高効率の縦列太陽電池用の低抵抗トンネル接合
半導体構造は、第１材料からなる第１光電池と、第２材料からなり、第１光電池に直列接続した第２光電池とを備える。第２材料に隣接する第１材料の伝導帯エッジは、その材料に隣接する第２材料の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い。好ましくは、第１光電池の前記第１材料はＩｎ１−ｘＡｌｘＮまたはＩｎ１−ｙＧａｙＮからなり、前記第２光電池の前記第２材料はシリコンまたはゲルマニウムからなる。あるいは、第１光電池の第１材料はＩｎＡｓまたはＩｎＡｓＳｂからなり、第２光電池の第２材料はＧａＳｂまたはＧａＡｓＳｂからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府援助についての声明
ここに記載されクレームされた発明は、契約Ｎｏ．ＤＥ−ＡＣ０２−０５ＣＨ１１２３１に従って米国エネルギー省によって提供された資金を一部利用してなされた。政府は本発明に一定の権利を持っている。
【０００２】
本発明は、縦列の光電池すなわち太陽電池、特に高効率の縦列太陽電池すなわち光電池用の低抵抗トンネル接合およびそれを作る方法に関する。
ここで用いられる「光電池」という用語は、光子を電気に変換することができるあらゆる半導体ｐ／ｎ接合を含む。これは、可視光を電気に変換する周知の光電池と、長波長光子あるいは熱光子を電気に変換する熱光電池を非限定的に含む。
【背景技術】
【０００３】
これらの光電池は、それらの価電子帯とそれらの伝導帯との間のエネルギーバンドギャップを持つ固体結晶構造によって通常特徴づけられる。光が材料に吸収されると、低エネルギー状態を占める電子がバンドギャップを越えて、より高いエネルギー状態になるよう励起される。例えば、半導体の価電子帯中の電子が日射の光子から十分なエネルギーを吸収すると、それらはより高いエネルギー伝導帯へとバンドギャップをジャンプすることができる。より高いエネルギー状態へと励起された電子は、空の低エネルギー箇所つまり正孔を残す。そのような正孔は、伝導帯中の自由電子のように、結晶格子中で原子から原子へ移動し、電荷担体として働き、結晶の導電率に寄与することができる。半導体に吸収されたほとんどの光子は電子と正孔のペアを生じさせ、それらが、太陽電池が示す光電流を、そしてさらに光起電力を生成するようなる。電荷担体用としての正孔および電子を分離する空乏層を生成するために、半導体には異種物質がドープされる。一旦分離されると、収集された正孔および電子の電荷担体は、接合をまたぐ電圧、つまり光起電力、に帰着する空間電荷を生成する。外部負荷を通ってこれらの正孔と電荷担体を流れさせる場合、それらは光電流を構成する。
【０００４】
半導体中のバンドギャップをまたぐ位置エネルギー差の決まった量子がある。より低いエネルギー価電子帯中の電子がより高いエネルギー伝導帯へとバンドギャップをジャンプするよう励起されるには、バンドギャップをまたぐ位置エネルギー差と少なくとも等しい値を持つように、通常は吸収された光子から十分なエネルギー量子を吸収しなければならない。半導体は、バンドギャップ未満の光子エネルギーを持つ輻射に透明である。電子が、例えばより高いエネルギー光子から、閾値エネルギー量子以上を吸収すれば、それはバンドギャップをジャンプすることができる。電子がバンドギャップをジャンプするのに必要な閾値量子を越えるそのような吸収エネルギーの超過は、電子を伝導帯中のほとんどの他の電子よりエネルギーがより高い状態にさせる。過剰エネルギーは最終的に熱の形で失われる。最終結果は、単一バンドギャップの半導体の有効な光起電力がバンドギャップによって制限されるということである。したがって、単一の半導体太陽電池で、太陽輻射のスペクトルからできるだけ多くの光子を捕らえるために、低エネルギーの光子さえもがバンドギャップをジャンプするように電子を励起できるように、半導体は小さなバンドギャップを持たなければならない。小さなバンドギャップ材料の使用はデバイス用として低い光起電力と低い出力になるから、これは限界がある。さらに、より強いエネルギーの輻射からの光子は、熱として失われる過剰エネルギーを生成する。
【０００５】
しかし、光起電力を増加させ、かつホットキャリアの熱化によって引き起こされるエネルギー損を減らすためにより大きなバンドギャップを持つよう半導体が設計された場合、低エネルギーの光子は吸収されない。従って、これらの事柄のバランスをとって、単一接合の太陽電池を設計する際にバンドギャップを最適化し、最適のバンドギャップを備えた半導体を設計しようとすることが必要である。上段のセルがより大きなバンドギャップを持って、より高いエネルギー光子を吸収し、より低いエネルギーの輻射を吸収するためにより小さなバンドギャップを持つ下段または下端のセルへと低エネルギー光子が上段のセルを通過する構成の、縦列つまり多接合（カスケード）太陽電池構造を作ることにより、この問題を解決するための多くの研究が近年行われている。光学的なカスケード効果を達成するために、バンドギャップは最大から最小へ、上端から下端へと順序付けられる。原理的には任意の数のサブセルをそのように積み重ねることができるが、実際的な限界が通常２、３であると考えられる。個々のサブセルが、エネルギーを効率的に変換する小さな光子波長域で太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するから、多接合太陽電池はより高い変換効率を達成することができる。そのような縦列の電池を作る技術は米国特許第５，０１９，１７７号に記載されており、その全体を参照してここに取り込む。
【０００６】
光起電力デバイスの効率を高める努力は、炭化水素系燃料のコストの高騰でより緊急になった。現在市販されているほとんどの太陽電池はシリコンで作られていが、他の材料を用いるより高効率の電池が近年研究されている。砒化ガリウムおよび関連合金が特に注目されている。ここで述べるように、太陽電池効率の著しい増大は異なる材料の縦列サブセルの使用により可能であるが、異なる材料はそれらの価電子帯とそれらの伝導帯との間に異なるエネルギーバンドギャップを有する。光電池を形成するために使用される化合物と合金の格子定数は周知である。そのような材料が、異なる材料のサブセルを持つデバイスにおいて組み合わせられる場合、異なる材料の格子は小さな違いの範囲内で同じ格子定数となるはずである。これは、デバイスの効率を大きく低下させ得る結晶構造の欠陥の形成を回避する。
【０００７】
いかなる縦列電池デバイスでも、サブセル間で電気的な接続がされなければならない。これらのセル間のオーム接触が、セル間の電力損失が非常に少なくなる最小の電気抵抗を持つことが望ましい。そのようなセル間のオーム接触を達成する２つの公知の方法があり、それは金属相互接続とトンネル接合（またはトンネルダイオード）である。金属相互接続は、低電気抵抗を提供することができるが、それらは作るのが難しく、その結果複雑な処理を要し、デバイス効率にかなりの損失をもたらし得る。したがって、一般にトンネル接合が好まれるが、それは間にトンネル接合を備えた複数のサブセルを持つモノリシック集積化デバイスを形成することができるからである。しかし、トンネル接合は、低抵抗率、高ピーク電流密度、低光学エネルギー損および上下端のセル間の格子整合による結晶学的相性など多数の要件を満たさなければならない。
【０００８】
現在、縦列の太陽電池は、直列接続した２〜４個の光電池を通る効率的な電流フローを確保するためにトンネル接合を使用する。各サブセルで生成される電流が合致するとき、電池は最も効率的に機能する。サブセルの電圧が順次加わるように電流が電池を流れるためには、サブセル間の電子・正孔の再結合を可能にする接合が有用である。
【０００９】
現在、縦列の電池においてバンドオフセットを適合させるために、高濃度にドープされたトンネル接合が使用される。トンネル接合は、例えば、ＩｎＧａＰ上端セルからの正孔をＩｎＧａＡｓ中間セルからの電子とともに効率的に消滅させるために、標準の３接合（３Ｊ）電池の上端および中間のセルを接続する。例えば、燐化インジウムサブセルおよび砒化燐化インジウムガリウムを持つ縦列太陽電池が米国特許第５，４０７，４９１号および米国特許第５，８００，６３０号に記載されており、その全体をそれぞれ参照してここに取り込む。ＩｎＧａＰの価電子帯（ＶＢ）とＩｎＧａＡｓの伝導帯（ＣＢ）との間のバンド不整合のため、トンネル接合はトンネル輸送を可能にするよう高濃度にドープされる。この場合、接合はｐ＋＋ＩｎＧａＰまたはｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ、およびｎ＋＋ＩｎＧａＡｓまたはｎ＋＋ＡｌＩｎＰである。これは、太陽電池の製作に追加の処理ステップを加え、設計の複雑さを増すから望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，０１９，１７７号
【特許文献２】米国特許第５，４０７，４９１号
【特許文献３】米国特許第５，８００，６３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、太陽電池の製作に追加の処理ステップを加えず、太陽電池の設計の複雑さを増すことのない低抵抗トンネル接合を提供することが望ましい。
【００１２】
本発明は、高効率の縦列太陽電池に低抵抗トンネル接合を備えることにより、従来技術の前述の欠点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、セル接合領域での再結合を確保するために高濃度にドープされたトンネル接合を必要としない、高効率の縦列太陽電池を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高効率の窒化インジウムを基礎とする縦列太陽電池を提供及び製造することにある。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、低抵抗あるいはゼロに近い抵抗のトンネル接合を提供する、前述のような窒化インジウムを基礎とする縦列太陽電池を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、低抵抗あるいはゼロに近い抵抗のトンネル接合を提供する、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂを基礎とする縦列太陽電池を提供することにある。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、半導体構造は、第１材料からなる第１光電池と、第２材料からなり、第１光電池に直列接続した第２光電池とを備える。第２材料に隣接する第１材料の伝導帯エッジは、その材料に隣接する第２材料の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い。好ましくは、第１光電池の前記第１材料はＩｎ１−ｘＡｌｘＮまたはＩｎ１−ｙＧａｙＮからなり、前記第２光電池の前記第２材料はシリコンまたはゲルマニウムからなる。
【００１８】
あるいは、第１光電池の第１材料はＩｎＡｓからなり、第２光電池の第２材料はＧａＳｂからなる。好ましくは、あるいは、前記第１光電池の第１材料はＩｎＡｓＳｂからなり、第２光電池の第２材料はＧａＡｓＳｂからなる。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、半導体構造は、ｐ型シリコン層と、ｐ型シリコン層に接するｎ型半導体窒化物層とを備える。ｎ型半導体窒化物層は、ｐ型シリコン層の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い伝導帯エッジを有する。好ましくは、ｎ型半導体窒化物はＩｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮからなる群から選択され、ｘは好ましくは０．２と０．６との間で、ｙは好ましくは０．４と０．６との間である。ｐ型シリコン層は（１１１）シリコンすなわちＳｉ（１１１）である。
【００２０】
本発明の１つの観点によれば、半導体構造の電圧電流特性は対称である。好ましくは、ｐ型シリコン層とｎ型半導体窒化物層とによって形成された接合が、当該シリコン及び当該窒化物の直列抵抗と実質的に等しい抵抗を有する。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、前述の半導体構造は、ｎ型半導体窒化物層に接するｐ型半導体窒化物層と、ｐ型シリコン層に接するｎ型シリコン層をさらに備える。
【００２２】
本発明の実施形態によれば、半導体構造において、ｎ型半導体窒化物層は第１光電池の一部であり、ｐ型シリコン層は第２光電池の一部である。第１光電池と第２光電池は互いに直列接続している。
【００２３】
本発明の種々の他の目的、利点および特徴は後続の詳細な説明から容易に明らかになり、新規な特徴は添付の請求項で詳しく指摘される。
例として挙げられ、本発明をそれだけに限定すると意図しない以下の詳細な説明は、添付図と併せて最もよく理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、ＩｎＡｌＮとＩｎＧａＮの合金の価電子および伝導帯の位置を示す。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施形態に従ってゼロに近い抵抗のトンネル接合を組み込んだＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池のバンド図である。
【図３】図３は、ｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉ（１１１）の間のトンネル接合についての電流・電圧曲線を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従って低抵抗トンネル接合を組み込んだ縦列太陽電池設計である。
【図５】図５は、本発明の典型的な実施形態によるＩｎＧａＮバンドギャップの関数として２接合（２Ｊ）のＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列太陽電池の計算された効率値を示す。
【図６】図６は、本発明の典型的な実施形態によるｐ型のＧａＳｂおよびｎ型ＩｎＡｓＳｂの間の低抵抗接合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ＩＩＩ族窒化物のバンドギャップ調整範囲は、エネルギー変換に関して太陽のスペクトルの全有効範囲をほぼ含んでおり、光電池用としてこれらの材料を魅力的にしている。効率を高め、より大きな出力を作り出すために、薄膜で作られ、電気的に直列接続した縦列の光電池を設計することがますます一般的になった。しかし、直列接合に関連した問題があった。
【００２６】
ここで述べるように、縦列の太陽電池は、直列接続した複数の光電池を通る効率的な電流フローを確保するためにトンネル接合を使用する。各サブセルで生成される電流が合致するとき、電池は最も効率的に機能する。サブセルの電圧が順次加わるように電流が電池を流れるためには、サブセル間の電子・正孔の再結合を可能にする接合が有用である。
【００２７】
現在、縦列の太陽電池においてバンドオフセットを適合させるために、高濃度にドープされたトンネル接合が使用される。トンネル接合は、例えば、ＩｎＧａＰ上端セルからの正孔をＩｎＧａＡｓ中間セルからの電子とともに効率的に消滅させるために、標準の３接合（３Ｊ）電池の上端および中間のセルを接続する。ＩｎＧａＰの価電子帯（ＶＢ）とＩｎＧａＡｓの伝導帯（ＣＢ）とのバンド不整合のため、トンネル接合はトンネル輸送を可能にするよう高濃度にドープされる。この場合、接合はｐ＋＋ＩｎＧａＰまたはｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ、およびｎ＋＋ＩｎＧａＡｓまたはｎ＋＋ＡｌＩｎＰである。これは、電池の製作に追加の工程ステップを加え、設計の複雑さを増すから望ましくない。
【００２８】
インジウム窒化アルミニウムおよびインジウム窒化ガリウム合金（Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮ）の伝導帯（ＣＢ）と価電子帯（ＶＢ）のエッジの絶対位置は、実験研究を通じて確認された。S. X. Li et al.の「ＩＩＩ族窒化物におけるフェルミ準位安定化エネルギー」、Phys. Rev. B 71 , 161201 (R) (2005)を参照し、その全体を参照してここに取り込む。図１は、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮのＣＢとＶＢのエッジのエネルギーをｘとｙの関数としてプロットしたグラフを示す。シリコン（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）に関するＶＢのエッジおよびＣＢのエッジの位置も図１に示されている。Ｓｉの価電子帯が伝導帯と揃う組成は点線で示されている。Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮのＣＢは、およそ０．３の「ｘ」値でＳｉのＶＢと揃い、それはＩｎ０．７Ａｌ０．３Ｎの組成に対応する。Ｉｎ１−ｙＧａｙＮのＣＢは、およそ０．５の「ｙ」値でＳｉのＶＢと揃い、それはＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎの組成に対応する。本発明の典型的な実施形態によれば、ほぼ完全なバンドの整列を持つｎ型ＩｎＡｌＮとｐ−Ｓｉの間またはｎ型ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉの間に接合を形成することができ、これにより非常に低い（ゼロに近い、あるいはほぼゼロの）抵抗のトンネル接合を生じる。本発明の窒化物を基礎とするトンネル接合のほぼ完全なバンドの整列を示す計算が図２に示されている。同様な、ほぼ完全あるいは優れたバンドの整列が、Ｉｎ０．６Ａｌ０．４Ｎ（またはＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ）の組成に対応する、ｘ〜０．４（またはｙ〜０．６）というより高いＡｌ（あるいはＧａ）含有量のｐ−Ｇｅ用に存在する。一般に、バンドの整列は、伝導帯エッジが価電子帯エッジより約０．１ｅＶ以上高くない場合、優れていると考えられる。
【００２９】
図２は、ゼロに近い抵抗のトンネル接合を持つＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎ ｐ／ｎ＋：Ｓｉ ｐ／ｎの２Ｊ縦列電池の計算されたバンド図を示す。この計算のためのアクセプタ（Ｎａ）およびドナー（Ｎｄ）濃度はそれぞれ、１×１０１８ｃｍ−３および５×１０１９ｃｍ−３である。ＩｎＧａＮとＳｉのセルはｐ／ｎ接合を持ち、通常のｐ／ｎ接合（１Ｊ）太陽電池として働く、すなわち照射光の下で、窒化物材料中の電子は表面から遠ざかって電池内へ流れ、Ｓｉ中の正孔は表面へ向かう。トンネル接合は、表面から約４００ｎｍ下のｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉの間の界面に位置する。ｎ−ＩｎＧａＮからの電子とｐ−Ｓｉからの正孔は界面で再結合できる。この電流整合状態で、２個のセルの電圧は順次加わることができる。選ばれたＩｎＧａＮ組成に対してほぼ最適なバンドの整列により、界面での「バンド曲がり」はほんの僅かである。これにより非常に低い抵抗となる。
【００３０】
本発明の典型的な実施形態によれば、ｎ型窒化物材料の層は接合を形成するためにｐ型のＳｉ（１１１）上に堆積される。ｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉ（１１１）の間のトンネル接合について電気的検査を行なった。特に、ｐ型Ｓｉ上のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ組成（つまり、ほぼその伝導帯がＳｉの価電子帯と揃う組成）の層について接合の電気抵抗を測定した。この接合の電気抵抗はオーミックで、かつ低いと判定された。認められた抵抗は１２オームで、振舞いは試験装置の電流限界までオーミックであった。図３は、ｎ−Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ｎとｐ型のＳｉの間のこの接合についての電流・電圧曲線を示す。ＩｎＧａＮ合金の測定された組成は、図２に示されたほぼ完全なバンドの整列をもたらすと予測されるものに近かった。図３の電流・電圧曲線は完全に対称であり、ヘテロ界面（接合）に電気的な障壁が無いことを示している。接合は、典型的な太陽電池の電流より高い、少なくとも５０ｍＡ ｃｍ−２もの大きな電流密度に対してオーミック特性と低抵抗性を持つ。したがって、ＩｎＧａＮとＳｉの間の接合は、本発明の典型的な実施形態による窒化インジウムを基礎とする接合を備える太陽電池から生成し得る光電流を制限しない。一般に、構成要素の半導体の直列抵抗未満の抵抗を持つオーミックのトンネル接合を備えることは有用である。最適化された太陽電池では、前後のオーム接触は数オーム／ｃｍ２のオーダーである。
【００３１】
図４は、本発明の典型的な実施形態による、上端セルとしての１．８ｅＶのバンドギャップを有する窒化インジウムを基礎とする材料と、下端セルとしてのＳｉ（バンドギャップ＝１．１ｅＶ）を備える２接合の縦列セルを示す。この構成が、最大電力変換効率の点で、Ｓｉに適合される上端セルにとっての理想に近いことが理解される。
【００３２】
ＩｎＧａＮとＳｉの光吸収パラメータおよび電荷輸送パラメータに関して一般に認められた値を用いて、図５は、本発明の典型的な実施形態によるＩｎＧａＮバンドギャップの関数としてＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池の計算された効率値を示す。電池構造は、０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮ、０．８μｍのｎ−ＩｎＧａＮ、０．１μｍのｐ−Ｓｉおよび基板として１０００μｍのｎ−Ｓｉを備える。効率はＡＭ（気団）１．５の直接太陽スペクトル（光起電力性能評価のためのＡＳＴＭ地上基準スペクトル）について計算した。具体的に、図５は、２接合（２Ｊ）のＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列太陽電池の計算された３００ＫのＡＭ１．５の効率を示す。３０％超の効率がＩｎＧａＮ上端セルバンドギャップの範囲に対して予測される。１．７ｅＶのすぐ下のバンドギャップを持つＩｎＧａＮ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ）を使用すると、最高効率は３５％である。次のＩｎＧａＮの電気的パラメータおよび輸送パラメータが計算において使用された：電子移動度、３００ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１；正孔移動度、５０ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１；電子実効質量０．０７ｍ０；正孔実効質量０．７ｍ０；および表面再結合速度がゼロ。ＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池で、最大値が３０％をかなり越えており、最適な構成では３５％に達する。セル間の低抵抗トンネル接合は、接合でのキャリアの効率的な再結合を可能にし、それによって、本発明が理論的な限界に近い実際の効率を達成することを可能にする。さらに、本発明は、高濃度にドープされたトンネル接合の必要性をなくすことにより２Ｊ電池の設計を非常に単純化する。すなわち、本発明は、セル接合領域での再結合を確保するために現在入手可能な縦列の太陽電池を作る際に要求されるドーピング工程を有利に除去する。
【００３３】
本発明の低抵抗トンネル接合の形成に使用することができる他の対の半導体があることは理解される。例えば、ＩｎＡｓの伝導帯はＧａＳｂの価電子帯とよく揃う。これらの材料のバンドギャップ（両方とも１ｅＶ未満である）は、太陽光に反応する縦列の電池に理想的であると考えられるもの未満であるが、熱から電気を生成することができる熱光電池で熱源から近赤外および赤外光を変換するためにＩｎＡｓ／ＧａＳｂ設計を最適化することができる。
【００３４】
本発明の典型的な実施形態によれば、ＩｎＡｓＳｂ合金を形成するためにＩｎＡｓに少量数％まで）の（ＳｂをＩｎＡｓに導入し、および／またはＧａＡｓＳｂ合金を形成するために少量数％まで）のＡｓまたはＰをＧａＳｂに導入することで、ＩｎＡｓＳｂおよびＧａＡｓＳｂ合金は、格子パラメータを整合させ、及び、トンネル接合を形成する構成要素である半導体間のバンドオフセットを修正するために使用され得る。図６は、ｐ−ＧａＳｂおよびｎ−ＩｎＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６接合の計算されたバンド図を示す。界面での低い障壁は非常に低い抵抗接合を示す。計算は次の電極構造に基づいた。
【００３５】
層組成 ドーピング濃度 層厚
ｎ−ＩｎＡｓＳｂ（コンタクト層） １×１０１８ｃｍ−３ １００ｎｍ
ｎ−ＩｎＡｓＳｂ １×１０１７ｃｍ−３ ５００ｎｍ
ｐ−ＧａＳｂ １×１０１７ｃｍ−３ ５００ｎｍ
ｐ−ＧａＳｂ（基板） ２×１０１７ｃｍ−３ １０００ｎｍ
【００３６】
本発明は、新規な原理を適用し、かつ必要な特化した構成要素を構築し使用するのに関連する情報を当業者に提供するためにここでかなり詳細に説明した。しかし、発明は、異なる設備、材料およびデバイスによって実施することができ、設備と操作手順の両方に関する種々の変更は、発明自体の範囲から外れずに達成することができることが理解されよう。
【技術分野】
【０００１】
政府援助についての声明
ここに記載されクレームされた発明は、契約Ｎｏ．ＤＥ−ＡＣ０２−０５ＣＨ１１２３１に従って米国エネルギー省によって提供された資金を一部利用してなされた。政府は本発明に一定の権利を持っている。
【０００２】
本発明は、縦列の光電池すなわち太陽電池、特に高効率の縦列太陽電池すなわち光電池用の低抵抗トンネル接合およびそれを作る方法に関する。
ここで用いられる「光電池」という用語は、光子を電気に変換することができるあらゆる半導体ｐ／ｎ接合を含む。これは、可視光を電気に変換する周知の光電池と、長波長光子あるいは熱光子を電気に変換する熱光電池を非限定的に含む。
【背景技術】
【０００３】
これらの光電池は、それらの価電子帯とそれらの伝導帯との間のエネルギーバンドギャップを持つ固体結晶構造によって通常特徴づけられる。光が材料に吸収されると、低エネルギー状態を占める電子がバンドギャップを越えて、より高いエネルギー状態になるよう励起される。例えば、半導体の価電子帯中の電子が日射の光子から十分なエネルギーを吸収すると、それらはより高いエネルギー伝導帯へとバンドギャップをジャンプすることができる。より高いエネルギー状態へと励起された電子は、空の低エネルギー箇所つまり正孔を残す。そのような正孔は、伝導帯中の自由電子のように、結晶格子中で原子から原子へ移動し、電荷担体として働き、結晶の導電率に寄与することができる。半導体に吸収されたほとんどの光子は電子と正孔のペアを生じさせ、それらが、太陽電池が示す光電流を、そしてさらに光起電力を生成するようなる。電荷担体用としての正孔および電子を分離する空乏層を生成するために、半導体には異種物質がドープされる。一旦分離されると、収集された正孔および電子の電荷担体は、接合をまたぐ電圧、つまり光起電力、に帰着する空間電荷を生成する。外部負荷を通ってこれらの正孔と電荷担体を流れさせる場合、それらは光電流を構成する。
【０００４】
半導体中のバンドギャップをまたぐ位置エネルギー差の決まった量子がある。より低いエネルギー価電子帯中の電子がより高いエネルギー伝導帯へとバンドギャップをジャンプするよう励起されるには、バンドギャップをまたぐ位置エネルギー差と少なくとも等しい値を持つように、通常は吸収された光子から十分なエネルギー量子を吸収しなければならない。半導体は、バンドギャップ未満の光子エネルギーを持つ輻射に透明である。電子が、例えばより高いエネルギー光子から、閾値エネルギー量子以上を吸収すれば、それはバンドギャップをジャンプすることができる。電子がバンドギャップをジャンプするのに必要な閾値量子を越えるそのような吸収エネルギーの超過は、電子を伝導帯中のほとんどの他の電子よりエネルギーがより高い状態にさせる。過剰エネルギーは最終的に熱の形で失われる。最終結果は、単一バンドギャップの半導体の有効な光起電力がバンドギャップによって制限されるということである。したがって、単一の半導体太陽電池で、太陽輻射のスペクトルからできるだけ多くの光子を捕らえるために、低エネルギーの光子さえもがバンドギャップをジャンプするように電子を励起できるように、半導体は小さなバンドギャップを持たなければならない。小さなバンドギャップ材料の使用はデバイス用として低い光起電力と低い出力になるから、これは限界がある。さらに、より強いエネルギーの輻射からの光子は、熱として失われる過剰エネルギーを生成する。
【０００５】
しかし、光起電力を増加させ、かつホットキャリアの熱化によって引き起こされるエネルギー損を減らすためにより大きなバンドギャップを持つよう半導体が設計された場合、低エネルギーの光子は吸収されない。従って、これらの事柄のバランスをとって、単一接合の太陽電池を設計する際にバンドギャップを最適化し、最適のバンドギャップを備えた半導体を設計しようとすることが必要である。上段のセルがより大きなバンドギャップを持って、より高いエネルギー光子を吸収し、より低いエネルギーの輻射を吸収するためにより小さなバンドギャップを持つ下段または下端のセルへと低エネルギー光子が上段のセルを通過する構成の、縦列つまり多接合（カスケード）太陽電池構造を作ることにより、この問題を解決するための多くの研究が近年行われている。光学的なカスケード効果を達成するために、バンドギャップは最大から最小へ、上端から下端へと順序付けられる。原理的には任意の数のサブセルをそのように積み重ねることができるが、実際的な限界が通常２、３であると考えられる。個々のサブセルが、エネルギーを効率的に変換する小さな光子波長域で太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するから、多接合太陽電池はより高い変換効率を達成することができる。そのような縦列の電池を作る技術は米国特許第５，０１９，１７７号に記載されており、その全体を参照してここに取り込む。
【０００６】
光起電力デバイスの効率を高める努力は、炭化水素系燃料のコストの高騰でより緊急になった。現在市販されているほとんどの太陽電池はシリコンで作られていが、他の材料を用いるより高効率の電池が近年研究されている。砒化ガリウムおよび関連合金が特に注目されている。ここで述べるように、太陽電池効率の著しい増大は異なる材料の縦列サブセルの使用により可能であるが、異なる材料はそれらの価電子帯とそれらの伝導帯との間に異なるエネルギーバンドギャップを有する。光電池を形成するために使用される化合物と合金の格子定数は周知である。そのような材料が、異なる材料のサブセルを持つデバイスにおいて組み合わせられる場合、異なる材料の格子は小さな違いの範囲内で同じ格子定数となるはずである。これは、デバイスの効率を大きく低下させ得る結晶構造の欠陥の形成を回避する。
【０００７】
いかなる縦列電池デバイスでも、サブセル間で電気的な接続がされなければならない。これらのセル間のオーム接触が、セル間の電力損失が非常に少なくなる最小の電気抵抗を持つことが望ましい。そのようなセル間のオーム接触を達成する２つの公知の方法があり、それは金属相互接続とトンネル接合（またはトンネルダイオード）である。金属相互接続は、低電気抵抗を提供することができるが、それらは作るのが難しく、その結果複雑な処理を要し、デバイス効率にかなりの損失をもたらし得る。したがって、一般にトンネル接合が好まれるが、それは間にトンネル接合を備えた複数のサブセルを持つモノリシック集積化デバイスを形成することができるからである。しかし、トンネル接合は、低抵抗率、高ピーク電流密度、低光学エネルギー損および上下端のセル間の格子整合による結晶学的相性など多数の要件を満たさなければならない。
【０００８】
現在、縦列の太陽電池は、直列接続した２〜４個の光電池を通る効率的な電流フローを確保するためにトンネル接合を使用する。各サブセルで生成される電流が合致するとき、電池は最も効率的に機能する。サブセルの電圧が順次加わるように電流が電池を流れるためには、サブセル間の電子・正孔の再結合を可能にする接合が有用である。
【０００９】
現在、縦列の電池においてバンドオフセットを適合させるために、高濃度にドープされたトンネル接合が使用される。トンネル接合は、例えば、ＩｎＧａＰ上端セルからの正孔をＩｎＧａＡｓ中間セルからの電子とともに効率的に消滅させるために、標準の３接合（３Ｊ）電池の上端および中間のセルを接続する。例えば、燐化インジウムサブセルおよび砒化燐化インジウムガリウムを持つ縦列太陽電池が米国特許第５，４０７，４９１号および米国特許第５，８００，６３０号に記載されており、その全体をそれぞれ参照してここに取り込む。ＩｎＧａＰの価電子帯（ＶＢ）とＩｎＧａＡｓの伝導帯（ＣＢ）との間のバンド不整合のため、トンネル接合はトンネル輸送を可能にするよう高濃度にドープされる。この場合、接合はｐ＋＋ＩｎＧａＰまたはｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ、およびｎ＋＋ＩｎＧａＡｓまたはｎ＋＋ＡｌＩｎＰである。これは、太陽電池の製作に追加の処理ステップを加え、設計の複雑さを増すから望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，０１９，１７７号
【特許文献２】米国特許第５，４０７，４９１号
【特許文献３】米国特許第５，８００，６３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、太陽電池の製作に追加の処理ステップを加えず、太陽電池の設計の複雑さを増すことのない低抵抗トンネル接合を提供することが望ましい。
【００１２】
本発明は、高効率の縦列太陽電池に低抵抗トンネル接合を備えることにより、従来技術の前述の欠点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、セル接合領域での再結合を確保するために高濃度にドープされたトンネル接合を必要としない、高効率の縦列太陽電池を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高効率の窒化インジウムを基礎とする縦列太陽電池を提供及び製造することにある。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、低抵抗あるいはゼロに近い抵抗のトンネル接合を提供する、前述のような窒化インジウムを基礎とする縦列太陽電池を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、低抵抗あるいはゼロに近い抵抗のトンネル接合を提供する、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂを基礎とする縦列太陽電池を提供することにある。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、半導体構造は、第１材料からなる第１光電池と、第２材料からなり、第１光電池に直列接続した第２光電池とを備える。第２材料に隣接する第１材料の伝導帯エッジは、その材料に隣接する第２材料の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い。好ましくは、第１光電池の前記第１材料はＩｎ１−ｘＡｌｘＮまたはＩｎ１−ｙＧａｙＮからなり、前記第２光電池の前記第２材料はシリコンまたはゲルマニウムからなる。
【００１８】
あるいは、第１光電池の第１材料はＩｎＡｓからなり、第２光電池の第２材料はＧａＳｂからなる。好ましくは、あるいは、前記第１光電池の第１材料はＩｎＡｓＳｂからなり、第２光電池の第２材料はＧａＡｓＳｂからなる。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、半導体構造は、ｐ型シリコン層と、ｐ型シリコン層に接するｎ型半導体窒化物層とを備える。ｎ型半導体窒化物層は、ｐ型シリコン層の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い伝導帯エッジを有する。好ましくは、ｎ型半導体窒化物はＩｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮからなる群から選択され、ｘは好ましくは０．２と０．６との間で、ｙは好ましくは０．４と０．６との間である。ｐ型シリコン層は（１１１）シリコンすなわちＳｉ（１１１）である。
【００２０】
本発明の１つの観点によれば、半導体構造の電圧電流特性は対称である。好ましくは、ｐ型シリコン層とｎ型半導体窒化物層とによって形成された接合が、当該シリコン及び当該窒化物の直列抵抗と実質的に等しい抵抗を有する。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、前述の半導体構造は、ｎ型半導体窒化物層に接するｐ型半導体窒化物層と、ｐ型シリコン層に接するｎ型シリコン層をさらに備える。
【００２２】
本発明の実施形態によれば、半導体構造において、ｎ型半導体窒化物層は第１光電池の一部であり、ｐ型シリコン層は第２光電池の一部である。第１光電池と第２光電池は互いに直列接続している。
【００２３】
本発明の種々の他の目的、利点および特徴は後続の詳細な説明から容易に明らかになり、新規な特徴は添付の請求項で詳しく指摘される。
例として挙げられ、本発明をそれだけに限定すると意図しない以下の詳細な説明は、添付図と併せて最もよく理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、ＩｎＡｌＮとＩｎＧａＮの合金の価電子および伝導帯の位置を示す。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施形態に従ってゼロに近い抵抗のトンネル接合を組み込んだＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池のバンド図である。
【図３】図３は、ｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉ（１１１）の間のトンネル接合についての電流・電圧曲線を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従って低抵抗トンネル接合を組み込んだ縦列太陽電池設計である。
【図５】図５は、本発明の典型的な実施形態によるＩｎＧａＮバンドギャップの関数として２接合（２Ｊ）のＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列太陽電池の計算された効率値を示す。
【図６】図６は、本発明の典型的な実施形態によるｐ型のＧａＳｂおよびｎ型ＩｎＡｓＳｂの間の低抵抗接合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ＩＩＩ族窒化物のバンドギャップ調整範囲は、エネルギー変換に関して太陽のスペクトルの全有効範囲をほぼ含んでおり、光電池用としてこれらの材料を魅力的にしている。効率を高め、より大きな出力を作り出すために、薄膜で作られ、電気的に直列接続した縦列の光電池を設計することがますます一般的になった。しかし、直列接合に関連した問題があった。
【００２６】
ここで述べるように、縦列の太陽電池は、直列接続した複数の光電池を通る効率的な電流フローを確保するためにトンネル接合を使用する。各サブセルで生成される電流が合致するとき、電池は最も効率的に機能する。サブセルの電圧が順次加わるように電流が電池を流れるためには、サブセル間の電子・正孔の再結合を可能にする接合が有用である。
【００２７】
現在、縦列の太陽電池においてバンドオフセットを適合させるために、高濃度にドープされたトンネル接合が使用される。トンネル接合は、例えば、ＩｎＧａＰ上端セルからの正孔をＩｎＧａＡｓ中間セルからの電子とともに効率的に消滅させるために、標準の３接合（３Ｊ）電池の上端および中間のセルを接続する。ＩｎＧａＰの価電子帯（ＶＢ）とＩｎＧａＡｓの伝導帯（ＣＢ）とのバンド不整合のため、トンネル接合はトンネル輸送を可能にするよう高濃度にドープされる。この場合、接合はｐ＋＋ＩｎＧａＰまたはｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ、およびｎ＋＋ＩｎＧａＡｓまたはｎ＋＋ＡｌＩｎＰである。これは、電池の製作に追加の工程ステップを加え、設計の複雑さを増すから望ましくない。
【００２８】
インジウム窒化アルミニウムおよびインジウム窒化ガリウム合金（Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮ）の伝導帯（ＣＢ）と価電子帯（ＶＢ）のエッジの絶対位置は、実験研究を通じて確認された。S. X. Li et al.の「ＩＩＩ族窒化物におけるフェルミ準位安定化エネルギー」、Phys. Rev. B 71 , 161201 (R) (2005)を参照し、その全体を参照してここに取り込む。図１は、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮのＣＢとＶＢのエッジのエネルギーをｘとｙの関数としてプロットしたグラフを示す。シリコン（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）に関するＶＢのエッジおよびＣＢのエッジの位置も図１に示されている。Ｓｉの価電子帯が伝導帯と揃う組成は点線で示されている。Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮのＣＢは、およそ０．３の「ｘ」値でＳｉのＶＢと揃い、それはＩｎ０．７Ａｌ０．３Ｎの組成に対応する。Ｉｎ１−ｙＧａｙＮのＣＢは、およそ０．５の「ｙ」値でＳｉのＶＢと揃い、それはＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎの組成に対応する。本発明の典型的な実施形態によれば、ほぼ完全なバンドの整列を持つｎ型ＩｎＡｌＮとｐ−Ｓｉの間またはｎ型ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉの間に接合を形成することができ、これにより非常に低い（ゼロに近い、あるいはほぼゼロの）抵抗のトンネル接合を生じる。本発明の窒化物を基礎とするトンネル接合のほぼ完全なバンドの整列を示す計算が図２に示されている。同様な、ほぼ完全あるいは優れたバンドの整列が、Ｉｎ０．６Ａｌ０．４Ｎ（またはＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ）の組成に対応する、ｘ〜０．４（またはｙ〜０．６）というより高いＡｌ（あるいはＧａ）含有量のｐ−Ｇｅ用に存在する。一般に、バンドの整列は、伝導帯エッジが価電子帯エッジより約０．１ｅＶ以上高くない場合、優れていると考えられる。
【００２９】
図２は、ゼロに近い抵抗のトンネル接合を持つＩｎ０．４６Ｇａ０．５４Ｎ ｐ／ｎ＋：Ｓｉ ｐ／ｎの２Ｊ縦列電池の計算されたバンド図を示す。この計算のためのアクセプタ（Ｎａ）およびドナー（Ｎｄ）濃度はそれぞれ、１×１０１８ｃｍ−３および５×１０１９ｃｍ−３である。ＩｎＧａＮとＳｉのセルはｐ／ｎ接合を持ち、通常のｐ／ｎ接合（１Ｊ）太陽電池として働く、すなわち照射光の下で、窒化物材料中の電子は表面から遠ざかって電池内へ流れ、Ｓｉ中の正孔は表面へ向かう。トンネル接合は、表面から約４００ｎｍ下のｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉの間の界面に位置する。ｎ−ＩｎＧａＮからの電子とｐ−Ｓｉからの正孔は界面で再結合できる。この電流整合状態で、２個のセルの電圧は順次加わることができる。選ばれたＩｎＧａＮ組成に対してほぼ最適なバンドの整列により、界面での「バンド曲がり」はほんの僅かである。これにより非常に低い抵抗となる。
【００３０】
本発明の典型的な実施形態によれば、ｎ型窒化物材料の層は接合を形成するためにｐ型のＳｉ（１１１）上に堆積される。ｎ−ＩｎＧａＮとｐ−Ｓｉ（１１１）の間のトンネル接合について電気的検査を行なった。特に、ｐ型Ｓｉ上のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ｎ組成（つまり、ほぼその伝導帯がＳｉの価電子帯と揃う組成）の層について接合の電気抵抗を測定した。この接合の電気抵抗はオーミックで、かつ低いと判定された。認められた抵抗は１２オームで、振舞いは試験装置の電流限界までオーミックであった。図３は、ｎ−Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ｎとｐ型のＳｉの間のこの接合についての電流・電圧曲線を示す。ＩｎＧａＮ合金の測定された組成は、図２に示されたほぼ完全なバンドの整列をもたらすと予測されるものに近かった。図３の電流・電圧曲線は完全に対称であり、ヘテロ界面（接合）に電気的な障壁が無いことを示している。接合は、典型的な太陽電池の電流より高い、少なくとも５０ｍＡ ｃｍ−２もの大きな電流密度に対してオーミック特性と低抵抗性を持つ。したがって、ＩｎＧａＮとＳｉの間の接合は、本発明の典型的な実施形態による窒化インジウムを基礎とする接合を備える太陽電池から生成し得る光電流を制限しない。一般に、構成要素の半導体の直列抵抗未満の抵抗を持つオーミックのトンネル接合を備えることは有用である。最適化された太陽電池では、前後のオーム接触は数オーム／ｃｍ２のオーダーである。
【００３１】
図４は、本発明の典型的な実施形態による、上端セルとしての１．８ｅＶのバンドギャップを有する窒化インジウムを基礎とする材料と、下端セルとしてのＳｉ（バンドギャップ＝１．１ｅＶ）を備える２接合の縦列セルを示す。この構成が、最大電力変換効率の点で、Ｓｉに適合される上端セルにとっての理想に近いことが理解される。
【００３２】
ＩｎＧａＮとＳｉの光吸収パラメータおよび電荷輸送パラメータに関して一般に認められた値を用いて、図５は、本発明の典型的な実施形態によるＩｎＧａＮバンドギャップの関数としてＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池の計算された効率値を示す。電池構造は、０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＮ、０．８μｍのｎ−ＩｎＧａＮ、０．１μｍのｐ−Ｓｉおよび基板として１０００μｍのｎ−Ｓｉを備える。効率はＡＭ（気団）１．５の直接太陽スペクトル（光起電力性能評価のためのＡＳＴＭ地上基準スペクトル）について計算した。具体的に、図５は、２接合（２Ｊ）のＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列太陽電池の計算された３００ＫのＡＭ１．５の効率を示す。３０％超の効率がＩｎＧａＮ上端セルバンドギャップの範囲に対して予測される。１．７ｅＶのすぐ下のバンドギャップを持つＩｎＧａＮ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ）を使用すると、最高効率は３５％である。次のＩｎＧａＮの電気的パラメータおよび輸送パラメータが計算において使用された：電子移動度、３００ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１；正孔移動度、５０ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１；電子実効質量０．０７ｍ０；正孔実効質量０．７ｍ０；および表面再結合速度がゼロ。ＩｎＧａＮ／Ｓｉの縦列電池で、最大値が３０％をかなり越えており、最適な構成では３５％に達する。セル間の低抵抗トンネル接合は、接合でのキャリアの効率的な再結合を可能にし、それによって、本発明が理論的な限界に近い実際の効率を達成することを可能にする。さらに、本発明は、高濃度にドープされたトンネル接合の必要性をなくすことにより２Ｊ電池の設計を非常に単純化する。すなわち、本発明は、セル接合領域での再結合を確保するために現在入手可能な縦列の太陽電池を作る際に要求されるドーピング工程を有利に除去する。
【００３３】
本発明の低抵抗トンネル接合の形成に使用することができる他の対の半導体があることは理解される。例えば、ＩｎＡｓの伝導帯はＧａＳｂの価電子帯とよく揃う。これらの材料のバンドギャップ（両方とも１ｅＶ未満である）は、太陽光に反応する縦列の電池に理想的であると考えられるもの未満であるが、熱から電気を生成することができる熱光電池で熱源から近赤外および赤外光を変換するためにＩｎＡｓ／ＧａＳｂ設計を最適化することができる。
【００３４】
本発明の典型的な実施形態によれば、ＩｎＡｓＳｂ合金を形成するためにＩｎＡｓに少量数％まで）の（ＳｂをＩｎＡｓに導入し、および／またはＧａＡｓＳｂ合金を形成するために少量数％まで）のＡｓまたはＰをＧａＳｂに導入することで、ＩｎＡｓＳｂおよびＧａＡｓＳｂ合金は、格子パラメータを整合させ、及び、トンネル接合を形成する構成要素である半導体間のバンドオフセットを修正するために使用され得る。図６は、ｐ−ＧａＳｂおよびｎ−ＩｎＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６接合の計算されたバンド図を示す。界面での低い障壁は非常に低い抵抗接合を示す。計算は次の電極構造に基づいた。
【００３５】
層組成 ドーピング濃度 層厚
ｎ−ＩｎＡｓＳｂ（コンタクト層） １×１０１８ｃｍ−３ １００ｎｍ
ｎ−ＩｎＡｓＳｂ １×１０１７ｃｍ−３ ５００ｎｍ
ｐ−ＧａＳｂ １×１０１７ｃｍ−３ ５００ｎｍ
ｐ−ＧａＳｂ（基板） ２×１０１７ｃｍ−３ １０００ｎｍ
【００３６】
本発明は、新規な原理を適用し、かつ必要な特化した構成要素を構築し使用するのに関連する情報を当業者に提供するためにここでかなり詳細に説明した。しかし、発明は、異なる設備、材料およびデバイスによって実施することができ、設備と操作手順の両方に関する種々の変更は、発明自体の範囲から外れずに達成することができることが理解されよう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１材料からなる第１光電池と、
第２材料からなり、前記第１光電池に直列接続した第２光電池と、を備え、
前記第２材料に隣接する前記第１材料の伝導帯エッジは、前記材料に隣接する前記第２材料の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い、半導体構造。
【請求項２】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎ１−ｘＡｌｘＮまたはＩｎ１−ｙＧａｙＮからなり、前記第２光電池の前記第２材料がシリコンまたはゲルマニウムからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎＡｓからなり、前記第２光電池の前記第２材料がＧａＳｂからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎＡｓＳｂからなり、前記第２光電池の前記第２材料がＧａＡｓＳｂからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項５】
ｐ型シリコン層と、
前記ｐ型シリコン層に接するｎ型半導体窒化物層と、を備え、
前記ｎ型半導体窒化物層は、前記ｐ型シリコン層の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い伝導帯エッジを有する、半導体構造。
【請求項６】
前記半導体構造の電圧電流特性が対称である請求項５に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記ｐ型シリコン層と前記ｎ型半導体窒化物層とによって形成される接合が、当該シリコンと当該窒化物との直列抵抗と実質的に等しい抵抗を有する請求項５に記載の構造。
【請求項８】
前記ｎ型半導体窒化物が、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮからなる群から選択される請求項５に記載の半導体構造。
【請求項９】
ｘが０．２と０．６の間とであり、ｙが０．４と０．６との間である請求項８に記載の半導体構造。
【請求項１０】
前記ｐ型シリコン層が（１１１）シリコンである請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１１】
前記ｎ型半導体窒化物層に接するｐ型半導体窒化物層と、前記ｐ型シリコン層に接するｎ型シリコン層をさらに備える請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１２】
前記ｎ型半導体窒化物層が第１光電池の一部であり、前記ｐ型シリコン層が第２光電池の一部であり、前記第１光電池と前記第２光電池が互いに直列接続している請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１】
第１材料からなる第１光電池と、
第２材料からなり、前記第１光電池に直列接続した第２光電池と、を備え、
前記第２材料に隣接する前記第１材料の伝導帯エッジは、前記材料に隣接する前記第２材料の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い、半導体構造。
【請求項２】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎ１−ｘＡｌｘＮまたはＩｎ１−ｙＧａｙＮからなり、前記第２光電池の前記第２材料がシリコンまたはゲルマニウムからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎＡｓからなり、前記第２光電池の前記第２材料がＧａＳｂからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記第１光電池の前記第１材料がＩｎＡｓＳｂからなり、前記第２光電池の前記第２材料がＧａＡｓＳｂからなる請求項１に記載の半導体構造。
【請求項５】
ｐ型シリコン層と、
前記ｐ型シリコン層に接するｎ型半導体窒化物層と、を備え、
前記ｎ型半導体窒化物層は、前記ｐ型シリコン層の価電子帯エッジより大きくても０．１ｅＶだけ高い伝導帯エッジを有する、半導体構造。
【請求項６】
前記半導体構造の電圧電流特性が対称である請求項５に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記ｐ型シリコン層と前記ｎ型半導体窒化物層とによって形成される接合が、当該シリコンと当該窒化物との直列抵抗と実質的に等しい抵抗を有する請求項５に記載の構造。
【請求項８】
前記ｎ型半導体窒化物が、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＮとＩｎ１−ｙＧａｙＮからなる群から選択される請求項５に記載の半導体構造。
【請求項９】
ｘが０．２と０．６の間とであり、ｙが０．４と０．６との間である請求項８に記載の半導体構造。
【請求項１０】
前記ｐ型シリコン層が（１１１）シリコンである請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１１】
前記ｎ型半導体窒化物層に接するｐ型半導体窒化物層と、前記ｐ型シリコン層に接するｎ型シリコン層をさらに備える請求項５に記載の半導体構造。
【請求項１２】
前記ｎ型半導体窒化物層が第１光電池の一部であり、前記ｐ型シリコン層が第２光電池の一部であり、前記第１光電池と前記第２光電池が互いに直列接続している請求項５に記載の半導体構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５３４９２２（Ｐ２０１０−５３４９２２Ａ）
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０３０４４（Ｐ２０１０−５０３０４４）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４５７２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２４１６０
【国際公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【出願人】（５０８１５８３３３）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００４５７２
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２４１６０
【国際公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【出願人】（５０８１５８３３３）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (2)
【Ｆターム（参考）】
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