(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のベース層の表面上に第２導電型のエミッタ層を有するＧａＡｓ太陽電池において、
前記エミッタ層の表面上に積層された第２導電型Ｉｎ1-xＧａxＰ層で形成され、組成比ｘが０．５０‐０．５３の範囲に設定され、前記エミッタ層との格子不整合率が０．３％以内に設定され、エミッタ層表面での再結合を抑制する第１窓層と、
該第１窓層の表面上に積層された第２導電型（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成され、少数キャリアに対するポテンシャル障壁を形成する第２窓層と、
を備えたことを特徴とするＧａＡｓ太陽電池。
【請求項２】
第１導電型のベース層の表面上に第２導電型のエミッタ層を有するＧａＡｓ太陽電池において、
前記エミッタ層の表面上に積層された第２導電型Ｉｎ1-xＧａxＰ層で形成され、エミッタ層表面での再結合を抑制する第１窓層と、
該第１窓層の表面上に積層された第２導電型（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成され、組成比ｙが０．５０‐０．５３の範囲に設定され、前記第１窓層のＩｎＧａＰ層との格子不整合率が０．３％以内に設定され、少数キャリアに対するポテンシャル障壁を形成する第２窓層と、
を備えたことを特徴とするＧａＡｓ太陽電池。
【請求項３】
第１導電型のベース層の表面上に第２導電型のエミッタ層を有するＧａＡｓ太陽電池において、
前記エミッタ層の表面上に積層された第２導電型Ｉｎ1-xＧａxＰ層で形成され、エミッタ層表面での再結合を抑制する第１窓層と、
該第１窓層の表面上に積層された第２導電型（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成され、組成比ｘが０．７‐１．０の範囲に設定され、間接遷移型材料よりなる少数キャリアに対するポテンシャル障壁を形成する第２窓層と、
を備えたことを特徴とするＧａＡｓ太陽電池。
【請求項４】
第１導電型のベース層の表面上に第２導電型のエミッタ層を有するＧａＡｓ太陽電池において、
前記エミッタ層の表面上に積層された第２導電型Ｉｎ1-xＧａxＰ層で形成され、組成比ｘが０．５０‐０．５３の範囲に設定され、記エミッタ層との格子不整合率が０．３％以内に設定され、エミッタ層表面での再結合を抑制する第１窓層と、
該第１窓層の表面上に積層された第２導電型（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成され、組成比ｘが０．７‐１．０の範囲に、組成比ｙが０．５０‐０．５３の範囲にそれぞれ設定され、間接遷移型材料よりなる前記第１窓層のＩｎＧａＰ層との格子不整合率が０．３％以内に設定され、少数キャリアに対するポテンシャル障壁を形成する第２窓層と、
を備えたことを特徴とするＧａＡｓ太陽電池。
【請求項５】
前記第１窓層を形成するＩｎ1-xＧａxＰ層は０．０５μｍ以下の膜厚で形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＧａＡｓ太陽電池。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の太陽電池の上に、トンネル接合を介してＩｎＧａＰ太陽電池を積層したことを特徴とする積層型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＡｓ太陽電池に関し、特にベース層表面上にエミッタ層を備えこのエミッタ層表面上に窓層を有するＧａＡｓ太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池の構成を示す断面図である。ＧａＡｓ太陽電池はｐ型ＧａＡｓ基板３１の表面上にｐ型ＧａＡｓバッファ層３２、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層３３、ｐ型ＧａＡｓベース層３４、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層３５の各層を備える。
【０００３】
この種のＧａＡｓ太陽電池にはｎ型ＧａＡｓエミッタ層３５の表面上に窓層３６が形成される。窓層３６は、太陽光を入射する表面近傍で生成された少数キャリアが表面欠陥等による再結合によって表面で消滅することを抑制できる。窓層３６には、下地層であるｎ型ＧａＡｓエミッタ層３５との格子定数がほぼ等しく、エネルギギャップが大きくＧａＡｓに対してポテンシャル障壁を形成し、可視光を透過する材料が選択される。特に、窓層３６には光吸収係数の小さい間接遷移型の材料が選択されており、具体的にはＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰのいずれかの材料の単層が使用されている。
【０００４】
前記ｐ型ＧａＡｓ基板３１の裏面には裏面電極３９が形成され、窓層３６の一部の表面上にはｎ型ＧａＡｓコンタクト層３７を介して表面電極４０が形成される。さらに、窓層３６の他の一部の表面上には反射防止層３８が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のＧａＡｓ太陽電池の窓層３６を形成する材料のうち、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐは、エネルギギャップが２．３５ｅＶで最も大きく、大きなポテンシャル障壁を形成できる点で有利である。しかしながら、ＡｌＩｎＰはＡｌＧａＡｓと同様に組成元素にＡｌを含むためにエピタキシャル成長時に酸素の影響を受け、窓層３６とｎ型ＧａＡｓエミッタ層３５との界面において再結合中心が多発する。このため、再結合損失が大きくなるという問題があった。一方、ＩｎＧａＰは組成元素にＡｌを含まないので、再結合中心が少ない高品質の界面が得られやすい。しかしながら、ＩｎＧａＰは光吸収率が高いという問題があった。
【０００６】
このように、従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池においては、窓層３６としていずれの材料を選択しても充分な量子効率が期待でず、また充分な変換効率が期待できなかった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は量子効率を向上し、さらに変換効率を向上できるＧａＡｓ太陽電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、第１導電型のベース層の表面上に第２導電型のエミッタ層を有するＧａＡｓ太陽電池において、前記エミッタ層の表面上に積層されたＩｎ1-xＧａxＰ層で形成され、接合界面での再結合を抑制する第１窓層と、この第１窓層の表面上に積層された（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成され、少数キャリアに対するポテンシャル障壁を形成する第２窓層と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成されるＧａＡｓ太陽電池においては、組成元素にＡｌを含まないため再結合中心の発生が減少できるＩｎＧａＰ層を第１窓層としてエミッタ層（ＧａＡｓ）の表面上に形成したので、エミッタ層と第１窓層との間の界面における再結合損失が減少できる。そして、この再結合損失が減少された状態において、第２窓層にエネルギギャップが大きくポテンシャル障壁が高いＡｌＧａＩｎＰ層が使用されるので、第２窓層で少数キャリアを跳ね返すことができる。従って、表面近傍における少数キャリアの収集効率が向上できるので、ＧａＡｓ太陽電池の量子効率が向上でき、変換効率が向上できる。
【００１０】
さらに、この発明のＧａＡｓ太陽電池は、前記第１窓層を形成するＩｎ1-xＧａxＰ層の組成比ｘを０．５０−０．５３の範囲に設定し、前記第２窓層を形成する（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層の組成比ｘを０．７−１．０の範囲に、組成比ｙを０．５０−０．５３の範囲にそれぞれ設定することを特徴とする。
【００１１】
このように構成されるＧａＡｓ太陽電池において、第１窓層のＩｎ1-xＧａxＰ層の組成比ｘが０．５０−０．５３の範囲に設定されることにより、第１窓層のＩｎＧａＰ層の格子定数がエミッタ層のＧａＡｓの格子定数に近似でき、格子不整合率が０．３％以内に設定できる。この結果、格子欠陥や格子歪みの発生が減少でき、再結合中心の発生が減少できるので、再結合損失がより一層減少できる。同様に、第２窓層の（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層の組成比ｙが０．５０−０．５３の範囲に設定されることにより、第２窓層のＡｌＧａＩｎＰ層の格子定数が第１窓層のＩｎＧａＰ層の格子定数に近似できるので、再結合損失が減少できる。そして、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層の組成比ｘが０．７以上に設定されることにより、ＡｌＧａＩｎＰは間接遷移型の材料になり、第２窓層における光吸収量が減少できる。第２窓層で発生した少数キャリアは通常ｐｎ接合まで到達せずに消滅してしまうので、第２窓層での光吸収量は小さい方が好ましい。
【００１２】
さらに、この発明のＧａＡｓ太陽電池は、第１窓層を形成するＩｎ1-xＧａxＰ層を０．０５μｍ以下の膜厚で形成することを特徴とする。
【００１３】
このように構成されるＧａＡｓ太陽電池においては、第１窓層における光吸収量が小さい直接遷移型の材料であるＩｎＧａＰ層が実現できる。第１窓層の膜厚は薄ければ薄いほど光吸収量を小さくなる。さらに、ＩｎＧａＰ層が０．０５μｍ以下の薄膜で形成されるので、安定した膜厚制御が行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＧａＡｓ太陽電池の構造を示す断面図である。ＧａＡｓ太陽電池は、ｐ型ＧａＡｓ基板１、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層（裏面電界層）３、ｐ型ＧａＡｓベース層４及びｎ型ＧａＡｓエミッタ層５を備え、さらに第１窓層６及び第２窓層７を備える。これらのｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層３、ｐ型ＧａＡｓベース層４、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層５、第１窓層６、第２窓層７の各層はｐ型ＧａＡｓ基板１の表面上に順次積層される。ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面には裏面電極１０が形成され、第２窓層７の一部分の表面上にはｎ型ＧａＡｓコンタクト層８を介して表面電極１１が形成される。さらに、第２窓層７の他の一部分の表面上には反射防止層９が形成される。
【００１５】
前記第１窓層６はｎ型ＧａＡｓエミッタ層５の表面上に直接積層されたＩｎ1-xＧａxＰ層で形成される。Ｉｎ1-xＧａxＰ層は、組成元素にＡｌを含まないのでｎ型ＧａＡｓエミッタ層５との界面において再結合中心を生成しにくく、再結合中心が少ない高品質な界面を形成できる。Ｉｎ1-xＧａxＰ層の組成比ｘは０．５０−０．５３の範囲に設定され、ＩｎＧａＰ層の格子定数がｎ型ＧａＡｓエミッタ層５の格子定数に近似でき、格子不整合率が０．３％以内に設定できる。組成比ｘが０．５０未満に設定されると、ＩｎＧａＰ層の格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも小さくなり、ＩｎＧａＰ層の格子が伸びるので、格子欠陥や歪みが発生しやすくなる。逆に、組成比ｘが０．５３を超える場合には、ＩｎＧａＰ層の格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも大きくなり、ＩｎＧａＰ層の格子が縮むので、同様に格子欠陥や歪みが発生しやすくなる。
【００１６】
前記第２窓層７は第１窓層６の表面上に形成された（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層で形成される。（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層はエネルギギャップが２．３５ｅＶ（ｘ＝１の場合）と大きいので、高いポテンシャル障壁が得られ、少数キャリアを跳ね返すことができる。（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ層の組成比ｘは０．７−１．０の範囲に設定され、組成比ｙは０．５０−０．５３の範囲に設定される。０．５０−０．５３の範囲に組成比ｙが設定されることによって、第１窓層６と同様にＡｌＧａＩｎＰの格子定数が第１窓層６のＩｎＧａＰ層の格子定数に近似でき、格子不整合率が０．３％以内に設定でき、再結合損失が減少できる。さらに、ＡｌＧａＩｎＰ層の組成比ｘが０．７以上に設定されることによって、ＡｌＧａＩｎＰは間接遷移型の材料になり、第２窓層７における光吸収量が減少できる。
【００１７】
次に、図１を参照してＧａＡｓ太陽電池の製造プロセスを説明する。
【００１８】
（１）まず、１×１０19atoms/cm3の濃度でＺｎがドーピングされたｐ型ＧａＡｓ基板１を準備する。
【００１９】
（２）前記ｐ型ＧａＡｓ基板１の表面上に、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＩｎＧａＰ―ＢＳＦ層３、ｐ型ＧａＡｓベース層４、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層５、第１窓層６、第２窓層７の各層を順次積層する。これらの各層は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により約７００℃の成長温度で連続的に成膜され、各層の格子定数はｐ型ＧａＡｓ基板１の格子定数に対してほぼ等しくなるように形成される。ｐ型ＧａＡｓバッファ層２の膜厚は０．５μｍ、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層３の膜厚は０.１μｍ、ｐ型ＧａＡｓベース層の膜厚は３μｍ、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層５の膜厚は０.１μｍでそれぞれ形成される。第１窓層６の膜厚は０.０１‐０.０５μｍの範囲で形成され、好ましくは０．０１μｍの膜厚で生成される。第１窓層６であるＩｎＧａＰ層は、膜厚が薄ければ薄いほど直接遷移型の材料になり、光吸収量が小さくなる。第２窓層７の膜厚は０．０３‐０.１μｍの範囲で形成され、好ましくは０．０３μｍの膜厚で形成される。
【００２０】
（３）前記第２窓層７の表面上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層８を形成する。ｎ型ＧａＡｓコンタクト層８はＭＯＣＶＤ法により成膜される。
【００２１】
（４）前記ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面にｐ型の裏面電極１０を形成する。裏面電極１０はＡｕメッキにより形成される。
【００２２】
（５）リフトオフ技術に従い、まず前記ｎ型ＧａＡｓコンタクト層８の表面上の一部分が開口されたマスクを形成する。このマスクの開口を通して露出するｎ型ＧａＡｓコンタクト層８の表面上の一部分、マスク上にそれぞれＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層を蒸着し、約３５０℃で数秒間の熱処理を行う。引き続き、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層の表面上にＡｕメッキを施し、ｎ型の表面電極１１を形成する。前記マスク及びマスク上の不要なｎ型の表面電極１１は選択的に除去される。
【００２３】
（６）ｎ型の表面電極１１をマスクとしてｎ型の表面電極１１以外の領域に露出するｎ型ＧａＡｓコンタクト層８をエッチングにより除去する。エッチングにはＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ：Ｈ2Ｏ2溶液が使用される。
【００２４】
（７）そして、前記エッチングにより露出された第２窓層７の表面上に反射防止層９が形成される。反射防止層９はＺｎＳ／ＭｇＦ2で形成される。これら一連の工程を施すことにより、ＧａＡｓ太陽電池が完成する。
【００２５】
図２は従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性図である。いずれも従来技術に係る単層のＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ層を窓層とするＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性と、単層のＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を窓層とするＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性とを比較すると、ＡｌＩｎＰ層を窓層とするＧａＡｓ太陽電池の方が短波長領域で量子効率が優れている。
【００２６】
図３は従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池、本実施の形態に係るＧａＡｓ太陽電池のそれぞれの分光感度特性図である。従来技術に係る単層で０．０３μｍの膜厚を有するＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を窓層とするＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性と、本実施の形態に係る０．０１μｍの膜厚を有するＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（第１窓層６）及び０．０３μｍの膜厚を有するＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（第２窓層７）の２層構造で窓層が形成されるＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性とを比較すると、明らかに２層構造の窓層を有するＧａＡｓ太陽電池の方が短波長領域で量子効率が優れている。
【００２７】
なお、量子効率以外の特性であるＧａＡｓ太陽電池の開放特性、曲線因子はそれぞれのＧａＡｓ太陽電池において大差がないことが確認されており、本発明によって、当然、変換効率が向上できる。
【００２８】
次に、本発明をＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池に適用した場合について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池のボトムセル構造を示す断面図である。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池は、ｐ型ＧａＡｓ基板１２、ｐ型ＧａＡｓバッファ層１３、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層１４、ｐ型ＧａＡｓベース層１５、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層１６、ｎ型ＩｎＧａＰ層で形成された第１窓層１７、ｎ型ＡｌＩｎＰ層で形成された第２窓層１８、ｎ／ｐ型ＩｎＧａＰトンネル接合層１９、ｐ型ＡｌＩｎＰ−ＢＳＦ層２０、ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層２１、ｐ型ＩｎＧａＰベース層２２、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２３、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２４を備える。これらｐ型ＧａＡｓバッファ層１３からｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２４までの各層はｐ型ＧａＡｓ基板１２の表面上に順次積層される。ｐ型ＧａＡｓ基板１２の裏面には裏面電極２７が形成され、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２４の一部分の表面上にはｎ型ＧａＡｓコンタクト層２５を介して表面電極２８が形成される。さらに、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２４の他の一部分の表面上には反射防止層２６が形成される。
【００２９】
本実施の形態係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池において第１窓層１７、第２窓層１８の基本的特性はそれぞれ前述の第１の実施の形態に係るＧａＡｓ太陽電池の第１窓層６、第２窓層７と同等であるので、ここでの説明は省略する。また、基本的な製造プロセスも同等であるので、ここでの説明は省略する。
【００３０】
図５は従来技術に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池、本実施の形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池のそれぞれの分光感度特性図である。従来技術に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池は、第１窓層１７に相当するｎ型ＩｎＧａＰ層がなく、第２窓層１８に相当するｎ型ＡｌＩｎＰ層の単層が形成される。従来技術に係る単層のｎ型ＡｌＩｎＰ層を窓層とするＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池の分光感度特性と、本実施の形態に係るｎ型ＩｎＧａＰ層（第１窓層１７）及びｎ型ＡｌＩｎＰ層（第２窓層１８）の２層構造で窓層が形成されるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池の分光感度特性とを比較すると、２層構造の窓層を有するＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池の方が短波長領域で量子効率が優れている。従って、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池の変換効率も向上できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、量子効率を向上しつつさらに変換効率が向上できるＧａＡｓ太陽電池を提供できる。さらに、本発明は、同様に量子効率を向上しつつさらに変換効率が向上できるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＧａＡｓ太陽電池の構造を示す断面図である。
【図２】従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性図である。
【図３】従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池、本実施の形態に係るＧａＡｓ太陽電池のそれぞれの分光感度特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池のボトムセル構造を示す断面図である。
【図５】従来技術に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池、本実施の形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ積層型太陽電池ＧａＡｓのそれぞれの分光感度特性図である。
【図６】従来技術に係るＧａＡｓ太陽電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１２  ｐ型ＧａＡｓ基板
２、１３  ｐ型ＧａＡｓバッファ層
３、１４、２１  ｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層
４、１５  ｐ型ＧａＡｓベース層
５、１６  ｎ型ＧａＡｓエミッタ層
６、１７  第１窓層
７、１８  第２窓層
８、２５  ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
９、２６  反射防止層
１０、２７  裏面電極
１１、２８  表面電極
１９  ｎ／ｐ型ＩｎＧａＰトンネル接合層
２０  ｐ型ＡｌＩｎＰ−ＢＳＦ層
２２  ｐ型ＩｎＧａＰベース層
２３  ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層
２４  ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層
【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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