(57)【要約】【課題】基板上に化合物半導体からなる層をヘテロエピタキシーで成長して作製される太陽電池であっても、太陽光スペクトルを吸収して発生するキャリアを、転位に関連するトラップで再結合させずに効率よく取り出すことができる構造を備える太陽電池を提供する。【解決手段】本発明の太陽電池は、主面を有する基板１０２と、基板１０２上に形成され、第１の導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する光吸収層１０３と、光吸収層１０３上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型のＩｎｙＧａ１−ｙＰ（０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する光吸収層１０４とを備え、光吸収層１０３の複数の領域のそれぞれと、光吸収層１０４の複数の領域のそれぞれとが、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している。【選択図】図１Ａ
2011222620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する基板と、
前記基板上に形成され、第１の導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第１の光吸収層と、
前記第１の光吸収層上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型のＩｎｙＧａ１−ｙＰ（０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第２の光吸収層とを備え、
前記第１の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれと、前記第２の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれとが、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池。
【請求項２】
前記第１の光吸収層の前記複数の領域が、前記第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第１のＩｎリッチ領域を含み、
前記第２の光吸収層の前記複数の領域が、前記第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第２のＩｎリッチ領域を含み、
前記第１のＩｎリッチ領域の平面視における位置と、前記第２のＩｎリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致する請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記第１のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、前記第１の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、
前記第２のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、前記第２の光吸収層の転位の平均間隔より小さい請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｘ、及び前記第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｙのいずれもが、前記主面に平行な面内で０．２８以上１以下である請求項３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記第２の光吸収層上に形成され、第１の導電型及び第２の導電型とは異なる第３の導電型のＩｎｚＧａ１−ｚＰ（０＜ｚ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第３の光吸収層
を更に備え、
前記第３の光吸収層の前記複数の領域がそれぞれ、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している請求項２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第３の光吸収層の前記複数の領域が、前記第３の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第３のＩｎリッチ領域を含み、
前記第２のＩｎリッチ領域の平面視における位置と、前記第３のＩｎリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致する請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、前記第１の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、
前記第２のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、前記第２の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、
前記第３のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、前記第３の光吸収層の転位の平均間隔より小さい請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｘ、前記第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｙ、及び前記第３の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｚのいずれもが、前記主面に平行な面内で０．２８以上１以下である請求項７に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記基板と前記第１の光吸収層との間に、前記第１の光吸収層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する複数の半導体層からなるｐｎ接合を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、及びＳｉからなる群から選択される一の材料からなる請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。特に、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を光吸収層に用いた太陽電池の結晶の製造においては、格子不整合による転位の発生を防ぐため、使用する基板の格子定数と、その上にエピタキシャル成長させる層を構成する結晶の格子定数とを整合させるのが一般的である。そのため、ＧａＡｓ基板やＧａＡｓの格子定数に近い格子定数を有するＧｅ基板が用いられる。ただし、太陽電池セルのコストを考慮すると、使用する基板のコストの低減は重要である。ＧａＡｓ基板やＧｅ基板は高価であるので、電子デバイスに広く用いられている安価なＳｉ基板上にＧａＡｓ等の化合物半導体をエピタキシャル成長すること、いわゆるＳｉ基板上のヘテロエピタキシーも検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−０９１０９８号公報
【特許文献２】特開平７−２２１０３０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ, ５６, ｐ.２２２５, １９９０.
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ, ５８, ｐ.３６０１, １９８５.
【非特許文献３】Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ, ５３, ｐ.２２９３, １９８８.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＧａＡｓの格子定数が０．５６５３ｎｍであるのに対し、Ｓｉの格子定数は０．５４３１ｎｍであり、約４％の格子不整合が生じる。したがって、Ｓｉ基板上へのＧａＡｓの結晶成長は一般には非常に難しい。何も対策をしなければ、１０８ｃｍ−３オーダーの転位が発生してしまう。このような転位は、成長温度を室温に下げる際に、Ｓｉの熱膨張率とＧａＡｓの熱膨張率との熱膨張率差に起因して発生すると考えられている（例えば、非特許文献１）。
【０００６】
このような転位は、太陽光を吸収することにより半導体層で発生したキャリアを、電極からセル外部に取り出す前に再結合させてしまう原因になる。したがって、太陽光を効率よく吸収する半導体材料を選んだとしても、外部に取り出せるエネルギーは減少してしまうので、変換効率の低下につながる（例えば、非特許文献２）。
【０００７】
そこで、このような転位の密度を低減するために、超格子バッファ層や熱サイクルアニール等の方法が提案され（例えば、特許文献１及び非特許文献３）、実際に太陽電池の製造に適用することによって転位密度を１０６ｃｍ−３程度までは低減することができる。しかしながら、ＧａＡｓ基板上にＳｉを成長した場合と比べても、１桁以上多い転位密度のレベルにとどまっている。他にも、バッファ層を工夫すること等で転位密度を低減する方法が試みられているが（例えば、特許文献２）、そのような方法を太陽電池に応用しても変換効率を十分に高めることができず、Ｓｉ等からなる基板上の太陽電池はいまだ実用には至っていない。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、基板上に化合物半導体からなる層をヘテロエピタキシーで成長して作製される太陽電池であっても、太陽光スペクトルを吸収して発生するキャリアを、転位に関連するトラップで再結合させずに効率よく取り出すことができる構造を備える太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、主面を有する基板と、基板上に形成され、第１の導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第１の光吸収層と、第１の光吸収層上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型のＩｎｙＧａ１−ｙＰ（０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第２の光吸収層とを備え、第１の光吸収層の複数の領域のそれぞれと、第２の光吸収層の複数の領域のそれぞれとが、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池が提供される。
【００１０】
また、上記太陽電池において、第１の光吸収層の複数の領域が、第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第１のＩｎリッチ領域を含み、第２の光吸収層の複数の領域が、第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第２のＩｎリッチ領域を含み、第１のＩｎリッチ領域の平面視における位置と、第２のＩｎリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記太陽電池において、第１のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、第１の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第２のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、第２の光吸収層の転位の平均間隔より小さいようにしてもよい。
【００１２】
また、上記太陽電池において、第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｘ、及び第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｙのいずれもが、主面に平行な面内で０．２８以上１以下であることが好ましい。
【００１３】
また、上記太陽電池において、第２の光吸収層上に形成され、第１の導電型及び第２の導電型とは異なる第３の導電型のＩｎｚＧａ１−ｚＰ（０＜ｚ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第３の光吸収層を更に備え、第３の光吸収層の複数の領域がそれぞれ、主面に平行な面内で量子ドット状に分布していることが好ましい。
【００１４】
また、上記太陽電池において、第３の光吸収層の複数の領域が、第３の光吸収層の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第３のＩｎリッチ領域を含み、第２のＩｎリッチ領域の平面視における位置と、第３のＩｎリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致するようにすることもできる。
【００１５】
また、上記太陽電池において、第１のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、第１の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第２のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、第２の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第３のＩｎリッチ領域の平面視における大きさが、第３の光吸収層の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。
【００１６】
また、上記太陽電池において、第１の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｘ、第２の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｙ、及び第３の光吸収層の平均Ｉｎ組成比ｚのいずれもが、主面に平行な面内で０．２８以上１以下であることが好ましい。
【００１７】
また、上記太陽電池において、基板と第１の光吸収層との間に、第１の光吸収層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する複数の半導体層からなるｐｎ接合を含むようにすることもできる。
【００１８】
また、上記太陽電池において、基板が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、及びＳｉからなる群から選択される一の材料からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る太陽電池によれば、基板上に化合物半導体からなる層をヘテロエピタキシーで成長して作製される太陽電池であっても、太陽光スペクトルを吸収して発生するキャリアを、転位に関連するトラップで再結合させずに効率よく取り出すことができる構造を備える太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池セルの断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池セルの光吸収層の基板の主面に平行な方向におけるエネルギーバンド図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池セルの断面図である。
【図３Ａ】本発明の第３の実施の形態に係る太陽電池セルの断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る太陽電池セルの断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施例１に係る太陽電池セルの断面図であり、（ｂ）は、実施例１に係る太陽電池セルの光吸収層４０３の拡大断面図である。また、（ｃ）は実施例１に係る太陽電池セルの光吸収層４０４の拡大断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施例２に係る太陽電池セルの断面図であり、（ｂ）は実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０３の拡大断面図である。また、（ｃ）は実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０４の拡大断面図であり、（ｄ）は実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０５の拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例３に係る太陽電池セルの断面図である。
【図７Ａ】本発明の実施例１の変形例に係る太陽電池セルの断面図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例１の他の変形例に係る太陽電池セルの断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係る太陽電池セルの断面図である。
【図９】本発明の実施例５に係る太陽電池セルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［実施の形態の要約］
光吸収層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される太陽電池において、主面を有する基板と、前記基板上に形成され、第１の導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第１の光吸収層と、前記第１の光吸収層上に形成され、第１の導電型とは異なる第２の導電型のＩｎｙＧａ１−ｙＰ（０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する第２の光吸収層とを備え、前記第１の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれと、前記第２の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれとが、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池が提供される。
【００２２】
［第１の実施の形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００２３】
第１の実施の形態に係る太陽電池としての太陽電池セル１は、主面を有する基板１０２と、基板１０２上（すなわち、主面上）に形成され、第１の導電型のＩｎｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）からなる第１の光吸収層としての光吸収層１０３と、光吸収層１０３上に接して形成され、第１導電型とは異なる第２の導電型のＩｎｙＧａ１−ｙＰ（０＜ｙ≦１）からなる第２の光吸収層としての光吸収層１０４と、基板１０２の主面の反対側の面に形成される電極１０１と、光吸収層１０４の上に形成される電極１０５とを備える。
【００２４】
ここで、光吸収層１０３は、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する。同様に、光吸収層１０４は、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する。更に、本実施の形態においては、光吸収層１０３のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれと、光吸収層１０４のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれとが、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している。すなわち、これらの複数の領域は、各光吸収層のそれぞれにおいて、平面視にて直径が数十〜数百ｎｍの大きさであり、間隔をおいて分布している。
【００２５】
また、光吸収層１０３のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層１０３の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第１のＩｎリッチ領域としてのＩｎリッチ領域１０６ａと、当該平均Ｉｎ組成比よりＩｎ組成比の低い領域１０６ｂとを含む。そして、平面視にて（すなわち、基板１０２の主面に平行な面内で観察した場合）、Ｉｎリッチ領域１０６ａは、Ｉｎ組成比が低い領域１０６ｂの中に量子ドット状に分布している。同様に、光吸収層１０４のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層１０４の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第２のＩｎリッチ領域としてのＩｎリッチ領域１０７ａと、当該平均Ｉｎ組成比よりＩｎ組成比の低い領域１０７ｂとを含む。そして、平面視にて、Ｉｎリッチ領域１０７ａは、Ｉｎ組成比が低い領域１０７ｂの中に量子ドット状に分布している。更に、本実施の形態においては、光吸収層１０３のＩｎリッチ領域１０６ａの平面視における位置と、光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０７ａの平面視における位置とが、実質的に一致するように形成されている。
【００２６】
また、光吸収層１０３のＩｎリッチ領域１０６ａの平面視における大きさが、光吸収層１０３の転位の平均間隔より小さく、光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０７ａの平面視における大きさが、光吸収層１０４の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。そして、光吸収層１０３の平均Ｉｎ組成比ｘ、及び光吸収層１０４の平均Ｉｎ組成比ｙのいずれもが、基板１０２主面に平行な面内で０．２８以上１以下であることが好ましい。
【００２７】
図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池セルの光吸収層の基板の主面に平行な方向におけるエネルギーバンド図の概要を示す。
【００２８】
エネルギーバンド図１０８に示すように、Ｉｎリッチ領域１０６ａのＩｎ組成比は領域１０６ｂのＩｎ組成比より高いので、Ｉｎリッチ領域１０６ａのバンドギャップは領域１０６ｂのバンドギャップより小さい。したがって、電子及び正孔にとっては、バンドギャップの小さなＩｎリッチ領域１０６ａに存在する方がエネルギー的に安定であり、領域１０６ｂに存在するキャリアは容易にＩｎリッチ領域１０６ａの方へ集まる。
【００２９】
同様に、光吸収層１０４においても、Ｉｎリッチ領域１０７ａのバンドギャップは領域１０７ｂのバンドギャップより小さいために、電子及び正孔にとっては、バンドギャップの小さなＩｎリッチ領域１０７ａに存在する方がエネルギー的に安定であり、領域１０７ｂに存在するキャリアは容易にＩｎリッチ領域１０７ａの方へ集まる。
【００３０】
つまり、光吸収層１０３及び光吸収層１０４のＩｎ組成比を基板１０２の主面に平行な方向に沿って変化させることで、Ｉｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａに、電子及び正孔を集めやすい機能を発揮させることができる。また、光吸収層１０３のＩｎリッチ領域１０６ａの平面視における位置と、光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０７ａの平面視における位置とが実質的に一致しているので、基板１０２の主面に垂直な方向に、Ｉｎリッチ領域（すなわち、Ｉｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａ）を連続させること（すなわち、一体的に連続させること）ができる。これにより、Ｉｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａは、電子及び正孔を集めながら電極１０５まで到達させることができる。
【００３１】
なお、光通信等に広く用いられているＩｎＰ系の半導体レーザは、光ディスクのピックアップ用に広く用いられているＧａＡｓ系半導体レーザに比べて劣化し難い性質を有している。これは、それらを構成している結晶に含まれるＩｎの量に起因するものと考えられる。つまり、ＩｎＰ系半導体レーザに用いられているＩｎ組成比の高い結晶は、転位の増殖等が抑制されるため劣化し難い。
【００３２】
また、本実施の形態に係る太陽電池セル１は、光吸収層１０３及び光吸収層１０４で光を吸収し、光吸収層１０３及び光吸収層１０４で発生させたキャリアをＩｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａに集めながら電極１０５まで到達させる。Ｉｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａは、Ｉｎ組成比が高いことから転位の増殖等が抑制され、劣化し難い。したがって、このような太陽電池セル１においては、転位によるキャリアの余分な再結合を抑えることができ、これにより太陽電池セル１の変換効率を高めることができる。
【００３３】
一方、転位が多いにも関わらず実用化に至っている半導体素子の例としては、サファイア基板上に形成されるＩｎＧａＮ系青色半導体レーザが挙げられる。この半導体レーザがレーザ発振可能である理由も、Ｉｎ組成比が高いことに起因する。すなわち、ＩｎＧａＮのＩｎ組成比が面内で揺らいでおり、Ｉｎ組成比の高いＩｎリッチ領域にキャリアが局在化し、電子と正孔とが弱く結合した励起子（エキシトン）を形成して量子ドットのように機能すると共に、その大きさが転位密度の平均間隔よりも小さいために、転位の影響を受け難いからと考えられている。
【００３４】
つまり、光吸収層１０３及び光吸収層１０４内のＩｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａの大きさが、その光吸収層１０３及び光吸収層１０４の結晶の転位密度の平均間隔よりも小さければ、キャリアがＩｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａ内に局在化する。これにより、転位によるキャリアの再結合を大幅に抑制できる。したがって、本実施の形態のように、光吸収層１０３及び光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａの大きさを、その結晶の転位密度の平均間隔より小さくすれば、光吸収により発生したキャリアを、転位による再結合によって失うことなく、電極まで取り出すことができる。
【００３５】
また、太陽電池セルで光を効率よく吸収させるには、光吸収層１０３及び光吸収層１０４は、直接遷移半導体から形成されることが望ましい。ＩｎＧａＰの場合は、Ｉｎ組成比が０．２８より小さくなると、間接遷移半導体となり、光の吸収効率が低下する。したがって、本実施の形態においては、光吸収層１０３及び光吸収層１０４のＩｎ組成比は、０．２８以上１以下の範囲にする。
【００３６】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る太陽電池セル１は、光吸収層１０３及び光吸収層１０４が光を吸収することによって光吸収層１０３及び光吸収層１０４において発生するキャリアを、Ｉｎ組成比の高いＩｎリッチ領域１０６ａ及びＩｎリッチ領域１０７ａを通して電極から取り出すことができるので、太陽電池セル１中に存在する転位におけるキャリアの再結合を抑制できる。これにより、転位密度が大きな結晶を太陽電池セル１に用いた場合でも、変換効率の高い太陽電池セル１を実現することができる。
【００３７】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００３８】
第２の実施の形態に係る太陽電池セル２は、光吸収層１０４上に第３の光吸収層としての光吸収層２００を更に備える点を除き、第１の実施の形態に係る太陽電池セル１と略同一の構成、機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００３９】
太陽電池セル２は、基板１０２と、基板１０２上に形成される光吸収層１０３と、光吸収層１０３上に形成される光吸収層１０４と、光吸収層１０４の上に形成され、第１の導電型及び第２の導電型とは異なる第３の導電型のＩｎｚＧａ１−ｚＰ（０＜ｚ≦１）からなり、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の領域を有する光吸収層２００と、基板１０２の主面の反対側の面に形成される電極１０１と、光吸収層２００の上に形成される電極１０５とを備える。
【００４０】
ここで、光吸収層２００のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれは、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している。すなわち、複数の領域は、光吸収層２００において、平面視にて直径が数十〜数百ｎｍの大きさであり、間隔をおいて分布している。また、光吸収層２００のＩｎ組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層２００の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比の第３のＩｎリッチ領域としてのＩｎリッチ領域２０１ａと、当該平均Ｉｎ組成比よりＩｎ組成比の低い領域２０１ｂとを含む。なお、光吸収層２００のＩｎリッチ領域２０１ａの平面視における大きさは、光吸収層２００の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。
【００４１】
そして、平面視にて（すなわち、基板１０２の主面に平行な面内で観察した場合）、Ｉｎリッチ領域２０１ａは、Ｉｎ組成比が低い領域２０１ｂの中に量子ドット状に分布している。更に、本実施の形態においては、光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０７ａの平面視における位置と、光吸収層２００のＩｎリッチ領域２０１ａの平面視における位置とが、実質的に一致するように形成されている。すなわち、第２の実施の形態においては、光吸収層１０３のＩｎリッチ領域１０６ａの平面視における位置と、光吸収層１０４のＩｎリッチ領域１０７ａの平面視における位置と、光吸収層２００のＩｎリッチ領域２０１ａの平面視における位置とが、実質的に一致するような配置になっている。
【００４２】
第２の実施の形態に係る太陽電池セル２を用いることにより、第１の実施の形態に係る太陽電池セル１と同様に、光吸収層１０３乃至光吸収層２００に光が吸収されることによってこれらの光吸収層内に生じたキャリアを電極１０５から取り出す場合に、太陽電池セル２中の転位によるキャリアの再結合を抑制できる。これにより、太陽電池セル２の変換効率を高めることができる。また、ＩｎＧａＰを直接遷移型半導体にすることにより光吸収層１０３乃至光吸収層２００の光の吸収効率を向上させることを目的として、光吸収層１０３、光吸収層１０４、及び光吸収層２００のＩｎ組成比は、いずれも０．２８以上１以下の範囲にすることが好ましい。
【００４３】
［第３の実施の形態］
図３Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００４４】
第３の実施の形態に係る太陽電池セル３は、第１の実施の形態に係る太陽電池セル１において、基板１０２と光吸収層１０３との間に太陽電池構造３０を設けた点を除き、第１の実施の形態に係る太陽電池セル１と略同一の構成、機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００４５】
太陽電池構造３０は、基板１０２上に設けられる。そして、太陽電池構造３０は、光吸収層１０３を構成する半導体のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する複数の半導体層からなるｐｎ接合界面３１１を含む。具体的に、複数の半導体層は、基板１０２上に設けられる半導体層３００と、半導体層３００上に設けられる半導体層３１０とを含む。
【００４６】
半導体層３００の導電型と半導体層３１０の導電型とを互いに変えることにより、半導体層３００と半導体層３１０との間にｐｎ接合界面３１１が存在することになる。したがって、半導体層３００と半導体層３１０とはそれぞれ、光吸収層として機能する太陽電池構造３０を構成しており、太陽電池セル３全体では、いわゆるタンデム型太陽電池を構成する。
【００４７】
光吸収層１０３のバンドギャップよりも小さなエネルギーを持つ光は、光吸収層１０３で吸収されずにそのまま太陽電池構造３０に到達する。太陽電池構造３０を構成する半導体層３００のバンドギャップと半導体層３１０のバンドギャップとが、光吸収層１０３のバンドギャップよりも小さいので、光吸収層１０３で吸収し切れなかった光は太陽電池構造３０で吸収させることができ、太陽電池の効率を高くすることができる。
【００４８】
このような、タンデム型太陽電池の場合においても、光吸収層１０３と光吸収層１０４とが第１の実施の形態と同様の機能を有するので、第１の実施の形態に係る太陽電池セル１と同様の効果が得られる。
【００４９】
［第３の実施の形態の変形例］
図３Ｂは、本発明の第３の実施の形態の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００５０】
第３の実施の形態の変形例に係る太陽電池セル３ａは、第２の実施の形態に係る太陽電池セル２において、基板１０２と光吸収層１０３との間に太陽電池構造３０を設けた点を除き、第２の実施の形態に係る太陽電池セル２と略同一の構成、機能を備える。そして、太陽電池構造３０は、第３の実施の形態に係る太陽電池セル３と同一の構成を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【００５１】
第３の実施の形態の変形例に係る太陽電池セル３ａにおいても、光吸収層１０３乃至光吸収層２００が第２の実施の形態に係る太陽電池セル２と同様の機能を有するので、第２の実施の形態に係る太陽電池セル２と同様の効果が得られる。
【００５２】
なお、基板１０２としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇｅ、及びＳｉからなる群から選択される一の材料から形成される半導体基板を用いることができる。
【実施例１】
【００５３】
図４の（ａ）は、本発明の実施例１に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００５４】
実施例１に係る太陽電池セル４は、ｎ型Ｓｉの基板４０２の上に、厚さ２５０ｎｍのｎ型ドープのＩｎＧａＰからなる光吸収層４０３と、厚さ２５０ｎｍのｐ型ドープのＩｎＧａＰからなる光吸収層４０４とをこの順に積層した構造を備え、ｎ型Ｓｉの基板４０２の下面にｎ型の電極４０１を有し、ｐ型ドープのＩｎＧａＰからなる光吸収層４０４の上面にｐ型の透明電極４０５を有する。
【００５５】
図４の（ｂ）は、本発明の実施例１に係る太陽電池セルの光吸収層４０３の拡大断面の概要を示す。
【００５６】
ｎ型ドープのＩｎＧａＰからなる光吸収層４０３は、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０６ｃとｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０６ｄとを１組として、これを５０組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０６ｃは、基板４０２に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０６ｃが基板面に垂直に並んだ構造は、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層４０３の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比のＩｎリッチ領域４０６ａとして機能する。また、ｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０６ｄが基板面に垂直に並んだ構造は、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層４０３の平均Ｉｎ組成比より低いＩｎ組成の領域４０６ｂとして機能する。なお、Ｉｎリッチ領域４０６ａと領域４０６ｂとは、いずれもＩｎ組成比が０．２８以上１以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
【００５７】
図４の（ｃ）は、本発明の実施例１に係る太陽電池セルの光吸収層４０４の拡大断面の概要を示す。
【００５８】
ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層４０４は、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０７ｃとｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０７ｄとを１組として、これを５０組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０７ｃは、基板４０２に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０７ｃが基板面に垂直に並んだ構造は、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層４０４の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成のＩｎリッチ領域４０７ａとして機能する。また、ｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０７ｄが基板面に垂直に並んだ構造は、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層４０４の平均Ｉｎ組成比より低いＩｎ組成比の領域４０７ｂとして機能する。なお、Ｉｎリッチ領域４０７ａと領域４０７ｂとは、いずれもＩｎ組成比が０．２８以上１以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
【００５９】
具体的に実施例１に係る太陽電池セル４は以下のようにして製造した。まず、ｎ型Ｓｉの基板４０２をＭＯＶＰＥ炉内に設置した。そして、ｎ型Ｓｉの基板４０２の表面の酸化物を除去するために、ＭＯＶＰＥ炉内を水素雰囲気中、１０００℃に設定し、１０分間の熱処理をｎ型Ｓｉの基板４０２に施した。その後、ＭＯＶＰＥ炉内の温度を５４０℃まで降下させ、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０６ｃを、０．２ＭＬ／ｓの成長速度で、４ＭＬ相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウムとホスフィン及びジシランである。次に、ＭＯＶＰＥ炉内の温度を６００℃まで上昇させ、５ｎｍのｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０６ｄを、０．７μｍ／ｈの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。
【００６０】
このようにｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０６ｃとｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０６ｄとを合計５０層積層することで、計２５０ｎｍのｎ型ドープの光吸収層４０３を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、５×１０１７ｃｍ−３であった。
【００６１】
続いて、ＭＯＶＰＥ炉内温度を５４０℃まで降下させ、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０７ｃを、０．２ＭＬ／ｓの成長速度で、４ＭＬ相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。更に、ＭＯＶＰＥ炉内温度を６００℃まで上昇させ、５ｎｍのｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０７ｄを、０．７μｍ／ｈの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。
【００６２】
このようにｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット４０７ｃとｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層４０７ｄとを合計５０層積層することで、計２５０ｎｍのｐ型ドープの光吸収層４０４を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００６３】
最後に、ｎ型Ｓｉの基板４０２の下面に金と亜鉛とからなる合金から構成されるｎ型の電極４０１を形成すると共に、ｐ型の光吸収層４０４の上面にＩＴＯからなるｐ型の透明電極４０５を形成した。
【００６４】
以上のようにして作製した実施例１の太陽電池セル４の断面構造をＳＥＭ、及びＴＥＭで確認した。その結果、光吸収層４０３の量子ドット及び光吸収層４０４の量子ドットがいずれも、基板４０２面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認できた。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル４の断面において上下方向（すなわち、基板４０２の主面の法線方向）に並んだ光吸収層４０３の量子ドットと光吸収層４０４の量子ドットとが、互いに接していることも確認できた。
【００６５】
なお、実施例１と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は２５ｎｍ、密度は１×１０１０ｃｍ−２であった。また、太陽電池セル４の転位密度を別途調べたところ、１×１０８ｃｍ−２であることが分かった。この場合、光吸収層４０３のＩｎリッチ領域４０６ａ及び光吸収層４０４のＩｎリッチ領域４０７ａの平面視における大きさは、量子ドットの直径と同じ２５ｎｍであり、転位密度が１×１０８ｃｍ−２の結晶における転位の平均間隔１．１μｍより十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル４についてＡＭ１．５の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、３．２％であった。
【００６６】
また、基板４０２をｎ型ＧａＡｓからなる基板に代えて、その他はすべて同一構造とした太陽電池セルも作製した。そして当該太陽電池セルについてＡＭ１．５の基準スペクトルで変換効率を測定すると、３．６％であった。つまり、Ｓｉからなる基板上の太陽電池セル４は、光吸収層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２と多いにもかかわらず、実質的に転位の影響を無視できるＧａＡｓからなる基板を用いた太陽電池セルの約９０％の変換効率が得られることが確認された。このことから、実施例１に係る太陽電池セル４を用いることで、光の吸収によって光吸収層４０３及び光吸収層４０４において発生したキャリアをＩｎリッチ領域を経由して電極から取り出すことができるので、転位でのキャリアの再結合を抑制し、キャリアを外部に有効に取り出すことができることが確認できた。
【実施例２】
【００６７】
図５の（ａ）は、本発明の実施例２に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００６８】
実施例２に係る太陽電池セル５は、ｎ型Ｓｉの基板５０２上に、厚さ１００ｎｍのｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０３と、厚さ３００ｎｍのアンドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０４と、厚さ１００ｎｍのｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０５とをこの順に積層した構造を備える。更に、太陽電池セル５は、ｎ型Ｓｉの基板５０２の下面（すなわち、主面の反対側の面）に設けられるｎ型用の電極５０１と、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０５の上面に設けられるｐ型用の透明電極５０６とを備える。
【００６９】
図５の（ｂ）は、本発明の実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０３の拡大断面の概要を示す。
【００７０】
ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０３は、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０７ｃとｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０７ｄとを１組として、これを２０組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０７ｃは、基板５０２に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０７ｃが基板面に垂直に並んだ構造は、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０３の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比のＩｎリッチ領域５０７ａとして機能する。また、ｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０７ｄが基板面に垂直に並んだ構造は、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０３の平均Ｉｎ組成比より低いＩｎ組成の領域５０７ｂとして機能する。なお、Ｉｎリッチ領域５０７ａと領域５０７ｂとはいずれも、Ｉｎ組成比が０．２８以上１以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
【００７１】
図５の（ｃ）は、本発明の実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０４の拡大断面の概要を示す。
【００７２】
アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０４は、アンドープのＩｎＰの量子ドット５０８ｃとアンドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０８ｄとを１組として、これを６０組、積層することで製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、アンドープのＩｎＰの量子ドット５０８ｃは、基板５０２に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、アンドープのＩｎＰの量子ドット５０８ｃが基板面に垂直に並んだ構造は、アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０４の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比のＩｎリッチ領域５０８ａとして機能する。また、アンドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０８ｄが基板面に垂直に並んだ構造は、アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０４の平均Ｉｎ組成比より低いＩｎ組成比の領域５０８ｂとして機能する。なお、Ｉｎリッチ領域５０８ａと領域５０８ｂとはいずれも、Ｉｎ組成比が０．２８以上１以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
【００７３】
図５の（ｄ）は、本発明の実施例２に係る太陽電池セルの光吸収層５０５の拡大断面の概要を示す。
【００７４】
ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０５は、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０９ｃとｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０９ｄとを１組として、これを２０組、積層することで製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０９ｃは、基板５０２に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０９ｃが基板面に垂直に並んだ構造は、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０５の平均Ｉｎ組成比より高いＩｎ組成比のＩｎリッチ領域５０９ａとして機能する。また、ｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０９ｄが基板面に垂直に並んだ構造は、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層５０５の平均Ｉｎ組成比より低いＩｎ組成比の領域５０９ｂとして機能する。なお、Ｉｎリッチ領域５０９ａと領域５０９ｂとはいずれも、Ｉｎ組成比が０．２８以上１以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
【００７５】
具体的に実施例２に係る太陽電池セル５は以下のようにして製造した。まず、ｎ型Ｓｉの基板５０２をＭＯＶＰＥ炉内に設置した。そして、ｎ型Ｓｉの基板５０２の表面の酸化物を除去するために、ＭＯＶＰＥ炉内を水素雰囲気中、１０００℃に設定し、１０分間の熱処理をｎ型Ｓｉの基板５０２に施した。その後、ＭＯＶＰＥ炉内の温度を５４０℃まで降下させ、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０７ｃを、０．２ＭＬ／ｓの成長速度で、４ＭＬ相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。次に、ＭＯＶＰＥ炉内の温度を６００℃まで上昇させ、５ｎｍのｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０７ｄを、０．７μｍ／ｈの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。
【００７６】
このようにｎ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０７ｃとｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０７ｄとを合計２０層積層することで、計１００ｎｍのｎ型ドープの光吸収層５０３を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、５×１０１７ｃｍ−３であった。
【００７７】
続いて、ＭＯＶＰＥ炉内温度を５４０℃まで降下させ、アンドープのＩｎＰの量子ドット５０８ｃを、０．２ＭＬ／ｓの成長速度で、４ＭＬ相当分成長した。更に、ＭＯＶＰＥ炉内温度を６００℃まで上昇させ、５ｎｍのアンドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０８ｄを、０．７μｍ／ｈの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、及びホスフィンである。
【００７８】
このようにアンドープのＩｎＰの量子ドット５０８ｃとアンドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０８ｄとを合計６０層積層することで、計３００ｎｍのアンドープの光吸収層５０４を形成した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、及びホスフィンである。
【００７９】
続いて、ＭＯＶＰＥ炉内温度を５４０℃まで降下させ、ｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０９ｃを、０．２ＭＬ／ｓの成長速度で、４ＭＬ相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。更に、ＭＯＶＰＥ炉内温度を６００℃まで上昇させ、５ｎｍ厚のｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０９ｄを０．７μｍ／ｈの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。
【００８０】
このようにｐ型ドープのＩｎＰの量子ドット５０９ｃとｐ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層５０９ｄとを合計２０層積層することで、計１００ｎｍのｐ型ドープの光吸収層５０５を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００８１】
最後に、ｎ型Ｓｉの基板５０２の下面に金と亜鉛とからなる合金から構成されるｎ型の電極５０１を形成すると共に、ｐ型の光吸収層５０５の上面にＩＴＯからなるｐ型の透明電極５０６を形成した。
【００８２】
以上のようにして作製した実施例２の太陽電池セル５の断面構造をＳＥＭ、及びＴＥＭで確認した。その結果、光吸収層５０３乃至光吸収層５０５の量子ドットがいずれも、基板５０２面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認できた。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル５の断面において上下方向に並んだ光吸収層５０３の量子ドットと光吸収層５０４の量子ドットとが互いに接し、光吸収層５０４の量子ドットと光吸収層５０５の量子ドットとが互いに接していることも確認できた。
【００８３】
なお、実施例２と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は２５ｎｍ、密度は１×１０１０ｃｍ−２であった。また、太陽電池セル５の転位密度を別途調べたところ、１×１０８ｃｍ−２であることが分かった。この場合、各光吸収層のＩｎリッチ領域の大きさはそれぞれ、量子ドットの直径と同じ２５ｎｍであり、転位密度が１×１０８ｃｍ−２の結晶における転位の平均間隔１．１μｍより十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル５について、ＡＭ１．５の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、３．４％であった。
【００８４】
また、基板５０２をｎ型ＧａＡｓ基板からなる基板に代えて、その他はすべて同一構造とした太陽電池も作製した。そして当該太陽電池セルについてＡＭ１．５の基準スペクトルで変換効率を測定すると、４．２％であった。つまり、Ｓｉからなる基板上の太陽電池セル５は、光吸収層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２と多いにもかかわらず、実質的に転位の影響を無視できるＧａＡｓ基板上の太陽電池の約８０％の変換効率が得られることが確認された。このことから、実施例２に係る太陽電池セル５を用いることで、光の吸収によって光吸収層５０３乃至光吸収層５０５に発生したキャリアをＩｎリッチ領域を経由して電極から取り出すことにより、転位でのキャリアの再結合を抑制し、キャリアを外部に有効に取り出すことができることが確認できた。
【実施例３】
【００８５】
図６は、本発明の実施例３に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００８６】
実施例３に係る太陽電池セル６は、ｐ型Ｓｉの基板６０２上に、ｎ型ドープのＳｉからなる光吸収層６１１と、ｎ型ドープのＧａＡｓからなる中間コンタクト層６１３と、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０３と、アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０４と、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０５とをこの順で積層した構造を備える。更に、太陽電池セル６は、ｐ型Ｓｉの基板６０２の下面に設けられるｐ型の電極６０１と、ｎ型ドープのＧａＡｓの中間コンタクト層６１３上に設けられるｎ型の中間電極６１４と、ｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０５上に設けられるｐ型の透明電極６０６とを備える。
【００８７】
太陽電池セル６においては、ｐ型Ｓｉの基板６０２とｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１との境界面がｐｎ接合界面６１２になっており、ｐ型Ｓｉの基板６０２も光吸収層として機能することで、基板６０２と光吸収層６１１とで太陽電池構造６１０を構成している。これにより、太陽電池セル６全体ではタンデム型太陽電池セル構造が構成されている。
【００８８】
また、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０３、アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０４、及びｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０５はそれぞれ、実施例２に係る太陽電池セル５の光吸収層５０３、光吸収層５０４、及び光吸収層５０５と同一の構成及び機能を有する。すなわち、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０３は、ｎ型ドープのＩｎＰの量子ドットの積層構造からなるＩｎリッチ領域６０７ａと、ｎ型ドープのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの中間層からなる領域６０７ｂとで構成されている。
【００８９】
ここで、ＩｎＰのバンドギャップエネルギーは１．３５ｅＶ、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐのバンドギャップエネルギーは１．８８ｅＶであり、太陽電池構造６１０を構成しているｐ型Ｓｉの基板６０２とｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１とのバンドギャップエネルギーは１．１２ｅＶである。したがって、ｐ型Ｓｉの基板６０２のバンドギャップエネルギー及びｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１のバンドギャップエネルギーの方が、光吸収層６０３乃至光吸収層６０５のバンドギャップエネルギーより小さくなっている。
【００９０】
具体的に実施例３に係る太陽電池セル６は以下のようにして製造した。まず、ｐ型Ｓｉの基板６０２に熱拡散炉でＡｓ原子を拡散させることにより、ｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１を基板６０２の表面に形成した。このとき、ｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１の厚さは０．５μｍ、キャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。
【００９１】
次に、ｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１を形成したｐ型Ｓｉの基板６０２の表面を洗浄した。その後、基板６０２をＭＯＶＰＥ炉内に設置した。そして、基板６０２の表面の酸化物を除去するために、ＭＯＶＰＥ炉内を水素雰囲気中、１０００℃に設定し、１０分間の熱処理をｎ型Ｓｉの基板６０２に施した。その後、ＭＯＶＰＥ炉内の温度を７００℃まで降下させ、ｎ型ドープのＧａＡｓの中間コンタクト層６１３を５０ｎｍ成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、アルシン、及びジシランである。なお、この層のキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３であった。なお、ｎ型ドープのＧａＡｓの中間コンタクト層６１３より上の構造は、実施例２と同一であるため、詳細な説明を省略する。
【００９２】
以上のようにして作製した実施例３に係る太陽電池セル６の断面構造をＳＥＭ、及びＴＥＭで確認した。その結果、各光吸収層の量子ドットのそれぞれが、基板６０２面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認された。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル６の断面において上下方向に並んだ量子ドットは、互いに接していることも確認できた。
【００９３】
なお、実施例３と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は２５ｎｍ、密度は１×１０１０ｃｍ−２であった。また、太陽電池セル６の転位密度を別途調べたところ、１×１０８ｃｍ−２であることが分かった。この場合、各光吸収層のＩｎリッチ領域の大きさは、量子ドットの直径と同じ２５ｎｍであり、転位密度が１×１０８ｃｍ−２の結晶における転位の平均間隔１．１μｍよりも十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル６について、ＡＭ１．５の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、１２％であった。
【００９４】
この変換効率の値は、ｐ型Ｓｉの基板６０２とｎ型ドープのＳｉの光吸収層６１１とからなる太陽電池構造６１０の寄与が大きいものの、太陽電池構造６１０と同様の構造の単一セル太陽電池の変換効率を測定してみると９％であったことを考慮すると、ｎ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０３、アンドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０４、及びｐ型ドープのＩｎＧａＰの光吸収層６０５からなる太陽電池構造の寄与分が３％程度あることが分かった。この値は、光吸収層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２と多いことを考えると十分大きな値である。
【００９５】
図７Ａは、本発明の実施例１の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００９６】
実施例１に係る太陽電池セル４の断面構造では（例えば、図４参照）、Ｉｎリッチ領域４０６ａとＩｎリッチ領域４０７ａとが基板４０２の主面に平行な面内で完全に一致している。すなわち、Ｉｎリッチ領域４０６ａの平面視における位置とＩｎリッチ領域４０７ａの平面視における位置とが完全に一致している。しかしながら、複数のＩｎリッチ領域の平面視におけるそれぞれの位置は、Ｉｎリッチ領域４０６ａの平面視における位置とＩｎリッチ領域４０７ａの平面視における位置とが実質的に一致している部分が存在する限り、互いに完全に一致していなくてもよい。例えば、実施例１の変形例に係る太陽電池セル７のように、Ｉｎリッチ領域７０６ａの端部の一部とＩｎリッチ領域７０７ａの端部の一部とが接した形態にすることができる。
【００９７】
図７Ｂは、本発明の実施例１の他の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【００９８】
実施例１の他の変形例に係る太陽電池セル７ａにおいては、Ｉｎリッチ領域７２６ａの平面視における大きさとＩｎリッチ領域７２７ａの平面視における大きさとが、基板７２２の主面に垂直な方向に一定である必要はない。すなわち、図７Ｂに示すように、光吸収層７２３のＩｎリッチ領域７２６ａ及び領域７２６ｂ、並びに光吸収層７２４のＩｎリッチ領域７２７ａ及び領域７２７ｂの太陽電池セル７ａの断面における幅がそれぞれ、一定の幅を有していなくてもよい。
【実施例４】
【００９９】
図８は、本発明の実施例４に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【０１００】
実施例４に係る太陽電池セル８は、実施例１に係る太陽電池セル４とは、基板４０２と光吸収層４０３との間にバッファ層８０を更に備える点を除き、太陽電池セル４と同一の構成及び機能を備える。バッファ層８０を基板４０２上に設けることにより、光吸収層４０３及び光吸収層４０４を形成する場合に、光吸収層４０３及び光吸収層４０４の結晶性を向上させることができる。なお、バッファ層８０としては、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、及びこれらの混晶からなる層、あるいはこれらの材料からなる層を複数重ね合わせた超格子構造（すなわち、超格子バッファ層）を採用することができる。実施例４においては、バッファ層８０として、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子バッファ層を採用した。
【実施例５】
【０１０１】
図９は、本発明の実施例５に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
【０１０２】
実施例５に係る太陽電池セル９は、実施例１に係る太陽電池セル４とは、光吸収層４０４上にウィンドウ層９０を更に備える点を除き、太陽電池セル４と同一の構成及び機能を備える。ウィンドウ層９０は、例えば、ＡｌＩｎＰからなる層、又はＡｌＧａＩｎＰからなる層を用いることができる。実施例５においては、ウィンドウ層９０をｐ型のＡｌＩｎＰ層から形成した。ウィンドウ層９０を設けることにより、表面再結合によるキャリアの減少を抑制することができる。なお、太陽電池セル９は、実施例４のように、基板４０２上にバッファ層８０を更に備えることもできる。
【０１０３】
なお、実施例１乃至５に係る太陽電池セルは、Ｓｉからなる基板を用いたが、Ｓｉとは異なる材料（例えば、ＧａＡｓ等）からなる基板を用いることもできる。また、実施例１乃至５に係る太陽電池セルの各光吸収層は、量子ドットの自己組織化機構を用いて形成したが、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術、及び再成長技術を組み合わせて作製することもできる。更に、各光吸収層等をＭＯＶＰＥの代わりにＭＢＥ、ＬＰＥ、又はＨＶＰＥ等の方法を用いて形成することもできる。
【０１０４】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【０１０５】
１、２、３、３ａ、４、５、６、７、７ａ、８、９  太陽電池セル
３０  太陽電池構造
８０  バッファ層
９０  ウィンドウ層
１０１、１０５  電極
１０２  基板
１０３、１０４  光吸収層
１０６ａ、１０７ａ  Ｉｎリッチ領域
１０６ｂ、１０７ｂ  領域
１０８  エネルギーバンド図
２００  光吸収層
２０１ａ  Ｉｎリッチ領域
２０１ｂ  領域
３００、３１０  半導体層
３１１  ｐｎ接合界面
４０１  電極
４０２  基板
４０３、４０４  光吸収層
４０５  透明電極
４０６ａ、４０７ａ  Ｉｎリッチ領域
４０６ｂ、４０７ｂ  領域
４０６ｃ、４０７ｃ  量子ドット
４０６ｄ、４０７ｄ  中間層
５０１  電極
５０２  基板
５０３、５０４、５０５  光吸収層
５０６  透明電極
５０７ａ、５０８ａ、５０９ａ  Ｉｎリッチ領域
５０７ｂ、５０８ｂ、５０９ｂ  領域
５０７ｃ、５０８ｃ、５０９ｃ  量子ドット
５０７ｄ、５０８ｄ、５０９ｄ  中間層
６０１、６０６  電極
６０２  基板
６０３、６０４、６０５  光吸収層
６０７ａ、６０８ａ、６０９ａ  Ｉｎリッチ領域
６０７ｂ、６０８ｂ、６０９ｂ  領域
６１０  太陽電池構造
６１１  光吸収層
６１２  ｐｎ接合界面
６１３  中間コンタクト層
６１４  中間電極
７０３、７０４  光吸収層
７０６ａ、７０７ａ  Ｉｎリッチ領域
７０６ｂ、７０７ｂ  領域
７２３、７２４  光吸収層
７２６ａ、７２７ａ  Ｉｎリッチ領域
７２６ｂ、７２６ｂ  領域
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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