JP2615404B2 - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JP2615404B2 JP2615404B2 JP5113905A JP11390593A JP2615404B2 JP 2615404 B2 JP2615404 B2 JP 2615404B2 JP 5113905 A JP5113905 A JP 5113905A JP 11390593 A JP11390593 A JP 11390593A JP 2615404 B2 JP2615404 B2 JP 2615404B2
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/545—Microcrystalline silicon PV cells
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、長波長域の入射光も吸
収して光電変換効率を高めた太陽電池に関するものであ
る。
収して光電変換効率を高めた太陽電池に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】現在、生活あるいは産業のために利用す
る大部分のエネルギーは、化石を燃焼することによって
賄っている。この化石資源は将来枯渇するため、代替エ
ネルギー変換技術が求められている。その技術の１つと
して検討されているのが半導体のｐｎ接合を用いて光を
電気に変換するものであり、この半導体装置は太陽電池
と呼ばれている。
る大部分のエネルギーは、化石を燃焼することによって
賄っている。この化石資源は将来枯渇するため、代替エ
ネルギー変換技術が求められている。その技術の１つと
して検討されているのが半導体のｐｎ接合を用いて光を
電気に変換するものであり、この半導体装置は太陽電池
と呼ばれている。
【０００３】図８にその構造を示すが、この例はｎ型半
導体層２にｐ型半導体層５を接合した半導体装置であ
る。この半導体装置に対応したエネルギーバンドプロフ
ァイルを図９に示す。図９で、２０はフェルミ準位、２
１は価電子帯、２２は伝導帯を示す。接合付近に光Ｌを
当てると、ｎ型半導体層２，ｐ型半導体層５のエネルギ
ーギャップ以上の光Ｌがこれらの材料内で吸収される。
固体内部の価電子帯２１にある電子ｅが励起経路１０を
通って伝導帯２２にたたきあげられ、価電子帯２１には
ホールｈができる。そして伝導帯２２の電子ｅはｐ型半
導体層５からｎ型半導体層２へ流れ、ホールｈはそれと
逆方向に流れる。変換された電力は電極１および電極６
を設けることによって取り出すことが可能である。
導体層２にｐ型半導体層５を接合した半導体装置であ
る。この半導体装置に対応したエネルギーバンドプロフ
ァイルを図９に示す。図９で、２０はフェルミ準位、２
１は価電子帯、２２は伝導帯を示す。接合付近に光Ｌを
当てると、ｎ型半導体層２，ｐ型半導体層５のエネルギ
ーギャップ以上の光Ｌがこれらの材料内で吸収される。
固体内部の価電子帯２１にある電子ｅが励起経路１０を
通って伝導帯２２にたたきあげられ、価電子帯２１には
ホールｈができる。そして伝導帯２２の電子ｅはｐ型半
導体層５からｎ型半導体層２へ流れ、ホールｈはそれと
逆方向に流れる。変換された電力は電極１および電極６
を設けることによって取り出すことが可能である。
【０００４】ところで、太陽電池を実用化する際の鍵は
経済性で、製作コストに対して得られる電力は多い方が
よい。また、太陽電池は光を受ける面積に比例して電力
を得ることが可能であるが、光電変換効率をあげて太陽
電池の設置面積を減らす必要もある。光電効率は太陽電
池の材料の吸収特性と、この太陽電池に入射する光の分
布によって決まる。吸収曲線からのみで判断すると、長
波長域まで吸収可能なアモルファスＳｉが有利である。
実際にこれが理由で、従来はアモルファスＳｉが注目さ
れていた。しかし吸収効率を含めて考えると、結晶Ｓｉ
の方が有利で、近年この材料の方に注目が移ってきてい
る。
経済性で、製作コストに対して得られる電力は多い方が
よい。また、太陽電池は光を受ける面積に比例して電力
を得ることが可能であるが、光電変換効率をあげて太陽
電池の設置面積を減らす必要もある。光電効率は太陽電
池の材料の吸収特性と、この太陽電池に入射する光の分
布によって決まる。吸収曲線からのみで判断すると、長
波長域まで吸収可能なアモルファスＳｉが有利である。
実際にこれが理由で、従来はアモルファスＳｉが注目さ
れていた。しかし吸収効率を含めて考えると、結晶Ｓｉ
の方が有利で、近年この材料の方に注目が移ってきてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】結晶Ｓｉ太陽電池はア
モルファスＳｉ太陽電池に比べ実効変換効率で優れてい
るが、この太陽電池はエネルギースペクトルが１．１２
μｍより長波長の光は吸収して電力変換することができ
ない。日中の地上での太陽エネルギースペクトルは０．
５μｍ付近が最大値になっており、この付近で結晶Ｓｉ
の吸収係数も大きく、結晶Ｓｉ太陽電池にとっては有利
な分布になっている。しかし、太陽エネルギースペクト
ルは２μｍ以上の長波長側までも分布している。そし
て、結晶Ｓｉの吸収係数は、短波長側から１．１２μｍ
の吸収端（吸収限界）に近づくにつれ指数関数的に減少
するので、有効に利用できていない波長領域はかなり多
い。
モルファスＳｉ太陽電池に比べ実効変換効率で優れてい
るが、この太陽電池はエネルギースペクトルが１．１２
μｍより長波長の光は吸収して電力変換することができ
ない。日中の地上での太陽エネルギースペクトルは０．
５μｍ付近が最大値になっており、この付近で結晶Ｓｉ
の吸収係数も大きく、結晶Ｓｉ太陽電池にとっては有利
な分布になっている。しかし、太陽エネルギースペクト
ルは２μｍ以上の長波長側までも分布している。そし
て、結晶Ｓｉの吸収係数は、短波長側から１．１２μｍ
の吸収端（吸収限界）に近づくにつれ指数関数的に減少
するので、有効に利用できていない波長領域はかなり多
い。
【０００６】日常的な電力源以外に、太陽電池は、局所
的な電力源として利用価値がある。例えば、海底ケーブ
ルなどの接続点での信号増幅器や海底観察装置の電力を
賄うための利用等が考えられる。海底では地上に比べて
可視光の分布が極度に小さくなっており、水の吸収帯域
を除けば赤外線の方が強く分布する。長波長域の赤外線
を主光源として光電変換に利用できる太陽電池が無いた
め、こういった局所的な利用ができていない。
的な電力源として利用価値がある。例えば、海底ケーブ
ルなどの接続点での信号増幅器や海底観察装置の電力を
賄うための利用等が考えられる。海底では地上に比べて
可視光の分布が極度に小さくなっており、水の吸収帯域
を除けば赤外線の方が強く分布する。長波長域の赤外線
を主光源として光電変換に利用できる太陽電池が無いた
め、こういった局所的な利用ができていない。
【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、量子井戸層または超格子層を用いて長波
長域の光電変換効率を高めた太陽電池を提供することを
目的とする。
されたもので、量子井戸層または超格子層を用いて長波
長域の光電変換効率を高めた太陽電池を提供することを
目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる太陽電池
は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の２つの半導体層
からｐｎ接合を形成し、入射光を光電変換して前記２つ
の半導体層にそれぞれ接続された電極より電力として取
り出す太陽電池において、量子井戸層または超格子層を
前記ｐｎ接合部内に設け、前記量子井戸層または超格子
層と、前記２つの半導体層との間の少なくとも一方にポ
テンシャルを連続的に変化させたグレーディッド層を設
けたものである。
は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の２つの半導体層
からｐｎ接合を形成し、入射光を光電変換して前記２つ
の半導体層にそれぞれ接続された電極より電力として取
り出す太陽電池において、量子井戸層または超格子層を
前記ｐｎ接合部内に設け、前記量子井戸層または超格子
層と、前記２つの半導体層との間の少なくとも一方にポ
テンシャルを連続的に変化させたグレーディッド層を設
けたものである。
【０００９】また、量子井戸層または超格子層と、２つ
の半導体層との間の少なくとも一方にポテンシャルを連
続的に変化させたグレーディッド層を設けたものであ
る。
の半導体層との間の少なくとも一方にポテンシャルを連
続的に変化させたグレーディッド層を設けたものであ
る。
【００１０】
【作用】本発明においては、接合部に量子井戸層または
超格子層が設けられているので、長波長領域の光も吸収
され、光電変換効率が向上する。
超格子層が設けられているので、長波長領域の光も吸収
され、光電変換効率が向上する。
【００１１】また、グレーディッド層があるので、ポテ
ンシャル壁が実効的に下がるため光電変換効率がさらに
向上する。
ンシャル壁が実効的に下がるため光電変換効率がさらに
向上する。
【００１２】
【実施例】〔原理説明〕 図１は、本発明の原理を説明するための構成図である。
この例は、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層５でつくるｐ
ｎ接合部分に、量子井戸ポテンシャル構造になるような
半導体の量子井戸層３を挟み込んだ構造の太陽電池であ
る。量子井戸構造は吸収効率が高いため発光素子ではよ
く使われているが、太陽電池の場合には使うことができ
なかった。その一例を図６，図７によって説明する。
この例は、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層５でつくるｐ
ｎ接合部分に、量子井戸ポテンシャル構造になるような
半導体の量子井戸層３を挟み込んだ構造の太陽電池であ
る。量子井戸構造は吸収効率が高いため発光素子ではよ
く使われているが、太陽電池の場合には使うことができ
なかった。その一例を図６，図７によって説明する。
【００１３】図６の例ではｐ型半導体層５間に量子井戸
層３が挟み込まれている。この構造に対するエネルギー
バンドプロファイルを図７に示す。さて、光Ｌが入射す
ると電子ｅは通常の励起経路１０，１４に加えて励起経
路１３を介して伝導帯２２に励起され、価電子帯２１に
ホールｈをつくる。後者の励起効率は非常に高い。しか
し、励起された電子ｅやホールｈはポテンシャル壁３０
および３１のため流れることができず太陽電池として機
能しない。
層３が挟み込まれている。この構造に対するエネルギー
バンドプロファイルを図７に示す。さて、光Ｌが入射す
ると電子ｅは通常の励起経路１０，１４に加えて励起経
路１３を介して伝導帯２２に励起され、価電子帯２１に
ホールｈをつくる。後者の励起効率は非常に高い。しか
し、励起された電子ｅやホールｈはポテンシャル壁３０
および３１のため流れることができず太陽電池として機
能しない。
【００１４】これを解決するためには、量子井戸層３を
図１に示すようにｐｎ接合に挟み込む位置に設ければよ
い。この構造に対するエネルギーバンドプロファイルを
図２に示す。励起された電子ｅは量子トンネル経路５０
を通じて量子トンネル過程あるいは熱活性化プロセスに
よりｐ型半導体層５からｎ型半導体層２へ流れ、励起に
伴って形成されたホールｈは同様に量子トンネル経路５
１を通ってｎ型半導体層２からｐ型半導体層５へ流れる
ことが可能になる。これらの過程は、ｐｎ接合によるバ
ンドの傾斜によってポテンシャル壁３０および３１の高
さおよび厚みが実効的に短くなったため可能になったの
である。
図１に示すようにｐｎ接合に挟み込む位置に設ければよ
い。この構造に対するエネルギーバンドプロファイルを
図２に示す。励起された電子ｅは量子トンネル経路５０
を通じて量子トンネル過程あるいは熱活性化プロセスに
よりｐ型半導体層５からｎ型半導体層２へ流れ、励起に
伴って形成されたホールｈは同様に量子トンネル経路５
１を通ってｎ型半導体層２からｐ型半導体層５へ流れる
ことが可能になる。これらの過程は、ｐｎ接合によるバ
ンドの傾斜によってポテンシャル壁３０および３１の高
さおよび厚みが実効的に短くなったため可能になったの
である。
【００１５】こうした原理による本発明の実用性を実証
するために、具体的な作成例について検討してみる。結
晶ＳｉにＧａとＡｓをドーピングしたｎ型半導体層２と
ｐ型半導体層５を形成する。この間に、ＳｉおよびＧｅ
の組成比を８０％対２０％とする混晶半導体層を形成し
て、これを量子井戸層３とする。ＳｉＧｅ混晶は臨界膜
厚内であればＳｉ結晶の面内格子定数に合致させて無転
位成長で形成できること（例えば P.Peaple and J.C.Be
an : Appl.Phys.Lett.47(1985)322 およびAppl.Phys.Le
tt.49(1986)229の論文参照）が報告されている。この結
晶の臨界膜厚は１５０ｎｍであり、量子井戸構造を作成
する厚みとしては充分である。バンドギャップはＳｉの
１．１７ｅＶに比べて０．１７ｅＶ低くなり、この波長
は１．２４μｍに相当する。Ｓｉ結晶中に埋め込んだ際
に、図２に示すような量子井戸構造になっていることは
既に確かめられている（例えば R.People and J.C.Bean
:Appl.Phys. Lett.48(1986)538を参照）。また、フォ
トルミネッセンス測定によって光の吸収係数が上昇して
いることも確かめられている（例えばS.Fukatsu,N.Usam
i and Y.Shiraki : Jpn.J.Appl.Phys.31(1992)L1018 を
参照）。従って、この太陽電池はＳｉ結晶の吸収限界で
ある１．１２μｍより長波長域の光を利用できることに
なる。ｐｎ接合を作成している母体のＳｉ自身の吸収に
よる光電変換も利用できるので、ここで述べた構造の太
陽電池の実効変換効率は上昇することは明らかである。
するために、具体的な作成例について検討してみる。結
晶ＳｉにＧａとＡｓをドーピングしたｎ型半導体層２と
ｐ型半導体層５を形成する。この間に、ＳｉおよびＧｅ
の組成比を８０％対２０％とする混晶半導体層を形成し
て、これを量子井戸層３とする。ＳｉＧｅ混晶は臨界膜
厚内であればＳｉ結晶の面内格子定数に合致させて無転
位成長で形成できること（例えば P.Peaple and J.C.Be
an : Appl.Phys.Lett.47(1985)322 およびAppl.Phys.Le
tt.49(1986)229の論文参照）が報告されている。この結
晶の臨界膜厚は１５０ｎｍであり、量子井戸構造を作成
する厚みとしては充分である。バンドギャップはＳｉの
１．１７ｅＶに比べて０．１７ｅＶ低くなり、この波長
は１．２４μｍに相当する。Ｓｉ結晶中に埋め込んだ際
に、図２に示すような量子井戸構造になっていることは
既に確かめられている（例えば R.People and J.C.Bean
:Appl.Phys. Lett.48(1986)538を参照）。また、フォ
トルミネッセンス測定によって光の吸収係数が上昇して
いることも確かめられている（例えばS.Fukatsu,N.Usam
i and Y.Shiraki : Jpn.J.Appl.Phys.31(1992)L1018 を
参照）。従って、この太陽電池はＳｉ結晶の吸収限界で
ある１．１２μｍより長波長域の光を利用できることに
なる。ｐｎ接合を作成している母体のＳｉ自身の吸収に
よる光電変換も利用できるので、ここで述べた構造の太
陽電池の実効変換効率は上昇することは明らかである。
【００１６】量子井戸構造を作成する半導体としては、
上記のＳｉＧｅ混晶にＳｎを加えた３元の混晶半導体も
利用できる。この混晶のエネルギーギャップは各元素の
組成比および基板の面内格子定数に整合させて成長させ
たために生じる歪によって決定する。その範囲は概ねＳ
n のエネルギーギャップ０．０８７ eＶからＳi のエネ
ルギーギャップ１．１７ eＶの間である。つまり波長に
換算すると、１．２４μｍから１５．５μｍまでの間で
混晶の吸収端を変化させることができるのである。この
ため、本発明による太陽電池では利用できる波長域が１
５．５μｍまでの長波長域まで広げることができる。
上記のＳｉＧｅ混晶にＳｎを加えた３元の混晶半導体も
利用できる。この混晶のエネルギーギャップは各元素の
組成比および基板の面内格子定数に整合させて成長させ
たために生じる歪によって決定する。その範囲は概ねＳ
n のエネルギーギャップ０．０８７ eＶからＳi のエネ
ルギーギャップ１．１７ eＶの間である。つまり波長に
換算すると、１．２４μｍから１５．５μｍまでの間で
混晶の吸収端を変化させることができるのである。この
ため、本発明による太陽電池では利用できる波長域が１
５．５μｍまでの長波長域まで広げることができる。
【００１７】母体のｎ型，ｐ型半導体層２，５に対する
量子井戸層３のポテンシャルの位置を制御するために、
この量子井戸層３にｎまたはｐ型の不純物を導入するこ
ともできる。このドーピングは従来の気相成長や成長後
のイオン打ち込み等によって形成できる（例えばT.Won
and Hadis Morkoc : Electron Device Letters 10(198
9)33 中にｐ型のＳｉＧｅ混晶を形成した半導体装置の
記載がある）。量子井戸層３のポテンシャル位置の制御
によってより高効率の太陽電池が設計可能である。
量子井戸層３のポテンシャルの位置を制御するために、
この量子井戸層３にｎまたはｐ型の不純物を導入するこ
ともできる。このドーピングは従来の気相成長や成長後
のイオン打ち込み等によって形成できる（例えばT.Won
and Hadis Morkoc : Electron Device Letters 10(198
9)33 中にｐ型のＳｉＧｅ混晶を形成した半導体装置の
記載がある）。量子井戸層３のポテンシャル位置の制御
によってより高効率の太陽電池が設計可能である。
【００１８】量子井戸構造は、図２のようなポテンシャ
ル構造の他に、価電子帯２１がもとのエネルギーポテン
シャルに比べて低くなっている場合もある。この構造の
場合には、ホールｈがｐ型半導体層５の方へ移動するの
に量子トンネル過程を経なくてすむ。従って、この場合
にも本発明は有効である。
ル構造の他に、価電子帯２１がもとのエネルギーポテン
シャルに比べて低くなっている場合もある。この構造の
場合には、ホールｈがｐ型半導体層５の方へ移動するの
に量子トンネル過程を経なくてすむ。従って、この場合
にも本発明は有効である。
【００１９】量子井戸層構造の代わりに、超格子構造を
用いてもよい。上記例では、Ｓｉ層とＧｅ層からなる超
格子層を用いることも可能である。例えば、Ｇｅ層の４
層とＳｉ層の１２層からなる超格子層では光の吸収端が
約１．６μｍになり、その吸収係数も上昇していること
も報告されている（例えばH.Okumura,K.Miki,S.Misawa,
K.Sakamoto and S.Yoshida : Jpn.J.Appl.Phys. 28(198
9)L1893 を参照）。
用いてもよい。上記例では、Ｓｉ層とＧｅ層からなる超
格子層を用いることも可能である。例えば、Ｇｅ層の４
層とＳｉ層の１２層からなる超格子層では光の吸収端が
約１．６μｍになり、その吸収係数も上昇していること
も報告されている（例えばH.Okumura,K.Miki,S.Misawa,
K.Sakamoto and S.Yoshida : Jpn.J.Appl.Phys. 28(198
9)L1893 を参照）。
【００２０】同様にＧe ５層とＳi １５層，Ｇe ６層と
Ｓi １８層の各場合にも、あるいはＳi 層とＧe 層の和
が１０の公倍数となる場合にもほぼ同波長域に強い吸収
が報告されている（K.Miki他 J.Cryst.Growth 111(199
1)902 ; T.P.Pearsell 他 Phys.Rev.Lett. 58(1986)72
9.参照）。この強い吸収端の波長はＧe 層とＳi 層の各
層数及び、この超格子層を成長させる際、基板の面内格
子定数に整合させたために生じる歪によって決まるの
で、逆に適切な超格子の設計によって吸収端の位置は制
御可能である。
Ｓi １８層の各場合にも、あるいはＳi 層とＧe 層の和
が１０の公倍数となる場合にもほぼ同波長域に強い吸収
が報告されている（K.Miki他 J.Cryst.Growth 111(199
1)902 ; T.P.Pearsell 他 Phys.Rev.Lett. 58(1986)72
9.参照）。この強い吸収端の波長はＧe 層とＳi 層の各
層数及び、この超格子層を成長させる際、基板の面内格
子定数に整合させたために生じる歪によって決まるの
で、逆に適切な超格子の設計によって吸収端の位置は制
御可能である。
【００２１】上記例では、Ｓｉ結晶およびＳｉＧｅ混晶
あるいは超格子層を用いた例について述べたが、ｎ型半
導体層２，ｐ型半導体層５および量子井戸層３あるいは
超格子層を作成するための半導体材料およびｎ型とｐ型
をつくるための不純物、量子井戸層３のポテンシャル位
置を制御するためにドーピングする不純物には制限がな
いことは明らかである。
あるいは超格子層を用いた例について述べたが、ｎ型半
導体層２，ｐ型半導体層５および量子井戸層３あるいは
超格子層を作成するための半導体材料およびｎ型とｐ型
をつくるための不純物、量子井戸層３のポテンシャル位
置を制御するためにドーピングする不純物には制限がな
いことは明らかである。
【００２２】上記例では、光Ｌを取り入れる側をｎ型半
導体層２にしてある。しかし、太陽電池がｐｎ接合にな
っていればよいわけで、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層
５の位置を逆にしても動作する。ここで言うところのｐ
ｎ接合は相対的なもので、不純物のドーピングによって
ｎ型半導体層２とｐ型半導体層５の何れかのフェルミ準
位２０がもとの結晶に比べて変わっておればよく、一方
の層にはｎ型またはｐ型の不純物が混入されていないｉ
型半導体層であってもよい。 〔実施例〕 以上は本発明の原理を述べたものであるが、上記図１，
図２の構成を基礎とし、 ｎ型半導体層２あるいはｐ型半
導体層５もしくはそのいずれかと量子井戸層３との間に
ポテンシャルを連続的に変化させたグレーディッド層を
入れると、さらに高効率の太陽電池が可能になる。上記
例で示したＳｉ対Ｇｅが０．８：０．２の混晶は、Ｓｉ
に対するポテンシャル壁３０および３１の高さに大きな
差がある。ポテンシャル壁３０の場合には０．０２ｅＶ
と小さいが、ポテンシャル壁３１は０．１５ｅＶと比較
的大きい。そこでこのポテンシャル壁３１の高さを実効
的に下げるため、量子井戸層３とｐ型半導体層５の間に
グレーディッド層４を図３のように挿入してみる。この
構造に対するエネルギーバンドプロファイルを図４に示
す。
導体層２にしてある。しかし、太陽電池がｐｎ接合にな
っていればよいわけで、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層
５の位置を逆にしても動作する。ここで言うところのｐ
ｎ接合は相対的なもので、不純物のドーピングによって
ｎ型半導体層２とｐ型半導体層５の何れかのフェルミ準
位２０がもとの結晶に比べて変わっておればよく、一方
の層にはｎ型またはｐ型の不純物が混入されていないｉ
型半導体層であってもよい。 〔実施例〕 以上は本発明の原理を述べたものであるが、上記図１，
図２の構成を基礎とし、 ｎ型半導体層２あるいはｐ型半
導体層５もしくはそのいずれかと量子井戸層３との間に
ポテンシャルを連続的に変化させたグレーディッド層を
入れると、さらに高効率の太陽電池が可能になる。上記
例で示したＳｉ対Ｇｅが０．８：０．２の混晶は、Ｓｉ
に対するポテンシャル壁３０および３１の高さに大きな
差がある。ポテンシャル壁３０の場合には０．０２ｅＶ
と小さいが、ポテンシャル壁３１は０．１５ｅＶと比較
的大きい。そこでこのポテンシャル壁３１の高さを実効
的に下げるため、量子井戸層３とｐ型半導体層５の間に
グレーディッド層４を図３のように挿入してみる。この
構造に対するエネルギーバンドプロファイルを図４に示
す。
【００２３】このグレーディッド層４のポテンシャルの
変化は、例えばＳｉＧｅの混晶比率を変化させることに
よって実現できる。図４に示した座標Ｚ上の、ＳｉＧｅ
各々の混晶比率を図５のようにする。座標Ｚのｌ1 から
ｌ1 ＋ｌ2 までＧｅの混晶比率が０．２からわずかに小
さい値から０まで連続的に変化させてある。ｌ1 の位置
でのポテンシャル壁３１をなくさない方が、量子井戸層
３内での吸収係数を下げなくてよいことには注意する。
グレーディッド層４を入れた効果でポテンシャル壁３１
の高さおよび幅は小さくなりホールｈは容易に量子トン
ネル効果あるいは熱活性化プロセスによってｐ型半導体
層５の方に移動できるようになる。また、付加的な利点
としてグレーディッド層４自身も光電変換効率上昇に寄
与する。励起経路１２を通って価電子帯２１から伝導帯
２２へたたきあげられる電子ｅのエネルギーは、Ｇｅの
組成０から０．２付近までのエネルギーギャップの変化
域に亙ることになる。これにより実効的に吸収端を連続
的にとることが可能で、つまり、これは長波長側までの
光を利用することが可能となったことを意味する。
変化は、例えばＳｉＧｅの混晶比率を変化させることに
よって実現できる。図４に示した座標Ｚ上の、ＳｉＧｅ
各々の混晶比率を図５のようにする。座標Ｚのｌ1 から
ｌ1 ＋ｌ2 までＧｅの混晶比率が０．２からわずかに小
さい値から０まで連続的に変化させてある。ｌ1 の位置
でのポテンシャル壁３１をなくさない方が、量子井戸層
３内での吸収係数を下げなくてよいことには注意する。
グレーディッド層４を入れた効果でポテンシャル壁３１
の高さおよび幅は小さくなりホールｈは容易に量子トン
ネル効果あるいは熱活性化プロセスによってｐ型半導体
層５の方に移動できるようになる。また、付加的な利点
としてグレーディッド層４自身も光電変換効率上昇に寄
与する。励起経路１２を通って価電子帯２１から伝導帯
２２へたたきあげられる電子ｅのエネルギーは、Ｇｅの
組成０から０．２付近までのエネルギーギャップの変化
域に亙ることになる。これにより実効的に吸収端を連続
的にとることが可能で、つまり、これは長波長側までの
光を利用することが可能となったことを意味する。
【００２４】グレーディッド層４を形成する半導体、お
よびこのグレーディッド層４のポテンシャル位置を制御
するためにドーピングする不純物の種類には制限はな
い。また、この層内でのポテンシャルの変化は連続であ
れば各波長の吸収係数等を考慮しながら適切な構造をと
ればよい。
よびこのグレーディッド層４のポテンシャル位置を制御
するためにドーピングする不純物の種類には制限はな
い。また、この層内でのポテンシャルの変化は連続であ
れば各波長の吸収係数等を考慮しながら適切な構造をと
ればよい。
【００２５】
【発明の効果】本発明は以上述べたように、ｎ型半導体
層およびｐ型半導体層の２つの半導体層からｐｎ接合を
形成し、入射光を光電変換して前記２つの半導体層にそ
れぞれ接続された電極より電力として取り出す太陽電池
において、量子井戸層または超格子層を前記ｐｎ接合部
内に設け、前記量子井戸層または超格子層と、前記２つ
の半導体層との間の少なくとも一方にポテンシャルを連
続的に変化させたグレーディッド層を設けたので、長波
長域の光も吸収できるため光電変換効率が向上する。
層およびｐ型半導体層の２つの半導体層からｐｎ接合を
形成し、入射光を光電変換して前記２つの半導体層にそ
れぞれ接続された電極より電力として取り出す太陽電池
において、量子井戸層または超格子層を前記ｐｎ接合部
内に設け、前記量子井戸層または超格子層と、前記２つ
の半導体層との間の少なくとも一方にポテンシャルを連
続的に変化させたグレーディッド層を設けたので、長波
長域の光も吸収できるため光電変換効率が向上する。
【図１】本発明の原理説明のための構造図である。
【図２】図１の例のエネルギーバンドプロファイルを示
す図である。
す図である。
【図３】本発明の一実施例を示す構造図である。
【図４】図３の実施例のエネルギーバンドプロファイル
を示す図である。
を示す図である。
【図５】図３の実施例におけるグレーディッド層内での
混晶の比率の変化例を示す図である。
混晶の比率の変化例を示す図である。
【図６】単純に量子井戸層を設けた太陽電池の悪い例を
示す構造図である。
示す構造図である。
【図７】図６の例のエネルギーバンドプロファイルを示
す図である。
す図である。
【図８】太陽電池の原理を説明する図である。
【図９】図８の太陽電池のエネルギーバンドプロファイ
ルを示す図である。
ルを示す図である。
Ｌ 光 １ 電極 ２ ｎ型半導体層 ３ 量子井戸層 ４ グレーディッド層 ５ ｐ型半導体層 ６ 電極 ｅ 電子 ｈ ホール １０ 励起経路 １１ 励起経路 １２ 励起経路 １３ 励起経路 ２０ フェルミ準位 ２１ 価電子帯 ２２ 伝導帯 ３０ ポテンシャル壁 ３１ ポテンシャル壁 ５０ 量子トンネル経路 ５１ 量子トンネル経路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−112383（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−107588（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−1268（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の２つ
の半導体層からｐｎ接合を形成し、入射光を光電変換し
て前記２つの半導体層にそれぞれ接続された電極より電
力として取り出す太陽電池において、量子井戸層または
超格子層を前記ｐｎ接合部内に設け、前記量子井戸層ま
たは超格子層と、前記２つの半導体層との間の少なくと
も一方にポテンシャルを連続的に変化させたグレーディ
ッド層を設けたことを特徴とする太陽電池。 - 【請求項２】 グレーディッド層は、異なった波長の光
吸収域としての機能を有することを特徴とする請求項１
記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5113905A JP2615404B2 (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5113905A JP2615404B2 (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06302840A JPH06302840A (ja) | 1994-10-28 |
| JP2615404B2 true JP2615404B2 (ja) | 1997-05-28 |
Family
ID=14624114
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5113905A Expired - Lifetime JP2615404B2 (ja) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2615404B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2149137B1 (es) * | 1999-06-09 | 2001-11-16 | Univ Madrid Politecnica | Celula solar fotovoltaica de semiconductor de banda intermedia. |
| DE10139509A1 (de) * | 2000-12-08 | 2002-06-27 | Daimler Chrysler Ag | Silizium Germanium Solarzelle mit hohem Wirkungsgrad |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4278474A (en) * | 1980-03-25 | 1981-07-14 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Device for conversion of electromagnetic radiation into electrical current |
| JPS59107588A (ja) * | 1982-12-10 | 1984-06-21 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置 |
| GB8524070D0 (en) * | 1985-09-30 | 1985-11-06 | Gen Electric Co Plc | Semiconductor devices |
-
1993
- 1993-04-16 JP JP5113905A patent/JP2615404B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06302840A (ja) | 1994-10-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |