JPS6257271B2 - - Google Patents
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- JPS6257271B2 JPS6257271B2 JP57044662A JP4466282A JPS6257271B2 JP S6257271 B2 JPS6257271 B2 JP S6257271B2 JP 57044662 A JP57044662 A JP 57044662A JP 4466282 A JP4466282 A JP 4466282A JP S6257271 B2 JPS6257271 B2 JP S6257271B2
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- gaalas
- semiconductor
- solar cell
- gaas
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- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
-
- 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
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- 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
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- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、禁止帯幅の異なる半導体のpn接合
を多層に積層することにより、変換効率を高めた
モノリシツクカスケード形太陽電池に関するもの
である。
を多層に積層することにより、変換効率を高めた
モノリシツクカスケード形太陽電池に関するもの
である。
一種類の半導体のpn接合を用いた太陽電池の
変換効率は、最適禁止帯幅（約1.4eV）の半導体
を用いても、最大約25％である。その理由は、太
陽光スペクトルのうち、半導体の禁止帯幅以下の
エネルギの光は、半導体中を透過し利用できない
からである。したがつて、それ以上の高効率を実
現するためには、多種類の禁止帯幅の異なる半導
体を用いて太陽光スペクトルを幅広く利用する必
要がある。このような太陽電池として、禁止帯幅
の異なる半導体のpn接合を同一基板上に多層に
積層したモノリシツクカスケード形太陽電池と呼
ばれるものがある。
変換効率は、最適禁止帯幅（約1.4eV）の半導体
を用いても、最大約25％である。その理由は、太
陽光スペクトルのうち、半導体の禁止帯幅以下の
エネルギの光は、半導体中を透過し利用できない
からである。したがつて、それ以上の高効率を実
現するためには、多種類の禁止帯幅の異なる半導
体を用いて太陽光スペクトルを幅広く利用する必
要がある。このような太陽電池として、禁止帯幅
の異なる半導体のpn接合を同一基板上に多層に
積層したモノリシツクカスケード形太陽電池と呼
ばれるものがある。
ところが、これまでに作製されたモノリシツク
カスケード形太陽電池の変換効率は、理論的に予
想されるものよりも著しく低いものであつた。例
えば、GaAlAsとGaAsのモノリシツクカスケー
ド形太陽電池では、25〜30％の変換効率が理論的
に期待されるにもかかわらず、実際の効率は13％
程度で、GaAs単独の太陽電池の場合の効率20％
よりもはるかに小さいものであつた。その原因
は、GaAlAs層内およびGaAs層内の各pn接合部
で発生した光キヤリアを有効に外部に取出すため
のこれら両層間の電気的接続機構に問題があるこ
とに存する。
カスケード形太陽電池の変換効率は、理論的に予
想されるものよりも著しく低いものであつた。例
えば、GaAlAsとGaAsのモノリシツクカスケー
ド形太陽電池では、25〜30％の変換効率が理論的
に期待されるにもかかわらず、実際の効率は13％
程度で、GaAs単独の太陽電池の場合の効率20％
よりもはるかに小さいものであつた。その原因
は、GaAlAs層内およびGaAs層内の各pn接合部
で発生した光キヤリアを有効に外部に取出すため
のこれら両層間の電気的接続機構に問題があるこ
とに存する。
この問題を第１図により更に詳述する。
GaAlAs層とGaAs層との間の電気的接続は、第
１図に示すように、n+形GaAs基板１の上の
GaAs層２とGaAlAs層３との間にGaAlAsの高不
純物濃度接合（p++n++接合）４を形成し、この
接合部でのトンネル現象を利用するものであつ
た。なお、５はGaAlAs層３のオーム性電極であ
る。十分に低抵抗で、かつ光吸収の小さい
p++n++接合４を実現するためには、不純物濃度
が1019cm-3以上で、厚さが1000Å以下のGaAlAs
のp++層４ａおよびn++層４ｂを形成する必要が
ある。しかしながら、GaAlAsにこのような高濃
度不純物を再現性よく添加することは極めて困難
であり、また、たとえ添加されても、その上の
GaAlAs層３の成長中に添加不純物が上下の層に
拡散してしまい、その分布が極めて広く拡がると
いう問題があつた。このような原因のために、期
待されるような薄い低抵抗のp++n++接合は実現
されていなかつた。
GaAlAs層とGaAs層との間の電気的接続は、第
１図に示すように、n+形GaAs基板１の上の
GaAs層２とGaAlAs層３との間にGaAlAsの高不
純物濃度接合（p++n++接合）４を形成し、この
接合部でのトンネル現象を利用するものであつ
た。なお、５はGaAlAs層３のオーム性電極であ
る。十分に低抵抗で、かつ光吸収の小さい
p++n++接合４を実現するためには、不純物濃度
が1019cm-3以上で、厚さが1000Å以下のGaAlAs
のp++層４ａおよびn++層４ｂを形成する必要が
ある。しかしながら、GaAlAsにこのような高濃
度不純物を再現性よく添加することは極めて困難
であり、また、たとえ添加されても、その上の
GaAlAs層３の成長中に添加不純物が上下の層に
拡散してしまい、その分布が極めて広く拡がると
いう問題があつた。このような原因のために、期
待されるような薄い低抵抗のp++n++接合は実現
されていなかつた。
このように、従来のモノリシツクカスケード形
太陽電池では、各半導体層間の電気的接続のため
に高不純物濃度接合を用いる構造であつたから、
電気的接続部の抵抗が大きく、また、高不純物濃
度接合部での光収納が無視できないので、変換効
率を向上させることができなかつた。
太陽電池では、各半導体層間の電気的接続のため
に高不純物濃度接合を用いる構造であつたから、
電気的接続部の抵抗が大きく、また、高不純物濃
度接合部での光収納が無視できないので、変換効
率を向上させることができなかつた。
そこで、本発明の目的は、上述の欠点を除去し
て、製造が簡単で高効率のモノリシツクカスケー
ド形太陽電池を提供することにある。
て、製造が簡単で高効率のモノリシツクカスケー
ド形太陽電池を提供することにある。
かかる目的を達成するために、本発明では、各
半導体層間の電気的接続を層間に埋込んだオーム
性金属部により行うようにする。
半導体層間の電気的接続を層間に埋込んだオーム
性金属部により行うようにする。
半導体の多層膜の成長過程で、半導体層間に金
属膜を埋込むことは、従来はほとんど行われてい
なかつた。本発明者らは、分子線エピタキシヤル
法（MBE法）および気相エピタキシヤル成長法
（VPE法）による半導体の多層膜の成長におい
て、金属膜を半導体層間に埋込むことが可能であ
ることを見い出した。特に、MBE法が金属膜を
埋込んだ多層膜の形成に適していることを明らか
にした。本発明は、このような認識の下になした
ものであつて、半導体層間に埋込む金属として半
導体に対してオーム性接触を形成する金属を選
び、この金属によりモノリシツクカスケード形太
陽電池における各半導体層間の電気的接続を行う
ようにする。
属膜を埋込むことは、従来はほとんど行われてい
なかつた。本発明者らは、分子線エピタキシヤル
法（MBE法）および気相エピタキシヤル成長法
（VPE法）による半導体の多層膜の成長におい
て、金属膜を半導体層間に埋込むことが可能であ
ることを見い出した。特に、MBE法が金属膜を
埋込んだ多層膜の形成に適していることを明らか
にした。本発明は、このような認識の下になした
ものであつて、半導体層間に埋込む金属として半
導体に対してオーム性接触を形成する金属を選
び、この金属によりモノリシツクカスケード形太
陽電池における各半導体層間の電気的接続を行う
ようにする。
以下に図面を参照して本発明を説明する。
本発明によるGaAlAsとGaAsのモノリシツク
カスケード形太陽電池の実施例を第２図に示す。
ここで、１１はGaAs基板、１２は基板１１上に
配置したGaAs層、１３はGaAs層１２上に配置し
たGaAlAs層、１５はGaAlAs層１３のオーム性
電極、１６は層１２と１３との間に配置した埋込
みAl膜である。なお、実際の太陽電池では、
GaAlAs層１３の上に、窓層として、禁止帯幅の
大きいGaAlAs層が形成されるが、これは、本発
明の説明においては本質的なものでないので、省
略する。
カスケード形太陽電池の実施例を第２図に示す。
ここで、１１はGaAs基板、１２は基板１１上に
配置したGaAs層、１３はGaAs層１２上に配置し
たGaAlAs層、１５はGaAlAs層１３のオーム性
電極、１６は層１２と１３との間に配置した埋込
みAl膜である。なお、実際の太陽電池では、
GaAlAs層１３の上に、窓層として、禁止帯幅の
大きいGaAlAs層が形成されるが、これは、本発
明の説明においては本質的なものでないので、省
略する。
第２図の太陽電池をMBE法によつて製造する
場合の工程について説明する。まず、鏡面研磨し
たGaAs基板１１上に、内部にpn接合を有する
GaAs層１２を形成する。次に、GaAs層１２上
に、材質がTaで所定のパターンを有する金属マ
スクを用いて、Al膜１６を形成する。さらに、
金属マスクのない状態で、内部にpn接合を有す
るGaAlAs層１３を形成する。最後に、上記の金
属マスクを用いて、Al膜１６のパターンに重な
る位置にオーム性電極１５を形成する。
場合の工程について説明する。まず、鏡面研磨し
たGaAs基板１１上に、内部にpn接合を有する
GaAs層１２を形成する。次に、GaAs層１２上
に、材質がTaで所定のパターンを有する金属マ
スクを用いて、Al膜１６を形成する。さらに、
金属マスクのない状態で、内部にpn接合を有す
るGaAlAs層１３を形成する。最後に、上記の金
属マスクを用いて、Al膜１６のパターンに重な
る位置にオーム性電極１５を形成する。
GaAs層１２とGaAlAs層１３との間に埋込ん
だAl膜１６は、GaAs層１２のｐ形領域と
GaAlAs層１３のｎ形領域の双方に対してオーム
性接触を形成するもので、GaAs層１２のｐ形領
域で発生したホール電流とGaAlAs層１３のｎ形
領域で発生した電子電流を短絡する。すなわち、
このAl膜１６により、GaAs層１２のpn接合と
GaAlAs層１３のpn接合との良好な電気的接続を
行うことができる。このように作製した本発明モ
ノリシツクカスケード形太陽電池は、AM（air
mass）０の太陽光下で25％の変換効率を示し、
従来のものに比べて極めて優れていることが確認
された。
だAl膜１６は、GaAs層１２のｐ形領域と
GaAlAs層１３のｎ形領域の双方に対してオーム
性接触を形成するもので、GaAs層１２のｐ形領
域で発生したホール電流とGaAlAs層１３のｎ形
領域で発生した電子電流を短絡する。すなわち、
このAl膜１６により、GaAs層１２のpn接合と
GaAlAs層１３のpn接合との良好な電気的接続を
行うことができる。このように作製した本発明モ
ノリシツクカスケード形太陽電池は、AM（air
mass）０の太陽光下で25％の変換効率を示し、
従来のものに比べて極めて優れていることが確認
された。
ところで、半導体層間に埋込む金属としては、
半導体とのオーム性接触の形成の観点から選択さ
れるから、当然、半導体とは結晶構造や格子定数
の異なつた金属が用いられるのが一般的である。
したがつて、金属膜の直上に成長する半導体層の
内部には、転位などの欠陥の発生や、あるいは半
導体が多結晶化することが予想される。しかしな
がら、埋込んだ金属膜が占める面積は、太陽電池
の全受光面積の10％以下であるため、金属膜上の
かかる結晶性の低下は、太陽電池の変換効率の低
下に重要な影響を与えるものではない。
半導体とのオーム性接触の形成の観点から選択さ
れるから、当然、半導体とは結晶構造や格子定数
の異なつた金属が用いられるのが一般的である。
したがつて、金属膜の直上に成長する半導体層の
内部には、転位などの欠陥の発生や、あるいは半
導体が多結晶化することが予想される。しかしな
がら、埋込んだ金属膜が占める面積は、太陽電池
の全受光面積の10％以下であるため、金属膜上の
かかる結晶性の低下は、太陽電池の変換効率の低
下に重要な影響を与えるものではない。
もしも、わずかな変換効率の低下が問題になる
場合には、第２図の場合のように、埋込みAl膜
１６をGaAlAs層１３のオーム性電極１５の真下
に形成すればよい。GaAlAs層１３のうち、オー
ム性電極１５の真下の領域はこのオーム性電極１
５の陰となつて太陽光が入射しない領域である。
すなわち、Al膜１６の有無にかかわらず、光キ
ヤリアの発生のない領域であるため、第２図のよ
うな構造にすれば、この領域の結晶性の低下が変
換効率の低下の新たな原因になることはない。
場合には、第２図の場合のように、埋込みAl膜
１６をGaAlAs層１３のオーム性電極１５の真下
に形成すればよい。GaAlAs層１３のうち、オー
ム性電極１５の真下の領域はこのオーム性電極１
５の陰となつて太陽光が入射しない領域である。
すなわち、Al膜１６の有無にかかわらず、光キ
ヤリアの発生のない領域であるため、第２図のよ
うな構造にすれば、この領域の結晶性の低下が変
換効率の低下の新たな原因になることはない。
以下の説明は、埋込み金属としてAlを用いた
GaAlAs―GaAsモノリシツクカスケード形太陽
電池に関するものであるが、半導体の材料系によ
つては、一種類の金属で二種類の半導体に対して
オーム性接触を形成するのが困難な場合が多い。
そのような場合には、上下の各々の半導体層に対
してオーム性接触を形成する二種類の金属を積層
して用いればよい。例えば、ｎ形半導体層に対し
ては、SiやSn、ｐ形半導体層に対してはZnやMg
等を使用する半導体との関係で選択できる。
GaAlAs―GaAsモノリシツクカスケード形太陽
電池に関するものであるが、半導体の材料系によ
つては、一種類の金属で二種類の半導体に対して
オーム性接触を形成するのが困難な場合が多い。
そのような場合には、上下の各々の半導体層に対
してオーム性接触を形成する二種類の金属を積層
して用いればよい。例えば、ｎ形半導体層に対し
ては、SiやSn、ｐ形半導体層に対してはZnやMg
等を使用する半導体との関係で選択できる。
以上説明したように、本発明によれば、各半導
体層間の電気接続を半導体層間に埋込んだオーム
性金属を用いて行うことによつて、簡単な構造
で、高い変換効率を有するモノリシツクカスケー
ド形太陽電池を実現することができる。
体層間の電気接続を半導体層間に埋込んだオーム
性金属を用いて行うことによつて、簡単な構造
で、高い変換効率を有するモノリシツクカスケー
ド形太陽電池を実現することができる。
第１図は従来のGaAlAs―GaAsモノリシツク
カスケード形太陽電池の構造の一例を示す模式的
断面図、第２図は本発明のGaAlAs―GaAsモノ
リシツクカスケード形太陽電池の構造の一例を示
す模式的断面図である。 １，１１……GaAs基板、２，１２……GaAs
層、３，１３……GaAlAs層、４……GaAlAsの
高濃度不純物接合（p++n++接合）、４ａ……p++
―GaAlAs、４ｂ……n++―GaAlAs、１５……
GaAlAs層３のオーム性電極、１６……埋込みAl
膜。
カスケード形太陽電池の構造の一例を示す模式的
断面図、第２図は本発明のGaAlAs―GaAsモノ
リシツクカスケード形太陽電池の構造の一例を示
す模式的断面図である。 １，１１……GaAs基板、２，１２……GaAs
層、３，１３……GaAlAs層、４……GaAlAsの
高濃度不純物接合（p++n++接合）、４ａ……p++
―GaAlAs、４ｂ……n++―GaAlAs、１５……
GaAlAs層３のオーム性電極、１６……埋込みAl
膜。
Claims (1)
- １ 禁止帯幅の異なる半導体のpn接合を多層に
積層した構造のモノリシツクカスケード形太陽電
池において、前記pn接合の各々を形成する半導
体層間にオーム性金属を埋込んで各pn接合間の
電気的接続を行うようにしたことを特徴とするモ
ノリシツクカスケード形太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57044662A JPS58162073A (ja) | 1982-03-23 | 1982-03-23 | モノリシツクカスケ−ド形太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57044662A JPS58162073A (ja) | 1982-03-23 | 1982-03-23 | モノリシツクカスケ−ド形太陽電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58162073A JPS58162073A (ja) | 1983-09-26 |
| JPS6257271B2 true JPS6257271B2 (ja) | 1987-11-30 |
Family
ID=12697652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57044662A Granted JPS58162073A (ja) | 1982-03-23 | 1982-03-23 | モノリシツクカスケ−ド形太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58162073A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5315008B2 (ja) * | 2007-11-16 | 2013-10-16 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | 光電変換装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5544793A (en) * | 1978-09-25 | 1980-03-29 | Rca Corp | Amorphous silicon solar battery |
| JPS5633889A (en) * | 1979-08-28 | 1981-04-04 | Rca Corp | Amorphous silicon solar battery |
-
1982
- 1982-03-23 JP JP57044662A patent/JPS58162073A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5544793A (en) * | 1978-09-25 | 1980-03-29 | Rca Corp | Amorphous silicon solar battery |
| JPS5633889A (en) * | 1979-08-28 | 1981-04-04 | Rca Corp | Amorphous silicon solar battery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58162073A (ja) | 1983-09-26 |
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