JP2015002203A - 光電変換素子および光電変換素子の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換素子の光電変換効率を高める。
【解決手段】本発明のある態様の光電変換素子１０では、受光側とは反対側の基板９０の主表面に光反射層１００が設けられている。光反射層１００は、金属膜１０２および誘電体１０４を含む。金属膜１０２は、基板９０に接して設けられている。金属膜１０２を構成する金属としは、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕまたはこれらの金属の合金が挙げられる。金属膜１０２の量子構造層６０の側の主表面には、四角柱状の複数の凹部１１２が形成されている。複数の凹部１１２は、光反射層１００の主表面を平面視したときに正方格子状になるように配列されており、各凹部１１２に誘電体１０４が充填されている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のある態様の光電変換素子１０では、受光側とは反対側の基板９０の主表面に光反射層１００が設けられている。光反射層１００は、金属膜１０２および誘電体１０４を含む。金属膜１０２は、基板９０に接して設けられている。金属膜１０２を構成する金属としは、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕまたはこれらの金属の合金が挙げられる。金属膜１０２の量子構造層６０の側の主表面には、四角柱状の複数の凹部１１２が形成されている。複数の凹部１１２は、光反射層１００の主表面を平面視したときに正方格子状になるように配列されており、各凹部１１２に誘電体１０４が充填されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、光電変換により光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子に関する。
太陽電池などの光電変換素子は、省資源化や低コスト化を図るために光電変換層のさらなる薄膜化が望まれている。しかしながら、単純に光電変換層を薄膜化しただけでは光電変換層における光吸収量が減少し、光電変換効率が低下してしまう。そのため、光電変換層における吸収量を増加させる技術の開発が不可欠である。
このような技術として、光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製し、光電変換層の表面、裏面において、それぞれ入射光、反射光を散乱させて、光電変換層での光路長を増大させる方法がある。また、光電変換素子に周期的な微細構造を加工する技術が知られている。この場合には、光電変換層を透過しようとする光が周期的な微細パターンによって回折し、反射した光が光電変換層において全反射する条件を設定することで光が光電変換層内に閉じ込められ、光電変換効率の向上が図られる。
しかしながら、従来のように光電変換層の表面および／または裏面にテクスチャ構造を作製する構成では、比較的多くの光が光電変換層に向けて反射されずに光電変換素子の外部に漏れていた。また、太陽電池表面にテクスチャ構造や周期的な微細構造を設けると、太陽電池表層においてキャリアの再結合速度が大きく増加するため、光電変換性能が低下する、といった課題が生じる。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる技術の提供にある。
本発明のある態様は、光電変換素子である。当該光電変換素子は、光電変換層と、前記光電変換層の受光面側とは反対側に設けられている金属膜と、前記金属膜の前記光電変換層の側の主表面に設けられた複数の凹部にそれぞれ充填された誘電体と、を有する光反射層と、を備え、前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに前記誘電体の露出部が四角形状であり、前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに複数の前記誘電体が正方格子状に配列されていることを特徴とする。
上記態様の光電変換素子において、前記光電変換層と前記光反射層との間に基板が設けられ、前記基板の裏面に前記金属膜および前記誘電体が接していてもよい。前記光電変換層が、受光面側に位置する第１の半導体層と、前記第１の半導体層の導電型と反対の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられており、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層のバンドギャップ以上のバンドギャップを有する１以上の第１の半導体領域と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する１以上の第２の半導体領域と、を有する量子構造層から構成されていてもよい。誘電体の露出部の１辺の長さと、隣接する誘電体の間隔の和が６００ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに、光反射層の主表面全体に対して前記誘電体の露出部の総面積が占める割合が０．４〜０．８であってもよい。また、前記光反射層の主表面と直交する断面における前記誘電体の形状が、前記光電変換層側を長辺とする台形状であってもよい。
本発明の他の態様は、光電変換素子の作製方法である。当該光電変換素子の作製方法は、光電変換層の受光面側とは反対側に誘電材料を塗布する工程と、前記誘電材料の上から正方格子状に凹部が配列されたパターンを有するモールドを押圧して、前記光電変換層の受光面側とは反対側に複数の誘電体を形成する工程と、前記複数の誘電体の上から金属膜を形成する工程と、を備え、前記凹部の内壁面が、前記凹部の開口に比べて凹部の底面が狭くなるようなテーパ状であることを特徴とする。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
本発明によれば、光電変換素子の光電変換効率を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る光電変換素子１０の概略構成を示す断面図である。光電変換素子１０は、第１電極２０、第１コンタクト層３０、窓層４０、第１半導体層５０、量子構造層６０、第２半導体層７０、第２コンタクト層８０、基板９０、光反射層１００および第２電極１１０を有する。本実施の形態では、光電変換素子１０はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池であり、「光電変換層」の一例として、「第１半導体層５０、量子構造層６０、および第２半導体層７０」を有するが、これに限らず、結晶Ｓｉ太陽電池、微結晶Ｓｉ太陽電池、アモルファスＳｉ太陽電池、アモルファスＳｉＧｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池などでもよい。
図１は、実施の形態に係る光電変換素子１０の概略構成を示す断面図である。光電変換素子１０は、第１電極２０、第１コンタクト層３０、窓層４０、第１半導体層５０、量子構造層６０、第２半導体層７０、第２コンタクト層８０、基板９０、光反射層１００および第２電極１１０を有する。本実施の形態では、光電変換素子１０はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池であり、「光電変換層」の一例として、「第１半導体層５０、量子構造層６０、および第２半導体層７０」を有するが、これに限らず、結晶Ｓｉ太陽電池、微結晶Ｓｉ太陽電池、アモルファスＳｉ太陽電池、アモルファスＳｉＧｅ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池などでもよい。
第１電極２０は、窓層４０の受光面側に設けられている表面電極であり、後述する第１コンタクト層３０の上に形成されている。第１電極２０は、本実施の形態では、ｐ型電極である。第１電極２０は、第１コンタクト層３０とオーミックなコンタクトが取れればよく、たとえば、ＡｕＺｎ合金や、Ａｇ／Ａｕの積層薄膜などを用いることができる。
第１コンタクト層３０は、窓層４０の受光面の周縁領域に設けられている。第１コンタクト層３０は、ｐ型のコンタクト層であり、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰなどの周期表の第ＩＩＩ族元素および第Ｖ族元素からなる化合物半導体材料により形成される。第１コンタクト層３０におけるｐ型不純物のドープ量は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３である。
窓層４０は、第１半導体層で生成したキャリアが第１半導体層表面で再結合し失活するのを防ぐ半導体層である。窓層４０における半導体層としては、光を十分に透過し、表面再結合速度が小さいものであれば特に限定されないが、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰなどの周期表の第ＩＩＩ族元素および第Ｖ族元素からなる化合物半導体材料により形成される。窓層４０におけるｐ型不純物のドープ量は、例えば、５×１０１８ｃｍ−３である。窓層４０の受光面側の表面にさらに反射防止膜を形成してもよい。反射防止膜は、屈折率が空気よりも高く、かつ窓層４０より低い誘電体からなる。反射防止膜における誘電体としては、光を十分に透過し、屈折率が上記条件を満たすものであれば特に限定されないが、例えば、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、酸化チタン、硫化亜鉛等を好適に用いることができる。
第１半導体層５０は、第１コンタクト層３０と同様な化合物半導体材料により形成されるｐ型化合物半導体層である。第１半導体層５０におけるｐ型不純物のドープ量は、例えば、２×１０１８ｃｍ−３である。
量子構造層６０は、第１半導体層５０および後述する第２半導体層７０のバンドギャップ以上のバンドギャップを有する第１半導体領域と、第１半導体層５０および第２半導体層７０のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する第２の半導体領域とが交互に積層された量子井戸構造を有する。
第１半導体領域には１種類以上の半導体層が含まれ、第１半導体領域のエネルギーギャップは、第１半導体領域と前記第１半導体層５０が接する部分から第１半導体領域の中心方向へ向かって段階的に変化させることができ、さらに連続的に変化させることもできる。
第２半導体領域には１種類以上の半導体層が含まれ、第２半導体領域のエネルギーギャップは、第２半導体領域と第１半導体領域が接する部分から第２半導体領域の中心方向へ向かって段階的に変化させることができ、さらに連続的に変化させることもできる。
本実施の形態では、第１半導体領域および第２半導体領域は真性半導体層からなるが、第１導電型（例えばｐ型）や第２導電型（例えばｎ型）を有する不純物をドープしてもよい。
本実施の形態では、第１半導体領域および第２半導体領域は真性半導体層からなるが、第１導電型（例えばｐ型）や第２導電型（例えばｎ型）を有する不純物をドープしてもよい。
量子構造層６０を形成する化合物半導体材料として、例えばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰなどの周期表の第ＩＩＩ族元素および第Ｖ族元素からなる化合物半導体材料を用いることができる。
第２半導体層７０は、受光面側とは反対側の量子構造層６０の主表面に積層されたｎ型化合物半導体層である。第２半導体層７０は、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰなどの周期表の第ＩＩＩ族元素および第Ｖ族元素からなる化合物半導体材料により形成される。第２半導体層７０におけるｎ型不純物のドープ量は、例えば、２×１０１８ｃｍ−３である。
第２コンタクト層８０は、受光面側とは反対側の第２半導体層７０の主表面に積層されている。第２コンタクト層８０は、ｎ型のコンタクト層であり、第２半導体層７０と同様な化合物半導体材料により形成される。第２コンタクト層８０におけるｎ型不純物のドープ量は、例えば、２×１０１８ｃｍ−３である。第２コンタクト層８０には、基板９０側が幅広になるような段差が設けられており、受光面側に露出する露出面を有する。
基板９０は、半導体層成長用の基板として利用される場合には、例えば、ＧａＡｓやＧｅ等の半導体基板が用いられる。本実施の形態では、基板９０は半絶縁性のＧａＡｓ基板である。なお、基板９０は、半導体層成長後に、溶解ないしは剥離により取り除いてもよい。この場合、後述する光反射層１００は、第２コンタクト層８０に直に積層される。
光反射層１００は、光電変換素子１０の受光面とは反対側に設けられている。本実施の形態では、光反射層１００は、基板９０に接して設けられている。光反射層１００の詳細については後述する。
第２電極１１０は、第２コンタクト層８０の露出面に設けられているｎ型対向電極である。第２電極１１０として、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金を用いることができる。第２電極１１０は、第２半導体層７０と電気的に接合していればよく、基板９０の裏面に形成されていてもよい。
（光反射層）
図２は、光反射層１００を光電変換素子１０の受光面側から平面視したときの平面図である。図１および図２を参照しながら、光反射層１００の詳細について説明する。
図２は、光反射層１００を光電変換素子１０の受光面側から平面視したときの平面図である。図１および図２を参照しながら、光反射層１００の詳細について説明する。
光反射層１００は、金属膜１０２および誘電体１０４を含む。金属膜１０２は、基板９０に接して設けられている。金属膜１０２を構成する金属は、量子構造層６０の吸収が不十分である光の波長領域において、散乱性を有する金属材料であればよく、特に限定されないが、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕまたはこれらの金属の合金が挙げられる。金属膜１０２の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜２０００ｎｍである。なお、第２電極１１０を別途設ける代わりに、金属膜１０２に第２電極を兼ねさせることもできる。
金属膜１０２の基板９０の側の主表面には、複数の凹部１１２が形成されている。凹部１１２の形状は、四角柱状である。凹部１１２の深さは、１５０ｎｍ〜４００ｎｍが好ましく、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲がより好ましい。図２に示すように、複数の凹部１１２は、正方格子状に配列されている。各凹部１１２に誘電体１０４が充填されており、複数の誘電体１０４も正方格子状に配列されている。誘電体１０４の形状は凹部１１２で規定され、凹部１１２と同様に四角柱である。図２に示すように、光反射層１００の基板９０の側の主表面において、誘電体１０４の上面が露出しており、その形は四角形状である。誘電体１０４を形成する材料としては、光反射層１００と接する層（本実施の形態では、基板９０）より屈折率が低い透明な材料であればよく、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレン、シクロオレフィンポリマー、フッ素樹脂、アルミナ、ＺｎＯ、ＳｉＯ２などが挙げられる。なお、正方格子状とは、格子単位が正方形である場合に限られず、単位格子の短辺をＬ１と長辺をＬ２としたとき比Ｌ２／Ｌ１が１より大きく１．１以下の範囲に当てはまる場合も「正方格子状」に含まれる。
光反射層１００において、量子構造層６０の主表面の法線に対して角度がついた状態で光が反射される。これにより、量子構造層６０内での反射光の光路長を増大させることができ、ひいては、量子構造層６０において光を効率的に吸収させることができる。基板９０がＧａＡｓ基板である場合を例にとると、波長１０００ｎｍでの屈折率が約３．５であり、ＧａＡｓと大気の境界の法線に対して１６．６度よりも小さい領域で形成された円錐領域（エスケイプコーン）より大きい角度で基板９０裏面で拡散反射された入射光は、大気中に放射されずに窓層４０の表面で再度全反射され、光電変換素子１０の中に閉じ込めることが可能である。
なお、誘電体１０４の露出部の一辺の長さＤと隣接する誘電体１０４の間隔Ｗの和Ｌ（正方格子の周期Ｌ）は、６００ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましい。また、図２に示すごとく、光反射層１２０の主表面を平面視した場合に、光反射層の主表面全体に対して各誘電体１０４の露出部の総面積Ｓが占める割合が０．４〜０．８であることが好ましい。正方格子の周期Ｌ、総面積Ｓを上記範囲にすることにより、光反射層１００における光反射をより効果的にすることができる。
以上説明したように、本実施の形態の光電変換素子１０によれば、光反射層１００による反射光の光路長を増大させることにより、光電変換効率を一層高めることができる。
（光反射層の作製方法）
図３乃至７を参照して、光反射層１２０の作製方法について説明する。
図３乃至７を参照して、光反射層１２０の作製方法について説明する。
＜元型の作製＞
まず、図３（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハー２００を用意する。
まず、図３（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハー２００を用意する。
次に、図３（Ｂ）に示すように、単結晶シリコンウエハー２００の一方の主表面上に熱酸化により二酸化ケイ素層２０２を形成する。二酸化ケイ素層２０２の厚さは、例えば１００ｎｍである。
次に、図３（Ｃ）に示すように、二酸化ケイ素層２０２の上に電子線描画用のレジスト２０４を塗布する。レジスト２０４としては、例えば、日本ゼオン社製ＺＥＰ−５２０Ａが挙げられる。レジスト２０４の厚さは、例えば４００ｎｍである。
次に、図３（Ｄ）に示すように、電子線描画によりレジスト２０４を正方格子状に配列されたパターン状に現像する。
次に、図４（Ａ）に示すように、レジスト２０４をマスクとし、エッチングガスとしてＡｒおよびＣＨＦ３を用いて、二酸化ケイ素層２０２のドライエッチングを行い、レジスト２０４のパターンと同じパターンを形成する。単結晶シリコンウエハー２００に直にレジスト２０４を形成した場合には、後述する単結晶シリコンウエハー２００のドライエッチングの際に必要な深さを形成する前にマスクとなるレジスト２０４が消失する場合がある。これに対して、図４（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハー２００とレジスト２０４との間に二酸化ケイ素層２０２を介在させることにより、後述する単結晶シリコンウエハー２００のドライエッチングにおいて、レジスト２０４よりエッチングレートが低い二酸化ケイ素層２０２がマスクとして残存する。これにより、単結晶シリコンウエハー２００に必要な深さをより確実に形成することができる。
次に、図４（Ｂ）に示すように、Ｏ２アッシングによりレジスト２０４を除去する。
次に、図４（Ｃ）に示すように、二酸化ケイ素層２０２をマスクとし、エッチングガスとしてＣｌ２を用いて、単結晶シリコンウエハー２００のドライエッチングを行い、単結晶シリコンウエハー２００をパターニングする。以上の工程により、結晶シリコン製の元型３００が作製される。
＜ソフトモールドの作製＞
続いて、図５（Ａ）に示すように、元型３００の上にモールド材３１０を塗布する。モールド材３１０として、たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が用いられる。塗布後のモールド材３１０の厚さは、例えば、０．５ｍｍである。
続いて、図５（Ａ）に示すように、元型３００の上にモールド材３１０を塗布する。モールド材３１０として、たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が用いられる。塗布後のモールド材３１０の厚さは、例えば、０．５ｍｍである。
次に、図５（Ｂ）に示すように、モールド材３１０を熱硬化後、元型３００から剥離して、ソフトモールド３２０を作製する。
＜誘電体の形成＞
一方、図６（Ａ）に示すように、量子構造層の裏面側に設けられた基板９０の裏面に誘電材料としてＵＶ硬化樹脂３３０を塗布する。ＵＶ硬化樹脂３３０の厚さは、例えば、６００ｎｍである。
一方、図６（Ａ）に示すように、量子構造層の裏面側に設けられた基板９０の裏面に誘電材料としてＵＶ硬化樹脂３３０を塗布する。ＵＶ硬化樹脂３３０の厚さは、例えば、６００ｎｍである。
次に、図６（Ｂ）に示すように、ＵＶ硬化樹脂３３０の上からソフトモールド３２０を押し付ける。ソフトモールド３２０押圧時の圧力は、例えば、３ｋＰａである。
次に、図６（Ｃ）に示すように、ＵＶ照射をした後、ソフトモールド３２０をＵＶ硬化樹脂３３０から剥離する。
次に、図７（Ａ）に示すように、Ｏ２アッシングにより基板９０の裏面に付着した残膜を除去し、正方格子状に配列され、形状が四角形状の誘電体１０４を形成する。
次に、図７（Ｂ）に示すように、誘電体１０４の上から銀を蒸着し、金属膜１０２を形成する。
以上の工程により、金属膜１０２および誘電体１０４を有する光反射層１００を形成することができる。
（変形例）
変形例に係る光電変換素子は、誘電体１０４の作製方法および形状が異なる以外は、実施の形態の光電変換素子と同様である。本変形例では、図４（Ｃ）に示すドライエッチング工程に代えて、図８（Ａ）に示すように、二酸化ケイ素層２０２をマスクとし、エッチング剤としてＣｌ２の他にＡｒを用いる。これにより、物理作用により二酸化ケイ素層２０２が意図的に削り込まれ、元型３００に形成される凹部の内壁面が、凹部の開口に比べて凹部の底面が狭くなるようなテーパ状となる。こうして得られた元型３００を用いて、実施の形態と同様な工程を経ることで、図８（Ｂ）に示すような、ソフトモールド３２０が得られる。このソフトモールド３２０を用いて、実施の形態と同様な工程を経ることで、図８（Ｃ）に示すように、光反射層１００の主表面に直交する断面における形状が基板９０側を長辺とする台形状の誘電体１０４が形成される。
変形例に係る光電変換素子は、誘電体１０４の作製方法および形状が異なる以外は、実施の形態の光電変換素子と同様である。本変形例では、図４（Ｃ）に示すドライエッチング工程に代えて、図８（Ａ）に示すように、二酸化ケイ素層２０２をマスクとし、エッチング剤としてＣｌ２の他にＡｒを用いる。これにより、物理作用により二酸化ケイ素層２０２が意図的に削り込まれ、元型３００に形成される凹部の内壁面が、凹部の開口に比べて凹部の底面が狭くなるようなテーパ状となる。こうして得られた元型３００を用いて、実施の形態と同様な工程を経ることで、図８（Ｂ）に示すような、ソフトモールド３２０が得られる。このソフトモールド３２０を用いて、実施の形態と同様な工程を経ることで、図８（Ｃ）に示すように、光反射層１００の主表面に直交する断面における形状が基板９０側を長辺とする台形状の誘電体１０４が形成される。
本変形例の誘電体１０４の作製方法によれば、ソフトモールド３２０を転写のために押圧した際の変形が小さくなるため、誘電体１０４に型抜けが生じることを抑制し、誘電体１０４の転写精度を高めることができる。
以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。
（実施例１）
＜セルの作製＞
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、光電変換素子（量子井戸型太陽電池）を作製した。具体的には、両面が鏡面の３５０μｍ厚さの絶縁性ＧａＡｓ基板（キャリア濃度：１×１０７ｃｍ−３）をＭＯＶＰＥ装置に投入し、温度６００℃、圧力１０ｋＰａで、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ターシャリーブチルアルシン、ターシャリーブチルフォスフィンを原料、水素をキャリアガスに用いて結晶成長を行った。まず、第２コンタクト層としてｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を１μｍ形成した。続いて、第２半導体層（ベース層）としてｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を２．５μｍ成膜した。次に光電変換層として、まずｉ相のＧａＡｓを０．１μｍ成膜し、その後、量子構造として、井戸層Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ（８．５４ｎｍ）、障壁層ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．２２（１８．１ｎｍ）からなる層を２０層積層した。さらに、ｉ相のＧａＡｓを０．１μｍ成膜した。この後、第１半導体層（エミッタ層）としてｐ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を０．８μｍ、窓層としてｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ（キャリア濃度：５×１０１８ｃｍ−３）を０．０４μｍ、第１コンタクト層（表面コンタクト層）としてｐ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）を０．０４μｍ、順次成長させた。次に成長させたエピタキシャル層を、量子井戸層部分をマスクして第２半導体層までエッチング除去し、第２電極としてＡｕＧｅ／Ｎｉを蒸着し、窒素中３８０℃で熱処理を施した。さらに第１コンタクト層に電極パターンの窓明けをしたレジストを形成し、Ａｇ／Ａｕを蒸着後、リフトオフ法にて第１電極（表面電極）を形成し、第１電極をマスクとして電極が形成されていない部分の第１コンタクト層をエッチングにより除去した。
＜セルの作製＞
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、光電変換素子（量子井戸型太陽電池）を作製した。具体的には、両面が鏡面の３５０μｍ厚さの絶縁性ＧａＡｓ基板（キャリア濃度：１×１０７ｃｍ−３）をＭＯＶＰＥ装置に投入し、温度６００℃、圧力１０ｋＰａで、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ターシャリーブチルアルシン、ターシャリーブチルフォスフィンを原料、水素をキャリアガスに用いて結晶成長を行った。まず、第２コンタクト層としてｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を１μｍ形成した。続いて、第２半導体層（ベース層）としてｎ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を２．５μｍ成膜した。次に光電変換層として、まずｉ相のＧａＡｓを０．１μｍ成膜し、その後、量子構造として、井戸層Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ（８．５４ｎｍ）、障壁層ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．２２（１８．１ｎｍ）からなる層を２０層積層した。さらに、ｉ相のＧａＡｓを０．１μｍ成膜した。この後、第１半導体層（エミッタ層）としてｐ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：２×１０１８ｃｍ−３）を０．８μｍ、窓層としてｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ（キャリア濃度：５×１０１８ｃｍ−３）を０．０４μｍ、第１コンタクト層（表面コンタクト層）としてｐ型のＧａＡｓ（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）を０．０４μｍ、順次成長させた。次に成長させたエピタキシャル層を、量子井戸層部分をマスクして第２半導体層までエッチング除去し、第２電極としてＡｕＧｅ／Ｎｉを蒸着し、窒素中３８０℃で熱処理を施した。さらに第１コンタクト層に電極パターンの窓明けをしたレジストを形成し、Ａｇ／Ａｕを蒸着後、リフトオフ法にて第１電極（表面電極）を形成し、第１電極をマスクとして電極が形成されていない部分の第１コンタクト層をエッチングにより除去した。
＜光反射層の作製＞
絶縁性ＧａＡｓ基板の受光面とは反対側に、上述した光反射層の作製方法に従い、表１に示す材料および厚さの金属膜と、表１に示す配置および寸法の誘電体を有する光反射層を形成した。
絶縁性ＧａＡｓ基板の受光面とは反対側に、上述した光反射層の作製方法に従い、表１に示す材料および厚さの金属膜と、表１に示す配置および寸法の誘電体を有する光反射層を形成した。
（実施例２〜４、比較例１〜９）
実施例２〜４、比較例１〜９の各光電変換素子は、表１に示す諸条件を除き、上述した実施例１の光電変換素子と同様に作製した。
実施例２〜４、比較例１〜９の各光電変換素子は、表１に示す諸条件を除き、上述した実施例１の光電変換素子と同様に作製した。
（太陽電池性能の測定）
実施例１〜４、比較例１〜９の各光電変換素子について分光感度測定を行った。分光感度測定装置はキセノンランプとハロゲンランプの二灯式で、モノクロメーターで分光した３００〜１１００ｎｍの単色光を太陽電池に照射しＡＣモードで行い、それぞれの波長の照射光子数と光電流値から量子収率を算出した。また、絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面に光反射層を設けない、基準となる光電変換素子についても同様に量子収率を算出した。実施例１〜４、比較例１〜９の各光電変換素子の量子構造層に起因する波長範囲（９００〜１１００ｎｍ）の量子収率が基準となる光電変換素子に対して何倍になるかを算出し、効果として表１に記載した。
実施例１〜４、比較例１〜９の各光電変換素子について分光感度測定を行った。分光感度測定装置はキセノンランプとハロゲンランプの二灯式で、モノクロメーターで分光した３００〜１１００ｎｍの単色光を太陽電池に照射しＡＣモードで行い、それぞれの波長の照射光子数と光電流値から量子収率を算出した。また、絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面に光反射層を設けない、基準となる光電変換素子についても同様に量子収率を算出した。実施例１〜４、比較例１〜９の各光電変換素子の量子構造層に起因する波長範囲（９００〜１１００ｎｍ）の量子収率が基準となる光電変換素子に対して何倍になるかを算出し、効果として表１に記載した。
表１の結果が示すように、実施例１〜４の各光電変換素子は、比較例１〜９の各光電変換素子に比べて量子収率の向上効果が大きいことが明らかとなった。
（誘電体占有面積依存性）
誘電体の露出部の一辺の長さＤを実施例１と共通の６３０ｎｍとし、隣接する誘電体の間隔Ｗを変化させた光電変換素子に対して、それぞれ、基準となる光電変換素子に対して量子構造層に起因する波長範囲の量子収率が何倍になるか算出した。図９に、光反射層の主表面全体に対して誘電体の露出部の総面積が占める割合と、量子収率の向上効果との関係を示す。図９より、光反射層の主表面全体に対して前記誘電体の露出部の総面積が占める割合が０．４〜０．８のときに量子収率の向上効果が顕著に大きいことが確認された。
誘電体の露出部の一辺の長さＤを実施例１と共通の６３０ｎｍとし、隣接する誘電体の間隔Ｗを変化させた光電変換素子に対して、それぞれ、基準となる光電変換素子に対して量子構造層に起因する波長範囲の量子収率が何倍になるか算出した。図９に、光反射層の主表面全体に対して誘電体の露出部の総面積が占める割合と、量子収率の向上効果との関係を示す。図９より、光反射層の主表面全体に対して前記誘電体の露出部の総面積が占める割合が０．４〜０．８のときに量子収率の向上効果が顕著に大きいことが確認された。
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
誘電体１０４の露出部の形状が「四角形状」という用語については、角部が９０°の形状であることに限定されず、図１０のように、光反射層を平面視したときに、誘電体１０４の角部が丸みを帯びた形状となる場合も含まれる。ただし、誘電体１０４の一辺の長さＤと、丸みを帯びた部分の当該一辺の長さ方向の幅ｒとの比、Ｄ：ｒは、１：０〜１：０．２の範囲とする。
１０ 光電変換素子、２０ 第１電極、３０ 第１コンタクト層、４０ 窓層、５０ 第１半導体層、６０ 量子構造層、７０ 第２半導体層、８０ 第２コンタクト層、９０ 基板、１００ 光反射層、１０２ 金属膜、１０４ 誘電体、１１０ 第２電極
Claims (7)
- 光電変換層と、
前記光電変換層の受光面側とは反対側に設けられている金属膜と、前記金属膜の前記光電変換層の側の主表面に設けられた複数の凹部にそれぞれ充填された誘電体と、を有する光反射層と、
を備え、
前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに前記誘電体の露出部が四角形状であり、
前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに複数の前記誘電体が正方格子状に配列されていることを特徴とする光電変換素子。 - 前記光電変換層と前記光反射層との間に基板が設けられ、
前記基板の裏面に前記金属膜および前記誘電体が接している請求項１に記載の光電変換素子。 - 前記光電変換層が、受光面側に位置する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の導電型と反対の導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられており、
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層のバンドギャップ以上のバンドギャップを有する１以上の第１の半導体領域と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する１以上の第２の半導体領域と、を有する量子構造層から構成されている請求項１または２に記載の光電変換素子。 - 前記誘電体の露出部の１辺の長さと、隣接する誘電体の間隔の和が６００ｎｍ〜１０００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 前記光電変換層と対向する前記光反射層の主表面を平面視したときに、前記光反射層の主表面全体に対して前記誘電体の露出部の総面積が占める割合が０．４〜０．８である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 前記光反射層の主表面と直交する断面における前記誘電体の形状が、前記光電変換層側を長辺とする台形状である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
- 光電変換層の受光面側とは反対側に誘電材料を塗布する工程と、
前記誘電材料の上から正方格子状に凹部が配列されたパターンを有するモールドを押圧して、前記光電変換層の受光面側とは反対側に複数の誘電体を形成する工程と、
前記複数の誘電体の上から金属を蒸着する工程と、
を備え、
前記凹部の内壁面が、前記凹部の開口に比べて凹部の底面が狭くなるようなテーパ状であることを特徴とする光電変換素子の作製方法。
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