JPH0472773A

JPH0472773A - 多層接合型太陽電池

Info

Publication number: JPH0472773A
Application number: JP2185498A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiro Unno; 恒弘海野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1990-07-13
Publication date: 1992-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は太陽電池を多段に積層してなる高効率な多層接
合型太陽電池に間するものである。

［従来の技術］太陽電池はクリーンエネルギ源として注目されているが
、商用電源と競合するために低価格と高効率が大きな開
発！！！題となっている。

これまでは、単一材料太陽電池の高効率化が進められて
来たが、単一バンドギャップでは２５％付近が変換効率
の理論限界である。これ以上の高効率を達成するために
はバンドギャップエネルギの高い太陽電池とバンドギャ
ップエネルギの低い太陽電池を重ねた、多層接合型太陽
電池にしなければならない。

多層接合型太陽電池では、接合層数を増すことにより効
率を高くすることができる。

例えば）ｌｅｎｒｙらの理論計算によると、２層構造で
効率５０％、３Ｎ構造で５６％を達成できる可能性が示
されている（Ｃ，Ｈ，１（ｅｎｒｙ、”Ｌｉｍｉｔｉｎ
ｇ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　Ｉｄｅａｌ　Ｓｉｎ
ｇｌｅ　ａｎｄ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｇ
ａｐ　Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ　５ｏｌａｒ　Ｃｅ１ｌ
ｓ”Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、５１４４９４（１９８０
））。

しかし現実的には、この計算に用いられたバンドギャッ
プに相当する単一半導体は存在しない。

また仮に、その様なバンドギャップを持つ混晶を単に用
いたとしても、多層成長させることは難しい。

［発明が解決しようとする課題］そこで、現実的な材料選択として表面側の第１段太陽電
池としてＧａＡｌＡｓ、第２段太陽電池としてＧａＡｓ
、第３段太陽電池としてＧｅを用いた３段接合型太陽電
池が提案された。第１段太陽電池のＡｌＡｓ混晶比プロ
ファイルは、ｐｎ接合部に向って傾斜した後、急激に立
上がる片斜面プロファイルになっている。この構造で３
５％という高い効率が得られている。

しかし、その様な構造をした従来の３段接合型太陽電池
はその理論効率である４３％という値に対して、８％以
上も低い値に止まっているのが現状である。

ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、Ｇｅはへテロ接合の組合せと
しては、現実的には最良のものと考えられているが、そ
れでも上述したように理論効率よりも低い値に止まって
いるのは、ペテロ接合（異種材料の組合せ）であるため
結晶欠陥が、ホモ接合（同一材料の組合せ）の太陽電池
に比べて生じやすく、その存在が無視てきないからであ
ると推定される。

本発明の目的は、ＡｌＡｓ混晶比プロファイルを両斜面
プロファイルとし、電子と正孔を効率よく取り出せるよ
うな内部電界を層内に積極的に形成することによって、
前記した従来技術の欠点を解消し、結晶欠陥の存在にか
かわらず、変換効率を大幅に向上させることが可能な新
規な多層接合型太陽電池を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の多層接合型太陽電池は、基板に形成した基板構
成材からなる太陽電池の上に、積層数の異なる第１．第
２のＧａＡｌＡｓ太陽電池を形成した多層接合型太陽電
池に適用される。このような多層接合型太陽電池におい
て、表面側に位置するＧａＡｌＡｓ太陽電池と、中間に
位置するＧａＡｌＡｓ太陽電池とのＡｌＡｓ混晶比プロ
ファイルを、表面側からｐｎ接合部に向って低くなって
行き、ｐｎ接合部から裏面側に向って高くなって行くｖ
字型にしたものである。

そして、本発明の多層接合型太陽電池は、より詳しくは
次のように構成される。

ｎ型のＧｅ基板上にＧｅのｐｉｎ接合太陽電池。

ＧａＡｌＡｓの４層構造のｐｎ接合太陽電池およびＧａ
ＡｌＡｓのｐｎ接合太陽電池を順次積層し、これら太陽
電池を連続一体止した多層接合型太陽電池において、中
間に位置するＧａＡｌＡｓ太陽電池と基板側に位置する
Ｇｅ太陽電池の間にＧａＡｓバッファ層が設けられ、か
つ、積層された各太陽電池が次のＡ、Ｂ、Ｃ，のように
構成されているものである。

Ａ１表面側に位置するＧａＡｌＡｓ太陽電池は（ａ）Ａ
　Ｉ　Ａ　ｓ混晶比は、表面からｐｎ接合部に向って低
くなって行き、ｐｎ接合、部から裏面側に向って高くな
って行き、表面側ＡｌＡｓ混晶比は０．８０から０．４
０の間にあり、ｐｎ接合部のＡｌＡｓ混晶比は０．３０
か・ら０．４０の間にあり、裏面のＡｌＡｓ混晶比は０
．８０から０．４０の間にある。

（ｂ）膜厚は、ｐ層と１層とも各０．５μｍから５．０
μｍの間にあり、ｐ層とｎｆｆｊ／ｌを合せて５μｍ以
下とする。

（Ｃ）キャリア濃度は、表面側キャリア濃度が５゜ＯＸ
　１０１７Ｃｍ−３から５．ＯＸ　１０１８ｃｍ−３の
間にあり、ｐｎ接合部に向って低下して行き、またｐｎ
接合部から裏面側に向って高くなって行く。

（ｄ）裏面側には、キャリア濃度がＩ　Ｘ　１０１Ｂｃ
ｍ−３以上の高キャリア濃度層が存在し、ｐｎ層の裏面
側ＡｌＡｓ混晶比に比へ０．１以上高いＡｌＡｓ混晶比
とする。

Ｂ、中間に位置するＧａＡｌＡｓ太陽電池は（ｅ）表面
側から高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃度ｐＪ！ｊ、　ｐ
層、１層、高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃度ｎＮの４Ｎ
から成る。

（ｆ）Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ混晶比は、表面側高ＡｌＡｓ混晶
・高キャリア濃度層０．０５以上、ｐｎ接合用の２層は
表面側が０．０５から０．８０でｐｎ接合部に向って低
くなり、ｐｎ接合部で０．０５から０．０、更に裏面に
向って高くなり、裏面側で０゜０５から０．８０、裏面
測高Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ混晶・高キャリア濃度層は０．０５
以上０．８０以下である。

（ｇ）膜厚は、高Ａｌ−Ａｓ混晶・高キャリア濃度層は
表面側裏面側とも０．２μｍ以下０．０１μｍ以上とし
、ｐｎｎ接合用層層０層は各々０．５μｍ以上５μｍ以
下とする。

（１＋）キャリア濃度は、高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア
濃度層は表面側裏面側ともＩ　Ｘ　１０１Ｂｃ　ｍ”−
３以上、ｐｎ接合層では、高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア
濃度層に接した面で５　Ｘ　１０１７ｃ　ｍ−３から５
Ｘ　１０１８ｃ　ｍ−３であり、ｐｎ接合部に向ってキ
ャリア濃度が低くなり、ｐｎ接合部が最も低いキャリア
濃度となる。

Ｃ０基板側に位置するＧｅ太陽電池は（＋）膜厚は合計で５０μｍ以上である。

（ｊ）キャリア濃度は、表面側裏面側が最も高く、ｉＦ
Ｉ部で最も低い値となっており、１層中ではｐ型からｎ
型にキャリア濃度がなだらかに変化している。

以上のように、ＡｌＡｓ混晶比、膜厚、キャリア濃度、
キャリア濃度・混晶比プロファイルをそれぞれ限定する
ことにより本発明の多層接合型太陽電池は構成される。

ここで、上記限定理由は次の通りである。

ＡｌＡｓ混晶比限定理由。

ＡｌＡｓ混晶比（ｐｎ界面）は、取り出しエネルギを決
める要因であり、上述した混晶比プロファイルを持つと
き３段構成の太陽電池は最大の変換効率を出す。

膜厚限定理由。

膜厚は藩過ぎると光が電気エネルギに変換されず、その
まま結晶を通過してしまう。９層（表面側）は厚いとせ
っかく変換した電子と正孔がまた光に戻ってしまうため
、膜厚が適切な厚さになるように制限する必要がある。

０層（基板側）は厚くても特性上問題はないが、材料費
の面から厚くするのは好ましくない。ＧａＡｓ、ＧａＡ
ｌＡｓは直接遷移型半導体（光を電気に変換しやすい）
であるためＭ厚は薄くても良い。しかし、Ｇｅは間接遷
移型半導体であるため膜厚を厚くする必要がある。

キャリア濃度限定理由。

キャリア濃度は、太陽電池の効率を左右するがそれほど
急には変化しない。キャリア濃度は電気が流れる程度に
なっていればよい。というのは、キャリア濃度の最適値
は、現状では太陽電池の構造設計よりは成長方法に大き
く依存している。従って、上述したキャリア濃度値は、
キャリア濃度を高くすると結晶欠陥を生じやすい現状の
成長方法に対するものである。キャリア濃度を高くして
も結晶欠陥を生じにくいような成長方法が開発されれば
当然最適値も変ることになる。

キャリア濃度・混晶比プロファイル設定理由。

キャリア濃度と混晶比プロファイルにより内部電界を設
けて、電子と正孔を効率よく取り出すためである。内部
電界を設けておくことにより、ヘテロ接合ゆえに発生し
やすい結晶欠陥の影響をそれ程受けることなく、電気エ
ネルギを有効に取り出すことが可能となる。

なお、本発明の多層接合型太陽電池は、上記ｎ型のＧｅ
基板に代えてｐ型のＧｅ基板を用いると共に、上記９層
と０層との積層順序を逆にして構成することもてきる。

さらに、上記Ｇｅ基板に代えてＳｊ基板を用いることも
できる。

［作用コ混晶比プロファイルをＶ字型にすることで、片面プロフ
ァイルに比べて光の吸収を小さく抑えることが可能とな
る。その結果、最終段の基板構成材太陽電池まで光が有
効に届くことになる。

ところで、３段構成の太陽電池については従来から考え
られているが、これを製作しにくい理由は、２段構成以
下の太陽電池と異なり、設計値と実験値とがかけ離れ、
計算により期待したほど高い効率が得られないことであ
る。これは、結晶欠陥の存在や、最適な半導体材料の組
合せが得られていないことに因るものと思われる。

したがって、３段構成の太陽電池で効率を上げるには、
内部電界を利用して結晶欠陥の影響を少なくしたり、半
導体材料の中で最も高効率３段太陽電池となるＧｅ、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＡｌＡｓの組合せを選び、さらに、上記し
たように各太陽電池のＧ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ混晶比、
膜厚、キャリア濃度、暦数を規定することである。これ
により、エピタキシャル層内に内部電界が積極的に形成
されて、電子と正孔が効率よく取り出され、その結果、
太陽電池の変換効率が大幅に向上する。

なお、本発明の多層接合型太陽電池は、太陽電池間が接
着剤ではなく、エピタキシャル層による連続形成により
接続されるため、直列構造のシリーズ積層型太陽電池に
も、並列構造のタンデム積層型太陽電池にも使用するこ
とができる。

［実施例］以下、本発明の実施例を第１図〜第２図を用いて説明す
る。

第２図はタンデム型太陽電池に適用した本発明の多層接
合型太陽電池の実施例を示す断面図である。

ｎ型Ｇｅ基板１４上に３つの太陽電池が積層されている
。表面側から基板側に向って、第１段太陽電池１６．第
２段太陽電池１７．第３段太陽電池１８と呼ぶことにす
る。

第１段太陽電池１６はＧａＡｌＡｓを用いたｐｎ接合太
陽電池であり、表面側から活性層となるｐＦ’３及び９
層４、そしてｎＦｊ５の３層から構成される。第２段太
陽電池１７はＧａＡｌＡｓを用いた太陽電池であり、表
面側から高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃度ｐ層６．ｐ層
？、ｎ層８．高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃度ＨＮ９・
０４Ｎから構成される。第３段太陽電池１８はＧｅを用
い、９層１１，１層１２，０層１３０３層から構成され
る。そして、第２段太陽電池１７と第３段太陽電池１８
との間に、格子定数の不整合を緩和するために、ＧａＡ
ｓバッファ層１０が設けられる。このように形成された
３段構成の多層接合型太陽電池の表面には電極２と保護
膜１が、また裏面には電極１５が設けられる。

以下、第１図も参照して基板上に形成される上記多層接
合型太陽電池の構造を詳細に述べる。

基板側に位置する第３段太陽電池１日は、膜厚は合計で
５０μｍ以上である。キャリア濃度は、表面側裏面側が
最も高く、１層部で最も低い値となっており、１層中で
はｐ型からｎ型にキャリア濃度がなだらかに変化してい
る。

ｎ型キャリア濃度５　Ｘ　１０１７ｃ　ｍ−３，厚さ２
００μｍのＧｅ基板１４上に、ｎ型キャリア濃度ＩＸ　
１０１８ｃ　ｍ−３のＧｅエピタキシャル層１３を１０
μｍに成長させる０次に、第１図に示すように、キャリ
ア濃度が基板側でｎ型層　Ｘ　１０１８ｃ　ｍ−３表面
側でｐ型層　Ｘ　１０１８ｃｍ−３となるようなキャリ
ア濃度プロファイルを有するｐ　Ｆ！　Ｇ　ｅとｎＮＧ
ｅ１２を成長させる。その上にキャリア１×１０１８ｃ
ｍ−３のｐ型Ｇｅエピタキシャル層１１を成長させて、
層１２を前述のプロファイルを保持したｉ型層とする。

このｐｉｎ接合のＧｅエピタキシャルＦ！１１，１２．
１３により第３段太陽電池１日が形成される。

そして、ｐ型層ｅ層１１上にキャリア濃度がＩＸ　１０
　”ｃ　ｍ−３のｐ型層ａＡｓバッファ層１０を成長さ
せる。格子定数の不整合を緩和するためである。

中間に位置する第２段太陽電池１７は４Ｎから構成され
、ｐｎ接合を形成する９層とｎＦ’のＡｔＡｓ混晶比が
ｖ字型になっており、ＧａＡｓバッファ層１０上に成長
させる。まずＡｌＡｓ混晶比が０゜３５．キャリア濃度
３Ｘ１０”ｃｍ”−３の高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃
度のｎ型ＧａＡｌＡｓ層９を０．１μｍ、次に基板側で
ＡｌＡｓ混晶比０．２５．キャリア濃度Ｉ　Ｘ　Ｉ　０
１８ｃｍ−３、表面側に向ってＡｌＡｓ混晶比は低下し
て０となるｎ型ＧａＡｌＡｓ層８を２μｍ、更に表面側
にはＡｌＡｓ混晶比が０から０．２５まで高くなるｐ型
層　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　８層７を２．０μｍ成長させる。

キャリア濃度は、０層８からｐＨ７まで傾斜接合で変化
しており、ｐ層表面側キャリア濃度はｌＸｌ０１８ｃｍ
−３である。その上に高ＡｌＡｓ混晶・高キャリア濃度
のｐ型ＧａＡｌＡｓ層６を、ＡｌＡｓ混晶比０．３５．
キャリア濃度３Ｘ１０１８Ｃｍ−３、膜厚０．１μｍで
成長させている。

表面側に位置する第１段太陽電池１６は、第２段太陽電
池１７と同じく、ｐｎ接合を形成するｐ層と０層のＡｌ
Ａｓ混晶比が７字型になっており、第２段太陽電池１７
上にＧａＡｌＡｓ層を３層成長させている。まずＡｌＡ
ｓ混晶比０．７．キャリア濃度３Ｘ１０１８ｃｍ−３の
ｎ型ＧａＡｌＡｓ層５を０．１μｍ成長させる。次に活
性層となるＧａＡｌＡｓの０層４とｐＨ３を成長させる
。０層４は、基板側でのＡｌＡｓ混晶比０．６で、表面
側に向ってＡｌＡｓ混晶比は低下してｐｎ接合部で０．
３５となるｎ型ＧａＡＩＡｓＦｊである。９層３は、ｐ
ｎ接合部でのＡｌＡｓ混晶比が０．３５で表面側に向っ
てＡｌＡｓ混晶比が０．６まで高くなるｐ型ＧａＡｌＡ
ｓ層である。キャリア濃度は０層４からｐＨ３間で傾斜
接合で変化しており、基板側はｎ型Ｉ　Ｘ　１０　”ｃ
　ｍ”−３で表面に向って低下し、表面ではｐ型Ｉ　Ｘ
　１０１８ｃｍ−３となる。

膜厚は９層３・０層４とも各々２．５μｍである。

このような３段接合型太陽電池を製作して変換効率を求
めたところ、４１％という非常に高い値を得ることがで
きた。即ち、無視できない結晶欠陥が存在しても、理論
効率に近い値を出すことができた。これは、上述したよ
うなＡｌＡｓ混晶比。

膜厚、キャリア濃度２層数を規定することによって、エ
ピタキシャル層内に内部電界を積極的に生じさせ、電子
と正孔を効率よく取り出せるようにしたことによる。

なお、上記実施例では、Ｇｅ基板を使用したが、Ｓｉ基
板上にＧｅＦを成長させたウェハを用いてもよい。

［発明の効果］本発明によれば、エピタキシャル層内に内部電界を生じ
させて、電子と正孔を効率良く取り出せるように、Ａｌ
Ａｓ混晶比プロファイルをｖ字型に設定したので、結晶
欠陥の存在にかかわらず、変換効率を大幅に向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例による太陽電池のエピタキシャルウェ
ハの混晶比、キャリア濃度９層数をそれぞれ示す説明図
、第２図は本発明の多層接合型太陽電池の実施例を示す
断面図である。ｌは保護膜、２は電極、３はｐ型ＧａＡｌＡｓ混晶層、
４はｐ型ＧａＡｌＡｓ混晶層、５はｎ型ＧａＡｌＡｓ混
晶層、６はｐ型ＧａＡｌＡｓ混晶層、７はｐ型ＧａＡｌ
Ａｓ混晶層、８はｎ型ＧａＡｌＡｓ混晶層、９はｎ型Ｇ
ａＡｌＡｓ混晶層、１０はＧａＡｓバッファ層、１１は
ｐ型ＧｅＮ、１２は１型ＧｅＦｉ、１３はｎ型Ｇ　ｅ　
Ｆ’％　１４はｎ型Ｇｅ基板層、１５は電極、１６は第
１段太陽電池、１７は第２段太陽電池、１８は第３段太
陽電池である。本実施例による断面図第２図

Claims

【特許請求の範囲】　基板に形成した基板構成材からなる太陽電池の上に、
積層数の異なる第１、第２のＧａＡｌＡｓ太陽電池を形
成した多層接合型太陽電池において、表面側に位置する
ＧａＡｌＡｓ太陽電池と、中間に位置するＧａＡｌＡｓ
太陽電池との各ＡｌＡｓ混晶比プロファイルを、表面側
からｐｎ接合部に向って低くなり、ｐｎ接合部から裏面
側に向って高くなるＶ字型にしたことを特徴とする多層接合型太陽電池。