JP2013004886A

JP2013004886A - 太陽電池

Info

Publication number: JP2013004886A
Application number: JP2011136910A
Authority: JP
Inventors: Akio Matsushita; 明生松下; Tetsuya Asano; 哲也浅野; Teruhiro Ito; 彰宏伊藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】高い変換効率を有する太陽電池を提供する。
【解決手段】ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓからなる発電層と、発電層の両面に形成された電極とを備えた光電変換素子１０２と、光電変換素子１０２に接するレンズ１０１とからなる、レンズ一体型の太陽電池において、光電変換素子１０２は、受光面側の電極と接続し、かつ光電変換素子１０２と絶縁膜を介して接触する金属めっきと、受光面と反対側の電極に接続された第二の金属めっきを含み、断面視において、光電変換素子１０２の中央部の受光面側が凸となる湾曲構造であり、受光面と反対側から見た平面視において、金属めっき全体の形状が、光電変換素子１０２の中心を通る［０１０］方向の直線に対し線対称であり、かつ光電変換素子１０２の中心を通る［００１］方向の直線に対し線対称である。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池に関する。

図１０は、特許文献１に開示された集光型太陽電池を示す。この集光型太陽電池は、光電変換素子２１、レンズ２２、下部基体２３、スペーサ２４、および上部透明基体２５からなる。レンズ２２の焦点付近に光電変換素子２１を配置し、集光した太陽光を照射する。

非特許文献１は、集光型太陽電池に用いられる光電変換素子を開示している。この光電変換素子は、ＩｎＧａＰからなるトップセル、ＧａＡｓからなるミドルセル、およびＩｎＧａＡｓからなるボトムセルを具備する。これらの３つのセルは、トンネル接合層を介して電気的に接合している。非特許文献１では、これらの３つのセルが互いに異なる波長の光を吸収して発電する。

特開昭５８−０６８９８８号公報特開２０１１−１０８９０７号公報（特に段落番号００２６）特開昭５１−０２９８８４号公報（特に第２図）特開昭５１−０６５７７３号公報（特に第２図）特公昭３２−００１１８０号公報（特に第１図、第２図、第７図、および第８図）実開平０１−０２０７５２号公報特開２０００−１１４５５６号公報

Ｊ．Ｆ．Ｇｅｉｓｚ他、"Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓｔｒｉｐｌｅ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｇｒｏｗｎｉｎｖｅｒｔｅｄｗｉｔｈａｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃｂｏｔｔｏｍｊｕｎｃｔｉｏｎ"、ＡｐｌｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．９１、２００７、ｐｐ．０２３５０２．Ｃ．Ｈ．Ｈｅｒｒｙ、"ＬｉｍｉｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｉｄｅａｌｓｉｎｇｌｅａｎｄＭｕｌｔｉｐｌｅｅｎｅｒｇｙｇａｐｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ"、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．５１、１９９０、ｐｐ．４４９４．

しかしながら、非特許文献１に記載された光電変換素子を用いた集光型太陽電池よりも、さらに優れた特性の集光型太陽電池を作製することが要望されている。

非特許文献２には、理論最高変換効率が得られるトップセル、ミドルセルおよびボトムセルの組み合わせが記載されている。非特許文献２によると、非特許文献１の光電変換素子のトップセルおよびミドルセルのバンドギャップを狭くすることにより、変換効率の高いセルが実現できるとしている。

しかしながら、非特許文献１に記載された光電変換素子は、トップセル（ＩｎＧａＰ）とミドルセル（ＧａＡｓ）が、ＧａＡｓ単結晶基板からのエピタキシャル成長により形成されるため、トップセルとミドルセルのバンドギャップを狭くすることが出来ない。

本発明は、トップセルとミドルセルのバンドギャップを狭くし、より高い変換効率を有する太陽電池を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の太陽電池は、（１００）を主面とする基板上に形成されたＩｎＧａＰからなる第一のｐｎ接合層と、ＧａＡｓからなる第二のｐｎ接合層と、ＩｎＧａＡｓからなる第三のｐｎ接合層と、を含む発電層１０３と、前記発電層１０３と電気的に接続し、受光面側に形成された第一の電極１０４と、前記発電層１０３と電気的に接続し、受光面と反対側に形成された第二の電極１０５、を備えた光電変換素子１０２と、前記光電変換素子１０２に接するレンズ１０１とからなる、レンズ一体型の太陽電池において、前記光電変換素子１０２は、前記第一の電極１０４と電気的に接続し、かつ前記光電変換素子１０２の少なくとも一部と絶縁膜１０８を介して接触する第一の金属めっき１０６と、前記光電変換素子１０３の前記第二の電極１０５と電気的に接続された第二の金属めっき１０７を含み、断面視において、前記光電変換素子１０２の中央部の受光面側が凸となる湾曲構造であり、前記光電変換素子１０２を受光面と反対側から見た平面視において、前記第一の金属めっき１０６と前記第二の金属めっき１０７を合わせた金属めっき全体の形状が、前記光電変換素子の中心３０１を通る［０１０］方向の直線に対し線対称であり、かつ、前記光電変換素子の中心３０１を通る［００１］方向の直線に対し線対称であることを特徴とする。

本構成により、ＩｎＧａＰ層とＧａＡｓ層のバンドギャップを狭くし、非特許文献２に記された理論最高変換効率が得られる光電変換素子の構成に近づけることができる。したがって、変換効率の高い集光型の太陽電池を実現することができる。

本発明の太陽電池によれば、より高い変換効率を実現できる。

実施の形態１における太陽電池の断面図実施の形態１における発電層の膜構造を示す図（ａ）実施の形態１における光電変換素子の受光面から見た平面図（ｂ）実施の形態１における光電変換素子の受光面の底面図実施の形態１におけるレンズの焦点位置を示す図実施の形態１における光電変換素子の製造工程を示す図実施の形態１における光電変換素子の貼り付け方法を示す図（ａ）実施の形態２における光電変換素子の断面図（ｂ）実施の形態２における光電変換素子の受光面の底面図（ａ）実施の形態３における光電変換素子の断面図（ｂ）実施の形態３における光電変換素子の受光面の底面図比較例３の光電変換素子の受光面の底面図従来の太陽電池の断面図

図面を参照しながら、以下、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、実施の形態１における太陽電池の断面図を示している。図１（ａ）に示されるように、本実施の形態１の太陽電池は、レンズ１０１と光電変換素子１０２を具備する。

図１（ａ）は、実施の形態１における光電変換素子の断面図を示している。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態１の光電変換素子１０２は、発電層１０３、第一の電極１０４、第二の電極１０５、第一の金属めっき１０６、第二の金属めっき１０７を具備する。

第一の電極１０４は、発電層１０３と電気的に接続されている。第二の電極１０５は、第一の電極１０４と対抗する面において発電層１０３と電気的に接続されている。

第一の金属めっき１０６は、第一の電極１０４と電気的に接続されている。第二の金属めっきは、第二の電極１０５と、電気的に接続されている。

第一の金属めっき１０６と発電層１０３および第二の電極１０５との間には、短絡防止のために、絶縁膜１０８が形成されている。

図２は、実施の形態１における発電層１０３の断面図を示している。図２に示すように、発電層１０３は、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１、ｎ型ＧａＡｓ層１１２、ｐ型ＧａＡｓ層１１３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５、第一のトンネル接合層１１６および第二のトンネル接合層１１７を具備する。

積層方向をｚ方向と定義する。ｚ方向に沿って、第一のトンネル接合層１１６は、ｎ型ＧａＡｓ層１１２とｐ型ＩｎＧａＰａ層１１１の間に挟まれている。第二のトンネル接合層１１７は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４とｐ型ＧａＡｓ層１１３の間に挟まれている。

図１（ｂ）に示した第一の電極１０４は、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０に電気的に接続されている。第二の電極１０５は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５に電気的に接続されている。

Ｚ方向に沿って、ｎ型窓層１１８およびｎ型コンタクト層１２５が、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０および第一の電極１０４の間に挟まれていることが好ましい。Ｚ方向に沿って、ｎ型窓層１１８は、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０およびｎ型コンタクト層１２５の間に挟まれる。Ｚ方向に沿って、ｎ型コンタクト層１２５は、ｎ型窓層１１８および第一の電極１０４の間に挟まれる。

Ｚ方向に沿って、第一のｐ型バリア層１１９が、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１および第一のトンネル接合層１１６の間に挟まれていることが好ましい。

Ｚ方向に沿って、第一のｎ型バリア層１２０が、ｎ型ＧａＡｓ層１１２および第一のトンネル接合層１１６の間に挟まれていることが好ましい。Ｚ方向に沿って、第二のｐ型バリア層１２１が、第二のトンネル接合層１１７およびｐ型ＧａＡｓ層１１３の間に挟まれていることが好ましい。

Ｚ方向に沿って、第二のｎ型バリア層１２２およびバッファ層１２４が、第二のトンネル接合層１１７およびｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４の間に挟まれていることが好ましい。ｚ方向に沿って、第二のｎ型バリア層１２２は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４およびバッファ層１２４に挟まれる。バッファ層１２４は、第二のｎ型バリア層１２２および第二のトンネル接合層１１７に挟まれる。

Ｚ方向に沿って、第三のｐ型バリア層１２３およびｐ型コンタクト層１２６が、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５および第二の電極１０５の間に挟まれていることが好ましい。Ｚ方向に沿って、第三のｐ型バリア窓層１２３は、ｐ型コンタクト層１２６およびｐ型ＩｎＧａＰ層１１５の間に挟まれる。Ｚ方向に沿って、ｐ型コンタクト層１２６は、第二の電極１０５および第三のｐ型バリア層１１８の間に挟まれる。

第一の電極１０４、ｎ型コンタクト層１２５、ｎ型窓層１１８、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１、第一のｐ型バリア層１１９、第一のトンネル接合層１１６、第一のｎ型バリア層１２０、ｎ型ＧａＡｓ層１１２、ｐ型ＧａＡｓ層１１３、第二のｐ型バリア層１２１、第二のトンネル接合１１７、バッファ層１２４、第二のｎ型バリア層１２２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５、第三のｐ型バリア層１２３、ｐ型コンタクト層１２６、および第二の電極１０５は、この順で電気的に直列に接続される。

光電変換素子１０２は、第一の電極１０４が形成されている面において、レンズと接触する。光電変換素子１０２のレンズと接触する側の面を受光面とする。図１（ｂ）に示すように、光電変換素子１０２は受光面の中央が凸となるように湾曲した構造となる。

光電変換素子１０２の湾曲により、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１、ｎ型ＧａＡｓ層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１３は、面内方向に膨張する。膨張によりＧａＡｓおよびＩｎＧａＰの結晶格子間隔が広がるため、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１、ｎ型ＧａＡｓ層１１２およびｐ型ＧａＡｓ層１１３のバンドギャップが狭くなる。

バンドギャップが狭くなったことにより、光電変換素子１０２は非特許文献２に記載された、理論最高変換効率が得られる光電変換素子の構成に近づき、したがって高い変換効率の太陽電池を実現できる。

図１（ｂ）に示すように、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７は、光電変換素子１０２の受光面側には形成されず、受光面と反対の面に形成されている。第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７は、圧縮応力が掛かる条件でめっき成長を実施している。この圧縮応力により、光電変換素子１０２は、受光面が凸となるように湾曲した構造となる。

図１（ｂ）に示すように、断面視における光電変換素子１０２の中央部と周辺部の高さの差を、湾曲量ｄとする。湾曲量ｄは、後述する光電変換素子１０２の作製工程において、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の成長条件、金属種、膜厚を変えることにより、制御することが出来る。

図３（ａ）に光電変換素子１０２の受光面側の平面図を示す。図３（ａ）に示すように、光電変換素子１０２の受光面側は、発電層１０３と接続電極１０９を電気的に接続する、第一の電極１０４が形成されている。

第一の電極１０４は、発電層１０３と接続電極１０９を電気的に接続し、かつ発電層１０３への光の照射を完全に遮断しない形状であれば良い。具体的には、金属材料を、櫛型、格子型に形成した電極を用いることができる。また、酸化インジウムスズや酸化亜鉛などの透明導電材料を、光電変換素子１０２の受光面を完全に覆うように形成した透明電極でも良い。

図３（ｂ）に受光面と反対側の平面図を示す。図３（ｂ）に示すように、光電変換素子１０２は、受光面と反対側から見たときに第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７を合わせた金属めっき全体の形状が、光電変換素子の中心３０１を通る［０１０］方向の直線に対し線対称な構造であり、かつ光電変換素子の中心３０１を通る［００１］方向の直線に対し線対称な構造である。線対称構造とすることにより、光電変換素子１０２が湾曲した際に、クラックや欠陥が発生しにくく、高い変換効率を実現できる。

集光レンズ１０１の表面には、光が照射される。照射される光としては、太陽光が好ましい。集光レンズ１０１の裏面は、光電変換素子１０２に接することが好ましい。集光レンズ１０１により、光電変換素子１０２に光が集束する。

集光レンズ１０１は、使用する光電変換素子の大きさに応じて、適宜決めればよい。一例として、光電変換素子１０２の受光面の大きさが一辺０．５ミリメートルの正方形の場合、およそ５ミリメートル〜５０ミリメートルの直径、３ミリメートル〜２０ミリメートルの厚み、およそ１．１〜２．０の屈折率を有することが好ましい。集光レンズ１０１の材料は特に限定されない。集光レンズ１０１の材料の例は、ガラスまたは樹脂である。

集光レンズ１０１を通過する光のうち、ＩｎＧａＰ層のバンドギャップと対応した波長を持つ光の焦点を、第一の焦点２０１、ＧａＡｓ層のバンドギャップと対応した波長を持つ光の焦点を、第二の焦点２０２、ＩｎＧａＡｓ層のバンドギャップと対応した波長を持つ光の焦点を、第三の焦点２０３とする。図４に示すように、第一の焦点２０１、第二の焦点２０２および第三の焦点２０３が、すべて集光レンズ１０１の内部に存在することが好ましい。

レンズの焦点距離は短波長の光ほど短くなる。したがって、図４のように、第一の焦点２０１、第二の焦点２０２および第三の焦点２０３のすべてを集光レンズ１０１の内部にした場合、集光レンズ１０１の底面においては、短波長の光ほど照射面積が大きくなる。

本実施の形態１においては、ＩｎＧａＰ層に対応する光が最も短波長である。したがって、ＩｎＧａＰ層に対応する光は、光電変換素子１０２の広範囲に照射されることになる。

ＩｎＧａＰ層は他の層と比較して再結合速度が数桁遅いために、光の照射面積が広くなり側壁近辺に照射されても、他の層と比較して再結合による変換効率の低下が少ない。

第一の焦点２０１、第二の焦点２０２および第三の焦点２０３が、レンズの外側、もしくは内側と外側に分かれて存在する場合、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓに対応する波長の光の照射面積が最大となる。この場合、側壁付近の再結合が起こりやすく変換効率の低下量が大きくなるため、好ましくない。

ｎ型窓層１１８は、ｎ型ＩｎＧａＰ層１１０と近い格子定数を持ち、かつｎ型ＩｎＧａＰ層１１０よりも大きいバンドギャップを有するｎ型化合物半導体からなる。ｎ型窓層１１８の材料の例は、ｎ型ＩｎＡｌＰまたはｐ型ＩｎＡｌＧａＰである。

第一のｐ型バリア層１１９は、ｐ型ＩｎＧａＰ層１１１と近い格子定数を持ち、かつｐ型ＩｎＧａＰ層１１１よりも大きいバンドギャップを有するｐ型化合物半導体からなる。第一のｐ型バリア層１１９の材料の例は、ｎ型ＩｎＡｌＰまたはｎ型ＩｎＡｌＧａＰである。

第一のｎ型バリア層１２０は、ｎ型ＧａＡｓ層１１２と近い格子定数を持ち、かつｎ型ＧａＡｓ層１１２よりも大きいバンドギャップを有するｎ型化合物半導体からなる。第一のｎ型バリア層１２０の材料の例は、ｎ型ＩｎＧａＰまたはｎ型ＡｌＧａＡｓである。

第二のｐ型バリア層１２１は、ｐ型ＧａＡｓ層１１３と近い格子定数を持ち、かつｐ型ＧａＡｓ層１１３よりも大きいバンドギャップを有するｐ型化合物半導体からなる。第一のｐ型バリア層１２１の材料の例は、ｐ型ＩｎＧａＰまたはｎ型ＡｌＧａＡｓである。

第二のｎ型バリア層１２２は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４と近い格子定数を持ち、かつｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４よりも大きいバンドギャップを有するｎ型化合物半導体からなる。第一のｎ型バリア層１２２の材料の例は、ｎ型Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｐである。

第三のｐ型バリア層１２３は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５と近い格子定数を持ち、かつｐ型ＩｎＧａＡｓ層１１５よりも大きいバンドギャップを有するｐ型化合物半導体からなる。第一のｐ型バリア層１２３の材料の例は、ｐ型Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｐである。

バッファ層１２４は、ｐ型ＧａＡｓ層１１３とｎ型ＩｎＧａＡｓ層１１４の格子不整合を解消するために設けられる層である。バッファ層１２４の例は、Ｉｎ_1-xＧａ_xＰにおいて、ｘの値を０．５１から０．２２まで徐々に変化させたものである。

ｎ型コンタクト層１２５の材料は、ｎ型窓層１１８との界面および第一の電極１０４との界面においてオーミック接合が形成される限り、限定されない。ｎ型コンタクト層１２５の材料の例は、ｎ型ＧａＡｓである。

ｐ型コンタクト層１２６の材料は、第三のｐ型バリア層１２３との界面および第二の電極１０５との界面においてオーミック接合が形成される限り、限定されない。ｐ型コンタクト層１２６の材料の例は、ｐ型ＧａＡｓである。

図１（ｂ）に示されるように、発電層１０３の側面は絶縁膜１０８によって被覆される。絶縁膜１０８の材料の例は、ノンドープのＩｎＧａＰ、二酸化シリコン、または窒化シリコンである。

第一の電極１０４と第一の金属めっき１０６の間には、接続電極１０９が形成されていることが好ましい。接続電極１０９の材料は、第一の電極１０３との界面および第二の金属めっき１０６との界面においてオーミック接合が形成される限り、限定されない。接続電極１０９の材料の例は、Ｔｉ、Ａｌである。

第一のトンネル接合層１１６および第二のトンネル接合層１１７は、高濃度にドーピングされ、かつ非常に薄い半導体層のｐｎ接合からなる。第一のトンネル接合層１１６および第二のトンネル接合層１１７は、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰと近い格子定数を持つ材料を適宜組み合わせて用いればよい。例としては、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓである。

（光電変換素子１０２を製造する方法）
以下、図５（ａ）〜図５（ｇ）を参照しながら光電変換電池素子１０２を製造する方法を説明する。

まず、図５（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板１２７の表面に、犠牲層１２８および発電層１０３を順次、分子線エピタキシー法または有機金属化学気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という）のような一般的な半導体成長方法により成長させる。犠牲層１２８は、ＧａＡｓと近い格子定数を有する。犠牲層１２８は、ＧａＡｓに対して選択的にエッチングされるための層である。犠牲層１２８の材料の例は、ＡｌＡｓである。発電層１０３は、受光面側が下層となるように、図２に示したｎ型コンタクト層１２５からｐ型コンタクト層１２６まで、順次積層される。

次に、図５（ｂ）に示されるように、発電層１０３上にマスク１２９を形成する。マスク１２９を用いて、発電層１０３を、ドライエッチングによりエッチングする。ドライエッチングにおいては、Ｃｌ₂ガスや、ＢＣｌ₃およびＳＦ₆の混合ガスが用いられ得る。

図５（ｃ）に示されるように、レジストマスク１２９を除去する。第二の電極１０５、接続電極１０９および絶縁膜１０８を形成する。ｎ側電極１０５および接続電極１０９を形成する手法の例は、スパッタ法または電子ビーム蒸着法である。絶縁膜１０８を形成する手法の例は、化学気相成長法である。

図５（ｄ）に示されるように、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７を成長させる。第一の金属めっき１０６および第二の金属めっきを成長させる手法の例は、無電解めっき、電解めっきである。

図５（ｅ）に示されるように、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７に下地基板１３０を固定する。ＧａＡｓ基板１２７および犠牲層１２８をエッチングにより除去する。下地基板１３０の例は、シリコン基板またはガラス基板である。必要に応じて、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７と下地基板１３０の間にはワックスまたは粘着シートが挟まれ得る。

図５（ｆ）に示されるように、発電層１０３上および接続電極１０９上に、第一の電極１０４を形成する。これにより、発電層１０３と接続電極１０９が第一の電極１０４を介して電気的に接続される。第一の電極１０４を形成する手法の例は、スパッタ法または電子ビーム蒸着法である。

最後に、図５（ｇ）に示されるように、下地基板１３０を除去する。除去の際、第一の金属めっきに収縮応力が掛かり、図５（ｇ）のように湾曲した構造となる。このようにして、光電変換素子１０２が得られる。

得られた光電変換素子１０２は、集光レンズ１０１に取り付けられる。図６は光電変換素子１０２の、集光レンズ１０１への固定方法の一例を示す図である。図６に示すように、集光レンズ１０１の焦点位置へ光電変換素子１０２を配置した後に、周辺部のみを接着剤１３１などを用いて固定することが好ましい。この固定方法では、温度上昇に伴い集光レンズ１０１が膨張した際にも、光電変換素子１０２に大きな応力が掛からないため、破壊されにくい構成となる。

（実施の形態２）
図７（ａ）は、実施の形態２における光電変換素子１０２の断面図を、図７（ｂ）は、光電変換素子１０２の受光面の底面図を示している。本実施の形態２の光電変換素子１０２は、第一の金属めっき１０６に対して、前記第二の金属めっき１０７が、前記光電変換素子の中心を通る［００１］方向の直線に対し線対称となっている。

実施の形態２においては、第一の金属めっき１０６と第二の金属めっき１０７の面積が同一になっているため、光電変換素子１０２を電極が形成された基板に実装することが容易となる。例えば、異方性導電膜を用いて実装する場合、光電変換素子全体に圧力を掛けるため、めっき部の面積が異なると圧力が不均一となり、断線や素子破壊を引き起こしやすい。本実施の形態２に構成においては、めっき部が同面積であるため、圧力が均一となり、断線や素子破壊を抑制できる。

実施の形態２においては、第一の金属めっき１０６に対して、前記第二の金属めっき１０７が、前記光電変換素子の中心を通る［００１］方向の直線に対し線対称としたが、前記光電変換素子の中心を通る［０１０］方向の直線に対し線対称としてもよい。

（実施の形態３）
図８（ａ）は、実施の形態３における光電変換素子１０２の断面図を、図８（ｂ）は、光電変換素子１０２の受光面の底面図を示している。本実施の形態３の光電変換素子１０２は、第一の金属めっき１０６と、前記第二の金属めっき１０７が、絶縁膜１３２を介して接触した構造となっている。

実施の形態３においては、光電変換素子１０２を受光面と底面図において、ほぼ全面を金属めっきが被覆した構造となる。そのため、発電層１０３の放熱性が高くなり、変換効率の向上が期待できる。

実施の形態３の光電変化素子１０２は、実施の形態１の製造工程において、図５（ｄ）として示した工程を変えることにより作製できる。図５（ｄ）に示した製造工程において、第一の金属めっき１０６と第二の金属めっき１０７を同時に成長させず、第一の金属めっき１０６のみを成長させる。続いて絶縁膜１３２を成長させ、最後に第二の金属めっき１０７を成長する。他の製造工程は実施の形態１と同じである。これにより、実施の形態３の太陽電池を実現できる。

（実施例）
以下の実施例により、本発明をより詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１では、図１（ｂ）に示される光電変換素子１０２を、図５（ａ）〜図５（ｇ）に示される方法によって作製した。

表１は、実施例１による発電層１０３の、各層の組成および膜厚を示す。

実施例１における集光レンズ１０１は１０ミリメートル四方であり、約１７ミリメートルの厚みを有していた。集光レンズ１０１は、波長約６３０ナノメートルの光において０．４ミリメートル四方の焦点スポットを有していた。

実施例１による太陽電池は、以下のように作製された。

まず、図５（ａ）に示されるように、表１に示す層１０４〜１１４を、ＧａＡｓ基板１２７上にＭＯＣＶＤ法により成長させた。

次に、図５（ｂ）に示されるように、ｐ型コンタクト１２６上に、フォトリソグラフィにより０．５ミリメートル四方を有する正方形のレジスト膜を形成した。このレジスト膜をマスク１２９として用いて、ＢＣｌ₃およびＳＦ₆の混合ガスを用いたＩＣＰプラズマエッチングを実施することにより、表１に示した各層を除去した。このようにして、０．５ミリメートルのパターンを形成した。

剥離液を用いてマスク１２９を除去した。除去後、図５（ｃ）に示されるように、電子ビーム蒸着装置を用いて、５０ナノメートルの厚みを有するチタン膜および２５０ナノメートルの厚みを有する金膜をｐ型コンタクト層１２６上および犠牲層１２８上に積層し、第二の電極１０５および接続電極１０９を形成した。

次に、図５（ｃ）に示されるように、４００ナノメートルの厚みを有するＳｉＮからなる絶縁膜１０８を、プラズマＣＶＤ装置を用いて形成した。

次に、電子ビーム蒸着装置を用いて、５０ナノメートルの厚みを有するチタン膜、および２００ナノメートルの厚みを有する金膜を形成した。この金膜上に、電解めっきにより厚さ１０マイクロメートルの金めっきを成長させ、図５（ｄ）に示される構造を得た。

次に、第二の金属めっき１０７が形成された面に、ワックス（日化精工株式会社製）をスピンコーターにより塗布した。ワックスを乾燥させることにより、第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０５をガラス製の下地基板１３０に固定した。

固定後、クエン酸および過酸化水素の混合液を用いて、ＧａＡｓ基板１２７を除去した。続いて、バッファードフッ酸を用いて犠牲層１２８を除去して、ｎ型コンタクト層１２５を露出させた。このようにして、図５（ｅ）に示される構造を得た。

次に、図５（ｆ）に示されるように、電子ビーム蒸着装置を用いて、５０ナノメートルの厚みを有するチタン膜、１５０ナノメートルの厚みを有する白金膜、および２５０ナノメートルの厚みを有する金膜を、ｎ型コンタクト層１２５上および、接続電極１０９上に順次成膜し、第一の側電極１０４を形成した。

第一の電極１０４を形成後、イソプロパノールを用いてワックスを溶かし、下地基板１３０を除去した。このようにして、図５（ｇ）に示される光電変換素子１０２を得た。

得られた光電変換素子１０２を第一の電極１０４が上になるように置き、実体顕微鏡を用いて観察した。このとき、顕微鏡の対物レンズから光電変換素子１０２の中心部および周辺部までの焦点距離の差から、光電変換素子の湾曲量ｄを測定した。ｄは約５マイクロメートルであった。

集光レンズ１０１の焦点位置の中心が、光電変換素子１０２の中心と一致するように、得られた光電変換素子１０２を集光レンズ１０１に配置し、光電変換素子の周辺部分をエポキシ接着剤により固定した。このようにして、実施例１による太陽電池を得た。

実施例１による太陽電池に対し、ワイヤボンディングにより、電流取り出し用の配線を接続した。実施例１による太陽電池に、ソーラーシミュレータ（株式会社ワコム電創製）を用いて擬似太陽光（ＡＭ１．５Ｇ相当）を照射し、太陽電池の短絡電流密度および開放電圧を測定し、変換効率を算出した。表２に、後述される実施例２〜３および比較例１〜３のデータと共に、変換効率を示す。

変換効率は、以下の等式（Ｉ）に従って算出した。

変換効率＝太陽電池からの最大出力値／太陽光のエネルギー・・・（等式Ｉ）
上記等式において記述された最大出力値は、非特許文献３の図１．８に「パワー密度」として示されるように、以下の等式（ＩＩ）で定義される出力値の最大値である。

出力値＝太陽電池から得られる電流密度・太陽電池から得られるバイアス電力・・・（等式ＩＩ）
詳しくは、非特許文献３に開示された１１頁〜１３頁を参照せよ。
ＪｅｎｎｙＮｅｌｓｏｎ著、ＴｈｅＰｈｙｓｉｃｓｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ、ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｕｂＣｏＩｎｃ．

（実施例２）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を２０マイクロメートルとした以外は、実施例１と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは１０マイクロメートルであった。

（実施例３）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を４０マイクロメートルとした以外は、実施例１と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは２０マイクロメートルであった。

（実施例４）
実施例４として、図７（ａ）および図７（ｂ）に示される光電変換素子を作製し、変換効率を測定した。作製方法および測定方法は、実施例１と同様である。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは５マイクロメートルであった。

（実施例５）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を２０マイクロメートルとした以外は、実施例４と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは１０マイクロメートルであった。

（実施例６）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を４０マイクロメートルとした以外は、実施例４と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは２０マイクロメートルであった。

（比較例１）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７を成長する際に、応力調整を実施し、圧縮応力が掛からないように調整した以外は、実施例１と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは０マイクロメートルであった。

（比較例２）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を６０マイクロメートルとした以外は、実施例１と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の屈曲量ｄは３０マイクロメートルであった。

（比較例３）
比較例５として、図９に示すように、光電変換素子を受光面の底面図において、金属めっきの形状が、［０１０］方位および［００１］方位に対して非対称な太陽電池を作成した。平面図における金属めっきの形状以外は、実施例１と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の屈曲量ｄは５マイクロメートルであった。

（比較例４）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７を成長する際に、応力調整を実施し、圧縮応力が掛からないように調整した以外は、実施例４と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは０マイクロメートルであった。

（比較例５）
第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７の膜厚を６０マイクロメートルとした以外は、実施例４と同様に光電変換素子を作成した。このとき、光電変換素子の湾曲量ｄは３０マイクロメートルであった。

表２から明らかなように、光電変換素子が、ｄ／ｗが０．０１以上、かつｄ／ｗが０．０４以下の範囲において湾曲する際に、従来例よりも高い変換効率が達成された。

実施例１、実施例４および比較例５より、光電変換素子の第一の金属めっき１０６および第二の金属めっき１０７を合わせた金属めっき全体の形状が、［０１０］方位および［００１］方位に対して非対称の場合、高い変換効率が得られないことが確認できた。

本発明は、より高い変換効率を有する太陽電池を提供する。

以上の開示内容より導出される本発明は以下の通りである：

１．以下を具備する光電変換装置：
ｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＩｎＧａＰ層からなる第１のｐｎ接合層
ｎ型ＧａＡｓ層およびｐ型ＧａＡｓ層からなる第２のｐｎ接合層
表面電極、および
裏面電極、ここで、
前記ｎ型ＩｎＧａＰ層は、（１００）面からなる主面を有し、
前記第１のｐｎ接合層は、前記表面電極および前記第２のｐｎ接合層の間に挟まれており、
前記第２のｐｎ接合層は、前記第１のｐｎ接合層および前記裏面電極に挟まれており、
前記裏面電極は、第１裏面電極および第２裏面電極に分割されており、
前記第１裏面電極は、前記表面電極を介して第１のｐｎ接合層に電気的に接続されており、
前記第２裏面電極は、第２のｐｎ接合層に電気的に接続されており、
［１００］方向に沿って見られたときに、前記裏面電極が［０１０］方向に平行な法線を有する第１の鏡面対称面を有するように、前記第１裏面電極および前記第２裏面電極が配置されており、そして
［１００］方向に沿って見られたときに、前記裏面電極が［００１］方向に平行な法線を有する第２の鏡面対称面を有するように、前記第１裏面電極および前記第２裏面電極が配置されている。

２．前記項目１に記載の光電変換装置であって、
前記第２裏面電極は、独立の２つの電極からなり、そして
前記独立の２つの電極は、［１００］方向に沿って見られたときに、（０１０）面に対して鏡面対称である。

３．前記項目１に記載の光電変換装置であって、
前記裏面電極は、第１裏面電極および第２裏面電極からなり、
前記裏面電極が［１００］方向に沿って見られたときに、前記第１裏面電極および前記第２裏面電極の間にはスリットが形成されている。

４．光電変換装置を用いて電気を発生させる方法であって、以下の工程を具備する：
前記項目１に記載の光電変換装置を用意する工程（ａ）、および
前記第１および前記第２のｐｎ接合層に前記表面電極を介して光を照射し、前記表面電極および前記裏面電極の間に電圧差を発生させる工程（ｂ）。

２１光電変換素子
２２レンズ
２３下部基体
２４スペーサ
２５上部透明基体
１０１レンズ
１０２光電変換素子
１０３発電層
１０４第一の電極
１０５第二の電極
１０６第一の金属めっき
１０７第二の金属めっき
１０８絶縁膜
１０９接続電極
１１０ｎ型ＩｎＧａＰ層
１１１ｐ型ＩｎＧａＰ層
１１２ｎ型ＧａＡｓ層
１１３ｐ型ＧａＡｓ層
１１４ｎ型ＩｎＧａＡｓ層
１１５ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
１１６第一のトンネル接合層
１１７第二のトンネル接合層
１１８ｎ型窓層
１１９第一のｐ型バリア層
１２０第一のｎ型バリア層
１２１第二のｐ型バリア層
１２２第二のｎ型バリア層
１２３第三のｐ型バリア層
１２４バッファ層
１２５ｎ型コンタクト層
１２６ｐ型コンタクト層
１２７基板
１２８犠牲層
１２９マスク
１３０下地基板
１３１接着剤
２０１第一の焦点
２０２第二の焦点
２０３第三の焦点

Claims

（１００）を主面とする基板上に形成されたＩｎＧａＰからなる第一のｐｎ接合層と、
ＧａＡｓからなる第二のｐｎ接合層と、
ＩｎＧａＡｓからなる第三のｐｎ接合層と、
を含む発電層と、
前記発電層と電気的に接続し、受光面側に形成された第一の電極と、
前記発電層と電気的に接続し、受光面と反対側に形成された第二の電極、
を備えた光電変換素子と、
前記光電変換素子に接するレンズとからなる、レンズ一体型の太陽電池において、
前記光電変換素子は、
前記第一の電極と電気的に接続し、かつ前記光電変換素子の少なくとも一部と絶縁膜を介して接触する第一の金属めっきと、
前記光電変換素子の前記第二の電極と電気的に接続された第二の金属めっきを含み、
断面視において、前記光電変換素子の中央部の受光面側が凸となる湾曲構造であり、
前記光電変換素子を受光面と反対側から見た平面視において、前記第一の金属めっきと前記第二の金属めっきを合わせた金属めっき全体の形状が、前記光電変換素子の中心を通る［０１０］方向の直線に対し線対称であり、かつ、前記光電変換素子の中心を通る［００１］方向の直線に対し線対称である
ことを特徴とした太陽電池。
前記光電変換素子の断面視において、前記光電変換素子が湾曲していない状態での発電層の大きさをｗ、前記光電変換素子の湾曲量をｄとしたとき、
ｄ／ｗは、０．０１より大きく、０．０４より小さい
ことを特徴とした請求項１に記載の太陽電池。
前記集光レンズを通過する光において、
前記第一のｐｎ接合層のバンドギャップに対応する光の焦点を第一の焦点と、
前記第二のｐｎ接合層のバンドギャップに対応する光の焦点を第二の焦点と、
前記第三のｐｎ接合層のバンドギャップに対応する光の焦点を第三の焦点としたとき、
前記第一の焦点、前期第二の焦点および前記第三の集光が前記集光レンズ内部にある
ことを特徴とした請求項１および請求項２に記載の太陽電池。
前記レンズに対し、前記光電変換素子を固定する際、前記光電変換素子の周辺部のみを固定することを特徴とした、請求項１〜３に記載の太陽電池。
前記第一の金属めっきに対して、前記第二の金属めっきが、前記光電変換素子の中心を通る［０１０］方向の直線に対し線対称であり、かつ、前記光電変換素子の中心を通る［００１］方向の直線に対し線対称であることを特徴とした請求項１〜４に記載の太陽電池。