JPH07101753B2 - 積層型太陽電池 - Google Patents
積層型太陽電池Info
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- JPH07101753B2 JPH07101753B2 JP4209127A JP20912792A JPH07101753B2 JP H07101753 B2 JPH07101753 B2 JP H07101753B2 JP 4209127 A JP4209127 A JP 4209127A JP 20912792 A JP20912792 A JP 20912792A JP H07101753 B2 JPH07101753 B2 JP H07101753B2
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- JP
- Japan
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- solar cell
- algaas
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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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は太陽電池を多段にしてな
る高効率な積層型太陽電池に関するものである。
る高効率な積層型太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池はクリーンエネルギー源として
注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コスト
が高いことが実用化の大きな障害となっている。これま
で、単一材料太陽電池の高効率化の開発がすすめられ、
実用化の試みが始まっている。この単一材料太陽電池の
効率はせいぜい25％が限界であるとの理論解析がなされ
ている。このため、さらに低コストを目指すためには効
率を高くしなければならない。高効率を得るためには、
太陽電池をバンドギャップの異なる複数の太陽電池を積
層した構造としなければならない。具体的には、太陽光
の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料
より成る太陽電池、その下部にバンドギャップの小さな
半導体材料より成る太陽電池を配置する。上部では太陽
光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電
変換される。下部では上部で吸収されず透過した残りの
長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換する。
太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に
太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コスト
が高いことが実用化の大きな障害となっている。これま
で、単一材料太陽電池の高効率化の開発がすすめられ、
実用化の試みが始まっている。この単一材料太陽電池の
効率はせいぜい25％が限界であるとの理論解析がなされ
ている。このため、さらに低コストを目指すためには効
率を高くしなければならない。高効率を得るためには、
太陽電池をバンドギャップの異なる複数の太陽電池を積
層した構造としなければならない。具体的には、太陽光
の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料
より成る太陽電池、その下部にバンドギャップの小さな
半導体材料より成る太陽電池を配置する。上部では太陽
光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電
変換される。下部では上部で吸収されず透過した残りの
長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換する。
太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に
太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。
【０００３】Henry らの理論計算によると、２層構造で
効率50％、３層構造で56％を達成できる可能性が示され
ている(C.H.Henry“Limiting Efficiency of Ideal Sin
gleand Multiple Energy Gap Terrestrial Solar Cells
”J.Appl.Phys.51 4494(1980))。
効率50％、３層構造で56％を達成できる可能性が示され
ている(C.H.Henry“Limiting Efficiency of Ideal Sin
gleand Multiple Energy Gap Terrestrial Solar Cells
”J.Appl.Phys.51 4494(1980))。
【０００４】たとえば、ＧａＡｓ太陽電池とＡｌＧａＡ
ｓ太陽電池をトンネル接合中間層を用いて接続した２段
の積層型太陽電池が提案されている。これを図２により
説明する。
ｓ太陽電池をトンネル接合中間層を用いて接続した２段
の積層型太陽電池が提案されている。これを図２により
説明する。
【０００５】図２は現在提案されている積層型太陽電池
の断面図である。各層の成長は有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＶＰＥ法）を用いて形成される。Ｇａ，Ａｌ，Ａｓの
原料にはそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）
が用いられている。ｎ型、ｐ型のドーパントにはそれぞ
れジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）
が用いられる。成長温度は 725℃である。（ 110）方向
２°傾けた（ 100）面の厚さ 350μｍ、キャリア濃度4.
0 ×1017cm-3のｎ型ＧａＡｓ基板１上に3.0 μｍ，5.0
×1017cm-3のｎ型ＧａＡｓ層２、0.6 μｍ，1.5 ×1018
cm-3のｐ型ＧａＡｓ層３、0.04μｍ，1.5 ×1019cm-3の
ｐ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層４、0.04μｍ，4.5
×1018cm-3のｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５、2.
0 μｍ，5.0 ×1017cm-3のｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａ
ｓ層６、0.6 μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａｌ 0.35 Ｇ
ａ 0.65 Ａｓ層７、0.04μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａ
ｌ 0.85 Ｇａ 0.15 Ａｓ層８、0.5 μｍ，1.0 ×1018cm
-3のｐ型ＧａＡｓ層９を成長させた。ｎ型ＧａＡｓ層２
とｐ型ＧａＡｓ層３は下部の太陽電池用のｐｎ接合を形
成しており、ｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａｓ層６とｐ型
Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａｓ層７は上部の太陽電池用のｐ
ｎ型接合を形成している。ｐ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60
Ａｓ層４とｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５はトン
ネル接合を形成し、上部と下部の太陽電池を接続する中
間層である。ｐ型Ａｌ 0.85 Ｇａ0.15Ａｓ層８は表面再
結合を抑えるウィンドウ層である。ｐ型ＧａＡｓ層９は
電極との接触抵抗を下げるための層である。この結晶の
表面と裏面に電極１０、電極１１が形成される。また１
３は太陽光である。
の断面図である。各層の成長は有機金属気相成長法（Ｍ
ＯＶＰＥ法）を用いて形成される。Ｇａ，Ａｌ，Ａｓの
原料にはそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）
が用いられている。ｎ型、ｐ型のドーパントにはそれぞ
れジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）
が用いられる。成長温度は 725℃である。（ 110）方向
２°傾けた（ 100）面の厚さ 350μｍ、キャリア濃度4.
0 ×1017cm-3のｎ型ＧａＡｓ基板１上に3.0 μｍ，5.0
×1017cm-3のｎ型ＧａＡｓ層２、0.6 μｍ，1.5 ×1018
cm-3のｐ型ＧａＡｓ層３、0.04μｍ，1.5 ×1019cm-3の
ｐ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層４、0.04μｍ，4.5
×1018cm-3のｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５、2.
0 μｍ，5.0 ×1017cm-3のｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａ
ｓ層６、0.6 μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａｌ 0.35 Ｇ
ａ 0.65 Ａｓ層７、0.04μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａ
ｌ 0.85 Ｇａ 0.15 Ａｓ層８、0.5 μｍ，1.0 ×1018cm
-3のｐ型ＧａＡｓ層９を成長させた。ｎ型ＧａＡｓ層２
とｐ型ＧａＡｓ層３は下部の太陽電池用のｐｎ接合を形
成しており、ｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａｓ層６とｐ型
Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65 Ａｓ層７は上部の太陽電池用のｐ
ｎ型接合を形成している。ｐ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60
Ａｓ層４とｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５はトン
ネル接合を形成し、上部と下部の太陽電池を接続する中
間層である。ｐ型Ａｌ 0.85 Ｇａ0.15Ａｓ層８は表面再
結合を抑えるウィンドウ層である。ｐ型ＧａＡｓ層９は
電極との接触抵抗を下げるための層である。この結晶の
表面と裏面に電極１０、電極１１が形成される。また１
３は太陽光である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この積層型太陽電池で
光電変換を有効に行うための技術ポイントの１つとし
て、光をいかに損失を少なくして下部太陽電池に到達さ
せ利用できるかがあげられる。下部太陽電池に到達する
前に光は、バンドギャップの大きな上部の太陽電池での
吸収（ａ）、上部の太陽電池のｐｎ接合での反射
（ｂ）、上部太陽電池と下部太陽電池を接合する中間層
との界面での反射（ｃ）、中間層のトンネル接合での反
射（ｄ）、中間層と下部太陽電池との界面での反射
（ｅ）等によって損失を受ける。反射は、各層のキャリ
ア型・キャリア濃度・ＡｌＡｓ混晶比が異なるため、各
層の光学定数が異なるために起きる。この損失のため、
下部太陽電池の有効利用が困難になっている。これらの
うち、（ｃ）での損失が最も大きい。積層型太陽電池で
高効率を達成するためには、ぜひとも解決しなければな
らない課題の１つである。
光電変換を有効に行うための技術ポイントの１つとし
て、光をいかに損失を少なくして下部太陽電池に到達さ
せ利用できるかがあげられる。下部太陽電池に到達する
前に光は、バンドギャップの大きな上部の太陽電池での
吸収（ａ）、上部の太陽電池のｐｎ接合での反射
（ｂ）、上部太陽電池と下部太陽電池を接合する中間層
との界面での反射（ｃ）、中間層のトンネル接合での反
射（ｄ）、中間層と下部太陽電池との界面での反射
（ｅ）等によって損失を受ける。反射は、各層のキャリ
ア型・キャリア濃度・ＡｌＡｓ混晶比が異なるため、各
層の光学定数が異なるために起きる。この損失のため、
下部太陽電池の有効利用が困難になっている。これらの
うち、（ｃ）での損失が最も大きい。積層型太陽電池で
高効率を達成するためには、ぜひとも解決しなければな
らない課題の１つである。
【０００７】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を改善し、光電変換効率を大幅に増加させることが可能
な新規な積層型太陽電池を提供することにある。
を改善し、光電変換効率を大幅に増加させることが可能
な新規な積層型太陽電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、基板又
は基板に形成した基板構成材からなる太陽電池の上に、
ＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合よりなる下部のＧａＡ
ｓ太陽電池、ＡｌＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合より
なる上部のＡｌＧａＡｓ太陽電池を積層する太陽電池に
おいて、前記上下の太陽電池を接続するために設けるＡ
ｌＧａＡｓを主成分とするｐ+ ｎ+ 接合からなるトンネ
ル接合を有する中間層と前記上部のＡｌＧａＡｓ太陽電
池との間に、キャリア濃度を厚さ方向に連続して減少さ
せたキャリア濃度プロファイルとしたＡｌＧａＡｓ遷移
層を設けたものである。
は基板に形成した基板構成材からなる太陽電池の上に、
ＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合よりなる下部のＧａＡ
ｓ太陽電池、ＡｌＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合より
なる上部のＡｌＧａＡｓ太陽電池を積層する太陽電池に
おいて、前記上下の太陽電池を接続するために設けるＡ
ｌＧａＡｓを主成分とするｐ+ ｎ+ 接合からなるトンネ
ル接合を有する中間層と前記上部のＡｌＧａＡｓ太陽電
池との間に、キャリア濃度を厚さ方向に連続して減少さ
せたキャリア濃度プロファイルとしたＡｌＧａＡｓ遷移
層を設けたものである。
【０００９】また上記ＡｌＧａＡｓ遷移層は、ＡｌＡｓ
混晶比も厚さ方向に連続して減少させたＡｌＡｓ混晶比
プロファイルとしてもよい。
混晶比も厚さ方向に連続して減少させたＡｌＡｓ混晶比
プロファイルとしてもよい。
【００１０】
【作用】上記構成によれば、上下の太陽電池を接続する
ために設けるＡｌＧａＡｓのｐ+ ｎ+ 接合からなるトン
ネル接合を有する中間層と上部太陽電池との間に、キャ
リア濃度を厚さ方向に連続して減少させたキャリア濃度
プロファイルとしたＡｌＧａＡｓ遷移層若しくはキャリ
ア濃度及びＡｌＡｓ混晶比の双方を厚さ方向に連続して
減少させたＡｌＧａＡｓ遷移層を設けることにより界面
での反射を少なくできるため、太陽電池の光電変換効率
を大幅に増加させることができる。
ために設けるＡｌＧａＡｓのｐ+ ｎ+ 接合からなるトン
ネル接合を有する中間層と上部太陽電池との間に、キャ
リア濃度を厚さ方向に連続して減少させたキャリア濃度
プロファイルとしたＡｌＧａＡｓ遷移層若しくはキャリ
ア濃度及びＡｌＡｓ混晶比の双方を厚さ方向に連続して
減少させたＡｌＧａＡｓ遷移層を設けることにより界面
での反射を少なくできるため、太陽電池の光電変換効率
を大幅に増加させることができる。
【００１１】
【実施例】以下に本発明の好適実施例を添付図面に基づ
いて説明する。
いて説明する。
【００１２】図１は本発明による積層型太陽電池の一実
施例の断面図である。図２の積層型太陽電池と同様な成
長方法、基板を用いた。基板上に3.0 μｍ，5.0 ×1017
cm-3のｎ型ＧａＡｓ層２、0.6 μｍ，1.5 ×1018cm-3の
ｐ型ＧａＡｓ層３、0.05μｍ，1.5 ×1019cm-3のｐ+ 型
Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層４、0.04μｍ，4.5 ×1018
cm-3のｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５、そして、
この上に遷移層として膜厚0.1 μｍの中で、厚さ方向に
キャリア濃度を4.5 ×1018cm-3から5.0 ×1017cm-3へ、
またＡｌＡｓ混晶比ｘを0.40から0.35へ線形的に変化さ
せたｎ型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ層１２を設け、その上
に、2.0 μｍ，5.0 ×1017cm-3のｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ
0.65 Ａｓ層６、0.6 μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａｌ
0.35 Ｇａ0.65 Ａｓ層７、0.04μｍ，1.0 ×1018cm-3の
ｐ型Ａｌ 0.85 Ｇａ 0.15 Ａｓ層８、0.5 μｍ，1.0 ×
1018cm-3のｐ型ＧａＡｓ層９を成長させた。そして、表
面と裏面に電極１０、電極１１を形成した。また１３は
太陽光である。
施例の断面図である。図２の積層型太陽電池と同様な成
長方法、基板を用いた。基板上に3.0 μｍ，5.0 ×1017
cm-3のｎ型ＧａＡｓ層２、0.6 μｍ，1.5 ×1018cm-3の
ｐ型ＧａＡｓ層３、0.05μｍ，1.5 ×1019cm-3のｐ+ 型
Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層４、0.04μｍ，4.5 ×1018
cm-3のｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ層５、そして、
この上に遷移層として膜厚0.1 μｍの中で、厚さ方向に
キャリア濃度を4.5 ×1018cm-3から5.0 ×1017cm-3へ、
またＡｌＡｓ混晶比ｘを0.40から0.35へ線形的に変化さ
せたｎ型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ層１２を設け、その上
に、2.0 μｍ，5.0 ×1017cm-3のｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ
0.65 Ａｓ層６、0.6 μｍ，1.0 ×1018cm-3のｐ型Ａｌ
0.35 Ｇａ0.65 Ａｓ層７、0.04μｍ，1.0 ×1018cm-3の
ｐ型Ａｌ 0.85 Ｇａ 0.15 Ａｓ層８、0.5 μｍ，1.0 ×
1018cm-3のｐ型ＧａＡｓ層９を成長させた。そして、表
面と裏面に電極１０、電極１１を形成した。また１３は
太陽光である。
【００１３】通常、太陽電池の表面には結晶表面での反
射を抑えるための反射防止膜が設けられるが、ここでは
図２の積層型太陽電池と本発明を比較するために必要な
いので設けない。
射を抑えるための反射防止膜が設けられるが、ここでは
図２の積層型太陽電池と本発明を比較するために必要な
いので設けない。
【００１４】次に本発明の積層型太陽電池と図２に示し
た太陽電池の変換効率を比較測定した。
た太陽電池の変換効率を比較測定した。
【００１５】この２つの太陽電池の変換効率を測定した
ところ、図２の積層型太陽電池では18.4％、本発明によ
る積層型太陽電池では21.3％であり、じつに変換効率が
1.16倍に向上した。下部の太陽電池で利用する波長域の
800nm の光で反射率を測定したところ図２の積層型太陽
電池では33％、本発明による積層型太陽電池では30％で
あり、約10％反射率が減っていた。本発明による遷移層
１２が反射を抑え、有効に光が下部太陽電池に到達して
いることがわかった。なお、上記実施例では遷移層１２
でキャリア濃度とＡｌＡｓ混晶比の両方を厚さ方向に線
形に減少させたがキャリア濃度を減少させるだけでも効
果があることを確認している。
ところ、図２の積層型太陽電池では18.4％、本発明によ
る積層型太陽電池では21.3％であり、じつに変換効率が
1.16倍に向上した。下部の太陽電池で利用する波長域の
800nm の光で反射率を測定したところ図２の積層型太陽
電池では33％、本発明による積層型太陽電池では30％で
あり、約10％反射率が減っていた。本発明による遷移層
１２が反射を抑え、有効に光が下部太陽電池に到達して
いることがわかった。なお、上記実施例では遷移層１２
でキャリア濃度とＡｌＡｓ混晶比の両方を厚さ方向に線
形に減少させたがキャリア濃度を減少させるだけでも効
果があることを確認している。
【００１６】本発明によれば、キャリア濃度とＡｌＡｓ
混晶比が大きく異なるために大きな反射を起こす原因と
なる層間に、キャリア濃度の一方若しくはキャリア濃度
及びＡｌＡｓ混晶比の双方を厚さ方向に連続的に減少さ
せたＡｌＧａＡｓ遷移層を設けるので、反射を抑えるこ
とが可能となり、下部太陽電池に有効に光を導くことが
でき、変換効率を大幅に向上することができる。
混晶比が大きく異なるために大きな反射を起こす原因と
なる層間に、キャリア濃度の一方若しくはキャリア濃度
及びＡｌＡｓ混晶比の双方を厚さ方向に連続的に減少さ
せたＡｌＧａＡｓ遷移層を設けるので、反射を抑えるこ
とが可能となり、下部太陽電池に有効に光を導くことが
でき、変換効率を大幅に向上することができる。
【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】現在提案されている積層型太陽電池の断面図で
ある。
ある。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ 下部太陽電池を構成するｎ型ＧａＡｓ層 ３ 下部太陽電池を構成するｐ型ＧａＡｓ層 ４ 中間層を構成するｐ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ
層 ５ 中間層を構成するｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ
層 ６ 上部太陽電池を構成するｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65
Ａｓ層 ７ 上部太陽電池を構成するｐ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65
Ａｓ層 １２ 遷移層としてのｎ型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ層
層 ５ 中間層を構成するｎ+ 型Ａｌ 0.40 Ｇａ 0.60 Ａｓ
層 ６ 上部太陽電池を構成するｎ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65
Ａｓ層 ７ 上部太陽電池を構成するｐ型Ａｌ 0.35 Ｇａ 0.65
Ａｓ層 １２ 遷移層としてのｎ型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−132793（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−1268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−180071（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】基板又は基板に形成した基板構成材からな
る太陽電池の上に、ＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合よ
りなる下部のＧａＡｓ太陽電池、ＡｌＧａＡｓを主成分
としたｐｎ接合よりなる上部のＡｌＧａＡｓ太陽電池を
積層する太陽電池において、前記上下の太陽電池を接続
するために設けるＡｌＧａＡｓを主成分とするｐ+ ｎ+
接合からなるトンネル接合を有する中間層と前記上部の
ＡｌＧａＡｓ太陽電池との間に、キャリア濃度を厚さ方
向に連続して減少させたキャリア濃度プロファイルとし
たＡｌＧａＡｓ遷移層を設けたことを特徴とする積層型
太陽電池。 - 【請求項２】基板又は基板に形成した基板構成材からな
る太陽電池の上に、ＧａＡｓを主成分としたｐｎ接合よ
りなる下部のＧａＡｓ太陽電池、ＡｌＧａＡｓを主成分
としたｐｎ接合よりなる上部のＡｌＧａＡｓ太陽電池を
積層する太陽電池において、前記上下の太陽電池を接続
するために設けるＡｌＧａＡｓを主成分とするｐ + ｎ +
接合からなるトンネル接合を有する中間層と前記上部の
ＡｌＧａＡｓ太陽電池との間に、キャリア濃度プロファ
イルおよびＡｌＡｓ混晶比を厚さ方向に連続して減少さ
せたプロファイルとしたＡｌＧａＡｓ遷移層を設けたこ
とを特徴とする積層型太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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