JP2014183066A

JP2014183066A - Solar battery

Info

Publication number: JP2014183066A
Application number: JP2013054639A
Authority: JP
Inventors: Koji Onomitsu; 恒二小野満; Koji Yamaguchi; 浩司山口; Atsushi Kawarazuka; 篤河原塚; Miki Fujita; 実樹藤田; Jiro Nishinaga; 滋郎西永; Yoshiharu Horikoshi; 佳治堀越
Original assignee: Waseda University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Waseda University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-29

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve electricity generation efficiency of a solar battery using a compound semiconductor.SOLUTION: There is provided a solar battery comprising a light-absorptive layer 102 formed on a substrate 101. The light-absorptive layer 102 is formed of a compound semiconductor having a direct band gap energy higher than an indirect band gap energy by 50 meV or more, and is formed on a substrate.

Description

本発明は、化合物半導体から構成された太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell composed of a compound semiconductor.

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。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、コストの低減および発電効率の向上が不可欠である。コスト低減のためには薄膜化が最も有効な手段であり（非特許文献１，２参照）、これまでのＧａＡｓ、ＧａＩｎＰをはじめとする化合物半導体を用いた太陽電池の開発情況は、このような方向に沿ったものである。 Solar cells are considered promising as typical natural energy utilization devices. In order for solar cells to be used as the main energy source, it is essential to reduce costs and improve power generation efficiency. Thinning is the most effective means for cost reduction (see Non-Patent Documents 1 and 2), and the development situation of solar cells using compound semiconductors such as GaAs and GaInP so far is as follows. Along the direction.

例えば、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰなどの化合物半導体は、光吸収係数が大きく、薄膜でも充分な吸収効率が得られ、高い光電変換効率を持つ太陽電池の製作が可能である。加えて、化合物半導体を用いた太陽電池では、光吸収により生成されたキャリアの再結合による電流の損失を低減することにより、更に効率の上昇とコストの低減が可能である。また、各々バンドギャップの異なる複数の材料からなる太陽電池セルを積層した多接合型とすることにより、太陽電池の効率は、更に向上させることが可能である。 For example, compound semiconductors such as GaAs and GaInP have a large light absorption coefficient, a sufficient absorption efficiency can be obtained even with a thin film, and a solar cell having high photoelectric conversion efficiency can be manufactured. In addition, in a solar cell using a compound semiconductor, it is possible to further increase efficiency and reduce cost by reducing current loss due to recombination of carriers generated by light absorption. Moreover, the efficiency of a solar cell can be further improved by using a multi-junction type in which solar cells made of a plurality of materials each having a different band gap are stacked.

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

しかしながら、上述したような光吸収係数が大きな化合物半導体は、生成されたキャリア再結合の速度が速いことから、電流として有効に取り出すことが難しく、光電変換の効率（発電効率）を制限してしまうという問題があった。 However, the compound semiconductor having a large light absorption coefficient as described above has a high rate of generated carrier recombination, so that it is difficult to effectively extract the current as a current, and the photoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) is limited. There was a problem.

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、化合物半導体を用いた太陽電池の発電効率が向上できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to improve the power generation efficiency of a solar cell using a compound semiconductor.

本発明に係る太陽電池は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成された光吸収層を備える。例えば、光吸収層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓから構成され、ｘは、０．５以上であればよい。また、光吸収層は、（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから構成され、ｚは、０．６５以上であればよい。 The solar cell according to the present invention includes a light absorption layer formed on a substrate, which is formed of a compound semiconductor having a bandgap energy of direct transition higher by 50 meV or more than that of indirect transition. For example, the light absorption layer is made of Al _x Ga _1-x As, and x may be 0.5 or more. Further, the light absorbing layer is composed of _{_{(Al z Ga 1-z)}} 0.51 In 0.49 P, z may be any 0.65 or more.

上記太陽電池において、基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、光吸収層は、第１半導体層と第２半導体層との間に挟まれて配置されているようにすればよい。また、基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層から構成されているようにしてもよい。 The solar cell includes a first semiconductor layer made of a compound semiconductor of a first conductivity type and a second semiconductor layer made of a compound semiconductor of a second conductivity type formed on a substrate, wherein the light absorption layer is a first semiconductor What is necessary is just to make it arrange | position between the layer and the 2nd semiconductor layer. A first semiconductor layer made of a compound semiconductor of a first conductivity type and a second semiconductor layer made of a compound semiconductor of a second conductivity type formed on the substrate, the light absorption layer comprising: the first semiconductor layer; It may be composed of two semiconductor layers.

以上説明したことにより、本発明によれば、化合物半導体を用いた太陽電池の発電効率が向上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, it is possible to obtain an excellent effect that the power generation efficiency of a solar cell using a compound semiconductor can be improved.

図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell in the embodiment of the present invention. 図２は、化合物半導体におけるバンドギャップエネルギーの状態を示すバンド図である。FIG. 2 is a band diagram showing the state of the band gap energy in the compound semiconductor. 図３は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram in which changes in energy at the band edge with respect to changes in the Al composition of Al _x Ga _1-x As are plotted with reference to the vacuum level. 図４は、（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49ＰのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram in which the change in energy at the band edge with respect to the change in Al composition of (Al _z Ga _{1 -z} ) _0.51 In _0.49 P is plotted with reference to the vacuum level.

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。図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。この太陽電池は、まず、基板１０１の上に形成された光吸収層１０２を備える。光吸収層１０２は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell in the embodiment of the present invention. The solar cell first includes a light absorption layer 102 formed on a substrate 101. The light absorption layer 102 is formed of a compound semiconductor whose bandgap energy of direct transition is 50 meV or more higher than that of indirect transition, and is formed on the substrate.

また、本実施の形態では、基板１０１の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層１０３および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層１０４を備え、光吸収層１０２は、第１半導体層１０３と第２半導体層１０４との間に挟まれて配置されている。例えば、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である。この場合、第２半導体層１０４の側から太陽光が入射する。 In the present embodiment, the first semiconductor layer 103 made of a compound semiconductor of the first conductivity type and the second semiconductor layer 104 made of a compound semiconductor of the second conductivity type formed on the substrate 101 are provided. The layer 102 is disposed between the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layer 104. For example, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. In this case, sunlight enters from the second semiconductor layer 104 side.

また、本実施の形態では、第２半導体層１０４の上に、化合物半導体からなる透明電極層１０５と、透明電極層１０５を覆って形成されたキャップ層１０６とを備える。透明電極層１０５は、光吸収層１０２で吸収される波長の光が透過する化合物半導体から構成する。また、キャップ層１０６は、透明電極層１０５を保護するために用いる。 In this embodiment, a transparent electrode layer 105 made of a compound semiconductor and a cap layer 106 formed so as to cover the transparent electrode layer 105 are provided on the second semiconductor layer 104. The transparent electrode layer 105 is made of a compound semiconductor that transmits light having a wavelength that is absorbed by the light absorption layer 102. The cap layer 106 is used to protect the transparent electrode layer 105.

以下、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から、光吸収層１０２を構成することについて説明する。 Hereinafter, a description will be given of the configuration of the light absorption layer 102 from a compound semiconductor in which the band gap energy of direct transition is 50 meV or more higher than the band gap energy of indirect transition.

前述したように、太陽電池においては、光吸収により生成したキャリアの再結合による電流の損失が問題となる。この問題に対し、いわゆる直接遷移型半導体では、再結合速度の低減は極めて困難である。この理由は、生成されたキャリアの再結合過程は、光吸収によるキャリアの生成の逆過程であり、吸収係数の大きい直接遷移型半導体では、材料の持つ固有の性質として、再結合の速度も速くなるためである。 As described above, in solar cells, current loss due to recombination of carriers generated by light absorption becomes a problem. In order to solve this problem, it is very difficult to reduce the recombination rate in a so-called direct transition type semiconductor. The reason for this is that the recombination process of the generated carriers is the reverse process of the generation of carriers due to light absorption. In direct transition semiconductors with a large absorption coefficient, the recombination speed is high as an inherent property of the material. It is to become.

一方、間接遷移型半導体は、キャリアすなわち電子と正孔が、波数空間で分離されている。このため、再結合の速度は直接遷移型半導体に比べ極めて遅い。従って、間接遷移型半導体は、光吸収により生成したキャリアの伝導層として有利である。本発明では、間接遷移における上述した特性を利用し、直接遷移の状態と組み合わせることにより、電流損失の低下を図る。 On the other hand, in an indirect transition type semiconductor, carriers, that is, electrons and holes, are separated in a wave number space. For this reason, the recombination speed is extremely slow compared to direct transition semiconductors. Therefore, the indirect transition type semiconductor is advantageous as a conductive layer of carriers generated by light absorption. In the present invention, the above-described characteristics in the indirect transition are utilized, and the current loss is reduced by combining with the direct transition state.

このために、本発明では、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を用いる。ここで、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも高い半導体を、一般に間接遷移型の半導体としている。 For this reason, in the present invention, a compound semiconductor whose bandgap energy of direct transition is 50 meV or higher than that of indirect transition is used. Here, a semiconductor whose band gap energy of direct transition is higher than that of indirect transition is generally an indirect transition type semiconductor.

図２は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも高い化合物半導体におけるバンドギャップエネルギーの状態を示すバンド図である。図２において、符号２０１は価電子帯、２０２は伝導帯、２０３は直接遷移におけるバンドギャップ（Ｅ_g ^d）、２０４は間接遷移におけるバンドギャップ（Ｅ_g ⁱ）、２０５は光励起によりΓ点に生成された正孔、２０６は光励起によりΓ点に生成された電子、２０７はＸ点に緩和した電子、２０８は光吸収による電子・正孔対生成過程、２０９はフォノンの放出による電子の緩和過程である。 FIG. 2 is a band diagram showing a state of band gap energy in a compound semiconductor in which the band gap energy of direct transition is higher than the band gap energy of indirect transition. In FIG. 2, reference numeral 201 is a valence band, 202 is a conduction band, 203 is a band gap (E _g ^d ) in a direct transition, 204 is a band gap (E _g ⁱ ) in an indirect transition, and 205 is generated at a Γ point by photoexcitation. 207 is an electron generated at the Γ point by photoexcitation, 207 is an electron relaxed to the X point, 208 is an electron-hole pair generation process by light absorption, and 209 is an electron relaxation process by phonon emission. is there.

光吸収過程の運動量（波数）の保存則から、光吸収による電子・正孔の生成は、主にΓ点の近傍で起こる。伝導帯２０２のエネルギーは、Ｘ点に比べΓ点がわずかに高い。従って、光吸収過程によりΓ点に生成された電子２０６は、フォノンを放出して速やかにＸ点に緩和する。一方、正孔２０５はΓ点に留まることから、Ｘ点に緩和した電子２０７と正孔２０５とは、波数空間で分離される。波数空間で分離された電子２０７・正孔２０５は、運動量（波数）の保存則を満たさないことから、再結合の過程は複雑になり、再結合の速度は大きく低下する。 From the law of conservation of momentum (wave number) in the light absorption process, the generation of electrons and holes by light absorption mainly occurs near the Γ point. The energy of the conduction band 202 is slightly higher at the Γ point than at the X point. Therefore, the electrons 206 generated at the Γ point by the light absorption process emit phonons and quickly relax to the X point. On the other hand, since the hole 205 remains at the Γ point, the electron 207 relaxed to the X point and the hole 205 are separated in the wave number space. Since the electrons 207 and holes 205 separated in the wave number space do not satisfy the conservation law of momentum (wave number), the recombination process becomes complicated, and the recombination speed is greatly reduced.

Γ点とＸ点のエネルギー差を室温における熱エネルギーである２６ｍｅＶより充分に大きい５０ｍｅＶ以上にすれば、Ｘ点に緩和した電子２０７が、熱励起により再びΓ点に戻ることはない。従って、電子２０７はΓ点に再励起されることも、再結合により消失することもなく、Ｘ点に安定して存在する。 If the energy difference between the Γ point and the X point is 50 meV or more, which is sufficiently larger than 26 meV, which is the thermal energy at room temperature, the electron 207 relaxed to the X point will not return to the Γ point again due to thermal excitation. Therefore, the electron 207 is stably present at the X point without being re-excited to the Γ point or disappearing by recombination.

以上に説明したことから、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体において、光励起により生成された電子・正孔が再結合することなく電流として取り出されることは明らかであり、再結合電流の低減により、ｐｎ接合型、あるいはｐｉｎ接合型太陽電池の効率が更に上昇することは明白である。 From the above description, in a compound semiconductor in which the band gap energy of direct transition is 50 meV or higher than the band gap energy of indirect transition, electrons and holes generated by photoexcitation can be taken out as current without recombination. Obviously, it is obvious that the efficiency of the pn junction type or pin junction type solar cell is further increased by reducing the recombination current.

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。 Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example.

［実施例１］
はじめに、実施例１について説明する。実施例１では、ｐ⁺−ＧａＡｓから基板１０１を構成し、アンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ）から光吸収層１０２を構成し、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓから第１半導体層１０３を構成し、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓから第２半導体層１０４を構成する。また、ｎ−ＡｌＡｓから透明電極層１０５を構成し、ｎ⁺−ＧａＡｓからキャップ層１０６を構成する。基板１０１が、透明電極層１０５と対となる一方の電極層となる。 [Example 1]
First, Example 1 will be described. In Example 1, the substrate 101 is composed of p ⁺ -GaAs, the light absorption layer 102 is composed of undoped Al _x Ga _1-x As (i-Al _x Ga _1-x As), and p-Al _x Ga. from _1-x As constitute the first semiconductor layer 103, constituting the second semiconductor layer 104 from the _{_{n-Al x Ga 1-x}} As. Further, the transparent electrode layer 105 is composed of n-AlAs, and the cap layer 106 is composed of n ⁺ -GaAs. The substrate 101 is one electrode layer that is paired with the transparent electrode layer 105.

Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのバンド端エネルギーは、Ａｌ組成の変化とともに図３に示すように変化する。図３は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。図３において、（ａ）は価電子帯のエネルギー、（ｂ）は伝導帯のΓ点のエネルギー、（ｃ）は伝導帯のＸ点のエネルギー、（ｄ）は伝導帯のＬ点のエネルギーである。 The band edge energy of Al _x Ga _1-x As changes as shown in FIG. 3 along with the change in Al composition. FIG. 3 is a characteristic diagram in which changes in energy at the band edge with respect to changes in the Al composition of Al _x Ga _1-x As are plotted with reference to the vacuum level. In FIG. 3, (a) is the energy of the valence band, (b) is the energy of the Γ point of the conduction band, (c) is the energy of the X point of the conduction band, and (d) is the energy of the L point of the conduction band. is there.

図３の（ａ）に示すように、価電子帯のエネルギーは、Ａｌ組成ｘの増加とともに低くなる。また、図３の（ｂ）に示すように、Γ点のエネルギーはＡｌ組成の増加とともに高くなるのに対し、（ｃ）に示すようにＸ点のエネルギーはＡｌ組成の増加とともに低くなる。Γ点のエネルギー変化とＸ点のエネルギー変化は、Ａｌ組成４５％付近で交差する。この点を境に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓは、Γ点に最小値を持つ直接遷移型の半導体から、Ｘ点に最小値を持つ間接遷移型の半導体に移行する。Ａｌ組成ｘを５０％以上にすることにより、Γ点における直接ギャップがＸ点における間接ギャップよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体とすることが可能である。 As shown in FIG. 3A, the energy of the valence band decreases as the Al composition x increases. Further, as shown in FIG. 3B, the energy at the Γ point becomes higher as the Al composition increases, whereas the energy at the X point becomes lower as the Al composition increases as shown in FIG. 3C. The energy change at the Γ point and the energy change at the X point cross each other at an Al composition of about 45%. At this point, Al _x Ga _1-x As shifts from a direct transition type semiconductor having a minimum value at the Γ point to an indirect transition type semiconductor having a minimum value at the X point. By setting the Al composition x to 50% or more, a compound semiconductor in which the direct gap at the Γ point is 50 meV or higher than the indirect gap at the X point can be obtained.

上述したように、Ａｌ組成５０％以上（ｘが０．５以上）のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓから、光吸収層１０２、また、光吸収層１０２を挟む第１半導体層１０３および第２半導体層１０４を構成することにより、出力電圧の低下無しに、生成された正孔および電子を電流として取り出すことが可能である。 As described above, the light absorption layer 102 and the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor sandwiching the light absorption layer 102 from Al _x Ga _1-x As having an Al composition of 50% or more (x is 0.5 or more). By forming the layer 104, the generated holes and electrons can be taken out as current without lowering the output voltage.

ところで、透明電極層１０５は、光吸収層１０２よりバンドギャップが大きくかつ間接遷移型のＡｌＡｓから構成している。これにより透明電極層１０５における光吸収を低減し光吸収電流の減少を抑制することが可能である。なお、ＡｌＡｓは、酸化し易いため、キャップ層１０６を設けている。キャップ層１０６は、極薄く形成することで、この層における光吸収などを抑制することができる。また、透明電極層１０５を上述したような化合物半導体から構成することで、太陽電池を構成する各層を、ほぼ格子整合する化合物半導体混晶から構成することができる。このため、例えば、よく知られた有機金属気相成長装置などを用い、第１半導体層１０３，光吸収層１０２，第２半導体層１０４，透明電極層１０５，キャップ層１０６を連続してエピタキシャル成長させることができ、製造が容易となる。 By the way, the transparent electrode layer 105 is made of indirect transition type AlAs having a larger band gap than the light absorption layer 102. Thereby, it is possible to reduce the light absorption in the transparent electrode layer 105 and to suppress the decrease in the light absorption current. Note that a cap layer 106 is provided because AlAs is easily oxidized. By forming the cap layer 106 to be extremely thin, light absorption and the like in this layer can be suppressed. Further, by forming the transparent electrode layer 105 from the compound semiconductor as described above, each layer constituting the solar cell can be constituted from a compound semiconductor mixed crystal that is substantially lattice matched. Therefore, for example, the first semiconductor layer 103, the light absorption layer 102, the second semiconductor layer 104, the transparent electrode layer 105, and the cap layer 106 are continuously epitaxially grown using a well-known metal organic vapor phase growth apparatus. Can be manufactured easily.

［実施例２］
次に、実施例２について説明する。実施例２では、ｐ⁺−ＧａＡｓから基板１０１を構成し、アンドープの（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ（ｉ−（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ）から光吸収層１０２を構成し、ｐ−（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから第１半導体層１０３を構成し、ｎ−（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから第２半導体層１０４を構成する。また、ｎ−Ａｌ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから透明電極層１０５を構成し、ｎ⁺−Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからキャップ層１０６を構成する。基板１０１が、透明電極層１０５と対となる一方の電極層となる。 [Example 2]
Next, Example 2 will be described. In Example 2, the substrate 101 is made of p ⁺ -GaAs, and the light absorption layer is made of undoped (Al _z Ga _{1 -z} ) _0.51 In _0.49 P (i- (Al _z Ga _{1 -z} ) _0.51 In _0.49 P). 102 constitute, p- a _{_{(Al z Ga 1-z)}} 0.51 In 0.49 P from constitute a first semiconductor layer _{_{103, n- (Al z Ga 1}} -z) 0.51 In 0.49 second semiconductor layer 104 from the P Configure. Moreover, forming the transparent electrode layer 105 from the n-Al _0.51 In _0.49 P, constituting the cap layer 106 from n ⁺ -Ga _0.51 In _0.49 P. The substrate 101 is one electrode layer that is paired with the transparent electrode layer 105.

（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐのバンド端エネルギーは、Ａｌ組成の変化とともに図４に示すように変化する。図４は、（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49ＰのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。図４において、（ａ）は価電子帯のエネルギー、（ｂ）は伝導帯のΓ点のエネルギー、（ｃ）は伝導帯のＸ点のエネルギー、（ｄ）は伝導帯のＬ点のエネルギーである。 Band edge energy of _{_{(Al z Ga 1-z)}} 0.51 In 0.49 P changes with a change in Al composition, as shown in FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram in which the change in energy at the band edge with respect to the change in the Al composition of (Al _z Ga _{1 -z} ) _0.51 In _0.49 P is plotted with reference to the vacuum level. In FIG. 4, (a) is the energy of the valence band, (b) is the energy of the Γ point of the conduction band, (c) is the energy of the X point of the conduction band, and (d) is the energy of the L point of the conduction band. is there.

ここで、（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐは、Ａｌ_0.52Ｉｎ_0.48ＰとＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐとの混晶である（Ａｌ_0.52Ｉｎ_0.48Ｐ）_z（Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ）_1-zとして考えることができる。図４では、このｚの変化に対するバンド端のエネルギー変化を、Ａｌの組成の変化に対するバンド端のエネルギー変化を示すものとして近似的に示している。なお、（Ａｌ_0.52Ｉｎ_0.48Ｐ）_z（Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ）_1-zは、ＧａＡｓに格子整合する。 Here, (Al _z Ga _1-z ) _0.51 In _0.49 P is a mixed crystal of Al _0.52 In _0.48 P and Ga _0.51 In _0.49 P (Al _0.52 In _0.48 P) _z (Ga _0.51 In _0.49 P) ₁ Can be thought of as _-z . In FIG. 4, the energy change at the band edge with respect to the change in z is approximately shown as showing the energy change at the band edge with respect to the change in the composition of Al. Note that (Al _0.52 In _0.48 P) _z (Ga _0.51 In _0.49 P) _1-z lattice matches with GaAs.

図４の（ａ）に示すように、価電子帯のエネルギーは、ｚ（Ａｌ組成）の増加とともに低くなる。また、図４の（ｂ）に示すように、Γ点のエネルギーは、ｚ（Ａｌ組成）の増加とともに高くなるのに対し、（ｃ）に示すように、Ｘ点のエネルギーはｚの増加とともに低くなる。Γ点のエネルギー変化とＸ点のエネルギー変化は、ｚ（Ａｌ組成）が６０％付近で交差する。この点を境に、（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐは、Γ点に最小値を持つ直接遷移型の半導体から、Ｘ点に最小値を持つ間接遷移型の半導体に移行する。ｚ（Ａｌ組成）を６５％以上にすることにより、Γ点における直接ギャップがＸ点における間接ギャップよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を形成することが可能である。 As shown in FIG. 4A, the energy of the valence band decreases with increasing z (Al composition). Further, as shown in FIG. 4B, the energy at the Γ point increases with an increase in z (Al composition), whereas as shown in FIG. 4C, the energy at the X point increases with an increase in z. Lower. The energy change at the Γ point and the energy change at the X point intersect when z (Al composition) is around 60%. Bordering this _{_{point, (Al z Ga 1-z}} ) 0.51 In 0.49 P is a direct transition type semiconductor having a minimum value Γ point, the process proceeds to the indirect transition type semiconductor having a minimum value in the X point. By setting z (Al composition) to 65% or more, it is possible to form a compound semiconductor in which the direct gap at the Γ point is 50 meV or higher than the indirect gap at the X point.

上述したように、ｚを０．６４以上とした（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから、光吸収層１０２、また、光吸収層１０２を挟む第１半導体層１０３および第２半導体層１０４を構成することにより、出力電圧の低下無しに、生成された正孔および電子を電流として取り出すことが可能である。 As described above, was z 0.64 or more from the _{_{(Al z Ga 1-z)}} 0.51 In 0.49 P, the light-absorbing layer 102, also the first semiconductor layer 103 and the second semiconductor layers sandwiching the light-absorbing layer 102 By configuring 104, it is possible to take out the generated holes and electrons as current without lowering the output voltage.

ところで、実施例２において、透明電極層１０５は、光吸収層１０２よりバンドギャップが大きくかつ間接遷移型のＡｌ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐから構成している。これにより透明電極層１０５における光吸収を低減し光吸収電流の減少を抑制することが可能である。なお、ｎ−Ａｌ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐは、酸化し易いため、キャップ層１０６を設けている。キャップ層１０６は、極薄く形成することで、この層における光吸収などを抑制することができる。
また、透明電極層１０５を上述したような化合物半導体から構成することで、太陽電池を構成する各層を、ほぼ格子整合する化合物半導体混晶から構成することができる。このため、例えば、よく知られた有機金属気相成長装置などを用い、第１半導体層１０３，光吸収層１０２，第２半導体層１０４，透明電極層１０５，キャップ層１０６を連続してエピタキシャル成長させることができ、製造が容易となる。 By the way, in Example 2, the transparent electrode layer 105 has a band gap larger than that of the light absorption layer 102 and is made of indirect transition type Al _0.51 In _0.49 P. Thereby, it is possible to reduce the light absorption in the transparent electrode layer 105 and to suppress the decrease in the light absorption current. Note that n-Al _0.51 In _0.49 P is easily oxidized, and thus a cap layer 106 is provided. By forming the cap layer 106 to be extremely thin, light absorption and the like in this layer can be suppressed.
Further, by forming the transparent electrode layer 105 from the compound semiconductor as described above, each layer constituting the solar cell can be constituted from a compound semiconductor mixed crystal that is substantially lattice matched. Therefore, for example, the first semiconductor layer 103, the light absorption layer 102, the second semiconductor layer 104, the transparent electrode layer 105, and the cap layer 106 are continuously epitaxially grown using a well-known metal organic vapor phase growth apparatus. Can be manufactured easily.

以上に説明したように、本発明では、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を用いるようにしたので、化合物半導体を用いた太陽電池の発電効率が向上できるようになる。 As described above, in the present invention, since a compound semiconductor having a bandgap energy of direct transition higher by 50 meV or more than that of indirect transition is used, the power generation efficiency of the solar cell using the compound semiconductor is improved. become able to.

前述したように、直接遷移型半導体を光吸収層として有する太陽電池の問題は、再結合による電流損失に起因する変換効率の低下である。大きな吸収係数を得るためには直接遷移型半導体の使用は不可欠であるが、直接遷移と間接遷移におけるバンドギャップエネルギーの関係を上述したように構成し、波数空間で電子と正孔を分離することにより、直接遷移型半導体が有する大きな吸収係数を損なうことなく、再結合の低減を図ることが可能である。電流損失による変換効率の低下の問題を考えるとき、上述した効果は極めて大きい。 As described above, the problem with solar cells having a direct transition semiconductor as a light absorption layer is a reduction in conversion efficiency due to current loss due to recombination. In order to obtain a large absorption coefficient, the use of a direct transition type semiconductor is indispensable, but the relationship between the band gap energy in direct transition and indirect transition is configured as described above, and electrons and holes are separated in wave number space. Thus, recombination can be reduced without impairing the large absorption coefficient of the direct transition semiconductor. When considering the problem of reduction in conversion efficiency due to current loss, the above-described effects are extremely large.

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、上述では、主にｐｉｎ接合型の太陽電池を例に説明したが、これに限るものではない。第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層によるｐｎ接合型の太陽電池においても同様である。この場合、第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を光吸収層とし、これらを直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成すればよい。 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, in the above description, a pin junction type solar cell has been mainly described as an example, but the present invention is not limited thereto. The same applies to a pn junction solar cell including a first semiconductor layer made of a compound semiconductor of the first conductivity type and a second semiconductor layer made of a compound semiconductor of the second conductivity type. In this case, the first semiconductor layer made of the compound semiconductor of the first conductivity type and the second semiconductor layer made of the compound semiconductor of the second conductivity type are used as the light absorption layer, and these band gap energies of the direct transition are the band gap of the indirect transition. What is necessary is just to comprise from the compound semiconductor higher by 50 meV or more than energy.

また、上述では、透明電極層を化合物半導体から構成したが、これに限るものではなく、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成してもよい。この場合、キャップ層はなくてもよい。また、基板の側から光を入射させる構成とすることも可能である。また、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成し、光吸収層のバンドギャップが各々異なる複数の太陽電池セルを積層した多接合型としてもよい。このように構成することで、更に変換効率を上昇させることが可能である。また、上述では、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓＰを用いる例を示したが、Ｓｂが含まれた化合物半導体を用いるようにしてもよい。 In the above description, the transparent electrode layer is made of a compound semiconductor. However, the transparent electrode layer is not limited to this, and may be made of a transparent electrode material such as ITO (Indium Tin Oxide). In this case, the cap layer may not be provided. It is also possible to adopt a configuration in which light is incident from the substrate side. Alternatively, a multi-junction type in which a plurality of solar cells in which the band gap energy of the direct transition is higher than the band gap energy of the indirect transition by 50 meV or more and the light absorption layers have different band gaps may be stacked. With this configuration, the conversion efficiency can be further increased. Moreover, although the example using AlGaAs and AlGaAsP has been described above, a compound semiconductor containing Sb may be used.

１０１…基板、１０２…光吸収層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…透明電極層、１０６…キャップ層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Light absorption layer, 103 ... 1st semiconductor layer, 104 ... 2nd semiconductor layer, 105 ... Transparent electrode layer, 106 ... Cap layer.

Claims

A solar cell comprising a light absorption layer formed of a compound semiconductor having a direct transition band gap energy higher by 50 meV or more than an indirect transition band gap energy.

The solar cell according to claim 1,
The light absorbing layer is composed of Al _x Ga _1-x As, wherein x is a solar cell which is characterized in that 0.5 or more.

The solar cell according to claim 1,
The light absorbing layer is composed of _{_{(Al z Ga 1-z)}} 0.51 In 0.49 P, the z is a solar cell characterized by 0.65 or more.

In the solar cell of any one of Claims 1-3,
A first semiconductor layer made of a compound semiconductor of a first conductivity type and a second semiconductor layer made of a compound semiconductor of a second conductivity type formed on the substrate;
The solar cell, wherein the light absorption layer is interposed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.

In the solar cell of any one of Claims 1-3,
A first semiconductor layer made of a compound semiconductor of a first conductivity type and a second semiconductor layer made of a compound semiconductor of a second conductivity type formed on the substrate;
The said light absorption layer is comprised from the said 1st semiconductor layer and the said 2nd semiconductor layer, The solar cell characterized by the above-mentioned.