JP2010532575A - Ｉｉｉ−ｖ化合物薄膜太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、基板とIII-V化合物薄膜太陽電池との間のエピタキシャル成長に犠牲層が含まれているエピタキシャル・リフトオフを利用する。基板の不在下においてIII-V化合物薄膜太陽電池を支持するために、基板から分離する前に、III-V化合物薄膜太陽電池の表面にバッキング層を適用する。III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離するために、犠牲層をエピタキシャル・リフトオフの一部として除去する。基板をIII-V化合物薄膜太陽電池から分離した後、この基板をその後別のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成に再利用してもよい。

Description

関連出願
本出願は、2007年7月3日に出願された米国仮出願第60/958,186号、および2008年4月17日に出願された米国仮出願第61/045,850号の優先権を主張するものであり、両出願ともそれらの全内容が参照により本明細書に組み入れられる。
政府支援の声明
本明細書に記載した研究の一部は、国立再生可能エネルギー研究所(National Renewable Energy Laboratory (NREL))によって支援された(契約番号NAT-7-77015-05)。米国政府は、本発明について特定の権利を持つ。
技術分野
本発明は、光発電素子に関する。特に、本発明は、III-V化合物利用型光発電素子、およびIII-V化合物利用型光発電素子の加工におけるエピタキシャル・リフトオフ方法論に関する。
背景
現在、III-V化合物利用型光発電素子は、基板上でエピタキシャル成長し、太陽電池として加工および配置される間もずっと基板に固定されたままである。多くの場合、基板は約150μmの厚みを有し得る。このような厚みを持つ基板を有することは、太陽電池にとって望ましくない因果関係をいくつか招き得る。
このような望ましくない因果関係の1つは重さである。厚い基板は、得られる太陽電池の総重量の大きな割合を占め得る。宇宙応用等の特定の応用において、選択する打ち上げロケットの発射性能を考えると、太陽電池の重さおよび大きさは重要であり得る。
別の望ましくない因果関係は熱伝導率の悪さである。基板は、太陽電池と、基板および太陽電池がその上に載置され得る放熱板との間の熱インピーダンスを上昇させる。熱インピーダンスの上昇により太陽電池内の接合部温度が高くなり、これによって太陽電池の効率が低下する。
別の望ましくない因果関係は環境影響である。基板は、太陽電池の機械的支持としての目的以外の役割がない。さらに、約150μmの基板厚みを得るために、典型的に、基板の一部を機械的または化学的に除去する必要があり、これはさらなる無駄になる。
別の望ましくない因果関係は、可撓性の欠如である。150μmの厚みの基板は硬く、つまり、太陽電池を曲がった表面上に載置したり、または簡易保存のために丸めたりできないことを意味する。
重量を減らし、熱伝導率を上げるために、太陽電池の基板は可能な限り薄いことが望ましいが、薄い基板も望ましくない問題を持ち得る。基板が薄すぎる場合、III-V化合物太陽電池はあまりにも脆弱で、扱いが非常に難しくなり得る。例えば、直径100mmであるが、厚みがわずか2〜10μmのガリウムヒ素(GaAs)の層は、非常に優しく扱ったとしても割れたり、壊れたりしがちである。この考慮は、特に、III-V化合物太陽電池の全ウエハに当てはまる。つまり、基板が薄ければ薄いほど、破壊および扱いによる損傷が原因となる収率の低下無しにIII-V化合物太陽電池の全ウエハを加工するのが難しくなる。
従って、加工プロセスにおいて除去可能かつ再利用可能な基板を利用するIII-V化合物薄膜太陽電池、およびIII-V化合物薄膜太陽電池の加工方法論が望ましい。
本発明は、基板のないIII-V化合物薄膜太陽電池の異なる構造、およびそれらの加工方法論を教示する。本明細書において教示する通り、1つ以上のIII-V化合物薄膜太陽電池を、基板上に形成した犠牲層上でエピタキシャル成長させる。そして、1つ以上のIII-V化合物薄膜太陽電池を、エピタキシャル・リフトオフ技術により基板から分離させる。基板の不在下でIII-V化合物薄膜太陽電池を支持するために、III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離またはリフトする前に、メタライズ層、ポリマー層、金属/ポリマー層をIII-V化合物薄膜太陽電池に適用する。III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離するために、犠牲層を除去する。メタライズ層、ポリマー層、金属/ポリマー層は、III-V化合物薄膜太陽電池が損傷することなく撓むことを可能にする。本明細書で教示する加工方法論は、III-V薄膜太陽電池の大規模な加工およびリフトオフのために特に有用である。つまり、本明細書で教示する加工方法論は、GaAsウエハとして利用可能な最も大きい直径である最大直径6インチの広面積ウエハをリフトオフするのに非常に適している。リフトオフは最大直径6インチのウエハに対して行われている。
本明細書で教示する加工方法論によれば、得られるIII-V化合物薄膜太陽電池の電流対バイアス(IV)特性と、従来の基板付きのIII-V化合物薄膜太陽電池の電流対バイアス(IV)特性との比較から、2つの太陽電池のIV特性間の差はあったとしてもほとんどないことが明らかになった。しかし、本明細書の教示に従って加工したIII-V化合物薄膜太陽電池は、有利なことに、基板付きの太陽電池に伴う望ましくない熱および重量の限界を被ることはなかった。さらに、基板をIII-V化合物薄膜太陽電池から分離した後、基板を別のIII-V化合物薄膜太陽電池の加工に再利用した。
一態様によれば、III-V化合物薄膜太陽電池の加工方法を提供する。本方法は基板を用意する工程を伴う。犠牲層を基板上に形成する。次に、単一の接合部を有するIII-V化合物薄膜太陽電池を犠牲層上に形成する。次に、バッキング層をIII-V化合物薄膜太陽電池上に形成する。バッキング層を形成したら、III-V化合物薄膜太陽電池と基板との間から犠牲層を除去して、III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離する。
本発明の一態様によれば、多接合III-V化合物薄膜太陽電池の形成方法を提供する。本方法は基板を用意する工程を伴う。犠牲層を基板上に形成する。第1のIII-V化合物太陽電池接合部を犠牲層上に形成する。第2のIII-V化合物太陽電池接合部を第1の太陽電池接合部上に形成する。次に、バッキング層を第2のIII-V化合物太陽電池接合部上に形成する。バッキング層を形成したら、第1の太陽電池接合部と基板との間から犠牲層を除去して、多接合III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離する。
別態様によれば、III-V化合物薄膜太陽電池の形成方法を提供する。本方法は、以前にIII-V化合物太陽電池の加工に使用した基板を用意する工程を伴う。犠牲層を基板上に形成する。III-V化合物薄膜太陽電池を犠牲層上に形成する。バッキング層をIII-V化合物薄膜太陽電池上に形成する。バッキング層を形成したら、III-V化合物薄膜太陽電池と基板との間から犠牲層を除去して、III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離する。
別態様によれば、複数のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成方法を開示する。本方法は基板を用意する工程、犠牲層を基板上に形成する工程、完全ウエハサイズのIII-V化合物太陽電池を犠牲層上に形成する工程、ならびにウエハサイズの太陽電池と基板との間から犠牲層を除去して、ウエハサイズのIII-V化合物太陽電池をウエハサイズ規模で基板から分離する工程を含む。
別態様では、フレキシブルIII-V化合物太陽電池の形成方法を開示する。本方法は、以前にIII-V化合物太陽電池を形成するために使用された基板を受ける工程、犠牲層を再利用基板上に形成する工程、ウエハサイズのフレキシブルIII-V化合物太陽電池を犠牲層上に形成する工程、バッキング層を太陽電池上に形成する工程、ならびに太陽電池と基板との間から犠牲層を除去して、ウエハサイズの太陽電池をウエハサイズ規模で基板から分離する工程を含む。
一態様によれば、多接合III-V化合物薄膜太陽電池の形成方法を開示する。本方法は、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池を第1の基板上に形成する工程、および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池を第2の基板上に形成する工程を含む。本方法は、第1の基板から第1のIII-V化合物薄膜太陽電池、または第2の基板から第2のIII-V化合物薄膜太陽電池のいずれかを、エピタキシャル・リフトオフにより除去する工程、第1および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池をウエハ接合して、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池を形成する工程、ならびに残った基板からウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池を、エピタキシャル・リフトオフにより除去する工程を含む。
別態様では、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を開示する。III-V化合物薄膜太陽電池は、活性層、および活性層上に形成されたバッキング層を含む。III-V化合物薄膜太陽電池は、最初は基板上に形成され、その後基板を除去して、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得る。
一態様では、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を開示する。III-V化合物薄膜太陽電池は、複数の活性層、および最も低いバンドギャップエネルギーレベルを有する活性層の表面上に形成されたバッキング層を含む。III-V化合物薄膜太陽電池を基板上に形成し、その後基板を除去して、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得る。
別態様では、基板の無い別のIII-V化合物薄膜太陽電池を開示する。III-V化合物薄膜太陽電池は、GaAs活性層、およびGaInP活性層を含む。III-V化合物薄膜太陽電池を基板上に形成し、その後基板を除去して、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得る。
一態様では、基板の無い別のIII-V化合物薄膜太陽電池を開示する。III-V化合物薄膜太陽電池は、GaInAs活性層、およびGaInAsP活性層を含む。III-V化合物薄膜太陽電池を基板上に形成し、その後基板を除去して、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得る。
別態様では、基板の無いウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池を開示する。III-V化合物薄膜太陽電池は、GaInAs活性層、GaInAsP活性層、GaAs活性層、AlGaInP活性層、GaInP活性層、AlGaInP活性層、およびバッキング層を含む。ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池を基板上に形成し、その後基板を除去して、基板の無いウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池を得る。
本発明の上記およびその他の特徴は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによりさらに十分に理解されよう。
本発明の教示による構造を有するIII-V化合物薄膜太陽電池の積層例の断面図である。 本発明の教示に従いウエハ上に形成されたIII-V化合物薄膜太陽電池のアレイ例の斜視図である。 本発明の教示に従い、エピタキシャル・リフトオフ(ELO)を使用してIII-V化合物薄膜太陽電池を加工するために取る工程を示すフローチャートである。 ELO前の、図1のIII-V薄膜太陽電池を示す。 ELO後、および本発明の教示によるその後の処理の後の、図1のIII-V薄膜太陽電池を示す。 本発明の教示による多接合III-V化合物薄膜太陽電池の一つの積層例の断面図である。 本発明の教示による多接合III-V化合物薄膜太陽電池の別の積層例の断面図である。 本発明の教示に従い、エピタキシャル・リフトオフ(ELO)を使用して多接合III-V化合物薄膜太陽電池を加工するために取る工程を示す例示のフローチャートである。 本発明の教示によるウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の別の積層例の断面図である。 本発明の教示によるウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の別の積層例の断面図である。 本発明の教示によるウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の別の積層例の断面図である。 本発明の教示によるウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の別の積層例の断面図である。 本明細書の教示に従って加工されたIII-V化合物薄膜太陽電池と、従来の基板付きのIII-V化合物太陽電池との電流対バイアス特性の比較をグラフ上で示すグラフである。 温度サイクル前後の、本明細書の教示に従って加工されたIII-V化合物薄膜太陽電池の電流対バイアス特性をグラフ上で示すグラフである。 反射防止膜がその上に形成された場合および無い場合の、本明細書の教示に従って加工されたIII-V化合物薄膜太陽電池の電流対バイアス特性をグラフ上で示すグラフである。
説明
本発明は、III-V化合物薄膜太陽電池、およびこのような太陽電池素子を加工するための方法論を開示する。本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池は、加工完了後には基板が無い。加工の間に、III-V化合物薄膜太陽電池を基板から分離させるエピタキシャル・リフトオフ法を使用する。III-V化合物薄膜太陽電池の活性層の表面上に形成されたメタライズ層、ポリマー層、または金属/ポリマー層が、基板の不在下において構造的な支持を提供する。得られるIII-V化合物薄膜太陽電池は、基板に支持された太陽電池素子(すなわち、従来の太陽電池)よりも薄く、軽く、および可撓性があり、III-V化合物薄膜太陽電池のより大きいサイズ、例えばウエハ規模のコンポーネントおよびウエハ規模のリフトオフを可能にする。さらに、光発電素子から分離した後、適切な磨き直し(repolishing)によって表面状態を復元して、別のIII-V化合物薄膜太陽電池の加工のために基板を再利用できる。
図1は、本発明により教示される例示のIII-V化合物薄膜太陽電池100を示す。III-V化合物薄膜太陽電池100は、活性層110A、活性層110Aの第1の表面上に形成されたバッキング層120を含む。III-V化合物薄膜太陽電池100は、さらに、メタライゼーション、反射防止膜、および以下に議論するような他の同様の機構を含んでいてもよい。III-V化合物薄膜太陽電池100を説明し易くするために、1層の活性層(すなわち、単一の接合部)を例示の目的で使用する。本明細書で教示するように、III-V化合物薄膜太陽電池およびその加工方法は、1層の活性層、2層の活性層、3層の活性層、4層の活性層、または任意の適切な数の活性層(すなわち、単接合および多接合III-V化合物薄膜太陽電池)を伴い得る。
本明細書で使用する「活性層」という用語は、発電のために太陽スペクトルの特定部分を使用する特定のバンドギャップエネルギー特性を有するIII-V化合物薄膜太陽電池の層または領域を指す。本明細書で使用する場合、多接合太陽電池素子中の活性層はそれぞれ異なるバンドギャップエネルギー特性を有する。
本明細書で使用する場合、参照符号110Aは、III-V化合物薄膜太陽電池の第1の活性層を総称的に指し、議論および描写する第1の活性層がそれぞれ同じ構造、同じドーピング、同じIII-V化合物組成、同じ性能、同じ厚み等を有することを暗示またははっきりと教示するものではない。
本明細書で使用する場合、参照符号110Bは、III-V化合物薄膜太陽電池の第2の活性層を総称的に指し、議論および描写する第2の活性層がそれぞれ同じ構造、同じドーピング、同じIII-V化合物組成、同じ性能、同じ厚み等を有することを暗示またははっきりと教示するものではない。
本明細書で使用する場合、参照符号110Cは、III-V化合物薄膜太陽電池の第3の活性層を総称的に指し、議論および描写する第3の活性層がそれぞれ同じ構造、同じドーピング、同じIII-V化合物組成、同じ性能、同じ厚み等を有することを暗示またははっきりと教示するものではない。
本明細書で使用する場合、参照符号110Dは、III-V化合物薄膜太陽電池の第4の活性層を総称的に指し、議論および描写する第4の活性層がそれぞれ同じ構造、同じドーピング、同じIII-V化合物組成、同じ性能、同じ厚み等を有することを暗示またははっきりと教示するものではない。
III-V化合物薄膜太陽電池100の第1の活性層110Aは、1つ以上のIII-V化合物で形成される。特定の態様では、第1の活性層110Aはガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムインジウムリン(GaInP)、ガリウムインジウムヒ素(GaInAs)、ガリウムインジウムヒ素リン(GaInAsP)、または他の任意の適切なIII-V化合物で形成される。III-V化合物薄膜太陽電池100は、1層を上回る活性層を有していてもよい。特定の態様では、活性層は複数の副層(sub-layers)を含んでいてもよい。
バッキング層120は、金属、ポリマー、または金属およびポリマーの複合体で形成され得る。バッキング層120は、エピタキシャル・リフトオフ(ELO)の間およびその後にIII-V化合物薄膜太陽電池100が基板400から分離された際に第1の活性層110Aを支持する。
基板400は、その上にIII-V化合物薄膜太陽電池100が形成される適切な格子構造を提供する土台の役割を果たす。図4Aは、基板400の一例を示している。基板400は、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)、ガリウムリン(GaP)、ガリウムアンチモン(GaSb)、または他の適切なIII-V化合物から形成され得る。本明細書で教示するように、基板400は、別のIII-V化合物薄膜太陽電池を形成するために再資源化および再利用され得る。
図2は、本発明により教示する方法論を用いてウエハ150上に形成されたIII-V薄膜太陽電池のアレイ110を示す。効率および節約のために、本明細書に開示するIII-V化合物薄膜太陽電池のアレイ110は、ウエハ150上に加工されることが多い。本発明により教示する方法論の利点の1つは、III-V化合物薄膜太陽電池のウエハ全体を、基板400からリフトして、さらに処理して、扱いによるIII-V化合物薄膜太陽電池の構造損傷のリスクを高めることなしにアレイ110を形成できることである。従って、III-V化合物薄膜太陽電池のアレイ110は、本明細書に開示するエピタキシャル・リフトオフプロセスの後に形成され得る。この例でも見とめられるように、本明細書の教示により加工されたIII-V化合物薄膜太陽電池は、基板400からリフトオフした後は可撓性を有する。
図3は、本発明の教示によるIII-V薄膜太陽電池の加工方法の一例のブロックフローチャートである。当業者は、加工方法論の一例を説明し易くするために、1つのIII-V薄膜太陽電池について議論することを承知するであろう。とはいえ、加工方法論は、１層以上の活性層を有し得るIII-V薄膜太陽電池にも同等に適用可能である。図3は、III-V化合物薄膜太陽電池100の加工における例示の段階を示す図4Aおよび4Bに関連して議論する。
本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池100の加工方法論は、用意した基板上にエピタキシャル層を成長させる工程を伴う。工程310では、基板400を用意する。基板400は、新しい基板であっても、または以前に1つ以上のIII-V化合物薄膜太陽電池を加工するために使用された基板であってもよい。つまり、以下に説明するように、基板400は、加工プロセスのある時点においてIII-V化合物薄膜太陽電池100から分離され、別のIII-V薄膜太陽電池を加工するために再資源化および再利用され得る。
工程320では、犠牲層420を基板400上に形成する。犠牲層420は、有機金属気相成長(MOCVD)方法論、分子線エピタキシー(MBE)方法論、またはエピタキシャル層を形成するのに適した任意の他の方法論を用いて基板400上に形成される。一部の態様では、犠牲層420は基板400に適合した格子である。別の態様では、擬似格子整合または不整合格子構造を組み入れてもよい。このような態様では、緩衝層を使用して、不整合格子構造を成長し易くしてもよい。犠牲層を緩衝層の上部に直接置いてもよく、これは、リフトオフプロセスにおいて緩衝層が基板と共に除去されることを可能にする。
犠牲層420は、エピタキシャル・リフトオフ(ELO)プロセス等のプロセスを使用して除去され得る材料で形成される。一部の態様では、犠牲層420は、n型またはp型ドープされたアルミニウムガリウムヒ素(例えば、AlxGa1-xAs、x>80%)で形成される。一部の態様では、犠牲層420は、n型またはp型ドープされたインジウムアルミニウムヒ素(例えば、In0.52Al0.48As)で形成される。一部の態様では、犠牲層420は、n型またはp型ドープされたアルミニウムヒ素アンチモン(例えば、AlAs0.5Sb0.5)、または任意の他の適切なIII-V化合物で形成される。一部の態様では、犠牲層420は、n型またはp型ドープされたアルミニウムリンアンチモン(例えば、AlPxSb1-x)、または任意の他の適切なIII-V化合物で形成される。犠牲層420は約10〜200nmの厚みを有し得る。
工程330では、第1の活性層110Aを犠牲層420上に形成する。一部の態様では、工程330を「N」回(ここで「N」は整数である)繰り返して、複数の活性層、または「N」の接合部もしくは活性層を有する多接合III-V化合物薄膜太陽電池を形成する。工程340では、バッキング層120を、最後に形成した活性層の、基板400の反対側にある表面上に形成する。これらの工程の結果は図4Aで見ることができる。
特定の態様では、バッキング層120は10〜50μmの厚みを有し、これは、支持を提供しながらいくらかの可撓性を可能にする。一部の態様では、バッキング層120はポリマーで形成される。ポリマー層に適した材料としては、ポリイミドおよびカプトンが挙げられるがこれらに限定されない。他の態様では、バッキング層120は金属で形成される。バッキング層120に適した材料としては、金、銅、アルミニウム、チタニウム、プラチナ、銀、タングステン、および他の合金が挙げられるがこれらに限定されない。当業者であれば、他の態様が可能であることを理解されよう。一部の態様では、バッキング層120は金属およびポリマーの複合体である。
工程350では、犠牲層420を、エピタキシャル・リフトオフにより第1の活性層110Aと基板400との間から除去して、III-V化合物薄膜太陽電池100を基板400から離す。これ以降の処理を行う前の、離されたIII-V化合物薄膜太陽電池100の積層を図1に示す。工程355では、基板400は処理されて、本明細書で教示する別のIII-V化合物薄膜太陽電池を加工するために再利用され得る。
工程360では、それ以降の処理のために、離されたIII-V化合物薄膜太陽電池100を反転し、加工物ホルダ450に載置する。つまり、バッキング層120が加工物ホルダ450の表面に隣接されて、活性層のそれ以降の処理を可能にする。図4Bは、加工物ホルダ450に載置されたIII-V化合物薄膜太陽電池100を示す。
工程380では、最後に追加された活性層、例えば、第1の活性層110Aを処理して、メタライズ導体140を形成する。工程380では、活性層をエッチングしてその部分を除去してもよい。工程390では、反射防止膜130(例えば、硫化亜鉛/フッ化マグネシウム膜、または他の適切な反射防止膜)を、バッキング層120の反対側にある、最後に追加された活性層の表面上に形成する。例えば、図4Bでは、反射防止膜130を、バッキング層120の反対側にある第1の活性層110Aの表面上に形成する。一部の態様では、ウエハプロービング、ウエハ接合、III-V化合物薄膜太陽電池の個別またはグループでのテスト、個々のIII-V化合物薄膜太陽電池を製造するためのウエハスライシング、個々のIII-V化合物薄膜太陽電池のパッケージング、多接合III-V化合物薄膜太陽電池の形成、およびその他の同様のプロセス等の追加の処理を行ってもよい。
本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池の1層以上の活性層は、1つ以上のIII-V化合物で形成され得る。特定の実施形態では、III-V化合物薄膜太陽電池は、ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムインジウムリン(GaInP)、ガリウムインジウムヒ素(GaInAs)、ガリウムインジウムヒ素リン(GaInAsP)、アルミニウムガリウムインジウムリン(AlGaInP)、インジウムリン(InP)、または任意の適切なIII-V化合物で形成される1層以上の活性層を有し得る。一部の態様では、第1の活性層110Aは、犠牲層420に適合した格子、基板400に適合した格子、または犠牲層420および基板400の両方に適合した格子である。一部の態様では、第1の活性層110Aは、有機金属気相成長(MOCVD)を使用して犠牲層420上に形成される。他の態様では、第1の活性層110Aは、分子線エピタキシー(MBE)を使用して犠牲層420上に形成される。
上述したように、本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池は、1層を上回る活性層を有し得る。つまり、本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池は、多接合III-V化合物薄膜太陽電池であり得る。本明細書に記載するように、多接合III-V化合物薄膜太陽電池の活性層(すなわち、接合部)はそれぞれ異なるバンドギャップエネルギー値を有する。図5、6および8A〜8Dは、基板が無く、本明細書の教示に従って形成された、いくつかの例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池の積層を示している。
図5は、本発明の教示に従って加工された多接合III-V化合物薄膜太陽電池101の一例を示す。例示の目的のために、多接合III-V化合物薄膜太陽電池101は、金属層の堆積および犠牲層420の除去の前のものを示す。このように、多接合III-V化合物薄膜太陽電池101は、本発明の教示によるさらなる処理の後には、金属バッキング層120、反射防止膜130、およびメタライズ導体140を含むことができる。
多接合薄膜太陽電池101は、第1の活性層110Aおよび第2の活性層110Bを含む。上述したように、多接合III-V化合物薄膜太陽電池101は、金属バッキング層120、反射防止膜130、およびメタライズ導体140を含むことができる。本発明の一態様においては、多接合薄膜太陽電池101の第1の活性層110Aは、約100nm〜3000nmの厚み、および約1.42eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムヒ素(GaAs)で形成され得る。本発明の一態様においては、多接合薄膜太陽電池101の第2の活性層110Bは、約50nm〜1500nmの厚み、および約1.85eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムインジウムリン(GaInP)で形成され得る。
例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池101は、犠牲層420上に形成され得る。多接合薄膜太陽電池101のための犠牲層420は、約1nm〜200nmの厚み、およびp型またはn型ドーピングのいずれかを有するアルミニウムガリウムヒ素(AlxGa1-xAs、x>80%)で形成され得る。犠牲層420は、基板400上に形成され得る。その上に多接合III-V化合物薄膜太陽電池101が形成され、その後除去される基板400は、GaAsであり得る。
図6は、本発明の教示に従って加工された別の例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池102を示す。例示の目的のために、多接合III-V化合物薄膜太陽電池102は、金属層の堆積および犠牲層420の除去の前のものを示す。このように、多接合III-V化合物薄膜太陽電池102は、本発明の教示によるそれ以降の処理の後には、金属バッキング層120、反射防止膜130、およびメタライズ導体140を含むことができる。
多接合薄膜太陽電池102は、第1の活性層110Aおよび第2の活性層110Bを含む。上述したように、多接合III-V化合物薄膜太陽電池102は、金属バッキング層120、反射防止膜130、およびメタライズ導体140を含むことができる。本発明の一態様においては、多接合III-V化合物薄膜太陽電池102の第1の活性層110Aは、約100nm〜5000nmの厚みを有するガリウムインジウムヒ素(GaInAs)で形成され得る。第1のGaInAs活性層110Aは、約0.75eVのバンドギャップエネルギーを有する。本発明の一態様においては、多接合III-V化合物薄膜太陽電池102の第2の活性層110Bは、第1の活性層110A上に、ガリウムインジウムヒ素リン(GaInAsP)で形成され得る。第2のGaInAsP活性層110Bは、約100nm〜5000nmの厚み、および約0.95〜1.00eVのバンドギャップエネルギーを有し得る。
例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池102は、犠牲層420上に形成され得る。本発明の一態様では、その上に多接合III-V化合物薄膜太陽電池102が形成される犠牲層420は、約1nm〜200nmの厚み、およびp型またはn型ドーピングのいずれかを有するインジウムアルミニウムヒ素(In0.52Al0.48As)であり得る。本発明の別の態様では、その上に例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池102が形成される犠牲層420は、約1nm〜200nmの厚み、およびp型またはn型ドーピングのいずれかを有するアルミニウムヒ素アンチモン(AlAs0.5Sb0.5)であり得る。犠牲層420は、基板400上に形成され得る。例示の多接合III-V化合物薄膜太陽電池102のための基板400は、インジウムリン(InP)であり得る。
多接合III-V化合物薄膜太陽電池102の第1の活性層110A、第2の活性層110B、犠牲層420、および基板400は、有機金属気相成長(MOCVD)、または分子線エピタキシー(MBE)を使用して形成され得る。
2層を上回る活性層を有する多接合III-V化合物薄膜太陽電池も、本発明の教示により可能であることが理解されよう。例えば、3および4層の活性層を有する多接合III-V化合物薄膜太陽電池が、本明細書で議論する教示に従って形成できる。一部の実施形態では、図3に関連して議論した工程に従い、複数の層を重ねて形成することができる。別の態様では、ウエハ接合を使用して、個別に形成された複数の多接合III-V化合物薄膜太陽電池を接合してもよく、例えば本発明の教示によれば、多接合III-V化合物薄膜太陽電池101および多接合III-V化合物薄膜太陽電池102をウエハ接合して、4層の活性層を有する多接合III-V化合物薄膜太陽電池を形成することができる。ウエハ接合の例を、図7に関連して議論する。
図7は、他の個別に形成された多接合III-V化合物薄膜太陽電池(例えば、図5および6に示す多接合III-V化合物薄膜太陽電池)から多接合III-V化合物薄膜太陽電池を形成することを示すブロックフローチャートである。図8A〜8Dは、図7のブロックフローチャートに従い形成したウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の例示の積層を示す。
工程710では、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池を形成する。第1のIII-V化合物薄膜太陽電池は、単接合太陽電池(例えば、III-V化合物薄膜太陽電池100)、または多接合太陽電池(例えば、多接合III-V薄膜太陽電池101もしくは多接合III-V薄膜太陽電池102)であり得る。当業者は、図1、5および6に関連して議論したものに加えて、その他のIII-V化合物薄膜太陽電池構造が可能であることを理解するであろう。第1のIII-V化合物薄膜太陽電池は、図3に示す工程310〜350に従い形成され得る。
ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池の最終的な積層配置に応じて、工程340は、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成の間で省略または迂回してもよい。工程340を省略または迂回する理由は、バッキング層120の形成が、以下の工程730で行うウエハ接合プロセスを妨げるからである。
同様に、ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池の最終的な積層配置に応じて、工程350は、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成の間で省略または迂回してもよい。犠牲層は、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池をウエハ接合した後に、工程742において除去され得る。
工程720では、第2のIII-V化合物薄膜太陽電池を形成する。第2のIII-V化合物薄膜太陽電池は、単接合太陽電池(例えば、III-V化合物薄膜太陽電池100)、または多接合太陽電池(例えば、多接合III-V化合物薄膜太陽電池101もしくは多接合III-V化合物薄膜太陽電池102)であり得る。当業者は、図1、5および6に関連して議論するものに加えて、その他のIII-V化合物薄膜太陽電池構造が可能であることを理解するであろう。第2のIII-V化合物薄膜太陽電池は、図3に示す工程310〜350に従い形成され得る。
ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池の最終的な積層配置に応じて、工程340は、第2のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成の間で省略または迂回してもよい。工程340を省略または迂回する理由は、バッキング層120の形成が、以下の工程730で行うウエハ接合プロセスを妨げるからである。
同様に、ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池の最終的な積層配置に応じて、工程350は、第2のIII-V化合物薄膜太陽電池の形成の間で省略または迂回してもよい。犠牲層は、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池をウエハ接合した後に、工程742において除去され得る。
当業者は、工程710および720を、並行的にまたは直列的に行うことができることを理解するであろう。
工程730では、第1および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池をウエハ接合して、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池103を形成する。一態様では、第1および第2のIII-V化合物薄膜太陽電池をウエハ接合して、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dを形成する。工程730において、または工程730の前に、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池または第2のIII-V化合物薄膜太陽電池のいずれかが、工程340においてバッキング層120の形成を、そして工程350において犠牲層420を除去するためのエピタキシャル・リフトオフプロセスを受けてもよい。今度は、バッキング層120を有するリフトオフしたIII-V化合物薄膜太陽電池を、基板400に固定された他方のIII-V薄膜太陽電池の活性層の表面にウエハ接合させる。
ウエハ接合は、一方のウエハを他方のウエハの上に置き、組み合わせた積層を高温(例えば、温度>300℃)かつ均一な高圧下で加熱することにより達成される直接ウエハ接合方法論を採用し得る。ウエハ接合方法論はまた、清浄および表面上の大きい粒子の除去等のウエハ表面処理も伴い得る。ウエハ接合には原子的に平坦な表面が必要である。表面の平滑化は、研磨または化学エッチングのいずれかにより達成できる。本発明の一部の態様では、接合する2つの表面の間に、接合層を採用する。一部の態様では、接合する2つの表面の間に、接合層を採用しない。
ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの一例を図8Aに示す。ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dは、第1の活性層110A、第2の活性層110B、第3の活性層110C、および第4の活性層110Dを含む。本発明の一態様では、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの第1の活性層110Aは、約100〜5000nmの厚み、および約0.75eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムインジウムヒ素(GaInAs)で形成される；ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの第2の活性層110Bは、約100〜3000nmの厚み、および約0.95〜1.00eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムインジウムヒ素リン(GaInAsP)で形成される；ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの第3の活性層110Cは、約100〜3000nmの厚み、および約1.42eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムヒ素(GaAs)で形成される；ならびにウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの第4の活性層110Dは、約100〜2000nmの厚み、および約1.85eVのバンドギャップエネルギーを有するガリウムインジウムリン(GaInP)で形成される。当業者は、上記のエピタキシャル積層が、例示にしかすぎず、図8Aに示すエピタキシャル積層が4層の活性層または接合部に限定されず、より少ない活性層または接合部、例えば、2または3層の活性層または接合部を含み得ることを理解するであろう。同様に、図8Aに示すエピタキシャル積層が4層の活性層または接合に限定されず、より多い活性層または接合部、例えば、5、6、7以上の活性層または接合部を含み得る。
ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの他の例を図8B〜8Dに示す。図8Bは、2層の活性層110Aおよび110Bを有するウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dを示す。図8Cは、3層の活性層110A、110B、および110Cを有するウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dを示す。図8Dは、5層の活性層110A、110B、110C、110D、および100Eを有するウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dを示す。上述したように、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dは、特定の枚数の活性層に限定されず、任意の特定のIII-V化合物積層または構造に限定されない。
一部の態様では、バッキング層120は、第1および第2のIII-V化合物太陽電池をウエハ接合した後に形成される。従って、一部の態様は、工程740を含む。工程740では、バッキング層120を、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの上に形成する。上述したように、バッキング層120はまた、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池の形成プロセスの初期に、例えば工程340において、第1のIII-V化合物薄膜太陽電池または第2のIII-V化合物薄膜太陽電池のいずれか(両方ではない)の上に形成されてもよい。バッキング層120の形成は、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの複数の活性層または接合部のうちで最も低いバンドギャップエネルギーを有する活性層または接合部の上で行う。バッキング層の形成が、工程730のウエハ接合の前、またはその一部として行われる場合、その上にバッキング層120が形成されたIII-V化合物薄膜太陽電池を、それが上に形成されている基板から、工程340のエピタキシャル・リフトオフプロセスによって離す。リフトオフされたIII-V化合物薄膜太陽電池は、他方のIII-V化合物薄膜太陽電池にウエハ接合される。
特定の態様では、バッキング層120は10〜50μmの厚みを有し、これは、支持を提供しながらいくらかの可撓性を許容する。一部の態様では、バッキング層120はポリマーで形成される。ポリマー層に適した材料としては、ポリイミドおよびカプトンが挙げられるがこれらに限定されない。他の態様では、バッキング層120は金属で形成される。バッキング層120に適した材料としては、金、銅、アルミニウム、チタニウム、プラチナ、銀、タングステン、および他の合金が挙げられるがこれらに限定されない。当業者であれば、他の態様が可能であることを理解されよう。一部の態様では、バッキング層120は金属およびポリマーの複合体である。
バッキング層120は、最も低いバンドギャップエネルギーレベルを有する活性層上に、めっき、蒸着、スパッタリング、スピンコーティング、またはスクリーン印刷により形成され得る。めっきは、電着(electrode deposition)または無電極沈着(electrode less deposition)のいずれかにより行われる。最も低いバンドギャップエネルギーレベルを有する選択された活性層上にバッキング層120を形成することは、反射を介して、覆っている層に完全には吸収されない光子をリサイクルすることで本発明の多接合III-V化合物薄膜太陽電池の効率を高める助けになる。さらに、バッキング層120は、本発明の多接合III-V化合物薄膜太陽電池の構造的支持、熱放散、および移動を提供する。
工程742では、残った1層以上の犠牲層を、工程350のように除去する。当業者は、一つの多接合III-V化合物薄膜太陽電池に対してELOを行わずにウエハ接合を行った場合、犠牲層が順番に除去されることを理解するであろう。第1の犠牲層を除去した後に、基板を除去した表面にバッキング層を適用し得る。
工程745では、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dを、それ以降の処理のために加工物ホルダに載置する。
工程750では、最も高いバンドギャップエネルギーを有する活性層の表面をメタライズして、少なくともメタライズ導体140を形成する。メタライズ導体140は、2つ以上のウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池を相互接続する母線であっても、または他の導体であってもよい。
工程760では、反射防止膜130を、ウエハ接合型多接合III-V化合物薄膜太陽電池100Dの最も高いバンドギャップエネルギーレベルを有する活性層の表面に適用する。
犠牲層420を除去した場合、第1の活性層110Aまたは複数の層(例えば、活性層110A〜110Dのいずれか)を、基板400から分離する。この犠牲層420のリフトオフおよび除去を、エピタキシャル・リフトオフ(ELO)と呼ぶ。特定の態様では、犠牲層420の除去は、エッチングにより行われる。このような態様では、基板400、犠牲層420、多様な活性層110A〜110D、およびバッキング支持層120を酸性エッチング溶液に浸漬して、犠牲層420を溶解することを伴い得る。酸性エッチング溶液の種類は、基板400、犠牲層420、活性層110A〜110D、およびバッキング層120で使用される材料に依存する。適切な酸性エッチング溶液の例は、50℃の約10〜25%のフッ化水素酸の溶液である。当業者は、他の適切なエッチング溶液および方法が可能であることを理解するであろう。
本発明の利点の一つは、ウエハ規模のエピタキシャル・リフトオフ(ELO)が可能なことである。バッキング層120は、個々のIII-V化合物薄膜太陽電池、および基板の無いIII-V薄膜太陽電池の完全または部分的ウエハを分離および扱うことができるような可撓性を提供する。本明細書に記載するエピタキシャル・リフトオフ方法論を使用して形成されるIII-V化合物薄膜太陽電池は、基板に固定された従来の太陽電池と同様の性能特性を有する。有利なことに、本明細書で教示するIII-V化合物薄膜太陽電池は、このような従来の基板に固定された太陽電池が持つ欠点を持たない。
図9は、本明細書に開示したエピタキシャル・リフトオフ法(ELO)を用いて製造した単接合ガリウムヒ素(GaAs)薄膜太陽電池と、従来の基板に固定された単接合ガリウムヒ素(GaAs)太陽電池との電流対バイアス(IV)曲線の比較をグラフ上で示す。グラフ1000は、本明細書の教示に従い形成した単接合GaAs薄膜太陽電池のIV特性をプロット1010で描く。同様に、グラフ1000は、基板に固定された単接合GaAs太陽電池のIV特性をプロット1020で描く。IVプロット1010とIVプロット1020との比較は、本明細書の教示に従い形成した単接合GaAs薄膜太陽電池のIV特性に劣化が無いことを示す。むしろ、本明細書の教示に従い形成した単接合GaAs薄膜太陽電池は、改善されたIV性能特性を示す。
本発明のELO法を用いて製造された太陽電池はまた、熱衝撃に対してかなり強い。これをテストするために、本発明で教示したELO法を用いて加工した太陽電池に、液体窒素(LN2)を用いて熱衝撃を与えた。
図10は、LN2サイクル前後の、本明細書の教示に従って形成したIII-V化合物薄膜太陽電池の測定されたIV性能特性をグラフ上で示す。プロット1120は、LN2サイクル前の、本明細書の教示に従い形成したIII-V化合物薄膜太陽電池の、測定したIV性能特性を描く。プロット1110は、LN2サイクル後の、本明細書の教示に従い形成したIII-V化合物薄膜太陽電池の、測定したIV性能特性を描く。前後のIV性能特性を検査したところ、IV曲線においては明らかな差は示さなかった。これは、本明細書の教示に従って形成したIII-V薄膜太陽電池が、熱衝撃に対して強靭で、損傷を受けないことを示唆する。
図11は、本明細書の教示に従って加工された単接合ガリウムインジウムリン(GaInP)薄膜太陽電池の電流対バイアス(IV)性能特性をグラフ上で示す。図11にグラフ上で示すIV性能特性は、反射防止膜130を有する単接合GaInP太陽電池の測定したIV性能特性を示す第1のプロット1210を含む。図11は、反射防止膜130のない単接合GaInP太陽電池の測定したIV性能特性を示す第2のプロット1220を含む。反射防止膜130を適用した後、以下の性能特性を測定した：すなわち、Voc=1.35V、Isc=11.7mA/cm2、FF=81%、および効率=13.0%。
様々なグラフに示すように、本明細書で開示するIII-V薄膜太陽電池の加工方法論は、一つのIII-V化合物に限定されず、むしろ多様なIII-V化合物と使用して、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を形成するのに非常に適している。
従って、本発明が教示するようにELO方法論を用いれば、従来方法を用いて作製される太陽電池に勝らずとも同等に機能し、かつ加工後もIII-V化合物薄膜太陽電池が基板に固定される必要のないIII-V化合物薄膜太陽電池を作製することが可能である。さらなる利点は、除去した基板を、別のIII-V化合物薄膜太陽電池を形成するために再利用できることである。本発明のELO法を使用することで、得られるIII-V化合物薄膜太陽電池は、従来の方法を用いて作製したものよりも軽く、無駄が無く、可撓性がある。
上記説明を考慮すれば、当業者には、本発明の様々な改変および代替的な態様が明らかであろう。
従って、本明細書は、例示のみであり、本発明を実施するための最良モードを当業者に教示する目的のためのものであると解釈されるべきである。構造の詳細は、本発明の精神から逸脱することなく実質的に変更してもよく、添付の請求の範囲内にある全ての改変の独占的な使用が留保される。本発明は、添付の請求の範囲および適用可能な法律により要求される程度までのみ限定されることを意図する。
また、以下の請求の範囲は、本明細書に記載した本発明の包括的および具体的な全ての特徴、ならびに言語上それに当てはまると言える本発明の範囲の全ての声明を網羅することが理解されよう。

Claims (20)

  1. 活性層；および
    該活性層上に形成されたバッキング層；
    を含む、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池であって、
    ここで、III-V化合物薄膜太陽電池が基板の上に形成され、その後、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得るために該基板が除去される、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池。
  2. 前記活性層がIII-V化合物で形成される、請求項１記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  3. 単接合III-V化合物薄膜太陽電池を含む、請求項１記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  4. 多接合III-V化合物薄膜太陽電池を含む、請求項１記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  5. 前記バッキング層とは反対側にある活性層の表面上に形成された表面グリッドメタライゼーション（surface grid metallization）；および
    前記バッキング層とは反対側にある活性層の表面上に形成された反射防止膜；
    をさらに含む、請求項１記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  6. 少なくとももう１層の活性層をさらに含む、請求項１記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  7. 複数の活性層；および
    最も低いバンドギャップエネルギーレベルを有する活性層の表面上に形成されたバッキング層；
    を含む、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池であって、
    ここで、III-V化合物薄膜太陽電池が基板の上に形成され、その後、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得るために該基板が除去される、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池。
  8. 前記複数の活性層の少なくとも２層が互いにウエハ接合されている、請求項７記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  9. GaAs活性層；および
    GaInP活性層；
    を含む、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池であって、
    ここで、III-V化合物薄膜太陽電池が基板の上に形成され、その後、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得るために該基板が除去される、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池。
  10. 前記GaAs活性層が約1.85eVのバンドギャップエネルギーを有する、請求項９記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  11. 前記GaInP活性層が約1.85eVのバンドギャップエネルギーを有する、請求項９記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  12. GaInAs活性層；および
    GaInAsP活性層；
    を含む、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池であって、
    ここで、III-V化合物薄膜太陽電池が基板の上に形成され、その後、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得るために該基板が除去される、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池。
  13. 前記GaInAs活性層が約0.75eV〜約1.14eVの間のバンドギャップエネルギーを有する、請求項１２記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  14. 前記GaInAsP活性層が約0.95eV〜約1.00eVの間のバンドギャップエネルギーを有する、請求項１２記載のIII-V化合物薄膜太陽電池。
  15. GaInAs活性層；
    GaInAsP活性層；
    GaAs活性層；
    AlGaInP活性層；
    GaInP活性層；
    AlGaInP活性層；および
    バッキング層
    を含む、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池であって、
    ここで、III-V化合物薄膜太陽電池が基板の上に形成され、その後、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池を得るために該基板が除去される、基板の無いIII-V化合物薄膜太陽電池。
  16. 前記バッキング層が、最も低いバンドギャップエネルギーレベルを有する活性層の表面上に形成される、請求項１５記載のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池。
  17. 前記バッキング層が、ウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池が２次元以上に曲がることを可能にする、請求項１５記載のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池。
  18. 前記活性層の少なくとも２層が互いにウエハ接合されている、請求項１５記載のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池。
  19. 前記バッキング層とは反対側にある活性層の表面上に形成された表面グリッドメタライゼーション；および
    前記バッキング層とは反対側にある活性層の表面上に形成された反射防止膜；
    をさらに含む、請求項１５記載のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池。
  20. 前記基板が、以前に別のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池を形成するために使用された、請求項１５記載のウエハ接合型III-V化合物薄膜太陽電池。
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