(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１伝導型からなる第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層との間に形成されるＩｎＮ光増感層と、
を備える太陽電池であって、
前記ｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記ｙの範囲は０＜ｙ＜１であり、
前記ＩｎＮ光増感層の層厚は２分子層以下であり、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第１バンドギャップエネルギーを有し、
前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第２バンドギャップエネルギーを有し、
前記ＩｎＮ光増感層の実効バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さく、
前記ＩｎＮ光増感層での光励起キャリアが、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層および前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層の少なくともいずれかに、熱励起またはバンド内光吸収過程によって移動自在である太陽電池。
【請求項２】
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層との間に形成され、第４伝導型からなる第４ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層をさらに備え、
前記第４ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第４バンドギャップエネルギーを有し、さらに前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層とを電気的に接続自在な膜厚である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層との間に形成される第５ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層をさらに備え、前記第５ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第５バンドギャップエネルギーを有し、
前記第５バンドギャップエネルギーは前記第２バンドギャップエネルギー以下かつ前記ＩｎＮ光増感層の実効バンドギャップエネルギー以上である請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
タンデム型太陽電池に含まれる第１セルまたは第２セルのうち少なくとも１つを構成する請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記タンデム型太陽電池は成長基板をさらに有し、
前記成長基板の一方の面上に前記第１セルと、
前記成長基板の他方の面上に前記第２セルと、
を備える請求項４に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記成長基板は窒化物半導体、酸化亜鉛、シリコン、または炭化珪素のいずれかである
請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１セルに電気的に接続された第１電極と、
前記第２セルに電気的に接続された第２電極と、
前記成長基板に電気的に接続された第３電極と、
をさらに備える請求項５に記載の太陽電池。
【請求項８】
第１伝導型からなる第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層との間に形成されるＩｎＮ光増感層と、
を備え、
前記ｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記ｙの範囲は０＜ｙ＜１であり、
前記ＩｎＮ光増感層の層厚は２分子層以下であり、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第１バンドギャップエネルギーを有し、
前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第２バンドギャップエネルギーを有し、
前記ＩｎＮ光増感層の実効バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さい太陽電池の製造方法であって、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層を形成する第１工程と、
前記第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層を形成する第２工程と、
前記ＩｎＮ光増感層を形成する第３工程と、
を具備する太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記第３工程は、ＩｎＮを２分子層以上供給する工程を有する請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第３工程は、Ｉｎ原料を供給しない工程を有する請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第３工程は、成長中断を有する請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記第３工程は、成長温度が６００℃以上である請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１３】
前記成長温度が６５０℃以上７２０℃以下である請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１４】
成長表面の物理的または化学的状態を観察する工程を有する請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線から赤外線までの広い波長領域に対応する光電変換装置、特に光増感機能を有する太陽電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室ガスによる地球温暖化に対する懸念から、エネルギー問題への取り組みの重要性は高まっている。特に、化石燃料への依存体質からの脱却は急務である。このような状況下において、太陽光エネルギーの光電変換による発電、すなわち太陽電池は上記問題解決のキーポイントである。【０００３】
現在、ほとんどの太陽電池はシリコン（Ｓｉ）を原料としている。一方で、人工衛星搭載などの高い光電変換効率が要求される用途では、太陽光スペクトルとの整合性から化合物半導体である砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いた太陽電池が実用化されている。【０００４】
次に、このような太陽電池の構成について図１２を参照して説明する。図１２は一例として、従来の半導体ｐｎ接合型の太陽電池１００の構成を示すブロック図であり、ｎ型半導体層１０２と、前記ｎ型半導体層１０２上に形成されるｐ型半導体層１０４と、の周知の構成からなり、これらが周知の半導体製造技術などによって単一セルとして形成されている。しかし、太陽電池はその材料がもつ禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した波長範囲の太陽光しか利用できない。そのため、単一セルからなる太陽電池では、その光電変換効率には限界がある。【０００５】
そこで、太陽光スペクトルの利用可能範囲を広げ、光電変換効率を向上させることを目的としたタンデム型太陽電池の構造が提案されている。このタンデム構造とは、図１２に示した太陽電池１００と同様の単一セル構造が複数から成り、それぞれの単一セルが異なる禁制帯幅を有し、受光面から光の進入方向に沿って、禁制帯幅が広い方から狭い方に順になるよう積層するものである。例えば、特許文献１に記載のタンデム型太陽電池は、禁制帯幅が３．４ｅＶ〜０．７ｅＶに対応するため、広い波長範囲の太陽光スペクトルに整合可能となっている。【０００６】
また、他の技術として、量子井戸構造によって構成される太陽電池が提案されている。例えば、特許文献２に記載の太陽電池は、複数の凸部を量子井戸表面に有する構成となっている。【０００７】
【特許文献１】米国登録特許 ７，２１７，８８２号明細書
【特許文献２】特開２００２−１４１５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
タンデム型太陽電池において、高い光電変換効率を実現するためには、タンデム構造を構成する各セルが同じ起電流を発生する電流保存条件を満足することが要求される。言い換えれば、各セルで発生する光起電流を揃えるために、各セルでの吸収端波長、すなわち禁制帯幅を精密に制御しなければならない。【０００９】
特許文献１に記載されるタンデム型太陽電池を構成する材料は、窒化インジウムガリウム混晶（ＩｎＧａＮ）である。ＩｎＧａＮは熱力学的な非混和性が強く、ミクロスケールの混晶組成の不均一分布が生じる。これは、ＩｎＧａＮの禁制帯幅が一義に決まらないことを意味している。このため、タンデム型太陽電池をＩｎＧａＮで構成する場合、各セルの吸収端波長を精密に制御することが困難であることを発明者らは明らかにした。【００１０】
一方、特許文献２に記載される太陽電池を構成する材料は、ＧａＡｓ系材料である。この材料系では、太陽スペクトルの一部分しか利用できないため、タンデム型太陽電池ほど高い光電変換効率は期待できない。
さらに、この特許文献２に記載される太陽電池は量子井戸層に複数の凸部を表面に有する構成となっている。これは、量子井戸層の凸部によって吸収端波長が変化することを意味している。このため、この特許文献２に記載される太陽電池は、セルの吸収端波長を精密に制御することが困難であり、タンデム構造を構成するには不向きであることを発明者らは明らかにした。【００１１】
また、量子井戸構造のポテンシャル障壁が高く、井戸層にキャリアが深く局在してしまうと、量子井戸層からキャリアを電流として取り出すことができなくなる。このことからも、太陽電池を構成する材料の禁制帯幅を精密に制御することは重要な課題である。【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、タンデム型太陽電池における各セルの吸収端波長の精密な制御を容易とし、かつ高い光電変換効率を有する太陽電池およびその製造方法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】
本発明の第１態様である光電変換装置は、第１伝導型からなる第１伝導層と、前記第１伝導層上に形成され、第２伝導型からなる第２伝導層と、前記第１伝導層と前記第２伝導層との間に形成される光増感層と、を備える光電変換装置であって、前記光増感層における光電変換による電荷坦体が、前記第１伝導層および前記第２伝導層の少なくともいずれかに移動自在である。【００１４】
本発明の第１態様である光電変換装置は、前記第１伝導層は第１バンドギャップエネルギーを有し、前記第２伝導層は第２バンドギャップエネルギーを有し、前記光増感層は第３バンドギャップエネルギーを有し、前記第３バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さくてもよい。【００１５】
本発明の第１態様である光電変換装置は、前記第１伝導層と前記光増感層との間に形成され、第４伝導型からなる第４伝導層をさらに備えてもよく、前記第４伝導層は第４バンドギャップエネルギーを有し、さらに前記第１伝導層と前記光増感層とを電気的に接続してもよい。【００１６】
本発明の第１態様である光電変換装置は、前記第２伝導層と前記光増感層との間に形成される第５伝導層をさらに備えてもよく、前記第５伝導層は第５バンドギャップエネルギーを有し、前記第５バンドギャップエネルギーは前記第２バンドギャップエネルギー以下かつ前記第３バンドギャップエネルギー以上でもよい。【００１７】
本発明の第１態様である光電変換装置は、前記第１伝導層下に形成され、第６伝導型からなる第６伝導層と、前記第２伝導層上に形成され、第７伝導型からなる第７伝導層と、の少なくともいずれかをさらに備えてもよく、前記第１伝導層と前記第６伝導層は電気的に接続されてもよく、前記第２伝導層と前記第７伝導層は電気的に接続されてもよい。【００１８】
本発明の第２態様である太陽電池は、第１伝導型からなる第１層と、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層との間に形成されるＩｎＮ光増感層と、を備える太陽電池であって、前記ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であり、前記ＩｎＮ光増感層の層厚は２分子層以下であり、前記ＩｎＮ光増感層での光励起キャリアが、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層および前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層の少なくともいずれかに、熱励起またはバンド内光吸収過程によって移動自在である。【００１９】
本発明の第２態様である太陽電池は、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第１バンドギャップエネルギーを有し、前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第２バンドギャップエネルギーを有し、前記ＩｎＮ光増感の実効バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さくてもよい。【００２０】
本発明の第２態様である太陽電池は、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層との間に形成され、第４伝導型からなる第４ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層をさらに備えてもよく、前記第４ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第４バンドギャップエネルギーを有し、さらに前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層とを電気的に接続自在な膜厚であってもよい。【００２１】
本発明の第２態様である太陽電池は、前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記ＩｎＮ光増感層との間に形成される第５ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層をさらに備えてもよく、前記第５ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層は第５バンドギャップエネルギーを有し、前記第５バンドギャップエネルギーは前記第２バンドギャップエネルギー以下かつ前記前記ＩｎＮ光増感の実効バンドギャップエネルギー以上でもよい。【００２２】
本発明の第２態様である太陽電池は、タンデム型太陽電池に含まれる第１セルまたは第２セルのうち少なくとも１つを構成してもよい。【００２３】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記タンデム型太陽電池は成長基板をさらに有してもよく、前記成長基板の一方の面上に前記第１セルと、前記成長基板の他方の面上に前記第２セルと、を備えてもよい。【００２４】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記成長基板は窒化物半導体、酸化亜鉛、シリコン、または炭化珪素のいずれかであってもよい。【００２５】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記第１セルに電気的に接続された第１電極と、前記第２セルに電気的に接続された第２電極と、前記成長基板に電気的に接続された第３電極と、をさらに備えてもよい。【００２６】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法は、第１伝導型からなる第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層との間に形成されるＩｎＮ光増感層と、を備え、前記ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であり、前記ＩｎＮ光増感層の層厚は２分子層以下である太陽電池の製造方法であって、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層を形成する第１工程と、前記第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層を形成する第２工程と、前記ＩｎＮ光増感層を形成する第３工程と、を具備する。【００２７】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法では、前記第３工程は、ＩｎＮを２分子層以上供給する工程を有してもよい。【００２８】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法では、前記第３工程は、Ｉｎ原料を供給しない工程を有してもよい。【００２９】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法では、前記第３工程は、成長中断を有してもよい。【００３０】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法では、前記第３工程は、成長温度が６００℃以上でもよい。【００３１】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法では、前記成長温度が６５０℃以上７２０℃以下でもよい。【００３２】
本発明の第３態様である太陽電池の製造方法は、成長表面の物理的または化学的状態を観察する工程を有してもよい。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、光起電圧を低下させることなく、吸収端波長の精密な制御が容易になるので、光起電流を向上させることができる。すなわち、光増感効果によって高い光電変換効率を有する太陽電池、およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態による太陽電池における構成例を示すブロック図である。
【図２】ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図３】第１実施形態における太陽電池の製造方法を示すフロ−チャートである。
【図４】本発明の第２実施形態によるタンデム型太陽電池を構成する、単一セルの構成例を示すブロック図である。
【図５】ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図６】第２実施形態によるタンデム型太陽電池を構成する、単一セルの製造方法を示すフロ−チャートである。
【図７】本発明の第２実施形態によるタンデム型太陽電池を構成する、単一セルの構成例を示すブロック図である。
【図８】ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図９】第２実施形態によるタンデム型太陽電池を構成する、単一セルの製造方法を示すフロ−チャートである。
【図１０】第２実施形態によるタンデム型太陽電池の構成例を示すブロック図である。
【図１１】タンデム型太陽電池における、セル数に対する理論最大変換効率を示すグラフである
【図１２】従来例による太陽電池の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。但し、この実施例の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。【００３６】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る太陽電池１０の構成例を示すブロック図である。図１において、太陽電池１０は、ｎ型窒化ガリウム（以下、ｎ−ＧａＮ）層１２と、ｎ−ＧａＮ層１２上に形成されるｐ型窒化ガリウム（以下、ｐ−ＧａＮ）層１４と、ｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４に挟まれ形成される窒化インジウム（ＩｎＮ）光増感層１３と、ｎ−ＧａＮ層１２に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ−ＧａＮ層１４に電気的に接続される図示しないｐ型電極と、によって構成される。【００３７】
ｎ−ＧａＮ層１２は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、電子をｎ型電極に輸送するために用いられる。ｐ−ＧａＮ層１４は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、正孔をｐ型電極に輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４の抵抗率および層厚はキャリア輸送を効率よく行うために、それぞれが好適に調整される。
ＩｎＮ光増感層１３は、ｐｎ接合を形成するＧａＮの禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した光のみならず、より長波長の光をも光電変換に利用可能にする増感効果のために用いられる。したがって、光起電圧を低下させることなく、分光感度特性を向上させ、高い変換効率の太陽電池を得ることができる。
ｎ型電極およびｐ型電極は、発生した光起電力を取り出すために用いられる。【００３８】
次に、本願発明の最も重要なポイントであるＩｎＮの物性とＩｎＮ光増感層１３の増感効果について説明する。
図１に示す本実施形態のＩｎＮ光増感層１３がそうであるように、一般にＩｎＮはＧａＮ上に周知の半導体製造技術などで形成される。例えば、ｃ面成長する場合では、ＩｎＮとＧａＮでは約１１％の格子不整合度を有しているため、結晶成長中に高密度の格子欠陥が導入されてしまう。この格子欠陥は、光電変換効率を著しく劣化させる。ＩｎＮが格子欠陥を導入せずに弾性変形を保持し、ＧａＮに対してコヒーレント成長可能な膜厚の上限、すなわち臨界膜厚、が２分子層（２ＭＬ）であることを発明者らは見出した。【００３９】
さらに、この２分子層以下の超薄膜ＩｎＮでは、ＧａＮとの非混和性によって極めて構造完全性に優れた結晶成長が実現される。これによって、自己秩序的かつ自己停止的なプロセスが可能となり、原子層オーダで急峻なＩｎＮ／ＧａＮ界面が形成される。さらに、前記超薄膜ＩｎＮは、組成不均一性が本質的に存在しない。このため、超薄膜ＩｎＮの吸収端波長は、容易かつ精密に決定される。【００４０】
また、ＩｎＮの成長温度は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法では約６００℃以下に限られていたが、前記超薄膜ＩｎＮでは、６００℃以上の成長が可能となることも発明者らは見出した。この高温成長によって、超薄膜ＩｎＮの結晶性は飛躍的に向上する。このように、通常のＩｎＮとは異なり、超薄膜ＩｎＮは特有の物性を示し、この結果、高い光電変換効率（内部量子効率）を実現する。【００４１】
図２は、ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。図２において、図１と同様に、ＩｎＮ光増感層１３がｎ−ＧａＮ層１２とｐ−ＧａＮ層１４とによって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、伝導帯底部と価電子帯頂部をそれぞれ示し、図中左から右に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。
ＩｎＮとＧａＮのバンドギャップエネルギーはそれぞれ約０．６５ｅＶと３．４ｅＶであり、伝導帯バンドオフセットが約２ｅＶ、価電子帯バンドオフセットが約０．７５ｅＶである。これら大きなポテンシャル障壁は、ＩｎＮ層内に光励起されたキャリアをほぼ完全に閉じ込めるため、このままではキャリアを電流として取り出すことができない。【００４２】
一方、ＩｎＮ層の層厚をナノメートルオーダまで薄くしていくと、電子および正孔の量子準位Ｅｃ１、Ｅｖ１が、図中点線のエネルギー位置に形成される。この量子サイズ効果により、ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギー（Ｅｃ１とＥｖ１との差）は０．６５ｅＶからシフトする。例えば、２分子層ＩｎＮでは、前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより５００ｍｅＶ低くなり、１分子層ＩｎＮでは前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより２００ｍｅＶ低くなることを発明者らは見出した。【００４３】
超薄膜ＩｎＮが自己秩序的に得られるため、前記実効バンドギャップエネルギーとＧａＮのバンドギャップエネルギー差も、それぞれ２分子層では約５００ｍｅＶ、１分子層では約２００ｍｅＶと自動的に制御される。これらの値は、上述した通常のＩｎＮとＧａＮの場合と比べて大幅に低減されている。つまり、ＩｎＮ光増感層１３を２分子層以下の構成とすることで、室温における熱励起過程でも十分にＩｎＮ光増感層１３からｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４へキャリアが移動自在となる。
さらに、ＩｎＮのバンドギャップエネルギー０．６５ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移過程は、ＩｎＮ光増感層１３からｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４へのキャリア移動が援助される。
これらの結果として、超薄膜ＩｎＮは光増感効果を提供することができる。【００４４】
以上のことから、本実施形態に係る太陽電池１０は、光起電圧を低下させることなく、ｐｎ接合を形成するＧａＮの禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した光のみならず、ＩｎＮ光増感層１３の実効バンドギャップエネルギーに対応した光をも光電変換に利用できる。したがって、より長波長成分の光増感効果によって、高出力の太陽電池を得ることができる。【００４５】
なお、本実施形態では、ＧａＮのｐｎ接合による構成について述べてきたが、これだけに限定されず、例えば窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）のｐｎ接合による構成も可能である。この構成によれば、混晶比ｘおよびｙを変化させることで、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮの禁制帯幅を任意に変化させることができる。２分子層以下の層厚を有する超薄膜ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギーも、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮのバンドギャップエネルギーより数１００ｍｅＶ程度小さくなるので、光増感効果を有しながら、太陽電池の吸収端波長が容易かつ精密に制御される。【００４６】
また、本実施形態では、図１および図２に示したように、ＩｎＮ光増感層１３は１層のみの構成について述べたが、例えば、ＩｎＮ光増感層１３が複数挿入された多層構造とする構成も可能である。この構成によれば、複数挿入されたＩｎＮ光増感層１３の層数が増加するに従って、吸収する光量は増加するので、光増感効果をより増強することができる。この場合、ｐｎ接合界面の空乏領域からはみ出すＩｎＮ光増感層１３の多層構造であっても構わない。
さらに、ＩｎＮ光増感層１３が単層および多層の双方において、ＩｎＮ層をノンドープＧａＮ（以下、ｉ−ＧａＮ）層で挟む、またはキャップする構成も可能である。この構成によって、ｐｎ接合界面の空乏領域を好適に制御することができる。【００４７】
［第１実施形態の太陽電池の製造方法］
第１実施形態の太陽電池１０の製造方法について、図３を参照して説明する。なお、ここでは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を例にとって説明するが、結晶成長技術はこれだけに限定されず、その他の周知の半導体製造技術でも同様である。図３は、第１実施形態に係る太陽電池１０の製造方法を示すフロ−チャートである。特に、本願発明の最も重要な構成であるＩｎＮ光増感層１３の成長方法と、その前後のプロセスとについて示してある。その他、基板処理や下地層形成などの図示しない前工程、および表面層形成、電極形成、微細加工などの図示しない後工程は、周知の半導体製造技術によって行われる。【００４８】
まず、上述した前工程が済んだ試料の表面状態観察を開始する（ステップＳ１１）。この表面状態観察は、例えば、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）や分光エリプソメトリ（ＳＥ）によって行われる。これによって、各層成長中ならびに成長前後における試料成長表面の物理的または化学的状態を、実時間で観察する。これは、超薄膜ＩｎＮの成長が、ＩｎＮの非混和性を利用した自己秩序的かつ自己停止的プロセスによるものであるため、例えば、表面吸着原子の制御、すなわち表面ストイキオメトリ制御が要求されるためである。【００４９】
次に、ＧａＮの成長を行う（ステップＳ１２）。このＧａＮは、本実施形態の太陽電池１０を構成するｎ−ＧａＮ層１２またはｐ−ＧａＮ層１４のどちらでもよく、さらに、上述したｉ−ＧａＮ層であっても構わない。その後、ＩｎＮ光増感層１３の形成プロセスを行う（ステップＳ１８）。【００５０】
ステップＳ１８は、成長温度の設定（ステップＳ１３）と、成長表面制御過程（ステップＳ１４）と、インジウム（Ｉｎ）および窒素（Ｎ）原料の供給（ステップＳ１５）と、成長中断（ステップＳ１６）と、を具備してなる。
一般にＭＢＥ法では、ステップＳ１２で示されるＧａＮの成長は、若干、ガリウム（Ｇａ）リッチな表面ストイキオメトリ条件下で行われる。ところが、ＩｎＮとＧａＮの非混和性を確実にするためには、超薄膜ＩｎＮ成長直前の成長表面に、吸着Ｇａが存在するのは好ましくない。そこで、ステップＳ１４では、Ｉｎ原料を供給せずに、Ｎ原料だけを供給し表面吸着ＧａをＧａＮに結晶化するか、またはドライアップする。そして、ステップＳ１５ではＩｎ原料とＮ原料双方を供給するが、２分子層以下の超薄膜ＩｎＮを形成するために、２分子層以上に相当する原料を過剰供給する。ステップＳ１８での成長表面の物理的・化学的状態は、ステップＳ１１で開始された表面状態観察によって把握されている。【００５１】
ＩｎＮ光増感層１３の層厚制御は、過剰供給されたＩｎＮの脱離過程を利用するので、ステップＳ１３で設定される成長温度と、ステップＳ１６として導入される成長中断時間によって行われる。通常、ＭＢＥ法でＩｎＮの成長を行う場合は、成長温度は約６００℃以下で行われる。ところが、この臨界温度である約６００℃以上でも、２分子層以下の超薄膜ＩｎＮが成長可能であることを、発明者らは見出した。具体的には、成長温度が６００℃から６５０℃の範囲では、２分子層ＩｎＮが自己選択的に形成される。成長温度を約６５０℃とすると、１分子層ＩｎＮが自己選択的に形成され、さらに温度を上げ、約６５０℃から約７２０℃の範囲では１分子層以下の分数超格子ＩｎＮが形成される。この分数超格子ＩｎＮとは、表面被覆率が１以下であることを意味し、例えば０．５分子層とは、１分層厚かつ表面被覆率が５０％であるアイランド構造、すなわち、量子ディスク構造であることに対応する。また、上記成長中断については、０〜１分程度の時間スケールを秒オーダで制御する。これは、標準的なＭＢＥ装置では、十分制御可能な時間スケールである。【００５２】
ステップＳ１８で示されるＩｎＮ光増感層１３の形成プロセス後に、ＧａＮの成長を行う（ステップＳ１７）。ステップＳ１２同様に、このＧａＮは、本実施形態の太陽電池１０を構成するｎ−ＧａＮ層１２またはｐ−ＧａＮ層１４のどちらでもよく、さらに、上述したｉ−ＧａＮ層であっても構わない。
もし、ＩｎＮ光増感層１３を多層構造とする場合には、ステップＳ１７に引き続き、ステップＳ１８を所望の回数だけ繰り返すことになる。
ステップＳ１７が終了した後に、上述の後工程を経ると、本実施形態の太陽電池１０が得られる。【００５３】
本実施形態の太陽電池１０の製造方法について、ステップＳ１２およびステップＳ１７では、ＧａＮの成長を例にとって述べてきたが、これだけに限定されず、例えば、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１）の成長も含まれるものとする。【００５４】
［第２実施形態］
第１実施形態では、ＧａＮによるｐｎ接合に超薄膜ＩｎＮが挿入された構成の太陽電池について述べた。この太陽電池は、その変形例であるＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮによるｐｎ接合に置き換えることによって、超薄膜ＩｎＮが増感効果を提供しながら、禁制帯幅を６．２ｅＶ〜０．６５ｅＶに対応させることができる。これによって、全太陽光パワーの約８７．５％のスペクトル領域に整合する、タンデム型太陽電池の各セルを構成することができる。タンデム型太陽電池を構成するためには、前記変形例の太陽電池を単一セルとして、各単一セルが異なる禁制帯幅を有し、受光面から光の進入方向に沿って、禁制帯幅が広い方から狭い方に順になるよう前記単一セルを積層する。本実施形態では、前記単一セルの構成例として、ＩｎＧａＮによるｐｎ接合に超薄膜ＩｎＮが挿入された太陽電池について、図４〜図６を参照しながら述べる。【００５５】
図４は、本実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成する単一セル２０の構成例を示すブロック図である。図４において、単一セル２０は、ｎ型窒化インジウムガリウム（以下、ｎ−ＩｎＧａＮ）層２２と、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２上に形成される窒化ガリウム（ＧａＮ）層２５と、ＧａＮ層２５上に形成される窒化インジウム（ＩｎＮ）光増感層２３と、ＩｎＮ光増感層２３上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウム（以下、ｐ−ＩｎＧａＮ）層２４と、によって構成される。【００５６】
ｎ−ＩｎＧａＮ層２２は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、電子を輸送するために用いられる。ｐ−ＩｎＧａＮ層２４は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４の抵抗率および層厚はキャリア輸送を効率よく行うために、好適に調整される。また、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）は、太陽光スペクトルとの整合性、さらにタンデム構造における各セルが同じ起電流を発生する電流保存条件を満足するように、その混晶組成比が好適に制御される。
ＩｎＮ光増感層２３は、ｐｎ接合を形成するＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーに対応した光のみならず、より長波長の光をも光電変換に利用可能にする増感効果のために用いられる。したがって、光起電圧を低下させることなく、分光感度特性を向上させ、高い変換効率の単一セル２０を得ることができる。なお、本実施形態では、ＩｎＧａＮのｐｎ接合による構成例について述べるが、これだけに限定されず、例えば、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１）によるｐｎ接合による構成も可能である。【００５７】
次に、本実施形態に係る単一セル２０を構成するＧａＮ層２５について説明する。ＩｎＮ光増感層２３の形成は、第１実施形態でも述べたように、下地ＧａＮ層との非混和性による自己秩序的かつ自己停止的プロセスを利用している。ところが、ＩｎＧａＮでｐｎ接合を形成する場合では、ＩｎＮとＩｎＧａＮとの非混和性が十分に発現しないことが考えられる。
単一セル２０をタンデム型構造に適合させるために、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４のＩｎ組成比を増加させる必要がある。これは、ｐｎ接合をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮで構成した場合でも同様に、Ｉｎ組成比ｘを増加することに対応する。そのため、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２上に直接ＩｎＮ光増感層２３の形成を試みると、前記非混和性が抑制されているために、超薄膜ＩｎＮの自己秩序的かつ自己停止的プロセスが、十分に機能しなくなることを発明者らは見出した。具体例を挙げれば、Ｉｎ組成２０％程度（吸収端波長は約５００ｎｍに対応）のＩｎＧａＮ上には、自己秩序的かつ自己停止的プロセスによる超薄膜ＩｎＮの形成は確認されなかった。【００５８】
上記問題を解消することを目的として、ＩｎＮの非混和性を利用するために、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２とＩｎＮ光増感層２３の間に、ＧａＮ層２５を挿入する構成とすることが、本実施形態のキーポイントである。この構成によって、ＩｎＮ光増感層２３とＧａＮ層２５との間に非混和性が発現するので、自己秩序的かつ自己停止的プロセスによる超薄膜ＩｎＮの形成が可能となる。【００５９】
図５は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。図５において、ＩｎＮ光増感層２３とＧａＮ層２５とが、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２とｐ−ＩｎＧａＮ層２４とによって挟まれており、図４と同様に、ＣＢＭとＶＢＭは、伝導帯底部と価電子帯頂部を示し、図中左から右に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。ＩｎＮ光増感層２３の実効バンドギャップエネルギーは、電子および正孔の量子準位Ｅｃ２、Ｅｖ２の差に対応している。【００６０】
本実施形態において、超薄膜ＩｎＮが光増感効果を提供するためには、室温における熱励起過程、さらにＩｎＮのバンドギャップエネルギー０．６５ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移過程の援用によって、ＩｎＮ光増感層２３からｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４へのキャリア移動が自在となる必要がある。
ＩｎＮ光増感層２３とｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４とのバンドギャップエネルギー差（バンドオフセット）は、数１００ｍｅＶ程度であり、第１実施形態の場合と同等か、それ以下になる。すなわち、バンドオフセットの観点から検討すれば、ＩｎＮ光増感層２３からｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４へのキャリア移動は自在である。しかし、ＩｎＮ光増感層２３からｐ−ＩｎＧａＮ層２４への正孔移動に比して、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２への電子移動の観点で検討すれば、ＧａＮ層２５は、前記電子移動を妨げる要因に成り得る。この問題を回避するために、すなわち、ＩｎＮ光増感層２３とｎ−ＩｎＧａＮ層２２との電気的接続を可能にするために、例えば、ＧａＮ層２５の層厚は、電子が量子力学的トンネル可能な程度、具体的にはナノメートルオーダ、まで超薄膜化する。上記検討の結果、ＩｎＮ光増感層２３は、光増感効果を提供することができることを発明者らは見出した。さらに、前記ＩｎＮ光増感層２３は、組成不均一性の問題が本質的に存在せず、成長過程も自己秩序的かつ自己停止的であることから、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２４のＩｎ組成に依存せずに、吸収端波長が容易かつ精密に制御される。【００６１】
以上のことから、本実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成する単一セル２０は、光起電圧を低下させることなく、ｐｎ接合を形成するＩｎＧａＮの禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した光のみならず、ＩｎＮ光増感層２３の実効バンドギャップエネルギーに対応した光をも光電変換に利用できる。したがって、より長波長成分の光増感効果によって、高出力のタンデム型太陽電池の単一セルを得ることができる。【００６２】
なお、本実施形態では、ＩｎＧａＮのｐｎ接合による構成について述べてきたが、これだけに限定されず、例えばＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１）のｐｎ接合による構成も可能である。この構成によれば、混晶比ｘおよびｙを変化させることで、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮの禁制帯幅を任意に変化させることができる。２分子層以下の層厚を有するＩｎＮ層の実効バンドギャップエネルギーも、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮのバンドギャップエネルギーより数１００ｍｅＶ程度小さくなるので、光増感効果を有しながら、吸収端波長が容易かつ精密に制御できることになる。【００６３】
また、本実施形態では、図４および図５に示したように、ＩｎＮ光増感層２３は１層のみの構成について述べたが、例えば、ＩｎＮ光増感層２３が複数挿入された多層構造とする構成も可能である。この構成によれば、複数挿入されたＩｎＮ光増感層２３の層数が増加するに従って、吸収する光量は増加するので、光増感効果をより増強することができる。この場合、ｐｎ接合界面の空乏領域からはみ出すＩｎＮ光増感層２３の多層構造であっても構わない。
さらに、ＩｎＮ光増感層２３が単層および多層の双方において、ＩｎＮ層をノンドープＩｎＧａＮ（以下、ｉ−ＩｎＧａＮ）層で挟む、またはキャップする構成も可能である。この構成によって、ｐｎ接合界面の空乏領域を好適に制御することができる。【００６４】
［第２実施形態の太陽電池の製造方法］
第２実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成する単一セル２０の製造方法について、図６を参照して説明する。なお、ここでは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を例にとって説明するが、単一セル２０の結晶成長方法はこれだけに限定されず、その他の周知の半導体製造技術でも同様である。図６は、第２実施形態に係る単一セル２０の製造方法を示すフロ−チャートである。特に、本願発明の最も重要なポイントであるＩｎＮ光増感層２３の成長方法と、その前後のプロセスとについて示してある。その他、基板処理や下地層形成などの図示しない前工程、および表面層形成、電極形成、微細加工などの図示しない後工程は、周知の半導体製造技術によって行われる。【００６５】
まず、上述した前工程が済んだ試料の表面状態観察を開始する（ステップＳ２１）。この表面状態観察は、例えば、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）や分光エリプソメトリ（ＳＥ）によって行われる。これによって、各層成長中ならびに成長前後における試料成長表面の物理的または化学的状態を、実時間で観察する。これは、超薄膜ＩｎＮの成長が、ＩｎＮの非混和性を利用した自己秩序的かつ自己停止的プロセスを利用しているため、例えば、表面吸着原子の制御、すなわち表面ストイキオメトリ制御が要求されるためである。【００６６】
次に、ＩｎＧａＮの成長を行う（ステップＳ２２）。このＩｎＧａＮは、本実施形態の太陽電池２０を構成するｎ−ＩｎＧａＮ層２２またはｐ−ＩｎＧａＮ層２４のどちらでもよく、さらに、上述したｉ−ＩｎＧａＮ層であっても構わない。その後、ＩｎＮ光増感層２３の形成プロセスを行う（ステップＳ２９）。【００６７】
ステップＳ２９は、成長温度の設定（ステップＳ２３）と、ＧａＮ成長過程（ステップＳ２４）と、成長表面制御過程（ステップＳ２５）と、インジウム（Ｉｎ）および窒素（Ｎ）原料の供給（ステップＳ２６）と、成長中断（ステップＳ２７）と、を具備してなる。ステップＳ２４で成長するのが、ＧａＮ層２５に対応する。
一般にＭＢＥ法では、ステップＳ２４で示されるＧａＮの成長は、若干、ガリウム（Ｇａ）リッチな表面ストイキオメトリ条件下で行われる。ところが、ＩｎＮとＧａＮの非混和性を確実にするためには、超薄膜ＩｎＮ成長直前の成長表面に、吸着Ｇａが存在するのは好ましくない。そこで、ステップＳ２５ではＩｎ原料を供給せずに、Ｎ原料だけを供給することで表面吸着ＧａをＧａＮに結晶化するか、またはドライアップする。そして、ステップＳ２６ではＩｎ原料とＮ原料を供給するが、２分子層以下の超薄膜ＩｎＮを形成するために、２分子層以上に相当する原料を過剰供給する。ステップＳ２９での成長表面の物理的・化学的状態は、ステップＳ２１で開始された表面状態観察によって把握されている。【００６８】
ＩｎＮ光増感層２３の層厚制御は、過剰供給されたＩｎＮの脱離過程を利用するので、ステップＳ２３で設定される成長温度と、ステップＳ２７として導入される成長中断時間によって行われる。通常、ＭＢＥ法でＩｎＮの成長を行う場合は、成長温度は約６００℃以下で行われる。ところが、この臨界温度である約６００℃以上でも、２分子層以下の超薄膜ＩｎＮが成長可能であることを、発明者らは見出した。具体的には、成長温度が６００℃から６５０℃の範囲では、２分子層ＩｎＮが自己選択的に形成される。成長温度を約６５０℃とすると、１分子層ＩｎＮが自己選択的に形成され、さらに温度を上げ、約６５０℃から約７２０℃の範囲では１分子層以下の分数超格子ＩｎＮが形成される。この分数超格子ＩｎＮとは、表面被覆率が１以下であることを意味し、例えば０．５分子層とは、１分層厚かつ表面被覆率が５０％であるアイランド構造、すなわち、量子ディスク構造であることに対応する。また、上記成長中断については、０〜１分程度の時間スケールを秒オーダで制御する。これは、標準的なＭＢＥ装置では、十分制御可能な時間スケールである。【００６９】
ステップＳ２９で示されるＩｎＮ光増感層２３の形成プロセス後に、ＩｎＧａＮの成長を行う（ステップＳ２８）。ステップＳ２２同様に、このＩｎＧａＮは、本実施形態のタンデム型太陽電池を構成する、単一セル２０を構成するｎ−ＩｎＧａＮ層２２またはｐ−ＩｎＧａＮ層２４のどちらでもよく、さらに、上述したｉ−ＩｎＧａＮ層であっても構わない。
もし、ＩｎＮ光増感層２３を多層構造とする場合には、ステップＳ２８に引き続き、ステップＳ２９を所望の回数だけ繰り返すことになる。
ステップＳ２８が終了した後に、上述の後工程を経ると、本実施形態のタンデム型太陽電池を構成する、単一セル２０が得られる。【００７０】
本実施形態のタンデム型太陽電池を構成する、単一セル２０の製造方法について、ステップＳ２２およびステップＳ２８では、ＩｎＧａＮの成長を例にとって述べてきたが、これだけに限定されず、例えば、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１）の成長も含まれるものとする。【００７１】
［第２実施形態の変形例］
第２実施形態の変形例として、超薄膜ＩｎＮと窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）とで構成される量子井戸構造が、光増感効果を提供する場合について図７〜図９を参照しながら説明する。【００７２】
図７は、本実施形態の変形例である、単一セル３０の構成例を示すブロック図である。図７において、単一セル３０は、ｎ型窒化インジウムガリウム（ｎ−ＩｎＧａＮ）層３２と、ｎ−ＩｎＧａＮ層３２上に形成される窒化ガリウム（ＧａＮ）層３５と、ＧａＮ層３５上に形成される２分子層以下の超薄膜窒化インジウム（ＩｎＮ）層３３と、ＩｎＮ層３３上に形成される窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）層３６と、ＩｎＧａＮ層３６上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウム（ｐ−ＩｎＧａＮ）層３４と、によって構成される。超薄膜ＩｎＮ層３３とＩｎＧａＮ層３６とは、量子井戸構造として光増感層３７を構成する。光増感層３７以外の構成は、図４に示した構成と同様なので、その説明は割愛する。【００７３】
図８は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。図８において、ＩｎＮ層３３とＩｎＧａＮ層３６とが、量子井戸構造として光増感層３７を構成している様子が示されている。その他の配置は図５と同様なので、その説明は割愛する。光増感層３７の実効バンドギャップエネルギーは、電子および正孔の量子準位Ｅｃ３、Ｅｖ３の差に対応している。【００７４】
本変形例の単一セル３０は、量子井戸構造による光増感層３７を含む構成が特徴となっている。この効果について述べる。
第１の効果として、単一セル３０の吸収端波長の設計自由度を高めることができる。量子井戸での電子および正孔の量子準位Ｅｃ３、Ｅｖ３は、ＩｎＧａＮ層３６のバンドギャップエネルギー、すなわち、ＩｎＧａＮ層３６のＩｎ混晶比によって制御される。これにより、量子準位Ｅｃ３、Ｅｖ３を好適に調整することで、光増感層３７で生成されたキャリアが、効率よくｎ−ＩｎＧａＮ層３２およびｐ−ＩｎＧａＮ層３４へ移動されるために、光増感効果を向上することができる。
第２の効果として、量子井戸である光増感層３７でのキャリア発光再結合確率が低減可能となる。超薄膜ＩｎＮのみの構成では、内部電界の存在があったとしても、キャリアの発光再結合確率が高くなることもある。しかし太陽電池では、キャリア発光再結合は、光電変換効率の損失要因となる。図８に示す量子井戸構造の光増感層３７では、キャリアの発光再結合確率が抑制されるので、光増感効果を向上することができる。【００７５】
［第２実施形態の変形例の製造方法］
続いて、第２実施形態の変形例における単一セル３０の製造方法について、図９を参照して説明する。なお、ここでは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を例にとって説明するが、単一セル３０の結晶成長方法はこれだけに限定されず、その他の周知の半導体製造技術でも同様である。図９は、単一セル３０の製造方法を示すフロ−チャートである。基板処理や下地層形成などの図示しない前工程、および表面層形成、電極形成、微細加工などの図示しない後工程は、周知の半導体製造技術によって行われる。【００７６】
まず、上述した前工程が済んだ試料の表面状態観察を開始する（ステップＳ３１）。次に、ＩｎＧａＮの成長を行う（ステップＳ３２）。その後、光増感層３７の形成プロセスを行う（ステップＳ４０）。ステップＳ４０は、成長温度の設定（ステップＳ３３）と、ＧａＮ成長過程（ステップＳ３４）と、成長表面制御過程（ステップＳ３５）と、インジウム（Ｉｎ）および窒素（Ｎ）原料の供給（ステップＳ３６）と、成長中断（ステップＳ３７）と、ＩｎＧａＮ成長過程（ステップＳ３８）とを、を具備してなる。ステップＳ４０で示される光増感層３７の形成プロセス後に、ＩｎＧａＮの成長を行う（ステップＳ３９）。
もし、光増感層３７を多層構造とする場合には、ステップＳ３９に引き続き、ステップＳ４０を所望の回数だけ繰り返すことになる。
ステップＳ２８が終了した後に、上述の後工程を経ると、本実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成する、単一セル３０が得られる。
図９で示される単一セル３０の製造方法は、図６で示される単一セル２０の製造方法と、ステップＳ３８が追加されている以外は同様である。このため、各工程の詳細な説明は割愛する。【００７７】
［第３実施形態］
第１および第２実施形態では、光増感効果を有する太陽電池（単一セル）の構成について説明した。この太陽電池（単一セル）は、その変形例であるＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮによるｐｎ接合に置き換えることによって、超薄膜ＩｎＮが増感効果を提供しながら、禁制帯幅を６．２ｅＶ〜０．６５ｅＶに対応させることができる。これによって、全太陽光パワーの約８７．５％のスペクトル領域に整合する、タンデム型太陽電池の各セルを構成することができる。本実施形態では、前記単一セルによって構成されたタンデム型太陽電池について、図１０を参照しながら述べる。【００７８】
図１０は、本実施形態に係るタンデム型太陽電池５０の構成例を示すブロック図である。図１０において、タンデム型太陽電池５０は、基板５１と、基板５１の一方の面上に形成される第１セル５２と、基板５１の他方の面上に形成される第２セル５３と、第１セル５２に接触されなる電極５４と、第２セル５３に接触されなる電極５５と、基板５１に接触されなる電極５６と、によって構成される。【００７９】
基板５１は、単なる成長基板としてだけではなく、第１セル５２と第２セルとを電気的かつ光学的に接続可能であることが要求される。基板５１の材料としては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、および窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などの窒化物半導体、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、または炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかで構成される。
第１セル５２または第２セル５３のいずれかは、上述した第１および第２実施形態で示された太陽電池１０、または単一セル２０,３０によって構成される。さらに、第１セル５２および第２セル５３は、異なる禁制帯幅を有し、受光面から光の進入方向に沿って、禁制帯幅が広い方から狭い方に順になるよう構成される。【００８０】
本実施形態では、図１０に示したように、タンデム構造のセル数が２セルのみの構成について述べてきたが、例えば、第１セル５２または第２セル５３が、複数の単一セルからなる多層構造とする構成も可能である。この場合、それぞれの単一セルが異なる禁制帯幅を有し、受光面から光の進入方向に沿って、禁制帯幅が広い方から狭い方に順になるように積層される。この構成によれば、セル数の増加に伴い、太陽光スペクトルとの整合性が向上するため、高出力のタンデム型太陽電池を得ることができる。【００８１】
また、電極５４，５５による２端子構成では、第１セル５２と第２セル５３とは、電気的に直列接続されるので、各セルが同じ起電流を発生する電流保存条件を満足することが要求される。一方、電極５４，５５，５６による３端子構成では、第１セル５２と第２セル５３とは、電極５６によって区切られているので、お互いが独立動作することができる。【００８２】
上述したように、第１セル５２または第２セル５３が、複数の単一セルによって構成される場合では、第１セル５２または第２セル５３内で直列接続される前記複数の単一セル、すなわち、電極５４と電極５６間、または電極５５と電極５６間は、前記電流保存条件を満足する必要がある。ところが、第１セル５２と第２セル５３とは、電極５６によって区切られているので、お互いが独立動作をするので、電流保存条件を満足する必要がない。例えば、タンデム構造型太陽電池を、４タンデム構造とする場合、４セルすべてを直列に接続する必要はなく、それぞれ、第１セル５２を２セル、第２セル５３を２セルで構成すればよい。これによって、タンデム構造型太陽電池を構成するセルが同じ起電流を発生する電流保存条件を緩和することができる【００８３】
次に、本実施形態によるタンデム型太陽電池５０の、光電変更効率について図１１を参照しながら説明する。図１１は、本願発明に係るタンデム型太陽電池における、セル数に対する理論最大変換効率を示すグラフである。入射太陽光は、AM1.5スペクトルであり、“ＡＳＴＭ  Ｇ１７３−０３  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｅｖｉｃｅｄ  ｆｒｏｍ  ＳＭＡＲＴＳ  ｖ．２．９．２”の標準スペクトルを用いた。図１１において、黒丸（●）は、本願発明に係るタンデム型太陽電池での理論最大変換効率である。一方、白丸（○）は、特許文献１に記載のタンデム型太陽電池における理論最大変換効率であり、本願発明の従来技術に対する優位性を明らかにするため、参照データとして記載している。【００８４】
例えば、セル数６段において、従来技術の理論最大変換効率は５１％であるのに対して、本願発明の理論最大変換効率は５６％である。このように、本願発明に係るタンデム型太陽電池での光電変換効率は、従来技術の光電変換効率を上回っている。これは、ＩｎＮ超薄膜の光増感効果によって、光起電圧を低下させることなく、より長波長成分の光を利用できるためである。これより、従来技術からは予想し得なかった本願発明の顕著な優位性が確認できる。
さらに、前記光増感効果は、太陽光の集光時において、よりその有用性が顕著になる。図１１には、本願発明に係るタンデム型太陽電池において、２５０倍集光した場合での理論最大変換効率を黒四角（◆）でプロットしてある。集光することによって、例えば、セル数６段において、理論最大変換効率は５６％から６５％へと大きく向上し、高出力のタンデム型太陽電池を得ることができることがわかる。【００８５】
以上述べた通り、上記実施形態により、タンデム型太陽電池における各セルの吸収端波長の精密な制御を容易とし、かつ高い光電変換効率を有する太陽電池およびその製造方法を提供することが可能である。【００８６】
また、本願発明は、上記実施形態によって限定されるものではなく、発明の意図から逸脱しない範囲での、変形、置換、省略がなされてもよいものとする。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る光電変換装置は、地上用集光型の太陽電池、もしくは人工衛星搭載向け太陽電池として利用が可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１０，２０，３０，５０，１００…太陽電池  １２…ｎ型ＧａＮ層  １３，２３，３３…ＩｎＮ光増感層  １４…ｐ型ＧａＮ層  ２２，３２…ｎ型ＩｎＧａＮ層  ２４，３４…ｐ型ＩｎＧａＮ層  ２５，３５…ＧａＮ層  ３６…ＩｎＧａＮ層  ５１…基板  ５２…第１セル  ５３…第２セル  ５４，５５，５６…電極  １０２…ｎ型半導体層  １０４…ｐ型半導体層  ３７…光増感層
【図１】
0005424502.tif 000002
【図２】
0005424502.tif 000003
【図３】
0005424502.tif 000004
【図４】
0005424502.tif 000005
【図５】
0005424502.tif 000006
【図６】
0005424502.tif 000007
【図７】
0005424502.tif 000008
【図８】
0005424502.tif 000009
【図９】
0005424502.tif 000010
【図１０】
0005424502.tif 000011
【図１１】
0005424502.tif 000012
【図１２】
0005424502.tif 000013