JP2014027119A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇に伴う太陽電池の特性劣化が抑制できるようにする。
【解決手段】この太陽電池は、半導体層１０１と、半導体層１０１よりバンドギャップの大きな材料から構成されて障壁層１０２とを交互に積層した超格子構造からなる光吸収層を備える。また、半導体層１０１は、層厚５ｎｍ以下とされ、障壁層１０２は、層厚３ｎｍ以下とされている。まず、半導体層１０１は、シリコンから構成されている。また、障壁層１０２は、酸化シリコンまたは窒化シリコンなど、シリコン化合物からなる絶縁材料から構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温においても安定して動作する高効率な太陽電池に関するものである。

太陽電池は、典型的な自然エネルギー利用デバイスとして有力視されている（非特許文献１，２参照）。しかしながら、太陽電池が主要なエネルギー供給源として使われるためには、コストの低減と効率の上昇が不可欠である。一方、太陽電池は、動作中比較的高温に達するため、温度上昇による半導体の特性が劣化する。このため、太陽電池の出力特性は劣化する。これは、太陽電池の重要な問題点のひとつである。

A. Shah et al. , "Photovoltaic Technology: The Case for Thin-Film Solar Cells", Science, VOL.285, PP.692-698 , 1999. K. L. Chopra et al. , "Thin-Film Solar Cells: An Overview", Prog. Photovolt: Res. Appl. , vol.12, pp.69-92, 2004.

通常の太陽電池（１ｓｕｎ）においては６０℃〜７０℃に達し、集光型の場合の接合温度の上昇はさらに著しく、１００℃に達する場合もある。図８は、通常の太陽電池の出力特性を示す特性図である。図８において、実線は３００Ｋ、破線は３５０Ｋにおける特性を示している。図８に示すように、温度が上昇するとバンドギャップエネルギーが減少し、これによってＶ_ocが低下する。一方、バンドギャップエネルギーの低下に伴って感度域が低エネルギー側に広がるため、Ｉ_scはやや増加する。しかし、全出力は図８から想像できるように著しく低下する。集光型の太陽電池では温度上昇は著しく、この現象による効率の劣化は極めて大きい。

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、温度上昇に伴う太陽電池の特性劣化が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る太陽電池は、半導体層と、半導体層よりバンドギャップの大きな材料から構成された障壁層とを交互に積層した超格子構造からなる光吸収層を備え、上記半導体層は層厚５ｎｍ以下とされ、障壁層は層厚３ｎｍ以下とされている。

上記太陽電池において、半導体層は、シリコンから構成されていればよい。また、障壁層は、酸化シリコンまたは窒化シリコンであればよい。また、障壁層は、ＳｉＣであってもよい。なお、半導体層および障壁層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体または窒化物半導体から構成してもよい。

上記太陽電池において、半導体層は、ｎ型またはｐ型とされていてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、温度上昇に伴う太陽電池の特性劣化が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の一部構成を示す断面図である。 図２は、実施の形態１における障壁層１０２を、酸化シリコン，窒化シリコン，およびＳｉＣから構成した場合の、各々におけるバンド構造を示すバンド図である。 図３は、ＳｉＯ₂／Ｓｉ超格子の基底準位によるバンドギャップの井戸幅依存性を示した特性図である。 図４は、シリコンから構成した半導体層１０１の層厚を１．６ｎｍとし、酸化シリコンから構成した障壁層１０２の層厚を１ｎｍとし、積層数を９とした超格子構造による光吸収層の、３００Ｋにおけるエネルギー準位を示すバンド図である。 図５は、本発明の実施の形態における太陽電池の一部構成を示す断面図である。 図６は、半導体層５０１をＧａＡｓから構成し、障壁層５０２をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成した実施の形態２における超格子構造とした光吸収層を用いた太陽電池の出力特性の温度依存性を示す特性図である。 図７は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの固相安定領域を示す特性図である。 図８は、通常の太陽電池の出力特性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の一部構成を示す断面図である。この太陽電池は、半導体層１０１と、半導体層１０１よりバンドギャップの大きな材料から構成されて障壁層１０２とを交互に積層した超格子構造からなる光吸収層を備える。また、半導体層１０１は、層厚５ｎｍ以下とされ、障壁層１０２は、層厚３ｎｍ以下とされている。

ここで、まず、半導体層１０１は、シリコンから構成されている。また、障壁層１０２は、酸化シリコンまたは窒化シリコンなど、シリコン化合物からなる絶縁材料から構成されている。なお、障壁層１０２は、ＳｉＣから構成することもできる。

温度上昇による劣化の主な要因は、光吸収が行われる半導体層のバンドギャップの減少による起電力の低下である。これを解決するために、上述したように構成した超格子構造を利用する。超格子のバンドギャップＥｇ（ＳＬ）は、「Ｅｇ（ＳＬ）＝Ｅｇ（Ｓ）＋Ｅ（Ｑ）」で表されるように、本来の半導体のバンドギャップＥｇ（Ｓ）と超格子の量子効果によるＥ（Ｑ）からなる。このうち、Ｅｇ（Ｓ）は、温度上昇によって急激に減少する。

一方、Ｅ（Ｑ）は、主に超格子の井戸層の厚さと、障壁層とのヘテロ界面における伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃおよび価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖによって決定される。実施の形態１における半導体層１０１が、井戸層に相当する。従って、Ｅ（Ｑ）の温度依存性は極めて小さい。このため、上述した実施の形態１における超格子構造からなる光吸収層を用いることで、起電力の減少を相対的に抑制することができる。この効果が顕著に現れる材料系を選択することにより、温度の上昇に対して劣化の少ない太陽電池を実現することができる。

前述したように、温度上昇における最大の問題は、バンドギャップＥｇの減少に伴う起電力Ｖ_ocの減少である。半導体材料の温度上昇に伴うＥｇの減少は不可避の現象であるが、超格子の場合２次元電子構造の形成により、超格子のＥｇは量子化エネルギーＥ（Ｑ）分だけ増加する。すなわち、「Ｅｇ（ＳＬ）＝Ｅｇ（Ｓ）＋Ｅ（Ｑ）」となる。この中の量子化エネルギーＥ（Ｑ）は、主に幾何学的な量子井戸の幅のみで決定され、前述したように、温度には依存しない。このため、実施の形態１における超格子構造とした光吸収層（半導体層１０１）のバンドギャップＥｇ（ＳＬ）は、温度に関して変化しにくい傾向になる。この結果、実施の形態１によれば、温度上昇に伴う太陽電池の特性劣化が抑制できるようになる。

次に、より詳細に説明する。まず、障壁層１０２を、酸化シリコン，窒化シリコン，およびＳｉＣから構成した場合の、各々におけるバンド構造について、図２を用いて説明する。図２において、（ａ）は、障壁層１０２を酸化シリコンから構成した場合を示し、（ｂ）は、障壁層１０２を窒化シリコンから構成した場合を示し、（ｃ）は、障壁層１０２をＳｉＣから構成した場合を示している。

図２の（ａ）に示すように、障壁層１０２を酸化シリコンから構成したＳｉ−ＳｉＯ₂超格子系では、ΔＥｃ，ΔＥｖともに極めて大きく、ΔＥｃ＝３．２５ｅＶ，ΔＥｖ＝４．６５ｅＶに達する。

図２の（ｂ）に示すように、障壁層１０２を窒化シリコンから構成したＳｉ−Ｓｉ₃Ｎ₄超格子系においても、ΔＥｃ，ΔＥｖは比較的大きく、ΔＥｃ＝１．９ｅＶ、ΔＥｖ＝２．３ｅＶである。一方、障壁層１０２をＳｉＣから構成したＳｉ−ＳｉＣ超格子系では、ΔＥｃ，ΔＥｖはやや小さくなるが、それでも、ΔＥｃ＝０．５ｅＶ、ΔＥｖ＝０．９ｅＶである。この値は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ−ＧａＡｓ超格子系に比べ、特にΔＥｖが極めて大きい。

特に、Ｓｉ−ＳｉＯ₂超格子系は、大きな効果が得られる。狭い井戸幅（半導体層１０１が薄い場合）においては、Ｅ（Ｑ）をＳｉのバンドギャップに比較して大きく取れる。これによって高温においてもバンドギャップの減少が小さく、Ｖ_ocが劣化しない太陽電池が可能になる。もちろん、ΔＥｃ，ΔＥｖともに温度依存性を持つが、問題となるのは超格子構造とした光吸収層の実効的なバンドギャップ、すなわち量子準位のうち基底準位間のエネルギーであり、この値はΔＥｃ，ΔＥｖのわずかな変化に影響されない。

なお、絶縁材料であるＳｉＯ₂を用いているが、これを超格子では障壁層としており、障壁層１０２の層厚を１〜３ｎｍと極めて薄くすることにより、デバイスの抵抗を低く抑えることができる。

次に、半導体層１０１の層厚について、図３を用いて説明する。図３は、ＳｉＯ₂／Ｓｉ超格子の基底準位によるバンドギャップの井戸幅依存性を示した特性図である。図３において、障壁層１０２の層厚は、１ｎｍとしている。また、図３の（ａ）は、Ｓｉのバンドギャップを示し、図３の（ｂ）は、半導体層１０１および障壁層１０２からなる超格子構造のバンドギャップを示す。図３からわかるように、半導体層１０１の層厚が５ｎｍ以下であれば、実施の形態１における超格子構造からなる光吸収層におけるバンドギャップを、シリコンのバンドギャップ１．１ｅＶより大きくできる。また、半導体層１０１の層厚を１．６μｍ以下とすることで、超格子構造からなる光吸収層におけるバンドギャップを１．５ｅＶ以上とすることができる。

例えば、シリコンから構成した半導体層１０１の層厚を１．６ｎｍとし、酸化シリコンから構成した障壁層１０２の層厚を１ｎｍとし、積層数を９とした超格子構造による光吸収層の、３００Ｋにおけるエネルギー準位は、図４に示す状態となる。なお、図４において、「ＥＴ」は、横方向電子基底準位、「ＥＬ」は、縦方向電子基底準位、「ＨＨ」は、重い正孔の基底準位、「ＬＨ」は、軽い正孔の基底準位である。図４からわかるように、上記構成とすることで、１．５ｅＶのバンドギャップが実現できる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態における太陽電池の一部構成を示す断面図である。この太陽電池は、層厚５ｎｍ以下とされた半導体層５０１と、半導体層５０１よりバンドギャップの大きな材料から構成されて層厚３ｎｍ以下とされた障壁層５０２とを交互に積層した超格子構造からなる光吸収層を備える。

ここで、まず、半導体層５０１は、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、ＧａＮなどの窒化物半導体から構成されている。例えば、半導体層５０１をＧａＡｓから構成する場合、障壁層５０２は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成すればよい。

前述したように、超格子のバンドギャップＥｇ（ＳＬ）は、「Ｅｇ（ＳＬ）＝Ｅｇ（Ｓ）＋Ｅ（Ｑ）」で表される。実施の形態２において、半導体層５０１をＧａＡｓから構成し、障壁層５０２をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7ＡｓなどのＡｌ_xＧａ_1-xＡ_sから構成した場合、Ｅｇ（ＳＬ）は、電子および正孔の基底量子準位のエネルギー差から、次の式（１）により与えられる。

なお、式（１）において、ａは、半導体層５０１の層厚（井戸幅）である。また、式（１）では、簡単のために、半導体層５０１と障壁層５０２とのヘテロ接合における井戸の深さ、すなわちバンド端不連続ΔＥｃおよびΔＥｖを無限大として計算しているが、基底準位の差はほぼ正確に求められる。

混晶組成では、ΔＥｃ〜０．４ＶおよびΔＥｖ〜０．２Ｖとなり、対応するＥ（Ｑ）はａ＝２ｎｍの場合０．２５ｅＶに達する。重要な点は、ＧａＡｓのバンドギャップ１．４２ｅＶが、温度の上昇とともに急激に減少するのに対し、Ｅ（Ｑ）＝０．２５ｅＶは温度にほとんど依存しないことである。この成分は、バンドギャップに対して大きいものではないが、温度の上昇とともにＶ_ocが減少する問題を考えるとき、効果は極めて大きいといえる。超格子の形成に当たっては太陽光照射によって超格子内に生じた励起子のエネルギーをできるだけ失わずに電極層に取り出す構造を用いる。

次に、半導体層５０１をＧａＡｓから構成し、障壁層５０２をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成した実施の形態２における超格子構造とした光吸収層を用いた太陽電池の出力特性の温度依存性について、図６に示す。図６において、（ａ）は、１０Ｋにおける特性を示し、（ｂ）は、３００Ｋにおける特性を示している。図６では、高温状態の特性の代わりに、低温から室温（３００Ｋ）まで温度を上昇させた場合の結果を示している。

図６に示すように、温度の上昇とともにバンドギャップエネルギーは減少し、これに伴ってＶ_ocが減少する。この減少の絶対量は、１０Ｋから３００Ｋまでの温度変化に対し、約０．６Ｖ変化しており、この変化量は、ＧａＡｓから構成したｐｉｎ接合太陽電池の場合とほぼ同じである。このことは、実施の形態２における超格子構造からなる光吸収層のバンドギャップエネルギーＥｇ（ＳＬ）＝Ｅｇ（Ｓ）＋Ｅ（Ｑ）の中で、半導体バルクのバンドギャップＥｇ（Ｓ）のみが変化していることを示唆している。しかし、障壁層５０２のｘをやや小さく（ｘ＝０．３）していることから、ΔＥｃおよびΔＥｖが小さく、また半導体層５０１の層厚を大きく（５ｎｍ）していることから、最適な構成ではない。ここで、ΔＥｃおよびΔＥｖが大きく取れるＡｌＡｓから障壁層５０２を構成することで、大きな効果が得られる。

ところで、半導体層５０１をＡｌＧａＮから構成し、障壁層５０２をＧａ_1-xＩｎ_xＮから構成してもよい。この窒化物半導体を用いる系では、組成ｘを大きい状態としたＧａ_1-xＩｎ_xＮによる障壁層５０２と、ＡｌＧａＮからなる半導体層５０１とのヘテロ接合によるバンド不連続ΔＥｃおよびΔＥｖが極めて大きいため、温度上昇に対するバンドギャップエネルギーの安定性に関して、さらに大きな効果が期待できる。

ただしこの材料系では、組成ｘの増加に伴って、図７に示すように非混和領域が発生する。図７は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの固相安定領域を示す特性図である。例えば、成長温度８００℃の場合、組成ｘが０．２＜ｘ＜０．８の範囲は非混和領域である。従って、ｘ＞０．８およびｘ＜０．２の組成の結晶により、上述した超格子構造を作製する必要がある。実際この組み合わせでは、極めて大きいΔＥｃおよびΔＥｖが実現する。ただし、ヘテロ接合における格子不整合が６〜８％に達するが、各層の薄層化により、格子不整合界面の太陽電池特性への影響を軽減することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、層厚５ｎｍ以下とした半導体層と、この半導体層よりバンドギャップの大きい層厚３ｎｍ以下とした障壁層とより超格子構造を構成して光吸収層としたので、温度上昇に伴う太陽電池の特性劣化が抑制できるようになる。

前述したように、太陽電池の高温における特性の劣化、つまりＶ_ocの減少は、構成する半導体のバンドギャップの減少によるものである。超格子構造とすることで、対応するバンドギャップは電子および正孔の基底準位の差によって決定されるが、超格子構造のバンドギャップＥｇ（ＳＬ）は、「Ｅｇ（ＳＬ）＝Ｅｇ（Ｓ）＋Ｅ（Ｑ）」で表されるように、本来の半導体のバンドギャップＥｇ（Ｓ）と超格子構造の量子効果によるＥ（Ｑ）からなる。このうちＥｇ（Ｓ）は温度上昇によって急激に減少するが、Ｅ（Ｑ）は、主に超格子構造のΔＥｃおよびΔＥｖによって決定されるため、温度依存性は極めて小さい。このため太陽電池の効率は高温になってもあまり劣化しない。本発明は、特に集光型の太陽電池における効率確保に極めて有効である。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形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、上記半導体層と障壁層とによる超格子構造の光吸収層を、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層で挟んでｐｉｎ構造としてもよい。また、超格子構造としている半導体層に、ｎ型およびｐ形の不純物を導入することで、超格子構造内部にｐｎ構造を構成してもよい。例えば、半導体層をシリコンから構成する場合、Ａｌ，ＩｎなどＩＩＩ族元素を添加することでｐ型とすればよい。また、半導体層をシリコンから構成する場合、Ａｓ，ＳｂなどＶ族元素を添加することでｎ型とすればよい。

１０１…半導体層、１０２…障壁層。

Claims (6)

1. 半導体層と、
   前記半導体層よりバンドギャップの大きな材料から構成された障壁層と
   を交互に積層した超格子構造からなる光吸収層を備え、
   前記半導体層は層厚５ｎｍ以下とされ、
   前記障壁層は層厚３ｎｍ以下とされていることを特徴とする太陽電池。
2. 請求項１記載の太陽電池において、
   前記半導体層は、シリコンから構成されていることを特徴とする太陽電池。
3. 請求項２記載の太陽電池において、
   前記障壁層は、酸化シリコンまたは窒化シリコンであることを特徴とする太陽電池。
4. 請求項２記載の太陽電池において、
   前記障壁層は、ＳｉＣであることを特徴とする太陽電池。
5. 請求項１記載の太陽電池において、
   前記半導体層および障壁層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体または窒化物半導体から構成されていることを特徴とする太陽電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池において、
   前記半導体層は、ｎ型またはｐ型とされていることを特徴とする太陽電池。