JP2788778B2 - Photovoltaic element and method for manufacturing the same - Google Patents
Photovoltaic element and method for manufacturing the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光起電力素子に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a photovoltaic device.
従来の光起電力素子の動作は、エス・エム・ツエー
（S.M.Sze）によるジョン・ウィリー・アンドサンズ社
（John Wiley ＆ Sons Inc.,2nd ed.1981）のフィジク
ス・オブ・セミコンダクタ・デバイス（Physics of Sem
iconductor Devices）799頁に記述されているごとく、
当該分野では公知である。The operation of a conventional photovoltaic device is described by SMS Wie & Sons Inc., 2nd ed. 1981 by SMSze (Physics of Semiconductor Device). Sem
as described on page 799,
It is known in the art.
従来の光起電力素子は、単一材料のpn接合を用いてい
るため、用いた材料のバンドギャップに相当する波長付
近の太陽光のみを光電変換に利用していたので、変換効
率が10〜20％と低い値を示していた。そのため、二色ミ
ラーなどを用い、太陽光を波長別に分割し、分割した波
長に最適の材料のpn接合で光電変換を行い、変換効率を
高める波長分割光電変換光起電力素子が、ジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied
Physics）32巻510頁で提案されている。Conventional photovoltaic elements use a single material pn junction, so only sunlight near the wavelength corresponding to the band gap of the used material is used for photoelectric conversion, so the conversion efficiency is 10 to The value was as low as 20%. For this reason, a wavelength-division photoelectric conversion photovoltaic element that splits sunlight by wavelength using a two-color mirror or the like, performs photoelectric conversion with a pn junction of the material optimal for the divided wavelength, and increases conversion efficiency,
Journal of Applied
Physics), vol. 32, page 510.
従来から、二色ミラーなどを用い、太陽光を波長別に
分割し、分割した波長に最適の材料のpn接合で光電変換
を行い、変換効率を高める波長分割光電変換光起電力素
子が提案されているが、ミラーなどを用いた波長分割光
起電力素子は、素子自体の大きさが大きく、小型化，軽
量化が困難である。また、pn接合を構成する半導体層を
多層積層して２つのpn接合を直列接続した構造の従来の
縦列結合光起電力素子は、格子不整合が大きな半導体を
採用しているので、半導体結晶に多数の欠陥が発生し、
その欠陥がキャリアの捕獲準位として働き、生成された
電子，正孔の寿命が短くなるという欠点が存在する。Conventionally, a wavelength-division photoelectric conversion photovoltaic element has been proposed that divides sunlight by wavelength using a two-color mirror or the like, performs photoelectric conversion using a pn junction made of a material optimal for the divided wavelength, and increases conversion efficiency. However, a wavelength division photovoltaic element using a mirror or the like has a large element itself, and it is difficult to reduce the size and weight. In addition, conventional tandem-coupled photovoltaic elements having a structure in which two pn junctions are connected in series by laminating semiconductor layers constituting a pn junction employ a semiconductor having a large lattice mismatch. Many defects occur,
There is a defect that the defect functions as a carrier trap level and the life of generated electrons and holes is shortened.
本発明の目的は、以上のような従来の光起電力素子の
欠点をなくし、キャリアの拡散長を長くし、太陽光を最
大限利用し短絡電流を大きくする、新規な光起電力素子
を提供することにある。An object of the present invention is to provide a novel photovoltaic element which eliminates the above-mentioned drawbacks of the conventional photovoltaic element, increases the diffusion length of carriers, maximizes use of sunlight, and increases short-circuit current. Is to do.
本発明は、pn接合を用いた光起電力素子において、pn
接合を有する砒化ガリウム層上にpn接合を有するゲルマ
ニウム層を成長させて、前記砒化ガリウムで構成したpn
接合と、ゲルマニウムで構成したpn接合が直列に接続さ
れた多層構造を備えることを特徴とする光起電力素子で
ある。窓層として、砒化アルミニウムガリウム層を用い
てもよい。また、ｐ型ゲルマニウム層中の不純物濃度
が、砒化ガリウム−ゲルマニウム界面からｎ型ゲルマニ
ウム層に向かって低下する濃度勾配を存在させてもよ
い。また、砒化ガリウム層とゲルマニウム層の間に高濃
度ｎ型砒化アルミニウムガリウム層を設けてもよい。The present invention relates to a photovoltaic device using a pn junction,
A gallium arsenide layer having a pn junction is grown on a gallium arsenide layer having a junction.
A photovoltaic element comprising a multilayer structure in which a junction and a pn junction made of germanium are connected in series. An aluminum gallium arsenide layer may be used as the window layer. Further, a concentration gradient may be present in which the impurity concentration in the p-type germanium layer decreases from the gallium arsenide-germanium interface toward the n-type germanium layer. Further, a high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer may be provided between the gallium arsenide layer and the germanium layer.
砒化ガリウムとゲルマニウムは格子不整合が0.07％と
非常に小さく、砒化ガリウム層上に良好なゲルマニウム
層がエピタキシャル成長することが、ジャーナル・オブ
・クリスタル・グロウス（Journal of Crystal Growt
h）95巻421頁から述べられている。また、砒化ガリウム
層の表面超構造を制御することにより、砒化ガリウム層
上のゲルマニウム膜中に、砒素の拡散を抑え、ガリウム
の拡散のみを生じさせることが可能であることが上記の
文献に掲載されている。このとき、ゲルマニウム膜中の
ガリウムの濃度は砒化ガリウム・ゲルマニウム界面から
ゲルマニウム膜表面に向かって減少する濃度勾配を有す
る。Gallium arsenide and germanium have a very small lattice mismatch of 0.07%. The fact that a good germanium layer can be epitaxially grown on a gallium arsenide layer has been reported in the Journal of Crystal Growt.
h) It is stated from Vol. 95, p. 421. In addition, it is described in the above-mentioned document that by controlling the surface superstructure of the gallium arsenide layer, it is possible to suppress the diffusion of arsenic in the germanium film on the gallium arsenide layer and cause only the diffusion of gallium. Have been. At this time, the concentration of gallium in the germanium film has a concentration gradient that decreases from the gallium arsenide-germanium interface toward the germanium film surface.
本発明はこれらの作用を用いている。 The present invention uses these effects.
第１図は、本発明の光起電力素子の一実施例を示した
図である。この光起電力素子は、高濃度ｐ型砒化ガリウ
ム基板１の上に高濃度ｐ型砒化アルミニウムガリウム層
２、ｐ型砒化ガリウム層３、ｎ型砒化ガリウム層４、高
濃度ｎ型砒化アルミニウムガリウム層５、濃度勾配を有
するｐ型ゲルマニウム層６、ｎ型ゲルマニウム層７を順
次積層した多層構造から成り、基板を一部除去して露出
したｐ型砒化アルミニウムガリウム層２の表面に透明オ
ーミック電極を備え、ｎ型ゲルマニウム層にオーミック
電極９を備えている。FIG. 1 is a view showing one embodiment of the photovoltaic element of the present invention. This photovoltaic element comprises a high-concentration p-type gallium arsenide substrate 1, a high-concentration p-type aluminum gallium arsenide layer 2, a p-type gallium arsenide layer 3, an n-type gallium arsenide layer 4, and a high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer. 5, a multilayer structure in which a p-type germanium layer 6 having a concentration gradient and an n-type germanium layer 7 are sequentially laminated, and a transparent ohmic electrode is provided on the surface of the p-type aluminum gallium arsenide layer 2 which is partially removed and exposed. , An ohmic electrode 9 is provided on the n-type germanium layer.
第２図は第１図に示した光起電力素子のエネルギーバ
ンド図である。この図から分るように、この実施例の素
子は、広いバンドギャップ（1.42eV）を有する砒化ガリ
ウムセル10aと狭いバンドギャップ（0.66eV）を有する
ゲルマニウムセル10bを高濃度ｎ型砒化アルミニウムガ
リウム層５とｐ型ゲルマニウム層６とで成るトンネル接
合で結合させた素子である。太陽光は砒化アルミニウム
ガリウム層２から入射され、短波長の太陽光が砒化ガリ
ウムセル10aで吸収され、長波長の太陽光はゲルマニウ
ムセル10bで吸収され、太陽光は効率よく光電変換され
る。また、窓層としてバンドギャップの広い砒化アルミ
ニウムガリウム層２を用いているので表面での電子正孔
対の再結合を最小限に抑えることができる。また、上記
の構造にすると、高濃度ｎ型砒化アルミニウムガリウム
層からｎ型ゲルマニウム層に向って薄くなる濃度勾配を
有するｐ型ゲルマニウム層を作製することができるの
で、ｐ型ゲルマニウム層中での電子正孔対の再結合を最
小限に抑えることができる。FIG. 2 is an energy band diagram of the photovoltaic device shown in FIG. As can be seen from the figure, the device of this embodiment is composed of a gallium arsenide cell 10a having a wide band gap (1.42 eV) and a germanium cell 10b having a narrow band gap (0.66 eV). This is an element connected by a tunnel junction composed of a p-type germanium layer 5 and a p-type germanium layer 6. The sunlight is incident from the aluminum gallium arsenide layer 2, the short wavelength sunlight is absorbed by the gallium arsenide cell 10a, the long wavelength sunlight is absorbed by the germanium cell 10b, and the sunlight is efficiently photoelectrically converted. Further, since the aluminum gallium arsenide layer 2 having a wide band gap is used as the window layer, recombination of electron-hole pairs on the surface can be minimized. In addition, with the above structure, a p-type germanium layer having a concentration gradient that becomes thinner from the high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer toward the n-type germanium layer can be manufactured. Recombination of hole pairs can be minimized.
本発明の光起電力素子の特徴は、以下のとうりであ
る。The features of the photovoltaic element of the present invention are as follows.
１）二種類の半導体を用いているので、各半導体のバン
ドギャップに相当する波長の二種類の太陽光を光電変換
するので、高い変換効率が得られる。1) Since two types of semiconductors are used, two types of sunlight having a wavelength corresponding to the band gap of each semiconductor are photoelectrically converted, so that high conversion efficiency can be obtained.
２）砒化ガリウムとゲルマニウムは格子不整合がほとん
どないので、結晶性の良好なゲルマニウムが作製でき、
入射光により生成された電子，正孔の寿命が延びる。そ
のため、格子不整合の大きい材料を用いて従属接合光起
電力素子に比べ、高い変換効率が期待できる。2) Since gallium arsenide and germanium have almost no lattice mismatch, germanium having good crystallinity can be produced.
The life of electrons and holes generated by the incident light is extended. Therefore, higher conversion efficiency can be expected as compared with a cascade junction photovoltaic element using a material having a large lattice mismatch.
３）ｐ型ゲルマニウム層中では、高濃度ｎ型砒化アルミ
ニウムガリウム層からｎ型ゲルマニウム層に向って濃度
が低下する濃度勾配が存在するので、入射光により生成
された電子正孔対が有効に分離されるので、電子，正孔
の寿命が延びる。また、高濃度ｎ型砒化アルミニウムガ
リウム層とｐ型ゲルマニウム層の界面で伝導帯下端にノ
ッチが生じるので、生成された電子の高濃度ｎ型砒化ア
ルミニウムガリウム層への流入を防いでいる。3) In the p-type germanium layer, since there is a concentration gradient in which the concentration decreases from the high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer to the n-type germanium layer, electron-hole pairs generated by incident light are effectively separated. As a result, the lifetime of electrons and holes is extended. Further, a notch is formed at the bottom of the conduction band at the interface between the high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer and the p-type germanium layer, thereby preventing generated electrons from flowing into the high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer.
４）窓層として、バンドギャップの大きい砒化アルミニ
ウムガリウム層を用いているので、表面近傍で吸収され
た入射光により生成された電子正孔対は、空間的に分離
されるので、電子，正孔の寿命が延びる。4) Since the aluminum gallium arsenide layer having a large band gap is used as the window layer, the electron-hole pairs generated by the incident light absorbed near the surface are spatially separated. The lifespan is extended.
第１図は本発明の光起電力素子の一実施例の断面図、第
２図は光起電力素子のエネルギーバンド図を示す。 １……高濃度ｐ型砒化ガリウム基板、２……高濃度ｐ型
砒化アルミニウムガリウム層、３……ｐ型砒化ガリウム
層、４……ｎ型砒化ガリウム層、５……高濃度ｎ型砒化
アルミニウムガリウム層、６……濃度勾配を有するｐ型
ゲルマニウム層、７……ｎ型ゲルマニウム層、８……高
濃度ｎ型アルミニウムガリウム層用透明オーミック電
極、９……ｎ型ゲルマニウム層用オーミック電極。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the photovoltaic device of the present invention, and FIG. 2 is an energy band diagram of the photovoltaic device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High concentration p-type gallium arsenide substrate, 2 ... High concentration p-type aluminum gallium arsenide layer, 3 ... P-type gallium arsenide layer, 4 ... N-type gallium arsenide layer, 5 ... High concentration n-type aluminum arsenide Gallium layer, 6: p-type germanium layer having concentration gradient, 7: n-type germanium layer, 8: transparent ohmic electrode for high-concentration n-type aluminum gallium layer, 9: ohmic electrode for n-type germanium layer.
Claims (4)
おいて、pn接合を有する砒化ガリウム層上にpn接合を有
するゲルマニウム層を成長させて、前記砒化ガリウムで
構成したpn接合と、ゲルマニウムで構成したpn接合が直
列に接続された多層構造を形成することを特徴とする光
起電力素子の製造方法。1. A method of manufacturing a photovoltaic device using a pn junction, comprising: growing a germanium layer having a pn junction on a gallium arsenide layer having a pn junction; Forming a multi-layered structure in which pn junctions formed in series are connected in series.
ンドギャップの大きい砒化アルミニウムガリウム層上に
pn接合を有する砒化ガリウム層とpn接合を有するゲルマ
ニウム層が順次形成され、前記砒化ガリウムで構成した
pn接合と、ゲルマニウムで構成したpn接合が直列に接続
された多層構造を有し、窓層が前記砒化アルミニウムガ
リウム層であることを特徴とする光起電力素子。2. A photovoltaic device using a pn junction, comprising: an aluminum gallium arsenide layer having a large band gap;
A gallium arsenide layer having a pn junction and a germanium layer having a pn junction were sequentially formed, and were composed of the gallium arsenide.
A photovoltaic device having a multilayer structure in which a pn junction and a pn junction made of germanium are connected in series, and a window layer is the aluminum gallium arsenide layer.
有するゲルマニウム層を有し、前記砒化ガリウムで構成
したpn接合と、ゲルマニウムで構成したpn接合が直列に
接続された多層構造を有する光起電力素子において、前
記ｐ型ゲルマニウム層中の不純物濃度が、前記砒化ガリ
ウム−ゲルマニウム界面から前記ｎ型ゲルマニウム層に
向かって減少していることを特徴とする光起電力素子。3. A light having a multi-layer structure comprising a gallium arsenide layer having a pn junction and a germanium layer having a pn junction, wherein a pn junction made of the gallium arsenide and a pn junction made of germanium are connected in series. A photovoltaic element, wherein the impurity concentration in the p-type germanium layer decreases from the gallium arsenide-germanium interface toward the n-type germanium layer.
有するゲルマニウム層を有し、前記砒化ガリウムで構成
したpn接合と、ゲルマニウムで構成したpn接合が直列に
接続された多層構造を有する光起電力素子において、前
記pn接合を有する砒化ガリウム層とpn接合を有するゲル
マニウム層との間に、高濃度ｎ型砒化アルミニウムガリ
ウム層が設けられていることを特徴とする光起電力素
子。4. A light having a multi-layer structure comprising a gallium arsenide layer having a pn junction and a germanium layer having a pn junction, wherein a pn junction made of the gallium arsenide and a pn junction made of germanium are connected in series. A photovoltaic element, wherein a high-concentration n-type aluminum gallium arsenide layer is provided between the gallium arsenide layer having a pn junction and the germanium layer having a pn junction.
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| JP2051011A JP2788778B2 (en) | 1990-03-01 | 1990-03-01 | Photovoltaic element and method for manufacturing the same |
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| JPH03253081A JPH03253081A (en) | 1991-11-12 |
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