(57)【要約】  光起電力ダイオードは、ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のエミッタ層であって、前記エミッタ層の少なくとも一部に第１の導電型及び第１のバンドギャップを有するエミッタ層と、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）で与えられる組成を有し、第２のバンドギャップを有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の真性層と、第３のバンドギャップ及び前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する半導体材料のベース層と、を備えており、前記エミッタ層、前記真性層及び前記ベース層がダイオード接合を形成し、前記第１のバンドギャップは、前記第２のバンドギャップよりも大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のエミッタ層であって、前記エミッタ層の少なくとも一部に第１の導電型及び第１のバンドギャップを有するエミッタ層と、
式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）で与えられる組成を有し、第２のバンドギャップを有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の真性層と、
第３のバンドギャップ及び前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する半導体材料のベース層と、を備えており、
前記エミッタ層、前記真性層及び前記ベース層がダイオード接合を形成し、前記第１のバンドギャップは、前記第２のバンドギャップよりも大きい、光起電力ダイオード。
【請求項２】
前記ベース層は、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）で与えられる組成を有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の層である請求項１に記載の光起電力ダイオード。
【請求項３】
前記エミッタ層は、前記第１のバンドギャップを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のワイドバンドギャップエミッタ層と、前記ワイドバンドギャップエミッタ層と前記真性層との間のナローバンドギャップエミッタ層とを含み、
前記ナローギャップエミッタ層は、前記第１の導電型を有し、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）によって与えられる組成を有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であり、前記第１のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有する、請求項１又は２に記載の光起電力ダイオード。
【請求項４】
前記第４のバンドギャップは、前記第２のバンドギャップと同じである、請求項３に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
前記第４のバンドギャップは、前記第１のバンドギャップと前記第２のバンドギャップとの間にある、請求項３に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
前記ナローバンドギャップエミッタ層は、前記ワイドバンドギャップエミッタ層に格子整合されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記ナローバンドギャップエミッタ層は、前記真性層に格子整合されている、請求項３〜６のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記ナローバンドギャップエミッタ層は、少数キャリアの拡散長よりも厚さが薄い、請求項３〜７のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記ナローバンドギャップエミッタ層の厚さが２００ｎｍ未満である、請求項３〜７のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
前記ナローバンドギャップエミッタ層の厚さが１００ｎｍである、請求項９に記載の光起電力デバイス。
【請求項１１】
前記エミッタ層は、厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜層としての傾斜希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料層を含み、前記傾斜層の組成が、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）の範囲内である、請求項１又は２に記載の光起電力デバイス。
【請求項１２】
前記エミッタ層は、厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜層としての傾斜アルミニウムガリウムヒ素半導体材料層を含む、請求項１又は２に記載の光起電力デバイス。
【請求項１３】
前記エミッタの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有し、その界面において、前記真性層のバンドギャップと等しいバンドギャップを有する、請求項１１又は請求項１２に記載の光起電力デバイス。
【請求項１４】
前記エミッタの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有し、その界面において、前記真性層のそれと同じ組成を有する、請求項１１又は請求項１２又は請求項１３に記載の光起電力デバイス。
【請求項１５】
前記エミッタの前記傾斜層が、ガリウムヒ素又はアルミニウムガリウムヒ素の層との界面を有するか、又はさらなる組成傾斜で連続する、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項１６】
前記真性層及び前記ベース層は、同じ組成の半導体材料を有する、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項１７】
前記真性層及び前記ベース層は、互いに同じバンドギャップを有する、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項１８】
前記ベース層は、前記傾斜層の厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料層を含み、前記傾斜層の組成が、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）の範囲内である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光起電力デバイス。
【請求項１９】
前記ベースの前記傾斜層の前記バンドギャップが前記真性層との界面を有し、その界面ではその界面における前記真性層のバンドギャップと等しいバンドギャップを有する、請求項１８に記載の光起電力デバイス。
【請求項２０】
前記ベースの前記傾斜層の前記バンドギャップが前記真性層との界面を有し、その界面ではその界面における前記真性層の組成と同じ組成を有する、請求項１８又は請求項１９又は請求項１２に記載の光起電力デバイス。
【請求項２１】
前記エミッタ層は、ガリウムヒ素の層を含む、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項２２】
前記エミッタ層は、アルミニウムガリウムヒ素の層を含む、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の光起電力ダイオード。
【請求項２３】
前記真性層は、０．７〜１．４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項２４】
前記ベース層は、０．７〜１．０ｅＶの範囲のバンドギャップを有する、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項２５】
前記エミッタ層、前記真性層、及び前記ベース層が、互いに格子整合している、先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオード。
【請求項２６】
先行する請求項のいずれかに記載の光起電力ダイオードを含む太陽電池。
【請求項２７】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の光起電力ダイオードをその接合部の１つとして含む多接合光起電力デバイス。
【請求項２８】
請求項１〜２５のいずれか１項に記載の第１の光起電力ダイオードをその接合部の１つとして含み、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の第２の光起電力ダイオードをその接合部の１つとして含み、前記第１及び第２の光起電力ダイオードのベースが異なるバンドギャップを有する多接合光起電力デバイス。
【請求項２９】
前記真性層及び前記ベース層の方向に前記エミッタ層を通して光りを光起電力ダイオード内に向け、
前記真性層内の光を吸収して光キャリアを生成させ、
前記ダイオードが光キャリアを分離して電気を発生させる、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の光起電力ダイオードを用いて発電する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光起電力ダイオードデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術分野で知られているように、いくつかの太陽電池は、複数の積み重ねられたサブセルを含み、それぞれがフォトダイオードを含み、吸収される光がサブセルを順に通過し、各サブセルは、異なるバンドギャップを有するため、異なる範囲の周波数(又は同等に異なる範囲のエネルギー)を吸収する。これらの太陽電池は、しばしば、多接合光起電力（ＰＶ）太陽電池と呼ばれる。希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、約１ｅＶのバンドギャップを有するサブセルとして高効率多接合ＰＶデバイスに適用するのに興味深い。これらの半導体の吸収閾値(すなわち、バンドギャップを超えて電子を励起する最小光子周波数／エネルギー)は、半導体に数パーセントの窒素（Ｎ）を含めることによって調整することができ、これらの半導体は近赤外の光を吸収するサブセルを製造するための適切な候補となる。
【０００３】
希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、インジウム及び/又はアンチモンが材料に含まれる場合、ＧａＡｓに格子整合するように成長させることができる。ＧａＩｎＡｓＳｂへのＮの取り込みは、少数キャリア寿命を１ｎｓ未満に低減させる傾向があり、２００ｎｍ以下の拡散長をもたらす。短い拡散長の問題を解決するための従来のアプローチは、空乏領域における光生成キャリアのドリフト輸送を利用して、空乏ｎ−ｉ−ｐ接合を成長させることであった。例えば、インペリアルカレッジプレス発行のシリーズ「半導体材料の特性」第１版のジェニー  ネルソン著「太陽電池の物理学」（２００３年９月５日）(ISBN-10:1860943497,ISBN-13:978-1860943492)（非特許文献１）を参照されたい。そのようなサブセルのｎ−ｉ−ｐダイオード１００が図１に示されており、これは、ｎ−ｉ−ｐ接合を形成する半導体材料層と、層に垂直な距離に対する材料の対応するバンド構造との両方を示す。
【０００４】
この装置１００では、ダイオード接合は３層で形成されている。接合の上部エミッタ層１０１は、ｎ型希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓＳｂエミッタ層である。「上部」は、入射光を最初に受ける接合部の層を示すために使用される（図１では、入射光は、波状矢印によって示されるように、左から来る。)。当該技術分野で知られているように、太陽電池は、他のサブセル及び太陽電池の他の層、例えば窓及び電極層と重ね合わせることができる(すなわち、図の左側に)。次の２つの層１０２及び１０３は、「下部」（すなわち、図の右側）にあり、エミッタ層と同じ組成の希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓＳｂ材料である。しかし、ベース層１０３は、ｐ型であり、真性(ｉ)層１０２は、ドープされていないか、又は層１０１及び１０３よりも著しく低活性にドープされている。ここで重要なことは、真性層の活性バックグラウンドドーピング濃度が、デバイスによって形成されるダイオード接合の空乏幅(図１においてｗで示す)が、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体における光子の吸収深さ以上であることを確実にするのに十分に低いことである。その結果、生成される光キャリアが空乏領域の電界によって引き起こされるドリフトによって分離される空乏領域において光が吸収される。すなわち、ｗ＞１／αである。ここで、ｗは空乏幅であり、αは吸収係数である(αは吸収長の逆数である)。十分に大きなｗを達成することは困難であり、一般的には、１０１５ｃｍ−３という低さのバックグランドドーピングレベルがこの材料において好ましい。また、このｎ−ｉ−ｐダイオードでは、ｎ型エミッタ層１０１が薄く保たれることが重要であるが、それは、その層内に長距離拡散輸送が存在しない場合、その層１０１で光生成されたキャリアは、層の厚さを横切って効率的に輸送されず、そこで再結合するために失われるからである。(なお、図中の矢印ｗで示す空乏領域は、エミッタ領域及びベース領域の中までに延びているので、真性領域の厚さｔｉよりもわずかに長いことに留意されたい。)
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ジェニー  ネルソン著、シリーズ「半導体材料の特性」第１版の「太陽電池の物理学」(ISBN-10:1860943497,ISBN-13:978-1860943492)  インペリアルカレッジプレス発行、２００３年９月５日（Jenny Nelson, “The Physics of Solar Cells” from the series “Properties of Semiconductor Materials” 1st Edition (September 5, 2003),published by Imperial College Press (ISBN-10:1860943497, ISBN-13:978-1860943492)）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のエミッタ層であって、前記エミッタ層の少なくとも一部に第１の導電型及び第１のバンドギャップを有するエミッタ層と、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）で与えられる組成を有し、第２のバンドギャップを有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の真性層と、第３のバンドギャップ及び前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する半導体材料のベース層と、を備えており、前記エミッタ層、前記真性層及び前記ベース層がダイオード接合を形成し、前記第１のバンドギャップは、前記第２のバンドギャップよりも大きい、光起電力ダイオードが提供される。
【０００７】
これらバンドギャップの差は、少数の光生成キャリアに対する障壁を提供する。
【０００８】
前記ベース層は、次式で与えられる組成を有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の層であってもよい。
Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である。）
【０００９】
前記エミッタ層は、前記第１のバンドギャップを有するＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のワイドバンドギャップエミッタ層と、前記ワイドバンドギャップエミッタ層と前記真性層との間のナローバンドギャップエミッタ層とを含むことができ、前記ナローギャップエミッタ層は、前記第１の導電型を有し、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である。）によって与えられる組成を有する希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であり、前記第１のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有する。
【００１０】
前記第４のバンドギャップは、前記第２のバンドギャップと同じであってもよい。前記第４のバンドギャップは、前記第１のバンドギャップと前記第２のバンドギャップとの間にあってもよい。前記ナローバンドギャップエミッタ層は、より広いバンドギャップエミッタ層に格子整合させることができる。前記ナローバンドギャップエミッタ層は、前記真性層に格子整合させることができる。前記ナローバンドギャップエミッタ層は、少数キャリアの拡散長よりも厚さが薄くてもよい。前記ナローバンドギャップエミッタ層は、厚さが２００ｎｍよりも薄い厚さであってもよい。前記ナローバンドギャップエミッタ層は、厚さが１００ｎｍであってもよい。
【００１１】
前記エミッタ層は、厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料層（傾斜層）を含むことができ、前記傾斜層の組成は、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である）の範囲内である。
【００１２】
前記エミッタ層は、前記傾斜層の厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜アルミニウムガリウムヒ素半導体材料層を含むことができる。
【００１３】
前記エミッタの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有することができ、その界面では、その界面における前記真性層のバンドギャップと等しいバンドギャップを有する。前記エミッタの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有することができ、その界面では、その界面における前記真性層の組成と同じ組成を有することができる。前記エミッタの前記傾斜層は、ガリウムヒ素又はアルミニウムガリウムヒ素の層との界面を有してもよく、又はさらなる組成傾斜で連続することができる。
【００１４】
前記真性層及び前記ベース層は、同じ組成の半導体材料を有することができる。前記真性層及び前記ベース層は、互いに同じバンドギャップを有することができる。
【００１５】
前記ベース層は、厚さ方向にわたって傾斜した組成及びバンドギャップを有する傾斜希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料層（傾斜層）を含むことができ、前記傾斜層の組成は、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙ（ただし、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である。）の範囲内である。前記ベースの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有することができ、その界面では、その界面における前記真性層の前記バンドギャップと等しいバンドギャップを有することができる。前記ベースの前記傾斜層の前記バンドギャップは、前記真性層との界面を有することができ、その界面では、その界面における前記真性層の組成と同じ組成を有することができる。
【００１６】
前記エミッタ層は、ガリウムヒ素の層を含むことができる。前記エミッタ層は、アルミニウムガリウムヒ素の層を含むことができる。
【００１７】
前記真性層は、０．７〜１．４ｅＶの範囲のバンドギャップを有することができる。前記ベース層は、０．７〜１．０ｅＶの範囲のバンドギャップを有することができる。
【００１８】
前記エミッタ層、前記真性層、及び前記ベース層は、互いに格子整合していてもよい。
【００１９】
本発明はまた、前記光起電力ダイオードを含む太陽電池を提供する。
【００２０】
本発明はさらに、前記光起電力ダイオードを含む多接合光起電力デバイスを提供する。
【００２１】
また、本発明は、第１の光起電力ダイオードをその接合部の１つとして、及び第２の光起電力ダイオードをその接合部の１つとして備え、前記第１の光起電力ダイオード及び前記第２の光起電力ダイオードのベースが異なるバンドギャップを有する、多接合型光起電力デバイスを提供する。
【００２２】
本発明は、さらに、真性層及びベース層の方向にエミッタ層を通して光起電力ダイオードに光を向け、前記真性層内の光を吸収して光キャリアを生成させ、前記ダイオードが光キャリアを分離して電気を発生させる、光起電力ダイオードを用いて発電する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】既知のｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオードの層及びバンド図を示した概略図である。
【図２】例示的なヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオードの接合部の層及びバンド図を示した概略図である。
【図３】別の例示的なヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオードの接合部の層及びバンド図を示した概略図である。
【図４】例示的な傾斜ヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオードの接合部の層及びバンド図を示した概略図である。
【図５】多接合光起電力デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
図２は、本発明によるヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオードの第１の例の層及びバンド図を示す。これは、例えば、多接合光起電力デバイスのサブセルを形成することができる。このダイオード２００には、ダイオード接合を形成する３つの層２０１、２０２及び２０３がある。接合の「上部」エミッタ層２０１は、この例ではＧａＡｓ(あるいはＡｌＧａＡｓを使用することもできる)のｎ型層である。中間の真性層２０２及びベース層２０３は、いずれも希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓＳｂ材料である。ベース層２０３は、ｐ型層であり、真性層２０２は、ドープされていないか、又は層２０１及び２０３よりも著しく低活性にドープされている。３つの層すべての材料は、格子整合しており、すなわち、同じ格子パラメータを有するか、又は、材料がエピタキシャル成長されるときに転位を形成させない(又は、時々知られているように「塑性緩和」しない)ように格子定数が十分に近い。知られているように、わずかに異なる格子定数を有する格子整合は、厚い層及び薄い層の両方において達成することができ、後者の場合、格子定数の差は、層の臨界厚さを超えない限り、より大きくすることができる。ベース層及び真性層は、同じバンドギャップを有することが好ましい。
【００２６】
これらの層は、格子整合基板上に順次エピタキシャル成長させることができる。これは、ベース層２０３、次いで真性層２０２、次いでエミッタ層２０１の順であり得る。しかし、当該技術分野で知られているように、層は、基板上で他の方向に成長させられ、次いで、その基板から除去され、別の基板上に実装される前に裏返され得る。
【００２７】
希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層の組成の好ましい範囲は、式：Ｇａ１−ｚＩｎｚＮｘＡｓｙＳｂ１−ｘ−ｙによって与えられる。ここで、０＜ｚ＜０．２０、０．０１＜ｘ＜０．０５、ｙ＞０．８０である。ベース層２０３及び真性層は、好ましくは同じ組成を有するが、異なる組成であってもよく、それらが同じバンドギャップを有する場合、ならびに互いに格子整合される場合（材料が形成されている異なる元素の数が与えられる場合）でも可能である。
【００２８】
また、当該技術分野で知られているように、上部層２０１は、太陽電池の他のサブセル(図５及び以下の関連する説明を参照)及び他の層、例えば窓及び電極層と重ね合わせることができる(すなわち、図の左側に)。(「上部」層は、入射光を最初に受ける接合の層という意味でもある。図２では、光は左から来る。)
【００２９】
図１の既知の例と同様に、真性層２０２内の活性バックグラウンドドーピング濃度は、空乏幅（図２では再びｗで示す)が半導体内の光子の吸収深さに等しいか、又はそれよりも大きいこと、すなわちｗ＞１／αであることを確実にするのに十分に低いことが好ましい。図２の例では、約１０１５ｃｍ−３のドーピングレベルが好ましい。達成するのは困難であるが、１０１４ｃｍ−３は、さらに良好であり得る。図２の例におけるエミッタ層２０１及びベース層２０３の好ましいドーピングレベルは、それぞれ５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３及び５×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【００３０】
この例、すなわち図２の例では、ｎ型エミッタ層２０１が真性層２０２のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有することが注目される。
【００３１】
ここで、図１に関して上述した既知のｎ−ｉ−ｐホモ接合では、そのｎ型エミッタ層１０１が薄く保たれることが重要であったが、それは、長距離拡散輸送がない場合、ｎ型層１０１で光生成されたキャリアは、再結合なしにその層の厚さを横切って輸送されないからである。しかし、この例では、ｎ型エミッタ層２０１のバンドギャップが真性層２０２のバンドギャップよりも大きい場合、ｎ型エミッタ層２０１は、それを通過する光子のかなりの割合を吸収せず、したがって、光キャリアは生成されず、代わりに、光子は、より小さいバンドギャップを有する真性層２０２に吸収される。したがって、バンドギャップの差の１つの効果は、もはやｎ型層を薄く保つ必要がないことであり、例えば、１００ｎｍを超える厚さをｎ型エミッタ層２０１に使用することができる。一般に、多くの層状デバイスの製造及び構造は、通常、多くの、そしてしばしば競合する要件によって決定され、したがって、このデバイスにおけるこの要件の緩和は、図２のデバイスがそのようなデバイスの一部を形成する場合に利点を有し得る。例えば、より厚い層は、しばしば、より良好な材料特性を有し、例えば、バルクは、隣接する層からのドーパントの拡散を受けない。
【００３２】
また、ｎ層２０１の材料にＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを有することの有用な利点は、多接合太陽電池のサブセル間で典型的に使用される、上に重なるトンネル接合及び少数キャリアホールのためのバリアを有することに適合することである。このような適合性の一例では、２０１の上の次の層の上の次の層は、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓで形成される。
【００３３】
本発明に従うヘテロ構造「ｐ−ｉ−ｎ」ダイオードを有することも可能である。一例は、図２のものと同様であり、エミッタ層、真性層及びベース層がそれぞれ図２のｎ−ｉ−ｐダイオードの層２０１、２０２及び２０３と同じ材料であるが、エミッタ層がｐ型にドープされ、ベース層がｎ型にドープされており、実際にそれらは同じように機能する。(すなわち、この例では、エミッタ及びベースの導電型(ｎ型／ｐ型)は、図２の例のものとは反対である。)
【００３４】
図３は、本発明によるヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオード３００の第２の例の層及びバンド図を示す。この場合も、これは、多接合光起電力デバイスのサブセルを形成することができる。このダイオードは、ｎ型エミッタ層３０１と、真性層３０２と、ｐ型ベース層３０３とを有する。これらは、一般に、図２の例と同じ材料であるが、この場合、エミッタ層３０１は、２つの層、すなわち、ワイドバンドギャップエミッタ層３０１ａ及びナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂを有し、これらは両方ともｎ型にドープされている。層３０１ｂは、層３０１ａと層３０２との間にある。この例は図２の例と同様に、ワイドバンドギャップエミッタ層３０１ａは、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ材料からなる。ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂは、希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓＳｂである。それは、ワイドバンドギャップエミッタ層よりも小さいバンドギャップを有し、好ましくは、真性層３０２のバンドギャップに等しいバンドギャップを有する(あるいは、それは、主エミッタ層３０１ａのバンドギャップ及び真性層３０２のバンドギャップの間にバンドギャップを有してもよい)。ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂは、主エミッタ層３０１ａ及び真性層３０２と格子整合することが好ましい。
【００３５】
ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂは、主エミッタ層３０１ａよりも狭いバンドギャップを有するので、ナローバンドギャップエミッタ層のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有するワイドバンドギャップエミッタ層から通過する光子を吸収し、電子−正孔対を生成する。ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂの厚さＣｎ(典型的には１０ｎｍ)は、光子の吸収長よりも小さいので、前述の例のように、そのような光子の全てがナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂに吸収されるわけではなく残部が真性層３０２へと進み、そこで吸収される。ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂはドープされているが、この例におけるその厚さは、その層の材料中の光キャリアの拡散長に等しいか、又はそれより薄い。そのため、電子は、非常に迅速にワイドバンドギャップエミッタ層３０１ａ中に拡散又はドリフトする。そして重要なことに、少数キャリアの正孔が空乏領域中に拡散する（そこで、それらは、真性領域３０２を横切る空乏領域の電界によってベース３０３に輸送される)。ナローバンドギャップエミッタ層３０１ｂとワイドバンドギャップエミッタ層３０１ａとの間の価電子帯端部における段差は、ワイドバンドギャップエミッタ層３０１ａ内に拡散する正孔に対する障壁として作用し、もちろん、正孔は電子と再結合する。この例では、光子を吸収する全体の領域は、長さＣｎ及びｗを組み合わせたものである(もちろん、Ｃｎ及びｗがわずかに重なることに留意されたい)。実際には、これは吸収のための余分な長さを提供するが、それは、上述のように、ｗの実際の長さは、達成可能な真性領域のバックグランドドーピングレベルによって制限され(これは、図２の例と同じである)、その長さｗは、これらの材料における光の吸収長さよりもあまり長くはないので、余分な長さＣｎを有意にする。
【００３６】
図４は、本発明によるヘテロ構造ｎ−ｉ−ｐ光起電力ダイオード４００の第３の例の層及びバンド図を示す。この場合も、これは、多接合光起電力デバイスのサブセルを形成することができる。また、ダイオードは、ｎ型エミッタ層４０１と、真性層４０２と、ｐ型ベース層４０３ａ／４０３ｂとを有する。しかし、この例では、組成傾斜４０１、４０３ａが、エミッタ領域及び／又はベース領域のそれぞれに提供される。この例の場合のように、ドーピングの傾斜を使用することもできる。
【００３７】
図４の例では、全ての層は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの様々な組成のものである。真性層の組成は、材料に〜１．０ｅＶのバンドギャップエネルギーを与える上記の例のようなものであることが好ましい。組成傾斜４０１は、真性層との界面からの距離と共にバンドギャップを広げる。示されるように、その界面でバンドギャップに段差変化がないことが好ましい。バンドギャップは、好ましくは、上の次の層のそれと等しくなるように広がり、これは、例えばＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓであり得る。エミッタ４０１の代替材料は、組成傾斜のＡｌＧａＡｓである。
【００３８】
同様に、組成傾斜４０３ａは、ベース層４０３ｂのそれに等しくなるまで、真性層との界面からバンドギャップを狭める。
【００３９】
この例では、傾斜層はドーパントレベルにも傾斜を有し、真性領域とのそれぞれの界面から離れるにつれて増大する。これらの領域に活性ドーピングが存在するので、空乏領域は、それぞれの中に短い距離で終端する。
【００４０】
組成傾斜層は、それぞれ、Ｃｎ及びＣｐの範囲に電界を誘起することによって、太陽電池内の収集長さをさらに延長し、Ｃｎ、ｗ、及びＣｐの組合せの能動的収集長さをもたらす（ｗとＣｎとの間、及びｗとＣｐとの間には小さな重複があることに留意されたい。）。好都合なことに、組成傾斜４０１及びドープ傾斜４０３ａは、少数キャリアをドリフトさせるための電界も提供し、より高い光キャリア収集効率をもたらす。
【００４１】
設計上の制約は、（１）傾斜層４０１及び４０３ａの厚さ（Ｃｎ及びＣｐ）が、傾斜半導体材料、ドーピング傾斜及びドープ半導体の拡散長の組合せに対応すべきであること、及び（２）真性領域４０２の厚さｔｉが、真性層４０２が動作電圧で空乏化されたままであることを確実にするために、バックグランド不純物濃度レベルによって決定されることである。
【００４２】
ベース層の組成傾斜は、例えば、図２及び図３の実施形態においても使用することができる。
【００４３】
なお、図２のバンド図では、ＧａＩｎＡｓＳｂ材料の組成によっては、価電子帯に障壁が形成されているが伝導帯にも障壁が形成されている理想的なバンド配向を示している。図３では、３０１ａと３０１ｂとの間の界面において、いくつかのバンド曲がりが予想され、その空間的広がりは、ｎ型層における自由キャリア密度によって決定される。図４において、価電子帯のプロファイルは、ドーピングレベルと半導体組成を同時に制御することによって、制御することができる。図４は、層４０１に均一なｎ型ドーピングを有する典型的な例を示す。
【００４４】
図５は、いくつかのサブセルを有する例示的な光起電力デバイス５００を示す。この例では、直列(又は、これらのデバイスでしばしば呼ばれる「多層」)に接続された４つのサブセルが存在する。第１のサブセル５０１は、ＡｌＧａＩｎＰの活性光吸収領域を有し、これは非常に広いバンドギャップを有し、＞〜１．９ｅＶのエネルギーで入射光を吸収する。第２のサブセル５０２は、Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓの活性光吸収領域を有し、これは５０１のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有し、サブセル５０１からそのサブセルを通過する１．４ｅＶ〜１．９ｅＶのエネルギーを有する入射光を吸収する。第３のサブセル５０３は、本発明によるサブセル、例えば、上記の図２、図３又は図４を参照して説明したサブセルのうちの１つである。ここで、エミッタ２０１／３０１ａもＧａＡｓであり、勿論、サブセル５０２と同じバンドギャップを有する。これは、ＧａＡｓエミッタによって吸収されるはずの光が、サブセル５０２及び５０１によって既に吸収されていることを意味する。したがって、エミッタ２０１／３０１ａに吸収されることによって光が無駄にされることはない。第４のサブセル５０４は、Ｇｅの活性光吸収領域を有し、これは、全てのサブセルの中で最も狭いバンドギャップを有し、サブセル５０３からそのサブセルまで通過する０．６６ｅＶから１．０ｅＶのエネルギーを有する入射光を吸収する。サブセル５０４の代替例は、上述のように第２のｎ−ｉ−ｐダイオードを有するが、サブセル５０３よりも真性層のバンドギャップが小さい。
【００４５】
上記のデバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）などの既知の技術によって製造することができる。国際公開ＷＯ２００９／１５７８７０号は、希薄窒化物材料の製造方法を開示しており、参照により本明細書に組み込まれる。
【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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【国際調査報告】
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