(57)【要約】【課題】  広範囲の光スペクトルを利用し、高効率で起電力を生ぜしめることができる新規な光起電力素子を提供する。【解決手段】  ｐ型半導体基板１１を準備し、このｐ型半導体基板１１と対向するようにしてｎ型半導体層１２を形成する。次いで、ｐ型半導体基板１１及びｎ型半導体層１２間に平面内に配列されるともに、厚さ方向に積層された複数の島状部１３Ａを有する真性層１３を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体部と、
前記ｐ型半導体部と対向するようにして設けられたｎ型半導体部と、
前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部間に設けられた島状構造の真性層と、
を具えることを特徴とする、光起電力素子。
【請求項２】
前記真性層は、複数の島状部が平面的に配列されるとともに、厚さ方向に積層されてなることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力素子。
【請求項３】
前記複数の島状部は、厚さ方向において、上方の前記島状部が下方の前記島状部の直上に位置するようにして積層されたことを特徴とする、請求項２に記載の光起電力素子。
【請求項４】
前記島状部の高さが５ｎｍ〜５０ｎｍであることを特徴とする、請求項２又は３に記載の光起電力素子。
【請求項５】
前記島状部の幅が５ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項６】
前記複数の島状部は、厚さ方向において、５０層〜３００層に積層されたことを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項７】
前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部の一方は、ｐ型半導体基板又はｎ型半導体基板からなり、前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部の他方は、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項８】
前記真性層における前記複数の島状部と、前記真性層に対し下方に位置する前記ｐ型半導体部又は前記ｎ型半導体部とは、互いに格子不整合系の半導体材料から構成されたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項９】
前記真性層における前記複数の島状部はＧｅからなり、前記真性層に対し下方に位置する前記ｐ型半導体部又は前記ｎ型半導体部はＳｉからなることを特徴とする、請求項８に記載の光起電力素子。
【請求項１０】
前記真性層は、前記複数の島状部を、厚さ方向において各層毎に分断する複数の介在層を有することを特徴とする、請求項２〜９のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項１１】
前記真性層における前記複数の島状部と前記介在層とは、互いに格子不整合系の半導体材料から構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の光起電力素子。
【請求項１２】
前記複数の島状部がＧｅからなり、前記介在層はＳｉからなることを特徴とする、請求項１１に記載の光起電力素子。
【請求項１３】
光吸収波長領域の上限が約１４００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一に記載された光起電力素子を含むことを特徴とする、太陽電池。
【請求項１５】
ｐ型半導体部を形成する工程と、
前記ｐ型半導体部と対向するようにしてｎ型半導体部を形成する工程と、
前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部間に島状構造の真性層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、光起電力素子の製造方法。
【請求項１６】
前記真性層は、複数の島状部を平面的に配列するとともに、厚さ方向に積層することによって形成することを特徴とする、請求項１５に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項１７】
前記複数の島状部は、厚さ方向において、上方の前記島状部が下方の前記島状部の直上に位置するようにして積層することを特徴とする、請求項１６に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項１８】
前記島状部の高さを５ｎｍ〜５０ｎｍにすることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項１９】
前記島状部の幅を５ｎｍ〜２００ｎｍにすることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一に記載の光起電力素子。
【請求項２０】
前記複数の島状部は、厚さ方向において、５０層〜３００層に積層することを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２１】
前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部の一方は、ｐ型半導体基板又はｎ型半導体基板から構成し、前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部の他方は、ｐ型半導体層又はｎ型半導体層から構成することを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか一に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２２】
前記真性層における前記複数の島状部と、前記真性層に対し下方に位置する前記ｐ型半導体部又は前記ｎ型半導体部とは、互いに格子不整合系の半導体材料から構成することを特徴とする、請求項１６〜２１のいずれか一に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２３】
前記真性層における前記複数の島状部はＧｅから構成し、前記真性層に対し下方に位置する前記ｐ型半導体部又は前記ｎ型半導体部はＳｉから構成することを特徴とする、請求項２２に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２４】
前記真性層内において、前記複数の島状部を、厚さ方向において各層毎に分断する複数の介在層を形成することを特徴とする、請求項１６〜２３のいずれか一に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２５】
前記真性層における前記複数の島状部と前記介在層とは、互いに格子不整合系の半導体材料から構成することを特徴とする、請求項２４に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２６】
前記複数の島状部がＧｅから構成し、前記介在層はＳｉから構成することを特徴とする、請求項２５に記載の光起電力素子の製造方法。
【請求項２７】
前記真性層はＭＢＥ法によって形成することを特徴とする、請求項１５〜２６のいずれか一に記載の光起電力素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力素子、太陽電池、及び光起電力素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子井戸を利用したｐｉｎ接合型太陽電池が提案されることによって、太陽電池における変換効率が著しく改善され、従来のタンデム型の太陽電池に取って代わるようになった。量子井戸型の太陽電池においては、井戸の幅及び深さを制御することによって吸収端及びスペクトル特性を改善できることから、短絡電流及び開放端電圧を独立に制御することができる。
【０００３】
しかしながら、このような量子井戸型の太陽電池において、量子井戸で光吸収によって生成した電子正孔対が発電に寄与するためには、電子及び正孔が再結合する以前に、これら電子及び正孔を量子井戸から障壁層へ脱離させ、さらに隣接する量子井戸への捕獲及び脱離を繰り返して電極に到達することが要求される。したがって、このような従来の量子井戸型の太陽電池においても、電子及び正孔の輸送過程では電子及び正孔の再結合が優先となり、吸収された光が有効に発電に寄与しない場合があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、広範囲の光スペクトルを利用し、高効率で起電力を生ぜしめることができる
新規な光起電力素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成すべく、本発明は、
ｐ型半導体部と、
前記ｐ型半導体部と対向するようにして設けられたｎ型半導体部と、
前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部間に設けられた島状構造の真性層と、
を具えることを特徴とする、光起電力素子に関する。
【０００６】
本発明の光起電力素子においては、発電に寄与する真性層が島状構造を呈するため、前記真性層は、その構造に起因して比較的大きな内部電界を有するようになる。したがって、光吸収によって前記真性層内に生じた電子正孔対は、前記内部電界によって分離され、再結合することなく前記真性層内を伝播し、光電流に寄与するようになる。したがって、広範な光スペクトルを利用した高効率の発電を行うことができるようになる。
【０００７】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記真性層を複数の島状部から構成することができる。この場合、前記複数の島状部を平面上及び厚さ方向に積層させることによって、前記島状構造の真性層を簡易に形成することができる。また、前記真性層をこのような複数の島状部から構成するようにすれば、各島状部の大きさや積層数などを適宜に制御するいことによって、前記内部電界の大きさを制御することができ、さらに、光吸収波長領域の上限を増大させて、より広範囲の光スペクトルを利用して高効率の発電を行うこともできるようになる。
【０００８】
この場合、前記真性層内に、その厚さ方向に積層された前記複数の島状部を各層毎に分断するような複数の介在層を設けるようにすると、上記光起電力素子の製造方法に起因して、各層毎の前記島状部は前記介在層を基層（基部）として形成されるようになるので、前記島状部の大きさなどを各層毎に任意に設定できるようになる。したがって、前記複数の島状部の積層状態、すなわち前記真性層の設計自由度を増大させることができ、前記真性層内に生じる内部電界及び光吸収波長域を自在に設定できるようになる。したがって、前記光起電力素子の発電効率の設計自由度を増大させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、広範囲の光スペクトルを利用し、高効率で起電力を生ぜしめることができる
新規な光起電力素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について詳述する。
図１は、本発明の光起電力素子の一例を示す構成図であり、図２は、図１に示す光起電力素子のバンド構造を示す図である。
【００１１】
図１に示す光起電力素子１０は、ｐ型半導体部としてのｐ型Ｓｉ半導体基板１１と、この上方に形成された、ｎ型半導体部としてのｎ型Ｓｉ半導体層１２と、これらの間に設けられた真性層１３とを具えている。真性層１３は、Ｇｅからなる複数の島状部１３Ａが平面上に配列されるとともに、厚さ方向に積層されることにより島状構造を呈する。また、真性層１３内には複数の介在層１３Ｂが形成されており、厚さ方向に積層された島状部１３Ａを各層毎に分断している。
【００１２】
なお、光起電力素子１０を実際に機能させるためには、ｐ型Ｓｉ半導体基板１１の裏面及びｎ型Ｓｉ半導体層１２の上面に電極層を形成するが、本例においては省略している。
【００１３】
上述したように、真性層１３は複数の島状部１３Ａから構成されているので、真性層１３は、その構造に起因して比較的大きな内部電界を有するようになる。したがって、光起電力素子１０の真性層１３内に光照射によって生じた電子正孔対は、前記内部電界によって分離され、再結合することなく真性層１３内を伝播し、ｐ型Ｓｉ半導体基板１１及びｎ型Ｓｉ半導体層１３を介して図示しない電極層に流れ込み、光電流に寄与するようになる。したがって、広範な光スペクトルを利用した高効率の発電を行うことができるようになる。さらに、光吸収波長領域の上限を増大させて、より広範囲の光スペクトルを利用して高効率の発電を行うこともできるようになる。
【００１４】
図１に示す例では、ｐ型Ｓｉ半導体基板１１及びｎ型Ｓｉ半導体層１２との間にＧｅからなる島状部１３Ａを有する真性層１３を設けているので、光吸収波長領域の上限を従来の１２００ｎｍ程度から約１４００ｎｍまで増大させることができる。すなわち、約１４００ｎｍまでの広範な光スペクトルを利用して高効率の発電を行うことができる。
【００１５】
また、真性層１３の厚さ方向において、複数の島状部１３Ａは各層毎に介在層１３Ｂによって分断された構造を呈しているが、これによって複数の島状部１３Ａを真性層１３の厚さ方向において、介在層１３を基層（基部）として各層毎に形成することができるようになるので、各層に位置する島状部の大きさなどを下層に位置する島状部の状態などに依存することなく、任意に設定することができるようになる。したがって、複数の島状部１３Ａの積層状態を任意に制御することができ、真性層１３の設計の自由度を増大させることができる。この結果、真性層１３内に生じる内部電界の大きさや光吸収波長域を自在に変化させることができ、発電効率を自在に制御できるようになる。
【００１６】
以下に示す光起電力素子１０の製造方法に起因して、島状部１３ＡがＧｅから構成される場合、介在層１３ＢはＳｉから構成することが好ましい。
【００１７】
島状部１３Ａの高さは特に限定されるものではないが、５ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。また、島状部１３Ａの幅も特に限定されるものではないが、５ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。これによって、真性層１３内に十分大きな内部電界を生ぜしめることができ、光吸収によって生じた電子正孔対の分離を増大せしめ、発電効率を増大させることができるようになる。
【００１８】
さらに、島状部１３Ａの積層数は５０層から３００層であることが好ましい。これによって、量子効率が増大して光吸収波長領域の長波長側の光スペクトルでも真性層１３内に電子正孔対を生成できるようになり、光吸収波長領域の上限を従来の約１２００ｎｍよりも十分に大きく、例えば約１４００ｎｍまで大きくすることができ、十分に高い発電効率を呈するようになる。
【００１９】
なお、図１では、上方に位置する島状部は下方に位置する島状部の直上に形成されているが、この状態は以下に示す光起電力素子の製造方法などに起因して、島状部１３Ａさらには真性層１３の全体がエネルギー的に安定となるため、得られる光起電力素子１０の安定性及び長期信頼性などが増大する。
【００２０】
次に図１に示す光起電力素子の製造方法について説明する。
最初に、ｐ型Ｓｉ半導体基板１１を準備し、硫酸及び過酸化水素水溶液で表面をクリーニングした後、脱イオン水などでリンスし、弗酸溶液中に浸漬することにより、終端を水素化する。次いで、基板１１をＭＢＥ装置内に設置し、内部を約１×１０−１０Ｔｏｒｒまで排気するとともに、７００℃に加熱する。
【００２１】
次いで、基板１１上に必要に応じてＳｉバッファ層を形成した後、ＧｅＨ４の分子線を照射して、第１層目の島状部１３Ａを形成する。なお、島状部１３Ａは、基板１１を構成する材料（Ｓｉ）と島状部１３Ａを構成する材料（Ｇｅ）とが、互いに格子不整合系の半導体材料であって、基板１１上にＧｅＨ４の分子線を照射してＧｅ層を形成する際の、前記Ｇｅ層の表面エネルギーの増大と歪エネルギーの減少とがバランスすることによって形成される。但し、前記バランスを実現するため、数原子層の厚さのＧｅ層が形成するように前記分子線を照射する。
【００２２】
次いで、第１層目の島状部１３Ａ上に、Ｓｉ２Ｈ６の分子線を照射してＳｉからなる介在層１３Ｂを形成する。次いで、この介在層１３Ｂ上にＧｅＨ４分子線を再度照射して、第２層目の島状部１３Ａを形成する。このような操作を繰り返すことによって、島状部１３Ａと介在層１３Ｂとが交互に積層された真性層１３を得る。なお、このようなＭＢＥ法を用いて真性層１３を形成することにより、エネルギー的なバランスから、上方に位置する島状部１３Ａは下方に位置する島状部１３Ａの直上に形成されるようになる。
【００２３】
次いで、最上に位置する島状部１３Ａ上にＳｉ２Ｈ６分子線を照射してＳｉ半導体層を形成し、次いでｎ型不純物を拡散注入することにより、ｎ型Ｓｉ半導体層１２を形成する。その後は、図示しない電極層をｐ型Ｓｉ半導体基板１１の裏面及びｎ型半導体層１２の上面に形成して、光起電力素子１０を得る。
【００２４】
なお、上述した製造方法の例では、ＭＢＥ法を用いて真性層１３及びｎ型半導体層１２を形成したが、その他の方法を用いて形成することもできる。しかしながら、真性層１３を構成する島状部は極めて微細であって、その制御が制御が困難であるので、原子レベルでの制御が容易な上記ＭＢＥ法を用いることが好ましい。
【００２５】
また、真性層１３などを形成するに際しては、上述した好ましい要件を満足するようにして形成する。
【実施例】
【００２６】
ｐ型Ｓｉ（１００）半導体基板を準備し、上述した製造方法に従って図１に示すような光起電力素子を得た。但し、Ｇｅからなる島状部１３Ａの高さを約１０ｎｍとし、幅を約１００ｎｍとした。島状部１３Ａの積層数は５０、１００及び１５０とした。また、Ｓｉからなる介在層１３Ｂの厚さは３９ｎｍとし、ｎ型Ｓｉ半導体層１２の厚さは６００ｎｍとした。
【００２７】
図３は、各光起電力素子の赤外域での量子効率を示すグラフである。図３から明らかなように、島状部１３Ａの積層数の増大に伴って赤外域での量子効率が増大し、さらに従来のＳｉ系の光起電力素子と比較して、光吸収周波数域の上限が約１２００ｎｍから約１４００ｎｍまで増大していることが分かる。したがって、本例で得た光起電力素子は従来の光起電力素子と比較して十分に高い発電効率を呈することが分かる。
【００２８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００２９】
例えば、図１に示す例では、ｐ型Ｓｉ半導体基板１１からｐ型半導体部を構成し、ｎ型Ｓｉ半導体層１２からｎ型半導体部を構成するようにしているが、ｎ型Ｓｉ半導体基板からｎ型半導体部を構成し、ｐ型Ｓｉ半導体層からｐ型半導体部を構成するようにすることもできる。さらに、ｐ型半導体部をｐ型Ｓｉ半導体基板１１から構成する代わりに、所定の基板上に形成したｐ型Ｓｉ半導体層から構成することもできる。
【００３０】
また、図１に示す例では、格子不整合系の半導体材料としてＳｉ及びＧｅを選択しているが、その他の材料、例えばＩｎＡｓ及びＧａＡｓを選択することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、高効率のｐｉｎ接合型太陽電池などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の光起電力素子の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す光起電力素子のバンド構造を示す図である。
【図３】本発明の光起電力素子の赤外域での量子効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０  光起電力素子
１１  ｐ型Ｓｉ半導体基板
１２  ｎ型Ｓｉ半導体層
１３  真性層
１３Ａ  島状部
１３Ｂ  介在層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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