JPH07231108A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JPH07231108A JPH07231108A JP6020833A JP2083394A JPH07231108A JP H07231108 A JPH07231108 A JP H07231108A JP 6020833 A JP6020833 A JP 6020833A JP 2083394 A JP2083394 A JP 2083394A JP H07231108 A JPH07231108 A JP H07231108A
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- semiconductor
- region
- solar cell
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- impurity concentration
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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】広い波長範囲の入射光を電流出力として高効率
で変換可能な太陽電池の提供にある。 【構成】半導体ｐ型領域とｎ型領域に挾まれた領域に低
不純物濃度領域を有し、該低不純物濃度領域を形成する
半導体材料の全部または一部に上記ｐ型およびｎ型領域
を形成する半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有する半導
体を用いた太陽電池であって、前記低不純物濃度領域を
複数の半導体材料からなる積層構造とし、隣合う層間の
伝導帯および価電子帯におけるエネルギー障壁の大きさ
が室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、
Ｔ：絶対温度）の４倍以下であることを特徴とする太陽
電池。
で変換可能な太陽電池の提供にある。 【構成】半導体ｐ型領域とｎ型領域に挾まれた領域に低
不純物濃度領域を有し、該低不純物濃度領域を形成する
半導体材料の全部または一部に上記ｐ型およびｎ型領域
を形成する半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有する半導
体を用いた太陽電池であって、前記低不純物濃度領域を
複数の半導体材料からなる積層構造とし、隣合う層間の
伝導帯および価電子帯におけるエネルギー障壁の大きさ
が室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、
Ｔ：絶対温度）の４倍以下であることを特徴とする太陽
電池。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は太陽電池に関するもので
ある。
ある。
【０００２】
【従来の技術】出力電流の増加を目的とした太陽電池構
造は、ジャーナル オブ アプライドフィジックス.，
６７巻，３４９０頁（１９９０年）に記載の太陽電池が
ある。これは、図５に示すようにｎ型（またはｐ型）の
第１の半導体層上に、第２の半導体層として前記第１の
半導体と伝導型が異なるｐ型（またはｎ型）層を積層し
た半導体ｐｎ接合領域間に、中間層としてｉ型半導体層
４を導入した構造において、前記ｉ型半導体層は超格子
構造としたものである。超格子構造は、上記ｐｎ接合を
形成する半導体材料を障壁層、それより狭い禁制帯幅を
持つ半導体材料を井戸層として形成される。
造は、ジャーナル オブ アプライドフィジックス.，
６７巻，３４９０頁（１９９０年）に記載の太陽電池が
ある。これは、図５に示すようにｎ型（またはｐ型）の
第１の半導体層上に、第２の半導体層として前記第１の
半導体と伝導型が異なるｐ型（またはｎ型）層を積層し
た半導体ｐｎ接合領域間に、中間層としてｉ型半導体層
４を導入した構造において、前記ｉ型半導体層は超格子
構造としたものである。超格子構造は、上記ｐｎ接合を
形成する半導体材料を障壁層、それより狭い禁制帯幅を
持つ半導体材料を井戸層として形成される。
【０００３】上記素子構造におけるエネルギーバンド構
造の一例を図６に示す。図においてＥCは伝導帯の底、
ＥVは価電子帯の頂上を表す。この構造において吸収端
は井戸層の厚さが十分薄い場合、各伝導帯および価電子
帯における量子準位で決定され、厚い場合には井戸層を
形成する半導体の禁制帯幅により決定される。このよう
な素子構造を形成することにより開放電圧を低下させる
ことなく、太陽光を長波長側まで吸収することができる
ので分光感度特性が改善され出力電流が増大し、高出力
の太陽電池を得ることができる。
造の一例を図６に示す。図においてＥCは伝導帯の底、
ＥVは価電子帯の頂上を表す。この構造において吸収端
は井戸層の厚さが十分薄い場合、各伝導帯および価電子
帯における量子準位で決定され、厚い場合には井戸層を
形成する半導体の禁制帯幅により決定される。このよう
な素子構造を形成することにより開放電圧を低下させる
ことなく、太陽光を長波長側まで吸収することができる
ので分光感度特性が改善され出力電流が増大し、高出力
の太陽電池を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前項に記載の太陽電池
は、中間層として超格子型の構造を導入した素子構造に
より長波長側の光までキャリア励起に寄与させることが
可能となる。しかし、中間層を伝導するキャリアは、熱
励起エネルギーにより井戸層を脱出することになるた
め、伝導帯においては量子準位が上端から大きくても室
温での熱エネルギー（ｋＴ）の数倍程度の位置に形成さ
れなければ、キャリアを有効に収集することが難しい。
室温における熱エネルギーの値は約２６ｍｅＶ（Ｔ＝３
００Ｋとして算出）であるため、井戸層を深くした場合
にはｎ＝２（ｎは量子数）以上の量子準位を用いてキャ
リアの伝導が行なわなければ前記条件は満たせず、励起
キャリアの収集効率は上がらないことになる。
は、中間層として超格子型の構造を導入した素子構造に
より長波長側の光までキャリア励起に寄与させることが
可能となる。しかし、中間層を伝導するキャリアは、熱
励起エネルギーにより井戸層を脱出することになるた
め、伝導帯においては量子準位が上端から大きくても室
温での熱エネルギー（ｋＴ）の数倍程度の位置に形成さ
れなければ、キャリアを有効に収集することが難しい。
室温における熱エネルギーの値は約２６ｍｅＶ（Ｔ＝３
００Ｋとして算出）であるため、井戸層を深くした場合
にはｎ＝２（ｎは量子数）以上の量子準位を用いてキャ
リアの伝導が行なわなければ前記条件は満たせず、励起
キャリアの収集効率は上がらないことになる。
【０００５】ところがｎ＝２以上の量子準位に励起され
たキャリアは、短い時間でｎ＝１の量子準位に遷移する
確率が高く、井戸層を脱出できずに再結合して消滅する
割合が高い。従って、ｎ＝１の量子準位が障壁層上端よ
り約２６ｍｅＶの数倍程度離れた位置に形成されるよう
にすればよいと考えられるが、それでは吸収端のシフト
による長波長側の光の吸収の増大があまり期待できな
い。
たキャリアは、短い時間でｎ＝１の量子準位に遷移する
確率が高く、井戸層を脱出できずに再結合して消滅する
割合が高い。従って、ｎ＝１の量子準位が障壁層上端よ
り約２６ｍｅＶの数倍程度離れた位置に形成されるよう
にすればよいと考えられるが、それでは吸収端のシフト
による長波長側の光の吸収の増大があまり期待できな
い。
【０００６】本発明の目的は、上記課題を解決するた
め、長波長側の光をキャリア励起に寄与させ、生成した
キャリアが有効に出力電流として取り出せるような伝導
機構を有する新たな太陽電池を提案することにある。
め、長波長側の光をキャリア励起に寄与させ、生成した
キャリアが有効に出力電流として取り出せるような伝導
機構を有する新たな太陽電池を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は、図１に示すように、半導体ｐｎ接合に挟ま
れた領域に、中間層として低不純物濃度領域を有し、該
低不純物濃度領域を形成する半導体材料全部または一部
に上記ｐ型およびｎ型を形成する半導体材料より狭い禁
制帯幅を有する半導体を用いた太陽電池であって、前記
低不純物濃度領域を複数の半導体材料からなる積層構造
とし、隣合う層間の伝導帯および価電子帯におけるエネ
ルギー障壁の大きさが室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：
ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の４倍以下であること
を特徴とする太陽電池にある。
明の要旨は、図１に示すように、半導体ｐｎ接合に挟ま
れた領域に、中間層として低不純物濃度領域を有し、該
低不純物濃度領域を形成する半導体材料全部または一部
に上記ｐ型およびｎ型を形成する半導体材料より狭い禁
制帯幅を有する半導体を用いた太陽電池であって、前記
低不純物濃度領域を複数の半導体材料からなる積層構造
とし、隣合う層間の伝導帯および価電子帯におけるエネ
ルギー障壁の大きさが室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：
ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の４倍以下であること
を特徴とする太陽電池にある。
【０００８】また、前記低不純物濃度領域の禁制帯幅が
ｐ型領域との境界から低不純物濃度領域の内側に向かっ
て階段状に小さくなり、かつ、低不純物濃度領域の内側
からｎ型領域との境界に向かって階段状に大きくなって
いる前記の太陽電池にある。
ｐ型領域との境界から低不純物濃度領域の内側に向かっ
て階段状に小さくなり、かつ、低不純物濃度領域の内側
からｎ型領域との境界に向かって階段状に大きくなって
いる前記の太陽電池にある。
【０００９】また、動作点において、前記積層構造を構
成する各層内に生じるポテンシャルエネルギーの差ｑＥ
ｄ（ｑ：素電荷、Ｅ：中間層内の各層における電界、
ｄ：各層の厚さ）が伝導帯および価電子帯におけるエネ
ルギー障壁以上（ｑＥｄ≧ｍｋＴ、但しｍ≦４）である
前記の太陽電池にある。
成する各層内に生じるポテンシャルエネルギーの差ｑＥ
ｄ（ｑ：素電荷、Ｅ：中間層内の各層における電界、
ｄ：各層の厚さ）が伝導帯および価電子帯におけるエネ
ルギー障壁以上（ｑＥｄ≧ｍｋＴ、但しｍ≦４）である
前記の太陽電池にある。
【００１０】また、前記半導体素子構造を主表面に形成
した半導体基板と半導体層に接続された電極を備えた前
記の太陽電池。
した半導体基板と半導体層に接続された電極を備えた前
記の太陽電池。
【００１１】また、前記低不純物濃度領域を形成する半
導体材料として、その混晶比により禁制帯幅を変化させ
た混晶半導体を用いた前記の太陽電池にある。
導体材料として、その混晶比により禁制帯幅を変化させ
た混晶半導体を用いた前記の太陽電池にある。
【００１２】さらにまた、前記半導体として周期律表の
第IV族半導体、第III族と第Ｖ族からなる化合物半導
体、第II族と第VII族からなる化合物半導体あるいはこ
れらの混晶材料からなる前記の太陽電池にある。
第IV族半導体、第III族と第Ｖ族からなる化合物半導
体、第II族と第VII族からなる化合物半導体あるいはこ
れらの混晶材料からなる前記の太陽電池にある。
【００１３】前記エネルギー障壁の大きさが室温でのｋ
Ｔの４倍以下としたのは、５倍以上ではフェルミ分布関
数により狭禁制帯側から脱出できるキャリアの割合が１
％未満となり、電流増加における効果が著しく減少する
からである。
Ｔの４倍以下としたのは、５倍以上ではフェルミ分布関
数により狭禁制帯側から脱出できるキャリアの割合が１
％未満となり、電流増加における効果が著しく減少する
からである。
【００１４】本発明により実現されるエネルギーバンド
構造の一例を図１に示す。まずｎ型（あるいはｐ型）ド
ープ層を積層する。続いてｐｎ接合を形成する半導体材
料に最も近い禁制帯幅を持つ半導体ｘ1層から禁制帯幅
を徐々に減少させながら最小の禁制帯幅を持つ半導体ｘ
j（図１においてはｊ＝３）層まで積層し、次には逆に
徐々に禁制帯幅を増大させながら再びｘ1層まで積層
し、最後にｐ型（あるいはｎ型）ドープ層を積層するこ
とによって、中間層内のエネルギー変化が階段状のバン
ド構造（図２）が形成される。
構造の一例を図１に示す。まずｎ型（あるいはｐ型）ド
ープ層を積層する。続いてｐｎ接合を形成する半導体材
料に最も近い禁制帯幅を持つ半導体ｘ1層から禁制帯幅
を徐々に減少させながら最小の禁制帯幅を持つ半導体ｘ
j（図１においてはｊ＝３）層まで積層し、次には逆に
徐々に禁制帯幅を増大させながら再びｘ1層まで積層
し、最後にｐ型（あるいはｎ型）ドープ層を積層するこ
とによって、中間層内のエネルギー変化が階段状のバン
ド構造（図２）が形成される。
【００１５】上記において、中間層の積層数を増やせば
最小の禁制帯幅を狭くすることが可能である。図２にお
いて、Ｅcは伝導帯の底、ＥVは価電子帯の頂上、ＥFは
フェルミエネルギーを表す。
最小の禁制帯幅を狭くすることが可能である。図２にお
いて、Ｅcは伝導帯の底、ＥVは価電子帯の頂上、ＥFは
フェルミエネルギーを表す。
【００１６】図３に本発明の効果が最も得られる中間層
における伝導帯のエネルギーバンド構造の拡大図を示
す。図３においてＥは各層に生じる電界、ｄは中間層を
形成する各層の厚さである。
における伝導帯のエネルギーバンド構造の拡大図を示
す。図３においてＥは各層に生じる電界、ｄは中間層を
形成する各層の厚さである。
【００１７】太陽電池の動作点（ｐｎ接合間に順バイア
スが印加された状態）において各層内に生じるポテンシ
ャル差ｑＥｄ（ｑは素電荷）が層間の障壁以上（ｑＥｄ
≧ｍｋＴ、但しｍ≦４とする）であれば、伝導帯におい
てはｐ領域側からｎ領域側に向かうに伴い、エネルギー
の極小点が徐々に低くなり（ＥC1＞ＥC2＞ＥC3）、価電
子帯においてはｎ領域側からｐ領域側に向かうほどエネ
ルギーの極大点が徐々に高くなるようなバンド構造が形
成される。
スが印加された状態）において各層内に生じるポテンシ
ャル差ｑＥｄ（ｑは素電荷）が層間の障壁以上（ｑＥｄ
≧ｍｋＴ、但しｍ≦４とする）であれば、伝導帯におい
てはｐ領域側からｎ領域側に向かうに伴い、エネルギー
の極小点が徐々に低くなり（ＥC1＞ＥC2＞ＥC3）、価電
子帯においてはｎ領域側からｐ領域側に向かうほどエネ
ルギーの極大点が徐々に高くなるようなバンド構造が形
成される。
【００１８】
【作用】本発明の素子は、その出力電流を増大させるた
め、これまで素子内部を透過していた長波長光をキャリ
ア励起に寄与させ、生成したキャリアが有効に出力電流
として取り出せるような伝導機構を有する。それによっ
て形成されるバンド構造の一例を図２に示したが、太陽
光はｐ層側から入射しｐ層半導体材料の禁制帯幅以上の
エネルギーの光はそこで吸収されキャリアが励起され
る。しかし、ｐ層を透過した光も、ｉ層内に形成された
階段状の禁制帯幅よりも高いエネルギーを持つ光なら
ば、新たにキャリアを励起することが可能となる。ｐあ
るいはｉ層内で励起された電子は接合内に生じている内
部電界により加速されてｐ層からｎ層へと伝導するが、
このとき隣合う層間のエネルギー障壁差は室温での熱エ
ネルギー（ｋＴ）の４倍以下に設計しているため、上記
電子は熱励起により容易に障壁を越えて伝導することが
できる。
め、これまで素子内部を透過していた長波長光をキャリ
ア励起に寄与させ、生成したキャリアが有効に出力電流
として取り出せるような伝導機構を有する。それによっ
て形成されるバンド構造の一例を図２に示したが、太陽
光はｐ層側から入射しｐ層半導体材料の禁制帯幅以上の
エネルギーの光はそこで吸収されキャリアが励起され
る。しかし、ｐ層を透過した光も、ｉ層内に形成された
階段状の禁制帯幅よりも高いエネルギーを持つ光なら
ば、新たにキャリアを励起することが可能となる。ｐあ
るいはｉ層内で励起された電子は接合内に生じている内
部電界により加速されてｐ層からｎ層へと伝導するが、
このとき隣合う層間のエネルギー障壁差は室温での熱エ
ネルギー（ｋＴ）の４倍以下に設計しているため、上記
電子は熱励起により容易に障壁を越えて伝導することが
できる。
【００１９】図４に伝導帯のエネルギーバンドの拡大図
を示した。比較のため中間層の禁制帯幅を連続的に変化
させたエネルギーバンドも併せて示す。なお、Ｅ1は本
発明の階段状構造における電界、Ｅ2は中間層の禁制帯
幅を連続的に変化させた構造における電界である。
を示した。比較のため中間層の禁制帯幅を連続的に変化
させたエネルギーバンドも併せて示す。なお、Ｅ1は本
発明の階段状構造における電界、Ｅ2は中間層の禁制帯
幅を連続的に変化させた構造における電界である。
【００２０】本発明では各層でポテンシャルエネルギー
が障壁（ｍｋＴ，但しｍ≦４）分高くなっているため、
各層内に生じる電界は中間層内の位置によらずほゞ一定
の値を示し、ｎ型領域付近ではＥ1＞Ｅ2となる。従っ
て、電極に近いｎ型領域付近で高いドリフト電界を維持
することができ、キャリアを有効に収集することができ
る。
が障壁（ｍｋＴ，但しｍ≦４）分高くなっているため、
各層内に生じる電界は中間層内の位置によらずほゞ一定
の値を示し、ｎ型領域付近ではＥ1＞Ｅ2となる。従っ
て、電極に近いｎ型領域付近で高いドリフト電界を維持
することができ、キャリアを有効に収集することができ
る。
【００２１】また、中間層を形成する各層において、図
３に示すようにｑＥｄ≧ｍｋＴと云う条件が満たされて
おれば、伝導帯においてはｐ領域側からｎ領域側に向か
うほどポテンシャルエネルギーの最低点が存在すること
になる。従って、電子にとってはｎ領域側に伝導する方
がエネルギーが低く安定であり、逆方向飽和電流の増加
がなく、開放電圧低下をもたらすことはない。更にま
た、電子が井戸層内に留まり正孔と再結合して消滅する
割合も低下する。
３に示すようにｑＥｄ≧ｍｋＴと云う条件が満たされて
おれば、伝導帯においてはｐ領域側からｎ領域側に向か
うほどポテンシャルエネルギーの最低点が存在すること
になる。従って、電子にとってはｎ領域側に伝導する方
がエネルギーが低く安定であり、逆方向飽和電流の増加
がなく、開放電圧低下をもたらすことはない。更にま
た、電子が井戸層内に留まり正孔と再結合して消滅する
割合も低下する。
【００２２】こうした伝導機構により、従来の超格子型
構造を導入した場合に比べ、禁制帯幅を狭くしつゝ生成
キャリアの収集効率を増大させることができる。
構造を導入した場合に比べ、禁制帯幅を狭くしつゝ生成
キャリアの収集効率を増大させることができる。
【００２３】集光動作においては素子自体の温度が上昇
するためｋＴの値が増え、電子が障壁を越える確率がさ
らに増大する。従って、集光動作に特に適している素子
構造であると云える。同様のことが、価電子帯を伝導す
る正孔についても云える。
するためｋＴの値が増え、電子が障壁を越える確率がさ
らに増大する。従って、集光動作に特に適している素子
構造であると云える。同様のことが、価電子帯を伝導す
る正孔についても云える。
【００２４】以上の作用，効果により、従来構造に比べ
て広い波長範囲の光でキャリアを励起し、生成されたキ
ャリアを有効に電流出力に寄与させることができる。
て広い波長範囲の光でキャリアを励起し、生成されたキ
ャリアを有効に電流出力に寄与させることができる。
【００２５】本発明は単一セルにおいて高効率を実現す
るための最適素子構造であるため、これをタンデム型太
陽電池の上部セルおよび下部セルにそれぞれ適用するこ
とにより、さらに高出力の太陽電池の実現も可能であ
る。
るための最適素子構造であるため、これをタンデム型太
陽電池の上部セルおよび下部セルにそれぞれ適用するこ
とにより、さらに高出力の太陽電池の実現も可能であ
る。
【００２６】
【実施例】本発明の素子構造は、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
等の手法により形成することができる。これらの製法で
はシャッター制御により、中間層の階段状バンド構造を
容易に作製することができる。
（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
等の手法により形成することができる。これらの製法で
はシャッター制御により、中間層の階段状バンド構造を
容易に作製することができる。
【００２７】本実施例では、その一例としてＭＢＥ法に
より、ｐ型およびｎ型半導体層として室温での禁制帯幅
が約１.４２ｅＶのガリウム砒素（ＧａＡｓ）、中間層
の半導体層として混晶比ｘにより禁制帯幅が約１.４２
（ＧａＡｓ）から０.３６ｅＶ（インジウム砒素：Ｉｎ
Ａｓ）まで容易に変化させ得るインジウムガリウム砒素
（ＩｎxＧａ1-xＡｓ）を用いた場合について説明する。
より、ｐ型およびｎ型半導体層として室温での禁制帯幅
が約１.４２ｅＶのガリウム砒素（ＧａＡｓ）、中間層
の半導体層として混晶比ｘにより禁制帯幅が約１.４２
（ＧａＡｓ）から０.３６ｅＶ（インジウム砒素：Ｉｎ
Ａｓ）まで容易に変化させ得るインジウムガリウム砒素
（ＩｎxＧａ1-xＡｓ）を用いた場合について説明する。
【００２８】半導体基板としてｎ型高ドープのＧａＡｓ
（００１）基板を用い、該基板上にまずバッファー層と
して珪素（Ｓｉ）を高ドープしたｎ型ＧａＡｓ層を１μ
ｍ程度成長する。続いて同様にＳｉをドープした不純物
濃度２×１０17ｃｍ~3のｎ型ＧａＡｓ層を２μｍ成長す
る。
（００１）基板を用い、該基板上にまずバッファー層と
して珪素（Ｓｉ）を高ドープしたｎ型ＧａＡｓ層を１μ
ｍ程度成長する。続いて同様にＳｉをドープした不純物
濃度２×１０17ｃｍ~3のｎ型ＧａＡｓ層を２μｍ成長す
る。
【００２９】次に、不純物ドープを行なわずにＩｎxＧ
ａ1-xＡｓをＩｎとＧａの混晶比ｘが０.０２５、０.０
５、０.０７５、０.１の順に成長し、次にはその逆のス
テップで０.１、０.０７５、０.０５、０.０２５の順で
成長させる。この際、隣合う各層間の伝導帯および価電
子帯におけるエネルギー障壁は、室温でのｋＴ値で約２
６ｍｅＶ以下となっている。
ａ1-xＡｓをＩｎとＧａの混晶比ｘが０.０２５、０.０
５、０.０７５、０.１の順に成長し、次にはその逆のス
テップで０.１、０.０７５、０.０５、０.０２５の順で
成長させる。この際、隣合う各層間の伝導帯および価電
子帯におけるエネルギー障壁は、室温でのｋＴ値で約２
６ｍｅＶ以下となっている。
【００３０】ＧａＡｓ上にＩｎxＧａ1-xＡｓを成長する
ため、その界面の格子定数の相違による歪を緩和する各
層の厚さは臨界膜厚以下の１００Åとする。そして、最
後にベリリウム（Ｂｅ）をドープした不純物濃度４×１
０18ｃｍ~3のｐ型ＧａＡｓを０.５μｍ成長させればよ
い。
ため、その界面の格子定数の相違による歪を緩和する各
層の厚さは臨界膜厚以下の１００Åとする。そして、最
後にベリリウム（Ｂｅ）をドープした不純物濃度４×１
０18ｃｍ~3のｐ型ＧａＡｓを０.５μｍ成長させればよ
い。
【００３１】上記構造の素子の内蔵電位は約１.４Ｖで
あり、太陽電池の動作点での電圧値を１.０Ｖとする
と、そのとき中間層には０.４Ｖの電位差が生じてい
る。中間層の厚さは空乏層とＩｎxＧａ1-xＡｓの厚さを
合計して約１２５ｎｍとし、この領域に生じている電界
を一様であるとすると、電界値は約３.２×１０6Ｖ／ｍ
となる。従って、ＩｎxＧａ1-xＡｓ各層内には約３２ｍ
ｅＶのポテンシャルエネルギー差が生じており、本発明
において最も大きな効果が得られる素子の形成条件であ
るｑＥｄ≧ｍｋＴ（但し、ｍ＝１）を満たしている。な
お、この計算においてはＩｎxＧａ1-xＡｓの比誘電率は
ＧａＡｓと同じとした。この素子により波長約８８５０
ｎｍの低エネルギーの光までキャリア励起に寄与させる
ことが可能となり、出力電流を増加することができる。
あり、太陽電池の動作点での電圧値を１.０Ｖとする
と、そのとき中間層には０.４Ｖの電位差が生じてい
る。中間層の厚さは空乏層とＩｎxＧａ1-xＡｓの厚さを
合計して約１２５ｎｍとし、この領域に生じている電界
を一様であるとすると、電界値は約３.２×１０6Ｖ／ｍ
となる。従って、ＩｎxＧａ1-xＡｓ各層内には約３２ｍ
ｅＶのポテンシャルエネルギー差が生じており、本発明
において最も大きな効果が得られる素子の形成条件であ
るｑＥｄ≧ｍｋＴ（但し、ｍ＝１）を満たしている。な
お、この計算においてはＩｎxＧａ1-xＡｓの比誘電率は
ＧａＡｓと同じとした。この素子により波長約８８５０
ｎｍの低エネルギーの光までキャリア励起に寄与させる
ことが可能となり、出力電流を増加することができる。
【００３２】次に、本発明の素子を受光素子に応用した
例を示し説明する。本発明素子は広い波長範囲の光を光
電変換させ、生成したキャリアを効率良く電流にして取
出させることができる。従って、受光素子に応用した場
合は、入力光信号に対する動作波長範囲を赤外域まで広
げることができ、また、生成キャリアの損失が低いため
に微弱な光信号にも反応する高感度素子を得ることがで
きる。
例を示し説明する。本発明素子は広い波長範囲の光を光
電変換させ、生成したキャリアを効率良く電流にして取
出させることができる。従って、受光素子に応用した場
合は、入力光信号に対する動作波長範囲を赤外域まで広
げることができ、また、生成キャリアの損失が低いため
に微弱な光信号にも反応する高感度素子を得ることがで
きる。
【００３３】こうした受光素子としての使用は、ｐｎ接
合間に逆バイアスを印加しドリフト空間の電界を高め、
光信号に対する生成キャリアを高速で応答させる方法が
よい。この受光素子を光通信装置の受光部として用いれ
ば、従来に比べ低消費電力の光通信装置の実現が可能で
ある。
合間に逆バイアスを印加しドリフト空間の電界を高め、
光信号に対する生成キャリアを高速で応答させる方法が
よい。この受光素子を光通信装置の受光部として用いれ
ば、従来に比べ低消費電力の光通信装置の実現が可能で
ある。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、入射太陽光を広い波長
範囲にわたって有効にキャリア励起に寄与させるため、
半導体ｐｎ接合間に中間層としてそれよりも禁制帯幅の
狭い複数の半導体ｉ層を有する太陽電池構造において、
隣合う層間のエネルギー障壁の大きさを室温での熱エネ
ルギー（ｋＴ）の４倍以下とした構造を提案し、従来の
技術に比べ高い変換効率を有する太陽電池を得ることが
可能となる。
範囲にわたって有効にキャリア励起に寄与させるため、
半導体ｐｎ接合間に中間層としてそれよりも禁制帯幅の
狭い複数の半導体ｉ層を有する太陽電池構造において、
隣合う層間のエネルギー障壁の大きさを室温での熱エネ
ルギー（ｋＴ）の４倍以下とした構造を提案し、従来の
技術に比べ高い変換効率を有する太陽電池を得ることが
可能となる。
【図１】本発明の一実施例の太陽電池の素子構造図であ
る。
る。
【図２】本発明の太陽電池のエネルギーバンドの一例を
示す図である。
示す図である。
【図３】本発明の太陽電池の中間層のエネルギーバンド
の拡大図である。
の拡大図である。
【図４】本発明の太陽電池の伝導帯のエネルギーバンド
の拡大図である。
の拡大図である。
【図５】従来の太陽電池の素子構造図である。
【図６】従来の太陽電池のエネルギーバンドを示す図で
ある。
ある。
１…ｐ型半導体層、２…ｎ型半導体層、３…狭禁制帯半
導体層、４…ｉ型半導体層。
導体層、４…ｉ型半導体層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峯邑 純子 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 蕨迫 光紀 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体ｐ型領域とｎ型領域に挾まれた領
域に低不純物濃度領域を有し、該低不純物濃度領域を形
成する半導体材料の全部または一部に上記ｐ型およびｎ
型領域を形成する半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有す
る半導体を用いた太陽電池であって、前記低不純物濃度
領域を複数の半導体材料からなる積層構造とし、隣合う
層間の伝導帯および価電子帯におけるエネルギー障壁の
大きさが室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定
数、Ｔ：絶対温度）の４倍以下であることを特徴とする
太陽電池。 - 【請求項２】 前記低不純物濃度領域の禁制帯幅がｐ型
領域との境界から低不純物濃度領域の内側に向かって階
段状に小さくなり、かつ、低不純物濃度領域の内側から
ｎ型領域との境界に向かって階段状に大きくなっている
請求項１に記載の太陽電池。 - 【請求項３】 請求項２に記載の太陽電池の動作点にお
いて、前記積層構造を構成する各層内に生じるポテンシ
ャルエネルギーの差ｑＥｄ（ｑ：素電荷、Ｅ：中間層内
の各層における電界、ｄ：各層の厚さ）が伝導帯および
価電子帯におけるエネルギー障壁以上（ｑＥｄ≧ｍｋ
Ｔ、但しｍ≦４）である太陽電池。 - 【請求項４】 前記半導体素子構造を主表面に形成した
半導体基板と半導体層に接続された電極を備えた請求項
１，２または３に記載の太陽電池。 - 【請求項５】 前記低不純物濃度領域を形成する半導体
材料として、その混晶比により禁制帯幅を変化させた混
晶半導体を用いた請求項１，２，３または４に記載の太
陽電池。 - 【請求項６】 前記半導体として周期律表の第IV族半導
体、第III族と第Ｖ族からなる化合物半導体、第II族と
第VII族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材
料からなる請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池。 - 【請求項７】 半導体ｐ型領域とｎ型領域に挾まれた領
域に低不純物濃度領域を有し、該低不純物濃度領域を形
成する半導体材料の全部または一部に上記ｐ型およびｎ
型領域を形成する半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有す
る半導体を用いた受光素子であって、前記低不純物濃度
領域を複数の半導体材料からなる積層構造とし、隣合う
層間の伝導帯および価電子帯におけるエネルギー障壁の
大きさが室温での熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定
数、Ｔ：絶対温度）の４倍以下であることを特徴とする
受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6020833A JP2725993B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | 受光素子および太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6020833A JP2725993B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | 受光素子および太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07231108A true JPH07231108A (ja) | 1995-08-29 |
| JP2725993B2 JP2725993B2 (ja) | 1998-03-11 |
Family
ID=12038068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6020833A Expired - Fee Related JP2725993B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | 受光素子および太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2725993B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6566595B2 (en) | 2000-11-01 | 2003-05-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solar cell and process of manufacturing the same |
| JP2010272769A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Fujitsu Ltd | 太陽電池 |
| US20120097228A1 (en) * | 2010-10-21 | 2012-04-26 | Sharp Kabushiki Kaishao | Solar cell |
| JP2012244108A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Sharp Corp | 太陽電池 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05218477A (ja) * | 1992-02-03 | 1993-08-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
| JPH06204515A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-22 | Sharp Corp | 非晶質太陽電池およびその製造方法 |
-
1994
- 1994-02-18 JP JP6020833A patent/JP2725993B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05218477A (ja) * | 1992-02-03 | 1993-08-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 太陽電池 |
| JPH06204515A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-22 | Sharp Corp | 非晶質太陽電池およびその製造方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6566595B2 (en) | 2000-11-01 | 2003-05-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solar cell and process of manufacturing the same |
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| US20120097228A1 (en) * | 2010-10-21 | 2012-04-26 | Sharp Kabushiki Kaishao | Solar cell |
| JP2012089756A (ja) * | 2010-10-21 | 2012-05-10 | Sharp Corp | 太陽電池 |
| JP2012244108A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Sharp Corp | 太陽電池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2725993B2 (ja) | 1998-03-11 |
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