JP2009182325A - 倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセルにおけるヘテロ接合サブセル - Google Patents
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Abstract
【課題】メタモルフィック層を含む多接合ソーラーセルを提供する。
【解決手段】上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを備えた倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセル及びその製造方法であって、半導体材料のエピタキシャル成長のための第１基板を準備し、第１バンドギャップを有する上部の第１ソーラーサブセルを基板上に形成し、第１バンドギャップより小さな第２バンドギャップを有する中間の第２ソーラーサブセルを第１ソーラーサブセルの上に形成し、第２バンドギャップより大きな第３バンドギャップを有するグレード付けされた中間層を第２サブセル上に形成し、そして第２バンドギャップより小さな第４バンドギャップを有する下部の第３ソーラーサブセルをグレード付けされた中間層の上に形成し、この第３サブセルは、第２サブセルに対して格子不整合し、これらソーラーサブセルの少なくとも１つがヘテロ接合ベース／エミッタ層を有するようにする。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを備えた倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセル及びその製造方法であって、半導体材料のエピタキシャル成長のための第１基板を準備し、第１バンドギャップを有する上部の第１ソーラーサブセルを基板上に形成し、第１バンドギャップより小さな第２バンドギャップを有する中間の第２ソーラーサブセルを第１ソーラーサブセルの上に形成し、第２バンドギャップより大きな第３バンドギャップを有するグレード付けされた中間層を第２サブセル上に形成し、そして第２バンドギャップより小さな第４バンドギャップを有する下部の第３ソーラーサブセルをグレード付けされた中間層の上に形成し、この第３サブセルは、第２サブセルに対して格子不整合し、これらソーラーサブセルの少なくとも１つがヘテロ接合ベース／エミッタ層を有するようにする。
【選択図】図５Ａ
Description
本発明は、ソーラーセル半導体デバイスの分野に関し、より特定的には、メタモルフィック層を含む多接合ソーラーセルに係る。かかるデバイスは、倒置型（inverted）メタモルフィック多接合ソーラーセルとして知られたソーラーセルをも含む。
ソーラーセルとも称される光起電性（photovoltaic）セルは、過去数年間に利用可能となった最も重要な新エネルギー源の１つである。ソーラーセルの開発に相当の努力が注がれた。この結果、ソーラーセルは、現在、多数の商業的かつ消費者向け用途において使用されている。このエリアでは著しい進歩がなされたが、より精巧な用途のニーズを満たすためのソーラーセルに対する要件は、需要と歩調が合っていない。集光型地上電力システムのような用途、及び、データ通信に使用される衛星のような用途は、改善された電力及びエネルギー変換特性を伴うソーラーセルに対する需要を劇的に高めた。
衛星及び他の宇宙関連用途では、衛星電力システムのサイズ、質量及びコストが、使用されるソーラーセルの電力及びエネルギー変換効率に依存する。換言すれば、ペイロードのサイズ及び機載（on-board）サービスの利用性が、供給される電力の量に比例する。よって、ペイロードが精巧になるのに伴って、機載電力システムのための電力変換装置として機能するソーラーセルが益々重要になる。
ソーラーセルは、垂直の多接合構造により製造されることが多く、個々のソーラーセルが直列に一緒に接続されるように水平アレーにより配置される。アレーの形状及び構造は、アレイに含まれるセルの数と同様に、望ましい出力電圧及び電流によって部分的に決定される。
Ｍ.Ｗ.ワンレス等のLattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan. 3‐7, 2005, IEEE Press, 2005)に記載されたような倒置型メタモルフィックソーラーセル構造は、将来の商業的な高効率ソーラーセルを開発するための重要な概念的出発点をもたらす。かかる参照文献に記載された構造は、材料及び製造ステップの適切な選択に関連した多数の実際的な困難点をもたらす。
本発明がなされる前にあっては、従来技術に開示された材料及び製造ステップは、倒置型メタモルフィック多接合セル構造を用いた商業的に実現可能なエネルギー効率の高いソーラーセルを製造するのに充分なものではない。
一般的な用語を用いて簡潔に説明すると、本発明は、バンドギャップが０.８から１.２ｅＶの範囲にある底部のサブセルと、ベース及びエミッタ並びに１.２から１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記底部のサブセルの上に配置され該底部のサブセルに格子不整合された中間のサブセルと、ベース及びエミッタを有し、前記中間サブセルの上に配置され該中間サブセルに格子整合された上部サブセルと、を含み、前記中間のサブセル及び前記底部のサブセルにおけるベース−エミッタ接合のうちの少なくとも１つがヘテロ接合である、多接合ソーラーセルを提供するものである。
別の態様として、本発明は、ベース及びエミッタ並びに第１バンドギャップを有する上部の第１のソーラーサブセルと、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有し、ヘテロ接合ベース及びエミッタを有する、前記第１のソーラーサブセルに隣接した、中間の第２のソーラーサブセルと、前記第２のバンドギャップより大きい第３のバンドギャップを有し、前記第２のソーラーサブセルに隣接したグレード付けされた中間層と、該グレード付けされた中間層に隣接した下部のソーラーサブセルであって、前記第２のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有することにより前記第２のサブセルに対して格子不整合するようになった底部のソーラーサブセルと、を含む多接合ソーラーセルを提供するものである。
別の態様として、本発明は、ＩｎＧａＰ半導体材料のベース層及びエミッタ層を含む上部のサブセルと、ＧａＡｓ半導体材料のベース層及びＩｎＧａＰ半導体材料のエミッタ層を含む中間のサブセルと、ＩｎＧａＰにより構成されたエミッタ層及びＩｎＧａＡｓ半導体材料により構成されたベース層を含む底部のサブセルと、を含む光起電性（photovoltaic）のソーラーセルを提供するものである。
別の態様として、本発明は、第１のバンドギャップと第１の格子定数とを有する第１の半導体材料を含む第１のサブセルと、ヘテロ接合ベース及びエミッタと前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップと前記第１の格子定数より大きい第２の格子定数とを有する第２の半導体材料を含む第２のサブセルと、前記第１のサブセルと前記ｋに第２のサブセルとの間に配置され、前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に向かって段階的に変化する格子定数を有する格子定数遷移材料と、を含む多接合ソーラーセルを提供するものである。
別の態様として、本発明は、第１のバンドギャップと第１の格子定数とを有する第１の半導体材料を含む第１のサブセルを形成する段階と、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップと前記第１の格子定数より大きい第２の格子定数とを有する第２の半導体材料を含む第２のサブセルを形成する段階と、前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に配置され、前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に向かって段階的に変化する格子定数を有する格子定数遷移材料を形成する段階と、を含む方法を提供するものである。
別の態様として、本発明は、０.８〜１.２ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する底部のサブセルを形成する段階と、ベース及びエミッタと１.２〜１.６ｅＶの範囲にあるバンドギャップとを有し、前記底部のサブセルの上に配置され該底部のサブセルに格子不整合した中間のサブセルを形成する段階と、ベース及びエミッタを有し、前記中間のセルの上に配置され該中間のセルに格子整合した上部のサブセルを形成する段階と、を含み、前記中間サブセル及び前記上部サブセルにおけるベース−エミッタ接合のうちの少なくとも１つがヘテロ接合であることを特徴とする、多接合ソーラーセルを形成する方法を提供するものである。
別の態様として、本発明は、上部のサブセルと中間のサブセルと底部のサブセルとを含む多接合ソーラーセルを形成する方法であって、半導体材料のエピタキシャル成長のための第１の基板を準備する段階と、前記第１の基板の上に、ベース及びエミッタ並びに第１のバンドギャップを有する第１のソーラーサブセルを形成する段階と、前記第１のソーラーサブセルの上に、ベース及びエミッタ並びに前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有する第２のソーラーサブセルを形成する段階と、前記第２のバンドギャップより大きい第２のバンドギャップを有するグレード付けされた中間相を前記第２のサブセルの上に形成する段階と、前記第２のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有することにより前記第２のサブセルに対して格子不整合するようになった、ベース及びエミッタを有する第３のソーラーサブセルを、前記グレード付けされた中間層の上に形成する段階と、を含み、前記サブセルのうちの少なくとも１つがヘテロ接合ベース−エミッタ層であることを特徴とする方法、を提供するものである。
別の態様として、本発明は、光起電性ソーラーセルを形成する方法であって、ＩｎＧａＰ半導体材料のベース層及びエミッタ層を含む上部のセルを形成する段階と、ＧａＡｓ半導体材料のベース層とＩｎＧａＰ半導体材料のエミッタ層とを含む中間のセルを形成する段階と、ＩｎＧａＰにより構成されたエミッタ層とＩｎＧａＡｓ半導体材料により構成されたベース層とを含む底部のセルを形成する段階と、を含む方法を提供するものである。
別の態様として、本発明は、第１の基板を準備する段階と、該第１の基板の上に、少なくとも１つのヘテロ接合サブセルを形成するソーラーセルを形成する一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階と、前記一連の半導体材料の複数の層の上に代用基板を取り付ける段階と、前記第１の基板を除去する段階と、によりソーラーセルを製造する方法を提供するものである。
添付図面に関連付けて以下の詳細な説明を参照することにより、本発明をより良くかつ完全に理解することができよう。
以下、例示的な態様及びその実施の形態を含む本発明の詳細を説明する。添付図面及び以下の説明を参照するときには、同様の又は機能的に類似した構成要素を識別するために同様の参照番号が使用されており、これら同様の参照番号は、非常に簡略化した図式法により例示的な実施の形態の主要な特徴を示すことを意図したものである。さらに、添付図面は、実際の実施の形態の必ずしもすべての特徴を示すことを意図したものでもないし、描かれた構成要素の相対的な寸法を示すことを意図したものでもなく、また、正しい縮尺により示したものでもない。
倒置型メタモルフィック多接合（Inverted metamorphic multijunction；ＩＭＭ）ソーラーセルを製造する基本的概念は、ソーラーセルの複数のサブセルを、基板上に「逆」の順序により（in a "reverse" sequence）成長させることである。すなわち、高バンドギャップセル（すなわち、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有するサブセル）は、通常、太陽放射（solar radiation）に対向した「上部（top）」サブセルであるが、例えば、ＧａＡｓ又はＧｅといったような半導体成長基板の上にエピタキシャル成長され、したがって、かかるサブセルは、このような基板に対して格子整合させられる。次に、高バンドギャップサブセルの上に、１又はそれ以上の低バンドギャップの中間サブセル（すなわち、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有するサブセル）を成長させることができる。
中間サブセルの上に少なくとも１つの下部サブセルが形成され、少なくとも１つの下部サブセルが、成長基板に対して実質的に格子不整合されるようになっているとともに、少なくとも１つの下部サブセルが、第３の低バンドギャップ（すなわち、０.８から１.２ｅＶの範囲のバンドギャップ）を有するようになっている。代用（surrogate）基板又は支持構造体が「底部」又は実質的に格子不整合された下部サブセルの上に設けられ、その後、成長半導体基板が除去される（成長基板は、この後、第２及びそれ以降のソーラーセルの成長に再使用される）。
本発明は、一般的に、１又はそれ以上のヘテロ接合を組み込んだ倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセル（inverted metamorphic multijunction solar cell）及びその製造方法に向けられたものである。本発明の譲受人に譲渡されたファテミ等の米国特許第７,０７１,４０７号に示されているように、ソーラーセルの性能を向上させるためには、格子整合及び適切なバンドギャップの両方を備えた半導体材料を有することが重要である。本発明の１つの実施の形態では、生成される光電流及び太陽スペクトルのカバレージを増加させるために、高バンドギャップのヘテロ接合中間サブセルが用いられる。
従来のホモ接合中間サブセルを、高バンドギャップのヘテロ接合中間サブセルに置き換えることもまた、光により生成される光電流を増加させることに加えて、有益である。ファテミ等の米国特許第７,０７１,４０７号に示されているように、高バンドギャップのヘテロ接合は、暗飽和電流（dark saturated current）、すなわち、ゼロ照明のもとで形成される熱生成電荷キャリアを減少させる。
開回路電圧（open circuit voltage；Ｖoc）は、次の関係式により決定される。
ただし、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ｑは電子電荷であり、Ｊscは短絡電流密度であり、ｎはダイオードの理想ファクタ（ideality factor）であり、Ｊsatはダイオードの飽和電流密度である。換言すれば、高バンドギャップのヘテロ接合中間サブセルを使用することが、暗飽和電流を減少させ、この結果として、大きな開回路電圧（Ｖoc）が得られる。
高バンドギャップのヘテロ接合中間サブセルを有する三重接合ソーラーセル構造は、高い開回路電圧及び高い短絡電流を生ずる。換言すれば、高バンドギャップのエミッタヘテロ接合を使用することにより、日光（sunlight）又は光により生成される光電流（photogenerated photocurrent）が増加する。というのは、エミッタ領域に吸収可能な光子の量が、ベース領域における吸収に比べて比較的低いからである。よって、ヘテロ接合中間サブセルを使用することによる別の効果は、高バンドギャップ半導体材料を有するエミッタが、サブバンドギャップの日光をベース領域に対してより効率的に通過させることである。したがって、高バンドギャップのヘテロ接合中間サブセルは、光により生成された（photogenerated carrier）キャリアの高い平均収集確率（collection probability）をもたらすので、大きな短絡電流を生じさせる。
背景として、図１は、ある二成分（binary）材料のバンドギャップ及びそれらの格子定数を表現するグラフである。二成分材料のバンドギャップ及び格子定数は、典型的な関連した二成分材料の間に引かれた実線上に位置する（例えば、ＧａＡｌＡｓは、グラフ上のＧａＡｓポイントとＡｌＡｓポイントとの間にあり、バンドギャップは、ＧａＡｓに対する１.４２ｅＶと、ＡｌＡｓに対する２.１６ｅＶとの間において変化する）。よって、望ましいバンドギャップに基づいて、三成分（ternary）材料の材料成分を成長に対して適切に選択することができる。
半導体構造における複数の層の格子定数及び電気的性質は、好ましくは、適当なリアクタ成長温度及び時間を指定することにより、また、適当な組成及びドーパントを使用することにより、制御される。有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）のような蒸着方法、又は、倒置成長（reverse growth）のための他の蒸着方法を使用することにより、セルを形成するモノリシック半導体構造における層を、要求された厚さ、元素組成、ドーパント濃度、グレーディング（grading）、及び、導電型により成長させることができる。
図２は、基板の上に３つのサブセルＡ、Ｂ及びＣをエピタキシャル成長させた後における本発明に係る倒置型メタモルフィック多接合（ＩＭＭ）ソーラーセル構造を示す。上述した特許出願に説明されたＩＭＭソーラーセル構造の上述した実施の形態は、ホモ接合のサブセル、すなわち、ｐ−ＩｎＧａＰ／ｎ−ＩｎＧａＰ上部セル、ｎ−ＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓ中間セル、及び、ｎ−ＩｎＧａＡｓ／ｐ−ＩｎＧａＡｓ底部セルにより構成されたベース／エミッタ層を組み込むものであった。かかるソーラーセルにおいて行われた内部量子効率及びＶocデータ測定値の分析が、かかるサブセルがブルー応答（blue response）の改善及び暗電流（dark current）の減少から利益を得ることを示す。
ソーラーセルのブルー応答の低下は、エミッタにおける及び窓／エミッタ界面における再結合電流に関連する。上部サブセルより下のサブセルのエミッタバンドギャップ、すなわち、中間及び底部サブセルのエミッタバンドギャップが、上部セルのバンドギャップ以上である場合には、エミッタに吸収される放射は存在しない。下部のバンドギャップサブセルに当たる全ての放射は、下部のドープされた良好に収集するベース領域に吸収され、これにより、ブルー応答を最大化する。加えて、光学的吸収により発生される再結合電流は、下部サブセルエミッタ及びエミッタ／窓領域から不存在となる。電流収集の改善及び増加したＶoc値は、それが僅かだとしても、セルの性能を最適化する上で意義がある。
問題は、各サブセルからの短絡電流密度（Ｊsc）及び開回路電圧（Ｖoc）を最大化することである。エミッタにおいて及び窓／エミッタ界面において光学的に発生する再結合電流は、Ｊsc及びＶocの両方に否定的に影響を与える。この問題は、（１）大きなヴァランス(valance)バンドギャップオフセットで非常に低欠陥の窓／エミッタ界面を成長させ、（２）エミッタにドリフト電界を組み込んで少数キャリアを接合に駆動させることにより、解決することが多い。本発明は、光学的に発生される実質的に全ての少数キャリアがベース領域に生成されるので、窓／エミッタ界面及びエミッタの光学的性質をサブセル性能から排除する。
図２に示すソーラーセル構造を参照すると、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又は、他の適当な材料により構成することが可能な、基板１０１が示されている。Ｇｅ基板の場合には、図示しない核生成層が基板上に直接的に堆積させられる。基板の上に、又は、（Ｇｅ基板の場合は）核生成層の上に、バッファ層１０２及びエッチングストッパー層１０３がさらに堆積させられる。ＧａＡｓ基板の場合には、バッファ層１０２は、好ましくはＧａＡｓである。Ｇｅ基板の場合には、バッファ層１０２は、好ましくはＩｎＧａＡｓである。次に、ＧａＡｓのコンタクト層１０４が層１０３に堆積させられ、ＡｌＩｎＰの窓層１０５がコンタクト層の上に堆積させられる。次に、ｎ＋エミッタ層１０６及びｐ型ベース層１０７により構成されるサブセルＡが、窓層１０５にエピタキシャル堆積させられる。サブセルＡは、全体的に成長基板１０１に格子整合させられる。
多接合ソーラーセル構造は、格子定数及びバンドギャップ要件を受けるべき周期律表にリストされたIII族からＶ族の元素の適当な組み合わせによって形成することができる、ということに留意されたい。ここで、III族は、硼素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）及びタリウム（Ｔ）を含む。IV族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
好ましい実施の形態では、エミッタ層１０６は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成され、ベース層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成される。これら式におけるカッコ内のアルミニウムすなわちＡｌは、Ａｌが任意の（optional）成分であり、この場合、０％から３０％の範囲の量で使用されることを意味する。本発明に係るエミッタ層１０６及びベース層１０７のドーピングプロファイルは、後に図１６を参照して説明する。
サブセルＡは、以下に述べる本発明にかかる処理ステップが完了した後、最終的に、倒置型メタモルフィック構造の「上部」サブセルとなる。
ベース層１０７の上部には、背面フィールド（back surface field；ＢＳＦ）層１０８、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＩｎＰが堆積され、これを使用して再結合ロスが減少させられる。
ＢＳＦ層１０８は、再結合ロスの影響を最小化するためにベース／ＢＳＦ界面付近の領域から少数キャリアを駆動させる。換言すれば、ＢＳＦ層１０８は、ソーラーサブセルＡの背面における再結合ロスを減少させ、これにより、ベースにおける再結合を減少させる。
ＢＳＦ層１０８の上部には、高濃度によりドープされた一連のｐ型及びｎ型層１０９が堆積され、これは、サブセルＡをサブセルＢに接続するための回路素子であるトンネルダイオードを形成する。これらの層は、好ましくは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ及びｎ＋＋ＩｎＧａＰにより構成される。
トンネルダイオード層１０９の上部には、窓層１１０、好ましくは、ｎ＋ＩｎＡｌＰが堆積される。サブセルＢに使用される窓層１１０は、再結合ロスを減少させるようにも動作する。また、窓層１１０は、その下に横たわる接合のセル面の非活性化（passivation）を改善させる。本発明の範囲から逸脱することなく、付加的な層（１又は複数）を、セル構造に追加したりセル構造から除去したりできる、ということが当業者には明らかである。
窓層１１０の上部には、サブセルＢの層、すなわち、ｎ型エミッタ層１１１及びｐ型ベース層１１２が堆積される。これらの層は、好ましくは、各々、ＩｎＧａＰ及びＩｎ0.015ＧａＡｓにより構成されるか（Ｇｅ基板又は成長テンプレートの場合）、又は、ＩｎＧａＰ及びＧａＡｓにより構成される（ＧａＡｓ基板の場合）が、格子定数及びバンドギャップ要件に一致した他の適当な材料を使用することもできる。よって、サブセルＢは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域、及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域により構成することができる。本発明に係る層１１１及び１１２のドーピングプロファイルは、後に図１６を参照して説明する。
本発明の好ましい実施の形態では、中間サブセルのエミッタが、上部サブセルのエミッタのバンドギャップと等しいバンドギャップを有し、底部サブセルのエミッタが、中間サブセルのベースのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。したがって、ソーラーセルの製造、実装及び動作の後、中間サブセルＢのエミッタも底部サブセルＣのエミッタも、吸収可能な放射に露出されない。実質的に、放射は、エミッタより狭いバンドギャップを有するセルＢ及びＣのベースにおいて吸収される。よって、ヘテロ接合サブセルを使用することによる効果は、１）両サブセルに対する短い波長の応答が改善されること、２）エミッタ／窓界面における及びエミッタにおける再結合電流が減少すること、である。この結果、Ｊsc及びＶocが増加する。
セルＢの上部には、ＢＳＦ層１０９と同一の機能を実行するＢＳＦ層１１３が堆積させられる。層１０９と同様に、ＢＳＦ層１１３の上にも、サブセルＢをサブセルＣに接続するための回路素子を形成するｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード１１４が堆積させられる。これらの層１１４は、好ましくはｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ及びｎ＋＋ＩｎＧａＰにより構成される。
バリア層１１５、好ましくは、ｎ型ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成されたバリア層１１５が、トンネルダイオード１１４上に、約１．０ミクロンの厚さまで堆積させられる。かかるバリア層は、貫通転位(threading dislocation)が、中間サブセルＢ及び上部サブセルＣ内における成長方向とは逆に、又は、底部サブセルＡ内における成長方向に、伝播するのを防止することを意図したものであり、これは、２００７年９月２４日に出願された米国特許出願第１１／８６０,１８３号において具体的に説明されている。
バリア層１１５の上に、メタモルフィック層（又はグレード付けされた[graded]中間層）１１６が堆積させられる。この層１１６は、貫通転位の発生を最小化しつつサブセルＢからサブセルＣに向かって半導体構造における格子定数を徐々に遷移させるために、好ましくは格子定数を単調に変化させて組成的に段階的にグレード付けされた一連のＩｎＧａＡｌＡｓ層であるのが好ましい。層１１６のバンドギャップは、その厚さ全体にわたり一定で、好ましくは、約１.５ｅＶであるか、さもなければ、中間サブセルＢのバンドギャップより若干大きな値に一致する。グレード付けされた中間層の好ましい実施の形態は、中間層のバンドギャップが約１.５０ｅＶで一定のままとなるようにｘ及びｙが選択される（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡＳにより構成されるものとして表現することもできる。
ソーラーセルが２つのサブセルしかもたず、「中間」セルＢが最終的なソーラーセルにおいて最上部すなわち上部サブセルとなり、この「上部」サブセルＢが典型的に１.８から１.９ｅＶのバンドギャップを有するような別の実施の形態では、中間層のバンドギャップが１.９ｅＶで一定のままとなる。
上述したワンレス等の論文に説明された倒置型メタモルフィック構造では、メタモルフィック層が、９つの組成的にグレード付けされたＩｎＧａＰ段階により構成され、各段階層が０.２５ミクロンの厚さを有する。この結果、ワンレスの各層は、異なるバンドギャップを有する。本発明の好ましい実施の形態では、層１１６は、格子定数が単調に変化するＩｎＧａＡｌＡｓの複数の層により構成され、各層が約１.５ｅＶという同一のバンドギャップを有する。
ＩｎＧａＡｌＡｓのような一定バンドギャップ材料を使用することによる効果は、砒素に基づいた半導体材料が標準的なＭＯＣＶＤリアクタにおいて処理するのが非常に容易である一方、少量のアルミニウムがメタモルフィック層の放射透過性（radiation transparency）を保証することである。本発明の好ましい実施の形態は、製造性及び放射透過性の理由からメタモルフィック層１１６に対してＩｎＧａＡｌＡｓの複数の層を使用するが、本発明の他の実施の形態は、異なる材料系を使用して、サブセルＢからサブセルＣに向かって格子定数を変化させることができる。よって、組成的にグレード付けされた中間層ＩｎＧａＰを使用するワンレスのシステムは、本発明の第２実施の形態である。本発明の他の実施の形態は、段階的なグレード付けとは対照的な、連続的にグレード付けされた材料を使用することができる。さらに一般的には、グレード付けされた中間層は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成されることができるが、平面内（in-plane）格子パラメータが第２のソーラーセル以上であって、第３のソーラーセル以下であり、第２のソーラーセルのバンドギャップより大きいバンドギャップを有するという制約を受ける。
本発明の別の実施の形態では、ＩｎＧａＡｌＡｓメタモルフィック層１１６の上に任意の（optional）第２バリア層１１７を堆積させることができる。この第２バリア層１１７は、典型的に、バリア層１１５とは異なる組成を有し、貫通転位が伝播するのを防止するという本質的に同一の機能を遂行する。好ましい実施の形態では、バリア層１１７は、ｎ＋型のＧａＩｎＰである。
次いで、バリア層１１７の上に（又は第２バリア層が存在しない場合は層１１６の上に直接的に）、好ましくはｎ＋型のＧａＩｎＰより成る窓層１１８が堆積される。この窓層は、サブセル「Ｃ」における再結合ロスを減少するように動作する。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、付加的な層をセル構造に追加したり又はセル構造から削除したりできることが明らかである。
窓層１１８の上部には、セルＣの層、すなわち、ｎ型エミッタ層１１９及びｐ型ベース層１２０が堆積させられる。これらの層は、それぞれｎ型のＩｎＧａＡｓ及びｐ型のＩｎＧａＡｓにより構成されるか、又は、ヘテロ接合のサブセルの場合にはｎ型のＩｎＧａＰ及びｐ型のＩｎＧａＡｓにより構成されるが、格子定数及びバンドギャップ要件に一致する別の適当な材料を使用することもできる。層１１９及び１２０のドーピングプロファイルは、後に図１６を参照して説明する。
この後、ＢＳＦ層１２１、好ましくはＧａＩｎＡｓＰにより構成されるＢＳＦ層１２１が、セルＣの上部に堆積され、このＢＳＦ層はＢＳＦ層１０８及び１１３と同一の機能を遂行する。
最終的に、ＧａＩｎＡｓにより構成されるｐ＋＋コンタクト層１２２がＢＳＦ層１２１に堆積される。
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、付加的な層（１又は複数）を、セル構造に追加したりセル構造から削除したりできることが、明らかである。
図３は、ｐ＋半導体コンタクト層１２２の上に金属コンタクト層１２３を堆積させる次の処理ステップの後における図２のソーラーセルを示す断面図である。金属は、好ましくは、一連の金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕである。
図４は、金属層１２３の上に接着層１２４を堆積させる次の処理ステップの後における図３のソーラーセルを示す断面図である。接着剤は、好ましくは、ウェハボンド（ミズリー州ローラのブリューワーサイエンス社により製造される）である。
図５Ａは、代用（surrogate）基板１２５、好ましくは、サファイアを取り付ける次の処理ステップの後における図４のソーラーセルを示す断面図である。或いはまた、代用基板は、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、又は、他の適当な材料でもよい。代用基板は、約４０ミルの厚さを有し、直径約１ｍｍの穴が４ｍｍの間隔で開けられ、接着剤及び基板のその後の除去に役立つようにしてある。接着層１２４を使用することに代えて、適当な基板（例えば、ＧａＡｓ）を金属層１２３に共有結合してもよい。
図５Ｂは、元の基板を一連のラッピングにより除去する次の処理ステップ、及び／又は、基板１０１、バッファ層１０３及びエッチングストッパー層１０３を除去するエッチングステップの後における図５Ａのソーラーセルを示す断面図である。特定のエッチング剤の選択は成長基板に依存する。
図５Ｃは、代用基板１２５が図の下部に来る向きで図５Ｂのソーラーセルを示す断面図である。これ以降の図面は、このような向きを採用することにする。
図６は、図５Ｂのソーラーセルの簡単な断面図であって、代用基板１２５の上の上部層及び下部層の幾つかのみを示すものである。
図７は、エッチングストッパー層１０３をＨＣｌ／Ｈ2Ｏ溶液により除去する次の処理ステップの後における図６のソーラーセルを示す断面図である。
図８は、ホトレジストマスク（図示せず）をコンタクト層１０４の上に載せて格子線５０１を形成する次の一連の処理ステップの後における図７のソーラーセルを示す断面図である。格子線５０１は、蒸着され、リソグラフ的にパターン化され、コンタクト層１０４の上に堆積される。マスクが持ち上げられて剥がされ、金属格子線５０１を形成する。
図９は、クエン酸／過酸化物混合エッチング剤を使用し、格子線をマスクとして使用して、表面を窓層１０５までエッチングする次の処理ステップの後における図８のソーラーセルを示す断面図である。
図１０は、ソーラーセルが実装されるウェハを示す上面図である。４つのセルが示されているのは、例示のために過ぎず、本発明は、ウェハ当たりの特定のセル数に限定されるものではない。
各セルには、格子線５０１（図９の断面図に特に示されている）、相互接続バス線５０２、及び、コンタクトパッド５０３が存在する。格子線及びバス線の幾何学形状及び本数は、例示に過ぎず、本発明は、ここに示す実施の形態に限定されるものではない。
図１０Ｂは、図１０Ａに示された４つのソーラーセルをもつウェハの底面図である。
図１１は、格子線５０１を有するウェハの「底」側の全面にわたって反射防止（ＡＲＣ）誘電体被覆層１３０を施す次の処理ステップの後における図１１のソーラーセルを示す断面図である。
図１２は、燐化物及び砒化物エッチング剤を使用して、半導体構造体のチャンネル５１０又は一部を金属層１２３までエッチングして、周囲の境界を形成するととともに、ソーラーセルを構成するメサ構造体を残す、本発明による次の処理ステップの後における図１１のソーラーセルを示す断面図である。図１２に示す断面は、図１３に示すＡ−Ａ平面からみたものである。
図１３は、燐化物及び砒化物エッチング剤を使用して各セルの周囲にエッチングされたチャンネル５１０を示す図１２のウェハの上面図である。
図１４Ａは、研磨、ラッピング又はエッチングによって代用基板１２５を比較的薄い層１２５ａに適当に薄くする本発明の第１の実施の形態における次の処理ステップの後における図１２のソーラーセルを示す断面図である。
図１４Ｂは、カバーガラスを接着剤によりセルの上部に固定する本発明の第２の実施の形態における次の処理ステップの後における図１４Ａのソーラーセルを示す断面図である。
図１５は、カバーガラスをセルの上部に固定し、ソーラーセルの背面コンタクトを形成する金属コンタクト層１２３のみを残して代用基板１２５を完全に除去する本発明の第３実施の形態における次の処理ステップの後における図１４Ｂのソーラーセルを示す断面図である。代用基板は、その後のウェハ処理操作に再使用することができる。
図１６は、本発明の倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセルの１以上のサブセルにおけるエミッタ及びベース層のドーピングプロファイルを示すグラフである。本発明の範囲内の種々のドーピングプロファイル、及び、このようなドーピングプロファイルによる効果は、２００７年１２月１３日に出願された米国特許出願第１１／９５６，０６９号において詳細に説明されている。ここに示すドーピングプロファイルは、単なる例示に過ぎず、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、他のより複雑なプロファイルも使用できることが明らかである。
上述した要素の各々又は２つ以上を、上述した形式の構成とは異なる他の形式の構成に有用に適用できる、ということを理解されたい。
本発明の好ましい実施の形態は、３つのサブセルの垂直スタック（vertical stack）を使用したが、本発明は、それより少ない又は多いサブセル、すなわち、２つの接合セル、４つの接合セル、５つの接合セル、等を有するスタックにも適用することができる。４つ以上の接合セルの場合には、２以上のメタモルフィックグレード中間層を使用することもできる。
本発明に係る構造及び方法は、成長基板の導電型を適当に選択することにより、ｐ／ｎ構成若しくはｎ／ｐ構成又はこれら両方を形成するように適用することができるものである。成長基板が、セルにおけるｐ層及びｎ層シーケンスの構成に必要なものとは逆の導電型を有する場合には、本発明で例示したようにセル全体に適当なトンネルダイオードを使用することができる。
さらに、好ましい実施の形態は、上部及び底部の電気的コンタクトにより構成されているが、これに代えて、複数のサブセルが、これらのサブセルの間における横方向の導電性半導体に対する金属コンタクトによって、接触するようにしてもよい。このような構成は、３端子、４端子、及び、一般的にはｎ端子のデバイスを形成するのに使用することができる。複数のサブセルは、これらの付加的な端子を用いて回路内において相互接続することができるものであり、各サブセルにおいて利用可能な光発生電流密度（photogenerated current density）のほとんどは、様々なサブセルにおいて典型的には異なるにも関わらず、効果的に用いて多接合セルに対して高い効率を導くことができるものである。
上述したように、本発明は、１若しくはそれ以上の又は全てのホモ接合セル又はサブセル、すなわち、両方が、同一の化学的組成及び同一のバンドギャップを有し、ドーパント種（species）及びタイプのみにおいて相違する、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ−ｎ接合が形成されるようなセル又はサブセルと、１若しくはそれ以上のヘテロ接合セル又はサブセルと、の構成体を使用することができる。ｐ型及びｎ型のＩｎＧａＰを有するサブセルＡは、ホモ接合サブセルの１つの例である。或いはまた、２００８年１月に出願された他の米国特許出願において詳細に説明されているように、本発明は、１若しくはそれ以上の、又は、全てのヘテロ接合セル又はサブセル、すなわち、ｐ−ｎ接合を形成するｐ型及びｎ型領域に異なるドーパント種及びタイプを使用するのに加えて、ｎ型及びｐ型領域に異なる化学的組成の半導体材料を有し及び／又はｐ型領域に異なるバンドギャップエネルギーを有するｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ−ｎ接合が形成されるセル又はサブセルを使用することができる。
幾つかのセルにおいて、エミッタ層とベース層との間に、エミッタ又はベースのいずれかの層と同じ組成又は異なる組成を有する、薄いいわゆる「真性層（intrinsic layer）」を、配置することができる。この真性層は、空間電荷領域における少数キャリア再結合を抑制するように働く。同様に、ベース層及びエミッタ層のいずれかが、真性でもよいし、又は、その厚さの一部分又は全体にわたり、真性のもの、又は、意図的にドープされないドープされない（not-intentionally-doped；「ＮＤ」）ものとすることができる。
窓又はＢＳＦ層の組成は、格子定数及びバンドギャップ要件を受ける他の半導体組成を使用してもよく、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＡｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び、類似した材料を含むことができ、これは、依然として本発明の思想に包含されるものである。
倒置型メタモルフィック多接合ソーラーセルにおいて具体化されるものとして図面を参照して本発明を説明してきたが、本発明の思想から逸脱することなく様々な変更及び構造的な変更が可能であるので、本発明は、これまでに説明してきた詳細に限定されるものではない。
このように、主にソーラーセル又は光起電性デバイスに焦点を当てて本発明を説明してきたが、熱光電池（ＴＰＶ）セル、光検出器及び発光ダイオード（ＬＥＤ）のような他のオプトエレクトロニックデバイスが、ドーピング等を僅かに変化させるだけで、光起電性デバイスと構造的、物理的及び材料的に非常に良く似ているということは、当業者にっは明らかである。例えば、光検出器は、上述した光起電性デバイスと同様のIII-Ｖ材料及び構造から製造できるが、おそらく、発電量を最大化するのではなく光の感度のために、より低い濃度によりドープされた領域とされる。同様に、ＬＥＤも同様の構造及び材料で作られるが、おそらく、電力ではなく光を発生するための再結合時間、ひいては、放射線寿命を短縮するために、より濃い濃度によりドープされた領域とされる。よって、本発明は、同様の構造、材料及び組成物を有する光検出器及びＬＥＤ、光起電性電池について上述した関連製造物品及び改良にも、適用される。
さらなる分析を要することなく、以上の説明から、他の者が、現在の知識を適用することにより本発明の包括的な又は特定的な態様の本質的な特性を従来技術に鑑みて適当に構成する特徴を省略することなく様々な用途に容易に適応させることができるという本発明の骨子が充分に明らかとなっており、このように適応させたものは、添付した特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲内において理解されるべきものであり、そのように理解されることを意図したものである。
（１）本発明の第１の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１のバンドギャップを有する上部の第１のソーラーサブセルと、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有し、ヘテロ接合ベース及びエミッタを有する、該第１のソーラーサブセルに隣接した中間の第２のソーラーサブセルと、前記第２のバンドギャップより大きい第３のバンドギャップを有する、該第２のソーラーサブセルに隣接したグレード付けされた中間層と、前記グレード付けされた中間層に隣接した下部のソーラーサブセルであって、前記第２のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有することにより前記第２のサブセルに対して格子不整合されるようになった、下部のソーラーサブセルと、を具備することを特徴とするものである。
（２）本発明の第２の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が、その一方の面において前記中間のサブセルと格子整合し、その他方の面において前記底部のサブセルと格子整合するように、組成的にグレード付けされている、ことを特徴とするものである。
（３）本発明の第３の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が、前記中間のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記底部のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記中間のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、ことを特徴とするものである。
（４）本発明の第４の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡＳにより構成される、ことを特徴とするものである。
（５）本発明の第５の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部のサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成される、ことを特徴とするものである。
（６）本発明の第６の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記中間のサブセルが、ＩｎＧａＰエミッタ層と、ＧａＡｓ又はＩｎ0.015ＧａＡｓベース層と、により構成される、ことを特徴とするものである。
（７）本発明の第７の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記底部のソーラーサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース層と、該ベース層に格子整合したＩｎＧａＰエミッタ層と、により構成される、ことを特徴とするものである。
（８）本発明の第８の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記下部のサブセルが、０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記中間のサブセルが、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記上部のサブセルが、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合し、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する、ことを特徴とするものである。
（９）本発明の第９の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記下部のサブセルが、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉのグループから選択された基板の上に配置され、該基板に対して接着剤により接合される、ことを特徴とするものである。
（１０）本発明の第１０の態様に係る方法は、ソーラーセルを製造する方法であって、第１の基板を準備する段階と、前記第１の基板の上に、ヘテロ接合を形成する少なくとも１つのベース−エミッタ接合を含むソーラーセルを形成する一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階と、前記一連の複数の層の上に代用基板を取り付ける段階と、前記第１の基板を除去する段階と、を含むことを特徴とするものである。
（１１）本発明の第１１の態様に係る方法は、第１０の態様において、前記一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階が、第１のバンドギャップと第１の格子定数とを有する第１の半導体材料を含む第１のサブセルを形成する段階と、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップと前記第１の格子定数より大きい第２の格子定数とを有する第２の半導体材料を含む第２のサブセルを形成する段階と、前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に配置された、前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に向かって段階的に変化する格子定数を有する格子定数遷移材料を、形成する段階と、を含む、ことを特徴とするものである。
（１２）本発明の第１２の態様に係る方法は、第１１の態様において、前記遷移材料が、前記第１のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記第２のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記第２のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、ことを特徴とするものである。
（１３）本発明の第１３の態様に係る方法は、第１１の態様において、前記第１のサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域と、により構成され、前記第２のサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース領域及びエミッタ領域により構成される、ことを特徴とするものである。
（１４）本発明の第１４の態様に係る方法は、第１０の態様において、前記一連の半導体材料の複数の層が、０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有する底部のサブセルと、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記底部のサブセルの上に配置され該底部のサブセルと格子不整合した、中間のサブセルと、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合した、上部のサブセルと、を形成する、ことを特徴とするものである。
（２）本発明の第２の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が、その一方の面において前記中間のサブセルと格子整合し、その他方の面において前記底部のサブセルと格子整合するように、組成的にグレード付けされている、ことを特徴とするものである。
（３）本発明の第３の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が、前記中間のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記底部のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記中間のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、ことを特徴とするものである。
（４）本発明の第４の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記グレード付けされた中間層が（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡＳにより構成される、ことを特徴とするものである。
（５）本発明の第５の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記上部のサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成される、ことを特徴とするものである。
（６）本発明の第６の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記中間のサブセルが、ＩｎＧａＰエミッタ層と、ＧａＡｓ又はＩｎ0.015ＧａＡｓベース層と、により構成される、ことを特徴とするものである。
（７）本発明の第７の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記底部のソーラーサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース層と、該ベース層に格子整合したＩｎＧａＰエミッタ層と、により構成される、ことを特徴とするものである。
（８）本発明の第８の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記下部のサブセルが、０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記中間のサブセルが、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記上部のサブセルが、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合し、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する、ことを特徴とするものである。
（９）本発明の第９の態様に係る多接合ソーラーセルは、第１の態様において、前記下部のサブセルが、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉのグループから選択された基板の上に配置され、該基板に対して接着剤により接合される、ことを特徴とするものである。
（１０）本発明の第１０の態様に係る方法は、ソーラーセルを製造する方法であって、第１の基板を準備する段階と、前記第１の基板の上に、ヘテロ接合を形成する少なくとも１つのベース−エミッタ接合を含むソーラーセルを形成する一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階と、前記一連の複数の層の上に代用基板を取り付ける段階と、前記第１の基板を除去する段階と、を含むことを特徴とするものである。
（１１）本発明の第１１の態様に係る方法は、第１０の態様において、前記一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階が、第１のバンドギャップと第１の格子定数とを有する第１の半導体材料を含む第１のサブセルを形成する段階と、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップと前記第１の格子定数より大きい第２の格子定数とを有する第２の半導体材料を含む第２のサブセルを形成する段階と、前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に配置された、前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に向かって段階的に変化する格子定数を有する格子定数遷移材料を、形成する段階と、を含む、ことを特徴とするものである。
（１２）本発明の第１２の態様に係る方法は、第１１の態様において、前記遷移材料が、前記第１のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記第２のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記第２のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、ことを特徴とするものである。
（１３）本発明の第１３の態様に係る方法は、第１１の態様において、前記第１のサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域と、により構成され、前記第２のサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース領域及びエミッタ領域により構成される、ことを特徴とするものである。
（１４）本発明の第１４の態様に係る方法は、第１０の態様において、前記一連の半導体材料の複数の層が、０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有する底部のサブセルと、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記底部のサブセルの上に配置され該底部のサブセルと格子不整合した、中間のサブセルと、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合した、上部のサブセルと、を形成する、ことを特徴とするものである。
１０１：基板
１０２：バッファ層
１０３：エッチングストッパー層
１０４：コンタクト層
１０５：窓
１０６：ｎ＋エミッタ
１０７：ｐベース
１０８：ＢＳＦ
１０９：ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード
１１０：窓
１１１：ｎ＋エミッタ
１１２：ｐベース
１１３：ＢＳＦ
１１４：ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード
１１５：バッファ層
１１６：メタモルフィックバッファ層
１１７：バッファ層
１１８：窓
１１９：ｎ＋エミッタ
１２０：ｐベース
１２１：ＢＳＦ
１２２：ｐ＋コンタクト
１２４：接着剤
１２５：代用基板
１０２：バッファ層
１０３：エッチングストッパー層
１０４：コンタクト層
１０５：窓
１０６：ｎ＋エミッタ
１０７：ｐベース
１０８：ＢＳＦ
１０９：ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード
１１０：窓
１１１：ｎ＋エミッタ
１１２：ｐベース
１１３：ＢＳＦ
１１４：ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード
１１５：バッファ層
１１６：メタモルフィックバッファ層
１１７：バッファ層
１１８：窓
１１９：ｎ＋エミッタ
１２０：ｐベース
１２１：ＢＳＦ
１２２：ｐ＋コンタクト
１２４：接着剤
１２５：代用基板
Claims (14)
- 多接合ソーラーセルであって、
第１のバンドギャップを有する上部の第１のソーラーサブセルと、
前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有し、ヘテロ接合ベース及びエミッタを有する、該第１のソーラーサブセルに隣接した中間の第２のソーラーサブセルと、
前記第２のバンドギャップより大きい第３のバンドギャップを有する、該第２のソーラーサブセルに隣接したグレード付けされた中間層と、
前記グレード付けされた中間層に隣接した下部のソーラーサブセルであって、前記第２のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有することにより前記第２のサブセルに対して格子不整合されるようになった、下部のソーラーサブセルと、
を具備することを特徴とする多接合ソーラーセル。 - 前記グレード付けされた中間層が、その一方の面において前記中間のサブセルと格子整合し、その他方の面において前記底部のサブセルと格子整合するように、組成的にグレード付けされている、請求項１に記載の多接合ソーラーサブセル。
- 前記グレード付けされた中間層が、前記中間のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記底部のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記中間のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、請求項１に記載の多接合ソーラーサブセル。
- 前記グレード付けされた中間層が（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡＳにより構成される、請求項１に記載の多接合ソーラーサブセル。
- 前記上部のサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成される、請求項１に記載の多接合ソーラーサブセル。
- 前記中間のサブセルが、ＩｎＧａＰエミッタ層と、ＧａＡｓ又はＩｎ0.015ＧａＡｓベース層と、により構成される、請求項１に記載の多接合ソーラーサブセル。
- 前記底部のソーラーサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース層と、該ベース層に格子整合したＩｎＧａＰエミッタ層と、により構成される、請求項１に記載の多接合ソーラーセル。
- 前記下部のサブセルが、０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記中間のサブセルが、１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記上部のサブセルが、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合し、１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する、請求項１に記載の多接合ソーラーセル。 - 前記下部のサブセルが、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉのグループから選択された基板の上に配置され、該基板に対して接着剤により接合される、請求項１に記載の多接合ソーラーセル。
- ソーラーセルを製造する方法であって、
第１の基板を準備する段階と、
前記第１の基板の上に、ヘテロ接合を形成する少なくとも１つのベース−エミッタ接合を含むソーラーセルを形成する一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階と、
前記一連の複数の層の上に代用基板を取り付ける段階と、
前記第１の基板を除去する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記一連の半導体材料の複数の層を堆積させる段階が、
第１のバンドギャップと第１の格子定数とを有する第１の半導体材料を含む第１のサブセルを形成する段階と、
前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップと前記第１の格子定数より大きい第２の格子定数とを有する第２の半導体材料を含む第２のサブセルを形成する段階と、
前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に配置された、前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に向かって段階的に変化する格子定数を有する格子定数遷移材料を、形成する段階と、
を含む、請求項１０に記載の方法。 - 前記遷移材料が、前記第１のサブセルの面内格子パラメータ以上であって前記第２のサブセルの面内格子パラメータ以下である面内格子パラメータを有し、かつ、前記第２のサブセルのバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する、という制約を受けて、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂに基づいたIII-Ｖ化合物半導体のいずれかにより構成される、請求項１１に記載の方法。
- 前記第１のサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域と、により構成され、
前記第２のサブセルが、ＩｎＧａＡｓベース領域及びエミッタ領域により構成される、請求項１１に記載の方法。 - 前記一連の半導体材料の複数の層が、
０.８〜１.２ｅＶの範囲のバンドギャップを有する底部のサブセルと、
１.２〜１.６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記底部のサブセルの上に配置され該底部のサブセルと格子不整合した、中間のサブセルと、
１.８〜２.１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記中間のサブセルの上に配置され該中間のサブセルと格子整合した、上部のサブセルと、
を形成する、請求項１０に記載の方法。
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