JPH09162432A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JPH09162432A JPH09162432A JP7344818A JP34481895A JPH09162432A JP H09162432 A JPH09162432 A JP H09162432A JP 7344818 A JP7344818 A JP 7344818A JP 34481895 A JP34481895 A JP 34481895A JP H09162432 A JPH09162432 A JP H09162432A
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- Japan
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- well
- layer
- quantum well
- solar cell
- energy
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-
- 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
(57)【要約】
【課題】 量子井戸構造を有する太陽電池１０の効率の
向上を図ることを企図する。 【解決手段】 半導体材料からなるｐｎ接合１２、１３
で構成され、エネルギーバンド構造に量子井戸構造Ｗを
備える太陽電池において、量子井戸Ｗのバンドギャップ
エネルギーＥｇ1 、Ｅｇ2 を障壁へ向けて段階的に増大
させる。
向上を図ることを企図する。 【解決手段】 半導体材料からなるｐｎ接合１２、１３
で構成され、エネルギーバンド構造に量子井戸構造Ｗを
備える太陽電池において、量子井戸Ｗのバンドギャップ
エネルギーＥｇ1 、Ｅｇ2 を障壁へ向けて段階的に増大
させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料からな
るｐｎ接合で構成された太陽電池に関し、特に、化合物
半導体材料を用いて製造するのに好適な太陽電池に関す
る。
るｐｎ接合で構成された太陽電池に関し、特に、化合物
半導体材料を用いて製造するのに好適な太陽電池に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】Siのような元素半導体に比較して、例え
ば、GaAsのような化合物半導体は、そのバンドギャップ
エネルギーが太陽光線のスペクトル分布から見て最適値
に近いことから、効率の高い太陽電池を得る上で有利で
ある。このことから、化合物半導体の結晶成長技術の向
上に伴い、太陽電池の半導体材料として、化合物半導体
が多用されつつある。
ば、GaAsのような化合物半導体は、そのバンドギャップ
エネルギーが太陽光線のスペクトル分布から見て最適値
に近いことから、効率の高い太陽電池を得る上で有利で
ある。このことから、化合物半導体の結晶成長技術の向
上に伴い、太陽電池の半導体材料として、化合物半導体
が多用されつつある。
【０００３】このような化合物半導体のｐｎ接合からな
る太陽電池の変換効率のさらなる向上のために、使用す
る半導体材料の種類によって決まる所定のバンドギャッ
プ波長よりも長波長側の光を吸収して、これを電流に変
換するための量子井戸構造を太陽電池に採用することが
提案されている。量子井戸構造では、エネルギーバンド
構造で見て、所定のバンドギャップエネルギーより小さ
なバンドギャップエネルギーの量子井戸が規定される。
この量子井戸で、所定のバンドギャップ波長の光よりも
小さなエネルギーを有する長波長側の光を吸収すること
ができる。このことから、所定のバンドギャップ波長の
光よりも高いエネルギーを有する光の吸収で励起された
キャリアに加えて、長波長側の光の吸収によっても、量
子井戸で電子および正孔のようなキャリアが生成され
る。
る太陽電池の変換効率のさらなる向上のために、使用す
る半導体材料の種類によって決まる所定のバンドギャッ
プ波長よりも長波長側の光を吸収して、これを電流に変
換するための量子井戸構造を太陽電池に採用することが
提案されている。量子井戸構造では、エネルギーバンド
構造で見て、所定のバンドギャップエネルギーより小さ
なバンドギャップエネルギーの量子井戸が規定される。
この量子井戸で、所定のバンドギャップ波長の光よりも
小さなエネルギーを有する長波長側の光を吸収すること
ができる。このことから、所定のバンドギャップ波長の
光よりも高いエネルギーを有する光の吸収で励起された
キャリアに加えて、長波長側の光の吸収によっても、量
子井戸で電子および正孔のようなキャリアが生成され
る。
【０００４】そのため、理論上は、量子井戸構造を有す
る太陽電池は、量子井戸構造を有しないものよりも高い
効率を示すはずであるが、それより低い効率しか得られ
ていないのが現状である。その理由として、伝導帯を電
極へ向けて流れる電子あるいは価電子帯を電極へ向けて
流れる正孔のようなキャリアが、量子井戸構造の井戸に
落ち込み、また、この量子井戸に落ち込んだキャリアお
よび量子井戸で生成されたキャリアの大多数が、量子井
戸構造の障壁を越えて電極に到達することなく、すなわ
ち電流として機能することなく、量子井戸で再結合して
消滅すると考えられる。
る太陽電池は、量子井戸構造を有しないものよりも高い
効率を示すはずであるが、それより低い効率しか得られ
ていないのが現状である。その理由として、伝導帯を電
極へ向けて流れる電子あるいは価電子帯を電極へ向けて
流れる正孔のようなキャリアが、量子井戸構造の井戸に
落ち込み、また、この量子井戸に落ち込んだキャリアお
よび量子井戸で生成されたキャリアの大多数が、量子井
戸構造の障壁を越えて電極に到達することなく、すなわ
ち電流として機能することなく、量子井戸で再結合して
消滅すると考えられる。
【０００５】このような量子井戸でのキャリアの消滅を
低減させるために、例えば、J. Appl. Phys.６７（７）
ｐ３４９０〜３４９３、１、April 、１９９０にK. W.
J. Barnham氏等により、多重量子井戸構造における障壁
の厚さを順次小さくして量子井戸幅を小さくし、これに
より各井戸のエネルギーレベルを全体的に上げること等
が提案されているが、実現することが技術的に困難であ
ったり、また実現不可能なものであった。
低減させるために、例えば、J. Appl. Phys.６７（７）
ｐ３４９０〜３４９３、１、April 、１９９０にK. W.
J. Barnham氏等により、多重量子井戸構造における障壁
の厚さを順次小さくして量子井戸幅を小さくし、これに
より各井戸のエネルギーレベルを全体的に上げること等
が提案されているが、実現することが技術的に困難であ
ったり、また実現不可能なものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、量
子井戸構造を有する太陽電池の効率の向上を図ることを
企図する。
子井戸構造を有する太陽電池の効率の向上を図ることを
企図する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には、
量子井戸構造の井戸のキャリアがこの量子井戸の障壁を
乗り越える確率を高めるために、量子井戸のバンドギャ
ップエネルギーを障壁へ向けて段階的に増大させるとい
う構想に立脚する。 〈構成〉ために、本発明の太陽電池は、半導体材料から
なるｐｎ接合で構成され、エネルギーバンド構造に量子
井戸構造を備え、そのエネルギーバンド構造で見て、量
子井戸のバンドギャップエネルギーが両側の障壁へ向け
て段階的に増大することを特徴とする（請求項１に対
応）。本発明の太陽電池の具体的な構成として、エネル
ギーバンドの量子井戸における隣接部分のバンドギャッ
プエネルギー段差を０．１ｅＶ以下とすることが望まし
い（請求項２に対応）。また、本発明の太陽電池の具体
的な構成として、量子井戸構造はバンドギャップエネル
ギーを異にする化合物半導体を積層して構成することが
望ましい（請求項３に対応）。
量子井戸構造の井戸のキャリアがこの量子井戸の障壁を
乗り越える確率を高めるために、量子井戸のバンドギャ
ップエネルギーを障壁へ向けて段階的に増大させるとい
う構想に立脚する。 〈構成〉ために、本発明の太陽電池は、半導体材料から
なるｐｎ接合で構成され、エネルギーバンド構造に量子
井戸構造を備え、そのエネルギーバンド構造で見て、量
子井戸のバンドギャップエネルギーが両側の障壁へ向け
て段階的に増大することを特徴とする（請求項１に対
応）。本発明の太陽電池の具体的な構成として、エネル
ギーバンドの量子井戸における隣接部分のバンドギャッ
プエネルギー段差を０．１ｅＶ以下とすることが望まし
い（請求項２に対応）。また、本発明の太陽電池の具体
的な構成として、量子井戸構造はバンドギャップエネル
ギーを異にする化合物半導体を積層して構成することが
望ましい（請求項３に対応）。
【０００８】〈作用〉図１は、本発明の基本原理を説明
するエネルギーバンド構造の説明図である。このバンド
構造を示す説明図に沿って、本発明の作用を説明する
に、ｐ型半導体およびｎ型半導体によって形成されるｐ
ｎ接合により、ｐ型領域（ｐ）およびｎ型領域（ｎ）間
には、遷移領域Ｔが形成されている。Ｅｖは価電子帯を
示し、Ｅｃは伝導帯を示す。遷移領域Ｔには、ｐ型およ
びｎ型の両半導体のバンドギャップエネルギーＥｇより
も小さなバンドギャップエネルギーを有する井戸Ｗが形
成されている。井戸Ｗは、バンドギャップエネルギーＥ
ｇよりも小さなバンドギャップエネルギーＥｇ1 を有す
る一対の井戸部分Ｗ1 および両井戸部分Ｗ1 にそのバン
ドギャップエネルギーＥｇ1 よりもさらに小さなバンド
ギャップエネルギーＥｇ2 を有する井戸部分Ｗ2 からな
る。
するエネルギーバンド構造の説明図である。このバンド
構造を示す説明図に沿って、本発明の作用を説明する
に、ｐ型半導体およびｎ型半導体によって形成されるｐ
ｎ接合により、ｐ型領域（ｐ）およびｎ型領域（ｎ）間
には、遷移領域Ｔが形成されている。Ｅｖは価電子帯を
示し、Ｅｃは伝導帯を示す。遷移領域Ｔには、ｐ型およ
びｎ型の両半導体のバンドギャップエネルギーＥｇより
も小さなバンドギャップエネルギーを有する井戸Ｗが形
成されている。井戸Ｗは、バンドギャップエネルギーＥ
ｇよりも小さなバンドギャップエネルギーＥｇ1 を有す
る一対の井戸部分Ｗ1 および両井戸部分Ｗ1 にそのバン
ドギャップエネルギーＥｇ1 よりもさらに小さなバンド
ギャップエネルギーＥｇ2 を有する井戸部分Ｗ2 からな
る。
【０００９】この最も深い井戸部分Ｗ2 から見て、中段
部である井戸部分Ｗ1 が無いと仮定すると、井戸部分Ｗ
2 から見た障壁は、バンドギャップエネルギーＥｇとバ
ンドギャップエネルギーＥｇ2 との差に応じた比較的大
きな値となるが、中段部である井戸部分Ｗ1 が設けられ
ていることから、障壁の高さはその中間の段数に応じて
小さな値に分割されることとなる。井戸部分Ｗ2 内で生
成されあるいはこれに落ち込んだキャリアが光の吸収に
よって中段の井戸部分Ｗ1 に励起され、あるいは中段の
井戸部分Ｗ1 で励起されたキャリアをも含んでこの中段
の井戸部分Ｗ2 から伝導帯Ｅｃあるいは価電子帯Ｅｖに
励起される確率は、光の吸収によってキャリアが井戸部
分Ｗ2 から伝導帯Ｅｃあるいは価電子帯Ｅｖに直接励起
される確率に比較して、励起に必要とされるエネルギー
が小さいことから、著しく高められる。このため井戸部
分Ｗ2 内のキャリアのキャリアは、中段の井戸部分Ｗ1
を経て、そのキャリア電子は伝導帯Ｅｃに、またキャリ
ア正孔は価電子帯Ｅｖにそれぞれ励起される確率が高め
られる。
部である井戸部分Ｗ1 が無いと仮定すると、井戸部分Ｗ
2 から見た障壁は、バンドギャップエネルギーＥｇとバ
ンドギャップエネルギーＥｇ2 との差に応じた比較的大
きな値となるが、中段部である井戸部分Ｗ1 が設けられ
ていることから、障壁の高さはその中間の段数に応じて
小さな値に分割されることとなる。井戸部分Ｗ2 内で生
成されあるいはこれに落ち込んだキャリアが光の吸収に
よって中段の井戸部分Ｗ1 に励起され、あるいは中段の
井戸部分Ｗ1 で励起されたキャリアをも含んでこの中段
の井戸部分Ｗ2 から伝導帯Ｅｃあるいは価電子帯Ｅｖに
励起される確率は、光の吸収によってキャリアが井戸部
分Ｗ2 から伝導帯Ｅｃあるいは価電子帯Ｅｖに直接励起
される確率に比較して、励起に必要とされるエネルギー
が小さいことから、著しく高められる。このため井戸部
分Ｗ2 内のキャリアのキャリアは、中段の井戸部分Ｗ1
を経て、そのキャリア電子は伝導帯Ｅｃに、またキャリ
ア正孔は価電子帯Ｅｖにそれぞれ励起される確率が高め
られる。
【００１０】その結果、井戸部分Ｗ2 を含む井戸Ｗ内で
捕獲されて消滅するキャリアが低減され、キャリアの再
結合による消滅確率が低減されることから、井戸Ｗ内の
キャリアを有効に電流として取り出すことができる。こ
の井戸部分Ｗ1 および井戸部分Ｗ2 は、例えば、化合物
半導体の組成あるいは材料をそれらのバンドギャップエ
ネルギーＥｇに応じて適宜選択し、選択された化合物半
導体を順次積層させることにより、比較的容易に形成す
ることができる。
捕獲されて消滅するキャリアが低減され、キャリアの再
結合による消滅確率が低減されることから、井戸Ｗ内の
キャリアを有効に電流として取り出すことができる。こ
の井戸部分Ｗ1 および井戸部分Ｗ2 は、例えば、化合物
半導体の組成あるいは材料をそれらのバンドギャップエ
ネルギーＥｇに応じて適宜選択し、選択された化合物半
導体を順次積層させることにより、比較的容易に形成す
ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
について詳細に説明する。 〈具体例１〉図１は、本発明の具体例１に係る太陽電池
の縦断面図である。太陽電池１０は、基板１１上に形成
されるベース層１２と、ベース層１２上に形成されるエ
ミッタ層１３と、両層１２および１３間に挿入された井
戸層１４とを備える。
について詳細に説明する。 〈具体例１〉図１は、本発明の具体例１に係る太陽電池
の縦断面図である。太陽電池１０は、基板１１上に形成
されるベース層１２と、ベース層１２上に形成されるエ
ミッタ層１３と、両層１２および１３間に挿入された井
戸層１４とを備える。
【００１２】図の例では、基板１１として、ｎ型GaAsが
用いられており、ベース層１２として、ｎ型Al0.2 Ga
0.8 As（キャリア密度：２×１０17個／cm3 、膜厚：３
μｍ）が用いられ、エミッタ層１３としてｐ+ 型Al0.2
Ga0.8 As（キャリア密度：２×１０18個／cm3 、膜厚：
０．５μｍ）が用いられている。また、図示の例では、
基板１１とベース層１２との間には、ｎ+ 型Al0.4 Ga
0.6 As（キャリア密度：２×１０18個／cm3 、膜厚：
０．３μｍ）からなる従来よく知られたＢＳＦ（バック
サーフェイス）層１５が挿入され、エミッタ層１３の表
面には、ｐ+ 型Al0.8Ga0.2 As（キャリア密度：２×１
０18個／cm3 、膜厚：０．０２μｍ）からなる従来よく
知られた窓層１６が形成されている。
用いられており、ベース層１２として、ｎ型Al0.2 Ga
0.8 As（キャリア密度：２×１０17個／cm3 、膜厚：３
μｍ）が用いられ、エミッタ層１３としてｐ+ 型Al0.2
Ga0.8 As（キャリア密度：２×１０18個／cm3 、膜厚：
０．５μｍ）が用いられている。また、図示の例では、
基板１１とベース層１２との間には、ｎ+ 型Al0.4 Ga
0.6 As（キャリア密度：２×１０18個／cm3 、膜厚：
０．３μｍ）からなる従来よく知られたＢＳＦ（バック
サーフェイス）層１５が挿入され、エミッタ層１３の表
面には、ｐ+ 型Al0.8Ga0.2 As（キャリア密度：２×１
０18個／cm3 、膜厚：０．０２μｍ）からなる従来よく
知られた窓層１６が形成されている。
【００１３】ベース層１２およびエミッタ層１３間に挿
入された井戸層１４は、図示の例では、一対の真性Al
0.1 Ga0.9 As層１７（アンドープ、膜厚：０．１μｍ）
と、両真性Al0.1 Ga0.9 As層１７間の真性GaAs層１８
（アンドープ、膜厚：０．３μｍ）とからなる。ベース
層１２およびエミッタ層１３を構成するｎ型Al0.2 Ga
0.8Asおよびｐ+ 型Al0.2 Ga0.8 Asの禁制帯バンドギャ
ップエネルギーＥｇ（１．６７ｅＶ）に比較して、井戸
層１４の真性Al0.1 Ga0.9 As層１７のバンドギャップエ
ネルギーＥｇ1 （１．５５ｅＶ）は小さく、井戸層１４
の真性GaAs層１８のバンドギャップエネルギーＥｇ2
は、さらに小さな値（１．４３ｅＶ）を示す。その結
果、図２に示す太陽電池１０のｐｎ接合におけるエネル
ギー構造では、井戸層１４の真性Al0.1 Ga0.9 As層１７
が図１に示したエネルギーバンド構造における井戸部分
Ｗ1 を形成し、また真性GaAs層１８が井戸部分Ｗ2 を形
成することから、ｐｎ接合層の遷移領域Ｔに障壁へ向け
てバンドギャップエネルギーをＥｇ2 からＥｇ1 へと段
階的に増大させる量子井戸Ｗが形成される。
入された井戸層１４は、図示の例では、一対の真性Al
0.1 Ga0.9 As層１７（アンドープ、膜厚：０．１μｍ）
と、両真性Al0.1 Ga0.9 As層１７間の真性GaAs層１８
（アンドープ、膜厚：０．３μｍ）とからなる。ベース
層１２およびエミッタ層１３を構成するｎ型Al0.2 Ga
0.8Asおよびｐ+ 型Al0.2 Ga0.8 Asの禁制帯バンドギャ
ップエネルギーＥｇ（１．６７ｅＶ）に比較して、井戸
層１４の真性Al0.1 Ga0.9 As層１７のバンドギャップエ
ネルギーＥｇ1 （１．５５ｅＶ）は小さく、井戸層１４
の真性GaAs層１８のバンドギャップエネルギーＥｇ2
は、さらに小さな値（１．４３ｅＶ）を示す。その結
果、図２に示す太陽電池１０のｐｎ接合におけるエネル
ギー構造では、井戸層１４の真性Al0.1 Ga0.9 As層１７
が図１に示したエネルギーバンド構造における井戸部分
Ｗ1 を形成し、また真性GaAs層１８が井戸部分Ｗ2 を形
成することから、ｐｎ接合層の遷移領域Ｔに障壁へ向け
てバンドギャップエネルギーをＥｇ2 からＥｇ1 へと段
階的に増大させる量子井戸Ｗが形成される。
【００１４】中段の井戸部分Ｗ1 のバンドギャップエネ
ルギーＥｇ1 と、最下段の井戸部分Ｗ2 のバンドギャッ
プエネルギーＥｇ2 との差は、０．１２ｅＶであり、そ
の約６割の値である０．７２ｅＶが伝導帯Ｅｃ側のエネ
ルギー段差となり、残りの約４割である０．２８ｅＶが
価電子帯Ｅｖ側のエネルギー段差となる。また、中段の
井戸部分Ｗ1 のバンドギャップエネルギーＥｇ1 と、禁
制帯バンドギャップエネルギーＥｇとの差は、０．１２
ｅＶであり、同様に、その約６割の値である０．０７２
ｅＶが伝導帯Ｅｃ側のエネルギー段差となり、残りの約
４割である０．０４８ｅＶが価電子帯Ｅｖ側のエネルギ
ー段差となる。これらのバンドギャップエネルギーの段
差を、電子と正孔によって僅かに異なるが、ほぼ０．１
ｅＶ以下とすることにより、キャリアの高い確率での井
戸Ｗからの脱出を期待することができる。
ルギーＥｇ1 と、最下段の井戸部分Ｗ2 のバンドギャッ
プエネルギーＥｇ2 との差は、０．１２ｅＶであり、そ
の約６割の値である０．７２ｅＶが伝導帯Ｅｃ側のエネ
ルギー段差となり、残りの約４割である０．２８ｅＶが
価電子帯Ｅｖ側のエネルギー段差となる。また、中段の
井戸部分Ｗ1 のバンドギャップエネルギーＥｇ1 と、禁
制帯バンドギャップエネルギーＥｇとの差は、０．１２
ｅＶであり、同様に、その約６割の値である０．０７２
ｅＶが伝導帯Ｅｃ側のエネルギー段差となり、残りの約
４割である０．０４８ｅＶが価電子帯Ｅｖ側のエネルギ
ー段差となる。これらのバンドギャップエネルギーの段
差を、電子と正孔によって僅かに異なるが、ほぼ０．１
ｅＶ以下とすることにより、キャリアの高い確率での井
戸Ｗからの脱出を期待することができる。
【００１５】基板１１上のＢＳＦ層１５、ベース層１
２、井戸層１４、エミッタ層１３および窓層１６は、例
えば、主原料として、トリメチルガリュウム『（ＣＨ
3 ）3 Ｇａ』、トリメチルアルミニウム『（ＣＨ3 ）3
Ａｌ』およびアルシン『ＡｓＨ3』を用い、キャリアガ
スとして水素ガスを用い、７００℃、１００Ｔｏｒｒの
減圧下で行う減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキ
シ）法により、形成することができる。ｐ型およびｎ型
のドーパンドとして、それぞれ『（ＣＨ3 ）2 Ｚｎ』お
よび『Ｓｉ2 Ｈ6 』が用いられた。各層の結晶成長に際
し、例えば、真性GaAs層１８の形成時には、ドーパント
をはじめ、Ａｌが不要となることから、トリメチルアル
ミニウムのような不要な材料の供給が一時的に中断され
た状態で結晶成長が図られる。
２、井戸層１４、エミッタ層１３および窓層１６は、例
えば、主原料として、トリメチルガリュウム『（ＣＨ
3 ）3 Ｇａ』、トリメチルアルミニウム『（ＣＨ3 ）3
Ａｌ』およびアルシン『ＡｓＨ3』を用い、キャリアガ
スとして水素ガスを用い、７００℃、１００Ｔｏｒｒの
減圧下で行う減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキ
シ）法により、形成することができる。ｐ型およびｎ型
のドーパンドとして、それぞれ『（ＣＨ3 ）2 Ｚｎ』お
よび『Ｓｉ2 Ｈ6 』が用いられた。各層の結晶成長に際
し、例えば、真性GaAs層１８の形成時には、ドーパント
をはじめ、Ａｌが不要となることから、トリメチルアル
ミニウムのような不要な材料の供給が一時的に中断され
た状態で結晶成長が図られる。
【００１６】基板１１上への各層１２〜１６の形成後、
窓層１６には、電極のためのコンタクト層１９として、
ｐ+ 型GaAs（キャリア密度：２×１０19個／cm3 、膜
厚：０．３μｍ）が形成される。このコンタクト層１９
上に、従来よく知られたフォトリソグラフィー法等によ
り、表面電極２０が形成され、また基板１１の裏面には
裏面電極２１が形成される。さらに、窓層１６の露出面
を覆う反射防止膜２２が形成され、これにより量子井戸
構造を有する太陽電池１０が完成する。
窓層１６には、電極のためのコンタクト層１９として、
ｐ+ 型GaAs（キャリア密度：２×１０19個／cm3 、膜
厚：０．３μｍ）が形成される。このコンタクト層１９
上に、従来よく知られたフォトリソグラフィー法等によ
り、表面電極２０が形成され、また基板１１の裏面には
裏面電極２１が形成される。さらに、窓層１６の露出面
を覆う反射防止膜２２が形成され、これにより量子井戸
構造を有する太陽電池１０が完成する。
【００１７】本発明に係る第１具体例の太陽電池１０で
は、反射防止膜２２を通して入射した太陽光は、ベース
層１２、井戸層１４およびエミッタ層１３で吸収され
る。ベース層１２のｎ領域およびエミッタ層１３のｐ領
域では、従来の太陽電池におけると同様に、この光の吸
収に応じて電子と正孔とが生成され、それぞれ内部電界
によって電子は裏面電極２１へ、また正孔は表面電極２
０へと、それぞれ対応する電極２１および２０へ向けて
拡散する。ＢＳＦ層１５および窓層１６は、従来よく知
られているように、電極２０および２１へ向けて拡散す
るキャリアのそれぞれエミッタ層１３の表面およびベー
ス層１２の背面での表面再結合による消滅を防止し、こ
れにより変換効率の低下を防止する作用をなす。
は、反射防止膜２２を通して入射した太陽光は、ベース
層１２、井戸層１４およびエミッタ層１３で吸収され
る。ベース層１２のｎ領域およびエミッタ層１３のｐ領
域では、従来の太陽電池におけると同様に、この光の吸
収に応じて電子と正孔とが生成され、それぞれ内部電界
によって電子は裏面電極２１へ、また正孔は表面電極２
０へと、それぞれ対応する電極２１および２０へ向けて
拡散する。ＢＳＦ層１５および窓層１６は、従来よく知
られているように、電極２０および２１へ向けて拡散す
るキャリアのそれぞれエミッタ層１３の表面およびベー
ス層１２の背面での表面再結合による消滅を防止し、こ
れにより変換効率の低下を防止する作用をなす。
【００１８】他方、遷移領域Ｔに形成された井戸層１４
は、ｐ領域（１３）およびｎ領域（１２）のバンドギャ
ップエネルギーＥｇよりも小さいことから、このｐ領域
（１３）およびｎ領域（１２）で吸収できない長波長側
の光が井戸層１４で吸収される。この長波長側の光の吸
収により、井戸層１４で電子と正孔とが生成される。
は、ｐ領域（１３）およびｎ領域（１２）のバンドギャ
ップエネルギーＥｇよりも小さいことから、このｐ領域
（１３）およびｎ領域（１２）で吸収できない長波長側
の光が井戸層１４で吸収される。この長波長側の光の吸
収により、井戸層１４で電子と正孔とが生成される。
【００１９】この井戸層１４には、井戸層１４で生成さ
れたキャリアに加えて、電極２０または２１へ向けて拡
散するキャリアが捕獲されることがあるが、この井戸層
１４内のバンドギャップエネルギーは、バンドギャップ
エネルギーＥｇで示される障壁へ向けて、井戸部分Ｗ1
から井戸部分Ｗ2 へ向けて段階的（Ｅｇ2 、Ｅｇ1 ）に
増大されている。そのため、井戸部分Ｗ1 と障壁とのエ
ネルギー差（Ｅｇ−Ｅｇ1 ）が大きくとも、中段の井戸
部分Ｗ2 によって、光あるいは熱によっても比較的容易
に励起され易い小さなエネルギー差の階段が作られるこ
とから、井戸部分Ｗ1 のキャリアは、比較的容易に、す
なわち高い確率で井戸部分Ｗ2 に励起される。また、こ
の井戸部分Ｗ2 内のキャリアは、同様に比較的容易に井
戸部分Ｗ2 から脱出することができ、脱出したキャリア
電子は、ベース層１２へ向け、また脱出したキャリア正
孔はエミッタ層１３へ向けて、それぞれ拡散される。
れたキャリアに加えて、電極２０または２１へ向けて拡
散するキャリアが捕獲されることがあるが、この井戸層
１４内のバンドギャップエネルギーは、バンドギャップ
エネルギーＥｇで示される障壁へ向けて、井戸部分Ｗ1
から井戸部分Ｗ2 へ向けて段階的（Ｅｇ2 、Ｅｇ1 ）に
増大されている。そのため、井戸部分Ｗ1 と障壁とのエ
ネルギー差（Ｅｇ−Ｅｇ1 ）が大きくとも、中段の井戸
部分Ｗ2 によって、光あるいは熱によっても比較的容易
に励起され易い小さなエネルギー差の階段が作られるこ
とから、井戸部分Ｗ1 のキャリアは、比較的容易に、す
なわち高い確率で井戸部分Ｗ2 に励起される。また、こ
の井戸部分Ｗ2 内のキャリアは、同様に比較的容易に井
戸部分Ｗ2 から脱出することができ、脱出したキャリア
電子は、ベース層１２へ向け、また脱出したキャリア正
孔はエミッタ層１３へ向けて、それぞれ拡散される。
【００２０】その結果、従来の量子井戸構造の太陽電池
におけるような量子井戸でのキャリアの再結合による消
滅の頻度を大きく低減することができ、量子井戸内で生
成され、あるいはこの量子井戸に落ち込むキャリアを電
流として有効に利用することができることから、太陽電
池１０の効率は、従来に比較して大きく改善され、高い
光電気変換効率が得られる。また、太陽電池１０の構造
では、井戸層１４を構成する半導体材料をそのバンドギ
ャップエネルギーに応じて選択することにより、比較的
容易に所望の井戸構造を製造することがでる。
におけるような量子井戸でのキャリアの再結合による消
滅の頻度を大きく低減することができ、量子井戸内で生
成され、あるいはこの量子井戸に落ち込むキャリアを電
流として有効に利用することができることから、太陽電
池１０の効率は、従来に比較して大きく改善され、高い
光電気変換効率が得られる。また、太陽電池１０の構造
では、井戸層１４を構成する半導体材料をそのバンドギ
ャップエネルギーに応じて選択することにより、比較的
容易に所望の井戸構造を製造することがでる。
【００２１】井戸層１４を構成する半導体材料を適宜選
択することができるが、井戸層１４における隣接部分で
ある井戸部分Ｗ1 と井戸部分Ｗ2 とのバンドギャップエ
ネルギー差が０．１ｅＶ以下となるように、材料を選択
することが望ましい。両井戸部分Ｗ1 およびＷ2 のバン
ドギャップエネルギー差を０．１ｅＶ以下とすることに
より、高い確率で井戸層１４のキャリアを消滅させるこ
となく有効電流として取り出すことができる。また、井
戸と障壁とエネルギー差が大きいとき、必要に応じて井
戸部分の段数を増やすために、井戸層１４を４層以上の
多層構造による多段構造とすることができる。
択することができるが、井戸層１４における隣接部分で
ある井戸部分Ｗ1 と井戸部分Ｗ2 とのバンドギャップエ
ネルギー差が０．１ｅＶ以下となるように、材料を選択
することが望ましい。両井戸部分Ｗ1 およびＷ2 のバン
ドギャップエネルギー差を０．１ｅＶ以下とすることに
より、高い確率で井戸層１４のキャリアを消滅させるこ
となく有効電流として取り出すことができる。また、井
戸と障壁とエネルギー差が大きいとき、必要に応じて井
戸部分の段数を増やすために、井戸層１４を４層以上の
多層構造による多段構造とすることができる。
【００２２】さらに、井戸層１４の中央部である井戸部
分Ｗ1 の両側へエネルギーの段差をＶ字状に形成した例
を示したが、井戸部分Ｗ1 の一側にのみエネルギーの段
差を形成することができ、これによっても、それ相当の
効果を得ることができる。また、図２では単一の井戸層
１４を設けた例について説明したが、複数の井戸１４を
設けることができる。
分Ｗ1 の両側へエネルギーの段差をＶ字状に形成した例
を示したが、井戸部分Ｗ1 の一側にのみエネルギーの段
差を形成することができ、これによっても、それ相当の
効果を得ることができる。また、図２では単一の井戸層
１４を設けた例について説明したが、複数の井戸１４を
設けることができる。
【００２３】〈具体例２〉図３は、本発明の第２具体例
を示す太陽電池１０の縦断面図である。図３に示す太陽
電池１０では、３つの井戸層１４が形成されており、図
２に示したと同一の機能を果たす構成部分には、図２に
おけると同様の参照符号が付されている。第２の具体例
に係る太陽電池１０では、ベース層１２と、エミッタ層
１３との間の遷移領域Ｔに、多重量子井戸構造として、
３つの井戸層１４が形成されている。各井戸層１４の構
成は、図２に示した第１具体例におけると同様に、真性
GaAs層１８およびこれを間に挟んだ一対の真性Al0.1 Ga
0.9 As層１７からなる。
を示す太陽電池１０の縦断面図である。図３に示す太陽
電池１０では、３つの井戸層１４が形成されており、図
２に示したと同一の機能を果たす構成部分には、図２に
おけると同様の参照符号が付されている。第２の具体例
に係る太陽電池１０では、ベース層１２と、エミッタ層
１３との間の遷移領域Ｔに、多重量子井戸構造として、
３つの井戸層１４が形成されている。各井戸層１４の構
成は、図２に示した第１具体例におけると同様に、真性
GaAs層１８およびこれを間に挟んだ一対の真性Al0.1 Ga
0.9 As層１７からなる。
【００２４】各井戸層１４間には、真性Al0.2 Ga0.8 As
層２８（アンドープ、膜厚：０．１μｍ）が配置されて
おり、真性Al0.2 Ga0.8 As層２８は、ベース層１２およ
びエミッタ層１３と同一のバンドギャップエネルギーＥ
ｇを持つ。この真性Al0.2 Ga0.8 As層２８は、第１具体
例で説明したと同様な減圧ＭＯＣＶＤ法で形成すること
ができる。
層２８（アンドープ、膜厚：０．１μｍ）が配置されて
おり、真性Al0.2 Ga0.8 As層２８は、ベース層１２およ
びエミッタ層１３と同一のバンドギャップエネルギーＥ
ｇを持つ。この真性Al0.2 Ga0.8 As層２８は、第１具体
例で説明したと同様な減圧ＭＯＣＶＤ法で形成すること
ができる。
【００２５】図４は、図３に示した第２具体例に係る太
陽電池１０のエネルギーバンド構造の説明図である。ベ
ース層１２およびエミッタ層１３により構成されるｎ型
領域とｐ型領域との間の遷移領域Ｔには、各井戸層１４
で構成される３つの量子井戸Ｗが直列的に形成されてお
り、各量子井戸Ｗは、それぞれ図１に示したと同様に、
そのバンドギャップエネルギーを、バンドギャップエネ
ルギーＥｇで示される障壁へ向けて、井戸部分Ｗ1 から
井戸部分Ｗ2 へ向けて段階的（Ｅｇ2 、Ｅｇ1 ）に増大
させている。
陽電池１０のエネルギーバンド構造の説明図である。ベ
ース層１２およびエミッタ層１３により構成されるｎ型
領域とｐ型領域との間の遷移領域Ｔには、各井戸層１４
で構成される３つの量子井戸Ｗが直列的に形成されてお
り、各量子井戸Ｗは、それぞれ図１に示したと同様に、
そのバンドギャップエネルギーを、バンドギャップエネ
ルギーＥｇで示される障壁へ向けて、井戸部分Ｗ1 から
井戸部分Ｗ2 へ向けて段階的（Ｅｇ2 、Ｅｇ1 ）に増大
させている。
【００２６】従って、各量子井戸Ｗ内のキャリアを、第
１具体例におけると同様に、ｎ型領域またはｐ型領域に
高い確率で脱出させることができ、これにより量子井戸
Ｗ内のキャリアを電流として有効に取り出すことができ
る。また、３つの量子井戸Ｗが設けられていることか
ら、それぞれの量子井戸Ｗで長波長側の光を吸収するこ
とができ、この量子井戸Ｗで励起されるキャリアの総数
が増大することから、この増大分に応じた変換効率の向
上が期待できる。
１具体例におけると同様に、ｎ型領域またはｐ型領域に
高い確率で脱出させることができ、これにより量子井戸
Ｗ内のキャリアを電流として有効に取り出すことができ
る。また、３つの量子井戸Ｗが設けられていることか
ら、それぞれの量子井戸Ｗで長波長側の光を吸収するこ
とができ、この量子井戸Ｗで励起されるキャリアの総数
が増大することから、この増大分に応じた変換効率の向
上が期待できる。
【００２７】第１および第２の具体例では、量子井戸Ｗ
をｐｎ接合の遷移領域Ｔに形成した例について説明した
が、本発明に係る量子井戸Ｗは、遷移領域Ｔに形成する
ことに代えて、反射防止膜２２を経る太陽光が透過する
範囲内で、ｐ型領域あるいはｎ型領域の内部に形成する
ことができる。
をｐｎ接合の遷移領域Ｔに形成した例について説明した
が、本発明に係る量子井戸Ｗは、遷移領域Ｔに形成する
ことに代えて、反射防止膜２２を経る太陽光が透過する
範囲内で、ｐ型領域あるいはｎ型領域の内部に形成する
ことができる。
【００２８】〈具体例３〉図５は、本発明の第３具体例
を示す図２と同様な図面であり、量子井戸Ｗをｎ型領域
を構成するベース層１２内に形成した例を示す。第３の
具体例に係る太陽電池１０では、先に述べたと同様な減
圧ＭＯＣＶＤ法で各層を形成することができる。すなわ
ち、基板１１上にＢＳＦ層１５を形成後、ベース層１２
の下部１２ａが形成される。この下部１２ａ上に、一対
のｎ型Al0. 1 Ga0.9 As層１７およびその間のｎ型GaAs層
１８からなる量子井戸Ｗが形成される。
を示す図２と同様な図面であり、量子井戸Ｗをｎ型領域
を構成するベース層１２内に形成した例を示す。第３の
具体例に係る太陽電池１０では、先に述べたと同様な減
圧ＭＯＣＶＤ法で各層を形成することができる。すなわ
ち、基板１１上にＢＳＦ層１５を形成後、ベース層１２
の下部１２ａが形成される。この下部１２ａ上に、一対
のｎ型Al0. 1 Ga0.9 As層１７およびその間のｎ型GaAs層
１８からなる量子井戸Ｗが形成される。
【００２９】この量子井戸Ｗが遷移領域Ｔに形成された
第１および第２の具体例では、Al0. 1 Ga0.9 As層１７お
よびGaAs層１８はアンドープの真性半導体層で構成され
たが、ｎ型領域に量子井戸Ｗが形成される第３具体例で
は、前記したようにAl0.1 Ga0. 9 As層１７およびGaAs層
１８は、ｎ型とすることが好ましい。従って、ｐ型領域
に量子井戸Ｗを形成する場合は、Al0.1 Ga0.9 As層１７
およびGaAs層１８はそれぞれｐ型が採用される。
第１および第２の具体例では、Al0. 1 Ga0.9 As層１７お
よびGaAs層１８はアンドープの真性半導体層で構成され
たが、ｎ型領域に量子井戸Ｗが形成される第３具体例で
は、前記したようにAl0.1 Ga0. 9 As層１７およびGaAs層
１８は、ｎ型とすることが好ましい。従って、ｐ型領域
に量子井戸Ｗを形成する場合は、Al0.1 Ga0.9 As層１７
およびGaAs層１８はそれぞれｐ型が採用される。
【００３０】量子井戸Ｗの形成後、ベース層１２の上部
１２ｂが形成され、さらにその上に、エミッタ層１３が
形成され、その後、窓層１６、コンタクト層１９、電極
２０および２１が形成され、太陽電池１０が完成する。
この第３具体例に係る太陽電池１０では、ベース層１２
の上部１２ｂと、その上のエミッタ層１３との接合部に
遷移領域Ｔが形成されることから、この遷移領域Ｔに量
子井戸構造が形成されることはないが、ベース層１２の
内部へ透過する光によって、このベース層１２内に形成
された量子井戸Ｗで電流として有効に作用するキャリア
が生成される。従って、第３具体例の太陽電池１０によ
っても、優れた変換効率を得ることができる。
１２ｂが形成され、さらにその上に、エミッタ層１３が
形成され、その後、窓層１６、コンタクト層１９、電極
２０および２１が形成され、太陽電池１０が完成する。
この第３具体例に係る太陽電池１０では、ベース層１２
の上部１２ｂと、その上のエミッタ層１３との接合部に
遷移領域Ｔが形成されることから、この遷移領域Ｔに量
子井戸構造が形成されることはないが、ベース層１２の
内部へ透過する光によって、このベース層１２内に形成
された量子井戸Ｗで電流として有効に作用するキャリア
が生成される。従って、第３具体例の太陽電池１０によ
っても、優れた変換効率を得ることができる。
【００３１】ｐ型領域またはｎ型領域に量子井戸を形成
する場合も、多数の量子井戸を有する多重量子井戸構造
を採用することができ、また各量子井戸に多段構造を採
用することができる。また、多重量子井戸構造の全てに
ついて、井戸のバンドギャップエネルギーを段階的に形
成することなく、その一部の量子井戸についてのバンド
ギャップエネルギーを段階的に形成することによって
も、この階段状の段差による特有の効果を得ることがで
きる。
する場合も、多数の量子井戸を有する多重量子井戸構造
を採用することができ、また各量子井戸に多段構造を採
用することができる。また、多重量子井戸構造の全てに
ついて、井戸のバンドギャップエネルギーを段階的に形
成することなく、その一部の量子井戸についてのバンド
ギャップエネルギーを段階的に形成することによって
も、この階段状の段差による特有の効果を得ることがで
きる。
【００３２】各具体例では、各層１１〜１６の厚さ寸法
を記載したが、これらの値は一例に過ぎず、適宜選択す
ることができる。また、半導体材料として、ｐｎ接合を
構成する半導体材料として、Al0.2 Ga0.8 Asを採用し、
量子井戸構造の井戸としてGaAsおよびAl0.1 Ga0.9 Asの
組み合わせを採用した例について説明したが、それぞれ
異なるバンドギャップエネルギーの半導体材料を適宜組
み合わせて用いることができる。そのような組み合わせ
の一例として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧ
ａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓのような組み合わせがある。また、
各結晶層の成長方法は、減圧ＭＯＣＶＤ法に限らず、Ｍ
ＢＥ（分子線エピタキシ）法、ハイドライド気相成長法
等を適宜選択することができる。
を記載したが、これらの値は一例に過ぎず、適宜選択す
ることができる。また、半導体材料として、ｐｎ接合を
構成する半導体材料として、Al0.2 Ga0.8 Asを採用し、
量子井戸構造の井戸としてGaAsおよびAl0.1 Ga0.9 Asの
組み合わせを採用した例について説明したが、それぞれ
異なるバンドギャップエネルギーの半導体材料を適宜組
み合わせて用いることができる。そのような組み合わせ
の一例として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧ
ａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓのような組み合わせがある。また、
各結晶層の成長方法は、減圧ＭＯＣＶＤ法に限らず、Ｍ
ＢＥ（分子線エピタキシ）法、ハイドライド気相成長法
等を適宜選択することができる。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、以上に説明したよう
に、量子井戸構造のバンドギャップエネルギーを量子井
戸において障壁へ向けて段階的に増大させることによ
り、この量子井戸内のキャリアを伝導帯あるいは価電子
帯に効果的に励起することができ、これにより量子井戸
で再結合により消滅するキャリアを低減して、これらの
キャリアを電流として有効に利用することができること
から、太陽電池の効率を大きく向上させることができ
る。
に、量子井戸構造のバンドギャップエネルギーを量子井
戸において障壁へ向けて段階的に増大させることによ
り、この量子井戸内のキャリアを伝導帯あるいは価電子
帯に効果的に励起することができ、これにより量子井戸
で再結合により消滅するキャリアを低減して、これらの
キャリアを電流として有効に利用することができること
から、太陽電池の効率を大きく向上させることができ
る。
【図１】本発明の原理を示すエネルギーバンド構造の説
明図である。
明図である。
【図２】本発明の第１具体例を示す太陽電池の縦断面図
である。
である。
【図３】本発明の第２具体例を示す図２と同様な図面で
ある。
ある。
【図４】本発明の第２具体例に係るエネルギーバンド構
造の説明図である。
造の説明図である。
【図５】本発明の第３具体例を示す図２と同様な図面で
ある。
ある。
１０ 太陽電池 １２ ベース層 １３ エミッタ層 １４ 井戸層 Ｗ 量子井戸 Ｗ1 井戸部分 Ｗ2 井戸部分
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体材料からなるｐｎ接合で構成さ
れ、エネルギーバンド構造に量子井戸構造を備える太陽
電池であって、量子井戸のバンドギャップエネルギーが
両側の障壁へ向けて段階的に増大するエネルギーバンド
構造を有することを特徴とする太陽電池。 - 【請求項２】 前記井戸の相互に隣接する部分のバンド
ギャップエネルギー段差は０．１ｅＶ以下であることを
特徴とする請求項１記載の太陽電池。 - 【請求項３】 前記量子井戸構造は、バンドギャップエ
ネルギーを異にする化合物半導体材料を積層して構成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7344818A JPH09162432A (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7344818A JPH09162432A (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09162432A true JPH09162432A (ja) | 1997-06-20 |
Family
ID=18372215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7344818A Pending JPH09162432A (ja) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09162432A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010272769A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Fujitsu Ltd | 太陽電池 |
| JP2012504331A (ja) * | 2008-09-29 | 2012-02-16 | クアンタソル リミテッド | 光電池 |
| KR20150092608A (ko) * | 2014-02-05 | 2015-08-13 | 엘지전자 주식회사 | 화합물 태양 전지 |
-
1995
- 1995-12-06 JP JP7344818A patent/JPH09162432A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012504331A (ja) * | 2008-09-29 | 2012-02-16 | クアンタソル リミテッド | 光電池 |
| JP2010272769A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Fujitsu Ltd | 太陽電池 |
| KR20150092608A (ko) * | 2014-02-05 | 2015-08-13 | 엘지전자 주식회사 | 화합물 태양 전지 |
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