JP2016122752A - 太陽電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱破損を防止できると共に、従来よりも変換効率を格段的に向上できる太陽電池を提供する。
【解決手段】本発明の太陽電池１は、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７が、中間バンド型太陽電池セル２における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１よりも大きいバンドギャップＢｇ４を有するようにしたことから、電流調整用太陽電池セル３でバンドギャップＢｇ４に対応する波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される光を減らし、当該中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制できるので、中間バンド型太陽電池セル２における発熱量を低減でき、太陽電池１の熱破損を防止できる。また本発明の太陽電池１は、中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制しつつも、中間バンド型太陽電池セル２に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３でも光の吸収により電圧が発生することから、太陽電池１全体で得られる出力電圧を増加でき、従来よりも変換効率を格段的に向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に関する。
近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池が注目されている。従来のシリコン太陽電池は、シリコンのバンドギャップが約１．１ｅＶであることから、当該バンドギャップに対応する約１１００ｎｍより大きい波長の光が透過してしまい、太陽光に含まれる長波長領域の光を有効に利用できていない。そのため、近年では、長波長領域の光も利用できる中間バンド型太陽電池が注目されている（特許文献１等参照）。
例えば、特許文献１には、ｎ型のＧａＡｓでなる基板上に、ｎ型のＧａＡｓでなるｎ層と、ＧａＳｂでなる複数の量子ドットがＧａＡｓでなるバリア層内に分散しているｉ層と、ｐ型のＧａＡｓでなるｐ層とが順次積層された中間バンド型太陽電池が開示されている。中間バンド型太陽電池では、i層を形成するＧａＡｓの価電子帯から伝導帯へ電子が直接励起されて電圧及び電流が生成されることに加え、価電子帯及び中間バンド間と、中間バンド及び伝導帯間とでも電子が励起されて電圧及び電流が生成され得る。
この場合、価電子帯及び中間バンド間のバッドギャップと、中間バンド及び伝導帯間のバンドギャップとは、価電子帯及び伝導帯間のバンドギャップよりも小さい。そのため、電子は、価電子帯から伝導帯へ直接励起される場合と比較してより長波長の光によって、価電子帯から中間バンドへ励起されると共に、中間バンドから伝導帯へ励起される。このような中間バンド型太陽電池では、長波長領域の光によっても電子が励起されて電圧及び電流が生成されることから、中間バンドが形成されていない単なるシリコン太陽電池と比較して、より大きな電流が得られ、変換効率の向上が図られ得る。因みに、ここで変換効率とは、太陽電池一般の性能を表すものであり、太陽電池の出力電圧と出力電流との積で表される太陽電池の出力を、太陽電池に入射された光のエネルギーで除算した値の百分率である。
特開２００６−１１４８１５号公報
しかしながら、このような中間バンド型太陽電池では、中間バンドが形成されることで得られる複数のバンドギャップによって、より多くの電流が生成され得る一方で、得られた電流によって大きな発熱が生じ易く、エネルギーが熱として損失されてしまい、実際には高い変換効率が得られ難いという問題があった。また、中間バンド型太陽電池では、高い変換効率を得るために太陽光を高倍率で集光して照射させた場合、さらに大きな電流が流れるため、発熱量が一段と大きくなり、熱破損する恐れがある。
そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、熱破損を防止できると共に、従来よりも変換効率を格段的に向上できる太陽電池を提供することを目的とする。
本発明の太陽電池は、複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた量子ドット超格子層を有し、前記量子ドット超格子層には、各前記量子ドット間で波動関数が重なり合い中間バンドが形成されている中間バンド型太陽電池セルと、ｐ型光電変換層及びｎ型光電変換層を少なくとも備えた光電変換積層部を有し、前記中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池セルとを備えており、前記電流調整用太陽電池セルは、前記光電変換積層部が、前記中間バンド型太陽電池セルにおける前記埋込層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有していることを特徴とする。
本発明の太陽電池は、電流調整用太陽電池セルで光電変換積層部のバンドギャップに対応する波長の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セルで吸収される光を減らし、中間バンド型太陽電池セルにて発生する電流量を抑制し得、その分、中間バンド型太陽電池セルにおける発熱量を低減でき、熱破損を防止できる。また、本発明の太陽電池は、電流調整用太陽電池セルによって中間バンド型太陽電池セルにて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セルに直列に接続された電流調整用太陽電池セルでもバンドギャップに対応する波長の光の吸収により電圧が発生することから、直列的に接続された中間バンド型太陽電池セル及び電流調整用太陽電池セルにより太陽電池全体で得られる出力電圧を増加させることができ、かくして、従来よりも変換効率を格段的に向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る太陽電池の全体構成を示す概略図である。 中間バンド型太陽電池セルの複数の量子ドット層が積層された領域におけるバンド構造を示す概略図である。 中間バンド型太陽電池セルのバンドギャップと電流調整用太陽電池セルのバンドギャップとの関係を纏めた模式図である。 図４Ａはシミュレーションに用いた比較例の中間バンド型太陽電池のバンドギャップの関係を示す模式図であり、図４Ｂはシミュレーションにより算出した電流−電圧曲線を示している。 図５Ａはシミュレーションに用いた実施例の太陽電池のバンドギャップの配置を示す模式図であり、図５Ｂはシミュレーションにより算出した太陽電池の電流−電圧曲線を示している。 光電変換積層部のバンドギャップのバンドギャップエネルギーと太陽電池の変換効率の関係を示す図である。 実施例の太陽電池の全体構成を示す概略図である。 実施例の太陽電池の７２倍集光時の電流−電圧特性の測定結果を示す図である。 図９Ａは基板がＧａＡｓ又はＧｅの場合の量子ドット、埋込層及び光電変換積層部を形成する材料の組み合わせを示し、図９Ｂは基板がＩｎＰの場合の量子ドット、埋込層及び光電変換積層部を形成する材料の組み合わせを示している。
１．本発明の実施の形態に係る太陽電池の構成
図１において、１は本発明の太陽電池を示し、太陽電池１は、裏面電極４上に、中間バンド型太陽電池セル２と、電流調整用太陽電池セル３と、表面電極５とが順に形成されており、電流調整用太陽電池セル３及び中間バンド型太陽電池セル２が直列に接続された構成を有する。太陽電池１は、光が表面電極５から裏面電極４に向けて入射されると、当該光が電流調整用太陽電池セル３を介して中間バンド型太陽電池セル２に到達し得るようになされている。
この場合、太陽電池１は、表面電極５側から入射された光のうち、波長の小さい光が電流調整用太陽電池セル３にて吸収されることにより当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流が発生し、他の残りの波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２に到達し得る。実際上、太陽電池１は、電流調整用太陽電池セル３にて吸収される光の波長よりも大きい波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２に入射され得る。これにより、太陽電池１は、電流調整用太陽電池セル３を透過した波長の光が中間バンド型太陽電池セル２にて吸収されることにより、当該中間バンド型太陽電池セル２でも電圧及び電流が発生し得る。太陽電池１は、これら電流調整用太陽電池セル３と中間バンド型太陽電池セル２とでそれぞれ得られた電圧及び電流を、例えば太陽電池１の出力電圧及び出力電流として表面電極５及び裏面電極４に接続された外部回路（図示せず）に出力し得るようになされている。
このように、本発明の太陽電池１は、入射された光のうち、所定波長以下の光を電流調整用太陽電池セル３にて吸収することで、当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流を発生させつつ、中間バンド型太陽電池セル２に入射される光を低減し得る。これにより、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３で所定波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される光が減り、当該中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制し得、それに伴い中間バンド型太陽電池セル２における発熱量を低減し得る。
また、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３によって中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セル２に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３でも光の吸収により電圧が発生することから、中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３により太陽電池１全体で得られる出力電圧を増加させ得るようになされている。
ここで、裏面電極４は、ＡｕやＡｇなどの金属部材により形成されており、表面に中間バンド型太陽電池セル２が形成されている。中間バンド型太陽電池セル２は、例えばＰ＋‐ＧａＡｓ（００１）などの単結晶でなる基板６上にバッファ層７と中間バンド型光電変換積層部８とが順に形成されており、当該基板６の裏面に裏面電極４が形成されている。なお、図１には、各層を形成する物質名を一例として明記している。ここで、図１に示す物質名の前に付した「ｐ‐」はその物質がｐ型半導体であることを表し、「ｉ‐」は真性半導体であることを表し、「ｎ‐」はｎ型半導体であることを表す。また、例えば「ｐ＋‐」のように半導体の導電型を表す文字に「＋」が付されている場合は、「＋」が付されていない半導体と比較して、より多くのキャリアを有していることを示す。
中間バンド型太陽電池セル２には、不純物が添加されたIII-V族半導体でなるバッファ層７が形成されている。バッファ層７は、基板６と中間バンド型光電変換積層部８との格子定数の不整合を緩和して、中間バンド型光電変換積層部８の結晶性を高めるようになされている。なお、本発明の実施の形態の場合、バッファ層７は、Ｂｅがドープされたｐ＋‐ＧａＡｓでなる第１バッファ層７Ａと、第１バッファ層７Ａ上に形成され、Ｂｅがドープされたｐ＋‐ＡｌＧａＡｓでなる第２バッファ層７Ｂとの２層構造を有している。第１バッファ層７Ａと第２バッファ層７Ｂとは、不純物を多く添加されて内部に多数のキャリアを有しており、電流が流れ易いように形成されている。因みに、この実施の形態の場合においては、第１バッファ層７Ａ及び第２バッファ層７Ｂの２層構造のバッファ層７を適用した場合について述べるが、本発明はこれに限らず、単層のバッファ層や、３層以上の複数層でなるバッファ層を適用してもよい。
中間バンド型光電変換積層部８は、ｐ型半導体層９と、量子ドット超格子層１０と、ｎ型半導体層１１とが順に積層された構成を有しており、当該ｐ型半導体層９がバッファ層７上に形成されている。ｐ型半導体層９は、例えばＧｅがドープされたｐ‐ＧａＡｓなどのｐ型のIII-V族半導体により形成されている。ｎ型半導体層１１は、例えばＳｉがドープされたｎ＋‐ＧａＡｓなどのｎ型で、かつｐ型半導体層９と同じIII-V族半導体により形成されている。
中間バンド型光電変換積層部８は、ｐ型半導体層９とｎ型半導体層１１との間に量子ドット超格子層１０が形成されており、量子ドット超格子層１０で生成された正孔が、ｐ型半導体層９と量子ドット超格子層１０の境界に生じた内部電界によってｐ型半導体層９へと拡散し、一方、量子ドット超格子層１０で生成された電子が、ｎ型半導体層１１と量子ドット超格子層１０の境界に生じた内部電界によってｎ型半導体層１１へと拡散し得るようになされている。
ここで、量子ドット超格子層１０は、第１量子ドットバッファ層１０Ａと第２量子ドットバッファ層１０Ｃとの間に、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された構成を有している。実際上、量子ドット超格子層１０は、複数の量子ドット１２が規則的に配置された量子ドット層１０Ｂが積層されていることにより、量子ドット１２が基板６に対して垂直な方向にも規則的に配置されており、複数の量子ドット１２が３次元的に規則的に配置された構成を有する。なお、第１量子ドットバッファ層１０Ａと第２量子ドットバッファ層１０Ｃとは、例えばノンドープのｉ‐ＧａＡｓなどのｉ型で、かつｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１と同じIII-V族半導体により形成されている。
また、第１量子ドットバッファ層１０Ａ及び第２量子ドットバッファ層１０Ｃ間に形成された複数の量子ドット層１０Ｂは、全て同一構成を有しており、例えばノンドープのｉ‐ＧａＡｓなどのｉ型で、かつｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１と同じIII-V族半導体により形成された埋込層１３内に、互いに所定の間隔を空けて配置された複数の量子ドット１２が埋め込まれた構成を有している。
ここで、埋込層１３内の複数の量子ドット１２は、全て同一の構成を有しており、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有したＩｎＡｓなどのIII-V族半導体により形成されており、量子ドット１２が互いに所定間隔を設けて配置されていることで、隣接する量子ドット１２同士で電子の波動関数が重なり合い中間バンドを形成し得るようになされている。
なお、量子ドット層１０Ｂは、例えば量子ドット１２が５〜２０ｎｍの間隔を空けて規則的に配置されていることが望ましい。また、この実施の形態の場合、量子ドット１２は、粒子状に形成されており、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）などの顕微鏡を用いて撮影した写真をもとに計測した直径が１０〜２０ｎｍであることが望ましい。また、埋込層１３は、量子ドット１２周辺を覆っており、一の量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２が、当該一の量子ドット層１０Ｂと隣接する他の量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２と非接触状態で配置され得る。なお、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、量子ドット層１０Ｂとの境では、埋込層１３により、量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２と第１量子ドットバッファ層１０Ａとの格子定数の差から生じる結晶格子のひずみが補償されている。
因みに、図２は、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域におけるバンド構造を示す概略図である。複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域では、埋込層１３を形成するIII-V族半導体の価電子帯ＶＢの上端と伝導帯ＣＢの下端との間のバンドギャップＢｇ１よりも小さいバンドギャップＢｇ０を有した量子ドット１２同士が、所定の間隔を空けて配置されていることにより、隣り合う量子ドット１２の電子の波動関数２６が重なり合い、一の量子ドット１２内の電子が他の隣接する量子ドット１２へと移動できる中間バンド２７が形成され得る。
これにより、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域では、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１とは別に、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に一のバンドギャップＢｇ２が形成されると共に、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間にも他のバンドギャップＢｇ３が形成され得る。なお、この実施の形態の場合、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域には、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも小さいが、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３よりも大きい一のバンドギャップＢｇ２が価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成され得る。また、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域には、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１や、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも小さい他のバンドギャップＢｇ３が中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成され得る。
量子ドット超格子層１０は、入射された光のうち、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって価電子帯ＶＢ内の電子が当該価電子帯ＶＢから伝導帯ＣＢへと直接励起され、これにより価電子帯ＶＢ内に正孔を生成し得ると共に、伝導帯ＣＢ内に電子を生成し得る。また、量子ドット超格子層１０は、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間のバンドギャップＢｇ２に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって価電子帯ＶＢの電子が中間バンド２７へ励起され、価電子帯ＶＢ内に正孔を生成し得る。さらに、量子ドット超格子層１０は、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間のバンドギャップＢｇ３に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって中間バンド２７に励起された電子が中間バンド２７から伝導帯ＣＢへと励起され、伝導帯ＣＢ内に電子を生成し得る。
因みに、この実施の形態においては、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３が小さく形成されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、量子ドット１２を形成するIII-V族半導体や、埋込層１３を形成するIII-V族半導体の種類を適宜選定することにより、例えば価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３が大きくなるように形成してもよい。
ここで、再度、図１を参照して太陽電池１の他の構成を説明する。図１に示すように、電流調整用太陽電池セル３は、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１上に、トンネル層１５と、ＢＳＦ（Back Surface Field）層１６と、光電変換積層部１７と、窓層１８と、コンタクト層１９とが順に形成された構成を有している。
トンネル層１５は、例えばＴｅがドープされたｎ‐ＩｎＧａＰなどのｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型トンネル層２１上に、例えばＣがドープされたｐ‐ＡｌＧａＡｓなどのｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型トンネル層２２が積層された構成を有している。トンネル層１５では、ｎ型トンネル層２１及びｐ型トンネル層２２によってｐｎ接合が形成されており、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とからそれぞれ電圧及び電流が出力される際、中間バンド型太陽電池セル２によってｎ型トンネル層２１に負の電圧が印加され、電流調整用太陽電池セル３によってｐ型トンネル層２２に正の電圧が印加されることから、ｎ型トンネル層２１及びｐ型トンネル層２２によるｐｎ接合に順バイアスの電圧がかかり、トンネル電流が流れ得る。
なお、トンネル層１５は、キャリア不純物がより多くドープされており、抵抗が低く選定されている。ここで、ｎ型トンネル層２１とｐ型トンネル層２２とは、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体で形成されており、量子ドット超格子層１０で吸収される波長の光がトンネル層１５を透過し得るようになされている。
ＢＳＦ層１６は、例えば不純物を添加したIII-V族半導体でなり、トンネル層１５上に形成されている。本実施の形態の場合、ＢＳＦ層１６は、例えばＺｎがドープされたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる第１ＢＳＦ層１６Ａと、Ｔｅがドープされたｐ‐ＡｌＩｎＧａＰでなる第２ＢＳＦ層１６Ｂとが順に積層された２層構造を有している。なお、この実施の形態の場合においては、第１ＢＳＦ層１６Ａ及び第２ＢＳＦ層１６Ｂでなる２層構造のＢＳＦ層１６を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、単層のＢＳＦ層や、３層以上の複数層でなるＢＳＦ層を適用していてもよい。
ここで、第１ＢＳＦ層１６Ａと第２ＢＳＦ層１６Ｂとは、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体材料で形成されており、量子ドット超格子層１０で吸収される波長の光がＢＳＦ層１６を透過し得るようになされている。
因みに、この実施の形態の場合、ＢＳＦ層１６は、その表面に光電変換積層部１７が形成されており、当該光電変換積層部１７との境界近傍で生成された少数キャリアである電子を、光電変換積層部１７との境界で生じた内部電界により光電変換積層部１７内へと押し戻し、ＢＳＦ層１６内への電子の拡散を抑制し得るようになされている。なお、ＢＳＦ層１６は、光電変換積層部１７と同じIII-V族半導体で形成して光電変換積層部１７よりドーパントの濃度を高くしたり、光電変換積層部１７よりもバンドギャップが大きいIII-V族半導体材料で形成したりして、少数キャリアのＢＳＦ層１６への拡散を抑制してもよい。
光電変換積層部１７は、例えば、Ｚｎがドープされたｐ‐ＩｎＧａＰなどのｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３上に、Ｓｉがドープされたｎ‐ＩｎＧａＰなどのｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４が積層された構成を有している。この場合、ｐ型光電変換層２３とｎ型光電変換層２４とは、添加された不純物が異なっているが同じIII-V族半導体で形成されている。
ここで、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４が、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きくなるように選定されている。これにより、光電変換積層部１７は、光が入射された際、中間バンド型太陽電池セル２に光が入射する前に、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収し得ると共に、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される長波長の光を透過し、当該長波長の光を中間バンド型太陽電池セル２まで到達させ得るようになされている。
この際、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収することで、当該III-V族半導体における価電子帯内の電子が伝導帯へと励起され、これにより価電子帯内に正孔を生成し得ると共に、伝導帯内に電子を生成し得る。そして、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３とｎ型光電変換層２４との界面で生じた内部電界によって、価電子帯に生成された正孔がｐ型光電変換層２３側へと拡散し、伝導帯に生成された電子がｎ型光電変換層２４側へと拡散して、電圧及び電流を生成し得る。
窓層１８は、例えばＴｅがドープされたｎ‐ＩｎＡｌＰなどの不純物を添加されたIII-V族半導体でなり、光電変換積層部１７上に形成されており、ｎ型光電変換層２４の窓層１８との境界近傍で生成された少数キャリアである正孔を、ｎ型光電変換層２４との境界で生じた内部電界によりｎ型光電変換層２４内へと押し戻して、窓層１８への正孔の拡散を抑制し得るようになされている。
なお、窓層１８は、ｎ型光電変換層２４と同じIII-V族半導体により形成してｎ型光電変換層２４よりドーパントの濃度を高くしたり、或いは、ｎ型光電変換層２４よりもバンドギャップが大きいIII-V族半導体で形成したりして、少数キャリアの窓層１８への拡散を抑制してもよい。ここで、窓層１８は、光電変換積層部１７を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体で形成されており、光電変換積層部１７で吸収される波長の光を透過させ得るようになされている。
コンタクト層１９は、不純物を添加したIII-V族半導体でなり、窓層１８上に形成され得る。このコンタクト層１９は、表面に形成された表面電極５との接合面での接触抵抗を低減し得るようになされている。本実施の形態の場合、コンタクト層１９は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ‐ＩｎＧａＡｓでなる第１コンタクト層１９Ａ上に、Ｔｅがドープされたｎ‐ＩｎＧａＡｓでなる第２コンタクト層１９Ｂとが積層された構成を有している。
この場合、第１コンタクト層１９Ａと第２コンタクト層１９Ｂとは、光電変換積層部１７を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体により形成されており、光電変換積層部１７で吸収される波長の光を透過させ、当該光電変換積層部１７に到達させ得るようになされている。
なお、この実施の形態の場合においては、第１コンタクト層１９Ａ及び第２コンタクト層１９Ｂでなる２層構造のコンタクト層１９を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、単層のコンタクト層や、３層以上の複数層でなるコンタクト層を適用してもよい。因みに、コンタクト層１９上に形成された表面電極５は、ＡｕやＡｇ、Ｇｅ、Ｎｉなどの金属部材により形成された単層構造又は多層構造でなり、裏面電極４が接続された外部回路（図示せず）に接続され得るようになされている。なお、表面電極５は、コンタクト層１９上の複数箇所に形成されており、各表面電極５が所定間隔を設けて配置され、表面電極５から裏面電極４に向けて照射された光が、表面電極５間に露出したコンタクト層１９から内部に入射し得るようになされている。
ここで、図３は、本発明の実施の形態の太陽電池１について、中間バンド型太陽電池セル２における量子ドット超格子層１０の埋込層１３のバンドギャップＢｇ１と、量子ドット超格子層１０に形成された中間バンド２７により得られる一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３と、中間バンド型太陽電池セル２に対し光入射側に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７におけるバンドギャップＢｇ４との関係を纏めた模式図である。
図３に示すように、中間バンド型太陽電池セル２では、量子ドット超格子層１０における埋込層１３の価電子帯ＶＢから中間バンド２７へ電子が励起され、励起された電子が中間バンド２７から当該埋込層１３の伝導帯ＣＢへと励起されることから、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３とが直列に接続されていると見なせる。また、中間バンド型太陽電池セル２では、中間バンド２７を介して電子が励起されることに加えて、量子ドット超格子層１０における埋込層１３の価電子帯ＶＢから伝導帯ＣＢへと直接電子が励起されることから、埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ１が、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ３との直列接続に対して並列に接続されていると見なせる。
これに加えて、本発明の太陽電池１では、中間バンド型太陽電池セル２上に電流調整用太陽電池セル３が形成され、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とが直列に接続された構成となっている。これにより、本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４が、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット超格子層１０における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１と直列に接続されていると見なせ、さらに当該電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４が、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ３とに対して直接に接続されていると見なせる。
これにより、本発明の太陽電池１では、中間バンド型太陽電池セル２においてバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３を基に得られた電圧に加えて、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に得られた電圧を含めて全体の出力電圧として得ることができ、かくして、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に得られた電圧の分、全体の出力電圧が増加し得る。
この際、本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収することから、その分、中間バンド型太陽電池セル２での光の吸収が減り、中間バンド型太陽電池セル２での電流量を低減し得る。
ここで、例えば、図１に示すようなIII-V族半導体により各層を形成した中間バンド型太陽電池セル２では、埋込層１３のバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとした場合、量子ドット超格子層１０の量子ドット１２の配置構成を調整することで、量子ドット超格子層１０の埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶに設定し得、一方、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶに設定し得る。
この場合、図１に示すようなIII-V族半導体により各層を形成した電流調整用太陽電池セル３では、例えば光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４を、中間バンド型太陽電池セル２における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１である１．４ｅＶよりも大きい値である１．７ｅＶに設定し得る。
これにより、太陽電池１では、表面電極５から裏面電極４に向けて光が照射されると、当該光のうち、電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４として設定した１．７ｅＶに対応する７２９ｎｍ以下の波長の光を光電変換積層部１７にて吸収して電圧及び電流を出力し得ると共に、７２９ｎｍより波長が大きい光を電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２へ入射させる。
中間バンド型太陽電池セル２では、電流調整用太陽電池セル３を透過した光のうち、量子ドット超格子層１０の埋込層１３のバンドギャップＢｇ４である１．４ｅＶに対応する８８６ｎｍ以下の波長の光を量子ドット超格子層１０で吸収して電圧及び電流を出力し得る。また、中間バンド型太陽電池セル２では、埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２である１．０ｅＶに対応する１２４０ｎｍ以下の波長の光を吸収すると共に、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３である０．４ｅＶに対応する３１００ｎｍ以下の波長の光を吸収して、これら光吸収によって電圧及び電流を出力し得る。
このように本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収する分、中間バンド型太陽電池セル２での光の吸収が減り、中間バンド型太陽電池セル２での電流量を低減できると共に、中間バンド型太陽電池セル２においてバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３を基に得られた電圧に加えて、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に電圧を得られる分、全体の出力電圧を増加し得る。
２．本発明の太陽電池の製造方法
次に、上述した太陽電池１の製造方法について簡単に説明する。この場合、まず、真空蒸着などの方法により裏面電極４が裏面に形成された基板６を用意し、当該基板６を分子線エピタキー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）成膜装置のチャンバ内に載置し、基板６の表面に、第１バッファ層７Ａと、第２バッファ層７Ｂと、ｐ型半導体層９と、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、量子ドット層１０Ｂと、第２量子ドットバッファ層１０Ｃと、ｎ型半導体層１１とをＭＢＥ法により順次形成し、中間バンド型太陽電池セル２を作製する。この際、第１バッファ層７Ａと、第２バッファ層７Ｂと、ｐ型半導体層９と、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、第２量子ドットバッファ層１０Ｃと、ｎ型半導体層１１とは、それぞれエピタキシャル成長により連続的に形成されることから、接合面同士が格子整合し、単結晶となっている。
上述した量子ドット層１０Ｂは、例えば第１量子ドットバッファ層１０Ａ上に、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長法を用い、自己組織化により複数の量子ドット１２を形成し、量子ドット１２を覆うように第１量子ドットバッファ層１０Ａ上に埋込層１３を形成する。その後、埋込層１３上に自己組織化により複数の量子ドット１２を形成し、当該量子ドット１２を埋込層１３で覆い、これら工程を繰り返すことで一の量子ドット層１０Ｂに他の量子ドット層１０Ｂを順次積層してゆく。
次に、中間バンド型太陽電池セル２をＭＢＥ成膜装置のチャンバから取り出し、有機金属気相エピタキー（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）成膜装置のチャンバ内へ移す。このとき、中間バンド型太陽電池セル２は大気暴露される。そこで、チャンバ内に載置した中間バンド型太陽電池セル２の表面をエッチングし、大気暴露によって汚染された表面を除去する。次に、表面をエッチングした中間バンド型太陽電池セル２上に、ｎ型トンネル層２１と、ｐ型トンネル層２２と、第１ＢＳＦ層１６Ａと、第２ＢＳＦ層１６Ｂと、ｐ型光電変換層２３と、ｎ型光電変換層２４と、窓層１８と、第１コンタクト層１９Ａと、第２コンタクト層１９Ｂとを、ＭＯＣＶＤ法により順次形成して電流調整用太陽電池セル３を作製する。
この際、ｎ型トンネル層２１と、ｐ型トンネル層２２と、第１ＢＳＦ層１６Ａと、第２ＢＳＦ層１６Ｂと、ｐ型光電変換層２３と、ｎ型光電変換層２４と、窓層１８と、第１コンタクト層１９Ａと、第２コンタクト層１９Ｂとは、それぞれエピタキシャル成長により連続的に形成されることから、接合面同士が格子整合し、単結晶となっている。最後に、電流調整用太陽電池セル３上に、金属膜を真空蒸着などの方法により形成し、フォトリソグラフィ技術により所定形状でなる複数の表面電極５を電流調整用太陽電池セル３上に形成することで、太陽電池１を作製できる。
３．作用及び効果
以上の構成において、本発明の太陽電池１では、複数の量子ドット１２が埋込層１３内に配置された量子ドット層１０Ｂが積み重ねられ、各量子ドット１２間で波動関数が重なり合い中間バンド２７が形成されている中間バンド型太陽電池セル２と、当該中間バンド型太陽電池セル２における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１よりも大きいバンドギャップＢｇ４を有する光電変換積層部１７を備えた電流調整用太陽電池セル３とを設け、中間バンド型太陽電池セル２に対して光入射側に電流調整用太陽電池セル３を形成するようにした。
従って、太陽電池１では、入射された光のうち、バンドギャップＢｇ４に対応する波長以下の光が電流調整用太陽電池セル３にて吸収され、当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流を発生させつつ、他の波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過し、中間バンド型太陽電池セル２にも入射させることができる。
よって、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３でバンドギャップＢｇ４に対応する波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される光を減らし、当該中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制できるので、その分、中間バンド型太陽電池セル２における発熱量を低減でき、かくして、太陽電池１の熱破損を防止できる。
また、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３によって中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セル２に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３でもバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光の吸収により電圧が発生することから、直列的に接続された中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３により太陽電池１全体で得られる出力電圧を増加させることができ、かくして、従来よりも変換効率を格段的に向上させることができる。
４．検証試験
（１）シミュレーション試験
次に、本発明の太陽電池１を実施例とし、従来の中間バンド型太陽電池を比較例として、詳細平衡モデルを用いてシミュレーション試験を行い、電流−電圧曲線と変換効率とをそれぞれ算出し、電気特性について評価した。変換効率の値は、太陽光のスペクトルとして６０００Ｋの黒体放射のスペクトル（エアマス０）を使用して算出した。
最初に、従来の中間バンド型太陽電池である比較例について、シミュレーション試験を行った。なお、比較例では、図４Ａに示すように、価電子帯及び伝導帯間の最も大きいバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとし、価電子帯及び中間バンド間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶとし、中間バンド及び伝導帯間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶとした。
また、比較例でも、価電子帯及び中間バンド間の一のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド及び伝導帯間の他のバンドギャップＢｇ３とが直列に接続されていると見なし、さらに一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３に対して、価電子帯及び伝導帯間のバンドギャップＢｇ１が並列に接続されていると見なして、シミュレーション試験を行った。
図４Ｂは、図４Ａに示す構成の比較例についてシミュレーション試験を行ったときの電流−電圧曲線を示す。なお、図４Ｂは、横軸が電圧を示し、縦軸が電流密度を示す。図４Ｂ中の「Total current」は比較例である従来の中間バンド型太陽電池における全体での電流−電圧曲線である。図４Ｂ中の「Ｂｇ１」を付した曲線は、図４Ａに示すバンドギャップＢｇ１（１．４ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流−電圧曲線であり、また、「Ｂｇ２」を付した曲線は、図４Ａ中のバンドギャップＢｇ２（１．０ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流−電圧曲線であり、さらに、「Ｂｇ３」は、図４Ａ中のバンドギャップＢｇ３（０．４ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流−電圧曲線である。なお、図４Ｂ中の「Series constrained current」（破線）は、直列に接続された一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３全体の電流−電圧曲線である。
図４Ｂに示すように、比較例では、電圧がゼロのときの電流値である短絡電流密度が約６００Ａ／ｍ２となり、一方、電流がゼロのときの電圧値である開放電圧が約１．０Ｖとなった。比較例では、電流−電圧曲線から算出した変換効率が約３７％であった。
次に、本発明の太陽電池１についてシミュレーション試験を行った。この場合、実施例では、図５Ａに示すように、中間バンド型太陽電池セル２部分における価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとし、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶとし、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶとして、図４Ａの比較例と同じ値とした。
これに加えて、実施例では、中間バンド型太陽電池セル２における全てのバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３よりも大きなバンドギャップＢｇ４を有した電流調整用太陽電池セル３として、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を１．７ｅＶとし、当該電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１と、中間バンドにより形成された一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３とに対して直列に接続された構成とした。そして、かかる構成でなる実施例についてもシミュレーション試験を行った。
図５Ｂは、図５Ａに示す実施例についてシミュレーション試験を行ったときの電流−電圧曲線を示す。なお、図５Ｂ中の「Ｂｇ４」を付した曲線は、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流−電圧曲線である。図５Ｂ中の「Parallel constrained voltage」（点線）は、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１、一のバンドギャップＢｇ２、及び他のバンドギャップＢｇ３を基に得られた電流及び電圧を纏めたときの電流−電圧曲線を示している。なお、図５Ｂ中の「Ｂｇ１」、「Ｂｇ２」、「Ｂｇ３」、及び「Series constrained current」は、図４Ｂと共通する事項であるため、その説明は省略する。
図５Ｂに示すように、実施例の太陽電池１では、短絡電流密度が約３００Ａ／ｍ２となり、開放電圧が約２．３５Ｖとなった。実施例では、電流−電圧曲線から算出した変換効率が、約４６％となり、比較例よりも変換効率が格段的に向上していることが確認できた。
ここで、実施例は、比較例に比べて、全体の短絡電流密度が低くなっており、全体を流れる電流を抑制させることができており、電流によって生じた発熱量を低減できることが確認できた。また、変換効率は、短絡電流密度が低下しているにもかかわらず、上昇していることが確認できた。すなわち、実施例では、電流調整用太陽電池セル３で生じた電圧によって全体で得られる出力電圧が増加することで、中間バンド型太陽電池セル２において出力電流の減少が生じても全体の変換効率が低下せずに、全体として変換効率を向上できることが確認できた。
続いて、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４の値をＥｇ，４として、太陽電池１全体の変換効率を算出し、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４のＥｇ，４と、太陽電池１全体での変換効率との関係を調べたところ、図６に示すような結果が得られた。なお、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１と、中間バンドにより形成される一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３との各値は、図５Ａに示した実施例と同じ値に設定した。
ここで、図６は、横軸がバンドギャップＢｇ４のＥｇ，４の値を表し、縦軸が変換効率を表す。図６中のＸ＝１は集光倍率を１倍に設定したときの結果であり、Ｘ＝１０００は集光倍率を１０００倍に設定したときの結果である。図６中に示す破線は、バンドギャップＢｇ４を有しないときの変換効率の最大値３６％（１倍集光時）を示している。図６に示すように、バンドギャップＢｇ４のＥｇ，４の値が約１．５５〜１．９ｅＶにあるときには、変換効率が５０％を超え、変換効率が極めて高くなることが確認できた。
従って、中間バンド型太陽電池セル２において最も大きいバンドギャップＢｇ１の値が１．４ｅＶ以下に選定したときには、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を約１．５５〜１．９ｅＶに選定することで、太陽電池１全体での変換効率を向上し得ることが分かる。
（２）実施試験
次に、図１との対応部分に同一符号を付して示す図７のような本発明の太陽電池３１を実際に作製して、その電流−電圧特性と、変換効率とについて確認した。この場合、太陽電池１は、裏面電極４が５層構造を有している点と、電流調整用太陽電池セル３におけるｐ型トンネル層２２が３層構造を有している点と、表面電極５が５層構造を有している点とが、図１に示した太陽電池１と相違している。因みに、図７中に示す「ｎｍ」の数値は各層の厚さを表し、かっこ書の中の数値はドープされたドーパントの濃度を表している。なお、太陽電池３１では、中間バンド型太陽電池セル２における量子ドット超格子層１０の量子ドット層１０Ｂを５層形成した。
裏面電極４は、真空蒸着により、基板６の表面に、Ａｕでなる厚さ５０ｎｍの第１裏面電極層４Ａと、Ａｇでなる厚さ１００ｎｍの第２裏面電極層４Ｂと、Ａｕでなる厚さ３０ｎｍの第３裏面電極層４Ｃと、Ａｇでなる厚さ３０００ｎｍの第４裏面電極層４Ｄと、Ａｕでなる厚さ５０ｎｍの第５裏面電極層４Ｅとを順次積層して形成した。
ｐ型トンネル層２２は、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型トンネル層２１上に、Ｃを１．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ３．５ｎｍの第１ｐ型トンネル層２２Ａと、Ｃを１×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ７．０ｎｍの第２ｐ型トンネル層２２Ｂと、Ｃを１×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ３．５ｎｍの第３ｐ型トンネル層２２Ｃとを順次エピタキシャル成長させて形成した。
表面電極５は、真空蒸着により、コンタクト層１９上に、Ｎｉでなる厚さ１０ｎｍの第１表面電極層５Ａと、Ｇｅでなる厚さ３０ｎｍの第２表面電極層５Ｂと、Ａｕでなる厚さ６０ｎｍの第３表面電極層５Ｃと、Ａｇでなる厚さ４０００ｎｍの第４表面電極層５Ｄと、Ａｕでなる厚さ６０ｎｍの第５表面電極層５Ｅとを順次積層して形成した。
そして、このような構成を有する太陽電池３１について、太陽電池の標準測定条件（エアマス１．５）の光を用いて７２倍集光時の電流−電圧特性を測定した結果、図８に示すような結果が得られた。図８は、横軸が電圧を示し、縦軸が電流密度を示している。図８から本発明の太陽電池３１では、測定した電流−電圧特性から算出した変換効率が２６．８％となっていることから、従来の中間バンド型太陽電池の変換効率約２０.３％（１００倍集光時）、約２１.２％（１０００倍集光時）と比較して変換効率が格段的に向上していることが確認できた。
５．変形例
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、裏面電極４、バッファ層７、ｐ型半導体層９、ｎ型半導体層１１、トンネル層１５、ＢＳＦ層１６、窓層１８、コンタクト層１９及び表面電極５を形成する材料を適宜変更することができる。例えば、図９Ａに示すように、基板６としてＧａＡｓ又はＧｅを選択した場合は、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット１２を形成する材料としてＩｎＡｓを用い、量子ドット超格子層１０の埋込層１３を形成する材料としてＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用いるようにしてもよい。この際、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７としては、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用い、ｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４とを形成するようにしてもよい。ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４は、埋込層１３よりもバンドギャップが大きくなるように組成が調整されている。例えば、埋込層１３としてＡｌＧａＡｓを用い、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４としてＡｌＧａＡｓを用いる場合は、埋込層１３のＡｌの組成を約３０％とし、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４のＡｌの組成の約５０％よりも小さくする。
また、その他の実施の形態として、例えば、図９Ｂに示すように、基板６としてＩｎＰを選択した場合は、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット１２を形成する材料としてＩｎＡｓを用い、量子ドット超格子層１０の埋込層１３を形成する材料としてＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用いるようにしてもよい。この際、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７としては、ＡｌＡｓＳｂ、又はＩｎＡｌＡｓＳｂを用い、ｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４とを形成するようにしてもよい。
さらに、上述した実施の形態においては、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７がｐｎ接合である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光電変換積層部１７はｐ型半導体／真性半導体／ｎ型半導体の３層構造をしたｐｉｎ接合としてもよい。
また、上述した実施の形態においては、電流調整用太陽電池セル３にトンネル層１５が形成されている場合について説明したが、トンネル層１５が形成されていなくてもよい。例えば、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１上に電流調整用太陽電池セル３のＢＳＦ層１６がエピタキシャル成長され、ｎ型半導体層１１とＢＳＦ層１６との接合面同士が格子整合していてもよく、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とを別々に作製し、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１と電流調整用太陽電池セル３のＢＳＦ層１６とが、埋込層１３を形成するIII-V半導体のバンドギャップＢｇ１より大きいバンドギャップと導電性とを有する接着剤によって貼り合わせられていてもよい。
さらに、他の実施の形態としては、図１に示す太陽電池１の各層におけるｐ型及びｎ型の各導電型を逆にしてもよい。すなわち、図１に示すように、上述した実施の形態のおいては、ｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１間に量子ドット超格子層１０を形成し、ｐ型のバッファ層７上に当該ｐ型半導体層９を形成した中間バンド型太陽電池セル２を適用したが、本発明はこれに限らず、ｐ型及びｎ型の導電型を逆にし、ｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１間に量子ドット超格子層１０を形成し、ｎ型のバッファ層上に当該ｎ型半導体層１１を形成した中間バンド型太陽電池セルとしてもよい。
なお、中間バンド型太陽電池セル２のｐ型及びｎ型の導電型を逆にする場合には、これに合わせて電流調整用太陽電池セル３のｐ型及びｎ型の導電型も逆にする必要がある。すなわち、図１に示すように、電流調整用太陽電池セル３では、ｐ型のIII-V族半導体からなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体からなるｎ型光電変換層２４とが接合した構成を有し、ｐ型のＢＳＦ層１６上にｐ型光電変換層２３が形成され、ｎ型光電変換層２４上にｎ型の窓層１８が形成された光電変換積層部１７を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ｐ型及びｎ型の導電型を逆にし、ｎ型のＢＳＦ層上にｎ型光電変換層が形成され、ｐ型光電変換層上にｐ型の窓層が形成された光電変換積層部を適用してもよい。
また、上述した実施の形態においては、基板６上に、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とをエピタキシャル成長させ、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３との接合面が格子整合している場合について述べたが、本発明はこれに限られない。例えば、他の実施の形態としては、基板６を用いてエピタキシャル成長により中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３を連続的に形成せずに、基板６を用いずに、予め作製した中間バンド型太陽電池セル２と、電流調整用太陽電池セル３とを基板貼り合わせ技術により貼り合わせて、中間バンド型太陽電池セル２の光入射側に電流調整用太陽電池セル３を形成するようにしてよい。
１ 太陽電池
２ 中間バンド型太陽電池セル
３ 電流調整用太陽電池セル
１０ 量子ドット超格子層
１０Ｂ 量子ドット層
１２ 量子ドット
１３ 埋込層
１７ 光電変換積層部

Claims (6)

  1. 複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた量子ドット超格子層を有し、前記量子ドット超格子層には、各前記量子ドット間で波動関数が重なり合い中間バンドが形成されている中間バンド型太陽電池セルと、
    ｐ型光電変換層及びｎ型光電変換層を少なくとも備えた光電変換積層部を有し、前記中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池セルとを備えており、
    前記電流調整用太陽電池セルは、
    前記光電変換積層部が、前記中間バンド型太陽電池セルにおける前記埋込層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有している
    ことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記量子ドットは、ＩｎＡｓで形成され、
    前記埋込層は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成され、
    前記ｐ型光電変換層及び前記ｎ型光電変換層は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記量子ドットは、ＩｎＡｓで形成され、
    前記埋込層は、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、及びＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成され、
    前記ｐ型光電変換層及び前記ｎ型光電変換層は、ＡｌＡｓＳｂ、及びＩｎＡｌＡｓＳｂのうちいずれか１種で形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記電流調整用太陽電池セルは、ｐｎ接合でなるトンネル層を備えており、前記トンネル層によって前記中間バンド型太陽電池セルに接合されている
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
  5. 前記電流調整用太陽電池セルは、前記中間バンド型太陽電池セル上にエピタキシャル成長により形成されており、前記中間バンド型太陽電池セルの接合面と格子整合している
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
  6. 前記光電変換積層部は、バンドギャップが１．５５〜１．９ｅＶの範囲に選定されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池。
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