JP6060652B2 - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。
自然エネルギーの有効利用に向けて、様々な波長領域で利用可能な高効率の太陽電池が求められている。このような背景から、ＩｎＧａＮ系材料は、ＧａＡｓやＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料では損失の大きい青色から紫外域の光を高効率に光電変換する太陽電池材料として期待されている。
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料については、これまで発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光層への適用を目的とした開発が盛んに行われており、商品化もされている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤでは、製造しやすさの観点から、（０００１）ｃ面上に、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層を順次積層した積層構造が採用されている。また、ＬＥＤの場合は、発光層内における輻射性キャリア再結合を促進するために、発光層として機能するＩｎＧａＮ層を、膜厚数ｎｍ程度の薄い量子井戸層により形成している。
Karen L. Kavanagh, "Misfit dislocations in nanowire heterostructures", Semicond. Sci. Technol. Vol. 25, 024006 (2010)
一方、太陽電池では、太陽光を効率的に吸収するためには、光吸収層であるＩｎＧａＮ層を、ＬＥＤの発光層よりも大幅に厚い１μｍ程度の膜厚で形成することが求められる。しかしながら、ＬＥＤで用いられているｐ−ｉ−ｎ構造を基にして光吸収層の膜厚を厚くしただけでは、高効率の太陽電池を実現することはできなかった。
本発明の目的は、青色から紫外域の光を高効率に光電変換しうる太陽電池を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＡｓ層又はｐ型Ｓｉ層のｐ型半導体層とを有することを特徴とする太陽電池が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層のｐ型半導体層とを有することを特徴とする太陽電池が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層のｐ型半導体層とを有することを特徴とする太陽電池が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、ｐ型の半導体基板上に、開口部を有するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜をマスクとして、前記開口部内の前記半導体基板上に、ｐ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ光吸収層と、ｎ型ＧａＮ層とを（０００１）方向に配向して順次成長し、前記ｐ型ＧａＮ層、前記ＩｎＧａＮ光吸収層及び前記ｎ型ＧａＮ層の積層構造を有する柱状構造体を形成する工程とを有する太陽電池の製造方法が提供される。
開示の太陽電池及びその製造方法によれば、ｎ型ＧａＮ層／ＩｎＧａＮ光吸収層／ｐ型ＧａＮ層の積層構造を柱状構造体により形成することにより、良好な結晶性を維持しつつＩｎＧａＮ光吸収層を厚膜化することができる。また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ光吸収層及びｎ型ＧａＮ層を積層することにより、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めが生じることなく、光電流を効率的に取り出すことができる。これにより、高効率の太陽電池を実現することができる。
［第１実施形態］
第１実施形態による太陽電池及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。
第１実施形態による太陽電池及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。図２は、本実施形態による太陽電池における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図３及び図４は、本実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による太陽電池の構造について図１を用いて説明する。
ｐ型の半導体基板１０上には、柱状導電体３０が形成されている。柱状導電体３０は、半導体基板１０側から、ｐ型半導体層３２と、ｐ型ＧａＮ層３４と、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６と、ｎ型ＧａＮ層３８とが順次積層された積層構造を有している。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向している。
柱状構造体３０が形成された領域を除く半導体基板１０上には、絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２上に突出する柱状構造体３０の側壁部分には、樹脂層４０が形成されている。柱状構造体３０の頭頂部のｎ型ＧａＮ層３８の少なくとも一部は、樹脂層４０から露出している。
樹脂層４０上及び樹脂層４０から露出するｎ型ＧａＮ層３８上には、透明電極４２が形成されている。透明電極４２上の柱状構造体３０間の領域には、金属グリッド電極４４が形成されている。こうして、透明電極４２及び金属グリッド電極４４により、ｎ側電極４６が形成されている。また、半導体基板１０の裏面には、ｐ側電極４８が形成されている。
ここで、本実施形態による太陽電池の利点を述べる前に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤについて説明する。
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤは、例えば図８に示すように、サファイア基板１００の（０００１）ｃ面上に、ｎ型ＧａＮ層１０２、ｉ型ＩｎＧａＮ層１０４、ｐ型ＧａＮ層１０６を順次積層することにより形成されている。ｎ型ＧａＮ層１０２、ｉ型ＩｎＧａＮ層１０４及びｐ型ＧａＮ層１０６は、（０００１）方向が積層方向を向くように配向している。発光層として機能するｉ型ＩｎＧａＮ層１０４は、発光層内における輻射性キャリア再結合を促進するために、膜厚数ｎｍ程度の薄い量子井戸層により形成されている。
ＬＥＤで用いられているこのｐ−ｉ−ｎ構造を基にして太陽電池を形成することを考えた場合、光吸収層となるＩｎＧａＮ層を厚くして太陽光の吸収効率を高めることが求められる。太陽電池の光吸収層としては、膜厚１μｍ程度のＩｎＧａＮ層を用いることが望ましい。
しかしながら、ＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造においては、ＧａＮとＩｎＧａＮとの間の格子定数差が大きいため、ＧａＮ層上に成長したＩｎＧａＮ層には結晶歪みが導入される。例えば、ＧａＮとＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとの間には１％程度の格子不整合が存在するため、良好な結晶性を保ちつつＧａＮ層上に成長可能なＩｎＧａＮ層の膜厚は、１００ｎｍ程度に制限される。このため、ＩｎＧａＮ層の膜厚を太陽電池の光吸収層に好適な膜厚まで厚膜化することは困難である。
また、仮にＩｎＧａＮ層を１μｍ程度の膜厚まで厚膜化できたとしても、太陽電池として十分な特性を得られないことが、本願発明者の検討により初めて明らかとなった。
図９は、図８に示すＬＥＤのｐ−ｉ−ｎ構造においてＩｎＧａＮ層の膜厚を１μｍとしたときの伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図中、実線がエネルギー準位を表し、点線がキャリア濃度（電子）を表し、一点鎖線がキャリア濃度（正孔）を表している。計算に当たっては、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１とし、ｐ型ＧａＮ及びｎ型ＧａＮの不純物濃度はともに１×１０１８ｃｍ−３とした。図では、左側が表面側であり、右側が基板側である。
図９に示すように、ｐ型ＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層の不純物濃度をともに十分に高くしているにもかかわらず、ＩｎＧａＮ層のバンドが、ｐ−ｎ層の傾斜とは反対向きに大きく傾斜している。この結果、光吸収によって生成されたキャリアのうち、電子はｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面に、正孔はＩｎＧａＮ／ｎ型ＧａＮ界面に、それぞれ閉じ込められてしまい、いずれのキャリアも電極側に引き抜けない構造になることが判明した。この現象は、本願発明者による更なる検討の結果、窒化物半導体特有の強い分極によって引き起こされる（０００１）方向に発生した大きな内部電界が厚いＩｎＧａＮ層の全体に印加されたことで、バンドのトータルの傾斜量が大きくなったためであることが判明した。
このような観点から、本実施形態による太陽電池では、ｎ型ＧａＮ／ｉ型ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮの積層構造を直径数百ｎｍ程度以下の柱状構造体３０とするとともに、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層している。なお、本実施形態による太陽電池の柱状構造体３０のようなナノサイズ（１ｎｍ〜数百ｎｍ程度）の柱状体は、ナノワイヤと呼ばれることもある。
ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を柱状構造体３０により形成することで、異種材料接合部の断面積を小さくすることができる。これにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのような歪み系材料でも良好な結晶性を維持しつつ厚膜化することが可能となる。
例えば、ＩｎＧａＮ層３６の組成がＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの場合、ＧａＮに対する格子不整合は１％程度である。歪み１％の材料系に対しては、半径が２００ｎｍ、つまり直径が４００ｎｍ程度が上限となる（例えば非特許文献１を参照）。この場合、ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を直径４００ｎｍ程度以下の柱状構造体３０により形成することにより、良好な結晶性を維持しつつ、太陽電池に好適な膜厚までｉ−ＩｎＧａＮ層３６を厚膜化することができる。
また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層することにより、バンド構造上も太陽電池にとって好適となる。
図２は、本実施形態による太陽電池の伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図中、実線がエネルギー準位を表し、点線がキャリア濃度（電子）を表し、一点鎖線がキャリア濃度（正孔）を表している。計算に当たっては、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１とし、ｐ型ＧａＮ及びｎ型ＧａＮの不純物濃度はともに１×１０１８ｃｍ−３とした。図では、左側が表面側であり、右側が基板側である。
図２に示すように、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層することにより、ｐ−ｎ構造で傾斜するｉ型ＩｎＧａＮ層３６の向きと、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の内部電界によって傾斜する向きとを一致させることができる。これは、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の内部電界の向きは、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の成長する方向に対して常に一定になるからである。これにより、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めが生じることなく、光電流を効率的に取り出すことができる。
なお、上述のＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤにおいて、ｎ型ＧａＮ層１０２を基板側に配置し、ｐ型ＧａＮ層１０６を表面側に配置しているのは、より良質の積層構造が得られるからである。すなわち、ＧａＮではｎ型不純物のドーピングは比較的容易であり良質のｎ型ＧａＮを得ることができるが、ｐ型ＧａＮではｎ型ＧａＮと比較して結晶性が劣る。ｎ型ＧａＮを基板側に配置して積層構造を形成することにより、ｐ型ＧａＮを基板側に配置にして積層構造を形成する場合と比較して、良質の結晶をエピタキシャル成長することができる。ＬＥＤでは、ＩｎＧａＮ層の膜厚は数ｎｍ程度であり、内部電界による影響もほとんどない。
この点、本実施形態による太陽電池では、ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を柱状構造体３０により形成しているため、ｐ型ＧａＮを基板側に配置した場合にも、良質の結晶をエピタキシャル成長することができる。ｐ型ＧａＮを基板側に配置することで、光電流を効率的に取り出すことも可能となる。
また、ｐ型ＧａＮ層３４を基板側に配置することには、ｐ側電極の形成に適した半導体積層構造を形成するうえでも効果がある。
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたｐ−ｉ−ｎ構造においては、ｐ型ＧａＮ−金属電極間のコンタクト抵抗が、ｎ型ＧａＮ−金属電極間のコンタクト抵抗よりも桁で大きく、その分は抵抗損失となってしまうため、低コンタクト抵抗の電極構造である方が望ましい。
一方、ＧａＮは、ＧａＡｓやＳｉなどのバンドギャップエネルギーの小さいIII−Ｖ族やIV族半導体材料に対しては、良好なｐ型コンタクトを形成することが可能である。平板基板上への薄膜成長においてはＧａＮ／ＧａＡｓやＧａＮ／Ｓｉ等の積層構造は歪みの観点から良好な結晶性を保って形成することは難しいが、柱状構造とすることでこのような積層構造も可能となり、低抵抗電極構造を取り入れることが可能となる。
すなわち、ｐ型ＧａＮ層３４の下地に、金属的伝導性を有するＧａＡｓやＳｉ等よりなるｐ型半導体層３２を配置することで、ｐ型ＧａＮ層３４とｐ側電極４８との間のコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。なお、ＧａＡｓやＳｉは、青色から紫外域の光を吸収するが、ｐ型半導体層３２は光の入射方向とは反対の基板側に配置されるため、光電変換効率を阻害することはない。ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間に求められるコンタクト抵抗の値に応じて適宜形成すればよく、必ずしも形成する必要はない。
次に、本実施形態による太陽電池の製造方法について図３及び図４を用いて説明する。
まず、ｐ型の半導体基板１０上に、例えばＣＶＤ法により、絶縁膜１２を形成する。半導体基板１０は、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長しうるものであればよく、例えば、ｐ型のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を適用することができる。半導体基板１０のアクセプタ濃度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度であればよい。また、絶縁膜１２は、その後の薄膜成長の際にマスクとなるものであればよく、例えば、シリコン酸化膜を適用することができる。
次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、絶縁膜１２に、柱状構造体３０の形成予定領域を露出する開口部１４を形成する（図３（ａ））。
次いで、絶縁膜１２をマスクとして、開口部１４内の半導体基板１０上に、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｐ型半導体層３２、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を順次成長し、柱状構造体３０を形成する（図３（ｂ））。
各層の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、ｐ型半導体層３２を１００ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層３４を３００ｎｍ、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６を１０００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ層３８を３００ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向成長する。
ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＡｓ層やｐ型Ｓｉ層により形成する。なお、ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間に求められるコンタクト抵抗の値に応じて適宜形成すればよく、必ずしも形成する必要はない。
ｉ型ＩｎＧａＮ層３６のＩｎ組成は、所望の膜厚のＩｎＧａＮ層３６をエピタキシャル成長できる範囲で、太陽電池に求められる吸収端波長に応じて、適宜選択することが望ましく、例えば、０．０５〜０．１５の範囲とする。なお、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎの吸収端波長は３６３ｎｍ（３．４２ｅＶ）であり、Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの吸収端波長は３８８ｎｍ（３．２０ｅＶ）であり、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎの吸収端波長は４４２ｎｍ（２．８１ｅＶ）である。
ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのＧａ原料としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いることができる。ＧａＡｓのＡｓ原料としては、例えば、アルシン（ＡｓＨ３）を用いることができる。ＧａＮ及びＩｎＧａＮの窒素原料としては、例えば、アンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。ＩｎＧａＮのＩｎ原料としては、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができる。
ｐ型のドーパントとしては、ＧａＡｓに対しては例えば亜鉛（Ｚｎ）を、ＧａＮに対しては例えばマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。Ｚｎの原料としては、例えば、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いることができる。Ｍｇの原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。ｐ型不純物濃度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度であればよい。
ｎ型のドーパントとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。Ｓｉの原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いることができる。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度であればよい。
柱状構造体３０の直径は、歪み材料に対して良好な結晶成長が行えるサイズを上限とする。例えば、ＩｎＧａＮ層３６の組成がＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの場合、ＧａＮに対する格子不整合は１％程度である。歪み１％の材料系に対しては、半径が２００ｎｍ、つまり直径が４００ｎｍ程度が上限となる（例えば非特許文献１を参照）。
一方、柱状構造体３０の好適な直径ｄ（ｎｍ）の値は、吸収光波長をλ（ｎｍ）、屈折率をｎとすると、吸収光波長λと、光学距離に換算した柱状構造体３０の直径ｎ×ｄとが等しいときが下限となる。ＩｎＧａＮの吸収波長付近における屈折率ｎは約３．２であるから、吸収光波長λが４００ｎｍであると仮定すると、
ｄ＝λ／ｎ＝４００／３．２＝１２５（ｎｍ）
となる。
ｄ＝λ／ｎ＝４００／３．２＝１２５（ｎｍ）
となる。
次いで、例えばスピンコート法により、柱状構造体３０のｎ型ＧａＮ層３８部分が露出するように、透明な樹脂を塗布し、樹脂層４０を形成する（図３（ｃ））。
次いで、ｎ型ＧａＮ層３８及び樹脂層４０上に、例えばＩＴＯ等の透明導電膜を堆積し、透明電極４２を形成する（図４（ａ））。
次いで、透明電極４４上に、グリッド状の金属グリッド電極４４を形成し、透明電極４２及び金属電極４４よりなるｎ側電極４６を形成する。また、半導体基板１０の裏面に、ｐ側電極４８を形成する（図４（ｂ））。
こうして、本実施形態による太陽電池を完成する。
このように、本実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ／ｉ型ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮの積層構造を柱状構造体により形成するので、良好な結晶性を維持しつつ光吸収層であるｉ型ＩｎＧａＮを厚膜化することができる。また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層を積層するので、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めを防止することができる。これにより、光吸収層における光吸収効率を向上するとともに光電流を効率的に取り出すことができ、高効率の太陽電池を実現することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態による太陽電池及びその製造方法について図５乃至図７を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１実施形態による太陽電池及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
第２実施形態による太陽電池及びその製造方法について図５乃至図７を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１実施形態による太陽電池及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
図５は、本実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。図６及び図７は、本実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による太陽電池の構造について図５を用いて説明する。
ｐ型の半導体基板２０上には、柱状導電体３０が形成されている。柱状導電体３０は、半導体基板１０側から、ｐ型半導体層３２と、ｐ型ＧａＮ層３４と、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６と、ｎ型ＧａＮ層３８とが順次積層された積層構造を有している。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向している。
柱状構造体３０が形成された領域を除く半導体基板２０上には、絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２上に突出する柱状構造体３０の側壁部分には、樹脂層４０が形成されている。柱状構造体３０の頭頂部のｎ型ＧａＮ層３８の少なくとも一部は、樹脂層４０から露出している。
樹脂層４０上及び樹脂層４０から露出するｎ型ＧａＮ層３８上には、ｎ側電極４６が形成されている。また、半導体基板２０の裏面の柱状構造体３０間の領域には、グリッド状のｐ側電極４８が形成されている。
第１実施形態による太陽電池はｎ側電極４６側を太陽光に向けて使用するタイプの太陽電池であるのに対し、本実施形態による太陽電池はｐ側電極４８側を太陽光に向けて使用するタイプの太陽電池である。
このような観点から、本実施形態による太陽電池の半導体基板２０としては、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長することができ、且つ、青色から紫外域の光を吸収しない材料の半導体基板を用いる。このような半導体基板２０としては、例えば、ｐ型の（１１１）ＳｉＣ基板を適用することができる。
ｐ型半導体層３２は、半導体基板２０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層を適用することができる。なお、ｐ型半導体層３２による光吸収が懸念される場合には、ｐ型半導体層３２を薄くし或いは省略してもよい。
本実施形態による太陽電池は、半導体基板２０の裏面側を太陽光に向けて使用するため、半導体基板２０の裏面側に配置するｐ側電極４８をグリッド状とする。半導体基板２０の表面側の透明電極４２は不要である。
次に、本実施形態による太陽電池の製造方法について図６及び図７を用いて説明する。
まず、図３（ａ）に示す第１実施形態による太陽電池の製造法と同様にして、ｐ型の半導体基板２０上に、柱状構造体３０の形成予定領域を露出する開口部１４を有する絶縁膜１２を形成する。半導体基板２０は、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長することができ、且つ、青色から紫外域の光を吸収しない材料であればよく、例えば、ｐ型のＳｉＣ（１１１）基板を適用することができる。半導体基板２０のアクセプタ濃度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３程度であればよい。
次いで、絶縁膜１２をマスクとして、開口部１４内の半導体基板２０上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、ｐ型半導体層３２、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を順次成長し、柱状構造体３０を形成する（図６（ａ））。
各層の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、ｐ型半導体層３２を１００ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層３４を３００ｎｍ、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６を１０００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ層３８を３００ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向成長する。
ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層により形成する。なお、ｐ型半導体層３２は、必ずしも形成する必要はない。
次いで、例えばスピンコート法により、柱状構造体３０のｎ型ＧａＮ層３８部分が露出するように、透明な樹脂を塗布し、樹脂層４０を形成する（図６（ｂ））。
次いで、ｎ型ＧａＮ層３８及び樹脂層４０上に、ｎ側電極４６を形成する（図７（ａ））。また、半導体基板２０の裏面に、グリッド状のｐ側電極４８を形成する（図７（ｂ））。
こうして、本実施形態による太陽電池を完成する。
このように、本実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ／ｉ型ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮの積層構造を柱状構造体により形成するので、良好な結晶性を維持しつつ光吸収層であるｉ型ＩｎＧａＮを厚膜化することができる。また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層を積層するので、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めを防止することができる。これにより、光吸収層における光吸収効率を向上するとともに光電流を効率的に取り出すことができ、高効率の太陽電池を実現することができる。
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、柱状構造体３０の断面形状について特に記載していないが、円形や多角形などの対称な形状だけでなく、楕円形状などの形状としてもよい。
また、上記実施形態では、太さが一定の柱状構造体３０を示したが、柱状構造体３０の太さは必ずしも一定である必要はない。例えば、半導体基板１０／２０側から離間するにつれて太さが徐々に狭まる錐台形状の柱状構造体としてもよい。
また、上記実施形態に記載した太陽電池の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。
１０，２０…半導体基板
１２…絶縁膜
１４…開口部
３０…柱状構造体
３２…ｐ型半導体層
３４…ｐ型ＧａＮ層
３６…ｉ型ＩｎＧａＮ層
３８…ｎ型ＧａＮ層
４０…樹脂層
４２…透明電極
４４…金属グリッド電極
４６…ｎ側電極
４８…ｐ側電極
１００…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧａＮ層
１０４…ｉ型ＩｎＧａＮ層
１０６…ｐ型ＧａＮ層
１０８…ｎ側電極
１１０…ｐ側電極
１２…絶縁膜
１４…開口部
３０…柱状構造体
３２…ｐ型半導体層
３４…ｐ型ＧａＮ層
３６…ｉ型ＩｎＧａＮ層
３８…ｎ型ＧａＮ層
４０…樹脂層
４２…透明電極
４４…金属グリッド電極
４６…ｎ側電極
４８…ｐ側電極
１００…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧａＮ層
１０４…ｉ型ＩｎＧａＮ層
１０６…ｐ型ＧａＮ層
１０８…ｎ側電極
１１０…ｐ側電極
Claims (8)
- ｐ型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、
前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＡｓ層又はｐ型Ｓｉ層のｐ型半導体層と
を有することを特徴とする太陽電池。 - ｐ型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、
前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層のｐ型半導体層と
を有することを特徴とする太陽電池。 - 請求項１又は２記載の太陽電池において、
前記ｐ型ＧａＮ層、前記ＩｎＧａＮ光吸収層及び前記ｎ型ＧａＮ層は、（０００１）方向に配向している
ことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１記載の太陽電池において、
前記半導体基板は、ＧａＡｓ（１１１）基板である
ことを特徴とする太陽電池。 - 請求項２記載の太陽電池において、
前記半導体基板は、ＳｉＣ（１１１）基板である
ことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記柱状構造体の直径は、１２５ｎｍ〜４００ｎｍである
ことを特徴とする太陽電池。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の太陽電池において、
前記半導体基板に接続されたｐ側電極と、
前記ｎ型ＧａＮ層に接続されたｎ側電極と
を更に有することを特徴とする太陽電池。 - ｐ型の半導体基板上に、開口部を有するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜をマスクとして、前記開口部内の前記半導体基板上に、ｐ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ光吸収層と、ｎ型ＧａＮ層とを（０００１）方向に配向して順次成長し、前記ｐ型ＧａＮ層、前記ＩｎＧａＮ光吸収層及び前記ｎ型ＧａＮ層の積層構造を有する柱状構造体を形成する工程と
を有することを特徴とする太陽電池の製造方法。
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