JP5341949B2

JP5341949B2 - Solar cell

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Publication number: JP5341949B2
Application number: JP2011115876A
Authority: JP
Inventors: 弘文吉川; 真和泉; 恭崇葛本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: JP2012244108A

Description

本発明は、超格子構造を有する太陽電池に関する。 The present invention relates to a solar cell having a superlattice structure.

太陽電池は、より広い波長範囲の光を利用し光電変換効率を高めるために様々な研究開発が行われている。例えば、量子ドット技術を利用して価電子帯と伝導帯との間に中間バンドを設け、二段階で電子を励起することにより、より長波長の光を利用する太陽電池が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１）。 Various research and development have been conducted on solar cells in order to increase the photoelectric conversion efficiency by using light in a wider wavelength range. For example, solar cells that use longer wavelength light by providing an intermediate band between a valence band and a conduction band using quantum dot technology and exciting electrons in two stages have been proposed ( For example, Non-Patent Document 1, Patent Document 1).

このような量子ドットを有する太陽電池は、化合物太陽電池のｉ層を構成する母体半導体中に量子ドットを有する量子ドット層を挿入したものである。母体半導体中に量子ドット層を挿入することで、量子ドット間の電子的結合により超格子ミニバンドを中間バンドとして形成し、ミニバンドを介した二段階の光励起によって未利用だった波長域の光吸収（母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。量子ドットで生成されたキャリアは、ミニバンド中を移動し、光励起または熱励起によってｐ型およびｎ型の母体半導体領域へと移動し、外部より取り出される。 A solar cell having such quantum dots is obtained by inserting a quantum dot layer having quantum dots into a base semiconductor constituting the i layer of a compound solar cell. By inserting a quantum dot layer into the base semiconductor, a superlattice miniband is formed as an intermediate band by electronic coupling between quantum dots, and light in the wavelength range that has not been used by two-stage photoexcitation via the miniband. Absorption (absorption of photons having energy smaller than the band gap of the base semiconductor material) becomes possible, and the photocurrent can be increased. Carriers generated by the quantum dots move in the miniband, move to the p-type and n-type base semiconductor regions by photoexcitation or thermal excitation, and are extracted from the outside.

特表２０１０−５０９７７２号公報Special table 2010-509772

ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年PHYSICAL REVIEW LETTERS, 97, 247701, 2006

現在、ミニバンドを利用した量子ドット太陽電池において、量子ドット層からの光電流取り出し効率は最大数％程度に止まっている。この原因は明らかではないが、量子ドットで生成されたキャリアが、光励起または熱励起によってｐ型およびｎ型の母体半導体領域へと移動する確率が低いことが考えられる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ｐ型およびｎ型半導体領域へ効率よくキャリアを取り出すことができる超格子構造を有する太陽電池を提供する。 Currently, in a quantum dot solar cell using a mini-band, the photocurrent extraction efficiency from the quantum dot layer is limited to a maximum of several percent. The cause of this is not clear, but it is considered that the carriers generated by the quantum dots have a low probability of moving to the p-type and n-type host semiconductor regions by photoexcitation or thermal excitation.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a solar cell having a superlattice structure capable of efficiently extracting carriers into p-type and n-type semiconductor regions.

本発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれ、かつ、量子層および障壁層が複数回交互に積層された超格子半導体層とを備えた太陽電池であって、前記超格子半導体層は、前記量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように積層された積層構造を有し、前記ミニバンドの下端のエネルギー準位は、前記障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より低く、前記ミニバンドの上端のエネルギー準位は、前記障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であることを特徴とする太陽電池を提供する。 The present invention relates to a superlattice semiconductor sandwiched between a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer, and in which a quantum layer and a barrier layer are alternately stacked a plurality of times. A superlattice semiconductor layer having a stacked structure in which a miniband is formed by a quantum level on a conduction band side of the quantum layer, and the miniband The energy level at the lower end of the barrier layer is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer, and the energy level at the upper end of the miniband is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer. Provided is a solar cell characterized by having an energy level higher than an energy level that is twice as much as (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature).

本発明によれば、超格子半導体層は、量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように積層された積層構造を有し、前記ミニバンドの下端のエネルギー準位は、障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より低い。このため、母体半導体材料のバンドギャップに対応した光遷移に加えて、ミニバンドを利用した母体半導体材料のバンドギャップ未満の光エネルギーで生成されたキャリアをｐ型半導体層およびｎ型半導体層から外部に取り出すことができ、光電流を増加させることができる。
本発明によれば、超格子半導体層に形成されるミニバンドの上端のエネルギー準位は、障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であるため、室温におけるフェルミ分布関数から、ミニバンドの電子が障壁層の伝導帯に熱励起される確率を１０％以上とすることができ、超格子半導体層で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すことができ、短絡電流を大幅に増加させることができる。このことにより、高い光電変換効率を有する太陽電池を得ることが可能となる。 According to the present invention, the superlattice semiconductor layer has a stacked structure in which a miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer, and the energy level at the lower end of the miniband is It is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer. Therefore, in addition to the optical transition corresponding to the band gap of the base semiconductor material, carriers generated with light energy less than the band gap of the base semiconductor material using the miniband are externally transmitted from the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The photocurrent can be increased.
According to the present invention, the energy level at the upper end of the miniband formed in the superlattice semiconductor layer is higher than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer by thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature). The energy level is higher than the energy level that is twice that of), so the probability that the miniband electrons are thermally excited in the conduction band of the barrier layer should be 10% or more from the Fermi distribution function at room temperature. The carriers generated in the superlattice semiconductor layer can be efficiently extracted to the outside, and the short-circuit current can be greatly increased. This makes it possible to obtain a solar cell having high photoelectric conversion efficiency.

本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell of one Embodiment of this invention. 図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける超格子半導体層の伝導帯のエネルギー準位を示した概略バンド図である。FIG. 2 is a schematic band diagram showing energy levels of a conduction band of a superlattice semiconductor layer taken along one-dot chain line AA in FIG. 1. 実験１のシミュレーションにより得られた超格子構造の伝導帯における分散関係を表したグラフである。4 is a graph showing a dispersion relation in a conduction band of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 1. FIG. 実験１のシミュレーションにより得られた超格子構造の価電子帯（重い正孔）における分散関係を表したグラフである。6 is a graph showing a dispersion relationship in a valence band (heavy holes) of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 1. FIG. 実験１のシミュレーションにより得られた超格子構造の価電子帯（軽い正孔）における分散関係を表したグラフである。4 is a graph showing a dispersion relation in a valence band (light holes) of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 1. FIG. 実験２のシミュレーションにより得られた超格子構造の伝導帯における分散関係を表したグラフである。6 is a graph showing a dispersion relation in a conduction band of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 2. FIG. 実験３のシミュレーションにより得られた超格子構造の伝導帯における分散関係を表したグラフである。6 is a graph showing a dispersion relation in a conduction band of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 3. 実験４のシミュレーションにより得られた超格子構造の伝導帯における分散関係を表したグラフである。6 is a graph showing a dispersion relation in a conduction band of a superlattice structure obtained by simulation of Experiment 4.

本発明の太陽電池は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれ、かつ、量子層および障壁層が複数回交互に積層された超格子半導体層とを備えた太陽電池であって、前記超格子半導体層は、前記量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように積層された積層構造を有し、前記ミニバンドの下端のエネルギー準位は、前記障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より低く、前記ミニバンドの上端のエネルギー準位は、前記障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であることを特徴とする。 The solar cell of the present invention is sandwiched between a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and a quantum layer and a barrier layer are alternately stacked several times. A solar cell including a superlattice semiconductor layer, wherein the superlattice semiconductor layer has a stacked structure in which a miniband is formed by a quantum level on a conduction band side of the quantum layer; The energy level of the lower end of the miniband is lower than the energy level of the lower end of the conduction band of the barrier layer, and the energy level of the upper end of the miniband is lower than the energy level of the lower end of the conduction band of the barrier layer at room temperature. It is characterized in that the energy level is higher than the energy level lower by twice the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature).

ここで、本明細書中でよく用いられる語句について簡単な説明を加える。
超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる障壁層と量子層（量子井戸層および量子ドット層を含む）とが複数回繰り返し積層された構造である。
ミニバンドとは、超格子構造の量子井戸あるいは量子ドットの電子の波動関数が隣接する量子井戸あるいは量子ドットの波動関数と相互作用し、量子井戸あるいは量子ドットの量子準位間の共鳴トンネル効果が生じ形成されるバンドをいう。なお、ミニバンドとは、少なくとも一部が障壁層の価電子帯上端と伝導帯下端の間に形成されたものをいう。
量子ドットとは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。
量子準位とは、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。
障壁層とは、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。
ｘ方向とは、図１に示すような積層面に平行な方向であり、ｙ方向とは、積層面に平行な方向であり、ｘ方向に垂直な方向である。また、ｚ方向とは、図１に示すような積層面に垂直な方向である。 Here, a brief explanation will be given for terms often used in this specification.
The superlattice structure is a structure in which a barrier layer and a quantum layer (including a quantum well layer and a quantum dot layer) that are both made of a semiconductor and have different band gaps are repeatedly stacked a plurality of times.
A miniband is a phenomenon in which the electron wave function of a quantum well or quantum dot in a superlattice structure interacts with the wave function of an adjacent quantum well or quantum dot, resulting in a resonant tunneling effect between the quantum levels of the quantum well or quantum dot. The band formed and formed. Note that the miniband is a band formed at least partially between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of the barrier layer.
A quantum dot is a semiconductor fine particle having a particle size of 100 nm or less, and is a fine particle surrounded by a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dot.
A quantum level means the discrete energy level of the electron of a quantum dot.
The barrier layer is made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dots, and constitutes a superlattice structure.
The x direction is a direction parallel to the laminated surface as shown in FIG. 1, and the y direction is a direction parallel to the laminated surface and a direction perpendicular to the x direction. Further, the z direction is a direction perpendicular to the laminated surface as shown in FIG.

本発明の太陽電池において、前記ミニバンドの上端のエネルギー準位は、前記障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より高いエネルギー準位であることが好ましい。
このような構成によれば、ミニバンドの電子が容易に障壁層の伝導帯に移動することができ、超格子半導体層で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すことができる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、前記量子層の伝導帯側の量子準位によりミニバンドがただ１つ形成されるように積層された積層構造を有することが好ましい。
このような構成によれば、ミニバンドが複数形成されたときに生じるミニバンド間の緩和等がなく、超格子半導体層で生成されたキャリアを効率的にｐ型半導体層またはｎ型半導体層を介して取り出すことができる。 In the solar cell of the present invention, the energy level at the upper end of the miniband is preferably higher than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer.
According to such a configuration, the electrons in the miniband can easily move to the conduction band of the barrier layer, and carriers generated in the superlattice semiconductor layer can be efficiently extracted to the outside.
In the solar cell of the present invention, the superlattice semiconductor layer preferably has a stacked structure in which only one miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer.
According to such a configuration, there is no relaxation between minibands generated when a plurality of minibands are formed, and carriers generated in the superlattice semiconductor layer are efficiently transferred to the p-type semiconductor layer or the n-type semiconductor layer. Can be taken out through.

本発明の太陽電池において、前記ｐ型半導体層、前記ｎ型半導体層および前記超格子半導体層は、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を形成することが好ましい。
このような構成によれば、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、効果的に起電力を生じさせることができる。
本発明の太陽電池において、前記量子層は、複数の量子ドットからなる量子ドット層であることが好ましい。
このような構成によれば、量子ドットの量子効果により、ミニバンドのエネルギー高さを容易に変化させることができ、ミニバンドのエネルギー下端が障壁層のエネルギーよりも低いエネルギー準位であり、かつ、ミニバンドのエネルギー上端が障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高い又は障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位よりも室温での熱エネルギーの２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であるミニバンドを容易に形成することができる。 In the solar cell of the present invention, it is preferable that the p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer, and the superlattice semiconductor layer form a pn junction or a pin junction.
According to such a configuration, an electromotive force can be effectively generated when the pin junction or the pn junction receives light.
In the solar cell of the present invention, the quantum layer is preferably a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots.
According to such a configuration, due to the quantum effect of the quantum dots, the energy height of the miniband can be easily changed, the energy lower end of the miniband is an energy level lower than the energy of the barrier layer, and The energy top of the miniband is higher than the energy level at the bottom of the conduction band of the barrier layer or higher than the energy level at the bottom of the conduction band of the barrier layer by twice the thermal energy at room temperature Minibands that are energy levels can be easily formed.

本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体またはカルコパイライト型半導体からなることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層にミニバンドが形成されやすくなり、また、ミニバンドの位置を調整しやすくなる。
本発明の太陽電池において、前記超格子半導体層は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１つの元素を含み、かつ、Ａｓ、Ｓｂ、ＮおよびＰのうち少なくとも１つの元素を含むIII−V族化合物半導体からなることが好ましい。
このような構成によれば、超格子半導体層にミニバンドが形成されやすくなり、また、ミニバンドの位置を調整しやすくなる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 In the solar cell of the present invention, the superlattice semiconductor layer is preferably made of a III-V group compound semiconductor, a II-VI group compound semiconductor, or a chalcopyrite type semiconductor.
According to such a configuration, a miniband is easily formed in the superlattice semiconductor layer, and the position of the miniband is easily adjusted.
In the solar cell of the present invention, the superlattice semiconductor layer contains at least one element of Al, Ga, and In and a III-V group compound containing at least one element of As, Sb, N, and P It is preferable to consist of a semiconductor.
According to such a configuration, a miniband is easily formed in the superlattice semiconductor layer, and the position of the miniband is easily adjusted.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

太陽電池の構成
図１は本発明の一実施形態の太陽電池の構成を示す概略断面図である。
本実施形態の太陽電池２０は、ｐ型半導体層１と、ｎ型半導体層１２と、ｐ型半導体層１とｎ型半導体層１２とに挟まれ、かつ、量子層６および障壁層８が複数回交互に積層された超格子半導体層１０とを備えた太陽電池２０であって、超格子半導体層１０は、量子層６の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように積層された積層構造を有し、前記ミニバンドの下端のエネルギー準位は、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位より低く、前記ミニバンドの上端のエネルギー準位は、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であることを特徴とする。なお、図１は量子層６を量子ドット層の場合の実施形態であるが、量子層６は、量子井戸層であってもよい。 Configuration of Solar Cell FIG. 1 is a schematic sectional view showing the configuration of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
The solar cell 20 of the present embodiment is sandwiched between the p-type semiconductor layer 1, the n-type semiconductor layer 12, the p-type semiconductor layer 1 and the n-type semiconductor layer 12, and includes a plurality of quantum layers 6 and barrier layers 8. The superlattice semiconductor layer 10 includes superlattice semiconductor layers 10 that are alternately stacked, and the superlattice semiconductor layer 10 is stacked such that a miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer 6. The energy level at the lower end of the miniband is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer 8, and the energy level at the upper end of the miniband is lower than the conduction level of the barrier layer 8. The energy level is higher than the energy level that is lower than the energy level at the lower end by twice the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) at room temperature. 1 shows an embodiment in which the quantum layer 6 is a quantum dot layer, the quantum layer 6 may be a quantum well layer.

本実施形態の太陽電池２０は、以上の構成を有していればよいが、量子層６は、複数の量子ドット７で構成する量子ドット層６であってもよい。また、図１にあるように、バッファー層３、ベース層４、窓層１４、コンタクト層１５、ｐ型電極１８、ｎ型電極１７を有してもよい。
以下、本実施形態の太陽電池２０について説明する。 Although the solar cell 20 of this embodiment should just have the above structure, the quantum layer 6 may be the quantum dot layer 6 comprised with the some quantum dot 7. FIG. Further, as shown in FIG. 1, the buffer layer 3, the base layer 4, the window layer 14, the contact layer 15, the p-type electrode 18, and the n-type electrode 17 may be included.
Hereinafter, the solar cell 20 of the present embodiment will be described.

１．ｐ型半導体層およびｎ型半導体層
ｐ型半導体層１は、ｐ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層（超格子半導体層１０）、ｎ型半導体層１２とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
ｎ型半導体層１２は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層（超格子半導体層１０）、ｐ型半導体層１とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。
このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。
ｐ型半導体層１およびｎ型半導体層１２は、図１のようにどちらか一方が基板であってもよく、両方ともＣＶＤ法などにより形成された薄膜であってもよい。
ｐ型半導体層１およびｎ型半導体層１２は、障壁層８と同じ半導体材料に対応する不純物を添加したものでもよく、障壁層８と異なる半導体材料に対応する不純物を添加したものであってもよい。 1. The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer The p-type semiconductor layer 1 is made of a semiconductor containing a p-type impurity, and forms a pin junction or a pn junction together with the i-type semiconductor layer (superlattice semiconductor layer 10) and the n-type semiconductor layer 12. can do.
The n-type semiconductor layer 12 is made of a semiconductor containing an n-type impurity, and can form a pin junction or a pn junction together with the i-type semiconductor layer (superlattice semiconductor layer 10) and the p-type semiconductor layer 1.
When this pin junction or pn junction receives light, an electromotive force is generated.
One of the p-type semiconductor layer 1 and the n-type semiconductor layer 12 may be a substrate as shown in FIG. 1, or both may be thin films formed by a CVD method or the like.
The p-type semiconductor layer 1 and the n-type semiconductor layer 12 may be doped with impurities corresponding to the same semiconductor material as the barrier layer 8 or may be doped with impurities corresponding to a semiconductor material different from the barrier layer 8. Good.

２．超格子半導体層
超格子半導体層１０は、ｐ型半導体層１とｎ型半導体層１２に挟まれ、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。また、超格子半導体層１０は、障壁層８と量子層６とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。超格子半導体層１０は、ｉ型半導体であってもよく、受光することにより起電力が生じれば、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。代表的な量子層６としては、量子ドット層６、量子井戸層が挙げられる。以下では、量子ドット層６である場合について説明するが、他の量子層についても同様である。 2. Superlattice Semiconductor Layer The superlattice semiconductor layer 10 is sandwiched between the p-type semiconductor layer 1 and the n-type semiconductor layer 12 and can constitute a pin junction or a pn junction. The superlattice semiconductor layer 10 has a superlattice structure in which barrier layers 8 and quantum layers 6 are alternately and repeatedly stacked. The superlattice semiconductor layer 10 may be an i-type semiconductor, and may be a semiconductor layer containing a p-type impurity or an n-type impurity if an electromotive force is generated by receiving light. Typical quantum layers 6 include a quantum dot layer 6 and a quantum well layer. Below, although the case where it is the quantum dot layer 6 is demonstrated, it is the same also about another quantum layer.

超格子半導体層１０を構成する障壁層８と量子ドット層６を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、III―V族化合物半導体から構成することができる。量子ドット層６は、障壁層８よりもバンドギャップの狭い半導体材料で構成される。
また、超格子半導体層１０を構成する障壁層８、量子ドット層６を構成する材料は、例えばＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x、ＡｌＳｂ_xＡｓ_1-x、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＰを用いることができる。さらに、たとえば周期律表の第IV族半導体、第III族と第Ｖ族からなる化合物半導体、第II族と第VI第VII族からなる化合物半導体あるいはこれらの混晶材料としてもよい。また、カルコパイライト系材料を用いてもよく、これら以外の半導体を用いてもよい。例えば、障壁層８の材料にＧａＮＡｓで、量子ドット層６の材料にＩｎＡｓや、障壁層８の材料にＧａＰで量子ドット層６の材料にＩｎＡｓ、障壁層８の材料にＧａＮで量子ドット層６の材料にＧａ_xＩｎ_1-xＮ、障壁層８の材料にＧａＡｓで量子ドット層６の材料にＧａＳｂ、障壁層８の材料にＡｌＡｓで量子ドット層６の材料にＩｎＡｓ、障壁層８の材料にＣｕＧａＳ₂で量子ドット層６の材料にＣｕＩｎＳｅ₂等を用いることができる。 Although the material which comprises the barrier layer 8 and the quantum dot layer 6 which comprise the superlattice semiconductor layer 10 is not specifically limited, For example, it can comprise from a III-V group compound semiconductor. The quantum dot layer 6 is made of a semiconductor material having a narrower band gap than the barrier layer 8.
The material constituting the barrier layer 8 and the quantum dot layer 6 constituting the superlattice semiconductor layer 10 is, for example, AlSb, InAs _x Sb _{1 -x} , AlSb _x As _{1 -x} , AlAs, GaAs, In _x Ga _{1- _{_{x As, Al x Ga 1-}}} x As, it is possible to use the In _{_x} Ga _{_1-x} P. Furthermore, for example, a group IV semiconductor of the periodic table, a compound semiconductor composed of group III and group V, a compound semiconductor composed of group II and group VI, or a mixed crystal material thereof may be used. Further, a chalcopyrite-based material may be used, or a semiconductor other than these may be used. For example, the barrier layer 8 is made of GaNAs, the quantum dot layer 6 is made of InAs, the barrier layer 8 is made of GaP, the quantum dot layer 6 is made of InAs, and the barrier layer 8 is made of GaN. Ga _x In _1-x N for the material of this, GaAs for the material of the barrier layer 8, GaSb for the material of the quantum dot layer 6, AlAs for the material of the barrier layer 8, InAs for the material of the quantum dot layer 6, and material for the barrier layer 8 In addition, CuGaS ₂ and CuInSe ₂ can be used as the material of the quantum dot layer 6.

障壁層８の厚みを薄くすることで隣接する２つの量子層６間の電子的結合が生じさせることができ、量子層６の量子準位により、超格子ミニバンドを形成することができる。ｘｙ方向に閉じ込め状態である量子ドットを用いた超格子構造を考えた場合、量子ドット構造の波動関数はｚ方向にのみ閉じ込めをおこなった量子井戸の波動関数と同じであることを意味する。一方、量子ドット構造のエネルギー値は、ｚ方向のエネルギー値Ｅｚに、ｘ方向およびｙ方向のエネルギー値（Ｅｘ、Ｅｙ）を足し合わせた値と考えて差し支えない。ＥｘおよびＥｙは、電界がかかっていない状態での単一量子井戸で得られるエネルギー値より求まる。 By reducing the thickness of the barrier layer 8, electronic coupling between two adjacent quantum layers 6 can be generated, and a superlattice miniband can be formed by the quantum levels of the quantum layer 6. When a superlattice structure using quantum dots confined in the xy direction is considered, it means that the wave function of the quantum dot structure is the same as the wave function of a quantum well confined only in the z direction. On the other hand, the energy value of the quantum dot structure may be considered as a value obtained by adding the energy value Ex in the x direction and the y direction (Ex, Ey) to the energy value Ez in the z direction. Ex and Ey are obtained from energy values obtained in a single quantum well in a state where no electric field is applied.

図２は、図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける超格子半導体層１０の伝導帯のエネルギー準位を示した概略バンド図である。図１、２の量子ドット７の超格子半導体層１０の厚さ方向のサイズｄ_a、隣接する２つの量子ドットの間隔ｄ_b、量子ドット７の材料および障壁層８の材料を制御することにより、図２のようにミニバンドを形成することができる。
超格子半導体層１０に形成されるミニバンドの下端のエネルギー準位は、図２のように障壁層８の伝導帯の下端のエネルギー準位より低いエネルギー準位である。このことにより、障壁層８または量子ドット７の価電子帯上端とミニバンドの下端とのエネルギー差は、障壁層８または量子ドット７の価電子帯上端と障壁層８の伝導帯の下端とのエネルギー差よりも小さくなり、より長波長の光により価電子帯の電子をミニバンドに光励起することが可能になる。 FIG. 2 is a schematic band diagram showing the energy level of the conduction band of the superlattice semiconductor layer 10 along the one-dot chain line AA in FIG. By controlling the size d _{a of} the superlattice semiconductor layer 10 in the thickness direction of the quantum dot 7 of FIGS. 1 and 2, the distance d _b between two adjacent quantum dots, the material of the quantum dot 7, and the material of the barrier layer 8. A miniband can be formed as shown in FIG.
The energy level at the lower end of the miniband formed in the superlattice semiconductor layer 10 is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer 8 as shown in FIG. As a result, the energy difference between the upper end of the valence band of the barrier layer 8 or quantum dot 7 and the lower end of the miniband is the difference between the upper end of the valence band of the barrier layer 8 or quantum dot 7 and the lower end of the conduction band of the barrier layer 8. It becomes smaller than the energy difference, and it becomes possible to photoexcite electrons in the valence band to the miniband by longer wavelength light.

超格子半導体層１０に形成されるミニバンドの上端のエネルギー準位は、図２のように、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位Ｅ_cより室温のおける熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ低いエネルギー準位（Ｅ_c−２ｋＴ）（Ｅ_c−５２ｍｅＶ）よりも高いエネルギー準位である。この構成を有することにより、室温におけるフェルミ分布関数から、ミニバンドの電子が障壁層８の伝導帯に熱励起される確率を１０％以上とすることができ、超格子半導体層１０で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すことができる。
また、超格子半導体層１０に形成されるミニバンドの上端のエネルギー準位は、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であってもよい。このことにより、ミニバンドの電子がより容易に障壁層８の伝導帯に移動することができる。 As shown in FIG. 2, the energy level at the upper end of the mini-band formed in the superlattice semiconductor layer 10 is the thermal energy kT (k: Boltzmann constant) at room temperature from the energy level E _c at the lower end of the conduction band of the barrier layer 8. , T: absolute temperature) higher than the energy level (E _c −2 kT) (E _c −52 meV) which is twice as much as (26 meV). With this configuration, the probability that miniband electrons are thermally excited into the conduction band of the barrier layer 8 can be made 10% or more from the Fermi distribution function at room temperature, and carriers generated in the superlattice semiconductor layer 10 can be obtained. Can be taken out efficiently.
Further, the energy level at the upper end of the miniband formed in the superlattice semiconductor layer 10 may be higher than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer 8. This allows the miniband electrons to move to the conduction band of the barrier layer 8 more easily.

なお、従来の超格子構造を導入した太陽電池では、量子層で生成されたキャリアの取り出し効率が低い。量子準位あるいはミニバンドにあるキャリアを、障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位まで励起させる必要があるが、光励起の確率が低く、熱励起においては、量子層で生成されたキャリアにとって、エネルギー障壁の大きさが熱エネルギーよりも十分大きい為キャリア励起されにくい。 In addition, in the solar cell which introduced the conventional superlattice structure, the extraction efficiency of the carrier produced | generated by the quantum layer is low. It is necessary to excite carriers in the quantum level or miniband to the energy level at the bottom of the conduction band of the barrier layer, but the probability of photoexcitation is low, and in thermal excitation, the energy generated for the carriers generated in the quantum layer Since the barrier is sufficiently larger than the thermal energy, carrier excitation is difficult.

また、超格子半導体層１０に量子ドット７の伝導帯側の量子準位により形成されるミニバンドは、図２のように１つのみであってもよい。このことにより、ミニバンド間の緩和等なく、生成されたキャリアを効率的にｐｎ電極より取り出すことができる。
なお、量子ドットの伝導帯側の量子準位により複数ミニバンドを形成する場合、第二以降のエネルギーの高いミニバンドで生成されたキャリアも、短時間で第一のミニバンド（基底エネルギー）に遷移してしまい、量子ドット層を脱出できずに再結合して消滅する割合が高い。 Further, only one miniband may be formed in the superlattice semiconductor layer 10 by the quantum level on the conduction band side of the quantum dots 7 as shown in FIG. Thus, the generated carriers can be efficiently extracted from the pn electrode without any relaxation between minibands.
In addition, when forming multiple minibands by the quantum level on the conduction band side of the quantum dots, the carriers generated in the second and subsequent high-energy minibands also become the first miniband (base energy) in a short time. There is a high rate of transition and extinction by recombination without being able to escape the quantum dot layer.

図２に示したようなミニバンドが形成されるように超格子半導体層１０を作製する方法としては、例えば、量子ドット層６の量子ドットサイズｄ_aと障壁層の厚みｄ_bを調節する方法がある。あるいは、量子ドット層の量子ドット材料や障壁層の材料を変化させる方法がある。例えば、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）であれば、混晶比ｘを変更することにより、バンドギャップ、キャリアの有効質量、価電子帯および伝導帯の障壁高さを変化させることができる。従って、この方法により、ミニバンドの位置と幅を調節することができる。 As a method of manufacturing the superlattice semiconductor layer 10 so that a miniband as shown in FIG. 2 is formed, for example, a method of adjusting the quantum dot size d _a of the quantum dot layer 6 and the thickness d _{b of the} barrier layer There is. Alternatively, there is a method of changing the quantum dot material of the quantum dot layer or the material of the barrier layer. For example, if In _x Ga _1-x As (0 ≦ x ≦ 1), changing the mixed crystal ratio x changes the band gap, effective mass of carriers, valence band, and conduction band barrier height. Can be made. Therefore, by this method, the position and width of the miniband can be adjusted.

以上の構造は、ミニバンド形成可能な量子井戸層を挿入した量子井戸太陽電池においても同様に可能である。しかしながら、三次元方向に閉じ込めである量子ドットは、一次元方向のみの閉じ込めである量子井戸と比べてミニバンドのエネルギー位置は高くなりやすい為より好ましい。 The above structure is also possible in a quantum well solar cell in which a quantum well layer capable of forming a miniband is inserted. However, a quantum dot that is confined in the three-dimensional direction is more preferable because the energy position of the miniband tends to be higher than a quantum well that is confined only in the one-dimensional direction.

なお、本実施形態と同様の構造を有する太陽電池は、集光システムと組み合わせることもできる。この場合、太陽電池２０は、ｐ型半導体層１と、ｎ型半導体層１２と、ｐ型半導体層１とｎ型半導体層１２とに挟まれ、かつ、量子層６および障壁層８が複数回交互に積層された超格子半導体層１０とを備えた太陽電池２０であって、超格子半導体層１０は、量子層６の伝導帯側の量子準位によりミニバンドが形成されるように積層された積層構造を有し、前記ミニバンドの下端のエネルギー準位は、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位より低く、前記ミニバンドの上端のエネルギー準位は、障壁層８の伝導帯下端のエネルギー準位より集光時の温度における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）の２倍分だけ低いエネルギー準位よりも高いエネルギー準位である。
このことにより、集光時の温度におけるフェルミ分布関数から、ミニバンドの電子が障壁層の伝導帯に熱励起される確率を１０％以上とすることができ、超格子半導体層で生成したキャリアを効率よく外部に取り出すことができ、短絡電流を大幅に増加させることができる。 In addition, the solar cell which has the same structure as this embodiment can also be combined with a condensing system. In this case, the solar cell 20 is sandwiched between the p-type semiconductor layer 1, the n-type semiconductor layer 12, the p-type semiconductor layer 1 and the n-type semiconductor layer 12, and the quantum layer 6 and the barrier layer 8 are plural times. A solar cell 20 including superlattice semiconductor layers 10 stacked alternately, and the superlattice semiconductor layer 10 is stacked such that a miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer 6. The energy level at the lower end of the miniband is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer 8, and the energy level at the upper end of the miniband is lower end of the conduction band of the barrier layer 8. The energy level is higher than the energy level lower than the energy level by two times the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) at the temperature at the time of condensing.
This makes it possible to increase the probability that miniband electrons are thermally excited into the conduction band of the barrier layer by 10% or more from the Fermi distribution function at the temperature at the time of condensing, and to generate carriers generated in the superlattice semiconductor layer. It can be efficiently taken out and the short-circuit current can be greatly increased.

３．太陽電池の製造方法
超格子半導体層１０は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等の手法により形成することができる。量子ドット層６においては、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長と呼ばれる方法で成長させることができる。上記手法の材料構成比を変えることで量子ドット７または量子井戸の混晶比を調整することができ、原材料・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドット７のサイズまたは量子井戸幅を調整することができる。 3. Manufacturing Method of Solar Cell The superlattice semiconductor layer 10 can be formed by a technique such as a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. The quantum dot layer 6 can be grown by a method called Stranski-Krastanov (SK) growth. The mixed crystal ratio of the quantum dot 7 or quantum well can be adjusted by changing the material composition ratio of the above method, and the size or quantum well width of the quantum dot 7 can be adjusted by changing the raw material, growth temperature, pressure, deposition time, etc. Can be adjusted.

本実施形態の太陽電池２０の製造においては、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用い、量子ドット太陽電池を製造することができる。本実施形態の太陽電池２０は、例えば母体半導体材料（障壁層８の材料）としてＧａＡｓを、量子ドット７の材料として混晶比ｘにより禁制帯幅が約１.４３ｅＶ（ＧａＡｓ）から０.３６ｅＶ（インジウム砒素：ＩｎＡｓ）まで容易に変化させ得るインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ）を用いて製造することができる。以下、このような太陽電池２０の製造方法を詳細に説明する。 In manufacturing the solar cell 20 of the present embodiment, for example, a quantum dot solar cell is manufactured using a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD) that is excellent in film thickness control. Can do. In the solar cell 20 of the present embodiment, for example, GaAs is used as the base semiconductor material (material of the barrier layer 8), and the band gap is about 1.43 eV (GaAs) to 0.36 eV depending on the mixed crystal ratio x as the material of the quantum dots 7. It can be manufactured using indium gallium arsenide (In _x Ga _1-x As) that can be easily changed to (indium arsenide: InAs). Hereinafter, the manufacturing method of such a solar cell 20 is demonstrated in detail.

まず、ｐ型半導体基板１であるｐ−ＧａＡｓ基板を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに１０分間流水洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置内に支持する。このｐ型半導体基板１の上にバッファー層３として３００ｎｍの厚さでｐ⁺−ＧａＡｓ層を形成する。バッファー層３は、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層である。続いてバッファー層３であるｐ⁺−ＧａＡｓ層の上に３００ｎｍの厚さでベース層４であるｐ−ＧａＡｓベース層、および１ｎｍの厚さで障壁層８となるＧａＡｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構を用いてＩｎＡｓ（ｘ＝１）からなる量子ドット層６を形成する。この障壁層８と量子ドット層６の結晶成長の繰り返しにより量子ドット層６を積層する。 First, a p-GaAs substrate, which is the p-type semiconductor substrate 1, is cleaned with an organic cleaning solution, etched with a sulfuric acid-based etching solution, washed with running water for 10 minutes, and then supported in an MOCVD apparatus. A p ⁺ -GaAs layer having a thickness of 300 nm is formed as a buffer layer 3 on the p-type semiconductor substrate 1. The buffer layer 3 is a layer for improving the crystallinity of the light absorption layer to be formed thereon. Subsequently, a p-GaAs base layer as a base layer 4 with a thickness of 300 nm and a GaAs layer as a barrier layer 8 with a thickness of 1 nm are crystal-grown on the p ⁺ -GaAs layer as a buffer layer 3. Then, the quantum dot layer 6 made of InAs (x = 1) is formed using a self-organization mechanism. The quantum dot layer 6 is stacked by repeating the crystal growth of the barrier layer 8 and the quantum dot layer 6.

量子ドット層６を結晶成長させた後は、結晶表面の平坦性を回復するために約４ｎｍの厚さでＧａＡｓキャップ層（図示せず）を成長させて超格子半導体層１０を完成させる。続いて、キャップ層の上に２５０ｎｍの厚さでｎ型半導体層１２であるｎ−ＧａＡｓ層を結晶成長させてｐｉｎ構造を形成し、次いで、窓層１４として５０ｎｍの厚さでｎ−Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層を形成する。次いで、１００ｎｍの厚さでコンタクト層１５としてｐ⁺−ＧａＡｓ層を結晶成長により形成する。次に、ＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、ｐ型電極１８を基板裏面の全面に形成する。次いで、コンタクト層１５上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術により櫛型電極を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層１５を選択エッチングしてｎ型電極１７を形成することで、量子ドット太陽電池２０を形成することができる。 After crystal growth of the quantum dot layer 6, a GaAs cap layer (not shown) is grown to a thickness of about 4 nm in order to restore the flatness of the crystal surface, thereby completing the superlattice semiconductor layer 10. Subsequently, an n-GaAs layer, which is the n-type semiconductor layer 12, is grown on the cap layer with a thickness of 250 nm to form a pin structure, and then the window layer 14 is formed with n-Al _0.75 with a thickness of 50 nm. A Ga _0.25 As layer is formed. Next, a p ⁺ -GaAs layer having a thickness of 100 nm is formed as a contact layer 15 by crystal growth. Next, after taking out from the MOCVD apparatus, the p-type electrode 18 is formed on the entire back surface of the substrate. Next, a comb-shaped electrode is formed on the contact layer 15 by photolithography and lift-off technology, and the n-type electrode 17 is formed by selectively etching the contact layer 15 using the comb-shaped electrode as a mask. Can be formed.

基板処理温度は、例えば、Ｉｎの再脱離を防ぐために量子ドット層６を含む超格子半導体層１０を作製時のみ５２０℃とし、それ以外の層は５９０℃として結晶成長を行うことができる。
また、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを、ｐ型ドーパントとしては例えばＢｅを用いることができる。電極材料としては例えば、Ａｕを用い、抵抗加熱蒸着法により真空蒸着で形成することができる。
尚、ここで示した例は一例であり、本発明の太陽電池に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。 For example, the substrate processing temperature can be set to 520 ° C. only when the superlattice semiconductor layer 10 including the quantum dot layer 6 is manufactured in order to prevent re-desorption of In, and the other layers can be grown to 590 ° C. for crystal growth.
Further, for example, Si can be used as the n-type dopant, and Be can be used as the p-type dopant. For example, Au can be used as the electrode material, and the electrode material can be formed by vacuum vapor deposition using a resistance heating vapor deposition method.
In addition, the example shown here is an example, each material, such as a board | substrate used for the solar cell of this invention, a buffer layer, a quantum dot, a dopant, an electrode, a cleaning agent used at each process, a substrate processing temperature, and a manufacturing apparatus Etc. are not limited to the examples shown here.

評価実験
MATLABソフトを用いて、一次元モデルであるクローニッヒ・ペニーのモデルを解くシミュレーション（シュレディンガー方程式を解くシミュレーションも含む）を行った。
クローニッヒペニーモデルを解くことで、伝導帯および価電子帯の分散関係（Ｅ−ｋ分散）を計算することができ、ミニバンド位置およびミニバンド幅が得られる。（例えばＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ、８９巻、５５０９ページ、２００１年、を参照）。ミニバンド位置およびミニバンド幅に寄与するパラメータとして、主に、量子ドットサイズ又は量子井戸の厚み、障壁層の厚み、量子層材料および障壁層材料の伝導帯又は価電子帯（重い正孔、軽い正孔）の有効質量、伝導帯又は価電子帯の障壁高さがあり、これらの値を前述のクローニッヒ・ペニーのモデルに代入することによって、ミニバンド位置およびミニバンド幅を求めることができる。 Evaluation experiment
Using MATLAB software, a simulation (including a simulation to solve the Schrödinger equation) was performed to solve the one-dimensional Kronig-Penny model.
By solving the Kronig Penny model, the dispersion relation (Ek dispersion) between the conduction band and the valence band can be calculated, and the miniband position and the miniband width can be obtained. (See, eg, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 89, 5509, 2001). The parameters contributing to the miniband position and miniband width are mainly quantum dot size or quantum well thickness, barrier layer thickness, quantum layer material and conduction band or valence band (heavy holes, light Hole) effective mass, conduction band or valence band barrier height, and by substituting these values into the Kronig-Penny model, the miniband position and miniband width can be determined.

［実験１］
実験１では、障壁層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層を構成する母体半導体材料にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、量子ドット層を構成する量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を用いた超格子構造の分散関係を計算するシミュレーションを行った。
量子ドットは直方体であるとして、積層方向のサイズ（高さ）を６ｎｍ、面内方向のサイズを１０ｎｍとした。障壁層の厚みは１ｎｍとした。電子の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．０６７ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を０．０５８ｍ₀とした。重い正孔の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．３４９ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を０．３４６ｍ₀とした。軽い正孔の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．０９０ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を０．０７７ｍ₀とした。ガリウムヒ素とインジウムガリウム砒素との間の伝導帯の障壁高さは０．１８９ｅＶ、価電子帯の障壁高さは０．１０１ｅＶとした。ここで、ｍ₀は電子の質量９．１１×１０^-31ｋｇである。 [Experiment 1]
In Experiment 1, gallium arsenide (GaAs) was used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, n-type semiconductor layer, and p-type semiconductor layer, and indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was used as the quantum dot material constituting the quantum dot layer. A simulation was performed to calculate the dispersion relation of the superlattice structure used.
The quantum dot is assumed to be a rectangular parallelepiped, and the size (height) in the stacking direction is 6 nm, and the size in the in-plane direction is 10 nm. The thickness of the barrier layer was 1 nm. Effective mass of electrons, gallium arsenide and (GaAs) 0.067 m _0, indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was 0.058m _0. Heavy effective mass of a hole is a gallium arsenide (GaAs) 0.349m _0, indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was 0.346m _0. Light effective mass of a hole is a gallium arsenide (GaAs) 0.090m _0, indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was 0.077 _0. The barrier height of the conduction band between gallium arsenide and indium gallium arsenide was 0.189 eV, and the barrier height of the valence band was 0.101 eV. Here, m ₀ is an electron mass of 9.11 × 10 ⁻³¹ kg.

図３に実験１により計算された超格子構造の伝導帯における分散関係を示し、図４に価電子帯（重い正孔）における分散関係を示し、図５に価電子帯（軽い正孔）における分散関係を示した。これらのグラフにおいて、横軸は波数を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの値は、量子ドットを構成する材料のバルクにおける伝導帯の下端または価電子帯の上端のエネルギー準位の位置をゼロとして示している。また、障壁層の伝導帯の下端、または障壁層の価電子帯の上端のエネルギー準位を点線で示している。 3 shows the dispersion relationship in the conduction band of the superlattice structure calculated by Experiment 1, FIG. 4 shows the dispersion relationship in the valence band (heavy holes), and FIG. 5 shows the dispersion relationship in the valence band (light holes). The dispersion relation is shown. In these graphs, the horizontal axis indicates the wave number, and the vertical axis indicates the energy. The energy value indicates that the position of the energy level at the lower end of the conduction band or the upper end of the valence band in the bulk of the material constituting the quantum dot is zero. In addition, the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer or the upper end of the valence band of the barrier layer is indicated by a dotted line.

このような条件下においては、ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、かつ伝導帯におけるミニバンドのエネルギー上端が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高いミニバンドを形成することがわかった。以下、図３〜５を参照してより具体的に説明する。 Under such a condition, only one miniband is formed in the conduction band, the energy lower end of the miniband is lower than the energy level of the lower end of the conduction band of the barrier layer, and the energy upper end of the miniband in the conduction band. However, it was found that a miniband higher than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer was formed. Hereinafter, it demonstrates more concretely with reference to FIGS.

図３から、伝導帯においてミニバンドが１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端（０．０８７ｅＶ）が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位（０．１８９ｅＶ）よりも低く、かつミニバンドのエネルギー上端（０．１９３ｅＶ）が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位（０．１８９ｅＶ）よりも高いことがわかる。これにより、生成された電子はミニバンド中で熱励起され、ｎ型半導体層から容易に取り出すことができることを示している。
図４および図５からは、価電子帯では複数のミニバンド（重い正孔第１ミニバンド：−０．０２５〜−０．０３７ｅＶ、重い正孔第２ミニバンド：−０．０６０〜価電子帯の障壁高さである−０．１０１ｅＶ以下、軽い正孔第１ミニバンド：−０．０５６〜価電子帯の障壁高さである−０．１０１ｅＶ以下）を形成することを示しており、最も高いエネルギー位置にある価電子帯のミニバンドのエネルギー上端より小さいエネルギーでは、ほぼ連続的にミニバンドが形成され、生成されたホールはフォノン散乱などによってｐ型半導体層から容易に取り出されることを示している。 From FIG. 3, only one miniband is formed in the conduction band, the lower energy level (0.087 eV) of the miniband is lower than the lower energy level (0.189 eV) of the conduction band of the barrier layer, and the miniband. It can be seen that the upper energy level (0.193 eV) is higher than the lower energy level (0.189 eV) of the conduction band of the barrier layer. This indicates that the generated electrons are thermally excited in the miniband and can be easily extracted from the n-type semiconductor layer.
4 and 5, in the valence band, a plurality of minibands (heavy hole first miniband: −0.025 to −0.037 eV, heavy hole second miniband: −0.060 to valence electron). The barrier height of the band is -0.101 eV or less, the light first hole mini-band: -0.056 to the barrier height of the valence band is -0.101 eV or less), When the energy is smaller than the energy top of the valence band miniband at the highest energy position, the miniband is formed almost continuously, and the generated holes are easily extracted from the p-type semiconductor layer by phonon scattering or the like. Show.

以上から、本量子ドット構造では、母体半導体材料のバンドギャップに対応した光遷移に加えて、ミニバンドを利用した母体半導体材料のバンドギャップ未満の光エネルギーで生成されたキャリアを効率的に取り出すことが可能となり、短絡電流が増大する。 From the above, in this quantum dot structure, in addition to optical transition corresponding to the band gap of the parent semiconductor material, carriers generated with light energy less than the band gap of the parent semiconductor material using minibands can be efficiently extracted. And the short circuit current increases.

［実験２］
実験２では、障壁層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層を構成する母体半導体材料にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、量子ドット層を構成する量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を用いた超格子構造の分散関係を計算するシミュレーションを行った。なお、実験２は、実験１から量子ドット層の量子ドットサイズ、障壁層の厚みを変えることによってミニバンドの位置および幅を調節させた量子ドット太陽電池の例である。
量子ドットは直方体であるとして、積層方向のサイズ（高さ）を８ｎｍ、面内方向のサイズを６ｎｍとした。障壁層の厚みは２ｎｍとした。電子の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．０６７ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を０．０５８ｍ₀とした。ガリウムヒ素とインジウムヒ素との間の伝導帯の障壁高さは０．１８９ｅＶとした。ここで、ｍ₀は電子の質量９．１１×１０^-31ｋｇである。 [Experiment 2]
In Experiment 2, gallium arsenide (GaAs) was used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, n-type semiconductor layer, and p-type semiconductor layer, and indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was used as the quantum dot material constituting the quantum dot layer. A simulation was performed to calculate the dispersion relation of the superlattice structure used. Experiment 2 is an example of a quantum dot solar cell in which the position and width of the miniband are adjusted by changing the quantum dot size of the quantum dot layer and the thickness of the barrier layer from Experiment 1.
The quantum dots are assumed to be rectangular parallelepiped, and the size (height) in the stacking direction is 8 nm, and the size in the in-plane direction is 6 nm. The thickness of the barrier layer was 2 nm. Effective mass of electrons, gallium arsenide and (GaAs) 0.067 m _0, indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was 0.058m _0. The barrier height of the conduction band between gallium arsenide and indium arsenide was 0.189 eV. Here, m ₀ is an electron mass of 9.11 × 10 ⁻³¹ kg.

図６に実験２により計算された超格子構造の伝導帯における分散関係を示す。横軸は波数を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの値は、量子ドットを構成する材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしてエネルギーを示している。また、障壁層の伝導帯下端のエネルギー位置Ｅ_cおよび（Ｅ_c−２ｋＴ）のエネルギー準位を点線で示している。なお、図６は、実験１における図３に対応している。
このような条件下においては、ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成され、伝導帯におけるミニバンドのエネルギー下端が障壁層のエネルギーよりも低く、かつ伝導帯におけるミニバンドのエネルギー上端が、障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ低いエネルギー準位（Ｅｃ−２ｋＴ）よりも高いエネルギー準位になることがわかった。以下、図６を参照してより具体的に説明する。 FIG. 6 shows the dispersion relation in the conduction band of the superlattice structure calculated in Experiment 2. The horizontal axis indicates the wave number, and the vertical axis indicates energy. The energy value indicates energy with the energy position at the lower end of the conduction band in the bulk of the material constituting the quantum dot being zero. In addition, energy levels E _c and (E _c −2 kT) at the lower end of the conduction band of the barrier layer are indicated by dotted lines. FIG. 6 corresponds to FIG. 3 in Experiment 1.
Under such conditions, only one miniband is formed in the conduction band, the lower energy of the miniband in the conduction band is lower than the energy of the barrier layer, and the upper energy of the miniband in the conduction band is the barrier layer. The energy level is higher than the energy level (Ec-2kT) which is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) (26 meV) at room temperature. I understood it. Hereinafter, a more specific description will be given with reference to FIG.

図６から、伝導帯においてミニバンドが１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端（０．１５０ｅＶ）が障壁層の伝導帯下端のエネルギー位置（０．１８９ｅＶ）よりも低く、かつミニバンドのエネルギー上端（０．１８８ｅＶ）が障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ低いエネルギー準位（０．１３７ｅＶ）よりも高いエネルギー準位になることがわかる。これにより、生成された電子はミニバンド中で熱励起され、ｎ型半導体層から容易に取り出すことができることを示している。価電子帯においては、実験１と同様、複数のミニバンドが形成され、生成されたホールはフォノン散乱などによってｐ型半導体層から容易に取り出される。 From FIG. 6, only one mini-band is formed in the conduction band, the energy lower end (0.150 eV) of the mini-band is lower than the energy position (0.189 eV) of the conduction band lower end of the barrier layer, and the energy of the mini-band. The energy level (0.137 eV) whose upper end (0.188 eV) is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer by twice the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) (26 meV) at room temperature. It can be seen that the energy level is higher than. This indicates that the generated electrons are thermally excited in the miniband and can be easily extracted from the n-type semiconductor layer. In the valence band, as in Experiment 1, a plurality of minibands are formed, and the generated holes are easily extracted from the p-type semiconductor layer by phonon scattering or the like.

本量子ドット構造では、母体半導体材料のバンドギャップに対応した光遷移に加えて、ミニバンドを利用した母体半導体材料のバンドギャップ未満の光エネルギーで生成されたキャリアを効率的に取り出すことが可能となり、短絡電流が増大する。
以上から、量子ドット層の量子ドットサイズ、障壁層の厚みを変えることによって、ミニバンドの位置および幅を調節できることがわかり、太陽光スペクトルに整合する超格子構造を作製できることを示している。 In this quantum dot structure, in addition to optical transition corresponding to the band gap of the base semiconductor material, it is possible to efficiently extract carriers generated with light energy less than the band gap of the base semiconductor material using the miniband. Short circuit current increases.
From the above, it can be seen that the position and width of the miniband can be adjusted by changing the quantum dot size of the quantum dot layer and the thickness of the barrier layer, which indicates that a superlattice structure matching the solar spectrum can be produced.

［実験３］
実験３では、障壁層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層を構成する母体半導体材料にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、量子ドット層を構成する量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ）を用いた超格子構造の分散関係を計算するシミュレーションを行った。なお、実験３は、実験１および２と異なる量子ドット材料に対して、ミニバンドの位置および幅を調節させた量子ドット太陽電池の例である。
量子ドットは直方体であるとして、積層方向のサイズ（高さ）を６ｎｍ、面内方向のサイズを４ｎｍとした。障壁層の厚みは１ｎｍとした。電子の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．０６７ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ）を０．０４５ｍ₀とした。ガリウムヒ素とインジウムヒ素との間の伝導帯の障壁高さは０．４２６ｅＶとした。ここで、ｍ₀は電子の質量９．１１×１０^-31ｋｇである。 [Experiment 3]
In Experiment 3, gallium arsenide (GaAs) was used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, n-type semiconductor layer, and p-type semiconductor layer, and indium gallium arsenide (In _0.5 Ga _0.5 As) was used as the quantum dot material constituting the quantum dot layer. A simulation was performed to calculate the dispersion relation of the superlattice structure used. Experiment 3 is an example of a quantum dot solar cell in which the position and width of the miniband are adjusted with respect to a quantum dot material different from Experiments 1 and 2.
Assuming that the quantum dot is a rectangular parallelepiped, the size (height) in the stacking direction was 6 nm, and the size in the in-plane direction was 4 nm. The thickness of the barrier layer was 1 nm. Effective mass of electrons, gallium arsenide and (GaAs) 0.067 m _0, indium gallium arsenide (In _{_0.5} Ga _0.5 As) was 0.045 m _0. The barrier height of the conduction band between gallium arsenide and indium arsenide was 0.426 eV. Here, m ₀ is an electron mass of 9.11 × 10 ⁻³¹ kg.

図７に実験３により計算された超格子構造の伝導帯における分散関係を示す。横軸は波数を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの値は、量子ドットを構成する材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしてエネルギーを示している。また、障壁層の伝導帯の下端のエネルギー位置を点線で示している。なお、図７は、実験１における図３に対応している。
このような条件下においては、ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、かつミニバンドのエネルギー上端が障壁層の伝導帯の下端のエネルギーよりも高くなることがわかった。以下、図７を参照してより具体的に説明する。 FIG. 7 shows the dispersion relation in the conduction band of the superlattice structure calculated in Experiment 3. The horizontal axis indicates the wave number, and the vertical axis indicates energy. The energy value indicates energy with the energy position at the lower end of the conduction band in the bulk of the material constituting the quantum dot being zero. The energy position at the lower end of the conduction band of the barrier layer is indicated by a dotted line. FIG. 7 corresponds to FIG. 3 in Experiment 1.
Under such conditions, only one miniband is formed in the conduction band, the energy lower end of the miniband is lower than the energy level of the lower end of the conduction band of the barrier layer, and the energy upper end of the miniband is the barrier layer. It was found to be higher than the energy at the bottom of the conduction band. Hereinafter, a more specific description will be given with reference to FIG.

図７から、伝導帯においてミニバンドが１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端（０．３３５ｅＶ）が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位（０．４２６ｅＶ）よりも低く、かつミニバンドのエネルギー上端（０．４５１ｅＶ）が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー（０．４２６ｅＶ）よりも高いことがわかる。これにより、生成された電子はミニバンド中で熱励起され、ｎ型半導体層から容易に取り出すことができることを示している。価電子帯においては、実験１および実験２と同様、複数のミニバンドが形成され、生成されたホールはフォノン散乱などによってｐ型半導体層から容易に取り出される。 From FIG. 7, only one miniband is formed in the conduction band, the energy lower end (0.335 eV) of the miniband is lower than the energy level (0.426 eV) of the lower end of the conduction band of the barrier layer, and the miniband. It can be seen that the energy upper end (0.451 eV) of the barrier layer is higher than the energy (0.426 eV) of the lower end of the conduction band of the barrier layer. This indicates that the generated electrons are thermally excited in the miniband and can be easily extracted from the n-type semiconductor layer. In the valence band, as in Experiments 1 and 2, a plurality of minibands are formed, and the generated holes are easily extracted from the p-type semiconductor layer by phonon scattering or the like.

本量子ドット構造では、母体半導体材料のバンドギャップに対応した光遷移に加えて、ミニバンドを利用した母体半導体材料のバンドギャップ未満の光エネルギーで生成されたキャリアを効率的に取り出すことが可能となり、短絡電流が増大する。
以上から、異なる量子ドット材料で構成される量子ドット構造においても、任意にミニバンドの位置および幅を調節できることがわかった。 In this quantum dot structure, in addition to optical transition corresponding to the band gap of the base semiconductor material, it is possible to efficiently extract carriers generated with light energy less than the band gap of the base semiconductor material using the miniband. Short circuit current increases.
From the above, it was found that the position and width of the miniband can be arbitrarily adjusted even in quantum dot structures composed of different quantum dot materials.

［実験４］
実験４では、障壁層、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層を構成する母体半導体材料にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、量子井戸層を構成する量子井戸材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を用いた超格子構造の分散関係を計算するシミュレーションを行った。なお、実験４は、超格子構造の量子層を量子井戸で構成し、量子井戸幅を変えることによって、量子井戸太陽電池の例である。
量子井戸の厚みは４ｎｍ、障壁層の厚みは２ｎｍとした。電子の有効質量は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を０．０６７ｍ₀、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ）を０．０５８ｍ₀とした。ガリウムヒ素とインジウムヒ素との間の伝導帯の障壁高さは０．１８９ｅＶとした。ここで、ｍ₀は電子の質量９．１１×１０^-31ｋｇである。 [Experiment 4]
In Experiment 4, gallium arsenide (GaAs) was used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, n-type semiconductor layer, and p-type semiconductor layer, and indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was used as the quantum well material constituting the quantum well layer. A simulation was performed to calculate the dispersion relation of the superlattice structure used. Experiment 4 is an example of a quantum well solar cell by configuring a quantum layer having a superlattice structure with a quantum well and changing the quantum well width.
The thickness of the quantum well was 4 nm, and the thickness of the barrier layer was 2 nm. Effective mass of electrons, gallium arsenide and (GaAs) 0.067 m _0, indium gallium arsenide (In _0.2 Ga _0.8 As) was 0.058m _0. The barrier height of the conduction band between gallium arsenide and indium arsenide was 0.189 eV. Here, m ₀ is an electron mass of 9.11 × 10 ⁻³¹ kg.

図８に実験４により計算された超格子構造の伝導帯における分散関係を示す。横軸は波数を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの値は、量子井戸を構成する材料のバルクにおける伝導帯の下端のエネルギー位置をゼロとしてエネルギーを示している。また、障壁層の伝導帯の下端のエネルギー位置および（Ｅ_c−２ｋＴ）のエネルギー準位を点線で示している。なお、図８は、実験１における図３に対応している。 FIG. 8 shows the dispersion relation in the conduction band of the superlattice structure calculated in Experiment 4. The horizontal axis indicates the wave number, and the vertical axis indicates energy. The energy value indicates energy with the energy position at the lower end of the conduction band in the bulk of the material constituting the quantum well being zero. Further, the energy position at the lower end of the conduction band of the barrier layer and the energy level of (E _c −2 kT) are indicated by dotted lines. FIG. 8 corresponds to FIG. 3 in Experiment 1.

このような条件下においては、ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成され、伝導帯におけるミニバンドのエネルギー下端が障壁層のエネルギーよりも低く、かつ伝導帯におけるミニバンドのエネルギー上端が、障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ低いエネルギー準位（Ｅｃ−２ｋＴ）よりも高いエネルギー準位になることがわかった。以下、図８を参照してより具体的に説明する。 Under such conditions, only one miniband is formed in the conduction band, the lower energy of the miniband in the conduction band is lower than the energy of the barrier layer, and the upper energy of the miniband in the conduction band is the barrier layer. The energy level is higher than the energy level (Ec-2kT) which is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) (26 meV) at room temperature. I understood it. Hereinafter, a more specific description will be given with reference to FIG.

図８から、伝導帯においてミニバンドが１つのみ形成され、ミニバンドのエネルギー下端（０．０５０ｅＶ）が障壁層の伝導帯の下端のエネルギー準位（０．１８９ｅＶ）よりも低く、かつミニバンドのエネルギー上端（０．１７６ｅＶ）が障壁層の伝導帯下端のエネルギー準位より室温における熱エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ低いエネルギー準位（０．１３７ｅＶ）よりも高いエネルギー準位になることがわかる。これにより、生成された電子はミニバンド中で熱励起され、ｎ型半導体層から容易に取り出すことができることを示している。価電子帯においては、実験１および実験２と同様、複数のミニバンドが形成され、生成されたホールはフォノン散乱などによってｐ型半導体層から容易に取り出される。 From FIG. 8, only one mini-band is formed in the conduction band, the lower energy level (0.050 eV) of the mini-band is lower than the lower energy level (0.189 eV) of the conduction band of the barrier layer, and the mini-band. Energy level (0,176 eV) is lower than the energy level at the bottom of the conduction band of the barrier layer by two times the thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) (26 meV) at room temperature (0 It can be seen that the energy level is higher than (.137 eV). This indicates that the generated electrons are thermally excited in the miniband and can be easily extracted from the n-type semiconductor layer. In the valence band, as in Experiments 1 and 2, a plurality of minibands are formed, and the generated holes are easily extracted from the p-type semiconductor layer by phonon scattering or the like.

本量子井戸構造では、母体半導体材料のバンドギャップに対応した光遷移に加えて、ミニバンドを利用した母体半導体材料のバンドギャップ未満の光エネルギーで生成されたキャリアを効率的に取り出すことが可能となり、短絡電流が増大する。
以上から、超格子構造の量子層を量子井戸で構成される量子井戸構造においても、任意にミニバンドの位置および幅を調節できることがわかった。 In this quantum well structure, in addition to optical transition corresponding to the band gap of the base semiconductor material, it is possible to efficiently extract carriers generated with light energy less than the band gap of the base semiconductor material using the miniband. Short circuit current increases.
From the above, it was found that the position and width of the miniband can be arbitrarily adjusted even in a quantum well structure in which a quantum layer having a superlattice structure is formed of quantum wells.

１：ｐ型半導体基板（ｐ型半導体層）３：バッファー層４：ベース層６：量子ドット層（量子層）７：量子ドット８：障壁層１０：超格子半導体層１２：ｎ型半導体層１４：窓層１５：コンタクト層１７：ｎ型電極１８：ｐ型電極２０：太陽電池 1: p-type semiconductor substrate (p-type semiconductor layer) 3: buffer layer 4: base layer 6: quantum dot layer (quantum layer) 7: quantum dot 8: barrier layer 10: superlattice semiconductor layer 12: n-type semiconductor layer 14 : Window layer 15: contact layer 17: n-type electrode 18: p-type electrode 20: solar cell

Claims

a p-type semiconductor layer; an n-type semiconductor layer; and a superlattice semiconductor layer sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and having a quantum layer and a barrier layer alternately stacked a plurality of times A solar cell,
The superlattice semiconductor layer has a stacked structure in which a miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer,
The energy level at the lower end of the miniband is lower than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer,
The solar cell according to claim 1, wherein the energy level at the upper end of the miniband is higher than the energy level at the lower end of the conduction band of the barrier layer .

The solar cell according to claim 1, wherein the superlattice semiconductor layer has a stacked structure in which only one miniband is formed by a quantum level on the conduction band side of the quantum layer.

The p-type semiconductor layer, the n-type semiconductor layer and the superlattice semiconductor layer, a solar cell according to claim 1 or 2 to form a pn junction or pin junction.

The solar cell according to the quantum layer has any one of claims 1 to 3 is a quantum dot layer including a plurality of quantum dots.

The solar cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the superlattice semiconductor layer is made of a III-V group compound semiconductor, a II-VI group compound semiconductor, or a chalcopyrite type semiconductor.

The superlattice semiconductor layer is made of a III-V group compound semiconductor containing at least one element of Al, Ga and In and containing at least one element of As, Sb, N and P. The solar cell according to any one of 5 .