DE102009057020B4 - Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells - Google Patents
Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells Download PDFInfo
- Publication number
- DE102009057020B4 DE102009057020B4 DE102009057020.9A DE102009057020A DE102009057020B4 DE 102009057020 B4 DE102009057020 B4 DE 102009057020B4 DE 102009057020 A DE102009057020 A DE 102009057020A DE 102009057020 B4 DE102009057020 B4 DE 102009057020B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- substrate
- semiconductor
- carrier
- cell
- sub
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 156
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 96
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 90
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 81
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims abstract description 7
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 89
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 34
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 13
- -1 GaInP Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 7
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 6
- 240000002329 Inga feuillei Species 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 209
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 27
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 25
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 13
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 12
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 12
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 11
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 9
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 9
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 8
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 8
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 239000000080 wetting agent Substances 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 7
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical group [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 3
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 3
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002835 noble gases Chemical class 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 3
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 2
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 2
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FZNCGRZWXLXZSZ-CIQUZCHMSA-N Voglibose Chemical compound OCC(CO)N[C@H]1C[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H]1O FZNCGRZWXLXZSZ-CIQUZCHMSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- RBFDCQDDCJFGIK-UHFFFAOYSA-N arsenic germanium Chemical compound [Ge].[As] RBFDCQDDCJFGIK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 description 1
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000012756 surface treatment agent Substances 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- BKVIYDNLLOSFOA-UHFFFAOYSA-N thallium Chemical compound [Tl] BKVIYDNLLOSFOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005019 vapor deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1892—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
- H01L31/06875—Multiple junction or tandem solar cells inverted grown metamorphic [IMM] multiple junction solar cells, e.g. III-V compounds inverted metamorphic multi-junction cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0735—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIIBV compound semiconductors, e.g. GaAs/AlGaAs or InP/GaInAs solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1852—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising a growth substrate not being an AIIIBV compound
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
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
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
Aus der
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
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
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.
- 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 der1C 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 der2A ; -
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 der8 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten; -
10 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der9 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten; -
11 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der10 nach der nächsten Folge von Verarbeitungsschritten; -
12 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der11 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem Surrogatsubstrat angebracht wird; -
13A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der12 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem das ursprüngliche Substrat entfernt wird; -
13B eine weitere Querschnittsansicht der Solarzelle der13A mit einer Orientierung, die das Surrogatsubstrat unten oder am Boden der Figur darstellt; -
14 eine außerordentlich vereinfachte Querschnittsansicht der Solarzelle der13B ; -
15 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der14 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt; -
16 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der1 .5 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt, in dem die Gitterlinien über der Kontaktschicht geformt werden; -
17 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der16 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt; -
18A eine Draufsicht auf einen Wafer, in dem vier Solarzellen hergestellt sind; -
18B eine Draufsicht von unten eines Wafers der18A ; -
18C eine Draufsicht von oben auf einen Wafer, in dem zwei Solarzellen hergestellt sind; -
19 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der17 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt; -
20A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der19 nach dem nächsten Verarbeitungsschritt; -
20B eine Querschnittsansicht der Solarzelle der20A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt; -
21 eine Draufsicht auf den Wafer der20B , wobei die Oberflächenansicht des um die Zelle herum geätzten Grabens gezeigt ist; -
22A eine Querschnittsansicht der Solarzelle der20B nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
22 B eine Querschnittsansicht der Solarzelle der22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
22C eine Querschnittsansicht der Solarzelle der22A nach dem nächsten Verarbeitungsschritt in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein Abdeckglas angebracht wird; -
23 eine Querschnittsansicht der Solarzelle der22C 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.
-
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 the1C 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 FIG2A ; -
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 FIG8th after the next sequence of processing steps; -
10 a cross-sectional view of the solar cell of FIG9 after the next sequence of processing steps; -
11 a cross-sectional view of the solar cell of FIG10 after the next sequence of processing steps; -
12th a cross-sectional view of the solar cell of FIG11 after the next processing step, in which the surrogate substrate is applied; -
13A a cross-sectional view of the solar cell of FIG12th after the next processing step in which the original substrate is removed; -
13B a further cross-sectional view of the solar cell of FIG13A 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 FIG13B ; -
15th a cross-sectional view of the solar cell of FIG14th after the next processing step; -
16 a cross-sectional view of the solar cell of FIG1 .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 FIG16 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 FIG18A ; -
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 FIG17th after the next processing step; -
20A a cross-sectional view of the solar cell of FIG19th after the next processing step; -
20B a cross-sectional view of the solar cell of FIG20A after the next processing step; -
21 a top view of the wafer of the20B showing the surface view of the trench etched around the cell; -
22A a cross-sectional view of the solar cell of FIG20B after the next processing step in a first embodiment of the invention; -
22 B a cross-sectional view of the solar cell of FIG22A after the next processing step in a second embodiment of the invention; -
22C a cross-sectional view of the solar cell of FIG22A 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 FIG22C 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
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Galliumarsenidschicht
In einem Ausführungsbeispiel hat der Galliumarsenid-Träger
In einem Ausführungsbeispiel wird die Masse
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt die dünne Galliumarsenidschicht
Wie oben erwähnt, wird die Masse
Der Galliumarsenid-Träger
Obwohl die vorliegende Erfindung idealerweise einen Abschnitt (offcut) in der (
Somit, und in der allgemeinsten Form, umfasst die vorliegende Offenbarung durch die Nennung öder das Zitieren des „Abschneidens von der (
- (i) eine benachbarte (
111 )A-Ebene um mindestens 6° und höchstens 20°; - (ii) eine benachbarte (
011 )-Ebene um mindestens annähernd 1°; - (iii) eine benachbarte (
101 )-Ebene um mindestens annähernd 1°; und - (iv) irgendeine Ebene, die in dem Kontinuum von Ebenen liegt zwischen (i) und (ii), (i) und (iii) oder (ii) und (iii), vgl. oben.
- (i) an adjacent (
111 ) A-plane by a minimum of 6 ° and a maximum of 20 °; - (ii) an adjacent (
011 ) -Plane by at least approximately 1 °; - (iii) an adjacent (
101 ) -Plane by at least approximately 1 °; and - (iv) any level lying on the continuum of levels between (i) and (ii), (i) and (iii) or (ii) and (iii), see above.
Im Falle eines Ge-Substrats wird eine Keimschicht bzw. Kernbildungsschicht(nicht gezeigt) direkt auf dem Substrat
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
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
Die BSF-Schicht
Oben auf der BSF-Schicht
Oben auf den Tunneldiodenschichten
Oben auf der Fensterschicht
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.
- 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
Eine Barrieren- oder Sperrschicht
Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht)
Bei dem Netzmittel-unterstützten Wachstum der metamorphen Schicht
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
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
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
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine optionale oder wahlweise zweite Sperrschicht
Eine Fensterschicht
Oben auf der Fensterschicht
Eine BSF-Schicht
Als Nächstes wird eine Tunneldiode mit Schichten
In
Oben auf der Fensterschicht
Als Nächstes wird, wie in
Schließlich ist eine p+-Kontaktschicht 128, vorzugsweise bestehend aus p+-GalnAs, auf der BSF-Schicht
In dem nächsten Verfahrensschritt wird eine Metallkontaktschicht
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.
In dem nächsten Verfahrensschritt, wie dies in
Die Gitter
In jeder Zelle gibt es Gitterleitungen
Der Fachmann erkennt, dass eine zusätzliche bzw. zusätzliche Schichten in der Zellstruktur der
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
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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102009057020.9A DE102009057020B4 (en) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102009057020.9A DE102009057020B4 (en) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102009057020A1 DE102009057020A1 (en) | 2011-06-09 |
DE102009057020B4 true DE102009057020B4 (en) | 2021-04-29 |
Family
ID=43972289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102009057020.9A Active DE102009057020B4 (en) | 2009-12-03 | 2009-12-03 | Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102009057020B4 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102324443A (en) * | 2011-09-21 | 2012-01-18 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | Inverted triple-junction InGaN solar cell |
Citations (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6794276B2 (en) * | 2000-11-27 | 2004-09-21 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Methods for fabricating a substrate |
US6946317B2 (en) * | 2003-05-27 | 2005-09-20 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Method of fabricating heteroepitaxial microstructures |
US20060112986A1 (en) * | 2004-10-21 | 2006-06-01 | Aonex Technologies, Inc. | Multi-junction solar cells and methods of making same using layer transfer and bonding techniques |
US20060185582A1 (en) * | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Atwater Harry A Jr | High efficiency solar cells utilizing wafer bonding and layer transfer to integrate non-lattice matched materials |
EP1863099A2 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-05 | Emcore Corporation | Metamorphic layers in multijunction solar cells |
US20090078310A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Emcore Corporation | Heterojunction Subcells In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090078309A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Emcore Corporation | Barrier Layers In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090155952A1 (en) * | 2007-12-13 | 2009-06-18 | Emcore Corporation | Exponentially Doped Layers In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090229662A1 (en) * | 2008-03-13 | 2009-09-17 | Emcore Corporation | Off-Cut Substrates In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20100012175A1 (en) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Emcore Solar Power, Inc. | Ohmic n-contact formed at low temperature in inverted metamorphic multijunction solar cells |
US20100116327A1 (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-13 | Emcore Corporation | Four junction inverted metamorphic multijunction solar cell |
US20100122724A1 (en) * | 2008-11-14 | 2010-05-20 | Emcore Solar Power, Inc. | Four Junction Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cell with Two Metamorphic Layers |
US20100122764A1 (en) * | 2008-11-14 | 2010-05-20 | Emcore Solar Power, Inc. | Surrogate Substrates for Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
-
2009
- 2009-12-03 DE DE102009057020.9A patent/DE102009057020B4/en active Active
Patent Citations (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6794276B2 (en) * | 2000-11-27 | 2004-09-21 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Methods for fabricating a substrate |
US7235462B2 (en) * | 2000-11-27 | 2007-06-26 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies | Methods for fabricating a substrate |
US7288430B2 (en) * | 2000-11-27 | 2007-10-30 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technolgoies | Method of fabricating heteroepitaxial microstructures |
US6946317B2 (en) * | 2003-05-27 | 2005-09-20 | S.O.I.Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Method of fabricating heteroepitaxial microstructures |
US20060112986A1 (en) * | 2004-10-21 | 2006-06-01 | Aonex Technologies, Inc. | Multi-junction solar cells and methods of making same using layer transfer and bonding techniques |
US20060185582A1 (en) * | 2005-02-18 | 2006-08-24 | Atwater Harry A Jr | High efficiency solar cells utilizing wafer bonding and layer transfer to integrate non-lattice matched materials |
EP1863099A2 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-05 | Emcore Corporation | Metamorphic layers in multijunction solar cells |
US20090078310A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Emcore Corporation | Heterojunction Subcells In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090078309A1 (en) * | 2007-09-24 | 2009-03-26 | Emcore Corporation | Barrier Layers In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090155952A1 (en) * | 2007-12-13 | 2009-06-18 | Emcore Corporation | Exponentially Doped Layers In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20090229662A1 (en) * | 2008-03-13 | 2009-09-17 | Emcore Corporation | Off-Cut Substrates In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
US20100012175A1 (en) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Emcore Solar Power, Inc. | Ohmic n-contact formed at low temperature in inverted metamorphic multijunction solar cells |
US20100116327A1 (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-13 | Emcore Corporation | Four junction inverted metamorphic multijunction solar cell |
US20100122724A1 (en) * | 2008-11-14 | 2010-05-20 | Emcore Solar Power, Inc. | Four Junction Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cell with Two Metamorphic Layers |
US20100122764A1 (en) * | 2008-11-14 | 2010-05-20 | Emcore Solar Power, Inc. | Surrogate Substrates for Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
WANLASS, M.W. ; [u.a.]: Lattice-Mismatched Approaches for High-Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters. In: Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition, Lake Buena Vista, Florida, IEEE Press, January 3-7, 2005, S. 1-6. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102009057020A1 (en) | 2011-06-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102010012080B4 (en) | Manufacturing process of an inverted multijunction solar cell with GeSiSn and inverted multijunction solar cell with GeSiSn | |
DE112008002387B4 (en) | Structure of a multijunction solar cell, method of forming a photonic device, photovoltaic multijunction cell and photovoltaic multijunction cell device, | |
US7785989B2 (en) | Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells | |
US9691929B2 (en) | Four junction inverted metamorphic multijunction solar cell with two metamorphic layers | |
EP2823514B1 (en) | Multijunction solar cell and fabrication method thereof | |
DE102008034711A1 (en) | Barrier layers in inverted metamorphic multi-junction solar cells | |
US8039291B2 (en) | Demounting of inverted metamorphic multijunction solar cells | |
US20120211071A1 (en) | Four junction inverted metamorphic multijunction solar cell with a single metamorphic layer | |
US20120132250A1 (en) | Contact layout and string interconnection of inverted metamorphic multijunction solar cells | |
US20100206365A1 (en) | Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells on Low Density Carriers | |
US20100233839A1 (en) | String Interconnection and Fabrication of Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells | |
US20100012174A1 (en) | High band gap contact layer in inverted metamorphic multijunction solar cells | |
US20090229658A1 (en) | Non-Isoelectronic Surfactant Assisted Growth In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells | |
DE112014001192B4 (en) | Process for producing photoactive devices with small bandgap active layers designed for improved efficiency | |
DE112011103244T5 (en) | Multi-junction low-nitride subcell solar cell having a graded doping | |
DE102010010880A1 (en) | Multijunction solar cell useful in satellite and other space related applications, comprises substrate, solar cells, germanium silicon tin buffer layer, germanium silicon tin back surface field layer, and germanium silicon tin window layer | |
DE112012002841B4 (en) | Production method for inverted multi-junction metamorphic solar cell (IMM solar cell) | |
DE112012004059T5 (en) | A stacked body for fabricating a compound semiconductor solar battery, compound semiconductor solar battery, and a method of manufacturing a compound semiconductor battery | |
DE102009057020B4 (en) | Growth substrates for inverted metamorphic multijunction solar cells | |
DE102011081983A1 (en) | Solar cell and process for its production | |
DE102009049397B4 (en) | Production method with surrogate substrate for inverted metamorphic multi-junction solar cells | |
EP2148378B1 (en) | Barrier layers in inverted metamorphic multijunction solar cells | |
DE102009050454A1 (en) | Multi-junction-inverted metamorphous solar cell i.e. photovoltaic cell, for use in e.g. LED in aerospace application, has solar cell aligned regarding another solar-cell by considering lattice defect and exhibiting band gap | |
DE102016005640A1 (en) | Inverted multiple solar cell | |
DE102008034701B4 (en) | Process for the preparation of thin inverted metamorphic multijunction solar cells with rigid support |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
OR8 | Request for search as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SOLAERO TECHNOLOGIES CORP., ALBUQUERQUE, US Free format text: FORMER OWNER: EMCORE SOLAR POWER, INC., ALBUQUERQUE, N. MEX., US |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WAGNER & GEYER PARTNERSCHAFT MBB PATENT- UND R, DE Representative=s name: MAUCHER JENKINS PATENTANWAELTE & RECHTSANWAELT, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: MAUCHER JENKINS PATENTANWAELTE & RECHTSANWAELT, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |