JP2012004557A - 高効率ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池、およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】広い空乏領域幅および高いＪｓｃ性能を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池構造を提供する。
【解決手段】窒素雰囲気下で９００℃から１０００℃の間の温度でｅｘ−ｓｉｔｕの急速熱アニールを行うことで、空乏領域幅をそのｉ領域の厚さまで増やし広い空乏領域のＩｎＧａＡｓＮ層を形成する。ＩｎＧａＡｓＮの層からなるｐｉｎ構造は１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有し、空乏領域幅が少なくとも５００ｎｍである。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に、高い短絡電流密度をもたらす広い空乏領域幅を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池装置に関する。また、本発明は、そのような構造の製造方法も提案する。
ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体ｐ−ｎ材料による高効率多接合太陽電池は、宇宙および集光器向けの太陽光発電に提案されている。太陽スペクトルは、波長２８０ｎｍから４０００ｎｍの全スペクトルにわたる電磁放射からなる。半導体層は、自身のバンドギャップより大きいエネルギーを有する光子を吸収し、太陽電池で生成された電気は、発生した電流および電圧の生成物である。低いバンドギャップの半導体は、太陽スペクトルから大部分のエネルギーを吸収するが、大電流が発生しても電圧は低く、太陽光を活用する様々な用途において好ましいものではない。結果的に、単一接合太陽電池は低効率である。
多接合太陽電池は、電流および電圧ともに大容量で生成されることから、推奨され、使用されている。直列に結合した二以上の半導体接合が用いられ、各接合は、エネルギー帯のある一定の部分を吸収するように設計される。直列に結合した多接合太陽電池の電流は最も低い電流のサブセルにより制限され、生成される電圧は、各サブセルの電圧の和となる。
これまでで最も高い効率の太陽電池は、多接合太陽電池である。Fraunhofer Institute [Applied Physics Letters, vol. 94, pp. 223504 (2009)] は、メタモルフィックのＩｎ０．６５Ｇａ０．３５Ｐ／Ｉｎ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ／Ｇｅ三重接合電池を用いて、集光倍率４５４倍の条件下で４１．１％の効率の電池（ワンサンの条件下では３１．６％の効率）を報告している。Boeing’s Spectrolab は、その後、同様の三重接合構造を用いて、４１．６％効率の電池を報告している。図１ＡにはＡＭ１．５スペクトルが示される。ここでは、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅの三重接合構造に適した格子が用いられている。この構造では、Ｇｅサブセルにより過電流が発生し、その過電流は、最も低い電流を生成するサブセルによって制限される多接合電池内の電流により消費される。図１Ｂは、Fraunhofer Instituteによる外部量子効率（ＥＱＥ）を示す。ワンサン（ＡＭ１．５）の条件下で、電池の短絡電流密度（Ｊｓｃ）は１６．４ｍＡ／ｃｍ２である。ＧｅサブセルのＥＱＥ曲線を積算することで得られるＪｓｃは、２５ｍＡ／ｃｍ２を超える。それゆえ、生成された２５ｍＡ／ｃｍ２と比較して、三重接合電池のＪｓｃは僅か１６．４ｍＡ／ｃｍ２であるため、〜８ｍＡの電流がＧｅセルから浪費される。この影響を回避するため、四重接合［（ＩｎＧａＰ／（Ｉｎ）ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ／Ｇｅ）］太陽電池構造に適する電流に対して、〜１．０ｅＶ（λ＝１２４０ｎｍ）のバンドギャップを有する四元ＩｎＧａＡｎＮを用いることが提案されている（S. R. Kurtz等、’Projected Performance of Three and Four Junction Devices Using GaAs and GaInP’, “Proceeding of 26thPhotovoltaic Specialist Conference, Anaheim, California 1997年9月30日-10月3日，pp. 875-878）。この中で、ＩｎＧａＡｓＮサブセルから、８７３ｎｍ−１２４０ｎｍの範囲における光が取り入れられている。この方法は、Ｇｅサブセルで浪費される過電流を軽減することができ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ／Ｇｅ構造の使用もまた、格子整合で利点を得る。従って、この方法は、メタモルフィックの三重接合電池で用いられる層のような複合緩衝層を必要としない。
ＩｎＧａＡｓＮによる四重接合電池には潜在的な利点があるものの、この材料系では優れた品質の材料を実現することは困難である。この材料系の高い欠陥密度では、高いバックグラウンド・ドーピングレベル、および、＜２００ｎｍの短い少数キャリア拡散距離となってしまう[D. B. Jackrel, Journal of Applied Physics, vol. 101, 114916 (2007)]。
米国特許第６、２５２、２８７号(２００１年６月２６日特許証発行)において、S.Kurtzらは、６５０℃−７００℃で数分間から１時間半、サンプルを急速熱アニールすることで、ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓヘテロ接合での少数キャリア拡散距離を増加させ、少数キャリア拡散距離を０．２−０．３μｍから０．６−０．８μｍまで増加させている。図２は、この方法により作製した１．１３ｅＶのＩｎＧａＡｓＮに対して達成された内部量子効率（ＩＱＥ）が示される。高いＩＱＥを示すものの、１．１３ｅＶのバンドギャップ（λ＝１１００ｎｍ）は、四重接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ／Ｇｅ構造における電流整合の関係で大き過ぎる値となる。四重接合電池が用いられることを想定し、１．１３ｅＶのＩｎＧａＡｓＮを実現可能な最大Ｊｓｃ（ＡＭ１．５Ｇに対して８７３ｎｍ−１１００ｎｍから得られた光）は、僅か１１ｍＡ／ｃｍ２であり、そして１００％の外部量子効率（ＥＱＥ）を必要とする。ＩｎＧａＡｓＮサブセルを組み込んだ四重接合電池を実現するには、ＩｎＧａＡｓＮバンドギャップはさらに低くしなければならず、電流整合を可能とするために〜１．０ｅＶから１．０５ｅＶまでとしなければならない（Ｊｓｃ〜１３．５−１６ｍＡ／ｃｍ２、１００％ＥＱＥを想定）。
米国特許第５、９４４、９１３号（１９９９年８月３１日特許証発行）において、H. Q. Houらは、ｐ−ｎホモ接合１．０５ｅＶのＩｎＧａＡｓＮを成長させた有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）を使用し、７００℃−８００℃で５−１０分間、ｉｎ−ｓｉｔｕでアニールしてフォトルミネセンス（ＰＬ）強度の増加を観測した（図３）。太陽電池の性能に対し必要とされるｉｎ−ｓｉｔｕのアニールと空乏領域幅との間に相関は見られない。
ＩｎＧａＡｓＮでの短い拡散距離を回避するための他の方法は、広い拡散領域を用いて光発生キャリア回収を補助するというものである。光発生キャリアの効果的な回収距離は、空乏領域に組み込まれた電界を用いて高められる。Friedmanらの[Analysis of depletion-region collection in GaInNAs solar cells, “31stIEEE Photovoltaics Specialist Conference, Lake Buena Vista, Florida, (2005)]は、空乏領域幅の増加により、ＩｎＧａＡｓＮサンプルのＥＱＥが向上可能であることをシミュレーションにより示している（図４）。しかしながら、広い空乏領域幅を実現する構造および方法は記載されていない。
従来の技術によると、ドープされていない、厚みのあるｉ領域を用いることで広い空乏領域が得られる。しかしながら、この方法では、広い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮデバイスは未だに作製されていない。バンドギャップ１．０ｅＶから１．０５ｅＶを有するＩｎＧａＡｓＮを実現するために、窒素（Ｎ）含有量を２．５−３．０％に増やさなければならない（インジウム含有量〜８％）。しかしながら、窒素含有量が増えるにつれ、材料の品質は低下する。また、窒素含有量が増えるにつれ、ｉ領域におけるバックグラウンド・ドーピング濃度は高くなり、そして空乏領域は狭くなる。結果的に、１．０−１．０５ｅＶのＩｎＧａＡｓＮ材料で広い空乏領域は未だに実現されていない。先行技術で報告された空乏領域幅は、５００ｎｍ未満である。
Ptakらの[“Enhanced depletion-width GaInNAs solar cells grown by molecular beam epitaxy,”31stIEEE Photovoltaics Specialist Conference, Lake Buena Vista, Florida, (2005年2月)]では、バンドギャップ１．１５ｅＶおよび１．２８ｅＶを有するｐ−ｉ−ｎ ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮヘテロ構造が用いられており、それぞれ広い空乏領域幅２．３μｍおよび２．７μｍを首尾よく達成している。しかしながら、１．１５ｅＶでＩｎＧａＡｓＮ材料のバンドギャップは大きいままであり、たとえＥＱＥ１００％を実現したとしても、格子整合する四重接合電池に用いることはできない。
Jackrelらの[“Journal of Applied Physics, vol. 101, pp. 114916 (2007)] では、バンドギャップ１．０３ｅＶおよび１．０８ｅＶに対してｉ領域の厚さ１μｍを有するｐ−ｉ−ｎ ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮヘテロ構造が用いられており、それぞれ、空乏領域幅２８０ｎｍおよび３７０ｎｍを実現している。それゆえ、厚いｉ領域が用いられているにも関わらず、空乏領域幅は＜０．４μｍと小さいままである。
同様に、Friedmanらの[“GaLnNAs Juctions for Next-Generation Concentrators: Progress and Prospects,” International Conference on Solar Concentrators for the Generation of Electricity or Hydrogen, Scottsdale, Arizona 2005年5月]では、１μｍのｉ領域ｐ−ｉ−ｎ ＭＯＣＶＤ成長ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮサンプルに対して、僅か５００ｎｍの空乏領域幅を実現している。Ptakら、Jackrelら、およびFriedmanらにより与えられた総ての例において、成長後の処理は、用いられておらず、また、記載されていない。
Ptakらの[“Effects of temperature, nitrogen ions, and antimony on wide depletion width GaInNAs,” Journal of Vacuum Science and Technology B, vol. 25 (3), (2007年5月)]では、偏向板が使用され、また、窒素流量が増加しており、これにより、３μｍのｉ領域１．１５ｅＶのｐ−ｉ−ｎ ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮサンプルで空乏領域幅を増やしている。空乏領域幅は、１．９μｍから２．４μｍまで増加するものの、ＩｎＧａＡｓＮバンドギャップは大きいままであって、格子整合する四重接合電池に用いることはできない。
それゆえ、これらの例は、１．０−１．０５ｅＶのＩｎＧａＡｓＮに対して広い空乏領域を実現できないことを明確に示している。そして、これを実現する構造および方法が技術的に要求されている。少数キャリアの不十分な拡散距離と、広い空乏領域幅を実現できないこととが結びつき、これまで７ｍＡ／ｃｍ２という低いＪｓｃ結果になっている。これは、最大実現可能値である〜１６ｍＡ／ｃｍ２よりも極めて低い値である（ＡＭ１．５Ｇに対して８７３ｎｍ−１２４０ｎｍから得られた光）。
本発明の目的は、広い空乏領域幅および高いＪｓｃ性能を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池構造を製造することであり、また、そのような構造の製造方法も記載する。
米国特許第６、２５２、２８７号（２００１年６月２６日特許証発行) 米国特許第５、９４４、９１３号（１９９９年８月３１日特許証発行）
Fraunhofer Institute "Applied Physics Letters, vol. 94, pp. 223504 (2009)" S. R. Kurtz etc"Projected Performance of Three and Four Junction Devices Using GaAs and GaInP’"Proceeding of 26thPhotovoltaic Specialist Conference, Anaheim, California 1997年9月30日-10月3日，pp. 875-878" D. B. Jackrel, "Journal of Applied Physics, vol. 101, 114916 (2007) " Friedman etc "Analysis of depletion-region collection in GaInNAs solar cells, "31st IEEE Photovoltaics Specialist Conference, Lake Buena Vista, Florida, (2005) " Ptak etc "Enhanced depletion-width GaInNAs solar cells grown by molecular beam epitaxy,"31st IEEE Photovoltaics Specialist Conference, Lake Buena Vista, Florida, (2005年2月) " Friedman etc "GaLnNAs Juctions for Next-Generation Concentrators: Progress and Prospects," International Conference on Solar Concentrators for the Generation of Electricity or Hydrogen, Scottsdale, Arizona 2005年5月" Ptak etc "Effects of temperature, nitrogen ions, and antimony on wide depletion width GaInNAs," Journal of Vacuum Science and Technology B, vol. 25 (3), (2007年5月) "
本発明は、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有し、広い空乏領域幅を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池構造、およびその製造方法について説明する。得られる装置は、四重接合格子整合の太陽電池での使用に好適な高いＪｓｃをもたらす。
本発明の一実施形態は、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有するｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮホモ接合からなる構造に対するものである。サンプルのドープされていないｉ領域の厚さが少なくとも１．０μｍであり、そして少なくとも５００ｎｍの空乏領域幅を有する。
本発明の他の実施形態は、格子整合した四重接合太陽電池により構成される、広い空乏領域幅のｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮホモ接合構造である。
本発明の他の実施形態によれば、広い空乏領域のＩｎＧａＡｓＮ層を提供するための製造方法を説明する。上記製造方法は、窒素雰囲気下で９００℃と１０００℃との間の温度でｅｘ−ｓｉｔｕの急速熱アニールするアニール工程を含む。高いアニール温度が、空乏領域幅をそのｉ領域の厚さまで増やす。
本発明のある特定の実施形態によれば、広い空乏領域を実現する方法は、〜２．０の理想因子に帰着する。それにより、暗電流メカニズムは、空間電荷領域における再結合により支配される。
本発明の実施形態によれば、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップと、少なくとも５００ｎｍの空乏領域幅と、を有するＩｎＧａＡｓＮ構造を含むＩｎＧａＡｓＮ太陽電池が提供される。
他の実施形態によれば、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、ｐドープＩｎＧａＡｓＮ層と、ｎドープＩｎＧａＡｓＮ層と、上記ｐドープ層と上記ｎドープ層との間に配置されたドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層と、を備える。上記ｐドープ層、上記ｎドープ層、および上記ｉ領域層がそれぞれ、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有する。
さらに他の実施形態によれば、上記ｉ領域層は、少なくとも１．０μｍの厚さである。
他の実施形態によれば、上記空乏領域幅は、少なくとも１．０μｍである。
さらに他の実施形態によれば、上記太陽電池は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造に整合する、一以上のさらなる接合格子を備える。
本発明の他の実施形態によれば、上記太陽電池は、格子整合した四重接合太陽電池である。
本発明のさらに他の実施形態によれば、ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の製造方法が提供される。その方法は、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＮ構造を形成する形成工程と、少なくとも９００℃の温度で上記ＩｎＧａＡｓＮ構造を熱アニールするアニール工程と、を含む。
他の実施形態によれば、上記構造は、ｐドープＩｎＧａＡｓＮ層と、ｎドープＩｎＧａＡｓＮ層と、上記ｐドープ層と上記ｎドープ層との間に配置されたドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層と、を備え、上記ｐドープ層、上記ｎドープ層、および上記ｉ領域層がそれぞれ、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有する。
本発明のさらに他の実施形態によれば、上記アニール工程は、ｅｘ−ｓｉｔｕの急速熱アニール工程を含む。
さらに他の実施形態によれば、アニール工程は、窒素雰囲気下で行われる。
他の実施形態によれば、上記アニール工程は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造の空乏領域幅を少なくとも５００ｎｍに増加させる。
さらに他の実施形態によれば、上記空乏領域幅は、少なくとも１．０μｍに増加する。
他の実施形態によれば、上記アニール工程は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造の空乏領域幅を、上記ｉ領域層の厚さにまで増加させる。
さらに他の実施形態によれば、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、９００℃と１０００℃との間の温度でアニールされる。
さらに他の実施形態によれば、上記構造は、分子線エピタキシーにより成長する。
他の実施形態によれば、製造される上記太陽電池は、理想因子が約２．０である。
上述および関連した結末の遂行に向かって、本発明は次に、以下に充分に記載されそして請求項において特に指摘した特徴を含む。以下の記載および添付の図面は、本発明のある実例となる実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態は、しかしながら、発明の原理が利用可能な様々な方法のうちの一部を示すに過ぎない。発明の他の目的、利点、およびこれまでにない特徴は、図面と併せて考慮される場合、本発明の以下の詳細な記述から明白になる。
添付の図面において、同様の参照番号は、同様の部品または特徴を示す。
先行技術で報告されたメタモルフィックの三重接合構造のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ電池のワンサンの条件下でのＡＭ１．５スペクトルを示す図である。 先行技術で報告されたメタモルフィックの三重接合構造のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ電池のＥＱＥを示すＡＭ１．５スペクトルを示す図である。 先行技術に示される、１．１３ｅＶのＩｎＧａＡｓＮ太陽電池のＩＱＥプロットである。 先行技術に示される、１．０５ｅＶのＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の吸光度と波長との関係を示す図である。 先行技術に示される、異なる空乏領域幅を有する、シミュレーションされたＥＱＥを示す図である。 本発明に係る、単一接合ｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の構造を示す図である。 本発明の典型的な実施形態に係る、格子整合した四重接合太陽電池における、図５のｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ構造の構成を示す図である。 本発明で用いた単一接合ｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ構造の製造方法を示す図である。 本発明で用いた単一接合ｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ構造の製造方法を示す図である。 本発明で使用されるサンプルのキャリア濃度と空乏深さとの関係を示すグラフである。 広い空乏領域幅および狭い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮセルを有する構造それぞれについてのワンサンの条件下での電流−電圧プロットである。 広い空乏領域幅および狭い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮセルを有する構造それぞれについての外部量子効率プロットである。 広い空乏領域幅および狭い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮセルを有する構造それぞれについての暗電流と電圧との関係を示すプロットである。 広い空乏領域幅および狭い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮ太陽電池を用いた四重接合セルで達成可能な理論的効率である。 広い空乏領域幅および狭い空乏領域幅のＩｎＧａＡｓＮ太陽電池を用いた四重接合セルで達成可能な理論的効率である。
本発明は、１．０ｅＶから１．０５ｅＶのバンドギャップ及び広い空乏領域幅を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池を提供する。また、広い空乏領域幅を実現する太陽電池および方法を記載する。
図５は、本発明に従う、広い空乏領域幅のｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の構造を実現するデバイス構造を示す。ホモ接合または単一接合の構成では、層構造は、ｐ型基板１で始まり、続いて、ｐドープＩｎＧａＡｓＮ基層２、ドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層３（少なくとも１μｍ、そして好ましくは１μｍから３μｍの厚みを有する）、ｎドープＩｎＧａＡｓＮエミッタ層４、およびｎドープＧａＡｓキャップ層５となる。デバイス構造および製造方法は、少なくとも１μｍの広い空乏領域をもたらす。空乏領域幅は、例えば、ゼロバイアスで、１００ｋＨｚｋ交流（ａｃ）周波数かつａｃバイアス＜０．１Ｖで、容量電圧計を用いて計測できる。
典型的な実施形態において、図６に、格子整合した四重接合太陽電池における広い空乏領域幅を有するｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ構造を示す。層の構造は、ｐ型ゲルマニウム（Ｇｅ）基板６そして第４接合７としてＧｅ ｎ−ｐ構造で始まる。第４接合７のＧｅバンドギャップは０．６６ｅＶであり、〜１２４０ｎｍ−１９００ｎｍの波長からの光を取り入れる。トンネル接合８または機械的な積層方法により、第３接合９および第４接合７が直列に結合される。図５の広い空乏領域幅ｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮ構造が、第３接合９として用いられる。第３接合９のＩｎＧａＡｓＮ層は、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有し、また、厚さ１μｍ−３μｍのｉ領域および空乏領域幅を有する。第３接合９により代表されるこのサブセルに対して、８７０ｎｍと１２４０ｎｍとの間の波長域から光が取り入れられる。そして、トンネル接合１０または機械的な積層方法により、第３接合９および第２接合１１が直列に結合される。ｎ−ｐ ＧａＡｓ構造が第２接合１１として用いられる。格子整合のために、１．４ｅＶのバンドギャップを有するＧａＡｓ層が用いられる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ層もまた、メタモルフィックの構造の場合に用いられうる。第２接合１１により代表されるこのサブセルに対して、６５０ｎｍと８７０ｎｍとの間の波長域から光が取り入れられる。トンネル接合１２または機械的な積層方法により、第２接合１１および第１接合１３が直列に結合される。第１接合１３は、１．９ｅＶと２．０ｅＶとの間のバンドギャップを有する（Ａｌ）ＩｎＧａＰ ｎ−ｐ構造１３であり、２８０ｎｍから６５０ｎｍまでの波長域から光が取り入れられる。最上部のｎ電極１４から底部のｐ電極１５を通して電気接点が得られる。通常は、反射防止コーティング１６を上面に堆積させて、上層からの反射を最小限にする。
次に、図７Ａおよび図７Ｂを参照して、図５および図６のｎ−ｉ−ｐ ＩｎＧａＡｓＮを用いて広い空乏領域を実現するための典型的な方法を説明する。効果的なセル性能に関してより明快に説明するために、ここでは単一接合ＩｎＧａＡｓＮセルを用いる（図７Ａ）。この単一接合構造は、例えば、図６に対して上述した構成を例として、多接合セルの一部に含まれてよい。この例で用いられたサンプルは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により成長している。三つのサンプルを、異なるｉ領域厚さで成長させ、かつ、他の全ての層を同様に成長させて同じ属性を持たせている。ＩｎＧａＡｓＮバンドギャップは、１．０４ｅＶである。
特に図７Ａを参照して、単一接合構造は、ｐ型基板１７で始まり、〜５００ｎｍ厚さのベリリウムがドープされたＩｎＧａＡｓＮ基層１８が続く。この典型的な実施形態において、ＩｎＧａＡｓＮ層は４３０℃で成長し、ＧａＡｓ層は５８０℃で成長する。ドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層１９は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃに対して順に、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、１４００ｎｍの厚さに成長する。次に、シリコンドープされたＩｎＧａＡｓＮエミッタ層２０が、〜２５０ｎｍの厚さで成長する。次に、３０ｎｍ厚さのｎドープＡｌＧａＡｓエッチング停止層２１および２５０ｎｍ厚さのＳｉドープされたＧａＡｓキャップ層２２が続く。図７Ｂは、ｎ電極２３およびｐ電極２４を有する単一接合ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の全体を示す。ｎ−ＧａＡｓキャップ層２２は、キャップ層２２自身による電磁エネルギーの吸収を最小にするために、電極領域以外の領域から離れて選択的にエッチングされる。
図８は、サンプルＡからＤについての、キャリア濃度と空乏領域幅（深さとも称される）との関係を示す。これらのサンプルは、セル性能の向上のためにｅｘ−ｓｉｔｕでアニールされている。サンプルＤは、前述されたように、８２５℃、窒素雰囲気下で３０秒間アニールされた従来のデバイスである。サンプルＤの空乏領域幅（または深さ）は、〜２００ｎｍ±５０ｎｍであり、その深さは、アニール温度が７００℃から８５０℃の間であっても比較的不変のままである。このとき、ｉ領域厚さは、５００ｎｍから１４００ｎｍで変化する。このことは、先行技術で見出されたことと同様であり、ｉ領域の厚さにかかわらず、これらのサンプルでは空乏領域幅は極めて狭いままである。狭い空乏領域幅により、生成する光キャリアの回収は不十分となる。従って、Ｊｓｃ性能は激しく損なわれる。
サンプルＡからＣは、＞９００℃という遥かに高い温度で３０秒間急速アニールされたものであり、この方法によって、広い空乏領域幅が得られることが見出された。アニールは、窒素雰囲気下で行われ、また前処理されたサンプルであるものの、この順序は緻密なものではなく、後処理サンプルにも適用可能である。ＧａＡｓウエハがＩｎＧａＡｓＮ表面を覆うために用いられ、これにより高温での表面脱離が防止される。広い空乏領域幅を実現するための重要な点は、９００℃−１０００℃で行われるアニールの「トリガポイントアニール温度」であり、空乏領域幅は、そのトリガが起こると、ほぼｉ領域の厚み全体にまで拡がることが確認された。トリガポイントは、サンプルＡおよびＢに対しは９２５℃、サンプルＣに対しては９１０℃、他のサンプルに対しては９５０℃までであった。トリガポイントを満たしているかどうかを判断するためにＣ−Ｖ測定が用いられ、それにより、その後、空乏領域幅が増加する。本発明の方法を用いると、高アニール温度においてトリガポイントとなることで空乏領域幅が拡大する。図８から、空乏領域幅は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃの順にそれぞれ、５００ｎｍ、１０００ｎｍ、１４００ｎｍに増加していることが分かる。それはまた、各々のｉ領域の厚さにも対応する。これまで、１．００ｅＶと１．０５ｅＶとの間のＥｇを有する狭いバンドギャップＩｎＧａＡｓＮに対して、＞５００ｎｍの広い空乏領域幅は実現されていなかった。そして、この発明で教示された方法は、ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の性能向上に有効である。
光Ｉ−Ｖ性能を測定するため、ＡＭ１．５Ｇ条件（総電力＝１００ｍＡ／ｃｍ２）における市販のワンサン・シミュレータが用いられる。図９は、狭い空乏領域幅（Ｗｄ＝２００ｎｍ、サンプルＤ）および広い空乏領域幅（Ｗｄ＝１４００ｎｍ、サンプルＣ）デバイスのＩ−Ｖ曲線を示す。前者は、先行技術に記載された従来の方法を用いてアニールされ、後者は、本発明の方法を用いる。サンプル表面には反射防止コーティングは塗布されていない。そして、コーティングされていないＩｎＧａＡｓＮ表面を反射する光は、理論的に〜３０％であると計算される。そのため、反射防止コーティングが塗布されると、Ｊｓｃ性能は〜３０％まで増加すると想定しうる。このグラフによると、サンプルＣおよびサンプルＤのＪｓｃはそれぞれ、８．１ｍＡ／ｃｍ２、５．５ｍＡ／ｃｍ２である。Ｊｓｃの大幅な向上は、サンプルＣが格段に広い空乏領域を有することがその理由である。図１０は、外部量子効率プロットを示す。サンプルＣは、サンプルＤよりも、フラットな上面を有する反応が得られた。このことは、広い空乏領域幅特性によって、より長い波長領域にわたって光発生キャリアの回収が改善されていることを示す。
図１１は、サンプルＣおよびＤに対する暗電流Ｉ−Ｖ曲線を示す。サンプルＣの空乏領域幅が増えることで空間電荷領域における再結合（recombination）が増え、その結果、暗電流が増加する。ダイオード理想因子ｎは、本発明の方法に対して〜２．０に増加する。というのも、ここにおいて暗電流が空間電荷結合に支配されるためである。暗電流の増加は、開路電圧（ＶＯＣ）に影響を与える。しかしながら、最も低い電流を生成するサブセルによって電流が制限されるため、高いＪｓｃは、直列接続した四重接合セルにおいてさらにクリティカルである。四重接合セルに組み入れたときに本発明に係る方法を用いて実現されるＪｓｃの高い数値の重要性を示す例が図１２に示される。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、格子整合した四重接合ＡｌＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ／Ｇｅ太陽電池を用いて実現可能なワンサンでの効率を説明するテーブルである。サンプルＣのバンドギャップと一致させるために、１．０４ｅＶバンドギャップＩｎＧａＡｓＮが使用される。簡単のため、この例における４つすべてのサブセルに対して最大曲線因子値が用いられる。そして、理想ＶＯＣ値（Ｅｇ−０．４Ｖ）が、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、およびＧｅセルに対して用いられる。このことは、理想に近いセルがこれらの構造を用いて首尾よく実現されることを考慮すると、非合理的ではない。Ｊｓｃ値は、ＡＭ１．５Ｇに基づいて計算され、ＥＱＥは、所望のＪｓｃを実現するために要求される平均的なＥＱＥを参照している。図１２Ａおよび図１２Ｂは四重接合セルにおける予想効率を示し、その四重接合セルは、サンプルＣおよびサンプルＤに対するＪｓｃ値およびＶＯＣ値をそれぞれ、ＩｎＧａＡｓＮ第３サブセルとして組み入れている。なお、反射防止コーティングが用いられていないことを考慮して、Ｊｓｃ値は、両サンプルに対して３０％増加させている。他のセルの電流は最も低い電流を生成するセルによる制限を受けることから、サンプルＣの効率は極めて高い。この場合において、広い空乏領域幅を有するＩｎＧａＡｓＮ構造の利点が明白に証明された。
本発明は、ある実施形態に関して示されそして記載されているが、同等の変更および修正は、この仕様および添付の図面を読みそして理解することで当業者に行われることができる。例えば、本発明は、第一に本明細書にｎ−ｉ−ｐ型構造の文脈で記載されるが、ｐ−ｉ−ｎ型構造でも実現可能であることを理解されたい。上述の要素（構成要素、組み立て品、装置、配置、等）によって実行される様々な機能に特に関して、そのような要素を記載するために使われた用語（「手段」への言及を含む）は、本発明の本明細書中での典型的な実施形態において機能を実施する開示した構造と構造的に同等ではないにも関わらず、記載された要素の記載された機能を実施するどんな要素（すなわち、機能的に同等であるもの）にも、特に記載がない限り、対応することを意図されている。さらに、本発明の特別な特徴は、いくつかの実施形態の一つのみまたは複数に関して上述できるが、どんな与えられた応用または特定の応用に対して望まれうる、または利点がありうるようなそのような特徴は、他の実施形態の一つまたは複数の他の特徴と組み合わせ可能である。
広い空乏領域幅および高いＪｓｃ性能を有するＩｎＧａＡｓＮ太陽電池構造が提供される。その構造は、宇宙および集光器向けの太陽光発電や他の用途に好適である。そのような構造の製造方法もまた提供される。

Claims (16)

  1. ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池であって、
    ＩｎＧａＡｓＮ構造は、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有し、空乏領域幅が少なくとも５００ｎｍであることを特徴とする太陽電池。
  2. 上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、
    ｐドープＩｎＧａＡｓＮ層（ｐドープ層）と、
    ｎドープＩｎＧａＡｓＮ層（ｎドープ層）と、
    上記ｐドープ層と上記ｎドープ層との間に配置された、ドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層（ｉ領域層）と、
    を備え、
    上記ｐドープ層、上記ｎドープ層、および上記ｉ領域層はそれぞれ、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 上記ｉ領域層は、少なくとも１．０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池。
  4. 上記空乏領域幅は、少なくとも１．０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池。
  5. 上記太陽電池は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造に整合する、一以上のさらなる接合格子を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽電池。
  6. 上記太陽電池は、格子整合した四重接合太陽電池であることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
  7. ＩｎＧａＡｓＮ太陽電池の製造方法であって、
    １．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＮ構造を形成する形成工程と、
    少なくとも９００℃の温度で上記ＩｎＧａＡｓＮ構造を熱アニールするアニール工程と、
    を含むことを特徴とする製造方法。
  8. 上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、
    ｐドープＩｎＧａＡｓＮ層（ｐドープ層）と、
    ｎドープＩｎＧａＡｓＮ層（ｎドープ層）と、
    上記ｐドープ層と上記ｎドープ層との間に配置された、ドープされていないＩｎＧａＡｓＮのｉ領域層（ｉ領域層）と、を備え、
    上記ｐドープ層、上記ｎドープ層、および上記ｉ領域層がそれぞれ、１．０ｅＶと１．０５ｅＶとの間のバンドギャップを有することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
  9. 上記アニール工程は、ｅｘ−ｓｉｔｕの急速熱アニール工程を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の製造方法。
  10. 上記アニール工程は、窒素雰囲気下で行われることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
  11. 上記アニール工程は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造の空乏領域幅を、少なくとも５００ｎｍに増加させることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の製造方法。
  12. 上記空乏領域幅は、少なくとも１．０μｍに増加することを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
  13. 上記アニール工程は、上記ＩｎＧａＡｓＮ構造の空乏領域幅を、上記ｉ領域層の厚さにまで増加させることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の製造方法。
  14. 上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、９００℃と１０００℃との間の温度でアニールされることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の製造方法。
  15. 上記ＩｎＧａＡｓＮ構造は、分子線エピタキシーにより成長することを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載の製造方法。
  16. 製造される上記太陽電池は、理想因子が約２．０であることを特徴とする請求項７〜１５のいずれか１項に記載の製造方法。
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