(57)【要約】【課題】２端子構造を備えた高効率のタンデム型太陽電池を提供する。【解決手段】バンドギャップ・エネルギが相互に異なるボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６が備えられていることからエネルギ変換効率の高いタンデム型太陽電池１０において、それらボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６の発生電流値が相互に一致するようにそのバンドギャップ・エネルギが定められているので、各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無い。すなわち、上部電極３４および下部電極３８間に２本の配線を設け且つそれらの間に一つのインバータを備えれば足りるので、高効率で実用性の高い２端子構造のタンデム型太陽電池１０が得られる。【選択図】　　　　　　　　　　図１
2004111687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップ・エネルギが相互に異なる複数種類の半導体太陽電池がトンネル接合層を介してモノリシックに積層されたタンデム型太陽電池であって、
前記複数種類の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギは、各々から発生する電流値が相互に一致する値となるように定められていることを特徴とするタンデム型太陽電池。
【請求項２】
バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るボトムセルと、
トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．４乃至１．５（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るミドルセルと、
トンネル接合層を介してそのミドルセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．９乃至２．０（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るトップセルと
を含むことを特徴とするタンデム型太陽電池。
【請求項３】
バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るボトムセルと、
トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．６５乃至１．８５（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るトップセルと
を含むことを特徴とするタンデム型太陽電池。
【請求項４】
前記ボトムセルは、単結晶シリコンから成るものである請求項２または請求項３のタンデム型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種類の半導体太陽電池をモノリシックに直列接続したタンデム型太陽電池の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バンドギャップ（禁制帯幅）が異なる複数種類の半導体太陽電池をモノリシックに直列接続したタンデム型太陽電池が知られている。例えば、特許文献１に記載された高効率太陽電池等がそれである。斯かるタンデム型太陽電池においては、太陽光スペクトルに対してそれぞれの半導体太陽電池が異なる波長範囲の光を受光して光電変換することになるため、太陽光エネルギーを有効利用できてエネルギー変換効率が向上し、大きな電力を発生できるとともに、同程度の電力を得る場合には発電コストが低減される利点がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２７２１８５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１に記載されたタンデム型太陽電池では、図１１に示すように、シリコン（Ｓｉ）半導体から成る太陽電池１２０に、相互に混晶比の異なるＧａＡｓＰ半導体から成る太陽電池１２２，１２４が設けられ、且つ相互間および全体の上下面に電極１２６，１２８，１３０，１３２が備えられた４端子構造に構成されていた。この構造によれば、各太陽電池１２０，１２２，１２４は発生電流の大きさが相互に異なるため、上記各電極１２６〜１３２にそれぞれ電流取出し用の配線を接続し、各電池１２０，１２２，１２４毎に備えられたインバータ１３４，１３６，１３８で共通電圧を出力させるようになっている。そのため、電流取出のための配線本数が多くなると共に、太陽電池の積層数に応じた数のインバータを必要とする不都合があった。
【０００５】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、必要配線本数の少ない２端子構造を備えた高効率のタンデム型太陽電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための第１の手段】
斯かる目的を達成するため、第１発明の要旨とするところは、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる複数種類の半導体太陽電池がトンネル接合層を介してモノリシックに積層されたタンデム型太陽電池であって、（ａ）前記複数種類の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギは、各々から発生する電流値が相互に一致する値となるように定められていることにある。
【０００７】
【第１発明の効果】
このようにすれば、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる複数の半導体太陽電池が備えられていることからエネルギ変換効率の高いタンデム型太陽電池において、これを構成する半導体太陽電池の各々は、発生電流値が相互に一致するようにそのバンドギャップ・エネルギが定められているので、各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無い。そのため、電池全体の上下に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い２端子構造を採ることができる。なお、本願において「電流値が相互に一致」とは、完全に一致する場合に限られず、電流値に相違がある場合において、上記のように一対の電極で電流を取り出し得る程度にその相違が留まるものを含む。
【０００８】
因みに、前記の図１１に示されるような従来のタンデム型太陽電池では、その構造が専らエネルギ変換効率向上の観点で定められ、広い波長範囲に亘って太陽光を吸収できるように複数個の半導体太陽電池の各々のバンドギャップ・エネルギが設定されていた。そのため、各々のバンドギャップ・エネルギの相互関係については特に考慮されていないので、前述したように発生電流値が相互に異なるという問題が生じていたのである。本発明者等は、半導体太陽電池の発生電流値がバンドギャップ・エネルギに応じて変化することに着目し、種々の材料について高効率が得られるバンドギャップ・エネルギの範囲で発生電流値を整合させるために研究を重ねたところ、極めて狭い範囲でこのような要求を満足するバンドギャップ・エネルギの関係を見出した。本発明は斯かる知見に基づいて為されたものである。
【０００９】
しかも、本発明によれば、半導体太陽電池相互間に電極を設けるメタル・インターコネクト構造を採る必要がないことから、各太陽電池を構成する半導体は、半導体の上にエピタキシャル成長させられることとなるため、各層の結晶性が良く劣化し難いタンデム型太陽電池が得られる利点もある。因みに、前記図１１に示される従来のタンデム型太陽電池では、太陽電池１２０，１２２，１２４相互間に電流取出しのための金属電極１２８，１３０を設ける必要があるため、太陽電池１２２，１２４を構成する半導体が、金属膜上に結晶成長させられていた。そのため、この構造では半導体太陽電池１２２，１２４の結晶性が悪いことから、劣化し易い問題もあった。
【００１０】
【課題を解決するための第２の手段】
また、前記目的を達成するための第２発明のタンデム型太陽電池の要旨とするところは、（ａ）バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るボトムセルと、（ｂ）トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．４乃至１．５（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るミドルセルと、（ｃ）トンネル接合層を介してそのミドルセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．９乃至２．０（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るトップセルとを含むことにある。
【００１１】
【第２発明の効果】
このようにすれば、タンデム型太陽電池は、バンドギャップ・エネルギが相互に異なるボトムセル、ミドルセル、およびトップセルが積層された３接合構造に構成されることから高いエネルギ変換効率が得られるが、それら３つの半導体太陽電池のバンドギャップ・エネルギはそれぞれ１．１（ｅＶ）、１．４〜１．５（ｅＶ）、１．９〜２．０（ｅＶ）に設定されていることから、各々から発生させられる電流値が相互に一致する。すなわち、これらのバンドギャップ・エネルギは、各々が発生する電流値が相互に一致する範囲に定められている。そのため、半導体太陽電池の各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無いので、電池全体の上下すなわちボトムセルの底面とトップセルの上面に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い２端子構造を採ることができる。
【００１２】
【課題を解決するための第３の手段】
また、前記目的を達成するための第３発明のタンデム型太陽電池の要旨とするところは、（ａ）バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るボトムセルと、（ｂ）トンネル接合層を介してそのボトムセル上に設けられたバンドギャップ・エネルギが１．６５乃至１．８５（ｅＶ）の半導体太陽電池から成るトップセルとを含むことにある。
【００１３】
【第３発明の効果】
このようにすれば、タンデム型太陽電池は、バンドギャップ・エネルギが相互に異なるボトムセルおよびトップセルが積層された２接合構造に構成されることから高いエネルギ変換効率が得られるが、それら２つの半導体太陽電池のバンドギャップ・エネルギはそれぞれ１．１（ｅＶ）および１．６５〜１．８５（ｅＶ）に設定されていることから、各々から発生させられる電流値が相互に一致する。すなわち、これらのバンドギャップ・エネルギは、各々が発生する電流値が相互に一致する範囲に定められている。そのため、半導体太陽電池の各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無いので、電池全体の上下すなわちボトムセルの底面とトップセルの上面に一対の電極を設け且つそれらの間に一つのインバータを設ければよいことから、実用性の高い２端子構造を採ることができる。このように、本発明は、好適には３接合構造または２接合構造で実施される。
【００１４】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記タンデム型太陽電池の最下層を構成する半導体太陽電池（前記第２発明および第３発明においてはボトムセル）は、単結晶シリコンから成るものである。このようにすれば、シリコンは特性が安定しており且つ安価に入手できることから、高特性のタンデム型太陽電池を低コストで製造し得る利点がある。しかも、シリコンは強度が高いので実装時に割れにくくハンドリングが容易である上、ウェハ・プロセスが安定しており、剛性が高く、熱応力や外部ストレスに対し特性劣化に繋がる転移発生が少ないといった利点がある。
【００１５】
また、好適には、前記ボトムセルが単結晶シリコンで構成される場合において、前記３接合構造の場合には、前記ミドルセルおよび前記トップセルは、ＳｉＧｅＣ／ＳｉＧｅＣ、ＺｎＳｉＳｂ／ＺｎＳｉＰ、ＣｄＳｉＡｓ／ＣｄＳｉＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ（何れもミドルセル／トップセル）から成るものであり、前記２接合構造の場合には、前記トップセルは、ＧａＮＰＡｓから成るものである。このようにすれば、これらの化合物半導体はシリコンに近似した格子定数を有することから、格子不整合に起因する歪みや欠陥の少ない高特性のタンデム型太陽電池が得られる。
【００１６】
また、好適には、前記タンデム型太陽電池を構成する複数種類の半導体太陽電池、すなわち第２発明においては前記ボトムセル、ミドルセル、およびトップセル、第３発明においては前記ボトムセルおよびトップセルは、同一受光面積を備えたものである。このようにすれば、バンドギャップ・エネルギが前記のように定められることと相俟って半導体太陽電池の各々の発生電流値の相違が一層小さくなる利点がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例であるタンデム型太陽電池１０の断面構造を説明する模式図である。図において、タンデム型太陽電池１０は、ボトムセル１２上に、ミドルセル１４およびトップセル１６が接合層１８，２０を介してモノリシックに積層された３接合構造に構成されている。これらボトムセル１２乃至トップセル１６および接合層１８，２０は、何れも例えば７×７（ｍｍ）程度の同一面積に構成されている。すなわち、ボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６の受光面積は相互に同様な大きさである。
【００１９】
また、上記ボトムセル１２は、例えばバンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）程度で格子定数が０．５４３（ｎｍ）程度の単結晶シリコンから成るものであって、ｐ−Ｓｉから成るｐ型層２２およびｎ−Ｓｉから成るｎ型層２４とから構成されている。ボトムセル１２の全体の厚さ寸法は例えば１００（μｍ）以上、例えば３５０（μｍ）程度であるが、このｎ型層２４の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度であり、ボトムセル１２の表層に位置する。ｎ型層２４は、ｐ型のシリコン基板にその上面からｎ型のドーパントを拡散させてその表層部をｎ型に反転させることによって形成されたものであり、上記ｐ型層２２はシリコン基板のうちｐ型に維持された部分から成る。ボトムセル１２は、このようなｐｎ接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されたものである。
【００２０】
また、前記ミドルセル１４は、例えばバンドギャップ・エネルギが１．５（ｅＶ）程度で格子定数が０．４９（ｎｍ）程度のＳｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１から成るものであって、ｐ−Ｓｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１から成るｐ型層２６およびｎ−Ｓｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１から成るｎ型層２８とから構成されている。ミドルセル１４の全体の厚さ寸法は例えば０．５〜２０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層２８の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。ミドルセル１４も、このようなｐｎ接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されている。
【００２１】
また、前記トップセル１６は、例えばバンドギャップ・エネルギが２．０（ｅＶ）程度で格子定数が０．４４（ｎｍ）程度のＳｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３から成るものであって、ｐ−Ｓｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３から成るｐ型層３０およびｎ−Ｓｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３から成るｎ型層３２とから構成されている。トップセル１６の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル１４と同様な０．５〜２０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層３２の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。トップセル１６も、このようなｐｎ接合構造が設けられることにより半導体太陽電池に構成されている。
【００２２】
また、前記の接合層１８は、何れも例えば図２に示されるように、ボトムセル１２側から順にｎ−ＡｌＩｎＰ、ｐ＋＋−ＩｎＧａＰ、ｎ＋＋−ＡｌＧａＡｓ、ｐ−ＡｌＩｎＰが積層されたダブルへテロ構造を成す４層の半導体から成るものである。各層の厚さ寸法は何れも１００（ｎｍ）程度であり、接合層１８の全体の厚さ寸法はそれぞれ４００（ｎｍ）程度になっている。接合層２０も接合層１８と同様に構成される。このため、ボトムセル１２，ミドルセル１４，トップセル１６は相互にトンネル接合で接続されている。上記接合層１８，２０は、トンネル障壁で少数キャリアを閉じ込め且つ多数キャリアを通過させることにより、セル１２，１４，１６相互を低抵抗で電気的に直列接続するものである。また、上記接合層１８，２０の構成材料は、シリコンに近似した格子定数を有しており、セル１２，１４，１６相互間の格子不整合に起因する歪みを緩和しつつこれらを接続している。
【００２３】
図１に戻って、トップセル１６の上面には、例えばＡｕ−Ｓｂから成る例えば櫛形の上部電極３４が受光面３６を除く部分に固着されていると共に、ボトムセル１２の下面には、例えばアルミニウム（Ａｌ）から成る下部電極３８が全面に固着されている。すなわち、タンデム型太陽電池１０は、上下面のみに電極３４，３８が備えられた２端子構造を備える。また、トップセル１６の上面の露出部分すなわち受光面３６には、例えばＳｉＯ２等から成る保護層４０が設けられている。
【００２４】
以上のように構成されたタンデム型太陽電池１０は、例えば、図３に示すように、上部電極３４および下部電極３８に配線４２，４４を接続し、それらの間にインバータ４６を設けて用いられる。受光面３６で太陽光を受光すると、ボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６で発生させられた電流が接合層１８、２０を通して上部電極３４および下部電極３８間に流れるので、インバータ４６によって交流に変換して取り出される。このとき、理論エネルギ変換効率は例えば４１（％）程度であり、２端子構造でありながら従来に無い極めて高い効率が得られる。
【００２５】
すなわち、本実施例においては、バンドギャップ・エネルギが２．０（ｅＶ）程度のトップセル１６では、太陽光のうち５６０（ｎｍ）以上の波長の光を吸収し、約１．２（Ｖ）として取り出される。また、バンドギャップ・エネルギが１．５（ｅＶ）程度のミドルセル１４では、太陽光のうち５６０〜７５０（ｎｍ）の波長の光を吸収し、約０．９（Ｖ）として取り出される。また、バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）程度のボトムセル１２では、７５０〜１１３０（ｎｍ）の波長の光を吸収し、約０．６５（Ｖ）として取り出される。これらは直列に接続されているので、全体として２．７５（Ｖ）程度の電圧の電流が取り出されることとなる。このように、バンドギャップ・エネルギの相互に異なる複数の半導体太陽電池が積層されたタンデム型太陽電池１０では、広い波長範囲に亘って太陽光を吸収し且つ電気エネルギに変換できるので、高い変換効率を得ることができる。このとき、各セルで発生する電流値は略同じであるので、上下に設けられた上部電極３４および下部電極３８のみで、３つの半導体太陽電池の各々で発生した電流が無駄なく取り出される。
【００２６】
なお、前述したようにトップセル１６およびミドルセル１４は２（μｍ）程度の薄い厚さ寸法に構成されているので、上記波長範囲の光の全てを必ずしも吸収し得ない。しかしながら、吸収されず下のセルに到達した光はそのセルで吸収されることとなるので、特に支障はない。また、ボトムセル１２が前記のように１００（μｍ）以上の比較的厚い厚さ寸法に構成されているのは、太陽光のうち長波長側の光を十分に吸収するためのパスを長くするためであり、これが十分な厚さ寸法に構成されていることにより、トップセル１６およびミドルセル１４で吸収されることなく通過してしまった光が吸収されることとなる。すなわち、高い変換効率が確保される。
【００２７】
ところで、本実施例においてタンデム型太陽電池１０の構成材料は、バンドギャップ・エネルギおよび格子定数を考慮して決定されている。図４は、ボトムセル１２のバンドギャップ・エネルギを１．１（ｅＶ）とした場合の理論エネルギ変換効率を、ミドルセル１４およびトップセル１６のバンドギャップ・エネルギとの関係で示した図である。なお、この図は、太陽輻射の空気質量通過条件がＡＭ（Ａｉｒ　Ｍａｓｓ）−１で、温度が２７℃の条件下における効率を示したものであり、図に示される複数本の閉曲線の各々に付された数値が、その曲線上における変換効率を表しており、その内側ではそれよりも高い効率が得られる。例えば、最も内周に示される領域内では、４１．１（％）以上の高い変換効率が得られる。したがって、エネルギ変換効率を可及的に高くする観点では、所望の変換効率を示す閉曲線で囲まれた範囲内のバンドギャップ・エネルギを有する材料をミドルセル１４およびトップセル１６の構成材料として選択すればよい。
【００２８】
しかしながら、半導体太陽電池の発生電流値は吸収した光子量に応じて定められるので、上記領域内で任意の材料を選択すると、ミドルセル１４およびトップセル１６で発生する電流値が相互に或いはボトムセル１２との間で相違することとなる。このような相違があると、上部電極３４および下部電極３８の一対の電極のみを設けた構造であれば、取り出される電流値は最小のセルのものに律されるので実質的な変換効率が低下することになり、反対に変換効率を確保するためには、セル毎に電極およびインバータを設けて電流を取り出す図１１に示されるような構造を採らざるを得ない不都合がある。
【００２９】
そこで、本実施例においては、ミドルセル１４およびトップセル１６のバンドギャップ・エネルギが、前記の変換効率の高い領域内（組合せ）において、それらで発生させられる電流値がボトムセル１２のそれと一致するように定められている。この電流値が一致する範囲は、前記の図４においてトップセル１６のバンドギャップ・エネルギが１．９〜２．０（ｅＶ）、ミドルセル１４のバンドギャップ・エネルギが１．４〜１．５（ｅＶ）の矩形範囲（図に斜線で示す）であり、高効率が得られる範囲と略重なるが完全には一致していない。電流値を一致させるという観点では、ミドルセル１４およびトップセル１６の構成材料をこの範囲内の特性を有するものから適宜選択することができるが、具体的な材料選定は、製造上の安定性やコスト等を考慮しつつ可及的に高い効率が得られるものを選択することになる。
【００３０】
図５は、上記のような観点で定められたバンドギャップ・エネルギの範囲で、実際にタンデム型太陽電池１０を構成するためのミドルセル１４およびトップセル１６の候補材料を検討するための図であって、格子定数とバンドギャップ・エネルギとの関係を表している。本実施例においては、ボトムセル１２の構成材料としてシリコンが用いられていることから、その上に接合されるミドルセル１４およびトップセル１６の構成材料は、格子不整合に起因する歪みが可及的に小さくなるように、シリコンに近似した格子定数を有することが望ましい。このような条件を満足する材料系としては、例えば図に示すようにＳｉＣ−Ｓｉ−Ｇｅ系、ＺｎＳｉＰ−ＺｎＳｉＳｂ系、ＣｄＳｉＰ−ＣｄＳｉＡｓ系等が挙げられるが、タンデム型太陽電池１０では、これらのうちＳｉＣ−Ｓｉ−Ｇｅ系を選択している。この図において、ＳｉＣとＳｉとを結ぶ線上で前記のバンドギャップ・エネルギの値を満たすのは、ミドルセル１４の構成材料が図にＢで示す組成（混晶比）範囲のもの例えばＳｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１であり、トップセル１６の構成材料が図にＡで示す組成（混晶比）範囲のもの例えばＳｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３である。
【００３１】
このように、本実施例においては、ボトムセル１２をシリコンで構成することを前提として、ミドルセル１４およびトップセル１６の構成材料が、高効率が得られ、電流値が整合し、且つ格子不整合が小さくなるように選択されている。そのため、簡便且つ実用的な２端子構造をとりながら、前述したように高い変換効率が得られるのである。
【００３２】
なお、上記の図５から明らかなように、ボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６相互間には、僅かに格子不整合が存在する。しかしながら、これらは相互に接合層１８，２０を介してトンネル接合されていることから、その接合層１８，２０で格子不整合が殆ど緩和されるので、ボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６には格子不整合に起因する歪みが殆ど生じていない。
【００３３】
なお、上記のタンデム型太陽電池１０は、例えば、図６に示される工程に従って製造される。先ず、ｎ型層形成工程４８においては、例えばｐ−Ｓｉ基板の上面に、ｎ型のドーパント例えば燐（Ｐ）を熱拡散或いは注入によって拡散させ、前記ｎ型層２４を形成する。これにより、前記のボトムセル１２が形成される。次いで、接合層形成工程５０では、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて、上記ｎ型層２４上にｎ−ＡｌＩｎＰ、ｐ＋＋−ＩｎＧａＰ、ｎ＋＋−ＡｌＧａＡｓ、ｐ−ＡｌＩｎＰを順次に積層して前記の接合層１８を形成する。次いで、ミドルセル形成工程５２では、この接合層１８上に、前記のｐ型層２６およびｎ型層２８すなわちｐ−Ｓｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１およびｎ−Ｓｉ０．４５Ｇｅ０．４５Ｃ０．１を順次に結晶成長させて前記のミドルセル１４を形成する。次いで、接合層形成工程５４では、そのｎ型層２８上に接合層１８の形成の場合と同様に上記各半導体層を積層して、前記の接合層２０を形成する。また、トップセル形成工程５６においては、その接合層２０上に前記のｐ型層３０およびｎ型層３２すなわちｐ−Ｓｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３およびｎ−Ｓｉ０．３Ｇｅ０．４Ｃ０．３を順次に結晶成長させて前記のトップセル１６を形成する。これらミドルセル形成工程５２乃至トップセル形成工程５６においても、結晶成長には例えばＭＯＣＶＤ法が用いられる。
【００３４】
上記のようにして、ボトムセル１２乃至トップセル１６を形成したのち、電極形成工程５８においては、トップセル１６の表面およびボトムセル１２の裏面にそれぞれ電極材料を蒸着法やスパッタ法等を用いて膜形成することにより、前記の上部電極３４および下部電極３８を形成する。この後、更に保護層形成工程６０において、受光面３６を覆うようにＳｉＯ２膜を形成し、前記の保護層４０を設けることにより、前記のタンデム型太陽電池１０が得られる。なお、下部電極３８は、厚膜印刷法を用いて形成してもよい。
【００３５】
本実施例においては、上記のようにしてミドルセル１４およびトップセル１６がボトムセル１２上に順次結晶成長させられた半導体層上に形成される。そのため、図１１に示されるような半導体太陽電池相互間に金属電極が設けられたメタルインターコネクト構造のタンデム型太陽電池に比較して、金属上に膜形成する場合のような結晶性の乱れが少なく、且つ、使用中においても再結合が生じ難いので一層高い変換効率の得られる利点がある。
【００３６】
要するに、本実施例においては、バンドギャップ・エネルギが相互に異なる３つの半導体太陽電池すなわちボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６が備えられていることからエネルギ変換効率の高いタンデム型太陽電池１０において、それらボトムセル１２，ミドルセル１４，およびトップセル１６の発生電流値が相互に一致するようにそのバンドギャップ・エネルギが定められているので、すなわち、バンドギャップ・エネルギがそれぞれ１．１（ｅＶ）、１．５（ｅＶ）、２．０（ｅＶ）に設定されているので、各々毎に配線を設けて電流を取り出し且つインバータで共通電圧に変換する必要が無い。すなわち、上部電極３４および下部電極３８間に２本の配線４２，４４を設け且つそれらの間に一つのインバータ４６を備えれば足りるので、高効率で実用性の高い２端子構造のタンデム型太陽電池１０が得られる。
【００３７】
また、本実施例によれば、タンデム型太陽電池１０のボトムセル１２は、単結晶シリコンから成るので、シリコンは特性が安定しており且つ安価に入手できることから、高特性のタンデム型太陽電池１０を低コストで製造し得る利点がある。
【００３８】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述した実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図７に示すタンデム型太陽電池７０は、前記のタンデム型太陽電池１０と略同様に構成されているが、ボトムセル１２上に設けられたミドルセル７２およびトップセル７４の構成材料が相違する。すなわち、ミドルセル７２は、例えばバンドギャップ・エネルギが１．５（ｅＶ）程度で格子定数が０．５７（ｎｍ）程度のＺｎ０．３１Ｓｉ０．３８Ｓｂ０．３１から成る半導体太陽電池であって、ｐ−Ｚｎ０．３１Ｓｉ０．３８Ｓｂ０．３１から成るｐ型層７６およびｎ−Ｚｎ０．３１Ｓｉ０．３８Ｓｂ０．３１から成るｎ型層７８とから構成されている。ミドルセル７２の全体の厚さ寸法は例えば１００（ｎｍ）〜１０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層７８の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。
【００４０】
また、トップセル７４は、例えばバンドギャップ・エネルギが２．０（ｅＶ）程度で格子定数が０．５４（ｎｍ）程度のＺｎ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成る半導体太陽電池であって、ｐ−Ｚｎ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成るｐ型層８０およびｎ−Ｚｎ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成るｎ型層８２とから構成されている。トップセル７４の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル７２と同様な１００（ｎｍ）〜１０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層８２の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。
【００４１】
以上のように構成されたタンデム型太陽電池７０においても、前述したタンデム型太陽電池１０と同様に、ミドルセル７２およびトップセル７４の構成材料として上記のような半導体が選択されることにより、前記の図５に示されるようにシリコンから成るボトムセル１２と近似した格子定数を有するので、格子不整合に起因する歪みが抑制されている。また、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有するので、ボトムセル１２との関係において前記の図４に示した高効率が得られ且つ電流値が整合させられる範囲内に位置することから、上部電極３４および下部電極３８のみを備えた２端子構造に構成しても効率よく電流を取り出すことが可能である。すなわち、例えば３６（％）程度の変換効率を得ることができる。
【００４２】
図８に示すタンデム型太陽電池９０も、タンデム型太陽電池１０とミドルセル９２およびトップセル９４の構成材料が相違するものである。ミドルセル９２は、例えばバンドギャップ・エネルギが１．６（ｅＶ）程度で格子定数が０．５８（ｎｍ）程度のＣｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ａｓ０．３３から成る半導体太陽電池であって、ｐ−Ｃｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ａｓ０．３３から成るｐ型層９６およびｎ−Ｃｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ａｓ０．３３から成るｎ型層９８とから構成されている。ミドルセル９２の全体の厚さ寸法は例えば１００（ｎｍ）〜１０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層９８の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。
【００４３】
また、トップセル９４は、例えばバンドギャップ・エネルギが２．０（ｅＶ）程度で格子定数が０．５７（ｎｍ）程度のＣｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成る半導体太陽電池であって、ｐ−Ｃｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成るｐ型層１００およびｎ−Ｃｄ０．３３Ｓｉ０．３４Ｐ０．３３から成るｎ型層１０２とから構成されている。トップセル９４の全体の厚さ寸法は、例えばミドルセル９２と同様な１００（ｎｍ）〜１０（μｍ）程度の範囲内、例えば２（μｍ）程度であり、ｎ型層１０２の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。
【００４４】
このようにミドルセル９２およびトップセル９４を構成したタンデム型太陽電池９０においても、図５に示されるようにボトムセル１２と近似した格子定数を有するので、格子不整合に起因する歪みが抑制される。また、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有するので、ボトムセル１２との関係において前記の図４に示した高効率が得られ且つ電流値が整合させられる範囲内に位置することから、上部電極３４および下部電極３８のみを備えた２端子構造に構成しても効率よく電流を取り出すことが可能である。すなわち、例えば３４（％）程度の変換効率を得ることができる。
【００４５】
図９は、更に他の実施例のタンデム型太陽電池１１０の断面構造を模式的に示す図である。このタンデム型太陽電池１１０は、ボトムセル１２上に接合層１８を介してトップセル１１２が設けられた２接合構造に構成されている。このトップセル１１２は、例えばバンドギャップ・エネルギが１．７５（ｅＶ）程度で格子定数が０．５５（ｎｍ）程度のＧａＮ０．０４Ｐ０．７６Ａｓ０．２から成る半導体太陽電池であって、ｐ−ＧａＮ０．０４Ｐ０．７６Ａｓ０．２から成るｐ型層１１４およびｎ−ＧａＮ０．０４Ｐ０．７６Ａｓ０．２から成るｎ型層１１６とから構成されている。トップセル１１２の全体の厚さ寸法は例えば０．２〜２（μｍ）程度の範囲内、例えば０．８（μｍ）程度であり、ｎ型層１１６の厚さ寸法は例えば３００（ｎｍ）程度である。
【００４６】
このように構成された２接合構造のタンデム型太陽電池１１０においても、バンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）のボトムセル１２上に、バンドギャップ・エネルギが１．７５（ｅＶ）のトップセル１１２が設けられていることから、その相違に基づいて広い波長範囲に亘って太陽光を吸収して高い変換効率が得られると共に、それぞれから発生する電流がそれらのバンドギャップ・エネルギの大きさの関係に基づいて相互に同様な値になるので、タンデム型太陽電池１０と同様に高い変換効率を得ながら２端子構造を採ることができる利点がある。なお、変換効率は、例えば３４．５（％）程度である。
【００４７】
なお、本実施例においても、トップセル１１２の構成材料は、バンドギャップ・エネルギおよび格子定数に基づいて定められている。すなわち、バンドギャップ・エネルギは、図１０に示されるような理論エネルギ変換効率、ボトムセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係において、高効率が得られ且つ発生する電流値が相互に同様な値になる範囲に定められている。本図もＡＭ−１、２７℃の条件下における効率を表している。本実施例においては、ボトムセル１２のバンドギャップ・エネルギが１．１（ｅＶ）であるので、トップセル１１２の構成材料は高効率が得られるバンドギャップ・エネルギが１．６５〜１．８５（ｅＶ）の範囲内の材料が選択されている。この範囲も、３接合の場合と同様に、高効率が得られる範囲と略同様であるが完全には一致していない。
【００４８】
そして、上記のようなバンドギャップ・エネルギを有する材料のうちから、ボトムセル１２を構成するシリコンに近似した格子定数を有する材料として、前記のような混晶比のものが選択されているのである。
【００４９】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することもできる。
【００５０】
例えば、前記実施例では３接合および２接合のタンデム型太陽電池１０、７０等に本発明が適用された場合について説明したが、それぞれから発生させられる電流値が相互に同様になるようにモノリシックに接合すれば、４接合以上の構造としても差し支えない。
【００５１】
また、実施例においては、ミドルセル１４およびトップセル１６等が、ＳｉＧｅＣ／ＳｉＧｅＣ、ＺｎＳｉＳｂ／ＺｎＳｉＰ、ＣｄＳｉＡｓ／ＣｄＳｉＰ等から構成されるタンデム型太陽電池や、ボトムセル１２およびトップセル１１２がＳｉ／ＧａＮＰＡｓから成るタンデム型太陽電池に本発明が適用された場合について説明したが、他の半導体太陽電池を有するタンデム型太陽電池にも本発明は同様に適用され得る。
【００５２】
また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ装置を用いてミドルセル１４およびトップセル１６等を形成する場合について説明したが、分子線エピタキシー法など他のエピタキシャル成長法を採用できることは勿論、半導体太陽電池の構造も適宜変更することが可能である。
【００５３】
また、前記実施例ではミドルセル１４およびトップセル１６等の受光面積がボトムセル１２と同様な大きさにされていたが、電流値が相互に同様な値に保たれる範囲で適宜大きさを異なるものとしてもよい。
【００５４】
また、実施例ではｐ−Ｓｉ基板の表面をｎ型に反転させることでボトムセル１２を構成していたが、これらの導電型は互いに反対であっても差し支えない。
【００５５】
また、ミドルセル１４およびトップセル１６等のバンドギャップ・エネルギの値は、それぞれ前述した範囲内で適宜選択することが可能であり、この範囲内で任意の組合せとすることができる。
【００５６】
その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】図１のタンデム型太陽電池においてセル相互間に備えられた接合層の構成を説明する図である。
【図３】図１のタンデム型太陽電池の使用状態を説明する模式図である。
【図４】３接合構造のタンデム型太陽電池における理論エネルギ変換効率をミドルセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係で説明する図である。
【図５】図１のタンデム型太陽電池の構成材料の格子定数とバンドギャップ・エネルギとの関係を説明する図である。
【図６】図１のタンデム型太陽電池の製造方法を説明する工程図である。
【図７】本発明の他の実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図８】本発明の更に他の実施例のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図９】本発明の更に他の実施例の２接合構造のタンデム型太陽電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図１０】２接合構造のタンデム型太陽電池における理論エネルギ変換効率をボトムセルおよびトップセルのバンドギャップ・エネルギとの関係で説明する図である。
【図１１】従来のタンデム型太陽電池の使用方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０：タンデム型太陽電池
１２：ボトムセル
１４：ミドルセル
１６：トップセル
３４：上部電極
３８：下部電極
【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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【図１１】
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