WO2016104711A1 - 太陽電池 - Google Patents

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solar cell
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photoelectric conversion
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至崇 岡田
東馬 曽我部
靖 庄司
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国立大学法人東京大学
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell.
  • Patent Document 1 discloses an n-layer made of n-type GaAs on a substrate made of n-type GaAs, and an i-layer in which a plurality of quantum dots made of GaSb are dispersed in a barrier layer made of GaAs.
  • An intermediate band solar cell in which a p-layer made of p-type GaAs is sequentially stacked is disclosed. In the intermediate band solar cell, electrons are directly excited from the valence band of GaAs forming the i layer to the conduction band to generate voltage and current, and between the valence band and the intermediate band, Even between the conduction bands, electrons can be excited to generate voltage and current.
  • the band gap between the valence band and the intermediate band and the band gap between the intermediate band and the conduction band are smaller than the band gap between the valence band and the conduction band. Therefore, the electrons are excited from the valence band to the intermediate band and from the intermediate band to the conduction band by light having a longer wavelength than when excited directly from the valence band to the conduction band.
  • an intermediate band type solar cell electrons are excited even by light in a long wavelength region to generate voltage and current, so that it is larger than a simple silicon solar cell in which no intermediate band is formed. A current can be obtained, and conversion efficiency can be improved.
  • the conversion efficiency represents the general performance of the solar cell, and the output of the solar cell represented by the product of the output voltage and the output current of the solar cell is the energy of the light incident on the solar cell. The percentage of the value divided by.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell that can prevent thermal breakage and can significantly improve the conversion efficiency as compared with the prior art.
  • the solar cell of the present invention has a quantum dot superlattice layer in which a plurality of quantum dot layers each having a plurality of quantum dots arranged in an embedded layer are stacked, and each quantum dot superlattice layer includes a quantum dot superlattice layer.
  • An intermediate band solar cell in which wave functions overlap between dots to form an intermediate band, and a photoelectric conversion stack including at least a p-type photoelectric conversion layer and an n-type photoelectric conversion layer, and the intermediate band solar
  • a solar cell for current adjustment formed on the light incident side of the battery cell, wherein the solar cell for current adjustment has the embedded layer in the intermediate band type solar cell, the photoelectric conversion layered portion. It has a band gap larger than the band gap of.
  • the solar cell of the present invention reduces the amount of light absorbed by the intermediate-band solar cell by the amount of light having a wavelength corresponding to the band gap of the photoelectric conversion laminated portion absorbed by the solar cell for current adjustment.
  • the amount of current generated in the solar cell can be suppressed, and accordingly, the amount of heat generated in the intermediate band solar cell can be reduced, and thermal damage can be prevented.
  • the solar cell of the present invention is for current adjustment connected in series to the intermediate band solar cell while suppressing the amount of current generated in the intermediate band solar cell by the current adjustment solar cell. Since a voltage is generated by absorption of light having a wavelength corresponding to the band gap even in the solar cell, an output voltage obtained by the entire solar cell by the intermediate band solar cell connected in series and the current adjusting solar cell. Thus, the conversion efficiency can be remarkably improved as compared with the prior art.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing a band gap relationship of a comparative intermediate band solar cell used in the simulation, and FIG. 4B shows a current-voltage curve calculated by the simulation.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing the band gap arrangement of the solar cell of the example used in the simulation, and FIG.
  • FIG. 9A shows a combination of materials forming the quantum dots, the buried layer, and the photoelectric conversion laminate when the substrate is GaAs or Ge
  • FIG. 9B shows the quantum dots, the buried layer, and the photoelectric conversion laminate when the substrate is InP. The combination of the material which forms a part is shown.
  • reference numeral 1 denotes a solar cell of the present invention.
  • the solar cell 1 has an intermediate band solar cell 2 and a current adjusting solar cell on a back electrode 4.
  • the battery cell 3 and the surface electrode 5 are formed in order, and the current adjustment solar battery cell 3 and the intermediate band solar battery cell 2 are connected in series.
  • the solar cell 1 when light is incident from the front surface electrode 5 toward the back surface electrode 4, the light can reach the intermediate band solar cell 2 through the current adjustment solar cell 3. Yes.
  • the solar cell 1 is configured such that light having a small wavelength out of light incident from the surface electrode 5 side is absorbed by the current adjustment solar cell 3, so that the voltage and A current is generated, and light of other remaining wavelengths can pass through the current adjusting solar cell 3 and reach the intermediate band solar cell 2.
  • the solar cell 1 absorbs the light having the wavelength transmitted through the current adjusting solar cell 3 by the intermediate band solar cell 2, so that the voltage and current are also received in the intermediate band solar cell 2. Can occur.
  • the solar cell 1 uses, as the output voltage and the output current of the solar cell 1, for example, the surface electrode 5 and the back electrode 4 obtained from the current adjustment solar cell 3 and the intermediate band solar cell 2, respectively. Can be output to an external circuit (not shown) connected to the.
  • the solar cell 1 of the present invention absorbs light having a predetermined wavelength or less in the incident light by the current adjusting solar cell 3, so that the voltage and The light incident on the intermediate band solar cell 2 can be reduced while generating a current.
  • the light absorbed by the intermediate band solar cell 2 is reduced by the amount of light having a predetermined wavelength or less absorbed by the current adjusting solar cell 3, and the intermediate band solar cell
  • the amount of current generated at 2 can be suppressed, and accordingly, the amount of heat generated in the intermediate band solar cell 2 can be reduced.
  • the current adjustment connected in series to the intermediate band solar cell 2 while suppressing the amount of current generated in the intermediate band solar cell 2 by the current adjustment solar cell 3. Since the solar cell 3 also generates a voltage due to light absorption, the intermediate band solar cell 2 and the current adjusting solar cell 3 can increase the output voltage obtained by the solar cell 1 as a whole. Yes.
  • the back surface electrode 4 is formed of a metal member such as Au or Ag, and the intermediate band type solar battery cell 2 is formed on the surface.
  • the intermediate band solar cell 2 for example, a buffer layer 7 and an intermediate band photoelectric conversion stacked portion 8 are sequentially formed on a substrate 6 made of a single crystal such as P + -GaAs (001).
  • the back surface electrode 4 is formed on the back surface.
  • the substance name which forms each layer is specified as an example.
  • “p ⁇ ” in front of the substance name shown in FIG. 1 indicates that the substance is a p-type semiconductor
  • i ⁇ indicates an intrinsic semiconductor
  • n ⁇ indicates n Represents a type semiconductor.
  • the number of carriers is larger than that of a semiconductor without “+”.
  • a buffer layer 7 made of a group III-V semiconductor to which impurities are added is formed in the intermediate band solar cell 2.
  • the buffer layer 7 relaxes the mismatch of the lattice constant between the substrate 6 and the intermediate band type photoelectric conversion layered portion 8 and improves the crystallinity of the intermediate band type photoelectric conversion layered portion 8.
  • the buffer layer 7 is formed of a first buffer layer 7A made of p + -GaAs doped with Be, and a p doped with Be formed on the first buffer layer 7A. It has a two-layer structure with the second buffer layer 7B made of + -AlGaAs.
  • the first buffer layer 7A and the second buffer layer 7B are formed so that a large amount of impurities are added and a large number of carriers are contained therein so that a current flows easily.
  • the buffer layer 7 having the two-layer structure of the first buffer layer 7A and the second buffer layer 7B is applied will be described.
  • the present invention is not limited to this, and a single-layer buffer is used.
  • a buffer layer composed of a plurality of layers or three or more layers may be applied.
  • the intermediate band photoelectric conversion stacked unit 8 has a configuration in which a p-type semiconductor layer 9, a quantum dot superlattice layer 10, and an n-type semiconductor layer 11 are sequentially stacked. It is formed on the buffer layer 7.
  • the p-type semiconductor layer 9 is formed of a p-type III-V semiconductor such as p-GaAs doped with Ge, for example.
  • the n-type semiconductor layer 11 is made of, for example, an n-type semiconductor such as n + -GaAs doped with Si and the same III-V group semiconductor as the p-type semiconductor layer 9.
  • a quantum dot superlattice layer 10 is formed between the p-type semiconductor layer 9 and the n-type semiconductor layer 11, and holes generated in the quantum dot superlattice layer 10 are generated.
  • the electrons generated in the quantum dot superlattice layer 10 are diffused into the p-type semiconductor layer 9 by an internal electric field generated at the boundary between the p-type semiconductor layer 9 and the quantum dot superlattice layer 10.
  • 11 and the quantum dot superlattice layer 10 can be diffused into the n-type semiconductor layer 11 by an internal electric field generated at the boundary.
  • the quantum dot superlattice layer 10 has a configuration in which a plurality of quantum dot layers 10B are stacked between the first quantum dot buffer layer 10A and the second quantum dot buffer layer 10C.
  • the quantum dot superlattice layer 10 has a quantum dot layer 10B in which a plurality of quantum dots 12 are regularly arranged, so that the quantum dots 12 are also ordered in a direction perpendicular to the substrate 6.
  • the plurality of quantum dots 12 are regularly arranged three-dimensionally.
  • the first quantum dot buffer layer 10A and the second quantum dot buffer layer 10C are, for example, i-type such as non-doped i-GaAs and the same III-V group as the p-type semiconductor layer 9 and the n-type semiconductor layer 11 It is formed of a semiconductor.
  • the plurality of quantum dot layers 10B formed between the first quantum dot buffer layer 10A and the second quantum dot buffer layer 10C all have the same configuration, and are i-type such as non-doped i-GaAs.
  • a plurality of quantum dots 12 arranged at predetermined intervals are embedded in the embedded layer 13 formed of the same III-V group semiconductor as the p-type semiconductor layer 9 and the n-type semiconductor layer 11. It has a configuration.
  • the plurality of quantum dots 12 in the buried layer 13 all have the same configuration, and InAs having a band gap smaller than the band gap of the group III-V semiconductor forming the buried layer 13.
  • the quantum dot 12 is arranged at a predetermined interval from each other so that the wave function of electrons can overlap between adjacent quantum dots 12 to form an intermediate band. Has been made.
  • the quantum dots 12 are regularly arranged with an interval of 5 to 20 nm. Further, in the case of this embodiment, the quantum dots 12 are formed in a particle shape, and the diameter measured based on a photograph taken using a microscope such as an atomic force microscope (AFM). Is preferably 10 to 20 nm.
  • the embedded layer 13 covers the periphery of the quantum dots 12, and the quantum dots 12 in one quantum dot layer 10B are quantum dots in another quantum dot layer 10B adjacent to the one quantum dot layer 10B. 12 can be arranged in a non-contact state.
  • the embedded layer 13 causes a difference in lattice constant between the quantum dots 12 in the quantum dot layer 10B and the first quantum dot buffer layer 10A.
  • the resulting crystal lattice distortion is compensated.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a band structure in a region where a plurality of quantum dot layers 10B are stacked.
  • the band gap is smaller than the band gap Bg1 between the upper end of the valence band VB and the lower end of the conduction band CB of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13. Since the quantum dots 12 having Bg0 are arranged at a predetermined interval, the electron wave function 26 of the adjacent quantum dots 12 is overlapped, and the electrons in one quantum dot 12 are adjacent to each other. An intermediate band 27 that can move to the quantum dots 12 can be formed.
  • the region where the plurality of quantum dot layers 10B are stacked apart from the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13, between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27.
  • One band gap Bg2 is formed, and another band gap Bg3 can be formed between the intermediate band 27 and the conduction band CB.
  • the region where the plurality of quantum dot layers 10B are stacked is smaller than the band gap Bg1 of the group III-V semiconductor forming the buried layer 13, but the intermediate band 27 and the conduction band.
  • One band gap Bg2 larger than the other band gap Bg3 formed between the CB and the CB can be formed between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27. Further, in the region where the plurality of quantum dot layers 10B are stacked, it is formed between the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13 or between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27. Another band gap Bg3 smaller than one band gap Bg2 may be formed between the intermediate band 27 and the conduction band CB.
  • the quantum dot superlattice layer 10 absorbs light having a wavelength corresponding to the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13 out of the incident light, and this light absorption causes the valence band VB to be absorbed. Are directly excited from the valence band VB to the conduction band CB, thereby generating holes in the valence band VB and generating electrons in the conduction band CB. Further, the quantum dot superlattice layer 10 absorbs light having a wavelength corresponding to the band gap Bg2 between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27, and the electrons in the valence band VB are absorbed by this light absorption. 27 to generate holes in the valence band VB.
  • the quantum dot superlattice layer 10 absorbs light having a wavelength corresponding to the band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB, and electrons excited by the intermediate band 27 by this light absorption are converted into the intermediate band 27. To the conduction band CB to generate electrons in the conduction band CB.
  • the other band gap formed between the intermediate band 27 and the conduction band CB than the one band gap Bg2 formed between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27 is not limited to this, and the types of III-V group semiconductors forming the quantum dots 12 and III-V group semiconductors forming the buried layer 13 are not limited thereto. Is appropriately selected, for example, other band formed between the intermediate band 27 and the conduction band CB than one band gap Bg2 formed between the upper end of the valence band VB and the intermediate band 27. You may form so that the gap Bg3 may become large.
  • the current adjusting solar cell 3 includes a tunnel layer 15, a BSF (Back Surface Field) layer 16, and a photoelectric conversion laminate on the n-type semiconductor layer 11 of the intermediate band solar cell 2.
  • the portion 17, the window layer 18, and the contact layer 19 are sequentially formed.
  • the tunnel layer 15 is formed on the n-type tunnel layer 21 made of an n-type III-V group semiconductor such as n-InGaP doped with Te, for example, on a p-type III-type such as p-AlGaAs doped with C.
  • the p-type tunnel layer 22 made of a V group semiconductor is stacked.
  • a pn junction is formed by the n-type tunnel layer 21 and the p-type tunnel layer 22, and voltage and current are output from the intermediate band solar cell 2 and the current adjustment solar cell 3, respectively.
  • the tunnel layer 15 is more doped with carrier impurities and selected to have a low resistance.
  • the n-type tunnel layer 21 and the p-type tunnel layer 22 are III-V having a larger band gap than the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10. The light of the wavelength absorbed by the quantum dot superlattice layer 10 can be transmitted through the tunnel layer 15.
  • the BSF layer 16 is made of, for example, a group III-V semiconductor to which impurities are added, and is formed on the tunnel layer 15.
  • the BSF layer 16 includes, for example, a first BSF layer 16A made of p-AlGaAs doped with Zn and a second BSF layer 16B made of p-AlInGaP doped with Te. It has a layer structure.
  • the BSF layer 16 having the two-layer structure composed of the first BSF layer 16A and the second BSF layer 16B is described.
  • the present invention is not limited to this, and the single layer BSF is used.
  • a BSF layer composed of a plurality of layers or three or more layers may be applied.
  • the first BSF layer 16A and the second BSF layer 16B are III-V group semiconductors having a larger band gap than the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor forming the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10. It is made of a material so that light having a wavelength absorbed by the quantum dot superlattice layer 10 can pass through the BSF layer 16.
  • the BSF layer 16 has a photoelectric conversion layered portion 17 formed on the surface thereof, and the electrons which are minority carriers generated near the boundary with the photoelectric conversion layered portion 17 are photoelectrically converted.
  • the internal electric field generated at the boundary with the conversion layer 17 is pushed back into the photoelectric conversion layer 17 so that the diffusion of electrons into the BSF layer 16 can be suppressed.
  • the BSF layer 16 is formed of the same III-V group semiconductor as the photoelectric conversion stacked portion 17 and has a higher dopant concentration than the photoelectric conversion stacked portion 17 or has a larger band gap than the photoelectric conversion stacked portion 17.
  • the diffusion of minority carriers into the BSF layer 16 may be suppressed by forming the V group semiconductor material.
  • the photoelectric conversion stacked unit 17 includes an n-type such as n-InGaP doped with Si on a p-type photoelectric conversion layer 23 made of a p-type III-V group semiconductor such as p-InGaP doped with Zn.
  • the n-type photoelectric conversion layer 24 made of a III-V group semiconductor is stacked.
  • the p-type photoelectric conversion layer 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24 are formed of the same III-V semiconductor, although the added impurities are different.
  • the band gap Bg4 of the III-V semiconductor forming the p-type photoelectric conversion layer 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24 forms the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10. It is selected to be larger than the band gap Bg1 of the III-V group semiconductor.
  • the light of the wavelength corresponding to the band gap Bg4 of the V group semiconductor can be absorbed, the light of the long wavelength absorbed by the intermediate band solar cell 2 is transmitted, and the light of the long wavelength is transmitted to the intermediate band solar cell. It can be made to reach 2.
  • the photoelectric conversion laminate 17 absorbs light having a wavelength corresponding to the band gap Bg4 of the III-V semiconductor forming the p-type photoelectric conversion layer 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24, thereby generating the III- Electrons in the valence band in the group V semiconductor are excited to the conduction band, and thereby holes can be generated in the valence band and electrons can be generated in the conduction band.
  • the photoelectric conversion stacked unit 17 causes holes generated in the valence band to the p-type photoelectric conversion layer 23 side by an internal electric field generated at the interface between the p-type photoelectric conversion layer 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24. And the electrons generated in the conduction band diffuse to the n-type photoelectric conversion layer 24 side, and voltage and current can be generated.
  • the window layer 18 is made of a group III-V semiconductor to which an impurity such as n-InAlP doped with Te, for example, is added, and is formed on the photoelectric conversion stacked portion 17, and the window layer of the n-type photoelectric conversion layer 24.
  • the holes which are minority carriers generated near the boundary with the n-type photoelectric conversion layer 24, are pushed back into the n-type photoelectric conversion layer 24 by the internal electric field generated at the boundary with the n-type photoelectric conversion layer 24. It is made so that the spreading
  • the window layer 18 is formed of the same III-V group semiconductor as the n-type photoelectric conversion layer 24 and has a higher dopant concentration than the n-type photoelectric conversion layer 24 or a band higher than the n-type photoelectric conversion layer 24.
  • the diffusion of minority carriers into the window layer 18 may be suppressed by forming the gap with a III-V group semiconductor having a large gap.
  • the window layer 18 is formed of a group III-V semiconductor having a larger band gap than the band gap Bg4 of the group III-V semiconductor forming the photoelectric conversion stacked portion 17, and is absorbed by the photoelectric conversion stacked portion 17. It is made to be able to transmit light having a wavelength.
  • the contact layer 19 is made of a group III-V semiconductor to which impurities are added, and can be formed on the window layer 18.
  • the contact layer 19 can reduce the contact resistance at the joint surface with the surface electrode 5 formed on the surface.
  • the contact layer 19 is formed, for example, by laminating a second contact layer 19B made of n-InGaAs doped with Te on a first contact layer 19A made of n-InGaAs doped with Si. It has the structure which was made.
  • the first contact layer 19A and the second contact layer 19B are formed of a group III-V semiconductor having a band gap larger than the band gap Bg4 of the group III-V semiconductor forming the photoelectric conversion stacked portion 17.
  • light having a wavelength absorbed by the photoelectric conversion layered portion 17 can be transmitted to reach the photoelectric conversion layered portion 17.
  • the contact layer 19 having the two-layer structure including the first contact layer 19A and the second contact layer 19B is applied has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the single layer is used.
  • a contact layer composed of a plurality of contact layers or three or more layers may be applied.
  • the front surface electrode 5 formed on the contact layer 19 has a single layer structure or a multi-layer structure formed of a metal member such as Au, Ag, Ge, or Ni, and an external circuit (see FIG. (Not shown).
  • the surface electrode 5 is formed at a plurality of locations on the contact layer 19, and each surface electrode 5 is arranged at a predetermined interval, and light irradiated from the surface electrode 5 toward the back electrode 4
  • the contact layer 19 exposed between the electrodes 5 can enter the inside.
  • FIG. 3 shows the band gap Bg1 of the buried layer 13 of the quantum dot superlattice layer 10 and the quantum dot superlattice layer 10 in the intermediate band solar cell 2 for the solar cell 1 of the embodiment of the present invention.
  • the one band gap Bg2 and the other band gap Bg3 obtained by the intermediate band 27 formed in the above, and the photoelectric characteristics of the current adjustment solar cell 3 connected in series to the light incident side with respect to the intermediate band solar cell 2.
  • 6 is a schematic view summarizing the relationship with the band gap Bg4 in the conversion layered portion 17.
  • the intermediate band solar cell 2 electrons are excited from the valence band VB of the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10 to the intermediate band 27, and the excited electrons are converted to the intermediate band 27. Is excited to the conduction band CB of the buried layer 13 from one band gap Bg2 between the valence band VB and the intermediate band 27 and another band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB. Can be considered to be connected in series. Further, in the intermediate band solar cell 2, electrons are excited through the intermediate band 27, and in addition, the valence band VB of the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10 is directly transferred to the conduction band CB.
  • the band gap Bg1 between the valence band VB and the conduction band CB of the buried layer 13 is equal to the band gap Bg2 between the valence band VB and the intermediate band 27, and the intermediate band 27 and the conduction band CB. It can be considered that they are connected in parallel to the series connection with the band gap Bg3 between them.
  • the current adjustment solar cell 3 is formed on the intermediate band solar cell 2, and the intermediate band solar cell 2 and the current adjustment solar cell 3 are formed. It is the structure connected in series.
  • the band gap Bg4 of the photoelectric conversion stacked portion 17 in the current adjusting solar cell 3 is equal to that of the buried layer 13 in the quantum dot superlattice layer 10 of the intermediate band solar cell 2.
  • the band gap Bg1 is connected in series, and the band gap Bg4 of the photoelectric conversion stacked portion 17 in the current adjusting solar battery cell 3 is the band gap Bg2 between the valence band VB and the intermediate band 27; It can be considered that it is directly connected to the band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB.
  • the band gap Bg4 is based on the current adjustment solar cell 3.
  • the total output voltage can be obtained by the amount of the voltage obtained based on the band gap Bg4 in the solar cell 3 for current adjustment.
  • the current adjusting solar cell 3 absorbs light having a wavelength corresponding to the band gap Bg4, and accordingly, the intermediate band type solar cell 2 absorbs light.
  • the current amount in the intermediate band type solar battery cell 2 can be reduced.
  • the quantum dot superlattice By adjusting the arrangement configuration of the quantum dots 12 of the layer 10, the band gap Bg2 between the valence band VB and the intermediate band 27 of the buried layer 13 of the quantum dot superlattice layer 10 can be set to 1.0 eV.
  • the other band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB can be set to 0.4 eV.
  • the band gap Bg4 of the photoelectric conversion stacked portion 17 is embedded in the intermediate band solar cell 2. It can be set to 1.7 eV which is larger than 1.4 eV which is the band gap Bg1 of the layer 13.
  • the solar cell 1 when light was irradiated toward the back surface electrode 4 from the surface electrode 5, it set as the band gap Bg4 of the photoelectric conversion laminated part 17 in the solar cell 3 for electric current adjustment among the said light.
  • Light having a wavelength of 729 nm or less corresponding to 1.7 eV can be absorbed by the photoelectric conversion laminate 17 to output voltage and current, and light having a wavelength larger than 729 nm is transmitted through the current adjusting solar cell 3.
  • the light is incident on the intermediate band type solar battery cell 2.
  • the intermediate band solar cell 2 absorbs light having a wavelength of 1240 nm or less corresponding to 1.0 eV which is one band gap Bg2 between the valence band VB of the buried layer 13 and the intermediate band 27, and Light having a wavelength of 3100 nm or less corresponding to 0.4 eV, which is another band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB, can be absorbed, and voltage and current can be output by the light absorption.
  • the absorption of light in the intermediate band solar cell 2 is reduced by the amount of light having a wavelength corresponding to the band gap Bg4 in the solar cell 3 for current adjustment.
  • the current amount in the solar cell 2 can be reduced. Since the voltage can be obtained based on Bg4, the overall output voltage can be increased.
  • a substrate 6 having a back electrode 4 formed on the back surface is prepared by a method such as vacuum deposition, and the substrate 6 is placed in a chamber of a molecular beam epitaxy (MBE) film forming apparatus.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the first buffer layer 7A, the second buffer layer 7B, the p-type semiconductor layer 9, the first quantum dot buffer layer 10A, the quantum dot layer 10B, and the second quantum dot buffer layer 10C are formed on the surface of the substrate 6.
  • the n-type semiconductor layer 11 is sequentially formed by the MBE method, and the intermediate band solar cell 2 is manufactured.
  • the first buffer layer 7A, the second buffer layer 7B, the p-type semiconductor layer 9, the first quantum dot buffer layer 10A, the second quantum dot buffer layer 10C, and the n-type semiconductor layer 11 are: Since each is formed continuously by epitaxial growth, the bonding surfaces are lattice-matched to form a single crystal.
  • the quantum dot layer 10B described above forms a plurality of quantum dots 12 by self-organization on the first quantum dot buffer layer 10A, for example, using the Transki-Krastanov (SK) growth method, and covers the quantum dots 12 Thus, the buried layer 13 is formed on the first quantum dot buffer layer 10A. Thereafter, a plurality of quantum dots 12 are formed on the buried layer 13 by self-organization, the quantum dots 12 are covered with the buried layer 13, and other quantum dots are formed on one quantum dot layer 10B by repeating these steps.
  • the layers 10B are sequentially stacked.
  • the intermediate band type solar cell 2 is taken out from the chamber of the MBE film forming apparatus and moved into the chamber of the metal organic chemical vapor epitaxy (MOCVD: Metal Chemical Vapor Deposition) film forming apparatus. At this time, the intermediate band solar cell 2 is exposed to the atmosphere. Therefore, the surface of the intermediate band type solar cell 2 placed in the chamber is etched to remove the surface contaminated by exposure to the atmosphere.
  • the n-type tunnel layer 21, the p-type tunnel layer 22, the first BSF layer 16A, the second BSF layer 16B, and the p-type photoelectric conversion layer 23 are formed on the intermediate band solar cell 2 whose surface is etched.
  • the n-type photoelectric conversion layer 24, the window layer 18, the first contact layer 19A, and the second contact layer 19B are sequentially formed by the MOCVD method to produce the current adjusting solar cell 3.
  • the quantum dot layer 10B in which a plurality of quantum dots 12 are arranged in the embedded layer 13 is stacked, and the wave functions overlap between the quantum dots 12 in the above configuration.
  • the adjustment solar cell 3 is provided, and the current adjustment solar cell 3 is formed on the light incident side with respect to the intermediate band solar cell 2.
  • the solar cell 1 light having a wavelength equal to or less than the wavelength corresponding to the band gap Bg 4 is absorbed by the current adjustment solar cell 3 in the incident light, and voltage and current are absorbed by the current adjustment solar cell 3. While being generated, light of other wavelengths can be transmitted through the current adjusting solar cell 3 and also incident on the intermediate band solar cell 2.
  • the light absorbed by the intermediate band solar cell 2 is reduced by the amount of light having a wavelength corresponding to the band gap Bg 4 or less absorbed by the current adjusting solar cell 3, and the intermediate band Since the amount of current generated in the solar cell 2 can be suppressed, the amount of heat generated in the intermediate band solar cell 2 can be reduced correspondingly, and thus thermal damage of the solar cell 1 can be prevented.
  • the current adjustment connected in series to the intermediate band solar cell 2 while suppressing the amount of current generated in the intermediate band solar cell 2 by the current adjustment solar cell 3. Since the solar cell 3 also generates a voltage due to absorption of light having a wavelength corresponding to the band gap Bg4, the solar cell 1 is connected to the intermediate band solar cell 2 and the current adjusting solar cell 3 connected in series. The output voltage obtained as a whole can be increased, and thus the conversion efficiency can be remarkably improved as compared with the conventional case.
  • Verification Test (1) Simulation Test Next, a solar cell 1 of the present invention is used as an example, a conventional intermediate band solar cell is used as a comparative example, a simulation test is performed using a detailed equilibrium model, and a current-voltage curve and conversion are performed. The efficiency was calculated and the electrical characteristics were evaluated. The value of the conversion efficiency was calculated by using a black body radiation spectrum (air mass 0) of 6000 K as the sunlight spectrum.
  • a simulation test was performed on a comparative example which is a conventional intermediate band solar cell.
  • the largest band gap Bg1 between the valence band and the conduction band is 1.4 eV
  • one band gap Bg2 between the valence band and the intermediate band is 1.0 eV
  • the other band gap Bg3 between the intermediate band and the conduction band was set to 0.4 eV.
  • FIG. 4B shows a current-voltage curve when a simulation test is performed on the comparative example having the configuration shown in FIG. 4A.
  • the horizontal axis represents voltage
  • the vertical axis represents current density.
  • Total current in FIG. 4B is an overall current-voltage curve in a conventional intermediate band solar cell as a comparative example.
  • the curve with “Bg1” in FIG. 4B is a current-voltage curve for the current and voltage generated by light absorption corresponding to the band gap Bg1 (1.4 eV) shown in FIG. 4A, and “Bg2”
  • the curve with is a current-voltage curve for the current and voltage generated by light absorption corresponding to the band gap Bg2 (1.0 eV) in FIG.
  • FIG. 4A and “Bg3” is the band in FIG. 4A. 6 is a current-voltage curve for current and voltage generated by light absorption corresponding to a gap Bg3 (0.4 eV).
  • FIG. 4B “Series constrained current” (broken line) is a current-voltage curve of one band gap Bg2 and the other band gap Bg3 connected in series.
  • the short-circuit current density which is the current value when the voltage is zero
  • the open circuit voltage which is the voltage value when the current is zero
  • the conversion efficiency calculated from the current-voltage curve was about 37%.
  • the band gap Bg1 between the valence band VB and the conduction band CB in the intermediate band type solar cell 2 portion is set to 1.4 eV
  • the valence band VB and the intermediate band 27 One band gap Bg2 between them was set to 1.0 eV
  • the other band gap Bg3 between the intermediate band 27 and the conduction band CB was set to 0.4 eV, which were the same values as in the comparative example of FIG. 4A.
  • the current adjusting solar cell 3 having the band gap Bg4 larger than all the band gaps Bg1, Bg2, and Bg3 in the intermediate band solar cell 2 is used.
  • 3 is set to 1.7 eV
  • the band gap Bg4 in the current adjusting solar cell 3 is set to the band gap Bg1 in the intermediate band solar cell 2 and one band gap Bg2 formed by the intermediate band, and It was set as the structure connected in series with other band gap Bg3.
  • the simulation test was done also about the Example which consists of this composition.
  • FIG. 5B shows a current-voltage curve when a simulation test is performed on the embodiment shown in FIG. 5A.
  • the curve with “Bg4” in FIG. 5B is a current-voltage curve for current and voltage generated by light absorption corresponding to the band gap Bg4 in the current adjusting solar cell 3.
  • “Parallel constrained voltage” (dotted line) in FIG. 5B summarizes currents and voltages obtained based on the band gap Bg1, the one band gap Bg2, and the other band gap Bg3 in the intermediate band solar cell 2.
  • the current-voltage curve is shown. Note that “Bg1”, “Bg2”, “Bg3”, and “Series constrained current” in FIG. 5B are items common to FIG.
  • the short-circuit current density was about 300 A / m 2 and the open circuit voltage was about 2.35V.
  • the conversion efficiency calculated from the current-voltage curve was about 46%, and it was confirmed that the conversion efficiency was remarkably improved as compared with the comparative example.
  • the example has a low overall short-circuit current density, can suppress the current flowing through the whole, and can confirm that the amount of heat generated by the current can be reduced. .
  • the conversion efficiency was rising although the short circuit current density was falling. That is, in the embodiment, the overall output efficiency is increased even if the output current decreases in the intermediate band type solar battery cell 2 because the output voltage obtained as a whole is increased by the voltage generated in the current adjusting solar battery cell 3. As a result, it was confirmed that the conversion efficiency can be improved as a whole.
  • the value of the band gap Bg4 in the current adjusting solar battery cell 3 is set to Eg, 4, and the conversion efficiency of the entire solar battery 1 is calculated.
  • the result as shown in FIG. 6 was obtained.
  • each value of the band gap Bg1 in the intermediate band type solar battery cell 2 one band gap Bg2 formed by the intermediate band, and the other band gap Bg3 is set to the same value as in the embodiment shown in FIG. 5A. did.
  • the horizontal axis represents the value of Eg, 4 of the band gap Bg4, and the vertical axis represents the conversion efficiency.
  • the broken line shown in FIG. 6 shows the maximum value of 36% (at the time of 1 time condensing) of the conversion efficiency when the band gap Bg4 is not provided.
  • the value of Eg, 4 of the band gap Bg4 is about 1.55 to 1.9 eV, the conversion efficiency exceeds 50% and the conversion efficiency becomes extremely high.
  • the band gap Bg4 in the current adjusting solar cell 3 is selected to be about 1.55 to 1.9 eV. It turns out that the conversion efficiency in the solar cell 1 whole can be improved.
  • the solar cell 31 of the present invention as shown in FIG. 7 shown with the same reference numerals assigned to the parts corresponding to those in FIG. 1 is actually manufactured, and its current-voltage characteristics, conversion efficiency, and Confirmed about.
  • the solar cell 1 includes a back electrode 4 having a five-layer structure, a p-type tunnel layer 22 in the current adjusting solar battery cell 3 having a three-layer structure, and a surface electrode.
  • the solar cell 1 shown in FIG. 1 is different from the solar cell 1 shown in FIG.
  • the numerical value of “nm” shown in FIG. 7 represents the thickness of each layer, and the numerical value in parentheses represents the concentration of the doped dopant.
  • five quantum dot layers 10B of the quantum dot superlattice layer 10 in the intermediate band solar battery cell 2 were formed.
  • the back electrode 4 is formed by vacuum deposition on the surface of the substrate 6 with a first back electrode layer 4A made of Au having a thickness of 50 nm, a second back electrode layer 4B made of Ag having a thickness of 100 nm, and a thickness made of Au.
  • a third back electrode layer 4C of 30 nm, a fourth back electrode layer 4D having a thickness of 3000 nm made of Ag, and a fifth back electrode layer 4E having a thickness of 50 nm made of Au were sequentially laminated.
  • the p-type tunnel layer 22 is a first p-type tunnel having a thickness of 3.5 nm made of p-AlGaAs doped with C at a concentration of 1.0 ⁇ 10 20 / cm 3 on the n-type tunnel layer 21 by MOCVD.
  • the third p-type tunnel layer 22C made of p-AlGaAs and having a thickness of 3.5 nm was sequentially epitaxially grown.
  • the surface electrode 5 is formed by vacuum deposition on the contact layer 19 with a first surface electrode layer 5A made of Ni having a thickness of 10 nm, a second surface electrode layer 5B made of Ge having a thickness of 30 nm, and a thickness made of Au.
  • a third surface electrode layer 5C having a thickness of 60 nm, a fourth surface electrode layer 5D having a thickness of 4000 nm made of Ag, and a fifth surface electrode layer 5E having a thickness of 60 nm made of Au were sequentially stacked.
  • the current-voltage characteristics at the time of 72 times condensing using light of the standard measurement condition (air mass 1.5) of the solar cell are shown in FIG. Results were obtained.
  • the horizontal axis represents voltage
  • the vertical axis represents current density. From FIG. 8, in the solar cell 31 of the present invention, the conversion efficiency calculated from the measured current-voltage characteristics is 26.8%, so that the conversion efficiency of the conventional intermediate-band solar cell is about 20.3% ( It was confirmed that the conversion efficiency was remarkably improved as compared with about 21.2% (at the time of 1000 times condensing) at the time of 100 times condensing.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
  • the back electrode 4, the buffer layer 7, and the p-type The materials for forming the semiconductor layer 9, the n-type semiconductor layer 11, the tunnel layer 15, the BSF layer 16, the window layer 18, the contact layer 19, and the surface electrode 5 can be appropriately changed.
  • FIG. 9A when GaAs or Ge is selected as the substrate 6, InAs is used as a material for forming the quantum dots 12 of the intermediate band type solar battery cell 2, and the quantum dot superlattice layer 10 is embedded. Any one of GaAs, AlGaAs, GaNAs, GaAsP, and InGaP may be used as a material for forming the layer 13.
  • any one of InGaP, AlGaAs, and AlInGaP is used, and the p-type photoelectric conversion layer 23 made of a p-type III-V group semiconductor is used.
  • an n-type photoelectric conversion layer 24 made of an n-type III-V semiconductor may be formed. The compositions of the p-type photoelectric conversion layer 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24 are adjusted so that the band gap is larger than that of the buried layer 13.
  • the Al composition of the buried layer 13 is about 30%, and the p-type photoelectric conversion layer is used. 23 and the n-type photoelectric conversion layer 24 are made smaller than about 50% of the Al composition.
  • InAs is used as a material for forming the quantum dots 12 of the intermediate-band solar cell 2, and the quantum dots Any one of GaAs, AlInGaAs, GaAsP, and InGaP may be used as a material for forming the buried layer 13 of the superlattice layer 10.
  • AlAsSb or InAlAsSb is used as the photoelectric conversion laminated portion 17 of the solar cell 3 for current adjustment, and the p-type photoelectric conversion layer 23 made of a p-type III-V group semiconductor and the n-type III-V are used.
  • An n-type photoelectric conversion layer 24 made of a group semiconductor may be formed.
  • the photoelectric converting laminated part 17 of the photovoltaic cell 3 for electric current adjustment was a pn junction
  • this invention is not limited to this,
  • the photoelectric converting laminated part 17 is p-type.
  • a pin junction having a three-layer structure of semiconductor / intrinsic semiconductor / n-type semiconductor may be used.
  • the tunnel layer 15 is formed in the current adjusting solar cell 3 .
  • the tunnel layer 15 may not be formed.
  • the BSF layer 16 of the current adjustment solar cell 3 is epitaxially grown on the n-type semiconductor layer 11 of the intermediate band solar cell 2, and the junction surfaces of the n-type semiconductor layer 11 and the BSF layer 16 are lattice-matched.
  • the intermediate band type solar battery cell 2 and the current adjusting solar battery cell 3 are separately manufactured, and the n type semiconductor layer 11 of the intermediate band type solar battery cell 2 and the BSF of the current adjusting solar battery cell 3 are prepared.
  • the layer 16 may be bonded by an adhesive having a band gap larger than the band gap Bg1 of the III-V semiconductor forming the buried layer 13 and conductivity.
  • the p-type and n-type conductivity types in each layer of the solar cell 1 shown in FIG. 1 may be reversed. That is, as shown in FIG. 1, in the above-described embodiment, the quantum dot superlattice layer 10 is formed between the p-type semiconductor layer 9 and the n-type semiconductor layer 11, and the p-type buffer layer 7 is formed on the p-type buffer layer 7.
  • the intermediate band solar cell 2 in which the p-type semiconductor layer 9 is formed is applied, the present invention is not limited to this, and the p-type and n-type conductivity types are reversed, and the p-type semiconductor layer 9 and the n-type semiconductor are used.
  • An intermediate-band solar battery cell in which the quantum dot superlattice layer 10 is formed between the layers 11 and the n-type semiconductor layer 11 is formed on the n-type buffer layer may be used.
  • the p-type and n-type conductivity types of the current adjusting solar cell 3 are also reversed accordingly.
  • a p-type photoelectric conversion layer 23 made of a p-type III-V group semiconductor and an n-type photoelectric conversion made of an n-type III-V group semiconductor.
  • the present invention is not limited to this, and the p-type and n-type conductivity types are reversed to form an n-type photoelectric conversion layer on the n-type BSF layer. You may apply the photoelectric converting laminated part in which the p-type window layer was formed on the conversion layer.
  • the intermediate band solar cell 2 and the current adjusting solar cell 3 are epitaxially grown on the substrate 6, and the intermediate band solar cell 2 and the current adjusting solar cell 3 are epitaxially grown.
  • the present invention is not limited to this.
  • the intermediate band type solar battery cell 2 and the current adjusting solar battery cell 3 are not continuously formed by epitaxial growth using the substrate 6, and are manufactured in advance without using the substrate 6.
  • the intermediate band solar cell 2 and the current adjusting solar cell 3 are bonded together by a substrate bonding technique to form the current adjusting solar cell 3 on the light incident side of the intermediate band solar cell 2. You may do it.

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Abstract

　本発明の太陽電池（１）は、電流調整用太陽電池セル（３）の光電変換積層部（１７）が、中間バンド型太陽電池セル（２）における埋込層（１３）のバンドギャップ（Ｂｇ１）よりも大きいバンドギャップ（Ｂｇ４）を有するようにしたことから、電流調整用太陽電池セル（３）でバンドギャップ（Ｂｇ４）に対応する波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル（２）で吸収される光を減らし、当該中間バンド型太陽電池セル（２）にて発生する電流量を抑制できるので、中間バンド型太陽電池セル（２）における発熱量を低減でき、太陽電池（１）の熱破損を防止でき、また、中間バンド型太陽電池セル（２）にて発生する電流量を抑制しつつも、中間バンド型太陽電池セル（２）に直列に接続された電流調整用太陽電池セル（３）でも光の吸収により電圧が発生することから、太陽電池（１）全体で得られる出力電圧を増加でき、従来よりも変換効率を格段的に向上できる。

Description

太陽電池
　本発明は、太陽電池に関する。
　近年、クリーンなエネルギー源として太陽電池が注目されている。従来のシリコン太陽電池は、シリコンのバンドギャップが約１．１ｅＶであることから、当該バンドギャップに対応する約１１００ｎｍより大きい波長の光が透過してしまい、太陽光に含まれる長波長領域の光を有効に利用できていない。そのため、近年では、長波長領域の光も利用できる中間バンド型太陽電池が注目されている（特許文献１等参照）。
　例えば、特許文献１には、ｎ型のＧａＡｓでなる基板上に、ｎ型のＧａＡｓでなるｎ層と、ＧａＳｂでなる複数の量子ドットがＧａＡｓでなるバリア層内に分散しているｉ層と、ｐ型のＧａＡｓでなるｐ層とが順次積層された中間バンド型太陽電池が開示されている。中間バンド型太陽電池では、i層を形成するＧａＡｓの価電子帯から伝導帯へ電子が直接励起されて電圧及び電流が生成されることに加え、価電子帯及び中間バンド間と、中間バンド及び伝導帯間とでも電子が励起されて電圧及び電流が生成され得る。
　この場合、価電子帯及び中間バンド間のバンドギャップと、中間バンド及び伝導帯間のバンドギャップとは、価電子帯及び伝導帯間のバンドギャップよりも小さい。そのため、電子は、価電子帯から伝導帯へ直接励起される場合と比較してより長波長の光によって、価電子帯から中間バンドへ励起されると共に、中間バンドから伝導帯へ励起される。このような中間バンド型太陽電池では、長波長領域の光によっても電子が励起されて電圧及び電流が生成されることから、中間バンドが形成されていない単なるシリコン太陽電池と比較して、より大きな電流が得られ、変換効率の向上が図られ得る。因みに、ここで変換効率とは、太陽電池一般の性能を表すものであり、太陽電池の出力電圧と出力電流との積で表される太陽電池の出力を、太陽電池に入射された光のエネルギーで除算した値の百分率である。
特開２００６－１１４８１５号公報
　しかしながら、このような中間バンド型太陽電池では、中間バンドが形成されることで得られる複数のバンドギャップによって、より多くの電流が生成され得る一方で、得られた電流によって大きな発熱が生じ易く、エネルギーが熱として損失されてしまい、実際には高い変換効率が得られ難いという問題があった。また、中間バンド型太陽電池では、高い変換効率を得るために太陽光を高倍率で集光して照射させた場合、さらに大きな電流が流れるため、発熱量が一段と大きくなり、熱破損する恐れがある。
　そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、熱破損を防止できると共に、従来よりも変換効率を格段的に向上できる太陽電池を提供することを目的とする。
　本発明の太陽電池は、複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた量子ドット超格子層を有し、前記量子ドット超格子層には、各前記量子ドット間で波動関数が重なり合い中間バンドが形成されている中間バンド型太陽電池セルと、ｐ型光電変換層及びｎ型光電変換層を少なくとも備えた光電変換積層部を有し、前記中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池セルとを備えており、前記電流調整用太陽電池セルは、前記光電変換積層部が、前記中間バンド型太陽電池セルにおける前記埋込層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有していることを特徴とする。
　本発明の太陽電池は、電流調整用太陽電池セルで光電変換積層部のバンドギャップに対応する波長の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セルで吸収される光を減らし、中間バンド型太陽電池セルにて発生する電流量を抑制し得、その分、中間バンド型太陽電池セルにおける発熱量を低減でき、熱破損を防止できる。また、本発明の太陽電池は、電流調整用太陽電池セルによって中間バンド型太陽電池セルにて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セルに直列に接続された電流調整用太陽電池セルでもバンドギャップに対応する波長の光の吸収により電圧が発生することから、直列的に接続された中間バンド型太陽電池セル及び電流調整用太陽電池セルにより太陽電池全体で得られる出力電圧を増加させることができ、かくして、従来よりも変換効率を格段的に向上させることができる。
本発明の実施の形態に係る太陽電池の全体構成を示す概略図である。 中間バンド型太陽電池セルの複数の量子ドット層が積層された領域におけるバンド構造を示す概略図である。 中間バンド型太陽電池セルのバンドギャップと電流調整用太陽電池セルのバンドギャップとの関係を纏めた模式図である。 図４Ａはシミュレーションに用いた比較例の中間バンド型太陽電池のバンドギャップの関係を示す模式図であり、図４Ｂはシミュレーションにより算出した電流－電圧曲線を示している。 図５Ａはシミュレーションに用いた実施例の太陽電池のバンドギャップの配置を示す模式図であり、図５Ｂはシミュレーションにより算出した太陽電池の電流－電圧曲線を示している。 光電変換積層部のバンドギャップのバンドギャップエネルギーと太陽電池の変換効率の関係を示す図である。 実施例の太陽電池の全体構成を示す概略図である。 実施例の太陽電池の７２倍集光時の電流－電圧特性の測定結果を示す図である。 図９Ａは基板がＧａＡｓ又はＧｅの場合の量子ドット、埋込層及び光電変換積層部を形成する材料の組み合わせを示し、図９Ｂは基板がＩｎＰの場合の量子ドット、埋込層及び光電変換積層部を形成する材料の組み合わせを示している。
１．本発明の実施の形態に係る太陽電池の構成
　図１において、１は本発明の太陽電池を示し、太陽電池１は、裏面電極４上に、中間バンド型太陽電池セル２と、電流調整用太陽電池セル３と、表面電極５とが順に形成されており、電流調整用太陽電池セル３及び中間バンド型太陽電池セル２が直列に接続された構成を有する。太陽電池１は、光が表面電極５から裏面電極４に向けて入射されると、当該光が電流調整用太陽電池セル３を介して中間バンド型太陽電池セル２に到達し得るようになされている。
　この場合、太陽電池１は、表面電極５側から入射された光のうち、波長の小さい光が電流調整用太陽電池セル３にて吸収されることにより当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流が発生し、他の残りの波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２に到達し得る。実際上、太陽電池１は、電流調整用太陽電池セル３にて吸収される光の波長よりも大きい波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２に入射され得る。これにより、太陽電池１は、電流調整用太陽電池セル３を透過した波長の光が中間バンド型太陽電池セル２にて吸収されることにより、当該中間バンド型太陽電池セル２でも電圧及び電流が発生し得る。太陽電池１は、これら電流調整用太陽電池セル３と中間バンド型太陽電池セル２とでそれぞれ得られた電圧及び電流を、例えば太陽電池１の出力電圧及び出力電流として表面電極５及び裏面電極４に接続された外部回路（図示せず）に出力し得るようになされている。
　このように、本発明の太陽電池１は、入射された光のうち、所定波長以下の光を電流調整用太陽電池セル３にて吸収することで、当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流を発生させつつ、中間バンド型太陽電池セル２に入射される光を低減し得る。これにより、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３で所定波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される光が減り、当該中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制し得、それに伴い中間バンド型太陽電池セル２における発熱量を低減し得る。
　また、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３によって中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セル２に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３でも光の吸収により電圧が発生することから、中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３により太陽電池１全体で得られる出力電圧を増加させ得るようになされている。
　ここで、裏面電極４は、ＡｕやＡｇなどの金属部材により形成されており、表面に中間バンド型太陽電池セル２が形成されている。中間バンド型太陽電池セル２は、例えばＰ＋‐ＧａＡｓ（００１）などの単結晶でなる基板６上にバッファ層７と中間バンド型光電変換積層部８とが順に形成されており、当該基板６の裏面に裏面電極４が形成されている。なお、図１には、各層を形成する物質名を一例として明記している。ここで、図１に示す物質名の前に付した「ｐ‐」はその物質がｐ型半導体であることを表し、「ｉ‐」は真性半導体であることを表し、「ｎ‐」はｎ型半導体であることを表す。また、例えば「ｐ＋‐」のように半導体の導電型を表す文字に「＋」が付されている場合は、「＋」が付されていない半導体と比較して、より多くのキャリアを有していることを示す。
　中間バンド型太陽電池セル２には、不純物が添加されたIII-V族半導体でなるバッファ層７が形成されている。バッファ層７は、基板６と中間バンド型光電変換積層部８との格子定数の不整合を緩和して、中間バンド型光電変換積層部８の結晶性を高めるようになされている。なお、本発明の実施の形態の場合、バッファ層７は、Ｂｅがドープされたｐ＋‐ＧａＡｓでなる第１バッファ層７Ａと、第１バッファ層７Ａ上に形成され、Ｂｅがドープされたｐ＋‐ＡｌＧａＡｓでなる第２バッファ層７Ｂとの２層構造を有している。第１バッファ層７Ａと第２バッファ層７Ｂとは、不純物を多く添加されて内部に多数のキャリアを有しており、電流が流れ易いように形成されている。因みに、この実施の形態の場合においては、第１バッファ層７Ａ及び第２バッファ層７Ｂの２層構造のバッファ層７を適用した場合について述べるが、本発明はこれに限らず、単層のバッファ層や、３層以上の複数層でなるバッファ層を適用してもよい。
　中間バンド型光電変換積層部８は、ｐ型半導体層９と、量子ドット超格子層１０と、ｎ型半導体層１１とが順に積層された構成を有しており、当該ｐ型半導体層９がバッファ層７上に形成されている。ｐ型半導体層９は、例えばＧｅがドープされたｐ‐ＧａＡｓなどのｐ型のIII-V族半導体により形成されている。ｎ型半導体層１１は、例えばＳｉがドープされたｎ＋‐ＧａＡｓなどのｎ型で、かつｐ型半導体層９と同じIII-V族半導体により形成されている。
　中間バンド型光電変換積層部８は、ｐ型半導体層９とｎ型半導体層１１との間に量子ドット超格子層１０が形成されており、量子ドット超格子層１０で生成された正孔が、ｐ型半導体層９と量子ドット超格子層１０の境界に生じた内部電界によってｐ型半導体層９へと拡散し、一方、量子ドット超格子層１０で生成された電子が、ｎ型半導体層１１と量子ドット超格子層１０の境界に生じた内部電界によってｎ型半導体層１１へと拡散し得るようになされている。
　ここで、量子ドット超格子層１０は、第１量子ドットバッファ層１０Ａと第２量子ドットバッファ層１０Ｃとの間に、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された構成を有している。実際上、量子ドット超格子層１０は、複数の量子ドット１２が規則的に配置された量子ドット層１０Ｂが積層されていることにより、量子ドット１２が基板６に対して垂直な方向にも規則的に配置されており、複数の量子ドット１２が３次元的に規則的に配置された構成を有する。なお、第１量子ドットバッファ層１０Ａと第２量子ドットバッファ層１０Ｃとは、例えばノンドープのｉ‐ＧａＡｓなどのｉ型で、かつｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１と同じIII-V族半導体により形成されている。
　また、第１量子ドットバッファ層１０Ａ及び第２量子ドットバッファ層１０Ｃ間に形成された複数の量子ドット層１０Ｂは、全て同一構成を有しており、例えばノンドープのｉ‐ＧａＡｓなどのｉ型で、かつｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１と同じIII-V族半導体により形成された埋込層１３内に、互いに所定の間隔を空けて配置された複数の量子ドット１２が埋め込まれた構成を有している。
　ここで、埋込層１３内の複数の量子ドット１２は、全て同一の構成を有しており、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有したＩｎＡｓなどのIII-V族半導体により形成されており、量子ドット１２が互いに所定間隔を設けて配置されていることで、隣接する量子ドット１２同士で電子の波動関数が重なり合い中間バンドを形成し得るようになされている。
　なお、量子ドット層１０Ｂは、例えば量子ドット１２が５～２０ｎｍの間隔を空けて規則的に配置されていることが望ましい。また、この実施の形態の場合、量子ドット１２は、粒子状に形成されており、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）などの顕微鏡を用いて撮影した写真をもとに計測した直径が１０～２０ｎｍであることが望ましい。また、埋込層１３は、量子ドット１２周辺を覆っており、一の量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２が、当該一の量子ドット層１０Ｂと隣接する他の量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２と非接触状態で配置され得る。なお、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、量子ドット層１０Ｂとの境では、埋込層１３により、量子ドット層１０Ｂ内の量子ドット１２と第１量子ドットバッファ層１０Ａとの格子定数の差から生じる結晶格子のひずみが補償されている。
　因みに、図２は、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域におけるバンド構造を示す概略図である。複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域では、埋込層１３を形成するIII-V族半導体の価電子帯ＶＢの上端と伝導帯ＣＢの下端との間のバンドギャップＢｇ１よりも小さいバンドギャップＢｇ０を有した量子ドット１２同士が、所定の間隔を空けて配置されていることにより、隣り合う量子ドット１２の電子の波動関数２６が重なり合い、一の量子ドット１２内の電子が他の隣接する量子ドット１２へと移動できる中間バンド２７が形成され得る。
　これにより、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域では、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１とは別に、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に一のバンドギャップＢｇ２が形成されると共に、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間にも他のバンドギャップＢｇ３が形成され得る。なお、この実施の形態の場合、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域には、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも小さいが、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３よりも大きい一のバンドギャップＢｇ２が価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成され得る。また、複数の量子ドット層１０Ｂが積層された領域には、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１や、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも小さい他のバンドギャップＢｇ３が中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成され得る。
　量子ドット超格子層１０は、入射された光のうち、埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって価電子帯ＶＢ内の電子が当該価電子帯ＶＢから伝導帯ＣＢへと直接励起され、これにより価電子帯ＶＢ内に正孔を生成し得ると共に、伝導帯ＣＢ内に電子を生成し得る。また、量子ドット超格子層１０は、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間のバンドギャップＢｇ２に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって価電子帯ＶＢの電子が中間バンド２７へ励起され、価電子帯ＶＢ内に正孔を生成し得る。さらに、量子ドット超格子層１０は、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間のバンドギャップＢｇ３に対応する波長の光を吸収し、この光吸収によって中間バンド２７に励起された電子が中間バンド２７から伝導帯ＣＢへと励起され、伝導帯ＣＢ内に電子を生成し得る。
　因みに、この実施の形態においては、価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３が小さく形成されている場合について述べたが、本発明はこれに限らず、量子ドット１２を形成するIII-V族半導体や、埋込層１３を形成するIII-V族半導体の種類を適宜選定することにより、例えば価電子帯ＶＢの上端と中間バンド２７との間に形成される一のバンドギャップＢｇ２よりも、中間バンド２７と伝導帯ＣＢとの間に形成される他のバンドギャップＢｇ３が大きくなるように形成してもよい。
　ここで、再度、図１を参照して太陽電池１の他の構成を説明する。図１に示すように、電流調整用太陽電池セル３は、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１上に、トンネル層１５と、ＢＳＦ（Back Surface Field）層１６と、光電変換積層部１７と、窓層１８と、コンタクト層１９とが順に形成された構成を有している。
　トンネル層１５は、例えばＴｅがドープされたｎ‐ＩｎＧａＰなどのｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型トンネル層２１上に、例えばＣがドープされたｐ‐ＡｌＧａＡｓなどのｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型トンネル層２２が積層された構成を有している。トンネル層１５では、ｎ型トンネル層２１及びｐ型トンネル層２２によってｐｎ接合が形成されており、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とからそれぞれ電圧及び電流が出力される際、中間バンド型太陽電池セル２によってｎ型トンネル層２１に負の電圧が印加され、電流調整用太陽電池セル３によってｐ型トンネル層２２に正の電圧が印加されることから、ｎ型トンネル層２１及びｐ型トンネル層２２によるｐｎ接合に順バイアスの電圧がかかり、トンネル電流が流れ得る。
　なお、トンネル層１５は、キャリア不純物がより多くドープされており、抵抗が低く選定されている。ここで、ｎ型トンネル層２１とｐ型トンネル層２２とは、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体で形成されており、量子ドット超格子層１０で吸収される波長の光がトンネル層１５を透過し得るようになされている。
　ＢＳＦ層１６は、例えば不純物を添加したIII-V族半導体でなり、トンネル層１５上に形成されている。本実施の形態の場合、ＢＳＦ層１６は、例えばＺｎがドープされたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる第１ＢＳＦ層１６Ａと、Ｔｅがドープされたｐ‐ＡｌＩｎＧａＰでなる第２ＢＳＦ層１６Ｂとが順に積層された２層構造を有している。なお、この実施の形態の場合においては、第１ＢＳＦ層１６Ａ及び第２ＢＳＦ層１６Ｂでなる２層構造のＢＳＦ層１６を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、単層のＢＳＦ層や、３層以上の複数層でなるＢＳＦ層を適用していてもよい。
　ここで、第１ＢＳＦ層１６Ａと第２ＢＳＦ層１６Ｂとは、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体材料で形成されており、量子ドット超格子層１０で吸収される波長の光がＢＳＦ層１６を透過し得るようになされている。
　因みに、この実施の形態の場合、ＢＳＦ層１６は、その表面に光電変換積層部１７が形成されており、当該光電変換積層部１７との境界近傍で生成された少数キャリアである電子を、光電変換積層部１７との境界で生じた内部電界により光電変換積層部１７内へと押し戻し、ＢＳＦ層１６内への電子の拡散を抑制し得るようになされている。なお、ＢＳＦ層１６は、光電変換積層部１７と同じIII-V族半導体で形成して光電変換積層部１７よりドーパントの濃度を高くしたり、光電変換積層部１７よりもバンドギャップが大きいIII-V族半導体材料で形成したりして、少数キャリアのＢＳＦ層１６への拡散を抑制してもよい。
　光電変換積層部１７は、例えば、Ｚｎがドープされたｐ‐ＩｎＧａＰなどのｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３上に、Ｓｉがドープされたｎ‐ＩｎＧａＰなどのｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４が積層された構成を有している。この場合、ｐ型光電変換層２３とｎ型光電変換層２４とは、添加された不純物が異なっているが同じIII-V族半導体で形成されている。
　ここで、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４が、量子ドット超格子層１０における埋込層１３を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ１よりも大きくなるように選定されている。これにより、光電変換積層部１７は、光が入射された際、中間バンド型太陽電池セル２に光が入射する前に、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収し得ると共に、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される長波長の光を透過し、当該長波長の光を中間バンド型太陽電池セル２まで到達させ得るようになされている。
　この際、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収することで、当該III-V族半導体における価電子帯内の電子が伝導帯へと励起され、これにより価電子帯内に正孔を生成し得ると共に、伝導帯内に電子を生成し得る。そして、光電変換積層部１７は、ｐ型光電変換層２３とｎ型光電変換層２４との界面で生じた内部電界によって、価電子帯に生成された正孔がｐ型光電変換層２３側へと拡散し、伝導帯に生成された電子がｎ型光電変換層２４側へと拡散して、電圧及び電流を生成し得る。
　窓層１８は、例えばＴｅがドープされたｎ‐ＩｎＡｌＰなどの不純物を添加されたIII-V族半導体でなり、光電変換積層部１７上に形成されており、ｎ型光電変換層２４の窓層１８との境界近傍で生成された少数キャリアである正孔を、ｎ型光電変換層２４との境界で生じた内部電界によりｎ型光電変換層２４内へと押し戻して、窓層１８への正孔の拡散を抑制し得るようになされている。
　なお、窓層１８は、ｎ型光電変換層２４と同じIII-V族半導体により形成してｎ型光電変換層２４よりドーパントの濃度を高くしたり、或いは、ｎ型光電変換層２４よりもバンドギャップが大きいIII-V族半導体で形成したりして、少数キャリアの窓層１８への拡散を抑制してもよい。ここで、窓層１８は、光電変換積層部１７を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体で形成されており、光電変換積層部１７で吸収される波長の光を透過させ得るようになされている。
　コンタクト層１９は、不純物を添加したIII-V族半導体でなり、窓層１８上に形成され得る。このコンタクト層１９は、表面に形成された表面電極５との接合面での接触抵抗を低減し得るようになされている。本実施の形態の場合、コンタクト層１９は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ‐ＩｎＧａＡｓでなる第１コンタクト層１９Ａ上に、Ｔｅがドープされたｎ‐ＩｎＧａＡｓでなる第２コンタクト層１９Ｂとが積層された構成を有している。
　この場合、第１コンタクト層１９Ａと第２コンタクト層１９Ｂとは、光電変換積層部１７を形成するIII-V族半導体のバンドギャップＢｇ４よりも大きなバンドギャップを有するIII-V族半導体により形成されており、光電変換積層部１７で吸収される波長の光を透過させ、当該光電変換積層部１７に到達させ得るようになされている。
　なお、この実施の形態の場合においては、第１コンタクト層１９Ａ及び第２コンタクト層１９Ｂでなる２層構造のコンタクト層１９を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、単層のコンタクト層や、３層以上の複数層でなるコンタクト層を適用してもよい。因みに、コンタクト層１９上に形成された表面電極５は、ＡｕやＡｇ、Ｇｅ、Ｎｉなどの金属部材により形成された単層構造又は多層構造でなり、裏面電極４が接続された外部回路（図示せず）に接続され得るようになされている。なお、表面電極５は、コンタクト層１９上の複数箇所に形成されており、各表面電極５が所定間隔を設けて配置され、表面電極５から裏面電極４に向けて照射された光が、表面電極５間に露出したコンタクト層１９から内部に入射し得るようになされている。
　ここで、図３は、本発明の実施の形態の太陽電池１について、中間バンド型太陽電池セル２における量子ドット超格子層１０の埋込層１３のバンドギャップＢｇ１と、量子ドット超格子層１０に形成された中間バンド２７により得られる一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３と、中間バンド型太陽電池セル２に対し光入射側に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７におけるバンドギャップＢｇ４との関係を纏めた模式図である。
　図３に示すように、中間バンド型太陽電池セル２では、量子ドット超格子層１０における埋込層１３の価電子帯ＶＢから中間バンド２７へ電子が励起され、励起された電子が中間バンド２７から当該埋込層１３の伝導帯ＣＢへと励起されることから、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３とが直列に接続されていると見なせる。また、中間バンド型太陽電池セル２では、中間バンド２７を介して電子が励起されることに加えて、量子ドット超格子層１０における埋込層１３の価電子帯ＶＢから伝導帯ＣＢへと直接電子が励起されることから、埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ１が、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ３との直列接続に対して並列に接続されていると見なせる。
　これに加えて、本発明の太陽電池１では、中間バンド型太陽電池セル２上に電流調整用太陽電池セル３が形成され、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とが直列に接続された構成となっている。これにより、本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４が、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット超格子層１０における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１と直列に接続されていると見なせ、さらに当該電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４が、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ３とに対して直接に接続されていると見なせる。
　これにより、本発明の太陽電池１では、中間バンド型太陽電池セル２においてバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３を基に得られた電圧に加えて、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に得られた電圧を含めて全体の出力電圧として得ることができ、かくして、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に得られた電圧の分、全体の出力電圧が増加し得る。
　この際、本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収することから、その分、中間バンド型太陽電池セル２での光の吸収が減り、中間バンド型太陽電池セル２での電流量を低減し得る。
　ここで、例えば、図１に示すようなIII-V族半導体により各層を形成した中間バンド型太陽電池セル２では、埋込層１３のバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとした場合、量子ドット超格子層１０の量子ドット１２の配置構成を調整することで、量子ドット超格子層１０の埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶに設定し得、一方、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶに設定し得る。
　この場合、図１に示すようなIII-V族半導体により各層を形成した電流調整用太陽電池セル３では、例えば光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４を、中間バンド型太陽電池セル２における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１である１．４ｅＶよりも大きい値である１．７ｅＶに設定し得る。
　これにより、太陽電池１では、表面電極５から裏面電極４に向けて光が照射されると、当該光のうち、電流調整用太陽電池セル３における光電変換積層部１７のバンドギャップＢｇ４として設定した１．７ｅＶに対応する７２９ｎｍ以下の波長の光を光電変換積層部１７にて吸収して電圧及び電流を出力し得ると共に、７２９ｎｍより波長が大きい光を電流調整用太陽電池セル３を透過して中間バンド型太陽電池セル２へ入射させる。
　中間バンド型太陽電池セル２では、電流調整用太陽電池セル３を透過した光のうち、量子ドット超格子層１０の埋込層１３のバンドギャップＢｇ４である１．４ｅＶに対応する８８６ｎｍ以下の波長の光を量子ドット超格子層１０で吸収して電圧及び電流を出力し得る。また、中間バンド型太陽電池セル２では、埋込層１３の価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２である１．０ｅＶに対応する１２４０ｎｍ以下の波長の光を吸収すると共に、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３である０．４ｅＶに対応する３１００ｎｍ以下の波長の光を吸収して、これら光吸収によって電圧及び電流を出力し得る。
　このように本発明の太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光を吸収する分、中間バンド型太陽電池セル２での光の吸収が減り、中間バンド型太陽電池セル２での電流量を低減できると共に、中間バンド型太陽電池セル２においてバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３を基に得られた電圧に加えて、電流調整用太陽電池セル３においてバンドギャップＢｇ４を基に電圧を得られる分、全体の出力電圧を増加し得る。
２．本発明の太陽電池の製造方法
　次に、上述した太陽電池１の製造方法について簡単に説明する。この場合、まず、真空蒸着などの方法により裏面電極４が裏面に形成された基板６を用意し、当該基板６を分子線エピタキー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）成膜装置のチャンバ内に載置し、基板６の表面に、第１バッファ層７Ａと、第２バッファ層７Ｂと、ｐ型半導体層９と、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、量子ドット層１０Ｂと、第２量子ドットバッファ層１０Ｃと、ｎ型半導体層１１とをＭＢＥ法により順次形成し、中間バンド型太陽電池セル２を作製する。この際、第１バッファ層７Ａと、第２バッファ層７Ｂと、ｐ型半導体層９と、第１量子ドットバッファ層１０Ａと、第２量子ドットバッファ層１０Ｃと、ｎ型半導体層１１とは、それぞれエピタキシャル成長により連続的に形成されることから、接合面同士が格子整合し、単結晶となっている。
　上述した量子ドット層１０Ｂは、例えば第１量子ドットバッファ層１０Ａ上に、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長法を用い、自己組織化により複数の量子ドット１２を形成し、量子ドット１２を覆うように第１量子ドットバッファ層１０Ａ上に埋込層１３を形成する。その後、埋込層１３上に自己組織化により複数の量子ドット１２を形成し、当該量子ドット１２を埋込層１３で覆い、これら工程を繰り返すことで一の量子ドット層１０Ｂに他の量子ドット層１０Ｂを順次積層してゆく。
　次に、中間バンド型太陽電池セル２をＭＢＥ成膜装置のチャンバから取り出し、有機金属気相エピタキー（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）成膜装置のチャンバ内へ移す。このとき、中間バンド型太陽電池セル２は大気暴露される。そこで、チャンバ内に載置した中間バンド型太陽電池セル２の表面をエッチングし、大気暴露によって汚染された表面を除去する。次に、表面をエッチングした中間バンド型太陽電池セル２上に、ｎ型トンネル層２１と、ｐ型トンネル層２２と、第１ＢＳＦ層１６Ａと、第２ＢＳＦ層１６Ｂと、ｐ型光電変換層２３と、ｎ型光電変換層２４と、窓層１８と、第１コンタクト層１９Ａと、第２コンタクト層１９Ｂとを、ＭＯＣＶＤ法により順次形成して電流調整用太陽電池セル３を作製する。
　この際、ｎ型トンネル層２１と、ｐ型トンネル層２２と、第１ＢＳＦ層１６Ａと、第２ＢＳＦ層１６Ｂと、ｐ型光電変換層２３と、ｎ型光電変換層２４と、窓層１８と、第１コンタクト層１９Ａと、第２コンタクト層１９Ｂとは、それぞれエピタキシャル成長により連続的に形成されることから、接合面同士が格子整合し、単結晶となっている。最後に、電流調整用太陽電池セル３上に、金属膜を真空蒸着などの方法により形成し、フォトリソグラフィ技術により所定形状でなる複数の表面電極５を電流調整用太陽電池セル３上に形成することで、太陽電池１を作製できる。
３．作用及び効果
　以上の構成において、本発明の太陽電池１では、複数の量子ドット１２が埋込層１３内に配置された量子ドット層１０Ｂが積み重ねられ、各量子ドット１２間で波動関数が重なり合い中間バンド２７が形成されている中間バンド型太陽電池セル２と、当該中間バンド型太陽電池セル２における埋込層１３のバンドギャップＢｇ１よりも大きいバンドギャップＢｇ４を有する光電変換積層部１７を備えた電流調整用太陽電池セル３とを設け、中間バンド型太陽電池セル２に対して光入射側に電流調整用太陽電池セル３を形成するようにした。
　従って、太陽電池１では、入射された光のうち、バンドギャップＢｇ４に対応する波長以下の光が電流調整用太陽電池セル３にて吸収され、当該電流調整用太陽電池セル３で電圧及び電流を発生させつつ、他の波長の光が電流調整用太陽電池セル３を透過し、中間バンド型太陽電池セル２にも入射させることができる。
　よって、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３でバンドギャップＢｇ４に対応する波長以下の光が吸収される分だけ、中間バンド型太陽電池セル２で吸収される光を減らし、当該中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制できるので、その分、中間バンド型太陽電池セル２における発熱量を低減でき、かくして、太陽電池１の熱破損を防止できる。
　また、太陽電池１では、電流調整用太陽電池セル３によって中間バンド型太陽電池セル２にて発生する電流量を抑制しつつも、当該中間バンド型太陽電池セル２に直列に接続された電流調整用太陽電池セル３でもバンドギャップＢｇ４に対応する波長の光の吸収により電圧が発生することから、直列的に接続された中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３により太陽電池１全体で得られる出力電圧を増加させることができ、かくして、従来よりも変換効率を格段的に向上させることができる。
４．検証試験
（１）シミュレーション試験
　次に、本発明の太陽電池１を実施例とし、従来の中間バンド型太陽電池を比較例として、詳細平衡モデルを用いてシミュレーション試験を行い、電流－電圧曲線と変換効率とをそれぞれ算出し、電気特性について評価した。変換効率の値は、太陽光のスペクトルとして６０００Ｋの黒体放射のスペクトル（エアマス０）を使用して算出した。
　最初に、従来の中間バンド型太陽電池である比較例について、シミュレーション試験を行った。なお、比較例では、図４Ａに示すように、価電子帯及び伝導帯間の最も大きいバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとし、価電子帯及び中間バンド間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶとし、中間バンド及び伝導帯間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶとした。
　また、比較例でも、価電子帯及び中間バンド間の一のバンドギャップＢｇ２と、中間バンド及び伝導帯間の他のバンドギャップＢｇ３とが直列に接続されていると見なし、さらに一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３に対して、価電子帯及び伝導帯間のバンドギャップＢｇ１が並列に接続されていると見なして、シミュレーション試験を行った。
　図４Ｂは、図４Ａに示す構成の比較例についてシミュレーション試験を行ったときの電流－電圧曲線を示す。なお、図４Ｂは、横軸が電圧を示し、縦軸が電流密度を示す。図４Ｂ中の「Total current」は比較例である従来の中間バンド型太陽電池における全体での電流－電圧曲線である。図４Ｂ中の「Ｂｇ１」を付した曲線は、図４Ａに示すバンドギャップＢｇ１（１．４ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流－電圧曲線であり、また、「Ｂｇ２」を付した曲線は、図４Ａ中のバンドギャップＢｇ２（１．０ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流－電圧曲線であり、さらに、「Ｂｇ３」は、図４Ａ中のバンドギャップＢｇ３（０．４ｅＶ）に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流－電圧曲線である。なお、図４Ｂ中の「Series constrained current」（破線）は、直列に接続された一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３全体の電流－電圧曲線である。
　図４Ｂに示すように、比較例では、電圧がゼロのときの電流値である短絡電流密度が約６００Ａ／ｍ２となり、一方、電流がゼロのときの電圧値である開放電圧が約１．０Ｖとなった。比較例では、電流－電圧曲線から算出した変換効率が約３７％であった。
　次に、本発明の太陽電池１についてシミュレーション試験を行った。この場合、実施例では、図５Ａに示すように、中間バンド型太陽電池セル２部分における価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ間のバンドギャップＢｇ１を１．４ｅＶとし、価電子帯ＶＢ及び中間バンド２７間の一のバンドギャップＢｇ２を１．０ｅＶとし、中間バンド２７及び伝導帯ＣＢ間の他のバンドギャップＢｇ３を０．４ｅＶとして、図４Ａの比較例と同じ値とした。
　これに加えて、実施例では、中間バンド型太陽電池セル２における全てのバンドギャップＢｇ１、Ｂｇ２、Ｂｇ３よりも大きなバンドギャップＢｇ４を有した電流調整用太陽電池セル３として、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を１．７ｅＶとし、当該電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１と、中間バンドにより形成された一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３とに対して直列に接続された構成とした。そして、かかる構成でなる実施例についてもシミュレーション試験を行った。
　図５Ｂは、図５Ａに示す実施例についてシミュレーション試験を行ったときの電流－電圧曲線を示す。なお、図５Ｂ中の「Ｂｇ４」を付した曲線は、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４に対応した光吸収によって生じた電流及び電圧についての電流－電圧曲線である。図５Ｂ中の「Parallel constrained voltage」（点線）は、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１、一のバンドギャップＢｇ２、及び他のバンドギャップＢｇ３を基に得られた電流及び電圧を纏めたときの電流－電圧曲線を示している。なお、図５Ｂ中の「Ｂｇ１」、「Ｂｇ２」、「Ｂｇ３」、及び「Series constrained current」は、図４Ｂと共通する事項であるため、その説明は省略する。
　図５Ｂに示すように、実施例の太陽電池１では、短絡電流密度が約３００Ａ／ｍ２となり、開放電圧が約２．３５Ｖとなった。実施例では、電流－電圧曲線から算出した変換効率が、約４６％となり、比較例よりも変換効率が格段的に向上していることが確認できた。
　ここで、実施例は、比較例に比べて、全体の短絡電流密度が低くなっており、全体を流れる電流を抑制させることができており、電流によって生じた発熱量を低減できることが確認できた。また、変換効率は、短絡電流密度が低下しているにもかかわらず、上昇していることが確認できた。すなわち、実施例では、電流調整用太陽電池セル３で生じた電圧によって全体で得られる出力電圧が増加することで、中間バンド型太陽電池セル２において出力電流の減少が生じても全体の変換効率が低下せずに、全体として変換効率を向上できることが確認できた。
　続いて、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４の値をＥｇ，４として、太陽電池１全体の変換効率を算出し、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４のＥｇ，４と、太陽電池１全体での変換効率との関係を調べたところ、図６に示すような結果が得られた。なお、中間バンド型太陽電池セル２におけるバンドギャップＢｇ１と、中間バンドにより形成される一のバンドギャップＢｇ２及び他のバンドギャップＢｇ３との各値は、図５Ａに示した実施例と同じ値に設定した。
　ここで、図６は、横軸がバンドギャップＢｇ４のＥｇ，４の値を表し、縦軸が変換効率を表す。図６中のＸ＝１は集光倍率を１倍に設定したときの結果であり、Ｘ＝１０００は集光倍率を１０００倍に設定したときの結果である。図６中に示す破線は、バンドギャップＢｇ４を有しないときの変換効率の最大値３６％（１倍集光時）を示している。図６に示すように、バンドギャップＢｇ４のＥｇ，４の値が約１．５５～１．９ｅＶにあるときには、変換効率が５０％を超え、変換効率が極めて高くなることが確認できた。
　従って、中間バンド型太陽電池セル２において最も大きいバンドギャップＢｇ１の値が１．４ｅＶ以下に選定したときには、電流調整用太陽電池セル３におけるバンドギャップＢｇ４を約１．５５～１．９ｅＶに選定することで、太陽電池１全体での変換効率を向上し得ることが分かる。
（２）実施試験
　次に、図１との対応部分に同一符号を付して示す図７のような本発明の太陽電池３１を実際に作製して、その電流－電圧特性と、変換効率とについて確認した。この場合、太陽電池１は、裏面電極４が５層構造を有している点と、電流調整用太陽電池セル３におけるｐ型トンネル層２２が３層構造を有している点と、表面電極５が５層構造を有している点とが、図１に示した太陽電池１と相違している。因みに、図７中に示す「ｎｍ」の数値は各層の厚さを表し、かっこ書の中の数値はドープされたドーパントの濃度を表している。なお、太陽電池３１では、中間バンド型太陽電池セル２における量子ドット超格子層１０の量子ドット層１０Ｂを５層形成した。
　裏面電極４は、真空蒸着により、基板６の表面に、Ａｕでなる厚さ５０ｎｍの第１裏面電極層４Ａと、Ａｇでなる厚さ１００ｎｍの第２裏面電極層４Ｂと、Ａｕでなる厚さ３０ｎｍの第３裏面電極層４Ｃと、Ａｇでなる厚さ３０００ｎｍの第４裏面電極層４Ｄと、Ａｕでなる厚さ５０ｎｍの第５裏面電極層４Ｅとを順次積層して形成した。
　ｐ型トンネル層２２は、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型トンネル層２１上に、Ｃを１．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ３．５ｎｍの第１ｐ型トンネル層２２Ａと、Ｃを１×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ７．０ｎｍの第２ｐ型トンネル層２２Ｂと、Ｃを１×１０２０／ｃｍ３の濃度でドープしたｐ‐ＡｌＧａＡｓでなる厚さ３．５ｎｍの第３ｐ型トンネル層２２Ｃとを順次エピタキシャル成長させて形成した。
　表面電極５は、真空蒸着により、コンタクト層１９上に、Ｎｉでなる厚さ１０ｎｍの第１表面電極層５Ａと、Ｇｅでなる厚さ３０ｎｍの第２表面電極層５Ｂと、Ａｕでなる厚さ６０ｎｍの第３表面電極層５Ｃと、Ａｇでなる厚さ４０００ｎｍの第４表面電極層５Ｄと、Ａｕでなる厚さ６０ｎｍの第５表面電極層５Ｅとを順次積層して形成した。
　そして、このような構成を有する太陽電池３１について、太陽電池の標準測定条件（エアマス１．５）の光を用いて７２倍集光時の電流－電圧特性を測定した結果、図８に示すような結果が得られた。図８は、横軸が電圧を示し、縦軸が電流密度を示している。図８から本発明の太陽電池３１では、測定した電流－電圧特性から算出した変換効率が２６．８％となっていることから、従来の中間バンド型太陽電池の変換効率約２０.３％（１００倍集光時）、約２１.２％（１０００倍集光時）と比較して変換効率が格段的に向上していることが確認できた。
５．変形例
　なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、裏面電極４、バッファ層７、ｐ型半導体層９、ｎ型半導体層１１、トンネル層１５、ＢＳＦ層１６、窓層１８、コンタクト層１９及び表面電極５を形成する材料を適宜変更することができる。例えば、図９Ａに示すように、基板６としてＧａＡｓ又はＧｅを選択した場合は、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット１２を形成する材料としてＩｎＡｓを用い、量子ドット超格子層１０の埋込層１３を形成する材料としてＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用いるようにしてもよい。この際、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７としては、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用い、ｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４とを形成するようにしてもよい。ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４は、埋込層１３よりもバンドギャップが大きくなるように組成が調整されている。例えば、埋込層１３としてＡｌＧａＡｓを用い、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４としてＡｌＧａＡｓを用いる場合は、埋込層１３のＡｌの組成を約３０％とし、ｐ型光電変換層２３及びｎ型光電変換層２４のＡｌの組成の約５０％よりも小さくする。
　また、その他の実施の形態として、例えば、図９Ｂに示すように、基板６としてＩｎＰを選択した場合は、中間バンド型太陽電池セル２の量子ドット１２を形成する材料としてＩｎＡｓを用い、量子ドット超格子層１０の埋込層１３を形成する材料としてＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種を用いるようにしてもよい。この際、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７としては、ＡｌＡｓＳｂ、又はＩｎＡｌＡｓＳｂを用い、ｐ型のIII-V族半導体でなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体でなるｎ型光電変換層２４とを形成するようにしてもよい。
　さらに、上述した実施の形態においては、電流調整用太陽電池セル３の光電変換積層部１７がｐｎ接合である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光電変換積層部１７はｐ型半導体／真性半導体／ｎ型半導体の３層構造をしたｐｉｎ接合としてもよい。
　また、上述した実施の形態においては、電流調整用太陽電池セル３にトンネル層１５が形成されている場合について説明したが、トンネル層１５が形成されていなくてもよい。例えば、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１上に電流調整用太陽電池セル３のＢＳＦ層１６がエピタキシャル成長され、ｎ型半導体層１１とＢＳＦ層１６との接合面同士が格子整合していてもよく、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とを別々に作製し、中間バンド型太陽電池セル２のｎ型半導体層１１と電流調整用太陽電池セル３のＢＳＦ層１６とが、埋込層１３を形成するIII-V半導体のバンドギャップＢｇ１より大きいバンドギャップと導電性とを有する接着剤によって貼り合わせられていてもよい。
　さらに、他の実施の形態としては、図１に示す太陽電池１の各層におけるｐ型及びｎ型の各導電型を逆にしてもよい。すなわち、図１に示すように、上述した実施の形態のおいては、ｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１間に量子ドット超格子層１０を形成し、ｐ型のバッファ層７上に当該ｐ型半導体層９を形成した中間バンド型太陽電池セル２を適用したが、本発明はこれに限らず、ｐ型及びｎ型の導電型を逆にし、ｐ型半導体層９及びｎ型半導体層１１間に量子ドット超格子層１０を形成し、ｎ型のバッファ層上に当該ｎ型半導体層１１を形成した中間バンド型太陽電池セルとしてもよい。
　なお、中間バンド型太陽電池セル２のｐ型及びｎ型の導電型を逆にする場合には、これに合わせて電流調整用太陽電池セル３のｐ型及びｎ型の導電型も逆にする必要がある。すなわち、図１に示すように、電流調整用太陽電池セル３では、ｐ型のIII-V族半導体からなるｐ型光電変換層２３と、ｎ型のIII-V族半導体からなるｎ型光電変換層２４とが接合した構成を有し、ｐ型のＢＳＦ層１６上にｐ型光電変換層２３が形成され、ｎ型光電変換層２４上にｎ型の窓層１８が形成された光電変換積層部１７を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ｐ型及びｎ型の導電型を逆にし、ｎ型のＢＳＦ層上にｎ型光電変換層が形成され、ｐ型光電変換層上にｐ型の窓層が形成された光電変換積層部を適用してもよい。
　また、上述した実施の形態においては、基板６上に、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３とをエピタキシャル成長させ、中間バンド型太陽電池セル２と電流調整用太陽電池セル３との接合面が格子整合している場合について述べたが、本発明はこれに限られない。例えば、他の実施の形態としては、基板６を用いてエピタキシャル成長により中間バンド型太陽電池セル２及び電流調整用太陽電池セル３を連続的に形成せずに、基板６を用いずに、予め作製した中間バンド型太陽電池セル２と、電流調整用太陽電池セル３とを基板貼り合わせ技術により貼り合わせて、中間バンド型太陽電池セル２の光入射側に電流調整用太陽電池セル３を形成するようにしてよい。
　１　　太陽電池
　２　　中間バンド型太陽電池セル
　３　　電流調整用太陽電池セル
　１０　　量子ドット超格子層
　１０Ｂ　　量子ドット層
　１２　　量子ドット
　１３　　埋込層
　１７　　光電変換積層部

Claims (6)

  1. 　複数の量子ドットが埋込層内に配置された複数の量子ドット層を積層させた量子ドット超格子層を有し、前記量子ドット超格子層には、各前記量子ドット間で波動関数が重なり合い中間バンドが形成されている中間バンド型太陽電池セルと、
    　ｐ型光電変換層及びｎ型光電変換層を少なくとも備えた光電変換積層部を有し、前記中間バンド型太陽電池セルの光入射側に形成された電流調整用太陽電池セルとを備えており、
    　前記電流調整用太陽電池セルは、
    　前記光電変換積層部が、前記中間バンド型太陽電池セルにおける前記埋込層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有している
    　ことを特徴とする太陽電池。
  2. 　前記量子ドットは、ＩｎＡｓで形成され、
    　前記埋込層は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓＰ、及びＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成され、
    　前記ｐ型光電変換層及び前記ｎ型光電変換層は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＡｌＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 　前記量子ドットは、ＩｎＡｓで形成され、
    　前記埋込層は、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、及びＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＰのうちいずれか１種で形成され、
    　前記ｐ型光電変換層及び前記ｎ型光電変換層は、ＡｌＡｓＳｂ、及びＩｎＡｌＡｓＳｂのうちいずれか１種で形成されている
    　ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  4. 　前記電流調整用太陽電池セルは、ｐｎ接合でなるトンネル層を備えており、前記トンネル層によって前記中間バンド型太陽電池セルに接合されている
    　ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の太陽電池。
  5. 　前記電流調整用太陽電池セルは、前記中間バンド型太陽電池セル上にエピタキシャル成長により形成されており、前記中間バンド型太陽電池セルの接合面と格子整合している
    　ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の太陽電池。
  6. 　前記光電変換積層部は、バンドギャップが１．５５～１．９ｅＶの範囲に選定されている
    　ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の太陽電池。
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