JPH06163962A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JPH06163962A JPH06163962A JP43A JP31739092A JPH06163962A JP H06163962 A JPH06163962 A JP H06163962A JP 43 A JP43 A JP 43A JP 31739092 A JP31739092 A JP 31739092A JP H06163962 A JPH06163962 A JP H06163962A
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- Japan
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- layer
- solar cell
- conductivity type
- crystal
- gaas
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高い変換効率を有する太陽電池。
【構成】 基板１０２上には、バッファ層１０４を介し
て光吸収用のＧａＡｓ層１０６が形成されている。この
ＧａＡｓ層１０６は、ｎ型層上にｐ型層を成長したもの
でこれによりｐｎ接合が形成される。このＧａＡｓ層１
０６中には、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸型光吸収層
１０８が設けられている。この層１０８は、ＧａＡｓ１
０６よりも長波長側の光を吸収するためのものである。
したがって、広い帯域の光を吸収して電流とすることが
でき、太陽電池の短絡電流が上昇してその変換効率を上
昇させることができる。また、本発明の太陽電池は、基
本的には単一接合太陽電池であるので、タンデム型太陽
電池を形成する際のような複雑なプロセス技術を一切使
用する必要がない。
て光吸収用のＧａＡｓ層１０６が形成されている。この
ＧａＡｓ層１０６は、ｎ型層上にｐ型層を成長したもの
でこれによりｐｎ接合が形成される。このＧａＡｓ層１
０６中には、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸型光吸収層
１０８が設けられている。この層１０８は、ＧａＡｓ１
０６よりも長波長側の光を吸収するためのものである。
したがって、広い帯域の光を吸収して電流とすることが
でき、太陽電池の短絡電流が上昇してその変換効率を上
昇させることができる。また、本発明の太陽電池は、基
本的には単一接合太陽電池であるので、タンデム型太陽
電池を形成する際のような複雑なプロセス技術を一切使
用する必要がない。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高い変換効率を有する
新規な太陽電池に関するものである。
新規な太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
単結晶基板上にエピタキシャル成長法を用いて半導体太
陽電池を構成したものとして、例えば、文献「IEEE TRA
NSACTION ON ELECTRON DEVICES VOL.37p469(1990)」に
示されるように、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型
ＧａＡｓ基板上にｎ層及びｐ層のＧａＡｓエピタキシャ
ル層を成長し、さらにこの上にＡｌＧａＡｓ層からなる
窓層と呼ばれる層などを形成することで、２５％近い変
換効率を持つ太陽電池を得ることができる例があげられ
ている。
単結晶基板上にエピタキシャル成長法を用いて半導体太
陽電池を構成したものとして、例えば、文献「IEEE TRA
NSACTION ON ELECTRON DEVICES VOL.37p469(1990)」に
示されるように、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型
ＧａＡｓ基板上にｎ層及びｐ層のＧａＡｓエピタキシャ
ル層を成長し、さらにこの上にＡｌＧａＡｓ層からなる
窓層と呼ばれる層などを形成することで、２５％近い変
換効率を持つ太陽電池を得ることができる例があげられ
ている。
【０００３】図１に、この種のＧａＡｓ単一結合太陽電
池の具体的構造を示し、図２に、その分光感度特性を示
す。図示のように、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギ
ーに相当する波長８７０ｎｍ（エネルギーにして１．４
ｅＶ）の光より短波長側の光をほぼ完全に吸収して光電
変換を行っているのがわかる。
池の具体的構造を示し、図２に、その分光感度特性を示
す。図示のように、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギ
ーに相当する波長８７０ｎｍ（エネルギーにして１．４
ｅＶ）の光より短波長側の光をほぼ完全に吸収して光電
変換を行っているのがわかる。
【０００４】このような太陽電池をさらに高効率化させ
るためのアイディアとして、多段接合型太陽電池（タン
デム型太陽電池）の構造が提案されている。具体的に
は、ＧａＡｓからなる太陽電池と、これよりバンドギャ
ップエネルギーが小さくより長波長側の光まで吸収でき
るＳｉ等からなる太陽電池との積層構造を形成するこ
と、あるいは、ＧａＡｓからなる太陽電池と、よりバン
ドギャップエネルギーが大きくより短波長側の光まで吸
収できて取り出し電圧を高くすることのできるＡｌＧａ
Ａｓ等からなる太陽電池との積層構造を形成することが
考えれる。
るためのアイディアとして、多段接合型太陽電池（タン
デム型太陽電池）の構造が提案されている。具体的に
は、ＧａＡｓからなる太陽電池と、これよりバンドギャ
ップエネルギーが小さくより長波長側の光まで吸収でき
るＳｉ等からなる太陽電池との積層構造を形成するこ
と、あるいは、ＧａＡｓからなる太陽電池と、よりバン
ドギャップエネルギーが大きくより短波長側の光まで吸
収できて取り出し電圧を高くすることのできるＡｌＧａ
Ａｓ等からなる太陽電池との積層構造を形成することが
考えれる。
【０００５】しかしながら、このタンデム型太陽電池構
造を実現するには、例えば文献「Appl. Phys. Lett. Vo
l.55 p1741(1989)」に示されているように、非常に精巧
なプロセス技術が必要となることなどから、設計通りの
高い変換効率を持つ太陽電池を得ることが現状では難し
いことがわかってきている。
造を実現するには、例えば文献「Appl. Phys. Lett. Vo
l.55 p1741(1989)」に示されているように、非常に精巧
なプロセス技術が必要となることなどから、設計通りの
高い変換効率を持つ太陽電池を得ることが現状では難し
いことがわかってきている。
【０００６】太陽電池を高効率化させるための別のアイ
ディアとして、ｐｎ接合近傍の光吸収層中に局所的な欠
陥層を導入することが提案されている（文献「Appl. Ph
ys.Lett. Vol.60 p2240(1992)」）。具体的には、単結
晶Ｓｉにプロトンを高濃度にイオン注入することによっ
て結晶中に局所的な欠陥層を導入することにより太陽電
池の効率を高め得ることが記載されている。
ディアとして、ｐｎ接合近傍の光吸収層中に局所的な欠
陥層を導入することが提案されている（文献「Appl. Ph
ys.Lett. Vol.60 p2240(1992)」）。具体的には、単結
晶Ｓｉにプロトンを高濃度にイオン注入することによっ
て結晶中に局所的な欠陥層を導入することにより太陽電
池の効率を高め得ることが記載されている。
【０００７】しかしながら、この欠陥層における欠陥準
位は、欠陥層以外の部分で発生した光電流の担い手であ
る少数キャリアを再結合により消滅させてしまうという
働きも有するために、太陽電池の短絡電流を大きくとる
ことができず、十分な変換効率を達成することができな
い。
位は、欠陥層以外の部分で発生した光電流の担い手であ
る少数キャリアを再結合により消滅させてしまうという
働きも有するために、太陽電池の短絡電流を大きくとる
ことができず、十分な変換効率を達成することができな
い。
【０００８】そこで、本発明は、より簡単なプロセス技
術により実現可能で、かつ、高い変換効率を有する太陽
電池を提供することを目的とする。
術により実現可能で、かつ、高い変換効率を有する太陽
電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る太陽電池は、第１導電型の半導体結晶
から形成された第１導電型層と、第２導電型の半導体結
晶から形成されるととももに前記第１導電型層に接合さ
れた第２導電型層とを備える太陽電池において、第１及
び第２導電型層の少なくとも一方に、これらの半導体結
晶のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有す
る半導体結晶からなるポテンシャル井戸層を含む副吸収
領域を設けることとしている。
め、本発明に係る太陽電池は、第１導電型の半導体結晶
から形成された第１導電型層と、第２導電型の半導体結
晶から形成されるととももに前記第１導電型層に接合さ
れた第２導電型層とを備える太陽電池において、第１及
び第２導電型層の少なくとも一方に、これらの半導体結
晶のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有す
る半導体結晶からなるポテンシャル井戸層を含む副吸収
領域を設けることとしている。
【００１０】
【作用】上記太陽電池によれば、第１及び第２導電型層
の少なくとも一方に、これらの半導体結晶のバンドギャ
ップよりも小さいバンドギャップを有する半導体結晶か
らなるポテンシャル井戸層を含む副吸収領域を設けてい
るので、第１及び第２導電型層を構成する半導体結晶の
バンドギャップに対応する波長の光のみならず、ポテン
シャル井戸層を構成する半導体結晶のバンドギャップに
対応する波長の光をも吸収して光電変換することがで
き、したがって、広帯域に亘って高い変換効率を達成す
ることができる。
の少なくとも一方に、これらの半導体結晶のバンドギャ
ップよりも小さいバンドギャップを有する半導体結晶か
らなるポテンシャル井戸層を含む副吸収領域を設けてい
るので、第１及び第２導電型層を構成する半導体結晶の
バンドギャップに対応する波長の光のみならず、ポテン
シャル井戸層を構成する半導体結晶のバンドギャップに
対応する波長の光をも吸収して光電変換することがで
き、したがって、広帯域に亘って高い変換効率を達成す
ることができる。
【００１１】ここで、副吸収領域は、単一量子井戸構造
からなるものとしてもよいし、複数量子井戸層を備える
超格子構造からなるものとしてもよい。この場合、副吸
収領域と第１及び第２導電型層の接合面との間の距離を
０．５μｍ以下とすることが、励起されたキャリアの再
結合消滅を防止する観点からは望ましい。さらに、第１
及び第２導電型層を構成する半導体結晶として、例えば
ＧａＡｓ結晶を用いた場合、ポテンシャル井戸層として
ＩｎＧａＡｓ結晶を用いることができる。さらに、第１
及び第２導電型層の材料としてＩｎＰ結晶を用いた場
合、ポテンシャル井戸層としてＩｎＡｓＰ結晶又はＩｎ
ＧａＡｓＰ結晶を用いることができる。さらに、第１及
び第２導電型層の材料としてＳｉ結晶を用いた場合、ポ
テンシャル井戸層としてＧｅ結晶を用いることができ
る。
からなるものとしてもよいし、複数量子井戸層を備える
超格子構造からなるものとしてもよい。この場合、副吸
収領域と第１及び第２導電型層の接合面との間の距離を
０．５μｍ以下とすることが、励起されたキャリアの再
結合消滅を防止する観点からは望ましい。さらに、第１
及び第２導電型層を構成する半導体結晶として、例えば
ＧａＡｓ結晶を用いた場合、ポテンシャル井戸層として
ＩｎＧａＡｓ結晶を用いることができる。さらに、第１
及び第２導電型層の材料としてＩｎＰ結晶を用いた場
合、ポテンシャル井戸層としてＩｎＡｓＰ結晶又はＩｎ
ＧａＡｓＰ結晶を用いることができる。さらに、第１及
び第２導電型層の材料としてＳｉ結晶を用いた場合、ポ
テンシャル井戸層としてＧｅ結晶を用いることができ
る。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する前
に、本発明の思想又は概念について図面を参照しつつ具
体的に説明する。
に、本発明の思想又は概念について図面を参照しつつ具
体的に説明する。
【００１３】図３は、本発明の思想に基づく太陽電池の
構成例を示す断面図である。ｐｎ接合を構成する半導体
の光吸収層内に、ポテンシャル井戸層（例えば、量子井
戸構造を構成するエピタキシャル層）からなる副吸収領
域を形成する。図３（ａ）は、量子井戸型のポテンシャ
ル井戸層からなる副吸収領域をｐ層側に設けた例を示
し、図３（ｂ）は、同様の副吸収領域をｎ層側に設けた
例を示し、図３（ｃ）は、同様の副吸収領域をｐ層およ
びｎ層の双方に設けた例を示す。
構成例を示す断面図である。ｐｎ接合を構成する半導体
の光吸収層内に、ポテンシャル井戸層（例えば、量子井
戸構造を構成するエピタキシャル層）からなる副吸収領
域を形成する。図３（ａ）は、量子井戸型のポテンシャ
ル井戸層からなる副吸収領域をｐ層側に設けた例を示
し、図３（ｂ）は、同様の副吸収領域をｎ層側に設けた
例を示し、図３（ｃ）は、同様の副吸収領域をｐ層およ
びｎ層の双方に設けた例を示す。
【００１４】図３（ａ）〜図３（ｃ）に共通する点につ
いてまず説明する。図示のように、半導体単結晶からな
るｎ型基板２上に例えばこれと同一の半導体単結晶から
なるｎ層４とｐ層６とがエピタキシャル成長される。こ
れらｎ層４およびｐ層６の界面にはｐｎ接合部５が形成
されている。ｎ型基板２の裏面とｐ層６の上面には、電
極８、９がそれぞれ形成される。
いてまず説明する。図示のように、半導体単結晶からな
るｎ型基板２上に例えばこれと同一の半導体単結晶から
なるｎ層４とｐ層６とがエピタキシャル成長される。こ
れらｎ層４およびｐ層６の界面にはｐｎ接合部５が形成
されている。ｎ型基板２の裏面とｐ層６の上面には、電
極８、９がそれぞれ形成される。
【００１５】図３（ａ）の場合、ｐ層６の内部に、副吸
収領域として、ｐ層６の半導体結晶のバンドギャップよ
りも小さいバンドギャップを有する半導体結晶からなる
量子井戸型光吸収層１６を形成している。図３（ｂ）の
場合、ｎ層４の内部に、副吸収領域として、上記と同様
の量子井戸型光吸収層１４を形成している。図３（ｃ）
の場合、ｐ層６およびｎ層４の双方の内部に、副吸収領
域として、上記と同様の量子井戸型光吸収層１４、１６
を形成している。このような量子井戸型光吸収層１４、
１６の存在により、ｎ層４及びｐ層６が吸収する光より
もエネルギーの小さい光を吸収することができる。
収領域として、ｐ層６の半導体結晶のバンドギャップよ
りも小さいバンドギャップを有する半導体結晶からなる
量子井戸型光吸収層１６を形成している。図３（ｂ）の
場合、ｎ層４の内部に、副吸収領域として、上記と同様
の量子井戸型光吸収層１４を形成している。図３（ｃ）
の場合、ｐ層６およびｎ層４の双方の内部に、副吸収領
域として、上記と同様の量子井戸型光吸収層１４、１６
を形成している。このような量子井戸型光吸収層１４、
１６の存在により、ｎ層４及びｐ層６が吸収する光より
もエネルギーの小さい光を吸収することができる。
【００１６】以上の説明から明らかなように、量子井戸
型光吸収層１４、１６を形成すべき位置は、ｎ層４中で
あっても、ｐ層中であっても、或いはその双方中であっ
てもよく、さらに、ｎ層４またはｐ層６中の複数箇所で
あってもよい。さらに、図示の接合とは逆に、ｎ層がｐ
層上にあるような構造でも同様である。ただし、量子井
戸型光吸収層１４、１６は、ｐｎ接合部５の近傍にある
ことが必要で、ｐｎ接合部５と量子井戸型光吸収層１
４、１６との間の距離を０．５μｍ以下とすることが望
ましい。一般に、ｐｎ接合部５と量子井戸型光吸収層１
４、１６の間の距離が０．５μｍを越えてしまうと、量
子井戸型光吸収層１４、１６で入射光に応じて発生した
少数キャリアがｐｎ接合部５に到達する確率が低くなっ
て、取り出すことのできる電流が小さくなってしまう。
型光吸収層１４、１６を形成すべき位置は、ｎ層４中で
あっても、ｐ層中であっても、或いはその双方中であっ
てもよく、さらに、ｎ層４またはｐ層６中の複数箇所で
あってもよい。さらに、図示の接合とは逆に、ｎ層がｐ
層上にあるような構造でも同様である。ただし、量子井
戸型光吸収層１４、１６は、ｐｎ接合部５の近傍にある
ことが必要で、ｐｎ接合部５と量子井戸型光吸収層１
４、１６との間の距離を０．５μｍ以下とすることが望
ましい。一般に、ｐｎ接合部５と量子井戸型光吸収層１
４、１６の間の距離が０．５μｍを越えてしまうと、量
子井戸型光吸収層１４、１６で入射光に応じて発生した
少数キャリアがｐｎ接合部５に到達する確率が低くなっ
て、取り出すことのできる電流が小さくなってしまう。
【００１７】図４は、図３（ａ）中の量子井戸型光吸収
層１６の具体的構造を示した概略図である。図４（ａ）
は、単一の量子井戸からなる量子井戸構造をｐ層６中に
形成した例を示し、図４（ｂ）は、多数の量子井戸から
なる超格子構造をｐ層６中形成した例を示す。図中で、
ｐｎ接合５を形成している半導体層を半導体Ａ層と表
し、量子井戸部分を形成している半導体層を半導体Ｂ層
と表している。この場合、半導体Ｂ層のバンドギャップ
エネルギーは半導体Ａ層のバンドギャップエネルギーよ
りも小さくなっている。この結果、半導体Ｂ層では、半
導体Ａ層で吸収される光よりも長波長の光が吸収され
る。以上のような半導体Ｂ層は、エピタキシャル層全体
の結晶性を損なわない範囲の格子不整合歪量子井戸層で
あってもかまわない。なお、図４（ａ）または図４
（ｂ）に例示した量子井戸型光吸収層は、図３（ｂ）ま
たは図３（ｃ）の太陽電池にもそのまま組み込むことが
できる。
層１６の具体的構造を示した概略図である。図４（ａ）
は、単一の量子井戸からなる量子井戸構造をｐ層６中に
形成した例を示し、図４（ｂ）は、多数の量子井戸から
なる超格子構造をｐ層６中形成した例を示す。図中で、
ｐｎ接合５を形成している半導体層を半導体Ａ層と表
し、量子井戸部分を形成している半導体層を半導体Ｂ層
と表している。この場合、半導体Ｂ層のバンドギャップ
エネルギーは半導体Ａ層のバンドギャップエネルギーよ
りも小さくなっている。この結果、半導体Ｂ層では、半
導体Ａ層で吸収される光よりも長波長の光が吸収され
る。以上のような半導体Ｂ層は、エピタキシャル層全体
の結晶性を損なわない範囲の格子不整合歪量子井戸層で
あってもかまわない。なお、図４（ａ）または図４
（ｂ）に例示した量子井戸型光吸収層は、図３（ｂ）ま
たは図３（ｃ）の太陽電池にもそのまま組み込むことが
できる。
【００１８】図５に、単一の量子井戸からなる量子井戸
構造を備えるタイプの太陽電池（図３（ａ）対応）のバ
ンドダイアグラムを概念的に示す。図示のように、ｐ層
６中に部分的にバンドギャップの小さい部分、すなわち
量子井戸型光吸収層１６が存在するが、ここはあたかも
ミッドギャップ状態ができたように作用するため、この
部分でｐ層６のバンドギャップエネルギーよりも小さい
エネルギーの光をも吸収して電流とすることができる。
したがって、太陽電池の短絡電流が上昇してその変換効
率を上昇させることができる。
構造を備えるタイプの太陽電池（図３（ａ）対応）のバ
ンドダイアグラムを概念的に示す。図示のように、ｐ層
６中に部分的にバンドギャップの小さい部分、すなわち
量子井戸型光吸収層１６が存在するが、ここはあたかも
ミッドギャップ状態ができたように作用するため、この
部分でｐ層６のバンドギャップエネルギーよりも小さい
エネルギーの光をも吸収して電流とすることができる。
したがって、太陽電池の短絡電流が上昇してその変換効
率を上昇させることができる。
【００１９】以上説明したように、本発明の太陽電池
は、基本的には単一接合太陽電池であるので、タンデム
型太陽電池を形成する際のような複雑なプロセス技術を
一切使用する必要がなく、通常の光吸収層のエピタキシ
ャル成長中に別の材料からなる量子井戸型光吸収層（副
吸収層）、をエピタキシャル成長することで簡単に構成
することができる。
は、基本的には単一接合太陽電池であるので、タンデム
型太陽電池を形成する際のような複雑なプロセス技術を
一切使用する必要がなく、通常の光吸収層のエピタキシ
ャル成長中に別の材料からなる量子井戸型光吸収層（副
吸収層）、をエピタキシャル成長することで簡単に構成
することができる。
【００２０】太陽電池のｐｎ接合を構成する半導体のバ
ンドギャップエネルギーよりもエネルギーの小さい光を
吸収させて光電変換させるという試みとして、上記文献
「Appl. Phys. Lett. Vol.60 p2240(1992)」に示される
ように、単結晶Ｓｉにプロトンを高濃度にイオン注入す
ることで、結晶中に局所的な欠陥層を導入するという方
法が既に行われている。この方法では、導入された欠陥
層にはそのバンドギャップ中に欠陥準位が形成されてい
るため、この欠陥準位を介してバンドギャップエネルギ
ーよりもエネルギーの小さい光を吸収することが可能に
なると推測されている。しかしながら、この欠陥層にお
ける欠陥準位は、欠陥層以外の部分で光により発生した
光電流の担い手である少数キャリアを再結合により消滅
させてしまうという働きもするために、太陽電池として
は、光による電流（短絡電流）を大きくとることができ
ず、かえって変換効率の低下を招くこととなる。これに
対して本発明では、ｐｎ接合を構成する半導体のバンド
ギャップエネルギーよりもエネルギーの小さい光を吸収
させて光電変換させるための方法として、よりバンドギ
ャップエネルギーの小さい結晶層を用いて単一量子井戸
層、超格子井戸層等の結晶乱れの少ないポテンシャル井
戸層を導入することから、少数キャリアの再結合の主た
る原因となるような欠陥準位が導入されず、光による電
流をより大きくとることができる。
ンドギャップエネルギーよりもエネルギーの小さい光を
吸収させて光電変換させるという試みとして、上記文献
「Appl. Phys. Lett. Vol.60 p2240(1992)」に示される
ように、単結晶Ｓｉにプロトンを高濃度にイオン注入す
ることで、結晶中に局所的な欠陥層を導入するという方
法が既に行われている。この方法では、導入された欠陥
層にはそのバンドギャップ中に欠陥準位が形成されてい
るため、この欠陥準位を介してバンドギャップエネルギ
ーよりもエネルギーの小さい光を吸収することが可能に
なると推測されている。しかしながら、この欠陥層にお
ける欠陥準位は、欠陥層以外の部分で光により発生した
光電流の担い手である少数キャリアを再結合により消滅
させてしまうという働きもするために、太陽電池として
は、光による電流（短絡電流）を大きくとることができ
ず、かえって変換効率の低下を招くこととなる。これに
対して本発明では、ｐｎ接合を構成する半導体のバンド
ギャップエネルギーよりもエネルギーの小さい光を吸収
させて光電変換させるための方法として、よりバンドギ
ャップエネルギーの小さい結晶層を用いて単一量子井戸
層、超格子井戸層等の結晶乱れの少ないポテンシャル井
戸層を導入することから、少数キャリアの再結合の主た
る原因となるような欠陥準位が導入されず、光による電
流をより大きくとることができる。
【００２１】以下、本発明の好適な実施例を具体的に説
明する。本実施例では、太陽電池のｐｎ接合を形成する
半導体としてＧａＡｓを採用し、量子井戸型光吸収層と
して、単一歪量子井戸構造のＩｎＧａＡｓ層を用いた場
合について説明する。
明する。本実施例では、太陽電池のｐｎ接合を形成する
半導体としてＧａＡｓを採用し、量子井戸型光吸収層と
して、単一歪量子井戸構造のＩｎＧａＡｓ層を用いた場
合について説明する。
【００２２】図６及び図７に、実施例の太陽電池の構造
及びその製造方法を示す。
及びその製造方法を示す。
【００２３】まず、図６のような構造のエピタキシャル
ウェハを準備する。基板１０２直上のｎ−ＧａＡｓ層
は、その上に形成すべき光吸収用のエピタキシャル層１
０６の結晶性を良くするために設けたバッファ層１０４
である。エピタキシャル層１０６は、ｐ−ＧａＡｓ層と
ｎ−ＧａＡｓ層とからなり、これらの層によってｐｎ接
合が形成される。このエピタキシャル層１０６中に形成
されたＩｎＧａＡｓ層は、エピタキシャル層１０６より
も長波長側の光を吸収するために設けた量子井戸型光吸
収層１０８である。エピタキシャル層１０６上に形成さ
れたｐ−ＡｌＧａＡｓ層は、光によりｐ−ＧａＡｓ層中
で励起された少数キャリア（電子）が表面（界面）で再
結合することを防止するために設けた窓層１１０であ
る。最上のｐ−ＧａＡｓ層は、電極の接触抵抗を下げる
ために設けたコンタクト層１１４である。また、光によ
りｎ−ＧａＡｓ層中で励起された少数キャリア（正孔）
の再結合を防止するため、バッファ層１０４とエピタキ
シャル層１０６との間にｎ−ＡｌＧａＡｓからなるミラ
ー層を設ける。
ウェハを準備する。基板１０２直上のｎ−ＧａＡｓ層
は、その上に形成すべき光吸収用のエピタキシャル層１
０６の結晶性を良くするために設けたバッファ層１０４
である。エピタキシャル層１０６は、ｐ−ＧａＡｓ層と
ｎ−ＧａＡｓ層とからなり、これらの層によってｐｎ接
合が形成される。このエピタキシャル層１０６中に形成
されたＩｎＧａＡｓ層は、エピタキシャル層１０６より
も長波長側の光を吸収するために設けた量子井戸型光吸
収層１０８である。エピタキシャル層１０６上に形成さ
れたｐ−ＡｌＧａＡｓ層は、光によりｐ−ＧａＡｓ層中
で励起された少数キャリア（電子）が表面（界面）で再
結合することを防止するために設けた窓層１１０であ
る。最上のｐ−ＧａＡｓ層は、電極の接触抵抗を下げる
ために設けたコンタクト層１１４である。また、光によ
りｎ−ＧａＡｓ層中で励起された少数キャリア（正孔）
の再結合を防止するため、バッファ層１０４とエピタキ
シャル層１０６との間にｎ−ＡｌＧａＡｓからなるミラ
ー層を設ける。
【００２４】基板１０２としては、キャリア濃度が１×
１０18ｃｍ-3のＳｉドープ：ＨＢ−ＧａＡｓ（３”φ）
を硫酸系のエッチャントで前処理したものを用いた。エ
ピタキシャル層１０６、量子井戸型光吸収層１０８等の
エピタキシャル成長法としては、ＭＢＥ（Molecular Be
am Epitaxy）を用いた。量子井戸型光吸収層１０８を構
成するＩｎＧａＡｓ層は、ＧａＡｓとの格子不整合が大
きいためにある限界厚みを超えると結晶格子が乱れてし
まうが、精密な膜厚制御が可能なＭＢＥ法を用いれば、
この限界膜厚以下で良好な歪量子井戸層（ pseudomorph
ic層）を形成することができる。エピタキシャル層１０
６及び量子井戸型光吸収層１０８の成長に際しては、成
長時の基板温度を５５０℃とし、ｎ型ドーパントとして
Ｓｉを使用し、ｐ型ドーパントとしてＢｅを使用した。
量子井戸型光吸収層１０８はｐ型で、そのキャリア密度
はＧａＡｓとほぼ等しくした。この量子井戸型光吸収層
１０８のＩｎの組成は０．２５で、その膜厚は格子の乱
れを起こさない歪格子層すなわち歪量子井戸層の限界に
近い１００オングストロームとした。
１０18ｃｍ-3のＳｉドープ：ＨＢ−ＧａＡｓ（３”φ）
を硫酸系のエッチャントで前処理したものを用いた。エ
ピタキシャル層１０６、量子井戸型光吸収層１０８等の
エピタキシャル成長法としては、ＭＢＥ（Molecular Be
am Epitaxy）を用いた。量子井戸型光吸収層１０８を構
成するＩｎＧａＡｓ層は、ＧａＡｓとの格子不整合が大
きいためにある限界厚みを超えると結晶格子が乱れてし
まうが、精密な膜厚制御が可能なＭＢＥ法を用いれば、
この限界膜厚以下で良好な歪量子井戸層（ pseudomorph
ic層）を形成することができる。エピタキシャル層１０
６及び量子井戸型光吸収層１０８の成長に際しては、成
長時の基板温度を５５０℃とし、ｎ型ドーパントとして
Ｓｉを使用し、ｐ型ドーパントとしてＢｅを使用した。
量子井戸型光吸収層１０８はｐ型で、そのキャリア密度
はＧａＡｓとほぼ等しくした。この量子井戸型光吸収層
１０８のＩｎの組成は０．２５で、その膜厚は格子の乱
れを起こさない歪格子層すなわち歪量子井戸層の限界に
近い１００オングストロームとした。
【００２５】次に、図６のエピタキシャルウェハをデバ
イス化して図７に示す太陽電池を作製する。このプロセ
スは以下のような構成であった。まず、ウェハ表面の酸
化物を除去するために塩酸による洗浄を行う。次に、ウ
ェハ裏面（基板１０２の裏面）の全面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎ
ｉ／Ｎｉ／Ａｕ層を抵抗加熱蒸着法により真空中で蒸着
し、これに４２０℃で３分間の合金化熱処理を施してｎ
型オーミック電極１１６とする。その後、ウェハ上面に
フォトリソグラフィにより電極パターンを形成する。具
体的に説明すると、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ層をコンタクト層
１１４上に蒸着し、リフトオフを用いて電極パターンを
形成し、ｎ型オーミック電極１１６と同様の合金化処理
等によってｐ型オーミック電極１１８を形成する。つづ
いて、アンモニア水と過剰の過酸化水素水とｐＨ緩衝剤
との混合液からなるエッチング液を用い、ＡｌＧａＡｓ
の窓層１１０を残して電極のついていない部分のコンタ
クト層１１４を選択的に除去する。さらに、太陽電池を
分離させるためのメサエッチングを施したうえで、ＥＢ
蒸着法により真空中でＺｎＳとＭｇＦ2 からなる２層反
射防止膜（図示せず）を蒸着する。
イス化して図７に示す太陽電池を作製する。このプロセ
スは以下のような構成であった。まず、ウェハ表面の酸
化物を除去するために塩酸による洗浄を行う。次に、ウ
ェハ裏面（基板１０２の裏面）の全面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎ
ｉ／Ｎｉ／Ａｕ層を抵抗加熱蒸着法により真空中で蒸着
し、これに４２０℃で３分間の合金化熱処理を施してｎ
型オーミック電極１１６とする。その後、ウェハ上面に
フォトリソグラフィにより電極パターンを形成する。具
体的に説明すると、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ層をコンタクト層
１１４上に蒸着し、リフトオフを用いて電極パターンを
形成し、ｎ型オーミック電極１１６と同様の合金化処理
等によってｐ型オーミック電極１１８を形成する。つづ
いて、アンモニア水と過剰の過酸化水素水とｐＨ緩衝剤
との混合液からなるエッチング液を用い、ＡｌＧａＡｓ
の窓層１１０を残して電極のついていない部分のコンタ
クト層１１４を選択的に除去する。さらに、太陽電池を
分離させるためのメサエッチングを施したうえで、ＥＢ
蒸着法により真空中でＺｎＳとＭｇＦ2 からなる２層反
射防止膜（図示せず）を蒸着する。
【００２６】図８に、図７の太陽電池の電流電圧特性を
示す。なお、点線は量子井戸型光吸収層１０８を形成し
ていない従来型のＧａＡｓ太陽電池に対応する比較試料
の特性を示す。一見して分かるように、実施例の太陽電
池ではこれを流れる電流密度、すなわち短絡電流が増加
している。この結果、変換効率は、実施例の太陽電池の
方が比較例の太陽電池に比べ比率にして５％程度上昇し
た。
示す。なお、点線は量子井戸型光吸収層１０８を形成し
ていない従来型のＧａＡｓ太陽電池に対応する比較試料
の特性を示す。一見して分かるように、実施例の太陽電
池ではこれを流れる電流密度、すなわち短絡電流が増加
している。この結果、変換効率は、実施例の太陽電池の
方が比較例の太陽電池に比べ比率にして５％程度上昇し
た。
【００２７】図９に、図７の太陽電池の分光感度特性を
示す。なお、点線は量子井戸型光吸収層１０８を形成し
ていない比較試料の特性を示す。図から明らかなよう
に、実施例の太陽電池ではＧａＡｓのバンドギャップエ
ネルギーよりも小さいエネルギーの光、つまり波長８７
０ｎｍ以上の光も吸収して電流とすることに成功してお
り、前述の本発明の目的が実現されている。
示す。なお、点線は量子井戸型光吸収層１０８を形成し
ていない比較試料の特性を示す。図から明らかなよう
に、実施例の太陽電池ではＧａＡｓのバンドギャップエ
ネルギーよりも小さいエネルギーの光、つまり波長８７
０ｎｍ以上の光も吸収して電流とすることに成功してお
り、前述の本発明の目的が実現されている。
【００２８】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えば、上記実施例のＧａＡｓ接合層の代わりに
ＩｎＰ接合層を用い、量子井戸型光吸収層を構成する半
導体としてＩｎＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓＰを採用した
構造でも上記と同様の効果が得られる。ただしこの構造
は、ＧａＡｓ接合層を用いた上記実施例と異なって格子
不整合の影響が少ないことから、ＭＯＣＶＤ法によりエ
ピタキシャル成長させる方が適している。さらに別の構
造として、上記実施例のＧａＡｓ接合層の代わりにＳｉ
接合層を用い、量子井戸型光吸収層を構成する半導体と
してＧｅを採用した構造でも上記と同様の効果が得られ
る。この構造は、ＧａＡｓ接合層を用いた上記実施例と
同様に格子不整合の影響が少ないことから、エピタキシ
ャル成長法として、精密な膜厚制御が可能な熱ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法等が適している。さらに、上記実施例の量
子井戸型光吸収層の代わりに、量子効果の現れない単な
るポテンシャル井戸層を用いることもできる。例えば、
ＩｎＰ層中に比較的厚くても格子不整合が生じないＩｎ
ＧａＡｓＰ等の井戸層を設けることができる。
ない。例えば、上記実施例のＧａＡｓ接合層の代わりに
ＩｎＰ接合層を用い、量子井戸型光吸収層を構成する半
導体としてＩｎＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓＰを採用した
構造でも上記と同様の効果が得られる。ただしこの構造
は、ＧａＡｓ接合層を用いた上記実施例と異なって格子
不整合の影響が少ないことから、ＭＯＣＶＤ法によりエ
ピタキシャル成長させる方が適している。さらに別の構
造として、上記実施例のＧａＡｓ接合層の代わりにＳｉ
接合層を用い、量子井戸型光吸収層を構成する半導体と
してＧｅを採用した構造でも上記と同様の効果が得られ
る。この構造は、ＧａＡｓ接合層を用いた上記実施例と
同様に格子不整合の影響が少ないことから、エピタキシ
ャル成長法として、精密な膜厚制御が可能な熱ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法等が適している。さらに、上記実施例の量
子井戸型光吸収層の代わりに、量子効果の現れない単な
るポテンシャル井戸層を用いることもできる。例えば、
ＩｎＰ層中に比較的厚くても格子不整合が生じないＩｎ
ＧａＡｓＰ等の井戸層を設けることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る太陽
電池は、第１及び第２導電型層の少なくとも一方に、こ
れらの半導体結晶のバンドギャップよりも小さいバンド
ギャップを有する半導体結晶からなるポテンシャル井戸
層を含む副吸収領域を設けているので、第１及び第２導
電型層を構成する半導体結晶のバンドギャップに対応す
る波長の光のみならず、ポテンシャル井戸層を構成する
半導体結晶のバンドギャップに対応する波長の光をも吸
収して光電変換することができ、したがって、広帯域に
亘って高い変換効率を達成することができる。しかも、
第１及び第２導電型層の少なくとも一方の結晶成長中に
ポテンシャル井戸層を結晶成長するだけで副吸収領域を
形成できるので、太陽電池の作製にあたって複雑なプロ
セス技術を必要としない。
電池は、第１及び第２導電型層の少なくとも一方に、こ
れらの半導体結晶のバンドギャップよりも小さいバンド
ギャップを有する半導体結晶からなるポテンシャル井戸
層を含む副吸収領域を設けているので、第１及び第２導
電型層を構成する半導体結晶のバンドギャップに対応す
る波長の光のみならず、ポテンシャル井戸層を構成する
半導体結晶のバンドギャップに対応する波長の光をも吸
収して光電変換することができ、したがって、広帯域に
亘って高い変換効率を達成することができる。しかも、
第１及び第２導電型層の少なくとも一方の結晶成長中に
ポテンシャル井戸層を結晶成長するだけで副吸収領域を
形成できるので、太陽電池の作製にあたって複雑なプロ
セス技術を必要としない。
【図１】従来技術によるＧａＡｓを用いた化合物半導体
太陽電池の構造の断面図。
太陽電池の構造の断面図。
【図２】図１のＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性を示す
図で、横軸は入射光の波長で、縦軸は入射光がどれくら
いの割合で電流に変換されているかを表す量子効率であ
る。
図で、横軸は入射光の波長で、縦軸は入射光がどれくら
いの割合で電流に変換されているかを表す量子効率であ
る。
【図３】発明の構成を示した図であり、図３（ａ）はｐ
ｎ接合部より上側のｐ層に量子井戸型光吸収層を形成し
た太陽電池を示し、図３（ｂ）はｐｎ接合部より下側の
ｎ層に量子井戸型光吸収層を形成した太陽電池を示し、
図３（ｃ）はｐｎ接合部の上下両方つまりｐ層およびｎ
層に量子井戸型光吸収層を形成した太陽電池を示す。
ｎ接合部より上側のｐ層に量子井戸型光吸収層を形成し
た太陽電池を示し、図３（ｂ）はｐｎ接合部より下側の
ｎ層に量子井戸型光吸収層を形成した太陽電池を示し、
図３（ｃ）はｐｎ接合部の上下両方つまりｐ層およびｎ
層に量子井戸型光吸収層を形成した太陽電池を示す。
【図４】発明の概念を説明する図であり、図中で、半導
体Ｂのバンドギャップは半導体Ａのバンドギャップより
も小さくなっている。ここで、図４（ａ）は単一の量子
井戸層から構成される場合を示し、図４（ｂ）は半導体
Ａと半導体Ｂによる超格子量子井戸層（多数量子井戸
層）から構成される場合を示す。
体Ｂのバンドギャップは半導体Ａのバンドギャップより
も小さくなっている。ここで、図４（ａ）は単一の量子
井戸層から構成される場合を示し、図４（ｂ）は半導体
Ａと半導体Ｂによる超格子量子井戸層（多数量子井戸
層）から構成される場合を示す。
【図５】図４（ａ）のように単一量子井戸層から量子井
戸型光吸収層が構成される太陽電池のエネルギーバンド
図。
戸型光吸収層が構成される太陽電池のエネルギーバンド
図。
【図６】ＭＢＥ法によりＩｎＧａＡｓ層を形成したＧａ
Ａｓ太陽電池用のエピタキシャルウェハの構造を示す断
面図。
Ａｓ太陽電池用のエピタキシャルウェハの構造を示す断
面図。
【図７】図７のウェハから得られた太陽電池の構造を示
す断面図。
す断面図。
【図８】図７の太陽電池の電流電圧特性（実線）を示す
図。図中の点線は、従来型のＧａＡｓ単一接合太陽電池
の電流電圧特性を示す。
図。図中の点線は、従来型のＧａＡｓ単一接合太陽電池
の電流電圧特性を示す。
【図９】図７の太陽電池の分光感度特性（実線）を示す
図。図中の点線は、従来型のＧａＡｓ単一接合太陽電池
の分光感度特性を示す。
図。図中の点線は、従来型のＧａＡｓ単一接合太陽電池
の分光感度特性を示す。
２…基板、４，６…第１及び第２導電型層、１４，１５
…副吸収領域。
…副吸収領域。
Claims (7)
- 【請求項１】 第１導電型の半導体結晶から形成された
第１導電型層と、第２導電型の半導体結晶から形成され
るとともに前記第１導電型層に接合された第２導電型層
とを備える太陽電池において、 前記第１及び第２導電型層の少なくとも一方に、これら
の半導体結晶のバンドギャップよりも小さいバンドギャ
ップを有する半導体結晶からなるポテンシャル井戸層を
含む副吸収領域を設けたことを特徴とする太陽電池。 - 【請求項２】 前記副吸収領域は、単一量子井戸構造の
ポテンシャル井戸層を含むことを特徴とする請求項１記
載の太陽電池。 - 【請求項３】 前記副吸収領域は、複数のポテンシャル
井戸層からなる超格子層を含むことを特徴とする請求項
１記載の太陽電池。 - 【請求項４】 前記副吸収領域と前記第１及び第２導電
型層の接合面との間の距離が０．５μｍ以下であること
を特徴とする請求項１記載の太陽電池。 - 【請求項５】 前記第１及び第２導電型層は、ＧａＡｓ
結晶からなり、前記ポテンシャル井戸層は、ＩｎＧａＡ
ｓ結晶からなることを特徴とする請求項１又は請求項４
のいずれか一項記載の太陽電池。 - 【請求項６】 前記第１及び第２導電型層は、ＩｎＰ結
晶からなり、前記ポテンシャル井戸層は、ＩｎＡｓＰ結
晶若しくはＩｎＧａＡｓＰ結晶からなることを特徴とす
る請求項１又は請求項４のいずれか一項記載の太陽電
池。 - 【請求項７】 前記第１及び第２導電型層は、Ｓｉ結晶
からなり、前記ポテンシャル井戸層は、Ｇｅ結晶からな
ることを特徴とする請求項１又は請求項４のいずれか一
項記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP43A JPH06163962A (ja) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP43A JPH06163962A (ja) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | 太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06163962A true JPH06163962A (ja) | 1994-06-10 |
Family
ID=18087721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP43A Pending JPH06163962A (ja) | 1992-11-26 | 1992-11-26 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06163962A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07283428A (ja) * | 1994-04-15 | 1995-10-27 | Hitachi Cable Ltd | 太陽電池 |
| ES2149137A1 (es) * | 1999-06-09 | 2001-01-01 | Univ Madrid Politecnica | Celula solar fotovoltaica de semiconductor de banda intermedia. |
| US6566595B2 (en) | 2000-11-01 | 2003-05-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solar cell and process of manufacturing the same |
| KR100425093B1 (ko) * | 2001-06-07 | 2004-03-30 | 엘지전자 주식회사 | 화합물 반도체를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 |
| CN102290458A (zh) * | 2011-09-16 | 2011-12-21 | 华南师范大学 | 一种InGaN太阳能电池外延片及其制备方法 |
| US8569097B1 (en) | 2012-07-06 | 2013-10-29 | International Business Machines Corporation | Flexible III-V solar cell structure |
| JP2014514746A (ja) * | 2011-03-22 | 2014-06-19 | ザ・ボーイング・カンパニー | 電流生成が向上した変成太陽電池 |
-
1992
- 1992-11-26 JP JP43A patent/JPH06163962A/ja active Pending
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07283428A (ja) * | 1994-04-15 | 1995-10-27 | Hitachi Cable Ltd | 太陽電池 |
| ES2149137A1 (es) * | 1999-06-09 | 2001-01-01 | Univ Madrid Politecnica | Celula solar fotovoltaica de semiconductor de banda intermedia. |
| WO2000077829A3 (es) * | 1999-06-09 | 2001-04-12 | Univ Madrid Politecnica | Celula solar fotovoltaica de semiconductor de banda intermedia |
| US6444897B1 (en) * | 1999-06-09 | 2002-09-03 | Universidad Politecnica De Madrid | Intermediate band semiconductor photovoltaic solar cell |
| US6566595B2 (en) | 2000-11-01 | 2003-05-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solar cell and process of manufacturing the same |
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| JP2018026570A (ja) * | 2011-03-22 | 2018-02-15 | ザ・ボーイング・カンパニーＴｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ | 電流生成が向上した半導体デバイス |
| TWI666785B (zh) * | 2011-03-22 | 2019-07-21 | 美商波音公司 | 太陽能電池及形成太陽能電池的方法 |
| JP2014514746A (ja) * | 2011-03-22 | 2014-06-19 | ザ・ボーイング・カンパニー | 電流生成が向上した変成太陽電池 |
| US10170652B2 (en) | 2011-03-22 | 2019-01-01 | The Boeing Company | Metamorphic solar cell having improved current generation |
| CN102290458A (zh) * | 2011-09-16 | 2011-12-21 | 华南师范大学 | 一种InGaN太阳能电池外延片及其制备方法 |
| US8853529B2 (en) | 2012-07-06 | 2014-10-07 | International Business Machines Corporation | Flexible III-V solar cell structure |
| US8569097B1 (en) | 2012-07-06 | 2013-10-29 | International Business Machines Corporation | Flexible III-V solar cell structure |
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