太陽電池
【課題】 材料の種類を少なくすることにより、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる太陽電池を提供する。
【解決手段】 表面負電極７と吸収層５との間には、障壁層６が設けられており、障壁層６にはエネルギー選択性コンタクトが設けられている。エネルギー選択性コンタクトは、量子井戸によって形成されている。また、表面負電極７を障壁層６とはショットキー接合されている。
【解決手段】 表面負電極７と吸収層５との間には、障壁層６が設けられており、障壁層６にはエネルギー選択性コンタクトが設けられている。エネルギー選択性コンタクトは、量子井戸によって形成されている。また、表面負電極７を障壁層６とはショットキー接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンエネルギーとして記載される太陽電池として、従来、多接合型太陽電池が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この太陽電池は、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇｅの３材料を組み合わせたものであり、太陽光に含まれる幅広い波長域の光を吸収することができるため、高い光電変換効率を得ることができるというものである。また、光電変換効率をさらに高めるために、４〜６材料を用いた太陽電池の研究も進められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M.Yamauchi, T.Takamoto, A.Khan, M.Imaizumi, S.Matsuda andN.J.Ekins-Daukes,Prog.Photovolt:Res.Appl.,2005;13:125-132
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記非特許文献１に開示された太陽電池では、光電変換効率を高めるために、多数の材料を組み合わせて用いている。このように、多数の材料を必要とすることから、半導体界面の数が増加してしまい、その分光電変換効率を低くしてしまうという問題がある。また、複数の材料を必要とするため、製造工程が増加するといった問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、材料の種類を少なくすることにより、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決した本発明に係る太陽電池は、第１電極と第２電極との間に吸収層が形成され、第１電極と吸収層との間に障壁層が形成されており、障壁層に、エネルギー選択性コンタクトが設けられているものである。
【０００７】
いわゆるホットキャリア理論によれば、高エネルギーの電子（ホットキャリア）を抜き出すことにより、光電変換効率を高めることができる。ここで、本発明に係る太陽電池においては、第１電極と吸収層との間に形成された障壁層にエネルギー選択性コンタクトが設けられている。このようなエネルギー選択性コンタクトが設けられていることにより、量子準位が電子平均エネルギーレベルに近いレベルの電子が第１電極に到達するようになる。このため、吸収層におけるホットキャリアを第１電極に到達させることができるので、ホットキャリア理論に基づく光電変換を行うことができることとなる。その結果、材料の種類を少なくすることによって半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる
【０００８】
ここで、第１電極と障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されている態様とすることができる。
【０００９】
このように、第１電極と障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されていることにより、ホットキャリアを確実に選択することができる。その結果、光電変換効率を高いものとすることができる。
【００１０】
また、エネルギー選択性コンタクトが量子井戸である態様とすることができる。
【００１１】
このように、エネルギー選択性コンタクトが量子井戸であることにより、エネルギー選択性コンタクトを好適に製造することができる。
【００１２】
さらに、障壁層は、そのフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体からなる態様とすることができる。
【００１３】
このように、障壁層のフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体によって障壁層が形成されていることにより、障壁層のフェルミ準位を第１電極のフェルミ準位の近傍に設定することができる。その結果、ホットキャリアのエネルギーロスを軽減することができる。
【００１４】
また、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされている態様とすることができる。
【００１５】
このように、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされていることにより、ホットキャリアのエネルギーロスを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る太陽電池によれば、材料の種類を少なくすることにより、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の変形例に係る太陽電池の斜視図である。
【図３】本実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す図である。
【図４】キャリアがエネルギーを失う際のバンド構造を示す図である。
【図５】（ａ）は吸収層と電子障壁層とが接合する前の状態を示す側面図、（ｂ）は吸収層と電子障壁層とが接合した後の状態を示す側面図である。
【図６】さらなる変形例に係る太陽電池におけるバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池の斜視図である。本実施形態に係る太陽電池１は、いわゆるホットキャリア型の太陽電池であり、高エネルギーを持った電子またはホール（以下「キャリア」という）を電力に変換し、高い光電変換効率を実現するものである。
【００２０】
図１に示すように、太陽電池１は、裏面正電極２、基板３、電子障壁層４、吸収層５、障壁層６、および表面負電極７を備えている。また、障壁層６は、下方障壁層１１、量子井戸１２および上方障壁層１３を備えている。さらに、表面負電極７には、負電極８が取り付けられている。また、表面負電極７の表面が、太陽光などの光が入射する入射面となる。
【００２１】
裏面正電極２は、本発明の第２電極を構成し、太陽電池１の裏面側に配置されている。裏面正電極２は、板状を呈しており、太陽電池１の最下層に配置されている。裏面正電極２は、金属製であり、起電力を取り出すための正電極（＋電極）として機能するものである。
【００２２】
基板３は、Ｐ型ＧａＡｓからなる。この基板３上に、電子障壁層４が形成されている。電子障壁層４は、Ｐ＋型ＡＬＧａＡｓを２０ｎｍ程度の薄い層に成長させて形成されたものである。電子障壁層４としては、強いＰ型のＡＬＧａＡｓを用いていることにより、バンドギャップが曲がり、ホールに対しては障壁がなく、電子のみブロックする障壁層とされている。
【００２３】
電子障壁層４の表面には、吸収層５が形成されている。吸収層５は、Ｐ−のＧａＡｓからなり、１０００ｎｍ程度の厚さの層として形成されている。吸収層５の表面には、障壁層６が形成されている。
【００２４】
障壁層６は、ライトドープのｎ−のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを数ｎｍずつ成長させて形成されており、そのフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体とされている。このうち、下層のＡｌＧａＡｓ層が下方障壁層１１、その上層のＧａＡｓが量子井戸１２、さらにその上層のＡｌＧａＡｓ層が上方障壁層１３を形成する。また、量子井戸１２は、エネルギー選択性コンタクトとして機能している。エネルギー選択性コンタクトとしては、量子井戸１２に限らず、図２に示すように、障壁層６にＧａＡｓ等の量子ドット２０を設ける態様とすることもできる。これらの量子井戸１２やドットを形成することにより、ホットキャリア型の太陽電池を実現することができる。
【００２５】
障壁層６の表面には、本発明の第１電極を構成する表面負電極７が形成されている。障壁層６と表面負電極７とは、直接接触し、低ショットバリアでショットキー接合されている。表面負電極７は、光が透過できる程度に極薄く形成された薄膜透明の金属の膜からなる。表面負電極７に用いられる金属としては、金、プラチナ、タングステン等を挙げることができる。これらの金、プラチナ、タングステン等の金属を用いることにより、表面負電極７は、０．５ｅＶ程度のショットキーバリアを生じる。
【００２６】
表面負電極７の表面には、負電極８が設けられている。負電極８は、くし型に厚い金属電極であり、表面負電極７で十分に取り出すことができない電流を取り出すことができるようにしている。
【００２７】
以上の構成を有する本実施形態に係る太陽電池１により、電子のみを高エネルギーで取り出すことができる構成のホットキャリア型太陽電池を実現することができる。ホットキャリア型太陽電池を実現するためには、量子トンネル効果を利用して特定エネルギーのキャリアのみを抜き出すエネルギー選択性コンタクトが必要となる。
【００２８】
このようなエネルギー選択性コンタクトを得るために本発明者らは、バンド構造について種々の考察を加えた。その結果、以下の構造とすることにより、エネルギー選択性コンタクトを得ることができることを知見した。
【００２９】
その１つは、電子（ホール）を取り出すエネルギー選択性コンタクトを備える障壁層６を、フェルミ準位がバンドギャップ内の中央よりやや上（または下）の位置にあるライトｎドープ（またはｐドープ）の半導体とし、金属電極に直接接触することである。
【００３０】
また、他の１つは、金属電極として、障壁層６に対して０．５ｅＶ程度の低いショットキーバリアを生じる材料を選択することである。
【００３１】
さらに他の１つは、エネルギー選択性コンタクト量子準位が障壁層のフェルミ準位よりわずかに高い位置に構造とすることである。
【００３２】
キャリアには、負電荷である電子と正電荷であるホールとがあり、どのキャリアを高エネルギー状態で取り出すかで３通りの構成が考えられる。ここで、本実施形態に係る太陽電池１におけるバンド構造を図３に示す。太陽電池１では、電子を高エネルギー状態で取り出す。図３において、横軸には太陽電池の厚み方向の位置を示し、縦軸にはエネルギーの大きさを示す。図３中、実線で囲まれる白抜きの領域はキャリアが存在しえないバンドキャップを示している。また、図３中に、吸収層５のフェルミ準位となる吸収層フェルミ準位ＡＦＰ、障壁層６のフェルミ準位となる障壁層フェルミ準位ＷＦＰ、エネルギー選択性コンタクトである量子井戸１２の量子準位であるＥＳＣ量子準位ＥＱＰを示す。さらには、障壁層６と表面負電極７との間におけるショットキーバリアＳＫＢをも示す。
【００３３】
ここで、障壁層フェルミ準位ＷＦＰは、吸収層フェルミ準位ＡＦＰよりも高くなっているが障壁層６には、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰが存在する。また、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰと表面負電極７のフェルミ準位（＝障壁層フェルミ準位ＷＦＰ）との間には、わずかな段差（
０．０３〜０．１ｅＶの段差がある。この段差によって、表面負電極７から障壁層６へのキャリアの逆流が防止されている。
【００３４】
入射面から入射した太陽光などの光は、吸収層５において吸収されキャリアを生じる。吸収層５は、キャリアのエネルギーが失われ難いＧａＡｓによって構成されており、電子は光で励起されてホットキャリアとなっている。図３に示すように、ホットキャリアのエネルギー準位ＨＣＰは、高いエネルギーを保っている。ここで、図３中には１つのホットキャリアのエネルギー準位ＨＣＰのみを示しているが、太陽電池１における吸収層５には、多数のホットキャリアが存在している。これらの多数のホットキャリアには互いに相互作用が働いており、ホットキャリアのエネルギーレベルは常に変動している。
【００３５】
吸収層５におけるホットキャリアは、電子障壁層４に阻まれて裏面正電極２には到達することができない。また、障壁層６には量子井戸１２からなるエネルギー選択性コンタクトが設けられている。このエネルギー選択性コンタクトは、電子平均エネルギーレベルに近いレベルの量子準位をもっている。また、量子井戸１２に接する下方障壁層１１および上方障壁層１３はいずれも薄膜（数ｎｍ）とされている。このため、量子準位が量子井戸１２の量子準位に近いホットキャリアは、トンネル効果によって量子井戸１２を出入りすることができるので、ホットキャリアは表面負電極７に到達することができる。
【００３６】
その一方、吸収層５におけるホールは、ホットキャリアとは逆に、障壁層６を乗り越えることができないため、表面負電極７に到達することはできない。また、裏面正電極２側には壁がないので、裏面正電極２に到達することができる。
【００３７】
一般に、電子に比べてホールのエネルギーは分布の広がりが小さくなっている。このため、電子のみを高エネルギーのホットキャリアとして取り出す構成としてもホットキャリア型太陽電池としての性能を十分に発揮できると考えられる。
【００３８】
本実施形態に係る太陽電池１では、吸収層５にはキャリアを高エネルギーに保つ特別な工夫がされてない。このため、キャリアのエネルギーは低下するが、その一方で、吸収層５のバンドギャップより高い開放電圧を発生させることを期待することができる。また、吸収層５に量子構造を導入する等の方法によってキャリアのエネルギー低下を抑制することができ、光を集光してキャリア密度を増すことによって光電変換効率が向上し、実用的な性能を実現することができる。
【００３９】
このように、表面負電極７には、ホットキャリアが到達し、裏面正電極２にはホールが到達する。よって、ホットキャリア理論の条件を満たすことになるので、光電変換効率を高いものとすることができる。また、太陽電池１に用いる材料を少なくすることができるので、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図ることもできる。
【００４０】
ここで、従来、吸収層５からエネルギー選択性コンタクトによって狭いエネルギー範囲のキャリアを取り出すことで光電変換効率を高めることができること、量子ドット等を用いることによってエネルギー選択性コンタクトを実現すること、は知られていた。しかしながら、エネルギー選択性コンタクトを通過したキャリアのエネルギーを失わせることなく、そのキャリアを電極に到達させることはできなかった。
【００４１】
エネルギー選択性コンタクトを実現するためには、バンドキャップの広い材料でできた障壁層の内部に、バンドギャップの狭い材料による量子ドット等を埋め込めばよい。ところが、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに高い位置にある場合は、キャリアは電極内でエネルギーを失って熱に転換してしまうため、光電変換効率の向上を望むことはできなかった。
【００４２】
逆に、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに低い位置にある場合には、電極から吸収層にキャリアが逆流してしまい、やはり光電変換効率の向上に寄与することができなくなる。さらに、エネルギー選択性コンタクトのみの部分を作成し、ダイオードとして評価した事例があるが、この事例では、障壁層に半導体を介して金属電極を接合した構成であった。このため、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに高い位置にある構成となり、光電変換効率の向上に寄与するものではない。
【００４３】
吸収層から取り出したキャリアのエネルギーを失うことなく維持するためには、トンネル効果によってＥＳＣ量子準位から障壁層に抜け出るキャリアを直接電極で受けとめればよい。本実施形態に係る太陽電池１では、障壁層６と表面負電極７とが接合していることにより、キャリアが障壁層６と表面負電極７との間で互いに移動し、両者のフェルミ準位が一致する状態で平衡に達するようになる。ここで、障壁層６をライトドープとし、障壁層６のフェルミ準位をバンドギャップの中央よりやや上側に位置させている。このため、この状態で障壁層６が電子側とホール側との両方に十分な高さの障壁を有するようにすることができる。
【００４４】
また、障壁層６は、電子側にも適切な高さ、たとえば０．５ｅＶ程度の障壁としてショットキーバリアを有することが必要となる。ここで、本実施形態に係る太陽電池１では、ショットキーバリアを生じる材料、たとえば金、プラチナ、タングステンを表面負電極７に用いている。このため、ショットキーバリアを好適に設けることができる。
【００４５】
さらに、表面負電極７のフェルミ準位が障壁層６のＥＳＣ量子準位よりも低いか、両準位がほぼ同じである場合、キャリアが移動せず、表面負電極７のフェルミ準位がＥＳＣ量子準位よりも大きい場合、図４に示すようにキャリアがエネルギーを失ってエネルギーロスが生じる。このとき、キャリアのエネルギーロスを最小限に抑制し、キャリアのエネルギーを高く保つとともに、表面負電極７から障壁層６へのキャリアの逆流を防ぐためには、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰが表面負電極７のフェルミ準位（＝障壁層フェルミ準位ＷＦＰ）よりもわずか、具体的には熱エネルギーよりも大きい程度であり、具体的には０．０３〜０．１ｅＶに高い位置にくるのが最良となる。
【００４６】
他方、キャリアのエネルギーを高く保つためには、特殊な工夫が必要である。たとえば、ＩｎＮのような物質を使ってそれを可能とする方法は従来知られている。そのほか、エネルギーを失ったキャリアは、他の高いエネルギーキャリアのエネルギーを低下させる原因となるため、低エネルギーのキャリアを取り除く構成として、エネルギーの減少を抑制することもできる。低エネルギーのキャリアを取り除く方法として、微量の金を障壁層６に混入することができる。こうして、低エネルギーキャリアを再結合させて除去することができる。
【００４７】
続いて、電子障壁層４の必要厚さについて言及する。電子障壁層４は、濃いドープのＰ型であることから、電子障壁層４に注入されたキャリアはほとんど基板３と吸収層５とに拡散している。このため、電子障壁層４における電荷分布は、ドープ濃度そのものに近くなり、電位Ｖを記述するポアソン方程式は、下記（１）式に示すようになる。
【００４８】
ｄ２Ｖ／ｄｘ２≒ｅＮＡ／ε ・・・（１）
ここで、ｅ：電子の電荷
ＮＡ：ドープ濃度
ε：誘電率
ｘ：厚さ方向の座標
【００４９】
障壁の曲がりは−Ｖと平行であるので、電子障壁層４の障壁がホールに対してなくなるためには、イントリンシックなＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ間における障壁高さをΔＶとすると、電子障壁層４の厚さｄは、下記（２）式の厚さとすることが必要となる。
【００５０】
ｄ＝２（２εΔＶ／ｅＮＡ）１／２ ・・・（２）
【００５１】
上記（２）式で表される厚さｄが、電子障壁層４としての必要厚さの最小値となる。この場合、図５（ａ）に示すように、吸収層５と電子障壁層４とを接合すると、図５（ｂ）に示すように、バンド構造が曲がることになるので電子障壁層４からなるホール側の障壁は薄くなり、薄くなった障壁をホールがトンネル効果ですり抜けられるようにしたいので、障壁を薄く、たとえば１ｎｍ以下の薄壁にするためには、ドープを濃くすることによって対応することができる。ここで、仮に薄壁の厚さを電子障壁層４の厚さの１／４とすると、必要なドープ濃度ＮＡは、下記（３）式に示すようになる。
【００５２】
ＮＡ＝εΔＶ／２ｅ・ｂ２ ・・・（３）
【００５３】
なお、図５（ａ）中には、ドープによるキャリアＣを示し、図５（ｂ）中には、電子障壁層４に拡散したキャリアＣを示す。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記各実施形態では、表面負電極７として金属を用いているが、金属以外の材料を用いることもできる。表面負電極としては、たとえば、ｎドープの半導体ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．１〜０．６程度）を用いることができる。このような半導体を用いることもできる。この電極に用いる伝導帯下端と障壁層との間のエネルギー高さの関係は、図６に示すようなバンド構造の太陽電池とすることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、表面側に負電極を設け、裏面側に正電極を設けているが、表面側に正電極を設け、裏面側に負電極を設ける態様とすることもできる。さらに、上記実施形態ではいわゆるＰＮ接合された太陽電池を例としているが、いわゆるＰＩＮ接合された太陽電池とすることもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１…太陽電池、２…裏面正電極、３…基板、４…電子障壁層、５…吸収層、６…障壁層、７…表面負電極、８…負電極、１１…下方障壁層、１２…量子井戸、１３…上方障壁層、２０…量子ドット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンエネルギーとして記載される太陽電池として、従来、多接合型太陽電池が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この太陽電池は、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇｅの３材料を組み合わせたものであり、太陽光に含まれる幅広い波長域の光を吸収することができるため、高い光電変換効率を得ることができるというものである。また、光電変換効率をさらに高めるために、４〜６材料を用いた太陽電池の研究も進められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M.Yamauchi, T.Takamoto, A.Khan, M.Imaizumi, S.Matsuda andN.J.Ekins-Daukes,Prog.Photovolt:Res.Appl.,2005;13:125-132
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記非特許文献１に開示された太陽電池では、光電変換効率を高めるために、多数の材料を組み合わせて用いている。このように、多数の材料を必要とすることから、半導体界面の数が増加してしまい、その分光電変換効率を低くしてしまうという問題がある。また、複数の材料を必要とするため、製造工程が増加するといった問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、材料の種類を少なくすることにより、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる太陽電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決した本発明に係る太陽電池は、第１電極と第２電極との間に吸収層が形成され、第１電極と吸収層との間に障壁層が形成されており、障壁層に、エネルギー選択性コンタクトが設けられているものである。
【０００７】
いわゆるホットキャリア理論によれば、高エネルギーの電子（ホットキャリア）を抜き出すことにより、光電変換効率を高めることができる。ここで、本発明に係る太陽電池においては、第１電極と吸収層との間に形成された障壁層にエネルギー選択性コンタクトが設けられている。このようなエネルギー選択性コンタクトが設けられていることにより、量子準位が電子平均エネルギーレベルに近いレベルの電子が第１電極に到達するようになる。このため、吸収層におけるホットキャリアを第１電極に到達させることができるので、ホットキャリア理論に基づく光電変換を行うことができることとなる。その結果、材料の種類を少なくすることによって半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる
【０００８】
ここで、第１電極と障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されている態様とすることができる。
【０００９】
このように、第１電極と障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されていることにより、ホットキャリアを確実に選択することができる。その結果、光電変換効率を高いものとすることができる。
【００１０】
また、エネルギー選択性コンタクトが量子井戸である態様とすることができる。
【００１１】
このように、エネルギー選択性コンタクトが量子井戸であることにより、エネルギー選択性コンタクトを好適に製造することができる。
【００１２】
さらに、障壁層は、そのフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体からなる態様とすることができる。
【００１３】
このように、障壁層のフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体によって障壁層が形成されていることにより、障壁層のフェルミ準位を第１電極のフェルミ準位の近傍に設定することができる。その結果、ホットキャリアのエネルギーロスを軽減することができる。
【００１４】
また、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされている態様とすることができる。
【００１５】
このように、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされていることにより、ホットキャリアのエネルギーロスを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る太陽電池によれば、材料の種類を少なくすることにより、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図りながら、光電変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の変形例に係る太陽電池の斜視図である。
【図３】本実施形態に係る太陽電池におけるバンド構造を示す図である。
【図４】キャリアがエネルギーを失う際のバンド構造を示す図である。
【図５】（ａ）は吸収層と電子障壁層とが接合する前の状態を示す側面図、（ｂ）は吸収層と電子障壁層とが接合した後の状態を示す側面図である。
【図６】さらなる変形例に係る太陽電池におけるバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池の斜視図である。本実施形態に係る太陽電池１は、いわゆるホットキャリア型の太陽電池であり、高エネルギーを持った電子またはホール（以下「キャリア」という）を電力に変換し、高い光電変換効率を実現するものである。
【００２０】
図１に示すように、太陽電池１は、裏面正電極２、基板３、電子障壁層４、吸収層５、障壁層６、および表面負電極７を備えている。また、障壁層６は、下方障壁層１１、量子井戸１２および上方障壁層１３を備えている。さらに、表面負電極７には、負電極８が取り付けられている。また、表面負電極７の表面が、太陽光などの光が入射する入射面となる。
【００２１】
裏面正電極２は、本発明の第２電極を構成し、太陽電池１の裏面側に配置されている。裏面正電極２は、板状を呈しており、太陽電池１の最下層に配置されている。裏面正電極２は、金属製であり、起電力を取り出すための正電極（＋電極）として機能するものである。
【００２２】
基板３は、Ｐ型ＧａＡｓからなる。この基板３上に、電子障壁層４が形成されている。電子障壁層４は、Ｐ＋型ＡＬＧａＡｓを２０ｎｍ程度の薄い層に成長させて形成されたものである。電子障壁層４としては、強いＰ型のＡＬＧａＡｓを用いていることにより、バンドギャップが曲がり、ホールに対しては障壁がなく、電子のみブロックする障壁層とされている。
【００２３】
電子障壁層４の表面には、吸収層５が形成されている。吸収層５は、Ｐ−のＧａＡｓからなり、１０００ｎｍ程度の厚さの層として形成されている。吸収層５の表面には、障壁層６が形成されている。
【００２４】
障壁層６は、ライトドープのｎ−のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを数ｎｍずつ成長させて形成されており、そのフェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体とされている。このうち、下層のＡｌＧａＡｓ層が下方障壁層１１、その上層のＧａＡｓが量子井戸１２、さらにその上層のＡｌＧａＡｓ層が上方障壁層１３を形成する。また、量子井戸１２は、エネルギー選択性コンタクトとして機能している。エネルギー選択性コンタクトとしては、量子井戸１２に限らず、図２に示すように、障壁層６にＧａＡｓ等の量子ドット２０を設ける態様とすることもできる。これらの量子井戸１２やドットを形成することにより、ホットキャリア型の太陽電池を実現することができる。
【００２５】
障壁層６の表面には、本発明の第１電極を構成する表面負電極７が形成されている。障壁層６と表面負電極７とは、直接接触し、低ショットバリアでショットキー接合されている。表面負電極７は、光が透過できる程度に極薄く形成された薄膜透明の金属の膜からなる。表面負電極７に用いられる金属としては、金、プラチナ、タングステン等を挙げることができる。これらの金、プラチナ、タングステン等の金属を用いることにより、表面負電極７は、０．５ｅＶ程度のショットキーバリアを生じる。
【００２６】
表面負電極７の表面には、負電極８が設けられている。負電極８は、くし型に厚い金属電極であり、表面負電極７で十分に取り出すことができない電流を取り出すことができるようにしている。
【００２７】
以上の構成を有する本実施形態に係る太陽電池１により、電子のみを高エネルギーで取り出すことができる構成のホットキャリア型太陽電池を実現することができる。ホットキャリア型太陽電池を実現するためには、量子トンネル効果を利用して特定エネルギーのキャリアのみを抜き出すエネルギー選択性コンタクトが必要となる。
【００２８】
このようなエネルギー選択性コンタクトを得るために本発明者らは、バンド構造について種々の考察を加えた。その結果、以下の構造とすることにより、エネルギー選択性コンタクトを得ることができることを知見した。
【００２９】
その１つは、電子（ホール）を取り出すエネルギー選択性コンタクトを備える障壁層６を、フェルミ準位がバンドギャップ内の中央よりやや上（または下）の位置にあるライトｎドープ（またはｐドープ）の半導体とし、金属電極に直接接触することである。
【００３０】
また、他の１つは、金属電極として、障壁層６に対して０．５ｅＶ程度の低いショットキーバリアを生じる材料を選択することである。
【００３１】
さらに他の１つは、エネルギー選択性コンタクト量子準位が障壁層のフェルミ準位よりわずかに高い位置に構造とすることである。
【００３２】
キャリアには、負電荷である電子と正電荷であるホールとがあり、どのキャリアを高エネルギー状態で取り出すかで３通りの構成が考えられる。ここで、本実施形態に係る太陽電池１におけるバンド構造を図３に示す。太陽電池１では、電子を高エネルギー状態で取り出す。図３において、横軸には太陽電池の厚み方向の位置を示し、縦軸にはエネルギーの大きさを示す。図３中、実線で囲まれる白抜きの領域はキャリアが存在しえないバンドキャップを示している。また、図３中に、吸収層５のフェルミ準位となる吸収層フェルミ準位ＡＦＰ、障壁層６のフェルミ準位となる障壁層フェルミ準位ＷＦＰ、エネルギー選択性コンタクトである量子井戸１２の量子準位であるＥＳＣ量子準位ＥＱＰを示す。さらには、障壁層６と表面負電極７との間におけるショットキーバリアＳＫＢをも示す。
【００３３】
ここで、障壁層フェルミ準位ＷＦＰは、吸収層フェルミ準位ＡＦＰよりも高くなっているが障壁層６には、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰが存在する。また、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰと表面負電極７のフェルミ準位（＝障壁層フェルミ準位ＷＦＰ）との間には、わずかな段差（
０．０３〜０．１ｅＶの段差がある。この段差によって、表面負電極７から障壁層６へのキャリアの逆流が防止されている。
【００３４】
入射面から入射した太陽光などの光は、吸収層５において吸収されキャリアを生じる。吸収層５は、キャリアのエネルギーが失われ難いＧａＡｓによって構成されており、電子は光で励起されてホットキャリアとなっている。図３に示すように、ホットキャリアのエネルギー準位ＨＣＰは、高いエネルギーを保っている。ここで、図３中には１つのホットキャリアのエネルギー準位ＨＣＰのみを示しているが、太陽電池１における吸収層５には、多数のホットキャリアが存在している。これらの多数のホットキャリアには互いに相互作用が働いており、ホットキャリアのエネルギーレベルは常に変動している。
【００３５】
吸収層５におけるホットキャリアは、電子障壁層４に阻まれて裏面正電極２には到達することができない。また、障壁層６には量子井戸１２からなるエネルギー選択性コンタクトが設けられている。このエネルギー選択性コンタクトは、電子平均エネルギーレベルに近いレベルの量子準位をもっている。また、量子井戸１２に接する下方障壁層１１および上方障壁層１３はいずれも薄膜（数ｎｍ）とされている。このため、量子準位が量子井戸１２の量子準位に近いホットキャリアは、トンネル効果によって量子井戸１２を出入りすることができるので、ホットキャリアは表面負電極７に到達することができる。
【００３６】
その一方、吸収層５におけるホールは、ホットキャリアとは逆に、障壁層６を乗り越えることができないため、表面負電極７に到達することはできない。また、裏面正電極２側には壁がないので、裏面正電極２に到達することができる。
【００３７】
一般に、電子に比べてホールのエネルギーは分布の広がりが小さくなっている。このため、電子のみを高エネルギーのホットキャリアとして取り出す構成としてもホットキャリア型太陽電池としての性能を十分に発揮できると考えられる。
【００３８】
本実施形態に係る太陽電池１では、吸収層５にはキャリアを高エネルギーに保つ特別な工夫がされてない。このため、キャリアのエネルギーは低下するが、その一方で、吸収層５のバンドギャップより高い開放電圧を発生させることを期待することができる。また、吸収層５に量子構造を導入する等の方法によってキャリアのエネルギー低下を抑制することができ、光を集光してキャリア密度を増すことによって光電変換効率が向上し、実用的な性能を実現することができる。
【００３９】
このように、表面負電極７には、ホットキャリアが到達し、裏面正電極２にはホールが到達する。よって、ホットキャリア理論の条件を満たすことになるので、光電変換効率を高いものとすることができる。また、太陽電池１に用いる材料を少なくすることができるので、半導体界面の数を少なくするとともに、製造工程の減少を図ることもできる。
【００４０】
ここで、従来、吸収層５からエネルギー選択性コンタクトによって狭いエネルギー範囲のキャリアを取り出すことで光電変換効率を高めることができること、量子ドット等を用いることによってエネルギー選択性コンタクトを実現すること、は知られていた。しかしながら、エネルギー選択性コンタクトを通過したキャリアのエネルギーを失わせることなく、そのキャリアを電極に到達させることはできなかった。
【００４１】
エネルギー選択性コンタクトを実現するためには、バンドキャップの広い材料でできた障壁層の内部に、バンドギャップの狭い材料による量子ドット等を埋め込めばよい。ところが、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに高い位置にある場合は、キャリアは電極内でエネルギーを失って熱に転換してしまうため、光電変換効率の向上を望むことはできなかった。
【００４２】
逆に、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに低い位置にある場合には、電極から吸収層にキャリアが逆流してしまい、やはり光電変換効率の向上に寄与することができなくなる。さらに、エネルギー選択性コンタクトのみの部分を作成し、ダイオードとして評価した事例があるが、この事例では、障壁層に半導体を介して金属電極を接合した構成であった。このため、エネルギー選択性コンタクトの量子準位が電極のフェルミ準位よりもはるかに高い位置にある構成となり、光電変換効率の向上に寄与するものではない。
【００４３】
吸収層から取り出したキャリアのエネルギーを失うことなく維持するためには、トンネル効果によってＥＳＣ量子準位から障壁層に抜け出るキャリアを直接電極で受けとめればよい。本実施形態に係る太陽電池１では、障壁層６と表面負電極７とが接合していることにより、キャリアが障壁層６と表面負電極７との間で互いに移動し、両者のフェルミ準位が一致する状態で平衡に達するようになる。ここで、障壁層６をライトドープとし、障壁層６のフェルミ準位をバンドギャップの中央よりやや上側に位置させている。このため、この状態で障壁層６が電子側とホール側との両方に十分な高さの障壁を有するようにすることができる。
【００４４】
また、障壁層６は、電子側にも適切な高さ、たとえば０．５ｅＶ程度の障壁としてショットキーバリアを有することが必要となる。ここで、本実施形態に係る太陽電池１では、ショットキーバリアを生じる材料、たとえば金、プラチナ、タングステンを表面負電極７に用いている。このため、ショットキーバリアを好適に設けることができる。
【００４５】
さらに、表面負電極７のフェルミ準位が障壁層６のＥＳＣ量子準位よりも低いか、両準位がほぼ同じである場合、キャリアが移動せず、表面負電極７のフェルミ準位がＥＳＣ量子準位よりも大きい場合、図４に示すようにキャリアがエネルギーを失ってエネルギーロスが生じる。このとき、キャリアのエネルギーロスを最小限に抑制し、キャリアのエネルギーを高く保つとともに、表面負電極７から障壁層６へのキャリアの逆流を防ぐためには、ＥＳＣ量子準位ＥＱＰが表面負電極７のフェルミ準位（＝障壁層フェルミ準位ＷＦＰ）よりもわずか、具体的には熱エネルギーよりも大きい程度であり、具体的には０．０３〜０．１ｅＶに高い位置にくるのが最良となる。
【００４６】
他方、キャリアのエネルギーを高く保つためには、特殊な工夫が必要である。たとえば、ＩｎＮのような物質を使ってそれを可能とする方法は従来知られている。そのほか、エネルギーを失ったキャリアは、他の高いエネルギーキャリアのエネルギーを低下させる原因となるため、低エネルギーのキャリアを取り除く構成として、エネルギーの減少を抑制することもできる。低エネルギーのキャリアを取り除く方法として、微量の金を障壁層６に混入することができる。こうして、低エネルギーキャリアを再結合させて除去することができる。
【００４７】
続いて、電子障壁層４の必要厚さについて言及する。電子障壁層４は、濃いドープのＰ型であることから、電子障壁層４に注入されたキャリアはほとんど基板３と吸収層５とに拡散している。このため、電子障壁層４における電荷分布は、ドープ濃度そのものに近くなり、電位Ｖを記述するポアソン方程式は、下記（１）式に示すようになる。
【００４８】
ｄ２Ｖ／ｄｘ２≒ｅＮＡ／ε ・・・（１）
ここで、ｅ：電子の電荷
ＮＡ：ドープ濃度
ε：誘電率
ｘ：厚さ方向の座標
【００４９】
障壁の曲がりは−Ｖと平行であるので、電子障壁層４の障壁がホールに対してなくなるためには、イントリンシックなＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ間における障壁高さをΔＶとすると、電子障壁層４の厚さｄは、下記（２）式の厚さとすることが必要となる。
【００５０】
ｄ＝２（２εΔＶ／ｅＮＡ）１／２ ・・・（２）
【００５１】
上記（２）式で表される厚さｄが、電子障壁層４としての必要厚さの最小値となる。この場合、図５（ａ）に示すように、吸収層５と電子障壁層４とを接合すると、図５（ｂ）に示すように、バンド構造が曲がることになるので電子障壁層４からなるホール側の障壁は薄くなり、薄くなった障壁をホールがトンネル効果ですり抜けられるようにしたいので、障壁を薄く、たとえば１ｎｍ以下の薄壁にするためには、ドープを濃くすることによって対応することができる。ここで、仮に薄壁の厚さを電子障壁層４の厚さの１／４とすると、必要なドープ濃度ＮＡは、下記（３）式に示すようになる。
【００５２】
ＮＡ＝εΔＶ／２ｅ・ｂ２ ・・・（３）
【００５３】
なお、図５（ａ）中には、ドープによるキャリアＣを示し、図５（ｂ）中には、電子障壁層４に拡散したキャリアＣを示す。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記各実施形態では、表面負電極７として金属を用いているが、金属以外の材料を用いることもできる。表面負電極としては、たとえば、ｎドープの半導体ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＝０．１〜０．６程度）を用いることができる。このような半導体を用いることもできる。この電極に用いる伝導帯下端と障壁層との間のエネルギー高さの関係は、図６に示すようなバンド構造の太陽電池とすることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、表面側に負電極を設け、裏面側に正電極を設けているが、表面側に正電極を設け、裏面側に負電極を設ける態様とすることもできる。さらに、上記実施形態ではいわゆるＰＮ接合された太陽電池を例としているが、いわゆるＰＩＮ接合された太陽電池とすることもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１…太陽電池、２…裏面正電極、３…基板、４…電子障壁層、５…吸収層、６…障壁層、７…表面負電極、８…負電極、１１…下方障壁層、１２…量子井戸、１３…上方障壁層、２０…量子ドット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極との間に吸収層が形成され、前記第１電極と前記吸収層との間に障壁層が形成されており、
前記障壁層に、エネルギー選択性コンタクトが設けられていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記第１電極と前記障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されている請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記エネルギー選択性コンタクトが量子井戸である請求項１または請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記障壁層は、フェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体からなる請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、前記第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１】
第１電極と第２電極との間に吸収層が形成され、前記第１電極と前記吸収層との間に障壁層が形成されており、
前記障壁層に、エネルギー選択性コンタクトが設けられていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記第１電極と前記障壁層とは、低ショットキーバリアでショットキー接合されている請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記エネルギー選択性コンタクトが量子井戸である請求項１または請求項２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記障壁層は、フェルミ準位が不純物準位以下であるライトドープ半導体からなる請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記エネルギー選択性コンタクトの量子準位が、前記第１電極のフェルミ準位よりも熱エネルギー程度以上大きくされている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の太陽電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−６６０７２（Ｐ２０１１−６６０７２Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１３３８９（Ｐ２００９−２１３３８９）
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１５日（２００９．９．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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