JP2013172072A - Two-junction solar cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable constituting a two-junction solar cell by combination of a solar cell using a group III-V compound semiconductor and a solar cell using Si, without including As.SOLUTION: A two-junction solar cell includes a first solar cell 121 including a p-type silicon substrate 101 and an n-type silicon layer 102 provided on the silicon substrate 101 and composed of n-type silicon. Moreover, the two-junction solar cell includes a second solar cell 123 including a first semiconductor layer 103 composed of a p-type group III-V compound semiconductor configured without including As, a multiquantum well structure 122 including a barrier layer 104 composed of InGaP and a quantum well layer 105 composed of InGaP, and a second semiconductor layer 106 composed of an n-type group III-V compound semiconductor configured without including As.

Description

本発明は、III−V族化合物半導体およびシリコンを用いて作製される2接合太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a two-junction solar cell manufactured using a III-V compound semiconductor and silicon.

深刻なエネルギー問題を回避するために、二酸化炭素などの排出物がなく、クリーンなエネルギー源である太陽電池が注目されている。太陽電池は安全性も高いため、電力エネルギーのうち、太陽電池により発電させる比率を増加させることが求められている。このために、太陽電池の光電変換効率、すなわち太陽光から電気への変換効率を向上させる検討が進められている。   In order to avoid serious energy problems, solar cells, which are clean energy sources without emissions such as carbon dioxide, are drawing attention. Since the solar cell is also highly safe, it is required to increase the ratio of electric power generated by the solar cell. For this reason, studies are underway to improve the photoelectric conversion efficiency of solar cells, that is, the conversion efficiency from sunlight to electricity.

現在、商用化されている太陽電池のうち、発電量が最も多く、製造技術が進んでいるのがSiを用いた太陽電池である。しかしながら、Siを用いた1つのpn接合だけで構成される太陽電池(単接合太陽電池)では、30%を超える高い光電変換効率は得られない。これは、Siのバンドギャップが約1.1eVと比較的小さいことに起因している。図10は、地表における太陽光の分布を示した分布図である。太陽光のスペクトルは波長0.6μm(エネルギーに換算して2.05eV)付近を中心に分布している。   Among solar cells currently in commercial use, the amount of power generation is the largest, and the manufacturing technology is advanced in solar cells using Si. However, a high photoelectric conversion efficiency exceeding 30% cannot be obtained in a solar cell (single-junction solar cell) configured by only one pn junction using Si. This is due to the relatively small band gap of Si, about 1.1 eV. FIG. 10 is a distribution diagram showing the distribution of sunlight on the ground surface. The spectrum of sunlight is distributed around a wavelength of about 0.6 μm (2.05 eV in terms of energy).

これに対して、Siのバンドギャップは前述のように約1.1eVであり、波長にして1.1μmよりも短い波長の光を吸収できるため、太陽光のかなりの割合を吸収できる。しかしながら、Siで吸収される太陽光は、Siのバンドギャップよりも大きなエネルギーを持っているにも関わらず、Si内で太陽光の光吸収により発生したキャリア(電子、正孔)は結晶内で熱などによりエネルギーを失うため、最終的にSiのバンドギャップに相当する電圧しか発生させることができない。このことが、前述のようにSiを用いた太陽電池で高い光電変換効率が得られない大きな要因である。   On the other hand, the band gap of Si is about 1.1 eV as described above, and can absorb light having a wavelength shorter than 1.1 μm, so that a considerable proportion of sunlight can be absorbed. However, although sunlight absorbed by Si has energy larger than the band gap of Si, carriers (electrons, holes) generated by light absorption of sunlight in Si are within the crystal. Since energy is lost due to heat or the like, finally, only a voltage corresponding to the band gap of Si can be generated. This is a major factor that a high photoelectric conversion efficiency cannot be obtained with a solar cell using Si as described above.

一方、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池は、30%を超えるものが実現されており、衛星搭載用などとして実用化されている。III−V族化合物半導体を用いた太陽電池では、異なる材料からなる2個以上のpn接合(太陽電池セル)を積層させた構造(多接合太陽電池)にすることにより、太陽光スペクトルのエネルギーに応じて多段に光吸収できるようになっている。このIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、Siよりもバンドギャップの大きな材料を用いることができ、光の持つエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能である。   On the other hand, solar cells using III-V group compound semiconductors have achieved more than 30%, and have been put to practical use for satellite mounting. In a solar cell using a group III-V compound semiconductor, by making a structure (multi-junction solar cell) in which two or more pn junctions (solar cell) made of different materials are laminated, the energy of the solar spectrum is increased. Accordingly, light can be absorbed in multiple stages. In the multi-junction solar cell using the group III-V compound semiconductor, a material having a larger band gap than Si can be used, and the energy of light can be efficiently converted into electric energy.

III−V族化合物半導体を用いた太陽電池は、衛星搭載用としてだけではなく、地上用へ応用することも考えられている。地上用への応用では、発電量あたりの太陽電池モジュールの製造コストが問題となる。一般に、太陽電池は太陽光を集光させることにより、光電変換効率を向上させることができることが知られている。このために、この集光型の太陽電池では、使用する半導体の材料費を大きく低減させることができる。太陽電池の集光による光電変換効率の向上は、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池の方が、Siを用いた太陽電池よりも大きいことが知られている。このために、集光型の太陽電池モジュールにすることで、発電量あたりの製造コストは、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池でも、最終的にはSiを用いた太陽電池と同程度にできると考えられている。   A solar cell using a group III-V compound semiconductor is considered to be applied not only to a satellite but also to the ground. In the application to the ground, the manufacturing cost of the solar cell module per power generation amount becomes a problem. In general, it is known that a solar cell can improve photoelectric conversion efficiency by collecting sunlight. For this reason, in this concentrating solar cell, the material cost of the semiconductor to be used can be greatly reduced. It is known that the solar cell using a III-V group compound semiconductor is larger in the photoelectric conversion efficiency by condensing the solar cell than the solar cell using Si. For this reason, by using a concentrating solar cell module, the production cost per power generation amount is about the same as that of a solar cell using Si, even if it uses a III-V group compound semiconductor. It is thought to be possible.

H. Wada et al. ,"Effects of heat treatment on bonding properties in InP-to-Si direct wafer bonding", Japanese Jourrnal of Applied Physics, Vol. 33, Part 1, No.9A, pp.4878-4879, 1994.H. Wada et al., "Effects of heat treatment on bonding properties in InP-to-Si direct wafer bonding", Japanese Jourrnal of Applied Physics, Vol. 33, Part 1, No.9A, pp.4878-4879, 1994 . M. Howlader et al., "Characterization of the bonding strength and interface current of p-Si/n-InP wafers bonded by surface activated bonding method at room temperature", Jourrnal of Applied Physics, Vol.91, No.5, pp.3062-3066, 2002.M. Howlader et al., "Characterization of the bonding strength and interface current of p-Si / n-InP wafers bonded by surface activated bonding method at room temperature", Jourrnal of Applied Physics, Vol.91, No.5, pp .3062-3066, 2002. 田辺 他、「ウェハ融着によるAlGaAs/Si二接合太陽電池」,第71回応用物理学会学術講演会(2010年、長崎大学),15p−NC−4.Tanabe et al., “AlGaAs / Si two-junction solar cell by wafer fusion”, 71st Japan Society of Applied Physics (2010, Nagasaki University), 15p-NC-4. S. Kurtz et al. , "Modeling of two-junction series-connected tandem solar cells using top-cell thickness as an adjustable parameter", Jourrnal of Applied Physics, Vol.68, No.4, pp.1890-1895, 1990.S. Kurtz et al., "Modeling of two-junction series-connected tandem solar cells using top-cell thickness as an adjustable parameter", Jourrnal of Applied Physics, Vol.68, No.4, pp.1890-1895, 1990 . A. Bett et al., "III-V compounds for solar cell applications", Applied Physics A, Vol.69, pp.119-129, 1999.A. Bett et al., "III-V compounds for solar cell applications", Applied Physics A, Vol.69, pp.119-129, 1999. D. Bushnell et al. , "Effect of well number on the performance of quantum-well solar cells", Jourrnal of Applied Physics, Vol.97, No.12, 124908, 2005.D. Bushnell et al., "Effect of well number on the performance of quantum-well solar cells", Jourrnal of Applied Physics, Vol.97, No.12, 124908, 2005. N. Tansu et al. , "High-performance strain-compensated InGaAs-GaAsP-GaAs (l=1.17μm) quantum-well diode lasers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.3, pp.179-181, 2001.N. Tansu et al., "High-performance strain-compensated InGaAs-GaAsP-GaAs (l = 1.17μm) quantum-well diode lasers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.3, pp.179-181 , 2001. H. Asai et al. , "Energy band-gap shift with elastic strain in GaxIn1-xP epitaxial layers on (001) GaAs substrates", Jourrnal of Applied Physics, Vol.54, No.4, pp.2052-2056, 1983.H. Asai et al., "Energy band-gap shift with elastic strain in GaxIn1-xP epitaxial layers on (001) GaAs substrates", Jourrnal of Applied Physics, Vol.54, No.4, pp.2052-2056, 1983 . C. Silfvenius et al. , "Design, growth and performance of different QW structures for improved 1300 nm InGaAsP lasers", Journal of Crystal Growth, Vol.195, pp.700-705, 1998.C. Silfvenius et al., "Design, growth and performance of different QW structures for improved 1300 nm InGaAsP lasers", Journal of Crystal Growth, Vol.195, pp.700-705, 1998.

前述したように、Siを用いた太陽電池では、多くの太陽光を吸収できるバンドギャップを持っているが、一方でSiのバンドギャップが小さいために光電変換効率を大きくすることが難しい。これに対し、前述したようにIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、バンドギャップが異なるセルを組み合わせることで高い光電変換効率が実現されている。   As described above, a solar cell using Si has a band gap that can absorb a large amount of sunlight, but it is difficult to increase the photoelectric conversion efficiency because the band gap of Si is small. On the other hand, in the multijunction solar cell using the III-V group compound semiconductor as described above, high photoelectric conversion efficiency is realized by combining cells having different band gaps.

2接合太陽電池では、トップセルとボトムセルとをトンネル接合を介して小さな電気抵抗で直列に接続できるようにしている。2接合太陽電池では、トップセルの上部とボトムセルの下部に電極を設置した2端子型と、トップセルとボトムセルの各々の上下に電極を設置した4端子型がある。2端子型に比べて4端子型は作製工程が複雑で、製造コストも高くなる。このため、2接合太陽電池では2端子型が用いられることが多い。   In the two-junction solar cell, the top cell and the bottom cell can be connected in series with a small electric resistance via a tunnel junction. In the two-junction solar cell, there are a two-terminal type in which electrodes are provided on the upper part of the top cell and a lower part of the bottom cell, and a four-terminal type in which electrodes are provided above and below each of the top cell and the bottom cell. Compared to the two-terminal type, the four-terminal type has a complicated manufacturing process and increases the manufacturing cost. For this reason, a two-terminal solar cell is often used in a two-junction solar cell.

図11は、多接合太陽電池である2接合太陽電池の構造を模式的に示した断面図である。図11は、2端子型の2接合太陽電池を示しており、ボトムセル1101と、トンネル接合1102を介してボトムセル1101の表面上に接合されたトップセル1103とを備える。トップセル1103の上には、光を効率よく入射させるための反射防止膜1104が形成されている。また、一部のトップセル1103の上には、コンタクト層1105を介して表面フィンガー電極1106が形成されている。一方、ボトムセル1101の裏面側には、裏面電極1107が形成されている。   FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a two-junction solar cell that is a multi-junction solar cell. FIG. 11 shows a two-terminal type two-junction solar cell, which includes a bottom cell 1101 and a top cell 1103 joined to the surface of the bottom cell 1101 through a tunnel junction 1102. On the top cell 1103, an antireflection film 1104 for making light incident efficiently is formed. A surface finger electrode 1106 is formed on a part of the top cells 1103 via a contact layer 1105. On the other hand, a back electrode 1107 is formed on the back side of the bottom cell 1101.

現在までに検討されてきたIII−V族化合物半導体を用いた2接合太陽電池において、ほとんどは、ボトムセルの光吸収層をGaAsから構成している。3接合以上の多接合太陽電池では、ボトムセルとしてGeを用いた検討も進められているが、この場合もミドルセル用の材料としてはGaAs、あるいは少量のInを含むInGaAsが用いられている。これまでに実現されたIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、構成するセルのいずれかにGaAs、InGaAs,AlGaAsなど、V族元素として主にAsを含む材料が光吸収層として用いられている。   In two-junction solar cells using III-V group compound semiconductors that have been studied so far, most of the bottom cell light absorption layer is made of GaAs. In a multi-junction solar cell having three or more junctions, investigation using Ge as a bottom cell is also in progress. In this case, GaAs or InGaAs containing a small amount of In is used as a material for a middle cell. In a multi-junction solar cell using a III-V group compound semiconductor realized so far, a material mainly containing As as a group V element such as GaAs, InGaAs, or AlGaAs is used as a light absorption layer in any of the constituent cells. It is used.

電力エネルギーのうち太陽電池による比率を高めるのに際して、今後は光電変換効率の向上だけでなく、使用後の太陽電池の廃棄まで含めた安全性も考慮する必要がある。前述したようにIII−V族化合物半導体を用いた太陽電池では、高い光電変換効率を得ることができるものの、環境負荷物質であるAsを主なV族元素とする材料が用いられている。   In increasing the ratio of electric power energy by solar cells, it is necessary to consider not only the improvement of photoelectric conversion efficiency but also safety including disposal of solar cells after use. As described above, in a solar cell using a III-V group compound semiconductor, although high photoelectric conversion efficiency can be obtained, a material having As as an environmental load substance as a main group V element is used.

III−V族化合物半導体を用いた太陽電池では、集光型にすることで太陽電池自体の面積を小さくすることができるが、この場合でも、発電量を大きくするためには1つのモジュールあたり1mm×1mm〜10mm×10mm程度の大きさの太陽電池となる素子が必要である。これは、現在、実用化されている半導体レーザや電子デバイスなどとは桁違いの大きさである。このため、Asを主なV族元素とする材料による太陽電池には、半導体レーザや電子デバイスなどとは比較できない量のAsが含まれることになる。   In a solar cell using a group III-V compound semiconductor, the area of the solar cell itself can be reduced by making it a concentrating type, but even in this case, in order to increase the amount of power generation, 1 mm per module. An element to be a solar cell having a size of about × 1 mm to 10 mm × 10 mm is required. This is an order of magnitude larger than semiconductor lasers and electronic devices that are currently in practical use. For this reason, a solar cell made of a material having As as a main group V element contains an amount of As that cannot be compared with a semiconductor laser or an electronic device.

前述したように、太陽電池の廃棄まで含めた安全性を考慮し、環境負荷物質の拡散を防止するという観点から、Asを含まない、あるいはAsの含有率が少ない材料から構成された太陽電池の実現が望まれる。しかしながら、前述したようにIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、複数含まれるセルのいずれかにGaAs、InGaAs,AlGaAsなど主なV族元素としてAsを含む材料が用いられている。   As described above, in consideration of safety including the disposal of solar cells, from the viewpoint of preventing the diffusion of environmentally hazardous substances, a solar cell composed of a material that does not contain As or has a low As content. Realization is desired. However, as described above, in a multi-junction solar cell using a group III-V compound semiconductor, a material containing As as a main group V element such as GaAs, InGaAs, or AlGaAs is used in any of a plurality of cells. .

2接合太陽電池において、トップセル、ボトムセルのいずれにもAsを含まない材料を吸収層とする層構成としては、ボトムセルにSiを用い、トップセルにInGaP,InGaAlP,InAlPなどAsを含まないIII−V族化合物半導体を用いる構成が考えられる。従来、SiとIII−V族化合物半導体とを組み合わせた半導体デバイスの実現は難しかったが、近年の半導体プロセス技術の進展により、SiとIII−V族化合物半導体とを金属や誘電体などを介さず、直接接合することが可能になっている。   In the two-junction solar cell, as the layer structure in which the material that does not contain As in either the top cell or the bottom cell is used as the absorption layer, Si is used for the bottom cell, and the top cell does not contain As such as InGaP, InGaAlP, InAlP. A configuration using a group V compound semiconductor is conceivable. Conventionally, it has been difficult to realize a semiconductor device in which Si and a III-V group compound semiconductor are combined. However, due to recent progress in semiconductor process technology, Si and a III-V group compound semiconductor are not connected via a metal or a dielectric. It is possible to join directly.

この接合の技術は、「Direct Wafer Bonding」、「Wafer Fusion」などとも呼ばれるものであり、Siと様々なIII−V族化合物半導体とを直接接合することができる。直接接合の手法としては、まず、ウェハ表面にヒドロキシル基(−OHで表され、水酸基とも呼ばれる)を付着させ、これを介して2つのウェハを吸着させた後、熱アニールして接着させる方法がある。また、Arのプラズマにより、各々のウェハ表面を活性化させた後、真空中でウェハ同士を接着させる方法などがある。   This bonding technique is also referred to as “Direct Wafer Bonding”, “Wafer Fusion”, or the like, and can directly bond Si and various III-V compound semiconductors. As a method of direct bonding, first, a hydroxyl group (expressed as —OH, also referred to as a hydroxyl group) is attached to the wafer surface, two wafers are adsorbed through this, and then bonded by thermal annealing. is there. Also, there is a method of bonding wafers in a vacuum after activating each wafer surface with Ar plasma.

いずれの方法でも、SiとIII−V族化合物半導体の接合面を電気的に接続することができ、SiとIII−V族化合物半導体間で通電できることが知られている(例えば、非特許文献1、非特許文献2参照)。このSiとIII−V族化合物半導体の直接接合技術は、太陽電池の作製においても有用であることが知られており、AlGaAsを用いたトップセルとSiを用いたボトムセルとの接着にも応用されている(非特許文献3を参照)。   In any method, it is known that the joint surface between Si and the III-V compound semiconductor can be electrically connected, and current can be passed between Si and the III-V compound semiconductor (for example, Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 2). This direct bonding technology of Si and III-V compound semiconductor is known to be useful in the production of solar cells, and is also applied to the bonding of top cells using AlGaAs and bottom cells using Si. (See Non-Patent Document 3).

この直接接合を用い、Asを含まない2接合太陽電池を作製する方法について、図1212A〜図12Dを用いて説明する。 図12A〜図12Dは、Si太陽電池とIII−V族化合物半導体を用いた半導体太陽電池を直接接着することにより2接合太陽電池を作製する工程を説明するための説明図である。まず、図12Aに示すように、ボトムセルとなるSi太陽電池セル1201を作製する。また、図12Bに示すように、トップセルとなるGaAs基板1202の上に結晶成長させたIII−V族半導体からなる太陽電池セル1203を作製する。   A method of manufacturing a two-junction solar cell that does not include As using this direct bonding will be described with reference to FIGS. 1212A to 12D. 12A to 12D are explanatory diagrams for explaining a process of manufacturing a two-junction solar cell by directly bonding a semiconductor solar cell using a Si solar cell and a III-V group compound semiconductor. First, as shown to FIG. 12A, the Si photovoltaic cell 1201 used as a bottom cell is produced. Further, as shown in FIG. 12B, a solar battery cell 1203 made of a III-V group semiconductor grown on a GaAs substrate 1202 serving as a top cell is manufactured.

次に、図12Cに示すように、太陽電池セル1203とSi太陽電池セル1201とを貼り合わせて接合する。次に、SiとIII−V族化合物半導体を電気的に接続するために、必要に応じて加熱などの処理を行った後、例えば選択エッチングなどを用い、図12Dに示すように、太陽電池セル1203よりGaAs基板1202を除去する。以上の工程により、2接合太陽電池を作製することができる。また、太陽電池セル1203を、Asを含まずに構成されたIII−V族化合物半導体より構成すれば、砒素含まない状態で、2接合太陽電池が作製できる。   Next, as shown to FIG. 12C, the photovoltaic cell 1203 and the Si photovoltaic cell 1201 are bonded together and joined. Next, in order to electrically connect Si and the III-V group compound semiconductor, after performing a treatment such as heating as necessary, for example, using selective etching or the like, as shown in FIG. The GaAs substrate 1202 is removed from 1203. Through the above steps, a two-junction solar cell can be manufactured. In addition, when the solar battery cell 1203 is made of a III-V group compound semiconductor that does not contain As, a two-junction solar battery can be manufactured without containing arsenic.

2接合太陽電池では、ボトムセルの光吸収層のバンドギャップとトップセルの光吸収層のバンドギャップとの組み合わせにより、光電変換効率が大きく変化することが知られている。バンドギャップの組み合わせによる光電変換効率の変化は、計算によって見積もることができる(例えば、非特許文献4、非特許文献5参照)。図13は、計算により求めた2接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップによる光電変換効率の変化を示した特性図である。入射光としては、エアマス1.5ダイレクト(AM−1.5Direct、入射光強度768W/m2)を500倍に集光した場合を仮定している。 In the two-junction solar cell, it is known that the photoelectric conversion efficiency varies greatly depending on the combination of the band gap of the light absorption layer of the bottom cell and the band gap of the light absorption layer of the top cell. A change in photoelectric conversion efficiency due to a combination of band gaps can be estimated by calculation (see, for example, Non-Patent Document 4 and Non-Patent Document 5). FIG. 13 is a characteristic diagram showing a change in photoelectric conversion efficiency due to the band gap between the bottom cell and the top cell in a two-junction solar cell obtained by calculation. As incident light, it is assumed that air mass 1.5 direct (AM-1.5Direct, incident light intensity 768 W / m 2 ) is condensed 500 times.

前述したようにボトムセルとなるSiのバンドギャップは約1.1eVである。図13より、Siをボトムセルに用いた場合、光電変換効率が最大となるトップセルのバンドギャップは1.65eV付近であり、このバンドギャップを1.65eVから1.85eVの範囲に設定すれば、500倍集光下で36%以上の光電変換効率が得られることが分かる。計算で求められる光電変換効率の絶対値は、入射させる太陽光の強度の他、セルの光吸収層における吸収スペクトル、キャリア(電子と正孔)の移動度、ライフタイム、有効質量などの物性パラメータにより、大きく変化する。しかし、大きな光電変換効率が期待できるトップセルのバンドギャップの範囲は、これらの物性パラメータが変わっても大きく変化することはない。   As described above, the band gap of Si serving as the bottom cell is about 1.1 eV. From FIG. 13, when Si is used for the bottom cell, the band gap of the top cell that maximizes the photoelectric conversion efficiency is around 1.65 eV, and if this band gap is set in the range of 1.65 eV to 1.85 eV, It can be seen that a photoelectric conversion efficiency of 36% or more can be obtained under 500 times light collection. The absolute value of the photoelectric conversion efficiency obtained by calculation is the physical property parameters such as the intensity of the incident sunlight, the absorption spectrum in the light absorption layer of the cell, the mobility of carriers (electrons and holes), lifetime, and effective mass. It will change greatly. However, the band gap range of the top cell where high photoelectric conversion efficiency can be expected does not change greatly even if these physical property parameters change.

前述した2接合太陽電池のAsを含まないトップセルとしては、InGaP,InGaAlP,InAlPなどを用いた構造が考えられる。これらの材料は、GaAsと格子整合させることができ、GaAs基板という高品質の基板を用いることができるために結晶成長も容易である。InGaP,InGaAlP,InAlPのなかで、最もバンドギャップの小さい材料はInGaPであるが、InGaPをGaAsに格子整合させた場合のバンドギャップは約1.9eVである。一方、前述したようにSiをボトムセルとした2接合太陽電池で大きな光電変換効率を得るためには、トップセルとして1.85eV以下のバンドギャップを持つ材料を用いる必要がある。GaAs上に結晶成長させるInGaPのバンドギャップを小さくする方法としては、以下の2つの方法がある。   A structure using InGaP, InGaAlP, InAlP, or the like is conceivable as a top cell that does not contain As in the above-described two-junction solar cell. Since these materials can be lattice-matched with GaAs and a high-quality substrate such as a GaAs substrate can be used, crystal growth is easy. Among InGaP, InGaAlP, and InAlP, the material with the smallest band gap is InGaP, but the band gap when InGaP is lattice-matched with GaAs is about 1.9 eV. On the other hand, in order to obtain a large photoelectric conversion efficiency in a two-junction solar cell using Si as the bottom cell as described above, it is necessary to use a material having a band gap of 1.85 eV or less as the top cell. There are the following two methods for reducing the band gap of InGaP for crystal growth on GaAs.

1つの方法は、InGaPを構成するIII族元素であるInとGaが規則的に配列するオーダリングという現象を用い、バンドギャップを小さくする方法である。このオーダリング現象は、InGaPの結晶成長条件を変えることで起こすことができる。しかしながら、InGaPのバンドギャップはオーダリングを用いても1.85eV程度までしか小さくできず、これ以下にすることは困難である。   One method is a method of reducing the band gap by using a phenomenon called ordering in which In and Ga, which are Group III elements constituting InGaP, are regularly arranged. This ordering phenomenon can be caused by changing the crystal growth conditions of InGaP. However, the band gap of InGaP can only be reduced to about 1.85 eV even if ordering is used, and it is difficult to make it less than this.

もう1つの方法は、InGaPに圧縮歪を加えることである。図14は、GaAs上に成長したInGaPに関し、バンドギャップと格子歪の関係を計算により求めた特性図である。図14において、横軸は、GaAsに対する格子歪が正(+)の場合はInGaPに圧縮歪が加わり、負(−)の場合は引っ張り歪が加わることを示している。図14に示すように、InGaPに0.4%以上の圧縮歪を加えることで、バンドギャップを1.85eVより小さくできることが分かる。   Another method is to apply compressive strain to InGaP. FIG. 14 is a characteristic diagram of the relationship between band gap and lattice strain obtained by calculation for InGaP grown on GaAs. In FIG. 14, the horizontal axis indicates that compressive strain is applied to InGaP when the lattice strain for GaAs is positive (+), and tensile strain is applied when the strain is negative (−). As shown in FIG. 14, it can be seen that the band gap can be made smaller than 1.85 eV by applying a compressive strain of 0.4% or more to InGaP.

しかしながら、圧縮歪が加わったInGaPでは、圧縮歪が大きくなるに従い、膜厚を厚くすることが難しくなる。これは、膜厚の増加に伴ってInGaPに加わる歪応力が蓄積され、この歪応力によってミスフィット転移による結晶欠陥が発生するためである。このミスフィット転移が発生しない最大の膜厚は、一般に臨界膜厚と呼ばれており、計算により見積もることができる。この臨界膜厚は、計算に用いるモデルより異なるものの、0.4%の圧縮歪が加わったInGaPでは、大きく見積もっても100nm以下である。   However, in InGaP to which compressive strain is applied, it becomes difficult to increase the film thickness as the compressive strain increases. This is because strain stress applied to InGaP accumulates as the film thickness increases, and crystal strain due to misfit transition occurs due to this strain stress. The maximum film thickness at which this misfit transition does not occur is generally called a critical film thickness and can be estimated by calculation. Although this critical film thickness is different from the model used for calculation, in InGaP to which 0.4% of compressive strain is applied, it is 100 nm or less at most.

一方、Siをボトムセル、InGaPをトップセルとする2接合太陽電池において高い光電変換効率を得るためには、トップセルで発生する電流値と、Siボトムセルで発生する電流値とを一致させること、すなわち電流を整合させることが必要である。トップセルで発生する電流は、光吸収層の膜厚の増加に応じて増加するため、トップセルの光吸収層であるInGaPの膜厚は、Siボトムセルと電流を整合させるために薄くても100nm以上は必要である。   On the other hand, in order to obtain high photoelectric conversion efficiency in a two-junction solar cell in which Si is the bottom cell and InGaP is the top cell, the current value generated in the top cell is matched with the current value generated in the Si bottom cell, that is, It is necessary to match the current. Since the current generated in the top cell increases as the thickness of the light absorption layer increases, the film thickness of InGaP, which is the light absorption layer of the top cell, is 100 nm even if it is thin to match the current with the Si bottom cell. The above is necessary.

しかしながら、前述したように0.4%以上の圧縮歪が加わったInGaPを、結晶欠陥を発生させることなく、100nm以上もの膜厚まで結晶成長させることは困難である。このように、圧縮歪みを加えてGaAs基板の上に形成したInGaPを用いる構成は、バンドギャップを小さくする上では有効であるが、実際の太陽電池には応用することができないという課題があった。   However, as described above, it is difficult to grow InGaP to which a compressive strain of 0.4% or more is applied to a film thickness of 100 nm or more without generating crystal defects. As described above, the configuration using InGaP formed on the GaAs substrate by applying compressive strain is effective in reducing the band gap, but has a problem that it cannot be applied to an actual solar cell. .

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、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池セルとSiを用いた太陽電池セルとの組み合わせによる2接合太陽電池が、Asを含まずに構成できるようにすることを目的とする。   This invention is made | formed in order to eliminate the above problems, and the 2 junction solar cell by the combination of the photovoltaic cell using a III-V group compound semiconductor and the photovoltaic cell using Si is provided. It is an object to enable configuration without including As.

本発明に係る2接合太陽電池は、p型のシリコン層およびn型のシリコン層から構成された第1太陽電池セルと、Asを含まずに構成されたp型のIII−V族化合物半導体からなる第1半導体層、InGaPからなる障壁層とInGaPからなる量子井戸層とを備える多重量子井戸構造、およびAsを含まずに構成されたn型のIII−V族化合物半導体からなる第2半導体層からなる第2太陽電池セルと、第1太陽電池セルと第2太陽電池セルとの間に配置された接合層とを少なくとも備える。   A two-junction solar cell according to the present invention is composed of a first solar cell composed of a p-type silicon layer and an n-type silicon layer, and a p-type III-V compound semiconductor composed of no As. A first semiconductor layer, a multiple quantum well structure including a barrier layer made of InGaP and a quantum well layer made of InGaP, and a second semiconductor layer made of an n-type III-V group compound semiconductor that does not contain As At least a second solar battery cell, and a bonding layer disposed between the first solar battery cell and the second solar battery cell.

上記2接合太陽電池において、量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、1.65eVから1.85eVの範囲とされていればよい。また、量子井戸層は、GaAsに対して0.5〜2%の範囲の圧縮歪みを有する状態であればよい。また、障壁層は、GaAsに対して引っ張りり歪みを有するものであればよい。   In the above-described two-junction solar cell, the band gap energy of the quantum well layer may be in the range of 1.65 eV to 1.85 eV. The quantum well layer may be in a state having a compressive strain in the range of 0.5 to 2% with respect to GaAs. Moreover, the barrier layer should just have a tensile strain with respect to GaAs.

以上説明したように、本発明によれば、InGaPからなる多重量子井戸構造を用いるようにしたので、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池セルとSiを用いた太陽電池セルとの組み合わせによる2接合太陽電池が、Asを含まずに構成できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since a multiple quantum well structure made of InGaP is used, the combination of a solar battery cell using a III-V group compound semiconductor and a solar battery cell using Si is used. An excellent effect that the two-junction solar cell can be configured without containing As is obtained.

図1は、本発明の実施の形態1における2接合太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the two-junction solar cell in the first embodiment of the present invention. 図2は、量子井戸層105に加わる格子歪によるバンドギャップの変化を示した特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing changes in the band gap due to lattice strain applied to the quantum well layer 105. 図3は、量子井戸層105に圧縮歪を、障壁層104に引っ張り歪を加えた歪補償量子井戸構造の、伝導帯のバンド不連続を模式的に示したバンド図である。FIG. 3 is a band diagram schematically showing conduction band discontinuity in a strain compensated quantum well structure in which compressive strain is applied to the quantum well layer 105 and tensile strain is applied to the barrier layer 104. 図4は、量子井戸層に加わる格子歪によるバンド不連続の変化を示した特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing changes in band discontinuity due to lattice strain applied to the quantum well layer. 図5は、量子井戸層に加わる格子歪によるバンド不連続の変化を示した特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in band discontinuity due to lattice strain applied to the quantum well layer. 図6は、多重量子井戸における量子井戸層の数を変化させた場合の、ホトルミネセンス発光スペクトルを示している。FIG. 6 shows a photoluminescence emission spectrum when the number of quantum well layers in the multiple quantum well is changed. 図7は、実効歪みが異なる多重量子井戸構造よりなる試料1と試料2の室温におけるホトルミネセンス発光スペクトルを示した特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing photoluminescence emission spectra of Sample 1 and Sample 2 having different effective strains at room temperature at room temperature. 図8は、本発明の実施の形態3における2接合太陽電池の一部構成を示す構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram showing a partial configuration of the two-junction solar cell in the third embodiment of the present invention. 図9は、実施の形態3における2接合太陽電池を構成する第2太陽電池セルの特性調査結果のために作製した太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a solar cell manufactured for the result of a characteristic investigation of the second solar cell constituting the two-junction solar cell in the third embodiment. 図10は、地表における太陽光の分布を示した分布図である。FIG. 10 is a distribution diagram showing the distribution of sunlight on the ground surface. 図11は、多接合太陽電池である2接合太陽電池の構造を模式的に示した断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a two-junction solar cell that is a multi-junction solar cell. 図12Aは、Si太陽電池とIII−V族化合物半導体を用いた半導体太陽電池を直接接着することにより2接合太陽電池を作製する工程を説明するための説明図である。FIG. 12A is an explanatory diagram for explaining a process of manufacturing a two-junction solar cell by directly bonding a Si solar cell and a semiconductor solar cell using a group III-V compound semiconductor. 図12Bは、Si太陽電池とIII−V族化合物半導体を用いた半導体太陽電池を直接接着することにより2接合太陽電池を作製する工程を説明するための説明図である。FIG. 12B is an explanatory diagram for explaining a process of manufacturing a two-junction solar cell by directly bonding a semiconductor solar cell using a Si solar cell and a III-V group compound semiconductor. 図12Cは、Si太陽電池とIII−V族化合物半導体を用いた半導体太陽電池を直接接着することにより2接合太陽電池を作製する工程を説明するための説明図である。FIG. 12C is an explanatory diagram for explaining a process of manufacturing a two-junction solar cell by directly bonding a semiconductor solar cell using a Si solar cell and a III-V group compound semiconductor. 図12Dは、Si太陽電池とIII−V族化合物半導体を用いた半導体太陽電池を直接接着することにより2接合太陽電池を作製する工程を説明するための説明図である。FIG. 12D is an explanatory diagram for explaining a process of manufacturing a two-junction solar cell by directly bonding a semiconductor solar cell using a Si solar cell and a III-V group compound semiconductor. 図13は、計算により求めた2接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップによる光電変換効率の変化を示した特性図である。FIG. 13 is a characteristic diagram showing a change in photoelectric conversion efficiency due to the band gap between the bottom cell and the top cell in a two-junction solar cell obtained by calculation. 図14は、GaAs上に成長したGaAs上に成長したInGaPに関し、バンドギャップと格子歪の関係を計算により求めた特性図である。FIG. 14 is a characteristic diagram of the relationship between band gap and lattice strain obtained by calculation for InGaP grown on GaAs grown on GaAs.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1における2接合太陽電池の構成を示す構成図である。図1では、断面を模式的に示している。この2接合太陽電池は、まず、p型のシリコン基板(p型のシリコン層)101、およびシリコン基板101の上に形成されたn型のシリコンからなるn型シリコン層102を備える第1太陽電池セル121を備える。各シリコン層は、所定の不純物をイオン注入などにより導入することで、各々の導電型が構成されている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the two-junction solar cell in the first embodiment of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section. The two-junction solar cell includes a p-type silicon substrate (p-type silicon layer) 101 and an n-type silicon layer 102 made of n-type silicon formed on the silicon substrate 101. A cell 121 is provided. Each silicon layer has a conductivity type by introducing a predetermined impurity by ion implantation or the like.

また、Asを含まずに構成されたp型のIII−V族化合物半導体からなる第1半導体層103、InGaPからなる障壁層104とInGaPからなる量子井戸層105とを備える多重量子井戸構造122、およびAsを含まずに構成されたn型のIII−V族化合物半導体からなる第2半導体層106からなる第2太陽電池セル123を備える。   In addition, a multiple quantum well structure 122 including a first semiconductor layer 103 made of a p-type III-V group compound semiconductor configured without containing As, a barrier layer 104 made of InGaP, and a quantum well layer 105 made of InGaP, And a second solar cell 123 made of the second semiconductor layer 106 made of an n-type III-V compound semiconductor and not containing As.

また、第1半導体層103の上に形成されたAsを含まずに構成されたp型のIII−V族化合物半導体からなる第1接合層107と、第1接合層107の上に形成されたAsを含まずに構成されたn型のIII−V族化合物半導体からなる第2接合層108とを備える。第1接合層107および第2接合層108は、他の層に比較して、高濃度にp型およびn型の不純物が導入されており、公知のトンネル接合を形成している。   Further, formed on the first junction layer 107 and the first junction layer 107 made of p-type III-V group compound semiconductor which is formed on the first semiconductor layer 103 and does not contain As. And a second bonding layer 108 made of an n-type III-V group compound semiconductor that does not contain As. The first bonding layer 107 and the second bonding layer 108 are doped with p-type and n-type impurities at a higher concentration than other layers, and form a known tunnel junction.

上述した構成において、n型シリコン層102および第2接合層108が接合されて第1太陽電池セル121および第2太陽電池セル123が一体とされ、n型シリコン層102の上に,第2接合層108,第1接合層107,第1半導体層103,多重量子井戸構造122,および第2半導体層106が、これらの順に積層して2接合太陽電池とされている。第1太陽電池セル121がボトムセルであり、第2太陽電池セル123がトップセルである。   In the above-described configuration, the n-type silicon layer 102 and the second bonding layer 108 are bonded to integrate the first solar cell 121 and the second solar cell 123, and the second junction is formed on the n-type silicon layer 102. The layer 108, the first junction layer 107, the first semiconductor layer 103, the multiple quantum well structure 122, and the second semiconductor layer 106 are stacked in this order to form a two-junction solar cell. The 1st photovoltaic cell 121 is a bottom cell, and the 2nd photovoltaic cell 123 is a top cell.

ここで、量子井戸層105のバンドギャップエネルギーは、1.65eVから1.85eVの範囲とされていればよい。また、量子井戸層105は、GaAsに対して0.5〜2%の範囲の圧縮歪みを有し、障壁層104は、GaAsに対して引っ張り歪みを有しているとよい。   Here, the band gap energy of the quantum well layer 105 may be in the range of 1.65 eV to 1.85 eV. The quantum well layer 105 preferably has a compressive strain in the range of 0.5 to 2% with respect to GaAs, and the barrier layer 104 preferably has a tensile strain with respect to GaAs.

なお、一部の第2半導体層106の上には、Asを含まずに構成されたn型のIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層112を介して電極113が形成され、また、シリコン基板101の裏面にも電極114が形成されている。また、太陽光の入射部となる電極113が形成されていない第2半導体層106の上には、反射防止膜111が形成されている。   An electrode 113 is formed on a part of the second semiconductor layer 106 via a contact layer 112 made of an n-type III-V group compound semiconductor that does not contain As, and a silicon substrate. An electrode 114 is also formed on the back surface of 101. In addition, an antireflection film 111 is formed on the second semiconductor layer 106 where the electrode 113 serving as the sunlight incident portion is not formed.

上述したように、実施の形態1では、InGaPよりなる多重量子井戸構造122を用いることで、GaAs上に形成したバルクのInGaP層では実現が困難な1.65eVから1.85eVのバンドギャップを実現したところに特徴がある。   As described above, in the first embodiment, by using the multiple quantum well structure 122 made of InGaP, a band gap of 1.65 eV to 1.85 eV that is difficult to realize with a bulk InGaP layer formed on GaAs is realized. There is a feature.

以下、InGaPを井戸層とする歪多重量子井戸構造において、1.65eV〜1.85eVの範囲のバンドギャップを実現できることについて説明する。以下では、上述した第2太陽電池セル123の製造方法例の説明と共に上述した点について説明する。   Hereinafter, it will be described that a band gap in a range of 1.65 eV to 1.85 eV can be realized in a strained multiple quantum well structure using InGaP as a well layer. Below, the point mentioned above is demonstrated with description of the manufacturing method example of the 2nd photovoltaic cell 123 mentioned above.

まず、GaAs基板の上に、GaAsに格子整合するn−InGaP(またはp−InGaP)からなる第2半導体層106、障壁層104および量子井戸層105からなる多重量子井戸構造122、p−InGaP(またはn−InGaP)からなる第1半導体層103を、結晶成長させた太陽電池(第2太陽電池セル)を作製する。これらは、公知の有機金属分子線エピタキシー法により作製できる。   First, on a GaAs substrate, a second semiconductor layer 106 made of n-InGaP (or p-InGaP) lattice-matched to GaAs, a multiple quantum well structure 122 made of a barrier layer 104 and a quantum well layer 105, p-InGaP ( Alternatively, a solar cell (second solar cell) in which the first semiconductor layer 103 made of n-InGaP is crystal-grown is manufactured. These can be produced by a known organometallic molecular beam epitaxy method.

上述した太陽電池について、計算により量子井戸層105のバンドギャップを見積もった。図2は、量子井戸層105の層厚が5nm、7nm、9nmの3つの場合について、量子井戸層105に加わる格子歪によるバンドギャップの変化を示した特性図である。図2中の数字が、量子井戸層105の層厚を示している。なお、量子井戸層105のバンドギャップとは、量子サイズ効果により量子化された電子と正孔(重い正孔)の各々の第1準位間のエネルギーを意味している。また、障壁層104の層厚は12nmとし、格子歪は多重量子井戸構造122の全体で下記の式(1)で表される実効歪εが0になるようにしてある。   About the solar cell mentioned above, the band gap of the quantum well layer 105 was estimated by calculation. FIG. 2 is a characteristic diagram showing changes in the band gap due to lattice strain applied to the quantum well layer 105 when the quantum well layer 105 has three layer thicknesses of 5 nm, 7 nm, and 9 nm. The numbers in FIG. 2 indicate the layer thickness of the quantum well layer 105. The band gap of the quantum well layer 105 means the energy between the first levels of electrons and holes (heavy holes) quantized by the quantum size effect. The layer thickness of the barrier layer 104 is 12 nm, and the lattice strain is such that the effective strain ε represented by the following formula (1) becomes 0 for the entire multi-quantum well structure 122.

ここで、εwは量子井戸層105の格子歪み、εbは障壁層104の格子歪み、Lwは量子井戸層105の層厚、Lbは、障壁層104の層厚である。実効歪は、量子井戸層105と障壁層104とからなる多重量子井戸構造122の1周期あたりの格子歪を示している。この実効歪が0%であれば、ミスフィット転移を発生させることなく、自由に量子井戸層105の数を増やすことができる。図2に示すように、量子井戸層105の層厚が5nmの場合に0.8%の圧縮歪を加えることで、量子井戸層105のバンドギャップを1.85eV以下にすることができることが分かる。また、量子井戸層105の圧縮歪が0.8%で一定でも、量子井戸層105の層厚を5nm,7nm,9nmと増加させることで、バンドギャップは1.8eV近くまで小さくできる。 Here, ε w is the lattice strain of the quantum well layer 105, ε b is the lattice strain of the barrier layer 104, L w is the layer thickness of the quantum well layer 105, and L b is the layer thickness of the barrier layer 104. The effective strain indicates the lattice strain per cycle of the multiple quantum well structure 122 composed of the quantum well layer 105 and the barrier layer 104. If this effective strain is 0%, the number of quantum well layers 105 can be increased freely without causing misfit transition. As shown in FIG. 2, it is understood that the band gap of the quantum well layer 105 can be reduced to 1.85 eV or less by applying a compressive strain of 0.8% when the layer thickness of the quantum well layer 105 is 5 nm. . Even if the compressive strain of the quantum well layer 105 is constant at 0.8%, the band gap can be reduced to nearly 1.8 eV by increasing the layer thickness of the quantum well layer 105 to 5 nm, 7 nm, and 9 nm.

さらに、図2に示すように、量子井戸層105に加わる圧縮歪を大きくすることで、バンドギャップを急激に小さくできることが分かる。量子井戸層105に加えることのできる圧縮歪の上限は、結晶成長条件に依存するために厳密な値を規定することは困難であるが、GaAs上の歪量子井戸構造では、圧縮歪が2.5%の量子井戸層105を持つ構造もレーザに応用されており、量子井戸層105の圧縮歪が2%程度であれば成長することが可能である(例えば、非特許文献7参照)。この場合、バンドギャップは1.7eV近くまで小さくすることができる。   Furthermore, as shown in FIG. 2, it can be seen that the band gap can be drastically reduced by increasing the compressive strain applied to the quantum well layer 105. The upper limit of the compressive strain that can be applied to the quantum well layer 105 depends on the crystal growth conditions, and thus it is difficult to define an exact value. However, in the strained quantum well structure on GaAs, the compressive strain is 2. A structure having a 5% quantum well layer 105 is also applied to a laser, and can grow if the compressive strain of the quantum well layer 105 is about 2% (see, for example, Non-Patent Document 7). In this case, the band gap can be reduced to close to 1.7 eV.

図2に示す関係は、式(1)で示される実効歪を0%にするために、障壁層104に大きな引っ張り歪を加えた場合の結果であるが、後述するように、実際に障壁層104に加える引っ張り歪はより小さくても良い。障壁層104の引っ張り歪を小さくすることで、量子井戸層105に加える圧縮歪が同じでも、量子井戸層105のバンドギャップは図2の場合より小さくできる。この結果として、量子井戸層105のバンドギャップを1.65eVまで小さくすることが可能である。   The relationship shown in FIG. 2 is a result when a large tensile strain is applied to the barrier layer 104 in order to reduce the effective strain represented by the equation (1) to 0%. The tensile strain applied to 104 may be smaller. By reducing the tensile strain of the barrier layer 104, the band gap of the quantum well layer 105 can be made smaller than in the case of FIG. 2 even if the compressive strain applied to the quantum well layer 105 is the same. As a result, the band gap of the quantum well layer 105 can be reduced to 1.65 eV.

以上、説明したように圧縮歪のInGaPを量子井戸層105、引っ張り歪のInGaPを障壁層104とする多重量子井戸構造122を用いれば、高い光電変換効率の太陽電池を得るために必要となる1.65eV以上1.85eV以下のバンドギャップを持ち、Asを含まない構造をGaAs上に作製することができる。   As described above, the use of the multiple quantum well structure 122 in which the compressive strain InGaP is the quantum well layer 105 and the tensile strain InGaP is the barrier layer 104 is necessary to obtain a solar cell with high photoelectric conversion efficiency. A structure having a band gap of .65 eV or more and 1.85 eV or less and containing no As can be formed on GaAs.

これまで、InGaPを量子井戸層とする多重量子井戸構造は、DVD(Digital Versatile Disc)の読み取りなどに用いられるレーザ用の活性層としては検討されてきたが、太陽電池に応用するという発想はなかった。また、DVDのレーザ用の活性層に用いられるInGaPを量子井戸層とする多重量子井戸構造は、障壁層がInGaAlPであり、InGaPを障壁層として用いることはなく、本発明における量子井戸層および障壁層のいずれもがInGaPという量子井戸構造自体が検討されることはなかった。   So far, a multiple quantum well structure using InGaP as a quantum well layer has been studied as an active layer for a laser used for reading a DVD (Digital Versatile Disc), but there is no idea of applying it to a solar cell. It was. Further, in the multiple quantum well structure using InGaP as a quantum well layer used for an active layer for a DVD laser, the barrier layer is InGaAlP, and InGaP is not used as the barrier layer. None of the layers was studied for a quantum well structure of InGaP itself.

これは、レーザ用の活性層に用いられる障壁層は、電子を量子井戸層に効率よく閉じ込めるために、バンドギャップが量子井戸層よりも十分に大きい必要があるが、量子井戸層も障壁層もInGaPを用いた構造では、量子井戸層における電子の閉じ込めが小さく、レーザの活性層には適さないためである。   This is because the barrier layer used in the active layer for laser needs to have a sufficiently larger band gap than the quantum well layer in order to efficiently confine electrons in the quantum well layer. This is because the structure using InGaP has a small electron confinement in the quantum well layer and is not suitable for a laser active layer.

一方、太陽電池では、光吸収により発生したキャリア(電子、正孔)を効率よく量子井戸層から引き抜く必要があり、バンドギャップの大きな障壁層は、量子井戸層からのキャリアの引き抜きを困難にする。本発明では、障壁層にInGaAlPに比べてバンドギャップが小さいInGaPを用いることにより、量子井戸層へのキャリアの閉じ込めを小さくし、太陽光の光励起により量子井戸層で発生したキャリアを、効率的に引き抜くことを容易にしてる。キャリアの閉じ込めが小さいということは、量子井戸構造において伝導帯ならびに価電子帯のバンド不連続が小さいことを意味している。次に、この量子井戸構造におけるバンド不連続について説明する。   On the other hand, in a solar cell, it is necessary to efficiently extract carriers (electrons and holes) generated by light absorption from the quantum well layer, and a barrier layer having a large band gap makes it difficult to extract carriers from the quantum well layer. . In the present invention, by using InGaP having a smaller band gap than InGaAlP for the barrier layer, carrier confinement in the quantum well layer is reduced, and carriers generated in the quantum well layer by photoexcitation of sunlight are efficiently It is easy to pull out. The small carrier confinement means that the band discontinuity of the conduction band and the valence band is small in the quantum well structure. Next, band discontinuity in this quantum well structure will be described.

格子歪が加わった半導体層では、伝導帯および価電子帯のバンド構造の変化を考慮する必要がある。特に、価電子帯では、格子歪により重い正孔と軽い正孔で、各々のバンドの頂上のエネルギーが分裂するために注意が必要である(非特許文献8を参照)。図3は、量子井戸層105に圧縮歪を、障壁層104に引っ張り歪を加えた歪補償量子井戸構造の、伝導帯のバンド不連続301,価電子帯(重い正孔)のバンド不連続302,価電子帯(軽い正孔)のバンド不連続303を模式的に示したバンド図である。圧縮歪が加わった量子井戸層105において、価電子帯における重い正孔のバンドの頂上のエネルギーは、軽い正孔よりも大きくなる。逆に、引っ張り歪が加わった障壁層104では、軽い正孔のバンド重畳のエネルギーは、重い正孔よりも大きくなる。図3は、この格子歪によるバンド構造の変化を考慮したものである。   In a semiconductor layer to which lattice strain is added, it is necessary to consider changes in the band structure of the conduction band and the valence band. In particular, in the valence band, attention is necessary because energy at the top of each band is split between heavy and light holes due to lattice distortion (see Non-Patent Document 8). FIG. 3 shows a band discontinuity 301 in a conduction band and a band discontinuity 302 in a valence band (heavy hole) in a strain compensated quantum well structure in which a compressive strain is applied to the quantum well layer 105 and a tensile strain is applied to the barrier layer 104. FIG. 4 is a band diagram schematically showing a band discontinuity 303 of a valence band (light holes). In the quantum well layer 105 to which compressive strain is applied, the energy at the top of the heavy hole band in the valence band is larger than that of the light hole. On the contrary, in the barrier layer 104 to which tensile strain is applied, the band superposition energy of light holes becomes larger than that of heavy holes. FIG. 3 considers the change in the band structure due to the lattice strain.

図4は、層厚が7nmのInGaPからなる量子井戸層と、引っ張り歪を加えた層厚12nmのInGaPからなる障壁層を用い、実効歪が0%になるようにした歪補償量子井戸構造において、量子井戸層に加わる格子歪によるバンド不連続の変化を示した特性図である。図4に示すように、伝導帯と価電子帯のバンド不連続はどちらも、量子井戸層の圧縮歪が1%の場合で100meV以下、この圧縮歪が2%でも200meV以下であることが分かる。   FIG. 4 shows a strain-compensated quantum well structure in which a quantum well layer made of InGaP having a layer thickness of 7 nm and a barrier layer made of InGaP having a thickness of 12 nm to which tensile strain is applied are set so that the effective strain becomes 0%. FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in band discontinuity due to lattice strain applied to the quantum well layer. As shown in FIG. 4, it can be seen that both the band discontinuity of the conduction band and the valence band is 100 meV or less when the compressive strain of the quantum well layer is 1%, and 200 meV or less even when the compressive strain is 2%. .

量子井戸構造において、キャリアの移動が可能なバンド不連続の上限は、井戸数や物性パラメータに大きく依存するため、数値的な限定は困難である。量子井戸構造に内部電界が加わらないレーザ構造では、バンド不連続が130meV程度であれば、量子井戸間でのキャリアの移動が容易であり、この結果としてレーザ特性が劣化しないことが知られている(非特許文献9参照)。一方、太陽電池では、レーザ構造よりもキャリアの移動が容易である。これは、太陽電池は、図1を用いて説明したように、アンドープの多重量子井戸構造122を、p型の第1半導体層103とn型の第2半導体層106とで挟んだPIN構造であり、多重量子井戸構造122に電界が加わるためである。このため、太陽電池では、レーザの場合よりも大きな200meV程度のバンド不連続であっても、キャリアを引き抜くことが可能と考えられる。   In the quantum well structure, the upper limit of the band discontinuity at which carriers can move is largely dependent on the number of wells and the physical property parameters, so that it is difficult to limit numerically. In a laser structure in which an internal electric field is not applied to the quantum well structure, it is known that when the band discontinuity is about 130 meV, carriers can easily move between the quantum wells, and as a result, the laser characteristics do not deteriorate. (Refer nonpatent literature 9). On the other hand, in the solar cell, carriers can be moved more easily than the laser structure. This is because the solar cell has a PIN structure in which an undoped multiple quantum well structure 122 is sandwiched between a p-type first semiconductor layer 103 and an n-type second semiconductor layer 106 as described with reference to FIG. This is because an electric field is applied to the multiple quantum well structure 122. For this reason, in a solar cell, it is thought that a carrier can be extracted even if the band discontinuity of about 200 meV is larger than that of a laser.

図4は、障壁層に引っ張り歪を加えて実効歪を0%にした歪補償量子井戸におけるバンド不連続を示しているが、障壁層をGaAsに格子整合した組成の層(In0.48Ga0.52P)から構成すれば、さらにこのバンド不連続を小さくすることができる。図5は、障壁層にGaAsに格子整合するInGaPを用いた場合における、量子井戸層に加わる格子歪によるバンド不連続の変化を示した特性図である。この場合、量子井戸層の圧縮歪が2%であっても、バンド不連続は120meVであり、歪補償構造よりもさらに容易にキャリアを移動させることができる。 FIG. 4 shows a band discontinuity in a strain compensated quantum well in which a tensile strain is applied to the barrier layer to reduce the effective strain to 0%, but a layer (In 0.48 Ga 0.52 P) having a composition in which the barrier layer is lattice-matched to GaAs. This band discontinuity can be further reduced. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a band discontinuity change due to lattice strain applied to the quantum well layer when InGaP lattice-matched with GaAs is used for the barrier layer. In this case, even if the compressive strain of the quantum well layer is 2%, the band discontinuity is 120 meV, and carriers can be moved more easily than the strain compensation structure.

後述するように、実際の多重量子井戸構造では、実効歪を0%にする必要はなく、障壁層を格子整合に近づけることもできるため、図5で示されるようなバンド不連続に近づけることも可能である。なお、InGaP量子井戸層とInGaP障壁層の歪量は、各々の層におけるInとGaの組成比を変えることで容易に調整可能であり、結晶成長時において原料供給量を調整することで容易に制御することができる。   As will be described later, in an actual multiple quantum well structure, the effective strain does not need to be 0%, and the barrier layer can be brought close to lattice matching, so that the band discontinuity as shown in FIG. Is possible. The strain amount of the InGaP quantum well layer and the InGaP barrier layer can be easily adjusted by changing the composition ratio of In and Ga in each layer, and can be easily adjusted by adjusting the raw material supply amount during crystal growth. Can be controlled.

次に、図1を用いて説明した実施の形態1における2接合太陽電池で用いる量子井戸構造を実際に作製し、作製した量子井戸構造のバンドギャップを確認した結果について説明する。結晶成長には、III族原料ガスにトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、V族原料にホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いた有機金属分子線エピタキシー法を用いる。 Next, the result of actually producing the quantum well structure used in the two-junction solar cell in the first embodiment described with reference to FIG. 1 and confirming the band gap of the produced quantum well structure will be described. For the crystal growth, an organometallic molecular beam epitaxy method using trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa) as a group III source gas, and phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) as a group V source material is used.

量子井戸構造は、n型GaAs基板上に、層厚0.2μmのn−GaAsおよび層厚0.3μmのn−InGaPを成長させ、引き続きInGaP障壁層とInGaP量子井戸層からなる多重量子井戸構造を成長させ、最後に層厚0.05μmのp−InGaPを成長温度510℃で成長することで作製する。量子井戸層は、圧縮歪が1.1%、層厚が7.5nmのInGaPであり、障壁層は引っ張り歪が0.6%、層厚が12.5nmのInGaPである。   In the quantum well structure, n-GaAs having a layer thickness of 0.2 μm and n-InGaP having a layer thickness of 0.3 μm are grown on an n-type GaAs substrate, and subsequently a multi-quantum well structure including an InGaP barrier layer and an InGaP quantum well layer. Finally, p-InGaP having a layer thickness of 0.05 μm is grown at a growth temperature of 510 ° C. The quantum well layer is InGaP with a compressive strain of 1.1% and a layer thickness of 7.5 nm, and the barrier layer is InGaP with a tensile strain of 0.6% and a layer thickness of 12.5 nm.

この場合、式(1)で示される実効歪は+0.04%であり、0%ではない。図6は、多重量子井戸における量子井戸層の数を6,10,20(多重量子井戸構造の層厚は、各々約0.13μm、0.21μm、0.41μm)と変化させた場合の、ホトルミネセンス発光スペクトルを示している。測定は、波長532nmのレーザを用い、室温(23℃程度)にて行った。なお、このホトルミネセンス発光スペクトルで、発光ピークがInGaP量子井戸層のバンドギャップに対応している。   In this case, the effective strain represented by the equation (1) is + 0.04%, not 0%. FIG. 6 shows the case where the number of quantum well layers in the multiple quantum well is changed to 6, 10, 20 (the thickness of the multiple quantum well structure is about 0.13 μm, 0.21 μm, 0.41 μm, respectively). Fig. 2 shows a photoluminescence emission spectrum. The measurement was performed at room temperature (about 23 ° C.) using a laser having a wavelength of 532 nm. In this photoluminescence emission spectrum, the emission peak corresponds to the band gap of the InGaP quantum well layer.

図6に示すように、いずれの多重量子井戸構造でも、1.76eVのバンドギャップが得られることが分かる。一方、発光ピークの強度は、量子井戸層の数に応じて大きくなる。これは、実効歪が完全に0%でなくても、結晶欠陥の発生を抑制しつつ、量子井戸層の数を増加できることを示している。この多重量子井戸構造を用いた第2太陽電池セルで、シリコを用いた第1太陽電池セルと電流を整合させるために必要となる第2太陽電池セル全体の層厚は、0.5〜1μm程度と見積もられる。この第2太陽電池セル全体の層厚は、多重量子井戸構造と、上下の第1半導体層,第2半導体層との合計値とほぼ一致する。   As shown in FIG. 6, it can be seen that a band gap of 1.76 eV can be obtained with any multiple quantum well structure. On the other hand, the intensity of the emission peak increases with the number of quantum well layers. This indicates that even if the effective strain is not completely 0%, the number of quantum well layers can be increased while suppressing the generation of crystal defects. In the second solar cell using this multiple quantum well structure, the layer thickness of the entire second solar cell required for matching the current with the first solar cell using silicon is 0.5 to 1 μm. Estimated with degree. The layer thickness of the entire second solar battery cell substantially matches the total value of the multiple quantum well structure and the upper and lower first semiconductor layers and second semiconductor layers.

上述した例では、上下の第1半導体層,第2半導体層の層厚の合計が0.35μm、量子井戸構造の1周期あたりの層厚が20nmであるため、量子井戸層の数が6から20の場合でトップセル全体の層厚は0.5〜0.8μmとなる。このように、上述した多重量子井戸構造は、本発明における2接合太陽電池の第2太陽電池セルの吸収層に応用可能な構造である。   In the example described above, the total thickness of the upper and lower first semiconductor layers and the second semiconductor layers is 0.35 μm, and the layer thickness per cycle of the quantum well structure is 20 nm. In the case of 20, the thickness of the entire top cell is 0.5 to 0.8 μm. Thus, the multiple quantum well structure mentioned above is a structure applicable to the absorption layer of the 2nd photovoltaic cell of the 2 junction solar cell in this invention.

なお、上述では、多重量子井戸構造などの作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。適用可能な成長技術は、各化合物半導体層が形成できればよく、有機金属気相エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、分子線エピタキシー法などの技術であってもよいことは言うまでもない。   In addition, although the case where the organometallic molecular beam epitaxy method was used as a manufacturing method of a multiple quantum well structure etc. was demonstrated above, it is not restricted to this. Needless to say, the applicable growth technique is that each compound semiconductor layer can be formed, and techniques such as metal organic vapor phase epitaxy, gas source molecular beam epitaxy, and molecular beam epitaxy may be used.

また、上述では、トンネル接合として高濃度にp型不純物を導入したIII−V族化合物半導体層の上に、高濃度にn型不純物を導入したIII−V族化合物半導体層を形成しか構造を例示したが、これに限るものではない。例えば、非特許文献3に示されているように、効能のにn型不純物を導入したシリコン層と、高濃度にp型不純物を導入したIII−V族化合物半導体層とを直接接合させてトンネル接合を形成し、第1太陽電池セルと第2太陽電池セルとを組み合わせるようにしてもよい。   Further, in the above description, the structure is exemplified only by forming a III-V group compound semiconductor layer in which an n-type impurity is introduced at a high concentration on a III-V group compound semiconductor layer in which a p-type impurity is introduced at a high concentration as a tunnel junction. However, it is not limited to this. For example, as shown in Non-Patent Document 3, a tunnel is formed by directly bonding a silicon layer in which an n-type impurity is introduced to an effect and a III-V group compound semiconductor layer in which a p-type impurity is introduced at a high concentration. You may make it form a junction and combine a 1st photovoltaic cell and a 2nd photovoltaic cell.

また、非特許文献4に示されているように、p型層とn型層との積層順を逆にし、高濃度にn型不純物を導入したIII−V族化合物半導体層の上に、高濃度のp型不純物を導入したIII−V族化合物半導体層を積層させてトンネル接合を形成してもよい。第1太陽電池セルと第2太陽電池セルとの間に上述したようなトンネル接合を構成する接合層を設けて接合すればよく、この接合には、当分野において通常の知識を有するものにより、多くの変形および組み合わせが実施可能である。   Further, as shown in Non-Patent Document 4, the stacking order of the p-type layer and the n-type layer is reversed, and the n-type impurity is introduced at a high concentration on the III-V group compound semiconductor layer. A tunnel junction may be formed by stacking III-V compound semiconductor layers into which a p-type impurity having a concentration is introduced. What is necessary is just to provide and join the junction layer which comprises the tunnel junction as mentioned above between the 1st photovoltaic cell and the 2nd photovoltaic cell, and this junction has what is normal knowledge in this field, Many variations and combinations are possible.

[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。上述した実施の形態1では、主に、実効歪が+0.04%の多重量子井戸構造を用いた場合について例示したが、量子井戸層の数が20程度であれば、実効歪は0%からさらに離れていても良く、この場合、障壁層に加える引っ張り歪をさらに小さくできる。この好適な例を以下に示す。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, the case where a multiple quantum well structure with an effective strain of + 0.04% is mainly exemplified, but if the number of quantum well layers is about 20, the effective strain is from 0%. In this case, the tensile strain applied to the barrier layer can be further reduced. A suitable example is shown below.

量子井戸層の数が20であり、実効歪が+0.24%の多重量子井戸構造試料1と、量子井戸層の数が20であり、実効歪が+0.14%の多重量子井戸構造試料2を各々作製し、ホトルミネセンス発光スペクトルを比較する。各多重量子井戸構造試料の作製には、前述同様に、有機金属分子線エピタキシー法を用いる。試料1では引っ張り歪0.35%で層厚13nmのInGaPから障壁層を構成する。また、試料2では引っ張り歪0.44%で層厚13nmのInGaPから障壁層を構成する。   Multiple quantum well structure sample 1 having 20 quantum well layers and an effective strain of + 0.24%, and multiple quantum well structure sample 2 having 20 quantum well layers and an effective strain of + 0.14% Are respectively prepared, and the photoluminescence emission spectra are compared. As described above, the metal organic molecular beam epitaxy method is used for the preparation of each multi-quantum well structure sample. In Sample 1, the barrier layer is made of InGaP having a tensile strain of 0.35% and a layer thickness of 13 nm. In Sample 2, the barrier layer is made of InGaP having a tensile strain of 0.44% and a layer thickness of 13 nm.

試料1,試料2では、前述した実施の形態1における場合と発光ピークを一致させるために、InGaPからなる量子井戸層の圧縮歪と層厚は、各々、試料1で1.4%と7nmに、試料2で1.2%と7.5nmにしている。   In sample 1 and sample 2, in order to match the emission peak with that in the first embodiment described above, the compressive strain and layer thickness of the quantum well layer made of InGaP are 1.4% and 7 nm in sample 1, respectively. Sample 2 has 1.2% and 7.5 nm.

図7は、上述したように作製した実効歪みが異なる多重量子井戸構造よりなる試料1と試料2の室温におけるホトルミネセンス発光スペクトルを示した特性図である。2つの試料で、発光ピークの強度に大きな差異は認められない。このように、InGaPを用いた多重量子井戸構造では、障壁層の引っ張り歪が小さく、量子井戸構造における実効歪が0%よりも大きな条件であっても、結晶欠陥が起因する発光強度の低下を抑制することが可能である。このことから、障壁層は、量子井戸層とは反対方向の歪、すなわち引っ張り歪が加わっていることが求められるが、障壁層における引っ張り歪みの大きさは量子井戸層の圧縮歪や量子井戸層の数に応じて、適宜、決定することができるパラメータであることが分かる。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing photoluminescence emission spectra at room temperature of Sample 1 and Sample 2 made of multiple quantum well structures with different effective strains produced as described above. There is no significant difference in the intensity of the emission peak between the two samples. Thus, in the multiple quantum well structure using InGaP, even if the tensile strain of the barrier layer is small and the effective strain in the quantum well structure is larger than 0%, the emission intensity caused by crystal defects is reduced. It is possible to suppress. For this reason, the barrier layer is required to have a strain in the opposite direction to the quantum well layer, i.e., a tensile strain, but the tensile strain in the barrier layer depends on the compressive strain of the quantum well layer and the quantum well layer. It can be seen that this parameter can be determined as appropriate according to the number of

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施の形態3における2接合太陽電池の一部構成を示す構成図である。図8では、第2太陽電池セルの製造途中における構成を模式的な断面図で示している。
[Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a configuration diagram showing a partial configuration of the two-junction solar cell in the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, the structure in the middle of manufacture of a 2nd photovoltaic cell is shown with typical sectional drawing.

この第2太陽電池セルは、まず、n型のGaAsからなる基板801の上に、n型のGaAsからなる層厚0.2μmのバッファ層802,n型のInGaPからなるコンタクト層803,n型のInGaAlPからなる層厚0.03μmの電界層804,n型のInGaPからなる層厚0.4μmの第2半導体層805が積層されている。また、第2半導体層805の上には、InGaPからなる障壁層とInGaPからなる量子井戸層とを備える多重量子井戸構造806が形成されている。多重量子井戸構造806は、圧縮歪が1.5%のInGaPからなる層厚が6nmの量子井戸層と、引っ張り歪が0.3%のInGaPからなる層厚が13nmの障壁層とから構成され、量子井戸層の数は12とされている。また、量子井戸層のバンドギャップは、1.75eVである。   In the second solar cell, first, on a substrate 801 made of n-type GaAs, a buffer layer 802 made of n-type GaAs and having a thickness of 0.2 μm, a contact layer 803 made of n-type InGaP, and an n-type contact layer 803. A field layer 804 having a layer thickness of 0.03 μm made of InGaAlP and a second semiconductor layer 805 having a layer thickness of 0.4 μm made of n-type InGaP are stacked. Further, a multiple quantum well structure 806 including a barrier layer made of InGaP and a quantum well layer made of InGaP is formed on the second semiconductor layer 805. The multiple quantum well structure 806 is composed of a quantum well layer made of InGaP having a compressive strain of 1.5% and a thickness of 6 nm, and a barrier layer made of InGaP having a tensile strain of 0.3% and a thickness of 13 nm. The number of quantum well layers is 12. The band gap of the quantum well layer is 1.75 eV.

また、多重量子井戸構造806の上には、p型のInGaPからなる層厚0.05μmの第1半導体層807が形成され、第1半導体層807の上には、p型のInGaAlPからなる層厚0.03μmの電界層808が形成されている。なお、電界層804は、キャリアである電子が、多重量子井戸構造806の側より電界層804の側へ拡散することを抑制するために形成している。また、電界層808は、キャリアである正孔が、多重量子井戸構造806の側より電界層808の側へ拡散することを抑制するために形成している。また、電界層808の上には、p+型のInGaPからなる第1接合層809、およびn+型のInGaPからなる第2接合層810が形成されている。第2接合層810に、Siより構成した第1太陽電池セルのn型シリコン層を直接接合により接合させ、基板801およびバッファ層802を除去すれば、2接合太陽電池が形成できる。 A first semiconductor layer 807 made of p-type InGaP and having a layer thickness of 0.05 μm is formed on the multiple quantum well structure 806, and a layer made of p-type InGaAlP is formed on the first semiconductor layer 807. An electric field layer 808 having a thickness of 0.03 μm is formed. Note that the electric field layer 804 is formed to suppress diffusion of electrons as carriers from the multiple quantum well structure 806 side to the electric field layer 804 side. The electric field layer 808 is formed in order to suppress diffusion of holes as carriers from the multiple quantum well structure 806 side to the electric field layer 808 side. Further, on the field layer 808, the second bonding layer 810 made of InGaP of the first bonding layer 809, and n + type consisting p + -type InGaP is formed. When the n-type silicon layer of the first solar battery cell made of Si is directly bonded to the second bonding layer 810 and the substrate 801 and the buffer layer 802 are removed, a two-junction solar cell can be formed.

ここで、上述した第2太陽電池セルの特性調査結果について説明する。この調査では、図9に層構造を示す太陽電池を作製した。まず、n型のGaAsからなる基板901の上に、n型のGaAsからなる層厚0.2μmのバッファ層902,n型のInGaAlPからなる層厚0.03μmの電界層903,n型のInGaPからなる層厚0.4μmの第2半導体層904が積層されている。また、第2半導体層904の上には、InGaPからなる障壁層とInGaPからなる量子井戸層とを備える多重量子井戸構造905が形成されている。多重量子井戸構造905は、圧縮歪が1.5%のInGaPからなる層厚が6nmの量子井戸層と、引っ張り歪が0.3%のInGaPからなる層厚が13nmの障壁層とから構成し、量子井戸層の数は12とする。また、量子井戸層のバンドギャップは、1.75eVである。   Here, the characteristic investigation result of the 2nd photovoltaic cell mentioned above is demonstrated. In this investigation, a solar cell having a layer structure shown in FIG. 9 was produced. First, on a substrate 901 made of n-type GaAs, a buffer layer 902 made of n-type GaAs and having a thickness of 0.2 μm, an electric field layer 903 made of n-type InGaAlP and having a thickness of 0.03 μm, and an n-type InGaP. A second semiconductor layer 904 having a thickness of 0.4 μm is stacked. Further, a multiple quantum well structure 905 including a barrier layer made of InGaP and a quantum well layer made of InGaP is formed on the second semiconductor layer 904. The multi-quantum well structure 905 includes a quantum well layer made of InGaP having a compressive strain of 1.5% and a thickness of 6 nm and a barrier layer made of InGaP having a tensile strain of 0.3% and a thickness of 13 nm. The number of quantum well layers is 12. The band gap of the quantum well layer is 1.75 eV.

また、多重量子井戸構造905の上には、p型のInGaPからなる層厚0.05μmの第1半導体層906が形成され、第1半導体層906の上には、p型のInGaAlPからなる層厚0.03μmの電界層907が形成されている。また、電界層907の上には、p型のInAlPからなる層厚0.03μmの窓層908が形成されている。また、一部の窓層908の上には、p型のInGaPからなるコンタクト層909を介して表面フィンガー電極910が形成されている。一方、基板901の裏面には、裏面電極911が形成されている。また、窓層908の電極形成領域以外には、反射防止膜912が形成されている。   A first semiconductor layer 906 having a layer thickness of 0.05 μm made of p-type InGaP is formed on the multiple quantum well structure 905, and a layer made of p-type InGaAlP is formed on the first semiconductor layer 906. An electric field layer 907 having a thickness of 0.03 μm is formed. On the electric field layer 907, a window layer 908 made of p-type InAlP and having a layer thickness of 0.03 μm is formed. A surface finger electrode 910 is formed on a part of the window layer 908 via a contact layer 909 made of p-type InGaP. On the other hand, a back surface electrode 911 is formed on the back surface of the substrate 901. Further, an antireflection film 912 is formed outside the electrode formation region of the window layer 908.

各半導体層は、III族原料にIn,Ga,Al、V族原料にホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いたガスソース分子線エピタキシー法により、エピタキシャル成長することで形成する。成長温度は、530℃である。また、コンタクト層909は、公知のリソグラフィー技術により作製したレジストパターンをマスクとし、BBr3を用いたドライエッチングによる選択的なエッチングで、一部を残すように除去することで形成する。この残したコンタクト層909の上に、蒸着により金属膜を形成し、熱処理することで、表面フィンガー電極910が形成できる。また、裏面電極911は、基板901の裏面に蒸着により金属膜を形成し、熱処理することで形成できる。なお、反射防止膜912の形成側が、太陽光の入射側である。 Each semiconductor layer is formed by epitaxial growth by a gas source molecular beam epitaxy method using In, Ga, Al as a group III material, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) as a group V material. The growth temperature is 530 ° C. In addition, the contact layer 909 is formed by using a resist pattern produced by a known lithography technique as a mask and removing it so as to leave a part by selective etching by dry etching using BBr 3 . A surface finger electrode 910 can be formed by forming a metal film on the remaining contact layer 909 by vapor deposition and performing heat treatment. The back electrode 911 can be formed by forming a metal film on the back surface of the substrate 901 by vapor deposition and performing heat treatment. The formation side of the antireflection film 912 is the incident side of sunlight.

上述した太陽電池を、エアマス1.5グローバル(AM−1.5Global、入射光強度1000W/m2)、非集光の条件下で電流電圧特性を測定する。この場合、解放電圧は1.32V、短絡電流密度は11.5mA/cm2、フィルファクターは0.78であり、光電変換効率は11.8%である。多重量子井戸構造を用いないInGaPのPN接合のみを光吸収層とする太陽電池では、解放電圧は1.37V、短絡電流密度は9.2mA/cm2、フィルファクターは0.83であり、光電変換効率は10.5%である。多重量子井戸構造を用いる太陽電池では、InGaPのPN接合のみを光吸収層とする太陽電池よりもバンドギャップが小さい。多重量子井戸構造を用いる太陽電池の方が光電変換効率が高いのは、InGaPでは吸収できないエネルギーの小さい光を、多重量子井戸構造で吸収できるためである。 The solar cell described above is measured for current-voltage characteristics under conditions of air mass 1.5 global (AM-1.5 Global, incident light intensity 1000 W / m 2 ), non-condensing. In this case, the release voltage is 1.32 V, the short-circuit current density is 11.5 mA / cm 2 , the fill factor is 0.78, and the photoelectric conversion efficiency is 11.8%. In a solar cell using only an InGaP PN junction that does not use a multiple quantum well structure as a light absorption layer, the release voltage is 1.37 V, the short-circuit current density is 9.2 mA / cm 2 , and the fill factor is 0.83. The conversion efficiency is 10.5%. In a solar cell using a multiple quantum well structure, the band gap is smaller than that of a solar cell using only an InGaP PN junction as a light absorption layer. The reason why the solar cell using the multiple quantum well structure has higher photoelectric conversion efficiency is that the light having a small energy that cannot be absorbed by InGaP can be absorbed by the multiple quantum well structure.

なお、多重量子井戸構造を用いる太陽電池の短絡電流密度は、量子井戸層を増加することで増加させることができる。このため、量子井戸層の数は上述した数に限定されるものでなく、2接合太陽電池のトップセルに用いる際にSiボトムセルと電流が整合するように増減させれば良い。   In addition, the short circuit current density of the solar cell using a multiple quantum well structure can be increased by increasing a quantum well layer. For this reason, the number of quantum well layers is not limited to the number described above, and may be increased or decreased so that the current matches the Si bottom cell when used for the top cell of a two-junction solar cell.

以上に説明したように、本発明では、InGaPを用いた多重量子井戸構造を用いるようにしたので、III−V族化合物半導体を用いた太陽電池セルとSiを用いた太陽電池セルとの組み合わせによる2接合太陽電池が、Asを含まずに構成できるようになる。本発明は、太陽光を効率的に光から電気へと変換し、さらに環境負荷物質の含有も少ない太陽電池として好適なものである。これにより、現在求められる電力エネルギーのうち、太陽電池により発電させる比率を増加させるという社会的な要求に応えることが可能になる。   As described above, in the present invention, since a multiple quantum well structure using InGaP is used, a combination of a solar battery cell using a III-V group compound semiconductor and a solar battery cell using Si is used. A two-junction solar cell can be configured without including As. The present invention is suitable as a solar cell that efficiently converts sunlight from light to electricity and further contains less environmentally hazardous substances. This makes it possible to meet the social demand for increasing the ratio of power generated by solar cells among the currently required power energy.

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、第2接合層108とn型シリコン層102との間に、第2接合層108より薄いn型のIII−V族化合物半導体層が設けられていてもよい。また、第1太陽電池セルは、p型のシリコン層およびn型のシリコン層から構成されていればよく、n型のシリコン基板の上にp型のシリコン層を備える構成としてもよいことは言うまでもない。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, an n-type III-V group compound semiconductor layer thinner than the second bonding layer 108 may be provided between the second bonding layer 108 and the n-type silicon layer 102. The first solar cell need only be composed of a p-type silicon layer and an n-type silicon layer, and it goes without saying that a p-type silicon layer may be provided on an n-type silicon substrate. Yes.

101…シリコン基板(p型のシリコン層)、102…n型シリコン層、103…第1半導体層、104…障壁層、105…量子井戸層、106…第2半導体層、107…第1接合層、108…第2接合層、111…反射防止膜、112…コンタクト層、113…電極、114…電極。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Silicon substrate (p-type silicon layer), 102 ... n-type silicon layer, 103 ... 1st semiconductor layer, 104 ... Barrier layer, 105 ... Quantum well layer, 106 ... 2nd semiconductor layer, 107 ... 1st junction layer 108, second bonding layer, 111, antireflection film, 112, contact layer, 113, electrode, 114, electrode.

Claims (4)

p型のシリコン層およびn型のシリコン層から構成された第1太陽電池セルと、
Asを含まずに構成されたp型のIII−V族化合物半導体からなる第1半導体層、InGaPからなる障壁層とInGaPからなる量子井戸層とを備える多重量子井戸構造、およびAsを含まずに構成されたn型のIII−V族化合物半導体からなる第2半導体層からなる第2太陽電池セルと、
前記第1太陽電池セルと前記第2太陽電池セルとの間に配置された接合層と
を少なくとも備えることを特徴とする2接合太陽電池。
a first solar cell composed of a p-type silicon layer and an n-type silicon layer;
A first semiconductor layer made of a p-type III-V group compound semiconductor configured without containing As, a multiple quantum well structure including a barrier layer made of InGaP and a quantum well layer made of InGaP, and without containing As A second solar cell comprising a second semiconductor layer comprising an n-type III-V group compound semiconductor,
A two-junction solar cell comprising at least a bonding layer disposed between the first solar cell and the second solar cell.
請求項1記載の2接合太陽電池において、
前記量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、1.65eVから1.85eVの範囲とされていることを特徴とする2接合太陽電池。
The two-junction solar cell according to claim 1,
The two-junction solar cell according to claim 1, wherein a band gap energy of the quantum well layer is in a range of 1.65 eV to 1.85 eV.
請求項1または2記載の2接合太陽電池において、
前記量子井戸層は、GaAsに対して0.5〜2%の範囲の圧縮歪みを有することを特徴とする2接合太陽電池。
The two-junction solar cell according to claim 1 or 2,
The two-junction solar cell, wherein the quantum well layer has a compressive strain in a range of 0.5 to 2% with respect to GaAs.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の2接合太陽電池において、
前記障壁層は、GaAsに対して引っ張り歪みを有することを特徴とする2接合太陽電池。
In the 2 junction solar cell of any one of Claims 1-3,
The two-junction solar cell, wherein the barrier layer has tensile strain with respect to GaAs.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160086155A (en) * 2015-01-09 2016-07-19 한국생산기술연구원 Method for fabricating tandem solar cell with thin film silicon and bulk crystalline silicon using silicon thin film tunnel junction layer by PECVD and solar cell thereof
JP2017517156A (en) * 2014-05-22 2017-06-22 ソーラー キューブド デベロップメント, エルエルシー Full spectrum electromagnetic energy system
JP2017199711A (en) * 2016-04-25 2017-11-02 日本電信電話株式会社 Light-receiving element

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000277779A (en) * 1999-03-26 2000-10-06 Nagoya Kogyo Univ Method for bonding semiconductors, semiconductor and semiconductor device produced using that method
JP2012504331A (en) * 2008-09-29 2012-02-16 クアンタソル リミテッド Photocell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000277779A (en) * 1999-03-26 2000-10-06 Nagoya Kogyo Univ Method for bonding semiconductors, semiconductor and semiconductor device produced using that method
JP2012504331A (en) * 2008-09-29 2012-02-16 クアンタソル リミテッド Photocell

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017517156A (en) * 2014-05-22 2017-06-22 ソーラー キューブド デベロップメント, エルエルシー Full spectrum electromagnetic energy system
KR20160086155A (en) * 2015-01-09 2016-07-19 한국생산기술연구원 Method for fabricating tandem solar cell with thin film silicon and bulk crystalline silicon using silicon thin film tunnel junction layer by PECVD and solar cell thereof
KR101673241B1 (en) * 2015-01-09 2016-11-07 한국생산기술연구원 Method for fabricating tandem solar cell with thin film silicon and bulk crystalline silicon using silicon thin film tunnel junction layer by PECVD and solar cell thereof
JP2017199711A (en) * 2016-04-25 2017-11-02 日本電信電話株式会社 Light-receiving element

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