JP5753445B2 - 光電変換装置 - Google Patents

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Description

技術分野は、光電変換装置及びその作製方法に関する。
地球温暖化が深刻さを増し、温室効果ガスを発生しないクリーンエネルギーが注目されている。太陽電池などの光電変換装置はクリーンエネルギーの代表格となっており、世界中で盛んに開発され、実用化が進んでいる。
しかし、現状の太陽電池は、性能の面では十分満足するものに至っていない。太陽電池の性能向上を図るため、複数のセルを積層させたタンデム型太陽電池は広く知られている。また、発電効率の向上を図るため、特許文献１に記載のようなタンデム型太陽電池も提案されている。
特開平１１−２７４５３２号公報
本発明の一態様は、光電変換効率が向上した光電変換装置を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、出力する電圧が高い光電変換装置を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、出力する電流が大きい光電変換装置を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、出力特性（電流−電圧特性）の向上した光電変換装置を提供することを課題の一とする。
本発明の一態様は、光電変換層を含む第１のセルと、第１のセル上に積層され、第１のセルよりも広いバンドギャップを有する材料で形成された光電変換層を含む第２のセルと、第１のセルの第２のセルとは反対側の面に設けられた第１の電極及び第２の電極と、第２のセルの第１のセルとは反対側の面に設けられた第３の電極と、を有する光電変換装置である。第１のセル及び第２のセルは、それぞれセル内にｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有し、第１のセルと第２のセルとは接触し、接触部はｐｎ接合を形成しており、第１のセルは第１の電極及び第２の電極と電気的に接続してバックコンタクト構造を形成し、第２のセルは第３の電極と電気的に接続している。
または、本発明の他の態様は、光電変換層を含む第１のセルと、第１のセル上に積層され、第１のセルよりも広いバンドギャップを有する材料で形成された光電変換層を含む第２のセルと、第１のセルと第２のセルとの間に設けられ、開口を有する絶縁層と、第１のセルの第２のセルとは反対側の面に設けられた第１の電極及び第２の電極と、第２のセルの第１のセルとは反対側の面に設けられた第３の電極と、を有する光電変換装置である。第１のセル及び第２のセルは、それぞれセル内にｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有し、第１のセルと第２のセルとは絶縁層が有する開口を介して接触し、接触部はｐｎ接合を形成しており、第１のセルは第１の電極及び第２の電極と電気的に接続してバックコンタクト構造を形成し、第２のセルは第３の電極と電気的に接続している。
上記構成において、第１のセルが有する光電変換層は単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで形成し、第２のセルが有する光電変換層はアモルファスシリコンで形成することができる。
上記構成において、第１の電極及び第３の電極間と、第１の電極及び第２の電極間と、から、それぞれ、電圧を取り出すことができる。
上記構成において第１の電極及び第３の電極間と、第１の電極及び第２の電極間と、から、それぞれ、電流を取り出すことができる。
なお、本明細書における「光電変換層」とは、光電効果（内部光電効果）を発現する半導体層（半導体領域）を含む他、内部電界や半導体接合を形成するために接合された不純物半導体層（不純物半導体領域）を含めたものをいう。すなわち、本明細書における光電変換層は、ｐｉｎ接合などを代表例とする接合が形成された半導体層を示す。
また、本明細書における「ｐｉｎ接合」は、光入射側からｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層の積層順で配置されるものと、光入射側からｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層の積層順で配置されるものを含むものとする。
また、本明細書において、「第１」、「第２」、「第３」などの数詞の付く用語は、要素を区別するために便宜的に付与しているものである。したがって、数的に限定するものではなく、配置および段階の順序を限定するものでもない。
本発明の一態様によれば、光電変換効率の向上した光電変換装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、出力する電圧が高い光電変換装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、出力する電流が大きい光電変換装置を提供することができる。または、本発明の一態様によれば、出力特性（電流−電圧特性）の向上した光電変換装置を提供することができる。
光電変換装置の一例を示す断面模式図。 光電変換装置の一例を示す平面模式図。 光電変換装置の従来例を示す図。 光電変換装置の特性の一例を示す図。 光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 従来例の光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 従来例の光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 従来例の光電変換装置のエネルギーバンド構造を説明する図。 光電変換装置の他の例を示す断面模式図。 電子機器の例を示す図。
以下に、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更しうることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
本形態では、本発明の一態様である光電変換装置の構成について説明する。
図１は、本形態に係る光電変換装置の断面模式図の一例を示している。また、図２（Ａ）は、本形態に係る光電変換装置の平面模式図の一例を示している。図１は、図２（Ａ）中の一点鎖線ｘｙの断面に対応する。
光電変換装置１００は、第１のセル１２０と、第１のセル１２０上に積層された第２のセル１４０と、第１のセル１２０と電気的に接続される第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂと、第２のセル１４０と電気的に接続される第３の電極１０７と、を有している。第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂは、第１のセル１２０の第２のセル１４０とは反対側の面で接続されるように設けられている。第３の電極１０７は、第２のセル１４０の第１のセル１２０とは反対側の面で接続されるように設けられている。第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂは裏面電極として機能し、第３の電極１０７はグリッド電極として機能する。
第１のセル１２０は、一方の面が第２のセル１４０と接し、他方の面には第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂが設けられている。なお、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂは、互いに電気的に分離されている。第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂは、それぞれ、第１のセル１２０と電気的に接続されている。
第２のセル１４０は、一方の面が第１のセル１２０と接し、他方の面には第３の電極１０７が設けられている。ここでは、第２のセル１４０の他方の面には透明導電膜１０９が設けられている。第３の電極１０７は、透明導電膜１０９を介して、第２のセル１４０の他方の面に設けられている。第３の電極１０７は、第２のセル１４０と電気的に接続されている。
第１のセル１２０及び第２のセル１４０は、それぞれ、セル内にｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する。また、第１のセル１２０と第２のセル１４０とは接触し、接触部はｐｎ接合を形成している。
また、第１のセル１２０と第２のセル１４０は、両者の光電変換層を構成する材料のバンドギャップを比較したときに、第１のセル１２０を狭いバンドギャップ材料（ナローギャップ材料ともいう）、第２のセル１４０を広いバンドギャップ材料（ワイドギャップ材料ともいう）で形成する。受光側に配置する第２のセル１４０を、第１のセル１２０よりも広いバンドギャップを有する材料で形成することで、効率良く光電変換を行うことができる。例えば、第１のセル１２０を単結晶シリコン（バンドギャップは約１．１２ｅＶ）又は多結晶シリコンで形成し、第２のセル１４０をアモルファスシリコン（バンドギャップは１．６ｅＶ乃至１．８ｅＶ程度）で形成する。
なお、短波長域（可視光域を含む）の光は、長波長域の光よりも高いエネルギーを有しているため吸収されやすい。そのため、光の進入深さを比較すると、短波長域の光は進入深さが浅く、長波長域の光は進入深さが深い。また、エネルギーを比較すると、短波長域の光は高いエネルギーを有し、長波長域の光は低いエネルギーを有するため、短波長域の光は広いバンドギャップを持つ第２のセル１４０で吸収させ、長波長域の光は狭いバンドギャップを持つ第１のセル１２０で吸収させることが好ましい。これらのことから、受光側にワイドギャップ材料で形成される第２のセル１４０を設け、ナローギャップ材料で形成される第１のセル１２０を裏面側に設けてタンデム接合にすることが好ましい。このようにすることで、光電変換装置の光電変換層が光吸収したエネルギーであって、光電変換装置の光電変換層のエネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを熱エネルギーとして損失することを防ぎ、効率的に電力を取り出すことが可能となる。
第１のセル１２０は、部分的に設けられた第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋及び第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋を有する第３の不純物半導体層１２５ｎと、第４の不純物半導体層１２７ｐと、で構成される。第１のセル１２０において、部分的に設けられた第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋及び第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋を有する第３の不純物半導体層１２５ｎと、第４の不純物半導体層１２７ｐと、で光電変換層が形成される。
第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は、互いに分離されている。例えば、図２（Ｃ）に示すように、第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋を互いに分離して設ける。第４の不純物半導体層１２７ｐは、第３の不純物半導体層１２５ｎ上に積層されている。
第３の不純物半導体層１２５ｎの一方の面は第４の不純物半導体層１２７ｐと接し、他方の面は第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋が設けられている。
第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は、一方がｎ型半導体領域であり、他方がｐ型半導体領域である。ｎ型半導体領域（又はｎ型半導体層）は、ｎ型を付与する不純物元素（例えば、リン等の周期表第１５族元素）を含む半導体領域（又は半導体層）である。第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋、第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は、被不純物添加半導体層として単結晶シリコン、多結晶シリコンを用いることができる。また、第１の不純物半導体層１２１ｎ＋、第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は、被不純物半導体層として、単結晶シリコン、多結晶シリコン以外に、アモルファスシリコン、微結晶シリコンを用いてもよい。また、アモルファスシリコン、微結晶シリコン中に炭素や窒素を添加してもよい。ｐ型半導体領域（又はｐ型半導体層）は、ｐ型を付与する不純物元素（例えばボロン等の周期表第１３族元素）を含む半導体領域（又は半導体層）である。本形態では、第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋は結晶シリコンで構成されたｎ型半導体領域とし、第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は結晶シリコンで構成されたｐ型半導体領域とする例を説明する。
第３の不純物半導体層１２５ｎと第４の不純物半導体層１２７ｐは、一方がｎ型半導体層であり、他方がｐ型半導体層である。上述のとおり、ｎ型半導体層は例えばリン等を含む半導体層であり、ｐ型半導体層は例えばボロン等を含む半導体層である。また、第３の不純物半導体層１２５ｎと第４の不純物半導体層１２７ｐは、被不純物添加半導体層として単結晶シリコン、多結晶シリコンを用いることができる。また、透過率を上げるため、被不純物添加半導体層として、単結晶シリコン、多結晶シリコン以外に、アモルファスシリコン、微結晶シリコンを用いてもよい。また、アモルファスシリコン、微結晶シリコン中に炭素や窒素を添加してもよい。本形態では、第３の不純物半導体層１２５ｎはｎ型半導体層の結晶シリコンとし、第４の不純物半導体層１２７ｐはｐ型半導体層の結晶シリコンとする例を説明する。
第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋は、第１の電極１０１ａと電気的に接続する。第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋は、第２の電極１０１ｂと電気的に接続する。例えば、図２（Ｂ）に示すような開口が設けられた絶縁層１０５を第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋上に設け、絶縁層１０５に設けられた開口において第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第１の電極１０１ａとを接続する。同様に、第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋と第２の電極１０１ｂとを接続する。絶縁層１０５を設けることで、第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋及び第１の電極１０１ａの電気的接続と、第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋及び第２の電極１０１ｂの電気的接続とを、容易に分離させることができる。
例えば、第１の電極１０１ａと第２の電極１０１ｂをアルミニウムで、絶縁層１０５を酸化シリコンで形成する。第１の電極１０１ａと第２の電極１０１ｂは、電気的に接触しない範囲内で可能な限り裏面全体を覆うように配置する。また、絶縁層１０５は、膜厚１０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下で形成し、より好ましくは膜厚６０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下で形成する。このようにすることで、第１の不純物半導体領域１２１ｎ＋と第２の不純物半導体領域１２３ｐ＋との電気的な分離の他に、裏面側に設けられた第１の電極１０１ａ、第２の電極１０１ｂの光の反射率を上げることができ、光電変換層の光吸収量を増やし、光電流を増やすことができる。
第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂは、光電変換装置１００の受光面と反対側に位置するように配置する。図１及び図２（Ａ）に示すような第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂの構成は、いわゆるバックコンタクト構造又は裏面電極型と言われる。
第２のセル１４０は、第５の不純物半導体層１４１ｎと、第６の半導体層１４３ｉと、第７の不純物半導体層１４５ｐと、で構成される。第２のセル１４０において、第５の不純物半導体層１４１ｎと、第６の半導体層１４３ｉと、第７の不純物半導体層１４５ｐと、で光電変換層が形成される。第５の不純物半導体層１４１ｎ上に第６の半導体層１４３ｉが積層され、第６の半導体層１４３ｉ上に第７の不純物半導体層１４５ｐが積層されている。
第５の不純物半導体層１４１ｎは、一方の面が第１のセル１２０の第４の不純物半導体層１２７ｐと接し、他方の面は第６の半導体層１４３ｉと接する。ここで、第５の不純物半導体層１４１ｎは、第４の不純物半導体層１２７ｐとｐｎ接合を形成する。すなわち、第２のセル１４０と第１のセル１２０との接触面はｐｎ接合を形成する。
本形態では、第４の不純物半導体層１２７ｐはｐ型半導体層とする例を示している。したがって、第５の不純物半導体層１４１ｎはｎ型半導体層とする。もちろん、第４の不純物半導体層１２７ｐがｎ型半導体層であれば、第５の不純物半導体層１４１ｎはｐ型半導体層とすればよい。
第６の半導体層１４３ｉは、真性又は実質的に真性な半導体層とする。具体的には、第６の半導体層１４３ｉ中に含まれるｎ型を付与する不純物元素若しくはｐ型を付与する不純物元素が１×１０１８／ｃｍ３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が１００倍以上である半導体を指す。なお、第６の半導体層１４３ｉを非晶質半導体層とした場合、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いｎ型の電気伝導性を示す場合がある。そのため、非晶質半導体層の成膜中、或いは成膜後にｐ型を付与する不純物元素を添加することもある。このような場合、非晶質半導体層に含まれるｐ型不純物元素の濃度は概略１×１０１４／ｃｍ３〜６×１０１６／ｃｍ３である。
第７の不純物半導体層１４５ｐは、一方の面が第６の半導体層１４３ｉと接し、他方の面は第３の電極１０７が設けられる。なお、本形態では、他方の面に透明導電膜１０９が設けられ、透明導電膜１０９を介して第３の電極１０７が設けられる例を示している。
第７の不純物半導体層１４５ｐは、第５の不純物半導体層１４１ｎと逆の導電型を示す不純物半導体層とする。本形態では第５の不純物半導体層１４１ｎはｎ型半導体層とする例を示しているため、第７の不純物半導体層１４５ｐはｐ型半導体層とする。
第３の電極１０７は、光電変換装置１００の受光側に位置するように配置する。なお、受光面側は、極力広い面積で光（太陽光）を受光できることが望ましい。そのため、受光面側には部分的に第３の電極１０７を設け、第３の電極１０７と第２のセル１４０（第７の不純物半導体層１４５ｐ）との間に透明導電膜１０９を設ける構成とする。透明導電膜１０９を設けることで、受光を妨げることなく、効率良く電力を取り出すことができる。また、第３の電極１０７を設けることで直列抵抗を低減することができる。
また、受光面側の反射率を下げる目的のために、第３の電極１０７が設けられていない透明導電膜１０９の領域上に、空気と透明導電膜１０９の屈折率の間の屈折率を持つ材料を用いて反射防止膜を設けてもよい。反射防止膜は、単層膜としてもよく、積層膜としてもよい。また、透明導電膜１０９の表面形状を凹凸にしたテクスチャー構造を設けてもよい。テクスチャー構造を設けることで、受光面側の反射率低減が可能となる。それにより、受光表面における光の反射損失を低減し、光電変換層での光吸収を増やすことで光電流の増加、光電変換効率の向上を図ることができる。
図１、図２に示す光電変換装置１００は、第１の電極１０１ａ及び第３の電極１０７間に加え、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間で電圧及び電流を取り出すことができる。第１の電極１０１ａ及び第３の電極１０７間で取り出した電圧及び電流と、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間で取り出した電圧及び電流は、それぞれ使用することができる。したがって、光電変換装置１００全体の出力を大きくすることができ、出力特性（電流−電圧特性）が向上し、光電変換効率の高い光電変換装置を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本形態では、上記実施の形態１で説明した光電変換装置１００の特性について説明する。また、適宜、上述の特許文献１に示された３端子構造の太陽電池と比較して説明する。
まず、上述の特許文献１の図１に対応する太陽電池１０の断面図を図３に示す。太陽電池１０は、バンドギャップの広い上部セル１２と、バンドギャップの狭い下部セル１４と、の積層構造である。上部セル１２は、ｎ＋層（４６ｎ）、ｐ層（４４ｐ）、ｐ＋層（４２ｐ＋）が積層されている。上部セル１２のｎ＋層（４６ｎ）に、絶縁膜２４を介して、上部電極１８が設けられている。
下部セル１４は、ｐ層（３６ｐ）裏面にｎ＋層（３２ｎ＋）、ｐ＋層（３４ｐ＋）が交互に設けられている。ｎ＋層（３２ｎ＋）に負極２６が、ｐ＋層（３４ｐ＋）に正極２８がそれぞれ独立して接続される。
図３に示す太陽電池１０は、上部セル１２のｎ＋層（４６ｎ）に上部電極１８、下部セル１４のｎ＋層（３２ｎ＋）に負極２６、ｐ＋層（３４ｐ＋）に正極２８が接続された３端子構造となっている。また、下部セル１４のｐ層（３６ｐ）と上部セル１２のｐ＋層（４２ｐ＋）が接している。
上記実施の形態１の図１に示す光電変換装置１００は、第１のセル１２０において順に積層されたｎ層及びｐ層と、第２のセル１４０において順に積層されたｎ層、ｉ層及びｐ層と、で構成される。これに対し、図３に示す太陽電池１０は、第１のセルに相当する下部セル１４のｐ層と、第２のセルに相当する上部セル１２において順に積層されたｐ＋層、ｐ層及びｎ層と、で構成されている。
図１に示す光電変換装置１００は、第１のセル１２０と第２のセル１４０、それぞれのセルが縦方向のダイオード接合を形成している。これに対し、図３の太陽電池１０は、上部セル１２はｎ層及びｐ層を形成しているが、下部セル１４はｐ層のみである点で、図１に示す光電変換装置と構造的に異なっている。また、図１に示す光電変換装置１００は第１のセル１２０と第２のセル１４０との接合部でｐｎ接合を形成しているのに対し、図３に示す太陽電池１０は上部セル１２と下部セル１４との接合部はｐ＋層とｐ層とで接する点で構造的に異なっている。
次に、図１に示す光電変換装置１００で想定されるＩ−Ｖ特性と、図３に示す太陽電池１０で想定されるＩ−Ｖ特性と、を図４に示す。図４中の特性（Ｉ）は図１中の（Ｉ）部分（第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間）における特性に対応し、特性（ＩＩＩ）は図１中の（ＩＩＩ）部分（第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間）における特性に対応している。図４中の特性（ｉ）は図３中の（ｉ）部分（正極２８及び上部電極１８間）における特性に対応し、特性（ｉｉｉ）は図３中の（ｉｉｉ）部分（正極２８及び負極２６間）における特性に対応している。
図１に示す光電変換装置１００は、ダイオード接合を有する第１のセル１２０と、ダイオード接合を有する第２のセル１４０と、が積層されたダイオード接合同士のタンデム接合となっている。これに対し、図３に示す太陽電池１０は、下部セル１４が片極性（ｐ層）しか有しておらず、上部セル１２と下部セル１４全体で１つのダイオード接合を有するタンデム接合となっている。そのため、図３の太陽電池１０は、ダイオード接合同士が接合したタンデム接合の場合よりも、取り出せる電圧が低い。具体的には、図４の（Ｉ）と（ｉ）からわかるように、出力電圧に差が現れる。光電変換装置１００は、太陽電池１０と比較して、（Ｉ）部分で高い電圧を得ることが可能である。
図５に、図１の光電変換装置１００における（Ｉ）部分に対応するエネルギーバンド構造を示す。図５（Ａ）は平衡状態でのエネルギーバンド構造を示し、図５（Ｂ）は光照射時のエネルギーバンド構造を示している。ここでは、第２のセル１４０側から光が入射される例を図示している。また、図１の第１のセル１２０を単結晶シリコン又は多結晶シリコンで形成し、第２のセル１４０をアモルファスシリコンで形成する例を説明する。
図５（Ｂ）において、光電変換装置１００の（Ｉ）部分で取り出せる電圧Ｖは、第１のセル１２０でシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧と、第２のセル１４０でシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧と、の和に相当する（図５（Ｂ）のＶ（１０１ａ〜１０７）参照）。
比較として、図３の太陽電池１０における（ｉ）部分に対応するエネルギーバンド構造を図８に示す。図８（Ａ）は平衡状態でのエネルギーバンド構造を示し、図８（Ｂ）は光照射時のエネルギーバンド構造を示す。
図８において、太陽電池１０の（ｉ）部分で得られる電圧Ｖは、上部セル１２でシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧に相当する（図８（Ｂ）のＶ（２８〜１８）参照）。
上述の図５に示すとおり、図１に示す光電変換装置１００の（Ｉ）部分は、第１のセル１２０をシングル接合の光電変換装置としたときに得られる電圧と、第２のセル１４０をシングル接合の光電変換装置としたときに得られる電圧との和に相当する電圧を得ることができる。これに対し、図８に示すとおり、図３に示す太陽電池１０の（ｉ）部分で得られる電圧は、第２のセルに相当する上部セル１２をシングル接合の光電変換装置としたときに得られる電圧のみとほぼ同じである。
以上により、図１に示す光電変換装置１００は、図３に示す太陽電池１０よりも高い電圧を得ることが可能である。また、図１に示す光電変換装置１００は高い電圧を得ることができるため、光電変換効率の向上に寄与することができる。
また、図１の光電変換装置１００における（ＩＩ）部分（第３の電極１０７及び第２の電極１０１ｂ間）、（ＩＩＩ）部分にそれぞれ対応するエネルギーバンド構造を図６、図７に示す。図６（Ａ）及び図７（Ａ）は平衡状態でのエネルギーバンド構造を示し、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は光照射時のエネルギーバンド構造を示す。さらに、比較として、図３の太陽電池１０における（ｉｉ）部分（負極２６及び上部電極１８間）、（ｉｉｉ）部分にそれぞれ対応するエネルギーバンド構造を図９、１０に示す。図９（Ａ）及び図１０（Ａ）は平衡状態でのエネルギーバンド構造を示し、図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）は光照射時のエネルギーバンド構造を示す。
光電変換装置１００の（ＩＩＩ）部分で取り出せる電圧Ｖは、第１のセル１２０でシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧に相当する（図７（Ｂ）のＶ（１０１ａ〜１０１ｂ）参照）。
太陽電池１０の（ｉｉｉ）部分で得られる電圧Ｖは、下部セル１４でシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧に相当する（図１０（Ｂ）のＶ（２８〜２６）参照）。
図７及び図１０とから、裏面電極間（図１に示す光電変換装置１００であれば第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間、図３に示す太陽電池１０であれば正極２８及び負極２６間）で取り出せる電圧は、両者ともに裏面側に配置されたセルでシングル接合の光電変換装置を作製し得られる電圧と同程度である。しかし、図１に示す光電変換装置１００は、上述のとおり、（Ｉ）部分において高い電圧を得ることができる。したがって、図１に示す光電変換装置１００全体としては、図３に示す太陽電池１０よりも高い電圧を得ることができ、光電変換装置１００全体の出力を大きくすることができる。
次に、図１の光電変換装置１００における光照射時の動作メカニズムについて説明する。
光電変換装置１００としては、受光側から、ワイドギャップ材料で形成されたダイオード接合を有する第２のセル１４０と、ナローギャップ材料で形成されたダイオード接合を有する第１のセル１２０と、を配置する。第２のセル１４０と第１のセル１２０とは直列に接続される。光を効率良く吸収させるため、光電変換装置の受光側のセルはワイドギャップ材料で形成し、裏面側のセルはナローギャップ材料で形成することが好ましい。
ここで、短波長域（可視光域を含む）の光は、長波長域の光よりも吸収されやすい。そのため、光の進入深さを比較すると、短波長域の光は進入深さが浅く、長波長域の光は進入深さが深い。また、エネルギーを比較すると、短波長域の光は高いエネルギーを有し、長波長域の光は低いエネルギーを有するため、短波長域の光は広いバンドギャップを持つ第２のセル１４０で吸収させ、長波長域の光は狭いバンドギャップを持つ第１のセル１２０で吸収させることが好ましい。これらのことから、受光側にワイドギャップ材料で形成される第２のセル１４０を設け、ナローギャップ材料で形成される第１のセル１２０を裏面側に設けてタンデム接合にすることが好ましい。このようにすることで、光電変換装置の光電変換層が光吸収したエネルギーであって、光電変換装置を構成する光電変換層のエネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを熱エネルギーとして損失することを防ぎ、効率的に電力を取り出すことが可能となる。
第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間で取り出せる電流Ｉ（１０１ａ〜１０７）は、第１のセル１２０で得られる電流又は第２のセル１４０で得られる電流のいずれか低い電流と同程度になる。これは、第１のセル１２０と第２のセル１４０の接合部分でｐｎ接合を形成し、第１のセル１２０と第２のセル１４０の接合部分でそれぞれのキャリア同士が再結合され、直列に接続された第１のセル１２０と第２のセル１４０間を流れる電流が一定になるためである。
受光側から、ワイドギャップ材料で形成された第２のセル１４０と、ナローギャップ材料で形成された第１のセル１２０と、を配置する場合、第２のセル１４０は、第１のセル１２０と比べて吸収できる光の波長領域が狭くなり、得られる電流が少なくなる。そのため、第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間で取り出せる電流Ｉは、第２のセル１４０で得られる電流とほぼ同程度となる。
一方で、ナローギャップ材料で形成された第１のセル１２０は、第２のセル１４０と比べて吸収できる光の波長領域が広くなり、得られる電流が大きいことになる。第１のセル１２０において、第２のセル１４０と同等である電流は第１のセル１２０と第２のセル１４０の接合部分で再結合して流れ、第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間（（Ｉ）の経路）で取り出される。第１のセル１２０において第２のセル１４０との接合部分で再結合せず余った分の電流は、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間（（ＩＩＩ）の経路）で取り出すことが可能である。このような構成、特に３端子構造とし（ＩＩＩ）の経路をつくり出すことで、余すことなく電流を取り出すことが可能である。光電変換装置１００全体で見て、取り出せる電流量を大きくできるため、光電変換効率の向上に寄与することができる。
図１の光電変換装置１００における（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）部分にそれぞれ対応するエネルギーバンド構造を示す図５、図６、図７を用いて、光電変換装置１００の動作メカニズムについて説明する。
図５（Ｂ）に示す光電変換装置１００の光照射時において、第２のセル１４０で光吸収により生成される正孔は、第３の電極１０７から電流として取り出すことが可能である。第２のセル１４０で光吸収により生成される電子は、第１のセル１２０で生成される正孔の一部と、セル同士の接合部分で再結合して流れる。第１のセル１２０で光吸収により生成される電子は、第１の電極１０１ａから電流として取り出すことが可能である。第１のセル１２０で光吸収により生成される正孔の一部であって、セル同士の接合部分で再結合しない分は、図１の（ＩＩＩ）の経路を通して第２の電極１０１ｂから電流として取り出すことが可能である。
図５（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造から、第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間で取り出すことが可能な電流は、実質的に第２のセル１４０で光吸収して生成された電流に相当することがわかる。
図６（Ｂ）に示す光照射時において、第２のセル１４０で光吸収により生成される正孔は、第３の電極１０７から電流として取り出すことが可能である。第２のセル１４０で光吸収により生成される電子は、第１のセル１２０で光吸収により生成される正孔の一部と、セル同士の接合部分で再結合して流れる。第１のセル１２０で光吸収により生成される電子は、（ＩＩＩ）の経路を通して、第１の電極１０１ａから電流として取り出すことが可能である。第１のセル１２０で光吸収により生成される正孔の一部であって、セル同士の接合部分で再結合しない分は、（ＩＩＩ）の経路を通して第２の電極１０１ｂから電流として取り出すことが可能である。
図７（Ｂ）に示す光照射時において、第１のセル１２０で光吸収により生成される正孔は第２の電極１０１ｂから電流として取り出すことが可能であり、電子は第１の電極１０１ａから電流として取り出すことが可能である。
図５（Ｂ）、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造から、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間で、第１のセル１２０において第２のセル１４０との接合部分でキャリア同士が再結合せず余った分の電流を取り出せることがわかる。
したがって、図１の光電変換装置１００のような構成とし、余すことなく電流を取り出すことで、光電変換装置１００全体で取り出せる電流量を大きくでき、光電変換効率を向上させることができる。
なお、比較として、図３に示す太陽電池１０の動作メカニズムとの違いについて説明する。図３の太陽電池１０における（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）部分にそれぞれ対応するエネルギーバンド構造を図８、図９、図１０に示す。
太陽電池１０の上部セル１２は、光電変換装置１００の第２のセル１４０に対応する。同様に、下部セル１４は第１のセル１２０、上部電極１８は第３の電極１０７、正極２８は第１の電極１０１ａ、負極２６は第２の電極１０１ｂに対応する。
図８（Ｂ）に示す太陽電池１０の光照射時において、上部セル１２で光吸収により生成される正孔は、正極２８から電流として取り出される。上部セル１２で光吸収により生成される電子は、上部電極１８から電流として取り出される。下部セル１４で光吸収により生成される正孔は、正極２８から電流として取り出される。下部セル１４で光吸収により生成される電子は、（ｉｉｉ）の経路を通して負極２６から電流として取り出される。
図８（Ｂ）に示すエネルギーバンド構造から、図３に示す太陽電池１０の（ｉ）部分では、下部セル１４を片極性（ｐ層）とし、下部セル１４と上部セル１２のとの接合部分でｐｎ接合を形成しないことで、正孔が正極２８及び上部電極１８間で電流として取り出されることがわかる。下部セル１４のｐ層と上部セル１２のｐ＋層（４２ｐ＋）のフェルミレベル及び電位がそろい、下部セル１４のｐ層と上部セル１２のｐ＋層（４２ｐ＋）のエネルギー障壁も小さいため、正孔が下部セル１４と上部セル１２の接合部分で再結合せずに移動させている。
図９（Ｂ）に示す光照射時において、上部セル１２で光吸収により生成される正孔は、（ｉ）の経路を通して正極２８から電流として取り出される。上部セル１２で光吸収により生成される電子は、上部電極１８から電流として取り出される。下部セル１４で光吸収により生成される正孔は、正極２８から電流として取り出される。下部セル１４で光吸収により生成される電子は、負極２６から電流として取り出される。
図１０（Ｂ）に示す光照射時において、下部セル１４で光吸収により生成される正孔は正極２８から電流として取り出され、電子は負極２６から電流として取り出される。
図５〜図７と、図８〜図１０とを比較することで、図１における光電変換装置１００と図３における太陽電池１０では、動作メカニズムが異なることがわかる。
図１に示す光電変換装置１００は、図５〜図７に示すエネルギーバンド構造とすることで、図４（Ｉ）及び（ＩＩＩ）に示す特性を有することができる。光電変換装置１００は、第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間と、第１の電極１０１ａ及び第２の電極１０１ｂ間と、のそれぞれから取り出した電流及び電圧を出力し、電力として使用することができる。図１に示す光電変換装置１００は、セル同士の接合部分をｐｎ接合のダイオード接合にして順方向と同じ向きで光励起されたキャリアを再結合して流すことで、接合部分での光起電力が発生せずフェルミレベルと電位がそろっている。そのため、第１のセル１２０と第２のセル１４０とで発生するそれぞれの光起電力を独立に維持することができる。したがって、第１のセル１２０と第２のセル１４０の接合部分のｐｎ接合で再結合した電子及び正孔は、第３の電極１０７及び第１の電極１０１ａ間の電圧として取り出されることに寄与し、活用することが可能である。その結果、光電変換効率の向上を図ることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本形態では、上記実施の形態で説明した図１の光電変換装置１００と異なる構成について説明する。具体的には、第１のセル１２０の第２のセル１４０と対向する側の面に、濃度の異なる不純物半導体領域を設けたエミッタ構造の例を説明する。なお、図１と同じ構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図１１に示す光電変換装置２００は、図１に示す光電変換装置１００と同じく、第１のセル１２０と、第２のセル１４０と、が順に積層されたタンデム型光電変換装置とする。
第１のセル１２０の第２のセル１４０と対向する面において、一様な不純物濃度である半導体層ではなく、不純物濃度の異なる半導体領域を含む不純物半導体層を設ける。例えば、図１１に示すように、第４の不純物半導体層２２８ｐに、第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋及び第４の低濃度不純物半導体領域２２７ｐ−を設けたエミッタ構造とする。第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋と第４の低濃度不純物半導体領域２２７ｐ−は、例えば同じ不純物元素を異なる濃度で含む。ここでは、第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋は、第４の低濃度不純物半導体領域２２７ｐ−と比べて高濃度に不純物元素を含むものとする。本形態では、第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋及び第４の低濃度不純物半導体領域２２７ｐ−をｐ型半導体領域とする例を説明する。
第１のセル１２０と第２のセル１４０との間には、絶縁層２３０が設けられている。絶縁層２３０には、開口が設けられている。
第１のセル１２０と第２のセル１４０とは、絶縁層２３０に設けられた開口を介して接触し、接触部はｐｎ接合を形成している。具体的には、第１のセル１２０が有する第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋が露出するように、絶縁層２３０に開口を設ける。絶縁層２３０に設けられた開口を埋めるように第２のセル１４０が有する第５の不純物半導体層１４１ｎを設ける。このような構成にすることで、第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋と第５の不純物半導体層１４１ｎとが接触する。接触部はｐｎ接合となるように、第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋と第５の不純物半導体層１４１ｎの一方をｐ型半導体で形成し、他方をｎ型半導体で形成する。
なお、図１１に示す光電変換装置２００についても、基本的な動作メカニズムは図５〜図７のエネルギーバンド構造の説明に準じる。
第４の不純物半導体層２２８ｐにおいて、第２のセル１４０の第５の不純物半導体層１４１ｎと接合する部分にのみ第４の高濃度不純物半導体領域２２６ｐ＋を設けて、その他の領域を第４の低濃度不純物半導体領域２２７ｐ−とすることで、第４の不純物半導体層２２８ｐ内で光励起して発生されるキャリアの再結合損失を低減することができる。また、第２のセル１４０と第１のセル１２０の間に位置する絶縁層２３０を設けることで、第５の不純物半導体層１４１ｎの反射率を高くすることができ、第２のセル１４０での光吸収増加による光電流の増加、光閉じ込めによる第２のセル１４０の薄膜化を図ることができる。
エミッタ構造を組み込むことで、光電変換効率の向上を図ることができる。また、本形態に係る光電変換装置は、エミッタ構造を組み込んだタンデム型光電変換装置としても、高い電圧及び電流を取り出すことが可能となり、光電変換効率を向上させることが可能である。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
上記実施の形態に示す光電変換装置は、さまざまな電子機器に用いることができる。なお、上記実施の形態に示す光電変換装置は、複数個を接続して集積化させて用いることもできる。本実施の形態では、一例として、電子書籍の電源として用いる例を説明する。
図１２（Ａ）は電子書籍（Ｅ−ｂｏｏｋともいう）の模式図を示している。電子書籍９０００は、筐体９６３０、表示部９６３１、操作キー９６３２、光電変換装置９６３３、充放電制御回路９６３４を有する構成とすることができる。図１２（Ａ）に示した電子書籍９０００は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付または時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作または編集する機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。なお、図１２（Ａ）では充放電制御回路９６３４の一例としてバッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、ＤＣＤＣコンバータ９６３７を有する構成について示している。光電変換装置９６３３として、上記実施の形態で示した光電変換装置を用いることにより、効率良く発電することができる。
なお、光電変換装置９６３３は、図示した領域に限らず、筐体９６３０の空きスペース（表面や裏面）に適宜設けることができる。バッテリー９６３５としては、リチウムイオン電池を用いると、小型化を図れる等の利点がある。
また、図１２（Ａ）に示す充放電制御回路９６３４の構成及び動作について、図１２（Ｂ）のブロック図を用いて説明する。図１２（Ｂ）には、光電変換装置９６３３、充放電制御回路９６３４、表示部９６３１について示している。ここで、充放電制御回路９６３４は、バッテリー９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、ＤＣＤＣコンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３を含んでいる。
外光により光電変換装置９６３３が発電する場合の動作の例について説明する。光電変換装置で発電した電力は、バッテリー９６３５を充電するための好適な電圧となるよう、ＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧または降圧がなされる。そして、表示部９６３１で表示を行う際には、スイッチＳＷ１をオンし、ＤＣＤＣコンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧して、表示部９６３１に電力供給を行う。一方、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオンにしてバッテリー９６３５の充電を行う構成とすればよい。
また、外光が乏しく、光電変換装置９６３３による発電がされない場合の動作の例について説明する。バッテリー９６３５に蓄電された電力は、スイッチＳＷ３をオンにすることでＤＣＤＣコンバータ９６３７により表示部９６３１に必要な電圧に昇圧または降圧がなされ、表示部９６３１に供給される。
なお、本実施の形態では、光電変換装置と表示部との間にＤＣＤＣコンバータを２つ設けた構成としているが、光電変換装置から表示部への電源供給、光電変換装置からバッテリーへの充電、またはバッテリーから表示部への電源供給が直接行える様な構成では、その間のＤＣＤＣコンバータを省いても良い。
なお、発電手段の一例として光電変換装置９６３３のみを用いる例を示したが、光電変換装置９６３３と構成の異なる光電変換装置との組み合わせによりバッテリー９６３５を充電する構成であっても良い。また、光電変換装置９６３３と他の発電手段との組み合わせであっても良い。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせることができる。
１０ 太陽電池
１２ 上部セル
１４ 下部セル
１８ 上部電極
２４ 絶縁膜
２６ 負極
２８ 正極
１００ 光電変換装置
１０５ 絶縁層
１０７ 第３の電極
１０９ 透明導電膜
１２０ 第１のセル
１４０ 第２のセル
２００ 光電変換装置
２３０ 絶縁層
１０１ａ 第１の電極
１０１ｂ 第２の電極
１２１ｎ 第１の不純物半導体領域
１２３ｐ 第２の不純物半導体領域
１２５ｎ 第３の不純物半導体層
１２７ｐ 第４の不純物半導体層
１４１ｎ 第５の不純物半導体層
１４３ｉ 第６の半導体層
１４５ｐ 第７の不純物半導体層
２２６ｐ 第４の高濃度不純物半導体領域
２２７ｐ 第４の低濃度不純物半導体領域
２２８ｐ 第４の不純物半導体層
９０００ 電子書籍
９６３０ 筐体
９６３１ 表示部
９６３２ 操作キー
９６３３ 光電変換装置
９６３４ 充放電制御回路
９６３５ バッテリー
９６３６ ＤＣＤＣコンバータ
９６３７ ＤＣＤＣコンバータ

Claims (7)

  1. 第１の光電変換層を含む第１のセルと、
    前記第１のセルの一方の面と接し、且つ第２の光電変換層を含む第２のセルと、
    前記第１のセルの他方の面側に設けられた、第１の電極及び第２の電極と、
    前記第２のセルの、前記第１のセルと接する面と反対側の面に設けられた第３の電極と、を有し、
    前記第２の光電変換層は、前記第１の光電変換層に含まれる第１の材料よりもバンドギャップが大きい第２の材料を含み、
    前記第１のセル及び前記第２のセルが接する接触部は、ｐｎ接合が形成されており、
    前記第１のセルは、第１のｎ型半導体層及び第１のｐ型半導体層を含む第２のｎ型半導体層と、第２のｐ型半導体層と、を有し、
    前記第１のｎ型半導体層及び前記第１のｐ型半導体層は、前記第２のｎ型半導体層の一方の面側に設けられており、
    前記第１のｎ型半導体層は、前記第１の電極と接する領域を有し、
    前記第１のｐ型半導体層は、前記第２の電極と接する領域を有し、
    前記第２のｎ型半導体層の他方の面は、前記第２のｐ型半導体層の一方の面と接し、
    前記第２のｐ型半導体層の他方の面は、前記第２のセルと接し、
    前記第１のｎ型半導体層と前記第１のｐ型半導体層とは、互いに分離されて設けられ、
    前記第１の電極と前記第２の電極とは、互いに電気的に分離されており、
    前記第２のセルは、前記第３の電極と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置。
  2. 第１の光電変換層を含む第１のセルと、
    第２の光電変換層を含む第２のセルと、
    前記第１のセル及び前記第２のセルの間に設けられた、開口を有する絶縁層と、
    前記第１のセルを挟んで前記開口を有する絶縁層と対向する前記第１のセルの一方の面側に設けられた、第１の電極及び第２の電極と、
    前記第２のセルを挟んで前記開口を有する絶縁層と対向する前記第２のセルの一方の面側に設けられた、第３の電極と、を有し、
    前記第２の光電変換層は、前記第１の光電変換層に含まれる第１の材料よりもバンドギャップが大きい第２の材料を含み、
    前記第１のセルは、前記開口を介して前記第２のセルと接する領域を有し、
    前記第１のセル及び前記第２のセルが接する接触部は、ｐｎ接合が形成されており、
    前記第１のセルは、第１のｎ型半導体層及び第１のｐ型半導体層を含む第２のｎ型半導体層と、第２のｐ型半導体層と、を有し、
    前記第１のｎ型半導体層及び前記第１のｐ型半導体層は、前記第２のｎ型半導体層の一方の面側に設けられており、
    前記第１のｎ型半導体層は、前記第１の電極と接する領域を有し、
    前記第１のｐ型半導体層は、前記第２の電極と接する領域を有し、
    前記第２のｎ型半導体層の他方の面は、前記第２のｐ型半導体層の一方の面と接し、
    前記第２のｐ型半導体層の他方の面は、前記第２のセルと接し、
    前記第１のｎ型半導体層と前記第１のｐ型半導体層とは、互いに分離されて設けられ、
    前記第１の電極と前記第２の電極とは、互いに電気的に分離されており、
    前記第２のセルは、前記第３の電極と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置。
  3. 請求項２において、
    前記第２のｐ型半導体層は、第１の領域と、前記第１の領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第２の領域と、を有することを特徴とする光電変換装置。
  4. 請求項３において、
    前記第２の領域は、前記第２のセルと接するように設けられていることを特徴とする光電変換装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
    前記第１のｎ型半導体層の不純物濃度は、前記第２のｎ型半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする光電変換装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一において、
    前記第１の材料は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンであり、
    前記第２の材料は、アモルファスシリコンであることを特徴とする光電変換装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
    前記第２のセル及び前記第３の電極の間に設けられた透明導電膜を有することを特徴とする光電変換装置。
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