JP2014512703A - 太陽電池構造におけるトンネル接合の品質を改善するための方法 - Google Patents
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Abstract
太陽電池構造（１００）にトンネル接合（１１２）を形成する方法が、該太陽電池構造（１００）へのＩＩＩ族の材料の堆積およびＶ族の材料の堆積を交互に行う。
Description
本開示の実施形態は、広くには、多接合型太陽電池構造に関し、より詳しくは、多接合型太陽電池構造におけるトンネル接合の品質を改善するための方法に関する。
太陽光発電デバイスは、太陽放射を利用可能な電気エネルギーへと変換することができるデバイスである。光起電デバイスによって生み出される太陽エネルギーが、多くの宇宙船の主たる動力源である。また、太陽光発電デバイスは、太陽エネルギーが環境に優しい再生可能なエネルギーであるがゆえに、家庭用、商用、および産業用の発電においても魅力的な選択肢となってきている。
集光型太陽光発電の用途のための多接合型太陽電池構造において、個々のソーラー間のトンネル接合が、太陽電池構造の効率を決定するうえで重要な役割を果たす可能性がある。太陽電池の効率を向上させる１つのやり方は、トンネル接合の材料品質、したがってトンネル接合上に成長させられる層の材料品質を改善すると同時に、トンネル接合からのトンネル電流を増やすことであると考えられる。さらに、トンネル接合は、光を通過させて下方の太陽電池に吸収させることができるように充分に透明である必要がある。
したがって、上述の課題を克服するシステムおよび方法を提供することが、望ましいと考えられる。
太陽電池構造におけるトンネル接合を形成する方法は、ＩＩＩ族の材料を堆積させることと、前記ＩＩＩ属の材料の堆積後にＶ族の材料を堆積させることとを含む。
太陽電池構造におけるトンネル接合を形成する方法は、この太陽電池構造へのＩＩＩ族の材料の堆積およびＶ族の材料の堆積を交互に行うことを含む。
光起電デバイスが、基板を有する。第１の太陽電池デバイスが、基板の上方に配置される。コンタクトが、第１の太陽電池の上方に配置される。トンネル接合が、第１の太陽電池とコンタクトとの間に形成される。トンネル接合は、マイグレーション・エンハンスト・エピタキシャル（ＭＥＥ）によって形成される。
これらの特徴、機能、および利点を、本開示の種々の実施形態において別個独立に実現でき、あるいはさらなる他の実施形態に組み合わせることもできる。
本開示の諸実施形態は、詳細な説明および添付の図面からさらに充分に理解されるであろう。
図１を参照すると、多接合型太陽電池構造１００（以下では、太陽電池構造１００）が示されている。太陽電池構造１００は、基板１０２を有することができる。基板１０２を、さまざまな材料で形成することができる。一実施形態によれば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、または他の適切な材料を使用することができる。上記の材料の列挙を、本発明を限定するものと理解してはならない。ゲルマニウム（Ｇｅ）基板が使用される場合には、核生成層１０４を基板１０２上に堆積させることができる。次いで、基板１０２上、または核生成層１０４の上方に、バッファ層１０６を形成することができる。太陽電池１０８（例えば、太陽電池１）を、バッファ層１０６上に形成することができる。太陽電池１０８を、ｎ＋のエミッタ層およびｐ型のベース層で形成することができる。一実施形態によれば、ガリウム（Ｇａ）インジウム（Ｉｎ）リン（Ｐ）を、太陽電池１０８の形成に使用することができる。しかしながら、これを、本発明を限定するものと理解してはならない。
トンネル接合１１２を、太陽電池１０８とさらなる太陽電池１１４（例えば、太陽電池２）との間に形成することができる。トンネル接合１１２を、太陽電池１１４および太陽電池１０８を接続するために使用することができる。太陽電池１１４は、太陽電池１０８と同様であってよい。太陽電池１１４を、ｎ＋のエミッタ層およびｐ型のベース層で形成することができる。一実施形態によれば、ガリウム（Ｇａ）インジウム（Ｉｎ）リン（Ｐ）を、太陽電池１１４の形成に使用することができる。しかしながら、これを、本発明を限定するものと理解してはならない。キャップ層１１６を、太陽電池１１４上に形成することができる。キャップ層１１６は、太陽電池構造１００のためのコンタクトとして機能する。図１は、太陽電池１０８および１１４を示しているが、さらに追加の太陽電池およびトンネル接合を使用してもよい。
トンネル接合１１２の品質が、トンネル接合１１２の上方の太陽電池１１４を高い結晶品質に保つために重要となりうる。高品質のトンネル接合１１２を設けることによって、より多くのトンネル接合電流を生じさせることができる。これは、太陽電池構造１００の効率の向上を可能にする。
現時点において、既存の高効率多接合型太陽電池においては、とりわけＧａＩｎＰのような広バンドギャップ材料において、高いドーピング濃度を達成するためにより低い温度を使用することができる。ここで図２および図３を参照すると、トンネル接合１１２の品質を改善することができる方法が開示される。この方法は、トンネル接合１１２を形成するためにマイグレーション・エンハンスト・エピタキシャル（ＭＥＥ）法を使用することができる。
ＭＥＥは、単結晶を堆積させる方法である。ＭＥＥは、ＩＩＩ属およびＶ属の原子を交互に使用することができ、ＩＩＩ属の原子が、Ｖ属の原子と反応する前に表面においてより長い拡散距離を有し、したがってより高い結晶品質を実現する。トンネル接合１１２の形成において、周期表に挙げられるＩＩＩ属およびＶ属の元素の種々の組み合わせを使用することができる。種々の組み合わせを、格子定数およびバンドギャップの要件にもとづいて使用することができる。ＩＩＩ属の元素として、これらに限られるわけではないが、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）を挙げることができる。Ｖ属の元素として、これらに限られるわけではいが、チッ素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）を挙げることができる。
表面原子の表面に沿った移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）が、高品質の層および原子レベルで平坦なヘテロ接合の成長にきわめて重要となりうる。ＭＥＥは、基板表面上でのＩＩＩ属原子の移動を促進し、したがって品質を高めることができるＩＩＩ属およびＶ属の変調を、エピタキシャルの最中に使用している。図２および図３に示されるように、ＩＩＩ属およびＶ属の材料の付着が交互に行われる。したがって、ＩＩＩ属の材料を、最初にＴｕＪｎ層１１２へと付着することができる。これにより、ＩＩＩ属の材料について、より長い拡散時間が可能になり、その結果より良好な結晶品質を得ることができる。ＩＩＩ属の材料が付着されると、Ｖ属の材料を付着することができる。ＩＩＩ属およびＶ属の材料の交互の付着は、トンネル接合１１２が完成するまで続けられる。ＩＩＩ属およびＶ属の材料を付着するとき、使用される材料にもとづいて、さまざまな時間枠を使用することができる。交互の時間は、１〜１０００秒またはそれ以上のいずれの範囲にあってよい。
ＭＥＥは、Ｖ／ＩＩＩ比の制御を可能にし、ドーピング、とくにはＶ属の原子の場所を占めるテルル（Ｔｅ）、硫黄（Ｓ）、炭素（Ｃ）などのようなドーパントを、促進することができる。ＭＥＥを、きわめて低いＶ／ＩＩＩ比で実施することができる。具体的にはアルキル原子が表面上に停滞した場合、Ｖ属はチャンバへと注入されず、したがってその瞬間のＶ／ＩＩＩ比はきわめて低く、ドーピング濃度はより高くなる。
図４を参照すると、濃度光Ｉ−Ｖ（ＬＩＶ）曲線が示されている。図４には、ＭＥＥで成長させたＨＴ ＧａＩｎＰトンネル接合の光Ｉ−Ｖ（ＬＩＶ）性能が、従来からのエピタキシ成長によるＧａＩｎＰ ＨＴトンネル接合と対比して示されている。ＭＥＥで成長させたＨＴ ＧａＩｎＰトンネル接合のＬＩＶ曲線は、単接合の試験構造にもとづいているが、ＭＥＥ ＨＴ ＴｕＪｎが、従来からのエピタキシ成長ＴｕＪｎよりも大きなトンネル電流を示すことを、はっきりと見て取ることができる。
既存の高効率多接合型太陽電池は、通常は、とりわけＧａＩｎＰのような広バンドギャップ材料において、高いドーピング濃度を実現するためにより低い温度を使用する。ＭＥＥは、ＴｕＪｎ層の高温および低温成長の両方に使用可能であり、より高ドーピングでより高品質なＴｕＪｎ層を実現することができる一方で、従来からの成長では、高ドーピングを実現するために品質が損なわれ、したがって最大トンネル電流が小さくなり、より後の層の品質も損なわれる。本発明は、既存のＴｕＪｎのトンネル電流をより高い値へと押し上げることができ、したがって効率の改善をもたらす。
本出願の本文および添付の図１〜４に示されるように、太陽電池構造１００のトンネル接合１１２の形成方法が開示される。この方法は、太陽電池構造１００へのＩＩＩ属の材料の堆積およびＶ属の材料の堆積を交互に行うことを含む。一変種においては、ＩＩＩ属の材料の堆積およびＶ属の材料の堆積を交互に行うことは、太陽電池構造１００へとＩＩＩ属の材料を堆積させることと、ＩＩＩ属の材料の堆積後にＶ属の材料を堆積させることとを含む。さらに、本方法は、太陽電池構造１００の第１の太陽電池１０８（例えば、太陽電池１）へとＩＩＩ属の材料を堆積させることを含むことができる。一変種において、本方法は、太陽電池構造１００の第１の太陽電池１０８へとＶ属の材料を堆積させることを含むことができる。さらに別の選択肢において、本方法は、ＩＩＩ属の材料およびＶ属の材料の堆積の比を制御することを含むことができる。一変種においては、ＩＩＩ属の材料の堆積を交互に行うことが、約１〜１０００秒にわたってＩＩＩ属およびＶ属の材料を堆積させることを含むことができる。１つの選択肢においては、ＩＩＩ属の材料が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）のうちの少なくとも１つを含む。さらなる一例においては、Ｖ属の材料が、チッ素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１つを含む。
本出願の本文および添付の図１〜４に示されるように、基板１０２と、基板１０２の上方に位置する第１の太陽電池１０８（例えば、太陽電池１）と、第１の太陽電池１０８の上方に位置するコンタクト１１６と、第１の太陽電池１０８とコンタクトとの間の位置に形成されたトンネル接合１１２とを備えており、トンネル接合１１２が、マイグレーション・エンハンスト・エピタキシャル（ＭＥＥ）法によって形成されている光起電デバイスが提供される。一変種においては、トンネル接合１１２が、ＩＩＩ属およびＶ属の材料の堆積を交互に行うことからなる前記ＭＥＥ法によって形成される。一例においては、ＩＩＩ属の材料が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）のうちの少なくとも１つを含む。
一変種においては、前記Ｖ属の材料が、チッ素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。さらに、光起電デバイスは、前記基板１００と前記第１の太陽電池１０８との間に位置するバッファ層１０６を備えることができる。さらに、光起電デバイスは、前記バッファ層１０６と前記基板１０２との間に位置する核生成層１０４を備えることができる。一変種においては、第２の太陽電池１１４（例えば、太陽電池２）が、前記第１の太陽電池１０８と前記コンタクト１１６との間に配置される。
本発明の実施形態を、種々の具体的な実施形態に関して説明したが、本開示のこれらの実施形態を、特許請求の範囲の思想および範囲内で、変更を伴って実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。
Claims (15)
- 太陽電池構造（１００）へのＩＩＩ族の材料の堆積およびＶ族の材料の堆積を交互に行うことを含む、前記太陽電池構造（１００）にトンネル接合（１１２）を形成する方法。
- 前記ＩＩＩ属の材料の堆積およびＶ属の材料の堆積を交互に行うことが、
前記太陽電池構造（１００）へとＩＩＩ属の材料を堆積させることと、
前記ＩＩＩ属の材料の堆積後にＶ属の材料を堆積させることと
をさらに含む請求項１に記載の方法。 - 前記太陽電池構造（１００）の第１の太陽電池（１０８）へと前記ＩＩＩ族の材料を堆積させることをさらに含む請求項１または２に記載の方法。
- 前記太陽電池構造（１００）の前記第１の太陽電池（１０８）へと前記Ｖ族の材料を堆積させることをさらに含む請求項３に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族の材料および前記Ｖ族の材料の堆積の比を制御することをさらに含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ族の材料の堆積を交互に行うことが、約１〜１０００秒にわたって前記ＩＩＩ族および前記Ｖ族の材料を堆積させることをさらに含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ属の材料が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）のうちの少なくとも１つを含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Ｖ属の材料が、チッ素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１つを含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 基板（１０２）と、
前記基板（１０２）の上方に位置する第１の太陽電池（１０８）と、
前記第１の太陽電池（１０８）の上方に位置するコンタクト（１１６）と、
前記第１の太陽電池（１０８）と前記コンタクト（１１６）との間の位置に形成されたトンネル接合（１１２）と
を備えており、
前記トンネル接合（１１２）が、マイグレーション・エンハンスト・エピタキシャル（ＭＭＥ）法によって形成されている光起電デバイス。 - 前記トンネル接合（１１２）が、ＩＩＩ属およびＶ属の材料の堆積を交互に行うことからなる前記ＭＥＥ法によって形成されている請求項９に記載の光起電デバイス。
- 前記ＩＩＩ族の材料が、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）のうちの少なくとも１つを含む請求項１０に記載の光起電デバイス。
- 前記Ｖ族の材料が、チッ素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１つを含む請求項１０または１１に記載の光起電デバイス。
- 前記基板（１０２）と前記第１の太陽電池（１０８）との間に位置するバッファ層（１０６）をさらに備える請求項９〜１２のいずれか一項に記載の光起電デバイス。
- 前記バッファ層（１０６）と前記基板（１０２）との間に位置する核生成層（１０４）をさらに備える請求項１３に記載の光起電デバイス。
- 前記第１の太陽電池（１０８）と前記コンタクト（１１６）との間に位置する第２の太陽電池（１１４）をさらに備える請求項９〜１４のいずれか一項に記載の光起電デバイス。
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