JP2014086654A - Compound semiconductor solar cell and method of manufacturing compound semiconductor solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor solar cell and a method for producing a compound semiconductor solar cell.
近年、III−V族化合物半導体で形成された化合物半導体太陽電池(たとえば特許文献1等参照。)は、高変換効率である特長を生かして宇宙用あるいは集光用として用いられている。 In recent years, compound semiconductor solar cells formed of III-V group compound semiconductors (see, for example, Patent Document 1) have been used for space use or light collection, taking advantage of their high conversion efficiency.
図10に、従来の3接合型化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池は、p型Ge基板101上に、n型Ge層102、n型InGaP核形成層103(厚さ0.02μm)、n型InGaAsバッファ層104(厚さ0.08μm)、n++型GaAs層105(厚さ0.02μm)、p++型GaAs層106(厚さ0.02μm)、p+型InGaPからなるBSF層107(厚さ0.1μm)、p型InGaAs層108(厚さ3μm)、n型InGaAs層109(厚さ0.1μm)、n型InGaP窓層110(厚さ0.01μm)、n++型InGaP層111(厚さ0.02μm)、p++型AlGaAs層112(厚さ0.02μm)、p+型AlInPからなるベース層113(厚さ0.1μm)、p型InGaP層114(厚さ0.7μm)、n型InGaP層115(厚さ0.05μm)、n型AlInP窓層116(厚さ0.03μm)およびn型GaAs層117(厚さ0.5μm)が順次積層された構成を有している。
FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a conventional three-junction compound semiconductor solar cell. A conventional three-junction compound semiconductor solar cell shown in FIG. 10 has an n-
また、n型GaAs層117の表面上には上部電極202が設けられており、p型Ge基板101の裏面上には下部電極201が設けられている。また、n型AlInP窓層116の表面上においてn型GaAs層117が形成されていない部分には、反射防止膜203が形成されている。
An
n型Ge層102は、n型InGaP核形成層103からリン原子が拡散することによって形成され、n型Ge層102の厚さは0.1μm程度となる。また、p型Ge基板101とn型Ge層102とからボトムセル10が形成されている。
The n-
また、n++型GaAs層105とp++型GaAs層106とからトンネル接合層40aが形成されている。
A
また、p型InGaAs層108およびn型InGaAs層109からミドルセル20が形成されている。
A
また、n++型InGaP窓層111とp++型AlGaAs層112とからトンネル接合層40bが形成されている。
A
また、p型InGaP層114およびn型InGaP層115からトップセル30が形成されている。
A
図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池を集光用に設計した場合、すなわちAM1.5の太陽光スペクトルに最適になるように、各層の厚さおよびキャリア濃度を最適に設計した場合には、1SUNで31%の変換効率を示し、1000倍集光で40%程度の変換効率を示す。 When the conventional three-junction compound semiconductor solar cell shown in FIG. 10 is designed for condensing, that is, when the thickness and carrier concentration of each layer are optimally designed to be optimal for the AM1.5 solar spectrum. Shows a conversion efficiency of 31% at 1 SUN and a conversion efficiency of about 40% at 1000 times condensing.
図11に、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の分光感度特性を示す。図11に示す分光感度特性によれば、集光時のAM1.5の太陽光スペクトルの下では、トップセル30、ミドルセル20およびボトムセル10で発生可能な電流量の比は、それぞれ、1.01、1.00および1.70程度であるため、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の電流量はミドルセル20で発生した電流量に律速される。
FIG. 11 shows the spectral sensitivity characteristics of the conventional three-junction compound semiconductor solar cell shown in FIG. According to the spectral sensitivity characteristic shown in FIG. 11, under the AM1.5 sunlight spectrum at the time of condensing, the ratio of the amount of current that can be generated in the
そこで、ミドルセルで発生可能な電流量を増加させるための技術としては、たとえば非特許文献1に、GaAs層からなるミドルセルに、InAs量子ドット層、またはGaAsP/InGaAs量子井戸層を挿入することによって、長波長側の量子効率を上げる試みが提案されている。これによれば、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池のミドルセルで発生可能な電流量を3%程度増加することができるとされている。
Therefore, as a technique for increasing the amount of current that can be generated in the middle cell, for example, in
しかしながら、上記の非特許文献1に記載の方法を導入して作製された図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池において、トップセル30、ミドルセル20およびボトムセル10で発生可能な電流量の比は、それぞれ、1.01、1.03および1.67程度となり、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の電流量は今度はトップセル30で発生した電流量に律速されることになる。また、上記の非特許文献1に記載の方法を導入してミドルセル20の長波長側の量子効率を上げた場合には、同時にミドルセル20の開放電圧がわずかに減少するため、3接合型化合物半導体太陽電池全体の変換効率は、1000倍集光で40.2%程度となり、0.2%程度増加するのみである。
However, in the conventional three-junction compound semiconductor solar battery shown in FIG. 10 manufactured by introducing the method described in
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、変換効率を向上することができる化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することにある。 In view of said situation, the objective of this invention is providing the manufacturing method of the compound semiconductor solar cell which can improve conversion efficiency, and a compound semiconductor solar cell.
本発明は、第1の光電変換セルと、第1の光電変換セル上に設けられた第2の光電変換セルと、第2の光電変換セル上に設けられた第3の光電変換セルとを備え、第3の光電変換セルは、第1の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層とを含み、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きく、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下である化合物半導体太陽電池である。このような構成とすることにより、変換効率が向上した化合物半導体太陽電池を得ることができる。 The present invention includes a first photoelectric conversion cell, a second photoelectric conversion cell provided on the first photoelectric conversion cell, and a third photoelectric conversion cell provided on the second photoelectric conversion cell. And the third photoelectric conversion cell includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer, and the band gap energy of the first compound semiconductor layer is the band gap energy of the second compound semiconductor layer. And a compound semiconductor solar cell in which the absolute value of the difference between the band gap energy of the first compound semiconductor layer and the band gap energy of the second compound semiconductor layer is 0.05 eV or less. By setting it as such a structure, the compound semiconductor solar cell with improved conversion efficiency can be obtained.
また、本発明は、2°以下のオフ角を設けたp型Ge基板の(100)面上にn型InGaP核形成層を形成した後にn型Ge層を形成することによって第1の光電変換セルを形成する工程と、第1の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程と、を含み、第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である化合物半導体太陽電池の製造方法である。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 In the present invention, the first photoelectric conversion is performed by forming the n-type Ge layer after forming the n-type InGaP nucleation layer on the (100) plane of the p-type Ge substrate having an off angle of 2 ° or less. Forming a cell, and forming a second photoelectric conversion cell including a base layer including a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the first photoelectric conversion cell. And forming a third photoelectric conversion cell including a base layer composed of a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the second photoelectric conversion cell. The first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer is a method for manufacturing a compound semiconductor solar cell that is an InGaP layer to which Sb is not added. By setting it as such a structure, the spectral sensitivity by the side of the long wavelength of a 3rd photoelectric conversion cell can be increased, and the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention can be increased.
さらに、本発明は、2°以下のオフ角を設けたp型GaAs基板の(100)面上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程と、第3の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上に第1の光電変換セルを形成する工程と、を含み、第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である化合物半導体太陽電池の製造方法である。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 Furthermore, the present invention provides a base layer comprising a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the (100) plane of a p-type GaAs substrate having an off angle of 2 ° or less. A second photoelectric conversion cell including a base layer made of a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the third photoelectric conversion cell. And a step of forming the first photoelectric conversion cell on the second photoelectric conversion cell, wherein the first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, In this method, the second compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is not added. By setting it as such a structure, the spectral sensitivity by the side of the long wavelength of a 3rd photoelectric conversion cell can be increased, and the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention can be increased.
本発明によれば、変換効率を向上することができる化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the compound semiconductor solar cell which can improve conversion efficiency, and a compound semiconductor solar cell can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
本発明の化合物半導体太陽電池は、第1の光電変換セルと、第1の光電変換セル上に設けられた第2の光電変換セルと、第2の光電変換セル上に設けられた第3の光電変換セルとを備え、第3の光電変換セルは、第1の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層とを含み、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きく、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下である。このような構成を有する本発明の化合物半導体太陽電池は、後述する実施の形態にて立証されるように、変換効率が向上する。 The compound semiconductor solar battery of the present invention includes a first photoelectric conversion cell, a second photoelectric conversion cell provided on the first photoelectric conversion cell, and a third photoelectric conversion cell provided on the second photoelectric conversion cell. The third photoelectric conversion cell includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer, and the band gap energy of the first compound semiconductor layer is the second compound semiconductor. The absolute value of the difference between the band gap energy of the first compound semiconductor layer and the band gap energy of the second compound semiconductor layer is slightly larger than the band gap energy of the layer. The compound semiconductor solar cell of the present invention having such a configuration has improved conversion efficiency as will be demonstrated in the embodiments described later.
また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第2の光電変換セルは、第3の化合物半導体層と、第4の化合物半導体層とを含み、第3の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、第4の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きく、第3の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第4の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下であることが好ましい。この場合にも、本発明の化合物半導体太陽電池の変換効率が向上する。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the second photoelectric conversion cell includes a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer, and the band gap energy of the third compound semiconductor layer is the first 4 is slightly larger than the band gap energy of the compound semiconductor layer 4, and the absolute value of the difference between the band gap energy of the third compound semiconductor layer and the band gap energy of the fourth compound semiconductor layer is 0.05 eV or less. Is preferred. Also in this case, the conversion efficiency of the compound semiconductor solar cell of the present invention is improved.
また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第1の光電変換セルを構成する半導体のバンドギャップエネルギは、1.1eV以下であることが好ましく、1.05eV以下であることがより好ましい。第1の光電変換セルを構成する半導体のバンドギャップエネルギが1.1eV以下である場合、特に1.05eV以下である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the band gap energy of the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is preferably 1.1 eV or less, and more preferably 1.05 eV or less. When the band gap energy of the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is 1.1 eV or less, particularly when it is 1.05 eV or less, the amount of short-circuit current of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase. is there.
第1の光電変換セルを構成する半導体としては、特に制限されるものではないが、たとえば、InGaAs、InGaAlAs、InGaAsN、またはInGaAlAsNなどの半導体を挙げることができる。なかでも、構成する元素の数が最も少なく、形成時の材料供給を制御しやすいという理由からは、第1の光電変換セルを構成する半導体としてはInGaAsを用いることが好ましい。ここで、第1の光電変換セルを構成する化合物半導体としてInGaAsを用いる場合には、第1の光電変換セルを構成する化合物半導体のバンドギャップエネルギが1.1eV以下となるように、In(インジウム)とGa(ガリウム)との組成比を適宜設定することが可能である。また、第1の光電変換セルを構成する半導体として、InGaAsのような、GaAs基板およびGe基板に格子整合しない半導体を用いる場合には、これらの基板上に、格子不整合を緩和するバッファ層を介して第1の光電変換セルが形成されていることが好ましい。また、本発明の第1の光電変換セルを構成する半導体としてGeを用いることもでき、この場合には、第1の光電変換セルを構成する半導体のバンドギャップエネルギは0.67eV程度になる。なお、第1の光電変換セルを構成する半導体は、たとえばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などにより形成することができる。 The semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is not particularly limited, and examples thereof include semiconductors such as InGaAs, InGaAlAs, InGaAsN, and InGaAlAsN. Among them, it is preferable to use InGaAs as the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell because the number of constituent elements is the smallest and the material supply at the time of formation is easily controlled. Here, when InGaAs is used as the compound semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell, In (indium) is used so that the band gap energy of the compound semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is 1.1 eV or less. ) And Ga (gallium) composition ratio can be set as appropriate. When a semiconductor that does not lattice match with a GaAs substrate and a Ge substrate, such as InGaAs, is used as a semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell, a buffer layer that relaxes lattice mismatch is formed on these substrates. It is preferable that the first photoelectric conversion cell is formed. Further, Ge can also be used as the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell of the present invention, and in this case, the band gap energy of the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is about 0.67 eV. In addition, the semiconductor which comprises a 1st photoelectric conversion cell can be formed by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method etc., for example.
第1の光電変換セルの厚さは、特に制限されないが、1.5μm以上4.5μm以下であることが好ましく、2μm以上4μm以下であることがより好ましい。第1の光電変換セルの厚さが1.5μm以上である場合、特に2μm以上である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。また、第1の光電変換セルの厚さが4.5μm以下である場合、特に4μm以下である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が大きくなる傾向にある。 The thickness of the first photoelectric conversion cell is not particularly limited, but is preferably 1.5 μm or more and 4.5 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 4 μm or less. When the thickness of the first photoelectric conversion cell is 1.5 μm or more, particularly when it is 2 μm or more, the short-circuit current amount of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase. When the thickness of the first photoelectric conversion cell is 4.5 μm or less, particularly when it is 4 μm or less, the open circuit voltage of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase.
また、第2の光電変換セルに含まれる第3の化合物半導体層としては、特に制限されるものではないが、たとえば、GaAs、InGaAs、AlGaAsまたはInGaAlAsなどを挙げることができる。なかでも、構成する元素の数が少なく形成時の材料の供給を制御し易く、また、GaAs基板およびGe基板に格子整合する化合物半導体であるという理由からは、第3の化合物半導体層としては、GaAsまたはInGaAsを用いることが好ましい。ここで、第3の化合物半導体層としてInGaAsを用いる場合にはGe基板と格子整合するように、InとGaとの組成比を適宜設定することが可能である。また、第2の光電変換セルに、第3の化合物半導体層のバンドギャップよりわずかに低いバンドギャップの第4の化合物半導体層(第3の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第4の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下)として、InAs量子ドットを添加した層、および/または、InGaAs/GaAsP量子井戸層などを導入することによって、第2の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることも可能である。なお、第2の半導体光電変換セルに含まれる第3の化合物半導体層および第4の化合物半導体層は、たとえばMOCVD法などにより形成することができる。 In addition, the third compound semiconductor layer included in the second photoelectric conversion cell is not particularly limited, and examples thereof include GaAs, InGaAs, AlGaAs, and InGaAlAs. Among these, since the number of constituent elements is small and the supply of materials at the time of formation is easy to control, and because it is a compound semiconductor lattice-matched to a GaAs substrate and a Ge substrate, the third compound semiconductor layer is It is preferable to use GaAs or InGaAs. Here, when InGaAs is used as the third compound semiconductor layer, the composition ratio of In and Ga can be set as appropriate so as to lattice match with the Ge substrate. In addition, the second photoelectric conversion cell includes a fourth compound semiconductor layer having a band gap slightly lower than the band gap of the third compound semiconductor layer (the band gap energy of the third compound semiconductor layer and the fourth compound semiconductor layer). By introducing an InAs quantum dot-added layer and / or an InGaAs / GaAsP quantum well layer, etc., the absolute value of the difference from the band gap energy of the second photoelectric conversion cell is It is also possible to increase the quantum efficiency on the long wavelength side. Note that the third compound semiconductor layer and the fourth compound semiconductor layer included in the second semiconductor photoelectric conversion cell can be formed by, for example, the MOCVD method.
第2の光電変換セルの厚さは特に制限されないが、1.5μm以上4.5μm以下であることが好ましく、2μm以上4μm以下であることが好ましい。第2の光電変換セルの厚さが1.5μm以上である場合、特に2μm以上である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。また、第2の光電変換セルの厚さが4.5μm以下である場合、特に4μm以下である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が大きくなる傾向にある。 The thickness of the second photoelectric conversion cell is not particularly limited, but is preferably 1.5 μm or more and 4.5 μm or less, and preferably 2 μm or more and 4 μm or less. When the thickness of the second photoelectric conversion cell is 1.5 μm or more, particularly when the thickness is 2 μm or more, the short-circuit current amount of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase. When the thickness of the second photoelectric conversion cell is 4.5 μm or less, particularly when it is 4 μm or less, the open circuit voltage of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase.
また、第3の光電変換セルに含まれる第1の化合物半導体層としては、特に制限されるものではないが、たとえば、InGaP、AlInGaP、InGaNまたはAlInGaNなどを挙げることができる。なかでも、結晶成長しやすい化合物半導体であるという理由からは、第1の化合物半導体層としては、InGaPまたはAlInGaPを用いることが好ましい。ここで、第1の化合物半導体層として、AlInGaPを用いる場合には、GaAsなどの半導体基板に格子整合するように、AlとInとGaとの組成比を適宜設定することが可能である。また、この場合には、第3の光電変換セルに、第1の化合物半導体層のバンドギャップよりわずかに低いバンドギャップの第2の化合物半導体層(第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下)として、InGaP層などを導入することによって、第3の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることも可能である。第1の化合物半導体層としてSbを添加したInGaP層を用い、GaAsなどの半導体基板に格子整合するように、InとGaとの組成比を適宜設定することが可能である。この場合、第1の化合物半導体層のバンドギャップよりわずかに低いバンドギャップの第2の化合物半導体層(第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下)として、Sbを添加しないInGaP層を、第3の光電変換セルに導入することによって、第3の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることも可能である。
In addition, the first compound semiconductor layer included in the third photoelectric conversion cell is not particularly limited, and examples thereof include InGaP, AlInGaP, InGaN, and AlInGaN. Especially, it is preferable to use InGaP or AlInGaP as the first compound semiconductor layer because it is a compound semiconductor that easily grows crystals. Here, when AlInGaP is used as the first compound semiconductor layer, the composition ratio of Al, In, and Ga can be appropriately set so as to lattice match with a semiconductor substrate such as GaAs. In this case, the third photoelectric conversion cell also includes a second compound semiconductor layer having a band gap slightly lower than the band gap of the first compound semiconductor layer (the band gap energy of the first compound semiconductor layer and the first compound semiconductor layer). It is possible to increase the quantum efficiency on the long wavelength side of the third photoelectric conversion cell by introducing an InGaP layer or the like as the absolute value of the difference from the band gap energy of the
第3の光電変換セルの厚さは特に制限されないが、0.5μm以上2μm以下であることが好ましく、0.7μm以上1.5μm以下であることが好ましい。第3の光電変換セルの厚さが0.5μm以上である場合、特に0.7μm以上である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。また、第3の光電変換セルの厚さが2μm以下である場合、特に1.5μm以下である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧が大きくなる傾向にある。 The thickness of the third photoelectric conversion cell is not particularly limited, but is preferably 0.5 μm or more and 2 μm or less, and more preferably 0.7 μm or more and 1.5 μm or less. When the thickness of the third photoelectric conversion cell is 0.5 μm or more, particularly when the thickness is 0.7 μm or more, the short-circuit current amount of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase. Moreover, when the thickness of the third photoelectric conversion cell is 2 μm or less, particularly when it is 1.5 μm or less, the open-circuit voltage of the compound semiconductor solar battery of the present invention tends to increase.
第3の光電変換セルの第2の化合物半導体層の厚さは、0.01μm以上0.1μm以下であることが好ましい。第3の光電変換セルの第2の化合物半導体層の厚さが、0.01μm以上0.1μm以下である場合には、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧の低下が少なくなり、短絡電流量が大きくなる傾向にある。 The thickness of the second compound semiconductor layer of the third photoelectric conversion cell is preferably 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. When the thickness of the second compound semiconductor layer of the third photoelectric conversion cell is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less, the decrease in the open-circuit voltage of the compound semiconductor solar battery of the present invention is reduced, and the short circuit current The amount tends to increase.
本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法の第1の態様においては、2°以下のオフ角を設けたp型Ge基板の(100)面上にn型InGaP核形成層を形成した後にn型Ge層を形成することによって第1の光電変換セルを形成する工程と、第1の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程とを含み、第3の光電変換セルの第1の化合物半導体層をSbが添加されたInGaP層とし、第3の光電変換セルの第2の化合物半導体層をSbが添加されていないInGaP層としている。これにより、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギを第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きくすることによって、Sbが添加されていないInGaP層のみから第3の光電変換セルを作製した場合と比較して、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 In the first aspect of the method for producing a compound semiconductor solar battery of the present invention, an n-type InGaP nucleation layer is formed on the (100) plane of a p-type Ge substrate having an off angle of 2 ° or less, and then n-type. A step of forming a first photoelectric conversion cell by forming a Ge layer, and a base composed of a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the first photoelectric conversion cell Forming a second photoelectric conversion cell including a layer; and a first layer including a base layer including a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the second photoelectric conversion cell. Forming a third photoelectric conversion cell, wherein the first compound semiconductor layer of the third photoelectric conversion cell is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer of the third photoelectric conversion cell is S It has been with the InGaP layer but not added. Thus, the third photoelectric conversion cell is formed only from the InGaP layer to which no Sb is added by setting the band gap energy of the first compound semiconductor layer slightly larger than the band gap energy of the second compound semiconductor layer. Compared with the case where it is manufactured, the spectral sensitivity on the long wavelength side of the third photoelectric conversion cell can be increased, and the amount of short-circuit current of the compound semiconductor solar battery can be increased.
本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法の第2の態様においては、2°以下のオフ角を設けたp型GaAs基板の(100)面上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程と、第3の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上に第1の光電変換セルを形成する工程とを含むが、第3の光電変換セルの第1の化合物半導体層をSbが添加されたInGaP層とし、第3の光電変換セルの第2の化合物半導体層をSbが添加されていないInGaP層としている。これにより、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギを第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きくすることによって、Sbが添加されていないInGaP層のみから第3の光電変換セルを作製した場合と比較して、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 In the second aspect of the method for producing a compound semiconductor solar cell of the present invention, first compound semiconductor layers having different band gap energies on the (100) plane of a p-type GaAs substrate provided with an off angle of 2 ° or less. Forming a third photoelectric conversion cell including a base layer composed of a first compound semiconductor layer and a third compound semiconductor layer, a third compound semiconductor layer having a different band gap energy on the third photoelectric conversion cell, and a fourth A step of forming a second photoelectric conversion cell including a base layer composed of a compound semiconductor layer and a step of forming a first photoelectric conversion cell on the second photoelectric conversion cell; The first compound semiconductor layer of the cell is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer of the third photoelectric conversion cell is an InGaP layer to which Sb is not added. Thus, the third photoelectric conversion cell is formed only from the InGaP layer to which no Sb is added by setting the band gap energy of the first compound semiconductor layer slightly larger than the band gap energy of the second compound semiconductor layer. Compared with the case where it is manufactured, the spectral sensitivity on the long wavelength side of the third photoelectric conversion cell can be increased, and the amount of short-circuit current of the compound semiconductor solar battery can be increased.
図1に、本発明の化合物半導体太陽電池の一例である実施の形態1の化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。実施の形態1の化合物半導体太陽電池は、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池と比較して、ミドルセル20のp型InGaAsベース層108(厚さ3μm)の下にp型InGaAs/GaAsP量子井戸層108aが形成されている点、トップセル30のエミッタ層がn型AlGaInP層115a(厚さ0.05μm;III族原子全体に対するAlの組成比0.05)で形成されており、トップセル30のベース層がp型AlGaInP層114a(厚さ2.5μm;III族原子全体に対するAlの組成比0.05)とp型InGaP層114b(厚さ0.1μm)との2層で形成されている点で異なっている。なお、トップセル30のp型AlGaInP層114aのバンドギャップエネルギとp型InGaP層114bのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。また、ミドルセル20のp型InGaAsベース層108のバンドギャップエネルギとp型InGaAs/GaAsP量子井戸層108aのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the compound semiconductor solar battery of
図2に、図1に示す実施の形態1の化合物半導体太陽電池の分光感度特性を示す。図2に示す実施の形態1の化合物半導体太陽電池の分光感度特性は、図11に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の分光感度特性と比較して、トップセル30の短波長側の感度が向上している点、トップセル30とミドルセル20の長波長側に肩状に感度特性の向上が見られる点、およびボトムセル10の短波長側の特性が落ちている点で異なっている。
FIG. 2 shows the spectral sensitivity characteristics of the compound semiconductor solar cell of the first embodiment shown in FIG. The spectral sensitivity characteristic of the compound semiconductor solar cell of the first embodiment shown in FIG. 2 is shorter than the spectral sensitivity characteristic of the conventional three-junction compound semiconductor solar cell shown in FIG. The difference is that the sensitivity characteristic is improved in a shoulder shape on the long wavelength side of the
図2に示す分光感度特性によれば、集光時のAM1.5の太陽光スペクトルの下では、実施の形態1の化合物半導体太陽電池のトップセル30、ミドルセル20およびボトムセル10で発生可能な電流量の比は、それぞれ、1.04、1.03および1.67程度となる。そのため、実施の形態1の化合物半導体太陽電池においては、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池と比較して、3%程度の短絡電流量の増加が見込まれる。
According to the spectral sensitivity characteristic shown in FIG. 2, the current that can be generated in the
また、実施の形態1の化合物半導体太陽電池においては、1000倍集光時に41.0%の変換効率を示した。この値が、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の40.0%の変換効率から短絡電流量が3%増加した場合に期待できる変換効率である41.2%に及んでいないのは、実施の形態1の化合物半導体太陽電池の開放電圧が若干低下したためであると考えられる。
Moreover, in the compound semiconductor solar cell of
図3に、本発明の化合物半導体太陽電池の他の一例である実施の形態2の化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。実施の形態2の化合物半導体太陽電池は、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池と比較して、ミドルセル20のp型InGaAsベース層108(厚さ3μm)の下にInAs量子ドットが添加されたp型GaAsベース層108bが形成されている点、トップセル30のエミッタ層をSbが添加されたn型InGaPエミッタ層115b(厚さ0.05μm)で形成されており、トップセル30のベース層をSbが添加されたp型InGaPベース層114c(厚さ0.7μm)とSbが添加されていないp型InGaPベース層114d(厚さ0.1μm)との2層で形成されている点で異なっている。また、実施の形態2の化合物半導体太陽電池には、オフ角が設けられていない(100)面を有するGe基板101が用いられている。なお、トップセル30のSbが添加されたp型InGaPベース層114cのバンドギャップエネルギとSbが添加されていないp型InGaPベース層114dのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。また、ミドルセル20のp型InGaAsベース層108のバンドギャップエネルギとInAs量子ドットが添加されたp型GaAsベース層108bのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the compound semiconductor solar battery of
図4に、図3に示す実施の形態2の化合物半導体太陽電池の分光感度特性を示す。図3に示す実施の形態2の化合物半導体太陽電池の分光感度特性は、図11に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の分光感度特性と比較して、トップセル30とミドルセル20の長波長側に肩状に感度特性の向上が見られる点、およびボトムセル10の短波長側の特性が落ちている点で異なっている。
FIG. 4 shows the spectral sensitivity characteristics of the compound semiconductor solar battery of the second embodiment shown in FIG. The spectral sensitivity characteristics of the compound semiconductor solar cell of the second embodiment shown in FIG. 3 are longer wavelengths of the
図4に示す分光感度特性によれば、集光時のAM1.5の太陽光スペクトルの下では、実施の形態2の化合物半導体太陽電池のトップセル30、ミドルセル20およびボトムセル10で発生可能な電流量の比は、それぞれ、1.04、1.02および1.67程度となる。そのため、実施の形態2の化合物半導体太陽電池においては、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池と比較して、2%程度の短絡電流量の増加が見込まれる。
According to the spectral sensitivity characteristics shown in FIG. 4, the currents that can be generated in the
また、実施の形態2の化合物半導体太陽電池においては、1000倍集光時に40.6%の変換効率を示した。この値が、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池の40.0%の変換効率から短絡電流量が2%増加した場合に期待できる変換効率である40.8%に及んでいないのは、実施の形態2の化合物半導体太陽電池の開放電圧が若干低下したためであると考えられる。
Moreover, in the compound semiconductor solar cell of
図4に示すように、トップセル30の分光感度において長波長側に感度が見られるのはSbが添加されていないp型InGaPベース層114dからの寄与であることがわかる。これは、トップセル30のp型InGaPベース層をSbを添加したものだけで形成した場合には、図4で見られたトップセル30の長波長側の感度が消滅することにより確認されたことによるものである。p型InGaPベース層にSbが添加された場合には、自然超格子の形成が抑えられるためトップセル30のバンドギャップは結晶学的に予測される値を採り得るが、p型InGaPベース層にSbを添加しない場合には自然超格子が形成されるためバンドギャップが小さくなると考えられる。
As shown in FIG. 4, it can be seen that the sensitivity on the long wavelength side in the spectral sensitivity of the
長波長側の感度があることによるトップセル30の電流増加率は約4%であったが、Ge基板101のオフ角度を変化させた際の電流増加率を調べたところ、図5に示すような結果が得られた。すなわち、Ge基板101のオフ角度が2°より大きくなった場合にはトップセル30の電流増加率が低下した。たとえば、Ge基板101に5°のオフ角度を設けた場合にはトップセル30の電流増加率はゼロであった。これは、このときの分光感度特性において長波長側の感度が見られなかったことに対応しており、Ge基板101のオフ角度が大きくなるとSbを添加しないp型InGaPベース層であっても自然超格子が形成されにくくなるためと考えられる。
Although the current increase rate of the
図6に、本発明の化合物半導体太陽電池の他の一例である実施の形態3の化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。実施の形態3の化合物半導体太陽電池は、実施の形態2の化合物半導体太陽電池と比較して、主に、ボトムセル10がGaAsに対して約2%の格子不整合率を有するInGaAs(バンドギャップ1.0eV)で形成されている点、ボトムセル10とミドルセル20との間には格子不整合を徐々に緩和するInGaPバッファ層50が形成されている点、ミドルセル20がn型GaAsエミッタ層309、p型GaAsベース層308およびInAs量子ドットが添加されたp型GaAsベース層108bで形成されている点で異なっている。なお、トップセル30のSbが添加されたp型InGaPベース層114cのバンドギャップエネルギとSbが添加されていないp型InGaPベース層114dのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。また、ミドルセル20のp型GaAsベース層308のバンドギャップエネルギとInAs量子ドットが添加されたp型GaAsベース層108bのバンドギャップエネルギとの差の絶対値は0.05eV以下である。
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a compound semiconductor solar battery according to
図6に示す実施の形態3の化合物半導体太陽電池は、たとえば以下のようにして製造される。まず、図7の模式的断面図に示すように、オフ角度を有しない直径50mmの(100)面を有するGaAs基板130をMOCVD装置内に設置する。
The compound semiconductor solar cell of
次に、このGaAs基板130上に、GaAsと選択エッチングが可能なn型InGaPからなるエッチングストップ層131、n型GaAsコンタクト層117およびn型AlInP窓層116を成長させる。
Next, an
次に、n型AlInP窓層116上に、Sbが添加されたn型InGaPエミッタ層115b、Sbが添加されたp型InGaPベース層114c、Sbが添加されていないp型InGaPベース層114dおよびp+型AlInPからなるBSF層113をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これにより、n型InGaPエミッタ層115b、Sbが添加されたp型InGaPベース層114c、およびSbが添加されていないp型InGaPベース層114dからトップセル30が形成される。
Next, on the n-type
次に、p+型AlInPからなるBSF層113上に、p++型AlGaAs層112およびn++型InGaP層111をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これにより、p++型AlGaAs層112およびn++型InGaP層111からトンネル接合層40bが形成される。
Next, a p ++
次に、n++型InGaP層111上に、n型InGaP窓層110、n型GaAsエミッタ層309、p型GaAsベース層308、InAs量子ドットを添加したp型GaAsベース層108b、およびp+型InGaPからなるBSF層107をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これにより、n型GaAsエミッタ層309、p型GaAsベース層308およびInAs量子ドットを添加したp型GaAsベース層108bからミドルセル20が形成される。
Next, on the n ++
次に、p+型InGaPからなるBSF層107上に、p++型AlGaAs層306およびn++型InGaP層305をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これにより、p++型AlGaAs層306およびn++型InGaP層305からトンネル接合層41aが形成される。
Next, a p ++
次に、n++型InGaP層305上に、n+型In0.48Ga0.52P層51、n型In0.51Ga0.49P層52、n型In0.55Ga0.45P層53、n型In0.59Ga0.41P層54、n型In0.63Ga0.37P層55、n型In0.67Ga0.33P層56、n型In0.71Ga0.29P層57、n型In0.75Ga0.25P層58、n型In0.79Ga0.21P層59およびn型In0.82Ga0.18P層60をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これらの層により、ミドルセル20と次に成長するボトムセル10との約2%の格子不整合を緩和するためのバッファ層50が形成される。
Next, an n + type In 0.48 Ga 0.52 P layer 51, an n type In 0.51 Ga 0.49 P layer 52, an n type In 0.55 Ga 0.45 P layer 53, and an n type In 0.59 Ga 0.41 are formed on the n ++
次に、n型In0.82Ga0.18P層30上に、n型InGaP窓層304、n型InGaAsエミッタ層303、p型InGaAsベース層302、p型InGaPからなるBSF層301およびp型InGaAsコンタクト層300をこの順にMOCVD法によりエピタキシャル成長させる。これにより、n型InGaAsエミッタ層303およびp型InGaAsベース層302からボトムセル10が形成される。
Next, an n-type
ここで、GaAsの形成にはAsH3(アルシン)およびTMG(トリメチルガリウム)を用い、InGaPの形成にはTMI(トリメチルインジウム)、TMGおよびPH3(ホスフィン)を用い、InGaAsの形成にはTMI、TMGおよびAsH3を用い、AlInPの形成にはTMA(トリメチルアルミニウム)、TMIおよびPH3を用い、AlGaAsの形成には、TMA、TMGおよびAsH3を用いることができる。 Here, AsH 3 (arsine) and TMG (trimethylgallium) are used for the formation of GaAs, TMI (trimethylindium), TMG and PH 3 (phosphine) are used for the formation of InGaP, and TMI, Using TMG and AsH 3 , TMA (trimethylaluminum), TMI and PH 3 can be used to form AlInP, and TMA, TMG and AsH 3 can be used to form AlGaAs.
その後、p型InGaAsコンタクト層300の表面上に、たとえばAu(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ3μm)の積層体からなる金属層210により支持基板211を貼り付ける。
Thereafter, a
次に、図8の模式的断面図に示すように、GaAs基板130をアルカリ水溶液にてエッチングした後に、n型InGaPからなるエッチングストップ層131を酸水溶液にてエッチングする。
Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 8, after etching the
次に、n型GaAsコンタクト層117上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、n型GaAsコンタクト層117の一部をアルカリ水溶液を用いたエッチングにより除去する。そして、残されたn型GaAsコンタクト層117の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、抵抗加熱蒸着装置およびEB(Electron Beam)蒸着装置を用いて、図6に示すように、たとえばAuGe(12%)(たとえば厚さ0.1μm)/Ni(たとえば厚さ0.02μm)/Au(たとえば厚さ0.1μm)/Ag(たとえば厚さ5μm)の積層体からなる上部電極202を形成し、支持基板211上にも同様の下部電極201を形成する。
Next, after forming a resist pattern on the n-type
次に、メサエッチングパターンを形成した後、アルカリ水溶液および酸溶液を用いてメサエッチングを行なう。そして、EB蒸着法により、たとえばTiO2膜(たとえば厚さ55nm)とAl2O3膜(たとえば厚み85nm)との積層体を形成して反射防止膜203を形成する。これにより、化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する実施の形態3の化合物半導体太陽電池を得ることができる。
Next, after a mesa etching pattern is formed, mesa etching is performed using an alkaline aqueous solution and an acid solution. Then, an
図9に、図6に示す実施の形態3の化合物半導体太陽電池の分光感度特性を示す。実施の形態3の化合物半導体太陽電池の分光感度特性は、図2および図4に示される実施の形態1および2の化合物半導体太陽電池の分光感度特性と比較して、ボトムセル10の吸収端が1350nm付近にある点が異なっている。
FIG. 9 shows the spectral sensitivity characteristics of the compound semiconductor solar battery of
図9に示す分光感度特性によれば、集光時のAM1.5の太陽光スペクトルの下では、実施の形態3の化合物半導体太陽電池のトップセル30、ミドルセル20およびボトムセル10で発生可能な電流量の比は、それぞれ、1.04、1.02および1.03程度となり、これらのセル間で電流量の整合が取れるため、図10に示す従来の3接合型化合物半導体太陽電池と比較して、2%程度の短絡電流量の増加と、0.33V程度の開放電圧の増加とが見込まれる。
According to the spectral sensitivity characteristics shown in FIG. 9, the currents that can be generated in the
また、実施の形態3の化合物半導体太陽電池においては、1000倍集光時に43.5%の変換効率を示した。
Moreover, in the compound semiconductor solar cell of
上述したように、本発明の化合物半導体太陽電池によれば、トップセルで発生可能な電流量を増大させることができるため、特に集光時の変換効率を向上することができる。 As described above, according to the compound semiconductor solar battery of the present invention, since the amount of current that can be generated in the top cell can be increased, the conversion efficiency at the time of condensing can be improved.
本発明は、第1の光電変換セルと、第1の光電変換セル上に設けられた第2の光電変換セルと、第2の光電変換セル上に設けられた第3の光電変換セルとを備え、第3の光電変換セルは、第1の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層とを含み、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きく、第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下である化合物半導体太陽電池である。このような構成とすることにより、変換効率が向上した化合物半導体太陽電池を得ることができる。 The present invention includes a first photoelectric conversion cell, a second photoelectric conversion cell provided on the first photoelectric conversion cell, and a third photoelectric conversion cell provided on the second photoelectric conversion cell. And the third photoelectric conversion cell includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer, and the band gap energy of the first compound semiconductor layer is the band gap energy of the second compound semiconductor layer. And a compound semiconductor solar cell in which the absolute value of the difference between the band gap energy of the first compound semiconductor layer and the band gap energy of the second compound semiconductor layer is 0.05 eV or less. By setting it as such a structure, the compound semiconductor solar cell with improved conversion efficiency can be obtained.
ここで、本発明の化合物半導体太陽電池においては、第1の化合物半導体層がAlInGaP層であり、第2の化合物半導体層がInGaP層であることが好ましい。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることができる。 Here, in the compound semiconductor solar battery of the present invention, it is preferable that the first compound semiconductor layer is an AlInGaP layer and the second compound semiconductor layer is an InGaP layer. With such a configuration, the quantum efficiency on the long wavelength side of the third photoelectric conversion cell can be increased.
また、本発明の化合物半導体太陽電池においては、第1の化合物半導体層がSb(アンチモン)が添加されたInGaP層であり、第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層であることが好ましい。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることができる。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb (antimony) is added, and the second compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is not added. Is preferred. With such a configuration, the quantum efficiency on the long wavelength side of the third photoelectric conversion cell can be increased.
また、本発明の化合物半導体太陽電池においては、第2の化合物半導体層の厚さが0.01μm以上0.1μm以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、本発明の化合物半導体太陽電池の開放電圧の低下を少なくすることができるとともに、短絡電流量を大きくすることができる。 Moreover, in the compound semiconductor solar battery of this invention, it is preferable that the thickness of a 2nd compound semiconductor layer is 0.01 micrometer or more and 0.1 micrometer or less. By setting it as such a structure, while the fall of the open circuit voltage of the compound semiconductor solar cell of this invention can be decreased, the amount of short circuit currents can be enlarged.
また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第2の光電変換セルは、第3の化合物半導体層と、第4の化合物半導体層とを含み、第3の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、第4の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きく、第3の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと第4の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、第2の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることができる。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the second photoelectric conversion cell includes a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer, and the band gap energy of the third compound semiconductor layer is the first The absolute value of the difference between the band gap energy of the third compound semiconductor layer and the band gap energy of the fourth compound semiconductor layer is preferably 0.05 eV or less. . With such a configuration, the quantum efficiency on the long wavelength side of the second photoelectric conversion cell can be increased.
また、本発明の化合物半導体太陽電池においては、第3の化合物半導体層がGaAs層またはInGaAs層であり、第4の化合物半導体層がInGaAs/GaAsP量子井戸層、またはInAs量子ドットを添加したGaAs層であることが好ましい。このような構成とすることにより、第2の光電変換セルの長波長側の量子効率を上げることができる。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the third compound semiconductor layer is a GaAs layer or an InGaAs layer, and the fourth compound semiconductor layer is an InGaAs / GaAsP quantum well layer or a GaAs layer to which InAs quantum dots are added. It is preferable that With such a configuration, the quantum efficiency on the long wavelength side of the second photoelectric conversion cell can be increased.
また、本発明の化合物半導体太陽電池においては、第1の光電変換セルを構成する半導体のバンドギャップエネルギが1.1eV以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。 Moreover, in the compound semiconductor solar battery of this invention, it is preferable that the band gap energy of the semiconductor which comprises a 1st photoelectric conversion cell is 1.1 eV or less. By setting it as such a structure, it exists in the tendency for the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention to become large.
また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第1の光電変換セルを構成する半導体は、GeまたはInGaAsであることが好ましい。このような構成とすることにより、第1の光電変換セルを構成する半導体のバンドギャップエネルギを1.1eV以下とすることができるため、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量が大きくなる傾向にある。 In the compound semiconductor solar battery of the present invention, the semiconductor constituting the first photoelectric conversion cell is preferably Ge or InGaAs. By setting it as such a structure, since the band gap energy of the semiconductor which comprises a 1st photoelectric conversion cell can be 1.1 eV or less, the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention tends to become large. It is in.
また、本発明は、2°以下のオフ角を設けたp型Ge基板の(100)面上にn型InGaP核形成層を形成した後にn型Ge層を形成することによって第1の光電変換セルを形成する工程と、第1の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程と、を含み、第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である化合物半導体太陽電池の製造方法である。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 In the present invention, the first photoelectric conversion is performed by forming the n-type Ge layer after forming the n-type InGaP nucleation layer on the (100) plane of the p-type Ge substrate having an off angle of 2 ° or less. Forming a cell, and forming a second photoelectric conversion cell including a base layer including a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the first photoelectric conversion cell. And forming a third photoelectric conversion cell including a base layer composed of a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the second photoelectric conversion cell. The first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer is a method for manufacturing a compound semiconductor solar cell that is an InGaP layer to which Sb is not added. By setting it as such a structure, the spectral sensitivity by the side of the long wavelength of a 3rd photoelectric conversion cell can be increased, and the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention can be increased.
さらに、本発明は、2°以下のオフ角を設けたp型GaAs基板の(100)面上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第1の化合物半導体層と第2の化合物半導体層とからなるベース層を含む第3の光電変換セルを形成する工程と、第3の光電変換セル上にバンドギャップエネルギが互いに異なる第3の化合物半導体層と第4の化合物半導体層とからなるベース層を含む第2の光電変換セルを形成する工程と、第2の光電変換セル上に第1の光電変換セルを形成する工程と、を含み、第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である化合物半導体太陽電池の製造方法である。このような構成とすることにより、第3の光電変換セルの長波長側の分光感度を増大させて、本発明の化合物半導体太陽電池の短絡電流量を増加させることができる。 Furthermore, the present invention provides a base layer comprising a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the (100) plane of a p-type GaAs substrate having an off angle of 2 ° or less. A second photoelectric conversion cell including a base layer made of a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the third photoelectric conversion cell. And a step of forming the first photoelectric conversion cell on the second photoelectric conversion cell, wherein the first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, In this method, the second compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is not added. By setting it as such a structure, the spectral sensitivity by the side of the long wavelength of a 3rd photoelectric conversion cell can be increased, and the short circuit current amount of the compound semiconductor solar cell of this invention can be increased.
また、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法は、第2の光電変換セルを形成する工程と第1の光電変換セルを形成する工程との間に、化合物半導体バッファ層を形成する工程をさらに含むことが好ましい。このような構成とすることにより、変換効率を向上することができる本発明の化合物半導体太陽電池を作製することができる。 Moreover, the manufacturing method of the compound semiconductor solar cell of this invention further has the process of forming a compound semiconductor buffer layer between the process of forming a 2nd photoelectric conversion cell, and the process of forming a 1st photoelectric conversion cell. It is preferable to include. By setting it as such a structure, the compound semiconductor solar cell of this invention which can improve conversion efficiency is producible.
また、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法は、p型GaAs基板を除去する工程をさらに含むことが好ましい。このような構成とすることにより、変換効率を向上することができる本発明の化合物半導体太陽電池を作製することができる。 Moreover, it is preferable that the manufacturing method of the compound semiconductor solar cell of this invention further includes the process of removing a p-type GaAs substrate. By setting it as such a structure, the compound semiconductor solar cell of this invention which can improve conversion efficiency is producible.
また、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法は、第1の光電変換セルと前記第2の光電変換セルとの間に第1のトンネル接合層を形成する工程と、第2の光電変換セルと第3の光電変換セルとの間に第2のトンネル接合層を形成する工程とをさらに含むことが好ましい。このような構成とすることにより、変換効率を向上することができる本発明の化合物半導体太陽電池を作製することができる。 The method for producing a compound semiconductor solar battery according to the present invention includes a step of forming a first tunnel junction layer between a first photoelectric conversion cell and the second photoelectric conversion cell, and a second photoelectric conversion cell. Preferably, the method further includes a step of forming a second tunnel junction layer between the first photoelectric conversion cell and the third photoelectric conversion cell. By setting it as such a structure, the compound semiconductor solar cell of this invention which can improve conversion efficiency is producible.
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 As described above, the embodiments of the present invention have been described, but it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for a compound semiconductor solar cell and a method for producing a compound semiconductor solar cell.
10 ボトムセル、20 ミドルセル、30 トップセル、40a,40b,41a トンネル接合層、50 InGaPバッファ層、51 n+型In0.48Ga0.52P層、52 n型In0.51Ga0.49P層、53 n型In0.55Ga0.45P層、54 n型In0.59Ga0.41P層、55 n型In0.63Ga0.37P層、56 n型In0.67Ga0.33P層、57 n型In0.71Ga0.29P層、58 n型In0.75Ga0.25P層、59 n型In0.79Ga0.21P層、60 n型In0.82Ga0.18P層、101 p型Ge基板、102 n型Ge層、103 n型InGaP核形成層、104 n型InGaAsバッファ層、105 n++型GaAs層、106 p++型GaAs層、107 BSF層、108 p型InGaAs層、108a p型InGaAs/GaAsP量子井戸層、108b InAs量子ドットが添加されたp型GaAsベース層、109 n型InGaAs層、110 n型InGaP窓層、111 n++型InGaP層、112 p++型AlGaAs層、113 ベース層、114 p型InGaP層、114a p型AlGaInP層、114b p型InGaP層、114c Sbが添加されたp型InGaPベース層、114d Sbが添加されていないp型InGaPベース層、115 n型InGaP層、115a n型AlGaInP層、115b Sbが添加されたn型InGaPエミッタ層、116 n型AlInP窓層、117 n型GaAs層、130 GaAs基板、131 エッチングストップ層、201 下部電極、202 上部電極、203 反射防止膜、210 金属層、211 支持基板、300 p型InGaAsコンタクト層、301 BSF層、302 p型InGaAsベース層、303 n型InGaAsエミッタ層、304 n型InGaP窓層、305 n++型InGaP層、306 p++型AlGaAs層、308 p型GaAsベース層、309 n型GaAsエミッタ層。 10 bottom cell, 20 middle cell, 30 top cell, 40a, 40b, 41a tunnel junction layer, 50 InGaP buffer layer, 51 n + type In 0.48 Ga 0.52 P layer, 52 n type In 0.51 Ga 0.49 P layer, 53 n type In 0.55 Ga 0.45 P layer, 54 n-type In 0.59 Ga 0.41 P layer, 55 n-type In 0.63 Ga 0.37 P layer, 56 n-type In 0.67 Ga 0.33 P layer, 57 n-type In 0.71 Ga 0.29 P layer, 58 n-type In 0.75 Ga 0.25 P layer, 59 n-type In 0.79 Ga 0.21 P layer, 60 n-type In 0.82 Ga 0.18 P layer, 101 p-type Ge substrate, 102 n-type Ge layer, 103 n-type InGaP nucleation layer, 104 n-type InGaAs buffer Layer, 105 n ++ type GaAs layer, 106 p ++ type GaAs layer, 107 BSF layer, 108 p type InGaAs layer, 108a p type InGaAs / GaAsP quantum well layer 108b p-type GaAs base layer doped with InAs quantum dots, 109 n-type InGaAs layer, 110 n-type InGaP window layer, 111 n ++-type InGaP layer, 112 p ++-type AlGaAs layer, 113 base layer, 114 p-type InGaP layer, 114a p-type AlGaInP layer, 114b p-type InGaP layer, p-type InGaP base layer with 114c Sb added, p-type InGaP base layer with no 114d Sb added, 115 n-type InGaP layer, 115a n-type AlGaInP 115 n-type InGaP emitter layer doped with Sb, 116 n-type AlInP window layer, 117 n-type GaAs layer, 130 GaAs substrate, 131 etching stop layer, 201 lower electrode, 202 upper electrode, 203 antireflection film, 210 Metal layer, 211 Support substrate, 300 Type InGaAs contact layer, 301 BSF layer, 302 p type InGaAs base layer, 303 n type InGaAs emitter layer, 304 n type InGaP window layer, 305 n ++ type InGaP layer, 306 p ++ type AlGaAs layer, 308 p type GaAs Base layer, 309 n-type GaAs emitter layer.
Claims (5)
前記第1の光電変換セル上に設けられた第2の光電変換セルと、
前記第2の光電変換セル上に設けられた第3の光電変換セルとを備え、
第3の光電変換セルは、第1の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層とを含み、
前記第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギは、前記第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギよりもわずかに大きく、
前記第1の化合物半導体層のバンドギャップエネルギと前記第2の化合物半導体層のバンドギャップエネルギとの差の絶対値が0.05eV以下である、化合物半導体太陽電池。 A first photoelectric conversion cell;
A second photoelectric conversion cell provided on the first photoelectric conversion cell;
A third photoelectric conversion cell provided on the second photoelectric conversion cell,
The third photoelectric conversion cell includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer,
The band gap energy of the first compound semiconductor layer is slightly larger than the band gap energy of the second compound semiconductor layer,
A compound semiconductor solar cell, wherein an absolute value of a difference between a band gap energy of the first compound semiconductor layer and a band gap energy of the second compound semiconductor layer is 0.05 eV or less.
前記第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、前記第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である、化合物半導体太陽電池の製造方法。 Forming a first photoelectric conversion cell by forming an n-type Ge layer after forming an n-type InGaP nucleation layer on a (100) plane of a p-type Ge substrate having an off angle of 2 ° or less; Forming a second photoelectric conversion cell including a base layer composed of a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the first photoelectric conversion cell; Forming a third photoelectric conversion cell including a base layer composed of a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the photoelectric conversion cell;
A method for manufacturing a compound semiconductor solar cell, wherein the first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is not added.
前記第1の化合物半導体層がSbが添加されたInGaP層であり、前記第2の化合物半導体層がSbが添加されていないInGaP層である、化合物半導体太陽電池の製造方法。 Third photoelectric including a base layer composed of a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different band gap energies on the (100) plane of a p-type GaAs substrate provided with an off angle of 2 ° or less. A step of forming a conversion cell; and a second photoelectric conversion cell including a base layer composed of a third compound semiconductor layer and a fourth compound semiconductor layer having different band gap energies on the third photoelectric conversion cell. And forming a first photoelectric conversion cell on the second photoelectric conversion cell,
A method for manufacturing a compound semiconductor solar cell, wherein the first compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is added, and the second compound semiconductor layer is an InGaP layer to which Sb is not added.
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JP2022509963A (en) * | 2018-12-03 | 2022-01-25 | サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィク | Aluminum-arsenic and indium-phosphide based heterojunction photovoltaic cells, related multijunction cells, and related methods |
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