(57)【要約】【課題】化合物半導体を用いた太陽電池の発電効率が向上できるようにする。【解決手段】基板１０１の上に形成された光吸収層１０２を備える。光吸収層１０２は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成された光吸収層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、
前記光吸収層は、ＡｌxＧａ1-xＡｓから構成され、前記ｘは、０．５以上であ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、
前記光吸収層は、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐから構成され、前記ｚは、０．６５以上であ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、
前記基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、
前記光吸収層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に挟まれて配置されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、
前記光吸収層は、前記第１半導体層および前記第２半導体層から構成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、化合物半導体から構成された太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、典型的な自然エネルギー利用デバイスとして有力視されている。太陽電池が主要なエネルギー供給源として使われるためには、コストの低減および発電効率の向上が不可欠である。コスト低減のためには薄膜化が最も有効な手段であり（非特許文献１，２参照）、これまでのＧａＡｓ、ＧａＩｎＰをはじめとする化合物半導体を用いた太陽電池の開発情況は、このような方向に沿ったものである。
【０００３】
例えば、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰなどの化合物半導体は、光吸収係数が大きく、薄膜でも充分な吸収効率が得られ、高い光電変換効率を持つ太陽電池の製作が可能である。加えて、化合物半導体を用いた太陽電池では、光吸収により生成されたキャリアの再結合による電流の損失を低減することにより、更に効率の上昇とコストの低減が可能である。また、各々バンドギャップの異なる複数の材料からなる太陽電池セルを積層した多接合型とすることにより、太陽電池の効率は、更に向上させることが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A. Shah et al. , "Photovoltaic Technology: The Case for Thin Film Solar Cells", Science, vol.285, pp.692-698, 1999.
【非特許文献２】K. L. Chopra et al. , "Thin-Film Solar Cells: An Overview", Prog. Photovolt: Res. Appl. , vol.12, pp.69-92, 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような光吸収係数が大きな化合物半導体は、生成されたキャリア再結合の速度が速いことから、電流として有効に取り出すことが難しく、光電変換の効率（発電効率）を制限してしまうという問題があった。
【０００６】
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、化合物半導体を用いた太陽電池の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】
【０００７】
本発明に係る太陽電池は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成された光吸収層を備える。例えば、光吸収層は、ＡｌxＧａ1-xＡｓから構成され、ｘは、０．５以上であればよい。また、光吸収層は、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐから構成され、ｚは、０．６５以上であればよい。
【０００８】
上記太陽電池において、基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、光吸収層は、第１半導体層と第２半導体層との間に挟まれて配置されているようにすればよい。また、基板の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を備え、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層から構成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したことにより、本発明によれば、化合物半導体を用いた太陽電池の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】
【００１０】
【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、化合物半導体におけるバンドギャップエネルギーの状態を示すバンド図である。
【図３】図３は、ＡｌxＧａ1-xＡｓのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。
【図４】図４は、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49ＰのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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の上に形成された光吸収層１０２を備える。光吸収層１０２は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成されて基板の上に形成されている。
【００１２】
また、本実施の形態では、基板１０１の上に形成された第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層１０３および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層１０４を備え、光吸収層１０２は、第１半導体層１０３と第２半導体層１０４との間に挟まれて配置されている。例えば、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である。この場合、第２半導体層１０４の側から太陽光が入射する。
【００１３】
また、本実施の形態では、第２半導体層１０４の上に、化合物半導体からなる透明電極層１０５と、透明電極層１０５を覆って形成されたキャップ層１０６とを備える。透明電極層１０５は、光吸収層１０２で吸収される波長の光が透過する化合物半導体から構成する。また、キャップ層１０６は、透明電極層１０５を保護するために用いる。
【００１４】
以下、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から、光吸収層１０２を構成することについて説明する。
【００１５】
前述したように、太陽電池においては、光吸収により生成したキャリアの再結合による電流の損失が問題となる。この問題に対し、いわゆる直接遷移型半導体では、再結合速度の低減は極めて困難である。この理由は、生成されたキャリアの再結合過程は、光吸収によるキャリアの生成の逆過程であり、吸収係数の大きい直接遷移型半導体では、材料の持つ固有の性質として、再結合の速度も速くなるためである。
【００１６】
一方、間接遷移型半導体は、キャリアすなわち電子と正孔が、波数空間で分離されている。このため、再結合の速度は直接遷移型半導体に比べ極めて遅い。従って、間接遷移型半導体は、光吸収により生成したキャリアの伝導層として有利である。本発明では、間接遷移における上述した特性を利用し、直接遷移の状態と組み合わせることにより、電流損失の低下を図る。
【００１７】
このために、本発明では、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を用いる。ここで、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも高い半導体を、一般に間接遷移型の半導体としている。
【００１８】
図２は、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも高い化合物半導体におけるバンドギャップエネルギーの状態を示すバンド図である。図２において、符号２０１は価電子帯、２０２は伝導帯、２０３は直接遷移におけるバンドギャップ（Ｅgd）、２０４は間接遷移におけるバンドギャップ（Ｅgi）、２０５は光励起によりΓ点に生成された正孔、２０６は光励起によりΓ点に生成された電子、２０７はＸ点に緩和した電子、２０８は光吸収による電子・正孔対生成過程、２０９はフォノンの放出による電子の緩和過程である。
【００１９】
光吸収過程の運動量（波数）の保存則から、光吸収による電子・正孔の生成は、主にΓ点の近傍で起こる。伝導帯２０２のエネルギーは、Ｘ点に比べΓ点がわずかに高い。従って、光吸収過程によりΓ点に生成された電子２０６は、フォノンを放出して速やかにＸ点に緩和する。一方、正孔２０５はΓ点に留まることから、Ｘ点に緩和した電子２０７と正孔２０５とは、波数空間で分離される。波数空間で分離された電子２０７・正孔２０５は、運動量（波数）の保存則を満たさないことから、再結合の過程は複雑になり、再結合の速度は大きく低下する。
【００２０】
Γ点とＸ点のエネルギー差を室温における熱エネルギーである２６ｍｅＶより充分に大きい５０ｍｅＶ以上にすれば、Ｘ点に緩和した電子２０７が、熱励起により再びΓ点に戻ることはない。従って、電子２０７はΓ点に再励起されることも、再結合により消失することもなく、Ｘ点に安定して存在する。
【００２１】
以上に説明したことから、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体において、光励起により生成された電子・正孔が再結合することなく電流として取り出されることは明らかであり、再結合電流の低減により、ｐｎ接合型、あるいはｐｉｎ接合型太陽電池の効率が更に上昇することは明白である。
【００２２】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００２３】
［実施例１］
はじめに、実施例１について説明する。実施例１では、ｐ+−ＧａＡｓから基板１０１を構成し、アンドープのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ）から光吸収層１０２を構成し、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓから第１半導体層１０３を構成し、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓから第２半導体層１０４を構成する。また、ｎ−ＡｌＡｓから透明電極層１０５を構成し、ｎ+−ＧａＡｓからキャップ層１０６を構成する。基板１０１が、透明電極層１０５と対となる一方の電極層となる。
【００２４】
ＡｌxＧａ1-xＡｓのバンド端エネルギーは、Ａｌ組成の変化とともに図３に示すように変化する。図３は、ＡｌxＧａ1-xＡｓのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。図３において、（ａ）は価電子帯のエネルギー、（ｂ）は伝導帯のΓ点のエネルギー、（ｃ）は伝導帯のＸ点のエネルギー、（ｄ）は伝導帯のＬ点のエネルギーである。
【００２５】
図３の（ａ）に示すように、価電子帯のエネルギーは、Ａｌ組成ｘの増加とともに低くなる。また、図３の（ｂ）に示すように、Γ点のエネルギーはＡｌ組成の増加とともに高くなるのに対し、（ｃ）に示すようにＸ点のエネルギーはＡｌ組成の増加とともに低くなる。Γ点のエネルギー変化とＸ点のエネルギー変化は、Ａｌ組成４５％付近で交差する。この点を境に、ＡｌxＧａ1-xＡｓは、Γ点に最小値を持つ直接遷移型の半導体から、Ｘ点に最小値を持つ間接遷移型の半導体に移行する。Ａｌ組成ｘを５０％以上にすることにより、Γ点における直接ギャップがＸ点における間接ギャップよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体とすることが可能である。
【００２６】
上述したように、Ａｌ組成５０％以上（ｘが０．５以上）のＡｌxＧａ1-xＡｓから、光吸収層１０２、また、光吸収層１０２を挟む第１半導体層１０３および第２半導体層１０４を構成することにより、出力電圧の低下無しに、生成された正孔および電子を電流として取り出すことが可能である。
【００２７】
ところで、透明電極層１０５は、光吸収層１０２よりバンドギャップが大きくかつ間接遷移型のＡｌＡｓから構成している。これにより透明電極層１０５における光吸収を低減し光吸収電流の減少を抑制することが可能である。なお、ＡｌＡｓは、酸化し易いため、キャップ層１０６を設けている。キャップ層１０６は、極薄く形成することで、この層における光吸収などを抑制することができる。また、透明電極層１０５を上述したような化合物半導体から構成することで、太陽電池を構成する各層を、ほぼ格子整合する化合物半導体混晶から構成することができる。このため、例えば、よく知られた有機金属気相成長装置などを用い、第１半導体層１０３，光吸収層１０２，第２半導体層１０４，透明電極層１０５，キャップ層１０６を連続してエピタキシャル成長させることができ、製造が容易となる。
【００２８】
［実施例２］
次に、実施例２について説明する。実施例２では、ｐ+−ＧａＡｓから基板１０１を構成し、アンドープの（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（ｉ−（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐ）から光吸収層１０２を構成し、ｐ−（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐから第１半導体層１０３を構成し、ｎ−（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐから第２半導体層１０４を構成する。また、ｎ−Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐから透明電極層１０５を構成し、ｎ+−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからキャップ層１０６を構成する。基板１０１が、透明電極層１０５と対となる一方の電極層となる。
【００２９】
（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐのバンド端エネルギーは、Ａｌ組成の変化とともに図４に示すように変化する。図４は、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49ＰのＡｌ組成の変化に対するバンド端のエネルギーの変化を、真空準位を基準としてプロットした特性図である。図４において、（ａ）は価電子帯のエネルギー、（ｂ）は伝導帯のΓ点のエネルギー、（ｃ）は伝導帯のＸ点のエネルギー、（ｄ）は伝導帯のＬ点のエネルギーである。
【００３０】
ここで、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐは、Ａｌ0.52Ｉｎ0.48ＰとＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐとの混晶である（Ａｌ0.52Ｉｎ0.48Ｐ）z（Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ）1-zとして考えることができる。図４では、このｚの変化に対するバンド端のエネルギー変化を、Ａｌの組成の変化に対するバンド端のエネルギー変化を示すものとして近似的に示している。なお、（Ａｌ0.52Ｉｎ0.48Ｐ）z（Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ）1-zは、ＧａＡｓに格子整合する。
【００３１】
図４の（ａ）に示すように、価電子帯のエネルギーは、ｚ（Ａｌ組成）の増加とともに低くなる。また、図４の（ｂ）に示すように、Γ点のエネルギーは、ｚ（Ａｌ組成）の増加とともに高くなるのに対し、（ｃ）に示すように、Ｘ点のエネルギーはｚの増加とともに低くなる。Γ点のエネルギー変化とＸ点のエネルギー変化は、ｚ（Ａｌ組成）が６０％付近で交差する。この点を境に、（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐは、Γ点に最小値を持つ直接遷移型の半導体から、Ｘ点に最小値を持つ間接遷移型の半導体に移行する。ｚ（Ａｌ組成）を６５％以上にすることにより、Γ点における直接ギャップがＸ点における間接ギャップよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を形成することが可能である。
【００３２】
上述したように、ｚを０．６４以上とした（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐから、光吸収層１０２、また、光吸収層１０２を挟む第１半導体層１０３および第２半導体層１０４を構成することにより、出力電圧の低下無しに、生成された正孔および電子を電流として取り出すことが可能である。
【００３３】
ところで、実施例２において、透明電極層１０５は、光吸収層１０２よりバンドギャップが大きくかつ間接遷移型のＡｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐから構成している。これにより透明電極層１０５における光吸収を低減し光吸収電流の減少を抑制することが可能である。なお、ｎ−Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐは、酸化し易いため、キャップ層１０６を設けている。キャップ層１０６は、極薄く形成することで、この層における光吸収などを抑制することができる。
また、透明電極層１０５を上述したような化合物半導体から構成することで、太陽電池を構成する各層を、ほぼ格子整合する化合物半導体混晶から構成することができる。このため、例えば、よく知られた有機金属気相成長装置などを用い、第１半導体層１０３，光吸収層１０２，第２半導体層１０４，透明電極層１０５，キャップ層１０６を連続してエピタキシャル成長させることができ、製造が容易となる。
【００３４】
以上に説明したように、本発明では、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体を用いるようにしたので、化合物半導体を用いた太陽電池の発電効率が向上できるようになる。
【００３５】
前述したように、直接遷移型半導体を光吸収層として有する太陽電池の問題は、再結合による電流損失に起因する変換効率の低下である。大きな吸収係数を得るためには直接遷移型半導体の使用は不可欠であるが、直接遷移と間接遷移におけるバンドギャップエネルギーの関係を上述したように構成し、波数空間で電子と正孔を分離することにより、直接遷移型半導体が有する大きな吸収係数を損なうことなく、再結合の低減を図ることが可能である。電流損失による変換効率の低下の問題を考えるとき、上述した効果は極めて大きい。
【００３６】
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、主にｐｉｎ接合型の太陽電池を例に説明したが、これに限るものではない。第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層によるｐｎ接合型の太陽電池においても同様である。この場合、第１導電型の化合物半導体からなる第１半導体層および第２導電型の化合物半導体からなる第２半導体層を光吸収層とし、これらを直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成すればよい。
【００３７】
また、上述では、透明電極層を化合物半導体から構成したが、これに限るものではなく、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成してもよい。この場合、キャップ層はなくてもよい。また、基板の側から光を入射させる構成とすることも可能である。また、直接遷移のバンドギャップエネルギーが間接遷移のバンドギャップエネルギーよりも５０ｍｅＶ以上高い化合物半導体から構成し、光吸収層のバンドギャップが各々異なる複数の太陽電池セルを積層した多接合型としてもよい。このように構成することで、更に変換効率を上昇させることが可能である。また、上述では、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓＰを用いる例を示したが、Ｓｂが含まれた化合物半導体を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０１…基板、１０２…光吸収層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…透明電極層、１０６…キャップ層。
【図１】
2014183066.tif 000003
【図２】
2014183066.tif 000004
【図３】
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【図４】
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