JP2722761B2 - GaAs solar cell - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は太陽電池、特にGaAs系のエピタキシャル層を
有する太陽電池に関するものである。The present invention relates to a solar cell, particularly to a solar cell having a GaAs-based epitaxial layer.
［従来の技術］ GaAs系を用いた太陽電池は、GaAsの禁制帯幅が1.43eV
と大きく、太陽電池の理想とされる1.5eVに近いことか
ら、SiやInPなど他の多くの太陽電池の中でも最も高い
変換効率を示す。その構造の代表的な例を第２図に示
す。[Prior art] GaAs-based solar cells have a GaAs bandgap of 1.43 eV.
It has the highest conversion efficiency among many other solar cells, such as Si and InP, because it is close to the ideal 1.5 eV of solar cells. FIG. 2 shows a typical example of the structure.
ｎ型GaAs基板１上にｎ型GaAsエピタキシャル層、ｐ型
GaAsエピタキシャル層を順次エピタキシャル成長し、そ
の上に表面電極５とｐ型GaAlAsエピタキシャル層４を形
成し、さらに反射防止膜６を設けている。入射した太陽
光によって発生した光起電力はｐ型GaAsエピタキシャル
層３上に形成された表面電極５と基板１下に設けた裏面
電極７を通じて取り出される。n-type GaAs epitaxial layer on n-type GaAs substrate 1, p-type
A GaAs epitaxial layer is sequentially epitaxially grown, a surface electrode 5 and a p-type GaAlAs epitaxial layer 4 are formed thereon, and an antireflection film 6 is further provided. The photovoltaic power generated by the incident sunlight is extracted through a front electrode 5 formed on the p-type GaAs epitaxial layer 3 and a back electrode 7 provided below the substrate 1.
ところで、ｐ型GaAsエピタキシャル層３の表面には不
飽和結合（ダングリングボンド）による表面準位が高密
度で存在し、発生したキャリアが表面電極５に取り込ま
れる前に表面で再結合し、エネルギの変換効率が著しく
低下する。By the way, surface states due to unsaturated bonds (dangling bonds) exist at a high density on the surface of the p-type GaAs epitaxial layer 3, and the generated carriers are recombined on the surface before being taken into the surface electrode 5, and energy is generated. Conversion efficiency is significantly reduced.
そこで表面準位密度を低下し、表面へのキャリア流出
を防ぐ目的でｐ型GaAsエピタキシャル層３の上に上記し
たｐ型GaAlAsエピタキシャル層４を窓材として設ける構
造がとられている。Therefore, in order to reduce the surface state density and to prevent carrier outflow to the surface, the above-mentioned p-type GaAlAs epitaxial layer 4 is provided on the p-type GaAs epitaxial layer 3 as a window material.
また、この窓材となるGaAlAsエピタキシャル層４の保
護及び入射光の反射を極力少なくすることを目的とし
て、GaAlAsエピタキシャル層４上に太陽光に対して透明
かつ耐久性のあるシリコンナイトライド（Si3N4）等の
材質からなる上記した反射防止膜６が設けられる。Further, in order to protect the GaAlAs epitaxial layer 4 serving as the window material and minimize reflection of incident light, the silicon nitride (Si 3) which is transparent and durable to sunlight is formed on the GaAlAs epitaxial layer 4. The above-described antireflection film 6 made of a material such as N 4 ) is provided.
これにより、変換効率20％以上のGaAs太陽電池が得ら
れている。As a result, a GaAs solar cell having a conversion efficiency of 20% or more has been obtained.
このようなGaAs系太陽電池において、従来ｐ型エピタ
キシャル層形成のためのドーパントとしてはZn、Be等が
専ら用いられている。In such a GaAs-based solar cell, Zn, Be, or the like is conventionally exclusively used as a dopant for forming a p-type epitaxial layer.
［発明が解決しようとする課題］ ところで、太陽電池のエネルギ変換効率の向上を図る
上で重要な点は、短絡電流密度Iscと開放電圧Vocの他
に、曲線因子FFの改善が上げられる。[Problems to be Solved by the Invention] An important point in improving the energy conversion efficiency of the solar cell is an improvement in the fill factor FF in addition to the short-circuit current density Isc and the open-circuit voltage Voc.
曲線因子FFはダイオード特性や並列抵抗、直列抵抗に
関係しているが、特に直列抵抗の大きさには大きく依存
し、トータルとしての変換効率向上にはこれらの最適な
設計が必要である。The fill factor FF is related to the diode characteristics, the parallel resistance, and the series resistance. However, the fill factor greatly depends on the magnitude of the series resistance, and these optimum designs are required to improve the conversion efficiency as a whole.
すなわち、第２図の太陽電池において、表面電極５の
面積を増加し、ｐ型GaAsエピタキシャル層３のキャリア
濃度を増加することは直列抵抗の低減に役立ち、曲性因
子FFの改善につながる。しかし、一方で、表面電極５の
増加は、電極の影による影損失の増加を招き、またｐ型
GaAsエピタキシャル層３のキャリア濃度増加は発生キャ
リアのｐ型GaAsエピタキシャル層３内での再結合確率を
助長し、短絡電流密度Iocを下げるという結果を招く。That is, in the solar cell of FIG. 2, increasing the area of the surface electrode 5 and increasing the carrier concentration of the p-type GaAs epitaxial layer 3 help to reduce the series resistance and lead to an improvement in the curvature factor FF. However, on the other hand, the increase in the surface electrode 5 causes an increase in shadow loss due to the shadow of the electrode, and also increases the p-type.
Increasing the carrier concentration of the GaAs epitaxial layer 3 promotes the recombination probability of generated carriers in the p-type GaAs epitaxial layer 3 and lowers the short-circuit current density Ioc.
従って、変換効率を向上するにはｐ型GaAsエピタキシ
ャル層３内のキャリア濃度分布を適正にする必要がある
が、従来用いているｐ型ドーパント元素であるZn、Be等
はGaAs結晶中のでの拡散係数が大きく、適正な分布が得
られないばかりでなく、キャリア濃度を５×1019cm-3以
上の高濃度にすることが非常に困難であった。Therefore, in order to improve the conversion efficiency, it is necessary to make the carrier concentration distribution in the p-type GaAs epitaxial layer 3 appropriate. However, the conventionally used p-type dopant elements such as Zn and Be diffuse into the GaAs crystal. Not only was the coefficient large and an appropriate distribution could not be obtained, but it was very difficult to make the carrier concentration as high as 5 × 10 19 cm −3 or more.
本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、
高いエネルギ変換効率を有するGaAs系太陽電池を提供す
ることにある。An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages of the prior art,
An object of the present invention is to provide a GaAs solar cell having high energy conversion efficiency.
［課題を解決するための手段］ 本発明のGaAs系太陽電池は、ｎ型GaAs基板上にｐ型の
エピタキシャル層を積層して表裏に電極を形成したGaAs
系太陽電池において、上記ｎ型GaAs基板上にカーボン濃
度が１×1018cm-3を越えるｐ型エピタキシャル層が形成
され、その上に厚さが１μｍ以下でかつカーボン濃度が
１×1019cm-3以上の高キャリア濃度ｐ型エピタキシャル
層が形成されているものである。[Means for Solving the Problems] The GaAs-based solar cell of the present invention is a GaAs solar cell in which a p-type epitaxial layer is laminated on an n-type GaAs substrate and electrodes are formed on both sides.
In the solar cell, a p-type epitaxial layer having a carbon concentration exceeding 1 × 10 18 cm −3 is formed on the n-type GaAs substrate, and a thickness of 1 μm or less and a carbon concentration of 1 × 10 19 cm 3 are formed thereon. A p-type epitaxial layer having a high carrier concentration of -3 or more is formed.
［作用］ カーボンは拡散係数が小さく高濃度のドープが可能で
ある。従って、このカーボンをｐ型ドーパント元素に用
いると、ｐ型エピタキシャル層内のキャリア分布の適正
化が可能となる。[Action] Carbon has a small diffusion coefficient and can be doped at a high concentration. Therefore, when this carbon is used as the p-type dopant element, it is possible to optimize the carrier distribution in the p-type epitaxial layer.
また、表面電極コンタクト側のｐ型エピタキシャル層
のキャリア濃度が１×1018cm-3以上になると、太陽電池
に寄生する直列抵抗が減少し、それによって太陽電池の
変換効率が大幅に向上する。Further, when the carrier concentration of the p-type epitaxial layer on the surface electrode contact side becomes 1 × 10 18 cm −3 or more, the series resistance parasitic on the solar cell decreases, thereby significantly improving the conversion efficiency of the solar cell.
特に、ｐ型エピタキシャル層の電極コンタクト側のみ
を薄く高濃度にドープすることにより、短絡電流密度の
低下をほとんど起こさずに接触抵抗の大幅な改善が図ら
れる。In particular, by doping only the electrode contact side of the p-type epitaxial layer thinly and with a high concentration, the contact resistance can be significantly improved with almost no reduction in short-circuit current density.
［実施例］ 本発明の一実施例を説明するための太陽電池構造を第
１図に示す。Example FIG. 1 shows a solar cell structure for explaining an example of the present invention.
太陽電池（セル）は、基板としてSiをドープしたｎ型
GaAs基板１（キャリア濃度１×1018cm-3,厚さ300μｍ）
を用いている。このｎ型GaAs基板１上にｎ型GaAsエピタ
キシャル層2,p型GaAsエピタキシャル層3,高キャリア濃
度ｐ型GaAsエピタキシャル層８を順次エピタキシャル成
長して積層する。その高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキ
シャル層８の上に表面電極５と窓材であるｐ型GaAlAsエ
ピタキシャル層４を形成し、さらに反射防止膜６を設け
ている。また、基板１の裏面全面に裏面電極７が形成さ
れる。Solar cell (cell) is n-type doped with Si as substrate
GaAs substrate 1 (carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 , thickness 300 μm)
Is used. On this n-type GaAs substrate 1, an n-type GaAs epitaxial layer 2, a p-type GaAs epitaxial layer 3, and a high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8 are successively epitaxially grown and laminated. A surface electrode 5 and a p-type GaAlAs epitaxial layer 4 as a window material are formed on the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8, and an antireflection film 6 is further provided. Further, a back electrode 7 is formed on the entire back surface of the substrate 1.
上記ｎ型GaAsエピタキシャル層2,p型GaAsエピタキシ
ャル層3,高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層８
は、MOVPE法（有機金属を用いた気相成長法）によって
連続的に作成される。The above n-type GaAs epitaxial layer 2, p-type GaAs epitaxial layer 3, high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8
Are continuously formed by MOVPE (vapor phase growth method using an organic metal).
また、窓材としてのｐ型GaAlAsエピタキシャル層４も
MOVPE法により作成し、反射防止膜６はプラズマCVD装置
によりSi3N4を堆積して形成される。表面電極５は窓材
のGaAlAsエピタキシャル層４を部分的にエッチングし、
高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層８、あるいは
ｐ型GaAsエピタキシャル層３に電極材料が直接接触する
ように形成してある。Also, the p-type GaAlAs epitaxial layer 4 as a window material
The antireflection film 6 is formed by MOVPE, and is formed by depositing Si 3 N 4 using a plasma CVD apparatus. The surface electrode 5 partially etches the GaAlAs epitaxial layer 4 of the window material,
The electrode material is formed so as to directly contact the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8 or the p-type GaAs epitaxial layer 3.
上記したMOVPE法では原料としてTMG（トリメチルガリ
ウム）を用いた。特にｐ型エピタキシャル層であるｐ型
GaAsエピタキシャル層3,高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタ
キシャル層8,p型GaAlAsエピタキシャル層４に導入する
カーボン濃度はキャリアガス中のTMGの分圧,V族/III族
比，基板温度を調節することにより現在１×1015cm-3以
下から1.5×1021cm-3程度の高濃度まで任意に制御でき
るようになっている。この場合、カーボンは原料のTMG
から供給されていると考えられるが、ほとんどAsサイト
を置換し、アクセプタとしてほぼ100％活性化している
ことに注目すべきである。これを利用して本実施例では
高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層８のカーボン
濃度を１×1019cm-3以上にしてある。In the above MOVPE method, TMG (trimethylgallium) was used as a raw material. In particular, p-type epitaxial layer
The concentration of carbon introduced into the GaAs epitaxial layer 3, the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8, and the p-type GaAlAs epitaxial layer 4 can be adjusted by adjusting the partial pressure of TMG in the carrier gas, the V / III group ratio, and the substrate temperature. Currently, it can be arbitrarily controlled from a concentration of 1 × 10 15 cm −3 or less to a high concentration of about 1.5 × 10 21 cm −3 . In this case, carbon is the raw material TMG
It should be noted that it almost replaces the As site and is almost 100% activated as an acceptor. Utilizing this, in the present embodiment, the carbon concentration of the p-type GaAs epitaxial layer 8 having a high carrier concentration is set to 1 × 10 19 cm −3 or more.
このよう制御，置換はカーボン元素によりはじめて可
能となるのであって、現在使われているZnやBe等の不純
物元素では不可能であり、これらでキャリア濃度１×10
20cm-3以上を安定的に作った報告はない。Such control and substitution can be performed only by the carbon element, and cannot be performed by the currently used impurity elements such as Zn and Be.
There have been no reports of stable production of 20 cm -3 or more.
次に、セル作成の詳細について述べる。 Next, details of cell creation will be described.
ｎ型GaAs基板１（キャリア濃度１×1018cm-3、厚さ30
0μｍ）上に作成したｎ型GaAsエピタキシャル層２は、
原料ガスにジシラン（Si2H6）を添加して作成したSiド
ープ結晶でキャリア濃度は２×1017cm-3、厚さ６μｍで
ある。第１図のｐ型GaAsエピタキシャル層３、高キャリ
ア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層８は、上記MOVPE法に
よって連続的に作成し、それぞれキャリア濃度８×1017
cm-3,厚さ２μｍと、同じく１×1020cm-3、厚さ0.02μ
ｍである。n-type GaAs substrate 1 (carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 , thickness 30)
0 μm), the n-type GaAs epitaxial layer 2
It is a Si-doped crystal prepared by adding disilane (Si 2 H 6 ) to a source gas, and has a carrier concentration of 2 × 10 17 cm −3 and a thickness of 6 μm. The p-type GaAs epitaxial layer 3 and the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8 shown in FIG. 1 are continuously formed by the MOVPE method, and each has a carrier concentration of 8 × 10 17.
cm -3 , thickness 2μm, also 1 × 10 20 cm -3 , thickness 0.02μ
m.
また、窓材としてのｐ型GaAlAsエピタキシャル層４も
原料にトリメチルアルミニウム（TMA）を用いたMOVPE法
により作成し、そのAl混晶比は0.7,キャリア濃度は１×
1018cm-3,厚さ0.1μｍである。反射防止膜６はプラズマ
CVD装置によりSi3N4を約0.1μｍ堆積した。表面電極５
はホトリソグラフィを使って、窓材のGaAlAsエピタキシ
ャル層８を部分的にエッチングし、高キャリア濃度ｐ型
GaAsエピタキシャル層８、あるいはｐ型GaAsエピタキシ
ャル層３に電極材料が直接接触するように形成した。ま
た、裏面電極７は基板１の裏面全面に形成した。Also, a p-type GaAlAs epitaxial layer 4 as a window material was formed by MOVPE using trimethylaluminum (TMA) as a raw material, and its Al mixed crystal ratio was 0.7 and carrier concentration was 1 ×.
It is 10 18 cm -3 and 0.1 μm thick. Antireflection film 6 is plasma
About 0.1 μm of Si 3 N 4 was deposited by a CVD apparatus. Surface electrode 5
Uses photolithography to partially etch the GaAlAs epitaxial layer 8 of the window material and obtain a high carrier concentration p-type
The electrode material was formed so as to directly contact the GaAs epitaxial layer 8 or the p-type GaAs epitaxial layer 3. The back electrode 7 was formed on the entire back surface of the substrate 1.
さて、本実施例の太陽電池の効果を確認するため、第
１図の構造において高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシ
ャル層８の有無のみが異なる二種類の太陽電池を上記MO
VPE法で作成し、そのエネルギー変換効率をAM1（Air Ma
ss1の略で、地上で太陽が天頂にある場合の太陽光を示
す。）疑似スペクトル条件で調べた。その結果は、次に
述べるように本実施例の有効性を十分証明し得るもので
あった。Now, in order to confirm the effect of the solar cell of this example, two types of solar cells differing only in the presence or absence of the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8 in the structure of FIG.
Created by the VPE method, the energy conversion efficiency of AM1 (Air Ma
Abbreviation of ss1, indicating sunlight when the sun is at the zenith on the ground. ) Examined under pseudospectral conditions. The result was able to sufficiently prove the effectiveness of the present embodiment as described below.
高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層８を有する
太陽電池の直列抵抗は低く、変換効率も高キャリア濃度
ｐ型GaAsエピタキシャル層８を有さないものが17.3％で
あったのに対し、上記エピタキシャル層８を有するもの
が22.8％となり大巾な改善が認められた。The series resistance of the solar cell having the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8 was low, and the conversion efficiency was 17.3% without the high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer 8, whereas the conversion efficiency was 17.3%. 22.8% of those having the above, a great improvement was recognized.
以上述べたように本実施例は、ｐ型エピタキシャル層
形成のためのドーパントとして従来使っていたZn,Be等
に代えてＣ（カーボン）を用いたものである。従って、
GaAs結晶中のでの拡散係数が小さく、適正な分布が得ら
れ、キャリア濃度も５×1019cm-3以上の高濃度にするこ
とが可能となる。その結果、表面電極への直列抵抗が小
さくなって変換効率が向上する。As described above, in this embodiment, C (carbon) is used as a dopant for forming a p-type epitaxial layer instead of Zn, Be, or the like which has been conventionally used. Therefore,
The diffusion coefficient in the GaAs crystal is small, an appropriate distribution can be obtained, and the carrier concentration can be as high as 5 × 10 19 cm −3 or more. As a result, the series resistance to the surface electrode is reduced and the conversion efficiency is improved.
なお、上記実施例では、カーボン濃度が１×1018cm-3
を越える層としてｐ型GaAlAsエピタキシャル層と、表面
電極直下の高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層と
し、このうち特に後者のGaAsエピタキシャル層を１×10
19cm-3以上としたが、本発明はこれに限定されるもので
はない。例えば、高キャリア濃度ｐ型エピタキシャル層
を、窓材であるｐ型GaAlAsエピタキシャル層側に設ける
ようにしてもよい。In the above embodiment, the carbon concentration was 1 × 10 18 cm −3.
A p-type GaAlAs epitaxial layer and a high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer immediately below the surface electrode.
Although it was set to 19 cm −3 or more, the present invention is not limited to this. For example, a high carrier concentration p-type epitaxial layer may be provided on the p-type GaAlAs epitaxial layer side which is a window material.
［発明の効果］ 本発明によれば次のような効果を発揮する。[Effects of the Invention] According to the present invention, the following effects are exhibited.
（１）請求項１のGaAs系太陽電池においては、ｐ型ドー
パント元素として、拡散係数が小さく、高濃度にドープ
することができるカーボンを用いたことにより、ｐ型エ
ピタキシャル層内のキャリア濃度分布の最適化が容易に
行える。(1) In the GaAs-based solar cell according to the first aspect, by using carbon that has a small diffusion coefficient and can be doped at a high concentration as the p-type dopant element, the carrier concentration distribution in the p-type epitaxial layer can be improved. Optimization can be performed easily.
（２）請求項２のGaAs系太陽電池においては、ｐ型エピ
タキシャル層を低濃度から高濃度まで任意に制御できる
有機金属原料を用いた有機金属気相成長法によって形成
されるので、高濃度のキャリアを安定的に作ることがで
きる。(2) In the GaAs-based solar cell according to the second aspect, since the p-type epitaxial layer is formed by a metal organic chemical vapor deposition method using an organic metal material that can be arbitrarily controlled from a low concentration to a high concentration, Carrier can be made stable.
（３）請求項３のGaAs系太陽電池においては、表面電極
のコンタクト層を高キャリア濃度ｐ型エピタキシャル層
で形成したので、接触抵抗を小さくできる。(3) In the GaAs solar cell according to the third aspect, the contact resistance of the surface electrode is formed of a p-type epitaxial layer having a high carrier concentration, so that the contact resistance can be reduced.
（４）請求項４のGaAs系太陽電池においては、ｐ型エピ
タキシャル層の電極接触側のみを薄く高濃度にドープす
ることにより、短絡電流密度の低下をほとんど起こさず
に接触抵抗の大幅な改善が図られる。そのため、太陽電
池としての直列抵抗が減りエネルギー変換効率を大幅に
改善できる。(4) In the GaAs solar cell according to the fourth aspect, by doping only the electrode contact side of the p-type epitaxial layer thinly and with a high concentration, the contact resistance can be largely improved without substantially lowering the short-circuit current density. It is planned. Therefore, the series resistance as a solar cell is reduced, and the energy conversion efficiency can be greatly improved.
第１図は本発明の高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャ
ル層を有するGaAs系太陽電池の一実施例の構造を示す断
面図、第２図は従来の代表的なGaAs太陽電池の構造を示
す断面図である。 １はｎ型GaAs基板、２はｎ型GaAsエピタキシャル層、３
はｐ型GaAsエピタキシャル層、４はｐ型GaAsエピタキシ
ャル（窓層）、５は表面電極、６は反射防止膜、７は裏
面電極、８は高キャリア濃度ｐ型GaAsエピタキシャル層
である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an embodiment of a GaAs solar cell having a p-type GaAs epitaxial layer having a high carrier concentration according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a typical conventional GaAs solar cell. It is. 1 is an n-type GaAs substrate, 2 is an n-type GaAs epitaxial layer, 3
Is a p-type GaAs epitaxial layer, 4 is a p-type GaAs epitaxial layer (window layer), 5 is a front electrode, 6 is an antireflection film, 7 is a back electrode, and 8 is a high carrier concentration p-type GaAs epitaxial layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乙木 洋平 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電 線株式会社金属研究所内 (72)発明者 隈 彰二 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電 線株式会社金属研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−46617（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Inventor Yohei Ogigi 3550 Kida Yomachi, Tsuchiura City, Ibaraki Prefecture Inside the Metal Research Laboratory, Hitachi Cable, Ltd. (72) Shoji Kuma 3550 Kida Yomachi, Tsuchiura City, Ibaraki Prefecture Hitachi Cable (56) References JP-A-58-46617 (JP, A)
Claims (1)
を形成して表裏に電極を形成したGaAs系太陽電池におい
て、 上記ｎ型GaAs基板上にカーボン濃度が１×1018cm-3を越
えるｐ型エピタキシャル層が形成され、その上に厚さが
１μｍ以下でかつカーボン濃度が１×1019cm-3以上の高
キャリア濃度ｐ型エピタキシャル層が形成されているこ
とを特徴とするGaAs系太陽電池。1. A GaAs solar cell having a p-type epitaxial layer formed on an n-type GaAs substrate and electrodes formed on both sides thereof, wherein a carbon concentration of 1 × 10 18 cm −3 is formed on the n-type GaAs substrate. A GaAs-based p-type epitaxial layer having a thickness of 1 μm or less and a high carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more formed thereon. Solar cells.
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