(57)【要約】【課題】多接合型光起電力発生装置においては、積層数が増加するので、光の結合損失からエネルギー変換効率が小さく、製造コストが高く、かつ製造が困難であった。【解決手段】サファイア基板１上に横方向に異なるバンドギャップを有する複数のセル２−１、２−２、…、２−７が形成される。各セルは、各バンドギャップに対応する傾斜角の山型傾斜の凹凸面を有するｎ型GaN層２１、ｎ型GaNバッファ層２１上に形成されたｎ型InAlGaN層２２及びｐ型InAlGaN層２３よりなる。InAlGaN層２２、２３の組成はその傾斜角に応じたバンドギャップを有するように決定される。各セル２−１、２−２、…、２−７は出力端子OUT1、OUT2間にボンディングワイヤ３−０、３−１、…、３−７によって直列に接続されて太陽電池として作用する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に横方向に形成された異なるバンドギャップを有する複数のpn接合素子あるいはpin接合素子と
を具備する光起電力発生装置。
【請求項２】
前記各pn接合素子もしくはpin接合素子は前記各バンドギャップに対応する組成のInAlGaN層より構成される請求項１に記載の光起電力発生装置。
【請求項３】
さらに、前記基板上に形成され、前記各バンドギャップに対応する傾斜角度の山型傾斜の凹凸面を有するGaNバッファ層を具備し、
前記InAlGaN層は前記GaNバッファ層に形成された請求項２に記載の光起電力発生装置。
【請求項４】
前記pn接合素子あるいはpin接合素子のバンドギャップは前記基板の横方向に変化した請求項１に記載の光起電力発生装置。
【請求項５】
前記pn接合素子もしくはpin接合素子は２つの出力端子間に直列に接続された請求項１に記載の光起電力発生装置。
【請求項６】
前記pn接合素子もしくはpin接合素子はそれぞれ独立の出力端子を有する請求項１に記載の光起電力発生装置。
【請求項７】
さらに、分光機能を有する光学ユニットを具備し、
該光学ユニットの出力スペクトルに応じて前記pn接合素子もしくはpin接合素子を配列した請求項１に記載の光起電力発生装置。
【請求項８】
前記光学ユニットは、
集光レンズと、
該集光レンズによって集光された光を分光して前記出力スペクトルを発生する光分散素子と
を具備する請求項７に記載の光起電力発生装置。
【請求項９】
前記集光レンズは凸レンズを含有する請求項８に記載の光起電力発生装置。
【請求項１０】
前記光分散素子はプリズムを含有する請求項８に記載の光起電力発生装置。
【請求項１１】
前記光分散素子は回折格子を含有する請求項８に記載の光起電力発生装置。
【請求項１２】
基板上にGaNバッファ層を形成する段階と、
該GaNバッファ層にフォトレジスト層を塗布する段階と、
該フォトレジスト層に、山型傾斜を有し該山型傾斜が横方向に変化した凹凸面を形成する段階と、
前記凹凸面が形成されたフォトレジスト層及び前記GaNバッファ層をエッチングバックして前記フォトレジスト層を除去すると共に前記GaNバッファ層の表面に前記凹凸面を転写する段階と、
該凹凸面が転写された前記GaNバッファ層上にInAlGaN層を形成する段階と、
前記InAlGaN層及び前記GaNバッファ層を複数のセルに分割する段階と
を具備する光起電力発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池、波長分解スペクトルアナライザ用受光器等の光起電力発生装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光起電力発生装置としての太陽電池においては、半導体のバンドギャップを超えるエネルギーを有する入射光子をpn接合（あるいはpin接合）の空乏層（あるいはi層）で捕捉して電子−正孔対を創成し、この電荷（電子、正孔）を２つの出力端子に取出し、出力端子間に上述のバンドギャップに等しい電位差を発生させるものである。
【０００３】
従来の単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等の１つのセルよりなる単一接合型太陽電池においては、図９に示すように、入射光子のエネルギーのシリコンのバンドギャップを超えた分は不完全利用分となり、また、入射光子のエネルギーがシリコンのバンドギャップより小さい場合は、その入射光子自体が捕捉されず透過損失分となる。この結果、不完全利用分及び透過損失分が大きいので、エネルギー変換効率は低かった。
【０００４】
太陽電池のエネルギー変換効率を向上させるために、複数のpn接合素子あるいはpin接合素子（以下、セル）を縦方向に接続した多接合型太陽電池が開発されている（参照：特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。
【０００５】
図１０は従来のInGaP/InGaAs/Geよりなる３接合型太陽電池の斜視図である。すなわち、図１０においては、Geによるボトムセル１０１、InGaAsによるミドルセル１０２及びInGaPによるトップセル１０３が縦方向に接合してある。この場合、光吸収端バンドギャップ（吸収可能な最小エネルギー）が大きいセルが上側に位置し、光吸収端バンドギャップが小さいセルが下側に位置し、エネルギー変換効率を増加させている。
【０００６】
図１０の３接合型太陽電池においては、図１１に示すように、波長660nm以下の入射光子をInGaPトップセル１０３で吸収して光電変換するが、InGaPのバンドギャップを超えた分は不完全利用分となり、さらに、InGaAsミドルセル１０２の不完全利用分と共に波長890nm−2000nmの入射光子はGeボトムセル１０１で吸収して光電変換するが、Geのバンドギャップを超えた分は不完全利用分となる。さらにまた、波長2000nm以上の入射光子自体は捕捉されず、透過損失分となる。この結果、最終的な不完全利用分及び透過損失分は図１１の単一接合型太陽電池の場合に比べて小さくなり、エネルギー変換効率は向上する。
【特許文献１】特開２００４−２９６６５８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９９３４号公報
【特許文献３】特開２００４−３２７８８９号公報
【特許文献４】特開２００７−３２４５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１０の従来の３接合型太陽電池においては、積層数の増加による光の結合損失と共に、不完全利用分及び透過損失分は小さくなるもまだ不充分であり、従って、エネルギー変換効率はまだ小さいという課題があった。
【０００８】
また、図１０の従来の３接合型太陽電池は、組成の異なる層を多数積層するので、蒸気圧が高い組成の場合、ベーキングを行って飛ばさなくてはならず、成長温度が大きく異なるために、壁面、周辺から剥がれたごみの問題があり、トップセルの成長温度がミドルセルあるいはボトムセルの成長温度より高い場合、ミドルセルあるいはボトムセルの損傷のおそれがある。この結果、製造コストが高く、かつ製造が困難でもあった。
【０００９】
尚、図１０の従来の３接合型太陽電池においては、セルの数を増加させれば、不完全利用分及び透過損失分はさらに小さくなってエネルギー変換効率を向上できるが、セルの数の増加は積層数の増加をさらに招き、製造コスト及び製造難易度の点で問題である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光起電力発生装置は、基板と、基板上に横方向に形成された異なるバンドギャップを有する複数のpn接合素子あるいはpin接合素子とを具備するものである。複数のpn接合素子あるいはpin接合素子（セル）は基板の横方向に配列されるので、バンドギャップが異なる多数のセルを基板上に配列することができ、この結果、エネルギー変換効率は向上する。また、セルの数が増加しても積層数は増加しないので、製造コストは低くなると共に製造は容易となる。
【００１１】
また、pn接合素子もしくはpin接合素子（セル）は２つの出力端子間に直列に接続され、光起電力発生装置は太陽電池として作用する。
【００１２】
さらに、pn接合素子もしくはpin接合素子（セル）はそれぞれ独立の出力端子を有し、光起電力発生装置は波長分解スペクトルアナライザ用受光器としても作用する。
【００１３】
本発明に係る光起電力発生装置の製造方法は、基板上にGaNバッファ層を形成する段階と、GaNバッファ層にフォトレジスト層を塗布する段階と、フォトレジスト層に、山型傾斜を有し山型傾斜が横方向に変化した凹凸面を形成する段階と、凹凸面が形成されたフォトレジスト層及びGaNバッファ層をエッチングバックしてフォトレジスト層を除去すると共にGaNバッファ層の表面に凹凸面を転写する段階と、凹凸面が転写されたGaNバッファ層上にInAlGaN層を形成する段階と、InAlGaN層及びGaNバッファ層を複数のセルに分割する段階とを具備するものである。InAlGaN層のバンドギャップは凹凸面の山型傾斜の傾斜角に依存する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バンドギャップが異なる複数のpn接合素子もしくはpin接合素子（セル）を基板上に横方向に形成しているので、積層数を増加させることなく、pn接合素子もしくはpin接合素子（セル）の数を容易に増加でき、従って、エネルギー変換効率を容易に増加できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明に係る光起電力発生装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示す。尚、図１の光起電力発生装置は太陽電池として作用する。
【００１６】
図１において、サファイア基板１上に複数のセル２−１、２−２、…、２−７が形成されている。各セル２−１、２−２、…、２−７は、ｎ型GaNバッファ層２１、ｎ型InAlGaN層２２、ｐ型InAlGaN層２３、ITO、ZnO等よりなる透明電極２４、ｎ型GaNバッファ層２１上に形成されたｎ側電極２５、及び透明電極２４上に形成されたｐ側電極２６によって構成されている。
【００１７】
セル２−１、２−２、…、２−７は２つの出力端子OUT1、OUT2間に直列接続されている。すなわち、セル２−１のｐ側電極２６はセル２−２のｎ側電極２５にボンディングワイヤ３−１によって接続され、また、セル２−２のｐ側電極２６はセル２−３のｎ側電極２５にボンディングワイヤ３−２によって接続され、以下同様にして、セル２−６のｐ側電極２６はセル２−７のｎ側電極２５にボンディングワイヤ３−６によって接続されている。尚、ボンディングワイヤ３−０はセル２−１のｎ側電極２５を出力端子（パッド）OUT1に接続し、ボンディングワイヤ３−７はセル２−７のｐ側電極２６を出力端子（パッド）OUT2に接続している。なお、以上のボンディングワイヤ３−１、３−２、…、３−６はセル化プロセス中に配線電極パターンを設けることによって接続させてもよい。
【００１８】
各セル２−１、２−２、…、２−７のｎ型InAlGaN層２２、ｐ型InAlGaN層２３の組成は異なり、従って、バンドギャップは異なる。また、ｎ型InAlGaN層２２、ｐ型InAlGaN層２３間には入射光子の捕捉のための空乏層が形成されるが、ｉ型あるいは故意に不純物を添加していないアンドープド（un-doped）InAlGaN層を形成してもよい。
【００１９】
各セル２−１、２−２、…、２−７の半導体材料としては、上述のごとく、InAlGaNを用いる。この理由は、Si、Geでは太陽光の利用は十分でなく、また、GaAlAs、InGaPもInAlGaNに比べて太陽光の利用は十分でないからである。すなわち、図２に示すように、InAlGaNの組成を異ならせると、GaAlAs、InGaPの組成を異ならせた場合に比べて吸収端バンドギャップの変化範囲が大きいことが分かる。尚、図２において、InAlGaNの主成分がInNに近付くとその吸収端バンドギャップは赤外領域の光子エネルギーに対応し、InAlGaNの主成分がInGaNのときにその吸収端バンドギャップは可視域の光子エネルギーに対応し、InAlGaNの主成分がAlNに近付くとその吸収端バンドギャップは紫外領域の光子エネルギーに対応する。
【００２０】
次に、図１の光起電力発生装置の製造方法を図３、図４を参照して説明する。
【００２１】
始めに、図３の（Ａ）を参照すると、サファイア基板１上にSiを添加した厚さ約2μmのｎ型GaNバッファ層２１を有機金属化学的気相成長（MOCVD）法によって成長させる。
【００２２】
次に、図３の（Ｂ）を参照すると、ｎ型GaNバッファ層２１上にレジスト層２１ａを塗布する。他方、山型傾斜を有する凹凸面を有する金型２１ｂを用意する。この山型傾斜は横方向に20nmから数μmの間隔で変化するが、山型傾斜のピッチ及び傾斜角は後述のプリズムあるいは回折格子の出力スペクトルの拡がりに対応させて設計される。尚、金型２１ｂの金属材料の代りに、ガラス、樹脂で型を形成することもできる。
【００２３】
図３の（Ｂ）の状態で、金型２１ｂをレジスト層２１ａに低下させて金型２１ｂの凹凸面をレジスト層２１ａに転写して図３の（Ｃ）の状態となる。尚、金型２１ｂを用いたインプリント技術の代りに、金属マスクを用いてフォトリソグラフィつまり露光現像によりレジスト層２１ａに凹凸面を形成してもよい。
【００２４】
次に、図３の（Ｃ）の状態で、レジスト層２１ａ及びｎ型GaNバッファ層２１をCl2ガスを用いたリアクティブイオンエッチング（RIE）法によりエッチングバックし、この結果、レジスト層２１ａの凹凸面がｎ型GaNバッファ層２１の表面に転写される。
【００２５】
次に、図４の（Ｂ）を参照すると、凹凸面が形成されたｎ型GaNバッファ層２１上にSiを添加したｎ型InAlGaN層２２及びMgを添加したｐ型InAlGaN層２３をMOCVD法により成長させる。この場合、ｎ型GaNバッファ層２１の山型傾斜の傾斜角θに応じてInAlGaN層２２、２３のバンドギャップが変化する。すなわち、図５に示すように、山型傾斜角θを変化させると、InAlGaNのIn比率が変化し、光吸収端バンドギャップを変化できる。尚、山型傾斜角θが大きい程、InAlGaN層２２、２３の膜厚は小さくなるので、InAlGaNを量子井戸構造のウェル層にした場合、光吸収端バンドギャップは更に大きな変化を示す。また、ｎ型InAlGaN層２２とｐ型InAlGaN層２３との間にｉ型あるいは故意に不純物を添加していないアンドープドInAlGaN層を形成してもよい。
【００２６】
次に、図４の（Ｃ）を参照すると、全面にITOもしくはZnO等よりなる透明電極２４を形成する。
【００２７】
次に、図示しないが、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、ｎ型GaNバッファ層２１を露出させ、その後、ｎ型InAlGaN層２２の露出部にはｎ側電極２５を形成し、透明電極２４上にはｐ側電極２６を形成する。また、透明電極２４、ｐ型InAlGaN層２３及びｎ型InAlGaN層２２をサファイア基板１の第１の方向でレーザカット法により切断し、セル２−１、２−２、…、２−７をサファイア基板１上で分離する（図１参照）。次いで、セル２−１の左端とセル２−７の右端にサファイア基板１を第１の方向と直交する第２の方向でレーザスクライブ法により切断する。最後に、セル２−１、２−２、…、２−７のｎ側電極２５、ｐ側電極２６に、ボンディングワイヤ３−０、３−１、…、３−７を施すことにより、セルユニットが完成する。もちろん、ユニットが７個のセルで構成されている例を示すが、７個に限定しているものではない。セルのサイズやユニットの中のセルの数は出力電圧や分光ユニットの都合によって変えてもよい。また、レーザスクライブ法以外にダイアモンド・ポイントによるポイントスクライブ法などを使用してもよい。
【００２８】
図１の光起電力発生装置を太陽電池として用いる場合には、分光機能を有する光学ユニットが、図６、図７のごとく、付加される。図６に示すごとく、光学ユニットは太陽光を集光する凸レンズ４ａ及び集光された光を分光する柱状三角プリズム５ｂを有する。他方、図７に示すごとく、光学ユニットは太陽光を集光する凸レンズ４ｂ及び集光された光を分光する反射型回折格子５ｂを有する。これにより、広範囲の太陽光を分光し、分光された光はそのエネルギーに応じたバンドギャップを有するセル２−１、２−２、…、２−７に入射されることになり、この結果、エネルギー変換効率を向上できる。尚、太陽光の代りに人工光源を用いてもよい。また、図７の反射型回折格子５ｂは透過型回折格子でもよい。
【００２９】
図１の光起電力発生装置においては、７個のセル２−１、２−２、…、２−７を直列接続しているが、本発明は７個のセルに限定されることはない。
【００３０】
図８は本発明に係る光起電力発生装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示す。尚、図８の光起電力発生装置は波長分解スペクトルアナライザ用受光器として作用する。
【００３１】
図８においては、各セル２−１、２−２、…、２−７のｎ側電極２５、ｐ側電極２６は独立に出力端子OUT11，OUT72；OUT21，OUT22；…；OUT71，OUT72として作用する。この結果、各バンドギャップに対応する光量を検出することができるので、波長分解スペクトルアナライザ受光器として作用することができる。尚、図８においても、必要に応じて図６、図７の光学ユニットを付加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る光起電力発生装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示す。
【図２】太陽光スペクトルに対する半導体の光吸収端バンドギャップの変化範囲を示すグラフである。
【図３】図１の光起電力発生装置製造方法を説明する断面図である。
【図４】図１の光起電力発生装置製造方法を説明する断面図である。
【図５】図１における山型傾斜角とInAlGaNの光吸収端バンドギャップの関係を示すグラフである。
【図６】図１の光起電力発生装置に光学ユニットを付加した第１の例を示す図である。
【図７】図１の光起電力発生装置に光学ユニットを付加した第２の例を示す図である。
【図８】本発明に係る光起電力発生装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図を示す。
【図９】従来の単一接合型太陽電池のエネルギー変換効率を説明する太陽光エネルギー密度を示すグラフである。
【図１０】従来の３接合型太陽電池を示す斜視図である。
【図１１】従来の３接合型太陽電池のエネルギー変換効率を説明する太陽光エネルギー密度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１…サファイア基板
２−１、２−２、…、２−７…セル
３−０、３−１、…、３−７…ボンディングワイヤ
４ａ、４ｂ…凸レンズ
５ａ…柱状三角プリズム
５ｂ…反射型回折格子
２１…ｎ型GaNバッファ層
２１ａ…レジスト層
２１ｂ…金型
２２…ｎ型InAlGaN層
２３…ｐ型InAlGaN層
２４…透明電極
２５…ｎ側電極
２６…ｐ側電極
１０１…ボトムセル
１０２…ミドルセル
１０３…トップセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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