(57)【要約】  改善された多重量子井戸型太陽電池は、各量子井戸薄層のバンドギャップが、他のこのような層と比較して均一でないことを確実にすることによって達成できる。バンドギャップのグラデーションは、連続的に形成された量子井戸内で、少なくとも２つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族の元素の含有量を変化させることによって、および／または連続した量子井戸層の厚さを変化させることによって、利用可能な太陽スペクトルのより大きな範囲全体にわたり、吸収の増加を提供する。
2014531758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第１の接合層と、
（ｂ）第２の接合層と、
（ｃ）前記第１の接合層と前記第２の接合層との間の活性領域であって、バリア層の間に各々挟まれている複数の量子井戸層を含む、活性領域と、
を備える太陽電池であって、
連続した量子井戸層は、該層の厚さが異なることと、該層の構成元素のうちの少なくとも１つについて組成が異なることとのうちの少なくとも一方により、異なるバンドギャップ値を有する、太陽電池。
【請求項２】
前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する表面から遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層のバンドギャップが低減する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記構成元素が、少なくとも２つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素である、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記構成元素が、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよび窒素からなる群から選択される、請求項３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が増加する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層の厚さが低減する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項７】
個々の量子井戸層の組成が、それらの範囲全体を通じて実質的に一定である、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項８】
個々の量子井戸層の組成が、１つの隣接するバリア層に接触している領域から、次の隣接するバリア層に接触している領域まで、前記量子井戸層を通じて進むにつれて連続的に変化する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項９】
変化するのは、インジウム、アルミニウムおよびガリウムからなる群から選択される、少なくとも２つの第ＩＩＩ族元素の相対的含有量である、請求項８に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記量子井戸層を形成する材料が、第ＩＩＩ族の窒化物、ヒ化物またはリン化物である、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記量子井戸層を形成する材料が、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、ヒ化窒化インジウムガリウム、ヒ化窒化アルミニウムインジウムガリウム、リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウムおよびヒ化インジウムアルミニウムガリウムからなる群から選択される、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１２】
前記量子井戸層が、窒化インジウムガリウムを含み、インジウムおよびガリウム含有量が、連続した量子井戸層間で異なる、請求項１１に記載の太陽電池。
【請求項１３】
最も高いバンドギャップを有し、前記太陽電池において太陽光を受けるように構成された表面に最も近い終端部に位置する前記量子井戸層が、インジウム含有量の最も低い前記量子井戸層である、請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項１４】
各量子井戸層の厚さは、１５ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満である、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１５】
各量子井戸層は、１〜５ｎｍの間の厚さであり、より好ましくは約３ｎｍの厚さである、請求項１４に記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記バリア層が、前記量子井戸層と同一または異なる材料から形成される、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項１７】
前記バリア層が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムおよび窒化アルミニウムインジウムガリウムからなる群から選択される材料を含む、請求項１５に記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記バリア層が窒化ガリウム層である、請求項１７に記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記バリア層のバンドギャップが、間に挟まれた量子井戸層のバンドギャップより高くなるように、前記バリア層が選択される、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項２０】
１つまたは複数の遮断層をさらに備える、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項２１】
ｐ−ｉ−ｎ構造であり、ｐ層の前およびｎ層の後に存在する少なくとも１つの遮断層を有するように成長する、請求項２０に記載の太陽電池。
【請求項２２】
前記１つまたは複数の遮断層が窒化アルミニウムガリウム層である、請求項２０に記載の太陽電池。
【請求項２３】
太陽に照らされる表面に最も近い接合層が、それに続く量子井戸またはバリア層よりも高いバンドギャップを有する、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項２４】
前記第１の接合層および前記第２の接合層が、独立に、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウムまたは窒化インジウムアルミニウムガリウムを含む、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項２５】
多重量子井戸型構造を含む太陽電池を形成する方法であって、
（ａ）バリア層を形成する工程と、
（ｂ）前記バリア層の上に少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む、所望の厚さの量子井戸層を形成する工程と、
（ｃ）該量子井戸層が２つのバリア層の間に挟まれるように、露出された量子井戸層の上にさらなるバリア層を形成する工程と、
（ｄ）露出されたさらなるバリア層の上に、少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む所望の厚さのさらなる量子井戸層を形成する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことによって、所望の数の量子井戸を形成する工程とを備え、
連続した量子井戸層は、該層の厚さが異なることと、該層の前記少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素について含有量が異なることとのうちの少なくとも一方により、異なるバンドギャップ値を有し、これによって、多重量子井戸型構造を含む太陽電池を形成す
る、方法。
【請求項２６】
前記量子井戸層が、窒化インジウムガリウム層であり、連続した層内のインジウムおよびガリウム含有量が変化する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の前記少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量を増加させる工程を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
個々の量子井戸層内において、前記少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量を実質的に一定に維持する工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
基板上に接合層を形成する工程と、続いて該接合層上に第１のバリア層または量子井戸層を形成する工程とを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
形成される最終の量子井戸層の上にさらなる接合層を形成する工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の前記少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が低減するように、前記多重量子井戸型構造を形成する工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記多重量子井戸型構造を下にある基板から分離し、前記太陽電池において、使用中、太陽光が入射する範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の前記少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が増加するように、該構造を逆転させる工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記基板は透明である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
インジウム含有量が最も低い前記量子井戸層を、インジウム含有量がより高いものより前に成長させる工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
１つまたは複数のＡｌＧａＮまたはＡｌＮ薄層を成長させることによって、前記太陽電池の歪みを減少させる工程をさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
請求項２５に記載の方法により形成される太陽電池。
【請求項３７】
請求項３６に記載の太陽電池の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、特に多重量子井戸を組み込んでいる太陽電池設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体太陽電池、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）電池は、現存の太陽光捕集技術の効率を改善する可能性を有する。ＩｎＧａＮは特に、ＩｎｘＧａ１〜ｘＮ層内のインジウム含有量を０．０から１．０へ変更させると、約０．６７ｅＶから約３．４ｅＶへ変化させることができ、これにより太陽スペクトルのほとんど全体にわたる吸収を示す、その調整可能な直接的バンドギャップにより、太陽電池半導体材料として多大な期待が見込まれる。ＩｎＧａＮは、高いキャリア移動度、高い飽和速度ならびに高温および放射線に対する妥当な耐性など、さらなる有用な特性を保有する。
【０００３】
典型的には、このような太陽電池を形成する場合、ＧａＮ層は、その上に比較的インジウム含有量の高いＩｎＧａＮ層を成長させることによって、所望の吸収効率が達成可能となるベースまたは根底にあるエピタキシャル層として採用されることになる。この手法の１つの問題は、ＩｎｘＧａ１〜ｘＮとＧａＮとの間の大きな格子ミスマッチにより発生する高い歪みが、望ましくない結果、例えば、相分離およびミスフィット転位などをもたらす可能性があることである。これにより、比較的厚いＩｎＧａＮ層を成長させるが、これは、太陽エネルギー吸収の増加のためには有用であるが、実際には困難な手法である。
【０００４】
提案された１つの解決策は、構造内での多重量子井戸（ＭＱＷ）の使用である。各量子井戸（ＱＷ）は、半導体材料の極薄層であり、低いバンドギャップを示し、より高いバンドギャップの２つのバリア層の間に挟まれている。多重量子井戸の使用は、高い光学吸収係数を有する半導体材料、例えば、ＩｎＧａＮなどを扱う場合に実行可能な手法であり、したがって極薄層の材料が十分なレベルの吸収を提供することができる。
【０００５】
これらの低次元多重量子井戸、例えば、ＩｎＧａＮの使用は、より厚いＩｎＧａＮ層と比較して、高品質の結晶層の形成を可能にし、よって量子化されたエネルギーレベルのさらなる利点を提供しながら、中間層の歪みおよび相分離を大いに減少させる。
【０００６】
しかし、太陽電池における多重量子井戸の使用に関する今日までの従来技術の例は、最適な光吸収レベルには届かず、ならびに有意な分極関連の電荷に悩まされ、よって、太陽光の電気エネルギーへのエネルギー変換が比較的低い結果となっている。
【０００７】
特許文献１は、太陽電池における傾斜緩衝層の使用を提案し、この緩衝層は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＡｓを含むことができる。これらの材料は、第ＩＩＩ−Ｖ族（マルチ−ジャンクション）太陽電池に対して使用され、第Ｖ族の元素は、Ａｓおよび／またはＰである。
【０００８】
特許文献２は、アモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）ＳｉＧｅ層を含む層、またはａ−Ｓｉおよびμｃ−Ｓｉの混合層、またはａ−Ｓｉおよびポリ（ｐｏｌｙ）−Ｓｉの混合層を、ａ−Ｓｉなどの大きなバンドギャップ光吸収層と、ｃ−Ｓｉなどの小さなバンドギャップ光吸収層との間の転移層またはトンネル接合として使用することについて記載している。例えば、膜形成中にプロセスガス中の水素含有量を持続的に変化させ、これによって、Ｓｉ層の結晶化度を変化させて、転移層において徐々に変化するバンドギャップを達成することができるということが想定されている。例えば、ａ−Ｓｉ（結晶化度＝０％）を有する層は、μｃ−Ｓｉに徐々に変化させた（結晶化度＝６０〜１００％）。
【０００９】
特許文献３は、量子ドット太陽電池における異なるサイズの量子ドットの使用について記載している。量子ドット太陽電池および量子井戸太陽電池は、構造が異なるため、当業界では別々に扱われ、これは、比較の図が信頼できないことを意味する。したがって、非量子ドット太陽電池については、この文書はほとんど助けとならない。
【００１０】
特許文献４は、バンドギャップが単調に低減する、垂直のスタックに配置された、いくつかの異なる波長選択的活性層を含むデバイスについて記載している。各層内ではバンドギャップは同じままであるが、その下に続く層ではバンドギャップが低減している。接触は、各層の側面上に別々に行われる。この文書は、可能性のある太陽電池用途に対するこれらの薄膜層構造の使用について言及しているが、画像用途について主に強調している。この文書は、極めて広いバンドギャップ半導体または絶縁体を有する量子井戸を使用しても、スタックの中の層全体にわたり必要とされるオーミック接触を可能にしないであろうと言及している。したがって、この文書は、上記で論じた問題の満足な解決策を提供していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第２０１１／０２２０１９０号明細書
【特許文献２】米国特許第２０１１／０１９７９５６号明細書
【特許文献３】米国特許第２００９／０２５５５８０号明細書
【特許文献４】国際公開第２０００／０７７８６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
光吸収、したがって全体的な効率を改善しながら、多重量子井戸の利点を生かすことができる太陽電池の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの広範な形態において、本発明は、各量子井戸層の組成が、隣接する、すなわち、連続した量子井戸層の組成と異なる、多重量子井戸活性領域を含む太陽電池に属する。
第１の態様では（これは必ずしも唯一の形態である必要はなく、実際には最も広範な形態である）、本発明は、
（ａ）第１の接合層、
（ｂ）第２の接合層、および
（ｃ）バリア層の間に各々挟まれている複数の量子井戸層を含む、第１の接合層と第２の接合層との間の活性領域
を備える太陽電池であって、
連続した量子井戸層は、層の厚さがことなること、および／または層の構成元素のうちの少なくとも１つについて組成が異なることにより、異なるバンドギャップ値を有する、太陽電池に属する。
【００１４】
好ましくは、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の表面から遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層のバンドギャップが低減する。
適切には、構成元素は、少なくとも２つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素であってよい。
【００１５】
構成元素が第ＩＩ族元素である場合、これは、亜鉛、マグネシウム、ベリリウムおよびカドミウムからなる群から選択することができる。
構成元素が第ＩＩＩ族元素である場合、これは、ホウ素、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムからなる群から選択することができる。
【００１６】
構成元素が第ＩＶ族元素である場合、これは、炭素、ケイ素、ゲルマニウムおよびチタンからなる群から選択することができる。
構成元素が第Ｖ族元素である場合、これは、窒素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選択することができる。
【００１７】
構成元素が第ＶＩ族元素である場合、これは、酸素、テルル、セレンおよび硫黄からなる群から選択することができる。
隣接する量子井戸層は、異なる量子化エネルギーレベルで存在し得る。
【００１８】
好ましくは、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量は、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて増加する。
【００１９】
連続した量子井戸層内の１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ元素の含有量が、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて増加する一方、別の第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量は低減し得ることを理解されたい。例えば、量子井戸層がＩｎＧａＮで構成されている場合、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、インジウム含有量は増加してもよく、ガリウム含有量は低減してもよい。したがって、第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の全体的な平衡化が維持される。
【００２０】
別法としてまたは組み合わせて、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層の厚さが低減する。
一実施形態では、個々の量子井戸層の組成は、それらの範囲全体を通じて実質的に一定である。
【００２１】
代替の実施形態では、個々の量子井戸層の組成は、１つの隣接するバリア層に接触している領域から、他方の隣接するバリア層に接触している領域まで、量子井戸層を通じて進むにつれて連続的に変化し得る。
【００２２】
連続した量子井戸層の部分の元素の組成が重複することもあるが、一般的な傾向は、連続した量子井戸層において、量子井戸層のバンドギャップが、太陽対向層から遠ざかるにつれて低減するように、使用中、入射する太陽光に最も近い量子井戸層から遠ざかるにつれて少なくとも１つの構成元素の相対的含有量が増加し、関連するまたは同伴する元素の相対的含有量が低減することを理解されたい。
【００２３】
適切には、量子井戸層は２つ以上の構成元素を含み、異なる層間で変化させるのは、これらの元素のうちの少なくとも２つの相対的含有量である。
好ましくは、量子井戸層間で含有量が異なる少なくとも１つの構成元素は、インジウム、アルミニウムおよびガリウムからなる群から選択される第ＩＩＩ族元素である。
【００２４】
より好ましくは、量子井戸層間で含有量が異なる第ＩＩＩ族元素は、インジウムである。
量子井戸層を形成する材料は、好ましくは第ＩＩ族〜第ＶＩ族の窒化物、ヒ化物またはリン化物である。
【００２５】
好ましくは、量子井戸層を形成する材料は、第ＩＩＩ族の窒化物、ヒ化物またはリン化物である。
より好ましくは、量子井戸層を形成する材料は、窒化インジウムガリウム、窒化アルミ
ニウムインジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、ヒ化窒化インジウムガリウム、ヒ化窒化アルミニウムインジウムガリウム、リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウムおよびヒ化インジウムアルミニウムガリウムからなる群から選択される。
【００２６】
さらにより好ましくは、量子井戸層を形成する材料は、窒化インジウムガリウムである。
量子井戸層が窒化インジウムガリウムから形成される好ましい実施形態では、最も高いバンドギャップを有し、太陽光を受けるように構成された表面に最も近い、太陽電池の終端部に位置する量子井戸層は、インジウム含有量が最も低い量子井戸層である。
【００２７】
適切には、各量子井戸層は、１５ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満の厚さである。
好ましくは、各量子井戸層は、１〜５ｎｍの間の厚さであり、より好ましくは約３ｎｍの厚さである。
【００２８】
バリア層は、量子井戸層と同一または異なる材料から形成されてもよい。
好ましくは、バリア層は、バリア層のバンドギャップが間に挟まれた量子井戸層のバンドギャップより高くなるように、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムおよび窒化アルミニウムインジウムガリウムからなる群から選択される材料を含む。
【００２９】
一実施形態では、太陽電池は、１つまたは複数の遮断層をさらに備える。
好ましくは、１つまたは複数の遮断層は、量子井戸またはバリア層より高いバンドギャップを有することになる。
【００３０】
適切には、ｐ−ｉ−ｎ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ太陽電池に対して、ｐ−ＡｌＧａＮ層は、ｐ−ＧａＮ層より前に存在し、ｎ−ＡｌＧａＮ層は、ｎ−ＧａＮ層より後に存在する。
好ましくは、太陽電池は、サファイア、亜鉛、ガラスおよび他のケイ素ベースの基板からなる群から選択される基板上に成長させる。パターニング（パターン形成）されたサファイア基板が特に好ましい。
【００３１】
第２の態様では、本発明は、多重量子井戸構造を含む太陽電池を形成する方法であって、
（ａ）バリア層を形成する工程と、
（ｂ）バリア層の上に少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む、所望の厚さの量子井戸層を形成する工程と、
（ｃ）量子井戸層が２つのバリア層の間に挟まれるように、露出された量子井戸層の上にさらなるバリア層を形成する工程と、
（ｄ）露出されたさらなるバリア層の上に少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む、所望の厚さのさらなる量子井戸層を形成する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことによって、所望の数の量子井戸を形成する工程とを備え、
連続した量子井戸層は、層の厚さがことなること、および／またはそれらの層の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素について含有量が異なることにより、異なるバンドギャップ値を有し、
これによって、多重量子井戸構造を含む太陽電池を形成する方法に属する。
【００３２】
好ましい一実施形態では、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ
族元素の含有量は、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて増加する。
【００３３】
一実施形態では、個々の量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素含有量は実質的に一定である。
代替の実施形態では、個々の量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素含有量は、一方の隣接するバリア層に接触している領域から、他方の隣接するバリア層に接触している領域まで量子井戸層全体を通じて進むにつれて継続的な形式で変化し得る。
【００３４】
本方法は、基板上に接合層を形成し、続いてこの接合層上に第１のバリア層または量子井戸層を形成する工程をさらに含み得る。
本方法は、形成される最終の量子井戸層の上にさらなる接合層を形成する工程をさらに含み得る。
【００３５】
代替の実施形態では、本方法は、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて低減するように、多重量子井戸構造を形成する工程を含み得る。
【００３６】
この代替の実施形態では、本方法は、多重量子井戸構造を下にある基板から分離し、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて増加するように構造を逆転させる工程をさらに含み得る。
【００３７】
この代替の実施形態の太陽電池は、透明基板上に形成されてもよい。
第３の態様では、本発明は、第２の態様の方法により形成される太陽電池に属する。
第４の態様では、本発明は、第３の態様の太陽電池の使用に属する。
【００３８】
本発明のさらなる特徴は、以下の詳細な記載から明らかとなろう。
本明細書全体を通じて、特に状況により必要とされない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの単語は、述べられている整数または整数群の包含を意味するが、他の任意の整数または整数群の除外ではないことを理解されたい。
【００３９】
本発明が容易に理解され、実用されるように、付随的な数字を参照して、好ましい実施形態をここで例を用いて記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】多重量子井戸型太陽電池の第１の実施形態の概略図を示す図。
【図２】多重量子井戸型太陽電池の第２の実施形態の概略図を示す図。
【図３】図１の多重量子井戸型太陽電池の実験的に得たＩ−Ｖ特性を図表によって示す図。
【図４】２つの多重量子井戸型太陽電池の実験的に得た特性Ｉ−Ｖを図表によって示す図。
【図５】図４の多重量子井戸型太陽電池の実験的に得た外部量子効率および内部量子効率特性を図表によって示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明は、各量子井戸薄層のバンドギャップが、他のこのような層と比較して均一でないことを確実にすることによって、改善された多重量子井戸型太陽電池を達成できるという発見を前提とする。連続して形成された量子井戸内の、少なくとも１つの、典型的には
少なくとも２つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量、例えば、ＩｎＧａＮ内のインジウムおよびガリウムの相対的含有量などを変化させることによるバンドギャップのグラデーションが、利用可能な太陽スペクトルのより大きな範囲全体にわたり、少なくとも吸収を増加させるという利点を提供することが発見された。これの代わりに、またはこれと組み合わせて、連続した量子井戸層の厚さを変化させることによって、同じ利点を得ることができる。
【００４２】
本発明の太陽電池に採用することができる半導体材料、したがって形成することができる層の性質は、特に限られていない。本明細書中に論じられている実施形態は、一般的に、ＱＷ材料としてＩｎＧａＮを採用し、バリアおよびｐおよびｎ接合層に対してＧａＮを採用しているが、本発明の有用性はあまり限定されない。
【００４３】
図１は、ＭＱＷ太陽電池（ＰＶ  Ａ）の第１の実施形態を概略図によって示している。図１は、個々の層のさらなる詳細を提供するテーブル１に表された構造と同等である。太陽電池１０は一般的に、第１の接合層２０が、厚さ約１０００ｎｍ、ドーパント濃度１ｅ１９／ｃｍ３のｎ−ＧａＮ層である、ｐ−ｉ−ｎ接合構造を含むことがわかる。活性領域は、第１の接合層２０上に位置して存在し、交互に位置するバリア層３０およびＱＷ層４０で構成される。したがって、各ＱＷ層４０は、２つのバリア層３０の間に挟まれることによって、量子井戸を形成する。
【００４４】
示されている実施形態では、ｉ−ＩｎＧａＮ半導体材料がＱＷ層４０を形成し、各層４０の組成は、隣接する層４０の組成と異なることに注目されたい。第２の接合層５０は、ｐ−ＧａＮ層であり、結果として生じる活性領域は、第１の接合層２０と第２の接合層５０との間に位置する。テーブル１は、ｐ−ＧａＮ層の厚さがおよそ１５０ｎｍであり、ドーピング濃度が１ｅ１８／ｃｍ３であることを示している。
【００４５】
図１およびテーブル１で表されている実施形態では、太陽電池１０は、第２の接合層５０を含む末端が、太陽に露出されるように設計されている。第１の接合層２０から第２の接合層５０に進むにつれて、連続した各ＱＷ層４０のインジウム含有量が、テーブル１の層番号３の最大Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（１５％インジウム含有量）から、テーブル１の層番号３１の最小Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ（１％インジウム含有量）に、段階的に低減しているのを見ることができる。したがって、１つの層４０と別の層とでは変化しているが、個々の各ＱＷ層４０のインジウム含有量は実質的に一定である。
【００４６】
各量子井戸層の厚さは、１５ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満、より好ましくは７ｎｍ未満である。
好ましくは、各量子井戸層は、１〜５ｎｍの間の厚さであり、より好ましくは約３ｎｍの厚さである。
【００４７】
図１には示されていないが、太陽電池１０は、適切な基板、例えばサファイアなどの上に成長させることになる。さらなる標準的な構成部分、例えば、図１に示されていないが、太陽電池１０が作動するために必要となり得るものであり、当業者であれば明らかであるような、例えばｐおよびｎ接点、太陽対向面上の反射防止層、裏面の反射板、トンネリング層などもまた存在し得る。
【００４８】
進入する太陽光に最も近いＱＷ層４０（テーブル１の場合、これは層番号３１である）は、より高いバンドギャップを有するべきであり、したがって次に続くＱＷ層４０よりも低いインジウム含有量を有することが好ましい。進入する太陽光に最も近いＱＷ層のインジウム含有量は、０％〜１００％の間、好ましくは０．５％〜５０％の間、より好ましくは１％〜４０％の間であってよい。次に続くＱＷ層は、この値から所望の最大値まで徐々
に増加するインジウム含有量を有し得る。
【００４９】
ＱＷ層４０は、２つ以上の第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む任意の適切な半導体材料から形成することができる。好ましくは、第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素のうちの少なくとも１つの元素は、インジウム、アルミニウムおよびガリウムからなる群から選択される第ＩＩＩ族元素であり、別の元素は、窒素、リン、ヒ素およびアンチモンからなる群から選択される第Ｖ族元素であってよい。
【００５０】
ＱＷ層４０を形成する材料は、好ましくは第ＩＩＩ族の窒化物、第ＩＩＩ族のヒ化物、第ＩＩＩ族のヒ化窒化物または第ＩＩＩ族のヒ化−リン化物である。
好ましくは、ＱＷ層４０を形成する材料は、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、ヒ化窒化インジウムガリウム、ヒ化窒化アルミニウムインジウムガリウム、リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウムガリウム、ヒ化リン化インジウム、ヒ化インジウムアルミニウムおよびヒ化インジウムアルミニウムガリウムからなる群から選択される。
【００５１】
より好ましくは、量子井戸層を形成する材料は、窒化インジウムガリウムである。上記で論じられているように、ＩｎＧａＮは、その調整可能な直接的バンドギャップおよび太陽スペクトルのほとんど全体にわたる吸収により、太陽電池半導体材料としての多大な期待が見込まれるばかりでなく、さらなる有用な特性、例えば、高いキャリア移動度、高い飽和速度ならびに高温および放射線に対する妥当な耐性などを示している。
【００５２】
ＭＱＷ太陽電池構造の異なる実施形態は、存在する量子井戸の実際の数が広い範囲を提示することができる。結果として得た構造が、太陽光の適当な吸収を行うことができる限り、２〜約１５０の間の数の個々の量子井戸が適切となり得る。好ましくは、約５〜約１００の間の量子井戸層が、より好ましくは、約５〜約８０の間の量子井戸層が、太陽電池において存在する。
【００５３】
各バリア層３０は、ＱＷ層４０と同一または異なる材料から形成することができる。例えば、バリア層３０は、バリア層のバンドギャップが、間に挟まれた量子井戸層のバンドギャップより高くなるように、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムまたは窒化アルミニウムインジウムガリウムから形成されてもよい。好ましくは、バリア層は窒化ガリウム層である。
【００５４】
バリア層３０は、３ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さ、好ましくは７ｎｍ〜５０ｎｍの間の厚さ、より好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍの間の厚さ、さらにより好ましくは１０〜２０ｎｍの間の厚さであってよい。
【００５５】
バリア層３０は、これらの間に挟まれたＱＷ層４０より高いバンドギャップを有するべきである。これは、材料の選択および／またはバリア層３０の厚さにより達成することができる。その他の点では、バリア層３０の他の性質は特に制限されない。
【００５６】
図１の実施形態は、論じられているように、ｐ−ｉ−ｎ構造、すなわち太陽電池の太陽に対向する末端がｐ層であり、ｎ層が基板の末端に隣接しているが、太陽電池の太陽に対向する側面がｎ層であり、ｐ層が基板の末端に隣接している場合もまた、ｎ−ｉ−ｐ太陽電池を提供する本発明の範囲内であるとみなされる。ｎ層およびｐ層の厚さは、これらの成長の順序をベースに選択してもよく、好ましくは約２５００ｎｍ〜３０ｎｍの間、好ましくは約１０００ｎｍ〜５０ｎｍの間の範囲となる。典型的には、太陽に対向するｎ層またはｐ層は、これら２つのうちのどちらかがより細い。ｎ層およびｐ層は、高度にドープ
されることによって、分極作用を最小化する手助けをすることができる。ＱＷ層４０のドーピングレベル、すなわち、テーブル１で設定されたようなｉ層または真性層は、比較的低く保持すべきである。
【００５７】
図２は、多重量子井戸型太陽電池の第２の実施形態を概略図によって示している。図１に対して見られるように、太陽電池１００は、ｎ−ＧａＮの第１の接合層１２０と、ｐ−ＧａＮの第２の接合層１５０との間に挟まれたＭＱＷの活性領域を含む。活性領域ＭＱＷは、ＱＷ層１４０を間に挟むバリア層１３０で構成される。図２に示されている実施形態と、図１に示されている実施形態との間の唯一の差異は、これらのインジウム含有量に関して、ＱＷ層１４０の効果的な順序が逆転しているということを理解されたい。すなわち、インジウム含有量の最も低い層である１％インジウムは、ｎ−ＧａＮの第１の接合層１２０の最も近くに位置し、したがって入射太陽光から最も遠い。それぞれ次に続くまたは連続したＱＷ層１４０のインジウム含有量は、この値から、太陽電池１００の太陽に対向する表面に最も近いＱＷ層１４０における１５％まで段階的に増加している。その他の点では、図１に示されている実施形態に関して与えられた他のすべてのコメント、例えば、材料の性質ならびにｎ層およびｐ層の配置などは、図２に示されている実施形態に対して同等に適用可能である。
【００５８】
図２の設計により提供される利点は、成長することができる量子層１４０の品質にある。ＩｎＧａＮは、高温で分解し得るので、インジウム含有量の最も高い層が最初に成長する図１に示されている実施形態では、比較的低温を使用しなければならない。次に続くＱＷ層４０がより低いインジウム含有量で成長する場合、これらの層それ自体は、より高い成長温度に耐えることができるが、すでに形成された、高インジウム含有量の層は分解し、よって、すべての残存するＱＷ層４０について、これらが成長できる温度は、最初に成長した、インジウム含有量の最も高い層により限定されてしまう。インジウム含有量のより高いＩｎＧａＮ層は、インジウム含有量の低いものに比べて、隣接するＧａＮ層との格子ミスマッチが比較的高くなり、よって、次に続くＱＷ４０およびバリア層３０を構築するために提供されるプラットフォームは、最適とはならない。
【００５９】
この問題は、図２により示された順序で、太陽電池１００の様々な層を成長させることによって回避することができる。インジウム含有量の最も低い層を最初に成長させることは、これらの層をより高い温度で成長させることができることを意味し、これによって、より良好なデバイス特性を有する改善された品質のＩｎＧａＮ  ＱＷ層１４０を作製する。次に続くＱＷ層１４０が形成されると、成長温度は、形成する層の特定のインジウム含有量に適合するよう連続的に低下させることができ、これは、各ＱＷ層１４０を、最適な温度で成長させることができることを意味し、よって、格子ミスマッチ、したがって歪みがより低く、改善されたデバイス特性を有する構造を提供することができる。
【００６０】
図１に関して述べられているように、バンドギャップが最も高い、すなわちインジウム含有量が最も低いＱＷ層１４０は、太陽の光線がその上に入射する表面に最も近くに位置すべきであることが好ましい。太陽電池１００の場合、透明基板を採用することができ、電池１００は、基板を入射太陽光に近接させるよう方向づけることによって、これを可能にする。代わりに、第１の接合層１２０、したがってＭＱＷおよびその上に成長させる第２の接合層１５０は、基板から分離することができ、構造を本質的に逆にすることによって、インジウム含有量の最も低い層が太陽に最も近いＱＷ層１４０となるにする。図１に対して論じたように、ｎ−ＧａＮおよびｐ−ＧａＮの位置を交換することができ、よって、ｐ−ｉ−ｎおよびｎ−ｉ−ｐの両構造が考慮される。したがって、図２に示されている実施形態は、最適な歪みおよびデバイス特性を有する成長したままの構造を単に表してもよいが、使用の際には、図１の構成により密接に似ているよう方向づけられることになる。
【００６１】
図１および図２に示されている、ならびにテーブル１に例示されたものに対する代替の実施形態では、それぞれ個々のＱＷ層４０および１４０内の第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量、例えば相対的なインジウムおよびガリウム含有量は、一方の隣接する、上限の、バリア層３０または１３０に接触している領域から、他方の、より低い、隣接するバリア層３０または１３０に接触している領域までを通じて進むにつれて、連続的な形式で変化し得る。
【００６２】
例えば、図１のインジウム含有量の最も低いＱＷ層４０は、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎの第２の接合層５０に直ちに隣接する領域においてある組成を有することができるが、隣接するバリア層３０に最も近い領域では組成がむしろＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎに近くなるまでこの層のインジウム含有量が徐々に増加する。
【００６３】
連続したＱＷ層４０の部分の第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素含有量において重複もあり得るが、一般的な傾向は、第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の全ての含有量は、連続した量子井戸層において、図１に示されている方式で増加することを理解されたい。
【００６４】
例えば、すぐ上で論じたＱＷ層４０（第２の接合層５０に最も近い）では、インジウム含有量がＩｎ０．００Ｇａ１．００ＮからＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎに進み、それに続くＱＷ層４０は、インジウム含有量が、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎから始まって、より低い範囲約Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎに変更されるように、変更するインジウム含有量を有することができる。したがって、層間のいくらかの重複が明らかな場合、それに続くＱＷ層４０のより高いインジウム含有量への傾向が維持される。
【００６５】
傾斜ＱＷ層を含む本実施形態は、ＭＱＷ全体にわたり達成された相対的なインジウムならびにガリウム含有量の変化により、有用な範囲の吸収を有する太陽電池が提供されることになる。個々の層の性質および接合層を交換する能力などは、図１および図２に関して論じたものと同様に、本実施形態に適用可能である。
【００６６】
本発明の鍵となる、個々の量子井戸層のバンドギャップの変化は、同じ組成の連続した量子井戸層を形成し、これらの層の厚さを変化させることによって、代わりに達成することもできる。これは、成長条件および時間を制御することによって達成できる。
【００６７】
個々の量子井戸層のバンドギャップの変化はまた、連続した量子井戸層の組成ならびに厚さを変化させることによって達成することもできる。
本明細書中で論じた実施形態内で、他の変化を達成することができる。例えば、バリア層３０または１３０内の第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素含有量は、太陽電池１０または１００全体を通じて必ずしも一定のままである必要はない。したがって、図１および図２のバリア層３０および１３０は、いくらかのインジウム含有量を有していてもよく、このインジウム含有量は、ＱＷ層４０および１４０に対して記載されている方式のように、１つのバリア層から、次のバリア層へのガリウム含有量の変化に関連させて変化させてもよい。
【００６８】
一実施形態では、それぞれ個々のバリア層３０および１３０内のインジウム含有量は一定であるが、インジウム含有量は、入射する太陽光表面からさらに遠ざかるにつれて、増加し、したがって、それに続くバリア層３０および１３０では段階的にガリウムの相対的含有量が低減する。インジウム含有量の最も低いバリア層３０または１３０を、入射する太陽光表面に最も近くするべきであり、全体的なこれらのバンドギャップが、量子井戸層のバンドギャップより高くなるべきである。
【００６９】
代替の実施形態では、各バリア層３０または１３０内のインジウム含有量が、個々のＱ
Ｗ層４０および１４０に対して記載されているその方式で、その範囲全体にわたり変化し得る。この変化は、恐らく約０．５〜２．０％という小さい範囲全体にわたるもので、それに続くバリア層３０または１３０は、インジウム含有量の重複を示し得るが、全体的な傾向は、太陽に照らされた表面からさらにバリア層３０および１３０へ移動するにつれて、相対的インジウム含有量がより高い方向へ向かう。バリア層３０または１３０全体にわたる相対的なインジウム含有量の変化は、太陽電池１０または１００の吸収特性の改善を助け、問題となっている分極の問題点を低減することを援助する。
【００７０】
バリア層３０および１３０内の相対的インジウム含有量の、段階的形式および傾斜形式両方での変化における唯一の制限は、任意のバリア層３０または１３０のバンドギャップが、ＱＷ層４０または１４０のものより高くなるべきであるということである。したがって、ＱＷ層４０または１４０の相対的インジウム含有量が最小１５％〜最大３０％まで変化する場合、バリア層３０または１３０の相対的インジウム含有量は、０〜１４．９９％までしか変化させることができない。
【００７１】
さらなる実施形態では、第１および第２の接合層、すなわち、図１および図２ではドープされたＧａＮである、ｐ層およびｎ層は、ＩｎＧａＮで形成されていてもよく、２つの間、および各層内の両方において、相対的インジウム含有量は、上で論じたように、ＱＷおよび／またはバリア層と関連して変化し得る。これについての主要な制限は、太陽に照らされる表面に最も近い接合層が（ｐまたはｎ層のどちらかでもよい）、それに続くＱＷまたはバリア層よりも高いバンドギャップを有するべきであるということである。接合層内のインジウム含有量は、分極の問題を低減させるのを助けることができる。
【００７２】
またさらなる実施形態では、上記実施形態に記載されている太陽電池構造は、いくらかの歪みバランスＱＷ層を含むことができ、この歪みバランスＱＷ層は、構造内に蓄積された歪みの少なくとも一部分を低減するのを補助することになる。例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ太陽電池構造は、いくらかのＡｌＧａＮまたはＡｌＮ薄層を含有してもよく、この薄層は、ＧａＮ上に成長させた場合、ＩｎＧａＮから生成されたものと比較して、反対の歪みを提示する可能性がある。したがって、これらのＡｌＧａＮまたはＡｌＮ薄層は、構造の全体的な歪みを低減させるのを助け、太陽電池の性能を改善し得る。構造はまた、他のタイプの歪みバランス薄層またはＱＷ層を含むこともできる。
【００７３】
好ましい一実施形態では、太陽電池構造は、１つまたは複数の遮断層をさらに含んでもよい。遮断層は、接合層の前後に形成することができる。
好ましくは、遮断層は、ＱＷ層およびバリア層より高いバンドギャップを有することになり、ｐ接点またはｎ接点に対する反対の／望ましくないキャリアの流れを低減または遮断することが可能なはずである。例えば、１つの遮断層は、太陽電池のｐ接点への電子の流れを遮断または減少させることができ、別の遮断層は、太陽電池のｎ接点に対する正孔の流れを遮断または減少させることができる。
【００７４】
遮断層は、場合によって適切にドープされてもよい、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＮおよび他の同様の材料から作製することができる。
適切には、ｐ−ｉ−ｎ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ太陽電池に対して、ｐ−ＡｌＧａＮ層（ｐ−ＧａＮ層への電子の流れを遮断または減少させる）がｐ−ＧａＮ層の前に存在し、ｎ−ＡｌＧａＮ層（ｎ−ＧａＮ層への正孔の流れを遮断または減少させる）がｎ−ＧａＮ層の後に存在する。
【００７５】
本明細書中に記載されている結果において示されているように、遮断層は、太陽電池の効率を改善することができることが発見された。理想的な太陽電池では、唯一の正孔はｐ接点にしか流れず、電子はｎ接点にしか流れない。しかし、現実は、いくらかの電子が必
ずｐ接点に流れ、いくらかの正孔がｎ接点に流れることにより、結果として太陽電池効率の損失が生じる。本発明者は、ｐ−ｉ−ｎ  ＩｎＧａＮ／ＧａＮベースの太陽電池、例えば、図１および図２に記載されているものなどにおいて、ｐ−ＡｌＧａＮ層をｐ−ＧａＮ層の前に成長させ、ｎ−ＡｌＧａＮ層をｎ−ＧａＮ層の後に成長させた場合、上述の現象を大いに減少させることができ、電池効率を同様に改善することができることを発見した。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＱＷ層を成長させ、太陽電池構造に組み込むことによって、ＱＷ層内のインジウム含有量が、１５から２０％に変化する改造された構造（ＰＶ  Ｂ）を形成した。この構造はテーブル２に示されている。
【００７６】
ＩｎＧａＮ  ＱＷ層内のインジウム含有量が増加するにつれて、構造内の全体的な歪みが増加し、したがって成長した層の品質が劣化して、太陽電池の効率の減少をもたらすことがわかった。この問題を緩和するため、さらに好ましい実施形態において、本発明の太陽電池は、太陽電池ＰＶ  ＡおよびＰＶ  Ｂの生成に使用された、単純なサファイア基板の代わりに、パターン形成されたサファイア基板（ＰＳＳ：ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に成長させてもよい。ＰＶ  Ｂ（以上に記載のような）の場合と同じ層の順序および内容物を含有する新規の構造（ＰＶ  Ｃ）をＰＳＳ上に成長させた。この構造はテーブル３に表示されている。テーブル２およびテーブル３に示されている層（Ｎ）の数は、限定的であるとみなされず、単なる例示であることを理解されたい。電池内の層の数は、多かれ少なかれ、製造に関する懸案事項、特定の用途などを含めたいくつかの要素に依存し得る。当業者であれば理解されているように、不当な試験を行うことなく、好ましい数の層を確かめることができる。
【００７７】
太陽電池構造をその上に成長させる基板は、ガラス、ケイ素およびサファイアを含めた一連の利用可能な基板の範囲から選択することができ、これらすべては、改造されていてもされていなくてもよい。改造された基板は、適当にドープされていてもよい。パターン形成されたサファイア基板が特に好ましい。
【００７８】
ＰＶ  ＢとＰＶ  Ｃの両構造は、光電性効果を示し、これは、変化するバンドギャップ太陽電池が、高エネルギー変換効率を達成し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ太陽電池が現在抱える問題点のいくつかに取り組み、またはこれらを緩和するための実行可能な選択肢であることを示唆している。
【００７９】
したがって、変化するバンドギャップを有するＩｎＧａＮ量子井戸層を含む太陽電池は、活性層内の光の吸収の増加、構造内の全体的な歪みの減少、およびｐ−ｉ−ｎ構造（Ｇａで表面仕上げしたＧａＮ／ｌｎＧａＮ構造）内の有害な分極作用の低減が、ｎ−ｉ−ｐ構造（Ｇａで表面仕上げしたＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造）における改善された有利な分極作用と共に得られるという点で、特におよび思いがけず有利であることが発見された。
【００８０】
したがって、１つの極めて好ましい実施形態では、太陽電池は
（ａ）第１の接合層、
（ｂ）第２の接合層、および
（ｃ）それぞれがバリア層の間に挟まれた複数のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む、第１の接合層と第２の接合層との間の活性領域
からなり、
連続した量子井戸層が、これらのインジウムおよびガリウム含有量における変化により異なるバンドギャップ値を有し、使用中、太陽光がその上に入射することになる太陽電池の表面から遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層のインジウム含有量は増加する。
【００８１】
図１および図２ならびに本明細書中に記載されている実施形態に関して与えられたコメントは、実施形態に準用される。
第２の態様では、本発明は、多重量子井戸型構造を含む太陽電池を形成する方法であって、
（ａ）バリア層を形成する工程と、
（ｂ）バリア層の上に少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む、所望の厚さの量子井戸層を形成する工程と、
（ｃ）量子井戸層が２つのバリア層の間に挟まれるように、露出された量子井戸層の上にさらなるバリア層を形成する工程と、
（ｄ）露出されたさらなるバリア層の上に、少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素を含む、所望の厚さのさらなる量子井戸層を形成する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）〜（ｄ）を繰り返すことによって、所望の数の量子井戸を形成する工程とからなり、
連続した量子井戸層が、層の厚さの変化により、および／またはこれらが少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の異なる含有量を有することにより、異なるバンドギャップ値を有し、
これによって、多重量子井戸型構造を含む太陽電池を形成する方法に属する。
【００８２】
好ましい一実施形態では、連続した量子井戸層の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量は、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて増加する。
【００８３】
一実施形態では、個々の量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素含有量は実質的に一定である。
代替の実施形態では、個々の量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量は、一方の隣接するバリア層に接触している領域から、他方の隣接するバリア層に接触している領域まで量子井戸層全体を通じて進むにつれて連続的な形式で変化し得る。
【００８４】
本方法は、基板上に接合層を形成し、続いて接合層上に第１のバリア層または量子井戸層を形成する工程をさらに含んでもよい。
本方法は、形成される最終の量子井戸層の上にさらなる接合層を形成する工程をさらに含んでもよい。
【００８５】
代替の実施形態では、本方法は、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が低減するように、多重量子井戸型構造を形成する工程を含んでもよい。
【００８６】
この代替の実施形態では、本方法は、下にある基板から多重量子井戸型構造を分離し、使用中、太陽光がその上に入射する太陽電池の一定の範囲からさらに遠ざかるにつれて、連続した量子井戸層内の少なくとも１つの第ＩＩ族〜第ＶＩ族元素の含有量が増加するように、構造を逆転させる工程をさらに含んでもよい。
【００８７】
この代替の実施形態の太陽電池は、透明基板上に形成されてもよい。
本方法は、本明細書中に記載されているような、１つまたは複数の遮断層を形成する工程をさらに含んでもよい。
【００８８】
本発明の範囲内の太陽電池は、必ずしもこれらに限られないが、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、遠隔プラズマ化学蒸着（ＲＰＣＶＤ：ｒｅｍｏｔｅ  ｐｌａｓｍａ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）およびプラズマ支援分子線エピタ
キシ（ＰＡＭＢＥ：ｐｌａｓｍａ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）を含めたいくつかの標準的な堆積方法を使用して形成してもよい。次に続く量子井戸内のインジウム含有量を制御する主要パラメータは、成長温度であり、この成長温度は、インジウム含有量、およびトリメチルインジウム試薬のインジウム流量または流速およびトリメチルガリウム試薬のガリウム流量または流速が増加するにつれて、層に対して低下させるべきである。
【００８９】
極めて好ましい実施形態では、量子井戸層は、ＩｎＧａＮを含む。インジウム含有量が最も低い量子井戸層を、最初に成長させて、次いで連続した量子井戸層を、より高いインジウム含有量で成長させることが好ましいこともある。これによって、このような温度で分解する可能性がより低い、インジウム含有量の低い層に対して、より高い温度を使用することが可能となる。より高い温度の使用は、格子ミスマッチを減少させ、したがって太陽電池の歪みを減少させる。
【００９０】
第３の態様では、本発明は、第２の態様の方法により形成された太陽電池に属する。
本明細書中に記載されている結果から明らかであるように、このような太陽電池は、従来の技術より上の明確な機能的な利点を提供する。
【００９１】
第４の態様では、本発明は、第３の態様の太陽電池の使用に属する。
上記の個々のセクションで言及された本発明の様々な特徴および実施形態は、必要に応じて、他のセクションに準用されることを理解されたい。結果的に、１つのセクションで特定された特徴は、必要に応じて、他のセクションで特定された特徴と組み合わせてもよい。
【００９２】
実施例
ＰＶ  Ａ
太陽電池（ＰＶ  Ａ）を、テーブル１に記載されているおよび図１に表されている構造に従い成長させた。層の成長は、よく開発された技術、例えばＭＯＣＶＤなどを使用する標準的な方式で行うことができる。成長条件もまた本来標準的であり、当業者には周知である。
【００９３】
次いでこの電池を試験し、図３に示されているように約１．４％のエネルギー変換効率（η）を有することが示された。図３はまた、試験条件下での短絡回路電流（ｌｓｃ）が１１．７μΑであり、無負荷電圧（Ｖｏｃ）が約２．９５Ｖであり、曲線因子（ＦＦ）が約５５．６％であることも示している。従来のＩｎＧａＮ太陽電池に対して報告されたエネルギー変換効率の値を考慮すると、これは、改善された数字を表している。
【００９４】
セミコンダクタテクノロジーリサーチ社（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｃ．（ＳＴＲ））で開発されたＳＣＳｉｍソフトウエアを使用してこの構造の光電性シミュレーションも行った。シミュレーション結果は、この構造に対する理論的曲線因子（ＦＦ）が約７２％であり、これは、それぞれが固定されたインジウム含有量１５％を有するが、他は図１に示されているものと同じ電池構造を提示する量子井戸層を有するＭＱＷ太陽電池構造に対して計算されたＦＦ約４３％よりも高いことを示した。これは、１つの層から次の層へと変化するインジウム含有量を有する量子井戸層４０を有する、図１で表されている太陽電池１０が、ＦＦの増加を提供でき、これにより、ＩｎＧａＮ太陽電池の効率を潜在的に増加させることができることを示唆している。
【００９５】
さらなる例では、各量子井戸層のインジウムおよびガリウム含有量が一定である、図１に示されているものと同様の太陽電池を合成できた。必要とされるバンドギャップの変化
は、代わりに、連続的に形成された量子井戸層の厚さを変化させることによって達成することができた。したがって、５つの量子井戸層が太陽電池に含有されている１つの非限定的例では、各層の厚さは、底部（最初に形成される層）から上部（太陽に対向し、最後に形成される層）へ進むにつれて、４．５ｎｍ、４ｎｍ、３．５ｎｍ、３ｎｍ、および２．５ｎｍとなってよい。
【００９６】
量子井戸層の厚さの変化もまた、組成における変化と組み合わせて採用することによって、必要とされるバンドギャップ変化を達成することができる。
ＰＶ  Ｂ
太陽電池（ＰＶ  Ｂ）を、テーブル２に記載されている構造に従いサファイア基板上に成長させた。ｐ−ＧａＮ層の前にｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させ、ｎ−ＧａＮ層の後にｎ−ＡｌＧａＮ層を成長させて、ＡｌＧａＮ遮断層を築いた。この構造に対して太陽電池シミュレーションを行い、結果は、この変化するバンドギャップ太陽電池構造におけるエネルギー変換効率は、すべての他のパラメータを同じに保ちながら、ＱＷ層内のインジウムパーセントを平均インジウムパーセント１７．５％で一定にした構造と比較して、２２％改善されたことを示している。
【００９７】
ＰＶ  Ｃ
テーブル３に設定された構造に従いパターン形成されたサファイア基板上に太陽電池（ＰＶＣ）を成長させた。パターン形成されたサファイア基板の使用が、ＰＶＢとＰＶＣとの間の唯一の構造的差異であった。
【００９８】
試料ＰＶ  ＢおよびＰＶ  ＣのＩ−Ｖ特性が図４に示されている。ＰＶ  Ｃは、ＰＶ  Ｂと比較して、短絡回路電流密度の増加を示し、これは、ＰＶ  Ｃが改善された構造的性質を有することを示唆している。ＰＶ  Ｃの太陽電池効率は、約１．２８％であり、これは、テーブル４に示されているように、ＰＶ  Ｂ（約０．９％）の効率よりかなり良好である。これらの値は、特に採用したインジウム含有量について、現存する太陽電池設計と比べて有利である。図５に示されているように、ＰＶ  ＢよりもＰＶ  Ｃの品質が改善されたことも、外部の量子効率（ＥＱＥ）および内部の量子効率（ＩＱＥ）測定結果から明らかである。ＰＶ  Ｃの最大ＥＱＥおよびＩＱＥはそれぞれ４３．６％および４４．９％である。従来のＩｎＧａＮ太陽電池に対して報告された量子効率の値を考慮すると、これらは改善された数字を表す。これらのＥＱＥおよびＩＱＥ値もまた、最大ＥＱＥおよびＩＱＥがそれぞれ２８．７％および３１．９％であったＰＶ  Ｂの値よりも高い。
【００９９】
いかなる特定の理論にも制約されることを望むことなく、上記で実験的に示した効果は、少なくとも部分的に、太陽のスペクトル全体にわたる改善された吸収によるものであり、よって、電子−正孔ペアのより高い生成ならびに特定の太陽電池の設計による分極関連の問題の発生率が減少したことによるものであってよいと考えられている。
【０１００】
本明細書全体を通じて、目的は、本発明を任意の一実施形態または特徴の特定の収集に限定することなく、本発明の好ましい実施形態を記載することであった。したがって、本開示を考慮して、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を、例示された特定の実施形態において行うことができることを当業者は理解されたい。
【０１０１】
【表１】
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【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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【国際調査報告】
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