(57)【要約】【課題】  出力効率の高いタンデム型太陽電池を得る。【解決手段】  バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層（１、２）、この半導体層（１、２）間に形成される光透過性絶縁層（１０）、第１の電極（４）、第２の電極（５）、第１、第２の半導体層を電気接続する第３の電極（３）、第１および第３の電極（４、３）の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層（７、６）、第２および第３の電極（５、３）の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層（８、９）を有するタンデム型太陽電池において、第１乃至第４のキャリア分極層を高キャリア濃度層で形成し、第１および第２のキャリア分極層（７、６）の少なくとも一方を光透過性絶縁層（１０）と第１の半導体層（１）との界面に延長し、さらに第３および第４のキャリア分極層（８、９）の少なくとも一方を光透過性絶縁層（１０）と第２の半導体層（２）との界面に延長する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、該第１および第２の半導体層間に形成される光透過性絶縁層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記光透過性絶縁層を貫通し前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１乃至第４のキャリア分極層を高キャリア濃度層で形成し、前記第１および第２のキャリア分極層の少なくとも一方を前記光透過性絶縁層と前記第１の半導体層との界面に延長し、さらに前記第３および第４のキャリア分極層の少なくとも一方を前記光透過性絶縁層と前記第２の半導体層との界面に延長したことを特徴とする、タンデム型太陽電池。
【請求項２】
バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１および第２の半導体層を互いに導電型の異なる材料で形成して両者の界面にｐｎ接合を形成したことを特徴とする、タンデム型太陽電池。
【請求項３】
バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１乃至第４のキャリア分極層を高キャリア濃度層で形成し、前記第１および第２の半導体層の界面においてｐｎ接合が形成されるように前記第１および第２のキャリア分極層の少なくとも一方および前記第３および第４のキャリア分極層の少なくとも一方を前記界面方向に延長したことを特徴とする、タンデム型太陽電池。
【請求項４】
バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１の半導体層中において前記第１の電極の周囲に形成される第１のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２の電極の周囲に形成される第３のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１および第２の半導体層の界面にトンネル効果を生じる程度にキャリア濃度が高い層からなるｐｎ接合を形成したことを特徴とする、タンデム型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層したタンデム構造の太陽電池に関し、特に電極を半導体層内部に埋め込んだ内部電極型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより複数の太陽電池セルを一体構成した、タンデム型太陽電池が開発されている（例えば特許文献１参照）。このタンデム型太陽電池は、広い波長範囲に受光感度を有するように、それぞれの半導体層でバンドギャップを異なるものとする必要があり、そのため各層は異なる材料で形成されることが多い。
【０００３】
一般に、異種材料の単結晶半導体層を積層した場合、その界面に多くの結晶欠陥が発生することが知られている。これは、表面処理されていない半導体表面は結晶構造が分断された状態であり多数の未結合手が存在することによる。この結晶欠陥によって界面近傍にトラップ準位が形成され、半導体層内部でキャリアが生成された場合、この準位に捕獲されて再結合する確率が高くなる。
【０００４】
このような界面でのキャリアの再結合を防止するために、半導体界面に絶縁膜を形成することが提案されている（例えば特許文献２参照）。あるいは、ｐｎ接合にバンドギャップの大きい半導体層、例えばｉ型層を形成し空乏層の広がりを大きくしてセル出力の向上を図ることも提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００５】
したがって、タンデム型太陽電池において、上下のセル間に絶縁層を形成してキャリアの再結合による出力電圧の低下を防止する構造が考えられるが、絶縁膜と半導体とは異種材料であるため、完全に欠陥を無くすことは困難であり、絶縁層と半導体界面で依然としてキャリアの再結合が起こりやすい。
【０００６】
また、上記特許文献１に示した太陽電池は、その上下面上に電極を形成した構造を有し、そのため受光面に設けた電極により入射光が遮られ受光ロスが発生するという欠点を有している。なお、タンデム型ではない単一セルの太陽電池において、電極を素子内部に埋め込んだ構造がすでに本出願人によって提案されている（特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３６８２３８
【特許文献２】特開平５−１７５５２６
【特許文献３】特開平９−３６３９９
【特許文献４】特開２００２−２８０５８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来のタンデム型太陽電池の上記欠点を解決する目的で為されたもので、内部電極構造を有しかつ上下のセルにおける界面再結合の確率を低減することにより、出力の向上を図ったタンデム型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】
上記課題を解決するために、本発明の第１のタンデム型太陽電池は、バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、該第１および第２の半導体層間に形成される光透過性の絶縁層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記絶縁層を貫通し前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１乃至第４のキャリア分極層を高キャリア濃度層で形成し、前記第１および第２のキャリア分極層の少なくとも一方を前記絶縁層と前記第１の半導体層との界面に延長し、さらに前記第３および第４のキャリア分極層の少なくとも一方を前記絶縁層と前記第２の半導体層との界面に延長した構成を有する。
【００１０】
上記構造のタンデム型太陽電池において、第１および第２の半導体層は異なる波長帯に受光感度を有する第１、第２の光吸収層を形成する。第１、第２のキャリア分極層は第１の半導体層中において一方が電子収集層であり他方が正孔収集層を形成する。第３、第４のキャリア分極層は同様に第２の半導体層中において一方が電子収集層であり他方が正孔収集層を形成する。各キャリア分極層が電子収集層あるいは正孔収集層のいずれとして形成されるかは、第１、第２の電極の極性をどのように決定するかに依存して決定される。
【００１１】
上記構造のタンデム型太陽電池では、第１および第２の半導体層間に絶縁層が形成されている。これによって、異種材料である第１、第２の半導体層界面に発生する結晶欠陥数が大幅に減少する。さらに本発明では、絶縁層と第１の半導体層界面に、高キャリア濃度の第１または第２のキャリア分極層の少なくとも一方を延長することにより、その界面近傍に内部電界を発生させる。この内部電界によって電子または正孔の一方が界面付近から排出され、その結果この部分での電子と正孔数のバランスが崩れるので、界面欠陥によるキャリアの再結合の確率が低下し、太陽電池出力が向上する。
【００１２】
さらにこの太陽電池が受光して出力を生じると、第１の半導体層中で延長されたキャリア分極層と第２の半導体層中で延長されたキャリア分極層間で、絶縁層を挟んで電圧差が生じる。これによりＭＯＳ効果が生じ、絶縁層と第１または第２の半導体層界面がキャリア空乏またはキャリア蓄積の状態となり、上記の内部電界の効果に加えてさらに電子と正孔数のバランスを崩す。その結果、さらにキャリアの再結合確率が低下し、太陽電池出力が向上する。
【００１３】
本発明の第２のタンデム型太陽電池は、バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１および第２の半導体層を互いに導電型の異なる材料で形成して両者の界面にｐｎ接合を形成したことを特徴としている。
【００１４】
上記構造のタンデム型太陽電池では、第１、第２の半導体層を互いに導電型の異なる材料で形成することにより、両者の界面にｐｎ接合を積極的に形成している。このｐｎ接合によって界面近傍に空乏層が形成され、内部電界が発生する。この内部電界は、電子または正孔のいずれかを界面近傍から排出する働きをするので、界面近傍で電子と正孔数のバランスが崩れ、キャリアの再結合の確率が低下する。これによって、第１の発明の様に絶縁層を形成することなく、太陽電池出力の向上を図ることができる。
【００１５】
本発明の第３のタンデム型太陽電池は、バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１、第２の半導体層を電気的に接続する第３の電極、前記第１の半導体層中において前記第１および第３の電極の周囲に形成される第１および第２のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２および第３の電極の周囲に形成される第３および第４のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１乃至第４のキャリア分極層を高キャリア濃度層で形成し、前記第１および第２の半導体層の界面においてｐｎ接合が形成されるように前記第１および第２のキャリア分極層の少なくとも一方および前記第３および第４のキャリア分極層の少なくとも一方を前記界面方向に延長したことを特徴とする。
【００１６】
上記構造によれば、高濃度のキャリア分極層によって第１および第２の半導体層界面にｐｎ接合が形成され、さらに界面近傍が高キャリア濃度のキャリア分極層で覆われることになるので、第１の発明および第２の発明の効果を共に得ることができる。その結果、さらに界面近傍でのキャリア再結合を低減でき、太陽電池出力を向上することができる。なおこの第３の発明では、第１および第２の半導体層はｎ型またはｐ型のいずれでもよい。
【００１７】
本発明の第４のタンデム型太陽電池は、バンドギャップの異なる材料で形成された第１、第２の半導体層、前記第１の半導体層中に形成された第１の電極、前記第２の半導体層中に形成された第２の電極、前記第１の半導体層中において前記第１の電極の周囲に形成される第１のキャリア分極層、前記第２の半導体層中において前記第２の電極の周囲に形成される第３のキャリア分極層を有するタンデム型太陽電池において、前記第１および第２の半導体層の界面にトンネル効果を生じる程度にキャリア濃度が高い層からなるｐｎ接合を形成したことを特徴とする。
【００１８】
上記構造によれば、第１の半導体層と第２の半導体層界面にｐｎ接合が形成され、さらに界面近傍が高キャリア濃度のキャリア分極層で覆われることになるので、第３の発明と同様に、第１の発明および第２の発明の効果を共に得ることができる。その結果、界面近傍でのキャリアの再結合が低減され、太陽電池出力が向上する。さらに、このｐｎ接合はトンネル接合をも形成するものであるため、第１および第２の半導体層間の電気的な抵抗が低くなる。したがって、上下の半導体層を結線するための電極が不要となり、この電極を廃止することにより半導体層と電極界面に発生する欠陥を低減できる。これにより、さらに太陽電池出力が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［実施形態１］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるタンデム型太陽電池の概略構造を示す断面図である。図において、１は第１の光吸収層であり、第１の太陽電池セル（上部セル１Ａ）を構成する。第１の光吸収層１（以下、半導体Ａ層という）はｎまたはｐ型の半導体Ａ層で構成される。２は第２の光吸収層であり、第２の太陽電池セル（下部セル２Ａ）を構成する。第２の光吸収層２（以下、半導体Ｂ層という）は半導体Ａ層１とは異なる材料の半導体Ｂ層で構成され、半導体Ａ層１と同様にｎ型あるいはｐ型のいずれでも良い。半導体Ａ層１の上面を受光面とする場合、半導体Ａ層１のバンドギャップが半導体Ｂ層２のバンドギャップより大きくなるように、半導体ＡおよびＢの材料を選択する。
【００２０】
半導体Ａ層１および半導体Ｂ層２は、光透過性の絶縁体層１０によって電気的に分離されている。３は、上下のセル１Ａおよび２Ａを電気的に接続するための結線電極、４は上部セル１Ａのための正電極、５は下部セル２Ａのための負電極を示す。
【００２１】
６は、上部セル１Ａにおいて結線電極４の周囲を覆うように形成された電子収集層であり、半導体Ａを材料とし半導体Ａ層１よりも高キャリア濃度の層（ｎ+）で形成されている。以下、電子収集層６をｎ+型半導体Ａ層という。７は、上部セル１Ａにおいて正電極４の周囲を覆うように形成された正孔収集層であり、半導体Ａを材料とし半導体Ａ層１よりも高キャリア濃度の層（ｐ+）で形成されている。以下、正孔収集層７をｐ+型半導体Ａ層という。
【００２２】
さらに、８は負電極５の周囲を覆うように形成された下部セル２Ａの電子収集層であり、半導体Ｂを材料とし半導体Ｂ層２よりも高キャリア濃度の層（ｎ+）によって形成されている。以下、電子収集層８をｎ+型半導体Ｂ層という。９は結線電極４の周囲を覆うように形成された下部セル２Ａの正孔収集層であり、半導体Ｂを材料し半導体Ｂ層２よりも高キャリア濃度の層（ｐ+）で形成されている。以下、正孔収集層９をｐ+型半導体Ｂ層という。
【００２３】
なお、上記各電子収集層および正孔収集層６〜９は、半導体Ａ層１または半導体Ｂ層２において正負のキャリア（正孔、電子）を分極するためのものであり、キャリア分極層と称される。
【００２４】
上記構造の太陽電池において、上部セル１Ａのｎ+型半導体Ａ層６は、絶縁体層１０上を隣接する正電極４の方向に延びて形成され、ｐ+型半導体Ａ層７と接しない程度に絶縁層１０を覆っている。さらに下部セルのｎ+型半導体Ｂ層８も同様に、絶縁層１０上を隣接する負電極５の方向に延びて形成され、ｐ+型半導体Ｂ層９と接しない程度に絶縁層１０を覆っている。この構成により、上下のセルにおいて、絶縁層１０はその殆どが高キャリア濃度層によって覆われ、半導体Ａ層１または半導体Ｂ層２と分離される。
【００２５】
図２（ａ）は、図１のＸ−Ｘ線上断面図を、図２（ｂ）は、図１のＹ−Ｙ線上断面図を示す。図２（ａ）および（ｂ）において、１１はこの太陽電池の外周を被覆する絶縁層であり、上下セルの界面に設けた絶縁層１０と同様に光透過性であっても良い。なお、図１においてこの層１１は図面を簡略化するために省略されている。
【００２６】
正電極４および負電極５は、図示するように素子の一方の側面まで延長され、そこで本素子の出力電極４ａおよび５ｂを構成する。結線電極３は、上下のセル間を結線するものであるため、素子外部への入出力端子を持たない。この結果、上部セル１Ａおよび下部セル２Ａは、結線電極３で素子内部において直列接続された形となり、電極４ａおよび電極５ａを正負の電極とする２端子タンデム構造の太陽電池が構成される。
【００２７】
以下に、図１および２に示す太陽電池の作用効果を説明する。表面処理を施さない単結晶の半導体表面は結晶構造が分断された状態であり多数の未結合手が存在する。そのため、結晶表面には多くの結晶欠陥が存在し、この欠陥によってキャリアのトラップ準位が形成される。上下のセル１Ａ、２Ａで発生した電子、正孔の一部はこのようなトラップ準位に捕獲されて再結合し、素子の出力を低下させる。
【００２８】
結晶表面の未結合手を低減する方法として、結晶表面上にパッシベーション膜を形成する方法がある。本実施形態にかかる太陽電池では、このために、半導体Ａ層１と半導体Ｂ層２間に絶縁層１０を形成している。この層１０を形成したことによって、上下セル間の界面における結晶欠陥の数が減少し、素子の出力効率も改善される。
【００２９】
しかしながら、絶縁層１０は半導体Ａ層１および半導体Ｂ層２とは異種材料であるため、界面で完全に未結合手を無くすことは困難であり、依然として多くの結晶欠陥が残り、素子の出力効率を低下させる。
【００３０】
本実施形態にかかる太陽電池では、このような結晶欠陥が出力効率に与える影響をできる限り除去するために、ｎ+型半導体Ａ層６およびｎ+型半導体Ｂ層８によって、絶縁層１０と半導体Ａ層１および半導体Ｂ層２間の界面をできるだけ覆った構造を取っている。
【００３１】
絶縁層１０と半導体Ａ層１またはＢ層２間にこのような高キャリア濃度の層が形成されると、界面近傍に内部電界が発生する。この内部電界は電子と正孔のどちらか一方を界面近傍から排出する働きをするため、この部分での電子数と正孔数のバランスが崩れキャリアの再結合が低減される。これによって、太陽電池出力が向上する。これを第１の効果とする。
【００３２】
さらに、この太陽電池において出力が発生した場合、正電極４が最も高電位となり負電極５が最も低電位となる。その結果、ｎ+型半導体Ａ層６とｐ+型半導体Ｂ層８間に電位差が形成され、層６、８間に絶縁層１０を挟んでＭＯＳ構造が形成されることとなる。これによって、ｎ+型半導体Ｂ層８と光透過性絶縁膜１０の界面がキャリア空乏またはキャリア蓄積の状態となり、内部電界が発生する。この内部電界は、どちらか一方のキャリアをセル内部側へと追い返すように作用するので、界面近傍ではさらに電子と正孔数のバランスが崩れる。この結果、界面近傍での結晶欠陥によるキャリアの再結合が低減され、太陽電池出力が向上する。これを第２の効果とする。
【００３３】
したがって、本実施形態の太陽電池では、第１の効果と第２の効果が重畳されて太陽電池出力を向上させている。
【００３４】
以下に、図１および２に示した第１の実施形態にかかる太陽電池の典型的な各部の構成を示す。
【００３５】
半導体Ａ層１：ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（単結晶層、以下同様）、キャリア濃度（以下同様）１×１０16cm-3、厚さ２μｍ
半導体Ｂ層２：ｐ型Ｓｉ層、１×１０15cm-3、厚さ１５０μｍ
上下セルの結線電極３：Ａｌ、膜厚５μｍ
正電極４：Ａｌ、膜厚２μｍ
負電極５：Ａｌ、膜厚２μｍ
ｎ+型半導体Ａ層６：ｎ+型ＡｌＧａＡｓ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ａ層７：ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｎ+型半導体Ｂ層８：ｎ+型Ｓｉ層、１×１０19cm-3、拡散深さ１μｍ
ｐ+型半導体Ｂ層９：ｐ+型Ｓｉ層、１×１０19cm-3、拡散深さ１μｍ
光透過性絶縁層１０：ＳｉＯ２、膜厚１μｍ
なお、図１および２に示す実施形態では、上部セル１Ａのｎ+型半導体Ａ層６と下部セル２Ａのｐ+型半導体Ｂ層９を電極３によって結線した構造であるが、本実施形態はこの構造に限定されるものではない。即ち、上部セル１Ａのｐ+型半導体Ａ層７と下部セル２Ａのｎ+型半導体Ｂ層８とを結線電極によって結線し、上部セル１Ａのｎ+型半導体Ａ層６に負電極を、下部セル２Ａのｐ+型半導体Ｂ層９に正電極を接続することによって、図１および２に示す構造の素子と同じ作用効果を有する太陽電池が構成される。
【００３６】
また、図１および２に示す実施形態では、上部セル１Ａの下面および下部セル２Ａの上面の大部分をともにｎ+層で覆った構造を示しているが、本実施形態はこの構造に限定されるものではなく、ｐ+層で覆った構造、あるいは別々の導電型の層で覆った構造も同様に実現することができる。このような変形の実施形態を図３に示す。
【００３７】
図３（ａ）は、実施形態１の第１の変形構造を示す。この構造は、上部セル１Ｂの下面および下部セル２Ｂ上面を共にｐ+型の高キャリア濃度層で覆ったことを特徴としている。図（ａ）において、７ｂはｐ+型半導体Ａ層、９ｂはｐ+型半導体Ｂ層を示す。図３（ｂ）は、第２の変形構造を示し、上部セル１Ｃの下面をｐ+型半導体Ａ層７ｃで、下部セル２Ｃの上面をｎ+型半導体Ｂ層８ｃで覆ったことを特徴とし、さらに図（ｃ）は上部セル１Ｄの下面をｎ+型半導体Ａ層６ｄおよびｐ+型半導体Ａ層７ｄを組み合わせて覆い、下部セル２Ｄの上面をｐ+型半導体Ｂ層８ｄおよびｐ+型半導体Ｂ層９ｄを組み合わせて覆ったことを特徴とする。これらいずれの構造であっても、図１に示す実施形態１と同様の作用効果により界面におけるキャリアの再結合が低減され、出力効率が向上する。
【００３８】
［実施形態２］
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す。図において、２１はｐ型またはｎ型の半導体Ａ層であり、上部セル２１Ａを形成する。２２は半導体Ａ層２１と反対導電型の半導体Ｂ層であり、下部セル２２Ａを形成する。第１の実施形態にかかる太陽電池と同様に、半導体Ａ層２１のバンドギャップは半導体Ｂ層２２のバンドギャップより大きい。
【００３９】
２３は半導体Ａ層２１と半導体Ｂ層２２間にわたって形成された結線電極、２４は半導体Ａ層２１の底部に設けられた正電極、２５は半導体Ｂ層２２の上部に設けた負電極であって、両者は光透過性絶縁層３０によって電気的に分離されている。２６は半導体Ａ層よりも高キャリア濃度となるｎ+型半導体Ａ層、２７は同様に半導体Ａ層２１よりも高キャリア濃度となるｐ+型半導体Ａ層である。さらに、２８は半導体Ｂ層２２の上部に形成された、半導体Ｂ層よりも高キャリア濃度のｎ+型半導体Ｂ層、２９は同様にｐ+型半導体Ｂ層である。
【００４０】
ｎ+型半導体Ａ層２６およびｐ+型半導体Ｂ層２７は、半導体Ａ層２１において結線電極２３あるいは正電極２４の周囲を覆うように形成され、ｎ+型半導体Ｂ層２８およびｐ+型半導体Ｂ層２９は、半導体Ｂ層２２において結線電極２３あるいは負電極２５の周囲を覆うように設けられている。これらの層２６〜２９は、第１の実施形態にかかる太陽電池と同様に、キャリア分極層として作用する。
【００４１】
上記の構造において、半導体Ａ層２１をｎ型、半導体Ｂ層２２をｐ型とした場合、ｐ+型半導体Ａ層２７と正電極２４が接続され、ｎ+型半導体Ｂ層２８に負電極２５が接続され、ｐ+型半導体Ａ層２７および正電極２４が、ｎ+型半導体Ｂ層２８と負電極２５から光透過性絶縁層３０によって電気的に分離されている。出力は、正、負の電極２４、２５から取り出す。
【００４２】
図４に示す太陽電池の電極構造は、第１の実施形態にかかる太陽電池の電極構造と同じでよく、その構成は図２に示されているのでここでは省略する。
【００４３】
本実施形態の太陽電池では、上部セル２１Ａと下部セル２２Ａ間の界面にｐｎ接合を形成するように、半導体Ａ層２１と半導体Ｂ層２２の材料を選択したことを特徴としている。上部セル２１Ａと下部セル２２Ａ間にｐｎ接合が存在すると、この部分に空乏層が形成され内部電界が発生する。この内部電界は、界面近傍の電子または正孔のいずれか一方を上部セル２１Ａの上部、下部セル２２Ａの下部方向へ排出する働きをするため、界面付近で電子数と正孔数のバランスが崩れる。その結果、異種材料層間の界面付近に結晶欠陥が多く存在しトラップ準位を形成していても、そこでのキャリア再結合の確率が低下し、結果的に出力に与える欠陥の影響が低下する。これによって、半導体Ａ層２１と半導体Ｂ層２２間の界面に絶縁層および高キャリア濃度層を形成しなくても素子の出力が向上する。
【００４４】
以下に、実施形態２にかかる太陽電池の典型的な各部の構成を示す。
【００４５】
半導体Ａ層２１：ｎ型ＧａＡｓ層、１×１０16cm-3、厚さ２μｍ
半導体Ｂ層２２：ｐ型Ｇｅ層、１×１０15cm-3、厚さ１５０μｍ
上下セル結線電極２３：Ａｌ、膜厚５μｍ
正電極２４：Ａｌ、膜厚２μｍ
負電極２５：Ａｌ、膜厚２μｍ
ｎ+型半導体Ａ層２６：ｎ+型ＧａＡｓ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ａ層２７：ｐ+型ＧａＡｓ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｎ+型半導体Ｂ層２８：ｎ+型Ｇｅ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ｂ層２９：ｐ+型Ｇｅ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
光透過性絶縁膜３０：ＳｉＮｘ、膜厚１μｍ
なお、図４に示す実施形態では、結線電極２３によって上部セル２１Ａのｎ+型半導体Ａ層２６と下部セル２２Ａのｐ+型半導体Ｂ層２９を結線しているが、本実施形態はこの構造に限定されるものではなく、上部セル２１Ａのｐ+型半導体Ａ層２７と下部セル２２Ａのｎ+型半導体Ｂ層２８を結線しても良い。この場合は、上部セル２１Ａの半導体Ａ層２１をｐ型、下部セル２２Ａの半導体Ｂ層２２をｎ型とし、ｎ+型半導体Ａ層２６に負電極を、ｐ+型半導体Ｂ層２９に正電極を形成する。さらに、層２６と負電極および層２７と正電極間を電気的に分離するために、その間に光透過性絶縁層３０を形成する。
【００４６】
［実施形態３］
図５は、本発明の実施形態３にかかる太陽電池の構造を示す断面図である。この実施形態では、結線電極３３の上部および下部を被覆するように形成されたｎ+層およびｐ+層をセル間の界面まで延長した構成のｎ+型半導体Ａ層３６およびｐ+型半導体Ｂ層３９によって、図４のｐｎ接合を形成したことを特徴とする。この構成によって、上部セル３１Ａを構成する半導体Ａ層３１と下部セル３２Ａを構成する半導体Ｂ層３２は、実施形態２の場合とは異なって、ｐ型またはｎ型のいずれでも良い。
【００４７】
なお、図５に示す実施形態３の太陽電池において、３４、３５は正負の電極、３７は正電極３４を覆うように形成したｐ+型半導体Ａ層、３８は負電極３５を覆うように形成したｎ+型半導体Ｂ層、４０は正負電極３４、３５を電気的に分離する光透過性絶縁層である。
【００４８】
上記の構造によって、ｎ+型半導体Ａ層３６とｐ+型半導体Ｂ層３９によるｐｎ接合が形成されると共に、セル３１Ａおよび３２Ａ間の界面が高キャリア濃度の半導体層によって覆われて内部電界が発生する。その結果、実施形態１で説明した内部電界による効果と実施形態２で説明したｐｎ接合による効果の両者を取り入れることができ、実施形態１および２よりさらに界面近傍でのキャリアの再結合を低減する事ができる。これにより太陽電池出力がさらに向上する。
【００４９】
以下に、実施形態３にかかる太陽電池の典型的な各部の構成を示す。
【００５０】
半導体Ａ層３１：ｎ型ＩｎＧａＰ層、１×１０16cm-3、厚さ１μｍ
半導体Ｂ層３２：ｐ型ＧａＡｓ層、１×１０16cm-3、厚さ１５０μｍ
結線電極３３：Ａｌ、膜厚５μｍ
正電極３４：Ａｌ、膜厚２μｍ
負電極３５：Ａｌ、膜厚２μｍ
ｎ+型半導体Ａ層３６：ｎ+型ＩｎＧａＰ層、１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ａ層３７：ｐ+型ＩｎＧａＰ層、１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｎ+型半導体Ｂ層３８：ｎ+型ＧａＡｓ層、１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ｂ層３９：ｐ+型ＧａＡｓ層、１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍ
光透過性絶縁層４０：ＳｉＯ２、膜厚１μｍ
なお、図５に示す構造では結線電極３３によって上部セル３１Ａのｎ+層３６と下部セル３２Ａのｐ+層３９を結線しているが、本実施形態ではこの構造に限定されるものではなく、上部セル３１Ａのｐ+層３７と下部セル３２Ａのｎ+層３８を結線した構造でも良い。この場合は、上部セル３１Ａのｎ+層３６に負電極を下部セル３２Ａのｐ+層３９に正電極を形成し、ｎ+層３６と負電極およびｐ+層３９と正電極とが電気的に分離されるようにその間に光透過性絶縁層を形成する。
【００５１】
［実施形態４］
図６は、本発明の第４の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図である。本実施形態の太陽電池は、図５に示した構造の太陽電池において、上下セルの界面のｐｎ接合をより高キャリア濃度の層で形成したことにより、このｐｎ接合をトンネル接合とし、上下の層を結線する電極を省略した構成を特徴とする。
【００５２】
図６において、４６は上部セル４１Ａの下面を覆うように形成したｎ+型半導体Ａ層、４９は下部セル４２Ａの上面を覆うように形成したｐ+型半導体Ｂ層である。これらの層４６、４９のキャリア濃度は図５に示す層３６、３９のキャリア濃度よりもさらに高く設定され、それによってセル４１Ａと４２Ａ間に形成されるｐｎ接合がトンネル効果を有するようにされている。
【００５３】
図６において、４１は上部セル４１Ａを構成するｎ型またはｐ型の半導体Ａ層、４２は下部セル４２Ａを構成するｎ型またはｐ型の半導体Ｂ層、４４は正電極、４５は負電極、さらに４７は上部セル４１Ａにおいて正電極４４を覆うように形成されたｐ+型半導体Ａ層、４８は下部セル４２Ａにおいて負電極４５を覆うように形成されたｎ+型半導体Ｂ層、さらに５０は正負電極４４、４５間およびｐ+型半導体Ａ層４７、ｎ+型半導体Ｂ層４８間を電気的に分離する光透過性絶縁層である。
【００５４】
以上のように、本実施形態の構成は、上下のセル４１Ａ、４２Ａの界面にトンネル接合を形成することにより上下セル間を低抵抗とし、上下の結線電極を不要としたことを特徴としている。本実施形態では、このように結線電極を設ける必要がないので、半導体層と電極との界面に発生する結晶欠陥が減少し、キャリアの再結合の確率をより低下させる。その結果、実施形態３において説明した効果に加えて、上下の結線電極を不要としたことによる欠陥低減の効果により、本構造の太陽電池出力はさらに向上する。
【００５５】
以下に、実施形態４の太陽電池の典型的な各部の構成を示す。
【００５６】
半導体Ａ層４１：ｎ型ＩｎＧａＰ層、１×１０16cm-3、厚さ１μｍ
半導体Ｂ層４２：ｐ型ＧａＡｓ層、１×１０16cm-3、厚さ１５０μｍ
正電極４４：Ａｌ、膜厚２μｍ
負電極４５：Ａｌ、膜厚２μｍ
ｎ+型半導体Ａ層４６：ｎ+型ＩｎＧａＰ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ａ層４７：ｐ+型ＩｎＧａＰ層、２×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｎ+型半導体Ｂ層４８：ｎ+型ＧａＡｓ層、２×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
ｐ+型半導体Ｂ層４９：ｐ+型ＧａＡｓ層、１×１０19cm-3、拡散深さ０．５μｍ
光透過性絶縁層５０：ＳｉＮｘ、厚１μｍ
なお、図６に示す実施形態では、上部セル４１Ａのｎ+層４６と下部セルのｐ+層４９で上下セル間を接続しているが、本実施形態はこれに限定するものではなく、上部セル４１Ａのｐ+層４７と下部セル４２Ａのｎ+層４８を直接対向して形成しこれによって両セル間を接続した構造でも成立する。この場合、上部セル４１Ａのｎ+層４６に負電極を、下部セル４２Ａのｐ+層４９に正電極を形成し、両電極間および層４６、４９間を光透過性絶縁層によって電気的に分離する。
【００５７】
また、図６では、上部セル４１Ａをｎ型、下部セル４２Ａをｐ型としているが、これに限定されるものではなく、上部セル４１Ａをｐ型、下部セル４２Ａをｎ型の半導体を形成しても良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図。
【図２】図１に示す太陽電池の受光面に平行な方向の断面図。
【図３】図１に示す構造の変形例を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかる太陽電池の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１…半導体Ａ層（光吸収層）
２…半導体Ｂ層（光吸収層）
３…結線電極
４…正電極
５…負電極
６…ｎ+型半導体Ａ層
７…ｐ+型半導体Ａ層
８…ｎ+型半導体Ｂ層
９…ｐ+型半導体Ｂ層
１０…光透過性絶縁層
【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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