JP2006216896A

JP2006216896A - 太陽電池の製造方法

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Publication number: JP2006216896A
Application number: JP2005030583A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Sekiguchi; 芳信関口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】太陽電池層を支持する支持体の選択の自由度を高める。
【解決手段】太陽電池の製造方法は、シード基板１の上に分離用構造体５０を形成する工程と、分離用構造体５０の上に化合物半導体で構成される太陽電池層２０を形成する工程と、太陽電池層２０が内側になるようにシード基板１に支持体９を結合して複合部材を形成する工程と、分離用構造体５０を利用して複合部材を分割することによりシード基板１から支持体９に太陽電池層２０を移設する工程とを含む。分離用構造体５０は、分離用構造体５０の内部、分離用構造体５０と太陽電池層２０との界面、及び、分離用構造体５０とシード基板１との界面、の少なくとも１つに歪みエネルギーを生じさせる層である。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池の製造方法に係り、特に、化合物半導体で構成される太陽電池層を有する太陽電池の製造方法に関する。

太陽電池は広い受光面積を必要とするため、安価に製造可能であることが望まれる。アモルファスシリコン太陽電池は、大面積のものが安価に製造されるが、単結晶シリコン太陽電池に比較して電力変換効率において劣っている。一方、ＧａＡｓなどのIII-V化合物半導体の太陽電池は電力変換効率が高いが、これに用いるIII-V族化合物半導体基板の価格は極めて高価である。例えば、ＧａＡｓ基板の価格は、シリコン（Ｓｉ）基板の１０倍以上である。更に、III-V族化合物半導体は、機械的な強度がシリコン基板よりも劣るため、これを補うために相応の厚さを必要とする。

そこで、ＧａＡｓに代わる基板材料として単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）基板が注目されている。単結晶Ｇｅは、格子定数がＧａＡｓに非常に近いため、Ｇｅ基板上に良質なＧａＡｓの形成が可能であり、単一元素結晶のためインゴットの成長が容易である。更に、機械的強度が強いために、ＧａＡｓ基板に比べて薄くできるなどの利点がある。

Ｇｅ基板上に高効率のIII-V族化合物太陽電池を構成した公知技術として、特許文献１には、Ｇｅ基板上にバンドギャップの異なる２セルを積層したタンデムセル構成が開示されている。
特開２００１−１０２６０８号公報

単結晶太陽電池の重量の大部分は、太陽電池層を支持する基板の重量が占めている。Ｓｉの比重はＧｅの半分以下であるので、Ｓｉ単結晶太陽電池は、Ｇｅ基板上に形成されたIII-Ｖ族化合物太陽電池より遥かに軽い。したがって、Ｓｉ単結晶太陽電池は、効率においては劣るものの、出力／重量比ではＧｅ基板上に形成されたIII-Ｖ族化合物太陽電池の２倍程度となるため、宇宙用太陽電池として利用されている。したがって、効率と重量が重視される宇宙用途等の特殊用途では、III-V族化合物太陽電池の一層の軽量化が求められている。

本発明は、上記の課題認識を基礎としてなされたものであり、例えば、太陽電池層を支持する支持体の選択の自由度を高めること、より好ましくは、更に、太陽電池を軽量化することを目的とする。

本発明は、太陽電池の製造方法に係り、前記製造方法は、シード基板の上に分離用構造体を形成する工程と、前記分離用構造体の上に化合物半導体で構成される太陽電池層を形成する工程と、前記太陽電池層が内側になるように前記シード基板に支持体を結合して複合部材を形成する工程と、前記分離用構造体を利用して前記複合部材を分割することにより前記シード基板から前記支持体に前記太陽電池層を移設する工程とを含む。ここで、前記分離用構造体は、前記分離用構造体の内部、前記分離用構造体と前記太陽電池層との界面、及び、前記分離用構造体と前記シード基板との界面、の少なくとも１つに歪みエネルギーを生じさせる層である。
本発明の好適な実施形態によれば、前記支持体は、シリコン、ガラス、セラミック、金属及びプラスチックからなるグループから選択される材料で構成されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記支持体は、シード基板よりも比重が小さい材料で構成されうる。
本発明の好適な実施形態によれば、前記分離用構造体は、格子定数及び／又は熱膨張係数が前記シード基板と異なる材料で構成された分離層を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記分離用構造体は、前記シード基板の上、又は前記シード基板の上に形成されら層の上に、ヘテロエピタキシャル成長によって形成された分離層を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記分離用構造体は、前記シード基板、前記太陽電池層及び前記分離層に対して選択的にエッチングされることが可能な材料で構成された分離補助層を含むことができ、前記製造方法は、前記複合部材の分割に先立って前記分離補助層の周辺部分をエッチングする工程を更に含むことができる。
本発明の好適な実施形態によれば、前記分離補助層は、他の層よりもＡｌを多く含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記分離補助層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）を満足する材料で構成されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記シード基板は、Ｇｅ基板又はＧａＡｓ基板を含みうる。

本発明によれば、太陽電池層を支持する支持体の選択の自由度を高めることができ、更に、軽量な支持体の選択により太陽電池を軽量化することができる。

以下、図１〜図８を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。

まず、図１に示す工程では、Ｇｅ基板又はＧａＡｓ基板等の単結晶構造を有するシード基板１の上に分離用構造体５０を形成する。分離用構造体５０は、シード基板１とは異なる格子定数を有する分離層３を含む。分離層３としては、例えば、ＡｌＡｓ層、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又は、ＩｎＧａＰからなるグループから選択される化合物半導体層が好適である。

分離用構造体５０は、例えば、シード基板１と分離層３との間にＧａＡｓ層等のバッファー層２を含んでもよい。分離用構造体５０は、例えば、分離層３の上にＡｌＡｓ層等の分離補助層４を含んでもよい。分離補助層４は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）を満足する材料で構成されることが好ましい。

次いで、図２に示す工程では、分離用構造体５０の上に太陽電池層２０を形成する。太陽電池層２０は、例えば、電極コンタクト層５、III-V族化合物半導体で構成されるトップセル（第１セル）層６、III-V族化合物半導体で構成されるボトムセル（第２セル）層７、コンタクト層８、金属電極（又は、裏面電極層）８ａを含んで構成されうる。ただし、このような構造以外にも、太陽電池層２０は、種々の構成を採りうる。

トップセル層６は、例えば、ｐ型ＩｎＧａＰとｎ型ＩｎＧａＰとのＰＮ接合で構成されうる。ボトムセル７は、例えば、ｐ型ＩｎＧａＡｓとｎ型ＩｎＧａＡｓとのｐｎ接合で構成されうる。

次いで、図３に示す工程では、太陽電池層２０が内側になるようにシード基板１を支持体９に結合させて複合部材１００を形成する。支持体９としては、例えば、Ｓｉ等の半導体基板、金属基板（例えば、Ａｌ、Ｃｕ、ステンレス基板）、絶縁性基板（例えば、ガラス、セラミック、プラスチック基板）、金属箔（例えば、ステンレス箔）、可撓性基板（例えば、プラスチック基板）が好適である。また、支持体９は、シード基板１よりも小さい重量で必要な特性（例えば、強度、柔軟性）を得ることができる材料で構成されること、或いは、シード基板１よりも比重が小さい材料で構成されることが好ましい。

ここで、分離用構造体５０は、分離用構造体５０の内部（例えば、分離層３の内部、分離層３とバッファー層２との界面、分離層３と分離補助層４との界面）、及び／又は、分離用構造体５０と太陽電池層２０との界面、及び／又は、分離用構造体５０とシード基板１との界面に、格子定数及び／又は熱膨張係数の不整合に起因する歪みエネルギーを集中的に生じさせる。

図４に示す工程は、分離用構造体５０が分離補助層４を含む場合に任意に実施されうる工程を示している。図４に示す工程では、分離補助層４の周辺部分（或いは、複合部材１００の側面に露出している部分）を他の層に対して選択的にエッチングして、分離補助層４の側面を複合部材１００の内側方向に後退させる。この工程の実施のためには、分離補助層４は、他の層、例えば、分離層３、太陽電池層２０、支持体１に対して選択的にエッチングされることが可能な材料で構成される必要がある。
図５に示す工程では、複合部材１００に対して、複合部材１００の分割を誘発するための力又はエネルギーを与えることにより、複合部材１００を分離用構造体５０の内部（例えば、分離層３の内部、分離層３とバッファー層２との界面、分離層３と分離補助層４との界面）、及び／又は、分離用構造体５０と太陽電池層２０との界面、及び／又は、分離用構造体５０とシード基板１との界面に、面方向に広がる亀裂を発生させ、複合部材１００を２つの部材に分割する。このような分割工程において、複合部材１００の分離用構造体５０又はその近傍に流体を打ち込むことによって分割を誘発することが好ましい。

この分割によって複合部材１００から分離されたシード基板１は、必要に応じて表面等を処理することにより、再利用することができる。これにより、太陽電池の製造コストを大幅に低減することができる。
以上の工程によって、シード基板１上に分離用構造体５０を介して形成された太陽電池２０がシード基板１から支持体９上に移設される。

次いで、図６に示す工程では、分割後の太陽電池層２０を処理して太陽電池を完成させる。具体的には、例えば、コンタクト層５の上にフォトリソグラフィー技術によって櫛型表面電極１０を形成し、該電極１０をマスクしてコンタクト層５をパタニングしてトップセル層６の一部を露出させる。パタニングされたコンタクト層（コンタクトパターン）５ａの間の領域は、光をトップセル層６に入射させるための窓６ａとして機能する。

次いで、全面に反射防止膜（表面保護膜）１１を形成する。これにより、支持体９上にタンデム太陽電池（例えば、２接合型太陽電池）を有する太陽電池２００が完成する。

本発明の好適な実施形態によれば、高効率の太陽電池層をシード基板に形成し、該太陽電池層を任意の支持体に移設することができる。例えば、太陽電池層をシリコン基板に移設すれば、宇宙用途のシリコン太陽電池と同程度の重量で、光電変換効率の高い太陽電池を得ることができる。また、太陽電池層をステンレス箔等の可撓性支持体に移設すれば、自由な曲面を持つ高効率太陽電池を形成できる。

以下、本発明の好適な実施例として２接合型太陽電池及びその製造方法を例示的に説明する。
まず、図１に示す工程では、シード基板として、厚さ約３５０μｍの（１００）５°オフＧｅ基板１を準備し、Ｇｅ基板１上に分離用構造体５０を形成する。

ここで、分離用構造体５０の形成では、まず、厚さ約０．０３μｍ、不純物密度約７．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のＧａＡｓバッファー層２を６００℃程度の低温でエピタキシャル成長させる。成長方法としては、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いることができ、III族原料ガスとしてはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）やトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等を、IV族の原料ガスとしてはアルシン（ＡｓＨ₃）等を使用することができる。また、ｎ型ドーパントガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）等を、ｐ型ドーパントガスとしてはジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）用を使用することができる。次いで、ＧａＡｓバッファー層２上に、厚さ約０．０１μｍのＩｎＧａＡｓ分離層３、及び、厚さ０．０２μｍのＡｌＡｓ分離補助層４を順に形成する。

次いで、図２に示す工程では、分離用構造体５０の上に太陽電池層２０を形成する。ここで、太陽電池層２０の形成においては、まず、分離補助層４の上に厚さ約０．３μｍのｐ＋型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓ電極コンタクト層５を形成する。

続いて、電極コンタクト層５の上に、Ｇｅ基板１と実質的に格子整合するＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなるトップセル（III-V族化合物半導体で構成される太陽電池）６を形成する。具体的には、（１）Ｓｉを２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3の密度でドープした厚さ約０．０３μｍのｎ+型Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ窓層６１、（２）Ｓｉを３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3の密度でドープした厚さ約０．０５μｍのｎ型エミッタ層６２、（３）Ｚｎを１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3の密度でドープした厚さ約１．０μｍのｐ型ベース層６３、（４）厚さ約０．１μｍのｐ＋型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ裏面電界層６４を、連続エピタキシャル成長させてトップセル６を形成することができる（図７）。
続いて、トップセル６の上にボトムセル（III-V族化合物半導体で構成される太陽電池）７を形成する。具体的には、（１）不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ+型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層７１、（２）厚さ約０．１μｍ、不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ＋型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓエミッタ層７２、（３）厚さ約１．０μｍ、不純物密度約２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓベース層７３、（４）厚さ約０．１μｍ、不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ+型ＩｎＧａＰ裏面電界層７４を、連続成長させてボトムセル７を形成することができる（図８）。

後続の分割工程（図５）による分割によって、トップセル６及びボトムセル７のうちトップセル６の方が太陽電池の表面（第１面）側に位置することになる。したがって、トップセル６は、ボトムセル７よりも禁制帯（バンドギャップ）幅が広い材料で構成される。

次に、ボトムセル７の上に、厚さ約０．３μｍのｐ+ＩｎＧａＡｓコンタクト層８をボトムセル７に連続してエピタキシャル成長させる。続いて、コンタクト層８の上にＴｉ／Ａｕ膜（二重膜）８ａをスパッタ法により順次形成する。

次いで、図３に示す工程では、太陽電池層２０の露出面（第２面；Ｔｉ／Ａｕ膜８ａのＡｕ膜）に支持体としてのステンレス箔９を結合させて複合部材１００を形成する。

次いで、図４に示す工程では、ＡｌＡｓ分離補助層４の周辺部分（或いは、複合部材１００の側面に露出している部分）を他の層に対して選択的にエッチングして、分離補助層４の側面を複合部材１００の内側方向に後退させる。具体的には、複合部材１００をフッ化水素酸溶液（ＨＦ溶液）に浸漬することにより、ＡｌＡｓ分離補助層４の周辺部分を選択的にエッチングして、ＡｌＡｓ分離補助層４の側面を複合部材１００の内側方向に後退させることができる。
次いで、図５に示す工程では、分離用構造体５０（ＩｎＧａＡｓ分離層３及びＡｌＡｓ分離補助層４）又はその近傍に加圧された流体（例えば、ウォータージェット）を吹き付けることにより、分離用構造体５０の内部、及び／又は、分離用構造体５０と太陽電池層２０との界面、及び／又は、分離用構造体５０とシード基板１との界面に、面方向に広がる亀裂を発生させ、複合部材１００を２つの部材に分割する。

次いで、図６に示す工程において、電極コンタクト層５の上に、フォトリソグラフィーによりＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕで構成される櫛型表面電極１０を形成し、該電極１０をマスクとしてコンタクト層５をパタニングしてｎ+ＡｌＩｎＰ窓６ａを形成する。その後、反射防止膜（表面保護層）１１を形成することにより、ステンレス箔９に移設された２接合型太陽電池２００が得られる。

このような多接合型太陽電池では、光入射面（第１面）側となる禁制帯幅の広いトップセル６によって、入射光の短波長側の成分を光電変換し、禁制帯幅の狭いボトムセル７によって、入射する光エネルギーの長波長側の成分を光電変換する。このように、トップセル６とボトムセル７とでそれぞれ波長域の異なる光成分を光電変換することによって光の利用効率を高めることができる。

ステンレス箔９は、裏面電極となるとともに、裏面に到達した入射光を反射するため、ボトムセル７の厚さを１／２程度にすることが可能になる。なお、非導電材料で支持体９を構成する場合には、電極８ａは、裏面電極として機能するように構成されうる。

上記実施例において、太陽電池の形成工程（図２、図７）で形成されるトップセル６は、例えば、Ｇｅ基板１と格子定数がほぼ等しいｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエミッタ層６２とｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐベース層６３を基本構成とし、このｐｎ接合の上部に、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐベース層６３より不純物密度のやや高いｐ＋型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの裏面電界層６４を有し、下部にはＡｌＩｎＰ窓層６１を有しうる。

また、太陽電池の形成工程（図２、図８）で形成されるボトムセル７は、Ｇｅ基板１と格子定数がほぼ等しいｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層７２とｐ型ＩｎＧａＡｓベース層７３を基本構成とし、このｐｎ接合の上部に、ＩｎＧａＡｓよりやや禁制帯幅が広くＧｅと格子定数がほぼ等しいｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ裏面電界層７４を有し、下部にはｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ窓層７１を有する。ｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ窓層７１は、トップセル６の直下に形成されているｐ＋型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ裏面電界層６４とトンネル接合を形成するために、それぞれの界面付近は不純物濃度を高濃度にされる。

上記実施例では、２接合型太陽電池について説明したが、更に、Ｇｅで構成されるｐｎ接合を加えて３接合太陽電池を形成することもできる。

また、シード基板として、Ｇｅ基板に替えてＧａＡｓ基板を使ってもよい。この場合、Ｇｅ基板上に形成する際に、ＧａＡｓ層に発生する結晶欠陥であるアンチフェーズドメインを回避するための工程が不必要となる。

シード基板の上に分離用構造体を形成する工程を模式的に示す図である。分離用構造体の上に太陽電池層を形成する工程を模式的に示す図である。分離用構造体及び太陽電池層が形成されたシード基板を支持体に結合して複合部材を形成する工程を模式的に示す図である。分離用構造体の分離補助層の周辺部を内側に後退させる工程を模式的に示す図である。分離用構造体を利用して複合部材を分割する工程を模式的に示す図である。分割工程後の太陽電池層を処理して太陽電池を完成させる工程を模式的に示す図である。太陽電池層中のトップセルの構造及び形成方法を模式的に示す図である。太陽電池層中のボトムセルの構造及び形成方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１：シード基板
２：バッファー層
３：分離層
４：分離補助層
５：電極コンタクト層
５ａ：
６：トップセル
６ａ：窓
７：ボトムセル
８：コンタクト層
８ａ：電極（又は、裏面電極層）
９：支持体
１０：櫛型電極
１１：反射防止膜（表面保護膜）
２０：太陽電池層
５０：分離用構造体
１００：複合部材
２００：太陽電池

Claims

太陽電池の製造方法であって、
シード基板の上に分離用構造体を形成する工程と、
前記分離用構造体の上に化合物半導体で構成される太陽電池層を形成する工程と、
前記太陽電池層が内側になるように前記シード基板に支持体を結合して複合部材を形成する工程と、
前記分離用構造体を利用して前記複合部材を分割することにより前記シード基板から前記支持体に前記太陽電池層を移設する工程と、
を含み、前記分離用構造体は、前記分離用構造体の内部、前記分離用構造体と前記太陽電池層との界面、及び、前記分離用構造体と前記シード基板との界面、の少なくとも１つに歪みエネルギーを生じさせる層である、
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
前記支持体は、シリコン、ガラス、セラミック、金属及びプラスチックからなるグループから選択される材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記支持体は、シード基板よりも比重が小さい材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
前記分離用構造体は、格子定数及び／又は熱膨張係数が前記シード基板と異なる材料で構成された分離層を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
前記分離用構造体は、前記シード基板の上、又は前記シード基板の上に形成されら層の上に、ヘテロエピタキシャル成長によって形成された分離層を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
前記分離用構造体は、前記シード基板、前記太陽電池層及び前記分離層に対して選択的にエッチングされることが可能な材料で構成された分離補助層を含み、
前記製造方法は、
前記複合部材の分割に先立って前記分離補助層の周辺部分をエッチングする工程を更に含む、
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
前記分離補助層は、他の層よりもＡｌを多く含んでいることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
前記分離補助層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）を満足する材料で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池の製造方法。
前記シード基板は、Ｇｅ基板又はＧａＡｓ基板を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。