JP5106880B2 - 多接合太陽電池における変成層 - Google Patents

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Description

政府の権利の説明
米国政府は、世界中で米国のために又は米国の代わりに本発明を実施するか又は実施したことに対して、ＤＦＡＲ２２７−１２（１９９７年１月）の条項に従ってある一定の権利を有する。
本発明は、太陽電池半導体素子の分野、特に、変成層を有する多接合太陽電池を含む集積半導体構造に関する。
太陽電池とも呼ばれる光起電力電池は、過去数年間で利用可能になった最も重要な新エネルギ源の１つである。多くの努力が太陽電池開発に投入されてきた。その結果、太陽電池は、現在いくつかの商用及び消費者向け用途に用いられている。この領域では顕著な進歩が成されてきたが、より高度な用途の必要性を満たす太陽電池に対する要件は、需要と足並みが揃っていなかった。データ通信に使用される衛星のような用途は、改善した電力及びエネルギ変換特性を有する太陽電池に対する需要を急速に高めた。
衛星及び他の宇宙関連用途では、衛星電力システムの大きさ、質量、及びコストは、使用される太陽電池の電力及びエネルギ変換効率に依存する。別の表現をすれば、ペイロードの大きさ及び搭載サービスの利用可能性は、提供される電力量に比例する。従って、ペイロードがより高度になる時に、搭載電力システムのための電力変換装置として作用する太陽電池は、益々より重要になる。
太陽電池は、多くの場合に、垂直の多接合構造の状態で製造され、個々の太陽電池が互いに連続に接続した水平アレイの状態に配置される。アレイの形状及び構造、並びにそれが含むセルの数は、望ましい出力電圧及び電流によってある程度判断される。
米国特許第６，９５１，８１９号及びＭ．Ｗ．Ｗａｎｌｅｓｓ他著「高性能ＩＩＩ−Ｖ光起電力エネルギコンバータのための格子不整合手法」（第３１回ＩＥＥＥ光起電力専門家会議議事録、２００５年１月３−７日、ＩＥＥＥプレス、２００５年）に説明されているような反転変成太陽電池構造は、将来の商用製品の開発のための重要な出発点を呈示している。こうした従来技術に説明される構造は、特に「下部」サブセル（最小のバンドギャップを有するサブセル）と隣接サブセルの間の格子不整合層に関連する材料及び製造段階の適切な選択に関するいくつかの実際上の困難を呈している。
米国特許第６，９５１，８１９号 ＤＦＡＲ２２７−１２（１９９７年１月） Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌｅｓｓ他著「高性能ＩＩＩ−Ｖ光起電力エネルギコンバータのための格子不整合手法」（第３１回ＩＥＥＥ光起電力専門家会議議事録、２００５年１月３−７日、ＩＥＥＥプレス、２００５年）
本発明以前には、従来技術が開示する材料及び製造段階は、商業的に実行可能で製造可能でエネルギ効率的な太陽電池を生成するのに妥当なものではなかった。
１．本発明の目的
本発明の目的は、改良された多接合太陽電池を提供することである。
本発明の目的は、改良された反転変成太陽電池を提供することである。
本発明の別の目的は、第２のサブセルと第３の格子不整合サブセルの間に太陽電池のエネルギ効率を最大にする中間層を多重セル構造に設けることである。
本発明の更に別の目的は、薄い可撓性フィルムとして反転変成太陽電池を製造する方法を提供することである。
本発明の付加的な目的、利点、及び新規な特徴は、以下の詳細説明を含むこの開示内容から並びに本発明の実施により当業者に明らかになるであろう。本発明を好ましい実施形態に関して以下に説明するが、本発明がそれらに限定されないことを理解すべきである。本明細書の教示を利用する権利を有する当業者は、他の分野の付加的な用途、修正、及び実施形態を認識するであろうが、それらは、本明細書に開示して請求するように本発明の範囲内であり、かつそれ関して本発明が有用であると考えられる。
２．本発明の特徴
簡単かつ概略的には、本発明は、上面を有する半導体本体と、上面上に配置された多接合太陽電池と、基板上の第１のバンドギャップを有する第１の太陽電池サブセルと、第１のサブセルの上に配置され、第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の太陽電池サブセルと、第２のバンドギャップよりも大きい第３のバンドギャップを有する第２のサブセル中間層の上に配置された漸変中間層、及び第２のサブセルに対して格子不整合であり、かつ第３のバンドギャップよりも小さい第４のバンドギャップを有するような第２の太陽電池サブセルの上の第３の太陽電池サブセルとを含む太陽電池を提供する。
別の態様では、本発明は、半導体材料のエピタキシャル成長のための第１の基板を準備する段階と、基板上に第１のバンドギャップを有する第１の太陽電池サブセルを形成する段階と、第１のサブセルの上に第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の太陽電池サブセルを形成する段階と、第２のサブセルの上に第２のバンドギャップよりも大きい第３のバンドギャップを有する漸変中間層を形成する段階と、中間サブセルの上に少なくとも１つの下部サブセルを形成し、そのために少なくとも１つの下部サブセルが、中間サブセルに対して格子不整合であり、かつ第３のサブセルが、第２のバンドギャップよりも小さい第４のバンドギャップを有するようにする段階とによる、上部サブセル、中間サブセル、及び下部サブセルを含む多接合太陽電池を形成する方法を提供する。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細説明を参照するとより良くかつより完全に認められるであろう。
ここで、例示的な態様及び実施形態を含む本発明の詳細を以下に説明する。図面及び以下の説明を参照すると、同じ参照番号が同じか又は機能的に類似の要素を特定するために使用され、高度に簡素化された図式で例示的な実施形態の主要な特徴を示すように意図されている。更に、それらの図面では、実際の実施形態の全ての特徴を示すことも、描かれた要素の相対的寸法も意図されておらず、かつ縮尺通りに示されていない。
図１は、基板上の３つのサブセルＡ、Ｂ、及びＣの形成後の本発明による多接合太陽電池を表している。より詳細には、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、又は他の適切な材料とすることができる基板１０１が示されている。Ｇｅ基板の場合、核生成層１０２が基板上に堆積される。基板上又は核生成層１０２の上に、バッファ層１０３及びエッチング停止層１０４が更に堆積される。次に、接触層１０５が層１０４上に堆積され、窓層１０６が接触層上に堆積される。ｎ＋エミッタ層１０７及びｐ型基部層１０８から成るサブセルＡが、次に窓層１０６上に堆積される。
この多接合太陽電池構造は、格子定数及びバンドギャップの要件に従う周期表のＩＩＩからＶ族元素のいずれかの適切な組合せで形成することができることに注意すべきであり、ＩＩＩ族には、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウムが含まれる。ＩＶ族には、炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及び錫（Ｓｎ）が含まれる。Ｖ族には、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）が含まれる。
好ましい実施形態では、基板１０１は、ガリウムヒ素であり、エミッタ層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから成り、基部層は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成される。
基部層１０８の上には、再結合損失を低減するために使用される裏面電界（ＢＳＦ）層１０９が堆積される。
ＢＳＦ層１０９は、基部／ＢＳＦインタフェース面の近くの領域から少数キャリアを追い出し、再結合損失の影響を最小にする。換言すれば、ＢＳＦ層１０９は、太陽電池サブセルＡの背面での再結合損失を低減し、それによって基部内の再結合を低減する。
ＢＳＦ層１０９の上には、一連の高濃度ドープのｐ型及びｎ型層１１０が堆積され、これは、セルＡとセルＢを接続する回路素子であるトンネルダイオードを形成する。
トンネルダイオード１１０の上には、窓層１１１が堆積される。サブセルＢに使用される窓層１１１もまた再結合損失を低減するように機能する。窓層１１１はまた、下に重なる接合部のセル表面の不動態化もまた改善する。本発明の範囲を逸脱することなく、セル構造内の更に別の層を付加又は除去することができることは、当業者には明らかであるべきである。
窓層１１１の上には、セルＢの層、すなわち、エミッタ層１１２及びｐ型基部層１１３が堆積される。これらの層は、好ましくは、ＩｎＧａＰ及びＩｎ0.015ＧａＡｓからそれぞれ構成されるが、格子定数及びバンドギャップの要件に合致するあらゆる他の適切な材料も同様に使用することができる。
セルＢの上には、ＢＳＦ層１１４が堆積され、これは、ＢＳＦ層１０９と同じ機能を果たす。層１１０と同様なｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード１１５がＢＳＦの上に堆積され、セルＢとセルＣを接続する回路がこの場合も形成される。好ましくはＩｎＧａＡｓであるバッファ層１１５ａが、トンネルダイオード１１５の上に約１．０ミクロンの厚みまで堆積される。変成バッファ層１１６がバッファ層１１５ａの上に堆積され、これは、好ましくは、組成が段階的に漸変するＩｎＧａＡｌＡｓの層であり、セルＢからサブセルＣまでの格子定数の遷移を達成するように単調変化する格子定数を有する。層１１６のバンドギャップは、一定の１．５ｅＶであり、この値は、中間セルＢのバンドギャップよりも僅かに大きい。
一実施形態では、Ｗａｎｌｅｓｓ他の論文で示唆されたように、段階的漸変は、９段階の組成変化を含み、各段階の層は、０．２５ミクロンの厚みを有する。好ましい実施形態では、この中間層は、単調変化する格子定数を有するＩｎＧａＡｌＡｓから成る。
変成バッファ層１１６の上には、別のｎ＋窓層１１７が堆積される。窓層１１７は、下に重なる接合部のセル表面の不動態化を改善する。本発明の範囲を逸脱することなく、更に別の層を設けることができる。
窓層１１７の上には、サブセルＣの層、すなわち、ｎ＋型エミッタ層１１８及びｐ型基部層１１９が堆積される。好ましい実施形態では、エミッタ層は、ＧａＩｎＡｓから成り、基部層は、ＧａＩｎＡｓから構成されて約１．０ｅＶのバンドギャップを有するが、適切な格子定数及びバンドギャップ要件を備えたあらゆる他の半導体材料も同様に使用することができる。サブセルＣは、Ｉｎ 0.30 ＧａＡｓから成るのが好ましい。
サブセルＣの基部層１１９の上には、好ましくはＧａＩｎＡｓＰから成る裏面電界（ＢＳＦ）層１２０が堆積される。
ＢＳＦ層１２０を覆って又はその上には、好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｓのｐ＋接触層が堆積される。
図２は、本発明による次の処理段階後の図１の太陽電池の断面図であり、ｐ＋半導体接触層１２１の上に金属接触層１２２が堆積されている。この金属は、好ましくは、一連のＴｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ層である。
図３は、本発明による次の処理段階後の図２の太陽電池の断面図であり、金属層１２２の上に接着層１２３が堆積されている。この接着剤は、好ましくは「ＧｅｎＴａｋ ３３０」（「Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．」から販売）である。
図４は、本発明による次の処理段階後の図３の太陽電池の断面図であり、好ましくはサファイアである代理基板が取付けられている。好ましい実施形態では、代理基板は、約４０ミルの厚みであり、以後での基板の除去に役立てるために約１ｍｍの直径の孔が４ｍｍの間隔で開けられている。
図５Ａは、本発明による次の処理段階後の図４の太陽電池の断面図であり、基板１０１、バッファ層１０３、及びエッチング停止層１０４を取り除く一連のラッピング及び／又はエッチング段階によって最初の基板が除去されている。エッチング液は、成長基板に依存する。
図５Ｂは、代理基板１２４が図の底部になった向きでの図５Ａの太陽電池からの図５Ａの太陽電池の断面図である。
図６Ａは、本発明による太陽電池が実装されているウェーハの上面図である。
図６Ｂは、図６Ａに示す４つの太陽電池を有するウェーハの底面図である。各セルには、格子線５０１（より詳細には、図１０に示されている）、相互接続母線５０２、及び接触パッド５０３が存在している。
図７は、次の処理段階後の図６Ｂのウェーハの底面図であり、リン化物及びヒ化物エッチング液を用いて各セルの周囲の回りにメサ５１０がエッチングされている。
図８は、本発明による次の処理段階後の図５Ｂの太陽電池の断面図であり、犠牲バッファ層が、クエン酸４とＨ2Ｏ2１の溶液を用いて除去されている。
図９は、本発明による次の処理段階後の図８の太陽電池の断面図であり、エッチング停止層１０４が、ＨＣｌ／Ｈ2Ｏ溶液によって除去されている。
図１０は、本発明による次の処理段階後の図９の太陽電池の断面図であり、格子線１０５の形成の第１段階として、フォトレジストマスク（図示せず）が接触層１０５の上に置かれる。マスク２００が取り離されて格子線５０１が形成される。
図１１は、本発明による次の処理段階後の図１０の太陽電池の断面図であり、格子線５０１が、蒸着によって堆積され、リトグラフ的にパターン化され、接触層１０５の上に堆積される。この格子線は、マスクとして用いられ、クエン酸／過酸化物エッチング混合物を用いてその表面を窓層１０６までエッチングする。
図１２は、本発明による次の処理段階後の図１１の太陽電池の断面図であり、反射防止（ＡＲＣ）誘電体コーティング層１３０が、格子線５０１を有するウェーハの「底面」側の表面全体の上に付加されている。
図１３は、本発明による次の処理段階後の図１２の太陽電池の断面図であり、リン化物及びヒ化物エッチング液を用いて、メサ５０１が金属層１２２までエッチングされている。この図の断面は、図７に示されているＡ−Ａ平面から見たように表されている。
１つ又はそれよりも多くの銀電極が、それぞれの接触パッドに溶接される。
図１４は、代理基板１２４及び接着剤１２３が「ＥＫＣ ９２２」によって除去された後の本発明による次の処理段階後の図１３の太陽電池の断面図である。表面にわたって穿孔が製造され、各孔径は、０．０３３インチであり、各々は、０．１５２インチだけ隔てられている。
穿孔は、代理基板１２４を通るエッチング液の流れを許し、その持ち上げを可能にする。
図１５は、本発明による次の処理段階後の図１４の太陽電池の断面図であり、ＡＲＣ層１３０の上に接着剤が付加され、カバーガラスがそれに付着されている。
上述の要素の各々又は一緒に２つ又はそれよりも多くは、上述の種類とは異なる種類の構成から異なる他の種類の構成においても有用な用途を見出し得ることが理解されるであろう。
本発明は、多接合太陽電池に具体化されるとして示して説明したが、本発明の精神から何ら逸脱することなく様々な修正及び構造的変更を行うことができるので、示した細部に限定されることは意図していない。
更に別の分析をしなくても、上述の説明は、本発明の要旨を非常に完全に明らかにしており、従って、他人が、現在の知識を適用することにより、従来技術の観点から本発明の一般的又は特定的な態様の基本的な特徴を十分に構成する特徴を削除することなく様々な用途に本発明を容易に適応させることができるものであり、従って、こうした適応は、特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲内で理解されるべきであり、かつそのように意図されている。
太陽電池の層を形成する処理段階の最後での本発明による太陽電池の拡大断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図２の太陽電池の断面図である。 代理基板が取付けられた本発明による次の処理段階後の図３の太陽電池の断面図である。 最初の基板が除去された本発明による次の処理段階後の図４の太陽電池の断面図である。 最初の基板が除去された本発明による次の処理段階後の図４の太陽電池の別の断面図である。 本発明による太陽電池が製作されたウェーハの上面図である。 本発明による太陽電池が製作されたウェーハの底面図である。 本発明による次の処理段階後の図６Ｂのウェーハの上面図である。 本発明による次の処理段階後の図５Ｂの太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図８の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図９の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１０の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１１の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１２の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１３の太陽電池の断面図である。 本発明による次の処理段階後の図１４の太陽電池の断面図である。
符号の説明
１０１ 基板
１０２ 核生成層
１０５ 接触層
１０６ 窓層
Ａ、Ｂ、Ｃ サブセル

Claims (2)

  1. 第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）、第２の太陽電池サブセル（Ｂ）、及び第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）を含む多接合太陽電池を形成する方法であって、
    半導体材料のエピタキシャル成長のための基板（１０１）を準備する段階と、
    前記基板上（１０１）に第１のバンドギャップを有する前記第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）を形成する段階と、
    前記第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）の上に前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）を形成する段階と、
    前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）の上に前記第２のバンドギャップよりも大きい第３のバンドギャップを有する漸変中間層（１１６）を形成する段階と、
    前記漸変中間層（１１６）の上に前記第２のバンドギャップよりも小さい第４のバンドギャップを有する第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）を形成し、そのために該第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）が前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）に対して格子不整合であるようにする段階と、
    前記基板（１０１）を除去する段階と、
    を含み、
    前記第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐエミッタ領域（１０７）及びＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐ基部領域（１０８）から成り、
    前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）は、ＩｎＧａＰエミッタ領域（１１２）及びＩｎ 0.015 ＧａＡｓ基部領域（１１３）から成り、
    前記第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）は、ＧａＩｎＡｓエミッタ領域（１１８）及びＧａＩｎＡｓ基部領域（１１９）から成り、
    前記漸変中間層（１１６）は、前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）から前記第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）までの格子定数の遷移を達成できるように単調変化する格子定数を有する少なくとも５段階の層のＩｎＧａＡｌＡｓから成り、該漸変中間層（１１６）のバンドギャップが一定のままであるように、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｌの組成が段階ごとに変化するものであることを特徴とする方法。
  2. 第１のバンドギャップを有する第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）と、
    前記第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）の下に配置され、前記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の太陽電池サブセル（Ｂ）と、
    前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）の下に配置され、前記第２のバンドギャップよりも大きい第３のバンドギャップを有する漸変中間層（１１６）と、
    前記第２の太陽電池サブセルに対して格子不整合であり、かつ前記第３のバンドギャップよりも小さい第４のバンドギャップを有する、前記漸変中間層（１１６）の下に配置された第３の、下部太陽電池サブセルと、
    を含み、
    前記第１の、上部太陽電池サブセル（Ａ）は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐエミッタ領域（１０７）及びＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐ基部領域（１０８）から成り、
    前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）は、ＩｎＧａＰエミッタ領域（１１２）及びＩｎ 0.015 ＧａＡｓ又はＧａＡｓ基部領域（１１３）から成り、
    前記第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）は、ＧａＩｎＡｓエミッタ領域（１１８）及びＧａＩｎＡｓ基部領域（１１９）から成り、
    前記漸変中間層（１１６）は、前記第２の太陽電池サブセル（Ｂ）から前記第３の、下部太陽電池サブセル（Ｃ）までの格子定数の遷移を達成できるように単調変化する格子定数を有する少なくとも５段階の層のＩｎＧａＡｌＡｓから成り、該漸変中間層（１１６）のバンドギャップが一定のままであるように、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｌの組成が段階ごとに変化するものであることを特徴とする多接合太陽電池。
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