JP2014199915A - 化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率化を図った化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法を提供すること。【解決手段】化合物半導体太陽電池は、化合物半導体基板と、第１化合物半導体材料で作製され、化合物半導体基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、第２化合物半導体材料で作製され、１又は複数の第１光電変換セルに積層される接合層と、第３化合物半導体材料で作製され、接合層によって１又は複数の第１光電変換セルに接合され、光の入射方向において１又は複数の第１光電変換セルより入射側に配設される、１又は複数の第２光電変換セルとを含み、第１光電変換セル及び第２光電変換セルのバンドギャップは入射側から奥側に向かう順に小さく、接合層のバンドギャップは、第２光電変換セルが１つである場合は第２光電変換セルのバンドギャップ以上であり、複数の場合は当該複数のうちの１つのバンドギャップ以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法に関する。

化合物半導体は材料組成によりバンドギャップエネルギーや格子定数が異なるので、太陽光の波長範囲を分担してエネルギー変換効率を高くする多接合型太陽電池が作製されている。

現在では、ＧａＡｓとほぼ同じ格子定数であるＧｅ基板上に、格子整合材料を用いたＧｅセル／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓセル／ＧａＩｎＰセルを含む３接合太陽電池（各セルのバンドギャップ：１．８８ｅＶ／１．４０ｅＶ／０．６７ｅＶ）が一般的である。

化合物半導体太陽電池は、Ｓｉ系太陽電池に比べて効率は２倍程度高いが、基板が高価、基板サイズが小さいなどの理由で、Ｓｉ系太陽電池よりも桁違いに高価である。このため、化合物半導体太陽電池は、人工衛星等のような宇宙用等の特殊用途で用いられてきた。

最近では安いプラスチックレンズと小さな太陽電池セルを組み合わせる集光型とすることで通常の平板型に比べて高価な化合物半導体の量を減らせるので、低コスト化を実現でき、地上用（地上での一般用途用）として実用化されている。

しかしながら、それでもＳｉを含めて太陽電池は、発電コストが高く、より一層の低コスト化が重要であり、エネルギー変換効率の向上、製造コストの低減が検討されている。

上述のように現在主流である、Ｇｅ基板を用いた格子整合型の３接合太陽電池は、電流バランスの観点からバンドギャップバランスが最適ではない。ボトムセルのバンドギャップを増加させた構造が有望である。

高効率化の例として、バンドギャップバランスの最適化を目指して、各セルのバンドギャップを１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶに設定した３接合太陽電池がある（例えば、非特許文献１参照）。

１．９ｅＶのセルと１．４２ｅＶのセルとしては、それぞれ、ＧａＡｓ基板に格子整合するＧａＩｎＰとＧａＡｓが用いられている。一方、１．０ｅＶのセルにはＧａＡｓ基板に格子整合せずに、２％程度の格子の不整合が生じるＧａＩｎＡｓセルが用いられている。これを実現するために、通常の太陽電池とは逆方向から結晶成長している。

具体的には、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＰセル、ＧａＡｓセルの順で成長し、次に、格子定数差を変化させるための格子緩和バッファ層を介してＧａＩｎＡｓセルを成長させている。そして、表面を支持基板に貼り合わせ、最後にＧａＡｓ基板を除去することによって３接合太陽電池を作製している。光入射はバンドギャップの大きいＧａＩｎＰセル側となる。

また、ＧａＡｓトップセルが形成されたＧａＡｓ基板と、ＧａＩｎＡｓＰボトムセルが形成されたＩｎＰ基板とを重ねたメカニカルスタック型の太陽電池がある（例えば、特許文献１参照）。各セルは、受光領域においては物理的に直接接続されておらず、セル同士を機械的に接合し、空隙を介して光学的に結合している。

また、導電性ナノ粒子配列を用いた直列接合法による太陽電池がある（例えば、非特許文献２参照）。太陽電池セルが形成されたＧａＡｓ基板とＩｎＰ基板とを、Ｐｄナノ粒子配列を介してＶＤＷ（Ｖａｎ-ｄｅｒ-Ｗａａｌｓ）法により接続している。ナノ粒子と半導体のオーミック接触を介して電気が流れるものである。

また、ＧａＩｎＰトップセルが形成されたＧａＡｓ基板と、ＧａＩｎＡｓボトムセルが形成されたＩｎＰ基板とをその表面を直接接合して形成する太陽電池がある（例えば、特許文献２参照）。ＧａＡｓ基板上には格子整合材料で短波長帯のセルを容易に形成でき、ＩｎＰ基板上には格子整合材料で長波長帯のセルを容易に形成できる。

しかしながら、非特許文献１に示す３接合太陽電池は、ＧａＡｓセルとＧａＩｎＡｓセルとの間に、格子緩和に伴う欠陥（転位）が集中する格子緩和バッファ層を含む構造である。このような欠陥を含む層は、太陽光を吸収して発生したキャリアを電極から取り出す前に再結合させる原因となり、高効率化は困難である。

また、動作中に欠陥が増殖し、効率が経時劣化する可能性があり、高い信頼性を有する太陽電池を製造することは困難である。

また、特許文献１に示す太陽電池では、受光領域において、ＧａＡｓセルを有するＧａＡｓ基板から透過した長波長の光が、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰセルに入射する構成になっている。

このような構成では、ＧａＩｎＡｓＰセルよりも光入射側に、ＧａＡｓよりバンドギャップの小さいＩｎＰ窓層が形成されているため、ＧａＩｎＡｓＰセルに光が入射する前に、一部の光がＩｎＰ窓層で吸収されてしまう。このようなＩｎＰ窓層は、太陽電池の効率低下をもたらす一因となる。

また、非特許文献２に示す太陽電池では、ＧａＩｎＰＡｓセル（１．８ｅＶ）を透過した長波長の光が、ＧａＩｎＰＡｓセル（１．１５ｅＶ）に入射する。しかしながら、ＧａＩｎＰＡｓセル（１．１５ｅＶ）よりも光入射側に、ＧａＩｎＰＡｓセルの吸収層（１．８ｅＶ）よりもバンドギャップの小さいＩｎＰ接合層がＧａＩｎＰＡｓセル（１．８ｅＶ）の下方にＰｄ層を介して形成されている。

このため、ＧａＩｎＰＡｓセル（１．１５ｅＶ）に入射する前に、一部の光がＩｎＰ接合層で吸収されてしまう。このＩｎＰ接合層は、接合層としての機能と、窓層としての機能を兼ねている。しかし、このようなＩｎＰ窓層は、ＧａＩｎＰＡｓセルの吸収層（１．８ｅＶ）よりもバンドギャップが小さいため、太陽電池の効率低下をもたらす一因となる。

また、特許文献２に示す従来技術では、ＧａＩｎＰセルを透過した長波長の光がＧａＩｎＡｓセルに入射する。しかし、ＧａＩｎＡｓセルより光入射側にＧａＩｎＰよりもバンドギャップの小さいＩｎＰ接合層がＧａＡｓエピ基板と直接接続する接合層として形成されている。このため、ＧａＩｎＡｓセルに入射する前に一部の光がＩｎＰ接合層で吸収されてしまう。このようなＩｎＰ窓層は、太陽電池の効率低下をもたらす一因となる。

以上のように、従来の化合物半導体製の太陽電池は、高効率化が十分に行われていない。

そこで、本発明は、高効率化を図った化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の一観点の化合物半導体太陽電池は、化合物半導体基板と、第１化合物半導体材料で作製され、前記化合物半導体基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、第２化合物半導体材料で作製され、前記１又は複数の第１光電変換セルに積層される接合層と、第３化合物半導体材料で作製され、前記接合層によって前記１又は複数の第１光電変換セルに接合され、光の入射方向において前記１又は複数の第１光電変換セルよりも入射側に配設される、１又は複数の第２光電変換セルとを含み、前記１又は複数の第１光電変換セルと、前記１又は複数の第２光電変換セルとのバンドギャップは、前記入射方向の入射側から奥側に向かう順に小さく、前記接合層のバンドギャップは、前記第２光電変換セルが１つである場合は当該１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上であり、前記第２光電変換セルが複数である場合は当該複数の第２光電変換セルのうちの少なくとも１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上である。

高効率化を図った化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法を提供できる。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００を示す断面図である。 第１の実施の形態の化合物半導体太陽電池１００の製造方法を示す図である。 第１の実施の形態の化合物半導体太陽電池１００の製造方法を示す図である。 実施の形態１の第１変形例による化合物半導体太陽電池１０１を示す断面図である。 実施の形態１の第２変形例による化合物半導体太陽電池１０３を示す断面図である。 実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００を示す断面図である。 実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００を示す断面図である。 実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００を示す断面図である。

以下、本発明の化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００を示す断面図である。

化合物半導体太陽電池１００は、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、接合層１３０、接合層１４０、トンネル接合層１５０、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、コンタクト層４０Ａ、及び電極５０を含む。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００は、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０（１．０ｅＶ）、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）、及びＧａＩｎＰセル１８０（１．９ｅＶ）を直接接続した３接合型太陽電池である。

ここで、化合物半導体太陽電池１００に含まれるセルについては、ＩｎＰ（インジウム燐）系の光電変換セルと、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）系の光電変換セルとがある。ＩｎＰ系の光電変換セルとは、ＩｎＰにほぼ格子整合し、ＩｎＰ基板１１０の上に結晶成長可能な材料系で形成される光電変換セルのことである。ここでは、ＩｎＰにほぼ格子整合し、ＩｎＰ基板１１０の上に結晶成長可能な材料をＩｎＰ格子整合系材料と称し、ＩｎＰ格子整合系材料で構成されるセルをＩｎＰ格子整合系材料セルと称す。

また、ＧａＡｓ系の光電変換セルとは、ＧａＡｓ、又は、ＧａＡｓと格子定数の近いＧｅにほぼ格子整合し、ＧａＡｓ基板またはＧｅ基板上に結晶成長可能な材料系で形成される光電変換セルのことである。ここでは、ＧａＡｓ、又は、ＧａＡｓと格子定数の近いＧｅにほぼ格子整合し、ＧａＡｓ基板またはＧｅ基板上に結晶成長可能な材料をＧａＡｓ格子整合系材料と称し、ＧａＡｓ格子整合系材料で構成されるセルをＧａＡｓ格子整合系材料セルと称す。

なお、これらは、実施の形態２乃至４においても同様である。

化合物半導体太陽電池１００では、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰ系の光電変換セルであり、ＧａＡｓセル１６０とＧａＩｎＰセル１８０は、ＧａＡｓ系の光電変換セルである。

ここで、ＩｎＰ基板１１０は、化合物半導体基板又は第１化合物半導体基板の一例である。ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、第１化合物半導体材料で作製される第１光電変換セルの一例である。

また、接合層１３０は、第２化合物半導体材料で作製され、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０に積層される接合層の一例である。ＧａＡｓセル１６０とＧａＩｎＰセル１８０は、第３化合物半導体材料で作製される、複数の第２光電変換セルの一例である。

図１において、光の入射方向は、図中上から下に向かう方向（ＧａＩｎＰセル１８０からＧａＩｎＰＡｓセル１２０に向かう方向）である。

電極１０は、光入射方向において奥側に位置する下部電極になる電極である。電極１０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属層を積層した電極を用いることができる。

ＩｎＰ基板１１０は、例えば、ｐ型の単結晶インジウム燐のウエハを用いればよい。不純物としては、例えば、Ｚｎ等を用いればよい。

ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰ基板１１０の表面に形成される。ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ｐ型のＩｎＰ層１２１、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３、及びｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４を含む。

ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＰＡｓの結晶層で構成される。 ＩｎＰ層１２１、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３、及び［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４は、この順に、ＩｎＰ基板１１０の表面に積層されている。

ＩｎＰ層１２１は、光の入射方向において奥側に配設されるＢＳＦ（Back Surface Field）層である。ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のｐｎ接合は、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３によって構築される。［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４は、光の入射方向において手前側（光入射側）に配設される窓層である。

ここで、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ｐｎ接合を構築するＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３によって構成され、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の光入射側に［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４が形成され、光の入射方向の奥側にＩｎＰ層１２１が形成されているものとして捉えてもよい。

ＩｎＰ層１２１は、ＢＳＦ層として用いられるため、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３のバンドギャップ（１．０ｅＶ）よりも大きなバンドギャップを有する。ＩｎＰ層１２１の不純物としては、例えば、Ｚｎを用いることができる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２は、例えば、不純物としてＺｎを用いることによって導電型がｐ型にされる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３は、例えば、不純物としてＳｉを用いることによって導電型がｎ型にされる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３は、バンドギャップが１．０ｅＶになるように、Ｇａの比率ｘとＰの比率ｙが調整されている。

［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４は、窓層として用いられるため、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３のバンドギャップ（１．０ｅＶ）よりも大きなバンドギャップを有する。

実施の形態１では、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４のバンドギャップは、一例として１．５ｅＶに設定される。［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４の不純物としては、例えば、Ｓｉを用いることができる。

ＡｌＧａＩｎＡｓは、ＩｎＰに格子整合するため、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３に積層するのに適している。

接合層１３０は、化合物半導体太陽電池１００を作製する過程で、清浄化処理と表面活性化処理によって接合層１４０と接合される。化合物半導体太陽電池１００は、２つの積層体を接合することによって作製される。

２つの積層体の一方の最上面に接合層１３０が形成され、他方の積層体の最上面に接合層１４０が形成され、接合層１３０と１４０を接合することによって図１に示すような化合物半導体太陽電池１００が作製される。

接合層１３０としては、ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層が用いられる。接合層１３０の不純物濃度は、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４の不純物濃度よりも高く設定される。このため、接合層１３０の導電型はｎ＋型である。

接合層１３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層は、例えば、１０％のＧａ組成を有し（ｘ＝０．１）、０．７％の引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ層であり、バンドギャップは１．４２ｅＶである。

ここでは、接合層１３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層のバンドギャップが１．４２ｅＶである形態について説明するが、接合層１３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層のバンドギャップは、Ｇａの組成比を増やすことによって１．４２ｅＶより大きくしてもよい。

接合層１３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層は、光入射方向において自己よりも入射側（上流側）にあるＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）と等しいか、あるいは、それより大きいバンドギャップを有していればよい。

すなわち、接合層１３０のバンドギャップは、光入射方向において自己よりも入射側（上流側）にあるＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ以上であればよい。

また、接合層１３０とＧａＡｓセル１６０との間には、接合層１４０とトンネル接合層１５０が形成され、これらはともにＧａＡｓで構成されるため、ともに１．４２ｅＶのバンドギャップを有する。

このため、接合層１３０のバンドギャップは、光入射方向において自己よりも入射側（上流側）にある光電変換セル（ここでは、ＧａＡｓセル１６０）と、自己よりも入射側（上流側）にある光電変換セルとの間にある層（接合層１４０、トンネル接合層１５０）とのバンドギャップ以上（ここでは、１．４２ｅＶ以上）であるということができる。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００において、接合層１３０のバンドギャップを上述のように設定するのは、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１５０、接合層１４０で吸収されずに透過した光が、接合層１３０で吸収されることを抑制するためである。

すなわち、接合層１３０で太陽光を吸収することなく、効率的に、光の入射方向において自己よりも奥側（下流側）のＧａＩｎＰＡｓセル１２０に誘導するためである。

また、接合層１３０を透過した光が、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３に確実に到達するようにするために、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の窓層である［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４のバンドギャップを、一例として１．５ｅＶに設定している。

ここで、例えば、従来の化合物半導体太陽電池と同様に、接合層１３０としてＩｎＰ層を用いると、ＩｎＰのバンドギャップは、１．３５ｅＶであるため、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）を透過した太陽光の一部を吸収してしまう。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、このようなエネルギー損失の発生を抑制するために、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１５０、接合層１４０のバンドギャップ以上のバンドギャップを有するＧａ（ｘ）ＩｎＰ層を接合層１３０として用いている。

接合層１４０は、化合物半導体太陽電池１００を作製する過程で、清浄化処理と表面活性化処理によって、ＩｎＰ基板１１０側の接合層１３０と接合される。接合層１４０としては、例えば、ｎ＋型のＧａＡｓ層を用いることができる。ＧａＡｓ層のバンドギャップは、１．４２ｅＶであり、接合層１３０のバンドギャップと等しい。接合層１４０の不純物濃度は、接合層１３０の不純物濃度と同等に設定される。

図１に示す化合物半導体太陽電池１００の接合層１３０と１４０との境界よりも上側は、例えば、天地を逆にした状態で順次積層することによって作製されるため、接合層１４０は、トンネル接合層１５０に積層される。

トンネル接合層１５０は、接合層１４０とＧａＡｓセル１６０との間に設けられる。図１に示す化合物半導体太陽電池１００の接合層１３０と１４０との境界よりも上側は、例えば、天地を逆にした状態で順次積層することによって作製されるため、トンネル接合層１５０は、ＧａＡｓセル１６０に積層される。

トンネル接合層１５０は、ｎ＋型のＧａＡｓ層１５１と、ｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とを有する。導電型をｎ型にする不純物としては、例えば、Ｔｅ（テルル）を用いることができ、導電型をｐ型にする不純物としては、例えば、Ｃ（炭素）を用いることができる。ｎ＋型のＧａＡｓ層１５１と、ｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とは、高濃度にドーピングされた薄いｐｎ接合を構成する。

トンネル接合層１５０のＧａＡｓ層１５１と１５２は、ともにＧａＡｓセル１６０よりも高濃度にドーピングされている。トンネル接合層１５０は、ＧａＡｓセル１６０のｐ型のＧａＡｓ層１６２と、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３との間を（トンネル接合により）電流が流れるようにするために設けられる接合層である。

ＧａＡｓセル１６０は、トンネル接合層１５０とトンネル接合層１７０との間に形成される。

ＧａＡｓセル１６０は、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１、ｐ型のＧａＡｓ層１６２、ｎ型のＧａＡｓ層１６３、及びｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４を含む。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１、ＧａＡｓ層１６２、ＧａＡｓ層１６３、及び［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４は、この順に、トンネル接合層１５０の表面に積層されている。ＧａＡｓセル１６０は、実際の製造工程では、例えば、天地を逆にした状態で、トンネル接合層１７０に積層される。

このため、実際の製造工程では、例えば、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４、ＧａＡｓ層１６３、ＧａＡｓ層１６２、及びＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１の順にトンネル接合層１７０に積層される。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１は、光の入射方向において奥側に配設されるＢＳＦ（Back Surface Field）層である。ＧａＡｓセル１６０のｐｎ接合は、ＧａＡｓ層１６２とＧａＡｓ層１６３によって構築される。［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４は、光の入射方向において手前側（光入射側）に配設される窓層である。

ここで、ＧａＡｓセル１６０は、ｐｎ接合を構築するＧａＡｓ層１６２とＧａＡｓ層１６３によって構成され、ＧａＡｓセル１６０の光入射側に［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４が形成され、光の入射方向の奥側にＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１が形成されているものとして捉えてもよい。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１は、ＢＳＦ層として用いられるため、ｐ型のＧａＡｓ層１６２とｎ型のＧａＡｓ層１６３のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）以上のバンドギャップを有していればよい。Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１の不純物としては、例えば、Ｚｎを用いることができる。

ＧａＡｓ層１６２は、例えば、不純物としてＺｎを用いることによって導電型がｐ型にされる。

ＧａＡｓ層１６３は、例えば、不純物としてＳｉを用いることによって導電型がｎ型にされる。

ＧａＡｓ層１６２とＧａＡｓ層１６３のバンドギャップは１．４２ｅＶである。

［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４は、窓層として用いられるため、ｐ型のＧａＡｓ層１６２とｎ型のＧａＡｓ層１６３のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）よりも大きなバンドギャップを有する。

実施の形態１では、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４は、ｐ型のＧａＡｓ層１６２とｎ型のＧａＡｓ層１６３のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）以上のバンドギャップを有していればよい。［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４の不純物としては、例えば、Ｓｉを用いることができる。

トンネル接合層１７０は、ＧａＡｓセル１６０とＧａＩｎＰセル１８０との間に設けられる。図１に示す化合物半導体太陽電池１００の接合層１３０と１４０との境界よりも上側は、例えば、天地を逆にした状態で順次積層することによって作製されるため、トンネル接合層１７０は、ＧａＩｎＰセル１８０に積層される。

トンネル接合層１７０は、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１７１と、ｐ型のＡｌ（ｘ）ＧａＡｓ層１７２とを有する。導電型をｎ型にする不純物としては、例えば、Ｔｅ（テルル）を用いることができ、導電型をｐ型にする不純物としては、例えば、Ｃ（炭素）を用いることができる。ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１７１と、ｐ型のＡｌ（ｘ）ＧａＡｓ層１７２とは、高濃度にドーピングされた薄いｐｎ接合を構成する。

トンネル接合層１７０のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１７１とＡｌ（ｘ）ＧａＡｓ層１７２は、ともにＧａＩｎＰセル１８０よりも高濃度にドーピングされている。トンネル接合層１７０は、ＧａＩｎＰセル１８０のｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２と、ＧａＡｓセル１６０のｎ型のＧａＡｓ層１６３との間を（トンネル接合により）電流が流れるようにするために設けられる接合層である。

ＧａＩｎＰセル１８０は、トンネル接合層１７０とコンタクト層４０Ａとの間に形成される。

ＧａＩｎＰセル１８０は、ｐ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３、及びｎ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４を含む。

Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３、及びＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４は、この順に、トンネル接合層１７０の表面に積層されている。ＧａＩｎＰセル１８０は、実際の製造工程では、例えば、天地を逆にした状態で、図示しないＧａＡｓ基板の上のＧａＡｓコンタクト層４０Ａの上に積層される。

ＧａＩｎＰセル１８０は、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰの結晶層で構成される。実際の製造工程では、例えば、Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２、及びＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１の順に積層される。

Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１は、光の入射方向において奥側に配設されるＢＳＦ（Back Surface Field）層である。ＧａＩｎＰセル１８０のｐｎ接合は、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３によって構築される。Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４は、光の入射方向において手前側（光入射側）に配設される窓層である。

ここで、ＧａＩｎＰセル１８０は、ｐｎ接合を構築するＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３によって構成され、ＧａＩｎＰセル１８０の光入射側にＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４が形成され、光の入射方向の奥側にＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１が形成されているものとして捉えてもよい。

Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１は、ＢＳＦ層として用いられるため、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３のバンドギャップ（１．９ｅＶ）以上のバンドギャップを有していればよい。Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１の不純物としては、例えば、Ｚｎを用いることができる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２は、例えば、不純物としてＺｎを用いることによって導電型がｐ型にされる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３は、例えば、不純物としてＳｉを用いることによって導電型がｎ型にされる。

Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３のバンドギャップは１．９ｅＶである。

Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４は、窓層として用いられるため、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３のバンドギャップ（１．９ｅＶ）よりも大きなバンドギャップを有する。

実施の形態１では、Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４は、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２とｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３のバンドギャップ（１．９ｅＶ）以上のバンドギャップを有していればよい。Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４の不純物としては、例えば、Ｓｉを用いることができる。

コンタクト層４０Ａは、主に、電極５０とオーミック接続するためにＧａＩｎＰセル１８０に積層される層であり、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層を用いる。

電極５０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属製の薄膜であり、コンタクト層４０Ａの上に形成されている。

次に、図２及び図３を用いて、化合物半導体太陽電池１００の製造方法について説明する。

図２及び図３は、第１の実施の形態の化合物半導体太陽電池１００の製造方法を示す図である。

まず、図２（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２０を用いて積層体１００Ａを作製するとともに、ＩｎＰ基板１１０を用いて積層体１００Ｂを作製する。ＧａＡｓ基板２０は、第２化合物半導体基板の一例である。

ここで、積層体１００Ａに含まれるＧａＩｎＰセル１８０は、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰの結晶層で構成されており、ＧａＡｓ基板２０に形成される。また、積層体１００Ｂに含まれるＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＰＡｓの結晶層で構成されており、ＩｎＰ基板１１０に形成される。

このように、積層体１００Ａと積層体１００Ｂは、格子定数が異なる。実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００は、互いに格子定数が異なる積層体１００Ａと積層体１００Ｂとを直接的に接合することによって作製される。

ＩｎＰの格子定数は約５．８７Åであるため、ＩｎＰ基板１１０の上に形成されるＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰの格子定数（約５．８７Å）に非常に近い格子定数を有するように、組成を調整すればよい。

また、ＧａＡｓの格子定数は約５．６５Åであるため、ＧａＡｓ基板２０の上に形成されるＧａＡｓセル１６０及びＧａＩｎＰセル１８０の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数（約５．６５Å）に非常に近い格子定数を有するように、組成を調整すればよい。

積層体１００Ａは、ＧａＡｓ基板２０上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰエッチングストップ層３０、ｎ＋型のＧａＡｓコンタクト層４０、ＧａＩｎＰセル１８０、トンネル接合層１７０、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１５０、及び接合層１４０を積層することによって作製される。

ここで、ＧａＩｎＰセル１８０は、ＧａＡｓと格子整合するＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８３、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１８２、及びＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１を含む。Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８１はＢＳＦ層であり、Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４は窓層である。

また、トンネル接合層１７０、Ａｌ（ｘ）ＧａＡｓ層１７２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１７１を含む。

ＧａＡｓセル１６０は、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４、ＧａＡｓ層１６３、ＧａＡｓ層１６２、及びＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１を含む。Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１はＢＳＦ層であり、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４は窓層である。

また、トンネル接合層１５０は、ＧａＡｓ層１５１とＧａＡｓ層１５２を含む。

積層体１００Ａの積層（成長）時は、ＧａＡｓ基板２０がある下側が光入射側となり、後に積層体１００Ｂと接合する際に、積層体１００Ａを天地逆にするので、図１に示す上下関係とは逆方向から成長する。

具体的には、ワイドバンドギャップのセル（ＧａＩｎＰセル１８０）からナローギャップセル（ＧａＡｓセル１６０）へと順次成長する。また、最終的にｐ側が下部（光の入射方向における奥側）となる。

また、積層体１００Ｂについては、ＩｎＰ基板１１０の上に、ＭＯＣＶＤ法で、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０と接合層１３０を積層（成長）する。図２（Ａ）に示す積層体１００Ｂは、ＩｎＰ基板１１０とは反対側の接合層１３０側が光入射側となる。

ＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、ＩｎＰ基板１１０側からＩｎＰ層１２１、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３、及び［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４を含む。ＩｎＰ層１２１はＢＳＦ層であり、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４は、窓層である。

以上のようにして、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長によって、積層体１００Ａ及び１００Ｂを作製する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、エピタキシャル成長によって作製した積層体１００Ａ及び１００Ｂを直接的に接合する。

積層体１００Ａの接合層１４０と、積層体１００Ｂの接合層１３０との表面に清浄化処理と表面活性化処理を行い、接合層１３０及び１４０を直接的に接合する。表面活性化処理は窒素（Ｎ_２）プラズマ処理で行い、真空中で１５０℃で接合を行った。

これにより、図２（Ｂ）に示す積層体１００Ｃを作製した。積層体１００Ｃは、図２（Ａ）に示す積層体１００Ｂの接合層１３０の上に、積層体１００Ａを天地逆にして積層体１４０が下側にある状態で、接合層１３０と接合層１４０を接合して作製したものである。

積層体１００Ｃは、ＩｎＰ基板１１０の上に、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、接合層１３０、接合層１４０、トンネル接合層１５０、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＡｓコンタクト層４０、ＩｎＰエッチングストップ層３０、及びＧａＡｓ基板２０をこの順に積層した構成を有する。

次に、図２（Ｂ）に示す積層体１００ＣからＧａＡｓ基板２０とＧａＩｎＰエッチングストップ層３０をそれぞれ選択エッチングで除去することにより、図３（Ａ）に示す積層体１００Ｄを得る。

ＧａＡｓ基板２０とＧａＩｎＰエッチングストップ層３０のエッチングは、次のようにして行えばよい。

ＧａＡｓ基板２０のエッチングは、例えば、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合液をウェットエッチング溶液として用いることによって行うことができる。硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合液は、ＧａＩｎＰエッチングストップ層３０のＧａＩｎＰを溶解しないため、ＧａＩｎＰエッチングストップ層３０でウェットエッチング処理をストップさせることができる。

また、ＧａＩｎＰエッチングストップ層３０は、例えば、塩酸（ＨＣｌ）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合液でエッチングすればよい。

以上のようにして、積層体１００Ｃ（図２（Ｂ）参照）からＧａＡｓ基板２０とＧａＩｎＰエッチングストップ層３０をそれぞれ選択エッチングで除去することにより、図３（Ａ）に示す積層体１００Ｄを作製することができる。

次に、ＧａＡｓコンタクト層４０の上に上部電極５０（図１参照）を形成するとともに、ＩｎＰ基板１１０の上に下部電極１０を形成する。

そして、上部電極５０をマスクとして用いてコンタクト層４０（図３（Ａ）参照）のうち上部電極５０（図１参照）の直下に位置する部分以外を除去することにより、図３（Ｂ）に示すようにコンタクト層４０Ａが形成される。

コンタクト層４０Ａの作製は、例えば、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合液をウェットエッチング溶液として用いることによって行うことができる。硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合液は、Ａｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４のＡｌＩｎＰを溶解しないため、ＧａＩｎＰセル１８０のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４でウェットエッチング処理をストップさせることができる。

以上により、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００が完成する。図３（Ｂ）に示す化合物半導体太陽電池１００は、図１に示す化合物半導体太陽電池１００と同一である。

化合物半導体太陽電池１００には、太陽光は、ワイドバンドギャップのセル側（ＧａＩｎＰセル１８０側）から入射する構造となる。なお、太陽光が入射するＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１８４の表面には、反射防止膜を設けることが望ましい。図３（Ｂ）では反射防止膜を省略する。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、ＩｎＰ基板１１０の上に形成するＧａＩｎＰＡｓセル１２０の窓層として、バンドギャップが１．５ｅＶの［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４を形成し、さらにその上の接合層１３０として、ＧａＩｎＰ接合層を形成している。

この接合層１３０として用いるＧａＩｎＰ接合層は、１０％のＧａ組成を有し、０．７％の引っ張り歪を有する、バンドギャップが１．４２ｅＶのＧａＩｎＰ接合層である。接合層１３０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）は、接合層１３０に光入射側において隣接する光電変換セルであるＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）以上になるように設定されている。

すなわち、接合層１３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層は、光の入射方向において自己よりも入射側（上流側）において隣接する光電変換セルであるＧａＡｓセル１６０で吸収されずに透過した光を吸収することなく、自己よりも光の入射方向において奥側のＧａＩｎＰＡｓセル１２０に誘導するために、上述のようなバンドギャップを有する。

また、同様な観点から、トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップもＧａＡｓセル１６０のバンドギャップと等しくされている。

また、接合層１３０を透過した光が、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３に確実に到達するようにするために、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の窓層である［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４のバンドギャップを、ＧａＡｓセル１６０よりも大きい１．５ｅＶに設定している。

従来より、ウエハ同士を接合する接合層としてＩｎＰ層（１．３５ｅＶ）が用いられている。

ここで、例えば、従来の化合物半導体太陽電池と同様に、接合層１３０としてＩｎＰ層を用いると、ＩｎＰのバンドギャップは、１．３５ｅＶであるため、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）を透過した太陽光の一部を吸収してしまう。

このように、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）を透過した太陽光の一部をＩｎＰ層で吸収してしまうと、エネルギー損失が生じるため、化合物半導体太陽電池の効率の低下の一因となる。

これに対して、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、このようなエネルギー損失の発生を抑制するために、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１５０、接合層１４０のバンドギャップ以上のバンドギャップを有するＧａ（ｘ）ＩｎＰ層を接合層１３０として用いている。

このため、実施の形態１によれば、高効率化を図った化合物半導体太陽電池１００、及び、化合物半導体太陽電池１００の製造方法を提供することができる。

また、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、接合層１３０のバンドギャップを上述のように設定することに加えて、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の窓層である［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４のバンドギャップを、ＧａＡｓセル１６０よりも大きい１．５ｅＶに設定している。

このことによっても、化合物半導体太陽電池１００は、高効率化が図られている。

なお、以上では、トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップが、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）と等しい形態について説明した。しかしながら、トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップは、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）より大きくてもよい。

このような場合には、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層を接合層１３０のバンドギャップは、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）以上であればよい。

トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップがＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）より大きい場合には、ＧａＡｓセル１６０を透過した光は、トンネル接合層１５０と接合層１４０では吸収されずに、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層で構成される接合層１３０に導かれる。

このため、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層から構成される接合層１３０のバンドギャップが、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）以上であれば、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層を接合層１３０での光吸収は生じず、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１５０、及び接合層１４０を透過した光を効率的にＧａＩｎＰＡｓセル１２０に誘導できるからである。

また、引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ層（接合層１３０）は、格子緩和が起こる厚さよりも薄く形成している。

また、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）と同等以上のバンドギャップを有し、ＩｎＰ基板１１０に成長できる材料としては、引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ以外に、格子整合可能な材料としてＧａＰＳｂがある。

このため、接合層１３０として、上述したＧａＩｎＰ層の代わりに、ＧａＰＳｂ層を用いてもよい。この場合は、ＧａＰＳｂ層がＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）と同等以上のバンドギャップを有するように、組成を調節すればよい。

また、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂ、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂ等も、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）と同等以上のバンドギャップとなる組成が存在し、ＩｎＰ基板１１０に成長できる材料である。

このため、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の窓層である［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４の代わりに、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂ、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂ等で作製した薄膜層を用いてもよい。

この場合は、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４の代わりに、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂ、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂ等の薄膜層が、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）と同等以上のバンドギャップを有するように、組成を調節すればよい。

なお、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂは、それぞれ、Ｇａを含む組成とＧａを含まない組成との両方を包含するため、（Ｇａ）と表記したものである。すなわち、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓは、ＡｌＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとを含む表記である。また、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂは、ＡｌＧａＡｓＳｂとＡｌＡｓＳｂとを含む表記である。また、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂは、ＡｌＧａＰＳｂとＡｌＰＳｂとを含む表記である。

また、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂは、Ｉｎを含む組成と、Ｉｎを含まない組成の両方を包含するため、（Ｉｎ）と表記したものである。すなわち、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂは、ＡｌＩｎＰＳｂとＡｌＰＳｂとを含む表記である。

実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００のような３接合太陽電池については、例えば、応用物理79巻5号, 2010, P.436に、３つのセルのバンドギャップとしては、１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶの組み合わせや、１．７ｅＶ／１．２ｅＶ／０．６７ｅＶの組み合わせが、当該文献における現状の３接合セル（１．８８ｅＶ／１．４ｅＶ／０．６７ｅＶ）より好ましいことが記載されている。

しかしながら、これらのようなバンドギャップの組み合わせを一つの格子定数で実現することは困難である。

この点において、実施の形態１によれば、２つの格子定数のセル（積層体１００Ａと１００Ｂ（図２（Ａ）参照）を直接接合法により接合することによって化合物半導体太陽電池１００を作製するので、異なる格子定数のセル同士を含む化合物半導体太陽電池１００を容易に実現することができる。

なお、以上では、ＩｎＰ基板１０及びＧａＡｓ基板２０の上にＭＯＣＶＤ法で各セル等を形成する形態について説明したが、各セル等は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法で形成してもよい。

また、以上では、ＩｎＰ基板１０及びＧａＡｓ基板２０をそれぞれ用いた積層体１００Ｂ及び１００Ａを用いて化合物半導体太陽電池１００を作製する形態について説明したが、ＩｎＰ基板１０及びＧａＡｓ基板２０の組み合わせ以外を用いてもよい。

例えば、Ｇｅ基板とＩｎＰ基板、ＧａＳｂ基板とＧａＡｓ基板、ＧａＳｂ基板とＧｅ基板、Ｓｉ基板とＧｅ基板、又は、Ｓｉ基板とＧａＡｓ基板等の組み合わせでも、同様に積層体１００Ｂ及び１００Ａを作製することができる。

また、以上では、積層体１００Ａと１００Ｂを直接的に接合する形態について説明したが、図４に示すように、機械的に接合してもよい。

また、以上では、ＩｎＰ格子整合系材料セルとしてＧａＩｎＰＡｓセル１２０を用いる形態について説明したが、ＩｎＰ格子整合系材料セルはＧａＩｎＰＡｓセル１２０に限定されず、ＧａＩｎ（Ｐ）Ａｓで表されるセルを用いることができる。

ＧａＩｎ（Ｐ）Ａｓは、Ｐを含む組成とＰを含まない組成との両方を包含するため、（Ｐ）と表記したものである。すなわち、ＧａＩｎ（Ｐ）Ａｓは、ＧａＩｎＰＡｓとＧａＩｎＡｓとを含む表記である。このため、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０の代わりに、ＧａＩｎＡｓセルを用いてもよい。

また、以上では、ＧａＡｓ格子整合系材料セルとしてＧａＩｎＰセル１８０を用いる形態について説明したが、ＧａＡｓ格子整合系材料セルはＧａＩｎＰセル１８０に限定されず、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ（Ａｓ）で表されるセルを用いることができる。

（Ａｌ）ＧａＩｎＰ（Ａｓ）は、Ａｌを含む組成とＡｌを含まない組成との両方を包含し、また、Ａｓを含む組成とＡｓを含まない組成との両方を包含する。このため、（Ａｌ）、（Ａｓ）と表記したものである。すなわち、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ（Ａｓ）は、ＡｌＧａＩｎＰと、ＧａＩｎＰＡｓと、ＧａＩｎＰとを含む表記である。このため、ＧａＩｎＰセル１８０の代わりに、ＡｌＧａＩｎＰセル又はＧａＩｎＰＡｓセルを用いてもよい。

図４は、実施の形態１の第１変形例による化合物半導体太陽電池１０１を示す断面図である。

実施の形態１の第１変形例による化合物半導体太陽電池１０１は、図１に示す接合層１３０と１４０との間を、機械的に接合したものである。

図４に示す化合物半導体太陽電池１０１では、接合層１３０と１４０との間は、固定部材１０２によって接合されている。固定部材１０２としては、例えば、パラジウムナノパーティクルアレイ（Pd Nanoparticle Array）を用いることができる。

パラジウムナノパーティクルアレイは、ブロック共重合体の相分離配列を利用して導電性ナノ粒子を接合界面に自己配列させるものである。Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ等のナノ配列が可能である。ブロック共重合体の希釈液をスピンコートし、ブロック共重合体を自己配列させ、Ｐｄ^２＋（パラジウム）のようなメタルイオンを含んだ水溶液にさらすことで、ブロック共重合体にメタルイオンが選択的に形成される。そして、Ａｒ（アルゴン）プラズマを照射することで、ブロック共重合体テンプレートが除去され、自己配列したナノパーティクルアレイが形成される。ナノパーティクルのない部分を光が透過する。パラジウムナノパーティクルアレイを用いることにより、ＧａＡｓセル１６０を透過した光を効率的にＧａＩｎＰＡｓセル１２０に誘導することができる。

接合層１３０又は１４０にパラジウムナノパーティクルアレイを形成した状態で、接合層１３０と１４０を接合することにより、化合物半導体太陽電池１０１を作製することができる。

固定部材１０２は、固定部の一例である。このように、固定部材１０２を用いて、２つの積層体を機械的に重ね合わせる接合方法をメカニカルスタックという。

なお、固定部材１０２は、パラジウムナノパーティクルアレイに限らず、他の金属（例えば、Ａｕ（金））を含むナノパーティクルアレイであってもよく、その他の機械的な手段であってもよい。

また、化合物半導体太陽電池１０１は、図１に示す接合層１３０、１４０の代わりに、表面層１３０Ａ、１４０Ａを含む。表面層１３０Ａ、１４０Ａは、それぞれ、図１に示す接合層１３０、１４０と同様であるが、互いに接続されないため、図４では表面層１３０Ａ、１４０Ａと称す。

このように、化合物半導体太陽電池１０１では、接合層１３０と１４０との間を固定部材１０２によって接合しているので、ＧａＡｓセル１６０と接合層１４０の間にトンネル接合層１５０（図１参照）は不要になり、接合層１４０の上にＧａＡｓセル１６０を直接接合している。

以上のように、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０を含む積層体と、ＧａＡｓセル１６０及びＧａＩｎＰセル１８０を含む積層体とは、メカニカルスタックによって接合してもよい。

また、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００は、図５に示すように変形することができる。

図５は、実施の形態１の第２変形例による化合物半導体太陽電池１０３を示す断面図である。

実施の形態１の第２変形例による化合物半導体太陽電池１０３は、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、接合層１３０、トンネル接合層１５０Ａ、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、コンタクト層４０Ａ、及び電極５０を含む。

化合物半導体太陽電池１０３は、図１に示す実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００から、接合層１４０とｎ＋型のＧａＡｓ層１５１とを取り除き、接合層１３０とｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とを直接的に接合した構成を有する。図５に示すトンネル接合層１５０Ａは、図１に示すｐ＋型のＧａＡｓ層１５２と同様である。このような化合物半導体太陽電池１０３では、接合層１３０とトンネル接合層１５０Ａとでトンネル接合が形成される。

図１に示す実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップがＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）と同等以上の場合には、ＧａＡｓセル１６０を透過した光はトンネル接合層１５０と接合層１４０では吸収されずに、ＧａＩｎＰ層で構成される接合層１３０に導かれる。

しかしながら、ＧａＡｓセル１６０で吸収可能な波長であっても、トンネル接合層１５０よりも入射側の吸収層であるＧａＡｓセル１６０の厚さが薄く、ＧａＡｓセル１６０で入射光を十分に吸収できない場合は、ＧａＡｓセル１６０を透過した光が、トンネル接合層１５０と接合層１４０で吸収されることにより、効率に悪影響が生じる。

また、多接合太陽電池のように複数のセルを有する場合は、各セルで取り出し可能な電流値を同じにするために、いずれかのセルをあえて薄くすることによって吸収可能な波長の光を透過させ、入射側から見て奥側に位置するセルで吸収させる場合がある。また、多接合太陽電池の全体での厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。

従って、図１に示す接合層１４０とｎ＋型のＧａＡｓ層１５１とを取り除いて図５に示すように接合層１３０とトンネル接合層１５０Ａとのトンネル接合を形成することにより、図１に示す化合物半導体太陽電池１００よりも、光の吸収を抑えるとともに、薄型化を図った化合物半導体太陽電池１０３を提供することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＡｓセル１６０、及びＧａＩｎＰＡｓセル１２０によって構成される３接合型の化合物半導体太陽電池１００を作製した。３つの光電変換セルのバンドギャップの組み合わせは、１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶであった。

実施の形態２では、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＡｓセル１６０、及びＧａＩｎＰＡｓセル１２０に、ＧａＩｎＡｓセル（０．７５ｅＶ）を加えることにより、４接合型の化合物半導体太陽電池２００を提供する。４つの光電変換セルのバンドギャップの組み合わせは、１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶである。

図６は、実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００を示す断面図である。以下、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

化合物半導体太陽電池２００は、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＡｓセル２１０、トンネル接合層２２０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、接合層１３０、接合層１４０、トンネル接合層１５０、ＧａＡｓセル１６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、コンタクト層４０Ａ、及び電極５０を含む。なお、ＧａＩｎＡｓセル２１０は、ＩｎＰ系の光電変換セルである。

実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００は、ＧａＩｎＡｓセル２１０（０．７５ｅＶ）、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０（１．０ｅＶ）、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）、ＧａＩｎＰセル１８０（１．９ｅＶ）を直列接続した４接合型太陽電池である。

ここで、ＧａＩｎＡｓセル２１０とＧａＩｎＰＡｓセル１２０は、第１化合物半導体材料で作製される複数の第１光電変換セルの一例である。

図６において、光の入射方向は、図中上から下に向かう方向（ＧａＩｎＰセル１８０からＧａＩｎＡｓセル２１０に向かう方向）である。

ＩＥＥＥの文献（Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2009) pp.1090-1093.)によれば、４接合太陽電池では、およそ１．９ｅＶ／１．４ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７ｅＶの組み合わせのバンドギャップバランスが好ましいことが記載されている。

化合物半導体太陽電池２００は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００の基板１１０とＧａＩｎＰＡｓセル１２０との間に、ＧａＩｎＡｓセル２１０とトンネル接合層２２０を挿入した構成である。

ＧａＩｎＡｓセル２１０は、ｐ型のＩｎＰ層２１１、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１２、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１３、及びｎ型のＩｎＰ層２１４を含む。ＩｎＰ層２１１はＢＳＦ層であり、ＩｎＰ層２１４は窓層である。

ここで、ＧａＩｎＡｓセル２１０は、ＩｎＰ層２１１とＩｎＰ層２１４を含まずに、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１３とによって構成されているものとして捉えてもよい。この場合は、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１３とによって構成されるＧａＩｎＡｓセル２１０の入射側にＩｎＰ層２１４（窓層）が形成され、光の入射方向における奥側にＩｎＰ層２１１（ＢＳＦ層）が形成されているものとして取り扱えばよい。

ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１３とのバンドギャップは、０．７５ｅＶである。

トンネル接合層２２０は、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０とＧａＩｎＡｓセル２１０との間に形成されている。トンネル接合層２２０は、ｎ＋型のＩｎＰ層２２１と、ｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層２２２とを含む。

ＩｎＰ層２２１の導電型をｎ＋型にする不純物としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）を用いることができ、Ａｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層２２２の導電型をｐ＋型にする不純物としては、例えば、Ｃ（炭素）を用いることができる。ｎ＋型のＩｎＰ層２２１と、ｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層２２２とは、高濃度にドーピングされた薄いｐｎ接合を構成する。

トンネル接合層２２０のＩｎＰ層２２１とＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層２２２とは、ともにＧａＩｎＰＡｓセル１２０よりも高濃度にドーピングされている。トンネル接合層２２０は、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２と、ＧａＩｎＡｓセル２１０のｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層２１３との間を（トンネル接合により）電流が流れるようにするために設けられる接合層である。

実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００は、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＡｓセル１６０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、及びＧａＩｎＡｓセル２１０の４つの光電変換セルにより、１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶというバンドギャップの組み合わせを有する。

このため、実施の形態２によれば、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００よりも、さらにエネルギー変換効率の高い化合物半導体太陽電池２００を提供することができる。

なお、実施の形態１の第２変形例と同様に、接合層１４０とｎ＋型のＧａＡｓ層１５１とを取り除いて接合層１３０とｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とのトンネル接合を形成することにより、図６に示す化合物半導体太陽電池２００よりも、光の吸収を抑えるとともに、薄型化を図ってもよい。

＜実施の形態３＞
図７は、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００を示す断面図である。

実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００（図１参照）のＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）を、１．５％のＩｎ組成を有し、０．１％の歪を有するＧａＩｎＡｓセル３６０（１．４０ｅＶ）に置き換えたものである。

また、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００（図１参照）の接合層１３０と［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４を、それぞれ、接合層３３０とＧａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４に置き換えたものである。

実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００は、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０、接合層３３０、接合層１４０、トンネル接合層１５０、ＧａＩｎＡｓセル３６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、コンタクト層４０Ａ、及び電極５０を含む。

ここで、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０は、ＩｎＰ系の光電変換セルであり、ＧａＩｎＡｓセル３６０は、ＧａＡｓ系の光電変換セルである。

ＧａＩｎＰＡｓセル３２０は、ＩｎＰ層１２１、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３、及びＧａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４を含む。すなわち、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０は、実施の形態１のＧａＩｎＰＡｓセル１２０（図１参照）の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１２４を、Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４に置き換えたものである。Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４のバンドギャップは、１．４０ｅＶである。

接合層３３０は、７％のＧａ組成を有し、０．５％の引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ層で構成され、バンドギャップは１．４０ｅＶである。すなわち、接合層３３０は、実施の形態１の接合層１３０（Ｇａ組成：１０％）よりも、Ｇａ組成を低減したものである。

ＧａＩｎＡｓセル３６０は、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１６１、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ３６２、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ３６３、及びｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１６４を含む。

すなわち、ＧａＩｎＡｓセル３６０は、実施の形態１のＧａＡｓセル１６０（図１参照）のうちの光電変換を行うｐｎ層を、１．５％のＩｎ組成を有し、０．１％の歪を有する、バンドギャップが１．４０ｅＶのＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ３６２及びＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ３６３に置き換えたものである。

ＧａＩｎＡｓセル３６０は、ＧａＡｓ基板２０に対する歪として０．１％程度であれば吸収層として十分な厚さを成長することができる。

実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００では、ＩｎＰ基板１１０の上に形成するＧａＩｎＰＡｓセル３２０の窓層として、バンドギャップが１．４ｅＶのＧａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４を形成し、さらにその上の接合層３３０として、バンドギャップが１．４０ｅＶのＧａＩｎＰ接合層を形成している。

この接合層３３０として用いるＧａＩｎＰ接合層は、７％のＧａ組成を有し、０．５％の引っ張り歪を有する、バンドギャップが１．４０ｅＶのＧａＩｎＰ接合層である。接合層３３０のバンドギャップ（１．４０ｅＶ）は、接合層３３０に光入射側において隣接する光電変換セルであるＧａＩｎＡｓセル３６０のバンドギャップ（１．４０ｅＶ）以上になるように設定されている。

すなわち、接合層３３０として用いるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層は、光の入射方向において自己よりも入射側（上流側）において隣接する光電変換セルであるＧａＩｎＡｓセル３６０で吸収されずに透過した光を吸収することなく、自己よりも光の入射方向において奥側のＧａＩｎＰＡｓセル３２０に誘導するために、上述のようなバンドギャップを有する。

また、トンネル接合層１５０と接合層１４０のバンドギャップは、ＧａＩｎＡｓセル３６０のバンドギャップ（１．４０ｅＶ）よりも大きい１．４２ｅＶである。

また、接合層３３０を透過した光が、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２とＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２３に確実に到達するようにするために、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０の窓層であるＧａ（ｘ）ＩｎＰ層３２４のバンドギャップを、ＧａＩｎＡｓセル３６０のバンドギャップと等しい１．４０ｅＶに設定している。

従来より、ウエハ同士を接合する接合層としてＩｎＰ層（１．３５ｅＶ）が用いられている。

ここで、例えば、従来の化合物半導体太陽電池と同様に、接合層３３０としてＩｎＰ層を用いると、ＩｎＰのバンドギャップは、１．３５ｅＶであるため、ＧａＩｎＡｓセル３６０（１．４０ｅＶ）を透過した太陽光の一部を吸収してしまう。

このように、ＧａＩｎＡｓセル３６０（１．４０ｅＶ）を透過した太陽光の一部をＩｎＰ層で吸収してしまうと、エネルギー損失が生じるため、化合物半導体太陽電池の効率の低下の一因となる。

これに対して、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００では、このようなエネルギー損失の発生を抑制するために、ＧａＩｎＡｓセル３６０のバンドギャップと等しいバンドギャップを有するＧａ（ｘ）ＩｎＰ層を接合層３３０として用いている。

このため、実施の形態３によれば、高効率化を図った化合物半導体太陽電池３００、及び、化合物半導体太陽電池３００の製造方法を提供することができる。

また、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００では、接合層３３０のバンドギャップを上述のように設定することに加えて、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０の窓層であるＧａＩｎＰ層３２４のバンドギャップを、ＧａＩｎＡｓセル３６０と等しい１．４０ｅＶに設定している。

このことによっても、化合物半導体太陽電池３００は、高効率化が図られている。

なお、実施の形態１の第２変形例と同様に、接合層１４０とｎ＋型のＧａＡｓ層１５１とを取り除いて接合層１３０とｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とのトンネル接合を形成することにより、図７に示す化合物半導体太陽電池３００よりも、光の吸収を抑えるとともに、薄型化を図ってもよい。

また、実施の形態３では、バンドギャップの大きい側のセルとして、ＧａＡｓ基板２０の上にＧａＡｓ格子整合系の材料を成長した場合について説明したが、ＧａＡｓ基板２０の代わりにＧｅ（ゲルマニウム）基板を用い、Ｇｅ基板の上にＧｅ（ゲルマニウム）格子整合系の材料を成長して用いてもよい。

この場合、ＧｅはＧａＡｓより格子定数がわずかに大きいが、格子整合できるように、ＧａＡｓ基板上に形成する材料に対して組成等を多少変更すればよい。特にＧｅに格子整合するＧａＩｎＡｓのＩｎ組成は１％程度であるため、実施の形態３のＩｎ組成が１．５％のＧａＩｎＡｓセル３６０は、ＧａＡｓ基板２０よりもＧｅ基板の方が結晶成長しやすい。

＜実施の形態４＞
図８は、実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００を示す断面図である。

実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００は、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００のＩｎＰ基板１１０とＧａＩｎＰＡｓセル３２０との間に、ＧａＩｎＡｓセル２１０とトンネル接合層２２０を挿入することにより、４接合太陽電池にしたものである。

これは、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００のＩｎＰ基板１１０とＧａＩｎＰＡｓセル１２０との間に、ＧａＩｎＡｓセル２１０とトンネル接合層２２０を挿入することにより、実施の形態２の４接合型の化合物半導体太陽電池２００を作製したことと同様の関係である。

以下、実施の形態１乃至３と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

化合物半導体太陽電池４００は、化合物半導体太陽電池３００は、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＡｓセル２１０、トンネル接合層２２０、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０、接合層３３０、接合層１４０、トンネル接合層１５０、ＧａＩｎＡｓセル３６０、トンネル接合層１７０、ＧａＩｎＰセル１８０、コンタクト層４０Ａ、及び電極５０を含む。

４つの光電変換セルであるＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＩｎＡｓセル３６０、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０、及びＧａＩｎＡｓセル２１０のバンドギャップの組み合わせは、１．９ｅＶ／１．４０ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶである。

実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００は、ＧａＩｎＡｓセル２１０（０．７５ｅＶ）、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０（１．０ｅＶ）、ＧａＩｎＡｓセル３６０（１．４０ｅＶ）、ＧａＩｎＰセル１８０（１．９ｅＶ）を直列接続した４接合型太陽電池である。

図８において、光の入射方向は、図中上から下に向かう方向（ＧａＩｎＰセル１８０からＧａＩｎＡｓセル２１０に向かう方向）である。

実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００は、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＩｎＡｓセル３６０、ＧａＩｎＰＡｓセル３２０、及びＧａＩｎＡｓセル２１０の４つの光電変換セルにより、１．９ｅＶ／１．４０ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶというバンドギャップの組み合わせを有する。

このため、実施の形態４によれば、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００よりも、さらにエネルギー変換効率の高い化合物半導体太陽電池４００を提供することができる。

なお、実施の形態１の第２変形例と同様に、接合層１４０とｎ＋型のＧａＡｓ層１５１とを取り除いて接合層１３０とｐ＋型のＧａＡｓ層１５２とのトンネル接合を形成することにより、図８に示す化合物半導体太陽電池４００よりも、光の吸収を抑えるとともに、薄型化を図ってもよい。

また、実施の形態４では、バンドギャップの大きい側のセルとして、ＧａＡｓ基板２０の上にＧａＡｓ格子整合系の材料を成長した場合について説明したが、ＧａＡｓ基板２０の代わりにＧｅ（ゲルマニウム）基板を用い、Ｇｅ基板の上にＧｅ（ゲルマニウム）格子整合系の材料を成長して用いてもよい。

この場合、ＧｅはＧａＡｓより格子定数がわずかに大きいが、格子整合できるように、ＧａＡｓ基板上に形成する材料に対して組成等を多少変更すればよい。特にＧｅに格子整合するＧａＩｎＡｓのＩｎ組成は１％程度であるため、実施の形態４のＩｎ組成が１．５％のＧａＩｎＡｓセル３６０は、ＧａＡｓ基板２０よりもＧｅ基板の方が結晶成長しやすい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の化合物半導体太陽電池、及び、化合物半導体太陽電池の製造方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 化合物半導体太陽電池
１０ 電極
２０ ＧａＡｓ基板
３０ ＩｎＰエッチングストップ層
４０ ＧａＡｓコンタクト層
４０Ａ コンタクト層
５０ 電極
１１０ ＩｎＰ基板
１２０ ＧａＩｎＰＡｓセル
１３０ 接合層
１４０ 接合層
１５０ トンネル接合層
１６０ ＧａＡｓセル
１７０ トンネル接合層
１８０ ＧａＩｎＰセル
２００ 化合物半導体太陽電池
２１０ ＧａＩｎＡｓセル
２２０ トンネル接合層
３００ 化合物半導体太陽電池
３２０ ＧａＩｎＰＡｓセル
３３０ 接合層
３６０ ＧａＩｎＡｓセル
４００ 化合物半導体太陽電池

Proceedings of the 29st IEEE Photovoltaic Specialists Conference (2010) pp.412-417. Applied Physics Letters,101,191111 (2012).）

特開2002-289884号公報 米国特許出願公開第2012/0138116号明細書

Claims (12)

1. 化合物半導体基板と、
   第１化合物半導体材料で作製され、前記化合物半導体基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、
   第２化合物半導体材料で作製され、前記１又は複数の第１光電変換セルに積層される接合層と、
   第３化合物半導体材料で作製され、前記接合層によって前記１又は複数の第１光電変換セルに接合され、光の入射方向において前記１又は複数の第１光電変換セルよりも入射側に配設される、１又は複数の第２光電変換セルと
   を含み、
   前記１又は複数の第１光電変換セルと、前記１又は複数の第２光電変換セルとのバンドギャップは、前記入射方向の入射側から奥側に向かう順に小さく、
   前記接合層のバンドギャップは、前記第２光電変換セルが１つである場合は当該１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上であり、前記第２光電変換セルが複数である場合は当該複数の第２光電変換セルのうちの少なくとも１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上である、化合物半導体太陽電池。
2. 化合物半導体基板と、
   第１化合物半導体材料で作製され、前記化合物半導体基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、
   第２化合物半導体材料で作製され、前記１又は複数の第１光電変換セルに積層される表面層と、
   第３化合物半導体材料で作製され、光の入射方向において前記表面層との間に間隔を隔てて前記１又は複数の第１光電変換セルよりも入射側に配設される、１又は複数の第２光電変換セルと、
   前記１又は複数の第１光電変換セルと前記表面層との積層体と、前記１又は複数の第２光電変換セルとを固定する固定部と
   を含み、
   前記１又は複数の第１光電変換セルと、前記１又は複数の第２光電変換セルとのバンドギャップは、前記入射方向の入射側から奥側に向かう順に小さく、
   前記表面層のバンドギャップは、前記第２光電変換セルが１つである場合は当該１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上であり、前記第２光電変換セルが複数である場合は当該複数の第２光電変換セルのうちの少なくとも１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上である、化合物半導体太陽電池。
3. 請求項１記載の前記接合層のバンドギャップは、前記入射方向において前記接合層に隣接する第２光電変換セルのバンドギャップ以上である、又は、請求項２記載の前記表面層のバンドギャップは、前記入射方向において前記表面層に隣接する第２光電変換セルのバンドギャップ以上である、化合物半導体太陽電池。
4. 請求項１記載の前記接合層、又は、請求項２記載の前記表面層は、ＩｎＰ基板に対して引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ、もしくはＧａＰＳｂである、化合物半導体太陽電池。
5. 前記接合層は、前記光の入射方向において前記接合層に隣接する前記第２光電変換セルと、前記光の入射方向において前記接合層より奥側において前記接合層に隣接する前記第１光電変換セルとの間にトンネル接合を形成する、請求項１記載の化合物半導体太陽電池。
6. 前記１又は複数の第１光電変換セルのうち、前記入射方向において最も手前側に位置する第１光電変換セルは、ＩｎＰ系の光電変換セルであり、前記１又は複数の第２光電変換セルのうち、前記入射方向において最も奥側に位置する第２光電変換セルは、ＧａＡｓ系の光電変換セルである、請求項１乃至５のいずれか一項記載の化合物半導体太陽電池。
7. 前記第１光電変換セルは、前記入射方向における入射側に、前記１又は複数の第２光電変換セルのうち前記入射方向の最も奥側に位置する第２光電変換セルのバンドギャップ以上のバンドギャップを有する、窓層を含む、請求項１乃至６のいずれか一項記載の化合物半導体太陽電池。
8. 前記窓層は、ＧａＩｎＰ、ＧａＰＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓＳｂ、Ａｌ（Ｇａ）ＰＳｂ、Ａｌ（Ｉｎ）ＰＳｂのいずれかである、請求項７記載の化合物半導体太陽電池。
9. 前記１又は複数の第２光電変換セルのうち、少なくとも１つの光電変換セルはＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有するＧａＩｎＡｓである、請求項１乃至８のいずれか一項記載の化合物半導体太陽電池。
10. 前記１又は複数の第１光電変換セルと、前記１又は複数の第２光電変換セルとにより、少なくとも３つの光電変換セルが積層方向に光学的に直列接続された多接合セルである、請求項１乃至９のいずれか一項記載の化合物半導体太陽電池。
11. （Ａｌ）ＧａＩｎＰ（Ａｓ）で構成されるＧａＡｓ格子整合系材料セルと、ＧａＩｎ（Ｐ）Ａｓで構成されるＩｎＰ格子整合系材料セルを、少なくとも含む、請求項１０記載の化合物半導体太陽電池。
12. 第１化合物半導体基板に、第１化合物半導体材料で１又は複数の第１光電変換セルを積層する工程と、
    前記１又は複数の第１光電変換セルに、第２化合物半導体材料で接合層を形成する工程と、
    第２化合物半導体基板に、第３化合物半導体材料で、光の入射方向において前記１又は複数の第１光電変換セルよりも入射側に配設される、１又は複数の第２光電変換セルを形成する工程と、
    前記接合層を前記１又は複数の第２光電変換セルに接合する工程と、
    前記第２化合物半導体基板を除去する工程と
    を含み、
    前記１又は複数の第１光電変換セルと、前記１又は複数の第２光電変換セルとのバンドギャップは、前記入射方向の入射側から奥側に向かう順に小さく、かつ、前記接合層のバンドギャップは、前記１又は複数の第２光電変換セルのバンドギャップ以上である、化合物半導体太陽電池の製造方法。

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