(57)【要約】【課題】光吸収半導体層のヘテロ接合における格子整合度が高く且つエネルギー変換効率の高い太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池１０は、ｎ型半導体であるｎ層１１と、ｐ型半導体であるｐ層１２と、ｎ層１１及びｐ層１２に挟まれたi層１３とを備え、i層１３は、第１のエネルギーギャップＥｇ１を有する第１化合物半導体層１４と、第１化合物半導体層１４とヘテロ接合して積層され、且つ第１のエネルギーギャップＥｇ１よりも小さい第２のエネルギーギャップＥｇ２を有する第２化合物半導体層１５と、を有し、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とは格子整合しており、第１化合物半導体層１４の伝導帯の下端と第２化合物半導体層１５の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは、室温での熱エネルギー以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｎ層及び前記ｐ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
第１のエネルギーギャップを有する第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層とヘテロ接合して積層され、且つ前記第１のエネルギーギャップよりも小さい第２のエネルギーギャップを有する第２化合物半導体層と、を有し、
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層とは格子整合しており、
前記第１化合物半導体層の伝導帯の下端と前記第２化合物半導体層の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは、室温での熱エネルギー以下である、太陽電池。
【請求項２】
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間の格子定数の差と、前記第１化合物半導体層の格子定数との比の大きさが０．００１以下である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１化合物半導体層の伝導帯の下端と前記第２化合物半導体層の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップが、０．０１ｅＶ以下である請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記ｉ層は、前記第１化合物半導体層とヘテロ接合した前記第２化合物半導体層との積層体が複数積層されて形成されており、
前記ｉ層は、両側の層それぞれが前記第１化合物半導体層によって形成される、請求項１から３の何れか一項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ｎ層が、ｎ型不純物が添加された前記第１化合物半導体層によって形成され、前記ｐ層が、ｐ型不純物が添加された前記第１化合物半導体層によって形成される請求項１から４の何れか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｐ層及び前記ｎ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y層と、
前記ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y層とヘテロ接合して積層されるＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓ層と、を有し、
ｘ及びｙが、
ｙ≒−２．１６ｘ＋２．１６
を満足し、且つ、
ｘ及びｚが、
ｚ≒０．３９ｘ−０．１５
を満足する、太陽電池。
【請求項７】
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｐ層及び前記ｎ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓ層と、
前記ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓ層とヘテロ接合して積層されるＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48層と、を有し、
ｘ及びｙが、
ｙ≒ｘ−０．３６
を満足する、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光を利用して発電する太陽電池が開発されている。特に、光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率の高い太陽電池が求められている。
【０００３】
従来から用いられているｐ層とｎ層とが接合して形成されるシングル接合の太陽電池では、光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率は30％程度が限界であると考えられている。太陽電池の単位面積当たりの発電量の上限は、このエネルギー変換効率によって主に決定される。そこで、大きな発電量を得るためには、太陽電池の面積を増加することによって対応している。
【０００４】
単位面積当たりの発電量を増加する手法として、例えば、エネルギーバンドギャップの異なる複数の光吸収半導体層が、光入射側よりエネルギーバンドギャップが小さくなる順にヘテロ結合により積層された多接合（タンデム）太陽電池が提案されている。このタンデム太陽電池として、具体的には、光吸収半導体層としてＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅを用いた太陽電池が開示されている。
【０００５】
このようなタンデム太陽電池では、シングル接合の太陽電池に対して、太陽光スペクトルが有効活用されているので、エネルギー変換効率が高められている。
【０００６】
また、タンデム太陽電池よりも単位面積当たりの発電量を増加する手法として、量子ドット又は超格子等の半導体ナノ構造を、光吸収半導体層に用いた太陽電池が提案されている。このような半導体ナノ構造を用いると、太陽光スペクトルが更に有効活用され、また励起された電子の発光再結合又はエネルギー緩和を防止することができると考えられている。例えば、複数の量子ドットが面内に配置された量子ドット層と中間層とが交互に積層されており、中間層のエネルギーバンド構造が量子ドット内での発光再結合を抑制するｔｙｐｅＩＩ構造を有する量子ドット太陽電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１５９１６号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した量子ドット太陽電池では、一つの量子ドットの寸法が数十ｎｍ程度であるため、単位面積当たりの発電量を増加するために、多数の量子ドット層が中間層を介在させて積層される必要がある。
【０００９】
しかし、量子ドット層と中間層との間には格子不整合による歪みが生じるので、十分な発電量を得るために多数の量子ドット層と中間層とを積層すると、歪みの蓄積により、積層体の途中で結晶欠陥が発生する。そのため、高品質な結晶構造を有する量子ドット太陽電池を形成することは非常に困難である。
【００１０】
また、上述したように結晶欠陥が発生すると、欠陥準位を介して、励起された電子による非発光再結合が支配的となるので、励起された電子と正孔の収集確率が低下する。
【００１１】
上述したタンデム太陽電池に対しても、更なるエネルギー変換効率の向上が望まれている。
【００１２】
本明細書は、光吸収半導体層のヘテロ接合における格子整合度が高く且つエネルギー変換効率の高い太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本明細書で開示する太陽電池の一形態によれば、ｎ型半導体であるｎ層と、ｐ型半導体であるｐ層と、上記ｎ層及び上記ｐ層に挟まれたi層とを備え、上記i層は、第１のエネルギーギャップを有する第１化合物半導体層と、上記第１化合物半導体層とヘテロ接合して積層され、且つ上記第１のエネルギーギャップよりも小さい第２のエネルギーギャップを有する第２化合物半導体層と、を有し、上記第１化合物半導体層と上記第２化合物半導体層とは格子整合しており、上記第１化合物半導体層の伝導帯の下端と上記第２化合物半導体層の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは、室温での熱エネルギー以下である。
【発明の効果】
【００１４】
上述した太陽電池の一形態によれば、光吸収半導体層のヘテロ接合における格子整合度が高く且つエネルギー変換効率が高い。
【００１５】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１６】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、クレームされている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本明細書に開示する太陽電池の第１実施形態を示す図である。
【図２】図１に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。
【図３】第１化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【図４】第２化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【図５】ＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトルを示す図である。
【図６】本明細書に開示する太陽電池の第２実施形態を示す図である。
【図７】図６に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。
【図８】第１化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【図９】第２化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【図１０】本明細書に開示する太陽電池の第３実施形態を示す図である。
【図１１】図１０に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本明細書で開示する太陽電池の好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１９】
図１は、本明細書に開示する太陽電池の第１実施形態を示す図である。図２は、図１に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。図３は、図１に示す太陽電池の第１化合物半導体層の組成比等を示す図である。図４は、図１に示す太陽電池の第２化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【００２０】
第１実施形態の太陽電池１０は、図１に示すように、ｎ型半導体であるｎ層１１と、ｐ型半導体であるｐ層１２と、ｐ層１２及びｎ層１１に挟まれたi層１３とを備える。ｉ層１３は、光吸収半導体層である。太陽電池１０では、このｉ層において、光子が吸収されて電子・正孔対が主に生成される。
【００２１】
ｉ層１３は、図１に示すように、ｎ層１１の上に積層された第１化合物半導体層１４と、この第１化合物半導体層１４の上に積層された第２化合物半導体層１５と、この第２化合物半導体層１５の上に積層された第１化合物半導体層１４とを有する。このように、ｉ層１３は、上下両側の層それぞれが第１化合物半導体層１４によって形成される。
【００２２】
ｉ層１３における第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５それぞれは、真性半導体である。
【００２３】
第２化合物半導体層１５は、第１化合物半導体層１４とヘテロ接合して積層される。
【００２４】
太陽電池１０では、第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５それぞれは、平坦な層によって形成される。また、ｎ層１１及びｐ層１４それぞれも、平坦な層によって形成される。
【００２５】
このように、太陽電池１０は、第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５が積層された、いわゆるタンデム太陽電池である。
【００２６】
ｐ層１２は、上側の第１化合物半導体層１４の上に積層される。また、ｐ層１２の上には、櫛形の上部電極１８が形成される。ｐ層１２と上部電極１８とはオーミック接触される。
【００２７】
ｎ層１１は、基板１６の上に積層される。基板１６の下には下部電極１９が形成される。基板１６と下部電極１９とはオーミック接触される。
【００２８】
太陽電池１０では、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とは格子整合している。本明細書では、格子整合するとは、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５との間の格子定数の差と、第１化合物半導体層の格子定数との比の大きさが０．００１以下であることをいう。格子定数がこの程度に一致していれば、一方の化合物半導体層を他方の化合物半導体層上に数μｍ程度の厚さで積層しても、ミスフィット転位の発生を防止できる。
【００２９】
また、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とが格子整合する上で、第１の化合物半導体と第２の化合物半導体とは、同一の結晶系はであることが好ましい。
【００３０】
また、太陽電池１０では、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５は、各々、基板１６に格子整合している。本明細書では、格子整合するとは、第１化合物半導体層１４と基板１６との格子定数の差と、基板１６の格子定数との比の大きさが０．００１以下であることもいう。同様に、格子整合するとは、第２化合物半導体層１５と基板１６との格子定数の差と、基板１６の格子定数との比の大きさが０．００１以下であることもいう。格子定数がこの程度に一致していれば、化合物半導体層１４，１５を基板１６上に数μｍ程度の厚さで積層しても、ミスフィット転位の発生を防止できる。
【００３１】
また、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とが基板１６に格子整合する上で、第１の化合物半導体及び第２の化合物半導体は、基板１６と同一の結晶系であることが好ましい。
【００３２】
更に、太陽電池１０では、ｎ層１１とｉ層１３とを格子整合させる観点から、ｎ層１１は、ｎ型不純物が添加された第１化合物半導体層によって形成される。同様に、太陽電池１０では、ｐ層１２とｉ層１３とを格子整合させる観点から、ｐ層１２は、ｐ型不純物が添加された第１化合物半導体層によって形成される。
【００３３】
太陽電池１０では、図２に示すように、ｉ層１３の第１化合物半導体層１４が、価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃとの間に、エネルギーギャップＥｇ１を有する。図２には、ｎ層１１と、ｉ層１３と、ｐ層１２とを有する積層部分と、各層に対応するエネルギーバンド図が示されている。なお、図２では、ｉ層１３がｎ層１１とｐ層１２とに挟まれることによって生じる内部電場によって、エネルギーバンドが傾斜している状態が示されている。
【００３４】
また、太陽電池１０では、図２に示すように、ｉ層１３の第２化合物半導体層１５が、価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃとの間に、第１のエネルギーギャップＥｇ１よりも小さい第２のエネルギーギャップＥｇ２を有する。
【００３５】
更に、太陽電池１０は、図２に示すように、第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖの上端と第２化合物半導体層の価電子帯Ｅｖの上端との間に、エネルギーギャップＥｇ３（＝Ｅｇ１−Ｅｇ２）を有する。
【００３６】
太陽電池１０は、第１化合物半導体層１４の伝導帯の下端と第２化合物半導体層５の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップが、室温での熱エネルギーｋＴ以下である。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビン温度である。
【００３７】
従って、太陽電池１０は、図２に示すように、第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃの下端と第２化合物半導体層の伝導帯Ｅｃの下端との間に、室温において電子の移動を妨げるようなエネルギーギャップを有さない。
【００３８】
次に、室温での熱エネルギーを、具体例を用いて以下に説明する。例えば、室温が３００ケルビン（２７℃）である場合には、室温での熱エネルギーは、ｋＴ＝４．１４Ｅ−２１Ｊ＝２５．８８ｍｅＶとなる。ここで、小数第３位を四捨五入している。以下の数値も同様である。また、地球上で太陽電池が使用される環境温度として取り得る３２３ケルビン（５０℃）を室温とすると、室温での熱エネルギーは、ｋＴ＝４．４６Ｅ−２１Ｊ＝２７．８６ｍｅＶとなる。また、集光時に太陽電池が取り得る温度である３７３ケルビン（１００℃）を室温とすると、室温での熱エネルギーは、ｋＴ＝５．１５Ｅ−２１Ｊ＝３２．１７ｍｅＶとなる。このように、室温での熱エネルギーｋＴは、温度でいえば、例えば３００ケルビン〜３７３ケルビンの範囲をとることができる。また、室温での熱エネルギーｋＴは、ｅＶでいえば、例えば２５．８８ｍｅＶ〜３２．１７ｍｅＶの範囲をとることができる。
【００３９】
第１化合物半導体層１４の伝導帯の下端と第２化合物半導体層１５の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは小さい程、ｉ層１３で生成された電子２２がｎ層１１へ速やかに移動できるので好ましい。この観点から、第１化合物半導体層１４の伝導帯の下端と第２化合物半導体層１５の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは、１０ｍｅＶ以下であることが好ましい。
【００４０】
また、太陽電池１０では、ｎ層１１は、第１化合物半導体層１４にｎ型不純物が添加されたものであるので、ｎ層１１の伝導帯Ｅｃの下端と第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃの下端との間には、ノッチやスパイク等のバンドの不連続部分がないので、室温において電子の移動を妨げるようなエネルギーギャップがない。
【００４１】
同様に、太陽電池１０では、ｐ層１２は、第１化合物半導体層１４にｐ型不純物が添加されたものであるので、ｐ層１２の伝導帯Ｅｃの下端と第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃの下端との間には、ノッチやスパイク等のバンドの不連続部分がないので、室温において電子の移動を妨げるようなエネルギーギャップがない。
【００４２】
ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４の厚さは、ｐ層１２を透って入射した太陽光に対して、エネルギーギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光子のほとんどを吸収できる厚さにすることが好ましい。第２化合物半導体層１５では、エネルギーＥｇ２以上のエネルギーを有する光子を吸収すれば、電子を励起させることができる。従って、エネルギーＥｇ１以上のエネルギーを有する光子は、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４で吸収させておくことが、太陽光スペクトルを有効に活用する上で好ましいからである。このようにして、エネルギーギャップＥｇ１未満のエネルギーを有する光子のみが、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４を通過し、第２化合物半導体層１５では、エネルギーギャップＥｇ２以上且つエネルギーＥｇ１未満のエネルギーを有する光子を吸収させることができる。
【００４３】
具体的には、太陽電池１０では、第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５それぞれは、１００ｎｍ以上３μｍ以下の厚さを有することが好ましい。１つの化合物半導体層において、光子を吸収して電子を励起させるには、少なくとも１００ｎｍ以上の厚さを有することが好ましい。また、化合物半導体層の厚さは、ライフタイムの短い少数キャリアの拡散長よりも小さくすることが好ましい。結晶欠陥をほとんど有さない化合物半導体層であれば、その厚さを３μｍ以下にすれば、少数キャリアの拡散長よりも厚さを短くできる。
【００４４】
太陽電池１０では、第２化合物半導体層１５の下にｎ層１１に隣接させて第１化合物半導体層１４が更に配置されるので、第２化合物半導体層１５を通過したエネルギーギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光子を、この層で吸収することができる。
【００４５】
また、エネルギーギャップの大きい第１化合物半導体層１４を、ｎ層１１に隣接させることによって、少数キャリアがｎ層１１へ拡散することを抑制できるので、太陽電池１０の開放電圧を大きくすることができる。
【００４６】
太陽電池１０では、太陽光が照射されると、第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖの電子２２は、エネルギーギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光子２４を吸収して、伝導帯Ｅｃに励起する。そして、第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖには正孔２３が生成される。
【００４７】
また、第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖの電子２２は、Ｅｇ２以上のエネルギーを有する光子２４を吸収して、伝導帯Ｅｃに励起する。そして、第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖには正孔２３が生成される。
【００４８】
ここで、太陽電池１０では、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子２４は、ｐ層１２とｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４で主に吸収される。従って、第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖの電子２２は、主にＥｇ２以上Ｅｇ１未満のエネルギーを有する光子２４を吸収して、伝導帯に励起する。
【００４９】
そして、ｐ層１４に隣接する第１化合物半導体層１４において価電子帯Ｅｖから伝導帯Ｅｃへ励起された電子２２は、第２化合物半導体層１５の伝導帯Ｅｃへ速やかに移動する。また、第２化合物半導体層１５の伝導帯Ｅｃへ移動した電子２２又は第２化合物半導体層１５の伝導帯Ｅｃへ励起した電子２２は、ｎ層１１に隣接する第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃへ速やかに移動する。
【００５０】
更に、ｎ層１１に隣接する第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃへ移動した電子２２又はこの第１化合物半導体層１４の伝導帯Ｅｃへ励起した電子２２は、ｎ層１１の伝導帯Ｅｃへ速やかに移動する。そして、ｎ層１１の伝導帯Ｅｃに移動した電子２２は、基板１６を介して下部電極１９から取り出される。
【００５１】
このように、太陽電池１０では、ｉ層１３の伝導帯Ｅｃに励起された電子２２は、ｎ層１１への移動を妨げるようなエネルギー障壁が無いので速やかにｎ層１１へ移動することができる。そのため、ｉ層１３の伝導帯Ｅｃに励起された電子２２は、再結合する確率が低減する。従って、太陽電池１０は、光子２４によって励起された電子２２を効率良く下部電極１９から取り出すことができる。
【００５２】
ｉ層１３における第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５それぞれのエネルギーバンド構造によっては、ｉ層１３におけるエネルギーバンド構造がＴｙｐｅＩ構造又はＴｙｐｅＩＩ構造をとり得る。しかし、どちらのエネルギーバンド構造であっても、ｉ層１３の伝導帯Ｅｃに生じるエネルギーギャップは熱エネルギー以下である。従って、ｉ層１３の伝導帯Ｅｃに励起された電子２２は、ｎ層１１への移動を妨げるようなエネルギー障壁が無いので、速やかにｎ層１１へ移動することができる。
【００５３】
一方、第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖに生成された正孔２３は、Ｅｇ３以上のエネルギーを有する光子２４を吸収して励起し、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４の価電子帯へ移動する。
【００５４】
ここで、太陽電池１０では、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子２４は、ｐ層１２とｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４で主に吸収される。また、太陽電池１０では、Ｅｇ２以上のエネルギーを有する光子２４は、第２化合物半導体層１５の価電子帯の電子２２の励起にも使用される。従って、太陽電池１０では、第２化合物半導体層１５の価電子帯に生成された正孔２３を、Ｅｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子２４を吸収させて励起することができる。
【００５５】
そして、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖへ移動した正孔２３又はこの第１化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖに生成した正孔２３は、ｐ層１２の価電子帯Ｅｖへ速やかに移動する。そして、ｐ層１２の価電子帯Ｅｖに移動した正孔２３は、上部電極１８から取り出される。
【００５６】
また、ｎ層１１に隣接する第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖに生成した正孔２３は、第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖへ移動した後、上述したのと同様にして、ｐ層１２の価電子帯に移動する。
【００５７】
ｉ層１３では、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とが格子整合しているので、歪みの蓄積による結晶欠陥の発生が防止されている。従って、結晶欠陥を起因とする再結合中心の生成が抑制されているので、光励起によって生成した電子又は正孔が再結合する確率が低減される。
【００５８】
このように太陽電池１０は、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子と、Ｅｇ２以上Ｅｇ１未満のエネルギーを有する光子と、Ｅｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子とを、それぞれ吸収して光エネルギーを電気エネルギーに効率良く変換することができる。
【００５９】
上述した第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５の一例を図３及び図４に示す。
【００６０】
図３には、第１化合物半導体層１４がノンドープのＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yによって形成される例を示している。また、図４には、第２化合物半導体層１５がノンドープのＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓによって形成される例を示している。図１には、第１化合物半導体層１４としてＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを、第２化合物半導体層１５としてＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓを用いた場合が示されている。ここで、基板１６としては、ＩｎＰを用いている。
【００６１】
図３では、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yの組成比を変化させた５つの場合が示されている。図３には、各組成比に対して、エネルギーギャップＥｇと、真空準位から伝導帯の下端までのエネルギー値Ｅｃと、格子不整合度とが示されている。ここで格子不整合度は、ＩｎＰとＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yとの間の格子定数の差と、ＩｎＰの格子定数との比の大きさを百分率で表した値である。
【００６２】
同様に、図４では、ＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓの組成比を変化させた５つの場合が示されている。図４には、各組成比に対して、エネルギーギャップＥｇと、真空準位から伝導帯の下端までのエネルギー値Ｅｃと、格子不整合度とが示されている。ここで格子不整合度は、ＩｎＰとＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓとの間の格子定数の差と、ＩｎＰの格子定数との比の大きさを百分率で表した値である。
【００６３】
図３及び図４に示したＥｇ、Ｅｃ及び格子不整合度は、混晶半導体を構成する２元化合物の物性定数とモル分率（組成）とボーイングパラメータとを用いて算出される。また、図３及び図４の各値は、室温２５℃の条件で求められている。
【００６４】
ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y及びＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓを用いて、太陽電池１０のｉ層１３を形成する際には、対応する番号同士の組成比の化合物半導体層が用いられる。図４には、対応する番号同士のＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yとＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓとの間のＥｃの差が、ΔＥｃとして示されている。
【００６５】
図３及び図４の対応する番号同士の組成比の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成される場合には、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yのＥｇは、ＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53ＡｓのＥｇよりも大きい。
【００６６】
図３に示すＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yの格子不整合度、及び図４に示すＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓの格子不整合度は共に、ＩｎＰに対する格子不整合度である。従って、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yとＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓとの間の格子定数の差と、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yの格子定数との比の大きさは０．００１以下である。
【００６７】
従って、図３及び図４の対応する番号同士の組成比の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合には、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yとＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓとは格子整合する。
【００６８】
また、図４に示すように、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yの伝導帯の下端とＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓの伝導帯の下端との間のエネルギーギャップΔＥｃは、０．０１ｅＶ（１０ｍｅＶ）以下である。従って、このエネルギーギャップΔＥｃは、室温での熱エネルギー以下である。
【００６９】
このように、第１化合物半導体層１４としてＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを用い、且つ第２化合物半導体層１５としてＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓを用いる場合には、組成比ｘ、ｙ及びｚは下記の式（１）及び（２）を満足することが好ましい。組成比ｘ、ｙ及びｚが、下記の式（１）及び（２）を満足することにより、上述したＥｇ、格子整合及びΔＥｃの関係が得られる。
【００７０】
ｙ≒−２．１６ｘ＋２．１６      （１）
ｚ≒０．３９ｘ−０．１５        （２）
【００７１】
ここで、組成比ｙは、上記式（１）により求められた値に対して、±１０％以内の範囲、特に±５％以内の範囲にあることが好ましい。同様に、組成比ｚは、上記式（２）により求められた値に対して、±１０％以内の範囲、特に±５％以内の範囲にあることが好ましい。
【００７２】
例えば、図３及び図４の番号Ｎｏ．１の組成比同士の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合には、第１化合物半導体層１４はＩｎＰにより形成され、第２化合物半導体層１５はＡｌ0.245Ｇａ0.225Ｉｎ0.53Ａｓにより形成される。ここで、ＩｎＰは、Ｉｎ1Ｇａ1-1Ａｓ0Ｐ1-0＝Ｉｎ1Ｇａ0Ａｓ0Ｐ1のことである。このＩｎＰは、バンドギャップエネルギーＥｇ１が１．３５０ｅＶ、組成波長が０．９２μｍ、格子不整合度が０．０００％である。また、Ａｌ0.245Ｇａ0.225Ｉｎ0.53Ａｓは、バンドギャップエネルギーＥｇ２が１．１１７ｅＶ、組成波長が１．１１μｍ、格子不整合度が０．０２０％である。従って、ＩｎＰとＡｌ0.245Ｇａ0.225Ｉｎ0.53Ａｓとは格子整合する。また、ＩｎＰとＡｌ0.245Ｇａ0.225Ｉｎ0.53Ａｓとの伝導帯の下端のエネルギーギャップΔＥｃは、−０．００１ｅＶであって、ほぼフラットバンドとなる。また、Ｅｇ３＝Ｅｇ１−Ｅｇ２＝０．２３３ｅＶであり、この組成波長は５．３２μｍである。
【００７３】
太陽電池１０の最大エネルギー変換効率を下記の式を用いて簡易に計算できる。
【００７４】
最大エネルギー変換効率＝（Ｅｇ１−０．３）×ｑ×（光量子数≧Eg1＋Ｍｉｎ（光量子数Eg2~Eg1、光量子数Eg3~Eg2））／１０００      （３）
【００７５】
ここで、ｑは電荷素量：１．６ｘ１０-19Ｃである。光量子数≧Eg1は単位時間、単位面積あたりのエネルギーＥｇ１（ｅＶ）以上の領域の光子数（ｓ-1ｍ-2）である。光量子数Eg2~Eg1は単位時間、単位面積あたりのエネルギーＥｇ２（ｅＶ）以上Ｅｇ１（ｅＶ）未満の領域の光子数（ｓ-1ｍ-2）である。光量子数Eg3~Eg2は単位時間、単位面積あたりのエネルギーＥｇ３（ｅＶ）以上Ｅｇ２（ｅＶ）未満の領域の光子数（ｓ-1ｍ-2）である。Ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａとｂの内、小さい方を指す。
【００７６】
次に、図３及び図４の番号Ｎｏ．１の組成比同士の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合の太陽電池について、図５に示すＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトル（入射光照度１ｋＷ／ｍ2）に対する最大エネルギー変換効率を求める。上記式（３）を用いた最大エネルギー変換効率の算出では、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子は全て第１化合物半導体層１４中で吸収されるものとした。また、Ｅｇ２以上Ｅｇ１未満のエネルギーを有する光子は全て第２化合物半導体層１５中で吸収されるものとした。また、Ｅｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子は、全て、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５のヘテロ界面で吸収されるものとした。また、透過損失はないものとした。また、熱エネルギー損失はどの層においても０．３ｅＶ相当とした。また、室温２５℃とした。
【００７７】
以上の条件を用いて上記式（３）を計算した所、最大エネルギー変換効率として４４％が得られた。
【００７８】
上述した太陽電池１０は、例えば、以下のように製造することができる。
【００７９】
各化合物半導体層の結晶成長方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いる。
【００８０】
まず、成長温度６２０℃にて、基板１６であるｎ型（１００）のｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ層１１としてｎ型のｎ−ＩｎＰ層（不純物濃度１ｘ１０18ｃｍ-3、厚み０．３μｍ）を形成する。
【００８１】
次に、同一温度にて、第１化合物半導体層１４としてノンドープのｉ−ＩｎＰ層（厚み０．３μｍ）を形成する。
【００８２】
次に、同一温度にて、第２化合物半導体層１５としてノンドープのｉ−Ａｌ0.245Ｇａ0.225Ｉｎ0.53Ａｓ層（厚み１μｍ）を形成する。
【００８３】
次に、同一温度にて、第１化合物半導体層１４としてノンドープのｉ−ＩｎＰ層（厚み１μｍ）を形成する。
【００８４】
更に、同一温度にて、ｐ層１２としてｐ型のｐ−ＩｎＰ層（不純物濃度１ｘ１０18ｃｍ-3、厚み０．３μｍ）を形成する。
【００８５】
その後、ｐ層１２であるｐ−ＩｎＰ層上にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕよりなる櫛形オーミック電極を上部電極１８として形成する。更に、基板１６の下側にＡｕＧｅ／Ａｕよりなるベタ状オーミック電極を下部電極１９として形成し、最後にダイシングすることにより太陽電池１０が完成する。
【００８６】
上述した本実施形態の太陽電池１０によれば、ｉ層１３を形成する第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５とが格子整合しており、且つｉ層１３とｎ層１１及びｐ層１２とが格子整合する。従って、光吸収半導体層であるｉ層１３のヘテロ接合における格子整合度が高い。
【００８７】
また、太陽電池１０は、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４の厚さを、エネルギーギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光子を十分に吸収できる厚さにしても、第２化合物半導体層１５と格子整合しているので、結晶欠陥が生じない。
【００８８】
また、太陽電池１０は、複数の化合物半導体層がヘテロ接合により形成されたｉ層１３の伝導帯の下端が、ほぼフラットに形成されるので、光励起された電子を効率良く電極に収集することができる。
【００８９】
また、太陽電池１０は、ｐ層１２に隣接する第１化合物半導体層１４においてＥｇ１以上のエネルギーを有する光子を吸収し、更に第２化合物半導体層１５においてＥｇ２以上のエネルギーを有する光子を吸収する。更にまた、太陽電池１０は、ｎ層１１に隣接する第１化合物半導体層１４においてＥｇ１以上のエネルギーを有する光子を吸収する。従って、太陽電池１０は、太陽光スペクトルが効率良く利用されるので、エネルギー変換効率が高い。
【００９０】
更に、ｉ層１３の価電子帯におけるヘテロ接合の界面のエネルギーギャップにトラップされた正孔は、このエネルギーギャップ以上のエネルギーを有する光子を吸収して励起されることにより、電極に収集することができる。このように太陽電池１０は、この価電子帯内の光子の吸収によって、太陽光スペクトルが一層効率良く利用されるので、エネルギー変換効率が更に向上する。
【００９１】
次に、本明細書に開示する第２及び第３実施形態の太陽電池を、図面を参照しながら以下に説明する。第２及び第３実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図６〜図１１において、図１〜図５と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
【００９２】
図６は、本明細書に開示する太陽電池の第２実施形態を示す図である。図７は、図６に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。図８は、図６に示す太陽電池の第１化合物半導体層の組成比等を示す図である。図９は、図６に示す太陽電池の第２化合物半導体層の組成比等を示す図である。
【００９３】
本実施形態の太陽電池２０は、図６に示すように、第１実施形態と同様に、ｎ型半導体であるｎ層１１と、ｐ型半導体であるｐ層１２と、ｐ層１２及びｎ層１１に挟まれたi層１３とを備える。
【００９４】
太陽電池２０は、第１実施形態とは異なって、ｉ層１３が、第１化合物半導体層１４とヘテロ接合した第２化合物半導体層１５との積層体が複数積層されて形成される。
【００９５】
図７に示すように、第１化合物半導体層１４は、第１のエネルギーギャップＥｇ１を有する。第２化合物半導体層１５は、第１のエネルギーギャップＥｇ１よりも小さい第２のエネルギーギャップＥｇ２を有する。図７には、ｎ層１１と、ｉ層１３と、ｐ層１２とを有する積層部分と、各層に対応するエネルギーバンド図が示されている。
【００９６】
太陽電池２０は、第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖの上端と第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖの上端との間に、エネルギーギャップＥｇ３（＝Ｅｇ１−Ｅｇ２）を有する。
【００９７】
ｉ層１３の価電子帯の上端に形成されるエネルギーギャップＥｇ３の数は、第１化合物半導体層１４とヘテロ接合した第２化合物半導体層１５との積層体の数に対応する。
【００９８】
第２化合物半導体層１５の価電子帯Ｅｖに生成された正孔２３は、Ｅｇ３以上のエネルギーを有する光子２４を吸収して励起し、ｐ層１２側に隣接する第１化合物半導体層１４の価電子帯Ｅｖへ移動する。
【００９９】
太陽電池２０は、ｉ層１３の価電子帯Ｅｖの上端に形成されるエネルギーギャップＥｇ３を複数有するので、Ｅｇ３以上のエネルギーを有する光子、特にＥｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子を効率良く吸収することができる。
【０１００】
また、太陽電池２０は、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５との積層体を複数有しているので、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子及びＥｇ２以上のエネルギーを有する光子も効率良く吸収することができる。
【０１０１】
第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５との積層体の数は、太陽光スペクトルを有効に吸収できるように、適宜設定することができる。例えば、この積層体を１０個形成しても良い。
【０１０２】
また、太陽電池２０では、ｎ層１１と基板１６との間にバッファ層１７が配置される。バッファ層１７としては、基板１６と同じ材料を用いることができる。
【０１０３】
太陽電池２０のその他の構造は、上述した第１実施形態の太陽電池と同様である。
【０１０４】
上述した第１化合物半導体層１４及び第２化合物半導体層１５の一例を図８及び図９に示す。
【０１０５】
図８には、第１化合物半導体層１４がノンドープのＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓによって形成される例を示している。また、図９には、第２化合物半導体層１５がノンドープのＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48によって形成される例を示している。図６には、第１化合物半導体層１４としてＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓを、第２化合物半導体層１５としてＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48を用いた場合が示されている。ここで、基板１６としては、ＩｎＰを用いている。
【０１０６】
図８では、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓの組成比を変化させた５つの場合が示されている。図８には、各組成比に対して、エネルギーギャップＥｇと、真空準位から伝導帯の下端までのエネルギー値Ｅｃと、格子不整合度とが示されている。ここで格子不整合度は、ＩｎＰとＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓとの間の格子定数の差と、ＩｎＰの格子定数との比を百分率で表した値である。
【０１０７】
同様に、図９では、ＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48の組成比を変化させた５つの場合が示されている。図９には、各組成比に対して、エネルギーギャップＥｇと、真空準位から伝導帯の下端までのエネルギー値Ｅｃと、格子不整合度とが示されている。ここで格子不整合度は、ＩｎＰとＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48との間の格子定数の差と、ＩｎＰの格子定数との比を百分率で表した値である。
【０１０８】
図８及び図９に示したＥｇ、Ｅｃ及び格子不整合度は、混晶半導体を構成する２元化合物の物性定数とモル分率（組成）とボーイングパラメータとを用いて算出される。また、図８及び図９の各値は、室温２５℃の条件で求められている。
【０１０９】
ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓ及びＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48を用いて、太陽電池１０のｉ層１３を形成する際には、対応する番号同士の組成比の化合物半導体層が用いられる。図９には、対応する番号同士のＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53ＡｓとＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48との間のＥｃの差が、ΔＥｃとして示されている。
【０１１０】
図８及び図９の対応する番号同士の組成比の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成される場合には、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53ＡｓのＥｇは、ＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48のＥｇよりも大きい。
【０１１１】
図８に示すＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓの格子不整合度、及び図９に示すＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48の格子不整合度は共に、ＩｎＰに対する格子不整合度である。従って、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53ＡｓとＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48との間の格子定数の差と、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓの格子定数との比の大きさは０．００１以下である。
【０１１２】
従って、図８及び図９の対応する番号同士の組成比の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合には、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53ＡｓとＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48とは格子整合する。
【０１１３】
また、図９に示すように、ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓの伝導帯の下端とＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップΔＥｃは、０．０１ｅＶ（１０ｍｅＶ）以下である。従って、このエネルギーギャップΔＥｃは、室温での熱エネルギー以下である。
【０１１４】
このように、第１化合物半導体層１４としてＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓを用い、且つ第２化合物半導体層１５としてＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48を用いる場合には、組成比ｘ及びｙは下記の式（４）を満足することが好ましい。組成比ｘ及びｙが、下記の式（４）を満足することにより、上述したＥｇ、格子整合及びΔＥｃの関係が得られる。
【０１１５】
ｙ≒ｘ−０．３６      （４）
【０１１６】
ここで、組成比ｙは、上記式（４）により求められた値に対して、±１０％以内の範囲、特に±５％以内の範囲にあることが好ましい。
【０１１７】
例えば、図８及び図９の番号Ｎｏ．１の組成比同士の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合には、第１化合物半導体層１４はＡｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓにより形成され、第２化合物半導体層１５はＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48により形成される。ここで、Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓは、Ａｌ0.47Ｇａ0.47-0.47Ｉｎ0.53Ａｓ＝Ａｌ0.47Ｇａ0Ｉｎ0.53Ａｓのことである。このＡｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓは、バンドギャップエネルギーＥｇ１が１．４６２ｅＶ、組成波長が０．８５μｍ、格子不整合度が０．０５０％である。また、Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48は、バンドギャップエネルギーＥｇ２が０．９５８ｅＶ、組成波長が１．２９μｍ、格子不整合度が−０．００８％である。従って、Ａｌ0.47Ｉｎ0.53ＡｓとＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48とは格子整合する。また、Ａｌ0.47Ｉｎ0.53ＡｓとＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48との伝導帯の下端のエネルギーギャップΔＥｃは、−０．００１ｅＶであって、ほぼフラットバンドとなる。また、Ｅｇ３＝Ｅｇ１ーＥｇ２＝０．５０４ｅＶであり、この組成波長は２．４６μｍである。
【０１１８】
次に、図８及び図９の番号Ｎｏ．１の組成比同士の化合物半導体層を用いてｉ層１３が形成された場合の太陽電池について、図５に示すＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトル（入射光照度１ｋＷ／ｍ2）に対する最大エネルギー変換効率を求める。上記式（３）を用いた最大エネルギー変換効率の算出では、Ｅｇ１以上のエネルギーを有する光子は全て第１化合物半導体層１４中で吸収されるものとした。また、Ｅｇ２以上Ｅｇ１未満のエネルギーを有する光子は全て第２化合物半導体層１５中で吸収されるものとした。また、Ｅｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子は、全て、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５のヘテロ界面で吸収されるものとした。また、透過損失はないものとした。また、熱エネルギー損失はどの層においても０．３ｅＶ相当とした。また、室温２５℃とした。
【０１１９】
以上の条件を用いて上記式（３）を計算した所、最大エネルギー変換効率として５４％が得られた。
【０１２０】
上述した太陽電池１０は、例えば、以下のように製造することができる。
【０１２１】
各化合物半導体層の結晶成長方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いる。
【０１２２】
まず、成長温度５５０℃にて、基板１６であるｎ型（１００）のｎ−ＩｎＰ基板上に、バッファ層１７としてｎ型のｎ−ＩｎＰ層（不純物濃度１ｘ１０18ｃｍ-3、厚み０．３μｍ）を形成する。
【０１２３】
次に、同一温度にて、ｎ層１１としてｎ型ｎ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（不純物濃度１ｘ１０18ｃｍ-3、厚み０．３μｍ）を形成する。
【０１２４】
次に、同一温度にて、第１化合物半導体層１４としてノンドープのｉ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（厚み０．１μｍ）を形成する。
【０１２５】
次に、同一温度にて、第２化合物半導体層１５としてノンドープのｉ−Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48層（厚み０．１μｍ）を形成する。
【０１２６】
次に、同一温度にて、第１化合物半導体層１４としてノンドープのｉ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（厚み０．１μｍ）を形成する。
【０１２７】
同様にして、第２化合物半導体層１５であるｉ−Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ0.52Ｓｂ0.48層（厚み０．１μｍ）と第１化合物半導体層１４であるｉ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（厚み０．１μｍ）との積層体を９個形成する。
【０１２８】
次に、同一温度にて、第１化合物半導体層１４としてノンドープのｉ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（厚み１μｍ）を形成する。
【０１２９】
更に、同一温度にて、ｐ層１２としてｐ型のｐ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層（不純物濃度１ｘ１０18ｃｍ-3、厚み０．３μｍ）を形成する。
【０１３０】
その後、ｐ層１２であるｐ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ層上にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕよりなる櫛形オーミック電極を上部電極１８として形成する。更に、基板１６の下側にＡｕＧｅ／Ａｕよりなるベタ状オーミック電極を下部電極１９として形成し、最後にダイシングすることにより太陽電池１０が完成する。
【０１３１】
上述した本実施形態の太陽電池２０によれば、Ｅｇ３以上のエネルギーを有する光子、特にＥｇ３以上Ｅｇ２未満のエネルギーを有する光子を効率良く吸収できるので、エネルギー変換効率を更に高めることができる。
【０１３２】
図１０は、本明細書に開示する太陽電池の第３実施形態を示す図である。図１１は、図１０に示す太陽電池のエネルギーバンド図である。
【０１３３】
図１０に示すように、本実施形態の太陽電池３０は、第１実施形態と同様に、ｎ型半導体であるｎ層１１と、ｐ型半導体であるｐ層１２と、ｐ層１２及びｎ層１１に挟まれたi層１３とを備える。
【０１３４】
図１０及び図１１に示すように、太陽電池３０は、第１実施形態とは異なって、ｉ層１３が、第１化合物半導体層１４と第２化合物半導体層１５との２層のヘテロ接合によって形成される。ｎ層１１の上には、第２化合物半導体層１５が積層される。
【０１３５】
太陽電池３０では、第１化合物半導体層１４の厚さを、ｐ層１２を透って入射した太陽光に対して、エネルギーギャップＥｇ１以上のエネルギーを有する光子のほとんどを吸収できる厚さにすることが好ましい。このようにして、第１実施形態よりも簡易な構造で、高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が形成される。
【０１３６】
太陽電池３０のその他の構造は、上述した第１実施形態の太陽電池と同様である。
【０１３７】
図１０には、第１実施形態と同様に、第１化合物半導体層１４がノンドープのＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yによって形成され、第２化合物半導体層１５がノンドープのＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓによって形成される例が示されている。
【０１３８】
上述した太陽電池１０は、ｎ層１１上に形成される第１化合物半導体層１４を形成しないことを除いては、例えば、第１実施形態の製造方法と同様にして、製造することができる。
【０１３９】
上述した本実施形態の太陽電池３０によれば、光吸収半導体層であるｉ層１３のヘテロ接合における格子整合度が高く且つエネルギー変換効率の高い太陽電池が簡易に形成される。
【０１４０】
本発明では、上述した各実施形態の太陽電池は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１４１】
例えば、第１実施形態又は第３実施形態の太陽電池において、第２実施形態で用いた第１化合物半導体層及び第２化合物半導体層を用いても良い。また、第２実施形態の太陽電池において、第１実施形態又は第３実施形態で用いた第１化合物半導体層及び第２化合物半導体層を用いても良い。
【０１４２】
また、上述した各実施形態では、太陽光がｐ層側から入射されていたが、太陽光はｎ層側から入射されても良い。
【０１４３】
また、太陽光を入射する太陽電池の面に反射防止膜をコーティングしても良い。
【０１４４】
また、太陽光を入射する太陽電池の入射側最表面には、少数キャリアの表面拡散を抑制するために、第１化合物半導体層よりもエネルギーギャップが大きい窓層が設けられてもよい。
【０１４５】
また、太陽電池に照射する光は、太陽光以外でも、電子・正孔対を生成する波長を有する光であれば良い。即ち、太陽電池は、太陽光以外の光を照射して発電させても良い。
【０１４６】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１４７】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１４８】
（付記１）
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｎ層及び前記ｐ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
第１のエネルギーギャップを有する第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層とヘテロ接合して積層され、且つ前記第１のエネルギーギャップよりも小さい第２のエネルギーギャップを有する第２化合物半導体層と、を有し、
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層とは格子整合しており、
前記第１化合物半導体層の伝導帯の下端と前記第２化合物半導体層の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップは、室温での熱エネルギー以下である、太陽電池。
【０１４９】
（付記２）
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層との間の格子定数の差と、前記第１化合物半導体層の格子定数との比の大きさが０．００１以下である付記１に記載の太陽電池。
【０１５０】
（付記３）
前記第１化合物半導体層の伝導帯の下端と前記第２化合物半導体層の伝導帯の下端との間のエネルギーギャップが、０．０１ｅＶ以下である付記１又は２に記載の太陽電池。
【０１５１】
（付記４）
前記ｉ層は、前記第１化合物半導体層とヘテロ接合した前記第２化合物半導体層との積層体が複数積層されて形成されており、
前記ｉ層は、両側の層それぞれが前記第１化合物半導体層によって形成される、付記１から３の何れか一項に記載の太陽電池。
【０１５２】
（付記５）
前記ｎ層が、ｎ型不純物が添加された前記第１化合物半導体層によって形成され、前記ｐ層が、ｐ型不純物が添加された前記第１化合物半導体層によって形成される付記４に記載の太陽電池。
【０１５３】
（付記６）
前記第１化合物半導体層及び前記第２化合物半導体層それぞれは、平坦な層によって形成されており、１００ｎｍ以上３μｍ以下の厚さを有する付記１から５の何れか一項に記載の太陽電池。
【０１５４】
（付記７）
前記第１化合物半導体層がＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yによって形成され、前記第２化合物半導体層がＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓによって形成され、
ｘ及びｙが、
ｙ≒−２．１６ｘ＋２．１６
を満足し、且つ、
ｘ及びｚが、
ｚ≒０．３９ｘ−０．１５
を満足する付記１から６の何れか一項に記載の太陽電池。
【０１５５】
（付記８）
前記第１化合物半導体層がＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓによって形成され、前記第２化合物半導体層がＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48によって形成され、
ｘ及びｙが、
ｙ≒ｘ−０．３６
を満足する付記１から６の何れか一項に記載の太陽電池。
【０１５６】
（付記９）
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｐ層及び前記ｎ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y層と、
前記ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y層とヘテロ接合して積層されるＡｌzＧａ0.47-zＩｎ0.53Ａｓ層と、を有し、
ｘ及びｙが、
ｙ≒−２．１６ｘ＋２．１６
を満足し、且つ、
ｘ及びｚが、
ｚ≒０．３９ｘ−０．１５
を満足する、太陽電池。
【０１５７】
（付記１０）
ｎ型半導体であるｎ層と、
ｐ型半導体であるｐ層と、
前記ｐ層及び前記ｎ層に挟まれたi層とを備え、
前記i層は、
ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓ層と、
前記ＡｌxＧａ0.47-xＩｎ0.53Ａｓ層とヘテロ接合して積層されるＡｌyＧａ1-yＡｓ0.52Ｓｂ0.48層と、を有し、
ｘ及びｙが、
ｙ≒ｘ−０．３６
を満足する、太陽電池。
【符号の説明】
【０１５８】
１０    太陽電池
１１    ｎ層
１２    ｐ層
１３    ｉ層
１４    第１化合物半導体層
１５    第２化合物半導体層
１６    基板
１７    バッファ層
１８    上部電極
１９    下部電極
２２    電子
２３    正孔
２４    光子
【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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