JP4703274B2 - 太陽電池および太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池および太陽電池の製造方法に関し、特に配線時おける損傷や破損の発生を抑止した太陽電池および太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池の中で発電効率が高く、宇宙用太陽電池に適している太陽電池としては、半導体基板上に化合物半導体単結晶層を積層してなる化合物半導体太陽電池がある（たとえば、非特許文献１参照）。従来の化合物半導体太陽電池においては、化合物半導体単結晶層の太陽光が入射する側の最表面に配線用の表面電極が形成され、太陽光が入射する側の反対側の最表面には互いに表面電極とは極性の異なる配線用の裏面電極が形成される。
浜川圭弘他，「太陽エネルギー工学」，培風館，１９９４年，ｐ．１７９
浜川圭弘他，「太陽エネルギー工学」，培風館，１９９４年，ｐ．１７９
宇宙用太陽電池として太陽電池の質量を低減することは重要であり、太陽電池として機能しない半導体基板の厚みを薄くして軽量化することが効果的である。
しかしながら、実際に化合物半導体太陽電池の半導体基板の厚みを薄くして軽量化する場合、次のような問題があった。すなわち、上述したように、化合物半導体太陽電池においては、化合物半導体単結晶層の太陽光が入射する側の最表面には表面電極が形成されるため、化合物半導体太陽電池の最表面に凹凸が生じる。そして、裏面電極に配線する際には、表面電極が形成されて凹凸が形成された側を定盤に載置した状態で、銀リボン等が裏面電極に溶接等される。このとき、凹凸が生じている表面電極の側の表面が定盤に接触した状態で表面電極の側から化合物半導体太陽電池が押さえられることになる。そのため、化合物半導体太陽電池が損傷を受けたり、あるいは割れが生じたりして破損してしまうという問題があった。
そこで、本発明の目的は、配線時おける損傷や破損の発生を抑止した太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することにある。
本発明は、互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を含み、第１太陽電池積層体の第１の導電型を有する第１導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面上に形成された第１の極性を有する第１電極と、第１太陽電池積層体の第２の導電型を有する第２導電型半導体層の太陽光が入射する側の第１電極とは異なる表面上に形成された第２の極性を有する第２電極と、を含む太陽電池であって、第１太陽電池積層体は基板上にエピタキシャル成長されることにより形成された化合物半導体単結晶層を含み、かつ、太陽電池は基板を含まない太陽電池である。また、本発明の太陽電池において、第２導電型半導体層の太陽光が入射する側と反対側の表面上に形成された第２の極性を有する第３電極を含むことができる。
ここで、本発明の太陽電池においては、第２電極と第３電極との間の抵抗が１Ω以下であることが好ましい。また、本発明の太陽電池においては、第３電極は不透明材料からなり、太陽光が入射する側と反対側の表面の３０％以下の面積を被覆することができる。また、本発明の太陽電池において、第３電極は透明導電材料からなることができる。
また、本発明の太陽電池は、第１電極および第２電極にそれぞれ電気的に接続された配線と、第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側に設置された透明保護材と、を含むことができる。
また、本発明の太陽電池において、透明保護材は、ガラスまたは高分子材料のいずれかからなることができる。
また、本発明の太陽電池においては、第１太陽電池積層体のｎ型半導体単結晶層およびｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側の位置に備えることができる。
さらに、本発明は、互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を基板上に形成する工程と、第１太陽電池積層体の第１の導電型を有する第１導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面上に第１の極性を有する第１電極を形成する工程と、第１太陽電池積層体の一部を除去することによって第２の導電型を有する第２導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面を露出させる工程と、露出させた表面上に第２の極性を有する第２電極を形成する工程と、第１電極および第２電極にそれぞれ配線を電気的に接続する工程と、基板をエッチングにより除去する工程と、を含む、太陽電池の製造方法である。
ここで、本発明の太陽電池の製造方法は、配線の接続後に第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の表面上に透明保護材を透明接着剤によって接着する工程をさらに含むことができる。また、本発明の太陽電池の製造方法は、第２導電型半導体層の太陽光が入射する側とは反対側の表面に第２の極性を有する第３電極を形成する工程をさらに含むことができる。
また、本発明の太陽電池の製造方法は、第３電極の形成後に、第１太陽電池積層体のｎ型半導体単結晶層およびｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側の位置に設置する工程をさらに含むことができる。
本発明によれば、配線時おける損傷や破損の発生を抑止した太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
本発明は、互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を含み、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の表面上に形成された第１の極性を有する第１電極と、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の第１電極とは異なる表面上に形成された第２の極性を有する第２電極と、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側と反対側の表面上に形成された第２の極性を有する第３電極と、を含む太陽電池であることを特徴としている。
このような構成の本発明の太陽電池においては、共に太陽光が入射する側の表面上に形成されている第１電極および第２電極にそれぞれ配線を電気的に接続することができるため、太陽光が入射する側と反対側に配線を行なう必要がない。したがって、本発明においては、凹凸のない平坦な表面を定盤に載置した状態で第１電極および第２電極への配線をすることができるため、配線時に定盤の方向に押さえつける力が太陽電池に働いたとしても、太陽電池が損傷したり破損したりするのを抑制することができるのである。なお、本発明において「太陽光が入射する側」とは、太陽電池を使用する際に太陽電池を設置したと仮定したときに太陽光が入射してくる方向にある側のことをいう。また、本発明において、第１の極性と第２の極性とは互いに異なる極性であり、第１の極性および第２の極性はそれぞれ正負いずれかの極性を示す。
ここで、第２電極と第３電極との間の抵抗は１Ω以下であることが好ましい。第３の電極は電流の広がり抵抗を低減させ、電流を均一に収集するためのものである。したがって、第２の電極および第３の電極がそれぞれ第１太陽電池積層体とオーミック接合を形成している場合には第２の電極と第３の電極との間には導通があり、さらに第２電極と第３電極との間の抵抗が１Ω以下である場合には、第３の電極の配線を行なわなくとも第３の電極から取り出すことができる電流を第２の電極に形成された配線のみから取り出すことができる傾向にある。
また、本発明において、第１電極または第２電極に電気的に接続することができる配線としては、たとえば金属ワイヤまたは金属リボンなどがある。
また、本発明においては、第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側に透明保護材を設置することができる。このような透明保護材としては、たとえばガラスまたは高分子材料などがある。ここで、透明保護材として用いられる高分子材料としては、たとえばポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、フッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルエラストマー、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミドまたはシリコーン樹脂などがある。このような透明保護材はたとえば透明接着剤によって第１太陽電池積層体と接着することができる。なお、透明接着剤としては、たとえばエポキシ系、シリコーン系またはアクリル系の接着剤などがある。
また、本発明において、第１電極、第２電極および第３電極はそれぞれ、金属などの不透明材料またはＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ2（酸化スズ）若しくはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電材料を用いることができる。
また、本発明においては、第１太陽電池積層体のｎ型半導体単結晶層およびｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側に備えることができる。この場合には、第１太陽電池積層体で吸収することができない波長を有する太陽光を第２太陽電池積層体で吸収することが可能となるため太陽電池の変換効率が向上する傾向にある。このとき、第１太陽電池積層体の第３電極が不透明材料からなる場合には、より多くの太陽光を第２太陽電池積層体に入射させるため、第３電極が太陽光が入射する側と反対側の表面の３０％以下の面積を被覆することがさらに好ましい。また、第３電極が透明導電材料からなる場合には第３電極が不透明材料からなる場合よりもさらに多くの太陽光を第２太陽電池積層体に入射させることができるため、変換効率の向上を図ることができる点で好ましい。また、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側と反対側の最表面に反射防止膜を形成することも変換効率の向上の観点から好ましい。なお、第１太陽電池積層体と第２太陽電池積層体とは透明接着剤などによって接着することができる。
また、本発明は、互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を形成する工程と、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の表面上に第１の極性を有する第１電極を形成する工程と、第１太陽電池積層体の一部を除去することによって太陽光が入射する側の表面を露出させる工程と、露出させた表面上に第２の極性を有する第２電極を形成する工程と、第１電極および第２電極にそれぞれ配線を電気的に接続する工程と、第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側と反対側の表面上に第２の極性を有する第３電極を形成する工程と、を含む、太陽電池の製造方法である。これにより、上述の本発明の太陽電池を作製することが可能になる。
ここで、本発明の太陽電池の製造方法は、第１電極および第２電極にそれぞれ配線を電気的に接続した後に第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の表面上に透明保護材を透明接着剤により接着する工程と、透明保護材の接着後に第１太陽電池積層体の厚みを太陽光が入射する側と反対側から低減する工程と、を含むことが好ましい。この場合には、第１太陽電池積層体の厚みを低減することによって太陽電池の軽量化を図ることができるとともに、透明接着剤により接着された透明保護材によって第１太陽電池積層体の厚みを低減した場合でも太陽電池に割れが生じにくくなる傾向にある。
また、本発明の太陽電池の製造方法は、第３電極の形成後に、第１太陽電池積層体のｎ型半導体単結晶層およびｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側の位置に設置する工程を含むことが好ましい。この場合には、第１太陽電池積層体で吸収することができない波長を有する太陽光を第２太陽電池積層体で吸収することができる太陽電池の作製が可能になる。
（参考例１）
まず、ｐ型Ｇｅ基板上に以下に示す化合物半導体単結晶層を順次エピタキシャル成長させることによって、図１の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０を作製した。具体的には、まず、Ｇａをドーピングした直径５０ｍｍの円板状のｐ型Ｇｅ基板１上にバッファ層として厚さ３μｍのｎ型ＧａＡｓ層３を形成した。その際、ｎ型ＧａＡｓ層３中のＡｓがｐ型Ｇｅ基板１に拡散してｐ型Ｇｅ基板１の表面に厚さ０．５μｍのｎ型Ｇｅ層２が形成された。次に、ｎ型ＧａＡｓ層３上に厚さ０．０２μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層４を形成し、ｎ型ＩｎＧａＰ層４上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５を形成した。ここで、ｎ型ＩｎＧａＰ層４とｐ型ＡｌＧａＡｓ層５とはトンネル接合となる。
まず、ｐ型Ｇｅ基板上に以下に示す化合物半導体単結晶層を順次エピタキシャル成長させることによって、図１の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０を作製した。具体的には、まず、Ｇａをドーピングした直径５０ｍｍの円板状のｐ型Ｇｅ基板１上にバッファ層として厚さ３μｍのｎ型ＧａＡｓ層３を形成した。その際、ｎ型ＧａＡｓ層３中のＡｓがｐ型Ｇｅ基板１に拡散してｐ型Ｇｅ基板１の表面に厚さ０．５μｍのｎ型Ｇｅ層２が形成された。次に、ｎ型ＧａＡｓ層３上に厚さ０．０２μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層４を形成し、ｎ型ＩｎＧａＰ層４上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５を形成した。ここで、ｎ型ＩｎＧａＰ層４とｐ型ＡｌＧａＡｓ層５とはトンネル接合となる。
次いで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５上に裏面電界層として厚さ０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層６を形成し、ｐ型ＩｎＧａＰ層６上にベース層として厚さ３μｍのｐ型ＧａＡｓ層７を形成した。そして、ｐ型ＧａＡｓ層７上にエミッタ層として厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＡｓ層８を形成し、ｎ型ＧａＡｓ層８上に窓層として厚さ０．０３μｍのｎ型ＡｌＩｎＰ層９を形成した。続いて、ｎ型ＡｌＩｎＰ層９上に厚さ０．０２μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層１０を形成し、ｎ型ＩｎＧａＰ層１０上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１を形成した。ここで、ｎ型ＩｎＧａＰ層１０とｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１とはトンネル接合となる。
さらに、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１上に裏面電界層として厚さ０．０３μｍのｐ型ＡｌＩｎＰ層１２を形成し、ｐ型ＡｌＩｎＰ層１２上にベース層として厚さ０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層１３を形成した。そして、ｐ型ＩｎＧａＰ層１３上にエミッタ層として厚さ０．０５μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層１４を形成し、ｎ型ＩｎＧａＰ層１４上に窓層として厚さ０．０３μｍのｎ型ＡｌＩｎＰ層１５を形成した。次いで、ｎ型ＡｌＩｎＰ層１５上にキャップ層として厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓ層１６を形成した。これにより、図１の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０が作製された。
なお、上記のエピタキシャル成長の条件として、温度は約７００℃とした。また、ＧａＡｓ層を成長させるための原料としては、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)およびＡｓＨ3（アルシン）が用いられた。また、ＩｎＧａＰ層を成長させるための原料としては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ3（ホスフィン）が用いられた。ＡｌＩｎＰ層を成長させるための原料としては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ3が用いられた。また、ｎ型ＧａＡｓ層、ｎ型ＩｎＧａＰ層およびｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成するためのｎ型不純物源としては、それぞれＳｉＨ4（モノシラン）が用いられた。一方、ｐ型ＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成するためのｐ型不純物源としては、それぞれＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）が用いられた。さらに、ＡｌＧａＡｓ層を成長させるための原料としては、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3が用いられ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成するためのｐ型不純物源としては、ＣＢｒ4（四臭化炭素）が用いられた。
次に、図２の模式的断面図に示すように、ｎ型ＧａＡｓ層１６の一部をアンモニア系エッチャントによって所定のパターン状に除去した。そして、残されたｎ型ＧａＡｓ層１６の表面上に厚さ１００ｎｍのＡｕ−Ｇｅ膜、厚さ２０ｎｍのＮｉ膜、厚さ１００ｎｍのＡｕ膜および厚さ５０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後に熱処理して図３の模式的断面図に示すように第１電極１７を形成した。
次いで、図４の模式的断面図に示すように、アンモニア系およびＨＣｌ系エッチャントによって、第１太陽電池積層体２０の一部をｐ型Ｇｅ基板１の表面が露出するまで所定のパターン状に除去した。そして、露出したｐ型Ｇｅ基板１の表面上に厚さ３０ｎｍのＡｕ膜および厚さ５０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後熱処理することによって図５の模式的断面図に示すように第２電極１８を形成した。さらに、図示はしていないが、ｎ型ＡｌＩｎＰ層１５の表面上に反射防止膜として厚さ５５ｎｍのＴｉＯ2膜および厚さ８５ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜を順次形成した。
その後、５０ｍｍ径のｐ型Ｇｅ基板１から幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍの矩形の板状に第１太陽電池積層体２０を切り出した。
続いて、図６の模式的断面図に示すように、第１電極１７および第２電極１８の所定の位置にそれぞれ長さ１０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍのＡｇリボン２２、２３を配線として溶接により電気的に接続した。このとき、平坦なｐ型Ｇｅ基板１を定盤に設置して配線が行なわれるので、第１太陽電池積層体２０に損傷や破損が発生するのを低減することができる。
続いて、図７の模式的断面図に示すように、第１太陽電池積層体２０の太陽光が入射する側の表面上にシリコーンからなる透明接着剤２４を塗布し、厚さ１００μｍのガラスからなる透明保護材２１をこれに貼り合わせ、所定の温度にて透明接着剤２４を硬化させることによって透明保護材２１を接着した。
その後、透明保護材２１の表面をレジストでカバーし、太陽光が入射する側と反対側の表面からｐ型Ｇｅ基板１の厚みをＨＦ系エッチャントを用いたエッチングにより低減することによって、ｐ型Ｇｅ基板１の厚みを２０μｍまで薄型化した。そして、薄型化されたｐ型Ｇｅ基板１の太陽光が入射する側と反対側の表面上に厚さ３０ｎｍのＡｕ膜および厚さ３０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後に熱処理することによって図８の模式的断面図に示すように第３電極１９を形成して参考例１の太陽電池を作製した。ここで、第２電極１８と第３電極１９との間の抵抗は１Ω以下であることがテスターによる抵抗測定によって確認された。
この参考例１の太陽電池の特性をソーラシミュレータによって評価した。なお、ソーラシミュレータとは、太陽電池の特性試験、信頼性試験を屋内で行なうために使用される照射光源をいい、試験目的に応じて要求される放射照度、均一性およびスペクトル合致度が満足される。
まず、照射光源としてエアマス（ＡＭ）０の基準太陽光線を用いた。そして、照射時の電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性に基づいて短絡電流Ｉｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、曲線因子ＦＦおよび変換効率Ｅｆｆを求めた。その結果、短絡電流Ｉｓｃは１７ｍＡ、開放電圧Ｖｏｃは２．５Ｖ、曲線因子ＦＦは０．８５および変換効率Ｅｆｆは２６．３％であった。また、太陽電池の質量は２２０ｍｇであった。従来の標準的なＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池の変換効率Ｅｆｆは約２７％で、質量は５７０ｍｇであることから、参考例１の太陽電池は変換効率Ｅｆｆを従来のものとほぼ同等に維持しつつ、約６割の軽量化を図ることができた。
（実施例２）
まず、ｐ型Ｇｅ基板上に以下に示す化合物半導体単結晶層を順次エピタキシャル成長させることによって、図９の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０を作製した。具体的には、まず、Ｇａをドーピングした直径５０ｍｍの円板状のｐ型Ｇｅ基板２５上にバッファ層として厚さ３μｍのｐ型ＧａＡｓ層２６を形成した。次に、ｐ型ＧａＡｓ層２６上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層２７を形成し、ｐ型ＩｎＧａＰ層２７上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８を形成した。
まず、ｐ型Ｇｅ基板上に以下に示す化合物半導体単結晶層を順次エピタキシャル成長させることによって、図９の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０を作製した。具体的には、まず、Ｇａをドーピングした直径５０ｍｍの円板状のｐ型Ｇｅ基板２５上にバッファ層として厚さ３μｍのｐ型ＧａＡｓ層２６を形成した。次に、ｐ型ＧａＡｓ層２６上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層２７を形成し、ｐ型ＩｎＧａＰ層２７上に厚さ０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８を形成した。
次いで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８上に裏面電界層として厚さ０．０３μｍのｐ型ＡｌＩｎＰ層２９を形成し、ｐ型ＡｌＩｎＰ層２９上にベース層として厚さ０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層３０を形成した。そして、ｐ型ＩｎＧａＰ層３０上にエミッタ層として厚さ０．０５μｍのｎ型ＩｎＧａＰ層３１を形成し、ｎ型ＩｎＧａＰ層３１上に窓層として厚さ０．０３μｍのｎ型ＡｌＩｎＰ層３２を形成した。続いて、ｎ型ＡｌＩｎＰ層３２上にキャップ層として厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓ層３３を形成した。これにより、図９の模式的断面図に示す第１太陽電池積層体２０が作製された。
なお、上記のエピタキシャル成長の条件として、温度は約７００℃とした。また、ＧａＡｓ層を成長させるための原料としては、ＴＭＧ(トリメチルガリウム)およびＡｓＨ3（アルシン）が用いられた。また、ＩｎＧａＰ層を成長させるための原料としては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ3（ホスフィン）が用いられた。ＡｌＩｎＰ層を成長させるための原料としては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ3が用いられた。また、ｎ型ＧａＡｓ層、ｎ型ＩｎＧａＰ層およびｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成するためのｎ型不純物源としては、それぞれＳｉＨ4（モノシラン）が用いられた。一方、ｐ型ＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＰ層およびｐ型ＡｌＩｎＰ層を形成するためのｐ型不純物源としては、それぞれＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）が用いられた。さらに、ＡｌＧａＡｓ層を成長させるための原料としては、ＴＭＩ、ＴＭＧおよびＡｓＨ3が用いられ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を形成するためのｐ型不純物源としては、ＣＢｒ4（四臭化炭素）が用いられた。
次に、図１０の模式的断面図に示すように、ｎ型ＧａＡｓ層３３の一部をアンモニア系エッチャントによって所定のパターン状に除去した。そして、残されたｎ型ＧａＡｓ層３３の表面上に厚さ１００ｎｍのＡｕ−Ｇｅ膜、厚さ２０ｎｍのＮｉ膜、厚さ１００ｎｍのＡｕ膜および厚さ５０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後に熱処理して図１１の模式的断面図に示すように第１電極１７を形成した。
次いで、図１２の模式的断面図に示すように、アンモニア系およびＨＣｌ系エッチャントによって、第１太陽電池積層体２０の一部をｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８の表面が露出するまで所定のパターン状に除去した。そして、露出したｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８の表面上に厚さ３０ｎｍのＡｕ膜および厚さ５０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後熱処理することによって図１３の模式的断面図に示すように第２電極１８を形成した。さらに、図示はしていないが、ｎ型ＡｌＩｎＰ層３２およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層２８の表面上に反射防止膜として厚さ５５ｎｍのＴｉＯ2膜および厚さ８５ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜を順次形成した。
その後、５０ｍｍ径のｐ型Ｇｅ基板１から幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍの矩形の板状に第１太陽電池積層体２０を切り出した。
続いて、図１４の模式的断面図に示すように、第１電極１７および第２電極１８の所定の位置にそれぞれ長さ１０ｍｍ×幅３ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍのＡｇリボン２２、２３を配線として溶接により電気的に接続した。このとき、平坦なｐ型Ｇｅ基板１を定盤に設置して配線が行なわれるので、第１太陽電池積層体２０に損傷や破損が発生するのを低減することができる。
さらに、図１５の模式的断面図に示すように、第１太陽電池積層体２０の太陽光が入射する側の表面上にシリコーンからなる透明接着剤２４を塗布し、厚さ１００μｍのガラスからなる透明保護材２１をこれに貼り合わせ、所定の温度にて透明接着剤２４を硬化させることによって透明保護材２１を接着した。
その後、透明保護材２１の表面をレジストでカバーし、太陽光が入射する側と反対側の表面からｐ型Ｇｅ基板２５およびｐ型ＧａＡｓ層２６をＨＦ系エッチャントを用いたエッチングにより除去し、図１６の模式的断面図に示すように、ｐ型ＩｎＧａＰ層２７の表面を露出してエッチングを停止した。そして、図１７の模式的断面図に示すように、露出したｐ型ＩｎＧａＰ層２７の表面にメタルマスクによってパターンニングされた厚さ３０ｎｍのＡｕ膜および厚さ５０００ｎｍのＡｇ膜を順次蒸着した後に熱処理することによって第３電極１９を形成した。ここで、第３電極１９は、露出したｐ型ＩｎＧａＰ層２７の表面の１０％の面積を被覆していた。また、第２電極１８と第３電極１９との間の抵抗は１Ω以下であることがテスターによる抵抗測定によって確認された。
さらに、図１８の模式的断面図に示すように、第１太陽電池積層体２０の太陽光が入射する側と反対側の表面にシリコーンからなる透明接着剤２４を塗布し、ｎ型Ｓｉ基板３４の太陽光が入射する側と反対側の表面にｎ型不純物拡散Ｓｉ層３５とｐ型不純物拡散Ｓｉ層３６とが形成された裏面電極型太陽電池である第２太陽電池積層体３７をこれに貼り合わせ、所定の温度にて透明接着剤２４を硬化させることによって第２太陽電池積層体３７を接着して、実施例２の太陽電池を作製した。ここで、ｎ型不純物拡散Ｓｉ層３５上にはｎ電極３８が形成され、ｐ型不純物拡散Ｓｉ層３６上にはｐ電極３９が形成されていた。さらに、ｎ電極３８上には配線としてＡｇリボン４０が電気的に接続され、ｐ電極３９上には配線としてＡｇリボン４１が電気的に接続されていた。
実施例２の太陽電池においては、第１太陽電池積層体２０のｐ型ＩｎＧａＰ層３０およびｎ型ＩｎＧａＰ層３１を構成するＩｎＧａＰ（禁制帯幅：１．８５ｅＶ）よりも第２太陽電池積層体３７のｎ型不純物拡散Ｓｉ層３５およびｐ型不純物拡散Ｓｉ層３６を構成するＳｉ（禁制帯幅：１．１２ｅＶ）は禁制帯幅が狭いため、第１太陽電池積層体２０では吸収することができない波長の太陽光を第２太陽電池積層体３７で吸収することができる。
この実施例２の太陽電池の特性をソーラシミュレータによって評価した。照射光源としてエアマス（ＡＭ）０の基準太陽光線を用いた。そして、照射時の電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性に基づいて短絡電流Ｉｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、曲線因子ＦＦおよび変換効率Ｅｆｆを求めた。その結果、短絡電流Ｉｓｃは２１ｍＡ、開放電圧Ｖｏｃは２．１Ｖ、曲線因子ＦＦは０．８５および変換効率Ｅｆｆは２７．２％であった。したがって、従来の標準的なＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合太陽電池の変換効率Ｅｆｆは約２７％であることから、実施例２の太陽電池は変換効率Ｅｆｆを従来のものよりも向上することができた。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の太陽電池は、宇宙空間で用いられる宇宙用太陽電池として好適に利用することができる。
１ ｐ型Ｇｅ基板、２ ｎ型Ｇｅ層、３ ｎ型ＧａＡｓ層、４ ｎ型ＩｎＧａＰ層、５ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、６ ｐ型ＩｎＧａＰ層、７ ｐ型ＧａＡｓ層、８ ｎ型ＧａＡｓ層、９ ｎ型ＡｌＩｎＰ層、１０ ｎ型ＩｎＧａＰ層、１１ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、１２ ｐ型ＡｌＩｎＰ層、１３ ｐ型ＩｎＧａＰ層、１４ ｎ型ＩｎＧａＰ層、１５ ｎ型ＡｌＩｎＰ層、１６ ｎ型ＧａＡｓ層、１７ 第１電極、１８ 第２電極、１９ 第３電極、２０ 第１太陽電池積層体、２１ 透明保護材、２２，２３ Ａｇリボン、２４ 透明接着剤、２５ ｐ型Ｇｅ基板、２６ ｐ型ＧａＡｓ層、２７ ｐ型ＩｎＧａＰ層、２８ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、２９ ｐ型ＡｌＩｎＰ層、３０ ｐ型ＩｎＧａＰ層、３１ ｎ型ＩｎＧａＰ層、３２ ｎ型ＡｌＩｎＰ層、３３ ｎ型ＧａＡｓ層、３４ ｎ型Ｓｉ基板、３５ ｎ型不純物拡散Ｓｉ層、３６ ｐ型不純物拡散Ｓｉ層、３７ 第２太陽電池積層体、３８ ｎ電極、３９ ｐ電極、４０，４１ Ａｇリボン。
Claims (12)
- 互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を含み、
前記第１太陽電池積層体の第１の導電型を有する第１導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面上に形成された第１の極性を有する第１電極と、
前記第１太陽電池積層体の第２の導電型を有する第２導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面上に形成された第２の極性を有する第２電極と、
を含む太陽電池であって、
前記第１太陽電池積層体は基板上にエピタキシャル成長されることにより形成された化合物半導体単結晶層を含み、かつ、前記太陽電池は前記基板を含まないことを特徴とする、太陽電池。 - 前記第２導電型半導体層の太陽光が入射する側と反対側の表面上に形成された第２の極性を有する第３電極を含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
- 前記第２電極と前記第３電極との間の抵抗は１Ω以下であることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
- 前記第３電極は不透明材料からなり、太陽光が入射する側と反対側の表面の３０％以下の面積を被覆することを特徴とする、請求項２または３に記載の太陽電池。
- 前記第３電極は透明導電材料からなることを特徴とする、請求項２または３に記載の太陽電池。
- 前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ電気的に接続された配線と、前記第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側に設置された透明保護材と、を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池。
- 前記透明保護材は、ガラスまたは高分子材料のいずれかからなることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池。
- 前記第１太陽電池積層体の前記ｎ型半導体単結晶層および前記ｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を前記第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側の位置に備えたことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の太陽電池。
- 互いに接触しているｎ型半導体単結晶層とｐ型半導体単結晶層とを含む第１太陽電池積層体を基板上に形成する工程と、
前記第１太陽電池積層体の第１の導電型を有する第１導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面上に第１の極性を有する第１電極を形成する工程と、
前記第１太陽電池積層体の一部を除去することによって第２の導電型を有する第２導電型半導体層の太陽光が入射する側の表面を露出させる工程と、
前記露出させた表面上に第２の極性を有する第２電極を形成する工程と、
前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ配線を電気的に接続する工程と、
前記基板をエッチングにより除去する工程と、
を含む、太陽電池の製造方法。 - 前記配線の接続後に前記第１太陽電池積層体の太陽光が入射する側の表面上に透明保護材を透明接着剤によって接着する工程をさらに含む、請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第２導電型半導体層の太陽光が入射する側とは反対側の表面に第２の極性を有する第３電極を形成する工程をさらに含む、請求項９または１０に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記第３電極の形成後に、前記第１太陽電池積層体の前記ｎ型半導体単結晶層および前記ｐ型半導体単結晶層を構成する材料よりも禁制帯幅の狭い材料からなるｎ型半導体層およびｐ型半導体層を含む第２太陽電池積層体を前記第１太陽電池積層体よりもさらに太陽光が入射する側と反対側の位置に設置する工程をさらに含む、請求項９から１１のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
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