JP2016082041A - 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

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 Download PDF

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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。
【解決手段】化合物半導体太陽電池１００は、第１化合物半導体材料で作製され、第１光電変換セル１２０と、第２化合物半導体材料で作製される第１接合層１３０と、第３化合物半導体材料で作製される第２接合層１４０と、第４化合物半導体材料で作製され第１及び第２接合層によって第１光電変換セルに接合され第１光電変換セルよりも入射側に配設される第２光電変換セル１６０とを含み、第１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って小さく、第２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、複数である場合は少なくとも１つの第２光電変換セルのバンドギャップ以上であり、第２光電変換セルはＧａＡｓ系の太陽電池セルであり、第２接合層はＧａＰＡｓ層である。
【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、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第１接合層と、第３化合物半導体材料で作製され、前記第１接合層に直接又は間接的に接合される第２接合層と、第４化合物半導体材料で作製され、前記第１接合層及び前記第２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、前記第２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り、前記１又は複数の第２光電変換セルは、ＧａＡｓ系の太陽電池セルであり、前記第２接合層は、ＧａＰＡｓ層である。
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２の変形例による化合物半導体太陽電池２０１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、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に積層される第１接合層の一例である。接合層１４０は、第３化合物半導体材料で作製される第２接合層の一例である。接合層１３０と１４０は、トンネル接合層としても機能する。ＧａＡｓセル１６０とＧａＩｎＰセル１８０は、第４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ＩｎＰ層のバンドギャップは１．３５ｅＶである。ここでは、接合層１３０として用いるＩｎＰ層のバンドギャップが１．３５ｅＶである形態について説明するが、接合層１３０としてＧａを添加したＧａ（ｘ）ＩｎＰ層を用い、Ｇａの組成比を増やすことによってバンドギャップを１．３５ｅＶより大きくしてもよい。
接合層１３０として用いる材料は、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することが好ましい。
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。
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ＧａＰＡｓ層を用いることができる。ＧａＰＡｓ層のバンドギャップは、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）よりも大きい。
ＧａＰＡｓ層は、ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有するが、臨界膜厚の範囲であれば問題はなく接合層１４０として利用できる。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。ＧａＰＡｓのバンドギャップは、１．４７ｅＶである。
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、ＧａＡｓセル１６０に積層される。
ＧａＡｓセル１６０は、接合層１４０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、接合層１４０の表面に積層された構成を有する。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、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。
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（Ｎ２）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、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（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）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（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）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（Ｈ２Ｏ）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（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）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（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）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。
以上、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００は、接合層１４０として、ＧａＡｓセル１６０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）よりも大きいＧａＰＡｓ層を用いている。
従来は、接合層１４０のようなウエハ接合層としてＧａＡｓ（１．４２ｅＶ）やＧａＩｎＰ（１．９ｅＶ）が用いられており、ＧａＡｓウェハ接合層の場合、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。
これに対して、実施の形態１では、ウエハ接合層とトンネル接合を兼ねる接合層１４０と１３０の材料にｐ＋ＧａＰＡｓ／ｎ＋ＩｎＰを用いている。接合層１４０としてのＧａＰＡｓは、ＧａＡｓセル１６０（１．４２ｅＶ）よりもバンドギャップが大きいので、ＧａＡｓセル１６０を透過した長波長の光をほとんどＧａＩｎＰＡｓセル１２０に入射させることができる。
また、接合層１４０と１３０は、ＧａＡｓセル１６０とＧａＩｎＰＡｓセル１２０の間のトンネル接合層とウエハ接合層とを兼ねており、両者の不純物濃度を高くする必要があり、高濃度層を減らせるので、接合層１４０と１３０での光吸収が減り、高効率の化合物半導体太陽電池１００を作製できる。
また、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰセル１８０（１．９ｅＶ）は、ＩｎＰとの接合において、接合抵抗が高く効率を落とす要因になるが、実施の形態１では、接合層１４０のｐ＋ＧａＰＡｓの価電子帯エネルギーと、接合層１３０のｎ＋ＩｎＰの伝導帯エネルギーとの差は、ｐ＋ＧａＩｎＰの価電子帯エネルギーと、ｎ＋ＩｎＰの伝導帯エネルギーとの差よりも小さいので、接合抵抗も低く、このことによっても更に高効率化を図ることができる。
また、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００では、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、ＩｎＰ接合層を形成している。
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。
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。
また、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、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。
＜実施の形態２＞
Applied Physics Letters,101,191111 (2012)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、米国特許出願公開第2012/0138116号明細書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。
実施の形態２では、これらも問題を解決した化合物半導体太陽電池を提供する。
図４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。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の接合層１３０（ＩｎＰ層）を接合層２３０（Ｇａ（ｘ）ＩｎＰ層）に置き換えたものである。その他の構成は、実施の形態１の化合物半導体太陽電池１００と同様であるため、以下、相違点について説明する。
接合層２３０としては、ｎ＋型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ層が用いられる。接合層２３０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２３０の導電型はｎ＋型である。
接合層２３０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２３０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２３０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２３０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２３０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。
実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００において、接合層２３０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、接合層１４０で吸収されずに透過した光が、接合層２３０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２３０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。
実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００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２３０として、ＧａＩｎＰ接合層を形成している。
この接合層２３０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２３０のバンドギャップ（１．４２ｅＶ）は、接合層２３０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２３０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、接合層２３０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。
実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００では、エネルギー損失の発生を抑制するために、ＧａＡｓセル１６０、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２３０として用いている。
このため、実施の形態２によれば、高効率化を図った化合物半導体太陽電池２００、及び、化合物半導体太陽電池２００の製造方法を提供することができる。
また、実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００では、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２００は、高効率化が図られている。
また、引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ層（接合層２３０）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２３０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。
図５は、実施の形態２の変形例による化合物半導体太陽電池２０１を示す断面図である。
実施の形態２の変形例による化合物半導体太陽電池２０１は、図４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５に示す化合物半導体太陽電池２０１では、接合層１３０と１４０との間は、固定部材２０２によって接合されている。固定部材２０２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、Ｐｄ２＋（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２０１を作製することができる。
固定部材２０２は、固定部の一例である。このように、固定部材２０２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２０２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。
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。
＜実施の形態３＞
実施の形態１、２では、接合層１３０と１４０、又は、接合層２３０と１４０がウエハ接合層とトンネル接合層を兼ねる構造を示したが、ウエハ接合層とトンネル接合を分けて形成してもよい。
図６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。化合物半導体太陽電池３００は、実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００の接合層１４０とＧａＡｓセル１６０との間に、トンネル接合層３５０を設けたものである。その他の構成は、実施の形態２の化合物半導体太陽電池２００と同様であるため、以下、相違点について説明する。
トンネル接合層３５０は、ｎ＋ＧａＩｎＰ層３５１と、ｐ＋ＡｌＧａＡｓ３５２とを有する。ｎ＋ＧａＩｎＰ層３５１と、ｐ＋ＡｌＧａＡｓ３５２とは、高濃度にドーピングされた薄いｐｎ接合で構成されるトンネル接合層を形成している。
化合物半導体太陽電池３００では、接合層１４０と接合層２３０とでウエハ接合を実現している。また、接合層１４０とＧａＡｓセル１６０との間に、ＧａＩｎＰセル１８０とＧａＡｓセル１６０との間のトンネル接合層１７０と同様に、トンネル接合層３５０を設けている。
なお、トンネル接合層３５０として、ｐ＋ＧａＡｓとｎ＋ＧａＡｓのトンネル接合層を用いることもできるが、ｎ＋ＧａＩｎＰ層３５１と、ｐ＋ＡｌＧａＡｓ３５２はともにＧａＡｓセル１６０よりもバンドギャップが大きいので、ＧａＡｓセル１６０を透過した長波長の光をほとんどＧａＩｎＰＡｓセル１２０に入射することができる。
以上より、実施の形態３によれば、高効率の化合物半導体太陽電池３００を提供することができる。
＜実施の形態４＞
実施の形態３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３００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４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４００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７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。以下、実施の形態３の化合物半導体太陽電池３００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、電極１０、ＩｎＰ基板１１０、ＧａＩｎＡｓセル４１０、トンネル接合層４２０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、接合層２３０、接合層１４０、トンネル接合層３５０、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４１０は、ＩｎＰ系の光電変換セルである。
実施の形態４の化合物半導体太陽電池４００は、ＧａＩｎＡｓセル４１０（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４１０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７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４１０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４００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４１０とトンネル接合層４２０を挿入した構成である。
ＧａＩｎＡｓセル４１０は、ｐ型のＩｎＰ層４１１、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１２、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１３、及びｎ型のＩｎＰ層４１４を含む。ＩｎＰ層４１１はＢＳＦ層であり、ＩｎＰ層４１４は窓層である。
ここで、ＧａＩｎＡｓセル４１０は、ＩｎＰ層４１１とＩｎＰ層４１４を含まずに、ｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１３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４１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１３とによって構成されるＧａＩｎＡｓセル４１０の入射側にＩｎＰ層４１４（窓層）が形成され、光の入射方向における奥側にＩｎＰ層４１１（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４１２と、ｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１３とのバンドギャップは、０．７５ｅＶである。
トンネル接合層４２０は、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０とＧａＩｎＡｓセル４１０との間に形成されている。トンネル接合層４２０は、ｎ＋型のＩｎＰ層４２１と、ｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層４２２とを含む。
ＩｎＰ層４２１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４２２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４２１と、ｐ＋型のＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層４２２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４２０のＩｎＰ層４２１とＡｌ（ｘ）ＩｎＡｓ層４２２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４２０は、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０のｐ型のＧａ（ｘ）ＩｎＰ（ｙ）Ａｓ層１２２と、ＧａＩｎＡｓセル４１０のｎ型のＧａ（ｘ）ＩｎＡｓ層４１３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４の化合物半導体太陽電池４００は、ＧａＩｎＰセル１８０、ＧａＡｓセル１６０、ＧａＩｎＰＡｓセル１２０、及びＧａＩｎＡｓセル４１０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、接合層１４０とｎ＋型のＧａＩｎＰ層３５１とを取り除いて接合層２３０とｐ＋型のＡｌＧａＡｓ層３５２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。
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
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
２３０ 接合層
２０１ 化合物半導体太陽電池
２０２ 固定部材
３００ 化合物半導体太陽電池
３５０ トンネル接合層
４００ 化合物半導体太陽電池
４１０ ＧａＩｎＡｓセル
４２０ トンネル接合層
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 (10)

  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第１接合層と、
    第３化合物半導体材料で作製され、前記第１接合層に直接又は間接的に接合される第２接合層と、
    第４化合物半導体材料で作製され、前記第１接合層及び前記第２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、
    前記第２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り、
    前記１又は複数の第２光電変換セルは、ＧａＡｓ系の太陽電池セルであり、
    前記第２接合層は、ＧａＰＡｓ層である、化合物半導体太陽電池。
  2. 前記１又は複数の第１光電変換セルは、ＩｎＰ系の光電変換セルである、請求項１記載の化合物半導体太陽電池。
  3. 前記第１の接合層は、ＧａＰＳｂ層、又は、ＩｎＰ基板に対して引っ張り歪を有するＧａＩｎＰ層である、請求項２記載の化合物半導体太陽電池。
  4. 前記１又は複数の第２光電変換セルは、２つ以上の光電変換セルである、請求項１乃至３記載の化合物半導体太陽電池。
  5. 前記第１接合層及び前記第２接合層は、トンネル接合層を構成する、又は、トンネル接合層の一部を構成する、請求項１乃至請求項４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最も入射側に位置する第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光電変換セルとの間は、トンネル接合により電気的に接続されており、前記トンネル接合は第２の接合層より入射側に配置される、請求項１乃至請求項４記載の化合物半導体太陽電池。
  7. 前記トンネル接合は、前記入射方向において最も奥側に位置する第２光電変換セルよりもワイドギャップの材料により構成される、請求項６記載の化合物半導体太陽電池。
  8. 前記トンネル接合は、ｐ＋ＡｌＧａＡｓ層と、ｎ＋ＧａＩｎＰ層とを有する、請求項７記載の化合物半導体太陽電池。
  9. 前記第１接合層と前記第２接合層とを固定する固定部をさらに含む、請求項１乃至４記載の化合物半導体太陽電池。
  10. 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第１接合層を形成する工程と、
    第２化合物半導体基板に、第４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１又は複数の第２光電変換セルに、第３化合物半導体材料で第２接合層を形成する工程と、
    前記第１接合層と第２接合層とを直接的又は間接的に接合する工程と、
    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、
    前記第２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り、
    前記１又は複数の第２光電変換セルは、ＧａＡｓ系の太陽電池セルであり、
    前記第２接合層は、ＧａＰＡｓ層である、化合物半導体太陽電池の製造方法。
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