(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に窒化物半導体からなる第１導電型の第１電極層を形成する第１工程と、
ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層およびＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる障壁層によるＭＱＷ構造の光吸収層を前記第１電極層の上に形成する第２工程と、
前記光吸収層の上に窒化物半導体からなる第２導電型の第２電極層を形成する第３工程と
を備え、
前記第２工程では、前記井戸層の層数が、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚［ｎｍ］）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚［ｎｍ］）より少ない範囲となる状態に、前記井戸層の層数と前記井戸層の層厚との関係を設定して前記光吸収層を形成する
ことを特徴とする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、ＩｎＧａＮからなる井戸層およびＧａＮからなる障壁層によるＭＱＷ構造の光吸収層を備える太陽電池の製造方法に関する。
【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エネルギーギャップを有する材料を得ることができる。このバンドギャップ範囲は、可視光の領域を完全に含んでいる。こうした特徴を生かし、窒化物半導体は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などに応用され、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。
【０００３】
また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトルをほぼ網羅しているため、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。例えば、単結晶シリコン系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルとのタンデム化により、３１％の発電効率が見込めるとの予測がされている（非特許文献１参照）。また、この予測では、単結晶シリコン系太陽電池セルに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のエネルギーギャップを適切に選ぶことで、３５％の発電効率が見込めるとされている。
【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の存在が挙げられる。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。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】
こうした異種基板を用いることによる貫通転位の発生を回避するために、ＧａＮ基板を用いることが、有力な手段の一つである。さらに、ＩｎＧａＮの単層で形成するのではなく、ＧａＮとＩｎＧａＮの薄膜を交互に積層した、多重量子井戸（multi quantum well：ＭＱＷ）構造から光吸収層を構成することが、ＧａＮとＩｎＧａＮとの格子不整合に起因するミスフィット転位の発生を抑制し、太陽電池特性の改善を図るために広く用いられている（非特許文献４，５参照）。
【０００８】
ところで、太陽電池において得られる電流の最大値（短絡電流）を増やすためには、第１に、光吸収層で吸収する光子数を増やす（生成するキャリアを増大させる効果）ことが要求される。また、第２に、生成したキャリアのうち、電極層へ到達するキャリア数を増やすことが要求される。ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ構造を有する太陽電池においては、上述した第１の要求を実現するには、光子を吸収する井戸層の総量を増やす（井戸層の層厚を厚くする、もしくは、井戸層数を増やす）ことにより達成できる。
【０００９】
しかしながら、太陽光を吸収して生成したキャリアは、光吸収層内を電極層へ向かって移動している間に、種々の再結合過程を介して一部が消滅し、電極層まで達するものは一部に過ぎない。このため、電極層まで移動しなければならない距離（すなわち、光吸収層の層厚）が大きいほど、再結合によって消滅するキャリアが増え、結果として電極層へ到達できるキャリア数が減少することになる。従って、第２の要求を実現するには、光吸収層を薄くした方がよいことになる。このように、第１の要求と第２の要求とは、トレードオフの関係にあり、ＧａＮ系ＭＱＷ構造において短絡電流を最大化するためにはある最適な井戸層の層数が存在することになる。
【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】Y. Kuwahara et al. , "Realization of Nitride-Based Solar Cell on Freestanding GaN Substrate", Applied Physics Express, vol.3, 111001, 2010.
【非特許文献５】Y. Kuwahara et al. , "GaInN-Based Solar Cells Using Strained-Layer GaInN/GaInN Superlattice Active Layer on a Freestanding GaN Substrate", Applied Physics Express, vol.4, 021001, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のように、ＩｎＧａＮ系太陽電池において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ構造を光吸収層として用いる場合、最適な井戸層の層数が存在する。従来では、最適な井戸層の層数としたＭＱＷ構造の光吸収層による太陽電池を、次のように作製している。
【００１２】
まず、第１ステップで、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ層におけるＩｎＧａＮ層の層厚・Ｉｎ組成およびＧａＮ層の層厚を決定する。
【００１３】
第２ステップで、第１電極層となる半導体層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ太陽電池構造の薄膜積層構造、第２電極となる半導体層の各層を結晶成長する。このとき、井戸層の層数が異なる複数の積層構造を形成する。
【００１４】
第３ステップで、各積層構造を加工し、また、電極などを形成し、ＭＱＷにおける井戸層の層数が異なる複数の太陽電池を作製する。
【００１５】
第４ステップで、作製した太陽電池の各々について、短絡電流などの特性を評価する。
【００１６】
第５ステップで、特性評価の結果、特性が最もよい太陽電池を決定し、採用する。他の太陽電池は破棄する。
【００１７】
上述した方法では、実際に作製した太陽電池を全て用いることにはならず、非常に効率が悪く、実用上に問題がある。
【００１８】
また、市販されているデバイスシミュレータを用いて最適構造をシミュレーションする方法もある。この場合、次のように作製している。
【００１９】
第１ステップで、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ層におけるＩｎＧａＮ層の層厚・Ｉｎ組成およびＧａＮ層の層厚を決定する。
【００２０】
第２ステップで、第１電極層となる半導体層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮによるＭＱＷ太陽電池構造の薄膜積層構造、第２電極となる半導体層の各層を結晶成長する。このとき、仮の井戸層の層数を決定して作製する。
【００２１】
第３ステップで、成長した積層構造を加工し、また、電極などを形成して太陽電池を作製する。
【００２２】
第４ステップで、作製した太陽電池の各々について、短絡電流などの特性を評価する。
【００２３】
第５ステップで、評価結果がシミュレータで再現されるように、物性パラメータを決定する。ここで、物性パラメータの決定が完全にできない場合、異なる井戸層の層数として第２ステップ、第３ステップを再度実施して新たな太陽電池を作製し、この特性を評価し、評価結果がシミュレータで再現されるように、物性パラメータを決定することを繰り返す。
【００２４】
第６ステップで、得られた物性パラメータを用い、太陽電池特性が最良となるように、ＭＱＷ構造の光吸収層における井戸層の層数を決定する。
【００２５】
第７ステップで、決定された井戸層の層数とした太陽電池を作製する。
【００２６】
しかしながら、上述したようなシミュレーションを実施するデバイスシミュレータは一般に高価であって簡単に導入できるものではなく、さらに、ある程度精度のよいシミュレーションを行うには正確な物性パラメータ等が必要であり、シミュレーション環境を整えることが困難であった。
【００２７】
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、最良な太陽電池特性が得られる井戸層厚と井戸層の層数の関係としたＭＱＷによる太陽電池がより容易に製造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】
【００２８】
本発明に係る太陽電池の製造方法は、基板の上に窒化物半導体からなる第１導電型の第１電極層を形成する第１工程と、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層およびＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる障壁層によるＭＱＷ構造の光吸収層を第１電極層の上に形成する第２工程と、光吸収層の上に窒化物半導体からなる第２導電型の第２電極層を形成する第３工程とを備え、第２工程では、井戸層の層数が、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚［ｎｍ］）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚［ｎｍ］）より少ない範囲となる状態に、井戸層の層数と井戸層の層厚との関係を設定して光吸収層を形成する。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したことにより、本発明によれば、最良な太陽電池特性が得られる井戸層厚と井戸層の層数の関係としたＭＱＷによる太陽電池がより容易に製造できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における太陽電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の実施の形態において作製される太陽電池の構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、井戸層厚と障壁層厚の異なる３種類のＭＱＷ太陽電池に対する短絡電流の井戸層の層数依存性を示す特性図である。
【図４】図４は、短絡電流が最大値ＩSC_maxとなる井戸層の層数（黒三角）と、電流値がＩSC_maxの９５％以内となる上限の井戸層の層数（黒丸）、および下限の井戸層の層数（黒四角）を見積もり、井戸厚に対してプロットした標準直線によるグラフである。
【図５】図５は、井戸層厚の３乗および障壁層厚の１／２乗に対する特性長の関係を示す特性図である。
【図６】図６は、短絡電流が最大値ＩSC_maxとなる井戸層の層数（黒三角）と、電流値がＩSC_maxの９５％以内となる上限の井戸層の層数（黒丸）、および下限の井戸層の層数（黒四角）を見積もり、井戸厚に対してプロットした標準直線によるグラフである。
【図７】図７は、短絡電流が最大値ＩSC_maxとなる井戸層の層数（黒三角）と、電流値がＩSC_maxの９５％以内となる上限の井戸層の層数（黒丸）、および下限の井戸層の層数（黒四角）を見積もり、井戸厚に対してプロットした標準直線によるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００３２】
まず、ステップＳ１０１で、ＭＱＷ構造の光吸収層を構成するＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層およびＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる障壁層の厚さおよび組成などを決定する。例えば、井戸層はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎとし、障壁層は、ＧａＮとする。また、井戸層は、層厚２ｎｍとし、障壁層は、層厚８ｎｍとする。ここで、井戸層および障壁層の層厚は、量子効果が発現される範囲とすることが重要となる。また、井戸層と障壁層とは、ヘテロ接合となり、井戸層の形成においては、格子不整合による歪が緩和しない範囲の層厚とすることが重要となる。
【００３３】
次に、ステップＳ１０２で、決定した井戸層の層厚より、井戸層の層数を、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より少ない範囲のいずれかの数（自然数）に決定する。例えば、使用する製造装置による積層数の制限や、製造時間の短縮などを考慮して、上記範囲内で適宜に井戸層の層数を決定する。なお、先に井戸層の層厚を決定し、これに対して井戸層の層数を決定することに限らず、井戸層の層数が、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より少ない範囲となる状態に、井戸層の層数と井戸層の層厚との関係を設定すればよい。例えば、井戸層の層数を決定し、これに対して井戸層の層厚を決定するようにしてもよい。
【００３４】
次に、ステップＳ１０３で、基板の上に窒化物半導体からなる第１導電型の第１電極層を形成する（第１工程）。次いで、ステップＳ１０４で、決定した井戸層の層数により、井戸層および障壁層によるＭＱＷ構造の光吸収層を第１電極層の上に形成する（第２工程）。次いで、ステップＳ１０５で、光吸収層の上に窒化物半導体からなる第２導電型の第２電極層を形成する（第３工程）。第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であればよい。また、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。
【００３５】
次に、ステップＳ１０６で、第１電極層，光吸収層，第２電極層の積層構造を所望とする素子形状に加工し、また、電極などを形成し、太陽電池を作製する。作製される太陽電池について簡単に図２を用いて簡単に説明する。この太陽電池は、例えば、ＧａＮ基板２０１の上に形成されたｐ型のＧａＮからなる第１電極層２０２と、第１電極層２０２の上に形成されたＭＱＷ構造の光吸収層２０３と、光吸収層２０３の上に形成されたｎ型のＧａＮからなる第２電極層２０４と、第１電極層２０２に接続する第１電極２１１と、第２電極層２０４に接続するリング状の第２電極２１２とを備える。
【００３６】
以上に説明したように、実施の形態によれば、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より少ない範囲に井戸層の層数を決定するようにしたので、最良な太陽電池特性（最適な短絡電流）が得られる井戸層厚と井戸層の層数の関係としたＭＱＷによる太陽電池がより容易に製造できるようになる。
【００３７】
以下、上述した井戸層の範囲について、詳細に説明する。最適な短絡電流を得るためには、ＭＱＷ構造と短絡電流との関係を明らかにすることが必要となる。発明者は、これに関して注意深く検討を進めた結果、最適な短絡電流を得るために特に着目すべき構造パラメータが井戸層の層厚であり、ある井戸層厚ｗW（ｎｍ）のもとで最大の短絡電流を得るためには井戸層の層数Ｎを「Ｎmin≦Ｎ≦Ｎmax・・・（１）」が満たされるように設定すればよいことを見出した。
【００３８】
ここで、Ｎminは井戸層厚ｗWから「ｎmin＝１７０×ｅｘｐ（−０．６５ｗW）・・・（２）」で与えられるｎmin以上の値のうちの最小の整数であり、Ｎmaxは井戸層厚ｗWから「ｎmax＝４００×ｅｘｐ（−０．６５ｗW）・・・（３）」で与えられるｎmax以下の値のうちの最大の整数である。
【００３９】
次に、上述した関係を見出すに至った経緯について説明する。太陽光を吸収した光吸収層で生成したキャリアは、電極層に向けて移動しながら、一部は再結合により消滅し、一部が電極層まで到達して電流として検知される。光吸収層を構成する井戸層の数を増やすことにより短絡電流は増加するが、キャリアが再結合までに移動できる距離が短い場合、比較的少ない井戸層の層数で短絡電流は最大となり、これ以上井戸層の層数を増やしても短絡電流は増加しないものと予想される。一方、キャリアの移動できる距離が十分長い場合、短絡電流は井戸層の層数にほぼ比例すると期待される。
【００４０】
ここで、発明者は、各々井戸層の層数の異なる複数のＭＱＷ太陽電池を作製し、作製した各ＭＱＷ太陽電池の短絡電流と井戸層の層数との関係を調べた。この結果を図３に示す。図３は、井戸層厚と障壁層厚の異なる３種類のＭＱＷ太陽電池に対する短絡電流の井戸層の層数依存性を示す特性図である。黒四角は、井戸層厚１ｎｍ、障壁層厚８ｎｍである。黒三角は、井戸層厚２ｎｍ、障壁層厚８ｎｍである。黒丸は、井戸層厚４ｎｍ、障壁層厚６ｎｍである。なお、井戸層のＩｎ組成が異なっていることから短絡電流の絶対値は異なっているが、比較を容易にするため、井戸層の層数を５とした場合の電流値で規格化した結果を示した。
【００４１】
図３の結果には、井戸層厚の小さいＭＱＷ太陽電池ほど、井戸層の層数に対する依存性の線型性が向上しており、太陽光を吸収して生成されたキャリアが再結合するまでに移動しうる距離が長くなっていることが示唆されている。キャリアの再結合過程がある一定の確率で進行するものと仮定し、キャリアの存在確率が１／ｅとなるまでに移動できる距離をＬ（これを以下では特性長と呼ぶ）とすると、図３で示した短絡電流ＩSCは、以下の式（４）で表される依存性を示していることがわかった。
【００４２】
【数１】
0005876562.tif 000002
【００４３】
式（４）において、αは井戸層を構成するＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）の吸収係数、ｗBは障壁層の層厚である。特性長Ｌは、実測で得られた短絡電流を式（４）で表した場合のフィッティングパラメータとして求めることができる。図３には、実測値を式（４）でフィッティングした結果を実線で表している。得られた特性長Ｌと井戸層厚ｗW、障壁層厚ｗBを式（４）に用いることで、実際に作製していない井戸層の層数を有するＭＱＷ太陽電池の短絡電流を導き出すことができる。
【００４４】
このようにして導いた短絡電流の井戸層の層数依存性から、短絡電流が最大値ＩSC_maxとなる井戸層の層数（黒三角）と、電流値がＩSC_maxの９５％以内となる上限の井戸層の層数（黒丸）、および下限の井戸層の層数（黒四角）を見積もり、井戸厚に対してプロットしたところ、図４に示すような結果（標準直線）が得られた。この下限および上限を与える式を最小二乗近似で求めたものを実線で示しており、各々式（２）、式（３）で表されるものである。従って、ＭＱＷにおける井戸層の層数を、式（２）および式（３）で与えられる値の範囲にある整数値にすることにより、取りうる最大値の９５％以内の短絡電流を得ることができる。
【００４５】
なお、上述では、障壁層厚に対する依存性は特に規定していない。実際には、特性長は井戸層厚だけでなく障壁層厚にも依存するが、図３から見積もられた特性長の井戸層厚・障壁層厚に対する依存性を注意深く検討したところ、図５に示すように、井戸層厚に対しては３乗に反比例する依存性を示すのに対し、障壁層厚に対してはたかだか１／２乗の依存性しか示さないことがわかった。従って、短絡電流最適化においては、井戸層厚の方が重要であり、障壁層厚に対しては考慮する必要はないものとした。
【００４６】
ところで、図４に示した標準直線によるグラフを用いることで、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層およびＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）からなる障壁層によるＭＱＷ構造を設計することが容易となる。例えば、製造装置の制限などにより結晶性を維持するためにはＭＱＷの層数に制限がある場合や、製造時間を短縮する必要がある場合、井戸層の層数には上限値が存在することになる。このような場合、例えば、井戸層の層数として４０が上限値の場合に、作製される太陽電池の短絡電流を最大とするためには、図６に示すように、井戸層の層数が４０となる井戸層厚を決定する。図６に示すように、縦軸の数値が４０となる井戸層の層厚は、２．２〜３．５ｎｍとなる。
【００４７】
また、井戸層におけるＩｎ組成比より、井戸層の層厚に上限がある場合には、井戸層の層数をどの程度にすればよいかが、容易に決定できる。例えば、井戸層の層厚が２．５ｎｍである場合、図７に示すように、井戸層の層厚が２．５ｎｍとなる井戸層の層数を決定する。図７に示すように、井戸層の層厚が２．５ｎｍの場合、作製される太陽電池の短絡電流を最大とするためには、井戸層の層数を３５〜８０の範囲に設定すればよい。井戸層の層数は少ないほど製造が容易になるということを勘案すれば、井戸層の層数としてはせいぜい４０程度までに設定してやれば十分である、ということがわかる。
【００４８】
以上に説明したように、本発明によれば、井戸層の層数が、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より少ない範囲となる状態に、井戸層の層数と井戸層の層厚との関係を設定するようにしたので、最良な太陽電池特性が得られる井戸層厚と井戸層の層数の関係としたＭＱＷによる太陽電池がより容易に製造できるようになる。
【００４９】
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、ＧａＮ基板に限るものではなく、例えば、サファイア基板、シリコンカーバイド基板、シリコン基板など、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】
【００５０】
２０１…ＧａＮ基板、２０２…第１電極層、２０３…光吸収層、２０４…第２電極層、２１１…第１電極、２１２…第２電極。
【要約】
【課題】最良な太陽電池特性が得られる井戸層厚と井戸層の層数の関係としたＭＱＷによる太陽電池がより容易に製造できるようにする。
【解決手段】ステップＳ１０２で、決定した井戸層の層厚より、井戸層の層数を、１７０×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より多く、４００×ｅｘｐ（−０．６５×井戸層の層厚）より少ない範囲のいずれかの数（自然数）に決定する。
【選択図】  図１【図１】
0005876562.tif 000003
【図２】
0005876562.tif 000004
【図３】
0005876562.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005876562.tif 000008
【図７】
0005876562.tif 000009