(57)【要約】光吸収効率を高めることができ、半導体の劣化を防止することができる積層構造を有する結晶太陽電池及びその製造方法に関して開示する。本発明による積層構造を有する結晶太陽電池は、結晶の光吸収層の間に、非伝導性物質で形成された非伝導性格子緩衝層を具備するが、前記非伝導性格子緩衝層は、トンネル効果によって前記光吸収層を電気的に連結することでなされる。また、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池製造方法は、結晶の第１光吸収層を形成する工程、前記第１光吸収層上に非伝導性物質で非伝導性格子緩衝層を形成する工程、及び前記非伝導性格子緩衝層上に結晶の第２光吸収層を形成する工程を具備してなされる。【選択図】図３【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶の光吸収層の間に設けられた、非伝導性物質で形成された非伝導性格子緩衝層を含む積層構造を有する結晶太陽電池であって、
前記非伝導性格子緩衝層は、トンネル効果によって、前記光吸収層を互いに電気的に連結することを特徴とする結晶太陽電池。
【請求項２】
前記非伝導性格子緩衝層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項３】
前記非伝導性格子緩衝層は、酸化膜または窒化膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項４】
前記非伝導性格子緩衝層は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ）、シリコン酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、および二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）から選択された一つの層で形成されることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項５】
前記非伝導性格子緩衝層は、結晶構造であることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項６】
積層構造を有する結晶太陽電池の製造方法であって、
結晶の第１光吸収層を形成する工程と、
前記第１光吸収層上に非伝導性物質を用いて非伝導性格子緩衝層を形成する工程と、
前記非伝導性格子緩衝層上に結晶の第２光吸収層を形成する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項７】
トンネル効果によって前記第１光吸収層と前記第２光吸収層とが電気的に連結されるように、前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層より薄く前記非伝導性格子緩衝層を形成することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで前記非伝導性格子緩衝層を形成することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項９】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、酸化膜または窒化膜で前記非伝導性格子緩衝層を形成してなされることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、前記非伝導性物質を結晶成長してなされることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、前記第１光吸収層上に、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｒＴｉＯ、ＺｒＳｉＯ４、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＧａＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ及びＨｆＯ２から選択された一つの層を用いて前記非伝導性格子緩衝層を形成することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記選択された一つの層をシード層に用いて、前記第２光吸収層を結晶成長させることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するものであり、さらに詳細には、光吸収効率が高い積層構造を有する結晶太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層構造を有する太陽電池は、入射光のすべての波長帯に対して光吸収が可能で光吸収効率が高いものとして一般に知られている。このために、積層構造を有する太陽電池は一般に、バンドギャップ(band gap)が大きい光吸収層が、光が入射する前面に配置されて、バンドギャップが小さな光吸収層が、光が後に入射する後面に配置される構造を有する。
【０００３】
図１は、従来の積層構造を有する太陽電池を示したものである。
【０００４】
図１に示された従来の積層構造を有する太陽電池１００は、光が入射する方向１０１の前面にバンドギャップＡが大きい第１光吸収層１１０ａが配置されて、光が入射する方向１０１の後面にバンドギャップＢが小さな第２光吸収層１１０ｂが配置される。バンドギャップがお互いに異なる光吸収層１１０ａ、１１０ｂを電気的に連結するために一般的に透明で、伝導性を有するＴＣＯ層(Transparent Conductive Oxide)１２０が光吸収層１１０ａ、１１０ｂの間に配置される。
【０００５】
太陽電池１００に入射された光は、最初に第１光吸収層１１０ａで吸収されて、第１光吸収層１１０ａで吸収されることができずに通過する光は、バンドギャップＢが小さな第２光吸収層１１０ｂによって吸収される。
【０００６】
図２は、図１に示された太陽電池１００のエネルギーバンドの一例を示したものである。
【０００７】
光の入射によって第１光吸収層１１０ａ及び第２光吸収層１１０ｂでそれぞれ発生した電子ｅと正孔ｈはポテンシャル(potential）によって分離して、ＴＣＯ層１２０で第１光吸収層１１０ａ及び第２光吸収層１１０ｂで発生した電子ｅと正孔ｈの再結合２０１が発生するようになる。また、両端で分離した電子ｅと正孔ｈによって両端では類似フェルミ準位（Quasi Fermi level)が異なるようになって電圧が発生する。
【０００８】
したがって、図１に示されたもののような積層構造を有する太陽電池１００は、一つの光吸収層だけで構成された太陽電池に比べて、広い領域で光の吸収が起きるので、光吸収効率が高い長所がある。
【０００９】
図１に示されたような積層構造を有する太陽電池を製造するためにはバンドギャップと格子定数(Lattice Parameter)が異なる光吸収層の積層が必要である。
【００１０】
しかし、光吸収層の積層のために格子定数が異なる物質を結晶成長する場合、光吸収層の界面ではそれぞれの光吸収層を構成する二つの物質の格子定数差による格子欠陥(Lattice Defect)が発生して、発生した格子欠陥は電子−正孔再結合センター(Recombination Center)と作用して再結合率を高めることで発電効率の減少をもたらすことがある。よって、効率が高い太陽電池を構成するためには格子定数が異なる光吸収層の間で発生する格子欠陥を除去してくれる格子緩衝層が必要である。
【００１１】
このために従来に使われる格子緩衝層の形成方法は、例えば、バンドギャップＡがおおよそ１．１ｅＶであるシリコン（Ｓｉ）で形成された光吸収層と、バンドギャップＢがおおよそ０．７ｅＶであるゲルマニウム（Ｇｅ）で形成された光吸収層でなされた積層構造を有する太陽電池を構成する場合、Ｓｉ／Ｇｅの間に格子定数がゲルマニウム（Ｇｅ）の成分によって変わるＳｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０＜ｘ＜１）を形成する方法がある。すなわち、Ｓｉ／Ｇｅ層の間に格子緩衝層の役割をするＳｉ１−ｘＧｅｘ層のゲルマニウム（Ｇｅ）の割合であるｘの値を０〜１まで変化させることで格子を調節する方法である。しかし、従来のこのような方法は工程が複雑で格子のストレイン(Strain)を除去することができない短所がある。
【００１２】
これに対する代案として、図１に示したように、非晶質の半導体を利用した光吸収層１１０ａ、１１０ｂを積層し、中間の格子緩衝層としてＴＣＯ層１２０を使用する方法がある。
【００１３】
しかし、ＴＣＯ層１２０は、酸化物とドーピングされた不純物で形成されるので、積層構造を有する結晶太陽電池でＴＣＯ層１２０を使用する場合、高温が必要な結晶成長過程でドーピングされた不純物が結晶の光吸収層を汚染するようになる。よって、結晶太陽電池では一般的にＴＣＯ層１２０を使用することができないという問題がある。したがって、ＴＣＯ層１２０を使用する方法は、非晶質太陽電池では有用であるが、結晶太陽電池では適用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、バンドギャップと格子定数が異なる光吸収層の界面で発生する格子欠陥を除去して、光吸収層を電気的に連結することができる非伝導性格子緩衝層を具備して、光吸収効率を高めることができる積層構造を有する結晶太陽電池を提供する。
【００１５】
本発明は、また、非伝導性格子緩衝層の形成を通じて光吸収効率を高めて半導体の劣化を防止して、非伝導性格子緩衝層をシード層(seed layer)として利用して非伝導性格子緩衝層上部に光吸収層を結晶成長させることができ、シード層を利用して、光吸収層の結晶成長時、高温による不純物の光吸収層への流入を阻んで光吸収層の劣化を防止することができる積層構造を有する結晶太陽電池製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一の形態では、積層構造を有する結晶太陽電池は、結晶の光吸収層の間に、非伝導性物質で形成された非伝導性格子緩衝層を具備し、前記非伝導性格子緩衝層は、トンネル効果(Tunneling Effect)によって前記光吸収層を電気的に連結することでなされる。
【００１７】
本発明の他の形態では、積層構造を有する結晶太陽電池製造方法は、結晶の第１光吸収層を形成する工程、前記第１光吸収層上に非伝導性物質で非伝導性格子緩衝層を形成する工程、及び前記非伝導性格子緩衝層上に結晶の第２光吸収層を形成する工程を具備してなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の積層構造を有する太陽電池を示したものである。
【図２】図１に示された太陽電池のエネルギーバンドを示したものである。
【図３】本発明による積層構造を有する結晶太陽電池の一実施例を示したものである。
【図４】図３に示された太陽電池のエネルギーバンドを示したものである。
【図５】本発明による積層構造を有する結晶太陽電池製造方法の一実施例を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では本発明の具体的な実施例を、図面を参照して詳しく説明する。
【００２０】
図３は、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池の一実施例を示したものである。
【００２１】
図３に示された積層構造を有する結晶太陽電池３００は、第１光吸収層３１０ａ、第２光吸収層３１０ｂ、及び非伝導性格子緩衝層３２０を具備する。
【００２２】
第１光吸収層３１０ａは、光の入射方向３０１前面に結晶で形成されて、第２光吸収層３１０ｂは光の入射方向３０１後面に結晶で形成される。非伝導性格子緩衝層３２０は、非伝導性物質で第１光吸収層３１０ａと第２光吸収層３１０ｂとの間に形成される。
【００２３】
前記第１光吸収層３１０ａは、光が入射される時優先的に光を吸収するようになるので、相対的に大きいバンドギャップＡの広いエネルギーバンドを有して、第２光吸収層３１０ｂは、第１光吸収層３１０ａを通過した光を吸収するので、第１光吸収層３１０ａより相対的に小さなバンドギャップＢの狭いエネルギーバンドを有することが望ましい。
【００２４】
例えば、第１光吸収層３１０ａは、バンドギャップＡがおおよそ１．１ｅＶであるシリコン（Ｓｉ）で形成されることができるし、第２光吸収層３１０ｂは、バンドギャップＢがおおよそ０．７ｅＶ〜１．１ｅＶであるシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）で形成されることができる。第２光吸収層３１０ｂはゲルマニウム（Ｇｅ）が多く含有されていればバンドギャップが小さくなり、ゲルマニウム（Ｇｅ）が少なく含有されていればバンドギャップが大きくなる。ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量は、製造目的によって変わる。
【００２５】
非伝導性格子緩衝層３２０は、第１光吸収層３１０ａと第２光吸収層３１０ｂを電気的に連結するが、非伝導性格子緩衝層３２０がおおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の充分に薄い厚さなら、トンネル効果(Tunneling Effect)によって第１光吸収層３１０ａ及び第２光吸収層３１０ｂを電気的に連結することができる。
【００２６】
非伝導性物質で形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、酸化膜や窒化膜からなることができるが、酸化膜の例は、二酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ）、シリコン酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、および二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含み、窒化膜の例は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。また、非伝導性格子緩衝層３２０は、結晶構造を有することができる。
【００２７】
図４は、図３に示された太陽電池３００のエネルギーバンドを示したものであり、第１光吸収層３１０ａとしてシリコン層を使って、第２光吸収層３１０ｂとしてシリコン−ゲルマニウム層（ＳｉＧｅ）を使って、非伝導性格子緩衝層３２０としてＳｉＮを使った場合のエネルギーバンドを示す。
【００２８】
図４を参照すると、第１光吸収層３１０ａで発生した電子−正孔対は、ポテンシャル(potential)によって分離されて、電子ｅは、非伝導性格子緩衝層３２０側に、正孔ｈは第１光吸収層３１０ａの表面側に移動する。また、第２光吸収層３１０ｂで発生した電子−正孔対のうちで正孔ｈは、非伝導性格子緩衝層３２０側に、電子は第２光吸収層３１０ｂの表面側に移動するようになる。非伝導性格子緩衝層３２０は、おおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍ程度である場合、光吸収層３１０ａ、３１０ｂで発生した電子ｅと正孔ｈのうち非伝導性格子緩衝層３２０側に移動した電子ｅ及び正孔ｈは、非伝導性格子緩衝層３２０を間でトンネル効果(Tunneling Effect)によって再結合４０１される。したがって、現象的に前述した従来のＴＣＯ層（図１の１２０）を使った場合と同一な効果を得ることができる。
【００２９】
図５は、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池製造方法の一実施例を示したものである。
【００３０】
図５に示された積層構造を有する結晶太陽電池製造方法５００は、第１光吸収層形成工程（Ｓ５１０）、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）、及び第２光吸収層形成工程（Ｓ５３０）を具備してなされる。以下では、説明の便宜のために、図３に記載した図面符号をそのまま利用する。
【００３１】
第１光吸収層形成工程（Ｓ５１０）では、結晶の第１光吸収層３１０ａを形成する。
【００３２】
非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）では、例えば、第１光吸収層３１０ａ上にＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｒＴｉＯ、ＺｒＳｉＯ４、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２などの酸化膜や、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮなどの窒化膜を形成することにより、非伝導性物質で非伝導性格子緩衝層３２０を形成する。この時、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）で形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、トンネル効果(Tunneling Effect)によって前記第１光吸収層３１０ａ及び前記第２光吸収層３１０ｂが電気的に連結されるように、第１光吸収層３１０ａ及び第２光吸収層３１０ｂより薄く、おおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成する。
【００３３】
第２光吸収層形成工程（Ｓ５３０）では、非伝導性格子緩衝層３２０上に結晶の第２光吸収層３１０ｂを形成する。
【００３４】
第１光吸収層形成工程（Ｓ５１０）で形成される第１光吸収層３１０ａ、及び第２光吸収層形成工程（Ｓ５３０）で形成される第２光吸収層３１０ｂは、光の入射方向３０１の前面に位置する第１光吸収層３１０ａが光の入射方向３０１の後面に位置する第２光吸収層３１０ｂより広いエネルギーバンドを有するように形成することが望ましい。
【００３５】
第１光吸収層３１０ａと第２光吸収層３１０ｂは、結晶構造を有して、これら光吸収層３１０ａ、３１０ｂの間に形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、第１光吸収層３１０ａと第２光吸収層３１０ｂの格子差を緩衝するべきである。よって、非伝導性格子緩衝層の形成工程（Ｓ５２０）で非伝導性格子緩衝層３２０を形成する物質の原子間距離は、第１光吸収層３１０ａと第２光吸収層３１０ｂとの原子間距離の中間の大きさを有することが望ましい。また、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）では、非伝導性物質を結晶成長して、非伝導性格子緩衝層３２０を形成することができる。
【００３６】
例えば、第１光吸収層３１０ａでＳｉを使って、第２光吸収層３１０ｂでＧｅを使用する場合、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）で、ＳｒＴｉＯを非伝導性格子緩衝層３２０に使用することができる。ＳｒＴｉＯは、原子間距離がＳｉとＧｅの中間程度の大きさを有するので、第１光吸収層３１０ａとして使われた結晶成長されたＳｉ上にＳｒＴｉＯをエピタキシャル(Epitaxial)成長することができるし、前記の非伝導性格子緩衝層３２０上に第２光吸収層３１０ｂとして使われたＧｅ層を結晶成長させることができる。この過程で、非伝導性格子緩衝層３２０として使われるＳｒＴｉＯ層は、Ｇｅの結晶化過程でＧｅの結晶成長を誘導するシード層(Seed Layer)の役割をする。また、これらの酸化層は、高温で熱的に安定されるので、高温でシリコン（Ｓｉ）の結晶成長時にも光吸収層やその他の不純物の拡散(diffusion)を阻んで、半導体の劣化を防止することができる。
【００３７】
上のような積層構造は、同一の構造を使って多層の構造に適用することができる。すなわち、第２光吸収層１１０ｂ上にまた他の非伝導性格子緩衝層を形成して、また他の第３光吸収層を形成する方法を使って、多層の構造物を形成することができる。
【００３８】
以上で本発明に対する技術思想を添付図面と共に説明したが、これは本発明の望ましい実施例を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者なら誰も本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であることは明白な事実である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
前述したように、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池は、互いに異なるエネルギーバンドと格子定数とを有する光吸収層の間の格子定数差による欠陥を解消するために、ワイドバンドを有する非伝導性格子緩衝層を使用することで、光吸収層の界面での格子欠陥を減らして、電子−正孔の再結合を減らすことができ、したがって、光吸収効率を高めることができる長所がある。
【００４０】
また、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池は、不純物が含まれたＴＣＯ層(Transparent Conductive Oxide)を使わないことで、半導体結晶成長時のＴＣＯ層の不純物の拡散による半導体の劣化が発生しない太陽電池を構成することができる。
【符号の説明】
【００４１】
３１０ａ  第１光吸収層
３１０ｂ  第２光吸収層
３２０  非伝導性格子緩衝層
３０１  光の進行方向
４０１  電子−正孔再結合
Ａ  第１光吸収層のバンドギャップ
Ｂ  第２光吸収層のバンドギャップ
Ｅ  電子
ｈ  正孔
Ｓ５１０  第１光吸収層形成工程
Ｓ５２０  非伝導性格子緩衝層形成工程
Ｓ５３０  第２光吸収層形成工程
【図１】
2010524229.tif 000002
【図２】
2010524229.tif 000003
【図３】
2010524229.tif 000004
【図４】
2010524229.tif 000005
【図５】
2010524229.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月10日(2008.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するものであり、さらに詳細には、光吸収効率が高い積層構造を有する結晶太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層構造を有する太陽電池は、入射光のすべての波長帯に対して光吸収が可能で光吸収効率が高いものとして一般に知られている。このために、積層構造を有する太陽電池は一般に、バンドギャップ(band gap)が大きい太陽電池層が、光が入射する前面に配置されて、バンドギャップが小さな太陽電池層が、光が後に入射する後面に配置される構造を有する。
【０００３】
図１は、従来の積層構造を有する太陽電池を示したものである。
【０００４】
図１に示された従来の積層構造を有する太陽電池１００は、光が入射する方向１０１の前面にバンドギャップＡが大きい第１太陽電池層１１０ａが配置されて、光が入射する方向１０１の後面にバンドギャップＢが小さな第２太陽電池層１１０ｂが配置される。バンドギャップがお互いに異なる太陽電池層１１０ａ、１１０ｂを電気的に連結するために一般的に透明で、伝導性を有するＴＣＯ層(Transparent Conductive Oxide)１２０が太陽電池層１１０ａ、１１０ｂの間に配置される。
【０００５】
太陽電池１００に入射された光は、最初に第１太陽電池層１１０ａで吸収されて、第１太陽電池層１１０ａで吸収されることができずに通過する光は、バンドギャップＢが小さな第２太陽電池層１１０ｂによって吸収される。
【０００６】
図２は、図１に示された太陽電池１００のエネルギーバンドの一例を示したものである。
【０００７】
光の入射によって第１太陽電池層１１０ａ及び第２太陽電池層１１０ｂでそれぞれ発生した電子ｅと正孔ｈはポテンシャル(potential）によって分離して、ＴＣＯ層１２０で第１太陽電池層１１０ａ及び第２太陽電池層１１０ｂで発生した電子ｅと正孔ｈの再結合２０１が発生するようになる。また、両端で分離した電子ｅと正孔ｈによって両端では類似フェルミ準位（Quasi Fermi level)が異なるようになって電圧が発生する。
【０００８】
したがって、図１に示されたもののような積層構造を有する太陽電池１００は、一つの太陽電池層だけで構成された太陽電池に比べて、広い領域で光の吸収が起きるので、光吸収効率が高い長所がある。
【０００９】
図１に示されたような積層構造を有する太陽電池を製造するためにはバンドギャップと格子定数(Lattice Parameter)が異なる太陽電池層の積層が必要である。
【００１０】
しかし、太陽電池層の積層のために格子定数が異なる物質を結晶成長する場合、太陽電池層の界面ではそれぞれの太陽電池層を構成する二つの物質の格子定数差による格子欠陥(Lattice Defect)が発生して、発生した格子欠陥は電子−正孔再結合センター(Recombination Center)と作用して再結合率を高めることで発電効率の減少をもたらすことがある。よって、効率が高い太陽電池を構成するためには格子定数が異なる太陽電池層の間で発生する格子欠陥を除去してくれる格子緩衝層が必要である。
【００１１】
このために従来に使われる格子緩衝層の形成方法は、例えば、バンドギャップＡがおおよそ１．１ｅＶであるシリコン（Ｓｉ）で形成された太陽電池層と、バンドギャップＢがおおよそ０．７ｅＶであるゲルマニウム（Ｇｅ）で形成された太陽電池層でなされた積層構造を有する太陽電池を構成する場合、Ｓｉ／Ｇｅの間に格子定数がゲルマニウム（Ｇｅ）の成分によって変わるＳｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０＜ｘ＜１）を形成する方法がある。すなわち、Ｓｉ／Ｇｅ層の間に格子緩衝層の役割をするＳｉ１−ｘＧｅｘ層のゲルマニウム（Ｇｅ）の割合であるｘの値を０〜１まで変化させることで格子を調節する方法である。しかし、従来のこのような方法は工程が複雑で格子のストレイン(Strain)を除去することができない短所がある。
【００１２】
これに対する代案として、図１に示したように、非晶質の半導体を利用した太陽電池層１１０ａ、１１０ｂを積層し、中間の格子緩衝層としてＴＣＯ層１２０を使用する方法がある。
【００１３】
しかし、ＴＣＯ層１２０は、酸化物とドーピングされた不純物で形成されるので、積層構造を有する結晶太陽電池でＴＣＯ層１２０を使用する場合、高温が必要な結晶成長過程でドーピングされた不純物が結晶の太陽電池層を汚染するようになる。よって、結晶太陽電池では一般的にＴＣＯ層１２０を使用することができないという問題がある。したがって、ＴＣＯ層１２０を使用する方法は、非晶質太陽電池では有用であるが、結晶太陽電池では適用できない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、バンドギャップと格子定数が異なる太陽電池層の界面で発生する格子欠陥を除去して、太陽電池層を電気的に連結することができる非伝導性格子緩衝層を具備して、光吸収効率を高めることができる積層構造を有する結晶太陽電池を提供する。
【００１５】
本発明は、また、非伝導性格子緩衝層の形成を通じて光吸収効率を高めて半導体の劣化を防止して、非伝導性格子緩衝層をシード層(seed layer)として利用して非伝導性格子緩衝層上部に太陽電池層を結晶成長させることができ、シード層を利用して、太陽電池層の結晶成長時、高温による不純物の太陽電池層への流入を阻んで太陽電池層の劣化を防止することができる積層構造を有する結晶太陽電池製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一の形態では、積層構造を有する結晶太陽電池は、結晶の太陽電池層の間に、非伝導性物質で形成された非伝導性格子緩衝層を具備し、前記非伝導性格子緩衝層は、トンネル効果(Tunneling Effect)によって前記太陽電池層を電気的に連結することでなされる。
【００１７】
本発明の他の形態では、積層構造を有する結晶太陽電池製造方法は、結晶の第１太陽電池層を形成する工程、前記第１太陽電池層上に非伝導性物質で非伝導性格子緩衝層を形成する工程、及び前記非伝導性格子緩衝層上に結晶の第２太陽電池層を形成する工程を具備してなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の積層構造を有する太陽電池を示したものである。
【図２】図１に示された太陽電池のエネルギーバンドを示したものである。
【図３】本発明による積層構造を有する結晶太陽電池の一実施例を示したものである。
【図４】図３に示された太陽電池のエネルギーバンドを示したものである。
【図５】本発明による積層構造を有する結晶太陽電池製造方法の一実施例を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では本発明の具体的な実施例を、図面を参照して詳しく説明する。
【００２０】
図３は、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池の一実施例を示したものである。
【００２１】
図３に示された積層構造を有する結晶太陽電池３００は、第１太陽電池層３１０ａ、第２太陽電池層３１０ｂ、及び非伝導性格子緩衝層３２０を具備する。
【００２２】
第１太陽電池層３１０ａは、光の入射方向３０１前面に結晶で形成されて、第２太陽電池層３１０ｂは光の入射方向３０１後面に結晶で形成される。非伝導性格子緩衝層３２０は、非伝導性物質で第１太陽電池層３１０ａと第２太陽電池層３１０ｂとの間に形成される。
【００２３】
前記第１太陽電池層３１０ａは、光が入射される時優先的に光を吸収するようになるので、相対的に大きいバンドギャップＡの広いエネルギーバンドを有して、第２太陽電池層３１０ｂは、第１太陽電池層３１０ａを通過した光を吸収するので、第１太陽電池層３１０ａより相対的に小さなバンドギャップＢの狭いエネルギーバンドを有することが望ましい。
【００２４】
例えば、第１太陽電池層３１０ａは、バンドギャップＡがおおよそ１．１ｅＶであるシリコン（Ｓｉ）で形成されることができるし、第２太陽電池層３１０ｂは、バンドギャップＢがおおよそ０．７ｅＶ〜１．１ｅＶであるシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）で形成されることができる。第２太陽電池層３１０ｂはゲルマニウム（Ｇｅ）が多く含有されていればバンドギャップが小さくなり、ゲルマニウム（Ｇｅ）が少なく含有されていればバンドギャップが大きくなる。ゲルマニウム（Ｇｅ）の含有量は、製造目的によって変わる。
【００２５】
非伝導性格子緩衝層３２０は、第１太陽電池層３１０ａと第２太陽電池層３１０ｂを電気的に連結するが、非伝導性格子緩衝層３２０がおおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の充分に薄い厚さなら、トンネル効果(Tunneling Effect)によって第１太陽電池層３１０ａ及び第２太陽電池層３１０ｂを電気的に連結することができる。
【００２６】
非伝導性物質で形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、酸化膜や窒化膜からなることができるが、酸化膜の例は、二酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ）、シリコン酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、および二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含み、窒化膜の例は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。また、非伝導性格子緩衝層３２０は、結晶構造を有することができる。
【００２７】
図４は、図３に示された太陽電池３００のエネルギーバンドを示したものであり、第１太陽電池層３１０ａとしてシリコン層を使って、第２太陽電池層３１０ｂとしてシリコン−ゲルマニウム層（ＳｉＧｅ）を使って、非伝導性格子緩衝層３２０としてＳｉＮを使った場合のエネルギーバンドを示す。
【００２８】
図４を参照すると、第１太陽電池層３１０ａで発生した電子−正孔対は、ポテンシャル(potential)によって分離されて、電子ｅは、非伝導性格子緩衝層３２０側に、正孔ｈは第１太陽電池層３１０ａの表面側に移動する。また、第２太陽電池層３１０ｂで発生した電子−正孔対のうちで正孔ｈは、非伝導性格子緩衝層３２０側に、電子は第２太陽電池層３１０ｂの表面側に移動するようになる。非伝導性格子緩衝層３２０は、おおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍ程度である場合、太陽電池層３１０ａ、３１０ｂで発生した電子ｅと正孔ｈのうち非伝導性格子緩衝層３２０側に移動した電子ｅ及び正孔ｈは、非伝導性格子緩衝層３２０を間でトンネル効果(Tunneling Effect)によって再結合４０１される。したがって、現象的に前述した従来のＴＣＯ層（図１の１２０）を使った場合と同一な効果を得ることができる。
【００２９】
図５は、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池製造方法の一実施例を示したものである。
【００３０】
図５に示された積層構造を有する結晶太陽電池製造方法５００は、第１太陽電池層形成工程（Ｓ５１０）、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）、及び第２太陽電池層形成工程（Ｓ５３０）を具備してなされる。以下では、説明の便宜のために、図３に記載した図面符号をそのまま利用する。
【００３１】
第１太陽電池層形成工程（Ｓ５１０）では、結晶の第１太陽電池層３１０ａを形成する。
【００３２】
非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）では、例えば、第１太陽電池層３１０ａ上にＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｒＴｉＯ、ＺｒＳｉＯ４、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２などの酸化膜や、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮなどの窒化膜を形成することにより、非伝導性物質で非伝導性格子緩衝層３２０を形成する。この時、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）で形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、トンネル効果(Tunneling Effect)によって前記第１太陽電池層３１０ａ及び前記第２太陽電池層３１０ｂが電気的に連結されるように、第１太陽電池層３１０ａ及び第２太陽電池層３１０ｂより薄く、おおよそ１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成する。
【００３３】
第２太陽電池層形成工程（Ｓ５３０）では、非伝導性格子緩衝層３２０上に結晶の第２太陽電池層３１０ｂを形成する。
【００３４】
第１太陽電池層形成工程（Ｓ５１０）で形成される第１太陽電池層３１０ａ、及び第２太陽電池層形成工程（Ｓ５３０）で形成される第２太陽電池層３１０ｂは、光の入射方向３０１の前面に位置する第１太陽電池層３１０ａが光の入射方向３０１の後面に位置する第２太陽電池層３１０ｂより広いエネルギーバンドを有するように形成することが望ましい。
【００３５】
第１太陽電池層３１０ａと第２太陽電池層３１０ｂは、結晶構造を有して、これら太陽電池層３１０ａ、３１０ｂの間に形成される非伝導性格子緩衝層３２０は、第１太陽電池層３１０ａと第２太陽電池層３１０ｂの格子差を緩衝するべきである。よって、非伝導性格子緩衝層の形成工程（Ｓ５２０）で非伝導性格子緩衝層３２０を形成する物質の原子間距離は、第１太陽電池層３１０ａと第２太陽電池層３１０ｂとの原子間距離の中間の大きさを有することが望ましい。また、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）では、非伝導性物質を結晶成長して、非伝導性格子緩衝層３２０を形成することができる。
【００３６】
例えば、第１太陽電池層３１０ａでＳｉを使って、第２太陽電池層３１０ｂでＧｅを使用する場合、非伝導性格子緩衝層形成工程（Ｓ５２０）で、ＳｒＴｉＯを非伝導性格子緩衝層３２０に使用することができる。ＳｒＴｉＯは、原子間距離がＳｉとＧｅの中間程度の大きさを有するので、第１太陽電池層３１０ａとして使われた結晶成長されたＳｉ上にＳｒＴｉＯをエピタキシャル(Epitaxial)成長することができるし、前記の非伝導性格子緩衝層３２０上に第２太陽電池層３１０ｂとして使われたＧｅ層を結晶成長させることができる。この過程で、非伝導性格子緩衝層３２０として使われるＳｒＴｉＯ層は、Ｇｅの結晶化過程でＧｅの結晶成長を誘導するシード層(Seed Layer)の役割をする。また、これらの酸化層は、高温で熱的に安定されるので、高温でシリコン（Ｓｉ）の結晶成長時にも太陽電池層やその他の不純物の拡散(diffusion)を阻んで、半導体の劣化を防止することができる。
【００３７】
上のような積層構造は、同一の構造を使って多層の構造に適用することができる。すなわち、第２太陽電池層１１０ｂ上にまた他の非伝導性格子緩衝層を形成して、また他の第３太陽電池層を形成する方法を使って、多層の構造物を形成することができる。
【００３８】
以上で本発明に対する技術思想を添付図面と共に説明したが、これは本発明の望ましい実施例を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者なら誰も本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形及び模倣が可能であることは明白な事実である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
前述したように、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池は、互いに異なるエネルギーバンドと格子定数とを有する太陽電池層の間の格子定数差による欠陥を解消するために、ワイドバンドを有する非伝導性格子緩衝層を使用することで、太陽電池層の界面での格子欠陥を減らして、電子−正孔の再結合を減らすことができ、したがって、光吸収効率を高めることができる長所がある。
【００４０】
また、本発明による積層構造を有する結晶太陽電池は、不純物が含まれたＴＣＯ層(Transparent Conductive Oxide)を使わないことで、半導体結晶成長時のＴＣＯ層の不純物の拡散による半導体の劣化が発生しない太陽電池を構成することができる。
【符号の説明】
【００４１】
３１０ａ  第１太陽電池層
３１０ｂ  第２太陽電池層
３２０  非伝導性格子緩衝層
３０１  光の進行方向
４０１  電子−正孔再結合
Ａ  第１太陽電池層のバンドギャップ
Ｂ  第２太陽電池層のバンドギャップ
Ｅ  電子
ｈ  正孔
Ｓ５１０  第１太陽電池層形成工程
Ｓ５２０  非伝導性格子緩衝層形成工程
Ｓ５３０  第２太陽電池層形成工程
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶の太陽電池層の間に設けられた、非伝導性物質で形成された非伝導性格子緩衝層を含む積層構造を有する結晶太陽電池であって、
前記非伝導性格子緩衝層は、トンネル効果によって、前記太陽電池層を互いに電気的に連結することを特徴とする結晶太陽電池。
【請求項２】
前記非伝導性格子緩衝層は、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項３】
前記非伝導性格子緩衝層は、酸化膜または窒化膜で形成されることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項４】
前記非伝導性格子緩衝層は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ）、シリコン酸ジルコニウム（ＺｒＳｉＯ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、および二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）から選択された一つの層で形成されることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項５】
前記非伝導性格子緩衝層は、結晶構造であることを特徴とする請求項１に記載の結晶太陽電池。
【請求項６】
積層構造を有する結晶太陽電池の製造方法であって、
結晶の第１太陽電池層を形成する工程と、
前記第１太陽電池層上に非伝導性物質を用いて非伝導性格子緩衝層を形成する工程と、
前記非伝導性格子緩衝層上に結晶の第２太陽電池層を形成する工程と、を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項７】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さで前記非伝導性格子緩衝層を形成することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、酸化膜または窒化膜で前記非伝導性格子緩衝層を形成してなされることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項９】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、前記非伝導性物質を結晶成長してなされることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記非伝導性格子緩衝層を形成する工程は、前記第１太陽電池層上に、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＳｒＴｉＯ、ＺｒＳｉＯ４、Ｔａ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＺｒＯ２、ＧａＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ及びＨｆＯ２から選択された一つの層を用いて前記非伝導性格子緩衝層を形成することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記選択された一つの層をシード層に用いて、前記第２太陽電池層を結晶成長させることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2010524229.tif 000007