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Die
Erfindung betrifft eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie und
ein Verfahren zu deren Herstellung, genauer gesagt, eine Verbund-Solarbatterie mit
mehreren Übergängen sowie
ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Nachfolgend
werden durch I, III, V Gruppen des Periodensystems bezeichnet.
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Als
Solarbatterie mit dem höchsten
Wirkungsgrad und der besten Eignung für Anwendungen im Weltraum ist
eine III-V-Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit mehreren Übergängen bekannt. Nachfolgend
wird ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer derartigen
III-V-Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit mehreren Übergängen beschrieben.
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Als
Erstes wird, wozu auf die 34 Bezug genommen
wird, ein Ge-Substrat (oder ein GaAs-Substrat) 101 als
Substrat verwendet. Auf eine Fläche
des Substrats 101 wird Ge epitaktisch aufgewachsen, wobei
als AsH3 oder PH3 zugesetzt
wird, um für
thermische Diffusion von As oder P zu sorgen, damit eine untere
Zelle BB mit einem pn-Übergang aus
Ge erzeugt wird.
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Auf
die untere Zelle BB wird GaAs epitaktisch aufgewachsen, wodurch
eine mittlere Zelle MM mit einem pn-Übergang aus GaAs erzeugt wird.
Auf die mittlere Zelle MM wird InGaP epitaktisch aufgewachsen, so
dass eine obere Zelle Te gebildet wird, die einen pn-Übergang
von InGaP enthält.
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Auf
diese Weise wird eine III-V-Verbindungshalbleiter-Solarbatterie 110 mit
drei Übergängen mit einem
Zellenkörper
CC erzeugt, bei dem drei pn-Übergänge von
Ge/GaAs/InGaP in dieser Reihenfolge von der unteren Seite auf dem
Ge-Substrat 101 in Reihe geschaltet sind.
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Die
Bandlücke
des die obere Zelle TT bildenden InGaP beträgt ungefähr 1,7 bis ungefähr 2,1 eV, diejenige
des GaAs der mittleren Zelle ungefähr 1,3 bis ungefähr 1,6 eV
und diejenige der Ge der oberen Zelle ungefähr 0,7 eV oder weniger.
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Sonnenlicht
tritt von der Seite der oberen Zelle TT aus In-GaP ein und läuft zur unteren Zelle BB aus
Ge, während
Licht vorgegebener Wellenlänge
entsprechend der Bandlücke
der oberen Zelle TT, der mittleren Zelle MM und der unteren Zelle
BB jeweils absorbiert wird, um in elektrische Energie gewandelt
zu werden.
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Hierbei
ist der Wert der Bandlücke
(ungefähr 0,7
eV oder weniger) des Ge der unteren Zelle hinsichtlich der Funktion
des Wandelns optischer Energie in elektrische Energie relativ klein.
Daher wurde die Verwendung eines Materials mit einer Bandlücke von
ungefähr
0,9 bis ungefähr
1,1 eV als Material mit höherem
Wandlungswirkungsgrad vorgeschlagen.
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M.
Tamura et al. schlagen in "Threading
dislocations in InxGa1-xAs/GaAs
heterostructures",
J. Appl. Phys. 72(8), 15. Oktober 1992, S. 3398) (Literaturstelle
1) InGaAs als ein derartiges Material vor. Bei einer Solarbatterie 110 mit
mehreren Übergängen unter
Verwendung von InGaAs anstelle von Ge auf einem Ge(oder GaAs)-Substrat 101 wird
eine untere Zelle NN mit einem pn-Übergang von InGaAs durch epitaktisches
Wachstum hergestellt.
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Auf
der unteren Zelle NN werden die mittlere Zelle MM mit dem pn-Übergang
von GaAs und die obere Zelle TT mit dem pn-Übergang
von InGaP epitaktisch hergestellt.
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J.
F. Geisz et a1. schlagen in "Photocurrent of
1 eV GaInNAs lattice-matched to GaAs", J. Crystal Growth 195 (1998), S. 401)
(Literaturstelle 2) zu InGaAs hin zusätzlich InGaAsN als Material
zum Ersetzen von Ge vor.
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Jedoch
bestehen bei einer Solarbatterie 110 mit mehreren Übergängen mit
einer unteren Zelle NN, die InGaAs oder InGaAsN anstelle von Ge
verwendet, die folgenden Probleme.
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Als
Erstes ist bei einer Solarbatterie mit mehreren Übergängen unter Verwendung von InGaAs (0,9
bis 1,1 eV) für
die untere Zelle NN die Gitterkonstante des Ge(oder GaAs)-Substrats 101 von
der des InGaAs verschieden. Daher kommt es bei der epitaktischen
Züchtung
von InGaAs zu einer Versetzung, die aus dem Unterschied der Gitterkonstante
zu der der Schicht darunter (GaAs-Substrat oder dergleichen) herrührt, was
nachfolgend als "Fehlanpassungsversetzung" bezeichnet wird.
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Bei
einer Solarbatterie mit mehreren Übergängen unter Verwendung von InGaAsN
für die
untere Zelle wird der Anteil der M-Atome so gesteuert, dass die
Gitterkonstante des InGaAsN zu derjenigen der darunterliegenden
Schicht passt. Daher kann bei der epitaktischen Züchtung von
InGaAsN eine Fehlanpassungsversetzung vermieden werden.
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Es
ist jedoch zu beachten, dass hinsichtlich zugesetzter N-Atome Löcher und
dergleichen existieren. Im Ergebnis, kommt es bei der epitaktischen Züchtung von
InGaAsN zu Defekten, die von N-Atomen herrühren.
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Wie
oben beschrieben, leitet die aus InGaAs oder InGaAsN hergestellte
untere Zelle unter der Erzeugung von Fehlanpassungsversetzungen
oder Defekten, weswegen sie keine zufriedenstellende Zellenqualität zeigt.
Demgemäß kann nicht
die gewünschte
Elektrizitätsproduktivität erzielt
werden.
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Ferner
haben Fehlanpassungsversetzungen oder Defekte in der unteren Zelle
NN unerwünschten Einfluss
auf das GaAs in der mittleren Zelle MM, die epitaktisch auf der
unteren Zelle NN hergestellt wird, sowie auf das InGaP der oberen
Zelle TT, die darauf hergestellt wird.
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Demgemäß ist auch
die Zellenqualität
des GaAs und des InGaP beeinträchtigt,
wodurch eine Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Energiewandlung
verhindert ist.
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Wie
oben beschrieben, tritt Sonnenlicht von oberen Zelle TT ein und
läuft zur
unteren Zelle BB, während
Licht vorgegebener Wellenlänge
absorbiert wird und in elektrische Energie gewandelt wird.
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Dabei
wird diejenige Komponente des Sonnenlichts, die nicht von der oberen
Zelle TT bis zur unteren Zelle BB absorbiert wird, schließlich durch das
Ge(oder GaAs)-Substrat 101 absorbiert, und demgemäß kann diese
Komponente nicht effektiv zur Erzeugung von Energie beitragen.
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Im
Ergebnis ist eine Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen
Energiewandlung verhindert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, mit denen der
Wirkungsgrad der Wandlung in elektrische Energie verbessert werden
kann.
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Diese
Aufgabe ist hinsichtlich der Solarbatterie durch die Lehre des beigefügten Anspruchs
1 und hinsichtlich des Herstellverfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs
13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
abhängiger
Ansprüche.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Solarbatterie ist
ein erster Elektrodenabschnitt direkt auf derjenigen Seite eines
Zellenkörpers
ausgebildet, die von der Sonnenlicht-Eintrittsseite abgewandt ist.
Daher wird, verschieden von der herkömmlichen Struktur, bei der
ein vorgegebenes Substrat für
epitaktisches Wachstum auf derjenigen Seite des Zellenkörpers angeordnet
ist, die von der Sonnenlicht-Eintrittsseite abgewandt ist, diejenige
Komponente des Sonnenlichts, die in den Zellenkörper eintritt, jedoch nicht durch
diesen absorbiert wird, durch den ersten Elektrodenabschnitt reflektiert.
Im Ergebnis verbessert sich der Effekt der Lichteingrenzung, wodurch
der Wandlungswirkungsgrad der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
verbessert werden kann.
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Durch
die Struktur einer Solarbatterie gemäß einem der beigefügten Ansprüche 2 und
3 kann eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit höherem Freiheitsgrad bei der
Formgestaltung erzielt werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Herstellverfahren wird
die Schicht, die die erste Zelle bilden soll, die im fertiggestellten
Zustand auf der Sonnenlicht-Eintrittsseite liegt, als Erstes auf
einem Halbleitersubstrat hergestellt, und erst später wird
die Schicht hergestellt, die die zweite Zelle bilden soll und die
auf der von der Sonnenlicht-Eintrittsseite abgewandten Seite liegt.
Daher wird selbst dann, wenn ein Material mit relativ großer Bandlücke als
zweiter Bandlücke
für die
Schicht verwendet wird, die die zweite Zelle bilden soll, die Qualität dieser
Schicht nicht durch die Schicht, die die erste Zelle bilden soll,
beeinträchtigt. Ferner
wird, da der erste Elektrodenabschnitt direkt auf der Schicht hergestellt
wird, die die zweite Zelle bilden soll, diejenige Komponente des
Sonnenlichts, die nicht durch die Schichten absorbiert wird, die
die erste und die zweite Zelle bilden sollen, durch diesen ersten
Elektrodenabschnitt reflektiert. Dies verbessert den Effekt der
Lichteingrenzung. Im Ergebnis kann der Wandlungswirkungsgrad der
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie verbessert werden.
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Beim
Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch
14 werden Komponenten des Sonnenlichts mit vorgegebenen Wellenlängen durch
die jeweiligen, die Zellen bildenden Schichten entsprechend jeweiligen
Bandlücken
absorbiert, und daher kann der Wandlungswirkungsgrad weiter verbessert
werden. Durch das Verfahren gemäß einem
der Ansprüche
15 und 16 wird es möglich,
ein Halbleitersubstrat wiederzuverwenden. Durch das Verfahren gemäß dem Anspruch
17 wird ebenfalls der Vorteil erzielt, wie er für das Verfahren gemäß dem Anspruch
14 er läutert wurde.
Beim Verfahren gemäß dem Anspruch
18 oder 19 wird insbesondere dann, wenn das Halbleitersubstrat abgetrennt
wird, eine Wiederverwendung desselben möglich.
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Die
vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile
der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung
der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, besser ersichtlich werden.
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1 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts für eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 1 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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3 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 2 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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4 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 3 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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5 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 4 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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6 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 5 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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7 ist eine perspektivische
Ansicht, die das Aussehen einer fertiggestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt.
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8 ist ein Teilschnitt zum
Veranschaulichen des Effekts einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß der ersten
Ausführungsform.
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9 ist ein Teilschnitt zum
Veranschaulichen einer Funktion einer zum Vergleich dienenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie, um
den Effekt der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der ersten
Ausführungsform
zu demonstrieren.
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10 repräsentiert die Strom-Spannungs-Charakteristik
einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der ersten Ausführungsform, die
durch einen Solarsimulator erhalten wurde.
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11 ist eine Schnittdarstellung,
die eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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12 ist eine Schnittdarstellung
einer zum Vergleich dienenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie,
um den Effekt der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der zweiten
Ausführungsform
zu demonstrieren.
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13 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts für eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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14 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 13 dargestell ten Herstellschritt
folgt.
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15 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 14 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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16 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 15 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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17 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 16 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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18 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 17 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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19 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik
der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der dritten Ausführungsform,
die durch einen Solarsimulator erhalten wurde.
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20 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts für eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß einer
vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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21 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 20 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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22 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 21 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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23 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 22 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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24 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 23 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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25 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 24 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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26 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts für eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß einer
fünften bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung.
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27 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 26 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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28 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 27 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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29 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 28 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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30 ist eine perspektivische
Ansicht, die das Aussehen der fertiggestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß der fünften Ausführungsform
zeigt.
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31 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts für eine Verbindungshalbleiter-Solar- batterie gemäß einer
sechsten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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32 ist eine Schnittdarstellung
zum Veranschaulichen eines Herstellschritts, der auf den in der 31 dargestellten Herstellschritt
folgt.
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33 ist eine perspektivische
Ansicht, die das Aussehen der fertiggestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß der sechsten
Ausführungsform
zeigt.
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34 ist eine Schnittdarstellung,
die eine herkömmliche
Solarbatterie zeigt.
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35 ist eine Schnittdarstellung,
die eine andere herkömmliche
Solarbatterie zeigt.
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Erste Ausführungsform
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Nun
wird eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Hierbei wird als Beispiel für den Zellenkörper einer
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit zwei Übergängen mit
einer unteren und einer oberen Zelle beschrieben.
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Als
Erstes wird das Herstellverfahren beschrieben. Als Substrat wird
ein GaAs-Substrat (Si-dotiert mit 1 × 1018 cm–3,
50 mm Durchmesser) bereitgestellt. Dieses GaAs-Substrat wird in
eine vertikale MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)-Vorrichtung
eingesetzt.
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Danach
wird, wie es in der 1 dargestellt ist,
eine n-InGaP-Schicht 3 mit
einer Dicke von ungefähr
0,5 μm durch
epitaktisches Wachstum auf einer Oberfläche des GaAs-Sub strats 1 hergestellt.
Diese InGaP-Schicht 3 bildet eine Zwischenschicht zwischen
einem Zellenkörper
aus der InGaP-Schicht und
dem GaAs-Substrat 1.
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Danach
werden auf der InGaP-Schicht 3 durch epitaktisches Wachstum
Einkristallschichten hergestellt, die eine obere Zelle T bilden
sollen. Genauer gesagt, werden eine n-GaAs-Schicht T1, eine n-AlInP-Schicht T2,
eine n-InGaP-Schicht T3, eine p-InGaP-Schicht T4 und eine p-AlInP-Schicht
T5 aufeinanderfolgend hergestellt.
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Danach
werden auf der AlInP-Schicht T5 eine p-Al GaAs-Schicht 5 und eine n-InGaP-Schicht durch
epitaktisches Wachstum aufeinanderfolgend als Tunnelübergang
hergestellt.
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Danach
werden auf der n-InGaP-Schicht 7 verschiedene Einkristallschichten
durch epitaktisches Wachstum hergestellt, die die untere Zelle B bilden
sollen. Genauer gesagt, werden aufeinanderfolgend eine n-AlInP-Schicht
B1, eine n-GaAs-Schicht
B2, eine p-GaAs-Schicht B3, eine p-InGaP-Schicht B4 und eine p-GaAs-Schicht
B5 hergestellt.
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Hinsichtlich
der Bedingungen für
das epitaktische Wachstum wird die Temperatur auf ungefähr 700°C eingestellt.
Als Materialien zum Züchten
der GaAs-Schicht werden TMG (Trimethylgallium) und AsH3 (Arsin)
verwendet.
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Als
Materialien zum Züchten
der InGaP-Schicht werden TMI (Trimethylindium), TMG und PH3 (Phosphin) verwendet. Als Materialien zum Züchten der
AlInP-Schicht werden TMA (Trimethylaluminium), TMI und PH3 verwendet.
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Als
Fremdstoff zum Herstellen der n-GaAs-Schicht, der InGaP-Schicht und der AlInP-Schicht
wird SiH4 (Monosilan) verwendet. Als Fremdstoff
zum Herstellen der p-GaAs-Schicht, der InGaP-Schicht und der AlInP-Schicht
wird DEZn (Diethylzink) verwendet.
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Ferner
werden als Materialien zum Züchten der
AlGaAs-Schicht TMI, TMG und AsH3 verwendet, und
als Fremdstoff zum Herstellen der p-AlGaAs-Schicht wird CBr4 (Kohlenstofftetrabromid) verwendet.
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Auf
diese Weise wird der Zellenkörper
C einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit einer oberen Zelle
T und einer unteren Zelle B hergestellt.
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Danach
wird auf eine Oberfläche
des Zellenkörpers
C (p-GaAs-Schicht
der unteren Zelle) durch Dampfabscheidung ein Au-Zn-Film (nicht dargestellt) aufgebracht.
Danach wird in einer Stickstoffatmosphäre für ungefähr eine Minute bei einer Temperatur von
ungefähr
400°C eine
Wärmebehandlung
ausgeführt.
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Danach
wird ein Resist (nicht dargestellt) auf die Rückseite des GaAs-Substrats 1 aufgetragen
und thermisch gehärtet.
Dann wird auf dem Au-Zn-Film durch elektrolytisches Plattieren eine
Au-Plattierungsschicht mit einer Dicke von ungefähr 30 μm hergestellt.
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Auf
diese Weise wird auf dem Zellenkörper
C eine Rückseitenelektrode 9 aus
einem Au-Plattierungsfilm hergestellt. Danach wird der auf der Rückseite
des GaAs-Substrats 1 hergestellte Resist entfernt.
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Anschließend wird
ein Ätzschutz 11,
z.B. ein Wachs, auf die Rückseitenelektrode 9 aufgetragen, und
zur einfacheren Handhabung werden vorübergehend eine Glasplatte 13 und
die Rückseitenelektrode 9 miteinander
verklebt. Danach wird das durch das Glassubstrat 13 gehaltene
GaAs-Substrat 1 in eine alkalische Lösung wie Ammoniakwasser getaucht, und
das GaAs- Substrat 1 wird
entfernt.
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Hierbei
wird das GaAs-Substrat 1 mit einer Dicke von ungefähr 350 μm vollständig abgeätzt und entfernt,
da es für
ungefähr
300 Minuten in die alkalische Lösung
eingetaucht bleibt. Das Ätzen
wird gestoppt, wenn die InGaP-Schicht 3 als Zwischenschicht
freigelegt ist.
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Dabei
kann das durch das Glassubstrat 13 gehaltene GaAs-Substrat 1 in
eine saure Lösung
wie HCl eingetaucht werden, um die InGaP-Schicht 3 als Zwischenschicht
zu ätzen,
um das GaAs-Substrat 1 zu entfernen.
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Danach
wird, durch Ätzen
mit einer sauren Lösung,
die InGaP-Schicht 3 als
freigelegte Zwischenschicht entfernt, und es wird die n-GaAs-Schicht
T1 der oberen Zelle T freigelegt. Auf diese Weise wird die Fläche des
Zellenkörpers
C (genauer gesagt, die obere Zelle T) freigelegt, wie es in der 3 dargestellt ist.
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Anschließend wird
durch Photolithografie auf der freigelegten Fläche des Zellenkörpers C
(obere Zelle) ein vorgegebenes Resistmuster (nicht dargestellt)
zum Herstellen einer Oberflächenelektrode ausgebildet.
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Danach
wird der Zellenkörper
C mit dem darauf ausgebildeten Resistmuster gemeinsam mit dem Glassubstrat 13 in
eine Vakuum-Dampfabscheidungsvorrichtung (nicht dargestellt) eingesetzt. Durch
ein Widerstandserwärmungsverfahren
wird ein Au-Film
(der 12 Gew.-% Ge enthält)
mit einer Dicke von ungefähr
100 nm (nicht dargestellt) hergestellt, um das Resistmuster zu bedecken.
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Anschließend werden
durch ein EB(Elektronenstrahl)-Dampfabscheidungsverfahren eine Ni-Schicht
mit einer Dicke von un gefähr
20 nm und eine Au-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 5.000 nm
(beide nicht dargestellt) kontinuierlich hergestellt.
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Danach
werden das Resistmuster und der Au-Film und dergleichen, wie auf
dem Resistmuster hergestellt, durch ein Abhebeverfahren entfernt.
Auf diese Weise wird eine Oberflächenelektrode 15 hergestellt,
wie es in der 4 dargestellt
ist. Anschließend
wird, unter Verwendung derselben als Maske, ein Ätzvorgang mit einer alkalischen
Lösung
ausgeführt,
um die freigelegte GaAs-Schicht zu entfernen, wodurch die AlInP-Schicht
freigelegt wird (siehe die 6).
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Danach
wird ein vorgegebenes Resistmuster (nicht dargestellt) für einen
Mesa-Ätzvorgang
so hergestellt, dass es die Oberflächenelektrode 15 bedeckt.
Unter Verwendung des Resistmusters als Maske erfolgt ein Ätzvorgang
mit einer alkalischen und einer sauren Lösung, so dass der plattierte,
als Rückseitenelektrode 9 dienende
Au-Film freigelegt wird.
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Als
Nächstes
werden durch ein EB-Dampfabscheidungsverfahren, ein TiO2-Film
mit einer Dicke von ungefähr
55 nm und ein MgF2-Film mit einer Dicke
von ungefähr
100 nm (beide nicht dargestellt) aufeinanderfolgend als Antireflexionsfilme
auf der Oberfläche
auf der Sonnenlicht-Eintrittsseite hergestellt. Anschließend wird
durch Entfernen des Wachsens 11 unter Verwendung von z.B.
Toluol das Glassubstrat 13 von der Rückseitenelektrode 9 abgetrennt,
wie es in der 5 dargestellt
ist.
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Schließlich werden
durch Zerschneiden des linienförmig
geformten, plattierten Au-Films entlang den Linien 12 Verbindungshalbleiter-Solarbatterien mit
einer Größe von z.B.
10 mm × 10
mm hergestellt.
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Die 6 zeigt den Aufbau der auf
diese Weise hergestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie im
Schnitt. Wie es in der 6 dargestellt
ist, ist im Vergleich zur Struktur einer herkömmlichen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit einer unteren Zelle, die auf einem vorgegebenen Substrat für epitaktisches
Wachstum hergestellt ist (siehe z.B. die 34 oder 35)
bei der vorliegenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie die Rückseitenelektrode 9 direkt
auf der unteren Zelle B des Zellenkörpers C ausgebildet. Ferner
ist auf der Oberseite der oberen Zelle T des Zellenkörpers C
die Oberflächenelektrode 15 ausgebildet.
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Der
Zellenkörper
C verfügt über die
untere Zelle B mit einem pn-Übergang
aus GaAs (III-V-Verbindung) und eine obere Zelle T mit einem pn-Übergang
aus InGaP (III-III-V-Verbindung).
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Die
Dicke L1 des Zellenkörpers
C beträgt
ungefähr
4 μm, und
die Dicke L2 der Rückseitenelektrode 9 beträgt ungefähr 30 μm. D.h.,
dass der Zellenkörper
C und die Rückseitenelektrode
9 ausreichend dünn
sind, um über
Flexibilität
zu verfügen,
weswegen die Verbindungshalbleiter-Solarbatterie 10 frei verbogen
werden kann.
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Bei
der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie werden
auf einem GaAs-Substrat 1 für epitaktisches Wachstum Schichten
durch epitaktische Züchtung
aufeinanderfolgend hergestellt, die die obere Zelle T bilden sollen,
und darauf werden Schichten hergestellt, die die untere Zelle B bilden
sollen.
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Danach
wird das GaAs-Substrat 1 vom Zellenkörper C getrennt, die Rückseitenelektrode 9 wird direkt
auf der unteren Zelle B hergestellt, und der Zellenkörper C wird
durch diese Rückseitenelektrode 9 abgestützt. Da
die Rückseitenelektrode 9 direkt
auf der Oberfläche
der unteren Zelle B hergestellt wird, kann der Effekt einer Lichteingrenzung,
wenn Sonnenlicht eintritt, verbessert werden.
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Genauer
gesagt, werden, wie es in der 8 dargestellt
ist, bei der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
Komponenten des Sonnenlichts, die beim Durchlaufen des Zellenkörpers C
nicht durch diesen absorbiert wurden, schließlich durch die Rückseitenelektrode 9 reflektiert.
Daher ist der Effekt der Lichteingrenzung im Zellenkörper C verbessert,
und die Komponenten des Sonnenlichts, die durch die Rückseitenelektrode 9 reflektiert werden,
tragen zur Energieerzeugung bei. Im Ergebnis kann der Wandlungswirkungsgrad
der Solarbatterie verbessert werden.
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Demgegenüber ist
bei der herkömmlichen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
seitens der unteren Zelle des Zellenkörpers CC das Substrat 101 für epitaktisches
Wachstum positioniert, wie es in der 9 dargestellt
ist. Daher werden Komponenten des Sonnenlichts, die beim Durchlaufen
des Zellenkörpers
CC nicht durch diesen absorbiert wurden, durch das Substrat 101 absorbiert,
und daher tragen diese Komponenten zu keiner Energieerzeugung bei.
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Die
oben beschriebene Solarbatterie wurde unter Verwendung eines Solarsimulators
bewertet. Nun wird das Ergebnis beschrieben. Ein Solarsimulator
ist eine Lichtstrahlungsquelle, die zum Testen von Eigenschaften
und der Zuverlässigkeit
einer Solarbatterie im Labor verwendet wird, wobei die Strahlungsstärke, die
Gleichmäßigkeit
der Strahlung und der spektrale Verlauf für das Testobjekt eingestellt werden.
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Als
Erstes wurde als Strahlungslichtquelle Bezugs-Sonnenlicht für die Luftmasse
(AM = Air Mass) 1,5 G verwendet, und es wurde die Strom-Spannungs-Charakteristik
bei Bestrahlung gemessen. Auf Grundlage derselben wurden der Kurzschluss strom,
die Leerlaufspannung, der Füllfaktor und
der Wandlungswirkungsgrad berechnet.
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Hierbei
ist die Luftmasse das Verhältnis
der Pfadlänge
von direkt auf die Erde fallendem Sonnenlicht in Bezug zur Pfadlänge von
Sonnenlicht, das unter Standardbedingungen (Standard-Atmosphärendruck
von 1013 hPa) vertikal in die Atmosphäre eintritt.
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Der
Kurzschlussstrom betrifft den Strom, wie er zwischen zwei Ausgangsanschlüssen der
Solarbatteriezelle (Modul) fließt,
wenn diese kurzgeschlossen werden. Die Leerlaufspannung betrifft
die Spannung zwischen diesen zwei Ausgangsanschlüssen, wenn diese offen sind.
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Der
Füllfaktor
betrifft den Wert, der dadurch erhalten wird, dass die maximale
Ausgangsleistung durch das Produkt aus der Leerlaufspannung und dem
Kurzschlussstrom geteilt wird. Der Wandlungswirkungsgrad betrifft
den Wert (Prozent), der durch Teilen der maximalen Ausgangsleistung
durch das Produkt aus der Fläche
der Solarbatteriezelle und der Strahlungsstärke erhalten wird.
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Die 10 zeigt die gemessene Strom-Spannungs-Charakteristik
(I-V-Kurve). Hierbei betrugen der Kurzschlussstrom 10,1 mA, die
Leerlaufspannung 2,39V, der Füllfaktor
0,85 und der Wandlungswirkungsgrad 20,5 %.
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Aus
dem Vorstehenden ergibt es sich, dass im Vergleich mit einer herkömmlichen
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit zwei Übergängen, genauer gesagt, jeweils
einem pn-Übergang
mit InGaP und GaAs, die auf einem GaAs-Substrat ausgebildet sind,
die oben angegebene Verbindungshalbleiter-Solarbatterie vergleichbare
oder bessere Ergebnisse erzielte.
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Zweite Ausführungsform
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Bei
der zweiten Ausführungsform
wurde zum Klären
des Effekts der Lichteingrenzung, wie er durch die Rückseitenelektrode
erzielt wird, eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit einer
anderen Zellenkörperstruktur
als beim obigen Beispiel als neues Beispiel bewertet. Dies wird
nachfolgend beschrieben.
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Als
Erstes wird, wie es in der 11 dargestellt
ist, bei der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der Zellenkörper
C direkt auf der Oberfläche
der Rückseitenelektrode 9 hergestellt.
Im Zellenkörper
C wird eine p-InGaP-Schicht 21 auf der Rückseitenelektrode 9 hergestellt.
Auf der InGaP-Schicht 21 wird eine p-GaAs-Schicht 22 hergestellt,
auf der wiederum eine n-GaAs-Schicht 23 hergestellt
wird, auf der eine n-InGaP-Schicht 24 hergestellt wird.
An einer vorgegebenen Position auf der InGaP-Schicht 24 wird
eine Oberflächenelektrode 15 hergestellt,
wobei dazwischen ein Kontakt aus einer n-GaAs-Schicht eingefügt ist.
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Die
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie wird durch ein ähnliches
Verfahren wie die oben beschriebene hergestellt. Genauer gesagt,
werden als Erstes Schichten von der n-GaAs-Schicht 25 bis zur p-InGaP-Schicht 21 aufeinanderfolgend
auf einem vorgegebenen Substrat (nicht dargestellt) hergestellt. Danach
wird die Rückseitenelektrode 9 auf
der Seite der unteren Zelle hergestellt, und das Substrat wird abgetrennt.
-
Demgegenüber wird
bei der zum Vergleich dienenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
auf der Oberfläche
eines p-GaRs-Substrats 101 eine p-InGaP-Schicht 121 hergestellt,
auf der eine p-GaAs-Schicht 122 hergestellt wird, auf der
wiederum eine n-GaAs-Schicht 123 und dann eine n-InGaP-Schicht 124 hergestellt
werden. An einer vorgegebenen Position auf der InGaP-Schicht 124 wird eine
Oberflächenelektrode 115 hergestellt,
wobei als Kontakt eine n-GaAs-Schicht 125 eingefügt wird.
-
Die
zum Vergleich dienende Verbindungshalbleiter-Solarbatterie wird
dadurch hergestellt, dass aufeinanderfolgend verschiedene Schichten durch
epitaktisches Wachstum auf das p-GaAs-Substrat 101 aufgewachsen
werden.
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Die
oben beschriebene Verbindungshalbleiter-Solarbatterie und die zum
Vergleich dienende wurden unter Verwendung des oben beschriebenen Solarsimulators
bewertet. Bei der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
betrugen der Kurzschlussstrom 19 mA, die Leerlaufspannung 1,03V,
der Füllfaktor
0,84 und der Wandlungswirkungsgrad 16,4 %.
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Demgegenüber betrugen
bei der zum Vergleich dienenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
der Kurzschlussstrom 15 mA, die Leerlaufspannung 1,03V, der Füllfaktor
0,84 und der Wandlungswirkungsgrad 13,0 %.
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Wie
es aus dem Vorstehenden erkennbar ist, ist bei der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der Wandlungswirkungsgrad besonders im Vergleich zu dem bei der
zum Vergleich dienenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie verbessert,
und so ergab es sich, dass der Effekt der Lichteingrenzung durch
die Rückseitenelektrode 9 verbessert
werden konnte.
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Dritte Ausführungsform
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Nun
wird eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß einer
dritten Ausführungsform
beschrieben. Hierbei wird als Beispiel eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit drei Übergängen mit
einer unteren, einer mittleren und einer oberen Zelle als Zellenkörper der
Solarbatterie beschrieben.
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Als
Erstes wird ein Herstellverfahren beschrieben. Als Substrat wird
ein GaAs-Substrat (Si-dotiert mit 1 × 1018 cm–3,
Durchmesser von 50 mm) bereitgestellt. Das GaAs-Substrat wird in
eine vertikale MOCVD-Vorrichtung eingesetzt.
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Dann
wird, wie es in der 13 dargestellt ist,
auf dem GaAs-Substrat 1 eine n-AlAs-Schicht 4, die
eine Zwischenschicht bilden soll, mit einer Dicke von ungefähr 0,5 μm durch epitaktisches
Wachstum hergestellt.
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Auf
der AlAs-Schicht 4 werden durch epitaktisches Wachstum
Schichten hergestellt, die die obere Zelle T bilden sollen. Genauer
gesagt, werden eine n-GaAs-Schicht T1, eine n-AlInP-Schicht T2, eine n-InGaP-Schicht
T3, eine p-InGaP-Schicht T4 und eine p AlInP-Schicht T5 aufeinanderfolgend
hergestellt.
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Danach
werden als Tunnelübergang
eine AlInP-Schicht 5, eine p-AlGaAs-Schicht 5 und
eine n-InGaP-Schicht 7 aufeinanderfolgend hergestellt.
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Danach
werden auf der n-InGaP-Schicht 7 durch epitaktisches Wachstum
Schichten hergestellt, die die mittlere Zelle M bilden sollen. Genauer
gesagt, werden eine n-AlInP-Schicht M1, eine n-GaAs-Schicht M2,
eine p-GaAs-Schicht M3 und eine pInGaP-Schicht M4 aufeinanderfolgend
hergestellt.
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Danach
werden auf der p-InGaP-Schicht M4 als Tunnelübergang durch epitaktisches
Wachstum eine p-GaAs-Schicht 6 und eine nGaAs-Schicht 8 aufeinanderfolgend
hergestellt.
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Daraufhin
werden auf der n-GaAs-Schicht 8 durch epitakti sches Wachstum
Schichten hergestellt, die die untere Zelle B bilden sollen. Genauer
gesagt, werden eine n-InP-Schicht B6, eine n-InGaAs-Schicht B7,
eine p-InGaAs-Schicht B8, eine p-InP-Schicht
B9 und eine p-GaAs-Schicht B10 aufeinanderfolgend hergestellt.
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Hinsichtlich
der Bedingungen für
das epitaktische Wachstum wird die Temperatur auf ungefähr 700°C eingestellt.
Als Materialien zum Züchten
der GaAs-Schicht werden TMG (Trimethylgallium) und AsH3 (Arsin)
verwendet.
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Als
Materialien zum Züchten
der InGaP-Schicht werden TMI (Trimethylindium), TMG und PH3 (Phosphin) verwendet. Als Materialien zum Züchten der
AlInP-Schicht werden TMA (Trimethylaluminium), TMI und PH3 verwendet.
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Als
Fremdstoff zum Herstellen der n-GaAs-Schicht, der InGaP-Schicht und der AlInP-Schicht
wird SiH4 (Monosilan) verwendet. Als Fremdstoff
zum Herstellen der p-GaAs-Schicht, der InGaP-Schicht und der AlInP-Schicht
wird DEZn (Diethylzink) verwendet.
-
Ferner
werden als Materialien zum Züchten der
AlGaAs-Schicht TMI, TMG und AsH3 verwendet, und
als Fremdstoff zum Herstellen der p-AlGaAs-Schicht wird CBr4 (Kohlenstofftetrabromid) verwendet.
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Der
Zusammensetzungsanteil von In in InGaP beträgt 0,25, und auf der InGaP-Schicht
wurde die Morphologie eines Querschraffierungsmusters erkannt, was
das Vorliegen einer Fehlanpassungsversetzung anzeigt.
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Auf
diese Weise wurde der Zellenkörper
C einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit drei Übergängen mit
einer oberen Zelle T, einer mittleren Zelle M und einer unteren
Zelle B hergestellt.
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Auf
der Oberfläche
des Zellenkörpers
C (p-GaAs-Schicht der unteren Zelle) wird ein Resistmuster (nicht
dargestellt) zum Ausbilden der Rückseitenelektrode
hergestellt. Durch Dampfabscheidung wird ein Au-Zn-Film (nicht dargestellt)
zum Bedecken des Resistfilms hergestellt.
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Danach
werden das Resistmuster und der auf diesem vorhandene Au-Zn-Film
durch ein Abhebeverfahren entfernt. Anschließend erfolgt in einer Stickstoffatmosphäre eine
Wärmebehandlung
für ungefähr 1 Minute
bei einer Temperatur von ungefährt 400°C.
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Dann
wird, mit Ausnahme der Bereiche, in denen der Au-Zn-Film ausgebildet
ist, ein vorgegebenes Resistmuster (nicht dargestellt) hergestellt.
Ferner wird auf der Oberfläche
des GaAs-Substrats 1 auf derjenigen Seite, auf der der
Zellenkörper
C nicht hergestellt ist, ein Resist (nicht dargestellt) aufgetragen.
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Danach
wird durch elektrolytisches Plattieren auf dem Au-Zn-Film ein Au-Plattierungsfilm
(nicht dargestellt) mit einer Dicke von ungefähr 30 μm hergestellt. Durch ein Abhebeverfahren
werden das Resistmuster und der auf diesem vorhandene Au-Plattierungsfilm
entfernt. Demgemäß wird auf
dem Zellenkörper
eine Rückseitenelektrode 9 aus
dem Au-Plattierungsfilm ausgebildet, wie es in der 14 dargestellt ist.
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Danach
wird ein vorgegebenes Resistmuster 17 in einem Bereich,
in dem die Rückseitenelektrode 9 ausgebildet
ist, so hergestellt, dass es diese bedeckt und die Oberfläche des
Zellenkörpers
C im Bereich freilegt, in dem die Rückseitenelektrode nicht ausgebildet
ist, wie es in der 15 dargestellt
ist. Unter Verwendung dieses Resistmusters 17 als Maske
wird ein Ätzvorgang
mit einer alkalischen und einer sauren Lösung ausgeführt, so dass der Teil des freigelegten
Zellenkörpers
C entfernt wird und die AlAs-Schicht 3 als Zwischenschicht
freigelegt wird. Danach wird das Resistmuster 17 entfernt.
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Danach
wird eine gitterförmige
Harzplatte 19 mit chemischer Beständigkeit über ein eingefügtes Wachs 11 an
die Seite der Rückseitenelektrode 9 angeklebt
(siehe die 16). Während die
Harzplatte 19 an der Rückseitenelektrode 9 anhaftet,
werden der Zellenkörper
C und die Rückseitenelektrode 9 in Fluorwasserstoffsäure-Lösung eingetaucht,
wodurch die AlAs-Schicht 4 entfernt
wird, so dass der Zellenkörper
C vom GaAs-Substrat 1 getrennt wird. Auf diese Weise wird
das GaAs-Substrat 1 abgetrennt und die n-GaAs-Schicht der
oberen Zelle T des Zellenkörpers
C freigelegt.
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Danach
wird auf der freigelegten Oberfläche der
GaAs-Schicht ein vorgegebenes Resistmuster zum Herstellen einer
Oberflächenelektrode
(nicht dargestellt) hergestellt. Anschließend wird der Zellenkörper C mit
dem darauf hergestellten Resistmuster in eine Vakuum-Dampfabscheidungsvorrichtung (nicht
dargestellt) gemeinsam mit der Harzplatte 19 eingesetzt.
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Durch
ein Widerstandserwärmungsverfahren
wird ein Au-Film (der 12 Gew.-% Ge enthält) mit einer Dicke von ungefähr 100 nm
so hergestellt, dass er das Harzmuster bedeckt. Anschließend werden durch
ein EB-Dampfabscheidungsverfahren eine Ni-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 20 nm
und eine Au-Schicht
mit einer Dicke von ungefähr
5.000 nm (beide nicht dargestellt) kontinuierlich hergestellt.
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Danach
werden das Resistmuster und der Au-Film und dergleichen, wie auf
dem Resistmuster hergestellt, durch ein Abhebeverfahren entfernt.
Auf diese Weise wird die Oberflächen elektrode 15 hergestellt,
wie es in der 17 dargestellt
ist.
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Danach
wird unter Verwendung der Oberflächenelektrode 15 als
Maske ein Ätzvorgang
mit alkalischer Lösung
ausgeführt,
um die freigelegte GaAs-Schicht zu entfernen, so dass die AlInP-Schicht
freigelegt wird (siehe die 18).
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Als
Nächstes
werden durch ein EB-Dampfabscheidungsverfahren ein TiO2-Film
mit einer Dicke von ungefähr
55 nm und ein MgF2-Film mit einer Dicke
von ungefähr
100 nm (beide nicht dargestellt) aufeinanderfolgend als Antireflexionsfilme
auf der Oberfläche
auf der Sonnenlicht-Eintrittsseite hergestellt. Danach wird durch
Entfernen des Wachses 11 unter Verwendung von z.B. Toluol
die Harzplatte 19 von der Rückseitenelektrode 9 getrennt,
wie es in der 18 dargestellt
ist.
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Anschließend werden
durch Zerschneiden des freigelegten, linienförmigen Au-Plattierungsfilms 12 Verbindungshalbleiter-Solarbatterien
mit einer Größe von z.B.
10 mm × 10
mm hergestellt.
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Die 18 zeigt den Aufbau der
auf diese Weise hergestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
im Schnitt. Wie es in der 18 dargestellt
ist, ist, im Vergleich zur Struktur der herkömmlichen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie,
bei der die untere Zelle auf einem vorgegebenen Substrat für epitaktisches
Wachstum hergestellt ist (siehe z.B. die 34 oder 35),
bei der vorliegenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie die Rückseitenelektrode 9 direkt
auf der unteren Zelle B des Zellenkörpers C hergestellt.
-
Ferner
ist die Oberflächenelektrode 15 auf der
Oberfläche
der oberen Zelle T des Zellenkörpers C
hergestellt. Die mittlere Zelle M ist zwischen der oberen Zelle
T und der unteren Zelle B hergestellt.
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Der
Zellenkörper
C verfügt über die
untere Zelle mit einem pn-Übergang
von InGaP (III-III-V-Verbindung), die mittlere Zelle M mit einem
pn-Übergang von
GaAs (III-V-Verbindung) und die obere Zelle T mit einem pn-Übergang
von InGaP (III-III-V-Verbindung).
-
Die
Dicke L1 des Zellenkörpers
C beträgt
ungefähr
6 μm, und
die Dicke L2 der Rückseitenelektrode 9 beträgt ungefähr 30 μm. D.h.,
dass der Zellenkörper
C und die Rückseitenelektrode
9 ausreichend dünn
sind, um über
Flexibilität
zu verfügen,
und demgemäß kann die
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie 10, wie die oben beschriebene,
frei verbogen werden.
-
Bei
der oben beschriebenen Solarbatteriezelle werden auf dem GaAs-Substrat 1 für epitaktisches
Wachstum aufeinanderfolgend Schichten hergestellt, die die obere
Zelle mit einer Bandlücke
von ungefähr
1,7 bis ungefähr
2,1 eV bilden sollen.
-
Dann
werden auf der oberen Zelle T aufeinanderfolgend Schichten hergestellt,
die die mittlere Zelle M mit einer Bandlücke von ungefähr 1,3 bis
ungefähr
1,6 eV bilden sollen. Ferner werden auf der mittleren Zelle M aufeinanderfolgend
Schichten hergestellt, die die untere Zelle B mit einer Bandlücke von
ungefähr
0,9 bis 1,1 eV bilden sollen.
-
Auf
diese Weise werden bei der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
als Erstes diejenigen Schichten hergestellt, die die obere Zelle
T bilden sollen, und als Letztes diejenigen, die die untere Zelle
B bilden sollen.
-
Daher
hat selbst dann, wenn für
die untere Zelle B ein Material mit größerer Bandlücke (ungefähr 0,9 bis ungefähr 1,1 eV)
als der bei einem herkömmlichen
Material (ungefähr
0,7 eV) verwendet wird, die Qualität der unteren Zelle B keinen
Einfluss auf die mittlere Zelle M und die obere Zelle T, und es kann
der Wandlungswirkungsgrad der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie verbessert
werden. Dies wird nachfolgend detailliert beschrieben.
-
Beim
herkömmlichen
Herstellverfahren für eine
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie werden auf einem Ge(oder GaAs)-Substrat
für epitaktisches Wachstum
als erste Schichten hergestellt, die die untere Zelle bilden sollen,
und später
werden Schichten hergestellt, die die obere Zelle bilden sollen.
-
Hierbei
ergeben sich, wenn InGaP mit relativ großer Bandlücke (ungefähr 0,9 bis ungefähr 1,1 eV) als
Material für
die untere Zelle aufgebracht wird, Fehlanpassungsversetzungen in
der InGaP-Schicht, da die Gitterkonstante des Substrats aus Ge oder GaAs
verschieden von der von InGaP ist.
-
Wenn
InGaAsN als untere Zelle aufgebracht wird, werden in diesem Defekte
aufgrund von N-Atomen erzeugt.
-
Derartige
Defekte oder Fehlanpassungsversetzunge, wie sie in der unteren Zelle
erzeugt werden, beeinflussen die GaAs-Schicht, die für die mittlere Zelle epitaktisch
auf die untere Zelle aufgewachsen wird, und auch die InGaP-Schicht,
die die obere Zelle bilden soll. Demgemäß ist die Qualität der mittleren
und der oberen Zelle beeinträchtigt,
was es erschwert, den Wandlungswirkungsgrad der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
zu verbessern.
-
Demgegenüber werden
bei der oben beschriebenen Verbindungs halbleiter-Solarbatterie Schichten,
die die obere Zelle bilden sollen, und solche, die die mittlere
Zelle bilden sollen, aufeinanderfolgend auf die Oberfläche des
GaAs-Substrats 1 aufgewachsen, und als Letztes werden diejenigen Schichten
hergestellt, die die untere Zelle bilden sollen.
-
Hierbei
unterscheidet sich die Gitterkonstante des InGaAs, das die untere
Zeile bilden soll, von der des GaAs der mittleren Zelle. Daher ist
die Qualität
der auf der mittleren Zelle hergestellten unteren Zelle vergleichbar
mit der bei einer herkömmlichen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie.
-
Andererseits
stimmen die Gitterkonstante des InGaP, das die obere Zelle bilden
soll, und diejenige des GaAs, das die mittlere Zelle bilden soll,
mit derjenigen des GaAs-Substrats für epitaktisches Wachstum überein.
Daher werden in der InGaP-Schicht und der GaAs-Schicht, die aufeinanderfolgend
epitaktisch auf das GaAs-Substrat 1 aufgewachsen werden,
keine Versetzungen oder Defekte erzeugt.
-
Genauer
gesagt, hat bei der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
selbst dann, wenn die Qualität
der unteren Zelle B vergleichbar mit derjenigen der unteren Zelle
einer herkömmlichen
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie ist, eine Beeinträchtigung
der Qualität
der unteren Zelle keinen Einfluss auf die mittlere Zelle M oder
die obere Zelle T, da diese früher
hergestellt werden.
-
Im
Ergebnis wird selbst dann, wenn für die untere Zelle B ein Material
mit relativ hoher Bandlücke
wie InGaAs verwendet wird, die Qualität der mittleren Zelle und der
oberen Zelle nicht beeinträchtigt, und
es kann der Wandlungswirkungsgrad der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
verbessert werden.
-
Nachfolgend
wird eine Auswertung der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie beschrieben,
die durch einen Solarsimulator erfolgte. Die 19 zeigt die gemessene Strom-Spannungs-Charakteristik
(I-V-Kurve). Hierbei betrugen der Kurzschlussstrom 10,2 mA, die
Leerlaufspannung 2,49 V, der Füllfaktor
0,85 und der Wandlungswirkungsgrad 21,6 %.
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Aus
diesen Ergebnissen ergibt es sich, dass die oben beschriebene Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
eine höhere
Leerlaufspannung und einen höheren
Wandlungswirkungsgrad als die herkömmliche Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit zwei Übergängen, nämlich jeweils
einem in InGaAs und GaAs, die auf einem GaAs-Substrat ausgebildet
sind.
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Vierte Ausführungsform
-
Nun
wird eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß einer
vierten Ausführungsform
beschrieben. Hierbei wird ein anderes Beispiel einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit drei Übergängen mit
einer unteren, einer mittleren und einer oberen Zelle eines Zellenkörpers beschrieben.
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Als
Erstes wird das Herstellverfahren beschrieben. Auf ähnliche
Weise wie bei der ersten Ausführungsform
werden auf einem GaAs-Substrat 1 aufeinanderfolgend Schichten
hergestellt, die die obere Zelle bilden sollen, sowie solche, die
die mittlere Zelle bilden sollen, wie es in der 20 dargestellt ist.
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Auf
der InGaP-Schicht M4 der mittleren Zelle M werden eine p-GaAs-Schicht 6 und
eine n-GaAs-Schicht 8 aufeinanderfolgend als Tunnelübergang
hergestellt. Danach werden auf der GaAs-Schicht 8 Schichten
hergestellt, die die untere Zelle B bilden sollen.
-
Genauer
gesagt, werden ein ITO(Indiumzinnoxid)-Film 10, ein CdS
Film B11 und CuInSe2-Film B12 aufeinanderfolgend
hergestellt. Der ITO-Film 12 wird z.B. durch Sputtern hergestellt. Der
CdS-Film B11 und der CuInSe2-Film B12 werden z.B.
durch Dampfabscheidung hergestellt.
-
Auf
diese Weise wird der Zellenkörper
C einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie vom Typ mit drei Übergangen,
nämlich
mit der oberen Zelle T, der mittleren Zelle M und der unteren Zelle
B hergestellt.
-
Danach
wird auf einer Fläche
des Zellenkörpers
C (p-CuInSe2-Film
der unteren Zelle) ein vorgegebenes Resistmuster (nicht dargestellt)
zum Herstellen einer Rückseitenelektrode
hergestellt. Ein Mo-Film (nicht dargestellt) wird durch Dampfabscheidung
so aufgebracht, dass er das Resistmuster bedeckt.
-
Danach
werden das Resistmuster und der auf diesem vorhandene Mo-Film durch
ein Abhebeverfahren entfernt. Anschließend wird bei einer Temperatur
von ungefähr
400°C für 1 Minute
eine Wärmebehandlung
in einer Stickstoffatmosphäre
ausgeführt.
-
Danach
wird außer
im Bereich, in dem der Mo-Film ausgebildet ist, ein vorgegebenes
Resistmuster (nicht dargestellt) hergestellt. Ferner wird ein Resist
(nicht dargestellt) auf diejenige Seite des GaAs-Substrats 1 aufgetragen,
auf der der Zellenkörper
C nicht hergestellt ist.
-
Danach
wird durch elektrolytisches Plattieren auf dem Mo-Film eine Au-Plattierungsschicht (nicht
dargestellt) mit einer Dicke von ungefähr 30 μm hergestellt. Danach werden
das Resistmuster und der auf ihm vorhandene Au-Plattierungsfilm
durch ein Abhebeverfahren entfernt. Auf diese Weise wird auf dem
Zellenkörper
eine Rückseitenelektrode 9 durch Au-Plattierung
hergestellt, wie es in der 21 dargestellt
ist.
-
Anschließend wird
ein vorgegebenes Resistmuster 17 im Bereich, in dem die
Rückseitenelektrode 9 hergestellt
ist, so hergestellt, dass es diese bedeckt und die Oberfläche des
Zellenkörpers
C im Bereich freilegt, in dem die Rückseitenelektrode 9 nicht ausgebildet
ist, wie es in der 22 dargestellt
ist.
-
Unter
Verwendung dieses Resistmusters 17 als Maske wird ein vorgegebener Ätzvorgang
so ausgeführt,
dass der Teil des freilegten Zellenkörpers C freigelegt wird und
die AlAs-Schicht 3 als
Zwischenschicht freigelegt wird. Danach wird das Resistmuster 17 entfernt.
-
Danach
wird, wie es in der 23 dargestellt ist,
eine gitterförmige
Harzplatte 19 mit chemischer Beständigkeit durch eingefügtes Wachs 11 an
die Seite der Rückseitenelektrode 9 angeklebt.
Während die
Harzplatte 19 an der Rückseitenelektrode 9 anhaftet,
werden der Zellenkörper
C und die Rückseitenelektrode 9 in
eine Fluorwasserstoffsäure-Lösung eingetaucht,
wodurch die AlAs-Schicht 3 entfernt wird, wodurch der Zellenkörper C vom
GaAs-Substrat 1 getrennt wird. Auf diese Weise wird das GaAs-Substrat 1 abgetrennt
und die n-GaAs-Schicht der oberen Zelle des Zellenkörpers C
wird freigelegt.
-
Danach
wird auf der freigelegten Fläche
der GaAs-Schicht ein vorgegebenes Resistmuster zum Herstellen einer
Oberflächenelektrode
(nicht dargestellt) hergestellt. Anschließend wird der Zellenkörper C mit
dem hergestellten Resistmuster gemeinsam mit der Harzplatte 19 in
eine Vakuum-Dampfabscheidungsvorrichtung (nicht dargestellt) eingesetzt.
-
Durch
ein Widerstandserwärmungsverfahren
wird ein Au-Film (der 12 Gew.-% Ge enthält) mit einer Dicke von ungefähr 100 nm
so hergestellt, dass er das Harzmuster bedeckt. Anschließend werden durch
ein EB-Dampfabscheidungsverfahren eine Ni-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 20 nm
und eine Au-Schicht
mit einer Dicke von ungefähr
5.000 nm (beide nicht dargestellt) kontinuierlich hergestellt.
-
Danach
werden das Resistmuster und der Au-Film und dergleichen, wie auf
dem Resistmuster hergestellt, durch ein Abhebeverfahren entfernt.
Auf diese Weise wird die Oberflächenelektrode 15 hergestellt,
wie es in der 24 dargestellt
ist.
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Danach
wird unter Verwendung der Oberflächenelektrode 15 als
Maske ein Ätzvorgang
mit alkalischer Lösung
ausgeführt,
um die freigelegte GaAs-Schicht zu entfernen, so dass die AlInP-Schicht
freigelegt wird (siehe die 25).
-
Als
Nächstes
werden durch ein EB-Dampfabscheidungsverfahren ein TiO2-Film
mit einer Dicke von ungefähr
55 nm und ein MgF2-Film mit einer Dicke
von ungefähr
100 nm (beide nicht dargestellt) aufeinanderfolgend als Antireflexionsfilme
auf der Oberfläche
auf der Sonnenlicht-Eintrittsseite hergestellt. Danach wird durch
Entfernen des Wachses 11 unter Verwendung von z.B. Toluol
die Harzplatte 19 von der Rückseitenelektrode 9 getrennt,
wie es in der 25 dargestellt
ist.
-
Anschließend werden
durch Zerschneiden des freigelegten, linienförmigen Au-Plattierungsfilms 12 Verbindungshalbleiter-Solarbatterien
mit einer Größe von z.B.
10 mm × 10
mm hergestellt.
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Die 25 zeigt den Aufbau der
auf diese Weise hergestell ten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
im Schnitt. Wie es in der 25 dargestellt
ist, ist, im Vergleich zur Struktur der herkömmlichen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie,
bei der die untere Zelle auf einem vorgegebenen Substrat für epitaktisches
Wachstum hergestellt ist (siehe z.B. die 34 oder 35),
bei der vorliegenden Verbindungshalbleiter-Solarbatterie die Rückseitenelektrode 9 direkt
auf der unteren Zelle B des Zellenkörpers C hergestellt.
-
Ferner
ist die Oberflächenelektrode 15 auf der
Oberfläche
der oberen Zelle T des Zellenkörpers C
hergestellt. Die mittlere Zelle M ist zwischen der oberen Zelle
T und der unteren Zelle B hergestellt. So ist eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit drei Übergängen geschaffen,
die als Zellenkörper über die
untere Zelle B, die mittlere M und die obere Zelle T verfügt.
-
Insbesondere
verfügt
die untere Zelle B über den
CdS-Film B11 und den CuInSe2-Film B12, die durch
Dampfabscheidung hergestellt wurden, was von der oberen Zelle T
und der mittleren Zelle M verschieden ist, die durch epitaktische
Züchtung
hergestellt wurden.
-
Daher
verfügt
der Zellenkörper
C über
eine unter Zelle mit einem pn-Übergang
von CuInSe2 (I-III-VI-Verbindung) und CdS
(II-VI-Verbindung), eine mittlere Zelle M mit einem pn-Übergang
von GaAs (III-V-Verbindung) und eine obere Zelle T mit einer pn-Übergang
von InGaP (III-III-V-Verbindung).
-
Bei
der oben beschriebenen Solarbatterie werden auf dem GaAs-Substrat 1 für epitaktisches Wachstum
aufeinanderfolgend Schichten hergestellt, die die obere Zelle mit
einer Bandlücke
von ungefähr 1,7
bis ungefähr
2,1 eV bilden.
-
Auf
dieser oberen Zelle T werden aufeinanderfolgend Schich ten hergestellt,
die die mittlere Zelle M mit einer Bandlücke von ungefähr 1,3 bis
ungefähr
1,6 eV bilden sollen. Ferner werden auf dieser mittleren Zelle M
aufeinanderfolgend durch Sputtern und Dampfabscheidung, verschieden
von epitaktischem Wachstum, Schichten hergestellt, die die untere
Zelle B mit einer Bandlücke
von ungefähr
0,9 bis 1,1 eV bilden sollen.
-
Auf
diese Weise werden bei der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
als Erstes diejenigen Schichten hergestellt, die die obere Zelle
bilden sollen, und als Letztes werden diejenigen Schichten hergestellt,
die die untere Zelle bilden sollen. Daher hat selbst dann, wenn
für die
untere Zelle B ein Material mit größerer Bandlücke (ungefähr 0,9 bis ungefähr 1,1 eV)
als der eines herkömmlichen Materials
(ungefähr
0,7 eV) verwendet wird, die Qualität dieser unteren Zelle B keinerlei
Einfluss auf die mittlere Zelle M und die obere Zelle T, und es
kann der Wandlungswirkungsgrad der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
verbessert werden.
-
Ferner
können,
da die Qualität
der unteren Zelle B keinerlei Einfluss auf die obere Zelle T und
die mittlere Zelle M hat, die Schichten der unteren Zelle B durch
ein anderes Verfahren als das einer epitaktischen Züchtung hergestellt
werden.
-
Daher
kann als Material der Schichten, die die untere Zelle mit relativ
hoher Bandlücke
(0,9 eV bis 1,1 eV) bilden sollen, ein anderes Material als ein einkristallines
Material, wie ein polykristalliner CuInSe2-Film
B12, verwendet werden, und demgemäß können die Materialien für die Schichten
der unteren Zelle und die Herstellverfahren für diese aus mehr Möglichkeiten
ausgewählt
werden.
-
Fünfte Ausführungsform
-
Nun
wird eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Hierbei wird ein anderes Beispiel einer
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
mit zwei Übergängen beschrieben.
Als Erstes wird das Herstellverfahren beschrieben. Auf ähnliche
Weise wie bei der ersten Ausführungsform
werden auf einem GaAs-Substrat 1 Schichten
T1 bis T5 für
eine obere Zelle T sowie Schichten B13, B2, B3, B14 für eine untere
Zelle B aufeinanderfolgend hergestellt, wobei eine Zwischenschicht
(n-AlAs-Schicht 21)
eingefügt
wird, um einen Zellenkörper
C der genannten Solarbatterie mit der oberen Zelle T und der unteren Zelle
B zu bilden, wie es in der 26 dargestellt
ist.
-
Danach
wird auf ähnliche
Weise, wie es bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist,
auf dem Zellenkörper
C eine Rückseitenelektrode 9 aus
einem Au-Plattierungsfilm hergestellt, wie es in der 27 dargestellt ist. Anschließend wird
ein Filmmaterial 22 mit Erosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Wetterbeständigkeit,
wie ein Kapton(registrierte Handelsmarke)Band an die Rückseitenelektrode 9 angeklebt,
wie es in der 28 dargestellt ist.
Zum Schutz wird ein Wachs 11 auf das Filmmaterial 22 aufgetragen.
-
Dann
wird das GaAs-Substrat 1, auf dem der Zellenkörper C hergestellt
ist, für
ungefähr
5 Stunden z.B. in ein Lösungsgemisch
von Fluorwasserstoffsäure
und Wasser (HF:H2O = 1:10) eingetaucht,
damit die Zwischenschicht (n-AlAs-Schicht 21) mit einer
Dicke von ungefähr
5 bis 10 nm zwischen dem Zellenkörper
C und dem GaAs-Substrat 1 abgeätzt wird und der Zellenkörper C vom
GaAs-Substrat 1 (nicht dargestellt) getrennt wird, wie
es in der 29 dargestellt
ist. Die Oberfläche
des abgetrennten GaAs-Substrats 1 ist nicht geätzt, sondern
in spiegelglattem Zustand gehalten, und daher kann das Substrat
erneut als ein solches für
epitaktisches Wachstum verwendet werden.
-
Danach
wird, auf ähnliche
Weise wie bei der ersten Ausführungsform,
eine Oberflächenelektrode 15 auf
der Oberfläche
des Zellenkörpers
C hergestellt. Auf diese Weise wird eine Solarbatterie mit zwei Übergängen hergestellt,
wie sie in der 30 dargestellt
ist.
-
Bei
der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterie ist die
Rückseitenelektrode 9 auf
einem vorgegebenen Filmelement 22 ausgebildet, und auf
ihr ist direkt der Zellenkörper
C ausgebildet. Die Oberflächenelektrode 15 ist
auf dem Zellenkörper
C hergestellt. Die Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit dem Filmelement 22 und
dem Zellenkörper
C, die miteinander integriert sind, kann direkt als Solarbatterietafel
verwendet werden.
-
Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
wurde als Rückseitenelektrode 9 hauptsächlich eine
solche in Form eines Au-Plattierungsfilms mit einer Dicke von ungefähr 30 μm beschrieben.
Für die
Dicke der Rückseitenelektrode 9 besteht
jedoch keine Beschränkung
hierauf, vorausgesetzt, dass sie ausreichend dick ist, um den Zellenkörper C abzustützen. Daher
kann die Rückseitenelektrode 9 eine solche
Dicke aufweisen, die ein Verbiegen ermöglicht. Alternativ kann sie
eine Dicke aufweisen, die ein Verbiegen abhängig von ihrem Material ermöglicht. In
diesem Fall kann die Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit der
auf dem Zellenkörper
C hergestellten Rückseitenelektrode 9 frei
verbogen werden, und es ist der Freiheitsgrad bei der Formgebung
verbessert.
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Sechste Ausführungsform
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Nun
wird eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit einem Zellenkörper mit
einer Oberflächenelektrode
einer Polarität,
die auf einer Lichteintrittsseite ausgebildet ist, und einem transparenten, leitenden
Film auf der Rückseite,
der eine Rückseitenelektrode
der anderen Polarität
bilden soll, und mit einer anderen Zelle, die am transparenten,
leitenden Film befestigt ist, beschrieben.
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Bei
dieser Verbindungshalbleiter-Solarbatterie wird der Zellenkörper, oder
der oben genannte andere Zellenkörper,
aus einem einkristallinen Dünnfilm,
der epitaktisch gezüchtet
wurde, hergestellt. Da das für
das epitaktische Wachstum verwendete Substrat vollständig entfernt
wird, kann die Verbindungshalbleiter-Solarbatterie dünn gemacht
werden, und ihr Wirkungsgrad kann verbessert werden. Ferner kann
diese Verbindungshalbleiter-Solarbatterie nur schwer zerstört werden.
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Zwischen
dem Zellenkörper
aus dem epitaktisch gezüchteten
Einkristall-Dünnfilm
und dem anderen Zellenkörper,
der diesen hält,
ist der transparente, leitende Film ausgebildet, der die Rückseitenelektrode
bildet. Daher kann der elektrische Widerstand gegen die Epitaxieschicht
ausreichend gesenkt werden. Ferner kann, wenn das Haltematerial
selbst leitend ist, der elektrische Widerstand zwischen ihm und
der Epitaxieschicht weiter gesenkt werden.
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Bevorzugte
Materialien zum Herstellen des transparenten, leitenden Films verfügen über ein Transmissionsvermögen von
mindestens 70 % für Licht
mit einer Wellenlänge
von 850 nm oder länger sowie
einen Widerstand von höchstens
1 Ω·cm, und zu
derartigen Materialien gehören
ITO, In2O3, SnO2, ZnO, CdO, TiO2,
CdIn2O4, Cd2SnO4 und Zn2SnO4.
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Wie
bereits beschrieben, ist es zum Verbessern des Energieerzeugungswirkungsgrads
einer Verbindungshalbleiter-Solar batterie wirkungsvoll, mehrere
Solarbatterien (mehrere Übergänge) aus Materialien
mit verschiedenen Absorptionswellenlängen übereinander anzuordnen. Genauer
gesagt, ist es bevorzugt, dass im Zellenkörper der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
eine Zelle mit einer pn-Übergangsschicht
aus einem Material mit relativ hoher Bandlücke auf der Sonnenlicht-Eintrittsseite
vorhanden ist und eine Zelle mit einer pn-Übergangsschicht aus einem Material
mit relativ niedriger Bandlücke auf
der Rückseite
vorhanden ist, und dass derartige mehrere Zellen durch eine Tunnelübergangsschicht miteinander
verbunden sind.
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Ferner
ist es bevorzugt, dass bei einem anderen Zellenkörper, der über den transparenten, leitenden
Film angebracht ist, eine pn-Übergangsschicht
aus einem Material mit noch kleinerer Bandlücke als derjenigen der Zelle
des Zellenkörpers
vorhanden ist.
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Genauer
gesagt, ist es bevorzugt, dass im Zellenkörper eine Zelle mit einer pn-Übergangsschicht
aus einkristallinem (Al)InGa(As)P-Material (Bandlücke: 1,7
bis 2,1 eV) auf der Lichteintrittsseite vorhanden ist und eine Zelle
mit einer pn-Übergangsschicht
aus einkristallinem (Al)(In)GaAs(P)-Material (Bandlücke: 1,3
bis 1,6 eV) auf der Rückseite
vorhanden ist, und dass mehrere derartige Zellen durch einen Tunnelübergang
verbunden sind. Ferner ist es bevorzugt, dass in einem anderen Zellenkörper eine Zelle
mit einer pn-Übergangsschicht
aus einem einkristallinen InGaAs(P)-Material (Bandlücke: 0,7
bis 1,2 eV, bevorzugter 0,9 bis 1,1 eV) vorhanden ist.
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Als
oben genannter anderer Zellenkörper
ist eine Zelle mit einem GaAs aus einer I-III-VI-Verbindung, z.B.
einem CuInGaSeS-Material, bevorzugter. Die Bandlücke des Zellenkörpers beträgt bevorzugt 0,7
bis 1,2 eV, bevorzugter 0,9 bis 1,1 eV.
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Alternativ
ist es bevorzugt, dass im Zellenkörper eine Zelle mit einer pn-Übergangsschicht
aus einkristallinem (Al)InGa(As)P-Material (Bandlücke: 1,8
bis 2,1 eV) auf der Lichteintrittsseite vorhanden ist und eine Zelle
mit einer pn-Übergangsschicht
aus einkristallinem (Al)(In)GaAs(P)-Material (Bandlücke: 1,4
bis 1,6 eV) auf der Rückseite
vorhanden ist, und dass mehrere derartige Zellen durch einen Tunnelübergang
verbunden sind.
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Als
anderer oben genannter Zellenkörper
ist eine Si-Solarbatterie bevorzugt. Als Si-Solarbatterie ist eine
solche aus einkristallinem Si bevorzugter, da die Solarbatterie
selbst als Substrat dient und hohen Energiewandlungswirkungsgrad
erzielt.
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Beim
Verfahren zum Herstellen einer Verbindungshalbleiter-Solarbatterie mit
mehreren Übergängen werden,
wenn Schichten, die die Zelle bilden sollen, epitaktisch gezüchtet werden,
nachdem eine Zwischenschicht auf einem Halbleitersubstrat hergestellt
wurde, die Schichten ausgehend von derjenigen gezüchtet, die
auf der Lichteintrittsseite der Solarbatterie liegt, bis zur Schicht,
die auf der Rückseite liegt,
wobei die Richtung entgegengesetzt zu der beim herkömmlichen
Herstellverfahren ist, so dass die Oberfläche der Zelle, die unten liegen
soll, freiliegt.
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Danach
wird auf der Oberfläche
der freigelegten Schicht, ein transparenter, leitender Film, der die
Rückseitenelektrode
der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie bilden soll, hergestellt,
und am transparenten, leitenden Film wird ein anderer Zellenkörper mit
bestimmter Festigkeit angebracht. Danach wird das Halbleitersubstrat
für epitaktisches Wachstum
entfernt.
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Das
Halbleitersubstrat wird in der mittleren Schicht zwischen ihm und
dem Zellenkörper
abgetrennt. So kann es entfernt werden, ohne dass der Zellenkörper und
ein anderer Zellenkörper
beschädigt
werden. Wenn die Dicke des Verbindungshalbleiters 10 μm oder weniger
ist, ist seine Elastizität
verbessert und es ist schwieriger, ihn zu zerstören. Daher kann auf die oben
beschriebene Weise eine schwer zerstörbare Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
hergestellt werden.
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Ferner
wird das Halbleitersubstrat nicht dünn ausgebildet, sondern es
wird vollständig
entfernt, so dass eine Zerstörung
des Substrats durch eine Ungleichmäßigkeit der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
verhindert werden kann. Ferner kann, da das überflüssige Substrat entfernt wird,
das Gewicht der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gesenkt werden, und
es kann der Energieerzeugungswirkungsgrad verbessert werden.
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Wenn
die mittlere Schicht, die nach dem Entfernen des Halbleitersubstrats
verblieben ist, entfernt wird, wird die Oberfläche des Zellenkörpers freigelegt.
Durch Herstellen einer vorgegebenen Oberflächenelektrode oder dergleichen
auf der freigelegten Fläche
kann eine Verbindungshalbleiter-Solarbatterie vom Typ mit mehreren Übergängen erhalten
werden.
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Hinsichtlich
des Lösungsmittels,
das dazu verwendet wird, das Halbleitersubstrat vom Zellenkörper abzutrennen,
ist es bevorzugt, dass es ein solches ist, mit dem das Halbleitersubstrat
schnell entfernt werden kann, wobei der Lösungsvorgang an der Zwischenschicht
gestoppt wird und eine Auflösung des
Zellenkörpers
verhindert wird, weswegen ein Lösungsmittel
bevorzugt ist, bei dem die Löslichkeit
des Halbleitersubstrats höher
als die der Zwischenschicht ist. Genauer gesagt, ist ein Lösungsmittel
bevorzugt, bei dem die Löslichkeit
des Halbleitersubstrats höchstens
5 % derjenigen der Zwischenschicht beträgt, wobei 3 % bevorzugter sind.
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Wenn
als Material des Halbleitersubstrats GaAs, Ge oder dergleichen verwendet
wird, und wenn als Material der Zwischenschicht InGaP, AlInP, AlAs
oder dergleichen verwendet wird, ist eine saure Lösung konzentrierter
Chlorwasserstoffsäure
bevorzugt.
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Wenn
der oben genannte andere Zellenkörper
am transparenten, leitenden Film angebracht wird, sollte der elektrische
Widerstand im Verbindungsabschnitt ausreichend gesenkt werden. Daher wird
der transparente, leitende Film vorzugsweise auf einer Fläche der
anderen Zelle hergestellt, und er wird dann unter Einfügung eines
transparenten, leitenden Klebers an den transparenten, leitenden
Film auf dem Bauteil geklebt.
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Als
transparenter, leitender Kleber sollte ein solcher mit einem Transmissionsvermögen von
mindestens 70 % für
Licht einer Wellenlänge
von 850 nm oder länger
und mit einem Widerstand von 1 Ω·cm oder
weniger verwendet werden, und es ist ein Anstrich aus ITO, In2O3, SnO2,
ZnO, CdO, TiO2, CdIn2O4, Cd2SnO4 oder Zn2SnO4 geeignet.
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Nun
wird das Verfahren zum Herstellen der Verbindungshalbleiter-Solarbatterie
genauer beschrieben. Als Erstes werden auf ähnliche Weise, wie bei der
ersten Ausführungsform
beschrieben, auf der Oberfläche
eines GaAs-Substrats 1 Schichten C11 bis C15, die eine
obere Zelle C1 bilden sollen, die p-AlGaAs-Schicht 5 und
die n-InGaP-Schicht 7, die den Tunnelübergang bilden sollen, sowie
die Schichten C21 bis C24, die die untere Zelle C2 bilden sollen, aufeinanderfolgend
hergestellt, wobei eine Zwischenschicht (n-InGaP-Schicht 3)
eingefügt
wird, wie es in der 31 dargestellt
ist. Auf der Schicht C24 werden eine p-GaAs-Schicht 21 und
eine n-GaAs-Schicht 22,
die den Tunnelübergang
bilden sollen, hergestellt. Auf diese Weise wird ein Zellenkörper C mit
der oberen Zelle C1 und der unteren Zelle C2 hergestellt. Auf der
Oberfläche
der n-GaAs-Schicht 22 wird durch Sputtern ein transparenter,
leitender Film (ITO-Film 1) 33 (siehe die 33), der eine ohmsche n-Elektrode
bilden soll, hergestellt.
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Danach
werden die Schichten C31 bis C34, die eine Zelle bilden sollen,
aufeinanderfolgend auf einem InP-Substrat 30 hergestellt,
und es wird ein anderer Zellenkörper
Ca mit einer Zelle 3 hergestellt, wie es in der 32 dargestellt ist. Auf
einer Oberfläche
der n-InP-Schicht C34 der Zelle 3 wird durch Sputtern ein
transparenter, leitender Film (ITO-Film 2) 31 (siehe
die 33), der eine ohmsche
Elektrode bilden soll, hergestellt.
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Danach
wird auf den transparenten, leitenden Film 33 (ITO-Film 1)
und den transparenten, leitenden Film 31 (ITO-Film 2)
ein flüssiger
ITO-Anstrich aufgebracht, und die mit dem Anstrich versehenen Flächen werden
aneinander zum Anhaften gebracht. Im Anhaftungszustand erfolgt ein
Vorbrennen bei 200°C,
und danach ist der ITO-Anstrich getrocknet, und er wird für 60 Minuten
bei 400°C
gesintert, wodurch eine ITO-Anstrich-Sinterschicht 32 (siehe die 33) gebildet wird. Die transparenten,
leitenden Filme 31 und 33 sowie die ITO-Anstrich-Sinterschicht 32 bilden
die Rückseitenelektrode 9.
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Danach
wird das GaAs-Substrat 1 in eine alkalische Lösung eingetaucht,
um es zu ätzen,
wodurch es entfernt wird. Das GaAs-Substrat 1 mit einer Dicke
von 350 μm
ist nach ungefähr
300 Minuten vollständig
geätzt
und entfernt. Das Ätzen
stoppt an der Zwischenschicht (n-InGaP-Schicht 3).
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Danach
wird die Zwischenschicht (n-InGaP-Schicht 3) durch eine
saure Lösung
abgeätzt, wodurch
sie entfernt wird und die n-GaAs-Schicht C11, die eine n-Deckschicht
bildet, freigelegt ist. Danach wird, durch ähnliche Schritte, wie sie bei
der ersten Ausführungsform
beschrieben sind, auf der freigelegten Fläche der n-GaAs-Schicht C11
eine Oberflächenelektrode 15 hergestellt.
Unter Verwendung derselben als Maske wird ein Ätzvorgang mit einer alkalischen
Lösung
ausgeführt,
wodurch die freigelegte n-GaAs-Schicht C11 entfernt wird und die AlInP-Schicht
C12 freigelegt wird.
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Danach
wird ein vorgegebenes Resistmuster (nicht dargestellt) für einen
Mesa-Ätzvorgang
so hergestellt, dass es die Oberflächenelektrode 15 bedeckt.
Unter Verwendung dieses Resistmusters als Maske wird ein Ätzvorgang
mit einer alkalischen und einer sauren Lösung ausgeführt, so dass Epitaxieschichten
entfernt werden und der transparente, leitende Film 33 freigelegt
wird. Durch Ätzen
mit einer sauren Lösung
wird der freigelegte ITO-Film entfernt, und ferner werden durch
einen vorgegebenen Ätzvorgang
die InGaAsP-Schichten C32 und C31 entfernt, und das InP-Substrat 30 wird
freigelegt.
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Dann
wird auf der Rückseite
des InP-Substrats 30 durch Dampfabscheidung ein Au-Zn-Film
hergestellt, und durch Wärmebehandlung
für 1 Minute bei
400°C in
einer Stickstoffatmosphäre
wird eine ohmsche Elektrode 34 ausgebildet. Ferner können ein
TiO2-Film (mit einer Dicke von 55 nm) und
ein MgF2-Film (mit einer Dicke von 100 nm)
kontinuierlich als Antireflexionsfilm durch ein EB-Dampfabscheidungsverfahren
auf der Oberfläche
hergestellt werden.
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Durch
Spalten in Abschnitten des InP-Substrats 30, die durch
den Mesa-Ätzvorgang
freigelegt sind, werden z.B. 12 Verbindungshalbleiter-Solarbatterien
mit einer Größe von 10
mm × 10
mm hergestellt.
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Die 33 zeigt die Struktur der
so hergestellten Verbindungshalbleiter-Solarbatterie im Schnitt.
Wie es aus der 33 erkennbar
ist, ist ein Zellenkörper
C auf der Lichteintrittsseite ausgebildet, und ein anderer Zellenkörper Ca
ist auf der davon abgewandten Seite ausgebildet, wobei eine Rückseitenelektrode 9 aus
einem transparenten, leitenden Material eingefügt ist.
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Unter
Verwendung von Referenzsonnenlicht mit der Luftmasse (AM) 1,5 G
wurde die oben beschriebene Verbindungshalbleiter-Solarbatterie durch
einen Solarsimulator bewertet, und es wurden die Strom-Spannungs-Charakteristik
beim Bestrahlen, der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, der
Füllfaktor
und der Wandlungswirkungsgrad gemessen.
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Bei
den obigen Ausführungsformen
kann die Rückseitenelektrode 9 z.B.
durch Drucken oder Sprühen,
statt durch das oben beschriebene Plattierungsverfahren, hergestellt
werden.
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Wenn
angenommen wird, dass die Rückseitenelektrode
die oben beschriebene Form aufweist, beträgt eine bevorzugte Dicke derselben
ungefähr
2 bis ungefähr
500 μm.
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Bei
jeder der oben beschriebenen Verbindungshalbleiter-Solarbatterien
wird schließlich
das Substrat für
epitaktisches Wachstum entfernt, weswegen die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Zellenkörper und
der Wärmesenke
verbessert wird. Im Ergebnis kann ein Temperaturanstieg des Zellenkörpers der
Verbindungshalbleiter-Solarbatterie gering gehalten werden, Ferner
kann das entfernte Substrat für
epitaktisches Wachstum wiederverwendet werden, was eine Kostensenkung
ermöglicht.