JP5198854B2 - 組み込まれた保護ダイオードを有するソーラーセル - Google Patents

Description

本発明は、表面および裏面コンタクト間に広がる光活性半導体層を有するソーラーセル（太陽電池）であって、表面コンタクトと接続可能で且つソーラーセルと逆の極性を有し且つその表面側にｐ導電型半導体層を有し且つその上にトンネルダイオードが広がる組み込まれた保護ダイオード（バイパスダイオード）を有するソーラーセルに関する。

数平方センチメートルもの大きな表面面積を有するダイオード、例えば少なくとも１つのｐｎ接合を形成する半導体材料のソーラーセル、では、マイクロショート、すなわち半導体材料のｐ／ｎ接合を超えて局地的に小面積において電気的（オーミック）に接続することは、たいてい避けることができない。これらは、例えば基板の製造の際の結晶中の表面ダメージによって、または転移のような結晶の不完全な箇所でのドーピング物質の蓄積によって、特に例えば周期系のＩＩ−ＩＶ族元素のソーラーセル中のｐｎ接合の結晶成長の間に、形成される。

通常の状況では、このように生じたマイクロショートは、ほとんどまたは小さな程度しか、ソーラーセルとしてのダイオードの順方向での特性に影響を与えない。しかしながら、逆方向でのソーラーセルの動作の間、これらの欠陥は、ソーラーセルを破壊するという結果を生み得る。例えば、幾つかのソーラーセルまたは太陽発電機が、ソーラーアレイ中のいわゆるストリング内で直列に接続されると、生成器の遮られたｐｎ接合（これは、例えばソーラーセルのシェーディングまたは破壊によって発生し得る）において、太陽光発電電流が、光を受けている残りのソーラーセルまたは太陽発電機による高いストリング電圧によって、オーミックマイクロショートを通過することを強いられる。このことは、局地的な大きな温度上昇、低オーミック抵抗に再ドープすること、すなわち半導体装置の大きな変質につながり、結果、ソーラーセルそのものの破壊に繋がり得る。

この局地的に温度上昇する領域（ホットスポットと称される）を防止するために、直列接続されたソーラーセルに対して、ソーラーセルを流れる電流と反対方向に電流を流す保護ダイオードをソーラーセルに並列に配置することが知られている。

上記したような保護ダイオードが組み込まれたカスケードまたは多接合ソーラーセルの例が、WO-A-00/44052において見られることができる。

EP-A-1056137から、幾つかの領域において、ソーラーセルそのものから保護ダイオード半導体層が形成され、光活性層がソーラーセルの保護ダイオード半導体層を構成する領域から離れて広がるソーラーセルが知られている。保護ダイオードは、ショットキーダイオード、ＭＩＳダイオード、ｐｎ接合を有するダイオード、金属合金ダイオードとして実現され得る。

保護ダイオードが組み込まれたさらなるソーラーセルは、US-A-2002/0179141、US-B-6600100、またはUS-B-6359210において見られることができる。これらのソーラーセルは、いわゆるカスケードソーラーセルである。カスケードソーラーセルでは、幾つかのソーラーセルが順次積み上げられ、トンネルダイオードを介して相互に分離されている。ソーラーセルは、ｎ／ｐ型であり、従って保護ダイオードはｐ／ｎ型半導体である。よって、表面コンタクト側上の半導体層は、正孔導電体であり、このことは表面コンタクトの金属原子の移動（マイグレーション）につながり、ひいてはダイオードを不安定にする。マイグレーションは、特に、表面コンタクトが銀を含んでいる場合に多く発生する。

本発明は、最初に述べたようなタイプのソーラーセルを、保護ダイオードの高い安定性が確保されるように、すなわち具体的には金属原子の移動が完全にまたは少なくとも大幅に防止されるように、さらに発展させるという問題に基づいている。

本発明によれば、この問題は、基本的に、トンネルダイオード上で広がり且つ保護ダイオードを表面電極へと接続しまたは接続可能にするｎ⁺導電型層によって解決される。

本発明によれば、保護ダイオードが、ソーラーセルの光活性領域の表面コンタクトと適当な方法で接続されたｎ層すなわち電子導電層が（金属化された）コンタクト領域の下方で広がり、結果、保護ダイオードの動作に影響を与えることなくマイグレーションを防止するように、さらに改良される。

具体的には、本発明は、ソーラーセルは、ｎ個（ｎ≧２）個の副ソーラーセルを有するカスケードソーラーセルまたは多接続ソーラーセルを提供する。換言すれば、ソーラーセルは、所望の数のｐ／ｎ接合を含むことが可能である。具体的には、ソーラーセルは、順次積み上げられた第１、第２、第３のｎ／ｐ型副ソーラーセルを有する３セルと、各副ソーラーセルの間に広がるトンネルダイオードと、として、ソーラーセルが光活性な第１、第２領域へと分離されるように実現される。ソーラーセルは、表面側上の保護ダイオードを有し、共通の基板から広がる光活性な第１領域と距離を有して広がる半導体層を有する。

ここで、副ソーラーセルは、異なる波長の光を吸収するように設計されている。例えば、第１または下端セルは、ゲルマニウムソーラーセルであり得る。この上には、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓ（例えば０．０１≦ｘ≦０．０３）の中央セルが広がっている。表面には、好ましくは、Ｇａ_1-yＩｎ_yＰ（好ましくは０．４８≦ｙ≦０．５１）型のセルが設けられている。

各ソーラーセルは、９００乃至１８００ｎｍ（下端セル）、６６０乃至９００ｎｍ（中央セル）、３００乃至６６０ｎｍ（表面または上端セル）の波長帯域の光を吸収することができる。

これとは別に、保護ダイオードが、ソーラーセル側で広がるｎ層、表面側で広がるｐ導電型層からなり、それぞれがＧａ_1-xＩｎ_xＡｓ（０．０１≦ｘ≦０．０３）、Ｇａ_1-yＩｎ_yＰ（０．４８≦ｙ≦０．５１）からなる、ことが意図される。

また、トンネルダイオードのＰ⁺⁺導電型層は、例えば、Ａｌ_1-yＧａ_yＡｓ（例えば０．０≦ｙ≦０．０６）および（または）トンネルダイオードのｎ⁺⁺導電型層はＧａ_1-xＩｎ_xＡｓ（例えば０．０１≦ｘ≦０．０３）であり得る。ＡｌＧａＩｎＰ材料系を用いてこれに相当する層も可能である。

これとは別に、保護ダイオードの層は、ソーラーセルの材料またはカスケードソーラーセルまたは多接続ソーラーセル内の副ソーラーセルの１つの材料と一致する材料から構成されることが望ましいことに留意されたい。

本発明のさらなる詳細、利点、特徴は、請求の範囲、それによって特定される特徴、の一方および（または）組み合わせにおいてのみだけでなく、以下の、図面に示される好適且つ例示的な実施形態の記載によっても、見出されることができる。

図１は、裏面コンタクト１２と表面コンタクト１４とを具備する、カスケードまたは多接合ソーラーセルの単なる概略的な実例を示している。３つのセル１６、１８、２０は、トンネルダイオード２２、２４によって相互に分離され、裏面コンタクト１４と表面コンタクト１２との間において、ゲルマニウム基板１４上に配置されている。基板１４はｐ導電型の単結晶ゲルマニウムとされることができる。

基部または下端セル１６は、ゲルマニウム基板２６上に配置されている。ｎ導電型ゲルマニウム下端セル１６のエミッタは、ゲルマニウム基板２６内に組み込まれている。基板２６は、ヒ素またはリンの拡散によってｐ導電型とされている。ここにおいて、ｐ導電型基板は、すでに、基部または下端セル１６の光活性層となっている。続いて、第１トンネルダイオード２２がエピタキシャル成長によって堆積される。さらにダイオード２２上には、中央セル１８が堆積される。この間、ゲルマニウムに対する格子整合が行われていなければならない。よって、中央セル１８は、好ましくはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる。ガリウムヒ素は、しかしながら、ゲルマニウムと若干異なる格子を有する。このため、好ましくは、両者の格子定数を揃えるために、１乃至３％のインジウムが付加される。

続いて、トンネルダイオード２０が、中央セル１８上に堆積される。

表面または上端セル２０は、ガリウムインジウムリンからなる。インジウムは、別の格子調整を行うために加えられ、その際、具体的には、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐの組成が好ましくは選択される。

対応するソーラーセル１０は、通常、直列接続され、ストリングを構成する。

活性半導体層内でマイクロショートが存在することは、ソーラーセル１０の逆方向での動作中にソーラーセルを破壊することに繋がり得る。この破壊に対する予防として、保護ダイオードがソーラーセル１０に並列に接続されている。この目的のために、EP-A-1056137の教示によれば、光活性層、すなわち下端セル１６、中央セル１８、上部セル２０、これらの間に広がるトンネルダイオード２２、２４、の小さな領域が、例えば局地的な垂直エッチングによって基板に至るまで除去されることができる。続いて、ｐ／ｎ型保護ダイオード３２が、ソーラーセル１０の基板１２上の光活性領域２８から離れて広がる領域３０上にエピタキシャル成長により堆積される。また、ｎ型層３４が上端セル側上で広がり、ｐ型層３６が表面側で広がっている。

層３４、３６は、相互にまたは隣接する層に対して格子整合されていてもよい。しかしながら、各層の材料の組成を、格子が整合していないシステムとなるように、選択することもできる。

本発明によれば、続いて、トンネルダイオード３８が、保護ダイオードのｐ層３６上にエピタキシャル成長で堆積される。保護ダイオード３８は、好ましくは、中央セル１８または上部セル２０の材料、すなわち、ガリウムインジウムヒ素またはガリウムインジウムリンと整合している。また、保護ダイオード側上のｐ⁺⁺層４２は、好ましくはＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、表面側上のｎ⁺⁺層４４は、好ましくはＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｓまたはＩｎＧａＰからなる。このように構成されたトンネルダイオード３８は、バイパスダイオード３２において非常に大きな電流密度（約８ｍｍ²で５５０ｍＡ）にまで達する非常に良好なトンネル特性を有する。

続いて、表面コンタクト４０が、トンネルダイオード３８のｎ⁺⁺表面側層４４上に直接付されることができる。しかしながら、ソーラーセル１０の光活性領域２８内でも行われているように、好ましくは、付加的ｎ⁺コンタクト層４６が設けられる。

好ましくは、ソーラーセル１０の製造にあたり、保護ダイオード３２、トンネルダイオード３８、付加的ｎ⁺コンタクト層４６を含む全ての層は、最初に形成またはエピタキシャル成長で堆積される。これは、その上で保護ダイオード３２がトンネルダイオード３８およびコンタクト層４６とともに広がる領域３０から、垂直エッチングによって光活性領域２８を後に分離するためである。

図１において、他のソーラーセルと直列接続されることになるソーラーセル１０の概略的な回路図がさらに示されている。等価回路図は、保護ダイオード３２がソーラーセル１０に対してどのように並列かつ逆方向に接続されるかを例示している。

図２は、保護ダイオード３２の下方の区域３０に対応する３つのセル１０の活性領域２８のより詳細な構造を例示している。

基部または下端セル１６は、ｐを添加された活性ゲルマニウム基板２６と、その上に広がるｐを添加されたバッファ層４８、バリア層からなり、裏面コンタクト１２上に付されている。続いて、バッファおよびバリア層４８上には、ｎ⁺⁺ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）層５０またはＧａＡｓ層またはＩｎＧａＰ層が付されている。層５０上には、トンネルダイオード２２を構成するｐ⁺⁺Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層５２が付されている。続いて、トンネルダイオード２２上には、ＧａＩｎＡｓのｐ⁺導電型バリア層５４、ＧａＩｎＡｓのベース層５６、ＧａＩｎＡｓのｎ導電型エミッタ層５８からなる中央セル１８が付される。インジウムの割合は、トンネルダイオード２２を構成する層に対して、およびＧｅ基板に対して格子整合するように選択されている。インジウムの割合は、好ましくは、１％乃至３％である。

そして、中央セル１８は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＡｓから構成され得るｎ⁺導電型バリア層６０によって覆われている。

中央セル１８からは、トンネルダイオード２４が広がっている。トンネルダイオード２４は、ＧａＩｎＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのｎ⁺⁺導電型下側層６２とＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのｐ⁺⁺導電型上側層６４とからなる。このトンネルダイオードは、好ましくは、より下側のソーラーセルへと十分に光が転送されることを確実にするように大きな帯域分離を有する材料から構成される。このトンネルダイオードは、ｐ⁺導電型で且つＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層６６によって覆われることができる。

トンネルダイオード２４上には、表面または上端セル２０がエピタキシャル成長で堆積されている。セル２０は、ＧａＩｎＰのｐ⁺導電型バリア層６８、ｐ導電型で且つＧａＩｎＰからなるベース層７０、ＧａＩｎＰのｎ導電型エミッタ層７２から構成される。エミッタ層７２は、ｎ⁺導電型で且つＡｌＩｎＰからなるウィンドウ層７４によって覆われている。ウィンドウ層７４は、表面コンタクト１４に接続し難いので、ｎーＧａＡｓからなるｎ導電型のキャップ層７６がウィンドウ層７４の一部の上方に広がっている。

保護ダイオードの材料に関して、好ましくは、中央セル１８に用いられるのと同じ材料、すなわちＩｎを含んだＧａＡｓが選択される。原理的には、表面または上部セル３０と同じ材料、すなわちＧａＩｎＰが用いられても良い。しかしながら、この場合、保護ダイオード３２の順方向電圧はより高くなるであろう。

保護ダイオード３２上に広がるトンネルダイオード３８の材料は、良好なトンネル特性を得るためにトンネルダイオード２２と同じ材料と同じであることが望まれる。すなわち、ｐ⁺⁺導電型層４２は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成され、ｎ⁺⁺導電型層４４は、ＧａＩｎＡｓから構成されることが望ましい。

続いて、ｎ⁺層を覆う表面コンタクト４０は、電気的に導電となるように、一方で光活性領域２８の表面コンタクト１４に接続され、他方でさらに直列接続されるソーラーセルの裏面コンタクトと接続されている。これは、保護ダイオード無しのソーラーセルの場合にも用いられるように、通常、ソーラーセルを半田付けまたは溶接によって接続する際に行われる。複数の半田付け領域の１つは、通常、保護ダイオードとして形成される。保護ダイオードは、ソーラーセル内に組み込まれて接続されていても良い。

図１は、保護ダイオードを伴った３つのセルの概略的な図を示している。 図２は、３つのセルの光活性領域の構造を示している。

Claims (16)

1. 表面および裏面コンタクト間に広がる光活性層を有するソーラーセルであって、表面コンタクトと接続可能で且つ前記ソーラーセルと逆の極性を有し且つその表面側にｐ導電型半導体層を有し且つその上にトンネルダイオードが広がる組み込まれた保護ダイオード（バイパスダイオード）を有し、
   前記トンネルダイオード（３８）上にｎ⁺導電型層（４６）が広がり、前記ｎ⁺導電型層を介して前記保護ダイオード（３２）が前記表面コンタクトと接続されまたは接続可能である、ことを特徴とするソーラーセル。
2. 前記保護ダイオード（３２）が、前記ソーラーセル側上で広がるｎ導電型層（３４）と、前記表面側で広がるｐ導電型層（３６）と、を具備し、
   前記ｎ導電型層と前記ｐ導電型層の各々が、ＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＰから構成される、
   ことを特徴とする請求項１のソーラーセル。
3. 前記トンネルダイオード（３８）が前記保護ダイオード（３２）の前記ｐ導電型層（３６）に面するｐ⁺⁺導電型層（４２）とｎ⁺⁺導電型層（４４）とを有し、前記トンネルダイオードの前記ｐ⁺⁺導電型層がＡｌＧａＡｓからなる、
   ことを特徴とする請求項２のソーラーセル。
4. 前記トンネルダイオード（３８）のｐ⁺⁺導電型層（４２）が、０．０≦ｙ≦０．６のＡｌ_1-yＧａ_yＡｓからなる、ことを特徴とする請求項３のソーラーセル。
5. 前記トンネルダイオード（３８）の前記ｎ⁺⁺導電型層（４４）が、ＧａＩｎＡｓ、またはＧａＡｓまたはＩｎＧａＰからなる、ことを特徴とする請求項３のソーラーセル。
6. 前記トンネルダイオード（３８）の前記ｎ⁺⁺導電型層（４４）が、０．０１≦ｘ≦０．０３のＧａ_1-xＩｎ_xＡｓからなる、ことを特徴とする請求項５のソーラーセル。
7. 前記ソーラーセル（１０）が、ｎ（ｎ≧２）個の副ソーラーセルを有するカスケードまたは多接合ソーラーセルである、ことを特徴とする請求項１のソーラーセル。
8. 前記カスケードまたは多接合ソーラーセルが、順に積層されたｎ／ｐ型の第１、第２、および第３副ソーラーセル（１６、２８）を有するトリプルセルである、ことを特徴とする請求項７のソーラーセル。
9. 前記第１副セルまたは下端セル（１６）の光活性層がゲルマニウムを具備する、ことを特徴とする請求項７または８のソーラーセル。
10. 前記第２副セルまたは中央セル（１８）の光活性層が、ＧａＩｎＡｓからなる、ことを特徴とする請求項７または８のソーラーセル。
11. 前記第３副セルまたは上端セル（２０）の光活性層が、ＧａＩｎＰを具備する、ことを特徴とする請求項７または８のソーラーセル。
12. 前記ＧａＩｎＡｓが、０．０１≦ｘ≦０．０３のＧａ_1-xＩｎ_xＡｓである、ことを特徴とする請求項１０のソーラーセル。
13. 前記ＧａＩｎＰが、０．４８≦ｚ≦０．５２のＧａ_1-zＩｎ_zＰである、ことを特徴とする請求項１１のソーラーセル。
14. 前記ソーラーセルが、光活性な第１領域（２８）と、表面側において前記保護ダイオードを有する第２領域（３６）と、を具備し、
    前記第１領域（２８）および前記第２領域が共通の基板（２６）から、互いに離れて広がっている、
    ことを特徴とする請求項１のソーラーセル。
15. 前記保護ダイオード（３２）の前記層（３４、３６）が、前記カスケードまたは多接合ソーラーセル（２８）の前記副ソーラーセル（１６、１８、２０）の１つの層の材料と同じ材料を具備することを特徴とする請求項７のソーラーセル。
16. 前記保護ダイオード（３２）を前記ソーラーセル（１０）の表面コンタクト（１４）に接続するｎ⁺導電型層（４６）が、前記ソーラーセル（２８）の前記光活性層の前記表面コンタクト（１４）に接続される金属コンタクト（４０）によって覆われていることを特徴とする請求項１のソーラーセル。

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