(57)【要約】【課題】シリコンからなる太陽電池セルと、Ａｓを除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようにする。【解決手段】ボトムセルとなる第１太陽電池セル１３１と、トップセルとなる第２太陽電池セル１３２とを少なくとも備え、第２太陽電池セル１３２は、ｐ型ＩｎＧａＰＳｂからなるベース層１０７と、ｎ型ＩｎＧａＰＳｂからなるエミッタ層１０８とを光吸収層として備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型のシリコンからなるｐ型シリコン層およびｎ型のシリコンからなるｎ型シリコン層を備える第１太陽電池セルと、
ＩｎＧａＰＳｂからなる光吸収層を含み、Ａｓ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる化合物半導体層およびＩｎＧａＰからなる接合層から構成された第２太陽電池セルと
を備え、
前記ｎ型シリコン層と前記接合層とが貼り合わされて前記第１太陽電池セルおよび前記第２太陽電池セルが一体とされていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項２】
請求項１記載の多接合太陽電池において、
前記光吸収層は、バンドギャップが１．５５〜１．８ｅＶとなる組成のＩｎＧａＰＳｂから構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の多接合太陽電池において、
前記光吸収層は、ＧａＡｓに対する格子不整合が−０．１〜＋０．１％となる組成のＩｎＧａＰＳｂから構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンから構成された太陽電池セルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された太陽電池セルとを貼り合わせて構成した多接合太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、深刻になるエネルギー不足を解決するために、クリーンで安全な電力源である太陽電池への関心が高まっている。最近では、施設全体での出力が１メガワット以上となる太陽光発電所も検討されており、既存の化石燃料などを用いた発電所に代わる新しい発電所としても期待されている。この太陽電池の出力を増加させる有力な手段の１つは、太陽光から電気への変換効率を増加させることである。
【０００３】
現在、最も普及している太陽電池は、Ｓｉを材料とした１つのｐｎ接合だけを含む単体の太陽電池である。しかしながら、この太陽電池で３０％を超えるような高い変換効率を得ることはできない。これは、Ｓｉのバンドギャップが小さいことに起因している。図９は、地表における太陽光の波長ごとの放射度の分布を示したものである。太陽光のスペクトルは波長０．６μｍ（エネルギーに換算して２．０５ｅＶ）付近を中心に分布している。これに対し、Ｓｉのバンドギャップは、約１．１ｅＶである。
【０００４】
このため、太陽光は、Ｓｉのバンドギャップよりも大きなエネルギーを持っているにも関わらず、Ｓｉ内で太陽光の光吸収により発生したキャリア（電子、正孔）は、結晶内で熱などによりエネルギーが失われ、最終的に、Ｓｉのバンドギャップに相当する電圧しか発生させることができない。このことが、前述のようにＳｉを用いた太陽電池では、高い変換効率を得ることができない大きな要因である。
【０００５】
一方、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることで、３０％を超える高い変換効率の太陽電池を構成する技術がある。この技術では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による光吸収層のバンドギャップが異なるセル構造を２つ以上組み合わせ、タンデム型太陽電池構造とし、太陽光スペクトルのエネルギー分布に応じて多段に光吸収させることで、高い変換効率を得ようとしている。
【０００６】
図１０は、上述したタンデム型太陽電池の一例として２接合太陽電池の基本構造を示した断面図である。この２接合太陽電池では、ボトムセル１００１が、トンネル接合１００２によりトップセル１００３と接合している。太陽光は、反射防止膜１００７から入射し、まずトップセル１００３で光吸収が起こる。次いで、トップセル１００３のバンドギャップよりエネルギーが小さいために吸収されなかった光が、ボトムセル１００１で吸収される。
【０００７】
後述するように、トップセル１００３の光吸収層のバンドギャップ、およびボトムセル１００１の光吸収層のバンドギャップを各々調整することにより、太陽光の持つエネルギーを有効に利用でき、変換効率を高くすることができる。更に、トップセル１００３とボトムセル１００１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトンネル接合１００２により一体とし、これに表面フィンガー電極１００５および裏面電極１００６を設けることで電流を取り出すことができる。なお、表面フィンガー電極１００５は、コンタクト層１００４を介して接続されている。このように、このタンデム型太陽電池の素子化における作製工程は、単体の太陽電池と大差はなく、簡便であるという特徴を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K. Tanabe et al. , "III-V/Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding", Scientic Reports, Vol.2, 349, 2012.
【非特許文献２】S. Kurtz et al. , "Modeling of two-junction series-connected tandem solar cells using top-cell thickness as an adjustable parameter", Jourrnal of Applied Physics, Vol.68,  No.4,pp.1890-1895, 1990.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前述したように、Ｓｉはバンドギャップが小さいために、Ｓｉだけを用いた太陽電池では高い変換効率を得ることはできない。これに対し、前述したようにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、バンドギャップが異なるセルを組み合わせてタンデム構造にすることで高い変換効率が実現されている。
【００１０】
現在までに検討されてきたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた２接合太陽電池の大半は、ボトムセルにＧａＡｓを用いている。３接合以上の多接合太陽電池では、ボトムセルにＧｅを用いることが多いが、この場合もミドルセル用の材料としてはＧａＡｓあるいは少量のＩｎを含むＩｎＧａＡｓが用いられている。このように、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、構成するセルのいずれかにＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓなどのＶ族元素として主にＡｓを含む材料が用いられている。
【００１１】
電力エネルギーのうち太陽電池による比率を高めていく上では、変換効率の向上だけでなく、使用後の太陽電池の廃棄まで含めた環境への影響を考慮する必要がある。しかしながら、前述したようにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた太陽電池では、Ａｓを主なＶ族元素とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられている。
【００１２】
米国政府工業衛生等会議（American Conference on Government Industrial Hygienists；ＡＣＧＩＨ）で勧告されているＡｓの作業環境許容濃度は、時間加重平均（Time Weighted Average；ＴＷＡ）で０．０１ｍｇ／ｍ3であり、取り扱いが容易ではない。現在、実用化されている半導体レーザや電子デバイスでも、Ａｓは元素として含まれるが、これら素子の大きさは数μｍからせいぜい数百μｍ程度までであり、素子自体に含まれるＡｓの量は少ないために問題になる可能性は少ない。
【００１３】
これに対し、太陽電池では、発電量を増やすために、比較的素子面積を小さくできる集光型のモジュールの場合でも、太陽電池の素子は１ｍｍ×１ｍｍ〜１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の面積が必要となる。このために、上述したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた太陽電池には、半導体レーザや電子デバイスなどとは比較できない量のＡｓが含まれることになる。
【００１４】
太陽電池の廃棄まで含めた環境への影響を考慮すると、太陽電池に含まれる元素も、取り扱いの容易な毒性の弱い元素から構成されることが望ましい。しかしながら、現在までにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、構成するセルのいずれかにＡｓを主なＶ族元素とする材料が用いられてきた。
【００１５】
２接合太陽電池において、トップセル、ボトムセルのいずれにもＡｓを含まない材料を吸収層とする層構成としては、ボトムセルにＳｉセルを、トップセルにＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＩｎＡｌＰなどのＡｓを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる方法が考えられる。従来、ＳｉとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を組み合わせた半導体デバイスの実現は容易ではなかったが、近年の半導体プロセス技術の進展により、ＳｉとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とを金属や誘電体などを介さず、直接接合させ、更に通電させることも可能になってきている。
【００１６】
この直接接合技術は、「Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ」や「Ｗａｆｅｒ  Ｆｕｓｉｏｎ」などとも呼ばれるものであり、Ｓｉと様々なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とを直接接合することができる。直接接合の手法としては、まず、ウェハの貼り合わせ表面にヒドロキシル基（−ＯＨで表され、水酸基とも呼ばれる）を付着させ、これを介して２つのウェハを吸着させた後に熱アニールして接着させる方法がある。また、Ａｒのプラズマによりそれぞれのウェハの貼り合わせ表面を活性化させた後、真空中でウェハ同士を接着させる方法など、様々な直接接合の方法が検討されている。このＳｉとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体との直接接合技術は、太陽電池の作製にも応用されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【００１７】
上述した直接接合技術を用い、ＳｉボトムセルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトップセルからなる２接合太陽電池の作製方法について、図１１Ａ〜図１１Ｄを用いて説明する。まず、図１１Ａに示すように、ボトムセルとなるＳｉ太陽電池セル１１０１を作製する。次に、図１１Ｂに示すように、トップセルとなる、ＧａＡｓ基板１１０２上に結晶成長させたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池セル１１０３を作製する。
【００１８】
次に、図１１Ｃに示すように、Ｓｉ太陽電池セル１１０１と太陽電池セル１１０３とを直接貼り合わせて接着させる。次に、貼り合わせたＳｉ太陽電池セル１１０１と太陽電池セル１１０３との間での通電を可能にするため、必要に応じて熱アニールなどの処理を行う。次に、図１１Ｄに示すように、選択エッチング等を用い、ＧａＡｓ基板１１０２を太陽電池セル１１０３より分離（除去）する。最後に、一体とした２接合太陽電池に電極や反射防止膜などを形成する。
【００１９】
この２接合太陽電池では、ボトムセルに合わせてトップセルのバンドギャップを調整することにより、高い変換効率を得ることができる。このようなトップセルとボトムセルのバンドギャップの組み合わせによる変換効率の変化は、計算により見積もることができる（例えば、非特許文献２を参照）。図１２は、計算により２接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップの組み合わせによる変換効率の変化を示した特性図である。入射光としては、エアマス１．５ダイレクト（ＡＭ−１．５Ｄｉｒｅｃｔ、入射光強度７６８Ｗ／ｍ2）を５００倍に集光した場合を想定している。
【００２０】
前述したようにＳｉのバンドギャップは約１．１ｅＶであり、図１２ではこれを破線で示している。図１２に示すように、Ｓｉをボトムセルに用いた場合に変換効率を最大にできるトップセルのバンドギャップは、１．６５ｅＶ付近であることが分かる。具体的には、トップセルのバンドギャップを１．３ｅＶから１．８ｅＶの範囲に設定すれば、５００倍の集光倍率時において３３％以上の高い変換効率が期待できる。
【００２１】
実際の太陽電池の変換効率は、太陽光のスペクトル分布のほかにも、セルの吸収係数と膜厚、キャリア（電子と正孔）の移動度・ライフタイム・有効質量などの物性パラメータにより大きく変化する。更に、様々な損失要因も考慮する必要がある。従って、変換効率の絶対値を厳密に議論することは難しい。しかし、高い変換効率が得られるトップセルのバンドギャップの範囲は、物性パラメータが変わっても大きく変化することはないため、高い変換効率が期待できるバンドギャップの範囲は上述のように１．３ｅＶから１．８ｅＶである。
【００２２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるトップセルは、ＧａＡｓ基板という高品質の基板を用いてこれに格子整合させることができ、更にＡｓを含まない材料としては、前述のようにＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＩｎＡｌＰが考えられる。これらの材料のなかでバンドギャップが最も小さい材料はＩｎＧａＰであり、ＧａＡｓに格子整合させた条件下でのバンドギャップは約１．９ｅＶである。
【００２３】
一方、前述したようにＳｉをボトムセルとした２接合太陽電池において変換効率を高くするためには、トップセルのバンドギャップが１．３ｅＶから１．８ｅＶの範囲内にあることが望ましい。このため、Ｓｉをボトムセルとした２接合太陽電池においては、ＩｎＧａＰをトップセルの光吸収層に用いても高い変換効率を得ることは難しい。
【００２４】
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、シリコンからなる太陽電池セルと、Ａｓを除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られ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】
【００２５】
本発明に係る多接合太陽電池は、ｐ型のシリコンからなるｐ型シリコン層およびｎ型のシリコンからなるｎ型シリコン層を備える第１太陽電池セルと、ＩｎＧａＰＳｂからなる光吸収層を含み、Ａｓ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる化合物半導体層およびＩｎＧａＰからなる接合層から構成された第２太陽電池セルとを備え、ｎ型シリコン層と接合層とが貼り合わされて第１太陽電池セルおよび第２太陽電池セルが一体とされている。
【００２６】
上記多接合太陽電池において、光吸収層は、バンドギャップが１．５５〜１．８ｅＶとなる組成のＩｎＧａＰＳｂから構成されていればよい。また、光吸収層は、ＧａＡｓに対する格子不整合が−０．１〜＋０．１％となる組成のＩｎＧａＰＳｂから構成されていればよい。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したことにより、本発明によれば、シリコンからなる太陽電池セルと、Ａｓを除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られ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】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における多接合太陽電池の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ＩｎＧａＰＳｂについて、ＩＩＩ族組成とＶ族組成によるバンドギャップの等高線を計算により求めた結果を示す特性図である。
【図３】図３は、図２で示したＩｎＧａＰＳｂについて、ＧａＡｓに格子整合する組成だけを抜き出し、バンドギャップのＳｂ組成による変化を示した特性図である。
【図４】図４は、ＩｎＧａＰＳｂ層のバンドギャップの調査に用いた試料素子の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、図４を用いて説明した試料素子のＸ線回折パターンを示す特性図である。
【図６】図６は、図４を用いて説明した試料素子におけるＩｎＧａＰＳｂ層４０３のホトルミネセンススペクトルを示す特性図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２による多接合太陽電池におけるトップセルの層構造を模式的に示した断面図である。
【図８】図８は、ｐ−Ｓｉ基板にＰをイオン注入してｎ型エミッタ層を形成することで作製したＳｉボトムセルに直接接合させるためのトップセルの層構造を示す断面図である。
【図９】図９は、地表における太陽光の波長ごとの放射度の分布を示した分布図である。
【図１０】図１０は、タンデム型太陽電池の一例として２接合太陽電池の基本構造を示した断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、ＳｉボトムセルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトップセルからなる２接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、ＳｉボトムセルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトップセルからなる２接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、ＳｉボトムセルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトップセルからなる２接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、ＳｉボトムセルとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたトップセルからなる２接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、計算により求めた２接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップによる変換効率の変化を示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における多接合太陽電池の構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。この多接合太陽電池は、ボトムセルとなる第１太陽電池セル１３１と、トップセルとなる第２太陽電池セル１３２とを少なくとも備える。
【００３１】
第１太陽電池セル１３１は、ｐ型のＳｉ基板１０１およびＳｉ基板１０１の上に形成されたｎ型Ｓｉからなるエミッタ層１０２を備えている。各層は、所定の不純物をイオン注入などにより導入することで、各々の導電性が得られている。
【００３２】
第２太陽電池セル１３２は、ｐ型ＩｎＧａＰＳｂからなるベース層１０７と、ｎ型ＩｎＧａＰＳｂからなるエミッタ層１０８とを光吸収層として備える。また、ベース層１０７の第１太陽電池セル１３１の側（下側）には、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ（Back Surface Field）層１０６が形成されている。更に、ＢＳＦ層１０６の下側には、高濃度にｐ型の不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｐ+−ＩｎＧａＰ層１０５，高濃度にｎ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｎ+−ＩｎＧａＰ層１０４，およびｎ型のＩｎＧａＰからなるｎ−ＩｎＧａＰ層１０３が形成されている。
【００３３】
一方、エミッタ層１０８の上側には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ層１０９、ｎ型ＩｎＡｌＰからなる窓層１１０、およびｎ型ＩｎＧａＰからなるコンタクト層１１１が形成されている。また、コンタクト層１１１には、表面フィンガー電極１１２が接続して形成され、Ｓｉ基板１０１の裏面側には、裏面電極１１３が接続して形成されている。また、表面フィンガー電極１１２が形成されていない窓層１１０の領域には、反射防止膜１１４が形成されている。なお、各ＢＳＦ層は、小数キャリアの拡散を抑制するために用いている。
【００３４】
第１太陽電池セル１３１と第２太陽電池セル１３２とは、エミッタ層１０２とｎ−ＩｎＧａＰ層１０３とを貼り合わせることにより、物理的および電気的に接続されている。更に、ｎ+−ＩｎＧａＰ層１０４とｐ+−ＩｎＧａＰ層１０５から構成されるトンネル接合が設けられており、第１太陽電池セル１３１と第２太陽電池セル１３２とを小さな電気抵抗で直列接続できるようになっている。このため、表面フィンガー電極１１２および裏面電極１１３の２つの電極を設置するだけで、電気を取り出すことができるようになっている。
【００３５】
実施の形態１では、第２太陽電池セル１３２の光吸収層であるエミッタ層１０２およびベース層１０７をＩｎＧａＰＳｂから構成しているところが特徴である。この特徴により、ＧａＡｓ上に形成したＩｎＧａＰ層では実現できない１．５５ｅＶから１．８ｅＶの範囲のバンドギャップを実現したことに特徴がある。バンドギャップが、１．５５ｅＶ〜１．８ｅＶの範囲にあるＩｎＧａＰＳｂを光吸収層とする第２太陽電池セル１３２と、Ｓｉを用いた第１太陽電池セル１３１とを組み合わせて一体とした多接合太陽電池とすることで、高い変換効率を得ることができる。
【００３６】
実施の形態１における多接合太陽電池では、ＩｎＧａＰＳｂが、ＩｎＧａＰではＧａＡｓに格子整合する条件では実現できないバンドギャップを得ることができることが重要となる。このため、ＧａＡｓ上に作製したＩｎＧａＰＳｂのバンドギャップについて以下に説明する。
【００３７】
図２は、ＩｎＧａＰＳｂについて、ＩＩＩ族組成とＶ族組成によるバンドギャップの等高線を計算により求めた結果を示す特性図である。図２では、ＧａＡｓと格子整合する組成をライン１として示してある。この線上で縦軸のＳｂ組成が０となる組成が、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰであり、このバンドギャップは約１．９ｅＶである。しかしながら、図１２を用いて前述したように、Ｓｉボトムセルとの組み合わせで高い変換効率が得られるトップセルのバンドギャップは１．３ｅＶから１．８ｅＶの範囲であり、ＩｎＧａＰではこのバンドギャップは得られない。
【００３８】
一方、ＩｎＧａＰＳｂは、ＧａＡｓと格子整合する組成であるライン１上において、ＩｎＧａＰよりも小さい１．９ｅＶ以下の１．５５ｅＶ〜１．８ｅＶのバンドギャップを得ることができる。更に、後述するように、結晶欠陥の発生が顕著にならない程度の格子不整合があっても太陽電池としては動作するため、この場合は、１．５５ｅＶ以下にもバンドギャップを設定することができる。
【００３９】
図３は、図２で示したＩｎＧａＰＳｂについて、ＧａＡｓに格子整合する組成だけを抜き出し、バンドギャップのＳｂ組成による変化を示した特性図である。なお、この計算では、ＩｎＧａＰＳｂのＩｎ組成は、Ｓｂ組成の変化に伴い、ＧａＡｓとの格子整合条件を満たすように変化させている。図３に示すように、ＩｎＧａＰＳｂのバンドギャップは、Ｓｂ組成を増加させることにより単調に減少していることが分かる。具体的には、ＩｎＧａＰＳｂのＳｂ組成を０から０．３まで増加させることにより、バンドギャップは１．９ｅＶから１．５５ｅＶまで減少させることができる。
【００４０】
なお、図２から分かるように、ＩｎＧａＰＳｂでは、Ｓｂ組成が０．３以上の場合、ＧａＡｓに格子整合させることができない。このために、ＧａＡｓに対して格子整合に近い条件において、ＩｎＧａＰＳｂで実現可能なバンドギャップの下限は１．５５ｅＶである。
【００４１】
以上、説明したようにＳｉを第１太陽電池セル１３１（ボトムセル）とする多接合太陽電池における第２太陽電池セル１３２（トップセル）のベース層１０７，エミッタ層１０８（光吸収層）にＩｎＧａＰＳｂを用いることで、ＩｎＧａＰを用いたトップセルでは得られない高い変換効率の多接合太陽電池を実現することができる。バンドギャップが１．５５〜１．８ｅＶとなる組成のＩｎＧａＰＳｂを用いればよい。
【００４２】
次に、ＩｎＧａＰＳｂの層を作製し、作製したＩｎＧａＰＳｂ層のバンドギャップを調査した結果について説明する。ＩｎＧａＰＳｂ層のエピタキシャル成長は、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料にホスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）を用いた有機金属分子線エピタキシー法により行った。
【００４３】
図４は、ＩｎＧａＰＳｂ層のバンドギャップの調査に用いた試料素子の構成を示す断面図である。この試料素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板４０１上に、層厚が０．３μｍのアンドープのＧａＡｓバッファ層４０２がエピタキシャル成長され、この上に、層厚が０．２μｍのアンドープのＩｎＧａＰＳｂ層４０３がエピタキシャル成長されている。
【００４４】
図５は、上述した試料素子のＸ線回折パターンを示す特性図である。ＩｎＧａＰＳｂ層４０３の回折ピーク位置の角度は、ＧａＡｓの角度とよく一致しており、ＩｎＧａＰＳｂはＧａＡｓとほぼ格子整合していることが分かる。
【００４５】
次に、上述した試料素子のホトルミネセンスを測定することで、ＩｎＧａＰＳｂ層４０３のバンドギャップを調査した。測定は、励起光源として波長５３２ｎｍのレーザを用い、室温（２５℃程度）で行った。図６は、ＩｎＧａＰＳｂ層４０３のホトルミネセンススペクトルを示す特性図である。１．６５ｅＶ付近のエネルギーのピークが、ＩｎＧａＰＳｂ層４０３からの発光によるものである。また、１．４２ｅＶ付近のピークが、ＧａＡｓバッファ層４０２からの発光によるものである。これらの結果は、各々の層のバンドギャップに対応している。
【００４６】
図５および図６に示した結果より、ＩｎＧａＰＳｂはＧａＡｓに格子整合させた状態でも、１．６５ｅＶのバンドギャップが得られることが分かる。また、この場合のＩｎＧａＰＳｂのＳｂ組成は、図３に示した結果を合わせると、０．１８であることが分かる。
【００４７】
上述では、バンドギャップが１．６５ｅＶのＩｎＧａＰＳｂについて示したが、図３に示すように、ＩｎＧａＰＳｂのバンドギャップはＳｂ組成を変えることにより変化させることができる。この組成の制御は、ＩｎＧａＰＳｂの結晶成長時に原料の供給量を調整すれば良い。このため、ＩｎＧａＰＳｂは、ＧａＡｓに対して格子整合する条件付近で、バンドギャップを１．５５ｅＶから１．８ｅＶまで変更することが可能であり、これは当分野において通常の知識を有する者であれば容易に実現可能な事項である。
【００４８】
また、上述した説明では、層厚が０．２μｍのアンドープのＩｎＧａＰＳｂを用いたが、実際の太陽電池に応用する場合、図１に示した構造のようにドーピングしてｐ型とｎ型にする必要がある。ＩｎＧａＰＳｂに対するｐ型ドーピングでは、ＢｅやＺｎなどをドーパントとし、ｎ型ドーピングではＳｉやＳｎなどをドーパントとして用いればよい。ＩｎＧａＰＳｂは、容易にｐ型の層およびｎ型の層を得られることは言うまでもない。
【００４９】
また、層厚に関し、実施の形態１では、ベース層１０７は、層厚０．５〜１．０μｍ程度とし、エミッタ層１０８は、層厚０．０５〜０．１μｍ程度であればよい。これらの層厚の制御は容易であり、ＩｎＧａＰＳｂの層厚は、成長時間を調整することで容易に制御できることは言うまでもない。
【００５０】
また、上述した説明では、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰＳｂについての特性を示したが、太陽電池のエミッタ層とベース層に用いるＩｎＧａＰＳｂの層厚は、この２つの層を合わせても１μｍ程度である。従って、ＧａＡｓに対して厳密に格子整合させる必要はない。具体的には、ＧａＡｓに対する格子不整合が−０．１％〜＋０．１％の範囲であれば、緩和により発生する格子不整合に起因した結晶欠陥を抑制することができ、素子特性の劣化も抑えることが可能である。ＩｎＧａＰＳｂは、ＧａＡｓに対する格子不整合が−０．１％〜＋０．１％の範囲であれば、第２太陽電池セル１３２のエミッタ層１０８，ベース層１０７に適用することができる。
【００５１】
また、上述では、結晶成長方法として有機金属分子線エピタキシーを用いた場合について説明したが、結晶成長方法はこれに限るものではない。適用可能な成長技術は、各化合物半導体層が形成できれば良く、有機金属気相エピタキシー法，ガスソース分子線エピタキシー法，分子線エピタキシー法などの技術であっても良いことは言うまでもない。
【００５２】
また、実施の形態１の多接合太陽電池では、トンネル接合としてｎ+−ＩｎＧａＰ層１０４およびｐ+−ＩｎＧａＰ層１０５を組み合わせた例を示したが、これに限るものではない。例えば、非特許文献１に示されているように、高濃度に不純物をドープしたＳｉと、高濃度に不純物をドープしたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とを直接接合させることにより、トンネル接合を形成しても良い。
【００５３】
また、実施の形態１における多接合太陽電池では、裏面電極１１３の側より、ｐ型Ｓｉ、ｎ型Ｓｉ、ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の順番に積層されているが、これらの積層順番を逆にすることも可能である。
【００５４】
具体的には、ｎ型Ｓｉ基板上にｐ型Ｓｉ層を形成することによりボトムセルを作製し、ＧａＡｓ基板上にｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ｎ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の順番で積層させることによりトップセルを作製し、ｐ型Ｓｉ層とｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを直接貼り合わせることにより多接合太陽電池を作製することも可能である。このように、積層の順番は、当分野において通常の知識を有する者であれば、多くの変形および組み合わせを実現可能である。
【００５５】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、本発明の実施の形態２による多接合太陽電池におけるトップセルの層構造を模式的に示した断面図である。実施の形態２におけるトップセル（第２太陽電池セル）は、ｐ型のＧａＡｓからなる基板７０１上に、層厚０．５μｍのｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層７０２、層厚０．０３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ層７０３を成長させ、引き続き層厚０．７μｍのｐ型ＩｎＧａＰからなるベース層７０４、層厚０．０５μｍのｎ型ＩｎＧａＰからなるエミッタ層７０５を結晶成長することで作製している。
【００５６】
ベース層７０４およびエミッタ層７０５に用いるＩｎＧａＰＳｂのＳｂ組成は、ともに０．１４であり、バンドギャップは１．７０ｅＶである。エミッタ層７０５の上に、引き続き、層厚０．０３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ層７０６、層厚０．２μｍのｐ型ＩｎＡｌＰからなる窓層７０７を成長し、最後にｎ型ＩｎＧａＰからなるコンタクト層７０８を成長する。これらの各層のエピタキシャル成長には、ＩＩＩ族原料にＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｖ族原料にホスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）を用いたガスソース分子線エピタキシー法を用いる。成長温度は、５３０℃である。
【００５７】
また、コンタクト層７０８の一部に金属を蒸着し、熱処理して表面フィンガー電極７０９を形成する。電極のない領域については、ＢＢｒ3を用いたドライエッチングにより、ｎ型ＩｎＧａＰからなるコンタクト層７０８を選択的に除去する。裏面電極７１０は、基板７０１を、裏面より研磨により薄くした後、薄くした基板７０１の裏面に金属を蒸着、熱処理して形成する。最後に、太陽光を入射させる窓層７０７の上に反射防止膜７１１を形成する。
【００５８】
実施の形態２におけるトップセルを用い、エアマス１．５グローバル（ＡＭ−１．５Ｇｌｏｂａｌ、入射光強度１０００Ｗ／ｍ2）、非集光の条件下で電流電圧特性を測定する。このトップセルの場合、解放電圧は１．２５Ｖ、短絡電流密度は１３．０ｍＡ／ｃｍ2、フィルファクターは０．８３であり、変換効率は１３．５％である。一方、比較用に作製した太陽電池セルでは、解放電圧は１．４０Ｖ、短絡電流密度は１１．０ｍＡ／ｃｍ2、フィルファクターは０．８４であり、変換効率は１２．９％となる。比較用の太陽電池セルは、ベース層、エミッタ層の層厚は同じにし、ＩｎＧａＰＳｂの代わりにＩｎＧａＰ（バンドギャップ：１．９１ｅＶ）を用いて作製した。
【００５９】
ＩｎＧａＰよりもＩｎＧａＰＳｂを用いた方が変換効率が高いのは、ＩｎＧａＰＳｂはＩｎＧａＰよりもバンドギャップが小さく、ＩｎＧａＰでは吸収できないエネルギーの小さい太陽光も吸収でき、短絡電流密度を大きくできるためである。なお、太陽電池の短絡電流密度は、ベース層、エミッタ層の層厚を増減させることにより調整できる。このため、ベース層、エミッタ層のＩｎＧａＰＳｂの層厚は、上述した値に限られるものではない。実際に、上述したＩｎＧａＰＳｂを含むトップセルとＳｉボトムセルを組み合わせた多接合太陽電池では、Ｓｉボトムセルと電流整合するようにＩｎＧａＰＳｂの層厚を調整すれば良い。
【００６０】
図７を用いて説明したＩｎＧａＰＳｂを含むトップセルをＳｉボトムセルと直接接合し、多接合太陽電池を作製する場合には、層構成の変更が必要である。図８は、ｐ−Ｓｉ基板にＰをイオン注入してｎ型エミッタ層を形成することで作製したＳｉボトムセルに直接接合させるためのトップセルの層構造を示している。この構造では、Ｓｉボトムセルとの間で電流を通すため、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ層８０７の上に、高濃度にｐ型不純物をドープしたｐ+−ＩｎＧａＰ層８０８と、高濃度にｎ型不純物をドープしたｎ+−ＩｎＧａＰ層８０９から構成されるトンネル接合が形成してある。
【００６１】
なお、ｐ型のＧａＡｓからなる基板８０１上には、アンドープＧａＡｓからなるバッファ層８０２が形成され、バッファ層８０２の上には、ｎ型ＩｎＧａＰからなるコンタクト層８０３が形成され、コンタクト層８０３の上には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰからなるＢＳＦ層８０４が積層され、ＢＳＦ層８０４の上には、ｎ型のＩｎＧａＰＳｂからなるエミッタ層８０５が形成され、エミッタ層８０５の上には、ｐ型のＩｎＧａＰＳｂからなるベース層８０６が形成され、ベース層８０６の上に、ＢＳＦ層８０７が形成されている。
【００６２】
また、基板８０１の側から見て、ｎ+−ＩｎＧａＰ層８０９の上に、ボトムセルを構成するｎ型Ｓｉエミッタ層と貼り合わせるためのｎ型ＩｎＧａＰからなる接合層８１０が形成されている。これらの構成としたトップセル形成基板を用い、図１１で示したような作製プロセスを経ることで、多接合太陽電池を作製が可能になる。
【００６３】
以上に説明したように、本発明では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるトップセルを、ＩｎＧａＰＳｂからなる光吸収層を含み、Ａｓ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる化合物半導体層およびＩｎＧａＰからなる接合層から構成したので、シリコンからなる太陽電池セルと、Ａｓを除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようなる。
【００６４】
上述した本発明は、太陽光を効率的に光から電気へと変換し、毒性の少ない取り扱いの容易な太陽電池として好適なものである。これにより、現在、求められる電力エネルギーのうち、太陽電池により発電させる比率を増加させるという社会的な要求に応えることが可能になる。
【００６５】
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、上述では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成する１つの太陽電池セルを、シリコンより構成する太陽電池セルに組み合わせる場合を例に説明したが、これに限るものではない。シリコンより構成する太陽電池セルに、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成する複数の太陽電池セルを組み合わせるようにしてもよいことは、言うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１０１…Ｓｉ基板、１０２…エミッタ層、１０３…ｎ−ＩｎＧａＰ層、１０４…ｎ+−ＩｎＧａＰ層、１０５…ｐ+−ＩｎＧａＰ層、１０６…ＢＳＦ層、１０７…ベース層、１０８…エミッタ層、１０９…ＢＳＦ層、１１０…窓層、１１１…コンタクト層、１１２…表面フィンガー電極、１１３…裏面電極、１１４…反射防止膜、１３１…第１太陽電池セル、１３２…第２太陽電池セル。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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