(57)【要約】【課題】従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供する。【解決手段】第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層と、前記第１の導電層上に形成され、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を有する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層とを具えるようにして、III族窒化物系太陽電池を構成する。【選択図】図１
2012009783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層と、
前記第１の導電層上に形成され、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を有する光電変換層と、
前記光電変換層上に形成され、第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、
を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池。
【請求項２】
前記光電変換層の厚さが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項３】
前記光電変換層は、第１の層と第２の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第１の層の厚さが０．２５ｎｍ〜２０ｎｍであり、前記第２の層の厚さが０．２５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項４】
前記光電変換層の表層部における転位密度は、前記周期的超格子構造を有しない場合に比較して１／１００以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項５】
前記光電変換層の前記表層部の転位密度は２×１０７／ｃｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物の積層構造を有するIII族窒化物系太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に代るエネルギー源として太陽光を電力に変換できる太陽電池が注目されている。現在、一部実用化され始めた太陽電池としては、結晶系シリコン基板を用いた太陽電池および薄膜シリコン太陽電池がある。しかしながら、前者はシリコン基板の作製コストが高いこと、後者は多種の半導体ガスや複雑な装置を用いる必要があり、依然として製造コストが高いことが問題となっている。そのため、いずれの太陽電池においても光電変換の高効率化による発電出力当たりのコストを低減する努力が続けられているが、上記問題を解決するには到っていない。
【０００３】
上述した問題に鑑みて、種々の新しいタイプの太陽電池が提案及び研究開発されるに至っている。例えば、金属錯体の光誘起電子移動を応用した湿式太陽電池が提案されている。例えば、特許文献１には、透明電極と触媒を担持させた導電層を具える対向電極との間に色素を担持した酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）と電解質層とを設け、周囲を樹脂等の封止材料で封止してなる、いわゆる色素増感型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、透明電極上に、色素を担持してなる同じく酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）、絶縁性反射層、触媒層及び導電層を順次に積層してなる構成の色素増感型の太陽電池が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの色素増感型太陽電池は、半導体層に対して色素を担持させるに際して、半導体層を色素溶液中に浸漬することによって行う。この結果、色素溶液中には半導体層のみならず、透明電極も浸漬されてしまうことになり、透明電極にもある程度の割合で色素が吸着してしまうことになる。したがって、上述した入射光が、透明電極においてある程度の割合で吸収されてしまうことから、入射光の、半導体層へ到達する割合が減少し、半導体層における光電変換効率、すなわち色素増感型太陽電池の発電効率が劣化してしまうこととなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２８５９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４２１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池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】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層と、前記第１の導電層上に形成され、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を有する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池に関する。
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層、第２のIII族窒化物からなる半導体層及び第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層を順次に積層してなるｐiｎ構造の半導体積層構造を形成し、半導体層が光、特に太陽光を吸収した際に光電変換を生じて電子‐正孔対を生成し、内部電界によって電子はp層側にドリフトし、正孔はｎ層側にドリフトすることによって光電流を発生し、起電力を生ぜしめることを見出した。すなわち、上記半導体層が光電変換層として機能するとともに、上記半導体積層構造が太陽電池として機能することを見出した。
【０００９】
そして、特に上記半導体層を上記第２のIII族窒化物からなる周期的超格子構造とすることによって、太陽電池として重要な特性である開放電圧、光電変換効率が向上することを見出した。
【００１０】
なお、上述した半導体積層構造において、第２のIII族窒化物からなる半導体層を周期的超格子構造とすることによって、太陽電池としての開放電圧、光電変換効率が向上する理由については明らかではないものの、第１の導電層と光電変換層との間にミスフィット転位が発生し、さらに光電変換層中に転位が発生した場合においても、これらの転位は光電変換層を貫通することがなく、光電変換層の表層部及びその上に形成される第２の導電層中を転位が伝播することがない。
【００１１】
したがって、これらの部位の結晶性が向上し、結果として太陽電池全体の結晶性が向上するようになる。結果として、太陽電池全体の結晶性が向上し、目的とする素子としての特性を十分に発揮することができるようになることが一因と考えられる。
【００１２】
例えば、光電変換層の表層部における転位密度を、上述した周期的超格子構造を設けない場合に比較して、１／１００以下とすることができ、具体的には、２×１０７／ｃｍ以下とすることができる。
【００１３】
なお、本発明における”III族窒化物半導体“とは、一般式ＡｌＰＧａＱＩｎＲＮ（０≦Ｐ≦１、０≦Ｑ≦１、０≦Ｒ≦１、Ｐ＋Ｑ＋Ｒ＝１）で表され、必要に応じてＳｉ、Ｐなどのドナー（ｎ型導電性）やＭｇなどのアクセプター（ｐ型導電性）を含有する場合をも包含するものである。
【００１４】
本発明の一例において、光電変換層の厚さは２００ｎｍ以上とすることができる。これによって、太陽電池の開放電圧、光電変換効率などをより向上させることができる。なお、この原因についても特に明確ではないが、上述したような作用効果が増長されるためと考えられる。なお、光電変換層の厚さの上限は特に限定されるものではないが、例えば２０００ｎｍとすることができる。光電変換層の厚さを２０００ｎｍよりも大きくしても、最早、上述した作用効果には寄与しない。
【００１５】
また、本発明の一例において、光電変換層は、第１の層と第２の層とが交互に積層されてなる周期的超格子構造であって、前記第１の層の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとし、前記第２の層の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとすることができる。この場合においても、太陽電池の開放電圧、光電変換効率などをより向上させることができる。なお、この原因についても特に明確ではないが、上述したような作用効果が増長されるためと考えられる。
【００１６】
なお、光電変換層の表層部とは、光電変換層の厚さにも依存するが、おおよそ光電変換層の表面から数十ｎｍまでの深さの領域を意味するものである。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す太陽電池に対する比較例に相当する太陽電池の一例の構成を示す図である。
【図３】実施例における太陽電池の断面ＴＥＭ写真である。
【図４】比較例における太陽電池の断面ＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【００２１】
図１に示す太陽電池１０は、ＧａＮ基板１１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ導電層１２、ＧａＩｎＮ光電変換層１３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ導電層１４が順次に形成されてなる。ＧａＩｎＮ光電変換層１３は、周期的超格子構造を呈し、Ｇａ１−ＳＩｎＳＮなる組成を有する第１の層１３１と、Ｇａ１−ＴＩｎＴＮなる組成を有する第２の層１３２（Ｓ＞Ｔ）とが交互に周期的に積層されてなる。
【００２２】
また、例えば、基板としてサファイア基板を用いた場合は、ｎ型導電層、光電変換層及びｐ型導電層は、ＡｌＧａＮ系のIII族窒化物又はＡｌＧａＩｎＮ系の窒化物から構成することができる。
【００２３】
図１に示す太陽電池１０においては、ＧａＩｎＮ光電変換層１３を、周期的超格子構造として構成している。本周期的超格子構造を用いることによって、透過電子顕微鏡を用いた詳細な観察によると、ヘテロ接合界面においてミスフィット転位が形成されるが、転位の屈曲がおき、結果として貫通する転位がほとんど発生しない。すなわちその転位密度を低減することができ、その結晶性を向上できる。したがって、太陽電池１０の開放電圧や光電変換効率などの特性を向上させることができる。
【００２４】
また、本実施形態では、太陽電池１０のＧａＩｎＮ光電変換層１３を、第１の層１３１及び第２の層１３２が交互に積層されてなる周期的超格子構造としているので、第１の層１３１の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍ、第２の層１３２の厚さを０．２５ｎｍ〜２０ｎｍとすることにより、ＧａＩｎＮ光電変換層２３の表層部及びその上のｐ型ＧａＮ導電層１４中の転位密度をより低減し、結晶性を向上させることができる。また、上述のような推定原因がより顕著となる。結果として、太陽電池１０の開放電圧や光電変換効率などの特性をより向上させることができる。
【００２５】
さらに、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の厚さを２００ｎｍ以上とすれば、上記作用効果をより顕著に奏することができるようになる。また、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の厚さの上限値は２０００ｎｍとすることができる。
【００２６】
なお、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の表層部とは、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の厚さにも依存するが、おおよそＧａＩｎＮ光電変換層１３の表面から数十ｎｍまでの深さの領域を意味するものである。
【００２７】
図２は、ＧａＩｎＮ光電変換層が周期的超格子構造を有しない太陽電池の概略構成を示す図である。
【００２８】
図２に示す太陽電池２０は、ＧａＮ基板２１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ導電層２２、ＧａＩｎＮ光電変換層２３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ導電層２４が順次に形成されてなる。ＧａＩｎＮ光電変換層２３は、周期的超格子構造を呈することなく、単一の層として形成されている。
【００２９】
図２に示す太陽電池２０は、ＧａＩｎＮ光電変換層２３が周期的超格子構造を呈していないので、ｎ型ＧａＮ導電層２２及びＧａＩｎＮ光電変換層２３間の界面にミスフィット転位が発生し、さらにＧａＩｎＮ光電変換層２３中に転位が発生した場合において、これらの転位はＧａＩｎＮ光電変換層２３を貫通し、ＧａＩｎＮ光電変換層２３の表面に露出するようになる。したがって、超格子構造による転位低減と推定される作用効果を奏することができず、ＧａＩｎＮ光電変換層２３の結晶性が低下するとともに、その上に形成されているｐ型ＧａＮ導電層１４も転位の影響を受け、結晶性が低下してしまうようになる。結果として、太陽電池２０全体の結晶性が低下してしまう。
【００３０】
なお、図１の太陽電池１０の、例えばＧａＩｎＮ光電変換層１３の表層部の転位密度と、図２の太陽電池２０のＧａＩｎＮ光電変換層２３の転位密度とを比較すると、前者の転位密度は後者の転位密度の少なくとも１／１００以下とすることができ、具体的には、２×１０７／ｃｍ以下とすることができる。
【実施例】
【００３１】
（実施例）
ＧａＩｎＮ光電変換層１３を、第１の層１３１をＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎとし、第２の層１３２をＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎとした周期的超格子構造とし、さらにｎ型ＧａＮ導電層１２及びｐ型ＧａＮ導電層１４の厚さをそれぞれ３μｍとして、図１に示す太陽電池１０を作製した。なお、周期的超格子構造は、第１の層１３１及び第２の層１３２の厚さをそれぞれ３ｎｍとし、合計５０周期の周期的超格子構造（厚さ３００ｎｍ）とした。
【００３２】
なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用い、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。
【００３３】
得られた太陽電池１０に対して、１ｋＷ／ｍ２の強度の光（ＡＭ１．５ソーラーシミュレータ）を照射し、ｐ型ＧａＮ導電層１４上に形成したＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）の電極から生成した電流を取り出して、開放電圧及び光電変換効率を求めた。その結果、開放電圧は２．１Ｖであり、光電変換効率は５％であることが判明した。
【００３４】
図３は、太陽電池１０の断面ＴＥＭ写真である。図３から明らかなように、本実施例の太陽電池１０においては、ｎ型ＧａＮ導電層１２とＧａＩｎＮ光電変換層１３との界面、及びＧａＩｎＮ光電変換層１３中に転位が発生していることが認められるが、転位がＧａＩｎＮ光電変換層１３の表面に抜けていないことが分かる。したがって、ＧａＩｎＮ光電変換層１３及びその上のｐ型ＧａＮ導電層１４に転位が伝播しないので、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の表層部及びｐ型ＧａＮ導電層１４中に存在する転位密度を十分に低減でき、これらの結晶性を向上できることが分かる。
【００３５】
実際、ＴＥＭ観察により、ＧａＩｎＮ光電変換層１３の表層部の転位密度は２×１０−７／ｃｍであることが判明した。
【００３６】
（比較例）
ＧａＩｎＮ光電変換層２３を、厚さ３００ｎｍのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎ単層とし、さらにｎ型ＧａＮ導電層１２及びｐ型ＧａＮ導電層１４の厚さをそれぞれ３μｍとして、図２に示す太陽電池２０を作製した。
【００３７】
なお、各層は、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニア（ＮＨ３）を用い、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。
【００３８】
得られた太陽電池２０に対して、実施例同様に、１ｋＷ／ｍ２の強度の光（ＡＭ１．５ソーラーシミュレータ）を照射し、ｐ型ＧａＮ導電層１４上に形成したＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）の電極から生成した電流を取り出して、開放電圧及び光電変換効率を求めた。その結果、開放電圧は１．６Ｖであり、光電変換効率は約１％であることが判明した。
【００３９】
図４は、太陽電池２０の断面ＴＥＭ写真である。図４から明らかなように、本実施例の太陽電池２０においては、ｎ型ＧａＮ導電層２２とＧａＩｎＮ光電変換層２３との界面、及びＧａＩｎＮ光電変換層２３中に転位が発生していることが認められるが、ＧａＩｎＮ光電変換層２３が周期的超格子構造を呈していないため、転位はＧａＩｎＮ光電変換層２３を貫通して表面に抜けるとともに、さらにその上のｐ型ＧａＮ導電層２４にまで伝播していることが分かる。したがって、本比較例では、ＧａＩｎＮ光電変換層２３が周期的超格子構造を呈していないことに起因して、ＧａＩｎＮ光電変換層２３及びｐ型ＧａＮ導電層２４中に存在する転位密度を十分に低減できず、これらの結晶性が低下することが分かる。
【００４０】
実際、ＴＥＭ観察により、ＧａＩｎＮ光電変換層２３の表層部の転位密度は１×１０−１０／ｃｍであることが判明した。したがって、上記実施例と比較して、転位密度が１００倍以上となっていることが分かる。換言すれば、上記実施例における転位密度は、比較例の転位密度と比較して、１／１００以下であることが分かる。
【００４１】
以上、本発明について具体例を挙げながら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。
【００４２】
特に、本願では、III族窒化物を用いて、ｎ型導電層、周期的超格子構造及びｐ型導電層が順次に積層してなるIII族窒化物積層構造が、良好な開放電圧及び光電変換効率を呈することを示したに過ぎず、各層を構成するIII族窒化物の材料組成及び厚さや、層形態を種々制御することによって、開放電圧及び光電変換効率などの太陽電池としての特性が今後さらに向上することが当然に予想されるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０，２０  太陽電池
１１、２１  ＧａＮ基板
１２，２２  ｎ型ＧａＮ導電層
１３  ＧａＩｎＮ光電変換層（周期的超格子構造）
１４、２４  ｐ型ＧａＮ導電層
２３  ＧａＩｎＮ光電変換層（単層）
【図１】
2012009783.tif 000003
【図２】
2012009783.tif 000004
【図３】
2012009783.tif 000005
【図４】
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