(57)【要約】      （修正有）【課題】特性と経済性に優れた化合物半導体太陽電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】第１の化合物半導体光電変換セル４０ａと、第１の化合物半導体光電変換セル４０ａ上に設置された第２の化合物半導体光電変換セル４０ｂと、第１の化合物半導体光電変換セル４０ａと前２の化合物半導体光電変換セル４０ｂとの間に設置された第１の化合物半導体バッファ層４１とを備え、第１の化合物半導体バッファ層４１はＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成する。【選択図】図１
2013197353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の化合物半導体光電変換セルと、
前記第１の化合物半導体光電変換セル上に設置された第２の化合物半導体光電変換セルと、
前記第１の化合物半導体光電変換セルと前記第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された第１の化合物半導体バッファ層と、を備え、
前記第１の化合物半導体バッファ層はＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成された、化合物半導体太陽電池。
【請求項２】
第１の化合物半導体光電変換セルと、
前記第１の化合物半導体光電変換セル上に設置された第２の化合物半導体光電変換セルと、
前記第１の化合物半導体光電変換セルと前記第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された前記第１の化合物半導体バッファ層と、を備え、
前記第１の化合物半導体バッファ層はＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成され、
前記第１の化合物半導体光電変換セルと前記第１の化合物半導体バッファ層との間に、ＩｎＧａＰバルク層で形成された第２の化合物半導体バッファ層をさらに備える、化合物半導体太陽電池。
【請求項３】
前記第１の化合物半導体光電変換セルと前記第２の化合物半導体バッファ層とは近接した位置に設置されており、
前記第１の化合物半導体光電変換セルと、前記第２の化合物半導体バッファ層との格子定数差比が、０．２０％以上０．６５％以下である、請求項２に記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項４】
前記第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体のバンドギャップエネルギが０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項５】
前記第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＩｎＧａＡｓである、請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項６】
前記第２の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓである、請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項７】
前記第２の化合物半導体光電変換セル上に設置された第３の化合物半導体光電変換セルをさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項８】
前記第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＧａＰである、請求項７に記載の化合物半導体太陽電池。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、
半導体基板上に前記第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、
前記第２の化合物半導体光電変換セル上に前記第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、
前記第１の化合物半導体バッファ層上に前記第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体バッファ層上に前記第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、を含む、化合物半導体太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、
半導体基板上に前記第３の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、
前記第３の化合物半導体光電変換セル上に前記第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、
前記第２の化合物半導体光電変換セル上に前記第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、
前記第１の化合物半導体バッファ層上に前記第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、
前記第２の化合物半導体バッファ層上に前記第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、を含む、化合物半導体太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項７または８に記載の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、
半導体基板上に前記第３の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記第３の化合物半導体光電変換セル上に第１のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記第１のトンネル接合層上に前記第２の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記第２の化合物半導体光電変換セル上に第２のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記第２のトンネル接合層上に前記第１の化合物半導体バッファ層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
前記第１の化合物半導体バッファ層上に前記第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、
前記化合物半導体バッファ層上に前記第１の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、を含む、化合物半導体太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体基板を除去する工程をさらに含む、請求項９〜１１のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、化合物半導体太陽電池を高効率化する（光電変換効率を高くする）方法として、半導体基板上に半導体基板と同程度の格子定数を有する化合物半導体層を成長させて複数個の化合物半導体光電変換セルを形成した太陽電池を得る方法が用いられていた。
【０００３】
しかしながら、化合物半導体層を成長するための主な半導体基板となるＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓまたはＩｎＰなどと同程度の格子定数を有し、さらには好適な禁制帯幅を有する化合物半導体光電変換セルを用いた化合物半導体太陽電池としては、ＧａＡｓ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池や、Ｇｅ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ太陽電池などに限られていた。
【０００４】
また、これらの化合物半導体太陽電池よりもさらに高効率化する方法として、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池に３つ目の化合物半導体光電変換セルとして１ｅＶの禁制帯幅を有する化合物半導体光電変換セルを配置する方法もある。
【０００５】
この１ｅＶ程度の禁制帯幅を有する３つ目の化合物半導体光電変換セルとして、ＧａＡｓと格子定数が約２．３％ずれているＩｎＧａＡｓを用いることが提案されている。しかしながら、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ化合物半導体太陽電池の３つ目の化合物半導体光電変換セルとしてＩｎＧａＡｓを用い、その層を最初に成長する場合には、ＧａＡｓ基板上に格子不整合系半導体を成長した後にＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ格子整合系半導体を成長させることになる。このため、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ半導体の結晶性が悪くなって、太陽電池全体の特性が悪化する虞があった。
【０００６】
そこで、半導体基板上にＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ化合物半導体層を先に成長させ、そこから格子定数を段階的に変化させた複数のＩｎＧａＰ層からなるバッファ層を介して半導体基板と格子定数が異なるＩｎＧａＡｓ化合物半導体層を成長する方法が研究されている（たとえば、J. F. Geisz et al., “Inverted GaInP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cells with low-stress metamorphic bottom junctions”,33th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2008（非特許文献１）を参照）。ＩｎＧａＰバッファ層は１０層程度に分割して成長させ、ＧａＡｓ基板と同等の格子定数を有する組成の層からほぼＩｎＧａＡｓ層の格子定数を有する組成の層に段階的に変化させる。このときＩｎＧａＡｓ層に最も近いＩｎＧａＰ層は１μｍ程度と厚く、それ以外のＩｎＧａＰ層は各々０．２〜０．３μｍ程度と比較的薄く形成される。
【０００７】
すなわち、半導体基板と格子定数が同等程度の化合物半導体光電変換セルを先に形成することによってこの化合物半導体光電変換セルにおいては良好な結晶性が得られ、さらに半導体基板と格子定数が異なる格子不整合系の化合物半導体層からなる化合物半導体光電変換セルの特性も得られることになり、高効率の化合物半導体太陽電池が得られる。この際のＩｎＧａＰ層からなるバッファ層の役割は、格子定数が異なることで発生する貫通転位をバッファ層の中に閉じ込め、格子不整合系の化合物半導体光電変換セルに伝搬する転位密度を減らしその結晶性を良好にすることにある。
【０００８】
また特開２０１０−１８２９５１号公報（特許文献１）においては、非特許文献１と同様の構成において、格子不整合系のＩｎＧａＡｓ化合物半導体光電変換セルのベース層と、ＩｎＧａＰバッファ層を構成する化合物半導体層のうちＩｎＧａＡｓ化合物半導体光電変換セルに最も近い位置に設置されている化合物半導体層との格子定数差比が０．１５％以上０．７４％以下とすることで特性の改善が見られることが示唆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１８２９５１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J. F. Geisz et al., “Inverted GaInP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cells with low-stress metamorphic bottom junctions”,33th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した非特許文献１および特許文献１に記載の方法により作製された化合物半導体太陽電池においては、ＩｎＧａＡｓ化合物半導体光電変換セルのバンドギャップとそのセルの開放電圧Ｖｏｃの差が０．４〜０．５４Ｖであり、ＧａＡｓ基板と格子定数が同等である場合に期待できる０．３８Ｖ未満には及ばないものであった。また、ＩｎＧａＰ層で形成されるバッファ層は、貫通転位を充分に閉じ込めるためにはトータルの厚みを３μｍ以上と厚くしなければならずエピタキシャル成長に多くの材料が必要で経済性に乏しいものでもあった。
【００１２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、特性と経済性に優れた化合物半導体太陽電池およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の化合物半導体太陽電池は、第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セル上に設置された第２の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルと第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された第１の化合物半導体バッファ層とを備え、第１の化合物半導体バッファ層はＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成されたものであることを特徴とする（以下、「第１の態様の化合物半導体太陽電池」と呼称する）。
【００１４】
本発明はまた、第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セル上に設置された第２の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルと第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された第１の化合物半導体バッファ層と、を備え、第１の化合物半導体バッファ層はＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成され、記第１の化合物半導体光電変換セルと前記第１の化合物半導体バッファ層との間に、ＩｎＧａＰバルク層で形成された第２の化合物半導体バッファ層をさらに備える化合物半導体太陽電池についても提供する（以下、「第２の態様の化合物半導体太陽電池」と呼称する）。
【００１５】
本発明の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体光電変換セルと第２の化合物半導体バッファ層とは近接した位置に設置されており、第１の化合物半導体光電変換セルと、第２の化合物半導体バッファ層との格子定数差比が、０．２０％以上０．６５％以下であることが好ましい。
【００１６】
また本発明の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体のバンドギャップエネルギが０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下であることが好ましい。
【００１７】
本発明の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＩｎＧａＡｓであることが好ましい。
【００１８】
本発明の化合物半導体太陽電池において、第２の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓであることが好ましい。
【００１９】
本発明の化合物半導体太陽電池において、第２の化合物半導体光電変換セル上に設置された第３の化合物半導体光電変換セルをさらに備えることが好ましい。この場合、第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体がＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＧａＰであることが好ましい。
【００２０】
本発明はまた、上述した第２の態様の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、半導体基板上に第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第２の化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程とを含む、化合物半導体太陽電池の製造方法についても提供する（以下、「製造方法Ａ」と呼称する）。
【００２１】
また本発明は、上述した第２の態様の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、半導体基板上に第３の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第３の化合物半導体光電変換セル上に第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第２の化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程とを含む、化合物半導体太陽電池の製造方法についても提供する（以下、「製造方法Ｂ」と呼称する）。
【００２２】
本発明はさらに、上述した第２の態様の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、半導体基板上に第３の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、第３の化合物半導体光電変換セル上に第１のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第１のトンネル接合層上に第２の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第２のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第２のトンネル接合層上に第１の化合物半導体バッファ層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程とを含む、化合物半導体太陽電池の製造方法についても提供する（以下、「製造方法Ｃ」と呼称する）。
【００２３】
本発明の製造方法Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの場合でも、半導体基板を除去する工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、特性に優れた化合物半導体太陽電池およびその化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の化合物半導体太陽電池を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明と従来の化合物半導体太陽電池の断面の貫通転移の密度を模式的に示す図である。
【図３】図１に示した化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を模式的に示す図である。
【図４】図１に示した化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を模式的に示す図である。
【図５】図１に示した化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を模式的に示す図である。
【図６】実験例において、評価用に作製したサンプル１〜７を模式的に示す断面図である。
【図７】評価用に作製したサンプル１〜７のサンプルのボトムセルのベース層のバンドギャップＥｇと開放電圧Ｖｏｃとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の第１の態様の化合物半導体太陽電池は、第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セル上に設置された第２の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルと第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された、ＧａＰ層とＩｎＰ層による複数の超格子の対でできた半導体バッファ層とを備えている。また、本発明の第２の態様の化合物半導体太陽電池は、上述の第１の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体光電変換セルと前記第１の化合物半導体バッファ層との間に、ＩｎＧａＰバルク層で形成された第２の化合物半導体バッファ層をさらに備える。以下、第１の態様の化合物半導体太陽電池、第２の態様の化合物半導体太陽電池を特に区別しない場合には、「本発明の化合物半導体太陽電池」と総称する。このような本発明の化合物半導体太陽電池は、後述する実験例にて立証するように優れた特性を有しながらも、従来のようにバッファ層を形成するためのエピタキシャル成長に多くの材料を必要とすることなく、経済性にも優れたものである。
【００２７】
また本発明の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体のバンドギャップエネルギは、特に制限されるものではないが、０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下であることが好ましく、０．９５ｅＶ以上１．０５ｅＶ以下であることがより好ましい。第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体のバンドギャップエネルギが０．９ｅＶ未満である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下する傾向にあり、また、１．１ｅＶを超える場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にある。
【００２８】
このような第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としては、特に制限されるものではないが、たとえばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｌＡｓＮなどを挙げることができる。中でも、構成する元素の数が最も少なく、形成時の材料供給の制御がし易いという観点から、第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてはＩｎＧａＡｓが好ましい。ここで、第１の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてＩｎＧａＡｓを用いる場合、Ｉｎ（インジウム）とＧａ（ガリウム）の組成比は、バンドギャップエネルギーを０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下になるように適宜設定することが可能である。
【００２９】
本発明における第１の化合物半導体光電変換セルの厚みは特に制限されないが、１．５μｍ以上４．５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。第１の化合物半導体光電変換セルの厚みが１．５μｍ未満である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にあり、また、４．５μｍを超える場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下する傾向にある。
【００３０】
また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第２の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としては、特に制限されるものではないが、たとえばＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどを挙げることができる。中でも、構成する元素の数が少なく形成時の材料供給の制御がし易く、また通常用いられるＧａＡｓやＧｅなどの半導体基板に格子整合する化合物半導体であるという理由からは、第２の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてはＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓが好ましい。ここで、第２の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてＩｎＧａＡｓを用いる場合、ＩｎとＧａとの組成比はＧｅなどの半導体基板に格子整合するように適宜設定することが可能である。
【００３１】
本発明における第２の化合物半導体光電変換セルの厚みは特に制限されないが、１．５μｍ以上４．５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。第２の化合物半導体光電変換セルの厚みが１．５μｍ未満である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にあり、また、４．５μｍを超える場合にも、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にある。
【００３２】
本発明の化合物半導体太陽電池は、第１の化合物半導体バッファ層は、第１の化合物半導体光電変換セルと前記第２の化合物半導体光電変換セルとの間に設置された第１の化合物半導体バッファ層が、ＩｎＰ層およびＧａＰ層からなる複数の超格子の対で形成されてなることを大きな特徴とする。ここで、「超格子」とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長くなった結晶格子を指す。第１の化合物半導体バッファ層の超格子の対の数は、特に制限されるものではないが、４０個以上であることが好ましく、５０個以上であることがより好ましい。超格子の対が４０個未満である場合には、第１の化合物半導体バッファ層中に貫通転位を充分に閉じ込めることができず、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下する虞があるためである。また、本発明の化合物半導体太陽電池の特性に与える影響の面からは対の数の上限は特にないが、材料の使用量を少なくするためには８０個以下にすることが望ましい。
【００３３】
本発明における第１の化合物半導体バッファ層は、その厚みは特に制限されるものではないが、従来のようにＩｎＧａＰバルク層で形成した場合と比較すると格段に薄くすることができ、０．４μｍ以上であることが好ましく、０．５５μｍ以上であることがより好ましい。第１の化合物半導体バッファ層の厚みが０．４μｍ未満である場合には、第１の化合物半導体バッファ層中に貫通転位を充分に閉じ込めることができず、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下するという虞があるためである。また、本発明の化合物半導体太陽電池の特性に与える影響の面からは厚みの上限は特にないが、材料の使用量を少なくするためには１μｍ以下にすることが好ましい。
【００３４】
本発明の化合物半導体太陽電池における第２の化合物半導体バッファ層は、その厚みは特に制限されるものではないが、０．３μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることがより好ましい。第２の化合物半導体バッファ層の厚みが０．３μｍ未満である場合には、第２の化合物半導体バッファ層中に貫通転位を充分に閉じ込めることができず、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下する虞があるためである。また、本発明の化合物半導体太陽電池の特性に与える影響の面からは厚みの上限は特にないが、材料の使用量を少なくするためには１μｍ以下にすることが好ましい。
【００３５】
また本発明の化合物半導体太陽電池は、第２の化合物半導体光電変換セル上に設置された第３の化合物半導体光電変換セルをさらに備えることが好ましい。この第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としては、特に制限されるものではないが、たとえば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。中でも、結晶成長のし易い化合物半導体であるという理由からは、第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてはＩｎＧａＰまたはＡｌＩｎＧａＰが好ましい。ここで、第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてＩｎＧａＰを用いる場合、ＩｎとＧａとの組成比はＧａＡｓなどの半導体基板に格子整合するように、適宜設定することが可能である。また、第３の化合物半導体光電変換セルを構成する化合物半導体としてＡｌＩｎＧａＰ用いる場合においても、ＡｌとＩｎとＧａとの組成比はＧａＡｓなどの半導体基板に格子整合するように、適宜設定することが可能である。
【００３６】
本発明における第３の化合物半導体光電変換セルの厚みは特に制限されないが、０．５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。第３の化合物半導体光電変換セルの厚みが０．５μｍ未満である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にあり、また、１．５μｍを超える場合にも、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流が減少する傾向にある。
【００３７】
ここで、図１は、本発明の化合物半導体太陽電池を模式的に示す断面図である。図１には、上述した本発明の第２の態様の化合物半導体太陽電池の好ましい一例を示している。図１に示す例の化合物半導体太陽電池は、支持基板１０１（たとえば厚み４００μｍのＳｉ基板）上に、金属層１０２（たとえば、Ａｕ（たとえば厚み０．１μｍ）／Ａｇ（たとえば厚み３μｍ）の積層体）、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５（たとえば厚み０．４μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＰからなるＢＳＦ（Back Surface Field）層３４（たとえば厚み０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３（たとえば厚み３μｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２（たとえば厚み０．１μｍ）およびｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３１（たとえば厚み０．１μｍ）、がこの順序で形成されている。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３とｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２との接合体からボトムセル（上述した第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａが構成されている。なお、ｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３１の格子定数およびｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２の格子定数はそれぞれ、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３の格子定数と同等程度とされる。
【００３８】
また、図１に示す例において、ｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３１上には、ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（たとえばｘ＝０．８２）からなるバルク層３０（たとえば厚み１μｍ）を介して、ｎ型Ｉｎ０．８０Ｇａ０．２０Ｐ層と組成と格子定数が平均として一致するＩｎＰ層とＧａＰ層による複数の超格子の対でできた層２９が形成されている。詳細には、層２９はｎ型のＩｎＰ層（８原子層）／ＧａＰ層（２原子層）を対としてこれを１０対繰り返して構成したものとなっており、トータルの厚みは、たとえば０．０５８μｍである。層２９は平均的にｎ型Ｉｎ０．８０Ｇａ０．２０Ｐ層と組成が等しくなっており、かつ格子定数もほぼ一致している。続いて層２９上にはｎ型のＩｎＰ層（８原子層）／ＧａＰ層（２原子層）／ＩｎＰ層（７原子層）／ＧａＰ層（３原子層）を対としてこれを５対繰り返して構成した層２８（トータル厚み０．０５８μｍ）が形成されている。層２８は平均的にｎ型Ｉｎ０．７５Ｇａ０．２５Ｐ層と組成が等しくなっており、この層の格子定数にほぼ一致している。さらに層２８上にはｎ型のＩｎＰ層（７原子層）／ＧａＰ層（３原子層）を対としてこれを１０対繰り返して構成した層２７、ｎ型のＩｎＰ層（７原子層）／ＧａＰ層（３原子層）／ＩｎＰ層（６原子層）／ＧａＰ層（４原子層）を対としてこれを５対繰り返して構成した層２６、ｎ型のＩｎＰ層（６原子層）／ＧａＰ層（４原子層）を対としてこれを１０対繰り返して構成した層２５、ｎ型のＩｎＰ層（６原子層）／ＧａＰ層（４原子層）／ＩｎＰ層（５原子層）／ＧａＰ層（５原子層）を対としてこれを５対繰り返して構成した層２４、ｎ型のＩｎＰ層（５原子層）／ＧａＰ層（５原子層）を対としてこれを１０対繰り返して構成した層２３、およびｎ＋型のＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐバルク層２２（たとえば厚み０．２５μｍ）がこの順序で形成されている。ここで層２７，２６，２５，２４，２３はそれぞれ平均的にｎ型Ｉｎ０．７０Ｇａ０．３０Ｐ層、ｎ型Ｉｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｐ層、ｎ型Ｉｎ０．６０Ｇａ０．４０Ｐ層、ｎ型Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｐ層、ｎ型Ｉｎ０．５０Ｇａ０．４０Ｐ層の組成と格子定数が等しくそれぞれの層厚は約０．０５８μｍである。これら層２９，２８，２７，２６，２５，２４，２３，２２によって第１の化合物半導体バッファ層４１が構成される。また、バルク層３０は、上述した第２の化合物半導体バッファ層として機能する。
【００３９】
図１に示す例において、第１の化合物半導体バッファ層４１のトータル厚みは、たとえば０．６５μｍであり、当該層を従来のようにＩｎＧａＰバルク層で形成した場合と比較すると薄く形成でき、材料を節約できる。
【００４０】
図１に示す例では、第１の化合物半導体バッファ層４１上には、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１０（たとえば厚み０．０５μｍ）、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１１（たとえば厚み０．０２μｍ）、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１１２（たとえば厚み０．０２μｍ）およびｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１１３（たとえば厚み０．０５μｍ）がこの順に形成されている。ここで、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１０、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１１、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１１２およびｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１１３からトンネル接合層５０ａが構成されている。
【００４１】
また、図１に示す例では、トンネル接合層５０ａ上には、ｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２ＰからなるＢＳＦ層１１４（たとえば厚み０．１μｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層１１５（たとえば厚み３μｍ）、ｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層１１６（たとえば厚み０．１μｍ）およびｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなる窓層１１７（たとえば厚み０．１μｍ）がこの順序で積層されている。ここで、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層１１５とｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層１１６との接合体からミドルセル（上述した第２の化合物半導体光電変換セル）４０ｂが構成されている。
【００４２】
また、図１に示す例では、ｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなる窓層１１７上には、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１８（たとえば厚み０．０５μｍ）、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１９（たとえば厚み０．０２μｍ）、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１２０（たとえば厚み０．０２μｍ）およびｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１２１（たとえば厚み０．０５μｍ）がこの順に積層されている。ここで、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１８、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１９、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１２０およびｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１２１からトンネル接合層５０ｂが構成されている。
【００４３】
また、図１に示す例では、ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１２１上には、ｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１２２（たとえば厚み０．０５μｍ）、ｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるベース層１２３（たとえば厚み０．６５μｍ）、ｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるエミッタ層１２４（たとえば厚み０．０５μｍ）およびｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５（たとえば厚み０．０５μｍ）がこの順に形成されている。ここで、ｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるベース層１２３とｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるエミッタ層１２４との接合体からトップセル（上述した第３の化合物半導体光電変換セル）４０ｃが構成されている。
【００４４】
また、図１に示す例では、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５上に、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２６（たとえば厚み０．４μｍ）および反射防止膜１２７が形成され、コンタクト層１２６上に電極層１２８が形成されている。
【００４５】
なお、図１に示す化合物半導体太陽電池においては、ボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａを構成する化合物半導体層、ミドルセル（第２の化合物半導体光電変換セル）４０ｂを構成する化合物半導体層およびトップセル（第３の化合物半導体光電変換セル）４０ｃを構成する化合物半導体層の順にバンドギャップが大きくなっている。
【００４６】
また、上述のように、ボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａを構成する化合物半導体層のバンドギャップエネルギは０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下であることが好ましく、この場合には、トップセル（第３の化合物半導体光電変換セル）４０ｃ、ミドルセル（第２の化合物半導体光電変換セル）４０ｂおよびボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａからなる３接合構造の化合物半導体太陽電池の理論効率が４５％以上となる傾向にある。
【００４７】
実験例にて後述するように、図１に示した例の本発明の化合物半導体太陽電池では、開放電圧Ｖｏｃは、ＡＭ１．５Ｇスペクトルの下で３．０５Ｖとなり、第１の化合物半導体バッファ層４１を超格子構造ではなくｎ型のＩｎＧａＰバルク層で形成した従来の太陽電池と比較すると０．０４Ｖ向上された。本発明者は、開放電圧が向上した要因を見つけるために超格子で構成された第１の化合物半導体バッファ層４１を有する本発明の化合物半導体太陽電池と、ＩｎＧａＰのバルク層のみでバッファ層を構成した従来の化合物半導体太陽電池の断面のＴＥＭ像を比較した。
【００４８】
図２は、本発明と従来の化合物半導体太陽電池の断面の貫通転移の密度を模式的に示す図であり、図２（Ａ）は本発明の化合物半導体太陽電池の第１の化合物半導体バッファ層付近における貫通転移密度、図２（Ｂ）は従来の化合物半導体太陽電池のＩｎＧａＰのバルク層のみで構成されたバッファ層付近の貫通転移密度をそれぞれ示している。図２では、転位密度を横方向に平均化し、濃淡によって転位密度の大小を視覚的に示しているが（濃い部分が密度大、薄い部分が密度小）、実際のＴＥＭ像は貫通転位が縦横斜めランダムに発生しているので必ずしもＴＥＭ像そのものと一致するものではない。
【００４９】
まず、図２（Ｂ）に示される従来の化合物半導体太陽電池では、バッファ層を構成する各層に概ね一様に貫通転位が発生しており（各層の上部では若干転位密度が減少する傾向が見られる）、ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０においても転位が残っている。一方、図２（Ａ）に示される本発明の化合物半導体太陽電池では、第１の化合物半導体バッファ層を構成する各層において貫通転位の密度が周期的に変化していることがわかった。より詳しくはＧａＰ層で密度が大きく、ＩｎＰ層で小さい傾向が確認された。また本発明の化合物半導体太陽電池では、ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０においては転位がほとんど観測されなかった。このような貫通転位の発生の様子の違いが、化合物半導体太陽電池の結晶性の差を生み、すなわち第１の化合物半導体バッファ層４１を備える本発明の化合物半導体太陽電池では、従来の化合物半導体太陽電池と比較して、化合物半導体太陽電池の結晶性がより良好となるために、開放電圧が向上したものと考えられる。
【００５０】
なお、図１に示した例において、ボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａと第２の化合物半導体バッファ層であるバルク層３０とはｎ型ＩｎＧａＰ窓層３１を介して近接した位置に配置されており、ボトムセル４０ａを構成する化合物半導体層のうちｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３と、ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０との格子定数差比は、上述のように０．２０％以上０．６５％以下であることが好ましい。これは、後述するように、本発明者が鋭意検討した結果、近接した位置に配置されているボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）４０ａとバルク層（第２の化合物半導体バッファ層）との格子定数差比が０．２０％以上０．６５％以下の範囲内にした場合に、化合物半導体太陽電池の特性を向上できることを見出したことに基づく。
【００５１】
なお、格子定数差比（％）は、下記の式（１）により算出することができる。
格子定数差比（％）＝（１００×（ａ１−ａ２））／（ａ１）  …（１）
上記の式（１）において、ａ１は、第２の化合物半導体バッファ層（図１に示す例では、ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０）の格子定数を示す。また、上記の式（１）において、ａ２は、第１の化合物半導体光電変換セル（図１に示す例では、ボトムセル４０ａを構成する化合物半導体層のうちｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３）の格子定数を示す。
【００５２】
なお、上記格子定数差比は、ボトムセル４０ａを構成する化合物半導体層のベース層３３およびｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０の少なくとも一方の組成を調整することにより、上記範囲内に収まるようにすることができる。図１に示す例では、ベース層３３の組成により上記格子定数差比を調整するようにしている。
【００５３】
また、上記格子定数差比は０．３％以上０．５％以下の範囲内にあることが好ましい。上記格子定数差比が０．３％以上０．５％以下の範囲内にある場合には、化合物半導体太陽電池の特性がさらに向上する傾向にある。
【００５４】
なお、エミッタ層３２および窓層３１の厚みはそれぞれ、ベース層３３およびｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐバルク層３０の厚みに対して非常に薄いため、エミッタ層３２および窓層３１の存在の有無は上記格子定数差比に殆ど影響を与えないものと考えられる。
【００５５】
本発明はまた、上述した本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法についても提供する。本発明の製造方法Ａは、上述した第２の態様の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、半導体基板上に第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第２の化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００５６】
また本発明の製造方法Ｂは、上述した第２の態様の化合物半導体太陽電池のうち、第３の化合物半導体光電変換セルをさらに備える場合の化合物半導体太陽電池を製造する方法であって、半導体基板上に第３の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第３の化合物半導体光電変換セル上に第２の化合物半導体光電変換セルを形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第１の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、第２の化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルを形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００５７】
本発明の製造方法Ｃは、上述した本発明の製造方法Ｂをより詳細にしたものであって、半導体基板上に第３の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、第３の化合物半導体光電変換セル上に第１のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第１のトンネル接合層上に第２の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程と、第２の化合物半導体光電変換セル上に第２のトンネル接合層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第２のトンネル接合層上に第１の化合物半導体バッファ層をエピタキシャル成長により形成する工程と、第１の化合物半導体バッファ層上に第２の化合物半導体バッファ層を形成する工程と、化合物半導体バッファ層上に第１の化合物半導体光電変換セルをエピタキシャル成長により形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００５８】
上述した本発明の製造方法Ａ、Ｂ、Ｃのいずれの場合でも、半導体基板を除去する工程をさらに含むことが好ましい。これにより、第２の化合物半導体光電変換セル、ないし第３の化合物半導体光電変換セルを受光面側に配置できるという利点がある。なお、本発明において用いられる半導体基板は、ＧａＡｓ基板が好ましいが、これに限定されるものではなく、ＧａＡｓとほぼ格子定数を等しくするＧｅ基板であってもよい。
【００５９】
ここで、図３〜図５は、図１に示した化合物半導体太陽電池の製造方法を段階的に示す断面図である。以下、上述した製造方法Ｃを例に挙げて、図１に示した化合物半導体太陽電池を製造する場合の本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法について詳しく説明する。なお、図３〜図５において、図１に示したのと同様の構成を有する部分については同一の参照符を付している。
【００６０】
まず、図３に示すように、たとえば直径５０ｍｍのＧａＡｓ基板１３０をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に設置し、このＧａＡｓ基板１３０上に、ＧａＡｓと選択エッチングが可能なエッチングストップ層となるｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるエッチングストップ層１３１、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２６、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５、ｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるエミッタ層１２４、ｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるベース層１２３およびｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１２２をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６１】
次に、ｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１２２上に、ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１２１、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１２０、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１９およびｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１８をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６２】
次に、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１８上に、ｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなる窓層１１７、ｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層１１６、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層１１５、およびｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２ＰからなるＢＳＦ層１１４をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６３】
次に、ｐ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２ＰからなるＢＳＦ層１１４上に、ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１１３、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１１およびｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１０をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６４】
次に、ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層１１０上に、ｎ＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐバルク層２２、ｎ型のＧａＰ層とＩｎＰ層の超格子の組合せで構成された層２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９およびｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６５】
次に、ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐからなるバルク層３０上に、ｎ型ＩｎＧａＰ窓層３１、ｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３、ｐ型ＩｎＧａＰからなるＢＳＦ層３４およびｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。
【００６６】
ここで、ＧａＡｓの形成にはＡｓＨ３（アルシン）およびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＩｎＧａＰの形成にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ３（ホスフィン）を用い、ＩｎＧａＡｓの形成にはＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ３を用い、ＡｌＩｎＰの形成にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ３を用い、ＡｌＧａＡｓの形成には、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ３を用いることができる。
【００６７】
その後、図４に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５の表面上にたとえばＡｕ（たとえば厚み０．１μｍ）／Ａｇ（たとえば厚み３μｍ）の積層体からなる金属層１０２により支持基板１０１を貼り付ける。
【００６８】
次に、図５に示すように、ＧａＡｓ基板１３０をアルカリ水溶液にてエッチングした後に、ｎ型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなるエッチングストップ層１３１を酸水溶液にてエッチングする。
【００６９】
次に、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２６上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、コンタクト層１２６の一部をアルカリ水溶液を用いたエッチングにより除去する。そして、残されたコンタクト層１２６の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、抵抗加熱蒸着装置およびＥＢ（Electron Beam）蒸着装置を用いて、たとえばＡｕＧｅ（１２％）（たとえば厚み０．１μｍ）／Ｎｉ（たとえば厚み０．０２μｍ）／Ａｕ（たとえば厚み０．１μｍ）／Ａｇ（たとえば厚み５μｍ）の積層体からなる電極層１２８を形成する。
【００７０】
次に、メサエッチングパターンを形成した後、アルカリ水溶液および酸溶液を用いてメサエッチングを行なう。そして、ＥＢ蒸着法により、たとえばＴｉＯ２膜（たとえば厚み５５ｎｍ）およびＡｌ２Ｏ３膜（たとえば厚み８５ｎｍ）の積層体を形成して反射防止膜１２７を形成する。これにより、化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する図１に示す構成の化合物半導体太陽電池を得ることができる。
【００７１】
ここで、図１に示す構成の化合物半導体太陽電池は、ボトムセル４０ａとミドルセル４０ｂとの間に第１の化合物半導体バッファ層４１および第２の化合物半導体バッファ層（バルク層３０）とが設置された構成となっている。
【００７２】
なお、本明細書において、化合物の化学式において化合物を構成する元素の組成比が記載されておらず、その組成について特に言及されていないものについては、その組成比は特に限定されず、適宜設定することが可能であることを意味している。また、本明細書において、化合物の化学式において化合物を構成する元素の組成比が記載されている場合でも、本発明はその組成比の構成に限定されるものではない。
【００７３】
＜実験例＞
下記表１に示すように、ボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）のベース層と、バルク層（第２の化合物半導体バッファ層）について、製造時に格子定数を変化させ、図１に示した構造の７種類のサンプル１〜７の化合物半導体太陽電池を作製した。
【００７４】
【表１】
2013197353.tif 000003
【００７５】
サンプル１〜４の化合物半導体太陽電池については、第２の化合物半導体バッファ層であるｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐ層からなるバルク層３０の組成をほぼ一定にした状態でボトムセル４０ａのベース層３３の組成をそれぞれ変えて作製するとともに、窓層３１およびエミッタ層３２についてもそれぞれベース層３３の格子定数と同等程度となるように組成を変えて作製した。
【００７６】
また、サンプル５〜７の化合物半導体太陽電池については、バルク層３０の組成を変えるとともに、ボトムセル４０ａのベース層３３の組成も変えて作製した。
【００７７】
次に、ボトムセル４０ａの評価を行なうために、サンプル１〜７のの化合物半導体太陽電池のそれぞれから、ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層１１３、ＢＳＦ層１１４、ミドルセル４０ｂ、窓層１１７、トンネル接合層５０ｂ、ＢＳＦ層１２２、トップセル４０ｃ、窓層１２５、コンタクト層１２６、反射防止膜１２７および電極層１２８を除去し、その後、露出したｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層１１１の表面に電極５２８を形成した。これにより、サンプル１〜７の化合物半導体太陽電池のそれぞれから、図６に模式的に断面図を示すサンプル１〜７の構造物を作製した。なお、図６において、図１に示したのと同様の構成を有する部分については同一の参照符を付して説明を省略する。ここで、化合物半導体太陽電池のサンプルの番号と、図６に示す構造物のサンプルの番号とが対応したものであることは言うまでもない。
【００７８】
評価は、サンプル１〜７の化合物半導体太陽電池のそれぞれの作製の途中において、最表面に露出したｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５の表面状態を目視で観察することによって行なった。また、図６に示したサンプル１〜７の構造物のそれぞれについて電流−電圧特性を測定し、その電流−電圧特性から開放電圧を測定した。その結果を上記表１、および図７に示している。
【００７９】
ここで、表１において、表面状態の評価○および×は、それぞれ以下の表面状態を表わしているものとする。
【００８０】
○…ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５の表面状態が良好。
×…ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５の表面状態が不良。
【００８１】
また、図７は、図６に示したサンプル１〜７の構造物のそれぞれのボトムセル４０ａのベース層３３のＥｇ（バンドギャップエネルギ：単位ｅＶ）とＶｏｃ（開放電圧：単位Ｖ）との関係を示しており、横軸がＥｇを示し、縦軸がＶｏｃを示している。ここで、グラフ内に引き出し線で参照された数字は、サンプル１〜７の構造物のそれぞれの番号を示している。
【００８２】
なお、図７中の傾きを有する直線Ｖｏｃ＝Ｅｇ−０．３６は、ボトムセル４０ａのベース層３３の結晶性がＧａＡｓ基板上のＧａＡｓセル（格子整合系）と同等に良い状態と仮定したときのＥｇとＶｏｃとの関係を示しており、グラフ中の黒塗りの菱形（◆）の位置がこの直線に近い程、ボトムセル４０ａの特性が優れていることを示している（ここではＩｎＧａＰバルクバッファ層を有した従来型のボトムセルにおいて特性が良好なものについても黒塗りの四角（■）で同様にプロットした）。
【００８３】
また、図７に示されるＧａＡｓからの格子不整合率は、ＧａＡｓとボトムセル４０ａのベース層３３との間の格子定数の不整合の度合いを示している。
【００８４】
結果、表１に示すように、サンプル３〜７の化合物半導体太陽電池は、サンプル２の化合物半導体太陽電池と比較して、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５の表面状態に優れていた。
【００８５】
また、図７に示すように、図６に示したサンプル３〜７の構造物は、サンプル１、２の構造物と比較して、また従来のもの（ＩｎＧａＰバルクバッファ上ボトムセル）とも比較してボトムセル４０ａの開放電圧などの特性に優れることが確認された。これは、サンプル３〜７の化合物半導体太陽電池および図６に示したサンプル３〜７の構造物においてはそれぞれ、第２の化合物半導体バッファ層であるｎ型ＩｎＧａＰからなるバルク層３０の格子定数ａ１と、ボトムセル４０ａのベース層３３の格子定数ａ２との格子定数差比（１００×（ａ１−ａ２）／（ａ１））が０．２０％以上０．６５％以下の範囲内にあるためと考えられる。また、上記の格子定数差比が０．３％以上０．５％以下であるＮｏ．３〜Ｎｏ．５のサンプルにおいては、さらに特性が優れる傾向が見られた。
【００８６】
なお、本実験例においては、第２の化合物半導体バッファ層であるｎ型ＩｎＧａＰからなるバルク層３０の格子定数ａ１と、ボトムセル４０ａのベース層３３の格子定数ａ２とはそれぞれ、サンプル１〜７の化合物半導体太陽電池の金属層１０２による支持基板１０１の貼り付け前の状態のものをそれぞれＸ線回折装置に設置し、受光面とは反対側（ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５側）からＸ線を照射することによって、Ｘ線回折法により求めた。
【００８７】
また、本実験例においては、ボトムセル４０ａの特性の評価を行なっているが、ボトムセル４０ａ上にバッファ層４１を介してミドルセル４０ｂおよびトップセル４０ｃなどの化合物半導体光電変換セルを設置してたとえば２接合または３接合などの多接合型の化合物半導体太陽電池を作製した場合にも、ボトムセル４０ａの優れた特性に起因して上記の多接合型の化合物半導体太陽電池の特性も向上することが考えられる。
【００８８】
今回開示された実施の形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に利用できる可能性がある。
【符号の説明】
【００９０】
２２  ｎ＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層、２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９  ｎ型ＩｎＰ層／ＧａＰ層による超格子層、３０  ｎ型Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ｐ層、３１  窓層、３２  エミッタ層、３３  ベース層、３４  ＢＳＦ層、３５  コンタクト層、４０ａ  ボトムセル（第１の化合物半導体光電変換セル）、４０ｂ  ミドルセル（第２の化合物半導体光電変換セル）、４０ｃ  トップセル（第３の化合物半導体光電変換セル）、４１  第１の化合物半導体バッファ層、５０ａ，５０ｂ  トンネル接合層、１０１  支持基板、１０２  金属層、１１０  ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層、１１１  ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層、１１２  ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層、１１３  ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層、１１４  ＢＳＦ層、１１５  ベース層、１１６  エミッタ層、１１７  窓層、１１８  ｎ＋型ＡｌＩｎＰ層、１１９  ｎ＋＋型Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ層、１２０  ｐ＋＋型ＡｌＧａＡｓ層、１２１  ｐ＋型ＡｌＩｎＰ層、１２２  ＢＳＦ層、１２３  ベース層、１２４  エミッタ層、１２５  窓層、１２６  コンタクト層、１２７  反射防止膜、１２８  電極層、１３０  ＧａＡｓ基板、１３１  エッチングストップ層、５２８  電極。
【図１】
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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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【図２】
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