JP2016535944A - 光起電力セル - Google Patents

Abstract

【課題】 全体的に単一の導電性タイプから構成される半導体素子１０を組み込む光起電力セルを提供する。【解決手段】 半導体素子の仕事関数と異なる仕事関数を有するバイアスエージェント２６がその素子の面上に重なり、空間電荷領域内にバンド曲がりを生じさせ、したがって、電界を生成する。電極は空間電荷領域内において半導体素子と接触状態にある。半導体素子内で吸収された光によって生成されるキャリアは電界によって電極に向かって加速される。【選択図】図１

Description

本発明は光起電力セルに関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、「HIGH BAND GAP SOLAR CELLS WITHOUT SEMICONDUCTOR JUNCTIONS」と題する、２０１３年１１月４日に出願された米国仮特許出願第６１／８９９，４００号の出願日の利益を主張するものであり、この仮特許出願は、その開示内容を引用することにより、本明細書の一部をなすものとする。

本発明は光起電力セルに関する。これまで、当該技術分野において光起電力セル、すなわち、光を電気エネルギーに変換することが可能な半導体デバイスの開発にかなりの努力がなされてきた。通常、こうしたセルは支配的な電荷キャリア、すなわち、多数電荷キャリアが電子であるｎ型半導体と、多数電荷キャリアが正孔であるｐ型半導体とを含む半導体材料の多重の層を組み込んでいる。これらの層は共同してｐ−ｎ接合を画定する。電極が接合の反対側の半導体材料と接触した状態で準備される。互いに分離されているとき、ｐ型材料及びｎ型材料は異なるドーピングに起因して異なるフェルミ準位を有する。フェルミ準位は、その準位が電子で満たされている確率が５０％であるようなエネルギー準位である。ｐ型材料及びｎ型材料がセルのｐ−ｎ接合において互いに結合されたとき、フェルミ準位は互いに平衡状態となり空間電荷領域を形成する。空間電荷領域はその接合の近傍に電界を提供する。光が半導体材料上に突き当たると、入ってきた光子が電子を半導体材料の価電子帯から伝導帯へ励起させ、それにより電荷キャリアの数を増加させる。用語「バンドギャップ」は半導体材料の価電子帯とその材料の伝導帯との間のエネルギーの差を指す。

空間電荷領域の電界はｐ−ｎ接合を横切る電荷キャリアを加速する。正孔及び電子は逆方向に移動する。電子はｎ型の材料と接触状態の第１の電極へと進む一方、正孔はｐ型の材料と接触状態の第２の電極へと進む。このことによってそれらの電極間に電位差が生じ、したがって、有用で利用可能な電気エネルギーがそれらの電極に生じる。電極に接続された外部回路がこの電気エネルギーを利用することが可能である。

こうしたｐ−ｎ接合セルからの利用可能な電圧、すなわち電位差は限定される。こうしたセルから出力される最大電圧はｎ型材料内の伝導帯のエネルギー準位とｐ型材料内の価電子帯のエネルギー準位との間の差によって限定される。通常、この差はその半導体のバンドギャップより小さい。例えば、約１．７エレクトロンボルト以上のような広いバンドギャップを有する材料から光起電力セルを形成することが望ましい。広バンドギャップ材料は８００ナノメートルより短い程度の波長の光を効率的に吸収することが可能である。こうした光はスペクトルの可視光及び紫外線部分にあり、地球上に突き当たる太陽エネルギーのかなりの部分を構成している。さらに、広バンドギャップ材料から形成されるセルは狭バンドギャップ材料から形成されるセルと併せて用いることが可能である。こうした構成において、広バンドギャップセルは狭バンドギャップセルの前方に配置される。長波長の光は広バンドギャップセルによって吸収されず、狭バンドギャップセルまで進み、そこで吸収される。

シリコンから形成されるｐ−ｎ接合セルは、シリコンウエハへのドーパント注入等の比較的安価なプロセスによって作ることが可能である。一方、シリコンは１．１２ｅＶのバンドギャップを有している。幾つかの広バンドギャップ半導体材料内のｐ−ｎ接合セルを製造するには、連続したエピタキシャル堆積プロセスによって複数の層を形成することが必要である。エピタキシャル堆積プロセスにおいて、最も一般的には蒸気又は気体の状態から、材料を既存の固体結晶上に堆積させることによってその材料を基板上に成長させ、それにより成長した結晶が基板の格子間隔によって決まる結晶格子間隔を有する構造体において形成される。しかしながら、幾つかの広バンドギャップ半導体材料を用いて反対の導電性タイプの高品質の半導体材料を成長させることは困難である場合がある。

したがって、これまで、当該技術分野において光起電力セルの開発にかなりの努力がなされてきたにもかかわらず、更なる改良が望まれる。

本発明の１つの実施形態にかかる光起電力セルは、前面と、背面と、それらの面間の厚さ方向とを有する半導体素子を備えることが望ましい。半導体素子は全体的にｎ型半導体から構成されるか、又は全体的にｐ型半導体から構成されることが望ましい。バイアスエージェント（agent：媒介物）は半導体素子の面のうちの第１の面の上に重なることが望ましい。バイアスエージェントは半導体素子の通常のフェルミ準位又は仕事関数と異なるフェルミ準位又は仕事関数を有することが望ましい。バイアスエージェントは半導体素子内にバンド曲がりを生じさせ、それにより半導体素子内に空間電荷領域が現れ、その空間電荷領域全体にわたって厚さ方向に単一方向の電位の勾配が存在するようにする。また、セルは厚さ方向に互いに離間された前方電極及び後方電極を備え、前方電極及び後方電極の各々は照射なしの状態において空間電荷領域内で半導体素子と接触状態にあることが望ましい。

本発明の更なる態様は電気を生成する方法を提供する。本発明のこの態様にかかる方法は全体的にｐ型半導体から構成されるか、又は全体的にｎ型半導体から構成される半導体素子の空間電荷領域全体にわたって単一方向の電位の勾配を勾配方向に維持することを含むことが望ましい。また、本方法は電位の勾配を維持している間、光を空間電荷領域内へと向けることを含み、それによりその光のうちの少なくともいくらかが半導体によって吸収され、その吸収された光が電子を価電子帯から伝導帯へと励起するようにすることが望ましい。本方法は、勾配方向に互いに離間され、空間電荷領域内の又は空間電荷領域の近傍の半導体と接触状態にある、１対の電極において電流を収集することを更に含むことが最も望ましい。収集するステップの間、電極は空間電荷領域内において半導体と接触状態にあることが最も好ましい。

本発明の更なる態様にかかる光起電力セルは、第１の面と、第２の面と、それらの面間の厚さ方向とを有する半導体素子を備えることが望ましい。バイアスエージェントは第１の面の第１の部分のみの上に重なり、半導体素子内にバンド曲がりを生じさせることが望ましい。第１の電極は第１の部分から分離した第１の面の第２の部分の上に重なるとともにその第２の部分と接触することが好ましい。本発明のこの態様において、第１の電極はバイアスエージェントと直接導電性の接触状態にないことが望ましい。本発明のこの態様にかかるセルは第１の面から離間されたロケーションにおいて前記半導体素子と接触する第２の電極を備えることが望ましい。

外部回路に接続された本発明の１つの実施形態にかかる光起電力セルの概略断面図である。 本発明の更なる実施形態にかかるセルを示す概略断面図である。 本発明の更なる実施形態にかかるセルを示す概略断面図である。 本発明の更に別の実施形態にかかるセルを示す概略平面図である。 図４の線５−５に沿った概略断面図である。 図５と同様であるが、本発明の更に別の実施形態にかかるセルを示す概略断面図である。

本発明の１つの実施形態にかかる光起電力セルは、前面１２と、背面１４と、これらの面の間に延在する厚さ方向とを有する半導体素子１０を備える。本明細書において用いられるとき、当該技術分野において通常理解されるように、固体の物体の面の間に延在する厚さ方向はその２つの面間の最も短い線の方向である。図１にあるように、２つの面が互いに平行である場合、厚さ方向はそれらの面に対して垂直な方向である。示されている実施形態において、厚さ方向は図１内の矢印Ｔによって示されている水平方向である。半導体素子１０は任意選択的に１つ又は複数の追加の半導体又は基板層１６、１７、及び１８と一体化したものとすることができる。本実施形態において、追加の層は電気エネルギーの生成において或る役割を果たす半導体本体１０の層領域から離れており、したがって、追加の層は実質的に任意の構成及び任意の導電性タイプのものとすることが可能である。例えば、追加の層は電気的絶縁層１７、並びに素子１０内の半導体より小さなバンドギャップを有する半導体から形成される層１６及び１８を含むことができる。層１６及び１８は反対の導電性タイプのものとすることができ、したがって、２１及び２３にて概略的に示される電極を有する従来のｐ−ｎ接合セルを画定することができる。

本実施形態において、半導体素子１０は全体的に、単一の導電性タイプを有する半導体材料からなる。この図示されている例において、導電性タイプはｎ型である。この半導体は、例えば、ガリウム、インジウム及びアルミニウムからなる群から選択される１つ又は複数のＩＩＩ族元素と、窒素、リン、砒素及びアンチモンからなる群から選択される１つ又は複数のＶ族元素とを含む半導体等のＩＩＩ−Ｖ族半導体のような、本質的に任意の半導体とすることが可能である。代替的に、その半導体材料はカドミウム、亜鉛及び水銀からなる群から選択される１つ又は複数のＩＩ族金属と、酸素、硫黄、セレン及びテルルからなる群から選択される１つ又は複数のＶＩ族元素とを含むＩＩ−ＶＩ族半導体とすることが可能である。また、半導体はシリコン又はシリコンカーバイド等のＩＶ族半導体とすることもできる。半導体は非ドープとすることができるか、１つ若しくは複数のドーパントを名目上の半導体に加えることによって意図的にドープされたものとすることができるか、又は、例えば、結晶格子欠落点によって意図せずにドープされたものとすることができる。例えば、窒化ガリウムは一般的なエピタキシャル成長プロセスにおいて、意図せずにドープされたｎ型半導体として形成することができる。ドーパント及び半導体自体の他の詳細は従来のものとすることができる。

図１において、追加の層１６、１７及び１８は半導体の電子状態に影響を及ぼさないことが仮定される。外部の影響によって乱されていない材料の特性は、本明細書において、その材料の「通常の」特性であると呼ばれる。材料は伝導帯と価電子帯とを有する。伝導帯の通常のエネルギー準位はＥ_Ｃと表され、価電子帯の通常のエネルギー準位はＥ_Ｖと表される。図示されているｎ型半導体において、通常のフェルミ準位Ｅ_ＦＳは通常の伝導帯レベルＥ_Ｃの下方にある。

バイアス材料２６の層は半導体素子１０の前面１２の上に重なる。この例において、バイアス材料２６は薄い層として塗布されて、それによりバイアス材料が半導体によって吸収される波長の光に対して透明であるようにしている。本開示において用いられるとき、用語「透明な」は対象となる波長の光のかなりの部分がその素子を透過するような素子を意味する。完全な透明性、すなわち、１００％透過することが必要であるわけではない。ここで、半導体素子１０はｎ型であるので、バイアス材料２６は半導体の通常のフェルミ準位Ｅ_ＦＳより下の通常のフェルミ準位Ｅ_ＦＭを有する。換言すれば、通常の状態においてバイアス材料の仕事関数Φｍは半導体の仕事関数より大きい。材料の仕事関数は電子を材料のフェルミ準位から真空へ移動するのに必要なエネルギーである。また、金属の仕事関数はその金属の「電子親和力」と呼ばれる。示されている特定の例において、バイアス材料２６は導電性の金属である。例えば、半導体素子１０が約４．２エレクトロンボルト（「ｅＶ」）の仕事関数を有する１０^１７にｎドープされた硫化カドミウム等のＩＩ−ＶＩ族半導体である場合、バイアス材料２６は約４．７８ｅＶの仕事関数を有する金等の金属とすることができる。本実施形態において、バイアス層２６は透明であるほど十分に薄い金属の層である。その金属は導電性であり、それによりバイアスエージェントは第１の電極としての働きをする。

図１において、半導体素子及び関連する構造体は開放回路、暗状態で示されている。この状態においては、光は半導体上にあたっておらず、電流は半導体を通って流れていない。金属の仕事関数及び半導体の仕事関数は共通のフェルミ準位Ｆ_Ｅによって表されるレベルで平衡状態になる。図示されている金属及び半導体の事例において、平衡フェルミ準位Ｆ_Ｅは、金属の通常のフェルミ準位Ｆ_Ｍに実質的に等しい。換言すれば、半導体のフェルミ準位は平衡フェルミ準位Ｆ_Ｅまで落下する。このことが生じるために、電子は前面１２の近傍の半導体からバイアスエージェントへ移送される。これにより、半導体は、前面１２の近傍の、「空乏領域」ともよばれ、本明細書においては「空間電荷領域」と呼ばれる半導体の領域全体にわたって電子が激減し、したがって正に帯電し、バイアスエージェントは負に帯電する。バイアスエージェント内の電荷は半導体の前面１２に隣接する「デルタ電荷領域（delta charge region）」（図示せず）と呼ばれる通常数オングストローム厚である極端に薄い領域に集められる。前面近傍の半導体の伝導帯内の電子はバイアスエージェント上の負の電荷によって反発される。前面からの距離が漸進的に大きくなると、この反発作用はバイアスエージェントと電子との間に介在する正に帯電した半導体の量が漸進的に大きくなることによって低減される。換言すれば、半導体の空間電荷領域内に電界が存在する。空間電荷領域内の半導体の伝導帯内の任意の電子は電界によって与えられる追加のポテンシャルエネルギーを有し、したがって、空間電荷領域の外側の伝導帯内の電子より高いエネルギー準位にある。このことは上方に曲げられた曲線２０によって表されている。半導体のバンドギャップは固定量であるので、上方に曲げられた曲線２２によって表されているように、価電子帯のエネルギー準位も空間電荷領域内で増加する。一般に、用語「バンド曲がり」は空間電荷領域内のエネルギー準位のゆがみを表現するのに用いられる。これらの曲線における上方曲がりの大きさは半導体１０とバイアスエージェント２６との通常のフェルミ準位間の差に等しい。この差は金属−半導体接合の「ビルトイン電圧」（「Ｖ_ＢＩ」）と呼ばれる。電界の強度は曲線２０のスロープによって表され、漸進的に減少し、図１の線２８によって示されている空間電荷領域の境界においてゼロになる。暗状態、開放回路状態の下での空間電荷領域の厚さｔ_ＳＣは半導体のキャリア濃度、並びにビルトイン電圧Ｖ_ＢＩ及び誘電率に依存する。これらの状態下の厚さｔ_ＳＣは当業者によって直ちに算出される。例として、様々なビルトイン電圧における様々なキャリア濃度にドープされた硫化カドミウムについてのｔ_ＳＣの近似値を下の表Ｉに示す。また、最大電界Ｅ_ＭＡＸも表Ｉに示す。

本実施形態にかかる光起電力セルは第２の電極３０も備える。第２の電極３０は前面１２及び第１の電極２６から厚さ方向に離間されている。換言すれば、電極２６及び３０は互いに触れておらず、厚さ方向にこれらの電極間に非ゼロの距離ｄ_２がある。半導体素子１０の部分はこれらの電極間に配置される。厚さ方向における前面１２と第２の電極３０との距離ｄ_２は暗状態、開放回路状態の下での空間電荷領域の厚さｔ_ＳＣより小さい。換言すれば、第２の電極は暗状態、開放回路状態の下での空間電荷領域内で半導体と接触状態にある。したがって、電極２６及び３０の双方は半導体素子１０の空間電荷領域と接触状態にある。本実施形態において、電極３０はより低エネルギーの光子に対して透明であり、この光子は層１６及び１８によって形成された追加のセルまで通過することができる。実際は、電極３０は、金属の薄い層か、又は導体間の空間を光が透過することができるように互いに離間された複数の不透明の導体のいずれかを含むことができる。図１の実施形態において、第２の電極３０は半導体とオーム接触であると仮定される。したがって、図示の目的で、第２の電極３０は評価可能なバンド曲がりを生じないか、又はそうでない場合は、空間電荷領域内の伝導帯の構成に評価可能な影響を及ぼさない。図１を見れば理解されるように、バイアス材料２６と半導体との間の接合１２から第２の電極へ厚さ方向に電位の勾配が存在する。換言すれば、本実施形態においてこの勾配の方向は厚さ方向と同じである。図１において、スイッチ３１と負荷３３とを備えるように概略的に示されている電気回路２９は電極２６と電極３０との間に接続することができる。

動作中、光は透明のバイアス材料２６を通って半導体の中へと進む。光は前面１２と理論上の境界３６との間の半導体の領域内で吸収される。前面１２からの深さＸにおける光の強度Ｉ_Ｘは以下の等式によって与えられる。
ここで、Ｉ_０は前面１２における光の強度であり、αは、半導体の、その半導体に突き当たる光に対する吸収率である。本開示において特段の指定がなされない限り、αの値は半導体のバンドギャップより大きなエネルギーを有する太陽光線の部分に関する平均値としてとられるべきである。

本開示において用いられるとき、吸収領域の厚さｔ_Ａはα^−１に等しい深さｘに等しくなるようにとられる。この深さにおいて、Ｉ_Ｘ／Ｉ_０はｅ^−１、すなわち、約０．３７に等しい。換言すれば、ｔ_Ａは入ってくる光子の約６３％が吸収される深さｘである。この厚さｔ_Ａは空間電荷領域の厚さｔ_ＳＣより大きく、又は小さくすることができるが、ｔ_Ａはｔ_ＳＣより小さいことが好ましい。ここでもまた例として、硫化カドミウムは約４０００オングストローム厚の吸収領域を提供する。

光の光子が吸収されることによって電子が価電子帯から伝導帯へ励起される。このことは図１における矢印３２によって象徴的に表されている。したがって、光が吸収されることによって半導体のキャリア濃度が増加する。光子エネルギーの結果として形成される追加のキャリアは空間電荷領域内の電位の勾配によって加速される。したがって、電子は前面から遠ざかり第２の電極に向かって移動し、一方、正孔は前面１２並びにバイアス材料及び電極２６に向かって移動する。電子は第２の電極３０へと進み、それにより第２の電極はバイアスエージェント及び第１の電極２６に対して負に帯電した状態になる。少数キャリア（図示されているｎ型半導体の場合、正孔）の数が増加することは、暗状態下において存在している少数キャリアの数が少ないことに関連して特に重要な意味を持っている。少数キャリアの蓄積は空間電荷領域の厚さを減少させる傾向がある。このことは、図１において境界２８’によって概略的に示されている。図１に示されているように、第２の電極３０は空間電荷領域の減少した厚さ内に配置されることが望ましい。例えば、地上用途を意図している光起電力セルにおいて、セルが１ Ｓｕｎの照射（one Sun illumination）を受けているとき、第２の電極は空間電荷領域の厚さ内にあることが望ましい。本開示において用いられるとき、用語「Ｓｕｎ」は平方メートルあたり１０００ワットの強度と地上に突き当たる太陽エネルギーのスペクトルに対応するスペクトルとを有する光を指す。このスペクトルはＡＭ１．５スペクトルと呼ばれる。開放回路状態下で外部回路３０に電流が流れていない状態での電極間の電位差の大きさは半導体のバンドギャップより小さい。スイッチ３１が閉じられるとき、電子は外部回路を通って第２の電極３０から第１の電極、この事例ではバイアス材料２６まで流れ、正孔と結合する。半導体内の内部電流は光電流と呼ばれ、図１において矢印Ｉ_{ＰＨＯＴＯ}によって象徴的に表されている。

空間電荷領域内に存在する電界によってキャリア、特に電子が比較的高い速度へ加速される。さらに、電極間の空間が比較的狭いことにより、それらのキャリアが移動する距離が最短化される。このことは、素子１０を構成する半導体が直接半導体（direct semiconductor）であり、光子吸収プロセスが直接吸収プロセスである場合に特に重要である。本開示において用いられるとき、用語「直接遷移」は、別の粒子若しくは波との相互作用又は別の粒子若しくは波の生成を必要としない、電子の価電子帯から伝導帯への量子遷移によって光子が吸収されるプロセスを指す。こうした直接遷移プロセスは間接遷移プロセスと対比されるべきであり、間接遷移プロセスは、通常、「フォノン」、すなわち、半導体材料内の振動波との相互作用を含む。用語「直接半導体」は直接遷移プロセスにおいて光子の吸収が可能な半導体を指す。直接遷移プロセスは２つの粒子又は波、すなわち、光子及び電子のみの相互作用を含むので、吸収プロセスは、突き当たる光子が少なくともバンドギャップに等しいエネルギーを有する場合に生じやすい。したがって、直接半導体は非常に効率的な吸収材として機能する。しかしながら、逆の遷移、すなわち、「キャリア再結合」と呼ばれる電子が伝導帯から価電子帯へと降下することも直接半導体内で生じやすい。換言すれば、キャリア再結合は間接半導体内より直接半導体内においてはるかにより迅速に発生する。キャリアは図１に示されているセルの電極間の領域内において逆の方向に迅速に移動し、電極間の距離が短いので、かなりの数のキャリアは電極に到達するのに十分な時間存続し、それによりかなりの電流をセルによって生成することが可能である。

対照的に、「ショットキーダイオード」と呼ばれる従来の構造体において、第２の電極は空間電荷領域のはるか外側のロケーションにおいて半導体と接触状態にある。光子吸収によって生成されたキャリアは半導体の広大な領域を通って拡散しなければならず、その広大な領域は空間電荷領域に関連付けられる電界の支配下にはない。したがって、キャリアは電極に到達するまでの延長された滞留時間持続しなければならない。こうした直接半導体から光起電力セルとして形成されたショットキーダイオード構造体を用いる試みは広範囲にわたるキャリア再結合を被り、減少した出力電流しか生成しない。

図１において示されている半導体素子１０を組み込むセルは直接半導体を用いて作製することが可能である。さらに、そのセルはｐ−ｎ接合を組み込んでいない。したがって、このセルは幅広い多様な半導体から作製することが可能である。例えば、ｐ型に作製することが困難な半導体を用いることが可能である。或る特定の半導体は意図的にドーパントを加えなくてもｎ型にドープされた状態を呈する。こうした半導体を用いるとき、半導体素子１０を組み込むセルは何ら意図的にドープすることなく製造することが可能である。

素子１０内の半導体のバンドギャップより小さいエネルギーを有する光子は吸収されることなく半導体を通過し、透明電極３０及び２１を通過する。それにより、それらの光子は層１６及び１８によって構成された追加の光起電力セルに到達する。このセルはこれらの光子を吸収し、電極２１と電極２３との間に電位を生成する。これらの電極は任意の構成の更なる外部回路（図示せず）に接続することが可能である。こうした回路の１例において、追加の層１６及び１８に関連付けられる電極は半導体素子１０に関連付けられる電極２６及び３０と直列に接続される。したがって、このデバイスは全体として複合セルとして機能し、短波長の光が素子１０を備える前方セルにおいて吸収されて電力に変換され、長波長の光が層１６及び１８を組み込む後方セルにおいて電力に変換される。更なる実施形態において、層１６及び１８によって構成される追加のセルが省略される場合があり、第２の電極３０は反射性を有することができる。こうした構成において、第２の電極は任意の吸収されなかった光を第１の電極と第２の電極との間の空間へと後ろに向かわせる。反射された光は半導体素子１０のバンドギャップより大きなエネルギーを有するいくつかの光子を含む。これらの光子は第１の電極２６に戻ってくると少なくとも部分的に吸収されることになる。更なる変形形態において、層１６及び１８によって形成される追加のセルは図１に示しているように提供されるが、第２の電極３０は選択的な反射性を有する構造体として形成される。構造体は高エネルギー光子を第１の電極２６に向かって後ろに反射するが、低エネルギー光子に対しては透明である。この構成の変形形態において、後方のセルは透明電極を組み込むことができ、低バンドギャップ半導体から形成される１つ又は複数の追加のセルを後方セルの背後に配置することができ、これにより追加のセルが更に低い波長の光を吸収するようにする。更なる変形形態において、半導体本体は１つ又は複数の追加のセルを素子１０の前方に備えることができ、それらの追加のセルは素子１０の材料より大きなバンドギャップを有する半導体から形成される。

本発明の更なる実施形態にかかる光起電力セル（図２）は図１を参照して上記で説明したセルと類似している。しかしながら、この事例においては、半導体素子全体が第１の電極及びバイアス材料１２６と第２の電極１３０との間に配置された半導体材料の層だけからなる。本実施形態において、半導体素子の全体が空間電荷領域の通常の厚さより小さい厚さを有する。ここでもまた、双方の電極は空間電荷領域と接触状態にある。本実施形態において、第２の電極１３０は金属層１３１と、導体素子１１０と接触状態にある高濃度にドープされた半導体材料の薄い層１１１とを備える。図示される特定の例において、半導体素子１１０はここでもまたｎ型であり、層１１１は一般にｎ＋層と呼ばれるものである。層１１１は半導体本体１１０の残りの部分と同じ導電性タイプ、すなわち、ｎ型であるが、高いキャリア濃度を有しているので或る意味で金属のように働く。こうした層は半導体本体１１０と第２の電極１３０の金属層との間の導通を促進することができる。第２の電極１３０に到達するかなりの数の電子が第２の電極における電子の高濃度を維持するのに役立つ。第２の電極における電子の濃度が十分に高い場合、ドーピングによって形成されるｎ^＋層は不要とすることができる。

本発明の更に別の実施形態にかかる光起電力セル（図３）は図１及び図２のセルと類似しているが、半導体本体２１０が全体的にｐ型半導体から形成されていることは除外される。この事例において、バイアス層２２６は半導体２１０のフェルミ準位より高いフェルミ準位と半導体の仕事関数より低い仕事関数とを有する材料から形成される。本実施形態においても同様に、バイアス材料は半導体内にバンド曲がりを生じさせる。ここでもまた、バイアス材料２２６と第２の電極２３０との間の厚さ方向の間隔、すなわち、距離は空間電荷領域の厚さより小さく、それにより第２の電極２３０は空間電荷領域内に配置される。電流の方向が逆であることを除いてこのセルの動作は上記で説明したものと同様である。

本発明の更なる実施形態にかかるセルが図４及び図５において示されている。このセルは半導体素子の第１の表面３１２の上に重なる複数の電極素子３０１を組み込む第１の電極を備え、１つのこうした素子が図５に示されている。個々の電極素子は図４において概略的に示されているワイヤトレース３０３によって互いに導通状態で接続される。ワイヤトレースは第１の表面３１２の必要最小限の面積のみを覆うような実用的な細さであることが望ましい。

また、バイアスエージェント３２６は半導体素子の第１の表面３１２の上に重なる。バイアスエージェント３２６は、本明細書において「こうした表面の第１の部分」と呼ばれる第１の表面の広大な部分を覆うことが望ましい。対照的に、電極素子３０１は第２の、第１の表面３１２のより狭い部分を覆うことが望ましい。換言すれば、電極素子３０１はバイアスエージェントが存在していない第１の表面３１２のエリア上に提供される。各電極素子は金属層等の１つ又は複数の導電性層を備えることが望ましい。図示される特定の実施形態において、各電極素子３０１は第１の金属層３０５と、第１の表面と接触状態にある第２の金属層３０７とを備える。他の変形形態において、１つのみの金属層、又は３つ以上の金属層を用いることができる。電気的絶縁体３０９が各電極素子３０１を取り囲み、それにより電極素子、したがって全体として第１の電極はバイアスエージェント３２６と直接導電性の接触状態にはない。ワイヤトレース３０３（図４）もそのバイアス素子から絶縁される。バイアスエージェント３２６は透明であることが望ましいが、導体か又は高濃度ドープされた半導体かのいずれかとすることができる。例えば、半導体３１０がｎ型である場合、バイアスエージェント３２６はｐ＋型半導体３２７の薄い層を備えることができ、ｐ＋型半導体３２７と表面３１２を画定する半導体素子との間に任意選択的に遷移層３２９を備えてそれらの素子の格子適合を改良することができる。バイアスエージェントはセルを通る導電経路の一部分を形成せず、また、半導体素子３１０の一部ではない。したがって、ここでもまた、電極間に配置される半導体素子３１０は全体的にｎ型半導体から構成される。ｐ＋エージェントによる広バンドギャップのｎ型半導体のバイアスは程度の大きなバンド曲がりと高いビルトイン電圧とを生じさせることができる。このことは遷移層が引き起こすビルトイン電圧のいかなる低減をも緩和することができる。

セルは抵抗負荷等の外部負荷３３１に接続されているように示されている。動作中、図５において矢印ｈ_γによって示されているように、光はバイアスエージェントを通って半導体本体内へと進む。一方、電極素子３０１と整列されている半導体本体の領域は実質的に照射されないままとなる。したがって、これらの領域は光生成キャリアを有せず、バイアスエージェントと整列されている領域よりはるかに低い導電性を有することになる。

電極素子から離れた半導体の領域において、セルは上記で検討した実施形態と非常によく似た動作をする。したがって、Ｉ_{ＰＨＯＴＯ}と名付けられた矢印によって象徴的に示されている光電流は第２の電極３３０と第１の表面３１２との間の厚さ方向に流れる。第１の表面３１２におけるキャリア濃度が十分に高い場合、電極素子３０１から離れたセルのエリア内の光電流も電極素子に向かって表面３１２に沿って厚さ方向を横切る方向に流れ、それにより光電流は電極素子を通って、外部負荷３３１を通って第２の電極３３０へと戻って進む。

負荷３３１の両端の電圧差は第１の電極の電極素子３０１と第２の電極との間の外部バイアス電圧として現れる。この外部バイアスはバンド曲がりの効果を減殺する傾向がある。換言すれば、負荷が課された外部バイアスはバイアスエージェントによって課された空間電荷領域内の電界を減殺する。例えば、曲線３２０が外部バイアス電圧が存在しない状態の半導体の伝導帯を概略的に表している一方、曲線３２１は外部バイアス電圧が存在する状態の伝導帯を概略的に表している。この効果によって半導体を通るキャリアを駆動する電界が減少し、したがって、光電流を減少させる傾向がある。加えて、図５において矢印Ｉ_ＤＡＲＫによって象徴的に示されているように外部バイアス電圧は光電流と逆方向の電流を生成する傾向がある。このことによってセル内を流れる正味の電流が低減される。

しかしながら、外部バイアス電圧は電極素子３０１と第２の電極３３０との間に印加されるので、これらの影響は主に電極素子に整列される半導体本体の領域内で発生する。これらの領域はセルの比較的小さな部分を構成している。半導体のこれらの領域は実質的に照射されず、非常に低いキャリア濃度を有しているので、Ｉ_ＤＡＲＫは前面全体を覆っている第１の電極を有する同種のセルの場合のものより小さくなる。また、電極素子から離れた半導体のこれらの領域は、半導体内のバイアスに関連した電界の低減が少なくなることになる。これらの要因が図４及び図５に示されているようなセルの性能を高めると考えられる。

本発明の更なる実施形態にかかるセル（図６）は、例えば、シリコンのような間接半導体から形成された半導体素子４１０を備える。セルは複数の電極素子４０１を組み込む第１の電極を有し、図６においてそれらのうちの１つのみが示されている。電極素子４０１は半導体素子の第１の表面４１２上において互いに離間されている。また、セルは図４及び図５を参照して上記で説明したものと類似のバイアスエージェント４２６と絶縁体４０９とを備える。このセルにおいて、バイアスエージェントと半導体との間の相互作用が暗状態、開放回路状態の下での厚さｔ_ＳＣを有する空間電荷領域を形成する。第２の電極４３０は空間電荷領域の外側のロケーションにおいて半導体と接触状態にある。このセルにおいて、前面４１２と第２の電極４３０との間の距離ｄ_２はｔ_ＳＣより大きい。示されている特定の例はｎ型の半導体を組み込んでいる。空間電荷領域の境界４２８と第２の電極４３０との間の領域において、暗状態下では電界は存在しない。このことは図６において概略的に示されている伝導帯Ｅ_Ｃの平坦な部分によって示されている。動作中、空間電荷領域内で生成された電子は空間電荷領域内の電界の影響下で境界４２８に向かって進み、つぎに、境界４２８から第２の電極４３０へ向かって拡散する。半導体は間接半導体であるので、キャリアは電極に到達するのに十分な寿命を有する。このセルにおいて、離間された電極素子４０１を、電極素子から絶縁されたバイアスエージェント４２６と併せて使用することは図４及び図５を参照して上記で説明したものと類似の利点を提供する。

上記で検討した素子の数多くの変形形態及び組合せを使用することが可能である。例えば、図４〜図６を参照して上記で検討した実施形態において、電極素子は図示されているような分離された円形の素子の形態である必要はない。１つの変形形態において、電極素子は互いに平行に延在している細長いストリップの形態であり、ストリップの長手方向を横切る方向に互いに離間されている。細長いストリップ電極素子を備える構成において、ワイヤトレース３０３（図４）は省略される場合がある。個々の電極素子の金属層はストリップの長手方向に延在することができ、したがって、電流を共通の導体まで搬送する役割を果たすことができる。個々の電極素子を電気的に接続する他の構造体を用いることもできる。

他の実施形態において、固体層として示されている様々な電極は各々が互いに離間された素子の組を備える複合電極として形成することが可能である。これらの素子は不透明とすることができるが、全体としての複合電極は実質的に透明になる。別の変形形態において、光は半導体素子の背面を通って図２又は図３において示されているようなセル内へと向けることができる。

更なる変形形態において、半導体素子は、バイアスエージェント及び半導体の第１の表面の上に重なる半導体の追加の層を備えるより大きな半導体本体の一部分として形成される。この構成において、バイアスエージェントはより大きな半導体本体内に配置される。この構成においても、バイアスエージェントは半導体素子の面上に重なる。

上記で検討した実施形態において、バイアスエージェントは半導体素子と直接接触した状態にある。しかしながら、バイアスエージェントは従来のＭＩＳ接合において使用されているような絶縁体の薄い層によって半導体素子から分離することができる。例えば、こうした絶縁層は図５に示されている遷移層３２９の代わりに用いることが可能である。こうした構成は、ビルトイン電圧Ｖ_ＢＩを低下させるのであまり好ましくない。

本発明は特定の実施形態を参照しながら本明細書において説明されてきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び応用形態を例示するにすぎないことは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に数多くの変更を加えることができること、及び他の構成を考案することができることは理解されたい。

Claims (41)

1. （ａ）前面と、背面と、該面間の厚さ方向とを有する半導体素子であって、全体的にｎ型半導体から構成されるか、又は全体的にｐ型半導体から構成される半導体素子と、
   （ｂ）前記面のうちの第１の面の上に重なるバイアスエージェントであって、前記半導体素子内にバンド曲がりを生じさせ、それにより前記半導体素子内に空間電荷領域が現れ、該空間電荷領域全体にわたって前記厚さ方向に単一方向の電位の勾配が存在するようにする、バイアスエージェントと、
   （ｃ）前記厚さ方向に互いに離間された前方電極及び後方電極であって、該電極の各々は開放回路下で照射なしの状態において前記空間電荷領域内で前記半導体素子と接触状態にある、前方電極及び後方電極と、
   を備える、光起電力セル。
2. 前記前方電極及び前記後方電極は、開放回路状態の下で、１ Ｓｕｎ照射下において前記空間電荷領域内で前記半導体素子と接触状態にある、請求項１に記載の光起電力セル。
3. 前記半導体素子は前記前方電極と前記後方電極との間に配置される半導体材料の層の形態である、請求項１に記載の光起電力セル。
4. 前記空間電荷領域は前記層の厚さ全体にわたって延在する、請求項２に記載の光起電力セル。
5. 前記半導体素子は直接半導体である、請求項１に記載の光起電力セル。
6. 前記半導体素子は広バンドギャップ半導体である、請求項５に記載の光起電力セル。
7. 前記半導体素子は全体的にｎ型半導体からなる、請求項５に記載の光起電力セル。
8. 前記半導体素子は意図せずにドープされたｎ型半導体を含む、請求項７に記載の光起電力セル。
9. 前記半導体素子はＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む、請求項７に記載の光起電力セル。
10. 前記半導体素子は全体的にｐ型半導体からなり、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位より高いフェルミ準位を有する、請求項５に記載の光起電力セル。
11. 前記半導体素子はＩＩ−ＶＩ族半導体を含む、請求項１に記載の光起電力セル。
12. 前記バイアスエージェントは金属である、請求項１に記載の光起電力セル。
13. 電極のうちの１つは前記バイアスエージェントを含む、請求項１２に記載の光起電力セル。
14. 前記金属は透明である、請求項１２に記載の光起電力セル。
15. 前記電極のうちの少なくとも１つは前記半導体素子と接触する高濃度にドープされた半導体領域を含む、請求項１に記載の光起電力セル。
16. 前記バイアスエージェントは前記面のうちの前記第１の面の第１の部分の上にのみ重なり、前記電極のうちの１つは前記面のうちの前記第１の面の第２の部分と接触状態にあるが、前記バイアスエージェントと直接導電性の接触状態にない、請求項１に記載の光起電力セル。
17. 前記バイアスエージェントは透明である、請求項１６に記載の光起電力セル。
18. （ａ）半導体素子の空間電荷領域全体にわたって単一方向の電位の勾配を勾配方向に維持するステップと、
    （ｂ）前記維持するステップの間、光を前記空間電荷領域内へと向け、それにより前記光のうちの少なくともいくらかが前記半導体によって吸収され、該吸収された光が電子を前記価電子帯から前記伝導帯へと励起するようにするステップと、
    （ｃ）前記勾配方向に互いに離間され、前記空間電荷領域内の又は該空間電荷領域の近傍の前記半導体と接触状態にある、１対の電極において電流を収集するステップと、
    を含む、電気を生成する方法。
19. 前記収集するステップの間、前記電極は前記空間電荷領域内において前記半導体と接触状態にある、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電位の勾配を維持するステップは、バイアスエージェントと並列に前記半導体を維持することによって実行され、それにより前記バイアスエージェントは前記半導体内にバンド曲がりを生成する、請求項１８に記載の方法。
21. 前記半導体素子の空間電荷領域内の前記半導体は全体的にｐ型半導体又は全体的にｎ型半導体からなる、請求項１８に記載の方法。
22. 前記空間電荷領域内の前記半導体は全体的にｎ型半導体からなる、請求項２１に記載の方法。
23. 前記光は直接遷移プロセスにおいて前記半導体によって吸収される、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
24. （ａ）第１の面と、第２の面と、該面間の厚さ方向とを有する半導体素子と、
    （ｂ）前記第１の面の第１の部分のみの上に重なるバイアスエージェントであって、前記半導体素子内にバンド曲がりを生じさせる、バイアスエージェントと、
    （ｃ）前記第１の部分から分離した前記第１の面の第２の部分の上に重なるとともに該第２の部分と接触する第１の電極であって、前記バイアスエージェントと直接導電性の接触状態にない、第１の電極と、
    （ｄ）前記第１の面から離間したロケーションにおいて前記半導体素子と接触する第２の電極と、
    を備える、光起電力セル。
25. 前記半導体素子は前記第１の面と前記第２の電極との間に第１の領域を有し、該第１の領域は全体的にｐ型又は全体的にｎ型である、請求項２４に記載の光起電力セル。
26. 前記第２の電極は前記半導体素子の前記第２の面の少なくとも一部分の上に重なるとともに該少なくとも一部分と接触する、請求項２５に記載の光起電力セル。
27. 前記第１の電極は前記半導体素子の前記第１の面上において互いに離間された複数の電極素子を備える、請求項２４に記載の光起電力セル。
28. 各電極素子は前記第１の面と接触状態の導電性材料と、該導電性材料を前記バイアスエージェントから分離する誘電体材料とを備える、請求項２７に記載の光起電力セル。
29. 前記バイアスエージェントは透明であり、前記電極素子の各々は不透明材料を含む、請求項２７に記載の光起電力セル。
30. 前記第２の電極は前記半導体素子とオーム接触状態にある、請求項２４に記載の光起電力セル。
31. 前記第２の電極は前記半導体素子と接触状態にある高濃度にドープされた半導体層と、前記高濃度にドープされた半導体層と接触状態にある金属とを備える、請求項３０に記載の光起電力セル。
32. 前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第１の面と接触状態にある透明金属を含む、請求項２４に記載の光起電力素子。
33. 前記バイアスエージェントは前記半導体素子の前記第１の面上に重なる透明な高濃度にドープされた半導体層を含む、請求項２４に記載の光起電力セル。
34. 前記半導体素子はｎ型半導体であり、前記バイアスエージェントは前記半導体素子の通常のフェルミ準位より低いフェルミ準位を有する、請求項２４に記載の光起電力セル。
35. 前記半導体素子はＩＩＩ−Ｖ族半導体と、ＩＩ−ＶＩ族半導体と、ＩＶ族半導体とからなる群から選択される、請求項３４に記載の光起電力セル。
36. （ａ）半導体の第１の表面の第１の部分を、該半導体の通常のフェルミ準位と異なるフェルミ準位を有するバイアスエージェントと接触状態に維持する一方で、前記第１の表面の第２の部分を第１の電極と接触状態に維持するとともに前記第１の接触部を前記バイアスエージェントと直接導電性の接触をしていない状態に維持する、ステップと、
    （ｂ）ステップ（ａ）の間、第２の接触部を、前記第１の表面から離れたロケーションにおいて前記半導体と接触状態に維持するステップと、
    （ｃ）ステップ（ａ）及びステップ（ｂ）の間、光を半導体内へと向け、それにより前記光のうちの少なくともいくらかが前記半導体によって吸収され、該吸収された光が電子を前記価電子帯から前記伝導帯へと励起するようにするステップと、
    （ｄ）前記電極において結果として生じる電流を収集するステップと、
    を含む、電気を生成する方法。
37. 前記電極間の負荷を通るように前記電流を向けることを更に含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記第１の接触部に整列された前記半導体の領域内への光の透過をブロックするステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
39. 前記第１の接触部は不透明であり、前記ブロックするステップは前記第１の接触部によって少なくとも部分的に実行される、請求項３８に記載の方法。
40. 前記半導体は直接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項３６に記載の方法。
41. 前記半導体は間接遷移プロセスにおいて前記光を吸収する、請求項３６に記載の方法。