DE102009057020B4 - Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei Folgendes vorgesehen ist:Vorsehen eines Halbleiter-Trägers (50) aus GaAs oder Ge mit einer vorbereiteten Verbindungsoberfläche, die durch Implantieren einer Spezies in den Halbleiter-Träger (50) eine defekte Schicht (51) in dem Halbleiter-Träger (50) bildet;Vorsehen eines Tragsubstrats (40) mit einer Verbindungsoberfläche;Verbinden des Halbleiter-Trägers (50) und des Tragsubstrats (40) durch eine Molekularverbindung der vorbereiteten Verbindungsoberflächen des Halbleiter-Trägers (50) und des Tragsubstrats (40) zur Erzeugung einer Kompositstruktur (40, 51, 52);zerstörungsfreies Abtrennen des Großteils (52) des wiederzuverwendenden Halbleiter-Trägers (50) von der Kompositstruktur (40, 51, 52) unter Zurücklassung eines Halbleiter-Wachstumssubstrats (51) aus GaAs oder Ge auf dem Tragsubstrat (40);Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial einschließlich einer oder mehrerer metamorpher Pufferschichten und einer Metallschicht (129) oben auf der Folge von Schichten zur Bildung einer Solarzelle auf dem Halbleiterwachstumssubstrat (51), wobei eine oder mehrere metamorphe Pufferschichten zur Anpassung der unterschiedlichen Gitterkonstanten der einzelnen Schichten aus Halbleitermaterial dienen;Anbringen eines Surrogatsubstrats (150) oben auf der Metallschicht und der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung der Solarzelle,Entfernen des Tragsubstrats (40) und des Halbleiter-Wachstumssubstrats (51) und Zurücklassen der Folge von Schichten aus die Solarzelle bildendem Halbleitermaterial.A method for manufacturing a solar cell, wherein the following is provided: providing a semiconductor carrier (50) made of GaAs or Ge with a prepared connection surface which, by implanting a species in the semiconductor carrier (50), creates a defective layer (51) in the Forms semiconductor carrier (50); providing a carrier substrate (40) with a connection surface; connecting the semiconductor carrier (50) and the carrier substrate (40) by a molecular connection of the prepared connection surfaces of the semiconductor carrier (50) and the carrier substrate (40) ) for producing a composite structure (40, 51, 52); non-destructive separation of the majority (52) of the reusable semiconductor carrier (50) from the composite structure (40, 51, 52) leaving a semiconductor growth substrate (51) made of GaAs or Ge on the support substrate (40); depositing a sequence of layers of semiconductor material including one or more metamorphic buffer layers and a metal sheet icht (129) on top of the sequence of layers to form a solar cell on the semiconductor growth substrate (51), one or more metamorphic buffer layers serving to adapt the different lattice constants of the individual layers of semiconductor material; attaching a surrogate substrate (150) on top of the metal layer and the sequence of layers of semiconductor material to form the solar cell, removing the support substrate (40) and the semiconductor growth substrate (51) and leaving behind the sequence of layers of semiconductor material forming the solar cell.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und auf Herstellungsverfahren und Vorrichtungen wie beispielsweise Multijunction-Solarzellen, basierend auf III-V-Halbleiterverbindungen einschließlich einer metamorphen Schicht. Derartige Vorrichtungen sind auch als invertierte metamorphe Multijunction-Solarzellen (Solarzellen mit mehreren pn-Übergängen) bekannt.The present invention relates to the field of semiconductor devices and to manufacturing methods and devices such as multi-junction solar cells based on III-V semiconductor compounds including a metamorphic layer. Such devices are also known as inverted metamorphic multijunction solar cells (solar cells with several pn junctions).

Beschreibung verwandter TechnikDescription of related technology

Solarleistung von photovoltaischen Zellen, die auch als Solarzellen bezeichnet werden, wurden vorherrschend durch die Silizium-Halbleitertechnologie vorgesehen. In den letzten Jahren hat jedoch die Herstellung der III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen für Weltraumanwendungen die Entwicklung dieser Technologie beschleunigt, und zwar nicht nur für die Anwendung im Weltraum, sondern auch für die Anwendung bei terrestrischen Solarleistungseinsätzen. Verglichen mit Silizium haben III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Vorrichtungen größere Energieumwandlungseffizienzen und besitzen im Allgemeinen einen größeren Strahlungswiderstand, obwohl sie tendenziell in der Herstellung komplizierter sind. Typische III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen besitzen Energieeffizienzen, die 27% übersteigen, und zwar bei einer Beleuchtung einer Sonne, Luftmasse 0 (AMO)-Belichtung, wohingegen selbst die effizientesten Siliziumtechnologien im Allgemeinen nur ungefähr 18% Effizienz unter vergleichbaren Bedingungen erreichen. Bei einer hohen Solarkonzentration (beispielsweise 500X) besitzen III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen in terrestrischen Anwendungen (bei AM1, 5D) Energieeffizienzen, die 37% übersteigen. Die hohe Umwandlungseffizienz von III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen, verglichen mit Silizium-Solarzellen, basiert zum Teil auf der Fähigkeit, eine spektrale Aufspaltung der einfallenden Strahlung zu erreichen, und zwar durch die Verwendung einer Vielzahl von photovoltaischen Zonen oder Regionen mit unterschiedlichen Bandabstandsenergien, und Summierung des Stromes von jeder der Zonen.Solar power from photovoltaic cells, also known as solar cells, were predominantly provided by silicon semiconductor technology. In recent years, however, the manufacture of the III-V compound semiconductor multijunction solar cells for space applications has accelerated the development of this technology, not only for use in space but also for use in terrestrial solar power applications. Compared to silicon, III-V compound semiconductor multijunction devices have greater energy conversion efficiencies and generally have greater radiation resistance, although they tend to be more complex to manufacture. Typical III-V compound semiconductor multijunction solar cells have energy efficiencies that exceed 27%, namely when a sun is illuminated, air mass 0 (AMO) exposure, whereas even the most efficient silicon technologies generally only achieve about 18% efficiency under comparable conditions. With a high solar concentration (for example 500X), III-V compound semiconductor multijunction solar cells in terrestrial applications (with AM1, 5D) have energy efficiencies that exceed 37%. The high conversion efficiency of III-V compound semiconductor multijunction solar cells compared to silicon solar cells is based in part on the ability to achieve spectral splitting of the incident radiation through the use of a large number of photovoltaic zones or regions with different ones Bandgap energies, and summation of the current from each of the zones.

Typische III-V-Verbindungshalbleiter-Multijunction-Solarzellen sind auf einem Halbleiterwafer in vertikalen Multijunction-Strukturen hergestellt. Die individuellen Solarzellen oder Wafer werden sodann in horizontalen Anordnungen angeordnet, wobei die individuellen Solarzellen miteinander in einer elektrischen Serienschaltung verbunden werden. Die Form und Struktur einer Anordnung und auch die Anzahl der Zellen, die die Anordnung enthält, werden teilweise bestimmt durch die gewünschte Ausgangsspannung und den gewünschten Ausgangsstrom.Typical III-V compound semiconductor multijunction solar cells are produced on a semiconductor wafer in vertical multijunction structures. The individual solar cells or wafers are then arranged in horizontal arrangements, the individual solar cells being connected to one another in an electrical series circuit. The shape and structure of an array, as well as the number of cells that the array contains, are determined in part by the desired output voltage and current.

In Satelliten-Anwendungen und anderen mit dem Weltraum in Beziehung stehenden Anwendungen hängen Größe, Masse und Kosten eines Satelliten-Leistungssystems von der Leistungs- und Energieumwandlungseffizienz der verwendeten Solarzellen ab. Anders ausgedrückt gilt Folgendes: Die Größe der „Payload“ und die Verfügbarkeit von An-Bord-Dienstleistungen sind proportional zur gelieferten Leistungsgruppe. Wenn somit die „Payloads“ komplizierter werden und mehr Leistung verbrauchen, so werden die Effizienz und Masse der Solarzellen, die als Leistungsumwandler-Vorrichtungen dienen, für die an Bord befindlichen Leistungssysteme zunehmend wichtiger.In satellite and other space-related applications, the size, mass and cost of a satellite power system depend on the power and energy conversion efficiency of the solar cells used. In other words, the following applies: The size of the “payload” and the availability of on-board services are proportional to the service group delivered. Thus, as “payloads” become more complicated and use more power, the efficiency and mass of the solar cells, which serve as power conversion devices, become increasingly important to the on-board power systems.

Invertierte metamorphische Solarzellenstrukturen wie sie in von M. W. Wanlass et al in Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V-Photovoltaic-Energy Converters (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conferences, Jan. 3-7, 2005, IEEE Press, 2005) beschrieben sind, stellen einen wichtigen konzeptuellen Standpunkt für die Entwicklung von zukünftigen kommerziellen hocheffizienten Solarzellen dar. Die beschriebenen Strukturen in dieser Literaturstelle haben eine Anzahl von praktischen Schwierigkeiten, die sich auf die geeignete Auswahl der Materialien und der Herstellungsschritte beziehen.Inverted metamorphic solar cell structures as described in by MW Wanlass et al in Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V-Photovoltaic-Energy Converters (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conferences, Jan. 3-7, 2005, IEEE Press, 2005 ) represent an important conceptual point of view for the development of future commercial high efficiency solar cells. The structures described in this reference have a number of practical difficulties related to the appropriate selection of materials and manufacturing steps.

Vor den vorliegenden Erfindungen, die in dieser Anmeldung und in verwandten Anmeldungen - wie oben bemerkt - beschrieben sind, sind die Materialien und Herstellungsschritten offenbar dem Stand der Technik nicht adäquat zur Erzeugung einer kommerziell durchschlagenden und energieeffizienten invertierten metamorphen Multijunction-Solarzelle.Prior to the present inventions described in this application and related applications as noted above, the materials and manufacturing steps are apparently inadequate in the art for producing a commercially hitting and energy efficient inverted metamorphic multijunction solar cell.

Aus der US 2006 / 0 185 582 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines virtuellen Substrats bekannt, welches das Bereitstellen eines Donorsubstrats, das eine Einkristall-Donorschicht eines ersten Materials über einem Trägersubstrat umfasst, wobei das erste Material ein ternäres, quaternäres oder penternäres Halbleitermaterial oder ein Material umfasst, das nicht in Bulkform verfügbar ist, das Binden des Donorsubstrats an ein Griffsubstrat und das Trennen des Donorsubstrats vom Griffsubstrat, sodass ein Einkristallfilm des ersten Materials mit dem Griffsubstrat verbunden bleibt, umfasst.From the US 2006/0 185 582 A1 A method for producing a virtual substrate is known which comprises providing a donor substrate comprising a single crystal donor layer of a first material over a carrier substrate, the first material comprising a ternary, quaternary or penternary semiconductor material or a material that is not available in bulk form comprises bonding the donor substrate to a handle substrate and separating the donor substrate from the handle substrate such that a single crystal film of the first material remains bonded to the handle substrate.

Aus der EP 1 863 099 A2 ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Multijunction-Solarzelle mit den folgenden Schritten bekannt: Vorsehen eines ersten Substrats aufgebaut aus GaAs oder Ge für das Epitaxialwachstum des Halbleitermaterials, Aufwachsen einer ersten solaren Subzelle auf dem ersten Substrat mit einem ersten Bandabstand, Aufwachsen einer zweiten solaren Subzelle über der ersten Subzelle mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der erste Bandabstand, und Aufwachsen einer Gradierzwischenschicht über der zweiten solaren Subzelle und Aufwachsen einer dritten solaren Subzelle über der Gradierzwischenschicht mit einem vierten Bandabstand, der kleiner ist als der zweite Bandabstand derart, dass die dritte solare Subzelle gitterfehlangepaßt ist bezüglich der zweiten solaren Subzelle, wobei die Gradierzwischenschicht aufgebaut ist aus InGaAlAs und einen konstanten dritten Bandabstand durch ihre gesamte Dicke hindurch aufweist, der größer ist als der zweite Bandabstand, wobei die InGaAlAs Gradierzwischenschicht einen Übergang der Gitterkonstanten von der zweiten Subzelle zur dritten Subzelle erreicht, und eine Tunneldiode aufgewachsen über der zweiten solaren Subzelle und eine Pufferschicht aus InGaAs aufgewachsen über der Tunneldiode vor dem Aufwachsen der Gradierzwischenschicht vorgesehen sind.From the EP 1 863 099 A2 discloses a method for forming a multijunction solar cell with the following steps: providing a first substrate made up of GaAs or Ge for the epitaxial growth of the semiconductor material, growing a first solar subcell on the first Substrate with a first bandgap, growing a second solar subcell over the first subcell with a second bandgap that is smaller than the first bandgap, and growing an intermediate grade layer over the second solar subcell and growing a third solar subcell over the intermediate gradation layer with a fourth bandgap , which is smaller than the second band gap such that the third solar sub-cell is lattice mismatched with respect to the second solar sub-cell, the grade intermediate layer being made up of InGaAlAs and having a constant third band gap through its entire thickness which is greater than the second band gap, wherein the InGaAlAs grade intermediate layer reaches a transition of the lattice constants from the second sub-cell to the third sub-cell, and a tunnel diode grown over the second solar sub-cell and a buffer layer of InGaAs grown over the tunnel diode prior to the growth of the gradient intermediate layer are provided.

In der US 2006 / 0 112 986 A1 ist eine Multijunction-Solarzelle offenbart, welche eine aktive Silizium-Subzelle, eine erste Nicht-Silizium-Subzelle, die an eine erste Seite der aktiven Silizium-Subzelle gebunden ist, und eine zweite Nicht-Silizium-Subzelle, die an eine zweite Seite der aktiven Silizium-Subzelle gebunden ist, umfasst.US 2006/0 112 986 A1 discloses a multijunction solar cell which has an active silicon sub-cell, a first non-silicon sub-cell which is bonded to a first side of the active silicon sub-cell, and a second non-silicon Sub-cell bonded to a second side of the active silicon sub-cell.

Aus der US 2009 / 0 229 662 A1 ist ein Verfahren zum Bilden einer Multijunction-Solarzelle bekannt mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats mit einem Winkel von 15 ° von der (001)-Ebene zur (111)A-Ebene für das epitaktische Wachstum von Halbleitermaterial; Bilden einer ersten Solar-Subzelle auf dem Substrat mit einem ersten Bandabstand; Bilden einer zweiten Solar-Subzelle über der ersten Solar-Subzelle mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner als der erste Bandabstand ist; Bilden einer Gradierzwischenschicht über der zweiten Subzelle, wobei die Gradierzwischenschicht einen dritten Bandabstand aufweist, der größer als der zweite Bandabstand ist; und Bilden einer dritten Solar-Subzelle über der Gradierzwischenschicht mit einem vierten Bandabstand, der kleiner als der zweite Bandabstand ist, sodass die dritte Subzelle in Bezug auf die zweite Subzelle ein Gitterfehlanpassung aufweist.From the US 2009/0 229 662 A1 a method for forming a multijunction solar cell is known with the following steps: providing a substrate with an angle of 15 ° from the ( 001 ) Level to ( 111 ) A-plane for epitaxial growth of semiconductor material; Forming a first solar sub-cell on the substrate with a first band gap; Forming a second solar sub-cell over the first solar sub-cell with a second band gap that is smaller than the first band gap; Forming an intermediate grade layer over the second subcell, the intermediate grade layer having a third band gap that is greater than the second band gap; and forming a third solar sub-cell over the grade interlayer with a fourth band gap less than the second band gap such that the third sub-cell has a lattice mismatch with respect to the second sub-cell.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Kurz und allgemein gesagt, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vor, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Galliumarsenid-Trägers mit einer vorbereiteten Verbindungs- oder Klebeoberfläche; Vorsehen eines Tragsubstrats; Verbinden oder Verkleben des Galliumarsenid-Trägers und des Tragsubstrats zur Erzeugung einer Komposit- oder zusammengesetzten Struktur; Abtrennen der Masse des Galliumarsenid-Trägers von der Kompositstruktur, Zurücklassen eines Galliumarsenid-Substrats auf dem Tragsubstrat; und Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial, die eine Solarzelle auf dem Galliumarsenid-Substrat bilden.The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell having the features of claim 1. Briefly and generally speaking, the present invention provides a method for manufacturing a solar cell, wherein the following is provided: providing a gallium arsenide carrier with a prepared connection or connection Adhesive surface; Providing a support substrate; Joining or gluing the gallium arsenide support and the support substrate to produce a composite or composite structure; Severing the bulk of the gallium arsenide support from the composite structure, leaving a gallium arsenide substrate on the support substrate; and depositing a sequence of layers of semiconductor material that form a solar cell on the gallium arsenide substrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vor, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Germaniumträgers mit einer hergestellten Verbindungs- oder Klebeoberfläche; Vorsehen eines Tragsubstrats; Verbinden oder Verkleben des Germaniumträgers und des Tragsubstrats zur Erzeugung einer Kompositstruktur; Abtrennen der Masse des Germaniumträgers von der Kompositstruktur; Zurücklassen eines Germaniumsubstrats auf dem Saphirsubstrat und Abscheiden einer Folge von Schichten als Halbleitermaterial zur Bildung einer Solarzelle auf dem Germaniumsubstrat.According to a further aspect, the invention provides a method for producing a solar cell, the following being provided: providing a germanium carrier with a produced connection or adhesive surface; Providing a support substrate; Connecting or gluing the germanium carrier and the carrier substrate to produce a composite structure; Separating the bulk of the germanium support from the composite structure; Leaving a germanium substrate on the sapphire substrate and depositing a sequence of layers as semiconductor material to form a solar cell on the germanium substrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ferner Folgendes vor: Aufeinanderfolgendes Herstellen einer neuen Verbindungs- oder Klebeoberfläche auf dem entfernten Massenteil des Germaniumarsenids oder Germaniumträgers zur Bildung eines neuen Trägers; Vorsehen eines neuen Tragsubstrats; Verbinden oder Verkleben des neuen Galliumarsenid- oder Germaniumträgers und des neuen Tragsubstrats zur Erzeugung einer neuen Kompositstruktur; Abtrennen der Masse des neuen Galliumarsenid- oder Germanium-Wachstumssubstrats auf dem neuen Tragsubstrat; und Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung einer Solarzelle auf dem neuen Galliumarsenid- oder Germanium-Wachstumssubstrat.In another aspect, the invention further provides: sequentially creating a new bonding or adhesive surface on the removed bulk portion of the germanium arsenide or germanium carrier to form a new carrier; Providing a new support substrate; Connecting or gluing the new gallium arsenide or germanium carrier and the new carrier substrate to produce a new composite structure; Severing the bulk of the new gallium arsenide or germanium growth substrate on the new support substrate; and depositing a sequence of layers of semiconductor material to form a solar cell on the new gallium arsenide or germanium growth substrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ferner Folgendes vor: Aufeinanderfolgende Anbringung eines zweiten Surrogatsubstrats auf der Oberseite der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial, die die Solarzelle bilden; und Entfernen des Galliumarsenid- oder Germanium-Wachstumssubstrats.According to a further aspect, the present invention further provides: successive application of a second surrogate substrate on top of the sequence of layers of semiconductor material which form the solar cell; and removing the gallium arsenide or germanium growth substrate.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung Folgendes vor: Das Abscheiden der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung einer Solarzelle umfasst das Ausbilden einer ersten Subzelle auf dem Wachstumssubstrat, wobei diese ein erstes Halbleitermaterial mit einem ersten Bandabstand und eine erste Gitterkonstante aufweist; Ausbilden oder Formen einer zweiten Subzelle, die ein zweites Halbleitermaterial mit einem zweiten Bandabstand und einer zweiten Gitterkonstante aufweist, wobei der zweite Bandabstand kleiner ist als der erste Bandabstand und die zweite Gitterkonstante größer ist als die erste Gitterkonstante; Ausbilden oder Formen eines Gitterkonstanten-Übergangsmaterials, positioniert zwischen der ersten Subzelle und der zweiten Subzelle, wobei das Gitterkonstanten-Übergangsmaterial eine Gitterkonstante besitzt, die sich graduell von der ersten Gitterkonstanten zur zweiten Gitterkonstanten ändert.According to a further aspect, the invention provides the following: The deposition of the sequence of layers of semiconductor material to form a solar cell comprises the formation of a first sub-cell on the growth substrate, this having a first semiconductor material with a first band gap and a first lattice constant; Forming or molding a second sub-cell comprising a second semiconductor material having a second band gap and a second lattice constant, the second band gap being smaller than the first band gap and the second lattice constant being larger than the first lattice constant; Forming or molding a lattice constant transition material positioned between the first sub-cell and the second sub-cell, the lattice constant transition material having a lattice constant that gradually changes from the first lattice constant to the second lattice constant.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle vorgesehen, wobei Folgendes vorgesehen ist:

  • Vorsehen eines Galliumarsenid-Trägers mit einer hergestellten oder vorbereiteten Verbindungs- oder Klebeoberfläche; Vorsehen eines Tragsubstrats;
  • Verbinden oder Verkleben des Galliumarsenid-Trägers und des Tragsubstrats zur Erzeugung einer Kompositstruktur; Abtrennen der Masse des Galliumarsenid-Trägers von der Kompositstruktur unter Zurücklassung eines Galliumarsenid-Substrats auf dem Tragsubstrat; Ausbilden oder Formen einer ersten Solarsubzelle mit einem ersten Bandabstand bzw. Bandspalt auf dem Galliumarsenid-Substrat; Formen oder Ausbilden einer zweiten Solarzelle, angeordnet über der ersten Solarzelle mit einem zweiten Bandabstand, der kleiner ist als der-ersten Bandabstand; Ausbilden einer gradierten Zwischenschicht,
  • angeordnet über der zweiten Subzelle, und zwar mit einem dritten Bandabstand, der größer ist als der zweite Bandabstand; Formen oder Ausbilden einer dritten Solarsubzelle, angeordnet über der gradierten Zwischenschicht mit einem vierten Bandabstand, der kleiner ist als der zweite Bandabstartd und gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der zweiten Subzelle; Formen oder Ausbilden einer vierten solaren Subzelle, angeordnet über der dritten Subzelle mit einem fünften Bandabstand, der kleiner ist als der vierte Bandabstand und gitterangepasst ist bezüglich der erwähnten dritten Subzelle.
According to a further aspect of the invention, a method for producing a solar cell is provided, the following being provided:
  • Providing a gallium arsenide carrier with a manufactured or prepared bonding or adhesive surface; Providing a support substrate;
  • Connecting or gluing the gallium arsenide carrier and the carrier substrate to produce a composite structure; Severing the bulk of the gallium arsenide support from the composite structure, leaving a gallium arsenide substrate on the support substrate; Forming a first solar subcell having a first band gap on the gallium arsenide substrate; Forming or forming a second solar cell disposed over the first solar cell with a second band gap smaller than the first band gap; Forming a graded intermediate layer,
  • disposed over the second sub-cell with a third band gap greater than the second band gap; Forming or forming a third solar sub-cell disposed over the graded intermediate layer with a fourth band gap that is smaller than the second band start and is lattice misaligned with respect to the second sub-cell; Forming or formation of a fourth solar sub-cell, arranged above the third sub-cell with a fifth band gap which is smaller than the fourth band gap and is lattice-matched with respect to the mentioned third sub-cell.

Nicht alle dieser Aspekte oder Merkmale der vorliegenden Erfindung müssen in irgendeinem Ausführungsbeispiel implementiert sein.Not all of these aspects or features of the present invention need to be implemented in any embodiment.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung ist besser zu verstehen und kann in ihrer Bedeutung vollständiger erkannt werden durch die Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:

  • 1 eine Querschnittsansicht des Tragsubstrats der vorliegenden Erfindung,
  • 1B eine Querschnittsansicht eines Trägersubstrats der vorliegenden Erfindung nach der Oberflächenherstellung oder Vorbereitung;
  • 1C eine Querschnittsansicht der Kompositstruktur, die sich durch das Verbinden oder Kleben der Trag- und Trägersubstrate ergibt;
  • 1D ein Querschnitt der Kompositstruktur der 1C nach Entfernung der Masse des Trägersubstrats;
  • 2A eine perspektivische Ansicht einer vielflächigen (polyhedralen; poliedrisch) Darstellung einer Halbleitergitterstruktur, die die Kristallebenen zeigt;
  • 2B eine perspektivische Ansicht des GaAs-Kristallgitters, wobei die Position der Gallium- und Arsenatome gezeigt ist;
  • 3A eine perspektivische Ansicht der Ebene P des erfindungsgemäßen Substrats, überlagert über das Kristalldiagramm der 2A;
  • 3B eine graphische Darstellung der Oberfläche der Ebene des Substrats, das gemäß der Erfindung verwendet wird;
  • 4A eine graphische Darstellung, die den Bandabstand von bestimmten oder gewissen Binärmaterialien und ihre Gitterkonstanten darstellt und einen Bereich von Materialien verwendet bei der invertierten metamorphen Multijunction (IMM)-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik;
  • 4B eine graphische Darstellung, die den Bandabstand bestimmter Binärmaterialien und ihre Gitterkonstanten zeigt und einen Bereich von Materialien verwendet in einer invertierten metamorphen Multijunction (IMM)-Solarzelle gemäß der Erfindung;
  • 5 ein Diagramm, welches den Bereich von Bandabständen verschiedener GalnAlAs-Materialien zeigt, und zwar als Funktion der relativen Konzentration von Al, In und Ga;
  • 6 eine graphische Darstellung, die die Ga-Mol-Fraktion zeigt, und zwar abhängig von der AL-zu-In-Molfraktion in GalnAIAs-Materialien, die notwendig sind, um einen konstanten 1,6 eV-Bandabstand zu erhalten;
  • 7 eine graphische Darstellung, die die Molfraktion abhängig von der Gitterkonstanten darstellt, und zwar in GalnAIAs-Materialien, die notwendig sind, um einen konstanten 1,5 eV-Bandabstand zu erhalten;
  • 8 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der Erfindung, und zwar nach der Abscheidung der Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat;
  • 9 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 8 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten;
  • 10 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 9 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten;
  • 11 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 10 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten;
  • 12 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 11 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem Surrogatsubstrat angebracht wird;
  • 13A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 12 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem das ursprüngliche Substrat entfernt wird;
  • 13B eine weitere Querschnittsansicht der Solarzelle der 13A mit einer Orientierung, die das Surrogatsubstrat unten oder am Boden der Figur darstellt;
  • 14 eine außerordentlich vereinfachte Querschnittsansicht der Solarzelle der 13B;
  • 15 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 14 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt;
  • 16 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 1.5 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem die Gitterlinien über der Kontaktschicht geformt werden;
  • 17 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 16 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt;
  • 18A eine Draufsicht auf einen Wafer, in dem vier Solarzellen hergestellt sind;
  • 18B eine Draufsicht von unten eines Wafers der 18A;
  • 18C eine Draufsicht von oben auf einen Wafer, in dem zwei Solarzellen hergestellt sind;
  • 19 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 17 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt;
  • 20A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 19 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt;
  • 20B eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 20A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt;
  • 21 eine Draufsicht auf den Wafer der 20B, wobei die Oberflächenansicht des um die Zelle herum geätzten Grabens gezeigt ist;
  • 22A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 20B nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 22 B eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 22C eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein Abdeckglas angebracht wird;
  • 23 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22C nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem das Surrogatsubstrat entfernt ist; und
  • 24 ist eine graphische Darstellung des Dotierprofils in einer Basis und angrenzenden Emitterschicht in der metamorphen Solarzelle gemäß der Erfindung.
The invention will be better understood and its meaning can be more fully ascertained by reference to the following detailed description together with the accompanying drawings; in the drawing shows:
  • 1 a cross-sectional view of the support substrate of the present invention;
  • 1B Fig. 3 is a cross-sectional view of a carrier substrate of the present invention after surface fabrication or preparation;
  • 1C a cross-sectional view of the composite structure, which results from the joining or gluing of the support and carrier substrates;
  • 1D a cross section of the composite structure of the 1C after removal of the mass of the carrier substrate;
  • 2A a perspective view of a polyhedral (polyhedral) representation of a semiconductor lattice structure showing the crystal planes;
  • 2 B Fig. 3 is a perspective view of the GaAs crystal lattice showing the position of the gallium and arsenic atoms;
  • 3A a perspective view of the plane P of the substrate according to the invention, superimposed on the crystal diagram of FIG 2A ;
  • 3B a graphical representation of the surface of the plane of the substrate used in accordance with the invention;
  • 4A Fig. 3 is a graph showing the band gap of certain or certain binary materials and their lattice constants and a range of materials used in the inverted metamorphic multijunction (IMM) solar cell according to the prior art;
  • 4B Figure 12 is a graph showing the bandgap of certain binary materials and their lattice constants and a range of materials used in an inverted metamorphic multijunction (IMM) solar cell according to the invention;
  • 5 a diagram showing the range of bandgaps of various GaInAlAs materials as a function of the relative concentration of Al, In and Ga;
  • 6th Figure 8 is a graph showing the Ga mole fraction versus the AL to In mole fraction in GalnAIAs materials necessary to obtain a constant 1.6 eV band gap;
  • 7th Figure 8 is a graph showing the mole fraction as a function of the lattice constant in GalnAIAs materials necessary to obtain a constant 1.5 eV band gap;
  • 8th Fig. 3 is a cross-sectional view of the solar cell of the invention after the semiconductor layers have been deposited on the growth substrate;
  • 9 a cross-sectional view of the solar cell of FIG 8th after the next sequence of processing steps;
  • 10 a cross-sectional view of the solar cell of FIG 9 after the next sequence of processing steps;
  • 11 a cross-sectional view of the solar cell of FIG 10 after the next sequence of processing steps;
  • 12th a cross-sectional view of the solar cell of FIG 11 after the next processing step, in which the surrogate substrate is applied;
  • 13A a cross-sectional view of the solar cell of FIG 12th after the next processing step in which the original substrate is removed;
  • 13B a further cross-sectional view of the solar cell of FIG 13A with an orientation representing the surrogate substrate at the bottom or bottom of the figure;
  • 14th an extremely simplified cross-sectional view of the solar cell of FIG 13B ;
  • 15th a cross-sectional view of the solar cell of FIG 14th after the next processing step;
  • 16 a cross-sectional view of the solar cell of FIG 1 .5 after the next processing step in which the grid lines are formed over the contact layer;
  • 17th a cross-sectional view of the solar cell of FIG 16 after the next processing step;
  • 18A a plan view of a wafer in which four solar cells are manufactured;
  • 18B a bottom plan view of a wafer of FIG 18A ;
  • 18C a top plan view of a wafer in which two solar cells are fabricated;
  • 19th a cross-sectional view of the solar cell of FIG 17th after the next processing step;
  • 20A a cross-sectional view of the solar cell of FIG 19th after the next processing step;
  • 20B a cross-sectional view of the solar cell of FIG 20A after the next processing step;
  • 21 a top view of the wafer of the 20B showing the surface view of the trench etched around the cell;
  • 22A a cross-sectional view of the solar cell of FIG 20B after the next processing step in a first embodiment of the invention;
  • 22 B a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22A after the next processing step in a second embodiment of the invention;
  • 22C a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22A after the next processing step in a third embodiment of the present invention in which a cover glass is attached;
  • 23 a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22C after the next processing step in a third embodiment of the invention, in which the surrogate substrate is removed; and
  • 24 Figure 13 is a graph of the doping profile in a base and adjacent emitter layer in the metamorphic solar cell according to the invention.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beschrieben, und zwar einschließlich beispielhafter Aspekte und Ausführungsbeispiele davon. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Beschreibung sei erwähnt, dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder funktionsmäßig ähnliche Elemente zu bezeichnen, und die Beschreibung soll Hauptmerkmale von exemplarischen Ausführungsbeispielen in einer außerordentlich vereinfachten schematischen Art und Weise beschreiben. Darüber hinaus sei bemerkt, dass die Zeichnungen nicht jedes Merkmal des tatsächlichen Ausführungsbeispiels zeigen und auch nicht die relativen Abmessungen der dargestellten Elemente, die nicht maßstabsgemäß abgebildet sind.Details of the present invention will now be described, including exemplary aspects and embodiments thereof. With reference to the drawings and the following description, it should be noted that the same reference numbers are used to designate the same or functionally similar elements, and the description is intended to describe key features of exemplary embodiments in an extremely simplified schematic manner. In addition, it should be noted that the drawings do not show every feature of the actual embodiment, nor do they show the relative dimensions of the elements shown, which are not shown to scale.

Das Grundkonzept der Herstellung einer invertierten metamorphischen Multijunction (IMM)-Solarzelle besteht darin, die Subzellen der Solarzelle auf einem Substrat in einer „umgekehrten“ (reversed) Sequenz zu wachsen. Das heißt, die einen hohen Bandabstand besitzenden Subzellen (d. h. die Subzelle mit Bandabständen im Bereich von 1,8 bis 2,1 eV), die normalerweise „oben“ auf den Subzellen sich befinden und zur Solarstrahlung hinweisen, werden epitaxial auf einem Halbleiterwachstumssubstrat, wie beispielsweise GaAs oder Ge, gewachsen und diese Subzellen werden daher gegenüber diesem Substrat gitterangepasst. Eine oder mehrere der mittleren einen niedrigeren unteren Bandabstandbesitzenden Subzellen (d. h. die Zellen mit Bandabständen im Bereich von 1,2 bis 1,8 eV) können sodann auf den einen hohen Bandabstand besitzenden Subzellen aufgewachsen werden.The basic concept of manufacturing an inverted metamorphic multijunction (IMM) solar cell is to grow the subcells of the solar cell on a substrate in a “reversed” sequence. That is, the high bandgap subcells (ie, the subcell with bandgaps in the range of 1.8 to 2.1 eV) that are normally “on top” of the subcells and face solar radiation become epitaxial on a semiconductor growth substrate, such as for example GaAs or Ge, and these subcells are therefore lattice-matched with respect to this substrate. One or more of the middle lower, lower bandgap subcells (i.e., the cells with bandgaps in the 1.2 to 1.8 eV range) can then be grown on the high bandgap subcells.

Mindestens eine untere Subzelle wird über der mittleren oder Mittel-subzelle derart geformt, dass die mindestens eine untere Subzelle im Wesentlichen bezüglich des Wachstumssubstrats gitterangepasst ist und derart, dass mindestens eine untere Subzelle einen dritten unteren Bandabstand (d. h. einen Bandabstand im Bereich von 0,7 bis 1,2 eV) besitzt. Ein Surrogatsubstrat oder ein Tragsubstrat wird sodann angebracht oder vorgesehen, und zwar über dem „Boden“ oder der im Wesentlichen gitterfehlausgerichteten unteren Subzelle, und das Wachstumshalbleitersubstrat wird darauf folgend entfernt. (Das Wachstumssubstrat kann darauf folgend wiederverwendet werden und zwar für das Wachstum einer zweiten und darauf folgender Solarzellen).At least one lower sub-cell is formed over the middle or middle sub-cell such that the at least one lower sub-cell is substantially lattice-matched with respect to the growth substrate and such that at least one lower sub-cell has a third lower band gap (ie a band gap in the range from 0.7 to 1.2 eV). A surrogate substrate or a support substrate is then attached or provided over the "floor" or the substantially lattice-misaligned lower sub-cell, and the growth semiconductor substrate is subsequently removed. (The growth substrate can then be reused for the growth of a second and subsequent solar cells).

Die Gitterkonstanten und elektrischen Eigenschaften der Schichten der Halbleiterstruktur werden vorzugsweise gesteuert durch die Spezifikation bzw. Angabe von geeigneten Reaktorwachstumstemperaturen und -zeiten und durch die Verwendung entsprechender chemischer Zusammensetzung und Dotiermitteln. Die Verwendung einer Dampfabscheidungsmethode, wie beispielsweise der organo-metallischen Dampfphasen-Epitaxie (OMVPE = Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy), metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE = Molecular Beam Epitaxy) oder anderer Dampfabscheidungsverfahren für das umgekehrte Wachstum kann es ermöglichen, dass die Schichten der monolithischen Halbleiterstruktur, die die Zelle bilden, mit der erforderlichen Dicke., der elementaren Zusammensetzung, der Dotiermittelkonzentration gewachsen werden.The lattice constants and electrical properties of the layers of the semiconductor structure are preferably controlled by specifying or specifying suitable reactor growth temperatures and times and by using appropriate chemical compositions and dopants. The use of a vapor deposition method such as organometallic vapor phase epitaxy (OMVPE = Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD = Metal Organic Chemical Vapor Deposition), molecular beam epitaxy (MBE = Molecular Beam Epitaxy) or other vapor deposition processes for the reverse growth, it can allow the layers of the monolithic semiconductor structure that make up the cell to be grown to the required thickness, elemental composition, dopant concentration.

Eine Verschiedenheit der unterschiedlichen Merkmale der invertierten metamorphen Multijunction-Solarzellen sind den oben erwähnten in Beziehung stehenden Anmeldungen offenbart. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine alternative Wachstums- und Verarbeitungstechnölogie für die epitaxiale Herstellung von Halbleitersolarzellenschichten in einer Multijunction-Solarzelle, und insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine invertierte metamorphe Multijunction-Solarzelle. In dem bevorzugten der zu beschreibenden Ausführungsbeispiele werden die Epitaxialschichten der IMM-Solarzelle auf eine relativ dünne Halbleiterstruktur aufgewachsen, die aus einem GaAs- oder Ge-Wachstumstemplat (oder irgendeinem anderen geeigneten Material) besteht, das an einem Saphir oder Saphir/Spinellsubstrat oder Träger angebracht ist. Das Saphir/Spinellsubstrat kann ausgelegt oder spezifiziert und ausgewählt sein, so dass es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE = coefficient of thermal expansion) besitzt, der an denjenigen der relativen III/V-Verbindungen, wie beispielsweise GaAs, GalnPa, usw., angepasst ist, wobei diese Verbindungen in der Solarzellenherstellung verwendet werden.A variety of different features of the inverted metamorphic multijunction solar cells are disclosed in the related applications mentioned above. The present invention is directed to an alternative growth and processing technology for the epitaxial fabrication of semiconductor solar cell layers in a multijunction solar cell, and more particularly, the invention is directed to an inverted metamorphic multijunction solar cell. In the preferred of the embodiments to be described, the epitaxial layers of the IMM solar cell are grown on a relatively thin semiconductor structure consisting of a GaAs or Ge growth template (or any other suitable material) attached to a sapphire or sapphire / spinel substrate or carrier is. The sapphire / spinel substrate can be designed or specified and selected so that it has a coefficient of thermal expansion (CTE) that is matched to that of the relative III / V compounds such as GaAs, GalnPa, etc. , these compounds being used in solar cell production.

Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das dünne Galliumarsenid-Wachstumstemplat dadurch gebildet, dass man einen Galliumarsenid-Wafer mit einem Saphirsubstrat verbindet oder verklebt und die Masse des Galliumarsenid-Wafers entfernt, was eine dünne Schicht aus Galliumarsenid auf dem Saphirsubstrat zurück lässt. Die Masse des Galliumarsenid-Trägers wird derart abgetrennt, dass sie nicht zerstört wird und wiederverwendet werden kann, um zusätzliche Solarzellen auf anderen Saphirsubstraten zu bilden. Die Wiederverwendung der Galliumarsenid-Träger auf diese Art und Weise zur Bildung zusätzlicher Solarzelle vermindert in signifikanter Weise die Kosten pro Einheit von auf Galliumarsenid basierenden Solarzellen.According to the embodiments described here, the thin gallium arsenide growth template is formed by joining or gluing a gallium arsenide wafer to a sapphire substrate and removing the bulk of the gallium arsenide wafer, which leaves a thin layer of gallium arsenide on the sapphire substrate. The bulk of the gallium arsenide carrier is separated in such a way that it is not destroyed and can be reused to form additional solar cells on other sapphire substrates. Reusing the gallium arsenide carriers in this manner to form additional solar cells significantly reduces the unit cost of gallium arsenide based solar cells.

Die IMM-Zellenstruktur wird auf das oben erwähnte Wachstumstemplat aufgewachsen, und zwar durch MOCVD oder eine äquivalente Wachstumstechnologie. Nach dem Wachstum wird die Struktur verarbeitet. Während der Verarbeitung wird eine Freisetzungstechnologie verwendet, um das Saphir- oder Saphir/Spinellsubstrat zu entfernen. Das Saphir- oder Saphir/Spinellsubstrat kann wiederverwendet werden, und zwar durch Anbringung von einem weiteren GaAs, Ge (oder anderen)-Substrat zur Bildung einer zusätzlichen Solarzelle.The IMM cell structure is grown on the above-mentioned growth template by MOCVD or an equivalent growth technology. After the growth, the structure is processed. During processing, release technology is used to remove the sapphire or sapphire / spinel substrate. The sapphire or sapphire / spinel substrate can be reused by attaching another GaAs, Ge (or other) substrate to form an additional solar cell.

Die Freigabe des Saphir (oder Saphir/Spinell)-Substrats kann erfolgen durch Nassätzen oder durch einen Schichtenfreigabe-Prozess. Das Nassätzen würde seitlich eine Schicht ätzen, das Wachstumssubstrat entlasten und der Laserzurückführungsprozess< würde eine Schicht schmelzen und die gleiche Art von Freigabe des Wachstumssubstrats erreichen.The sapphire (or sapphire / spinel) substrate can be released by wet etching or by a layer release process. The wet etch would etch a layer laterally, relieving stress on the growth substrate and the laser recycling process would melt a layer and achieve the same type of release of the growth substrate.

Der Wert des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass das Schleifen und Ätzen des Wachstumstemplats nicht mehr ausgeführt werden muss. Der Hauptteil des Wachstumstemplats, d.h. das Saphir/Spinellsubstrat oder -träger ist nunmehr wieder verwendbar. Es ist also viel weniger GaAs oder Ge-Material erforderlich, und zwar eben genug einer Schicht zum Vorsehen eines Wachstumstemplats.The value of the proposed method is that it eliminates the need to grind and etch the growth template. The main part of the growth template, i.e. the sapphire / spinel substrate or carrier, is now reusable. So much less GaAs or Ge material is required, just enough of a layer to provide a growth template.

Ein zweiter Vorteil dieser Lösungsmöglichkeit besteht darin, dass unterschiedliche Gitterkonstanten nunmehr verwendet werden können, und zwar an Stelle von nur GaAs oder Ge. Wenn eine kleinere Gitterkonstante als GaAs (oder Ge) verwendet werden kann, dann kann nunmehr eine obere Subzelle mit einem höheren Bandabstand in die Solarzelle eingebaut werden, und zwar verglichen mit der Verwendung einer GalnP2-Subzelle (mit einem Bandabstand von ungefähr 1,90 eV), die in derzeit verfügbaren IMM-Solarzellenstrukturen verwendet wird.A second advantage of this possible solution is that different lattice constants can now be used instead of just GaAs or Ge. If a smaller lattice constant than GaAs (or Ge) can be used, then an upper sub-cell with a higher band gap can now be built into the solar cell, compared to using a GalnP 2 sub-cell (with a band gap of approximately 1.90 eV) used in currently available IMM solar cell structures.

Die 1A-1D sind Querschnittsansichten eines Saphirsubstrats 40 und eines Galliumarsenid-Trägers 50 während unterschiedlicher Schritte der Verbindung oder Verklebung.des Trägers 50 mit dem Substrat, der Entfernung einer Masse des Trägers 50 nach dem Verbinden oder Verkleben und die Bildung einer Solarzelle auf der verbleibenden Galliumarsenidschicht 51, verbunden mit dem Saphirsubstrat 40. 1A zeigt das Saphirsubstrat 40. 1B zeigt den Galliumarsenid-Träger 50. Der Träger 50 umfasst die dünne Galliumarsenidschicht 51 benachbart einer Massenzone oder Massenregion 52 aus Galliumarsenid.The 1A-1D are cross-sectional views of a sapphire substrate 40 and a gallium arsenide Carrier 50 during different steps of joining or gluing the carrier 50 with the substrate, the removal of a mass of the carrier 50 after joining or gluing and the formation of a solar cell on the remaining gallium arsenide layer 51 connected to the sapphire substrate 40 . 1A shows the sapphire substrate 40 . 1B shows the gallium arsenide support 50 . The carrier 50 includes the thin gallium arsenide layer 51 adjacent to a mass zone or mass region 52 made of gallium arsenide.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Galliumarsenidschicht 51 durch Implantieren einer Spezies oder Art gebildet, wie beispielsweise von Wasserstoff-Ionen und/oder Edelgase in den Galliumarsenid-Träger 50 zur Bildung einer defekten Schicht („defect layer“) in den Galliumarsenid-Träger. Irgendein bekanntes Verfahren zum Implantieren der Spezies oder Art, wie beispielsweise von Wasserstoff-Ionen und/oder Edelgasen in den Halbleiterwafer, kann verwendet werden. Beispielsweise kann die Galliumarsenidschicht 51 in dem Träger 50 ausgebildet werden gemäß irgendeiner der Spezies oder Arten-Implantationstechniken, offenbart in US 7 288 430 B2 , US 7 235 462 B2 , US 6 946 317 B2 und US 6 794 276 B2 wobei jedes dieser Patente an S.O.I. Tec Silicon on Insulator Technolgies übertragen ist und die Inhalte dieser Patente durch Bezugnahme zur Gänze hier jeweils aufgenommen werden. Die Dosis und/oder die Energie der implantierten Spezies oder Art kann derart eingestellt werden, dass die Spitzenkonzentration der implantierten Spezies in einer bestimmten Tiefe des Trägers 50 gebildet wird, wodurch die Galliumarsenidschicht 51 in Folge der Ionen-Implantation auf oder nahe ihrer Tiefe geschwächt wird. Die Massenzone 52 des Galliumarsenid-Trägers 50 wird während des Implantationsprozesses nicht geschwächt.According to one embodiment, the gallium arsenide layer is 51 formed by implanting a species or species, such as hydrogen ions and / or noble gases, into the gallium arsenide carrier 50 to form a defective layer in the gallium arsenide carrier. Any known method of implanting the species, such as hydrogen ions and / or noble gases, into the semiconductor wafer can be used. For example, the gallium arsenide layer 51 in the carrier 50 can be formed in accordance with any of the species or species implantation techniques disclosed in US Pat US 7 288 430 B2 , US 7 235 462 B2 , US 6,946,317 B2 and US 6,794,276 B2 each of these patents is assigned to SOI Tec Silicon on Insulator Technologies and the contents of these patents are incorporated herein by reference in their entirety. The dose and / or the energy of the implanted species or species can be adjusted in such a way that the peak concentration of the implanted species at a certain depth of the wearer 50 is formed, creating the gallium arsenide layer 51 is weakened as a result of ion implantation at or near its depth. The mass zone 52 of the gallium arsenide carrier 50 is not weakened during the implantation process.

In einem Ausführungsbeispiel hat der Galliumarsenid-Träger 50 eine vorbereitete Verbindungsoberfläche, die aufgeraut werden kann vor der Verbindung mit dem Saphirsubstrat 40, wie dies durch die Explosionsansicht gemäß 1B veranschaulicht wird. Die hergestellte bzw. vorbereitete Verbindungsoberfläche des Trägers 50 kann aufgeraut werden, und zwar unter Verwendung irgendeiner geeigneten chemischen Verbindung oder durch einen mechanischen Aufrauungsprozess. Das Aufrauen der Oberfläche des Trägers 50 verbessert die Verbindungscharakteristika des Trägers 50.In one embodiment, the gallium arsenide carrier 50 a prepared bonding surface that can be roughened prior to bonding to the sapphire substrate 40 , as shown in the exploded view 1B is illustrated. The manufactured or prepared connection surface of the carrier 50 can be roughened using any suitable chemical compound or by a mechanical roughening process. The roughening of the surface of the carrier 50 improves the connection characteristics of the wearer 50 .

1C zeigt den Galliumarsenid-Träger 50 und das Saphirsubstrat 40, nachdem sie miteinander verbunden sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die hergestellte Verbindungsoberfläche des Galliumarsenid-Trägers direkt molekularmäßig mit einer Oberfläche des Saphirsubstrats 40 verbunden, beispielsweise bei erhöhter Temperatur und Druck. Eine dünne Verbindungsschicht zwischen der Schicht 51 und dem Saphirsubstrat 40 ist in den Figuren nicht gezeigt, um die Zeichnungen zu vereinfachen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die abgeschwächte Schicht 51 aus Galliumarsenid, ausgebildet durch Implantation der Spezies oder Art wie beispielsweise Wasserstoff-Ionen und/oder Edelgase in den Träger 50, mit dem Saphirsubstrat 40 verbunden. Die Masse 52 des Galliumarsenid-Trägers 50 wird sodann von der Kompositstruktur entfernt, was die dünne Schicht 51 aus Galliumarsenid auf dem Saphirsubstrat 40 zurücklässt. 1C shows the gallium arsenide support 50 and the sapphire substrate 40 after they are connected to each other. According to one embodiment, the produced connection surface of the gallium arsenide carrier is directly molecularly with a surface of the sapphire substrate 40 connected, for example at elevated temperature and pressure. A thin tie layer between the layer 51 and the sapphire substrate 40 is not shown in the figures in order to simplify the drawings. According to one embodiment, the weakened layer is 51 made of gallium arsenide, formed by implanting the species or species such as hydrogen ions and / or noble gases into the carrier 50 , with the sapphire substrate 40 connected. The crowd 52 of the gallium arsenide carrier 50 is then removed from the composite structure, making the thin layer 51 made of gallium arsenide on the sapphire substrate 40 leaves behind.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Masse 52 des Galliumarsenid-Trägers 50 vom Saphirsubstrat 40 abgetrennt, und zwar durch Anlassen des Trägers 50 in einer heißen Umgebung, wie beispielsweise im Ofen oder irgendeinem Gerät zum schnellen thermischen Anlassen. Der Effekt der Anlasstemperatur und der Zeit schwächt den Träger 50 an der Galliumarsenidschicht 50 weiter, und zwar eingeführt durch die atomare Implantation, was zu einer Abtrennung führt. Durch die Abtrennung entlang dieser Region während oder nach dem Anlassen bleibt die dünne Schicht 51 aus Galliumarsenid mit dem Saphirsubstrat, wie in 1D gezeigt, verbunden. Der abgetrennte Massenteil 52 des Trägers 50 wird nicht zerstört und kann wieder verwendet werden.In one embodiment, the mass 52 of the gallium arsenide carrier 50 from the sapphire substrate 40 separated by annealing the carrier 50 in a hot environment such as an oven or any rapid thermal tempering device. The effect of tempering temperature and time weakens the wearer 50 on the gallium arsenide layer 50 further, introduced by atomic implantation, which leads to separation. Because of the separation along this region during or after tempering, the thin layer remains 51 made of gallium arsenide with the sapphire substrate, as in 1D shown connected. The separated mass part 52 of the wearer 50 will not be destroyed and can be used again.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt die dünne Galliumarsenidschicht 51, verbunden mit dem Saphirsubstrat 40, eine Dicke von ungefähr 5 Mikrometer und die Masse 52 des Trägers 50, abgetrennt von der zusammengesetzten oder Kompositstruktur, besitzt eine Dicke von ungefähr 395 Mikrometer. Die dünne Schicht 51 aus Galliumarsenid, verbunden mit dem Saphirsubstrat 40, wirkt als ein Substrat, auf dem eine Solarzelle ausgebildet werden kann. In einem Ausführungsbeispiel wird die Galliumarsenidschicht 51 vorbereitet oder geglättet, und zwar bevor eine Solarzelle auf der Schicht 51 gebildet wird. Das Glätten oder die Oberflächenbereitung kann ausgeführt werden unter Verwendung irgendeiner geeignete Technik, wie beispielsweise chemisch-mechanischen Polierens, Ätzens durch ein-Gaskluster, lonenstrahl oder Ätzen mit reaktionsfreudigen Ionen, HCL-Glättung, usw. Im Folgenden wird in dieser Anmeldung auf die dünne GaAs-Schicht 51 auf dem Saphir-Träger 40 einfach als das „Substrat“ Bezug genommen.According to one embodiment, the thin layer has gallium arsenide 51 connected to the sapphire substrate 40 , a thickness of about 5 microns and the bulk 52 of the wearer 50 , separated from the composite or composite structure, has a thickness of approximately 395 Micrometer. The thin layer 51 made of gallium arsenide bonded to the sapphire substrate 40 , acts as a substrate on which a solar cell can be formed. In one embodiment, the gallium arsenide layer is 51 prepared or smoothed before a solar cell on the layer 51 is formed. The smoothing or surface preparation can be carried out using any suitable technique such as chemical mechanical polishing, etching by a gas cluster, ion beam or etching with reactive ions, HCl smoothing, etc. In the following, the thin GaAs -Layer 51 on the sapphire carrier 40 simply referred to as the "substrate".

Wie oben erwähnt, wird die Masse 52 des Galliumarsenid-Trägers 50 von dem Saphir 40 abgetrennt und kann wieder verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Masse 52 des Galliumarsenid-Trägers 50 wiederverwendet zur Bildung einer neuen Solarzelle auf einem neuen (nicht gezeigten) Substrat, wie dies oben beschrieben wurde. Das heißt, eine neue Verbindungsoberfläche wird auf dem abgetrennten Massenteil 52 aus Galliumarsenid-Träger 50 hergestellt, um einen neuen Galliumarsenid-Träger zu bilden. Der neue Galliumarsenid-Träger wird mit einem neuen Saphirsubstrat verbunden, um eine neue Kompositstruktur oder zusammengesetzte Struktur zu erzeugen. Die Masse des neuen Galliumarsenid-Trägers wird von der neuen Kompositstruktur - wie oben beschrieben - abgetrennt, was ein neues Galliumarsenidsubstrat auf dem neuen Saphirsubstrat zurücklässt. Eine neue Folge von Schichten aus Halbleitermaterial kann sodann auf dem neuen Galliumarsenidsubstrat abgeschieden werden zur Bildung einer neuen Solarzelle.As mentioned above, the mass will 52 of the gallium arsenide carrier 50 from the sapphire 40 separated and can be used again. In one embodiment, the mass 52 of the gallium arsenide carrier 50 reused to form a new solar cell on a new substrate (not shown) as described above. That is, a new connection surface is created on the severed bulk part 52 made of gallium arsenide carrier 50 made to form a new gallium arsenide carrier. The new gallium arsenide carrier is bonded to a new sapphire substrate to create a new composite structure or composite structure. The bulk of the new gallium arsenide carrier is separated from the new composite structure - as described above - leaving a new gallium arsenide substrate on top of the new sapphire substrate. A new sequence of layers of semiconductor material can then be deposited on the new gallium arsenide substrate to form a new solar cell.

Der Galliumarsenid-Träger 50 (und auch die Galliumarsenid-Wachstumsschicht des Templats 51) ist vorzugsweise ein abgeschnittenes Substrat, wie dies unter Bezugnahme auf die 2A-3B im Folgenden beschrieben wird. 2A ist eine perspektivische Ansicht einer vielschichtigen (polyhedralen) Repräsentation einer Halbleitergitterstruktur, die Kristallebenen zeigt. Die Miller-Indizes werden verwendet, um die Ebenen zu identifizieren und die Kristallstruktur wird in der Figur durch einen abgeschnittenen . Kubus repräsentiert mit der (001) Ebene oben. Im Falle eines GaAs-Verbiridungshalbleiters, was das interessierende Material der vorliegenden Erfindung ist, ist die Kristallstruktur als eine Zinkmischungsstruktur bekannt und ist in 2B gezeigt, was eine Kombination von zwei ineinander drin- . genden stirnflächenzentrierten kubischen Subgittern (sub.lattices) repräsentiert. Die Gitterkoristante (d.h. der Abstand zwischen den Arsenatomen im Kristall) ist 0,565 nm.The gallium arsenide carrier 50 (and also the template's gallium arsenide growth layer 51 ) is preferably a trimmed substrate, as referenced with reference to FIG 2A - 3B is described below. 2A Figure 13 is a perspective view of a multilayer (polyhedral) representation of a semiconductor lattice structure showing crystal planes. The Miller indices are used to identify the planes and the crystal structure is truncated in the figure by a. Cube represented by the ( 001 ) Level above. In the case of a GaAs compound semiconductor, which is the material of interest of the present invention, the crystal structure is known as a zinc mixture structure and is shown in FIG 2 B shown what a combination of two inside each other-. end face-centered cubic sublattices (sub.lattices). The lattice constant (i.e. the distance between the arsenic atoms in the crystal) is 0.565 nm.

2B ist eine perspektivische Ansicht des GaAs-Kristallgitters, wobei die Position der Galliumarsenatome gezeigt ist, und zwar mit den entsprechenden Miller-Indizes, die die Gitterebenen identifizieren. 2 B Figure 13 is a perspective view of the GaAs crystal lattice showing the position of the gallium arsenic atoms with the corresponding Miller indices identifying the lattice planes.

3A ist eine perspektivische Ansicht der Ebene P der Substratoberfläche, verwendet in der vorliegenden Erfindung, und zwar überlagert über dem Kristalldiagramm der 2A. Die Ebene P sieht man verschwenkt von einem Punkt auf der (001)-Ebene (in dieser Darstellung die hintere Ecke der oberen Oberfläche des Polyhedrons) in Richtung der (111)-Ebene oder genauer gesagt, der (111)A-Ebene, wobei der Buchstabe „A“ sich auf die Ebene bezieht, gebildet durch das Subgitter der Arsenatome. Der Schwenkwinkel gemäß der vorliegenden Erfindung definiert den Winkel der Abtrennung des Substrats, definiert von der (001)-Ebene durch die Ebene P, und ist mindestens 6° und vorzugsweise annähernd 15°. 3A FIG. 13 is a perspective view of the plane P of the substrate surface used in the present invention superimposed on the crystal diagram of FIG 2A . The plane P can be seen pivoted from a point on the ( 001 ) Plane (in this illustration the rear corner of the top surface of the polyhedron) in the direction of the ( 111 ) Level or, more precisely, the ( 111 ) A-plane, where the letter "A" refers to the plane formed by the sublattice of the arsenic atoms. The pivot angle according to the present invention defines the angle of separation of the substrate defined from the ( 001 ) Plane through plane P, and is at least 6 ° and preferably approximately 15 °.

Obwohl die vorliegende Erfindung idealerweise einen Abschnitt (offcut) in der (111)A Richtung vorsieht, kann es vorkommen, dass während der Produktion und Herstellung der verschiedenen Wafer-Chargen der Ausrichtungs- oder Abschneidprozess nicht so präzise oder exakt erfolgen kann, wie dies die vorliegende Erfindung spezifiziert, und so kann die sich ergebene Ebene P etwas in Richtung der benachbarten (011)- oder (101)-Ebenen verschwenken, wie auch in die Richtung der (111)A-Ebene. Solche Abweichungen, ob sie zufällig sind oder auf Grund anderer mechanischer oder struktureller Gründe eintreten, werden als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen.Although the present invention ideally includes a section (offcut) in the ( 111 ) A provides direction, it may happen that during the production and manufacture of the various wafer batches the alignment or cutting process cannot be carried out as precisely or exactly as the present invention specifies, and so the resulting plane P can be somewhat in Direction of neighboring ( 011 ) - or ( 101 ) Planes, as well as in the direction of the ( 111 ) A level. Such deviations, whether they are accidental or due to other mechanical or structural reasons, are considered to be within the scope of the invention.

Somit, und in der allgemeinsten Form, umfasst die vorliegende Offenbarung durch die Nennung öder das Zitieren des „Abschneidens von der (001)-Kristallebene durch mindestens 6° zur der (111)A-Ebene“ hin das Verschwenken der abgeschnittenen Ebene P zu irgendeiner der folgenden Ebenen hin:

  1. (i) eine benachbarte (111)A-Ebene um mindestens 6° und höchstens 20°;
  2. (ii) eine benachbarte (011)-Ebene um mindestens annähernd 1°;
  3. (iii) eine benachbarte (101)-Ebene um mindestens annähernd 1°; und
  4. (iv) irgendeine Ebene, die in dem Kontinuum von Ebenen liegt zwischen (i) und (ii), (i) und (iii) oder (ii) und (iii), vgl. oben.
Thus, and in its most general form, the present disclosure encompasses by mentioning or citing the "clipping from the ( 001 ) Crystal plane through at least 6 ° to the ( 111 ) A-Plane "the pivoting of the truncated plane P to any of the following planes:
  1. (i) an adjacent ( 111 ) A-plane by a minimum of 6 ° and a maximum of 20 °;
  2. (ii) an adjacent ( 011 ) -Plane by at least approximately 1 °;
  3. (iii) an adjacent ( 101 ) -Plane by at least approximately 1 °; and
  4. (iv) any level lying on the continuum of levels between (i) and (ii), (i) and (iii) or (ii) and (iii), see above.

3B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines abgeschnittenen GaAs-Substrats, was zeigt, wie das Abschneiden in stufenartigen ebenen Schritten resultiert, die sich über die Oberfläche des Substrats erstrecken. 3B Figure 13 is an enlarged perspective view of a cut GaAs substrate showing how the cut results in step-like planar steps extending across the surface of the substrate.

4A ist eine graphische Darstellung des Bandabstands von bestimmten Binärmaterialien und ihrer Gitterkonstanten. Der Bandabstand und die Gitterkonstanten von ternären Materialien sind in den Linien angeordnet, die zwischen typischen assoziierten binären Materialien (wie beispielsweise dem ternären Material GaAlAs angeordnet zwischen den GaAs und AlAs-Punkten auf der graphischen Darstellung, wobei der Bandabstand des ternären Materials zwischen 1,42 eV für GaAs und 2,16 eV für AlAs liegt abhängig von der relativen Größe der individuellen Bestandteile). Somit können, abhängig vom gewünschten Bandabstand, die Materialbestandteile des Wachstumstemplats und der ternären Materialien, die daran gitterangepasst sind, in geeigneter Weise für die Konstruktion neuer Solarzellen-Subzellensequenzen ausgewählt sein. Die Linie A in der graphischen Darstellung repräsentiert eine der Materialkombinationen der Bandabstände oder Bandspalte und der Gitterkonstanten der ternären Materialien, die auf einem Galliumarsenid aufgewachsen werden können, wie im Stand der Technik bekannt. 4A Figure 3 is a graphical representation of the band gap of certain binary materials and their lattice constants. The band gap and lattice constants of ternary materials are arranged in the lines that are between typical associated binary materials (such as the ternary material GaAlAs located between the GaAs and AlAs points on the graph, with the band gap of the ternary material between 1.42 eV for GaAs and 2.16 eV for AlAs depends on the relative size of the individual components). Thus, depending on the band gap desired, the material constituents of the growth template and the ternary materials that are lattice-matched to it can be selected in a suitable manner for the construction of new solar cell subcell sequences. Line A in the graph represents one of the material combinations of the band gaps or band gaps and the lattice constants of the ternary materials that can be grown on a gallium arsenide, as is known in the art.

4B ist ein Graph, der den Bandabstand bestimmter binärer Materialien und ihrer Gitterkonstanten wie in 4A veranschaulicht, wobei die Linie B eine der Materialkombinationen von Bandabständen und Gitterkonstanten von ternären Materialien repräsentiert, die auf einem alternativen Substrat gemäß der Erfindung aufgewachsen werden können. Somit, abhängig von dem gewünschten Bandabstand, können die Materialbestandteile des Wachstumstemplats und die ternären Materialien, die dazu gitterangepasst sein können, in geeigneter Weise für die Konstruktion neuer solarer Subzellensequenzen ausgewählt werden. 4B is a graph showing the band gap of certain binary materials and their Lattice constants as in 4A Figure 3 illustrates where line B represents one of the material combinations of bandgaps and lattice constants of ternary materials that can be grown on an alternative substrate according to the invention. Thus, depending on the desired band gap, the material components of the growth template and the ternary materials, which can be lattice-matched thereto, can be selected in a suitable manner for the construction of new solar subcell sequences.

5 ist ein Diagramm, welches den Bereich von Bandabständen von verschiedenen GalnAIAs-Materialien zeigt, und zwar als eine Funktion der relativen Konzentration von Al, In und Ga. Dieses Diagramm veranschaulicht wie die Auswahl einer konstanten Bandabstandssequenz von Schichten aus GalnAIAs in der metamorphen Schicht ausgelegt sein kann, und zwar durch geeignete Auswahl der relativen Konzentration von Al, In und Ga, um unterschiedlichen Gitterkonstantenerfordernisse für jede aufeinander folgende Schicht zu erfüllen. Somit gilt: Ob 1,5 eV oder 1,1 eV oder ein anderer Bandabstandswert der gewünschte konstante Bandabstand ist, das Diagramm veranschaulicht eine kontinuierliche Kurve für jeden Bandabstand, was inkrementale Änderungen in den Bestandteilsproportionen repräsentiert, wenn die Gitterkonstante sich ändern, damit die Schicht den erforderlichen Bandabstand und Gitterkonstante besitzt. 5 Figure 13 is a graph showing the range of bandgaps of various GalnAIAs materials as a function of the relative concentration of Al, In and Ga. This graph illustrates how the selection of a constant bandgap sequence of layers of GalnAIAs in the metamorphic layer can be designed by properly selecting the relative concentration of Al, In and Ga to meet different lattice constant requirements for each successive layer. Thus, whether 1.5 eV or 1.1 eV or some other bandgap value is the desired constant bandgap, the graph illustrates a continuous curve for each bandgap, representing incremental changes in component proportions as the lattice constant change, so the layer has the required band gap and lattice constant.

6 ist eine graphische Darstellung, die weiterhin die Auswahl einer konstanten Bandabstandssequenz von Schichten aus GaInAlAs veranschaulicht, und zwar verwendet in der metamorphen Schicht durch Repräsentieren der Ga-Molfraktion abhängig von der Al-zu-In-Molfraktion in GalnAIAs-Materialien, die notwendig sind, um einen konstanten 1,5 eV-Bandabstand zu erhalten. 6th Figure 13 is a graph further illustrating the selection of a constant bandgap sequence of layers of GaInAlAs used in the metamorphic layer by representing the Ga mole fraction as a function of the Al-to-In mole fraction in GalnAIAs materials that are necessary to get a constant 1.5 eV band gap.

7 ist eine graphische Darstellung, die weiterhin die Auswahl einer konstanten Bandabstandssequenz von Schichten aus GalnAIAs veranschaulicht, die verwendet werden in der metamorphen Schicht, wobei die Veranschaulichung erfolgt durch Darstellen der Molfraktion abhängig von der Gitterkonstanten in GalnAIAs-Materialien, die notwendig sind, um einen konstanten 1,5 eV-Bandabstandzu erreichen. 7th Figure 13 is a graph further illustrating the selection of a constant bandgap sequence of layers of GalnAIAs used in the metamorphic layer, the illustration being made by plotting the molar fraction as a function of the lattice constants in GalnAIAs materials necessary to establish a constant 1.5 eV band gap.

8 veranschaulicht die Multijunction-Solarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung nach der sequentiellen Bildung oder Formung von drei Subzellen A, B und C auf einem GaAs-Wachstumssubstrat. Insbesondere ist hier ein Substrat 101 gezeigt, welches vorzugsweise Galliumarsenid (GaAs) ist, aber auch Germanium (Ge) oder ein anderes geeignetes Material sein kann. Für GaAs ist das Substrat vorzugsweise ein 15°-abgeschnittenes Substrat, d. h. die Oberfläche ist um 15° gegenüber der (100)-Ebene zu der (111)A-Ebene versetzt, wie dies im Einzelnen in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/047,944 veröffentlicht als US 2009 / 0 229 662 A1 eingereicht am 13. März 2008, beschrieben ist. 8th Fig. 10 illustrates the multi-junction solar cell according to the present invention after sequentially forming or forming three sub-cells A, B and C on a GaAs growth substrate. In particular, there is a substrate here 101 shown, which is preferably gallium arsenide (GaAs), but can also be germanium (Ge) or another suitable material. For GaAs, the substrate is preferably a 15 ° trimmed substrate, i.e. the surface is 15 ° opposite the ( 100 ) Level to the ( 111 ) A-plane offset as detailed in U.S. Patent Application Serial No. 12 / 047,944 published as US 2009/0 229 662 A1 filed March 13, 2008.

Im Falle eines Ge-Substrats wird eine Keimschicht bzw. Kernbildungsschicht(nicht gezeigt) direkt auf dem Substrat 111 abgeschieden. Ferner sind auf dem Substrat oder über der Kernbildungs- bzw. Nukleationsschicht (im Falle eines Ge-Substrats) eine Pufferschicht 102 und eine Ätzstoppschicht 103 weiterhin abgeschieden. Im Falle eines GaAs-Substrats ist die Pufferschicht 102 vorzugsweise GaAs. Im Falle eines Ge-Substrats ist die Pufferschicht 102 vorzugsweise InGaAs. Eine Kontaktschicht 104 aus GaAs wird sodann auf der Schicht 103 abgeschieden und eine Fensterschicht 105 aus AllnP wird über der Kontaktschicht abgeschieden. Die Subzelle A, bestehend aus einer n+-Emitterschicht 106 und einer p-Typ-Basisschicht 107, wird sodann epitaxial auf der Fensterschicht 105 abgeschieden. Die Subzelle A ist im Allgemeinen gitterangepasst an das Wachstumssubstrat 101.In the case of a Ge substrate, a nucleation layer (not shown) is placed directly on the substrate 111 deposited. Furthermore, there is a buffer layer on the substrate or above the nucleation or nucleation layer (in the case of a Ge substrate) 102 and an etch stop layer 103 still deposited. In the case of a GaAs substrate, this is the buffer layer 102 preferably GaAs. In the case of a Ge substrate, this is the buffer layer 102 preferably InGaAs. A contact layer 104 GaAs then becomes on top of the layer 103 deposited and a window layer 105 AllnP is deposited over the contact layer. The subcell A, consisting of an n + emitter layer 106 and a p-type base layer 107 , then becomes epitaxial on the window layer 105 deposited. The sub-cell A is generally lattice-matched to the growth substrate 101 .

Es sei bemerkt, dass die Multijunction-Solarzellenstruktur geformt werden könnte durch irgendeine geeignete Kombination von Gruppe III-bis-V-Elementen, aufgeführt in der periodischen Tabelle unter Berücksichtigung der Gitterkonstanten und der Bandabstanderfordernisse, wobei die Gruppe III Folgendes umfasst: Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (T). Die Gruppe IV umfasst Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Germanium (Ge) und Zinn (Sn). Die Gruppe V. umfasst Stickstoff.(N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Wismut (Bi).It should be noted that the multijunction solar cell structure could be formed by any suitable combination of Group III-to-V elements listed in the Periodic Table, taking into account the lattice constants and band spacing requirements, Group III including: Boron (B) , Aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In) and thallium (T). Group IV includes carbon (C), silicon (Si) and germanium (Ge) and tin (Sn). Group V. includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) and bismuth (Bi).

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Emitterschicht 106 aus In-Ga(AI)P aufgebaut und die Basisschicht 107 ist aus InGa(AI)P aufgebaut. Der Aluminium- oder Al-Ausdruck in Klammern in der erwähnten Formel bedeutet, dass Al ein wahlweiser Bestandteil ist und dies in diesem Fall in einer Menge von 0% bis 30%. Das Dotierprofil der Emitter- und Basisschichten 106 und 107 gemäß der vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit 23 diskutiert.In the preferred embodiment, the emitter layer is 106 made of In-Ga (Al) P and the base layer 107 is made up of InGa (AI) P. The aluminum or Al term in brackets in the formula mentioned means that Al is an optional component and in this case in an amount of 0% to 30%. The doping profile of the emitter and base layers 106 and 107 according to the present invention is used in conjunction with 23 discussed.

Die Subzelle A wird schließlich die „obere“ Subzelle der invertierten metamorphen Struktur nach Vollendung der Verarbeitungsschritte gemäß der vorliegenden Erfindung, was im Folgenden noch beschrieben wird.Sub-cell A finally becomes the “upper” sub-cell of the inverted metamorphic structure after completion of the processing steps according to the present invention, which will be described below.

Oben auf der Basisschicht 107 wird eine BSF bzw. Back Surface Feld (BSF)-Schicht 108 (hintere Oberflächenfeldschicht 108), vorzugsweise p+AlGaInP, abgeschieden und zur Verminderung des Rekombinationsverlustes verwendet.On top of the base layer 107 becomes a BSF or Back Surface Field (BSF) layer 108 (rear surface field layer 108 ), preferably p + AlGaInP, deposited and used to reduce the recombination loss.

Die BSF-Schicht 103 treibt Minoritätsträger von der Zone nahe der Basis/BSF-Interface-Oberfläche, um den Effekt des Rekombinationsverlustes zu minimieren. Anders ausgedrückt gilt Folgendes: Die BSF-Schicht 18 reduziert den Rekombinationsverlust an der Rückseite der Solarsubzelle A und reduziert dadurch die Rekombination in der Basis.The BSF layer 103 drives minority carriers from the zone near the base / BSF interface surface to minimize the effect of recombination loss. In other words: The BSF layer 18th reduces the recombination loss on the back of the solar subcell A and thereby reduces the recombination in the base.

Oben auf der BSF-Schicht 108 wird eine Folge von stark dotierten p-Typ und n-Typ-Schichten 109a und 109b, die eine Tunneldiode bilden, abgeschieden, d.h. ein Ohmsches Schaltungselement, welches die Subzelle A mit der Subzelle B verbindet. Die Schicht 109a besteht vorzugsweise aus p++AlGaAs und die Schicht 109b ist vorzugsweise aufgebaut aus n++InGaP.On top of the BSF layer 108 a sequence of heavily doped p-type and n-type layers 109a and 109b, which form a tunnel diode, ie an ohmic circuit element which connects subcell A with subcell B, is deposited. The layer 109a consists preferably of p ++ AlGaAs and the layer 109b is preferably made up of n ++ InGaP.

Oben auf den Tunneldiodenschichten 109 wird eine Fensterschicht 110 abgeschieden, vorzugsweise n+InGaP. Die in der Subzelle B verwendete Fensterschicht 110 arbeitet zur Verminderung des Interface-Rekombinationsverlustes. Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche Schicht oder Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können in der Zellstruktur, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.On top of the tunnel diode layers 109 becomes a window layer 110 deposited, preferably n + InGaP. The window layer used in sub-cell B. 110 works to reduce interface recombination loss. Those skilled in the art will recognize that an additional layer or layers can be added or omitted in the cell structure without departing from the scope of the present invention.

Oben auf der Fensterschicht 110 werden die Schichten der Subzelle B abgeschieden: Die n-Typ-Emitterschicht 111 und die p-Typ-Basisschicht 112. Diese Schichten bestehen vorzugsweise aus InGaP bzw. In0,015GaAs (für ein Ge-Substrat oder Wachstums-Templat) oder aus InGaP bzw. GaAs (für ein GaAs-Substrat), obwohl irgendwelche andere Materialien verwendet werden können, die den Anforderungen hinsichtlich Gitterkonstanten und Bandabstand entsprechen. Somit kann die Subzelle B aufgebaut sein mit einer GaAs, GalnP, GalnAs, GaAsSb oder GalnAsN-Emitterregion oder Zone und einer GaAs, GalnAs, GaAsSb oder GalnAsN-Basiszone. Das Dotierprofil der Schichten 111 und 112 gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit 23 diskutiert.On top of the window layer 110 the layers of subcell B are deposited: the n-type emitter layer 111 and the p-type base layer 112 . These layers are preferably made of InGaP or In 0.015 GaAs (for a Ge substrate or growth template) or of InGaP or GaAs (for a GaAs substrate), although any other materials can be used which meet the requirements for lattice constants and Band gap. Thus, the sub-cell B can be constructed with a GaAs, GaInP, GaInAs, GaAsSb or GaInAsN emitter region or zone and a GaAs, GaInAs, GaAsSb or GaInAsN base zone. The doping profile of the layers 111 and 112 according to the present invention is used in conjunction with 23 discussed.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt der Mittel-Subzellenemitter einen Bandabstand gleich dem oberen Subzellenemitter und der Boden-Subzellenemitter besitzt einen Bandabstand größer als der Bandabstand der Basis der Mittel-Subzelle. Daher gilt nach der Herstellung der Solarzelle und Implementierung des Betriebs Folgendes:

  • Weder der mittlere Subzelle B- oder der untere Subzellen C-Emitter ist absorbierbarer Strahlung ausgesetzt. Die Strahlung wird im Wesentlichen in den Basen der Zellen B und C absorbiert, die schmälere Bandabstände als die Emitter besitzen. Daher sind die Vorteile der Verwendung von HeteroJunction-Subzellen die Folgenden: (i) Kurzes Wellenlängenansprechen für beide Subzellen wird verbessert, und (ii) die Masse der Strahlung wird effektiver absorbiert und in der schmäleren Bandabstandsbasis gesammelt. Dieser Effekt erhöht Jsc.
In the preferred embodiment of the present invention, the center sub cell emitter has a band gap equal to the top sub cell emitter and the bottom sub cell emitter has a band gap greater than the band gap of the base of the center sub cell. Therefore, after the solar cell is manufactured and the operation is implemented:
  • Neither the middle sub-cell B or the lower sub-cell C emitter is exposed to absorbable radiation. The radiation is essentially absorbed in the bases of cells B and C, which have narrower band gaps than the emitters. Therefore, the advantages of using HeteroJunction subcells are as follows: (i) Short wavelength response for both subcells is improved, and (ii) the bulk of the radiation is more effectively absorbed and collected in the narrower bandgap basis. This effect increases J sc .

Oben auf der Zelle B ist eine BSF-Schicht 113 abgeschieden, die die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schicht 109. Die p++/n++-Tunneldiodenschichten 114a bzw. 114b sind über der BSF-Schicht 113 ähnlich den Schichten 109a und 109b abgeschieden und bilden ein Ohmsches Schaltungselement, um die Subzelle B mit der Subzelle C zu verbinden. Die Schichten 114a sind vorzugsweise aus p++AlGaAs und n++-InGaP zusammengesetzt.On top of cell B is a layer of BSF 113 deposited, which performs the same function as the BSF layer 109 . The p ++ / n ++ tunnel diode layers 114a or. 114b are above the BSF layer 113 similar to the layers 109a and 109b are deposited and form an ohmic circuit element to connect the sub-cell B to the sub-cell C. The layers 114a are preferably composed of p ++ AlGaAs and n ++ - InGaP.

Eine Barrieren- oder Sperrschicht 115, vorzugsweise aufgebaut aus n-Typ-InGa(Al)P, ist über der Tunneldiode 114a/114b abgeschieden, und zwar auf einer Dicke von ungefähr 1,0 Mikrometer. Diese Sperrschicht soll dazu dienen, Schraubenversetzungen (Threading-Dislocations; threading dislocations) an der Fortpflanzung zu hindern, und zwar entweder entgegengesetzt zur Richtung des Wachstums in die mittleren und oberen Subzellen A und B oder in Richtung des Wachstums in die untere oder Boden-Subzelle C, wobei diese im Einzelnen beschrieben ist in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial Nr. 11/860,183 veröffentlicht als US 2009 / 0 078 309 A1 , eingereicht am 24. September 2007.A barrier or barrier layer 115 , preferably made up of n-type InGa (Al) P, is over the tunnel diode 114a / 114b deposited to a thickness of approximately 1.0 micrometer. The purpose of this barrier is to prevent threading dislocations from reproducing, either in the opposite direction to the direction of growth in the middle and upper subcells A and B or in the direction of growth in the lower or bottom subcell C, which is described in detail in pending U.S. Patent Application Serial No. 11 / 860,183 published as US 2009/0 078 309 A1 , filed September 24, 2007.

Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht) 116 ist über der Sperrschicht 115 unter Benutzung eines Netzmittels bzw. Oberflächenbehandlungsmittels (Surfactant) abgeschieden. Die Schicht 116 ist vorzugsweise eine zusammensetzungsmäßig stufengradierte Serie von InGaAlAs-Schichten, vorzugsweise mit monoton sich ändernden Gitterkonstanten, um so einen allmählichen Übergang bei der Gitterkonstanten in der Halbleiterstruktur von der Subzelle B zur Subzelle C zu erreichen, während das Auftreten von Schraubenversetzungen minimiert wird. Der Bandabstand der Schicht 116 ist über die gesamte Dicke hinweg konstant, vorzugsweise annähernd gleich 1,5 eV, oder ansonsten konsistent mit einem Wert etwas größer als der Bandabstand der mittleren Subzelle B. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der gradierten Zwischenschicht kann auch als aus (InxGa1-x)yAl1-yAs bestehend ausgewählt werden, wobei x und y derart ausgewählt ist, dass der Bandabstand der Zwischenschicht konstant bei annähernd 1,50 eV verbleibt.A metamorphic layer (or graded intermediate layer) 116 is above the barrier 115 deposited using a wetting agent or surface treatment agent (surfactant). The layer 116 is preferably a compositionally step-graded series of InGaAlAs layers, preferably with monotonically changing lattice constants, so as to achieve a gradual transition in the lattice constant in the semiconductor structure from subcell B to subcell C, while the occurrence of screw dislocations is minimized. The band gap of the layer 116 is constant over the entire thickness, preferably approximately equal to 1.5 eV, or otherwise consistent with a value slightly larger than the band gap of the middle subcell B. The preferred embodiment of the graded intermediate layer can also be made from (In x Ga 1-x ) y Al 1-y As, where x and y are selected such that the band gap of the intermediate layer remains constant at approximately 1.50 eV.

Bei dem Netzmittel-unterstützten Wachstum der metamorphen Schicht 116 wird ein geeignetes chemisches Element in den Reaktor während des Wachstums der Schicht 116 eingeführt, um die Oberflächencharakteristika der Schicht zu verbessern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solches Element ein Dotiermittel sein oder ein Donor-Atom, wie beispielsweise Selen (Se) oder Tellur (Te). Kleine Mengen an Se oder Te sind somit in der metamorphen Schicht 116 eingebaut und verbleiben in der fertigen Solarzelle. Obwohl Se oder Te bevorzugte n-Typ-Dotier-Atome sind, können andere nicht-isoelektronische Netzmittel ebenso verwendet werden.In the wetting agent-assisted growth of the metamorphic layer 116 an appropriate chemical element is introduced into the reactor during the growth of the layer 116 introduced to improve the surface characteristics of the layer. In the preferred embodiment, such an element can be a dopant or a donor atom such as selenium (Se) or tellurium (Te). Small amounts of Se or Te are thus in the metamorphic layer 116 installed and remain in the finished solar cell. Although Se or Te are preferred n-type doping atoms, other non-isoelectronic surfactants can also be used.

Ein Netzmittel-unterstütztes Wachstum hat eine viel glättere oder planare Oberfläche zur Folge. Da die Oberflächentopographie die Masseneigenschaften des Halbleitermaterials beim Wachstum, wenn die Schicht dicker und dicker wird, beeinflusst, kann die Verwendung von Netzmitteln die Schraubenversetzungen in den aktiven Regionen oder Zonen minimieren und verbessert die gesamte Solarzellen-Effizienz.Wetting agent-assisted growth results in a much smoother or planar surface. Since the surface topography affects the bulk properties of the semiconductor material as it grows, as the layer gets thicker and thicker, the use of wetting agents can minimize the screw dislocations in the active regions or zones and improve overall solar cell efficiency.

Als eine Alternative zur Verwendung eines nicht-isoelektronischen Netzmittels kann man ein isoelektronisches Netzmittel verwenden. Der Ausdruck „isoelektronisch“ bezieht sich auf Netzmittel wie beispielsweise Antimon (Sb) oder Wismut (Bi), da solche Elemente die gleiche Anzahl von Bindungselektronen besitzen wie das P-Atom von InGaP oder wie das As-Atom in InGaAlAs in der metamorphen Pufferschicht. Solche Sb- oder Bi-Netzmittel sind nicht typischerweise in der metamorphen Schicht 116 eingebaut.As an alternative to using a non-isoelectronic wetting agent, one can use an isoelectronic wetting agent. The term “isoelectronic” refers to wetting agents such as antimony (Sb) or bismuth (Bi), since such elements have the same number of binding electrons as the P atom of InGaP or the As atom in InGaAlAs in the metamorphic buffer layer. Such Sb or Bi wetting agents are not typically in the metamorphic layer 116 built-in.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wo die Solarzelle nur zwei Subzellen besitzt und die „mittlere“ Zelle B die oberste oder obere Subzelle in der endgültigen Solarzelle ist, wobei die „obere“ Subzelle B typischerweise einen Bandabstand von 1,8 bis 1,9 eV haben würde, würde der Bandabstand der Innenschicht bei konstant 1,9 eV verbleiben.In an alternative embodiment, where the solar cell has only two sub-cells and the “middle” cell B is the top or top sub-cell in the final solar cell, with the “top” sub-cell B typically having a band gap of 1.8 to 1.9 eV the band gap of the inner layer would remain constant at 1.9 eV.

In der invertierten metamorphen Struktur, beschrieben in der Wanlass et al-Literaturstelle, die oben genannt wurde, besteht die metamorphe Schicht aus neun zusammensetzungsmäßigen gradierten InGaP-Schritten, wobei jede Schrittschicht eine Dicke von 0,25 Mikrometer besitzt. Infolge dessen hat jede Schicht bei Wanlass et al einen unterschiedlichen Bandabstand. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Schicht 116 aufgebaut oder zusammengesetzt aus einer Vielzahl von Schichten von InGaAlAs, und zwar mit monoton sich ändernder Gitterkonstante, wobei jede Schicht den gleichen Bandabstand von annähernd 1,5 eV besitzt.In the inverted metamorphic structure described in the Wanlass et al reference noted above, the metamorphic layer consists of nine compositionally graded InGaP steps, each step layer having a thickness of 0.25 micrometers. As a result, each layer in Wanlass et al has a different band gap. In the preferred embodiment of the present invention, the layer is 116 built up or composed of a multiplicity of layers of InGaAlAs, namely with monotonically changing lattice constant, each layer having the same band gap of approximately 1.5 eV.

Der Vorteil der Verwendung eines Materials mit konstantem Bandabstand, wie beispielsweise InGaAlAs, besteht darin, dass das auf Arsenid basierende Halbleitermaterial viel leichter zu verarbeiten ist, und zwar mit den üblichen kommerziellen MOCVD-Reaktoren, wobei die kleine Menge an Aluminium die Strahlungstransparenz der metamorphen Schichten sicherstellt.The advantage of using a constant bandgap material such as InGaAlAs is that the arsenide-based semiconductor material is much easier to process with the usual commercial MOCVD reactors, with the small amount of aluminum increasing the radiolucency of the metamorphic layers ensures.

Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Schichten von InGaAlAs für die metamorphe Schicht 116 verwendet, und zwar aus Gründen der Herstellbarkeit und der Strahlungstransparenz, können anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Materialsysteme verwenden, um eine Änderung der Gitterkonstanten von Subzelle B zu Subzelle C zu erreichen. Auf diese Weise ist das System von Wanlass unter Verwendung zusammensetzungsmäßig gradiertem InGaP eine zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können kontinuierlich gradierte Materialien im Gegensatz zu stufengradierten Materialien verwenden. Allgemeiner gesagt, kann die gradierte Zwischenschicht zusammengesetzt sein aus irgendeinem der As-P-N-Sb-basierenden III-V-Verbindungshalbleiter, und zwar unter Berücksichtigung der Einschränkungen, dass man einen „In-Ebene“-Gitterparameter besitzt, der größer oder gleich ist dem der zweiten Solarzelle und kleiner oder gleich dem der dritten Solarzelle ist, und zwar mit einer Bandabstandenergie größer als die der zweiten Solarzelle ist.Although the preferred embodiment of the present invention uses a plurality of layers of InGaAlAs for the metamorphic layer 116 is used, for reasons of manufacturability and radiation transparency, other exemplary embodiments of the present invention can use different material systems in order to achieve a change in the lattice constants from subcell B to subcell C. In this way, Wanlass's system using compositionally graded InGaP is a second embodiment of the present invention. Other embodiments of the present invention may use continuously graded materials as opposed to step graded materials. More generally, the graded intermediate layer can be composed of any of the As-PN-Sb-based III-V compound semiconductors, bearing in mind the constraints of having an "in-plane" lattice parameter that is greater than or equal to that of the second solar cell and less than or equal to that of the third solar cell, with a band gap energy greater than that of the second solar cell.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine optionale oder wahlweise zweite Sperrschicht 117 über der InGaAIAs metamorphen Schicht 116 abgeschieden sein. Die zweite Sperrschicht 117 wird typischerweise eine unterschiedliche Zusammensetzung besitzen als die Zusammensetzung der Sperrschicht 115 und übt im Wesentlichen die gleiche Funktion aus, nämlich die Verhinderung der Fortpflanzung von Schraubenversetzungen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sperrschicht 117 n+-Typ-GaInP.In another embodiment of the present invention, an optional or optional second barrier layer 117 over the InGaAIAs metamorphic layer 116 be secluded. The second barrier 117 will typically have a different composition than the composition of the barrier layer 115 and performs essentially the same function of preventing the propagation of screw dislocations. In the preferred embodiment, the barrier layer is 117 n + -type GaInP.

Eine Fensterschicht 118, vorzugsweise zusammengesetzt aus n+-Typ-GaInP, wird sodann über der Sperrschicht 117 (oder direkt über Schicht 116 bei Nichtanwesenheit einer zweiten Sperrschicht) abgeschieden. Diese Fensterschicht arbeitet zur Verminderung des Rekombinationsverlustes in der Subzelle „C“. Dem Fachmann ist klar, dass zusätzliche Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können bei dieser Zellenstruktur, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.A window layer 118 , preferably composed of n + -type GaInP, is then placed over the barrier layer 117 (or directly over layer 116 in the absence of a second barrier layer) deposited. This window layer works to reduce the recombination loss in sub-cell "C". It is clear to the person skilled in the art that additional layers can be added or omitted in this cell structure without departing from the scope of the invention.

Oben auf der Fensterschicht 118 werden die Schichten der Zelle C abgeschieden: Die n+-Emitterschicht 119 und die p-Typ-Basisschicht 120. Diese Schichten sind vorzugsweise zusammengesetzt aus n+-Typ-InGaAs bzw. n+-Typ-InGaAs oder aus n+-Typ-InGaP und p-Typ-InGaAs für Heterojunction-Subzellen, obwohl andere geeignete Materialien in Übereinstimmung hinsichtlich Gitterkonstante und Bandabstandanforderungen ebenfalls verwendet werden können. Das Dotierprofil der Schicht 119 und 120 wird in Verbindung mit 23 diskutiert.On top of the window layer 118 the layers of cell C are deposited: the n + emitter layer 119 and the p-type base layer 120 . These layers are preferably composed of n + -type InGaAs and n + -type InGaAs, respectively, or of n + -type InGaP and p-type InGaAs for heterojunction subcells, although other suitable materials can also be used in accordance with lattice constant and band gap requirements . The doping profile of the layer 119 and 120 will be used in conjunction with 23 discussed.

Eine BSF-Schicht 121, vorzugsweise zusammengesetzt aus P+GaInP, wird sodann auf der Oberseite der Zelle C abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion wie die BSF-Schichten 108 und 113 ausführt.A BSF layer 121 , preferably composed of P + GaInP, is then deposited on top of cell C, the BSF layer having the same function as the BSF layers 108 and 113 executes.

Als Nächstes wird eine Tunneldiode mit Schichten 122 und 123 über der BSF-Schicht 121 abgeschieden ähnlich zu den Schichten 114, 109, wobei wiederum ein Ohmsches Schaltungselement gebildet wird, und zwar zur Verbindung der Subzelle C mit der Subzelle D. Die p++-Schicht 122 besteht vorzugsweise aus GalnAsP,* und die n++'-Schicht 123 ist vorzugsweise auf GalnAsP aufgebaut.Next is a tunnel diode with layers 122 and 123 over the BSF layer 121 deposited similar to the layers 114 , 109 , again forming an ohmic circuit element to connect the subcell C to the subcell D. The p ++ layer 122 is preferably made of GalnAsP, * and the n ++ 'layer 123 is preferably based on GalnAsP.

In 9 wird eine Fensterschicht 125, vorzugsweise bestehend aus n+-Typ-lnGaAIAs, sodann über der Schicht 124 abgeschieden (oder über einer zweiten Sperrschicht, wenn eine vorhanden ist, angeordnet über der Schicht 124). Diese Fensterschicht arbeitet zur Verminderung des Rekombinationsverlustes in der Subzelle „D“. Der Fachmann erkennt, dass zusätzliche Schichten hinzugefügt oder weggelassen werden können bei der Zellenstruktur, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.In 9 becomes a window layer 125 , preferably consisting of n + -type InGaAIAs, then over the layer 124 deposited (or over a second barrier layer, if one is present, disposed over the layer 124 ). This window layer works to reduce the recombination loss in sub-cell "D". Those skilled in the art will recognize that additional layers can be added or removed from the cell structure without departing from the scope of the present invention.

Oben auf der Fensterschicht 124 werden die Schichten der Zelle D abgeschieden: die n+-Emitterschicht 125 und die p-Typ-Basisschicht 126. Diese Schichten bestehen vorzugsweise aus n-Typ-GalnAs bzw. p-Typ-GalnAs oder aus n-Type InGaP oder p-Typ InGaAs für eine Heterojunction-Subzelle, obwohl andere geeignete Materialien konsistent mit der Gitterkonstanten und den Bandabstandserfordernissen auch verwendet werden können. Das Dotierprofil der Schichten 125 und 126 wird in Verbindung mit der 23 diskutiert.On top of the window layer 124 the layers of cell D are deposited: the n + emitter layer 125 and the p-type base layer 126. These layers are preferably made of n-type GaInAs and p-type GaInAs, respectively, or of n-type InGaP or p-type InGaAs for a heterojunction subcell, although other suitable materials are consistent with the Lattice constants and the band gap requirements can also be used. The doping profile of the layers 125 and 126 is used in conjunction with the 23 discussed.

Als Nächstes wird, wie in 10 gezeigt, eine BSF-Schicht 127, vorzugsweise aufgebaut aus p+-GalnAsP, sodann auf der Oberseite der Zelle D abgeschieden, wobei die BSF-Schicht die gleiche Funktion ausführt wie die BSF-Schichten 108, 113 und 121.Next, as in 10 shown a BSF layer 127 , preferably made up of p + -GalnAsP, then deposited on top of cell D, the BSF layer performing the same function as the BSF layers 108 , 113 and 121 .

Schließlich ist eine p+-Kontaktschicht 128, vorzugsweise bestehend aus p+-GalnAs, auf der BSF-Schicht 127 abgeschieden.Finally, a p + contact layer 128, preferably composed of p + -GalnAs, is on top of the BSF layer 127 deposited.

In dem nächsten Verfahrensschritt wird eine Metallkontaktschicht 129 über der p+-Halbleiter-Kontaktschicht 128 abgeschieden. Das Metall ist vorzugsweise die Folge von Metallschichten Ti/Au/Ag/Au, obwohl andere geeignete Materialien und Sequenzen verwendet werden könnten.In the next process step, a metal contact layer is used 129 deposited over the p + semiconductor contact layer 128. The metal is preferably the result of metal layers Ti / Au / Ag / Au, although other suitable materials and sequences could be used.

Auch werden die Metallkontaktmaterialien und Schichten derart gewählt, dass sich eine planare Zwischenschicht (Interface) ergibt, und zwar mit der darunter liegenden Halbleiter-Kontaktschicht, und zwar nach Wärmebehandlung, um den Ohmschen Kontakt zu aktivieren. Dies erfolgt so, dass (i) eine elektrische Schicht, die das Metall vom Halbleiter trennt, nicht abgeschieden und selektiv geätzt werden muss in den Metallkontaktflächen; und (ii) die Kontaktschicht ist spiegelnd über den interessierenden Wellenlängenbereich hinweg reflektierend.The metal contact materials and layers are also selected in such a way that a planar intermediate layer (interface) results, namely with the semiconductor contact layer underneath, after heat treatment in order to activate the ohmic contact. This is done in such a way that (i) an electrical layer which separates the metal from the semiconductor does not have to be deposited and selectively etched in the metal contact areas; and (ii) the contact layer is specularly reflective over the wavelength range of interest.

12 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 11 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem eine Verbindungs- oder Klebeschicht 130 über der Metallschicht 129 abgeschieden wird. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verbindungsschicht ein Klebemittel, vorzugsweise ein Wafer-Klebemittel (hergestellt durch Brewer Science, Inc. in Rolla, MO). In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird ein Lot oder eine eutektische Verbindungsschicht 130 verwendet,-wie dies beschrieben ist in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/271,127 veröffentlicht als US 2010 / 0 122 764 A1 , eingereicht am 14. November 2008, oder aber es wird eine Verbindungsschicht 130 verwendet, wo das Surrogatsubstrat als eine permanente Tragkomponente auf der fertigen Solarzelle verbleibt. 12th FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 11 after the next processing step, in which a bonding or adhesive layer 130 over the metal layer 129 is deposited. In one embodiment of the invention, the tie layer is an adhesive, preferably a wafer adhesive (manufactured by Brewer Science, Inc. of Rolla, MO). In other exemplary embodiments of the invention, a solder or a eutectic connecting layer is used 130 as described in U.S. Patent Application Serial No. 12 / 271,127 published as US 2010/0 122 764 A1 , filed on November 14, 2008, or else it will be a link layer 130 used where the surrogate substrate remains as a permanent support component on the finished solar cell.

13A ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 12 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem ein Surrogatsubstrat 150, vorzugsweise Saphir, angebracht wird. Alternativ kann das Surrogatsubstrat GaAs, Ge oder Si oder irgendein anderes geeignetes Material. Das Surrogatsubstrat ist ungefähr 40 mils dick und im Falle der Ausführungsbeispiele, in denen das Surrogatsubstrat entfernt werden muss, ist es mit Löchern von ungefähr 1 mm Durchmesser perforiert und beabstandet mit 4 mm, um die darauffolgende Entfernung des Klebemittels und des Substrats zu erleichtern. 13A FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 12th after the next processing step in which a surrogate substrate 150 , preferably sapphire, is attached. Alternatively, the surrogate substrate can be GaAs, Ge, or Si or any other suitable material. The surrogate substrate is approximately 40 mils thick and in the embodiments in which the surrogate substrate is to be removed it is perforated with holes approximately 1 mm in diameter and spaced 4 mm apart to facilitate subsequent removal of the adhesive and substrate.

In dem nächsten Verfahrensschritt, wie dies in 13A dargestellt ist, werden das ursprüngliche Wachstumssubstrat 51 und der Träger 40 entfernt, und zwar durch örtliches Erhitzen mit einem Laser und darauffolgendes Ätzen zur Entfernung der Schichten 51 und 102.In the next procedural step, as shown in 13A will be the original growth substrate 51 and the carrier 40 removed by local heating with a laser and subsequent etching to remove the layers 51 and 102 .

13B ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 13A, wobei die Orientierung mit dem Surrogatsubstrat 150 und dem Boden der Figur erfolgt. Darauf folgende Figuren in dieser Anmeldung nehmen diese Orientierung an. 13B FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 13A , the orientation with the surrogate substrate 150 and the bottom of the figure takes place. Subsequent figures in this application assume this orientation.

14 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht der Solarzelle der 13B, wobei nur einige wenige der oberen Schichten und unteren Schichten über dem Surrogatsubstrat 150 dargestellt sind, und zwar nach der Entfernung der Pufferschicht 102. 14th FIG. 13 is a simplified cross-sectional view of the solar cell of FIG 13B with only a few of the upper layers and lower layers above the surrogate substrate 150 are shown after the removal of the buffer layer 102 .

15 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 14 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem die Ätzstoppschicht 103 durch eine HCl/H2o-Lösung entfernt ist. 15th FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 14th after the next Processing step in which the etch stop layer 103 is removed by an HCl / H2 o solution.

16 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle 15 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten, in denen eine (nicht gezeigte) Photoresist-Maske über der Kontaktschicht 104 angeordnet ist, um die Gitterlinien oder Leitungen 501 zu bilden. Wie im Einzelnen unten beschrieben wird, werden die Gitterleitungen 501 durch Verdampfung abgeschieden und lithographische Musterung und Abscheidung erfolgt über die Kontaktschicht 104. Die Maske wird darauf folgend entfernt, um die fertigen Metallgitterleitungen 501, wie dargestellt in den darauf folgenden Figuren, zu bilden. 16 Fig. 3 is a cross-sectional view of the solar cell 15th after the next series of processing steps in which a photoresist mask (not shown) is placed over the contact layer 104 is arranged around the grid lines or lines 501 to build. As will be described in detail below, the grid lines 501 deposited by evaporation and lithographic patterning and deposition occurs over the contact layer 104 . The mask is then removed to create the finished metal grid lines 501 as shown in the following figures.

Die Gitter 501 werden vorzugsweise auf Pd/Ge/Ti/Pd/Au oder anderen geeigneten Materialien aufgebaut, wie dies im Einzelnen in der US Patentanmeldung Serial Nr. 12/218 582 veröffentlicht als US 2010 / 0 012 175 A1 , eingereicht am 18. Juli 2008, beschrieben ist. Diese Schrift wird durch Bezugnahme hier aufgenommen.The grids 501 are preferably built on Pd / Ge / Ti / Pd / Au or other suitable materials, as detailed in US Patent Application Serial No. 12/218 582 published as US 2010/0 012 175 A1 , filed July 18, 2008. This document is incorporated herein by reference.

17 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 16 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem die Gitterleitungen als eine Maske verwendet werden, um die Oberfläche zur Fensterschicht 105 herunterzuätzen, und zwar unter Verwendung einer Zitronensäure/Peroxid-Ätzmischung. 17th FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 16 after the next processing step in which the grid lines are used as a mask to make the surface to the window layer 105 etch down using a citric acid / peroxide etch mixture.

18A ist eine Draufsicht auf einen Wafer, in dem vier-Solarzellen implementiert sind. Die Darstellung der vier Zellen dient zur Veranschaulichung und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine spezielle Anzahl von Zellen pro Wafer beschränkt. 18A Fig. 13 is a plan view of a wafer in which four solar cells are implemented. The representation of the four cells is for the purpose of illustration and the present invention is not limited to any particular number of cells per wafer.

In jeder Zelle gibt es Gitterleitungen 501 (insbesondere gezeigt in dem Querschnitt in 17), eine Zwischenverbindungs-Busleitung 502 und ein Kontaktanschluss 503. Die Geometrie und die Anzahl der Gitter- und Busleitungen und der Kontaktanschluss sind veranschaulichend dargestellt und die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.There are grid lines in each cell 501 (particularly shown in the cross section in 17th ), an interconnection bus line 502 and a contact terminal 503 . The geometry and the number of grid and bus lines and the contact connection are shown by way of illustration and the invention is not restricted to the exemplary embodiment shown.

18B ist eine Draufsicht von unten auf den Wafer mit vier Solarzellen gemäß 18A. 18B FIG. 13 is a bottom plan view of the four solar cell wafer of FIG 18A .

18C ist eine Draufsicht auf einen Wafer, in dem zwei Solarzellen implementiert sind. Die Darstellung von zwei Zellen in dieser Figur dient nur Zwecken der Veranschaulichung. 18C Figure 13 is a plan view of a wafer in which two solar cells are implemented. The representation of two cells in this figure is for illustrative purposes only.

19 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 17 nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem eine antireflektive (ARC) dielektrische Beschichtungsschicht 130 über der gesamten Oberfläche der „Boden“-Seite des Wafers mit den Gitterleitungen 501 aufgebracht ist. 19th FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 17th after the next process step, in which an anti-reflective (ARC) dielectric coating layer 130 over the entire surface of the "bottom" side of the wafer with the grid lines 501 is upset.

20A ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 19 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt gemäß der Erfindung, in dem erste und zweite Ringkanäle 510 und 511 oder einen Teil der Halbleiterstruktur auf die Metallschicht 129 unter Verwendung von Phosphid- und Arsenid-Ätzmitteln herabgeätzt ist. Diese Kanäle definieren eine Umfangsgrenze zwischen der Zelle und dem Rest des Wafers und lassen eine Mesastruktur zurück, die die Solarzelle bildet. Der in 20A gezeigte Querschnitt ist der, den man von einer A-A-Ebene gemäß 21 aus sieht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 510 beträchtlich breiter als der Kanal 511. 20A FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 19th after the next processing step according to the invention, in the first and second ring channels 510 and 511 or part of the semiconductor structure on the metal layer 129 is etched down using phosphide and arsenide etchants. These channels define a perimeter boundary between the cell and the rest of the wafer, leaving a mesa structure that forms the solar cell. The in 20A The cross-section shown is the one seen from an AA plane according to FIG 21 looks like. In a preferred embodiment, the channel is 510 considerably wider than the canal 511 .

20B ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 20A nach dem nächsten Verfahrensschritt, in dem der Kanal 511 einem Metallätzmittel ausgesetzt wird, die Schicht 123 im Kanal 511 entfernt wird und der Kanal 511 in seiner Tiefe erweitert wird annähernd zur oberen Oberfläche der Verbindungs- oder Klebemittelschicht 130 hin. 20B FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 20A after the next process step in which the channel 511 exposing the layer to a metal etchant 123 in the canal 511 is removed and the channel 511 its depth is expanded approximately to the upper surface of the bonding or adhesive layer 130 down.

21 ist eine Draufsicht von oben auf den Wafer der 20A und 20B, wobei Kanäle 510 und 511 gezeigt sind, die um den Umfang jeder Zelle herum geätzt sind. 21 FIG. 14 is a top plan view of the wafer of FIG 20A and 20B , being channels 510 and 511 etched around the perimeter of each cell.

22A zeigt eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 20B, nach dem die einzelnen Solarzellen (Zelle 1, Zelle 2, usw., gezeigt in 21) aus dem Wafer herausgeschnitten oder herausgetrennt sind, und zwar den Kanal 511 unter Zurücklassung einer Vertikalkante 515, die sich durch das Surrogatsubstrat 150 am Ort des Kanals 511 erstreckt. In diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet das Surrogatsubstrat 150 den Träger für die Solarzelle in Anwendungen, wo ein Abdeckglas (beispielsweise vorgesehen im dritten Ausführungsbeispiel, wie unten beschrieben) nicht erforderlich ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann der elektrische Kontakt zur Metallkontaktschicht 129 durch den Kanal 510 erfolgen. 22A FIG. 13 shows a cross-sectional view of the solar cell of FIG 20B , after which the individual solar cells (cell 1, cell 2, etc., shown in 21 ) are cut or separated from the wafer, namely the channel 511 leaving a vertical edge 515 that stand out through the surrogate substrate 150 at the location of the canal 511 extends. In this first embodiment of the invention, the surrogate forms the substrate 150 the carrier for the solar cell in applications where a cover glass (for example provided in the third exemplary embodiment, as described below) is not required. In such an embodiment, the electrical contact to the metal contact layer 129 through the canal 510 respectively.

22B ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Surrogatsubstrat 150 in geeigneter Weise auf eine relativ dünne Schicht 150a verdünnt wird, und zwar durch Schleifen, Läppen oder Ätzen. In diesem Ausführungsbeispiel bildet die dünne Schicht 132a den Träger für die Solarzelle bei Anwendungen, wo ein Abdeckglas nicht erforderlich ist, wie dies für das zweite unten zu beschreibende Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann der elektrische Kontakt zur Metallkontaktschicht 129 durch den Kanal 510 erfolgen. 22B FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22A after the next processing step in a second embodiment of the invention, in which the surrogate substrate 150 suitably on a relatively thin layer 150a is thinned by grinding, lapping or etching. In this embodiment, the thin layer forms 132a the carrier for the solar cell in applications where a cover glass is not required, as is provided for the second embodiment to be described below. In such an embodiment, the electrical contact to the metal contact layer 129 through the canal 510 respectively.

22C ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Abdeckglas 514 oben an der Zelle durch ein Klebemittel 513 befestigt wird. Das Abdeckglas 514 deckt vorzugsweise den gesamten Kanal 510 ab, erstreckt sich aber nicht zum Umfang der Zelle nahe dem Kanal 511. Obwohl die Verwendung eines Abdeckglases das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist, ist es nicht für alle Implementierungen erforderlich und zusätzliche Schichten oder Strukturen können auch verwendet werden, um zusätzliche Halterung oder umgebungsmäßigen Schutz für die Solarzelle vorzusehen. 22C FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22A after the next processing step in a second embodiment of the invention, in which a cover glass 514 at the top of the cell with an adhesive 513 is attached. The cover glass 514 preferably covers the entire canal 510 but does not extend to the perimeter of the cell near the canal 511 . While the use of a cover glass is the preferred embodiment, it is not required for all implementations and additional layers or structures can also be used to provide additional support or environmental protection for the solar cell.

23 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der 22A nach dem nächsten Verfahrensschritt der vorliegenden Erfindung, bei dem die Klebeschicht 130, das Surrogatsubstrat 150 und der Umfangsteil 512 des Wafers vollständig entfernt sind, wobei der Abbruch in der Zone des Kanals 510 erfolgt, was nur die Solarzelle mit dem Abdeckglas 514 (oder anderen Schichten oder Strukturen) an der Oberseite zurücklässt und die Metallkontaktschicht 129 am Boden, die den Rückseitenkontakt der Solarzelle bildet. Das Surrogatsubstrat 150 wird vorzugsweise entfernt durch die Verwendung des Ätzmittels „Wafer Bond Solvent“. Wie oben bemerkt, weist das Surrogatsubstrat Perforationen über seine Oberfläche hinweg auf, die gestatten, dass das Ätzmittel durch das Surrogatsubstrat 150 fließen kann, um seine Entfernung zu gestatten. Nach der Entfernung (lift-off) kann das Surrogatsubstrat kann wieder in darauffolgenden Waferverarbeitungs-Operationen verwendet werden. 23 FIG. 13 is a cross-sectional view of the solar cell of FIG 22A after the next process step of the present invention, in which the adhesive layer 130 , the surrogate substrate 150 and the peripheral part 512 of the wafer are completely removed, with the break in the zone of the channel 510 takes place what only the solar cell with the cover glass 514 (or other layers or structures) on top and the metal contact layer 129 on the ground, which forms the rear contact of the solar cell. The surrogate substrate 150 is preferably removed using the etchant "Wafer Bond Solvent". As noted above, the surrogate substrate has perforations across its surface that allow the etchant to pass through the surrogate substrate 150 can flow to allow its removal. After removal (lift-off), the surrogate substrate can be used again in subsequent wafer processing operations.

24 ist eine graphische Darstellung eines Dotierprofils in den Emitter- und Basisschichten von einer oder von mehreren Subzellen der erfindungsgemäßen invertieren metamorphischen Multijunction-Solarzelle. Die verschiedenen Dotierprofile die innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen und die Vorteile solcher Dotierprofile sind im Einzelnen in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 11/956 069 veröffentlicht als US 2009 / 0 155 952 A1 , eingereicht am 13. Dezember 2007, beschrieben, die hier durch Bezugnahme in die Offenbarung dieser Anmeldung aufgenommen wird. Die Dotierprofile, die darin gezeigt sind, sind lediglich veranschaulichend und andere kompliziertere Profile können verwendet werden, wie dies dem Fachmann klar ist, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. 24 Figure 3 is a graphical representation of a doping profile in the emitter and base layers of one or more subcells of the inverted metamorphic multijunction solar cell according to the invention. The various doping profiles that are within the scope of the invention and the advantages of such doping profiles are detailed in pending US patent application Ser. 11/956 069 published as US 2009/0 155 952 A1 , filed December 13, 2007, which is incorporated herein by reference into the disclosure of this application. The doping profiles shown therein are merely illustrative and other more complicated profiles can be used as would be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche bzw. zusätzliche Schichten in der Zellstruktur der 13B hinzugefügt oder weggelassen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The person skilled in the art recognizes that an additional or additional layers in the cell structure of the 13B can be added or omitted without departing from the scope of the invention.

Man erkennt, dass jedes der oben beschriebenen Elemente, oder zwei oder mehre zusammen, eine nützliche Anwendung finden können bei anderen Arten von Konstruktionen, die von den oben beschriebenen Konstruktionen sich unterscheiden.It will be recognized that any of the elements described above, or two or more together, may find useful application in other types of constructions other than those described above.

Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Vertikalstapel von vier Subzellen verwendet, kann die vorliegende Erfindung auch auf Stapel mit weniger oder mehr Subzellen angewandt werden, d.h. Zwei-Junction-Zellen, Drei-Junction-Zellen, Fünf-Junction-Zellen usw., wie dies in US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/267,812 veröffentlicht als US 2010 / 0 116 327 A1 , eingereicht am 10. November 2008, beschrieben ist. Im Falle von Vier- oder mehr Junction-Zellen kann auch die Verwendung von mehr als einer metamorphen Gradierschicht erfolgen, wie dies in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/271,192 veröffentlicht als US 2010 / 0 122 724 A1 vom 14. November 2008 beschrieben ist.Although the preferred embodiment of the present invention uses a vertical stack of four sub-cells, the present invention can also be applied to stacks with fewer or more sub-cells, ie two-junction cells, three-junction cells, five-junction cells, etc. as published in U.S. Patent Application Serial No. 12 / 267,812 as US 2010/0 116 327 A1 , filed November 10, 2008. In the case of four or more junction cells, more than one metamorphic grading layer can also be used, as disclosed in US patent application Ser. No. 12 / 271,192 as published in US Pat US 2010/0 122 724 A1 of November 14, 2008.

Zudem gilt Folgendes: Obwohl das vorliegende Ausführungsbeispiel mit oberen und unteren elektrischen Kontakten konfiguriert ist, können die Subzellen in alternativer Weise kontaktiert werden und zwar mittels Metallkontakten an seitlichen leitenden Halbleiterschichten zwischen den Zellen. Solche Anordnungen können verwendet werden, um 3-Anschluss-, 4-Anschluss- und allgemein n-Anschluss-Vorrichtungen zu erreichen. Die Subzellen können zwischen Schaltungen verbunden sein, die diese zusätzlichen Anschlüsse verwenden derart, dass die verfügbare photoerzeugte Stromdichte jeder Subzelle in effektiver Weise ausgenutzt werden kann, was zu einer hohen Effizienz für die Multijunction-Zelle führt, ohne dabei der Tatsache zu widersprechen, dass die photoerzeugten Stromdichten typischerweise in den verschiedenen Subzellen unterschiedlich sind.In addition, the following applies: Although the present exemplary embodiment is configured with upper and lower electrical contacts, the sub-cells can be contacted in an alternative manner, specifically by means of metal contacts on lateral conductive semiconductor layers between the cells. Such arrangements can be used to achieve 3-port, 4-port, and generally n-port devices. The sub-cells can be connected between circuits using these additional connections in such a way that the available photo-generated current density of each sub-cell can be used in an effective manner, which leads to a high efficiency for the multijunction cell without contradicting the fact that the photo-generated current densities are typically different in the different sub-cells.

Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Erfindung eine Anordnung von einer oder mehreren oder sämtlichen Homojunction-Zellen oder Subzellen verwenden, d.h. eine Zelle oder Subzelle, in der der p-n-Übergang (junction) gebildet wird zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter, wobei beide die gleiche chemische Zusammensetzung besitzen und den gleichen Bandabstand, sich jedoch nur in der Dotiermittel-Art und den Typen unterscheiden, und eine oder mehrere Heterojunction-Zellen oder Subzellen vorgesehen sein können. Die Subzelle A mit p-Type und n-Typ-InGaP ist ein Beispiel einer Homojunction-Subzelle. Alternativ, wie dies insbesondere in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 12/023,772 veröffentlicht als US 2009 / 0 078 310 A1 , eingereicht am 31. Januar 2008, beschrieben ist, kann die Erfindung ein oder mehrere oder alle Heterojunction-Zellen oder Subzellen verwenden, d.h. eine Zelle oder Subzelle, in der der p-n-Übergang gebildet wird durch einen p-Typ-Halbleiter und einen n-Type-Halbleiter mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen des Halbleitermaterials in den n-Typ-Zonen und/oder unterschiedlichen Bandspalt- oder Bandabstandsenergien in den p-Typ-Zonen oder Regionen, und zwar zusätzlich zur Verwendung unterschiedlicher Dotiermittelarten und der Art der p-Typ- und n-Typ-Regionen, die den p-n-Übergang bilden.As mentioned above, the present invention can use an arrangement of one or more or all of the homojunction cells or sub-cells, ie a cell or sub-cell in which the pn-junction (junction) is formed between a p-type semiconductor and an n -Type semiconductors, where both have the same chemical composition and the same band gap, but differ only in the type of dopant and the types, and one or more heterojunction cells or sub-cells can be provided. The p-type and n-type InGaP subcell A is an example of a homojunction subcell. Alternatively, as specifically disclosed in U.S. Patent Application Serial No. 12 / 023,772 published as US 2009/0 078 310 A1 , filed January 31, 2008, the invention may use one or more or all of the heterojunction cells or sub-cells, that is, a cell or sub-cell in which the pn junction is formed by a p-type semiconductor and an n -Type semiconductors with different chemical compositions of the semiconductor material in the n-type zones and / or different band gap or band gap energies in the p-type zones or regions, in addition to the use of different dopant types and the type of p-type and n-type regions that form the pn junction.

In einigen Zellen kann eine dünne sogenannte eigenleitende Sperrschicht („intrinsische Schicht“ bzw. i-Schicht) zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht angeordnet sein mit der gleichen oder unterschiedlichen Zusammensetzung von sowohl der Emitter- als auch der Basisschicht. Die intrinsische Schicht unterdrückt die Minoritätsträger-Rekombination in der Raumladungszone. In ähnlicher Weise gilt Folgendes: Entweder die Basisschicht oder die Emitterschicht können ebenfalls intrinsisch oder nicht beabsichtigt dotiert („NID“ = not intentionally-doped) über. einen Teil oder die gesamte Dicke hinweg sein.In some cells, a thin so-called intrinsic barrier layer (“intrinsic layer” or i-layer) can be arranged between the emitter layer and the base layer with the same or different composition of both the emitter and base layers. The intrinsic layer suppresses the minority carrier recombination in the space charge zone. The following applies in a similar manner: Either the base layer or the emitter layer can also be doped intrinsically or not intentionally (“NID” = not intentionally doped). part or all of the thickness.

Die Zusammensetzung der Fenster- oder BSF-Schichten kann andere Halbleiterverbindungen verwenden, und zwar unter Berücksichtigung der Erfordernisse hinsichtlich Gitterkonstanten und Bandabstand; und diese Schichten können Folgendes aufweisen: AlInP, AlAs, AIP, AlGaInP, AIGaAsP, Al-GaInAs, AIGalnPAs, GaInP, GalnAs, GalnPAs. AlGaAs, AllnAs, AllnPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GalnSb, AlGaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe, und ähnliche Materialien, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.The composition of the window or BSF layers can use other semiconductor compounds, taking into account the requirements for lattice constants and band gap; and these layers can include: AlInP, AlAs, AIP, AlGaInP, AlGaAsP, Al-GaInAs, AlGalnPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs. AlGaAs, AllnAs, AllnPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GalnSb, AlGaInSb, AlN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AlGaInNAs, ZnSSe, CdSSe, and similar materials that fall within the scope of the present invention.

Obwohl die Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde als in einer invertierten metamorphen Multijunction-Solarzelle, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die gezeigten Details zu beschränken, da verschiedene Modifikationen und strukturelle Änderungen gemacht werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described as being in an inverted metamorphic multijunction solar cell, it is not intended to limit the invention to the details shown, since various modifications and structural changes can be made without departing from the scope of the invention.

Obwohl die Beschreibung dieser Erfindung primär auf Solarzellen oder photovoltaische Vorrichtung fokussiert ist, weiß der Fachmann, dass andere optoelektronische Vorrichtungen in Frage kommen wie beispielsweise thermophotovoltaische (TPV) Zellen, Fotodetektoren und Licht emittierende Dioden (LEDs) eine sehr ähnliche Struktur, physikalische Eigenschaften und Materialien wie photovoltaische Vorrichtungen verwenden, mit einigen kleineren Variationen hinsichtlich Dotieren und Minoritätsträger-Lebenszeit. Beispielsweise können Fotodetektoren die gleichen Materialien und Strukturen verwenden wie die photovoltaischen Vorrichtungen, die oben beschrieben wurden, wobei aber möglicherweise geringere Dotierung eingesetzt wird im Hinblick auf Empfindlichkeit und nicht auf Leistungsproduktion. Andererseits können auch LEDs mit ähnlichen Strukturen und Materialien hergestellt werden, möglicherweise aber mit stärkerer Dotierung, um die Rekombinationszeit zu verkürzen, auf welche Weise die Strahlungslebenszeit zur Erzeugung von Licht an Stelle von Leistung. betont wird. Die vorliegende Erfindung ist also auch auf Fotodetektoren und LEDs anwendbar mit Strukturen, Materialzusammensetzungen und Herstellungsgegenständen unter Verbesserungen wie dies für die photovoltaischen Zellen oben beschrieben wurde.Although the description of this invention is primarily focused on solar cells or photovoltaic devices, those skilled in the art will know that other optoelectronic devices may be considered, such as thermophotovoltaic (TPV) cells, photodetectors and light emitting diodes (LEDs) with very similar structure, physical properties and materials how to use photovoltaic devices, with some minor variations in doping and minority carrier lifetime. For example, photodetectors can use the same materials and structures as the photovoltaic devices described above, but possibly using less doping for sensitivity rather than power production. On the other hand, LEDs can also be made with similar structures and materials, but possibly with heavier doping in order to shorten the recombination time, in which way the radiation lifetime to generate light instead of power. is emphasized. The present invention is thus also applicable to photodetectors and LEDs with structures, material compositions and articles of manufacture with improvements as described above for the photovoltaic cells.

Claims (13)

Ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle, wobei Folgendes vorgesehen ist: Vorsehen eines Halbleiter-Trägers (50) aus GaAs oder Ge mit einer vorbereiteten Verbindungsoberfläche, die durch Implantieren einer Spezies in den Halbleiter-Träger (50) eine defekte Schicht (51) in dem Halbleiter-Träger (50) bildet; Vorsehen eines Tragsubstrats (40) mit einer Verbindungsoberfläche; Verbinden des Halbleiter-Trägers (50) und des Tragsubstrats (40) durch eine Molekularverbindung der vorbereiteten Verbindungsoberflächen des Halbleiter-Trägers (50) und des Tragsubstrats (40) zur Erzeugung einer Kompositstruktur (40, 51, 52); zerstörungsfreies Abtrennen des Großteils (52) des wiederzuverwendenden Halbleiter-Trägers (50) von der Kompositstruktur (40, 51, 52) unter Zurücklassung eines Halbleiter-Wachstumssubstrats (51) aus GaAs oder Ge auf dem Tragsubstrat (40); Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial einschließlich einer oder mehrerer metamorpher Pufferschichten und einer Metallschicht (129) oben auf der Folge von Schichten zur Bildung einer Solarzelle auf dem Halbleiterwachstumssubstrat (51), wobei eine oder mehrere metamorphe Pufferschichten zur Anpassung der unterschiedlichen Gitterkonstanten der einzelnen Schichten aus Halbleitermaterial dienen; Anbringen eines Surrogatsubstrats (150) oben auf der Metallschicht und der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung der Solarzelle, Entfernen des Tragsubstrats (40) und des Halbleiter-Wachstumssubstrats (51) und Zurücklassen der Folge von Schichten aus die Solarzelle bildendem Halbleitermaterial.A method of manufacturing a solar cell, wherein the following is provided: Providing a semiconductor carrier (50) made of GaAs or Ge with a prepared connection surface which, by implanting a species into the semiconductor carrier (50), forms a defective layer (51) in the semiconductor carrier (50); Providing a support substrate (40) having an interconnection surface; Connecting the semiconductor carrier (50) and the carrier substrate (40) by a molecular connection of the prepared connection surfaces of the semiconductor carrier (50) and the carrier substrate (40) to produce a composite structure (40, 51, 52); nondestructively separating the majority (52) of the reusable semiconductor carrier (50) from the composite structure (40, 51, 52) leaving a semiconductor growth substrate (51) made of GaAs or Ge on the carrier substrate (40); Deposition of a sequence of layers of semiconductor material including one or more metamorphic buffer layers and a metal layer (129) on top of the sequence of layers to form a solar cell on the semiconductor growth substrate (51), with one or more metamorphic buffer layers to adapt the different lattice constants of the individual layers serve from semiconductor material; Attaching a surrogate substrate (150) on top of the metal layer and the sequence of layers of semiconductor material to form the solar cell, Removing the support substrate (40) and the semiconductor growth substrate (51) and leaving behind the sequence of layers of semiconductor material forming the solar cell. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abtrennen der Masse des Halbleiter-Trägers von der Kompositstruktur Folgendes aufweist: Implantieren einer Spezies oder einer Art in den Halbleiter-Träger zur Bildung einer defekten Schicht in dem Halbleiter-Träger; Verbinden der defekten Schicht des Halbleiter-Trägers direkt mit dem Tragsubstrat zur Erzeugung der Kompositstruktur; und Abtrennen der Masse des Halbleiter-Trägers von der Kompositstruktur unter Zurücklassung eines dünnen Halbleiter-Wachstumssubstrats auf dem Tragsubstrat.Procedure according to Claim 1 wherein separating the bulk of the semiconductor carrier from the composite structure comprises: implanting a species or species into the semiconductor carrier to form a defective layer in the semiconductor carrier; Connecting the defective layer of the semiconductor carrier directly to the carrier substrate to produce the composite structure; and severing the bulk of the semiconductor carrier from the composite structure, leaving a thin semiconductor growth substrate on the carrier substrate. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Abtrennen der Masse des Halbleiter-Trägers von der Kompositstruktur Folgendes aufweist: Anlassen der Kompositstruktur mit einer erhöhten Temperatur zur Schwächung des Halbleiter-Trägers und der defekten Schicht; und Abtrennen der Masse des Halbleiter-Trägers von der Kompositstruktur entlang der defekten Schicht oder während des Anlassens der Kompositstruktur.Procedure according to Claim 2 wherein separating the mass of the semiconductor carrier from the composite structure comprises: annealing the composite structure at an elevated temperature to weaken the semiconductor carrier and the defective layer; and separating the bulk of the semiconductor carrier from the composite structure along the defective layer or during the annealing of the composite structure. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Halbleitersubstrats ungefähr 5 Mikrometer ist und wobei ferner die Dicke der Masse des Halbleiter-Trägers, abgetrennt von der Kompositstruktur, größer ist als 350 MikrometerProcedure according to Claim 1 wherein the thickness of the semiconductor substrate is approximately 5 micrometers and further wherein the thickness of the bulk of the semiconductor carrier separated from the composite structure is greater than 350 micrometers Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner ein Aufrauen der hergestellten Verbindungsoberfläche des Halbleiter-Trägers erfolgt, und zwar vor der Verbindung des Träger- und Tragsubstrats.Procedure according to Claim 1 wherein the connection surface of the semiconductor carrier produced is also roughened, to be precise before the carrier and carrier substrate are connected. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: (i) Herstellen einer neuen Verbindungsoberfläche auf dem abgetrennten Massenteil des Halbleiter-Trägers zur Bildung eines neuen Halbleiter-Trägers; (ii) Vorsehen eines neuen Tragsubstrats; (iii) Verbinden des neuen Halbleiter-Trägers und des neuen Tragsubstrats zur Erzeugung einer neuen Kompositstruktur; (iv) Abtrennen der Masse des neuen Halbleiter-Trägers von der neuen Kompositstruktur unter Zurücklassung eines neuen Halbleitersubstrats auf dem neuen Tragsubstrat; und (v) Abscheiden einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung einer Solarzelle auf dem neuen Halbleitersubstrat; und (vi) Wiederholen der Schritte (i) bis (v) mit dem abgetrennten Massenteil des neuen Halbleiter-Trägers.Procedure according to Claim 1 further comprising: (i) forming a new bonding surface on the severed bulk portion of the semiconductor carrier to form a new semiconductor carrier; (ii) providing a new support substrate; (iii) joining the new semiconductor carrier and the new carrier substrate to produce a new composite structure; (iv) severing the bulk of the new semiconductor carrier from the new composite structure, leaving a new semiconductor substrate on the new carrier substrate; and (v) depositing a sequence of layers of semiconductor material to form a solar cell on the new semiconductor substrate; and (vi) repeating steps (i) through (v) with the severed bulk portion of the new semiconductor carrier. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tragsubstrat Saphir oder Saphir/Spinell ist und wobei der Halbleiter-Träger Galliumarsenid ist, das abgeschnitten ist von der (001)-Kristallebene durch mindestens 6° zu der (111)-Ebene hin.Procedure according to Claim 1 wherein the carrier substrate is sapphire or sapphire / spinel and wherein the semiconductor carrier is gallium arsenide, which is cut off from the (001) crystal plane by at least 6 ° to the (111) plane. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Anbringen eines zweiten Surrogatsubstrats oben auf der Folge von Schichten aus Halbleitermaterial zur Bildung einer Solarzelle, und Entfernen des Halbleiter-Wachstumssubstrats.Procedure according to Claim 1 further comprising: placing a second surrogate substrate on top of the sequence of layers of semiconductor material to form a solar cell, and removing the semiconductor growth substrate. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abscheidens einer Folge von Schichten auf dem Galliumarsenid-Substrat Folgendes aufweist: Bilden oder Formen einer oberen ersten solaren Subzelle mit einem ersten Bandabstand auf dem Galliumarsenid-Substrat; Ausbilden einer zweiten Mittel-Solarzelle über der ersten solaren Subzelle mit einem zweiten Bandabstand kleiner als der erste Bandabstand; Formen einer gradierten Zwischenschicht über der erwähnten zweiten Solarzelle; Bilden einer dritten Solarsubzelle über der gradierten Zwischenschicht mit einem vierten Bandabstand, der kleiner ist und einem zweiten Bandabstand derart, dass die dritte Subzelle gitterfehlausgerichtet ist bezüglich der zweiten Subzelle.Procedure according to Claim 1 wherein the step of depositing a sequence of layers on the gallium arsenide substrate comprises: forming or forming an upper first solar sub-cell having a first band gap on the gallium arsenide substrate; Forming a second central solar cell over the first solar subcell with a second band gap smaller than the first band gap; Forming a graded intermediate layer over said second solar cell; Forming a third solar sub-cell over the graded intermediate layer with a fourth band gap that is smaller and a second band gap such that the third sub-cell is lattice-misaligned with respect to the second sub-cell. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ferner Folgendes vorgesehen ist: Formen einer unteren vierten solaren Subzelle über der dritten Subzelle mit einem fünften Bandabstand kleiner als dem des vierten Bandabstands derart, dass die dritte Subzelle gitterangepasst ist bezüglich der dritten Subzelle.Procedure according to Claim 9 wherein the following is further provided: Forming a lower fourth solar sub-cell over the third sub-cell with a fifth band gap smaller than that of the fourth band gap such that the third sub-cell is lattice-matched with respect to the third sub-cell. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die obere Subzelle aus InGa(AI)P aufgebaut ist, die zweite Subzelle aufgebaut ist aus GaAs-, GaInP-, GaInAs-, GaAsSb- oder GaInAsN-Emitterregion oder -zone und einer GaAs-, GaInAs-, GaAsSb- oder GalnAsN-Basisregion und wobei die dritte Subzelle aufgebaut ist aus einer GaInAsP-Basis und einem Emitter.Procedure according to Claim 9 , wherein the upper sub-cell is made up of InGa (Al) P, the second sub-cell is made up of GaAs, GaInP, GaInAs, GaAsSb or GaInAsN emitter region or zone and a GaAs, GaInAs, GaAsSb or GalnAsN -Base region and where the third sub-cell is made up of a GaInAsP base and an emitter. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vierte Subzelle aus GalnAs-Basis- und Emitterschichten besteht.Procedure according to Claim 10 , whereby the fourth sub-cell consists of GalnAs base and emitter layers. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die gradierte Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist, um die Gitteranpassung in der zweiten Subzelle auf einer Seite zu verursachen, wobei die dritte Subzelle auf der anderen Seite angeordnet ist und aus (InxGa1-x)y besteht, wobei Al1-yAs aufgebaut ist, und zwar x und y ausgewählt derart, dass der Bandabstand der Zwischenschicht konstant über die Dicke hinweg verläuft.Procedure according to Claim 9 wherein the graded intermediate layer is compositionally graded to cause lattice matching in the second sub-cell on one side, the third sub-cell being located on the other side and consisting of (In x Ga 1-x ) y , where Al 1-y As is constructed, namely x and y selected such that the band gap of the intermediate layer is constant across the thickness.
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