JP2012054424A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】開放電圧を増大させることにより、変換効率が高い太陽電池を得ることを目的とする。
【解決手段】ヘテロ接合型太陽電池において、半導体Ａと該半導体Aと伝導体が異なり、かつ半導体Aの電子親和力a1より大きい電子親和力a2を有する半導体Ｂとを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とする。又半導体Ａと該半導体Aと伝導体が異なり、かつ半導体Aの電子親和力a1より大きい電子親和力a2を有する半導体Ｂとを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とするヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記半導体Aがp型シリコンであつて、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、このゲルマニウム層を除去することにより酸化膜を除去した後に、ｎ型GaPを形成することを特徴とする。得られた太陽電池における開放電圧は２Vで、高い開放電圧が得られた。
【選択図】図１

Description

本願の発明は、新規な太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽光は近赤外光から紫外光に至る広いスペクトル分布を有しており、そのエネルギーのピークは緑色光帯域近傍にある。また、高い量子効率を有する太陽電池を得るためには、半導体のバンド幅が太陽光スペクトルのピーク帯域にあることが好ましいことは知られている。
緑色光以上のバンド幅の大きな半導体では、光により励起されて生成したキャリアの再結合が起こりにくいので、開放電圧を高くすることが容易であり、ひいては最大出力が得られる動作電圧が高くすることができる。高効率な太陽電池を得るためには、シリコンよりバンド幅の大きな半導体、例えば、GaAsのような半導体を用いられることは知られている。
一方、太陽電池を製造するための半導体材料につては、シリコンが広く用いられているが、シリコンと同様の単一IV族元素半導体であるゲルマニウムは、あまり用いられていない。この理由の一つは、ゲルマニウムのバンド幅は、0.65eVであり、またｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池の開放電圧が0.27Vと低いためで、高出力な太陽電池が作られにくいためである。
一方、シリコンのバンド幅は、1.1eVであり、ｐｎ接合型シリコン太陽電池の開放電圧では0.6-0.65Vが得られる。
このようにゲルマニウムのようにバンド幅が小さい半導体では、光励起により生成した電子とホールが再結合する確率が高まるので、太陽電池特性を供するためのｐｎ接合を流れる逆方向の飽和電流が大きくなり、開放電圧が小さくなる問題点がある。しかし、バンド幅が小さいゲルマニウム半導体を用いると、シリコンでは吸収できない長波長光帯域から短波長帯域まで広く活用できる出来、短絡電流を大きくできる。
上記のように高効率な太陽電池を得ることを目的に、短絡電流を大きくするためにはバンド幅の小さな半導体を用いるのが好ましいが、また大きな開放電圧を得るためにはバンド幅の大きな半導体を用いるのが好ましい。従ってこれらの相反する現象のなかで、高効率化という技術的課題を解決するために多接合型太陽電池が有効である。
太陽光スペクトルの波長帯域をいくつかに分割し、各々の帯域の光を有効に電気エネルギーに変換するための手法として、多接合型太陽電池、即ち、いくつかの種類、即ち異なるバンド幅の半導体を用いてｐｎ接合を作り、かつ積層化させた多接合型太陽電池が作られている。多接合の数を増やすためには、格子整合する半導体同志の組合せが好ましい。
現状では、ｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池とｐｎ接合型InGaAs太陽電池、ｐｎ接合型InGaP太陽電池をそれぞれトンネル接合で接続して用いられていることが一般的である。当該構造はゲルマニウム基板の上にMOCVD法で順次エピタキシャル成長されている。このため、高度な半導体成長を繰り返し行う必要があり、高価である。
ゲルマニウムのようなバンド幅の小さい半導体を用いて、太陽電池を製作した場合、例えば、図３に示すように通常よく用いられる拡散法を用いて、ｐｎ接合を形成すると、表面での結晶の不連続性のために生じる表面順位や結晶欠陥により、光照射で励起された電子（０５）とホール（０６）はそれぞれｎ型半導体（０７）とｐ型半導体（０８）の方に拡散していくが、再結合が促進され、結果的に逆方向の挿話電流を増加させ、開放電圧を上げることができなかった。
異種の半導体層を用いて窓層を形成して、表面順位密度を低減することができることは周知の事実である。異種の半導体を形成する場合の問題点は、その界面において相当量の応力を生じせしめ、界面での格子欠陥を生じやすくなるために、異種の半導体の選択と組合せには制約が伴う。ヘテロ接合を形成する場合に生じるバンドの不連続性により障壁が生じるため、光励起されたキャリアが滞留し、再結合を増加させる問題点がある。このためヘテロ接合による太陽電池は製造上難しいので、広くは用いられていない。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、半導体Ａと該半導体Aと伝導体が異なり、かつ半導体Ａの電子親和力a1より大きい電子親和力a2を有する半導体Ｂを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体AがIV族系半導体であり、前記半導体BがIII−V化合物半導体であることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体Aがp型の間接遷移型半導体であり、前記半導体Bがｎ型直接遷移型半導体であることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体Aがｐ型ゲルマニウムであり、前記半導体Bがｎ型InGaPであることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記Inと前記Gaの組成比はそれぞれ49%と51%としたことを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、ｐ型ゲルマニュムのホールキャリアー濃度を１０１８ｃｍ−３に制御したことを特徴とする 。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体Aがｐ型シリコンであり、前記半導体Bがｎ型GaPを主成分とする混晶であることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記GaPには窒素のドープ量を０．２％とし、格子整合は０．１％以内でGaPとSiとの間で各々で格子整合が取られていることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体Aがｐ型であり、かつシリコンとゲルマニウムとの混晶であり、前記半導体Bがｎ型化合物半導体の混晶であることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、半導体Aがｐ型シリコンカーバイド形成され、その表面にｎ型AlNを設けたことを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池において、前記半導体Aがp型シリコンであり、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、該ゲルマニウム層を除去することにより、酸化膜を除去した後、ｎ型GaPを形成させたことを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、半導体Ａと該半導体Aと伝導体が異なり、かつより電子親和力の大きい半導体Ｂとを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とするヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記半導体Aがp型シリコンであつて、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、このゲルマニウム層を除去することにより酸化膜を除去した後に、ｎ型GaPを形成することを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記半導体Aがｐ型シリコンであり、前記半導体Bがｎ型GaPを主成分とする混晶であることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記GaPには窒素のドープ量を、０．２％とし、格子整合は０．１％以内でGaPとSiとの間で各々で格子整合が取られていることを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、半導体Aがｐ型シリコンカーバイド形成され、その表面にｎ型AlNを設けたことを特徴とする。
本願の発明は、ヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記半導体Aがp型シリコンで、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、該ゲルマニウム層を除去することにより、酸化膜を除去した後、ｎ型GaPを形成させたことを特徴とする。
図１は、本願の発明に係る太陽電池の原理説明図である。
ヘテロ接合における界面（０９）での欠陥は太陽光の照射により発生した少数キャリアの再結合を極力低減せしめるため、各々のキャリアが多数キャリアとなる領域に移動させ、光励起されたキャリアの再結合を抑制し、逆方向の飽和電流を増大せしめない構造を提供する。この時、電子親和力の小さいｐ型半導体基板（０１）の上に、電子の親和力の大きなかつ禁制帯幅の大きなｎ型半導体（０２）を積層されている。ｎ型p半導体基板（０２）の上には負極の電極（０３）、ｐ型半導体基板（０１）には正極の電極（０４）が配置されている。ｎ側電極（０３）とｐ側電極（０４）はおのおのｎ型半導体層（０２）とp型半導体層（０１）上に形成されている。このような構造を採用することにより、ホールの移動を速やかに促進することにより、再結合を起こりにくくすることで問題を解決する。
更に本願の発明に係る太陽電池の原理説明図を図２に示す。
本願の発明に係る太陽電池においては、光励起されたキャリアを、特にホールを速やかに移動させる構造を取る。半導体の片方に、異なる種類の半導体を配置し、バンドの不連続性により、有効質量の大きいホールを速やかに移動することができる。
そのためにバンド幅の大きく、電子親和力の大きい半導体を表面に形成し、電気的位置エネルギーを大きくすることにある。 特に、単一元素半導体であるシリコンやゲルマニウムにおいては、電子親和力の大きな半導体を窓層に配置して、特に移動度の小さい正孔を電気ポテンシャルの不連続性を利用して、速やかに多数キャリアとなるp型半導体層に輸送せしめることにより、再結合を抑制する。
上記のような構成により、バンド幅の小さい半導体を用いた太陽電池において、光励起したキャリアの再結合を防止し、開放電圧の増大を実現せしめることができる。通常のｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池の開放電圧は、0.27Vであるのに対し、本願の発明に係るヘテロ接合型太陽電池においては、開放電圧は、0.55-0.71Vであった。開放電圧を増大させることにより、変換効率が高い太陽電池を得ることができる。
また通常のｐｎ接合型シリコン太陽電池の開放電圧は、0.6-0.65Vに対し、本願の発明に係るシリコンヘテロ接合太陽電池においては、0.8-0.9Vであった。
本願の発明に係る太陽電池の基本説明図である。 本願の発明に係る太陽電池の基本説明図である。 従来のｎｐ接合太陽電池の原理説明図である。 本願の発明に係るｎInGaP ・ｐGe太陽電池の断面図である。 本願の発明に係るｎInGaP/ｐGe//ｎ InGaAs/ｐInGaAs// ｐInGaP/ｎInGaP３接合太陽電池の断面図である。 本願の発明に係るｎGaP/ｐSi太陽電池の断面図である。 本願の発明に係るｎAlN/pSiC太陽電池の断面図である。
図４は、本願の発明に係る太陽電池の第１実施例を示す。
ゲルマニウム基板（１０）は、方位〈１００〉、厚さ200μｍ、p型ゲルマニウムで、ホールキャリア濃度１０１８ｃｍ−３に制御されている。 基板（１０）は予め、十分にHF等の酸で洗浄した後、ｎ型半導体層として、ｎ型InGaP層（１１）をMOCVD法（有機金属気相成長法）により、550℃で形成されている。膜厚は０．１μｍとした。 格子歪による応力の低減を図るためにInとGaの組成比はそれぞれ49％と51%とした。ｎ側電極（０３）はAg、、p側電極（０４）は、Alを用い、ｎ型半導体層（１１）上には、反射防止膜（１２）を形成した。（１３）は、ｎ側電極、（１４）は、ｐ高濃度層である。
本発明に係る太陽電池の電流電圧特性については、開放電圧は、０．７０５V、飽和電流は、２６ｍA/ｃｍ−２であった。また、曲率因子は、０．７５であった。当該発明に係る太陽電池の開放電圧は、Vゲルマニウムのバンド幅を大きく上回る０．７Vの値が得られた。
図5は、本願発明に係る太陽電池の第２実施例を示す。
p型ゲルマニウム基板（２６）上にｎ型InGaP（２５）を形成したヘテロ接合型太陽電池の上に、更にホモ接合型のｎ型InGaAs層（２４）及びp型InGaAs層（２３）、 ホモ接合型のｐ型InGaP（２２）上にｎ型InGaP（２１）の半導体ｐｎ接合を形成した。各々のホモ接合太陽電池は、トンネル接合で接合されている。その上に、反射防止膜（１２）、オーミック電極（２７）が設けられている。
従来のGe,InGaAs, InGaPの3接合太陽電池の開放電圧が２．９Vに比べて、本願の発明に係るGe/InGaP、InGaAs、InGaPでは、開放電圧が３．３Vと０．４V上昇した。
図６は、本願発明に係る太陽電池の第３実施例を示す。
図６に示すように、p型シリコン基板（３１）上にｎ型GaP（３２）（チッソドープ）を成長させた。 GaPには窒素のドープ量は、０．２％とし、格子整合は０．１％以内でGaPとSiとの間で各々で格子整合が取られている。成長温度は、600度、成長方法は、液相成長法を用いた。ｎ側電極（０３）は、Agとし, ｐ側電極（０４）は、Alを用い、反射防止膜（３０）としてAlN膜を、p型シリコン（３１）の裏面上に高濃度SiC層（３３）を設けた。
このようにして作製した太陽電池の開放電圧は、１．１Vであった。一方不純物としてリンを拡散して作製したｎｐ型ホモ接合太陽電池の開放電圧は０．６２Vであった。
ここでは、液相成長法を用いたが、液体成長方法に限定されるものではなく、気相成長、液相成長、分子線ペピタキシャル法などを用いることが出来る。
図７は、本願発明に係る太陽電池の第４実施例を示す。
図７において、キュビック構造を持つp型SiC基板（４１）の上にｎ型AlｘN（４２）を形成する。p型SiCのキャリア濃度は１０１６ｃｍ−３とし、バンドギャップは２．２eVである。ｎ型AlNは、キャリア濃度１０１８ｃｍ−３とし、厚みは、０．１μｍとした。AlｘNは、成長温度１１００℃で気相成長法で形成されている。P側電極（０３）にはAlを用いた。ｎ型電極にはAg（０４）を用いた。反射防止膜（３０）としてAlN膜を設けた。（３３）は、高濃度SiC層である。
この太陽電池において、開放電圧は、２Vであった。 同様にリファレンスとしてリンを1000℃で拡散して作製したｎｐホモ接合型SiCの太陽電池の開放電圧は１．５Vであった。
上記のような構成により、バンド幅の小さい半導体を用いた太陽電池において、光励起したキャリアの再結合を防止し、開放電圧の増大を実現せしめることができる。通常のｐｎ接合型ゲルマニウム太陽電池の開放電圧は0.27Vであるのに対し、本願の発明のヘテロ接合型太陽電池においては、開放電圧は0.55-0.71Vであった。開放電圧を増大させることにより、変換効率が高い太陽電池を得ることができる。
（０１）ｐ型半導体基板、
（０２）ｎ型半導体成長相、
（０３）p側電極、
（０４）ｎ側電極
（０５）電子
（０６）ホール
（０７）ｎ型半導体
（０８）p型半導体、
（０９）ヘテロ接合界面、
（２０）ｐｎ接合界面
（１０）ｐ型ゲルマニウム基板、
（１1）ｎ型InGaP
（１２）反射防止膜
（１３）ｎ側電極
（１４）p高濃度層
（１５）ｐ側電極
（１６）p側電極
（２１）ｎ型InGaP
（２２）ｐ型InGaP
（２３）ｎ型InGaAs
（２４）ｐ型ｎInGaAs
（２５）ｎ型InGaP
（２６）p型Ge
（２７）オーミック電極
（３０）反射防止膜、
（３１）p型シリコン
（３２）ｎ型GaP
（３３）p型シリコンカーバイド高濃度層
（４１）ｐ型SiC
（４２）ｎ型AlxN半導体層

Claims (16)

  1. 半導体Ａと、該半導体Aと伝導体が異なり、かつ半導体Aの電子親和力a１より大きい電子親和力a２を有する半導体Ｂとを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とするヘテロ接合型太陽電池。
  2. 前記半導体AがIV族系半導体であり、前記半導体BがIII−V化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  3. 前記半導体Aがp型の間接遷移型半導体であり、前記半導体Bがｎ型直接遷移型半導体であることを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  4. 前記半導体Aがｐ型ゲルマニウムであり、前記半導体Bがｎ型InGaPであることを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  5. 前記Inと前記Gaの組成比はそれぞれ49％と51%としたことを特徴とする前記請求項４に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  6. 前記ｐ型ゲルマニュムのホールキャリアー濃度を１０１８ｃｍ−３に制御したことを特徴とする前記請求項４に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  7. 前記半導体Aがｐ型シリコンであり、前記半導体Bがｎ型GaPを主成分とする混晶であることを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  8. 前記GaPには窒素のドープ量を０．２％とし、格子整合は０．１％以内でGaPとSiとの間で各々で格子整合が取られていることを特徴とする前記請求項７に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  9. 前記半導体Aがｐ型であり、かつシリコンとゲルマニウムとの混晶であり、前記半導体Bがｎ型化合物半導体の混晶であることを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  10. 前記半導体Aがｐ型シリコンカーバイド形成され、その表面にｎ型AlNを設けたことを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  11. 前記半導体Aがp型シリコンであり、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、該ゲルマニウム層を除去することにより、酸化膜を除去した後、ｎ型GaPを形成させたことを特徴とする前記請求項１に記載のヘテロ接合型太陽電池。
  12. 半導体Ａと該半導体Aと伝導体が異なり、かつ半導体Aの電子親和力a1より大きい電子親和力a2を有する半導体Ｂとを接合するとともに前記半導体Ａと前記半導体Bとが各々1％以内で格子整合されていることを特徴とするヘテロ接合型太陽電池の製造方法において、前記半導体Aがp型シリコンであつて、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、このゲルマニウム層を除去することにより酸化膜を除去した後に、ｎ型GaPを形成することを特徴とするヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  13. 前記半導体Aがｐ型シリコンであり、前記半導体Bがｎ型GaPを主成分とする混晶であることを特徴とする前記請求項１２記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  14. 前記GaPには窒素のドープ量を０．２％とし、格子整合は０．１％以内でGaPとSiとの間で各々で格子整合が取られていることを特徴とする前記請求項１３に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  15. 半導体Aがｐ型シリコンカーバイド形成され、その表面にｎ型AlNを設けたことを特徴とする前記請求項１２に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
  16. 前記半導体Aがp型シリコンで、その表面にｐ型ゲルマニウム層を形成し、該ゲルマニウム層を除去することにより、酸化膜を除去した後、ｎ型GaPを形成させたことを特徴とする前記請求項１２に記載のヘテロ接合型太陽電池の製造方法。
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