特許ウォッチ

公開番号2025100165
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023217338
出願日2023-12-22
発明の名称光電変換素子
出願人学校法人千葉工業大学,国立大学法人名古屋工業大学,学校法人名城大学
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H10F 10/00 20250101AFI20250626BHJP()
要約【課題】太陽光の紫外光領域および可視光領域で高い光電変換特性を有し、かつ、直列抵抗を低減することが可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】n型半導体層と、多重量子井戸層と、p型半導体層とが順に積層された光電変換体を有し、前記光電変換体は、前記n型半導体層側から外部光が入射され、前記n型半導体層、および前記p型半導体層は、窒化ガリウムを含み、前記多重量子井戸層は、窒化インジウムガリウムを含む量子井戸層と、窒化ガリウムを含む障壁層とが一対以上積層されてなり、前記p型半導体層に重ねて、入射した光の遮蔽率が7.7%以上のp側電極層を形成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ｎ型半導体層と、多重量子井戸層と、ｐ型半導体層とが順に積層された光電変換体を有し、
前記光電変換体は、前記ｎ型半導体層側から外部光が入射され、
前記ｎ型半導体層、および前記ｐ型半導体層は、窒化ガリウムを含み、
前記多重量子井戸層は、窒化インジウムガリウムを含む量子井戸層と、窒化ガリウムを含む障壁層とが一対以上積層されてなり、
前記ｐ型半導体層に重ねて、入射した光の遮蔽率が７．７％以上のｐ側電極層を形成すること、を特徴とする光電変換素子。
続きを表示（約 2,400 文字）【請求項２】
前記ｐ側電極層は、入射した光の遮蔽率が９９％以上であること、を特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記ｐ側電極層は、紫外線波長域の光に対する反射率が５０％以上であり、かつ、接触抵抗値が１×１０
－５
Ωｃｍ
２
以上、１×１０
－２
Ωｃｍ
２
以下であること、を特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記ｐ側電極層は、ｐ側第１領域と、ｐ側第２領域とを有し、
前記ｐ側第１領域は、前記ｐ側第２領域よりも接触抵抗値が低く、
前記ｐ側第２領域は、前記ｐ側第１領域よりも紫外線波長域の光に対する反射率が高く、
前記ｐ側電極層を一方の面側から平面視した時に、前記ｐ側第１領域よりも前記ｐ側第２領域の面積が大きいこと、を特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記ｐ側第１領域は、Ｎｉ／Ａｕ積層膜、Ｐｄ／Ａｕ積層膜、Ｐｔ膜、Ｐｄ／Ｐｔ積層膜、Ｒｈ／Ａｕ積層膜のいずれかで構成され、
前記ｐ側第２領域は、Ａｇ膜、Ａｇ／Ｃｕ積層膜、Ｍｇ膜、ＩＴＯ／Ａｇ積層膜、Ａｇ／Ｌａ積層膜、ＣｕドープＩｎ
２
Ｏ
３
膜、Ｎｉ／Ａｕ／Ｗ／Ａｇ積層膜のいずれかで構成されていること、を特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記ｐ側第１領域は、Ｎｉ／Ａｕ積層膜、Ｐｄ／Ａｕ積層膜、Ｐｔ膜、Ｐｄ／Ｐｔ積層膜、Ｒｈ／Ａｕ積層膜のいずれかで構成され、
前記ｐ側第２領域は、ＴｉＯ
２
／ＳｉＯ
２
積層膜、ＴｉＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＺｒＯ
２
／ＳｉＯ
２
積層膜、ＺｒＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、Ｔａ
２
Ｏ
５
／ＳｉＯ
２
積層膜、Ｔａ
２
Ｏ
５
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜のいずれかで構成されていること、を特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記ｎ型半導体層に重ねて、入射する外部光に対する反射率が１０％以下の低反射層が形成されていること、を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記低反射層は、Ａｌ
２
Ｏ
３
膜、ＳｉＯ
２
膜、ＬｉＦ膜、ＬｉＦ／ＳｉＯ
２
積層膜、ＬｉＦ／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＳｉＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＬｉＦ／ＳｉＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＳｉＯ
２
／ＴｉＯ
２
積層膜、ＳｉＯ
２
／Ｔａ
２
Ｏ
５
積層膜、ＳｉＯ
２
／ＺｒＯ
２
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／ＴｉＯ
２
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／Ｔａ
２
Ｏ
５
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／ＺｒＯ
２
積層膜のいずれかで構成されていること、を特徴とする請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記ｎ型半導体層に重ねてｎ側電極層が形成され、
前記ｎ側電極層は、ｎ側第１領域と、ｎ側第２領域とを有し、
前記ｎ側第１領域は、前記ｎ側第２領域よりも接触抵抗値が低く、
前記ｎ側第２領域は、前記ｎ側第１領域よりも入射する外部光に対する反射率が低く、
前記ｎ側電極層を一方の面側から平面視した時に、前記ｎ側第１領域よりも前記ｎ側第２領域の面積が大きいこと、を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記ｎ側第１領域は、Ｔｉ／Ａｌ積層膜、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜のいずれかで構成され、
前記ｎ側第２領域は、Ａｌ
２
Ｏ
３
膜、ＳｉＯ
２
膜、ＬｉＦ膜、ＬｉＦ／ＳｉＯ
２
積層膜、ＬｉＦ／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＳｉＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＬｉＦ／ＳｉＯ
２
／Ａｌ
２
Ｏ
３
積層膜、ＳｉＯ
２
／ＴｉＯ
２
積層膜、ＳｉＯ
２
／Ｔａ
２
Ｏ
５
積層膜、ＳｉＯ
２
／ＺｒＯ
２
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／ＴｉＯ
２
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／Ｔａ
２
Ｏ
５
積層膜、Ａｌ
２
Ｏ
３
／ＺｒＯ
２
積層膜のいずれかで構成されていること、を特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重量子井戸を用いた光電変換素子に関するものである。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
太陽電池などに用いる光電変換素子として、量子井戸を利用した構造が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この光電変換素子は、例えば、ＩｎＧａＮ膜（量子井戸膜）とＧａＮ膜（障壁膜）とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層を備えている。こうしたＭＱＷ層を形成することによって、開放電圧を低下させることなく、ｐｎ接合を形成する半導体材料の禁制帯幅に対応した光のみならず、井戸層を形成する半導体材料の禁制帯幅や井戸層内に形成されたサブバンド間に対応した光をも光電変換に利用できる。よって、長波長側の太陽光が光電効果に寄与するので、分光感度特性が向上し高出力の光電変換素子を実現できる。
【０００３】
しかしながら、こうしたＭＱＷ層を備えた従来の光電変換素子は、入射光として低輝度光を対象としており、例えば、次世代の電力伝送用として期待されている高輝度なレーザ光（例えば、出力が５００ｍＷ／ｃｍ
２
以上、かつ波長４００ｎｍ以下）を入射させて光電変換を行う光無線給電用の窒化物半導体光電変換素子に適用することは以下の点から困難であると考えられている。
【０００４】
１つ目は、最表面のｐ型ＧａＮ層は、材料特性として抵抗が高く（シート抵抗で約１×１０
５
Ω）、ガリウム砒素系材料の数百倍の抵抗値であるため、光電変換素子の直列抵抗が大きくなる。そのため、高輝度光を入射させた際に発生する大電流のよるジュール熱損失が大きくなり、光電変換効率が著しく低下する。
【０００５】
即ち、電極層まで正孔キャリアが輸送される際に、高抵抗のｐ型ＧａＮ層の内部を横方向に正孔キャリアが移動すると大きな抵抗損失となってしまう。このため、透明電極としてＩＴＯを上部に形成することで、正孔キャリアの横方向の移動をＩＴＯの内部で行うことによって、抵抗損失を低減する方法が採用されることが多い。しかしながら、ＩＴＯはｐ型ＧａＮ層との接触抵抗が通常のオーミック電極との接触抵抗値（例えば、１×１０
－２
Ωｃｍ
２
～１×１０
－５
Ωｃｍ
２
程度）の１０００倍程度大きい（例えば、１０Ωｃｍ
２
～１×１０
－２
Ωｃｍ
２
程度）となるため、ＩＴＯの導入による効果は限定的である。
【０００６】
また、ＩＴＯ紫外領域の光の透過性が低く、例えば、波長３９５ｎｍの紫外光の透過損失率は、ＩＴＯの膜厚が３０ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍで、それぞれ３．４％，４．９％，６．４％と大きく、光電変換効率が５０％を超えることが求められる光無線給電システムの用途では、ＩＴＯの膜厚を３０ｎｍ以下にする必要があり、こうした厚みでは、電極として十分な導電性を確保できない。
【０００７】
２つ目は、ＭＱＷ層の量子井戸膜にはＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）が採用されているが、ＩｎＧａＮの光吸収係数は１×１０
５
ｃｍ
－１
程度であり、紫外光など波長が４００ｎｍ近傍のレーザ光を吸収するためには、ＭＱＷ層の総膜厚が４００ｎｍ以上必要となる。しかしながら、ＧａＮ層に対して格子の大きいＩｎＧａＮ層を厚くすると、格子歪が大きくなるために結晶欠陥が発生しやすくなるため、ＩｎＧａＮ層の厚みを厚くすることは困難である。
【０００８】
例えば、非特許文献１では、ＭＱＷ層の総膜厚が１７．５ｎｍと非常に薄いために、外光、例えば太陽光が十分に吸収できず、光電変換効率は０．６％程度と非常に低い。また、非特許文献２においても、ＭＱＷ層の総膜厚が１２１．８ｎｍと薄いために、入射させたレーザー光は、約７０％程度しか吸収されず、やはり光電変換効率に課題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
Bi, Zhen, et al. "The effect of 3-MeV proton irradiation on the performance of InGaN/GaN MQWs solar cells." IEEE Photonics Technology Letters 26.15 (2014): 1492-1494.
Miyoshi, Makoto, et al. "Improved epilayer qualities and electrical characteristics for GaInN multiple-quantum-well photovoltaic cells and their operation under artificial sunlight and monochromatic light illuminations." AIP Advances 11.9 (2021).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、太陽光の紫外光領域および可視光領域で高い光電変換特性を有し、かつ、直列抵抗を低減することが可能な光電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許