(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２半導体層と、
前記第１半導体層および前記第２半導体層の間に設けられ、各々がアンドープの窒化物半導体による単一層からなる複数の光吸収層と、
隣り合う前記光吸収層の間に接して形成されたトンネル接合と
を備えることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池において、
前記トンネル接合は、前記光吸収層を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
請求項１記載の太陽電池において、
前記トンネル接合は、前記基板側に配置された第２導電型の窒化物半導体からなる第１トンネル接合層と、前記第１トンネル接合層の上に接して形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第２トンネル接合層とから構成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記光吸収層は、前記光吸収層内に形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされていることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を用いて作製される太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のバンドギャップエネルギーを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かしてＬＥＤ等に応用され、信号機や様々なディスプレイとして広く一般に使われている。また、窒化物半導体のバンドギャップエネルギー範囲は、太陽光のスペクトルをほぼ網羅しており、こうしたことから発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１では、単結晶Ｓｉ系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により３１％の発電効率が、見込めると予測している。また、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルに２つのＩｎＧａＮ太陽電池セルを組み合わせた３接合セルにおいて、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーを適切に選ぶことで３５％の発電効率が見込めると予測している。
【０００４】
また、非特許文献２において、複数の異なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルを６接合以上組み合わせることにより、５０％を超える高い発電効率を得られることが予測されている。
【０００５】
このように、窒化物半導体は超高効率太陽電池の実現に対する高いポテンシャルを有しており、国内外で開発が進められている。しかしながら、これまでに報告されている窒化物半導体から構成される太陽電池の変換効率は、最も高い報告値でたかだか３％に過ぎない（非特許文献３参照）。
【０００６】
この原因はいくつか考えられるが、最も本質的な原因として、太陽電池を構成する窒化物半導体層内に高密度に存在する貫通転位が挙げられる。通常、窒化物半導体を成長する際に用いられる基板は、サファイア，シリコン，シリコンカーバイドが主だったものであるが、いずれも窒化物半導体とは異なる物質であり、格子定数・熱膨張係数に大きな不整合が存在する。これに起因して、成長した窒化物半導体層内には高密度（１０8〜１０10ｃｍ-2）に貫通転位が発生する。窒化物半導体層における貫通転位は，光照射により発生した電子・正孔に対する再結合中心となるため、太陽電池動作における変換効率を低減させる方向に作用してしまう。
【０００７】
光照射により発生した電子・正孔を電流として取り出すには、生成したキャリアが貫通転位に捕獲される前に電極層へ達するようにしておけばよい。例えば、１０10ｃｍ-2の転位密度を想定した場合、１００ｎｍ四方に１つの転位が存在することになる。従って、光を吸収してキャリアを生成する層（光吸収層）の層厚を１００ｎｍ程度以下にすれば、生成したキャリアは転位に捕獲される前に電極層へと達する確率が高くなり、より効率的に電流を取り出すことが可能となる。
【０００８】
また、光吸収層が薄い状態では光吸収層の内部電界が高くなり、このような内部電界によって生成したキャリアが加速されることにより、さらに、キャリアが電極層に到達しやすくなる効果も期待できる。しかし、光吸収層は、光を吸収してキャリアを生成する層であるため、光を十分に吸収してキャリア生成量を多くするには、ある程度の厚さが必要となる。窒化物半導体をはじめとしたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は吸収係数が大きいため、シリコンに比べると比較的薄い層厚でも十分に光を吸収することができるが、通常は１μｍ程度、少なくとも３００〜５００ｎｍ程度の層厚は必要である。
【０００９】
上述したように、太陽電池の効率として、光吸収層の層厚に関して、キャリア生成数とキャリア収集効率にトレードオフが存在することになる。例えば、図８に示すように、光吸収層の層厚の変化に対して発電効率が変化する。図８では、光吸収層の厚さを５０ｎｍ、９８ｎｍ，および１９３ｎｍとした３種類の窒化物半導体太陽電池を作製し、各々の発電効率を測定した結果を示す特性図である。窒化物半導体の貫通転位密度は、１０10ｃｍ-2である。上述したトレードオフの関係を反映し、光吸収層厚９８ｎｍで、最大の発電効率が得られている。しかしながら、このような１００ｎｍ程度の光吸収層厚では、光吸収層が光を十分に吸収することができないため、キャリア生成量自体が少なく、結果的に発電効率の改善にはそれほど大きな効果が得られない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. Hsu and W. Walukiewicz, "Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008.
【非特許文献２】A,Yamamoto et al. , "Recent advances in InN-based solar cells: status and challenges in InGaN and InAlN solar cells", Phys. Status Solidi C 7, No.5, pp.1309-1316, 2010.
【非特許文献３】R.Dahal et al. , "InGaN/GaN multiple quantum well concentrator solar cells",Journal of Applied Physics, vol.97, 073115, 2010.
【非特許文献４】S. Krishnamoorthy et al. , "Polarization-engineered GaN/InGaN/GaN tunnel diodes", Applied Physics Letter, vol.97, 203502, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、窒化物半導体による太陽電池において、生成したキャリアの収集効率向上には、光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下にするのが効果的である。しかしながら、貫通転位密度の高い窒化物半導体においては、上述した条件では十分な光吸収に必要な光吸収層厚が得られず、結果的に発電効率の向上にはほとんど効果が得られないという問題があった。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る太陽電池は、基板の上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２半導体層と、第１半導体層および第２半導体層の間に設けられ、各々がアンドープの窒化物半導体による単一層からなる複数の光吸収層と、隣り合う光吸収層の間に接して形成されたトンネル接合とを備える。
【００１４】
上記太陽電池において、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。また、トンネル接合は、基板側に配置された第２導電型の窒化物半導体からなる第１トンネル接合層と、第１トンネル接合層の上に接して形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第２トンネル接合層とから構成してもよい。
【００１５】
上記太陽電池において、光吸収層は、光吸収層内に形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされていればよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、窒化物半導体を用いた一般的な太陽電池の構成を示す断面図（ａ）、およびこの太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図（ｂ）である。
【図３】図３は、窒化物半導体による太陽電池（貫通転位密度：１０10ｃｍ-2）において、光吸収層厚の変化に対するキャリア収集効率の変化を示した特性図である。
【図４】図４は、光吸収層の厚さと、取り出せる電流値の関係を示した特性図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他の太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態における他の太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化を示すバンド図である。
【図７】図７は、本発明の実施例における太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化を示すバンド図である。
【図８】図８は、太陽電池における光吸収層の層厚の変化に対する発電効率の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の構成を模式的に示す断面図である。この太陽電池は、まず、基板１０１の上に形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された第２導電型の窒化物半導体からなる第２半導体層１０６とを備える。例えば、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であればよい。また、例えば、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。
【００１９】
また、第１半導体層１０２および第２半導体層１０６の間に設けられた窒化物半導体からなる複数の光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える。図１には、２つの光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える場合を例に示している。ここで、光吸収層１０３，光吸収層１０５は、これらに形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされているとよい。
【００２０】
上述した構成に加え、この太陽電池においては、隣り合う光吸収層１０３および光吸収層１０５の間には、トンネル接合１０４が形成されている。また、トンネル接合１０４は、光吸収層１０３および光吸収層１０５に接して形成されている。ここで、トンネル接合１０４は、例えば、光吸収層１０３（光吸収層１０５）を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。
【００２１】
また、トンネル接合１０４は、よく知られているように、第２導電型の窒化物半導体からなる第１トンネル接合層と、第１トンネル接合層の上に接して形成された第１導電型の窒化物半導体からなる第２トンネル接合層とから構成することもできる。第１トンネル接合層が、基板１０１の側に配置されていればよい。第１半導体層１０２がｎ型の場合、第１トンネル接合層は、例えば、高濃度にｐ型不純物が導入された窒化物半導体から構成し、層厚数ｎｍ程度とし、第２トンネル接合層は、高濃度にｎ型不純物が導入された窒化物半導体から構成し、層厚数ｎｍ程度とすればよい。
【００２２】
上述したように、本発明は、光吸収層を、トンネル接合を介して直列に接合したところに特徴がある。この構成により、各光吸収層を貫通転位の間隔程度よりも薄い状態としても、実効的に光吸収層を厚くできるようになり、生成したキャリアの収集効率が向上できる。以下、より詳細に説明する。
【００２３】
図２は、窒化物半導体を用いた一般的な太陽電池の構成を示す断面図（ａ）、およびこの太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図（ｂ）である。図２の（ａ）に示す太陽電池は、基板２０１の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなるｎ型電極層２０２と、ｎ型電極層２０２の上に形成されたｐ型の窒化物半導体からなるｐ型電極層２０４と、ｎ型電極層２０２およびｐ型電極層２０４の間に設けられた窒化物半導体からなる光吸収層２０３とを備える。
【００２４】
太陽電池において、光吸収層２０３で太陽光を吸収すると電子と正孔が生成する。生成した電子はｎ型電極層２０２へと移動し、正孔はｐ型電極層２０４へと移動し、電流として外部へ取り出される。各電極層へキャリアが達する前に、何らかの再結合中心において電子・正孔が再結合すると、電流としては取り出されない。窒化物半導体による太陽電池の場合、高密度に存在する貫通転位が、再結合中心として作用する。生成したキャリアが貫通転位に達する前に各電極層へ達すれば、電流として取り出すことができる。
【００２５】
従って、光吸収層２０３を薄くすることで、生成したキャリアがｎ型電極層２０２，ｐ型電極層２０４へ達する確率（キャリア収集効率）を高めることができる。また、生成したキャリアは、薄くしたことにより大きくなる光吸収層２０３の内部電界によって移動速度が加速され、結果的にキャリア収集効率がさらに向上することになる。
【００２６】
図３は、窒化物半導体による太陽電池（貫通転位密度：１０10ｃｍ-2）において、光吸収層厚の変化に対するキャリア収集効率の変化を示した特性図である。図３に示すように、光吸収層が薄いほど、キャリア収集効率は高くなる。特に、光吸収層の層厚が貫通転位の間隔である１００ｎｍを下回ると、急激にキャリア収集効率が向上する傾向を示す。
【００２７】
図４は、光吸収層の厚さと、取り出せる電流値の関係を示した特性図である。光吸収層が厚くなると、吸収できる光の量が増えることにより生成するキャリアが増大し、これに伴って取り出せる電流値も増大する。ただし、図４中に実線で示すように、キャリア収集効率が低下することを反映し、３００ｎｍ付近でピークを示した後、電流値は減少する傾向を示す。
【００２８】
上述した図３および図４に示した傾向を考慮した結果、発明者らは、複数の光吸収層を、トンネル接合を介して直列に接合するという特徴的な構成を見いだした。例えば、図５に示すように、５つの光吸収層３３１，３３２，３３３，３３４，３３５と、これらの間を接続する４つのトンネル接合３４１，３４２，３４３，３４４を備えればよい。これらの構成は、基板３０１の上に形成されたｎ型電極層（第１半導体層）３０２とｐ形電極層（第２半導体層）３０５との間に配置される。ここで、光吸収層の層数は、各光吸収層の層厚、含んでいる貫通転位の密度、構成材料などに応じ、適宜に選択すればよい。図６は、上述した太陽電池の各半導体層におけるバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図である。
【００２９】
上述した本発明の特徴的な構成を用いることにより、まず、各光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下とすれば、光照射により各光吸収層で生成したキャリアは、貫通転位で再結合することなく、トンネル接合あるいはいずれかの電極層へ到達することができる。また、トンネル接合に到達した電子（正孔）は、隣の光吸収層で生成した正孔（電子）とトンネル接合において再結合することにより、再結合電流として電池内を流れる。これらのことにより、各光吸収層で生成したキャリアを、効率よく収集することが可能となる。
【００３０】
ここで、光吸収層＋トンネル接合の組み合わせをＮ組つなげることにより、光を吸収してキャリアを生成する領域（光吸収層）の実効的な厚さが、１つの光吸収層×Ｎとなる。例えば、５個の光吸収層の層厚が１００ｎｍであるとき、上述したように５層の光吸収層を用いることで、光吸収に関わる層厚を実効的に５００ｎｍにすることができる。これにより、光を十分に吸収することができ、生成キャリアの量を増やすことができる。
【００３１】
以上述べたように、本発明により、窒化物半導体による太陽電池において、キャリア収集効率を高く保つと共に、十分に光を吸収できる光吸収層を構成することができる。例えば、図４の点線に示すように、取り出し電流値を改善することが可能となる。
【００３２】
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。まず、図５に示すように、サファイア（コランダム）からなる基板３０１を用意する。次に、基板３０１の上に、ｎ型のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3）からなる層厚２００ｎｍのｎ型電極層３０２を形成する。
【００３３】
引き続き、アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３１，アンドープのＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４１，アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３２，アンドープのＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４２，アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３３，アンドープのＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４３，アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３４，アンドープのＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる層厚０．５ｎｍのトンネル接合３４４，およびアンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる層厚１００ｎｍの光吸収層３３５を形成する。
【００３４】
引き続き、ｐ型のＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ（キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3）からなる層厚１００ｎｍのｐ形電極層３０５を形成する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。一般に、サファイアよりなる基板３０１の上に、有機金属気相成長法で上述した窒化物半導体の各層をエピタキシャル成長すると、成長表面（上面）は、いわゆるＩＩＩ族面となる。この場合、上述したように、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体に対し、格子定数が小さく、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体から構成すればよい。これに対し、成長表面がＶ族面となる場合、トンネル接合は、光吸収層を構成する窒化物半導体に対し、格子定数が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体から構成すればよい。このように、トンネル接合は、成長表面の状態に合わせ、光吸収層を構成する窒化物半導体とは、格子定数およびバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体から構成されていればよい。
【００３５】
図７は、上述した層構成とした実施例の太陽電池における積層方向の各層のバンドギャップの変化（バンドプロファイル）を示すバンド図である。図７に示すように、図６のバンド図と同様に、実施例の構成においても、トンネル接合に隣接する２つの光吸収層においては、一方の光吸収層の伝導帯下端と、他方の光吸収層の価電子帯上端とが、フェルミ準位の近くでトンネル接合を介して接近し、両者の間でキャリアのトンネリングが発生可能な状態となる。
【００３６】
この結果、各光吸収層の層厚を貫通転位の間隔程度以下とすることで、光照射により各光吸収層で生成したキャリアは、貫通転位で再結合することなく、トンネル接合あるいはいずれかの電極層へ到達させることができる。また、トンネル接合に到達した電子（正孔）は、隣接する光吸収層で生成した正孔（電子）とトンネル接合において再結合することができ、再結合電流として電池内を流れるようになる。これらのことにより、各光吸収層で生成したキャリアを、効率よく収集することが可能となる。また、複数の光吸収層を設けることで、光を吸収してキャリアを生成する領域を実効的に厚くでき、光を十分に吸収して生成キャリアの量を増やすことができるようになる。この結果、取り出し電流値を改善することができる。
【００３７】
以上に説明したように、本発明によれば、複数の光吸収層を用い、隣り合う光吸収層の間に接してトンネル接合を形成するようにしたので、窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようになる。
【００３８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、基板は、サファイアに限るものではなく、例えば、シリコンカーバイド基板、シリコン基板、窒化ガリウム基板など、窒化物半導体を成長できる基板であればいずれであってもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…光吸収層、１０４…トンネル接合、１０５…光吸収層、１０６…第２半導体層。
【要約】
【課題】窒化物半導体による太陽電池において、実質的に発電効率が向上できるようにする。
【解決手段】第１半導体層１０２および第２半導体層１０６の間に設けられた窒化物半導体からなる複数の光吸収層１０３，光吸収層１０５を備える。光吸収層１０３，光吸収層１０５は、これらに形成される貫通転位の間隔以下の厚さとされているとよい。これらに加え、隣り合う光吸収層１０３および光吸収層１０５の間には、トンネル接合１０４が接して形成されている。
【選択図】  図１【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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