JP3724272B2 - 太陽電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池、特に異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層することにより、広い波長域で光電変換効率を向上させたタンデム型太陽電池が知られている。特開平４−２２６０８４号公報にも、このようなタンデム型の太陽電池が開示されている。
【０００３】
図１５には、このような従来のタンデム型太陽電池の断面図が示される。図１５において、太陽電池１０は、光入射側（図の上側）の単位太陽電池である上部セル１２と、裏面側の単位太陽電池である下部セル１４とが積層された構造となっており、一般に上部セル１２としてバンドギャップ（Ｅｇ）の大きい太陽電池が使用され、下部セル１４としてバンドギャップの小さい太陽電池が使用されている。また、太陽電池１０の光入射側には上部電極１８が、裏面側には下部電極２０がそれぞれ設けられており、上部セル１２及び下部セル１４で発生したキャリアである電子は上部電極１８から、正孔は下部電極２０からそれぞれ取り出される。
【０００４】
この場合、上部セル１２と下部セル１４とでは、それぞれのバンドレベルに隔たりがあるので、上部セル１２と下部セル１４との接合面で電子及び正孔のキャリア移動が妨げられる。このため、この接合部分にトンネルダイオード１６を配置し、接合部分でのキャリアの移動を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１５に示された従来の太陽電池１０においては、上部セル１２と下部セル１４との間に設けられたトンネルダイオード１６及びこれらの界面での抵抗損失やキャリアの再結合損失が多いという問題があった。特に、上記界面では格子の不整合による欠陥密度が高く、この部分でのキャリアの再結合損失が多かった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、キャリア再結合損失を低減し、発電効率の高い太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池のバンドギャップの中間のバンドギャップを有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の価電子帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる価電子帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる伝導帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、そのバンドギャップが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１１】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、そのバンドギャップが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１６】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池の下部の価電子帯のエネルギレベルが裏面側の単位太陽電池の上部の価電子帯のエネルギレベルより低いことを特徴とする。
【００１７】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池の下部の伝導帯のエネルギレベルが裏面側の単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルより高いことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１９】
実施形態１．
図１には、本発明に係る太陽電池の実施形態１の構成の断面図が示される。図１において、太陽電池１０は、バンドギャップ（Ｅｇ）の広い半導体材料で構成される単位太陽電池である上部セル１２とバンドギャップの狭い半導体材料で構成される単位太陽電池である下部セル１４とが積層されたタンデム型の構造となっている。上部セル１２は、ｎ+層、ｐ層、ｐ+層が積層されて構成されており、本発明に係る光入射側の単位太陽電池を構成する。また、その最上部に形成されたｎ+層に接続されて上部電極１８が設けられている。さらに、ｎ+層の上には絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４は透明材料で構成されており、太陽光はこの絶縁膜２４を介して太陽電池１０に入射してくる。
【００２０】
また、下部セル１４は、基板となるｐ層の裏面にｎ+層、ｐ+層が交互に設けられている。各ｎ+層には負極２６が、各ｐ+層には正極２８がそれぞれ独立して接続されており、本発明に係る裏面電極を構成している。これらの負極２６及び正極２８は、下部セル１４の一対の電極を構成するとともに、正極２８が上部セル１２の一方の電極である上部電極１８に対して他方の電極としても兼用されている。なお、下部セル１４が本発明に係る裏面側の単位太陽電池に相当する。
【００２１】
上述した上部セル１２の材料としては、たとえばＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを使用することができる。そのバンドギャップは１．８２ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は２×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。また、ｐ層のドーパント濃度は１×１０17ｃｍ-3であり、その厚みは０．８μｍである。さらに、ｐ+層のドーパント濃度は２×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。
【００２２】
また、下部セル１４の材料としては、たとえばＳｉを使用することができる。そのバンドギャップは１．１２ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。またｐ層のドーパント濃度は５×１０13ｃｍ-3であり、その厚みは１００μｍである。さらに、ｐ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。
【００２３】
本実施形態では、上部セル１２と下部セル１４との間に、中間層３０が形成されている。この中間層３０の材料としてはＧａＡｓを使用することができる。そのバンドギャップは１．４２ｅＶである。また、この場合中間層３０のドーパント濃度は１×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．０１μｍ〜１０μｍの範囲とする。なお、上記ドーパントとしてはｐ+型を使用する。
【００２４】
タンデム型の太陽電池において、図１に示された中間層３０を設けない場合のエネルギバンド構造の模式図は図１６のようになる。図１６において、横軸には太陽電池の表面すなわち光入射面からの距離が示され、縦軸には、この距離に対応する伝導帯（Ｅｃ）及び価電子帯（Ｅｖ）のエネルギレベルが示される。このＥｃとＥｖとの差がバンドギャップである。
【００２５】
図１に示された太陽電池では、上部セル１２、下部セル１４の基板がｐ型であるので、少数キャリアは電子となる。電子は、図１６に示されるように、上部セル１２と下部セル１４の接合部を境にして、上部セル１２で発生した電子は上部セル１２の上方向に向かって移動し、上部電極１８に集められる。また、下部セル１４で発生した電子は下部セル１４の下方向に向かって移動し、裏面電極のうち負極２６に集められる。したがって、上部セル１２と下部セル１４との接合部を通過する電子はないので、図１６のような伝導帯のエネルギバンド構造でも問題が生じない。
【００２６】
これに対して、多数キャリアである正孔は、上部セル１２と下部セル１４との接合部分を通過してすべて下部セル１４の裏面に設けられた裏面電極のうち正極２８に集められる。このため、図１６に示されるような上部セル１２と下部セル１４との接合面に生じるエネルギのノッチ及びギャップが正孔の移動に対して障害となる。また、上部セル１２と下部セル１４との界面部における欠陥量が多い場合には、ここを通過するキャリアである正孔が上記エネルギ障壁部分で再結合し消滅する確率も多くなる。したがって、図１６に示されたノッチ、ギャップの高さを極力小さくし、正孔の移動に対するエネルギ障壁を極力低くすることが、太陽電池の発電効率を向上させるために重要である。
【００２７】
このため、図１に示された中間層３０のバンドギャップを上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれのバンドギャップの中間のバンドギャップとなるように調整する。この様子が図２に示される。このように、上部セル１２と下部セル１４との間にそれらのバンドギャップの中間のバンドギャップを有する中間層３０を設ければ、上部セル１２と中間層３０及び中間層３０と下部セル１４の接合界面に生じるノッチとギャップの高さを小さくすることができる。この結果、上部セル１２と下部セル１４とが直接接合している場合よりエネルギ障壁が小さくなり、上部セル１２で発生したキャリアである正孔が下部セル１４へ移動する際に、上部セル１２と下部セル１４との界面近傍において発生するキャリアの再結合損失を抑制することができる。このため、図１に示されたタンデム型太陽電池の光発電量を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
なお、上部セル１２と下部セル１４との間の中間層３０の厚みとしては、０．０１μｍよりも薄いと上述したエネルギ障壁を小さくする効果を十分得ることができず、また１０μｍよりも厚くなると下部セル１４へ到達する光量を減少させ、いずれも発電効率を向上させることができない。したがって、中間層３０の厚みとしては前述したとおり０．０１μｍ〜１０μｍ程度の範囲が望ましい。
【００２９】
なお、図１及び図２においては、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアが正孔の場合であったが、図１の構造において各ｐ層、ｎ層を入れ替えれば、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアは電子となる。この場合にも、上部セル１２と下部セル１４とのそれぞれのバンドギャップの中間のバンドギャップを有する中間層３０を設けることにより、電子の移動に対するエネルギ障壁を小さくでき、上述した正孔の場合と同様に再結合損失を小さくでき、発電効率の向上を図ることができる。
【００３０】
この場合に用いることのできる材料としては、前述した上部セル１２、下部セル１４、中間層３０の材料に加え、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ、ＩｎxＧａ(1-x)Ｐ、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ、ＡｌxＧａ(1-x)ＡｓyＳｂ(1-y)、ＩｎxＧａ(1-x)ＡｓyＰ(1-y)、ＩｎxＧａ(1-x)ＰyＳｂ(1-y)、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｕＩｎＳｅ2、ＣｕＩｎxＧａ(1-x)Ｓｅ2等の半導体材料や水素、ハロゲン元素等を含んだ上記半導体材料を主材料とした非晶質半導体材料を用いることができる。これらの材料を、バンドギャップや光吸収係数を考慮し、また、適切なドーパント材料と濃度を用いて組み合わせ、上部セル１２、下部セル１４，中間層３０に用いることができる。
【００３１】
図３には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図３に示された変形例では、上部セル１２から下部セル１４へ正孔が移動する構成となっている。この場合の中間層３０は、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベル（Ｅｖ）の中間のエネルギレベルを取る価電子帯を有している。このような中間層３０を設けることにより、上部セル１２と下部セル１４との価電子帯のエネルギレベル（Ｅｖ）の間に中間層３０の価電子帯のエネルギレベルが存在することになる。これによってノッチ、ギャップが低くなり、正孔が上部セル１２から下部セル１４へ移動する際のエネルギ障壁が小さくなる。このため、上部セル１２と下部セル１４との接合界面における正孔の再結合損失を小さくすることができ、太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、図３においては、上部セル１２で生じた電子は上部セル１２の上部電極１８から、下部セル１４で生じた電子は下部セル１４の裏面電極のうち負極２６から取り出されるため、上記接合界面を電子が移動することはないので、伝導帯のエネルギレベルＥｃを調整する必要はない。このため、本変形例のように、価電子帯のエネルギレベルＥｖのみ調整すれば図２の場合と同じ効果を得ることができる。
【００３３】
図４には、本実施形態に係る太陽電池のさらに他の変形例のエネルギバンド構造が示される。図４においては、図３とは逆に、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０はｎ型半導体で構成されている。したがって、上部セル１２から下部セル１４へ電子が移動する構成となっている。この場合には、上部セル１２と下部セル１４との界面を通過するのは電子であるので、伝導帯におけるエネルギ障壁を小さくする必要がある。このため、本変形例における中間層３０は、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの伝導帯のエネルギレベルＥｃの中間のエネルギレベルを取る伝導帯を有している。
【００３４】
このように、上部セル１２と下部セル１４の伝導帯のエネルギレベルＥｃの中間に、中間層３０のエネルギレベルＥｃが存在することにより、図４に示されるように、上部セル１２と下部セル１４との間の接合界面に生じるノッチ、ギャップを小さくでき、エネルギ障壁を小さくすることができる。これは、図２、図３で示された、上部セル１２から下部セル１４に正孔が移動する構成における価電子帯の接合界面のエネルギ障壁を小さくする場合と同様の効果を得ることができる。このため、図４のように多数キャリアが電子の場合でも中間層３０を設けることによりキャリア再結合による損失を抑制でき、発電効率を向上させることができる。
【００３５】
実施形態２．
図５には、本発明に係る太陽電池の実施形態２の構成が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図５において特徴的な点は、中間層３０が複数の層で構成されている点にある。かかる中間層３０を構成する各層は、そのバンドギャップが段階的に変化するように構成されている。
【００３６】
図６には、上記図５に示された太陽電池のエネルギバンド構造が示される。図６に示されるように、中間層３０の伝導帯のエネルギレベルＥｃと価電子帯のエネルギレベルＥｖとの差すなわちエネルギギャップは、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれのエネルギギャップの間で段階的に変化している。このように、上部セル１２のエネルギギャップと下部セル１４のエネルギギャップとの間を一段階ではなく数段階でエネルギギャップが変化する中間層３０を設けることにより、図１６に示されたようなノッチ、ギャップの高さがより低くなり、正孔が上部セル１２から下部セル１４に移動する際の各層間のエネルギ障壁をより小さくすることができる。この結果、正孔の再結合損失を小さくすることができ、発電効率を向上させることができる。
【００３７】
本実施形態に係る太陽電池においては、上部セル１２及び下部セル１４の構成は図１の場合と同様である。また中間層３０については以下のような構成となっている。まず、中間層３０の第１層すなわち上部セル１２側の層は、材料としてＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓを使用し、そのバンドギャップが１．６１ｅＶである。この層のドーパント濃度はｐ+型のドーパントを使用し、２×１０18ｃｍ-3である。またその厚みは０．１μｍである。また、中間層３０の第２層は、材料としてＧａＡｓを使用し、そのバンドギャップが１．４２ｅＶとなっている。ドーパントとしてはｐ+型を使用し、ドーパント濃度が２×１０18ｃｍ-3となっている。また、その厚みは０．１μｍ程度である。さらに、中間層３０の第３層すなわち下部セル１４側の層は、材料としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓを使用し、そのバンドギャップが１．２２ｅＶとなっている。ドーパントとしてはｐ+型を使用し、ドーパント濃度が２×１０18ｃｍ-3である。また、その厚みは０．１μｍ程度である。
【００３８】
このような中間層３０の全体の厚みとしては、０．０１μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。０．０１μｍより薄いとエネルギ障壁を小さくする効果が低くなり、１０μｍより厚くなると下部セル１４まで到達する光量が減少するので、いずれも発電量が減少してしまうためである。
【００３９】
図７には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図７においては、中間層３０の価電子帯のエネルギレベルＥｖが、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベルＥｖの間で段階的に変化する構成となっている。前述したとおり、上部セル１２と下部セル１４とをｐ型半導体で形成した場合には、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔であるので、価電子帯のエネルギレベルＥｖのみそのエネルギ障壁を小さくすれば、図５の場合と同じ効果を得ることができる。
【００４０】
本変形例では、上述のとおり、中間層３０の価電子帯のエネルギレベルＥｖを上部セル１２と下部セル１４との価電子帯のエネルギレベルＥｖの間で段階的に変化させているので、各層間におけるノッチ、ギャップを小さくでき、エネルギ障壁を小さくすることができる。このため、キャリア再結合損失を抑制でき、発電効率を向上することができる。
【００４１】
図８には、本実施形態に係る太陽電池の他の変形例のエネルギバンド構造が示される。本変形例では、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がいずれもｎ型半導体で構成されており、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアは電子となっている。図８における中間層３０は、その伝導帯のエネルギレベルＥｃが、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの伝導帯のエネルギレベルＥｃの間で、段階的に変化する構成となっている。これにより、上部セル１２から下部セル１４に至る各層におけるエネルギ障壁を小さくすることができ、キャリアである電子が上部セル１２と下部セル１４との接合界面を移動する際のキャリア再結合損失を抑制できる。これによって、本変形例に係る太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【００４２】
実施形態３．
図９には、本実施形態に係る太陽電池のエネルギバンド構造が示される。図９においては、図１に示された太陽電池の中間層３０のバンドギャップが、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれのバンドギャップの間で、連続的に変化する構成となっている。このように、中間層３０のバンドギャップを連続的に変化させることにより、バンドギャップを段階的に変化させる実施形態２の中間層３０の場合よりも、キャリアの移動（図９の場合には正孔の移動）に対するエネルギ障壁をより小さくすることができる。これにより、より発電効率の向上を図ることができる。なお、本実施形態の場合にも、中間層３０の厚みとしては０．０１μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。
【００４３】
本実施形態における中間層３０の材料としては、たとえばＩｎxＧａ(1-x)ＡｓyＰ(1-y)を使用することができる。この中間層３０を形成するには、たとえばガスソースを用い、ＭＯＣＶＤ（メタルオーガニックＣＶＤ）法により形成することができる。この際、上記化学式における各成分組成すなわちｘ、ｙの割合を連続的に変化させるようにして中間層３０の積層を行えば、図９に示されるように、エネルギバンドギャップが連続的を変化させることができる。この場合、上部セル１２側でのエネルギバンドギャップは１．８０ｅＶであり、下部セル１４側では１．１５ｅＶとなっている。
【００４４】
図１０には、本実施形態の変形例のエネルギバンド構造が示される。図１０においては、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がｐ型基板で形成されているため、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔である。このため図１０における中間層３０は、価電子帯のエネルギレベルＥｖが、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベルＥｖの間を連続的に変化する構成となっている。上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアが正孔であるので、このように価電子帯におけるエネルギ障壁を小さくできれば、図９の場合と同じ効果を得ることができる。
【００４５】
図１０に示された中間層３０を形成する場合にも、図９の場合と同様に、中間層３０の成分組成を連続的に変化させながら積層することにより、価電子帯のエネルギレベルを連続的に変化させることができる。
【００４６】
図１１には、本実施形態に係る太陽電池の他の変形例のエネルギバンド構造図が示される。図１においては、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がｎ型基板により形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは電子となっている。したがってこの場合には、伝導帯のエネルギレベルＥｃを中間層３０において連続的に変化させれば図１０の場合と同様の効果を得ることができる。この場合にも、中間層３０を構成する材料の成分組成を連続的に変化させながら積層することにより、伝導帯のエネルギレベルＥｃを連続的に変化させることができる。
【００４７】
実施形態４．
図１２には、本発明に係る太陽電池の実施形態４の構成が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図１２に示された例では、上部セル１２と下部セル１４とはｐ型半導体で形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔となる。このようなタンデム型の太陽電池において、上部セル１２と下部セル１４のエネルギバンド構造が図１７に示されるような場合すなわち上部セル１２の価電子帯のエネルギレベルＥｖよりも下部セル１４の価電子帯のエネルギレベルＥｖの方が低い場合には、上部セル１２と下部セル１４との接合界面を移動するキャリアである正孔にとって、エネルギ障壁が高い状態となる。このため、上部セル１２から下部セル１４へのスムーズなキャリア移動が妨げられる。したがって、下部セル１４の価電子帯のエネルギレベルを上部セル１２の価電子帯のエネルギレベルより高く維持する必要がある。
【００４８】
そこで、図１２に示されたタンデム型の太陽電池１０においては、その材料を適宜選択することにより、上部セル１２の最下層の価電子帯のエネルギレベルが、下部セル１４の最上層の価電子帯のエネルギレベルよりも低くなるように設定されている。具体的には、上部セル１２には、ＧａＡｓが使用され、そのバンドギャップは１．４２ｅＶである。また、下部セル１４には、Ｓｉが使用され、そのバンドギャップは１．１２ｅＶである。このような構成により、図１２に示された太陽電池１０のエネルギバンド構造は図１３のようになる。図１３に示されるように、上部セル１２の最下層の価電子帯のエネルギレベルは、下部セル１４の最上層の価電子帯のエネルギレベルよりも低くなっている。また、この場合、上部セル１２と下部セル１４との間に発生するノッチ、ギャップは図１６のものより小さくなっている。
【００４９】
上記のような構成をとることにより、上部セル１２から下部セル１４へスムーズに正孔を移動させることができ、上部セル１２と下部セル１４との接合界面でのキャリア再結合損失を抑制することができる。このため、太陽電池１０における発電効率を向上させることができる。
【００５０】
図１４には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図１４においては、上部セル１２及び下部セル１４がｎ型半導体で形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは電子となっている。この場合には、上部セル１２及び下部セル１４を構成する材料を適宜選択し、上部セル最下層の伝導帯のエネルギレベルＥｃが、下部セル１４の最上層の伝導帯のエネルギレベルＥｃよりも高くなるように設定されている。
【００５１】
上記構成により、上部セル１２から下部セル１４への電子の移動がスムーズになり、上部セル１２と下部セル１４との接合界面におけるキャリア再結合損失を抑制できる。このため、本変形例においても太陽電池１０における発電効率を向上させることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上部セルと下部セルとの間に上部セルと下部セルのバンドギャップの中間のバンドギャップをとり、あるいは上部セルと下部セルの価電子帯のエネルギレベルまたは伝導帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルを取る中間層を設けているので、上部セルと下部セルとの間のエネルギ障壁が小さくなり、キャリア再結合損失を抑制できる。
【００５３】
また、上記中間層を複数層とすることにより、よりエネルギ障壁を小さくすることができる。
【００５４】
さらに、中間層のバンドギャップあるいはエネルギレベルの変化を連続的に行わせれば、さらにエネルギ障壁を小さくすることができる。
【００５５】
また、上部セルと下部セルとの価電子帯あるいは伝導帯のエネルギレベルを調整することにより、上部セルから下部セルへのキャリア移動をよりスムーズに行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る太陽電池の実施形態１の構成を示す図である。
【図２】 図１に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図３】 実施形態１の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図４】 実施形態１の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図５】 本発明に係る太陽電池の実施形態２の構成を示す図である。
【図６】 図５に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図７】 実施形態２の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図８】 実施形態２の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図９】 本発明に係る太陽電池の実施形態３の太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１０】 実施形態３の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１１】 実施形態３の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１２】 本発明に係る太陽電池の実施形態４の構成を示す図である。
【図１３】 図１２に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１４】 実施形態４の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１５】 従来におけるタンデム型太陽電池の構造を示す断面図である。
【図１６】 中間層を設けないタンデム型太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１７】 中間層を設けないタンデム型太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池、１２ 上部セル、１４ 下部セル、１６ トンネルダイオード、１８ 上部電極、２０ 下部電極、２４ 絶縁膜、２６ 負極、２８ 正極、３０ 中間層。
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池、特に異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層することにより、広い波長域で光電変換効率を向上させたタンデム型太陽電池が知られている。特開平４−２２６０８４号公報にも、このようなタンデム型の太陽電池が開示されている。
【０００３】
図１５には、このような従来のタンデム型太陽電池の断面図が示される。図１５において、太陽電池１０は、光入射側（図の上側）の単位太陽電池である上部セル１２と、裏面側の単位太陽電池である下部セル１４とが積層された構造となっており、一般に上部セル１２としてバンドギャップ（Ｅｇ）の大きい太陽電池が使用され、下部セル１４としてバンドギャップの小さい太陽電池が使用されている。また、太陽電池１０の光入射側には上部電極１８が、裏面側には下部電極２０がそれぞれ設けられており、上部セル１２及び下部セル１４で発生したキャリアである電子は上部電極１８から、正孔は下部電極２０からそれぞれ取り出される。
【０００４】
この場合、上部セル１２と下部セル１４とでは、それぞれのバンドレベルに隔たりがあるので、上部セル１２と下部セル１４との接合面で電子及び正孔のキャリア移動が妨げられる。このため、この接合部分にトンネルダイオード１６を配置し、接合部分でのキャリアの移動を可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１５に示された従来の太陽電池１０においては、上部セル１２と下部セル１４との間に設けられたトンネルダイオード１６及びこれらの界面での抵抗損失やキャリアの再結合損失が多いという問題があった。特に、上記界面では格子の不整合による欠陥密度が高く、この部分でのキャリアの再結合損失が多かった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、キャリア再結合損失を低減し、発電効率の高い太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池のバンドギャップの中間のバンドギャップを有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の価電子帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる価電子帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池と裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる伝導帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、そのバンドギャップが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１１】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、そのバンドギャップが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、上記太陽電池において、半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする。
【００１６】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池の下部の価電子帯のエネルギレベルが裏面側の単位太陽電池の上部の価電子帯のエネルギレベルより低いことを特徴とする。
【００１７】
また、異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、を備え、光入射側の単位太陽電池から裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、光入射側の単位太陽電池の下部の伝導帯のエネルギレベルが裏面側の単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルより高いことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１９】
実施形態１．
図１には、本発明に係る太陽電池の実施形態１の構成の断面図が示される。図１において、太陽電池１０は、バンドギャップ（Ｅｇ）の広い半導体材料で構成される単位太陽電池である上部セル１２とバンドギャップの狭い半導体材料で構成される単位太陽電池である下部セル１４とが積層されたタンデム型の構造となっている。上部セル１２は、ｎ+層、ｐ層、ｐ+層が積層されて構成されており、本発明に係る光入射側の単位太陽電池を構成する。また、その最上部に形成されたｎ+層に接続されて上部電極１８が設けられている。さらに、ｎ+層の上には絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４は透明材料で構成されており、太陽光はこの絶縁膜２４を介して太陽電池１０に入射してくる。
【００２０】
また、下部セル１４は、基板となるｐ層の裏面にｎ+層、ｐ+層が交互に設けられている。各ｎ+層には負極２６が、各ｐ+層には正極２８がそれぞれ独立して接続されており、本発明に係る裏面電極を構成している。これらの負極２６及び正極２８は、下部セル１４の一対の電極を構成するとともに、正極２８が上部セル１２の一方の電極である上部電極１８に対して他方の電極としても兼用されている。なお、下部セル１４が本発明に係る裏面側の単位太陽電池に相当する。
【００２１】
上述した上部セル１２の材料としては、たとえばＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを使用することができる。そのバンドギャップは１．８２ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は２×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。また、ｐ層のドーパント濃度は１×１０17ｃｍ-3であり、その厚みは０．８μｍである。さらに、ｐ+層のドーパント濃度は２×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．１μｍである。
【００２２】
また、下部セル１４の材料としては、たとえばＳｉを使用することができる。そのバンドギャップは１．１２ｅＶである。また、この場合ｎ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。またｐ層のドーパント濃度は５×１０13ｃｍ-3であり、その厚みは１００μｍである。さらに、ｐ+層のドーパント濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、その厚みは１．０μｍである。
【００２３】
本実施形態では、上部セル１２と下部セル１４との間に、中間層３０が形成されている。この中間層３０の材料としてはＧａＡｓを使用することができる。そのバンドギャップは１．４２ｅＶである。また、この場合中間層３０のドーパント濃度は１×１０18ｃｍ-3であり、その厚みは０．０１μｍ〜１０μｍの範囲とする。なお、上記ドーパントとしてはｐ+型を使用する。
【００２４】
タンデム型の太陽電池において、図１に示された中間層３０を設けない場合のエネルギバンド構造の模式図は図１６のようになる。図１６において、横軸には太陽電池の表面すなわち光入射面からの距離が示され、縦軸には、この距離に対応する伝導帯（Ｅｃ）及び価電子帯（Ｅｖ）のエネルギレベルが示される。このＥｃとＥｖとの差がバンドギャップである。
【００２５】
図１に示された太陽電池では、上部セル１２、下部セル１４の基板がｐ型であるので、少数キャリアは電子となる。電子は、図１６に示されるように、上部セル１２と下部セル１４の接合部を境にして、上部セル１２で発生した電子は上部セル１２の上方向に向かって移動し、上部電極１８に集められる。また、下部セル１４で発生した電子は下部セル１４の下方向に向かって移動し、裏面電極のうち負極２６に集められる。したがって、上部セル１２と下部セル１４との接合部を通過する電子はないので、図１６のような伝導帯のエネルギバンド構造でも問題が生じない。
【００２６】
これに対して、多数キャリアである正孔は、上部セル１２と下部セル１４との接合部分を通過してすべて下部セル１４の裏面に設けられた裏面電極のうち正極２８に集められる。このため、図１６に示されるような上部セル１２と下部セル１４との接合面に生じるエネルギのノッチ及びギャップが正孔の移動に対して障害となる。また、上部セル１２と下部セル１４との界面部における欠陥量が多い場合には、ここを通過するキャリアである正孔が上記エネルギ障壁部分で再結合し消滅する確率も多くなる。したがって、図１６に示されたノッチ、ギャップの高さを極力小さくし、正孔の移動に対するエネルギ障壁を極力低くすることが、太陽電池の発電効率を向上させるために重要である。
【００２７】
このため、図１に示された中間層３０のバンドギャップを上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれのバンドギャップの中間のバンドギャップとなるように調整する。この様子が図２に示される。このように、上部セル１２と下部セル１４との間にそれらのバンドギャップの中間のバンドギャップを有する中間層３０を設ければ、上部セル１２と中間層３０及び中間層３０と下部セル１４の接合界面に生じるノッチとギャップの高さを小さくすることができる。この結果、上部セル１２と下部セル１４とが直接接合している場合よりエネルギ障壁が小さくなり、上部セル１２で発生したキャリアである正孔が下部セル１４へ移動する際に、上部セル１２と下部セル１４との界面近傍において発生するキャリアの再結合損失を抑制することができる。このため、図１に示されたタンデム型太陽電池の光発電量を増加させ、発電効率を向上させることができる。
【００２８】
なお、上部セル１２と下部セル１４との間の中間層３０の厚みとしては、０．０１μｍよりも薄いと上述したエネルギ障壁を小さくする効果を十分得ることができず、また１０μｍよりも厚くなると下部セル１４へ到達する光量を減少させ、いずれも発電効率を向上させることができない。したがって、中間層３０の厚みとしては前述したとおり０．０１μｍ〜１０μｍ程度の範囲が望ましい。
【００２９】
なお、図１及び図２においては、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアが正孔の場合であったが、図１の構造において各ｐ層、ｎ層を入れ替えれば、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアは電子となる。この場合にも、上部セル１２と下部セル１４とのそれぞれのバンドギャップの中間のバンドギャップを有する中間層３０を設けることにより、電子の移動に対するエネルギ障壁を小さくでき、上述した正孔の場合と同様に再結合損失を小さくでき、発電効率の向上を図ることができる。
【００３０】
この場合に用いることのできる材料としては、前述した上部セル１２、下部セル１４、中間層３０の材料に加え、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ、ＩｎxＧａ(1-x)Ｐ、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ、ＡｌxＧａ(1-x)ＡｓyＳｂ(1-y)、ＩｎxＧａ(1-x)ＡｓyＰ(1-y)、ＩｎxＧａ(1-x)ＰyＳｂ(1-y)、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｕＩｎＳｅ2、ＣｕＩｎxＧａ(1-x)Ｓｅ2等の半導体材料や水素、ハロゲン元素等を含んだ上記半導体材料を主材料とした非晶質半導体材料を用いることができる。これらの材料を、バンドギャップや光吸収係数を考慮し、また、適切なドーパント材料と濃度を用いて組み合わせ、上部セル１２、下部セル１４，中間層３０に用いることができる。
【００３１】
図３には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図３に示された変形例では、上部セル１２から下部セル１４へ正孔が移動する構成となっている。この場合の中間層３０は、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベル（Ｅｖ）の中間のエネルギレベルを取る価電子帯を有している。このような中間層３０を設けることにより、上部セル１２と下部セル１４との価電子帯のエネルギレベル（Ｅｖ）の間に中間層３０の価電子帯のエネルギレベルが存在することになる。これによってノッチ、ギャップが低くなり、正孔が上部セル１２から下部セル１４へ移動する際のエネルギ障壁が小さくなる。このため、上部セル１２と下部セル１４との接合界面における正孔の再結合損失を小さくすることができ、太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、図３においては、上部セル１２で生じた電子は上部セル１２の上部電極１８から、下部セル１４で生じた電子は下部セル１４の裏面電極のうち負極２６から取り出されるため、上記接合界面を電子が移動することはないので、伝導帯のエネルギレベルＥｃを調整する必要はない。このため、本変形例のように、価電子帯のエネルギレベルＥｖのみ調整すれば図２の場合と同じ効果を得ることができる。
【００３３】
図４には、本実施形態に係る太陽電池のさらに他の変形例のエネルギバンド構造が示される。図４においては、図３とは逆に、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０はｎ型半導体で構成されている。したがって、上部セル１２から下部セル１４へ電子が移動する構成となっている。この場合には、上部セル１２と下部セル１４との界面を通過するのは電子であるので、伝導帯におけるエネルギ障壁を小さくする必要がある。このため、本変形例における中間層３０は、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの伝導帯のエネルギレベルＥｃの中間のエネルギレベルを取る伝導帯を有している。
【００３４】
このように、上部セル１２と下部セル１４の伝導帯のエネルギレベルＥｃの中間に、中間層３０のエネルギレベルＥｃが存在することにより、図４に示されるように、上部セル１２と下部セル１４との間の接合界面に生じるノッチ、ギャップを小さくでき、エネルギ障壁を小さくすることができる。これは、図２、図３で示された、上部セル１２から下部セル１４に正孔が移動する構成における価電子帯の接合界面のエネルギ障壁を小さくする場合と同様の効果を得ることができる。このため、図４のように多数キャリアが電子の場合でも中間層３０を設けることによりキャリア再結合による損失を抑制でき、発電効率を向上させることができる。
【００３５】
実施形態２．
図５には、本発明に係る太陽電池の実施形態２の構成が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図５において特徴的な点は、中間層３０が複数の層で構成されている点にある。かかる中間層３０を構成する各層は、そのバンドギャップが段階的に変化するように構成されている。
【００３６】
図６には、上記図５に示された太陽電池のエネルギバンド構造が示される。図６に示されるように、中間層３０の伝導帯のエネルギレベルＥｃと価電子帯のエネルギレベルＥｖとの差すなわちエネルギギャップは、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれのエネルギギャップの間で段階的に変化している。このように、上部セル１２のエネルギギャップと下部セル１４のエネルギギャップとの間を一段階ではなく数段階でエネルギギャップが変化する中間層３０を設けることにより、図１６に示されたようなノッチ、ギャップの高さがより低くなり、正孔が上部セル１２から下部セル１４に移動する際の各層間のエネルギ障壁をより小さくすることができる。この結果、正孔の再結合損失を小さくすることができ、発電効率を向上させることができる。
【００３７】
本実施形態に係る太陽電池においては、上部セル１２及び下部セル１４の構成は図１の場合と同様である。また中間層３０については以下のような構成となっている。まず、中間層３０の第１層すなわち上部セル１２側の層は、材料としてＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓを使用し、そのバンドギャップが１．６１ｅＶである。この層のドーパント濃度はｐ+型のドーパントを使用し、２×１０18ｃｍ-3である。またその厚みは０．１μｍである。また、中間層３０の第２層は、材料としてＧａＡｓを使用し、そのバンドギャップが１．４２ｅＶとなっている。ドーパントとしてはｐ+型を使用し、ドーパント濃度が２×１０18ｃｍ-3となっている。また、その厚みは０．１μｍ程度である。さらに、中間層３０の第３層すなわち下部セル１４側の層は、材料としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓを使用し、そのバンドギャップが１．２２ｅＶとなっている。ドーパントとしてはｐ+型を使用し、ドーパント濃度が２×１０18ｃｍ-3である。また、その厚みは０．１μｍ程度である。
【００３８】
このような中間層３０の全体の厚みとしては、０．０１μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。０．０１μｍより薄いとエネルギ障壁を小さくする効果が低くなり、１０μｍより厚くなると下部セル１４まで到達する光量が減少するので、いずれも発電量が減少してしまうためである。
【００３９】
図７には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図７においては、中間層３０の価電子帯のエネルギレベルＥｖが、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベルＥｖの間で段階的に変化する構成となっている。前述したとおり、上部セル１２と下部セル１４とをｐ型半導体で形成した場合には、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔であるので、価電子帯のエネルギレベルＥｖのみそのエネルギ障壁を小さくすれば、図５の場合と同じ効果を得ることができる。
【００４０】
本変形例では、上述のとおり、中間層３０の価電子帯のエネルギレベルＥｖを上部セル１２と下部セル１４との価電子帯のエネルギレベルＥｖの間で段階的に変化させているので、各層間におけるノッチ、ギャップを小さくでき、エネルギ障壁を小さくすることができる。このため、キャリア再結合損失を抑制でき、発電効率を向上することができる。
【００４１】
図８には、本実施形態に係る太陽電池の他の変形例のエネルギバンド構造が示される。本変形例では、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がいずれもｎ型半導体で構成されており、上部セル１２から下部セル１４へ移動するキャリアは電子となっている。図８における中間層３０は、その伝導帯のエネルギレベルＥｃが、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの伝導帯のエネルギレベルＥｃの間で、段階的に変化する構成となっている。これにより、上部セル１２から下部セル１４に至る各層におけるエネルギ障壁を小さくすることができ、キャリアである電子が上部セル１２と下部セル１４との接合界面を移動する際のキャリア再結合損失を抑制できる。これによって、本変形例に係る太陽電池の発電効率を向上させることができる。
【００４２】
実施形態３．
図９には、本実施形態に係る太陽電池のエネルギバンド構造が示される。図９においては、図１に示された太陽電池の中間層３０のバンドギャップが、上部セル１２と下部セル１４のそれぞれのバンドギャップの間で、連続的に変化する構成となっている。このように、中間層３０のバンドギャップを連続的に変化させることにより、バンドギャップを段階的に変化させる実施形態２の中間層３０の場合よりも、キャリアの移動（図９の場合には正孔の移動）に対するエネルギ障壁をより小さくすることができる。これにより、より発電効率の向上を図ることができる。なお、本実施形態の場合にも、中間層３０の厚みとしては０．０１μｍ〜１０μｍ程度が望ましい。
【００４３】
本実施形態における中間層３０の材料としては、たとえばＩｎxＧａ(1-x)ＡｓyＰ(1-y)を使用することができる。この中間層３０を形成するには、たとえばガスソースを用い、ＭＯＣＶＤ（メタルオーガニックＣＶＤ）法により形成することができる。この際、上記化学式における各成分組成すなわちｘ、ｙの割合を連続的に変化させるようにして中間層３０の積層を行えば、図９に示されるように、エネルギバンドギャップが連続的を変化させることができる。この場合、上部セル１２側でのエネルギバンドギャップは１．８０ｅＶであり、下部セル１４側では１．１５ｅＶとなっている。
【００４４】
図１０には、本実施形態の変形例のエネルギバンド構造が示される。図１０においては、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がｐ型基板で形成されているため、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔である。このため図１０における中間層３０は、価電子帯のエネルギレベルＥｖが、上部セル１２及び下部セル１４のそれぞれの価電子帯のエネルギレベルＥｖの間を連続的に変化する構成となっている。上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアが正孔であるので、このように価電子帯におけるエネルギ障壁を小さくできれば、図９の場合と同じ効果を得ることができる。
【００４５】
図１０に示された中間層３０を形成する場合にも、図９の場合と同様に、中間層３０の成分組成を連続的に変化させながら積層することにより、価電子帯のエネルギレベルを連続的に変化させることができる。
【００４６】
図１１には、本実施形態に係る太陽電池の他の変形例のエネルギバンド構造図が示される。図１においては、上部セル１２、下部セル１４、中間層３０がｎ型基板により形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは電子となっている。したがってこの場合には、伝導帯のエネルギレベルＥｃを中間層３０において連続的に変化させれば図１０の場合と同様の効果を得ることができる。この場合にも、中間層３０を構成する材料の成分組成を連続的に変化させながら積層することにより、伝導帯のエネルギレベルＥｃを連続的に変化させることができる。
【００４７】
実施形態４．
図１２には、本発明に係る太陽電池の実施形態４の構成が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図１２に示された例では、上部セル１２と下部セル１４とはｐ型半導体で形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは正孔となる。このようなタンデム型の太陽電池において、上部セル１２と下部セル１４のエネルギバンド構造が図１７に示されるような場合すなわち上部セル１２の価電子帯のエネルギレベルＥｖよりも下部セル１４の価電子帯のエネルギレベルＥｖの方が低い場合には、上部セル１２と下部セル１４との接合界面を移動するキャリアである正孔にとって、エネルギ障壁が高い状態となる。このため、上部セル１２から下部セル１４へのスムーズなキャリア移動が妨げられる。したがって、下部セル１４の価電子帯のエネルギレベルを上部セル１２の価電子帯のエネルギレベルより高く維持する必要がある。
【００４８】
そこで、図１２に示されたタンデム型の太陽電池１０においては、その材料を適宜選択することにより、上部セル１２の最下層の価電子帯のエネルギレベルが、下部セル１４の最上層の価電子帯のエネルギレベルよりも低くなるように設定されている。具体的には、上部セル１２には、ＧａＡｓが使用され、そのバンドギャップは１．４２ｅＶである。また、下部セル１４には、Ｓｉが使用され、そのバンドギャップは１．１２ｅＶである。このような構成により、図１２に示された太陽電池１０のエネルギバンド構造は図１３のようになる。図１３に示されるように、上部セル１２の最下層の価電子帯のエネルギレベルは、下部セル１４の最上層の価電子帯のエネルギレベルよりも低くなっている。また、この場合、上部セル１２と下部セル１４との間に発生するノッチ、ギャップは図１６のものより小さくなっている。
【００４９】
上記のような構成をとることにより、上部セル１２から下部セル１４へスムーズに正孔を移動させることができ、上部セル１２と下部セル１４との接合界面でのキャリア再結合損失を抑制することができる。このため、太陽電池１０における発電効率を向上させることができる。
【００５０】
図１４には、本実施形態に係る太陽電池の変形例のエネルギバンド構造が示される。図１４においては、上部セル１２及び下部セル１４がｎ型半導体で形成されているので、上部セル１２から下部セル１４に移動するキャリアは電子となっている。この場合には、上部セル１２及び下部セル１４を構成する材料を適宜選択し、上部セル最下層の伝導帯のエネルギレベルＥｃが、下部セル１４の最上層の伝導帯のエネルギレベルＥｃよりも高くなるように設定されている。
【００５１】
上記構成により、上部セル１２から下部セル１４への電子の移動がスムーズになり、上部セル１２と下部セル１４との接合界面におけるキャリア再結合損失を抑制できる。このため、本変形例においても太陽電池１０における発電効率を向上させることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上部セルと下部セルとの間に上部セルと下部セルのバンドギャップの中間のバンドギャップをとり、あるいは上部セルと下部セルの価電子帯のエネルギレベルまたは伝導帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルを取る中間層を設けているので、上部セルと下部セルとの間のエネルギ障壁が小さくなり、キャリア再結合損失を抑制できる。
【００５３】
また、上記中間層を複数層とすることにより、よりエネルギ障壁を小さくすることができる。
【００５４】
さらに、中間層のバンドギャップあるいはエネルギレベルの変化を連続的に行わせれば、さらにエネルギ障壁を小さくすることができる。
【００５５】
また、上部セルと下部セルとの価電子帯あるいは伝導帯のエネルギレベルを調整することにより、上部セルから下部セルへのキャリア移動をよりスムーズに行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る太陽電池の実施形態１の構成を示す図である。
【図２】 図１に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図３】 実施形態１の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図４】 実施形態１の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図５】 本発明に係る太陽電池の実施形態２の構成を示す図である。
【図６】 図５に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図７】 実施形態２の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図８】 実施形態２の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図９】 本発明に係る太陽電池の実施形態３の太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１０】 実施形態３の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１１】 実施形態３の他の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１２】 本発明に係る太陽電池の実施形態４の構成を示す図である。
【図１３】 図１２に示された太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１４】 実施形態４の変形例のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１５】 従来におけるタンデム型太陽電池の構造を示す断面図である。
【図１６】 中間層を設けないタンデム型太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【図１７】 中間層を設けないタンデム型太陽電池のエネルギバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 太陽電池、１２ 上部セル、１４ 下部セル、１６ トンネルダイオード、１８ 上部電極、２０ 下部電極、２４ 絶縁膜、２６ 負極、２８ 正極、３０ 中間層。
Claims (11)
- 異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうちの一方が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
を備え、
前記光入射側の単位太陽電池と前記裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池のバンドギャップの中間のバンドギャップを有する半導体中間層を設けたことを特徴とする太陽電池。 - 異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
を備え、
前記光入射側の単位太陽電池から前記裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、前記光入射側の単位太陽電池と前記裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の価電子帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる価電子帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする太陽電池。 - 異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
を備え、
前記光入射側の単位太陽電池から前記裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、前記光入射側の単位太陽電池と前記裏面側の単位太陽電池との間に、それぞれの単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルの中間のエネルギレベルをとる伝導帯を有する半導体中間層を設けたことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、そのバンドギャップが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 請求項２記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 請求項３記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが段階的に変化する複数層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 請求項１記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、そのバンドギャップが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 請求項２記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、その価電子帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 請求項３記載の太陽電池において、前記半導体中間層が、その伝導帯のエネルギレベルが連続的に変化する層で構成されることを特徴とする太陽電池。
- 異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち正極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
を備え、
前記光入射側の単位太陽電池から前記裏面側の単位太陽電池へ正孔が移動する構成であり、前記光入射側の単位太陽電池の下部の価電子帯のエネルギレベルが前記裏面側の単位太陽電池の上部の価電子帯のエネルギレベルより低いことを特徴とする太陽電池。 - 異なるバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、
前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、
前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて裏面側の前記単位太陽電池の一対の電極を形成するとともに、この一対の電極のうち負極が前記光入射側の単位太陽電池の他方の電極にも兼用される裏面電極と、
を備え、
前記光入射側の単位太陽電池から前記裏面側の単位太陽電池へ電子が移動する構成であり、前記光入射側の単位太陽電池の下部の伝導帯のエネルギレベルが前記裏面側の単位太陽電池の伝導帯のエネルギレベルより高いことを特徴とする太陽電池。
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