JPH09283782A

JPH09283782A - 太陽電池

Info

Publication number: JPH09283782A
Application number: JP8096388A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitatani; 健北谷; Yoshiaki Yazawa; 義昭矢澤; Seiji Watabiki; 誠次綿引; Katsu Tamura; 克田村; Jiyunko Minemura; 純子峯邑
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-10-31
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: JP2932059B2

Abstract

(57)【要約】【課題】井戸内でのキャリアの再結合損失を低減する
ことにより光電変換効率の高める多重量子井戸構造の太
陽電池を提供する【解決手段】半導体のｐ型領域(例:SiドープのAl₀.₂G
a₀.₈Sb)とｎ型領域(例:BeドープのAl₀.₂Ga₀.₈Sb)に挟ま
れた領域に低不純物濃度領域を有し、この低不純物濃度
領域がｐ型およびｎ型領域２を形成する第1の半導体材
料と同一の半導体材料(Al₀.₂Ga₀.₈Sb)からなる障壁層
と、第1の半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有する第2の
半導体材料(GaSb)からなる井戸層とを交互に30nm程度の
薄い層で100サイクル程度積層した量子井戸構造とした
太陽電池であって、狭い禁制帯幅を有する半導体材料の
エネルギーバンド構造(E-k)においてk=0のΓ点で伝導帯
に形成される量子準位のエネルギー6が、その伝導帯に
おけるX,L点のエネルギー極小値7よりも高いこと、ある
いは低い場合でもそのエネルギー差を室温での熱エネル
ギーの４倍以内であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸収する光の波長
域の広い多重量子井戸構造の太陽電池に関するものであ
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
造にはジャーナルオブアプライドフィジックス６７
巻３４９０ページ（１９９０年）に記載の太陽電池構
造がある。この太陽電池は、図４に示すようにｐ型半導
体層１とｎ型半導体層２とで形成される半導体ｐｎ接合
領域の間に、中間層としてｉ型半導体領域３を導入した
構造を有し、このｉ型半導体領域３を多重量子井戸(Mul
tiple Quantum Wells：ＭＱＷ)としたものである。この
構造は近年提案され、ＭＱＷ太陽電池として知られてい
る。ｉ型半導体領域３のＭＱＷ構造は、ｐｎ接合を形成
するｐ型半導体層１及びｎ型半導体層２の半導体材料と
同一の半導体材料４を障壁層とし、半導体材料４より狭
い禁制帯幅を持つ半導体材料５を井戸層として、それら
障壁相と井戸層を周期的に積層することにより形成され
る。図５は上記素子構造におけるエネルギーバンドの一
例を示すもので、Ｅｃは伝導帯の底を、Ｅｖは価電子帯
の頂上を表す。量子井戸構造においては、狭いポテンシ
ャル井戸内にキャリアが閉じ込められるため、層に対し
垂直方向のキャリアの動きが量子化される。よって、状
態密度が階段状になり、井戸内に離散的なエネルギー準
位列ができる。量子井戸における光の吸収端は井戸層５
の材料の禁制帯幅で決まるのではなく、伝導帯と価電子
帯に形成される量子準位間のエネルギー差により決定さ
れる。このような素子構造にすることで、ｐｎ接合を形
成する半導体の吸収端よりも長波長側の光まで吸収する
ことができるようになるため、分光感度特性が改善され
高出力電流の太陽電池が得られるようになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記図４に記載した太
陽電池は、中間層としてＭＱＷを導入した素子構造によ
り、長波長側の光をキャリア励起に寄与させることが可
能となる。しかし、井戸内で励起されたキャリアあるい
は井戸内に到達したキャリアが出力に寄与するには、井
戸からの脱出という過程が必要となる。この過程が井戸
内でのキャリアの再結合過程より十分速い時間で行なわ
れなければ、再結合して消滅してしまうキャリアの割合
が増大するため、かえって出力の低下をもたらす。ここ
でキャリアが井戸から脱出する時定数をτe、再結合す
る時定数をτrとすると、ＭＱＷ太陽電池においてキャ
リアが効率良く出力として取り出されるためには、脱出
の時定数が再結合の時定数より小さい（τe＜τr）とい
う条件が満たされなければならない。

【０００４】ＭＱＷ太陽電池は、これまでの薄膜積層技
術の蓄積から主にヒ化ガリウムＧａＡｓ等の化合物半導
体を用いて作製されているが、これらは主に直接遷移型
の半導体材料である。図６に直接遷移型半導体における
エネルギーバンド構造の概略図を示した。これはシュレ
ディンガーの波動方程式から導かれるエネルギー・波数
（Ｅ−ｋ）図である。図の例では伝導帯の底はｋ＝０で
あるΓ点にあり、第２、第３のエネルギー極小値はそれ
ぞれｋが異なるＬ、Ｘ点にある。一方、価電子帯の頂上
はΓ点にあり、その禁制帯幅はΓ点における伝導帯と価
電子帯それぞれのエネルギーの差Ｅgで決定される。こ
のようにΓ点に伝導帯の底と価電子帯の頂とがあるバン
ド構造を持つ半導体は、価電子帯から伝導帯へのキャリ
ア励起に運動量の変化を伴わないため、直接遷移型と呼
ばれ、吸収係数が大きいことを特徴とする。しかし、同
時に吸収と全く逆の過程である再結合も起こりやすく、
再結合の時定数τrは短い。さらに、タイプＩの超格子
を導入した従来のＭＱＷ太陽電池構造においては、図５
に示すように電子と正孔が同じ空間領域に閉じ込められ
ているため、再結合の確率はさらに高くなる。これまで
にＭＱＷ太陽電池において、再結合を示す井戸からの発
光が実験的にも観測されており、再結合損失が大きいこ
とが明らかになっている。

【０００５】然るに、本発明の目的は上記課題を解決す
るため、井戸内でのキャリアの再結合確率が低く、高い
光電変換効率のＭＱＷ太陽電池の最適構造を提案するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、第１の半導体材料から形成されたｐ型領域と
ｎ型領域と、ｐ型領域とｎ型領域間に挟まれた低不純濃
度領域からなり、この低不純濃度領域が第１の半導体材
料からなる層と、第１の半導体材料よりも狭い禁制帯幅
を有する第２の半導体材料からなる層とを交互に積層し
た井戸構造である太陽電池において、シュレディンガー
の波動方程式から導かれエネルギー・波数（Ｅ−ｋ）で
示される第２の半導体材料のエネルギーバンド構造にお
ける伝導帯の第１のエネルギー極小値が該伝導帯の第２
のエネルギー極小値より高くなるように第２の半導体材
料からなる層を薄く形成したことを特徴とする第１の太
陽電池構造を提案するものである。

【０００７】また上記目的を達成するため、第１の半導
体材料から形成されたｐ型領域およびｎ型領域と、ｐ型
領域とｎ型領域間に挟まれた低不純濃度領域からなり、
この低不純濃度領域が第１の半導体材料からなる層と、
第１の半導体材料よりも狭い禁制帯幅を有する第２の半
導体材料からなる層とを交互に積層した井戸構造である
太陽電池であって、シュレディンガーの波動方程式から
導かれエネルギー・波数（Ｅ−ｋ）で示される第２の半
導体材料のエネルギーバンド構造における伝導帯の第１
のエネルギー極小値が、この伝導帯の第２のエネルギー
極小値以下で、かつ伝導帯の第２のエネルギー極小値と
のエネルギー差が室温での熱エネルギー(ｋＴ＝２６ｍ
ｅＶ、Ｔ＝３００Ｋ）の４倍以内まで高くなるように第
２の半導体材料からなる層を薄く形成したことを特徴と
する第２の太陽電池を提案するものである。

【０００８】第１、第２の太陽電池においては、第１の
半導体材料は周期律表の第III族の元素と第V族の元素と
からなる化合物半導体で、第１の半導体材料はＧａＳｂ
で、第２の半導体材料はＡl₀.₂Ｇa₀.₈Ｓbとするか、あ
るいは第１の半導体材料はＡｌＡｓとし、第２の半導体
材料はＧａＡｓとする。

【０００９】ところで、ＭＱＷ領域の井戸層の厚さを薄
くすることにより井戸内の量子準位のエネルギーを高く
することができる。このとき第１の極小点より他の極小
点でも量子化の効果は現われるが、キャリアの有効質量
の違いにより第１の極小点での増大の割合は他の極小点
よりはるかに大きい。よって、それを第２の極小点にお
けるエネルギー極小値よりも高くする、あるいは近付け
ることができる。この量子準位のエネルギーはシュレデ
ィンガー方程式を解くことにより、材料の物性値さえわ
かっていれば精密に設定できる。

【００１０】本発明により実現されるエネルギーバンド
構造およびＭＱＷ部分の概略図を図１に示す。図に示し
たように光の吸収端を決定する井戸内の量子準位（Γ
点）が井戸を形成する材料の他のエネルギー極小値（Ｌ
点あるいはＸ点）よりも高くなるように設定することに
より、量子井戸におけるキャリアの再結合がΓ点におい
てのみ起こる運動量変化の伴わない直接遷移型から、伝
導帯のＬ点あるいはＸ点から価電子帯のΓ点へ遷移する
運動量変化のともなう間接遷移型へと変化する。

【００１１】これはバンド交差効果として知られてい
る。ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジ
ックス２４巻Ｌ１０１ページ（１９９０年）によれ
ば、ＭＱＷにおける井戸層の厚さを薄くして量子準位の
エネルギーを高くしていくと、あるエネルギー値でバン
ド交差効果が起こり、室温における量子井戸内での発光
強度が大幅に低下したと報告されている。つまり井戸内
での再結合過程における間接遷移型の寄与が大きくな
り、実効的なキャリアの再結合の時定数τrが長くなっ
たということである。この臨界値付近での吸収係数の大
幅な低下はなく、本構造をＭＱＷ太陽電池内に導入すれ
ば、τrが長くなる効果により多くの励起キャリアが井
戸から脱出し、出力に寄与することが可能となる。ま
た、有限温度においてはキャリアは確率的に高エネルギ
ーまで分布することが知られている。特に太陽電池の動
作点は室温（約３００Ｋ）以上であるため、キャリアの
エネルギー分布範囲は広い。そこで、量子準位のエネル
ギーが、Ｌ極小点あるいはＸ極小点を超えない場合でも
その差が室温での熱エネルギー（ｋＴ＝２６ｍｅＶ、Ｔ
＝３００Ｋ）の４倍以内であれば、量子井戸内のキャリ
アはポテンシャルの山を超え、Ｌ極小点あるいはＸ極小
点へと到達することが確率的に可能となり、バンド交差
の効果が得られる。ここで４倍としたのは、５倍以上と
した場合には他のエネルギー極小点以上のエネルギーに
分布するキャリアの割合が１％未満になり、本発明の効
果を得ることが困難になるからである。

【００１２】実際の太陽電池の動作点はＭＱＷに電界が
ほとんど印加されていない状態に近いが、本発明の太陽
電池構造はこのような状況でも再結合確率が低くなるた
め、飽和電流密度の増大を防ぐことができ、出力電圧の
低下も抑制できる。量子準位を高く設定するために井戸
層を薄くしなければならないので、一層当たりの光の吸
収量は低くなる。これに対しては層の数を多くして総膜
厚が大きくなるように設定すれば良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて説明する。〔実施例１〕本発明の太陽電池は、基本的には図４に示
すように、半導体のｐ型領域１とｎ型領域２に挟まれた
領域に低不純物濃度領域３を有し、低不純物濃度領域が
ｐ型領域１およびｎ型領域２を形成する半導体材料と同
一の半導体材料４（第１の半導体材料）と、半導体材料
４よりも狭い禁制帯幅を有する半導体材料５（第２の半
導体材料）とを交互に積層した量子井戸構造である多重
量子井戸太陽電池であって、さらに図１に示すように第
２の半導体材料である狭い禁制帯幅を有する材料の伝導
帯に形成される量子準位のエネルギーが、その材料の伝
導帯における他のエネルギー極小値よりも高くなってい
ることを特徴とする。

【００１４】以下、太陽電池としての素子構造を具体的
に説明する。実施例１の素子構造の作製は、量子井戸構
造を数十オングストロームという膜厚精度で作製しなく
てはならないため、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の手法が適し
ている。これらの作製法では、蒸着源セルの温度や原料
ガスの供給量および原料ビームのシヤッター制御によ
り、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を容易に形成すること
ができる。また、用いる半導体材料の組み合わせは、良
好な結晶成長を行うために、格子定数が比較的近い材料
を用いることが必要である。

【００１５】ここではＭＢＥ法による作製の一例とし
て、伝導帯におけるΓ極小点とＬ極小点が１００ｍｅＶ
程度しか離れておらず、バンド交差効果の得やすいガリ
ウムアンチモン(ＧａＳｂ)を、井戸層を形成する狭禁制
帯幅材料４として用い、一方、ｐ型半導体層１、ｎ型半
導体層２および低不純物濃度の障壁層としてアルミニウ
ムの混晶比ｘによってそのバンドギャップを容易に変化
させることが可能なアルミニウム・ガリウム・アンチモン
(ＡｌxＧａ1-xＳｂ)５を用いた例について記述する。こ
れらの材料は直接遷移型で、お互いに格子整合が良い組
み合わせである。

【００１６】図２に示すように、半導体基板としては、
周期律表の第III族のＧａと第V族のＳｂとからなる化合
物半導体で、ｎ型高ドープのＧａＳｂ(００１)基板８を
用いる。(1)基板８上にまずバッファー層９として珪素
Ｓｉ(VI価)を高ドープしたｎ型ＧａＳｂ層を１μｍ程度
成長し、(2)続いて同様に、Ｓｉをドープし不純物濃度
が２×１０¹⁷／ｃｍ³のＡｌ₀.₂Ｇａ₀.₈Ｓｂからなるｎ
型半導体層２を２μｍ成長し、(3)次に不純物ドープは
行なわずＡｌ₀.₂Ｇａ₀.₈Ｓｂ層を３０ｎｍ成長する。
(4)この後、井戸層４であるＧａＳｂを３０ｎｍとし、
(5)障壁層５であるＡｌ₀.₂Ｇａ₀.₈Ｓｂを３０ｎｍとし
て成長し、(4)、(5)を繰り返してＭＱＷ層を作製する。
これはＡｌのシャッターの開閉を所定の時間で周期分繰
り返すだけでよい。ここでは井戸層(ＧａＳｂ)での吸収
を大きくするため周期を１００とする。(6)最後に、ベ
リリウムＢｅ(II価)をドープした不純物濃度が４×１０
¹⁸／ｃｍ³のＡｌ₀.₂Ｇａ₀.₈Ｓｂからなるｐ型半導体層
１を０．５μｍ成長する。このようにして作製したＭＱ
Ｗ太陽電池において、井戸層を形成する材料であるＧａ
Ｓｂ層のΓ極小点における量子準位６は、伝導帯の底か
ら約１００ｍｅＶ高い値に形成され、ＧａＳｂにおける
Ｌ極小点のエネルギー値７とほぼ等しくなる。よって、
再結合過程におけるＬ極小点の寄与が増大し、井戸層４
内での再結合時定数τrが長く損失の少ない高効率のＭ
ＱＷ太陽電池が得られる。

【００１７】〔実施例２〕実施例２として、アルミニウ
ム・ヒ素（ＡｌＡｓ）を障壁層とし、ガリウム・ヒ素
（ＧａＡｓ）を井戸層として用いた組み合わせについて
記述する。作製法は実施例１と同様にＭＢＥ法を用い
る。これらはお互いに格子整合しており、良好な結晶成
長が可能である。ここで井戸層４を形成する狭禁制帯幅
材料として用いるＧａＡｓは伝導帯においてΓ極小点と
Ｌ極小点が約３００ｍｅＶ程度離れている。しかしなが
ら、有限温度においてはキャリアは確率的に高エネルギ
ーまで分布するため、Γ極小点における量子準位のエネ
ルギーとＬ極小点との差が室温での熱エネルギー（ｋＴ
＝２６ｍｅＶ：Ｔ＝３００Ｋ）の４倍以内であれば、量
子井戸内のキャリアはポテンシャルの山を超えＬ極小点
へと到達することが確率的に可能となり、バンド交差の
効果が得られる。量子井戸内の電子のエネルギー分布が
ボルツマン関数に従うと仮定すると、ＡｌＡｓとＧａＡ
ｓとの組み合わせにおいて井戸層であるＧａＡｓ層の厚
さを５ｎｍとすれば、井戸層に形成される量子準位のエ
ネルギーは２３０ｍｅＶとなり、ＧａＡｓの伝導帯のＬ
極小点のエネルギーから約７０ｍｅＶ低い位置に形成さ
れるため上記条件を十分満たし、本発明の効果を得るこ
とが可能となる。

【００１８】〔実施例３〕この素子構造を受光素子に応
用した例について説明する。本発明の素子構造において
は広い波長範囲の光を光電変換に寄与させ、生成したキ
ャリアを損失なく電流として取り出せることが可能とな
る。よって、受光素子に応用した場合には入力光信号に
対する動作波長範囲を赤外領域まで任意に広げることが
できる。また、光生成キャリアの損失が低いので、微弱
な光信号に対しても反応する高感度の素子が得られる。
実際に受光素子として用いるには、ｐｎ接合間に逆バイ
アスを印加し低不純物濃度のＭＱＷ領域の電界を高め、
光信号に対し、生成キャリアを高速で応答させる方法お
よびなだれ増倍効果により信号を増幅する方法を用いる
のが良いが、素子自体が非常に高感度であるため従来例
に比べて高いバイアス電界を印加する必要はなく、低消
費電力の素子を実現することができる。

【００１９】〔実施例４〕本実施例においては、本発明
の素子構造を有する受光素子を光通信装置の受光部とし
て用いた場合について図３を用いて説明する。光通信装
置は大きく分けて、送信部１１、伝達部１２、受信部１
３から形成される。送信部１１では入力電気信号を駆動
回路１４により取り入れ、LEDあるいはレーザー素子１
５によって光信号に変換する。変換された光信号は光フ
ァイバー１２等によって目的地まで伝達された後、受光
部１３では受光素子１６によって光信号として検出さ
れ、それから増幅器１７および信号復元器１８を介して
再び電気信号に変換される。このような光通信装置の受
光部１３に本発明の受光素子１６を用いた場合には、従
来技術に比べ高感度、低消費電力の光通信装置を実現す
ることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、太陽電池は、半導体の
ｐ型領域とｎ型領域に挟まれた領域に低不純物濃度領域
を、ｐ型およびｎ型領域を形成する第１の半導体材料
と、第１の半導体体材料それよりも狭い禁制帯幅を有す
る第２の半導体材料とを交互に積層した量子井戸構造と
し、井戸層内の伝導帯における井戸内の量子準位のエネ
ルギーが、井戸層を形成する第２の半導体材料の第２の
エネルギー極小値より高くするように薄い層として構成
したので、また、低い場合でもそのエネルギー差を室温
での熱エネルギー値の４倍以内に設定することで、バン
ド交差の効果が得られ、再結合確率を低下させることが
できる。それにより、高い光電変換効率を有する太陽電
池が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＭＱＷ太陽電池の井戸層内に形成
されるエネルギーバンド構造の概略図である。

【図２】本発明の一実施例１の太陽電池の素子構造であ
る。

【図３】本発明による太陽電池を受光素子として備えた
通信装置を示す図である。

【図４】多重量子井戸（ＭＱＷ）太陽電池の素子構造を
示す図である。

【図５】ＭＱＷ太陽電池におけるエネルギーバンド図で
ある。

【図６】直接遷移半導体のエネルギーバンド構造（Ｅ−
ｋ）の概略図である。

【符号の説明】

１半導体のｐ型領域２半導体のｎ型領域３低不純物濃度領域４ｐ及びｎ型領域、障壁層を構成する第１の半導体材
料５狭い禁制帯幅を有する第２の半導体材料６伝導帯に形成される量子準位のエネルギー７伝導帯における第２、第３のエネルギー極小値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田村克東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者峯邑純子東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の半導体材料から形成されたｐ型領
域およびｎ型領域と、該ｐ型領域と該ｎ型領域間に挟ま
れた低不純濃度領域からなり、該低不純濃度領域が第１
の半導体材料からなる層と、該第１の半導体材料よりも
狭い禁制帯幅を有する第２の半導体材料からなる層とを
交互に積層した井戸構造である太陽電池において、シュ
レディンガーの波動方程式から導かれエネルギー・波数
（Ｅ−ｋ）で示される第２の半導体材料のエネルギーバ
ンド構造における伝導帯の第１のエネルギー極小値が該
伝導帯の第２のエネルギー極小値より高くなるように第
２の半導体材料からなる層を薄く形成したことを特徴と
する太陽電池。
【請求項２】第１の半導体材料から形成されたｐ型領
域およびｎ型領域と、該ｐ型領域と該ｎ型領域間に挟ま
れた低不純濃度領域からなり、該低不純濃度領域が第１
の半導体材料からなる層と、該第１の半導体材料よりも
狭い禁制帯幅を有する第２の半導体材料からなる層とを
交互に積層した井戸構造である太陽電池において、シュ
レディンガーの波動方程式から導かれエネルギー・波数
（Ｅ−ｋ）で示される第２の半導体材料のエネルギーバ
ンド構造における伝導帯の第１のエネルギー極小値が、
該伝導帯の第２のエネルギー極小値以下で、かつ該伝導
帯の第２のエネルギー極小値とのエネルギー差が室温で
の熱エネルギー(ｋＴ＝２６ｍｅＶ、Ｔ＝３００Ｋ）の
４倍以内まで高くなるように第２の半導体材料からなる
層を薄く形成したことを特徴とする太陽電池。
【請求項３】前記第１の半導体材料は周期律表の第II
I族の元素と第V族の元素とからなる化合物半導体である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】前記第１の半導体材料はＧａＳｂであ
り、前記第２の半導体材料はＡl₀.₂Ｇa₀.₈Ｓbであるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項５】前記第１の半導体材料はＡｌＡｓであ
り、前記第２の半導体材料はＧａＡｓであることを特徴
とする請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項６】受光素子として用いることを特徴とする
請求項１ないし５いずれかに記載の太陽電池。
【請求項７】請求項第１ないし５いずれかに記載の太
陽電池を受光素子として用いる光通信装置。