(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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る増感層と、
前記増感層上に形成され、第２伝導型からなる第２伝導層と、を備える光電変換装置であって、
前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、第１の膜厚である第１半導体と第２の膜厚である第２半導体とを有し、
前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１分子層厚であり、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であるとき、前記x１と前記ｘ２との比ｘ１／ｘ２が、１／２、２／３、１、および４の少なくともいずれかである光電変換装置。
【請求項２】
前記第１伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ１２分子層厚であり、
前記第２伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ２１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２２分子層厚であり、
前記増感層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ３１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ３２分子層厚であるとき、
（ｘ１１，ｘ１２）＝ａ（ｘ３１，ｘ３２）、および、
（ｘ２１，ｘ２２）＝ａ（ｘ３１，ｘ３２）の少なくともいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、第３の膜厚である前記第１半導体および第４の膜厚である前記第２半導体をさらに有し、
前記第１伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ１２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ１３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ１４分子層厚であり、
前記第２伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ２１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ２３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ２４分子層厚であり、
前記増感層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ３１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ３２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ３３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ３４分子層厚であるとき、
（ｘ１１，ｘ１２）＝ａ（ｘ１３，ｘ１４）、
（ｘ２１，ｘ２２）＝ａ（ｘ２３，ｘ２４）、および、
（ｘ３１，ｘ３２）＝ａ（ｘ３３，ｘ３４）の少なくともいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１半導体および前記第２半導体は、格子整合して交互に積層される請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
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は、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかのバンドギャップエネルギーを有し、
前記増感層は、約０．９４ｅＶ以下のエネルギーを光電変換する請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１半導体のバンドギャップエネルギーが約３．４ｅＶであり、
前記第２半導体のバンドギャップエネルギーが約０．６３ｅＶである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１半導体が窒化ガリウムであり、
前記第２半導体が窒化インジウムである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、前記第１の半導体と前記第２の半導体とで構成される自然超格子構造を有する請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１の膜厚であるｘ１分子層厚と、前記第２の膜厚であるｘ２分子層厚とが、（ｘ１，ｘ２）＝（１，２）、（２，３）、（１，１）、（３，２）、（２，１）、および（４，１）分子層厚のいずれかに該当する請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記増感層に生成された電荷坦体が、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へ移動自在である請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
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、
前記増感層は第３バンドギャップエネルギーを有し、
前記第１バンドギャップエネルギーおよび第２バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかは、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかに相当し、
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い請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記第１の膜厚が前記第１半導体の１分子層厚であるか、または前記第２の膜厚が前記第２半導体の１分子層厚である請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第３バンドギャップエネルギーは、前記第１バンドギャップエネルギーおよび前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さく、その差が５００ｍｅＶ以下であり、
前記増感層に生成された電荷坦体が、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へバンド内遷移する請求項１１に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記バンド内遷移が、０．９４ｅＶより低エネルギーの光吸収によって誘起される請求項１３に記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記バンド内遷移が、室温以上の熱エネルギーによって誘起される請求項１３に記載の太陽電池。
【請求項１６】
複数セルからなるタンデム型光電変換装置であって、
前記複数セルの段数が２の場合、
前記複数セルのうち少なくとも１つは、
前記ｘ１／ｘ２が、１または４のいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
前記ｘ１および前記ｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（１，１）または（４，１）のいずれかである請求項１６に記載の光電変換装置。
【請求項１８】
複数セルからなるタンデム型光電変換装置であって、
前記複数セルの段数が３の場合、
前記複数セルのうち少なくとも１つは、
前記ｘ１／ｘ２が、２／３、３／２、または４のいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
前記ｘ１および前記ｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（２，３）、（３，２）または（４，１）のいずれかである
請求項１８に記載の光電変換装置。
【請求項２０】
複数セルからなるタンデム型光電変換装置であって、
前記複数セルの段数が４の場合、
前記複数セルのうち少なくとも１つは、
前記ｘ１／ｘ２が、１／２、１、２、または４のいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項２１】
前記ｘ１および前記ｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（１，２）、（１，１）、（２，１）または（４，１）のいずれかである請求項２０に記載の光電変換装置。
【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、特に結晶欠陥による特性劣化を改善する光電変換装置に関する。
本願は、２０１０年６月１８日に出願された特願２０１０-１３９８０１号および２０１１年２月２８日に出願された特願２０１１−４３３７９号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。【０００２】
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、特に結晶欠陥による特性劣化を改善する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、温室効果ガス（二酸化炭素）による地球温暖化に対する懸念から、今後も持続可能な発展的社会構造の維持には、低炭素化および省エネルギー化への取り組みが重要となっている。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
次に、このような太陽電池の構成について図２７を参照して説明する。図２７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太陽電池（単一セル）として形成されている。【０００７】
しかし、太陽電池は構成材料が有する禁制帯幅（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、広い太陽光スペクトルに適合できず、その光電変換効率には限界がある。【０００８】
そこで、太陽光スペクトルへの適合波長範囲を広げ、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。このタンデム型太陽電池とは、図２７に示した太陽電池１００と同様の単一セルが、電気的・光学的に複数直列接続されており、それぞれの単一セルが異なる禁制帯幅を有し、光の進入方向に沿って受光面から順に、禁制帯幅が広い方から狭い方になるよう積層されるものである。
すなわち、このタンデム構造とは、図２７に示した太陽電池１００と同様のセルが複数から成る構造であり、それぞれの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されるものである。【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許 ７，２１７，８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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のは、組成比の異なる窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）セルである。ＩｎＧａＮは、窒化インジウム（ＩｎＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）との混晶系であるが、その非混和性が強く、Ｉｎ組成が高くなるに従い太陽電池として動作するのに足りる結晶品質を得ることが困難になる。【００１２】
また、太陽電池を構成する際には、成長基板とＩｎＧａＮセルとの間、およびセル内部でのヘテロ構造における格子不整合が問題となり、接合領域で格子欠陥が高密度に生成される。これらの結果、太陽電池における接合漏れ電流を増大させ、光電変換効率を著しく損なうといった問題がある。【００１３】
この問題は、Ｉｎ組成が３０％を越える混晶組成領域で顕著となる。例えば、４タンデムＩｎＧａＮ太陽電池における第１セルでＩｎ組成を約４１％として、適応波長域を長波長側へ拡大することを目指しても、設計通りの変換効率を得ることは極めて困難であることを発明者らは見出した。【００１４】
一方で、窒化インジウム（ＩｎＮ）および高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）混晶には、伝導性制御に関する特異な問題がある。【００１５】
すなわち、窒化インジウム（ＩｎＮ）および高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）混晶には、結晶内部に残留ドナーが高密度に存在する。また結晶表面・界面および欠陥近傍に高密度電子が存在する。これらによって窒化インジウム（ＩｎＮ）および高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）混晶では、ｐ型伝導性制御の困難性が高くなり、結晶および素子の正確な電気特性評価も困難となる。【００１６】
この伝導性制御に関する問題は、Ｉｎ組成の増大につれてより顕著となる。すなわち、特許文献１に記載されるタンデム型太陽電池は、上述した問題点に阻まれ、期待される変換効率を実現することは極めて困難であることを発明者らは見出した。【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＩｎＧａＮタンデム型太陽電池における格子欠陥の発生を抑制し、さらに窒化インジウム（ＩｎＮ）または高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避しつつ、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、タンデム型太陽電池における各セルでの混晶組成制御を容易にし、格子欠陥による漏れ電流を低減させ、高い光電変換効率を有する太陽電池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】
【００１８】
本発明の第１態様に係る光電変換装置は、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る増感層と、前記増感層上に形成され、第２伝導型からなる第２伝導層と、を備える光電変換装置であって、前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、第１の膜厚である第１半導体と第２の膜厚である第２半導体とを有する。【００１９】
本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１分子層厚であり、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であるとき、前記ｘ１とｘ２との比ｘ１／ｘ２が、およそ１／２、２／３、１、および４の少なくともいずれかであってもよい。【００２０】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ１２分子層厚であり、前記第２伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ２１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２２分子層厚であり、前記増感層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ３１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ３２分子層厚であるとき、（ｘ１１，ｘ１２）＝ａ（ｘ３１，ｘ３２）、および（ｘ２１，ｘ２２）＝ａ（ｘ３１，ｘ３２）の少なくともいずれかであってもよい。【００２１】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、第３の膜厚である前記第１半導体および第４の膜厚である前記第２半導体をさらに有し、前記第１伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ１１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ１２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ１３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ１４分子層厚であり、前記第２伝導層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ２１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ２３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ２４分子層厚であり、前記増感層では、前記第１の膜厚が前記第１半導体のｘ３１分子層厚、前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ３２分子層厚、前記第３の膜厚が前記第１半導体のｘ３３分子層厚、および前記第４の膜厚が前記第２半導体のｘ３４分子層厚であるとき、（ｘ１１，ｘ１２）＝ａ（ｘ１３，ｘ１４）、（ｘ２１，ｘ２２）＝ａ（ｘ２３，ｘ２４）、および（ｘ３１，ｘ３２）＝ａ（ｘ３３，ｘ３４）の少なくともいずれかであってもよい。【００２２】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１半導体および前記第２半導体は、格子整合して交互に積層されてもよい。【００２３】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、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は、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかのバンドギャップエネルギーを有してもよく、前記増感層は、約０．９４ｅＶ以下のエネルギーを光電変換してもよい。【００２４】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１半導体のバンドギャップエネルギーが約３．４ｅＶでもよく、前記第２半導体のバンドギャップエネルギーが約０．６３ｅＶでもよい。【００２５】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１半導体が窒化ガリウムでもよく、前記第２半導体が窒化インジウムでもよい。【００２６】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１伝導層および前記第２伝導層および前記増感層の少なくともいずれかが、前記第１の半導体と前記第２の半導体とで構成される自然超格子構造を有してもよい。【００２７】
また、本発明の第１態様に係る光電変換装置では、前記第１の膜厚であるｘ１分子層厚と、前記第２の膜厚であるｘ２分子層厚とが、（ｘ１，ｘ２）＝（１，２）、（２，３）、（１，１）、（３，２）、（２，１）、および（４，１）分子層厚のいずれかに該当してもよい。【００２８】
本発明の第１態様である光電変換装置において、前記増感層に生成された電荷坦体が、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へ移動自在であることが好ましい。【００２９】
本発明の第１態様である光電変換装置では、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てもよく、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てもよく、前記増感層は第３バンドギャップエネルギーを有してもよく、前記第１バンドギャップエネルギーおよび第２バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかは、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかに相当してもよく、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。【００３０】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記第１の膜厚が前記第１半導体の１分子層厚でもよく、または前記第２の膜厚が前記第２半導体の１分子層厚でもよい。【００３１】
本発明の第２態様である太陽電池は、第１バンドギャップエネルギーを有する第１伝導層と、前記第１伝導層上に形成され、第３バンドギャップエネルギーを有するＩｎＮ増感層と、前記ＩｎＮ増感層上に形成され、第２バンドギャップエネルギーを有する第２伝導層と、を備える太陽電池であって、前記第１伝導層または前記第２伝導層のいずれかが、第１の膜厚であるＩｎＮまたは第２の膜厚であるＧａＮを備え、前記ＩｎＮ増感層の膜厚が２分子層以下であり、前記第１バンドギャップエネルギーおよび第２バンドギャップエネルギーは、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかに相当し、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、その差が５００ｍｅＶ以下であり、前記ＩｎＮ増感層に生成された電荷坦体が、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へバンド内遷移する。【００３２】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記第１の膜厚がＩｎＮの１分子層厚であってもよく、または前記第２の膜厚がＧａＮの１分子層厚であってもよい。【００３３】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記第１の膜厚がＧａＮのｘ１分子層厚であり、かつ前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であるとき、前記ｘ１およびｘ２の比ｘ１／ｘ２が、およそ１／２、２／３、１、３／２、２、および４のいずれかでもよい。【００３４】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記ｘ１およびｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（１，２）、（２，３）、（１，１）、（３，２）、（２，１）、および（４，１）のいずれかでもよい。【００３５】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記バンド内遷移が、０．９４ｅＶより低エネルギーの光吸収によって誘起されてもよい。【００３６】
本発明の第２態様である太陽電池では、前記バンド内遷移が、室温以上の熱エネルギーによって誘起されてもよい。【００３７】
本発明の第３態様である太陽電池は、複数セルからなるタンデム型太陽電池であって、前記複数セルのうち少なくとも１つは、第１バンドギャップエネルギーを有する第１伝導層と、前記第１伝導層上に形成され、第３バンドギャップエネルギーを有するＩｎＮ増感層と、前記ＩｎＮ増感層上に形成され、第２バンドギャップエネルギーを有する第２伝導層と、を備え、前記第１伝導層または前記第２伝導層のいずれかが、第１の膜厚であるＩｎＮまたは第２の膜厚であるＧａＮを備え、前記ＩｎＮ増感層の膜厚が２分子層以下であり、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、その差が５００ｍｅＶ以下であり、前記ＩｎＮ増感層に生成された電荷坦体が、前記第１伝導層および前記第２伝導層または前記増感層の少なくともいずれかへバンド内遷移する。【００３８】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記複数セルの段数が２の場合、前記第１の膜厚がＧａＮのｘ１分子層厚であり、かつ前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であり、前記ｘ１およびｘ２の比ｘ１／ｘ２が、およそ１または４のいずれかでもよい。【００３９】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記ｘ１およびｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（１，１）または（４，１）のいずれかでもよい。【００４０】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記複数セルの段数が３の場合、前記第１の膜厚がＧａＮのｘ１分子層厚であり、かつ前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であり、前記ｘ１およびｘ２の比ｘ１／ｘ２が、およそ２／３、３／２、または４のいずれかでもよい。【００４１】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記ｘ１およびｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（２，３）、（３，２）または（４，１）のいずれかでもよい。【００４２】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記複数セルの段数が４の場合、前記第１の膜厚がＧａＮのｘ１分子層厚であり、かつ前記第２の膜厚が前記第２半導体のｘ２分子層厚であり、前記ｘ１およびｘ２の比ｘ１／ｘ２が、およそ１／２、１、２、または４のいずれかでもよい。【００４３】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記ｘ１およびｘ２が自然数であり、（ｘ１，ｘ２）＝（１，２）、（１，１）、（２，１）または（４，１）のいずれかでもよい。【００４４】
本発明の第３態様である太陽電池では、前記第１バンドギャップエネルギーおよび第２バンドギャップエネルギーは、約２．１３ｅＶ、約１．９４ｅＶ、約１．６３ｅＶ、約１．３７ｅＶ、約１．２５ｅＶ、および約０．９４ｅＶのいずれかでもよい。
【発明の効果】
【００４５】
以上説明したように、本発明によれば、窒化物半導体タンデム型太陽電池における格子欠陥の発生を抑制し、漏れ電流成分を低減させ、さらに窒化インジウム（ＩｎＮ）または高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避しつつ、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
また、本発明によれば、窒化物系半導体タンデム型太陽電池における混晶組成制御を容易にし、格子欠陥による漏れ電流を低減させ、さらに窒化インジウムまたは高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避しつつも、高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１実施形態における太陽電池の構成例を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態におけるｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態におけるｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態におけるｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層、増感層、およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層のバンドラインナップを示した概念図である。
【図５】太陽光ＡＭ１．５スペクトルを表すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態におけるタンデム型太陽電池の構成例を示す概念図である。
【図７】第２実施形態におけるタンデム型太陽電池の構成例を示す概念図である。
【図８】第２実施形態におけるタンデム型太陽電池の構成例を示す概念図である。
【図９】本発明の第３実施形態における増感層のバンドラインナップ例を示した概念図である。
【図１０】第３実施形態における太陽電池の構成例を示すブロック図である。
【図１１】第３実施形態におけるｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図１２】第３実施形態におけるｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図１３】第３実施形態における増感層の構成例を示すブロック図である。
【図１４】第３実施形態の変形例におけるｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層のバンドラインナップ例を示した概念図である。
【図１５】第３実施形態の変形例におけるｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図１６】第３実施形態の変形例におけるｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層の構成例を示すブロック図である。
【図１７】第３実施形態の変形例における増感層の構成例を示すブロック図である。
【図１８】本発明の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１９】本発明の第４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２０】ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図２１】本発明の第５実施形態によるタンデム型太陽電池を構成するセルの構成例を示すブロック図である。
【図２２】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２３】本発明の第６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２４】本発明の第６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２５】本発明の第６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２６】疑似混晶による混晶組成比制御の例を示すブロック図である。
【図２７】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形態】
【００４７】
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。
【００４８】
［第１実施形態］
本願発明の太陽電池の構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る太陽電池１１０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１１０は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（以下、ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２）層１１２と、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２上に形成される増感層１１３と、増感層１１３上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（以下、ｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２）層１１４と、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４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。
【００４９】
ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２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−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４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型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４の抵抗率および層厚は、キャリア輸送および収率の観点でそれぞれが好適に調整される。
【００５０】
増感層１１３は、ｐｎ接合を形成する窒化インジウムガリウム疑似混晶（（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２）の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した太陽光のみならず、より長波長の光をも光電変換に利用可能にする光・熱増感作用のために用いられる。後で述べるように、増感層１１３の作用によって、太陽電池１１０からの発生電圧を向上させ、高い変換効率の太陽電池を構成することができる。図示しないｎ型電極およびｐ型電極は、発生した電力を外部に取り出すために用いられる。
【００５１】
図２は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２）層１１２の構成例を示すブロック図である。疑似混晶とは、例えば、超薄膜ＧａＮと超薄膜ＩｎＮの交互積層構造のことを差し、その層厚比（体積比）と等価な混晶組成比であるＩｎＧａＮ三元混晶と同じ物性を示す。図２において、ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２は、層厚ｘ１分子層（ｘ１  ＭＬ）であるＩｎＮと層厚ｘ２分子層（ｘ２ ＭＬ）であるＧａＮからなる短周期超格子１１５と、短周期超格子層１１５下に形成される下地層１１６と、によって構成される。
【００５２】
図３は、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（ｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２）層１１４の構成例を示すブロック図である。図３において、ｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４は、層厚ｘ１分子層（ｘ１  ＭＬ）であるＩｎＮと層厚ｘ２分子層（ｘ２ ＭＬ）であるＧａＮからなる短周期超格子１１７と、短周期超格子層１１７下に形成される下地層１１８と、によって構成される。
【００５３】
図１に示す太陽電池１１０は周知の半導体製造技術などで結晶成長される。結晶成長が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、通常では高密度の格子欠陥が導入されてしまう。この格子欠陥は、太陽電池の素子特性を著しく劣化させる。
【００５４】
ところが、ＩｎＮとＧａＮのような格子不整合系においても、層厚が十分薄くなると互いが弾性変形を保持し、疑似格子整合系を形成することが可能となる。すなわち、格子欠陥の導入を抑制することが可能となる。短周期超格子１１５および１１７は、これに該当するコヒーレント構造を提供する。
【００５５】
ＩｎＮとＧａＮは非混和系であるために、それらの混晶であるＩｎＧａＮは均一な混晶組成が得られにくい。ところが、上述した短周期超格子１１５および１１７の成長は、均一に混ぜる必要はない。すなわち、上記非混和性を有効に利用することで、極めて構造完全性に優れたＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子が形成されることを発明者らは見出した。
【００５６】
さらに、上記非混和性が有効に機能することによって、通常の結晶成長とは異なる自己秩序的かつ自己停止的な成長プロセスが利用可能となり、ＩｎＮおよびＧａＮの分子層オーダでの超薄膜構造制御が容易になる。
【００５７】
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、分子層オーダ超薄膜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、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子の結晶性は飛躍的に向上する。
【００５８】
すなわち、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４は、短周期超格子１１５および１１７による疑似格子整合系が格子欠陥を抑制し、さらに高温成長による結晶性向上による作用効果によって、太陽電池の素子特性を劣化させることなく高い変換効率を可能とする。
【００５９】
続いて、太陽電池１１０の主要な構成要素である増感層１１３について説明する。図４は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２、増感層１１３、およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４の実効バンドラインナップを示した概念図である。図４において、図１と同様に、増感層１１３がｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２とｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４とによって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、の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。
【００６０】
ＩｎＮとＧａＮの禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）は室温でそれぞれ約０．６３ｅＶと約３．４ｅＶである。ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４の実効バンドギャップエネルギーは、構成するＩｎＮおよびＧａＮの各層厚ｘ１およびｘ２を変えることにより、上記約０．６３ｅＶと約３．４ｅＶとの間で任意に制御される。また、増感層１１３のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４の実効バンドギャップエネルギーよりも小さく設定される。
【００６１】
この増感層１１３のバンドギャップエネルギーと、前記ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４の実効バンドギャップエネルギーとの差は、５００ｍｅＶより小さいことが好ましい。また、前記エネルギー差は２００ｍｅＶより小さいとさらに好ましい。
【００６２】
これらエネルギー差の値であれば、室温における熱励起過程でも、増感層１１３からｎ−ＧａＮ層１１２およびｐ−ＧａＮ層１１４へのキャリア移動が一部可能となる。この条件を満たすように、増感層１１３は、例えば、ＩｎＧａＮまたはＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、もしくはそれらによって構成される。
【００６３】
さらに、例えば、ＩｎＮでも吸収しない光子エネルギー約０．６３ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移過程を利用することで、増感層１１３からｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４へのキャリア移動が促進される。太陽光スペクトルで、例えば、ＡＭ１．５スペクトルにおいて、この約０．６３ｅＶ未満のスペクトル領域は決して見過ごすことはできなく、照射パワー密度で約４％、光子密度で約９％も存在する。
【００６４】
増感層１１３は、ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４の界面領域、すなわち、ｐｎ接合近傍に位置することから、内在電界が印加されている。増感層１１３でバンド間吸収により生成されたキャリアは、この内在電界により速やかに空間的に分離されるため、再結合確率は無視できるほど小さくなる。このため、増感層１１３に生成された電子および正孔は、それぞれが上述した熱励起または赤外光吸収バンド内遷移によって、ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１２およびｐ−（ＩｎＮ）ｘ１／（ＧａＮ）ｘ２層１１４へのキャリア移動させる光・熱増感作用が発現する。
【００６５】
この光・熱増感作用は、太陽電池の動作特性を向上させる。例えば、上記エネルギー差が２００ｍｅＶである場合、光・熱増感作用によって、２００ｍｅＶ相当の電圧増大を獲得し、太陽電池１１０の開放端電圧は増大する。すなわち、基礎吸収端が同一であるＩｎＧａＮ三元混晶ｐｎ接合と比較すれば、吸収可能な光子数は同一であるため、短絡電流密度も同一である。しかし、光・熱増感作用によって、開放端電圧が増大し、太陽電池の変換効率を向上することに寄与する。
【００６６】
なお、第１実施形態では、ＩｎＮ／ＧａＮの短周期超格子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）による短周期超格子、ならびにＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ疑似混晶によるｐｎ接合と増感層との構成も可能である。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。
【００６７】
また、第１実施形態では、窒化インジウムガリウム疑似混晶のｐｎ接合による構成について述べてきたが、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４を構成する下地層１１６および１１８も、同様に短周期超格子によって構成されてもよい。この構成の一例として、下地層１１６および１１８が短周期超格子１１５および１１７で構成された場合、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４が、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子のみで構成することができ、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制がさらに顕著となる。
【００６８】
第１実施形態で述べたＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、およびｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１１４は、超薄膜ＩｎＮおよび超薄膜ＧａＮを人為的に交互積層したもののみならず、熱処理、レーザー照射、または電子線照射などの処理によって、自発的に現れる準安定ナノ構造（自然超格子）であってもよい。この構成によれば、短周期超格子と同様に、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制が可能となる。
【００６９】
さらに、第１実施形態では、図１および図４に示したように、増感層１１３は１層のみの構成について述べたが、例えば、増感層１１３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、複数挿入された増感層１１３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・熱増感作用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増感層１１３の多層構造であっても構わない。
【００７０】
さらに、増感層１１３が単層および多層の双方において、増感層１１３近傍領域のキャリア密度を適当に変化させる変調ドープと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。
【００７１】
［第２実施形態］
第１実施形態では、光・熱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。第２実施形態では、第１実施形態で述べたセルが複数からなるタンデム型太陽電池について。図５〜図８を参照しながら述べる。
【００７２】
特許文献１にある先行技術では、太陽光スペクトルのできるだけ広範囲をカバーさせるために、タンデム構造の最終段セル（最長波長対応セル）が、光子エネルギーとして約０．６３ｅＶまでの光を吸収するｐｎ−ＩｎＮセルとする構成が開示されている。
【００７３】
しかし、窒化インジウム（ＩｎＮ）および高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）の伝導性制御には大きな問題があり、ｐｎ−ＩｎＮ接合を形成することは極めて困難である。さらに、ＩｎＮの禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）は約０．６３ｅＶと小さく、ｐｎ−ＩｎＮセルからの発生電圧は小さい。すなわち、ｐｎ−ＩｎＮセルをタンデム構造の構成要件に組み込んだとしても、作製上の困難性が高まるだけで、変換効率の向上にほとんど寄与しないことを発明者らは見出した。
【００７４】
そこで、太陽光スペクトルのできるだけ広範囲を利用するという方針を敢えて取りやめ、すなわち、タンデム構成からｐｎ−ＩｎＮを排除するといった発想の転換に至り、太陽電池の変換効率を損なうことのない太陽光スペクトルの有効利用に関して検討を行った。
【００７５】
図５は、ＡＭ１．５太陽光スペクトル示すグラフであり、波長に対する放射パワー（灰色、左縦軸に対応）と光子数密度（黒色、右縦軸に対応）を示している。データの出典は、“ＡＳＴＭ  Ｇ１７３−０３  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｅｒｉｖｉｅｄ  ｆｒｏｍ  ＳＭＡＲＴＳ  ｖ．２．９．２”標準スペクトルである。
【００７６】
図５に示されるように、太陽光の赤外線波長域には、大気／水分の吸収などによるスペクトル欠損波長域が散見される。特に、ＩｎＮのバンドギャップエネルギー約０．６３ｅＶを含む波長域１３５０ｎｍ−２０００ｎｍ帯で、このスペクトル欠損が顕著である。すなわち、この波長域をタンデムセルがカバーしなくとも、変換効率に大きな損失をもたらすことはない。
【００７７】
また、タンデムセルを構成するＩｎＧａＮ三元混晶、もしくはＩｎＧａＮ疑似混晶は、カバーする波長域をできるだけ短波長とする方が好ましい。すなわち、実効的Ｉｎ組成をできるだけ少なくすることで、上述したＩｎＮおよび高Ｉｎ組成ＩｎＧａＮに存在する伝導性制御の問題を回避することが可能となる。
【００７８】
上記検討の結果、約０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までの太陽光スペクトル成分は、タンデム構造の各セルがバンド間遷移により吸収し、すなわち、電流成分として利用する。一方、それより長波長領域の太陽光スペクトル成分は、光・熱増感作用におけるバンド内励起ソースとして活用する方針を発明者らは得た。
【００７９】
約０．６３ｅＶ（波長１９６８ｎｍ）までの太陽光スペクトルを、バンド間遷移としてタンデムセルがカバーした場合（以下、０．６３−ｃｕｔｏｆｆとする）では、光子数密度としては３．５×１０２１ｍ−２ｓ−１ｎｍ−１であったが、約０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までとした場合（以下、０．９２−ｃｕｔｏｆｆとする）では、３．０×１０２１ｍ−２ｓ−１ｎｍ−１と低減する。しかし、長波長対応の最終段セルからの発電寄与はあまり大きくないため、タンデム型太陽電池としての変換効率は、０．６３−ｃｕｔｏｆｆと０．９２−ｃｕｔｏｆｆとではほぼ同等であることを後に示す。
【００８０】
続いて、約０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトル成分をバンド間遷移に利用する場合（０．９２−ｃｕｔｏｆｆ）の、タンデム構造について説明する。タンデム型太陽電池では、複数からなる各セルでの発生電流を一定とする電流保存則を満足させなければならない。前記電流保存則に従い、２〜４接合型（２〜４タンデム型）太陽電池の設計を行った。
【００８１】
図６は、２セルからなるタンデム型太陽電池（２タンデム）の構成例を示す概念図であり、各セルは、前記電流保存則を満足するｐｎ−ＩｎＧａＮ接合と、それに挟まれる増感層と、によって構成される。
【００８２】
増感層の特徴は、図４を参照しながら上述した通りであるが、ｐｎ−ＩｎＧａＮと増感層との間のポテンシャル障壁の大きさ（バンドギャップエネルギー差）は、“２００×（ＩｎＧａＮの実効的Ｇａ組成）ｍｅＶ”とベガード則的な線形近似によって決めた。例えば、前記エネルギー差は、ｐｎ−ＧａＮ接合に増感層が埋め込まれている場合では２００ｍｅＶであり、ｐｎ−Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ接合に埋め込まれている場合では１００ｍｅＶである。
【００８３】
０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までの太陽光スペクトルに対して、２セルで電流保存則を満足させるためには、図６左側に示されるように、ｐｎ−ＩｎＧａＮ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ１．６３ｅＶおよび０．９４ｅＶとなる。０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトルに対して、第２（最終）セルにおけるＩｎＧａＮのバンドギャップが０．９２ｅＶと差異があるのは、光・熱増感作用によるもので、この場合の上記ポテンシャル障壁が２０ｍｅＶであることに対応する。
【００８４】
このとき、１．６３ｅＶおよび０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．５１および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図６中央に示されるように、それぞれＩｎ１／２Ｇａ１／２ＮおよびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で置き換えできることが示された。
【００８５】
この離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成をＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図６右側に示す。Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎは、ＩｎＮとＧａＮの層厚比ＩｎＮ：ＧａＮ＝１：１に対応し、例えば、１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）が該当する。
【００８６】
図７は、３セルからなるタンデム型太陽電池（３タンデム）の構成例を示す概念図であり、各セルは前記電流保存則を満足するｐｎ−ＩｎＧａＮ接合と、それに挟まれる増感層と、によって構成される。
【００８７】
０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までの太陽光スペクトルに対して、３セルで電流保存則を満足させるためには、図７左側に示されるように、ｐｎ−ＩｎＧａＮ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ１．９４ｅＶ、１．３７ｅＶ、および０．９４ｅＶとなる。０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトルに対して、第３（最終）セルにおけるＩｎＧａＮのバンドギャップが０．９２ｅＶと差異があるのは、光・熱増感作用によるもので、この場合の上記ポテンシャル障壁が２０ｍｅＶであることに対応する。
【００８８】
このとき、１．９４ｅＶ、１．３７ｅＶおよび０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．４０、０．６１、および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図７中央に示されるように、それぞれＩｎ２／５Ｇａ３／５Ｎ、Ｉｎ３／５Ｇａ２／５Ｎ、およびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で置き換えできることが示された。
【００８９】
この、離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成をＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図７右側に示す。例えば、Ｉｎ２／５Ｇａ３／５Ｎは２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／３分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）３とする）であり、Ｉｎ３／５Ｇａ２／５Ｎは３分子層ＩｎＮ（３ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）２とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）が該当する。
【００９０】
図８は、４セルからなるタンデム型太陽電池（４タンデム）の構成例を示す概念図であり、各セルはｐｎ−ＩｎＧａＮ接合と、それに挟まれる増感層と、によって構成される。
【００９１】
０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までの太陽光スペクトルに対して、４セルで電流保存則を満足させるためには、図８左側に示されるように、ｐｎ−ＩｎＧａＮ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ２．１３ｅＶ、１．６３ｅＶ、１．２５ｅＶ、および０．９４ｅＶとなる。０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトルに対して、第４（最終）セルにおけるＩｎＧａＮのバンドギャップが０．９２ｅＶと差異があるのは、光・熱増感作用によるもので、この場合の上記ポテンシャル障壁が２０ｍｅＶであることに対応する。
【００９２】
このとき、２．１３ｅＶ、１．６３ｅＶ、１．２５ｅＶ、および０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．３４、０．５１、０．６６、および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図８中央に示されるように、それぞれＩｎ１／３Ｇａ２／３Ｎ、Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎ、Ｉｎ２／３Ｇａ１／３Ｎ、およびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で置き換えできることが示された。
【００９３】
この、離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成をＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図８右側に示す。例えば、Ｉｎ１／３Ｇａ２／３Ｎは１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）２とする）であり、Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎは１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ２／３Ｇａ１／３Ｎは２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）が該当する。
【００９４】
以上述べたように、０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までの太陽光スペクトルに対して、２〜４タンデム構造での電流保存則を満足させると、いずれのタンデム構造も、あたかもマジックナンバー的な離散的分数の混晶組成比と成ることが分かった。２および４タンデム構造の場合を見れば明らかであるが、タンデム数が２〜４の倍数においても、前記マジックナンバー的な離散的分数の混晶組成比は現れてくる。これらの混晶組成比は、単なるＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子（疑似混晶）での置き換えができるだけではなく、３元ＩｎＧａＮ混晶より優位な作用効果がある。
【００９５】
ＩｎＮとＧａＮは、格子不整合系であり、かつ非混和性が強いために、タンデム型太陽電池で必要とされる、Ｉｎ組成３０％超を有するＩｎＧａＮ混晶のデバイスグレード高品質結晶を得ることが極めて困難である。しかし、ＩｎＮとＧａＮを敢えて混ぜないＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶の成長では、上記非混和性はかえって有利に働き、構造完全性の高いセルが構成できる。
【００９６】
さらに、超薄膜であるＩｎＮとＧａＮの互いが弾性変形を保持し、疑似格子整合系を形成することが可能となる。すなわち、格子欠陥の導入を抑制することが可能となる。また、Ｉｎ組成揺らぎの影響が大幅に抑制されるので、タンデム構造における波長分割の設計値が忠実に再現される。
【００９７】
また、他の化合物半導体でも知られる、いわゆる歪超格子バッファー効果を期待することができ、成長層／成長基板界面で形成される貫通転位の伝搬が抑止され、成長層／成長基板の熱膨張差および残留応力によるクラックが抑制される。
【００９８】
さらに、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系超格子で知られている、Ｍｇアクセプター活性化エネルギー低減効果も期待することができ、伝導性制御、特にｐ型伝導性制御が容易になる。
【００９９】
［第３実施形態］
第３実施形態では、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子構成よる増感層および傾斜バンド型キャリア走行層について、図９〜図１７を参照しながら述べる。
【０１００】
図９は、第３実施形態に係る太陽電池を構成する増感層のバンドラインナップ例を示した概念図である。図９において、増感層は一例として、ＩｎＮとＧａＮの層厚比ＩｎＮ：ＧａＮ＝１：１を維持する１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）と、２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２とする）と、で構成される。ＣＢＭとＶＢＭは、増感層の伝導帯底部と価電子帯頂部をそれぞれ示し、図中下から上に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。
図中において、広い禁制帯幅（バンドギャップ）がＧａＮに該当し、狭い禁制帯幅（バンドギャップ）がＩｎＮに該当する。また、ＥＣ（１，１）は（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１の実効的伝導帯底部を差し、ＥＣ（２，２）は（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２の実効的伝導帯底部を差し、一方、ＥＶ（１，１）は（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１の実効的価電子帯頂部を差し、ＥＶ（２，２）は（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２の実効的価電子帯頂部をそれぞれ差す。
【０１０１】
図９に示される増感層の第１の特徴は、超薄膜ＩｎＮと超薄膜ＧａＮの層厚比が一定であるため、平均格子定数が一定で維持される。すなわち、疑似格子整合系を形成できるため、格子欠陥の導入を抑制することが可能となる。
【０１０２】
増感層の第２の特徴は、増感層とｐｎ層領域との間のポテンシャル障壁の大きさ（バンドギャップエネルギー差）が、理論計算より数１００ｍｅＶ程度となることである。例えば、図９に示す（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１と（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２とのバンドギャップエネルギー差（Ｅｃ（１，１）−Ｅｖ（１，１）とＥｃ（２，２）−Ｅｖ（２，２）との差）は、約１１０ｍｅＶである。この値は、上述した光・熱増感作用に好適である。
【０１０３】
続いて、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子（疑似混晶）による増感層を有する太陽電池１２０の構成について述べる。図１０において、太陽電池１２０は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（以下、ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１１／（ＧａＮ）ｘ１２）層１２２と、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２上に形成される窒化インジウムガリウム疑似混晶（以下、（ＩｎＮ）ｘ３１／（ＧａＮ）ｘ３２）増感層１２３と、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（以下、ｐ−（ＩｎＮ）ｘ２１／（ＧａＮ）ｘ２２）層１２４と、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４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。
【０１０４】
ｎ−（ＩｎＮ）ｘ１１／（ＧａＮ）ｘ１２層１２２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−（ＩｎＮ）ｘ２１／（ＧａＮ）ｘ２２層１２４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型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２およびｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４の抵抗率および層厚は、キャリア輸送および収率の観点でそれぞれが好適に調整される。
【０１０５】
（ＩｎＮ）ｘ３１／（ＧａＮ）ｘ３２増感層１２３は、ｐｎ接合を形成する窒化インジウムガリウム疑似混晶（短周期超格子）の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した太陽光のみならず、より長波長の光をも光電変換に利用可能にする光・熱増感作用のために用いられる。後で述べるように、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３の作用によって、太陽電池１２０からの発生電圧を向上させ、高い変換効率の太陽電池を構成することができる。図示しないｎ型電極およびｐ型電極は、発生した電力を外部に取り出すために用いられる。
【０１０６】
図１１は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（（ＩｎＮ）ｘ１１／（ＧａＮ）ｘ１２）層１２２の構成例を示すブロック図である。疑似混晶とは、例えば、超薄膜ＧａＮと超薄膜ＩｎＮの交互積層構造のことを差し、その層厚比（体積比）と等価な混晶組成比であるＩｎＧａＮ三元混晶と同じ物性を示す。図１１において、（ＩｎＮ）ｘ１１／（ＧａＮ）ｘ１２層１２２は、層厚ｘ１１分子層（ｘ１１  ＭＬ）であるＩｎＮと層厚ｘ１２分子層（ｘ１２ ＭＬ）であるＧａＮからなる短周期超格子１２５と、短周期超格子１２５下に形成される下地層１２６と、によって構成される。
【０１０７】
図１２は、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶（（ＩｎＮ）ｘ２１／（ＧａＮ）ｘ２２）層１２４の構成例を示すブロック図である。図１２において、ｐ−（ＩｎＮ）ｘ２１／（ＧａＮ）ｘ２２層１２４は、層厚ｘ２１分子層（ｘ２１  ＭＬ）であるＩｎＮと層厚ｘ２２分子層（ｘ２２  ＭＬ）であるＧａＮからなる短周期超格子１２７と、短周期超格子１２７下に形成される下地層１２８と、によって構成される。
【０１０８】
図１３は、窒化インジウムガリウム疑似混晶（（ＩｎＮ）ｘ３１／（ＧａＮ）ｘ３２２）増感層１２３の構成例を示すブロック図である。図１３において、（ＩｎＮ）ｘ３１／（ＧａＮ）ｘ３２層１２３は、層厚ｘ３１分子層（ｘ３１  ＭＬ）であるＩｎＮと層厚ｘ３２分子層（ｘ３２  ＭＬ）であるＧａＮからなる短周期超格子によって構成される。
【０１０９】
図１０に示す太陽電池１２０は周知の半導体製造技術などで結晶成長される。結晶成長が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、通常では高密度の格子欠陥が導入されてしまう。この格子欠陥は、太陽電池の素子特性を著しく劣化させる。
【０１１０】
ところが、ＩｎＮとＧａＮのような格子不整合系においても、層厚が十分薄くなると互いが弾性変形を保持し、疑似格子整合系を形成することが可能となる。すなわち、格子欠陥の導入を抑制することが可能となる。
【０１１１】
特に、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４および窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３のすべて、もしくは一部が、それらを構成するＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子におけるＩｎＮとＧａＮとの層厚比を一定に保つことで、疑似格子整合系を形成するコヒーレント構造が、格子欠陥を抑制する。
【０１１２】
ＩｎＮとＧａＮは非混和系であるために、それらの混晶であるＩｎＧａＮは均一な混晶組成が得られにくい。ところが、上述した短周期超格子１２５および１２７、ならびに窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３を構成する短周期超格子の成長では、均一に混ぜる必要はない。すなわち、上記非混和性を有効に利用することで、極めて構造完全性に優れたＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子が形成されることを発明者らは見出した。
【０１１３】
さらに、上記非混和性が有効に機能することによって、通常の結晶成長とは異なる自己秩序的かつ自己停止的な成長プロセスが利用可能となり、ＩｎＮおよびＧａＮの分子層オーダでの超薄膜構造制御が容易になる。
【０１１４】
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、分子層オーダ超薄膜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、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子の結晶性は飛躍的に向上する。
【０１１５】
すなわち、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４および窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３は、少なくとも一部が、それらすべてがより好ましいが、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子におけるＩｎＮとＧａＮとの層厚比を一定に保つことで、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子による疑似格子整合構造が格子欠陥を抑制し、さらに高温成長による結晶性向上による作用効果によって、太陽電池の素子特性を劣化させることなく高い変換効率を可能とする。
【０１１６】
次に、太陽電池１２０の特徴である傾斜バンド型キャリア走行層について説明する。図１４は、第３実施形態に係る太陽電池を構成するキャリア走行層のバンドラインナップ例を示した概念図である。図１４において、キャリア走行層は一例として、ＩｎＮとＧａＮの層厚比ＩｎＮ：ＧａＮ＝１：１を維持する１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）と、２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２とする）と、３分子層ＩｎＮ（３ＭＬ−ＩｎＮ）／３分子層ＧａＮ（３ＭＬ−ＧａＮ）短周期超格子（以下、（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）３とする）と、で構成される。ＣＢＭとＶＢＭは、増感層の伝導帯底部と価電子帯頂部をそれぞれ示し、図中下から上に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。
図中において、広い禁制帯幅（バンドギャップ）がＧａＮに該当し、狭い禁制帯幅（バンドギャップ）がＩｎＮに該当する。また、ＥＣ（１，１）は（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１の実効的伝導帯底部を差し、ＥＣ（２，２）は（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２の実効的伝導帯底部を差し、ＥＣ（３，３）は（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）３の実効的伝導帯底部を差し、一方、ＥＶ（１，１）は（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１の実効的価電子帯頂部を差し、ＥＶ（２，２）は（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２の実効的価電子帯頂部を差し、ＥＶ（３，３）は（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）３の実効的価電子帯頂部をそれぞれ差す。
【０１１７】
図１４に示されるキャリア走行層の第１の特徴は、超薄膜ＩｎＮと超薄膜ＧａＮの層厚比が一定であるため、平均格子定数が一定で維持される。すなわち、疑似格子整合系を形成できるため、格子欠陥の導入を抑制することが可能となる。
【０１１８】
キャリア走行層の第２の特徴は、キャリア走行層内で短周期超格子の層厚を変化させることで、バンドギャップエネルギーが連続的、または階段的に変化することである。理論計算より、例えば、図１４に示す（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１と（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２とのバンドギャップエネルギー差（Ｅｃ（１，１）−Ｅｖ（１，１）とＥｃ（２，２）−Ｅｖ（２，２）との差）は約１１０ｍｅＶであり、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）２と（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）３とのバンドギャップエネルギー差（Ｅｃ（２，２）−Ｅｖ（２，２）とＥｃ（３，３）−Ｅｖ（３，３）との差）は約１４０ｍｅＶである。
【０１１９】
このポテンシャルエネルギー差は、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４におけるキャリア輸送効率の向上に寄与する。特に、キャリア拡散長の短い正孔のキャリア収率の向上に好適である。
【０１２０】
図１５は、第３実施形態に係る太陽電池を構成するｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２の構成例を示したブロック図である。図１５において、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２は、下地層１２６が短周期超格子１３６によって構成される。これは、図１４を参照して上述したキャリア走行層に該当し、適切な短周期超格子の層厚とすることで、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制を維持しながら、電子の輸送効率を向上できる。
【０１２１】
図１６は、第３実施形態に係る太陽電池を構成するｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４の構成例を示したブロック図である。図１６において、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４は、下地層１２８が短周期超格子１３８によって構成される。これは、図１４を参照して上述したキャリア走行層に該当し、適切な短周期超格子の層厚とすることで、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制を維持しながら、正孔の輸送効率を向上できる。
【０１２２】
図１７は、第３実施形態に係る太陽電池を構成する窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３の構成例を示したブロック図である。図１７において、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３は、短周期超格子１３９および１４０によって構成される。これは、図１４を参照して上述したキャリア走行層の特徴に該当し、適切な短周期超格子の層厚とすることで、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制を維持しながら、増感層にキャリア輸送効率を向上といった作用効果を付与できる。
【０１２３】
以上述べたように、ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４および窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３は、少なくとも一部が、それらすべてがより好ましいが、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子におけるＩｎＮとＧａＮとの層厚比を一定に保つことで、ＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子による疑似格子整合構造が格子欠陥を抑制し、太陽電池の素子特性を劣化させることなく高い変換効率を可能とする。
【０１２４】
第３実施形態で述べたＩｎＮ／ＧａＮ短周期超格子、およびｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２２、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３、ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層１２４は、超薄膜ＩｎＮおよび超薄膜ＧａＮを人為的に交互積層したもののみならず、熱処理、レーザー照射、または電子線照射などの処理によって、自発的に現れる準安定ナノ構造（自然超格子）であってもよい。この構成によれば、短周期超格子と同様に、コヒーレント構造の特徴である格子欠陥の抑制が可能となる。
【０１２５】
さらに、第３実施形態では、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３は１層のみの構成について述べたが、複数挿入された多層構造とする構成としてもよい。また、窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３近傍領域のキャリア密度を適当に変化させる変調ドープとする構成としてもよい。この場合、ｐｎ接合界面の空乏領域からはみ出す窒化インジウムガリウム疑似混晶増感層１２３であっても構わない。
【０１２６】
なお、第３実施形態では、ＩｎＮ／ＧａＮの短周期超格子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）による短周期超格子、ならびにＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ疑似混晶によるｐｎ接合と増感層との構成も可能である。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。
【０１２７】
次に、本発明によるタンデム型太陽電池の変換効率について、図１８を参照しながら説明する。図１８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、図５に示すＡＭ１．５スペクトルであり、“ＡＳＴＭ  Ｇ１７３−０３  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｅｒｉｖｉｅｄ  ｆｒｏｍ  ＳＭＡＲＴＳ  ｖ．２．９．２”標準スペクトルである。
【０１２８】
図１８において、白丸（○）および菱形（◆）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が、白丸（○）が約０．６３ｅＶ（波長１９６８ｎｍ）までバンド間遷移で吸収するとした場合（０．６３−ｃｕｔｏｆｆ）であり、菱形（◆）が約０．９２ｅＶ（波長１３５２ｎｍ）までバンド間遷移で吸収するとした場合（０．９２−ｃｕｔｏｆｆ）である。一方、黒丸（●）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。
【０１２９】
例えば、セル数４段において、従来技術（黒丸（●））の理論最大変換効率は４５．９％であるのに対して、本願発明の理論最大変換効率は、０．６３−ｃｕｔｏｆｆ（白丸（○））では５１．６％であり、０．９２−ｃｕｔｏｆｆ（菱形（◆））では５０．８％であった。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が、光・熱増感作用によって、発生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。
【０１３０】
さらに、第２実施形態で述べたタンデム構造、すなわち０．９２−ｃｕｔｏｆｆは、０．６３−ｃｕｔｏｆｆと比べても変換効率に遜色はない。これより、光・熱増感作用と、マジックナンバー的混晶組成比との複合により、タンデム型太陽電池における格子欠陥の発生を抑制し、さらに窒化インジウムまたは高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避しつつも、高い光電変換効率を有する太陽電池が提供されることが示され、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示される。
【０１３１】
また、０．９２−ｃｕｔｏｆｆは、０．６３−ｃｕｔｏｆｆと比べて、上記バンド内遷移に利用される光子数は増大しているため、光・熱増感作用はより促進される。
【０１３２】
さらに、本願発明のタンデム型太陽電池は、集光環境化での動作に好適である。これは、レンズ集光による太陽光斜め入射が、光・熱増感作用の素過程であるバンド内光吸収遷移を許容とするためであり、さらに集光による加熱がキャリア熱励起を促進するためである。
【０１３３】
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格子欠陥の発生を抑制し、さらに窒化インジウムまたは高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避し、かつ高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することが可能である。
【０１３４】
［第４実施形態］
次に、本願発明の第４実施形態における光増感層について、図１９〜図２０を参照しながら説明する。
図１９は、第４実施形態に係る太陽電池２１０の構成例を示すブロック図である。図１９において、太陽電池２１０は、ｎ型窒化ガリウム（以下、ｎ−ＧａＮ）層２１２と、ｎ−ＧａＮ層２１２上に形成される窒化インジウム（ＩｎＮ）光増感層２１３と、ＩｎＮ光増感層２１３上に形成されるｐ型窒化ガリウム（以下、ｐ−ＧａＮ）層２１４と、ｎ−ＧａＮ層２１２に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ−ＧａＮ層２１４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。
【０１３５】
ｎ−ＧａＮ層２１２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２１４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２１２およびｐ−ＧａＮ層２１４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。
【０１３６】
ＩｎＮ光増感層２１３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光増感効果のために用いられる。後で述べるように、ＩｎＮ光増感層２１３の作用によって、太陽電池からの光起電圧を向上させ、高い変換効率の太陽電池を構成することができる。図示しない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。
【０１３７】
図１９に示す第４実施形態のＩｎＮ光増感層２１３もそうであるが、一般にＩｎＮはＧａＮ上に周知の半導体製造技術などで製膜される。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。
【０１３８】
ＩｎＮとＧａＮは非混和系であるために、それらの混晶であるＩｎＧａＮは均一な混晶組成が得られにくく、また、Ｉｎ組成の増大に伴い結晶性は劣化する。ところが、上述した２分子層（２ＭＬ）以下の超薄膜ＩｎＮでは、ＧａＮとの非混和性が有効に機能し、極めて構造完全性に優れた結晶成長が実現されることを発明者らは見出した。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、ＩｎＮ／ＧａＮ２元系超薄膜が疑似混晶を構成することで、組成不均一の問題を本質的に回避した光電変換装置が構成される。
【０１３９】
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、２分子層以下の超薄膜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。
【０１４０】
図２０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２０において、図１９と同様に、ＩｎＮ光増感層２１３がｎ−ＧａＮ層２１２とｐ−ＧａＮ層２１４とによって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、ＧａＮおよびＩｎＮの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。
【０１４１】
ＩｎＮとＧａＮのバンドギャップエネルギーは、室温でそれぞれ約０．６３ｅＶ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ＧａＮ層に取り出すことができない。
【０１４２】
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、量子力学的効果によって、電子および正孔の量子準位Ｅｃ１およびＥｖ１が図中点線のエネルギー位置に形成される。この、いわゆる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０．６３ｅＶからシフトする。例えば、２分子層（２ＭＬ）ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギーは、ＧａＮのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶより約５００ｍｅＶ低くなり、１分子層（１ＭＬ）ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギーは、ＧａＮのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶより約２００ｍｅＶ低くなることを発明者らは見出した。
【０１４３】
１〜２分子層ＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸構造では、ＩｎＮ井戸層内のキャリアが感じるポテンシャル障壁は、上述した通り、それぞれ２分子層ＩｎＮでは約５００ｍｅＶ、１分子層ＩｎＮでは約２００ｍｅＶとなる。これらの値は、通常のＩｎＮとＧａＮのバンドオフセットと比べて大幅に低減されており、室温における熱励起過程でもＩｎＮ光増感層２１３からｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４へのキャリア移動が一部可能となる。
【０１４４】
さらに、例えば、ＩｎＮでも吸収しきれない光子エネルギー０．６３ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移過程を利用することで、ＩｎＮ光増感層２１３からｎ−ＧａＮ層２１２およびｐ−ＧａＮ層２１４へのキャリア移動がさらに促進される。太陽光スペクトルで、例えばＡＭ１．５スペクトルにおいて、この０．６３ｅＶ未満のスペクトル領域は決して見過ごすことはできなく、照射パワー密度で約４％、光子密度で約９％も存在する。
【０１４５】
すなわち、ＩｎＮ光増感層２１３の膜厚を２分子層以下の構成とすることで、ＩｎＮ光増感層２１３でバンド間吸収により生成されたキャリアを、熱励起もしくは例えば０．６３ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移によって、ｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層２１４へのキャリア移動させる光増感作用が発現する。
【０１４６】
この光増感作用は太陽電池の動作特性を向上させる。例えば、１分子層ＩｎＮ／ＧａＮ量子井戸の吸収端エネルギー（３．２ｅＶ）と同等のＩｎＧａＮ−ｐｎ接合と比較すれば、吸収可能な光子数は同一であるため、短絡電流も同一である。しかし、上記光増感作用によって、約２００ｍｅＶ相当のポテンシャル障壁を乗り越えたキャリアを利用できるので、開放電圧は増大する。これは、太陽電池の変換効率を増大させることに寄与する。
【０１４７】
以上のことから、第４実施形態に係る太陽電池２１０は、ＩｎＮ光増感層２１３の実効バンドギャップエネルギーに対応した光を吸収し、光増感作用により光起電圧を増大させることができる。このとき、透過損失となっていた０．６３ｅＶ未満の光子エネルギーである光をも利用することができ、高出力の太陽電池を得ることができる。
【０１４８】
なお、第４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）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、太陽電池の効率向上に寄与することができる。
【０１４９】
また、第４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、以下に述べる、ＩｎＮおよびＧａＮ短周期超格子、すなわちＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶のｐｎ接合による構成も可能である。この構成によれば、ＩｎＮおよびＧａＮの層厚制御によって、ＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶の実効バンドギャップを変化させることができる。
【０１５０】
さらに、第４実施形態では、図１９および図２０に示したように、ＩｎＮ光増感層２１３は１層のみの構成について述べたが、例えば、ＩｎＮ光増感層２１３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２１３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２１３の多層構造であっても構わない。
【０１５１】
さらに、ＩｎＮ光増感層２１３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。
【０１５２】
［第５実施形態］
第４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。高効率太陽電池を作製するには、広い太陽光スペクトルに適合するタンデム構造が有効である。そのためには、第４実施形態の変形例であるＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮによるｐｎ接合に置き換えることによって、禁制帯幅を６．２ｅＶ〜０．６３ｅＶの範囲に対して設定する必要がある。そして、各太陽電池（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セルを積層する。
【０１５３】
第５実施形態では、前記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２１〜図２２を参照しながら述べる。
【０１５４】
図２１は、第５実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成する太陽電池（セル）２２０の構成例を示すブロック図である。図２１において、セル２２０は、ｎ型窒化インジウムガリウム（以下、ｎ−ＩｎＧａＮ）層２２２と、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２上に形成される窒化ガリウム（ＧａＮ）層２２５と、ＧａＮ層２２５上に形成される窒化インジウム（ＩｎＮ）光増感層２２３と、ＩｎＮ光増感層２２３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２２４と、によって構成される。
【０１５５】
ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２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２２４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２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４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。また、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４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。
【０１５６】
ＩｎＮ光増感層２２３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。後に述べるように、ＩｎＮ光増感層２２３の作用によって、太陽電池からの光起電圧を向上させ、高い変換効率の太陽電池（セル）を得ることができる。
【０１５７】
次に、第５実施形態に係るセル２２０を構成するＧａＮ層２２５について説明する。ＩｎＮ光増感層２２３の形成は、第４実施形態でも述べたように、下地ＧａＮ層との非混和性に基づく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、すなわちＩｎＮと下地ＩｎＧａＮの組み合わせでは、非混和性が十分に発現しない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。
【０１５８】
しかし、セル２２０をタンデム構造に適合させるために、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４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２２２上に直接ＩｎＮ光増感層２２３の形成を試みると、上記非混和性が抑制されているために、構造完全性の確保が困難になる。
【０１５９】
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２２２とＩｎＮ光増感層２２３の間に、ＧａＮ層２２５を挿入する構成とすることが、第５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２２３とＧａＮ層２２５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の形成が可能となり、構造完全性の高い超薄膜ＩｎＮが得られる。
【０１６０】
図２２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２２において、図２１と同様に、ＩｎＮ光増感層２２３とＧａＮ層２２５とが、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２とｐ−ＩｎＧａＮ層２２４とによって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＩｎＮの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光増感層２２３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およびＥｖ２の差に対応している。
【０１６１】
第５実施形態において、ＩｎＮ光増感層２２３が光増感作用を発現するためには、室温におけるキャリア熱励起、さらに、例えばＩｎＮでも吸収しきれなかった光子エネルギー０．６３ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移によって、ＩｎＮ光増感層２２３からｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４へのキャリア移動が必要となる。
【０１６２】
ＩｎＮ光増感層２２３の膜厚を２分子層以下の構成とすることで、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４とのポテンシャル障壁は、数１００ｍｅＶ程度であり、第４実施形態の場合と同等か、それ以下になる。すなわち、ＩｎＮ光増感層２２３の膜厚が、１分子層であれば２００ｍｅＶ以下であり、２分子層であれば５００ｍｅＶ以下であり、これらポテンシャル障壁は、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４のＩｎ組成が増加するにつれて小さくなる。このエネルギー的考察から、ＩｎＮ光増感層２２３からｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４へのキャリア移動は可能であり、ＩｎＮ光増感層２２３は光増感作用を発現すると判断される。
【０１６３】
このように、ＩｎＮ光増感層２２３からｐ−ＩｎＧａＮ層２２４への正孔移動は問題ないが、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２への電子移動の観点で検討すれば、図２２に示されるように、ＧａＮ層２２５は電子移動を妨げるポテンシャル障壁に成り得る。
【０１６４】
この問題を解消するために、すなわち、ＩｎＮ光増感層２２３とｎ−ＩｎＧａＮ層２２２との電気的接続を可能にするために、ＧａＮ層２２５の層厚は、電子が量子力学的トンネル可能な薄さまで超薄膜化する。例えば、ＧａＮ層２２５の層厚は１０ｎｍ以下であり、より好ましくは４分子層以下である。
【０１６５】
このように、ＩｎＮ光増感層２２３の層厚を２分子層以下とし、かつＧａＮ層２２５を超薄膜として構成することで、ＩｎＮ光増感層２２３でバンド間吸収により生成されたキャリアを、熱励起もしくは例えば０．６３ｅＶ未満の光を吸収するバンド内遷移によって、ｎ−ＩｎＧａＮ層２２２およびｐ−ＩｎＧａＮ層２２４へのキャリア移動させる光増感作用が発現する。
【０１６６】
この光増感作用は太陽電池の動作特性を向上させる。基礎吸収端が同一であるＩｎＧａＮ−ｐｎ接合と比較すれば、吸収可能な光子数は同一であるため、短絡電流も同一である。しかし、上記光増感作用によって、数１００ｍｅＶ相当のポテンシャル障壁を乗り越えたキャリアを利用できるので、開放電圧は増大する。これは、太陽電池の変換効率を増大させることに寄与する。
【０１６７】
以上のことから、第５実施形態に係るタンデム型太陽電池を構成するセル２２０は、ＩｎＮ光増感層２２３の実効バンドギャップエネルギーに対応した光を吸収し、光増感作用により光起電圧を増大させることができる。このとき、透過損失となっていた０．６３ｅＶ未満の光子エネルギーである光をも利用することができ、高出力の太陽電池を得ることができる。
【０１６８】
なお、第５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）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、太陽電池の効率向上に寄与することができる。
【０１６９】
また、第５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、以下に述べる、ＩｎＮおよびＧａＮ短周期超格子、すなわちＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶のｐｎ接合による構成も可能である。この構成によれば、ＩｎＮおよびＧａＮの層厚制御によって、ＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶の実効バンドギャップを変化させることができる。
【０１７０】
さらに、第５実施形態では、図２１および図２２に示したように、ＩｎＮ光増感層２２３は１層のみの構成について述べたが、例えば、ＩｎＮ光増感層２２３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２２３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２２３の多層構造であっても構わない。
【０１７１】
さらに、ＩｎＮ光増感層２２３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。
【０１７２】
［第６実施形態］
第４および第５実施形態では、光増感効果を有する太陽電池（セル）の構成について説明した。第６実施形態では、上記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５、図１８および図２３〜図２６を参照しながら述べる。
【０１７３】
特許文献１にある先行技術では、太陽光スペクトルのできるだけ広範囲に適合させようと、タンデム構造の最終段セルは、最も長波長の光を吸収するＩｎＮセルとする構成が開示されている。しかし、ＩｎＮの伝導性制御、すなわちＩｎＮ−ｐｎ接合を形成することは極めて困難であり、高効率太陽電池の構成するのには不適当であることを発明者らは見出した。
【０１７４】
そこで、太陽光スペクトルのできるだけ広範囲を利用するという方針を敢えて取りやめ、太陽電池の変換効率を損なうことのない太陽光スペクトルの有効利用に関して検討を行った。
【０１７５】
図５は、太陽光スペクトル示すグラフであり、波長に対する放射パワー密度（灰色）と光子密度（黒色）を示している。データの出典は、“ＡＳＴＭ  Ｇ１７３−０３  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｅｒｉｖｅｄ  ｆｒｏｍ  ＳＭＡＲＴＳ  ｖ．２．９．２”の標準ＡＭ１．５スペクトルである。
【０１７６】
図５に示されるように、太陽光は赤外線波長域では、水分の吸収などで欠損波長域が散見される。このスペクトル不連続域を考慮し、変換効率を極力損なわず、できるだけ短波長までのバンド間吸収、すなわちＩｎＧａＮ−ｐｎ接合のＩｎ組成をできるだけ低減させ、吸収しきれなかったそれより長波長成分の光は、上述した光増感作用のバンド内遷移ソースとして活用する方針とした。
【０１７７】
上記検討の結果、０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までの太陽光スペクトル成分は、バンド間遷移により吸収し、すなわち電流成分として利用し、それより長波長領域のスペクトル成分を、光増感のバンド内励起光源として活用する結論に至った。これは、０．６３ｅＶ（波長１．９７μｍ）までの太陽光スペクトルをバンド間遷移に利用していた場合（以下、０．６３−ｃｕｔｏｆｆとする）では、光子数密度としては３．５×１０２１ｍ−２ｓ−１ｎｍ−１であったが、０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までとした場合（以下、０．９２−ｃｕｔｏｆｆとする）では、３．０×１０２１ｍ−２ｓ−１ｎｍ−１と低減したものの、タンデム型太陽電池では、長波長対応の最終段セルからの発電寄与はあまり大きくないため、全体の変換効率はさほど損なわれていないことを後に示す。
【０１７８】
続いて、０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトルをバンド間遷移に利用する場合（０．９２−ｃｕｔｏｆｆ）の、タンデム構造について説明する。タンデム型太陽電池では、太陽光スペクトルに整合させ、複数からなる各セルでの発生電流を一定とする電流保存則を満足させなければならない。
【０１７９】
図２３は、２セルからなるタンデム型太陽電池の構成を示す図であり、各セルはＩｎＧａＮ−ｐｎ接合と、それに挟まれるＩｎＮ光増感層によって構成される。ＩｎＮ光増感部は、第５実施形態で述べたように、超薄膜ＩｎＮとＧａＮで構成される。
【０１８０】
ＩｎＮ光増感層の作用効果は、既に述べた通りであるが、ＩｎＧａＮ−ｐｎ接合とのポテンシャル障壁の大きさは、“２００×（ＩｎＧａＮのＧａ組成）ｍｅＶ”とベガード則的な線形近似によって決めた。例えば、ＧａＮ−ｐｎ接合に挟まれている場合では、ポテンシャル障壁は２００ｍｅＶであり、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ−ｐｎ接合に挟まれている場合では、１００ｍｅＶである。
【０１８１】
０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までの太陽光スペクトルに対して、２セルで電流保存則を満足させるためには、図２３左側に示されるように、ＩｎＧａＮ−ｐｎ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ１．６３ｅＶおよび０．９４ｅＶとなる。０．９２ｅＶまでの太陽光スペクトルに対して、第２（最終）セルにおけるＩｎＧａＮのバンドギャップが０．９２ｅＶと差異があるのは、光増感作用によるもので、この場合の上記ポテンシャル障壁が０．０２ｅＶであることに由来する。
【０１８２】
このとき、１．６３ｅＶおよび０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．５１および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図２３中央に示されるように、それぞれＩｎ１／２Ｇａ１／２ＮおよびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で表記されることが示すことができた。
【０１８３】
この、離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成を短周期２元超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図２３右側に示す。例えば、Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎは１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）に相当する。
【０１８４】
ここで、疑似混晶について説明する。図２６は疑似混晶による混晶組成比制御の例を示すブロック図である。疑似混晶とは、図２６左側に示すように、例えば２元化合物であるＧａＮおよびＩｎＮが、交互に積層されなる層構造であり、その物性は層構造の体積比で近似的に与えられる。すなわち、図２６左側に示す例では、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１であることから、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎに相当することになる。
【０１８５】
一方で、図２６右側には、ＧａＮをホスト材料としてＩｎＮのアイランドナノ構造が埋め込まれた例、すなわち分数超格子、を示してあるが、アイランドサイズおよびアイランド間距離を適切に制御することで、その物性は、同様に、その構成材料の体積比で近似的に与えられる。すなわち、図２６右側に示す例では、体積比がｘ：ｙであることから、Ｉｎｘ／（ｘ＋ｙ）Ｇａｙ／（ｘ＋ｙ）Ｎに相当することになる。一方で、離散的な混晶組成比を、このＩｎＮ／ＧａＮ分数超格子疑似混晶で連続的に補完することも可能である。これは、上記離散的混晶組成比だけでは適合するのが難しい場合でも、この分数超格子によって、任意の混晶組成比を構成することにつながる。
【０１８６】
図２４は、３セルからなるタンデム型太陽電池の構成を示す図であり、各セルはＩｎＧａＮ−ｐｎ接合と、それに挟まれるＩｎＮ光増感層によって構成される。
【０１８７】
０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までの太陽光スペクトルに対して、３セルで電流保存則を満足させるためには、図２４左側に示されるように、ＩｎＧａＮ−ｐｎ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ１．９４ｅＶ、１．３７ｅＶ、および０．９４ｅＶとなる。
【０１８８】
このとき、１．９４ｅＶ、１．３７ｅＶおよび０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．４０、０．６１、および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図２４中央に示されるように、それぞれＩｎ２／５Ｇａ３／５Ｎ、Ｉｎ３／５Ｇａ２／５Ｎ、およびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で表記されることが示すことができた。
【０１８９】
この、離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成を短周期２元超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図７右側に示す。例えば、Ｉｎ２／５Ｇａ３／５Ｎは２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／３分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）３とする）であり、Ｉｎ３／５Ｇａ２／５Ｎは３分子層ＩｎＮ（３ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）３／（ＧａＮ）２とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）に相当する。
【０１９０】
図２５は、４セルからなるタンデム型太陽電池の構成を示す図であり、各セルはＩｎＧａＮ−ｐｎ接合と、それに挟まれるＩｎＮ光増感層によって構成される。
【０１９１】
０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までの太陽光スペクトルに対して、４セルで電流保存則を満足させるためには、図２５左側に示されるように、ＩｎＧａＮ−ｐｎ接合のバンドギャップエネルギーは、それぞれ２．１３ｅＶ、１．６３ｅＶ、１．２５ｅＶ、および０．９４ｅＶとなる。
【０１９２】
このとき、２．１３ｅＶ、１．６３ｅＶ、１．２５ｅＶ、および０．９４ｅＶに相当するＩｎＧａＮ混晶のＩｎ組成は、それぞれ０．３４、０．５１、０．６６、および０．８１であるが、これらは簡単な分数で表記することができ、混晶組成比は、図２５中央に示されるように、それぞれＩｎ１／３Ｇａ２／３Ｎ、Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎ、Ｉｎ２／３Ｇａ１／３Ｎ、およびＩｎ４／５Ｇａ１／５Ｎと近似される。通常、混晶組成比はアナログ的な０〜１の間の数値であるにも関わらず、上記タンデム型太陽電池の設計方針に従うと、簡単な分数で、すなわち離散的な混晶組成比で表記されることが示すことができた。
【０１９３】
この、離散的な分数混晶組成比は、相当する混晶組成を短周期２元超格子、すなわち疑似混晶（デジタル混晶）、によってタンデム型太陽電池が構成できることを意味している。この様子を図８右側に示す。例えば、Ｉｎ１／３Ｇａ２／３Ｎは１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／２分子層ＧａＮ（２ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）２とする）であり、Ｉｎ１／２Ｇａ１／２Ｎは１分子層ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）１／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ２／３Ｇａ１／３Ｎは２分子層ＩｎＮ（２ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）２／（ＧａＮ）１とする）であり、Ｉｎ４／５Ｇａ１／５Ｎは４分子層ＩｎＮ（４ＭＬ−ＩｎＮ）／１分子層ＧａＮ（１ＭＬ−ＧａＮ）２元超格子（以下、（ＩｎＮ）４／（ＧａＮ）１とする）に相当する。
【０１９４】
上述したように、０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までの太陽光スペクトルに対して、２〜４タンデム構造での電流保存則を満足させると、いずれの構造も、あたかもマジックナンバー的な離散的分数の混晶組成比と成ることが分かった。２および４タンデム構造の場合を見れば明らかであるが、タンデム段数が２〜４の倍数においても、前記マジックナンバー的な離散的分数の混晶組成比は現れてくる。これらの混晶組成比は、ＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶で構成するのに適していることを先に述べたが、３元ＩｎＧａＮ混晶よりもＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶には、次のような作用効果がある。
【０１９５】
ＩｎＮとＧａＮは、非混和性が強く、タンデム型太陽電池で必要とされる、中間Ｉｎ組成および高Ｉｎ組成域での結晶成長および組成制御が極めて困難である。しかし、敢えて混ぜない設計の２元ＩｎＮ／ＧａＮ疑似混晶の成長では、上記非混和性はかえって有利に働き、実効的バンドギャップまたは実効的混晶組成の制御は容易となる。すなわち、Ｉｎ組成揺らぎの影響が大幅に抑制されるので、タンデム構造における波長分割の設計値が忠実に再現される。また、高格子不整合系であるが、互いに格子歪みを補償しあうことで、格子不整合に対して寛容となり、格子欠陥の生成を抑制し、太陽電池の漏れ電流を低減させる。
【０１９６】
さらに、他の化合物半導体でよく見られるような、いわば“歪み超格子バッファー効果”を期待することができ、各セル同士のトンネル接合形成に伴うセル間格子不整合に起因する格子欠陥の生成を抑制し、太陽電池の漏れ電流を低減させる。
【０１９７】
また、窒化物系半導体のｃ面成長で現れる分極効果によって、バンド端位置とドナーまたはアクセプター準位のエネルギー差が低減され、すなわちＭｇアクセプター活性化エネルギーが低減され、伝導性制御、特にｐ型伝導性制御が容易になる。
【０１９８】
次に、本第６実施形態によるタンデム型太陽電池の変換効率について、図１８を参照しながら説明する。図１８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、図５に示すＡＭ１．５スペクトルであり、“ＡＳＴＭ  Ｇ１７３−０３  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｄｅｒｉｖｅｄ  ｆｒｏｍ  ＳＭＡＲＴＳ  ｖ．２．９．２”の標準スペクトルである。
【０１９９】
図１８において、白丸（○）および菱形（◆）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が、白丸（○）が０．６３ｅＶ（波長１．９７μｍ）までバンド間遷移で吸収するとした場合（０．６３−ｃｕｔｏｆｆ）であり、菱形（◆）が０．９２ｅＶ（波長１．３５μｍ）までバンド間遷移で吸収するとした場合（０．９２−ｃｕｔｏｆｆ）である。
【０２００】
一方、黒丸（●）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。
【０２０１】
例えば、セル数４段において、従来技術（黒丸（●））の理論最大変換効率は４５．９％であるのに対して、本願発明の理論最大変換効率は、０．６３−ｃｕｔｏｆｆ（白丸（○））では５１．６％であり、０．９２−ｃｕｔｏｆｆ（菱形（◆））では５０．８％であった。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が、ＩｎＮ超薄膜の光増感作用によって、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。
【０２０２】
さらに、第６実施形態で述べたタンデム構造、すなわち０．９２−ｃｕｔｏｆｆは、０．６３−ｃｕｔｏｆｆと比べても変換効率に遜色はない。これより、光増感作用と、マジックナンバー的混晶組成比の複合により、タンデム型太陽電池における格子欠陥の発生を抑制し、漏れ電流を低減させ、さらに窒化インジウムまたは高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避しつつも、高い光電変換効率を有する太陽電池が提供されることが分かり、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明確に示された。
【０２０３】
また、０．９２−ｃｕｔｏｆｆは、０．６３−ｃｕｔｏｆｆと比べて、上記バンド内遷移に利用される光子数は増大しているため、光増感作用はより促進される。
【０２０４】
以上述べた通り、上記第４〜第６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制御を容易とし、タンデム型太陽電池における格子欠陥の発生を抑制し、漏れ電流を低減させ、さらに窒化インジウムまたは高Ｉｎ組成窒化インジウムガリウム混晶でのｐ型伝導性制御の問題を回避し、かつ高い光電変換効率を有する太陽電池を提供することが可能である。
【０２０５】
また、本願発明は、上記第１〜第６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】
【０２０６】
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】
【０２０７】
１１０    太陽電池
１１２    ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層
１１３    増感層
１１４    ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層
１１５    短周期超格子
１１７    短周期超格子
１１８    下地層
１２０    太陽電池
１２２    ｎ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層
１２３    増感層
１２４    ｐ型窒化インジウムガリウム疑似混晶層
１２５    短周期超格子
１２６    下地層
１２７    短周期超格子
１２８    下地層
１３６    短周期超格子
１３８    短周期超格子
１３９    短周期超格子
１４０    短周期超格子
１００    太陽電池
１０２    ｎ型半導体層
１０４    ｐ型半導体層
２１０    太陽電池
２１２    ｎ型ＧａＮ層
２１３    ＩｎＮ光増感層
２１４    ｐ型ＧａＮ層
２２０    太陽電池
２２２    ｎ型ＩｎＧａＮ層
２２３    ＩｎＮ光増感層
２２４    ｐ型ＩｎＧａＮ層
２２５    ＧａＮ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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【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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