JP2011077293A - 多接合型太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】中間ナローバンドギャップ層をトンネル接合領域に有し、光電変換効率を大幅に改善するようにした多接合型太陽電池を提供すること。
【解決手段】ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層１２と、第２のトンネル接合層１４と、ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層１５と、第１のトンネル接合層１６と、ＩｎＧａＰからなる上部セル層１７と、表面電極１８とで構成され、第２のトンネル接合層１４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層1４２とで挟持された中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ層１４ａからなり、第１のトンネル接合層１６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１６２とで挟持された中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ１６ａからなっている。
【選択図】図２
【解決手段】ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層１２と、第２のトンネル接合層１４と、ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層１５と、第１のトンネル接合層１６と、ＩｎＧａＰからなる上部セル層１７と、表面電極１８とで構成され、第２のトンネル接合層１４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層1４２とで挟持された中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ層１４ａからなり、第１のトンネル接合層１６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１６２とで挟持された中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ１６ａからなっている。
【選択図】図２
Description
本発明は、多接合型太陽電池に関し、より詳細には、中間ナローバンドギャップ層をトンネル接合領域に有する多接合型太陽電池に関する。
太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器で、太陽電池の内部に入射した太陽光のエネルギーが、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力するものである。現在の一般的な太陽電池は、ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造、すなわち、ｐｎ接合型ダイオード（フォトダイオード）の構造を有している。
このような太陽電池は、クリーンエネルギー源として注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コストが高いことが実用化の大きな障害となっている。
太陽電池の発電コストを低くするためには、発電効率を高くすることが重要な要素であり、これを実現するため接合型太陽電池の開発が行われている。この接合型太陽電池は、吸収波長域の異なるセル層を複数接合させた構造をしている。具体的には、太陽光の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料より成るセル層、その下部にバンドギャップの小さな半導体材料より成るセル層を配置している。上部のセル層では太陽光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電変換され、下部のセル層では上部のセル層で吸収されず透過した残りの長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換するように構成され、太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
例えば、特許文献１には、ＩｎＧａＰセル層と、ＧａＡｓセル層とＧａＩｎＮＡｓセル層を第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの２接合型太陽電池が開示されている。また、非特許文献１にはＩｎＧａＰセル層とＩｎＧａＡｓセル層とＧｅセル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が示されている。
図１は、非特許文献１に記載されている従来のトンネル型３接合太陽電池を説明するための構成図で、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型太陽電池が示されており、裏面電極１と、ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層２と、Ｓｉドープの（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層３と、第２のトンネル接合層４と、ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層５と、第１のトンネル接合層６と、ＩｎＧａＰからなる上部セル層７と、コンタクト層（ｎ（Ｉｎ）ＧａＡｓ）８と、表面電極９とで構成されている。
このうち、化合物半導体積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的である。これを通常の半導体プロセスで必要なデバイス形状に加工した後、反射防止膜１０と表面電極９とを形成して３接合型太陽電池が構成されている。
このうち、下部セル層２は、ｐ型Ｇｅ基板２１とｎ型Ｇｅ層２２からなり、第２のトンネル接合層４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層４２とからなり、中間セル層５は、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層５１とＺｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層５２とＳｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層５３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層５４とからなっている。
また、第１のトンネル接合層６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層６２とからなり、上部セル層７は、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層７１とＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層７２とＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層７３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層７４とからなっている。
「High efficiency InGaP/InGaAs tandem solar cells on Ge substrates」 T. Takamoto, T. Agui, E. Ikeda. Photovoltaic Specialists Conference 2000, conference record of 28 th IEEE, pp.976-981.
しかしながら、上述した特許文献１に示すような接合型太陽電池で高い光電変換をえるためには、各セルのバンドギャップを最適化し、入射光のエネルギーを損失無く電気エネルギーに変換することはもとより、セル内部での素子抵抗による発熱損失や電極抵抗による損失を減らすことも重要である。
上述した非特許文献１に記載されている３接合太陽電池では、各々の太陽電池セル間を低抵抗で、かつ光学的な損失が出来るだけ少なく接続するために、トンネル接合が用いられている。これは極めて高濃度にドーピングした半導体層からなるｐｎ接合を利用し、量子力学的にトンネル電流が流れることを使って各セル間を電気的に接続するものである。この方法によれば、金属層などを使って接続する方法と比べると、基板上に太陽電池セルとトンネル接合を連続で成長出来るため作成工程が簡単になるばかりでなく、光学的な損失の少ない接合が形成できるとしている。
しかしながら、これらの特性を実現するために、構造上の制約がある。例えば、非特許文献１（図１）において良好な第１のトンネル接合層６を形成するには、下部に透過する光の吸収損失を少なくするために、中間セル層５よりもバンドギャップの広い半導体を用いることが望ましい。また、ｐ型層６２においてはフェルミレベルが価電子帯の上端付近まで下がっていること、ｎ型層６１においてはフェルミレベルが伝導帯の下端付近まで上がっていること、すなわち、それぞれ不純物濃度が十分に高いことが必要である。
一方、トンネル接合と接触する上部セルのｐ型層７１においても、同様の理由で中間セル層５よりもバンドギャップの広い半導体を用いること、正孔電流にとって障壁にならないためにｐｎ接合のｐ型層７２と価電子帯オフセットが出来るだけ小さいこと、電子のオーバーフローを防止するためにｐｎ接合のｐ型層７２と伝導帯のオフセットが大きいこと、などが望まれる。
また、これらの各ヘテロ成長界面にミスフィット転位などの欠陥や界面準位などが発生すると、少数キャリア寿命が減少し、太陽電池の効率の低下につながる。更に進めば貫通欠陥としてリーク電流の原因になり、発電機能を全く失ってしまう。そのため各々の格子定数などは出来るだけ整合させることが望ましい。
しかしながら、一般的にこれらの要求を全て満足する構造を作製することは困難である。例えば、トンネル接合層のｎ型層６１でバンドギャップを広くするためにＧａの組成を増やせば、接触している中間セル層のＡｌＩｎＰ層５４や基板として用いているＧｅとの格子ミスマッチが大きくなる。また、不純物量を増やせば、欠陥密度の増加や不純物によるイオン散乱などによって少数キャリア寿命の低下を招き、発電効率の低下に繋がるばかりでなく、成長中のオートドーピングが起こって所望の構造が作れない危険性も高くなるなどの問題が生じる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バンドギャップエネルギーの小さい層をトンネル接合領域に有して光電変換効率を大幅に改善するようにした多接合型太陽電池を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、前記ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、該トンネル接合層中に、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間ナローバンドギャップ層）を含むことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記中間ナローバンドギャップ層が、Ａｓ及び／又はＳｂを含む化合物半導体であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記中間ナローバンドギャップ層が、ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂの何れかからなることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記中間ナローバンドギャップ層の厚さが、６Å以上１００Å以下であることを特徴とする。
本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、このトンネル接合層が、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間ナローバンドギャップ層）を含んでいることによって、結晶欠陥などに由来する貫通転位の発生を抑止することが出来、また各太陽電池セル間を低抵抗で接続できるため、光電変換効率を大幅に改善することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図２は、本発明の多接合型太陽電池の一実施例を説明するための構成図で、この多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池である。
図２は、本発明の多接合型太陽電池の一実施例を説明するための構成図で、この多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池である。
本発明の多接合型太陽電池は、裏面電極１１が形成されたｐ型Ｇｅ基板に下部セル層１２が形成される。これにはｐ型のＧｅ基板にｎ型のドーパントを、イオン打ち込みを行うか熱拡散するなどの方法によってｐｎ接合を形成することが一般的に行われる。この下部セル層１２上にＳｉドープしたｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層１３と、このバッファ層１３上に設けられた第２のトンネル接合層１４と、この第２のトンネル接合層１４上に設けられたＩｎＧａＡｓからなるｐｎ接合を含む中間セル層１５と、この中間セル層１５上に設けられた第１のトンネル接合層１６と、この第１のトンネル接合層１６上に設けられたＩｎＧａＰからなるｐｎ接合を含む上部セル層１７と、この上部セル層１７上に設けられたｎ型コンタクト層（ｎ（Ｉｎ）ＧａＡｓ）１８が形成されている。これらの化合物半導体積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的である。これを通常の半導体プロセスで必要なデバイス形状に加工した後、反射防止膜２０と表面電極１９とを形成して３接合型太陽電池が構成されている。
このうち、下部セル層１２は、ｐ型Ｇｅ基板１２１とｎ型Ｇｅ層１２２からなり、第２のトンネル接合層１４は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１４１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層1４２とで挟持された第２の中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ層１４ａからなり、中間セル層１５は、Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層１５１とＺｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層１５２とＳｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層１５３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層１５４とからなっている。
また、第１のトンネル接合層１６は、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１６１とＣドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１６２とで挟持された第１の中間ナローバンドギャップ層であるＩｎＳｂ１６ａからなり、上部セル層１７は、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層１７１とＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層１７２とＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層１７３とＳｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層１７４とからなっている。
つまり、本発明の多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、このトンネル接合層中に、このトンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層（中間バローバンドギャップ層）を含むものである。
本発明の特徴的な構成である中間ナローバンドギャップ層としては、Ａｓ及び／又はＳｂを含む化合物半導体であり、ＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂなどの化合物半導体層であることが望ましく、具体的にはＩｎＳｂ、ＧａＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどが挙げられる。
また、トンネル接合中に含まれる化合物半導体層の厚さは、６Å以上１００Å以下であることが望ましい。膜厚が６Åよりも小さいと、後述するような応力を面内に逃す効果が十分に得られない。また膜厚が１００Åよりも厚くなると、中間ナローギャップ層での光吸収によって下層の太陽電池セルに到達する光が減少し、発電効率の低下を招く。
通常の多接合型太陽電池においては、光の入射方向に沿って徐々にバンドギャップが小さくなるように化合物半導体が配置される。これは下部の太陽電池セルで吸収させるべき光を、出来るだけ損失の少ない状態で到達させるための配慮である。したがって、太陽電池セル間を接続するトンネル接合にも、下部セルよりもバンドギャップの大きい材料が使用されるのが一般的である。
図３（ａ），（ｂ）は、従来のトンネル接合層と本発明の中間ナローバンドギャップ層を有するトンネル接合層とを比較する説明図で、（ａ）は従来のトンネル接合層、（ｂ）は本発明のトンネル接合層を示している。
従来は、図３（ａ）に示すように、接合しているトンネル接合層を構成するｐｎ接合層間を低抵抗で接続するため、高濃度に不純物ドーピングした層を挿入したトンネル接合が用いられている。トンネル接合層において小数キャリアが逆方向に拡散するのを防止するためには、太陽電池の活性層との伝導体のオフセット、価電子帯のオフセットが大きく取れるワイドギャップの材料を挿入することが望ましいが、このようなワイドギャップ材料で良好なトンネル接合を得るためには、概ね１０18ｃｍ-3以上の高濃度の不純物ドーピングを行う必要があり、不純物による欠陥の発生やそれに伴う少数キャリアの再結合、成長中のドーパントの拡散（オートドーピング）などの問題がある。
そこで、本発明においては、図３（ｂ）に示すように、ｐｎ接合層間に中間ナローバンドギャップ層を挿入した。この構造によって、それぞれの少数キャリアが中間ナローバンドギャップ層の領域まで拡散できるようになり、ナローギャップを容易に通過して低抵抗のセル間接続が実現出来る。これによってトンネル層に用いている材料のバンドギャップや不純物濃度を従来よりも減らすことが可能になり、少数キャリアの再結合やオートドーピングの問題を軽減できる。またナローバンドギャップ材料に含まれるＳｂやＡｓなどイオン半径の大きなイオンの存在によって、面内にすべり転位の発生が起こり易くなるため、トンネル層の挿入によって生じた応力を層の面内方向に逃がして貫通転位の発生しにくくする効果もある。
このように中間ナローバンドギャップ層を挿入することによって、低抵抗で且つ過剰な不純物ドーピングによる少数キャリアの再結合などを低減することが可能になり、高い光電変換効率を持った多接合太陽電池を実現できる。
１，１１ 裏面電極
２，１２ ｐ型Ｇｅ基板を含む下部セル層
３，１３ Ｓｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓからなるバッファ層
４，１４ 第２のトンネル接合層
５，１５ ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層
６，１６ 第１のトンネル接合層
７，１７ ＩｎＧａＰからなる上部セル層
８，１８ ｎ型コンタクト層
９，１９ 表面電極
１０，２０ 反射防止膜
１４ａ 第２の中間ナローバンドギャップ層
１６ａ 第１の中間ナローバンドギャップ層
２１，１２１ ｐ型Ｇｅ基板
２２，１２２ ｎ型Ｇｅ層
４１，１４１ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
４２，１４２ Ｃドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層
５１，１５１ Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層
５２，１５２ Ｚｎドープのｐ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層
５３，１５３ Ｓｉドープのｎ型（Ｉｎ）ＧａＡｓ層
５４，１５４ Ｓｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層
６１，１６１ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
６２，１６２ Ｃドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層
７１，１７１ Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層
７２，１７２ Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層
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４，１４ 第２のトンネル接合層
５，１５ ＩｎＧａＡｓからなる中間セル層
６，１６ 第１のトンネル接合層
７，１７ ＩｎＧａＰからなる上部セル層
８，１８ ｎ型コンタクト層
９，１９ 表面電極
１０，２０ 反射防止膜
１４ａ 第２の中間ナローバンドギャップ層
１６ａ 第１の中間ナローバンドギャップ層
２１，１２１ ｐ型Ｇｅ基板
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６１，１６１ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
６２，１６２ Ｃドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ層
７１，１７１ Ｚｎドープのｐ型ＡｌＩｎＰ層
７２，１７２ Ｚｎドープのｐ型ＩｎＧａＰ層
７３，１７３ Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＰ層
７４，１７４ Ｓｉドープのｎ型ＡｌＩｎＰ層
Claims (4)
- バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する多接合型太陽電池において、
前記ｐｎ接合間が、トンネル接合層を介して接続され、該トンネル接合層中に、該トンネル接合よりも下層にあるｐｎ接合を形成している化合物半導体に比べて小さいバンドギャップエネルギーを持つ化合物半導体層を含むことを特徴とする多接合型太陽電池。 - 前記化合物半導体層が、Ａｓ及び／又はＳｂを含む化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の多接合型太陽電池。
- 前記化合物半導体層が、ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂの何れかからなることを特徴とする請求項２に記載の多接合型太陽電池。
- 前記化合物半導体層の厚さが、６Å以上１００Å以下であることを特徴とする請求項１に記載の多接合型太陽電池。
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