JP2011222620A - Solar cell - Google Patents
Solar cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011222620A JP2011222620A JP2010087699A JP2010087699A JP2011222620A JP 2011222620 A JP2011222620 A JP 2011222620A JP 2010087699 A JP2010087699 A JP 2010087699A JP 2010087699 A JP2010087699 A JP 2010087699A JP 2011222620 A JP2011222620 A JP 2011222620A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light absorption
- absorption layer
- substrate
- rich region
- solar cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、太陽電池に関する。特に、本発明は、III−V族化合物半導体を含む太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell. In particular, the present invention relates to a solar cell including a III-V compound semiconductor.
III−V族化合物半導体を光吸収層に用いた太陽電池の結晶の製造においては、格子不整合による転位の発生を防ぐため、使用する基板の格子定数と、その上にエピタキシャル成長させる層を構成する結晶の格子定数とを整合させるのが一般的である。そのため、GaAs基板やGaAsの格子定数に近い格子定数を有するGe基板が用いられる。ただし、太陽電池セルのコストを考慮すると、使用する基板のコストの低減は重要である。GaAs基板やGe基板は高価であるので、電子デバイスに広く用いられている安価なSi基板上にGaAs等の化合物半導体をエピタキシャル成長すること、いわゆるSi基板上のヘテロエピタキシーも検討されている。 In manufacturing a solar cell crystal using a group III-V compound semiconductor as a light absorption layer, in order to prevent the occurrence of dislocation due to lattice mismatch, a lattice constant of a substrate to be used and a layer to be epitaxially grown thereon are formed. It is common to match the lattice constant of the crystal. For this reason, a GaAs substrate or a Ge substrate having a lattice constant close to that of GaAs is used. However, considering the cost of the solar battery cell, it is important to reduce the cost of the substrate to be used. Since GaAs substrates and Ge substrates are expensive, the epitaxial growth of compound semiconductors such as GaAs on inexpensive Si substrates widely used in electronic devices, so-called heteroepitaxy on Si substrates, has also been studied.
しかしながら、GaAsの格子定数が0.5653nmであるのに対し、Siの格子定数は0.5431nmであり、約4%の格子不整合が生じる。したがって、Si基板上へのGaAsの結晶成長は一般には非常に難しい。何も対策をしなければ、108cm−3オーダーの転位が発生してしまう。このような転位は、成長温度を室温に下げる際に、Siの熱膨張率とGaAsの熱膨張率との熱膨張率差に起因して発生すると考えられている(例えば、非特許文献1)。 However, the lattice constant of GaAs is 0.5653 nm, whereas the lattice constant of Si is 0.5431 nm, resulting in a lattice mismatch of about 4%. Therefore, crystal growth of GaAs on a Si substrate is generally very difficult. If no countermeasure is taken, dislocations of the order of 10 8 cm −3 will occur. Such dislocation is considered to occur due to the difference in thermal expansion coefficient between Si and GaAs when the growth temperature is lowered to room temperature (for example, Non-Patent Document 1). .
このような転位は、太陽光を吸収することにより半導体層で発生したキャリアを、電極からセル外部に取り出す前に再結合させてしまう原因になる。したがって、太陽光を効率よく吸収する半導体材料を選んだとしても、外部に取り出せるエネルギーは減少してしまうので、変換効率の低下につながる(例えば、非特許文献2)。 Such dislocations cause carriers generated in the semiconductor layer by absorbing sunlight to be recombined before being taken out of the cell from the electrode. Therefore, even if a semiconductor material that efficiently absorbs sunlight is selected, the energy that can be extracted to the outside decreases, leading to a decrease in conversion efficiency (for example, Non-Patent Document 2).
そこで、このような転位の密度を低減するために、超格子バッファ層や熱サイクルアニール等の方法が提案され(例えば、特許文献1及び非特許文献3)、実際に太陽電池の製造に適用することによって転位密度を106cm−3程度までは低減することができる。しかしながら、GaAs基板上にSiを成長した場合と比べても、1桁以上多い転位密度のレベルにとどまっている。他にも、バッファ層を工夫すること等で転位密度を低減する方法が試みられているが(例えば、特許文献2)、そのような方法を太陽電池に応用しても変換効率を十分に高めることができず、Si等からなる基板上の太陽電池はいまだ実用には至っていない。
Thus, in order to reduce the density of such dislocations, methods such as a superlattice buffer layer and thermal cycle annealing have been proposed (for example,
したがって、本発明の目的は、基板上に化合物半導体からなる層をヘテロエピタキシーで成長して作製される太陽電池であっても、太陽光スペクトルを吸収して発生するキャリアを、転位に関連するトラップで再結合させずに効率よく取り出すことができる構造を備える太陽電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to trap carriers generated by absorbing the solar spectrum, which are produced by growing a layer made of a compound semiconductor on a substrate by heteroepitaxy. It is an object of the present invention to provide a solar cell having a structure that can be efficiently taken out without recombination.
本発明は、上記目的を達成するため、主面を有する基板と、基板上に形成され、第1の導電型のInxGa1−xP(0<x≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第1の光吸収層と、第1の光吸収層上に形成され、第1の導電型とは異なる第2の導電型のInyGa1−yP(0<y≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第2の光吸収層とを備え、第1の光吸収層の複数の領域のそれぞれと、第2の光吸収層の複数の領域のそれぞれとが、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池が提供される。 In order to achieve the above object, the present invention comprises a substrate having a principal surface and a first conductivity type In x Ga 1-x P (0 <x ≦ 1) formed on the substrate. Is formed on the first light absorption layer and has a second conductivity type different from the first conductivity type. In y Ga 1-y P (0 <Y ≦ 1), and a second light absorption layer having a plurality of regions having different In composition ratios, each of the plurality of regions of the first light absorption layer, and the second light absorption layer Provided is a solar cell in which each of the plurality of regions is distributed in the form of quantum dots in a plane parallel to the main surface.
また、上記太陽電池において、第1の光吸収層の複数の領域が、第1の光吸収層の平均In組成比より高いIn組成比の第1のInリッチ領域を含み、第2の光吸収層の複数の領域が、第2の光吸収層の平均In組成比より高いIn組成比の第2のInリッチ領域を含み、第1のInリッチ領域の平面視における位置と、第2のInリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致するようにしてもよい。 In the solar cell, the plurality of regions of the first light absorption layer include a first In-rich region having an In composition ratio higher than the average In composition ratio of the first light absorption layer, and the second light absorption. A plurality of regions of the layer include a second In-rich region having an In composition ratio higher than the average In composition ratio of the second light absorption layer, and the position of the first In-rich region in plan view; The position of the rich region in plan view may be substantially matched.
また、上記太陽電池において、第1のInリッチ領域の平面視における大きさが、第1の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第2のInリッチ領域の平面視における大きさが、第2の光吸収層の転位の平均間隔より小さいようにしてもよい。 In the solar cell, the size of the first In-rich region in plan view is smaller than the average distance between dislocations of the first light absorption layer, and the size of the second In-rich region in plan view is You may make it smaller than the average distance of the dislocation of 2 light absorption layers.
また、上記太陽電池において、第1の光吸収層の平均In組成比x、及び第2の光吸収層の平均In組成比yのいずれもが、主面に平行な面内で0.28以上1以下であることが好ましい。 In the solar cell, both the average In composition ratio x of the first light absorption layer and the average In composition ratio y of the second light absorption layer are 0.28 or more in a plane parallel to the main surface. It is preferably 1 or less.
また、上記太陽電池において、第2の光吸収層上に形成され、第1の導電型及び第2の導電型とは異なる第3の導電型のInzGa1−zP(0<z≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第3の光吸収層を更に備え、第3の光吸収層の複数の領域がそれぞれ、主面に平行な面内で量子ドット状に分布していることが好ましい。 In the solar cell, the third conductivity type In z Ga 1-z P (0 <z ≦ 0) is formed on the second light absorption layer and is different from the first conductivity type and the second conductivity type. 1), and further comprising a third light absorption layer having a plurality of regions having different In composition ratios, and each of the plurality of regions of the third light absorption layer is in the form of quantum dots within a plane parallel to the main surface. It is preferable that they are distributed.
また、上記太陽電池において、第3の光吸収層の複数の領域が、第3の光吸収層の平均In組成比より高いIn組成比の第3のInリッチ領域を含み、第2のInリッチ領域の平面視における位置と、第3のInリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致するようにすることもできる。 In the solar cell, the plurality of regions of the third light absorption layer include a third In rich region having an In composition ratio higher than the average In composition ratio of the third light absorption layer, and the second In rich region. The position of the region in plan view and the position of the third In-rich region in plan view can be substantially matched.
また、上記太陽電池において、第1のInリッチ領域の平面視における大きさが、第1の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第2のInリッチ領域の平面視における大きさが、第2の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、第3のInリッチ領域の平面視における大きさが、第3の光吸収層の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。 In the solar cell, the size of the first In-rich region in plan view is smaller than the average distance between dislocations of the first light absorption layer, and the size of the second In-rich region in plan view is It is preferable that the average distance between dislocations of the second light absorption layer is smaller than the average distance between dislocations of the third light absorption layer.
また、上記太陽電池において、第1の光吸収層の平均In組成比x、第2の光吸収層の平均In組成比y、及び第3の光吸収層の平均In組成比zのいずれもが、主面に平行な面内で0.28以上1以下であることが好ましい。 In the solar cell, the average In composition ratio x of the first light absorption layer, the average In composition ratio y of the second light absorption layer, and the average In composition ratio z of the third light absorption layer are all. In the plane parallel to the main surface, it is preferably 0.28 or more and 1 or less.
また、上記太陽電池において、基板と第1の光吸収層との間に、第1の光吸収層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する複数の半導体層からなるpn接合を含むようにすることもできる。 The solar cell may include a pn junction formed of a plurality of semiconductor layers having a band gap smaller than the band gap of the first light absorption layer between the substrate and the first light absorption layer. it can.
また、上記太陽電池において、基板が、GaAs、InP、Ge、及びSiからなる群から選択される一の材料からなることが好ましい。 In the solar cell, the substrate is preferably made of one material selected from the group consisting of GaAs, InP, Ge, and Si.
本発明に係る太陽電池によれば、基板上に化合物半導体からなる層をヘテロエピタキシーで成長して作製される太陽電池であっても、太陽光スペクトルを吸収して発生するキャリアを、転位に関連するトラップで再結合させずに効率よく取り出すことができる構造を備える太陽電池を提供できる。 According to the solar cell of the present invention, even in a solar cell produced by growing a layer made of a compound semiconductor on a substrate by heteroepitaxy, carriers generated by absorbing the solar spectrum are related to dislocations. Thus, a solar cell having a structure that can be efficiently taken out without being recombined with a trap is provided.
[実施の形態の要約]
光吸収層がIII−V族化合物半導体から形成される太陽電池において、主面を有する基板と、前記基板上に形成され、第1の導電型のInxGa1−xP(0<x≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第1の光吸収層と、前記第1の光吸収層上に形成され、第1の導電型とは異なる第2の導電型のInyGa1−yP(0<y≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第2の光吸収層とを備え、前記第1の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれと、前記第2の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれとが、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池が提供される。
[Summary of embodiment]
In a solar cell in which a light absorption layer is formed of a III-V group compound semiconductor, a substrate having a main surface and an In x Ga 1-x P (0 <x ≦ 1) of the first conductivity type formed on the substrate. 1), a first light absorption layer having a plurality of regions having different In composition ratios, and a second conductivity type formed on the first light absorption layer and having a second conductivity type different from the first conductivity type. A plurality of regions of the first light absorption layer, each of which includes a plurality of regions made of In y Ga 1-y P (0 <y ≦ 1) and having different In composition ratios. And the plurality of regions of the second light absorption layer are distributed in a quantum dot shape in a plane parallel to the main surface.
[第1の実施の形態]
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
[First Embodiment]
FIG. 1A shows an outline of a cross section of a solar battery cell according to the first embodiment of the present invention.
第1の実施の形態に係る太陽電池としての太陽電池セル1は、主面を有する基板102と、基板102上(すなわち、主面上)に形成され、第1の導電型のInxGa1−xP(0<x≦1)からなる第1の光吸収層としての光吸収層103と、光吸収層103上に接して形成され、第1導電型とは異なる第2の導電型のInyGa1−yP(0<y≦1)からなる第2の光吸収層としての光吸収層104と、基板102の主面の反対側の面に形成される電極101と、光吸収層104の上に形成される電極105とを備える。
A
ここで、光吸収層103は、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する。同様に、光吸収層104は、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する。更に、本実施の形態においては、光吸収層103のIn組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれと、光吸収層104のIn組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれとが、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している。すなわち、これらの複数の領域は、各光吸収層のそれぞれにおいて、平面視にて直径が数十〜数百nmの大きさであり、間隔をおいて分布している。
Here, the
また、光吸収層103のIn組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層103の平均In組成比より高いIn組成比の第1のInリッチ領域としてのInリッチ領域106aと、当該平均In組成比よりIn組成比の低い領域106bとを含む。そして、平面視にて(すなわち、基板102の主面に平行な面内で観察した場合)、Inリッチ領域106aは、In組成比が低い領域106bの中に量子ドット状に分布している。同様に、光吸収層104のIn組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層104の平均In組成比より高いIn組成比の第2のInリッチ領域としてのInリッチ領域107aと、当該平均In組成比よりIn組成比の低い領域107bとを含む。そして、平面視にて、Inリッチ領域107aは、In組成比が低い領域107bの中に量子ドット状に分布している。更に、本実施の形態においては、光吸収層103のInリッチ領域106aの平面視における位置と、光吸収層104のInリッチ領域107aの平面視における位置とが、実質的に一致するように形成されている。
The plurality of regions having different In composition ratios of the
また、光吸収層103のInリッチ領域106aの平面視における大きさが、光吸収層103の転位の平均間隔より小さく、光吸収層104のInリッチ領域107aの平面視における大きさが、光吸収層104の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。そして、光吸収層103の平均In組成比x、及び光吸収層104の平均In組成比yのいずれもが、基板102主面に平行な面内で0.28以上1以下であることが好ましい。
Further, the size of the In-
図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係る太陽電池セルの光吸収層の基板の主面に平行な方向におけるエネルギーバンド図の概要を示す。 FIG. 1B shows an outline of an energy band diagram in a direction parallel to the main surface of the substrate of the light absorption layer of the solar battery cell according to the first embodiment of the present invention.
エネルギーバンド図108に示すように、Inリッチ領域106aのIn組成比は領域106bのIn組成比より高いので、Inリッチ領域106aのバンドギャップは領域106bのバンドギャップより小さい。したがって、電子及び正孔にとっては、バンドギャップの小さなInリッチ領域106aに存在する方がエネルギー的に安定であり、領域106bに存在するキャリアは容易にInリッチ領域106aの方へ集まる。
As shown in the energy band diagram 108, since the In composition ratio of the In-
同様に、光吸収層104においても、Inリッチ領域107aのバンドギャップは領域107bのバンドギャップより小さいために、電子及び正孔にとっては、バンドギャップの小さなInリッチ領域107aに存在する方がエネルギー的に安定であり、領域107bに存在するキャリアは容易にInリッチ領域107aの方へ集まる。
Similarly, in the
つまり、光吸収層103及び光吸収層104のIn組成比を基板102の主面に平行な方向に沿って変化させることで、Inリッチ領域106a及びInリッチ領域107aに、電子及び正孔を集めやすい機能を発揮させることができる。また、光吸収層103のInリッチ領域106aの平面視における位置と、光吸収層104のInリッチ領域107aの平面視における位置とが実質的に一致しているので、基板102の主面に垂直な方向に、Inリッチ領域(すなわち、Inリッチ領域106a及びInリッチ領域107a)を連続させること(すなわち、一体的に連続させること)ができる。これにより、Inリッチ領域106a及びInリッチ領域107aは、電子及び正孔を集めながら電極105まで到達させることができる。
That is, by changing the In composition ratio of the
なお、光通信等に広く用いられているInP系の半導体レーザは、光ディスクのピックアップ用に広く用いられているGaAs系半導体レーザに比べて劣化し難い性質を有している。これは、それらを構成している結晶に含まれるInの量に起因するものと考えられる。つまり、InP系半導体レーザに用いられているIn組成比の高い結晶は、転位の増殖等が抑制されるため劣化し難い。 Note that InP-based semiconductor lasers widely used for optical communication and the like have properties that are less likely to deteriorate than GaAs-based semiconductor lasers widely used for optical disk pickup. This is considered to be caused by the amount of In contained in the crystals constituting them. That is, crystals having a high In composition ratio used for InP semiconductor lasers are unlikely to deteriorate because dislocation growth is suppressed.
また、本実施の形態に係る太陽電池セル1は、光吸収層103及び光吸収層104で光を吸収し、光吸収層103及び光吸収層104で発生させたキャリアをInリッチ領域106a及びInリッチ領域107aに集めながら電極105まで到達させる。Inリッチ領域106a及びInリッチ領域107aは、In組成比が高いことから転位の増殖等が抑制され、劣化し難い。したがって、このような太陽電池セル1においては、転位によるキャリアの余分な再結合を抑えることができ、これにより太陽電池セル1の変換効率を高めることができる。
In addition, the
一方、転位が多いにも関わらず実用化に至っている半導体素子の例としては、サファイア基板上に形成されるInGaN系青色半導体レーザが挙げられる。この半導体レーザがレーザ発振可能である理由も、In組成比が高いことに起因する。すなわち、InGaNのIn組成比が面内で揺らいでおり、In組成比の高いInリッチ領域にキャリアが局在化し、電子と正孔とが弱く結合した励起子(エキシトン)を形成して量子ドットのように機能すると共に、その大きさが転位密度の平均間隔よりも小さいために、転位の影響を受け難いからと考えられている。 On the other hand, an example of a semiconductor element that has been put into practical use despite the large number of dislocations is an InGaN-based blue semiconductor laser formed on a sapphire substrate. The reason that this semiconductor laser can oscillate is also due to the high In composition ratio. In other words, the In composition ratio of InGaN fluctuates in the plane, carriers are localized in the In rich region where the In composition ratio is high, and excitons (excitons) in which electrons and holes are weakly bonded are formed to form quantum dots. This is thought to be because it is difficult to be affected by dislocations because it functions as described above and its size is smaller than the average interval of dislocation density.
つまり、光吸収層103及び光吸収層104内のInリッチ領域106a及びInリッチ領域107aの大きさが、その光吸収層103及び光吸収層104の結晶の転位密度の平均間隔よりも小さければ、キャリアがInリッチ領域106a及びInリッチ領域107a内に局在化する。これにより、転位によるキャリアの再結合を大幅に抑制できる。したがって、本実施の形態のように、光吸収層103及び光吸収層104のInリッチ領域106a及びInリッチ領域107aの大きさを、その結晶の転位密度の平均間隔より小さくすれば、光吸収により発生したキャリアを、転位による再結合によって失うことなく、電極まで取り出すことができる。
That is, if the size of the In-
また、太陽電池セルで光を効率よく吸収させるには、光吸収層103及び光吸収層104は、直接遷移半導体から形成されることが望ましい。InGaPの場合は、In組成比が0.28より小さくなると、間接遷移半導体となり、光の吸収効率が低下する。したがって、本実施の形態においては、光吸収層103及び光吸収層104のIn組成比は、0.28以上1以下の範囲にする。
In addition, in order to efficiently absorb light in the solar battery cell, it is desirable that the
(第1の実施の形態の効果)
第1の実施の形態に係る太陽電池セル1は、光吸収層103及び光吸収層104が光を吸収することによって光吸収層103及び光吸収層104において発生するキャリアを、In組成比の高いInリッチ領域106a及びInリッチ領域107aを通して電極から取り出すことができるので、太陽電池セル1中に存在する転位におけるキャリアの再結合を抑制できる。これにより、転位密度が大きな結晶を太陽電池セル1に用いた場合でも、変換効率の高い太陽電池セル1を実現することができる。
(Effects of the first embodiment)
In the
[第2の実施の形態]
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
[Second Embodiment]
FIG. 2: shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
第2の実施の形態に係る太陽電池セル2は、光吸収層104上に第3の光吸収層としての光吸収層200を更に備える点を除き、第1の実施の形態に係る太陽電池セル1と略同一の構成、機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
The solar cell 2 according to the second embodiment is the solar cell according to the first embodiment, except that the
太陽電池セル2は、基板102と、基板102上に形成される光吸収層103と、光吸収層103上に形成される光吸収層104と、光吸収層104の上に形成され、第1の導電型及び第2の導電型とは異なる第3の導電型のInzGa1−zP(0<z≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する光吸収層200と、基板102の主面の反対側の面に形成される電極101と、光吸収層200の上に形成される電極105とを備える。
The solar battery cell 2 is formed on the
ここで、光吸収層200のIn組成比が互いに異なる複数の領域のそれぞれは、主面に平行な面内で量子ドット状に分布している。すなわち、複数の領域は、光吸収層200において、平面視にて直径が数十〜数百nmの大きさであり、間隔をおいて分布している。また、光吸収層200のIn組成比が互いに異なる複数の領域は、光吸収層200の平均In組成比より高いIn組成比の第3のInリッチ領域としてのInリッチ領域201aと、当該平均In組成比よりIn組成比の低い領域201bとを含む。なお、光吸収層200のInリッチ領域201aの平面視における大きさは、光吸収層200の転位の平均間隔より小さいことが好ましい。
Here, each of the plurality of regions having different In composition ratios in the
そして、平面視にて(すなわち、基板102の主面に平行な面内で観察した場合)、Inリッチ領域201aは、In組成比が低い領域201bの中に量子ドット状に分布している。更に、本実施の形態においては、光吸収層104のInリッチ領域107aの平面視における位置と、光吸収層200のInリッチ領域201aの平面視における位置とが、実質的に一致するように形成されている。すなわち、第2の実施の形態においては、光吸収層103のInリッチ領域106aの平面視における位置と、光吸収層104のInリッチ領域107aの平面視における位置と、光吸収層200のInリッチ領域201aの平面視における位置とが、実質的に一致するような配置になっている。
In a plan view (that is, when observed in a plane parallel to the main surface of the substrate 102), the In
第2の実施の形態に係る太陽電池セル2を用いることにより、第1の実施の形態に係る太陽電池セル1と同様に、光吸収層103乃至光吸収層200に光が吸収されることによってこれらの光吸収層内に生じたキャリアを電極105から取り出す場合に、太陽電池セル2中の転位によるキャリアの再結合を抑制できる。これにより、太陽電池セル2の変換効率を高めることができる。また、InGaPを直接遷移型半導体にすることにより光吸収層103乃至光吸収層200の光の吸収効率を向上させることを目的として、光吸収層103、光吸収層104、及び光吸収層200のIn組成比は、いずれも0.28以上1以下の範囲にすることが好ましい。
By using the solar battery cell 2 according to the second embodiment, light is absorbed by the
[第3の実施の形態]
図3Aは、本発明の第3の実施の形態に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
[Third Embodiment]
FIG. 3A shows an outline of a cross section of a solar battery cell according to the third embodiment of the present invention.
第3の実施の形態に係る太陽電池セル3は、第1の実施の形態に係る太陽電池セル1において、基板102と光吸収層103との間に太陽電池構造30を設けた点を除き、第1の実施の形態に係る太陽電池セル1と略同一の構成、機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
The
太陽電池構造30は、基板102上に設けられる。そして、太陽電池構造30は、光吸収層103を構成する半導体のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する複数の半導体層からなるpn接合界面311を含む。具体的に、複数の半導体層は、基板102上に設けられる半導体層300と、半導体層300上に設けられる半導体層310とを含む。
The
半導体層300の導電型と半導体層310の導電型とを互いに変えることにより、半導体層300と半導体層310との間にpn接合界面311が存在することになる。したがって、半導体層300と半導体層310とはそれぞれ、光吸収層として機能する太陽電池構造30を構成しており、太陽電池セル3全体では、いわゆるタンデム型太陽電池を構成する。
By changing the conductivity type of the
光吸収層103のバンドギャップよりも小さなエネルギーを持つ光は、光吸収層103で吸収されずにそのまま太陽電池構造30に到達する。太陽電池構造30を構成する半導体層300のバンドギャップと半導体層310のバンドギャップとが、光吸収層103のバンドギャップよりも小さいので、光吸収層103で吸収し切れなかった光は太陽電池構造30で吸収させることができ、太陽電池の効率を高くすることができる。
Light having energy smaller than the band gap of the
このような、タンデム型太陽電池の場合においても、光吸収層103と光吸収層104とが第1の実施の形態と同様の機能を有するので、第1の実施の形態に係る太陽電池セル1と同様の効果が得られる。
Even in the case of such a tandem solar cell, since the
[第3の実施の形態の変形例]
図3Bは、本発明の第3の実施の形態の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。
[Modification of Third Embodiment]
FIG. 3B shows an outline of a cross section of a solar battery cell according to a modification of the third embodiment of the present invention.
第3の実施の形態の変形例に係る太陽電池セル3aは、第2の実施の形態に係る太陽電池セル2において、基板102と光吸収層103との間に太陽電池構造30を設けた点を除き、第2の実施の形態に係る太陽電池セル2と略同一の構成、機能を備える。そして、太陽電池構造30は、第3の実施の形態に係る太陽電池セル3と同一の構成を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
The
第3の実施の形態の変形例に係る太陽電池セル3aにおいても、光吸収層103乃至光吸収層200が第2の実施の形態に係る太陽電池セル2と同様の機能を有するので、第2の実施の形態に係る太陽電池セル2と同様の効果が得られる。
Also in the
なお、基板102としては、GaAs、InP、Ge、及びSiからなる群から選択される一の材料から形成される半導体基板を用いることができる。
Note that as the
図4の(a)は、本発明の実施例1に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 (A) of FIG. 4 shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on Example 1 of this invention.
実施例1に係る太陽電池セル4は、n型Siの基板402の上に、厚さ250nmのn型ドープのInGaPからなる光吸収層403と、厚さ250nmのp型ドープのInGaPからなる光吸収層404とをこの順に積層した構造を備え、n型Siの基板402の下面にn型の電極401を有し、p型ドープのInGaPからなる光吸収層404の上面にp型の透明電極405を有する。
The solar battery cell 4 according to Example 1 includes a
図4の(b)は、本発明の実施例1に係る太陽電池セルの光吸収層403の拡大断面の概要を示す。
FIG. 4B shows an outline of an enlarged cross section of the
n型ドープのInGaPからなる光吸収層403は、n型ドープのInPの量子ドット406cとn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層406dとを1組として、これを50組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、n型ドープのInPの量子ドット406cは、基板402に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、n型ドープのInPの量子ドット406cが基板面に垂直に並んだ構造は、n型ドープのInGaPの光吸収層403の平均In組成比より高いIn組成比のInリッチ領域406aとして機能する。また、n型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層406dが基板面に垂直に並んだ構造は、n型ドープのInGaPの光吸収層403の平均In組成比より低いIn組成の領域406bとして機能する。なお、Inリッチ領域406aと領域406bとは、いずれもIn組成比が0.28以上1以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
The
図4の(c)は、本発明の実施例1に係る太陽電池セルの光吸収層404の拡大断面の概要を示す。
(C) of FIG. 4 shows the outline of the expanded cross section of the
p型ドープのInGaPの光吸収層404は、p型ドープのInPの量子ドット407cとp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層407dとを1組として、これを50組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、p型ドープのInPの量子ドット407cは、基板402に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、p型ドープのInPの量子ドット407cが基板面に垂直に並んだ構造は、p型ドープのInGaPの光吸収層404の平均In組成比より高いIn組成のInリッチ領域407aとして機能する。また、p型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層407dが基板面に垂直に並んだ構造は、p型ドープのInGaPの光吸収層404の平均In組成比より低いIn組成比の領域407bとして機能する。なお、Inリッチ領域407aと領域407bとは、いずれもIn組成比が0.28以上1以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
The p-type doped InGaP
具体的に実施例1に係る太陽電池セル4は以下のようにして製造した。まず、n型Siの基板402をMOVPE炉内に設置した。そして、n型Siの基板402の表面の酸化物を除去するために、MOVPE炉内を水素雰囲気中、1000℃に設定し、10分間の熱処理をn型Siの基板402に施した。その後、MOVPE炉内の温度を540℃まで降下させ、n型ドープのInPの量子ドット406cを、0.2ML/sの成長速度で、4ML相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウムとホスフィン及びジシランである。次に、MOVPE炉内の温度を600℃まで上昇させ、5nmのn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層406dを、0.7μm/hの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。
Specifically, the solar battery cell 4 according to Example 1 was manufactured as follows. First, an n-
このようにn型ドープのInPの量子ドット406cとn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層406dとを合計50層積層することで、計250nmのn型ドープの光吸収層403を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、5×1017cm−3であった。
Thus, a total of 50 layers of the n-type doped
続いて、MOVPE炉内温度を540℃まで降下させ、p型ドープのInPの量子ドット407cを、0.2ML/sの成長速度で、4ML相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。更に、MOVPE炉内温度を600℃まで上昇させ、5nmのp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層407dを、0.7μm/hの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。
Subsequently, the temperature in the MOVPE furnace was lowered to 540 ° C., and p-doped
このようにp型ドープのInPの量子ドット407cとp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層407dとを合計50層積層することで、計250nmのp型ドープの光吸収層404を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、1×1018cm−3であった。
Thus, a total of 50 layers of p-type doped
最後に、n型Siの基板402の下面に金と亜鉛とからなる合金から構成されるn型の電極401を形成すると共に、p型の光吸収層404の上面にITOからなるp型の透明電極405を形成した。
Finally, an n-
以上のようにして作製した実施例1の太陽電池セル4の断面構造をSEM、及びTEMで確認した。その結果、光吸収層403の量子ドット及び光吸収層404の量子ドットがいずれも、基板402面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認できた。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル4の断面において上下方向(すなわち、基板402の主面の法線方向)に並んだ光吸収層403の量子ドットと光吸収層404の量子ドットとが、互いに接していることも確認できた。
The cross-sectional structure of the solar battery cell 4 of Example 1 produced as described above was confirmed by SEM and TEM. As a result, it was confirmed that both the quantum dots of the
なお、実施例1と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は25nm、密度は1×1010cm−2であった。また、太陽電池セル4の転位密度を別途調べたところ、1×108cm−2であることが分かった。この場合、光吸収層403のInリッチ領域406a及び光吸収層404のInリッチ領域407aの平面視における大きさは、量子ドットの直径と同じ25nmであり、転位密度が1×108cm−2の結晶における転位の平均間隔1.1μmより十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル4についてAM1.5の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、3.2%であった。
In addition, on the same conditions as Example 1, only the quantum dot was grown on the board | substrate and the magnitude | size and density were investigated. As a result, the diameter of the quantum dots was 25 nm, and the density was 1 × 10 10 cm −2 . Moreover, when the dislocation density of the photovoltaic cell 4 was examined separately, it was found to be 1 × 10 8 cm −2 . In this case, the size of the In-
また、基板402をn型GaAsからなる基板に代えて、その他はすべて同一構造とした太陽電池セルも作製した。そして当該太陽電池セルについてAM1.5の基準スペクトルで変換効率を測定すると、3.6%であった。つまり、Siからなる基板上の太陽電池セル4は、光吸収層の転位密度が1×108cm−2と多いにもかかわらず、実質的に転位の影響を無視できるGaAsからなる基板を用いた太陽電池セルの約90%の変換効率が得られることが確認された。このことから、実施例1に係る太陽電池セル4を用いることで、光の吸収によって光吸収層403及び光吸収層404において発生したキャリアをInリッチ領域を経由して電極から取り出すことができるので、転位でのキャリアの再結合を抑制し、キャリアを外部に有効に取り出すことができることが確認できた。
Further, solar cells having the same structure were prepared in place of the
図5の(a)は、本発明の実施例2に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 (A) of FIG. 5 shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on Example 2 of this invention.
実施例2に係る太陽電池セル5は、n型Siの基板502上に、厚さ100nmのn型ドープのInGaPの光吸収層503と、厚さ300nmのアンドープのInGaPの光吸収層504と、厚さ100nmのp型ドープのInGaPの光吸収層505とをこの順に積層した構造を備える。更に、太陽電池セル5は、n型Siの基板502の下面(すなわち、主面の反対側の面)に設けられるn型用の電極501と、p型ドープのInGaPの光吸収層505の上面に設けられるp型用の透明電極506とを備える。
A
図5の(b)は、本発明の実施例2に係る太陽電池セルの光吸収層503の拡大断面の概要を示す。
(B) of FIG. 5 shows the outline of the expanded cross section of the
n型ドープのInGaPの光吸収層503は、n型ドープのInPの量子ドット507cとn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層507dとを1組として、これを20組、積層して製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、n型ドープのInPの量子ドット507cは、基板502に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、n型ドープのInPの量子ドット507cが基板面に垂直に並んだ構造は、n型ドープのInGaPの光吸収層503の平均In組成比より高いIn組成比のInリッチ領域507aとして機能する。また、n型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層507dが基板面に垂直に並んだ構造は、n型ドープのInGaPの光吸収層503の平均In組成比より低いIn組成の領域507bとして機能する。なお、Inリッチ領域507aと領域507bとはいずれも、In組成比が0.28以上1以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
The n-type doped InGaP
図5の(c)は、本発明の実施例2に係る太陽電池セルの光吸収層504の拡大断面の概要を示す。
(C) of FIG. 5 shows the outline of the expanded cross section of the
アンドープのInGaPの光吸収層504は、アンドープのInPの量子ドット508cとアンドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層508dとを1組として、これを60組、積層することで製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、アンドープのInPの量子ドット508cは、基板502に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、アンドープのInPの量子ドット508cが基板面に垂直に並んだ構造は、アンドープのInGaPの光吸収層504の平均In組成比より高いIn組成比のInリッチ領域508aとして機能する。また、アンドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層508dが基板面に垂直に並んだ構造は、アンドープのInGaPの光吸収層504の平均In組成比より低いIn組成比の領域508bとして機能する。なお、Inリッチ領域508aと領域508bとはいずれも、In組成比が0.28以上1以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
The undoped InGaP
図5の(d)は、本発明の実施例2に係る太陽電池セルの光吸収層505の拡大断面の概要を示す。
(D) of FIG. 5 shows the outline of the expanded cross section of the
p型ドープのInGaPの光吸収層505は、p型ドープのInPの量子ドット509cとp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層509dとを1組として、これを20組、積層することで製造した。このとき、量子ドットの自己組織化機構によって、p型ドープのInPの量子ドット509cは、基板502に対して垂直方向に整列して形成された。すなわち、p型ドープのInPの量子ドット509cが基板面に垂直に並んだ構造は、p型ドープのInGaPの光吸収層505の平均In組成比より高いIn組成比のInリッチ領域509aとして機能する。また、p型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層509dが基板面に垂直に並んだ構造は、p型ドープのInGaPの光吸収層505の平均In組成比より低いIn組成比の領域509bとして機能する。なお、Inリッチ領域509aと領域509bとはいずれも、In組成比が0.28以上1以下の範囲に入っているため、直接遷移型半導体である。
The p-type doped InGaP
具体的に実施例2に係る太陽電池セル5は以下のようにして製造した。まず、n型Siの基板502をMOVPE炉内に設置した。そして、n型Siの基板502の表面の酸化物を除去するために、MOVPE炉内を水素雰囲気中、1000℃に設定し、10分間の熱処理をn型Siの基板502に施した。その後、MOVPE炉内の温度を540℃まで降下させ、n型ドープのInPの量子ドット507cを、0.2ML/sの成長速度で、4ML相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。次に、MOVPE炉内の温度を600℃まで上昇させ、5nmのn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層507dを、0.7μm/hの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジシランである。
Specifically, the
このようにn型ドープのInPの量子ドット507cとn型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層507dとを合計20層積層することで、計100nmのn型ドープの光吸収層503を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、5×1017cm−3であった。
Thus, a total of 20 layers of the n-type doped
続いて、MOVPE炉内温度を540℃まで降下させ、アンドープのInPの量子ドット508cを、0.2ML/sの成長速度で、4ML相当分成長した。更に、MOVPE炉内温度を600℃まで上昇させ、5nmのアンドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層508dを、0.7μm/hの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、及びホスフィンである。
Subsequently, the temperature in the MOVPE furnace was lowered to 540 ° C., and undoped
このようにアンドープのInPの量子ドット508cとアンドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層508dとを合計60層積層することで、計300nmのアンドープの光吸収層504を形成した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、及びホスフィンである。
In this way, a total of 60 layers of undoped
続いて、MOVPE炉内温度を540℃まで降下させ、p型ドープのInPの量子ドット509cを、0.2ML/sの成長速度で、4ML相当分成長した。このとき使用した原料は、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。更に、MOVPE炉内温度を600℃まで上昇させ、5nm厚のp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層509dを0.7μm/hの成長速度で成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、ホスフィン、及びジエチル亜鉛である。
Subsequently, the temperature in the MOVPE furnace was lowered to 540 ° C., and p-doped
このようにp型ドープのInPの量子ドット509cとp型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層509dとを合計20層積層することで、計100nmのp型ドープの光吸収層505を形成した。なお、この層のキャリア濃度は、1×1018cm−3であった。
In this way, a total of 20 layers of p-type doped
最後に、n型Siの基板502の下面に金と亜鉛とからなる合金から構成されるn型の電極501を形成すると共に、p型の光吸収層505の上面にITOからなるp型の透明電極506を形成した。
Finally, an n-
以上のようにして作製した実施例2の太陽電池セル5の断面構造をSEM、及びTEMで確認した。その結果、光吸収層503乃至光吸収層505の量子ドットがいずれも、基板502面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認できた。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル5の断面において上下方向に並んだ光吸収層503の量子ドットと光吸収層504の量子ドットとが互いに接し、光吸収層504の量子ドットと光吸収層505の量子ドットとが互いに接していることも確認できた。
The cross-sectional structure of the
なお、実施例2と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は25nm、密度は1×1010cm−2であった。また、太陽電池セル5の転位密度を別途調べたところ、1×108cm−2であることが分かった。この場合、各光吸収層のInリッチ領域の大きさはそれぞれ、量子ドットの直径と同じ25nmであり、転位密度が1×108cm−2の結晶における転位の平均間隔1.1μmより十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル5について、AM1.5の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、3.4%であった。
In addition, on the same conditions as Example 2, only the quantum dot was grown on the board | substrate and the magnitude | size and density were investigated. As a result, the diameter of the quantum dots was 25 nm, and the density was 1 × 10 10 cm −2 . Moreover, when the dislocation density of the
また、基板502をn型GaAs基板からなる基板に代えて、その他はすべて同一構造とした太陽電池も作製した。そして当該太陽電池セルについてAM1.5の基準スペクトルで変換効率を測定すると、4.2%であった。つまり、Siからなる基板上の太陽電池セル5は、光吸収層の転位密度が1×108cm−2と多いにもかかわらず、実質的に転位の影響を無視できるGaAs基板上の太陽電池の約80%の変換効率が得られることが確認された。このことから、実施例2に係る太陽電池セル5を用いることで、光の吸収によって光吸収層503乃至光吸収層505に発生したキャリアをInリッチ領域を経由して電極から取り出すことにより、転位でのキャリアの再結合を抑制し、キャリアを外部に有効に取り出すことができることが確認できた。
Also, solar cells having the same structure were prepared in place of the
図6は、本発明の実施例3に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 FIG. 6: shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on Example 3 of this invention.
実施例3に係る太陽電池セル6は、p型Siの基板602上に、n型ドープのSiからなる光吸収層611と、n型ドープのGaAsからなる中間コンタクト層613と、n型ドープのInGaPの光吸収層603と、アンドープのInGaPの光吸収層604と、p型ドープのInGaPの光吸収層605とをこの順で積層した構造を備える。更に、太陽電池セル6は、p型Siの基板602の下面に設けられるp型の電極601と、n型ドープのGaAsの中間コンタクト層613上に設けられるn型の中間電極614と、p型ドープのInGaPの光吸収層605上に設けられるp型の透明電極606とを備える。
The
太陽電池セル6においては、p型Siの基板602とn型ドープのSiの光吸収層611との境界面がpn接合界面612になっており、p型Siの基板602も光吸収層として機能することで、基板602と光吸収層611とで太陽電池構造610を構成している。これにより、太陽電池セル6全体ではタンデム型太陽電池セル構造が構成されている。
In the
また、n型ドープのInGaPの光吸収層603、アンドープのInGaPの光吸収層604、及びp型ドープのInGaPの光吸収層605はそれぞれ、実施例2に係る太陽電池セル5の光吸収層503、光吸収層504、及び光吸収層505と同一の構成及び機能を有する。すなわち、n型ドープのInGaPの光吸収層603は、n型ドープのInPの量子ドットの積層構造からなるInリッチ領域607aと、n型ドープのIn0.49Ga0.51Pの中間層からなる領域607bとで構成されている。
Further, the n-type doped InGaP
ここで、InPのバンドギャップエネルギーは1.35eV、In0.49Ga0.51Pのバンドギャップエネルギーは1.88eVであり、太陽電池構造610を構成しているp型Siの基板602とn型ドープのSiの光吸収層611とのバンドギャップエネルギーは1.12eVである。したがって、p型Siの基板602のバンドギャップエネルギー及びn型ドープのSiの光吸収層611のバンドギャップエネルギーの方が、光吸収層603乃至光吸収層605のバンドギャップエネルギーより小さくなっている。
Here, the band gap energy of InP is 1.35 eV, the band gap energy of In 0.49 Ga 0.51 P is 1.88 eV, and the p-
具体的に実施例3に係る太陽電池セル6は以下のようにして製造した。まず、p型Siの基板602に熱拡散炉でAs原子を拡散させることにより、n型ドープのSiの光吸収層611を基板602の表面に形成した。このとき、n型ドープのSiの光吸収層611の厚さは0.5μm、キャリア濃度は1×1019cm−3であった。
Specifically, the
次に、n型ドープのSiの光吸収層611を形成したp型Siの基板602の表面を洗浄した。その後、基板602をMOVPE炉内に設置した。そして、基板602の表面の酸化物を除去するために、MOVPE炉内を水素雰囲気中、1000℃に設定し、10分間の熱処理をn型Siの基板602に施した。その後、MOVPE炉内の温度を700℃まで降下させ、n型ドープのGaAsの中間コンタクト層613を50nm成長した。このとき使用した原料は、トリメチルガリウム、アルシン、及びジシランである。なお、この層のキャリア濃度は5×1018cm−3であった。なお、n型ドープのGaAsの中間コンタクト層613より上の構造は、実施例2と同一であるため、詳細な説明を省略する。
Next, the surface of the p-
以上のようにして作製した実施例3に係る太陽電池セル6の断面構造をSEM、及びTEMで確認した。その結果、各光吸収層の量子ドットのそれぞれが、基板602面に垂直な方向に揃って並んでいることが確認された。これは、量子ドットの形成による歪エネルギーによって、自己組織的に形成されたためと考えられる。更に、太陽電池セル6の断面において上下方向に並んだ量子ドットは、互いに接していることも確認できた。
The cross-sectional structure of the
なお、実施例3と同一条件で、量子ドットのみを基板上に成長させ、その大きさと密度とを調査した。その結果、量子ドットの直径は25nm、密度は1×1010cm−2であった。また、太陽電池セル6の転位密度を別途調べたところ、1×108cm−2であることが分かった。この場合、各光吸収層のInリッチ領域の大きさは、量子ドットの直径と同じ25nmであり、転位密度が1×108cm−2の結晶における転位の平均間隔1.1μmよりも十分小さいことも分かった。そして、太陽電池セル6について、AM1.5の基準スペクトルで変換効率を測定してみると、12%であった。
In addition, on the same conditions as Example 3, only the quantum dot was grown on the board | substrate, and the magnitude | size and density were investigated. As a result, the diameter of the quantum dots was 25 nm, and the density was 1 × 10 10 cm −2 . Moreover, when the dislocation density of the
この変換効率の値は、p型Siの基板602とn型ドープのSiの光吸収層611とからなる太陽電池構造610の寄与が大きいものの、太陽電池構造610と同様の構造の単一セル太陽電池の変換効率を測定してみると9%であったことを考慮すると、n型ドープのInGaPの光吸収層603、アンドープのInGaPの光吸収層604、及びp型ドープのInGaPの光吸収層605からなる太陽電池構造の寄与分が3%程度あることが分かった。この値は、光吸収層の転位密度が1×108cm−2と多いことを考えると十分大きな値である。
The value of this conversion efficiency is greatly contributed by the
図7Aは、本発明の実施例1の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 FIG. 7A shows an outline of a cross section of a solar battery cell according to a modification of Example 1 of the present invention.
実施例1に係る太陽電池セル4の断面構造では(例えば、図4参照)、Inリッチ領域406aとInリッチ領域407aとが基板402の主面に平行な面内で完全に一致している。すなわち、Inリッチ領域406aの平面視における位置とInリッチ領域407aの平面視における位置とが完全に一致している。しかしながら、複数のInリッチ領域の平面視におけるそれぞれの位置は、Inリッチ領域406aの平面視における位置とInリッチ領域407aの平面視における位置とが実質的に一致している部分が存在する限り、互いに完全に一致していなくてもよい。例えば、実施例1の変形例に係る太陽電池セル7のように、Inリッチ領域706aの端部の一部とInリッチ領域707aの端部の一部とが接した形態にすることができる。
In the cross-sectional structure of the solar battery cell 4 according to Example 1 (see, for example, FIG. 4), the In
図7Bは、本発明の実施例1の他の変形例に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 FIG. 7B shows an outline of a cross section of a solar battery cell according to another modification of Example 1 of the present invention.
実施例1の他の変形例に係る太陽電池セル7aにおいては、Inリッチ領域726aの平面視における大きさとInリッチ領域727aの平面視における大きさとが、基板722の主面に垂直な方向に一定である必要はない。すなわち、図7Bに示すように、光吸収層723のInリッチ領域726a及び領域726b、並びに光吸収層724のInリッチ領域727a及び領域727bの太陽電池セル7aの断面における幅がそれぞれ、一定の幅を有していなくてもよい。
In the
図8は、本発明の実施例4に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 FIG. 8: shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on Example 4 of this invention.
実施例4に係る太陽電池セル8は、実施例1に係る太陽電池セル4とは、基板402と光吸収層403との間にバッファ層80を更に備える点を除き、太陽電池セル4と同一の構成及び機能を備える。バッファ層80を基板402上に設けることにより、光吸収層403及び光吸収層404を形成する場合に、光吸収層403及び光吸収層404の結晶性を向上させることができる。なお、バッファ層80としては、GaAs、InAs、GaP、InP、及びこれらの混晶からなる層、あるいはこれらの材料からなる層を複数重ね合わせた超格子構造(すなわち、超格子バッファ層)を採用することができる。実施例4においては、バッファ層80として、InGaAs/GaAsの超格子バッファ層を採用した。
The
図9は、本発明の実施例5に係る太陽電池セルの断面の概要を示す。 FIG. 9: shows the outline | summary of the cross section of the photovoltaic cell which concerns on Example 5 of this invention.
実施例5に係る太陽電池セル9は、実施例1に係る太陽電池セル4とは、光吸収層404上にウィンドウ層90を更に備える点を除き、太陽電池セル4と同一の構成及び機能を備える。ウィンドウ層90は、例えば、AlInPからなる層、又はAlGaInPからなる層を用いることができる。実施例5においては、ウィンドウ層90をp型のAlInP層から形成した。ウィンドウ層90を設けることにより、表面再結合によるキャリアの減少を抑制することができる。なお、太陽電池セル9は、実施例4のように、基板402上にバッファ層80を更に備えることもできる。
The solar cell 9 according to Example 5 has the same configuration and function as the solar cell 4 except that the solar cell 4 according to Example 1 further includes a
なお、実施例1乃至5に係る太陽電池セルは、Siからなる基板を用いたが、Siとは異なる材料(例えば、GaAs等)からなる基板を用いることもできる。また、実施例1乃至5に係る太陽電池セルの各光吸収層は、量子ドットの自己組織化機構を用いて形成したが、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術、及び再成長技術を組み合わせて作製することもできる。更に、各光吸収層等をMOVPEの代わりにMBE、LPE、又はHVPE等の方法を用いて形成することもできる。 In addition, although the board | substrate which consists of Si was used for the photovoltaic cell which concerns on Example 1 thru | or 5, the board | substrate which consists of materials (for example, GaAs etc.) different from Si can also be used. Moreover, although each light absorption layer of the photovoltaic cell which concerns on Example 1 thru | or 5 was formed using the self-organization mechanism of a quantum dot, it is produced combining photolithography technology, etching technology, and regrowth technology. You can also. Furthermore, each light absorption layer etc. can also be formed using methods, such as MBE, LPE, or HVPE, instead of MOVPE.
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 While the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. In addition, it should be noted that not all the combinations of features described in the embodiments and examples are essential to the means for solving the problems of the invention.
1、2、3、3a、4、5、6、7、7a、8、9 太陽電池セル
30 太陽電池構造
80 バッファ層
90 ウィンドウ層
101、105 電極
102 基板
103、104 光吸収層
106a、107a Inリッチ領域
106b、107b 領域
108 エネルギーバンド図
200 光吸収層
201a Inリッチ領域
201b 領域
300、310 半導体層
311 pn接合界面
401 電極
402 基板
403、404 光吸収層
405 透明電極
406a、407a Inリッチ領域
406b、407b 領域
406c、407c 量子ドット
406d、407d 中間層
501 電極
502 基板
503、504、505 光吸収層
506 透明電極
507a、508a、509a Inリッチ領域
507b、508b、509b 領域
507c、508c、509c 量子ドット
507d、508d、509d 中間層
601、606 電極
602 基板
603、604、605 光吸収層
607a、608a、609a Inリッチ領域
607b、608b、609b 領域
610 太陽電池構造
611 光吸収層
612 pn接合界面
613 中間コンタクト層
614 中間電極
703、704 光吸収層
706a、707a Inリッチ領域
706b、707b 領域
723、724 光吸収層
726a、727a Inリッチ領域
726b、726b 領域
1, 2, 3, 3a, 4, 5, 6, 7, 7a, 8, 9
Claims (10)
前記基板上に形成され、第1の導電型のInxGa1−xP(0<x≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第1の光吸収層と、
前記第1の光吸収層上に形成され、第1の導電型とは異なる第2の導電型のInyGa1−yP(0<y≦1)からなり、In組成比が互いに異なる複数の領域を有する第2の光吸収層とを備え、
前記第1の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれと、前記第2の光吸収層の前記複数の領域のそれぞれとが、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している太陽電池。 A substrate having a main surface;
A first light absorption layer formed on the substrate, made of a first conductivity type In x Ga 1-x P (0 <x ≦ 1), and having a plurality of regions having different In composition ratios;
A plurality of In y Ga 1-y P (0 <y ≦ 1) having a second conductivity type different from the first conductivity type and formed on the first light absorption layer and having different In composition ratios A second light-absorbing layer having a region of
Each of the plurality of regions of the first light absorption layer and each of the plurality of regions of the second light absorption layer are distributed in a quantum dot shape in a plane parallel to the main surface. Solar cell.
前記第2の光吸収層の前記複数の領域が、前記第2の光吸収層の平均In組成比より高いIn組成比の第2のInリッチ領域を含み、
前記第1のInリッチ領域の平面視における位置と、前記第2のInリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致する請求項1に記載の太陽電池。 The plurality of regions of the first light absorption layer include a first In-rich region having an In composition ratio higher than an average In composition ratio of the first light absorption layer;
The plurality of regions of the second light absorption layer include a second In-rich region having an In composition ratio higher than an average In composition ratio of the second light absorption layer;
2. The solar cell according to claim 1, wherein a position of the first In-rich region in a plan view substantially coincides with a position of the second In-rich region in a plan view.
前記第2のInリッチ領域の平面視における大きさが、前記第2の光吸収層の転位の平均間隔より小さい請求項2に記載の太陽電池。 The size of the first In-rich region in plan view is smaller than the average distance between dislocations of the first light absorption layer,
3. The solar cell according to claim 2, wherein a size of the second In-rich region in a plan view is smaller than an average dislocation interval of the second light absorption layer.
を更に備え、
前記第3の光吸収層の前記複数の領域がそれぞれ、前記主面に平行な面内で量子ドット状に分布している請求項2に記載の太陽電池。 Formed of In z Ga 1-z P (0 <z ≦ 1) of the third conductivity type different from the first conductivity type and the second conductivity type, formed on the second light absorption layer, and In A third light absorption layer having a plurality of regions having different composition ratios;
The solar cell according to claim 2, wherein each of the plurality of regions of the third light absorption layer is distributed in a quantum dot shape in a plane parallel to the main surface.
前記第2のInリッチ領域の平面視における位置と、前記第3のInリッチ領域の平面視における位置とが実質的に一致する請求項5に記載の太陽電池。 The plurality of regions of the third light absorption layer includes a third In-rich region having an In composition ratio higher than an average In composition ratio of the third light absorption layer;
The solar cell according to claim 5, wherein a position of the second In-rich region in plan view substantially coincides with a position of the third In-rich region in plan view.
前記第2のInリッチ領域の平面視における大きさが、前記第2の光吸収層の転位の平均間隔より小さく、
前記第3のInリッチ領域の平面視における大きさが、前記第3の光吸収層の転位の平均間隔より小さい請求項6に記載の太陽電池。 The size of the first In-rich region in plan view is smaller than the average distance between dislocations of the first light absorption layer,
The size of the second In-rich region in plan view is smaller than the average distance between dislocations in the second light absorption layer,
The solar cell according to claim 6, wherein a size of the third In-rich region in a plan view is smaller than an average dislocation interval of the third light absorption layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010087699A JP2011222620A (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Solar cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010087699A JP2011222620A (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Solar cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011222620A true JP2011222620A (en) | 2011-11-04 |
Family
ID=45039248
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010087699A Pending JP2011222620A (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Solar cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011222620A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108269879A (en) * | 2016-12-30 | 2018-07-10 | 西安科锐盛创新科技有限公司 | GaInP/GaAs/Ge three-joint solar cells of Ge/Si substrates and preparation method thereof |
-
2010
- 2010-04-06 JP JP2010087699A patent/JP2011222620A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108269879A (en) * | 2016-12-30 | 2018-07-10 | 西安科锐盛创新科技有限公司 | GaInP/GaAs/Ge three-joint solar cells of Ge/Si substrates and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9178091B2 (en) | Methods of fabricating semiconductor structures and devices using quantum dot structures and related structures | |
| CN102804383B (en) | Functional integration of dilute nitrides into high efficiency III-V solar cells | |
| CN102099918B (en) | Optoelectronic Semiconductor Devices | |
| US9324911B2 (en) | Methods of fabricating dilute nitride semiconductor materials for use in photoactive devices and related structures | |
| JP2010118666A (en) | Alternative substrate of inversion altered multi-junction solar battery | |
| CN107316909A (en) | A kind of manufacture method of MQW space GaInP/InGaAs/Ge battery epitaxial wafers | |
| US9543468B2 (en) | High bandgap III-V alloys for high efficiency optoelectronics | |
| CN105474413B (en) | Photovoltaic cell with variable band gap | |
| US9337377B2 (en) | Methods of forming dilute nitride materials for use in photoactive devices and related structures | |
| JP2014107441A (en) | Solar cell and method for manufacturing the same | |
| KR20120092928A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| JP2012004283A (en) | Semiconductor device | |
| JP6335784B2 (en) | Variable band gap solar cell | |
| JP5758257B2 (en) | Laminate for producing compound semiconductor solar cell, compound semiconductor solar cell and method for producing the same | |
| US20120073658A1 (en) | Solar Cell and Method for Fabricating the Same | |
| CN112670378A (en) | Light emitting diode and manufacturing method thereof | |
| JP2011222620A (en) | Solar cell | |
| CN102738267A (en) | Solar battery with superlattices and manufacturing method thereof | |
| JP2013172072A (en) | Two-junction solar cell | |
| Ponce | Novel semiconductors for sustainable solar energy technologies | |
| CN108598192A (en) | InGaN/GaN heteroepitaxial structures and its growing method | |
| US10763111B2 (en) | Polyhedron of which upper width is narrower than lower width, manufacturing method therefor, and photoelectric conversion device comprising same | |
| JP5559370B1 (en) | Solar cell | |
| KR101600196B1 (en) | Light emitting diode having polyhedron having upper width narrower than lower width and method for fabricating the same | |
| JP2014086654A (en) | Compound semiconductor solar cell and method of manufacturing compound semiconductor solar cell |