特徴とする太陽電池。
【請求項１５】請求項第８項から第１４項記載の太陽電
池において、充填剤で埋める前に、複数個の太陽電池ま
たは太陽電池の一部を構成するウイスカー結晶を有する
基板を適当に配置し、充填後、実質的に充填剤で一体化
されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項１６】請求項第１項記載の太陽電池において、
ｐ型半導体基板上にｐ型のウイスカー結晶を成長させ、
表面を自然反転させてｎ型としたことを特徴とする太陽
電池。
【請求項１７】請求項第１項から第１６項記載の太陽電
池を一個以上、複数個用いて作製した太陽電池モジュー
ル。