JPS63194373A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ 三元混晶Ｚｎ　Ｓ　＋−ｘＴｅｘと三元混晶へｌ＋−ｘ
ＧａｘＡｓと三元混晶１　ｎ　ｘ　Ｇ　ａ　＋−ｘ　Ａ
　ｓとを、光入射方向より順に重ね合わせ、その３つの
三元混晶の混晶比Ｘを連続的に変化させてバンドギャッ
プエネルギーを連続的に減少させ、且つ、その３つの三
元混晶に含まれる不純物濃度をも連続変化させて、エネ
ルギーバンドにおける伝導帯および価電子帯を傾斜させ
た構造にする。

そうすれば、エネルギー変換効率が向上する。

［産業上の利用分野］ 本発明は新規な構成の太陽電池に関する。

太陽は人類にとって最大のエネルギー源であり、その太
陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池が開
発されて広く利用されており、例えば、通信衛星などに
必須の電源となっている。

しかし、太陽電池のエネルギー変換効率はまだ十分なも
のではなく、更にその変換効率の向上が要望されている
。

［従来の技術］ さて、太陽電池素子は、従来、Ｓｉ　（シリコン）やＧ
ａＡｓ　（ガリウム砒素）などの半導体で作製されてい
る。

第３図はそのうちのシリコン太陽電池素子を示しており
、同図（ａ）は断面構造図で、■はｐ−５ｔ（ｐ型シリ
コン）、２はｎ−５ｉ（ｎ型シリコン）。

３は透明電極、４は裏面電極であって、透明電極面に太
陽光を受けると両電極３．４間に出力電圧が得られる。

第３図（ｂ）はそのエネルギーバンド図を図示しており
、周知のように、シリコンの価電子帯Ｖと伝導帯Ｃとの
間の禁制帯の幅（エネルギーギャップ）Ｅｇは１．１ｅ
Ｖである。なお、図中のＦはフェルミレベルである。

このような透明電極面に振動数νの太陽光線を受ける（
矢印）と、光子１個当たりのエネルギーｈν（ｈ；ブラ
ンクの定数）がｇｇより大きい場合、価電子帯■にある
電子が励起されて、禁制帯を飛び越えて伝導帯Ｃに移る
。この現象を電子と正孔との対生成と云うが、この生成
された電子と正札とは拡散によって結晶中を移動し、空
乏層に到達したものは空乏層の電界によって分離されて
、両電極から電流（電気エネルギー）として取り出され
る。

次に、第４図は化合物半導体太陽電池素子のうちのＡｌ
ＧａＡｓ　（アルミニウムガリウム砒素）系の波長背割
形太陽電池を示しており、同図（ａ）は断面構造図、同
図中）はエネルギーバンド図である。図中の１１はｐ　
−ＡｌｓｓｃＧａｘＡｓ　、　１２はｐ　−ＡＩｔ−ｙ
ＧａｙＡｓ　　（１＞ｙ＞ｘ＞Ｏ）、１３はｎ　−Ｇａ
Ａｓ、　１４は透明電極。

１５は裏面電極である。シリコンと同じく、透明電極面
に太陽光線を受けると両電極１４．１５間に出力電圧が
発生する。この構造は第４図ｆｂ）に示すように、エネ
ルギーギャップＥｇが複数値（２，２ｅＶ。

１、６ｅＶ、　１．４ｅＶ）からなり、Ｓｉ素子に比べ
ると、エネルギー変換効率は一層向上する。

その理由は、光エネルギーｈνがエネルギーギャップＥ
ｇから懸は離れて大きい場合、即ち、光の吸収が大きく
なり過ぎた場合は、結晶欠陥によって表面再結合が起こ
り、キャリアが消滅して、電気エネルギーへ変換されな
くなるからである。

そのために、エネルギーギャップＥｇを２．２ｅＶ。

１、６ｅＶ、　１．４ｅＶの複数値として、変換効率の
向上を図っているわけで、これを波長背割形太陽電池と
称されている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、このように波長背割形太陽電池に構成しても
、例えば、第４図に示すＡｌＧａＡｓ系素子の場合でも
エネルギー変換効率は精々３０％程度に過ぎない。また
、第３図に示すＳｉ素子では、アモルファスシリコンで
形成すれば、その変換効率は精々十％までで、単結晶シ
リコンでは１７〜１８％程度である。

なぜならば、太陽光線は１０００人位から数μｍまで広
い波長λをもっており、このように広い波長分布をもっ
た光を一つ又は二三種類のエネルギーギャップをもった
太陽電池では、すべての波長の光を有効に吸収できない
からである。

本発明はこのような従来の低いエネルギー変換効率を出
来るだけ向上する構造の太陽電池を提案するものである
。

［問題点を解決するための手段］ その目的は、波長０．６μｍ以下の短波長光を主に吸収
する三元混晶ＺｎＳ＋−ｘＴｅｘと、波長０．６〜０゜
９μｍの光を主に吸収する三元混晶ＡＬ−にＧａｘＡｓ
と、波長０．９〜４．０μｍの赤外線を主に吸収する三
元混晶１ｎｘＧａ＋−ｘＡｓを８、光の入射方向から内
部に向かって順次に重ね合わせた構造とし、且つ、該３
つの三元混晶の混晶比Ｘを連続的に変化させてバンドギ
ャップエネルギーを連続的に減少させると共に、該３つ
の三元混晶に含まれる不純物濃度をも連続して変化させ
て、エネルギーバンドにおける伝導帯および価電子帯に
傾斜をもたせた太陽電池によって達成される。

即ち、第１図に示す原理図のように、基板まで伝導帯Ｃ
および価電子帯Ｖを傾斜をもたせたエネルギー、バンド
構造にする。

〔作用コ 即ち、三元混晶Ｚｎ　Ｓ　＋−ｘＴｅｘと三元混晶Ａｌ
ｅ−ｘＧａｘＡＳと三元混晶ＩｎｘＧａＩ−ｘＡｓとを
、光入射方向より順に重ね合わせ、その３つの三元混晶
の混晶比Ｘを連続的に変化させてバンドギャップエネル
ギーを連続的に減少させ、更に、その３つの三元混晶に
含まれる不純物濃度をも連続的に変化させて、エネルギ
ーバンドの伝導帯および価電子帯を傾斜させた構造にす
る。

そうすれば、太陽の広い波長範囲の光エネルギーが変換
されて、エネルギー変換効率が向上する。

［実施例］ 以下、図面を参照して実施例によって詳細に説明する。

第２図は本発明にかかる３種類の三元混晶からなる太陽
電池素子の構造（同図（ａ））とエネルギーバンド（同
図（ｂ））とを示している。第２図（ａ）において、２
１は波長０．６μｍ以下の短波長光を吸収する三元混晶
ＺｎＳ＋−ｘＴｅｘ　＋　２２は波長０．６〜０．９μ
ｍの光を吸収する三元混晶ＡＬ−ｘＧａｘＡｓ　＋　２
３は波長０゜９〜４．０μｍの赤外線を吸収する三元混
晶１ｎｘＧａ＋−ｘＡｓで、光の入射方向を矢印で示し
ており、２４はｎ−１ｎＡｓ（基板）、２５は透明電極
、２６は裏面電極である。

且つ、混晶比ＸはいずれもＯ≦Ｘ≦１であり、三元混晶
Ｚｎ　Ｓ　ｘＴｅｘの混晶比ＸはＯから１に連続して変
化させ、従って、光の入射表面はＺｎＳになる。また、
三元混晶Ａ　１＋−’ｘＧａ　ｘＡｓの混晶比Ｘも０か
ら１に連続して変化させ、光入射面に近い方がＡｔＡｓ
になる。また、三元混晶ｒｎｘＧａ＋−ｘＡｓの混晶比
ＸもＯから１に連続して変化させて、光入射面に近い方
がＧａＡｓになる。

更に、三元混晶Ｚｎ　Ｓ＋−ｘＴｅｘをｐ型にドープし
て、アクセプタ濃度を光入射表面から内部に向かって次
第に減少させる。三元混晶Ａｌ＋−ｘＧａｘＡｓもｐ型
にドープして、アクセプタ濃度を光入射方向から内に向
かって次第に減少させる。次の三元混晶１ｎｘＧａ　＋
−ｘ　Ａ　ｓは内部にｐｎ接合を設け、光の入射方向か
ら内に向かってアクセプタ濃度を次第に減少させ、ｎ領
域になればドナー濃度を次第に増加させる。

この不純物濃度の連続変化によって、フエルミレヘルＦ
は伝導帯Ｃに近づく。

このようにすれば、エネルギーギャップＥｇは光の入射
面で３．５ｅＶになり、基板では０．３ｅＶとなり、且
つ、第２図（ｂ）に示すように、エネルギーギャップＥ
ｇを連続的に減少させた構成の太陽電池素子が得られる
。

そうすれば、太陽光線のうち、波長０．３５μｍから４
μｍまでの光をすべて吸収して、光エネルギーが効率良
く電気エネルギーに変換される。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明にかかる構成の
太陽電池素子はエネルギー変換効率が顕著に向上する効
果があるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる原理を示す図、第２図は本発明
にかかる太陽電池素子を示す図、第３図はＳｔ太陽電池
素子を示す図、 第４図はＡｌＧａＡｓ系波長分割型太陽電池素子を示す
図である。 図において、 ２１は三元混晶Ｚｎ　Ｓ＋−ｘＴｅｘ　。 ２２は三元混晶Ａ１＋−ｘＧａｘＡｓ、２３は三元混晶
１ｎｘＧａ＋−ｘＡｓ を示している。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 波長０．６μｍ以下の短波長光を主に吸収する三元混晶
   ＺｎＳ＿１＿−＿ｘＴｅ＿ｘと、波長０．６から０．９
   μｍまでの光を主に吸収する三元混晶Ａｌ＿１＿−＿ｘ
   Ｇａ＿ｘＡｓと、波長０．９から４．０μｍの赤外線を
   主に吸収する三元混晶Ｉｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓと
   を、光の入射方向から内部に向かつて順次に重ね合わせ
   た構造とし、且つ、該３つの三元混晶の混晶比ｘを連続
   的に変化させてバンドギャップエネルギーを連続的に減
   少させると共に、該３つの三元混晶に含まれる不純物濃
   度をも連続して変化させて、エネルギーバンドにおける
   伝導帯および価電子帯に傾斜をもたせたことを特徴とす
   る太陽電池。