(57)【要約】希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物材料をベースとしたｐｎ接合と、ｐｎ接合の電子および正孔収集効率に影響することなく、中間バンドにおける電荷輸送を遮断することにより、ｐｎ接合の中間バンドを電気的に隔離するための、ｐｎ接合の反対表面上に位置する１対の接触遮断層とを含む、中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）が提供され、これによって、中間バンドを利用してＩＢＳＣの吸収層のバンドギャップを下回るエネルギーを有する光子を吸収することにより、ＩＢＳＣの開路電圧（Ｖｏｃ）が増加するとともに光電流が増加する。したがって、ＩＢＳＣの全体的電力変換効率は、従来の単一接合太陽電池より大幅に高くなる。ＩＢＳＣのｐｎ接合吸収層は、さらに、より効率的な電荷収集のための電場を提供するために、組成的に傾斜した窒素濃度を有し得る。
2013504877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間バンド太陽電池であって、
ｐ型層およびｎ型層を含むｐｎ接合であって、前記ｐ型層およびｎ型層の材料の各々は、中間バンドを含む、ｐｎ接合と、
前記ｐ型層およびｎ型層の中間バンドの電気的隔離を提供する接触遮断層であって、前記ｎ型層の外面上に位置する接触遮断層と
を備える中間バンド太陽電池。
【請求項２】
前記ｐ型層の外面上に位置する接触遮断層をさらに備え、その結果、前記接触遮断層は前記ｐ型層およびｎ型層の対向する表面上に位置し、前記ｐ型層およびｎ型層の前記中間バンドの電気的隔離を提供する、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項３】
前記ｐ型層およびｎ型層の材料は、希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物材料を含む、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項４】
前記ｐ型層およびｎ型層の材料は、ＧａＮＡｓを含む、請求項３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項５】
前記ｐ型層およびｎ型層の材料は、窒素濃度が０．５〜５％の範囲のＧａＮＡｓを含む、請求項４に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項６】
前記ｐ型層およびｎ型層のうちの少なくとも一方は、より効率的な電荷収集のための電場を提供するために、組成的に傾斜した窒素濃度を有する、請求項３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項７】
前記接触遮断層のうちの少なくとも１つは、前記ｐ型層またはｎ型層に一致した格子である、請求項２に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項８】
前記接触遮断層の伝導バンドは、前記ｎ型層の対応するより高いサブバンドに整合している、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項９】
前記接触遮断層は、ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＧａＰのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１０】
前記ｐｎ接合の前記ｐ型層およびｎ型層ならびに前記接触遮断層は、前記中間バンド太陽電池が太陽輻射に暴露された時に増加した光電流を生成するために、前記ｐ型層およびｎ型層の中間バンドが前記ｐ型層およびｎ型層のバンドギャップを下回るエネルギーを有する光子を吸収するような所望の材料から形成される、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１１】
前記ｐ型層およびｎ型層のうちの一方は、基板上に形成される、請求項１に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１２】
保護被膜を提供し、さらに低抵抗の電気接触を提供するために、前記接触遮断層のうちの１つの上に形成される保護層をさらに備える、請求項２に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１３】
中間バンド太陽電池であって、
基板と、
前記基板上に形成される第１の接触遮断層と、
前記第１の接触遮断層上のｐｎ接合であって、ｐ型層の材料およびｎ型層の材料を含み、前記ｐ型層およびｎ型層の材料の各々が、中間バンドを含む、ｐｎ接合と、
前記第１の接触遮断層から前記ｐｎ接合の反対の表面上に形成される第２の接触遮断層であって、前記第１および第２の接触遮断層は、前記ｐ型層およびｎ型層の中間バンドの電気的隔離を提供する、第２の接触遮断層と
を備える、中間バンド太陽電池。
【請求項１４】
保護被膜を提供し、さらに低抵抗の電気接触を提供するために、前記第２の接触遮断層上に形成される保護層をさらに備える、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１５】
前記ｐｎ接合の前記ｐ型層およびｎ型層の材料は、希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物材料を含む、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１６】
前記ｐ型層およびｎ型層の材料は、ＧａＮＡｓを含む、請求項１５に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１７】
前記接触遮断層のうちの少なくとも１つは、前記ｐ型層またはｎ型層の対応するバンドギャップに一致した格子である、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１８】
前記接触遮断層のうちの少なくとも１つの伝導バンドは、前記ｐ型層またはｎ型層の対応するより高いサブバンドに整合している、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項１９】
前記接触遮断層は、ＡｌＧａＡｓおよびＩｎＧａＰのうちの少なくとも一方を含む、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項２０】
前記ｐｎ接合の前記ｐ型層およびｎ型層ならびに前記接触遮断層は、前記中間バンド太陽電池が太陽輻射に暴露された場合に増加した光電流を生成するために、前記ｐ型層およびｎ型層の中間バンドが、前記ｐ型層およびｎ型層のバンドギャップを下回るエネルギーを有する光子を吸収するような所望の材料から形成される、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【請求項２１】
前記ｐ型層およびｎ型層のうちの少なくとも一方は、より効率的な電荷収集のための電場を提供するために、組成的に傾斜した窒素濃度を有する、請求項１３に記載の中間バンド太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（政府出資声明）
本明細書に記載され請求される発明は、一部、米国エネルギー省により提供された資金（契約第ＤＥ−ＡＣ０２−０５ＣＨ１１２３１号）を用いてなされた。米国政府は本発明に対し一定の権利を有する。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、太陽電池に関し、より具体的には、改善された太陽電池性能のために使用される接触遮断層を備える希薄ＩＩＩ−Ｖ族窒化物中間バンド太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池または光電池は、日光の輻射エネルギーを直接電気エネルギーに変換するＰＮ接合を有する半導体素子である。日光から電気エネルギーへの変換には、３つの主要なプロセス、すなわち半導体材料への日光の吸収、太陽電池内で電圧を生成する正電荷および負電荷の生成および分離、ならびに半導体材料に接続された端子を通した電荷の収集および移動が関与する。各太陽電池のＰＮ接合には、電荷分離のための単一の空乏領域が存在する。
【０００４】
単一の半導体材料をベースとした現在の従来的な太陽電池は、約３１％の固有効率限界を有する。この限界の主な原因は、半導体が、０．４〜４ｅＶの範囲の光子エネルギーを有する太陽スペクトルのある特定部分しか吸収することができない特定のエネルギーギャップを有するためである。半導体のバンドギャップを下回るエネルギーを有する光は吸収されず、電力に変換されない。バンドギャップを超えるエネルギーを有する光は吸収されるが、生成される電子正孔対は、バンドギャップを超えるその過剰なエネルギーを熱の形態で急速に失う。したがって、このエネルギーは、電力への変換に利用できない。
【０００５】
異なるバンドギャップを有する半導体で作製された太陽電池のスタックを使用して、「多重接合」、「カスケード」、または「タンデム」太陽電池と呼ばれる一連の太陽電池を形成することにより、高効率の太陽電池を達成することができる。多重接合太陽電池は、複数の（例えば、２個、３個、４個等の）ＰＮ接合太陽電池を直列に接続することにより作製され、これによって、単一ＰＮ接合太陽電池よりも効率的な太陽電池が達成される。タンデム電池は、典型的には、より高いエネルギーの光子を変換するために、最上部電池により大きいバンドギャップの材料を使用することで形成され、より低エネルギーの光子は太陽電池のスタックのより小さいバンドギャップの材料に伝達される。スタック内の太陽電池のバンドギャップは、太陽エネルギー変換の効率を最大化するように選択され、電池の電圧が互いに加算されるように、トンネル接合を使用して電池が直列接続される。そのような多重接合太陽電池では、多数の材料層が複雑な多重接合スタック構成で形成される必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、太陽電池に関し、より具体的には、改善された太陽電池性能のために使用される接触遮断層を備える希薄ＩＩＩ−Ｖ族窒化物中間バンド太陽電池に関する。
【０００７】
１つ以上の実施形態によれば、希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物材料をベースとした少なくとも１つのｐｎ接合と、ｐｎ接合の反対表面上に位置する１対の接触遮断層とを備える中間バンド（ＩＢａｎｄ）太陽電池（ＩＢＳＣ）が提供される。接触遮断層は、ｐｎ接合の電子および正孔収集効率に影響することなく、ｐｎ接合のＩＢａｎｄにおける電荷輸送を遮断することにより、ｐｎ接合の中間バンドの電気的隔離を提供する。１つ以上の実施形態において、ＩＢＳＣは、基板上に、またはより大型の多重接合タンデム電池内の太陽電池として形成される。
【０００８】
１つ以上の実施形態によれば、ＩＢＳＣ用の希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物ｐｎ接合材料は、ＧａＮＡｓの層を備え、接触遮断層は、ＧａＮＡｓ層の所望のバンドギャップに一致した格子である。１つ以上の実施形態において、接触遮断層は、ＡｌＧａＡｓまたは他のＩＩＩ−Ｖ三元合金のうちの１つを含む。１つ以上の実施形態において、ＡｌＧａＡｓ接触遮断層の組成は、その伝導バンドがＧａＮＡｓ吸収層の上部サブバンドに整合するように調整される。このようにしてＧａＮＡｓ吸収層のＩＢａｎｄを隔離し、中間バンドが隣接層と接触するのを遮断することにより、ＩＢａｎｄは、単により低いエネルギーの光子の吸収のための「踏み石」として作用し、ひいては素子の短絡回路電流（ＩＳＣ）を増加させる。ＩＢＳＣの開路電圧（ＶＯＣ）は、ＧａＮＡｓの最大ギャップにより決定される。１つ以上の実施形態において、ＩＢＳＣのｐｎ接合吸収層は、さらに、より効率的な電荷収集のための電場を提供するために、組成的に傾斜した窒素濃度を有し得る。
【０００９】
本発明の多くの他の特徴および実施形態は、添付の図面および以下の発明を実施するための形態から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示の上述の特徴および目的は、同様の参照番号が同様の要素を示す添付の図面とともに以下の説明を参照すると、より明らかとなる。
【図１】図１は、本開示の１つ以上の実施形態による中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）のブロック図である。
【図２】図２は、本開示の１つ以上の実施形態による、図１に示されるＩＢＳＣの一実施形態の計算バンド図のグラフ表示である。
【図３】図３は、本開示の１つ以上の実施形態による、図１に示されるＩＢＳＣの一実施形態の計算キャリアプロファイルのグラフ表示である。
【図４】図４は、本開示の１つ以上の実施形態による中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）の試験構造のブロック図である。
【図５】図５は、本開示の１つ以上の実施形態による、図４に示されるＩＢＳＣの一実施形態の１×日光および１０×日光下で測定された電流密度のグラフ表示である。
【図６】図６は、本開示の１つ以上の実施形態による、図４に示されるＩＢＳＣの一実施形態の測定外部量子効率（ＥＱＥ）読取値のグラフ表示である。
【図７Ａ】図７Ａは、本開示の１つ以上の実施形態によるｐ型吸収層を備える中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）のブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態による、図７Ａに示されるＩＢＳＣの一実施形態の計算バンド図のグラフ表示である。
【図８Ａ】図８Ａは、本開示の１つ以上の実施形態による傾斜組成を有する中間バンド太陽電池（傾斜ＩＢＳＣ）のブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態による、図８Ａに示される傾斜ＩＢＳＣの一実施形態の計算バンド図のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
概して、本開示は、複数のバンドギャップを有する単一の半導体の使用により改善された太陽光電力変換効率を有する光起電装置、太陽電池、または中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）に関する。そのような中間バンドを含む半導体において、広ギャップ半導体のバンドギャップにおける１つ以上の追加的バンドは、バンドギャップよりも小さいエネルギーの２個以上の光子により、価電子バンドから伝導バンドに電子を移動させるための「踏み石」として機能する。このＩＢＳＣの概念は、単一のｐ／ｎ接合しか必要としないが、中間バンドは、電荷収集接点から電気的に隔離されている必要がある。理論モデリングは、中間層を１つ有するデバイスにおいては６３％、また中間層を２つ有するデバイスにおいては７２％の電力変換効率を予測している。
【００１２】
より具体的には、本開示は、改善された太陽電池性能を提供する接触遮断層を有する、希薄ＩＩＩ−Ｖ族窒化物中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）に関する。ＩＩＩ−Ｖ半導体合金（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、またはＧａＡｓＰ）における少量の窒素の置換により、合金の伝導バンドは、より高い伝導バンド（ＥＣ）およびより低いサブバンド、または中間バンド（ＩＢａｎｄ）に分割される。希薄ＩＩＩ−Ｖ族窒化物層および接触遮断層を含む光起電装置、太陽電池またはＩＢＳＣを利用することにより、本開示のＩＢＳＣは、太陽電池性能を最大化し、ＩＢＳＣ内の電圧および電流を増加させ、また電子および正孔がＩＢＳＣのＩＢａｎｄにおける伝導により層から逃げるのを防止することができる。ここで、本開示のある特定の実施形態を、同様の参照番号が同様の要素を示す上述の図を参照しながら説明する。
【００１３】
ＩＢＳＣを利用することにより、単一ＰＮ接合を使用することができ、それによって、より複雑な多重接合太陽電池よりも大幅に太陽電池設計を単純化することで、生産コストが低減される。さらに、ＩＢＳＣは、３つ以上のエネルギーバンドを順番に最適化する材料を使用してＩＢＳＣを製造することにより、従来の単一ＰＮ接合太陽電池よりも大きな電力変換効率を達成する。従来、多重バンド半導体吸収層の発見および吸収層におけるＩＢａｎｄの電気的隔離が課題であった。ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）ミニバンドの概念および希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物を使用したＩＢＳＣ試験デバイスは、低い開路電圧（ＶＯＣ）、例えば０．３〜０．４ｅＶの読取値をもたらす。これらの比較的低いＶＯＣ読取値は、理想的でないバンド分離（ＩｎＡｓ  ＱＤの概念の場合のように）のため、または、ＩＢＳＣにおける吸収層内のＩＢａｎｄの隣接層との電気的隔離の欠如に起因して、電子および正孔が、ＩＢａｎｄにおける伝導を通してＩＢＳＣの層を連続的に離脱するため、従来のＩＢＳＣにおいて生じていた。本発明者らは、ＩＢＳＣ用途に適切な多重バンド構造を有するＩＩ−ＶＩおよびＩＩＩ−Ｖ半導体合金の使用を可能とする、高不整合合金（ＨＭＡ）におけるバンド反交差の概念を使用して、ＩＢＳＣにまつわるこれらの電気的隔離の問題を解決した。
【００１４】
図１を参照すると、概して本開示の１つ以上の実施形態による、中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）１００のブロック図が示されている。ＩＢＳＣ１００は、太陽電池において一般に使用される任意の基板材料で形成された底部基板層１０２を含む。例えば、基板層１０２は、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含み得、基板層１０２は、具体的用途に所望されるようにｎ型またはｐ型材料を含み得る。
【００１５】
ＩＢＳＣ１００は、複数のエネルギーバンドを有するＩＢＳＣ１００のための単一ＰＮ接合を構成する希薄ＩＩＩ−Ｖ窒化物材料の２つの層１０６および１０８を含み、ｎ型材料は、ＰＮ接合の一方側に形成され、ｐ型材料は、ＰＮ接合の他方側に形成される。１つ以上の実施形態において、ＰＮ接合層１０６および１０８は、それぞれのＧａＮＡｓの層を備える。図１に示される具体的実施形態において、層１０６は、ｎ−ＧａＮＡｓとして形成され、層１０８は、ｐ−ＧａＮＡｓとして形成さるが、これらのｐ型層およびｎ型層の順番は、異なる用途において反対であってもよいことが理解される（例えば、図８を参照されたい）。ＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８はまた、本明細書において、ＧａＮＡｓ吸収層１０６および１０８と呼ばれる可能性がある。１つ以上の実施形態において、ＧａＮＡｓ吸収層１０６および１０８中の窒素濃度は、０．５〜５％の範囲である。ＧａＮＡｓと同様の多重バンド特性を有する他のＩＩＩ−Ｖ窒化物、例えば、これらに限定されないが、ＡｌＧａＮＡｓおよびＧａＮＡｓＰ等もまた、ＩＢａｎｄ吸収体として使用され得る。
【００１６】
１つ以上の実施形態において、材料の格子整合パラメータを改善するために、ＧａｌｎＮＡｓ層１０６またはＧａｌｎＮＡｓ層１０８を形成するように、層１０６および１０８の少なくとも一方にインジウム（Ｉｎ）が添加され得、これらは、材料の全体的品質を改善し、日常的使用、およびＩＢＳＣ１００の効率にその他の様式で悪影響を及ぼす可能性のある試験から生じ得る、材料に基づく欠陥を低減する。１つ以上の実施形態において、層１０６および１０８中のインジウム（Ｉｎ）に対する窒素（Ｎ）の割合は、最適な結果を得るため、および、化合物中の窒素の存在によりもたらされる窒素誘導性の格子定数の収縮を相殺するために、１：３の比を有するように選択される。
【００１７】
１つ以上の実施形態において、第１の接触遮断層１０４が、ｎ−ＧａＮＡｓ層１０６に隣接して基板層１０２上に形成され、第２の接触遮断層１１０が、ｐ−ＧａＮＡｓ層１０８上に形成されるように、一対の接触遮断層１０４および１１０が、ＩＢＳＣ１００のＰＮ接合の反対表面上に位置する。１対の接触遮断層１０４および１１０が図１に示されているが、ＩＢＳＣ１００は、いくつかの実施形態において、ｎ型の層１０６および１０８に隣接して形成された接触遮断層１０４および１１０のうちの１つのみを有するように形成され得ることがさらに理解される。したがって、少なくとも１つの接触遮断層（すなわち、１０４または１１０）が、ｎ型の層１０６および１０８に隣接して形成され、いくつかの実施形態では、別の接触遮断層（すなわち、１０４または１１０）が、ｐ型の層１０６および１０８に隣接してさらに形成される。接触遮断層１０４および１１０は、ＧａＮＡｓ  ＰＮ接合の電子および正孔収集効率に影響することなく、１０６と１０８との間のＧａＮＡｓ  ＰＮ接合の中間バンドにおける電荷輸送を遮断することにより、ＧａＮＡｓ  ＰＮ接合の中間バンドの電気的隔離を提供する任意の材料で形成され得る。
【００１８】
１つ以上の実施形態において、接触遮断層１０４および１１０は、ＧａＮＡｓ層１０６および１０８の所望のより大きいバンドギャップに整合した格子である。１つ以上の実施形態において、接触遮断層は、ＡｌＧａＡｓ材料の少なくとも１つを含む。太陽輻射に暴露された後に正孔および電子がＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８に形成される時、正孔および電子が、層１０６と１０８との間のＰＮ接合を、層１０６および１０８それぞれの価電子バンドおよびより高い伝導バンドを通して横断し、最終的な電流をＩＢＳＣ１００において生成することが望ましい。接触遮断層１０４および１１０は、ＩＢａｎｄを電気的に隔離し、電子がＩＢａｎｄを通してＩＢＳＣ１００の隣接する層へ通過するのを遮断する。１つ以上の実施形態において、ＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８ならびにＡｌＧａＡｓ接触遮断層１０４および１１０の組成は、接触遮断層１０４および１１０の伝導バンドを、ＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８のより高い伝導バンドに整合させるように調整される。このようにＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８のＩＢａｎｄを隔離し、ＩＢａｎｄがＩＢＳＣ１００の隣接層と接触するのを効果的に遮断することにより、より広いギャップ吸収層に依存する増加した開路電圧（ＶＯＣ）が達成される。光電流は、隔離されたＩＢａｎｄを利用してＧａＮＡｓ  ＰＮ接合層１０６および１０８のバンドギャップを下回るエネルギーを有する光子を吸収することにより、さらに増加され得る。
【００１９】
１つ以上の実施形態において、図１に示されるように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ遮断層１０４がＧａＡｓ基板層１０２上に形成される。ｎ型ＧａＮＡｓ層１０６がｎ−ＡｌＧａＡｓ遮断層１０４上に形成され、ｎ−ＡｌＧａＡｓ遮断層１０４は、使用される材料の全体的品質を最大化するためにその隣接層と格子整合されており、これは一方で、日常的使用、またはＩＢＳＣ１００の効率にその他の様式で悪影響を及ぼす可能性のある試験から生じ得る、材料に基づく任意の欠陥を最小化する。ｐ型ＧａＮＡｓ層１０８がｎ型ＧａＮＡｓ層１０６上に形成される。ＡｌＧａＡｓ層を酸化から防止するために、ｐ＋−ＧａｙＡｓ層１１２がｐ＋−ＡｌＧａＡｓ層１１０上に形成される。実施形態のいずれかにおいて説明される遮断層１０４および１１０のいずれかにおいて、同様の遮断特性を示す適切なＧａｌｎＰのｎ型もしくはｐ型層、または当業者に知られた材料の任意の他の層を、ＡｌＧａＡｓの代わりに交換可能に利用することができる。
【００２０】
図１のＩＢＳＣ１００において、底部遮断層１０４は、電子をより高い伝導バンドに通過させるが正孔を遮断し、上部遮断層１１０は、正孔を通過させるがＩＢａｎｄまたは伝導バンドから電子を遮断する。電子は、太陽輻射への暴露に応じて放出されると、第１のＰＮ接合層１０６から第１の遮断層１０４を通って底部基板層１０２に移動しようとするため、底部基板層１０４は、このプロセスを促進する。同様に、正孔は、太陽輻射に応じて放出されると、第２のＰＮ接合層１０８から保護層１１２に移動しようとするため、上部遮断層１１０は、このプロセスを促進する。図２におけるバンド図のグラフ表示でさらに論議されるように、遮断層１０４および１１０は、ＧａＮＡｓ吸収層１０６および１０８の中間バンドの電気的隔離を可能にし、これが一方でＩＢＳＣ１００全体にわたる電圧および電流を最大化し、ひいてはＩＢＳＣ１００の全体的効率を最適化する。
【００２１】
ここで図２を参照すると、図１のＩＢＳＣ１００の具体的な一実施形態の計算バンド図のグラフ表示が示されている。この代表例において、約２×１０１７ｃｍ−３のｎドープを有する、４５％のＡｌを含む１００ｎｍのｎ−ＡｌＧａＡｓ遮断層１０４が、ｎ＋ＧａＡｓ基板層１０２上に形成されている。次いで、Ｔｅドープ２×１０１７ｃｍ−３の４００ｎｍのｎ型ＧａＮＡｓ層１０６が、ｎ−ＡｌＧａＡｓ遮断層１０４上に形成され、Ｚｎドープ１×１０１８ｃｍ−３の１００ｎｍのｐ型ＧａＮＡｓ層１０８が、ｎ型ＧａＮＡｓ層１０６上に形成される。次に、５０ｎｍのｐ＋Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ遮断層１１０が、ｐ型ＧａＮＡｓ層１０８上に形成される。最後に、２０ｎｍ厚のｐ＋ＧａＡｓ層１１２がｐ＋Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ遮断層１１０上に形成され、この層を酸化から保護する。
【００２２】
図２の計算バンド図は、伝導バンド（ＥＣ）２１２、中間バンド（ＩＢａｎｄ）２１４、および価電子バンド（ＥＶ）２１６に対するプロットを示す。計算バンド図のｘ軸は、図１中の構造の表面からの、ミクロン単位の距離を表し、ｙ軸は、フェルミエネルギー準位に関して測定されたｅＶ（電子ボルト）単位のエネルギー測定読取値を表す。伝導バンド（ＥＣ）２１２は、電子伝導が生じるための空状態を有するエネルギーバンドを表し、伝導バンド（ＥＣ）２１２の傾きは、ＩＢＳＣ１００全体にわたる電子の流れまたは電荷輸送の速度を示し得る。同様に、価電子バンド（ＥＶ）２１６は、電子で満たされた、または正孔伝導のための空状態を有するエネルギーバンドを表し、価電子バンド（ＥＶ）２１６の傾きは、ＩＢＳＣ全体にわたる正孔の流れまたは電荷輸送の速度を示し得る。図２に示されるように、プロット２１２および２１６の傾きは、電子が表面から押し出されている一方で、正孔が表面に引き付けられていることを示す。ＩＢａｎｄプロット２１４は、Ｎ状態とＧａＡｓ伝導バンド（ＥＣ）２１２との間の反交差相互作用の結果形成される中間バンドを表す。図２中のＩＢａｎｄ２１４は、両側で完全に隔離されており、低エネルギー光子の吸収のための「踏み石」としてのみ作用する。
【００２３】
再び図１を参照すると、１つ以上の実施形態において、ＩＢＳＣ１００には、他の層上に保護被覆を提供するために、および、特に第２の遮断層１１０がＡｌｘＧａｙＡｓから作製される場合、第２の遮断層１１０を酸化から防止するために、接触遮断層１１０の上に堆積される、例えばｐ＋ＧａＡｓ等の保護層１１２が形成され得る。層１１２はまた、低抵抗接触部として機能し得る。保護層１１２は、所望の動作特性のためのＩＢＳＣ１００の様々な層の所望の構成に依存して、通常、ｎ型またはｐ型ＧａＡｓを含み得る。１つ以上の実施形態において、保護層１１２は、任意選択で、既知の堆積技術を使用し、ＩＢＳＣ１００の他の層と比較してより薄い厚さで堆積され得る。
【００２４】
ここで図３を参照すると、本開示の１つ以上の実施形態による、図１のＩＢＳＣ１００のキャリア濃度プロファイルのグラフ表示が示されている。図３のキャリア濃度プロファイルは、μｍ単位の表面からの距離を示すｘ軸と、ｙ軸上の（ｃｍ−３）単位のキャリア濃度を有する。キャリア濃度プロファイルグラフは、電子３１２のキャリア濃度プロットおよび正孔３１４のキャリア濃度プロットを示す。図３のこれらのプロットから観察され得るように、正孔の濃度は、上部遮断層１１０が存在する表面近くで最も高いことが正孔プロット３１４における活性により示され、上部遮断層１１０は、正孔を通過させるが電子を遮断する。次いで、表面からさらに遠くなると、０．１〜０．１８μｍに延在するｐ／ｎ接合空乏領域において、正孔および電子の両方の濃度が非常に低くなる。ＩＢＳＣ構造１００のｎ型側により深くなると、正孔の濃度は、無視できる程低く、プロット３１２は、電子の濃度を表す。層１０６（図１）における厚さの範囲０．１８〜０．３２μｍ内の中間バンド電子は、遮断層１０４によるバック接点から電気的に隔離される。中間バンド２１２（図２）から上部バンド２１４に励起れた電子のみが、基板に移動され、バック接点により収集される。したがって、図３のキャリア濃度プロファイルグラフは、遮断層が適切に機能し、電子および正孔の遮断物として効果的に作用していることを示しており、これにより、ＩＢａｎｄが電気的に隔離され、ＩＢＳＣ１００の電流、電圧および全体的な電力変換効率が改善される。
【００２５】
ここで図４を参照すると、概して本開示の１つ以上の実施形態による、金属接点４１４および４１６を有し、日光４０１に暴露されているＩＢＳＣ３００の試験デバイス構造のブロック図が示されている。ＩＢＳＣ４００は、ｎ＋ＧａＡｓ基板層４０２上に形成された９０ｎｍのｎＡｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓ遮断層４０４を含む。４００ｎｍのｎ型ＧａＮＡｓ層４０６がｎＡｌＧａＡｓ遮断層４０４上に形成され、１００ｎｍのｐ＋型ＧａＮＡｓ層４０８がｎ型ＧａＮＡｓ層４０６上に形成される。５０ｎｍのｐ＋＋Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ遮断層４１０がＧａＮＡｓ層４０８上に形成され、最後に２０ｎｍのｐ＋−ＧａＡｓ保護接触層４１２がＡｌＧａＡｓ遮断層４１０上に形成される。ＩｎＺｎバイアス接点４１４が、保護層４１２上に形成され、ＩｎＳｎ接地接点４１６が基板層３０２の一部上に形成されている。バイアス接点４１４は、電圧または電圧源用の接点として機能し、接地接点４１６は、接地電圧用の接点として機能する。この具体的実施形態において、バイアス接点４１４は、ＩｎＺｎ（インジウム亜鉛）を含み、接地接点４１６は、ＩｎＳｎ（インジウムスズ）を備え得るが、同様の所望の特性を提供する、ｐ型およびｎ型ＧａＡｓへの他の抵抗接触金属化を、ＩＢＳＣ４００の各層およびコンポーネントのいずれかに利用し得ることが理解される。
【００２６】
ここで図５を参照すると、本開示の１つ以上の実施形態に従う図４のＩＢＳＣ４００に対する暗闇ならびに１×１０ｘ日光照射下における電流−電圧Ｉ−Ｖ特性測定のグラフ表示が示されている。図５のＩ−Ｖ特性プロットは、ｘ軸においてバイアス電圧（Ｖ単位）を、ｙ軸としてｍＡ／ｃｍ２単位で測定される電流密度を示している。プロット５１２は、１×日光ＡＭ１．５への暴露後の図４のＩＢＳＣ４００のＩ−Ｖ特性を示し、一方プロット５１４は、ＩＢＳＣ４００が日光から遮光された場合の（すなわち暗闇における）Ｉ−Ｖ特性を示す。同様に、プロット５１６は、１０×日光ＡＭ１．５への暴露後の図４のＩＢＳＣ４００のＩ−Ｖ特性を示し、一方プロット５１８は、ＩＢＳＣ４００が日光から遮光された場合の（すなわち暗闇における）Ｉ−Ｖ特性を示す。図５中で明確に観察されるように、ＩＢＳＣ４００が所与の電圧バイアスにおいて日光に暴露されると、電流が劇的に増加し、ＩＢＳＣ４００が、光子を電子および電流に変える際に適切に機能することを示している。１×および１０×日光条件での照射下におけるゼロ電流での電圧ＶＯＣは、それぞれ、０．７５ｅＶおよび０．８ｅＶである。これらのＶＯＣ値は、文献において報告されている非遮断構造に対する値（０．３〜０．４ｅＶ）よりもはるかに高い。
【００２７】
ここで図６を参照すると、本開示の１つ以上の実施形態による、図４のＩＢＳＣ４００の外部量子効率（ＥＱＥ）読取値のグラフ表示が示されている。図６のＥＱＥグラフは、ｘ軸に沿ってｅＶ単位の励起単色光のエネルギーを、ｙ軸に沿ってパーセンテージ（％）単位の光起電力応答ＥＱＥを示す。ＥＱＥプロット６１２は、上述の遮断層の使用による中間バンドの効果的遮断を示している。高いＥＱＥ値は、励起光が、ＧａＮＡｓ層の価電子バンドとより高い伝導バンドとの間のエネルギー間隔約２ｅＶに達した場合にのみ達成される。
【００２８】
１つ以上の実施形態において、ＩＢＳＣ８００のＰＮ接合のＧａＮｘＡｓ吸収層の少なくとも一方または両方における窒素濃度ｘは、図８Ａに示されるように、ＩＢＳＣ７００の性能を改善するために組成的に傾斜され得る。ＧａＮＡｓ層８０８および８１０（ＧａＮＡｓ吸収層１０６および１０８に対応する）は、ＧａＮｘＡｓ層８０８または８１０の一部における約０．０２の比較的高い窒素濃度ｘから、同じＧａＮｘＡｓ層８０８または８１０の別の部分８０６における約０．００５の比較的低い窒素濃度に傾斜され得る。例えば、ＧａＮＡｓ層８０８内において、Ｎ濃度は、ＧａＮ０．０１８Ａｓ層８０８および８１０の間の界面近くのｘ＝０．０１８から、ＧａＮ０．００５Ａｓ層８０８および遮断層８０４の間の界面近くのｘ＝０．００５まで減少する。１つ以上の実施形態において、ＧａＮＡｓ層８０８および８１０の接合に最も近い部分は、最も高い窒素濃度を有する。ＧａＮＡｓ層８０８および８１０の少なくとも一方を組成的に傾斜させることにより、電子をｎ−ＧａＡｓ基板８０２に向けて移動させる追加的電位が形成され、それにより電池電流が増加する。さらに、ＧａＮＡｓ層８０８および８１０の組成傾斜は、その表面においてより大きいギャップを提供し、それによってより良好な正孔伝導接触が形成され得る。組成傾斜に関連したこれらの利点は、この種類の太陽電池の太陽光電力変換効率をさらに増加させる。
【００２９】
ここで図８Ｂを参照すると、本開示の８つ以上の実施形態による、図８ＡのＩＢＳＣ８００に対する計算バンド図のグラフ表示が示されている。図８Ｂの計算バンド図は、伝導バンド（ＥＣ）８２２、中間バンド（ＩＢａｎｄ）８２４、および価電子バンド（ＥＶ）８２６のエネルギーに対するプロットを含む。これらのバンド図から、中間バンド８２４が、基板および上部接触層の伝導バンド（Ｅｃ）から効果的に隔離されることが観察され得る。図８Ｂに示される傾斜構造のバンド図を、図２に示される非傾斜構造のバンド図と比較すると、図８のバンド図から、傾斜構造の伝導バンド（ＥＣ）８２２および価電子バンド（ＥＶ）８２６が、非傾斜構造の対応する伝導バンド（ＥＣ）２１２および価電子バンド（ＥＶ）２１４よりも吸収層においてより大きな傾きを有することが観察され得るが、これは、ｐｎ接合から電子を追い出す追加的電位が傾斜構造に形成されることを示している。
【００３０】
１つ以上の実施形態によれば、太陽電池性能を改善するために希薄ＩＩＩ−Ｖ族窒化物中間バンド材料および接触遮断層を利用する中間バンド太陽電池（ＩＢＳＣ）が提供される。具体的には、本開示の全体的利点は、開路電圧値を増加させることができること、隔離されたＩＢａｎｄを通して増加した光吸収によりにより生成される光電流を増加させることができること、ひいては、遮断層を使用して効果的にＩＢａｎｄを隔離することにより、最終的にＩＢＳＣの全体的電力変換効率および性能を改善することができることを含む。さらに、ＩＢＳＣが利用されるため、単一のＰＮ接合しか必要とされず、これは、接触遮断層とともに、電池設計を大幅に単純化し、したがって多重接合設計と比較して大幅に生産コストを低減する。
【００３１】
現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して、傾斜組成および接触遮断層を使用した中間バンド太陽電池を説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるとは限らないことを理解されたい。また、本発明の本質から逸脱することなく、様々な変更を行ってもよいことを理解されたい。例えば、様々な実施形態において説明された材料により達成される所望の特性を提供することができる限り、様々な実施形態において説明された材料以外の材料が、ＩＢＳＣの様々な層に利用され得る。そのような変更もまた、黙示的に説明に含まれ、さらに本開示の範囲内に包含される。本開示は、独立して、および全体的なシステムとして、ならびに方法および装置の態様の両方において、本発明の多くの態様を包含する特許を成すことを意図することを理解されたい。
【００３２】
さらに、本発明および特許請求の範囲の様々な要素のそれぞれもまた、様々な様式で達成され得る。本開示は、任意の装置の実施形態、方法もしくはプロセスの実施形態の変形例であるか、またはさらに、単にそれらの任意の要素の変形例であるかを問わず、それぞれのそのような変形例を包含することを理解されたい。特に、本発明の各要素に対する単語は、等価な装置の用語または方法の用語により表現され得ることを理解されたい。そのような等価な用語、より広い用語、またはさらに包括的な用語は、各要素または作用の説明に包含されるとみなされるべきである。そのような用語は、本発明が属する黙示的に広い範囲を明確化するために、所望により置換され得る。
【００３３】
全ての作用は、その作用を実行するための手段として、またはその作用をもたらす要素として表現され得ることを理解されたい。同様に、開示されるそれぞれの物理的要素は、その物理的要素が促進する作用の開示を包含することを理解されたい。上記は、以下に添付される特許請求の精神および範囲内に含まれる様々な修正および同様の配置を包含することを意図するが、特許請求の範囲は、全てのそのような修正ならびに同様の構造および／または方法ステップを包含するように、最も広い解釈が与えられるべきである。したがって、本発明は、以下に添付される特許請求の範囲のあらゆる実施形態を含む。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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