(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようにする。【解決手段】主表面をＣ面として形成されたノンドープの窒化物半導体から構成された光吸収層１０１と、光吸収層１０１に接続する第１電極１０２および第２電極１０３とを備える。光吸収層１０１は、例えば、対象とする波長に合わせて組成が調整されたＩｎＧａＮやＩｎＧａＡｌＮから構成されていればよい。例えば、バンドギャップエネルギーが２ｅＶとされたＩｎＧａＡｌＮから光吸収層１０１を構成すればよい。また、第１電極１０２および第２電極１０３の少なくとも１つは光吸収層１０１に接して形成され、なくとも第１電極１０２および第２電極１０３の一方が、太陽光が透過する状態とされていればよい。【選択図】  図１
2015015271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層と、
前記光吸収層に接続する第１電極および第２電極と
を備え、
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも１つは前記光吸収層に接して形成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池において、
前記光吸収層は、
第１半導体層と第２半導体層とが交互に複数積層して構成され、
前記第１半導体層は、主表面をＣ面とした第１窒化物半導体から構成され、
前記第２半導体層は、前記第１窒化物半導体とは異なる格子定数で主表面をＣ面とした第２窒化物半導体から構成されている
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の太陽電池において、
前記第１電極は、前記光吸収層の一方の面に接して形成され、
前記第２電極は、前記光吸収層の他方の面に接して形成されている
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項４】
請求項１または２記載の太陽電池において、
基板の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる電極層を備え、
前記第１電極は、前記光吸収層の上に接して形成され、
前記光吸収層および前記第２電極は、前記電極層の上に形成されていることを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記光吸収層は、ノンドープとされていることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、宇宙用太陽電池や集光発電システム用の高効率太陽電池として、ＧａＡｓやＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を主材料とした多接合構造が用いられている。この構造は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）単結晶基板に、エピタキシャル成長させて形成したＩｎＧａＡｓからなるｐｎ接合と、エピタキシャル成長させて形成したＩｎＧａＰからなるｐｎ接合との多接合で構成されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このような多接合構造では、バンドギャップの異なる２つ以上の材料のｐｎ接合の積層により、太陽光スペクトルの広範な波長を有効に利用できることから、単接合構造の太陽電池と比較して高い変換効率が得られる。
【０００４】
また、ＡｓやＰを含まない窒化物半導体（例えばＩｎＧａＮ）をシリコンなどの半導体基板上に積層させた、太陽光スペクトルのほぼ全域をカバーできるという長所を持つ多接合型の太陽電池が提案されている（特許文献１参照）。この技術によれば、高価なＧｅ単結晶基板を用いることなく、また、大きな面積のウエハーを用いることができるため、コストの低減も図れる。
【０００５】
特許文献１の技術では、ＩｎＧａＮと格子整合する基板がないことによるＩｎＧａＮ薄膜に多くの転位が含まれる状態を、バルク状ではないナノコラムを複数用いることによって解消しており、また、ｐｎ接合をコラムの高さ方向に積層して形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２４３２４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. R. King et al. , "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.90, 183516, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、窒化物半導体中における少数キャリアの拡散長は、余り長くない。例えば、ＩｎＧａＮ中の少数キャリア拡散長は、数十〜数百ｎｍ程度と短い。このため、上述したような従来の技術による拡散によってキャリアを取り出す構造では、次に示す問題があった。すなわち、光吸収層を光吸収に必要な１μｍ程度に長く（厚く）すると、発生したキャリアの移動に時間を要し、結晶欠陥などによりキャリアが消滅し、光励起キャリアを効率よく収集できず、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が低下する。さらに、結晶の品質や結晶中の不純物濃度で決定される「キャリアの拡散長」内しかキャリアは拡散できないので、素子構造の最適設計に制限があった。
【０００９】
一方、窒化物半導体による光吸収層の厚さを少数キャリア拡散長程度に短くすれば、生成された光励起キャリアをより高い効率で収集できるようになる。しかしながら、この場合、光吸収層が薄いために光吸収が不十分となり、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率が低下してしまうという問題が発生する。これらのように、従来では、窒化物半導体を用いた太陽電池では、高い効率で太陽光エネルギーから電気エネルギーへ変換することが容易ではないという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る太陽電池は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層と、光吸収層に接続する第１電極および第２電極とを備え、第１電極および第２電極の少なくとも１つは光吸収層に接して形成されている。光吸収層は、ノンドープとされている。
【００１２】
上記太陽電池において、光吸収層は、第１半導体層と第２半導体層とが交互に複数積層して構成され、第１半導体層は、主表面をＣ面とした第１窒化物半導体から構成され、第２半導体層は、第１窒化物半導体とは異なる格子定数で主表面をＣ面とした第２窒化物半導体から構成されているようにしてもよい。
【００１３】
上記太陽電池において、第１電極は、光吸収層の一方の面に接して形成され、第２電極は、光吸収層の他方の面に接して形成されている。
【００１４】
上記太陽電池において、基板の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなる電極層を備え、第１電極は、光吸収層の上に接して形成され、光吸収層および第２電極は、電極層の上に形成されているようにすればよい。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が、高い効率で行えるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、光吸収層１０１におけるバンドギャップエネルギーの状態を示すバンド図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、井戸層と障壁層とを交互に積層した構造における励起子解離を説明するための説明図である。
【図５】図５は、井戸層と障壁層とを交互に積層した構造における励起子解離を説明するための説明図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３における太陽電池の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４における太陽電池の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層１０１と、光吸収層１０１に接続する第１電極１０２および第２電極１０３とを備える。また、第１電極１０２および第２電極１０３の少なくとも１つは光吸収層１０１に接して形成されている。光吸収層１０１は、後述するように、ノンドープとすることができる。なお「ノンドープ」は、導電型を発現させる不純物を意図的に添加せずに形成した状態を意味している。また、光吸収層１０１は、低濃度にｎ型不純物が導入されていてもよい。
【００１９】
光吸収層１０１は、例えば、対象とする波長に合わせて組成が調整されたＩｎＧａＮやＩｎＧａＡｌＮから構成されていればよい。例えば、バンドギャップエネルギーが２ｅＶとされたＩｎＧａＡｌＮから光吸収層１０１を構成すればよい。また、第１電極１０２は、例えば、ニッケルや金などの金属から構成されていればよい。また、第２電極１０３は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成されていればよい。なお、少なくとも、第１電極１０２および第２電極１０３の一方が、太陽光が透過する状態とされていればよい。
【００２０】
例えば、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）基板の表面を窒化して窒化層を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、ＧａＮのバッファ層をエピタキシャル成長し、バッファ層の上に、ＩｎＧａＡｌＮをエピタキシャル成長させて光吸収層１０１を形成する。例えば、光吸収層１０１は、層厚２μｍ程度とすればよい。このようにして形成した光吸収層１０１は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により電界が発生している状態となる。
【００２１】
次いで、光吸収層１０１の主表面上に、第１電極１０２を形成する。この後、バッファ層およびサファイア基板を除去する。例えば、第１電極１０２の形成面を支持基板に貼り付けて支持した状態で、サファイア基板およびバッファ層を研削研磨して除去すればよい。このようにしてサファイア基板およびバッファ層を除去した後、露出させた光吸収層１０１の裏面に第２電極１０３を形成し、支持基板より離型すれば、実施の形態１における太陽電池が形成できる。実施の形態１では、単一の半導体層からなる光吸収層１０１の一方の面に第１電極１０２が接して形成され、光吸収層１０１の他方の面に第２電極１０３が接して形成された状態となる。
【００２２】
上述した実施の形態１における太陽電池では、光吸収層１０１に自然電界が発生しているので、図２のバンド図に示すように、第１電極１０２から第２電極１０３にかけて、光吸収層１０１におけるバンドが傾く。これにより、例えば、第１電極１０２の側より入射した太陽光が、光吸収層１０１で吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極１０２および第２電極１０３の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。
【００２３】
この結果、実施の形態１における太陽電池によれば、ｐｎ接合などによる太陽電池に比較して、格段に速い速度でキャリアを電極に引き出すことが可能となり、太陽電池における光電変換効率を格段に向上させることができる。また、実施の形態１における太陽電池によれば、上述したことにより、光吸収層１０１を、ノンドープとすることができる。ただし、光吸収層１０１は、低濃度にｎ型不純物が導入されている状態とすることで、より低抵抗な状態とすることができる。また、実施の形態１における太陽電池では、上述したようにドリフトによりキャリアを移動させているので、光吸収層を厚くしても、結晶欠陥などによるキャリアの消滅を抑制できるので、十分な光吸収を実現することができる。
【００２４】
ここで、上述した状態の光吸収層１０１と第１電極１０２との界面でのフェルミエネルギーより、第１電極１０２を構成する材料の仕事関数の方が大きい状態となっていれば、第１電極１０２は、光吸収層１０１より電子を受け取ることができる。また、上述した状態の光吸収層１０１と第２電極１０３との界面でのフェルミエネルギーより、第２電極１０３を構成する材料の仕事関数の方が小さい状態となっていれば、第２電極１０３から光吸収層１０１へ電子が流れ込むことができ、光吸収層１０１における正孔が第２電極１０３により外部に取り出されたようにすることができる。このような関係となる組み合わせとしては、第１電極１０２をニッケルから構成し、第２電極１０３をＩＴＯから構成すればよい。また、第１電極１０２を光が透過する程度に薄いニッケル層から構成し、第２電極１０３をアルミニウムから構成してもよい。
【００２５】
このように、実施の形態１によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が、高い効率で行えるようになる。
【００２６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、まず、サファイア基板３０１と、サファイア基板３０１の表面に形成された窒化層３０２と、窒化層３０２の上に形成されたバッファ層３０３と、バッファ層３０３の上に形成された電極層３０４とを備える。例えば、電極層３０４は、シリコンをドープすることでｎ型とされＧａＮから構成され、層厚１０００ｎｍ程度とされている。
【００２７】
また、この太陽電池は、電極層３０４の上に形成された、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを備える。ここで、実施の形態２における第１光吸収層３０５ａは、第１半導体層３５１と第２半導体層３５２とが交互に複数積層して構成されている。また、第２光吸収層３０５ｂは、第１半導体層３５１と第３半導体層３５３とが交互に複数積層して構成されている。また、第３光吸収層３０５ｃは、第１半導体層３５１と第４半導体層３５４とが交互に複数積層して構成されている。第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４は、各々が、第１半導体層３５１と交互に３組ほど積層されていればよい。
【００２８】
まず、第１半導体層３５１は、主表面をＣ面としたノンドープの第１窒化物半導体から構成されている。一方、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４は、第１窒化物半導体とは格子定数が異なり主表面をＣ面としたノンドープの第２窒化物半導体から構成されている。実施の形態２では、第１半導体層３５１と、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４とにより超格子構造が構成される。
【００２９】
また、実施の形態２では、主に、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４において、光が吸収されて電子および正孔を発生させる。なお、各光吸収層を構成する各半導体層は、低濃度にｎ型不純物が導入されている状態としてもよい。この構成とすることで、より低抵抗な状態とすることができる。
【００３０】
例えば、第１半導体層３５１は、ＧａＮから構成され、層厚３ｎｍ程度とされている。また、第２半導体層３５２は、例えば、バンドギャップエネルギーが０．６５ｅＶのＩｎＮから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第３半導体層３５３は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶのＩｎ0.83Ｇａ0.17Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第４半導体層３５４は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶのＩｎ0.55Ｇａ0.45Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。
【００３１】
また、第３光吸収層３０５ｃ（第１半導体層３５１）の上に接して第１電極３０６が形成され、第１光吸収層３０５ａの側方の電極層３０４の上に第２電極３０７が形成されている。例えば、第１電極３０６は、例えば太陽光が透過する程度に薄いニッケル層から構成されていればよい。
【００３２】
例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板３０１の表面を窒化して窒化層３０２を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、バッファ層３０３をエピタキシャル成長し、バッファ層３０３の上に、上述した各層をエピタキシャル成長させればよい。このようにして形成した、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成する各層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により自然電界が発生している状態となる。
【００３３】
この結果、実施の形態２においても、第１電極３０６の側より入射した太陽光が、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４において吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極３０６および電極層３０４（第２電極３０７）の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。
【００３４】
また、実施の形態２では、超格子構造としているので、第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４における吸収効率が格段に向上している。例えば、第１光吸収層３０５ａにおいて、層厚１０ｎｍの２半導体層３５２の層数は、３程度であれば十分が光吸収が得られる。これは、第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃにおいても同様である。
【００３５】
また、実施の形態２によれば、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる第２半導体層３５２，第３半導体層３５３，第４半導体層３５４から、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成してこれらを積層してタンデムとしている。この結果、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。
【００３６】
ところで、例えば、第１光吸収層３０５ａを構成する第２半導体層３５２は、第１半導体層３５１より格子定数が大きい。このため、２つの第１半導体層３５１に挟まれている第２半導体層３５２は、圧縮歪みを受けることになり、前述した分極とは対向する方向にピエゾ分極が発生する。しかしながら、ピエゾ分極の合計が上述した分極の合計より小さければ、第１光吸収層３０５ａの全体では、実施の形態１と同様に自然電界が発生した状態となり、上述したドリフトにより電子および正孔が移動するようになる。このことは、第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃにおいても同様である。
【００３７】
また、実施の形態２では、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを構成している超格子構造において、分極が発生しているため、次に説明することにより、励起子の問題が抑制できるようになる。
【００３８】
まず、図４に示すように、分極のない状態で井戸層４０１と障壁層４０２とが交互に複数積層された構造では、井戸層４０１に光励起された電子４１１および正孔４１２は、励起子４１３を形成し、発光再結合して消滅する。このため、光電流として取り出すことができない。また、励起子４１３は、実質的に電荷を持たないため、電子４１１と正孔４１２とに分離しなければ、発電に寄与しない。
【００３９】
一方、図５に示すように、分極のある状態で井戸層５０１と障壁層５０２とが交互に複数積層された構造では、井戸層５０１に光励起された電子５１１および正孔５１２は、井戸層５０１中の電界により解離している。このため、電子５１１および正孔５１２は、互いに逆方向に移動するため、距離が離れ（波動関数の重なりが低減し）、発光再結合することなく、光電流として取り出すことができる。
【００４０】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態３における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３が積層されたタンデム型とされている。各光吸収層は、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成されている。また、各光吸収層は、各々バンドギャップが異なる状態とされている。また、第３光吸収層６０３には、第１電極６１１が接続し、第１光吸収層６０１には、第２電極６１２が接続している。
【００４１】
実施の形態３においても、前述した実施の形態１と同様に、各光吸収層は、ノンドープとすることができる。なお、各光吸収層は、低濃度にｎ型不純物を導入しておくことで、より低抵抗することができる。
【００４２】
第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３は、例えば、対象とする波長に合わせて組成が調整されたＩｎＧａＮやＩｎＧａＡｌＮから構成されていればよい。例えば、バンドギャップエネルギーが０．６５ｅＶのＩｎＮからなる単一の半導体層で第１光吸収層６０１を構成し、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶとされたＩｎ0.83Ｇａ0.17Ｎからなる単一の半導体層で第２光吸収層６０２を構成し、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶとされたＩｎ0.55Ｇａ0.45Ｎからなる単一の半導体層で第３光吸収層６０３を構成すればよい。これらの構成であれば、各光吸収層の間でほぼ同じ格子定数とすることができる。
【００４３】
また、第１電極６１１は、例えば、ニッケルや金などの金属から構成されていればよい。これら金属から第１電極６１１を構成することで、第３光吸収層６０３と第１電極６１１との界面でのフェルミエネルギーより、第３光吸収層６０３を構成する材料の仕事関数の方が大きい状態となる。また、第２電極６１２は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成されていればよい。この構成とすることで、第１光吸収層６０１と第２電極６１２との界面でのフェルミエネルギーより、第２電極６１２を構成する材料の仕事関数の方が小さい状態となる。なお、少なくとも、第１電極６１１および第２電極６１２の一方が、太陽光が透過する状態とされていればよい。上述した構成では、第２電極６１２の方を太陽光が透過する。また、第１電極６１１を光が透過する程度に薄いニッケル層から構成し、第２電極６１２をアルミニウムから構成してもよい。
【００４４】
例えば、主表面をＣ面としたサファイア（コランダム）基板の表面を窒化して窒化層を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、ＧａＮのバッファ層をエピタキシャル成長し、バッファ層の上に、対応する組成のＩｎＧａＡｌＮをエピタキシャル成長させて、順次に第１光吸収層６０１，第２光吸収層６０２，第３光吸収層６０３を形成する。各光吸収層は、例えば、層厚２μｍ程度とすればよい。このようにして形成した各光吸収層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により電界が発生している状態となる。
【００４５】
次いで、第３光吸収層６０３の主表面上に、第１電極６１１を形成する。この後、バッファ層およびサファイア基板を除去する。例えば、第１電極６１１の形成面を支持基板に貼り付けて支持した状態で、サファイア基板およびバッファ層を研削研磨して除去すればよい。このようにしてサファイア基板およびバッファ層を除去した後、露出させた第１光吸収層６０１の裏面に第２電極６１２を形成し、支持基板より離型すれば、実施の形態３における太陽電池が形成できる。
【００４６】
実施の形態３では、第２光吸収層６０２の一方の面に第１光吸収層６０１が接し、第２光吸収層６０２の他方の面に第３光吸収層６０３が接して形成されている。また、第３光吸収層６０３に第１電極６１１が接して形成され、第１光吸収層６０１に第２電極６１２が接して形成された状態となる。
【００４７】
上述した実施の形態３における太陽電池では、各光吸収層に自然電界が発生しているので、第１電極６１１の側から第２電極６１２の側にかけて、各光吸収層におけるバンドが傾く。これにより、各光吸収層で太陽光が吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極６１１および第２電極６１２の方向に移動していくことになる。また、この移動は、ドリフトによるものであり、よく知られているように、ドリフト移動速度は、拡散による移動に比較して格段に速い。
【００４８】
この結果、実施の形態３における太陽電池においても、ｐｎ接合などによる太陽電池に比較して、格段に速い速度でキャリアを電極に引き出すことが可能となり、太陽電池における光電変換効率を格段に向上させることができる。また、実施の形態３における太陽電池では、上述したようにドリフトによりキャリアを移動させているので、光吸収層を厚くしても、結晶欠陥などによるキャリアの消滅が抑制できるので、十分な光吸収を実現することができる。
【００４９】
加えて、実施の形態３では、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる光吸収層を積層してタンデムとしているので、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになる。このように、実施の形態３によれば、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。
【００５０】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図７を用いて説明する。図７は、実施の形態４における太陽電池の構成を示す断面図である。この太陽電池は、まず、サファイア基板７０１と、サファイア基板７０１の表面に形成された窒化層７０２と、窒化層７０２の上に形成されたバッファ層７０３と、バッファ層７０３の上に形成された電極層７０４とを備える。例えば、電極層７０４は、シリコンをドープすることでｎ型とされＧａＮから構成され、層厚１０００ｎｍ程度とされている。
【００５１】
また、この太陽電池は、電極層７０４の上に形成された、第１光吸収層７０５ａおよび第２光吸収層７０５ｂを備える。ここで、実施の形態４における第１光吸収層７０５ａは、第１半導体層７５１と第２半導体層７５２とが交互に複数積層して構成されている。また、第２光吸収層７０５ｂは、第３半導体層７５３と第４半導体層７５４とが交互に複数積層して構成されている。第２半導体層７５２は、第１半導体層７５１と交互に５組ほど積層されている。また、第４半導体層７５３は、第３半導体層７５３と交互に３組ほど積層されていればよい。
【００５２】
まず、第１半導体層７５１は、主表面をＣ面としたノンドープの第１窒化物半導体から構成されている。次に、第２半導体層７５２は、第１窒化物半導体より格子定数が小さく主表面をＣ面としたノンドープの第２窒化物半導体から構成されている。従って、第１光吸収層７０５ａを構成している第２半導体層７５２は、引っ張り歪みを受ける状態となる。
【００５３】
また、第３半導体層７５３は、主表面をＣ面としたノンドープの第３窒化物半導体から構成されている。次に、第４半導体層７５４は、第３窒化物半導体より格子定数が小さく主表面をＣ面としたノンドープの第４窒化物半導体から構成されている。従って、第２光吸収層７０５ｂにおいても、第４半導体層７５４は、引っ張り歪みを受ける状態となる。
【００５４】
また、実施の形態４では、第１窒化物半導体より第３窒化物半導体の方が格子定数が小さい構成とされている。なお、各光吸収層を構成する各半導体層は、低濃度にｎ型不純物を導入した状態としてもよい。この構成とすることで、より低抵抗することができる。
【００５５】
例えば、第１半導体層７５１は、バンドギャップエネルギーが１．４５ｅＶのＩｎ0.85Ａｌ0.15Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第２半導体層７５２は、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶのＩｎ0.83Ｇａ0.17Ｎから構成され、層厚５ｎｍ程度とされている。また、第３半導体層７５３は、バンドギャップエネルギーが２．３ｅＶのＩｎ0.7Ａｌ0.3Ｎから構成され、層厚１０ｎｍ程度とされている。また、第４半導体層７５４は、例えば、バンドギャップエネルギーが１．９ｅＶのＩｎ0.55Ｇａ0.45Ｎから構成され、層厚５ｎｍ程度とされている。
【００５６】
ここで、バンドギャップエネルギー１．１ｅＶは、波長１．１μｍに対応し、バンドギャップエネルギー１．９ｅＶは、波長６５０ｎｍに対応する。従って、上述した構成とすることで、太陽光より放射される光を入射することで、少なくとも第２半導体層７５２および第４半導体層７５４の各層において、対応する波長の光が吸収され電子および正孔が発生するものとなる。
【００５７】
また、第２光吸収層７０５ｂ（第３半導体層７５３）の上に接して第１電極７０６が形成され、第１光吸収層７０５ａの側方の電極層７０４の上に第２電極７０７が形成されている。例えば、第１電極７０６は、例えば太陽光が透過する程度に薄いニッケル層から構成されていればよい。
【００５８】
例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板７０１の表面を窒化して窒化層７０２を形成し、この上に、よく知られた有機金属気相成長法などにより、バッファ層７０３をエピタキシャル成長し、バッファ層７０３の上に、上述した各層をエピタキシャル成長させればよい。このようにして形成した、第１光吸収層７０５ａ，第２光吸収層７０５ｂを構成する各層は、＋Ｃ軸方向への成長となり、主表面がＣ面となり、分極効果により自然電界が発生している状態となる。
【００５９】
加えて、前述したように、第２半導体層７５２は、引っ張り歪みを受け、第４半導体層７５４は、引っ張り歪みを受け、第１窒化物半導体（第１半導体層７５１）より第３窒化物半導体（第３半導体層７５３）の方が格子定数が小さい。このため、第１光吸収層７０５ａおよび第２光吸収層７０５ｂにおいては、各層間に発生するピエゾ分極が、上述した分極と同じ方向に発生する状態となっている。
【００６０】
この結果、実施の形態４においては、第１電極７０６の側より入射した太陽光が、第１半導体層７４１，第２半導体層７５２，第３半導体層７５３，第４半導体層７５４において吸収されたことにより発生した電子および正孔は、第１電極７０６および電極層７０４（第２電極７０７）の方向に，ドリフトにより移動していくことになる。また、このドリフトは、上述した同じ方向の２つの分極効果で発生する電界によるものであり、より大きな効果が得られるようになる。
【００６１】
また、実施の形態４では、第１半導体層７５１を障壁層とし、第２半導体層７５２を井戸層とし、また、第３半導体層７５３を障壁層とし、第４半導体層７５４を井戸層とする超格子構造としている。このため、前述した実施の形態２と同様に、各層における吸収効率が格段に向上している。
【００６２】
また、実施の形態４によれば、前述したように、各々バンドギャップエネルギーが異なり、吸収波長帯が異なる第１半導体層７５１，第２半導体層７５２，第３半導体層７５３，第４半導体層７５４において光吸収がなされるので、太陽光に含まれるより広い波長の光を変換できるようになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。
【００６３】
また、実施の形態４においても、前述した実施の形態２と同様に、超格子構造において、分極が発生しているため、励起子の問題が抑制でき、光吸収によって発生した電子および正孔が発光再結合することなく、光電流として取り出すことができる。
【００６４】
以上に説明したように、本発明によれば、主表面をＣ面として形成された窒化物半導体から構成された光吸収層を用いるようにしたので、光吸収層で太陽光が吸収されたことにより発生した電子および正孔は、各電極の方向にドリフトにより移動していくことになり、窒化物半導体を用いた太陽電池で、太陽光エネルギーから電気エネルギーへの変換が高い効率で行えるようになる。また、本発明によれば、不純物を導入せずに上述した構成とすることができる。
【００６５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、実施の形態２では、第１光吸収層３０５ａ，第２光吸収層３０５ｂ，第３光吸収層３０５ｃを積層してタンデムとしたが、これに限るものではない。例えば、第１窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１窒化物半導体とは異なる格子定数で主表面をＣ面とした第２窒化物半導体なる第２半導体層とが、交互に複数積層して構成された１組の光吸収層から構成してもよい。この点は、実施例４においても同様である。
【符号の説明】
【００６６】
１０１…光吸収層、１０２…第１電極、１０３…第２電極。
【図１】
2015015271.tif 000003
【図２】
2015015271.tif 000004
【図３】
2015015271.tif 000005
【図４】
2015015271.tif 000006
【図５】
2015015271.tif 000007
【図６】
2015015271.tif 000008
【図７】
2015015271.tif 000009