JP2012099807A - ヘテロ接合を有する光電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型積層体が前面または太陽側を向いてｐ型積層体が電池の裏面にあるように、ｐ型積層体の上に配置されたｎ型積層体を有するヒ化ガリウムベースの電池を提供する。
【解決手段】光電子半導体装置９０は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のドーピングのみを有する吸収層１０８を有している。エミッタ層１１０は吸収層１０８よりも当該装置の裏面に近く配置され、吸収層１０８とは異なる材料で作られて吸収層１０８よりも大きいバンドギャップを有している。ヘテロ接合はエミッタ層１１０と吸収層１０８の間に形成され、ｐ−ｎ接合はエミッタ層１１０と吸収層１０８の間であって、少なくとも部分的に前記異なる材料の範囲内でヘテロ接合からオフセットした位置に形成される。装置が当該装置の前面において光に露出されることに反応して、ｐ−ｎ接合は当該装置に電圧を生成する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施形態は一般に、太陽電池を含む光起電性装置などの光電子半導体装置、およびこのような光電子装置を製造する方法に関する。

化石燃料は増大した速度で枯渇しつつあるため、代替的なエネルギ源の必要性がより一層明らかとなりつつある。風、太陽および、流水から得られるエネルギは、再生可能な環境に優しい、石炭、石油、および天然ガスなどの化石燃料に代わるものを提供する。地球上の殆どどこでも容易に利用可能であるため、太陽エネルギはいつか実行可能な代替手段となりうる。

太陽からのエネルギを利用するため、太陽電池の接合部は光子を吸収して、電圧を生成すべく接合部の内部電界によって分離する電子正孔対を生成し、その結果、光エネルギを電気エネルギに変換する。生成される電圧は太陽電池を直列に連結することによって増加させることができ、電流は太陽電池を並列に連結することによって増加させることができる。太陽電池は太陽光パネル上で共にグループ化してもよい。インバータを幾つかの太陽光パネルに連結して、ＤＣ電源をＡＣ電源に変換をしてもよい。

それにもかかわらず、最近の装置の低効率レベルに対する現在の太陽電池の生成に掛かる高コストは、太陽電池が主流のエネルギ源となるのを妨げ、太陽電池に適した利用を制限している。従来の光起電性装置の製造プロセスの際、金属接点は多くの場合蒸着プロセスで蒸着され、通常は熱アニールプロセスの際に３００℃を越える温度に加熱される。これらの高温プロセスは通常、時間やエネルギを非常に消費するために費用がかかる。また高温プロセスは多くの場合、光起電性装置内に含まれる感度がよい材料に損傷を与えてしまう。

従って、従来の太陽電池と比較して高い性能の光電子装置、および低コストでこのような光電子装置を製造する方法が必要である。

本発明の実施形態は一般に、光電池を含む光電子半導体装置、およびこのような装置を形成する製造プロセスに関するものである。

一実施形態では、光電子半導体装置は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のみドーピングした吸収層を有している。エミッタ層は吸収層よりも当該装置の裏面に近く位置しており、このエミッタ層は吸収層とは異なる材料で作られ、吸収層よりも大きいバンドギャップを有している。ヘテロ接合がエミッタ層と吸収層の間に形成され、ｐ−ｎ接合がヘテロ接合からオフセットした位置でエミッタ層と吸収層の間に形成される。このｐ−ｎ接合は、装置が当該装置の前面で光に露出されることに反応して、装置に電圧を生成する。

他の実施形態では、太陽電池は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のみドーピングした吸収層と、吸収層とは異なる材料で作られ、吸収層よりも大きいバンドギャップを有するエミッタ層とを有している。中間層が吸収層とエミッタ層の間に設けられ、この中間層は吸収層と同じ種類のドーピングがなされており、この中間層は、吸収層に近い側のＧａＡｓから、エミッタ層に近い側のエミッタ層の異なる材料まで段階的に変化した材料を有している。ヘテロ接合はエミッタ層と吸収層の間に形成され、ｐ−ｎ接合はエミッタ層と吸収層の間であって、少なくとも部分的には前記異なる材料の範囲内でヘテロ接合からオフセットした位置に形成される。ｐ−ｎ接合は、装置が太陽電池の前面で光に露出されることに反応して、電池に電圧を生成する。

他の実施形態では、光電池はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のみドーピングした有する吸収層と、吸収層とは異なる材料で作られ、吸収層よりも大きいバンドギャップを有するエミッタ層とを有する。ヘテロ接合はエミッタ層と吸収層の間に形成され、ｐ−ｎ接合はエミッタ層と吸収層の間であって、少なくとも部分的には前記異なる材料の範囲内でヘテロ接合からオフセットした位置に形成される。吸収層の大部分はｐ−ｎ接合によって形成された空乏領域の外側であり、ｐ−ｎ接合は、電池が当該電池の前面で光に露出されることに反応して、電池に電圧を生成する

他の実施形態では、光電子半導体装置を形成する方法は、吸収層の上に中間層を形成するステップを含んでおり、吸収層はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られて一種類のみドーピングして、中間層は吸収層と同じ種類のドーピングがなされている。エミッタ層が吸収層よりも装置の裏面に近く位置するようにエミッタ層が中間層の上に形成されており、このエミッタ層は吸収層とは異なる材料で作られ、吸収層よりも大きいバンドギャップを有している。中間層はエミッタ層の前記異なる材料を含んでいる。ヘテロ接合がエミッタ層と吸収層の間に形成され、ｐ−ｎ接合がエミッタ層と吸収層の間であって、ヘテロ接合からオフセットした位置に形成される。ｐ−ｎ接合は、装置が光に露出されることに反応して、当該装置に電圧を生成する。

上記の本発明の特徴が詳しく理解されるように、上記に簡単に要約された本発明のより具体的な説明が実施形態を参照になされており、その一部は添付の図面に図示されている。しかしながら、添付の図面は本発明の代表的な実施形態のみを図示しており、従って、その範囲を限定するとみなすべきではなく、本発明は他の同等に効果的な実施形態も認容しうると理解されたい。
図１Ａは、本書に記載の一実施形態による太陽光発電装置の断面図を示している。 図１Ｂは、本書に記載の一実施形態による太陽光発電装置の断面図を示している。 図１Ｃは、本書に記載の別の実施形態による図１Ａおよび１Ｂの太陽光発電装置の一部の断面図を示している。 図１Ｄは、本書に記載の別の実施形態による図１Ａおよび１Ｂの太陽光発電装置の一部の断面図を示している。 図２は、本書に記載の幾つかの実施形態による両面光電池の断面図を示している。 図３は、本書に記載の他の実施形態による片面光電池の断面図を示している。

本発明の実施形態は一般に光起電性装置を含む光電子半導体装置およびプロセスに関し、より具体的には、光電池、およびこのような光電池および金属接点を形成する製造プロセスに関するものである。この製造プロセスの一部は、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスによって更に処理されるヒ化ガリウム材料の薄膜をエピタキシャルに成長させるステップを含む。本書に記載の光電池の幾つかの実施形態は、ｎ型積層体が前面または太陽側を向いてｐ型積層体が電池の裏面にあるように、ｐ型積層体の上に配置されたｎ型積層体を有するヒ化ガリウムベースの電池を提供する。一実施形態では、光電池は両面光電池であって、前面に配置されたｎ型金属接点を有しており、ｐ型金属接点は電池の裏面に配置される。他の実施形態では、光電池は片面光電池であって、電池の裏面に配置されたｎ型金属およびｐ型金属接点を有する。光電子装置の実施形態は、吸収層と、エミッタ層と、エミッタ層と吸収層の間に形成されたヘテロ接合と、以下に詳しく記載するように、エミッタ層と吸収層の間であってヘテロ接合からオフセットした位置におけるｐ−ｎ接合とを有している。記載の手法により、光起電性装置について従来の太陽電池と比較して優れた性能および柔軟性が可能となる。

本発明の幾つかの実施形態は、約１０μｍ／ｈｒ以上、約２０μｍ／ｈｒ以上、約３０μｍ／ｈｒ以上、約１００μｍ／ｈｒ以上または約１２０μｍ／ｈｒ以上を含む約６０μｍ／ｈｒ以上といった、５μｍ／ｈｒよりも高い成長率でグループＩＩＩ−Ｖ材料をエピタキシャルに成長させるプロセスを提供している。グループＩＩＩ−Ｖ材料は、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化アルミニウムガリウムインジウム、リン化アルミニウムガリウムまたはそれらの組み合わせを含有する、エピタキシャルに成長した層の薄膜である。

図１Ａは、間に配置された犠牲層１０４によって成長ウエハ１０１と連結したヒ化ガリウムベースの電池１４０を有する太陽光発電装置９０の断面図を示している。様々な組成を含有するエピタキシャル材料の複数の層は、緩衝層１０２、犠牲層１０４、更にはヒ化ガリウムベースの電池１４０内に含まれる層の多くを有する太陽光発電装置９０内に蒸着される。エピタキシャル材料の様々な層は、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセス、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）プロセス、または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセスといった蒸着プロセスによって成長または形成することができる。

本書に記載の他の実施形態では、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスの際に犠牲層１０４をエッチングし、ヒ化ガリウムベースの電池１４０を成長ウエハ１０１から分離させるために、太陽光発電装置９０を湿式エッチング溶液に曝してもよい。この湿式エッチング溶液は一般にフッ化水素酸を含み、さらに様々な添加物、緩衝剤、および／または界面活性剤を含みうる。湿式エッチング溶液は選択的に犠牲層１０４をエッチングし、ヒ化ガリウムベースの電池１４０および成長ウエハ１０１を保護する。一旦分離すると、図１Ｂに示すようなヒ化ガリウムベースの電池１４０は更に処理されて、本書の幾つかの実施形態に記載するような光電池やモジュールを含む、様々な光起電性装置を形成することができる。

グループＩＩＩ−Ｖ材料は、特にヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウムを含有するエピタキシャルに成長した層の薄膜である。窓層といった幾つかの層は、リン化アルミニウムガリウムインジウム、リン化アルミニウムガリウム、またはその組み合わせを含む、更なる材料を含有しうる。エピタキシャルに成長した層は、高成長率の蒸着プロセスの際にグループＩＩＩ−Ｖ材料が成長することで形成できる。高成長率の蒸着プロセスにより、従来観察されていた５μｍ／ｈｒ未満の蒸着速度と比較して、約１０μｍ／ｈｒ以上、約２０μｍ／ｈｒ以上、約３０μｍ／ｈｒ以上、約１００μｍ／ｈｒ以上または約１２０μｍ／ｈｒ以上を含む約６０μｍ／ｈｒ以上といった、５μｍ／ｈｒよりも高い成長率が可能となる。

このプロセスは、処理システム内で約５５０℃以上の蒸着温度までウエハを加熱するステップと、ヒ化ガリウムの蒸着プロセスのためにウエハをガリウム前駆体ガスおよびヒ化水素などの化学的前駆体を含有する蒸着ガスに曝すステップと、ウエハ上にヒ化ガリウムを含有する層を蒸着させるステップとを含む。高成長率の蒸着プロセスは、ヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、リン化アルミニウムガリウム、リン化アルミニウムガリウムインジウム、リン化アルミニウムインジウム、それらの合金、それらのドーパント変形物、またはそれらの組み合わせを含む、様々な材料を蒸着させるために利用できる。蒸着プロセスの幾つかの実施形態では、蒸着温度が約５５０℃乃至約９００℃の範囲内であってもよい。他の例では、蒸着温度は約６００℃乃至約８００℃の範囲内であってもよい。他の例では、蒸着温度は約６５０℃乃至約７５０℃の範囲内であってもよい。他の例では、蒸着温度は約６５０℃乃至約７２０℃の範囲内であってもよい。

一実施形態では、シャワーヘッドに入るまたは通過する前に、ガスマニフォールド内の２、または３以上の化学的前駆体を組み合わせる、あるいは混合することによって蒸着ガスを形成することができる。他の実施形態では、シャワーヘッドを通過した後に、反応領域内の２、または３以上の化学的前駆体を組み合わせる、あるいは混合することによって蒸着ガスを形成することもできる。蒸着ガスはさらに、シャワーヘッドを通過する前か通過した後に前駆体ガスと組み合わせる、あるいは混合することができる、１、または２以上のキャリアガスを含有していてもよい。

蒸着ガスは、ガリウム、アルミニウム、インジウム、ヒ素、リン、または他の１または複数の化学的前駆体を含有しうる。蒸着ガスは、トリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムといったアルキルガリウム化合物であるガリウム前駆体ガスを含有しうる。蒸着ガスはさらに、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムといったアルキルアルミニウム前駆体であるアルミニウム前駆体ガスを含有しうる。蒸着ガスはさらに、トリメチルインジウムといったアルキルインジウム化合物であるインジウム前駆体ガスを含有しうる。

幾つかの実施形態では、蒸着ガスはさらにキャリアガスを含む。キャリアガスは、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、水素と窒素の混合、アルゴン、ヘリウム、またはそれらの組み合わせを含有しうる。多くの例では、キャリアガスは、水素、窒素、または水素と窒素の混合を含有する。蒸着ガスはそれぞれ、約５ｓｃｃｍ（立方センチメートル毎分）乃至約３００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバに与えることができる。キャリアガスは、約５００ｓｃｃｍ乃至約３，０００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバに与えることができる。

他の実施形態では、蒸着ガスは、約３以上、約４以上、約５以上、約６以上、または約７以上のヒ化水素／ガリウム前駆体比でヒ化水素およびガリウム前駆体ガスを含有している。幾つかの例では、ヒ化水素／ガリウム前駆体比は、約５対約１０の範囲内であってもよい。他の実施形態では、グループＩＩＩ−Ｖ材料は、約３０：１、４０：１、５０：１、６０：１、またはそれより高いグループＶ前駆体とグループＩＩＩ前駆体の比率を含む蒸着ガスから形成または成長させることができる。幾つかの例では、蒸着ガスは約５０：１のリン化物／グループＩＩＩ前駆体を有する。

処理システムは、約２０トール乃至約１，０００トールの範囲の内圧を有しうる。幾つかの実施形態では、内圧は、約７６０トール乃至約１，０００トールというように、環境中と同じか環境よりも高くてもよい。幾つかの例では、内圧は約８００トール乃至約１，０００トールの範囲内であってもよい。他の例では、内圧は約８００トール乃至約８５０トールというように、約７８０トール乃至約９００トールの範囲内であってもよい。他の実施形態では、内圧は、約２０トール乃至約７６０トール、好適には約５０トール乃至約４５０トール、より好適には約１００トール乃至約２５０トールの範囲内というように、環境中と同じか環境より低くてもよい。

本書に記載するようなグループＩＩＩ−Ｖ材料を蒸着または形成する蒸着プロセスは、単一ウエハ蒸着チャンバ、複数のウエハ蒸着チャンバ、定常蒸着チャンバ、または連続供給蒸着チャンバ内で実施することができる。グループＩＩＩ−Ｖ材料の成長、蒸着、または形成に利用できる連続供給蒸着チャンバの１つが、同一出願人により双方とも２００９年５月２９日に出願された米国特許第１２／４７５，１３１号および第１２／４７５，１６９号に開示されており、参照により本書に組み込まれる。

一実施形態では、太陽光発電装置９０の形成を開始するため、１以上の緩衝層１０２が成長ウエハ１０１上に形成される。成長ウエハ１０１はｎ型または半絶縁性の材料を含有し、その後に蒸着される１以上の緩衝層と同一または類似した材料を含有しうる。例えば、成長ウエハ１０１は、ヒ化ガリウムまたはｎ型ドープのヒ化ガリウムの緩衝層を生成する場合、ヒ化ガリウムまたはｎ型ドープヒ化ガリウムを含有しうる。ｐ型ドーパントは炭素、マグネシウム、亜鉛、またはその組み合わせから選択され、ｎ型ドーパントはシリコン、セレン、テルル、またはその組み合わせから選択できる。幾つかの実施形態では、ｐ型ドーパント前駆体は、炭素ドーパントとして四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、マグネシウムドーパントとしてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）、亜鉛ドーパントとしてジメチル亜鉛またはジエチル亜鉛を含むジアルキル亜鉛化合物を含みうる。他の実施形態では、ｎ型のドーパント前駆体は、シリコンドーパントとしてシラン（ＳｉＨ_４）またはジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）、セレンドーパントとして水素セレン化合物（Ｈ_２Ｓｅ）、およびテルルドーパントとしてジメチルテルル、ジエチルテルル、およびジイソプロピルテルルを含むジアルキルテルル化合物を含みうる。

１または複数の緩衝層１０２は、様々なエピタキシャル層が形成されたときに異なる結晶構造に適応できる、成長ウエハ１０１と最後の太陽光発電装置の半導体層の間の媒介を提供することができる。１以上の緩衝層１０２は、約１００ｎｍ乃至約６００ｎｍ、例えば約５００ｎｍの厚さといった厚さに蒸着できる。１以上の緩衝層１０２はそれぞれ、最後の太陽光発電装置の所望の組成に応じて、ヒ化ガリウムなどのグループＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含有しうる。緩衝層１０２はさらに、例えばｎ型ドープのヒ化ガリウムなどのｎ型ドープ材などでドープされてもよい。

犠牲層１０４は緩衝層１０２の上に蒸着することができる。この犠牲層１０４はヒ化アルミニウムまたはヒ化アルミニウム合金などの適切な材料を含有し、約５ｎｍ乃至約１０ｎｍ、例えば約１０ｎｍといった約３ｎｍ乃至約２０ｎｍの厚さを有するよう蒸着できる。犠牲層１０４はさらに、ｎ型ドープ材、例えばｎ型ドープのヒ化アルミニウムなどでドープできる。犠牲層１０４は剥離層としても知られており、ＥＬＯプロセスの際に成長ウエハ１０１からヒ化ガリウムベースの電池１４０を分離しながら、エッチングして除去される。エッチングされる前に、犠牲層１０４は、ｎ型接触層１０５といったヒ化ガリウムベースの電池１４０内に含まれる、次にエピタキシャルに成長する層について格子構造を形成するためにも利用される。

ヒ化ガリウムベースの電池１４０は、ｐ型ドープのヒ化ガリウム材料を含有するｐ型積層体１３０の上に蒸着した、ｎ型ドープのヒ化ガリウム材料を含有するｎ型積層体１２０を有する。ｎ型積層体１２０およびｐ型積層体１３０はそれぞれ、ヒ化ガリウム材を含む様々な材料の組成の複数の層を個々に含んでいる。一実施形態では、ｎ型積層体１２０は、ｎ型接触層１０５と、ｎ型前窓１０６と、ｎ型前窓１０６に隣接して形成されたｎ型吸収層１０８と、任意に中間層１１４とを有する。ｐ型積層体１３０は、ｐ型エミッタ層１１０と、ｐ型エミッタ層１１０上に形成されたｐ型接触層１１２とを有する。

製造プロセスの際、一実施形態に記載するように、ｎ型接触層１０５または界面層が、犠牲層１０４上に堆積されることがある。このｎ型接触層１０５は、最後の太陽光発電装置の所望の組成に応じて、ヒ化ガリウムなどのグループＩＩＩ−Ｖ材料を含有する。ｎ型接触層１０５はｎ型ドープされ、幾つかの実施形態については、ドーピング濃度は、６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、例えば約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といった、約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも高い範囲であってもよい。ｎ型接触層１０５は、約２５ｎｍ乃至約７５ｎｍ、例えば約５０ｎｍといった、約１０ｎｍ乃至約１，０００ｎｍまたは約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍの厚さに形成されうる。ｎ型接触層１０５は、ＥＬＯプロセスの前にヒ化ガリウムベースの電池１４０の一部として、この段階で形成することができる。代替的に、他の実施形態では、ｎ型接触層１０５はＥＬＯプロセスに続く後の段階で形成することができる。ＥＬＯプロセスの前にヒ化ガリウムベースの電池１４０の一部としてｎ型接触層１０５を形成することの利点の１つは、ＥＬＯプロセスの際の犠牲層１０４のエッチングといった次の処理のステップ中に、ｎ型接触層１０５が望ましくない損傷または材料の混入からｎ型前窓１０６を保護する効果があることである。

ｎ型前窓１０６は保護層としても知られており、犠牲層１０４、またはある場合には、任意の接触層１０５の上に形成することができる。ｎ型前窓１０６は、アルミニウムガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、その合金、またはそれらの組み合わせといったグループＩＩＩ−Ｖ材料を含有しうる。ｎ型前窓１０６の材料はｎ型ドープされ、幾つかの実施形態については、ドーピング濃度は、３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、例えば約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といった、約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より高い範囲であってもよい。ｎ型前窓１０６の材料はドープされないでもよい。ヒ化アルミニウムガリウムは、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓの分子比の公式、例えばＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの分子比を有しうる。ｎ型前窓１０６は、約５ｎｍ乃至約７５ｎｍ、例えば約３０ｎｍまたは約４０ｎｍの範囲の厚さを有するように蒸着することができる。ｎ型前窓１０６は透過性であり、光子がヒ化ガリウムベースの電池１４０の前面におけるｎ型前窓１０６を通って他の下にある層に通過できるようにしてもよい。

代替的に、ｎ型前窓１０６は、リン化アルミニウムガリウム、リン化アルミニウムガリウムインジウム、その合金、その派生物、またはそれらの組み合わせといった材料を含有しうる。これらのリン化アルミニウムガリウムの組成は約２．２ｅＶといった大きいバンドギャップをもたらし、さらにはｎ型前窓１０６内に用いられた場合に低波長での高い捕集率をもたらす。

吸収層１０８は前窓１０６上に形成することができる。吸収層１０８は、ヒ化ガリウムなどのグループＩＩＩ−Ｖ組成の半導体を含みうる。吸収層１０８は単結晶であってもよい。吸収層１０８は例えばｎ型ドーピングなどの一種類のみドーピングがなされ、幾つかの実施形態については、ｎ型吸収層１０８のドーピング濃度は、約１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、例えば約１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といった範囲内であってもよい。ｎ型吸収層１０８の厚さは、約１，０００ｎｍ乃至約２，０００ｎｍ（約１．０μｍ乃至約２．０μｍ）、例えば２，０００ｎｍといった、約３００ｎｍ乃至約３，５００ｎｍの範囲内であってもよい。

図１Ｂに図示するように、幾つかの実施形態では後窓層とも称されるエミッタ層１１０を吸収層１０８に近接して形成することができる。エミッタ層１１０は、例えばｐ型ドープされてもよい。ｐ型エミッタ層１１０は、ｎ型吸収層１０８とのヘテロ接合を形成するグループＩＩＩ−Ｖ組成の半導体を含みうる。例えば、ｎ型吸収層１０８がヒ化ガリウムを含有する場合、ｐ型エミッタ層１１０は、ヒ化アルミニウムガリウムなどの異なる半導体材料を含有しうる。ｐ型エミッタ層１１０およびｎ型前窓１０６の双方がヒ化アルミニウムガリウムを含有する場合、ｐ型エミッタ層１１０のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓの組成は、ｎ型前窓１０６のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓの組成と同一または異なっていてもよい。例えばｐ型エミッタ層１１０は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの分子比を有しうる。ｐ型エミッタ層１１０は単結晶であってもよい。ｐ型エミッタ層１１０は高密度にｐ型ドープされてもよく、幾つかの実施形態については、ｐ型ドープのエミッタ層のドーピング濃度は、約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といった、約１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内であってもよい。ｐ型エミッタ層１１０の厚さは、約１００ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲内、例えば約３００ｎｍであってもよい。幾つかの実施形態については、ｎ型吸収層１０８は約８００ｎｍ未満、約５００ｎｍ未満、約１００ｎｍ乃至約５００ｎｍの範囲内といった厚さを有しうる。

幾つかの実施形態では、ｎ型吸収層１０８とｐ型エミッタ層１１０の接点が光子を吸収するｐ−ｎ界面層を生成する。ｎ型吸収層１０８がある材料（ヒ化ガリウムなど）を含有し、ｐ型エミッタ層１１０が吸収層１０８（ヒ化アルミニウムガリウムなど）の材料とは異なるバンドキャップを有する異なる材料を含有している本発明の実施形態では、ｐ−ｎ界面層はヘテロ接合である。本書の実施形態に記載されるようなヘテロ接合は、従来の光起電性材料のホモ接合と比較して、暗電流の減少、電圧生成の向上、および放射再結合の向上があると認められる。本書に記載された実施形態では、ｐ型エミッタ層１１０の材料はｎ型吸収層１０８の材料よりも大きいバンドギャップを有する。

光がｐ−ｎ界面層の近くに吸収されて電子正孔対が生成されると、ｐ−ｎ接合によって起こる内部電界が正孔をｐ型ドープ側に、電子をｎ型ドープ側に押しやることがある。この自由電荷の移動によってｎ型吸収層１０８とｐ型エミッタ層１１０の間に電圧差が生じ、これにより、抵抗がこれらの層に接続された端子にわたって連結された場合に電子流が流れることができる。

本書に記載の幾つかの実施形態では、ｐ型エミッタ層１１０はｎ型吸収層１０８よりも電池１４０の裏面に近い、すなわち、ｎ型吸収層は電池１４０の前面に近い。エミッタ層が吸収層の下側に位置する配置は、幾つかの実施形態では太陽電池に単一キャリア輸送を設けることができ、エミッタ層およびｐ−ｎ接合は、吸収層が当該装置における殆どの入射光子を吸収してキャリアの殆どを生成するように電池の裏面の近くに設けられ、これにより、実質的に一種類のキャリアが生成される。例えば、吸収層よりも大きいバンドギャップの材料で作られたエミッタ層１１０では、装置の深部まで浸透せず、その結果、それほど多くない光子のみが吸収層１０８よりも頂部から遠いエミッタ層に達する青色スペクトルの光子を吸収するのにより適している。

本書に記載の実施形態による薄いベース／吸収層を製造するステップは、ｎ型ドープされたベース／吸収層の使用を可能にする。ｐ型ドープされた層におけるホール移動性と比較して高いｎ型ドープされた層における電子の移動性は、本書の実施形態に記載されるようなｎ型吸収層１０８における低いドーピング密度に通ずる。他の実施形態は、ｐ型ドープされたベース／吸収層およびｎ型ドープされたバック／エミッタ層を利用してもよい。例えば、キャリアの拡散距離のために、厚い吸収層を有する実施形態ではベース／吸収層はｐ型ドープされてもよい。

他の実施形態では、図１Ｂに示すように、中間層１１４はｎ型吸収層１０８とｐ型エミッタ層１１０の間に形成されうる。中間層１１４は、ｎ型吸収層１０８とｐ型エミッタ層１１０の間の材料遷移をもたらす。

図１Ｃは、吸収層１０８と、中間層１１４と、エミッタ層１１０とを有する電池１４０の一実施形態１５０の一部を図示している。幾つかの実施形態では、中間層１１４は、エミッタ層１１０がヒ化アルミニウムガリウムを含有する実施形態ではヒ化アルミニウムガリウムといった、エミッタ層１１０と同一またはほぼ同一の材料を含有している。さらに、中間層１１４は、吸収層１０８と同じ種類のドーピングがなされる。例えば、中間層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓの分子比の公式、例えばＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの分子比を有し、約１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲、例えば１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲でｎ型ドープされうる。ドーパント濃度は、ｎ型吸収層１０８と同一または実質的に同一であってもよい。幾つかの実施形態では、中間層１１４は約２倍の空乏長さの厚みを有することができ、空乏長さはｐ−ｎ接合の周りに形成された空乏領域の幅である。例えば、幾つかの実施形態では、中間層１１４は約０乃至２００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。

電池１４０の実施形態は、電圧を生成するｐ−ｎ接合が、電池について異なるバンドギャップを有する材料によってもたらされたヘテロ接合からオフセットできる構造を提供している。例えば、ｐ−ｎ接合１５２は、エミッタ層１１０と中間層１１４のｎ型およびｐ型の材料の間の境界である。従って、記載された一実施形態では、ｐ−ｎ接合がエミッタ層１１０および中間層１１４が構成するバンドギャップが大きい材料（例えば、ＡｌＧａＡｓ）内に少なくとも部分的に設けられ、ヘテロ接合１２２は、中間層１１４と吸収層１０８の間の境界（例えばＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの間の境界）に位置している。このオフセットは、同時にｐ−ｎ接合およびヘテロ接合に幾つかの利点を提供する。例えば、ＡｌＧａＡｓの層の間に設けられたオフセットしたｐ−ｎ接合は、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの層の間の境界の障壁効果を低減させることができる。幾つかの実施形態では、吸収層１０８の大部分は、ｐ−ｎ接合により形成された空乏領域の外側である。

幾つかの実施形態では、ヘテロ接合１５４は、ｐ−ｎ接合１５２の２倍の空乏長さの範囲内に位置している。例えば、幾つかの実施形態では、空乏領域は約１０００（１００ｎｍ）の幅であってもよい。空乏領域は通常この領域を超えて、ｐ−ｎ接合の約２倍の空乏領域の幅（空乏距離）の範囲内に空乏効果を有している。ｐ−ｎ接合からこの距離よりも更に遠くに位置するヘテロ接合により空乏効果がヘテロ接合の境界に及ぶことはなく、従って、障壁が存在する。

図１Ｄに示すように、中間層１１４の他の実施形態１６０では、中間層１１４は、吸収層１０８とエミッタ層１１０の間に位置する傾斜層１１５と後窓層１１７とを有する。例えば、ｎ型傾斜層１１５はｎ型吸収層１０８の上に形成することができ、ｎ型後窓層１１７の上にｐ型エミッタ層１１０を形成する前に、ｎ型傾斜層１１５の上にｎ型後窓層１１７を形成することができる。傾斜層１１５およびｎ型後窓層１１７はそれぞれｎ型ドープされてもよく、幾つかの実施形態については、ドーピング濃度は約１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲、例えば１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であってもよく、ドーパント濃度はｎ型吸収層１０８と同一またはほぼ同一であることが好ましい。傾斜層１１５および後窓層１１７の厚さは異なる実施形態においては多様であってもよく、中間層１１４全体では標準的な厚さ（例えば、幾つかの実施形態では０乃至２００ｎｍの範囲といった約２倍の空乏長さ）を維持することができる。後窓層１１７はさらに不動態化をもたらして、吸収層１０８の表面における再結合を減少させることができる。

１６０の実施形態は、ｎ型ドープされた層１１７とｐ型ドープされた層１１０の間に形成されたｐ−ｎ接合１６２を有する。ｐ−ｎ接合１６２は、異なるバンドギャップを有する２つの材料の間に設けられたヘテロ接合１６４からオフセットしている。実施形態１６０の例では、これらの材料は、吸収層１０８におけるＧａＡｓおよび傾斜層１１５におけるＡｌＧａＡｓである。例示するために傾斜層の中間点におけるヘテロ接合１６４が図１Ｄに図示されているが、材料の段階的な変化により、ヘテロ接合は層１１５内の任意の地点であってもよく、あるいはこの層の幅全体がヘテロ接合とみなしてもよい。図１Ｃの実施形態のように、ｐ−ｎ接合は２倍の空乏長さの範囲内でヘテロ接合からオフセットしていることが好ましい。

傾斜層１１５は吸収層から後窓層１１７におよぶ材料の段階的な変化を有する傾斜層であってもよく、段階的な変化は吸収層に近い傾斜層側における吸収層の材料から、後窓層に近い側における後窓層１１７の材料にまで及ぶ。従って、上記の例示的な材料を用いて、この段階的に変化する材料はｎ型吸収層１０８に近接するヒ化ガリウムから始まり、アルミニウムの量が増加してＧａＡｓの量が減少する後窓層の方向へと変化し、これにより、この傾斜は後窓層１１７の材料とほぼ同一のヒ化アルミニウムガリウム材料（分子比）の状態でｎ型後窓層１１７に近接して終了する。多くの例では、段階的に変化した窓端部におけるヒ化アルミニウムガリウムはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓの分子比の公式を有し、例えば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの分子比を利用してもよい。傾斜層１１５の段階的な変化は、放物線状、指数関数的または直線的な変化であってもよい。ｎ型後窓層１１７はさらにヒ化アルミニウムガリウムを含有し、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓの分子比の公式、例えばＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの分子比を有しうる。他の実施形態では、中間層１１４は傾斜層１１５のみを有し、あるいは（図１Ｃに示すように）中間層１１４は非傾斜の後窓層１１７のみを有する。

任意に、ｐ型接触層１１２はｐ型エミッタ層１１０上に形成できる。ｐ型接触層１１２は、ヒ化ガリウムのようなグループＩＩＩ−Ｖ組成の半導体を含みうる。ｐ型接触層１１２は一般に単結晶であってｐ型ドープされ、幾つかの実施形態については、ｐ型接触層１１２のドーピング濃度は、約６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、例えば約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３といった、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より高くてもよい。ｐ型エミッタ層１１０は、約１０ｎｍ乃至約１００ｎｍの範囲内、例えば約５０ｎｍの厚さを有しうる。

一旦ｐ型エミッタ層１１０が形成されると、下に位置するベースのｎ型吸収層１０８に達するほど深く、空洞部または凹部（図示せず）をｐ型エミッタ層１１０（または任意にｐ型接触層１１２）に形成することができる。このような凹部は、フォトリソグラフィを利用してマスクをｐ型エミッタ層１１０（または任意にｐ型接触層１１２）に適用し、例えば、湿式または乾式エッチングなどの技術を用いてマスクで覆われていないｐ型エミッタ層１１０（および任意にｐ型接触層１１２）の材料を除去することにより形成できる。この方法では、ヒ化ガリウムベースの電池１４０の裏面を介してｎ型吸収層１０８にアクセスすることができる。

他の実施形態では、対照的な種類のドーピングを上記の層に使用できる、および／または、記載したヘテロ接合およびｐ−ｎ接合を提供する他の材料を使用できる。さらに、他の実施形態では、上述の順番とは異なる順序で層を蒸着または形成することができる。

この方法で作られた太陽光発電装置は、数マイクロメートルの厚さの従来の太陽光ユニットと比較して、著しく薄い吸収層（例えば、５００ｎｍ未満）を有している。吸収層の厚さは、太陽光発電装置における暗電流レベルに比例する（例えば、吸収層が薄いほど、暗電流は低くなる）。暗電流は、光子が装置に入らないときでさえ、太陽光発電装置または光ダイオードなどの他の同様の感光性装置を通って流れる微電流である。熱電子放出または他の影響の結果としてバックグラウンド電流が起こることもある。感光性の半導体装置における暗電流が低下すると開回路の電圧（Ｖ_ｏｃ）が増加するため、薄い吸収層は所与の光度に対してＶ_ｏｃを増加させやすく、従って効率を高めることができる。吸収層が光を捕捉できる限り、吸収層の厚さが減少するほど性能は高くなる。

吸収層の薄さは、薄膜技術およびＥＬＯの性能によってのみ制限されうる。例えば、吸収層の厚さによって効率は高まるが、吸収層は電流を送達する程度に厚くなくてはならない。しかしながら、高いドーピングレベルにより、非常に薄い吸収層においても電流が流れることが可能となりうる。従って、向上したドーピングを利用して、優れた効率を有する非常に薄い吸収層を製造することができる。従来の光起電性装置は体積再結合の影響を欠点として有していたため、このような従来の装置は吸収層において高ドーピングを利用していない。吸収層のシート抵抗も適切な厚さを決定するときに考慮される。

本書に記載するような薄い吸収層を有する光起電性装置は、数マイクロメートルの厚さを有する従来の太陽電池よりも一般に柔軟である。さらに、本書に記載の薄い吸収層は、従来の太陽電池よりも優れた高い性能を提供する。従って、本発明の実施形態による太陽光発電装置は、従来の太陽電池よりもさらに多くの分野に適応しうる。

図２は両面の光起電性装置である光電池２００の一実施形態を図示しており、光電池２００の反対側に配置された、ｐ型金属接触層２０４およびｎ型金属接触層２０８といった接点をそれぞれ有している。ｎ型金属接触層２０８は前側または太陽側に配置されて光２１０を受け取り、ｐ型金属接触層２０４は光電池２００の裏面に配置される。図１Ｂに示し、本書の実施形態に記載するように、光電池２００はヒ化ガリウムベースの電池１４０から形成することができる。

一実施形態では、ｎ型金属接触層２０８がｎ型接触層１０５上に蒸着され、その後にｎ型金属接触層２０８およびｎ型接触層１０５を通って凹部が形成されて、光電池２００の前側にｎ型前窓１０６が露出する。代替的な実施形態では、凹部がｎ型接触層１０５に最初に形成され、光電池２００の前側にｎ型前窓１０６を露出させてもよい。その後、ｎ型金属接触層２０８は、ｎ型前窓１０６を露出した状態でｎ型接触層１０５の残っている部分に形成される。ｎ型接触層１０５は、約６×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３乃至約１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内といった約３×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より高いドーパント濃度を有しうるｎ型ドープのヒ化ガリウム材料を含有する。

反射防止コーティング（ＡＲＣ）層２０２は、本発明の実施形態に応じて、露出したｎ型前窓１０６、さらにはｎ型接触層１０５およびｎ型金属接触層２０８の上に配置することができる。ＡＲＣ層２０２は、ＡＲＣ層２０２の表面を通って光が通過できる材料を含有し、表面からの光の反射を防いでいる。例えば、ＡＲＣ層２０２は、フッ化マグネシウム、硫化亜鉛、酸化チタン、酸化シリコン、それらの派生物、またはそれらの組み合わせを含有しうる。ＡＲＣ層２０２は、スパッタなどの技術によってｎ型前窓１０６に適用できる。ＡＲＣ層２０２は、約５０ｎｍ乃至約１５０ｎｍといった約２５ｎｍ乃至約２００ｎｍの範囲の厚さを有しうる。

幾つかの実施形態については、ｎ型前窓１０６、ｐ型エミッタ層１１０、および／またはｐ型接触層１１２が、ＡＲＣ層２０２を適用する前に粗面化またはテクスチャ出しされる。ｎ型前窓１０６、ｐ型エミッタ層１１０、および／またはｐ型接触層１１２はそれぞれ、湿式エッチングプロセスまたは乾式エッチングプロセスなどのエッチングプロセスによって粗面化できる。ＡＲＣ層２０２を適用する前にポリスチレン球などの小さい粒子をｎ型前窓１０６の表面に適用することにより、テクスチャ出しすることができる。ｎ型前窓１０６、ｐ型エミッタ層１１０、および／またはｐ型接触層１１２を粗面化またはテクスチャ出しすることにより、異なる屈折率を有するＡＲＣ層２０２とｎ型前窓１０６の間の境界で異なる角度がもたらされる。この方法では、スネルの法則により光子の入射角は非常に大きいため、より多くの入射光子がＡＲＣ層２０２とｎ型前窓１０６の間の境界から反射されずにｎ型前窓１０６内に伝達されうる。従って、ｎ型前窓１０６、ｐ型エミッタ層１１０、および／またはｐ型接触層１１２を粗面化またはテクスチャ出しすると、光の捕捉を増加させることができる。

幾つかの実施形態では、ｎ型前窓１０６は複数の窓層を含みうる。これらの実施形態について、最も外側の窓層（例えば、光電池２００の前面に最も近い窓層）は、図２に示すように、ＡＲＣ層２０２が適用される前に上述のように粗面化またはテクスチャ出しされうる。一実施形態では、ｎ型前窓１０６は、ｎ型吸収層１０８に近接して位置する第１の窓層（図示せず）と、第１の窓層とＡＲＣ層２０２の間に挟まれた第２の窓層（図示せず）とを含む。第１および第２の窓層はヒ化アルミニウムガリウムなどの上記のようなｎ型前窓１０６に適した材料を含有しうるが、一般には異なる組成である。例えば、第１の窓層はＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓを含有し、第２の窓層はＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓを含有しうる。さらに、幾つかの実施形態については、複数の窓層の一部がドープされ、その他の窓層はドープされないでもよい。例えば、第１の窓層はドープされ、第２の窓層はドープされなくてもよい。

ｐ型金属接触層２０４および／またはｎ型金属接触層２０８はそれぞれ、金属または金属合金といった導電性の接触材料を含有する。好適には、ｐ型金属接触層２０４および／またはｎ型金属接触層２０８内に含まれる接触材料は、光電池２００の製造時に利用される処理ステップの際に、半導体層などの他の層を通って拡散しない。通常、ｐ型金属接触層２０４およびｎ型金属接触層２０８はそれぞれ、同一または異なる接触材料の複数の層を有する。接触材料は、１×１０^−３Ωｃｍ^２未満の特定の接触抵抗を有することが好ましい。好適な接触材料は更に、約１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のキャリア濃度で約０．８ｅＶ以上のショットキー障壁高さ（Φ_ｂｎ）を有する。適切な接触材料は、金、銅、銀、アルミニウム、パラジウム、白金、チタン、ジルコニウム、ニッケル、クロム、タングステン、タンタル、ルテニウム、亜鉛、ゲルマニウム、パラジウムゲルマニウム合金、それらの派生物、それらの合金、またはそれらの組み合わせを含みうる。

本書に記載の幾つかの実施形態では、ｐ型金属接触層２０４および／またはｎ型金属接触層２０８は、フォトレジスト、フォトリソグラフィ、スクリーン印刷、あるいは抵抗マスク、ワックス、または他の保護材で部分的に覆われた光電池２００の露出した表面に単に蒸着させることによる真空蒸発などの方法によって、光電池２００上に製造することができる。

任意に、金属保護層、または金属接着層は、ｐ型金属接触層２０４の上に蒸着させることができる。この金属保護層は、ニッケル、クロム、チタン、それらの合金、またはそれらの組み合わせを含む材料を含有しうる。金属保護層は、ｐ型ドープのヒ化ガリウムへの優れた密着力を示すことが好ましい。一実施形態の例では、金属保護層は約５Å乃至約２０Åの範囲の厚さに蒸着され、約８０％以上の反射率を有しうる。好適には、金属保護層の材料および蒸着厚さは、ｐ型金属接触層２０４の反射性との干渉を最小限にするように蒸着される。金属保護層は、スパッタリングプロセスとしても知られている電子線蒸着プロセスまたはＰＶＤプロセスによって蒸着させることができる。

ｐ型金属接触層２０４、ｎ型金属接触層２０８、および他の接点、接着、および電池２００の接触層に使用するのに適した反射体層の幾つかの例の実施形態が、本書と同日に出願された、同時係属中の米国特許出願、名称「光起電性装置の金属接点およびその低温製造プロセス（Metallic Contacts for Photovoltaic Devices and Low-Temperature Fabrication Processes Thereof）」に記載されており、参照により本書に組み込まれる。金属の接触層の他の種類、構造、および材料を電池２００にも使用することができる。

図３は、片面の光起電性装置であって、その結果、本書の他の実施形態に示すように、光電池３００の同じ側に配置された、ｐ型金属接点３０２およびｎ型金属接点３１２といった両方の接点を有する光電池３００が図示されている。図３に示すように、ｐ型金属接点３０２およびｎ型金属接点３１２の双方が光電池３００の裏面にあり、ＡＲＣ層２０２は光３２０を受ける光電池３００の太陽側または正面にある。本書に記載の幾つかの実施形態では、ｐ型金属接点３０２はｐ型金属接触層３０６上に配置されたｐ型金属接触層３０４を含み、ｎ型金属接点３１２はｎ型金属合金の接点３１０上に配置されたｎ型金属接触層３０８を含む。

幾つかの実施形態では、光電池３００は図１Ｂのヒ化ガリウムベースの電池１４０から形成することができる。一例では、抵抗マスクがｐ型接触層１１２の露出した表面に形成され、フォトリソグラフィプロセスの際にパターン化した凹部および孔部を形成することができる。パターン化した凹部および孔部はｐ型接触層１１２、ｐ型エミッタ層１１０、ｎ型後窓層１１７、および傾斜層１１５を通り、ｎ型吸収層１０８内に部分的に延在する。その後、抵抗マスクが除去され、光電池３００の裏面を向いた２次元透視図に見られるように、光電池３００の裏面の露出表面としてｎ型吸収層１０８およびｐ型接触層１１２を露わにする。凹部および孔部の側面はｐ型接触層１１２、ｐ型エミッタ層１１０、ｎ型後窓層１１７、および傾斜層１１５の露出した面、およびｎ型吸収層１０８を部分的に露わにする。

一実施形態では、ｐ型金属接触層３０６はｐ型接触層１１２の露出した部分に形成され、ｎ型金属合金の接点３１０はｎ型吸収層１０８の露出した部分に形成される。その後、ｐ型金属接触層３０６およびｎ型金属合金の接点３１０を含む全ての露出した表面を覆うように、絶縁層２１６が光電池３００の表面の上に蒸着される。次いで、ｐ型金属接触層３０６およびｎ型金属合金の接点３１０の露出した表面は、リソグラフィプロセスによってパターン化した孔部を絶縁層２１６内にエッチングすることで露わになる。幾つかの実施形態では、ｐ型金属接触層３０６およびｎ型金属合金の接点３１０はＥＬＯプロセスの際に成長ウエハ１０１からヒ化ガリウムベースの電池１４０を分離させる前に形成され、絶縁層２１６はＥＬＯプロセスの後に形成される。ｐ型金属接触層３０４はｐ型金属接触層３０６および絶縁層２１６の一部の上に形成することができ、ｎ型金属接触層３０８はｎ型金属合金の接点３１０および絶縁層２１６の他の部分の上に形成され、図３に示すような光電池３００を形成する。幾つかの例では、ｐ型金属接触層３０４およびｎ型金属接触層３０８は、互いに材料が同一の組成の層を含有するよう形成することができ、他の例では、ｐ型金属接触層３０４およびｎ型金属接触層３０８は、同一の金属被覆ステップ中に光電池３００に同時に形成される。

代替的な実施形態では、ｐ型金属接点３０２およびｎ型金属接点３１２の全部または一部が製造され、次いで、ｐ型金属接点３０２とｎ型金属接点３１２の間、およびその周りの凹部の側壁に絶縁層２１６が形成される。他の代替的な実施形態では、ｐ型金属接点３０２およびｎ型金属接点３１２を形成する前に、全部または一部の絶縁層２１６を光電池３００に形成することができる。

ｐ型金属接点３０２およびｎ型金属接点３１２といった全ての接点が光電池３００の裏面にあり、日陰を減少させているにもかかわらず、時間と温度に対する暗電流およびその安定性は、光電池３００などの効率的な光起電性装置を設計する場合には未だに懸念事項となりうる。従って、幾つかの実施形態については、光電池３００の裏面に絶縁層２１６が蒸着されるか形成されうる。この絶縁層２１６は、光電池３００内の暗電流を減少させる効果がある電気的に絶縁した材料またはグラウトを含む。

絶縁層２１６は、酸化シリコン、二酸化けい素、酸窒化けい素、窒化けい素、ポリシロキサンまたはシリコーン、ゾルゲル材料、酸化チタン、酸化タンタル、硫化亜鉛、それらの派生物、またはそれらの組み合わせといった、電気的に絶縁した材料またはグラウトを含みうる。絶縁層２１６は、スパッタリングプロセス、蒸発プロセス、スピンコートプロセス、またはＣＶＤプロセスなどのパッシベーション法によって形成することができる。

他の実施形態では、絶縁層２１６は、ｐ型金属接点３０２とｎ型金属接点３１２の間に起こる電気的短絡をなくすか、大幅に減少させる。絶縁層２１６は、約１ＭΩ乃至約５ＭΩの範囲、またはそれ以上といった少なくとも０．５ＭΩ（ミリオンオーム）以上の電気抵抗を有する、電気的に絶縁したグラウトおよび／または他の電気的に絶縁した材料を含有する。例示的なグラウトまたは他の電気的に絶縁した材料は、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリイミド、ポリウレタン、それらの派生物、またはそれらの組み合わせといった高分子材料を含有しうる。一例では、電気的に絶縁したグラウトは、感光性のポリイミドコーティングを含む。他の例では、電気的に絶縁したグラウトは熱硬化性の高分子材料を含む。

多くの実施形態では、ｎ型金属合金の接点３１０は低温のプロセスで形成することができ、このプロセスは、低温の熱アニールプロセスが続く低温の蒸着プロセスを含む。低温の蒸着プロセスによりｎ型金属合金の接点３１０に蒸着される適切な接触材料は、特に、パラジウム、ゲルマニウム、パラジウムゲルマニウム合金、チタン、金、ニッケル、銀、銅、白金、それらの合金、またはそれらの組み合わせを含みうる。

他の実施形態では、ｎ型金属合金の接点３１０は、パラジウムゲルマニウム合金を含む導体材料の複数の層を含有しうる。ｎ型金属合金の接点３１０は、強力な抵抗接点をその間に設けるべく、ｎ型吸収層１０８とｎ型金属接触層３０８の間に配置される。ｎ型金属合金の接点３１０内のパラジウムゲルマニウム合金は、ｎ型吸収層１０８内のヒ化ガリウム材料からｎ型金属合金の接点３１０にわたり、ｎ型金属接触層３０８までの電位の高伝導性を可能にする。ｎ型金属合金の接点３１０はさらに、例えばパラジウムゲルマニウム合金の層上に設けられた金属キャッピング層を含む。幾つかの実施形態では、キャッピング層は接着層と高伝導性の層を含みうる。例えば、接着層は、伝導性の層が合金の層に付着できるようにする。幾つかの例では、接着層はチタン、スズ、亜鉛、それらの合金、またはそれらの組み合わせを含有し、高伝導性の層は金、銀、ニッケル、銅、アルミニウム、それらの合金、またはそれらの組み合わせ、あるいは複数の異なる金属の層および／または合金の層の堆積を含みうる。一例では、ｎ型金属合金の接点３１０はチタンを含有する接着層上に配置された金を含有する高伝導性の層を含み、これはパラジウムゲルマニウム合金の上に配置される。

電池２００におけるｐ型金属接触層２０４および／またはｎ型金属接触層２０８について上述したものと同様の製造方法および実施形態は、光電池３００におけるｐ型金属接触層３０６に利用することができる。ｎ型金属合金の接点３０４、ｐ型金属接点３０２、ｎ型金属接点３１２、ｎ型金属合金の接点３１０、および電池３００の接触層での利用に適した他の層の例示的な実施形態の幾つかが、同一日に出願され同時係属中の特許出願、名称「光起電性装置の金属接点およびその低温製造プロセス（Metallic Contacts for Photovoltaic Devices and Low-Temperature Fabrication Processes Thereof）」に記載されており、参照により本書に組み込まれる。金属接点の層の他の種類、構造、および材料は、電池３００にも利用することができる。

前述は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他および更なる実施形態はその根本的な範囲から逸脱することなく想到することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲によって確定される。

Claims (22)

1. 光電子半導体装置において：
   ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のドーピングのみを有する吸収層と；
   前記吸収層よりも当該装置の裏面の近くに位置するエミッタ層であって、前記吸収層とは異なる材料で作られ、前記吸収層よりも大きいバンドギャップを有しているエミッタ層と；
   前記エミッタ層と前記吸収層の間に形成されたヘテロ接合と；
   前記エミッタ層と前記吸収層の間であって、前記ヘテロ接合からオフセットした位置に形成されたｐ−ｎ接合とを具えており、当該装置が装置の前面で光に露出されることに反応して、前記ｐ−ｎ接合が当該装置に電圧を生成することを特徴とする光電子半導体装置。
2. 請求項１に記載の光電子半導体装置において、前記ｐ−ｎ接合が前記ヘテロ接合の２空乏長さの範囲内に配置されることを特徴とする光電子半導体装置。
3. 請求項１に記載の光電子半導体装置において、前記ヘテロ接合からの前記ｐ−ｎ接合のオフセット量が前記吸収層と前記エミッタ層の間に位置する中間層によってもたらされ、前記中間層は前記吸収層と同じ種類のドーピングを有し、異なる材料を含んでいることを特徴とする光電子半導体装置。
4. 請求項３に記載の光電子半導体装置において、前記中間層が、前記吸収層に近い側のＧａＡｓから前記エミッタ層の前記異なる材料までの材料の段階的な変化を有する傾斜層と、段階的な変化を有さず、前記異なる材料のほぼ均一な組成を有する後窓層とを有することを特徴とする光電子半導体装置。
5. 請求項１に記載の光電子半導体装置において、前記エミッタ層の材料が、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であることを特徴とする光電子半導体装置。
6. 請求項１に記載の光電子半導体装置において、前記光電子半導体装置が、単一キャリア輸送の太陽電池であることを特徴とする光電子半導体装置。
7. 請求項３に記載の光電子半導体装置がさらに：
   当該装置の前面に配置されたｎ型金属接点と；
   当該装置の裏面に配置されたｐ型金属接点とを具え、前記前面は前記裏面の上に配置され；
   前記ｎ型金属接点の上に配置された反射防止コーティングと；
   前記前面と裏面の間に配置され、ｐ型積層体の上に配置されたｎ型積層体を有する電池とを具えており：
   前記ｎ型積層体は、ｎ型ヒ化ガリウムを含む前記吸収層の上に配置され、ｎ型ヒ化アルミニウムガリウムを含む前記中間層の上に配置されたｎ型前窓の上に位置する、ヒ化ガリウムを含むｎ型接触層を有し；
   前記ｐ型積層体は、ｐ型ヒ化ガリウムを含むｐ型接触層の上に配置された、ｐ型ヒ化アルミニウムガリウムを含む前記エミッタ層を有することを特徴とする光電子半導体装置。
8. 請求項３に記載の光電子半導体装置がさらに：
   当該装置の裏面に配置されたｎ型金属接点およびｐ型金属接点と；
   当該装置の前面に配置された反射防止コーティングとを具え、前記前面は前記裏面の上に配置され；
   前記前面と裏面の間に配置され、ｐ型積層体の上に配置されたｎ型積層体を有する電池とを具えており：
   前記ｎ型積層体は、ｎ型ヒ化ガリウムを含む前記吸収層の上に配置され、ｎ型ヒ化アルミニウムガリウムを含む前記中間層の上に配置されたｎ型前窓の上に位置する、ヒ化ガリウムを含むｎ型接触層を有し、
   前記ｐ型積層体は、ｐ型接触層の上に配置されたエミッタ層を有しており、
   前記ｎ型金属接点は前記吸収層に接続され、前記ｐ型金属接点は前記ｐ型接触層に接続されることを特徴とする光電子半導体装置。
9. ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のドーピングのみを有する吸収層と；
   前記吸収層とは異なる材料で作られ、前記吸収層よりも大きいバンドギャップを有するエミッタ層と；
   前記吸収層と前記エミッタ層の間に設けられ、前記吸収層と同じ種類のドーピングを有する中間層であって、前記吸収層に近い側のＧａＡｓから前記エミッタ層に近い側の前記エミッタ層の前記異なる材料までの材料の段階的な変化を有する中間層と；
   前記エミッタ層と前記吸収層の間に形成されたヘテロ接合と；
   前記エミッタ層と前記吸収層の間であって、少なくとも部分的には前記異なる材料の範囲内で前記ヘテロ接合からオフセットした位置に形成されたｐ−ｎ接合とを具える太陽電池であって、当該電池が電池の前面において光に露出されることに反応して、前記ｐ−ｎ接合が当該電池に電圧を生成することを特徴とする太陽電池。
10. 請求項９に記載の太陽電池において、前記中間層が、段階的な変化を有する傾斜層と、段階的な変化を有さずに前記異なる材料のほぼ均一な組成を有している後窓層とを有することを特徴とする太陽電池。
11. 請求項１０に記載の太陽電池において、前記傾斜層が前記吸収層に近接して配置されており、前記後窓層は前記傾斜層と前記エミッタ層の間に配置されることを特徴とする太陽電池。
12. 請求項９に記載の太陽電池において、前記エミッタ層の材料が、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であることを特徴とする太陽電池。
13. 請求項１１に記載の太陽電池において、前記中間層が、前記エミッタ層から前記吸収層の方向に、約３０％のアルミニウムと７０％のＧａＡｓから約１００％のＧａＡｓまでの材料の段階的な変化を有することを特徴とする太陽電池。
14. 請求項９に記載の太陽電池において、前記エミッタ層が前記吸収層よりも前記装置の裏面の近くに配置され、これにより単一キャリア輸送が装置に提供されることを特徴とする太陽電池。
15. ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られ、一種類のドーピングのみを有する吸収層と；
    前記吸収層とは異なる材料で作られ、前記吸収層よりも大きいバンドギャップを有するエミッタ層と；
    前記エミッタ層と前記吸収層の間に形成されたヘテロ接合と；
    前記エミッタ層と前記吸収層の間であって、少なくとも部分的には前記異なる材料の範囲内で前記ヘテロ接合からオフセットした位置に形成されたｐ−ｎ接合とを具える光電池であって、
    前記吸収層の大部分は前記ｐ−ｎ接合によって形成された空乏領域の外側であり、当該電池が電池の前面において光に露出されることに反応して、前記ｐ−ｎ接合が当該電池に電圧を生成することを特徴とする光電池。
16. 請求項１５に記載の光電池において、前記ｐ−ｎ接合が、前記ヘテロ接合の２空乏長さの範囲内に位置することを特徴とする光電池。
17. 請求項１５に記載の光電池において、前記エミッタ層の材料が、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であることを特徴とする光電池。
18. 請求項１５に記載の光電池において、前記ヘテロ接合からの前記ｐ−ｎ接合のオフセット量が前記吸収層と前記エミッタ層の間に位置する中間層によってもたらされ、前記中間層は前記吸収層と同じ種類のドーピングを有し、前記吸収層に近い側のＧａＡｓから前記エミッタ層の前記異なる材料までの材料の段階的な変化を有することを特徴とする光電池。
19. 請求項１５に記載の光電池において、前記エミッタ層が前記吸収層よりも当該電池の裏面の近くに配置され、これにより単一キャリア輸送が当該電池内に提供されることを特徴とする光電池。
20. 光電子半導体装置を形成する方法において、当該方法が：
    吸収層上に中間層を形成するステップであって、前記吸収層はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で作られて一種類のドーピングのみを有し、前記中間層は前記吸収層と同じ種類のドーピングを有するステップと；
    前記中間層上にエミッタ層を形成するステップとを含んでおり、前記エミッタ層は前記吸収層よりも前記装置の裏面の近くに配置され、前記吸収層とは異なる材料で作られて前記吸収層よりも大きいバンドギャップを有しており、前記中間層は前記エミッタ層の前記異なる材料を含み、
    ヘテロ接合は前記エミッタ層と前記吸収層の間に形成され、
    ｐ−ｎ接合は、前記エミッタ層と前記吸収層の間であって、前記ヘテロ接合からオフセットした位置に形成されており、前記装置が光に露出されることに反応して、前記ｐ−ｎ接合が前記装置に電圧を生成することを特徴とする方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、前記中間層が、前記吸収層に近い側のＧａＡｓから前記エミッタ層に近い側の前記エミッタ層の前記異なる材料までの材料の段階的な変化を有することを特徴とする方法。
22. 請求項２０に記載の方法において、前記光電子半導体装置が、単一キャリア輸送の太陽電池であることを特徴とする方法。
    

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