本发明专利技术提供一种能够提高太阳能电池的转换效率的新的光吸收材料及使用该光吸收材料的光电转换元件。本发明专利技术的光吸收材料由一部分Ｇａ被３ｄ过渡金属替换的ＧａＮ类化合物半导体构成，具有一个以上的杂质能带，所述光吸收材料在波长区域为１５００ｎｍ以下且３００ｎｍ以上的全波长区域中的光吸收系数为１０００ｃｍ－１以上。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有多能带结构的光吸收材料及使用该光吸收材料的光电转换元件。
技术介绍
近年来，以(X)2排放问题等地球环境问题和原油价格的高涨等能源成本问题等为背景，对于使用清洁且用之不竭的太阳光的太阳能电池的期待日益高涨。当前，主要使用的太阳能电池是在半导体中使用了单晶硅或多晶硅的由一个pn结元件构成的单结型太阳能电池。该单结型太阳能电池的理论转换效率(能够将入射能量转换成电能的比例)是观％ 左右，但实用水平，对于例如单晶硅太阳能电池，一般是15 17%。太阳能电池所使用的硅等半导体具有固有的带隙，半导体吸收与其带隙相当的光能时，价电子带的电子被激发到导带，并且在价电子带产生空穴，该电子和空穴利用由pn 结形成的内部电场被加速，并作为电流向外部流动，由此产生电动势。此时，相比带隙，低能量的光不被吸收，而穿透半导体(穿透损失)。另外，相比带隙，高能量的光被吸收，但该能量的大部分作为热量被浪费(热能损失)。因此，如果能够利用太阳光的未利用的波长区域的光，则能够大幅度提高太阳能电池的转换效率。作为利用未利用的波长区域的光的方法，提出了使用将具有不同带隙的多个pn 结元件层叠而形成的多结型太阳能电池例如串接结构的太阳能电池的方法(例如，非专利文献1)、向半导体的带隙中导入杂质能带等中间能带并利用该中间能带来吸收通常不能吸收的长波长的光的使用了多能带结构的单结型太阳能电池的方法(例如，专利文献1、非专利文献2)。在使用多结型太阳能电池的情况下，以带隙从光入射侧依次变小的方式层叠多个元件，对于入射侧的元件，利用短波长的光进行发电，更长波长的光被更下层的元件利用而进行发电。由此，能够利用太阳光的宽波长区域的光，能够减少因长波长的光穿透而导致的穿透损失和短波长的光的热能损失，理论上能够期待60%以上的转换效率。但是，由于上述太阳能电池基本上具有元件沿纵向串联连接的结构，所以存在如下问题无论在各层的哪一层，若发电效率降低而导致电流降低，则电池整体的电流量降低。即使使用例如以 AM-1. 5 (地表的太阳光光谱)的理想太阳光为基础进行最优设计的串接结构的太阳能电池，由于阴天时通常红色附近的波长的光变少，所以将红色附近的波长的光作为对象的元件的发电效率显著降低。因此，串接型太阳能电池存在只能在晴天充分发挥作用的问题。另外，为形成多结型，需要层叠晶格常数不同的物质，但存在难以确保晶格整合的问题。因此， 即使是使用了 fe^nP/GaAs/lnGaAs的化合物半导体的三结型太阳能电池，也仅能够得到约 33%的转换效率。另一方面，在使用了多能带结构的单结型太阳能电池中，由于在借助了中间能带的两级以上的光吸收、和由母体的半导体的带隙产生的光吸收中，都生成电子空穴对，因此能够期待高转换效率。作为其实例，提出了例如使用^VyMnyOxTeh合金的结构(专利文献 1)、和在P层和η层之间的中间层使用量子点超晶格结构的结构(非专利文献2)。根据专CN 102326257 A说明书2/12 页利文献1的方法，向ZnMnTe合金中添加氧时，确认生成新的中间能带。由此，能够提高与太阳光的光谱之间的整合性，即使是单结，理论上也能够期待50%以上的转换效率。但是，氧离子注入之后需要用脉冲激光器进行融解，复杂的制造工艺成为最大的课题。另一方面， 非专利文献2的方法是通过控制量子点的大小，能够选择吸收波长，从而能够期待提高与太阳光的光谱之间的整合性，另外，在量子点中，电子的能量弛豫时间变得比在大块晶体中慢，在产生因声子发射而引起的能量弛豫之前，能够将电子取出到外部。另外，通过形成超晶格结构，利用量子点间的耦合来形成中间能带，从而能够吸收多个波长的光。但是，实际上只能得到30%左右的转换效率。另一方面，作为热利用太阳光的光吸收材料，在专利文献2中记载有被二维排列且具有周期性的表面细微凹凸图案的材料，但由于该材料需要形成有序排列的凹凸排列， 故难以制造。关于本专利技术涉及的GaN的一部分( 被3d过渡金属元素替换(置换)的化合物的能带结构，文献中报告了在价电子带和导带之间形成能级的情况，GaN的一部分( 被3d 过渡金属元素Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu替换的化合物中的能级通过计算而得到 (非专利文献3)。但是，并未提出将上述化合物作为光电材料使用。另外，报告了在添加了 1027cm"3左右(0. 1 %左右)的Mn的GaN的光吸收光谱中，在约1. 5eV存在光吸收波峰的情况(非专利文献4)。但是，由于Mn添加量少，所以作为光吸收材料的性能差，例如作为太阳光发电用光电转换元件，对于获得高发电效率而言占据重要地位的太阳光辐射强度强的 300 1500nm的波长带域的光吸收系数，只能实现最小值600 TOOcnT1左右的很小的值。 在太阳能电池中，为得到高转换效率，期待300 1500nm波长带域中的光吸收系数更高。专利文献1 日本特表2007-535129号公报专利文献2 日本特开2003-332607号公报非专利文献1 :Phys. Rev. Lett.，91，246403 (2003) ·非专利文献2 :Phys. Rev. Lett.，78，5014 (1997).非专利文献3 :Phys. Rev. B66,041203 (2002)非专利文献4 :Appl. Phys. Lett. ,815159(2002)如上所述，现状是，虽然至今为止一直尝试利用太阳光的未利用的波长区域的光来提高太阳能电池的转换效率，但尚未出现能够实用的技术。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供能够提高太阳能电池的转换效率的新的光吸收材料及使用该光吸收材料的光电转换元件。本专利技术人为解决上述课题，经过认真研究的结果，发现如下情况并完成了本专利技术， 即在具有杂质能带的GaN类化合物半导体中，若GaN的一部分( 被3d过渡金属元素&、 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu以一定量以上的量替换，则在包含从紫外线至红外线在内的波长区域，也就是说1500nm以下且300nm以上的波长区域中，光吸收系数为lOOOcnT1以上。即，本专利技术的光吸收材料的特征在于，该光吸收材料由一部分( 被至少一种3d过渡金属以一定量以上的量替换的GaN类化合物半导体构成，在价电子带和导带之间具有一个以上的杂质能带，波长区域为1500nm以下且300nm以上的全波长区域中的光吸收系数为IOOOcm-1以上。本专利技术的光吸收材料能够良好地作为光电转换材料使用。在本专利技术中，作为所述化合物半导体能够使用^vxMnxN(0. 02彡χ彡0. 3)。另外，本专利技术的其它光吸收材料的特征在于，该光吸收材料由一部分( 被至少一种3d过渡金属替换且掺杂有受主掺质(7夕七夕一卜·'一 ^ >卜)和/或施主掺质(卜·' t 一卜'一〃 > 卜)的GaN类化合物半导体构成，具有一个以上的杂质能带，波长区域为1500nm 以下且300nm以上的全波长区域中的光吸收系数具有lOOOcnT1以上的值。另夕卜，所述化合物半导体能够使用受主掺质为Mg且用通式 Ga1^zMnxMgzN(0. 02彡χ彡0. 3，0 < ζ彡0. 125)表示的化合物半导体。另外，所述化合物半导体能够使用本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种光吸收材料，其特征在于，由一部分Ｇａ被至少一种３ｄ过渡金属替换的ＧａＮ类化合物半导体构成，所述光吸收材料在价电子带和导带之间具有一个以上的杂质能带，所述光吸收材料在波长区域为１５００ｎｍ以下且３００ｎｍ以上的全波长区域中的光吸收系数为１０００ｃｍ－１以上。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：园田早纪，
申请(专利权)人：国立大学法人京都工芸纤维大学，
类型：发明
国别省市：JP
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