JP2011077295A - Junction type solar cell - Google Patents

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Yoshitaka Moriyasu
嘉貴 森安
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a junction type solar cell for greatly improving the efficiency of photoelectric conversion by setting an absorption layer of sunlight to be in gradient composition structure. <P>SOLUTION: An InAs<SB>z</SB>P<SB>1-z</SB>cell layer 24 including a gradient composition structure by forming a pn junction while gradually changing the composition from InAs<SB>0.4</SB>P<SB>0.6</SB>to InP is stacked on a buffer layer 23 formed on a GaAs substrate 22, an In<SB>y</SB>Ga<SB>1-y</SB>P cell layer 27 including a gradient composition structure by forming a pn junction while gradually changing the composition from InP to In<SB>0.52</SB>Ga<SB>0.48</SB>P via a tunnel junction layer is stacked on the InAs<SB>z</SB>P<SB>1-z</SB>cell layer, an In<SB>x</SB>Al<SB>1-x</SB>P cell layer 30 including a gradient composition structure by forming a pn junction while gradually changing the composition from In<SB>0.8</SB>Al<SB>0.2</SB>P to In<SB>0.56</SB>Al<SB>0.44</SB>P via a tunnel junction layer is stacked on the In<SB>y</SB>Ga<SB>1-y</SB>P cell layer, and the compound semiconductor mixed crystal includes gradient composition structure so that a band gap becomes smaller gradually from an incidence direction of light. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、接合型太陽電池に関し、より詳細には、光電変換に寄与する吸収層が傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に関する。   The present invention relates to a junction solar cell, and more particularly to a junction solar cell in which an absorption layer contributing to photoelectric conversion has a gradient composition structure.

太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器で、太陽電池の内部に入射した太陽光のエネルギーが、電子によって直接的に吸収され、予め設けられた電界に導かれ、電力として太陽電池の外部へ出力するものである。現在の一般的な太陽電池は、ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造、すなわち、ｐｎ接合型ダイオード（フォトダイオード）の構造を有している。   A solar cell is a power device that uses the photovoltaic effect to convert light energy directly into electric power. Solar energy incident on the inside of the solar cell is directly absorbed by electrons, It is guided to the provided electric field and is output to the outside of the solar cell as electric power. The present general solar cell has a structure in which p-type and n-type semiconductors are joined, that is, a pn junction type diode (photodiode).

このような構造を有する太陽電池は、クリーンエネルギー源として注目されているが、既存の商用電源と比べて発電コストが高いことが実用化の大きな障害となっている。太陽電池の発電コストを低くするためには、発電効率を高くすることが重要な要素であり、これを実現するため接合型太陽電池の開発が行われている。   A solar cell having such a structure is attracting attention as a clean energy source, but its high power generation cost is a major obstacle to practical use compared to existing commercial power sources. In order to reduce the power generation cost of a solar cell, it is an important factor to increase the power generation efficiency, and a junction type solar cell has been developed to realize this.

この接合型太陽電池は、吸収波長域の異なるセル層を複数接合させた構造をしている。具体的には、太陽光の入射側（上部）にバンドギャップの大きな半導体材料より成るセル層と、その下部にバンドギャップの小さな半導体材料より成るセル層を配置している。上部のセル層では、太陽光スペクトルの短波長域の光が吸収され、その光が光電変換され、下部のセル層では、上部のセル層で吸収されず透過した残りの長波長域の太陽光スペクトルを利用して光電変換するように構成され、太陽光のスペクトルを分割利用することにより、有効に太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換できる。   This junction type solar cell has a structure in which a plurality of cell layers having different absorption wavelength ranges are joined. Specifically, a cell layer made of a semiconductor material having a large band gap is arranged on the sunlight incident side (upper part), and a cell layer made of a semiconductor material having a small band gap is arranged below the cell layer. In the upper cell layer, light in the short wavelength region of the solar spectrum is absorbed, and the light is photoelectrically converted, and in the lower cell layer, the remaining long wavelength region of sunlight that is transmitted without being absorbed by the upper cell layer. It is comprised so that photoelectric conversion may be performed using a spectrum, and sunlight energy can be effectively converted into electric energy by dividing and using the spectrum of sunlight.

例えば、特許文献１には、ＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層の２接合型太陽電池やＩｎＧａＰセル層とＧａＡｓセル層とＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））セル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が開示されている。また、特許文献２には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの２接合型太陽電池が開示されている。また、非特許文献１には、ＩｎＧａＰセル層とＩｎＧａＡｓセル層とＧｅセル層を、第１及び第２のトンネル接合層を用いて接続した３接合型太陽電池が示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a GaAs cell layer and a Ga x In 1-x N y As 1-y (0 <x <1, 0 <y <1)) cell layer two-junction solar cell or InGaP cell layer. And a GaAs cell layer and a Ga x In 1-x N y As 1-y (0 <x <1, 0 <y <1)) cell layer are connected using the first and second tunnel junction layers 3 A junction solar cell is disclosed. Patent Document 2 discloses a GaAs and InGaP two-junction solar cell. Non-Patent Document 1 shows a three-junction solar cell in which an InGaP cell layer, an InGaAs cell layer, and a Ge cell layer are connected using first and second tunnel junction layers.

図１は、従来のこの種の接合型太陽電池を説明するための構成図で、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ構造を有する３接合型太陽電池である。裏面電極が形成されたＧｅセル層（下部セル層）１１にバッファ層１２が形成されている。このＧｅセル層１１は、ｐ型のＧｅ基板にｎ型のドーパントを、イオン打ち込みを行なうか熱拡散するなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池として機能させることが一般的である。その上に第２のトンネルダイオード層１３を介してＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）１４が積層され、その上に第１のトンネルダイオード層１５を介してＧａＩｎＰセル層（上部セル層）１６が積層されている。   FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a conventional junction type solar cell of this type, which is a three junction type solar cell having an InGaP / InGaAs / Ge structure. A buffer layer 12 is formed on the Ge cell layer (lower cell layer) 11 on which the back electrode is formed. This Ge cell layer 11 generally functions as a solar cell by forming a pn junction by ion implantation or thermal diffusion of an n-type dopant into a p-type Ge substrate. A GaInAs cell layer (intermediate cell layer) 14 is stacked thereon via a second tunnel diode layer 13, and a GaInP cell layer (upper cell layer) 16 is stacked thereon via a first tunnel diode layer 15. Has been.

これらの積層膜の形成には、化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などが用いられるのが一般的であり、成長中にドーパントを切り替えるなどの方法によってｐｎ接合を形成し、太陽電池の機能を持たせることが行われる。その上に反射防止膜と表面電極が形成されて３接合型太陽電池が構成されている。   In order to form these laminated films, chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE) or the like is generally used, and a pn junction is formed by a method such as switching a dopant during growth. Is formed to have the function of a solar cell. A three-junction solar cell is formed by forming an antireflection film and a surface electrode thereon.

図２は、地上表面に照射されている標準的太陽光（エアマス１．５Ｇ）のスペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。太陽光の波長成分のうち、波長の短い領域の成分で上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６において吸収され、矢印ａで示されている。上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６を透過した太陽光のうち、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｂで示すように中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される。中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４を透過した太陽光のうち、下部セル層（Ｇｅ）の半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光は、矢印ｃで示すように下部セル層（Ｇｅ）に吸収される。   FIG. 2 shows the wavelength region absorbed by each solar cell layer of the structure of the three-junction solar cell shown in FIG. 1 in the spectrum of standard sunlight (air mass 1.5G) irradiated on the ground surface. FIG. Among the wavelength components of sunlight, light having an energy larger than the band gap of the semiconductor of the upper cell layer (InGaP) 16 in the short wavelength region is absorbed by the upper cell layer (InGaP) 16 and is indicated by an arrow a. It is shown. Of the sunlight transmitted through the upper cell layer (InGaP) 16, light having energy larger than the band gap of the semiconductor of the intermediate cell layer (InGaAs) is absorbed by the intermediate cell layer (InGaAs) 14 as indicated by an arrow b. Is done. Of the sunlight transmitted through the intermediate cell layer (InGaAs) 14, light having energy larger than the band gap of the semiconductor of the lower cell layer (Ge) is absorbed by the lower cell layer (Ge) as indicated by an arrow c. The

このように接合型太陽電池の各セル層で吸収される太陽光は、各セルを形成する半導体のバンドギャップに依存するが、そのときに吸収したフォトンが１対の電子−正孔対を発生させることを考慮すると、各セル層で発生する電流量は半導体のバンドギャップと相関していると捉えられる。   The sunlight absorbed in each cell layer of the junction solar cell in this way depends on the band gap of the semiconductor forming each cell, but the photons absorbed at that time generate one electron-hole pair. Therefore, it can be considered that the amount of current generated in each cell layer correlates with the band gap of the semiconductor.

一方、各セル層における太陽電池の起電力は、ｐｎ接合における拡散電位に依存するが、これも半導体のバンドギャップに強く依存する。すなわち、接合型太陽電池の各セルにおける発生電流量および起電力は、いずれも各セルのバンドギャップの大きさに依存した値になる。   On the other hand, although the electromotive force of the solar cell in each cell layer depends on the diffusion potential at the pn junction, this also strongly depends on the band gap of the semiconductor. That is, the amount of current generated and the electromotive force in each cell of the junction solar cell are values that depend on the size of the band gap of each cell.

また、デバイスに使用される半導体の一部に傾斜組成構造を持たせて機能を高めるという試みがある。発光デバイスを構成する半導体層を傾斜組成構造にすることは、例えば、特許文献３に開示されている。この特許文献３に記載の発光デバイスは、活性領域の量子井戸にキャリアを供給するリザーバ層に傾斜組成構造を用い、活性層に効率的にキャリアを供給できるようにしたものである。この傾斜組成は、発光デバイスの１つ又は複数の層内の組成及び／又はドーパント濃度の変化を達成する任意の構造を意味している。   In addition, there is an attempt to enhance the function by giving a graded composition structure to a part of a semiconductor used for a device. Making the semiconductor layer which comprises a light emitting device into a graded composition structure is disclosed by patent document 3, for example. The light-emitting device described in Patent Document 3 uses a graded composition structure for a reservoir layer that supplies carriers to a quantum well in an active region so that carriers can be efficiently supplied to the active layer. This graded composition refers to any structure that achieves a change in composition and / or dopant concentration within one or more layers of the light emitting device.

このように、上述した特許文献３に記載の発光デバイスなどに傾斜組成構造が利用されているが、このように光源として利用するものは傾斜構造によるバンドの傾きを利用して発生したキャリアを効率的に活性層に集めることを目的としているのに対して、本発明は入射した種々の波長成分の光から取り出せるエネルギーを最大限利用しようとするものであり、素子構造も原理も異にするものであって、発光デバイスにおける傾斜組成構造を直ちに太陽電池のセル層の傾斜組成構造に適用されるものではない。   As described above, the graded composition structure is used in the light emitting device described in Patent Document 3 described above. However, what is used as a light source in this way is to efficiently use carriers generated by using the slope of the band by the graded structure. The purpose of the present invention is to collect it in the active layer, whereas the present invention is intended to make maximum use of the energy that can be extracted from the incident light of various wavelength components, and has a different element structure and principle. And the gradient composition structure in a light-emitting device is not immediately applied to the gradient composition structure of the cell layer of a solar cell.

特開平１１−２１４７２６号公報JP-A-11-214726 特開平１１−１２１７７４号公報JP-A-11-121774 特開２００５−０１２２１６号公報JP 2005-012216 A 特開２００４−１１１６８７号公報JP 2004-1111687 A “ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ−ｂａｓｅｄ Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｖｏｌ．１３（２００５）４９５“InGaP / GaAs-based Multiplication Solar Cells” Progress in Photovoltaics: Research and Applications vol. 13 (2005) 495

上述した特許文献１に示すような接合型太陽電池においても、高い光電変換効率を得るためには、光をいかに損失を少なくして下部セル層に到達させるかが重要である。接合型太陽電池における損失のうち、素子表面などでの光学的反射や種々の抵抗による損失を除けば、１）表面や界面における非発光再結合による損失、２）各太陽電池セル間の電流不整合による損失、３）吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失、が大きなものであり、これらの損失をなくして、接合型太陽電池で高効率を達成することが求められている。   Also in the junction solar cell as shown in Patent Document 1 described above, in order to obtain high photoelectric conversion efficiency, it is important how to reduce the loss of light and reach the lower cell layer. Excluding losses due to optical reflection on the element surface and various resistances among the losses in the junction solar cell, 1) loss due to non-radiative recombination at the surface and interface, and 2) current failure between solar cells. Loss due to matching, and 3) loss due to the energy gap between the absorption layer band gap and the absorbed photon is large, and it is required to eliminate these losses and achieve high efficiency in the junction solar cell. .

このうち、１）の非発光再結合については、半導体の表面準位や界面での欠陥準位などに依存し、ワイドギャップの半導体層を挿入するなどの方法によって改善が図られている（例えば、非特許文献１参照）。   Among these, the non-radiative recombination of 1) is improved by a method such as inserting a wide gap semiconductor layer depending on the surface level of the semiconductor or the defect level at the interface (for example, Non-Patent Document 1).

また、２）の太陽電池セル間の電流不整合の問題は、接合型太陽電池が異なるセルの直列接続によって構成されていることに由来する。   Moreover, the problem of current mismatch between the solar battery cells of 2) is derived from the fact that the junction type solar battery is configured by series connection of different cells.

図３は、エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフを示す図である。図３において、図中の矢印で示した高さは、各々のセル層が太陽光のフォトンを吸収したときに発生する電子−正孔対の数に対応し、発生電流量に相関している。したがって、各半導体が各々のバンドギャップよりも短い波長の光を全て吸収して光電変換し、バンドギャップに相当する起電力を発生したとすると、図中で各半導体のバンドギャップに対応するグラフ上の点とゼロ点とを対角線とする領域が当該半導体で発電できる電力量を示す。   FIG. 3 is a diagram illustrating a graph in which the spectrum of sunlight of air mass 1.5G is represented by energy, the number of photons irradiated per unit area for each energy is integrated from the high energy side, and plotted against the energy. In FIG. 3, the height indicated by the arrow in the figure corresponds to the number of electron-hole pairs generated when each cell layer absorbs photons of sunlight, and is correlated with the amount of generated current. . Therefore, assuming that each semiconductor absorbs all light having a wavelength shorter than the respective band gap and photoelectrically converts it to generate an electromotive force corresponding to the band gap, a graph corresponding to the band gap of each semiconductor in the figure. A region in which the point and the zero point are diagonal lines indicates the amount of power that can be generated by the semiconductor.

すなわち、図１に示した接合型太陽電池の構造の上部セル層（ＩｎＧａＰ）１６で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎＧａＡｓ）１４で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）１１で吸収される太陽光により発電できる電力量は領域Ｃで表される。   That is, the amount of power that can be generated by sunlight absorbed by the upper cell layer (InGaP) 16 in the junction solar cell structure shown in FIG. 1 is the region A, and the sunlight absorbed by the intermediate cell layer (InGaAs) 14. The amount of power that can be generated by the power is represented by region B, and the amount of power that can be generated by sunlight absorbed by the lower cell layer (Ge) 11 is represented by region C.

ただし、セル間が直列接続されているため、各領域のｙ軸の高さに対応した発生電流量のうち、最も小さいものがボトルネックとなって全体の発生電流量を制限し、余剰な電子−正孔対は再結合して損失となる。これがセル間の電流不整合による損失であり、これを低減するため、各太陽電池セルが発生する電流量が相互に一致するように半導体のバンドギャップを適宜選択することが行われる（例えば、特許文献４参照）。   However, since the cells are connected in series, the smallest generated current amount corresponding to the height of the y-axis in each region becomes the bottleneck, limiting the total generated current amount, and excess electrons. -Hole pairs recombine and lose. This is a loss due to current mismatch between cells, and in order to reduce this, the band gap of the semiconductor is appropriately selected so that the amount of current generated by each solar cell matches each other (for example, patents) Reference 4).

また、３）については、各太陽電池セルに使われる半導体がそれぞれどの波長の光を吸収するかに依存する。   Moreover, about 3), it depends on what wavelength light each semiconductor used for each photovoltaic cell absorbs.

図４は、従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図で、波長の異なる太陽光に対して上部セル層と下部セル層とで、図中符号Ｆで示すように、フォノン散乱などにより熱として失われる部分が存在する。   FIG. 4 is a junction model diagram for explaining the power generation efficiency of a conventional junction type solar cell. In the upper cell layer and the lower cell layer with respect to sunlight with different wavelengths, There is a portion lost as heat due to phonon scattering or the like.

図３に示した各セルでの発電能力のうち、図中記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０は、光を吸収するがフォトンの放出などによりエネルギーとしてロスしている部分を示している。このように、従来の接合型太陽電池では、ロス部分Ａ０，Ｂ０，Ｃ０が存在し、この損失を少なくすることが、より光電変換効率を向上させることになる。   Among the power generation capacities in each cell shown in FIG. 3, symbols A0, B0, C0 in the figure indicate portions that absorb light but lose energy due to photon emission or the like. Thus, in the conventional junction type solar cell, the loss portions A0, B0, and C0 exist, and reducing this loss further improves the photoelectric conversion efficiency.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、太陽光の吸収層に傾斜組成構造を備えることにより光電変換効率を大幅に改善するようにした接合型太陽電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a junction type solar cell that greatly improves photoelectric conversion efficiency by providing a solar light absorption layer with a gradient composition structure. To provide a battery.

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする。   The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is directed to a junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series. The element semiconductor layer is formed of a compound semiconductor mixed crystal, and the compound semiconductor mixed crystal has a gradient composition structure in which the band gap gradually decreases from the incident direction of light. To do.

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the doping concentration of the donor in the n layer of at least one set of the semiconductor pn junctions increases from the n layer side to the p layer side. It is characterized by being gradually lowered.

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the acceptor doping concentration in the p layer of at least one set of the semiconductor pn junctions is directed from the n layer side to the p layer side. It is characterized by gradually increasing.

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1, 2 or 3, wherein at least one pair of the semiconductor pn junctions is a conductor from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor in a short-circuit state. And a band structure in which the upper end of the valence body is monotonously lowered from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor.

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする。（図５，８，９、実施例１乃至３に対応）   The invention according to claim 5 is the invention according to claim 1, wherein the compound semiconductor mixed crystal includes a lower cell layer made of a compound semiconductor or a single crystal semiconductor and at least one intermediate made of a compound semiconductor. A cell layer and an upper cell layer made of a compound semiconductor are sequentially stacked, and at least one compound semiconductor layer has a gradient composition structure. (Corresponding to FIGS. 5, 8, 9 and Examples 1 to 3)

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図５、実施例１に対応） The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5, wherein the lower cell layer is changed from InP to InAs Z P 1-Z (0 <z <1) along the light incident direction. A graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition, and the intermediate cell layer has a structure in which In y Ga 1-y P (0.67 <y <1) to InP along the light incident direction. In the graded composition structure in which the pn junction is formed while the composition is gradually changed, the upper cell layer extends from In w Al 1-w P to In x Al 1-x P (0 .56 <x, w ≦ 1 where x> w), a gradient composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition. (Corresponding to FIG. 5, Example 1)

また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図８、実施例２に対応） The invention according to claim 7 is the invention according to claim 5, wherein one of the intermediate cell layers is formed of GaAs to In z Ga 1 -z As (0 < A graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition to z <1) and gradually from GaAs y P 1-y (0.55 ≦ y <1) to GaAs along the light incident direction. while changing the composition comprises a junction between the graded composition structure in which a pn junction is formed, the upper cell layer, in x Al 1-x P (0 from in w Al 1-w P along the direction of incidence of light .56 <x, w ≦ 1 where x> w), a gradient composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition. (Corresponding to FIG. 8, Example 2)

また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする。（図９、実施例３に対応） The invention according to claim 8 is the invention according to claim 5, wherein the lower cell layer has a structure formed by a pn junction of Ge, and the intermediate cell layer is in a direction in which light is incident. A graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from In z Ga 1-z As to In y Ga 1-y As (0 ≦ y, z <1, where z <y). The upper cell layer gradually changes the composition from In x Ga 1-x P to In w Ga 1-w P (0.33 <x, w ≦ 1 where x <w) along the light incident direction. However, it is characterized by a gradient composition structure in which a pn junction is formed. (Corresponding to FIG. 9, Example 3)

本発明によれば、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向からバンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有しているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。   According to the present invention, in a junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series, the semiconductor layer as at least one component is formed of a compound semiconductor mixed crystal, and this compound semiconductor mixed crystal However, since it has a gradient composition structure in which the band gap gradually decreases from the light incident direction, the photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.

従来の接合型太陽電池を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the conventional junction type solar cell. エアマス１．５Ｇの太陽光スペクトルにおいて、図１に示した３接合型太陽電池の構造のそれぞれの太陽電池セル層が吸収する波長領域を示した図である。It is the figure which showed the wavelength range which each solar cell layer of the structure of the 3 junction type solar cell shown in FIG. 1 absorbs in the sunlight spectrum of the air mass 1.5G. エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、従来の接合型太陽電池構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。The solar cell spectrum of air mass 1.5G is represented by energy, the number of photons irradiated per unit area for each energy is integrated from the high energy side, and the conventional junction solar cell is plotted against the energy. It is a figure which shows the relationship between the absorbed energy and the number of photons in a structure. 従来の接合型太陽電池の発電効率を説明するための接合モデル図である。It is a junction model figure for demonstrating the power generation efficiency of the conventional junction type solar cell. 本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating Example 1 of the junction type solar cell of this invention. エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。The solar mass spectrum of air mass 1.5G is represented by energy, the number of photons irradiated per unit area for each energy is integrated from the high energy side, and the graph shown in FIG. 5 is plotted against the energy. It is a figure which shows the relationship between the absorbed energy and the number of photons in the structure of a solar cell. 図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。In the structure of the junction type solar cell shown in FIG. 5, it is a conceptual diagram of a band structure when each solar cell is arrange | positioned so that an n-type semiconductor may come in the incident direction of light. 本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating Example 2 of the junction type solar cell of this invention. エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。The solar mass spectrum of air mass 1.5G is expressed by energy, the number of photons irradiated per unit area for each energy is integrated from the high energy side, and the graph shown in FIG. It is a figure which shows the relationship between the absorbed energy and the number of photons in the structure of a type solar cell. 本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating Example 3 of the junction type solar cell of this invention. エアマス１．５Ｇの太陽光のスペクトルをエネルギーで表し、各エネルギーに対する単位面積当たりのフォトンの照射個数を高エネルギー側から積算し、エネルギーに対してプロットしたグラフに対して、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。The solar mass spectrum of air mass 1.5G is expressed by energy, the number of photons irradiated per unit area for each energy is integrated from the high energy side, and the graph shown in FIG. It is a figure which shows the relationship between the absorbed energy and the number of photons in the structure of a solar cell.

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図５は、本発明の接合型太陽電池の実施例１を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＰ／ＩｎＡｓzＰ1-z構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。 FIG. 5 is a configuration diagram for explaining Example 1 of the junction solar cell of the present invention, and shows an In x Al 1-x P / In y Ga 1-y P / InAs z P 1-z structure from the upper layer. This is a three-junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series.

この接合型太陽電池は、裏面電極２１が形成されたＧａＡｓ基板２２上にバッファ層２３を形成した後、ＩｎＡｓ0.4Ｐ0.6からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）２４が積層されている。 This junction solar cell has a graded composition structure in which a buffer layer 23 is formed on a GaAs substrate 22 on which a back electrode 21 is formed, and then a pn junction is formed while gradually changing the composition from InAs 0.4 P 0.6 to InP. The InAs z P 1-z cell layer (lower cell layer) 24 is stacked.

また、その上に第２のトンネル接合層２５，２６を介してＩｎＰからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）２７が積層されている。 Further, an In y Ga 1-y P cell having a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from InP to In 0.52 Ga 0.48 P through the second tunnel junction layers 25 and 26. A layer (intermediate cell layer) 27 is laminated.

第２のトンネル接合層２５，２６は、必ずしも不可欠のものではないが、セル間を低抵抗で接合し、接合付近で発生したキャリアの逆方向へのオーバーフローを低減する意味などから設けた方が好ましい。この場合、トンネル接合層２５は、接触する下部セル層の組成であるｎ型ＩｎＰに対して価電子帯のオフセットが十分に大きく格子定数も近いものが望ましく、高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。同様にトンネル接合層２６は、ｐ型ＩｎＰに対して伝導帯のオフセットが十分に大きいことが望まれることから、高濃度にｐ型ドーピングしたＩｎＡｌＡｓなどが用いられる。   The second tunnel junction layers 25 and 26 are not necessarily indispensable. However, the second tunnel junction layers 25 and 26 should be provided in order to reduce the overflow in the reverse direction of the carriers generated near the junction by joining the cells with low resistance. preferable. In this case, it is desirable that the tunnel junction layer 25 has a sufficiently large valence band offset and a lattice constant close to that of n-type InP, which is the composition of the lower cell layer in contact, such as highly doped n-type doped InAlAs. Is used. Similarly, since the tunnel junction layer 26 is desired to have a sufficiently large conduction band offset with respect to p-type InP, p-type doped InAlAs or the like is used.

さらに、その上に第１のトンネル接合層２８，２９を介してＩｎ0.8Ａｌ0.2ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）３０が積層され、最後に反射防止層３１と表面電極３２が形成されて表面電極３２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。 Furthermore, In x Al 1 having a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from In 0.8 Al 0.2 P to In 0.56 Al 0.44 P via the first tunnel junction layers 28 and 29. -x P (upper cell layer) 30 is laminated, and finally a three-junction solar cell is formed, in which an antireflection layer 31 and a surface electrode 32 are formed, and light is incident from the surface electrode 32 side. Yes.

トンネル接合層２８は、上述した理由と同様の理由から高濃度にｎ型ドーピングしたＩｎＧａＰなどが用いられ、トンネル接合層２９は、高濃度にｐ型ドーピングしたＡｌＧａＡｓなどが用いられる。   For the same reason as described above, the tunnel junction layer 28 is made of highly doped n-type InGaP or the like, and the tunnel junction layer 29 is made of highly doped p-type doped AlGaAs or the like.

つまり、本発明においては、少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、この化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有している。   That is, in the present invention, at least one component semiconductor layer is formed of a compound semiconductor mixed crystal, and the compound semiconductor mixed crystal is inclined so that the band gap gradually decreases from the incident direction of light. It has a composition structure.

図６は、図５に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）３０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎyＧａ1-yＰ）２７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（ＩｎＡｓzＰ1-z）２４で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the absorbed energy and the number of photons in the structure of the junction solar cell shown in FIG. The amount of power by sunlight absorbed by the upper cell layer (In x Al 1-x P) 30 is region A, and the amount of power by sunlight absorbed by the intermediate cell layer (In y Ga 1 -y P) 27 is In the region B, the amount of power by sunlight absorbed by the lower cell layer (InAs z P 1 -z) 24 is represented by a region C.

これらの各セル層２４，２７，３０は、傾斜組成構造を有しているため、ｐｎ接合における拡散電位が傾斜組成構造を持たないときに比べて広げることができる。これにより各セルの起電力を大きく取ることができる。これは図３において記号Ａ０，Ｂ０，Ｃ０で示したような、吸収した光のエネルギーをフォノン散乱などにより熱としてロスしている部分を少なくし、図６で示すように太陽光のスペクトルを効率良く光電変換することに対応している。このように、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。   Since each of these cell layers 24, 27, and 30 has a graded composition structure, the diffusion potential at the pn junction can be broadened compared to when no graded composition structure is provided. As a result, the electromotive force of each cell can be increased. This reduces the portion of the absorbed light energy lost as heat due to phonon scattering or the like, as indicated by symbols A0, B0, C0 in FIG. 3, and improves the efficiency of the sunlight spectrum as shown in FIG. It corresponds to well photoelectric conversion. Thus, since the loss due to the energy difference between the absorption layer band gap and the absorbed photon, which has occurred in the conventional junction solar cell, is reduced, the photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.

このような傾斜組成構造を有する接合型太陽電池に太陽光を照射させて発電させる場合、発生した電子−正孔対について、電子は負極側に、正孔は正極側に流れやすいようなバンド構造を持つことも重要である。これには太陽電池を構成しているｐｎ接合において、素子を短絡した熱平衡状態で、ｐ型半導体側からｎ型半導体側に向かって伝導帯の下端が単調に下がる方向であり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる方向であることが望ましい。   When power is generated by irradiating solar power to a junction type solar cell having such a gradient composition structure, the generated electron-hole pair has a band structure in which electrons easily flow to the negative electrode side and holes to the positive electrode side. It is also important to have In this case, in the pn junction constituting the solar cell, the lower end of the conduction band monotonously decreases from the p-type semiconductor side to the n-type semiconductor side in a thermal equilibrium state in which the elements are short-circuited, and the p-type semiconductor It is desirable that the upper end of the valence band monotonously decreases from the n-type semiconductor toward the n-type semiconductor.

このようなバンドの傾斜を持たせるためには、半導体の組成の選択のみならず、ドーピング濃度を制御することが重要である。具体的には、少なくとも１組の太陽電池セルを構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に低くなっていること、及び／又は少なくとも１組の太陽電池を構成する半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ型半導体側から徐々に高くなっている構造を持つことが望ましい。   In order to have such a band inclination, it is important to control the doping concentration as well as the selection of the semiconductor composition. Specifically, among semiconductor pn junctions constituting at least one set of solar cells, the doping concentration of the donor in the n layer gradually decreases from the n-type semiconductor side, and / or at least one set. Among the semiconductor pn junctions constituting the solar cell, it is desirable that the acceptor doping concentration in the p layer gradually increase from the n-type semiconductor side.

図７は、図５に示した接合型太陽電池の構造において、各太陽電池セルを光の入射方向にｎ型半導体がくるように配置したときのバンド構造の概念図である。各セルにおいては、成長中の組成制御によって光の入射方向から、すなわち、図７の左側から右側に向かって徐々にバンドギャップが小さくなるような構造をとっている。   FIG. 7 is a conceptual diagram of a band structure when each solar battery cell is arranged so that an n-type semiconductor comes in the light incident direction in the structure of the junction solar battery shown in FIG. Each cell has a structure in which the band gap gradually decreases from the incident direction of light by composition control during growth, that is, from the left side to the right side in FIG.

また、上述したようなバンドギャップの傾斜構造においても、電子や正孔が、それぞれ負極側や正極側に流れやすいような構造をとるために、ｎ層内のドナー濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなるように、ｐ層内のアクセプタ濃度がｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなるような構造をとっている。   Further, even in the band gap inclined structure as described above, the donor concentration in the n layer is changed from the n layer side to the p layer so that electrons and holes easily flow to the negative electrode side and the positive electrode side, respectively. The acceptor concentration in the p layer gradually increases from the n layer side toward the p layer side so as to gradually decrease toward the side.

これにより、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造が実現されている。このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。   This realizes a structure in which the lower end of the conduction band monotonously decreases from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor and the upper end of the valence band monotonously decreases from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor in each cell. Has been. By taking such a structure, a junction solar cell with higher efficiency can be obtained.

図８は、本発明の接合型太陽電池の実施例２を説明するための構成図で、上層からＩｎxＡｌ1-xＰ／ＧａＡｓyＰ1-y／ＩｎzＧａ1-zＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する４接合型太陽電池である。 FIG. 8 is a block diagram for explaining Example 2 of the junction solar cell according to the present invention. From the upper layer, In x Al 1-x P / GaAs y P 1-y / In z Ga 1-z As / Ge is formed. This is a 4-junction solar cell having a structure and connecting a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps in series.

この接合型太陽電池は、裏面電極４１が形成されたｐ−Ｇｅ基板４２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）４３を介してバッファ層４４及び第３のトンネル接合層４５，４６を形成した後、Ｉｎ0.26Ｇａ0.74ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）４７が積層されている。 This junction type solar cell includes a buffer layer 44 and a third layer via an n-Ge layer (lower cell layer) 43 in which a pn junction is formed on the p-Ge substrate 42 on which the back electrode 41 is formed by a method such as impurity diffusion. After forming the tunnel junction layers 45 and 46, the In z Ga 1 -z As cell layer having the graded composition structure in which the pn junction is formed while gradually changing the composition from In 0.26 Ga 0.74 As to GaAs (second Intermediate cell layer) 47 is laminated.

また、その上に第２のトンネル接合層４８，４９を介してＧａＡｓからＧａＡｓ0.59Ｐ0.41に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）５０が積層されている。 Further, a GaAs y P 1-y cell layer having a graded composition structure in which a pn junction is formed while the composition is gradually changed from GaAs to GaAs 0.59 P 0.41 via the second tunnel junction layers 48 and 49. First intermediate cell layer) 50 is laminated.

さらに、その上に第１のトンネル接合層５１，５２を介してＩｎ0.78Ａｌ0.22ＰからＩｎ0.56Ａｌ0.44Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）５３が積層され、最後に反射防止層５４と表面電極５５が形成されて表面電極５５側から光が入射するように設計された４接合型太陽電池が構成されている。 Furthermore, In x Al 1 having a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from In 0.78 Al 0.22 P to In 0.56 Al 0.44 P via the first tunnel junction layers 51 and 52. -xP (upper cell layer) 53 is laminated, and finally, an antireflection layer 54 and a surface electrode 55 are formed, and a four-junction solar cell designed so that light enters from the surface electrode 55 side is formed. Yes.

図９は、図８に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＡｌ1-xＰ）５３で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、第１の中間セル層（ＧａＡｓyＰ1-y）５０で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、第２の中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）４７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで、下部セル層（Ｇｅ）４３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｄで表される。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between absorbed energy and the number of photons in the structure of the junction solar cell shown in FIG. The amount of power by sunlight absorbed by the upper cell layer (In x Al 1-x P) 53 is region A, and the power by sunlight absorbed by the first intermediate cell layer (GaAs y P 1 -y ) 50. The amount of power from the solar light absorbed in the second intermediate cell layer (In z Ga 1 -z As) 47 is the region B, and the amount of electric power from the solar cell absorbed in the lower cell layer (Ge) 43 in the region C. The amount of power is represented by region D.

この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を大幅に改善することができる。   In this case as well, as in Example 1, the loss due to the energy difference between the absorption layer band gap and the absorbed photon that has occurred in the conventional junction solar cell is reduced, so that the photoelectric conversion efficiency is greatly improved. Can do.

また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。   Also, by controlling the doping concentration of each layer, the lower end of the conduction band monotonously decreases from each p-type semiconductor to each n-type semiconductor in each cell, and the value from each p-type semiconductor to the n-type semiconductor is reduced. The structure in which the upper end of the electron band is monotonously lowered is preferably the same as in Example 1. By adopting such a structure, a junction solar cell with higher efficiency can be obtained.

図１０は、本発明の接合型太陽電池の実施例３を説明するための構成図で、上層からＩｎxＧａ1-xＰ／ＩｎyＧａ1-yＡｓ／Ｇｅ構造を有しており、バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する３接合型太陽電池である。 FIG. 10 is a configuration diagram for explaining Example 3 of the junction solar cell of the present invention, and has an In x Ga 1-x P / In y Ga 1-y As / Ge structure from the upper layer. This is a three-junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series.

この接合型太陽電池は、裏面電極６１が形成されたｐ−Ｇｅ基板６２に不純物拡散などの方法によってｐｎ接合を形成したｎ−Ｇｅ層（下部セル層）６３を介してバッファ層６４及び第２のトンネル接合層６５，６６を形成した後、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89ＡｓからＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）６７が積層されている。 This junction solar cell includes a buffer layer 64 and a second layer via an n-Ge layer (lower cell layer) 63 in which a pn junction is formed by a method such as impurity diffusion on a p-Ge substrate 62 on which a back electrode 61 is formed. In x Ga 1-x As cell layer (intermediate cell layer) having a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from In 0.11 Ga 0.89 As to GaAs. ) 67 are stacked.

また、その上に第１のトンネル接合層６８，６９を介してＩｎ0.55Ｇａ0.45ＰからＩｎ0.33Ｇａ0.67Ｐに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層）７０が積層され、最後に反射防止層７１と表面電極７２が形成されて表面電極７２側から光が入射するように設計された３接合型太陽電池が構成されている。 In addition, In x Ga 1 having a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from In 0.55 Ga 0.45 P to In 0.33 Ga 0.67 P via the first tunnel junction layers 68 and 69. -xP (upper cell layer) 70 is laminated, and finally, an antireflection layer 71 and a surface electrode 72 are formed, and a three-junction solar cell designed so that light enters from the surface electrode 72 side is formed. Yes.

図１１は、図１０に示した接合型太陽電池の構造における吸収エネルギーとフォトン数の関係を示す図である。上部セル層（ＩｎxＧａ1-xＰ）７０で吸収される太陽光による電力量は領域Ａで、中間セル層（ＩｎzＧａ1-zＡｓ）６７で吸収される太陽光による電力量は領域Ｂで、下部セル層（Ｇｅ）６３で吸収される太陽光による電力量は領域Ｃで表される。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between absorbed energy and the number of photons in the structure of the junction solar cell shown in FIG. The amount of electric power due to sunlight absorbed by the upper cell layer (In x Ga 1-x P) 70 is region A, and the amount of electric power due to sunlight absorbed by the intermediate cell layer (In z Ga 1 -z As) 67 is In the region B, the amount of electric power due to sunlight absorbed by the lower cell layer (Ge) 63 is represented by a region C.

この場合も実施例１と同様に、従来の接合型太陽電池で生じていた吸収層のバンドギャップと吸収するフォトンのエネルギー差による損失が少なくなっているので、光電変換効率を従来よりも改善することができる。   Also in this case, as in the first embodiment, the loss due to the energy difference between the absorption layer band gap and the absorbed photon generated in the conventional junction solar cell is reduced, so that the photoelectric conversion efficiency is improved as compared with the conventional case. be able to.

また、各層のドーピング濃度を制御するなどの方法によって、各々のセル内でｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導帯の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子帯の上端が単調に下がる構造とることが好ましいのは実施例１と同様であり、このような構造をとることによって、更に高効率の接合型太陽電池を得ることができる。   Also, by controlling the doping concentration of each layer, the lower end of the conduction band monotonously decreases from each p-type semiconductor to each n-type semiconductor in each cell, and the value from each p-type semiconductor to the n-type semiconductor is reduced. The structure in which the upper end of the electron band is monotonously lowered is preferably the same as in Example 1. By adopting such a structure, a junction solar cell with higher efficiency can be obtained.

１１ Ｇｅセル層（下部セル層）
１２ バッファ層
１３ 第２のトンネルダイオード
１４ ＧａＩｎＡｓセル層（中間セル層）
１５ 第１のトンネルダイオード
１６ ＩｎＧａＰセル層（上部セル層）
２１，４１，６１ 裏面電極
２２ 基板
２３，４４，６４ バッファ層
２４ 傾斜組成構造を有するＩｎＡｓzＰ1-zセル層（下部セル層）
２５，２６ 第２のトンネル接合層
２７ 傾斜組成構造を有するＩｎyＧａ1-yＰセル層（中間セル層）
２８，２９ 第１のトンネル接合層
３０，５３ 傾斜組成構造を有するＩｎxＡｌ1-xＰ（上部セル層）
３１，５４，７１ 反射防止層
３２，５５，７２ 表面電極
４２，６２ ｐ−Ｇｅ基板
４３，６３ ｎ−Ｇｅ層（下部セル層）
４５，４６ 第３のトンネル接合層
４７ 傾斜組成構造を有するＩｎzＧａ1-zＡｓセル層（第２の中間セル層）
４８，４９ 第２のトンネル接合層
５０ 傾斜組成構造を有するＧａＡｓyＰ1-yセル層（第１の中間セル層）
５１，５２ 第１のトンネル接合層
６５，６６ 第２のトンネル接合層
６７ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＡｓセル層（中間セル層）
６８，６９ 第１のトンネル接合層
７０ 傾斜組成構造を有するＩｎxＧａ1-xＰ（上部セル層） 11 Ge cell layer (lower cell layer)
12 Buffer layer 13 Second tunnel diode 14 GaInAs cell layer (intermediate cell layer)
15 First tunnel diode 16 InGaP cell layer (upper cell layer)
21, 41, 61 Back electrode 22 Substrate 23, 44, 64 Buffer layer 24 InAs z P 1-z cell layer having a graded composition structure (lower cell layer)
25, 26 Second tunnel junction layer 27 In y Ga 1-y P cell layer (intermediate cell layer) having a gradient composition structure
28, 29 First tunnel junction layers 30, 53 In x Al 1-x P (upper cell layer) having a gradient composition structure
31, 54, 71 Antireflection layer 32, 55, 72 Surface electrode 42, 62 p-Ge substrate 43, 63 n-Ge layer (lower cell layer)
45, 46 Third tunnel junction layer 47 In z Ga 1 -z As cell layer having a graded composition structure (second intermediate cell layer)
48, 49 Second tunnel junction layer 50 GaAs y P 1-y cell layer having a graded composition structure (first intermediate cell layer)
51, 52 First tunnel junction layer 65, 66 Second tunnel junction layer 67 In x Ga 1-x As cell layer (intermediate cell layer) having a gradient composition structure
68, 69 First tunnel junction layer 70 In x Ga 1-x P (upper cell layer) having a gradient composition structure

Claims (8)

バンドギャップの異なる複数の半導体ｐｎ接合を直列接続する接合型太陽電池において、
少なくとも１つの構成要素である半導体層が化合物半導体混晶で形成されており、該化合物半導体混晶が、光の入射方向から前記バンドギャップが徐々に小さくなるような傾斜組成構造を有していることを特徴とする接合型太陽電池。 In a junction solar cell in which a plurality of semiconductor pn junctions having different band gaps are connected in series,
The semiconductor layer as at least one constituent element is formed of a compound semiconductor mixed crystal, and the compound semiconductor mixed crystal has a gradient composition structure in which the band gap gradually decreases from the incident direction of light. A junction type solar cell characterized by that. 少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｎ層内のドナーのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。   2. The junction type according to claim 1, wherein the doping concentration of the donor in the n layer gradually decreases from the n layer side toward the p layer side among at least one set of the semiconductor pn junctions. Solar cell. 少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合のうち、ｐ層内のアクセプタのドーピング濃度が、ｎ層側からｐ層側に向かって徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。   2. The junction type according to claim 1, wherein among at least one pair of the semiconductor pn junctions, the acceptor doping concentration in the p layer gradually increases from the n layer side toward the p layer side. Solar cell. 少なくとも１組の前記半導体ｐｎ接合が、短絡状態において、ｐ型半導体からｎ型半導体に向かって伝導体の下端が単調に下がり、かつｐ型半導体からｎ型半導体に向かって価電子体の上端が単調に下がっているようなバンド構造を有することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の接合型太陽電池。   When at least one pair of the semiconductor pn junctions is short-circuited, the lower end of the conductor monotonously falls from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor, and the upper end of the valence body from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor. The junction solar cell according to claim 1, 2 or 3, wherein the junction solar cell has a band structure that is monotonously lowered. 前記化合物半導体混晶が、化合物半導体又は単結晶半導体からなる下部セル層と、化合物半導体からなる少なくとも１つ以上の中間セル層と、化合物半導体からなる上部セル層とを順次積層したものであり、少なくとも１つ以上の化合物半導体層が傾斜組成構造を有することを特徴とする請求項１に記載の接合型太陽電池。   The compound semiconductor mixed crystal is obtained by sequentially laminating a lower cell layer made of a compound semiconductor or a single crystal semiconductor, at least one intermediate cell layer made of a compound semiconductor, and an upper cell layer made of a compound semiconductor, The junction solar cell according to claim 1, wherein at least one compound semiconductor layer has a graded composition structure. 前記下部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎＰからＩｎＡｓZＰ1-Z（０＜z＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎyＧａ1-yＰ（０．６７＜ｙ＜１）からＩｎＰに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。 The lower cell layer has a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from InP to InAs Z P 1-Z (0 <z <1) along the light incident direction, cell layer is a gradient composition structure in which a pn junction formed while gradually changing the composition InP from along the direction of incidence of light in y Ga 1-y P ( 0.67 <y <1), the The upper cell layer gradually changes the composition from In w Al 1-w P to In x Al 1-x P (0.56 <x, w ≦ 1 where x> w) along the light incident direction. However, the junction type solar cell according to claim 5, which has a graded composition structure in which a pn junction is formed. 前記中間セル層のうちの１つが、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓからＩｎzＧａ1-zＡｓ（０＜ｚ＜１）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造と、光の入射する方向に沿ってＧａＡｓyＰ1-y（０．５５≦ｙ＜１）からＧａＡｓに徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造との接合を含み、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎwＡｌ1-wＰからＩｎxＡｌ1-xＰ（０．５６＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＞ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。 One of the intermediate cell layers has a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from GaAs to In z Ga 1 -z As (0 <z <1) along the direction of incidence of light. And a gradient composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition from GaAs y P 1-y (0.55 ≦ y <1) to GaAs along the light incident direction, The upper cell layer gradually changes the composition from In w Al 1-w P to In x Al 1-x P (0.56 <x, w ≦ 1 where x> w) along the light incident direction. However, the junction type solar cell according to claim 5, which has a graded composition structure in which a pn junction is formed. 前記下部セル層が、Ｇｅによるｐｎ接合によって形成された構造であり、前記中間セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎzＧａ1-zＡｓからＩｎyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ、ｚ＜１ ただしｚ＜ｙ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であり、前記上部セル層が、光の入射する方向に沿ってＩｎxＧａ1-xＰからＩｎwＧａ1-wＰ（０．３３＜ｘ、ｗ≦１ ただしｘ＜ｗ）に徐々に組成を変化させながらｐｎ接合を形成した傾斜組成構造であることを特徴とする請求項５に記載の接合型太陽電池。 The lower cell layer, a structure formed by a pn junction by Ge, the intermediate cell layer, In y Ga 1-y As (0 ≦ from along the direction of incidence of light In z Ga 1-z As y, z <1 where z <y), and a graded composition structure in which a pn junction is formed while gradually changing the composition, and the upper cell layer has an In x Ga 1-x P structure along the light incident direction. 6. A gradient composition structure in which a pn junction is formed while the composition is gradually changed from In w Ga 1-w P (0.33 <x, w ≦ 1 where x <w). The junction type solar cell described.
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