JP6319881B2 - 量子井戸太陽電池 - Google Patents

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Description

本発明は量子井戸太陽電池に関し、特に量子井戸中のキャリアの取り出し効率を上げ、その結果再結合を減らすことにより、効率を改善した量子井戸太陽電池に関する。
量子井戸(QW)は高度な光学及び電子デバイスのキーポイントとなる構造である。太陽電池においては、QWはホスト材料のバンドギャップよりも低いエネルギーのフォトンも吸収するので、QWを導入することで太陽電池の効率の改善が期待されている。QWはまた、使用する材料ではなくその厚さと障壁高を調節することによって、吸収できるフォトンのエネルギーを制御できる。GaAs/AlGaAs QW太陽電池は、太陽光スペクトルとの適合性が良いこと及び歪のない系であることにより層構造設計の自由度が非常に大きいことから、従来から広く研究されてきた(非特許文献1〜13)。更には、GaAs/AlGaAs QWは直接遷移半導体であることに起因して、大きな吸収係数を有する。しかしながら、電子とホールが同一層に閉じ込められるタイプI型QW太陽電池では、キャリアの再結合が大きいという好ましくない現象が起こる。再結合したキャリアは外部に取り出すことができないので、太陽電池性能が低下する。
本発明の課題は、QW中のキャリアが容易に外部に取り出される構造を提供することで、フォトンによって生成されたキャリアが再結合により失われることを防止し、もって量子井戸太陽電池の効率を改善することにある。
本発明の一側面によれば、障壁層と量子井戸層との積層体を設けた量子井戸太陽電池において、kをボルツマン定数とし、絶対温度をTとするとき、前記量子井戸層の半導体の基底状態のエネルギー準位と前記障壁層の半導体の伝導帯下端のエネルギー準位の差が±3kT以内である量子井戸太陽電池が与えられる。
ここで、前記積層体は前記障壁層と前記量子井戸層との繰り返し構造を有してよい。
また、前記量子井戸の半導体は直接遷移半導体であり、前記障壁層の半導体は間接遷移半導体であってよい。
また、前記量子井戸の半導体はGaAsであり、前記障壁層の半導体はAlGaAsであってよい。
また、前記AlGaAsの組成をAlGa1−xAsと表現するとき、xの範囲が0.7〜0.85であってよい。
本発明の量子井戸太陽電池は量子井戸中で生成されたキャリアを効率的に取り出すことができるため、高効率の太陽電池が提供される。
(a)本願発明の一実施例のGaAs/AlGaAs QW太陽電池の層構造を示す図。(b)間接遷移AlGaAsを有するGaAs/AlGaAs QWのバンドプロファイルを示す図。 (a)PLスペクトルの温度依存性を示す図。データは20K〜300Kの範囲で20Kステップで測定し、更に9Kでも測定した。見やすくするため、各スペクトルを垂直方向にずらして表示している。測定に当たっては、波長が532nmでパワーが2.1mWのレーザーを使用した。(b)GaAs/Al0.78Ga0.22AsQWの積分したPL強度のアレニウスプロットを示す図。後述の式(1)に図中の線をフィッティングして活性化エネルギーを求めた。 QW太陽電池及び基準としたAlGaAs太陽電池とを、短絡状態、室温で測定した規格化された光電流(PC)の結果を示す図。 室温におけるQW太陽電池の電流−電圧特性を示す図。ハロゲンランプと分光器を組み合わせて単色化した光を照射して測定を行った。光パワーは約9μWであった。 QW太陽電池及び基準としたAlGaAs太陽電池の電圧−電流特性を比較する図。測定はソーラシミュレータを使用し、室温においてAM1.5の光を照射して行った。 量子井戸内のみを励起する単色光を照射し、温度を変えて電流電圧特性を測定した結果を示す図。
再結合を低減するためには、キャリアを速やかにQWから取り出すことが重要である。QWによる吸収を維持しながら、深い閉じ込め(deep confinement)構造でもキャリアの取り出しを効率に行うために、Γ谷(Γ-valley)以外の伝導帯の谷が電子のための脱出経路としての利用ができる。例えば、Al成分が多い場合、AlGaAsは間接遷移半導体となり、X谷がΓ谷よりエネルギーが低くなる。すなわち、図1(b)に示すように、GaAs/AlGaAs QWでは脱出経路となるX谷ができる。このQW系では、電子はΓ谷の強い閉じ込めを受けて、QW中で基底状態のエネルギーレベルが大幅に上昇し、AlGaAsのX点に近づく。実際、X谷を通る電子移送はGaAs/AlAsまたはGaAs/AlGaAs二重障壁構造で観察されている(非特許文献14、15)。
本発明においては、量子井戸における再結合を抑制するために、効率的にキャリアを取り出すことによって、QW太陽電池の高効率化を実現するものである。対象とする太陽電池は、間接遷移半導体を障壁層とするGaAs/AlGaAs QW太陽電池である。なお障壁層に使う間接遷移半導体は、一般にキャリアの再結合を抑制でき、一方直接遷移半導体であるGaAs量子井戸は高い吸収を実現する。この構造において、量子井戸の基底状態のエネルギー準位を障壁層に使用されている間接遷移半導体の伝導帯下端と合わせることにより、量子井戸中でキャリアが再結合する前に量子井戸から取り出すことができるようにする。ここで、「量子井戸の基底状態のエネルギー準位を障壁層に使用されている間接遷移半導体の伝導帯下端と合わせる」とは両者の差が±3kT以内、更に好ましくは±2kT以内となるようにすることである。ここでkはボルツマン定数、Tは絶対温度である。量子井戸の基底状態のエネルギー準位が障壁層に使用されている間接遷移半導体の伝導帯下端から3kTよりも更に下にある場合には、量子井戸中のキャリアを障壁層へ取り出すことが困難になる。両者の位置関係が逆の場合には量子井戸中のキャリアの取り出し自体は問題ないが、量子井戸の基底状態のエネルギー準位が高くなることで吸収できるフォトンのエネルギーが高くなる、つまり利用できる太陽光スペクトルの範囲が狭くなるので、好ましくない。なお、QW太陽電池に想定されている室温では、3kTの値の範囲を電子ボルトで表現すると0.07〜0.08eV、2kTでは0.05〜0.06eVとなる。
以下で説明する実施例においては、温度を変えてフォトルミネセンス(photoluminescence;PL)スペクトルを測定し、QWの光学特性を調べた。光電流(photocurrent;PC)スペクトルを調べることで、QW太陽電池はバルクAlGaAs太陽電池に比べて広い波長範囲の吸収を示すことが確認できた。各種の励起の下での電流−電圧特性を調べることで、キャリアの振る舞いおよび取り出しについて調べた。
GaAs(100)基板上に分子線エピタキシー装置を使用して600℃で太陽電池試料を作製した。また光学特性の評価のためにPL用の試料も作製した。PL用の試料はX線回折装置(XRD)を用いて膜厚とAlGaAsのAl組成の校正用にも使用した。
QW太陽電池の層構造を図1(a)に模式的に示す。この構造を成長させるに当たっては、先ずn型GaAs(100)上に230nmでSiドーピング濃度NSiが1×1018cm−3のn型GaAs層を成長させ、次いで260nmでNSiが5×1017cm−3のn型AlGaAs層を、次いでGaAs/AlGaAs QWが埋め込まれているi層を、次いで180nmでBeドーピング濃度NBeが5×1017cm−3のp型AlGaAs層を、次いで18nmでNBeが2×1018cm−3のp型GaAs層を、そして最後に15nmでNBeが2×1019cm−3のp型GaAs層を成長させた。QWは3nmのGaAs井戸と14nmのAlGaAs障壁層からなり、それを10周期繰り返し、i−AlGaAs層の中央部に埋め込んだ。GaAsの井戸幅は電子の基底状態のエネルギーがAlGaAsのX点下端から2kT以内になるように決めた。なお3nmのGaAs井戸層を一層堆積させる毎に10秒間の成長中断時間を入れた。このAlGaAs中のAl量は0.78であった(つまり、Al0.78Ga0.22As)。Al組成はX点のエネルギー位置などを考慮すると、0.7〜0.85、更に好ましくは0.7〜0.8が実用的である。AlGaAs成長時の砒素フラックス強度は約4×10−5Torrであった。更に、QWのない試料を参照用に作製した。なお、図1(a)に示す層構造の上端と下端にそれぞれ電極を形成して太陽電池素子とした。
QW試料及び参照用試料を加工して、面積が約6.6×10−7のメサ状ダイオードを作製した。p層とのオーミックコンタクト用にスパッタリングでNi/Cr/Auを形成し、太陽電池素子とした。電極の面積はダイオードのほぼ半分である。PC測定は、ハロゲンランプと光分光器とを組み合わせて単色化した光を使用することによって行った。
光学的な特性を測定するため、半絶縁性GaAs(100)基板上に太陽電池試料と同じ量子井戸構造を有する試料を作成した。波長532nmでパワー2.1mWのレーザーを使用してPL測定を行った。
このGaAs/AlGaAs QWのバンドプロファイルを図1(b)に示す。E及びEΓはそれぞれAlGaAsのX谷及びΓ谷に対応するエネルギーギャップである。ΔEC,ΓはGaAsとAlGaAsのΓ谷における伝導帯(CB)のエネルギー準位の差(Conduction band discontinuity)を表し、ΔEは価電子帯(VB)のエネルギー準位の差(Valence band discontinuity)である。ΔEC,XはGaAsのCB下端とAlGaAsのX点の下端(X-minimum)との間のエネルギー差に対応する。量子井戸のエネルギー準位は以下のパラメータを使用して計算した:E=2.085eV、EΓ=2.522eV、ΔEC,Γ=0.728eV、及びΔE=0.370eV。更に、電子、重いホール、及び軽いホールの有効質量をそれぞれ0.067、0.5、及び0.082mとする。ここで、mは自由電子の質量である。電子の基底状態はGaAsのCB下端より0.235eV上となった。これはAlGaAsのX点よりも50〜60meV下にある。なお電子の障壁高としてΔEC,Γを使用した。
最初に3nmのGaAs/Al0.78Ga0.22As QWの光学特性を調べた。図2(a)はPLスペクトルの温度依存性を示す。ここで注目すべき特徴は、PL強度の温度Tへの依存度が小さいことであり、これはPLの消失を特徴づける実効活性化エネルギーが小さいことを示唆している。300Kにおけるピーク位置(1.71eV)は3nm厚のQWの遷移エネルギーの計算結果(1.709eV)と一致している。温度Tが低くなるにつれてピーク位置が高エネルギー側へシフトする。これはバンドギャップの温度変化による。積分PL強度の温度依存性をプロットしたものを図2(b)に示す。強度は温度につれてほぼ単調に減少した。このデータを下式(1)にフィッティングした。
I∝exp(E/KT) (1)
ここで、EはPLの消失を特徴づける活性化エネルギーである。高温領域でのフィッティングの結果、E≒50meVが得られた。この値は電子及びホールに対する障壁高よりもかなり小さい。明瞭なPL信号が300Kにおいても観測されたところから、非放射再結合の寄与はわずかである。従って、この結果量子井戸中の電子がエネルギー的に近いAlGaAsのX谷との相互作用の存在を示している。
PLスペクトルの他の特徴としては、低温領域(<200K)では複数のピークが存在している。それぞれのスペクトルを解析することによって、これらの信号はそれぞれ別の膜厚の井戸からのものであって、膜厚の違いはわずかに1〜2原子層に相当する、と結論付けることができた。それは、各信号のピーク位置はエネルギーにして約20meV違っており、この違いは井戸の厚さが一原子層だけ違うQWのエネルギーの差と一致するからである。複数ピークは、GaAs表面で成長の中断を行ったGaAs/AlGaAs QWについてしばしば観測される。高温でのPLでは3nmのQWからの発光が支配的であることから、3nm以外の膜厚の領域が少ないことを示している。そのため、次で示す吸収特性は3nmのQWの特徴を反映する。
吸収特性を調べるため、QW有りおよびQWなし(参照用)の太陽電池の両方の試料のPCスペクトルを測定した。その結果を図3にプロットした。フォトンのエネルギー(Eph)が2.6eV以下の領域では、両試料について大きく異なる特徴が観察された。他方、Eph>2.6eVでは両者は似た特徴を示した。具体的には後者の領域ではフォトンエネルギーの増大とともに信号強度が単調減少した。前者の領域では、Ephを2.6eVから減少させていくと、参照用のQWなしの試料では、PC信号は急激に減少ののち、緩やかにテールを引く特性を示した。一方、QW試料では1.7eVまでの範囲で明瞭なPC信号が検出された。吸収端は1.73eVに位置していて、これは300KにおけるPLのピークと一致していた。これはQWの重いホール及び電子についての基底状態間の遷移に対応する。計算により、電子については2つの束縛状態、重いホールについては3つの束縛状態、及び軽いホールについては1つの束縛状態が存在することが明らかになった。電子及びホールについての閉じ込め状態のエネルギーレベルはそれぞれ井戸層であるGaAsの伝導帯及び価電子帯下端から計算すると、電子についてのエネルギーレベルは0.235eV(e1状態)及び0.719eV(e2)、重いホールについてのエネルギーレベルは0.049eV(hh1)、0.187eV(hh2)及び0.364eV(hh3)、並びに軽いホールについてのエネルギーレベルは0.155eV(lh1)であった。実験で得られたPCスペクトルにおける1.814eV、1.846eV、2.023eV、2.192eV、2.330eV及び2.507eVにおける信号は、それぞれe1−lh1遷移、e1−hh2遷移、e1−hh3遷移、e2−hh1遷移、e2−hh2遷移、及びe2−hh3遷移による吸収であることが分かった。2.33eVにおける顕著なピークはe2−hh2遷移、すなわち許容遷移に対応しており、これは上記同定の妥当性を示している。なおe2−lh1遷移はe2−hh2遷移と近いために分離されていない可能性がある。したがって実験と理論とが良く一致していることから、電子がAlGaAsのΓ点を量子閉じ込めのための障壁となると結論付けることができる。
図4は、室温において波長λが700nm(1.771eV)の単色光照射及び暗状態下のQW太陽電池のI−V特性を示す。電圧が0.7Vより低いところでは光電流の減少がほとんどなく、ほぼ和電流が流れている。この結果は、光吸収で生成されたキャリアがQWから効率的に取り出されていることを示す。AlGaAsのΓ点の障壁高さは約0.5eVで、また重いホールについても約0.3Vと、室温における熱エネルギー(約26meV)よりも十分大きな値であることから、この結果はAlGaAsのX谷を介した電子の取り出しの存在を示していると考えられる。
なお定常状態では、ホール電流は電子電流に等しく、その結果、ホールがQWから取り出される必要がある。詳細はまだわからないものの、ホールの脱出はホールの蓄積などによるバンドプロファイルの変化や、エネルギーの高いレベルに位置する軽いホールの寄与が考えられる。光で生成されたキャリアの脱出メカニズムを完全に解明するには更に検討を続ける必要がある。
次にAM1.5のソーラシミュレータを使用して二つの試料のIV特性を比較した。その結果を図5に示す。QW太陽電池の短絡回路電流ISCは7.5μA(1.1mA/cm)であったが、参照用のAlGaAs太陽電池の短絡回路電流は3.4μA(0.52mA/cm)であった。QW試料側のPCが増大したのはQWの導入により吸収が増えたことによる。QWの層数を増やすことによって、ISCを更に増大させることも可能である。QW太陽電池の開回路電圧VOPは1.17Vと、参照用の太陽電池の開回路電圧(1.21V)に近い値であった。その結果、QW太陽電池の効率は参照用の太陽電池の2倍であった。QW太陽電池の形状因子(フィルファクター:FF)は0.78であったが、これは参照用の太陽電池の値(0.8)とほとんど同じであった。
また、量子井戸層の半導体の基底状態のエネルギー準位と前記障壁層の半導体の伝導帯下端のエネルギー準位の差の許容範囲を求めるため、量子井戸内のみを励起する単色光を照射し、温度を変えて電流電圧特性を測定した。ここで、測定条件は以下の通りであった。ハロゲンランプの光を分光器で単色化し、それを試料に照射し、150〜300Kの範囲で50Kおきに測定した。照射した光の波長は、温度による吸収端の変化を反映して、670nm(150K)、680nm(200K)、 690nm(250K) 、 700nm(300K)とした。
この結果を図6に示す。図からわかるように、低温領域(200K未満)では、電圧を増やすと光電流の減少が著しい。それに対して、250K以上では、開放電圧近くまで飽和電流が維持されている。250Kは22meVに相当するところから、両者の差が±2kT以内とするのが好ましいことがわかった。また、200Kでも特性の結果はそれほど甚だしいとは言えず、150Kまで温度を下げると極端な劣化が見られることから、±3kT以内が許容範囲であるとすることができる。なお開放電圧はバンドギャップ等の温度変化を反映し、温度の低下とともに大きくなる。
以上説明したように、上記実施例においては、3nmのGaAs井戸及び間接遷移AlGaAs障壁層を有するGaAs/AlGaAs QW太陽電池を作製し、その特性を調べた。その結果、QWを挿入したことによって、1.7eVまでの広い領域の太陽光を吸収できるようになった。また単色光を使用した電流電圧特性の結果から、0.7Vよりも低い電圧領域において光電流が僅かな低下しか示しておらず、再結合が効果的に抑制されていることが分かった。これは電子がAlGaAsのX谷を介してQWから効果的に取り出されたことによると考えられる。このようにしてQW太陽電池の効率改善が実現できた。従って、本発明の構造は量子井戸からのキャリアの効率的な取り出し手法として有効であることが分かった。
以上詳細に説明したように、本発明によればQW中に生成したキャリアが再結合する前に外部に取り出すことで、高効率の量子井戸太陽電池を提供することができるため、本発明は量子井戸太陽電池の新しい構造設計および実用化のために大いに利用されることが期待される。
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Claims (4)

  1. 障壁層と量子井戸層との積層体を設けた量子井戸太陽電池において、
    をボルツマン定数とし、絶対温度をTとするとき、前記量子井戸層の基底状態のエネルギー準位と前記障壁層の半導体の伝導帯下端のエネルギー準位の差が±3kT以内であるとともに、
    前記量子井戸層の半導体は直接遷移半導体であり、前記障壁層の半導体は間接遷移半導体である
    量子井戸太陽電池。
  2. 前記積層体は前記障壁層と前記量子井戸層との繰り返し構造を有する、請求項1に記載の量子井戸太陽電池。
  3. 前記量子井戸の半導体はGaAsであり、前記障壁層の半導体はAlGaAsである、請求項1または2に記載の量子井戸太陽電池。
  4. 前記AlGaAsの組成をAlGa1−xAsと表現するとき、xの範囲が0.7〜0.85である、請求項3に記載の量子井戸太陽電池。
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