JP3877348B2

JP3877348B2 - 太陽電池

Info

Publication number: JP3877348B2
Application number: JP09170196A
Authority: JP
Inventors: 孝上田; 長保山岸
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: JPH09237908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料からなるｐｎ接合で構成された太陽電池に関し、特に、量子井戸構造を有する太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Siのような元素半導体に比較して、例えば、GaAsのような化合物半導体は、そのバンドギャップエネルギーが太陽光線のスペクトル分布から見て最適値に近いことから、効率の高い太陽電池を得る上で有利である。このことから、化合物半導体の結晶成長技術の向上に伴い、太陽電池の半導体材料として、化合物半導体が多用されつつある。
【０００３】
このような化合物半導体のｐｎ接合からなる太陽電池の変換効率のさらなる向上のために、使用する半導体材料の種類によって決まる所定のバンドギャップ波長よりも長波長側の光を吸収して、これを電流に変換するための量子井戸構造を太陽電池に採用することが提案されている。
量子井戸構造では、エネルギーバンド構造で見て、所定のバンドギャップエネルギーより小さなバンドギャップエネルギーの量子井戸が、量子井戸層により規定される。この量子井戸で、所定のバンドギャップ波長の光よりも小さなエネルギーを有する長波長側の光を吸収することができる。このことから、所定のバンドギャップ波長の光よりも高いエネルギーを有する光の吸収で励起されたキャリアに加えて、長波長側の光の吸収によっても、量子井戸で電子および正孔のようなキャリアが生成される。
【０００４】
そのため、理論上は、量子井戸構造を有する太陽電池は、量子井戸構造を有しないものよりも高い効率を示すはずであるが、それより低い効率しか得られていないのが現状である。
その理由として、伝導帯を電極へ向けて流れる電子あるいは価電子帯を電極へ向けて流れる正孔のようなキャリアが、量子井戸構造の井戸に落ち込み、また、この量子井戸に落ち込んだキャリアおよび量子井戸で生成されたキャリアの大多数が、量子井戸構造の障壁を越えて電極に到達することなく、すなわち電流として機能することなく、量子井戸内で再結合して消滅すると考えられる。
【０００５】
このような量子井戸でのキャリアの消滅を低減させるために、例えば、J. Appl. Phys.６７（７）ｐ３４９０〜３４９３、１、April 、１９９０にK. W. J. Barnham氏等により、多重量子井戸構造に共鳴トンネリング効果を導入することが提案された。
共鳴トンネリング効果とは、複数の量子井戸の量子順位を同一にすることにより、キャリアが各障壁を貫通して流れる現象であり、多数の量子井戸層の厚さ寸法を正確に制御することができれば、この共鳴トンネリング効果によって、量子井戸でのキャリアの消滅を低減できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の量子井戸層のそれぞれをその全面に亘って所定の厚さ寸法に正確に制御することは極めて困難であり、このような共鳴トンネリング効果を得ることのできる多重量子井戸構造の太陽電池を容易に製造することはできない。
そこで、本発明は、比較的製造が容易でありかつ変換効率に優れた、量子井戸構造を有する太陽電池を提供することを企図する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〈構成〉
ために、本発明は、エネルギーバンド構造に量子井戸を規定する量子井戸層が形成された半導体材料からなる太陽電池であって、量子井戸層の厚さ寸法を量子井戸層の面内で部分的に異ならせたことを特徴とする。
【０００８】
〈作用〉
量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、この量子井戸層を規定する半導体材料に固有の値となるが、この量子井戸層の厚さ寸法を小さくすれば、その厚さ寸法に応じて、井戸内の実質的な底となる量子準位が形成される。この量子準位は、厚さ寸法が小さいほど高くなる。従って、量子井戸層の厚さ寸法を部分的に異ならせることにより、量子準位を構成する比較的厚さ寸法の小さい部分と、従来の量子井戸層におけると同様な長波長側の光を吸収する比較的厚さ寸法の大きな部分とを形成することができる。
【０００９】
これにより、量子井戸層の比較的厚さ寸法の大きな部分において、従来の量子井戸層におけると同様に、量子井戸層を除く部分で吸収される光よりも長波長側の光を吸収してキャリアを生成させることができる。また、この量子井戸で生成されあるいはこの量子井戸に落ち込んだキャリアを量子井戸層の量子準位が高い厚さ寸法の小さな部分を経て、量子井戸から脱出させることができる。
その結果、量子井戸で生成されあるいは量子井戸に捕獲されたキャリアが量子井戸内で再結合により消滅する確率は低減し、量子井戸内のキャリアを有効に電流として取り出すことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明の具体例１に係る太陽電池の縦断面図である。
太陽電池１０は、基板１１上に形成されるベース層１２と、ベース層１２上に形成されるエミッタ層１３と、両層１２および１３間に挿入された量子井戸層１４とを備える。
【００１１】
図の例では、基板１１として、ｎ型GaAsが用いられており、基板１１上のベース層１２として、ｎ型Al_0.2 Ga_0.8 As（キャリア密度：２×１０¹⁷個／cm³ 、膜厚：３μｍ）が用いられている。エミッタ層１３として、ｐ⁺ 型Al_0.2 Ga_0.8 As（キャリア密度：２×１０¹⁸個／cm³ 、膜厚：０．５μｍ）が用いられている。また、図示の例では、基板１１とベース層１２との間には、ｎ⁺ 型Al_0.4 Ga_0.6 As（キャリア密度：２×１０¹⁸個／cm³ 、膜厚：０．３μｍ）からなる従来よく知られたＢＳＦ（バックサーフェイス）層１５が挿入されている。エミッタ層１３の表面には、ｐ⁺ 型Al_0.8 Ga_0.2 As（キャリア密度：２×１０¹⁸個／cm³ 、膜厚：０．０２μｍ）からなる従来よく知られた窓層１６が形成されており、窓層１６によるヘテロフェイス構造が採用されている。
【００１２】
ベース層１２およびエミッタ層１３間に挿入された量子井戸層１４は、図示の例では、真性GaAs層からなる。
この真性GaAs層からなる量子井戸層１４は、ベース層１２およびエミッタ層１３を構成するｎ型Al_0.2 Ga_0.8 Asおよびｐ⁺ 型Al_0.2 Ga_0.8 Asの禁制帯バンドギャップエネルギーＥｇ（１．６７ｅＶ）に比較して、より小さな値のバンドギャップエネルギーＥｇ₁ （１．５５ｅＶ）を示し、ｐｎ接合部のエネルギーバンド構造に、後に述べる量子井戸を規定する。
【００１３】
量子井戸層１４は、その全面に亘って均一な厚さ寸法を示すことはなく、部分的に厚さ寸法を異にする。図１に示す例では、量子井戸層１４は、その下面が平坦に形成され、その上面が凹凸を呈するように形成されている。これにより、量子井戸層１４は、厚さ寸法の小さな部分１４ａと、これよりも厚さ寸法の大きな部分１４ｂとから構成されている。
厚さ寸法の小さな部分１４ａは、高い量子準位を形成するに充分に薄い厚さ寸法、例えば５〜５００Ａ°を有する。他方、厚さ寸法の大きな部分１４ｂは、これよりも大きな、光を吸収するに充分な厚さ寸法、例えば０．２μｍを有する。
【００１４】
図２は、量子井戸層１４を概略的に示す斜視図であり、図３は量子井戸層１４の他の例を示す図２と同様な図面である。
量子井戸層１４の各厚さ寸法の大きな部分１４ｂは、図２に示されているように、ほぼ矩形の平面形状を有する。これら多数の厚さ寸法の大きな部分１４ｂが、厚さ寸法の小さな部分１４ａ上で、縦横方向に互いに間隔をおいて格子状にほぼ整列して形成されている。
厚さ寸法の大きな部分１４ｂを格子状に配置することに代えて、図３に示されているように、厚さ寸法の大きな部分１４ｂを長尺状に連続的して形成し、厚さ寸法の大きな部分１４ｂおよび厚さ寸法の小さな部分１４ａが一方向へ交互に位置するように配置することができる。
このような厚さ寸法の小さな部分１４ａおよび厚さ寸法の大きな部分１４ｂの形状および配置は、後述する量子井戸層１４の製造方法等に応じて種々の形態を適用することができる。
【００１５】
再び図１を参照するに、基板１１上のＢＳＦ層１５、ベース層１２、エミッタ層１３および窓層１６は、例えば、主原料として、トリメチルガリュウム『（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ』、トリメチルアルミニウム『（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ』およびアルシン『ＡｓＨ₃ 』を用い、キャリアガスとして水素ガスを用い、７００℃、１００Ｔｏｒｒの減圧下で行う減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシ）法により、形成することができる。ｐ型およびｎ型のドーパンドとして、それぞれ『（ＣＨ₃ ）₂ Ｚｎ』および『Ｓｉ₂ Ｈ₆ 』が用いられた。
【００１６】
ベース層１２およびエミッタ層１３間の量子井戸層１４は、例えば、次のような島状成長を利用して形成することができる。
前記したＭＯＣＶＤ法により形成されたベース層１２上に、同様なＭＯＣＶＤ法により例えば厚さ５０Ａ°のほぼ一様な厚さ寸法の真性GaAs層を形成する。このＭＯＣＶＤ法により形成された真性GaAs層の一部分は、厚さ寸法の小さな部分１４ａを構成する。この真性GaAs層上に、厚さ寸法の大きな部分１４ｂを構成するために、GaAs結晶を島状に成長させる。
このGaAs結晶の島状成長のために、例えばドロップエピタキシー法を適用できる。ドロップエピタキシー法では、ＭＯＣＶＤ法により形成された一様な厚さ寸法の真性GaAs層上に、６００℃のトリメチルガリュウムを供給することにより、Ｇａを液状に滴下させる。このＧａ液滴にアルシンを供給することにより、ＧａとＡｓとが結合し、その結果、ＭＯＣＶＤ法により形成された真性GaAs層上に、真性GaAsの微結晶が島状に形成される。一様な厚さ寸法の真性GaAs層上に形成されたGaAsの微結晶は、この真性GaAs層と共に、量子井戸層１４の、例えば０．２μｍの厚さ寸法を有する厚さ寸法の大きな部分１４ｂを形成する。
【００１７】
この量子井戸層１４の形成後、量子井戸層１４の上に、前記したようなＭＯＣＶＤ法により、エミッタ層１３および窓層１６が順次形成され、基板１１上への各層１２〜１６の形成後、窓層１６には、電極のためのコンタクト層１９として、ｐ⁺ 型GaAs（キャリア密度：２×１０¹⁹個／cm³ 、膜厚：０．３μｍ）が形成される。このコンタクト層１９上に、従来よく知られたフォトリソグラフィー法等により、表面電極２０が形成され、また基板１１の裏面には裏面電極２１が形成される。さらに、窓層１６の露出面を覆う反射防止膜２２が形成され、これにより量子井戸構造を有する太陽電池１０が完成する。
【００１８】
図４は、第１具体例に係る太陽電池１０のエネルギーバンド構造の説明図である。
図４に記載されたＥｃは伝導帯を示し、Ｅｖは価電子帯を示す。ベース層１２およびエミッタ層１３により構成されるｎ型領域とｐ型領域との間の遷移領域Ｔには、ベース層１２およびエミッタ層１３のバンドギャップエネルギーＥｇ（１．６７ｅＶ）より小さな値のバンドギャップエネルギーＥｇ₁ （１．５５ｅＶ）を有する量子井戸層１４により量子井戸Ｗが規定される。
量子井戸Ｗの底は、この量子井戸Ｗを構成する量子井戸層１４のバンドギャップエネルギーＥｇ₁ により規定されるが、量子井戸層１４は、その厚さ寸法に応じた量子準位Ｌ₁ およびＬ₂ を量子井戸Ｗ内に形成する。
【００１９】
図４（Ａ）は、量子井戸層１４の厚さ寸法の小さな部分１４ａにおけるエネルギーバンド構造を示し、図４（Ｂ）は、厚さ寸法の大きな部分１４ｂにおけるエネルギーバンド構造を示す。図４に示す例では、厚さ寸法の小さな部分１４ａおよび厚さ寸法の大きな部分１４ｂの両者共、量子準位Ｌ₁ またはＬ₂ をそれぞれ形成する。
この両者のうち、厚さ寸法の小さな部分１４ａが形成する量子準位Ｌ₁ は、図４（Ａ）に示されるように、量子井戸Ｗの底から離れた比較的高い位置に形成される。他方、厚さ寸法の大きな部分１４ｂが形成する量子準位Ｌ₂ は、図４（Ｂ）に示されるように、量子井戸Ｗの底の近傍に形成される。
【００２０】
この量子準位Ｌ₂ が量子井戸Ｗの底近傍に形成される厚さ寸法の大きな部分１４ｂでは、バンドギャップエネルギーが実質的に大きく変化することはなく、厚さ寸法の大きな部分１４ｂは、ほぼそのバンドギャップエネルギーＥｇ₁ に対応する光を効率的に吸収してキャリアを発生させる。
他方、量子準位Ｌ₁ が量子井戸Ｗの底から離れた位置に形成される厚さ寸法の小さな部分１４ａでは、この量子準位Ｌ₁ により、量子井戸Ｗの実質的な底上げが行われる。その結果、量子井戸Ｗ内のキャリアは、この厚さ寸法の小さな部分１４ａを経て、量子井戸Ｗから脱出し易くなり、キャリアの量子井戸Ｗから脱出する確率が高められる。
【００２１】
本発明に係る第１具体例の太陽電池１０では、反射防止膜２２を通して入射した太陽光は、ベース層１２、量子井戸層１４およびエミッタ層１３で吸収される。
ベース層１２のｎ領域およびエミッタ層１３のｐ領域では、従来の太陽電池におけると同様に、この光の吸収に応じてキャリアである電子と正孔とが生成され、それぞれ内部電界によって電子は裏面電極２１へ、また正孔は表面電極２０へと、それぞれ対応する電極２１および２０へ向けて拡散する。
ＢＳＦ層１５および窓層１６は、従来よく知られているように、電極２０および２１へ向けて拡散するキャリアのそれぞれエミッタ層１３の表面およびベース層１２の背面での表面再結合による消滅を防止し、これにより変換効率の低下を防止する作用をなす。
【００２２】
また、量子井戸層１４の厚さ寸法の大きな部分１４ｂは、ｐ領域（１３）およびｎ領域（１２）で吸収できない長波長側の光を吸収する。この長波長側の光の吸収により、厚さ寸法の大きな部分１４ｂでは、キャリアである電子と正孔とが生成される。
量子井戸層１４には、厚さ寸法の大きな部分１４ｂで生成されたキャリアに加えて、電極２０または２１へ向けて拡散するキャリアが捕獲されることがあるが、この量子井戸層１４の厚さ寸法の小さな部分１４ａには、量子井戸Ｗの実質的な底上げの作用をなす量子準位Ｌ₁ が形成されていることから、量子井戸Ｗ内のキャリアは、この量子井戸層１４の厚さ寸法の小さな部分１４ａを経て、比較的高い確率で早期に量子井戸Ｗから脱出することができる。量子井戸Ｗから脱出したキャリア電子は、ベース層１２へ向け、また量子井戸から脱出したキャリア正孔はエミッタ層１３へ向けて、それぞれ拡散され、有効電流として利用される。
【００２３】
その結果、従来の量子井戸構造の太陽電池におけるような量子井戸でのキャリアの再結合による消滅の頻度を大きく低減することができ、量子井戸内で生成され、あるいはこの量子井戸に落ち込むキャリアを電流として有効に利用することができることから、太陽電池１０の効率は、従来に比較して大きく改善され、高い光電気変換効率が得られる。
【００２４】
また、太陽電池１０の構造では、量子井戸層１４を凹凸状に形成することにより、従来のように量子井戸層を高い精度で均一の厚さに制御する必要はなくなることから、比較的容易に所望の量子井戸層を形成することができ、これにより、比較的容易に、高い変換効率を示す太陽電池を得ることができる。
【００２５】
〈具体例２〉
図５は、本発明の第２具体例を示す太陽電池１０の縦断面図である。
図５に示す太陽電池１０では、３つの量子井戸層１４が形成されており、図１に示したと同一の機能を果たす構成部分には、図２におけると同様の参照符号が付されている。
第２の具体例に係る太陽電池１０では、ベース層１２と、エミッタ層１３との間の遷移領域Ｔに、多重量子井戸構造として、３つの量子井戸層１４が形成されており、各量子井戸層１４の構成は、図１に示した第１具体例におけると同様に、真性GaAs層１８からなる。各量子井戸層１４間には、真性Al_0.2 Ga_0.8 As層２３（アンドープ、膜厚：５００Ａ°）が配置されており、真性Al_0.2 Ga_0.8 As層２３は、ベース層１２およびエミッタ層１３と同一のバンドギャップエネルギーＥｇを持つ。この真性Al_0.2 Ga_0.8 As層２３は、第１具体例で説明したと同様な減圧ＭＯＣＶＤ法で形成することができ、その膜厚は、これを適宜選択することができる。
【００２６】
各量子井戸層１４は、隣接する量子井戸層１４間で、それぞれの厚さ寸法の大きな部分１４ｂが積層方向である縦方向と直角な横方向に相互にずれるように、すなわち隣接する量子井戸層１４でそれぞれの厚さ寸法の大きな部分１４ｂが互いに重なり合わないように、相互にずれを以て配置されている。
このずれは、長波長側の光を吸収してキャリアを生成する作用をなす厚さ寸法の大きな部分１４ｂが互いに重複することを防止し、それぞれの厚さ寸法の大きな部分１４ｂで、より有効に光りを吸収することを可能とする。これにより、厚さ寸法の大きな部分１４ｂが相互にずれを以て配置された多重量子井戸構造は、長波長側光により量子井戸層１４で励起されるキャリアの総数を増大させることから、この増大分に応じた変換効率の向上が期待できる。
【００２７】
第１および第２の具体例では、量子井戸層１４をｐｎ接合の遷移領域Ｔに形成した例について説明したが、本発明に係る量子井戸層１４を遷移領域Ｔに形成することに代えて、反射防止膜２２を経る太陽光が透過する範囲内で、ｐ型領域あるいはｎ型領域の内部に形成することができる。
【００２８】
〈具体例３〉
図６は、本発明の第３具体例を示す図１および図５と同様な図面であり、量子井戸層１４をｎ型領域を構成するベース層１２内に形成した例を示す。
第３の具体例に係る太陽電池１０では、先に述べたと同様な減圧ＭＯＣＶＤ法で各層を形成することができる。すなわち、基板１１上にＢＳＦ層１５を形成後、ベース層１２の下部１２ａが形成される。この下部１２ａ上に、厚さ寸法の小さな部分１４ａとこの部分１４ａよりも厚さ寸法の大きな部分１４ｂとから構成されている量子井戸層１４が、形成される。
【００２９】
この量子井戸Ｗが遷移領域Ｔに形成された第１および第２の具体例では、量子井戸層１４はアンドープの真性GaAs半導体層で構成されたが、ｎ型領域に量子井戸層１４が形成される第３具体例では、量子井戸層１４を構成するGaAs層は、ｎ型とすることが好ましい。
従って、ｐ型領域に量子井戸層１４を形成する場合は、この量子井戸層１４を構成するGaAs層として、ｐ型GaAsが採用される。
【００３０】
量子井戸層１４の形成後、ベース層１２の上部１２ｂが形成され、さらにその上に、エミッタ層１３が形成され、その後、窓層１６、コンタクト層１９、電極２０および２１が形成され、太陽電池１０が完成する。
この第３具体例に係る太陽電池１０では、ベース層１２の上部１２ｂと、その上のエミッタ層１３との接合部に遷移領域Ｔが形成されることから、この遷移領域Ｔに量子井戸構造が形成されることはないが、ベース層１２の内部へ透過する光によって、このベース層１２内に形成された量子井戸層１４の厚さ寸法の大きな部分１４ｂで長波長側光によりキャリアを有効に生成し、厚さ寸法の小さな部分１４ａでこのキャリアを有効電流として効果的に取り出すことができる。
従って、第３具体例の太陽電池１０によっても、優れた変換効率を得ることができる。
【００３１】
ｐ型領域またはｎ型領域に量子井戸層を形成する場合も、多数の量子井戸を有する多重量子井戸構造を採用することができ、また量子井戸層を表面層である窓層１６に形成することができる。
【００３２】
各具体例では、各層１１〜１６の厚さ寸法を記載したが、これらの値は一例に過ぎず、適宜選択することができる。また、半導体材料として、ｐｎ接合を構成する半導体材料として、Al_0.2 Ga_0.8 Asを採用し、量子井戸層としてGaAsを採用した例について説明したが、それぞれ異なるバンドギャップエネルギーの半導体材料を適宜組み合わせて用いることができる。
そのような組み合わせの一例として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ／Ａｌ_y Ｇａ_1ーy Ａｓ（ここでｘ＞ｙ）、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ等の組み合わせがある。
また、各結晶層の成長方法は、減圧ＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、ハイドライド気相成長法等を適宜選択することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、以上に説明したように、量子井戸構造を規定する量子井戸層の厚さ寸法を部分的に異ならせることにより、その厚さ寸法の大きな部分で長波長側の光を吸収してキャリアを生成させることができ、厚さ寸法の小さな部分で量子井戸内のキャリアを有効電流として取り出すことができることから、太陽電池の変換効率を高めることができる。
また、本発明によれば、共鳴トンネル効果に必要とされたような量子井戸層をその全面に亘って同一厚さ寸法に正確に制御する必要はなく、複数の量子井戸層を用いる場合においても、各量子井戸層間でそれぞれの厚さ寸法が大きな問題となることはなく、比較的容易に凹凸を有する量子井戸層を形成することができることから、変換効率に優れた太陽電池を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１具体例を示す太陽電池の縦断面である。
【図２】図１に示した量子井戸層を概略的に示す斜視図である。
【図３】図２に示した量子井戸層の他の例を示す図２と同様な図面である。
【図４】本発明に係る量子井戸層のエネルギーバンド構造を示す説明図である。
【図５】本発明の第２具体例を示す図１と同様な図面である。
【図６】本発明の第３具体例を示す図１と同様な図面である。
【符号の説明】
１０太陽電池
１４量子井戸層
１４ａ厚さ寸法の小さな部分
１４ｂ厚さ寸法の大きな部分
Ｗ量子井戸

Claims

エネルギーバンド構造に量子井戸を規定する量子井戸層が形成された半導体材料からなる太陽電池であって、前記量子井戸層は、同一面における厚さ寸法を部分的に異にすることを特徴とする太陽電池。
前記量子井戸層の厚さ寸法の大きな部分は、主として、前記量子井戸層を除く部分で吸収される光よりも長波長側の光の吸収により前記量子井戸でキャリアを生成する作用を担い、前記量子井戸層の厚さ寸法の小さな部分は、前記量子井戸から前記キャリアを脱出させるに充分に高い量子準位を規定し、主として、前記量子井戸の前記キャリアを前記量子井戸から脱出させる作用を担うことを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
前記量子井戸層と同様な量子井戸層が積層された多重量子井戸構造を呈する太陽電池であって、互いに隣り合う前記量子井戸層間でそれぞれの前記厚さ寸法の大きな部分が、積層方向と直角な方向へ相互にずれを以て配置されていることを特徴とする請求項２記載の太陽電池。