JP3368822B2

JP3368822B2 - 太陽電池

Info

Publication number: JP3368822B2
Application number: JP07097698A
Authority: JP
Inventors: 知理長島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 2003-01-20
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: JPH11274532A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池、特に異な
るバンドギャップを有する単位太陽電池を積層したタン
デム型の太陽電池の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】異なるバンドギャップを有する単位太陽
電池を積層することにより、広い波長域で光電変換効率
を向上させたタンデム型太陽電池が知られている。特開
平４−２２６０８４号公報にも、このようなタンデム型
の太陽電池が開示されている。

【０００３】図９には、このような従来のタンデム型太
陽電池の断面図が示される。図９において、太陽電池１
０は、光入射側（図の上側）の単位太陽電池である上部
セル１２と、裏面側の単位太陽電池である下部セル１４
との間に、トンネルダイオード１６が挟み込まれた構造
となっている。また、光入射側には上部電極１８が、裏
面側には下部電極２０がそれぞれ設けられている。この
ようなタンデム型の太陽電池においては、一般に上部セ
ルにバンドギャップ（Ｅｇ）の大きい太陽電池を使用
し、下部セルとしてバンドギャップの小さい太陽電池が
使用される。

【０００４】図１０には、図９に示された太陽電池のＤ
の破線に沿ったバンド構造が示される。図１０に示され
るように、上部セル１２と下部セル１４とでは、それぞ
れのバンドレベルに隔たりがあるので、上部セル１２と
下部セル１４との接合面で電子及び正孔のキャリア移動
が妨げられる。このため、この接合部分にトンネルダイ
オード１６を配置し、接合部分でのキャリアの移動を可
能としている。これにより、上部セル１２と下部セル１
４とが直列接続された状態となっている。この結果、全
体として１つの太陽電池として機能することが可能とな
る。以上のような構成とすることにより、上部セル１２
及び下部セル１４で吸収される光の波長を異ならせるこ
とができるので、吸収できる光の波長の範囲が広くな
り、光電変換効率を向上させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９に示され
た従来の太陽電池１０においては、上部セル１２と下部
セル１４とが直列に接合されているため、上部セル１２
と下部セル１４とで流れる電流を等しくする必要があ
る。したがって、図９に示された太陽電池１０において
は、上部セル１２と下部セル１４の厚さを、２つのセル
で発生するキャリアの量が等しく、流れる電流量が整合
する厚さとする必要がある。従って、光電変換効率にと
って最も好適な厚さとすることができないという問題が
あった。

【０００６】さらに、上部セル１２と下部セル１４との
間にトンネルダイオード１６が存在するが、このトンネ
ルダイオード１６での抵抗損失やキャリアの再結合損失
が多いという問題もあった。

【０００７】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、太陽電池の厚さを光電変換効
率にとって最も有利な厚さとでき、かつキャリア再結合
損失を低減することができる太陽電池を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、異なるバンドギャップを有する単位太陽
電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、太陽電
池の光入射面に設けられ、光入射側の単位太陽電池の一
方の電極となる上部電極と、太陽電池の裏面に設けら
れ、この裏面側に形成されたｎ層とｐ層とにそれぞれ独
立して接続されて光入射側の単位太陽電池の他方の電極
と裏面側の単位太陽電池の一対の電極とに兼用される裏
面電極と、を備えることを特徴とする。

【０００９】また、上記太陽電池において、異なるバン
ドギャップを有する単位太陽電池の間に多重量子井戸層
を形成したことを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。

【００１１】実施形態１．図１には本発明に係る太陽電
池の構成の断面図が示される。図１において、太陽電池
１０は、バンドギャップ（Ｅｇ）の広い半導体材料で構
成される単位太陽電池である上部セル１２とバンドギャ
ップの狭い半導体材料で構成される単位太陽電池である
下部セル１４とが積層されたタンデム型の構造となって
いる。上部セル１２は、ｎ⁺層、ｐ層、ｐ⁺層が積層され
て構成されており、本発明に係る光入射側の単位太陽電
池を構成する。また、その最上部に形成されたｎ⁺層に
接続されて上部電極１８が設けられている。さらに、ｎ
⁺層の上には絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４
は透明材料で構成されており、太陽光はこの絶縁膜２４
を介して太陽電池１０に入射してくる。

【００１２】また、下部セル１４は、基板となるｐ層の
裏面にｎ⁺層、ｐ⁺層が交互に設けられている。各ｎ⁺層
には負極２６が、各ｐ⁺層には正極２８がそれぞれ独立
して接続されており、本発明にかかる裏面電極を構成し
ている。これらの負極２６及び正極２８は、下部セル１
４の一対の電極を構成するとともに、上部セル１２の一
方の電極である上部電極１８に対して他方の電極として
も兼用されている。なお、下部セル１４が本発明に係る
裏面側の単位太陽電池に相当する。

【００１３】上述した上部セル１２としては、例えば材
料としてＡｌＧａＡｓを使用することができる。そのバ
ンドギャップは１．８２ｅＶである。また、この場合ｎ
⁺層のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その
厚みは０．１μｍである。また、ｐ層のドーパント濃度
は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、その厚みは１．０μｍであ
る。更に、ｐ⁺層のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3
であり、その厚みは０．１μｍである。

【００１４】また、下部セル１４の材料としては、例え
ばＳｉを使用することができる。そのバンドギャップは
１．１１ｅＶである。また、この場合ｎ⁺層のドーパン
ト濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その厚みは１．０μ
ｍである。また、ｐ層のドーパント濃度は５×１０¹³ｃ
ｍ^-3であり、その厚みは１００μｍである。更に、ｐ⁺
層のドーパント濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、その厚
みは１．０μｍである。

【００１５】なお、上部セル１２の材料としてはＩｎＧ
ａＰやＧａＡｓを使用することもできる。そのバンドギ
ャップは、それぞれ１．８８ｅＶ、１．４２ｅＶであ
る。また、下部セル１４の材料としては、ＧａＡｓも使
用することができ、そのバンドギャップは１．４２ｅＶ
である。更に、下部セル１４としてはＧｅも使用するこ
とができ、そのバンドギャップは０．６６ｅＶである。

【００１６】図２には、図１に示された破線部分Ａのバ
ンド構造が示される。また、図３には、図１に示された
破線部分Ｂのバンド構造が示される。また、図４には、
図１に示された破線部分Ｃのバンド構造が示される。こ
れらはいずれも太陽電池１０に光が照射されている場合
のバンド構造である。

【００１７】図１の破線部分Ａにおけるバンド構造は、
図２に示されるようになっているので、太陽光が太陽電
池１０に照射されると、下部セル１４中でキャリアであ
る電子と正孔が発生し、電子はｎ⁺層に移動し、下部電
極のうち負極２６に集められ、正孔はｐ⁺層に移動し、
下部電極のうち正極２８に集められる。この場合には、
発生したキャリアは、いずれも下部セル１４中のみを移
動するので、従来例のように上部セル１２と下部セル１
４とで流れる電流値を整合させる必要はない。また、ト
ンネルダイオードも不要であるのでここでのキャリア再
結合による損失も発生しない。

【００１８】図３に示されるように、図１の破線部分Ｂ
においては、上部セル１２の最下層であるｐ⁺層で伝導
帯のエネルギレベルが最も高くなる。このため、太陽光
が太陽電池１０に照射され、上部セル１２で発生した電
子は、上部電極１８に向かって移動する。また、下部セ
ル１４で発生した電子は、下部電極のうち負極２６に向
かって移動する。

【００１９】また、破線部分Ｂにおける価電子帯のエネ
ルギレベルは、破線部分Ｂにおける太陽電池１０の最上
層及び最下層であるｎ⁺層で低くなる。したがって、破
線部分Ｂに沿っては正孔が移動することができない。こ
のため、上部セル１２及び下部セル１４で発生した正孔
は、それぞれのセル中を図１の横方向に移動し、破線部
分Ｃに沿って移動することになる。

【００２０】図４に示されるように、図１の破線部分Ｃ
においては、価電子帯のエネルギレベルがフラットとな
っている。これは、上部セル１２のｐ層とｐ⁺層及び下
部セル１４のｐ層のドーパント濃度を適宜調整し、光照
射時にこれらの層の価電子帯のエネルギレベルがフラッ
トとなるように調整されているからである。図４に示さ
れた部分すなわち図１の破線部分Ｃでは、太陽電池１０
の受光面側にｎ⁺層が形成され、裏面側にｐ⁺層が形成さ
れている。このような構成により、図４に示されるよう
に、上部セル１２及び下部セル１４中で発生した正孔は
裏面側のｐ⁺層に移動していき、裏面電極のうちの正極
２８に集められる。この場合、上部セル１２で発生した
正孔は、上部セル１２と下部セル１４との界面を移動し
ていくことになる。しかし上述したように、移動経路中
でのエネルギレベルがフラットであるため、トンネルダ
イオードを使用する必要はない。

【００２１】また、破線部分Ｃにおける伝導帯のエネル
ギレベルは、上部セル１２のｐ層及びｐ⁺層と下部セル
１４のｐ⁺層とで高くなる構造となるので、下部セル１
４のｐ層中で発生した電子は図１の破線部分Ｃに沿って
移動することができない。このため、ここで発生した電
子は、下部セル１４中を図１の横方向に移動し、破線部
分Ｂに沿って移動することになる。なお、上部セル１２
のｐ層及びｐ⁺層で発生した電子については上部セル１
２のｎ⁺層に向かって移動し、上部電極１８で集められ
ることになる。

【００２２】以上のとおり、下部セル１４の裏面側に設
けられた負極２６及び正極２８は、下部セル１４の一対
の電極として機能するとともに、正極２８が、上部セル
１２に設けられた一方電極としての上部電極１８に対し
て上部セル１２の他方電極としても機能している。この
ような構成としたことにより、下部セル１４中で発生し
た電子は負極２６に、正孔は正極２８にそれぞれ集めら
れる。また、上部セル１２で発生した電子については、
破線部分Ｂに沿って上部セル１２のｎ⁺層に移動し、上
部電極１８に集められる。更に、上部セル１２及び下部
セル１４で発生した正孔については、破線部分Ｃに沿っ
て下部セル１４のｐ⁺層に移動し、正極２８に集められ
る。このように、本実施形態に係る太陽電池１０では、
２つの単位太陽電池である上部セル１２及び下部セル１
４が積層されているが、通常の直列接合の構造ではない
ため、上部セル１２と下部セル１４とで電流値を整合さ
せる必要がない。このため、各セルの厚みを光吸収効率
にとって最も都合のよい厚みとすることができ、光電変
換効率を向上させることができる。

【００２３】また、上部セル１２の上部と下部セル１４
の下部とにｎ⁺層を設けたので、各セルで発生した電子
はそれぞれのセルのｎ⁺層に移動し、光入射側の上部電
極１８及び裏面側の負極２８に集められる。このため、
少数キャリアである電子の移動距離を短くでき、再結合
損失を低減できる。

【００２４】さらに、通常の直列接続されたタンデム型
の太陽電池のように、エネルギ障壁をキャリアが通過す
る必要はなく、このためのトンネルダイオードも不要と
なっている。このため、余分なトンネルダイオードを形
成する必要もなく、またこのトンネルダイオードでの抵
抗損失及びキャリア再結合による損失も防止することが
できる。

【００２５】なお、本実施形態においては、太陽電池を
形成する基板としてｐ型基板を使用しているが、これを
ｎ型の基板とすることも可能である。この場合には、上
述した伝導帯と価電子帯の関係及び電子と正孔との関係
が逆の挙動となるが、機能的には同じものを実現するこ
とができる。

【００２６】実施形態２．図５には、本発明に係る太陽
電池の実施形態２の断面図が示される。図５において、
上部セル１２の最下層には、バンドギャップの異なる２
種類の薄膜を積層した多重量子井戸層２２が形成されて
いる。この多重量子井戸層２２は、そのサブバンド間励
起を利用し、太陽電池において光電変換効率を向上させ
る手段として用いられる。ただし、従来はこの多重量子
井戸層２２をｐｎ接合間に形成した形で用いられていた
が、本実施形態においては、上部セル１２と下部セル１
４との間に形成した形となっている。これは、太陽電池
１０内で発生するキャリアのうち特に少数キャリアが多
重量子井戸層２２を通過しないで済むようにし、この多
重量子井戸層２２における少数キャリアの再結合損失を
防止するためである。本実施形態では、この多重量子井
戸層２２が上部セル１２と下部セル１４との間に設けら
れた点を除いては、図１に示された実施形態１の太陽電
池と同じ構成となっている。

【００２７】上記多重量子井戸層２２は、例えば、バン
ドギャップの広い材料としては、ＡｌＧａＡｓを使用す
ることができる。そのバンドギャップ（Ｅｇ）は１．８
２ｅＶである。また、この場合ドーパント濃度は１×１
０¹⁶ｃｍ^-3であり、その厚みは２０ｎｍである。また、
バンドギャップの狭い材料としては、ＧａＡｓを使用す
ることができる。そのバンドギャップは１．４２ｅＶで
ある。この場合ドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であ
り、その厚みは１０ｎｍである。

【００２８】また、その他に、バンドギャップの広い材
料として、ＧａＡｓも使用することができる。そのバン
ドギャップは１．４２ｅＶである。この場合ドーパント
濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、その厚みは３０ｎｍで
ある。また、バンドギャップの狭い材料として、ＩｎＧ
ａＡｓも使用することができる。そのバンドギャップは
１．２５ｅＶである。この場合ドーパント濃度は１×１
０¹⁶ｃｍ^-3であり、その厚みは１５ｎｍである。

【００２９】図６には、図５に示された破線部分Ａのバ
ンド構造が示される。また、図７には、図５に示された
破線部分Ｂのバンド構造が示される。また、図８には、
図５に示された破線部分Ｃのバンド構造が示される。こ
れらはいずれも太陽電池１０に光が照射されている場合
のバンド構造である。

【００３０】図６において、図５の破線部分Ａのバンド
構造は、図２に示された実施形態１のものと同じであ
る。したがって、下部セル１４中で発生した電子はｎ⁺
層に移動し、負極２６に集められる。また、正孔は、ｐ
⁺層に移動し、正極２８に集められる。

【００３１】図７に示されるように、図５の破線部分Ｂ
においては、伝導体のエネルギレベルは、上部セル１２
のｐ層と多重量子井戸層２２とで最も高くなる。このた
め、上部セル１２のｐ層と多重量子井戸層２２とで発生
した電子は、上部セル１２のｎ⁺層に移動し、上部電極
１８に集められる。また、下部セル１４中で発生した電
子は、多重量子井戸層２２でのエネルギ障壁が高いの
で、下部セル１４の裏面に設けられたｎ⁺層に移動し、
裏面電極のうち負極２６に集められる。このように、本
実施形態においても、太陽電池１０の光入射側の面及び
裏面にｎ⁺層が形成されており、上部セル１２で発生し
た電子は光入射側のｎ⁺層に、下部セル１４中で発生し
た電子は裏面側のｎ⁺層に移動することになる。このた
め、少数キャリアである電子は、キャリア再結合損失の
大きい多重量子井戸層２２を通過しないで済む。また、
電子の移動距離も短くすることができる。これにより太
陽電池１０の発電効率を向上させることができる。

【００３２】なお、破線部分Ｂの価電子帯のエネルギレ
ベルは、図７に示されるように、太陽電池１０の両面の
ｎ⁺層で低くなり、その間のｐ層、多重量子井戸層２２
で高くなっている。このため、上部セル１２及び下部セ
ル１４で発生した正孔については図５の破線部分Ｂに沿
って移動することはできない。したがって、それぞれの
セル中を図５の横方向に移動し、破線部分Ｃに沿って移
動することとなる。

【００３３】図８に示されるように、図５の破線部分Ｃ
においては、上部セル１２のｐ層と多重量子井戸層２２
と下部セル１４のｐ層の価電子帯のエネルギレベルがフ
ラットとなる。これも、図４で説明したとおり、各層の
ドーパント濃度を適宜調整することにより実現できる。
このため、上部セル１２、多重量子井戸層２２、下部セ
ル１４で発生した正孔は、下部セル１４の裏面側に形成
されたｐ⁺層に移動し、正極２８に集められる。この場
合、上部セル１２で発生した正孔も、多重量子井戸層２
２を通過することになるが、本実施形態では多重量子井
戸層２２はｐ層で形成されており、多数キャリアである
正孔の場合には再結合損失が小さいので、特に問題とは
ならない。

【００３４】また、破線部分Ｃの伝導帯のエネルギレベ
ルは、図８に示されるように、上部セルのｐ層と多重量
子井戸層２２とで高くなり、また下部セル１４のｐ⁺層
でも高くなる。このため、下部セル１４の中で発生した
電子は、上部セル１２に形成されたｎ⁺層に向かって移
動することはできない。したがって、下部セル１４で発
生した電子は、図５の横方向に移動し、破線部分Ｂに沿
って下部セル１４のｎ⁺層に移動し、負極２６に集めら
れることとなる。なお、上部セル１２で発生した電子
は、上部セル１２に設けられたｎ⁺層に向かって移動
し、上部電極１８に集められる。

【００３５】上述したように、本実施形態でも、上部セ
ル１２及び下部セル１４で発生した少数キャリアである
電子は、いずれも再結合損失の大きい多重量子井戸層２
２を通過しないで済む構成となっているので、電子が再
結合損失で低減することを防止できる。これにより発電
効率を向上することができる。また、上部セル１２で発
生した正孔は、上述のように多重量子井戸層２２を通過
するが、正孔は本実施形態では多数キャリアであり、価
電子帯のエネルギレベル差も小さいため、再結合損失は
少ない。このように、キャリアの再結合損失が少ないう
え、多重量子井戸層２２の効果により、光電変換効率を
向上させることができ、本実施形態に係る太陽電池１０
の発電効率をより向上させることができる。

【００３６】なお、本実施形態においても、太陽電池を
形成する基板としてｐ型基板を使用しているが、これを
ｎ型の基板とすることも可能である。この場合には、上
述した伝導帯と価電子帯の関係及び電子と正孔との関係
が逆の挙動となるが、機能的には同じものを実現するこ
とができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バンドギャップの異なるそれぞれの単位太陽電池で発生
する少数キャリアは、それぞれ発生した単位太陽電池内
のみを移動するだけであるので、再結合損失を大幅に低
減することができる。また、それぞれの単位太陽電池
は、直列接合の構造となっておらず、各単位太陽電池毎
にキャリアを取り出せるので、各単位太陽電池内を流れ
る電流値を整合させる必要がない。このため、各単位太
陽電池を光電変換効率の最もよい厚さに形成することが
でき、この点でも発電効率を向上させることができる。

【００３８】また、各単位太陽電池の間に、多重量子井
戸層を形成することにより、更に光電変換効率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る太陽電池の実施形態１の断面図
である。

【図２】図１に示された破線部分Ａのバンド構造を示
す図である。

【図３】図１に示された破線部分Ｂのバンド構造を示
す図である。

【図４】図１に示された破線部分Ｃのバンド構造を示
す図である。

【図５】本発明に係る太陽電池の実施形態２の断面図
である。

【図６】図５に示された破線部分Ａのバンド構造を示
す図である。

【図７】図５に示された破線部分Ｂのバンド構造を示
す図である。

【図８】図５に示された破線部分Ｃのバンド構造を示
す図である。

【図９】従来におけるタンデム型太陽電池の構造を示
す断面図である。

【図１０】図９に示されたタンデム型太陽電池のバン
ド構造を示す図である。

【符号の説明】

１０太陽電池、１２上部セル、１４下部セル、１
６トンネルダイオード、１８上部電極、２０下部
電極、２２多重量子井戸層、２４絶縁膜、２６負
極、２８正極。

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−225372（ＪＰ，Ａ) 特開平３−206670（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−201670（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−1268（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−113481（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−222469（ＪＰ，Ａ) 特開平３−181180（ＪＰ，Ａ) 特開平８−204214（ＪＰ，Ａ) 特開平９−199742（ＪＰ，Ａ) 特開平４−27169（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】異なるバンドギャップを有する単位太陽
電池を積層したタンデム型の太陽電池であって、前記太陽電池の光入射面に設けられ、光入射側の前記単
位太陽電池の一方の電極となる上部電極と、前記太陽電池の裏面に設けられ、この裏面側に形成され
たｎ層とｐ層とにそれぞれ独立して接続されて前記光入
射側の単位太陽電池の他方の電極と裏面側の前記単位太
陽電池の一対の電極とに兼用される裏面電極と、を備え
ることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】請求項１記載の太陽電池において、前記
異なるバンドギャップを有する単位太陽電池の間に多重
量子井戸層を形成したことを特徴とする太陽電池。