JP2011198975A

JP2011198975A - タンデム型太陽電池

Info

Publication number: JP2011198975A
Application number: JP2010063684A
Authority: JP
Inventors: Haruki Yokoyama; 春喜横山; Noriyuki Watanabe; 則之渡邉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】シリコンを用いたタンデム構造型太陽電池でより高い光電変換効率が得られるようにする。
【解決手段】第１半導体層１０３の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第１導電形の第２半導体層１０４と、第２半導体層１０４の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第２導電形の第３半導体層１０５と、第３半導体層１０５の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第１導電形の第４半導体層１０６と、第４半導体層１０６の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第２導電形の第５半導体層１０７とを少なくとも備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンと窒化物系化合物半導体とを用いた低コストで高効率なタンデム型太陽電池に関する。

従来、太陽電池の材料には、シリコン，非結晶シリコン，多結晶シリコン，およびゲルマニウムなどのＩＶ族半導体、または、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられてきた。

ここで、半導体のバンドギャップエネルギーは単一であるため、幅広いエネルギースペクトルを持つ太陽光を効率的に電力変換することが容易ではない。このため、太陽光を効率的に電力変換するために、バンドギャップの異なる材料を積層したタンデム型の太陽電池が開発されている。しかしながら、結晶材料を用いると、結晶の格子定数が異なるため、高品質の太陽電池を積層して作製することが容易ではない。このため、非結晶材料（アモルファス）が、タンデム構造型太陽電池に一般的に用いられてきた。

アモルファス材料を太陽電池に用いることの大きな利点は、格子定数に制約されない様々な基板上に形成が可能であり、太陽電池の低コスト化を実現できることにある。しかし、アモルファス材料は層中に多くの欠陥を含むため、この欠陥が、受光により発生した電子を捕獲する再結合中心として働く。この結果、アモルファス材料を用いる場合、単結晶材料と比較して光電変換効率が小さく、また、光照射によってその光電変換効率が低下するという問題がある（非特許文献１参照）。

前述したタンデム構造型太陽電池として、シリコンとゲルマニウムを用いた太陽電池が提案されている（非特許文献２参照）。このタンデム構造型太陽電池は、図５に示すように、ステンレスからなる基板５０１上に、ｎ形微結晶シリコンからなる半導体層５０２、バンドギャップエネルギーが１．４ｅＶの水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）からなる半導体層５０３、ｐ形微結晶シリコンからなる半導体層５０４を備えている。

また、半導体層５０４の上には、ｎ形微結晶シリコンからなる半導体層５０５、バンドギャップエネルギーが１．６ｅＶのａ−ＳｉＧｅ：Ｈからなる半導体層５０６、ｐ形微結晶シリコンからなる半導体層５０７を備えている。さらに、半導体層５０７の上には、ｎ形微結晶シリコンからなる半導体層５０８、バンドギャップエネルギーが１．８ｅＶの水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる半導体層５０９、ｐ形微結晶シリコンからなる半導体層５１０を備えている。

上述した太陽電池では、アモルファス材料を用いることにより３層のタンデム構造を実現している。しかしながら、アモルファス材料を用いているため、前述した問題により光電変換効率は１４．６％と、タンデム構造としていない単結晶シリコンを用いた太陽電池（２０％程度）に比較してあまり大きくない。

また、窒化物系半導体とシリコンとを用いたタンデム構造型太陽電池も提案されている（非特許文献３参照）。窒化物系半導体の開発は、レーザダイオードおよび発光ダイオードの分野で大きく進展し、窒化物系半導体の結晶品質も近年急速に向上している。典型的な窒化物半導体であるＡｌＮ，ＧａＮ，およびＩｎＮのバンドギャップエネルギーは、各々６．２ｅＶ，３．４ｅＶ，および０．７ｅＶである。これらの窒化物系半導体の混晶を用いれば、幅広いバンドギャップエネルギーの材料を合成することができ、広い範囲の太陽光スペクトルをカバーできることから、太陽電池への応用が最近注目されている。

このような窒化物系半導体を用いた非特許文献３のタンデム構造型太陽電池は、図６に示すように、ｎ形不純物をドーピングした単結晶シリコンからなる基板６０１上、にｐ形不純物をドーピングした単結晶シリコンからなるシリコン層６０２と、ｎ形不純物をドーピングしたＧａＮからなる半導体層６０３と、ｐ形の不純物をドーピングしたＧａＮからなる半導体層６０４とを備えている。

このタンデム構造型太陽電池は、２層のタンデム構造を実現しているが、シリコンとＧａＮのバンドギャップエネルギーの組み合わせが悪いために、の光電変換効率は低い値（１．２％）になっている。

太陽電池ハンドブック（電気学会太陽電池調査専門委員会編） J. Yang, et al. , "Amorphous and nanocrystalline silicon-based multi-junction solar cell", Thin Solid Film, vol.487, pp.162-169, 2005. L. A. Reichertz, at al. ,"Demonstration of a III-Nitride/Silicon Tandem Soler Cell", Applied Physics Express, vol.2, pp.12202-1-12202-3, 2009. L. Hsu, et al. ,"Modeling og InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, pp.024507-1-024507-7, 2008. J. W. Ager, et al. ,"InGaN/Si heterojunction tandem solar cells", Photovolatic Specialist Conference, 2008, PVSC’08, pp.1-5, 2008.

上述したように、従来のタンデム構造型太陽電池では、光電変換効率があまり高くなっていないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンを用いたタンデム構造型太陽電池でより高い光電変換効率が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係るタンデム型太陽電池は、第１導電形の第１シリコン層と、この第１シリコン層の上に形成された第２導電形の第２シリコン層と、この第２シリコン層の上に形成されたＡｌＮからなる第１半導体層と、この第１半導体層の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第１導電形の第２半導体層と、この第２半導体層の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第２導電形の第３半導体層と、この第３半導体層の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第１導電形の第４半導体層と、この第４半導体層の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第２導電形の第５半導体層とを少なくとも備える。

上記タンデム型太陽電池において、第１シリコン層および第２シリコン層は、主表面が（１１１）面とされているとよりよい。

以上説明したように、本発明によれば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）およびＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）を用いるようにしたので、シリコンを用いたタンデム構造型太陽電池でより高い光電変換効率が得られるようになる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるタンデム型太陽電池の構成を示す構成図である。図２は、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮの格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す相関図である。図３は、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーと各々におけるＩｎ組成との関係を示す相関図である。図４は、本発明の実施の形態２におけるタンデム型太陽電池の構成を示す断面図である。図５は、タンデム構造型太陽電池の構成を示す構成図である。図６は、タンデム構造型太陽電池の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるタンデム型太陽電池の構成を示す構成図である。図１は、本実施の形態におけるタンデム型太陽電池の一部断面を模式的に示している。このタンデム型太陽電池は、第１導電形の第１シリコン層１０１と、第１シリコン層１０１の上に形成された第２導電形の第２シリコン層１０２と、第２シリコン層１０２の上に形成されたＡｌＮからなる第１半導体層１０３とを備える。

また、このタンデム型太陽電池は、第１半導体層１０３の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第１導電形の第２半導体層１０４と、第２半導体層１０４の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第２導電形の第３半導体層１０５と、第３半導体層１０５の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第１導電形の第４半導体層１０６と、第４半導体層１０６の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第２導電形の第５半導体層１０７とを少なくとも備える。なお、図示していないが、第１導電形の第１シリコン層１０１および第２導電形の第５半導体層１０７に各々電極が形成されている。

上述した本実施の形態におけるタンデム型太陽電池によれば、第１シリコン層１０１および第２シリコン層１０２からなるタンデム型太陽電池の上に、バンドギャップエネルギー（エネルギーギャップ）が１．４〜１．６ｅＶとなるＩｎＧａＮのｐｎ接合、およびバンドギャップエネルギーが１．８８〜２．０８ｅＶとなるＩｎＡｌＮのｐｎ接合が積層されている。また、ＩｎＧａＮの層は、ＡｌＮの層を介して形成されている。これらのことにより、本実施の形態におけるタンデム型太陽電池によれば、高い光電変換効率が得られるようになる。

以下、本実施の形態におけるタンデム型太陽電池で、高い変換効率が得られることについて説明する。

水素化アモルファスシリコンより変換効率が高く、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりも低コストでタンデム型太陽電池が作製可能なことから、広く用いられているのが、結晶シリコンを用いて形成されたタンデム型太陽電池である。タンデム型太陽電池が構成されているシリコン基板の上に、バンドギャップエネルギーを最適化した結晶材料のタンデム構造が実現できれば低コストであり、かつ、高効率のタンデム構造型タンデム型太陽電池が実現できる。

結晶シリコンのバンドギャップエネルギーは、１．１２ｅＶである。結晶シリコンを用い、上述したような３層のタンデム型太陽電池を考えた場合、最も効率がよくなるのは、結晶シリコン上に、バンドギャップエネルギーが１．５ｅＶの材料、およびバンドギャップエネルギーが１．９８ｅＶの材料を積層したときであること（光電変換効率約３５％）が、理論計算から知られている（非特許文献４参照）。

また、結晶シリコン上には、特に、主表面が（１１１）面とされたシリコンの上には、ＡｌＮを中間層として高品質のＩｎＧａＮ結晶が形成できることが報告されている（非特許文献５参照）。

上述したことより、結晶シリコン上に、ＡｌＮを中間層としてバンドギャップエネルギーが１．５ｅＶになる窒化物半導体を成長し、この上に格子整合するバンドギャップエネルギーが１．９８ｅＶ付近の窒化物半導体が積層できれば、タンデム型太陽電池が形成されている結晶シリコンを基板に用い、高効率のタンデム型太陽電池が得られることになる。

前述のように、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーは、各々６．２ｅＶ、３．４ｅＶ、０．７ｅＶである。ここで、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮについて、格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を調べると、図２に示すように変化することが判明した。この関係より、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーが１．５ｅＶの時の格子定数に、バンドギャップエネルギーが１．９５ｅＶのＩｎＡｌＮが格子整合することが判明した。

これらのことは、これまでは難しいとされてきた高効率が期待できるバンドギャップエネルギーを有する結晶材料を、単結晶シリコンの上に格子整合した高品質な状態で積層でき、結果として低コストで高効率のタンデム型太陽電池構造が実現できることを意味している。

前述したように、結晶シリコンからなる太陽電池を基板に用いたタンデム型太陽電池の効率が最大（光電変換効率約３５％程度）になるのは、バンドギャップエネルギーが１．５ｅＶの材料の層と１．９８ｅＶの材料の層とを積層した場合である。ただし、これらの材料のバンドギャップエネルギーから±０．１ｅＶ程度ずれても、太陽電池の効率は実用上十分に高い。

図３は、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーと、各々におけるＩｎ組成との関係を示す相関図である。ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーが１．４〜１．６ｅＶとなるのは、Ｉｎ組成が０．５３〜０．６１の時であることが分かる。一方、これと格子整合するＩｎＡｌＮのＩｎ組成は０．６２〜０．６８であり、この組成範囲では、ＩｎＡｌＮのバンドギャップエネルギーは、１．８８〜２．０８ｅＶとなる。従って、これらの程度の範囲でＩｎ組成を変化させても、タンデム型太陽電池としては十分に利用できるものと考えられる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるタンデム型太陽電池の構成を示す断面図である。このタンデム型太陽電池は、ｎ形とされたシリコン基板（第１シリコン層）４０１と、シリコン基板４０１の上に形成されたｐ形のシリコン層（第１シリコン層）４０２と、シリコン層４０２の上に形成されたＡｌＮからなる層厚５０ｎｍの中間層（第１半導体層）４０３とを備える。

また、このタンデム型太陽電池は、中間層４０３の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．５７）からなる層厚２００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮ層４０４と、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４の上に形成された層厚２００ｎｍのＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．５７）からなるｐ−ＩｎＧａＮ層４０５と、ｐ−ＩｎＧａＮ層４０５の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（ｙ＝０．６５）からなる層厚２００ｎｍのｎ−ＩｎＡｌＮ層４０６と、ｎ−ＩｎＡｌＮ層４０６の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（ｙ＝０．６５）からなる層厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＡｌＮ層４０７とを少なくとも備える。

また、シリコン基板４０１の裏面に形成されたＮｉからなる層厚２００ｎｍのオーミック電極層４０８と、ｐ−ＩｎＡｌＮ層４０７の上に形成されたＮｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）からなるオーミック電極層４０９を備える。オーミック電極層４０９は、例えば、平面視短冊状に形成され、オーミック電極層４０９以外の領域のｐ−ＩｎＡｌＮ層４０７上には、酸化シリコンからなる反射防止膜４１０が形成されている。

次に、上述した本実施の形態におけるタンデム型太陽電池の製造方法について簡単に説明する。まず、上述した各層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて形成することができる。この気相成長法において、ＩＩＩ族元素であるＩｎ、Ｇａ、Ａｌの原料には、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメリルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いればよい。また、Ｖ族元素である窒素の原料には、アンモニア（ＮＨ₃）を用いればよい。

また、ｎ形とするためのシリコンのドーピングにはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を用い、ｐ形とするためのマグネシウムのドーピングには、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いればよい。また、キャリアガスには水素を用い、基板の加熱はタンズステンヒーターを用い行い、各層をエピタキシャル成長させるときの処理容器内の圧力（成長圧力）は、９８０６．６５Ｐａ程度とすればよい。

また、中間層４０３は、成長温度（設定値）を１０００℃として形成すればよく、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４は、シリコンをドーピングしてｎ形とし、成長温度８５０℃として形成すればよく、ｐ−ＩｎＧａＮ層４０５は、マグネシウムをドーピングしてｐ形とし、成長温度８５０℃として形成すればよく、ｎ−ＩｎＡｌＮ層４０６は、シリコンをドーピングしてｎ形とし、成長温度８５０℃として形成すればよく、ｐ−ＩｎＡｌＮ層４０７は、マグネシウムをドーピングしてｐ形とし、成長温度８５０℃として形成すればよい。

上述した構成では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形の場合となる。なお、上述した各窒化物半導体の層の形成（成長）は、供給する原料ガスおよび成長温度を適宜に変更設定することで、連続して行えばよい。また、各電極は、よく知られたリフトオフ法および蒸着法により形成することができる。また、反射防止膜４１０は、スパッタ法により酸化シリコンの膜を形成した後、よく知られたフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで形成すればよい。

上述した層構成としたタンデム型太陽電池を、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定により評価した結果、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮのエネルギーギャップに対応した発光が、１．５ｅＶおよび１．９５ｅＶに各々観測される。さらに、光学顕微鏡により結晶表面（第５半導体層１０７の表面）を観察すると、鏡面であり、格子緩和によるクロスハッチ等の表面欠陥の発生は観測されない。これらの結果は、高品質のＩｎＡｌＮ/ＩｎＧａＮ/シリコンの構造のタンデム型太陽電池が作製されていることを示している。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、窒化物半導体の各層をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法など、他の窒化物半導体の結晶成長法でも同様の構造が作製可能であることはいうまでもない。また、上述では、第１導電形をｎ形とし、第２導電形をｐ形としたが、第１導電形をｐ形とし、第２導電形をｎ形としてもよい。

１０１…第１シリコン層、１０２…第２シリコン層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…第３半導体層、１０６…第４半導体層、１０７…第５半導体層。

Claims

第１導電形の第１シリコン層と、
この第１シリコン層の上に形成された第２導電形の第２シリコン層と、
この第２シリコン層の上に形成されたＡｌＮからなる第１半導体層と、
この第１半導体層の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第１導電形の第２半導体層と、
この第２半導体層の上に形成されたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．５３≦ｘ≦０，６１）からなる第２導電形の第３半導体層と、
この第３半導体層の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第１導電形の第４半導体層と、
この第４半導体層の上に形成されたＩｎ_yＡｌ_1-yＮ（０．６２≦ｙ≦０．６８）からなる第２導電形の第５半導体層と
を少なくとも備えることを特徴とするタンデム型太陽電池。
請求項１記載のタンデム型太陽電池において、
前記第１シリコン層および前記第２シリコン層は、主表面が（１１１）面とされている
ことを特徴とするタンデム型太陽電池。