(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボトムサブセル、ミドルサブセル、トップサブセルが積層された多接合型太陽電池であって、
前記ボトムサブセルはＧｅを含み、
前記ミドルサブセルは、
前記ボトムサブセルに格子整合されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に設けられ、量子層と障壁層とが積層されて構成された超格子半導体層とを有し、
前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．００１≦ｘ≦０．０１９）であり、
前記量子層は、量子ドットからなる量子ドット層であり、
前記量子層を構成する化合物半導体材料は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．４≦ｘ≦１）であり、
前記障壁層を構成する化合物半導体材料は、ＧａＮＡｓであり、
前記障壁層を構成する化合物半導体材料と前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料との伝導帯側のオフセットが、室温における熱エネルギーｋＴ（ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である）の４倍以下である、多接合型太陽電池。
【請求項２】
前記超格子半導体層は、前記量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように前記量子層と前記障壁層とが積層されて構成されている請求項１に記載の多接合型太陽電池。
【請求項３】
前記トップサブセルを構成する化合物半導体材料は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、およびＡｌＧａＩｎＰの少なくとも１つである請求項１又は２に記載の多接合型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多接合型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池については、光電変換効率を高めるために、より広い波長範囲の光を利用可能とするさまざまな研究開発が行われている。その中の一つに、バンドギャップエネルギーの異なるｐｎ接合型太陽電池を複数積層して構成された多接合型太陽電池がある。このような多接合型太陽電池では、光の入射側に位置する太陽電池から順に短波長の光を利用し、より長波長の光はより下層（光の入射側とは反対側）の太陽電池で利用される。これにより、全体として太陽光スペクトルとの整合が高まるため、より広い波長範囲の光を効率良く利用でき、変換効率の向上が可能となる。たとえば３接合型太陽電池では、開放電圧は３つのサブセルの開放電圧の和で与えられ、短絡電流は３つのサブセルで発生する短絡電流の中で最も小さい値に律速される。
【０００３】
現在主流の多接合型太陽電池としては、InGaP/GaAs/Geの組み合わせの３接合型太陽電池が挙げられる。本構成の３接合型太陽電池では、GeボトムサブセルがInGaPトップサブセルおよびGaAsミドルサブセルの約１．５倍〜２倍の光を吸収するため、ボトムサブセルでの電流が最大となり、３接合型太陽電池全体の短絡電流値はトップサブセルまたはミドルサブセルで発生する電流のうちの小さい方に律速される（電流整合）。この電流バランスの観点から、トップサブセルの厚さを変化させることで、トップサブセルおよびミドルサブセルで発生する電流を調整し、３接合型太陽電池の短絡電流値を最大とすることができる。
【０００４】
また、ミドルサブセルに量子ドット超格子構造を用いることで短絡電流の増大を図ることも検討されている（たとえば特許文献１および非特許文献１）。特許文献１には、ミドルサブセルがGaAs層またはAlGaAs層と複数のInGaAs量子ドット層とを含むこと、ミドルサブセルの有効バンドギャップエネルギーが約1.16eVであること、およびミドルサブセルをこのような構成とすることにより短絡電流の増大を目的とすることが記載されている。非特許文献１には、GaAs基板上に、GaAsで構成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層の間に複数のInAs量子ドット層を含むセルが設けられていること、およびこのセルを３接合型太陽電池のミドルサブセルとして導入することで短絡電流の増大を目的とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５１９２３７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Hubbard,  et  al.  ‘Short  circuit  current  enhancement  of  GaAs  solar  cells  using  strain  compensated  InAs  quantum  dots’,  33  IEEE  Photovoltaic  Specialists  Conference,  250,  2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、基板にＧｅを用いた３接合型太陽電池を構成するミドルサブセルとして非特許文献１に記載のセルを導入した場合、ミドルサブセルを構成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層で転位が発生し、よって超格子半導体層の結晶性低下に繋がるため、短絡電流の増大は期待できない。特許文献１に記載の構造についても同じことが言え、ミドルサブセルを構成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層で転位が発生し、よって超格子半導体層の結晶性低下に繋がるため、超格子半導体層で生成されたキャリアの取り出し効率が著しく低下し、高い光電変換効率を得ることができない。
【０００８】
本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、サブセルの短絡電流値を高めることができ、さらには光電変換効率を向上可能な多接合型太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る多接合型太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数のサブセルとを備えている。複数のサブセルのうちの少なくとも１つは、基板に格子整合されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に設けられ、量子層と障壁層とが積層されて構成された超格子半導体層とを有する。
【００１０】
超格子半導体層は、量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように量子層と障壁層とが積層されて構成されていることが好ましい。
【００１１】
障壁層を構成する化合物半導体材料とｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料との伝導帯側のオフセットが、室温における熱エネルギーｋＴ（ここで、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である）の４倍以下であることが好ましい。
【００１２】
基板はＧｅからなることが好ましい。基板がＧｅからなるときには、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．００１≦ｘ≦０．０１９）であることが好ましい。
【００１３】
ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料がＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．００１≦ｘ≦０．０１９）であるときには、量子層を構成する化合物半導体材料はＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．０２≦ｘ≦１）であることが好ましい。
【００１４】
基板がＧｅからなるときには、光入射側とは反対側に位置するサブセルはＧｅを含むことが好ましい。
【００１５】
量子層は、量子ドットからなる量子ドット層であることが好ましい。
障壁層を構成する化合物半導体材料は、ＧａＮＡｓであることが好ましい。
【００１６】
光入射側に位置するサブセルを構成する化合物半導体材料は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、およびＡｌＧａＩｎＰの少なくとも１つであることが好ましい。
【００１７】
ここで、本明細書中で用いる以下の語句について簡単な説明を加える。
「格子整合」とは、二つの材料の格子定数が一致することを意味する。なお、一致には、完全一致のみならず、転位が発生しない程度に二つの材料の格子定数がずれる場合も含まれる。
【００１８】
「超格子半導体層」とは、共に化合物半導体材料からなる一方バンドギャップが互いに異なる量子層と障壁層とが複数回繰り返し積層されて構成された超格子構造を有する。ここで、超格子構造とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなることを意味する。また、障壁層は、量子層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層である。
【００１９】
「ミニバンド」とは、超格子半導体層を構成する量子層の電子の波動関数が当該量子層に隣接する量子層の電子の波動関数と相互作用して、量子層の量子準位間に共鳴トンネル効果が生じて形成されるバンドを言い、本ミニバンドの少なくとも一部は、障壁層の価電子帯上端と伝導帯下端との間に形成されている。量子準位とは、電子の離散的なエネルギー準位を言う。よって、「量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように量子層と障壁層とが積層される」とは、上記相互作用を起こすように量子層と障壁層とが積層されることである。
【００２０】
「障壁層を構成する化合物半導体材料とｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料との伝導帯側のオフセット」とは、障壁層を構成する化合物半導体材料の伝導帯のポテンシャルエネルギーとｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料の伝導帯のポテンシャルエネルギーとの差（エネルギー差）を意味する。
【００２１】
「量子ドット」とは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。
【００２２】
「光入射側とは反対側に位置するサブセル」は多接合型太陽電池を構成する複数のサブセルのうち光が入射される側から最も遠い位置にあるサブセルであり、下記ボトムサブセルである。「光入射側に位置するサブセル」は多接合型太陽電池を構成する複数のサブセルのうち光が入射される側に最も近い位置にあるサブセルであり、下記トップサブセルである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る多接合型太陽電池によれば、サブセルの短絡電流値を高めることができるので、光電変換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る多接合型太陽電池の構成を示す概略図である。
【図２】実施例１における超格子半導体層の伝導帯のエネルギーの分散関係を示すグラフである。
【図３】実施例１において各サブセルが吸収する最大光子数から求めた短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2）を示す表である。
【図４】太陽光スペクトルと実施例１における各サブセルとの対応を示した概略図である。
【図５】実施例２における超格子半導体層の伝導帯のエネルギーの分散関係を示すグラフである。
【図６】実施例２における超格子半導体層の伝導帯のバンド構造を示す模式図である。
【図７】実施例２において各サブセルが吸収する最大光子数から求めた短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2）を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る多接合型太陽電池について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２６】
＜多接合型太陽電池の構成＞
図１は、本発明に係る多接合型太陽電池の構成を示す概略断面図である。本発明に係る多接合型太陽電池では、ボトムサブセル１０、第１トンネル接合層３、ミドルサブセル２０、第２トンネル接合層５、およびトップサブセル３０がこの順に設けられており、ボトムサブセル１０の下には第１電極１が設けられており、トップサブセル３０の上には第２電極７が設けられている。本発明に係る多接合型太陽電池では、ミドルサブセル２０は第２のｐ型半導体層（特許請求の範囲における「ｐ型半導体層」に相当）２１および第２のｎ型半導体層２５（特許請求の範囲における「ｎ型半導体層」に相当）だけでなく超格子半導体層２３を有し、よって、ミドルサブセル２０では光電変換が行なわれる。一方、ボトムサブセル１０は第１のｐ型半導体層１１および第１のｎ型半導体層１５を有し、多接合型太陽電池の基板を兼ねるとともに、ミドルサブセル２０よりも長波長側の光を吸収する。また、トップサブセル３０は第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５を有し、ミドルサブセル２０よりも短波長側の光を吸収する。このように、本発明では、ミドルサブセル２０が吸収する光だけでなく、ミドルサブセル２０が吸収する光よりも短波長側の光およびミドルサブセル２０が吸収する光よりも長波長側の光も、光電変換される。そのため、本発明では、幅広い波長領域の光を光電変換可能である。
【００２７】
本発明におけるミドルサブセル２０では、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５はボトムサブセル１０に格子整合されている。よって、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５における転位の発生が抑制される。したがって、第２のｐ型半導体層２１と第２のｎ型半導体層２５とで挟まれた超格子半導体層２３に結晶欠陥が生じることを防止できる。これにより、ミドルサブセル２０の短絡電流が向上するので、本発明に係る多接合型太陽電池の光電変換効率が向上する。好ましくは超格子半導体層２３がひずみ補償（ひずみバランス）されていることであり、これにより、超格子半導体層２３における転位の発生も抑制されるので、ミドルサブセル２０の短絡電流がさらに向上し、よって、光電変換効率がさらに向上する。
【００２８】
＜ボトムサブセル＞
ボトムサブセル１０は、第１電極１上に第１のｐ型半導体層１１と第１のｎ型半導体層１５とがこの順に積層されて構成されている。
【００２９】
第１のｐ型半導体層１１および第１のｎ型半導体層１５を構成する材料は特に限定されないが、第１のｐ型半導体層１１および第１のｎ型半導体層１５を構成する材料のバンドギャップエネルギーがミドルサブセル２０の第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５を構成する材料のバンドギャップエネルギーおよびトップサブセル３０の第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように選択されることが好ましい。これにより、ボトムサブセル１０が吸収する光の波長は、ミドルサブセル２０およびトップサブセル３０が吸収する光の波長よりも長くなる。たとえば、第１のｐ型半導体層１１はｐ型不純物がＧｅ層にドーピングされて構成されていることが好ましく、第１のｎ型半導体層１５はｎ型不純物がＧｅ層にドーピングされて構成されていることが好ましい。一般に、Ｇｅ層は、良質なものを入手し易い。そのため、導電型不純物がＧｅ層にドーピングされて第１のｐ型半導体層１１および第１のｎ型半導体層１５が構成されていれば、多接合型太陽電池を工業的に作製しやすいという効果が得られる。
【００３０】
第１のｐ型半導体層１１におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されず、第１のｐ型半導体層１１を構成する材料などに応じて適宜設定されることが好ましい。同じく、第１のｎ型半導体層１５におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されず、第１のｎ型半導体層１５を構成する材料などに応じて適宜設定されることが好ましい。ｐ型不純物は特に限定されず、たとえばＢｅであることが好ましい。ｎ型不純物は特に限定されず、たとえばＳｉであることが好ましい。ｐ型不純物およびｎ型不純物の各材料については、以下でも同様のことが言える。
【００３１】
第１のｐ型半導体層１１および第１のｎ型半導体層１５の各厚みは特に限定されず、ボトムサブセル１０が光（具体的には、ボトムサブセル１０のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する光）を十分に吸収可能となるように適宜設定することが好ましい。
【００３２】
なお、本発明では、ボトムサブセル１０と第１トンネル接合層３との間にバッファ層が設けられていても良い。また、ボトムサブセル１０とは別に基板が設けられており、且つ基板材料とボトムサブセルを構成する材料とが異なる場合には、基板の上面とボトムサブセル１０の第１のｐ型半導体層１１との間にバッファ層が設けられていても良い。
【００３３】
＜第１トンネル接合層＞
第１トンネル接合層３は、高濃度ｎ型半導体層および高濃度ｐ型半導体層がこの順にボトムサブセル１０の上に設けられて構成されている。このようなトンネル接合領域では、電流はｎ型半導体層からｐ型半導体層へ流れるため、第１電極１から第２電極７へ向かって流れることとなる。
【００３４】
高濃度ｎ型半導体層および高濃度ｐ型半導体層を構成する化合物半導体材料は特に限定されず、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料であることが好ましい。たとえば高濃度ｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料はＩｎＧａＰであることが好ましく、高濃度ｐ型半導体層を構成する化合物半導体材料はＡｌＧａＡｓであることが好ましい。
【００３５】
ここで、高濃度ｎ型半導体層におけるｎ型不純物濃度は、第１のｎ型半導体層１５などにおけるｎ型不純物濃度よりも高いことが好ましく、適宜設定されることが好ましい。同じく、高濃度ｐ型半導体層におけるｐ型不純物濃度は、第１のｐ型半導体層１１などにおけるｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましく、適宜設定されることが好ましい。
【００３６】
高濃度ｎ型半導体層の厚みは特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。高濃度ｐ型半導体層の厚みについても同様のことが言える。
【００３７】
＜ミドルサブセル＞
ミドルサブセル２０は、第１トンネル接合層３を介してボトムサブセル１０の上に設けられており、第２のｐ型半導体層２１と超格子半導体層２３と第２のｎ型半導体層２５とがこの順に積層されて構成されている。
【００３８】
第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５を構成する材料は特に限定されないが、次に示す２つの条件を満たしていることが好ましい。１つ目の条件は、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５がボトムサブセル１０に格子整合可能であることである。これにより、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５に転位が発生することを防止できるので、超格子半導体層２３の結晶性の低下を防止でき、よって、ミドルサブセル２０において短絡電流が向上する。２つ目の条件は、ミドルサブセル２０のｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する材料のバンドギャップエネルギーがボトムサブセル１０のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも大きく、且つトップサブセル３０のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも小さいことである。ここで、ｐｉｎ接合とは、下記超格子半導体層２３をｉ型半導体層と見なすことができるとき（超格子半導体層２３が少量のｎ型不純物またはｐ型不純物を含む場合も含まれる）を意味する。これにより、ミドルサブセル２０が吸収する光の波長は、ボトムサブセル１０が吸収する光の波長よりも短く、トップサブセル３０が吸収する光の波長よりも長くなる。なお、第２のｐ型半導体層２１を構成する材料と第２のｎ型半導体層２５を構成する材料とは同一であっても良いし、異なっても良い。
【００３９】
たとえばボトムサブセル１０がＧｅ基板からなる場合、第２のｐ型半導体層２１はｐ型不純物がＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．００１≦ｘ≦０．０１９）層にドーピングされて構成されていることが好ましく、第２のｎ型半導体層２５はｎ型不純物がＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．００１≦ｘ≦０．０１９）層にドーピングされて構成されていることが好ましい。これにより、上記２つの条件を満たすことが出来る。なお、第２のｐ型半導体層２１におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。同じく、第２のｎ型半導体層２５におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。また、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５の各厚みは特に限定されず、ミドルサブセル２０が光（具体的には、ミドルサブセル２０のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する光）を十分に吸収可能となるように適宜設定することが好ましい。
【００４０】
−超格子半導体層−
超格子半導体層２３は、量子層２３Ａと障壁層２３Ｂとが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層２３は、上述のように、ｉ型半導体層であっても良く、受光により起電力が生じるのであればｐ型不純物またはｎ型不純物を含んでいても良い。ここで、量子層２３Ａは、量子井戸層であっても良いが、複数の量子ドット２４を含む量子ドット層であることが好ましい。量子層２３Ａが量子ドット層であれば、下記ミニバンドの形成が容易となり、また超格子半導体層２３で吸収される光の波長域を容易に調整できる。
【００４１】
このような超格子半導体層２３は、ひずみ補償されていることが好ましい。よって、超格子半導体層２３に転位が発生することを防止できるので、ミドルサブセル２０において短絡電流が向上し、したがって光電変換効率が向上する。
【００４２】
障壁層２３Ｂを構成する化合物半導体材料と第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５を構成する化合物半導体材料との伝導帯側のオフセットは、室温における熱エネルギーｋＴの４倍以下であることが好ましく、０であることがより好ましい。室温におけるフェルミ分布関数から、オフセットが室温における熱エネルギーｋＴの４倍を超えると、超格子半導体層２３で生成された電子が第２のｎ型半導体層２５の伝導帯に熱励起される確率は１％未満となるおそれがあり、よって、短絡電流の増加を図り難くなる。一方、室温におけるフェルミ分布関数から、オフセットが室温における熱エネルギーｋＴの４倍以下であれば、超格子半導体層２３で生成されたキャリアを効率良く第２のｎ型半導体層２５から取り出し可能であることが分かる。よって、ミドルサブセル２０の短絡電流を増大させることができるので、高い光電変換効率を有する多接合型太陽電池を得ることが可能となる。このような効果を得るためには、第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５がＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓからなるときには、障壁層２３ＢはＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．０１≦ｘ≦０．１１）またはＧａＡｓ1-xＮx（０．００１≦ｘ≦０．００６）からなることが好ましい。
【００４３】
以上のことと、量子層２３Ａが障壁層２３Ｂよりもバンドギャップエネルギーの小さな化合物半導体材料で構成されることとを考慮すれば、量子層２３Ａの材料にＩｎxＧａ1-xＡｓ（０．０２≦ｘ≦１）を用い障壁層２３Ｂの材料にＧａＮＡｓを用いても良いし、量子層２３Ａの材料にＩｎＡｓを用い障壁層２３Ｂの材料にＧａＡｓを用いても良い。
【００４４】
ここで、障壁層２３ＢがＧａＮＡｓからなれば、Ｇｅ基板（ボトムサブセル１０）に対する超格子半導体層２３全体の歪が緩和されるので、超格子半導体層２３における転位発生を抑制でき、よって、キャリアの取り出し効率が向上する。また、障壁層２３Ｂを構成する化合物半導体材料の伝導帯下端のエネルギーを第２のｐ型半導体層２１および第２のｎ型半導体層２５を構成する化合物半導体材料の伝導帯下端のエネルギーよりも低くすることができるので、ミドルサブセル２０で生成されたキャリアの移動を妨げることなく、取り出すことができる。
【００４５】
量子層２３Ａおよび障壁層２３Ｂの厚みはそれぞれ特に限定されない。しかし、障壁層２３Ｂの厚みが薄くなれば、障壁層２３Ｂに隣接する２つの量子層２３Ａ，２３Ａ間の電子的結合が強くなり、ミニバンドが形成される。ｘｙ方向に閉じ込め状態であり、ｚ方向にミニバンドを形成する量子ドット超格子構造は、ｚ方向の１次元モデルで考えることができる。エネルギー値は、ｚ方向のエネルギー値Ｅｚに、ｘ方向およびｙ方向の閉じ込めエネルギー値（Ｅｘ、Ｅｙ）を足し合わせた値と考えて差し支えない。なお、ｘ方向およびｙ方向とは、多接合型太陽電池における積層面に対して平行な方向であり、互いに垂直である（図１参照）。ｚ方向とは、積層面に対して垂直な方向である（図１参照）。
【００４６】
ミニバンドが形成されると、ミニバンドを介した二段階の光励起が発生する。これにより、ミニバンドが形成されていないときには未利用だった波長域の光吸収（母体半導体材料のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。具体的には、超格子半導体層２３で生成されたキャリアは、ミニバンド中を移動し、光励起または熱励起によって第２のｐ型半導体層２１または第２のｎ型半導体層２５へ移動し、外部へ取り出される。このようなミニバンドを形成するためには、障壁層２３Ｂの膜厚を最適化することが好ましい。障壁層２３Ｂの膜厚は、障壁層２３Ｂの組成、量子層２３Ａの組成、量子ドットのサイズ、または材料の有効質量などに依存するため一概に言えないが、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
なお、ミドルサブセル２０は、第２のｐ型半導体層２１、超格子半導体層２３、および第２のｎ型半導体層２５とは異なる層をさらに有していても良い。たとえば、ミドルサブセル２０は、第２のｐ型半導体層２１の下に裏面電界層を有していても良く、第２のｎ型半導体層２５の上に窓層を有していても良い。また、キャップ層を有していても良い。
【００４８】
＜第２トンネル接合層＞
第２トンネル接合層５は、第１トンネル接合層とほぼ同一の構成を有していることが好ましく、高濃度ｎ型半導体層および高濃度ｐ型半導体層がミドルサブセル２０の上に順に設けられて構成されていることが好ましい。
【００４９】
高濃度ｎ型半導体層および高濃度ｐ型半導体層を構成する化合物半導体材料は特に限定されない。たとえば高濃度ｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料はＩｎＧａＰであることが好ましく、高濃度ｐ型半導体層を構成する化合物半導体材料はＡｌＧａＡｓであることが好ましい。
【００５０】
ここで、高濃度ｎ型半導体層におけるｎ型不純物濃度は、第２のｎ型半導体層２５などにおけるｎ型不純物濃度よりも高いことが好ましく、適宜設定されることが好ましい。同じく、高濃度ｐ型半導体層におけるｐ型不純物濃度は、第２のｐ型半導体層２１などにおけるｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましく、適宜設定されることが好ましい。
【００５１】
高濃度ｎ型半導体層の厚みは特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。高濃度ｐ型半導体層の厚みについても同様のことが言える。
【００５２】
＜トップサブセル＞
トップサブセル３０は、第２トンネル接合層５を介してミドルサブセル２０の上に設けられており、第３のｐ型半導体層３１と第３のｎ型半導体層３５とがこの順に積層されて構成されている。
【００５３】
第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５を構成する材料は特に限定されないが、次に示す２つの条件を満たしていることが好ましい。１つ目の条件は、第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５がボトムサブセル１０に格子整合可能であることである。これにより、第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５に転位が発生することを防止できるので、トップサブセル３０での短絡電流の低下を防止できる。２つ目の条件は、第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５を構成する材料のバンドギャップエネルギーがボトムサブセル１０のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する材料のバンドギャップエネルギーおよびミドルサブセル２０のｐｎ接合を形成するｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも大きいことである。これにより、トップサブセル３０が吸収する光の波長は、ボトムサブセル１０およびミドルサブセル２０が吸収する光の波長よりも短くなる。たとえばボトムサブセル１０がＧｅ基板からなる場合、第３のｐ型半導体層３１はｐ型不純物がＩｎsＧａ1-sＰ（０≦ｓ≦１）層、ＡｌtＧａ1-tＡｓ（０≦ｔ≦１）層、またはＡｌuＧａvＩｎ1-u-vＰ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）層にドーピングされて構成されていることが好ましく、第３のｎ型半導体層３５はｎ型不純物がＩｎsＧａ1-sＰ（０≦ｓ≦１）層、ＡｌtＧａ1-tＡｓ（０≦ｔ≦１）層、またはＡｌuＧａvＩｎ1-u-vＰ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）層にドーピングされて構成されていることが好ましい。
【００５４】
第３のｐ型半導体層３１におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。同じく、第３のｎ型半導体層３５におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されず、適宜設定されることが好ましい。
【００５５】
第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５の各厚みは特に限定されず、トップサブセル３０が光（具体的には、トップサブセル３０のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを有する光）を十分に吸収可能となるように適宜設定することが好ましい。
【００５６】
なお、上記２つの条件を満たすのであれば、トップサブセル３０は、第３のｐ型半導体層３１および第３のｎ型半導体層３５とは異なる層を有していても良い。たとえば、トップサブセル３０は、第３のｐ型半導体層３１の下に裏面電界層を有していても良く、第３のｎ型半導体層３５の上に窓層を有していても良い。また、第３のｎ型半導体層３５の上にキャップ層を有していても良い。
【００５７】
＜第１電極、第２電極＞
第１電極１および第２電極７の各材料は特に限定されず、導電性を有する材料であることが好ましい。たとえば第１電極１は、Ａｇ層とＴｉＯ2膜とＡｌ2Ｏ3膜とがこの順に積層されて構成されていても良い。ここで、ＴｉＯ2膜およびＡｌ2Ｏ3膜は、反射防止膜として機能する。第２電極７は、Ａｕ層とＮｉ層とＡｕ層とがこの順に積層されて構成されていても良い。第１電極１および第２電極７の形成方法は特に限定されないが、真空蒸着法、特に抵抗加熱蒸着法であることが好ましい。
【００５８】
以上本発明に係る多接合型太陽電池について示したが、本発明ではサブセルの個数は特に限定されない。サブセルの個数が４以上である場合には、本発明における超格子半導体層はボトムサブセル以外のサブセルのうちの少なくとも１つのサブセルにおけるｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられることが好ましい。
【００５９】
＜多接合型太陽電池の作製方法＞
本発明に係る多接合型太陽電池は、たとえばエピタキシャル成長にしたがって作製される。具体的には、第１のｐ型半導体層１１の上に、第１のｎ型半導体層１５、第１トンネル接合層３、第２のｐ型半導体層２１、超格子半導体層２３、第２のｎ型半導体層２５、第２トンネル接合層５、第３のｐ型半導体層３１、および第３のｎ型半導体層３５を順にエピタキシャル成長させる。
【００６０】
成長温度は、たとえば７００℃であることが好ましい。
化合物半導体材料としてＧａＡｓを用いる場合には、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ3）を用いることができる。化合物半導体材料としてＩｎＧａＰを用いる場合には、原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、およびホスフィン（ＰＨ3）を用いることができる。化合物半導体材料としてＡｌＩｎＰを用いる場合には、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＩ、およびホスフィン（ＰＨ3）を用いることができる。
【００６１】
ｎ型不純物をドーピングするためには、モノシラン（ＳｉＨ4）をドーパントとして用いることができる。ｐ型不純物をドーピングするためには、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）をドーパントとして用いることができる。
【００６２】
超格子半導体層における量子層として量子ドット層を用いた場合には、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長と呼ばれる方法で量子ドット層を成長させることができる。量子ドット２４を構成する材料の組成比を変更すれば量子ドット２４の混晶比を調整することができ、量子ドット２４を構成する材料の種類、成長温度、圧力、および堆積時間などを変更すれば量子ドット２４のサイズを調整することができる。
【００６３】
第１トンネル接合層３および第２トンネル接合層５を構成する化合物半導体材料としてＡｌＧａＡｓを用いるときには、ＴＭＩ、ＴＭＧ、およびＡｓＨ3を原料として用いことができる。また、ｐ型不純物をドーピングするためには、四臭化炭素（ＣＢｒ4）をドーパントとして用いることができる。
【００６４】
上記エピタキシャル成長により積層体を作製した後、たとえばＥＢ蒸着法により第１電極１を第１のｐ型半導体層１１の下に形成し、たとえば抵抗加熱法により第２電極７を第３のｎ型半導体層３５の上に形成する。そして、必要に応じて、個片化を行なう。これにより、本発明に係る多接合型太陽電池が得られる。
【００６５】
具体的には、Ｇａをドーピングしたｐ型Ｇｅ基板上に、バッファー層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成する。このとき、当該ｎ型ＧａＡｓ層中のＡｓがＧｅ基板に拡散してｎ型Ｇｅ層を形成する。これにより、ボトムサブセルが形成される。その後、当該ｎ型ＧａＡｓ層上にｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。これらのｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層はトンネル接合されて第１トンネル接合層となる。
【００６６】
次いで、上記ｐ型ＡｌＧａＡｓ層上に裏面電界層としてｐ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＩｎＧａＰ層上にベース層としてｐ型ＧａＡｓ層を形成する。当該ｐ型ＧａＡｓ層上にＩｎＧａＡｓからなる量子層とＩｎＧａＡｓからなる障壁層（Ｉｎ組成比は量子層よりも低い）とを交互に形成して超格子半導体層を形成する。量子層として量子ドット層を用いる場合には、自己組織化機構を用いて量子層を形成可能である。当該超格子半導体層上にエミッタ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成し、当該ｎ型ＧａＡｓ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成する。これにより、ミドルサブセルが形成される。その後、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。これらのｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とはトンネル接合されて第２トンネル接合層となる。
【００６７】
次いで、当該ｐ型ＡｌＧａＡｓ層上に裏面電界層としてｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＰ層上にベース層としてｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層上にエミッタ層としてｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にキャップ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成する。これにより、トップサブセルが形成される。
【００６８】
上記エピタキシャル成長により積層体を形成した後、当該積層体の上面（上記キャップ層の上面）上のうち電極パターンを形成する領域を除いて、フォトリソグラフィー法によってレジストを形成する。次いで、真空蒸着装置に当該積層体を導入して、レジストを形成した積層体の上面上にＧｅを１２％含むＡｕからなる層を抵抗加熱法により形成する。当該Ａｕ層の厚みは一例を挙げると約１００ｎｍであることが好ましい。次いで、上記Ａｕ層上に、Ｎｉ層およびＡｕ層をそれぞれ厚さ約２０ｎｍおよび厚さ約５０００ｎｍとしてこの順番でＥＢ蒸着法により形成する。その後、リフトオフ法により所望のパターンの表面電極を形成する。
【００６９】
次いで、上記によって形成した表面電極をマスクとして、当該表面電極が形成されていない部分のｎ型ＧａＡａ層（キャップ層）をアルカリ水溶液にてエッチングする。
【００７０】
次いで、フォトリソグラフィー法により、メサエッチングパターンの領域をあけたレジストをエピタキシャルウエハ表面に形成し、当該レジストが形成されていない領域のエピタキシャル層をアルカリ水溶液および酸水溶液にてエッチングしてｎ型ＧａＡｓ層（キャップ層）を露出させる。
【００７１】
次いで、積層体の下面（ｐ型Ｇｅ層）上に、裏面電極としてＡｇ層を約１０００ｎｍの厚さでＥＢ蒸着法により形成する。Ａｇ層の表面上に反射防止膜としてＴｉＯ2膜およびＡ１2Ｏ3膜をこの順番でそれぞれ約５０ｎｍおよび約８５ｎｍとしてＥＢ蒸着法により形成する。
【００７２】
続いて、表面電極のシンタリング、裏面電極のアニーリングおよび反射防止膜のアニーリングを兼ねて、窒素中にて３８０℃で熱処理を行う。その後、メサエッチングされたライン中にダイシングラインが入るようにしてセルを切断する。たとえば、セルのサイズとして１０ｍｍ×１０ｍｍとすることができる。
【００７３】
なお、本発明に係る多接合型太陽電池は、ボトムサブセル１０とは別に多接合型太陽電池の基板を備えていても良い。
【実施例】
【００７４】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７５】
＜実施例１＞
実施例１では、以下に示す構成を有する３接合型太陽電池に対して超格子半導体層のバンド計算を行った。
【００７６】
本実施例に係る３接合型太陽電池では、ボトムサブセルとしてＧｅ基板を用いた。ボトムサブセルの上にはｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層が順に形成されており、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とで第１トンネル接合層が構成されていた。第１トンネル接合層におけるｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上には、ｐ型ＩｎＧａＰ層（裏面電界層）およびｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ層（ベース層）が順に形成されており、ベース層の上には、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる量子ドット層と厚みが３．５ｎｍであるＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ層（障壁層）とが交互に積層されて超格子半導体層が形成されていた。超格子半導体層の上にはｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ層（エミッタ層）およびｎ型ＡｌＩｎＰ層（窓層）が順に形成されていた。そして、裏面電界層、ベース層、超格子半導体層、エミッタ層、および窓層でミドルサブセルが構成されていた。
【００７７】
ミドルサブセルの上にｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層が順に形成されており、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とで第２トンネル接合層が構成されていた。
【００７８】
第２トンネル接合層におけるｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上には、ｐ型ＡｌＩｎＰ層（裏面電界層）、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層（ベース層）、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層（エミッタ層）、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（窓層）、およびｎ型ＧａＡｓ層（キャップ層）が順に形成されており、これらの層でトップサブセルが構成されていた。
【００７９】
ボトムサブセルの下には、Ａｇ層、ＴｉＯ2膜およびＡｌ2Ｏ3膜が順に形成されて第１電極（裏面電極）が構成されていた。トップサブセルの上には、Ａｕ層、Ｎｉ層、およびＡｕ層が順に形成されて第２電極（表面電極）が構成されていた。
【００８０】
このような３接合型太陽電池に対して超格子半導体層のバンド計算を行なった。シミュレーションは、MATLABソフトを用いて、一次元シュレディンガー方程式を解くことで行なった。シュレディンガー方程式を解くことで、伝導帯および価電子帯のバンド計算を行なうことができ、エネルギー固有値および波動関数が得られる。計算手法は、有効質量近似により、平面波展開法を用いて行なった。本計算に寄与するパラメータとして、主に、量子ドットのサイズ、障壁層の厚み、量子ドットを構成する化合物半導体材料の伝導帯または価電子帯（重い正孔、軽い正孔）の有効質量、障壁層を構成する化合物半導体材料の伝導帯または価電子帯（重い正孔、軽い正孔）の有効質量、伝導帯側のオフセット、および価電子帯側のオフセットがあり、これらの値を前述のシュレディンガー方程式に代入することによってバンド計算を行なうことができる。
【００８１】
量子ドットの形状は直方体であると仮定して、量子ドットの高さを３．５ｎｍとし、量子ドットの面内方向の幅を３０ｎｍとした。また、障壁層の厚みを３．５ｎｍとした。電子の有効質量については、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ）を０．０６６ｍ０とし、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ）を０．０４９ｍ０とした。伝導帯のオフセットを０．４２ｅＶとした。ここで、ｍ０は、電子の質量９．１×１０-31ｋｇである。
【００８２】
図２には、本実施例における超格子半導体層の伝導帯のエネルギー分散関係を示す。横軸は波数ベクトルであり、縦軸はエネルギーである。また、縦軸では、量子ドットを構成する化合物半導体材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしている。
【００８３】
図２では、０．２ｅＶ付近の実線が基底準位から形成されるミニバンドであり、０．５ｅＶ付近の実線が第一励起準位から形成されるミニバンドであり、破線が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー位置を示している。このことから、障壁層の伝導帯の下端のエネルギー以下では、量子ドット層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドは１つだけ形成されており、ミニバンドを介した二段階目の光学遷移は０．２９ｅＶ以上の光で起きることが分かる。ミニバンドを介した一段階目の光学遷移は、二段階目の光学遷移よりも大きなエネルギーを有した光で起きることから、ミドルサブセルでは、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層によるＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓのバンドギャップエネルギー以上の光吸収に加えて、超格子半導体層で０．２９ｅＶ以上のエネルギーを有した光を吸収することがわかる。
【００８４】
本実施例に係る３接合型太陽電池において、各サブセルが吸収する最大光子数から求めた短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2）を図３に示す。太陽光スペクトルとしてはＡＭ１．５Ｇ（波長域２８０ｎｍ〜４０００ｎｍ）を用いた。ミドルサブセルにおいては、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓのバンドギャップを１．４１ｅＶとして、対応する光（１．４１ｅＶ以上１．８６ｅＶ未満）を超格子半導体層より上部のｎ型半導体層だけで十分吸収するとした。超格子半導体層では、太陽光スペクトルのうち１．４１ｅＶ未満のエネルギーを有する光の３０％を吸収し、生成したキャリアの４０％が取り出されるとした。Ｇｅからなるボトムサブセルのバンドギャップを０．６５ｅＶとし、対応する光（０．６５ｅＶ以上１．４１ｅＶ未満）の７０％をボトムサブセルが吸収するとした。ＩｎＧａＰからなるトップサブセルのバンドギャップを１．８６ｅＶとし、対応する光（１．８６ｅＶ以上）をトップサブセルが十分吸収するとした。図４には、上記の太陽光スペクトルと各サブセルとの対応を示す。上記超格子半導体層の吸収率は、超格子半導体層を占める量子ドット密度または積層数に依存するため、超格子半導体層を占める量子ドット密度または積層数を調整すれば超格子半導体層での光の吸収率を調整することができる。上記の場合、電流整合の為にトップサブセルの厚みを薄くする必要がなく、トップサブセルの厚みを、対応する光（１．８６ｅＶ以上）を十分に吸収できる厚みとすることができる。３接合型太陽電池全体の短絡電流値は図３に示すようにトップサブセルの短絡電流値に律速され、最大で１８．０ｍＡ／ｃｍ2まで向上する。
【００８５】
本実施例に係る３接合型太陽電池では、ミニバンドを介した二段階目の光学遷移が起こるため、従来ではボトムサブセルが吸収していた長波長側の光の一部分（図４に示された破線矢印）もミドルサブセルで吸収される。つまり、本実施例では、ミドルサブセルの短絡電流が増大し、光電変換効率も向上する。
【００８６】
＜実施例２＞
実施例２では、以下に示す構成を有する３接合型太陽電池（モデル）に対して超格子半導体層のバンド計算を行った。
【００８７】
本実施例に係る３接合型太陽電池では、ボトムサブセルとしてＧｅ基板を用いた。ボトムサブセルの上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層が形成されており、このｐ型ＡｌＧａＡｓ層は第１トンネル接合層として機能する。この第１トンネル接合層の上には、ｐ型ＩｎＧａＰ層（裏面電界層）およびｐ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ層（ベース層）が順に設けられており、ベース層の上には、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる量子ドット層と厚みが６ｎｍであるＧａＡｓ0.994Ｎ0.006層（障壁層）とが交互に積層されて超格子半導体層が構成されていた。ここで、量子ドット層は、自己組織化機構を用いて形成された。また、超格子半導体層の歪を補償するように障壁層の厚みと障壁層を構成する窒化ガリウム砒素の窒素含有量とを調整するため、上記窒素含有量は上記例に限定されない。超格子半導体層の上にはｎ型Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓ層（エミッタ層）およびｎ型ＡｌＩｎＰ層（窓層）が順に形成されていた。そして、裏面電界層、ベース層、超格子半導体層、エミッタ層、および窓層でミドルサブセルが構成されていた。
【００８８】
ミドルサブセルの上には、ｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層が順に形成されており、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とで第２トンネル接合層が構成されていた。
【００８９】
第２トンネル接合層におけるｐ型ＡｌＧａＡｓ層の上には、ｐ型ＡｌＩｎＰ層（裏面電界層）、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層（ベース層）、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層（エミッタ層）、ｎ型ＡｌＩｎＰ層（窓層）、およびｎ型ＧａＡｓ層（キャップ層）が順に形成されており、これらの層でトップサブセルが構成されていた。トップサブセルの上およびボトムサブセルの下には、Ａｕ層を真空蒸着させて第１電極および第２電極を形成した。
【００９０】
このような３接合型太陽電池に対して超格子半導体層のバンド計算を行なった。計算手法は、上記実施例１と同じく、有効質量近似により、平面波展開法を用いて一次元シュレディンガー方程式を解くことで行なった。本計算に寄与するパラメータとして、主に、量子ドットのサイズ、量子ドット層の厚み、量子ドット層間に位置する障壁層の厚み、量子ドット層を構成する化合物半導体材料の伝導帯または価電子帯（重い正孔、軽い正孔）の有効質量、障壁層を構成する化合物半導体材料の伝導帯または価電子帯（重い正孔、軽い正孔）の有効質量、伝導帯のオフセット、および価電子帯のオフセットがあり、これらの値を前述のシュレディンガー方程式に代入することによってバンド計算を行なうことができる。
【００９１】
量子ドットの形状は直方体であると仮定して、量子ドットの高さを２ｎｍとし、量子ドットの面内方向の幅を３０ｎｍとした。また、障壁層の厚みを６ｎｍとした。電子の有効質量については、窒化ガリウム砒素（ＧａＡｓ0.994Ｎ0.006）を０．１４ｍ０とし、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ）を０．０４９ｍ０とした。伝導帯のオフセットを０．３３ｅＶとした。ここで、ｍ０は、電子の質量９．１×１０-31ｋｇである。
【００９２】
図５には、本実施例における超格子半導体層の伝導帯のエネルギーの分散関係を示す。
横軸は波数ベクトルであり、縦軸はエネルギーである。また、縦軸では、量子ドットを構成する化合物半導体材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしている。
【００９３】
図５では、０．２ｅＶ付近の実線が基底準位から形成されるミニバンドであり、０．４ｅＶ付近の実線が第一励起準位から形成されるミニバンドであり、破線は障壁層の伝導帯の下端のエネルギー位置を示している。このことから、障壁層の伝導帯の下端のエネルギー以下では、量子ドット層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドは１つだけ形成されており、ミニバンドを介した二段階目の光学遷移は０．１７ｅＶ以上の光で起きることが分かる。ミニバンドを介した一段階目の光学遷移は、二段階目の光学遷移よりも大きなエネルギーを有した光で起きることから、ミドルサブセルでは、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層によるＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓのバンドギャップエネルギー以上の光吸収に加えて、超格子半導体層で０．１７ｅＶ以上のエネルギーを有した光を吸収することがわかる。
【００９４】
図６には、本実施例における超格子半導体層の伝導帯のバンド構造を示す。障壁層を構成する化合物半導体材料ＧａＡｓ0.994Ｎ0.006の伝導帯のエネルギーとｎ型半導体層を構成する化合物半導体材料Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓの伝導帯のエネルギーとの差が０．１００ｅＶとなる（たとえばPHYSICAL  REVIEW  B  65  233210  (2002)を参照）。このエネルギー差は室温における熱エネルギーｋＴの４倍である０．１０４ｅＶ以下であり、よって、超格子半導体層で生成したキャリアを効率よくｎ型半導体層から取り出すことができ、ミドルサブセルの短絡電流を増大させることができる。
【００９５】
本実施例に係る３接合型太陽電池において、各サブセルが吸収する最大光子数から求めた短絡電流値（ｍＡ／ｃｍ2）を図７に示す。太陽光スペクトルとしてはＡＭ１．５Ｇ（波長域２８０ｎｍ〜４０００ｎｍ）を用いた。ミドルサブセルにおいては、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層を構成するＩｎ0.01Ｇａ0.99Ａｓのバンドギャップを１．４１ｅＶとして、対応する光（１．４１ｅＶ以上１．８６ｅＶ未満）を超格子半導体層より上部のｎ型半導体層だけで十分吸収するとした。超格子半導体層では、太陽光スペクトルのうち１．４１ｅＶ未満のエネルギーを有する光の２０％を吸収し、生成したキャリアの５０％が取り出されるとした。Ｇｅからなるボトムサブセルのバンドギャップを０．６５ｅＶとし、対応する光（０．６５ｅＶ以上１．４１ｅＶ未満）の８０％をボトムサブセルが吸収するとした。ＩｎＧａＰからなるトップサブセルのバンドギャップを１．８６ｅＶとし、対応する光（１．８６ｅＶ以上）をトップサブセルが十分吸収するとした。上記超格子半導体層の吸収率は、超格子半導体層を占める量子ドット密度または積層数に依存するため、超格子半導体層を占める量子ドット密度または積層数を調整すれば超格子半導体層での光の吸収率を調整することができる。上記の場合、電流整合の為にトップサブセルの厚みを薄くする必要がなく、トップサブセルの厚みを、対応する光（１．８６ｅＶ以上）を十分に吸収できる厚みとすることができる。３接合型太陽電池全体の短絡電流値は図７に示すようにトップサブセルの短絡電流値に律速され、最大で１８．０ｍＡ／ｃｍ2まで向上する。
【００９６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９７】
１  第１電極、３  第１トンネル接合層、５  第２トンネル接合層、７  第２電極、１０  ボトムサブセル、１１  第１のｐ型半導体層、１５  第１のｎ型半導体層、２０  ミドルサブセル、２１  第２のｐ型半導体層、２３  超格子半導体層、２３Ａ  量子層、２３Ｂ  障壁層、２４  量子ドット、２５  第２のｎ型半導体層、３０  トップサブセル、３１  第３のｐ型半導体層、３５  第３のｎ型半導体層。
【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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