集光式光電変換装置
【課題】曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供する。
【解決手段】集光レンズと、集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備え、光電変換素子は、シリコン太陽電池と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池とを含み、受光面側多接合型太陽電池の集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が集光レンズによって受光面に集光された光の面積の０．８以上１．２倍以下である集光式光電変換装置である。
【解決手段】集光レンズと、集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備え、光電変換素子は、シリコン太陽電池と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池とを含み、受光面側多接合型太陽電池の集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が集光レンズによって受光面に集光された光の面積の０．８以上１．２倍以下である集光式光電変換装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光式光電変換装置に関し、特に、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光電変換装置として、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、さらに多くの発電量を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子に照射して電力を取り出すタイプの集光式光電変換装置が実用化されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３９５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の集光式光電変換装置においては、晴天時には通常のシリコン太陽電池を用いた平板の太陽電池モジュールと比較して多くの発電量が得られるが、曇天時にはほとんど発電量が得られないといった問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、集光レンズと、集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備え、光電変換素子は、シリコン太陽電池と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池とを含み、受光面側多接合型太陽電池の集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が集光レンズによって受光面に集光された光の面積の０．８以上１．２倍以下である集光式光電変換装置である。
【０００６】
ここで、本発明の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池の受光面側多接合型太陽電池の下方に位置する第１のエミッタ層が、第１のエミッタ層に隣り合う位置に形成された第２のエミッタ層と電気的に分離されていてもよい。
【０００７】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合を１つ含む化合物半導体太陽電池を有していてもよい。また、この化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有していてもよい。ここで、第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有し、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側とは反対側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして裏面側多接合型太陽電池が設置されており、裏面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である第３の化合物半導体層の第３のｐｎ接合を含む第３の化合物半導体太陽電池を有していてもよい。ここで、第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第３の化合物半導体層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の集光式光電変換装置は、受光面側多接合型太陽電池の受光面上に形成された第１の電極と、シリコン太陽電池の第２のエミッタ層上に形成された第２の電極と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側とは反対側の表面上に形成された第３の電極とを有していてもよい。ここで、第１の電極と第３の電極との間で発生する電力と、第２の電極と第３の電極との間で発生する電力とを分離することができることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１３】
＜実施の形態１＞
図１（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の一例の模式的な断面図を示す。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子は、シリコン基板から形成されたシリコン太陽電池１０と、そのシリコン太陽電池１０上に形成された受光面側多接合型太陽電池２０とから構成されている。なお、集光レンズは、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面（シリコン太陽電池１０が設置されている側の表面と反対側の表面）側に設置される。
【００１５】
ここで、シリコン太陽電池１０は、ｐ型シリコン基板１３の受光面にストライプ状のｎ型不純物がドーピングされることにより形成されたｎ型不純物ドーピング領域１４が形成されており、ｐ型シリコン基板１３の裏面の全面にはｐ型不純物がドーピングされることにより形成されたｐ型不純物ドーピング領域１２が形成されており、このｐ型不純物ドーピング領域１２を覆うようにして導電性物質からなるｐ電極１１が形成されている。
【００１６】
また、ｎ型不純物ドーピング領域１４は、受光面側多接合型太陽電池２０の下方に位置する第１のエミッタ層１４ａと受光面側多接合型太陽電池２０の下方に位置していない第２のエミッタ層１４ｂとによって構成されている。そして、第１のエミッタ層１４ａの両端部には、Ｌ字状の接合電極１６と、接合電極１６と第１のエミッタ層１４ａとの間の隙間を埋める帯状の絶縁膜１７とが形成されており、第２のエミッタ層１４ｂ上には複数のｎ電極１５が形成されている。
【００１７】
ここで、第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとは所定の間隔をあけてそれぞれ帯状に形成されているため、第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとの間には電気的な接触はなく、電気的に分離されている。
【００１８】
また、受光面側多接合型太陽電池２０は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成されたｐ型化合物半導体層積層体２１１と、そのｐ型化合物半導体層積層体２１１上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成されたｎ型化合物半導体層積層体２１０とが接合されてなる化合物半導体太陽電池２１５を有している。そして、ｐ型化合物半導体層積層体２１１とｎ型化合物半導体層積層体２１０との接合部がｐｎ接合部２１４となっている。
【００１９】
また、受光面側多接合型太陽電池２０のｎ型化合物半導体層積層体２１０の受光面上にはｎ側電極２１２が形成されており、ｐ型化合物半導体層積層体２１１の裏面上にはｐ側電極２１３が形成されている。
【００２０】
そして、受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極２１３がシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に設置されて電気的に接続されることにより、光電変換素子が形成されている。
【００２１】
図１（ｂ）に、図１（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。
【００２２】
図１（ｃ）に、図１（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図１（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の全面にｐ電極１１が形成されている。
【００２３】
図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００２４】
まず、たとえばホウ素等のｐ型不純物がドーピングされたｐ型シリコン基板１３の裏面にホウ素等のｐ型不純物をドーピングすることによって裏面電界層となるｐ型不純物ドーピング領域１２を形成する。そして、アルミニウム等の金属を蒸着等させることによって、ｐ型不純物ドーピング領域１２の表面上にｐ電極１１を形成する。
【００２５】
次に、ｐ型シリコン基板１３の受光面にスピン塗布焼結等によってシリコン酸化膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を利用することによってｎ型不純物ドーピング領域１４の形成領域に対応しない領域の形状にパターンニングされたシリコン酸化膜を形成する。そして、シリコン酸化膜が形成されていない部分をエッチングしてｐ型シリコン基板１３の受光面の一部を露出させ、リン等のｎ型不純物をドーピングすることによってｐ型シリコン基板１３の受光面にｎ型不純物ドーピング領域１４（第１のエミッタ層１４ａ、第２のエミッタ層１４ｂ）を形成する。その後、シリコン酸化膜は除去される。
【００２６】
続いて、図２（ａ）の模式的断面図に示すように、ｐ型シリコン基板１３の受光面の第１のエミッタ層１４ａ上に絶縁膜１７を形成する。そして、図２（ｂ）の模式的断面図に示すように、絶縁膜１７の両側に、フォトリソグラフィ技術を利用することによって所定の形状にパターンニングされたレジストパターン１１０を形成し、その後、たとえば銀等を蒸着等することによって、帯状のｎ電極１５とＬ字形状の接合電極１６とを形成することができる。そして、上記のようにして形成されたレジストパターン１１０を除去することによって、図１（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においては、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００２７】
また、シリコン太陽電池１０とは別に、図３の模式的構成図に示すように、ＧａＡｓ基板２１上に、ＧａＡｓバッファ層２２、ＩｎＧａＰエッチングストップ層２３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６、ｐ型ＩｎＧａＰベース層２７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層２８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９をたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００２８】
ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２５およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６の積層体によってｎ型化合物半導体層積層体２１０が構成され、ｐ型ＩｎＧａＰベース層２７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層２８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９の積層体によってｐ型化合物半導体層積層体２１１が構成される。ここでは、ｐｎ接合部２１４は、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７とが接合することによって形成されている。ここで、本実施の形態においては、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７の禁制帯幅はそれぞれ１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下とされている。
【００２９】
そして、化合物半導体ウエハのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９の表面上に所定の形状にパターンニングされたｐ側電極２１３を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００３０】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に、上記のようにして形成したセルのｐ側電極２１３を電気的に接続して固定する。ここで、シリコン太陽電池１０の接合電極１６と上記セルのｐ側電極２１３との接続は、これらの電極をたとえば、低融点の共晶金属または半田等を用いることによって実施することができる。
【００３１】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＧａＡｓ基板２１、ＧａＡｓバッファ層２２およびＩｎＧａＰエッチングストップ層２３を除去し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面を露出させる。
【００３２】
その後、上記のようにして露出させたｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面上にフォトリソグラフィ技術を利用して所定の形状のレジストパターンを形成し、レジストパターンの非形成部分に金属膜を蒸着すること等によって形成した後に、リフトオフ等によりレジストパターンとともにレジストパターン上に形成された金属膜を除去することによって、残された金属膜により所定の形状にパターンニングされたｎ側電極２１２が形成される。ここで、ｎ側電極２１２としては、たとえば、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面側から、Ａｕ−Ｇｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成を用いることができる。
【００３３】
なお、上記のエピタキシャル成長の際には、たとえばＧａＡｓ基板２１の表面温度は約７００℃に設定される。また、ＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ3（アルシン）を用いることができる。また、ＩｎＧａＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ3（ホスフィン）を用いることができる。また、ＡｌＩｎＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ3を用いることができる。
【００３４】
また、上記のエピタキシャル成長の際に、ｐ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いることができ、ｎ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＳｉＨ4（モノシラン）を用いることができる。
【００３５】
以上により、図１（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、たとえば１辺が１０ｍｍの正方形状で厚さが３ｍｍであって焦点距離が約１０ｍｍのガラス製の集光レンズを貼り付けることによって、本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。なお、本発明においては、集光レンズは太陽光を集光する機能を有するレンズであれば特に限定されず用いることができる。
【００３６】
図４（ａ）に上記のようにして作製した本発明の集光式光電変換装置の模式的な上面図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）に示した集光式光電変換装置の模式的な断面図を示す。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、集光レンズ３０は、光電変換素子の受光面の上方に縦５個×横５個に配列されており、シリコン太陽電池１０のｎ電極１５を電気的に接続して集電する端子３１および受光面側多接合型太陽電池２０のｎ側電極２１２を電気的に接続して集電する端子３２が光電変換素子の外部にそれぞれ引き出されている。
【００３８】
ここで、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。
【００３９】
また、図４（ｂ）に示すように、集光レンズ３０と受光面側多接合型太陽電池２０との間には空間３３が形成されている。
【００４０】
上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２とｐ電極１１との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【００４１】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極２１２とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる。
【００４２】
また、上記の電気特性は、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【００４３】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．５６Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【００４４】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．１５Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【００４５】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下の化合物半導体層のｐｎ接合を有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において効率的な発電が可能になり、曇天時においては受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【００４６】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【００４７】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、比較的安価なシリコン太陽電池１０を大面積で使用することができ、その中心部の比較的小面積の範囲で受光面側多接合型太陽電池２０を設置するため、変換効率の高い集光式光電変換装置を比較的低コストで作製することができる。
【００４８】
さらに、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、受光面側多接合型太陽電池２０を構成する化合物半導体層の禁制帯はシリコン太陽電池１０との組み合わせで最適になるように選択することができるため、集光式光電変換装置の変換効率を高くすることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、受光面側多接合型太陽電池２０からの電力とシリコン太陽電池１０からの電力とを分離することができ、実際の発電においては、それぞれの電圧を合わせるように直並列で接続してインバーターに入力することができる（もしくは、インバーター側で調整することができる）。
【００５０】
また、上記の実施の形態においては、ｐｎ接合部２１４が、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下のｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７とが接合することによって形成されているが、ｐｎ接合部２１４を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種の化合物半導体層を用いることが好ましい。
【００５１】
＜実施の形態２＞
図５（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の他の一例の模式的な断面図を示す。本実施の形態の集光式光電変換装置は、シリコン太陽電池１０上に形成された受光面側多接合型太陽電池２０が、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する構成となっていることに特徴がある。
【００５２】
ここで、第１の化合物半導体太陽電池５２３は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７と、その第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６とが接合されることによって構成されている。
【００５３】
また、第２の化合物半導体太陽電池５２４は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０と、その第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９とが接合されることによって構成されている。
【００５４】
そして、第１の化合物半導体太陽電池５２３と第２の化合物半導体太陽電池５２４とはトンネル接合５１８を介して接合されている。
【００５５】
また、第１の化合物半導体太陽電池５２３の第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６の受光面上にはｎ側電極５２１が形成されており、第２の化合物半導体太陽電池５２４の第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０の裏面上にはｐ側電極５２２が形成されている。
【００５６】
そして、受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極５２２がシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に設置されて電気的に接続されることにより、光電変換素子が形成されている。
【００５７】
図５（ｂ）に、図５（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図５（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。
【００５８】
図５（ｃ）に、図５（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図５（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の全面にｐ電極１１が形成されている。
【００５９】
図５（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００６０】
まず、実施の形態１と同様にして、図５（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においても、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００６１】
また、シリコン太陽電池１０とは別に、図６の模式的構成図に示すように、ＧａＡｓ基板５１上に、ＧａＡｓバッファ層５２、ＩｎＧａＰエッチングストップ層５３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５５、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層５８、ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層５９、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層５１０、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５１１、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層５１４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５をたとえばＭＯＣＶＤ法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００６２】
ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５５およびｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６の積層体によって第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６が構成され、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７およびｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層５８の積層体によって第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７が構成されている。
【００６３】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層５９とｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層５１０との接合によってトンネル接合５１８が形成されている。
【００６４】
また、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５１１およびｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２の積層体によって第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９が構成されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層５１４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５の積層体によって第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０が構成されている。
【００６５】
また、本実施の形態においては、第１のｐｎ接合５２５を形成するｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６およびｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７の禁制帯幅がそれぞれ１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下とされており、第２のｐｎ接合５２６を形成するｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２およびｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３の禁制帯幅がそれぞれ１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とされている。
【００６６】
そして、化合物半導体ウエハのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５の表面上に所定の形状にパターンニングされたｐ側電極５２２を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００６７】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に、上記のようにして形成したセルのｐ側電極５２２を電気的に接続して固定する。
【００６８】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＧａＡｓ基板５１、ＧａＡｓバッファ層５２およびＩｎＧａＰエッチングストップ層５３を除去し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面を露出させる。
【００６９】
その後、上記のようにして露出させたｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面上に、所定の形状にパターンニングされたｎ側電極５２１が形成される。ここで、ｎ側電極５２１としては、たとえば、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面側から、Ａｕ−Ｇｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成を用いることができる。
【００７０】
なお、上記のエピタキシャル成長の際に、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。また、ＡｌＩｎＧａＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＰＨ3を用いることができる。
【００７１】
また、ｎ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＳｉＨ4を用いることができる。また、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層をｐ型にする場合には、上記の原料とともにたとえばＣＢｒ4（四臭化炭素）を用いることができ、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層以外のｐ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＤＥＺｎを用いることができる。その他は実施の形態１と同様である。
【００７２】
以上により、図５（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、実施の形態１と同様に集光レンズを貼り付けることによって、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す構成の本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。
【００７３】
ここでも、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。
【００７４】
そして、実施の形態１と同様にして、上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２とｐ電極１１との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【００７５】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極５２１とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【００７６】
また、上記の電気特性は、実施の形態１と同様に、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【００７７】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．６４Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【００７８】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．１７Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【００７９】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において実施の形態１よりもさらに効率的な発電が可能になり、曇天時においては実施の形態１と同様に受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【００８０】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【００８１】
また、本実施の形態においては、第１のｐｎ接合５２５は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下のｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６とｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７とを接合することによって形成されているが、第１のｐｎ接合５２５を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００８２】
また、本実施の形態においては、第２のｐｎ接合５２６は、禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下のｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２とｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３とを接合することによって形成されているが、第２のｐｎ接合５２６を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００８３】
その他の説明は実施の形態１と同様であるので省略する。
＜実施の形態３＞
図７（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子のさらに他の一例の模式的な断面図を示す。
【００８４】
本実施の形態の集光式光電変換装置は、シリコン太陽電池１０の受光面側とは反対側の裏面に裏面側多接合型太陽電池７０が形成されており、裏面側多接合型太陽電池７０が禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合である第３のｐｎ接合７１４を含む第３の化合物半導体太陽電池７１３を有する構成となっていることに特徴がある。
【００８５】
ここで、第３のｐｎ接合７１４は、複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０と、その第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０上に複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第３のｐ型化合物半導体層積層体７９とが接合されて構成されている。
【００８６】
また、裏面側多接合型太陽電池７０の第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０の表面上にはｎ側電極７１１が形成されており、第３のｐ型化合物半導体層積層体７９の裏面の全面にはｐ側電極７１２が形成されている。
【００８７】
また、シリコン太陽電池１０の裏面には、裏面側多接合型太陽電池７０の上方に位置する第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと、裏面側多接合型太陽電池７０の上方に位置していない第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとが所定の間隔をあけて形成されており、第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとによってｐ型不純物ドーピング領域１２が形成されている。
【００８８】
また、シリコン太陽電池１０の裏面の第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａの周縁にはＬ字形状の接合電極１８が形成されており、第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと接合電極１８との間の領域には絶縁膜１９が形成されている。
【００８９】
そして、裏面側多接合型太陽電池７０のｎ側電極７１１と、シリコン太陽電池１０の裏面の接合電極１８とが電気的に接続されることによって、光電変換素子が形成されている。
【００９０】
図７（ｂ）に、図７（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図７（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。ここで、受光面側多接合型太陽電池２０は、実施の形態２における受光面側多接合型太陽電池２０と同一の構成となっている。
【００９１】
図７（ｃ）に、図７（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図７（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の中心部に裏面側多接合型太陽電池７０が設置されており、裏面側多接合型太陽電池７０の全外周から所定の間隔をあけてその全外周を取り囲むようにｐ電極１１が形成されている。
【００９２】
図７（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００９３】
まず、実施の形態１および実施の形態２と同様にして、図７（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においても、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００９４】
そして、実施の形態２と同様にして、シリコン太陽電池１０の受光面の接合電極１６上に受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極５２２を電気的に接続することによって、シリコン太陽電池１０上に受光面側多接合型太陽電池２０を設置する。
【００９５】
また、上記のシリコン太陽電池１０と受光面側多接合型太陽電池２０との接合体とは別に、図８の模式的構成図に示すように、ＩｎＰ基板７１上に、ＩｎＰバッファ層７２、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３、ｐ型ＩｎＰ裏面電界層７４、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６、ｎ型ＩｎＰ窓層７７およびｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８をたとえばＭＯＣＶＤ法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００９６】
ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３、ｐ型ＩｎＰ裏面電界層７４およびｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５の積層体によって第３のｐ型化合物半導体層積層体７９が構成されており、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６、ｎ型ＩｎＰ窓層７７およびｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８の積層体によって第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０が構成されている。
【００９７】
また、本実施の形態においては、第３のｐｎ接合７１４を構成しているｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５およびｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６の禁制帯幅がそれぞれ０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下とされている。
【００９８】
そして、化合物半導体ウエハのｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８の表面上に所定の形状にパターンニングされたｎ側電極７１１を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００９９】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１８上に、上記のようにして形成したセルのｎ側電極７１１を電気的に接続して固定する。
【０１００】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＩｎＰ基板７１およびＩｎＰバッファ層７２を除去し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面を露出させる。
【０１０１】
その後、上記のようにして露出させたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面の全面にｐ側電極７１２が形成される。ここで、ｐ側電極７１２としては、たとえば、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面側から、Ａｕ−Ｚｎ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成等を用いることができる。
【０１０２】
なお、上記のエピタキシャル成長の際に、ＩｎＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＩおよびＰＨ3を用いることができる。また、ＩｎＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。その他は実施の形態１および実施の形態２と同様である。
【０１０３】
以上により、図７（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、実施の形態１および実施の形態２と同様に集光レンズを貼り付けることによって、図４（ａ）に示す構成の本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。
【０１０４】
本実施の形態においても、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。また、裏面側多接合型太陽電池７０のｐ側電極７１２を電気的に接続して集電する裏面側端子（図示せず）も設置される。
【０１０５】
そして、実施の形態１および実施の形態２と同様にして、上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２と裏面側端子との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【０１０６】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極５２１とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【０１０７】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとも電気的に分離されていることから、裏面側多接合型太陽電池７０の裏面上に形成されたｐ側電極７１２とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【０１０８】
また、上記の電気特性は、実施の形態１および実施の形態２と同様に、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【０１０９】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２と裏面側端子との間の発電量は０．７１Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【０１１０】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２と裏面側端子との間の発電量は０．１９Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【０１１１】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において実施の形態１よりもさらに効率的な発電が可能になり、曇天時においては実施の形態１と同様に受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【０１１２】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の裏面上にシリコン太陽電池１０を構成するシリコンよりも禁制帯幅の小さい０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下の禁制帯の化合物半導体層の第３のｐｎ接合７１４を有する裏面側多接合型太陽電池７０が設置されていることから、さらに長波長の太陽光の入射により裏面側多接合型太陽電池７０が発電するため、実施の形態１および実施の形態２よりもさらに変換効率が上昇する。
【０１１３】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【０１１４】
また、本実施の形態においては、第３のｐｎ接合７１４は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下のｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５とｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６とを接合することによって形成されているが、第３のｐｎ接合７１４を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【０１１５】
その他の説明は実施の形態１および実施の形態２と同様であるので省略する。
なお、本明細書においては、化合物半導体層を構成する元素の種類のみを記載しているが、これは化合物半導体層を構成する元素の組成比は適宜設定されることを意味している。
【０１１６】
今回開示された実施の形態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】
【０１１７】
本発明によれば、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図２】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の接合電極の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図３】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図４】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置の模式的な上面図を示し、（ｂ）は（ａ）に示した集光式光電変換装置の模式的な断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の他の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図６】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図７】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子のさらに他の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図８】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１０ シリコン太陽電池、１１ ｐ電極、１２ ｐ型不純物ドーピング領域、１２ａ 第１のｐ型不純物ドーピング領域、１２ｂ 第２のｐ型不純物ドーピング領域、１３ ｐ型シリコン基板、１４ ｎ型不純物ドーピング領域、１４ａ 第１のエミッタ層、１４ｂ 第２のエミッタ層、１５ ｎ電極、１６，１８ 接合電極、１７，１９ 絶縁膜、２０ 受光面側多接合型太陽電池、２１，５１ ＧａＡｓ基板、２２，５２ ＧａＡｓバッファ層、２３，５３ ＩｎＧａＰエッチングストップ層、２４，５４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、２５，５５ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、２６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層、２７ ｐ型ＩｎＧａＰベース層、２８ ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層、２９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、３０ 集光レンズ、３１，３２ 端子、５６ ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層、５７ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層、５８ ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層、５９ ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層、７０ 裏面側多接合型太陽電池、７１ ＩｎＰ基板、７２ ＩｎＰバッファ層、７３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７４ ｐ型ＩｎＰ裏面電界層、７５ ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層、７６ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層、７７ ｎ型ＩｎＰ窓層、７８ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７９ 第３のｐ型化合物半導体層積層体、２１０ ｎ型化合物半導体層積層体、２１１ ｐ型化合物半導体層積層体、２１２，５２１，７１１ ｎ側電極、２１３，５２２，７１２ ｐ側電極、２１４ ｐｎ接合部、２１５ 化合物半導体太陽電池、５１０ ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層、５１１ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、５１２ ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層、５１３ ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層、５１４ ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層、５１５ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、５１６ 第１のｎ型化合物半導体層積層体、５１７ 第１のｐ型化合物半導体層積層体、５１８ トンネル接合、５１９ 第２のｎ型化合物半導体層積層体、５２０ 第２のｐ型化合物半導体層積層体、５２３ 第１の化合物半導体太陽電池、５２４ 第２の化合物半導体太陽電池、５２５ 第１のｐｎ接合、５２６ 第２のｐｎ接合、７１０ 第３のｎ型化合物半導体層積層体、７１３ 第３の化合物半導体太陽電池、７１４ 第３のｐｎ接合。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光式光電変換装置に関し、特に、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光電変換装置として、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、さらに多くの発電量を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子に照射して電力を取り出すタイプの集光式光電変換装置が実用化されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３３９５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の集光式光電変換装置においては、晴天時には通常のシリコン太陽電池を用いた平板の太陽電池モジュールと比較して多くの発電量が得られるが、曇天時にはほとんど発電量が得られないといった問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、集光レンズと、集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子とを備え、光電変換素子は、シリコン太陽電池と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池とを含み、受光面側多接合型太陽電池の集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が集光レンズによって受光面に集光された光の面積の０．８以上１．２倍以下である集光式光電変換装置である。
【０００６】
ここで、本発明の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池の受光面側多接合型太陽電池の下方に位置する第１のエミッタ層が、第１のエミッタ層に隣り合う位置に形成された第２のエミッタ層と電気的に分離されていてもよい。
【０００７】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合を１つ含む化合物半導体太陽電池を有していてもよい。また、この化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有していてもよい。ここで、第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の集光式光電変換装置において、受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有し、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側とは反対側の表面上にシリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして裏面側多接合型太陽電池が設置されており、裏面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である第３の化合物半導体層の第３のｐｎ接合を含む第３の化合物半導体太陽電池を有していてもよい。ここで、第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましく、第３の化合物半導体層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の集光式光電変換装置は、受光面側多接合型太陽電池の受光面上に形成された第１の電極と、シリコン太陽電池の第２のエミッタ層上に形成された第２の電極と、シリコン太陽電池の集光レンズの設置側とは反対側の表面上に形成された第３の電極とを有していてもよい。ここで、第１の電極と第３の電極との間で発生する電力と、第２の電極と第３の電極との間で発生する電力とを分離することができることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、参照符号は同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１３】
＜実施の形態１＞
図１（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の一例の模式的な断面図を示す。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子は、シリコン基板から形成されたシリコン太陽電池１０と、そのシリコン太陽電池１０上に形成された受光面側多接合型太陽電池２０とから構成されている。なお、集光レンズは、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面（シリコン太陽電池１０が設置されている側の表面と反対側の表面）側に設置される。
【００１５】
ここで、シリコン太陽電池１０は、ｐ型シリコン基板１３の受光面にストライプ状のｎ型不純物がドーピングされることにより形成されたｎ型不純物ドーピング領域１４が形成されており、ｐ型シリコン基板１３の裏面の全面にはｐ型不純物がドーピングされることにより形成されたｐ型不純物ドーピング領域１２が形成されており、このｐ型不純物ドーピング領域１２を覆うようにして導電性物質からなるｐ電極１１が形成されている。
【００１６】
また、ｎ型不純物ドーピング領域１４は、受光面側多接合型太陽電池２０の下方に位置する第１のエミッタ層１４ａと受光面側多接合型太陽電池２０の下方に位置していない第２のエミッタ層１４ｂとによって構成されている。そして、第１のエミッタ層１４ａの両端部には、Ｌ字状の接合電極１６と、接合電極１６と第１のエミッタ層１４ａとの間の隙間を埋める帯状の絶縁膜１７とが形成されており、第２のエミッタ層１４ｂ上には複数のｎ電極１５が形成されている。
【００１７】
ここで、第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとは所定の間隔をあけてそれぞれ帯状に形成されているため、第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとの間には電気的な接触はなく、電気的に分離されている。
【００１８】
また、受光面側多接合型太陽電池２０は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成されたｐ型化合物半導体層積層体２１１と、そのｐ型化合物半導体層積層体２１１上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成されたｎ型化合物半導体層積層体２１０とが接合されてなる化合物半導体太陽電池２１５を有している。そして、ｐ型化合物半導体層積層体２１１とｎ型化合物半導体層積層体２１０との接合部がｐｎ接合部２１４となっている。
【００１９】
また、受光面側多接合型太陽電池２０のｎ型化合物半導体層積層体２１０の受光面上にはｎ側電極２１２が形成されており、ｐ型化合物半導体層積層体２１１の裏面上にはｐ側電極２１３が形成されている。
【００２０】
そして、受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極２１３がシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に設置されて電気的に接続されることにより、光電変換素子が形成されている。
【００２１】
図１（ｂ）に、図１（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図１（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。
【００２２】
図１（ｃ）に、図１（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図１（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の全面にｐ電極１１が形成されている。
【００２３】
図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００２４】
まず、たとえばホウ素等のｐ型不純物がドーピングされたｐ型シリコン基板１３の裏面にホウ素等のｐ型不純物をドーピングすることによって裏面電界層となるｐ型不純物ドーピング領域１２を形成する。そして、アルミニウム等の金属を蒸着等させることによって、ｐ型不純物ドーピング領域１２の表面上にｐ電極１１を形成する。
【００２５】
次に、ｐ型シリコン基板１３の受光面にスピン塗布焼結等によってシリコン酸化膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を利用することによってｎ型不純物ドーピング領域１４の形成領域に対応しない領域の形状にパターンニングされたシリコン酸化膜を形成する。そして、シリコン酸化膜が形成されていない部分をエッチングしてｐ型シリコン基板１３の受光面の一部を露出させ、リン等のｎ型不純物をドーピングすることによってｐ型シリコン基板１３の受光面にｎ型不純物ドーピング領域１４（第１のエミッタ層１４ａ、第２のエミッタ層１４ｂ）を形成する。その後、シリコン酸化膜は除去される。
【００２６】
続いて、図２（ａ）の模式的断面図に示すように、ｐ型シリコン基板１３の受光面の第１のエミッタ層１４ａ上に絶縁膜１７を形成する。そして、図２（ｂ）の模式的断面図に示すように、絶縁膜１７の両側に、フォトリソグラフィ技術を利用することによって所定の形状にパターンニングされたレジストパターン１１０を形成し、その後、たとえば銀等を蒸着等することによって、帯状のｎ電極１５とＬ字形状の接合電極１６とを形成することができる。そして、上記のようにして形成されたレジストパターン１１０を除去することによって、図１（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においては、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００２７】
また、シリコン太陽電池１０とは別に、図３の模式的構成図に示すように、ＧａＡｓ基板２１上に、ＧａＡｓバッファ層２２、ＩｎＧａＰエッチングストップ層２３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６、ｐ型ＩｎＧａＰベース層２７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層２８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９をたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００２８】
ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層２５およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６の積層体によってｎ型化合物半導体層積層体２１０が構成され、ｐ型ＩｎＧａＰベース層２７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層２８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９の積層体によってｐ型化合物半導体層積層体２１１が構成される。ここでは、ｐｎ接合部２１４は、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７とが接合することによって形成されている。ここで、本実施の形態においては、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７の禁制帯幅はそれぞれ１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下とされている。
【００２９】
そして、化合物半導体ウエハのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９の表面上に所定の形状にパターンニングされたｐ側電極２１３を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００３０】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に、上記のようにして形成したセルのｐ側電極２１３を電気的に接続して固定する。ここで、シリコン太陽電池１０の接合電極１６と上記セルのｐ側電極２１３との接続は、これらの電極をたとえば、低融点の共晶金属または半田等を用いることによって実施することができる。
【００３１】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＧａＡｓ基板２１、ＧａＡｓバッファ層２２およびＩｎＧａＰエッチングストップ層２３を除去し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面を露出させる。
【００３２】
その後、上記のようにして露出させたｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面上にフォトリソグラフィ技術を利用して所定の形状のレジストパターンを形成し、レジストパターンの非形成部分に金属膜を蒸着すること等によって形成した後に、リフトオフ等によりレジストパターンとともにレジストパターン上に形成された金属膜を除去することによって、残された金属膜により所定の形状にパターンニングされたｎ側電極２１２が形成される。ここで、ｎ側電極２１２としては、たとえば、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４の表面側から、Ａｕ−Ｇｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成を用いることができる。
【００３３】
なお、上記のエピタキシャル成長の際には、たとえばＧａＡｓ基板２１の表面温度は約７００℃に設定される。また、ＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ3（アルシン）を用いることができる。また、ＩｎＧａＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ3（ホスフィン）を用いることができる。また、ＡｌＩｎＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させるための原料としては、たとえば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ3を用いることができる。
【００３４】
また、上記のエピタキシャル成長の際に、ｐ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いることができ、ｎ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＳｉＨ4（モノシラン）を用いることができる。
【００３５】
以上により、図１（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、たとえば１辺が１０ｍｍの正方形状で厚さが３ｍｍであって焦点距離が約１０ｍｍのガラス製の集光レンズを貼り付けることによって、本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。なお、本発明においては、集光レンズは太陽光を集光する機能を有するレンズであれば特に限定されず用いることができる。
【００３６】
図４（ａ）に上記のようにして作製した本発明の集光式光電変換装置の模式的な上面図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）に示した集光式光電変換装置の模式的な断面図を示す。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、集光レンズ３０は、光電変換素子の受光面の上方に縦５個×横５個に配列されており、シリコン太陽電池１０のｎ電極１５を電気的に接続して集電する端子３１および受光面側多接合型太陽電池２０のｎ側電極２１２を電気的に接続して集電する端子３２が光電変換素子の外部にそれぞれ引き出されている。
【００３８】
ここで、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。
【００３９】
また、図４（ｂ）に示すように、集光レンズ３０と受光面側多接合型太陽電池２０との間には空間３３が形成されている。
【００４０】
上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２とｐ電極１１との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【００４１】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極２１２とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる。
【００４２】
また、上記の電気特性は、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【００４３】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．５６Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【００４４】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．１５Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【００４５】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下の化合物半導体層のｐｎ接合を有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において効率的な発電が可能になり、曇天時においては受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【００４６】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【００４７】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、比較的安価なシリコン太陽電池１０を大面積で使用することができ、その中心部の比較的小面積の範囲で受光面側多接合型太陽電池２０を設置するため、変換効率の高い集光式光電変換装置を比較的低コストで作製することができる。
【００４８】
さらに、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、受光面側多接合型太陽電池２０を構成する化合物半導体層の禁制帯はシリコン太陽電池１０との組み合わせで最適になるように選択することができるため、集光式光電変換装置の変換効率を高くすることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、受光面側多接合型太陽電池２０からの電力とシリコン太陽電池１０からの電力とを分離することができ、実際の発電においては、それぞれの電圧を合わせるように直並列で接続してインバーターに入力することができる（もしくは、インバーター側で調整することができる）。
【００５０】
また、上記の実施の形態においては、ｐｎ接合部２１４が、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下のｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２６とｐ型ＩｎＧａＰベース層２７とが接合することによって形成されているが、ｐｎ接合部２１４を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種の化合物半導体層を用いることが好ましい。
【００５１】
＜実施の形態２＞
図５（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の他の一例の模式的な断面図を示す。本実施の形態の集光式光電変換装置は、シリコン太陽電池１０上に形成された受光面側多接合型太陽電池２０が、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する構成となっていることに特徴がある。
【００５２】
ここで、第１の化合物半導体太陽電池５２３は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７と、その第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６とが接合されることによって構成されている。
【００５３】
また、第２の化合物半導体太陽電池５２４は、複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０と、その第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０上に複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９とが接合されることによって構成されている。
【００５４】
そして、第１の化合物半導体太陽電池５２３と第２の化合物半導体太陽電池５２４とはトンネル接合５１８を介して接合されている。
【００５５】
また、第１の化合物半導体太陽電池５２３の第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６の受光面上にはｎ側電極５２１が形成されており、第２の化合物半導体太陽電池５２４の第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０の裏面上にはｐ側電極５２２が形成されている。
【００５６】
そして、受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極５２２がシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に設置されて電気的に接続されることにより、光電変換素子が形成されている。
【００５７】
図５（ｂ）に、図５（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図５（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。
【００５８】
図５（ｃ）に、図５（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図５（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の全面にｐ電極１１が形成されている。
【００５９】
図５（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００６０】
まず、実施の形態１と同様にして、図５（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においても、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００６１】
また、シリコン太陽電池１０とは別に、図６の模式的構成図に示すように、ＧａＡｓ基板５１上に、ＧａＡｓバッファ層５２、ＩｎＧａＰエッチングストップ層５３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５５、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７、ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層５８、ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層５９、ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層５１０、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５１１、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層５１４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５をたとえばＭＯＣＶＤ法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００６２】
ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５５およびｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６の積層体によって第１のｎ型化合物半導体層積層体５１６が構成され、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７およびｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層５８の積層体によって第１のｐ型化合物半導体層積層体５１７が構成されている。
【００６３】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層５９とｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層５１０との接合によってトンネル接合５１８が形成されている。
【００６４】
また、ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層５１１およびｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２の積層体によって第２のｎ型化合物半導体層積層体５１９が構成されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３、ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層５１４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５の積層体によって第２のｐ型化合物半導体層積層体５２０が構成されている。
【００６５】
また、本実施の形態においては、第１のｐｎ接合５２５を形成するｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６およびｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７の禁制帯幅がそれぞれ１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下とされており、第２のｐｎ接合５２６を形成するｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２およびｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３の禁制帯幅がそれぞれ１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下とされている。
【００６６】
そして、化合物半導体ウエハのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１５の表面上に所定の形状にパターンニングされたｐ側電極５２２を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００６７】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１６上に、上記のようにして形成したセルのｐ側電極５２２を電気的に接続して固定する。
【００６８】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＧａＡｓ基板５１、ＧａＡｓバッファ層５２およびＩｎＧａＰエッチングストップ層５３を除去し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面を露出させる。
【００６９】
その後、上記のようにして露出させたｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面上に、所定の形状にパターンニングされたｎ側電極５２１が形成される。ここで、ｎ側電極５２１としては、たとえば、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５４の表面側から、Ａｕ−Ｇｅ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成を用いることができる。
【００７０】
なお、上記のエピタキシャル成長の際に、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。また、ＡｌＩｎＧａＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＰＨ3を用いることができる。
【００７１】
また、ｎ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＳｉＨ4を用いることができる。また、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層をｐ型にする場合には、上記の原料とともにたとえばＣＢｒ4（四臭化炭素）を用いることができ、ＡｌＧａＡｓ化合物半導体層以外のｐ型の化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には上記の原料とともにたとえばＤＥＺｎを用いることができる。その他は実施の形態１と同様である。
【００７２】
以上により、図５（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、実施の形態１と同様に集光レンズを貼り付けることによって、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す構成の本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。
【００７３】
ここでも、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。
【００７４】
そして、実施の形態１と同様にして、上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２とｐ電極１１との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【００７５】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極５２１とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【００７６】
また、上記の電気特性は、実施の形態１と同様に、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【００７７】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．６４Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【００７８】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２とｐ電極１１との間の発電量は０．１７Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【００７９】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において実施の形態１よりもさらに効率的な発電が可能になり、曇天時においては実施の形態１と同様に受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【００８０】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【００８１】
また、本実施の形態においては、第１のｐｎ接合５２５は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下のｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層５６とｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層５７とを接合することによって形成されているが、第１のｐｎ接合５２５を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００８２】
また、本実施の形態においては、第２のｐｎ接合５２６は、禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下のｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５１２とｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５１３とを接合することによって形成されているが、第２のｐｎ接合５２６を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下のＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００８３】
その他の説明は実施の形態１と同様であるので省略する。
＜実施の形態３＞
図７（ａ）に、本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子のさらに他の一例の模式的な断面図を示す。
【００８４】
本実施の形態の集光式光電変換装置は、シリコン太陽電池１０の受光面側とは反対側の裏面に裏面側多接合型太陽電池７０が形成されており、裏面側多接合型太陽電池７０が禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合である第３のｐｎ接合７１４を含む第３の化合物半導体太陽電池７１３を有する構成となっていることに特徴がある。
【００８５】
ここで、第３のｐｎ接合７１４は、複数のｎ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０と、その第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０上に複数のｐ型化合物半導体層が積層されることにより形成された第３のｐ型化合物半導体層積層体７９とが接合されて構成されている。
【００８６】
また、裏面側多接合型太陽電池７０の第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０の表面上にはｎ側電極７１１が形成されており、第３のｐ型化合物半導体層積層体７９の裏面の全面にはｐ側電極７１２が形成されている。
【００８７】
また、シリコン太陽電池１０の裏面には、裏面側多接合型太陽電池７０の上方に位置する第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと、裏面側多接合型太陽電池７０の上方に位置していない第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとが所定の間隔をあけて形成されており、第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとによってｐ型不純物ドーピング領域１２が形成されている。
【００８８】
また、シリコン太陽電池１０の裏面の第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａの周縁にはＬ字形状の接合電極１８が形成されており、第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと接合電極１８との間の領域には絶縁膜１９が形成されている。
【００８９】
そして、裏面側多接合型太陽電池７０のｎ側電極７１１と、シリコン太陽電池１０の裏面の接合電極１８とが電気的に接続されることによって、光電変換素子が形成されている。
【００９０】
図７（ｂ）に、図７（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図を示す。図７（ｂ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子は、シリコン太陽電池１０の受光面の中心部に受光面側多接合型太陽電池２０が設置された構成となっている。ここで、受光面側多接合型太陽電池２０は、実施の形態２における受光面側多接合型太陽電池２０と同一の構成となっている。
【００９１】
図７（ｃ）に、図７（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図を示す。図７（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換素子においては、シリコン太陽電池１０の裏面の中心部に裏面側多接合型太陽電池７０が設置されており、裏面側多接合型太陽電池７０の全外周から所定の間隔をあけてその全外周を取り囲むようにｐ電極１１が形成されている。
【００９２】
図７（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子は、たとえば以下のようにして製造することができる。
【００９３】
まず、実施の形態１および実施の形態２と同様にして、図７（ａ）に示す構成のシリコン太陽電池１０を形成する。ここで、本実施の形態においても、シリコン太陽電池１０のｐ型シリコン基板１３およびｎ型不純物ドーピング領域１４の禁制帯幅はそれぞれ１．１ｅＶ程度とされる。
【００９４】
そして、実施の形態２と同様にして、シリコン太陽電池１０の受光面の接合電極１６上に受光面側多接合型太陽電池２０のｐ側電極５２２を電気的に接続することによって、シリコン太陽電池１０上に受光面側多接合型太陽電池２０を設置する。
【００９５】
また、上記のシリコン太陽電池１０と受光面側多接合型太陽電池２０との接合体とは別に、図８の模式的構成図に示すように、ＩｎＰ基板７１上に、ＩｎＰバッファ層７２、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３、ｐ型ＩｎＰ裏面電界層７４、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６、ｎ型ＩｎＰ窓層７７およびｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８をたとえばＭＯＣＶＤ法等によって順次エピタキシャル成長させた化合物半導体ウエハを作製する。
【００９６】
ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３、ｐ型ＩｎＰ裏面電界層７４およびｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５の積層体によって第３のｐ型化合物半導体層積層体７９が構成されており、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６、ｎ型ＩｎＰ窓層７７およびｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８の積層体によって第３のｎ型化合物半導体層積層体７１０が構成されている。
【００９７】
また、本実施の形態においては、第３のｐｎ接合７１４を構成しているｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５およびｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６の禁制帯幅がそれぞれ０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下とされている。
【００９８】
そして、化合物半導体ウエハのｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７８の表面上に所定の形状にパターンニングされたｎ側電極７１１を形成し、化合物半導体ウエハを正方形状にダイシングすることによってセルを形成する。
【００９９】
その後、上記のようにして作製したシリコン太陽電池１０の接合電極１８上に、上記のようにして形成したセルのｎ側電極７１１を電気的に接続して固定する。
【０１００】
そして、シリコン太陽電池１０上にセルを固定した状態で、セルのＩｎＰ基板７１およびＩｎＰバッファ層７２を除去し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面を露出させる。
【０１０１】
その後、上記のようにして露出させたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面の全面にｐ側電極７１２が形成される。ここで、ｐ側電極７１２としては、たとえば、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７３の表面側から、Ａｕ−Ｚｎ膜およびＡｇ膜の順に金属膜を形成した構成等を用いることができる。
【０１０２】
なお、上記のエピタキシャル成長の際に、ＩｎＰ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＩおよびＰＨ3を用いることができる。また、ＩｎＧａＡｓ化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合には、その原料としては、たとえば、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3を用いることができる。その他は実施の形態１および実施の形態２と同様である。
【０１０３】
以上により、図７（ａ）〜（ｃ）に示す構成の光電変換素子を作製することができる。そして、このようにして作製した光電変換素子の受光面上に、実施の形態１および実施の形態２と同様に集光レンズを貼り付けることによって、図４（ａ）に示す構成の本実施の形態の集光式光電変換装置を作製することができる。
【０１０４】
本実施の形態においても、集光レンズ３０は、各々の受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が各々の集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積と同程度（受光面側多接合型太陽電池２０の受光面の面積が集光レンズ３０によって受光面側多接合型太陽電池２０の受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下）となるように設置される。また、裏面側多接合型太陽電池７０のｐ側電極７１２を電気的に接続して集電する裏面側端子（図示せず）も設置される。
【０１０５】
そして、実施の形態１および実施の形態２と同様にして、上記のような構成の集光式光電変換装置についてソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を集光レンズ３０側から照射し、端子３２と裏面側端子との間、および端子３１とｐ電極１１との間のそれぞれの電気特性について評価した。
【０１０６】
すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、シリコン太陽電池１０の第１のエミッタ層１４ａと第２のエミッタ層１４ｂとが電気的に分離されていることから、受光面側多接合型太陽電池２０の受光面上に形成されたｎ側電極５２１とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【０１０７】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の第１のｐ型不純物ドーピング領域１２ａと第２のｐ型不純物ドーピング領域１２ｂとも電気的に分離されていることから、裏面側多接合型太陽電池７０の裏面上に形成されたｐ側電極７１２とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力と、シリコン太陽電池１０の第２のエミッタ層１４ｂ上に形成されたｎ電極１５とシリコン太陽電池１０に形成されたｐ電極１１との間で発生する電力とを分離することができる構成となっている。
【０１０８】
また、上記の電気特性は、実施の形態１および実施の形態２と同様に、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合と３０°に傾けて照射した場合のそれぞれの場合について評価した。
【０１０９】
その結果、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して垂直に照射した場合においては、端子３２と裏面側端子との間の発電量は０．７１Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．１Ｗであった。
【０１１０】
また、擬似太陽光を集光レンズ３０に対して３０°に傾けて照射した場合においては、端子３２と裏面側端子との間の発電量は０．１９Ｗであり、端子３１とｐ電極１１との間の発電量は０．３Ｗであった。
【０１１１】
このように、上記の構成を有する本実施の形態の集光式光電変換装置においては、禁制帯幅が１．１ｅＶ程度のシリコンからなるシリコン太陽電池１０の受光面上に、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である化合物半導体層によって形成された第１のｐｎ接合５２５を含む第１の化合物半導体太陽電池５２３と、第１の化合物半導体太陽電池５２３の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の化合物半導体層の第２のｐｎ接合５２６を含む第２の化合物半導体太陽電池５２４とを有する受光面側多接合型太陽電池２０を設置しているため、晴天時においては集光レンズ３０によって集光された太陽光が入射した受光面側多接合型太陽電池２０において実施の形態１よりもさらに効率的な発電が可能になり、曇天時においては実施の形態１と同様に受光面側多接合型太陽電池２０の周囲のシリコン太陽電池１０の発電が可能となる。
【０１１２】
また、本実施の形態の集光式光電変換装置においては、シリコン太陽電池１０の裏面上にシリコン太陽電池１０を構成するシリコンよりも禁制帯幅の小さい０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下の禁制帯の化合物半導体層の第３のｐｎ接合７１４を有する裏面側多接合型太陽電池７０が設置されていることから、さらに長波長の太陽光の入射により裏面側多接合型太陽電池７０が発電するため、実施の形態１および実施の形態２よりもさらに変換効率が上昇する。
【０１１３】
したがって、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、晴天時においてのみ効率的な発電が可能である従来の集光式光電変換装置と比べて、晴天時だけでなく曇天時においてもシリコン太陽電池１０の発電により発電量の低下を抑止することができるため、天候に関わらず多くの発電量を得ることが可能となる。すなわち、本実施の形態の集光式光電変換装置においても、直達光しか利用することができず、散乱光の利用ができないといった問題を解消することができる。
【０１１４】
また、本実施の形態においては、第３のｐｎ接合７１４は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下のｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７５とｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７６とを接合することによって形成されているが、第３のｐｎ接合７１４を形成する化合物半導体層の材質としては、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。
【０１１５】
その他の説明は実施の形態１および実施の形態２と同様であるので省略する。
なお、本明細書においては、化合物半導体層を構成する元素の種類のみを記載しているが、これは化合物半導体層を構成する元素の組成比は適宜設定されることを意味している。
【０１１６】
今回開示された実施の形態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】
【０１１７】
本発明によれば、曇天時における発電量の低下を抑止して天候に関わらず多くの発電量を得ることを可能とした集光式光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図２】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の接合電極の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図３】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図４】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置の模式的な上面図を示し、（ｂ）は（ａ）に示した集光式光電変換装置の模式的な断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子の他の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図６】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【図７】（ａ）は本発明の集光式光電変換装置に用いられる光電変換素子のさらに他の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光電変換素子を受光面側から見た模式的な斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示す光電変換素子を裏面側から見た模式的な斜視図である。
【図８】図１（ａ）〜（ｃ）に示す光電変換素子の作製に用いられる受光面側多接合型太陽電池の形成工程の一部を図解する模式的な構成図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１０ シリコン太陽電池、１１ ｐ電極、１２ ｐ型不純物ドーピング領域、１２ａ 第１のｐ型不純物ドーピング領域、１２ｂ 第２のｐ型不純物ドーピング領域、１３ ｐ型シリコン基板、１４ ｎ型不純物ドーピング領域、１４ａ 第１のエミッタ層、１４ｂ 第２のエミッタ層、１５ ｎ電極、１６，１８ 接合電極、１７，１９ 絶縁膜、２０ 受光面側多接合型太陽電池、２１，５１ ＧａＡｓ基板、２２，５２ ＧａＡｓバッファ層、２３，５３ ＩｎＧａＰエッチングストップ層、２４，５４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、２５，５５ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、２６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層、２７ ｐ型ＩｎＧａＰベース層、２８ ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層、２９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、３０ 集光レンズ、３１，３２ 端子、５６ ｎ型ＡｌＩｎＧａＰエミッタ層、５７ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層、５８ ｐ型ＡｌＩｎＰ裏面電界層、５９ ｐ型ＡｌＧａＡｓトンネル接合層、７０ 裏面側多接合型太陽電池、７１ ＩｎＰ基板、７２ ＩｎＰバッファ層、７３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７４ ｐ型ＩｎＰ裏面電界層、７５ ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層、７６ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層、７７ ｎ型ＩｎＰ窓層、７８ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７９ 第３のｐ型化合物半導体層積層体、２１０ ｎ型化合物半導体層積層体、２１１ ｐ型化合物半導体層積層体、２１２，５２１，７１１ ｎ側電極、２１３，５２２，７１２ ｐ側電極、２１４ ｐｎ接合部、２１５ 化合物半導体太陽電池、５１０ ｎ型ＡｌＩｎＧａＰトンネル接合層、５１１ ｎ型ＡｌＩｎＰ窓層、５１２ ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層、５１３ ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層、５１４ ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層、５１５ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、５１６ 第１のｎ型化合物半導体層積層体、５１７ 第１のｐ型化合物半導体層積層体、５１８ トンネル接合、５１９ 第２のｎ型化合物半導体層積層体、５２０ 第２のｐ型化合物半導体層積層体、５２３ 第１の化合物半導体太陽電池、５２４ 第２の化合物半導体太陽電池、５２５ 第１のｐｎ接合、５２６ 第２のｐｎ接合、７１０ 第３のｎ型化合物半導体層積層体、７１３ 第３の化合物半導体太陽電池、７１４ 第３のｐｎ接合。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子と、を備え、
前記光電変換素子は、シリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側の表面上に前記シリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池と、を含み、
前記受光面側多接合型太陽電池の前記集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が、前記集光レンズによって前記受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下である、集光式光電変換装置。
【請求項２】
前記シリコン太陽電池の前記受光面側多接合型太陽電池の下方に位置する第１のエミッタ層が、前記第１のエミッタ層に隣り合う位置に形成された第２のエミッタ層と電気的に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載の集光式光電変換装置。
【請求項３】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合を１つ含む化合物半導体太陽電池を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項３に記載の集光式光電変換装置。
【請求項５】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、前記第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項６】
前記第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項５に記載の集光式光電変換装置。
【請求項７】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、前記第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有し、
前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側とは反対側の表面上に前記シリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして裏面側多接合型太陽電池が設置されており、前記裏面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である第３の化合物半導体層の第３のｐｎ接合を含む第３の化合物半導体太陽電池を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であって、第３の化合物半導体層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項７に記載の集光式光電変換装置。
【請求項９】
前記受光面側多接合型太陽電池の前記受光面上に形成された第１の電極と、前記シリコン太陽電池の前記第２のエミッタ層上に形成された第２の電極と、前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側とは反対側の表面上に形成された第３の電極と、を有することを特徴とする、請求項２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項１０】
前記第１の電極と前記第３の電極との間で発生する電力と、前記第２の電極と前記第３の電極との間で発生する電力とを分離することができることを特徴とする、請求項９に記載の集光式光電変換装置。
【請求項１】
集光レンズと、前記集光レンズに対向する位置に設置された光電変換素子と、を備え、
前記光電変換素子は、シリコン太陽電池と、前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側の表面上に前記シリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして設置された受光面側多接合型太陽電池と、を含み、
前記受光面側多接合型太陽電池の前記集光レンズの設置側の表面である受光面の面積が、前記集光レンズによって前記受光面に集光される光の面積の０．８以上１．２倍以下である、集光式光電変換装置。
【請求項２】
前記シリコン太陽電池の前記受光面側多接合型太陽電池の下方に位置する第１のエミッタ層が、前記第１のエミッタ層に隣り合う位置に形成された第２のエミッタ層と電気的に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載の集光式光電変換装置。
【請求項３】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．７ｅＶ以上１．９ｅＶ以下である化合物半導体層のｐｎ接合を１つ含む化合物半導体太陽電池を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項３に記載の集光式光電変換装置。
【請求項５】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、前記第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項６】
前記第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項５に記載の集光式光電変換装置。
【請求項７】
前記受光面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が１．８ｅＶ以上２ｅＶ以下である第１の化合物半導体層の第１のｐｎ接合を含む第１の化合物半導体太陽電池と、前記第１の化合物半導体太陽電池の下方に禁制帯幅が１．４ｅＶ以上１．６ｅＶ以下の第２の化合物半導体層の第２のｐｎ接合を含む第２の化合物半導体太陽電池とを有し、
前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側とは反対側の表面上に前記シリコン太陽電池に電気的に接続されるようにして裏面側多接合型太陽電池が設置されており、前記裏面側多接合型太陽電池は、禁制帯幅が０．６ｅＶ以上０．８ｅＶ以下である第３の化合物半導体層の第３のｐｎ接合を含む第３の化合物半導体太陽電池を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であって、第３の化合物半導体層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓＰからなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項７に記載の集光式光電変換装置。
【請求項９】
前記受光面側多接合型太陽電池の前記受光面上に形成された第１の電極と、前記シリコン太陽電池の前記第２のエミッタ層上に形成された第２の電極と、前記シリコン太陽電池の前記集光レンズの設置側とは反対側の表面上に形成された第３の電極と、を有することを特徴とする、請求項２に記載の集光式光電変換装置。
【請求項１０】
前記第１の電極と前記第３の電極との間で発生する電力と、前記第２の電極と前記第３の電極との間で発生する電力とを分離することができることを特徴とする、請求項９に記載の集光式光電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１４７０７７（Ｐ２００９−１４７０７７Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２２２９８（Ｐ２００７−３２２２９８）
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【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２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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