JP2009026887A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】多重量子井戸層を透過した光を再度第３の半導体層により吸収させて効率を向上させ、かつ、多重量子井戸層における層数を減らすことを可能にすることで界面における再結合を抑制し、エネルギー変換効率を向上させる。
【解決手段】障壁層３３と、障壁層３３よりもバンドギャップの小さな井戸層３４とを複数層交互に積層して多重量子井戸層２８を構成する。受光面側とは反対側の端に位置する障壁層３３に隣接させて、障壁層３３よりもバンドギャップが小さく、井戸層３４よりも厚さの大きな第３の半導体層を設ける。
【選択図】図９

Description

本発明は太陽電池に関し、具体的には、量子井戸構造を有する太陽電池に関する。

図１は一般的な単接合太陽電池の構造を示すエネルギーバンド図である。単接合太陽電池はｐｎ接合構造やｐｉｎ接合構造によって形成されている。図１の太陽電池は、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層を接合して構成されており、伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップがＥｇとなっている。ここに光が入射すると、Ｅｇ以上のエネルギーを持つ光が吸収されて価電子帯から伝導帯へ電子１１が励起され、価電子帯には正孔１２が生成し、太陽電池に起電力が発生する。

しかし、このような単接合太陽電池では、バンドギャップＥｇよりも小さなエネルギーの光は吸収されることなく透過してしまうので、光電変換効率が低い。一方、バンドギャップＥｇを小さくしても、伝導帯へ励起された電子の持つエネルギー（ｈν：νは光の振動数）のうち伝導帯の底のエネルギーよりも大きなエネルギー（ｈν−Ｅｇ）はフォノンとしてただちに放出され熱エネルギーとして消耗してしまう。そのため、単接合太陽電池はエネルギー変換効率が悪かった。

図２は多接合太陽電池の構造を示すエネルギーバンド図である。この多接合太陽電池は、バンドギャップの異なるｐｎ接合を積層したものである。図２では、バンドギャップがＥｇ１のｐｎ接合とバンドギャップがＥｇ２のｐｎ接合とバンドギャップがＥｇ３のｐｎ接合を積層している（ただし、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３とする）。このような多接合太陽電池では、入射した光のうちＥｇ１よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップＥｇ１のｐｎ接合で吸収され、ついでバンドギャップＥｇ１のｐｎ接合で吸収されなかった光のうちＥｇ２よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップＥｇ２のｐｎ接合で吸収され、ついでバンドギャップＥｇ２のｐｎ接合で吸収されなかった光のうちＥｇ３よりもエネルギーの大きな光がバンドギャップＥｇ３のｐｎ接合で吸収される。従って、多接合太陽電池では、広い波長域の光を吸収できるとともに、熱エネルギーロスも小さくなり、単接合太陽電池よりも高いエネルギー変換効率を実現できる。多接合太陽電池としては、例えば特開平８−２０４２１５号公報（特許文献１）に開示されたものがある。

しかし、多接合太陽電池では、各層の格子定数を一致させることとバンドギャップを最適化することとの両立が難しく、理想的な構造を得ることができなかった。また、多接合太陽電池は層構造が複雑で、プロセス制御が難しい。さらに、隣接する層間はトンネル接合１３を介して直列に接続されており、出力電流は各層の中で生成される最小の電流値となるため、太陽光のスペクトル変化によりエネルギー変換効率が左右されやすい。

そこで、図３に示すように、バンドギャップがＥｇ１とＥｇ２の半導体層を繰り返して積層した多重量子井戸構造が提案されている。ここで、Ｅｇ１は障壁層１４におけるバンドギャップ、Ｅｇ２は井戸層１５におけるバンドギャップである。このような構造としては、特開平１１−２２０１５０号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

このような多重量子井戸太陽電池は、基本的にはバンドギャップエネルギーがＥｇ1である半導体から構成された太陽電池として動作するが、バンドギャップエネルギーがＥｇ１より小さなＥｇ２である井戸層１５の存在によって、吸収できる光の波長域が長波長側に拡大される。そのため、開放電圧を下げることなく電流を大きくすることができる。また、多接合型太陽電池と比べて、同じ材料系を使えるので作製しやすいことと、多重量子井戸のサイズにより吸収波長を制御できる。また、励起された電子のエネルギーを熱として放出しにくいというメリットがある。

また、図４に示すように、量子ドットを積層した量子ドット太陽電池も提案されている。このような構造の太陽電池としては、特開２００２−１４１５３１号公報（特許文献３）に開示されたものがある。量子ドット太陽電池では、量子ドットを用いることで量子準位を離散化し、キャリアが井戸内のエネルギー準位へ緩和しにくくすることができるメリットがある。

しかし、量子井戸（量子ドット）構造の太陽電池では、異なる材料同士が接する界面が多く存在する。この界面では、材料や格子定数が異なるため、図５に示すように未結合手（ダングリングボンド）による界面準位Ｅｄ１、Ｅｄ２が生じやすい。そして、この界面準位Ｅｄ１、Ｅｄ２を介して電子と正孔が再結合（界面再結合）するため、キャリアが消滅し太陽電池のエネルギー変換効率を低下させてしまうという問題がある。また、多重量子井戸のように厚さの薄い多層構造を作製する場合や、多数の量子ドットを作製する場合には、層や量子ドットの数が多くなるほど作製プロセスが煩雑になる。
特開平８−２０４２１５号公報 特開平１１−２２０１５０号公報 特開２００２−１４１５３１号公報

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、多重量子井戸層を透過した光を再度第３の半導体層により吸収させて効率を向上させ、かつ、多重量子井戸層における層数を減らすことを可能にすることで界面における再結合を抑制し、電気エネルギーへのエネルギー変換効率の良好な太陽電池を提供することにある。

本発明の第１の太陽電池は、第１の半導体層と前記第１の半導体層よりもバンドギャップの小さな第２の半導体層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸層を有する太陽電池において、前記多重量子井戸層に隣接して、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体層よりも厚さの大きな第３の半導体層を設けたことを特徴としている。

本発明にかかる第１の太陽電池にあっては、多重量子井戸層を構成する第１の半導体層では短波長の光を吸収し、第２の半導体層では長波長の光を吸収する。そして、第３の半導体層では、多重量子井戸層で吸収されなかった長波長の光を吸収することができる。よって、多重量子井戸層の層数を減らすことができるので、多重量子井戸層での界面再結合を減少させることができ、太陽電池のエネルギー変換効率（発電効率）を向上させることができる。また、多重量子井戸層の層数を減らすことができるので、太陽電池の作製プロセスも簡略化される。

本発明にかかる第１の太陽電池のある実施態様においては、前記多重量子井戸層と第３の半導体層がいずれもｉ型半導体であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、真正半導体の多重量子井戸層と第３の半導体層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟むことにより、多重量子井戸層と第３の半導体層のバンドを傾斜させることができ、キャリアを多重量子井戸層と第３の半導体層の両端に移動させやすくなる。

本発明にかかる第１の太陽電池の別な実施態様においては、前記第３の半導体層が、前記多重量子井戸層の受光面とは反対側に設けられていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、多重量子井戸層で吸収されることなく多重量子井戸層を透過した光を第３の半導体層により吸収させることができ、光の吸収効率を向上させることができる。

本発明にかかる第１の太陽電池のさらに別な実施態様においては、前記第１の半導体層のうち前記第３の半導体層に隣接する第１の半導体層が、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴としている。かかる実施態様においては、第３の半導体層に隣接する第１の半導体層の厚みを１０ｎｍ以下に薄くしているので、第３の半導体層で励起されたキャリアが当該第１の半導体層をトンネリングして多重量子井戸層へ移動し易くなる。

本発明にかかる第１の太陽電池のさらに別な実施態様においては、前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位と、前記第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ一致していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、前記第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位が、第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位とほぼ一致しているので、第３の半導体層で伝導帯に励起されたキャリアは隣接する第１の半導体層をトンネリングして井戸層である第２の半導体層へ入り込み、多重量子井戸層を移動する。よって、第３の半導体層へ励起されたキャリアが再結合する確率が小さくなり、太陽電池の効率が向上する。

本発明にかかる第１の太陽電池のさらに別な実施態様においては、前記第３の半導体層の厚さが、前記多重量子井戸層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、多重量子井戸層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることにより、多重量子井戸層での光の吸収とキャリアの移動が容易になる。

本発明にかかる第１の太陽電池のさらに別な実施態様においては、前記第１の半導体層のそれぞれの厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記第２の半導体層のそれぞれの厚さが、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、第２の半導体層の量子準位間が広くなって離散化するので、励起されたキャリアが第２の半導体層の量子準位に落ち込みにくくなり、太陽電池の効率が向上する。

本発明にかかる第２の太陽電池は、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さな第２の半導体層が前記第１の半導体層内に含まれた量子ドット層を有する太陽電池において、前記量子ドット層に隣接して、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２の半導体層の大きさよりも厚さの大きな第３の半導体層を設けたことを特徴としている。

本発明にかかる第２の太陽電池にあっては、量子ドット層を構成する第１の半導体層では短波長の光を吸収し、第２の半導体層では長波長の光を吸収する。そして、第３の半導体層では、量子ドット層で吸収されなかった長波長の光を吸収することができる。よって、量子ドット層の層数を減らすことができるので、量子ドット層での界面再結合を減少させることができ、太陽電池のエネルギー変換効率（発電効率）を向上させることができる。また、量子ドット構造の層数を減らすことができるので、太陽電池の作製プロセスも簡略化される。

本発明にかかる第２の太陽電池のある実施態様は、前記量子ドット層と第３の半導体層がいずれもｉ型半導体であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、真正半導体の量子ドット層と第３の半導体層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟むことにより、量子ドット層と第３の半導体層のバンドを傾斜させることができ、キャリアを量子ドット層と第３の半導体層の両端に移動させやすくなる。

本発明にかかる第２の太陽電池の別な実施態様は、前記第３の半導体層が、前記量子ドット層の受光面とは反対側に設けられていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子ドット層で吸収されることなく量子ドット層を透過した光を第３の半導体層により吸収させることができ、光の吸収効率を向上させることができる。

本発明にかかる第２の太陽電池のさらに別な実施態様は、前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層と前記第３の半導体層の間に挟まれた前記第１の半導体層の部分が、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴としている。かかる実施態様においては、第３の半導体層に隣接する第１の半導体層の厚みを１０ｎｍ以下に薄くしているので、第３の半導体層で励起されたキャリアが当該第１の半導体層をトンネリングして量子ドット層へ移動し易くなる。

本発明にかかる第２の太陽電池のさらに別な実施態様は、前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位と、前記第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ一致していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位が、第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位とほぼ一致しているので、第３の半導体層で伝導帯に励起されたキャリアは隣接する第１の半導体層をトンネリングして井戸層である第２の半導体層へ入り込み、量子ドット層を移動する。よって、第３の半導体層へ励起されたキャリアが再結合する確率が小さくなり、太陽電池の効率が向上する。

本発明にかかる第２の太陽電池のさらに別な実施態様は、第３の半導体層の厚さが、前記量子ドット層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子ドット層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることにより、多重量子井戸層での光の吸収とキャリアの移動が容易になる。

本発明にかかる第２の太陽電池のさらに別な実施態様は、前記量子ドット層の厚さ、幅、奥行きのうちいずれか１辺が１０ｎｍ以下であり、残る２辺が３０ｎｍ以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、量子ドットである第２の半導体層の量子準位間が広くなって離散化するので、励起されたキャリアが第２の半導体層の量子準位間に落ち込みにくくなり、太陽電池の効率が向上する。

本発明にかかる第２の太陽電池のさらに別な実施態様は、前記第２の半導体層が前記量子ドット層の厚さ方向に沿って並んでおり、各第２の半導体層同士の間隔が１０ｎｍ以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、励起されたキャリアが量子ドット層内でトンネリングしながら移動しやすくなる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
以下、図６〜図１５を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図６は本発明の第１の実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。この太陽電池２１は、ｐ^＋型ＧａＡｓ基板２３（基板）の上に下層から順次、ｐ^＋型ＧａＡｓバッファ層２４（バッファ層）、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層２５（ＢＳＦ層）、ｐ型ＧａＡｓ層２６（ｐ型半導体層）、第３の半導体層２７、多重量子井戸層２８、ｎ型ＧａＡｓ層２９（ｎ型半導体層）、ＡｌＧａＡｓ窓層３０（窓層）を積層したものであり、ｐ^＋型ＧａＡｓ基板２３の裏面にはｐ型電極２２を設け、ＡｌＧａＡｓ窓層３０の上にはｎ型ＧａＡｓ層３１を介してｎ型電極３２を設けている。

多重量子井戸層２８は、図７に示すように、真性半導体からなる障壁層３３（第１の半導体層）と井戸層３４（第２の半導体層）を複数層ずつ交互に積層したものである。障壁層３３は厚さが１０ｎｍのｉ型ＧａＡｓによって構成され、井戸層３４は厚さが１０ｎｍのｉ型Ｉｎ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓ層によって構成されており、多重量子井戸層２８は障壁層３３と井戸層３４を１０層ずつ交互に積層して構成されている。

ＡｌＧａＡｓ窓層３０は受光面となるものであり、多重量子井戸層２８の受光面側の端の層及び受光面とは反対側（基板側）の端の層は障壁層３３となっていて第３の半導体層２７の上面に形成されている。第３の半導体層２７は、厚さが２００ｎｍのｉ型Ｉｎ_０.１５Ｇａ_０.８５Ａｓによって構成されている。

図８は第３の半導体層２７及び多重量子井戸層２８のバンド構造を示す図である。ＧａＡｓからなる障壁層３３のバンドギャップＥｇ１は１.４２ｅＶである。Ｉｎ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓからなる井戸層３４（量子井戸）のバンドギャップＥｇ２´は１.２１ｅＶであり、量子準位間のエネルギーギャップＥｇ２は１.２５ｅＶである。

Ｉｎ_０.１５Ｇａ_０.８５Ａｓからなる第３の半導体層２７は、障壁層３３よりもバンドギャップが小さなバルクの層となっている。すなわち、第３の半導体層２７のバンドギャップＥｇ３は１.２６ｅＶである。また、第３の半導体層２７の伝導帯の下端のエネルギー準位と、それに隣接する多重量子井戸層２８（井戸層３４）量子準位とはほぼ一致している。

また、積層された第３の半導体層２７及び多重量子井戸層２８は、その上下面をｎ型半導体層であるｎ型ＧａＡｓ層２９とｐ型半導体層であるｐ型ＧａＡｓ層２６によって挟まれている。そのため図９に示すように、伝導帯の下端と価電子帯の上端が傾斜し、キャリア（電子、正孔）が両端に集まりやすくなる。

なお、ｐ^＋型ＧａＡｓバッファ層２４はｐ^＋型ＧａＡｓ基板２３の表面凹凸や欠陥の影響を減らし、上層の結晶性を高めるための層である。

つぎに、図９を参照して太陽電池２１の働きを説明する。この太陽電池２１に受光面から光が入射すると、多重量子井戸層２８においては、障壁層３３でＥｇ１＝１.４２ｅＶ以上のエネルギーを持つ光が吸収され、井戸層３４ではＥｇ２＝１.２５ｅＶ以上のエネルギーを持つ光が吸収され。そして、障壁層３３で励起された電子１１や、井戸層３４内の量子準位に励起され、さらに光や熱により励起されて井戸内から出た電子１１はｎ型ＧａＡｓ層２９側へ移動し、価電子帯に生成した正孔１２はｐ型ＧａＡｓ層２６側へ移動し、太陽電池２１のｐ型電極２２とｎ型電極３２の間に電圧が発生する。

このように多重量子井戸層２８では、１.４２ｅＶ（Ｅｇ１）以上のエネルギーを持つ光は障壁層３３と井戸層３４の双方で吸収される。一方、１.２５ｅＶ（Ｅｇ２）から１.４２ｅＶ（Ｅｇ１）のエネルギーを持つ光は井戸層３４でしか吸収されない。そのため、多重量子井戸層２８においては、エネルギーの大きな光ほど吸収されやすく、１.２５ｅＶ以上のエネルギーを持つ光であってもエネルギーの小さな光は多重量子井戸層２８を透過しやすい。

第３の半導体層２７はＥｇ３＝１.２６ｅＶ以上のエネルギーの光を吸収することができるので、多重量子井戸層２８を透過しやすい長波長側の光を吸収することができる。この第３の半導体層２７が多重量子井戸層２８の基板側に隣接しているので、多重量子井戸層２８で吸収されることなく透過してきた光のうち１.２６ｅＶ（Ｅｇ３）以上のエネルギーを持つ光は第３の半導体層２７で吸収される。そして、第３の半導体層２７で光を吸収して生成されたキャリア電子１１と正孔１２もそれぞれｎ型ＧａＡｓ層２９側とｐ型ＧａＡｓ層２６側へ移動して電圧発生に寄与する。

本実施形態の太陽電池２１にあっては、このような構造をとることで、量子井戸構造を有しない太陽電池に比べて、短波長から長波長までの広い範囲の光を吸収することができ、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる。また、従来の量子井戸構造のみを有する太陽電池に比べ、多重量子井戸層２８における界面の数を少なくでき、欠陥による電子−正孔対の再結合を減らしてエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本実施形態の太陽電池２１では、基板側の端の障壁層３３に隣接させて障壁層３３のエネルギーギャップＥｇ１よりもエネルギーギャップが小さい第３の半導体層２７を設け、第３の半導体層２７の伝導帯の下端のエネルギー準位が、障壁層３３を挟んで第３の半導体層２７に隣接している井戸層３４の量子準位（特に、基底準位）とほぼ等しくなるようにしている。第３の半導体層２７の伝導帯の下端のエネルギー準位が、隣接する井戸層３４の量子準位にほぼ等しくなるようにするには、例えば第３の半導体層２７の材料を選択することにより行える。

このように、第３の半導体層２７の伝導帯の下端のエネルギー準位が、障壁層３３を挟んで第３の半導体層２７に隣接している井戸層３４の量子準位（特に、基底準位）とほぼ等しくなっていると、図９に示すように、第３の半導体層２７内のキャリア電子１１がトンネリング３５によって井戸層３４へと移動しやすくなる。多重量子井戸層２８（井戸層３４）内ではエネルギー準位が離散化されており、そのため光吸収や熱エネルギーにより電子１１が高いエネルギー準位に励起されても緩和しにくく、井戸層３４から抜け出してスムーズにｎ型ＧａＡｓ層２９側へ移動できる。

このとき２つのエネルギー準位の差は、電子の熱ゆらぎ以下であればよい。すなわち、第３の半導体層２７の伝導帯の下端のエネルギー準位と井戸層３４の量子準位との差が、３／２ｋＴ≒３０ｍｅＶ以下であることが好ましい。さらに、太陽電池の出力が最大となるように適切な負荷が印加された状態で、２つのエネルギー準位の差が、３／２ｋＴ≒３０ｍｅＶ以下であることが望ましい。

図１０は、本発明との比較のために示した比較例であって、量子井戸がなく第３の半導体層２７のみが設けられている。この比較例の場合には、エネルギーギャップ（Ｅｇ１）が大きい領域ではＥｇ１よりもエネルギーが大きな光を吸収して電子１１が励起される。また、エネルギーギャップ（Ｅｇ２）が小さい領域、すなわち第３の半導体層２７ではＥｇ２よりもエネルギーが大きな光を吸収して電子１１が励起される。しかし、第３の半導体層２７には無数のエネルギー準位が分布しているので、光吸収や熱エネルギーにより第３の半導体層２７の伝導帯内で電子１１が高いエネルギーを得たとしても、そのエネルギーをただちに放出して伝導帯下端のエネルギー準位へと緩和してしまい、電子１１は第３の半導体層２７から抜け出せず、電流に寄与できない。

これに対し、本発明の実施形態１の太陽電池２１では、第３の半導体層２７で光を吸収して励起された電子１１は多重量子井戸層２８へトンネリングし、多重量子井戸層２８で励起されて容易に多重量子井戸層２８から抜け出すことができる。よって、エネルギー変換効率が向上させられる。

つぎに、図１１は、本発明との比較のために示した別な比較例であって、多重量子井戸層２８のみの場合を表している。この場合には、多重量子井戸層２８のみでエネルギーがＥｇ１以上の光とＥｇ２以上の光を吸収させなければならないので、多重量子井戸層２８における界面の数が多くなる。そして、この界面には未結合手などによる界面準位が存在するため、界面準位を介して電子と正孔が再結合してしまい、効率が悪くなる。また、層数が増えることで、作製工程も手間が掛かることになる。

これに対し、本発明の第１の実施形態では、第３の半導体層２７を設けることで多重量子井戸層２８における障壁層３３と井戸層３４の数を減らすことができ、界面準位を介しての再結合を抑制することができる。また、全体として層数が減るので、多重量子井戸層のみの場合と比べて、また多接合太陽電池の場合と比べても、作製工程が簡略になる。

よって、本発明の第１の実施形態による太陽電池２１は、多重量子井戸構造と単接合太陽電池の構造とを単に組み合わせただけのものではなく、相乗的な優れた効果を得ることができる。

ここで本発明の第１の実施形態による太陽電池２１と多重量子井戸層のみの太陽電池の場合とを比較したシミュレーション結果を説明する。図１２（ａ）は多重量子井戸層２８のみで構成した比較例のバンド構造を表しており、障壁層と井戸層を２０層ずつ形成されている。図１２（ｂ）は多重量子井戸層２８と第３の半導体層２７を設けた第１の実施形態を表しており、多重量子井戸層は１０層ずつの障壁層と井戸層によって構成されている。図１３は、この比較例と第１の実施形態の順方向暗電流特性をシミュレーションした結果を表している。図１３によれば、図１２（ｂ）のように多重量子井戸層と第３の半導体層を併用することにより暗電流が減少することが分かる。図１２（ｂ）のような構造で暗電流が減少したのは、第３の半導体層を設けたことで障壁層と井戸層の界面の数を減らすことができ、界面再結合が抑制されたためである。

つぎに、井戸層３４の厚さ、障壁層の厚さ及び第３の半導体層２７の厚さについて説明する。

まず井戸層３４の厚さについて説明する。井戸層３４の厚さが大きすぎると、エネルギー準位の間隔が狭くなって井戸層３４内に多くの量子準位ができる。井戸層３４内に量子準位が多数ある場合には、障壁層３３の伝導帯を流れてきたキャリアは井戸層３４内の量子準位に落ち込みやすくなり、光エネルギーが熱エネルギーになってロスが発生する。そのため、井戸層３４の厚さは１０ｎｍ以下が好ましい。

一方、井戸層３４の厚さを薄くしすぎると、光を十分に吸収させるためには、多重量子井戸層２８の層数が多くなりすぎる。それによって多重量子井戸層２８における障壁層３３と井戸層３４の界面の数が多くなり、界面準位を介して再結合が起こりやすくなり、光エネルギーが熱エネルギーとなって電気エネルギーのロスが生じる。そのため、井戸層３４の厚さは、５ｎｍ以上が好ましい。よって、井戸層３４の厚さは、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。

つぎに、障壁層３３の厚さについて説明する。多重量子井戸層２８中をキャリアがトンネリングすると、キャリアの移動度が大きくなる。キャリアが高速で移動すると、正孔と電子が空間的に分離されるために再結合しにくくなり、キャリアの収集効率が高くなり、エネルギー変換効率が向上する。したがって、キャリアが障壁層３３をトンネリングし易くして移動度を大きくするためには、障壁層３３の厚さは１０ｎｍ以下にするのが好ましい。

一方、障壁層３３の厚さが薄すぎると、光を十分に吸収させるためには、多重量子井戸層２８の層数が多くなりすぎる。それによって多重量子井戸層２８における障壁層３３と井戸層３４の界面の数が多くなり、界面準位を介して再結合が起こりやすくなり、光エネルギーが熱エネルギーとなって電気エネルギーのロスが生じる。そのため、障壁層３３の厚さは、５ｎｍ以上が好ましい。よって、障壁層３３でトンネリングさせる場合には、障壁層３３の厚さは、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。

また、障壁層３３の厚さを大きくすると多重量子井戸層２８の層数を少なくできるので、障壁層３３におけるキャリアのトンネリングに格別な配慮を払わない場合には、障壁層３３の厚さは１０ｎｍより大きくてもよい。しかし、長波長の光と短波長の光の両方を吸収させるためには、障壁層３３の厚さは５０ｎｍ以下とするのが好ましい。よって、障壁層３３でのトンネリングを考慮しない場合には、障壁層３３の厚さは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。

つぎに、以下に述べるような考え方に従えば、第３の半導体層２７の厚さが、多重量子井戸層２８の厚さの０.５倍以上３倍以下であることが好ましい。

第３の半導体層２７の厚さと多重量子井戸層２８の厚さとの関係について考える。多重量子井戸層２８の厚さと第３の半導体層２７の厚さを加えた合計の厚さを光吸収層の厚さとする。光吸収層は、その厚さが大きいほど吸収できる光の量が大きくなる。その一方で、光吸収層の厚さが大きくなると、キャリアの移動距離が長くなるため、再結合によりエネルギーをロスしやすくなる。そのため、光吸収層の厚さは、光の吸収係数とキャリアの拡散長から最適な厚さが決まる。よって、多重量子井戸層２８の厚さ及び第３の半導体層２７の厚さは、それぞれの厚さを変化させたときの太陽電池の変換効率を計算することにより決めることができる。ここで、第３の半導体層２７の厚さに比べて多重量子井戸層２８の厚さが大きくなりすぎると、多重量子井戸層２８の層数が増え、キャリアが多重量子井戸層２８の界面で再結合してエネルギーロスが発生しやすくなる。また、第３の半導体層２７の厚さに比べて多重量子井戸層２８の厚さが小さくなりすぎると、高エネルギーの光（障壁層３３のバンドギャップＥｇ１に相当するエネルギーの光）を十分に吸収できなくなってしまう。第３の半導体層２７でも高エネルギーの光の吸収は起きるが、すぐに緩和してしまう。これらの状況を考えれば、第３の半導体層２７の厚さは、多重量子井戸層２８の厚さの０.５倍以上３倍以下であることが好ましい。

つぎにＢＳＦ（Back Surface Field）層２５について説明する。第３の半導体層２７又は多重量子井戸層２８で光を吸収して生成した電子は、ｐｉｎ接合によってできた内部電界によりｎ型ＧａＡｓ層２９側へと流れる。しかし、ｐ型ＧａＡｓ層２６付近で生成したキャリア電子の一部は裏面側へと拡散し、多数キャリアである正孔と再結合して損失となる。そこで、第１の実施形態の太陽電池２１では、図１４に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層２６の裏面側にＡｌＧａＡｓＢＳＦ層２５によるエネルギー障壁を設けることによって電子１１が裏面側へ拡散できないようにしている。

しかし、本発明の第１の実施形態においては、下記のような理由により、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層２５は省略しても差し支えない。ｐ型ＧａＡｓ層２６と多重量子井戸層２８の間に第３の半導体層２７を設けていると、第３の半導体層２７で励起された電子１１は、多重量子井戸層２８側へはトンネリングにより流れる。しかし、第３の半導体層２７内で生成した電子１１にとっては、図１５に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層２６がエネルギー障壁となるので、ｐ型ＧａＡｓ層２６に妨げられて電子１１は裏面側へは拡散することができない。そのため、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層２５を設けなくても、電子１１がｐ型ＧａＡｓ層２６側へ拡散するのを防ぐことができる。よって、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層２５を省くことができ、それによって層数を減らして太陽電池２１の作製をより簡略化することができる。

図１５に示すように、電子１１が第３の半導体層２７内でほぼ確実に励起され、励起された電子１１がｐ型ＧａＡｓ層２６側へ漏れにくくなるようにするためには、第３の半導体層２７の厚さを大きくし（多重量子井戸層２８の３倍程度の厚さ）、第３の半導体層２７のｐ型ＧａＡｓ層２６pに隣接する領域にｐ型ＧａＡｓ層２６と同程度の不純物を添加すればよい。

（作製方法）
つぎに、太陽電池２１の作製方法を説明する。太陽電池２１を作製するには、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を用いて以下のように作製すればよい。まず、不純物としてＢｅを含むｐ^＋型ＧａＡｓ基板２３を準備し、当該基板２３をアセトンやメタノール等の溶剤を用いて有機洗浄する。基板２３の表面を硫酸系エッチング液でエッチングして酸化膜等を除去した後、基板２３をＭＢＥ装置内に搬入してセットする。ついで、ＭＢＥ装置内において、成長温度５８０℃、成長速度１.０μｍ／ｈ、Ａｓ４圧２×１０^−５Torrの減圧下で順次各層を下記の厚さとなるようにエピタキシャル成長させる（図６参照）。なお、ｎ型ドーパントにはＳｉ、ｐ型ドーパントにはＢｅを用いればよい。そして、最後にｎ型ＧａＡｓ層３１を一部残してエッチング除去し、ｎ型ＧａＡｓ層３１の上にｎ型電極３２を設け、またｐ^＋型ＧａＡｓ基板２３の下面にｐ型電極２２を設ける。

ｐ^＋型ＧａＡｓバッファ層２４ １μｍ
Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８ＡｓＢＳＦ層２５ １００ｎｍ
ｐ型ＧａＡｓ層２６ ６００ｎｍ
第３の半導体層２７（Ｉｎ_０.１５Ｇａ_０.８５Ａｓ） ２００ｎｍ
多重量子井戸層２８（井戸層３４と障壁層３３を各１０層）
井戸層３４（Ｉｎ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓ １０ｎｍ
障壁層３３（ＧａＡｓ） １０ｎｍ
ｎ型ＧａＡｓ層２９ ４００ｎｍ
Ａｌ_０.４Ｇａ_０.６Ａｓ窓層３０ ５０ｎｍ
ｎ型ＧａＡｓ層３１ ５０ｎｍ

なお、太陽電池２１の作製方法は上記のような方法に限らずに、有機金属化学気相成長法（MOCVD）などを用いてもよい。

（第１の実施形態の変形例）
障壁層３３および井戸層３４の材料は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓに限らず、例えば以下に述べるような材料でもよい。

（１） 基板としてのＧａＡｓを用いる場合、障壁層としてＡｌＧａＡｓを用い、井戸層としてＧａＡｓを用い、第３の半導体層としてＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓを用いることができる。このような例では、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの格子定数がほぼ同じであるので、格子歪が無いため結晶性を高くできる。その結果、界面での再結合によるエネルギー変換効率のロスを小さくできる。

（２） 基板としてのＧａＡｓを用いる場合、障壁層としてＧａＡｓを用い、井戸層としてＩｎＧａＡｓを用い、第３の半導体層としてＩｎＧａＡｓを用いることができる。このような例では、バンドギャップを最適化して、エネルギーギャップを太陽光スペクトルにマッチさせることができる。

（３） 基板としてのＧａＡｓを用いる場合、障壁層としてＧａＡｓＰを用い、井戸層としてＩｎＧａＡｓを用い、第３の半導体層としてＩｎＧａＡｓを用いることができる。このような例では、ＧａＡｓ基板よりも格子定数の小さなＧａＡｓＰと格子定数の大きなＩｎＧａＡｓを組み合わせることで格子歪を補償し、結晶転移の発生を抑制することができ、多重量子井戸層及び第３の半導体層の結晶性を高くできる。

（４） 基板としてのＩｎＰを用いる場合、障壁層としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用い、井戸層としてＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ただし、ｘ＜ｙ）を用い、第３の半導体層としてＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ただし、ｘ＜ｚ）を用いることができる。このような例では、ＩｎＰ基板よりも格子定数の小さなＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓと格子定数の大きなＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓやＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓを組み合わせることで格子歪を補償し、結晶転移の発生を抑制することができ、多重量子井戸層及び第３の半導体層の結晶性を高くできる。

また、各層の材料の組成比についても、バンドギャップや格子歪を考慮して最適に調整すれば特に制限は無い。このときの第３の半導体層の材料としては井戸層と同じ材料系が好ましく、バンドギャップや格子定数を考慮して組成比を調整すればよいが、その他の材料であってもよい。

（第２の実施形態）
図１６に示すものは本発明の第２の実施形態による太陽電池４１の一部を示す斜視図である。図１６では第２の実施形態の太陽電池４１のうち、ｐ型半導体層４２とｎ型半導体層４５の間の部分だけを表している。ｐ型半導体層４２の上面にはｉ型（真正半導体）で第３の半導体層４３が形成され、第３の半導体層４３の上にｉ型（真正半導体）で量子ドット層４４が形成され、量子ドット層４４の上にｎ型半導体層４５が設けられている。また、量子ドット層４４では、障壁層４６（第１の半導体）内に離散的に複数の量子ドット４７（第２の半導体）が分布させられている。

量子ドット層４４は第１の実施形態の多重量子井戸層２８に相当するものであり、障壁層４６は第１の実施形態の障壁層３３に相当するものであり、量子ドット４７は第１の実施形態の井戸層３４に相当するものである。

第１の実施形態で井戸層３４が層状に設けられていたのに対し、第２の実施形態では量子ドット４７がドット状（離散的な微小領域）に形成されている点を除けば、この太陽電池４１も第１の実施形態と同様な材料により同様に構成されている。特に、第３の半導体層４３のバンドギャップＥｇ３は、障壁層４６のバンドギャップＥｇ１よりも狭く、第３の半導体層４３の厚さは量子ドット４７の外径サイズ（高さ）よりもおおきい。また、この太陽電池４１でも、量子ドット４７のうち第３の半導体層４３に最も近い量子ドット４７の伝導帯量子準位（特に、基底準位）と、第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ一致している。したがって、垂直方向に並んだ量子ドット４７に沿った経路に沿ってバンド構造を示せば、図９のバンド構造と同様なバンド構造となる。

そして、受光面側から光が入射すると、量子ドット層４４では障壁層４６でのエネルギーギャップＥｇ１よりも大きなエネルギーの光と、量子ドット４７でのエネルギーギャップＥｇ２よりも大きなエネルギーの光が吸収され、量子ドット層４４を透過した光のうちエネルギーギャップＥｇ３よりも大きな光が第３の半導体層４３で吸収される。しかも、この太陽電池４１では、量子ドット構造となっているので、量子ドット４７（３次元の量子井戸）内の量子準位がさらに離散化し、障壁層の伝導帯を流れてきたキャリアが量子井戸内の量子準位に緩和しにくくなる。

量子ドット４７の場合、その量子準位を離散化させるためには、量子ドット４７の高さ、奥行き、幅のいずれか一辺が１０ｎｍ以下であり、残りの２辺の長さが３０ｎｍ以下であることが望ましい。特に、高さを５ｎｍ、奥行きおよび幅を２０ｎｍとすれば、量子準位を十分離散化させることができる。

また、量子ドット４７同士は高さ方向に位置が揃っている方が好ましく、高さ方向の量子ドット４７間の距離（量子ドット４７の表面間の最短距離）は１０ｎｍ以下であることが好ましい。これによって電子が高さ方向にトンネリングして流れやすくなる。このとき、量子ドット４７は水平面内（幅方向、奥行き方向）では揃って並んでいる必要はなく、規則的に配列していてもよく、ランダムに配列していてもよい。また、第３の半導体層４３に最も近い量子ドット４７と第３の半導体層４３に間に挟まれている障壁層４６の厚さも１０ｎｍ以下であることが望ましい。

また、第１の実施形態と同じ理由により、第３の半導体層４３の厚さは、量子ドット層４４の厚さの０.５倍以上３倍以下であることが好ましい。

（第３の実施形態）
図１７は第３の実施形態による太陽電池５１の構造を示す斜視図である。この太陽電池５１では、格子歪を利用した自己組織化により障壁層３３と井戸層３４を交互に積層して多重量子井戸層２８を作製している。格子歪を利用した自己組織化で多重量子井戸層２８を作製すると、濡れ層５２と島状部５３ができるが、このような構造であっても量子ドットと同様の作用効果が得られる。なお、このときも、島状部５３の高さは１０ｎｍ以下、島状部５３の水平面内での直径（幅と奥行き）は３０ｎｍ以下であることが望ましい。

図１は、一般的な単接合太陽電池のエネルギーバンドを示すバンド構造図である。 図２は、多接合太陽電池のエネルギーバンドを示すバンド構造図である。 図３は、多重量子井戸構造の太陽電池のエネルギーバンドを示すバンド構造図である。 図４は、量子ドット太陽電池の概略斜視図である。 図５は、界面における電子−正孔対の再結合を説明する図である。 図６は、本発明の第１の実施形態による太陽電池の構造を示す断面図である。 図７は、同上の太陽電池の多重量子井戸層と第３の半導体層の構造を示す斜視図である。 図８は、第３の半導体層及び多重量子井戸層のバンド構造図である。 図９は、ｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層で挟まれた第３の半導体層及び多重量子井戸層のバンド構造図である。 図１０は、比較例のバンド構造図である。 図１０は、別な比較例のバンド構造図である。 図１２（ａ）は多重量子井戸層のみで構成した比較例のバンド構造を表した図、図１２（ｂ）は本発明の第１の実施形態のバンド構造を表した図である。 図１３は、図１２（ａ）の比較例と図１２（ｂ）の第１の実施形態の順方向暗電流特性をシミュレーションした結果を表した図である。 図１４は、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層の働きを説明するためのバンド構造図である。 図１４は、ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層を省略できる理由を説明するためのバンド構造図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態による太陽電池の一部を示す斜視図である。 図１７は、本発明の第３の実施形態による太陽電池の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

２１ 太陽電池
２２ ｐ型電極
２３ ｐ^＋型ＧａＡｓ基板
２４ ＧａＡｓバッファ層
２５ ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層
２６ ｐ型ＧａＡｓ層
２７ 第３の半導体層
２８ 多重量子井戸層
２９ ｎ型ＧａＡｓ層
３０ ＡｌＧａＡｓ窓層
３１ ｎ型ＧａＡｓ層
３２ ｎ型電極
３３ 障壁層
３４ 井戸層
３５ トンネリング
４１ 太陽電池
４２ ｐ型半導体層
４３ 第３の半導体層
４４ 量子ドット層
４５ ｎ型半導体層
４６ 障壁層
４７ 量子ドット

Claims (15)

1. 第１の半導体層と前記第１の半導体層よりもバンドギャップの小さな第２の半導体層とを複数層交互に積層させた多重量子井戸層を有する太陽電池において、
   前記多重量子井戸層に隣接して、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体層よりも厚さの大きな第３の半導体層を設けたことを特徴とする太陽電池。
2. 前記多重量子井戸層と第３の半導体層はいずれもｉ型半導体であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記第３の半導体層は、前記多重量子井戸層の受光面とは反対側に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
4. 前記第１の半導体層のうち前記第３の半導体層に隣接する第１の半導体層は、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
5. 前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位と、前記第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ一致していることを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池。
6. 前記第３の半導体層の厚さが、前記多重量子井戸層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
7. 前記第１の半導体層のそれぞれの厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記第２の半導体層のそれぞれの厚さが、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
8. 第１の半導体層よりもバンドギャップが小さな第２の半導体層が前記第１の半導体層内に含まれた量子ドット層を有する太陽電池において、
   前記量子ドット層に隣接して、前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２の半導体層の大きさよりも厚さの大きな第３の半導体層を設けたことを特徴とする太陽電池。
9. 前記量子ドット層と第３の半導体層はいずれもｉ型半導体であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれていることを特徴とする、請求項８に記載の太陽電池。
10. 前記第３の半導体層は、前記量子ドット層の受光面とは反対側に設けられていることを特徴とする、請求項９に記載の太陽電池。
11. 前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層と前記第３の半導体層の間に挟まれた前記第１の半導体層の部分は、厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽電池。
12. 前記第２の半導体層のうち前記第３の半導体層に最も近い第２の半導体層の伝導帯量子準位と、前記第３の半導体層の伝導帯下端のエネルギー準位とがほぼ一致していることを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池。
13. 前記第３の半導体層の厚さが、前記量子ドット層の厚さの０.５倍以上３倍以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽電池。
14. 前記量子ドット層の厚さ、幅、奥行きのうちいずれか１辺が１０ｎｍ以下であり、残る２辺が３０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽電池。
15. 前記第２の半導体層が前記量子ドット層の厚さ方向に沿って並んでおり、各第２の半導体層同士の間隔が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１４に記載の太陽電池。

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