JP5148976B2 - Multilayer compound semiconductor solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換部を構成する太陽電池層が少なくとも化合物半導体からなる積層型化合物半導体太陽電池に関するものであり、特に、高効率の積層型化合物半導体太陽電池に関する。 The present invention relates to a stacked compound semiconductor solar battery in which a solar cell layer constituting a photoelectric conversion part is composed of at least a compound semiconductor, and particularly relates to a highly efficient stacked compound semiconductor solar battery.
従来、積層型化合物半導体太陽電池を高効率化する(光電変換効率を高くする)方法としては、半導体基板上に半導体基板と同程度の格子定数を有する化合物半導体層を成長させて複数個の太陽電池層を形成することによって結晶性に優れた積層型化合物半導体太陽電池を得る方法が用いられていた。 Conventionally, as a method for increasing the efficiency of a stacked compound semiconductor solar cell (increasing photoelectric conversion efficiency), a compound semiconductor layer having a lattice constant similar to that of a semiconductor substrate is grown on a semiconductor substrate, and a plurality of solar cells are grown. A method of obtaining a stacked compound semiconductor solar battery excellent in crystallinity by forming a battery layer has been used.
しかしながら、化合物半導体層を成長するための主な半導体基板となるSi、Ge、GaAsまたはInP等と同程度の格子定数を有し、さらには好適な禁制帯幅を有する太陽電池層を用いた積層型化合物半導体太陽電池としては、GaAs基板を用いたInGaP/GaAs太陽電池や、Ge基板を用いたInGaP/InGaAs/Ge太陽電池等に限られていた。 However, a stack using a solar cell layer having a lattice constant comparable to that of Si, Ge, GaAs, InP, or the like, which is a main semiconductor substrate for growing a compound semiconductor layer, and further having a suitable forbidden band width The type compound semiconductor solar cell is limited to an InGaP / GaAs solar cell using a GaAs substrate, an InGaP / InGaAs / Ge solar cell using a Ge substrate, and the like.
また、これらの積層型化合物半導体太陽電池よりもさらに高効率化する方法として、InGaP/GaAs太陽電池に3つ目の太陽電池層として1eVの禁制帯幅を有する太陽電池層を配置する方法もある。 Further, as a method for further improving the efficiency of these stacked compound semiconductor solar cells, there is a method of disposing a solar cell layer having a forbidden band width of 1 eV as a third solar cell layer in the InGaP / GaAs solar cell. .
しかしながら、GaAsと格子定数が同等で、禁制帯幅が1eV程度の適当な半導体が存在しない。ここで、GaAsと格子定数が約2.3%ずれているInGaAsは1eV程度の禁制帯幅を有しているが、InGaP/GaAs太陽電池の3つ目の太陽電池層としてInGaAsを用いた場合には、GaAs基板上に格子不整合系半導体を成長した後に格子整合系半導体を成長させることになるため、格子整合系半導体の結晶性が悪くなって、積層型化合物半導体太陽電池全体の特性が悪化するおそれがある。 However, there is no suitable semiconductor having a lattice constant equivalent to GaAs and a forbidden band width of about 1 eV. Here, InGaAs having a lattice constant shifted by about 2.3% from GaAs has a forbidden band width of about 1 eV, but InGaAs is used as the third solar cell layer of the InGaP / GaAs solar cell. Since the lattice-matched semiconductor is grown after the lattice-mismatched semiconductor is grown on the GaAs substrate, the crystallinity of the lattice-matched semiconductor is deteriorated, and the characteristics of the stacked compound semiconductor solar cell as a whole are reduced. May get worse.
そこで、半導体基板上に半導体基板と格子定数が同等程度で、積層型化合物半導体太陽電池の受光面が半導体基板側となるように化合物半導体層を成長させ、そこからバッファ層を介して半導体基板と格子定数が異なる太陽電池層を成長する方法が研究されている。 Therefore, the compound semiconductor layer is grown on the semiconductor substrate so that the lattice constant is about the same as that of the semiconductor substrate and the light receiving surface of the stacked compound semiconductor solar cell is on the semiconductor substrate side, and the semiconductor substrate and the semiconductor substrate are then passed through the buffer layer. Methods for growing solar cell layers with different lattice constants have been studied.
積層型化合物半導体太陽電池は、通常、成長基板となる半導体基板の反対側に受光面が位置するように化合物半導体層を成長させて形成される(すなわち、受光面が化合物半導体層の成長方向に位置するように形成される)。 A stacked compound semiconductor solar cell is usually formed by growing a compound semiconductor layer so that the light receiving surface is located on the opposite side of the semiconductor substrate as the growth substrate (that is, the light receiving surface is in the growth direction of the compound semiconductor layer). To be positioned).
しかしながら、受光面が半導体基板側となるように化合物半導体層を成長させることによって、半導体基板と格子定数が同等程度の化合物半導体からなる太陽電池層においては良好な結晶性が得られ、さらに半導体基板と格子定数が異なる格子不整合系の化合物半導体からなる太陽電池層の特性も得られることから、高効率の積層型化合物半導体太陽電池が得られる。 However, by growing the compound semiconductor layer so that the light receiving surface is on the semiconductor substrate side, good crystallinity can be obtained in a solar cell layer made of a compound semiconductor having the same lattice constant as that of the semiconductor substrate. Since the characteristics of a solar cell layer made of a lattice-mismatched compound semiconductor having a lattice constant different from that of the compound semiconductor solar cell layer can be obtained, a highly efficient stacked compound semiconductor solar cell can be obtained.
たとえば、非特許文献1には、GaAs基板上にGaAsと格子整合したInGaP太陽電池層とGaAs太陽電池層の受光面をGaAs基板側にして成長し、その上にInGaPバッファ層のGaAs基板に対する格子定数の相対値が階段状に変化するように成長させた後、InGaAs太陽電池層の受光面をGaAs基板側に成長させる方法が開示されている。
しかしながら、非特許文献1の方法においては、InGaPバッファ層の成長速度が遅く、V族元素/III族元素の比率を高くすることからV族元素の原料ガスを多量に用いる必要があり、装置のランニングコストが上昇する等の問題があった。
However, in the method of Non-Patent
また、図15に示すように、p型GaAs基板21上に、p型In0.48Ga0.52P層22を積層する。そして、p型In0.48Ga0.52P層22上に、p型In0.45Ga0.55P層23、p型In0.42Ga0.58P層24、p型In0.39Ga0.61P層25、p型In0.36Ga0.64P層26、p型In0.33Ga0.67P層27、p型In0.3Ga0.7P層28、p型In0.27Ga0.73P層29およびp型In0.24Ga0.76P層30をこの順に積層することによってIn組成を階段状に変化させたInGaPバッファ層41を形成し、その後、p型In0.24Ga0.76PからなるBSF(Back Surface Field)層31、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層32、n型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層33、n型In0.24Ga0.76Pからなる窓層34およびn型In0.3Ga0.7Asからなるコンタクト層35を成長させてp型GaAs基板21側と反対側に受光面が位置する積層型化合物半導体太陽電池を作製した。ここで、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層32とn型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層33とからInGaAs太陽電池層40が形成されている。
Further, as shown in FIG. 15, a p-type In 0.48 Ga 0.52 P layer 22 is laminated on a p-
そして、上記のようにして作製した積層型化合物半導体太陽電池の電流−電圧特性について評価した。その結果を図16に示す。 And the current-voltage characteristic of the laminated compound semiconductor solar cell produced as mentioned above was evaluated. The result is shown in FIG.
しかしながら、図16に示すように、上記のようにInGaPバッファ層41を用いた場合には、高効率の積層型化合物半導体太陽電池を得ることができないという問題があった。
However, as shown in FIG. 16, when the InGaP
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高効率の積層型化合物半導体太陽電池を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a highly efficient stacked compound semiconductor solar cell.
本発明は、InGaAsからなる第1の太陽電池層と、第1の太陽電池層上に形成された、V族元素としてヒ素を含有するAlGaInAsからなるIII−V族化合物半導体からなるバッファ層と、バッファ層上に形成されたGaAsまたはInGaAsからなる第2の太陽電池層と、第2の太陽電池層上に形成されたInGaPからなる第3の太陽電池層とを含み、第1の太陽電池層が、バッファ層側からn型InGaAsからなる第1のエミッタ層およびp型InGaAsからなる第1のベース層をこの順に含み、第2の太陽電池層が、バッファ層側からp型GaAsまたはp型InGaAsからなる第2のベース層およびn型GaAsまたはn型InGaAsからなる第2のエミッタ層をこの順に含み、第3の太陽電池層が、第2の太陽電池層側からp型InGaPからなる第3のベース層およびn型InGaPからなる第3のエミッタ層をこの順に含み、各ベース層の禁制帯幅は、第1のベース層、第2のベース層、第3のベース層の順に大きくなるように位置しており、第1の太陽電池層の格子定数は、第2の太陽電池層の格子定数と異なり、第2の太陽電池層および第3の太陽電池層の格子定数は同等程度であり、バッファ層の格子定数が、第1の太陽電池層の格子定数と第2の太陽電池層の格子定数との間の値であるか、または第1の太陽電池層側から第2の太陽電池層側に向けて、第1の太陽電池層の格子定数と同一またはそれに近い値から第2の太陽電池層の格子定数に近づくように変化している積層型化合物半導体太陽電池である。また、本発明の積層型化合物半導体太陽電池においては、第2のエミッタ層がn型GaAsからなり、第2のベース層がp型GaAsからなっていてもよい。 The present invention includes a first solar cell layer made of InGaAs , and a buffer layer made of a III-V group compound semiconductor made of AlGaInAs containing arsenic as a group V element formed on the first solar cell layer, A first solar cell layer including a second solar cell layer made of GaAs or InGaAs formed on the buffer layer and a third solar cell layer made of InGaP formed on the second solar cell layer; Includes a first emitter layer made of n-type InGaAs and a first base layer made of p-type InGaAs in this order from the buffer layer side, and the second solar cell layer is p-type GaAs or p-type from the buffer layer side. A second base layer made of InGaAs and a second emitter layer made of n-type GaAs or n-type InGaAs in this order, and a third solar cell layer comprising: Includes a third emitter layer made of the third base layer and the n-type InGaP made of p-type InGaP from the solar cell layer side in this order, the forbidden band width of each base layer, first base layer, second base The lattice constant of the first solar cell layer is different from the lattice constant of the second solar cell layer, and the second solar cell layer and the third base layer The lattice constants of the solar cell layers are approximately the same, and the lattice constant of the buffer layer is a value between the lattice constant of the first solar cell layer and the lattice constant of the second solar cell layer, or From the solar cell layer side of the first solar cell layer side to the second solar cell layer side, the value is the same as or close to the lattice constant of the first solar cell layer so as to approach the lattice constant of the second solar cell layer. It is a laminated compound semiconductor solar cell. In the stacked compound semiconductor solar battery of the present invention, the second emitter layer may be made of n-type GaAs, and the second base layer may be made of p-type GaAs.
本発明によれば、高効率の積層型化合物半導体太陽電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a highly efficient laminated compound semiconductor solar cell can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
本発明は、半導体基材上に、半導体基材と異なる格子定数を有する太陽電池層を形成して積層型化合物半導体太陽電池を作製する場合に、半導体基材と太陽電池層との間に、V族元素としてヒ素(As)を含むIII−V族化合物半導体からなるバッファ層を形成し、そのバッファ層の格子定数が半導体基材の格子定数と太陽電池層の格子定数との間の値となるように形成されていることを特徴としている。 The present invention, when forming a stacked compound semiconductor solar cell by forming a solar cell layer having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate on the semiconductor substrate, between the semiconductor substrate and the solar cell layer, A buffer layer made of a III-V compound semiconductor containing arsenic (As) as a group V element is formed, and the lattice constant of the buffer layer is a value between the lattice constant of the semiconductor substrate and the lattice constant of the solar cell layer It is characterized by being formed.
このような構成とすることにより、半導体基板と格子定数が大きく異なる格子不整合の化合物半導体からなる太陽電池層の特性が良好となり、高効率の積層型化合物半導体太陽電池を実現することができるのである。 By adopting such a configuration, the characteristics of the solar cell layer made of a compound semiconductor having a lattice mismatch greatly different from that of the semiconductor substrate can be improved, and a highly efficient stacked compound semiconductor solar cell can be realized. is there.
本発明の効果を確かめるために、図1に示すように、p型GaAs基板11上に、p型In0.48Ga0.52P層12、p型(Al0.5Ga0.5)0.24In0.76Asバッファ層13、p型In0.24Ga0.76PからなるBSF層14、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層15、n型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層16、n型In0.24Ga0.76Pからなる窓層17およびn型In0.3Ga0.7Asからなるコンタクト層18を成長させてp型GaAs基板11側と反対側に受光面が位置する積層型化合物半導体太陽電池を作製した。ここで、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層15とn型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層16とからInGaAs太陽電池層40が形成された。
In order to confirm the effect of the present invention, a p-type In 0.48 Ga 0.52 P layer 12, a p-type (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.24 In 0.76 As
そして、上記のようにして作製した積層型化合物半導体太陽電池の電流−電圧特性について評価した。その結果を図2に示す。 And the current-voltage characteristic of the laminated compound semiconductor solar cell produced as mentioned above was evaluated. The result is shown in FIG.
本発明の効果を確かめるために作製された上記の積層型化合物半導体太陽電池は、図15に示す積層型化合物半導体太陽電池のInGaPバッファ層41に代えて、p型In0.48Ga0.52P層12の格子定数とInGaAs太陽電池層40の格子定数との間の格子定数を有するp型(Al0.5Ga0.5)0.24In0.76Asバッファ層13を形成した点で異なっているが、図2と図16とを比較すればわかるように、その電流−電圧特性は、V族元素としてリンを含むIII−V族化合物半導体であるInGaPバッファ層41を用いた場合よりは、V族元素としてヒ素を含むIII−V族化合物半導体であるp型(Al0.5Ga0.5)0.24In0.76Asバッファ層13を用いた場合の方が優れていた。
The above stacked compound semiconductor solar cell fabricated to confirm the effect of the present invention has a p-type In 0.48 Ga 0.52 P layer 12 instead of the
なお、上記においては、バッファ層として、単一組成のp型(Al0.5Ga0.5)0.24In0.76Asバッファ層13を用いた場合について説明したが、バッファ層は、バッファ層の格子定数が半導体基材側から太陽電池層側にかけて半導体基材の格子定数と同等程度の値から太陽電池の格子定数と同等程度の値に変化するようにバッファ層の組成を変更しながら形成されてもよい。このとき、バッファ層は、バッファ層の格子定数が半導体基材側から太陽電池層側にかけて、直線状または指数関数状(たとえば1/2乗等)等に連続的に変化するようにその組成を変更して形成されてもよく、たとえば階段状のように不連続的に変化するようにその組成を変更して形成されてもよく、またこれらの連続的な変化と不連続的な変化とが組み合わさって変化するようにその組成を変更して形成されてもよい。
In the above description, the case where the p-type (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.24 In 0.76 As
<実施の形態1>
図3に、本発明の積層型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面構成図を示す。この積層型化合物半導体太陽電池において、支持基板101上には、金属層102、p型In0.3Ga0.7Asからなるコンタクト層103、p型In0.24Ga0.76PからなるBSF層104、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層105、n型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層106およびn型In0.24Ga0.76Pからなる窓層107がこの順序で積層されている。ここで、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層105とn型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層106とから太陽電池層40aが形成されており、BSF層104、ベース層105、エミッタ層106および窓層107の積層体からボトムセルが構成されている。
<
In FIG. 3, the typical cross-sectional block diagram of an example of the lamination type compound semiconductor solar cell of this invention is shown. In this stacked compound semiconductor solar cell, on a
また、n型In0.24Ga0.76Pからなる窓層107上には、n型AlInGaAsからなるバッファ層108が積層されている。ここで、バッファ層108は、窓層107から離れるにしたがってInの組成が徐々に低下するように構成されており、n+型In0.48Ga0.52P層109との界面近傍においてはInの組成はほぼゼロとなっている。
On the
また、バッファ層108上には、n+型In0.48Ga0.52P層109、n+型AlInP層110、n+型In0.48Ga0.52P層111、p+型AlGaAs層112およびp+型AlInP層113がこの順に積層されてトンネル接合層50aを構成している。
On the
また、p+型AlInP層113上には、p型In0.48Ga0.52PからなるBSF層114、p型GaAsからなるベース層115、n型GaAsからなるエミッタ層116およびn型In0.48Ga0.52Pからなる窓層117がこの順序で積層されている。ここで、p型GaAsからなるベース層115とn型GaAsからなるエミッタ層116とから太陽電池層40bが形成されており、BSF層114、ベース層115、エミッタ層116および窓層117の積層体からミドルセルが構成されている。
On the p + -
また、n型In0.48Ga0.52Pからなる窓層117上には、n+型AlInP層118、n+型In0.48Ga0.52P層119、p+型AlGaAs層120およびp+型AlInP層121がこの順に積層されてトンネル接合層50bを構成している。
On the
また、p+型AlInP層121上には、p型AlInPからなるBSF層122、p型In0.48Ga0.52Pからなるベース層123、n型In0.48Ga0.52Pからなるエミッタ層124およびn型AlInPからなる窓層125がこの順に積層されている。ここで、p型In0.48Ga0.52Pからなるベース層123とn型In0.48Ga0.52Pからなるエミッタ層124とから太陽電池層40cが形成されており、BSF層122、ベース層123、エミッタ層124および窓層125の積層体からトップセルが構成されている。
Further, on the p + -
また、n型AlInPからなる窓層125上に、n型GaAsからなるコンタクト層126および反射防止膜127が形成され、コンタクト層126上に電極層128が形成されている。
A
なお、図3に示す積層型化合物半導体太陽電池においては、太陽電池層40a、40b、40cのベース層105、115、123の禁制帯幅が、半導体基材側に位置する太陽電池層40aから積層型化合物半導体太陽電池の受光面側に位置する太陽電池層40cにかけて順に大きくなっている。すなわち、ベース層105、ベース層115およびベース層123の順に禁制帯幅が大きくなっている。
In the stacked compound semiconductor solar cell shown in FIG. 3, the forbidden band widths of the base layers 105, 115, and 123 of the
以下、図4〜図6の断面構成図を参照して、図3に示す積層型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the stacked compound semiconductor solar cell shown in FIG. 3 will be described with reference to the cross-sectional configuration diagrams of FIGS.
まず、図4に示すように、たとえば直径50mmのn型GaAs基板130をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内に設置し、このn型GaAs基板130上に、n型GaAsと選択エッチングが可能なエッチングストップ層となるn型In0.48Ga0.52Pからなるエッチングストップ層131、n型GaAsからなるコンタクト層126、n型AlInPからなる窓層125、n型In0.48Ga0.52Pからなるエミッタ層124、p型In0.48Ga0.52Pからなるベース層123およびp型AlInPからなるBSF層122をこの順にMOCVD法により成長させる。
First, as shown in FIG. 4, for example, an n-
次に、p型AlInPからなるBSF層122上に、p+型AlInP層121、p+型AlGaAs層120、n+型In0.48Ga0.52P層119およびn+型AlInP層118をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a p +
次に、n+型AlInP層118上に、n型In0.48Ga0.52Pからなる窓層117、n型GaAsからなるエミッタ層116、p型GaAsからなるベース層115およびp型In0.48Ga0.52PからなるBSF層114をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, on the n + -
次に、p型In0.48Ga0.52PからなるBSF層114上に、p+型AlInP層113、p+型AlGaAs層112、n+型In0.48Ga0.52P層111、n+型AlInP層110およびn+型In0.48Ga0.52P層109をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, on the
次に、n+型In0.48Ga0.52P層109上に、AlGaAsを成長しながら徐々にInの組成を増加させて、成長終了時にIn0.3Ga0.7Asと格子定数が同一になるようにAlInGaAsからなるバッファ層108をMOCVD法により成長させる。
Next, the composition of In is gradually increased while growing AlGaAs on the n + -type In 0.48 Ga 0.52 P layer 109, and AlInGaAs is made to have the same lattice constant as In 0.3 Ga 0.7 As at the end of the growth. A
次に、バッファ層108上に、n型In0.24Ga0.76Pからなる窓層107、n型In0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層106、p型In0.3Ga0.7Asからなるベース層105、p型In0.24Ga0.76PからなるBSF層104およびp型In0.3Ga0.7Asからなるコンタクト層103をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, on the
ここで、GaAsの形成にはAsH3(アルシン)およびTMG(トリメチルガリウム)を用い、InGaPの形成にはTMI(トリメチルインジウム)、TMGおよびPH3(ホスフィン)を用い、InGaAsの形成にはTMI、TMGおよびAsH3を用い、AlInPの形成にはTMA(トリメチルアルミニウム)、TMIおよびPH3を用い、AlGaAsの形成には、TMA、TMGおよびAsH3を用い、AlInGaAsの形成には、TMA、TMI、TMGおよびAsH3を用いることができる。 Here, AsH 3 (arsine) and TMG (trimethylgallium) are used for the formation of GaAs, TMI (trimethylindium), TMG and PH 3 (phosphine) are used for the formation of InGaP, and TMI, Using TMG and AsH 3 , TMA (trimethylaluminum), TMI and PH 3 are used to form AlInP, TMA, TMG and AsH 3 are used to form AlGaAs, and TMA, TMI, TMG and AsH 3 can be used.
その後、図5に示すように、p型In0.3Ga0.7Asからなるコンタクト層103の表面上にたとえばAu(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ3μm)の積層体からなる金属層102により支持基板101を貼り付ける。
Thereafter, as shown in FIG. 5, a metal layer made of a laminate of, for example, Au (for example, 0.1 μm thick) / Ag (for example, 3 μm thick) on the surface of the
次に、図6に示すように、n型GaAs基板130をアルカリ水溶液にてエッチングした後に、n型In0.48Ga0.52Pからなるエッチングストップ層131を酸水溶液にてエッチングする。
Next, as shown in FIG. 6, after etching the n-
次に、n型GaAsからなるコンタクト層126上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、コンタクト層126の一部をアルカリ水溶液を用いたエッチングにより除去する。そして、残されたコンタクト層126の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、抵抗加熱蒸着装置およびEB(Electron Beam)蒸着装置を用いて、たとえばAuGe(12%)(たとえば厚さ0.1μm)/Ni(たとえば厚さ0.02μm)/Au(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ5μm)の積層体からなる電極層128を形成する。
Next, after forming a resist pattern on the
次に、メサエッチングパターンを形成した後、アルカリ水溶液および酸溶液を用いてメサエッチングを行なう。そして、EB蒸着法により、たとえばTiO2膜(たとえば厚さ55nm)およびAl2O3膜(たとえば厚さ85nm)の積層体を形成して反射防止膜127を形成する。これにより、積層型化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する図3に示す構成の積層型化合物半導体太陽電池を得ることができる。
Next, after a mesa etching pattern is formed, mesa etching is performed using an alkaline aqueous solution and an acid solution. Then, an
上述した積層型化合物半導体太陽電池においては、AsをV族元素として含むIII−V族化合物半導体からなるバッファ層108の格子定数が、n+型In0.48Ga0.52P層109側からn型In0.24Ga0.76Pからなる窓層107側にかけて、n+型In0.48Ga0.52P層109の格子定数と同一またはそれに近い値から太陽電池層40aのベース層105およびエミッタ層106を構成するIn0.3Ga0.7Asの格子定数に近づくように形成されている。したがって、上述した積層型化合物半導体太陽電池は、非特許文献1に記載された従来の積層型化合物半導体太陽電池と比較して高効率になるものと考えられる。
In the stacked compound semiconductor solar cell described above, the lattice constant of the
<実施の形態2>
図7に、本発明の積層型化合物半導体太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図を示す。この積層型化合物半導体太陽電池において、支持基板201上には、金属層202、p型GaAsからなるコンタクト層203、p型InGaPからなるBSF層204、p型InGaAsからなるベース層205、n型InGaAsからなるエミッタ層206およびn型InGaPからなる窓層207がこの順序で積層されている。ここで、p型InGaAsからなるベース層205とn型InGaAsからなるエミッタ層206とから太陽電池層40aが形成されており、BSF層204、ベース層205、エミッタ層206および窓層207の積層体からボトムセルが構成されている。
<Embodiment 2>
In FIG. 7, the typical cross-sectional block diagram of another example of the laminated type compound semiconductor solar cell of this invention is shown. In this stacked compound semiconductor solar cell, on a
n型InGaPからなる窓層207上には、n型AlInGaAsからなるバッファ層208が積層されている。ここで、バッファ層208は、窓層207から離れるにしたがってInの組成が徐々に低下するように構成されており、n+型AlInP層209との界面近傍においてはInの組成はほぼゼロとなっている。
A
また、バッファ層208上には、n+型AlInP層209、n+型InGaP層210、p+型AlGaAs層211およびp+型AlInP層212がこの順に積層されてトンネル接合層50aを構成している。
On the
また、p+型AlInP層212上には、p型InGaPからなるBSF層213、p型InGaAsからなるベース層214、n型InGaAsからなるエミッタ層215およびn型InGaPからなる窓層216がこの順序で積層されている。p型InGaAsからなるベース層214とn型InGaAsからなるエミッタ層215とから太陽電池層40bが形成されており、BSF層213、ベース層214、エミッタ層215および窓層216の積層体からミドルセルが構成されている。
On the p + -
また、n型InGaPからなる窓層216上には、n+型AlInP層217、n+型InGaP層218、p+型AlGaAs層219およびp+型AlInP層220がこの順に積層されてトンネル接合層50bを構成している。
On the
また、p+型AlInP層220上には、p型AlInPからなるBSF層221、p型InGaPからなるベース層222、n型InGaPからなるエミッタ層223およびn型AlInPからなる窓層224がこの順に積層されている。ここで、p型InGaPからなるベース層222とn型InGaPからなるエミッタ層223とから太陽電池層40cが形成されており、BSF層221、ベース層222、エミッタ層223および窓層224の積層体からトップセルが構成されている。
On the p + -
また、n型AlInPからなる窓層224上に、n型InGaAsからなるコンタクト層225および反射防止膜226が形成され、コンタクト層225上に電極層227が形成されている。
A
以下、図8〜図10の断面構成図を参照して、図7に示す積層型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the stacked compound semiconductor solar battery shown in FIG. 7 will be described with reference to the cross-sectional configuration diagrams of FIGS.
まず、図8に示すように、たとえば直径50mmのn型Ge基板228をMOCVD装置内に設置し、このn型Ge基板228上に、n型InGaAsからなるコンタクト層225、n型AlInPからなる窓層224、n型InGaPからなるエミッタ層223、p型InGaPからなるベース層222およびp型AlInPからなるBSF層221をこの順にMOCVD法により成長させる。
First, as shown in FIG. 8, for example, an n-
次に、p型AlInPからなるBSF層221上に、p+型AlInP層220、p+型AlGaAs層219、n+型InGaP層218およびn+型AlInP層217をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a p +
次に、n+型AlInP層217上に、n型InGaPからなる窓層216、n型InGaAsからなるエミッタ層215、p型InGaAsからなるベース層214およびp型InGaPからなるBSF層213をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a
次に、p型InGaPからなるBSF層213上に、p+型AlInP層212、p+型AlGaAs層211、n+型InGaP層210およびn+型AlInP層209をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a p +
次に、n+型AlInP層209上に、n型AlGaAsを成長しながら徐々にInの組成を増加させて、成長終了時に太陽電池層40aを構成するInGaAsと格子定数が同一になるようにn型AlInGaAsからなるバッファ層208をMOCVD法により成長させる。
Next, the composition of In is gradually increased while growing n-type AlGaAs on the n + -
次に、バッファ層208上に、n型InGaPからなる窓層207、n型InGaAsからなるエミッタ層206、p型InGaAsからなるベース層205、p型InGaPからなるBSF層204およびp型GaAsからなるコンタクト層203をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a
その後、図9に示すように、p型GaAsからなるコンタクト層203の表面上にたとえばAu(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ3μm)の積層体からなる金属層202により支持基板201を貼り付ける。
Thereafter, as shown in FIG. 9, a support substrate is formed on the surface of the
次に、図10に示すように、n型Ge基板228をフッ化水素水溶液にてエッチングする。そして、n型InGaAsからなるコンタクト層225上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、コンタクト層225の一部をアルカリ水溶液を用いたエッチングにより除去する。
Next, as shown in FIG. 10, the n-
次に、残されたコンタクト層225の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、抵抗加熱蒸着装置およびEB蒸着装置を用いて、たとえばAuGe(12%)(たとえば厚さ0.1μm)/Ni(たとえば厚さ0.02μm)/Au(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ5μm)の積層体からなる電極層227を形成する。
Next, a resist pattern is formed again by photolithography on the surface of the remaining
次に、メサエッチングパターンを形成した後、アルカリ水溶液および酸溶液を用いてメサエッチングを行なう。そして、EB蒸着法により、たとえばTiO2膜(たとえば厚さ55nm)およびAl2O3膜(たとえば厚さ85nm)の積層体を形成して反射防止膜226を形成する。これにより、積層型化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する図7に示す構成の積層型化合物半導体太陽電池を得ることができる。
Next, after a mesa etching pattern is formed, mesa etching is performed using an alkaline aqueous solution and an acid solution. Then, an
上述した積層型化合物半導体太陽電池においても、AsをV族元素として含むIII−V族化合物半導体からなるバッファ層208の格子定数が、n+型AlInP層209側からn型InGaPからなる窓層207側にかけて、n+型AlInP層209の格子定数と同一またはそれに近い値から太陽電池層40aのベース層205およびエミッタ層206を構成するInGaAsの格子定数に近づくように形成されている。したがって、上述した積層型化合物半導体太陽電池は、非特許文献1に記載された従来の積層型化合物半導体太陽電池と比較して高効率になるものと考えられる。
Also in the stacked compound semiconductor solar cell described above, the lattice constant of the
<実施の形態3>
図11に、本発明の積層型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図を示す。この積層型化合物半導体太陽電池において、支持基板301上には、金属層302、p型InGaAsからなるコンタクト層303、p型InGaPからなるBSF層304、p型InGaAsからなるベース層305、n型InGaAsからなるエミッタ層306およびn型InGaPからなる窓層307がこの順序で積層されている。ここで、p型InGaAsからなるベース層305とn型InGaAsからなるエミッタ層306とから太陽電池層40aが形成されており、BSF層304、ベース層305、エミッタ層306および窓層307の積層体からボトムセルが構成されている。
<Embodiment 3>
In FIG. 11, the typical cross-sectional block diagram of another example of the laminated type compound semiconductor solar cell of this invention is shown. In this stacked compound semiconductor solar cell, on a
n型InGaPからなる窓層307上には、n型AlInGaAsからなるバッファ層308が積層されている。ここで、バッファ層308は、窓層307から離れるにしたがってInの組成が徐々に低下するように構成されており、n+型AlInP層309との界面近傍においてはInの組成はほぼゼロとなっている。
A
また、バッファ層308上には、n+型AlInP層309、n+型InGaP層310、p+型AlGaAs層311およびp+型AlInP層312がこの順に積層されてトンネル接合層50aを構成している。
On the
また、p+型AlInP層312上には、p型InGaPからなるBSF層313、p型GaAsからなるベース層314、n型GaAsからなるエミッタ層315およびn型InGaPからなる窓層316がこの順序で積層されている。p型GaAsからなるベース層314とn型GaAsからなるエミッタ層315とから太陽電池層40bが形成されており、BSF層313、ベース層314、エミッタ層315および窓層316の積層体からミドルセルが構成されている。
On the p + -
また、n型InGaPからなる窓層316上には、n+型AlInP層317、n+型InGaP層318、p+型AlGaAs層319およびp+型AlInP層320がこの順に積層されてトンネル接合層50bを構成している。
On the
また、p+型AlInP層320上には、p型AlInPからなるBSF層321、p型InGaPからなるベース層322、n型InGaPからなるエミッタ層323およびn型AlInPからなる窓層324がこの順に積層されている。ここで、p型InGaPからなるベース層322とn型InGaPからなるエミッタ層323とから太陽電池層40cが形成されており、BSF層321、ベース層322、エミッタ層323および窓層324の積層体からトップセルが構成されている。
On the p + -
また、n型AlInPからなる窓層324上に、n型GaAsからなるコンタクト層325および反射防止膜326が形成され、コンタクト層325上に電極層327が形成されている。
Further, a
なお、図11に示す積層型化合物半導体太陽電池においては、太陽電池層40a、40b、40cのベース層305、314、322の禁制帯幅が、半導体基材側に位置する太陽電池層40aから積層型化合物半導体太陽電池の受光面側に位置する太陽電池層40cにかけて順に大きくなっている。すなわち、ベース層305、ベース層314およびベース層322の順に禁制帯幅が大きくなっている。
In the stacked compound semiconductor solar cell shown in FIG. 11, the forbidden band widths of the base layers 305, 314, and 322 of the
以下、図12〜図14の断面構成図を参照して、図11に示す積層型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the stacked compound semiconductor solar battery shown in FIG. 11 will be described with reference to the cross-sectional configuration diagrams of FIGS.
まず、図12に示すように、たとえば直径50mmのn型GaAs基板328をMOCVD装置内に設置し、このn型GaAs基板328上に、n型InGaPからなるエッチングストップ層331、n型GaAsからなるコンタクト層325、n型AlInPからなる窓層324、n型InGaPからなるエミッタ層323、p型InGaPからなるベース層322およびp型AlInPからなるBSF層321をこの順にMOCVD法により成長させる。
First, as shown in FIG. 12, for example, an n-
次に、p型AlInPからなるBSF層321上に、p+型AlInP層320、p+型AlGaAs層319、n+型InGaP層318およびn+型AlInP層317をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a p +
次に、n+型AlInP層317上に、n型InGaPからなる窓層316、n型GaAsからなるエミッタ層315、p型GaAsからなるベース層314およびp型InGaPからなるBSF層313をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, on the n + -
次に、p型InGaPからなるBSF層313上に、p+型AlInP層312、p+型AlGaAs層311、n+型InGaP層310およびn+型AlInP層309をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, a p +
次に、n+型AlInP層309上に、n型AlGaAsを成長しながら徐々にInの組成を増加させて、成長終了時に太陽電池層40aを構成するInGaAsと格子定数が同一になるようにn型AlInGaAsからなるバッファ層308をMOCVD法により成長させる。
Next, the composition of In is gradually increased while growing n-type AlGaAs on the n + -
次に、バッファ層308上に、n型InGaPからなる窓層307、n型InGaAsからなるエミッタ層306、p型InGaAsからなるベース層305、p型InGaPからなるBSF層304およびp型GaAsからなるコンタクト層303をこの順にMOCVD法により成長させる。
Next, on the
その後、図13に示すように、p型InGaAsからなるコンタクト層303の表面上にたとえばAu(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ3μm)の積層体からなる金属層302により支持基板301を貼り付ける。
After that, as shown in FIG. 13, a support substrate is formed on the surface of the
次に、図14に示すように、n型GaAs基板328をアルカリ水溶液にてエッチングした後に、n型InGaPからなるエッチングストップ層331を酸水溶液にてエッチングする。
Next, as shown in FIG. 14, after the n-
そして、n型GaAsからなるコンタクト層325上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、コンタクト層325の一部をアルカリ水溶液を用いたエッチングにより除去する。
Then, after forming a resist pattern on the
次に、残されたコンタクト層325の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、抵抗加熱蒸着装置およびEB蒸着装置を用いて、たとえばAuGe(12%)(たとえば厚さ0.1μm)/Ni(たとえば厚さ0.02μm)/Au(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ5μm)の積層体からなる電極層327を形成する。
Next, a resist pattern is formed again by photolithography on the surface of the remaining
次に、メサエッチングパターンを形成した後、アルカリ水溶液および酸溶液を用いてメサエッチングを行なう。そして、EB蒸着法により、たとえばTiO2膜(たとえば厚さ55nm)およびAl2O3膜(たとえば厚さ85nm)の積層体を形成して反射防止膜326を形成する。これにより、積層型化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する図11に示す構成の積層型化合物半導体太陽電池を得ることができる。
Next, after a mesa etching pattern is formed, mesa etching is performed using an alkaline aqueous solution and an acid solution. Then, an
上述した積層型化合物半導体太陽電池においても、AsをV族元素として含むIII−V族化合物半導体からなるバッファ層308の格子定数が、n+型AlInP層309側からn型InGaPからなる窓層307側にかけて、n+型AlInP層309の格子定数と同一またはそれに近い値から太陽電池層40aのベース層305およびエミッタ層306を構成するInGaAsの格子定数に近づくように形成されている。したがって、上述した積層型化合物半導体太陽電池は、非特許文献1に記載された従来の積層型化合物半導体太陽電池と比較して高効率になるものと考えられる。
Also in the stacked compound semiconductor solar cell described above, the lattice constant of the
<その他>
本発明においては、半導体基材として、IV族半導体またはIII−V族化合物半導体を用いることができる。ここで、IV族半導体としてはたとえばGe等を用いることができ、III−V族化合物半導体としてはたとえばGaAs、InGaP、InGaAs、AlInP、AlGaAsまたはAlInGaAs等を用いることができる。
<Others>
In the present invention, a group IV semiconductor or a group III-V compound semiconductor can be used as the semiconductor substrate. Here, for example, Ge or the like can be used as the IV group semiconductor, and for example, GaAs, InGaP, InGaAs, AlInP, AlGaAs, or AlInGaAs can be used as the III-V group compound semiconductor.
また、本発明においては、バッファ層の禁制帯幅を、バッファ層よりも積層型化合物半導体太陽電池の受光面側に位置する太陽電池層のベース層の禁制帯幅よりも大きくすることもできる。 In the present invention, the forbidden band width of the buffer layer can be made larger than the forbidden band width of the base layer of the solar cell layer located on the light receiving surface side of the stacked compound semiconductor solar cell with respect to the buffer layer.
また、本発明においては、バッファ層は、AlGaAs層、AlInGaAs層およびInAlAs層からなる群から選択される少なくとも1種を有していてもよい。 In the present invention, the buffer layer may have at least one selected from the group consisting of an AlGaAs layer, an AlInGaAs layer, and an InAlAs layer.
なお、本明細書において、化合物の化学式において化合物を構成する元素の組成比が記載されていないものについては、その組成比は特に限定されず、適宜設定することが可能であることを意味している。 In the present specification, the composition ratio of elements constituting the compound in the chemical formula of the compound is not particularly limited, meaning that the composition ratio can be set as appropriate. Yes.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明によれば、高効率の積層型化合物半導体太陽電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a highly efficient laminated compound semiconductor solar cell can be provided.
11 p型GaAs基板、12 p型In0.48Ga0.52P層、13 p型(Al0.5Ga0.5)0.24In0.76Asバッファ層、14,104,114,122,204,213,221,304,313,321 BSF層、15,105,115,123,205,214,222,305,314,322 ベース層、16,106,116,124,206,215,223,306,315,323 エミッタ層、17,107,117,125,207,216,224,307,316,324 窓層、18,103,126,203,225,303,325 コンタクト層、40 InGaAs太陽電池層、40a,40b,40c 太陽電池層、50a,50b トンネル接合層、101,201,301 支持基板、102,202,302 金属層、108,208,308 バッファ層、109 n+型In0.48Ga0.52P層、110 n+型AlInP層、111 n+型In0.48Ga0.52P層、112 p+型AlGaAs層、113 p+型AlInP層、118 n+型AlInP層、119 n+型In0.48Ga0.52P層、120 p+型AlGaAs層、121 p+型AlInP層、127,226,326 反射防止膜、128,227,327 電極層、130 n型GaAs基板、131,331 エッチングストップ層、209 n+型AlInP層、210 n+型InGaP層、211 p+型AlGaAs層、212 p+型AlInP層、217 n+型AlInP層、218 n+型InGaP層、219 p+型AlGaAs層、220 p+型AlInP層、228 n型Ge基板、309 n+型AlInP層、310 n+型InGaP層、311 p+型AlGaAs層、312 p+型AlInP層、317 n+型AlInP層、318 n+型InGaP層、319 p+型AlGaAs層、320 p+型AlInP層、328 n型GaAs基板。 11 p-type GaAs substrate, 12 p-type In 0.48 Ga 0.52 P layer, 13 p-type (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.24 In 0.76 As buffer layer, 14, 104, 114, 122, 204, 213, 221, 304, 313 321 BSF layer, 15, 105, 115, 123, 205, 214, 222, 305, 314, 322 Base layer, 16, 106, 116, 124, 206, 215, 223, 306, 315, 323 Emitter layer, 17, 107, 117, 125, 207, 216, 224, 307, 316, 324 Window layer, 18, 103, 126, 203, 225, 303, 325 Contact layer, 40 InGaAs solar cell layer, 40a, 40b, 40c Solar cell layer 50a, 50b Tunnel junction layer, 101, 201, 301 Support substrate, 102, 202, 30 2 metal layer, 108, 208, 308 buffer layer, 109 n + type In 0.48 Ga 0.52 P layer, 110 n + type AlInP layer, 111 n + type In 0.48 Ga 0.52 P layer, 112 p + type AlGaAs layer, 113 p + Type AlInP layer, 118 n + type AlInP layer, 119 n + type In 0.48 Ga 0.52 P layer, 120 p + type AlGaAs layer, 121 p + type AlInP layer, 127,226,326 antireflection film, 128,227, 327 electrode layer, 130 n-type GaAs substrate, 131,331 etching stop layer, 209 n + type AlInP layer, 210 n + type InGaP layer, 211 p + type AlGaAs layer, 212 p + type AlInP layer, 217 n + type AlInP Layer, 218 n + type InGaP layer, 219 p + type AlGaAs layer, 220 p + type AlInP layer, 228 n type Ge substrate, 309 n + type AlInP layer, 310 n + type InGaP layer, 311 p + type AlGaAs layer, 312 p + type AlInP layer, 317 n + type AlInP layer, 318 n + type InGaP layer, 319 p + type AlGaAs layer, 320 p + type AlInP Layer, 328 n-type GaAs substrate.
Claims (2)
前記第1の太陽電池層上に形成された、V族元素としてヒ素を含有するAlGaInAsからなるIII−V族化合物半導体からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたGaAsまたはInGaAsからなる第2の太陽電池層と、
前記第2の太陽電池層上に形成されたInGaPからなる第3の太陽電池層とを含み、
前記第1の太陽電池層が、前記バッファ層側からn型InGaAsからなる第1のエミッタ層およびp型InGaAsからなる第1のベース層をこの順に含み、
前記第2の太陽電池層が、前記バッファ層側からp型GaAsまたはp型InGaAsからなる第2のベース層およびn型GaAsまたはn型InGaAsからなる第2のエミッタ層をこの順に含み、
前記第3の太陽電池層が、前記第2の太陽電池層側からp型InGaPからなる第3のベース層およびn型InGaPからなる第3のエミッタ層をこの順に含み、
前記各ベース層の禁制帯幅は、前記第1のベース層、前記第2のベース層、前記第3のベース層の順に大きくなるように位置しており、
前記第1の太陽電池層の格子定数は、前記第2の太陽電池層の格子定数と異なり、
前記第2の太陽電池層および前記第3の太陽電池層の格子定数は同等程度であり、
前記バッファ層の格子定数が、前記第1の太陽電池層の格子定数と前記第2の太陽電池層の格子定数との間の値であるか、または前記第1の太陽電池層側から前記第2の太陽電池層側に向けて、前記第1の太陽電池層の格子定数と同一またはそれに近い値から前記第2の太陽電池層の格子定数に近づくように変化していることを特徴とする、積層型化合物半導体太陽電池。 A first solar cell layer made of InGaAs ;
A buffer layer made of a III-V group compound semiconductor made of AlGaInAs containing arsenic as a group V element, formed on the first solar cell layer;
A second solar cell layer made of GaAs or InGaAs formed on the buffer layer;
A third solar cell layer made of InGaP formed on the second solar cell layer,
The first solar cell layer includes a first emitter layer made of n-type InGaAs and a first base layer made of p-type InGaAs in this order from the buffer layer side,
The second solar cell layer includes a second base layer made of p-type GaAs or p-type InGaAs and a second emitter layer made of n-type GaAs or n-type InGaAs in this order from the buffer layer side,
The third solar cell layer comprises a third emitter layer made of the third base layer and the n-type InGaP made of p-type InGaP from said second solar cell layer side in this order,
The forbidden band width of each base layer is positioned so as to increase in the order of the first base layer, the second base layer, and the third base layer,
The lattice constant of the first solar cell layer is different from the lattice constant of the second solar cell layer,
The lattice constants of the second solar cell layer and the third solar cell layer are comparable.
The lattice constant of the buffer layer is a value between the lattice constant of the first solar cell layer and the lattice constant of the second solar cell layer, or the first solar cell layer side 2 toward the solar cell layer side, and the lattice constant of the second solar cell layer is changed from a value that is the same as or close to the lattice constant of the first solar cell layer. , Laminated compound semiconductor solar cells.
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