JP2013541224A - 傾斜ドーピングを有する希薄窒化物サブセルを備えた多接合型太陽電池 - Google Patents

傾斜ドーピングを有する希薄窒化物サブセルを備えた多接合型太陽電池 Download PDF

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Abstract

希薄窒化物サブセルを有する格子整合太陽電池は、指数的ドーピングを有することで、太陽電池の電流容量を制御している。具体的には、可変にドープされたベースまたはエミッターを有する少なくとも１つの希薄窒化物サブセルを備えた太陽電池が開示されている。一実施形態において、格子整合多接合型太陽電池は、上部サブセル、中間サブセルおよび下部希薄窒化物サブセルを有しており、下部希薄窒化物サブセルは、ベースおよび／またはエミッターにドーピングを有し、これが、少なくとも一部が指数的にドープされることで、その多接合型太陽電池の性能特性を改善させる。構造において、希薄窒化物サブセルは、最も低いバンドギャップを有しており、基板に対して格子整合させることができ、中間セルは典型的には、希薄窒化物サブセルよりも高いバンドギャップを有し、その一方で、それは希薄窒化物サブセルに格子整合されている。上部サブセルは典型的には、最も高いバンドギャップを有しており、隣接するサブセルに格子整合されている。別の実施形態では、本発明による多接合型太陽電池は、４つ、５つまたはそれ以上のサブセルを有する場合もあり、その場合１つまたは複数のサブセルが、指数的にドープされた希薄窒化物合金をそれぞれ備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽電池設計に関し、より詳細には希薄窒化物を利用する多接合型太陽電池に関する。
最も高い太陽電池の効率は、第３族と第５族の半導体合金を有する多接合（ＭＪ）太陽電池によって生成されることが知られている。その比較的高い効率によって、このような装置は、地球上に集光する太陽光発電システムと、宇宙空間で作動するように設計された天体システムの両方にとって魅力あるものである。多接合型太陽電池は、数百サンに匹敵する集光状態の下４１．６％までの効率を達成している。現在最も高い効率の装置は、３つの接合部を有し、その基体に格子整合するか、あるいは格子整合されない変性層を含んでいる。他の要因も等しく、格子整合システムが好ましく、その理由は、それらが信頼性を証明しており、隣接する材料の異なる格子定数を考慮するために厚い緩衝層を必要とする変性太陽電池に比べて半導体材料を余り必要としないためである。
希薄窒化物は、わずかな割合（例えば＜５原子パーセント）の窒素を有する特定のクラスの第３族と第５族の合金材料である（周期表の第５族からの１つまたは複数の元素に加えて、周期表の第３族からの１つまたは複数の元素を有する合金）。このような合金は、多接合型太陽電池にとって興味深いものであるが、その理由は、それらをＧａＡｓやＧｅを含めた対象の基板に対して格子整合させることができるためである。これに加えて、希薄窒化物材料に対して１ｅＶのバンドギャップを達成することができるが、これは、実質的に効率を改善させて多接合型太陽電池に組み込むのに理想的である。
ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂは、希薄窒化物の一部であり、これらは多接合型太陽電池に有益である可能性があるため、これまで研究されてきた（例えば非特許文献１および非特許文献２を参照されたい）。さらに４接合ＧａＩｎＰ/ＧａＡｓ/希薄窒化物/Ｇｅ太陽電池構造の利用は、標準変性の格子整合３接合セルを上回る効率を有するという将来性を保持しおり、これは目下、高い効率の多接合太陽性能のベンチマークである（非特許文献３）。このような将来性を実現させるのに必要なのは、特定の物質をＧａＡｓやＧｅに格子整合され、１ｅＶ程のバンドギャップを有する材料であり、この材料は、０．３Ｖより大きな開放電圧を生成し、多接合型太陽電池において（Ａｌ）ＩｎＧａＰおよび（Ｉｎ）ＧａＡｓサブセルに適合するのに十分な電流を有する。地球上で利用することを目的とした多接合型太陽電池は、集光型太陽光発電システムに組み込まれることに留意されたい。このようなシステムは、太陽光をソーラーセルに集光させるディッシュ反射器やフレネルレンズで構成される集光光学機器を利用する。集光器の光学機器は、特に希薄窒化物サブセルにとって有害となる可能性のある波長域において光を減衰させることができる。したがってより高い電流を希薄窒化物サブセル内に生成することで、集光器光学機器によるいかなる損失も、多接合型太陽電池の性能を妨げないことが最も重要である。
多接合型太陽電池では、各々のサブセルが、他のサブセルに対して直列に装着されており、これは典型的には個々のサブセルと互いに接続するトンネル接合ダイオードを利用する。サブセルの完全なスタックによって生成される総電流が、全てのサブセルを通過する必要があるため、最小量の電流を通過させるサブセルが、スタック全体に対する電流制限セルとなり、これと同じ長所によって、効率を制限するセルにもなる。したがって各々のサブセルがスタック内の他のサブセルに電流整合することで最適な効率を達成することが最も重要である。これは、希薄窒化物サブセルが使用される場合に特に重要であり、その理由は、希薄窒化物半導体材料が歴史的に少数キャリア輸送特性に乏しいことが証明されていることが厄介な点であり、これは大型の太陽電池に取り入れた場合に好ましくないことが証明されている。
希薄窒化物合金には、それらを多接合構造で使用するのに望ましいものにする他の特性もあり、特にその可撓性によって、そのバンドギャップや格子定数を、その設計の一部として微調整することが可能であり、このようなサブセルに関する少数キャリア寿命および拡散距離は典型的には、従来式の太陽電池半導体、例えば従来式の多接合型太陽電池で使用されるＧａＡｓやＩｎＧａＰと比べて劣っており、短絡電流、開放電圧またはその両方が損失することになる。さらに、裏面電界と希薄窒化物サブセルのベースとの境界面が、高い表面再結合速度を有する可能性があり、これはさらにサブセルの短絡電流や開放電圧を低下させる恐れがある。このような問題が生じる結果として、希薄窒化物サブセル内で生成された光電流は典型的には、より従来式の材料と比べて低くなる（非特許文献４）。
太陽電池におけるドーパント変化は既知のものである。非特許文献５を参照されたい。特許文献１は、太陽電池構造の一部において指数的ドーピングを利用する太陽電池設計の一つの例であり、これは明らかに反転変性の、格子不整合構造で成長した多接合型太陽電池のためのものである。希薄窒化物の変則的な特徴により、希薄窒化物サブセルに対する利用は、提案されていないし、明白でない。希薄窒化物は、目新しい部類の材料であり、これは従来の半導体合金で見られるものと異なる挙動を呈することが多い。例えば合金組成の関数としてのバンドギャップボウイングは、従来の半導体と比べて希薄窒化物ではかなり異なっている（例えば非特許文献６）。同様に従来の半導体、例えばＧａＡｓやＩｎＧａＰで使用される標準的なドーパントおよびドーピングプロファイルは、希薄窒化物半導体において同等の特徴にはならない。例えば希薄窒化物におけるドーパント混入は、変則的な挙動である。Ａ Ｙｕ等の論文は、希薄窒化物の薄膜が、Ｓｉによって強力にドープされたとき、ＳｉおよびＮは相互に互いの電子的作用を不動化することを報告している（非特許文献７）。同様にJanotti等（非特許文献８）は、親化合物ＧａＡｓおよびＧａＮにおけるｎ型およびｐ型ドーピングの物理的特性が確立される一方で、ＧａＡｓ1-xＮxにおけるドーピングは、あまり調査されておらず、外部からのドーパントと、ＧａＡｓ1-xＮx合金におけるＮとの相互作用は、全面的に新しい現象をもたらす可能性があることを示唆している。彼らはまた、８００℃を上回る温度でＳｉドープされた希釈（Ｉｎ）ＧａＡｓＮ合金を急速に熱アニールすることは、電気抵抗を激しく上昇させることになることも指摘している。ドーピングプロファイルおよび結果に関連するその不確実性によって、また希薄窒化物の独自の特性により、そこで教示される概念をいかにして、制御されたドーピングを受ける部分を有する希薄窒化物素子を利用する太陽電池に取り込むことができるかは、当業者には明白ではない。さらに希薄窒化物合金をドーピングすることは難しいため、この文献は、希薄窒化物合金は、電流収集を高める目的で太陽電池構造に組み込む際、ドープすべきでない（すなわち真性であるべき）ことを教示している（例えば非特許文献９、非特許文献１０）。むしろこの文献は、希薄窒化物太陽電池のベースにおいてドーピングを利用することは、性能を低下させることを教示している。
米国特許第7,727,795号
A. J. Ptak等、Journal of Applied Physics 98 （2005）094501 Yoon等、Photovoltaic Specialists Conference （PVSC）, 2009 34th IEEE、pp76-80, 7-12,June 2009; doi: 10.1109/PVSC.2009.5411736 Friedman等、Progress in Photovoltaics: Research and Applications 10 （2002）, 331 D.B. Jackrel等、Journal of Applied Physics 101 （114916） 2007 M.A. Green, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 17 （2009） Wu等、Semicondutor Science and Technology 17, 860 （2000） Yu等、App. Phys. Lett. 83, 2844 （2003） Janotti等 、Phys. Rev. Lett. 100, 045505 （2008） Ptak等 、J. Appl. Phys. 98, 094501 （2005） Volz等 、J. Crys. Growth 310, 2222 （2008）
同様に公知のことであるが、先に考察したように、希薄窒化物セルは、有意な欠点を有すると考えられているため、それらを多接合型太陽電池に組み込むことは、このような太陽電池の効率をかなり損失させることになり、これにより希薄窒化物セルを他のタイプの材料と比べて商業的に魅力に乏しいものにしてしまう。短絡回路、開放電圧またはその両方の損失を伴わずに、希薄窒化物ベースのサブセルにおける電流収集を改善することが望ましい。
本発明によると、希薄窒化物ベースのサブセルを有する格子整合太陽電池は、希薄窒化物層の全てまたは一部において傾斜ドーピングプロファイルを有しており、傾斜ドーピングプロファイルは、ドーパントの濃度が、層の頂部から底部に向けて上昇または減少する場合のドーピングプロファイルとして定義されており、この場合頂部と、底部は、作動中の太陽電池の配向に対して定義されており、頂部が放射源に最も近い。具体的には、傾斜ドーピングを伴うベースまたはエミッターを有する少なくとも１つの希薄窒化物サブセルを備えた太陽電池が開示されている。一実施形態において、格子整合多接合型太陽電池は、上部サブセルと、中間サブセルと、下部の希薄窒化物サブセルとを有しており、下部希薄窒化物サブセルは、ベースおよび／またはエミッターにおいて傾斜ドーピングを有することで、その太陽電池性能特徴を改善させる。構造において、希薄窒化物サブセルは、最も低いバンドギャップを有し、基板に格子整合されてよく、中間セルは典型的には、希薄窒化物サブセルより高いバンドギャップを有し、希薄窒化物サブセルに格子整合されている。上部サブセルは典型的には、最も高いバンドギャップを有し、隣接するサブセルに格子整合されている。さらに別の実施形態において、本発明による多接合型太陽電池は、４つ、５つまたはそれ以上のサブセルを有する場合もあり、１つまたは複数のサブセルは、傾斜ドーピングプロファイルを有する希薄窒化物合金を各々含むことができる。
これらの実施形態の全てに共通するのは、全体の性能と、希薄窒化物サブセルのベースおよび／またはエミッターにおける垂直分布のドーピングとの有意な関数関係である。ドーピング濃度は、位置依存性を有するように選択されてよく、この場合依存性は、ベースまたはエミッターにおける垂直位置の関数として変化する。一例として、ドーピングは、ベースにおいて頂部から底部に向けて線形または指数的に増大するように設計することができる。数学的な観点から述べると、ドーピング濃度「ｄ」は、関数依存性であるため、d=F（x）（すなわちドーピングは位置の関数である）であり、この場合ｘは、ベースおよび／またはエミッターにおける垂直位置であるため、ｘは、エミッター／ベース接合においてゼロであり、この接合からの距離は増大する。ドーピングのやり方および分布（すなわち関数Ｆ）は、そうでなければ希薄窒化物層に存在することになる短絡電流や開放電圧を改善し、究極的に最適化するように選択されている。よって本発明は、１つまたは複数の希薄窒化物サブセルを含み、このようなドーピングの分布を持たない多接合型太陽電池のものと比べて効率が改善された格子整合された多接合型太陽電池を提供する。
本発明の一実施形態において、ドーピングプロファイルは、太陽電池のベースにおいて変化するため、それは、エミッターベース接合において最小となり、そこから離れると増大する。このように増大するための正確な分布関数は、希薄窒化物サブセルのための最大電流と電圧の向上を獲得するように選択される。
別の実施形態において、ドーピングプロファイルは、ベース内に２つのサブ領域を有するように選択され、この場合、エミッター−ベース接合により近いサブ領域にはドーピングを全く使用しない、あるいは均一なドーピングが使用され、他のサブ領域では傾斜ドーピングが使用される。
本発明は、以下の詳細な記載を添付の図面と併せて参照することによってより適切に理解されるであろう。
３つのサブセルを備え、その底部セルが希薄窒化物サブセルである例示の３接合太陽電池の概略図である。 １つの希薄窒化物サブセルを含む例示の４接合太陽電池の概略図である。 ２つの希薄窒化物サブセルを含む例示の５接合太陽電池の概略図である。 希薄窒化物ベースの太陽サブセルの種々の層の１つの構成を示す図である。 ベースにおいて傾斜ドーピングを含む希薄窒化物サブセルの種々の層に使用される可能性のある例示の厚さの範囲を表すラベルを利用した構成を示す図である。 希薄窒化物ベース層がいかにして、１つのサブ領域に対する一定のドーピングと、別のサブ領域に対する傾斜ドーピングの両方を含むことができるかを表すラベルを利用した構成を示す図である。 図５に示される構造の希薄窒化物サブセルのベース層における例示のドーピングプロファイルのグラフである。 希薄窒化物サブセルの例示のドーピングプロファイルのグラフであり、このサブセルは、接合の前方でベース層の一部において一定のドーピングを含み、ベース層の一部において指数的ドーピングを含んでいる。 エミッター層において傾斜ドーピングを含む希薄窒化物サブセルの例示のドーピングプロファイルのグラフである。 傾斜ドーピングを含まないサブセルのものと、ベースにおいて傾斜ドーピングを有する希薄窒化物サブセルの測定後の量子効率の比較を示すグラフである。 ベースにおいて傾斜ドーピングを有する希薄窒化物サブセルに関する短絡電流や開放電圧を、傾斜ドーピングを持たないものと比較した測定後の電流対電圧の特徴を示すグラフである。
本発明によると、多接合型太陽電池は、少なくとも１つの希薄窒化物サブセルを含んでおり、これは本明細書に記載されるように目的に合わせた、より具体的には傾斜ドーピングおよび／または不純物濃度を有する。本発明の一般原則を制限することなく、１つまたは複数の希薄窒化物サブセルを有する多接合型太陽電池は、サブセルのベースおよび／またはエミッターにおいて垂直分布のドーピングを行なうサブセルの関数依存性を利用している。傾斜ドーピングは、ベースおよび／またはエミッターにおいて位置に対する関数依存性を示している。
図１は、３つのサブセルを備える一例の３接合太陽電池の概略を示しており、そのうちの底部セルは、希薄窒化物サブセルである。この実施形態において、基板は、これに限定するものではないがＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、ＧａＳｂおよびこれに匹敵する材料を含む群から選択されたエピタキシーに使用されるいずれの従来式の基板でもよい。３接合セルは、この基板の上に底部セル１と、中間サブセル２と、頂部サブセル３を有し、これらは増大するバンドギャップの順序で配列されている。図１の実施形態において、希薄窒化物セル１は、多接合型太陽電池スタックの第３接合または底部サブセルとして組み込まれている。３つのソーラーサブセル１、２、３は、縦一列に積み重ねられ、上部面と下部面において電気的に接触している（点線で示される領域を超えた部分）。各々のサブセルは、トンネル接合ダイオード１−２、２−３によってそれより上にあるサブセルと、それぞれの境界において接続されており、これはかなり高度にドープされたｐ−ｎ接合の薄層である。トンネル接合は、当分野ではよく知られており、これ以上定義する必要はない。以下でさらに十分に記載するように、希薄窒化物サブセル１のベースおよび／またはエミッター層（図４に描かれる）は、この層におけるドーパントの濃度が変化するようにドープされる。中間および頂部サブセル２、３は、これに限定するものではないが Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ、Ｎ、Ａｓ、Ｐ、ＳｂおよびＢｉを含む第３族と第５族の任意の組み合わせを含み、これに限定するものではないがＺｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅおよびＴｅを含む群から選択されたドーパント元素を含む材料の一群のいずれかより構築されてよい。
本発明の他の実施形態では、位置依存性のドーピングおよび／または不純物混入を有する希薄窒化物サブセルは、４、５または６接合太陽電池の１つまたは複数のサブセルとして組み込まれ、各々が異なるスペクトラムに対して感光性である。図２は、希薄窒化物サブセル２を備えた４接合セルの内側層構造を描いており、第２のサブセルは、希薄窒化物サブセルであり、第１のサブセルは、任意選択で希薄窒化物サブセルであってよい。図３は、２つの可変式にドープされた希薄窒化物サブセル２、３を備えた５接合セルの一例を描いている。本発明の利用は、図１、２および３に概説される設計に限定されるものではなく、適合可能ないずれの太陽電池でも使用することができ、この場合接合の数は、３つ以上であり、希薄窒化物合金は、１つまたは複数のサブセルとして利用することができる。
一実施形態において希薄窒化物サブセルは、そのベースおよび／またはエミッターが希薄窒化物材料である太陽電池である。例示の希薄窒化物サブセルの断面が、図４に示される。具体的にはこのサブセルは、複数の層（１、２、３、４と番号が付けられた）を備え、これらの層は、キャリア再結合損失を抑えるように機能する裏面電界（ＢＳＦ）（層４）を含んでいる（太陽電池分野の慣例により、用語「前方」は、放射源に面するセルの外側の面を指し、用語「後方」は、放射源から離れる外側の面を指す。本特許出願の図面で使用されるように、「裏面」はよって、「底部」と同義であり、「前方」は、「頂部」と同義である）。第３族と第５族元素の任意の好適な組み合わせを使用して、格子定数とバンドギャップ制約を条件にＢＳＦを作製することができる。ＢＳＦの頂部に、希薄窒化物材料を備えるベースが蒸着される。ベース３の頂部で、希薄窒化物材料および／または第３族と第５族元素の好適な組み合わせを備えるエミッター２が成長する。その後、任意の表面電界（ＦＳＦ、層１）が、エミッターの頂部に蒸着されるが、これもまた第３族と第５族元素の好適な組み合わせである。希薄窒化物合金の多くの例が当分野で知られており、例えばこれは、本発明の譲受人に譲受された同時継続の米国特許出願シリアル番号12/819,534に記載される。ドーピングまたは不純物の濃度プロファイルは、ベース層３および／またはエミッター層２におけるドーピングのレベルを変える所望の機能効果を生み出すように選択される。
図４は、ベース３とエミッター２のドーピングが、エミッターベース接合から測定される際、この位置に対して線形傾斜依存性または指数的傾斜依存性のいずれかを有する例示のケースを示している。このような例示のケースを利用して様々な変更を行なうことができ、これには線形ドーピングを有するエミッターや、指数的ドーピングを有するベースが含まれ、その逆も同様に含まれる。典型的にはドーピング（すなわち不純物濃度）は、実質的に１ｘ１０15／ｃｍ3から１ｘ１０19／ｃｍ3の間であり、この場合は、最も低いドーピングレベルは、エミッター−ベース接合（２−３）に最も近く、最も高いドーピングレベルは、エミッター−ベース接合（１−２）および／または（３−４）から最も離れている。この実施形態において、このようなドーピングの位置依存性によって、エミッター−ベース接合２−３における固有の電界の他に特定の電界が取り込まれる。図４において実証されるサブセル構造における光起電力作用によって生成される少数キャリアは、このような電界により影響を受けることになる。ドーピングの正確なプロファイルが変化することで、少数キャリア収集を実質的に改善させるのに最適化した電場を取り込むことができる。この内部電場により、均一なドーピングによる太陽電池と比べて、太陽電池の電流および／または電圧が改善されることが確定している。希薄窒化物タイプのセルにおいて、傾斜ドーピングは、キャリア収集を強化するのに、幅広で真性の、すなわちドープされない領域を利用するこれ以前に容認されていた最適な慣習と比べて有利であり、その理由は、それにより、より高い短絡電流、より高い開放電圧およびより適した曲線因子が生じるためであることが本発明により立証されている。一部の特定の例は以下の通りである。
図５を参照して、エミッター−ベース接合（層２と３の間）の前方から裏面４に向けてエミッター−ベース接合（層３−４の間）から離れるように、ベース３において増大するドーパントの固体数を検討されたい。傾斜ドーピングプロファイルが、図４の希薄窒化物サブセルのベース３において点線によってはっきり表されて示されている。このドーピングプロファイルは、付加的な電場を形成し、少数キャリアを接合の前方に押し出すことによって少数キャリアの収集を助けている。指数的なドーピングプロファイルは、一定の電場をベース内に取り込む。線形および他のドーピングプロファイルもまた、種々の効果により使用することができる。ドーピングプロファイルが変化することで、ベース３における位置の関数として電場が変化し、これに対応して電流収集を改善させる。この実施形態において、電場が、少数キャリアをセル（３−４）の裏面において境界面から離れるように追いやるが、これは上記に述べたように高い再結合速度を有することができる。
このようなドーピングプロファイルの一例が、図７のグラフによって図示されており、この場合、深さによる指数的ドーピングの一例が描かれており、ドーパントは、ベース−エミッター接合において最小となる。例示のケースとして、ドーパント濃度は、図７に関連して説明したように変化し、作製する際、成長する間エピタキシャル面に衝突するドーパント流れは、他の可変パラメータを一定に保ちつつ指数的に変化する。例えばドーピングは、ドーピング＝Ａ・ｅBxによって与えられ、この場合、Ａ＝１ｘ１０15／ｃｍ3から２ｘ１０17／ｃｍ3であり、Ｂ＝０．１μｍから１０／μｍであり、ｘは深さである。この範囲を利用することで、ベースの厚さによって１ｘ１０15／ｃｍ3から１ｘ１０19／ｃｍ3のドーピングが生じる。各々のケースでは、ドーパント流れは、エミッター／ベース接合において最小である。この流れの値は、エピタキシャル層において所望の値のドーパント濃度を達成するように事前設定される。図５はまた、希薄窒化物サブセルに使用される種々の層における典型的な厚さの略図を描いている。図５では、裏面電界４と、ベース３と、エミッター２と、表面電界１が、１００−５００ｎｍ、１０００−２０００ｎｍ、１００−２００ｎｍおよび１０−５００ｎｍの範囲内の厚さをそれぞれ有する。
図６を参照すると、ドーピングの位置依存性が、ベース層が２つのサブ領域３および４を有するように展開されている。エミッター−ベース接合（図６の層３）の前方（すなわち頂部）により近い領域は、サブ領域３の点線によって図示されるように一定のドーピングを有する、あるいはドーピングを全く持たない。例えばドーピングは、ドーピング＝Ａによって与えられ、この場合Ａは一定であり、０から２ｘ１０17／ｃｍ3の範囲である。ベースの残りの部分が、特定のドーピングプロファイルを有し、これは、先に記載した実施形態に関して説明したのと同様に、かつ図面のサブ領域４の点線によって図示されるように、位置の関数として変化する。これを利用して、０μｍから３μｍの厚さのベースに関してベースにおいて１ｘ１０15／ｃｍ3から１ｘ１０19／ｃｍ3のドーピングが生じることになる。
各々のサブ領域の厚さは、サブセルの電流および電圧出力を最適化するために変化させることができる。具体的には最適な厚さは、希薄窒化物材料の組成が変化するため、種々の希薄窒化物材料に関して異なる。このようなドーピングプロファイルの一例が、図８に示される。サブ領域１は、一定のドーピングを有するか、あるいはドープされない。この領域が、エミッター−ベース接合により近い。サブ領域２が、傾斜ドーピングを有し、これはサブ領域２における深さ位置の関数として、指数的に変化する。この位置は、エミッター−ベース接合に対して測定される。図８に関連して説明したようにドーパント濃度が変化する例示のケースとして、ドーパント流れは、ベースの裏面が成長するその瞬間に最大になる。典型的な構造では、ベースの裏面が最初に成長し、その後ドーパント流れは、ベースの残りの部分が成長する際それが指数的に減少するように変化する。エピタキシーにおいて、層４は典型的には、最初に成長し、図６では層３および２が後に続く。ドーパント流れは、サブ領域１とサブ領域２の間の境界面において最も小さくなる。その後ドーパント流れが止められる、あるいは一定に保たれる。ドーピングプロファイルが、ドープされない、または不均一にドープされた領域によって形成されたより大きな空乏幅により、付加的な電流を獲得するためにこのようにして変化する。ベースの残りの部分が、位置（深さ）依存性ドーピングを有するため、ドリフト電界を取り込むことで、電流収集をさらに改善させる。さらに、ベース全体における傾斜ドーピングを有するケースとは対照的に、一定のドーピングまたはドーピングのない領域を取り込むことにより空乏幅が広がることにより、太陽電池の空乏領域の外側に生成されたキャリアのための電流収集がより高い確率になることが保証される。電流収集の実質的な改善は、このような実施形態において達成される。いくつかの実施形態において、このようなドーピングプロファイルを有する層は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓを有することができる。
図１０は、希薄窒化物サブセルの内部量子効率を、位置依存性ドーピングプロファイルを利用した場合と、利用しない場合で比較したグラフである。内部量子効率は、太陽電池によって収集されたキャリアの数と、太陽電池に進入する所与の波長の光子（すなわち表面から反射された光子は除外される）の数の比である。特定の波長の全ての光子が吸収され、結果として生じるキャリアが収集された場合、このときこの特定の波長における内部量子効率は一貫している。およそ８．５％を示す量子効率測定値が、ドーピングの結果としてＡＭ１ ５Ｄスペクトラムの下電流が増大し、これは希薄窒化物サブセルが電流制限セルである場合、多接合型太陽電池の全体の効率をおよそ８．５％上げることになる。本発明を利用することにより、電流収集が実質的に改善され、これにより太陽電池全体の効率が改善する。この特定の例証において、短絡電流は、ＡＭ１ ５Ｄスペクトラムの下８．５％改善される。同様の改善を図１１にも見ることができ、この図面は、希薄窒化物サブセルのＩ−Ｖの特徴を示している。開放電圧、短絡電流および曲線因子は、傾斜ドーピングプロファイルを有するサブセルを、このようなドーピングプロファイルを持たないサブセルと比較したとき実質的に改善されることを示している。希薄窒化物サブセルの電流と電圧の実質的な改善は、直接多接合型太陽電池の効率の改善につながる。このような改善は、希薄窒化物サブセルのベースおよび／またはエミッターにおいて傾斜ドーピングを含まない希薄窒化物サブセルと比べて有意に大きなものになる。
上記に考察した本発明の実施形態では、半導体層のエピタキシャル成長におけるドーピングプロファイルの変化が実現される。エピタキシャル成長における好ましいドーピングプロファイルの形成に加えて、このプロファイルはまた、半導体エピ層に対する成長後のステップによって操作することもできる。このような成長後のステップには、これに限定するものではないが、以下のＡｓ、Ｐ、Ｈ2、Ｎ2、フォーミングガスおよび／またはＯ2の１つまたは複数を含む大気中での半導体材料のアニーリングが含まれる。このようなプロセスステップは、多様な変数を有しており、これらは所望のドーピングプロファイルを実現するために最適化する必要がある。これには、これに限定するものではないが上記に挙げたアニール環境の他にアニール時間、アニール温度、アニールサイクルの変更が含まれる。例えばアニール温度は、４００℃から１０００℃の間であってよく、アニーリングプロセスの期間は、１０秒から１０００秒の間であってよく、周囲条件は、主としてリン、ヒ素、水素、酸素および／または窒素の一定の圧力大気であってよい。最終的な目的は、それを達成するのに使用されるプロセスステップに関わらず、特定の組成の希薄窒化物材料に対する所望のドーピングプロファイルである。
本発明のさらに別の実施形態では、傾斜ドーピングが、希薄窒化物太陽電池のエミッターに取り込まれる。この実施形態では、ベースは、上記に記載した実施形態による傾斜ドーピングプロファイルを持つ場合と持たない場合がある。エミッター（図４の層２）のドーピング濃度は、ほぼ１ｘ１０15／ｃｍ3から１ｘ１０19／ｃｍ3の間である。ドーピングプロファイルは、エミッター−ベース接合（図５および図６の境界面（２−３））から太陽電池の表面電界（図５および図６の境界面（１−２）に向かって増大する。図９は、希薄窒化物サブセルのエミッターにおけるドーピングを略図で示している。２つの例示のケースが提示されている。最初のケースでは、ドーピングは、エミッターにおける位置を関数として線形に変化している。２番目のケースでは、このようなドーピングの変化は、エミッター−ベース接合から離れると指数的に増大するようになる。両方のケースに関して、ドーピングは、エミッター−ベース接合において最小である。エミッターにおける位置依存性ドーピングの利点は、太陽電池のベースにおけるこのようなドーピングから得られるものと同様である。具体的には少数キャリアの収集が改善され、光電流が増大する。指数的ドーピングプロファイルは、太陽電池のエミッター内に一定の電場を取り込むが、線形および他のドーピングプロファイルを利用して、異なる幾何学形状の他の電場を形成することもできる。ドーピングプロファイルの変化は、位置を関数として電場を変えることで、電流収集を改善させるようにすることも可能である。
上記に特定される実施形態は、ドーピングに関する特定のプロファイルを有しており、これは希薄窒化物太陽電池のベースおよび／またはエミッターにおいて固有の電場を形成する結果になることに留意されたい。このような例は、例示の目的のために特定されており，当業者は、ドーピングプロファイルを多くの他の方法や構成で変化させることで特定の結果を達成することができる。このような特有の実施形態の記載は、本発明を限定することは意図しておらず、これは特許請求の範囲において完全に記載されている。

Claims (15)

  1. エミッター、ベースおよびエミッターベース接合を有する少なくとも１つの希薄窒化物サブセルを備える多接合型太陽電池であって、前記サブセルが、前記エミッターおよび前記ベースの少なくとも一方において深さ位置に依存するドーピングプロファイルを有することで、前記ドーパント濃度が、前記エミッター−ベース接合において最低となり、前記エミッター−ベース接合からの距離によって増大することを特徴とする多接合型太陽電池。
  2. 前記ドーパント濃度が実質的に１ｘ１０15／ｃｍ3と１ｘ１０19／ｃｍ3の間にある、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
  3. 前記ドーピングが、前記エミッター−ベース接合において最小となり、前記エミッター−ベース接合から離れた距離の少なくとも一部にわたって指数的に増大する、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
  4. 前記ドーピングが、前記エミッター−ベース接合において最小となり、前記エミッター−ベース接合から離れた距離の少なくとも一部にわたって線形に増大する、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
  5. 前記サブセルの前記ベースが、前記ベースにおける深さ位置に関数依存するドーピングを有し、前記ドーピングが、前記エミッター−ベース接合において最小となり、前記エミッター−ベース接合から離れた距離によって増大し、前記増大の割合が、前記太陽電池の効率を改善させるように選択される、請求項１に記載の太陽電池。
  6. 前記サブセルの前記エミッターが、前記エミッターにおける深さ位置に関数依存するドーピングを有し、前記ドーピングが、前記エミッター−ベース接合において最小となり、前記エミッター−ベース接合から離れた距離によって増大し、前記増大の割合が、前記太陽電池の効率を改善させるように選択される、請求項１に記載の太陽電池。
  7. 少なくとも３つのサブセル、すなわち第１サブセル、第２サブセルおよび第３サブセルを有し、
    前記第１サブセルが、前記希薄窒化物サブセルであり、前記第１サブセルが、下にある基板に格子整合され、前記希薄窒化物サブセルが、前記第１、第２および第３サブセルの中で最小である第１バンドギャップを有し、
    前記第２サブセルが、前記第１サブセル上に格子整合され、前記第１バンドギャップより高い第２バンドギャップを有し、
    前記第３サブセルが、前記第２サブセル上に形成され、前記第２サブセルに格子整合され、前記第３サブセルが、一番上のサブセルであり、前記第１バンドギャップおよび前記第２バンドギャップより高い第３バンドギャップを有する、請求項１に記載の太陽電池。
  8. 前記ベースが、第１ドーピングサブ領域と、第２ドーピングサブ領域を有し、前記第１ドーピングサブ領域が、前記エミッター−ベース接合に隣接し、一定のドーピングを有し、前記第２ドーピングサブ領域が、前記エミッター−ベース接合から離れた距離によって増大するドーピングを有する、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
  9. 少なくとも１つの第１サブセル、第２サブセル、第３サブセルおよび第４サブセルを有し、
    前記第１サブセルが、最小である第１バンドギャップを有し、
    前記第２サブセルが、前記希薄窒化物サブセルであり、前記希薄窒化物サブセルが、下にある隣接する構造体に実質的に格子整合され、前記希薄窒化物サブセルが、前記第１バンドギャップより大きなバンドギャップを有し、
    前記第３サブセルが、前記第２サブセルに格子整合され、前記第２サブセルの前記バンドギャップより大きな第３バンドギャップを有し、
    前記第４サブセルが、前記第３サブセルに格子整合され、前記第４サブセルが、前記第３サブセルより大きなバンドギャップを有する、請求項１に記載の多接合型太陽電池。
  10. エミッター、ベースおよびエミッター−ベース接合を有する少なくとも１つのサブセルを備えた多接合型太陽電池であって、前記ベースが、第１サブ領域と第２サブ領域を有し、前記第１ドーピングサブ領域が前記エミッター−ベース接合に隣接し、ドーピングを持たず、前記第２ドーピングサブ領域が、前記エミッター−ベース接合から離れた距離によって増大するドーピングを有する多接合型太陽電池。
  11. 前記少なくとも１つのサブセルが、希薄窒化物サブセルである、請求項１０に記載の多接合型太陽電池。
  12. 傾斜ドーピングプロファイルを形成するための方法であって、
    ドーパントを含む大気中で多接合型太陽電池の希薄窒化物サブセルのベースを成長させるステップであって、前記ドーパントが、成長ステップにおいて最大値から最小値まで変化する濃度であることにより、前記ベース内に傾斜ドーピングプロファイルを形成することを特徴とする方法。
  13. 前記希薄窒化物サブセルを含む前記多接合型太陽電池をアニーリングするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 傾斜ドーピングプロファイルを形成するための方法であって、
    ベースを成長させた後、多接合型太陽電池の希薄窒化物サブセルのエミッターを成長させるステップであって、ドーパントを含む大気中で前記エミッターを成長させ、前記ドーパントが、成長ステップにおいて最小値から最大値まで変化する濃度であることにより、前記エミッター内に傾斜ドーピングプロファイルを形成することを特徴とする方法。
  15. 前記希薄窒化物サブセルを含む前記多接合型太陽電池をアニーリングするステップを含む、請求項１４に記載の方法。
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