JP2015015271A

JP2015015271A - Solar battery

Info

Publication number: JP2015015271A
Application number: JP2013139463A
Authority: JP
Inventors: 松岡　隆志; Takashi Matsuoka; 隆志松岡; 竜二片山; Ryuji Katayama; 智之谷川; Tomoyuki Tanigawa
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP6164685B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide efficient conversion from solar light energy to electric energy, in a solar battery that uses a nitride semiconductor.SOLUTION: A solar battery includes a light absorption layer 101 made from a non-doped nitride semiconductor in which a main surface is formed as a C surface, and a first electrode 102 and a second electrode 103 connected to the light absorption layer 101. The light absorption layer 101 may be made from, for example, InGaN and InGaAlN whose compositions are adjusted to a target wavelength. The light absorption layer 101 may be, for example, made from InGaAlN in which band gap energy is 2 eV. At least one of the first electrode 102 and the second electrode 103 may be formed to contact to the light absorption layer 101, otherwise, one of the first electrode 102 and the second electrode 103 may be in a state where the sun light transmits.

Description

本発明は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell that converts solar energy into electrical energy.

現在、宇宙用太陽電池や集光発電システム用の高効率太陽電池として、ＧａＡｓやＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を主材料とした多接合構造が用いられている。この構造は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）単結晶基板に、エピタキシャル成長させて形成したＩｎＧａＡｓからなるｐｎ接合と、エピタキシャル成長させて形成したＩｎＧａＰからなるｐｎ接合との多接合で構成されている（非特許文献１参照）。 Currently, multijunction structures using III-V group compound semiconductors such as GaAs and InGaP as main materials are used as space solar cells and high-efficiency solar cells for concentrating power generation systems. This structure is composed of, for example, a multijunction of a pn junction made of InGaAs formed by epitaxial growth on a germanium (Ge) single crystal substrate and a pn junction made of InGaP formed by epitaxial growth (Non-Patent Document). 1).

このような多接合構造では、バンドギャップの異なる２つ以上の材料のｐｎ接合の積層により、太陽光スペクトルの広範な波長を有効に利用できることから、単接合構造の太陽電池と比較して高い変換効率が得られる。 In such a multi-junction structure, since a wide range of wavelengths in the solar spectrum can be effectively used by stacking pn junctions of two or more materials having different band gaps, the conversion is higher than that of a single-junction structure solar cell. Efficiency is obtained.

また、ＡｓやＰを含まない窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）をシリコンなどの半導体基板上に積層させた、太陽光スペクトルのほぼ全域をカバーできるという長所を持つ多接合型の太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、高価なＧｅ単結晶基板を用いることなく、また、大きな面積のウエハーを用いることができるため、コストの低減も図れる。 In addition, a multijunction solar cell has been proposed in which a nitride semiconductor not containing As or P (for example, InGaN) is stacked on a semiconductor substrate such as silicon and has the advantage of covering almost the entire solar spectrum. (See Patent Document 1). According to this technique, since a large-area wafer can be used without using an expensive Ge single crystal substrate, the cost can be reduced.

特許文献１の技術では、ＩｎＧａＮと格子整合する基板がないことによるＩｎＧａＮ薄膜に多くの転位が含まれる状態を、バルク状ではないナノコラムを複数用いることによって解消しており、また、ｐｎ接合をコラムの高さ方向に積層して形成している。 In the technique of Patent Document 1, the state in which many dislocations are included in the InGaN thin film due to the absence of a substrate lattice-matched with InGaN is eliminated by using a plurality of non-bulk nanocolumns, and the pn junction is formed as a column. Are stacked in the height direction.

特開２００７−３２４３２４号公報JP 2007-324324 A

R. R. King et al. , "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.90, 183516, 2007.R. R. King et al., "40% efficient metamorphic GaInP / GaInAs / Ge multijunction solar cells", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.90, 183516, 2007.

ところで、窒化物半導体中における少数キャリアの拡散長は、余り長くない。例えば、ＩｎＧａＮ中の少数キャリア拡散長は、数十〜数百ｎｍ程度と短い。このため、上述したような従来の技術による拡散によってキャリアを取り出す構造では、次に示す問題があった。すなわち、光吸収層を光吸収に必要な１μｍ程度に長く（厚く）すると、発生したキャリアの移動に時間を要し、結晶欠陥などによりキャリアが消滅し、光励起キャリアを効率よく収集できず、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が低下する。さらに、結晶の品質や結晶中の不純物濃度で決定される「キャリアの拡散長」内しかキャリアは拡散できないので、素子構造の最適設計に制限があった。 By the way, the diffusion length of minority carriers in a nitride semiconductor is not so long. For example, the minority carrier diffusion length in InGaN is as short as several tens to several hundreds of nanometers. For this reason, the structure for extracting carriers by diffusion according to the conventional technique as described above has the following problems. That is, if the light absorption layer is made as long as about 1 μm necessary for light absorption (thickness), it takes time for the generated carriers to move, the carriers disappear due to crystal defects, etc., and photoexcited carriers cannot be collected efficiently. The conversion efficiency from light energy to electrical energy decreases. Furthermore, since carriers can diffuse only within the “carrier diffusion length” determined by crystal quality and impurity concentration in the crystal, there is a limit to the optimum design of the device structure.

一方、窒化物半導体による光吸収層の厚さを少数キャリア拡散長程度に短くすれば、生成された光励起キャリアをより高い効率で収集できるようになる。しかしながら、この場合、光吸収層が薄いために光吸収が不十分となり、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が低下してしまうという問題が発生する。これらのように、従来では、窒化物半導体を用いた太陽電池では、高い効率で太陽光エネルギーから電気エネルギーへ変換することが容易ではないという問題があった。 On the other hand, if the thickness of the light absorption layer made of a nitride semiconductor is shortened to the minority carrier diffusion length, the generated photoexcited carriers can be collected with higher efficiency. However, in this case, since the light absorption layer is thin, the light absorption becomes insufficient, and the conversion efficiency from solar energy to electrical energy is reduced. As described above, conventionally, solar cells using nitride semiconductors have a problem that it is not easy to convert solar energy into electric energy with high efficiency.

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、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行え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 it is possible to perform conversion from solar energy to electric energy with high efficiency in a solar cell using a nitride semiconductor. Objective.

本発明に係る太陽電池は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層と、光吸収層に接続する第１電極および第２電極とを備え、第１電極および第２電極の少なくとも１つは光吸収層に接して形成されている。光吸収層は、ノンドープとされている。 A solar cell according to the present invention includes a light absorption layer made of a nitride semiconductor having a main surface as a C-plane, and a first electrode and a second electrode connected to the light absorption layer, the first electrode and At least one of the second electrodes is formed in contact with the light absorption layer. The light absorption layer is non-doped.

上記太陽電池において、光吸収層は、第１半導体層と第２半導体層とが交互に複数積層して構成され、第１半導体層は、主表面をＣ面とした第１窒化物半導体から構成され、第２半導体層は、第１窒化物半導体とは異なる格子定数で主表面をＣ面とした第２窒化物半導体から構成されているようにしてもよい。 In the solar cell, the light absorption layer is configured by alternately laminating a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers, and the first semiconductor layer is configured by a first nitride semiconductor having a main surface as a C plane. In addition, the second semiconductor layer may be made of a second nitride semiconductor having a lattice constant different from that of the first nitride semiconductor and having a main surface as a C plane.

上記太陽電池において、第１電極は、光吸収層の一方の面に接して形成され、第２電極は、光吸収層の他方の面に接して形成されている。 In the solar cell, the first electrode is formed in contact with one surface of the light absorption layer, and the second electrode is formed in contact with the other surface of the light absorption layer.

上記太陽電池において、基板の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる電極層を備え、第１電極は、光吸収層の上に接して形成され、光吸収層および第２電極は、電極層の上に形成されているようにすればよい。 The solar cell includes an electrode layer made of an n-type nitride semiconductor formed on a substrate, the first electrode is formed in contact with the light absorption layer, and the light absorption layer and the second electrode are It may be formed on the electrode layer.

以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が、高い効率で行え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 conversion from solar energy to electric energy can be performed with high efficiency in a solar cell using a nitride semiconductor.

図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. 図２は、光吸収層１０１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 a state of band gap energy in the light absorption layer 101. 図３は、本発明の実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell according to Embodiment 2 of the present invention. 図４は、井戸層と障壁層とを交互に積層した構造における励起子解離を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining exciton dissociation in a structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. 図５は、井戸層と障壁層とを交互に積層した構造における励起子解離を説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining exciton dissociation in a structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. 図６は、本発明の実施の形態３における太陽電池の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the third embodiment of the present invention. 図７は、本発明の実施の形態４における太陽電池の構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the fourth embodiment of the present invention.

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］
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構成を示す断面図である。この太陽電池は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層１０１と、光吸収層１０１に接続する第１電極１０２および第２電極１０３とを備える。また、第１電極１０２および第２電極１０３の少なくとも１つは光吸収層１０１に接して形成されている。光吸収層１０１は、後述するように、ノンドープとすることができる。なお「ノンドープ」は、導電型を発現させる不純物を意図的に添加せずに形成した状態を意味している。また、光吸収層１０１は、低濃度にｎ型不純物が導入されていてもよい。 [Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. This solar cell includes a light absorption layer 101 made of a nitride semiconductor having a main surface as a C-plane, and a first electrode 102 and a second electrode 103 connected to the light absorption layer 101. Further, at least one of the first electrode 102 and the second electrode 103 is formed in contact with the light absorption layer 101. The light absorption layer 101 can be non-doped as will be described later. Note that “non-doped” means a state in which an impurity that develops a conductivity type is formed without intentional addition. Further, the light absorption layer 101 may have an n-type impurity introduced at a low concentration.

光吸収層１０１は、例えば、対象とする波長に合わせて組成が調整されたＩｎＧａＮやＩｎＧａＡｌＮから構成されていればよい。例えば、バンドギャップエネルギーが２ｅＶとされたＩｎＧａＡｌＮから光吸収層１０１を構成すればよい。また、第１電極１０２は、例えば、ニッケルや金などの金属から構成されていればよい。また、第２電極１０３は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成されていればよい。なお、少なくとも、第１電極１０２および第２電極１０３の一方が、太陽光が透過する状態とされていればよい。 The light absorption layer 101 may be made of, for example, InGaN or InGaAlN whose composition is adjusted to the target wavelength. For example, the light absorption layer 101 may be made of InGaAlN having a band gap energy of 2 eV. Moreover, the 1st electrode 102 should just be comprised from metals, such as nickel and gold | metal | money, for example. Moreover, the 2nd electrode 103 should just be comprised from transparent electrode materials, such as ITO (Indium Tin Oxide). Note that at least one of the first electrode 102 and the second electrode 103 only needs to be in a state in which sunlight is transmitted.

例えば、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）基板の表面を窒化して窒化層を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、ＧａＮのバッファ層をエピタキシャル成長し、バッファ層の上に、ＩｎＧａＡｌＮをエピタキシャル成長させて光吸収層１０１を形成する。例えば、光吸収層１０１は、層厚２μｍ程度とすればよい。このようにして形成した光吸収層１０１は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により電界が発生している状態となる。 For example, a nitride layer is formed by nitriding the surface of a sapphire (corundum) substrate whose main surface is a C-plane, and then a GaN buffer layer is epitaxially grown thereon by a well-known metal organic chemical vapor deposition method or the like. The light absorption layer 101 is formed by epitaxially growing InGaAlN on the buffer layer. For example, the light absorption layer 101 may have a layer thickness of about 2 μm. The light absorption layer 101 formed in this manner grows in the + C axis direction, the main surface becomes a C plane, and an electric field is generated due to the polarization effect.

次いで、光吸収層１０１の主表面上に、第１電極１０２を形成する。この後、バッファ層およびサファイア基板を除去する。例えば、第１電極１０２の形成面を支持基板に貼り付けて支持した状態で、サファイア基板およびバッファ層を研削研磨して除去すればよい。このようにしてサファイア基板およびバッファ層を除去した後、露出させた光吸収層１０１の裏面に第２電極１０３を形成し、支持基板より離型すれば、実施の形態１における太陽電池が形成できる。実施の形態１では、単一の半導体層からなる光吸収層１０１の一方の面に第１電極１０２が接して形成され、光吸収層１０１の他方の面に第２電極１０３が接して形成された状態となる。 Next, the first electrode 102 is formed on the main surface of the light absorption layer 101. Thereafter, the buffer layer and the sapphire substrate are removed. For example, the sapphire substrate and the buffer layer may be removed by grinding and polishing in a state where the formation surface of the first electrode 102 is attached to and supported by the support substrate. After removing the sapphire substrate and the buffer layer in this way, the second electrode 103 is formed on the exposed back surface of the light absorption layer 101 and released from the support substrate, whereby the solar cell in Embodiment 1 can be formed. . In Embodiment 1, the first electrode 102 is formed in contact with one surface of the light absorption layer 101 made of a single semiconductor layer, and the second electrode 103 is formed in contact with the other surface of the light absorption layer 101. It becomes a state.

上述した実施の形態１における太陽電池では、光吸収層１０１に自然電界が発生しているので、図２のバンド図に示すように、第１電極１０２から第２電極１０３にかけて、光吸収層１０１におけるバンドが傾く。これにより、例えば、第１電極１０２の側より入射した太陽光が、光吸収層１０１で吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極１０２および第２電極１０３の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。 In the solar cell in Embodiment 1 described above, since a natural electric field is generated in the light absorption layer 101, the light absorption layer 101 extends from the first electrode 102 to the second electrode 103 as shown in the band diagram of FIG. The band at is tilted. As a result, for example, electrons and holes generated when sunlight incident from the first electrode 102 side is absorbed by the light absorption layer 101 move in the direction of the first electrode 102 and the second electrode 103. It will follow. Moreover, this movement is due to drift, and as is well known, the drift movement speed is much faster than movement due to diffusion.

この結果、実施の形態１における太陽電池によれば、ｐｎ接合などによる太陽電池に比較して、格段に速い速度でキャリアを電極に引き出すことが可能となり、太陽電池における光電変換効率を格段に向上させることができる。また、実施の形態１における太陽電池によれば、上述したことにより、光吸収層１０１を、ノンドープとすることができる。ただし、光吸収層１０１は、低濃度にｎ型不純物が導入されている状態とすることで、より低抵抗な状態とすることができる。また、実施の形態１における太陽電池では、上述したようにドリフトによりキャリアを移動させているので、光吸収層を厚くしても、結晶欠陥などによるキャリアの消滅を抑制できるので、十分な光吸収を実現することができる。 As a result, according to the solar cell in the first embodiment, carriers can be extracted to the electrode at a significantly higher speed than a solar cell using a pn junction or the like, and the photoelectric conversion efficiency in the solar cell is greatly improved. Can be made. Moreover, according to the solar cell in Embodiment 1, the light absorption layer 101 can be made non-doped by the above-mentioned. However, the light absorption layer 101 can be in a lower resistance state by being in a state where n-type impurities are introduced at a low concentration. Moreover, in the solar cell in Embodiment 1, since the carriers are moved by drift as described above, the disappearance of carriers due to crystal defects and the like can be suppressed even when the light absorption layer is thickened, so that sufficient light absorption is achieved. Can be realized.

ここで、上述した状態の光吸収層１０１と第１電極１０２との界面でのフェルミエネルギーより、第１電極１０２を構成する材料の仕事関数の方が大きい状態となっていれば、第１電極１０２は、光吸収層１０１より電子を受け取ることができる。また、上述した状態の光吸収層１０１と第２電極１０３との界面でのフェルミエネルギーより、第２電極１０３を構成する材料の仕事関数の方が小さい状態となっていれば、第２電極１０３から光吸収層１０１へ電子が流れ込むことができ、光吸収層１０１における正孔が第２電極１０３により外部に取り出されたようにすることができる。このような関係となる組み合わせとしては、第１電極１０２をニッケルから構成し、第２電極１０３をＩＴＯから構成すればよい。また、第１電極１０２を光が透過する程度に薄いニッケル層から構成し、第２電極１０３をアルミニウムから構成してもよい。 Here, if the work function of the material constituting the first electrode 102 is larger than the Fermi energy at the interface between the light absorption layer 101 and the first electrode 102 in the state described above, the first electrode 102 can receive electrons from the light absorption layer 101. If the work function of the material constituting the second electrode 103 is smaller than the Fermi energy at the interface between the light absorption layer 101 and the second electrode 103 in the above state, the second electrode 103 is used. Thus, electrons can flow into the light absorption layer 101, and holes in the light absorption layer 101 can be extracted to the outside by the second electrode 103. As a combination having such a relationship, the first electrode 102 may be made of nickel and the second electrode 103 may be made of ITO. Alternatively, the first electrode 102 may be made of a nickel layer that is thin enough to transmit light, and the second electrode 103 may be made of aluminum.

このように、実施の形態１によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が、高い効率で行えるようになる。 As described above, according to the first embodiment, a solar cell using a nitride semiconductor can convert solar energy into electrical energy with high efficiency.

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、まず、サファイア基板３０１と、サファイア基板３０１の表面に形成された窒化層３０２と、窒化層３０２の上に形成されたバッファ層３０３と、バッファ層３０３の上に形成された電極層３０４とを備える。例えば、電極層３０４は、シリコンをドープすることでｎ型とされＧａＮから構成され、層厚１０００ｎｍ程度とされている。 [Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the second embodiment. This solar cell includes a sapphire substrate 301, a nitride layer 302 formed on the surface of the sapphire substrate 301, a buffer layer 303 formed on the nitride layer 302, and an electrode formed on the buffer layer 303. Layer 304. For example, the electrode layer 304 is made of n-type by doping silicon and is made of GaN and has a thickness of about 1000 nm.

また、この太陽電池は、電極層３０４の上に形成された、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを備える。ここで、実施の形態２における第１光吸収層３０５ａは、第１半導体層３５１と第２半導体層３５２とが交互に複数積層して構成されている。また、第２光吸収層３０５ｂは、第１半導体層３５１と第３半導体層３５３とが交互に複数積層して構成されている。また、第３光吸収層３０５ｃは、第１半導体層３５１と第４半導体層３５４とが交互に複数積層して構成されている。第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４は、各々が、第１半導体層３５１と交互に３組ほど積層されていればよい。 The solar cell also includes a first light absorption layer 305a, a second light absorption layer 305b, and a third light absorption layer 305c formed on the electrode layer 304. Here, the first light absorption layer 305a in Embodiment 2 is configured by alternately stacking a plurality of first semiconductor layers 351 and second semiconductor layers 352. The second light absorption layer 305b is formed by alternately stacking a plurality of first semiconductor layers 351 and third semiconductor layers 353. The third light absorption layer 305c is formed by alternately stacking a plurality of first semiconductor layers 351 and fourth semiconductor layers 354. Each of the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354 may be stacked in layers of the first semiconductor layer 351 alternately.

まず、第１半導体層３５１は、主表面をＣ面としたノンドープの第１窒化物半導体から構成されている。一方、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４は、第１窒化物半導体とは格子定数が異なり主表面をＣ面としたノンドープの第２窒化物半導体から構成されている。実施の形態２では、第１半導体層３５１と、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４とにより超格子構造が構成される。 First, the first semiconductor layer 351 is composed of a non-doped first nitride semiconductor whose main surface is a C-plane. On the other hand, the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354 are made of a non-doped second nitride semiconductor having a lattice constant different from that of the first nitride semiconductor and having a main surface as a C plane. Yes. In Embodiment 2, the first semiconductor layer 351, the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354 form a superlattice structure.

また、実施の形態２では、主に、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４において、光が吸収されて電子および正孔を発生させる。なお、各光吸収層を構成する各半導体層は、低濃度にｎ型不純物が導入されている状態としてもよい。この構成とすることで、より低抵抗な状態とすることができる。 In Embodiment 2, light is absorbed and electrons and holes are generated mainly in the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354. Each semiconductor layer constituting each light absorption layer may be in a state where n-type impurities are introduced at a low concentration. With this configuration, a lower resistance state can be achieved.

例えば、第１半導体層３５１は、ＧａＮから構成され、層厚３ｎｍ程度とされている。また、第２半導体層３５２は、例えば、バンドギャップエネルギーが０．６５ｅＶのＩｎＮから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第３半導体層３５３は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶのＩｎ_0.83Ｇａ_0.17Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第４半導体層３５４は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶのＩｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。 For example, the first semiconductor layer 351 is made of GaN and has a thickness of about 3 nm. The second semiconductor layer 352 is made of, for example, InN having a band gap energy of 0.65 eV, and has a thickness of about 10 nm. The third semiconductor layer 353 is made of, for example, In _0.83 Ga _0.17 N having a band gap energy of 1.1 eV and has a thickness of about 10 nm. The fourth semiconductor layer 354 is made of, for example, In _0.55 Ga _0.45 N having a band gap energy of 1.9 eV, and has a thickness of about 10 nm.

また、第３光吸収層３０５ｃ（第１半導体層３５１）の上に接して第１電極３０６が形成され、第１光吸収層３０５ａの側方の電極層３０４の上に第２電極３０７が形成されている。例えば、第１電極３０６は、例えば太陽光が透過する程度に薄いニッケル層から構成されていればよい。 A first electrode 306 is formed on and in contact with the third light absorption layer 305c (first semiconductor layer 351), and a second electrode 307 is formed on the electrode layer 304 on the side of the first light absorption layer 305a. Has been. For example, the first electrode 306 may be formed of a nickel layer that is thin enough to transmit sunlight, for example.

例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板３０１の表面を窒化して窒化層３０２を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、バッファ層３０３をエピタキシャル成長し、バッファ層３０３の上に、上述した各層をエピタキシャル成長させればよい。このようにして形成した、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成する各層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により自然電界が発生している状態となる。 For example, the surface of the sapphire substrate 301 having a C-plane main surface is nitrided to form the nitride layer 302, and the buffer layer 303 is epitaxially grown thereon by a well-known metal organic chemical vapor deposition method or the like. Each layer described above may be epitaxially grown on the layer 303. Each of the layers constituting the first light absorption layer 305a, the second light absorption layer 305b, and the third light absorption layer 305c thus formed grows in the + C axis direction, the main surface becomes a C plane, and the polarization effect As a result, a natural electric field is generated.

この結果、実施の形態２においても、第１電極３０６の側より入射した太陽光が、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４において吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極３０６および電極層３０４（第２電極３０７）の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。 As a result, also in Embodiment 2, the sunlight generated from the first electrode 306 side is absorbed by the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354, and The holes move in the direction of the first electrode 306 and the electrode layer 304 (second electrode 307). Moreover, this movement is due to drift, and as is well known, the drift movement speed is much faster than movement due to diffusion.

また、実施の形態２では、超格子構造としているので、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４における吸収効率が格段に向上している。例えば、第１光吸収層３０５ａにおいて、層厚１０ｎｍの２半導体層３５２の層数は、３程度であれば十分が光吸収が得られる。これは、第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃにおいても同様である。 In Embodiment 2, since the superlattice structure is employed, the absorption efficiency in the second semiconductor layer 352, the third semiconductor layer 353, and the fourth semiconductor layer 354 is remarkably improved. For example, in the first light absorption layer 305a, if the number of the two semiconductor layers 352 having a thickness of 10 nm is about 3, sufficient light absorption can be obtained. The same applies to the second light absorption layer 305b and the third light absorption layer 305c.

また、実施の形態２によれば、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４から、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成してこれらを積層してタンデムとしている。この結果、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。 Further, according to the second embodiment, the first light absorption layer 305a, the second light absorption layer 305a, the second semiconductor layer 354, the second light absorption layer 305a, and the second semiconductor layer 354 are different from each other in the band gap energy and the absorption wavelength band. The light absorption layer 305b and the third light absorption layer 305c are configured and laminated to form a tandem. As a result, light having a wider wavelength included in sunlight can be converted, and solar cells using nitride semiconductors can convert solar energy into electrical energy with high efficiency.

ところで、例えば、第１光吸収層３０５ａを構成する第２半導体層３５２は、第１半導体層３５１より格子定数が大きい。このため、２つの第１半導体層３５１に挟まれている第２半導体層３５２は、圧縮歪みを受けることになり、前述した分極とは対向する方向にピエゾ分極が発生する。しかしながら、ピエゾ分極の合計が上述した分極の合計より小さければ、第１光吸収層３０５ａの全体では、実施の形態１と同様に自然電界が発生した状態となり、上述したドリフトにより電子および正孔が移動するようになる。このことは、第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃにおいても同様である。 By the way, for example, the second semiconductor layer 352 constituting the first light absorption layer 305 a has a larger lattice constant than the first semiconductor layer 351. For this reason, the second semiconductor layer 352 sandwiched between the two first semiconductor layers 351 is subjected to compressive strain, and piezo polarization occurs in a direction opposite to the polarization described above. However, if the total piezoelectric polarization is smaller than the total polarization described above, the entire first light absorption layer 305a is in a state where a natural electric field is generated as in the first embodiment, and electrons and holes are generated due to the drift described above. To move. The same applies to the second light absorption layer 305b and the third light absorption layer 305c.

また、実施の形態２では、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成している超格子構造において、分極が発生しているため、次に説明することにより、励起子の問題が抑制できるようになる。 In the second embodiment, polarization is generated in the superlattice structure constituting the first light absorption layer 305a, the second light absorption layer 305b, and the third light absorption layer 305c. As a result, the problem of excitons can be suppressed.

まず、図４に示すように、分極のない状態で井戸層４０１と障壁層４０２とが交互に複数積層された構造では、井戸層４０１に光励起された電子４１１および正孔４１２は、励起子４１３を形成し、発光再結合して消滅する。このため、光電流として取り出すことができない。また、励起子４１３は、実質的に電荷を持たないため、電子４１１と正孔４１２とに分離しなければ、発電に寄与しない。 First, as shown in FIG. 4, in a structure in which a plurality of well layers 401 and barrier layers 402 are alternately stacked without polarization, electrons 411 and holes 412 photoexcited in the well layer 401 are excitons 413. , Recombine with luminescence and disappear. For this reason, it cannot be taken out as a photocurrent. In addition, since the exciton 413 has substantially no charge, it does not contribute to power generation unless it is separated into electrons 411 and holes 412.

一方、図５に示すように、分極のある状態で井戸層５０１と障壁層５０２とが交互に複数積層された構造では、井戸層５０１に光励起された電子５１１および正孔５１２は、井戸層５０１中の電界により解離している。このため、電子５１１および正孔５１２は、互いに逆方向に移動するため、距離が離れ（波動関数の重なりが低減し）、発光再結合することなく、光電流として取り出すことができる。 On the other hand, as shown in FIG. 5, in a structure in which a plurality of well layers 501 and barrier layers 502 are alternately stacked in a polarized state, the electrons 511 and holes 512 photoexcited in the well layer 501 are transferred to the well layer 501. Dissociated by the electric field inside. For this reason, since the electrons 511 and the holes 512 move in opposite directions, the distance is increased (the overlap of wave functions is reduced), and the electrons 511 and the holes 512 can be extracted as photocurrents without recombination of light emission.

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３が積層されたタンデム型とされている。各光吸収層は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成されている。また、各光吸収層は、各々バンドギャップが異なる状態とされている。また、第３光吸収層６０３には、第１電極６１１が接続し、第１光吸収層６０１には、第２電極６１２が接続している。 [Embodiment 3]
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the third embodiment of the present invention. This solar cell is a tandem type in which a first light absorption layer 601, a second light absorption layer 602, and a third light absorption layer 603 are stacked. Each light absorption layer is composed of a nitride semiconductor formed with the main surface as a C-plane. Each light absorption layer has a different band gap. In addition, the first electrode 611 is connected to the third light absorption layer 603, and the second electrode 612 is connected to the first light absorption layer 601.

実施の形態３においても、前述した実施の形態１と同様に、各光吸収層は、ノンドープとすることができる。なお、各光吸収層は、低濃度にｎ型不純物を導入しておくことで、より低抵抗することができる。 Also in the third embodiment, each light absorption layer can be non-doped as in the first embodiment. Each light absorption layer can have a lower resistance by introducing an n-type impurity at a low concentration.

第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３は、例えば、対象とする波長に合わせて組成が調整されたＩｎＧａＮやＩｎＧａＡｌＮから構成されていればよい。例えば、バンドギャップエネルギーが０．６５ｅＶのＩｎＮからなる単一の半導体層で第１光吸収層６０１を構成し、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶとされたＩｎ_0.83Ｇａ_0.17Ｎからなる単一の半導体層で第２光吸収層６０２を構成し、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶとされたＩｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｎからなる単一の半導体層で第３光吸収層６０３を構成すればよい。これらの構成であれば、各光吸収層の間でほぼ同じ格子定数とすることができる。 The 1st light absorption layer 601, the 2nd light absorption layer 602, and the 3rd light absorption layer 603 should just be comprised from InGaN and InGaAlN by which the composition was adjusted according to the wavelength made into object, for example. For example, the first light absorption layer 601 is configured by a single semiconductor layer made of InN having a band gap energy of 0.65 eV, and a single semiconductor made of In _0.83 Ga _0.17 N having a band gap energy of 1.1 eV. The second light absorption layer 602 may be formed of layers, and the third light absorption layer 603 may be formed of a single semiconductor layer made of In _0.55 Ga _0.45 N having a band gap energy of 1.9 eV. With these configurations, the light absorption layers can have substantially the same lattice constant.

また、第１電極６１１は、例えば、ニッケルや金などの金属から構成されていればよい。これら金属から第１電極６１１を構成することで、第３光吸収層６０３と第１電極６１１との界面でのフェルミエネルギーより、第３光吸収層６０３を構成する材料の仕事関数の方が大きい状態となる。また、第２電極６１２は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成されていればよい。この構成とすることで、第１光吸収層６０１と第２電極６１２との界面でのフェルミエネルギーより、第２電極６１２を構成する材料の仕事関数の方が小さい状態となる。なお、少なくとも、第１電極６１１および第２電極６１２の一方が、太陽光が透過する状態とされていればよい。上述した構成では、第２電極６１２の方を太陽光が透過する。また、第１電極６１１を光が透過する程度に薄いニッケル層から構成し、第２電極６１２をアルミニウムから構成してもよい。 Moreover, the 1st electrode 611 should just be comprised from metals, such as nickel and gold | metal | money, for example. By forming the first electrode 611 from these metals, the work function of the material constituting the third light absorption layer 603 is larger than the Fermi energy at the interface between the third light absorption layer 603 and the first electrode 611. It becomes a state. Moreover, the 2nd electrode 612 should just be comprised from transparent electrode materials, such as ITO (Indium Tin Oxide). With this configuration, the work function of the material forming the second electrode 612 is smaller than the Fermi energy at the interface between the first light absorption layer 601 and the second electrode 612. Note that at least one of the first electrode 611 and the second electrode 612 only needs to be in a state in which sunlight is transmitted. In the configuration described above, sunlight passes through the second electrode 612. Alternatively, the first electrode 611 may be made of a nickel layer that is thin enough to transmit light, and the second electrode 612 may be made of aluminum.

例えば、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）基板の表面を窒化して窒化層を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、ＧａＮのバッファ層をエピタキシャル成長し、バッファ層の上に、対応する組成のＩｎＧａＡｌＮをエピタキシャル成長させて、順次に第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３を形成する。各光吸収層は、例えば、層厚２μｍ程度とすればよい。このようにして形成した各光吸収層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により電界が発生している状態となる。 For example, a nitride layer is formed by nitriding the surface of a sapphire (corundum) substrate whose main surface is a C-plane, and then a GaN buffer layer is epitaxially grown thereon by a well-known metal organic chemical vapor deposition method or the like. On the buffer layer, InGaAlN having a corresponding composition is epitaxially grown to sequentially form a first light absorption layer 601, a second light absorption layer 602, and a third light absorption layer 603. Each light absorbing layer may have a thickness of about 2 μm, for example. Each light absorption layer thus formed grows in the + C axis direction, the main surface becomes a C plane, and an electric field is generated due to the polarization effect.

次いで、第３光吸収層６０３の主表面上に、第１電極６１１を形成する。この後、バッファ層およびサファイア基板を除去する。例えば、第１電極６１１の形成面を支持基板に貼り付けて支持した状態で、サファイア基板およびバッファ層を研削研磨して除去すればよい。このようにしてサファイア基板およびバッファ層を除去した後、露出させた第１光吸収層６０１の裏面に第２電極６１２を形成し、支持基板より離型すれば、実施の形態３における太陽電池が形成できる。 Next, the first electrode 611 is formed on the main surface of the third light absorption layer 603. Thereafter, the buffer layer and the sapphire substrate are removed. For example, the sapphire substrate and the buffer layer may be removed by grinding and polishing in a state where the formation surface of the first electrode 611 is attached to and supported by the support substrate. After removing the sapphire substrate and the buffer layer in this way, the second electrode 612 is formed on the exposed back surface of the first light absorption layer 601 and separated from the support substrate, whereby the solar cell in Embodiment 3 is obtained. Can be formed.

実施の形態３では、第２光吸収層６０２の一方の面に第１光吸収層６０１が接し、第２光吸収層６０２の他方の面に第３光吸収層６０３が接して形成されている。また、第３光吸収層６０３に第１電極６１１が接して形成され、第１光吸収層６０１に第２電極６１２が接して形成された状態となる。 In Embodiment 3, the first light absorption layer 601 is in contact with one surface of the second light absorption layer 602, and the third light absorption layer 603 is in contact with the other surface of the second light absorption layer 602. . Further, the first electrode 611 is formed in contact with the third light absorption layer 603, and the second electrode 612 is formed in contact with the first light absorption layer 601.

上述した実施の形態３における太陽電池では、各光吸収層に自然電界が発生しているので、第１電極６１１の側から第２電極６１２の側にかけて、各光吸収層におけるバンドが傾く。これにより、各光吸収層で太陽光が吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極６１１および第２電極６１２の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。 In the solar cell in Embodiment 3 described above, since a natural electric field is generated in each light absorption layer, the band in each light absorption layer is inclined from the first electrode 611 side to the second electrode 612 side. As a result, electrons and holes generated by the absorption of sunlight in each light absorption layer move in the direction of the first electrode 611 and the second electrode 612. Moreover, this movement is due to drift, and as is well known, the drift movement speed is much faster than movement due to diffusion.

この結果、実施の形態３における太陽電池においても、ｐｎ接合などによる太陽電池に比較して、格段に速い速度でキャリアを電極に引き出すことが可能となり、太陽電池における光電変換効率を格段に向上させることができる。また、実施の形態３における太陽電池では、上述したようにドリフトによりキャリアを移動させているので、光吸収層を厚くしても、結晶欠陥などによるキャリアの消滅が抑制できるので、十分な光吸収を実現することができる。 As a result, also in the solar cell in the third embodiment, it becomes possible to draw carriers to the electrode at a remarkably high speed as compared with a solar cell using a pn junction or the like, and the photoelectric conversion efficiency in the solar cell is remarkably improved. be able to. Moreover, in the solar cell in Embodiment 3, since carriers are moved by drift as described above, disappearance of carriers due to crystal defects and the like can be suppressed even if the light absorption layer is thickened, so that sufficient light absorption is achieved. Can be realized.

加えて、実施の形態３では、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる光吸収層を積層してタンデムとしているので、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになる。このように、実施の形態３によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。 In addition, in the third embodiment, light absorption layers having different band gap energy and different absorption wavelength bands are stacked to form a tandem, so that light of a wider wavelength included in sunlight can be converted. As described above, according to the third embodiment, conversion from solar energy to electric energy can be performed with high efficiency in a solar cell using a nitride semiconductor.

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図７を用いて説明する。図７は、実施の形態４における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、まず、サファイア基板７０１と、サファイア基板７０１の表面に形成された窒化層７０２と、窒化層７０２の上に形成されたバッファ層７０３と、バッファ層７０３の上に形成された電極層７０４とを備える。例えば、電極層７０４は、シリコンをドープすることでｎ型とされＧａＮから構成され、層厚１０００ｎｍ程度とされている。 [Embodiment 4]
Next, Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the solar cell in the fourth embodiment. This solar cell includes a sapphire substrate 701, a nitride layer 702 formed on the surface of the sapphire substrate 701, a buffer layer 703 formed on the nitride layer 702, and an electrode formed on the buffer layer 703. Layer 704. For example, the electrode layer 704 is made of n-type by doping silicon and is made of GaN and has a thickness of about 1000 nm.

また、この太陽電池は、電極層７０４の上に形成された、第１光吸収層７０５ａおよび第２光吸収層７０５ｂを備える。ここで、実施の形態４における第１光吸収層７０５ａは、第１半導体層７５１と第２半導体層７５２とが交互に複数積層して構成されている。また、第２光吸収層７０５ｂは、第３半導体層７５３と第４半導体層７５４とが交互に複数積層して構成されている。第２半導体層７５２は、第１半導体層７５１と交互に５組ほど積層されている。また、第４半導体層７５３は、第３半導体層７５３と交互に３組ほど積層されていればよい。 The solar cell also includes a first light absorption layer 705a and a second light absorption layer 705b formed on the electrode layer 704. Here, the first light absorption layer 705a in Embodiment 4 is configured by alternately stacking a plurality of first semiconductor layers 751 and second semiconductor layers 752. The second light absorption layer 705b is formed by alternately stacking a plurality of third semiconductor layers 753 and fourth semiconductor layers 754. The second semiconductor layer 752 and the first semiconductor layer 751 are alternately stacked in about five sets. In addition, the fourth semiconductor layer 753 only needs to be stacked in three pairs with the third semiconductor layer 753 alternately.

まず、第１半導体層７５１は、主表面をＣ面としたノンドープの第１窒化物半導体から構成されている。次に、第２半導体層７５２は、第１窒化物半導体より格子定数が小さく主表面をＣ面としたノンドープの第２窒化物半導体から構成されている。従って、第１光吸収層７０５ａを構成している第２半導体層７５２は、引っ張り歪みを受ける状態となる。 First, the first semiconductor layer 751 is composed of a non-doped first nitride semiconductor whose main surface is a C-plane. Next, the second semiconductor layer 752 is composed of a non-doped second nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the first nitride semiconductor and having a main surface as a C plane. Therefore, the second semiconductor layer 752 constituting the first light absorption layer 705a is subjected to tensile strain.

また、第３半導体層７５３は、主表面をＣ面としたノンドープの第３窒化物半導体から構成されている。次に、第４半導体層７５４は、第３窒化物半導体より格子定数が小さく主表面をＣ面としたノンドープの第４窒化物半導体から構成されている。従って、第２光吸収層７０５ｂにおいても、第４半導体層７５４は、引っ張り歪みを受ける状態となる。 The third semiconductor layer 753 is composed of a non-doped third nitride semiconductor whose main surface is a C plane. Next, the fourth semiconductor layer 754 is composed of a non-doped fourth nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the third nitride semiconductor and having a main surface as a C plane. Therefore, the fourth semiconductor layer 754 is also subjected to tensile strain in the second light absorption layer 705b.

また、実施の形態４では、第１窒化物半導体より第３窒化物半導体の方が格子定数が小さい構成とされている。なお、各光吸収層を構成する各半導体層は、低濃度にｎ型不純物を導入した状態としてもよい。この構成とすることで、より低抵抗することができる。 In the fourth embodiment, the third nitride semiconductor has a smaller lattice constant than the first nitride semiconductor. Each semiconductor layer constituting each light absorption layer may be in a state where n-type impurities are introduced at a low concentration. With this configuration, the resistance can be further reduced.

例えば、第１半導体層７５１は、バンドギャップエネルギーが１．４５ｅＶのＩｎ_0.85Ａｌ_0.15Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第２半導体層７５２は、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶのＩｎ_0.83Ｇａ_0.17Ｎから構成され、層厚５ｎｍ程度とされている。また、第３半導体層７５３は、バンドギャップエネルギーが２．３ｅＶのＩｎ_0.7Ａｌ_0.3Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第４半導体層７５４は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶのＩｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｎから構成され、層厚５ｎｍ程度とされている。 For example, the first semiconductor layer 751 is made of In _0.85 Al _0.15 N having a band gap energy of 1.45 eV and has a thickness of about 10 nm. The second semiconductor layer 752 is made of In _0.83 Ga _0.17 N having a band gap energy of 1.1 eV and has a thickness of about 5 nm. The third semiconductor layer 753 is made of In _0.7 Al _0.3 N having a band gap energy of 2.3 eV and has a thickness of about 10 nm. The fourth semiconductor layer 754 is made of, for example, In _0.55 Ga _0.45 N having a band gap energy of 1.9 eV, and has a thickness of about 5 nm.

ここで、バンドギャップエネルギー１．１ｅＶは、波長１．１μｍに対応し、バンドギャップエネルギー１．９ｅＶは、波長６５０ｎｍに対応する。従って、上述した構成とすることで、太陽光より放射される光を入射することで、少なくとも第２半導体層７５２および第４半導体層７５４の各層において、対応する波長の光が吸収され電子および正孔が発生するものとなる。 Here, the band gap energy 1.1 eV corresponds to a wavelength of 1.1 μm, and the band gap energy 1.9 eV corresponds to a wavelength of 650 nm. Therefore, with the above-described structure, when light radiated from sunlight is incident, at least each of the second semiconductor layer 752 and the fourth semiconductor layer 754 absorbs light of a corresponding wavelength, so that electrons and positive light are absorbed. Holes are generated.

また、第２光吸収層７０５ｂ（第３半導体層７５３）の上に接して第１電極７０６が形成され、第１光吸収層７０５ａの側方の電極層７０４の上に第２電極７０７が形成されている。例えば、第１電極７０６は、例えば太陽光が透過する程度に薄いニッケル層から構成されていればよい。 A first electrode 706 is formed on and in contact with the second light absorption layer 705b (third semiconductor layer 753), and a second electrode 707 is formed on the electrode layer 704 on the side of the first light absorption layer 705a. Has been. For example, the first electrode 706 only needs to be formed of a nickel layer that is thin enough to transmit sunlight, for example.

例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板７０１の表面を窒化して窒化層７０２を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、バッファ層７０３をエピタキシャル成長し、バッファ層７０３の上に、上述した各層をエピタキシャル成長させればよい。このようにして形成した、第１光吸収層７０５ａ，第２光吸収層７０５ｂを構成する各層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により自然電界が発生している状態となる。 For example, the surface of the sapphire substrate 701 having the main surface as the C plane is nitrided to form the nitride layer 702, and the buffer layer 703 is epitaxially grown thereon by a well-known metal organic chemical vapor deposition method or the like. Each layer described above may be epitaxially grown on the layer 703. Each of the layers constituting the first light absorption layer 705a and the second light absorption layer 705b thus formed grows in the + C axis direction, the main surface becomes a C plane, and a natural electric field is generated due to the polarization effect. It becomes a state.

加えて、前述したように、第２半導体層７５２は、引っ張り歪みを受け、第４半導体層７５４は、引っ張り歪みを受け、第１窒化物半導体（第１半導体層７５１）より第３窒化物半導体（第３半導体層７５３）の方が格子定数が小さい。このため、第１光吸収層７０５ａおよび第２光吸収層７０５ｂにおいては、各層間に発生するピエゾ分極が、上述した分極と同じ方向に発生する状態となっている。 In addition, as described above, the second semiconductor layer 752 is subjected to tensile strain, and the fourth semiconductor layer 754 is subjected to tensile strain, so that the third nitride semiconductor is more than the first nitride semiconductor (first semiconductor layer 751). (The third semiconductor layer 753) has a smaller lattice constant. For this reason, in the 1st light absorption layer 705a and the 2nd light absorption layer 705b, it is in the state which the piezoelectric polarization which generate | occur | produces between each layer generate | occur | produces in the same direction as the polarization mentioned above.

この結果、実施の形態４においては、第１電極７０６の側より入射した太陽光が、第１半導体層７４１，第２半導体層７５２，第３半導体層７５３，第４半導体層７５４において吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極７０６および電極層７０４（第２電極７０７）の方向に，ドリフトにより移動していくことになる。また、このドリフトは、上述した同じ方向の２つの分極効果で発生する電界によるものであり、より大きな効果が得られるようになる。 As a result, in the fourth embodiment, sunlight incident from the first electrode 706 side is absorbed by the first semiconductor layer 741, the second semiconductor layer 752, the third semiconductor layer 753, and the fourth semiconductor layer 754. Electrons and holes generated thereby move in the direction of the first electrode 706 and the electrode layer 704 (second electrode 707) due to drift. This drift is due to the electric field generated by the two polarization effects in the same direction as described above, and a greater effect can be obtained.

また、実施の形態４では、第１半導体層７５１を障壁層とし、第２半導体層７５２を井戸層とし、また、第３半導体層７５３を障壁層とし、第４半導体層７５４を井戸層とする超格子構造としている。このため、前述した実施の形態２と同様に、各層における吸収効率が格段に向上している。 In the fourth embodiment, the first semiconductor layer 751 is a barrier layer, the second semiconductor layer 752 is a well layer, the third semiconductor layer 753 is a barrier layer, and the fourth semiconductor layer 754 is a well layer. It has a superlattice structure. For this reason, the absorption efficiency in each layer is remarkably improved as in the second embodiment.

また、実施の形態４によれば、前述したように、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる第１半導体層７５１，第２半導体層７５２，第３半導体層７５３，第４半導体層７５４において光吸収がなされるので、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。 Further, according to the fourth embodiment, as described above, the first semiconductor layer 751, the second semiconductor layer 752, the third semiconductor layer 753, and the fourth semiconductor layer 754 that have different band gap energy and different absorption wavelength bands. Because light absorption is performed in the solar cell, light of a wider wavelength included in sunlight can be converted, and solar cells using nitride semiconductors can be converted from solar energy to electrical energy with high efficiency. become.

また、実施の形態４においても、前述した実施の形態２と同様に、超格子構造において、分極が発生しているため、励起子の問題が抑制でき、光吸収によって発生した電子および正孔が発光再結合することなく、光電流として取り出すことができる。 Also in the fourth embodiment, as in the second embodiment described above, since polarization occurs in the superlattice structure, the problem of excitons can be suppressed, and electrons and holes generated by light absorption are reduced. It can be taken out as a photocurrent without recombination of light emission.

以上に説明したように、本発明によれば、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層を用いるようにしたので、光吸収層で太陽光が吸収されたことにより発生した電子および正孔は、各電極の方向にドリフトにより移動していくことになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。また、本発明によれば、不純物を導入せずに上述した構成とすることができる。 As described above, according to the present invention, since the light absorption layer composed of the nitride semiconductor formed with the main surface as the C-plane is used, sunlight is absorbed by the light absorption layer. Electrons and holes generated due to the above will move in the direction of each electrode due to drift so that solar cells using nitride semiconductors can convert solar energy to electrical energy with high efficiency. Become. Further, according to the present invention, the above-described configuration can be obtained without introducing impurities.

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、実施の形態２では、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを積層してタンデムとしたが、これに限るものではない。例えば、第１窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１窒化物半導体とは異なる格子定数で主表面をＣ面とした第２窒化物半導体なる第２半導体層とが、交互に複数積層して構成された１組の光吸収層から構成してもよい。この点は、実施例４においても同様である。 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 Embodiment 2, the first light absorption layer 305a, the second light absorption layer 305b, and the third light absorption layer 305c are stacked to form a tandem, but the present invention is not limited to this. For example, a plurality of first semiconductor layers made of a first nitride semiconductor and a plurality of second semiconductor layers made of a second nitride semiconductor having a lattice constant different from that of the first nitride semiconductor and having a main surface as a C-plane are alternately stacked. You may comprise from one set of light absorption layers comprised as mentioned above. This also applies to the fourth embodiment.

１０１…光吸収層、１０２…第１電極、１０３…第２電極。 101 ... light absorption layer, 102 ... first electrode, 103 ... second electrode.

Claims

A light absorption layer composed of a nitride semiconductor formed with a main surface as a C-plane;
A first electrode and a second electrode connected to the light absorption layer;
At least one of the first electrode and the second electrode is formed in contact with the light absorption layer.

The solar cell according to claim 1,
The light absorbing layer is
A plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers are alternately stacked,
The first semiconductor layer is composed of a first nitride semiconductor whose main surface is a C-plane,
The second semiconductor layer is composed of a second nitride semiconductor having a lattice constant different from that of the first nitride semiconductor and having a main surface as a C-plane.

The solar cell according to claim 1 or 2,
The first electrode is formed in contact with one surface of the light absorption layer,
The solar cell, wherein the second electrode is formed in contact with the other surface of the light absorption layer.

The solar cell according to claim 1 or 2,
An electrode layer made of an n-type nitride semiconductor formed on a substrate;
The first electrode is formed on and in contact with the light absorption layer,
The solar cell, wherein the light absorption layer and the second electrode are formed on the electrode layer.

In the solar cell of any one of Claims 1-4,
The solar cell, wherein the light absorption layer is non-doped.