JP2001230431A - 光電変換装置 - Google Patents

光電変換装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トップセルおよびボトムセルの材料の組合せ
の最適化を図り、より高い光電変換効率を実現した光電
変換装置を提供する。 【解決手段】 本光電変換装置は、第１および第２のｐ
ｎ接合を備える光電変換装置であって、第１のｐｎ接合
は実質的に（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰで表示される半
導体(４)中に形成され、第２のｐｎ接合は実質的にＧａ
1-zＩｎzＡｓで表示される半導体(２)中に形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光エネルギーを電
気エネルギーに変換するための光電変換装置に関し、特
に宇宙空間での使用において太陽光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光電変換効率を向上させたＩＩＩ−
Ｖ族系化合物半導体を用いた光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、人工衛星等の宇宙機の電源に使用
される宇宙用太陽電池セルとして、ＧａＡｓなどのＩＩ
Ｉ−Ｖ族系化合物半導体を主材料に用いた多接合型の太
陽電池セルを使用する例が増加している。これらの電池
セルは、従来から宇宙用太陽電池として広く用いられて
いるシリコン太陽電池セルに比べて高い光電変換効率が
期待できる。このため、シリコンセルでは対応できなか
った小型衛星や大電力衛星などへの用途に適している。
【０００３】多接合型太陽電池セルとして現在最も用い
られている電池セルは、例えば、米国特許5,223,043号
および5,405,453号に開示されている。これらの電池セ
ルの基本的な構造を図２０に示す。この従来の多接合型
（２接合型）セルの主材料には、太陽光入射側の表面に
形成される第１の電池セル（以下、「トップセル」と記
す）１０４にＧａ1-xＩｎxＰが、また、トップセルの下
に形成される第２の電池セル（以下、「ボトムセル」と
記す）１０２にＧａＡｓが用いられ、両者はトンネル接
合１０３で接続されている。基板１０１には、ＧａＡｓ
またはＧｅ単結晶ウエハが用いられている。トップセル
のＧａ1-xＩｎxＰの組成比は、ボトムセルのＧａＡｓと
格子定数が一致することを目的に、ｘ＝０．４９程度と
している。この場合、トップセルおよびボトムセル材料
の格子定数は、基板であるＧｅの格子定数にもほぼ等し
くなり、比較的容易にＧｅ基板上にエピタキシャル成長
できるように意図されている。このとき、トップセルの
禁制帯幅（バンドギャップ）Ｅｇは約１．９ｅＶであ
り、またボトムセルのバンドギャップＥｇは約１．４ｅ
Ｖである。この従来の多接合型電池セルは、宇宙空間で
の太陽光スペクトルを模した光源を用いた特性試験によ
り、実験室レベルで約２６％、工業製品レベルで約２２
％の光電変換効率を達成している。さらに、近年では、
上記トップセルおよびボトムセルに加えて、Ｇｅ基板に
もｐｎ接合を形成した３接合型電池セルも開発されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、近年の宇宙開
発の飛躍的な進歩に対応してゆくためには、上記の光電
変換効率では不充分であり、さらに高い変換効率が望ま
れている。上記した従来の多接合型電池セルは、歴史的
にはＧｅ基板上に形成したＧａＡｓ太陽電池セルの発展
型として開発された経緯があり、その結果として上記の
構造が定められてきた。しかし、太陽光エネルギーを最
大限利用するという観点からあらためて上記のＧａ1-x
ＩｎxＰとＧａＡｓとの組合せを考えた場合、この組合
せは、下記するように、最適な組合せということができ
ない。
【０００５】２つのｐｎ接合からなる太陽電池セルの理
論的な光電変換効率が、例えば、IEEE Transaction on
Electron Devices，ED-34，p257に記載の論文にとり上
げられている。この論文には、トップセルおよびボトム
セルの材料のバンドギャップと入射光スペクトルとのマ
ッチングから、光電変換効率の期待値とトップセルおよ
びボトムセルのバンドギャップの範囲との関係が示され
ている。実際に電池セルを製作する場合には、通常、単
にバンドギャップだけが問題とされるのではなく、高品
質のエピタキシャル成長層を得るために、トップセルと
ボトムセルとの間、およびボトムセルと基板との間の格
子整合を図る。図２１は、各種半導体材料の格子定数と
バンドギャップの関係を示した図である。上記の論文に
基づいて、図２１の中に、宇宙空間における太陽光スペ
クトル（AMO)に対して３０％以上の変換効率が得られる
トップセルのバンドギャップ範囲Ｕおよびボトムセルの
バンドギャップ範囲Ｌを示す。この図によれば、上記し
た従来の多接合型電池セルの材料の組合せ、すなわち、
Ｇａ1-xＩｎxＰとＧａＡｓとの組合せでは、光電変換効
率が３０％に達しないことが分かる。
【０００６】そこで、本発明は、トップセルおよびボト
ムセルの材料の組合せの最適化を図り、より高い光電変
換効率が実現可能な光電変換装置を提供することを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の光電
変換装置は、第１および第２のｐｎ接合を備える光電変
換装置であって、第１のｐｎ接合は実質的に（Ａｌ1-y
Ｇａy）1-xＩｎxＰによって表示される半導体中に形成
され、第２のｐｎ接合は実質的にＧａ1-zＩｎzＡｓによ
って表示される半導体中に形成されている。
【０００８】変換効率３０％以上の高変換効率を実現す
るためには、少なくとも次の条件を満たすことが重要で
あると言われてきた。 （ａ）トップセルを構成する材料（以下、「トップセル
材料」と記す）およびボトムセルを構成する材料（以
下、「ボトムセル材料」と記す）のバンドギャップエネ
ルギの組合せの最適化を図る。 （ｂ）トップセル材料とボトムセル材料との間の格子整
合を図る。 （ｃ）ボトムセル材料と基板材料との間の格子整合を図
る。 （ｄ）成長層材料と基板材料との熱膨張係数の整合を図
る。
【０００９】しかしながら、これらの条件をすべて満た
し、かつ経済的に製造可能な半導体材料の組合せを見出
すことは至難の業である。本発明者らは、上記の各条件
について広範な調査を行った。その結果、（ａ）トップ
セル材料およびボトムセル材料のバンドギャップエネル
ギの組合せの最適化、および（ｂ）トップセル材料とボ
トムセル材料との間の格子整合を図る、の２条件は、変
換効率３０％以上の実現に不可欠であることをあらため
て確認した。
【００１０】しかし、「ボトムセル材料と基板材料との
間の格子整合は重視する必要がなく、格子不整合の程度
が４％程度以内であれば、結晶成長技術を工夫すること
により結晶性の良い層を形成できる」（以後、（ｃ）の
条件を緩和したこの条件を（ｃ’）と記す）見通しを得
ることができた。
【００１１】また、「成長層材料と基板材料との間の熱
膨張係数の整合に関しても、過大な重視は不要であり、
成長層の熱膨張係数が基板の熱膨張係数に比べて同等以
下であれば、熱膨張係数の相違に起因する成長層へのク
ラック伝播等は抑制可能である」（以後、（ｄ）の条件
を緩和したこの条件を（ｄ’）と記す）見通しを得るこ
とができた。
【００１２】上記の調査において、条件（ａ）、
（ｂ）、（ｃ’）および（ｄ’）を満足する材料とし
て、トップセルには（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰによっ
て表示される半導体が、また、ボトムセルにはＧａ1-z
ＩｎzＡｓによって表示される半導体を用いることが有
効であるとの確信を得ることができた。これら（Ａｌ
1-yＧａy） 1-xＩｎxＰ、およびＧａ1-zＩｎzＡｓを見出
すことができたのは、上記の条件（ｃ’）および
（ｄ’）の方針が大きく寄与している。上記請求項１の
構成の採用により、上記の条件（ａ）、（ｂ）、
（ｃ’）および（ｄ’）の全てを満足することができ
る。この結果、変換効率３０％以上の光電変換装置を実
現することが可能となる。なお、化学組成の表示におい
て、元素Ｂ，Ｃ，Ｐからなる物質Ｂ1- xＣxＰでは、原子
Ｃは、化学式ＣＰの結晶格子においてＣが占めるサイト
のうちｘ（≦１．０）だけを占有し、残りの１−ｘのサ
イトを原子Ｂが占めている。また、物質（Ａ1-yＢy）
1-xＣxＰでは、上記のＢ1-xＣxＰにおいてＢ原子が占有
しているサイトのうち、さらにｙ（≦１．０）だけをを
Ｂ原子が占め、残りの１−ｙをＡ原子が占める。本発明
が対象とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、ＩｎＰ、
ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等は、通常、閃亜鉛鉱（Zi
nc blende)型結晶構造をしている。この閃亜鉛鉱型結晶
構造は、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族半導体が有するダイヤモ
ンド型結晶構造と類似している。
【００１３】請求項２の光電変換装置では、請求項１の
変換装置において、半導体Ｇａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａ
ｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰの組成比ｚならびにｘおよびｙ
は、それぞれ、0.11<ｚ<0.29、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+
0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ
3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の範囲内にある。
【００１４】この構成により、具体的にトップセル材料
およびボトムセル材料のバンドギャップエネルギの最適
化を図ることができる。本発明者らは、（Ａｌ1-yＧ
ａy）1- xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓの最適な組成
を得ることを目的に、これらの半導体について格子定数
およびバンドギャップエネルギの計算を行った。図１
は、光電変換効率３４％以上が得られるトップセル材料
およびボトムセル材料のバンドギャップエネルギの範囲
Ａを示す図である。図１において、トップセル材料のバ
ンドギャップエネルギを横軸に、ボトムセル材料のバン
ドギャップエネルギを縦軸にとっている。この図におい
て、変換効率３４％以上が期待される領域Ａは１つの閉
曲線で囲まれた領域として表示されている。図１には、
ボトムセル材料を固定してトップセル材料を混晶として
構成した場合のボトムセルバンドギャップとトップセル
バンドギャップとの関係が横軸に平行な線分として示さ
れている。トップセルは混晶なので、混晶が成立する範
囲内でバンドギャップにも範囲が生じ、線分として表示
される。各線分の右側にはボトムセルとして定めた半導
体材料とその上に形成される混晶の２成分の半導体材料
が示されている。そこに記載されるボトムセルには、Ｇ
ｅの格子定数との格子不整のパーセントが示されてい
る。例えばＧａ.29Ｉｎ.71Ｐ−Ａｌ.30Ｉｎ.70Ｐ on
Ｇａ.77Ｉｎ.23Ａｓ（１．６２％>Ｇｅ）は、トップセ
ルがＧａ.29Ｉｎ.71Ｐ−Ａｌ.30Ｉｎ.70Ｐで構成される
混晶によって構成され、ボトムセルがＧａ.77Ｉｎ.23Ａ
ｓであることを示す。また、このボトムセルＧａ.77Ｉ
ｎ.23Ａｓの格子定数がＧｅに比べて１．６２％大きい
ことを意味する。この変換効率３４％以上の領域Ａに対
応するトップセルおよびボトムセルをそれぞれ構成する
（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓの
組成範囲は、次の範囲である。 ｚ：ボトムセル材料のＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚは、
0.11<ｚ<0.29の範囲内とする。 ｘ、ｙ：トップセル材料の（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ
の組成比ｘ、ｙは、ｚが上記の範囲内にあることを前提
として、それぞれ、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、およ
び131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+
5.82ｚ+0.325の範囲内とする。ｘの範囲は、ボトムセル
材料のＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて図２に示す
とおりである。また、ｙの範囲は、ボトムセル材料のＧ
ａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて図３に示すとおりと
なる。
【００１５】トップセル材料およびボトムセル材料の組
成比ｘ、ｙおよびｚが上記の範囲内にあれば、変換効率
３４％以上を達成することが期待できる。さらに、ｘ、
ｙおよびｚが上記の範囲内にあれば、基板をＧｅとした
とき、Ｇｅとの格子不整を２％以内に収めることができ
る。また、熱膨張係数については、Ｇｅ：5.5×10-6/
Ｋ、Ｇａ1-zＩｎzＡｓ：5.8×10-6/Ｋ、および（Ａｌ
1-yＧａy）1-xＩｎxＰ：4.8×10-6/Ｋのように、３者は
互いに近接しているので、成長層にクラックが発生した
り、成長層にクラックが伝播したりする問題は生じな
い。
【００１６】本発明においては、太陽電池セルを構成す
る半導体材料について、基板と格子整合をとるという条
件を緩和することにより、新しい材料を見出した点に大
きな特徴を有する。すなわちトップセルについては、混
晶の概念を拠り所にして新しい半導体を創製した。すな
わち、結晶構造は同じものであるが、その結晶を構成す
る元素を変え、またそれら元素の組成比を変えて新しい
半導体を創製した。一般に、化合物半導体では、結晶構
造が同じで異なった材料を混合することにより、その混
合割合に応じて格子定数、バンドギャップエネルギ等に
中間的な物性を有する混晶が得られることはよく知られ
ている。このような混晶は、ＬＥＤ（Light Emitting D
iode)やレーザダイオード等のデバイスで実用化されて
いる。この場合、混合する異種材料の量は、単なる不純
物ドーピングの程度ではなく、結晶格子定数やバンドギ
ャップの変化が生じるほどの組成変化を伴う。したがっ
て、混晶の概念を拠り所にして創製した上記の半導体Ｇ
ａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰは、
新しい半導体ということができる。
【００１７】ここで、上記の本発明の基にある考え方が
従来の技術である、上記の米国特許発明等と相違する点
について詳しく説明する。 （１）米国特許5,223,043号との相違について 上記の米国特許発明には、２接合型電池セルの材料とし
て、次の３種類の組合せが開示されている。 （Ａ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（０<ｘ<0.5）とボト
ムセルＧａＡｓとの組合せ （Ｂ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（ｘ＝0.51±0.05）と
ボトムセルＧａＡｓとの組合せ （Ｃ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（０<ｘ<0.5）とボト
ムセルＧａx+0.5Ｉｎ0.5- xＡｓ（０<ｘ<0.5）との組合
せ 上記の組合せのうち、（Ａ）および（Ｂ）は、前述の通
り、成長層をＧｅ基板と格子整合させることを前提に組
合せがなされている。これに対して、本発明の成長層
は、上記（ｃ’）に示すように、Ｇｅ基板と格子整合を
とる必要がない。さらに、本発明の光電変換装置のトッ
プセルを構成する材料は、上記米国特許発明の光電変換
装置のトップセルの材料と相違する。すなわち、本発明
の光電変換装置の典型的なトップセルの材料である、Ａ
ｌ0.15Ｇａ0.15Ｉｎ0.7Ｐは、１５％のＡｌを含んでお
り、上記の米国特許発明の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）
のいずれとも相違している。すなわち、本発明では、図
１に示すように、トップセルにＡｌを含んだ（Ａｌ1-y
Ｇａy）1-xＩｎxＰを用いることにより、トップセルと
ボトムセルとのバンドギャップを適当な値にして、高変
換効率を達成することが可能となる。この高変換効率の
達成のためには、トップセルの構成材料としてＡｌを一
定以上含む半導体材料を用いることが必須である。 （２）米国特許5405453号との相違について 上記の米国特許発明には、２接合型電池セルの材料とし
て、次の２種類の組合せが開示されている。 （Ｄ）トップセル（Ｇａ，Ｉｎ）Ｐ（典型例として、Ｇ
ａ0.49Ｉｎ0.51Ｐ）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ （Ｅ）トップセル（Ａｌ，Ｉｎ）Ｐ（典型例として、Ａ
ｌ0.55Ｉｎ0.45Ｐ）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ 上記の（Ｄ）および（Ｅ）は、ともにＧｅ基板と格子整
合することを前提にした組合せであり、本発明とは基本
的な電池セルの設計方針が異なる。また、トップセルお
よびボトムセルの両方とも構成材料が本発明の構成材料
と相違する。 （３）その他 その他に開示されたもの（Technical Digest of the In
ternational PVSEC-11, Sapporo, Hokkaido, Japan, 19
99, p593-594）には、次の組合せが開示されている。 （Ｆ）トップセルＩｎ0.49Ｇａ0.51ＰとボトムセルＩｎ
0.01Ｇａ0.99Ｐとの組合せ この（Ｆ）の組合せは、従来のボトムセルの材料である
ＧａＡｓと基板Ｇｅとの間のわずかな格子不整を是正す
るために、ＧａＡｓに１％のＩｎを含ませてＩｎ0.01Ｇ
ａ0.99Ｐとして、Ｇｅ基板に格子整合するようにしたも
のである。したがって、上記（Ｆ）の組合せも本発明の
電池セルと基本的な設計方針が相違する。さらに、トッ
プセルおよびボトムセルの両方とも、本発明とは電池セ
ルを構成する材料が相違する。
【００１８】本発明は上記の（Ａ）〜（Ｆ）の従来技術
と比較して、基板と格子整合をとる必要がなく、トップ
セルに（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰなる新しい材料を用
い、トップセルおよびボトムセルともに構成材料の組成
比の範囲を設定している。
【００１９】請求項３の光電変換装置では、請求項１ま
たは２の変換装置において、（Ａｌ 1-yＧａy）1-xＩｎx
ＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓはトンネル接合部で接合され
ている。
【００２０】トンネル接合部は、トップセルとボトムセ
ルとを電気的に接続するために高濃度にドープされたｐ
+ｎ+接合を含む。この構成により、トップセルにおいて
エネルギの高い状態の入射光を部分的に電気エネルギに
変換し、ボトムセルにおいてトップセルでエネルギ変換
された分だけ減少した光エネルギから部分的に電気エネ
ルギに変換するタンデム変換を行うことができる。しか
も、トンネル接合のために変換された後の電気エネルギ
の損失はほとんど生じない。このため、上記光電変換装
置により高い変換効率で電気エネルギを利用することが
可能となる。
【００２１】請求項４の光電変換装置では、請求項１〜
３のいずれかの変換装置において、基板の上に形成され
た第１および第２のｐｎ接合を含む成長層とその基板と
の間にバッファ層を有し、そのバッファ層の熱膨張係数
がバッファ層の直上の成長層の熱膨張係数と同等以上で
ある。
【００２２】この構成により、ＭＯＣＶＤ(Metal Organ
ic Chemical Vapor Deposition)法による成長層形成時
の高温から室温にまで降下する際の温度変化に対して、
バッファ層にのみクラックを封じ込めておくことができ
る。このため、成長層でのクラック発生や成長層へのク
ラック伝播を抑制することができる。
【００２３】請求項５の光電変換装置では、請求項４の
変換装置において、基板の熱膨張係数が、そのバッファ
層の直上の成長層の熱膨張係数より小さい。
【００２４】この構成により、バッファ層によるいっそ
う強いクラック抑制効果を期待することができる。この
バッファ層材料の格子定数は、成長層および基板の格子
定数と近接していることが良い。さらに、請求項６のバ
ッファ層のように、請求項４または５の変換装置におい
て、その格子定数が、バッファ層の直上の成長層の格子
定数と整合していることが望ましい。上記バッファ層材
料は、具体的には、例えば、請求項７のバッファ層のよ
うに、実質的にＧａＡｓ1-wＳｂw（0.29<ｗ<0.33）から
構成されていることが望ましい。上記の組成比ｗは、Ｇ
ａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚ（0.11<ｚ<0.29）の値に対応
して、格子整合をとるか、またはわずかの格子不整範囲
内になるように0.29<ｗ<0.33の範囲内で適宜選択するこ
とができる。
【００２５】請求項８の光電変換装置では、請求項１〜
７のいずれかの変換装置において、第１および第２のｐ
ｎ接合を含む成長層が、ＧａＡｓ単結晶基板、Ｇｅ単結
晶基板およびＳｉ単結晶基板のうちのいずれか１つの上
に形成されている。
【００２６】この構成により、結晶性の良い成長層を形
成し、変換効率の高い光電変換装置を簡便に提供するこ
とが可能となる。また、基板にＧｅ単結晶を用いること
により、基板との格子不整を２％以下に抑制することが
できる。このため、エピタキシャル成長した高品質の成
長層を得ることができるばかりか、将来的にはＧｅにも
ｐｎ接合を形成することにより、一層高い変換効率を得
ることが可能となる。
【００２７】請求項９の光電変換装置では、請求項１〜
７のいずれかの変換装置において、基板の上に形成され
た第１および第２のｐｎ接合を含む成長層が、Ｓｉ単結
晶基板上に設けられたＳｉ1-xＧｅx混晶層の上に形成さ
れている。
【００２８】上記構成により、格子不整の程度を抑制す
ることができ、結晶性に優れた成長層を形成することが
可能となる。また、安価な基板を用いて変換効率の高い
光電変換装置を得ることができる。
【００２９】請求項１０の光電変換装置では、請求項１
〜９のいずれかの変換装置において、第１および第２の
ｐｎ接合を含む成長層が形成されている基板の上層部
に、さらにｐｎ接合が形成されている。
【００３０】この構成により、光の有効利用をさらに図
ることができ、光電変換効率をさらに向上させることが
可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】次に、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。
【００３２】（実施の形態１）本発明の実施の形態１に
おける光電変換装置の基本構成の断面図を図４に示す。
同図に光の入射方向１０を示すが、以後の説明におい
て、各層の光の入射方向側を各層の「表面」または「上
層」と、また対する側を「裏面」と記す。図４の基本構
造において、基板１の上にボトムセル２、トンネル接合
３およびトップセル４が、順次積層されている。この積
層には、有機金属を用いた気相成長法（MOCVD法:Metal
Organics Chemical Vapor Deposition)や分子線エピタ
キシー法(MBE法:Molecular Beam Epitaxy)が使用され
る。基板１にはＧｅ単結晶を用いることが望ましいが、
低価格化を図る観点からは、Ｓｉ、または、Ｓｉ基板上
にＧｅまたはＳｉ1-xＧｅx のような混晶をエピタキシ
ャル成長させた「エピ基板」であってもよい。また、こ
れらの基板内にもｐｎ接合を設けて３接合の構造とした
り、直上のボトムセル材料とヘテロ接合を形成すること
により電位障壁を形成する構造としてもよい。
【００３３】ボトムセル２は少なくともＧａ1-zＩｎzＡ
ｓ（0.11<ｚ<0.29）なる組成の材料からなるｐ層とｎ層
の接合、すなわちｐｎ接合を含む。このｐｎ接合をはさ
んで、例えば、表面側に公知の窓層や、裏面側に公知の
裏面電界層等を設けることによりボトムセルのキャリア
収集効率を高める工夫を有してもよい。また、基板１か
らの基板構成元素や不純物の拡散を防止するためのバッ
ファ層を有してもよい。
【００３４】トンネル接合３はトップセルとボトムセル
とを電気的に接続するための高濃度ドープのｐｎ接合で
あり、少なくとも一対のｐ+層とｎ+層とを含む。このｐ
+層とｎ+層とをはさんで、この高濃度ドープ層からの不
純物拡散を抑制するためのもう一対の層を挿入する等の
公知の工夫を有してもよい。また、トンネル接合の材料
は、Ｇａ1-zＩｎzＡｓまたは（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎx
Ｐであってもよいし、他の組成の半導体材料であっても
よい。
【００３５】トップセル４は、少なくとも（Ａｌ1-yＧ
ａy）1-xＩｎxＰなる組成の材料からなるｐ層とｎ層の
接合を含む。ただし、ｘおよびｙは、ボトムセルにおけ
るＩｎの組成比ｚ（0.11<ｚ<0.29）との間に、それぞ
れ、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、および131ｚ3-66.0
ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の
関係を有している。トップセル４においては、このｐｎ
接合をはさんで、例えば、表面側に公知の窓層や、裏面
側に公知の裏面電界層等を設けることにより、トップセ
ルのキャリア収集効率を高める工夫を有してもよいこと
は言うまでもない。
【００３６】図５は、上記図４の基本構成を基にして作
製した光電変換装置の具体例を示す断面図である。この
図５では、ボトムセル２が、ｎ型窓層２１と、ｎ型Ｇａ
1-zＩｎzＡｓ層２２と、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３
と、ｐ+型裏面電界層２４とから構成されている。ま
た、トップセル４は、ｎ型窓層４２と、ｎ型（Ａｌ1-y
Ｇａy）1-xＩｎxＰ層４３とｐ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩ
ｎxＰ層４４と、ｐ+層型裏面電界層４５とから構成され
ている。また、反射防止膜８１，８２およびｎ型キャッ
プ４１ａが表面側に形成され、さらに電気エネルギを取
り出す表面電極８３および裏面電極８４が設けられてい
る。
【００３７】次に、上記図５の光電変換装置の製造方法
を図６〜図９により説明する。本製造方法においては、
成膜処理等はすべてＭＯＣＶＤ装置を使って連続して行
われる。ＩＩＩ族材料としては、例えばトリメチルガリ
ウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム
などの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に
供給される。Ｖ族材料には、例えばアルシン(Ａｓ
Ｈ3）、ホスフィン(ＰＨ3）、スチビン(ＳｂＨ3）など
のガスが使われる。ｐ型不純物またはｎ型不純物のドー
パントとしては、例えばｐ型化にはジエチルジンク、ま
たｎ型化には、例えばモノシラン(ＳｉＨ4）、ジシラン
(Ｓｉ2Ｈ6）、セレン化水素(Ｈ2Ｓｅ）などが使われ
る。これらの材料ガスを、例えば７００℃に加熱された
基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物
半導体材料の膜をエピタキシャル成長させることができ
る。これら成長層の組成は導入するガスの組成により、
また、膜厚はガスの導入時間によりコントロールするこ
とができる。図６は成長層が形成されるｐ型Ｇｅ基板１
の断面図である。まず、図７に示すように、上記ｐ型Ｇ
ｅ基板１の上にＭＯＣＶＤ法でボトムセル２を形成す
る。ボトムセル２は、上から順にｎ型窓層２１、ｎ型Ｇ
ａ1-zＩｎzＡｓ層２２、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３、
およびｐ+型裏面電界層２４から構成されている。ｎ型
窓層２１およびｐ+型裏面電界層２４の材料は、２つの
Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２，２３と格子整合する材料から
ボトムセルの変換効率を考慮して適宜選択することがで
きる。したがって、例えば、ｎ型窓層２１としてｎ型
（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層を、またｐ+型裏面電界
層２４としてｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２４を選択する
ことができる。次に、図８に示すように、ボトムセル２
上にトンネル接合３を形成する。トンネル接合３は、ｐ
+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ３１およびｎ+型(Ａｌ1-y
Ｇａy)1- xＩｎxＰ３２から構成される。次に、図９に示
すように、トップセル４を形成する。このトップセル４
は、上から順にｎ型キャップ層４１、ｎ型窓層４２、ｎ
型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３およびｐ型(Ａｌ1-y
Ｇａy)1-xＩｎxＰ32層４４およびｐ+型裏面電界層４５
から構成される。ｎ型窓層４２の上にｎ型キャップ層４
１が設けられるのは、ｎ電極のオーミック接触を高める
ためである。ｎ型窓層４２およびｐ+型裏面電界層４５
の材料として(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ31層と格子整合
する材料からトップセルの変換効率を考慮して適宜選択
することができる。したがって、例えば、ｎ型窓層４２
として、よりＩｎ組成を低くしたｎ型(Ａｌ1-yＧａy)
1-xＩｎxＰ層を、また、ｐ+型裏面電界層４５としてｐ+
型(Ａｌ1 -yＧａy)1-xＩｎxＰ層を用いる。ｎ型キャップ
層４１としては、例えばｎ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層を用
いることができる。その後、ｎ型キャップ層４１が選択
的にエッチングにより除去されｎ型キャップ４１ａが形
成される。また、トップセル４１の表面に、例えば２層
の反射防止膜８１，８２が、さらに最表面と裏面とに金
属電極膜８３,８４が真空蒸着法やスパッタリング法に
より形成され、図５に示した光電変換装置が完成する。
【００３８】（実施の形態２）図１０は、本発明による
ＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの
もう一つの基本構造を示す断面図である。本実施の形態
では、基板１とボトムセル２との間に、バッファ層５が
設けられている。このバッファ層５は、その格子定数が
成長層および基板の格子定数に近く、かつその熱膨張係
数がバッファ層直上に形成される成長層、すなわちボト
ムセルの最下層の材料の熱膨張係数と同等かまたはそれ
より大きい材料によって構成される。このバッファ層５
は、結晶成長後の降温時に、基板１と成長層との間の熱
膨張係数の相違に起因して発生するクラックをバッファ
層内にのみ発生させ、成長層でのクラック発生および成
長層へのクラック伝播を防止することを意図する。この
ため、ボトムセル２、トンネル接合３、トップセル４に
はクラックの影響が及ばず、クラックから保護されてい
る。このバッファ層に関して、さらに望ましくは、この
バッファ層の直上に形成する成長層の材料の熱膨張係数
は、基板の熱膨張係数より大きいものとするのがよい。
具体的なバッファ層の材料としては、例えば、ボトムセ
ルの材料Ｇａ 1-zＩｎzＡｓの組成範囲0.11<ｚ<0.29に対
応して、ｗを適宜選択したＧａ1-wＡｓwＳｂ（0.29<ｗ<
0.33）とする。ボトムセル２、トンネル接合３およびト
ップセル４については、実施の形態１と同様である。
【００３９】上記図１０に示した光電変換装置の基本構
造に基づく具体的な光電変換装置を図１１に示す。多層
構造となっているボトムセル２およびトップセル４の内
容、反射防止膜８１，８２、電極８３,８４について
は、実施の形態１に示したものと同じである。
【００４０】なお、本発明は、トップセル、トンネル接
合およびボトムセルを含む多層成長層を基板上に形成し
て、高変換効率の光電変換装置を提供するという基本的
な材料選択に関わる発明である。したがって、バッファ
層とボトムセルとの間に別にトンネル接合を設けたり、
トップセルとトンネル接合との間またはトンネル接合と
ボトムセルとの間に、歪み緩和層等の別の層を挿入して
も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。ま
た、受光面側がｐ型であっても、ｎ型であっても、材料
選択が本発明に該当するかぎり、同様に、本発明の範囲
内に含まれる。
【００４１】上記本実施の形態のようにバッファ層を設
けることにより、成膜処理後の降温時に光電変換装置各
部の熱膨張の相違により発生する可能性のあるクラック
をバッファ層の中に閉じ込めておくことができる。この
ため、製造歩留りが向上し、製造コスト低減が可能とな
る。また、格子定数を調整することにより、直上の成長
層と格子整合をとることにより、結晶性に優れた成長層
を形成でき、光電変換効率の向上をもたらすことができ
る。
【００４２】(実施の形態３）図１２は実施の形態３に
おける光電変換装置の基本構成を示す断面図である。こ
の光電変換装置は、基板表層にもｐｎ接合を形成し、さ
らにバッファ層５とボトムセル２との間にトンネル接合
９をさらに設けた構成を有する。図１２に示す基本構成
に基づいて実際に構成した光電変換装置の具体例の断面
図を図１３に示す。図１３に示した光電変換装置の製造
方法について、図１４〜図１９を用いて説明する。図１
４はｐ型Ｇｅ基板１を示す。この上にセル構造を形成す
るのであるが、その間のエピタキシャル成長中にＡｓを
拡散させることによりｐ型Ｇｅ基板１２の上部に薄いｎ
型層１１を形成することができる。次に、図１５に示す
ように、基板１上にＭＯＣＶＤ法によりバッファ層５を
形成する。このバッファ層の材料としては、例えば、ｎ
型ＧａＡｓ1-wＳｂw（0.29<ｗ<0.33）をあげることがで
きる。次に、図１６に示すように、トンネル接合部９を
新たに形成する。このトンネル接合部９としては、例え
ば、ｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ９１とｎ+型Ｇａ 1-zＩｎzＡ
ｓ９２とから形成することができる。次に、図１７に示
すように、ボトムセル２を形成する。ボトムセル２は、
上から順にｎ型窓層２１と、ｎ型Ｇａ 1-zＩｎzＡｓ層２
２と、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３と、ｐ+型裏面電界
層２４からなる。ｎ型窓層２１およびｐ+型裏面電界層
２４の材料は、Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２,２３と格子整
合する材料の中からボトムセルの変換効率を考慮して適
宜選択することができる。例えば、ｎ型窓層２１はｎ型
(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰとし、またｐ+型裏面電界層
２４はｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓとすることができる。次
に、図１８に示すように、トンネル接合３を形成する。
このトンネル接合３はｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ
層３１およびｎ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層３２か
らなる。次に、図１９に示すように、トップセル４を形
成する。このトップセル４は、上から順に、ｎ型窓層４
２と、ｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３と、ｐ型
(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４４と、ｐ+型裏面電界層
４５とから構成される。さらに、本実施の形態では、ｎ
電極のオーミック接触を高めるためにｎ型キャップ層４
１が設けられている。ｎ型窓層４２およびｐ+型裏面電
界層４５の材料は、(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３，
４４と格子整合する材料の中からトップセルの変換効率
を考慮して適宜選択することができる。ｎ型窓層４２と
しては、例えば、Ｉｎ組成を低くしたｎ型(Ａｌ1-yＧａ
y)1-xＩｎxＰ層を、また、ｐ+型裏面電界層４５として
は、例えば、ｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層を用い
ることができる。ｎ型キャップ層４１には、例えばｎ型
Ｇａ1-zＩｎzＡｓを用いることができる。その後、キャ
ップ層４１が選択的にエッチングされて除去され、トッ
プセルの裏面に、例えば２層の反射防止膜８１，８２が
形成される。最後に、最表面と裏面とに金属電極膜８
３，８４が、真空蒸着法やスパッタリング法により形成
され、図１３に示す光電変換装置が完成される。
【００４３】上記の光電変換装置は、トップセルとボト
ムセルとのバンドギャップの組合わせが最高の光電変換
効率をもたらすことを目的に、これまでにない新しい半
導体材料を用いて形成されている。このため、従来のＩ
ＩＩ−Ｖ族半導体を用いた光電変換装置の変換効率を大
きく超える変換効率を達成することが可能となる。
【００４４】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の
形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら
発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特
許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の
範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更
を含む。
【００４５】
【発明の効果】本発明によるＩＩＩ-Ｖ族系化合物を含
む半導体多接合型太陽電池セルは、理論上、変換効率が
３４％以上となる構成を有し、工業製品レベルでも変換
効率２７％以上の特性が得られる。このため、小型衛星
や大電力衛生用の発電設備に用いられ、通信関連の関連
産業分野の発展に寄与することが期待される。
【００４６】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形
態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発
明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許
請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範
囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を
含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明におけるトップセル（Ａｌ1-yＧａy）
1-xＩｎxＰおよびおよびボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓの
それぞれの最適組成範囲を示す図である。
【図２】 トップセル（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰのお
ける組成比ｘの範囲を、ボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓの
組成比ｚに応じて示す図である。
【図３】 トップセル（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰのお
ける組成比ｙの範囲を、ボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓの
組成比ｚに応じて示す図である。
【図４】 実施の形態１におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合物
半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図
である。
【図５】 実施の形態１における具体的なＩＩＩ-Ｖ族
系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図であ
る。
【図６】 図５の多接合型太陽電池セルの基板の断面図
である。
【図７】 図６に示す基板上にボトムセルを形成した段
階の断面図である。
【図８】 図７の状態に対してトンネル接合部を形成し
た段階の断面図である。
【図９】 図８の状態に対してトップセルを形成した段
階の断面図である。
【図１０】 実施の形態２におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合
物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面
図である。
【図１１】 実施の形態２における具体的なＩＩＩ-Ｖ
族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図であ
る。
【図１２】 実施の形態３におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合
物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面
図である。
【図１３】 実施の形態３における具体的なＩＩＩ-Ｖ
族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図であ
る。
【図１４】 図１３の多接合型太陽電池セルのｐ型基板
の上部にｎ型不純物を導入してｐｎ接合を基板に形成し
た段階の断面図である。
【図１５】 図１４の状態に対してバッファ層を形成し
た段階の断面図である。
【図１６】 図１５の状態に対してトンネル接合を形成
した段階の断面図である。
【図１７】 図１６の状態に対してボトムセルを形成し
た段階の断面図である。
【図１８】 図１７の状態に対してトンネル接合を形成
した段階の断面図である。
【図１９】 図１８の状態に対してトップセルを形成し
た段階の断面図である。
【図２０】 従来のＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接
合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図である。
【図２１】 各種半導体の格子定数とバンドギャップエ
ネルギとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ ボトムセル、３ トンネル接合、４ ト
ップセル、５ バッファ層、８１，８２ 反射防止膜、
８３，８４ 電極金属、９ トンネル接合、１１ ｎ型
Ｇｅ層、１２ ｐ型Ｇｅ基板、２１ ｎ型窓層（ｎ型
（Ａｌ1-yＧａy） 1-xＩｎxＰ層）、２２ ｎ型Ｇａ1-z
ＩｎzＡｓ層、２３ ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層、２４
ｐ+型裏面電界層(ｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層）、３１
ｐ+型（Ａｌ1- yＧａy）1-xＩｎxＰ層、３２ ｎ+型（Ａ
ｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、４１ ｎ型キャップ層(ｎ+
型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層）、４１ａ ｎ型キャップ、４２
ｎ型窓層(Ｉｎ組成が低いｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩ
ｎxＰ層）、４３ ｎ型（Ａｌ1 -yＧａy）1-xＩｎxＰ
層、４４ ｐ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、４５
ｐ+型裏面電界層(ｐ+型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ
層）、９１ ｐ+型Ｇａ1-zＩｎ zＡｓ層、９２ ｎ+型Ｇ
ａ1-zＩｎzＡｓ層、Ａ ３４％以上の変換効率の領域、
Ｕ 変換効率３０％達成のためのトップセルのバンドギ
ャップ範囲、Ｌ 変換効率３０％達成のためのボトムセ
ルのバンドギャップ範囲。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 雄爾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 清水 正文 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F051 AA08 BA02 CA14 DA03 DA17 DA19 DA20 GA04 HA03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１および第２のｐｎ接合を備える光電
    変換装置であって、第１のｐｎ接合は実質的に（Ａｌ
    1-yＧａy）1-xＩｎxＰによって表示される半導体中に形
    成され、第２のｐｎ接合は実質的にＧａ1-zＩｎzＡｓに
    よって表示される半導体中に形成されている、光電変換
    装置。
  2. 【請求項２】 前記半導体Ｇａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａ
    ｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰの組成比ｚならびにｘおよびｙ
    は、それぞれ、0.11<ｚ<0.29、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+
    0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ
    3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の範囲内にある、請求項１に記
    載の光電変換装置。
  3. 【請求項３】 前記（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよび
    Ｇａ1-zＩｎzＡｓはトンネル接合部で接合されている、
    請求項１または２に記載の光電変換装置。
  4. 【請求項４】 基板の上に形成された前記第１および第
    ２のｐｎ接合を含む成長層とその基板との間に、バッフ
    ァ層を有し、そのバッファ層の熱膨張係数が、バッファ
    層の直上の成長層の熱膨張係数と同等以上である、請求
    項１〜３のいずれかに記載の光電変換装置。
  5. 【請求項５】 前記基板の熱膨張係数が、前記バッファ
    層の直上の成長層の熱膨張係数より小さい、請求項４に
    記載の光電変換装置。
  6. 【請求項６】 前記バッファ層の格子定数が、そのバッ
    ファ層の直上の成長層の格子定数と整合している、請求
    項４または５に記載の光電変換装置。
  7. 【請求項７】 前記バッファ層が実質的にＧａＡｓ1-w
    Ｓｂw（０．２９<ｗ<０．３３）によって表示される材
    料から構成されている、請求項４〜６に記載の光電変換
    装置。
  8. 【請求項８】 前記第１および第２のｐｎ接合を含む成
    長層が、ＧａＡｓ単結晶基板、Ｇｅ単結晶基板およびＳ
    ｉ単結晶基板のうちのいずれか１つの上に形成されてい
    る、請求項１〜７のいずれかに記載の光電変換装置。
  9. 【請求項９】 基板の上に形成された前記第１および第
    ２のｐｎ接合を含む成長層が、Ｓｉ単結晶基板上に形成
    されたＳｉ1-xＧｅx混晶層の上に形成されている、請求
    項１〜７のいずれかに記載の光電変換装置。
  10. 【請求項１０】 前記第１および第２のｐｎ接合を含む
    成長層が形成されている基板の上層部に、さらにｐｎ接
    合が形成されている、請求項１〜９のいずれかに記載の
    光電変換装置。
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