JP2012516578A - 酸化窓層を備えた高効率のｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の太陽電池装置 - Google Patents

酸化窓層を備えた高効率のｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の太陽電池装置 Download PDF

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Abstract

本願は、酸化処理を用いてIII-V族化合物半導体の太陽電池装置を製造する。酸化処理によって、セルユニットの上に設けられた窓層を酸化し、太陽電池装置の効率を向上させる。酸化された窓層のバンドギャップは増加し、電子とホールとの表面再結合を最小限にする。また、酸化された窓は、従来の窓層では吸収されていた波長における透明度も向上させる。

Description

本出願は、2009年1月28日に提出した米国暫定出願第61/147,929号への優先権を主張する。また、上記米国仮出願はその全体を参照して本明細書に援用する。
本願は、太陽電池装置などの光起電性装置に関する。より詳細には、本願は、窓層を使用するIII-V族化合物半導体に基づいた光起電性装置に関わる。
光起電性装置は光エネルギーを電気に変換する。「太陽電池装置」という用語は、太陽光からエネルギーを捕捉する装置を指すためにしばしば用いられるが、「太陽電池装置」及び「光起電性装置」という用語は、本願においては光源が何であっても交換可能に使用される。
図1は、従来の多接合太陽電池装置100の断面図である。多接合太陽電池装置100は、基板101と、底部セルユニット103と、中間セルユニット105と、上部セルユニット107とを含むことができる。多接合太陽電池装置100は、該装置の（照射される）正面すなわち上面から光を受けられるように位置決めできる。こうした光は典型的に複数の波長を含み、一般にセルユニット103、105、及び107は異なる波長の光を吸収するよう設計されている。例えば、第1範囲の波長111は底部セルユニット103に吸収され、第2範囲の波長113は中間セルユニット105に吸収され、第3範囲の波長は上部セルユニット107に吸収されるものとしてよい。
多接合太陽電池装置100は、さらに、該太陽電池装置100の全体的な効率を向上させるため窓層109を含むことができる。従来の多接合太陽電池装置100においては、InAlPが標準的な窓層として広く使用されている。一般に、窓層109は、光発生キャリアの表面再結合を防止するために設けられる。従来の窓層109を用いると、太陽スペクトルの遠青端(the
far blue end)すなわち紫外線領域などの第4波長117は窓層109に吸収されてしまい、第4範囲の波長117は装置100のセルユニット103、105、及び107のいずれにも透過されない。従って、従来装置100の効率は窓層109によって減少する。さらに、太陽電池装置における１つの大きな損失の仕組みは、高密度の表面状態によってホールや電子などの光発生キャリアが太陽電池装置の上面において再結合することである。従来の窓層は約2.0
eVのバンドギャップを持つ。バンドギャップがもっと広ければ、光発生キャリアの再結合を減少させることによって太陽電池装置100の効率は向上するはずである。しかし、従来の太陽電池装置100において、GaAs基板に格子整合した2.0
eVを超えるバンドギャップを持つ物質を成長させるのは困難である。
従って、表面再結合を最小限にする窓層を備えた新たな太陽電池構造が必要とされている。
本願は、より多くの波長を透過させ且つ太陽電池装置の表面を不動態化する窓層を備えた新規の太陽電池装置構造体を提供する。本願は、III-V族化合物半導体の太陽電池装置に使用する様々な構造体を教示する。本発明の太陽電池構造体は、当該太陽電池装置の（照射される）正面すなわち上面に設けられる酸化された窓層を含む。前記酸化された窓層は、湿式酸化技法などの熱酸化処理を用いて提供される。前記酸化処理が前記窓層のバンドギャップを広くし、且つ電子やホールなどの光発生キャリアが前記装置の前記面に到達するのを防ぐ。従って、前記酸化された窓層は、前記太陽電池装置の前記上面における前記光発生キャリアの表面再結合を最小化する。前記酸化処理は、前記太陽電池装置の表面状態を不動態化することによって表面再結合を減少させる助けとなりうる。
さらに、前記酸化された窓層のバンドギャップがより広くなることで、より高いエネルギー光子の前記窓層の透過を向上させる。前記酸化された窓層は、太陽スペクトルの紫外線領域または遠青端において光学的に透明であり、従って、前記酸化された窓層によって、前記太陽電池装置のセルユニットへのより高いエネルギー光子の透過を向上させる。
一実施形態によれば、III-V族化合物半導体太陽電池の製造方法が提供される。前記方法は、III-V族化合物半導体物質から少なくとも1つのセルユニットを形成する段階を含む。前記セルユニットは、太陽スペクトルの所定の波長を吸収するよう構成されている。前記太陽電池装置の上面における光発生キャリアの再結合を防止するために、窓層が前記セルユニット上に形成される。前記窓層を酸化させて、前記窓層を酸化された窓層に転換する。
上述の実施形態では、前記窓層は湿式酸化処理を用いて酸化してよい。前記酸化された窓層のバンドギャップは前記窓層のバンドギャップより大きくなりうる。前記酸化された窓層のバンドギャップは約4.0eVとなりうる。前記酸化された窓層は、Al含有III-V族化合物半導体物質でよい。例えば、前記窓層は、InAlP窓層またはAlGaAs窓層でよい。前記酸化された窓層は、前記太陽スペクトルの第2範囲の波長を前記セルユニットまで透過させて前記セルユニットの光ルミネセンス(PL)強度を増加させることができ、前記第2範囲の波長は前記窓層に吸収される。前記第2範囲の波長は、前記太陽スペクトルの遠青端の波長でよい。前記セルユニットは、ひ化ガリウム(GaAs)と、りん化ガリウムインジウム(Ga1-xInxP)と、ひ化ガリウムインジウム(Ga1-xInxAs)と、りん化インジウム(InP)と、ひ化りん化インジウムガリウム(Ga1-xInxAs1-yPy)と、アルミニウムインジウムガリウムリン((AlxGa1-x)1-yInyP)とのうち任意のものから形成すればよい。前記太陽電池装置は、複数のセルユニットを備えた単一接合装置または多接合装置でよく、それぞれのセルユニットは、前記太陽スペクトルの異なる領域の波長を吸収するよう構成されている。
上述の実施形態の方法は、前記セルがその上に形成される基板を提供する段階を含んでよく、前記基板がひ化ガリウム(GaAs)及びりん化インジウム(InP)のうち少なくとも1つで形成される。酸化させる前記段階は、金属導電物質との電気的接触を向上させるために前記窓層上にキャップ層を設ける段階と、前記キャップ層をエッチングする段階と、前記窓層の暴露部分を酸化させる段階を含み、前記暴露部分が前記キャップ層のエッチングされた部分に対応する。上述の実施形態の方法は、前記金属導電物質を前記キャップ層の上に設ける段階と、反射防止コーティングを前記酸化された窓層に施す段階とを含むことができる。上述の実施形態の方法は、前記基板の底面に裏面接点を設ける段階を含むことができる。
別の実施形態では、III-V族化合物半導体物質から形成された少なくとも1つのセルユニットを含む太陽電池装置が提供される。前記セルユニットは、太陽スペクトルの所定の波長を吸収するよう構成されている。前記太陽電池装置は、さらに、その上面における光発生キャリアの再結合を防止するために前記セルユニット上に設けられた酸化された窓層とを含むことができる。
上述の実施形態では、前記酸化された窓層のバンドギャップは約4.0eVとなりうる。前記酸化された窓層は、Al含有III-V族化合物半導体物質を含むことができる。前記窓層は、InAlP物質またはAlGaAs物質を含むことができる。前記セルユニットは、ひ化ガリウム(GaAs)と、りん化ガリウムインジウム(Ga1-xInxP)と、ひ化ガリウムインジウム(Ga1-xInxAs)と、りん化インジウム(InP)と、ひ化りん化インジウムガリウム(Ga1-xInxAs1-yPy)と、アルミニウムインジウムガリウムリン((AlxGa1-x)1-yInyP)とのうち任意のものから形成すればよい。上述の実施形態の前記太陽電池装置は複数のセルユニットを含んでよく、それぞれのセルユニットが、前記太陽スペクトルの異なる波長を吸収するよう構成されている。上述の実施形態の太陽電池装置は、前記セルユニットがその上に形成される基板を含んでよく、前記基板が、ひ化ガリウム(GaAs)及びりん化インジウム(InP)のうち少なくとも1つで形成される。上述の実施形態の太陽電池装置は、前記窓層上に設けられたキャップ層であって、その上に設けられた金属導電物質との電気的接触を向上させるキャップ層を含むことができる。上述の実施形態の太陽電池装置は、前記基板の底面に設けられた裏面接点を含むことができる。
本願の上述の特徴は、添付の図面と組み合わせて次の詳細な説明を参照すればよりよく理解できるはずである。
窓層を備えた従来のIII-V族化合物半導体の太陽電池装置の断面図である。 (A) 本発明の教示による酸化された窓層を備えたIII-V族化合物半導体の太陽電池装置の断面図である。 (B) 本発明の教示に従って窓層が湿式酸化処理により酸化される炉の単純化した概略図である。 酸化された窓層が、図2Aの太陽電池装置の光ルミネセンスに及ぼす影響を示すグラフである。 酸化された窓層と酸化されていない窓層とを備えた単一接合太陽電池装置の外部量子効率を示すグラフである。 本願の教示に従って太陽電池装置を製造するための代表的な方法の概略的フローチャートである。 (A) 図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。 (B) 図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。 (C) 図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。 (D) 図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。 (E) 図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。 同一のエピタキシャル構造体から製造された酸化されていない二重接合太陽電池装置、半分酸化された二重接合太陽電池装置、及び完全に酸化された二重接合太陽電池装置の光ルミネセンス測定値を示す。 同一のエピタキシャル構造体から製造された酸化されていない二重接合太陽電池装置、半分酸化された二重接合太陽電池装置、及び完全に酸化された二重接合太陽電池装置の電流-電圧測定値を示す。 同一のエピタキシャル構造体から製造された酸化されていない二重接合太陽電池装置、半分酸化された二重接合太陽電池装置、及び完全に酸化された二重接合太陽電池装置の内部量子効率の測定値を示す。
本願の実施形態は、III-V族化合物半導体の太陽電池装置及びそうした太陽電池装置を製造するための方法を提供する。本明細書で教示するIII-V族化合物半導体の太陽電池装置は、湿式酸化法などの熱酸化処理を用いて該装置の上面すなわち正面に形成された酸化窓層を含む。こうした酸化により窓層のバンドギャップが広くなり、この酸化された窓層は太陽スペクトルの遠青端における透明度を向上させる。従って、この酸化された窓層は、太陽電池のセルユニットへのより高いエネルギー光子の透過を向上させる。
さらに、酸化された窓層のバンドギャップがより広くなることで、電子とホールが太陽電池装置の表面に到達するのを防止する。従って、酸化された窓層は、太陽電池装置の上面におけるホールと電子の表面再結合を最小化し、太陽電池装置の表面状態を不動態化する。
図2Aは、本発明の酸化された窓層と組み合わせて使用するのに適した代表的な多接合太陽電池装置200の概略的な断面図である。多接合太陽電池装置200は、基板201と、第1すなわち底部セルユニット203と、第2すなわち中間セルユニット205と、第3すなわち上部セルユニット207とを含むことができる。本明細書では、「セルユニット」という用語は、太陽スペクトルの一定部分を使って発電する一定のバンドギャップエネルギー特性を備えた太陽電池装置の層すなわち領域を指す。本明細書では、多接合太陽電池装置における各セルユニットは、異なるバンドギャップエネルギー特性を持っている。
多接合太陽電池装置200は代表的な例であって、任意の数の接合を図示した太陽電池装置で使用できることは通常の技能を備えた当業者であれば理解するはずである。例えば、図示した太陽電池装置は、単一の接合あるいは2つ又は3つの接合を含むことができる。通常の技能を備えた当業者であれば、太陽電池装置200の各接合を構成する様々な層を容易に理解できるであろう。
基板201は、III-V族化合物半導体の太陽電池装置200がその上に形成される適切な格子構造を提供する基礎となる。本明細書で教示するIII-V族化合物半導体の太陽電池装置200の製造方法は、通常の技能を備えた当業者には周知であるように、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含む。基板201は、ゲルマニウム(Ge)、ひ化ガリウム(GaAs)、りん化インジウム(InP)、りん化ガリウム(GaP),
アンチモン化ガリウム(GaSb)、他の任意のIII-V族化合物半導体物質、またはそれら物質の組み合わせから形成できる。
図示した太陽電池装置200の各セルユニット203、205、及び207は、ガリウムヒ素 (GaAs)、りん化ガリウムインジウム(GaInP)、ひ化ガリウムインジウム(GaInAs)、ひ化りん化インジウムガリウム(GaInAsP)などの1つまたは複数のIII-V族化合物半導体物質や、それ以外の任意適切なIII-V族化合物半導体物質、またはそれら物質の組み合わせから形成できる。各セルユニットは、エミッタ領域、ベース領域、及びこれらのエミッタ領域とベース領域との間に接合を含むことができる。エミッタ領域は、n型III-V族化合物半導体物質で形成されたエミッタ層を含むことができ、ベース領域は、p型III-V族化合物半導体物質で形成されたベース層を含むことができる。他の実施形態では、エミッタ層及びベース層は、それぞれp型III-V族化合物半導体物質及びn型III-V族化合物半導体物質で形成してよい。
通常の技能を備えた当業者であれば、それぞれのセルユニットは一定のバンドギャップエネルギー特性を備えることができ、これが太陽スペクトルの一定部分を使って発電することは容易に理解するはずである。多接合太陽電池装置200におけるセルユニットは、これら多数のセルユニットが太陽スペクトルの異なる波長を吸収する別々のバンドギャップを備えるように、元素Ga、In、Al、As、P、Sb、Ge及びSiの様々な化合物からなる半導体物質から形成してよい。例えば、第1セルユニット203、第2セルユニット205、及び第3セルユニット207は、それぞれInGaAs、GaAs、及びGaInPで形成してよい。従って、第1セルユニット203、第2セルユニット205、及び第3セルユニット207は、太陽スペクトルの異なる波長を吸収できる。
酸化された窓層209は、第3すなわち上部セルユニット207の上面の上に設けられている。酸化された窓層209は、Al含有III-V族化合物半導体酸化物を含むことができる。一実施形態によれば、AlGaAs、AlAs、InAlAs、またはInAlPなどのAl含有III-V族化合物半導体物質は、第3すなわち上部セルユニット207の上面の上に付着させ、当該Al含有III-V族化合物半導体物質は、湿式酸化法などの熱酸化処理を用いて酸化させて酸化窓層209を形成する。本願発明者らは、いったん酸化すると、酸化窓層は約4.0
eVのより長い、すなわち拡張したバンドギャップを持つことに気がついた。このより広いバンドギャップにより、電子とホールとが太陽電池装置の上面で再結合するのが防止される。このより広いバンドギャップは、さらに、太陽スペクトルの遠青端すなわち紫外線領域における窓層の光学的透明度を向上させ、従ってこれらの波長の窓層通過を可能とする。以前の装置では、これらの波長は、酸化されていない窓層によって典型的には吸収されてしまう。窓層の酸化は、図2Bを参照して後述する。
動作時には、セルユニット203、205、及びセルユニット207は、太陽電池装置200の上面すなわち正面から光を受ける。太陽スペクトルの赤色光領域のような太陽スペクトルの波長の第1領域211は、底部セルユニット203で吸収できる。太陽スペクトルの黄色光領域のような波長の第2領域213は。中間セルユニット205で吸収できる。太陽スペクトルの緑色光領域のような波長の第3領域215は、上部セルユニット207で吸収できる。さらに、太陽スペクトルの遠青端すなわち紫外線領域のような第4波長領域217は、上部セルユニット207まで透過し、第4波長領域217は装置200の上部または他のセルユニットに吸収される。
結果的に、酸化された窓層209は太陽電池装置200の効率を向上させる。
図2Bは、本願の教示に従って窓層が酸化される単純化した炉220を示す。流量調整弁、配管構造体、コントローラなどの様々なシステム構成要素は単純化するため省略されている。炉220は、酸化剤または酸化剤ガスを炉内に装填されたウェハに向けて拡散する酸化炉でよい。例えば、本願の一実施形態における窓層を酸化するために、Lingberg/MPHの熱処理炉を使用できる。
炉220は、ウェハ223が酸化のために装填される処理チャンバ221を含むことができる。処理チャンバ221は単一のウェハを受け入れるよう構成できる。別の実施形態では、処理チャンバ221は複数のウェハ223を同時に受け入れるよう構成してもよい。炉220は、処理チャンバ221内でウェハ223を保持するための機構224も備えていてもよい。ウェハ223は処理チャンバ221内で垂直方向に保持される。別の実施形態では、ウェハ223は処理チャンバ221内で水平方向に保持してもよい。
炉220は、酸素ガス及びスチームのような水蒸気などの酸化剤または酸化ガスを受け取るための1つまたは複数のポートを含むことができる。さらに、炉220は、窒素ガスなどの不活性ガスを受け取るためのポートを含むこともできる。酸素ガスと、スチームと、窒素ガスとの比は、酸化させる物質の種類や形成する酸化物の厚さによって最適化すればよい。
炉220は、さらに、処理チャンバ221を目標温度まで加熱するための熱源225を備えていてもよい。湿式酸化処理を使用して酸化を行えばよいが、その際に、水蒸気すなわちスチームを酸化剤として使用できるように、水の通常の沸点(100℃)を上回る温度で酸化を起こさせる。一実施形態によれば、処理チャンバ221の温度は約300℃から約600℃の範囲でよく、好適には約350℃から約550℃の範囲である。通常の技能を備えた当業者であれば、処理チャンバ221の温度は、酸化させる物質の種類や形成する酸化物の厚さによって調節すればよいことは理解するはずである。
処理チャンバ221の圧力は大気圧に設定するのが好ましい。また、処理チャンバ221内のウェハ223の暴露時間は、約20分から約6.0時間の範囲が好ましい。より好適な時間は、約1.0時間から約3.0時間である。通常の技能を備えた当業者であれば、処理チャンバにおける暴露時間は、酸化させる物質の種類や形成する酸化物の厚さによって調節すればよいことは理解するはずである。
一実施例では、窓層の全体部分または厚さを酸化できる。代替的には、窓層の一部のみが酸化される。例えば、窓層の上半分の厚さを酸化してよい。湿式酸化処理によって、酸化された窓層の厚さは酸化が起こる前の窓層の厚さと実質的に同じに維持される。別の実施形態では、酸化された窓層の厚さは、酸化が起こる前の窓層の厚さより僅かに大きくすることができる。湿式酸化法の例は米国特許第5,262,360号、米国特許第5,373,522号、米国特許第5,567,980号、に詳細に説明されており、これらの内容はここに引用して援用する。
本願発明者らは、この湿式酸化処理が太陽電池装置の窓層を、非常に好ましい特性を備えた極めて安定的な酸化物に転換することに気がついた。窓層の酸化物により、酸化物・半導体の界面状態密度が低くなり、酸化物・半導体界面におけるピンニングされていないフェルミ準位がもたらされる。従って、この酸化物は太陽電池装置の窓層を不動態化する。通常の技能を備えた当業者であれば、本明細書で用いられる湿式酸化処理は例示的なものであって、乾燥酸化処理などの他の熱酸化処理法を用いて窓層を酸化してもよいことは理解するはずである。
図3は、酸化された窓層が、単一接合太陽電池装置の光ルミネセンス(PL)に及ぼす影響を示すグラフである。この単一接合太陽電池装置は、InGaPセルユニットと該InGaPセルユニット上に付着させたInAlPとを含むことができる。このグラフは、InGaPセルユニットのPL強度が酸化時間とともに増加することを示している。このPL強度の増加は、電子とホールとの表面再結合が大幅に減少することを示唆している。
図4は、単一接合太陽電池装置の外部量子効率(EQE)を示すグラフである。この単一接合太陽電池装置は、InGaPセルユニットと該InGaPセルユニットの上に付着させたInAlPとを含む。EQEは、入射光子毎に装置の外部で得られる電流として定義される。従って、EQEは、光の吸収と電荷の収集に依存する。いったん光子が吸収され、電子・ホール対を生成すると、これらの電荷は分離され、接合で収集されなければならない。電荷の再結合はEQEを減少させる。
図4の上のグラフは、酸化された窓層を備えた太陽電池装置のEQEを示す。下のグラフは、酸化されていない窓層を備えた太陽電池装置のEQEを示す。これらのグラフが示すように、酸化された窓層を備えた単一接合太陽電池のEQEは、酸化されていない窓層を備えた単一接合太陽電池のEQEよりも370nmから650nmの波長範囲で高くなっている。これらグラフは、酸化された窓層が、とりわけ太陽スペクトルの遠青端すなわち紫外線領域において表面再結合を向上させることを示している。
図5は、本願の教示に従って太陽電池装置を製造するための代表的な方法の概略的フローチャートである。本願の一実施形態によれば、基板上に形成された単一のまたは多数のセルユニットを含むウェハを出発原料として提供できる(段階501)。任意の数のセルユニットまたは接合を本願の太陽電池装置で使用できることは通常の技能を備えた当業者であれば理解するはずである。酸化されていない窓層が、単一または多数のセルユニットの上面の上に設けられる。酸化されていない窓層上にキャップ層を付着させてもよい。このキャップ層を設けることで、太陽電池装置の正面すなわち上面のグリッド金属接点などの金属導電物質との電気的接触を向上させることができる。
キャップ層は、グリッド金属接点のパターンに従ってエッチングすればよい(段階503)。キャップ層をエッチングした後で、ウェハは図2Bで示したように炉内に装填される。キャップ層の除去部分に対応する窓層の露出部分は、熱酸化処理を用いて酸化される(段階505)。酸化処理の後、ウェハは炉から取り出され、残ったキャップ層上にグリッド金属接点が形成される(段階507)。反射防止コーティング(例えば、硫化亜鉛/弗化マグネシウムコーティングまたは他の適切な反射防止コーティング)が酸化された窓層の表面に施される。絶縁エッチングを行い、裏面金属接点が太陽電池装置に設けられる(段階511)。
通常の技能を備えた当業者であれば、上述の製造工程の順序は本願の幾つかの実施形態で変更してよいことは理解するはずである。例えば、正面すなわち上面グリッド金属接点は段階503の前に設けられ、自己整合エッチングを用いてキャップ層を除去してもよい。グリッド金属接点は高温酸化条件下で安定するので、エッチングされたウェハは炉に装填される。
幾つかの実施形態では、付加的な処理、例えば、ウェハプロービング、ウェハボンディング、個別のまたは一群のIII-V族化合物半導体太陽電池の検査、ウェハのスライスによる個別のIII-V族化合物半導体太陽電池の製造、個別のIII-V族化合物半導体太陽電池装置のパッケージング、多接合III-V族化合物半導体太陽電池装置の形成、及び他の類似の処理を実行してもよい。
図6A-6Eは、図5に示した方法による太陽電池装置の製造の中間状態を示す。図6Aは、基板601と、単一または多数のセルユニット603と、酸化されていない窓層605と、キャップ層607とを含む出発エピタキシャル材料を示す。通常の技能を備えた当業者であれば、任意の数のセルユニットまたは接合を本願の太陽電池装置において使用できることは理解するはずである。酸化されていない窓層は、AlGaAs、AlAs、InAlAs、またはInAlPなどのAl含有III-V族化合物半導体物質を含むことができる。このキャップ層は、太陽電池装置の正面すなわち上面のグリッド金属接点との電気的接触を高めることができる。
図6Bは、キャップ層607がグリッド金属接点613のパターンに従ってエッチングされている状態を示す。キャップ層をエッチングした後、窓層605を酸化するためウェハは図2Bで示したように炉内に装填される。図6Cは、キャップ層の除去部分に対応する窓層605の露出部分が酸化されて、酸化された窓層609を形成している状態を示す。酸化処理の後、ウェハは炉から取り出され、残ったキャップ層の上にグリッド金属接点が形成される。図6Dは、グリッド金属接点613がキャップ層の上に形成されていることを示す。さらに、図6Dは、反射防止コーティング611が酸化された窓層609層の表面上に形成されていることも示している。図6Eは、絶縁エッチングが施され、裏面金属接点615が太陽電池装置に設けられていることを示す。
実験目的で、2500オングストロームのInAlP窓層を備えた標準的なInGaP/GaAs二重接合太陽電池装置からなる太陽電池構造体を成長させる。上部接点層はパターン化され且つエッチングされ、ウェハは幾つかの数片に切断する。二片は高温の湿式酸化処理により酸化する。これら二片の一方では、窓層は完全に酸化させる。残りの一片では、窓層の上半分のみを酸化させる。三番目の片は酸化させないままにする。次に、これら三片すべては処理して太陽電池装置とし、光ルネッセンス(PL)、電流-電圧(IV)データ、及び内部量子効率(IQE)を測定するためテストした。
図7は、これら3つの試料のPLを測定したテストの結果を示す。すなわち、このグラフは、酸化されていないInAlP窓層、部分的に酸化されたInAlP窓層、及び完全に酸化されたInAlP窓層を備えた上部InGaPセルユニットのPLを示す。酸化された窓層で終端する上部InGaPセルユニットのPLは、酸化されていない窓層で終端する上部InGaPセルユニットのPLより大幅に強いことが示されている。このテスト結果は、酸化された窓層が再結合によるキャリア損失を減少させ、この酸化物が太陽電池装置の表面を不動態化することを示している。さらに、酸化された窓層で終端する上部InGaPセルユニットのPLは、酸化されていない窓層で終端する上部InGaPセルユニットのPLより僅かに青方偏移している。このテスト結果は、酸化された窓層が、窓層による太陽スペクトルの遠青端の吸収を減少させることを示している。
図8は、酸化されていない二重接合太陽電池装置、半分酸化された二重接合太陽電池装置、及び完全に酸化された二重接合太陽電池装置のIVデータを測定したテストの結果を示す。測定はAM-1.5照明の下で行われる。酸化された二重接合太陽電池装置ではより高い短絡電流(Isc)が得られた。この結果は、窓層の透明度が増加したために、付加的な光子が上部InGaPセルユニットに到達したことを示している。
図9は、酸化されていない二重接合太陽電池装置、半分酸化された二重接合太陽電池装置、及び完全に酸化された二重接合太陽電池装置のIQE測定値を示す。IQEは、セルから反射または透過されない光子が収集可能な電流を発生できる効率を示す。これら3つの二重接合太陽電池装置のIQEは、スペクトルの遠青端を除けば似ている。酸化された試料に関しては、InAlP窓層により吸収される(そして無駄になる)光子が少ないので、付加的な効率が得られる。スペクトルの遠青端において酸化されたセルの応答が増加しているのは、酸化処理の結果としてInAlP窓層の透明度が増加しているからである。
本願の利点の1つは、III-V族化合物半導体の太陽電池装置の効率が、酸化された窓層を用いることで大幅に向上していることである。酸化された窓層は酸化されていない窓層より広いバンドギャップを持っており、酸化された窓層はより多くの光を太陽電池装置のセルユニットに伝達できる。酸化された窓層のより広いバンドギャップがホールと電子の表面再結合を減少させ、従って、太陽電池装置の効率を向上させる。
上述の利点は、窓層が酸化された太陽電池装置の製造過程に関わる複雑さを上回る。窓層を酸化させるには、ウェハを太陽電池装置の製造工程において炉に装填し、炉から取り出す。製造工程は複雑になるが、本願は、酸化された窓層により広いバンドギャップをもたらし、且つ太陽スペクトルの遠青端すなわち紫外線領域における酸化された窓層の光学的透明度を向上させる。
本願の多くの修正及び代替的な実施形態は、上述の記載を考慮すれば通常の技能を備えた当業者には明白となるはずである。従って、この記載は、例示的なものとしてのみ解釈されるべきであり、また、これは通常の技能を備えた当業者に本願を実施するための最良の様態を教示するためのものである。上述の構成の詳細は、本願の精神から逸脱することなく実質的に変更することができ、添付した特許請求の範囲内に入る全ての修正の排他的使用権は、保持されている。本願は、添付の特許請求の範囲及び適用法規が要求する範囲においてのみ限定されることが意図されている。
更に、以下の特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の全ての一般的特徴と具体的特徴とを網羅するものであり、また本発明の範囲に関する全ての言明をも網羅する。

Claims (28)

  1. III-V族化合物半導体の太陽電池装置を製造するための方法であって、
    太陽スペクトルの所定の波長を吸収するよう構成された少なくとも1つのセルユニットを、III-V族化合物半導体物質から形成する段階と、
    前記太陽電池装置の上面における光発生キャリアの再結合を防止するために窓層を前記セルユニットの上に形成する段階と、
    前記窓層を酸化された窓層に転換するため前記窓層を酸化させる段階とを含む、方法。
  2. 前記窓層は湿式酸化処理を用いて酸化される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記酸化された窓層のバンドギャップは前記窓層のバンドギャップより大きい、請求項1に記載の方法。
  4. 前記酸化された窓層のバンドギャップは約4.0eVである、請求項1に記載の方法。
  5. 前記窓層はAl含有III-V族化合物半導体物質である、請求項1に記載の方法。
  6. 前記窓層は、InAlP窓層またはAlGaAs窓層である、請求項1に記載の方法。
  7. 前記酸化された窓層は、前記太陽スペクトルの第2範囲の波長を前記セルユニットまで透過させて前記セルユニットの光ルミネセンス(PL)強度を増加させ、前記第2範囲の波長は前記窓層に吸収される、請求項1に記載の方法。
  8. 前記第2範囲の波長は、前記太陽スペクトルの遠青端の波長である、請求項7に記載の方法。
  9. 前記セルユニットは、ひ化ガリウム(GaAs)と、りん化ガリウムインジウム(Ga1-xInxP)と、ひ化ガリウムインジウム(Ga1-xInxAs)と、りん化インジウム(InP)と、ひ化りん化インジウムガリウム(Ga1-xInxAs1-yPy)と、アルミニウムインジウムガリウムリン((AlxGa1-x)1-yInyP)とのうち任意のものから形成される、請求項1に記載の方法。
  10. 前記太陽電池装置は複数のセルユニットを含み、それぞれのセルユニットが、前記太陽スペクトルの異なる波長を吸収するよう構成されている、請求項1に記載の方法。
  11. 前記セルがその上に形成される基板を提供する段階をさらに含み、前記基板がひ化ガリウム(GaAs)、りん化インジウム(InP)、またはゲルマニウム(Ge)で形成される、請求項1に記載の方法。
  12. 酸化させる前記段階が、
    金属導電物質との電気的接触を向上させるために前記窓層の上にキャップ層を設ける段階と、
    前記キャップ層をエッチングする段階と、
    前記窓層の露出部分を酸化する段階とを含み、前記露出部分は前記キャップ層のエッチングされた部分に対応する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記金属導電物質を前記キャップ層の上に設ける段階と、
    反射防止コーティングを前記酸化された窓層に施す段階とをさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記基板の底面に裏面接点を設ける段階をさらに含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記窓層を酸化させる前記段階が、
    前記窓層を、その選択した部分を酸化させるのに十分な温度で且つ十分な時間にわたって湿った環境に暴露する段階を含む請求項1に記載の方法。
  16. 前記湿った環境が、水蒸気と、酸素ガスと、不活性ガスとを含む、請求項15に記載の方法。
  17. 前記十分な温度が約300℃と約600℃との間の範囲である、請求項15に記載の方法。
  18. 前記十分な時間が約20分から約6時間の範囲である、請求項15に記載の方法。
  19. 太陽電池装置であって、
    III-V族化合物半導体物質から形成されると共に、太陽スペクトルの所定の波長を吸収するよう構成された少なくとも1つのセルユニットと、
    前記太陽電池装置の上面における光発生キャリアの再結合を防止するために前記セルユニットの上に設けられた酸化された窓層とを含む、太陽電池装置。
  20. 前記酸化された窓層のバンドギャップは約4.0eVである、請求項19に記載の太陽電池装置。
  21. 前記酸化された窓層は、Al含有III-V族化合物半導体物質を含む、請求項19に記載の太陽電池装置。
  22. 前記窓層は、InAlP物質またはAlGaAs物質を含む、請求項19に記載の太陽電池装置。
  23. 前記セルユニットは、ひ化ガリウム(GaAs)と、りん化ガリウムインジウム(Ga1-xInxP)と、ひ化ガリウムインジウム(Ga1-xInx
    As)と、りん化インジウム(InP)と、ひ化りん化インジウムガリウム(Ga1-xInxAs1-yPy)と、アルミニウムインジウムガリウムリン((AlxGa1-x)1-yInyP)とのうち任意のものから形成される、請求項19に記載の太陽電池装置。
  24. 前記装置は複数のセルユニットを含み、それぞれのセルユニットが、前記太陽スペクトルの異なる波長を吸収するよう構成されている、請求項19に記載の太陽電池装置。
  25. 前記セルユニットがその上に形成される基板をさらに含み、前記基板がひ化ガリウム(GaAs)、りん化インジウム(InP)、またはゲルマニウム(Ge)のうち少なくとも1つで形成される、請求項19に記載の太陽電池装置。
  26. 前記窓層上に設けられたキャップ層であって、その上に設けられた金属導電物質との電気的接触を向上させるキャップ層をさらに含む、請求項19に記載の太陽電池装置。
  27. 前記基板の底面に設けられた裏面接点をさらに含む、請求項19に記載の太陽電池装置。
  28. 前記窓層は湿式酸化処理を用いて酸化される、請求項19に記載の太陽電池装置。
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