集光型太陽電池ー総論

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1 高効率化合物太陽電池の基礎 研究開発の現状と将来展望 高効率 III-V 族太陽電池の基礎 山口真史 豊田工業大学大学院工学研究科 1. はじめに砒化ガリウム (GaAs) や燐化インジウム (InP) などのIII-V 族化合物半導体太陽電池は 宇宙用太陽電池として実用化されている これらの材料は 光電変換効率が最適なバンドギャップエネルギー 1.5eVに近く かつ放射線耐性に優れているからである また III-V 族化合物半導体の InGaP/InGaAs/Ge3 接合構造太陽電池の集光動作で 効率 43.5% が実現しており 4 接合 5 接合の多接合化により 効率 50% 以上の超高効率化が期待できる 地上用太陽光発電システムとして 現在主流の結晶 Si 技術 2 番手の薄膜技術に続き 3 番手として III-V 族化合物の集光技術が期待されている ここでは 超高効率が期待されるIII-V 族太陽電池の基礎について述べる 2.III-V 族化合物半導体の基礎物性とIII-V 族化合物太陽電池の特徴表 1には III-V 族化合物半導体の種類と基礎物性値 1) を示す 化合物半導体の特色は 二元化合物でさえ 基礎物性定数である禁止帯幅 格子定数などの取り得る値が広く分布しており さらに 三元や四元混晶では 広範囲に物性を変えられる 光電変換効率の高い太陽電池を実現するためには 太陽光スペクトルに整合させる必要があり 太陽電池材料の禁止帯幅 Eg として 1.4~1.5eV 程度が最適と考えられており Eg 1.41eV の GaAs 1.35eV の InP や 1.44eV の CdTe などが該当する III-V 族半導体は 一般に イオン性を残した共有結合の安定性のため 結晶欠陥が少なく 化学量論的安定性に優れた完全性の高い大型の結晶や高純度のエピタキシャル膜が得られる また ドーピング制御ができ 成分元素の欠陥が不純物を補償する自己補償効果が少ないという特徴を持っている これらの特色が Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導体を太陽電池以外にも 半導体レーザや受光素子などの 表 1 III-V 族化合物半導体の種類と基礎物性値 1) 1

2 光デバイスやヘテロ接合トランジスタなどの高速電子デバイスなど 各種デバイス用材料として 有用なものにしている III-V 族化合物半導体太陽電池は 高効率 耐放射線性等の特徴をそなえ 太陽電池を構成する半導体材料の禁止帯幅の制御が可能なので 効率の良い太陽光の利用を目指す積層型などの超高効率太陽電池へのアプローチを可能としている これは 2 元化合物から 3 元 4 元へと 半導体混晶の組成比を変えることで 格子定数 禁止帯幅などの物性定数の制御が可能である特徴に依っている 重要な物性定数として 1 格子定数 2 禁止帯幅 3 光吸収係数 4 屈折率 (n k) 5 移動度 6 少数キャリア寿命 7 熱膨張係数 8 熱抵抗率 9バンド不連続 10 密度 11デバイ温度 12 比熱 13 誘電率 等であり 特に 太陽電池として重要な物性は 1~9である 2.1 禁止帯幅と格子定数格子定数と禁止帯幅 ( バンドギャップ ) は 材料選択の最も基本的な量である 図 1 は III-V 族化合物半導体混晶のバンドギャップと格子定数の関係を示す ここで注意をする必要があるのは 薄膜系の混晶は 常に格子不整の影響下にあることである 格子不整は 通常ミスフィット転位で緩和されるとなっているが 完全に緩和されるわけではなく 格子定数の変化をもたらし 歪を与え 物性定数に大きな影響を与える 図 1 III-V 族化合物半導体混晶のバンドギャップと格子定数の関係 種々の混晶について 特に直接遷移のバンドギャップの組成依存性が報告されている 表 2 に 3 元混晶のバンドギャップの組成依存性を示す 2

3 表 2 3 元混晶のバンドギャップエネルギーの組成依存性 化合物 直接遷移 間接遷移 Al x Ga 1-x P x Al x Ga 1-x As x, (0 <x <0.45) x x x (x-0.45) 2,(0.45 < x < 1) Al 1-x In x As (0.52-x) In 1-x Al x P x In 1-x Ga x P x (x-1) In x Ga 1-x As ( )x -0.4x(1-x) GaAs 1-x P x x x III-V 族化合物半導体の光吸収係数 1) 図 2に III-V 族化合物半導体の光吸収係数のフォトンエネルギー依存性を示す ほとんどの III-V 族化合物半導体は 直接遷移形のエネルギー帯構造であるので 急峻な吸収端を有し 光吸収係数が大きいことは 薄膜太陽電池としての有用性を示している InP を例にとると その光吸収係数は 次式で近似できる α = 4x10 4 (hν-1.31) 1/2 [cm-1], 1.31eV<hν<1.58eV, (1) α = 1.1x10 7 exp(-9.9/hν) [cm-1], hν>1.58ev, (2) ここで hνは光子エネルギー [ev] である 図 2 III-V 族化合物半導体の光吸収係数のフォトンエネルギー依存性 2.3 III-V 族化合物半導体太陽電池の特徴化合物半導体太陽電池は 上記の基礎物性により Si 太陽電池と比較して 以下の特徴を有している 3

4 1 高効率が期待できる 太陽電池の光電変換の理論効率は 半導体の禁止帯幅に依存する 太陽光スペクトルとの整合の点から 1.4~1.5eV 程度の禁止帯幅を有する半導体が 高効率太陽電池材料として適している 禁止帯幅 1.1eV の Si に比べて 1.41eV の GaAs 1.35eV の InP や 1.44eV の CdTe などの化合物半導体材料で高効率が期待できる 2 薄膜化に適している Si は 間接遷移形のエネルギー帯構造のため 光吸収係数が小さく 太陽光を十分に吸収するためには 100μm 以上の厚さが必要であるのに対して 化合物半導体の多くは直接遷移形で 光吸収係数が大きいため 数 μm 程度の厚さがあれば 十分高い効率が期待できる 太陽電池を薄くできることは 材料 電力の節約が可能となろう 3 耐放射線損傷特性を有している 一般に 動作領域が浅いことと直接遷移形であるため少数キャリア拡散長が短く 耐放射線性が期待できる これにより 化合物半導体太陽電池 特に III-V 族化合物太陽電池は 宇宙用太陽電池として実用化されている 4 高集光動作が可能である Si よりも禁止耐幅の大きい化合物半導体では 高温動作時でも 暗電流の変化が小さく 太陽電池効率の減少が小さい 従って 集光動作時における温度の影響は少なく 1000 倍以上の光集光動作も可能である 5 波長感度の広帯域化による高効率化が期待できる 各種半導体の組合せにより波長感度の広帯域化が可能で 多接合構造によりさらなる高効率化が期待できる 3. 多接合構造太陽電池高効率化の基礎 3.1 多接合太陽電池の高効率化の可能性 ) ヲ (% 40 キ マ 30 集光 非集光 接合数 図 3 多接合太陽電池の理論効率の接合数依存性 単接合太陽電池では 変換効率 28~31% が限界である さらに高効率化をはかるためには 波長感度帯域を拡大する必要があり バンドギャップの異なる材料からなる太陽電池を多層に積層した多接合構造が主流である 多接合太陽電池の効率計算は 多く 2,3) ある 4

5 2) が 図 3には Fan らの計算結果をベースにまとめた多接合太陽電池の理論効率の接合 4) 数依存性を示す 3 4 接合の非集光で 効率 42 46% 集光動作で 52% 55% の高効率化が期待できる 太陽電池の集光動作は 非集光に比べて 絶対効率で 7~12% の効率向上が可能で 魅力的である 多接合太陽電池の高効率化のためには 構成材料の選定も重要であり バンドエンジニアリングがなされる 図 4は 3 接合タンデム太陽電池の変換効率に及ぼすトップセルおよびミドルセルのバンドギャップの組み合わせを示す 3 接合を例にとると 高効率の観点からは 最適バンドギャプの組み合わせは 1.8/1.1/0.66eV で InGaP/Si/Ge3 接合セルなどが候補となるが 格子不整合系である 格子整合の観点から 1.85/1.4/0.66eV の組み合わせの InGaP/GaAs/Ge3 接合セルが主に研究開発されてきた 図 4 3 接合タンデム太陽電池の変換効率に及ぼすトップセルおよびミドルセル のバンドギャップの組み合わせ 3.2 少数キャリア拡散長 ( 少数キャリア寿命 ) と太陽電池特性 化合物半導体太陽電池材料の重要な物性パラメータは 多数キャリアの移動度 μ 抵抗 率 ρ 少数キャリア寿命 τ あるいは拡散長 L であり 特に 太陽電池においては 再結合 効果が重要である これらの物性値は 材料中の不純物 欠陥 結晶粒界 表面などに影 響される 多接合太陽電池の効率は 太陽電池各層の少数キャリア拡散長に依存する 少数キャリア拡散長 L は L D であり 次式で与えられる移動度 および少数キャリア寿 命 の支配要因の理解と制御が必要である ed / kt (3) ここで e: 電子電荷 D : 少数キャリア拡散係数 k : ボルツマ定数 T : 絶対温度である 少数キャリア寿命 は 放射再結合寿命 と非放射再結合寿命 R NR により 1/ 1/ R 1/ NR (4) で表される 放射再結合寿命 は キャリア濃度 N に対して 次式で与えられ R R 1/ BN (5) 放射再結合確率 B は 次式 5) で与えられる 5

6 B x10 1 E g mp m n mp m n T 3 [ cm / s], (6) ここで : 誘電率 m p m n : 正孔, 電子の有効質量 ( 自由電子単位 ) E g : バンドギャッ プエネルギー ( 電子ボルト ) GaAs InGaP で 各々 B 2x10 cm / s B 1.7x10 cm / s と報告 6) されている 図 5は p-gaas n-gaas の少数キャリア寿命のキャリア濃度依存 性 6) を示す p-gaas n-gaas (ns) N (cm -3 ) 図 5 p-gaas n-gaasの少数キャリア寿命のキャリア濃度依存性 また 非放射再結合寿命 NR は 次式で与えられる 1/ NR ivth N ri (7) ここで :i 番目の再結合中心の捕獲断面積 v th : 少数キャリアの熱運動速度 N ri :i 番 i 目の再結合中心の濃度である (4)~(6) 式から キャリア濃度, 再結合中心の制御が必要 であることがわかる 図 6 には GaAs ヘテロフェイス構造太陽電池の特性と少数キャリア 拡散長との関係に関する計算結果を示す 図に示すように 少数キャリアの拡散長および 寿命は 太陽電池の短絡光電流密度 J sc に大きく影響し 太陽電池の変換効率を支配する 重要な物性パラメータである 簡単に表すと 短絡光電流密度 J sc および開放端電圧 V oc は 少数キャリア拡散長 L や寿命 τ と 次式に示す関係にある J sc egl = eg(dτ) 1/2, (8) V oc = (n * kt/e)ln(j sc /J 0 + 1), (9) J 0 = en i W/τ = en i WD/L 2, (10) ここで e は電子電荷 g は光によるキャリア発生率 D は少数キャリア拡散定数 n * は ダイオードの n 値 k はボルツマン定数 T は絶対温度 J 0 はダイオードの逆方向飽和 電流密度 n i は真性キャリア密度 W は空間電荷層幅 である 6

7 図 6 GaAs 太陽電池効率の少数キャリア拡散長依存性に関する計算結果 また 多数キャリアの移動度 μ 抵抗率 ρは 太陽電池の直列抵抗 Rと 次式の関係にある 太陽電池の直列抵抗 Rが大きくなると 曲線因子 FFが低下するので 直列抵抗を低く抑え FFを高くするように 設計する必要がある R ρ = 1/(enμ), (11) ここで nはキャリア濃度である 多接合太陽電池におけるバルク再結合損失低減の例として NREL による AlGaAs に代わ 7) る高品質 InGaP トップセル材料の提案がある AlGaAs 中の酸素は 再結合中心と働き 8) 効率向上の制約となっていたが InGaP の採用は 多接合セルの高効率化につながった 表 3 には トップセル材料 InGaP と AlGaAs の特徴を比較して示す 表 3 トップセル材料 InGaP AlGaAs の比較 InGaP AlGaAs 界面再結合速度 <5x10 3 cm/s 10 4 ~10 5 cm/s 酸素関与欠陥 少 多 窓層 (Eg) AlInP(2.5eV) AlGaAs(2.1eV) 他の課題 p-alinp の高ドープが難 低効率 (2.6%) 図 7 (A) MBE 成長 AlGaAs 膜の酸素濃度の違いによる DLTS スペクトルの違い (B) ダブルキャリアパルス DLTS 測定による酸素関与欠陥が再結合中心であることの同定 7

8 図 7(A) は MBE 成長 AlGaAs 膜の酸素濃度の違いによる DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy) スペクトルの違い (B) は ダブルキャリアパルス DLTS 測定による酸素関与欠陥が再結合中心であることの同定 8) を示す AlGaAs 中の酸素関与欠陥 (0.86eV) は ダブルキャリアパルス DLTS 測定の結果 再結合中心として働くことが明らかとなり AlGaAs よりも InGaP がトップセル材料として適していると考えられる 図 8 InGaP トップセルの表面再結合速度 S およびベース層の少数キャリア寿命 と InGaP トップセル活性層のフォトルミネッセンス ( PL) 強度の関係 InGaP トップセルの高効率化に向け フォトルミネッセンス (PL) 解析を行った例 紹介する 図 8は InGaP トップセルの表面再結合速度 S およびベース層の少数キャリア寿命 と InGaP トップセル活性層のフォトルミネッセンス (PL) 強度 I PL の関係 7) を示す フォトルミネッセンス (PL) 強度 I PL は 次式で与えられる 9) を (12) (13) ここで I 0 は入射光強度 L は少数キャリア拡散長 D は少数キャリア拡散係数 αは入射光の吸収係数 βは発光の自己吸収係数 S は表面再結合速度 Xn は太陽電池の活性層長 である 図 8に示すように GaAs 基板上への InGaP の MOCVD 成長において GaAs バッファ層の導入および成長条件の最適化により 少数キャリア寿命 5ns 以上の高品質 InGaP 層を実現している また AlInP 窓層の導入により 5800cm/s の低表面再結合速度を得 効率 18.5% の高効率 InGaP 単接合太陽電池を実現 9) している 図 9 図 10は GaAs 基板上の InGaP 太陽電池の構造と I-V 特性 9) を示す 図 11は InGaP トップセルの特性と PL 法で求めた 9) 少数キャリア寿命との関係を示す 8

9 図 9 GaAs 基板上の InGaP 太陽電池の構造 図 10 InGaP 太陽電池の I-V 特性 9

10 図 11 InGaP トップセルの特性と PL 法で求めた少数キャリア寿命との関係 図 12 III-V 化合物半導体の少数キャリア寿命の 転位密度依存性に関する計算結果と実測値 これまで 多接合太陽電池では バルク再結合損失低減を重きにおき 太陽電池各層の格子定数と基板のそれを整合した格子整合系 10) が主に検討されてきた 今後さらなる高効 率化のためには バンドギャップエネルギーの最適化 すなわち 格子不整合系 11) の検討 が重要となる 図 12は III-V 化合物半導体の少数キャリア寿命の転位密度依存性に関 12) する計算結果と実測値を示す 格子不整合転位等の転位も再結合中心として働き 太陽電池効率を低下させるので 10 5 cm -2 以下に転位密度低減が必要である 10

11 転位は 再結合中心として働き 少数キャリア寿命 拡散長を低下させる 太陽電池では 再結合損失の結果 短絡光電流の減少 ダイオード飽和電流の増加による開放端電圧の低下を招く 転位における再結合に伴う拡散律速型の少数キャリア拡散長は 転位へ少数キャリアの輸送に関する一次連続の式を解くことにより簡単に求められる 12) dδn/dt = Dd 2 Δn/dx 2, (14) ここで Δnは過剰少数キャリア濃度 Dは少数キャリア拡散常数である 境界条件として 以下の仮定をする n = 0 at x = 0, (15) dδn/dx = 0 at x = x c = 1/(πN d ) 1/2,( 16) ここで x c は単位胞の半径 N d は転位密度である これらより 転位律速の少数キャリア拡散長 L d は次式で与えられる 2 1/L d = π 3 N d /4. (17) 真性的な少数キャリア拡散長をL 0 とすると 実際のヘテロエピ膜のLは次式で表される 1/L 2 2 = 1/L 0 + 1/L d2. (18) Si 基板上の単結晶薄膜太陽電池も 高効率 低価格化の重要なアプローチである III-V on Si 構造における第一の課題は Si 基板と III-V 族化合物との格子定数の不整合 (GaAs on Si の場合の不整合率は約 4%) に伴うヘテロ界面での高密度の不整転位の発生と熱膨張係数の差に起因する熱応力誘起転位の発生である MOCVD 法による GaAs-on-Si セルで効率 20%(AM1.5) が達成されている 13) 熱サイクルアニールや歪超格子層導入より 転位密度を 10 6 cm-2 台に低減できたことが高効率化につながっている 図 13は 熱サイクルアニールによる Si 基板上の GaAs ヘテロエピ膜中のエッチピット ( 転位 ) 密度の熱サイクルアニールによる低減効果 13) を示す 図 14は GaAs-on-Si 太陽電池の構造 13) 図 15は GaAs-on-Si 太陽電池の I-V 特性 13) を示す AM0 AM1.5 下で 各々 効率 18.3% 20.0% が得られた 13) 図 13 熱サイクルアニールによる Si 基板上の GaAs ヘテロエピ膜中 のエッチピット ( 転位 ) 密度の熱サイクルアニールによる低減効果 11

12 図 14 GaAs-on-Si 太陽電池の構造 図 15 GaAs-on-Si 太陽電池の I-V 特性 3.3 表面 界面再結合損失半導体表面には 原子結合の切断のために 多数の未結合手を持った原子が存在するので 電子あるいは正孔を捕獲する表面準位が多く存在する このため 半導体表面付近の過剰少数キャリアは表面準位を介して再結合し消滅する このキャリア損失による表面への少数キャリア電流密度 Js は n 形半導体では過剰少数キャリアの正孔密度 Δp n に比例し 次式で与えられる Js = qshδpn,( 19) ここで qは電荷 Sh は正孔の表面再結合速度で 次式で定義される Sh = σpvnss, (20) ここで Nss は表面の単位面積あたりの再結合中心の数 入射光側がn 形のn/pセルに対し 一次元の拡散モデルからスペクトル応答を求める場合 表面再結合速度は 以下の境界条件で与えられる 入射光側表面 (x=0) に拡散 12

13 してきた正孔流を電流密度とし それが表面で再結合する条件は Dp dδpn/dx = ShΔpn (21) また セル裏面に拡散してきた電子流が裏面で再結合する条件は -Dn dδnp/dx = SeΔnp (22) である スペクトル応答の高エネルギー側は 表面再結合速度の増加と共に小さくなる 14) GaAs の表面再結合速度が評価された例を紹介する 図 16は n-gaas n-inp のフォ 14) トルミネッセンス (PL) 強度の電子濃度依存性を示す この結果から InP は 表面再結合速度が低く PL 光を取り出し易いが GaAs は表面再結合速度が高く PL 光を取り出し難いことがわかる 前述の (12) (13) 式と同じように フォトルミネッセンス ( PL) 強度 I は (23) 式で与えられる 図 17は (23) 式の PL 強度 I の少数キャリア ( 正孔 ) 14) 拡散長および表面再結合速度 S に関する計算結果を示す 図 17から InP の表面再結合速度は 10 3 cm/sec 以下と低く 良質な表面物性を示すのに対して GaAs の表面再結合速度は 1.6x10 7 cm/sec と高いことがわかる (23) 図 16 n-gaas n-inp のフォトルミネッセンス (PL) 強度の電子濃度依存性 図 18 は GaAs ホモ接合太陽電池効率の接合深さ依存性に及ぼす表面再結合速度 S の効果を示す GaAs の表面再結合速度は 10 7 cm/sec 程度と高いと考えられ GaAs ホモ接合で 20% 以上の効率を得るには 接合深さを 0.05μm 以下に浅く必要がある 表面再結合の影響を軽減するため AlGaAs や InGaP などの広禁止帯幅の窓層を用いたヘテロフェイス構造やダブルヘテロ接合 (DH) 構造等が提案され GaAs 太陽電池も 簡単な pn のホモ接合から AlGaAs の窓層付きのヘテロフェイス構造を経て InGaP-GaAs-InGaP の DH 接合構造と進化を遂げた 13

14 Short-circuit current density (ma/cm2) 図 17 (23) 式の PL 強度 I の少数キャリア ( 正孔 ) 拡散長 および表面再結合速度 S に関する計算結果 S=1E+4 cm/s S=1E+5 cm/s S=1E+6 cm/s S=1E+7 cm/s Junction depth (μm) 図 18 GaAs 太陽電池の短絡電流密度に及ぼす表面再結合速度 S の影響 図 19 は 6.5μm 厚ベース層を有する GaAs 太陽電池の GaAlAs 窓層ある なしの場合の 14

15 14) 分光感度特性を示す GaAs の表面再結合速度は 5 x 10 6 ~10 7 cm/sec と考えられ 表面再結合の影響を軽減するための構造として Woodall Hovel 15) により GaAlAs 窓層を有するヘテロフェイス構造の有効性が示されている 表 4は GaAlAs-GaAs ヘテロフェイス 15) 構造太陽電池の特性を示す AM1 で 効率 16.3% が実現された 図 μm 厚ベース層を有する GaAs 太陽電池 の GaAlAs 窓層ある なしの場合の分光感度特性 表 4 GaAlAs-GaAs ヘテロフェイス構造太陽電池の特性 その後 MIT のグループにより ダブルヘテロ接合構造 ( 表面シャローヘテロ接合 裏面電界 BSF 構造 ) 太陽電池が実現している 16) 図 20は AlGaAs-GaAs-AlGaAs ダブヘテロ接合構造太陽電池の構造を示す 図 21は GaAs ダブヘテロ接合構造太陽電池の I-V 特性を示す AlGaAs-GaAs ダブルヘテロ接合構造の採用により 開放端電圧が 表 4に示すヘテロフェイス構造の 0.965Vから 図 21に示すダブルヘテロ接合構造の 1.05Vへと改善され AM1 で効率 23% が得られた さらにその後 住友電工にグループ 17) により AlGaAs に代わる InGaP を用いたダブルヘテロ接合構造が作製され 5cm 角セルで 効率 26.0% が実現している 17) 図 22 図 23は InGaP-GaAs-InGaP ダブヘテロ接合構造太陽電池の構造 I-V 特性を示す 15

16 図 20 AlGaAs-GaAs-AlGaAs ダブヘテロ接合構造太陽電池の構造 図 21 AlGaAs-GaAs-AlGaAs ダブヘテロ接合構造太陽電池の I-V 特性 図 22 InGaP-GaAs-InGaP ダブヘテロ接合構造太陽電池の構造 16

17 図 23 InGaP-GaAs-InGaP ダブヘテロ接合構造太陽電池の I-V 特性 成長方法も 当初の液相エピタキシャル成長 ( LPE) 法から量産に向いた有機金属気相 成長 (MOCVD) 法へと移行した 図 24 InGaP トップセルの開放端電圧 Voc 短絡電流 密度 Jsc に及ぼす障壁ポテンシャル差 E の効果 裏面再結合損失低減のためには 裏面電界 ( BSF) 層の導入が有効である 図 24 は InGaP トップセルの開放端電圧 Voc 短絡電流密度 Jsc に及ぼす障壁ポテンシャル差 E の 効果を示す 従来 高濃度ドープ InGaP-BSF 層が用いられていたが 高バンドギャップ AlInP-BSF 層が提案され 18) 高 Voc Jsc を実現している 17

18 bottom cell tunnel interconnect top cell 3.4 セルインターコネクション多接合構造太陽電池の研究開発の初期は RTI(Research Triangle Institute) 19) NTT や NREL(National Renewable Energy Laboratory) の貢献が大きかったように思う 1980 年代半ばまでは 多接合セルの複数のセルを接続する上で低抵抗損失 低光学損失が要求されるトンネル接合の実現に大きな課題があった トンネル接合を形成するために高濃度にドープした不純物が 上部太陽電池層の成膜中に拡散し 低抵抗損失 低光学損失のトンネル接合の実現を阻んでいた p + n p + n metal interconnect p + n p + n n ++ p ++ p n + p + p n + n + p + n n p n + 2-terminal cell 3-terminal cell 4-terminal cell 図 25 種々のタンデムセルの構造 0.50 m Top metal n + -GaAs Grid Cap 0.14 m 0.15 m 3.80 m 0.14 m 0.40 m 0.12 m 0.40 m n + -AlXGa1-XAs n -Al0.37Ga0.63As p -Al0.37Ga0.63As p + -AlXGa1-XAs p -Al0.37Ga0.63As n + -AlXGa1-XAs n -Al0.37Ga0.63As n + -Al0.9Ga0.1As Upper cell bottom metal Window Emitter Base Lower cell top metal Stop etch Upper cell bottom contact Stop etch Lower cell top contact Window 0.15 m n -GaAs Emitter 3.60 m p -GaAs Base 350 m p -GaAs Substrate Back contact 図 26 メタルインターコネクト型 AlGaAs/GaAs2 接合太陽電池の構造 18

19 図 25に 種々のタンネムセルの構造を示す 複数のセルインターコネクション構造として トンネル接合により複数のセルを接続するモノリシック カスケード型タンデムセル の金属電極で複数のセルを接続するメタル インターコネクト型 複数のセルを機械的に張り合わせたメカニカル スタック型 がある 図 26は メタルインターコネクト型 AlGaAs/GaAs2 接合太陽電池の構造を示す 1989 年には Varian 社により 効率 27.6% 20) が得られていた 図 27 ダブルヘテロ接合構造トンネルダイオードのトンネルピーク電流密度のアニー ル温度依存性に及ぼす Al x Ga 1-x As 障壁層の Al 組成 X の効果 図 28 トンネル接合ダイオードを用いた効率 20.2% の AlGaAs/GaAs モノリシックカスケード型 2 接合太陽電池の構造と I-V 特性 19

20 モノリシック カスケード型タンデムセルの実現は NTT による不純物拡散抑制に優れ 21) たダブルヘテロ接合 (DH) 構造トンネル接合の提案の寄与が大である NTT のグループは 1987 年に 不純物拡散抑制に優れた DH 構造トンネル接合を提案すると共に 当時世界最高効率 20.2%(AM 1.5) の AlGaAs/GaAs2 接合太陽電池を実現した 22,23) DH 構造トンネル接合の有効性の発見は 5 年間に及ぶ試行錯誤実験の結果である 図 27には ダブルヘテロ接合構造トンネルダイオードのトンネルピーク電流密度のアニール温度依存性に及ぼす Al x Ga 1-x As 障壁層の Al 組成 X の効果を示す 図 28は トンネル接合ダイオードを用いた効率 20.2% の AlGaAs/GaAs モノリシックカスケード型 2 接合太陽電池の 22) 構造と I-V 特性を示す 図 29は トンネル接合上の上部太陽電池層中のキャリア濃度の深さ方向分布 ( エッチングによる容量 - 電圧特性測定 ) 18) を示す トンネル接合層 障壁層とも 広いバンドギャップエネルギーで構成したほど トンネル接合層からの不純物拡散が抑制できることがわかる 図 29 トンネル接合上の上部太陽電池層中のキャリア濃度の深さ方向分布 ( エッチングによる容量 - 電圧特性測定 ) 3.5 その他の効率支配要因表 5には 高効率多接合太陽電池のための主要要素技術を示す 高効率多接合太陽電池実現のために重要な要素技術として 1トップセル材料の選定 2 低抵抗損失 低光学損失のトンネル接合の他 3 基板 4 格子整合 5キャリア閉じ込め 6 光閉じ込め などがある 20

21 表 5 高効率多接合太陽電池のための主要要素技術 要素技術 過去 現在 将来 トップセル材料 AlGaAs InGaP AlInGaP 3 層目材料 None Ge InGaAsN 等 基板 GaAs Ge Si トンネル接合 DH 構造 GaAs DH 構造 InGaP DH 構造 (Al)GaAs 格子整合 GaAs ミドルセル InGaAs ミドルセル (In)GaAs ミドルセル キャリア閉じ込め InGaP-BSF AlInP-BSF Widegap-BSF (QDs) 光閉じ込め なし なし Bragg 反射等 その他 ( 逆エヒ 構造 ) 薄層逆エヒ 構造 薄層 図 30 種々の損失要因と解決手段 フォトンリサイクリングの有効性を示す最近の試み 24,25) を紹介する 図 30に示すよう 25,26) に 太陽光エネルギー変換においては 種々の損失要因がある 1スペクトル損失が一番大きいが 2 非輻射再結合など結晶品質要因 3 光反射を含む光不完全利用 などである (24) 式に示す 電圧損失についても Carnotロス 光放出ロス 不完全光トラッピング 非輻射再結合損失 などがあり 約 400mVの損失だが その多くは サブ波長構造 ナノフォトニック構造など光トラッピングを含む光マネージメントにより改善できる (24) 21

22 右辺の第一項は Carnot ロスで T は太陽電池の温度 T sun は太陽の温度で 室温では Voc は 5% 減となる 第二項は光放出ロスで 入射光の立体角 Ω sun =6x10-5 ステラジアン 放出光の立体角 Ω emit = 4π までの値をとる 第三項は 不完全光トラッピング損失で n は屈折率 I は光強度因子で 光トラッピングがない平板セルでは I=1 で Voc の低下は 100mV 程度となる 第二項 第三項は 光トラッピングを含む光マネージメントにより改善できる 第四項は 結晶欠陥 不純物キャリアトラップに起因する非輻射再結合損失で 量子効率 QE は QE=R rad /(R rad + R nrad ) で R rad 放射再結合率 R nrad ) は非放射再結合率である Voc の低下は 60mV あるいはそれ以上である II-V 族化合物は 直接遷移バンド構造で 薄膜化が可能で 単接合でも効率 28% 以上の結果が得られている AltaDevices 24) では MOCVD 成長と AlAs リーリース層の選択エッチを用いたエピタキシャル リフト オフ ( ELO) で 1cm 2 角の薄型 GaAs 太陽電池を作製し 1-sun AM1.5G の条件で 単接合での世界最高効率 28.8%(Voc=1.1220V Jsc =29.677mA/cm 2 FF=86.50%) 24) を達成している 2.5μm 以下に薄型することでフォトン リサイクリングによる高い量子効率と太陽電池製作の制御により 低い飽和電流密度 J 01 = 6x10-21 A/cm 2 ( n= 1) J 02 = 1x10-12 A/cm 2 ( n=2) を実現し (25) 式に示すように 従来より 50mV 高いV oc を実現したことで 高効率化につながっている V oc (kt/q)ln(j sc /J 01 )=(kt/q)ln(j sc )-(kt/q)ln(j 01 )= (kt/q)ln( ) (kt/q)ln(6x10-21 ) = = (25) GaAs 基板の再利用も可能で 高性能 低コストの薄膜太陽電池による地上に適用が可能であるとしている アパーチャ面積 856.8cm 2 で モジュール効率 23.5% を得ているとの事である 図 31 GaAs 薄膜太陽電池の作製プロセス 22

23 図 32 単接合での世界最高効率 ( 28.8%)GaAs 薄膜太陽電池 この他 モノリシック カスケード型多接合構造太陽電池の場合 各サブセルの電流整合も重要である 図 33には InGaP/GaAs2 接合セルにおけるトップセルとボトムセルの電流整合 ( サブセルの短絡電流密度のトップセル厚さ依存性 ) 27) を示す また 多接合太陽電池の場合 受光波長範囲が広いため 反射防止膜も重要である 図 34には InGaP/GaAs2 接合セルの光収集電流密度の ZnS/MgF2 の反射防止膜厚さ依存性に関する計算 28) 結果を示す 図 33 InGaP/GaAs2 接合セルにおけるトップセルとボトムセルの電流整合 ( サブセルの短絡電流密度のトップセル厚さ依存性 ) 23

24 図 34 InGaP/GaAs2 接合セルの光収集電流密度の ZnS/MgF2 の反射防止膜厚さ依存性に関する計算結果 参考文献 1) 電気学会太陽電池調査専門委員会編 : 太陽電池ハンドブック ( 電気学会 1986). 2) J.C.C. Fan, B-Y. Tsaur and B.J. Palm, Proceedings of the 16 th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, (IEEE, New York, 1982) p ) S.P. Bremner, M.Y. Levy and C.B. Honsberg, Progress in Photovoltaics, 16, 225 (2008). 4) M. Yamaguchi, Solar Energy Materials & Solar Cells, 75, 261 (2003). 5) R.N. Hall, Proceedings of the Inst. Elect. Eng., 106B, 983 (1960). 6) RK. Ahrenkiel, B.M. Keys, S.M. Durbin and J.L. Gray, Proceedings of the 23 rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, (IEEE, New York, 1993) p.42. 7) J. Olson, S. Kurtz and K. Kibbler, Appl. Phys. Lett. 56, 623 (1990). 8) K. Ando, C. Amano, H. Sugiura, M. Yamaguchi and A. Salates, Jpn. J. Appl. Phys. 26, L266 (1987). 9) M-J. Yang, M. Yamaguchi, T. Takamoto, E. Ikeda, H. Kurita and M. Ohmori, Solar Energy Materials and Solar Cell 45, 331 (1997). 10) T. Takamoto, M. Kaneiwa, M. Imaizumi and M. Yamaguchi, Progress in Photovoltaics, 13, 495 (2005). 11) T. Sasaki, K. Arafune, H.S. Lee, N.J. Ekins-Daukes, S. Tanaka, Y. Ohshita and M. Yamaguchi, Physica B , 626 (2006). 12) M. Yamaguchi and C. Amano, J. Appl. Phys. 58, 3601 (1985). 13) M. Yamaguchi, Y. Ohmachi, T. Oh hara, Y. Kadota, M. Imaizumi and S. Matsuda, Progress 24

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