光吸收材料及使用其的光电转换元件制造技术

本发明专利技术提供一种新的光吸收材料及使用其的光电转换元件，其能够提高太阳能电池的转换效率。本发明专利技术的光吸收材料由通过3d过渡金属置换了由Al1-yGayN（0≤y≤1）表示的化合物半导体的Al及／或Ga的一部分的氮化物系化合物半导体构成，并具有一个以上的杂质能带，波长区域为300nm以上且1500nm以下的整个波长区域的光吸收系数为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构造的光吸收材料及使用其的光电转换元件。
技术介绍
近年来，以CO2排放问题等地球环境问题及原油价格高升等的能量成本的问题等为背景，向利用洁净且取之不尽的太阳光的太阳能电池的期待正在高涨。目前，主要使用的太阳能电池是在半导体使用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(可将入射能量转换为电能的比例)可以说是28%左右，但在实用水平上，例如，在单晶硅太阳能电池中，通常为15 17%。太阳能电池使用的硅等半导体具有固有的带隙，当半导体吸收相当于其带隙的光能时，价电子带的电子就被激发到导带，并且在价电子带上产生空穴，该电子和空穴通过由pn结形成的内部电场而被加速，作为电流流到外部，由此发生电动势。此时，低于带隙的能量的光不会被吸收，而是透过半导体(透过损失)。另外，高于带隙的能量的光被吸收，但其能量的大部分作为热量被浪费掉(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，就能够大幅度地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，提案有使用多结型太阳能电池例如串联构造的太阳能电池的方法(例如，非专利文献I)及使用单结的太阳能电池的方法(例如，专利文献I、非专利文献2)，所述多结型太阳能电池，层叠有具有不同的带隙的多个pn结元件；所述单结的太阳能电池，使用的是多能带构造，所述多能带构造向半导体的带隙中导入杂质能带等中间能带，利用其中间能带，吸收通常不能被吸收的长波长的光。在使用多结型太阳能电池的情况下，以从光入射侧起依次减小带隙的方式层叠多个元件，在入射侧的元件中，利用短波长的光进行发电，更长波长的光由更下层的元件来利用进行发电。由此，能够利用太阳光的较宽的波长区域的光，能够减小长波长的光的透过损失及短波长的光的热能损失，在理论上，能够期待60%以上的转换效率。但是存在如下问题，即，由于元件基本上具有纵向地串联连接的构造，因此，当各层中的任一层发电效率下降而电流下降时，电池整体的电流量就下降。例如，即使使用基于AM — 1.5(地表的太阳光光谱)的理想的太阳光而优选设计的串联构造的太阳能电池，也由于阴天通常红色附近的波长的光少，因此，以红色附近的波长的光为对象的元件的发电效率极低。因此，串联型太阳能电池存在只有晴天才能充分发挥能力之类的问题。另外，为了制成多结型，需要将晶格常数不同的物质层叠，但存在难以确保晶格匹配之类的问题。因此，在使用GaInP / GaAs /InGaAs的化合物半导体的三结型中，只不过得到约33%的转换效率。另一方面，在使用多能带构造的单结的太阳能电池中，通过经由中间能带的两级以上的光吸收、母体半导体的带隙的光吸收双方，生成电子空穴对，因此，能够期待较高的转换效率。作为该例子，例如，提案有使用Zn1-yMny0xTei —x合金的例子(专利文献I)、ρ层和η层之间的中间层使用量子点超晶格构造的例子(非专利文献2)。根据专利文献I的方法可确认，当在ZnMnTe合金中添加氧时,就生成新的中间能带。由此,能够提高与太阳光的、光谱的匹配性，可以说即使是单结，在理论上也能够期待50%以上的转换效率。但是，接着氧的离子注入，需要用脉冲激光进行熔化，复杂的制造工艺成为大课题。另一方面，非专利文献2的方法通过控制量子点的大小，能够选择吸收波长，因此，能够期待提高与太阳光的光谱的匹配性，另外，在量子点中，电子的能量缓和时间比块状晶体慢，在发生声子放出实现的能量缓和之前，有可能将电子引出到外部。另外，可以说通过制成超晶格构造，有可能通过量子点间的耦合来形成中间能带，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，作为用于热利用太阳光的光吸收材料，专利文献2记载有二维排列且具有周期的表面微细凹凸图案的材料，但该材料需要形成合乎标准的凹凸的排列，因此，难以进行制造。关于本申请专利技术相关的由3d过渡金属元素置换了 AlN或GaN的Al或Ga的一部分的化合物的能带构造，在文献中报道有在价电子带和导带之间形成能级的能带构造，通过对由3d过渡金属元素Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu置换了 AlN或GaN的Al或Ga的 一部分的化合物的能级进行计算而得出(非专利文献3)。但是，未提出将上述化合物作为光电材料来使用之类的提案。另外，报道有如下技术，即，在添加有102° / cm —3左右(0.1%程度)的Mn的GaN或AlN的光吸收光谱中，在约I. 5eV时存在光吸收峰值(非专利文献4)。但是，由于Mn添加量少，因此，作为光吸收材料的性能较低，例如，作为太阳光发电用光电转换元件，为了得到高发电效率，重要的太阳光辐射强度强的300 1500nm的波长带域的光吸收系数的最小值在GaN中，只能实现小至600 700CHT1左右的值，在AlN中，只能实现小至200 300CHT1左右的值，另外，未记载在GaN和AlN的固溶体中用3d过渡金属元素来置换的技术。在太阳能电池中，为了得到高转换效率，优选进一步提高300 1500nm波长带域的光吸收系数。专利文献I :(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I 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，迄今为止，正在进行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的试验，但尚未发现可实用的技术，这就是现状。专利技术者们鉴于上述这点，在(日本)特愿2009 - 038224号公报中，作为光吸收材料，提案有由至少一种3d过渡金属置换了 Ga的一部分的GaN系化合物半导体和使用其的光电转换元件。该专利技术是，利用在具有约3. 4eV的带隙的化合物半导体即GaN的价电子带和导带之间由3d过渡金属的置换而生成的杂质能带，能够高效地吸收3. 4eV以下的能量，与目前使用的Si系的太阳能电池相比，可进一步提高发电效率。为了利用更高能量侧的光，需要使用具有比GaN更宽的带隙的化合物半导体。得知的是GaN与AlN在整个组成范围内形成固溶体，其带隙随着Al量的增加而从3. 4eV增加到AlN的6.2eV。另外，太阳能电池的开路端电压依赖于带隙的大小，通常，带隙越宽，越能得到高电压，因此，即使减少串联连接的太阳能电池元件的元件数量，也能够得到必要的输出电压。
技术实现思路
本专利技术就是鉴于所述问题而提出的，其目的在于，提供一种新的光吸收材料及使用其的光电转换元件，其能够提高太阳能电池的转换效率，进而能够提高输出电压。本专利技术者们为了解决上述课题，进行了锐意研究，结果发现，如果用至少一种3d过渡金属元素来置换由AlpyGayN表示的化合物半导体的Al及/或Ga的一部分，则在包含从紫外线到红外线的波长区域，即，在1500nm以下、且300nm以上的波长区域，光吸收系数就成为lOOOcnT1以上。另外发现，具有杂质能带的所述氮化物系化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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，加藤纯一，川崎修，竹永睦生，
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：