ＩＩＩ族窒化物系太陽電池及びその製造方法
【課題】従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供する。
【解決手段】（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層とを具えるようにして、III族窒化物系太陽電池を構成する。
【解決手段】（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層とを具えるようにして、III族窒化物系太陽電池を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物の積層構造を有するIII族窒化物系太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に代るエネルギー源として太陽光を電力に変換できる太陽電池が注目されている。現在、一部実用化され始めた太陽電池としては、結晶系シリコン基板を用いた太陽電池および薄膜シリコン太陽電池がある。しかしながら、前者はシリコン基板の作製コストが高いこと、後者は多種の半導体ガスや複雑な装置を用いる必要があり、依然として製造コストが高いことが問題となっている。そのため、いずれの太陽電池においても光電変換の高効率化による発電出力当たりのコストを低減する努力が続けられているが、上記問題を解決するには到っていない。
【０００３】
上述した問題に鑑みて、種々の新しいタイプの太陽電池が提案及び研究開発されるに至っている。例えば、金属錯体の光誘起電子移動を応用した湿式太陽電池が提案されている。例えば、特許文献１には、透明電極と触媒を担持させた導電層を具える対向電極との間に色素を担持した酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）と電解質層とを設け、周囲を樹脂等の封止材料で封止してなる、いわゆる色素増感型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、透明電極上に、色素を担持してなる同じく酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）、絶縁性反射層、触媒層及び導電層を順次に積層してなる構成の色素増感型の太陽電池が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの色素増感型太陽電池は、半導体層に対して色素を担持させるに際して、半導体層を色素溶液中に浸漬することによって行う。この結果、色素溶液中には半導体層のみならず、透明電極も浸漬されてしまうことになり、透明電極にもある程度の割合で色素が吸着してしまうことになる。したがって、上述した入射光が、透明電極においてある程度の割合で吸収されてしまうことから、入射光の、半導体層へ到達する割合が減少し、半導体層における光電変換効率、すなわち色素増感型太陽電池の発電効率が劣化してしまうこととなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２８５９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４２１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池に関する。
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層、第２のIII族窒化物からなる半導体層及び第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層を順次に積層してなるｐiｎ構造の半導体積層構造を形成し、半導体層が光、特に太陽光を吸収した際に光電変換を生じて電子‐正孔対を生成し、内部電界によって電子はｐ層側にドリフトし、正孔はｎ層側にドリフトすることによって光電流を発生し、起電力を生ぜしめることを見出した。すなわち、上記半導体層が光電変換層として機能するとともに、上記半導体積層構造が太陽電池として機能することを見出した。
【０００９】
そして、特に第１の導電層を（１−１００）配向した窒化ガリウム、すなわちｍ面ＧａＮから構成することによって、その上に形成する光電変換層の厚さを、その形態が良好な状態、特に表面欠陥などが十分に少ない状態において、十分に厚くすることができる。したがって、吸収すべき太陽光の量を増大させることができるとともに、生成した電子及び正孔が上記欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができることを見出した。
【００１０】
本発明によれば、光電変換層の厚さを、上述した欠陥を抑制した状態において、７００ｎｍ以上、さらには１．１μｍ以上とすることができる。従来、光電変換層、すなわち第２のIII族窒化物半導体層の厚さは、上述したような欠陥を抑制した状態においては、最大でも２００ｎｍ〜３００ｎｍであったが、本発明では、ｍ面ＧａＮを第１の導電層とし、その上に光電変換層を形成していることに起因して、その厚さを従来に比し、数倍以上の厚さとすることができる。
【００１１】
この原因については以下のように考えることができる。すなわち、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた場合、一般にその配向面も同じくｍ面となるが、ｍ面配向したIII族窒化物半導体の面内応力はａ面配向あるいはｃ面配向したIII族窒化物半導体の面内応力に比して小さい。したがって、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上に第１のIII族窒化物からなる光電変換層をエピタキシャル成長させた場合、この光電変換層もｍ面配向し、その面内応力が十分に小さくなる。
【００１２】
このため、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上にエピタキシャル成長させた、第１のIII族窒化物からなる光電変換層においては、上述したような小さい面内応力に起因して、光電変換層をエピタキシャル成長させる過程において応力緩和を生じることがない。したがって、光電変換層を厚く形成した場合においても、表面欠陥等が少なく、良好な形態の光電変換層を形成できるものと考えられる。
【００１３】
但し、上記内容はあくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００１４】
なお、本発明における”III族窒化物半導体“とは、一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表され、必要に応じてＳｉ、Ｐなどのドナー（ｎ型導電性）やＭｇなどのアクセプター（ｐ型導電性）を含有する場合をも包含するものである。
【００１５】
また、光電変換層の厚さは、上述した欠陥が増大しない限りにおいては、大きいほど好ましいが、現状では３μｍが上限値である。但し、この上限値は、成膜条件のさらなる最適化や、成膜技術の進歩などに応じて向上されることが期待されるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１６】
光電変換層を、欠陥が少ない状態で厚く形成するためには、光電変換層を構成する第１のIII族窒化物をＧａＷＩｎ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）から構成することが好ましい。これは、ＧａとＩｎとの原子半径が近接しており、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層と光電変換層との格子常数差が小さくなって、上述した作用効果がより増長されるためと考えられる。但し、この点に関しても、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００１７】
また、第１の導電層は、複数の溝を有するＧａＮ下地層上に形成することが好ましい。この場合、ＧａＮ下地層上に形成された第１の導電層中の転位密度が低減されるので、その上に形成される光電変換層及び第２の導電層中の転位密度も低減されるようになる。結果として、得られる太陽電池中の欠陥がより減少し、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図４】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図５】実施例における太陽電池のＧａＩｎＮ光電変換層の表面ＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【００２２】
図１に示す太陽電池１０は、ＧａＮ基板１１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ導電層１２、ＧａＩｎＮ光電変換層１３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ導電層１４が順次にエピタキシャル成長されてなる。ｎ型ＧａＮ導電層は、（１−１００）配向した窒化ガリウム、すなわちｍ面ＧａＮから構成する。また、ＧａＩｎＮ光電変換層１３は、少なくとも７００ｎｍ以上、好ましくは１．１μｍ以上の厚さを有する。
【００２３】
このように本実施形態の太陽電池は、ｐiｎ構造の半導体積層構造を形成し、ｎ型ＧａＮ導電層１２をｍ面ＧａＮから構成しているので、その上に形成する光電変換層１３の厚さを、その形態が良好な状態、特に表面欠陥などが十分に少ない状態において、７００ｎｍ以上と十分に厚くすることができる。したがって、吸収すべき太陽光の量を増大させることができるとともに、生成した電子及び正孔が上記欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【００２４】
なお、上記作用効果は、ｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２上にＧａＩｎＮ光電変換層１３をエピタキシャル成長させており、このＧａＩｎＮ光電変換層１３も同じくｍ面配向することにより、その面内応力が十分に小さくなる。したがって、光電変換層１３は、上述したような小さい面内応力に起因して、エピタキシャル成長させる過程において応力緩和を生じることがない。したがって、光電変換層１３を厚く形成した場合においても、表面欠陥等が少なく、良好な形態の光電変換層１３を形成することができる。
【００２５】
特に、本実施形態では、光電変換層１３をＧａＩｎＮから構成しているので、ＧａとＩｎとの原子半径が近接していることから、ｍＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２と光電変換層１３との格子常数差が小さくなり、上述した作用効果がより増長されるためと考えられる。但し、この点は、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００２６】
光電変換層１３は、上述した欠陥が増大しない限りにおいては、大きいほど好ましいが、現状では３μｍが上限値である。但し、この上限値は、成膜条件のさらなる最適化や、成膜技術の進歩などに応じて向上されることが期待されるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００２７】
また、ｎ型ＧａＮ導電層１２は、複数の溝を有するＧａＮ下地層、すなわちＧａＮ基板１１上に形成することが好ましい。この場合、ＧａＮ基板１１上に形成されるｎ型ＧａＮ導電層１２中の転位密度が低減され、その上に形成される光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４中の転位密度も低減されるようになる。結果として、得られる太陽電池１０中の欠陥がより減少し、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【００２８】
上述したＧａＮ基板１１は、例えば、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ２などの選択性を有する誘電体材料からなるストライプ状の層を形成してなるような構成を有する（第１の溝付きＧａＮ基板）。このような構成のＧａＮ基板１１上に、ｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、下方から伝播してきた転位は、ストリップ状の層を貫通することがないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００２９】
また、ＧａＮ基板１１は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にファセットを有するＡｌＧａＮ層を形成し、さらにファセットを埋設するようにしてＧａＮ層を形成した後、得られた積層構造をサファイア基板の表面が露出するまでエッチングし、ストリップ状のパターンとしたような構成とすることができる（第２の溝付きＧａＮ基板）。サファイア基板上に、ストリップ状パターンを介してｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、ストリップ状パターンの底面からは転位が発生せず、また上方に伝播しないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００３０】
さらに、ＧａＮ基板１１は、ＳｉＣ基板上に低温緩衝層及びＧａＮ層を順次に形成した後、得られた積層構造をＳｉＣ基板内部にまで達するようにエッチングし、ＳｉＣ基板のエッチングによって形成された凸凹面を含むようなストリップ状パターンを形成するように構成することができる（第３の溝付きＧａＮ基板）。その後、ＳｉＣ基板の凹部上に、ストリップ状パターンを介してｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、ストリップ状パターンの底面、すなわちＳｉＣ基板の凹部からは転位が発生せず、また上方に伝播しないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００３１】
なお、図２〜４において、第１の溝付きＧａＮ基板から第３の溝付きＧａＮ基板の概略構成を示す。
【００３２】
また、上述した複数の溝を有するＧａＮ基板１１はあくまでも一例であって、汎用あるいは公知の手段を用いて形成したものであってもよい。
【実施例】
【００３３】
ｃ面サファイア基板上にＡｌＮからなる低温緩衝層を厚さ２０ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって６００℃で形成した後、この緩衝層上に同じくＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を厚さ３μｍにＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ２からなるストライプ状の層をスパッタリング及びエッチングによって厚さ１００ｎｍ及び幅５μｍとなるように形成し、ＧａＮ基板１１（第１の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３４】
また、ａ面サファイア基板上にＡｌＮからなる低温緩衝層を厚さ２０ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって６００℃で形成した後、この緩衝層上にファセットを有するＡｌＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって９５０℃で形成し、さらにファセットを埋設するようにしてＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成した後、得られた積層構造をサファイア基板の表面が露出するまでエッチングし、ストリップ状のパターンとして、ＧａＮ基板１１（第２の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３５】
さらに、ｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮからなる緩衝層を厚さ１００ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって１０００℃で形成した後、ＧａＮ層を厚さ２０００ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成し、さらに得られた積層構造をＳｉＣ基板内部にまで達するようにエッチングし、ＳｉＣ基板のエッチングによって形成された凸凹面を含むようなストリップ状パターンを形成して、ＧａＮ基板１１（第３の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３６】
次いで、第１の溝付きＧａＮ基板１１から第３の溝付きＧａＮ基板１１のぞれぞれに、ｎ型ＧａＮ導電層１２、Ｇａ０．９３〜０．９５Ｉｎ０．０７〜０．０５Ｎ光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４を順次にＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させた。なお、ｎ型ＧａＮ導電層１２及びｐ型ＧａＮ導電層１４の厚さはそれぞれ３μｍとし、光電変換層１３の厚さは、２００ｎｍ、７００ｎｍ、１．１μｍの３段階で変化させた。
【００３７】
なお、ｎ型ＧａＮ導電層１２、光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４は、ＧａＮ基板１１を構成するｃ面サファイア基板、ａ面サファイア基板及びｍ面ＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長させているので、各層の結晶配向は、これら基板の影響を受けて同方向に配向する。
【００３８】
図５は、上述のようにして形成した光電変換層の表面ＳＥＭ写真である。図５（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、ｃ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ｃ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ２００ｎｍにおいても平坦な表面を得ることができず、表面欠陥を有することが分かる。
【００３９】
また、図５（ｄ）〜（ｆ）から明らかなように、ａ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ａ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ７００ｎｍまでは平坦な表面を有するものの、厚さが１．１μｍに達すると平坦な表面を得ることができずに、表面欠陥を有することが分かる。
【００４０】
さらに、図５（ｇ）〜（ｉ）から明らかなように、ｍ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ｍ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ１．１μｍまで平坦な表面を有し、表面欠陥が少ないことが分かる。
【００４１】
次いで、図５（ｃ）、（ｆ）、（ｉ）の表面モルフォルジーを有するＧａＩｎＮ光電変換層を有する上述した構成の太陽電池１０に対して、１ｋＷ／ｍ２の強度の光（ＡＭ１．５ソーラーシミュレータ）を照射し、ｐ型ＧａＮ導電層１４上に形成したＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）の電極から生成した電流を取り出して、開放電圧及び光電変換効率を求めた。その結果、開放電圧は、それぞれ１．４Ｖ、１．６Ｖ及び２．１Ｖであり、光電変換効率は、それぞれ０．８％、０．９％及び２．０％であることが判明した。
【００４２】
この結果から明らかなように、本発明にしたがって、ｍ面配向したｎ型ＧａＮ導電層上に形成された（ｍ面配向）のＧａＩｎＮ光電変換層は、その大きな膜厚に依存して吸収すべき太陽光の量が増大し、欠陥が少ないことに起因して、生成した電子及び正孔が欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性の向上を実現できることが判明した。
【００４３】
以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 太陽電池
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型ＧａＮ導電層
１３ ＧａＩｎＮ光電変換層
１４ ｐ型ＧａＮ導電層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物の積層構造を有するIII族窒化物系太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に代るエネルギー源として太陽光を電力に変換できる太陽電池が注目されている。現在、一部実用化され始めた太陽電池としては、結晶系シリコン基板を用いた太陽電池および薄膜シリコン太陽電池がある。しかしながら、前者はシリコン基板の作製コストが高いこと、後者は多種の半導体ガスや複雑な装置を用いる必要があり、依然として製造コストが高いことが問題となっている。そのため、いずれの太陽電池においても光電変換の高効率化による発電出力当たりのコストを低減する努力が続けられているが、上記問題を解決するには到っていない。
【０００３】
上述した問題に鑑みて、種々の新しいタイプの太陽電池が提案及び研究開発されるに至っている。例えば、金属錯体の光誘起電子移動を応用した湿式太陽電池が提案されている。例えば、特許文献１には、透明電極と触媒を担持させた導電層を具える対向電極との間に色素を担持した酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）と電解質層とを設け、周囲を樹脂等の封止材料で封止してなる、いわゆる色素増感型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、透明電極上に、色素を担持してなる同じく酸化チタンなどからなる半導体層（光電変換層）、絶縁性反射層、触媒層及び導電層を順次に積層してなる構成の色素増感型の太陽電池が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これらの色素増感型太陽電池は、半導体層に対して色素を担持させるに際して、半導体層を色素溶液中に浸漬することによって行う。この結果、色素溶液中には半導体層のみならず、透明電極も浸漬されてしまうことになり、透明電極にもある程度の割合で色素が吸着してしまうことになる。したがって、上述した入射光が、透明電極においてある程度の割合で吸収されてしまうことから、入射光の、半導体層へ到達する割合が減少し、半導体層における光電変換効率、すなわち色素増感型太陽電池の発電効率が劣化してしまうこととなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２８５９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４２１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池に関する。
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、第１のIII族窒化物からなる第１の導電型の第１の導電層、第２のIII族窒化物からなる半導体層及び第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層を順次に積層してなるｐiｎ構造の半導体積層構造を形成し、半導体層が光、特に太陽光を吸収した際に光電変換を生じて電子‐正孔対を生成し、内部電界によって電子はｐ層側にドリフトし、正孔はｎ層側にドリフトすることによって光電流を発生し、起電力を生ぜしめることを見出した。すなわち、上記半導体層が光電変換層として機能するとともに、上記半導体積層構造が太陽電池として機能することを見出した。
【０００９】
そして、特に第１の導電層を（１−１００）配向した窒化ガリウム、すなわちｍ面ＧａＮから構成することによって、その上に形成する光電変換層の厚さを、その形態が良好な状態、特に表面欠陥などが十分に少ない状態において、十分に厚くすることができる。したがって、吸収すべき太陽光の量を増大させることができるとともに、生成した電子及び正孔が上記欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができることを見出した。
【００１０】
本発明によれば、光電変換層の厚さを、上述した欠陥を抑制した状態において、７００ｎｍ以上、さらには１．１μｍ以上とすることができる。従来、光電変換層、すなわち第２のIII族窒化物半導体層の厚さは、上述したような欠陥を抑制した状態においては、最大でも２００ｎｍ〜３００ｎｍであったが、本発明では、ｍ面ＧａＮを第１の導電層とし、その上に光電変換層を形成していることに起因して、その厚さを従来に比し、数倍以上の厚さとすることができる。
【００１１】
この原因については以下のように考えることができる。すなわち、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた場合、一般にその配向面も同じくｍ面となるが、ｍ面配向したIII族窒化物半導体の面内応力はａ面配向あるいはｃ面配向したIII族窒化物半導体の面内応力に比して小さい。したがって、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上に第１のIII族窒化物からなる光電変換層をエピタキシャル成長させた場合、この光電変換層もｍ面配向し、その面内応力が十分に小さくなる。
【００１２】
このため、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層上にエピタキシャル成長させた、第１のIII族窒化物からなる光電変換層においては、上述したような小さい面内応力に起因して、光電変換層をエピタキシャル成長させる過程において応力緩和を生じることがない。したがって、光電変換層を厚く形成した場合においても、表面欠陥等が少なく、良好な形態の光電変換層を形成できるものと考えられる。
【００１３】
但し、上記内容はあくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００１４】
なお、本発明における”III族窒化物半導体“とは、一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で表され、必要に応じてＳｉ、Ｐなどのドナー（ｎ型導電性）やＭｇなどのアクセプター（ｐ型導電性）を含有する場合をも包含するものである。
【００１５】
また、光電変換層の厚さは、上述した欠陥が増大しない限りにおいては、大きいほど好ましいが、現状では３μｍが上限値である。但し、この上限値は、成膜条件のさらなる最適化や、成膜技術の進歩などに応じて向上されることが期待されるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１６】
光電変換層を、欠陥が少ない状態で厚く形成するためには、光電変換層を構成する第１のIII族窒化物をＧａＷＩｎ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）から構成することが好ましい。これは、ＧａとＩｎとの原子半径が近接しており、ｍ面ＧａＮからなる第１の導電層と光電変換層との格子常数差が小さくなって、上述した作用効果がより増長されるためと考えられる。但し、この点に関しても、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００１７】
また、第１の導電層は、複数の溝を有するＧａＮ下地層上に形成することが好ましい。この場合、ＧａＮ下地層上に形成された第１の導電層中の転位密度が低減されるので、その上に形成される光電変換層及び第２の導電層中の転位密度も低減されるようになる。結果として、得られる太陽電池中の欠陥がより減少し、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、従来と異なる新規な材料及び構成の太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図４】本発明の太陽電池に使用するＧａＮ基板の一例の構成を概略的に示す図である。
【図５】実施例における太陽電池のＧａＩｎＮ光電変換層の表面ＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、本発明の太陽電池の一例の構成を概略的に示す図である。
【００２２】
図１に示す太陽電池１０は、ＧａＮ基板１１上に、μｍオーダーの厚さを有するｎ型ＧａＮ導電層１２、ＧａＩｎＮ光電変換層１３及びμｍオーダーの厚さを有するｐ型ＧａＮ導電層１４が順次にエピタキシャル成長されてなる。ｎ型ＧａＮ導電層は、（１−１００）配向した窒化ガリウム、すなわちｍ面ＧａＮから構成する。また、ＧａＩｎＮ光電変換層１３は、少なくとも７００ｎｍ以上、好ましくは１．１μｍ以上の厚さを有する。
【００２３】
このように本実施形態の太陽電池は、ｐiｎ構造の半導体積層構造を形成し、ｎ型ＧａＮ導電層１２をｍ面ＧａＮから構成しているので、その上に形成する光電変換層１３の厚さを、その形態が良好な状態、特に表面欠陥などが十分に少ない状態において、７００ｎｍ以上と十分に厚くすることができる。したがって、吸収すべき太陽光の量を増大させることができるとともに、生成した電子及び正孔が上記欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【００２４】
なお、上記作用効果は、ｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２上にＧａＩｎＮ光電変換層１３をエピタキシャル成長させており、このＧａＩｎＮ光電変換層１３も同じくｍ面配向することにより、その面内応力が十分に小さくなる。したがって、光電変換層１３は、上述したような小さい面内応力に起因して、エピタキシャル成長させる過程において応力緩和を生じることがない。したがって、光電変換層１３を厚く形成した場合においても、表面欠陥等が少なく、良好な形態の光電変換層１３を形成することができる。
【００２５】
特に、本実施形態では、光電変換層１３をＧａＩｎＮから構成しているので、ＧａとＩｎとの原子半径が近接していることから、ｍＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２と光電変換層１３との格子常数差が小さくなり、上述した作用効果がより増長されるためと考えられる。但し、この点は、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲を何ら制限するものでもなければ、進歩性を否定する根拠に使用されるものではない。
【００２６】
光電変換層１３は、上述した欠陥が増大しない限りにおいては、大きいほど好ましいが、現状では３μｍが上限値である。但し、この上限値は、成膜条件のさらなる最適化や、成膜技術の進歩などに応じて向上されることが期待されるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【００２７】
また、ｎ型ＧａＮ導電層１２は、複数の溝を有するＧａＮ下地層、すなわちＧａＮ基板１１上に形成することが好ましい。この場合、ＧａＮ基板１１上に形成されるｎ型ＧａＮ導電層１２中の転位密度が低減され、その上に形成される光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４中の転位密度も低減されるようになる。結果として、得られる太陽電池１０中の欠陥がより減少し、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性を向上させることができる。
【００２８】
上述したＧａＮ基板１１は、例えば、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にＧａＮ層を形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ２などの選択性を有する誘電体材料からなるストライプ状の層を形成してなるような構成を有する（第１の溝付きＧａＮ基板）。このような構成のＧａＮ基板１１上に、ｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、下方から伝播してきた転位は、ストリップ状の層を貫通することがないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００２９】
また、ＧａＮ基板１１は、サファイア基板上に低温緩衝層を形成した後、この緩衝層上にファセットを有するＡｌＧａＮ層を形成し、さらにファセットを埋設するようにしてＧａＮ層を形成した後、得られた積層構造をサファイア基板の表面が露出するまでエッチングし、ストリップ状のパターンとしたような構成とすることができる（第２の溝付きＧａＮ基板）。サファイア基板上に、ストリップ状パターンを介してｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、ストリップ状パターンの底面からは転位が発生せず、また上方に伝播しないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００３０】
さらに、ＧａＮ基板１１は、ＳｉＣ基板上に低温緩衝層及びＧａＮ層を順次に形成した後、得られた積層構造をＳｉＣ基板内部にまで達するようにエッチングし、ＳｉＣ基板のエッチングによって形成された凸凹面を含むようなストリップ状パターンを形成するように構成することができる（第３の溝付きＧａＮ基板）。その後、ＳｉＣ基板の凹部上に、ストリップ状パターンを介してｍ面配向のＧａＮ層をエピタキシャル成長させれば、ストリップ状パターンの底面、すなわちＳｉＣ基板の凹部からは転位が発生せず、また上方に伝播しないので、エピタキシャル成長させたＧａＮ層中の転位密度が低減される。結果として、低転位密度のｍ面ＧａＮからなるｎ型ＧａＮ導電層１２を形成することができる。
【００３１】
なお、図２〜４において、第１の溝付きＧａＮ基板から第３の溝付きＧａＮ基板の概略構成を示す。
【００３２】
また、上述した複数の溝を有するＧａＮ基板１１はあくまでも一例であって、汎用あるいは公知の手段を用いて形成したものであってもよい。
【実施例】
【００３３】
ｃ面サファイア基板上にＡｌＮからなる低温緩衝層を厚さ２０ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって６００℃で形成した後、この緩衝層上に同じくＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を厚さ３μｍにＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成し、このＧａＮ層上にＳｉＯ２からなるストライプ状の層をスパッタリング及びエッチングによって厚さ１００ｎｍ及び幅５μｍとなるように形成し、ＧａＮ基板１１（第１の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３４】
また、ａ面サファイア基板上にＡｌＮからなる低温緩衝層を厚さ２０ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって６００℃で形成した後、この緩衝層上にファセットを有するＡｌＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって９５０℃で形成し、さらにファセットを埋設するようにしてＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成した後、得られた積層構造をサファイア基板の表面が露出するまでエッチングし、ストリップ状のパターンとして、ＧａＮ基板１１（第２の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３５】
さらに、ｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板上にＡｌＮからなる緩衝層を厚さ１００ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって１０００℃で形成した後、ＧａＮ層を厚さ２０００ｎｍにＭＯＣＶＤ法によって１０７０℃で形成し、さらに得られた積層構造をＳｉＣ基板内部にまで達するようにエッチングし、ＳｉＣ基板のエッチングによって形成された凸凹面を含むようなストリップ状パターンを形成して、ＧａＮ基板１１（第３の溝付きＧａＮ基板）を得た。
【００３６】
次いで、第１の溝付きＧａＮ基板１１から第３の溝付きＧａＮ基板１１のぞれぞれに、ｎ型ＧａＮ導電層１２、Ｇａ０．９３〜０．９５Ｉｎ０．０７〜０．０５Ｎ光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４を順次にＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させた。なお、ｎ型ＧａＮ導電層１２及びｐ型ＧａＮ導電層１４の厚さはそれぞれ３μｍとし、光電変換層１３の厚さは、２００ｎｍ、７００ｎｍ、１．１μｍの３段階で変化させた。
【００３７】
なお、ｎ型ＧａＮ導電層１２、光電変換層１３及びｐ型ＧａＮ導電層１４は、ＧａＮ基板１１を構成するｃ面サファイア基板、ａ面サファイア基板及びｍ面ＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長させているので、各層の結晶配向は、これら基板の影響を受けて同方向に配向する。
【００３８】
図５は、上述のようにして形成した光電変換層の表面ＳＥＭ写真である。図５（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、ｃ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ｃ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ２００ｎｍにおいても平坦な表面を得ることができず、表面欠陥を有することが分かる。
【００３９】
また、図５（ｄ）〜（ｆ）から明らかなように、ａ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ａ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ７００ｎｍまでは平坦な表面を有するものの、厚さが１．１μｍに達すると平坦な表面を得ることができずに、表面欠陥を有することが分かる。
【００４０】
さらに、図５（ｇ）〜（ｉ）から明らかなように、ｍ面配向のｎ型ＧａＮ導電層上に形成した（ｍ面配向の）ＧａＩｎＮ光電変換層は、厚さ１．１μｍまで平坦な表面を有し、表面欠陥が少ないことが分かる。
【００４１】
次いで、図５（ｃ）、（ｆ）、（ｉ）の表面モルフォルジーを有するＧａＩｎＮ光電変換層を有する上述した構成の太陽電池１０に対して、１ｋＷ／ｍ２の強度の光（ＡＭ１．５ソーラーシミュレータ）を照射し、ｐ型ＧａＮ導電層１４上に形成したＮｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）の電極から生成した電流を取り出して、開放電圧及び光電変換効率を求めた。その結果、開放電圧は、それぞれ１．４Ｖ、１．６Ｖ及び２．１Ｖであり、光電変換効率は、それぞれ０．８％、０．９％及び２．０％であることが判明した。
【００４２】
この結果から明らかなように、本発明にしたがって、ｍ面配向したｎ型ＧａＮ導電層上に形成された（ｍ面配向）のＧａＩｎＮ光電変換層は、その大きな膜厚に依存して吸収すべき太陽光の量が増大し、欠陥が少ないことに起因して、生成した電子及び正孔が欠陥にトラップされることがないので、生成する起電力の大きさを増大させることができ、開放電圧や光電変換効率などの太陽電池として特性の向上を実現できることが判明した。
【００４３】
以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 太陽電池
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型ＧａＮ導電層
１３ ＧａＩｎＮ光電変換層
１４ ｐ型ＧａＮ導電層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、
前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、
前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、
を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池。
【請求項２】
前記光電変換層の厚さが７００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項３】
前記光電変換層の厚さが１．１μｍ以上であることを特徴とする、請求項２に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項４】
前記第１のIII族窒化物が、ＧａＷＩｎ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）なる組成を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項５】
前記第１の導電層は、複数の溝を有するＧａＮ下地層上に形成されてなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項６】
（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層上に、第１のIII族窒化物からなる光電変換層を形成すると、
前記光電変換層上に、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池の製造方法。
【請求項１】
（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層と、
前記第１の導電層上にエピタキシャル成長され、第１のIII族窒化物からなる光電変換層と、
前記光電変換層上に形成され、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層と、
を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池。
【請求項２】
前記光電変換層の厚さが７００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項３】
前記光電変換層の厚さが１．１μｍ以上であることを特徴とする、請求項２に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項４】
前記第１のIII族窒化物が、ＧａＷＩｎ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１）なる組成を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項５】
前記第１の導電層は、複数の溝を有するＧａＮ下地層上に形成されてなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のIII族窒化物系太陽電池。
【請求項６】
（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層上に、第１のIII族窒化物からなる光電変換層を形成すると、
前記光電変換層上に、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層を形成する工程と、
を具えることを特徴とする、III族窒化物系太陽電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９７８５（Ｐ２０１２−９７８５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４６７７３（Ｐ２０１０−１４６７７３）
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（５９９００２０４３）学校法人 名城大学 (142)
【Ｆターム（参考）】
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