多接合型化合物半導体太陽電池
【課題】特性に優れた多接合型化合物半導体太陽電池を提供する。
【解決手段】第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも積層し、第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層の複数の半導体層の格子定数は、第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【解決手段】第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも積層し、第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層の複数の半導体層の格子定数は、第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多接合型化合物半導体太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を用い、シリコン基板にｐｎ接合を形成したシリコン結晶系太陽電池が現在主流となっているが、シリコン結晶系太陽電池よりも高い光電変換効率が得られる太陽電池として直接遷移型で光吸収係数が大きい化合物半導体を用いる太陽電池がある。現在開発されている化合物半導体太陽電池の多くは、互いに異なる禁制帯幅の光電変換層（ｐｎ接合層）を複数有した多接合（タンデム）構造を有するものであり、太陽光スペクトルを有効活用できることから、光電変換層が１つである単一接合の化合物半導体太陽電池よりもさらに高い光電変換効率を得ることが可能である。
【０００３】
互いに異なる禁制帯幅の光電変換層を複数有する多接合型化合物半導体太陽電池では、エピタキシャル成長による格子整合を考慮した系（格子整合系）が主に検討されている。格子整合系では３つの光電変換層を有する多接合型化合物半導体太陽電池として太陽光の入射側（受光面側）から、ＩｎＧａＰの光電変換層／ＧａＡｓの光電変換層／Ｇｅの光電変換層を有する多接合型化合物半導体太陽電池が開発されている。ＩｎＧａＰの光電変換層の禁制帯幅は約１．７〜２．１ｅＶであり、ＧａＡｓの光電変換層の禁制帯幅は約１．３〜１．６ｅＶであり、Ｇｅの光電変換層の禁制帯幅は約０．７ｅＶ以下である。
【０００４】
図１４は、従来の多接合型化合物半導体太陽電池を示す模式的な断面図である。図１４（ａ）に示すように、太陽光はトップセル５０１側から入射してボトムセル５０４に向かって進むことになるので、その間にトップセル５０１、ミドルセル５０２、およびボトムセル５０４のそれぞれの光電変換層の禁制帯幅に基づく波長の太陽光が吸収されて、電気エネルギーに変換（光電変換）されることになる。ここで、セルは１つの光電変換層を含む複数の半導体層からなるものとする。
【０００５】
したがって、禁制帯幅は大きい順に、トップセル５０１の光電変換層、ミドルセル５０２の光電変換層、ボトムセル５０４の光電変換層となっている。また、受光面側に第１電極５０５が形成され、受光面側と反対側（裏面側）に第２電極５０６が形成されている。
【０００６】
太陽光スペクトルの有効利用のためには、３接合ならば、光電変換層の禁制帯幅は受光面側から、１．９３ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０５ｅＶ材料の組み合わせがよいとされており、より高い光電変換を得るためにボトムセルの光電変換層の禁制帯幅が０．９〜１．１ｅＶ程度である材料の検討がなされている。
【０００７】
禁制帯幅が１ｅＶ程度である材料の１つとしてＩｎＧａＡｓが提案されている。このＩｎＧａＡｓをボトムセル５０４として、トップセル５０１をＩｎＧａＰ、ミドルセル５０２をＧａＡｓとした場合、ミドルセル５０２であるＧａＡｓとボトムセル５０４となるＩｎＧａＡｓとは格子定数が異なり、その格子定数の差は約２％であり大きい。そこで、図１４（ｂ）に示されるようにミドルセル５０２とボトムセル５０４の間に、格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成した多接合型化合物半導体太陽電池の開発が行われている。
【０００８】
非特許文献１には、ＩｎＧａＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／ＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）の多接合型化合物半導体太陽電池でトップセル５０１（ＩｎＧａＰ）とミドルセル５０２（ＧａＡｓ）は格子整合しているが、格子定数が異なるミドルセル５０２（ＧａＡｓ）とボトムセル５０４（ＩｎＧａＡｓ）との間に、ＩｎＧａＰの格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成した多接合型化合物半導体太陽電池が示されている。
【０００９】
また、図１５、図１６に示すように、半導体基板５０７（ＧａＡｓ基板）上に格子整合したトップセル５０１のＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させて形成し、格子整合したミドルセル５０２のＧａＡｓをエピタキシャル成長させて形成、その後、ＩｎＧａＰの格子定数を等間隔で変化させたバッファ層５０３をエピタキシャル成長させて形成した後、ボトムセル５０４のＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させる内容が記載されている。バッファ層５０３のうち、最もボトムセル５０４側の格子定数は、図１５の例ではボトムセル５０４よりも大きく、図１６の例ではボトムセル５０４よりも小さくなっている。なお、図１５、図１６ではトンネル接合を省略した。特許文献１にも、同様の記載がある。
【００１０】
ここで示されている半導体基板５０７上に、多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側になる順、すなわち、トップセル５０１、ミドルセル５０２、ボトムセル５０４の順に積層する製法を逆積みと呼び、このように形成された構造を逆積３接合と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３２４５６３号公報
【非特許文献１】J.F.Geisz et al. "Inverted GaInP/(In)GaAs/InGaAs triple-junction solar cells with low-stress metamorphic bottom junction." 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference San Diego, California, May11-16,2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１に示されるような多接合型化合物半導体太陽電池においては、格子定数が異なるミドルセル５０２（ＧａＡｓ）とボトムセル５０４（ＩｎＧａＡｓ）との間に、ＩｎＧａＰの格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成はしているものの、バッファ層及びボトムセルの結晶性を充分に高めることができず、ひいては特性を優れたものにすることができなかった。
【００１３】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ボトムセルの結晶性を良くすることで、従来の多接合型化合物半導体太陽電池よりもさらに特性に優れた多接合型化合物半導体太陽電池を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも含む多接合型化合物半導体太陽電池において、第１電極は太陽光入射側に配置され、第１セルと第２セルは、それぞれ異なる禁制帯幅を持つ光電変換層を有し、かつ第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、複数の半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、複数の半導体層のうち、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【００１５】
本発明は、第１の禁制帯幅の光電変換層を有する第１セルと、第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁制帯幅の光電変換層を有する第２セルと、第１セルと第２セルとの間に形成されたバッファ層と、第１セル側に配置された第１電極と、第２セル側に配置された第２電極とを有する多接合型化合物半導体太陽電池において、第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、複数の半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、複数の半導体層のうち、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【００１６】
ここで、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、格子定数差が最も大きくなる２層は、第１セルに最も近い２層であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層の、第２セル側の層の格子定数をａ１、第１セル側の層の格子定数をａ２としたとき、格子定数ａ１と、格子定数ａ２との格子定数差が、０．０１５Å〜０．０２６Åであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、第２セルの格子定数をａ４、第２セルに最も近い半導体層の格子定数をａ３とし、
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）
としたとき、第２格子定数差比の値が、０．１２％〜０．８０％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ボトムセルの結晶性を良くすることができるので、従来の多接合型化合物半導体太陽電池よりもさらに特性に優れた多接合型化合物半導体太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。（ｂ）は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。
【図２】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【図３】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図４】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図５】図４に示す多接合型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図解する模式的な断面構成図である。
【図６】図４に示す多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面構成図である。
【図７】多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法を図解する模式的な断面構成図である。
【図８】半導体基板を再利用する多接合型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図解する模式的な断面構成図である。
【図９】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１０】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１１】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を評価するための評価サンプルの一例の模式的な断面構成図である。
【図１２】図１１に示す本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を評価するための評価サンプルの一例の模式的な断面構成図である。
【図１３】ボトムセルのバンドギャップＥｇと開放電圧Ｖｏｃとの関係を示す図である。
【図１４】（ａ）は従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。（ｂ）は従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１５】従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【図１６】従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の基本的な構造である。
【００２２】
本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を、図１（ａ）に示す。該多接合型化合物半導体太陽電池は、多接合セル３０６と、受光面側に形成された第１電極３０４と、支持基板３０７の裏面側に形成された第２電極３０５とから形成されている。多接合セル３０６は、第１セル３０１、第１セルと格子定数が異なる第２セル３０２、第１セル３０１と第２セル３０２との間に形成されたバッファ層３０３を含み、第１セル３０１、第２セル３０２以外の他のセルが単数、または複数形成されていてもよい。前記支持基板３０７は、例えば半導体基板である。また、多接合セル３０６と支持基板３０７との間に、金属層３２１が形成されている。
【００２３】
図１（ｂ）に、多接合セル３０６と支持基板３０７との間に第２電極３０５が形成された構造を示す。
【００２４】
ここで、第１セル３０１は第２セル３０２に対して受光面側に形成され、第１セルに形成されている光電変換層の禁制帯幅（第１の禁制帯幅）は第２セル３０２に形成されている光電変換層の禁制帯幅（第２の禁制帯幅）よりも大きい。また、バッファ層３０３の禁制帯幅（第３の禁制帯幅）は第２の禁制帯幅よりも大きい。
【００２５】
バッファ層３０３は、格子定数が異なる２つのセル間に形成した格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。バッファ層３０３の各半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル３０１側から第２セル３０２側にかけて順に大きくなるよう変化している。
【００２６】
本発明の多接合型化合物半導体太陽電池は、図１（ａ）、（ｂ）で示す多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側より、第１セル３０１形成後バッファ層３０３を形成し、その後、第２セル３０２を形成する。複数の半導体層で形成されたバッファ層３０３の各半導体層は、化合物半導体のＩＩＩ族元素の組成比を変化させエピタキシャル成長を行うことにより、第１セル３０１、第２セル３０２間において、順に各半導体層の格子定数を大きくするよう変化させ形成した。
【００２７】
なお、第１セル３０１とバッファ層３０３との間に第１セル３０１と格子整合する複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してもよく、第２セル３０２とバッファ層３０３との間に第２セル３０２と格子整合する複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してもよい。
【００２８】
バッファ層３０３を形成する複数の半導体層のうち、最も第２セル３０２側の半導体層の格子定数が第２セル３０２の格子定数よりも大きく、かつ、バッファ層３０３の中央より第１セル３０１に近い側に位置する２層の格子定数差が他の２層の格子定数差よりも大きい場合、第２セル３０２の結晶性が良くなることがわかった。第２セル３０２の結晶性が良くなることで、第２セル３０２の特性が良くなり、多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性も良くなることがわかった。
【００２９】
これは、複数の半導体層が存在するバッファ層３０３のうち、２層の格子定数の差をある値以上にすると、転位が発生する現象以外に２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長が、２層のうちの第２セル側の半導体層にわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長により第２セル側の半導体層の歪が緩和され結晶性が良好になると考えられる。
【００３０】
よって、この歪緩和をバッファ層３０３内の中央の半導体層より第１セル３０１側で起こすことで、より結晶性の良い半導体層を第１セル３０１側に形成し、その半導体層上に半導体層を積層することにより、第２セル３０２の結晶性を良くすることができる。
【００３１】
図２は、バッファ層３０３を形成する複数の半導体層のうち、他の２層より格子定数差の大きい２層が、最も第１セル３０１側にある場合を示した図である。第１セル３０１と第２セル３０２とは格子定数が異なる。ここで最も第１セル側にある２層の格子定数差をＡとし、他の２層の格子定数差をＢとしている。
【００３２】
この場合には、第２セル３０２の結晶性が良くなることで、第２セル３０２の特性が良くなるものであって、これは前述と同様であるが、歪緩和をバッファ層３０３内の最も第１セル３０１側で起こすことで、第１セル３０１側よりに結晶性の良い半導体層を形成し、その半導体層上に半導体層を積層することになるため、第２セル３０２の結晶性がさらに良くなったためと考えられる。
【００３３】
これから、バッファ層３０３の内部で結晶性が良好になる領域が広い方が好ましいので、歪緩和を起こす２層の位置はバッファ層３０３の中央より第１セル３０１に近い側にあるものとし、特に第１セル３０１に最も近い位置であることが好ましい。
【００３４】
なお、多接合セル３０６内には、トンネル接合層が形成されていてもよい。トンネル接合層は２つの半導体層を電気的に接続するための高濃度ドープｐｎ接合であり、少なくとも一対のｐ+層とｎ+層を含むものである。
【００３５】
また、第１セル３０１、第２セル３０２等のセルには、光電変換層の他に、例えば受光面側に窓層や裏面側にＢＳＦ層（裏面電界層）等を設けることでキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また、最も電極側のセルに半導体層と電極との抵抗を低減させるためのコンタクト層を形成してもよい。
【００３６】
窓層は光電変換層よりも受光面側に形成し、光電変換層よりも禁制帯幅が大きい材料で形成されている。窓層を形成することにより窓層と光電変換層との界面の結晶性が良好になり、表面再結合準位を減少させることで光電変換層に発生したキャリアを失わせないようにする効果がある。
【実施例１】
【００３７】
図３は、実施例の具体的な構造の一例である。受光面となる側から、ＩｎＧａＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／ＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）を含む多接合型化合物半導体太陽電池が形成されている。ＧａＡｓ（ミドルセル）とＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）とは格子定数が異なり、その格子定数の差は約２％である。
【００３８】
図３に示すように、より具体的には支持基板１０１（たとえば厚さ４００μｍ）上に受光面となる側から、第１電極１２８、トップセル４０Ａ、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂ、バッファ層４１Ａ、ボトムセル４０Ｃが積層され、支持基板１０１の裏面側に第２電極１０２が形成される多接合型化合物半導体太陽電池である。ここで、ボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間には金属層１５１が形成されている。この金属層１５１は、例えば金と錫の合金で形成されていてもよく、抵抗加熱蒸着装置、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着装置等を用いて形成される。また、この場合の支持基板１０１は例えばシリコン等の半導体である。
【００３９】
ボトムセル４０Ｃは、支持基板１０１から順に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５（たとえば厚さ０．４μｍ）、ｐ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255ＰからなるＢＳＦ層３４（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３（たとえば厚さ３μｍ）とｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２（たとえば厚さ０．１μｍ）とからなる光電変換層６０Ｃ、およびｎ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐからなる窓層３１（たとえば厚さ０．１μｍ）から構成されており、ボトムセル４０Ｃ内は格子整合している。
【００４０】
バッファ層４１Ａは、ボトムセル４０Ｃ側から順に、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.766Ｇａ0.234Ｐ層２９ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.733Ｇａ0.267Ｐ層２８ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.700Ｇａ0.300Ｐ層２７ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.667Ｇａ0.333Ｐ層２６ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.634Ｇａ0.366Ｐ層２５ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.601Ｇａ0.399Ｐ層２４ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.568Ｇａ0.432Ｐ層２３ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）から構成されている。ＩｎＧａＰ層のＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成比によりＩｎＧａＰ層の格子定数が変わるので、バッファ層４１Ａの各層は段階状に格子定数が変化している。
【００４１】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａと、後で示すｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０とは格子整合しており、バッファ層４１Ａのｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａからｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａにかけて格子定数が段階状に変化している。
【００４２】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差の０．０３３よりも大きくなっている。よって、バッファ層４１ａを構成する２層間の格子定数の差がバッファ層４１ａを構成する他の２層間の格子定数の差よりも大きく、その箇所がミドルセル４０Ｂ側に１箇所存在する。この時、他の２層間の格子定数の差はいずれも同じ格子定数の差となっている。
【００４３】
トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂは、バッファ層４１Ａ側から順に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層１１１（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１１２（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層１１３（たとえば厚さ０．０５μｍ）から構成されており、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂ内は格子整合している。
【００４４】
ミドルセル４０Ｂは、第２のトンネル接合層５０Ｂ側から順に、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510ＰからなるＢＳＦ層１１４（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層１１５（たとえば厚さ３μｍ）とｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層１１６（たとえば厚さ０．１μｍ）とからなる光電変換層６０Ｂ、およびｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなる窓層１１７（たとえば厚さ０．１μｍ）から構成されており、ミドルセル４０Ｂ内は格子整合している。
【００４５】
トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａは、ミドルセル４０Ｂ側から順に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１８（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層１１９（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１２０（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層１２１（たとえば厚さ０．０５μｍ）から構成されており、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａ内は格子整合している。
【００４６】
トップセル４０Ａは、第１のトンネル接合層５０Ａ側から順に、ｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１２２（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるベース層１２３（たとえば厚さ０．７０μｍ）とｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるエミッタ層１２４（たとえば厚さ０．０５μｍ）とからなる光電変換層６０Ａ、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５（たとえば厚さ０．０５μｍ）、および、第１電極１２８が形成される領域のｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５上に形成された、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２６（たとえば厚さ０．４μｍ）から構成されており、トップセル４０Ａ内は格子整合している。
【００４７】
また、第１電極１２８が形成される領域以外のｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５上にはＺｎＳ／ＭｇＦ２からなる反射防止膜１２７が形成されている。
【００４８】
また、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂと、ミドルセル４０Ｂと、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａと、トップセル４０Ａとは格子整合している。
【００４９】
なお、トップセル４０Ａ内にある光電変換層６０Ａの禁制帯幅を第１の禁制帯幅、ミドルセル４０Ｂ内にある光電変換層６０Ｂの禁制帯幅を第２の禁制帯幅、ボトムセル４０Ｃ内にある光電変換層６０Ｃの禁制帯幅を第４の禁制帯幅とすると、光電変換層の禁制帯幅の大きさは大きい順に、第１の禁制帯幅、第２の禁制帯幅、第４の禁制帯幅となっている。また、バッファ層の禁制帯幅を第３の禁制帯幅とすると、第３の禁制帯幅は、第４の禁制帯幅よりも大きい。
【００５０】
図４は他の具体的な構造の一例である。図４はボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間に第２電極１０２が形成されている。それ以外の構造は図３と同様である。図４の場合の支持基板１０１は、例えばシリコン等の半導体であってもよいし、絶縁体であってもよい。
【００５１】
以下、図５、図６の断面構成図を参照して、図４に示す構成の多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。以下に示す製造方法は、半導体基板上に多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側になる半導体層より順にエピタキシャル成長により形成する。
【００５２】
まず、図５に示すように、例えばＧａＡｓ基板１３０をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長）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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるエミッタ層１２４、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５３】
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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５４】
次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１８上に、ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５５】
次に、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510ＰからなるＢＳＦ層１１４上に、ｐ+型ＡｌＩｎＰ層１１３、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５６】
次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０上に、ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ、ｎ型Ｉｎ0.568Ｇａ0.432Ｐ層２３ａ、ｎ型Ｉｎ0.601Ｇａ0.399Ｐ層２４ａ、ｎ型Ｉｎ0.634Ｇａ0.366Ｐ層２５ａ、ｎ型Ｉｎ0.667Ｇａ0.333Ｐ層２６ａ、ｎ型Ｉｎ0.700Ｇａ0.300Ｐ層２７ａ、ｎ型Ｉｎ0.733Ｇａ0.267Ｐ層２８ａ、ｎ型Ｉｎ0.766Ｇａ0.234Ｐ層２９ａおよびｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。ＩｎＧａＰ層のＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成比によりＩｎＧａＰ層の格子定数が変わるので、バッファ層４１Ａの各層は段階状に格子定数が変化してエピタキシャル成長している。
【００５７】
ここで、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａは厚さ１μｍであるが、他の層、２１ａから２９ａは、それぞれ厚さ０．２５μｍである。
【００５８】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａはｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０より下の層に格子整合してエピタキシャル成長している。ここで、ＧａＡｓ基板１３０からｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０までは格子整合している。よって、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａから格子定数が段階状に変化してエピタキシャル成長している。ここで、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０上に格子定数を変化させたＩｎＧａＰ層のバッファ層形成するのではなく安定したＩｎＧａＰ層のバッファ層を形成するために、まず、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０に格子整合したｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａを形成した。
【００５９】
バッファ層４１Ａ内で、ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとの格子定数の差は他のＩｎＧａＰ層の２層間の格子定数の差よりも大きい。よって、バッファ層４１Ａ内で、半導体層の２層間の格子定数の差が他の半導体層の２層間の格子定数の差よりも大きく、その箇所がミドルセル４０Ｂ側に１箇所存在する。また、他の半導体層の２層間の格子定数の差はいずれも同じ格子定数の差となっている。
【００６０】
次に、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ上に、ｎ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐからなる窓層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Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐ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。
【００６１】
ここで、窓層３１は、ボトムセル４０ＣのＩｎＧａＡｓと格子整合するようにＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成を選んだ。
【００６２】
なお、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、ＡｌＩｎＧａＡｓの形成には、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。
【００６３】
その後、図５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(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ａｇ(たとえば厚さ３μｍ)の積層体からなる第２電極１０２を形成し、その後、第２電極１０２上に支持基板１０１を貼り付ける。
【００６４】
次に、ＧａＡｓ基板１３０を取り除く。図６は、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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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した図である。
【００６５】
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、レジストパターンに対応したコンタクト層１２６をアルカリ水溶液によりエッチング除去する。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、ＥＢ蒸着装置等を用いて、たとえばＡｕＧｅ（１２％）(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ｎｉ(たとえば厚さ０．０２μｍ)／Ａｕ(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ａｇ(たとえば厚さ５μｍ)の積層体からなる第１電極１２８を形成する。
【００６６】
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、ＺｎＳ／ＭｇＦ２からなる反射防止膜１２７をスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法等で形成する。これにより多接合型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４に示す構成の多接合型化合物半導体太陽電池を得ることができる。
【００６７】
図４の多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性を測定したところ、Ｅｆｆ＝３５．５％、ＶＯＣ＝２．９８Ｖ、ＪＳＣ＝１４．０ｍＡ／ｃｍ２、ＦＦ＝０．８５０の特性値が得られ、また再現性のある特性が得られた。さらに、作製された膜厚において各セル（トップセル４０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、ボトムセル４０Ｃ）の電流マッチングがとれていた。
【００６８】
上記の多接合型化合物半導体太陽電池の特性が得られたのは、バッファ層４１Ａの、最もボトムセル４０Ｃ側の半導体層３０ａがボトムセル４０Ｃの格子定数よりも大きく、さらに、バッファ層４１Ａの段階状に格子定数が変化する半導体層のうち、半導体層の２層間の格子定数の差が他の半導体層の２層間の格子定数の差よりも大きくその箇所が１箇所最もミドルセル４０Ｂ側にあることで、ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなったことによると考えられる。
【００６９】
ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなることによって、その特性が良くなり、多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性も良くなったと考えられる。
【００７０】
ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなったのは、複数の半導体層が存在するバッファ層４１Ａのうち、２層の格子定数の差をある値以上にすると転位が発生する現象以外に、２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長が、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａにわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長によりｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａの歪が緩和され、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａの結晶性が良好になると考えられる。
【００７１】
よって、この歪緩和をバッファ層４１Ａ内の最もミドルセル４０Ｂ側で起こすことで、より結晶性の良い半導体層を形成し、このより結晶性が良くなった半導体層上に半導体層を積層していくことにより、ボトムセル４０Ｃの結晶性を良くすることができる。
【００７２】
なお、非特許文献１で示されるバッファ層（図１４（ｂ）、図１５、図１６の５０３に対応）内にある半導体層の格子定数を一定幅で変化させた構造での特性値は、Ｅｆｆ＝３３．７８％、ＶＯＣ＝２．９６０Ｖ、ＪＳＣ＝１３．１４ｍＡ／ｃｍ２、ＦＦ＝０．８６９である。
【００７３】
実施例１では、バッファ層４１Ａのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０３３である。
【００７４】
ここで、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型ＩｎＧａＰ層２２とのＧａ組成xの差が大きくなりすぎると、ｎ型ＩｎＧａＰ層２２の転位密度が大きくなり、バッファ層４１のｎ型ＩｎＧａＰ層２３からｎ型ＩｎＧａＰ層３０、及びボトムセル４０Ｃの各層がその転位密度を維持するため結晶性が悪化することとなり、Ｇａ組成xの差が小さくなりすぎると、ｎ型ＩｎＧａＰ層２２に、結晶性が良好となる３次元成長の核が起こりにくくなると考えられる。
【００７５】
図７は、上記製造方法の概念図で、半導体基板３０８上に、エッチングストップ層３０９、トップセル４０Ａ、第１のトンネル接合層５０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、第２のトンネル接合層５０Ｂ、バッファ層４１、ボトムセル４０Ｃが形成されており、半導体基板３０８をエッチングにて取り除く製造方法である。
【００７６】
図８は、半導体基板の再利用を考慮した場合の概念図である。半導体基板３０８上にエッチングストップ層３１０、エッチング層３１１、エッチングストップ層３１２を積層した構造である。エッチング層３１１をエッチングすることで、半導体基板３０８側と多接合セル３１３側を分離することができ、半導体基板３０８を再利用することが可能である。
【００７７】
具体的には半導体基板３０８としてＧａＡｓ基板を再利用する場合、ＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層３１０としてｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、エッチング層３１１としてＡｌＡｓ層、エッチングストップ層３１２としてｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。その上には多接合セル３１３が形成される。多接合セル３１３は前述したとおりの各層が形成される。なお、多接合セル３１３は前述したとおりの各層に限定されるものではない。ＡｌＡｓ層はフッ酸によりエッチングされ、多接合セル３１３側とＧａＡｓ基板側とを分離することができる。
【００７８】
分離した多接合セル３１３側のエッチングストップ層３１２であるｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、ＧａＡｓ基板側のエッチングストップ層３１０であるｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層ともに、酸水溶液にてエッチングすることで取り除くことができ、多接合セル３１３側の太陽電池製造が行われＧａＡｓ基板の再利用が可能となる。
【００７９】
次に、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差を０．０４５とし、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差を変更した検討を行った。良好な太陽電池特性を示した実施例２、３と、それ以外を比較例１、２として、以下に示す。
【実施例２】
【００８０】
さらに、バッファ層４１のＩＩＩ族元素の組成を変化させ、バッファ層４１の格子定数を変化させた多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の構造、バッファ層４１の製造方法以外は実施例１と同じである。バッファ層４１の製造は実施例１と同じＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長である。また、バッファ層４１は実施例１と同様、ＩＩＩ族元素の組成を変えることで格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。
【００８１】
図９は、実施例２を示す図である。バッファ層４１Ｂのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｂとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｂとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０２９である。
【００８２】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.767Ｇａ0.233Ｐ層３０ｂ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.738Ｇａ0.262Ｐ層２９ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.709Ｇａ0.291Ｐ層２８ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.680Ｇａ0.320Ｐ層２７ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.651Ｇａ0.349Ｐ層２６ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.622Ｇａ0.378Ｐ層２５ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.593Ｇａ0.407Ｐ層２４ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.564Ｇａ0.436Ｐ層２３ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００８３】
上記に、バッファ層４１Ｂのみを示したが、バッファ層４１Ｂの構造以外は実施例１と同じである。
【実施例３】
【００８４】
実施例２と同様に、多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１Ｃの構造以外は実施例１と同じである。下記に、バッファ層４１Ｃのみを示す。
【００８５】
バッファ層４１Ｃのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｃとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｃとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３９である。
【００８６】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.847Ｇａ0.153Ｐ層３０ｃ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.808Ｇａ0.192Ｐ層２９ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.769Ｇａ0.231Ｐ層２８ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.730Ｇａ0.270Ｐ層２７ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.691Ｇａ0.309Ｐ層２６ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.652Ｇａ0.348Ｐ層２５ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.613Ｇａ0.387Ｐ層２４ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.574Ｇａ0.426Ｐ層２３ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００８７】
比較例１、２も実施例と同様に多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の厚みは実施例１と同じであり、また、バッファ層４１の構造以外も実施例１と同じである。
【００８８】
（比較例１）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０２８である。
【００８９】
（比較例２）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０４１である。
【００９０】
次に、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型ＩｎＧａＰ層２２とのＧａ組成xの差を変更し、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差を０．０３３とした検討を行った。良好な太陽電池特性を示した実施例４、５と、それ以外を比較例３、４として、以下に示す。
【実施例４】
【００９１】
実施例２、３と同様に、バッファ層４１のＩＩＩ族元素の組成を変化させ、バッファ層４１の格子定数を変化させた他の多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の構造、バッファ層４１の製造方法以外は実施例１と同じである。バッファ層４１の製造は実施例１と同じＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長である。また、バッファ層４１は実施例１と同様、ＩＩＩ族元素の組成を変えることで格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。
【００９２】
図１０は、実施例４を示す図である。バッファ層４１Ｄのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｄとｎ型Ｉｎ0.550Ｇａ0.450Ｐ層２２ｄとのＧａ組成xの差は０．０６０であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３３である。
【００９３】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.814Ｇａ0.186Ｐ層３０ｄ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.781Ｇａ0.219Ｐ層２９ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.748Ｇａ0.252Ｐ層２８ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.715Ｇａ0.285Ｐ層２７ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.682Ｇａ0.318Ｐ層２６ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.649Ｇａ0.351Ｐ層２５ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.616Ｇａ0.384Ｐ層２４ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.583Ｇａ0.417Ｐ層２３ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.550Ｇａ0.450Ｐ層２２ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００９４】
上記に、バッファ層４１Ｄのみを示したが、バッファ層４１Ｄの構造以外は実施例１と同じである。
【実施例５】
【００９５】
実施例４と同様に、多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１Ｅの構造以外は実施例１と同じである。下記に、バッファ層４１Ｅのみを示す。
【００９６】
バッファ層４１Ｅのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｅとｎ型Ｉｎ0.530Ｇａ0.470Ｐ層２２ｅとのＧａ組成xの差は０．０４０であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３３である。
【００９７】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.794Ｇａ0.206Ｐ層３０ｅ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.761Ｇａ0.239Ｐ層２９ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.728Ｇａ0.272Ｐ層２８ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.695Ｇａ0.305Ｐ層２７ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.662Ｇａ0.338Ｐ層２６ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.629Ｇａ0.371Ｐ層２５ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.596Ｇａ0.404Ｐ層２４ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.563Ｇａ0.437Ｐ層２３ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.530Ｇａ0.470Ｐ層２２ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００９８】
比較例３、４も実施例と同様に多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。 バッファ層４１の厚みは実施例１と同じであり、また、バッファ層４１の構造以外も実施例１と同じである。
【００９９】
（比較例３）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.523Ｇａ0.477Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０３３であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差も、いずれも０．０３３である。
【０１００】
（比較例４）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.555Ｇａ0.445Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０６５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０３３である。
【０１０１】
実施例２〜５のいずれにおいても、図３と同様に、ボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間に金属層１５１が形成され、支持基板１０１の裏面側に第２電極１０２が形成される多接合型化合物半導体太陽電池も作製可能である。
【０１０２】
次に、実施例１〜５、比較例１〜４の多接合型化合物半導体太陽電池の評価を行った。形成された多接合型化合物半導体太陽電池はいずれも逆積みで作製しており、第２図を参照すると第１セル３０１までは格子整合している。よって、第１セル３０１と格子定数が異なる第２セル３０２と、格子定数を変化させたバッファ層３０３とからなる半導体層３１４が、形成された多接合型化合物半導体太陽電池特性に大きく影響する。そこで、第２セル３０２とバッファ層３０３とからなる半導体層３１４の特性評価を行った。また、断面ＴＥＭ像による半導体層３１４の断面観察、特に、第２セル３０２の断面観察も行った。
【０１０３】
図１１は、多接合型化合物半導体太陽電池に対する評価用サンプルの断面図を示す。図１１に示すようにエッチングにてトップセル４０Ａから第２のトンネル接合層５０Ｂの一部を取り除き、特性評価のための電極層３１５を形成して評価サンプル３１６を作製し半導体層３１４の特性評価を行った。図１１の半導体層３０は、バッファ層４１の最もボトムセル４０Ｃ側のｎ型ＩｎＧａＰ層である。図１２に一例として、図４に示すバッファ層４１が実施例１である場合（４１Ａ）の評価サンプル３１６Ａを示す。
【０１０４】
特性評価は、図１１に示すように、評価サンプル３１６の第２電極１０２と電極層３１５とを用いて半導体層３１４のＶｏｃ（開放電圧；単位Ｖ）の評価を行った。
【０１０５】
ここで、図１３に、Ｅｇ（バンドギャップエネルギー；単位ｅＶ）とＶｏｃとの関係を示す。図１３中の傾きを有する直線ａ：Ｖｏｃ＝Ｅｇ−０．４は結晶性が最も良いと仮定したときのＥｇとＶｏｃとの関係を示している。
【０１０６】
ボトムセル４０ＣをＥｇ＝１．０ｅＶとした場合、多接合型化合物半導体太陽電池の効率がより高くなることから、図１３より結晶性が最も良いと仮定したときのボトムセル４０ＣのＶｏｃは０．６Ｖであることがわかる。
【０１０７】
表１に評価結果を示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
表１に実施例１〜５、および比較例１〜４の結果の一覧を示す。項目はバッファ層のＧａ組成ｘの差、その際の換算による格子定数差、下記式（１）で示される第１格子定数差比、下記式（２）で示される第２格子定数差比、評価サンプルのボトムセル４０Ｃの断面ＴＥＭ像による断面状態、およびボトムセル４０Ｃの特性が表れる半導体層３１４のＶｏｃである。
【０１１０】
ここで、第１格子定数差比（％）は、下記の式（１）により示される。
第１格子定数差比（％）＝（１００×（ａ１−ａ２））／（ａ１）・・・（１）
上記の式（１）において、ａ１はバッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２２（図１２であればｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ）の格子定数を示す。また、ａ２はバッファ層４１を形成する半導体層のうち、ミドルセル４０Ｂに最も近い位置に配置されている半導体層２１（図１２であればｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ）の格子定数を示す。
【０１１１】
なお、格子定数ａ１と、格子定数ａ２とは、ＩｎＧａＰの元素の組成比から換算により求めた。
【０１１２】
また、第２格子定数差比（％）は、下記の式（２）により示される。
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）・・・（２）
上記の式（２）において、ａ３はバッファ層４１を構成する半導体層のうちボトムセル４０Ｃに最も近い位置に配置されている半導体層３０（図１２であればｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ）の格子定数を示す。また、ａ４はボトムセル４０Ｃの格子定数を示す。
【０１１３】
なお、格子定数ａ３と、格子定数ａ４とは、エピタキシャル成長直後で支持基板１０１を取り付ける前、第２電極１０２を形成する前の状態において、ボトムセル４０Ｃ（例えば図５であれば図５の上下方向でｐ型ＩｎＧａＡｓ層３５側）側からＸ線を照射することによって、Ｘ線回折法によって求めた。
【０１１４】
また、ボトムセル４０Ｃの断面ＴＥＭ像も、エピタキシャル成長直後で支持基板１０１を取り付ける前、第２電極１０２を形成する前の状態において、観察した。なお、表１のボトムセル４０Ｃの断面状態の表記は、以下の内容を表している。
【０１１５】
○・・・断面状態が最良
△・・・断面状態が良好
×・・・断面状態が不良
第２格子定数差比が０．１２％〜０．８０％で、ボトムセル４０Ｃの断面状態が最良になり、望ましくは、０．１５％以上であり０．７４％以下の場合である。
【０１１６】
だが、第２格子定数差比が０．１５％以上であり０．７４％以下であっても、比較例３、４の結果から、ボトムセル４０Ｃの断面状態は最良ではない。
【０１１７】
バッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２の格子定数差が０．０１５Å〜０．０２６Åであれば、ボトムセル４０Ｃの断面状態が最良になり、望ましくは、０．１６７Å以上であり０．２５１Å以下の場合である。
【０１１８】
これらの結果から、ボトムセル４０ＣのＶｏｃを所望のＥｇ＝１．０ｅＶにするには、第２格子定数差比のみでなく、さらにバッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２との格子定数差の所定の範囲が必要となる。
【０１１９】
複数の半導体層が存在するバッファ層４１では、２層の格子定数の差をある値以上にすると転位が発生する現象以外に、２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長がわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長が大半の２次元成長の中で起こることで歪が緩和され結晶性が良好になると考えられる。ただ、２層の格子定数の差を大きくしすぎると、転位密度が大きくなり、各層がその転位密度を維持するため結晶性が悪化することとなり、２層の格子定数の差を小さくしすぎると、３次元成長の核が起こりにくくなる。
【０１２０】
バッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２との格子定数差が０．０１５Å〜０．０２６Åの範囲では、上記に示す３次元成長が起こることで歪が緩和され結晶性が良好になる現象が起こる範囲内であると考えられる。
【０１２１】
上記の歪緩和を起こすことで、より結晶性の良い半導体層を形成し、その半導体層上に半導体層を積層することにより、ボトムセル４０Ｃの結晶性をより良くすることができると考えられる。
【０１２２】
これから、バッファ層４１の内部で結晶性が良好になる領域が広い方が好ましいので、歪緩和を起こす２層の位置はバッファ層４１の中央よりミドルセル４０Ｂに近い側にあるものとし、特にミドルセル４０Ｂに最も近い位置であることが好ましい。
【０１２３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、格子定数が異なる２つのセル間を本発明に示したバッファ層を介して作製し、２接合、３接合、４接合等の多接合型化合物半導体太陽電池に用いた場合にも特性を向上させることができると考えられる。
【０１２４】
また、今回開示された実施の形態および実施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】
【０１２５】
本発明は、多接合型化合物半導体太陽電池は、多接合型化合物半導体太陽電池全般に広く適用することができる。
【符号の説明】
【０１２６】
２１ ｎ+型ＩｎＧａＰ層、２２ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２３ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２４ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２５ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２６ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２７ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２８ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２９ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３０ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３１ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３２ ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、３３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、３４ ｐ型ＩｎＧａＰ層、３５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、４０Ａ トップセル、４０Ｂ ミドルセル、４０Ｃ ボトムセル、４１ バッファ層、５０Ａ トンネル接合層（第１のトンネル接合層）、５０Ｂ トンネル接合層（第２のトンネル接合層）、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ 光電変換層、１０１ 支持基板、１０２ 第２電極、１１０ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、１１１ ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１２ ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層、１１３ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、１１４ ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１５ ｐ型ＧａＡｓ層、１１６ ｎ型ＧａＡｓ層、１１７ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１８ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、１１９ ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２０ ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層、１２１ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、１２２ ｐ型ＡｌＩｎＰ層、１２３ ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２４ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２５ ｎ型ＡｌＩｎＰ層、１２６ ｎ型ＧａＡｓ層、１２７ 反射防止膜、１２８ 第１電極、１３０ ＧａＡｓ基板、１３１ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１３２ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１３３ ＡｌＡｓ層、１３４ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１５１ 金属層、３０１ 第１セル、３０２ 第２セル、３０３ バッファ層、３０４ 第１電極、３０５ 第２電極、３０６ 多接合セル、３０７ 支持基板、３０８ 半導体基板、３０９ エッチングストップ層、３１０ エッチングストップ層、３１１ エッチング層、３１２ エッチングストップ層、３１３ 多接合セル、３１４ 半導体層、３１５ 電極層、３１６ 評価サンプル、３２１ 金属層、５０１ トップセル、５０２ ミドルセル、５０３ バッファ層、５０４ ボトムセル、５０５ 第１電極、５０６ 第２電極、５０７ 半導体基板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多接合型化合物半導体太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板を用い、シリコン基板にｐｎ接合を形成したシリコン結晶系太陽電池が現在主流となっているが、シリコン結晶系太陽電池よりも高い光電変換効率が得られる太陽電池として直接遷移型で光吸収係数が大きい化合物半導体を用いる太陽電池がある。現在開発されている化合物半導体太陽電池の多くは、互いに異なる禁制帯幅の光電変換層（ｐｎ接合層）を複数有した多接合（タンデム）構造を有するものであり、太陽光スペクトルを有効活用できることから、光電変換層が１つである単一接合の化合物半導体太陽電池よりもさらに高い光電変換効率を得ることが可能である。
【０００３】
互いに異なる禁制帯幅の光電変換層を複数有する多接合型化合物半導体太陽電池では、エピタキシャル成長による格子整合を考慮した系（格子整合系）が主に検討されている。格子整合系では３つの光電変換層を有する多接合型化合物半導体太陽電池として太陽光の入射側（受光面側）から、ＩｎＧａＰの光電変換層／ＧａＡｓの光電変換層／Ｇｅの光電変換層を有する多接合型化合物半導体太陽電池が開発されている。ＩｎＧａＰの光電変換層の禁制帯幅は約１．７〜２．１ｅＶであり、ＧａＡｓの光電変換層の禁制帯幅は約１．３〜１．６ｅＶであり、Ｇｅの光電変換層の禁制帯幅は約０．７ｅＶ以下である。
【０００４】
図１４は、従来の多接合型化合物半導体太陽電池を示す模式的な断面図である。図１４（ａ）に示すように、太陽光はトップセル５０１側から入射してボトムセル５０４に向かって進むことになるので、その間にトップセル５０１、ミドルセル５０２、およびボトムセル５０４のそれぞれの光電変換層の禁制帯幅に基づく波長の太陽光が吸収されて、電気エネルギーに変換（光電変換）されることになる。ここで、セルは１つの光電変換層を含む複数の半導体層からなるものとする。
【０００５】
したがって、禁制帯幅は大きい順に、トップセル５０１の光電変換層、ミドルセル５０２の光電変換層、ボトムセル５０４の光電変換層となっている。また、受光面側に第１電極５０５が形成され、受光面側と反対側（裏面側）に第２電極５０６が形成されている。
【０００６】
太陽光スペクトルの有効利用のためには、３接合ならば、光電変換層の禁制帯幅は受光面側から、１．９３ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０５ｅＶ材料の組み合わせがよいとされており、より高い光電変換を得るためにボトムセルの光電変換層の禁制帯幅が０．９〜１．１ｅＶ程度である材料の検討がなされている。
【０００７】
禁制帯幅が１ｅＶ程度である材料の１つとしてＩｎＧａＡｓが提案されている。このＩｎＧａＡｓをボトムセル５０４として、トップセル５０１をＩｎＧａＰ、ミドルセル５０２をＧａＡｓとした場合、ミドルセル５０２であるＧａＡｓとボトムセル５０４となるＩｎＧａＡｓとは格子定数が異なり、その格子定数の差は約２％であり大きい。そこで、図１４（ｂ）に示されるようにミドルセル５０２とボトムセル５０４の間に、格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成した多接合型化合物半導体太陽電池の開発が行われている。
【０００８】
非特許文献１には、ＩｎＧａＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／ＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）の多接合型化合物半導体太陽電池でトップセル５０１（ＩｎＧａＰ）とミドルセル５０２（ＧａＡｓ）は格子整合しているが、格子定数が異なるミドルセル５０２（ＧａＡｓ）とボトムセル５０４（ＩｎＧａＡｓ）との間に、ＩｎＧａＰの格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成した多接合型化合物半導体太陽電池が示されている。
【０００９】
また、図１５、図１６に示すように、半導体基板５０７（ＧａＡｓ基板）上に格子整合したトップセル５０１のＩｎＧａＰをエピタキシャル成長させて形成し、格子整合したミドルセル５０２のＧａＡｓをエピタキシャル成長させて形成、その後、ＩｎＧａＰの格子定数を等間隔で変化させたバッファ層５０３をエピタキシャル成長させて形成した後、ボトムセル５０４のＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させる内容が記載されている。バッファ層５０３のうち、最もボトムセル５０４側の格子定数は、図１５の例ではボトムセル５０４よりも大きく、図１６の例ではボトムセル５０４よりも小さくなっている。なお、図１５、図１６ではトンネル接合を省略した。特許文献１にも、同様の記載がある。
【００１０】
ここで示されている半導体基板５０７上に、多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側になる順、すなわち、トップセル５０１、ミドルセル５０２、ボトムセル５０４の順に積層する製法を逆積みと呼び、このように形成された構造を逆積３接合と呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３２４５６３号公報
【非特許文献１】J.F.Geisz et al. "Inverted GaInP/(In)GaAs/InGaAs triple-junction solar cells with low-stress metamorphic bottom junction." 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference San Diego, California, May11-16,2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１に示されるような多接合型化合物半導体太陽電池においては、格子定数が異なるミドルセル５０２（ＧａＡｓ）とボトムセル５０４（ＩｎＧａＡｓ）との間に、ＩｎＧａＰの格子定数を変化させたバッファ層５０３を形成はしているものの、バッファ層及びボトムセルの結晶性を充分に高めることができず、ひいては特性を優れたものにすることができなかった。
【００１３】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ボトムセルの結晶性を良くすることで、従来の多接合型化合物半導体太陽電池よりもさらに特性に優れた多接合型化合物半導体太陽電池を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも含む多接合型化合物半導体太陽電池において、第１電極は太陽光入射側に配置され、第１セルと第２セルは、それぞれ異なる禁制帯幅を持つ光電変換層を有し、かつ第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、複数の半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、複数の半導体層のうち、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【００１５】
本発明は、第１の禁制帯幅の光電変換層を有する第１セルと、第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁制帯幅の光電変換層を有する第２セルと、第１セルと第２セルとの間に形成されたバッファ層と、第１セル側に配置された第１電極と、第２セル側に配置された第２電極とを有する多接合型化合物半導体太陽電池において、第２セルの格子定数は第１セルの格子定数よりも大きく、バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、複数の半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル側から第２セル側にかけて順に大きくなり、複数の半導体層のうち、第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、第２セルの格子定数より大きく、複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、バッファ層の中央より第１セルに近い側に位置している多接合型化合物半導体太陽電池である。
【００１６】
ここで、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、格子定数差が最も大きくなる２層は、第１セルに最も近い２層であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層の、第２セル側の層の格子定数をａ１、第１セル側の層の格子定数をａ２としたとき、格子定数ａ１と、格子定数ａ２との格子定数差が、０．０１５Å〜０．０２６Åであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の多接合型化合物半導体太陽電池において、第２セルの格子定数をａ４、第２セルに最も近い半導体層の格子定数をａ３とし、
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）
としたとき、第２格子定数差比の値が、０．１２％〜０．８０％であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ボトムセルの結晶性を良くすることができるので、従来の多接合型化合物半導体太陽電池よりもさらに特性に優れた多接合型化合物半導体太陽電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。（ｂ）は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。
【図２】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【図３】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図４】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図５】図４に示す多接合型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図解する模式的な断面構成図である。
【図６】図４に示す多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面構成図である。
【図７】多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法を図解する模式的な断面構成図である。
【図８】半導体基板を再利用する多接合型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図解する模式的な断面構成図である。
【図９】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１０】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池のさらに他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１１】本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を評価するための評価サンプルの一例の模式的な断面構成図である。
【図１２】図１１に示す本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を評価するための評価サンプルの一例の模式的な断面構成図である。
【図１３】ボトムセルのバンドギャップＥｇと開放電圧Ｖｏｃとの関係を示す図である。
【図１４】（ａ）は従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面構成図である。（ｂ）は従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の他の一例の模式的な断面構成図である。
【図１５】従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【図１６】従来技術の多接合型化合物半導体太陽電池の一例の模式的な製造時の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の多接合型化合物半導体太陽電池の基本的な構造である。
【００２２】
本発明の多接合型化合物半導体太陽電池を、図１（ａ）に示す。該多接合型化合物半導体太陽電池は、多接合セル３０６と、受光面側に形成された第１電極３０４と、支持基板３０７の裏面側に形成された第２電極３０５とから形成されている。多接合セル３０６は、第１セル３０１、第１セルと格子定数が異なる第２セル３０２、第１セル３０１と第２セル３０２との間に形成されたバッファ層３０３を含み、第１セル３０１、第２セル３０２以外の他のセルが単数、または複数形成されていてもよい。前記支持基板３０７は、例えば半導体基板である。また、多接合セル３０６と支持基板３０７との間に、金属層３２１が形成されている。
【００２３】
図１（ｂ）に、多接合セル３０６と支持基板３０７との間に第２電極３０５が形成された構造を示す。
【００２４】
ここで、第１セル３０１は第２セル３０２に対して受光面側に形成され、第１セルに形成されている光電変換層の禁制帯幅（第１の禁制帯幅）は第２セル３０２に形成されている光電変換層の禁制帯幅（第２の禁制帯幅）よりも大きい。また、バッファ層３０３の禁制帯幅（第３の禁制帯幅）は第２の禁制帯幅よりも大きい。
【００２５】
バッファ層３０３は、格子定数が異なる２つのセル間に形成した格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。バッファ層３０３の各半導体層の格子定数は、それぞれ第１セル３０１側から第２セル３０２側にかけて順に大きくなるよう変化している。
【００２６】
本発明の多接合型化合物半導体太陽電池は、図１（ａ）、（ｂ）で示す多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側より、第１セル３０１形成後バッファ層３０３を形成し、その後、第２セル３０２を形成する。複数の半導体層で形成されたバッファ層３０３の各半導体層は、化合物半導体のＩＩＩ族元素の組成比を変化させエピタキシャル成長を行うことにより、第１セル３０１、第２セル３０２間において、順に各半導体層の格子定数を大きくするよう変化させ形成した。
【００２７】
なお、第１セル３０１とバッファ層３０３との間に第１セル３０１と格子整合する複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してもよく、第２セル３０２とバッファ層３０３との間に第２セル３０２と格子整合する複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してもよい。
【００２８】
バッファ層３０３を形成する複数の半導体層のうち、最も第２セル３０２側の半導体層の格子定数が第２セル３０２の格子定数よりも大きく、かつ、バッファ層３０３の中央より第１セル３０１に近い側に位置する２層の格子定数差が他の２層の格子定数差よりも大きい場合、第２セル３０２の結晶性が良くなることがわかった。第２セル３０２の結晶性が良くなることで、第２セル３０２の特性が良くなり、多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性も良くなることがわかった。
【００２９】
これは、複数の半導体層が存在するバッファ層３０３のうち、２層の格子定数の差をある値以上にすると、転位が発生する現象以外に２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長が、２層のうちの第２セル側の半導体層にわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長により第２セル側の半導体層の歪が緩和され結晶性が良好になると考えられる。
【００３０】
よって、この歪緩和をバッファ層３０３内の中央の半導体層より第１セル３０１側で起こすことで、より結晶性の良い半導体層を第１セル３０１側に形成し、その半導体層上に半導体層を積層することにより、第２セル３０２の結晶性を良くすることができる。
【００３１】
図２は、バッファ層３０３を形成する複数の半導体層のうち、他の２層より格子定数差の大きい２層が、最も第１セル３０１側にある場合を示した図である。第１セル３０１と第２セル３０２とは格子定数が異なる。ここで最も第１セル側にある２層の格子定数差をＡとし、他の２層の格子定数差をＢとしている。
【００３２】
この場合には、第２セル３０２の結晶性が良くなることで、第２セル３０２の特性が良くなるものであって、これは前述と同様であるが、歪緩和をバッファ層３０３内の最も第１セル３０１側で起こすことで、第１セル３０１側よりに結晶性の良い半導体層を形成し、その半導体層上に半導体層を積層することになるため、第２セル３０２の結晶性がさらに良くなったためと考えられる。
【００３３】
これから、バッファ層３０３の内部で結晶性が良好になる領域が広い方が好ましいので、歪緩和を起こす２層の位置はバッファ層３０３の中央より第１セル３０１に近い側にあるものとし、特に第１セル３０１に最も近い位置であることが好ましい。
【００３４】
なお、多接合セル３０６内には、トンネル接合層が形成されていてもよい。トンネル接合層は２つの半導体層を電気的に接続するための高濃度ドープｐｎ接合であり、少なくとも一対のｐ+層とｎ+層を含むものである。
【００３５】
また、第１セル３０１、第２セル３０２等のセルには、光電変換層の他に、例えば受光面側に窓層や裏面側にＢＳＦ層（裏面電界層）等を設けることでキャリア収集効率を高める工夫を有してもよい。また、最も電極側のセルに半導体層と電極との抵抗を低減させるためのコンタクト層を形成してもよい。
【００３６】
窓層は光電変換層よりも受光面側に形成し、光電変換層よりも禁制帯幅が大きい材料で形成されている。窓層を形成することにより窓層と光電変換層との界面の結晶性が良好になり、表面再結合準位を減少させることで光電変換層に発生したキャリアを失わせないようにする効果がある。
【実施例１】
【００３７】
図３は、実施例の具体的な構造の一例である。受光面となる側から、ＩｎＧａＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／ＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）を含む多接合型化合物半導体太陽電池が形成されている。ＧａＡｓ（ミドルセル）とＩｎＧａＡｓ（ボトムセル）とは格子定数が異なり、その格子定数の差は約２％である。
【００３８】
図３に示すように、より具体的には支持基板１０１（たとえば厚さ４００μｍ）上に受光面となる側から、第１電極１２８、トップセル４０Ａ、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂ、バッファ層４１Ａ、ボトムセル４０Ｃが積層され、支持基板１０１の裏面側に第２電極１０２が形成される多接合型化合物半導体太陽電池である。ここで、ボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間には金属層１５１が形成されている。この金属層１５１は、例えば金と錫の合金で形成されていてもよく、抵抗加熱蒸着装置、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着装置等を用いて形成される。また、この場合の支持基板１０１は例えばシリコン等の半導体である。
【００３９】
ボトムセル４０Ｃは、支持基板１０１から順に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３５（たとえば厚さ０．４μｍ）、ｐ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255ＰからなるＢＳＦ層３４（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層３３（たとえば厚さ３μｍ）とｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層３２（たとえば厚さ０．１μｍ）とからなる光電変換層６０Ｃ、およびｎ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐからなる窓層３１（たとえば厚さ０．１μｍ）から構成されており、ボトムセル４０Ｃ内は格子整合している。
【００４０】
バッファ層４１Ａは、ボトムセル４０Ｃ側から順に、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.766Ｇａ0.234Ｐ層２９ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.733Ｇａ0.267Ｐ層２８ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.700Ｇａ0.300Ｐ層２７ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.667Ｇａ0.333Ｐ層２６ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.634Ｇａ0.366Ｐ層２５ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.601Ｇａ0.399Ｐ層２４ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.568Ｇａ0.432Ｐ層２３ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ（たとえば厚さ０．２５μｍ）から構成されている。ＩｎＧａＰ層のＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成比によりＩｎＧａＰ層の格子定数が変わるので、バッファ層４１Ａの各層は段階状に格子定数が変化している。
【００４１】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａと、後で示すｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０とは格子整合しており、バッファ層４１Ａのｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａからｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａにかけて格子定数が段階状に変化している。
【００４２】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差の０．０３３よりも大きくなっている。よって、バッファ層４１ａを構成する２層間の格子定数の差がバッファ層４１ａを構成する他の２層間の格子定数の差よりも大きく、その箇所がミドルセル４０Ｂ側に１箇所存在する。この時、他の２層間の格子定数の差はいずれも同じ格子定数の差となっている。
【００４３】
トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂは、バッファ層４１Ａ側から順に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層１１１（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１１２（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層１１３（たとえば厚さ０．０５μｍ）から構成されており、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂ内は格子整合している。
【００４４】
ミドルセル４０Ｂは、第２のトンネル接合層５０Ｂ側から順に、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510ＰからなるＢＳＦ層１１４（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層１１５（たとえば厚さ３μｍ）とｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層１１６（たとえば厚さ０．１μｍ）とからなる光電変換層６０Ｂ、およびｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなる窓層１１７（たとえば厚さ０．１μｍ）から構成されており、ミドルセル４０Ｂ内は格子整合している。
【００４５】
トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａは、ミドルセル４０Ｂ側から順に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１８（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層１１９（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１２０（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層１２１（たとえば厚さ０．０５μｍ）から構成されており、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａ内は格子整合している。
【００４６】
トップセル４０Ａは、第１のトンネル接合層５０Ａ側から順に、ｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１２２（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるベース層１２３（たとえば厚さ０．７０μｍ）とｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるエミッタ層１２４（たとえば厚さ０．０５μｍ）とからなる光電変換層６０Ａ、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５（たとえば厚さ０．０５μｍ）、および、第１電極１２８が形成される領域のｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５上に形成された、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２６（たとえば厚さ０．４μｍ）から構成されており、トップセル４０Ａ内は格子整合している。
【００４７】
また、第１電極１２８が形成される領域以外のｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１２５上にはＺｎＳ／ＭｇＦ２からなる反射防止膜１２７が形成されている。
【００４８】
また、トンネル接合層（第２のトンネル接合層）５０Ｂと、ミドルセル４０Ｂと、トンネル接合層（第１のトンネル接合層）５０Ａと、トップセル４０Ａとは格子整合している。
【００４９】
なお、トップセル４０Ａ内にある光電変換層６０Ａの禁制帯幅を第１の禁制帯幅、ミドルセル４０Ｂ内にある光電変換層６０Ｂの禁制帯幅を第２の禁制帯幅、ボトムセル４０Ｃ内にある光電変換層６０Ｃの禁制帯幅を第４の禁制帯幅とすると、光電変換層の禁制帯幅の大きさは大きい順に、第１の禁制帯幅、第２の禁制帯幅、第４の禁制帯幅となっている。また、バッファ層の禁制帯幅を第３の禁制帯幅とすると、第３の禁制帯幅は、第４の禁制帯幅よりも大きい。
【００５０】
図４は他の具体的な構造の一例である。図４はボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間に第２電極１０２が形成されている。それ以外の構造は図３と同様である。図４の場合の支持基板１０１は、例えばシリコン等の半導体であってもよいし、絶縁体であってもよい。
【００５１】
以下、図５、図６の断面構成図を参照して、図４に示す構成の多接合型化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。以下に示す製造方法は、半導体基板上に多接合型化合物半導体太陽電池の受光面側になる半導体層より順にエピタキシャル成長により形成する。
【００５２】
まず、図５に示すように、例えばＧａＡｓ基板１３０をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長）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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐからなるエミッタ層１２４、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５３】
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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５４】
次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１８上に、ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５５】
次に、ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510ＰからなるＢＳＦ層１１４上に、ｐ+型ＡｌＩｎＰ層１１３、ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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。
【００５６】
次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０上に、ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ、ｎ型Ｉｎ0.568Ｇａ0.432Ｐ層２３ａ、ｎ型Ｉｎ0.601Ｇａ0.399Ｐ層２４ａ、ｎ型Ｉｎ0.634Ｇａ0.366Ｐ層２５ａ、ｎ型Ｉｎ0.667Ｇａ0.333Ｐ層２６ａ、ｎ型Ｉｎ0.700Ｇａ0.300Ｐ層２７ａ、ｎ型Ｉｎ0.733Ｇａ0.267Ｐ層２８ａ、ｎ型Ｉｎ0.766Ｇａ0.234Ｐ層２９ａおよびｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。ＩｎＧａＰ層のＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成比によりＩｎＧａＰ層の格子定数が変わるので、バッファ層４１Ａの各層は段階状に格子定数が変化してエピタキシャル成長している。
【００５７】
ここで、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａは厚さ１μｍであるが、他の層、２１ａから２９ａは、それぞれ厚さ０．２５μｍである。
【００５８】
ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａはｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０より下の層に格子整合してエピタキシャル成長している。ここで、ＧａＡｓ基板１３０からｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０までは格子整合している。よって、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａから格子定数が段階状に変化してエピタキシャル成長している。ここで、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０上に格子定数を変化させたＩｎＧａＰ層のバッファ層形成するのではなく安定したＩｎＧａＰ層のバッファ層を形成するために、まず、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層１１０に格子整合したｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａを形成した。
【００５９】
バッファ層４１Ａ内で、ｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとの格子定数の差は他のＩｎＧａＰ層の２層間の格子定数の差よりも大きい。よって、バッファ層４１Ａ内で、半導体層の２層間の格子定数の差が他の半導体層の２層間の格子定数の差よりも大きく、その箇所がミドルセル４０Ｂ側に１箇所存在する。また、他の半導体層の２層間の格子定数の差はいずれも同じ格子定数の差となっている。
【００６０】
次に、ｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ上に、ｎ型Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐからなる窓層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Ｉｎ0.745Ｇａ0.255Ｐ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。
【００６１】
ここで、窓層３１は、ボトムセル４０ＣのＩｎＧａＡｓと格子整合するようにＩＩＩ族元素であるＩｎとＧａとの組成を選んだ。
【００６２】
なお、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、ＡｌＩｎＧａＡｓの形成には、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。
【００６３】
その後、図５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(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ａｇ(たとえば厚さ３μｍ)の積層体からなる第２電極１０２を形成し、その後、第２電極１０２上に支持基板１０１を貼り付ける。
【００６４】
次に、ＧａＡｓ基板１３０を取り除く。図６は、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Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ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した図である。
【００６５】
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、レジストパターンに対応したコンタクト層１２６をアルカリ水溶液によりエッチング除去する。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、ＥＢ蒸着装置等を用いて、たとえばＡｕＧｅ（１２％）(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ｎｉ(たとえば厚さ０．０２μｍ)／Ａｕ(たとえば厚さ０．１μｍ)／Ａｇ(たとえば厚さ５μｍ)の積層体からなる第１電極１２８を形成する。
【００６６】
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、ＺｎＳ／ＭｇＦ２からなる反射防止膜１２７をスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法等で形成する。これにより多接合型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４に示す構成の多接合型化合物半導体太陽電池を得ることができる。
【００６７】
図４の多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性を測定したところ、Ｅｆｆ＝３５．５％、ＶＯＣ＝２．９８Ｖ、ＪＳＣ＝１４．０ｍＡ／ｃｍ２、ＦＦ＝０．８５０の特性値が得られ、また再現性のある特性が得られた。さらに、作製された膜厚において各セル（トップセル４０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、ボトムセル４０Ｃ）の電流マッチングがとれていた。
【００６８】
上記の多接合型化合物半導体太陽電池の特性が得られたのは、バッファ層４１Ａの、最もボトムセル４０Ｃ側の半導体層３０ａがボトムセル４０Ｃの格子定数よりも大きく、さらに、バッファ層４１Ａの段階状に格子定数が変化する半導体層のうち、半導体層の２層間の格子定数の差が他の半導体層の２層間の格子定数の差よりも大きくその箇所が１箇所最もミドルセル４０Ｂ側にあることで、ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなったことによると考えられる。
【００６９】
ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなることによって、その特性が良くなり、多接合型化合物半導体太陽電池の太陽電池特性も良くなったと考えられる。
【００７０】
ボトムセル４０Ｃの結晶性が良くなったのは、複数の半導体層が存在するバッファ層４１Ａのうち、２層の格子定数の差をある値以上にすると転位が発生する現象以外に、２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長が、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａにわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長によりｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａの歪が緩和され、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａの結晶性が良好になると考えられる。
【００７１】
よって、この歪緩和をバッファ層４１Ａ内の最もミドルセル４０Ｂ側で起こすことで、より結晶性の良い半導体層を形成し、このより結晶性が良くなった半導体層上に半導体層を積層していくことにより、ボトムセル４０Ｃの結晶性を良くすることができる。
【００７２】
なお、非特許文献１で示されるバッファ層（図１４（ｂ）、図１５、図１６の５０３に対応）内にある半導体層の格子定数を一定幅で変化させた構造での特性値は、Ｅｆｆ＝３３．７８％、ＶＯＣ＝２．９６０Ｖ、ＪＳＣ＝１３．１４ｍＡ／ｃｍ２、ＦＦ＝０．８６９である。
【００７３】
実施例１では、バッファ層４１Ａのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０３３である。
【００７４】
ここで、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型ＩｎＧａＰ層２２とのＧａ組成xの差が大きくなりすぎると、ｎ型ＩｎＧａＰ層２２の転位密度が大きくなり、バッファ層４１のｎ型ＩｎＧａＰ層２３からｎ型ＩｎＧａＰ層３０、及びボトムセル４０Ｃの各層がその転位密度を維持するため結晶性が悪化することとなり、Ｇａ組成xの差が小さくなりすぎると、ｎ型ＩｎＧａＰ層２２に、結晶性が良好となる３次元成長の核が起こりにくくなると考えられる。
【００７５】
図７は、上記製造方法の概念図で、半導体基板３０８上に、エッチングストップ層３０９、トップセル４０Ａ、第１のトンネル接合層５０Ａ、ミドルセル４０Ｂ、第２のトンネル接合層５０Ｂ、バッファ層４１、ボトムセル４０Ｃが形成されており、半導体基板３０８をエッチングにて取り除く製造方法である。
【００７６】
図８は、半導体基板の再利用を考慮した場合の概念図である。半導体基板３０８上にエッチングストップ層３１０、エッチング層３１１、エッチングストップ層３１２を積層した構造である。エッチング層３１１をエッチングすることで、半導体基板３０８側と多接合セル３１３側を分離することができ、半導体基板３０８を再利用することが可能である。
【００７７】
具体的には半導体基板３０８としてＧａＡｓ基板を再利用する場合、ＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層３１０としてｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、エッチング層３１１としてＡｌＡｓ層、エッチングストップ層３１２としてｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。その上には多接合セル３１３が形成される。多接合セル３１３は前述したとおりの各層が形成される。なお、多接合セル３１３は前述したとおりの各層に限定されるものではない。ＡｌＡｓ層はフッ酸によりエッチングされ、多接合セル３１３側とＧａＡｓ基板側とを分離することができる。
【００７８】
分離した多接合セル３１３側のエッチングストップ層３１２であるｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、ＧａＡｓ基板側のエッチングストップ層３１０であるｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層ともに、酸水溶液にてエッチングすることで取り除くことができ、多接合セル３１３側の太陽電池製造が行われＧａＡｓ基板の再利用が可能となる。
【００７９】
次に、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差を０．０４５とし、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差を変更した検討を行った。良好な太陽電池特性を示した実施例２、３と、それ以外を比較例１、２として、以下に示す。
【実施例２】
【００８０】
さらに、バッファ層４１のＩＩＩ族元素の組成を変化させ、バッファ層４１の格子定数を変化させた多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の構造、バッファ層４１の製造方法以外は実施例１と同じである。バッファ層４１の製造は実施例１と同じＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長である。また、バッファ層４１は実施例１と同様、ＩＩＩ族元素の組成を変えることで格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。
【００８１】
図９は、実施例２を示す図である。バッファ層４１Ｂのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｂとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｂとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０２９である。
【００８２】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.767Ｇａ0.233Ｐ層３０ｂ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.738Ｇａ0.262Ｐ層２９ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.709Ｇａ0.291Ｐ層２８ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.680Ｇａ0.320Ｐ層２７ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.651Ｇａ0.349Ｐ層２６ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.622Ｇａ0.378Ｐ層２５ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.593Ｇａ0.407Ｐ層２４ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.564Ｇａ0.436Ｐ層２３ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｂ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００８３】
上記に、バッファ層４１Ｂのみを示したが、バッファ層４１Ｂの構造以外は実施例１と同じである。
【実施例３】
【００８４】
実施例２と同様に、多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１Ｃの構造以外は実施例１と同じである。下記に、バッファ層４１Ｃのみを示す。
【００８５】
バッファ層４１Ｃのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｃとｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｃとのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３９である。
【００８６】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.847Ｇａ0.153Ｐ層３０ｃ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.808Ｇａ0.192Ｐ層２９ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.769Ｇａ0.231Ｐ層２８ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.730Ｇａ0.270Ｐ層２７ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.691Ｇａ0.309Ｐ層２６ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.652Ｇａ0.348Ｐ層２５ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.613Ｇａ0.387Ｐ層２４ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.574Ｇａ0.426Ｐ層２３ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｃ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００８７】
比較例１、２も実施例と同様に多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の厚みは実施例１と同じであり、また、バッファ層４１の構造以外も実施例１と同じである。
【００８８】
（比較例１）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０２８である。
【００８９】
（比較例２）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０４５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０４１である。
【００９０】
次に、バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型ＩｎＧａＰ層２２とのＧａ組成xの差を変更し、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差を０．０３３とした検討を行った。良好な太陽電池特性を示した実施例４、５と、それ以外を比較例３、４として、以下に示す。
【実施例４】
【００９１】
実施例２、３と同様に、バッファ層４１のＩＩＩ族元素の組成を変化させ、バッファ層４１の格子定数を変化させた他の多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１の構造、バッファ層４１の製造方法以外は実施例１と同じである。バッファ層４１の製造は実施例１と同じＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長である。また、バッファ層４１は実施例１と同様、ＩＩＩ族元素の組成を変えることで格子定数を変化させた複数の半導体層からなる。
【００９２】
図１０は、実施例４を示す図である。バッファ層４１Ｄのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｄとｎ型Ｉｎ0.550Ｇａ0.450Ｐ層２２ｄとのＧａ組成xの差は０．０６０であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３３である。
【００９３】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.814Ｇａ0.186Ｐ層３０ｄ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.781Ｇａ0.219Ｐ層２９ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.748Ｇａ0.252Ｐ層２８ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.715Ｇａ0.285Ｐ層２７ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.682Ｇａ0.318Ｐ層２６ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.649Ｇａ0.351Ｐ層２５ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.616Ｇａ0.384Ｐ層２４ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.583Ｇａ0.417Ｐ層２３ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.550Ｇａ0.450Ｐ層２２ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｄ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００９４】
上記に、バッファ層４１Ｄのみを示したが、バッファ層４１Ｄの構造以外は実施例１と同じである。
【実施例５】
【００９５】
実施例４と同様に、多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。バッファ層４１Ｅの構造以外は実施例１と同じである。下記に、バッファ層４１Ｅのみを示す。
【００９６】
バッファ層４１Ｅのｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｅとｎ型Ｉｎ0.530Ｇａ0.470Ｐ層２２ｅとのＧａ組成xの差は０．０４０であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、０．０３３である。
【００９７】
ボトムセル４０Ｃ上に、ｎ型Ｉｎ0.794Ｇａ0.206Ｐ層３０ｅ（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.761Ｇａ0.239Ｐ層２９ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.728Ｇａ0.272Ｐ層２８ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.695Ｇａ0.305Ｐ層２７ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.662Ｇａ0.338Ｐ層２６ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.629Ｇａ0.371Ｐ層２５ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.596Ｇａ0.404Ｐ層２４ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.563Ｇａ0.437Ｐ層２３ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.530Ｇａ0.470Ｐ層２２ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ｅ（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。
【００９８】
比較例３、４も実施例と同様に多接合型化合物半導体太陽電池を作製した。 バッファ層４１の厚みは実施例１と同じであり、また、バッファ層４１の構造以外も実施例１と同じである。
【００９９】
（比較例３）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.523Ｇａ0.477Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０３３であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差も、いずれも０．０３３である。
【０１００】
（比較例４）
バッファ層４１のｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１とｎ型Ｉｎ0.555Ｇａ0.445Ｐ層２２とのＧａ組成xの差は０．０６５であり、他のＩｎＧａＰ層の２層間のＧａ組成xの差は、いずれも０．０３３である。
【０１０１】
実施例２〜５のいずれにおいても、図３と同様に、ボトムセル４０Ｃと支持基板１０１との間に金属層１５１が形成され、支持基板１０１の裏面側に第２電極１０２が形成される多接合型化合物半導体太陽電池も作製可能である。
【０１０２】
次に、実施例１〜５、比較例１〜４の多接合型化合物半導体太陽電池の評価を行った。形成された多接合型化合物半導体太陽電池はいずれも逆積みで作製しており、第２図を参照すると第１セル３０１までは格子整合している。よって、第１セル３０１と格子定数が異なる第２セル３０２と、格子定数を変化させたバッファ層３０３とからなる半導体層３１４が、形成された多接合型化合物半導体太陽電池特性に大きく影響する。そこで、第２セル３０２とバッファ層３０３とからなる半導体層３１４の特性評価を行った。また、断面ＴＥＭ像による半導体層３１４の断面観察、特に、第２セル３０２の断面観察も行った。
【０１０３】
図１１は、多接合型化合物半導体太陽電池に対する評価用サンプルの断面図を示す。図１１に示すようにエッチングにてトップセル４０Ａから第２のトンネル接合層５０Ｂの一部を取り除き、特性評価のための電極層３１５を形成して評価サンプル３１６を作製し半導体層３１４の特性評価を行った。図１１の半導体層３０は、バッファ層４１の最もボトムセル４０Ｃ側のｎ型ＩｎＧａＰ層である。図１２に一例として、図４に示すバッファ層４１が実施例１である場合（４１Ａ）の評価サンプル３１６Ａを示す。
【０１０４】
特性評価は、図１１に示すように、評価サンプル３１６の第２電極１０２と電極層３１５とを用いて半導体層３１４のＶｏｃ（開放電圧；単位Ｖ）の評価を行った。
【０１０５】
ここで、図１３に、Ｅｇ（バンドギャップエネルギー；単位ｅＶ）とＶｏｃとの関係を示す。図１３中の傾きを有する直線ａ：Ｖｏｃ＝Ｅｇ−０．４は結晶性が最も良いと仮定したときのＥｇとＶｏｃとの関係を示している。
【０１０６】
ボトムセル４０ＣをＥｇ＝１．０ｅＶとした場合、多接合型化合物半導体太陽電池の効率がより高くなることから、図１３より結晶性が最も良いと仮定したときのボトムセル４０ＣのＶｏｃは０．６Ｖであることがわかる。
【０１０７】
表１に評価結果を示す。
【０１０８】
【表１】
【０１０９】
表１に実施例１〜５、および比較例１〜４の結果の一覧を示す。項目はバッファ層のＧａ組成ｘの差、その際の換算による格子定数差、下記式（１）で示される第１格子定数差比、下記式（２）で示される第２格子定数差比、評価サンプルのボトムセル４０Ｃの断面ＴＥＭ像による断面状態、およびボトムセル４０Ｃの特性が表れる半導体層３１４のＶｏｃである。
【０１１０】
ここで、第１格子定数差比（％）は、下記の式（１）により示される。
第１格子定数差比（％）＝（１００×（ａ１−ａ２））／（ａ１）・・・（１）
上記の式（１）において、ａ１はバッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２２（図１２であればｎ型Ｉｎ0.535Ｇａ0.465Ｐ層２２ａ）の格子定数を示す。また、ａ２はバッファ層４１を形成する半導体層のうち、ミドルセル４０Ｂに最も近い位置に配置されている半導体層２１（図１２であればｎ+型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層２１ａ）の格子定数を示す。
【０１１１】
なお、格子定数ａ１と、格子定数ａ２とは、ＩｎＧａＰの元素の組成比から換算により求めた。
【０１１２】
また、第２格子定数差比（％）は、下記の式（２）により示される。
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）・・・（２）
上記の式（２）において、ａ３はバッファ層４１を構成する半導体層のうちボトムセル４０Ｃに最も近い位置に配置されている半導体層３０（図１２であればｎ型Ｉｎ0.799Ｇａ0.201Ｐ層３０ａ）の格子定数を示す。また、ａ４はボトムセル４０Ｃの格子定数を示す。
【０１１３】
なお、格子定数ａ３と、格子定数ａ４とは、エピタキシャル成長直後で支持基板１０１を取り付ける前、第２電極１０２を形成する前の状態において、ボトムセル４０Ｃ（例えば図５であれば図５の上下方向でｐ型ＩｎＧａＡｓ層３５側）側からＸ線を照射することによって、Ｘ線回折法によって求めた。
【０１１４】
また、ボトムセル４０Ｃの断面ＴＥＭ像も、エピタキシャル成長直後で支持基板１０１を取り付ける前、第２電極１０２を形成する前の状態において、観察した。なお、表１のボトムセル４０Ｃの断面状態の表記は、以下の内容を表している。
【０１１５】
○・・・断面状態が最良
△・・・断面状態が良好
×・・・断面状態が不良
第２格子定数差比が０．１２％〜０．８０％で、ボトムセル４０Ｃの断面状態が最良になり、望ましくは、０．１５％以上であり０．７４％以下の場合である。
【０１１６】
だが、第２格子定数差比が０．１５％以上であり０．７４％以下であっても、比較例３、４の結果から、ボトムセル４０Ｃの断面状態は最良ではない。
【０１１７】
バッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２の格子定数差が０．０１５Å〜０．０２６Åであれば、ボトムセル４０Ｃの断面状態が最良になり、望ましくは、０．１６７Å以上であり０．２５１Å以下の場合である。
【０１１８】
これらの結果から、ボトムセル４０ＣのＶｏｃを所望のＥｇ＝１．０ｅＶにするには、第２格子定数差比のみでなく、さらにバッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２との格子定数差の所定の範囲が必要となる。
【０１１９】
複数の半導体層が存在するバッファ層４１では、２層の格子定数の差をある値以上にすると転位が発生する現象以外に、２次元成長から３次元成長に移行した結晶成長がわずかに起こり、このわずかに起こった３次元成長が大半の２次元成長の中で起こることで歪が緩和され結晶性が良好になると考えられる。ただ、２層の格子定数の差を大きくしすぎると、転位密度が大きくなり、各層がその転位密度を維持するため結晶性が悪化することとなり、２層の格子定数の差を小さくしすぎると、３次元成長の核が起こりにくくなる。
【０１２０】
バッファ層４１を形成する半導体層のうち、半導体層２１と半導体層２２との格子定数差が０．０１５Å〜０．０２６Åの範囲では、上記に示す３次元成長が起こることで歪が緩和され結晶性が良好になる現象が起こる範囲内であると考えられる。
【０１２１】
上記の歪緩和を起こすことで、より結晶性の良い半導体層を形成し、その半導体層上に半導体層を積層することにより、ボトムセル４０Ｃの結晶性をより良くすることができると考えられる。
【０１２２】
これから、バッファ層４１の内部で結晶性が良好になる領域が広い方が好ましいので、歪緩和を起こす２層の位置はバッファ層４１の中央よりミドルセル４０Ｂに近い側にあるものとし、特にミドルセル４０Ｂに最も近い位置であることが好ましい。
【０１２３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、格子定数が異なる２つのセル間を本発明に示したバッファ層を介して作製し、２接合、３接合、４接合等の多接合型化合物半導体太陽電池に用いた場合にも特性を向上させることができると考えられる。
【０１２４】
また、今回開示された実施の形態および実施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】
【０１２５】
本発明は、多接合型化合物半導体太陽電池は、多接合型化合物半導体太陽電池全般に広く適用することができる。
【符号の説明】
【０１２６】
２１ ｎ+型ＩｎＧａＰ層、２２ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２３ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２４ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２５ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２６ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２７ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２８ ｎ型ＩｎＧａＰ層、２９ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３０ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３１ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３２ ｎ型ＩｎＧａＡｓ層、３３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、３４ ｐ型ＩｎＧａＰ層、３５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層、４０Ａ トップセル、４０Ｂ ミドルセル、４０Ｃ ボトムセル、４１ バッファ層、５０Ａ トンネル接合層（第１のトンネル接合層）、５０Ｂ トンネル接合層（第２のトンネル接合層）、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ 光電変換層、１０１ 支持基板、１０２ 第２電極、１１０ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、１１１ ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１２ ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層、１１３ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、１１４ ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１５ ｐ型ＧａＡｓ層、１１６ ｎ型ＧａＡｓ層、１１７ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１１８ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、１１９ ｎ++型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２０ ｐ++型ＡｌＧａＡｓ層、１２１ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、１２２ ｐ型ＡｌＩｎＰ層、１２３ ｐ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２４ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１２５ ｎ型ＡｌＩｎＰ層、１２６ ｎ型ＧａＡｓ層、１２７ 反射防止膜、１２８ 第１電極、１３０ ＧａＡｓ基板、１３１ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１３２ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１３３ ＡｌＡｓ層、１３４ ｎ型Ｉｎ0.490Ｇａ0.510Ｐ層、１５１ 金属層、３０１ 第１セル、３０２ 第２セル、３０３ バッファ層、３０４ 第１電極、３０５ 第２電極、３０６ 多接合セル、３０７ 支持基板、３０８ 半導体基板、３０９ エッチングストップ層、３１０ エッチングストップ層、３１１ エッチング層、３１２ エッチングストップ層、３１３ 多接合セル、３１４ 半導体層、３１５ 電極層、３１６ 評価サンプル、３２１ 金属層、５０１ トップセル、５０２ ミドルセル、５０３ バッファ層、５０４ ボトムセル、５０５ 第１電極、５０６ 第２電極、５０７ 半導体基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも含む多接合型化合物半導体太陽電池において、
前記第１電極は太陽光入射側に配置され、
前記第１セルと前記第２セルは、それぞれ異なる禁制帯幅を持つ光電変換層を有し、かつ前記第２セルの格子定数は前記第１セルの格子定数よりも大きく、
前記バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、
前記複数の半導体層の格子定数は、それぞれ前記第１セル側から前記第２セル側にかけて順に大きくなり、
前記複数の半導体層のうち、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、前記第２セルの格子定数より大きく、
前記複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、前記バッファ層の中央より前記第１セルに近い側に位置していることを特徴とする多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項２】
第１の禁制帯幅の光電変換層を有する第１セルと、
前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁制帯幅の光電変換層を有する第２セルと、
前記第１セルと前記第２セルとの間に形成されたバッファ層と、
前記第１セル側に配置された第１電極と、
前記第２セル側に配置された第２電極とを有する多接合型化合物半導体太陽電池において、
前記第２セルの格子定数は前記第１セルの格子定数よりも大きく、
前記バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、
前記複数の半導体層の格子定数は、それぞれ前記第１セル側から前記第２セル側にかけて順に大きくなり、
前記複数の半導体層のうち、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、前記第２セルの格子定数より大きく、
前記複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、前記バッファ層の中央より前記第１セルに近い側に位置していることを特徴とする多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項３】
前記格子定数差が最も大きくなる２層は、前記第１セルに最も近い２層であることを特徴とする請求項１または２に記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項４】
前記隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層の、前記第２セル側の層の格子定数をａ１、前記第１セル側の層の格子定数をａ２としたとき、
前記格子定数ａ１と、前記格子定数ａ２との格子定数差が、０．０１５Å〜０．０２６Åであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項５】
前記第２セルの格子定数をａ４、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数をａ３とし、
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）
としたとき、
第２格子定数差比の値が、０．１２％〜０．８０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項１】
第１電極、第１セル、バッファ層、第２セル、第２電極を少なくとも含む多接合型化合物半導体太陽電池において、
前記第１電極は太陽光入射側に配置され、
前記第１セルと前記第２セルは、それぞれ異なる禁制帯幅を持つ光電変換層を有し、かつ前記第２セルの格子定数は前記第１セルの格子定数よりも大きく、
前記バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、
前記複数の半導体層の格子定数は、それぞれ前記第１セル側から前記第２セル側にかけて順に大きくなり、
前記複数の半導体層のうち、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、前記第２セルの格子定数より大きく、
前記複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、前記バッファ層の中央より前記第１セルに近い側に位置していることを特徴とする多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項２】
第１の禁制帯幅の光電変換層を有する第１セルと、
前記第１の禁制帯幅よりも小さい第２の禁制帯幅の光電変換層を有する第２セルと、
前記第１セルと前記第２セルとの間に形成されたバッファ層と、
前記第１セル側に配置された第１電極と、
前記第２セル側に配置された第２電極とを有する多接合型化合物半導体太陽電池において、
前記第２セルの格子定数は前記第１セルの格子定数よりも大きく、
前記バッファ層は、複数の半導体層から構成されており、
前記複数の半導体層の格子定数は、それぞれ前記第１セル側から前記第２セル側にかけて順に大きくなり、
前記複数の半導体層のうち、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数は、前記第２セルの格子定数より大きく、
前記複数の半導体層のうち、隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層は、前記バッファ層の中央より前記第１セルに近い側に位置していることを特徴とする多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項３】
前記格子定数差が最も大きくなる２層は、前記第１セルに最も近い２層であることを特徴とする請求項１または２に記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項４】
前記隣接する２層の格子定数差が最も大きくなる２層の、前記第２セル側の層の格子定数をａ１、前記第１セル側の層の格子定数をａ２としたとき、
前記格子定数ａ１と、前記格子定数ａ２との格子定数差が、０．０１５Å〜０．０２６Åであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【請求項５】
前記第２セルの格子定数をａ４、前記第２セルに最も近い半導体層の格子定数をａ３とし、
第２格子定数差比（％）＝（１００×（ａ３−ａ４））／（ａ３）
としたとき、
第２格子定数差比の値が、０．１２％〜０．８０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多接合型化合物半導体太陽電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１３４９５２（Ｐ２０１１−１３４９５２Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９４３７７（Ｐ２００９−２９４３７７）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０、２１、２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発（エピタキシャル成長技術）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０、２１、２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）ポストシリコン超高効率太陽電池の研究開発（エピタキシャル成長技術）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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