JP2004296658A - 多接合太陽電池およびその電流整合方法 - Google Patents

多接合太陽電池およびその電流整合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池において、（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を調整して多接合太陽電池の効率の向上を図ること。
【解決手段】本発明の多接合太陽電池の電流整合方法によれば、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ＰＮ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｎ）材料から形成された、ＰＮ接合を有する太陽電池をミドルセルとして用い、該ミドルセルに格子整合した、Ｇｅ材料から形成された、ＰＮ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、前記トップセルおよび前記ミドルセルで発生する光電流を整合する際に、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比を調整することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率の多接合太陽電池に関する。具体的には、地上太陽光スペクトル、集光スペクトル、宇宙太陽光スペクトルなどの種々の太陽光照射に対応した多接合太陽電池の高効率化方法および高効率太陽電池に関する。また、宇宙空間における放射線劣化を抑制するための方法および放射劣化の少ない多接合太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人工衛星などの宇宙機器の電源に使用される宇宙用太陽電池セルとして、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を主材料に用いた多接合型の太陽電池セルを使用する例が増加しつつある。これらのセルは、従来から宇宙用太陽電池として広く用いられているＳｉ太陽電池セルに比べて高い光電変換効率が期待できるので、Ｓｉセルでは設計が困難であった小型衛星や大電力衛星などへの使用に適している。
【０００３】
この中でも、地上用または宇宙用に限られず、現在最も高い変換効率を有する太陽電池は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池である。この多接合太陽電池の変換効率を向上させる１つの方法として、多接合太陽電池を構成するセルの光電流を整合させる方法がある。ＩｎＧａＰセル、ＩｎＧａＡｓセルおよびＧｅセルの３つのセルが直列に接続されているため、多接合太陽電池の短絡電流値は、セルの中でもっとも低い光電流値に制限される。最も高い短絡電流値を得るためには、セル間でバランスよく太陽光を吸収し、発生する光電流値をセル間で等しくする必要がある。つまり、電流整合させる方法である。
【０００４】
従来、この電流整合のために、上部ＩｎＧａＰセルの厚さを薄くし、その下に透過する光の量を増加させ、下部のＩｎＧａＡｓセルで吸収する光量を調整する方法が用いられてきた。たとえば、下記特許文献１には２接合セルの材料として、太陽光入射側の表面に形成される第１の太陽電池であるトップセルとしてＧａＩｎＰを用い、トップセルの下に形成される第２の太陽電池であるボトムセルとしてＧａＡｓを用いた２接合型太陽電池が開示されている。これらのセルの基本的な構造を図１に示す。これらの従来の多接合型セルは、宇宙空間での太陽光スペクトルを摸した光源による特性試験において、実験室レベルでは約２６％、工業製品レベルでは約２２％の変換効率を達成している。
【０００５】
また、ＡＭ１．５スペクトルを有する地上太陽光に対して、地上用の多接合太陽電池では、ＩｎＧａＰセルの厚さを約０．６μｍと薄くしていた。ＡＭ０スペクトルを有する宇宙太陽光に対して、宇宙用の多接合太陽電池では、ＩｎＧａＰセルの厚さを約０．４μｍと薄くしていた。さらに、宇宙空間での耐放射線性の向上のために、ＩｎＧａＰセルの厚さは０．３μｍまで薄くされる方法がとられていた。宇宙空間での放射線照射に対して、ＩｎＧａＰ系の材料は光電流の低下が小さく、逆に、ＩｎＧａＡｓ材料は光電流の低下が大きいため、宇宙空間での短絡電流値の低下を小さくするためには、ＩｎＧａＰセルを十分に薄くし、ＩｎＧａＡｓセルに透過する光量を十分に増加させる工夫がされていた。このように、従来の技術においては、変換効率を向上させるために主としてセルの膜厚を調整する手法がとられていた。
【０００６】
なお、Ｇｅ基板にもｐｎ接合を形成したＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合セルでは、Ｇｅセルで発生する光電流は、他のサブセルに比べ十分に大きいため、Ｇｅセルに透過する光量を調整する必要はない。
【０００７】
上述したような、従来の電流整合方法では、電流整合は問題なく達成され、高い短絡電流を得ることができるが、サブセルで発生する電圧に大きな変化はなく、多接合太陽電池の開放電圧の向上を十分に得ることができなかった。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，２２３，０４３号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、たとえば、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池において、トップセルにＡｌを加えて（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を増加させることによって吸収端波長を短くし、さらに、下部のＩｎＧａＡｓセルに透過する光量を調整して電流整合を行なうことによって十分な短絡電流を達成するとともに、（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのバンドギャップ増加による電圧の向上も同時に達成し、ひいては、多接合太陽電池の効率を向上を図ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のある局面に従う多接合太陽電池の電流整合方法によれば、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、前記トップセルおよび前記ボトムセルで発生する光電流を整合する際に、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比を調整することを特徴とする。
【００１１】
これにより、２接合型太陽電池において、膜厚を調節して電流整合していた従来技術と同程度の短絡電流を発生させつつ、吸収端波長を短くすることにより良好な開放電圧を得ることができ、変換効率を向上させることができる。
【００１２】
本発明の別の局面に従う多接合太陽電池の電流整合方法によれば、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をミドルセルとして用い、該ミドルセルに格子整合した、Ｇｅ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、前記トップセルおよび前記ミドルセルで発生する光電流を整合する際に、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比を調整することを特徴とする。
【００１３】
これにより、３接合型太陽電池において、膜厚を調節して電流整合していた従来技術と同程度の短絡電流を発生させつつ、吸収端波長を短くすることにより良好な開放電圧を得ることができ、変換効率を向上させることができる。
【００１４】
好ましくは、前記トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料の厚さが、吸収端波長以下の波長の太陽光を９８％以上吸収する厚さである。ここで、吸収端波長とは、太陽電池セルが吸収可能な波長の中で最も長い波長のことをいう。具体的には、式
吸収端波長（ｎｍ）＝１２３９．８／Ｅｇ（ｅＶ）
を満足することが好ましい。ただし、Ｅｇ（ｅＶ）はＡｌＩｎＧａＰ層のバンドギャップエネルギである。また、当該Ｅｇは、式：
Ｅｇ＝１．８８＋１．２６ｘ
を満足することが好ましい。ここで、ｘはＡｌＩｎＧａＰ層のＩＩＩ族元素中のＡｌの組成比である。上記より、たとえば、ｘ＝０．０５の場合は、吸収端波長は６３８ｎｍとなり、ｘ＝０．１５の場合は、吸収端波長は６００ｎｍとなる。また、本発明において、ＡｌＩｎＧａＰのＥｇは１．９４〜２．０３ｅＶの範囲内であることが好ましい。できるだけ高い電圧を得るためにはＥｇを大きくする必要があるが、Ｅｇが大きすぎると発生する電流が小さくなりすぎて電流整合ができないといった理由から、短波長光強度が高い宇宙太陽光に対してはＥｇが比較的高めの１．９７〜２．０３ｅＶ、短波長光強度がそれほど高くない地上光に対しては１．９４〜１．９７ｅＶのトップセル材料が好ましい。
【００１５】
好ましくは、前記Ａｌ組成比が、０．０５〜０．１５の範囲内であり、前記ＩｎＧａＡｓＮ材料のＮ組成比が、０〜０．０３の範囲内である。０．０５未満であると、トップセルのＥｇが小さく拡散電位が小さいという理由で、発生電圧が小さいという問題があり、０．１５を超えると発生する電流が下部セルに比べて小さくなりすぎるという理由で電流整合が達成できないという問題が生じるからである。
【００１６】
本発明の別の局面にしたがう多接合太陽電池によれば、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比が０．０５〜０．１４であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の別の局面にしたがう多接合太陽電池によれば、ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をミドルセルとして用い、該ミドルセルに格子整合した、Ｇｅ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比が０．０５〜０．１５の範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、前記トップセルの厚さが、前記トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料の厚さが、吸収端波長以下の波長の太陽光を９８％以上吸収する厚さである。また、好ましくは、前記ＩｎＧａＡｓＮ材料のＮ組成比が、０〜０．０３の範囲内である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本実施形態において、本発明の理解を容易にする上でまず従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ２接合太陽電池およびその製造プロセスを、図８を用いて説明する。ここで、図８は、従来技術の２接合太陽電池のエピタキシャル層の構造を示す概略断面図である。
【００２０】
まず、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型ＧａＡｓ基板上に層構造を作製する。すなわち、Ｚｎをドーピングした約５０ｍｍ径のＧａＡｓ基板を縦型ＭＯＣＶＤ装置に投入し、図８に示されるような層構造を順次エピタキシャル成長する。具体的には、上記ｐ型ＧａＡｓ基板上に裏面電界層としてｐ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＩｎＧａＰ層上にベース層としてｐ型ＧａＡｓ層を形成し、当該ｐ型ＧａＡｓ層上にエミッタ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成し、当該ｎ型ＧａＡｓ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。ここで、ｎ型ＡｌＩｎＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とはトンネル接合となる。
【００２１】
さらに、当該ｐ型ＡｌＧａＡｓ層上に裏面電界層としてｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＰ層上にベース層としてｐ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＩｎＧａＰ層上にエミッタ層としてｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にキャップ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成した構造である。なお、上記層の厚さは図中に記載した数値のとおりであり、単位はμｍである。
【００２２】
上記エピタキシャル成長において、成長温度としては７００℃とすることが好ましい。また、ｎ型およびｐ型にかかわらずＧａＡｓ層の成長においては、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を用いることができる。
【００２３】
また、ｐ型およびｎ型にかかわらずＩｎＧａＰ層のエピタキシャル成長においては、原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧおよびホスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。また、ｎ型およびｐ型にかかわらずＡｌＩｎＰ層のエピタキシャル成長においては、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＩおよびＰＨ３を用いることができる。
【００２４】
上記したＧａＡｓ、ＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＰの層のすべてにおいて、ｎ型ドーピングのために不純物としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用いることができ、ｐ型ドーピングのために不純物としてＤＥＺｎを用いることができる。
【００２５】
上記エピタキシャル成長において、トンネル接合を形成するに際して、ＡｌＧａＡｓ層のエピタキシャル成長においては、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ３を原料として用い、ｐ型ドーピングのために不純物として四臭化炭素（ＣＢｒ４）を用いることができる。
【００２６】
上記エピタキシャル成長により太陽電池構造を形成した後、当該太陽電池構造の表面基板に、フォトリソグラフィー法によって、電極パターンを形成する領域を除いてレジストを形成する。次いで、真空蒸着装置に当該太陽電池構造を導入して、レジストを形成した基板上にＧｅを１２％含むＡｕからなる層を抵抗加熱法により形成する。当該Ａｕ層は一例を挙げると厚さ約１００ｎｍにすることができる。次いで、上記Ａｕ層上に、Ｎｉ層およびＡｕ層をそれぞれ厚さ約２０ｎｍおよび厚さ約５０００ｎｍとしてこの順番でＥＢ蒸着法により形成する。その後、リフトオフ法により所望のパターンの表面電極とする。
【００２７】
次いで、上記によって形成した表面電極をマスクとして、当該表面電極が形成されていない部分のｎ型ＧａＡａキャップ層をアルカリ水溶液にてエッチングする。
【００２８】
続いて、フォトリソグラフィー法により、メサエッチングパターンの領域をあけたレジストをエピタキシャルウエハ表面に形成し、当該レジストが形成されていない領域のエピタキシャル層をアルカリ水溶液および酸水溶液にてエッチングしてＧａＡｓ基板を露出させる。
【００２９】
次に、太陽電池構造の裏面基板に、裏面電極としてＡｇ層を約１０００ｎｍの厚さでＥＢ蒸着法により形成する。裏面電極形成後、最外表面に反射防止膜としてＴｉＯ２膜およびＡｌ２Ｏ３膜をこの順番でそれぞれ約５０ｎｍおよび約８５ｎｍとしてＥＢ蒸着法により形成する。
【００３０】
続いて、表面電極のシンタリング、ならびに裏面電極および反射防止膜のアニーリングを兼ねて窒素中にて３８０℃で熱処理を行う。その後、メサエッチングされたライン中にダイシングラインが入るようにしてセルを切断する。たとえば、セルのサイズとして１０ｍｍ×１０ｍｍとすることができる。
【００３１】
上記によって作製された太陽電池セルの特性評価としては、ＡＭ１．５基準太陽光を照射するソーラーシミュレータにより、光照射時の電流電圧特性を測定し、短絡電流、開放電圧および変換効率を測定することができる。ここで、変換効率は、次の式にしたがって計算される
変換効率＝開放電圧（Ｖ）×短絡電流（ｍＡ）×ＦＦ
ただしＦＦは、太陽電池出力カーブの曲線因子であって、本発明においてはＦＦ＝０．８５と定めることができる。
【００３２】
上記２接合太陽電池において、ｐ型ＩｎＧａＰベース層の厚さを０．３５〜０．９５μｍまで変化させ、またＩｎＧａＰセルの厚さを０．４〜１μｍまで変化させたときの２接合セルの短絡電流値を図９に示す。図９中、縦軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）であり、横軸はトップセルの厚さ（μｍ）である。また、図２において、ＩｎＧａＰトップセルおよびＧａＡｓボトムセルにおいて発生する光電流値を、２次元デバイスシミュレータにより計算した結果を実線で示している。２接合セルの短絡電流値はトップセルおよびボトムセルにおいて発生する光電流値の低い方に制限されるものであるが、デバイスシミュレータによる計算結果と実測値が略一致していることがわかる。また、図９に示されるように、短絡電流値はＩｎＧａＰトップセルの厚さが０．６μｍで最大になった。トップセルの厚さを変化させたすべてのＩｎＧａＰトップセルにおいて、開放電圧は略同じであり、変換効率はトップセル厚が０．６μｍで最大となった。
【００３３】
（実施形態１）
本実施形態１において、上記した従来の技術と同様の手順を用いて、図１に示すとおりの３接合太陽電池を作製する。図１は、本発明にしたがうＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池の層構造の概略断面図である。なお、図中の数値は、層の厚さを示し、単位はμｍである。
【００３４】
図１において、Ｇａをドーピングしたｐ型Ｇｅ基板上にバッファー層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成し、その際、当該ｎ型ＧａＡｓ層のＡｓがＧｅ基板に拡散しｎ型Ｇｅ層を形成する。その後、当該ｎ型ＧａＡｓ層上にｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。これらのｎ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層はトンネル接合とされている。
【００３５】
次いで、上記ｐ型ＡｌＧａＡｓ基板上に裏面電界層としてｐ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＩｎＧａＰ層上にベース層としてｐ型ＧａＡｓ層を形成し、当該ｐ型ＧａＡｓ層上にエミッタ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成し、当該ｎ型ＧａＡｓ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にｎ型ＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＩｎＧａＰ層上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成する。ここで、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層とはトンネル接合となる。
【００３６】
さらに、当該ｐ型ＡｌＧａＡｓ層上に裏面電界層としてｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＰ層上にベース層としてｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層上にエミッタ層としてｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にキャップ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成した構造である。
【００３７】
本実施形態１において、上記構造の３接合太陽電池セルにおけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を変化させたときの、短絡電流、開放電圧および変換効率を調査した。当該電流密度については２次元デバイスシミュレータの計算により解析した。結果を図２に示す。図２は、ＡＭ１．５条件下での、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比を変化させたときのＡｌＩｎＧａＰ層およびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの光電流を、グラフを用いて示す図である。その際、ＡｌＩｎＧａＰセルベース層の厚さも同時に変化させた。
【００３８】
図２において、ＡｌＩｎＧａＰセルの光電流とＩｎＧａＡｓセルの光電流との交点が電流整合点である。当該図２の結果をもとにして、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池の変換効率を計算した。ＩｎＧａＰ（Ａｌを含有しない）の厚さを変化させる従来技術によって得られる変換効率を図３（ａ）に、本発明におけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を変化させたときに得られる変換効率を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ｂ）において、０．８〜２μｍまで変化させたＡｌＩｎＧａＰ層のそれぞれの膜厚についての結果を示している。
【００３９】
図３（ｂ）に示されるように、本実施形態１においてＡｌＩｎＧａＰセルの厚さを０．８μｍ以上として変換効率を計算した結果、図３（ｂ）に示されるように、Ａｌ組成比が０．０５〜０．１５の範囲内において従来技術よりも高い変換効率を得ることができた。
【００４０】
また、ＡＭ０の条件下でも同様に調査した。図１に示す構造において、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比を変化させたときのＡｌＩｎＧａＰ層およびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの電流密度を、図４にグラフを用いて示す。その際、ＡｌＩｎＧａＰセルベース層の厚さも同時に変化させた。
【００４１】
図４において、ＡｌＩｎＧａＰセルの光電流とＩｎＧａＡｓセルの光電流との交点が電流整合点である。当該図４の結果をもとにして、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池の変換効率を計算した。ＩｎＧａＰ（Ａｌを含有しない）の厚さを変化させる従来技術によって得られる変換効率を図５（ａ）に、本発明におけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を変化させたときに得られる変換効率を図５（ｂ）に示す。なお、図５（ｂ）において、０．８〜２μｍまで変化させたＡｌＩｎＧａＰ層のそれぞれの膜厚についての結果を示している。
【００４２】
図５（ｂ）に示されるように、本実施形態１においてＡｌＩｎＧａＰセルの厚さを０．８μｍ以上として変換効率を計算した結果、Ａｌ組成比が０．０５〜０．１５の範囲内において従来技術よりも高い変換効率を得ることができた。
【００４３】
さらに、上記実施形態１において作製した３接合型太陽電池セルにおいて、宇宙空間で静止軌道放射線１年分に相当する電子線１ｅ１５個／ｃｍ２を照射した後のＡＭ０スペクトル条件下においても同様に種々の特性について測定した。図１に示す構造において、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比を変化させてＡｌＩｎＧａＰセルおよびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの電流密度の計算結果を図６に示す。
【００４４】
図２および図６の比較から、放射線照射後では、ＧａＡｓセルの電流値低下の方が大きいので、電流整合するＡｌＩｎＧａＰセルのベース層より厚さがより薄くなることがわかる。図６の計算結果を基に、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池の変換効率を図７（ａ）に、本発明におけるＡｌ組成比を変化させて得ることができる変換効率を図７（ｂ）に示す。
【００４５】
図７（ｂ）に示されるように、本実施形態１においてＡｌＩｎＧａＰセルの厚さを０．８μｍ以上として変換効率を計算した結果、Ａｌ組成比が０．０５〜０．１５の範囲内において従来技術よりも高い変換効率を得ることができた。
【００４６】
（実施形態２）
上記実施形態に記載の手順を用いて、ｐ型ＧａＡｓ基板上にＡｌＩｎＧａＰ材料を用いて形成した単一接合セルを作製した。具体的には、ｐ型ＧａＡｓ基板上にトンネル接合としてｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成し、当該ＡｌＧａＡｓ層上に裏面電界層としてｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＰ層上にベース層としてｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｐ型ＡｌＩｎＧａＰ層上にエミッタ層としてｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＧａＰ層上に窓層としてｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成し、当該ｎ型ＡｌＩｎＰ層上にキャップ層としてｎ型ＧａＡｓ層を形成した構造である。
【００４７】
また、上記単一接合セルは、上記の如く層構造にした以外はすべて上記実施形態と同じ工程が施されて太陽電池とされる。
【００４８】
上記の構造を有する単一接合セルにおいて、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌの組成比を０．０７〜０．１４まで変化させ、また同時にＡｌＩｎＧａＰ層の格子定数がＧａＡｓ基板と整合するように式：
（Ａｌ＋Ｇａ）：Ｉｎ＝０．５２：０．４８
を満足するようにした。また、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰベース層の厚さも０．５５〜２．４５μｍまで変化させ、ＡｌＩｎＧａＰセルの厚さを０．６〜２．５μｍまで変化させた。このときの光電流を調査した結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
Figure 2004296658
【００５０】
表１の結果より、Ａｌ組成比が０．０７で、セル厚が２〜２．５μｍのＡｌＩｎＧａＰセルにおいて、Ａｌを添加しない（Ａｌ組成比０）従来のＩｎＧａＰセルと同等の短絡電流（Ｉｓｃ）を得ることができ、また９０〜１００ｍＶの高い開放電圧も得ることができた。
【００５１】
また、Ａｌ組成比が０．０７でセル厚が２．５μｍのＡｌＩｎＧａＰトップセルを用いて作製したＡｌＩｎＧａＰ／ＧａＡｓタンデムセルと、従来のＩｎＧａＰトップセルを用いたＩｎＧａＰ／ＧａＡｓタンデムセルとの特性比較を表２に示す。
【００５２】
【表２】
Figure 2004296658
【００５３】
表２の結果より、ＡｌＩｎＧａＰトップセルを用いることで、短絡電流を低下させることなく開放電圧を向上することができ、変換効率は１％近く増加させることができる。
【００５４】
【発明の効果】
上記の実施形態より、本発明に電流整合方法によれば、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合セルの変換効率は、従来の電流整合方法で得られたものよりも高くなった。具体的には、ＡＭ１．５条件で従来の約１．０２６倍、ＡＭ０（放射線照射前）条件下で約１．０３７倍、ＡＭ０（放射線照射後）条件下では約１．０４７倍まで変換効率を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがうＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池の層構造の概略断面図である。
【図２】ＡＭ１．５条件下での、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比とＡｌＩｎＧａＰ層およびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの光電流との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図３】（ａ）は、ＡＭ１．５条件下での、従来技術におけるＩｎＧａＰ（Ａｌを含有しない）の厚さと変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図であり、（ｂ）は、ＡＭ１．５条件下での、本発明におけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比と変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図４】ＡＭ０条件下での、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比とＡｌＩｎＧａＰ層およびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの光電流との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図５】（ａ）は、ＡＭ０条件下での、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池における膜厚と変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図であり、（ｂ）は、ＡＭ０条件下での、本発明におけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比と変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図６】ＡＭ０条件下（放射線照射後）での、ＡｌＩｎＧａＰ層のＡｌ組成比と、ＡｌＩｎＧａＰセルおよびその下のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎを１％含有）セルの光電流との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図７】（ａ）は、ＡＭ０条件下（放射線照射後）での、ＡｌＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ３接合型太陽電池における膜厚と変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図であり、（ｂ）は、ＡＭ０条件下（放射線照射後）での、本発明におけるＡｌＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比と変換効率との関係を、グラフを用いて表わす図である。
【図８】従来技術の２接合太陽電池のエピタキシャル層の構造を示す概略断面図である。
【図９】２接合太陽電池における、ＩｎＧａＰセルの厚さと短絡電流値との関係を、グラフを用いて表わす図である。

Claims (9)

  1. ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、前記トップセルおよび前記ボトムセルで発生する光電流を整合する際に、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比を調整することを特徴とする、多接合太陽電池の電流整合方法。
  2. ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をミドルセルとして用い、該ミドルセルに格子整合した、Ｇｅ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、前記トップセルおよび前記ミドルセルで発生する光電流を整合する際に、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＡｌ組成比を調整することを特徴とする、多接合太陽電池の電流整合方法。
  3. 前記トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料の厚さが、吸収端波長以下の波長の太陽光を９８％以上吸収する厚さであることを特徴とする、請求項１または２に記載の多接合太陽電池の電流整合方法。
  4. ＩＩＩ族元素中の前記Ａｌ組成比が、０．０５〜０．１５の範囲内であることを特徴とする、請求項１または２に記載の多接合太陽電池の電流整合方法。
  5. 前記ＩｎＧａＡｓＮ材料のＶ族元素中のＮ組成比が、０〜０．０３の範囲内であることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の多接合太陽電池の電流整合方法。
  6. ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が０．０５〜０．１５の範囲内であることを特徴とする、多接合太陽電池。
  7. ＡｌＩｎＧａＰ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をトップセルとして用い、該トップセルに格子整合した、ＩｎＧａＡｓＮ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をミドルセルとして用い、該ミドルセルに格子整合した、Ｇｅ材料から形成された、ｐｎ接合を有する太陽電池をボトムセルとして用いる多接合太陽電池において、該トップセルのＡｌＩｎＧａＰ材料のＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が０．０５〜０．１４の範囲内であることを特徴とする、多接合太陽電池。
  8. 前記トップセルの厚さが、吸収端波長以下の波長の太陽光を９８％以上を吸収する厚さであることを特徴とする、請求項６または７に記載の多接合太陽電池。
  9. 前記ＩｎＧａＡｓＮ材料のＶ族元素中のＮ組成比が、０〜０．０３の範囲内であることを特徴とする、請求項７または８に記載の多接合太陽電池。
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