(57)【要約】【課題】例えば太陽電池等の光電変換装置において、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させる。【解決手段】光電変換装置は、一対の第１電極（１１０）及び第２電極（１２０）と、第１及び第２電極間に設けられ、光を吸収する光吸収層（２００）と、光吸収層及び第１電極間に設けられ、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方を含む半導体又は絶縁体を含んでなり、光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを光吸収層側から第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位（ＥＳＣＬ）が格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因して形成されたエネルギー選択性コンタクト部（１６０）とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の第１及び第２電極と、
該第１及び第２電極間に設けられ、光を吸収する光吸収層と、
該光吸収層及び前記第１電極間に設けられ、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方を含む半導体又は絶縁体を含んでなり、前記光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを前記光吸収層側から前記第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位が前記格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因して形成されたエネルギー選択性コンタクト部と
を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記エネルギー選択性コンタクト部は、前記格子欠陥及び不純物の少なくとも一方の密度が、前記光吸収層側及び前記第１電極側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記エネルギー選択性コンタクト部は、互いに異なる２種類の半導体又は絶縁体が積層されてなり、前記２種類の半導体又は絶縁体間の界面に前記格子欠陥を有することを特徴とする請求項２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、例えば太陽電池等の光電変換装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光電変換装置として、例えば非特許文献１には、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）の３つの材料が組み合わされた多接合型太陽電池が開示されている。この多接合型太陽電池は、太陽光に含まれる幅広い波長域の光を吸収することができるため、比較的高い光電変換効率（即ち、光が電気に変換される割合）を有する。また、光電変換効率を更に向上させるために、４〜６つの材料を用いた多接合型太陽電池の研究も進められている。
【０００３】
一方、ホットキャリア理論に基づく太陽電池が知られている（例えば非特許文献２から４参照）。このホットキャリア理論に基づく太陽電池は、光吸収層において光を吸収することにより発生したキャリア（即ち、電子及び正孔）を、エネルギー損失なく（即ち、伝導帯における下端のエネルギー準位よりエネルギーを高められたキャリア（即ち、ホットキャリア）のエネルギーが、この下端のエネルギー準位にまで減衰してしまう前に）、電極側に到達させることで、光電変換効率を向上させようとするものである。また、ホットキャリア理論に基づく太陽電池において、光吸収層から電極にキャリアを引き抜くためにエネルギー選択性コンタクト（Energy selective contact）が必要であることが知られており、エネルギー選択性コンタクトを量子ドットにより実現することが試みられている（例えば非特許文献４参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として非特許文献５及び６が存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Yamauchi, T. Takamoto, A. Khan, M. Imaizumi, S. Matsuda and N. J. Ekins-Daukes, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2005; 13: 125-132
【非特許文献２】M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2005; 9: 123-135
【非特許文献３】R. T. Ross and A. J. Nozik: J. Appl. Phys., Vol. 53, No. 5, 3813 (1982)
【非特許文献４】C. W. Jiang, E. C. Cho, G. Conibeer and M. A. Green: Proc. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Paris, June 2004) 80
【非特許文献５】Chris G. Van de Walle and J. Neugebauer: Nature, 423, p.626(2003)
【非特許文献６】名西  やすし、荒木  努、直井  弘之：「窒化物半導体の新展開」、化学工業 Vol. 57, No. 8(2006)
【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、上述したような多接合型太陽電池によれば、多種類の半導体が組み合わされているので、半導体間の界面の数が多くなるほど、光電変換効率を向上させることが困難になってしまうという技術的問題点がある。即ち、欠陥の密度が高くなりやすい界面が多数存在すると、キャリアである電子及び正孔の再結合が発生しやすくなり（言い換えれば、キャリアが減少してしまいやすくなり）、その結果、光電変換効率を向上させることが困難になってしまうおそれがある。
【０００６】
更に、上述したような多接合型太陽電池が、光電変換効率を向上させるべく、より多種類の半導体から構成される場合には、構成が比較的複雑になり、製造プロセスにおける工程数が増大してしまうおそれがあるという技術的問題点もある。
【０００７】
加えて、ホットキャリア理論に基づく太陽電池において、上述したようなエネルギー選択性コンタクトを量子ドットにより形成する場合、高品質の量子ドットを形成することが困難なため、エネルギー選択性コンタクトによって太陽電池からキャリアを実用上十分に引き抜くことが困難であるという技術的問題点もある。
【０００８】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させることが可能な光電変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光電変換装置は上記課題を解決するために、一対の第１及び第２電極と、該第１及び第２電極間に設けられ、光を吸収する光吸収層と、該光吸収層及び前記第１電極間に設けられ、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方を含む半導体又は絶縁体を含んでなり、前記光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリアを前記光吸収層側から前記第１電極側へ透過させるための特定のエネルギー準位が前記格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因して形成されたエネルギー選択性コンタクト部とを備える。
【００１０】
本発明の光電変換装置によれば、その動作時には、光吸収層において光が吸収されることによって励起された電子及び正孔であるキャリア（即ち、光吸収層に光が照射されることによりエネルギーが高められたキャリアであるホットキャリア）が第１及び第２電極にそれぞれ移動することにより、光を電気に変換することが可能となる。
【００１１】
本発明では、光吸収層に光が吸収されることにより励起されたキャリア（例えば電子）を光吸収層側から第１電極（例えば負電極）側へ透過させるための特定のエネルギー準位が形成されたエネルギー選択性コンタクト部が、光吸収層及び第１電極間に設けられる。このため、光吸収層で発生したホットキャリアが、エネルギー選択性コンタクト部における特定のエネルギー準位に遷移可能となるので、エネルギー選択性コンタクト部は、光吸収層で発生したホットキャリアを光吸収層側から第１電極側へ透過させることが可能となる。即ち、本発明に係る光電変換装置によれば、ホットキャリア理論に基づく光電変換装置（言い換えれば、ホットキャリア型の光電変換装置）を構成することが可能である。
【００１２】
本発明では特に、エネルギー選択性コンタクト部は、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方を含む半導体又は絶縁体を含んでなり、該格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因して特定のエネルギー準位が形成されている。即ち、エネルギー選択性コンタクト部における特定のエネルギー準位は、エネルギー選択性コンタクト部を構成する半導体又は絶縁体に含まれる格子欠陥或いは不純物に起因する欠陥準位或いは不純物準位として形成されている。
【００１３】
尚、エネルギー選択性コンタクト部は、典型的には、光吸収層を構成する半導体又は絶縁体よりもバンドギャップが大きい半導体又は絶縁体から構成される。
【００１４】
よって、仮に、エネルギー選択性コンタクト部に、量子ドットを形成することで特定のエネルギー準位を形成する場合と比較して、エネルギー選択性コンタクト部を簡易な構成とすることができる（言い換えれば、エネルギー選択性コンタクト部を容易に形成することができる）。従って、エネルギー選択性コンタクト部における特定のエネルギー準位のレベルを格子欠陥の密度或いは不純物の濃度によって比較的容易に制御することが可能であるので、光吸収層で発生したホットキャリアを光吸収層側から第１電極側へ到達させる効率を向上させることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
加えて、本発明に係る光電変換装置によれば、光吸収層及びエネルギー選択性コンタクト部を夫々構成する半導体又は絶縁体の種類を例えば上述した多接合型太陽電池と比較して少なくすることも可能であり、比較的簡易な構成とすることができる。
【００１６】
以上説明したように、本発明に係る光電変換装置によれば、比較的簡易な構成で、光電変換効率を向上させることができる。更に、比較的簡易な構成であるので、製造プロセスにおける工程数の削減も可能であり、製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００１７】
本発明の光電変換装置の一態様では、前記エネルギー選択性コンタクト部は、前記格子欠陥及び不純物の少なくとも一方の密度が、前記光吸収層側及び前記第１電極側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されている。
【００１８】
この態様によれば、エネルギー選択性コンタクトにおいて、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因して形成される特定のエネルギー準位が歪んでしまうことを抑制或いは防止できる。
【００１９】
即ち、仮に、エネルギー選択性コンタクト部における格子欠陥及び不純物の少なくとも一方の密度が、エネルギー選択性コンタクト部において均一である場合には、例えば光吸収層側の表面における欠陥準位或いは不純物準位としての特定のエネルギー準位に遷移したキャリアに起因して発生するエネルギー選択性コンタクト部内の電界によって、光吸収層側から第１電極側へ向かう方向に沿って、特定のエネルギー準位が大きく変化してしまうおそれがある。しかるに本態様では、エネルギー選択性コンタクト部は、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方の密度が、光吸収層側及び第１電極側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されるので、特定のエネルギー準位は、エネルギー選択性コンタクト部の内部に局所的に形成される。このため、光吸収層で発生したキャリアは、エネルギー選択性コンタクト部における光吸収層側の表面付近をトンネル効果によって透過して、内部に形成された特定のエネルギー準位に遷移する。よって、エネルギー選択性コンタクト部内に電界が発生した場合においても、エネルギー選択性の幅が広がってしまうのを防止できる。従って、光吸収層において発生したホットキャリアを第１電極側へ到達させる効率をより一層向上させることができ、この結果、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。
【００２０】
尚、エネルギー選択性コンタクト部は、例えば、互いに異なる２種類の半導体又は絶縁体が積層されてなり、該２種類の半導体又は絶縁体間の界面に格子欠陥を有するように形成されてもよいし、或いは、半導体又は絶縁膜を成膜中の中間時点において、特定のエネルギー準位を生成するような元素（不純物）が集中的にドープされることにより形成されてもよい。
【００２１】
上述した、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方の密度が、光吸収層側及び第１電極側の表面よりも内部のほうが高い態様では、前記エネルギー選択性コンタクト部は、互いに異なる２種類の半導体又は絶縁体が積層されてなり、前記２種類の半導体又は絶縁体間の界面に前記格子欠陥を有するように構成されてもよい。
【００２２】
この場合には、エネルギー選択性コンタクト部を、格子欠陥の密度が、光吸収層側及び第１電極側の表面よりも内部のほうが高くなるように、容易に形成することができる。つまり、エネルギー選択性コンタクト部の内部に互いに異なる２種類の半導体又は絶縁体間の界面を形成することにより、エネルギー選択性コンタクト部の内部の格子欠陥の密度を、エネルギー選択性コンタクト部の光吸収層側及び第１電極側の表面付近の格子欠陥の密度よりも容易に高くすることができる。更に、このような２種類の半導体又は絶縁体間の界面の位置は比較的高精度に制御可能であり、エネルギー選択性コンタクト部における格子欠陥の位置精度を高めることも可能である。
【００２３】
尚、２種類の半導体又は絶縁体は、格子定数が互いに異なると共に、バンドギャップの大きさが互いに殆ど或いは完全に同じであることが好ましい。この場合には、２種類の半導体又は絶縁体の界面に格子欠陥を確実に生じさせることができると共に、エネルギー選択性コンタクト部内に不必要な電界が発生してしまうことを抑制或いは防止できる。
【００２４】
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る太陽電池の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した太陽電池のＹＺ平面に沿った平面での断面を示す断面図である。
【図３】図１に示した太陽電池の障壁層のＹＺ平面に沿った平面での断面を示す断面図である。
【図４】第１実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す模式図である。
【図５】第２実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を示す断面図である。
【図６】第３実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る太陽電池の障壁層の製造プロセスにおける各工程を順に示す工程図である。
【図８】第４実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を示す断面図である。
【図９】第４実施形態に係る太陽電池の障壁層の製造プロセスにおける各工程を順に示す工程図である。
【図１０】第５実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。以下の実施形態では、本発明の光電変換装置の一例である太陽電池を例にとる。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る太陽電池について、図１から図４を参照して説明する。
【００２７】
先ず、本実施形態に係る太陽電池の全体構成について、図１及び図２を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る太陽電池の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１に示した本実施形態に係る太陽電池のＹＺ平面に沿った平面での断面を模式的に示す断面図である。尚、図１及び図２においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材ごとに縮尺を異ならしめてある。この点については、後述する図３及び図５から図１０においても同様である。
【００２８】
図１及び図２において、本実施形態に係る太陽電池１０は、基板１００と、バッファ層１３０と、ホール移動層１４０と、電子障壁層１５０と、光吸収層２００と、障壁層１６０と、表面負電極１７０と、負電極１１０と、正電極１２０とを備えている。
【００２９】
基板１００は、サファイア基板からなる。この基板１００上に、バッファ層１３０、ホール移動層１４０、電子障壁層１５０、光吸収層２００、障壁層１６０、表面負電極１７０、負電極１１０及び正電極１２０の各要素が形成されている。
【００３０】
バッファ層１３０は、基板１００上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成されている。
【００３１】
ホール移動層１４０は、バッファ層１３０上に、ｐ＋型（強いｐ型）窒化インジウムガリウム（ＧａＩｎＮ）を結晶成長させることにより形成されている。ホール移動層１４０上における一部には、電子障壁層１５０が形成されており、ホール移動層１４０上における他の一部には、正電極１２０が形成されている。尚、ホール移動層１４０は、バッファ層１３０上に、ｐ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させることにより形成されてもよい。
【００３２】
電子障壁層１５０は、ホール移動層１４０上における一部に、ｐ＋型窒化インジウムアルミニウム（ＡｌＩｎＮ）を結晶成長させることにより形成されている。
【００３３】
正電極１２０は、本発明に係る「第２電極」の一例であり、ホール移動層１４０上における電子障壁層１５０が形成された一部を除く他の一部に、金属から形成されている。正電極１２０は、負電極１１０と対をなして設けられている。正電極１２０は、負電極１１０と共に、正電極１２０及び負電極１１０間に設けられた光吸収層２００において例えば太陽光等の光が吸収されることにより励起されたキャリアを電気として外部に取り出すための電極である。
【００３４】
光吸収層２００は、電子障壁層１５０上に、窒化インジウム（ＩｎＮ）を結晶成長させることにより形成されており、光を吸収することによりキャリア（即ち、電子及び正孔（ホール））を発生する。尚、光吸収層２００（即ち、ＩｎＮ）のバンドギャップＥ１ｇ（図４参照）の大きさは、０．７ｅＶであり、格子定数ａは、３．５３（Å）
尚、光吸収層２００は、互いにバンドギャップの大きさが異なる２種類の半導体によって、例えば量子ドット等の量子閉じ込め構造を有するように形成されてもよい。
【００３５】
障壁層１６０は、本発明に係る「エネルギー選択性コンタクト部」の一例であり、光吸収層２００上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を結晶成長させることにより形成されている。尚、障壁層１６０には、後に詳細に説明するように、格子欠陥１６９が複数形成されている（図３参照）。また、障壁層１６０には、この格子欠陥１６９に起因する欠陥準位として、光吸収層２００において光が吸収されることにより励起された電子を、光吸収層２００側から表面負電極１７０側（即ち、負電極１１０側）へ透過させるための特定のエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬ（図４参照）が形成されている。
【００３６】
表面負電極１７０は、障壁層１６０の上面を覆うように、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）等の透明導電材料から形成されており、光を透過させることができる。尚、表面負電極１７０は、後述する負電極１１０と共に、本発明に係る「第１電極」の一例を構成する。
【００３７】
負電極１１０は、表面負電極１７０上の一部に、金属から形成されている。尚、負電極１１０は、光吸収層２００に入射する光をなるべく妨げないような形状（本実施形態では、表面負電極１７０上の一部のみを占める矩形状）を有している。
【００３８】
次に、本実施形態に係る太陽電池の障壁層の構成について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。ここに図３は、図１に示した本実施形態に係る太陽電池の障壁層のＹＺ平面に沿った平面での断面を模式的に示す断面図であり、図４は、本実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す模式図である。尚、図４において、横軸は、太陽電池１０における表面負電極１７０から正電極１２０へ至る電気的な経路における位置を示し、縦軸は、エネルギーの大きさを示している。
【００３９】
図３において、障壁層１６０は、図１及び図２を参照して上述したように光吸収層２００上に、ＧａＮを結晶成長させることにより形成されている。尚、障壁層１６０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ：但し、０＜ｘ＜１）、窒化インジウムアルミニウム（ＡｌｙＩｎ（１−ｙ）Ｎ：但し、０＜ｙ＜１）、又は、ＧａＮ、ＡｌＩＮ及びＩｎＮの混晶から形成されてもよい。
【００４０】
図４において、本実施形態では特に、障壁層１６０は、そのバンドギャップＥ２ｇ中に、光吸収層２００の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上のレベルのエネルギー準位であるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬを有するように、ＧａＮを結晶成長させる際における温度等の条件が制御されることにより形成されている。
【００４１】
即ち、図３及び図４において、ＧａＮを結晶成長させる際における温度等の条件が制御されることにより、障壁層１６０には、格子欠陥１６９が筋状の転移（或いは貫通欠陥）として複数形成されており、この格子欠陥１６９に起因した欠陥準位として形成されるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが光吸収層２００の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上となっている。尚、このような格子欠陥１６９は、障壁層１６０を、光吸収層２００上にＧａＮを結晶成長させることにより形成する際、格子欠陥が障壁層１６０の厚さ方向（即ち、図中、Ｚ方向）に沿って受け継がれることにより、障壁層１６０の厚さ方向に沿って延びるように筋状に形成される。
【００４２】
尚、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬは、本発明に係る「特定のエネルギー準位」の一例である。
【００４３】
尚、障壁層１６０（即ち、ＧａＮ）のバンドギャップＥ２ｇの大きさは、３．４ｅＶであり、障壁層１６０の格子定数ａは、３．１８（Å）である。
【００４４】
よって、光吸収層２００において光が吸収されることによって発生したホットキャリア（即ち、電子３００ｅ及びホール３００ｈ）のうち、光吸収層２００の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上となったキャリア（つまり、電子３００ｅ）を、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが形成された障壁層１６０を介して負電極１１０側へ選択的に到達させることができる。従って、光吸収層２００において発生したホットキャリアである電子３００ｅを負電極１１０側へ到達させる効率を向上させることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
更に、本実施形態では特に、上述したように、障壁層１６０におけるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬは、障壁層１６０を構成するＧａＮに含まれる格子欠陥１６９に起因する欠陥準位として形成されているので、仮に、障壁層１６０に、量子ドットを形成することでエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬを形成する場合と比較して、障壁層１６０を簡易な構成とすることができる（言い換えれば、障壁層１６０を容易に形成することができる）。従って、障壁層１６０におけるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬのレベルを格子欠陥１６９の密度によって比較的容易に制御することが可能であるので、光吸収層２００で発生したホットキャリア（つまり、光吸収層２００の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上となった電子３００ｅ）を光吸収層２００側から表面負電極１７０側へ到達させる効率を向上させることができ、この結果、光電変換効率を向上させることが可能となる。
【００４６】
尚、電子障壁層１５０は、上述したように、ｐ＋型ＡｌＩｎＮを結晶成長させることにより形成されており、バンドギャップ及びこのバンドギャップ中の欠陥による準位Ｅ３ＤＬは大きく歪んでいる。このため、光吸収層２００において発生した電子３００ｅは、電子障壁層１５０を通り抜けることができない。よって、光吸収層２００において発生した電子３００ｅは、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが形成された障壁層１６０を介して表面負電極１７０側にのみ到達でき、電子障壁層１５０を介して正電極１２０に到達することはない。
【００４７】
一方、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしてのホール３００ｈは、電子障壁層１５０によって誘起される電界によって、電子障壁層１５０を通り抜けてホール移動層１４０に到達する。ホール移動層１４０に到達したホール３００ｈは、ホール移動層１４０内を自由に移動して正電極１２０に導かれる。
【００４８】
尚、基板１００をサファイア基板に代えて例えばｐ＋型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるように構成する場合には、基板１００がホール移動層として機能することができるので、ホール移動層１４０を設けなくてもよい。
【００４９】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る太陽電池１０によれば、光電変換効率を向上させることができる。更に、比較的簡易な構成であるので、製造プロセスにおける工程数の削減も可能であり、製造コストの低減を図ることも可能となる。
【００５０】
尚、本実施形態では、光吸収層２００がＩｎＮから形成される共に障壁層１６０がＧａＮから形成されるように構成したが、例えば、光吸収層２００がヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）から形成されると共に障壁層１６０がヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）から形成されるように構成してもよい。この場合にも、障壁層１６０に、エネルギー選択性コンタクト準位を、格子欠陥及び不純物の少なくとも一方に起因する欠陥準位或いは不純物準位として好適に形成することが可能である。
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る太陽電池について、図５を参照して説明する。ここに図５は、第２実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を模式的に示す断面図である。尚、図５では、第２実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面が、上述した第１実施形態で示した図３に対応した断面として示されている。
【００５１】
第２実施形態に係る太陽電池は、上述した第１実施形態における障壁層１６０に代えて障壁層１６０ｂを備える点で、上述した第１実施形態に係る太陽電池と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る太陽電池と概ね同様に構成されている。
【００５２】
図５において、第２実施形態に係る太陽電池の障壁層１６０ｂは、光吸収層２００上に、ＧａＮを結晶成長させることにより形成されている。
【００５３】
本実施形態では特に、障壁層１６０ｂは、不純物１６１を含むように形成されており、この不純物１６１に起因した不純物準位としてエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬ（図４参照）が形成されている。つまり、上述した第１実施形態では、格子欠陥１６９に起因した欠陥準位としてエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが障壁層１６０に形成されているのに対して、本実施形態では、不純物１６１に起因した不純物準位としてエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが障壁層１６０ｂに形成されている。
【００５４】
よって、本実施形態によっても、上述した第１実施形態と概ね同様に、光吸収層２００において光が吸収されることによって発生したホットキャリア（即ち、電子３００ｅ及びホール３００ｈ）のうち、光吸収層２００の伝導帯における下端のエネルギー準位Ｅ１ＢＬ以上となったキャリア（つまり、電子３００ｅ）をエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが形成された障壁層１６０ｂを介して負電極１１０側へ到達させることができる。更に、障壁層１６０ｂを簡易な構成とすることができる（言い換えれば、障壁層１６０ｂを容易に形成することができる）。
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る太陽電池について、図６及び図７を参照して説明する。ここに図６は、第３実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を模式的に示す断面図であり、図７は、第３実施形態に係る太陽電池の障壁層の製造プロセスにおける各工程を順に示す工程図である。尚、図６では、第３実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面が、上述した第１実施形態で示した図３に対応した断面として示されている。また、図７は、図６に示した断面に対応して示されている。
【００５５】
第３実施形態に係る太陽電池は、上述した第１実施形態における障壁層１６０に代えて障壁層１６０ｃを備える点で、上述した第１実施形態に係る太陽電池と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る太陽電池と概ね同様に構成されている。
【００５６】
図６において、第３実施形態に係る太陽電池の障壁層１６０ｃは、格子欠陥の密度が、光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されている。
【００５７】
より具体的には、障壁層１６０ｃは、３層構造を有しており、光吸収層２００側に形成された第１低欠陥層１６０ｃ１と、表面負電極１７０側に形成された第２低欠陥層１６０ｃ３と、第１低欠陥層１６０ｃ１及び第２低欠陥層１６０ｃ３間に形成された高欠陥層１６０ｃ２とを備えている。
【００５８】
高欠陥層１６０ｃ２には、格子欠陥１６２が筋状の転移として多数形成されており、高欠陥層１６０ｃ２の格子欠陥の密度は、第１低欠陥層１６０ｃ１及び第２低欠陥層１６０ｃ３の格子欠陥の密度よりも高い。
【００５９】
このような障壁層１６０ｃは、以下のようにして形成することができる。
【００６０】
即ち、先ず、図７の工程（ａ）に示すように、光吸収層２００上に、ＧａＮを結晶成長させることにより第１低欠陥層１６０ｃ１を形成する。この際、格子欠陥が殆ど或いは全くできないように温度等の条件を設定する。
【００６１】
次に、図７の工程（ｂ）に示すように、格子欠陥の密度が第１低欠陥層１６０ｃ１よりも高くなるように温度等の条件を変更して、第１低欠陥層１６０ｃ１上に、ＧａＮを結晶成長させることにより高欠陥層１６０ｃ２を形成する。このように温度等の条件を変更することにより、高欠陥層１６０ｃ２に筋状の転移としての格子欠陥１６２を多数形成することが可能である。
【００６２】
次に、図７の工程（ｃ）に示すように、第１低欠陥層１６０ｃ１を形成した際と同様に、格子欠陥が殆ど或いは全くできないように温度等の条件を設定し、高欠陥層１６０ｃ２上に、ＧａＮを結晶成長させることにより第２低欠陥層１６０ｃ３を形成する。
【００６３】
このようにして、格子欠陥の密度が光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高い障壁層１６０ｃを形成することができる。
【００６４】
本実施形態では特に、障壁層１６０ｃは、格子欠陥の密度が、光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されているので、障壁層１６０ｃにおいて、格子欠陥に起因する欠陥準位として形成されるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが歪んでしまう（より具体的には、光吸収層２００側から表面負電極１７０側へ向かう方向に沿って、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが大きく変化してしまう）ことを抑制或いは防止できる。よって、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしての電子を表面負電極１７０側へ到達させる効率をより一層向上させることができ、この結果、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る太陽電池について、図８及び図９を参照して説明する。ここに図８は、第４実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を模式的に示す断面図であり、図９は、第４実施形態に係る太陽電池の障壁層の製造プロセスにおける各工程を順に示す工程図である。尚、図８では、第４実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面が、上述した第１実施形態で示した図３に対応した断面として示されている。また、図９は、図８に示した断面に対応して示されている。
【００６５】
第４実施形態に係る太陽電池は、上述した第１実施形態における障壁層１６０に代えて障壁層１６０ｄを備える点で、上述した第１実施形態に係る太陽電池と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る太陽電池と概ね同様に構成されている。
【００６６】
図８において、第４実施形態に係る太陽電池の障壁層１６０ｄは、不純物の密度が、光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されている。
【００６７】
より具体的には、障壁層１６０ｄは、３層構造を有しており、光吸収層２００側に形成された第１低不純物層１６０ｄ１と、表面負電極１７０側に形成された第２低不純物層１６０ｄ３と、第１低不純物層１６０ｄ１及び第２低不純物層１６０ｄ３間に形成された高不純物層１６０ｄ２とを備えている。
【００６８】
高不純物層１６０ｄ２には、不純物１６３がドープされており、高不純物層１６０ｄ２の不純物の密度は、第１低不純物層１６０ｄ１及び第２低不純物層１６０ｄ３の不純物の密度よりも高い。
【００６９】
このような障壁層１６０ｄは、以下のようにして形成することができる。
【００７０】
即ち、先ず、図９の工程（ａ）に示すように、光吸収層２００上に、ＧａＮを結晶成長させることにより第１低不純物層１６０ｄ１を形成する。この際、第１低不純物層１６０ｄ１に不純物が殆ど或いは全く含まれないような条件下で形成する。
【００７１】
次に、図９の工程（ｂ）に示すように、第１低不純物層１６０ｄ１上に、ＧａＮを結晶成長させると共に不純物１６３をドープすることにより高不純物層１６０ｄ２を形成する。
【００７２】
次に、図９の工程（ｃ）に示すように、高不純物層１６０ｄ２上に、ＧａＮを結晶成長させることにより第２低不純物層１６０ｄ３を形成する。この際、第１低不純物層１６０ｄ１を形成した際と同様に、第２低不純物層１６０ｄ３に不純物が殆ど或いは全く含まれないような条件下で形成する。
【００７３】
このようにして、不純物の密度が光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高い障壁層１６０ｄを形成することができる。
【００７４】
本実施形態では特に、障壁層１６０ｄは、不純物の密度が、光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高くなるように形成されているので、障壁層１６０ｄにおいて、不純物に起因する不純物準位として形成されるエネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが歪んでしまう（より具体的には、光吸収層２００側から表面負電極１７０側へ向かう方向に沿って、エネルギー選択性コンタクト準位ＥＳＣＬが大きく変化してしまう）ことを抑制或いは防止できる。よって、光吸収層２００において発生したホットキャリアとしての電子を表面負電極１７０側へ到達させる効率をより一層向上させることができ、この結果、光電変換効率をより一層向上させることが可能となる。
＜第５実施形態＞
第５実施形態に係る太陽電池について、図１０を参照して説明する。ここに図１０は、第５実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面を模式的に示す断面図である。尚、図１０では、第５実施形態に係る太陽電池の障壁層の断面が、上述した第１実施形態で示した図３に対応した断面として示されている。
【００７５】
第５実施形態に係る太陽電池は、上述した第１実施形態における障壁層１６０に代えて障壁層１６０ｅを備える点で、上述した第１実施形態に係る太陽電池と異なり、その他の点については、上述した第１実施形態に係る太陽電池と概ね同様に構成されている。
【００７６】
図１０において、第５実施形態に係る太陽電池の障壁層１６０ｅは、第１障壁層部分１６０ｅ１及び第２障壁層部分１６０ｅ２が積層されてなり、第１障壁層部分１６０ｅ１及び第２障壁層部分１６０ｅ２間の界面に格子欠陥１６４を有している。
【００７７】
第１障壁層部分１６０ｅ１は、光吸収層２００上に、ＧａＮを結晶成長させることにより形成されている。第２障壁層部分１６０ｅ２は、第１障壁層部分１６０ｅ２上に、ＡｌｙＩｎ（１−ｙ）Ｎ：本実施形態では、ｙ＝０．７）を結晶成長させることにより形成されている。
【００７８】
ここで、第１障壁層部分１６０ｅ１（即ち、ＧａＮ）のバンドギャップの大きさは、３．４ｅＶであり、第１障壁層部分１６０ｅ１の格子定数ａは、３．１８（Å）である。第２障壁層部分１６０ｅ２（即ち、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎ）のバンドギャップの大きさは、３．５ｅＶであり、第２障壁層部分１６０ｅ２の格子定数ａは、３．２４（Å）である。よって、第１障壁層部分１６０ｅ１と第２障壁層部分１６０ｅ２とは、格子定数ａが互いに異なるので、第１障壁層部分１６０ｅ１上に第２障壁層部分１６０ｅを形成することで、第１障壁層部分１６０ｅ１及び第２障壁層部分１６０ｅ２間の界面に格子欠陥を生じさせることができる。従って、障壁層１６０ｅを、格子欠陥の密度が、光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面よりも内部のほうが高くなるように、容易に形成することができる。つまり、障壁層１６０ｅの内部に互いに異なる２種類のナイトライド系半導体（即ち、ＧａＮ及びＡｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎ）間の界面を形成することにより、障壁層１６０ｅの内部の格子欠陥の密度を、エネ障壁層１６０ｅの光吸収層２００側及び表面負電極１７０側の表面付近の格子欠陥の密度よりも確実に高くすることができる。更に、このような界面の位置は、第１障壁層部分１６０ｅ１及び第２障壁層１６０ｅ２の厚さを夫々制御することにより、比較的高精度に制御可能であり、障壁層１６０ｅにおける格子欠陥の位置精度を高めることも可能である。
【００７９】
尚、本実施形態では、第１障壁層部分１６０ｅ１（即ち、ＧａＮ）及び第２障壁層部分１６０ｅ２のバンドギャップの大きさは、互いに殆ど同じであるので、障壁層１６０ｅ内に不必要な電界が生じてしまうことを抑制或いは防止できる。ここで、上述したように、第１障壁層部分１６０ｅ１（即ち、ＧａＮ）のバンドギャップの大きさは、３．４ｅＶであり、第２障壁層部分１６０ｅ２（即ち、Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ｎ）のバンドギャップの大きさは、３．５ｅＶである。
【００８０】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光電変換装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８１】
１００…基板、１１０…負電極、１２０…正電極、１４０…ホール移動層、１５０…電子障壁層、１６０…障壁層、１６１…不純物、１６２…格子欠陥、１６３…不純物、１６４…格子欠陥、１６９…格子欠陥、１７０…表面負電極、２００…光吸収層、２１０…第１半導体、２２０…第２半導体、ＥＳＣＬ…エネルギー選択性コンタクト準位
【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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