JPH05175527A - 光電変換素子及びこれを含むタンデム型太陽電池 - Google Patents

光電変換素子及びこれを含むタンデム型太陽電池

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JPH05175527A
JPH05175527A JP3357013A JP35701391A JPH05175527A JP H05175527 A JPH05175527 A JP H05175527A JP 3357013 A JP3357013 A JP 3357013A JP 35701391 A JP35701391 A JP 35701391A JP H05175527 A JPH05175527 A JP H05175527A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
layer
semiconductor
conversion element
light
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JP3357013A
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Nobuhiko Kobayashi
伸彦 小林
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

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Abstract

(57)【要約】 〔目的〕タンデム型の太陽電池などへの応用に適した超
格子構造の光電変換素子において、変換効率の向上を図
る。 〔構成〕半導体の基板(10)と、この半導体基板の表
面から丘状に隆起する複数の超格子構造の半導体隆起層
(11,12,13)とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外線センサなどとし
て利用される超格子構造の光電変換素子とこれを含むタ
ンデム型の太陽電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】赤外線など長波長光用の光電変換素子と
して、超格子構造によって実現される多重量子化井戸内
のサブバンド間遷移による対生成を利用する形式のもの
が、Appl. Phys. Lett. 54 ( 25 ), 19 June 1989 に掲
載された「 GaAs/ AlGaAsmultiquantum well infrar
ed detector arrays using etched gratings」と題する
G. Hasnain らの論文に記載されている。
【0003】このサブバンド間遷移の生起確率は、超格
子構造におけるバンド間遷移の場合とは逆に、入射光の
電界ベクトルの向きが量子井戸に垂直な方向、すなわち
積層方向に近づくほど大きくなる。従って、無偏光の入
射光(TEM波)がそのまま積層方向に入射してもサブ
バンド間遷移に伴う長波長成分の吸収(光電変換)は生
じにくい。このため、上記論文では、表面側のコンタク
ト層に選択エッチングによる波型の表面を形成し、正面
方向からの入射光を屈折させて斜めに入射させる構造と
なっている。
【0004】すなわち、図5の断面図に示すように、n
+ GaAsの裏面側コンタクト層1とn+ GaAsの表
面側コンタクト層3との間にGaAsとAlGaAsの
超格子構造2が形成されると共に、表面側コンタクト層
3の表面に異方性エッチングによる波型の表面が形成さ
れている。表面方向からの入射光Lは表面側コンタクト
層1の傾斜面で屈折を受けてこのコンタクト層1内に進
入し、光線Tとして超格子構造2内をその積層方向に対
し斜めに進行する。一方、表面側コンタクト層1の傾斜
面で反射された反射光R1 は、隣りの傾斜面に入射し、
屈折を受けながら光線R2 としてコンタクト層1内に進
入し、反対側の傾斜面で全反射を受け、光線R3 として
超格子構造2内をその積層方向に対して斜めに進行す
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記超格子構造の光電
変換素子では、図5に示すように、積層方向に入射する
光線Tについても光線R3についても、積層方向と成す
角度(超格子構造への入射角)が小さいため、その電界
ベクトルの積層方向への投影成分が小さく、光電変換効
率が低いという問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の光電変換素子
は、半導体の基板と、この基板の表面から丘状に隆起す
る複数の超格子構造の半導体隆起層と、これら半導体隆
起層の頂部と底部との間に発生する光起電力を出力する
電極手段とを備えている。
【0007】
【作用】この発明の光電変換素子においては、超格子構
造の半導体隆起層に正面方向から入射する光がこの隆起
層の傾斜面で一旦反射され、隣の半導体隆起層内の超格
子構造に大きな入射角で入射する。すなわち、隣の半導
体隆起層に入射する反射光(無偏光のTEM波)の電界
ベクトルの積層方向への投影成分が大きくなり、光電変
換効率が向上する。以下、本発明の詳細を実施例と共に
説明する。
【0008】図1は、本発明の一実施例の光電変換素子
の構造を示す断面図であり、10は半導体基板、11,
12,13はこの半導体基板10の表面から丘状に隆起
する超格子構造の半導体隆起層、21,22,23は各
半導体隆起層の頂部に形成された表面電極層、24は半
導体基板10の裏面側に形成された裏面電極層、25は
被覆層である。なお、図中の(X,Y,Z)は説明の便
宜上設定した直交座標である。この光電変換素子は、一
様なXーZ断面形状を呈しながらY軸方向に沿い適宜な
長さにわたって延在されている。
【0009】半導体基板10は高導電率のGaAsの単
結晶から成り、その平坦な表面上には、横縞模様で表示
されるように、数十Åの厚みのGaAsの薄層(井戸)
と数百ÅのAlX Ga 1ー X Asの薄層(障壁)とが交
互に積層された超格子構造の半導体隆起層11,12,
13が形成されている。GaAsの薄層は広範囲の長波
長光を吸収できるように、層の厚みが層ごとに少しずつ
変化している。半導体隆起層11,12,13は、Ga
Asの基板10の表面から逆V字状の断面形状を呈しな
がら丘状に隆起しており、それぞれの傾斜面の表面は絶
縁性のGaAsを素材とする被覆層25で覆われてい
る。
【0010】半導体隆起層11,12,13の頂部には
Y軸方向に延在される細い帯状の表面電極層21,2
2,23が形成されると共に、基板10の裏面側にはX
軸方向とY軸方向に延在される平板状の裏面電極層24
が形成されている。各表面電極層21,22,23はY
軸方向の端部において短絡されると共に、この短絡箇所
と裏面電極層24との間に光電変換によって発生する電
力を取出すための受電回路(図示せず)が接続される。
【0011】図1の光電変換素子に正面方向から入射す
る光線は、光線Lで例示するように、半導体隆起層11
の傾斜面に比較的大きな入射角で入射し、その一部は表
面の被覆層25を透過し、透過光Tとなって内部の超格
子構造内に進入する。傾斜面に入射した入射光のかなり
の部分は反射光Rとなって隣の半導体隆起層12の被覆
層25に入射し、この被覆層25を透過して内部の超格
子構造内に大きな入射角で進入する。入射光Lが太陽光
線のように無偏光のTEM波の場合、反射光Rの電界ベ
クトルEは超格子構造の積層方向を向くためサブバンド
内遷移に基づく電子・正孔対の生成確率が増大し、長波
長光の光電変換効率が向上する。
【0012】一方、上記透過光Tは、その電界ベクトル
Eの向きが積層方向にほぼ直交する方向にあるため、サ
ブバンド間遷移に伴う長波長光による対生成にはそれほ
ど寄与しないが、バンド間遷移に伴う短波長光による対
生成に寄与する。サブバンド間遷移やバンド間遷移で生
成された電子・正孔対は、量子井戸内に捕捉される一部
を除いて積層方向に互いに逆向きに走行し、一方は表面
電極層21,22,23に到達し、他方の裏面電極層2
4に到達することにより起電力の発生に寄与する。
【0013】次に、図1の光電変換素子の製造方法の一
例を図2によって説明する。まず、(A)に示すよう
に、GaAsの基板10の表面を形成する〔100〕面
上に分子線エピタキシー(MBE)などの適宜な手法に
よりGaAsとAlX Ga 1ー X Asの超格子構造1
0’を形成する。次に、超格子構造10’の表面に細い
帯状のレジストR1,R2,R3をホトリソグラフィー
の手法などを用いて形成したのち、H2 SO4 とH2
2 の水溶液などの適宜なエッチング液に浸すことにより
ウェットエッチングを行う。
【0014】〔111〕方向へのエッチング速度が〔1
00〕方向よりも小さいという異方性エッチングが行わ
れ、図2(B)に示すように、〔111〕面をほぼ45
°の傾斜面として露出させる丘状(メサ状)の半導体隆
起層11,12,13が形成される。続いて、図1に示
すように、分子線エピタキシーなどの適宜な手法により
GaAsの絶縁性の被覆層25を半導体隆起層の傾斜面
に形成する。最後に、半導体隆起層11,12,13の
頂部に表面電極層21,22,23を形成し、これと前
後して、基板10の裏面側に裏面電極層24を形成す
る。
【0015】図3は、本発明の他の実施例の光電変換素
子の構造を示す断面図である。本図中、図1と同一の参
照符号を付した構成要素は図1に関して既に説明した対
応の構成要素と同一のものであり、これらについては重
複する説明を省略する。
【0016】この図3の光電変換素子は、半導体隆起層
11,12,13の頂部に表面電極層を形成する代わり
に、半導体隆起層11,12,13の表面を覆うと共に
それぞれの頂部において内部の超格子構造に電気的に接
続されるGaAsの導電層26から形成されている。G
aAsの導電層26には、この光電変換素子の端部にお
いてAuーGeなどの金属電極層が形成され、この金属
電極層と裏面電極板24との間に光起電力を素子外部に
取出す受電回路(図示せず)が接続される。
【0017】図4は、図1の光電変換素子を下部側素子
として組み込んだ本発明の一実施例のタンデム型太陽電
池の構造を示す断面図である。本図中、図1と同一の参
照符号を付した構成要素は図1に関して既に説明した対
応の構成要素と同一のものであり、これらについては重
複する説明を省略する。
【0018】この太陽電池は、図1の光電変換素子の導
電層26上に気相又は液相エピタキシャル法などにより
形成されるp型のGaAs層41とn型のGaAs層4
2とが順に積層され、最上層の表面には表面電極層5
1,52,53が形成されたタンデム構造を呈してい
る。
【0019】短波長光によるバンド間遷移に伴う対生成
はGaAs層41と42の境界面に形成されたpn接合
近傍で行われ、生成された電子・正孔対は表面電極層5
1,52,53と導電層26とに収集される。一方、長
波長光によるサブバンド間遷移に伴う対生成は下側の光
電変換素子の超格子構造内で行われ、生成された電子・
正孔対は導電層26と半導体基板10の裏側に形成され
た裏面電極層24とに収集される。
【0020】以上、広範囲の長波長光を吸収するために
GaAsの薄層の厚みを層ごとに変化させる構成を例示
した。しかしながら、上記広帯性をバリア層を形成する
AlX Ga 1ー X Asの組成を層ごとに変化させること
により、実現する構成としてもよい。また、特定の波長
の長波長光のみを吸収しようとする場合には、GaAs
の薄層の厚みやAlX Ga 1ー X As層の組成を一定に
する構成であってもよい。
【0021】また、GaAsとAlX Ga 1ー X Asと
を組合せて超格子構造を実現する構成を例示したが、一
般的には、エネルギーギャップの異なる適宜な複数の材
料の組合せによって上記超格子構造を実現することが可
能である。
【0022】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の光
電変換素子は、超格子構造の半導体隆起層に正面方向か
ら入射する光がこの隆起層の傾斜面で一旦反射され、隣
の半導体隆起層に斜めに入射するため電界ベクトルが積
層方向を向き、光電変換効率が向上するという効果が奏
される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の光電変換素子の構造を示す
断面図である。
【図2】図1の光電変換素子の製造方法の一例を説明す
る断面図である。
【図3】本発明の他の実施例の光電変換素子の構造を示
す断面図である。
【図4】図1の光電変換素子を含むタ本発明の一実施例
のタンデム型太陽電池の構造を示す断面図である。
【図5】従来の超格子構造の光電変換素子の構造を示す
断面図である。
【符号の説明】
10 半導体基板 11,12,13 逆V字状の超格子構造の半導体隆起層 21,22,23 表面電極層 24 裏面電極層 25 被覆層 31,32 絶縁性のGaAs層 41 p型GaAs層 42 n型GaAs層 51,52,53 表面電極層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、この半導体基板の表面から
    丘状に隆起する複数の超格子構造の半導体隆起層と、こ
    れら半導体隆起層の頂部と底部との間に発生する光起電
    力を出力する電極手段とを備えたことを特徴とする光電
    変換素子。
  2. 【請求項2】請求項1において、 前記電極手段は、前記各半導体隆起層の頂部に形成され
    た表面電極層と、前記半導体基板の裏面に形成された裏
    面電極層とから成ることを特徴とする光電変換素子。
  3. 【請求項3】請求項1において、 前記電極手段は、前記各半導体隆起層の表面を覆うと共
    に各半導体隆起層の頂部において内部の超格子構造に電
    気的に接続される導電層から成ることを特徴とする光電
    変換素子。
  4. 【請求項4】請求項1乃至4において、 前記各半導体隆起層の両側面は、異方性エッチングによ
    って形成される〔111〕面から成ることを特徴とする
    光電変換素子。
  5. 【請求項5】半導体基板及びこの半導体基板の表面から
    丘状に隆起する複数の超格子構造の半導体隆起層とを備
    え主として長波長光による光電変換を行う光電変換素子
    と、 この光電変換素子の上部に形成され、主として短波長光
    による光電変換を行う光電変換素子とから構成されるこ
    とを特徴とするタンデム型太陽電池。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1612868A3 (en) * 2004-06-29 2007-07-04 Lockheed Martin Corporation Systems and methods for converting heat to electrical power
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WO2022182818A1 (en) * 2021-02-26 2022-09-01 Sri Satya Acquisitions Llc Solar electricity generation system and method

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