JP2010171374A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】格子不整合系の多接合型太陽電池において、格子定数の差に起因した応力を緩和して結晶欠陥の少ない太陽電池セルを形成し、高い発電効率を得ることが可能な多接合型の太陽電池を得ること。
【解決手段】本発明における太陽電池１００は、第１の太陽電池セル１０と、第１の太陽電池セル１０上に形成された中間領域２と、中間領域２上に形成された第２の太陽電池セル４０とを備える。中間領域２は、第１の太陽電池セル１０の表面上に分散して配置され、第１の太陽電池セル１０と第２の太陽電池セル４０との格子定数の差に起因する応力を緩和する応力緩和部２１を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関し、特に、複数の太陽電池セルが積層されてなる多接合型の太陽電池に関する。

従来より、単一の太陽電池セルからなる単接合型太陽電池が知られている。しかし、単接合型太陽電池の発電効率（変換効率）は、原料となる半導体材料の禁制帯幅Ｅｇにより決まる理論限界を有するため、どのような半導体材料を用いても地上における太陽光照射条件下では約３０％の発電効率にとどまることが知られている。

そこで、単接合型太陽電池より高い発電効率を得るために、複数の太陽電池セルを積層することにより形成された多接合型太陽電池が提案されている。この多接合型太陽電池におけるそれぞれの太陽電池セルは、ｐｎ接合を有し、バンドギャップの異なる材料で構成されている。このように、多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる半導体同士を接続することにより、単接合型太陽電池に比べて太陽光スペクトルの利用領域を拡大することができ、高い発電効率を実現できる。

例えば、多接合型太陽電池として、Ｇｅセル／ＩｎＧａＡｓセル／ＩｎＧａＰセル積層構造の３接合型太陽電池、あるいは、Ｇｅ基板上に形成した、ＩｎＧａＡｓセル／ＩｎＧａＰセル積層構造の２接合型太陽電池等が知られている。

下記特許文献１には、各太陽電池セル間で格子整合のとれた多接合型太陽電池（以下、格子整合系の多接合型太陽電池とも記載）が開示されている。特許文献１に記載の多接合型太陽電池は、Ｇｅセル（基板）／Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓセル接合において、Ｉｎの組成ｘを０．００５≦ｘ≦０．０１５の範囲、好ましくは０．００７≦ｘ≦０．０１４の範囲の値とする。これにより、多接合型太陽電池の格子不整合率は、ほぼ零とみなすことが可能な程度のごく僅かな値となる。このように、ＩｎＧａＡｓセルの格子定数をＧｅセル（基板）の格子定数に極めて近い値とし、各セルを格子整合させることで、結晶欠陥の少ない、発電効率の高い太陽電池を得ることができる。

一方、複数の太陽電池セルが直列に接続された多接合型太陽電池では、各太陽電池セルの出力電流の電流マッチングが取れていない場合、太陽電池全体としての出力電流は、最も出力電流の小さい太陽電池セルに規制されるという問題がある。

特許文献１に記載の多接合型太陽電池において、各太陽電池セルが有するバンドギャップ（各太陽電池セルが有するエネルギー変換波長域）によると、各太陽電池セルの出力電流の関係は、Ｉ（ＩｎＧａＰ），Ｉ（ＩｎＧａＡｓ）＜Ｉ（Ｇｅ）となる。したがって、特許文献１に記載のような格子整合系の多接合型太陽電池は、出力電流Ｉ（Ｇｅ）がＩ（ＩｎＧａＰ）およびＩ（ＩｎＧａＡｓ）に規制されることとなり、発電効率を向上することは困難である。

一方、下記非特許文献１には、Ｇｅセル（基板）／ＩｎＧａＡｓセルとの接続を格子不整合とする多接合型太陽電池（以下、格子不整合系の太陽電池とも記載）が開示されている。この多接合型太陽電池によると、ＩｎＧａＡｓセルおよびＩｎＧａＰセルのバンドギャップを小さくすることで、ＩｎＧａＡｓセルおよびＩｎＧａＰセルのエネルギー変換波長域が広がり、太陽電池全体として発電効率を向上することができる。

特開２００４−３１９９３４号公報

Ｃ．Ｍ．Ｆｅｔｚｅｒ、"１．６／１．１ｅＶ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ＭＯＶＰＥ ｏｎ Ｇｅ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２７６（２００５）、ｐ．４８−５６

しかしながら、上述した非特許文献１に記載のような格子不整合系の多接合型太陽電池は、基板（例えばＧｅ基板）上に格子定数の異なる太陽電池セル（例えばＩｎＧａＡｓセル）を結晶成長させる際、基板と太陽電池セルとの格子不整合に起因して界面で引っぱり応力が生じ、太陽電池セルの結晶成長が阻害される。この結晶成長の阻害により、太陽電池セルに結晶欠陥が発生し、結晶欠陥に起因するキャリアの散乱等により、太陽電池の発電効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、格子不整合系の多接合型太陽電池において、格子定数の差に起因した応力を緩和して結晶欠陥の少ない太陽電池セルを形成し、高い発電効率を得ることが可能な多接合型の太陽電池を得ることである。

本発明の第１の態様における太陽電池は、第１の太陽電池セルと、前記第１の太陽電池セル上に形成された中間領域と、前記中間領域上に形成された第２の太陽電池セルと、を備え、前記中間領域は、前記第１の太陽電池セルの表面上に分散して配置され、前記第１の太陽電池セルと前記第２の太陽電池セルとの格子定数の差に起因する応力を緩和する応力緩和部を有する。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様における太陽電池であって、前記応力緩和部は、前記第１の太陽電池セルの表面上に島状に配置される。

また、本発明の第３の態様は、第１または第２の態様における太陽電池であって、前記応力緩和部は、導電性を有する。

また、本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記応力緩和部は、前記第２の太陽電池セルを構成する材料よりも融点が高い材料で構成される。

また、本発明の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記第２の太陽電池セルは、前記第１の太陽電池セルよりもバンドギャップの大きい材料で構成される。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、前記第２の太陽電池セルは、ＩｎＧａＡｓで構成される。

また、本発明の第７の態様は、第６の態様における太陽電池であって、前記第２の太陽電池セルを構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘは、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値である。

また、本発明の第８の態様は、第１から第７の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記中間領域は、前記第１の太陽電池セルの表面上および前記応力緩和部の表面上に形成されたバッファ層をさらに有する。

また、本発明の第９の態様は、第８の態様における太陽電池であって、前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、前記第２の太陽電池セルは、ＩｎＧａＡｓで構成され、該第２の太陽電池セルを構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘが、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値であり、前記バッファ層は、ＩｎＧａＡｓで構成され、該バッファ層を構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘが、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値である。

また、本発明の第１０の態様は、第８または第９の態様における太陽電池であって、前記応力緩和部の屈折率が、前記第１の太陽電池セルの屈折率と前記バッファ層の屈折率との間の値である。

また、本発明の第１１の態様は、第８から第１０の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、前記バッファ層は、ＩｎＧａＡｓで構成され、前記応力緩和部は、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、ＧａＳｂまたはＩｎＳｂで構成される。

また、本発明の第１２の態様は、第１から第１１の態様のいずれかにおける太陽電池であって、前記第２の太陽電池セル上に形成され、前記第２の太陽電池セルを構成する材料とはバンドギャップの異なる材料で構成された第３の太陽電池セルをさらに備える。

また、本発明の第１３の態様は、第１２の態様における太陽電池であって、前記第３の太陽電池セルは、前記第２の太陽電池セルよりもバンドギャップの大きい材料で構成される。

また、本発明の第１４の態様は、第１３の態様における太陽電池であって、前記第３の太陽電池セルは、ＩｎＧａＰで構成される。

第１の態様によると、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルとの格子定数の差に起因した応力が緩和され、格子不整合であっても結晶欠陥の少ない太陽電池を形成することができ、太陽電池の発電効率をさらに向上することができる。

第２の態様によると、島状に形成した応力緩和部により、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルとの原子間の結びつきを部分的に遮ることができ、格子定数の差に起因してセル間の界面に生じる応力を緩和することができる。

第３の態様によると、応力緩和部が導電性を有することにより、応力緩和部からも電荷の移動が可能となり、太陽電池の発電効率を向上することができる。

第４の態様によると、応力緩和部が第２の太陽電池セルを構成する材料よりも融点が高い材料で構成されることで、第２の太陽電池セルの材料が第１の太陽電池セル内へ拡散することを抑制することができる。

第５の態様または第６の態様によると、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルとで異なるバンドギャップを有することで、太陽光スペクトルの利用領域を拡大することができ、太陽電池の発電効率を向上することができる。

第７の態様または第９の態様によると、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルとの出力電流をマッチングすることができ、太陽電池の発電効率を向上することができる。

第８の態様によると、第１の太陽電池セルと第２の太陽電池セルとの格子定数の差に起因した応力によって生じる結晶の転位や欠陥を低減することができる。

第１０の態様または第１１の態様によると、第２の太陽電池セルを透過した光を第１の太陽電池セルに効率良く入射させることができるため、第１の太陽電池セルでの発電効率を向上することができる。

第１２の態様から第１４の態様によると、第１の太陽電池セル、第２の太陽電池セルおよび第３の太陽電池セルとで異なるバンドギャップを有することで、太陽光スペクトルの利用領域を拡大することができ、太陽電池の発電効率を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る多接合型太陽電池の構成を示した断面図である。 図１の多接合型太陽電池のＡ-Ａ断面を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る多接合型太陽電池の構造を模式的に示した断面図である。 本発明の一実施形態に係る応力緩和部を有している多接合型太陽電池において、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との接合状態を示した図である。 応力緩和部を有していない多接合型太陽電池において、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との接合状態を示した図である。 太陽光のエネルギー変換波長域を示した図である。

＜多接合型太陽電池の構成＞
以下、本発明に係る太陽電池の一実施形態に係る多接合型太陽電池について、図面を参照しつつ説明する。ここで、多接合型太陽電池とは、太陽光スペクトルの利用領域を拡大するために、光吸収波長の異なる材料からなる複数の太陽電池セルを積層することにより形成された太陽電池である。このような多接合型太陽電池は、光入射側に高バンドギャップ材料で構成された太陽電池セルを有し、光出射側に低バンドギャップ材料で構成された太陽電池セルを有し、これらの複数のセルをトンネル接合層によって接続することにより構成されている。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る多接合型太陽電池１００は、ＩｎＧａＰ層を有するトップセル／ＩｎＧａＡｓ層を有するミドルセル／Ｇｅ基板を有するボトムセルの積層構造からなる３接合型太陽電池である。

多接合型太陽電池１００は、ボトムセル１、ボトムセル１の上に形成された中間領域２、中間領域２の上に形成された第１のトンネル領域３、第１のトンネル領域３の上に形成されたミドルセル４、ミドルセル４の上に形成された第２のトンネル領域５、第２のトンネル領域５の上に形成されたトップセル６を備える。また、多接合型太陽電池１００は、トップセル６の上に形成されたコンタクト層７、コンタクト層７の上に形成された表面電極８１、ボトムセル１の下に形成された裏面電極８２、トップセルの上６および表面電極８１の上に形成された反射防止膜９を備える。

ボトムセル１は、ｐ型Ｇｅ基板１１と、ｐ型Ｇｅ基板１１中の上部に選択的に形成されたｎ型Ｇｅ層１２とを備える。ｐ型Ｇｅ基板１１は、厚さが１５０μｍ程度で、Ｇａ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3の基板である。ｎ型Ｇｅ層１２は、成膜中にＡｓ等を拡散することにより形成される。このｐ型Ｇｅ基板１１とｎ型Ｇｅ層１２によって形成されたｐｎ接合は、第１の太陽電池セル１０を構成する。

この第１の太陽電池セル１０では、入射した太陽光のうち、ｐ型Ｇｅ基板１１で吸収された光子が一対の正孔−電子を生成し、このうち電子が拡散してｐ−ｎ界面の空乏層まで到達すると空乏層の内部電界によってｎ型Ｇｅ層１２に流れ込み、電流となる（後述する第２の太陽電池セル４０および第３の太陽電池セル６０も同様である）。

中間領域２は、ｐ型Ｇｅ基板１１の表面上に分散して配置された応力緩和部２１と、第１の太陽電池セル１０の表面上および応力緩和部２１の表面上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２３とを備える。

応力緩和部２１は、ＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＳｉＯ₂，ＳｉＮｘ，Ｔｉ，Ｗ等からなる島状に形成された領域である。図１および図２に示すように、本実施形態における応力緩和部２１は、厚さが５０〜５００Åであり、直径が０．２５〜２μｍの平面視円形の形状を有し、ボトムセル１の表面上に等間隔で配置されている。応力緩和部２１は、結晶層間の格子定数の相違（格子不整合）に起因して生じる応力を緩和するためのものであり、その作用については後述する。なお、応力緩和部２１は、四角形、三角形等、円形以外であってもよいし、不均一な間隔で配置されていてもよい。また、応力緩和部２１は、島状の他、格子状に形成されていてもよい。

本実施形態において、応力緩和部２１は、ボトムセル１（第１の太陽電池セル１０）の屈折率とｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の屈折率との間の範囲の値となる屈折率を有することが好ましい。本実施形態では、ボトムセル１のｐ型Ｇｅ基板１１およびｎ型Ｇｅ層１２の屈折率がそれぞれ約４，約４であり、ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の屈折率が約３．５であるので、例えば、応力緩和部２１をＳｉＧｅ（屈折率＝約３．５〜４），Ｓｉ（屈折率＝約３．５），ＧａＳｂ（屈折率＝約３．８），または、ＩｎＳｂ（屈折率＝約４）等で形成すればよい。こうすることで、応力緩和部２１の屈折率が、ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の屈折率およびボトムセル１の屈折率の双方に近い値となる。これにより、ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２から応力緩和部２１へ入射する光の反射を低減するとともに、応力緩和部２１からボトムセル１へ入射する光の反射を低減することができる。すなわち、第２の太陽電池セル４０を透過した光を第１の太陽電池セル１０（ボトムセル１）に効率良く入射させることができるので、第１の太陽電池セル１０での発電効率を向上させることができる。なお、屈折率は、例えば、公知の偏光解析法を用いて測定することができる。

また、応力緩和部２１は、導電性を有する材料を用いることが好ましい。これにより、応力緩和部２１からも電荷の移動が可能になり、多接合型太陽電池１００の発電効率をさらに向上させることができる。

ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２は、厚さが０．０５〜０．１μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が５×１０¹⁷〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２３は、厚さが１〜３μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が５×１０¹⁷〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。

このｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２２，２３は、Ｇｅ／ＩｎＧａＡｓヘテロ界面の格子不整合に起因した応力により生じる、転位や欠陥を低減するために設けられている。しかしながら、ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２２，２３のみでは、十分に転位や欠陥を低減することができないため、Ｇｅ／ＩｎＧａＡｓヘテロ界面で生じる格子不整合に起因した応力を緩和する目的で、応力緩和部２１が設けられている。

第１のトンネル領域３は、中間領域２の上に形成されたｎ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３１と、ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３１の上に形成されたｐ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３２とを備える。

ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３１は、厚さが０．０１〜０．０５μｍ程度で、Ｓｉ，Ｔｅ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の層である。ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３２は、厚さが０．０１〜０．０５μｍ程度で、Ｚｎ，Ｃ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の層である。

この第１のトンネル領域３は、ドーパントが高濃度に注入された薄いＩｎＧａＡｓ層からなるｐｎ接合を有しており、トンネル電流を利用して太陽電池セル間の接続を良好なものとするために設けられている（後述する第２のトンネル領域５も同様）。

ミドルセル４は、第１のトンネル領域３の上に形成されたｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層４１、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層の上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２の上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３の上に形成されたｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４を備える。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２とｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３とによって形成されたｐｎ接合は、第２の太陽電池セル４０を構成する。

ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層４１は、厚さが０．０５〜０．３μｍ程度で、Ｚｎ，Ｃ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２は、厚さが２〜４μｍ程度で、Ｚｎ等がドーピングされた、不純物濃度が０．８×１０¹⁷〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3の層である。ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３は、厚さが０．０５〜０．３μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４は、厚さが０．０２５〜０．１μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。また、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４は、ＩｎＧａＰを用いて構成してもよい。

このｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層４１は、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２で生じた電子が、拡散によってｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２を抜けて直下のボトムセル１に入り込むことにより生じる裏面再結合損失を、低減するために設けられている。したがって、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層４１は、上述したような電子に対して、バンド障壁として作用する（後述するｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層６１も同様である）。

ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４は、太陽光によって発生したキャリアが直下のｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３の表面欠陥等と再結合することによって消滅することを抑制するために、ｐ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３の上に設けられている（後述するｎ型ＡｌＩｎＰ窓層６４も同様である）。

第２のトンネル領域５は、ミドルセル４の上に形成されたｎ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル層５１と、ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層５１の上に形成されたｐ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層５２とを備える。

ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層５１は、厚さが０．０１〜０．０５μｍ程度で、Ｓｉ，Ｔｅ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の層である。ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層５２は、厚さが０．０１〜０．０５μｍ程度で、Ｚｎ，Ｃ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の層である。また、ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層５２は、ＡｌＩｎＧａＡｓを用いて構成してもよい。

トップセル６は、第２のトンネル領域５の上に形成されたｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層６１、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層６１の上に形成されたｐ型ＩｎＧａＰベース層６２、ｐ型ＩｎＧａＰベース層６２の上に形成されたｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層６３、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層６３の上に形成されたｎ型ＡｌＩｎＰ窓層６４を備える。また、ｐ型ＩｎＧａＰベース層６２とｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層６３とによって形成されたｐｎ接合は、第３の太陽電池セル６０を構成する。

ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層６１は、厚さが０．０２５〜０．２μｍ程度で、Ｚｎ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。ｐ型ＩｎＧａＰベース層６２は、厚さが０．５〜１．５μｍ程度で、Ｚｎ等がドーピングされた、不純物濃度が０．８×１０¹⁷〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3の層である。ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層６３は、厚さが０．０５〜０．３μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４は、厚さが０．０２５〜０．１μｍ程度で、Ｓｉ等がドーピングされた、不純物濃度が１×１０¹⁸〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3の層である。また、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層６１は、ＡｌＩｎＧａＡｓを用いて構成してもよい。

ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、外部回路との接続を容易に行うための層であり、厚さが０．２〜０．５μｍ程度で、Ｓｉ，Ｔｅがドーピングされた、不純物濃度が２×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の層である。

表面電極８１は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜により形成され、裏面電極８２は、ＡｕあるいはＡｇにより形成される。また、反射防止膜９は、例えばＳｉＮｘ，ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂，ＭｇＦ₂／ＺｎＳ等により形成される。

図１に示すような多接合型太陽電池１００において、各太陽電池セルのバンドギャップの関係は、第３の太陽電池セル６０のバンドギャップＥｇ１＞第２の太陽電池セル４０のバンドギャップＥｇ２＞第１の太陽電池セル１０のバンドギャップＥｇ３となる。すなわち、トップセル６では、Ｅｇ１よりも大きなエネルギーを持つ光子を吸収する。また、ミドルセル４では、トップセル６を通過した光のうち、Ｅｇ２とＥｇ１の間のエネルギーを持つ光子を吸収する。また、ボトムセル１では、トップセル６およびミドルセル４を通過した光のうち、Ｅｇ３とＥｇ２の間のエネルギーを持つ光子を吸収する。なお、バンドギャップは、例えばＰＬ（Photoluminescence）測定装置を用い、レーザー光（例えば波長５３２ｎｍのレーザー光）を測定する太陽電池セルへ照射し、該太陽電池セルから放射される波長スペクトルを調べることにより、測定することができる。

＜応力緩和部の作用＞
次に、応力緩和部２１の作用について説明する。

図３は、応力緩和部２１を有する多接合型太陽電池の構造を模式的に示した断面図である。図３に示す、Ｇｅ基板／ＩｎＧａＡｓ層／ＩｎＧａＰ層の積層構造からなる多接合型太陽電池を用いて、応力緩和部２１について以下に説明する。

応力緩和部２１は、層間の格子定数の差（格子不整合）に起因して生じる応力を緩和するために、格子不整合となる層間の界面に分散して複数配設されてなる島状の領域である。図３に示す多接合型太陽電池の場合、応力緩和部２１は、Ｇｅ基板の表面上（Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との界面）に分散して複数配設されてなる。

図４は、応力緩和部２１を有する多接合型太陽電池において、Ｇｅ基板と、ＩｎＧａＡｓ層との接合状態を示した図である。また、図５は、図４と比較するために、応力緩和部２１を有していない多接合型太陽電池において、Ｇｅ基板と、ＩｎＧａＡｓ層との接合状態を示した図である。ここで、図４および図５において、ＩｎＧａＡｓ層は、Ｇｅ基板とは格子定数が異なり、Ｇｅ基板との接合は格子不整合となるものである。例えば、後述するように、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ層におけるＩｎの組成ｘは、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値とする。

図５に示すように、ＩｎＧａＡｓ層は、Ｇｅ基板に比べて格子定数が大きいため、両者の界面には格子定数の差に起因した応力が生じることになる。この応力は、ＧｅとＩｎＧａＡｓとの原子間の結びつきにより生じるものである。この応力は、ＩｎＧａＡｓ層に結晶欠陥が発生する要因となり、また、結晶欠陥に起因するキャリアの散乱等により太陽電池の発電効率が下がる要因となる。

一方、図４に示すように、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との間に、応力緩和部２１を分散して複数配設した場合、ＧｅとＩｎＧａＡｓとの原子間の結合が部分的に遮られることとなる。これにより、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との間の格子定数の差に起因した応力が低減されることとなり、応力によって生じる結晶欠陥が低減される。

このように、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との間に応力緩和部を分散して配置することにより、Ｇｅ基板とＩｎＧａＡｓ層との格子定数の差に起因した応力が緩和され、格子不整合であっても結晶欠陥の少ないＩｎＧａＡｓ層を得ることができる。

＜多接合型太陽電池の製造方法＞
次に、本実施形態に係る多接合型太陽電池１００の製造方法について以下に説明する。

はじめに、ｐ型Ｇｅ基板１１の上に応力緩和部２１を形成する。まず、ｐ型Ｇｅ基板１１の上にＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＳｉＯ₂，ＳｉＮｘ，Ｔｉ，Ｗ等の膜をスパッタ法、プラズマＣＶＤ法あるいは蒸着法を用いて形成する。成膜後、レジストを塗布し、露光、現像を行い、レジストパターンを島状に形成する。その後、ドライエッチング法等により膜をエッチング、レジストを剥離し、島状パターンの応力緩和部２１を形成する。応力緩和部２１となる島状パターンの形状は、直径０．２５μｍ〜２μｍの円形である。

なお、この応力緩和部２１は、後述するＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２およびこれに続いて形成される各半導体層の成膜時に応力緩和部２１が溶解しないように、各半導体層の成膜温度よりも融点が高い材料で形成することが好ましい。

また、応力緩和部２１は、後述するようにｐ型Ｇｅ基板１１へのＡｓの拡散を抑制する役割も果たすため、ｐ型Ｇｅ基板１１よりも拡散係数が小さい材料で形成することが好ましい。本実施形態では、ｐ型Ｇｅ基板１１を形成するＧｅ中でのＡｓの拡散係数が、例えば、６００℃において約３×１０^-14ｃｍ²／ｓｅｃであるため、例えば、Ｓｉ（６００℃において、Ｓｉ中でのＡｓの拡散係数＝約４×１０^-23ｃｍ²／ｓｅｃ）またはＳｉＧｅで応力緩和部２１を形成することが好ましい。この拡散係数は、例えば、公知の二次イオン質量分析法を用いて不純物濃度プロファイルを測定することにより求めることができる。

次に、この応力緩和部２１が形成されたｐ型Ｇｅ基板１１に対し、ＭＯＣＶＤ法等により成膜を行う。ＩｎＧａＡｓを成膜する場合には、III族原子の原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、V族原子の原料ガスとして、ＡｓＨ₃（アルシン）を用いる。また、ＩｎＧａＰを成膜する場合には、III族原子の原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、V族原子の原料ガスとして、ＰＨ₃（ホスフィン）を用いる。また、ｐ型のドーパント制御を行う際は、不純物ドーピング源として、ＤＭＺ（ジメチルジンク）またはＣＢｒ₄（四臭化炭素）を用いる。また、ｎ型のドーパント制御を行う際は、不純物ドーピング源として、ＳｉＨ₄（シラン）またはＤＥＴｅ（ジエチルテルル）を用いる。

まず、応力緩和部２１が形成されたｐ型Ｇｅ基板１１上にｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の成膜を行う。不純物ドーピング源としては、ＳｉＨ₄（シラン）を用いる。成膜は、５００度から６００度の比較的低温で行う。

このＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２が成膜される過程において、Ａｓは、ｐ型Ｇｅ基板１１の方へ拡散する。詳しくは、ｐ型Ｇｅ基板１１の上面には応力緩和部２１が離散的に配置されているので、Ａｓは、主として、ｐ型Ｇｅ基板１１の上面の応力緩和部２１が形成されていない領域に拡散する。このようにｐ型Ｇｅ基板１１に部分的にＡｓが拡散することによって、ｎ型Ｇｅ層１２が形成される。なお、ｐ型Ｇｅ基板１１に拡散したＡｓの一部は、応力緩和部２１の下面に回り込むので、ｎ型Ｇｅ層１２は応力緩和部２１の下面の一部に延在する。このｐ型Ｇｅ基板１１とｎ型Ｇｅ層１２とは、第１の太陽電池セル１０として機能する。

また、応力緩和部２１は、ｐ型Ｇｅ基板１１へのＡｓの拡散量を調整する機能も有している。応力緩和部２１を設けることでｐ型Ｇｅ基板１１へのＡｓの過度の拡散を抑制することができ、これによって、ｎ型Ｇｅ層１２を薄く形成することができる。これにより、ｎ型Ｇｅ層１２での光の吸収を抑制することができるため、光電変換効率の良い第１の太陽電池セル１０を形成することができる。

次に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２３を成膜する。ＩｎＧａＡｓバッファ層２３の成膜は、ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２の成膜温度より１００度程高い、６００度〜７００度で行う。

次に、それぞれの層を所定の原料ガスおよびドーピング源を使用して成膜を行う。成膜温度は、トンネル接合層を除いて、６００度〜７００度である。ｐ型のトンネル接合層の成膜温度は、５００度〜６００度とし、ｎ型のトンネル接合層の成膜温度は、７００度〜７５０度とする。

次に、ＭＯＣＶＤ等による成膜後、表面電極８１として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜をリフトオフにより形成する。まず、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上にレジストを塗布し、露光、現像を行い、所定のレジストパターンを形成する。その後、真空蒸着法により、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜の蒸着を行った後、レジストを除去する。これにより図１に示すような表面電極８１の電極パターンが形成される。

次に、表面電極８１の電極パターンをマスクとして、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７のエッチングを行う。エッチングとしては、Ｈ₂ＳＯ₄−Ｈ₂Ｏ₂−Ｈ₂Ｏ系のエッチング液を用いたウェットエッチングを行う。

ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７をエッチング後、反射防止膜９をリフトオフにより形成する。まず、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層６４および表面電極８１の上にレジストを塗布し、露光、現像を行い、所定のレジストパターンを形成する。その後、スパッタ法、真空蒸着法により、ＭｇＦ₂／ＺｎＳの蒸着を行った後、レジストを除去する。これにより、反射防止膜９が形成される。最後に、蒸着法等によりＡｕあるいはＡｇからなる裏面電極８２をｐ型Ｇｅ基板１１の下に形成する。

＜多接合型太陽電池の発電効率＞
次に、本発明の一実施形態における多接合型太陽電池１００の発電効率について説明する。

上述したように、応力緩和部２１を形成することにより、セル間の格子不整合により生じていた応力の問題を解決した多接合型太陽電池１００を得ることができる。以下においては、格子不整合系を含む多接合型太陽電池１００が高い発電効率を有するための条件について検討する。

図６は、太陽光のエネルギー変換波長域を示した図である。図６中に示すバンドギャップは、格子整合系の多接合型太陽電池における値を示している。図６に示す変換波長域とバンドギャップとの関係より、格子整合系の多接合型太陽電池における、各太陽電池セルの出力電流の関係は、Ｉ（ＩｎＧａＰ），Ｉ（ＩｎＧａＡｓ）＜Ｉ（Ｇｅ）である。つまり、各太陽電池セルの出力電流の電流マッチングが取れていないため、出力電流Ｉ（Ｇｅ）がＩ（ＩｎＧａＰ）およびＩ（ＩｎＧａＡｓ）に規制され、エネルギーロスが生じている。

したがって、多接合型太陽電池１００の発電効率を向上するには、セル間の出力電流の整合の規制により生じていたエネルギーロスを減少させ、各セルにおける出力電流の間に、電流マッチング（Ｉ（ＩｎＧａＰ）≒Ｉ（ＩｎＧａＡｓ）≒Ｉ（Ｇｅ））が取れた状態を実現させる必要がある。

そのためには、ＩｎＧａＡｓセルおよびＩｎＧａＰセルのバンドギャップを小さくし、ＩｎＧａＡｓセルおよびＩｎＧａＰセルのエネルギー変換波長域を広げることが求められる。

これが実現される、多接合型太陽電池における各セルの格子定数の関係を検討すると、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘは、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値となる。

そして、これを図１に示す多接合型太陽電池１００に適用するには、ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層２２、ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２３、ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３１、ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層３２、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４２、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４３は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘを、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値とする。このときの第２の太陽電池セル４０は格子不整合系であり、例えば第２の太陽電池セル４０を格子整合系にした場合のものと比べ、格子定数は大きくなり、バンドギャップは小さくなる。

すなわち、多接合型太陽電池１００において、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘを、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値とすることで、電流マッチング（Ｉ（ＩｎＧａＰ）≒Ｉ（ＩｎＧａＡｓ）≒Ｉ（Ｇｅ））を有することができ、太陽電池の発電効率を向上することができる。

以上より、本実施形態によれば、多接合型太陽電池１００の第１の太陽電池セル１０と第２の太陽電池セル４０との間に応力緩和部を配設することで、セル間の格子定数の差に起因した応力が緩和されるため、格子不整合であっても結晶欠陥の少ない太陽電池セルを形成することができ、発電効率をさらに高めることができる。

１ ボトムセル
２ 中間領域
３ 第１のトンネル領域
４ ミドルセル
５ 第２のトンネル領域
６ トップセル
７ コンタクト層
９ 反射防止膜
１０ 第１の太陽電池セル
１１ ｐ型Ｇｅ基板
１２ ｎ型Ｇｅ層
２１ 応力緩和部
２２ ｎ型ＩｎＧａＡｓ低温バッファ層
２３ ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層
３１ ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層
３２ ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＡｓトンネル接合層
４０ 第２の太陽電池セル
４１ ｐ型ＩｎＧａｐ裏面電界層
４２ ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層
４３ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層
４４ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層４４コンタクト層
５１ ｎ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層
５２ ｐ⁺⁺型ＩｎＧａＰトンネル接合層
６０ 第３の太陽電池セル
６１ ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層
６２ ｐ型ＩｎＧａＰベース層
６３ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層
６４ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層
８１ 表面電極
８２ 裏面電極

Claims (14)

1. 第１の太陽電池セルと、
   前記第１の太陽電池セル上に形成された中間領域と、
   前記中間領域上に形成された第２の太陽電池セルと、を備え、
   前記中間領域は、前記第１の太陽電池セルの表面上に分散して配置され、前記第１の太陽電池セルと前記第２の太陽電池セルとの格子定数の差に起因する応力を緩和する応力緩和部を有する、太陽電池。
2. 前記応力緩和部は、前記第１の太陽電池セルの表面上に島状に配置される、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記応力緩和部は、導電性を有する、請求項１または２に記載の太陽電池。
4. 前記応力緩和部は、前記第２の太陽電池セルを構成する材料よりも融点が高い材料で構成される、請求項１から３のいずれかに記載の太陽電池。
5. 前記第２の太陽電池セルは、前記第１の太陽電池セルよりもバンドギャップの大きい材料で構成される、請求項１から４のいずれかに記載の太陽電池。
6. 前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、
   前記第２の太陽電池セルは、ＩｎＧａＡｓで構成される、請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池。
7. 前記第２の太陽電池セルを構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘは、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値である、請求項６に記載の太陽電池。
8. 前記中間領域は、前記第１の太陽電池セルの表面上および前記応力緩和部の表面上に形成されたバッファ層をさらに有する、請求項１から７のいずれかに記載の太陽電池。
9. 前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、
   前記第２の太陽電池セルは、ＩｎＧａＡｓで構成され、該第２の太陽電池セルを構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘが、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値であり、
   前記バッファ層は、ＩｎＧａＡｓで構成され、該バッファ層を構成するＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ中におけるＩｎの組成ｘが、０．０５＜ｘ＜０．２の範囲の値である、請求項８に記載の太陽電池。
10. 前記応力緩和部の屈折率が、前記第１の太陽電池セルの屈折率と前記バッファ層の屈折率との間の値である、請求項８または９に記載の太陽電池。
11. 前記第１の太陽電池セルは、Ｇｅで構成され、
    前記バッファ層は、ＩｎＧａＡｓで構成され、
    前記応力緩和部は、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、ＧａＳｂまたはＩｎＳｂで構成される、請求項８から１０のいずれかに記載の太陽電池。
12. 前記第２の太陽電池セル上に形成され、前記第２の太陽電池セルを構成する材料とはバンドギャップの異なる材料で構成された第３の太陽電池セルをさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の太陽電池。
13. 前記第３の太陽電池セルは、前記第２の太陽電池セルよりもバンドギャップの大きい材料で構成される、請求項１２に記載の太陽電池。
14. 前記第３の太陽電池セルは、ＩｎＧａＰで構成される、請求項１３に記載の太陽電池。

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