JP2015046572A - 化合物半導体太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】変換効率の高い化合物半導体太陽電池を提供する。
【解決手段】化合物半導体太陽電池は、第１の基板１０３と、第１化合物半導体材料で作製され、第１の基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セル１０４と、第１の基板の材料に格子不整合である材料から成る第２化合物半導体材料で作製され、１又は複数の第１光電変換セルの第１の基板とは反対側に配置され、光の入射側となる１又は複数の第２光電変換セル１０６と、１又は複数の第１光電変換セルのうち最も入射方向側の光電変換セルと、１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向とは逆方向に形成される光電変換セルとの間に挟まれるトンネル接合層１０５と、を有し、各光電変換セルは、光の入射方向の入射側から奥側に向かう順にバンドギャップが小さくなっており、トンネル接合層では、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層と、ｎ＋型のＩｎＰ層とが接合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体太陽電池に関する。
安価なレンズや鏡等で集光した太陽光をエネルギー（電力）変換する集光型の太陽電池が知られている。化合物半導体太陽電池は、半導体材料の組成比を制御することにより、光電変換セルのバンドギャップ等を比較的容易に変更できる。このため、より広い波長範囲で太陽光を吸収させ、化合物半導体太陽電池のエネルギー変換効率を向上させることが検討されている。
ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰセル及びＧａＡｓセルを成長させ、格子緩和バッファ層を介して、ＧａＩｎＡｓセル（ＧａＡｓと約２％格子不整合）を成長させることで変換効率を高めた太陽電池が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＰセル、高ドープされたｐ＋層を形成し、ＩｎＰ基板上に、ＧａＩｎＡｓセル、高ドープされたｎ＋層を形成し、ｐ＋層とｎ＋層とを直接接合することで、トンネル接合層を形成し、各セルを直列接続する太陽電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
トンネル接合層において、接合界面での抵抗が高いと、トンネル電流が流れ難くなり、太陽電池の変換効率が低下する。
特許文献１における太陽電池は、トンネル接合層における接合界面での抵抗が十分に低減できておらず、変換効率が十分ではない。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を提供することを目的とする。
本実施の形態の化合物半導体太陽電池は、第１の基板と、第１化合物半導体材料で作製され、第１の基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、第１の基板の材料に格子不整合である材料から成る第２化合物半導体材料で作製され、１又は複数の第１光電変換セルの第１の基板とは反対側に配置され、光の入射側となる１又は複数の第２光電変換セルと、１又は複数の第１光電変換セルのうち最も入射方向側の光電変換セルと、１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向とは逆方向に形成される光電変換セルとの間に挟まれるトンネル接合層と、を有し、各光電変換セルは、光の入射方向の入射側から奥側に向かう順にバンドギャップが小さくなっており、トンネル接合層では、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層と、ｎ＋型のＩｎＰ層とが接合することを要件とする。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を提供することができる。
実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態１に係るトンネル接合のバンドダイアグラムを示す図である。 化合物半導体太陽電池のＩ−Ｖカーブを例示する図である。 実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池の製造工程を例示する図である。 実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池の製造工程を例示する図である。 実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池の製造工程を例示する図である。 実施の形態１に係る化合物半導体太陽電池の製造工程を例示する図である。 実施の形態２に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態３に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態４に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態５に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。 実施の形態６に係る化合物半導体太陽電池を例示する図である。
以下、図面及び表を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１の実施の形態〉
［化合物半導体太陽電池の構成］
図１は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００を例示する断面図である。
化合物半導体太陽電池１００は、第１の電極１０１、第２の電極１０２、ＩｎＰ基板１０３、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４、第１のトンネル接合層１０５、ＧａＡｓセル１０６、第２のトンネル接合層１０７、ＧａＩｎＰセル１０８、コンタクト層１０９を含む。
第１のトンネル接合層１０５は、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４とＧａＡｓセル１０６との間に形成され、第２のトンネル接合層１０７は、ＧａＡｓセル１０６とＧａＩｎＰセル１０８との間に形成される。光電変換セル間にトンネル接合層を挟むことで、各光電変換セルは、電気的、光学的に直列接続される。従って、異なるバンドギャップを有する複数の光電変換セルに電流を流すことが可能になる。
各光電変換セルのバンドギャップは、光の入射方向（図１の矢印方向）に沿って小さくなり、ＧａＩｎＰセル１０８のバンドギャップは、１．９ｅＶ、ＧａＡｓセル１０６のバンドギャップは、１．４２ｅＶ、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４のバンドギャップは、１．０ｅＶとなる。
第１のトンネル接合層１０５及び第２のトンネル接合層１０７は、ｐ＋型の半導体層及びｎ＋型の半導体層が接合した薄いｐ＋ｎ＋接合層である。トンネル接合層では、高濃度ドーピングによって、ｎ＋型の半導体層における伝導帯とｐ＋型の半導体層における価電子帯が縮退する。伝導帯及び価電子帯のエネルギーがフェルミ準位を挟んで重なり合い、キャリアのトンネル確率が増大することで、ｎ＋型の半導体層側からｐ＋型の半導体層側へトンネル電流を流すことが可能になる。
第１のトンネル接合層１０５は、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａと、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとが接合するトンネル接合層を含むことが好ましい（図１（Ａ）参照）。あるいは、ｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層１０５ａ'（ＧａＡｓよりバンドギャップが小さい）と、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとが接合するトンネル接合層を含むことが好ましい（図１（Ｂ）参照）。なお、本明細書において、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａとｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層１０５ａ'とを合わせて、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓと表記することがある。
ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層とｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとを接合してトンネル接合層を形成することで、トンネル接合層における接合界面（２つのトンネル接合層が接触する面）の抵抗を極めて低くし、ｎ＋型の半導体層側からｐ＋型の半導体層側へトンネル電流を流れ易くすることができる。
第１のトンネル接合層１０５としては、図２に示す様に、高濃度にドーピングされたｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃを、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａとＧａＡｓセル１０６との間に形成しても良い。第１のトンネル接合層１０５を、図２に示す化合物半導体太陽電池１２０の様な３層のトンネル接合層（ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃ、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂ）とする場合、図１に示す化合物半導体太陽電池１００の様な２層のトンネル接合層とする場合と比較して、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａの厚さを薄くすることができる。
ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの不純物としては、例えばＳｉ、Ｔｅを用いることができる。又、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ（ｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層１０５ａ'）、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃの不純物としては、例えばＣを用いることができる。
ここで、図３に示すトンネル接合層のバンドダイアグラムを用いて、トンネル確率及びトンネル電流について説明する。図３（Ａ）は、従来のトンネル接合層（ｐ＋ＧａＡｓ／ｎ＋ＩｎＰ）のバンドダイアグラムである。図３（Ｂ）は、本実施の形態に係るトンネル接合層（ｐ＋ＧａＡｓ／ｐ＋ＧａＩｎＡｓ／ｎ＋ＩｎＰ）のバンドダイアグラムである。ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａの厚さは５ｎｍ、Ｉｎ組成比は２０％となっている。横軸は、トンネル接合層の厚さ[μｍ]、縦軸は、エネルギー[ｅＶ]である。
図３（Ａ）において、ホールは、ｐ＋型のＧａＡｓ層の価電子帯からｎ＋型のＩｎＰ層の伝導帯へトンネルする。又、電子は、ｎ＋型のＩｎＰ層の伝導帯からｐ＋型のＧａＡｓ層の価電子帯へトンネルする。図３（Ｂ）において、ホールは、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａの価電子帯からｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの伝導帯へトンネルする。又、電子は、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの伝導帯からｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａの価電子帯へトンネルする。
図３（Ｂ）から、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａにおける価電子帯に、へこみが生じていることがわかる。これは、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａは、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃよりバンドギャップが小さいためである。つまり、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａにおける伝導帯の位置は、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃにおける伝導帯の位置より下になり、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａの価電子帯の位置は、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃの価電子帯の位置より上になる。
図３（Ｂ）における価電子帯（ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層）と伝導帯（ｎ＋型のＩｎＰ層）との距離が、図３（Ａ）における価電子帯（ｐ＋型のＧａＡｓ層）と伝導帯（ｎ＋型のＩｎＰ層）との距離より狭くなることで、本実施の形態に係るトンネル接合層の空乏層が、従来のトンネル接合層の空乏層より狭くなる。
従って、本実施の形態に係るトンネル接合層は、キャリアのトンネル確率が大きく、接合界面での抵抗が低くなる。なお、価電子帯のへこみに存在するキャリアも、トンネル確率の増大に寄与する。なお、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層はＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーが小さい範囲のＡｌを含んだｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層でも良い。また、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層（またはＡｌＧａＩｎＡｓ層）に接してＧａＡｓセル側に設けたｐ＋ＧａＡｓ層はＡｌを含んだｐ＋型のＡｌＧａＡｓ層でもよい。これは、多接合太陽電池の場合、各セルで発生する電流が同じになるように設計する必要があり、ＧａＡｓセルで吸収できる波長の光をＧａＡｓセルですべて吸収させるのではなく、その下（入射側とは反対側）のセルで吸収させる設計をする場合がある。この場合、ＧａＡｓセルとＧａＡｓセルより下方のセルとの間の材料は、透過した光の吸収を防ぐためにＧａＡｓよりバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓのような材料を用いることが好ましい。他の実施の形態においても同様である。
第２のトンネル接合層１０７は、ｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＧａＡｓ層１０７ａと、ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０７ｂを含む。
ＧａＩｎＰセル１０８は、光の入射方向に沿って、ｎ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ａ、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｃ、ｐ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｄの順に形成される。ｎ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ａは、窓層であり、ｐ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｄは、ＢＳＦ（Back Surface Field）層である。なお、ＧａＩｎＰセル１０８において、光の入射方向側に、反射防止膜等を形成しても良い。
ＧａＩｎＰセル１０８では、バンドギャップが１．９ｅＶとなる様に、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｃにおける、Ｇａの組成比が調整されている。III−V族化合物半導体は、２元、３元、４元と、いずれの場合であっても、半導体混晶の組成比を変えることで、バンドギャップ、格子定数等の物性定数を容易に制御することができる。従って、III−V族化合物半導体を光電変換セルに利用することで、吸収する太陽光の波長範囲を任意に設定することが可能になる。
ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｂの不純物としては、例えばＳｉを用いることができる。又、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ｃの不純物としては、例えばＺｎを用いることができる。
ＧａＡｓセル１０６は、光の入射方向に沿って、ｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１０６ａ、ｎ型のＧａＡｓ層１０６ｂ、ｐ型のＧａＡｓ層１０６ｃ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０６ｄの順に形成される。ｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１０６ａは、窓層であり、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０６ｄは、ＢＳＦ層である。
ｎ型のＧａＡｓ層１０６ｂの不純物としては、例えばＳｉを用いることができる。又、ｐ型のＧａＡｓ層１０６ｃの不純物としては、例えばＺｎを用いることができる。
ＧａＩｎＰＡｓセル１０４は、光の入射方向に沿って、ｎ型のＩｎＰ層１０４ａ、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｃ、ｐ型のＩｎＰ層１０４ｄの順に形成される。ｎ型のＩｎＰ層１０４ａは、窓層であり、ｐ型のＩｎＰ層１０４ｄは、ＢＳＦ層である。
ＧａＩｎＰＡｓセル１０４では、バンドギャップが１．０ｅＶとなる様に、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｃにおける、Ｇａの組成比ｘとＰの組成比ｙとが調整されている。
ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｂの不純物としては、例えばＳｉを用いることができる。又、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１０４ｃの不純物としては、例えばＺｎを用いることができる。
ｐ型のＢＳＦ層は、ｐ＋型のトンネル接合層と接している。又、ｎ型の窓層は、ｎ＋型のトンネル接合層と接している。ＢＳＦ層或いは窓層のそれぞれの層に、同じ型のトンネル接合層を接して形成することで、光電変換セル間に、スムーズに電流を流すことが可能になる。
光電変換セルの材料は、上述の材料（ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰセル）に限定されないが、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとＩｎＰ基板１０３との間に形成される光電変換セルの材料は、ＩｎＰ格子整合系材料であることが好ましく、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａとコンタクト層１０９との間に形成される光電変換セルの材料は、ＧａＡｓ格子整合系材料であることが好ましい。
コンタクト層１０９の材料としては、例えば、ｎ＋型のＧａＡｓ層を用いることができる。コンタクト層１０９の面積は、ＧａＩｎＰセル１０８の面積より小さいことが好ましい。これは、コンタクト層１０９における太陽光の吸収を低減させ、ＧａＩｎＰセル１０８に対して、より多くの太陽光を入射させるためである。
電極１０１、１０２の材料としては、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ等が挙げられる。これらの材料から、１つを選択して、単層膜を形成しても良いし、複数を選択して、多層膜を形成しても良い。
なお、化合物半導体太陽電池の変換効率は、ＩＶカーブから判断することができる。電流、電圧が大きいことに加え、ＩＶカーブの形状が、より直角に近い程、変換効率は高くなる（図４参照）。
本実施の形態に係る化合物半導体太陽電池１００によれば、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａとｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとによりトンネル接合層を形成しているため、トンネル接合界面での抵抗を十分に低く抑えることができる。又、バンドギャップの異なる複数の光電変換セルを多接合化することで、広い波長範囲で太陽光のエネルギーを吸収することができる。この結果、化合物半導体太陽電池の変換効率を高められる。
［化合物半導体太陽電池の製造方法］
図５乃至図８を用いて、本実施の形態に係る化合物半導体太陽電池１２０の製造方法の一例について説明する。
まず、ＧａＡｓ基板１１０上に、積層体１００Ａを、ＩｎＰ基板１０３上に、１００Ｂを作製する（図５参照）。積層体の作製方法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等を用いることができる。基板の組み合わせとしては、ＧａＡｓ基板とＩｎＰ基板の組み合わせに限定されない。例えば、ＧａＳｂ基板とＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板とＧａＡｓ基板、等の組み合わせであっても良い。
ＧａＡｓ基板１１０上に、エッチングストップ層１１１、コンタクト層１１２、ＧａＩｎＰセル１０８、第２のトンネル接合層１０７、ＧａＡｓセル１０６、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃ、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ、を順次積層することにより積層体１００Ａを形成する（図５（Ａ）参照）。
ＧａＡｓセル１０６及びＧａＩｎＰセル１０８は、ＧａＡｓ基板１１０と格子整合する。ＧａＡｓの格子定数は、約５．６５Åである。従って、ＧａＡｓ基板１１０上に形成されるＧａＡｓセル１０６及びＧａＩｎＰセル１０８の格子定数が、約５．６５Åに近くなる様に、各層におけるIII−V族化合物半導体材料の組成比を調整することが好ましい。
又、ＩｎＰ基板１０３上に、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂ、を順次積層することにより積層体１００Ｂを形成する（図５（Ｂ）参照）。
ＧａＩｎＰＡｓセル１０４は、ＩｎＰ基板１０３と格子整合する。ＩｎＰの格子定数は、約５．８７Åである。従って、ＩｎＰ基板１０３に形成されるＧａＩｎＰＡｓセル１０４の格子定数が、約５．８７Åに近くなる様に、各層におけるIII−V族化合物半導体材料の組成比を調整することが好ましい。
積層体１００Ａと積層体１００Ｂを別々に形成するのは、ＧａＡｓセル１０６及びＧａＩｎＰセル１０８とＧａＩｎＰＡｓセル１０４との格子定数が異なるため、同一基板上に形成することは困難であるためである。
なお、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ又はｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層１０５ａ'の格子定数は、ＩｎＰ基板１０３の格子定数よりＧａＡｓ基板１１０の格子定数に近いことが好ましい。
次に、ＧａＡｓ基板１１０上にエピタキシャル成長させた光電変換セルを含む積層体１００Ａと、ＩｎＰ基板１０３上にエピタキシャル成長させた光電変換セルを含む積層体１００Ｂとを直接的に接合する（図６参照）。
積層体１００Ａ及び積層体１００Ｂの表面に対して、清浄化処理及び表面活性化処理を施し、積層体１００Ａの最表面層であるｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａと、積層体１００Ｂの最表面層であるｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂとを、真空中で、接合する。表面活性化処理としては、Ｎ２プラズマ処理等が挙げられる。接合温度としては、１５０℃程度であることが好ましい。
次に、ＧａＡｓ基板１１０及びエッチングストップ層１１１を、選択的にエッチングすることで、除去する（図７参照）。
ＧａＡｓ基板１１０のエッチングとしては、ウェットエッチング等の方法を用いることができる。この場合、エッチング溶液としては、例えば、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、水（Ｈ２Ｏ）の混合溶液等が挙げられる。該混合溶液は、エッチングストップ層１１１に使用されるＧａＩｎＰを溶解しないため、エッチングストップ層１１１の手前で、エッチング処理をストップさせ、ＧａＡｓ基板１１０のみを、的確にエッチングすることができる。
エッチングストップ層１１１のエッチングとしても、ウェットエッチング等の方法を用いることができる。この場合、エッチング溶液としては、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、水（Ｈ２Ｏ）の混合溶液等が挙げられる。
これらのエッチング処理を行うことにより、積層体１００Ａから、ＧａＡｓ基板１１０及びエッチングストップ層１１１を、選択的に除去する。
次に、公知のフォトリソグラフィ工程によりコンタクト層１１２側に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターンを形成する。次に、真空蒸着法等の方法を用いて、電極材料を蒸着し、金属膜を成膜する。レジストパターン上の金属膜をリフトオフすることで、コンタクト層１１２側に第１の電極１０１を形成する。
次に、第１の電極１０１をマスクとして、ウェットエッチングを用いて、第１の電極１０１と重ならないコンタクト層１１２の一部を除去し、コンタクト層１０９を形成する。
エッチング溶液としては、例えば、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、水（Ｈ２Ｏ）の混合溶液等が挙げられる。該混合溶液は、ＧａＩｎＰセル１０８に含まれるＡｌＩｎＰを溶解しないため、ｎ型のＡｌ（ｘ）ＩｎＰ層１０８ａの手前で、エッチング処理をストップさせ、コンタクト層１１２のみを、的確にエッチングすることができる。
次に、ＩｎＰ基板１０３側に、第２の電極１０２を形成する。第２の電極１０２は、第１の電極１０１と同様の方法で形成しても良い。なお、ＩｎＰ基板１０３を所望の厚さに研磨した後に、第２の電極１０２を形成しても良い。
以上の工程により、化合物半導体太陽電池１２０が完成する（図８参照）。
なお、本実施の形態では、第１のトンネル接合層が、ｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃ、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの３層接合で形成される場合の製造方法について説明したが、第１のトンネル接合層を構成する層数が変わっても、同様の製造方法を用いて化合物半導体太陽電池を作製することが可能である。
例えば、第１のトンネル接合層が、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａ、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの２層接合で形成される場合、ｐ＋型のＡｌＧａＩｎＡｓ層１０５ａ、ｎ＋型のＩｎＰ層１０５ｂの２層接合で形成される場合についても、同様の製造方法を用いて化合物半導体太陽電池を作製することが可能である。
上述の製造方法により作製した化合物半導体太陽電池は、積層体１００Ａと積層体１００Ｂとの接合界面において、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層とｎ＋型のＩｎＰ層とが接合したトンネル接合層が形成されている。該接合界面での抵抗が低減され、トンネル電流が流れ易くなっているため、結果的に、化合物半導体太陽電池の変換効率を高めることができる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した化合物半導体太陽電池とは異なる構成を有する化合物半導体太陽電池について説明する。
図９に示す化合物半導体太陽電池１３０は、４つの光電変換セルと、３つのトンネル接合層を有する。それ以外の構成は、図２に示す化合物半導体太陽電池１２０と同一である。
ＩｎＰ基板１０３に接してＧａＩｎＡｓセル１１６が形成され、ＧａＩｎＡｓセル１１６とＧａＩｎＰＡｓセル１０４との間に第３のトンネル接合層１１５が形成される。
化合物半導体太陽電池１３０において、光電変換セルのバンドギャップは、光の入射方向に沿って小さくなる。ＧａＩｎＰセル１０８のバンドギャップは、１．９ｅＶ、ＧａＡｓセル１０６のバンドギャップは、１．４２ｅＶ、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４のバンドギャップは、１．０ｅＶ、ＧａＩｎＡｓセル１１６のバンドギャップは、０．７５ｅＶである。
第３のトンネル接合層１１５は、高濃度にドーピングされたｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１５ａと高濃度にドーピングされたｎ＋型のＩｎＰ層１１５ｂを含む。
ＧａＩｎＡｓセル１１６は、光入射方向に沿って、ｎ型のＩｎＰ層１１６ａ、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｃ、ｐ型のＩｎＰ層１１６ｄの順に形成される。ｎ型のＩｎＰ層１１６ａは、窓層であり、ｐ型のＩｎＰ層１１６ｄは、ＢＳＦ層である。
ＧａＩｎＡｓセル１１６では、バンドギャップが０．７５ｅＶとなる様に、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｂ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｃにおける、Ｇａの組成比が調整されている。
ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｂの不純物としては、例えばＳｉを用いることができる。又、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１１６ｃの不純物としては、例えばＺｎを用いることができる。
化合物半導体太陽電池１３０は、ＧａＩｎＰセル１０８、ＧａＡｓセル１０６、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４、ＧａＩｎＡｓセル１１６（バンドギャップ：１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶ）から成る４接合太陽電池であり、バンドギャップバランスに優れる。このため、化合物半導体太陽電池１３０は、３接合太陽電池と比べて、太陽光のエネルギー変換効率を高めることができる。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を得ることができる。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した化合物半導体太陽電池とは異なる構成を有する化合物半導体太陽電池について説明する。
図１０に示す化合物半導体太陽電池１４０は、第１のトンネル接合層に関し、ｎ＋型のトンネル接合層として、ＩｎＰに対して引っ張り歪を有するｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄを用いており、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４の窓層として、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１０４ｅを用いている。それ以外の構成は、図２に示す化合物半導体太陽電池１２０と同一である。
ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄは、高濃度にドーピングされており、Ｇａの組成比が１０％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．７％、バンドギャップが、１．４２ｅＶである。ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄの厚さは、格子緩和が生じない程度に適宜調整する必要がある。
ｎ＋型のトンネル接合層の材料としては、入射方向と逆方向に隣接する光電変換セル（例えば、ＧａＡｓセル１０６）以上のバンドギャップを有する材料を用いることが好ましい。ＧａＩｎＰの他に、例えば、ＧａＰＳｂ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂ等が挙げられる。
窓層の材料としては、入射方向と逆方向に隣接する光電変換セル（例えば、ＧａＡｓセル１０６）以上のバンドギャップを有する材料を用いることが好ましい。即ち、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１０４ｅのバンドギャップは、１．４２ｅＶ以上であり、１．５ｅＶ程度であることが好ましい。該バンドギャップを有する窓層を、ＧａＡｓセル１０６（１．４２ｅＶ）とＧａＩｎＰＡｓセル１０４（１．０ｅＶ）との間に形成することで、ＧａＡｓセル１０６を透過する長波長光を、ほぼＧａＩｎＰＡｓセル１０４に入射させることができる。
窓層の材料としては、ＡｌＧａＩｎＡｓの他に、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＰＳｂ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂ等が挙げられる。
従来、ｎ＋型のトンネル接合層（ウエハ接合層）の材料や窓層の材料としてＩｎＰ（１．３５ｅＶ）がよく用いられているが、ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）を透過した一部の光をここで吸収して効率を落としていた。本実施の形態のように、ｎ＋型のトンネル接合層の材料、及び窓層の材料として、適切なバンドギャップを有する材料を選択することで、ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）を透過した長波長の光を吸収せずにＧａＩｎＰＡｓセルに入射させることができ、化合物半導体太陽電池１４０の変換効率を、より高めることができる。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を得ることができる。
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した化合物半導体太陽電池とは異なる構成を有する化合物半導体太陽電池について説明する。
図１１に示す化合物半導体太陽電池１５０は、４つの光電変換セルと、３つのトンネル接合層を有する。又、第１のトンネル接合層に関し、ｎ＋型のトンネル接合層として、ＩｎＰに対して引っ張り歪を有するｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄを用いており、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４の窓層として、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１０４ｅを用いている。それ以外の構成は、図９に示す化合物半導体太陽電池１３０と同一である。
ＩｎＰ基板１０３に接してＧａＩｎＡｓセル１１６が形成され、ＧａＩｎＡｓセル１１６とＧａＩｎＰＡｓセル１０４との間に第３のトンネル接合層１１５が形成される。
第１のトンネル接合層１０５は、高濃度にドーピングされたｐ＋型のＧａＡｓ層１０５ｃと、高濃度にドーピングされたｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層１０５ａと、高濃度にドーピングされたｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄを含む。ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄは、Ｇａの組成比が１０％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．７％である。
化合物半導体太陽電池１５０は、ＧａＩｎＰセル１０８、ＧａＡｓセル１０６、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４、ＧａＩｎＡｓセル１１６（バンドギャップ：１．９ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶ）から成る４接合太陽電池である。
ｎ＋型のトンネル接合層の材料、及び窓層の材料として、適切なバンドギャップを有する材料を選択し、更に多接合化することで、化合物半導体太陽電池１５０の変換効率を、より高めることができる。
なお、ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層（またはＡｌＧａＩｎＡｓ層）に接してＧａＡｓセル側に設けたｐ＋ＧａＡｓ層はＡｌを含んだｐ＋型のＡｌＧａＡｓ層でもよい。これは、多接合太陽電池の場合、各セルで発生する電流が同じになるように設計する必要があり、ＧａＡｓセルで吸収できる波長の光をＧａＡｓセルですべて吸収させるのではなく、その下（入射側とは反対側）のセルで吸収させる設計をする場合がある。この場合、ＧａＡｓセルとＧａＡｓセルより下方のセルとの間の材料は、透過した光の吸収を防ぐためにＧａＡｓよりバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓのような材料を用いることが好ましい。
実施の形態１及び３のようにＩｎＰ基板側のセルが一つの場合はＧａＡｓ基板側を透過した太陽光は十分多いので影響は少ないが、本実施の形態のようにＩｎＰ側のセルが複数の場合、ＩｎＰ基板側のセル数に応じて太陽光を分割して吸収させなければならない。従って、ＧａＡｓ基板側の入射方向に対して最も奥のセルと、ＩｎＰ基板側の最も入射方向に近いセルの間の吸収層以外での吸収は可能な限り低減する必要がある。従来よりバンドギャップが大きいＧａＩｎＰもしくはＧａ（Ｉｎ）ＰＳｂからなるｎ＋トンネル接合層（ウエハ接合層）に加えて、バンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓからなるｐ＋層を用いることで更に吸収を減らしてＩｎＰ基板側に入射させることができ、変換効率をより高めることができる。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を得ることができる。
〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した化合物半導体太陽電池とは異なる構成を有する化合物半導体太陽電池について説明する。
図１２に示す化合物半導体太陽電池１６０は、第１のトンネル接合層に関し、ｎ＋型のトンネル接合層として、ＩｎＰに対して引っ張り歪を有するｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄを用いており、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４の窓層として、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１０４ｅを用いている。又、ＧａＡｓセル１０６の代わりとして、ｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１０６ａ、圧縮歪を有するｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ、圧縮歪を有するｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０６ｄを用いている。圧縮歪を有するｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ及び圧縮歪を有するｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆ以外の構成は、図１０に示す化合物半導体太陽電池１４０と同一である。
ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄは、高濃度にドーピングされており、Ｇａの組成比が７．０％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．５％、バンドギャップが、１．４０ｅＶである。
ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ及びｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆは、Ｉｎの組成比が１．５％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．１％、バンドギャップは、１．４０ｅＶである。引っ張り歪が０．１％程度であれば、Ｇａ（ｘ）ＩｎＡｓ層は、光電変換セルとして十分に太陽光を吸収できる厚さを得られる。
従来、ｎ＋型のトンネル接合層（ウエハ接合層）や窓層の材料としてＩｎＰ（１．３５ｅＶ）がよく用いられているが、ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）を透過した一部の光をここで吸収して効率を落としていた。本実施の形態のように、ｎ＋型のトンネル接合層の材料、及び窓層の材料として、適切なバンドギャップを有する材料を選択することで、ＧａＩｎＡｓセル（１．４０ｅＶ）を透過した長波長の光を吸収せずにＧａＩｎＰＡｓセルに入射させることができ、化合物半導体太陽電池１６０の変換効率を、より高めることができる。
なお、本実施の形態のように、ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）の変わりにＧａＩｎＡｓセル（１．４０ｅＶ）を用いることで、ＧａＩｎＰＡｓセルに入射する前の吸収を防ぐためのｎ＋型のトンネル接合層（ウエハ接合層）や窓層の材料のバンドギャップは実施の形態３、４より小さくて良い。引っ張り歪を有するＧａＩｎＰの場合、歪が小さくて良く、製造が容易となる。また、ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）の変わりにＧａＩｎＡｓセルを用いることで、従来通りウエハ接合層や窓層としてＩｎＰ（１．３５ｅＶ）を用いた場合であっても従来より吸収は低減し効果が得られる。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を得ることができる。
〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した化合物半導体太陽電池とは異なる構成を有する化合物半導体太陽電池について説明する。
図１３に示す化合物半導体太陽電池１７０は、４つの光電変換セルと、３つのトンネル接合層を有する。又、第１のトンネル接合層に関し、ｎ＋型のトンネル接合層として、ＩｎＰに対して引っ張り歪を有するｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄを用いており、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４の窓層として、［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＡｓ層１０４ｅを用いている。又、ＧａＡｓセル１０６の代わりとして、ｎ型の［Ａｌ（ｘ）Ｇａ］（ｙ）ＩｎＰ層１０６ａ、圧縮歪を有するｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ、圧縮歪を有するｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆ、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０６ｄを用いている。圧縮歪を有するｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ及び圧縮歪を有するｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆ以外の構成は、図１１に示す化合物半導体太陽電池１５０と同一である。
ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層１０５ｄは、高濃度にドーピングされており、Ｇａの組成比が７．０％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．５％、バンドギャップが、１．４０ｅＶである。
ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｅ及びｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層１０６ｆは、Ｉｎの組成比が１．５％、ＩｎＰに対する引っ張り歪が、０．１％、バンドギャップは、１．４０ｅＶである。
化合物半導体太陽電池１７０は、ＧａＩｎＰセル１０８、ＧａＩｎＡｓセル１０６、ＧａＩｎＰＡｓセル１０４、ＧａＩｎＡｓセル１１６（バンドギャップ：１．９ｅＶ／１．４０ｅＶ／１．０ｅＶ／０．７５ｅＶ）から成る４接合太陽電池である。
ＧａＡｓセル（１．４２ｅＶ）の変わりにバンドギャップの小さいＧａＩｎＡｓセルを用い、ｎ＋型のトンネル接合層の材料、及び窓層の材料として、適切なバンドギャップを有する材料を選択し、更に多接合化することで、化合物半導体太陽電池１６０の変換効率を、より高めることができる。
本実施の形態によれば、変換効率の高い化合物半導体太陽電池を得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
１００、１２０ 化合物半導体太陽電池
１０４ ＧａＩｎＰＡｓセル
１０５ トンネル接合層
１０５ａ ｐ＋型のＧａＩｎＡｓ層
１０５ｂ ｎ＋型のＩｎＰ層
１０５ｃ ｐ＋型のＧａＡｓ層
１０８ ＧａＩｎＰセル
１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ 窓層
ＵＳ２０１２／０１３８１１６
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２９ｓｔ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （２０１０） ｐｐ．４１２−４１７．

Claims (12)

  1. 第１の基板と、
    第１化合物半導体材料で作製され、前記第１の基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、
    第１の基板の材料に格子不整合である材料から成る第２化合物半導体材料で作製され、前記１又は複数の第１光電変換セルの前記第１の基板とは反対側に配置され、光の入射側となる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光電変換セルのうち最も入射方向側の光電変換セルと、１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向とは逆方向に形成される光電変換セルとの間に挟まれるトンネル接合層と、を有し、
    各光電変換セルは、光の入射方向の入射側から奥側に向かう順にバンドギャップが小さくなっており、
    前記トンネル接合層では、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層と、ｎ＋型のＩｎＰ層とが接合する
    化合物半導体太陽電池。
  2. 第１の基板と、
    第１化合物半導体材料で作製され、前記第１の基板に積層される、１又は複数の第１光電変換セルと、
    第１の基板の材料に格子不整合である材料から成る第２化合物半導体材料で作製され、前記１又は複数の第１光電変換セルの前記第１の基板とは反対側に配置され、光の入射側となる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光電変換セルのうち最も入射方向側の光電変換セルと、１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向とは逆方向に形成される光電変換セルとの間に挟まれるトンネル接合層と、を有し、
    各光電変換セルは、光の入射方向の入射側から奥側に向かう順にバンドギャップが小さくなっており、
    前記トンネル接合層では、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層と、ＩｎＰに対して引っ張り歪を有するｎ＋型のＧａＩｎＰ層又はｎ＋型のＧａ（Ｉｎ）ＰＳｂ層とが接合する
    化合物半導体太陽電池。
  3. 前記ｎ＋型のＧａＩｎＰ層又はｎ＋型のＧａ（Ｉｎ）ＰＳｂ層のバンドギャップは、
    前記１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向の奥側の光電変換セルのバンドギャップ以上である
    請求項２に記載の化合物半導体太陽電池。
  4. 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に位置する光電変換セルと、前記ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層との間に、ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＡｓ層が形成される
    請求項１乃至３の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
  5. 前記ｐ＋型の（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓ層の格子定数は、ＩｎＰの格子定数よりＧａＡｓの格子定数に近い
    請求項１乃至４の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
  6. 前記ｎ＋型のＧａＩｎＰ層又はｎ＋Ｇａ（Ｉｎ）ＰＳｂ層の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりＩｎＰの格子定数に近い
    請求項２乃至５の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。


  7. 前記１又は複数の第１光電変換セルのうち最も入射方向側の前記光電変換セルは、窓層を備え、
    前記入射方向側で前記トンネル接合層と接する前記窓層のバンドギャップは、前記１又は複数の第２光電変換セルのうち最も入射方向の奥側の光電変換セルのバンドギャップ以上である
    請求項１乃至６の何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、ＧａＩｎＰＳｂ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＩｎＰＳｂの中のいずれか一つの材料を含む
    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、前記入射方向の最も奥に位置する光電変換セルは、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有するＧａＩｎＡｓ材料を含む
    請求項１乃至８の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
  10. 前記光電変換セルは、ＧａＡｓ格子整合系材料、又は、ＩｎＰ格子整合系材料を含む
    請求項１乃至８の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
  11. 前記光電変換セルを、少なくとも３つ以上備え、各前記光電変換セルは、光学的に直列接続する
    請求項１乃至１０の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
  12. 前記第１の基板は、ＩｎＰ基板であり、ＩｎＰ格子整合系材料からなる光電変換セルは複数である
    請求項２乃至９の何れか一項記載の化合物半導体太陽電池。
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