(57)【要約】【課題】ホットキャリア型太陽電池において弱励起時における発電効率を向上させる。【解決手段】光吸収半導体層（１１０）と、電極（１６０）と、前記光吸収半導体層と前記電極との間に形成されたエネルギー選択性コンタクト層（１２０）とを具備し、前記エネルギー選択性コンタクト層は、第１障壁層（１２１）と、前記第１障壁層よりも前記電極側に形成された、前記第１障壁層よりも薄い第２障壁層（１２３）と、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に形成され、前記光吸収半導体層において励起された所定のエネルギー準位を有するキャリアを前記第１障壁層側から前記第２障壁層側へ選択的に通過させるキャリア通過層（１２２）とを更に具備する。【選択図】図３
2012033572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収半導体層と、
電極と、
前記光吸収半導体層と前記電極との間に形成されたエネルギー選択性コンタクト層と
を具備し、
前記エネルギー選択性コンタクト層は、
第１障壁層と、
前記第１障壁層よりも前記電極側に形成された、前記第１障壁層よりも薄い第２障壁層と、
前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に形成され、前記光吸収半導体層において励起された所定のエネルギーレベルを有するキャリアを前記第１障壁層側から前記第２障壁層側へ選択的に通過させるキャリア通過層と
を更に具備する
ことを特徴とするホットキャリア型太陽電池。
【請求項２】
前記エネルギー選択性コンタクト層は、弱励起時において前記電極のフェルミレベルと前記光吸収半導体層のフェルミレベルとが均一化されるように形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のホットキャリア型太陽電池。
【請求項３】
前記キャリア通過層は量子構造を備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のホットキャリア型太陽電池。
【請求項４】
前記第１障壁層は、前記第２障壁層の２倍以上の厚さを有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のホットキャリア型太陽電池。
【請求項５】
前記第１障壁層は、前記第２障壁層の３倍以上の厚さを有する
ことを特徴とする請求項４に記載のホットキャリア型太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホットキャリア型太陽電池の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホットキャリア型太陽電池については、例えば特許文献１に開示されている。ホットキャリア型太陽電池は、半導体からなる光吸収層内において光励起により生成されたキャリアを、フォノン散乱によりそのエネルギーが散逸される前に光吸収層から取り出すことによって、高い電力変換効率を実現する太陽電池である。
【０００３】
また、非特許文献１には、ホットキャリア型太陽電池について、その動作原理が開示されている。更に、非特許文献２には、ホットキャリア型太陽電池についての数学的な解析手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０５９９１５号公報
【非特許文献１】R.T.Ross and A.J.Nozik, Journal Of Applied Physics 53, 1982
【非特許文献２】Takeda et al, Journal Of Applied Physics 105 074905, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ホットキャリア型太陽電池では、光吸収層において光励起により生成されたキャリアのうち、エネルギー選択性コンタクト層のエネルギー選択レベルに相当する特定のエネルギーレベルを有するキャリアのみが電極側に透過する。然るに、例えば夜間や明け方等、十分な量のホットキャリアが生成され難い動作領域としての、或いはホットキャリアを生成する準備段階としての弱励起状態においては、キャリアの全体的なエネルギーレベルが低くなり、ホットキャリアに対応するエネルギー選択レベルとのギャップが拡大する。従って、キャリアを光吸収半導体層から効率良く取り出すことが難しくなる。即ち、特許文献１に開示されるものを含む旧来のホットキャリア型太陽電池は、弱励起時において電力の取り出し効率を十分に確保できないという技術的問題点がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、弱励起時における電力の取り出し効率を改善し得るホットキャリア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】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明に係るホットキャリア型太陽電池は、光吸収半導体層と、電極と、前記光吸収半導体層と前記電極との間に形成されたエネルギー選択性コンタクト層とを具備し、前記エネルギー選択性コンタクト層は、第１障壁層と、前記第１障壁層よりも前記電極側に形成された、積層方向の厚さが前記第１障壁層よりも薄い第２障壁層と、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に形成され、前記光吸収半導体層において励起された所定のエネルギーレベルを有するキャリアを前記第１障壁層側から前記第２障壁層側へ選択的に通過させるキャリア通過層とを更に具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るホットキャリア型太陽電池は、光吸収半導体層及び電極と相互いに積層関係にあるエネルギー選択性コンタクト層が、キャリア通過層と、当該キャリア通過層を挟む、光吸収半導体層側の第１障壁層及び電極側の第２障壁層とを備えている。
【０００９】
尚、キャリアを電子及び正孔とすれば、エネルギー選択性コンタクト層は、電子側と正孔側とに形成されていてもよいが、電子側のみ或いは正孔側のみに形成されていてもよい。また、電極と第２障壁層とは必ずしも隣接する必要はなく、これらの間に、所謂電極半導体層が形成されていてもよい。
【００１０】
キャリア通過層とは、光吸収半導体層において生成されたキャリアのうち、エネルギー選択性コンタクト層のエネルギー選択レベル（通過が許可される特定のエネルギーレベルを意味する）を有する一部のキャリアを、第１障壁層から第２障壁層へと通過させる層である。
【００１１】
キャリア通過層は、例えば、量子井戸、量子細線又は量子ドット等、所謂キャリア閉じ込め効果（量子効果）を発現する各種量子構造であってもよいし、トンネル現象によって不純物や欠陥等がない領域をキャリアが通過するように不純物のドーピング領域や欠陥の形成領域が局在化された半導体層等の実践的態様を採り得る。
【００１２】
この種のホットキャリア型太陽電池は、エネルギー選択性コンタクト層に係るエネルギー選択レベルが、通常、ホットキャリアに応じた比較的高いエネルギーレベルにある。従って、弱励起時（キャリアとしてホットキャリアが支配的なホットキャリア動作領域を強励起時とする相対的状態であって、端的な一例としては、ホットキャリア型太陽電池がＰＮ接合型太陽電池と同等の動作をするＰＮ接合動作領域に相当する）において、エネルギー選択レベルと光吸収半導体層におけるキャリアの全体的なエネルギーレベル（キャリア分布に依存する）とのギャップが大きくなり、光吸収半導体層からのキャリアの取り出し効率が不十分となり易い。
【００１３】
その点、本発明に係るホットキャリア型太陽電池は、第２障壁層を第１障壁層よりも薄く形成することによって、係る問題に対する好適な解を得ている。
【００１４】
尚、「薄い」とは、光吸収半導体層、エネルギー選択性コンタクト層及び電極等が夫々積層する方向としての積層方向の長さ（即ち、厚さ）が短いことを意味する。但し、厳密には、各障壁層の厚さは、障壁層の積層面において必ずしも一定でない。従って、第２障壁層が第１障壁層よりも薄いか否かを規定する厚さの基準は、各々における厚さの平均値であってもよいし、典型値であってもよい。或いは、実測を伴わずとも、第２障壁層が第１障壁層よりも薄くなることが明白である形成方法によりエネルギー選択性コンタクト層を形成する場合には、係る形成方法が採用されたことをもって第２障壁層が第１障壁層よりも薄いものと扱ってよい。
【００１５】
ホットキャリア型太陽電池は、弱励起時において、光吸収半導体層側のフェルミレベル（先述したキャリアの全体的なエネルギーレベル或いはキャリア分布と相関する）と電極側のフェルミレベルとのギャップが縮小する。一方、第２障壁層を第１障壁層よりも薄く形成すると、両者の厚さの比に応じて、エネルギー選択性コンタクト層におけるエネルギー選択レベルが変化する。
【００１６】
ここで、光吸収半導体層側のフェルミレベルと電極側のフェルミレベルとのギャップが縮小している（好適には、両者が一致或いは略一致している）場合、第２障壁層と第１障壁層との厚さの比に応じて（より具体的には、第１障壁層が厚い程）、当該エネルギー選択レベルは低エネルギー側にシフトする。
【００１７】
従って、光吸収半導体層に存在するキャリアの全体的なエネルギーレベルとエネルギー選択性コンタクト層のエネルギー選択レベルとのギャップが縮小し、弱励起時における光吸収半導体層からのキャリアの取り出し効率が改善されるのである。
【００１８】
ところで、第２障壁層は薄い方が望ましいが、実践的運用面においては、第２障壁層が薄過ぎると、キャリアが自由にトンネル現象を起こして量子構造への閉じ込め効果（離散化した量子準位を生成する効果であり、キャリア通過層が量子構造である場合に限定される効果である）が消失する懸念がある。一方で、第１障壁層は厚い方が望ましいが、同じく実践的運用面においては、第１障壁層が厚過ぎると、キャリアがキャリア通過層へ透過するトンネル現象自体が生じ難くなり、エネルギー選択性コンタクト層が本来の機能を失う懸念がある。即ち、第１及び第２障壁層共に、その厚さには実践上の制約がある。また、ホットキャリア型太陽電池の要求仕様や要求コストもまた一種の制約となる。これらの点に鑑みれば、第１及び第２障壁層の厳密な厚さは、現実的には、実験的に、経験的に、理論的に又はシミュレーション等に基づいて、これら各種の制約を考慮して適宜決定されるべきものであることは言うまでもない。
【００１９】
本発明に係るホットキャリア型太陽電池の一の態様では、前記エネルギー選択性コンタクト層は、弱励起時において前記電極のフェルミレベルと前記光吸収半導体層のフェルミレベルとが均一化されるように形成される。
【００２０】
この態様によれば、弱励起時において、電極のフェルミレベルと光吸収半導体層のフェルミレベルとが均一化され得る。尚、「均一化」とは、必ずしも完全に一致している状態のみを表すものでなく、一致しているとみなし得る或いは一致していると扱って問題がない程度に両者が近しいことを包括する概念である。
【００２１】
両フェルミレベルが均一化されることにより、第１障壁層と第２障壁層との厚さの比がエネルギー選択レベルと光吸収半導体層におけるキャリアの全体的なエネルギーレベルとのギャップの縮小に顕著に作用し、キャリアの取り出し効率を顕著に改善することができる。
【００２２】
本発明に係るホットキャリア型太陽電池の他の態様では、前記キャリア通過層は量子構造を備える。
【００２３】
例えば、量子井戸、量子細線、量子ドット等の各種量子構造を備える場合、量子構造中の量子準位の位置（即ち、量子構造の底からエネルギー選択レベルまでギャップの大きさ）が第１及び第２障壁層の厚さに関係なく一律であることを利用して、光吸収半導体層のフェルミレベルとエネルギー選択レベルとの関係を所望のものに制御することが可能となる。
【００２４】
本発明に係るホットキャリア型太陽電池の他の態様では、前記第１障壁層に係る前記厚さは、前記第２障壁層に係る前記厚さの２倍以上である。
【００２５】
この態様によれば、第１障壁層の厚さが第２障壁層の厚さの２倍以上とされる。出願人の研究によれば、第１障壁層の厚さが第２障壁層の厚さの２倍以上確保される場合、光吸収半導体層から弱励起時にキャリアを十分に取り出し可能なレベルまで、エネルギー選択性コンタクトに係るエネルギー選択レベルを低下させることができる。
【００２６】
尚、この態様では、前記第１障壁層に係る前記厚さは、前記第２障壁層に係る前記厚さの３倍以上であってもよい。
【００２７】
出願人の研究によれば、第１障壁層の厚さが第２障壁層の厚さの３倍以上あれば、光吸収半導体層における弱励起時のキャリアのエネルギーレベルと、エネルギー選択レベルとを極めて良好に近付けることができ、弱励起時における電力の取り出し効率が極めて良好に確保される。
【００２８】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽電池の構成を概念的に表してなる斜視図である。
【図２】図１の太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的な拡大平面図である。
【図３】図１の太陽電池のＩＶ特性を表す図である。
【図４】図１の太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的なバンド図である。
【図５】比較例に係る太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的なバンド図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的な拡大平面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的な拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の好適な各種実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照し、本発明の第１実施形態に係る太陽電池１００の構成について説明する。ここに、図１は、太陽電池１００の構成を概念的に表してなる斜視図である。
【００３１】
図１において、太陽電池１００は、比較的狭いバンドギャップを有する光吸収半導体層１１０を有し、この光吸収半導体層１１０を、特定のエネルギーを持つキャリア（ここでは、電子と正孔）のみを通過させる電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０及び正孔側エネルギー選択性コンタクト層１３０で挟み込んだ構成を有する、本発明に係る「ホットキャリア型太陽電池」の一例である。
【００３２】
電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０は、電子側電極半導体層１４０を介して表面電極１６０に接続された、本発明に係る「エネルギー選択性コンタクト層」の一例である。また、正孔側エネルギー選択性コンタクト層１３０は、正孔側電極半導体層１５０を介して裏面電極１７０に接続された、本発明に係る「エネルギー選択性コンタクト層」の他の一例である。
【００３３】
各電極半導体層は、エネルギー選択性コンタクトと電極との電気的接続を円滑に行うための半導体層である。尚、太陽電池１００においては、電子側及と正孔側とにエネルギー選択性コンタクト層が形成されるが、エネルギー選択性コンタクト層は、電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０のみであってもよい。
【００３４】
続いて、図２を参照し、太陽電池１００のより詳細な構造について説明する。ここに、図２は、太陽電池１００における電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０近傍の模式的な拡大平面図である。尚、同図において、図１と重複する箇所には、同一の符合を付してその説明を適宜省略することとする。
【００３５】
尚、エネルギー選択性コンタクト層１２０と正孔側エネルギー選択性コンタクト層１３０とは、対象とするキャリアが異なるのみで基本的な構成は同等である。従って、これ以降の説明においては、特に断りのない限り、電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０についてのみ説明することとする。
【００３６】
図２において、電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０は、光吸収半導体層１１０から電子側電極半導体層１４０へ向かって、第１障壁層１２１、半導体量子構造１２２及び第２障壁層１２３が順次積層された構成を有する。
【００３７】
第１障壁層１２１は、積層方向に厚さＤ１を有する、比較的高いバンドギャップを有する半導体層であり、本発明に係る「第１障壁層」の一例である。
【００３８】
第２障壁層１２３は、積層方向に厚さＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）を有する、第１障壁層１２１と同様の半導体層であり、本発明に係る「第２障壁層」の一例である。尚、第１障壁層１２１及び第２障壁層１２３は、共に半導体で構成されるが、絶縁体であってもよい。
【００３９】
半導体量子構造１２２は、公知のキャリア閉じ込め効果（量子効果）を有する比較的低いバンドギャップを有する半導体であり、本発明に係る「量子構造」の一例である。本実施形態において、半導体量子構造１２２は、厚さ数〜数十ｎｍ程度の極薄い層であり、所謂量子井戸の一例である。
【００４０】
ここで、ホットキャリア型太陽電池の基本的な動作について簡単に説明する。ホットキャリア型太陽電池では、ＰＮ接合を利用したＰＮ接合型太陽電池と異なり、光を吸収して生成された直後のキャリアが有する半導体のバンドギャップ相当値を超える余剰なエネルギーが比較的長時間保持される。また、これらは相互いに衝突して数千〜数百Ｋの高温状態に保たれる。
【００４１】
電子側エネルギー選択性コンタクト１２０及び正孔側エネルギー選択性コンタクト１３０は、これらキャリアのうち、半導体量子構造１２２のキャリア閉じ込め効果によって離散化された特定のエネルギー（即ち、エネルギー選択レベル）を有するキャリアのみを選択的に透過させる。
【００４２】
その結果、各キャリアは、電子側電極半導体層１４０及び正孔側電極半導体層１５０に導かれる。各電極半導体層は、そのフェルミ準位が上記エネルギー選択レベルに近い位置になるように設計されており、各電極半導体層に取り出されたキャリアは、殆ど余剰エネルギーを有することなく各電極に導かれ、出力電流となる。
【００４３】
尚、ホットキャリア型太陽電池の原理及び構成については、例えば上記非特許文献１に記載がある。従って、本明細書中では、説明の煩雑化を防ぐ目的から、これ以上の詳細な説明は省略することとする。
＜実施形態の動作＞
次に、本実施形態の動作について説明する。
【００４４】
＜太陽電池１００の動作の数学的解析＞
始めに、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００の動作を数学的に解析する。尚、この解析に関する記述は、上記非特許文献２に開示されており、説明の煩雑化を防ぐ目的から、ここでは、その詳細については触れないこととする。また、非特許文献２の記述を基礎とする関係上、一部上記本実施形態に係る記号と一致しないことを断っておく。
【００４５】
先ず、太陽電池１００の出力電流Ｊｅｘｔを下記（１）式により規定する。
【００４６】
【数１】
2012033572.tif 000003
また、上記（１）式においてＪａｂｓ（ε）は、下記（２）式により規定される。尚、（２）式におけるΩａｂｓは、太陽光の立体角であり、下記（３）式により規定される。
【００４７】
【数２】
2012033572.tif 000004
【００４８】
【数３】
2012033572.tif 000005
キャリアの再結合による損失Ｊｅｍは、最良の場合として下記（４）式、（５）式及び（６）式に規定されるモデルが採用される。
【００４９】
【数４】
2012033572.tif 000006
【００５０】
【数５】
2012033572.tif 000007
【００５１】
【数６】
2012033572.tif 000008
キャリアの熱エネルギーの収支は、下記（７）式、（８）式及び（９）式により与えられる。尚、下記式において、Ｅｅとは、先に述べた特定のエネルギーを有するキャリアを選択的に取り出すエネルギー選択性コンタクトのエネルギー選択レベルである。また、Ｕａｂｓは太陽から供給されるエネルギーであり、Ｕｅｍはキャリアの再結合によって失われるエネルギーであり、Ｕｔｈはキャリアが徐々に熱を放出してエネルギーを失うレートを意味する。
【００５２】
【数７】
2012033572.tif 000009
【００５３】
【数８】
2012033572.tif 000010
【００５４】
【数９】
2012033572.tif 000011
上記（１）式乃至（９）式は、上記非特許文献２に記載された（１）式乃至（９）式と同等であるが、キャリアが徐々に熱を放出してエネルギーを失う際のレートであるＵｔｈについては、改良の余地がある。上記非特許文献２のモデルでは、当該レートは、キャリアが電流として取り出されるまでの間滞在する時間で決まるとされる。然るにそのように考えると、エネルギー選択性コンタクトからのキャリアの取り出しがキャリアのエネルギー分布に影響を与え、更にそれがキャリアからの熱エネルギー放出に影響するといった現象が正しく記述されないことになる。また、キャリア温度Ｔｅ及びＴｈを決定することが出来ないという数学的問題点もある。
【００５５】
そこで、出願人は、キャリアの熱エネルギー放出について、今回新たに、下記（１０）式により規定される、キャリアの温度によって決まるモデルを構築した。
【００５６】
【数１０】
2012033572.tif 000012
一方、出力エネルギーＰｅと出力電圧Ｖｅとの関係は、下記（１１）式により規定される。尚、下記（１１）式は、上記非特許文献２における（１３）式と同等である。
【００５７】
【数１１】
2012033572.tif 000013
キャリアの分布関数は、適当なモデルとして、下記（１２）式を採用する。尚、下記（１２）式は、上記非特許文献２における（１６）式と同等である。
【００５８】
【数１２】
2012033572.tif 000014
また、キャリア密度ｎｃは、キャリアの滞在時間τｒｅから、下記（１３）式の如くに規定される。尚、ｄは光吸収半導体層１１０の厚さである。尚、下記（１３）式は、上記非特許文献２における（１７）式と同等である。
【００５９】
【数１３】
2012033572.tif 000015
ここで、上記（１０）式以外は、非特許文献２に記述されるモデルの流用であるが、（１０）式が出願人によって新たに提案された新規なモデルであるから、その解法は、非特許文献２によって表されるところではない。
【００６０】
そこで、出願人は、先ず、キャリア密度ｎｃの値を予め与え、上記（７）式及び（１０）式からキャリア温度Ｔｅを求めることとした。この際、電子のキャリア温度Ｔｅと正孔のキャリア温度Ｔｈを同じとし、電子の有効質量ｍｅと正孔の有効質量ｍｈとを、夫々真空中の電子の０，４倍で等しいものとした。
【００６１】
続いて、上記（１２）式の右辺にキャリア温度Ｔｅの値を代入し、ｎｃの値が予め与えた値と一致するようにμｅの値を探索した。その結果、出願人は、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００のＩＶ特性が、図３に例示するが如く、従来のＰＮ接合型太陽電池と大きく異なることを見出した。
【００６２】
ここで、図３を参照し、太陽電池１００のＩＶ特性について説明する。ここに、図３は、太陽電池１００のＩＶ特性を例示する図である。
【００６３】
図３において、縦軸には太陽電池１００の出力電流Ｉｏが、横軸には太陽電池１００の出力電圧Ｖｏが夫々表され、ＩＶ特性は、図示実線として表される。
【００６４】
図３から明らかなように、ホットキャリア型太陽電池たる太陽電池１００は、そのＩＶ特性に、スパイク状のピークを有する。より具体的には、低負荷側の出力点Ａ（尚、縦軸が電流であるから、原点と太陽電池１００の出力点（図中○参照）とを結ぶ線分の傾きは、負荷ＲＬの逆数である。従って、傾きが増加する程低負荷側であることを意味する）から負荷ＲＬを増加させた場合に、出力点Ｂを境に出力電圧Ｖｏが急激に落ち込む。出力電圧Ｖｏは、出力点Ｃに至るまで落ち込み、再び増加に転じて高負荷側の出力点Ｄに到達する。
【００６５】
図３から明らかなように、太陽電池１００の最大出力点は、出力点Ｂである。尚、図示Ｉｓｃは短絡電流であり、Ｖｏｃは開放電圧である。
【００６６】
ここで、出願人は、長年の研究に基づいて、この現象を以下の如く説明する。
【００６７】
即ち、出力点Ａから出力点Ｂまでの負荷領域においては、キャリアがエネルギー選択性コンタクト層を介して素早く抜き出され、キャリアの滞在時間が相対的に短い。このため、キャリア温度は比較的高温状態に保たれている。この状態では、電極半導体層１４０のフェルミレベルＥｆｎ及び電極半導体層１５０のフェルミレベルＥｆｐと、光吸収半導体層１１０の電子側フェルミレベルＥｆｅ及び正孔側フェルミレベルＥｆｈとは、そのキャリア温度の差によって夫々違ったレベルにある。
【００６８】
そして、光吸収半導体層１１０における電子と正孔のフェルミレベルの位置関係が、キャリア密度に対し、上記（１２）式に従って変化する（キャリア密度が高い程、Ｅｆｅが高く且つＥｆｈが低くなる）ため、出力電圧Ｖｏが増加する。
【００６９】
ところが、キャリアの滞在時間が上記（１３）式に従って増加すると、キャリア温度が低下する。その結果、出力点Ｂを超えてキャリア密度が増加すると、キャリア温度が低いことの影響が上記（１１）式に従って顕在化し、出力電圧Ｖｏが低下する。その結果、出力電圧Ｖｏは、出力点Ｃに相当する値まで低下する。
【００７０】
一方、キャリア温度は、周囲温度であるＴＲＴよりも低下することはないから、出力電圧Ｖｏは自ずと下げ止まり、上述した電子と正孔とのフェルミレベルの位置関係の変化の影響により出力電圧Ｖｏが再度増加する。それと共に、キャリアの再結合による出力電流Ｉｏの低下が顕著となって出力点Ｄに至るのである。
【００７１】
出力点Ｃから出力点Ｄに至る動作領域では、キャリア温度が周囲温度と等しい為に電極半導体層１４０及び１５０のフェルミレベルと光吸収半導体層１１０の各フェルミレベルとが一致する。この領域では、太陽電池１００は、ホットキャリア型太陽電池としての動作はしておらず、従来のＰＮ接合型太陽電池と同等の動作をしている。これ以降の説明では、出力点Ａから出力点Ｂに至る動作領域を適宜「ホットキャリア動作領域」と称し、また出力点Ｃから出力点Ｄに至る動作領域を適宜「ＰＮ接合動作領域」と称することとする。
＜実施形態の効果＞
次に、図４及び図５を参照し、本実施形態の効果について説明する。ここに、図４は、弱励起時における電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０近傍の模式的なバンド図である。また、図５は、本実施形態との比較判別に供すべき比較例に係る太陽電池における電子側エネルギー選択性コンタクト層１２０近傍の模式的なバンド図である。尚、これらの図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。
【００７２】
図４において、エネルギー選択性コンタクト層１２０のエネルギー選択レベルをＥｑ、半導体量子構造１２２の底に相当するエネルギーレベルをＥｑｂ、表面電極１６０（或いは、電子側電極半導体層１４０）のフェルミレベルをＥｆとする。また、光吸収半導体層１１０におけるキャリア分布Ｄｅは、図示の通りであるとする。
【００７３】
ここで、弱励起時における光吸収半導体層１１０からのキャリアの取り出し効率は、キャリア分布Ｄｅとエネルギー選択レベルＥｑとの位置関係に大きく依存する。即ち、両者が大きく乖離している場合、殆どが伝導帯下端部に位置する弱励起時のキャリアは、相当幅のエネルギーギャップを飛び越さぬ限りエネルギー選択レベルＥｑを通過することができない。
【００７４】
太陽電池１００では、ＰＮ接合の原理による動作をしている出力点Ｃから出力点Ｄに至るＰＮ接合動作領域（即ち、本発明に係る「弱励起時」の一例）において、キャリア温度が等しいために表面電極１６０のフェルミレベルと光吸収半導体層１１０のフェルミレベルが略一致する。そこで、このフェルミレベルＥｆとエネルギー選択レベルＥｑとの差「Ｅｑ−Ｅｆ」を、光吸収半導体層１１０からのキャリア取り出し効率の指標として利用することとする。
【００７５】
図５は、比較例としてのエネルギー選択性コンタクト層を有する太陽電池の特性を表す。ここで、比較例に係るエネルギー選択性コンタクト層は、第２障壁層として、本実施形態に係る第２障壁層１２３の代わりに、第２障壁層１２３’を有する。第２障壁層１２３’は、その厚さが第１障壁層１２１と等しくＤ１であるとする。
【００７６】
比較例に係る太陽電池においては、半導体量子構造１２２の底に相当するエネルギーレベルがＥｑｂ’（｜Ｅｑｂ’｜＞｜Ｅｑｂ｜）であり、エネルギー選択レベルがＥｑ’（｜Ｅｑ’｜＞｜Ｅｑ｜）である。
【００７７】
ここで、半導体量子構造１２２の底から量子準位までの高さ（図示両矢線参照）、即ち、図４における「Ｅｑ−Ｅｑｂ」と図５における「Ｅｑ’―Ｅｑｂ’」とは等しいが、半導体量子構造１２２のエネルギーレベルが全体的に高いため、エネルギー選択性コンタクト層のエネルギー選択レベルは、比較例の方が高くなっている。
【００７８】
従って、上述の指標を考えた場合、「Ｅｑ’−Ｅｆ」は、「Ｅｑ−Ｅｆ」と較べて大きくなる。即ち、比較例に係る太陽電池は、本実施形態に係る太陽電池１００と比較して光吸収半導体層１１０からのキャリアの取り出し効率が低くなる。言い換えれば、第２障壁層１２３を第１障壁層１２１よりも薄くすることによって、太陽電池１００は、弱励起時におけるキャリアの良好な取り出しを可能としているのである。
【００７９】
補足すると、半導体量子構造１２２における共鳴トンネル現象を用いた第１障壁層及び第２障壁層からなるダブルバリア構造においては、障壁層を通過できるエネルギーは、障壁層中の電位には殆ど関係せず、半導体量子構造１２２中の量子準位（エネルギー選択レベル）のみで決まってしまう。半導体量子構造１２２中の量子準位のレベルは、半導体量子構造１２２の底（即ち、伝道帯下端のレベルであり、図示Ｅｑｂである）からの高さと半導体量子構造１２２のサイズだけで殆ど規定されてしまう。
【００８０】
これは、ＰＮ接合動作領域において電界が印加されているエネルギー選択性コンタクト層１２０においては、半導体量子構造１２２の位置（言い換えれば、第１障壁層と第２障壁層との厚さの比）によって、エネルギー選択レベルＥｑが変化することを意味する。
【００８１】
表面電極１６０側の第２障壁層を薄く、光吸収半導体層１１０側の第１障壁層を厚く、夫々形成してなる本実施形態に係るエネルギー選択性コンタクト層１２０においては、比較例に係るエネルギー選択性コンタクト層と較べて、電界印加状態でのエネルギー選択レベルＥｑが低くなるのである。
【００８２】
ここで、エネルギー選択性コンタクト層１２０における第１障壁層１２１と第２障壁層１２３との厚さについて説明する。
【００８３】
電極側に位置する第２障壁層１２３は、上述したように第１障壁層１２１と較べて薄い方が望ましいこともあり可及的に薄く形成したいが、過度に薄くなると、キャリアが自由にトンネル現象を起こすことになるため半導体量子構造１２２中への閉じ込め効果が消失してしまう。
【００８４】
一方で、光吸収半導体層１１０側の第１障壁層１２１は、上述したように第２障壁層１２３と較べて厚い方が望ましいこともあり可及的に厚く形成したいが、過度に厚くなると、キャリアが第１障壁層１２１をトンネリングすることができず、エネルギー選択性コンタクト層としての機能を消失してしまう。
【００８５】
公知の理論によれば、共鳴トンネル現象の特性は、パラメータＡ＝ｄ（２ｍ*Ｖ）１／２／ｈで表される。ここで、ｄは障壁層の厚さであり、Ｖは障壁層の高さ（光吸収半導体層１１０と比較した、伝導帯下端レベルの差と考えてよい）であり、ｍ*はキャリアの有効質量、ｈはプランク定数である。
【００８６】
パラメータＡを計算すると、Ａが２．５未満となると、キャリアの閉じ込め効果が低下し始め、１．５未満で殆ど消失する。キャリアの有効質量ｍ*を真空電子質量の０．４倍、Ｖを１ｅＶと仮定すると、Ａ＝２．５に相当する障壁層の厚さｄは約０．８ｎｍ、Ａ＝１．５に相当する障壁層の厚さｄは、約０．５ｎｍである。従って、第２障壁層１２３の厚さＤ２の下限値としては、１ｎｍ程度内外の値が適当である。
【００８７】
第１障壁層１２１の厚さＤ１の上限値は、理論的には規定され難い。従って、上述したようにキャリアのトンネリングが担保されることを前提に、実験的に或いは経験的に決定されるのが望ましい。尚、Ｄ１の上限値は、概ね数十ｎｍ程度の厚さであってもよい。
【００８８】
このような実際の障壁層の厚さとは別に、本実施形態に係るエネルギー選択レベル低下の効果は、第１障壁層と第２障壁層との厚さの比で決まる。出願人の研究によれば、少なくとも第１障壁層の厚さが第２障壁層の厚さの２倍以上であれば、上述したエネルギー選択レベル低下に係る効果が顕在化し始める。また、同じく３倍以上あれば、十分に大きな効果を得ることができる。
【００８９】
例えば、第１及び第２障壁層の材料としてＡｌＡｓを、また半導体量子構造としてＧａＡｓを夫々使用した場合、第２障壁層の厚さＤ２は０．５〜１ｎｍ、第１障壁層の厚さは１．５〜１０ｎｍ程度であるのが好ましい態様の一となる。
【００９０】
尚、第１及び第２障壁層の材料としては、この他にもＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ又はその混晶、ＺｎＯ、ＺｎＳ又はその混晶が採用されてもよい。また、半導体量子構造１２１の材料としては、Ｓｉ，Ｇｅ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｂ等各種狭バンドギャップ半導体が採用されてもよい。
＜第２実施形態＞
次に、図６を参照し、本発明の第２実施形態に係る太陽電池２００について説明する。ここに、図６は、太陽電池２００における、電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的な拡大平面図である。尚、同図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。
【００９１】
図６において、太陽電池２００は、エネルギー選択性コンタクト層として、エネルギー選択性コンタクト層１２０に代えてエネルギー選択性コンタクト層２１０を備える点において、第１実施形態に係る太陽電池１００と相違する構成となっている。尚、その他の構成については太陽電池１００と同等であるとする。
【００９２】
エネルギー選択性コンタクト層２１０は、半導体量子構造１２２に代えて半導体量子構造２１１を備える点において、エネルギー選択性コンタクト層１２０と相違している。半導体量子構造２１１は、所謂量子ドットである。半導体量子構造として量子ドットを採用する場合、第１実施形態に係る量子井戸と較べて、量子準位がより明確となる。従って、光吸収半導体層１１０から電極側への通過が許可されるキャリアは、量子井戸が採用される場合と較べて、余剰なエネルギーを有さない。従って、より高い電力変換効率を実現することができる。
＜第３実施形態＞
第１及び第２実施形態では、本発明に係る「キャリア通過層」として、半導体量子構造が採用されたが、不純物準位や欠陥準位を用いてエネルギー選択性コンタクト層を形成することも可能である。ここで、図７を参照し、このような本発明の第３実施形態に係る太陽電池３００について説明する。ここに、図７は、太陽電池３００における、電子側エネルギー選択性コンタクト層近傍の模式的な拡大平面図である。尚、同図において、図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。
【００９３】
図７において、太陽電池３００は、エネルギー選択性コンタクト層として、エネルギー選択性コンタクト層１２０に代えてエネルギー選択性コンタクト層３１０を備える点において、第１実施形態に係る太陽電池１００と相違する構成となっている。尚、その他の構成については太陽電池１００と同等であるとする。
【００９４】
エネルギー選択性コンタクト層３１０は、半導体量子構造１２２に代えてドープ層３１１を備える点において、エネルギー選択性コンタクト層１２０と相違している。
【００９５】
ドープ層３１１は、半導体量子構造と異なり、障壁層と同様にワイドギャップの半導体で構成されるのが望ましい。即ち、ドープ層と障壁層との差異は、端的には不純物或いは欠陥を含むか否かである。エネルギー選択レベルとして機能する不純物準位或いは欠陥準位は、ドープ層３１１に生じ、その効能は、共鳴トンネル現象を用いた第１及び第２実施形態に係る半導体量子構造と同様である。
【００９６】
ドープ層３１１を実際に形成する場合、例えば、第１及び第２障壁層並びにドープ層に窒化ガリウムを用い、光吸収半導体層１１０に窒化インジウムを用いてもよい。窒化ガリウムに生じる様々な欠陥のうち、刃状転移は適当なエネルギーレベルに欠陥準位を生じることが知られている。
【００９７】
そこで、窒化インジウムによる光吸収半導体層の上に窒化ガリウムによる第１障壁層を成長させ、次いで成長温度を下げて刃状転移を生じさせドープ層を形成すと共に、その後再度温度を上げて第２障壁層を成長させることにより、エネルギー選択性コンタクトを形成することが可能である。尚、更に、インジウムとガリウムを同時に供給し、更にｎ型ドーパントであるシリコンを微量に混合させながら成長させることによって、窒化ガリウムと窒化インジウムの混晶を成長させ電極半導体層とすることができる。
【００９８】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うホットキャリア型太陽電池もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、ホットキャリア型太陽電池に適用可能である。
【符号の説明】
【０１００】
１００…太陽電池、１１０…光吸収半導体層、１２０…電子側エネルギー選択性コンタクト層、１２１…第１障壁層、１２２…半導体量子構造、１２３…第２障壁層、１４０…電子側電極半導体層、１６０…表面電極。
【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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