JP4064592B2 - 光電変換装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するための光電変換装置に関し、特に宇宙空間での使用において太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換効率を向上させたＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を用いた光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人工衛星等の宇宙機の電源に使用される宇宙用太陽電池セルとして、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を主材料に用いた多接合型の太陽電池セルを使用する例が増加している。これらの電池セルは、従来から宇宙用太陽電池として広く用いられているシリコン太陽電池セルに比べて高い光電変換効率が期待できる。このため、シリコンセルでは対応できなかった小型衛星や大電力衛星などへの用途に適している。
【０００３】
多接合型太陽電池セルとして現在最も用いられている電池セルは、例えば、米国特許5,223,043号および5,405,453号に開示されている。これらの電池セルの基本的な構造を図２０に示す。この従来の多接合型（２接合型）セルの主材料には、太陽光入射側の表面に形成される第１の電池セル（以下、「トップセル」と記す）１０４にＧａ1-xＩｎxＰが、また、トップセルの下に形成される第２の電池セル（以下、「ボトムセル」と記す）１０２にＧａＡｓが用いられ、両者はトンネル接合１０３で接続されている。基板１０１には、ＧａＡｓまたはＧｅ単結晶ウエハが用いられている。トップセルのＧａ1-xＩｎxＰの組成比は、ボトムセルのＧａＡｓと格子定数が一致することを目的に、ｘ＝０．４９程度としている。この場合、トップセルおよびボトムセル材料の格子定数は、基板であるＧｅの格子定数にもほぼ等しくなり、比較的容易にＧｅ基板上にエピタキシャル成長できるように意図されている。このとき、トップセルの禁制帯幅（バンドギャップ）Ｅｇは約１．９ｅＶであり、またボトムセルのバンドギャップＥｇは約１．４ｅＶである。この従来の多接合型電池セルは、宇宙空間での太陽光スペクトルを模した光源を用いた特性試験により、実験室レベルで約２６％、工業製品レベルで約２２％の光電変換効率を達成している。さらに、近年では、上記トップセルおよびボトムセルに加えて、Ｇｅ基板にもｐｎ接合を形成した３接合型電池セルも開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の宇宙開発の飛躍的な進歩に対応してゆくためには、上記の光電変換効率では不充分であり、さらに高い変換効率が望まれている。上記した従来の多接合型電池セルは、歴史的にはＧｅ基板上に形成したＧａＡｓ太陽電池セルの発展型として開発された経緯があり、その結果として上記の構造が定められてきた。しかし、太陽光エネルギーを最大限利用するという観点からあらためて上記のＧａ1-xＩｎxＰとＧａＡｓとの組合せを考えた場合、この組合せは、下記するように、最適な組合せということができない。
【０００５】
２つのｐｎ接合からなる太陽電池セルの理論的な光電変換効率が、例えば、IEEE Transaction on Electron Devices，ED-34，p257に記載の論文にとり上げられている。この論文には、トップセルおよびボトムセルの材料のバンドギャップと入射光スペクトルとのマッチングから、光電変換効率の期待値とトップセルおよびボトムセルのバンドギャップの範囲との関係が示されている。実際に電池セルを製作する場合には、通常、単にバンドギャップだけが問題とされるのではなく、高品質のエピタキシャル成長層を得るために、トップセルとボトムセルとの間、およびボトムセルと基板との間の格子整合を図る。図２１は、各種半導体材料の格子定数とバンドギャップの関係を示した図である。上記の論文に基づいて、図２１の中に、宇宙空間における太陽光スペクトル（AMO)に対して３０％以上の変換効率が得られるトップセルのバンドギャップ範囲Ｕおよびボトムセルのバンドギャップ範囲Ｌを示す。この図によれば、上記した従来の多接合型電池セルの材料の組合せ、すなわち、Ｇａ1-xＩｎxＰとＧａＡｓとの組合せでは、光電変換効率が３０％に達しないことが分かる。
【０００６】
そこで、本発明は、トップセルおよびボトムセルの材料の組合せの最適化を図り、より高い光電変換効率が実現可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の光電変換装置は、第１および第２のｐｎ接合を備える光電変換装置であって、第１のｐｎ接合は実質的に（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰによって表示される半導体中に形成され、第２のｐｎ接合は実質的にＧａ1-zＩｎzＡｓによって表示される半導体中に形成されている。そして、半導体Ｇａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰの組成比ｚならびにｘおよびｙは、それぞれ、0.11<ｚ<0.29、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の範囲内にある。また、第１および第２のｐｎ接合を含む成長層が、Ｇｅ単結晶基板の上に形成されているか、または、Ｓｉ単結晶基板上に形成されたＳｉ 1-x Ｇｅ x 混晶層の上に形成されている。
【０００８】
変換効率３０％以上の高変換効率を実現するためには、少なくとも次の条件を満たすことが重要であると言われてきた。
（ａ）トップセルを構成する材料（以下、「トップセル材料」と記す）およびボトムセルを構成する材料（以下、「ボトムセル材料」と記す）のバンドギャップエネルギの組合せの最適化を図る。
（ｂ）トップセル材料とボトムセル材料との間の格子整合を図る。
（ｃ）ボトムセル材料と基板材料との間の格子整合を図る。
（ｄ）成長層材料と基板材料との熱膨張係数の整合を図る。
【０００９】
しかしながら、これらの条件をすべて満たし、かつ経済的に製造可能な半導体材料の組合せを見出すことは至難の業である。本発明者らは、上記の各条件について広範な調査を行った。その結果、（ａ）トップセル材料およびボトムセル材料のバンドギャップエネルギの組合せの最適化、および（ｂ）トップセル材料とボトムセル材料との間の格子整合を図る、の２条件は、変換効率３０％以上の実現に不可欠であることをあらためて確認した。
【００１０】
しかし、「ボトムセル材料と基板材料との間の格子整合は重視する必要がなく、格子不整合の程度が４％程度以内であれば、結晶成長技術を工夫することにより結晶性の良い層を形成できる」（以後、（ｃ）の条件を緩和したこの条件を（ｃ’）と記す）見通しを得ることができた。
【００１１】
また、「成長層材料と基板材料との間の熱膨張係数の整合に関しても、過大な重視は不要であり、成長層の熱膨張係数が基板の熱膨張係数に比べて同等以下であれば、熱膨張係数の相違に起因する成長層へのクラック伝播等は抑制可能である」（以後、（ｄ）の条件を緩和したこの条件を（ｄ’）と記す）見通しを得ることができた。
【００１２】
上記の調査において、条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ’）および（ｄ’）を満足する材料として、トップセルには（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰによって表示される半導体が、また、ボトムセルにはＧａ1-zＩｎzＡｓによって表示される半導体を用いることが有効であるとの確信を得ることができた。これら（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ、およびＧａ1-zＩｎzＡｓを見出すことができたのは、上記の条件（ｃ’）および（ｄ’）の方針が大きく寄与している。上記請求項１の構成の採用により、上記の条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ’）および（ｄ’）の全てを満足することができる。この結果、変換効率３０％以上の光電変換装置を実現することが可能となる。なお、化学組成の表示において、元素Ｂ，Ｃ，Ｐからなる物質Ｂ1-xＣxＰでは、原子Ｃは、化学式ＣＰの結晶格子においてＣが占めるサイトのうちｘ（≦１．０）だけを占有し、残りの１−ｘのサイトを原子Ｂが占めている。また、物質（Ａ1-yＢy）1-xＣxＰでは、上記のＢ1-xＣxＰにおいてＢ原子が占有しているサイトのうち、さらにｙ（≦１．０）だけををＢ原子が占め、残りの１−ｙをＡ原子が占める。本発明が対象とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等は、通常、閃亜鉛鉱（Zinc blende)型結晶構造をしている。この閃亜鉛鉱型結晶構造は、Ｇｅ、Ｓｉ等のＩＶ族半導体が有するダイヤモンド型結晶構造と類似している。
【００１４】
この構成により、具体的にトップセル材料およびボトムセル材料のバンドギャップエネルギの最適化を図ることができる。本発明者らは、（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓの最適な組成を得ることを目的に、これらの半導体について格子定数およびバンドギャップエネルギの計算を行った。図１は、光電変換効率３４％以上が得られるトップセル材料およびボトムセル材料のバンドギャップエネルギの範囲Ａを示す図である。図１において、トップセル材料のバンドギャップエネルギを横軸に、ボトムセル材料のバンドギャップエネルギを縦軸にとっている。この図において、変換効率３４％以上が期待される領域Ａは１つの閉曲線で囲まれた領域として表示されている。図１には、ボトムセル材料を固定してトップセル材料を混晶として構成した場合のボトムセルバンドギャップとトップセルバンドギャップとの関係が横軸に平行な線分として示されている。トップセルは混晶なので、混晶が成立する範囲内でバンドギャップにも範囲が生じ、線分として表示される。各線分の右側にはボトムセルとして定めた半導体材料とその上に形成される混晶の２成分の半導体材料が示されている。そこに記載されるボトムセルには、Ｇｅの格子定数との格子不整のパーセントが示されている。例えばＧａ.29Ｉｎ.71Ｐ−Ａｌ.30Ｉｎ.70Ｐ on Ｇａ.77Ｉｎ.23Ａｓ（１．６２％>Ｇｅ）は、トップセルがＧａ.29Ｉｎ.71Ｐ−Ａｌ.30Ｉｎ.70Ｐで構成される混晶によって構成され、ボトムセルがＧａ.77Ｉｎ.23Ａｓであることを示す。また、このボトムセルＧａ.77Ｉｎ.23Ａｓの格子定数がＧｅに比べて１．６２％大きいことを意味する。この変換効率３４％以上の領域Ａに対応するトップセルおよびボトムセルをそれぞれ構成する（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓの組成範囲は、次の範囲である。
ｚ：ボトムセル材料のＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚは、0.11<ｚ<0.29の範囲内とする。
ｘ、ｙ：トップセル材料の（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰの組成比ｘ、ｙは、ｚが上記の範囲内にあることを前提として、それぞれ、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の範囲内とする。ｘの範囲は、ボトムセル材料のＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて図２に示すとおりである。また、ｙの範囲は、ボトムセル材料のＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて図３に示すとおりとなる。
【００１５】
トップセル材料およびボトムセル材料の組成比ｘ、ｙおよびｚが上記の範囲内にあれば、変換効率３４％以上を達成することが期待できる。さらに、ｘ、ｙおよびｚが上記の範囲内にあれば、基板をＧｅとしたとき、Ｇｅとの格子不整を２％以内に収めることができる。また、熱膨張係数については、Ｇｅ：5.5×10-6/Ｋ、Ｇａ1-zＩｎzＡｓ：5.8×10-6/Ｋ、および（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ：4.8×10-6/Ｋのように、３者は互いに近接しているので、成長層にクラックが発生したり、成長層にクラックが伝播したりする問題は生じない。
【００１６】
本発明においては、太陽電池セルを構成する半導体材料について、基板と格子整合をとるという条件を緩和することにより、新しい材料を見出した点に大きな特徴を有する。すなわちトップセルについては、混晶の概念を拠り所にして新しい半導体を創製した。すなわち、結晶構造は同じものであるが、その結晶を構成する元素を変え、またそれら元素の組成比を変えて新しい半導体を創製した。一般に、化合物半導体では、結晶構造が同じで異なった材料を混合することにより、その混合割合に応じて格子定数、バンドギャップエネルギ等に中間的な物性を有する混晶が得られることはよく知られている。このような混晶は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)やレーザダイオード等のデバイスで実用化されている。この場合、混合する異種材料の量は、単なる不純物ドーピングの程度ではなく、結晶格子定数やバンドギャップの変化が生じるほどの組成変化を伴う。したがって、混晶の概念を拠り所にして創製した上記の半導体Ｇａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰは、新しい半導体ということができる。
【００１７】
ここで、上記の本発明の基にある考え方が従来の技術である、上記の米国特許発明等と相違する点について詳しく説明する。
（１）米国特許5,223,043号との相違について
上記の米国特許発明には、２接合型電池セルの材料として、次の３種類の組合せが開示されている。
（Ａ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（０<ｘ<0.5）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ
（Ｂ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（ｘ＝0.51±0.05）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ
（Ｃ）トップセルＧａxＩｎ1-xＰ（０<ｘ<0.5）とボトムセルＧａx+0.5Ｉｎ0.5-xＡｓ（０<ｘ<0.5）との組合せ
上記の組合せのうち、（Ａ）および（Ｂ）は、前述の通り、成長層をＧｅ基板と格子整合させることを前提に組合せがなされている。これに対して、本発明の成長層は、上記（ｃ’）に示すように、Ｇｅ基板と格子整合をとる必要がない。さらに、本発明の光電変換装置のトップセルを構成する材料は、上記米国特許発明の光電変換装置のトップセルの材料と相違する。すなわち、本発明の光電変換装置の典型的なトップセルの材料である、Ａｌ0.15Ｇａ0.15Ｉｎ0.7Ｐは、１５％のＡｌを含んでおり、上記の米国特許発明の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）のいずれとも相違している。すなわち、本発明では、図１に示すように、トップセルにＡｌを含んだ（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰを用いることにより、トップセルとボトムセルとのバンドギャップを適当な値にして、高変換効率を達成することが可能となる。この高変換効率の達成のためには、トップセルの構成材料としてＡｌを一定以上含む半導体材料を用いることが必須である。
（２）米国特許5405453号との相違について
上記の米国特許発明には、２接合型電池セルの材料として、次の２種類の組合せが開示されている。
（Ｄ）トップセル（Ｇａ，Ｉｎ）Ｐ（典型例として、Ｇａ0.49Ｉｎ0.51Ｐ）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ
（Ｅ）トップセル（Ａｌ，Ｉｎ）Ｐ（典型例として、Ａｌ0.55Ｉｎ0.45Ｐ）とボトムセルＧａＡｓとの組合せ
上記の（Ｄ）および（Ｅ）は、ともにＧｅ基板と格子整合することを前提にした組合せであり、本発明とは基本的な電池セルの設計方針が異なる。また、トップセルおよびボトムセルの両方とも構成材料が本発明の構成材料と相違する。
（３）その他
その他に開示されたもの（Technical Digest of the International PVSEC-11, Sapporo, Hokkaido, Japan, 1999, p593-594）には、次の組合せが開示されている。
（Ｆ）トップセルＩｎ0.49Ｇａ0.51ＰとボトムセルＩｎ0.01Ｇａ0.99 Ａｓとの組合せ
この（Ｆ）の組合せは、従来のボトムセルの材料であるＧａＡｓと基板Ｇｅとの間のわずかな格子不整を是正するために、ＧａＡｓに１％のＩｎを含ませてＩｎ0.01Ｇａ0.99 Ａｓとして、Ｇｅ基板に格子整合するようにしたものである。したがって、上記（Ｆ）の組合せも本発明の電池セルと基本的な設計方針が相違する。さらに、トップセルおよびボトムセルの両方とも、本発明とは電池セルを構成する材料が相違する。
【００１８】
本発明は上記の（Ａ）〜（Ｆ）の従来技術と比較して、基板と格子整合をとる必要がなく、トップセルに（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰなる新しい材料を用い、トップセルおよびボトムセルともに構成材料の組成比の範囲を設定している。
【００１９】
請求項２の光電変換装置では、請求項１の変換装置において、（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓはトンネル接合部で接合されている。
【００２０】
トンネル接合部は、トップセルとボトムセルとを電気的に接続するために高濃度にドープされたｐ+ｎ+接合を含む。この構成により、トップセルにおいてエネルギの高い状態の入射光を部分的に電気エネルギに変換し、ボトムセルにおいてトップセルでエネルギ変換された分だけ減少した光エネルギから部分的に電気エネルギに変換するタンデム変換を行うことができる。しかも、トンネル接合のために変換された後の電気エネルギの損失はほとんど生じない。このため、上記光電変換装置により高い変換効率で電気エネルギを利用することが可能となる。
【００２１】
請求項３の光電変換装置では、請求項１〜２のいずれかの変換装置において、基板の上に形成された第１および第２のｐｎ接合を含む成長層とその基板との間にバッファ層を有し、そのバッファ層の熱膨張係数がバッファ層の直上の成長層の熱膨張係数と同等以上である。
【００２２】
この構成により、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法による成長層形成時の高温から室温にまで降下する際の温度変化に対して、バッファ層にのみクラックを封じ込めておくことができる。このため、成長層でのクラック発生や成長層へのクラック伝播を抑制することができる。
【００２３】
請求項４の光電変換装置では、請求項３の変換装置において、基板の熱膨張係数が、そのバッファ層の直上の成長層の熱膨張係数より小さい。
【００２４】
この構成により、バッファ層によるいっそう強いクラック抑制効果を期待することができる。このバッファ層材料の格子定数は、成長層および基板の格子定数と近接していることが良い。さらに、請求項５のバッファ層のように、請求項３または４の変換装置において、その格子定数が、バッファ層の直上の成長層の格子定数と整合していることが望ましい。上記バッファ層材料は、具体的には、例えば、請求項６のバッファ層のように、実質的にＧａＡｓ1-wＳｂw（0.29<ｗ<0.33）から構成されていることが望ましい。上記の組成比ｗは、Ｇａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚ（0.11<ｚ<0.29）の値に対応して、格子整合をとるか、またはわずかの格子不整範囲内になるように0.29<ｗ<0.33の範囲内で適宜選択することができる。
【００２６】
この構成により、結晶性の良い成長層を形成し、変換効率の高い光電変換装置を簡便に提供することが可能となる。また、基板にＧｅ単結晶を用いることにより、基板との格子不整を２％以下に抑制することができる。このため、エピタキシャル成長した高品質の成長層を得ることができるばかりか、将来的にはＧｅにもｐｎ接合を形成することにより、一層高い変換効率を得ることが可能となる。
【００２８】
上記構成により、格子不整の程度を抑制することができ、結晶性に優れた成長層を形成することが可能となる。また、安価な基板を用いて変換効率の高い光電変換装置を得ることができる。
【００２９】
請求項７の光電変換装置では、請求項１〜６のいずれかの変換装置において、第１および第２のｐｎ接合を含む成長層が形成されている基板の上層部に、さらにｐｎ接合が形成されている。
【００３０】
この構成により、光の有効利用をさらに図ることができ、光電変換効率をさらに向上させることが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における光電変換装置の基本構成の断面図を図４に示す。同図に光の入射方向１０を示すが、以後の説明において、各層の光の入射方向側を各層の「表面」または「上層」と、また対する側を「裏面」と記す。図４の基本構造において、基板１の上にボトムセル２、トンネル接合３およびトップセル４が、順次積層されている。この積層には、有機金属を用いた気相成長法（MOCVD法:Metal Organics Chemical Vapor Deposition)や分子線エピタキシー法(MBE法:Molecular Beam Epitaxy)が使用される。基板１にはＧｅ単結晶を用いることが望ましいが、低価格化を図る観点からは、Ｓｉ、または、Ｓｉ基板上にＧｅまたはＳｉ1-xＧｅx のような混晶をエピタキシャル成長させた「エピ基板」であってもよい。また、これらの基板内にもｐｎ接合を設けて３接合の構造としたり、直上のボトムセル材料とヘテロ接合を形成することにより電位障壁を形成する構造としてもよい。
【００３３】
ボトムセル２は少なくともＧａ1-zＩｎzＡｓ（0.11<ｚ<0.29）なる組成の材料からなるｐ層とｎ層の接合、すなわちｐｎ接合を含む。このｐｎ接合をはさんで、例えば、表面側に公知の窓層や、裏面側に公知の裏面電界層等を設けることによりボトムセルのキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また、基板１からの基板構成元素や不純物の拡散を防止するためのバッファ層を有してもよい。
【００３４】
トンネル接合３はトップセルとボトムセルとを電気的に接続するための高濃度ドープのｐｎ接合であり、少なくとも一対のｐ+層とｎ+層とを含む。このｐ+層とｎ+層とをはさんで、この高濃度ドープ層からの不純物拡散を抑制するためのもう一対の層を挿入する等の公知の工夫を有してもよい。また、トンネル接合の材料は、Ｇａ1-zＩｎzＡｓまたは（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰであってもよいし、他の組成の半導体材料であってもよい。
【００３５】
トップセル４は、少なくとも（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰなる組成の材料からなるｐ層とｎ層の接合を含む。ただし、ｘおよびｙは、ボトムセルにおけるＩｎの組成比ｚ（0.11<ｚ<0.29）との間に、それぞれ、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の関係を有している。トップセル４においては、このｐｎ接合をはさんで、例えば、表面側に公知の窓層や、裏面側に公知の裏面電界層等を設けることにより、トップセルのキャリア収集効率を高める工夫を有してもよいことは言うまでもない。
【００３６】
図５は、上記図４の基本構成を基にして作製した光電変換装置の具体例を示す断面図である。この図５では、ボトムセル２が、ｎ型窓層２１と、ｎ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２と、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３と、ｐ+型裏面電界層２４とから構成されている。また、トップセル４は、ｎ型窓層４２と、ｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層４３とｐ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層４４と、ｐ+層型裏面電界層４５とから構成されている。また、反射防止膜８１，８２およびｎ型キャップ４１ａが表面側に形成され、さらに電気エネルギを取り出す表面電極８３および裏面電極８４が設けられている。
【００３７】
次に、上記図５の光電変換装置の製造方法を図６〜図９により説明する。本製造方法においては、成膜処理等はすべてＭＯＣＶＤ装置を使って連続して行われる。ＩＩＩ族材料としては、例えばトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなどの有機金属が水素をキャリアガスとして成長装置に供給される。Ｖ族材料には、例えばアルシン(ＡｓＨ3）、ホスフィン(ＰＨ3）、スチビン(ＳｂＨ3）などのガスが使われる。ｐ型不純物またはｎ型不純物のドーパントとしては、例えばｐ型化にはジエチルジンク、またｎ型化には、例えばモノシラン(ＳｉＨ4）、ジシラン(Ｓｉ2Ｈ6）、セレン化水素(Ｈ2Ｓｅ）などが使われる。これらの材料ガスを、例えば７００℃に加熱された基板上に供給することにより熱分解させ、所望の化合物半導体材料の膜をエピタキシャル成長させることができる。これら成長層の組成は導入するガスの組成により、また、膜厚はガスの導入時間によりコントロールすることができる。図６は成長層が形成されるｐ型Ｇｅ基板１の断面図である。まず、図７に示すように、上記ｐ型Ｇｅ基板１の上にＭＯＣＶＤ法でボトムセル２を形成する。ボトムセル２は、上から順にｎ型窓層２１、ｎ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３、およびｐ+型裏面電界層２４から構成されている。ｎ型窓層２１およびｐ+型裏面電界層２４の材料は、２つのＧａ1-zＩｎzＡｓ層２２，２３と格子整合する材料からボトムセルの変換効率を考慮して適宜選択することができる。したがって、例えば、ｎ型窓層２１としてｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層を、またｐ+型裏面電界層２４としてｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２４を選択することができる。次に、図８に示すように、ボトムセル２上にトンネル接合３を形成する。トンネル接合３は、ｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ３１およびｎ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ３２から構成される。次に、図９に示すように、トップセル４を形成する。このトップセル４は、上から順にｎ型キャップ層４１、ｎ型窓層４２、ｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３およびｐ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ32層４４およびｐ+型裏面電界層４５から構成される。ｎ型窓層４２の上にｎ型キャップ層４１が設けられるのは、ｎ電極のオーミック接触を高めるためである。ｎ型窓層４２およびｐ+型裏面電界層４５の材料として(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ31層と格子整合する材料からトップセルの変換効率を考慮して適宜選択することができる。したがって、例えば、ｎ型窓層４２として、よりＩｎ組成を低くしたｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層を、また、ｐ+型裏面電界層４５としてｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層を用いる。ｎ型キャップ層４１としては、例えばｎ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層を用いることができる。その後、ｎ型キャップ層４１が選択的にエッチングにより除去されｎ型キャップ４１ａが形成される。また、トップセル４１の表面に、例えば２層の反射防止膜８１，８２が、さらに最表面と裏面とに金属電極膜８３,８４が真空蒸着法やスパッタリング法により形成され、図５に示した光電変換装置が完成する。
【００３８】
（実施の形態２）
図１０は、本発明によるＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルのもう一つの基本構造を示す断面図である。本実施の形態では、基板１とボトムセル２との間に、バッファ層５が設けられている。このバッファ層５は、その格子定数が成長層および基板の格子定数に近く、かつその熱膨張係数がバッファ層直上に形成される成長層、すなわちボトムセルの最下層の材料の熱膨張係数と同等かまたはそれより大きい材料によって構成される。このバッファ層５は、結晶成長後の降温時に、基板１と成長層との間の熱膨張係数の相違に起因して発生するクラックをバッファ層内にのみ発生させ、成長層でのクラック発生および成長層へのクラック伝播を防止することを意図する。このため、ボトムセル２、トンネル接合３、トップセル４にはクラックの影響が及ばず、クラックから保護されている。このバッファ層に関して、さらに望ましくは、このバッファ層の直上に形成する成長層の材料の熱膨張係数は、基板の熱膨張係数より大きいものとするのがよい。具体的なバッファ層の材料としては、例えば、ボトムセルの材料Ｇａ1-zＩｎzＡｓの組成範囲0.11<ｚ<0.29に対応して、ｗを適宜選択したＧａ1-wＡｓwＳｂ（0.29<ｗ<0.33）とする。ボトムセル２、トンネル接合３およびトップセル４については、実施の形態１と同様である。
【００３９】
上記図１０に示した光電変換装置の基本構造に基づく具体的な光電変換装置を図１１に示す。多層構造となっているボトムセル２およびトップセル４の内容、反射防止膜８１，８２、電極８３,８４については、実施の形態１に示したものと同じである。
【００４０】
なお、本発明は、トップセル、トンネル接合およびボトムセルを含む多層成長層を基板上に形成して、高変換効率の光電変換装置を提供するという基本的な材料選択に関わる発明である。したがって、バッファ層とボトムセルとの間に別にトンネル接合を設けたり、トップセルとトンネル接合との間またはトンネル接合とボトムセルとの間に、歪み緩和層等の別の層を挿入しても本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、受光面側がｐ型であっても、ｎ型であっても、材料選択が本発明に該当するかぎり、同様に、本発明の範囲内に含まれる。
【００４１】
上記本実施の形態のようにバッファ層を設けることにより、成膜処理後の降温時に光電変換装置各部の熱膨張の相違により発生する可能性のあるクラックをバッファ層の中に閉じ込めておくことができる。このため、製造歩留りが向上し、製造コスト低減が可能となる。また、格子定数を調整することにより、直上の成長層と格子整合をとることにより、結晶性に優れた成長層を形成でき、光電変換効率の向上をもたらすことができる。
【００４２】
(実施の形態３）
図１２は実施の形態３における光電変換装置の基本構成を示す断面図である。この光電変換装置は、基板表層にもｐｎ接合を形成し、さらにバッファ層５とボトムセル２との間にトンネル接合９をさらに設けた構成を有する。図１２に示す基本構成に基づいて実際に構成した光電変換装置の具体例の断面図を図１３に示す。図１３に示した光電変換装置の製造方法について、図１４〜図１９を用いて説明する。図１４はｐ型Ｇｅ基板１を示す。この上にセル構造を形成するのであるが、その間のエピタキシャル成長中にＡｓを拡散させることによりｐ型Ｇｅ基板１２の上部に薄いｎ型層１１を形成することができる。次に、図１５に示すように、基板１上にＭＯＣＶＤ法によりバッファ層５を形成する。このバッファ層の材料としては、例えば、ｎ型ＧａＡｓ1-wＳｂw（0.29<ｗ<0.33）をあげることができる。次に、図１６に示すように、トンネル接合部９を新たに形成する。このトンネル接合部９としては、例えば、ｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ９１とｎ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ９２とから形成することができる。次に、図１７に示すように、ボトムセル２を形成する。ボトムセル２は、上から順にｎ型窓層２１と、ｎ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２と、ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２３と、ｐ+型裏面電界層２４からなる。ｎ型窓層２１およびｐ+型裏面電界層２４の材料は、Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層２２,２３と格子整合する材料の中からボトムセルの変換効率を考慮して適宜選択することができる。例えば、ｎ型窓層２１はｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰとし、またｐ+型裏面電界層２４はｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓとすることができる。次に、図１８に示すように、トンネル接合３を形成する。このトンネル接合３はｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層３１およびｎ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層３２からなる。次に、図１９に示すように、トップセル４を形成する。このトップセル４は、上から順に、ｎ型窓層４２と、ｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３と、ｐ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４４と、ｐ+型裏面電界層４５とから構成される。さらに、本実施の形態では、ｎ電極のオーミック接触を高めるためにｎ型キャップ層４１が設けられている。ｎ型窓層４２およびｐ+型裏面電界層４５の材料は、(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層４３，４４と格子整合する材料の中からトップセルの変換効率を考慮して適宜選択することができる。ｎ型窓層４２としては、例えば、Ｉｎ組成を低くしたｎ型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層を、また、ｐ+型裏面電界層４５としては、例えば、ｐ+型(Ａｌ1-yＧａy)1-xＩｎxＰ層を用いることができる。ｎ型キャップ層４１には、例えばｎ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓを用いることができる。その後、キャップ層４１が選択的にエッチングされて除去され、トップセルの裏面に、例えば２層の反射防止膜８１，８２が形成される。最後に、最表面と裏面とに金属電極膜８３，８４が、真空蒸着法やスパッタリング法により形成され、図１３に示す光電変換装置が完成される。
【００４３】
上記の光電変換装置は、トップセルとボトムセルとのバンドギャップの組合わせが最高の光電変換効率をもたらすことを目的に、これまでにない新しい半導体材料を用いて形成されている。このため、従来のＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた光電変換装置の変換効率を大きく超える変換効率を達成することが可能となる。
【００４４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によるＩＩＩ-Ｖ族系化合物を含む半導体多接合型太陽電池セルは、理論上、変換効率が３４％以上となる構成を有し、工業製品レベルでも変換効率２７％以上の特性が得られる。このため、小型衛星や大電力衛生用の発電設備に用いられ、通信関連の関連産業分野の発展に寄与することが期待される。
【００４６】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明におけるトップセル（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびおよびボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓのそれぞれの最適組成範囲を示す図である。
【図２】 トップセル（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰのおける組成比ｘの範囲を、ボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて示す図である。
【図３】 トップセル（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰのおける組成比ｙの範囲を、ボトムセルＧａ1-zＩｎzＡｓの組成比ｚに応じて示す図である。
【図４】 実施の形態１におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図である。
【図５】 実施の形態１における具体的なＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図である。
【図６】 図５の多接合型太陽電池セルの基板の断面図である。
【図７】 図６に示す基板上にボトムセルを形成した段階の断面図である。
【図８】 図７の状態に対してトンネル接合部を形成した段階の断面図である。
【図９】 図８の状態に対してトップセルを形成した段階の断面図である。
【図１０】 実施の形態２におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図である。
【図１１】 実施の形態２における具体的なＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図である。
【図１２】 実施の形態３におけるＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図である。
【図１３】 実施の形態３における具体的なＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの断面図である。
【図１４】 図１３の多接合型太陽電池セルのｐ型基板の上部にｎ型不純物を導入してｐｎ接合を基板に形成した段階の断面図である。
【図１５】 図１４の状態に対してバッファ層を形成した段階の断面図である。
【図１６】 図１５の状態に対してトンネル接合を形成した段階の断面図である。
【図１７】 図１６の状態に対してボトムセルを形成した段階の断面図である。
【図１８】 図１７の状態に対してトンネル接合を形成した段階の断面図である。
【図１９】 図１８の状態に対してトップセルを形成した段階の断面図である。
【図２０】 従来のＩＩＩ-Ｖ族系化合物半導体の多接合型太陽電池セルの基本構造を示す断面図である。
【図２１】 各種半導体の格子定数とバンドギャップエネルギとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ ボトムセル、３ トンネル接合、４ トップセル、５ バッファ層、８１，８２ 反射防止膜、８３，８４ 電極金属、９ トンネル接合、１１ ｎ型Ｇｅ層、１２ ｐ型Ｇｅ基板、２１ ｎ型窓層（ｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層）、２２ ｎ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層、２３ ｐ型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層、２４ ｐ+型裏面電界層(ｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層）、３１ ｐ+型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、３２ ｎ+型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、４１ ｎ型キャップ層(ｎ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層）、４１ａ ｎ型キャップ、４２ ｎ型窓層(Ｉｎ組成が低いｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層）、４３ ｎ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、４４ ｐ型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層、４５ ｐ+型裏面電界層(ｐ+型（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰ層）、９１ ｐ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層、９２ ｎ+型Ｇａ1-zＩｎzＡｓ層、Ａ ３４％以上の変換効率の領域、Ｕ 変換効率３０％達成のためのトップセルのバンドギャップ範囲、Ｌ 変換効率３０％達成のためのボトムセルのバンドギャップ範囲。

Claims (7)

  1. 第１および第２のｐｎ接合を備える光電変換装置であって、第１のｐｎ接合は実質的に（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰによって表示される半導体中に形成され、第２のｐｎ接合は実質的にＧａ1-zＩｎzＡｓによって表示される半導体中に形成されており、
    前記半導体Ｇａ1-zＩｎzＡｓおよび（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰの組成比ｚならびにｘおよびｙは、それぞれ、0.11<ｚ<0.29、ｘ＝-0.346ｚ2+1.08ｚ+0.484、および131ｚ3-66.0ｚ2+9.17ｚ+0.309<ｙ<28.0ｚ3-24.4ｚ2+5.82ｚ+0.325の範囲内にあり、
    前記第１および第２のｐｎ接合を含む成長層が、Ｇｅ単結晶基板の上に形成されているか、または、Ｓｉ単結晶基板上に形成されたＳｉ 1-x Ｇｅ x 混晶層の上に形成されている、光電変換装置。
  2. 前記（Ａｌ1-yＧａy）1-xＩｎxＰおよびＧａ1-zＩｎzＡｓはトンネル接合部で接合されている、請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 基板の上に形成された前記第１および第２のｐｎ接合を含む成長層とその基板との間に、バッファ層を有し、そのバッファ層の熱膨張係数が、バッファ層の直上の成長層の熱膨張係数と同等以上である、請求項１または２に記載の光電変換装置。
  4. 前記基板の熱膨張係数が、前記バッファ層の直上の成長層の熱膨張係数より小さい、請求項３に記載の光電変換装置。
  5. 前記バッファ層の格子定数が、そのバッファ層の直上の成長層の格子定数と整合している、請求項３または４に記載の光電変換装置。
  6. 前記バッファ層が実質的にＧａＡｓ1-wＳｂw（０．２９<ｗ<０．３３）によって表示される材料から構成されている、請求項３〜５に記載の光電変換装置。
  7. 前記第１および第２のｐｎ接合を含む成長層が形成されている基板の上層部に、さらにｐｎ接合が形成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換装置。
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