JP2013115415A - 化合物半導体太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高い特性を有する化合物半導体太陽電池を提供する。
【解決手段】第２のサブセルと第１のサブセルとの間に設けられたグレーディングバッファ層を構成する層のうち第１のサブセルに最も近接する層の厚さが１．５μｍ以上２μｍ以下である化合物半導体太陽電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体太陽電池に関する。

従来、化合物半導体太陽電池を高効率化する方法としては、半導体基板上に半導体基板と同程度の格子定数を有する化合物半導体層を成長させ、光電変換層であるサブセルを複数個形成することによって、結晶性に優れた化合物半導体太陽電池を得る方法が用いられていた。

しかしながら、化合物半導体層を成長するための主な半導体基板となるＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓまたはＩｎＰ等と同程度の格子定数を有し、さらには好適なバンドギャップを有するサブセルを用いた化合物半導体太陽電池としては、ＧａＡｓ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ化合物半導体太陽電池や、Ｇｅ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ化合物半導体太陽電池等に限られていた。

また、これらの化合物半導体太陽電池よりもさらに高効率化する方法として、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池に３つ目のサブセルとして１ｅＶのバンドギャップを有する化合物半導層を含むサブセルを配置する方法もある。

しかしながら、ＧａＡｓと格子定数が同等で、バンドギャップが１ｅＶ程度の適当な化合物半導体が存在しない。ここで、ＧａＡｓと格子定数が約２．３％ずれているＩｎＧａＡｓは１ｅＶ程度のバンドギャップを有しているが、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ化合物半導体太陽電池の３つ目のサブセルとしてＩｎＧａＡｓ層を含むサブセルを用いた場合には、ＧａＡｓ基板上に格子不整合系の化合物半導体層を成長した後に格子整合系の化合物半導体層を成長させることになるため、格子整合系の化合物半導体層の結晶性が悪くなり、化合物半導体太陽電池全体の特性が悪化するおそれがある。

そこで、半導体基板上に半導体基板と格子定数が同等程度で、化合物半導体太陽電池の受光面が半導体基板側となるように化合物半導体層を成長させ、そこからグレーディングバッファ層を介して半導体基板と格子定数が異なる化合物半導体層を成長する方法が研究されている（たとえば、特許文献１、特許文献２および非特許文献１参照）。

すなわち、通常、化合物半導体太陽電池は、成長基板となる半導体基板の反対側に受光面が位置するように化合物半導体層を成長させて形成される（すなわち、受光面が化合物半導体層の成長方向に位置するように形成される）。しかしながら、受光面が半導体基板側となるように化合物半導体層を成長させて化合物半導体太陽電池を作製することによって、半導体基板と格子定数が同等程度の化合物半導体層を含むサブセルにおいては良好な結晶性が得られ、さらに半導体基板と格子定数が異なる格子不整合系の化合物半導体層を含むサブセルの特性も得られることから、高い特性の化合物半導体太陽電池が得られる。

特開２０１０−１８２９５１号公報 特開２０１１−１３４９５２号公報

A.F.Geisz, et al. "High-efficiency GaInP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cells grown inverted with a metamorphic botoom junction", Applied physics letters 91, 023502 (2007)

特許文献１、特許文献２および非特許文献１に記載されているグレーディングバッファ層は、サブセルを構成する化合物半導体層の格子定数差に起因して発生する応力や、それにより生じる転位やその他の結晶欠陥を低減するために設けられている。

しかしながら、近年、化合物半導体太陽電池の特性をさらに向上させることが要求されており、グレーディングバッファ層を設けること以上の技術が要望されている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高い特性を有する化合物半導体太陽電池を提供することにある。

本発明は、第１の化合物半導体層を含む第１のサブセルと、第１のサブセル上に設けられた第２の化合物半導体層を含む第２のサブセルと、第２のサブセル上に設けられた第３の化合物半導体層を含む第３のサブセルと、第２のサブセルと第１のサブセルとの間に設けられた第４の化合物半導体層を含むグレーディングバッファ層と、を備え、第２の化合物半導体層の格子定数は、第１の化合物半導体層の格子定数および第４の化合物半導体層の格子定数よりも小さく、第２の化合物半導体層の格子定数に対する第１の化合物半導体層の格子定数の格子不整合率は０．１％以上であり、第２の化合物半導体層の格子定数に対する第４の化合物半導体層の格子定数の格子不整合率は、０．１％以上であって、グレーディングバッファ層を構成する層のうち第２のサブセルに最も近接する層と第２の化合物半導体層との間の格子定数差がグレーディングバッファ層を構成する隣り合う２層間の格子定数差よりも大きく、グレーディングバッファ層を構成する層のうち第１のサブセルに最も近接する層の厚さが１．５μｍ以上２μｍ以下である化合物半導体太陽電池である。

ここで、本発明の化合物半導体太陽電池において、第１の化合物半導体層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０．２５≦ｘ≦０．３）の式で表わされる化合物半導体層であることが好ましい。

また、本発明の化合物半導体太陽電池において、第４の化合物半導体層は、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ（０．４８≦ｙ≦０．８）の式で表わされる化合物半導体層であることが好ましい。

また、本発明の化合物半導体太陽電池において、グレーディングバッファ層を構成する層のうち第２のサブセルに最も近接する層と第２の化合物半導体層との間の格子定数差が、０．１９ｎｍ以上０．４４ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の化合物半導体太陽電池において、グレーディングバッファ層を構成する層の厚さは、第１のサブセルに最も近接する層を除き、０．２５μｍ以上０．３２μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の化合物半導体太陽電池において、グレーディングバッファ層は８層以上で構成されることが好ましい。

本発明によれば、高い特性を有する化合物半導体太陽電池を提供することができる。

本発明の化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面図である。 図１に示す化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 図１に示す化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施例で作製したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の化合物半導体太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。 実施例で作製したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の化合物半導体太陽電池の変換効率を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜構成＞
図１に、本発明の化合物半導体太陽電池の一例の模式的な断面図を示す。図１に示す化合物半導体太陽電池においては、支持基板５１（たとえば厚さ４００μｍ）上に、金属層５０、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３（たとえば厚さ０．５μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＰからなるＢＳＦ層４２（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１（たとえば厚さ３μｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層４０（たとえば厚さ０．１μｍ）およびｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３９（たとえば厚さ０．１μｍ）がこの順序で積層されている。

ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１と、ｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層４０との接合体から第１のサブセル２０１が構成されている。

また、ｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３９の格子定数およびｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層４０の格子定数は、それぞれ、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１の格子定数と同等程度とされる。

また、ｎ型ＩｎＧａＰからなる窓層３９上には、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８（たとえば厚さ１μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３（たとえば厚さ０．２５μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２（たとえば厚さ０．２５μｍ）およびｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１（たとえば厚さ０．２５μｍ）がこの順序で積層されている。

ここで、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８、ｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７、ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６、ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５、ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４、ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３、ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２およびｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１から、グレーディングバッファ層２０２が構成されている。

なお、グレーディングバッファ層２０２は、後述する第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３から、第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１に格子定数が近づくように格子定数を段階的に変化させた層である。

また、グレーディングバッファ層２０２上には、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２８（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層２７（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層２６（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層２５（たとえば厚さ０．０５μｍ）がこの順に積層されている。

ここで、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層２７とｐ+型ＡｌＧａＡｓ層２６との接合体から、後述する第２のサブセル２０４と第１のサブセル２０１とを接続する回路素子である第１のトンネルダイオード２０３が構成されている。

また、第１のトンネルダイオード２０３上には、ｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52ＰからなるＢＳＦ層２４（たとえば厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３（たとえば厚さ３μｍ）、ｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層２２（たとえば厚さ０．１μｍ）およびｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなる窓層２１（たとえば厚さ０．０５μｍ）がこの順序で積層されている。

ここで、ｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３とｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層２２との接合体から第２のサブセル２０４が構成されている。

また、ｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなる窓層２１上には、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２０（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層１９（たとえば厚さ０．０２μｍ）、ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層１８（たとえば厚さ０．０２μｍ）およびｐ+型ＡｌＩｎＰ層１７（たとえば厚さ０．０５μｍ）がこの順に積層されている。

ここで、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層１９とｐ+型ＡｌＧａＡｓ層１８との接合体から、後述する第３のサブセル２０６と第２のサブセル２０４とを接続する回路素子である第２のトンネルダイオード２０５が構成されている。

また、ｐ+型ＡｌＩｎＰ層１７上には、ｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１６（たとえば厚さ０．０５μｍ）、ｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるベース層１５（たとえば厚さ０．７μｍ）、ｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるエミッタ層１４（たとえば厚さ０．０５μｍ）およびｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１３（たとえば厚さ０．０５μｍ）がこの順に積層されている。

ここで、ｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるベース層１５とｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるエミッタ層１４との接合体から第３のサブセル２０６が構成されている。

また、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１３上には、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２（たとえば厚さ０．５μｍ）および反射防止膜６１が形成され、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２上に電極層６２が形成されている。

図１に示す化合物半導体太陽電池においては、第３のサブセル２０６のｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるベース層１５のバンドギャップ＞第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３のバンドギャップ＞第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１のバンドギャップの関係が満たされている。

すなわち、第３のサブセル２０６のｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるベース層１５の格子定数＜第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３の格子定数＜第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１の格子定数の関係が満たされている。

また、第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１のバンドギャップエネルギは０．９ｅＶ以上１．１ｅＶ以下であることが好ましい。この場合には、上記の第３のサブセル２０６、第２のサブセル２０４および第１のサブセル２０１からなる３接合構造の図１に示す化合物半導体太陽電池の理論変換効率が４５％以上となる傾向にある。

＜製造方法＞
以下、図２〜図４の模式的断面図を参照して、図１に示す化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。

まず、図２に示すように、ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐエッチング停止層１１、コンタクト層１２、窓層１３、エミッタ層１４、ベース層１５およびＢＳＦ層１６をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によってエピタキシャル成長させる。

次に、ＢＳＦ層１６上に、ｐ+型ＡｌＩｎＰ層１７、ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層１８、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層１９およびｎ+型ＡｌＩｎＰ層２０をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。

次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２０上に、窓層２１、エミッタ層２２、ベース層２３およびＢＳＦ層２４をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。

次に、ＢＳＦ層２４上に、ｐ+型ＡｌＩｎＰ層２５、ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層２６、ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層２７およびｎ+型ＡｌＩｎＰ層２８をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。

次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２８上に、ｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１、ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２、ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３、ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４、ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５、ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６、ｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７およびｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。

次に、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８上に、窓層３９、エミッタ層４０、ベース層４１、ＢＳＦ層４２およびコンタクト層４３をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させる。

次に、図３に示すように、コンタクト層４３の表面上に、金属層５０を介して、支持基板５１を貼り付ける。

次に、図４に示すように、ＧａＡｓ基板１０１およびｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐエッチング停止層１１を酸水溶液を用いてエッチングにより除去し、コンタクト層１２の表面を露出させる。

その後、図１に示すように、コンタクト層１２の一部をエッチングして窓層１３の表面を露出させ、窓層１３の表面に反射防止膜６１を形成するとともに、コンタクト層１２の表面に電極層６２を形成する。以上により、図１に示す化合物半導体太陽電池が作製される。

＜作用効果＞
図１に示す化合物半導体太陽電池において、第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１は、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３に対して格子不整合となっている。ここで、「格子不整合」は、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３の格子定数ａ１に対する第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１の格子定数ａ２の格子不整合率が０．１％以上となっていることを意味する。ａ１に対するａ２の格子不整合率は、以下の式（Ｉ）により算出される。なお、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３の格子定数は、第１のサブセル２０１のｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１の格子定数よりも大きくなっている。
格子不整合率（％）＝｛１００×（ａ１−ａ２）｝／ａ１ …（Ｉ）

また、グレーディングバッファ層２０２を構成するそれぞれの層は、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３に対して格子不整合となっている。ここで、「格子不整合」は、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３の格子定数ａ１に対するグレーディングバッファ層２０２を構成するいずれか１層の格子定数ａ３の格子不整合率が０．１％以上となっていることを意味する。ａ１に対するａ３の格子不整合率は、以下の式（ＩＩ）により算出される。なお、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３の格子定数は、グレーディングバッファ層２０２を構成するそれぞれの層の格子定数よりも大きくなっている。
格子不整合率（％）＝｛１００×（ａ１−ａ３）｝／ａ１ …（ＩＩ）

また、グレーディングバッファ層２０２を構成する層のうち第２のサブセル２０４に最も近接するｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１と、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３との間の格子定数差が、グレーディングバッファ層２０２を構成する隣り合う２層間の格子定数差よりも大きくなっている。

ここで、「グレーディングバッファ層２０２を構成する隣り合う２層間の格子定数差」は、（i）ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８とｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７との間、（ii）ｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７とｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６との間、（iii）ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６とｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５との間、（iv）ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５とｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４との間、（v）ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４とｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３との間、（vi）ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３とｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２との間、および（vii）ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２とｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１との間のそれぞれの格子定数差を意味する。

さらに、グレーディングバッファ層２０２を構成する層のうち第１のサブセル２０１に最も近接するｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８の厚さが１．５μｍ以上２μｍ以下とされている。

以上の構成を有する図１に示す化合物半導体太陽電池においては、グレーディングバッファ層２０２が、厚さ１．５μｍ以上２μｍ以下の厚膜化されたｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８を有しており、グレーディングバッファ層２０２のエピタキシャル成長中に発生した転位をグレーディングバッファ層２０２内に留めることができる。そのため、グレーディングバッファ層２０２上にエピタキシャル成長する第１のサブセル２０１中の転位やその他の結晶欠陥を低減することができるため、高い特性を有する化合物半導体太陽電池を得ることができる。

なお、上記においては、第１のサブセル２０１のベース層として、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１を用いたが、第１のサブセル２０１のベース層としてはＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０．２５≦ｘ≦０．３）の式で表わされる化合物半導体層を用いることが好ましい。この場合には、第１のサブセル２０１を１ｅＶ程度のバンドギャップを有するサブセルとすることができる。

また、上記においては、グレーディングバッファ層２０２としてｎ型ＩｎＧａＰ層を用いたが、グレーディングバッファ層２０２としてはＩｎ_yＧａ_1-yＰ（０．４８≦ｙ≦０．８）の式で表わされる化合物半導体層を用いることが好ましい。この場合には、グレーディングバッファ層２０２上に結晶性に優れた第１のサブセル２０１を形成することができる。

また、グレーディングバッファ層２０２を構成する層のうち第２のサブセル２０４に最も近接するｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１と、第２のサブセル２０４のｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３との間の格子定数差は、０．１９ｎｍ以上０．４４ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、電気特性に優れた第１のサブセル２０１を形成できる傾向にある。

また、グレーディングバッファ層２０２を構成する層のうち、第１のサブセル２０１に最も近接するｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８以外の層（ｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１、ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２、ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３、ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４、ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５、ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６およびｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７）の厚さは、それぞれ、０．２５μｍ以上０．３２μｍ以下であることが好ましい。この場合には、結晶性に優れた第１のサブセル２０１を形成できる傾向にある。

グレーディングバッファ層２０２を構成する層は、８層以上であることが好ましい。この場合には、グレーディングバッファ層２０２のエピタキシャル成長中に発生した転位をグレーディングバッファ層２０２内に留める傾向が大きくなるため、グレーディングバッファ層２０２上に結晶性に優れた第１のサブセル２０１を形成することができる。

＜サンプルの作製＞
まず、図２に示すように、直径１００ｍｍのＧａＡｓ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、このＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓと選択エッチングが可能なｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるエッチング停止層１１、厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２、厚さ０．０５μｍのｎ型ＡｌＩｎＰからなる窓層１３、厚さ０．０５μｍのｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるエミッタ層１４、厚さ０．７μｍのｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるベース層１５および厚さ０．０５μｍのｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１６をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

次に、厚さ０．０５μｍのｐ型ＡｌＩｎＰからなるＢＳＦ層１６上に、厚さ０．０５μｍのｐ+型ＡｌＩｎＰ層１７、厚さ０．０２μｍのｐ+型ＡｌＧａＡｓ層１８、厚さ０．０２μｍのｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層１９および厚さ０．０５μｍのｎ+型ＡｌＩｎＰ層２０をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２０上に、厚さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなる窓層２１、厚さ０．０５μｍのｎ型ＧａＡｓからなるエミッタ層２２、厚さ３μｍのｐ型ＧａＡｓからなるベース層２３、および厚さ０．１μｍのｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52ＰからなるＢＳＦ層２４をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

次に、ｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52ＰからなるＢＳＦ層２４上に、厚さ０．０５μｍのｐ+型ＡｌＩｎＰ層２５、厚さ０．０２μｍのｐ+型ＡｌＧａＡｓ層２６、厚さ０．０２μｍのｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層２７および厚さ０．０５μｍのｎ+型ＡｌＩｎＰ層２８をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

次に、ｎ+型ＡｌＩｎＰ層２８上に、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層３１、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３２、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層３３、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層３４、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層３５、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層３６、厚さ０．２５μｍのｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層３７、およびｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させた。

次に、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８上に、厚さ０．１μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層３９、厚さ０．１μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓからなるエミッタ層４０、厚さ３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓからなるベース層４１、厚さ０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＰからなるＢＳＦ層４２および厚さ０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。

ここで、ＧａＡｓの形成にはＡｓＨ₃（アルシン）およびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を用い、ＩｎＧａＰの形成にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ₃（ホスフィン）を用い、ＩｎＧａＡｓの形成にはＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ₃を用い、ＡｌＩｎＰの形成にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ₃を用い、ＡｌＧａＡｓの形成には、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ₃を用い、ＡｌＩｎＧａＡｓの形成には、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ₃を用いた。

次に、図３に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面上に、たとえばＡｕ／Ａｇの積層体からなる金属層５０を形成し、その後、金属層５０により支持基板５１を貼り付けた。

次に、図４に示すように、ＧａＡｓ基板１０１をアルカリ水溶液にてエッチングした後に、ｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるエッチング停止層１１を酸水溶液にてエッチングした。

次に、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、コンタクト層１２の一部をアルカリ水溶液によりエッチングした。そして、図１に示すように、コンタクト層１２の表面上に再度フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、真空蒸着装置を用いて、たとえばＡｕＧｅ（１２％）／Ｎｉ／Ａｕ／Ａｇの積層体からなる電極層６２を形成した。

次に、窓層１３の表面上に、真空蒸着法により、ＴｉＯ₂膜およびＡｌ₂Ｏ₃膜の積層体を形成して反射防止膜６１を形成した。これにより、化合物半導体太陽電池の受光面が化合物半導体の成長方向と反対側に位置する図１に示す化合物半導体太陽電池を得た。

上記の化合物半導体太陽電池としては、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類を作製した。なお、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類の化合物半導体太陽電池は、それぞれ、ｎ型ＩｎＧａＰ層３８の膜厚を変更したこと以外は他のすべての条件を一定にして作製した。

すなわち、下記の表１に示すように、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類の化合物半導体太陽電池は、それぞれ、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８の膜厚が、０．５μｍ（サンプルＮｏ．１）、１μｍ（サンプルＮｏ．２）、１．５μｍ（サンプルＮｏ．３）および２μｍ（サンプルＮｏ．４）であった。

＜実験＞
サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類の化合物半導体太陽電池のそれぞれの作製の途中において最表面に露出したｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面状態を金属顕微鏡で観察した。その結果を表１に示す。

表１における表面状態の評価Ａおよび評価Ｂは、それぞれ、以下の表面状態を表わしている。
Ａ…ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面状態が良好。
Ｂ…ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面状態が不良。

また、ＭＯＣＶＤ法によるｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の成長終了後、図２に示す段階で、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて、第１のサブセル２０１の断面観察を行った。

また、上記のサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類の化合物半導体太陽電池のそれぞれに１.３７ｋＷ／ｍ²の強度の光（ＡＭ０のソーラーシミュレータ）を照射して、電流−電圧特性を測定した。その結果を図５に示す。図５の縦軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）を示し、横軸が電圧（Ｖ）を示す。

さらに、図５に示す電流−電圧曲線から、上記のサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種類の化合物半導体太陽電池のそれぞれの変換効率（％）を算出した。その結果を図６に示す。

＜評価＞
表１に示すように、サンプルＮｏ．３およびＮｏ．４の化合物半導体太陽電池は、サンプルＮｏ．１およびＮｏ．２の化合物半導体太陽電池と比べて、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面状態が良好であった。

また、図５および図６に示すように、サンプルＮｏ．３およびＮｏ．４の化合物半導体太陽電池は、サンプルＮｏ．１およびＮｏ．２の化合物半導体太陽電池と比べて、開放電圧および変換効率の特性に優れることが確認された。これは、サンプルＮｏ．３およびＮｏ．４の化合物半導体太陽電池においては、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８が厚いため、グレーディングバッファ層２０２で形成された転位をエミッタ層４０およびベース層４１に伝達させることなく、グレーディングバッファ層２０２内で閉じ込めることができたためと考えられる。

また、サンプルＮｏ．３およびＮｏ．４の化合物半導体太陽電池においては、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８の厚さが、１．５μｍ以上２μｍ以下であるため、変換効率の特性がさらに優れたものになったと考えられる。

なお、図５および図６に示すように、サンプルＮｏ．３およびＮｏ．４の化合物半導体太陽電池の特性はあまり変わらなかったことから、化合物半導体太陽電池の特性の向上のためには、ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８の厚さは、１．５μｍ以上であればよいものと考えられる。

さらに、金属顕微鏡によるｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層４３の表面状態の観察結果では、サンプルＮｏ．１およびＮｏ．２においては、その表面に微小なワレ状物質が形成されていた。また、サンプルＮｏ．１およびＮｏ．２においては、ＴＥＭによる第１のサブセル２０１の断面観察において、第１のサブセル２０１に貫通転位が発見された。以上の観察結果からも、厚膜のｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８を用いた場合には、第１のサブセル２０１への貫通転位の進入が妨げられていることを示唆している。

以上より、本実施例によれば、図１に示す構成の三接合型化合物半導体太陽電池のｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層３８の厚さを１．５μｍ以上とすることによって、グレーディングバッファ層２０２で発生した、サブセル間の格子定数の差に起因した転位を、グレーディングバッファ層２０２内に留めることができるため、サブセル間に格子不整合が生じている場合であっても、結晶欠陥の少ない化合物半導体太陽電池を作製することができ、変換効率をさらに高めることができることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、化合物半導体太陽電池に利用することができる。

１１ エッチング停止層、１２ コンタクト層、１３ 窓層、１４ エミッタ層、１５ ベース層、１６ ＢＳＦ層、１７ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、１８ ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層、１９ ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層、２０ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、２１ 窓層、２２ エミッタ層、２３ ベース層、２４ ＢＳＦ層、２５ ｐ+型ＡｌＩｎＰ層、２６ ｐ+型ＡｌＧａＡｓ層、２７ ｎ+型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層、２８ ｎ+型ＡｌＩｎＰ層、３１ ｎ型Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層、３２ ｎ型Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層、３３ ｎ型Ｉｎ_0.61Ｇａ_0.39Ｐ層、３４ ｎ型Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ｐ層、３５ ｎ型Ｉｎ_0.68Ｇａ_0.32Ｐ層、３６ ｎ型Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ｐ層、３７ ｎ型Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｐ層、３８ ｎ型Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐ層、３９ ｎ型ＩｎＧａＰ層、４０ エミッタ層、４１ ベース層、４２ ＢＳＦ層、４３ コンタクト層、５０ 金属層、５１ 支持基板、６１ 反射防止膜、６２ 電極層、１０１ ＧａＡｓ基板、２０１ 第１のサブセル、２０２ グレーディングバッファ層、２０３ 第１のトンネルダイオード、２０４ 第２のサブセル、２０５ 第２のトンネルダイオード、２０６ 第３のサブセル。

Claims (6)

1. 第１の化合物半導体層を含む第１のサブセルと、
   前記第１のサブセル上に設けられた、第２の化合物半導体層を含む第２のサブセルと、
   前記第２のサブセル上に設けられた、第３の化合物半導体層を含む第３のサブセルと、
   前記第２のサブセルと前記第１のサブセルとの間に設けられた、第４の化合物半導体層を含むグレーディングバッファ層と、を備え、
   前記第２の化合物半導体層の格子定数は、前記第１の化合物半導体層の格子定数および前記第４の化合物半導体層の格子定数よりも小さく、
   前記第２の化合物半導体層の前記格子定数に対する前記第１の化合物半導体層の前記格子定数の格子不整合率は、０．１％以上であり、
   前記第２の化合物半導体層の前記格子定数に対する前記第４の化合物半導体層の前記格子定数の格子不整合率は、０．１％以上であって、
   前記グレーディングバッファ層を構成する層のうち前記第２のサブセルに最も近接する層と前記第２の化合物半導体層との間の格子定数差が、前記グレーディングバッファ層を構成する隣り合う２層間の格子定数差よりも大きく、
   前記グレーディングバッファ層を構成する層のうち前記第１のサブセルに最も近接する層の厚さが、１．５μｍ以上２μｍ以下である、化合物半導体太陽電池。
2. 前記第１の化合物半導体層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０．２５≦ｘ≦０．３）の式で表わされる化合物半導体層である、請求項１に記載の化合物半導体太陽電池。
3. 前記第４の化合物半導体層は、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ（０．４８≦ｙ≦０．８）の式で表わされる化合物半導体層である、請求項１または２に記載の化合物半導体太陽電池。
4. 前記グレーディングバッファ層を構成する層のうち前記第２のサブセルに最も近接する前記層と前記第２の化合物半導体層との間の前記格子定数差が、０．１９ｎｍ以上０．４４ｎｍ以下である、請求項１から３のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
5. 前記グレーディングバッファ層を構成する層の厚さは、前記第１のサブセルに最も近接する前記層を除き、０．２５μｍ以上０．３２μｍ以下である、請求項１から４のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。
6. 前記グレーディングバッファ層は８層以上で構成される、請求項１から５のいずれかに記載の化合物半導体太陽電池。

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