JP5231142B2 - 多接合型太陽電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多接合型太陽電池の製造方法に関するものである。

従来、単一のｐｎ接合からなる単接合型太陽電池が知られている。しかし、前記単接合型太陽電池の発電効率は、原料となる半導体材料の禁制帯幅Ｅｇにより決まる理論限界を有するため、どのような半導体材料を用いても地上における太陽光照射条件下では約３０％にとどまることが知られている。

そこで、前記単接合型太陽電池より高い発電効率を得るために、それぞれｐｎ接合を有する複数の太陽電池を積層することにより形成された多接合型太陽電池が提案されている。前記多接合型太陽電池の最も簡単なものとして、図５に示す２接合太陽電池１１が知られている（例えば特許文献１参照）。

２接合太陽電池１１は、裏面電極１２上にボトムセル１３とトップセル１４とが、エピタキシャル成長によりこの順に積層され、トップセル１４上に表面電極１５が積層されている。２接合太陽電池１１では、ボトムセル１３はＧａＡｓのｐｎ接合からなり、トップセル１４はＩｎＧａＰのｐｎ接合からなっている。

前記多接合型太陽電池は、バンドギャップの異なる半導体同士を接合することにより太陽光スペクトルの利用領域を拡大することを基本原理とし、接合数を増やせば効率が上がることが知られている。例えば、４接合太陽電池がシミュレーションされており、高効率の太陽電池が期待されている。

一方、通常、バンドギャップの異なる半導体の組み合わせでは互いに格子定数が異なっているため、該格子定数の大きく異なるもの同士を接合しようとすると、界面に欠陥が発生し、効率を向上させることができないという問題がある。前記問題は、前記欠陥に存在する多数の未結合手が、太陽光によって励起された励起子の再結合を促すために電力として取り出すことができないことによる。

この結果、前記多接合型太陽電池を構成する半導体は、互いに異なるバンドギャップを有する一方、互いに類似する格子定数を有する材料の組み合わせ（いわゆる格子整合のとれた組み合わせ）に限られる。前記組み合わせに太陽光スペクトルとのマッチングを加味すると、前記半導体は、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとＧｅとの組み合わせ、或いはＩｎＧａＰとＩｎＧａＡｓとＧｅとの組み合わせ等となり、３接合太陽電池を構成することが限界となっている。

唯一、ＧａＩｎＮＡｓは、Ｇｅ及びＧａＡｓと格子整合を維持しながら１ｅＶ程度のバンドギャップを有する材料として注目されており、ＩｎＧａＰとＩｎＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓとＧｅとの組み合わせによる４接合太陽電池の研究が続けられている（例えば非特許文献１参照）。

しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓは、相分離や欠陥が発生するために、４接合太陽電池を実現するには結晶の成長が難しいという不都合がある。

また、３接合太陽電池の性能は４ｃｍ^２以下のデバイスで評価されており、デバイスの面積が大きくなるほど効率が低下することが知られている（非特許文献２参照）。前記効率の低下は、２接合太陽電池あるいは３接合太陽電池であっても前記半導体の格子定数が互いに異なるために、接合界面付近で欠陥が発生することがあるためと考えられる。

従って、多接合型太陽電池には、前記デバイスの面積を大きくすることが難しいという不都合がある。
特開平９−６４３８６号公報 J.F.Geisz, D.J.Friedman, C.Kramer, A.Kibbler, and S.R.Kurtz, "New Materials for Future Generations of III-V Solar Cells", NREL/CP-520-25631, National Renewable Energy Laboratory, December 1998. Akira Ohmae, Yukiko Shimizu, and Yoshitaka Okada, "GaInNAs for Multi-Junction Tandem Solar Cells", Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World conference on Volume 2, 12-16 May 2003.

本発明は、かかる不都合を解消して、４接合の多接合型太陽電池を実現することができると共に、デバイスを大面積化することができる多接合型太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の多接合型太陽電池の製造方法の第１の態様は、基板上に核生成サイトを形成する工程と、第１の原料ガスを供給して、該核生成サイトに該基板と同一材料からなる第１の半導体をワイヤー状に成長させる工程と、第２の原料ガスを供給して、第１の半導体上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体からなる第１の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備えることを特徴とする。

本発明の製造方法の第１の態様では、まず、前記基板上に前記核生成サイトを形成し、次いで第１の原料ガスを供給する。前記基板は、半導体であってもよく、半導体でなくてもよい。このようにすると、前記核生成サイトを核として、第１の半導体がワイヤー状に成長する。次に、第２の原料ガスを供給すると、ワイヤー状の第１の半導体の先端部に、第２の半導体がワイヤー状に成長し、第２の半導体からなる第１の単接合型太陽電池が形成される。

前記各原料ガスの供給と、各半導体の成長とは、例えば、有機金属気相成長装置（以下、ＭＯＶＰＥ装置と略記することがある）を用いて行うことができる。このとき、バンドギャップの狭い半導体上にバンドギャップの広い半導体を成長させるためには、バンドギャップの狭い半導体をワイヤー状に成長させた後、該バンドギャップの狭い半導体の成長温度よりも高い温度で該バンドギャップの広い半導体を成長させる必要がある。ところが、このようにすると、前記バンドギャップの広い半導体がワイヤー状に成長している間に、既にワイヤー状に成長した前記バンドギャップの狭い半導体が劣化して、結晶の品質が低下する。

そこで、本発明の製造方法の第１の態様では、第１の半導体上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体を成長させる。このようにすることにより、既にワイヤー状に成長した第１の半導体の結晶品質を低下させることなく、第２の半導体をワイヤー状に成長させることができる。

この結果、本発明の製造方法によれば、ワイヤー状の第１の半導体上にワイヤー状の第２の半導体をエピタキシャル成長させることができ、前記第２の半導体からなる前記第１の単接合型太陽電池を形成することができる。また、このとき、前記基板と前記第１の単接合型太陽電池との間に、該基板と同一材料からなる第１の半導体を介在させることにより、前記第２の半導体に転位が発生することを防止して、該第１の単接合型太陽電池の性能を優れたものとすることができる。

本発明の製造方法の第１の態様は、さらに第３の原料ガスを供給して、第１の単接合型太陽電池上に、第２の半導体よりもバンドギャップの狭い第３の半導体からなる第２の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、第４の原料ガスを供給して、第２の単接合型太陽電池上に、第３の半導体よりもバンドギャップの狭い第４の半導体からなる第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、第５の原料ガスを供給して、第３の単接合型太陽電池上に、第４の半導体よりもバンドギャップの狭い第５の半導体からなる第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備える。

このようにすることにより、前記第２の原料ガスを供給して前記第２の半導体からなる第１の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と同様にして、第１の単接合型太陽電池上に、前記第３の半導体からなる前記第２の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させることができる。また同様に、前記第２の単接合型太陽電池上に、前記第４の半導体からなる前記第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させることができ、該第３の単接合型太陽電池上に、前記第５の半導体からなる前記第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させることができる。

この結果、ワイヤー状の第１の半導体上に、ワイヤー状の第２の半導体乃至第５の半導体をエピタキシャル成長させることができ、前記第１の単接合型太陽電池乃至前記第４の単接合型太陽電池が順次接合された４接合の多接合型太陽電池を形成することができる。

本発明の製造方法の第１の態様において、第１の半導体はＧａＰであり、第２の半導体はＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓであり、第３の半導体はＧａＡｓであり、第４の半導体はＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓであり、第５の半導体はＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓである。

また、本発明の製造方法では、第２の態様として、基板上に第１の半導体からなる第１の単接合型太陽電池を直接形成してもよい。そこで、本発明の製造方法の第２の態様は、基板上に核生成サイトを形成する工程と、第１の原料ガスを供給して、該核生成サイトに第１の半導体からなる第１の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、第２の原料ガスを供給して、第１の単接合型太陽電池上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体からなる第２の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備えることを特徴とする。

本発明の製造方法の第２の態様では、まず、前記基板上に前記核生成サイトを形成し、次いで第１の原料ガスを供給する。前記基板は、半導体であってもよく、半導体でなくてもよい。このようにすると、前記核生成サイトを核として、第１の半導体がワイヤー状に成長し、第１の半導体からなる第１の単接合型太陽電池が形成される。次に、第２の原料ガスを供給すると、ワイヤー状の第１の半導体の先端部に、第２の半導体がワイヤー状に成長し、第１の単接合型太陽電池上に第２の半導体からなる第１の単接合型太陽電池が形成される。

本発明の製造方法の第２の態様では、第１の半導体上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体を成長させるので、既にワイヤー状に成長した第１の半導体の結晶品質を低下させることなく、第２の半導体をワイヤー状に成長させることができる。この結果、ワイヤー状の第１の半導体上にワイヤー状の第２の半導体をエピタキシャル成長させることができ、前記第１の半導体からなる前記第１の単接合型太陽電池と、前記第２の半導体からなる前記第２の単接合型太陽電池とからなる多接合型太陽電池を形成することができる。

本発明の製造方法の第２の態様は、さらに第３の原料ガスを供給して、第２の単接合型太陽電池上に、第２の半導体よりもバンドギャップの狭い第３の半導体からなる第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、第４の原料ガスを供給して、第３の単接合型太陽電池上に、第３の半導体よりもバンドギャップの狭い第４の半導体からなる第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備える。

このようにすることにより、前記各原料ガスを供給して前記各半導体からなる単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と同様にして、第２の単接合型太陽電池上に、前記第３の半導体からなる前記第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させることができる。また同様に、前記第３の単接合型太陽電池上に、前記第４の半導体からなる前記第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させることができる。

この結果、ワイヤー状の第１の半導体上に、ワイヤー状の第２の半導体乃至第４の半導体をエピタキシャル成長させることができ、前記第１の単接合型太陽電池乃至前記第４の単接合型太陽電池が順次接合された４接合の多接合型太陽電池を形成することができる。

本発明の製造方法の第２の態様において、第１の半導体はＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓであり、第２の半導体はＧａＡｓであり、第３の半導体はＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓであり、第４の半導体はＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓである。

前記本発明の製造方法の前記各態様のようにして４接合の多接合型太陽電池を形成するときには、それぞれ異なる半導体による多接合構造がワイヤー状の半導体により形成されることとなる。この結果、ワイヤー状の半導体同士の接合界面では、該接合界面が微小面積となり、格子定数の差に起因する歪みが緩和され、欠陥の発生を防止することができる。従って、格子定数の差に起因する材料選択の制限が緩和され、材料を組み合わせる際の選択肢を増加させることができる。

また、本発明の製造方法の前記各態様によれば、基板上にワイヤー状の半導体をエピタキシャル成長させるので、得られた多接合型太陽電池はそれ自体ワイヤー状になる。従って、接合界面は微小であって欠陥が発生することが無く、前記ワイヤー状の多接合型太陽電池を前記基板上に無数に形成することにより、前記ワイヤー状の多接合型太陽電池の集合体からなる大面積のデバイスを得ることができる。

ところで、前記ワイヤー状の多接合型太陽電池の集合体は、各多接合型太陽電池が互いに絶縁されている必要がある。そこで、本発明の製造方法の前記各態様では、前記基板上に例えば非晶質ＳｉＯ_２等の絶縁性材料からなる被膜を形成し、該被膜の一部をエッチングすることにより前記核生成サイトを形成することが好ましい。また、前記基板上の前記核生成サイトを除く領域に、前記被膜を残存させることにより絶縁膜を形成することが好ましい。このようにすることにより、前記核生成サイトを形成するとともに前記絶縁膜を形成することができる。また、形成された各第１の半導体層を除く前記基板上の領域に前記絶縁膜を形成し、各第１の半導体層を互いに絶縁させることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の製造方法により得られる多接合型太陽電池の一実施形態の構成を示す説明的断面図であり、図２は基板上に核生成サイトを形成する方法を示す平面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。また、図４は本実施形態の製造方法により得られる多接合型太陽電池の他の実施形態の構成を示す説明的断面図である。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態の製造方法により得られる多接合型太陽電池１ａは、基板２と、基板２上にワイヤー状に成長せしめられた第１の半導体２ａと、第１の半導体２ａの基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた第２の半導体３と、第２の半導体３の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた第３の半導体４と、第３の半導体４の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた第４の半導体５と、第４の半導体５の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた第５の半導体６とからなる。多接合型太陽電池１ａにおいて、半導体３は第１の単接合型太陽電池を、半導体４は第２の単接合型太陽電池を、半導体５は第３の単接合型太陽電池を、半導体６は第４の単接合型太陽電池を形成しており、多接合型太陽電池１ａは４接合太陽電池となっている。基板２上の半導体２ａを除く領域には非晶質ＳｉＯ_２からなる絶縁膜８が設けられ、絶縁膜８により各半導体２ａが互いに絶縁されている。半導体２ａは、半導体３に転位が発生することを防止するために、基板２と同一材料からなるものであって、太陽電池は形成していない。

多接合型太陽電池１ａにおいて、例えば、基板２はＧａＰ１１１Ｂからなる半導体を用いることができる。また、第１の半導体２ａはＧａＰからなるものを、第２の半導体３はＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなるものを、第３の半導体４はＧａＡｓからなるものを、第４の半導体５はＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなるものを、第５の半導体６はＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなるものを、それぞれ用いることができる。半導体２ａ，３，４，５，６は、例えば、それぞれ１μｍの長さを備えている。

図１に示す多接合型太陽電池１ａは、例えば、次のようにして製造することができる。

多接合型太陽電池１ａを製造するときには、第１工程として、ＧａＰ１１１Ｂからなる基板２上に、核生成サイトを形成する。

前記核生成サイトの形成は、まず、ＧａＰ１１１Ｂからなる基板２を洗浄し、基板２の表面に非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａを約３０ｎｍの厚さに成膜する。前記非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａは、例えば、非晶質ＳｉＯ_２ターゲットを備えた高周波スパッタ（ＲＦスパッタ）装置によって成膜することができる。

次に、基板２上に成膜された非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａ上にポジレジストを塗布し、基板２をＥＢ描画装置にセットして、パターンを描画する。前記パターンは、例えば図２に示すように、複数の円７の中心が相互に正三角形の頂点に位置するようにする。円７の直径ｄは例えば５０ｎｍであり、各円７の中心間距離Ｄは例えば４００ｎｍである。

次に、図２に示すように複数の円７が描画されたレジストを現像することにより、各円７内のレジストが除去され、非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａが露出する。次に、基板２を、５０倍に希釈したフッ酸とフッ化アンモニウムとの緩衝溶液（ＢＨＦ溶液）に浸漬し、エッチングにより非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａを除去した後、前記レジストを除去して洗浄する。この結果、図３に示すように、基板２上に成膜された非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａにすり鉢状の穴部９が形成される。穴部９は、前記エッチングにより、非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａの表面における直径が５０ｎｍ、底部における開口部９ａの直径が２０ｎｍであり、開口部９ａから露出する基板２が前記核生成サイトとなる。

次に、多接合型太陽電池１ａ製造の第２工程では、前記核生成サイトが形成された基板２上に、ＧａＰからなる第１の半導体２ａを成長させる。

第１の半導体２ａを成長させるには、まず、前記核生成サイトが形成された基板２を有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）の反応室内に装着し、ＭＯＶＰＥ装置内を真空排気した後、Ｈ_２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍとなって安定するように、ガス流量と排気速度とを調整する。

次に、前記反応室内に、リン酸トリブチル（以下ＴＢＰと略記する）と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰの分圧：１．１×１０^−４ａｔｍ）を流通しながら、基板２の温度が９００℃になるまで昇温する。基板２の温度が９００℃に達したならば、前記反応室内に流通するガスを、トリメチルガリウム（以下ＴＭＧと略記する）と、ＴＢＰと、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧの分圧：４×１０^−６ａｔｍ、ＴＢＰの分圧：６×１０^−５ａｔｍ）に切り替えることにより、基板２上にＧａＰからなる第１の半導体２ａをワイヤー状に成長させる。そして、３分後に、前記反応室内に流通するガスを、再びＴＢＰと、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰの分圧：１．１×１０^−４ａｔｍ）に切り替えることにより、第１の半導体２ａの成長を終了する。このとき、基板２上の成長された各第１の半導体２ａを除く領域に非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａを残存させることにより、非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａからなる絶縁膜８が形成される。

次に、多接合型太陽電池１ａ製造の第３工程では、第１の半導体２ａの基板２から離間する側の端部に、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる第２の半導体３を成長させる。

第２の半導体３を成長させるには、前記反応室内に、ＴＢＰと、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスを流通しながら、基板２の温度を９００℃から８５０℃まで低下させる。基板２の温度が８５０℃に達したならば、前記反応室内に流通するガスを、トリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡと略記する）と、ＴＭＧと、ＡｓＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＡの分圧：６×１０^−７ａｔｍ、ＴＭＧの分圧：６×１０^−６ａｔｍ、ＡｓＨ_３の分圧：５×１０^−５ａｔｍ）に切り替えることにより、第１の半導体２ａの基板２から離間する側の端部に、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる第２の半導体３をワイヤー状に成長させる。そして、１５分後に、前記反応室内に流通するガスを、ＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｒＨ_３の分圧：６×１０^−５ａｔｍ）に切り替えることにより、第２の半導体３の成長を終了する。

次に、多接合型太陽電池１ａ製造の第４工程では、第２の半導体３の基板２から離間する側の端部に、ＧａＡｓからなる第３の半導体４を成長させる。

第３の半導体４を成長させるには、前記反応室内に、ＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスを流通しながら、基板２の温度を８５０℃から７５０℃まで低下させる。基板２の温度が７５０℃に達したならば、前記反応室内に流通するガスを、ＴＭＧと、ＡｓＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧの分圧：１×１０^−６ａｔｍ、ＡｓＨ_３の分圧：２．５×１０^−４ａｔｍ）に切り替えることにより、第２の半導体３の基板２から離間する側の端部に、ＧａＡｓからなる第３の半導体４をワイヤー状に成長させる。そして、１５分後に、前記反応室内に流通するガスを、再びＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスに切り替えることにより、第３の半導体４の成長を終了する。

次に、多接合型太陽電池１ａ製造の第５工程では、第３の半導体４の基板２から離間する側の端部に、Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる第４の半導体５を成長させる。

第４の半導体５を成長させるには、前記反応室内に、ＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスを流通しながら、基板２の温度を７５０℃から６５０℃まで低下させる。基板２の温度が６５０℃に達したならば、前記反応室内に流通するガスを、トリメチルインジウム（以下ＴＭＩと略記する）と、ＴＭＧと、ＡｓＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩの分圧：２．２５×１０^−６ａｔｍ、ＴＭＧの分圧：５．２５×１０^−６ａｔｍ、ＡｓＨ_３の分圧：６．２５×１０^−５ａｔｍ）に切り替えることにより、第３の半導体４の基板２から離間する側の端部に、Ｉｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる第４の半導体５をワイヤー状に成長させる。そして、１５分後に、前記反応室内に流通するガスを、再びＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスに切り替えることにより、第４の半導体５の成長を終了する。

次に、多接合型太陽電池１ａ製造の第６工程では、第４の半導体５の基板２から離間する側の端部に、Ｉｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる第５の半導体６を成長させる。

第５の半導体６を成長させるには、前記反応室内に、ＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスを流通しながら、基板２の温度を６５０℃から６００℃まで低下させる。基板２の温度が６００℃に達したならば、前記反応室内に流通するガスを、ＴＭＩと、ＴＭＧと、ＡｓＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩの分圧：４．５０×１０^−６ａｔｍ、ＴＭＧの分圧：３．００×１０^−６ａｔｍ、ＡｓＨ_３の分圧：６．２５×１０^−５ａｔｍ）に切り替えることにより、第４の半導体５の基板２から離間する側の端部に、Ｉｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる第５の半導体６をワイヤー状に成長させる。そして、１５分後に、前記反応室内に流通するガスを、再びＡｒＨ_３と、キャリアガスとしてのＨ_２ガスとの前記混合ガスに切り替えることにより、第５の半導体６の成長を終了する。

次に、２０ｖｏｌ％のＡｓＨ_３が混合されたＨ_２ガスを流通しながら冷却した後、多接合型太陽電池１ａとして、半導体２ａ，３，４，５，６がワイヤー状に成長させられた基板２を取り出す。

以上により形成された多接合型太陽電池１ａでは、基板２上の各第１の半導体２ａを除く領域に絶縁膜８が形成されており、各第１の半導体２ａを互いに絶縁させることができる。

多接合型太陽電池１ａを形成している各半導体のバンドギャップと格子定数とを表１に示す。

表１から、本実施形態の製造方法の第１の態様により得られた多接合型太陽電池１ａでは、第１の半導体２ａよりも第２の半導体３、第２の半導体３よりも第３の半導体４というように、基板２から離間するほどバンドギャップが狭くなるように、各半導体２ａ，３，４，５，６が配設されていることが明らかである。

また、多接合型太陽電池１ａでは、格子定数の差は、第１の半導体２ａと第２の半導体３との間が３．８％、第２の半導体３と第３の半導体４との間が０．０％、第３の半導体４と第４の半導体５との間が２．２％、第４の半導体５と第５の半導体６との間が２．１％であり、第２の半導体３と第３の半導体４との間を除いていずれも格子整合が取れていないことが明らかである。

この場合、第１の半導体２ａは基板２と同一の材料であるＧａＰからなるので、第１の半導体２ａをワイヤー状に成長せしめた後、第２乃至第６の半導体３〜６を順次ワイヤー状に成長せしめることにより、基板２とワイヤー状の半導体２ａとの間のヘテロ結合界面部における欠陥発生を抑制することができる。

次に、ヘテロ接合界面である各半導体２ａ，３，４，５，６のそれぞれの接合界面における欠陥の有無を、透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）で観察した。

前記高性能透過電子顕微鏡の観察によれば、ワイヤー状に成長した半導体２ａ，３，４，５，６の直径は、２０ｎｍのものが殆どであったが、もっとも太いものは直径５０ｎｍであった。ワイヤー状に成長した半導体２ａ，３，４，５，６の太いものは、パターン描画のバラツキ、非晶質ＳｉＯ_２エッチングのバラツキ、およびワイヤ横方向への成長が原因と思われる。また、ワイヤー状に成長した半導体２ａ，３，４，５，６は、直径に関わらず、各半導体の接合界面に欠陥は認められなかった。

従って、４接合太陽電池としての多接合型太陽電池１ａによれば、入射光によって生成したキャリアが前記ヘテロ接合界面で再結合することがなく、高効率を達成することができる。

尚、多接合型太陽電池１ａでは、基板２としてＧａＰ１１１Ｂからなる半導体を用いる場合について説明しているが、他の半導体を用いてもよい。また、基板２は、半導体に限らず、一般に太陽電池の製造に使用できる材料であればどのような材料からなるものであってもよい。

また、多接合型太陽電池１ａでは、ＧａＰ１１１Ｂからなる基板２上に、ＧａＰからなる第１の半導体２ａをワイヤー状に成長させているが、図４に示す多接合型太陽電池１ｂのように基板２上に半導体３からなる第１の単接合型太陽電池を直接形成してもよい。

多接合型太陽電池１ｂは、基板２と、基板２上にワイヤー状に成長せしめられた半導体３と、半導体３の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた半導体４と、半導体４の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた半導体５と、半導体５の基板２から離間する側の端部に接続し、ワイヤー状に成長せしめられた半導体６とからなる。多接合型太陽電池１ｂにおいて、半導体３は第１の単接合型太陽電池を、半導体４は第２の単接合型太陽電池を、半導体５は第３の単接合型太陽電池を、半導体６は第４の単接合型太陽電池を形成しており、多接合型太陽電池１ｂは４接合太陽電池となっている。基板２上の半導体３を除く領域には非晶質ＳｉＯ_２からなる絶縁膜８が設けられ、絶縁膜８により各半導体３が互いに絶縁されている。

多接合型太陽電池１ｂにおいて、例えば、基板２はＧａＰからなるものを、半導体３はＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなるものを、半導体４はＧａＡｓからなるものを、半導体５はＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなるものを、半導体６はＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなるものを、それぞれ用いることができる。半導体３，４，５，６は、例えば、それぞれ１μｍの長さを備えている。

図４に示す多接合型太陽電池１ｂは、多接合型太陽電池１ａの場合と同様に、例えば、ＧａＰからなる基板２の表面に非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａを成膜してエッチングにより核生成サイトを形成する。次に、前記核生成サイトが形成された基板２をＭＯＶＰＥ装置の反応室内に装着して半導体３〜６を順次成長させることにより製造することができる。このとき、基板２上の成長された各半導体３を除く領域に非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａを残存させることにより、非晶質ＳｉＯ_２被膜８ａからなる絶縁膜８が形成され、各半導体３を互いに絶縁させることができる。

図４に示す多接合型太陽電池１ｂでは、基板２と半導体３との間に基板２と同一材料からなる半導体２ａを介在させていないので、半導体３に転位が発生することが懸念される。しかし、この場合には、ワイヤー状の半導体３の径を細く、例えば２０ｎｍ程度とすることにより、半導体３に転位が発生することを防止することができる。

本発明の製造方法により得られる多接合型太陽電池の一実施形態の構成を示す説明的断面図。 基板上に核生成サイトを形成する方法を示す平面図。 図２のIII-III線断面図。 本発明の製造方法により得られる多接合型太陽電池の他の実施形態の構成を示す説明的断面図。 従来の多接合型太陽電池の一構成例を示す説明的断面図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…多接合型太陽電池、 ２…基板、 ２ａ…半導体、 ３…半導体（第１の単接合型太陽電池）、 ４…半導体（第２の単接合型太陽電池）、 ５…半導体（第３の単接合型太陽電池）、 ６…半導体（第４の単接合型太陽電池）、 ８…絶縁性材料からなる被膜。

Claims (5)

1. 基板上に核生成サイトを形成する工程と、
   第１の原料ガスを供給して、該核生成サイトに該基板と同一材料からなる第１の半導体をワイヤー状に成長させる工程と、
   第２の原料ガスを供給して、第１の半導体上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体からなる第１の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第３の原料ガスを供給して、第１の単接合型太陽電池上に、第２の半導体よりもバンドギャップの狭い第３の半導体からなる第２の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第４の原料ガスを供給して、第２の単接合型太陽電池上に、第３の半導体よりもバンドギャップの狭い第４の半導体からなる第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第５の原料ガスを供給して、第３の単接合型太陽電池上に、第４の半導体よりもバンドギャップの狭い第５の半導体からなる第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備え、
   第１の半導体はＧａＰであり、第２の半導体はＡｌ _０．３ Ｇａ _０．７ Ａｓであり、第３の半導体はＧａＡｓであり、第４の半導体はＩｎ _０．３ Ｇａ _０．７ Ａｓであり、第５の半導体はＩｎ _０．６ Ｇａ _０．４ Ａｓであることを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。
2. 基板上に核生成サイトを形成する工程と、
   第１の原料ガスを供給して、該核生成サイトに第１の半導体からなる第１の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第２の原料ガスを供給して、第１の単接合型太陽電池上に、第１の半導体よりもバンドギャップの狭い第２の半導体からなる第２の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第３の原料ガスを供給して、第２の単接合型太陽電池上に、第２の半導体よりもバンドギャップの狭い第３の半導体からなる第３の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程と、
   第４の原料ガスを供給して、第３の単接合型太陽電池上に、第３の半導体よりもバンドギャップの狭い第４の半導体からなる第４の単接合型太陽電池をワイヤー状に成長させる工程とを備え、
   第１の半導体はＡｌ _０．３ Ｇａ _０．７ Ａｓであり、第２の半導体はＧａＡｓであり、第３の半導体はＩｎ _０．３ Ｇａ _０．７ Ａｓであり、第４の半導体はＩｎ _０．６ Ｇａ _０．４ Ａｓであることを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の多接合型太陽電池の製造方法において、
   前記基板上に絶縁性材料からなる被膜を形成し、該被膜の一部をエッチングすることにより前記核生成サイトを形成することを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。
4. 請求項３記載の多接合型太陽電池の製造方法において、
   前記基板上の前記核生成サイトを除く領域に、前記被膜を残存させることにより絶縁膜を形成することを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。
5. 請求項４記載の多接合型太陽電池の製造方法において、
   前記絶縁性材料は、非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。

Images