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JP2014220351A - Multi-junction solar cell - Google Patents

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JP2014220351A
JP2014220351A JP2013098151A JP2013098151A JP2014220351A JP 2014220351 A JP2014220351 A JP 2014220351A JP 2013098151 A JP2013098151 A JP 2013098151A JP 2013098151 A JP2013098151 A JP 2013098151A JP 2014220351 A JP2014220351 A JP 2014220351A
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solar cell
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JP2013098151A
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Japanese (ja)
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学 満原
Manabu Mitsuhara
学 満原
則之 渡邉
Noriyuki Watanabe
則之 渡邉
重川 直輝
Naoteru Shigekawa
直輝 重川
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Osaka University NUC
Osaka Metropolitan University
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Osaka University NUC
Osaka City University PUC
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Abstract

【課題】シリコンからなる太陽電池セルと、Asを除くIII−V族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようにする。【解決手段】ボトムセルとなる第1太陽電池セル131と、トップセルとなる第2太陽電池セル132とを少なくとも備え、第2太陽電池セル132は、p型InGaPSbからなるベース層107と、n型InGaPSbからなるエミッタ層108とを光吸収層として備える。【選択図】 図1Higher photoelectric conversion efficiency is obtained in a multi-junction solar battery including a solar battery cell made of silicon and a solar battery cell made of a III-V group compound semiconductor excluding As. At least a first solar cell 131 serving as a bottom cell and a second solar cell 132 serving as a top cell are provided. The second solar cell 132 includes a base layer 107 made of p-type InGaPSb, and an n-type. An emitter layer 108 made of InGaPSb is provided as a light absorption layer. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、シリコンから構成された太陽電池セルとIII−V族化合物半導体から構成された太陽電池セルとを貼り合わせて構成した多接合太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a multi-junction solar cell formed by bonding a solar cell composed of silicon and a solar cell composed of a III-V compound semiconductor.

近年、深刻になるエネルギー不足を解決するために、クリーンで安全な電力源である太陽電池への関心が高まっている。最近では、施設全体での出力が1メガワット以上となる太陽光発電所も検討されており、既存の化石燃料などを用いた発電所に代わる新しい発電所としても期待されている。この太陽電池の出力を増加させる有力な手段の1つは、太陽光から電気への変換効率を増加させることである。   In recent years, in order to solve the serious energy shortage, interest in solar cells, which are clean and safe power sources, is increasing. Recently, a photovoltaic power plant with an overall output of 1 megawatt or more has been studied, and it is expected to be a new power plant that replaces the existing power plant using fossil fuel. One effective means of increasing the output of this solar cell is to increase the conversion efficiency from sunlight to electricity.

現在、最も普及している太陽電池は、Siを材料とした1つのpn接合だけを含む単体の太陽電池である。しかしながら、この太陽電池で30%を超えるような高い変換効率を得ることはできない。これは、Siのバンドギャップが小さいことに起因している。図9は、地表における太陽光の波長ごとの放射度の分布を示したものである。太陽光のスペクトルは波長0.6μm(エネルギーに換算して2.05eV)付近を中心に分布している。これに対し、Siのバンドギャップは、約1.1eVである。   Currently, the most popular solar cell is a single solar cell including only one pn junction made of Si. However, high conversion efficiency exceeding 30% cannot be obtained with this solar cell. This is due to the small band gap of Si. FIG. 9 shows the distribution of irradiance for each wavelength of sunlight on the ground surface. The spectrum of sunlight is distributed around a wavelength of about 0.6 μm (2.05 eV in terms of energy). On the other hand, the band gap of Si is about 1.1 eV.

このため、太陽光は、Siのバンドギャップよりも大きなエネルギーを持っているにも関わらず、Si内で太陽光の光吸収により発生したキャリア(電子、正孔)は、結晶内で熱などによりエネルギーが失われ、最終的に、Siのバンドギャップに相当する電圧しか発生させることができない。このことが、前述のようにSiを用いた太陽電池では、高い変換効率を得ることができない大きな要因である。   For this reason, although sunlight has energy larger than the band gap of Si, carriers (electrons and holes) generated by absorption of sunlight in Si are caused by heat in the crystal. Energy is lost, and ultimately only a voltage corresponding to the band gap of Si can be generated. This is a major factor in that high conversion efficiency cannot be obtained in a solar cell using Si as described above.

一方、III−V族化合物半導体を用いることで、30%を超える高い変換効率の太陽電池を構成する技術がある。この技術では、III−V族化合物半導体による光吸収層のバンドギャップが異なるセル構造を2つ以上組み合わせ、タンデム型太陽電池構造とし、太陽光スペクトルのエネルギー分布に応じて多段に光吸収させることで、高い変換効率を得ようとしている。   On the other hand, there is a technique for forming a solar cell with a high conversion efficiency exceeding 30% by using a III-V group compound semiconductor. In this technology, two or more cell structures with different band gaps of light absorption layers made of III-V compound semiconductors are combined to form a tandem solar cell structure, and light is absorbed in multiple stages according to the energy distribution of the solar spectrum. Trying to get high conversion efficiency.

図10は、上述したタンデム型太陽電池の一例として2接合太陽電池の基本構造を示した断面図である。この2接合太陽電池では、ボトムセル1001が、トンネル接合1002によりトップセル1003と接合している。太陽光は、反射防止膜1007から入射し、まずトップセル1003で光吸収が起こる。次いで、トップセル1003のバンドギャップよりエネルギーが小さいために吸収されなかった光が、ボトムセル1001で吸収される。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing the basic structure of a two-junction solar cell as an example of the tandem solar cell described above. In this two-junction solar cell, the bottom cell 1001 is joined to the top cell 1003 by a tunnel junction 1002. Sunlight enters from the antireflection film 1007 and light absorption occurs first in the top cell 1003. Next, light that is not absorbed because the energy is smaller than the band gap of the top cell 1003 is absorbed by the bottom cell 1001.

後述するように、トップセル1003の光吸収層のバンドギャップ、およびボトムセル1001の光吸収層のバンドギャップを各々調整することにより、太陽光の持つエネルギーを有効に利用でき、変換効率を高くすることができる。更に、トップセル1003とボトムセル1001は、III−V族化合物半導体を用いたトンネル接合1002により一体とし、これに表面フィンガー電極1005および裏面電極1006を設けることで電流を取り出すことができる。なお、表面フィンガー電極1005は、コンタクト層1004を介して接続されている。このように、このタンデム型太陽電池の素子化における作製工程は、単体の太陽電池と大差はなく、簡便であるという特徴を有している。   As will be described later, by adjusting the band gap of the light absorption layer of the top cell 1003 and the band gap of the light absorption layer of the bottom cell 1001, the energy of sunlight can be used effectively and the conversion efficiency can be increased. Can do. Furthermore, the top cell 1003 and the bottom cell 1001 can be integrated by a tunnel junction 1002 using a group III-V compound semiconductor, and a current can be taken out by providing a front finger electrode 1005 and a back electrode 1006 thereon. Note that the surface finger electrodes 1005 are connected via a contact layer 1004. As described above, the manufacturing process in making the element of the tandem solar cell is not so different from that of a single solar cell and has a feature that it is simple.

K. Tanabe et al. , "III-V/Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding", Scientic Reports, Vol.2, 349, 2012.K. Tanabe et al., "III-V / Si hybrid photonic devices by direct fusion bonding", Scientic Reports, Vol.2, 349, 2012. S. Kurtz et al. , "Modeling of two-junction series-connected tandem solar cells using top-cell thickness as an adjustable parameter", Jourrnal of Applied Physics, Vol.68, No.4,pp.1890-1895, 1990.S. Kurtz et al., "Modeling of two-junction series-connected tandem solar cells using top-cell thickness as an adjustable parameter", Jourrnal of Applied Physics, Vol.68, No.4, pp.1890-1895, 1990 .

ところで、前述したように、Siはバンドギャップが小さいために、Siだけを用いた太陽電池では高い変換効率を得ることはできない。これに対し、前述したようにIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、バンドギャップが異なるセルを組み合わせてタンデム構造にすることで高い変換効率が実現されている。   Incidentally, as described above, since Si has a small band gap, a high conversion efficiency cannot be obtained with a solar cell using only Si. On the other hand, as described above, in a multijunction solar cell using a III-V group compound semiconductor, high conversion efficiency is realized by combining cells having different band gaps into a tandem structure.

現在までに検討されてきたIII−V族化合物半導体を用いた2接合太陽電池の大半は、ボトムセルにGaAsを用いている。3接合以上の多接合太陽電池では、ボトムセルにGeを用いることが多いが、この場合もミドルセル用の材料としてはGaAsあるいは少量のInを含むInGaAsが用いられている。このように、従来のIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、構成するセルのいずれかにGaAs、InGaAs,AlGaAsなどのV族元素として主にAsを含む材料が用いられている。   Most of the two-junction solar cells using III-V compound semiconductors that have been studied so far use GaAs for the bottom cell. In a multi-junction solar cell having three or more junctions, Ge is often used for the bottom cell. In this case, GaAs or InGaAs containing a small amount of In is used as a material for the middle cell. Thus, in a conventional multi-junction solar cell using a group III-V compound semiconductor, a material mainly containing As as a group V element such as GaAs, InGaAs, or AlGaAs is used in any of the constituent cells. .

電力エネルギーのうち太陽電池による比率を高めていく上では、変換効率の向上だけでなく、使用後の太陽電池の廃棄まで含めた環境への影響を考慮する必要がある。しかしながら、前述したようにIII−V族化合物半導体を用いた太陽電池では、Asを主なV族元素とするIII−V族化合物半導体が用いられている。   In order to increase the ratio of electric power energy by solar cells, it is necessary to consider not only the improvement of conversion efficiency but also the impact on the environment including the disposal of solar cells after use. However, as described above, in a solar cell using a group III-V compound semiconductor, a group III-V compound semiconductor having As as a main group V element is used.

米国政府工業衛生等会議(American Conference on Government Industrial Hygienists;ACGIH)で勧告されているAsの作業環境許容濃度は、時間加重平均(Time Weighted Average;TWA)で0.01mg/m3であり、取り扱いが容易ではない。現在、実用化されている半導体レーザや電子デバイスでも、Asは元素として含まれるが、これら素子の大きさは数μmからせいぜい数百μm程度までであり、素子自体に含まれるAsの量は少ないために問題になる可能性は少ない。 The working environment allowable concentration of As recommended by the American Conference on Government Industrial Hygienists (ACGIH) is 0.01 mg / m 3 as a Time Weighted Average (TWA). Is not easy. Even in semiconductor lasers and electronic devices that are currently in practical use, As is included as an element, the size of these elements is from several μm to at most several hundred μm, and the amount of As contained in the element itself is small. Therefore, there is little possibility of becoming a problem.

これに対し、太陽電池では、発電量を増やすために、比較的素子面積を小さくできる集光型のモジュールの場合でも、太陽電池の素子は1mm×1mm〜10mm×10mm程度の面積が必要となる。このために、上述したIII−V族化合物半導体を用いた太陽電池には、半導体レーザや電子デバイスなどとは比較できない量のAsが含まれることになる。   On the other hand, in the case of a solar cell, in order to increase the amount of power generation, even in the case of a concentrating module that can relatively reduce the element area, the solar cell element needs an area of about 1 mm × 1 mm to 10 mm × 10 mm. . For this reason, the solar cell using the above-described III-V group compound semiconductor contains an amount of As that cannot be compared with a semiconductor laser or an electronic device.

太陽電池の廃棄まで含めた環境への影響を考慮すると、太陽電池に含まれる元素も、取り扱いの容易な毒性の弱い元素から構成されることが望ましい。しかしながら、現在までにIII−V族化合物半導体を用いた多接合太陽電池では、構成するセルのいずれかにAsを主なV族元素とする材料が用いられてきた。   Considering the environmental impact including the disposal of solar cells, it is desirable that the elements contained in the solar cells are also composed of easily toxic elements that are easy to handle. However, so far, in multijunction solar cells using III-V group compound semiconductors, materials having As as the main group V element have been used in any of the constituent cells.

2接合太陽電池において、トップセル、ボトムセルのいずれにもAsを含まない材料を吸収層とする層構成としては、ボトムセルにSiセルを、トップセルにInGaP,InGaAlP,InAlPなどのAsを含まないIII−V族化合物半導体を用いる方法が考えられる。従来、SiとIII−V族化合物半導体を組み合わせた半導体デバイスの実現は容易ではなかったが、近年の半導体プロセス技術の進展により、SiとIII−V族化合物半導体とを金属や誘電体などを介さず、直接接合させ、更に通電させることも可能になってきている。   In the two-junction solar cell, the layer structure in which the material containing As is not contained in either the top cell or the bottom cell is an absorption layer. A method using a group V compound semiconductor is conceivable. Conventionally, it has not been easy to realize a semiconductor device in which Si and a III-V group compound semiconductor are combined. However, due to recent progress in semiconductor process technology, Si and a III-V group compound semiconductor are connected via a metal, a dielectric, or the like. However, it is also possible to directly join and further energize.

この直接接合技術は、「Direct Wafer Bonding」や「Wafer Fusion」などとも呼ばれるものであり、Siと様々なIII−V族化合物半導体とを直接接合することができる。直接接合の手法としては、まず、ウェハの貼り合わせ表面にヒドロキシル基(−OHで表され、水酸基とも呼ばれる)を付着させ、これを介して2つのウェハを吸着させた後に熱アニールして接着させる方法がある。また、Arのプラズマによりそれぞれのウェハの貼り合わせ表面を活性化させた後、真空中でウェハ同士を接着させる方法など、様々な直接接合の方法が検討されている。このSiとIII−V族化合物半導体との直接接合技術は、太陽電池の作製にも応用されている(例えば、非特許文献1を参照)。   This direct bonding technique is also called “Direct Wafer Bonding” or “Wafer Fusion”, and can directly bond Si and various III-V compound semiconductors. As a method of direct bonding, first, a hydroxyl group (expressed as —OH, also referred to as a hydroxyl group) is attached to the bonding surface of the wafer, and two wafers are adsorbed via this to be bonded by thermal annealing. There is a way. Further, various direct bonding methods such as a method of bonding wafers in a vacuum after activating the bonding surface of each wafer by Ar plasma have been studied. This direct bonding technique between Si and a III-V group compound semiconductor is also applied to the production of solar cells (see, for example, Non-Patent Document 1).

上述した直接接合技術を用い、SiボトムセルとIII−V族化合物半導体を用いたトップセルからなる2接合太陽電池の作製方法について、図11A〜図11Dを用いて説明する。まず、図11Aに示すように、ボトムセルとなるSi太陽電池セル1101を作製する。次に、図11Bに示すように、トップセルとなる、GaAs基板1102上に結晶成長させたIII−V族化合物半導体からなる太陽電池セル1103を作製する。   A method for manufacturing a two-junction solar cell including a top cell using a Si bottom cell and a III-V group compound semiconductor using the direct bonding technique described above will be described with reference to FIGS. 11A to 11D. First, as shown in FIG. 11A, a Si solar battery cell 1101 serving as a bottom cell is manufactured. Next, as shown in FIG. 11B, a solar battery cell 1103 made of a III-V group compound semiconductor grown on a GaAs substrate 1102 serving as a top cell is manufactured.

次に、図11Cに示すように、Si太陽電池セル1101と太陽電池セル1103とを直接貼り合わせて接着させる。次に、貼り合わせたSi太陽電池セル1101と太陽電池セル1103との間での通電を可能にするため、必要に応じて熱アニールなどの処理を行う。次に、図11Dに示すように、選択エッチング等を用い、GaAs基板1102を太陽電池セル1103より分離(除去)する。最後に、一体とした2接合太陽電池に電極や反射防止膜などを形成する。   Next, as shown in FIG. 11C, the Si solar cells 1101 and the solar cells 1103 are directly bonded and bonded together. Next, in order to enable energization between the bonded Si solar cells 1101 and 1103, a treatment such as thermal annealing is performed as necessary. Next, as shown in FIG. 11D, the GaAs substrate 1102 is separated (removed) from the solar battery cell 1103 using selective etching or the like. Finally, an electrode, an antireflection film, and the like are formed on the integrated two-junction solar cell.

この2接合太陽電池では、ボトムセルに合わせてトップセルのバンドギャップを調整することにより、高い変換効率を得ることができる。このようなトップセルとボトムセルのバンドギャップの組み合わせによる変換効率の変化は、計算により見積もることができる(例えば、非特許文献2を参照)。図12は、計算により2接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップの組み合わせによる変換効率の変化を示した特性図である。入射光としては、エアマス1.5ダイレクト(AM−1.5Direct、入射光強度768W/m2)を500倍に集光した場合を想定している。 In this two-junction solar cell, high conversion efficiency can be obtained by adjusting the band gap of the top cell in accordance with the bottom cell. Such a change in conversion efficiency due to the combination of the band gaps of the top cell and the bottom cell can be estimated by calculation (see, for example, Non-Patent Document 2). FIG. 12 is a characteristic diagram showing the change in conversion efficiency by the combination of the band gap of the bottom cell and the top cell in the two-junction solar cell by calculation. As the incident light, it is assumed that air mass 1.5 direct (AM-1.5Direct, incident light intensity 768 W / m 2 ) is condensed 500 times.

前述したようにSiのバンドギャップは約1.1eVであり、図12ではこれを破線で示している。図12に示すように、Siをボトムセルに用いた場合に変換効率を最大にできるトップセルのバンドギャップは、1.65eV付近であることが分かる。具体的には、トップセルのバンドギャップを1.3eVから1.8eVの範囲に設定すれば、500倍の集光倍率時において33%以上の高い変換効率が期待できる。   As described above, the band gap of Si is about 1.1 eV, and this is indicated by a broken line in FIG. As shown in FIG. 12, it can be seen that the band gap of the top cell that can maximize the conversion efficiency when Si is used for the bottom cell is around 1.65 eV. Specifically, if the band gap of the top cell is set in the range of 1.3 eV to 1.8 eV, a high conversion efficiency of 33% or more can be expected at a light condensing magnification of 500 times.

実際の太陽電池の変換効率は、太陽光のスペクトル分布のほかにも、セルの吸収係数と膜厚、キャリア(電子と正孔)の移動度・ライフタイム・有効質量などの物性パラメータにより大きく変化する。更に、様々な損失要因も考慮する必要がある。従って、変換効率の絶対値を厳密に議論することは難しい。しかし、高い変換効率が得られるトップセルのバンドギャップの範囲は、物性パラメータが変わっても大きく変化することはないため、高い変換効率が期待できるバンドギャップの範囲は上述のように1.3eVから1.8eVである。   In addition to the spectral distribution of sunlight, the actual solar cell conversion efficiency varies greatly depending on physical parameters such as cell absorption coefficient and film thickness, carrier (electron and hole) mobility, lifetime, and effective mass. To do. Furthermore, various loss factors need to be considered. Therefore, it is difficult to strictly discuss the absolute value of the conversion efficiency. However, since the band gap range of the top cell where high conversion efficiency can be obtained does not change greatly even if the physical property parameter changes, the band gap range where high conversion efficiency can be expected is from 1.3 eV as described above. 1.8 eV.

III−V族化合物半導体からなるトップセルは、GaAs基板という高品質の基板を用いてこれに格子整合させることができ、更にAsを含まない材料としては、前述のようにInGaP,InGaAlP,InAlPが考えられる。これらの材料のなかでバンドギャップが最も小さい材料はInGaPであり、GaAsに格子整合させた条件下でのバンドギャップは約1.9eVである。   A top cell made of a III-V group compound semiconductor can be lattice-matched to a high-quality substrate such as a GaAs substrate. As a material not containing As, InGaP, InGaAlP, and InAlP are used as described above. Conceivable. Among these materials, the material having the smallest band gap is InGaP, and the band gap under the condition of lattice matching with GaAs is about 1.9 eV.

一方、前述したようにSiをボトムセルとした2接合太陽電池において変換効率を高くするためには、トップセルのバンドギャップが1.3eVから1.8eVの範囲内にあることが望ましい。このため、Siをボトムセルとした2接合太陽電池においては、InGaPをトップセルの光吸収層に用いても高い変換効率を得ることは難しい。   On the other hand, in order to increase the conversion efficiency in the two-junction solar cell using Si as the bottom cell as described above, it is desirable that the band gap of the top cell be in the range of 1.3 eV to 1.8 eV. For this reason, in a two-junction solar cell using Si as the bottom cell, it is difficult to obtain high conversion efficiency even when InGaP is used for the light absorption layer of the top cell.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンからなる太陽電池セルと、Asを除くIII−V族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a multi-junction solar battery including a solar battery cell made of silicon and a solar battery cell made of a III-V group compound semiconductor excluding As. An object is to obtain higher photoelectric conversion efficiency.

本発明に係る多接合太陽電池は、p型のシリコンからなるp型シリコン層およびn型のシリコンからなるn型シリコン層を備える第1太陽電池セルと、InGaPSbからなる光吸収層を含み、As以外のIII−V族化合物半導体からなる化合物半導体層およびInGaPからなる接合層から構成された第2太陽電池セルとを備え、n型シリコン層と接合層とが貼り合わされて第1太陽電池セルおよび第2太陽電池セルが一体とされている。   The multi-junction solar cell according to the present invention includes a first solar cell including a p-type silicon layer made of p-type silicon and an n-type silicon layer made of n-type silicon, and a light absorption layer made of InGaPSb, And a second solar cell composed of a compound semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor and a bonding layer made of InGaP, and the n-type silicon layer and the bonding layer are bonded together, The second solar battery cell is integrated.

上記多接合太陽電池において、光吸収層は、バンドギャップが1.55〜1.8eVとなる組成のInGaPSbから構成されていればよい。また、光吸収層は、GaAsに対する格子不整合が−0.1〜+0.1%となる組成のInGaPSbから構成されていればよい。   In the multi-junction solar cell, the light absorption layer may be made of InGaPSb having a composition with a band gap of 1.55 to 1.8 eV. Moreover, the light absorption layer should just be comprised from InGaPSb of the composition from which the lattice mismatch with respect to GaAs will be -0.1 to + 0.1%.

以上説明したことにより、本発明によれば、シリコンからなる太陽電池セルと、Asを除くIII−V族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, higher photoelectric conversion efficiency can be obtained in a multi-junction solar battery including a solar battery cell made of silicon and a solar battery cell made of a III-V group compound semiconductor excluding As. An excellent effect is obtained.

図1は、本発明の実施の形態1における多接合太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the multijunction solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、InGaPSbについて、III族組成とV族組成によるバンドギャップの等高線を計算により求めた結果を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the results obtained by calculating the band gap contours of the group III composition and the group V composition for InGaPSb. 図3は、図2で示したInGaPSbについて、GaAsに格子整合する組成だけを抜き出し、バンドギャップのSb組成による変化を示した特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing changes in the band gap due to the Sb composition by extracting only the composition lattice-matched to GaAs from the InGaPSb shown in FIG. 図4は、InGaPSb層のバンドギャップの調査に用いた試料素子の構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the sample element used for investigating the band gap of the InGaPSb layer. 図5は、図4を用いて説明した試料素子のX線回折パターンを示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of the sample element described with reference to FIG. 図6は、図4を用いて説明した試料素子におけるInGaPSb層403のホトルミネセンススペクトルを示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a photoluminescence spectrum of the InGaPSb layer 403 in the sample element described with reference to FIG. 図7は、本発明の実施の形態2による多接合太陽電池におけるトップセルの層構造を模式的に示した断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the layer structure of the top cell in the multijunction solar cell according to Embodiment 2 of the present invention. 図8は、p−Si基板にPをイオン注入してn型エミッタ層を形成することで作製したSiボトムセルに直接接合させるためのトップセルの層構造を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a layer structure of a top cell for direct bonding to a Si bottom cell manufactured by ion-implanting P into a p-Si substrate to form an n-type emitter layer. 図9は、地表における太陽光の波長ごとの放射度の分布を示した分布図である。FIG. 9 is a distribution diagram showing the distribution of irradiance for each wavelength of sunlight on the ground surface. 図10は、タンデム型太陽電池の一例として2接合太陽電池の基本構造を示した断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the basic structure of a two-junction solar cell as an example of a tandem solar cell. 図11Aは、SiボトムセルとIII−V族化合物半導体を用いたトップセルからなる2接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。FIG. 11A is a cross-sectional view schematically illustrating a state in a manufacturing process of a two-junction solar cell including a top cell using a Si bottom cell and a group III-V compound semiconductor. 図11Bは、SiボトムセルとIII−V族化合物半導体を用いたトップセルからなる2接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。FIG. 11B is a cross-sectional view schematically showing a state in a manufacturing process of a two-junction solar cell including a top cell using a Si bottom cell and a III-V group compound semiconductor. 図11Cは、SiボトムセルとIII−V族化合物半導体を用いたトップセルからなる2接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。FIG. 11C is a cross-sectional view schematically showing a state in a manufacturing process of a two-junction solar cell including a top cell using a Si bottom cell and a III-V group compound semiconductor. 図11Dは、SiボトムセルとIII−V族化合物半導体を用いたトップセルからなる2接合太陽電池の作製過程における状態を模式的に示す断面図である。FIG. 11D is a cross-sectional view schematically showing a state in a manufacturing process of a two-junction solar cell including a top cell using a Si bottom cell and a III-V group compound semiconductor. 図12は、計算により求めた2接合太陽電池におけるボトムセルとトップセルのバンドギャップによる変換効率の変化を示した特性図である。FIG. 12 is a characteristic diagram showing a change in conversion efficiency due to the band gap between the bottom cell and the top cell in a two-junction solar cell obtained by calculation.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1における多接合太陽電池の構成を示す構成図である。図1では、断面を模式的に示している。この多接合太陽電池は、ボトムセルとなる第1太陽電池セル131と、トップセルとなる第2太陽電池セル132とを少なくとも備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the multijunction solar cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section. This multi-junction solar cell includes at least a first solar cell 131 serving as a bottom cell and a second solar cell 132 serving as a top cell.

第1太陽電池セル131は、p型のSi基板101およびSi基板101の上に形成されたn型Siからなるエミッタ層102を備えている。各層は、所定の不純物をイオン注入などにより導入することで、各々の導電性が得られている。   The first solar cell 131 includes a p-type Si substrate 101 and an emitter layer 102 made of n-type Si formed on the Si substrate 101. Each layer has a conductivity obtained by introducing a predetermined impurity by ion implantation or the like.

第2太陽電池セル132は、p型InGaPSbからなるベース層107と、n型InGaPSbからなるエミッタ層108とを光吸収層として備える。また、ベース層107の第1太陽電池セル131の側(下側)には、p型InGaAlPからなるBSF(Back Surface Field)層106が形成されている。更に、BSF層106の下側には、高濃度にp型の不純物が導入されたInGaPからなるp+−InGaP層105,高濃度にn型不純物が導入されたInGaPからなるn+−InGaP層104,およびn型のInGaPからなるn−InGaP層103が形成されている。 The second solar cell 132 includes a base layer 107 made of p-type InGaPSb and an emitter layer 108 made of n-type InGaPSb as light absorption layers. In addition, a BSF (Back Surface Field) layer 106 made of p-type InGaAlP is formed on the first solar cell 131 side (lower side) of the base layer 107. Further, below the BSF layer 106, a p + -InGaP layer 105 made of InGaP doped with p-type impurities at a high concentration, and an n + -InGaP layer made of InGaP doped with n-type impurities at a high concentration. 104, and an n-InGaP layer 103 made of n-type InGaP is formed.

一方、エミッタ層108の上側には、n型InGaAlPからなるBSF層109、n型InAlPからなる窓層110、およびn型InGaPからなるコンタクト層111が形成されている。また、コンタクト層111には、表面フィンガー電極112が接続して形成され、Si基板101の裏面側には、裏面電極113が接続して形成されている。また、表面フィンガー電極112が形成されていない窓層110の領域には、反射防止膜114が形成されている。なお、各BSF層は、小数キャリアの拡散を抑制するために用いている。   On the other hand, a BSF layer 109 made of n-type InGaAlP, a window layer 110 made of n-type InAlP, and a contact layer 111 made of n-type InGaP are formed on the emitter layer 108. In addition, a front finger electrode 112 is connected to the contact layer 111, and a back electrode 113 is formed on the back side of the Si substrate 101. An antireflection film 114 is formed in the region of the window layer 110 where the surface finger electrode 112 is not formed. Each BSF layer is used to suppress the diffusion of decimal carriers.

第1太陽電池セル131と第2太陽電池セル132とは、エミッタ層102とn−InGaP層103とを貼り合わせることにより、物理的および電気的に接続されている。更に、n+−InGaP層104とp+−InGaP層105から構成されるトンネル接合が設けられており、第1太陽電池セル131と第2太陽電池セル132とを小さな電気抵抗で直列接続できるようになっている。このため、表面フィンガー電極112および裏面電極113の2つの電極を設置するだけで、電気を取り出すことができるようになっている。 The first solar cell 131 and the second solar cell 132 are physically and electrically connected by bonding the emitter layer 102 and the n-InGaP layer 103 together. Further, a tunnel junction composed of the n + -InGaP layer 104 and the p + -InGaP layer 105 is provided so that the first solar cell 131 and the second solar cell 132 can be connected in series with a small electric resistance. It has become. For this reason, electricity can be taken out simply by installing two electrodes, the front finger electrode 112 and the back electrode 113.

実施の形態1では、第2太陽電池セル132の光吸収層であるエミッタ層102およびベース層107をInGaPSbから構成しているところが特徴である。この特徴により、GaAs上に形成したInGaP層では実現できない1.55eVから1.8eVの範囲のバンドギャップを実現したことに特徴がある。バンドギャップが、1.55eV〜1.8eVの範囲にあるInGaPSbを光吸収層とする第2太陽電池セル132と、Siを用いた第1太陽電池セル131とを組み合わせて一体とした多接合太陽電池とすることで、高い変換効率を得ることができる。   The first embodiment is characterized in that the emitter layer 102 and the base layer 107 which are light absorption layers of the second solar battery cell 132 are made of InGaPSb. This feature is characterized in that a band gap in the range of 1.55 eV to 1.8 eV, which cannot be realized with an InGaP layer formed on GaAs, is realized. A multijunction solar in which a second solar cell 132 having a light absorption layer of InGaPSb having a band gap in the range of 1.55 eV to 1.8 eV and a first solar cell 131 using Si are combined. By using a battery, high conversion efficiency can be obtained.

実施の形態1における多接合太陽電池では、InGaPSbが、InGaPではGaAsに格子整合する条件では実現できないバンドギャップを得ることができることが重要となる。このため、GaAs上に作製したInGaPSbのバンドギャップについて以下に説明する。   In the multijunction solar cell in the first embodiment, it is important that InGaPSb can obtain a band gap that cannot be realized under the condition that InGaP is lattice-matched to GaAs. For this reason, the band gap of InGaPSb fabricated on GaAs will be described below.

図2は、InGaPSbについて、III族組成とV族組成によるバンドギャップの等高線を計算により求めた結果を示す特性図である。図2では、GaAsと格子整合する組成をライン1として示してある。この線上で縦軸のSb組成が0となる組成が、GaAsに格子整合するInGaPであり、このバンドギャップは約1.9eVである。しかしながら、図12を用いて前述したように、Siボトムセルとの組み合わせで高い変換効率が得られるトップセルのバンドギャップは1.3eVから1.8eVの範囲であり、InGaPではこのバンドギャップは得られない。   FIG. 2 is a characteristic diagram showing the results obtained by calculating the band gap contours of the group III composition and the group V composition for InGaPSb. In FIG. 2, the composition that is lattice-matched with GaAs is shown as line 1. The composition in which the Sb composition on the vertical axis is 0 on this line is InGaP lattice-matched with GaAs, and the band gap is about 1.9 eV. However, as described above with reference to FIG. 12, the band gap of the top cell that can obtain high conversion efficiency in combination with the Si bottom cell is in the range of 1.3 eV to 1.8 eV, and this band gap can be obtained with InGaP. Absent.

一方、InGaPSbは、GaAsと格子整合する組成であるライン1上において、InGaPよりも小さい1.9eV以下の1.55eV〜1.8eVのバンドギャップを得ることができる。更に、後述するように、結晶欠陥の発生が顕著にならない程度の格子不整合があっても太陽電池としては動作するため、この場合は、1.55eV以下にもバンドギャップを設定することができる。   On the other hand, InGaPSb can obtain a band gap of 1.55 eV to 1.8 eV, which is 1.9 eV or less, which is smaller than InGaP, on the line 1 having a composition lattice-matched with GaAs. Furthermore, as will be described later, since the solar cell operates even when there is a lattice mismatch that does not cause the occurrence of crystal defects, the band gap can be set to 1.55 eV or less in this case. .

図3は、図2で示したInGaPSbについて、GaAsに格子整合する組成だけを抜き出し、バンドギャップのSb組成による変化を示した特性図である。なお、この計算では、InGaPSbのIn組成は、Sb組成の変化に伴い、GaAsとの格子整合条件を満たすように変化させている。図3に示すように、InGaPSbのバンドギャップは、Sb組成を増加させることにより単調に減少していることが分かる。具体的には、InGaPSbのSb組成を0から0.3まで増加させることにより、バンドギャップは1.9eVから1.55eVまで減少させることができる。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing changes in the band gap due to the Sb composition by extracting only the composition lattice-matched to GaAs from the InGaPSb shown in FIG. In this calculation, the In composition of InGaPSb is changed to satisfy the lattice matching condition with GaAs as the Sb composition changes. As shown in FIG. 3, it can be seen that the band gap of InGaPSb monotonously decreases as the Sb composition increases. Specifically, the band gap can be decreased from 1.9 eV to 1.55 eV by increasing the Sb composition of InGaPSb from 0 to 0.3.

なお、図2から分かるように、InGaPSbでは、Sb組成が0.3以上の場合、GaAsに格子整合させることができない。このために、GaAsに対して格子整合に近い条件において、InGaPSbで実現可能なバンドギャップの下限は1.55eVである。   As can be seen from FIG. 2, InGaPSb cannot be lattice-matched to GaAs when the Sb composition is 0.3 or more. For this reason, the lower limit of the band gap that can be realized with InGaPSb is 1.55 eV under conditions close to lattice matching with GaAs.

以上、説明したようにSiを第1太陽電池セル131(ボトムセル)とする多接合太陽電池における第2太陽電池セル132(トップセル)のベース層107,エミッタ層108(光吸収層)にInGaPSbを用いることで、InGaPを用いたトップセルでは得られない高い変換効率の多接合太陽電池を実現することができる。バンドギャップが1.55〜1.8eVとなる組成のInGaPSbを用いればよい。   As described above, InGaPSb is used for the base layer 107 and the emitter layer 108 (light absorption layer) of the second solar cell 132 (top cell) in the multi-junction solar cell using Si as the first solar cell 131 (bottom cell). By using it, it is possible to realize a multi-junction solar cell with high conversion efficiency that cannot be obtained with a top cell using InGaP. InGaPSb having a composition with a band gap of 1.55 to 1.8 eV may be used.

次に、InGaPSbの層を作製し、作製したInGaPSb層のバンドギャップを調査した結果について説明する。InGaPSb層のエピタキシャル成長は、III族原料ガスにトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、V族原料にホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いた有機金属分子線エピタキシー法により行った。 Next, the result of investigating the band gap of the produced InGaPSb layer after producing the InGaPSb layer will be described. Epitaxial growth of the InGaPSb layer was performed by an organometallic molecular beam epitaxy method using trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa) as a group III source gas, and phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) as a group V source material. .

図4は、InGaPSb層のバンドギャップの調査に用いた試料素子の構成を示す断面図である。この試料素子は、半絶縁性GaAs基板401上に、層厚が0.3μmのアンドープのGaAsバッファ層402がエピタキシャル成長され、この上に、層厚が0.2μmのアンドープのInGaPSb層403がエピタキシャル成長されている。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the sample element used for investigating the band gap of the InGaPSb layer. In this sample element, an undoped GaAs buffer layer 402 having a layer thickness of 0.3 μm is epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate 401, and an undoped InGaPSb layer 403 having a layer thickness of 0.2 μm is epitaxially grown thereon. ing.

図5は、上述した試料素子のX線回折パターンを示す特性図である。InGaPSb層403の回折ピーク位置の角度は、GaAsの角度とよく一致しており、InGaPSbはGaAsとほぼ格子整合していることが分かる。   FIG. 5 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern of the sample element described above. The angle of the diffraction peak position of the InGaPSb layer 403 is in good agreement with the angle of GaAs, and it can be seen that InGaPSb is almost lattice-matched with GaAs.

次に、上述した試料素子のホトルミネセンスを測定することで、InGaPSb層403のバンドギャップを調査した。測定は、励起光源として波長532nmのレーザを用い、室温(25℃程度)で行った。図6は、InGaPSb層403のホトルミネセンススペクトルを示す特性図である。1.65eV付近のエネルギーのピークが、InGaPSb層403からの発光によるものである。また、1.42eV付近のピークが、GaAsバッファ層402からの発光によるものである。これらの結果は、各々の層のバンドギャップに対応している。   Next, the band gap of the InGaPSb layer 403 was investigated by measuring the photoluminescence of the sample element described above. The measurement was performed at room temperature (about 25 ° C.) using a laser having a wavelength of 532 nm as an excitation light source. FIG. 6 is a characteristic diagram showing a photoluminescence spectrum of the InGaPSb layer 403. The energy peak around 1.65 eV is due to light emission from the InGaPSb layer 403. The peak near 1.42 eV is due to light emission from the GaAs buffer layer 402. These results correspond to the band gap of each layer.

図5および図6に示した結果より、InGaPSbはGaAsに格子整合させた状態でも、1.65eVのバンドギャップが得られることが分かる。また、この場合のInGaPSbのSb組成は、図3に示した結果を合わせると、0.18であることが分かる。   From the results shown in FIGS. 5 and 6, it can be seen that a band gap of 1.65 eV can be obtained even when InGaPSb is lattice-matched to GaAs. In addition, the Sb composition of InGaPSb in this case is 0.18 when the results shown in FIG. 3 are combined.

上述では、バンドギャップが1.65eVのInGaPSbについて示したが、図3に示すように、InGaPSbのバンドギャップはSb組成を変えることにより変化させることができる。この組成の制御は、InGaPSbの結晶成長時に原料の供給量を調整すれば良い。このため、InGaPSbは、GaAsに対して格子整合する条件付近で、バンドギャップを1.55eVから1.8eVまで変更することが可能であり、これは当分野において通常の知識を有する者であれば容易に実現可能な事項である。   In the above description, InGaPSb having a band gap of 1.65 eV is shown. However, as shown in FIG. 3, the band gap of InGaPSb can be changed by changing the Sb composition. This composition can be controlled by adjusting the amount of raw material supplied during the crystal growth of InGaPSb. For this reason, InGaPSb can change the band gap from 1.55 eV to 1.8 eV near the condition of lattice matching with GaAs. This is an easily feasible matter.

また、上述した説明では、層厚が0.2μmのアンドープのInGaPSbを用いたが、実際の太陽電池に応用する場合、図1に示した構造のようにドーピングしてp型とn型にする必要がある。InGaPSbに対するp型ドーピングでは、BeやZnなどをドーパントとし、n型ドーピングではSiやSnなどをドーパントとして用いればよい。InGaPSbは、容易にp型の層およびn型の層を得られることは言うまでもない。   In the above description, undoped InGaPSb having a layer thickness of 0.2 μm is used. However, when applied to an actual solar cell, doping is performed to form p-type and n-type as in the structure shown in FIG. There is a need. In p-type doping of InGaPSb, Be, Zn, or the like may be used as a dopant, and in n-type doping, Si, Sn, or the like may be used as a dopant. It goes without saying that InGaPSb can easily obtain a p-type layer and an n-type layer.

また、層厚に関し、実施の形態1では、ベース層107は、層厚0.5〜1.0μm程度とし、エミッタ層108は、層厚0.05〜0.1μm程度であればよい。これらの層厚の制御は容易であり、InGaPSbの層厚は、成長時間を調整することで容易に制御できることは言うまでもない。   Regarding the layer thickness, in the first embodiment, the base layer 107 may have a thickness of about 0.5 to 1.0 μm, and the emitter layer 108 may have a thickness of about 0.05 to 0.1 μm. Needless to say, these layer thicknesses can be easily controlled, and the layer thickness of InGaPSb can be easily controlled by adjusting the growth time.

また、上述した説明では、GaAsに格子整合するInGaPSbについての特性を示したが、太陽電池のエミッタ層とベース層に用いるInGaPSbの層厚は、この2つの層を合わせても1μm程度である。従って、GaAsに対して厳密に格子整合させる必要はない。具体的には、GaAsに対する格子不整合が−0.1%〜+0.1%の範囲であれば、緩和により発生する格子不整合に起因した結晶欠陥を抑制することができ、素子特性の劣化も抑えることが可能である。InGaPSbは、GaAsに対する格子不整合が−0.1%〜+0.1%の範囲であれば、第2太陽電池セル132のエミッタ層108,ベース層107に適用することができる。   In the above description, the characteristics of InGaPSb lattice-matched to GaAs are shown, but the layer thickness of InGaPSb used for the emitter layer and the base layer of the solar cell is about 1 μm even when these two layers are combined. Therefore, it is not necessary to strictly match the lattice with GaAs. Specifically, when the lattice mismatch with respect to GaAs is in the range of −0.1% to + 0.1%, crystal defects caused by the lattice mismatch caused by relaxation can be suppressed, and the device characteristics deteriorate. Can also be suppressed. InGaPSb can be applied to the emitter layer 108 and the base layer 107 of the second solar cell 132 if the lattice mismatch with respect to GaAs is in the range of −0.1% to + 0.1%.

また、上述では、結晶成長方法として有機金属分子線エピタキシーを用いた場合について説明したが、結晶成長方法はこれに限るものではない。適用可能な成長技術は、各化合物半導体層が形成できれば良く、有機金属気相エピタキシー法,ガスソース分子線エピタキシー法,分子線エピタキシー法などの技術であっても良いことは言うまでもない。   In the above description, the case where organometallic molecular beam epitaxy is used as the crystal growth method has been described. However, the crystal growth method is not limited to this. Needless to say, the applicable growth technique is that each compound semiconductor layer can be formed, and techniques such as metal organic vapor phase epitaxy, gas source molecular beam epitaxy, and molecular beam epitaxy may be used.

また、実施の形態1の多接合太陽電池では、トンネル接合としてn+−InGaP層104およびp+−InGaP層105を組み合わせた例を示したが、これに限るものではない。例えば、非特許文献1に示されているように、高濃度に不純物をドープしたSiと、高濃度に不純物をドープしたIII−V族化合物半導体とを直接接合させることにより、トンネル接合を形成しても良い。 In the multijunction solar cell of the first embodiment, the example in which the n + -InGaP layer 104 and the p + -InGaP layer 105 are combined as a tunnel junction is shown, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in Non-Patent Document 1, a tunnel junction is formed by directly bonding Si doped with a high concentration of impurities and a III-V group compound semiconductor doped with a high concentration of impurities. May be.

また、実施の形態1における多接合太陽電池では、裏面電極113の側より、p型Si、n型Si、n型III−V族化合物半導体、p型III−V族化合物半導体、n型III−V族化合物半導体の順番に積層されているが、これらの積層順番を逆にすることも可能である。   Moreover, in the multijunction solar cell in Embodiment 1, p-type Si, n-type Si, n-type III-V group compound semiconductor, p-type III-V group compound semiconductor, n-type III- from the back electrode 113 side. Although they are stacked in the order of the group V compound semiconductor, it is possible to reverse the stacking order.

具体的には、n型Si基板上にp型Si層を形成することによりボトムセルを作製し、GaAs基板上にp型III−V族化合物半導体、n型III−V族化合物半導体層、p型III−V族化合物半導体層の順番で積層させることによりトップセルを作製し、p型Si層とp型III−V族化合物半導体層とを直接貼り合わせることにより多接合太陽電池を作製することも可能である。このように、積層の順番は、当分野において通常の知識を有する者であれば、多くの変形および組み合わせを実現可能である。   Specifically, a bottom cell is formed by forming a p-type Si layer on an n-type Si substrate, and a p-type III-V group compound semiconductor, an n-type III-V group compound semiconductor layer, and a p-type are formed on the GaAs substrate. A top cell is produced by laminating in the order of the III-V group compound semiconductor layer, and a multi-junction solar cell is produced by directly bonding the p-type Si layer and the p-type III-V group compound semiconductor layer. Is possible. As described above, many variations and combinations of the stacking order can be realized by those having ordinary knowledge in the art.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図7は、本発明の実施の形態2による多接合太陽電池におけるトップセルの層構造を模式的に示した断面図である。実施の形態2におけるトップセル(第2太陽電池セル)は、p型のGaAsからなる基板701上に、層厚0.5μmのp型GaAsからなるバッファ層702、層厚0.03μmのp型InGaAlPからなるBSF層703を成長させ、引き続き層厚0.7μmのp型InGaPからなるベース層704、層厚0.05μmのn型InGaPからなるエミッタ層705を結晶成長することで作製している。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the layer structure of the top cell in the multijunction solar cell according to Embodiment 2 of the present invention. The top cell (second solar cell) according to the second embodiment includes a p-type GaAs buffer layer 702 having a layer thickness of 0.5 μm and a p-type layer having a thickness of 0.03 μm on a substrate 701 made of p-type GaAs. A BSF layer 703 made of InGaAlP is grown, and a base layer 704 made of p-type InGaP having a thickness of 0.7 μm and an emitter layer 705 made of n-type InGaP having a thickness of 0.05 μm are subsequently grown. .

ベース層704およびエミッタ層705に用いるInGaPSbのSb組成は、ともに0.14であり、バンドギャップは1.70eVである。エミッタ層705の上に、引き続き、層厚0.03μmのn型InGaAlPからなるBSF層706、層厚0.2μmのp型InAlPからなる窓層707を成長し、最後にn型InGaPからなるコンタクト層708を成長する。これらの各層のエピタキシャル成長には、III族原料にIn、Ga、Al、V族原料にホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いたガスソース分子線エピタキシー法を用いる。成長温度は、530℃である。 The Sb composition of InGaPSb used for the base layer 704 and the emitter layer 705 is both 0.14 and the band gap is 1.70 eV. On the emitter layer 705, a BSF layer 706 made of n-type InGaAlP having a thickness of 0.03 μm and a window layer 707 made of p-type InAlP having a thickness of 0.2 μm were grown, and finally a contact made of n-type InGaP. Layer 708 is grown. For the epitaxial growth of each of these layers, a gas source molecular beam epitaxy method using In, Ga, Al as a group III material and phosphine (PH 3 ) or arsine (AsH 3 ) as a group V material is used. The growth temperature is 530 ° C.

また、コンタクト層708の一部に金属を蒸着し、熱処理して表面フィンガー電極709を形成する。電極のない領域については、BBr3を用いたドライエッチングにより、n型InGaPからなるコンタクト層708を選択的に除去する。裏面電極710は、基板701を、裏面より研磨により薄くした後、薄くした基板701の裏面に金属を蒸着、熱処理して形成する。最後に、太陽光を入射させる窓層707の上に反射防止膜711を形成する。 Further, a surface finger electrode 709 is formed by depositing a metal on a part of the contact layer 708 and performing heat treatment. In a region without an electrode, the contact layer 708 made of n-type InGaP is selectively removed by dry etching using BBr 3 . The back electrode 710 is formed by thinning the substrate 701 by polishing from the back surface and then depositing and heat-treating metal on the back surface of the thinned substrate 701. Finally, an antireflection film 711 is formed on the window layer 707 on which sunlight is incident.

実施の形態2におけるトップセルを用い、エアマス1.5グローバル(AM−1.5Global、入射光強度1000W/m2)、非集光の条件下で電流電圧特性を測定する。このトップセルの場合、解放電圧は1.25V、短絡電流密度は13.0mA/cm2、フィルファクターは0.83であり、変換効率は13.5%である。一方、比較用に作製した太陽電池セルでは、解放電圧は1.40V、短絡電流密度は11.0mA/cm2、フィルファクターは0.84であり、変換効率は12.9%となる。比較用の太陽電池セルは、ベース層、エミッタ層の層厚は同じにし、InGaPSbの代わりにInGaP(バンドギャップ:1.91eV)を用いて作製した。 Using the top cell in the second embodiment, current-voltage characteristics are measured under the conditions of air mass 1.5 global (AM-1.5 Global, incident light intensity 1000 W / m 2 ) and non-condensing. In the case of this top cell, the release voltage is 1.25 V, the short-circuit current density is 13.0 mA / cm 2 , the fill factor is 0.83, and the conversion efficiency is 13.5%. On the other hand, in the solar cell produced for comparison, the release voltage is 1.40 V, the short-circuit current density is 11.0 mA / cm 2 , the fill factor is 0.84, and the conversion efficiency is 12.9%. The solar cell for comparison was manufactured using InGaP (band gap: 1.91 eV) instead of InGaPSb with the base layer and the emitter layer having the same layer thickness.

InGaPよりもInGaPSbを用いた方が変換効率が高いのは、InGaPSbはInGaPよりもバンドギャップが小さく、InGaPでは吸収できないエネルギーの小さい太陽光も吸収でき、短絡電流密度を大きくできるためである。なお、太陽電池の短絡電流密度は、ベース層、エミッタ層の層厚を増減させることにより調整できる。このため、ベース層、エミッタ層のInGaPSbの層厚は、上述した値に限られるものではない。実際に、上述したInGaPSbを含むトップセルとSiボトムセルを組み合わせた多接合太陽電池では、Siボトムセルと電流整合するようにInGaPSbの層厚を調整すれば良い。   The reason why InGaPSb is higher in conversion efficiency than InGaP is that InGaPSb has a smaller band gap than InGaP, can absorb sunlight with a small energy that cannot be absorbed by InGaP, and can increase the short-circuit current density. In addition, the short circuit current density of a solar cell can be adjusted by increasing / decreasing the layer thickness of a base layer and an emitter layer. For this reason, the layer thickness of InGaPSb of the base layer and the emitter layer is not limited to the above-described values. Actually, in a multi-junction solar cell in which a top cell containing InGaPSb and a Si bottom cell described above are combined, the layer thickness of InGaPSb may be adjusted so as to be current-matched with the Si bottom cell.

図7を用いて説明したInGaPSbを含むトップセルをSiボトムセルと直接接合し、多接合太陽電池を作製する場合には、層構成の変更が必要である。図8は、p−Si基板にPをイオン注入してn型エミッタ層を形成することで作製したSiボトムセルに直接接合させるためのトップセルの層構造を示している。この構造では、Siボトムセルとの間で電流を通すため、p型InGaAlPからなるBSF層807の上に、高濃度にp型不純物をドープしたp+−InGaP層808と、高濃度にn型不純物をドープしたn+−InGaP層809から構成されるトンネル接合が形成してある。 When the top cell containing InGaPSb described with reference to FIG. 7 is directly joined to the Si bottom cell to produce a multi-junction solar cell, the layer configuration needs to be changed. FIG. 8 shows a top cell layer structure for direct bonding to a Si bottom cell fabricated by ion implantation of P into a p-Si substrate to form an n-type emitter layer. In this structure, in order to pass an electric current between the Si bottom cell, a p + -InGaP layer 808 doped with a p-type impurity at a high concentration on a BSF layer 807 made of p-type InGaAlP and an n-type impurity at a high concentration. A tunnel junction composed of an n + -InGaP layer 809 doped with is formed.

なお、p型のGaAsからなる基板801上には、アンドープGaAsからなるバッファ層802が形成され、バッファ層802の上には、n型InGaPからなるコンタクト層803が形成され、コンタクト層803の上には、n型InGaAlPからなるBSF層804が積層され、BSF層804の上には、n型のInGaPSbからなるエミッタ層805が形成され、エミッタ層805の上には、p型のInGaPSbからなるベース層806が形成され、ベース層806の上に、BSF層807が形成されている。   Note that a buffer layer 802 made of undoped GaAs is formed on a substrate 801 made of p-type GaAs, and a contact layer 803 made of n-type InGaP is formed on the buffer layer 802, and the contact layer 803 is made of Are stacked with a BSF layer 804 made of n-type InGaAlP, an emitter layer 805 made of n-type InGaPSb is formed on the BSF layer 804, and made of p-type InGaPSb on the emitter layer 805. A base layer 806 is formed, and a BSF layer 807 is formed on the base layer 806.

また、基板801の側から見て、n+−InGaP層809の上に、ボトムセルを構成するn型Siエミッタ層と貼り合わせるためのn型InGaPからなる接合層810が形成されている。これらの構成としたトップセル形成基板を用い、図11で示したような作製プロセスを経ることで、多接合太陽電池を作製が可能になる。 In addition, a junction layer 810 made of n-type InGaP for bonding to the n-type Si emitter layer constituting the bottom cell is formed on the n + -InGaP layer 809 when viewed from the substrate 801 side. A multi-junction solar cell can be manufactured through the manufacturing process as shown in FIG. 11 using the top cell formation substrate having such a configuration.

以上に説明したように、本発明では、III−V族化合物半導体からなるトップセルを、InGaPSbからなる光吸収層を含み、As以外のIII−V族化合物半導体からなる化合物半導体層およびInGaPからなる接合層から構成したので、シリコンからなる太陽電池セルと、Asを除くIII−V族化合物半導体からなる太陽電池セルとによる多接合太陽電池において、より高い光電変換効率が得られるようなる。   As described above, in the present invention, the top cell made of a III-V compound semiconductor includes a light absorption layer made of InGaPSb, and is made of a compound semiconductor layer made of a group III-V compound semiconductor other than As and InGaP. Since it comprised from the joining layer, higher photoelectric conversion efficiency comes to be obtained in the multijunction solar cell by the photovoltaic cell which consists of silicon | silicone, and the photovoltaic cell which consists of a III-V group compound semiconductor except As.

上述した本発明は、太陽光を効率的に光から電気へと変換し、毒性の少ない取り扱いの容易な太陽電池として好適なものである。これにより、現在、求められる電力エネルギーのうち、太陽電池により発電させる比率を増加させるという社会的な要求に応えることが可能になる。   The present invention described above is suitable as a solar cell that efficiently converts sunlight from light to electricity and has low toxicity and is easy to handle. As a result, it is possible to meet the social demand for increasing the proportion of electric power that is currently required to be generated by solar cells.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、III−V族化合物半導体より構成する1つの太陽電池セルを、シリコンより構成する太陽電池セルに組み合わせる場合を例に説明したが、これに限るものではない。シリコンより構成する太陽電池セルに、III−V族化合物半導体より構成する複数の太陽電池セルを組み合わせるようにしてもよいことは、言うまでもない。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, a case where one solar battery cell formed of a III-V group compound semiconductor is combined with a solar battery cell formed of silicon has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. It goes without saying that a plurality of solar cells made of a III-V group compound semiconductor may be combined with a solar cell made of silicon.

101…Si基板、102…エミッタ層、103…n−InGaP層、104…n+−InGaP層、105…p+−InGaP層、106…BSF層、107…ベース層、108…エミッタ層、109…BSF層、110…窓層、111…コンタクト層、112…表面フィンガー電極、113…裏面電極、114…反射防止膜、131…第1太陽電池セル、132…第2太陽電池セル。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Si substrate, 102 ... Emitter layer, 103 ... n-InGaP layer, 104 ... n + -InGaP layer, 105 ... p + -InGaP layer, 106 ... BSF layer, 107 ... Base layer, 108 ... Emitter layer, 109 ... BSF layer, 110 ... window layer, 111 ... contact layer, 112 ... front finger electrode, 113 ... back electrode, 114 ... antireflection film, 131 ... first solar cell, 132 ... second solar cell.

Claims (3)

p型のシリコンからなるp型シリコン層およびn型のシリコンからなるn型シリコン層を備える第1太陽電池セルと、
InGaPSbからなる光吸収層を含み、As以外のIII−V族化合物半導体からなる化合物半導体層およびInGaPからなる接合層から構成された第2太陽電池セルと
を備え、
前記n型シリコン層と前記接合層とが貼り合わされて前記第1太陽電池セルおよび前記第2太陽電池セルが一体とされていることを特徴とする多接合太陽電池。
a first solar cell comprising a p-type silicon layer made of p-type silicon and an n-type silicon layer made of n-type silicon;
A second solar battery cell including a light absorbing layer made of InGaPSb, a compound semiconductor layer made of a group III-V compound semiconductor other than As, and a bonding layer made of InGaP, and
The n-type silicon layer and the bonding layer are bonded to each other, and the first solar cell and the second solar cell are integrated.
請求項1記載の多接合太陽電池において、
前記光吸収層は、バンドギャップが1.55〜1.8eVとなる組成のInGaPSbから構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
The multijunction solar cell according to claim 1,
The said light absorption layer is comprised from InGaPSb of the composition whose band gap is 1.55-1.8 eV, The multijunction solar cell characterized by the above-mentioned.
請求項1または2記載の多接合太陽電池において、
前記光吸収層は、GaAsに対する格子不整合が−0.1〜+0.1%となる組成のInGaPSbから構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
The multi-junction solar cell according to claim 1 or 2,
The multi-junction solar cell, wherein the light absorption layer is made of InGaPSb having a composition of −0.1 to + 0.1% of lattice mismatch with respect to GaAs.
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