(57)【要約】【課題】シリコン基板を用いて、エネルギー変換効率の高い太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池１０は、シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層１１と、第１光吸収層１１と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層１３と、第１光吸収層１１及び第２光吸収層１３と格子整合し、第１光吸収層１１と第２光吸収層１３との間に配置されるバッファ層１２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層と、
前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層と格子整合し、前記第１光吸収層と前記第２光吸収層との間に配置されるバッファ層と、
を備える太陽電池。
【請求項２】
前記第２光吸収層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成され、原子数比ｘ及びｙは、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たす請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
原子数比ｙは、０．０５〜０．２の範囲にある請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記第２光吸収層は、一部のＧａ原子がＡｌ原子に置換される請求項２又は３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記第１光吸収層は、第１の極性を有する層と、第２の極性を有する層とが積層して形成され、
前記第２光吸収層は、第１の極性を有する層と、第２の極性を有する層とが積層して形成され、
前記バッファ層は、第１の極性を有する第１バッファ層と、第２の極性を有する第２バッファ層とが積層されて形成され、
前記第１バッファ層は、前記第１光吸収層の第１の極性を有する層と隣接し、前記第２バッファ層は、前記第２光吸収層の第２の極性を有する層と隣接する請求項１〜４の何れか一項に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記第２光吸収層の禁制帯幅は、前記第１光吸収層の禁制帯幅よりも広い請求項１〜５の何れか一項に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１光吸収層と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第３光吸収層が、前記第２光吸収層上に積層され、
前記第３光吸収層の禁制帯幅は、前記第２光吸収層の禁制帯幅よりも広い請求項６に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記第１光吸収層は、シリコンの結晶の所定の面方位に対して、傾いた角度で切断された面を有し、前記バッファ層は、この面の上に積層される請求項１〜７の何れか一項に記載の太陽電池。
【請求項９】
シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層上に、前記第１光吸収層と格子整合するバッファ層を形成し、
前記バッファ層上に、前記第１光吸収層と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層を形成する太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池及び太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光を利用して発電する太陽電池が用いられている。特に、光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率の高い太陽電池が求められている。
【０００３】
シングル接合型の太陽電池は、光を吸収して電子・ホールペアを生成するｐ層とｎ層とを接合して形成される光吸収層を１つ有する。シングル接合型の太陽電池は、禁制帯幅よりも小さいエネルギーを有する光子を吸収することができないので、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率は３０％程度が限界であると考えられる。太陽電池の単位面積当たりの発電量の上限は、このエネルギー変換効率によって主に決定される。そこで、大きな発電量を得るためには、太陽電池の面積を増加することによって対応している。
【０００４】
そこで、単位面積当たりの発電量を増加する手法として、例えば、禁制帯幅の異なる複数の光吸収層が、光入射側より禁制帯幅が小さくなる順にヘテロ結合により積層された多接合（タンデム）太陽電池が提案されている。このタンデム型太陽電池として、具体的には、化合物半導体を用いて、ＩｎＧａＰ（１．８６ｅＶ）／ＩｎＧａＡｓ（１．４０ｅＶ）／Ｇｅ（０．５６ｅＶ）という禁制帯幅が異なる３つの光吸収層を備える太陽電池が提案されている。
【０００５】
このようなタンデム型太陽電池は、シングル接合型の太陽電池に対して、太陽光スペクトルが有効活用されるので、エネルギー変換効率が高められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２２２６２０号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３８７８５号公報
【特許文献３】特開２０１３−００４８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、この化合物半導体を用いた太陽電池は、価格の高いゲルマニウム基板等の化合物半導体基板を用いるので、シリコン基板を用いる場合と比べて製造コストが高くなる。
【０００８】
そこで、本明細書では、シリコン基板を用いて、エネルギー変換効率の高い太陽電池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】
本明細書に開示する太陽電池の一形態によれば、シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層と、上記第１光吸収層と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層と、上記第１光吸収層及び上記第２光吸収層と格子整合し、上記第１光吸収層と上記第２光吸収層との間に配置されるバッファ層と、を備える。
【００１０】
また、本明細書に開示する太陽電池の製造方法の一形態によれば、シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層上に、上記第１光吸収層と格子整合するバッファ層を形成し、上記バッファ層上に、上記第１光吸収層と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本明細書に開示する太陽電池の一形態によれば、シリコン基板を用いて、エネルギー変換効率の高い太陽電池が得られる。
【００１２】
また、上述した本明細書に開示する太陽電池の製造方法の一形態によれば、シリコン基板を用いて、エネルギー変換効率の高い太陽電池が得られる。
【００１３】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１４】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】化合物半導体及びシリコンの禁制帯幅と格子定数を示す図である。
【図２】本明細書に開示する太陽電池の第１実施形態を示す図である。
【図３】第１実施形態の太陽電池のバンド構造を示す図である。
【図４】本明細書に開示する太陽電池の第２実施形態を示す図である。
【図５】第２実施形態の太陽電池のバンド構造を示す図である。
【図６】本明細書に開示する太陽電池の第３実施形態を示す図である。
【図７】本明細書に開示する太陽電池の製造方法の第１実施形態の工程を説明する図（その１）である。
【図８】本明細書に開示する太陽電池の製造方法の第１実施形態の工程を説明する図（その２）である。
【図９】本明細書に開示する太陽電池の製造方法の第２実施形態の工程を説明する図（その１）である。
【図１０】本明細書に開示する太陽電池の製造方法の第２実施形態の工程を説明する図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本願発明者は、シリコン基板を用いて、光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率の高い太陽電池を提供するに当たって、以下のように検討を行った。
【００１７】
まず、エネルギーを電気エネルギーに変換する光吸収層として、シリコンにより形成される第１の光吸収層と共に、シリコンとは異なる禁制帯幅を有する化合物半導体により形成される一又は複数の第２の光吸収層を用いることとした。
【００１８】
高いエネルギー変換効率を得るためには、第１の光吸収層及び第２の光吸収層が結晶性の材料を用いて形成されることが好ましい。第１の光吸収層は、例えば、単結晶のシリコン基板を用いて形成される。第２の光吸収層は、第１の光吸収層に対して構成整合することが求められる。格子整合していない第２の光吸収層を第１の光吸収層上に積層すると、格子間隔の違いにより層内に歪みが生じて欠陥が生成されて、エネルギー変換効率を低減するおそれがある。
【００１９】
図１は、化合物半導体及びシリコンの禁制帯幅と格子定数を示す図である。
【００２０】
図１に示すように、シリコン（Ｓｉ）と格子定数が近いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として、例えば、ＧａＰ又はＡｌＰが挙げられる。
【００２１】
ＧａＰ又はＡｌＰを用いて、第２の光吸収層を形成することにより、シリコンの結晶により形成される第１の光吸収層に対して格子定数を近づけることができる。
【００２２】
ここで、ＧａＰ又はＡｌＰの間接遷移における禁制帯幅（波数空間のＸ点において２．２６ｅＶ又は２．４８ｅＶ）は、シリコンの禁制帯幅（波数空間のＸ点において１．１１ｅＶ）よりも大きいが、太陽光スペクトルを吸収する観点からは、第２の光吸収層の禁制帯幅は、１．５〜２．０ｅＶ程度であることが好ましい。
【００２３】
そこで、ＧａＰ又はＡｌＰを用いて形成される第２の光吸収層の禁制帯幅を低減するために、第２の光吸収層の禁制帯幅を低減する他の材料を加えることが好ましい。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として、例えば、ＧａＮを用いることができる。
【００２４】
ここで、参考文献１によれば、ＧａＰに対して、Ｎ原子の原子数比ｙが０．０５〜０．２の範囲になるようにＧａＮを添加することにより、禁制帯幅が１．５〜２．０ｅＶであるＧａＰＮを得ることができる。
【００２５】
ただし、ＧａＮの格子定数（格子定数：４．５２Ａ）はシリコンよりも小さいので、ＧａＰにＮが添加された第２の光吸収層の格子定数を大きくするために、ＧａＰよりも格子定数の大きな材料を第２の光吸収層に添加することが好ましい。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として、例えば、ＩｎＰ（格子定数：５．８７Ａ）を用いることができる。
【００２６】
参考文献１：Ｌ．Ｂｅｌｌａｉｃｈｅ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｂａｎｄ  ｇａｐｓ  ｏｆ  ＧａＰＮ  ａｎｄ  ＧａＡｓＮ  ａｌｌｏｙｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ７０（２６），３０  Ｊｕｎｅ  １９９７，ｐａｇｅ  ３５５８−３５６０
【００２７】
ここで、参考文献２によれば、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙを、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たすように原子数比ｘ及びｙを決定することにより、シリコンの結晶と格子整合させることができる。
【００２８】
本明細書では、第２の光吸収層が第１の光吸収層に対して格子整合するとは、第２の光吸収層の格子定数と第１の光吸収層の格子定数との差を、第１の光吸収層の格子定数で除した値の百分率が０．３％以下であることをいう。
【００２９】
参考文献２：米津宏雄、他３名、文部科学省２１世紀ＣＯＥプログラム  インテリジェントヒューマンセンシング成果報告書  平成１４年度−平成１８年度、２−１「スマートマイクロチップ分野」光電子融合チップの基板技術  ２０〜２３頁、[平成２５年９月３日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://gcoe.tut.ac.jp/21coe/coe.pdf＞
【００３０】
上記関係式によれば、Ｎ原子の原子数比ｙが０．０５〜０．２の範囲において、Ｉｎ原子の原子数比ｘは、０．０７〜０．４３の範囲に変化する。
【００３１】
ＩｎＰの波数空間のＸ点の禁制帯幅は２．２１ｅＶであり、ＧａＰの波数空間のＸ点の禁制帯幅は２．２６ｅＶであるので、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙ混晶は、ｘの値によらず禁制帯幅はほとんど一定である。従って、Ｉｎ原子がこの範囲で添加されていても、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙの禁制帯幅は、１．５〜２．０ｅＶの範囲に調整することができる。
【００３２】
このようにして、第２の光吸収層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成され得る。例えば、参考文献１によれば、禁制帯幅が約１．８ｅＶであるＧａＰＮにおけるＮ原子の原子数比ｙは、０．１０となる。Ｉｎ原子の原子数比ｘは、上記関係式を用いて、０．１９が得られる。このようにして、禁制帯幅が約１．８ｅＶであるＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙの組成比が決定される。
【００３３】
また、ＧａＰの代わりに、シリコンと格子定数が近いＡｌＰを用いて、第２の光吸収層を形成しても良い。上述したのと同様に、ＡｌＰに対して、ＧａＮ及びＩｎＰを添加して、第２の光吸収層を、ＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙにより形成することにより、シリコンの結晶と格子整合する第２の光吸収層を得ることができる。
【００３４】
また、第１の光吸収層と第２の光吸収層との間には、第１の光吸収層及び第２の光吸収層と格子整合する中間的な性質を持つバッファ層を配置して、第１の光吸収層及び第２の光吸収層における歪みの発生を抑制および結晶性を向上させることが出来る。
【００３５】
上述した考えに基づいて、本願発明者は、ＧａＰ又はＡｌＰと共に、ＩｎＰ及びＧａＮを用いて形成された第２の光吸収層と、シリコンにより形成される第１の光吸収層を備えるタンデム型の太陽電池を提案する。
【００３６】
次に、本明細書で開示する太陽電池の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３７】
図２は、本明細書に開示する太陽電池の第１実施形態を示す図である。図３は、第１実施形態の太陽電池のバンド構造を示す図である。なお、図３は、説明を分かりやすくするために、ドーパントが添加される前のようなバンド構造が曲がっていない状態を示している。実際には、ドーパントが添加された状態のバンド構造では、キャリアの移動等により、エネルギー準位が湾曲した構造を有する。
【００３８】
本実施形態の太陽電池１０は、シリコンの結晶により形成され、光を吸収して発電する第１光吸収層１１と、第１光吸収層１１と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第２光吸収層１３を備える。第１光吸収層１１と第２光吸収層１３との間には、第１光吸収層１１及び第２光吸収層１３と格子整合するバッファ層１２が配置される。
【００３９】
第１光吸収層１１の下には第１電極１４が配置されて、第２光吸収層１３の上には第２電極１５が配置される。第１電極１４は、例えば、Ａｌを用いて形成される。第２電極１５は、例えば、ＡｕとＡｕＧｅＮｉ合金を積層して形成される。
【００４０】
第１光吸収層１１は、ｐ型の極性を有し、単結晶のシリコン基板により形成されるｐ型シリコン層１１ａと、ｎ型の極性を有し、シリコンの結晶により形成されるｎ型シリコン層１１ｂとが積層して形成される。ｐ型シリコン層１１ａとｎ型シリコン層１１ｂとの接合部にはｐｎ接合が形成される。
【００４１】
第２光吸収層１３は、ｐ型の極性を有し、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成されるｐ型化合物半導体層１３ａと、ｎ型の極性を有し、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成されるｎ型化合物半導体層１３ｂとが積層して形成される。ｐ型化合物半導体層１３ａとｎ型化合物半導体層１３ｂとの接合部にはｐｎ接合が形成される。
【００４２】
図３に示すように、太陽電池１０では、第２光吸収層１３の禁制帯幅を、第１光吸収層１１の禁制帯幅よりも広くしており、広い範囲の太陽光スペクトルを利用できるようになっている。具体的には、第２光吸収層１３の禁制帯幅は、Ｎ原子の原子数比ｙを変化させることにより調整される。
【００４３】
そして、Ｎ原子の原子数比ｙに対して、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たすようにＩｎ原子の原子数比ｘを決定することにより、第１光吸収層１１と格子整合するように第２光吸収層１３の組成を決められる。
【００４４】
図３に示すバンド構造の例では、Ｉｎ原子の原子数比ｘを０．１９とし、Ｎ原子の原子数比ｙを０．１０とした。第１光吸収層１１の禁制帯幅は１．１ｅＶであり、第２光吸収層１３の禁制帯幅は１．８ｅＶである。
【００４５】
バッファ層１２は、ｎ型の極性を有するｎ型バッファ層１２ａと、ｐ型の極性を有するｐ型バッファ層１２ｂとが積層して形成される。ｎ型バッファ層１２ａは、第１光吸収層１１のｎ型シリコン層１１ｂと隣接し、ｐ型バッファ層１２ｂは、第２光吸収層１３のｐ型化合物半導体層１３ａと隣接するように配置される。
【００４６】
バッファ層１２は、第１光吸収層１１及び第２光吸収層１３と格子整合することにより、両光吸収層１１，１３内での歪みの蓄積による結晶欠陥の発生が防止される。従って、結晶欠陥を起因とする再結合中心の生成が抑制されているので、光励起によって生成した電子又はホールが再結合する確率が低減されるため、エネルギー変換効率が向上する。
【００４７】
シリコンの結晶により形成される第１光吸収層１１と、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成される第２光吸収層１３とに格子整合するバッファ層１２の材料としては、ＧａＰを用いることができる。
【００４８】
図３に示すように、第１光吸収層１１において、光子を吸収して生成された電子ｅが、バッファ層１２を通って、第１光吸収層１１から第２光吸収層１３へ移動した後、第２電極１５から取り出される。また、第２光吸収層１３において、光子を吸収して生成されたホールｈが、バッファ層１２を通って、第２光吸収層１３から第１光吸収層１１へ移動した後、第１電極１４から取り出される。
【００４９】
従って、バッファ層１２は、電子ｅ又はホールｈの移動を阻害しないことが好ましい。そこで、上述したようにｎ型バッファ層１２ａがｎ型シリコン層１１ｂと隣接し、ｐ型バッファ層１２ｂがｐ型化合物半導体層１３ａと隣接するように配置されて、トンネル電流及びバンドを移動する電流が大きくなるようになされている。
【００５０】
また、バッファ層１２の厚さが薄いことが、トンネル電流を大きくする観点から好ましい。
【００５１】
そこで、第１光吸収層１１が、シリコンの結晶の所定の面方位に対して、傾いた角度で切断されたオフセット面を有するようにし、バッファ層１２を、このオフセット面の上に積層することにより、バッファ層１２の厚さを低減している。
【００５２】
シリコン基板であるｐ型シリコン層１１ａの表面が、例えば、００１面を有する時、ｐ型シリコン層１１ａ上にエピタキシャル成長したｎ型シリコン層１１ｂは、同様に００１面を有する。このｎ型シリコン層１１ｂ上にバッファ層１２を形成する場合、アンチフェイズドメインを消滅させる観点から、バッファ層１２の厚さは少なくとも１００ｎｍにすることが好ましい。
【００５３】
一方、シリコン基板であるｐ型シリコン層１１ａの表面が、００１面に対して、４°傾いた角度で切断されたオフセット面を有する時、このオフセット面上にエピタキシャル成長したｎ型シリコン層１１ｂは、同様にオフセット面を有する。このオフセット面を有するｎ型シリコン層１１ｂ上にバッファ層１２を形成する場合、バッファ層１２の厚さ少なくとも４０ｎｍにすれば、アンチフェイズドメインが消滅させることができる。
【００５４】
太陽電池１０では、第１光吸収層１１のオフセット面上にバッファ層１２を積層することにより、バッファ層１２の厚さを低減している。
【００５５】
また、バッファ層１２の伝導帯の下端のエネルギーレベルと、第１光吸収層１１又は第２光吸収層１３の伝導帯の下端のエネルギーレベルとの間の差が少ないことが、電子ｅの移動を促進する観点から好ましい。同様に、バッファ層１２の価電子帯の上端のエネルギーレベルと、第２光吸収層１３又は第１光吸収層１１の価電子帯の上端のエネルギーレベルとの間の差が少ないことが、ホールｈの移動を促進する観点から好ましい。
【００５６】
図３に示すバンド構造の例では、バッファ層１２の伝導帯の下端のエネルギーレベルは、第１光吸収層１１とほぼ同じである。また、バッファ層１２の価電子帯の上端のエネルギーレベルは、第２光吸収層１３との間に約０．１ｅＶの差がある。
【００５７】
次に、太陽電池１０の動作を以下に説明する。
【００５８】
まず、太陽光等の光を、第２光吸収層１３側から太陽電池１０に入射して、１．８ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が、第２光吸収層１３で吸収されて電子ｅ・ホールｈペアが形成される。電子ｅは、第２電極１５に移動し、ホールｈは、バッファ層１２及び第１光吸収層１１を通って第１電極１４に移動する。１．８ｅＶ未満のエネルギーを有する光子は、第２光吸収層１３では吸収されずに、第２光吸収層１３を透過する。
【００５９】
次に、第２光吸収層１３及びバッファ層１２を通った光は第１光吸収層１１に入射して、１．１ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が、第１光吸収層１１で吸収されて電子ｅ・ホールｈペアが形成される。第１光吸収層１１では、主に１．１ｅＶ以上１．８ｅＶ未満のエネルギーを有する光子が吸収される。電子ｅは、バッファ層１２及び第２光吸収層１３を通って第２電極１５に移動し、ホールｈは、第１電極１４に移動する。
【００６０】
このようにして、太陽電池１０では、異なる禁制帯幅を有する第１光吸収層１１及び第２光吸収層１３を用いて、それぞれで異なるエネルギーを有する光子を吸収して光エネルギーを電気エネルギーに変換する。従って、太陽電池１０は、入射光が有するスペクトル範囲の光子を無駄なく利用することができるので、シングル接合型に比べてエネルギー変換効率が向上する。
【００６１】
上述した本実施形態の太陽電池１０によれば、シリコン基板を用いて、エネルギー変換効率の高い太陽電池が得られる。従って、製造コストを抑えて、高いエネルギー変換効率を有する太陽電池が得られる。
【００６２】
次に、上述した太陽電池の他の実施形態を、図４〜図６を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００６３】
図４は、本明細書に開示する太陽電池の第２実施形態を示す図である。図５は、第２実施形態の太陽電池のバンド構造を示す図である。なお、図５は、説明を分かりやすくするために、ドーパントが添加される前のようなバンド構造が曲がっていない状態を示している。実際には、ドーパントが添加された状態のバンド構造では、キャリアの移動等により、エネルギー準位が湾曲した構造を有する。
【００６４】
本実施形態の太陽電池１０は、上述した第１実施形態とは、第２光吸収層１３の形成材料が異なっている。
【００６５】
第２光吸収層１３は、ｐ型の極性を有し、ＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙより形成されるｐ型化合物半導体層１３ａと、ｎ型の極性を有し、ＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙにより形成されるｎ型化合物半導体層１３ｂとが積層して形成される。ｐ型化合物半導体層１３ａとｎ型化合物半導体層１３ｂとの接合部にはｐｎ接合が形成される。
【００６６】
本実施形態では、Ｇａ原子の内の一部がＡｌ原子に置換されている。図１に示すように、ＡｌＰは、ＧａＰと共にシリコンと格子整合する。従って、Ｉｎｘの組成比ｘに対して、ＡｌとＧａとの和（Ａｌｚ，Ｇａ１−ｘ−ｚ）の組成比が１−ｘとなる範囲内で、Ｇａ原子の一部をＡｌ原子で置換しても第１光吸収層１１と格子整合することができる。
【００６７】
Ｇａ原子の一部をＡｌ原子で置換することにより、第２光吸収層１３の禁制帯幅は若干増加するが、Ｎ原子の原子数ｙを変化させることにより、所望の値に調整することができる。
【００６８】
図５に示すバンド構造の例では、Ｉｎ原子の原子数比ｘを０．１９とし、Ｎ原子の原子数比ｙを０．１０とした。また、Ｇａ原子の原子数比を０．５１とし、Ａｌ原子の原子数比を０．３０とした。
【００６９】
第１光吸収層１１の禁制帯幅は１．１ｅＶであり、第２光吸収層１３の禁制帯幅は１．８６ｅＶである。バッファ層１２の伝導帯の下端のエネルギーレベルは、第１光吸収層１１とほぼ同じである。また、バッファ層１２の価電子帯の上端のエネルギーレベルは、第２光吸収層１３とほぼ同じであるので、上述した第１実施形態よりも、ホールｈのトンネル電流値が向上している。
【００７０】
本実施形態の太陽電池１０の他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。
【００７１】
上述した本実施形態の太陽電池１０によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が奏される。
【００７２】
図６は、本明細書に開示する太陽電池の第３実施形態を示す図である。
【００７３】
本実施形態の太陽電池１０は、第１光吸収層１１及び第２光吸収層１３と格子整合し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、光を吸収して発電する第３光吸収層１６が、第２光吸収層１３上に積層される。第３光吸収層１６の禁制帯幅は、第２光吸収層１３の禁制帯幅よりも広い。
【００７４】
第３光吸収層１６は、ｐ型の極性を有し、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙより形成されるｐ型化合物半導体層１６ａと、ｎ型の極性を有し、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成されるｎ型化合物半導体層１６ｂとが積層して形成される。ｐ型化合物半導体層１６ａとｎ型化合物半導体層１６ｂとの接合部にはｐｎ接合が形成される。Ｎ原子の原子数比ｙを０．０５〜０．２の範囲にすることにより、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成される第２光吸収層１３の禁制帯幅を１．５〜２．０ｅＶの範囲にすることができる。また、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たすように、原子数比ｘ及びｙが決定される。
【００７５】
図６に示す例では、第２光吸収層１３の禁制帯幅は１．５ｅＶであり、Ｉｎ原子の原子数比ｘは０．４３であり、Ｎ原子の原子数比は０．２０である。また、第３光吸収層１６の禁制帯幅は２．０ｅＶであり、Ｉｎ原子の原子数比ｘは０．０７であり、Ｎ原子の原子数比は０．０５である。第１光吸収層１１の禁制帯幅は１．１ｅＶである。この太陽電池に対して、ＡＭ１．５Ｇの太陽光スペクトルに対する最大エネルギー変換効率を求めると、５２％となる。
【００７６】
次に、太陽電池１０の動作を以下に説明する。
【００７７】
まず、太陽光等の光を、第３光吸収層１６側から太陽電池１０に入射して、２．０ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が、第３光吸収層１６で吸収されて電子ｅ・ホールｈペアが形成される。第３光吸収層１６では、主に２．０ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が吸収される。生成された電子ｅ及びホールｈは、第１電極１４又は第２電極１５へ移動して取り出される。２．０ｅＶ未満のエネルギーを有する光子は、第３光吸収層１６では吸収されずに、第３光吸収層１６を透過する。
【００７８】
次に、第３光吸収層１６を通った光は第２光吸収層１３に入射して、１．５ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が、第２光吸収層１３で吸収されて電子ｅ・ホールｈペアが形成される。第２光吸収層１３では、主に１．５ｅＶ以上２．０ｅＶ未満のエネルギーを有する光子が吸収される。生成された電子ｅ及びホールｈは、第１電極１４又は第２電極１５へ移動して取り出される。
【００７９】
次に、第２光吸収層１３及びバッファ層１２を通った光は第１光吸収層に入射して、１．１ｅＶ以上のエネルギーを有する光子が、第１光吸収層１１で吸収されて電子ｅ・ホールｈペアが形成される。第１光吸収層１１では、主に１．１ｅＶ以上１．５ｅＶ未満のエネルギーを有する光子が吸収される。生成された電子ｅ及びホールｈは、第１電極１４又は第２電極１５へ移動して取り出される。
【００８０】
本実施形態の太陽電池１０の他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。
【００８１】
上述した本実施形態の太陽電池１０によれば、第３光吸収層１６を備えることにより、更に広い範囲の光子を吸収することができるので、エネルギー変換効率が一層向上する。
【００８２】
本実施形態の太陽電池１０の第２光吸収層１３又は第３光吸収層１６におけるＧａ原子の一部をＡｌ原子に置換しても良い。
【００８３】
次に、本明細書に開示する太陽電池の製造方法の好ましい実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【００８４】
まず、上述した図２に示す太陽電池の製造方法の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【００８５】
まず、図７（Ａ）に示すように、ｐ型の極性を有する単結晶のシリコン基板により形成されるｐ型シリコン層１１ａが用意される。
【００８６】
次に、図７（Ｂ）に示すように、ｐ型シリコン層１１ａ上に、ｎ型シリコン層１１ｂを、エピタキシャル成長して、第１光吸収層１１が形成される。ｎ型シリコン層１１ｂの厚さは、例えば１μｍとすることができる。
【００８７】
次に、図７（Ｃ）に示すように、ｎ型シリコン層１１ｂ上に、ｎ型バッファ層１２ａとｐ型バッファ層１２ｂとを順番にエピタキシャル成長して、第１光吸収層１１と格子整合するバッファ層１２が形成される。ｎ型バッファ層１２ａ及びｐ型バッファ層１２ｂは、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法又は分子線エピタキシー法等を用いて形成される。ｎ型バッファ層１２ａ及びｐ型バッファ層１２ｂの厚さは、例えば５０ｎｍとすることができる。ｎ型バッファ層１２ａの形成材料として、ｎ型の極性を有するドーパントが添加されたＧａＰを用いた。ｐ型バッファ層１２ｂの形成材料として、ｐ型の極性を有するドーパントが添加されたＧａＰを用いた。
【００８８】
次に、図８（Ａ）に示すように、ｐ型バッファ層１２ｂ上に、ｐ型化合物半導体層１３ａとｎ型化合物半導体層１３ｂとを順番にエピタキシャル成長して、第１光吸収層１１及びバッファ層１２と格子整合する第２光吸収層１３が形成される。ｐ型化合物半導体層１３ａ及びｎ型化合物半導体層１３ｂは、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法又は分子線エピタキシー法等を用いて形成され得る。ｐ型化合物半導体層１３ａ及びｎ型化合物半導体層１３ｂは、例えば５００ｎｍとすることができる。ｐ型化合物半導体層１３ａの形成材料として、ｐ型の極性を有するドーパントが添加されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙを用いた。ｎ型化合物半導体層１３ｂの形成材料として、ｎ型の極性を有するドーパントが添加されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙを用いた。Ｎ原子の原子数比ｙを０．０５〜０．２の範囲にすることにより、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ１−ｙＮｙにより形成される第２光吸収層１３の禁制帯幅を１．５〜２．０ｅＶの範囲にすることができる。また、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たすように原子数比ｘ及びｙが決定される。
【００８９】
次に、図８（Ｂ）に示すように、ｐ型シリコン層１１ａの下に第１電極１４が形成される。第１電極１４は、例えば、Ａｌ又は多結晶シリコンを用いて形成される。
【００９０】
そして、ｎ型化合物半導体層１３ｂ上に第２電極１５を形成して、図２に示す太陽電池が得られる。第２電極１５は、例えば、ＡｕとＡｕＧｅＮｉ合金を積層して形成される。
【００９１】
次に、上述した図４に示す太陽電池の製造方法の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【００９２】
まず、図９（Ａ）に示すように、ｐ型の極性を有する単結晶のシリコン基板により形成されるｐ型シリコン層１１ａが用意される。
【００９３】
次に、図９（Ｂ）に示すように、ｐ型シリコン層１１ａ上に、ｎ型シリコン層１１ｂを、エピタキシャル成長して、第１光吸収層１１が形成される。ｎ型シリコン層１１ｂの厚さは、例えば１μｍとすることができる。
【００９４】
次に、図９（Ｃ）に示すように、ｎ型シリコン層１１ｂ上に、ｎ型バッファ層１２ａとｐ型バッファ層１２ｂとを順番にエピタキシャル成長して、第１光吸収層１１と格子整合するバッファ層１２が形成される。ｎ型バッファ層１２ａ及びｐ型バッファ層１２ｂは、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法又は分子線エピタキシー法等を用いて形成される。ｎ型バッファ層１２ａ及びｐ型バッファ層１２ｂの厚さは、例えば５０ｎｍとすることができる。ｎ型バッファ層１２ａの形成材料として、ｎ型の極性を有するドーパントが添加されたＧａＰを用いた。ｐ型バッファ層１２ｂの形成材料として、ｐ型の極性を有するドーパントが添加されたＧａＰを用いた。
【００９５】
次に、図１０（Ａ）に示すように、ｐ型バッファ層１２ｂ上に、ｐ型化合物半導体層１３ａとｎ型化合物半導体層１３ｂとを順番にエピタキシャル成長して、第１光吸収層１１及びバッファ層１２と格子整合する第２光吸収層１３が形成される。ｐ型化合物半導体層１３ａ及びｎ型化合物半導体層１３ｂは、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法又は分子線エピタキシー法等を用いて形成され得る。ｐ型化合物半導体層１３ａ及びｎ型化合物半導体層１３ｂは、例えば５００ｎｍとすることができる。ｐ型化合物半導体層１３ａの形成材料として、ｐ型の極性を有するドーパントが添加されたＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙを用いた。ｎ型化合物半導体層１３ｂの形成材料として、ｎ型の極性を有するドーパントが添加されたＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙを用いた。Ｎ原子の原子数比ｙを０．０５〜０．２の範囲にすることにより、ＡｌｚＩｎｘＧａ１−ｘ−ｚＰ１−ｙＮｙにより形成される第２光吸収層１３の禁制帯幅を１．５〜２．０ｅＶの範囲にすることができる。また、ｙ＝０．４２ｘ＋０．０２の関係を満たすように原子数比ｘ及びｙが決定される。
【００９６】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、ｐ型シリコン層１１ａの下に第１電極１４が形成される。第１電極１４は、例えば、Ａｌ又は多結晶シリコンを用いて形成される。
【００９７】
そして、ｎ型化合物半導体層１３ｂ上に第２電極１５を形成して、図４に示す太陽電池が得られる。第２電極１５は、例えば、ＡｕとＡｕＧｅＮｉ合金を積層して形成される。
【００９８】
本発明では、上述した実施形態の太陽電池及び太陽電池の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【００９９】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１００】
１０    太陽電池
１１    第１光吸収層
１１ａ    ｐ型シリコン層
１１ｂ    ｎ型シリコン層
１２    バッファ層
１２ａ    ｎ型バッファ層
１２ｂ    ｐ型バッファ層
１３    第２光吸収層
１３ａ    ｐ型化合物半導体層
１３ｂ    ｎ型化合物半導体層
１４    第１電極
１５    第２電極
１６    第３光吸収層
１６ａ    ｐ型化合物半導体層
１６ｂ    ｎ型化合物半導体層
【図１】
2015088692.tif 000003
【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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