JP2016533031A - バンドギャップ変動型の光起電セル - Google Patents

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Abstract

モノリシック光起電セルが提案される。前記セルは、少なくとも１つの接合部を含む。前記少なくとも１つの接合部の各接合部は、第１の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるベースと、第１の導電型とは反対の第２の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるエミッタとを含む。前記エミッタは、第１の方向に従ってベース上に積層される。前記少なくとも１つの接合部のうちの少なくとも１つの接合部のベースの、および／またはエミッタの半導体材料は、少なくとも１つの第１の元素と、第２の元素との化合物によって形成される半導体材料である。ベースの、および／またはエミッタの前記半導体材料のバンドギャップおよび格子定数は、前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の濃度に依存する。第２の元素に対する前記化合物における第１の元素の前記濃度は、前記第１の方向に沿って均一でなく、前記ベースおよび／またはエミッタの下位部分で第１の値に等しく、前記ベースおよび／またはエミッタの上位部分で第１の値未満の第２の値に等しい。前記上位部分は、第１の方向に従って前記下位部分の上側にある。

Description

本発明は、一般に、光起電セルの分野に関し、詳細には、太陽放射用の光起電セル（太陽セル）に関する。
太陽セルは、太陽放射などの電磁エネルギーを電気に変換できる電子デバイスである。
そのような電子デバイスは、主に、半導体材料から成り、この半導体材料は、価電子帯と伝導帯との間に禁制エネルギー帯（「バンドギャップ（band gap）」が位置付けられた固体結晶構造によって特徴付けられる。バンドギャップは、通常は自由電子に対して抑制されるエネルギー区間を定める。しかしながら、太陽放射が、太陽セルにおけるそのようなタイプの材料に当たるとき、より低いエネルギー帯を占める電子が、エネルギージャンプをしてバンドギャップを超える点へと励起されて、より高いエネルギー帯に達することがある。例えば、半導体の価電子帯の中の電子が、入射太陽放射の光子から十分なエネルギーを吸収するとき、そのような電子は、バンドギャップを超え、伝導帯に達することがある。
より高いエネルギー帯に達すると、そのような電子は、より低いエネルギー帯内に空の場所を残し、用語「空孔（holes）」を用いて専門用語で定められるそのような空の場所は、結晶レチクルにおいて原子から原子に移動することができる。したがって、空孔は、伝導帯の中の自由電子と同じように、電荷キャリアとして働き、結晶の伝導性に寄与する。
換言すると、半導体によって吸収される各光子が、対応する空孔／電子対を発生させる。光子吸収によって形成される電子／空孔対の組は、太陽セルの、いわゆる光電流を発生させる。このようにして生成される空孔と電子は、互いに再結合し、光電流の維持に対するそれらの寄与を減じることがある。この現象を避けて（または少なくとも可能な限り抑えて）太陽セルの効率を高めるために、局所電場が、半導体材料内に生成される。このようにして、光子の吸収に加えてさらに生成される空孔と電子は、結果的に、それぞれ反対方向に向けて局所電場によって加速されることになり、したがって、太陽セルの端子に達する前に再結合する可能性が大幅に減少する。具体的には、そのような電場は、１対の反対にドープされた半導体材料間のｐｎ接合部の生成によって得られる空乏領域など、空間電荷領域の生成によって発生させられる。
太陽セルは、単一のｐｎ接合型もしくはｎｐ接合型、すなわち、単接合部太陽セルであっても、または複数のｐｎ接合型もしくはｎｐ接合型、すなわち、多接合部太陽セルであってもよい。
単接合部太陽セルは、実質的には、単一のｐｎ接合部またはｎｐ接合部の存在によって構成される。それとは逆に、多接合部太陽セルは、現在のところ、２つから５つまでの接合部の様々なｐｎ接合部またはｎｐ接合部を積層することによって実装される。種々の接合部が種々の半導体材料で作製され、隣接する接合部の各対間に間置されるトンネルダイオードによって直列で互いに電気的に接続される。
種々の重畳された接合部のそれぞれは、いわゆる基本セルを形成し、様々な基本セルは、単一の接合部により得られるものと比較して、より効率的な方式で、入射太陽放射スペクトルの様々な部分を単独で変換できる。
多接合部セルは、単接合部セルに対して、より高い出力電圧を供給できるという利点を有し、全体の電圧は、（セルを直列に接続したトンネルダイオードにおける少しの電圧降下を差し引いた）単一の基本セルの電圧の和に等しい。
本明細書で以降「ＩＩＩ−Ｖ材料（III-V materials）」と単に称される、元素の周期表のＩＩＩ族とＶ族の元素化合物に基づく半導体材料に基づいた太陽セル、具体的には、ＧａＡｓ太陽セルの性能は、近年、３つの接合部セル、４つの接合部セル、また５つの接合部セルを製造するための新規材料を開発することを可能にする技術進歩のお陰で、継続的な向上がなされている。
多接合部太陽セルの費用は、単接合部太陽セルの費用よりわずかに高く、その効率は、はるかにより高く（２５℃での地表大気から外れた照射の条件で、効率は、単接合部セルの２０％と比較して、３接合部セルの場合、ほぼ３０％に等しく）、この理由で、特に航空宇宙用途では、市場は、この新規の、より効率的なデバイスを使用する方向に向けられている。例えば、現在の大型の通信衛星には、３接合部太陽セルを使用することが必要である。これらのセルは、一方で、光学濃度システムなど、地上用途にも採用されている。
太陽セルの接合部を形成することを対象にする様々な材料層は、製造されるために、通常、市販の基板上への沈着によるエピタキシャル成長法により（例えば、金属有機化学蒸着法（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition technique）、すなわち、ＭＯＣＶＤによって）得られる。ＩＩＩ−Ｖ材料の太陽セルを製造するために、基板としてより多く使用される材料は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、および／またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）である。基板として使用できる他の材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を含む。
沈着によって基板上に１または複数の層をエピタキシャルに成長させることによる太陽セルの製造には、成長すべき層の材料が、基板を形成する材料のものと適合している格子定数を有することが必要である。実際、材料の層が、基板材料のものとは非常に異なる格子を伴って成長した場合、沈着工程の間に結晶学的欠陥（専門用語で、「転位（dislocation）」）が形成されて、結果的に生じる太陽セルの接合部の光電子／輸送特性を著しく低下させることになる。
前述の格子定数適合性制約は、現在の太陽セル、例えば、Ｇｅ基板を用いた３接合部太陽セルに採用され得るＩＩＩ−Ｖ材料の選択肢を限定し、現在、開発されているものよりも優れている効率を備えた新規太陽セルの開発を妨げている。実際、基板のものと適合している格子定数を有する材料を選択する必要性は、そのバンドギャップが太陽スペクトルのより優れた変換を可能にする材料から接合部が作製される新規構造の実現を困難にしている。
ＩＩＩおよびＶの材料から形成される太陽セルの効率を高めるために、知られている解決策は、基板の格子定数と適合していない格子定数を有する材料も使用することを提供し、適合していない格子定数を有する材料の層の各対間に結晶学的欠陥をその中に局限するようになされたアドホックな整合構造を挿入し、太陽セルの性能の低下を防ぐ。各整合構造は、光起電の観点からすれば能動的でないセルの領域において、第１の格子定数を有する第１の接合部と、第２の格子定数（第１の格子定数とは異なる）を有する第２の接合部との間、通常は、第１の接合部と、第２の接合部を接続するトンネルダイオードとの間に作製される。整合構造は、通常、同じ材料の層配列（例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ）にわたって実現される。各層は、（層全体にわたって一定である）それぞれの格子定数を有し、（第１の接合部と接触している）配列の第１の層は、第１の接合部を形成する材料の格子定数に等しい格子定数を有し、それに続く中間層は、第２の接合部を形成する材料の格子定数に次第に近づく格子定数を有し、（トンネルダイオードと接触している）最後の層は、第２の接合部を形成する材料の格子定数に等しい格子定数を有する。様々な層の格子定数は、この層の材料の化合物を形成する元素のうちの２つの濃度を各層において調整することによって設定される。しかしながら、今のところ、これらの構造が、太陽セルの稼働寿命中、太陽セルの他の範囲の中で結晶学的欠陥の伝播を防ぐこともできるという証拠は依然としてない。例えば、太陽セルの稼働寿命中、その太陽セルが受ける温度変動は、それを構成する材料における機械的ストレスを誘発して、（最初は、整合構造の中に局限される）結晶学的欠陥の伝搬を太陽セルの全構造体へと起こさせる。
また、インジウム（Ｉｎ）と、ガリウム（Ｇａ）と、リン（Ｐ）との化合物、すなわちＩｎＧａＰ、またはＩｎと、Ｇａと、ヒ素（Ａｓ）との化合物、すなわちＩｎＧａＡｓに基づく材料の層を含み、層の全深さに沿ってＩｎの均一な濃度を伴う、少なくとも１つの接合部を含む太陽セルを製造することも知られている。接合部を形成する２層のうちの少なくとも一方の材料におけるＩｎの前記均一な濃度を増加させることによって、対応するバンドギャップが減少することが知られている。バンドギャップが減少すると、変換され得る太陽スペクトルの一部分は、それに応じて増加すると仮定すれば、この技法により、太陽セルによって生み出される電流を増加させることが可能である。しかしながら、この技法の使用には、欠点がないわけではない。まず、バンドギャップを減少させることによって、接合部の端子間に生じる電圧は、それに応じて減少する。その上、Ｉｎの濃度を増加させ過ぎることによって、材料の格子定数が変更され、それに応じて、太陽セルの光電子／輸送特性を低下させ得る結晶学的欠陥を取り込む。そのような結晶学的欠陥の存在は、高いＩｎ濃度を伴う材料の層の厚さが増加するにつれて、増加する。
前述に照らして、本出願人は、光起電セルの実装に関しての、および具体的には太陽セルの実装についての最先端技術において、現在知られている解決策が効率の観点から改良され得ることに気づいた。
本発明の実施形態による解決策の種々の態様が、独立請求項に示されている。
本発明の１つの態様は、モノリシック光起電セルに関係する。前記モノリシック光起電セルは、少なくとも１つの接合部を含む。前記少なくとも１つの接合部の各接合部は、第１の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるベースと、第１の導電型とは反対の第２の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるエミッタとを含む。前記エミッタは、第１の方向に従ってベース上に積層される。前記少なくとも１つの接合部のうちの少なくとも１つの接合部のベースの、および／またはエミッタの半導体材料は、少なくとも１つの第１の元素と、第２の元素との化合物によって形成される半導体材料である。ベースの、および／またはエミッタの前記半導体材料のバンドギャップおよび格子定数は、前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の濃度に依存する。第２の元素に対する前記化合物における第１の元素の前記濃度は、前記第１の方向に沿って均一でなく、前記ベースおよび／またはエミッタの下位部分で第１の値に等しく、前記ベースおよび／またはエミッタの上位部分で第１の値未満の第２の値に等しい。前記上位部分は、第１の方向に従って前記下位部分の上側にある。
本発明のさらなる態様は、光起電セルを製造するための対応する方法に関する。
有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
本発明の１つまたは複数の実施形態による解決策、ならびに追加の特徴およびその利点は、添付の図面と併せて読まれるべき、限定ではなく純粋に非制限的な指示としてのみ与えられる以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されよう。この点に関して、図は、必ずしも縮尺通りであるとは限らず、別段、異なって指示されない限り、説明された構造および手順を概念的に例示するものと単に意図されるにすぎないことが明示的に意図されている。
モノリシック光起電セルの概略的垂直断面図である。 図１のセルのベースを形成する化合物におけるＩｎの濃度の線図、ならびに本発明の実施形態よるこのベースに生じる対応する伝導帯および価電子帯の線図である。 図１のセルの外部量子効率が、Ｉｎの均一な濃度プロファイルから、Ｉｎの減少する濃度プロファイルにどのように変わるかを示すグラフである。
図面、特に図１を参照すると、モノリシック光起電セル、限定的ではないが、具体的には、太陽セルが垂直断面で概略的に示され、ここでは、本発明の実施形態による概念が適用され得る。参照符号１００により全体として識別される光起電セルは、３つの接合部を有する多接合部セルであり、図に、参照符号１０５ａによって識別され「下位セル（lower cell）」と呼ばれる第１の基本セルと、参照符号１０５ｂによって識別され「中間セル（intermediate cell）」と呼ばれる第２の基本セルと、参照符号１０５ｃによって識別され「上位セル（upper cell）」と呼ばれる第３の基本セルとを含む。上位セル１０５ｃは、中間セル１０５ｂの上側に位置付けられ、中間セル１０５ｂは、下位セル１０５ａの上側に配置される。
３つの基本セルは、直列に電気的に接続され、トンネルダイオードが間に置かれている。具体的には、下位セル１０５ａは、図に参照符号１０８により識別される第１のトンネルダイオードによって中間セル１０５ｂに電気的に接続され、中間セル１０５ｂは、図に参照符号１１０により識別される第２のトンネルダイオードを通じて上位セル１０５ｃに電気的に接続される。
下位セル１０５ａは、第１の導電型、例えば、ｐ型の（「ベース（base）」）と称される）第１の半導体材料層１１２と、反対の導電型、例えば、ｎ型の（「エミッタ（emitter）」と称される）第２の半導体材料層１１４とを含む。ベース１１２およびエミッタ１１４は、互いに直接、接触して位置決めされて、ｐｎ接合部を形成する。「窓層（window layer）」と呼ばれるさらなる半導体材料層１１６が、好ましくは、エミッタ１１４の上側に形成され、その存在は、層１１４の中で光生成される電荷キャリアの表面再結合効果を抑えることを可能にし、したがって、光起電セル１００の変換効率を高めることになる。
トンネルダイオード１０８は、窓層１１６の上側に形成される。
障壁層１１８が、好ましくは、トンネルダイオード１０８と中間セル１０５ｂとの間に配置され、その存在は、層１２０の中で光生成される電荷キャリアをセルの空間電荷領域へと向かわせる電場を生み出すことと、層１２０に中で光生成される電荷キャリアの表面再結合効果を抑えることとを可能にし、それによって、光起電セル１００の変換効率を高めることになる。
障壁層１１８の上側に形成される中間セル１０５ｂは、第１の導電型、例えば、ｐ型の第１の半導体材料層１２０（ベース）を含み、「スペーサ層（spacer layer）」と呼ばれる第２の層１２２が、好ましくは、ベース１２０の上側に形成され、この第２の層１２２は、意図的にドープされていない半導体材料から成る。中間セル１０５ｂは、スペーサ層１２２の上側に位置付けられる第３の半導体材料層１２４（エミッタ）をさらに含む。エミッタ１２４は、例えば、ベース１２０の導電型とは反対の導電型、例えば、ｎ型の半導体材料から構成される。下位セル１０５ａと同様に、窓層１２６が、好ましくは、中間セル１０５ｂのエミッタ１２４の上側に形成される。
トンネルダイオード１１０は、窓層１２６の上側に形成される。さらなる障壁層１２８が、好ましくは、トンネルダイオード１１０と上位セル１０５ｃとの間に配置される。
障壁層１２８の上側に形成される上位セル１０５ｃは、第１の導電型、例えば、ｐ型の第１の半導体材料層１３０（ベース）を含み、意図的に非ドープの半導体材料のスペーサ層１３２が、好ましくは、ベース１３０の上側に形成される。ベース１３０の導電型とは反対の導電型、例えば、ｎ型の第３の半導体材料層１３４（エミッタ）が、スペーサ層１３２の上側に形成される。窓層１３６が、好ましくは、エミッタ１３４の上側に形成される。
光起電セル１００の後部には、具体的には、ベース１１２の、エミッタ１１４に面している面とは反対の面と対応して、例えば、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）などの金属の第１の導電性材料層１３８が形成され、この第１の導電性材料層１３８は、光起電セル１００の第１の接触端子を構成する。
規定の導電型、例えば、ｎ型の半導体材料のキャップ１４５が、上位セル１０５ｃに対応する窓層１３６の上側に区分的形成され、導電性材料、例えば、ＡｕまたはＡｇなどの金属の接点１５０が、キャップ１４５上に形成され、この接点１５０は、光起電セル１００の第２の接触端子を構成する。
例えば、１または複数の酸化物層によって構成される無反射材料の被覆層１４０が、窓層１３６の上側に形成される。金属１５０に向けての適切な通路が、無反射被覆層１４０の中に残されて、光起電セル１００が外部で接触されることを可能にする。
光起電セル１００全体を構成する基本セルをより詳細に見ると、下位セル１０５ａは、第１の導電型、考慮される例ではｐ型のドープされたゲルマニウム（Ｇｅ）によって構成されるベース１１２を有する。下位セル１０５ａのエミッタ１１４は、ベース１１２と同じ材料であるが、反対の方式でドープされる、考慮される例ではｎ型の、例えばＧｅから形成される。
窓層１１６は、四元または三元化合物、例えば、インジウム（Ｉｎ）と、ガリウム（Ｇａ）と、リン（Ｐ）との化合物、すなわち、ＩｎＧａＰ、Ｉｎと、Ｇａと、ヒ素（Ａｓ）との化合物、すなわち、ＩｎＧａＡｓ、アルミニウム（Ａｌ）と、Ｇａと、Ａｓとの化合物、すなわち、ＡｌＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ材料の層によって構成され得る。
トンネルダイオード１０８は、例えば、第２の導電型、考慮される例ではｎ型のドープされたＩＩＩ−Ｖ材料から形成される第１の層と、反対の導電型、考慮される例ではｐ型のドープされたＩＩＩ−Ｖ材料から形成される第２の材料層とによって、知られている形で実装される。
障壁層１１８は、第１の導電型、考慮される例ではｐ型のドープされたＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ材料など、半導体材料から形成される。
中間層１０５ｂは、四元または三元化合物、例えば、第１の導電型、考慮される例ではｐ型のＩｎＧａＡｓなど、ドープされたＩＩＩ−Ｖ材料から作製されるベース１２０を有する。中間セル１０５ｂのエミッタ１２４は、さらなるＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、反対の方式で、考慮される例ではｎ型でドープされるＩｎＧａＡｓなど、ベース１２０と同じ材料から形成される。スペーサ層１２２は、半導体材料、例えば、ベース１２０と同じ材料によって形成されるが、スペーサ層１２２の材料は、真性である、すなわち、相当量のドーパント不純物を含有していない。
窓層１２６は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、またはＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ材料の層によって構成され得る。
トンネルダイオード１１０は、第２の導電型、考慮される例ではｎ型のドープされたＩＩＩ−Ｖ材料から形成される第１の層と、反対の導電型、考慮される例ではｐ型のドープされたＩＩＩ−Ｖ材料から形成される第２の層とによって実現され得る。
障壁層１１８と同様の方式で、障壁層１２８は、第１の導電型、考慮される例ではｐ型のＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰなどのドープされたＩＩＩ−Ｖ材料など、半導体材料から形成される。
上位セル１０５ｃは、四元または三元化合物、例えば、第１の導電型、考慮される例ではｐ型のドープされたＩｎＧａＰなどのＩＩＩ−Ｖ材料から作製されるベース１３０を有する。上位セル１０５ｃのエミッタ１３４は、例えば、ベース１３０と同じ材料ではあるが、反対の方式で、考慮される例ではｎ型でドープされるＩｎＧａＰなどのさらなるＩＩＩ−Ｖ材料から形成される。スペーサ層１３２は、ＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、ベース１３０と同じ材料によって実現されるが、スペーサ層１３２の材料は、真性である、すなわち、相当量のドーパント不純物を含有していない。
窓層１２６と同様の方式で、窓層１３６は、ＡｌＩｎＰなど、ＩＩＩ−Ｖ材料の層によって構成され得る。
製造プロセスの観点からすれば、光起電セル１００は、適切な導電型、考慮される例ではｐ型の、かつ適度なドーパント濃度を伴う、下位セル１０５ａのベース１１２を形成する半導体材料、考慮される例ではＧｅの基板から製作される。具体的には、沈着および／または拡散のプロセスを通じて、ベース１１２として働くそのような基板から始まって、下位セル１０５ａのエミッタ１１４が形成される。窓１３６に至るまでの光起電セル１００の後に続く層はすべて、強固な基板として下位セル１０５ａのエミッタ１１４およびベース１１２を使用して、分子ビームエピタキシー（Molecular Beam Epitaxy）「ＭＢＥ」などのエピタキシャル成長の適した技法によって、または金属有機化学蒸着（Metal-Organic Chemical Vapour Deposition）「ＭＯＣＶＤ」によって得られる。
本発明の実施形態により、中間セル１０５ｂのベース１２０を形成するＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎの濃度は、均一でなく、ベースの深さに沿って、すなわち、図１に参照符号ｘにより識別される方向に沿って、ベースの下位部分における（例えば、ベース１２０と下側の障壁１１８との間の界面での）第１の値Ｃ１から、ベースの上位部分における（例えば、ベース１２０と上側のスペーサ層１２２との間の界面での）第２の値Ｃ２＜Ｃ１まで変動する。
光起電セル１００の後に続く層が、ＭＯＣＶＤ法によって得られる場合を参照すると、中間セル１０５ｂのベースにおけるＩｎの濃度プロファイルの変動は、例えば、成長プロセス中、Ｇａ前駆体のキャリアガスの流れに対するＩｎ前駆体のキャリアガスの流れを変動させることによって達成され得る（または逆も同様）。
ベース１２０を形成するＩｎＧａＡｓ化合物における不均一な濃度のＩｎの存在によって生み出される効果を詳細に説明し、そのような解決策から得られる利点を例示するために、次に、図２を参照することとする。
図２は、ｘ方向に沿ってベース１２０を形成するＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎの濃度の線図２０５と、線図２０５のＩｎの濃度が結果的にもたらす、ｘ方向に沿ってベース１２０に生じる対応する伝導帯および価電子帯の線図２１０とを示している。
線図２０５を参照すると、実線により、知られている解決策に従って、ベース１２０のＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎの濃度ＣＩｎが示され、ただし、濃度ＣＩｎは、ベース１２０の全厚さに沿って均一である、すなわち、ｘ方向に沿って一定値Ｃｃを有する。破線により、本発明の実施形態による解決策に従って、ベース１２０のＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎの濃度ＣＩｎ＊が示され、ただし、そのような濃度ＣＩｎ＊は、ベース１２０と下側の障壁１１８との間の界面での第１の値Ｃ１≧Ｃｃから、ベース１２０と上側のスペーサ層１２２との間の界面での第２の値Ｃ２＜Ｃ１まで、ｘ方向に沿って線形に減少する。
例えば、本発明の１つの実施形態によれば、Ｃ１は、ＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎ／Ｇａ比率が、３〜１０％に等しくなるようにしてよく、一方、Ｃ２は、ＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎ／Ｇａ比率が、０〜２％に等しくなるようにしてよい。
線図２１０を参照すると、実線により、知られている解決策に従って、線図２０５に示される均一な濃度ＣＩｎが結果的にもたらす、ｘ方向に沿ってベース１２０に生じる伝導帯Ｃｂおよび価電子帯Ｖｂが示されている。破線により、本発明の実施形態による解決策に従って、線図２０５に示される（ｘ方向に沿って）減少する濃度ＣＩｎ＊が結果的にもたらす、ｘ方向に沿ってベース１２０に生じる伝導帯Ｃｂ＊および価電子帯Ｖｂ＊が示されている。
Ｉｎの均一な濃度ＣＩｎの知られている場合においては、伝導帯Ｃｂと価電子帯Ｖｂとの差（電子エネルギーの観点で）に等しいバンドギャップＥｇは、ｘが変化しても、ベース１２０の深さ全体にわたってほぼ均一なＥｇ値、すなわち、一定値を有することが分かる。
ｘ方向に沿って濃度ＣＩｎ＊の減少するプロファイルのお陰で、本発明の実施形態による伝導帯Ｃｂ＊は、均一な濃度ＣＩｎに対応する伝導帯Ｃｂの電子エネルギー値未満の電子エネルギー値を有する部分を呈し、一方、価電子帯ＶｂとＶｂ＊とは、実質的に一致する。伝導帯Ｃｂ＊は、Ｉｎの濃度がより高い場合、より低い電子エネルギー値を有する。その結果として、図２に示されるプロファイルＣＩｎ＊などの減少する濃度プロファイルにより、対応する伝導帯Ｃｂ＊は、ベース１２０の最も深い領域において（すなわち、低い値のｘの場合）、（伝導帯Ｃｂの電子エネルギー値未満の）より低い電子エネルギー値を呈し、スペーサ層１２２との界面に接近するにつれて（すなわち、ｘが増加するにつれて）、ますます大きな値を呈する。その結果として、減少する濃度ＣＩｎ＊の場合においては、伝導帯Ｃｂ＊と価電子帯Ｖｂ＊との差（電子エネルギーの観点で）に等しいバンドギャップＥｇ＊は、ベース１２０の全深さに沿って、もはや一定ではなく、ｘに応じて変動する。濃度ＣＩｎ＊は、ベース１２０と障壁１１８との間の界面での初期値Ｃ１≧Ｃｃから始まり、ベース１２０とスペーサ層１２２との間の界面での最終値Ｃ２＜Ｃ１に終わる減少プロファイルを有し、バンドギャップＥｇ＊は、ベース１２０と障壁１１８との間の界面での初期値Ｅ１＜Ｅｇから始まり、ベース１２０とスペーサ層１２２との間の界面での最終値Ｅ２＞Ｅ１に達するまで、ｘが増加するにつれて、増加するプロファイルを有する。
このようにして、入射光子は、ベース１２０を形成する材料層を通過するときに吸収され、より低いエネルギー光子は、ベース１２０の最も表面上の部分から移動するままにされ、ベース１２０の最も深い部分（バンドギャップＥｇ＊が、より小さい値を有するところ）において変換される。
再度、図２を参照すると、減少する濃度プロファイルＣＩｎ＊による太陽セル１００の全体効率は、第１の場合ではベース１２０の最も深い部分において、禁制帯がより低い値を有するので、均一な濃度プロファイルＣＩｎによる太陽セルの全体効率よりも大きいことが分かる。
ベース１２０の全深さに沿ってＩｎの濃度の単純な均一増加と比較して、説明されたばかりの本発明の実施形態による減少する濃度プロファイルＣＩｎ＊を使用すると、以下の理由で、本文献の導入部分で言及された欠点を被ることなく（または、少なくとも限定された範囲で被ることなく）、セル効率を高めることが可能である。
まず、均一な形でなく、ベース１２０の特定の部分にのみ対応して（それの最も深い部分において）バンドギャップＥｇ＊を抑えているということは、接合部の端子間で生じる電圧の低下を制限することを可能にする。この電圧は、実際、接合部の内蔵電位に比例し、この電位は、接合部の空間電荷領域と対応してバンドギャップの値に主に依存する（この領域は、ベースの最も表面上の一部にあり、ここでは、バンドギャップは、減少していない）。
さらには、基板上に成長する、基板の格子定数と適合していない格子定数を有する材料のエピタキシャル成長によってもたらされる結晶学的欠陥は、適合していない格子定数を有する成長すべき層の厚さが１つの臨界厚さＴＨｃ＝ｋ／ｄを超える場合のみ、生成されることが観察済みであり、ただし、ｋは、定数であり、２つの材料の格子定数間の差を表す。そのため、格子間の差がより小さいほど、結晶学的欠陥を被ることなしに成長可能な、適合されていない格子定数を有する材料の厚さは大きくなる。説明されたばかりの本発明の実施形態による解決策においては、ベース１２０は、一定の格子定数を有しておらず、Ｉｎの濃度プロファイルＣＩｎ＊に応じてｘに沿って変動する。Ｉｎの減少する濃度プロファイルＣＩｎ＊は、有利には、ベース１２０が、ＴＨｃ未満の厚さを有するベースの深い部分においてのみ、エピタキシャル成長のための基板（すなわち、Ｇｅ）として働く下位セル１０５ａの格子定数と適合していない格子定数を呈し、一方、ベース１２０の残りの部分では、適合している格子定数を呈するような方式で変調される。このようにして、有利には、太陽セルの性能を低下させるような結晶学的欠陥の形成を被ることなく、セル効率を高めることが可能である。
図２に詳細に説明された本発明の実施形態においては、ベース１２０におけるＩｎの濃度プロファイルＣＩｎ＊は、厳密に減少している。しかしながら、本発明の概念は、ベースの下位部分における（例えば、ベース１２０と下側の障壁１１８との間の）Ｃ１値が、ベースの上位部分における（例えば、ベース１２０と上側のスペーサ層１２２との間の界面での）値Ｃ２より大きいという条件で、ｘに対する他のタイプのＩｎの不均一な濃度プロファイルにも適用することができる。
例えば、本発明の１つの実施形態により、ベース１２０のＩｎＧａＡｓ化合物におけるＩｎの濃度は、ｘに対する、非増加汎用関数、区分的線形減少関数、減少多項式関数、反比例関数、または少なくとも増加部分を含む関数であってもよい。
本発明の実施形態による解決策においては、バンドギャップＥｇ＊は、ベース１２０と障壁１１８との間の界面での初期値Ｅ１から始まり、ベース１２０とスペーサ層１２２との間の界面での最終値Ｅ２＞Ｅ１に達するまで、ｘに対して均一でないプロファイルを呈する。バンドギャップＥｇ＊のそのようなプロファイルは、接合部に向かうキャリアの拡散を妨げるように向けられる電場の生成をもたらす。
太陽セルの効率をさらに高めるために、電場は、ベース１２０がｘ方向に沿って減少プロファイルを有するように、ベース１２０におけるｐ型ドーパントの濃度を変調することによって生成される、反対の電場によって補償され得る。このようにして、この第２の電場の存在のお陰で、キャリアは、接合部へと向かわされ、それにより、効果的な拡散長さを変更することなく、バンドギャップＥｇ＊の減少によって得られる便益を完全に活用することが可能になる。この解決策は、本出願人によって所有される特許出願ＷＯ２０１１／００９８５７に記載され、その全体において参照することによって本明細書に組み込まれている。
図３は、３つの接合部を有する太陽セルの外部量子効率（External Quantum Efficiency：ＥＱＥ）が、Ｉｎの均一な濃度プロファイルＣＩｎ（実線）から、Ｉｎの減少する濃度プロファイルＣＩｎ＊（破線）へとどのように変わり得るかの例を示すグラフである。図から分かるように、Ｉｎの減少する濃度プロファイルＣＩｎ＊に起因して、より低いエネルギーにおいて波長に向かう吸収閾値のシフトがある。
本明細書においては、特定の太陽セル、すなわち、Ｇｅから作製される下位セル１０５ａと、ＩｎＧａＡｓから作製される中間セル１０５ｂと、ＩｎＧａＰから作製される上位セル１０５ｃとを含む図１に例示される３つの接合部を有し、中間セル１０５ｂのベース１２０が、Ｉｎの不均一な濃度プロファイルＣＩｎ＊を有する、太陽セル１００について明示的に参照してきたが、本発明の概念は、Ｉｎを含む化合物に基づく半導体材料の少なくとも１層を含む少なくとも１つの接合部を含んだ異なる構造の太陽セルにも適用され得る。例えば、本発明の概念がその中で適用され得る太陽セルの範例的、かつ包括的でないリストは、以下を含むことが可能である。
− Ｇｅの（能動的でない）基板を備える単接合部太陽セルであり、接合部は、ＩｎＧａＡｓから作製される。この場合においては、Ｉｎの不均一な濃度プロファイルは、有利には、セルの唯一の接合部のベースに適用され得る。
− Ｇｅの（能動的でない）基板を備える２つの接合部を有する太陽セルであり、第１の下位接合部は、ＩｎＧａＡｓから形成され、上位接合部は、ＩｎＧａＰから作製される。この場合においては、Ｉｎの不均一な濃度プロファイルは、有利には、下位接合部のベースに適用され得る。
− ４つの接合部を有する太陽セルであって、この４つの接合部には、（底部から始めて）Ｇｅの第１の接合部と、ＩｎＧａＡｓの第２の接合部と、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓの第３の接合部と、ＡｌＩｎＧａＰの第４の接合部とが備わっている。この場合においては、Ｉｎの不均一な濃度プロファイルは、有利には、第２の接合部のベース、および／または第３の接合部のベース、および／または第４の接合部のベースに適用され得る。
さらには、本発明の概念は、Ｉｎを含む化合物に基づく半導体材料を含む太陽セルのみでなく、概して、化合物に基づく（すなわち複数の元素の化合物から形成される）すべての半導体材料を含む太陽セルにも適用され得、ただし、バンドギャップおよび格子定数は、化合物の少なくとも１つの元素の、化合物の少なくとも１つの他の元素に対する濃度に依存する。これらの場合においては、バンドギャップは、そのような元素が含まれている層の深さに沿って、その少なくとも１つの元素の不均一な濃度プロファイルにより変動するようにされる。
例えば、本発明の概念は、少なくとも２つの異なる族（例えば、族ＩＩＩおよび族Ｖ）に属する３つ以上の異なる元素の化合物、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＳｂから形成される半導体材料に、または同じ属（例えば、族ＩＶ）に属している場合、２つの異なる元素の化合物、例えば、ＳｉＧｅから形成される半導体材料にも適用され得る。
さらには、本明細書においては、セルの接合部の少なくとも１つのベースの深さに沿って、元素の不均一な濃度プロファイルによって得られるバンドギャップ変動型の太陽セルについてのみ明示的に参照してきたが、本発明の概念は、少なくとも１つの接合部のエミッタが、均一でない濃度プロファイルによりエミッタを形成する化合物の元素を有する場合にも適用され得る。この場合においては、元素（例えば、Ｉｎ）の濃度は、エミッタの下位部分における（例えば、エミッタと下にある可能性のあるスペーサ層との間の界面での）第１の値Ｃ’から、エミッタの上位部分における（例えば、エミッタと上を覆う窓層との間の界面での）第２の値Ｃ’’＜Ｃ’に、それの深さに沿って（すなわち、図１のｘ方向に沿って）変動するようにされる。このタイプの濃度プロファイルにより、価電子帯は、均一な濃度に対応する価電子帯の電子エネルギーの値よりも高い電子エネルギーの値を含む部分を有する。価電子帯は、エミッタの最も深い範囲において、すなわち、低い値のｘの場合、より高い電子エネルギー値を呈し、より高い値のｘの場合には、より低い電子エネルギー値を呈する。その結果として、バンドギャップは、エミッタと下側のスペーサ層との間の界面での初期値Ｅ’、およびエミッタと上側の窓層との間の界面での最終値Ｅ’’＞Ｅ’を含む、ｘに沿って均一でないプロファイルを有する。好ましくは、バンドギャップの初期値Ｅ’は、ベースの中の禁制帯の最大値以上に設定される。
同様の考慮すべき点が、ベースの深さと、エミッタの深さとの両方に沿って、不均一な濃度プロファイルを用いる融合解決策の場合に適用され得る。
当然ながら、局所的かつ具体的な要件を満足させるために、当業者は、上述の解決策に多くの修正および変更を加えることができる。具体的には、本発明は、その好ましい実施形態（複数可）を参照して、ある程度の特殊性とともに説明されてきたが、形態および細部における様々な省略、置換、および改変、ならびに他の実施形態が可能であり、その上、本発明の任意の開示された実施形態に関連して説明される具体的な要素および／または方法ステップが、設計選択の概括的事柄として任意の他の実施形態に組み込まれてもよいことが明白に意図されていることを理解すべきである。

Claims (8)

  1. 少なくとも１つの接合部を含むモノリシック光起電セルであって、前記少なくとも１つの接合部の各接合部は、第１の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるベースと、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型のドープされた半導体材料によって形成されるエミッタとを含み、前記エミッタは、第１の方向に従って前記ベース上に積層され、前記少なくとも１つの接合部のうちの少なくとも１つの接合部の前記ベースの、および／または前記エミッタの前記半導体材料は、少なくとも１つの第１の元素と、第２の元素との化合物によって形成される半導体材料であり、前記ベースの、および／または前記エミッタの前記半導体材料のバンドギャップおよび格子定数は、前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の濃度に依存するモノリシック光起電セルにおいて、
    前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の前記濃度は、前記第１の方向に沿って均一でなく、前記ベースおよび／または前記エミッタの下位部分で第１の値に等しく、前記ベースおよび／または前記エミッタの上位部分で前記第１の値未満の第２の値に等しく、前記上位部分は、前記第１の方向に従って前記下位部分の上側にある
    ことを特徴とする、モノリシック光起電セル。
  2. 前記第１の方向に沿って、前記濃度が非増加関数に基づいて変化する、請求項１に記載の光起電セル。
  3. 前記第１の方向に沿って、前記濃度が減少関数に基づいて変化する、請求項２に記載の光起電セル。
  4. 第１の格子定数を有するさらなる材料によって形成される基板をさらに備え、前記少なくとも１つの接合部は、前記第１の方向に従って前記基板上に積層され、前記第１の元素の前記濃度は、前記少なくとも１つの接合部のうちの前記少なくとも１つの前記ベースおよび／またはエミッタの前記半導体材料が、臨界厚さ未満の厚さを前記第１の方向に沿って有する前記ベースおよび／または前記エミッタの一部分に、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数を有するようにしてあり、前記臨界厚さは、前記第１の格子定数と前記第２の格子定数との差に反比例する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光起電セル。
  5. − 前記少なくとも１つの接合部は、第１の接合部と、第２の接合部と、第３の接合部とを含み、前記第２の接合部は、前記第１の方向に従って前記第１の接合部上に積層され、前記第３の接合部は、前記第１の接合部に従って前記第２の接合部上に積層され、
    − 前記少なくとも１つの接合部のうちの前記少なくとも１つは、前記第２の接合部である、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の光起電セル。
  6. 前記少なくとも１つの接合部のうちの前記少なくとも１つの前記ベースおよび／または前記エミッタの前記半導体材料は、インジウム／ガリウム／ヒ素化合物によって形成され、前記第１の元素は、インジウムであり、前記第２の元素は、ガリウムである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電セル。
  7. − 前記第１の濃度値は、前記化合物におけるインジウム／ガリウム比率が、３〜１０％に等しくなるようにしてあり、
    − 前記第２の濃度値は、前記化合物におけるインジウム／ガリウム比率が、０〜２％に等しくなるようにしてある、
    請求項６に記載の光起電セル。
  8. 少なくとも１つの接合部を含む光起電セルを製造するための方法であって、
    − 第１の導電型のドープされた半導体材料によってベースを形成し、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型のドープされた半導体材料によってエミッタを形成する、前記少なくとも１つの接合部を生成するステップを含み、前記エミッタは、第１の方向に従って前記ベース上に積層され、前記少なくとも１つの接合部のうちの少なくとも１つの接合部の前記ベースの、および／または前記エミッタの前記半導体材料は、少なくとも１つの第１の元素と、第２の元素との化合物によって形成される半導体材料であり、前記ベースの、および／または前記エミッタの前記半導体材料のバンドギャップおよび格子定数は、前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の濃度に依存する、方法において、
    前記少なくとも１つの接合部のうちの少なくとも１つの接合部の前記ベースおよび／または前記エミッタを形成する前記ステップは、
    − 前記第２の元素に対する前記化合物における前記第１の元素の前記濃度が、前記第１の方向に沿って均一でなく、前記ベースおよび／または前記エミッタの下位部分で第１の値に等しく、前記ベースおよび／または前記エミッタの上位部分で前記第１の値未満の第２の値に等しくなるような方式で、前記ベースおよび／または前記エミッタをエピタキシャルに成長させるステップであって、前記上位部分は、前記第１の方向に従って前記下位部分の上側にある、ステップを含む
    ことを特徴とする方法。
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