JP5559370B1

JP5559370B1 - Solar cell

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Publication number: JP5559370B1
Application number: JP2013018111A
Authority: JP
Inventors: 則之渡邉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP2014150162A

Abstract

【課題】窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようにする。
【解決手段】第１半導体層１０２および第２半導体層１０６の間に設けられた窒化物半導体からなる複数の光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える。光吸収層１０３，光吸収層１０５は、これらに形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされているとよい。これらに加え、隣り合う光吸収層１０３および光吸収層１０５の間には、トンネル接合１０４が接して形成されている。
【選択図】図１Power generation efficiency can be substantially improved in a solar cell using a nitride semiconductor.
A plurality of light absorption layers 103 and 105 made of a nitride semiconductor provided between a first semiconductor layer 102 and a second semiconductor layer 106 are provided. The light absorption layer 103 and the light absorption layer 105 may have a thickness equal to or less than the interval between threading dislocations formed in them. In addition to these, a tunnel junction 104 is formed between the adjacent light absorption layers 103 and 105.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、窒化物半導体を用いて作製される太陽電池に関するものである。 The present invention relates to a solar cell manufactured using a nitride semiconductor.

ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のバンドギャップエネルギーを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かしてＬＥＤ等に応用され、信号機や様々なディスプレイとして広く一般に使われている。また、窒化物半導体のバンドギャップエネルギー範囲は、太陽光のスペクトルをほぼ網羅しており、こうしたことから発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。 Nitride semiconductors such as GaN have a feature that materials having a wide band gap energy of 0.7 to 6.2 eV can be obtained by changing the mixing ratio of group III elements. . This band gap range completely includes a so-called visible light region, and is applied to an LED or the like by making use of such characteristics, and is widely used as a traffic light or various displays. In addition, the band gap energy range of nitride semiconductors almost covers the spectrum of sunlight, and as such, is attracting attention as a material that can realize a solar cell with high power generation efficiency.

例えば、非特許文献１では、単結晶Ｓｉ系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により３１％の発電効率が、見込めると予測している。また、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルに２つのＩｎＧａＮ太陽電池セルを組み合わせた３接合セルにおいて、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーを適切に選ぶことで３５％の発電効率が見込めると予測している。 For example, Non-Patent Document 1 predicts that a power generation efficiency of 31% can be expected by tandemization of a single-crystal Si solar cell and a solar cell composed of InGaN. Further, it is predicted that a power generation efficiency of 35% can be expected by appropriately selecting the band gap energy of InGaN in a three-junction cell in which two InGaN solar cells are combined with a single crystal Si solar cell.

また、非特許文献２において、複数の異なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルを６接合以上組み合わせることにより、５０％を超える高い発電効率を得られることが予測されている。 Further, in Non-Patent Document 2, it is predicted that a high power generation efficiency exceeding 50% can be obtained by combining six or more solar cells composed of InGaN having different In compositions.

このように、窒化物半導体は超高効率太陽電池の実現に対する高いポテンシャルを有しており、国内外で開発が進められている。しかしながら、これまでに報告されている窒化物半導体から構成される太陽電池の変換効率は、最も高い報告値でたかだか３％に過ぎない（非特許文献３参照）。 Thus, nitride semiconductors have a high potential for realizing ultra-high efficiency solar cells, and are being developed both at home and abroad. However, the conversion efficiency of solar cells composed of nitride semiconductors reported so far is only 3% at the highest reported value (see Non-Patent Document 3).

この原因はいくつか考えられるが、最も本質的な原因として、太陽電池を構成する窒化物半導体層内に高密度に存在する貫通転位が挙げられる。通常、窒化物半導体を成長する際に用いられる基板は、サファイア，シリコン，シリコンカーバイドが主だったものであるが、いずれも窒化物半導体とは異なる物質であり、格子定数・熱膨張係数に大きな不整合が存在する。これに起因して、成長した窒化物半導体層内には高密度（１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-2）に貫通転位が発生する。窒化物半導体層における貫通転位は，光照射により発生した電子・正孔に対する再結合中心となるため、太陽電池動作における変換効率を低減させる方向に作用してしまう。 There are several possible causes for this, but the most essential cause is threading dislocations present in high density in the nitride semiconductor layer constituting the solar cell. Usually, sapphire, silicon, and silicon carbide are the main substrates used to grow nitride semiconductors, but all are different from nitride semiconductors, and have a large lattice constant and thermal expansion coefficient. There is an inconsistency. As a result, threading dislocations occur at a high density (10 ⁸ to 10 ¹⁰ cm ⁻² ) in the grown nitride semiconductor layer. The threading dislocation in the nitride semiconductor layer becomes a recombination center for electrons and holes generated by light irradiation, and thus acts to reduce the conversion efficiency in the operation of the solar cell.

光照射により発生した電子・正孔を電流として取り出すには、生成したキャリアが貫通転位に捕獲される前に電極層へ達するようにしておけばよい。例えば、１０¹⁰ｃｍ^-2の転位密度を想定した場合、１００ｎｍ四方に１つの転位が存在することになる。従って、光を吸収してキャリアを生成する層（光吸収層）の層厚を１００ｎｍ程度以下にすれば、生成したキャリアは転位に捕獲される前に電極層へと達する確率が高くなり、より効率的に電流を取り出すことが可能となる。 In order to take out electrons / holes generated by light irradiation as a current, the generated carriers may reach the electrode layer before being captured by threading dislocations. For example, assuming a dislocation density of 10 ¹⁰ cm ⁻² , one dislocation exists in a 100 nm square. Therefore, if the thickness of the layer that absorbs light and generates carriers (light absorption layer) is about 100 nm or less, the generated carriers are more likely to reach the electrode layer before being captured by dislocations. It becomes possible to take out an electric current efficiently.

また、光吸収層が薄い状態では光吸収層の内部電界が高くなり、このような内部電界によって生成したキャリアが加速されることにより、さらに、キャリアが電極層に到達しやすくなる効果も期待できる。しかし、光吸収層は、光を吸収してキャリアを生成する層であるため、光を十分に吸収してキャリア生成量を多くするには、ある程度の厚さが必要となる。窒化物半導体をはじめとしたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は吸収係数が大きいため、シリコンに比べると比較的薄い層厚でも十分に光を吸収することができるが、通常は１μｍ程度、少なくとも３００〜５００ｎｍ程度の層厚は必要である。 In addition, when the light absorption layer is thin, the internal electric field of the light absorption layer becomes high, and the carriers generated by such an internal electric field are accelerated, so that an effect that the carriers can easily reach the electrode layer can be expected. . However, since the light absorption layer is a layer that absorbs light and generates carriers, a certain thickness is required to sufficiently absorb light and increase the amount of carriers generated. Group III-V compound semiconductors such as nitride semiconductors have a large absorption coefficient, so that they can sufficiently absorb light even with a relatively thin layer thickness compared to silicon, but usually about 1 μm, at least 300 to 500 nm. Some layer thickness is necessary.

上述したように、太陽電池の効率として、光吸収層の層厚に関して、キャリア生成数とキャリア収集効率にトレードオフが存在することになる。例えば、図８に示すように、光吸収層の層厚の変化に対して発電効率が変化する。図８では、光吸収層の厚さを５０ｎｍ、９８ｎｍ，および１９３ｎｍとした３種類の窒化物半導体太陽電池を作製し、各々の発電効率を測定した結果を示す特性図である。窒化物半導体の貫通転位密度は、１０¹⁰ｃｍ^-2である。上述したトレードオフの関係を反映し、光吸収層厚９８ｎｍで、最大の発電効率が得られている。しかしながら、このような１００ｎｍ程度の光吸収層厚では、光吸収層が光を十分に吸収することができないため、キャリア生成量自体が少なく、結果的に発電効率の改善にはそれほど大きな効果が得られない。 As described above, as the efficiency of the solar cell, there is a trade-off between the number of generated carriers and the carrier collection efficiency with respect to the layer thickness of the light absorption layer. For example, as shown in FIG. 8, the power generation efficiency changes with changes in the layer thickness of the light absorption layer. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the results of producing three types of nitride semiconductor solar cells with light absorption layers having thicknesses of 50 nm, 98 nm, and 193 nm and measuring the power generation efficiency of each. The threading dislocation density of the nitride semiconductor is 10 ¹⁰ cm ⁻² . Reflecting the trade-off relationship described above, the maximum power generation efficiency is obtained with a light absorption layer thickness of 98 nm. However, with such a light absorption layer thickness of about 100 nm, since the light absorption layer cannot sufficiently absorb light, the amount of carrier generation itself is small, and as a result, a great effect is obtained in improving power generation efficiency. I can't.

L. Hsu and W. Walukiewicz, "Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008.L. Hsu and W. Walukiewicz, "Modeling of InGaN / Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008. A,Yamamoto et al. , "Recent advances in InN-based solar cells: status and challenges in InGaN and InAlN solar cells", Phys. Status Solidi C 7, No.5, pp.1309-1316, 2010.A, Yamamoto et al., "Recent advances in InN-based solar cells: status and challenges in InGaN and InAlN solar cells", Phys. Status Solidi C 7, No. 5, pp. 1309-1316, 2010. R.Dahal et al. , "InGaN/GaN multiple quantum well concentrator solar cells",Journal of Applied Physics, vol.97, 073115, 2010.R. Dahal et al., "InGaN / GaN multiple quantum well concentrator solar cells", Journal of Applied Physics, vol.97, 073115, 2010. S. Krishnamoorthy et al. , "Polarization-engineered GaN/InGaN/GaN tunnel diodes", Applied Physics Letter, vol.97, 203502, 2010.S. Krishnamoorthy et al., "Polarization-engineered GaN / InGaN / GaN tunnel diodes", Applied Physics Letter, vol.97, 203502, 2010.

上述したように、窒化物半導体による太陽電池において、生成したキャリアの収集効率向上には、光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下にするのが効果的である。しかしながら、貫通転位密度の高い窒化物半導体においては、上述した条件では十分な光吸収に必要な光吸収層厚が得られず、結果的に発電効率の向上にはほとんど効果が得られないという問題があった。 As described above, in the solar cell made of a nitride semiconductor, it is effective to make the thickness of the light absorption layer less than the threading dislocation interval in order to improve the collection efficiency of the generated carriers. However, in a nitride semiconductor having a high threading dislocation density, the light absorption layer thickness necessary for sufficient light absorption cannot be obtained under the above-described conditions, and as a result, the effect of improving the power generation efficiency is hardly obtained. was there.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to substantially improve power generation efficiency in a nitride semiconductor solar cell.

本発明に係る太陽電池は、基板の上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２半導体層と、第１半導体層および第２半導体層の間に設けられ、各々がアンドープの窒化物半導体による単一層からなる複数の光吸収層と、隣り合う光吸収層の間に接して形成されたトンネル接合とを備える。 A solar cell according to the present invention includes a first semiconductor layer made of a first conductivity type nitride semiconductor formed on a substrate and a second conductivity type nitride semiconductor formed on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer, a plurality of light absorption layers each formed of a single layer of an undoped nitride semiconductor, and between adjacent light absorption layers , which are provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. And a tunnel junction formed.

上記太陽電池において、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。また、トンネル接合は、基板側に配置された第２導電型の窒化物半導体からなる第１トンネル接合層と、第１トンネル接合層の上に接して形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第２トンネル接合層とから構成してもよい。 In the above solar cell, the tunnel junction may be made of a nitride semiconductor having a different lattice constant and band gap energy from the nitride semiconductor constituting the light absorption layer. The tunnel junction includes a first tunnel junction layer made of a second conductivity type nitride semiconductor disposed on the substrate side, and a first conductivity type nitride semiconductor formed in contact with the first tunnel junction layer. You may comprise from the 2nd tunnel junction layer which consists of.

上記太陽電池において、光吸収層は、光吸収層内に形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされていればよい。 In the solar cell, the light absorption layer may have a thickness equal to or less than the interval between threading dislocations formed in the light absorption layer.

以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, an excellent effect that the power generation efficiency can be substantially improved in the solar cell made of a nitride semiconductor can be obtained.

図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell in the embodiment of the present invention. 図２は、窒化物半導体を用いた一般的な太陽電池の構成を示す断面図（ａ）、およびこの太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図（ｂ）である。FIG. 2 is a cross-sectional view (a) showing a configuration of a general solar cell using a nitride semiconductor, and a band diagram (b) showing a change in band gap (band profile) in each semiconductor layer of the solar cell. is there. 図３は、窒化物半導体による太陽電池（貫通転位密度：１０¹⁰ｃｍ^-2）において、光吸収層厚の変化に対するキャリア収集効率の変化を示した特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in carrier collection efficiency with respect to a change in light absorption layer thickness in a nitride semiconductor solar cell (threading dislocation density: 10 ¹⁰ cm ⁻² ). 図４は、光吸収層の厚さと、取り出せる電流値の関係を示した特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the light absorption layer and the current value that can be extracted. 図５は、本発明の実施の形態における他の太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of another solar cell in the embodiment of the present invention. 図６は、本発明の実施の形態における他の太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化を示すバンド図である。FIG. 6 is a band diagram showing a change in band gap in each semiconductor layer of another solar cell in the embodiment of the present invention. 図７は、本発明の実施例における太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化を示すバンド図である。FIG. 7 is a band diagram showing a change in band gap in each semiconductor layer of the solar cell in the example of the present invention. 図８は、太陽電池における光吸収層の層厚の変化に対する発電効率の変化を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing a change in power generation efficiency with respect to a change in the layer thickness of the light absorption layer in the solar cell.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。この太陽電池は、まず、基板１０１の上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２半導体層１０６とを備える。例えば、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であればよい。また、例えば、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the solar cell in the embodiment of the present invention. In this solar cell, first, a first semiconductor layer 102 made of a first conductivity type nitride semiconductor formed on a substrate 101 and a second conductivity type nitride formed on the first semiconductor layer 102. And a second semiconductor layer 106 made of a semiconductor. For example, the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type. Further, for example, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.

また、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６の間に設けられた窒化物半導体からなる複数の光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える。図１には、２つの光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える場合を例に示している。ここで、光吸収層１０３，光吸収層１０５は、これらに形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされているとよい。 In addition, a plurality of light absorption layers 103 and 105 made of a nitride semiconductor are provided between the first semiconductor layer 102 and the second semiconductor layer 106. FIG. 1 shows an example in which two light absorption layers 103 and 105 are provided. Here, the light absorption layer 103 and the light absorption layer 105 may have a thickness equal to or less than the interval between threading dislocations formed in these layers.

上述した構成に加え、この太陽電池においては、隣り合う光吸収層１０３および光吸収層１０５の間には、トンネル接合１０４が形成されている。また、トンネル接合１０４は、光吸収層１０３および光吸収層１０５に接して形成されている。ここで、トンネル接合１０４は、例えば、光吸収層１０３（光吸収層１０５）を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。 In addition to the configuration described above, in this solar cell, a tunnel junction 104 is formed between the adjacent light absorption layers 103 and 105. The tunnel junction 104 is formed in contact with the light absorption layer 103 and the light absorption layer 105. Here, the tunnel junction 104 only needs to be made of a nitride semiconductor having a different lattice constant and band gap energy from the nitride semiconductor constituting the light absorption layer 103 (light absorption layer 105), for example.

また、トンネル接合１０４は、よく知られているように、第２導電型の窒化物半導体からなる第１トンネル接合層と、第１トンネル接合層の上に接して形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第２トンネル接合層とから構成することもできる。第１トンネル接合層が、基板１０１の側に配置されていればよい。第１半導体層１０２がｎ型の場合、第１トンネル接合層は、例えば、高濃度にｐ型不純物が導入された窒化物半導体から構成し、層厚数ｎｍ程度とし、第２トンネル接合層は、高濃度にｎ型不純物が導入された窒化物半導体から構成し、層厚数ｎｍ程度とすればよい。 As is well known, the tunnel junction 104 includes a first tunnel junction layer made of a second conductivity type nitride semiconductor and a first conductivity type formed on and in contact with the first tunnel junction layer. A second tunnel junction layer made of a nitride semiconductor can also be used. The first tunnel junction layer only needs to be disposed on the substrate 101 side. When the first semiconductor layer 102 is n-type, the first tunnel junction layer is made of, for example, a nitride semiconductor into which a p-type impurity is introduced at a high concentration, and has a thickness of about several nanometers. It may be made of a nitride semiconductor into which n-type impurities are introduced at a high concentration, and the layer thickness may be about several nanometers.

上述したように、本発明は、光吸収層を、トンネル接合を介して直列に接合したところに特徴がある。この構成により、各光吸収層を貫通転位の間隔程度よりも薄い状態としても、実効的に光吸収層を厚くできるようになり、生成したキャリアの収集効率が向上できる。以下、より詳細に説明する。 As described above, the present invention is characterized in that the light absorption layers are joined in series via a tunnel junction. With this configuration, even if each light absorption layer is thinner than the threading dislocation interval, the light absorption layer can be effectively thickened, and the collection efficiency of the generated carriers can be improved. This will be described in more detail below.

図２は、窒化物半導体を用いた一般的な太陽電池の構成を示す断面図（ａ）、およびこの太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図（ｂ）である。図２の（ａ）に示す太陽電池は、基板２０１の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなるｎ型電極層２０２と、ｎ型電極層２０２の上に形成されたｐ型の窒化物半導体からなるｐ型電極層２０４と、ｎ型電極層２０２およびｐ型電極層２０４の間に設けられた窒化物半導体からなる光吸収層２０３とを備える。 FIG. 2 is a cross-sectional view (a) showing a configuration of a general solar cell using a nitride semiconductor, and a band diagram (b) showing a change in band gap (band profile) in each semiconductor layer of the solar cell. is there. The solar cell shown in FIG. 2A includes an n-type electrode layer 202 made of an n-type nitride semiconductor formed on a substrate 201, and a p-type nitridation formed on the n-type electrode layer 202. A p-type electrode layer 204 made of a material semiconductor, and a light absorption layer 203 made of a nitride semiconductor provided between the n-type electrode layer 202 and the p-type electrode layer 204.

太陽電池において、光吸収層２０３で太陽光を吸収すると電子と正孔が生成する。生成した電子はｎ型電極層２０２へと移動し、正孔はｐ型電極層２０４へと移動し、電流として外部へ取り出される。各電極層へキャリアが達する前に、何らかの再結合中心において電子・正孔が再結合すると、電流としては取り出されない。窒化物半導体による太陽電池の場合、高密度に存在する貫通転位が、再結合中心として作用する。生成したキャリアが貫通転位に達する前に各電極層へ達すれば、電流として取り出すことができる。 In a solar cell, when sunlight is absorbed by the light absorption layer 203, electrons and holes are generated. The generated electrons move to the n-type electrode layer 202, and the holes move to the p-type electrode layer 204, and are taken out as current. If electrons and holes recombine at some recombination centers before carriers reach each electrode layer, they are not taken out as current. In the case of a solar cell made of a nitride semiconductor, threading dislocations present at high density act as recombination centers. If the generated carriers reach each electrode layer before reaching threading dislocations, they can be taken out as current.

従って、光吸収層２０３を薄くすることで、生成したキャリアがｎ型電極層２０２，ｐ型電極層２０４へ達する確率（キャリア収集効率）を高めることができる。また、生成したキャリアは、薄くしたことにより大きくなる光吸収層２０３の内部電界によって移動速度が加速され、結果的にキャリア収集効率がさらに向上することになる。 Therefore, by reducing the thickness of the light absorption layer 203, the probability (carrier collection efficiency) that the generated carriers reach the n-type electrode layer 202 and the p-type electrode layer 204 can be increased. In addition, the generated carriers are accelerated by the internal electric field of the light absorption layer 203 which becomes larger as the thickness is reduced, and as a result, the carrier collection efficiency is further improved.

図３は、窒化物半導体による太陽電池（貫通転位密度：１０¹⁰ｃｍ^-2）において、光吸収層厚の変化に対するキャリア収集効率の変化を示した特性図である。図３に示すように、光吸収層が薄いほど、キャリア収集効率は高くなる。特に、光吸収層の層厚が貫通転位の間隔である１００ｎｍを下回ると、急激にキャリア収集効率が向上する傾向を示す。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in carrier collection efficiency with respect to a change in light absorption layer thickness in a nitride semiconductor solar cell (threading dislocation density: 10 ¹⁰ cm ⁻² ). As shown in FIG. 3, the thinner the light absorption layer, the higher the carrier collection efficiency. In particular, when the layer thickness of the light absorption layer is less than 100 nm, which is the interval between threading dislocations, the carrier collection efficiency tends to be rapidly improved.

図４は、光吸収層の厚さと、取り出せる電流値の関係を示した特性図である。光吸収層が厚くなると、吸収できる光の量が増えることにより生成するキャリアが増大し、これに伴って取り出せる電流値も増大する。ただし、図４中に実線で示すように、キャリア収集効率が低下することを反映し、３００ｎｍ付近でピークを示した後、電流値は減少する傾向を示す。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the light absorption layer and the current value that can be extracted. As the light absorption layer becomes thicker, the amount of light that can be absorbed increases, so that the number of carriers generated increases, and the current value that can be extracted increases accordingly. However, as indicated by a solid line in FIG. 4, the current value tends to decrease after showing a peak in the vicinity of 300 nm, reflecting the decrease in carrier collection efficiency.

上述した図３および図４に示した傾向を考慮した結果、発明者らは、複数の光吸収層を、トンネル接合を介して直列に接合するという特徴的な構成を見いだした。例えば、図５に示すように、５つの光吸収層３３１，３３２，３３３，３３４，３３５と、これらの間を接続する４つのトンネル接合３４１，３４２，３４３，３４４を備えればよい。これらの構成は、基板３０１の上に形成されたｎ型電極層（第１半導体層）３０２とｐ形電極層（第２半導体層）３０５との間に配置される。ここで、光吸収層の層数は、各光吸収層の層厚、含んでいる貫通転位の密度、構成材料などに応じ、適宜に選択すればよい。図６は、上述した太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図である。 As a result of considering the tendency shown in FIG. 3 and FIG. 4 described above, the inventors have found a characteristic configuration in which a plurality of light absorption layers are joined in series via a tunnel junction. For example, as shown in FIG. 5, five light absorption layers 331, 332, 333, 334, and 335 and four tunnel junctions 341, 342, 343, and 344 that connect them may be provided. These configurations are arranged between an n-type electrode layer (first semiconductor layer) 302 and a p-type electrode layer (second semiconductor layer) 305 formed on the substrate 301. Here, the number of light absorption layers may be appropriately selected according to the thickness of each light absorption layer, the density of threading dislocations included, the constituent materials, and the like. FIG. 6 is a band diagram showing the change (band profile) of the band gap in each semiconductor layer of the solar cell described above.

上述した本発明の特徴的な構成を用いることにより、まず、各光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下とすれば、光照射により各光吸収層で生成したキャリアは、貫通転位で再結合することなく、トンネル接合あるいはいずれかの電極層へ到達することができる。また、トンネル接合に到達した電子（正孔）は、隣の光吸収層で生成した正孔（電子）とトンネル接合において再結合することにより、再結合電流として電池内を流れる。これらのことにより、各光吸収層で生成したキャリアを、効率よく収集することが可能となる。 By using the characteristic configuration of the present invention described above, first, if the layer thickness of each light absorption layer is set to about the interval between threading dislocations, carriers generated in each light absorption layer by light irradiation are threading dislocations. It can reach the tunnel junction or any electrode layer without recombination. Further, the electrons (holes) that have reached the tunnel junction recombine with the holes (electrons) generated in the adjacent light absorption layer at the tunnel junction, thereby flowing in the battery as a recombination current. By these things, it becomes possible to collect efficiently the carriers generated in each light absorption layer.

ここで、光吸収層＋トンネル接合の組み合わせをＮ組つなげることにより、光を吸収してキャリアを生成する領域（光吸収層）の実効的な厚さが、１つの光吸収層×Ｎとなる。例えば、５個の光吸収層の層厚が１００ｎｍであるとき、上述したように５層の光吸収層を用いることで、光吸収に関わる層厚を実効的に５００ｎｍにすることができる。これにより、光を十分に吸収することができ、生成キャリアの量を増やすことができる。 Here, by connecting N combinations of a light absorption layer and a tunnel junction, the effective thickness of a region (light absorption layer) that absorbs light and generates carriers becomes one light absorption layer × N. . For example, when the thickness of the five light absorption layers is 100 nm, the layer thickness related to light absorption can be effectively 500 nm by using the five light absorption layers as described above. Thereby, light can be absorbed sufficiently and the amount of generated carriers can be increased.

以上述べたように、本発明により、窒化物半導体による太陽電池において、キャリア収集効率を高く保つと共に、十分に光を吸収できる光吸収層を構成することができる。例えば、図４の点線に示すように、取り出し電流値を改善することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a light absorption layer capable of sufficiently absorbing light while maintaining high carrier collection efficiency can be configured in a nitride semiconductor solar cell. For example, as shown by the dotted line in FIG. 4, it is possible to improve the extraction current value.

次に、実施例を用いてより詳細に説明する。まず、図５に示すように、サファイア（コランダム）からなる基板３０１を用意する。次に、基板３０１の上に、ｎ型のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなる層厚２００ｎｍのｎ型電極層３０２を形成する。 Next, it demonstrates in detail using an Example. First, as shown in FIG. 5, a substrate 301 made of sapphire (corundum) is prepared. Next, an n-type electrode layer 302 having a layer thickness of 200 nm made of n-type In _0.1 Ga _0.9 N (carrier concentration 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) is formed on the substrate 301.

引き続き、アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３１，アンドープのＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４１，アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３２，アンドープのＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４２，アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３３，アンドープのＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４３，アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３４，アンドープのＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４４，およびアンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３５を形成する。 Subsequently, a light absorption layer 331 made of undoped In _0.15 Ga _0.85 N with a thickness of 100 nm, a tunnel junction 341 made of undoped In _0.6 Ga _0.4 N with a thickness of 0.5 nm, a layer thickness made of undoped In _0.15 Ga _0.85 N 100 nm light absorption layer 332, undoped In _0.6 Ga _0.4 N layer thickness 0.5 nm tunnel junction 342, undoped In _0.15 Ga _0.85 N layer thickness 100 nm light absorption layer 333, undoped In _0.6 Ga _0.4 A tunnel junction 343 having a layer thickness of 0.5 nm made of N, a light absorption layer 334 having a layer thickness of 100 nm made of undoped In _0.15 Ga _0.85 N, and a tunnel junction 344 having a layer thickness of 0.5 nm made of undoped In _0.6 Ga _0.4 N. Then, a light absorption layer 335 having a layer thickness of 100 nm made of undoped In _0.15 Ga _0.85 N is formed.

引き続き、ｐ型のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなる層厚１００ｎｍのｐ形電極層３０５を形成する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。一般に、サファイアよりなる基板３０１の上に、有機金属気相成長法で上述した窒化物半導体の各層をエピタキシャル成長すると、成長表面（上面）は、いわゆるＩＩＩ族面となる。この場合、上述したように、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体に対し、格子定数が小さく、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体から構成すればよい。これに対し、成長表面がＶ族面となる場合、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体に対し、格子定数が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体から構成すればよい。このように、トンネル接合は、成長表面の状態に合わせ、光吸収層を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。 Subsequently, a p-type electrode layer 305 having a layer thickness of 100 nm made of p-type In _0.1 Ga _0.9 N (carrier concentration 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) is formed. These may be formed by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. In general, when each nitride semiconductor layer described above is epitaxially grown on a substrate 301 made of sapphire by metal organic vapor phase epitaxy, the growth surface (upper surface) becomes a so-called group III surface. In this case, as described above, the tunnel junction may be made of a nitride semiconductor having a smaller lattice constant and a larger band gap energy than the nitride semiconductor constituting the light absorption layer. On the other hand, when the growth surface is a group V surface, the tunnel junction may be made of a nitride semiconductor having a large lattice constant and a small band gap energy relative to the nitride semiconductor constituting the light absorption layer. As described above, the tunnel junction may be made of a nitride semiconductor having a different lattice constant and band gap energy from the nitride semiconductor constituting the light absorption layer in accordance with the state of the growth surface.

図７は、上述した層構成とした実施例の太陽電池における積層方向の各層のバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図である。図７に示すように、図６のバンド図と同様に、実施例の構成においても、トンネル接合に隣接する２つの光吸収層においては、一方の光吸収層の伝導帯下端と、他方の光吸収層の価電子帯上端とが、フェルミ準位の近くでトンネル接合を介して接近し、両者の間でキャリアのトンネリングが発生可能な状態となる。 FIG. 7 is a band diagram showing the change (band profile) of the band gap of each layer in the stacking direction in the solar cell of the example having the layer configuration described above. As shown in FIG. 7, similarly to the band diagram of FIG. 6, also in the configuration of the example, in the two light absorption layers adjacent to the tunnel junction, the lower end of the conduction band of one light absorption layer and the other light The upper end of the valence band of the absorption layer approaches through the tunnel junction near the Fermi level, so that carrier tunneling can occur between the two.

この結果、各光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下とすることで、光照射により各光吸収層で生成したキャリアは、貫通転位で再結合することなく、トンネル接合あるいはいずれかの電極層へ到達させることができる。また、トンネル接合に到達した電子（正孔）は、隣接する光吸収層で生成した正孔（電子）とトンネル接合において再結合することができ、再結合電流として電池内を流れるようになる。これらのことにより、各光吸収層で生成したキャリアを、効率よく収集することが可能となる。また、複数の光吸収層を設けることで、光を吸収してキャリアを生成する領域を実効的に厚くでき、光を十分に吸収して生成キャリアの量を増やすことができるようになる。この結果、取り出し電流値を改善することができる。 As a result, by making the layer thickness of each light absorption layer less than or equal to the threading dislocation spacing, carriers generated in each light absorption layer by light irradiation do not recombine by threading dislocations, It can reach the electrode layer. Further, the electrons (holes) that have reached the tunnel junction can recombine with the holes (electrons) generated in the adjacent light absorption layer at the tunnel junction, and flow through the battery as a recombination current. By these things, it becomes possible to collect efficiently the carriers generated in each light absorption layer. In addition, by providing a plurality of light absorption layers, it is possible to effectively thicken a region where light is absorbed and generate carriers, and it is possible to sufficiently absorb light and increase the amount of generated carriers. As a result, the extraction current value can be improved.

以上に説明したように、本発明によれば、複数の光吸収層を用い、隣り合う光吸収層の間に接してトンネル接合を形成するようにしたので、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようになる。 As described above, according to the present invention, a plurality of light absorption layers are used, and a tunnel junction is formed in contact between adjacent light absorption layers. Power generation efficiency can be improved.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、基板は、サファイアに限るものではなく、例えば、シリコンカーバイド基板、シリコン基板、窒化ガリウム基板など、窒化物半導体を成長できる基板であればいずれであってもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the substrate is not limited to sapphire, and may be any substrate that can grow a nitride semiconductor, such as a silicon carbide substrate, a silicon substrate, or a gallium nitride substrate.

１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…光吸収層、１０４…トンネル接合、１０５…光吸収層、１０６…第２半導体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... 1st semiconductor layer, 103 ... Light absorption layer, 104 ... Tunnel junction, 105 ... Light absorption layer, 106 ... 2nd semiconductor layer.

Claims

A first semiconductor layer made of a first conductivity type nitride semiconductor formed on a substrate;
A second semiconductor layer made of a second conductivity type nitride semiconductor formed on the first semiconductor layer;
A plurality of light-absorbing layers provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer , each consisting of a single layer of an undoped nitride semiconductor;
And a tunnel junction formed in contact between the adjacent light absorption layers.

The solar cell according to claim 1,
The solar cell according to claim 1, wherein the tunnel junction is made of a nitride semiconductor having a lattice constant and a band gap energy different from those of the nitride semiconductor constituting the light absorption layer.

The solar cell according to claim 1,
The tunnel junction includes a first tunnel junction layer made of a second conductivity type nitride semiconductor disposed on the substrate side, and a first conductivity type nitride formed on and in contact with the first tunnel junction layer. A solar cell comprising a second tunnel junction layer made of a semiconductor.

In the solar cell of any one of Claims 1-3,
The solar cell, wherein the light absorption layer has a thickness equal to or less than an interval between threading dislocations formed in the light absorption layer.