超高効率低価格化合物半導体/Siタンデム型太陽電池に関する研究

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06402064
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (A)
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 梅野 正義 名古屋工業大学, 工学部, 教授 (90023077)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 江川 孝志 名古屋工業大学, 極微構造デバイス研究センター, 助教授 (00232934) ; 曽我 哲夫 名古屋工業大学, 計測分折センター, 助教授 (20197007) ; 神保 孝志 名古屋工業大学, 極微構造デバイス研究センター, 教授 (80093087)
• Keywords: タンデム太陽電池 / AlGaAs / Si基板 / 転位低減 / 応力緩和 / III-V on Si / レーザ照射

Research Abstract

本研究は安価なシリコン(si)基板上にレーザー照射により有機金属気相成長法(MOCVD)で転位密度と応力が少なく、高品質のガリウムの砒素(GaAs)やアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)半導体を結晶成長し、その結晶を用いて効率30%以上の高効率タンデム型太陽電池を作製することを目的としている。
昨年度まではAlGaAs/Siタンデム太陽電池で効率17.1%が得られていたが、効率の低い大きな原因はSi基板上に結晶成長したGaAsの転位密度が多く、応力がかかっているためである。Si基板上に成長したGaAsの転位は結晶成長後の冷却過程に導入されるということが明らかになっている。
そこで、我々は中間層の禁制帯幅を上層のそれより小さくすることにより上層には影響を与えず、中間層だけをレーザーを励起できる構造を成長することによって、熱応力の発生を抑え、転位を低減する方法を用い、低転位で歪の無い化合物半導体が成長を行った。
Si基板上にGaSbを中間層としてGaAsを結晶成長し、YAGレーザ照射を行った。レーザ出力、パルス幅、照射回数を最適化することにより、GaAsの応力を零にすることが可能となった。また、AsH_3雰囲気中で熱アニールを行うことにより、さらに転位密度を低減できることができ、10^6cm^<-2>台の転位密度が得られた。
次にGaAs/Siの3端子タンデム太陽電池とAlGaAs/Si2端子(4端子)タンデム太陽電池の高効率化を行った。結晶成長条件、構造を最適化することにより、3端子GaAs/Si太陽電池では19.5%、4端子AlGaAS/Si太陽電池では変換効率20.6%を達成した。この値は化合物半導体/シリコンモノリシックタンデム太陽電池では世界最高値である。

Research Products

• [Publications] T.Soga: "Time-vesdved pho tduminescence characterization of GaAsand AlGaAs on Sisubstrate grown by MOCVD" Solar Energy Materials and Solar Cells. 35. 75-81 (1994)
• [Publications] M.Yang: "Three-terminal monolithic coscade GaAsls:soler cells" Solar Energy Materials and solar Cells. 35. 45-51 (1994)
• [Publications] H.Uchida: "Stress Relaxation of GaAs on Si by Laser Pulse Irradiation" Extended Abstracts of 1994 Int.Conf.on SSDM. 22-24 (1994)
• [Publications] M.Yang: "High efficiency GaAs/si monolithic three-terminal cascade solar cells by MOCVD" Jpn.J.Appl.phys.33. L712-L714 (1994)
• [Publications] M.Yang: "Al_×Ga_<Y-X>As(x=o-0.22)tandem solav cell grown by MOCVD" Jpn.J.APPl.Phys. 33. 6605-6610 (1994)
• [Publications] H.Uchida: "Reduction of Dislocation Density by Theronsl Annealing for GaAs/GaSb/Si Heterostructurc" J.Crystal Growth. (1995)
• [Publications] M.Umeno: "High efficiency AlGaAs/Si tandem solar cell ouev 20%" Proc.lst Walol Conf.on Photovoltaic Energy Convevsion. (1995)
• [Publications] M.Yang: "High efficieney GaAs/Si cascade solar cell with Al_<0.3>G_<0.7>As buffer layer" ibid. (1995)
• [Publications] T.Soga: "Implovement of AlGaAs solar cell grown on Si substrate" ibid. (1995)
• [Publications] K.Hayashi: "MOCVD glowth of GaAsP on Si for tandem solar cell application" ibid. (1995)