JP5999887B2 - 多接合型太陽電池 - Google Patents
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Description
障壁層を構成する化合物半導体材料は、GaNAsであることが好ましい。
「格子整合」とは、二つの材料の格子定数が一致することを意味する。なお、一致には、完全一致のみならず、転位が発生しない程度に二つの材料の格子定数がずれる場合も含まれる。
図1は、本発明に係る多接合型太陽電池の構成を示す概略断面図である。本発明に係る多接合型太陽電池では、ボトムサブセル10、第1トンネル接合層3、ミドルサブセル20、第2トンネル接合層5、およびトップサブセル30がこの順に設けられており、ボトムサブセル10の下には第1電極1が設けられており、トップサブセル30の上には第2電極7が設けられている。本発明に係る多接合型太陽電池では、ミドルサブセル20は第2のp型半導体層(特許請求の範囲における「p型半導体層」に相当)21および第2のn型半導体層25(特許請求の範囲における「n型半導体層」に相当)だけでなく超格子半導体層23を有し、よって、ミドルサブセル20では光電変換が行なわれる。一方、ボトムサブセル10は第1のp型半導体層11および第1のn型半導体層15を有し、多接合型太陽電池の基板を兼ねるとともに、ミドルサブセル20よりも長波長側の光を吸収する。また、トップサブセル30は第3のp型半導体層31および第3のn型半導体層35を有し、ミドルサブセル20よりも短波長側の光を吸収する。このように、本発明では、ミドルサブセル20が吸収する光だけでなく、ミドルサブセル20が吸収する光よりも短波長側の光およびミドルサブセル20が吸収する光よりも長波長側の光も、光電変換される。そのため、本発明では、幅広い波長領域の光を光電変換可能である。
ボトムサブセル10は、第1電極1上に第1のp型半導体層11と第1のn型半導体層15とがこの順に積層されて構成されている。
第1トンネル接合層3は、高濃度n型半導体層および高濃度p型半導体層がこの順にボトムサブセル10の上に設けられて構成されている。このようなトンネル接合領域では、電流はn型半導体層からp型半導体層へ流れるため、第1電極1から第2電極7へ向かって流れることとなる。
ミドルサブセル20は、第1トンネル接合層3を介してボトムサブセル10の上に設けられており、第2のp型半導体層21と超格子半導体層23と第2のn型半導体層25とがこの順に積層されて構成されている。
超格子半導体層23は、量子層23Aと障壁層23Bとが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層23は、上述のように、i型半導体層であっても良く、受光により起電力が生じるのであればp型不純物またはn型不純物を含んでいても良い。ここで、量子層23Aは、量子井戸層であっても良いが、複数の量子ドット24を含む量子ドット層であることが好ましい。量子層23Aが量子ドット層であれば、下記ミニバンドの形成が容易となり、また超格子半導体層23で吸収される光の波長域を容易に調整できる。
第2トンネル接合層5は、第1トンネル接合層とほぼ同一の構成を有していることが好ましく、高濃度n型半導体層および高濃度p型半導体層がミドルサブセル20の上に順に設けられて構成されていることが好ましい。
トップサブセル30は、第2トンネル接合層5を介してミドルサブセル20の上に設けられており、第3のp型半導体層31と第3のn型半導体層35とがこの順に積層されて構成されている。
第1電極1および第2電極7の各材料は特に限定されず、導電性を有する材料であることが好ましい。たとえば第1電極1は、Ag層とTiO2膜とAl2O3膜とがこの順に積層されて構成されていても良い。ここで、TiO2膜およびAl2O3膜は、反射防止膜として機能する。第2電極7は、Au層とNi層とAu層とがこの順に積層されて構成されていても良い。第1電極1および第2電極7の形成方法は特に限定されないが、真空蒸着法、特に抵抗加熱蒸着法であることが好ましい。
本発明に係る多接合型太陽電池は、たとえばエピタキシャル成長にしたがって作製される。具体的には、第1のp型半導体層11の上に、第1のn型半導体層15、第1トンネル接合層3、第2のp型半導体層21、超格子半導体層23、第2のn型半導体層25、第2トンネル接合層5、第3のp型半導体層31、および第3のn型半導体層35を順にエピタキシャル成長させる。
化合物半導体材料としてGaAsを用いる場合には、原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびアルシン(AsH3)を用いることができる。化合物半導体材料としてInGaPを用いる場合には、原料としてトリメチルインジウム(TMI)、TMG、およびホスフィン(PH3)を用いることができる。化合物半導体材料としてAlInPを用いる場合には、原料としてトリメチルアルミニウム(TMA)、TMI、およびホスフィン(PH3)を用いることができる。
実施例1では、以下に示す構成を有する3接合型太陽電池に対して超格子半導体層のバンド計算を行った。
実施例2では、以下に示す構成を有する3接合型太陽電池(モデル)に対して超格子半導体層のバンド計算を行った。
横軸は波数ベクトルであり、縦軸はエネルギーである。また、縦軸では、量子ドットを構成する化合物半導体材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしている。
Claims (3)
- ボトムサブセル、ミドルサブセル、トップサブセルが積層された多接合型太陽電池であって、
前記ボトムサブセルはGeを含み、
前記ミドルサブセルは、
前記ボトムサブセルに格子整合されたp型半導体層およびn型半導体層と、
前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に設けられ、量子層と障壁層とが積層されて構成された超格子半導体層とを有し、
前記p型半導体層および前記n型半導体層を構成する化合物半導体材料は、InxGa1-xAs(0.001≦x≦0.019)であり、
前記量子層は、量子ドットからなる量子ドット層であり、
前記量子層を構成する化合物半導体材料は、In x Ga 1-x As(0.4≦x≦1)であり、
前記障壁層を構成する化合物半導体材料は、GaNAsであり、
前記障壁層を構成する化合物半導体材料と前記p型半導体層および前記n型半導体層を構成する化合物半導体材料との伝導帯側のオフセットが、室温における熱エネルギーkT(ここで、kはボルツマン定数であり、Tは絶対温度である)の4倍以下である、多接合型太陽電池。 - 前記超格子半導体層は、前記量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように前記量子層と前記障壁層とが積層されて構成されている請求項1に記載の多接合型太陽電池。
- 前記トップサブセルを構成する化合物半導体材料は、InGaP、AlGaAs、およびAlGaInPの少なくとも1つである請求項1又は2に記載の多接合型太陽電池。
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