JPH09162432A - Solar battery - Google Patents

Solar battery

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JPH09162432A
JPH09162432A JP7344818A JP34481895A JPH09162432A JP H09162432 A JPH09162432 A JP H09162432A JP 7344818 A JP7344818 A JP 7344818A JP 34481895 A JP34481895 A JP 34481895A JP H09162432 A JPH09162432 A JP H09162432A
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JP
Japan
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well
layer
energy
quantum well
solar cell
Prior art date
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Pending
Application number
JP7344818A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Ueda
孝 上田
Nagayasu Yamagishi
長保 山岸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
Priority to JP7344818A priority Critical patent/JPH09162432A/en
Publication of JPH09162432A publication Critical patent/JPH09162432A/en
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To excite the carriers at a well part at high probability by making the band gap energy of a quantum well have energy band structure which increases by stages toward the barriers on both sides. SOLUTION: The band gap energy within a well layer increases by stages Eg2 and Eg1 from a well part W1 to a well part W2, toward the barrier shown by band gap energy Eg. Therefore, even if the energy difference (Eg-Eg) between the well part W1 and the barrier is large, the stage of small energy difference which is relatively easily excited by light or heat is made by the well part W2 at the middle stage, so the carriers at the well part W1 can be excited in the well part W2 relatively easily, that is, at high probability.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料からな
るpn接合で構成された太陽電池に関し、特に、化合物
半導体材料を用いて製造するのに好適な太陽電池に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell composed of a pn junction made of a semiconductor material, and more particularly to a solar cell suitable for manufacturing using a compound semiconductor material.

【0002】[0002]

【従来の技術】Siのような元素半導体に比較して、例え
ば、GaAsのような化合物半導体は、そのバンドギャップ
エネルギーが太陽光線のスペクトル分布から見て最適値
に近いことから、効率の高い太陽電池を得る上で有利で
ある。このことから、化合物半導体の結晶成長技術の向
上に伴い、太陽電池の半導体材料として、化合物半導体
が多用されつつある。
2. Description of the Related Art In comparison with elemental semiconductors such as Si, the bandgap energy of compound semiconductors such as GaAs, for example, is close to the optimum value in view of the spectral distribution of the sun's rays. It is advantageous in obtaining a battery. From this, with the improvement of the crystal growth technique for compound semiconductors, compound semiconductors are being widely used as semiconductor materials for solar cells.

【0003】このような化合物半導体のpn接合からな
る太陽電池の変換効率のさらなる向上のために、使用す
る半導体材料の種類によって決まる所定のバンドギャッ
プ波長よりも長波長側の光を吸収して、これを電流に変
換するための量子井戸構造を太陽電池に採用することが
提案されている。量子井戸構造では、エネルギーバンド
構造で見て、所定のバンドギャップエネルギーより小さ
なバンドギャップエネルギーの量子井戸が規定される。
この量子井戸で、所定のバンドギャップ波長の光よりも
小さなエネルギーを有する長波長側の光を吸収すること
ができる。このことから、所定のバンドギャップ波長の
光よりも高いエネルギーを有する光の吸収で励起された
キャリアに加えて、長波長側の光の吸収によっても、量
子井戸で電子および正孔のようなキャリアが生成され
る。
In order to further improve the conversion efficiency of such a solar cell comprising a pn junction of a compound semiconductor, light having a wavelength longer than a predetermined bandgap wavelength determined by the type of semiconductor material used is absorbed, It has been proposed to employ a quantum well structure for converting this into current in a solar cell. In the quantum well structure, a quantum well having a bandgap energy smaller than a predetermined bandgap energy is defined in the energy band structure.
This quantum well can absorb light on the long wavelength side having energy smaller than that of light having a predetermined bandgap wavelength. Therefore, in addition to the carriers excited by the absorption of light having a higher energy than that of light of a predetermined band gap wavelength, the absorption of light on the long wavelength side also causes carriers such as electrons and holes in the quantum well. Is generated.

【0004】そのため、理論上は、量子井戸構造を有す
る太陽電池は、量子井戸構造を有しないものよりも高い
効率を示すはずであるが、それより低い効率しか得られ
ていないのが現状である。その理由として、伝導帯を電
極へ向けて流れる電子あるいは価電子帯を電極へ向けて
流れる正孔のようなキャリアが、量子井戸構造の井戸に
落ち込み、また、この量子井戸に落ち込んだキャリアお
よび量子井戸で生成されたキャリアの大多数が、量子井
戸構造の障壁を越えて電極に到達することなく、すなわ
ち電流として機能することなく、量子井戸で再結合して
消滅すると考えられる。
Therefore, in theory, a solar cell having a quantum well structure should have higher efficiency than one having no quantum well structure, but at present the efficiency is lower than that. . The reason is that carriers such as electrons flowing in the conduction band toward the electrode or holes flowing in the valence band toward the electrode fall into the well of the quantum well structure, and the carriers and quantum It is considered that the majority of carriers generated in the well recombine and disappear in the quantum well without reaching the electrode across the barrier of the quantum well structure, that is, without functioning as a current.

【0005】このような量子井戸でのキャリアの消滅を
低減させるために、例えば、J. Appl. Phys.67(7)
p3490〜3493、1、April 、1990にK. W.
J. Barnham氏等により、多重量子井戸構造における障壁
の厚さを順次小さくして量子井戸幅を小さくし、これに
より各井戸のエネルギーレベルを全体的に上げること等
が提案されているが、実現することが技術的に困難であ
ったり、また実現不可能なものであった。
In order to reduce the disappearance of carriers in such a quantum well, for example, J. Appl. Phys. 67 (7).
p3490-3493, 1, April, 1990 KW
It has been proposed by J. Barnham and others that the barrier thickness in the multiple quantum well structure is successively reduced to reduce the quantum well width, thereby increasing the energy level of each well as a whole. It was technically difficult or impossible to do.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、量
子井戸構造を有する太陽電池の効率の向上を図ることを
企図する。
Therefore, the present invention intends to improve the efficiency of a solar cell having a quantum well structure.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には、
量子井戸構造の井戸のキャリアがこの量子井戸の障壁を
乗り越える確率を高めるために、量子井戸のバンドギャ
ップエネルギーを障壁へ向けて段階的に増大させるとい
う構想に立脚する。 〈構成〉ために、本発明の太陽電池は、半導体材料から
なるpn接合で構成され、エネルギーバンド構造に量子
井戸構造を備え、そのエネルギーバンド構造で見て、量
子井戸のバンドギャップエネルギーが両側の障壁へ向け
て段階的に増大することを特徴とする(請求項1に対
応)。本発明の太陽電池の具体的な構成として、エネル
ギーバンドの量子井戸における隣接部分のバンドギャッ
プエネルギー段差を0.1eV以下とすることが望まし
い(請求項2に対応)。また、本発明の太陽電池の具体
的な構成として、量子井戸構造はバンドギャップエネル
ギーを異にする化合物半導体を積層して構成することが
望ましい(請求項3に対応)。
Means for Solving the Problems The present invention basically comprises:
In order to increase the probability of carriers in the well of the quantum well structure surmounting the barrier of the quantum well, the concept is to gradually increase the bandgap energy of the quantum well toward the barrier. For the purpose of <construction>, the solar cell of the present invention is composed of a pn junction made of a semiconductor material and has a quantum well structure in the energy band structure. It is characterized by gradually increasing toward the barrier (corresponding to claim 1). As a specific configuration of the solar cell of the present invention, it is desirable that the band gap energy level difference of the adjacent portion in the quantum well of the energy band is 0.1 eV or less (corresponding to claim 2). As a specific configuration of the solar cell of the present invention, it is desirable that the quantum well structure is formed by stacking compound semiconductors having different band gap energies (corresponding to claim 3).

【0008】〈作用〉図1は、本発明の基本原理を説明
するエネルギーバンド構造の説明図である。このバンド
構造を示す説明図に沿って、本発明の作用を説明する
に、p型半導体およびn型半導体によって形成されるp
n接合により、p型領域(p)およびn型領域(n)間
には、遷移領域Tが形成されている。Evは価電子帯を
示し、Ecは伝導帯を示す。遷移領域Tには、p型およ
びn型の両半導体のバンドギャップエネルギーEgより
も小さなバンドギャップエネルギーを有する井戸Wが形
成されている。井戸Wは、バンドギャップエネルギーE
gよりも小さなバンドギャップエネルギーEg1 を有す
る一対の井戸部分W1 および両井戸部分W1 にそのバン
ドギャップエネルギーEg1 よりもさらに小さなバンド
ギャップエネルギーEg2 を有する井戸部分W2 からな
る。
<Operation> FIG. 1 is an explanatory view of an energy band structure for explaining the basic principle of the present invention. In order to explain the operation of the present invention with reference to an explanatory view showing this band structure, p formed by a p-type semiconductor and an n-type semiconductor will be described.
The n-junction forms a transition region T between the p-type region (p) and the n-type region (n). Ev represents a valence band and Ec represents a conduction band. In the transition region T, a well W having a bandgap energy smaller than the bandgap energy Eg of both p-type and n-type semiconductors is formed. Well W has band gap energy E
It comprises a pair of well portions W 1 having a bandgap energy Eg 1 smaller than g and both well portions W 1 have a well portion W 2 having a bandgap energy Eg 2 smaller than the bandgap energy Eg 1 .

【0009】この最も深い井戸部分W2 から見て、中段
部である井戸部分W1 が無いと仮定すると、井戸部分W
2 から見た障壁は、バンドギャップエネルギーEgとバ
ンドギャップエネルギーEg2 との差に応じた比較的大
きな値となるが、中段部である井戸部分W1 が設けられ
ていることから、障壁の高さはその中間の段数に応じて
小さな値に分割されることとなる。井戸部分W2 内で生
成されあるいはこれに落ち込んだキャリアが光の吸収に
よって中段の井戸部分W1 に励起され、あるいは中段の
井戸部分W1 で励起されたキャリアをも含んでこの中段
の井戸部分W2 から伝導帯Ecあるいは価電子帯Evに
励起される確率は、光の吸収によってキャリアが井戸部
分W2 から伝導帯Ecあるいは価電子帯Evに直接励起
される確率に比較して、励起に必要とされるエネルギー
が小さいことから、著しく高められる。このため井戸部
分W2 内のキャリアのキャリアは、中段の井戸部分W1
を経て、そのキャリア電子は伝導帯Ecに、またキャリ
ア正孔は価電子帯Evにそれぞれ励起される確率が高め
られる。
Assuming that there is no middle well portion W 1 when viewed from the deepest well portion W 2 , the well portion W
The barrier seen from 2 has a relatively large value according to the difference between the bandgap energy Eg and the bandgap energy Eg 2 , but since the well portion W 1 that is the middle step is provided, the barrier height is high. Is divided into smaller values according to the number of stages in between. Carriers generated in the well portion W 2 or dropped into the well portion W 2 are excited in the middle well portion W 1 by absorption of light, or include carriers excited in the middle well portion W 1 and the middle well portion W 1 is also included. the probability of the W 2 is excited to the conduction band Ec or the valence band Ev is compared to the probability that carriers by absorption of light is excited directly from the well portion W 2 in the conduction band Ec or the valence band Ev, the excitation Significantly increased due to the low energy required. For this reason, the carriers in the well portion W 2 are transferred to the well portion W 1 in the middle stage.
Thus, the probability that the carrier electrons are excited in the conduction band Ec and the carrier holes are excited in the valence band Ev are increased.

【0010】その結果、井戸部分W2 を含む井戸W内で
捕獲されて消滅するキャリアが低減され、キャリアの再
結合による消滅確率が低減されることから、井戸W内の
キャリアを有効に電流として取り出すことができる。こ
の井戸部分W1 および井戸部分W2 は、例えば、化合物
半導体の組成あるいは材料をそれらのバンドギャップエ
ネルギーEgに応じて適宜選択し、選択された化合物半
導体を順次積層させることにより、比較的容易に形成す
ることができる。
As a result, the number of carriers trapped and lost in the well W including the well portion W 2 is reduced, and the probability of disappearance due to carrier recombination is reduced, so that the carriers in the well W are effectively converted into a current. You can take it out. The well portion W 1 and the well portion W 2 are relatively easily prepared, for example, by appropriately selecting the composition or material of the compound semiconductor according to their band gap energy Eg and sequentially stacking the selected compound semiconductors. Can be formed.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
について詳細に説明する。 〈具体例1〉図1は、本発明の具体例1に係る太陽電池
の縦断面図である。太陽電池10は、基板11上に形成
されるベース層12と、ベース層12上に形成されるエ
ミッタ層13と、両層12および13間に挿入された井
戸層14とを備える。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the illustrated embodiments. <Specific Example 1> FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a solar cell according to a specific example 1 of the present invention. The solar cell 10 includes a base layer 12 formed on the substrate 11, an emitter layer 13 formed on the base layer 12, and a well layer 14 inserted between the layers 12 and 13.

【0012】図の例では、基板11として、n型GaAsが
用いられており、ベース層12として、n型Al0.2 Ga
0.8 As(キャリア密度:2×1017個/cm3 、膜厚:3
μm)が用いられ、エミッタ層13としてp+ 型Al0.2
Ga0.8 As(キャリア密度:2×1018個/cm3 、膜厚:
0.5μm)が用いられている。また、図示の例では、
基板11とベース層12との間には、n+ 型Al0.4 Ga
0.6 As(キャリア密度:2×1018個/cm3 、膜厚:
0.3μm)からなる従来よく知られたBSF(バック
サーフェイス)層15が挿入され、エミッタ層13の表
面には、p+ 型Al0.8Ga0.2 As(キャリア密度:2×1
18個/cm3 、膜厚:0.02μm)からなる従来よく
知られた窓層16が形成されている。
In the illustrated example, n-type GaAs is used as the substrate 11, and n-type Al 0.2 Ga is used as the base layer 12.
0.8 As (Carrier density: 2 × 10 17 particles / cm 3 , film thickness: 3
μm) and p + -type Al 0.2 is used as the emitter layer 13.
Ga 0.8 As (carrier density: 2 × 10 18 pieces / cm 3 , film thickness:
0.5 μm) is used. Also, in the illustrated example,
N + -type Al 0.4 Ga is provided between the substrate 11 and the base layer 12.
0.6 As (Carrier density: 2 × 10 18 particles / cm 3 , film thickness:
A well-known BSF (back surface) layer 15 of 0.3 μm) is inserted, and p + -type Al 0.8 Ga 0.2 As (carrier density: 2 × 1) is formed on the surface of the emitter layer 13.
A well-known window layer 16 of 0 18 pieces / cm 3 and a film thickness of 0.02 μm is formed.

【0013】ベース層12およびエミッタ層13間に挿
入された井戸層14は、図示の例では、一対の真性Al
0.1 Ga0.9 As層17(アンドープ、膜厚:0.1μm)
と、両真性Al0.1 Ga0.9 As層17間の真性GaAs層18
(アンドープ、膜厚:0.3μm)とからなる。ベース
層12およびエミッタ層13を構成するn型Al0.2 Ga
0.8Asおよびp+ 型Al0.2 Ga0.8 Asの禁制帯バンドギャ
ップエネルギーEg(1.67eV)に比較して、井戸
層14の真性Al0.1 Ga0.9 As層17のバンドギャップエ
ネルギーEg1 (1.55eV)は小さく、井戸層14
の真性GaAs層18のバンドギャップエネルギーEg2
は、さらに小さな値(1.43eV)を示す。その結
果、図2に示す太陽電池10のpn接合におけるエネル
ギー構造では、井戸層14の真性Al0.1 Ga0.9 As層17
が図1に示したエネルギーバンド構造における井戸部分
1 を形成し、また真性GaAs層18が井戸部分W2 を形
成することから、pn接合層の遷移領域Tに障壁へ向け
てバンドギャップエネルギーをEg2 からEg1 へと段
階的に増大させる量子井戸Wが形成される。
In the illustrated example, the well layer 14 inserted between the base layer 12 and the emitter layer 13 is a pair of intrinsic Al layers.
0.1 Ga 0.9 As layer 17 (undoped, film thickness: 0.1 μm)
And the intrinsic GaAs layer 18 between the intrinsic Al 0.1 Ga 0.9 As layer 17 and
(Undoped, film thickness: 0.3 μm). N-type Al 0.2 Ga forming the base layer 12 and the emitter layer 13
Compared to 0.8 As and p + -type Al 0.2 Ga 0.8 As bandgap bandgap energy Eg of (1.67eV), the bandgap energy Eg 1 intrinsic Al 0.1 Ga 0.9 As layer 17 of the well layer 14 (1.55 eV ) Is small and the well layer 14
Band gap energy Eg 2 of the intrinsic GaAs layer 18 of
Indicates an even smaller value (1.43 eV). As a result, in the energy structure of the pn junction of the solar cell 10 shown in FIG. 2, the intrinsic Al 0.1 Ga 0.9 As layer 17 of the well layer 14 is formed.
Form the well portion W 1 in the energy band structure shown in FIG. 1, and the intrinsic GaAs layer 18 forms the well portion W 2 , so that the band gap energy is directed toward the barrier in the transition region T of the pn junction layer. A quantum well W is formed which gradually increases from Eg 2 to Eg 1 .

【0014】中段の井戸部分W1 のバンドギャップエネ
ルギーEg1 と、最下段の井戸部分W2 のバンドギャッ
プエネルギーEg2 との差は、0.12eVであり、そ
の約6割の値である0.72eVが伝導帯Ec側のエネ
ルギー段差となり、残りの約4割である0.28eVが
価電子帯Ev側のエネルギー段差となる。また、中段の
井戸部分W1 のバンドギャップエネルギーEg1 と、禁
制帯バンドギャップエネルギーEgとの差は、0.12
eVであり、同様に、その約6割の値である0.072
eVが伝導帯Ec側のエネルギー段差となり、残りの約
4割である0.048eVが価電子帯Ev側のエネルギ
ー段差となる。これらのバンドギャップエネルギーの段
差を、電子と正孔によって僅かに異なるが、ほぼ0.1
eV以下とすることにより、キャリアの高い確率での井
戸Wからの脱出を期待することができる。
[0014] and the band gap energy Eg 1 of the middle of the well portion W 1, the difference between the band gap energy Eg 2 of the bottom of the well part W 2 is a 0.12eV, is the value of the about 60% 0 0.72 eV is the energy step on the conduction band Ec side, and the remaining about 40%, 0.28 eV, is the energy step on the valence band Ev side. In addition, the band gap energy Eg 1 of the middle of the well portion W 1, the difference between the forbidden band band gap energy Eg, 0.12
eV, similarly, 0.072, which is a value of about 60% thereof.
eV is the energy level difference on the conduction band Ec side, and the remaining about 40%, 0.048 eV, is the energy level difference on the valence band Ev side. These band gap energy steps differ slightly depending on the electrons and holes, but are about 0.1.
By setting eV or less, it is possible to expect escape from the well W with a high probability of carriers.

【0015】基板11上のBSF層15、ベース層1
2、井戸層14、エミッタ層13および窓層16は、例
えば、主原料として、トリメチルガリュウム『(CH
33 Ga』、トリメチルアルミニウム『(CH33
Al』およびアルシン『AsH3』を用い、キャリアガ
スとして水素ガスを用い、700℃、100Torrの
減圧下で行う減圧MOCVD(有機金属気相エピタキ
シ)法により、形成することができる。p型およびn型
のドーパンドとして、それぞれ『(CH3 2 Zn』お
よび『Si26 』が用いられた。各層の結晶成長に際
し、例えば、真性GaAs層18の形成時には、ドーパント
をはじめ、Alが不要となることから、トリメチルアル
ミニウムのような不要な材料の供給が一時的に中断され
た状態で結晶成長が図られる。
BSF layer 15 and base layer 1 on substrate 11
2, the well layer 14, the emitter layer 13, and the window layer 16 are, for example, trimethylgallium “(CH
3 ) 3 Ga ”, trimethylaluminum“ (CH 3 ) 3
With Al "and arsine" AsH 3 ", using hydrogen gas as a carrier gas, it is possible by 700 ° C., vacuum MOCVD (metal organic vapor phase epitaxy) carried out under reduced pressure of 100Torr method to form. As dopant of p-type and n-type, "(CH 3) 2 Zn" and "Si 2 H 6" was used, respectively. During the crystal growth of each layer, for example, when the intrinsic GaAs layer 18 is formed, Al is unnecessary as a dopant. Therefore, the crystal growth is temporarily stopped while the supply of unnecessary material such as trimethylaluminum is interrupted. Planned.

【0016】基板11上への各層12〜16の形成後、
窓層16には、電極のためのコンタクト層19として、
+ 型GaAs(キャリア密度:2×1019個/cm3 、膜
厚:0.3μm)が形成される。このコンタクト層19
上に、従来よく知られたフォトリソグラフィー法等によ
り、表面電極20が形成され、また基板11の裏面には
裏面電極21が形成される。さらに、窓層16の露出面
を覆う反射防止膜22が形成され、これにより量子井戸
構造を有する太陽電池10が完成する。
After forming each of the layers 12 to 16 on the substrate 11,
In the window layer 16, as a contact layer 19 for electrodes,
P + type GaAs (carrier density: 2 × 10 19 pieces / cm 3 , film thickness: 0.3 μm) is formed. This contact layer 19
A front surface electrode 20 is formed on the upper surface by a well-known photolithography method, and a rear surface electrode 21 is formed on the rear surface of the substrate 11. Further, the antireflection film 22 covering the exposed surface of the window layer 16 is formed, whereby the solar cell 10 having the quantum well structure is completed.

【0017】本発明に係る第1具体例の太陽電池10で
は、反射防止膜22を通して入射した太陽光は、ベース
層12、井戸層14およびエミッタ層13で吸収され
る。ベース層12のn領域およびエミッタ層13のp領
域では、従来の太陽電池におけると同様に、この光の吸
収に応じて電子と正孔とが生成され、それぞれ内部電界
によって電子は裏面電極21へ、また正孔は表面電極2
0へと、それぞれ対応する電極21および20へ向けて
拡散する。BSF層15および窓層16は、従来よく知
られているように、電極20および21へ向けて拡散す
るキャリアのそれぞれエミッタ層13の表面およびベー
ス層12の背面での表面再結合による消滅を防止し、こ
れにより変換効率の低下を防止する作用をなす。
In the solar cell 10 of the first embodiment according to the present invention, the sunlight incident through the antireflection film 22 is absorbed by the base layer 12, the well layer 14 and the emitter layer 13. In the n region of the base layer 12 and the p region of the emitter layer 13, electrons and holes are generated according to the absorption of this light as in the conventional solar cell, and the electrons are transmitted to the back electrode 21 by the internal electric field. , And holes are surface electrodes 2
Diffuse toward 0 toward the corresponding electrodes 21 and 20, respectively. As is well known in the art, the BSF layer 15 and the window layer 16 prevent disappearance of carriers diffusing toward the electrodes 20 and 21 by surface recombination on the surface of the emitter layer 13 and the back surface of the base layer 12, respectively. However, this serves to prevent a decrease in conversion efficiency.

【0018】他方、遷移領域Tに形成された井戸層14
は、p領域(13)およびn領域(12)のバンドギャ
ップエネルギーEgよりも小さいことから、このp領域
(13)およびn領域(12)で吸収できない長波長側
の光が井戸層14で吸収される。この長波長側の光の吸
収により、井戸層14で電子と正孔とが生成される。
On the other hand, the well layer 14 formed in the transition region T
Is smaller than the bandgap energy Eg of the p region (13) and the n region (12), the light on the long wavelength side that cannot be absorbed by the p region (13) and the n region (12) is absorbed by the well layer 14. To be done. Electrons and holes are generated in the well layer 14 due to the absorption of the light on the long wavelength side.

【0019】この井戸層14には、井戸層14で生成さ
れたキャリアに加えて、電極20または21へ向けて拡
散するキャリアが捕獲されることがあるが、この井戸層
14内のバンドギャップエネルギーは、バンドギャップ
エネルギーEgで示される障壁へ向けて、井戸部分W1
から井戸部分W2 へ向けて段階的(Eg2 、Eg1 )に
増大されている。そのため、井戸部分W1 と障壁とのエ
ネルギー差(Eg−Eg1 )が大きくとも、中段の井戸
部分W2 によって、光あるいは熱によっても比較的容易
に励起され易い小さなエネルギー差の階段が作られるこ
とから、井戸部分W1 のキャリアは、比較的容易に、す
なわち高い確率で井戸部分W2 に励起される。また、こ
の井戸部分W2 内のキャリアは、同様に比較的容易に井
戸部分W2 から脱出することができ、脱出したキャリア
電子は、ベース層12へ向け、また脱出したキャリア正
孔はエミッタ層13へ向けて、それぞれ拡散される。
In this well layer 14, carriers generated in the well layer 14 and carriers diffused toward the electrode 20 or 21 may be trapped. However, the band gap energy in the well layer 14 may be trapped. Toward the barrier indicated by the band gap energy Eg, the well portion W 1
To the well portion W 2 in a stepwise manner (Eg 2 , Eg 1 ). Therefore, even if the energy difference (Eg−Eg 1 ) between the well portion W 1 and the barrier is large, the middle well portion W 2 forms a step with a small energy difference that is relatively easily excited by light or heat. Therefore, the carriers in the well portion W 1 are excited to the well portion W 2 relatively easily, that is, with a high probability. Also, the carrier in the well portion W 2 is likewise relatively easily able to escape from the well portion W 2, herniated carrier electrons, towards the base layer 12, also prolapsed carrier holes emitter layer It is diffused toward 13.

【0020】その結果、従来の量子井戸構造の太陽電池
におけるような量子井戸でのキャリアの再結合による消
滅の頻度を大きく低減することができ、量子井戸内で生
成され、あるいはこの量子井戸に落ち込むキャリアを電
流として有効に利用することができることから、太陽電
池10の効率は、従来に比較して大きく改善され、高い
光電気変換効率が得られる。また、太陽電池10の構造
では、井戸層14を構成する半導体材料をそのバンドギ
ャップエネルギーに応じて選択することにより、比較的
容易に所望の井戸構造を製造することがでる。
As a result, the frequency of annihilation due to recombination of carriers in a quantum well as in a conventional quantum well structure solar cell can be greatly reduced, and it is generated in the quantum well or falls into this quantum well. Since the carriers can be effectively used as a current, the efficiency of the solar cell 10 is greatly improved as compared with the conventional one, and high photoelectric conversion efficiency can be obtained. Further, in the structure of the solar cell 10, a desired well structure can be relatively easily manufactured by selecting the semiconductor material forming the well layer 14 according to the band gap energy thereof.

【0021】井戸層14を構成する半導体材料を適宜選
択することができるが、井戸層14における隣接部分で
ある井戸部分W1 と井戸部分W2 とのバンドギャップエ
ネルギー差が0.1eV以下となるように、材料を選択
することが望ましい。両井戸部分W1 およびW2 のバン
ドギャップエネルギー差を0.1eV以下とすることに
より、高い確率で井戸層14のキャリアを消滅させるこ
となく有効電流として取り出すことができる。また、井
戸と障壁とエネルギー差が大きいとき、必要に応じて井
戸部分の段数を増やすために、井戸層14を4層以上の
多層構造による多段構造とすることができる。
The semiconductor material forming the well layer 14 can be appropriately selected, but the band gap energy difference between the well portion W 1 and the well portion W 2 which are the adjacent portions in the well layer 14 is 0.1 eV or less. As such, it is desirable to select the material. By setting the bandgap energy difference between the well portions W 1 and W 2 to be 0.1 eV or less, it is possible to take out as an effective current with a high probability without erasing the carriers in the well layer 14. Further, when the energy difference between the well and the barrier is large, the well layer 14 may have a multi-stage structure having a multilayer structure of four or more layers in order to increase the number of stages in the well portion as necessary.

【0022】さらに、井戸層14の中央部である井戸部
分W1 の両側へエネルギーの段差をV字状に形成した例
を示したが、井戸部分W1 の一側にのみエネルギーの段
差を形成することができ、これによっても、それ相当の
効果を得ることができる。また、図2では単一の井戸層
14を設けた例について説明したが、複数の井戸14を
設けることができる。
Further, an example is shown in which the energy step is formed in a V shape on both sides of the well portion W 1 which is the central portion of the well layer 14, but the energy step is formed only on one side of the well portion W 1. It is possible to obtain the same effect. Further, although FIG. 2 illustrates the example in which the single well layer 14 is provided, a plurality of wells 14 can be provided.

【0023】〈具体例2〉図3は、本発明の第2具体例
を示す太陽電池10の縦断面図である。図3に示す太陽
電池10では、3つの井戸層14が形成されており、図
2に示したと同一の機能を果たす構成部分には、図2に
おけると同様の参照符号が付されている。第2の具体例
に係る太陽電池10では、ベース層12と、エミッタ層
13との間の遷移領域Tに、多重量子井戸構造として、
3つの井戸層14が形成されている。各井戸層14の構
成は、図2に示した第1具体例におけると同様に、真性
GaAs層18およびこれを間に挟んだ一対の真性Al0.1 Ga
0.9 As層17からなる。
<Second Embodiment> FIG. 3 is a vertical sectional view of a solar cell 10 showing a second embodiment of the present invention. In the solar cell 10 shown in FIG. 3, three well layers 14 are formed, and the same reference numerals as those in FIG. 2 are attached to the components that perform the same functions as those shown in FIG. In the solar cell 10 according to the second specific example, in the transition region T between the base layer 12 and the emitter layer 13, as a multiple quantum well structure,
Three well layers 14 are formed. The structure of each well layer 14 is the same as in the first specific example shown in FIG.
GaAs layer 18 and a pair of intrinsic Al 0.1 Ga sandwiching the GaAs layer 18
It consists of 0.9 As layer 17.

【0024】各井戸層14間には、真性Al0.2 Ga0.8 As
層28(アンドープ、膜厚:0.1μm)が配置されて
おり、真性Al0.2 Ga0.8 As層28は、ベース層12およ
びエミッタ層13と同一のバンドギャップエネルギーE
gを持つ。この真性Al0.2 Ga0.8 As層28は、第1具体
例で説明したと同様な減圧MOCVD法で形成すること
ができる。
An intrinsic Al 0.2 Ga 0.8 As layer is formed between the well layers 14.
A layer 28 (undoped, film thickness: 0.1 μm) is arranged, and the intrinsic Al 0.2 Ga 0.8 As layer 28 has the same bandgap energy E as the base layer 12 and the emitter layer 13.
has g. The intrinsic Al 0.2 Ga 0.8 As layer 28 can be formed by the low pressure MOCVD method similar to that described in the first specific example.

【0025】図4は、図3に示した第2具体例に係る太
陽電池10のエネルギーバンド構造の説明図である。ベ
ース層12およびエミッタ層13により構成されるn型
領域とp型領域との間の遷移領域Tには、各井戸層14
で構成される3つの量子井戸Wが直列的に形成されてお
り、各量子井戸Wは、それぞれ図1に示したと同様に、
そのバンドギャップエネルギーを、バンドギャップエネ
ルギーEgで示される障壁へ向けて、井戸部分W1 から
井戸部分W2 へ向けて段階的(Eg2 、Eg1 )に増大
させている。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the energy band structure of the solar cell 10 according to the second specific example shown in FIG. Each well layer 14 is provided in the transition region T between the n-type region and the p-type region formed by the base layer 12 and the emitter layer 13.
Are formed in series, and each quantum well W has the same structure as that shown in FIG.
The band gap energy is increased stepwise (Eg 2 , Eg 1 ) from the well portion W 1 to the well portion W 2 toward the barrier indicated by the band gap energy Eg.

【0026】従って、各量子井戸W内のキャリアを、第
1具体例におけると同様に、n型領域またはp型領域に
高い確率で脱出させることができ、これにより量子井戸
W内のキャリアを電流として有効に取り出すことができ
る。また、3つの量子井戸Wが設けられていることか
ら、それぞれの量子井戸Wで長波長側の光を吸収するこ
とができ、この量子井戸Wで励起されるキャリアの総数
が増大することから、この増大分に応じた変換効率の向
上が期待できる。
Therefore, the carriers in each quantum well W can be escaped to the n-type region or the p-type region with a high probability as in the first specific example, whereby the carriers in the quantum well W are caused to flow into the current. Can be effectively taken out. Further, since the three quantum wells W are provided, it is possible to absorb light on the long wavelength side in each quantum well W, and the total number of carriers excited in the quantum well W increases, It is expected that the conversion efficiency will be improved according to this increase.

【0027】第1および第2の具体例では、量子井戸W
をpn接合の遷移領域Tに形成した例について説明した
が、本発明に係る量子井戸Wは、遷移領域Tに形成する
ことに代えて、反射防止膜22を経る太陽光が透過する
範囲内で、p型領域あるいはn型領域の内部に形成する
ことができる。
In the first and second embodiments, the quantum well W
Although the example in which the is formed in the transition region T of the pn junction has been described, the quantum well W according to the present invention is, instead of being formed in the transition region T, within a range where sunlight passing through the antireflection film 22 is transmitted. , P-type region or n-type region.

【0028】〈具体例3〉図5は、本発明の第3具体例
を示す図2と同様な図面であり、量子井戸Wをn型領域
を構成するベース層12内に形成した例を示す。第3の
具体例に係る太陽電池10では、先に述べたと同様な減
圧MOCVD法で各層を形成することができる。すなわ
ち、基板11上にBSF層15を形成後、ベース層12
の下部12aが形成される。この下部12a上に、一対
のn型Al0. 1 Ga0.9 As層17およびその間のn型GaAs層
18からなる量子井戸Wが形成される。
<Embodiment 3> FIG. 5 is a drawing similar to FIG. 2 showing a third embodiment of the present invention, showing an example in which the quantum well W is formed in the base layer 12 constituting the n-type region. . In the solar cell 10 according to the third specific example, each layer can be formed by the low pressure MOCVD method similar to that described above. That is, after the BSF layer 15 is formed on the substrate 11, the base layer 12
Lower part 12a of On the lower 12a, a pair of n-type Al 0. 1 Ga 0.9 As layer 17 and the quantum well W consisting of between the n-type GaAs layer 18 is formed.

【0029】この量子井戸Wが遷移領域Tに形成された
第1および第2の具体例では、Al0. 1 Ga0.9 As層17お
よびGaAs層18はアンドープの真性半導体層で構成され
たが、n型領域に量子井戸Wが形成される第3具体例で
は、前記したようにAl0.1 Ga0. 9 As層17およびGaAs層
18は、n型とすることが好ましい。従って、p型領域
に量子井戸Wを形成する場合は、Al0.1 Ga0.9 As層17
およびGaAs層18はそれぞれp型が採用される。
[0029] In the first and second specific examples the quantum well W is formed in the transition region T, but Al 0. 1 Ga 0.9 As layer 17 and the GaAs layer 18 is formed of an intrinsic semiconductor layer of undoped, in a third specific example of the quantum well W is formed on the n-type region, Al 0.1 Ga 0. 9 as layer 17 and the GaAs layer 18 as described above, it is preferable that the n-type. Therefore, when the quantum well W is formed in the p-type region, the Al 0.1 Ga 0.9 As layer 17 is used.
The p-type is adopted for the and GaAs layers 18, respectively.

【0030】量子井戸Wの形成後、ベース層12の上部
12bが形成され、さらにその上に、エミッタ層13が
形成され、その後、窓層16、コンタクト層19、電極
20および21が形成され、太陽電池10が完成する。
この第3具体例に係る太陽電池10では、ベース層12
の上部12bと、その上のエミッタ層13との接合部に
遷移領域Tが形成されることから、この遷移領域Tに量
子井戸構造が形成されることはないが、ベース層12の
内部へ透過する光によって、このベース層12内に形成
された量子井戸Wで電流として有効に作用するキャリア
が生成される。従って、第3具体例の太陽電池10によ
っても、優れた変換効率を得ることができる。
After the quantum well W is formed, the upper portion 12b of the base layer 12 is formed, the emitter layer 13 is further formed thereon, and then the window layer 16, the contact layer 19, and the electrodes 20 and 21 are formed. The solar cell 10 is completed.
In the solar cell 10 according to the third specific example, the base layer 12
Since the transition region T is formed at the junction between the upper portion 12b of the above and the emitter layer 13 thereabove, a quantum well structure is not formed in this transition region T, but it is transmitted to the inside of the base layer 12. The generated light generates carriers that effectively act as a current in the quantum well W formed in the base layer 12. Therefore, the solar cell 10 of the third specific example can also obtain excellent conversion efficiency.

【0031】p型領域またはn型領域に量子井戸を形成
する場合も、多数の量子井戸を有する多重量子井戸構造
を採用することができ、また各量子井戸に多段構造を採
用することができる。また、多重量子井戸構造の全てに
ついて、井戸のバンドギャップエネルギーを段階的に形
成することなく、その一部の量子井戸についてのバンド
ギャップエネルギーを段階的に形成することによって
も、この階段状の段差による特有の効果を得ることがで
きる。
When forming a quantum well in a p-type region or an n-type region, a multiple quantum well structure having a large number of quantum wells can be adopted, and a multi-stage structure can be adopted in each quantum well. In addition, for all the multiple quantum well structures, it is possible to form the bandgap energy of some of the quantum wells in stages without forming the bandgap energy of the wells in stages. It is possible to obtain a unique effect due to.

【0032】各具体例では、各層11〜16の厚さ寸法
を記載したが、これらの値は一例に過ぎず、適宜選択す
ることができる。また、半導体材料として、pn接合を
構成する半導体材料として、Al0.2 Ga0.8 Asを採用し、
量子井戸構造の井戸としてGaAsおよびAl0.1 Ga0.9 Asの
組み合わせを採用した例について説明したが、それぞれ
異なるバンドギャップエネルギーの半導体材料を適宜組
み合わせて用いることができる。そのような組み合わせ
の一例として、InP/InGaAs/InGaAs
P、AlGaAs/GaAs/InGaAsP、InG
aP/GaAs/InGaAsP、AlGaAs/In
GaAs/GaAsのような組み合わせがある。また、
各結晶層の成長方法は、減圧MOCVD法に限らず、M
BE(分子線エピタキシ)法、ハイドライド気相成長法
等を適宜選択することができる。
In each of the specific examples, the thickness dimension of each of the layers 11 to 16 is described, but these values are merely examples and can be appropriately selected. Further, as the semiconductor material, Al 0.2 Ga 0.8 As is adopted as the semiconductor material forming the pn junction,
An example in which a combination of GaAs and Al 0.1 Ga 0.9 As is adopted as the well of the quantum well structure has been described, but semiconductor materials having different band gap energies can be appropriately combined and used. As an example of such a combination, InP / InGaAs / InGaAs
P, AlGaAs / GaAs / InGaAsP, InG
aP / GaAs / InGaAsP, AlGaAs / In
There are combinations such as GaAs / GaAs. Also,
The growth method of each crystal layer is not limited to the low pressure MOCVD method, but M
A BE (molecular beam epitaxy) method, a hydride vapor phase epitaxy method, or the like can be appropriately selected.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によれば、以上に説明したよう
に、量子井戸構造のバンドギャップエネルギーを量子井
戸において障壁へ向けて段階的に増大させることによ
り、この量子井戸内のキャリアを伝導帯あるいは価電子
帯に効果的に励起することができ、これにより量子井戸
で再結合により消滅するキャリアを低減して、これらの
キャリアを電流として有効に利用することができること
から、太陽電池の効率を大きく向上させることができ
る。
According to the present invention, as described above, the bandgap energy of the quantum well structure is increased stepwise toward the barrier in the quantum well, so that the carriers in the quantum well are in the conduction band. Alternatively, it is possible to effectively excite the valence band, thereby reducing the carriers annihilated by the recombination in the quantum well, and effectively using these carriers as a current, the efficiency of the solar cell is improved. It can be greatly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の原理を示すエネルギーバンド構造の説
明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of an energy band structure showing the principle of the present invention.

【図2】本発明の第1具体例を示す太陽電池の縦断面図
である。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a solar cell showing a first specific example of the present invention.

【図3】本発明の第2具体例を示す図2と同様な図面で
ある。
FIG. 3 is a drawing similar to FIG. 2 showing a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2具体例に係るエネルギーバンド構
造の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an energy band structure according to a second example of the present invention.

【図5】本発明の第3具体例を示す図2と同様な図面で
ある。
FIG. 5 is a view similar to FIG. 2, showing a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 太陽電池 12 ベース層 13 エミッタ層 14 井戸層 W 量子井戸 W1 井戸部分 W2 井戸部分10 solar cell 12 base layer 13 emitter layer 14 well layer W quantum well W 1 well portion W 2 well portion

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体材料からなるpn接合で構成さ
れ、エネルギーバンド構造に量子井戸構造を備える太陽
電池であって、量子井戸のバンドギャップエネルギーが
両側の障壁へ向けて段階的に増大するエネルギーバンド
構造を有することを特徴とする太陽電池。
1. A solar cell comprising a pn junction made of a semiconductor material and having a quantum well structure in the energy band structure, wherein the band gap energy of the quantum well increases stepwise toward the barriers on both sides. A solar cell having a structure.
【請求項2】 前記井戸の相互に隣接する部分のバンド
ギャップエネルギー段差は0.1eV以下であることを
特徴とする請求項1記載の太陽電池。
2. The solar cell according to claim 1, wherein a bandgap energy step difference between adjacent portions of the well is 0.1 eV or less.
【請求項3】 前記量子井戸構造は、バンドギャップエ
ネルギーを異にする化合物半導体材料を積層して構成さ
れていることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
3. The solar cell according to claim 1, wherein the quantum well structure is formed by stacking compound semiconductor materials having different bandgap energies.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010272769A (en) * 2009-05-22 2010-12-02 Fujitsu Ltd Solar cell
JP2012504331A (en) * 2008-09-29 2012-02-16 クアンタソル リミテッド Photocell
KR20150092608A (en) * 2014-02-05 2015-08-13 엘지전자 주식회사 Compound solar cell

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