接合型太陽電池
【課題】太陽光の吸収層を傾斜組成構造とすることにより光電変換効率を大幅に改善できる接合型太陽電池を提供すること。
【解決手段】ＧａＡｓ基板２２上に形成されたバッファ層２３上に、ＩｎＡｓ0.4Ｐ0.6からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層２４が積層され、その上にトンネル接合層を介してＩｎＰからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層２７が積層され、その上にトンネル接合層を介してＩｎ0.8Ａｌ0.2ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰセル層３０が積層され、この化合物半導体混晶が、光の入射方向からバンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有している。
【解決手段】ＧａＡｓ基板２２上に形成されたバッファ層２３上に、ＩｎＡｓ0.4Ｐ0.6からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層２４が積層され、その上にトンネル接合層を介してＩｎＰからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層２７が積層され、その上にトンネル接合層を介してＩｎ0.8Ａｌ0.2ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰセル層３０が積層され、この化合物半導体混晶が、光の入射方向からバンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合型太陽電池に関し、より詳細には、光電変換に寄与する吸収層が傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器で、太陽電池の内部に入射した太陽光のエネルギーが、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力するものである。現在の一般的な太陽電池は、ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造、すなわち、ｐｎ接合型ダイオード（フォトダイオード）の構造を有している。
【０００３】
このような構造を有する太陽電池は、クリーンエネルギー源として注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コストが高いことが実用化の大きな障害となっている。太陽電池の発電コストを低くするためには、発電効率を高くすることが重要な要素であり、これを実現するため接合型太陽電池の開発が行われている。
【０００４】
この接合型太陽電池は、吸収波長域の異なるセル層を複数接合させた構造をしている。具体的には、太陽光の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料より成るセル層と、その下部にバンドギャップの小さな半導体材料より成るセル層を配置している。上部のセル層では、太陽光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電変換され、下部のセル層では、上部のセル層で吸収されず透過した残りの長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換するように構成され、太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層の２接合型太陽電池やＩｎＧａＰセル層とＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの２接合型太陽電池が開示されている。また、非特許文献１には、ＩｎＧａＰセル層とＩｎＧａＡｓセル層とＧｅセル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が示されている。
【０００６】
図１は、従来のこの種の接合型太陽電池を説明するための構成図で、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ構造を有する３接合型太陽電池である。裏面電極が形成されたＧｅセル層（下部セル層）１１にバッファ層１２が形成されている。このＧｅセル層１１は、ｐ型のＧｅ基板にｎ型のドーパントを、イオン打ち込みを行なうか熱拡散するなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池として機能させることが一般的である。その上に第２のトンネルダイオード層１３を介してＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）１４が積層され、その上に第１のトンネルダイオード層１５を介してＧａＩｎＰセル層（上部セル層）１６が積層されている。
【０００７】
これらの積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的であり、成長中にドーパントを切り替えるなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池の機能を持たせることが行われる。その上に反射防止膜と表面電極が形成されて３接合型太陽電池が構成されている。
【０００８】
図２は、地上表面に照射されている標準的太陽光（エアマス１．５Ｇ）のスペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。太陽光の波長成分のうち、波長の短い領域の成分で上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６において吸収され、矢印ａで示されている。上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６を透過した太陽光のうち、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｂで示すように中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される。中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４を透過した太陽光のうち、下部セル層（Ｇｅ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｃで示すように下部セル層（Ｇｅ）に吸収される。
【０００９】
このように接合型太陽電池の各セル層で吸収される太陽光は、各セルを形成する半導体のバンドギャップに依存するが、そのときに吸収したフォトンが１対の電子−正孔対を発生させることを考慮すると、各セル層で発生する電流量は半導体のバンドギャップと相関していると捉えられる。
【００１０】
一方、各セル層における太陽電池の起電力は、ｐｎ接合における拡散電位に依存するが、これも半導体のバンドギャップに強く依存する。すなわち、接合型太陽電池の各セルにおける発生電流量および起電力は、いずれも各セルのバンドギャップの大きさに依存した値になる。
【００１１】
また、デバイスに使用される半導体の一部に傾斜組成構造を持たせて機能を高めるという試みがある。発光デバイスを構成する半導体層を傾斜組成構造にすることは、例えば、特許文献３に開示されている。この特許文献３に記載の発光デバイスは、活性領域の量子井戸にキャリアを供給するリザーバ層に傾斜組成構造を用い、活性層に効率的にキャリアを供給できるようにしたものである。この傾斜組成は、発光デバイスの１つ又は複数の層内の組成及び／又はドーパント濃度の変化を達成する任意の構造を意味している。
【００１２】
このように、上述した特許文献３に記載の発光デバイスなどに傾斜組成構造が利用されているが、このように光源として利用するものは傾斜構造によるバンドの傾きを利用して発生したキャリアを効率的に活性層に集めることを目的としているのに対して、本発明は入射した種々の波長成分の光から取り出せるエネルギーを最大限利用しようとするものであり、素子構造も原理も異にするものであって、発光デバイスにおける傾斜組成構造を直ちに太陽電池のセル層の傾斜組成構造に適用されるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−２１４７２６号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１７７４号公報
【特許文献３】特開２００５−０１２２１６号公報
【特許文献４】特開２００４−１１１６８７号公報
【非特許文献１】“ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ−ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｖｏｌ．１３（２００５）４９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した特許文献１に示すような接合型太陽電池においても、高い光電変換効率を得るためには、光をいかに損失を少なくして下部セル層に到達させるかが重要である。接合型太陽電池における損失のうち、素子表面などでの光学的反射や種々の抵抗による損失を除けば、１）表面や界面における非発光再結合による損失、２）各太陽電池セル間の電流不整合による損失、３）吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失、が大きなものであり、これらの損失をなくして、接合型太陽電池で高効率を達成することが求められている。
【００１５】
このうち、１）の非発光再結合については、半導体の表面準位や界面での欠陥準位などに依存し、ワイドギャップの半導体層を挿入するなどの方法によって改善が図られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１６】
また、２）の太陽電池セル間の電流不整合の問題は、接合型太陽電池が異なるセルの直列接続によって構成されていることに由来する。
【００１７】
図３は、エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフを示す図である。図３において、図中の矢印で示した高さは、各々のセル層が太陽光のフォトンを吸収したときに発生する電子−正孔対の数に対応し、発生電流量に相関している。したがって、各半導体が各々のバンドギャップよりも短い波長の光を全て吸収して光電変換し、バンドギャップに相当する起電力を発生したとすると、図中で各半導体のバンドギャップに対応するグラフ上の点とゼロ点とを対角線とする領域が当該半導体で発電できる電力量を示す。
【００１８】
すなわち、図１に示した接合型太陽電池の構造の上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）１１で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｃで表される。
【００１９】
ただし、セル間が直列接続されているため、各領域のｙ軸の高さに対応した発生電流量のうち、最も小さいものがボトルネックとなって全体の発生電流量を制限し、余剰な電子−正孔対は再結合して損失となる。これがセル間の電流不整合による損失であり、これを低減するため、各太陽電池セルが発生する電流量が相互に一致するように半導体のバンドギャップを適宜選択することが行われる（例えば、特許文献４参照）。
【００２０】
また、３）については、各太陽電池セルに使われる半導体がそれぞれどの波長の光を吸収するかに依存する。
【００２１】
図４は、従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図で、波長の異なる太陽光に対して上部セル層と下部セル層とで、図中符号Ｆで示すように、フォノン散乱などにより熱として失われる部分が存在する。
【００２２】
図３に示した各セルでの発電能力のうち、図中記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０は、光を吸収するがフォトンの放出などによりエネルギーとしてロスしている部分を示している。このように、従来の接合型太陽電池では、ロス部分Ａ０，Ｂ０，Ｃ０が存在し、この損失を少なくすることが、より光電変換効率を向上させることになる。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽光の吸収層に傾斜組成構造を備えることにより光電変換効率を大幅に改善するようにした接合型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】
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする。（図５，８，９、実施例１乃至３に対応）
【００２９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図５、実施例１に対応）
【００３０】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図８、実施例２に対応）
【００３１】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図９、実施例３に対応）
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向からバンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有しているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の接合型太陽電池を説明するための構成図である。
【図２】エアマス１．５Ｇの太陽光スペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。
【図３】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、従来の接合型太陽電池構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図４】従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図である。
【図５】本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図である。
【図６】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図７】図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。
【図８】本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図である。
【図９】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図１０】本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図である。
【図１１】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
【実施例１】
【００３５】
図５は、本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＰ／ＩｎＡｓzＰ1-z構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。
【００３６】
この接合型太陽電池は、裏面電極２１が形成されたＧａＡｓ基板２２上にバッファ層２３を形成した後、ＩｎＡｓ0.4Ｐ0.6からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）２４が積層されている。
【００３７】
また、その上に第２のトンネル接合層２５，２６を介してＩｎＰからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）２７が積層されている。
【００３８】
第２のトンネル接合層２５，２６は、必ずしも不可欠のものではないが、セル間を低抵抗で接合し、接合付近で発生したキャリアの逆方向へのオーバーフローを低減する意味などから設けた方が好ましい。この場合、トンネル接合層２５は、接触する下部セル層の組成であるｎ型ＩｎＰに対して価電子帯のオフセットが十分に大きく格子定数も近いものが望ましく、高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。同様にトンネル接合層２６は、ｐ型ＩｎＰに対して伝導帯のオフセットが十分に大きいことが望まれることから、高濃度にｐ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。
【００３９】
さらに、その上に第１のトンネル接合層２８，２９を介してＩｎ0.8Ａｌ0.2ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）３０が積層され、最後に反射防止層３１と表面電極３２が形成されて表面電極３２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。
【００４０】
トンネル接合層２８は、上述した理由と同様の理由から高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＧａＰなどが用いられ、トンネル接合層２９は、高濃度にｐ型ドーピングしたＡｌＧａＡｓなどが用いられる。
【００４１】
つまり、本発明においては、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有している。
【００４２】
図６は、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）３０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎyＧａ1-yＰ）２７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（ＩｎＡｓzＰ1-z）２４で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。
【００４３】
これらの各セル層２４，２７，３０は、傾斜組成構造を有しているため、ｐｎ接合における拡散電位が傾斜組成構造を持たないときに比べて広げることができる。これにより各セルの起電力を大きく取ることができる。これは図３において記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０で示したような、吸収した光のエネルギーをフォノン散乱などにより熱としてロスしている部分を少なくし、図６で示すように太陽光のスペクトルを効率良く光電変換することに対応している。このように、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【００４４】
このような傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に太陽光を照射させて発電させる場合、発生した電子−正孔対について、電子は負極側に、正孔は正極側に流れやすいようなバンド構造を持つことも重要である。これには太陽電池を構成しているｐｎ接合において、素子を短絡した熱平衡状態で、ｐ型半導体側からｎ型半導体側に向かって伝導帯の下端が単調に下がる方向であり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる方向であることが望ましい。
【００４５】
このようなバンドの傾斜を持たせるためには、半導体の組成の選択のみならず、ドーピング濃度を制御することが重要である。具体的には、少なくとも１組の太陽電池セルを構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に低くなっていること、及び／又は少なくとも１組の太陽電池を構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に高くなっている構造を持つことが望ましい。
【００４６】
図７は、図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。各セルにおいては、成長中の組成制御によって光の入射方向から、すなわち、図７の左側から右側に向かって徐々にバンドギャップが小さくなるような構造をとっている。
【００４７】
また、上述したようなバンドギャップの傾斜構造においても、電子や正孔が、それぞれ負極側や正極側に流れやすいような構造をとるために、ｎ層内のドナー濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなるように、ｐ層内のアクセプタ濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなるような構造をとっている。
【００４８】
これにより、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造が実現されている。このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【実施例２】
【００４９】
図８は、本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＧａＡｓyＰ1-y／ＩｎzＧａ1-zＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する４接合型太陽電池である。
【００５０】
この接合型太陽電池は、裏面電極４１が形成されたｐ−Ｇｅ基板４２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）４３を介してバッファ層４４及び第３のトンネル接合層４５，４６を形成した後、Ｉｎ0.26Ｇａ0.74ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）４７が積層されている。
【００５１】
また、その上に第２のトンネル接合層４８，４９を介してＧａＡｓからＧａＡｓ0.59Ｐ0.41に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）５０が積層されている。
【００５２】
さらに、その上に第１のトンネル接合層５１，５２を介してＩｎ0.78Ａｌ0.22ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）５３が積層され、最後に反射防止層５４と表面電極５５が形成されて表面電極５５側から光が入射するように設計された４接合型太陽電池が構成されている。
【００５３】
図９は、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）５３で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、第１の中間セル層（ＧａＡｓyＰ1-y）５０で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、第２の中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）４７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで、下部セル層（Ｇｅ）４３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｄで表される。
【００５４】
この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【００５５】
また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【実施例３】
【００５６】
図１０は、本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図で、上層からＩｎxＧａ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。
【００５７】
この接合型太陽電池は、裏面電極６１が形成されたｐ−Ｇｅ基板６２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）６３を介してバッファ層６４及び第２のトンネル接合層６５，６６を形成した後、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）６７が積層されている。
【００５８】
また、その上に第１のトンネル接合層６８，６９を介してＩｎ0.55Ｇａ0.45ＰからＩｎ0.33Ｇａ0.67Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層）７０が積層され、最後に反射防止層７１と表面電極７２が形成されて表面電極７２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。
【００５９】
図１１は、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＧａ1-xＰ）７０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）６７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）６３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。
【００６０】
この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を従来よりも改善することができる。
【００６１】
また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１１ Ｇｅセル層（下部セル層）
１２ バッファ層
１３ 第２のトンネルダイオード
１４ ＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）
１５ 第１のトンネルダイオード
１６ ＩｎＧａＰセル層（上部セル層）
２１，４１，６１ 裏面電極
２２ 基板
２３，４４，６４ バッファ層
２４ 傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）
２５，２６ 第２のトンネル接合層
２７ 傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）
２８，２９ 第１のトンネル接合層
３０，５３ 傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）
３１，５４，７１ 反射防止層
３２，５５，７２ 表面電極
４２，６２ ｐ−Ｇｅ基板
４３，６３ ｎ−Ｇｅ層（下部セル層）
４５，４６ 第３のトンネル接合層
４７ 傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）
４８，４９ 第２のトンネル接合層
５０ 傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）
５１，５２ 第１のトンネル接合層
６５，６６ 第２のトンネル接合層
６７ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）
６８，６９ 第１のトンネル接合層
７０ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合型太陽電池に関し、より詳細には、光電変換に寄与する吸収層が傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器で、太陽電池の内部に入射した太陽光のエネルギーが、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力するものである。現在の一般的な太陽電池は、ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造、すなわち、ｐｎ接合型ダイオード（フォトダイオード）の構造を有している。
【０００３】
このような構造を有する太陽電池は、クリーンエネルギー源として注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コストが高いことが実用化の大きな障害となっている。太陽電池の発電コストを低くするためには、発電効率を高くすることが重要な要素であり、これを実現するため接合型太陽電池の開発が行われている。
【０００４】
この接合型太陽電池は、吸収波長域の異なるセル層を複数接合させた構造をしている。具体的には、太陽光の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料より成るセル層と、その下部にバンドギャップの小さな半導体材料より成るセル層を配置している。上部のセル層では、太陽光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電変換され、下部のセル層では、上部のセル層で吸収されず透過した残りの長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換するように構成され、太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層の２接合型太陽電池やＩｎＧａＰセル層とＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの２接合型太陽電池が開示されている。また、非特許文献１には、ＩｎＧａＰセル層とＩｎＧａＡｓセル層とＧｅセル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が示されている。
【０００６】
図１は、従来のこの種の接合型太陽電池を説明するための構成図で、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ構造を有する３接合型太陽電池である。裏面電極が形成されたＧｅセル層（下部セル層）１１にバッファ層１２が形成されている。このＧｅセル層１１は、ｐ型のＧｅ基板にｎ型のドーパントを、イオン打ち込みを行なうか熱拡散するなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池として機能させることが一般的である。その上に第２のトンネルダイオード層１３を介してＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）１４が積層され、その上に第１のトンネルダイオード層１５を介してＧａＩｎＰセル層（上部セル層）１６が積層されている。
【０００７】
これらの積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的であり、成長中にドーパントを切り替えるなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池の機能を持たせることが行われる。その上に反射防止膜と表面電極が形成されて３接合型太陽電池が構成されている。
【０００８】
図２は、地上表面に照射されている標準的太陽光（エアマス１．５Ｇ）のスペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。太陽光の波長成分のうち、波長の短い領域の成分で上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６において吸収され、矢印ａで示されている。上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６を透過した太陽光のうち、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｂで示すように中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される。中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４を透過した太陽光のうち、下部セル層（Ｇｅ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｃで示すように下部セル層（Ｇｅ）に吸収される。
【０００９】
このように接合型太陽電池の各セル層で吸収される太陽光は、各セルを形成する半導体のバンドギャップに依存するが、そのときに吸収したフォトンが１対の電子−正孔対を発生させることを考慮すると、各セル層で発生する電流量は半導体のバンドギャップと相関していると捉えられる。
【００１０】
一方、各セル層における太陽電池の起電力は、ｐｎ接合における拡散電位に依存するが、これも半導体のバンドギャップに強く依存する。すなわち、接合型太陽電池の各セルにおける発生電流量および起電力は、いずれも各セルのバンドギャップの大きさに依存した値になる。
【００１１】
また、デバイスに使用される半導体の一部に傾斜組成構造を持たせて機能を高めるという試みがある。発光デバイスを構成する半導体層を傾斜組成構造にすることは、例えば、特許文献３に開示されている。この特許文献３に記載の発光デバイスは、活性領域の量子井戸にキャリアを供給するリザーバ層に傾斜組成構造を用い、活性層に効率的にキャリアを供給できるようにしたものである。この傾斜組成は、発光デバイスの１つ又は複数の層内の組成及び／又はドーパント濃度の変化を達成する任意の構造を意味している。
【００１２】
このように、上述した特許文献３に記載の発光デバイスなどに傾斜組成構造が利用されているが、このように光源として利用するものは傾斜構造によるバンドの傾きを利用して発生したキャリアを効率的に活性層に集めることを目的としているのに対して、本発明は入射した種々の波長成分の光から取り出せるエネルギーを最大限利用しようとするものであり、素子構造も原理も異にするものであって、発光デバイスにおける傾斜組成構造を直ちに太陽電池のセル層の傾斜組成構造に適用されるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−２１４７２６号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１７７４号公報
【特許文献３】特開２００５−０１２２１６号公報
【特許文献４】特開２００４−１１１６８７号公報
【非特許文献１】“ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ−ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｖｏｌ．１３（２００５）４９５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した特許文献１に示すような接合型太陽電池においても、高い光電変換効率を得るためには、光をいかに損失を少なくして下部セル層に到達させるかが重要である。接合型太陽電池における損失のうち、素子表面などでの光学的反射や種々の抵抗による損失を除けば、１）表面や界面における非発光再結合による損失、２）各太陽電池セル間の電流不整合による損失、３）吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失、が大きなものであり、これらの損失をなくして、接合型太陽電池で高効率を達成することが求められている。
【００１５】
このうち、１）の非発光再結合については、半導体の表面準位や界面での欠陥準位などに依存し、ワイドギャップの半導体層を挿入するなどの方法によって改善が図られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１６】
また、２）の太陽電池セル間の電流不整合の問題は、接合型太陽電池が異なるセルの直列接続によって構成されていることに由来する。
【００１７】
図３は、エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフを示す図である。図３において、図中の矢印で示した高さは、各々のセル層が太陽光のフォトンを吸収したときに発生する電子−正孔対の数に対応し、発生電流量に相関している。したがって、各半導体が各々のバンドギャップよりも短い波長の光を全て吸収して光電変換し、バンドギャップに相当する起電力を発生したとすると、図中で各半導体のバンドギャップに対応するグラフ上の点とゼロ点とを対角線とする領域が当該半導体で発電できる電力量を示す。
【００１８】
すなわち、図１に示した接合型太陽電池の構造の上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）１１で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｃで表される。
【００１９】
ただし、セル間が直列接続されているため、各領域のｙ軸の高さに対応した発生電流量のうち、最も小さいものがボトルネックとなって全体の発生電流量を制限し、余剰な電子−正孔対は再結合して損失となる。これがセル間の電流不整合による損失であり、これを低減するため、各太陽電池セルが発生する電流量が相互に一致するように半導体のバンドギャップを適宜選択することが行われる（例えば、特許文献４参照）。
【００２０】
また、３）については、各太陽電池セルに使われる半導体がそれぞれどの波長の光を吸収するかに依存する。
【００２１】
図４は、従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図で、波長の異なる太陽光に対して上部セル層と下部セル層とで、図中符号Ｆで示すように、フォノン散乱などにより熱として失われる部分が存在する。
【００２２】
図３に示した各セルでの発電能力のうち、図中記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０は、光を吸収するがフォトンの放出などによりエネルギーとしてロスしている部分を示している。このように、従来の接合型太陽電池では、ロス部分Ａ０，Ｂ０，Ｃ０が存在し、この損失を少なくすることが、より光電変換効率を向上させることになる。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽光の吸収層に傾斜組成構造を備えることにより光電変換効率を大幅に改善するようにした接合型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】
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする。（図５，８，９、実施例１乃至３に対応）
【００２９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図５、実施例１に対応）
【００３０】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図８、実施例２に対応）
【００３１】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図９、実施例３に対応）
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向からバンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有しているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の接合型太陽電池を説明するための構成図である。
【図２】エアマス１．５Ｇの太陽光スペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。
【図３】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、従来の接合型太陽電池構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図４】従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図である。
【図５】本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図である。
【図６】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図７】図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。
【図８】本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図である。
【図９】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【図１０】本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図である。
【図１１】エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
【実施例１】
【００３５】
図５は、本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＰ／ＩｎＡｓzＰ1-z構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。
【００３６】
この接合型太陽電池は、裏面電極２１が形成されたＧａＡｓ基板２２上にバッファ層２３を形成した後、ＩｎＡｓ0.4Ｐ0.6からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）２４が積層されている。
【００３７】
また、その上に第２のトンネル接合層２５，２６を介してＩｎＰからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）２７が積層されている。
【００３８】
第２のトンネル接合層２５，２６は、必ずしも不可欠のものではないが、セル間を低抵抗で接合し、接合付近で発生したキャリアの逆方向へのオーバーフローを低減する意味などから設けた方が好ましい。この場合、トンネル接合層２５は、接触する下部セル層の組成であるｎ型ＩｎＰに対して価電子帯のオフセットが十分に大きく格子定数も近いものが望ましく、高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。同様にトンネル接合層２６は、ｐ型ＩｎＰに対して伝導帯のオフセットが十分に大きいことが望まれることから、高濃度にｐ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。
【００３９】
さらに、その上に第１のトンネル接合層２８，２９を介してＩｎ0.8Ａｌ0.2ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）３０が積層され、最後に反射防止層３１と表面電極３２が形成されて表面電極３２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。
【００４０】
トンネル接合層２８は、上述した理由と同様の理由から高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＧａＰなどが用いられ、トンネル接合層２９は、高濃度にｐ型ドーピングしたＡｌＧａＡｓなどが用いられる。
【００４１】
つまり、本発明においては、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有している。
【００４２】
図６は、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）３０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎyＧａ1-yＰ）２７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（ＩｎＡｓzＰ1-z）２４で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。
【００４３】
これらの各セル層２４，２７，３０は、傾斜組成構造を有しているため、ｐｎ接合における拡散電位が傾斜組成構造を持たないときに比べて広げることができる。これにより各セルの起電力を大きく取ることができる。これは図３において記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０で示したような、吸収した光のエネルギーをフォノン散乱などにより熱としてロスしている部分を少なくし、図６で示すように太陽光のスペクトルを効率良く光電変換することに対応している。このように、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【００４４】
このような傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に太陽光を照射させて発電させる場合、発生した電子−正孔対について、電子は負極側に、正孔は正極側に流れやすいようなバンド構造を持つことも重要である。これには太陽電池を構成しているｐｎ接合において、素子を短絡した熱平衡状態で、ｐ型半導体側からｎ型半導体側に向かって伝導帯の下端が単調に下がる方向であり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる方向であることが望ましい。
【００４５】
このようなバンドの傾斜を持たせるためには、半導体の組成の選択のみならず、ドーピング濃度を制御することが重要である。具体的には、少なくとも１組の太陽電池セルを構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に低くなっていること、及び／又は少なくとも１組の太陽電池を構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に高くなっている構造を持つことが望ましい。
【００４６】
図７は、図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。各セルにおいては、成長中の組成制御によって光の入射方向から、すなわち、図７の左側から右側に向かって徐々にバンドギャップが小さくなるような構造をとっている。
【００４７】
また、上述したようなバンドギャップの傾斜構造においても、電子や正孔が、それぞれ負極側や正極側に流れやすいような構造をとるために、ｎ層内のドナー濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなるように、ｐ層内のアクセプタ濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなるような構造をとっている。
【００４８】
これにより、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造が実現されている。このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【実施例２】
【００４９】
図８は、本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＧａＡｓyＰ1-y／ＩｎzＧａ1-zＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する４接合型太陽電池である。
【００５０】
この接合型太陽電池は、裏面電極４１が形成されたｐ−Ｇｅ基板４２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）４３を介してバッファ層４４及び第３のトンネル接合層４５，４６を形成した後、Ｉｎ0.26Ｇａ0.74ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）４７が積層されている。
【００５１】
また、その上に第２のトンネル接合層４８，４９を介してＧａＡｓからＧａＡｓ0.59Ｐ0.41に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）５０が積層されている。
【００５２】
さらに、その上に第１のトンネル接合層５１，５２を介してＩｎ0.78Ａｌ0.22ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）５３が積層され、最後に反射防止層５４と表面電極５５が形成されて表面電極５５側から光が入射するように設計された４接合型太陽電池が構成されている。
【００５３】
図９は、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）５３で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、第１の中間セル層（ＧａＡｓyＰ1-y）５０で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、第２の中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）４７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで、下部セル層（Ｇｅ）４３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｄで表される。
【００５４】
この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。
【００５５】
また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【実施例３】
【００５６】
図１０は、本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図で、上層からＩｎxＧａ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。
【００５７】
この接合型太陽電池は、裏面電極６１が形成されたｐ−Ｇｅ基板６２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）６３を介してバッファ層６４及び第２のトンネル接合層６５，６６を形成した後、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）６７が積層されている。
【００５８】
また、その上に第１のトンネル接合層６８，６９を介してＩｎ0.55Ｇａ0.45ＰからＩｎ0.33Ｇａ0.67Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層）７０が積層され、最後に反射防止層７１と表面電極７２が形成されて表面電極７２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。
【００５９】
図１１は、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＧａ1-xＰ）７０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）６７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）６３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。
【００６０】
この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を従来よりも改善することができる。
【００６１】
また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１１ Ｇｅセル層（下部セル層）
１２ バッファ層
１３ 第２のトンネルダイオード
１４ ＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）
１５ 第１のトンネルダイオード
１６ ＩｎＧａＰセル層（上部セル層）
２１，４１，６１ 裏面電極
２２ 基板
２３，４４，６４ バッファ層
２４ 傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）
２５，２６ 第２のトンネル接合層
２７ 傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）
２８，２９ 第１のトンネル接合層
３０，５３ 傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）
３１，５４，７１ 反射防止層
３２，５５，７２ 表面電極
４２，６２ ｐ−Ｇｅ基板
４３，６３ ｎ−Ｇｅ層（下部セル層）
４５，４６ 第３のトンネル接合層
４７ 傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）
４８，４９ 第２のトンネル接合層
５０ 傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）
５１，５２ 第１のトンネル接合層
６５，６６ 第２のトンネル接合層
６７ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）
６８，６９ 第１のトンネル接合層
７０ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、
少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする接合型太陽電池。
【請求項２】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項３】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項４】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の接合型太陽電池。
【請求項５】
前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項６】
前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【請求項７】
前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【請求項８】
前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【請求項１】
バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、
少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする接合型太陽電池。
【請求項２】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項３】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項４】
少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の接合型太陽電池。
【請求項５】
前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。
【請求項６】
前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【請求項７】
前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【請求項８】
前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−７７２９５（Ｐ２０１１−７７２９５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２７１７６（Ｐ２００９−２２７１７６）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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