JP5548908B2 - Manufacturing method of multi-junction solar cell - Google Patents

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Description

本発明は、各々異なるバンドギャップエネルギーの材料から構成された複数の太陽電池セルを積層した多接合型太陽電池の製造に関するものである。 The present invention relates to the production of multi-junction solar cell formed by stacking a plurality of solar cells constructed from materials of the respective different band gap energies.

近年、地球温暖化抑制に関わる様々な研究・技術開発が進められている中、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池は、地球上のほとんどの場所で小規模でも利用できるエネルギー源として期待されている。この太陽電池の中で最も広く用いられているのは、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンなど結晶シリコン系の太陽電池であり、すでに実用に供されている。シリコン系の太陽電池の変換効率は、原理的には３０％程度、実験室レベルで２４％程度が実現されている（非特許文献１，２参照）。   In recent years, various research and technological developments related to global warming suppression are being promoted, and solar cells that convert sunlight into electrical energy are expected as energy sources that can be used even on a small scale in most places on the earth. ing. The most widely used solar cell is a crystalline silicon solar cell such as single crystal silicon and polycrystalline silicon, which has already been put into practical use. The conversion efficiency of silicon solar cells is about 30% in principle and about 24% at the laboratory level (see Non-Patent Documents 1 and 2).

上述したシリコン系の太陽電池は、バンドギャップエネルギーが同じ単一の材料系で太陽電池セルを構成しており、太陽光の持つエネルギーのうち、材料の持つバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギー領域は透過し、また、バンドギャップエネルギーよりも高いエネルギー領域の一部は熱に変換されている。これらが、変換効率を制限している要因である。こうしたエネルギー損失を回避するため、複数の異なるエネルギーギャップ（バンドギャップエネルギー）を有する材料で構成された太陽電池セルを組み合わせた、多接合型の太陽電池セルも実用に供されている。例えば、結晶シリコンとアモルファスシリコンを組み合わせたものでは、実用サイズ（１００ｃｍ2以上）のセルで２３％程度の変換効率を実現している（非特許文献３参照）。 The silicon-based solar cell described above is composed of a single material system having the same band gap energy, and among the energy of sunlight, the energy region lower than the band gap energy of the material is transmitted. In addition, a part of the energy region higher than the band gap energy is converted into heat. These are the factors that limit the conversion efficiency. In order to avoid such an energy loss, a multi-junction solar cell that combines solar cells made of materials having a plurality of different energy gaps (bandgap energy) has been put into practical use. For example, a combination of crystalline silicon and amorphous silicon achieves a conversion efficiency of about 23% in a cell having a practical size (100 cm 2 or more) (see Non-Patent Document 3).

しかし、結晶シリコンとアモルファスシリコンの組み合わせでは、バンドギャップエネルギーの組み合わせのバリエーションがほとんどなく、上述した値以上の高効率化はかなり難しいと言わざるを得ない。   However, in the combination of crystalline silicon and amorphous silicon, there are almost no variations in the combination of band gap energies, and it must be said that it is quite difficult to achieve higher efficiency than the above value.

一方、超高効率な太陽電池としては、Ｇｅ基板（太陽電池のボトムセル）上に、ＩｎＧａＡｓの太陽電池セル（ミドルセル）、ＩｎＧａＰ（トップセル）を重ねた３接合太陽電池が開発されている。この３接合太陽電池では、太陽光をレンズで４５４倍に集光した状態で、４１％程度の変換効率を実現している（非特許文献４，５参照）。この３接合太陽電池では、バンドギャップの組み合わせを太陽光スペクトルに整合させることで、高い変換効率を得ている。   On the other hand, as a highly efficient solar cell, a three-junction solar cell in which an InGaAs solar cell (middle cell) and InGaP (top cell) are stacked on a Ge substrate (a solar cell bottom cell) has been developed. In this three-junction solar cell, conversion efficiency of about 41% is realized in a state where sunlight is condensed 454 times with a lens (see Non-Patent Documents 4 and 5). In this three-junction solar cell, high conversion efficiency is obtained by matching the combination of band gaps with the sunlight spectrum.

更に、Ｇｅ基板は高価であるため、安価なシリコン基板上に組成傾斜したＳｉＧｅバッファ層を介してＧｅを成長してセルとした太陽電池も報告されている（非特許文献６，７参照）。しかし、この構造ではシリコン基板は単なる基板として用いられているだけで、すでに高品質な太陽電池として蓄積のあるシリコン太陽電池セルを作り込んで活用するということはなされていない。   Furthermore, since the Ge substrate is expensive, a solar cell having a cell formed by growing Ge through a SiGe buffer layer having a composition gradient on an inexpensive silicon substrate has been reported (see Non-Patent Documents 6 and 7). However, in this structure, the silicon substrate is merely used as a substrate, and silicon solar cells that have already been accumulated as high-quality solar cells have not been built and used.

W. Shockley et al. , "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells",Journal of Applied Physics, vol.32, no.3, pp.510-519, 1961.W. Shockley et al., "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells", Journal of Applied Physics, vol.32, no.3, pp.510-519, 1961. J. Zhao et al. , "24.5% E.ciency Silicon PERT Cells on MCZ Substrates and 24.7% E.ciency PERL Cells on FZ Substrates",Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol.7, pp.471-474, 1999.J. Zhao et al., "24.5% E.ciency Silicon PERT Cells on MCZ Substrates and 24.7% E.ciency PERL Cells on FZ Substrates", Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol.7, pp.471-474, 1999. http://jp.sanyo.com/news/2009/09/18-1.html,「三洋電機株式会社、ニュースリリース、2009年9月18日」http://jp.sanyo.com/news/2009/09/18-1.html, “Sanyo Electric Co., Ltd., News Release, September 18, 2009” W.Guter et al. , "Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight",Applied Physics Letters, vol.94, a.n.223504, 2009.W. Guter et al., "Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight", Applied Physics Letters, vol.94, a.n.223504, 2009. F. Dimroth et al. , "METAMORPHIC GalnP/GalnAs/Ge TRIPLE-JUNCTION SOLAR CELLS WITH> 41 % EFFICIENCY",34th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 2009.F. Dimroth et al., "METAMORPHIC GalnP / GalnAs / Ge TRIPLE-JUNCTION SOLAR CELLS WITH> 41% EFFICIENCY", 34th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Philadelphia, Pennsylvania, USA, 2009. J. A. Carlin et al. , "High Quality GaAs Growth by MBE on Si Using GeSi Buffers and Prospects for Space Photovoltaics",Progress in Photovoltaics, vol.8, pp.323-332, 2000.J. A. Carlin et al., "High Quality GaAs Growth by MBE on Si Using GeSi Buffers and Prospects for Space Photovoltaics", Progress in Photovoltaics, vol.8, pp.323-332, 2000. C.L.Andre et al. , "Investigations of High-Performance GaAs Solar Cells Grown on Ge-Si1-xGex-Si Substrates",IEEE Transactions on Electron Devices, vol.52, no.6, pp.1055-1060, 2005.C.L.Andre et al., "Investigations of High-Performance GaAs Solar Cells Grown on Ge-Si1-xGex-Si Substrates", IEEE Transactions on Electron Devices, vol.52, no.6, pp.1055-1060, 2005.

上述したように、すでに高品質な太陽電池が実現されているシリコン系においては、バンドギャップの組み合わせにバリエーションがなく、多接合による高効率化を目指すのは困難である。一方、化合物半導体のバンドギャップ制御の柔軟性を生かしたＧｅ基板による多接合太陽電池においては、Ｇｅ基板のコストが高いという問題がある。他方、安価なシリコン基板を用いるという試みにおいては、高品質な太陽電池が実現されているシリコン系の太陽電池セルを活用できていないという問題がある。   As described above, in a silicon system in which a high-quality solar cell has already been realized, there is no variation in the combination of band gaps, and it is difficult to aim for high efficiency by multiple junctions. On the other hand, in a multi-junction solar cell using a Ge substrate taking advantage of the flexibility of band gap control of a compound semiconductor, there is a problem that the cost of the Ge substrate is high. On the other hand, in the attempt to use an inexpensive silicon substrate, there is a problem that silicon-based solar cells in which high-quality solar cells are realized cannot be utilized.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、バンドギャップエネルギーの組み合わせを柔軟にすることで太陽光エネルギーを効率的に利用できる多接合型太陽電池を、高品質なシリコン太陽電池を用いることでより安価に形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and a high-quality multijunction solar cell that can efficiently use solar energy by making the combination of band gap energy flexible. It aims at enabling it to form more cheaply by using a simple silicon solar cell.

例えば多接合太陽電池は、シリコンから構成された第１太陽電池セルと、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成されて第１太陽電池セルの一方の面に積層された第２太陽電池セルと、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成されて第１太陽電池セルの他方の面に積層された第３太陽電池セルとを少なくとも備える。 For example, a multi-junction solar cell includes a first solar cell made of silicon and a second solar cell made of a first material having a lower band gap energy than silicon and stacked on one surface of the first solar cell. The battery cell and at least a third solar cell that is made of a second material having a larger band gap energy than silicon and is stacked on the other surface of the first solar cell.

例えば多接合太陽電池の製造方法は、シリコン基板の上にシリコンから構成された第１太陽電池セルを作製する工程と、第１太陽電池セルの一方の面に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成された第２太陽電池セルを積層する工程と、第１太陽電池セルの他方の面に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成された第３太陽電池セルを積層する工程とを少なくとも備える。 For example, a method of manufacturing a multi-junction solar cell includes a step of producing a first solar cell made of silicon on a silicon substrate, and a band gap energy smaller than that of silicon on one surface of the first solar cell. A step of laminating the second solar cell composed of the first material, and a third solar cell composed of the second material having a larger band gap energy than silicon on the other surface of the first solar cell. And laminating.

本発明に係る他の多接合太陽電池の製造方法は、第１シリコン基板の主表面上にシリコンから構成された第１太陽電池セルを作製する工程と、第１太陽電池セルの上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成された第２太陽電池セルを積層する工程と、第２シリコン基板の主表面上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成された第３太陽電池セルを積層する工程と、第１シリコン基板の裏面と第２シリコン基板の裏面とを貼り合わせる工程とを少なくとも備える。 Another method of manufacturing a multi-junction solar cell according to the present invention includes a step of producing a first solar cell composed of silicon on a main surface of a first silicon substrate, and a silicon on the first solar cell. A step of laminating a second solar cell composed of a first material having a lower bandgap energy, and a second material having a larger bandgap energy than silicon on the main surface of the second silicon substrate. It includes at least a step of stacking the third solar cells and a step of bonding the back surface of the first silicon substrate and the back surface of the second silicon substrate.

また、本発明に係る他の多接合太陽電池の製造方法は、第１シリコン基板の主表面上にシリコンから構成された第１太陽電池セルを作製する工程と、第２シリコン基板の主表面上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成された第２太陽電池セルを積層する工程と、第１太陽電池セルの上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成された第３太陽電池セルを積層する工程と、第１シリコン基板の裏面と第２シリコン基板の裏面とを貼り合わせる工程とを少なくとも備える。   Moreover, the manufacturing method of the other multijunction solar cell which concerns on this invention is the process of producing the 1st photovoltaic cell comprised from the silicon on the main surface of a 1st silicon substrate, On the main surface of a 2nd silicon substrate A step of laminating a second solar cell composed of a first material having a lower band gap energy than silicon, and a second material having a larger band gap energy than silicon on the first solar cell. And a step of laminating the third solar cells thus formed, and a step of bonding the back surface of the first silicon substrate and the back surface of the second silicon substrate.

以上説明したことによりに、本発明によれば、バンドギャップエネルギーの組み合わせを柔軟にすることで太陽光エネルギーを効率的に利用できる多接合型太陽電池を、高品質なシリコン太陽電池を用いることでより安価に形成できるようになるという優れた効果が得られる。 Above in By explained, according to the present invention, the multi-junction solar cells can utilize solar energy effectively by the flexible combination of bandgap energy, the use of high-quality silicon solar cells Thus, an excellent effect of being able to be formed at a lower cost is obtained.

図１は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a multi- junction solar cell. 図２は、多接合太陽電池の分光感度特性を示す特性図である。Figure 2 is a characteristic diagram showing the spectral sensitivity characteristics of multi-junction solar cell. 図３は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the multi- junction solar cell. 図４は、多接合太陽電池の分光感度特性を示す特性図である。Figure 4 is a characteristic diagram showing the spectral sensitivity characteristics of multi-junction solar cell. 図５は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the multi- junction solar cell. 図６は、多接合太陽電池の分光感度特性を示す特性図である。Figure 6 is a characteristic diagram showing the spectral sensitivity characteristics of multi-junction solar cell. 図７Ａは、多接合太陽電池の製造方法例１を説明するための工程図である。FIG. 7A is a process diagram for explaining the manufacturing method example 1 of the multi- junction solar cell. 図７Ｂは、多接合太陽電池の製造方法例１を説明するための工程図である。FIG. 7B is a process diagram for explaining the manufacturing method example 1 of the multi- junction solar cell. 図７Ｃは、多接合太陽電池の製造方法例１を説明するための工程図である。FIG. 7C is a process diagram for explaining the manufacturing method example 1 of the multi- junction solar cell. 図７Ｄは、多接合太陽電池の製造方法例１を説明するための工程図である。FIG. 7D is a process diagram for explaining the manufacturing method example 1 of the multi- junction solar cell. 図８Ａは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8A is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図８Ｂは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8B is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図８Ｃは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8C is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図８Ｄは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8D is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図８Ｅは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8E is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図８Ｆは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例２を説明するための工程図である。Figure 8F is a process diagram for explaining a manufacturing method of the second multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ａは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。Figure 9A is a process diagram for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ｂは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。9B is a process diagram for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ｃは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。9C is a process diagram for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ｄは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。9D is a process diagram for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ｅは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。Figure 9E is a process drawing for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention. 図９Ｆは、本発明の実施の形態における多接合太陽電池の製造方法例３を説明するための工程図である。Figure 9F is a process drawing for explaining a manufacturing method of the third multi-junction solar cells definitive to form state of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

はじめに、多接合太陽電池について図１を用いて説明する。図１は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。この多接合太陽電池は、シリコンから構成された第１太陽電池セル１０１と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成されて第１太陽電池セル１０１の一方の面に積層された第２太陽電池セル１０２と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成されて第１太陽電池セル１０１の他方の面に積層された第３太陽電池セル１０３とを備える。 This First, the multijunction solar cell will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a multi- junction solar cell. This multi-junction solar cell is composed of a first solar cell 101 made of silicon and a first material having a band gap energy smaller than that of silicon and laminated on one surface of the first solar cell 101. Two solar cells 102 and a third solar cell 103 made of a second material having a larger band gap energy than silicon and stacked on the other surface of the first solar cell 101.

本多接合太陽電池において、第２太陽電池セル１０２は、第１材料をＧｅとし、第３太陽電池セル１０３は、第２材料をＩｎＧａＰとしている。第１太陽電池セル１０１を構成しているシリコンは、バンドギャップエネルギーが１．１ｅＶであり、第１材料のＧｅはバンドギャップエネルギーが０．６６ｅＶである。また、第２材料のＩｎＧａＰは、ＩＩＩ族元素のＩｎおよびＧａの組成比により、バンドギャップエネルギーは、１．３４ｅＶ（ＩｎＰ）から２．２６ｅＶ（ＧａＰ）まで変更可能である。 In this multi- junction solar cell, the second solar cell 102 is made of Ge as the first material, and the third solar cell 103 is made of InGaP as the second material. Silicon constituting the first solar battery cell 101 has a band gap energy of 1.1 eV, and Ge of the first material has a band gap energy of 0.66 eV. The band gap energy of the second material, InGaP, can be changed from 1.34 eV (InP) to 2.26 eV (GaP) depending on the composition ratio of the group III elements In and Ga.

ここで、第１太陽電池セル１０１は、シリコン基板を用い、シリコン基板に不純物を導入することで、ｐ型層およびｎ型層を形成して太陽電池セルとしている。また、第２太陽電池セル１０２は、ｐ型のＧｅからなるｐ型層とｎ型のＳｉＧｅからなるｎ型層を形成して太陽電池セルとしている。また、第３太陽電池セルは、例えば、ｐ型のＧａＰ、ｐ型のＩｎＧａＰおよびｎ型のＩｎＧａＰより太陽電池セルを構成している。   Here, the first solar battery cell 101 uses a silicon substrate and introduces impurities into the silicon substrate to form a p-type layer and an n-type layer to form a solar battery cell. The second solar battery cell 102 is a solar battery cell by forming a p-type layer made of p-type Ge and an n-type layer made of n-type SiGe. In addition, the third solar cell constitutes a solar cell from, for example, p-type GaP, p-type InGaP, and n-type InGaP.

なお、第１太陽電池セル１０１を構成しているシリコン基板の一方の面にＧｅからなる第２太陽電池セル１０２を形成し、また、当該シリコン基板の他方の面にＩｎＧａＰからなる第３太陽電池セル１０３を形成するにあたり、実際には、ＧｅおよびＩｎＧａＰを良好に形成するための様々なバッファ層構造や、太陽電池セルの特性を向上させるための裏面電界(Back Surface Field: BSF)層、各セル間を接合させるためのトンネル接合層などを形成している。これらの層は、図１では省略しているが、多くのバリエーションがある。   A second solar cell 102 made of Ge is formed on one surface of the silicon substrate constituting the first solar cell 101, and a third solar cell made of InGaP is formed on the other surface of the silicon substrate. In forming the cell 103, actually, various buffer layer structures for forming Ge and InGaP satisfactorily, and a back surface field (Back Surface Field: BSF) layer for improving the characteristics of the solar cell, A tunnel junction layer for joining cells is formed. These layers are omitted in FIG. 1, but there are many variations.

本多接合太陽電池において、第３太陽電池セル１０３を構成するＩｎＧａＰのＩＩＩ族組成を、バンドギャップエネルギーが１．８ｅＶ程度になるように設定した場合、図２に示すような分光感度特性となる。図２において、（ａ）は、第１太陽電池セル１０１の量子効率曲線であり、（ｂ）は、第２太陽電池セル１０２の量子効率曲線であり、（ｃ）は、第３太陽電池セル１０３の量子効率曲線である。なお、図２の（ｄ）は、太陽光スペクトルである。図２より明らかなように、３つの太陽電池セルにより、ほぼ太陽光スペクトルをカバーしており、高効率になることが期待できる。 In this multi- junction solar cell, when the group III composition of InGaP constituting the third solar cell 103 is set so that the band gap energy is about 1.8 eV, the spectral sensitivity characteristic as shown in FIG. 2 is obtained. . In FIG. 2, (a) is a quantum efficiency curve of the 1st photovoltaic cell 101, (b) is a quantum efficiency curve of the 2nd photovoltaic cell 102, (c) is a 3rd photovoltaic cell. 103 is a quantum efficiency curve. In addition, (d) of FIG. 2 is a sunlight spectrum. As is clear from FIG. 2, the solar cell spectrum is almost covered by the three solar cells, and it can be expected to be highly efficient.

次に、他の多接合太陽電池について図３を用いて説明する。図３は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。この多接合太陽電池は、シリコンから構成された第１太陽電池セル３０１と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成されて第１太陽電池セル３０１の一方の面に積層された第２太陽電池セル３０２と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成されて第１太陽電池セル３０１の他方の面に積層された第３太陽電池セル３０３とを備える。 In the following, it will be described with reference to FIG. 3 for other multi-junction solar cell. FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of the multi- junction solar cell. This multi-junction solar cell includes a first solar cell 301 made of silicon and a first material having a band gap energy smaller than that of silicon and stacked on one surface of the first solar cell 301. 2 solar cells 302 and a third solar cell 303 made of a second material having a larger band gap energy than silicon and stacked on the other surface of the first solar cell 301.

本多接合太陽電池において、第２太陽電池セル３０２は、第１材料をＩｎＮとし、第３太陽電池セル３０３は、第２材料をＩｎＧａＮとしている。第１材料のＩｎＮは、バンドギャップエネルギーが０．７ｅＶである。また、第２材料のＩｎＧａＮは、ＩＩＩ族元素のＩｎおよびＧａの組成比により、バンドギャップエネルギーは、０．７ｅＶ（ＩｎＮ）から３．４ｅＶ（ＧａＮ）まで変更可能である。 In the present multi- junction solar cell, the second solar cell 302 uses InN as the first material, and the third solar cell 303 uses InGaN as the second material. The first material, InN, has a band gap energy of 0.7 eV. The band gap energy of the second material, InGaN, can be changed from 0.7 eV (InN) to 3.4 eV (GaN) depending on the composition ratio of the group III elements In and Ga.

ここで、第１太陽電池セル３０１は、シリコン基板を用い、シリコン基板に不純物を導入することで、ｐ型層およびｎ型層を形成して太陽電池セルとしている。また、第２太陽電池セル３０２は、ｐ型のＩｎＮからなるｐ型層とｎ型のＩｎＮからなるｎ型層を形成して太陽電池セルとしている。また、第３太陽電池セルは、例えば、ｐ型のＧａＮ、ｐ型のＩｎＧａＮおよびｎ型のＩｎＧａＮより太陽電池セルを構成している。   Here, the first solar cell 301 uses a silicon substrate and introduces impurities into the silicon substrate, thereby forming a p-type layer and an n-type layer to form a solar cell. The second solar cell 302 is a solar cell by forming a p-type layer made of p-type InN and an n-type layer made of n-type InN. Further, the third solar battery cell constitutes a solar battery cell from, for example, p-type GaN, p-type InGaN, and n-type InGaN.

なお、第１太陽電池セル３０１を構成しているシリコン基板の一方の面にＩｎＮからなる第２太陽電池セル３０２を形成し、また、当該シリコン基板の他方の面にＩｎＧａＮからなる第３太陽電池セル３０３を形成するにあたり、実際には、ＩｎＮおよびＩｎＧａＮを良好に形成するための様々なバッファ層構造や、太陽電池セルの特性を向上させるためのＢＳＦ層、各セル間を接合させるためのトンネル接合層などを形成している。これらの層は、図３では省略しているが、多くのバリエーションがある。   A second solar cell 302 made of InN is formed on one surface of the silicon substrate constituting the first solar cell 301, and a third solar cell made of InGaN is formed on the other surface of the silicon substrate. In forming the cell 303, various buffer layer structures for forming InN and InGaN satisfactorily, a BSF layer for improving the characteristics of the solar battery cell, and a tunnel for joining the cells. A bonding layer is formed. These layers are omitted in FIG. 3, but there are many variations.

本多接合太陽電池において、第３太陽電池セル３０３を構成するＩｎＧａＮのＩＩＩ族組成を、バンドギャップエネルギーが１．８ｅＶ程度になるように設定した場合、図４に示すような分光感度特性となる。図４において、（ａ）は、第１太陽電池セル３０１の量子効率曲線であり、（ｂ）は、第２太陽電池セル３０２の量子効率曲線であり、（ｃ）は、第３太陽電池セル３０３の量子効率曲線である。なお、図４の（ｄ）は、太陽光スペクトルである。図４より明らかなように、３つの太陽電池セルにより、ほぼ太陽光スペクトルをカバーしており、高効率になることが期待できる。 In the present multijunction solar cell, when the group III composition of InGaN constituting the third solar cell 303 is set so that the band gap energy is about 1.8 eV, the spectral sensitivity characteristic as shown in FIG. 4 is obtained. . In FIG. 4, (a) is a quantum efficiency curve of the 1st photovoltaic cell 301, (b) is a quantum efficiency curve of the 2nd photovoltaic cell 302, (c) is a 3rd photovoltaic cell. It is a quantum efficiency curve of 303. In addition, (d) of FIG. 4 is a sunlight spectrum. As is clear from FIG. 4, the solar cell spectrum is almost covered by the three solar cells, and it can be expected to be highly efficient.

次に、他の多接合太陽電池について図５を用いて説明する。図５は、多接合太陽電池の構成を示す構成図である。この多接合太陽電池は、シリコンから構成された第１太陽電池セル５０１と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成されて第１太陽電池セル５０１の一方の面に積層された第２太陽電池セル５０２と、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成されて第１太陽電池セル５０１の他方の面に積層された第３太陽電池セル５０３とを備える。加えて、本多接合太陽電池では、第１太陽電池セル５０１と第３太陽電池セル５０３との間に、バンドギャップエネルギーが、シリコンよりも大きく第２材料よりも小さい第３材料から構成された第４太陽電池セル５０４を設けている。 Next, another multi-junction solar cell will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the multi- junction solar cell. The multi-junction solar cell includes a first solar cell 501 made of silicon and a first material having a band gap energy smaller than that of silicon and stacked on one surface of the first solar cell 501. 2 solar cells 502 and a third solar cell 503 made of a second material having a larger band gap energy than silicon and stacked on the other surface of the first solar cell 501. In addition, in the multi-junction solar cell, between the first solar cell 501 third solar cell 503, the band gap energy, which is composed of a small third material than the second material greater than the silicon A fourth solar battery cell 504 is provided.

本多接合太陽電池において、第２太陽電池セル５０２は、第１材料をＩｎＮとし、第３太陽電池セル５０３は、第２材料をＩｎＡｌＮとし、第３材料をＩｎＧａＮとしている。 In the present multi- junction solar cell, the second solar cell 502 is made of InN as the first material, the third solar cell 503 is made of InAlN as the second material, and InGaN as the third material.

なお、第１太陽電池セル５０１を構成しているシリコン基板の一方の面にＩｎＮからなる第２太陽電池セル５０２を形成し、また、当該シリコン基板の他方の面にＩｎＡｌＮからなる第４太陽電池セル５０４を形成するにあたり、実際には、ＩｎＮおよびＩｎＡｌＮを良好に形成するための様々なバッファ層構造や、太陽電池セルの特性を向上させるためのＢＳＦ層、各セル間を接合させるためのトンネル接合層などを形成している。これらの層は、図５では省略しているが、多くのバリエーションがある。   A second solar cell 502 made of InN is formed on one surface of the silicon substrate constituting the first solar cell 501, and a fourth solar cell made of InAlN is formed on the other surface of the silicon substrate. In forming the cell 504, actually, various buffer layer structures for forming InN and InAlN satisfactorily, a BSF layer for improving the characteristics of solar cells, and a tunnel for joining the cells. A bonding layer is formed. These layers are omitted in FIG. 5, but there are many variations.

本多接合太陽電池において、第３太陽電池セル５０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を、バンドギャップエネルギーが１．４ｅＶ程度になるように設定し、第４太陽電池セル５０４を構成するＩｎＡｌＮのＩｎ組成を、バンドギャップエネルギーが２．０ｅＶ程度になるように設定した場合、図６に示すような分光感度特性となる。なお、このようなＩｎ組成の設定を行うと、ＩｎＧａＮとＩｎＡｌＮとの格子定数がほぼ一致し、いわゆる格子整合の状態となり、より高品質にＩｎＡｌＮの層が形成できるという利点がある。 In this multi- junction solar cell, the In composition of InGaN constituting the third solar cell 503 is set so that the band gap energy is about 1.4 eV, and the In composition of InAlN constituting the fourth solar cell 504 is set. Is set so that the band gap energy is about 2.0 eV, the spectral sensitivity characteristics as shown in FIG. 6 are obtained. In addition, when such an In composition is set, the lattice constants of InGaN and InAlN substantially coincide with each other, so that a so-called lattice matching state is obtained and an InAlN layer can be formed with higher quality.

図６において、（ａ）は、第１太陽電池セル５０１の量子効率曲線であり、（ｂ）は、第２太陽電池セル５０２の量子効率曲線であり、（ｃ）は、第３太陽電池セル５０３の量子効率曲線であり、（ｄ）は、第４太陽電池セル５０４の量子効率曲線である。なお、図６の（ｅ）は、太陽光スペクトルである。図６より明らかなように、４つの太陽電池セルにより、ほぼ太陽光スペクトルをカバーしており、高効率になることが期待できる。また、本多接合太陽電池によれば、前述した多接合太陽電池に比較して、より短波長側に量子効率曲線が伸びており、更に高効率になることが期待できる。 In FIG. 6, (a) is a quantum efficiency curve of the first solar cell 501, (b) is a quantum efficiency curve of the second solar cell 502, and (c) is a third solar cell. It is a quantum efficiency curve of 503, and (d) is a quantum efficiency curve of the fourth solar battery cell 504. In addition, (e) of FIG. 6 is a sunlight spectrum. As can be seen from FIG. 6, the four solar cells substantially cover the sunlight spectrum and can be expected to be highly efficient. The present according to the multi-junction solar cell, compared to a multi-junction solar cell described above, extends the quantum efficiency curves to a shorter wavelength side, it is expected that further comprising a high efficiency.

［製造方法］
次に、本発明における多接合太陽電池の製造方法について説明する。以下では、前述した多接合太陽電池の製造法について説明する。 [Production method]
Next, the manufacturing method of the multijunction solar cell in this invention is demonstrated. Hereinafter, description will be given of a manufacturing method of the multi-junction solar cell described above.

［製造方法例１］
はじめに、製造方法例１について、図７Ａ〜図７Ｄを用いて説明する。まず、図７Ａに示すように、導電型がｐ型とされたシリコン基板７０１を用意する。次に、図７Ｂに示すように、シリコン基板７０１の主表面にｎ+−Ｓｉ層７０２を形成し、シリコン基板７０１の裏面に、ＢＳＦ層７０３およびトンネル接合層７０４を形成する。このように各層が形成されたシリコン基板７０１により、第１太陽電池セルが構成される。 [Production Method Example 1]
First, the manufacturing method example 1 is demonstrated using FIG. 7A-FIG. 7D. First, as shown in FIG. 7A, a silicon substrate 701 having a p-type conductivity is prepared. Next, as shown in FIG. 7B, an n + -Si layer 702 is formed on the main surface of the silicon substrate 701, and a BSF layer 703 and a tunnel junction layer 704 are formed on the back surface of the silicon substrate 701. A first solar cell is constituted by the silicon substrate 701 on which each layer is formed in this manner.

ここで、ＢＳＦ層７０３は、シリコン基板７０１で生成した小数キャリアである電子の実効的な拡散長を増大させる。また、トンネル接合層７０４は、ＢＳＦ層７０３と組み合わせることで、後述する第２太陽電池セルとのトンネル接合を形成する。このトンネル接合により、第１太陽電池セルと第２太陽電池セルとを、電気的に損失なく接続することができる。   Here, the BSF layer 703 increases the effective diffusion length of electrons, which are minority carriers generated in the silicon substrate 701. Moreover, the tunnel junction layer 704 forms a tunnel junction with the second solar battery cell described later by combining with the BSF layer 703. By this tunnel junction, the first solar cell and the second solar cell can be electrically connected without loss.

各不純物の導入層は、まず、シリコン基板７０１の裏に、高濃度にｐ型不純物の導入を行うことで、ＢＳＦ層７０３を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−Ｓｉ層であるＢＳＦ層７０３を形成すればよい。次に、シリコン基板７０１の主表面および裏面に高濃度にｎ型不純物の導入を行うことで、ｎ+−Ｓｉ層７０２およびトンネル接合層７０４を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｎ型不純物を導入すればよい。 Each impurity introduction layer first forms a BSF layer 703 by introducing p-type impurities at a high concentration behind the silicon substrate 701. For example, the BSF layer 703 that is a p + -Si layer into which a p-type impurity is introduced at a high concentration may be formed by a technique such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth. Next, n + -Si layer 702 and tunnel junction layer 704 are formed by introducing n-type impurities at a high concentration into the main surface and the back surface of silicon substrate 701. For example, the n-type impurity may be introduced at a high concentration by a technique such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth.

次に、図７Ｃに示すように、ｎ+−Ｓｉ層７０２の上に、高濃度にｐ型不純物が導入されたＧａＰからなるトンネル接合層７１１、組成傾斜層７１２、ｐ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｐ−ＩｎＧａＰ層７１３、および高濃度にｎ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｎ+−ＩｎＧａＰ層７１４を、順次形成する。組成傾斜層７１２は、ＧａＰからバンドギャップエネルギー１．８ｅＶとなるＩｎＧａＰまでＩＩＩ族元素の組成比を徐々に変化させた層であり、ｐ型不純物を導入してｐ型としている。 Next, as shown in FIG. 7C, a tunnel junction layer 711 made of GaP into which a p-type impurity is introduced at a high concentration, a composition gradient layer 712, and a p-type impurity are introduced on the n + -Si layer 702. A p-InGaP layer 713 made of InGaP and an n + -InGaP layer 714 made of InGaP doped with an n-type impurity at a high concentration are sequentially formed. The composition gradient layer 712 is a layer in which the composition ratio of group III elements is gradually changed from GaP to InGaP having a band gap energy of 1.8 eV, and is made p-type by introducing p-type impurities.

トンネル接合層７１１とｎ+−Ｓｉ層７０２との間にはトンネル接合が形成され、Ｓｉで構成された第１太陽電池セルとＩｎＧａＰで構成された第３太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。また、ＧａＰとＳｉとの格子定数差は小さく、いわゆる格子整合しているため、高品質な状態でＧａＰを堆積することが可能であることが利点である。また、ｎ+−ＩｎＧａＮ層７１４は、この上面にｎコンタクト電極を形成するための層（ｎ型コンタクト層）である。 A tunnel junction is formed between the tunnel junction layer 711 and the n + -Si layer 702, and the first solar cell made of Si and the third solar cell made of InGaP are electrically lost. Can be connected. Moreover, since the lattice constant difference between GaP and Si is small and so-called lattice matching is achieved, it is advantageous that GaP can be deposited in a high quality state. The n + -InGaN layer 714 is a layer (n-type contact layer) for forming an n-contact electrode on the upper surface.

次に、図７Ｄに示すように、シリコン基板７０１の裏面側のトンネル接合層７０４に、組成傾斜層７２１、ｐ形の不純物が導入されたＧｅからなるｐ−Ｇｅ層７２２、およびｐ型の不純物が高濃度に導入されたＧｅからなるｐ+−Ｇｅ層７２３を順次形成する。組成傾斜層７２１は、ｎ型不純物が導入され、ＳｉとＧｅの混合比率をトンネル接合層７０４から離れるに従って（ｐ−Ｇｅ層７２２に向かって）徐々に変化させた層である。 Next, as shown in FIG. 7D, the composition gradient layer 721, the p-Ge layer 722 made of Ge into which the p-type impurity is introduced, and the p-type impurity are added to the tunnel junction layer 704 on the back surface side of the silicon substrate 701. A p + -Ge layer 723 made of Ge introduced at a high concentration is sequentially formed. The composition gradient layer 721 is a layer in which an n-type impurity is introduced and the mixing ratio of Si and Ge is gradually changed as the distance from the tunnel junction layer 704 increases (toward the p-Ge layer 722).

トンネル接合層７０４と組成傾斜層７２１との間にはトンネル接合が形成され、シリコンで構成された第１太陽電池セルとＧｅで構成された第２太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。また、ｐ+−Ｇｅ層７２３は、ＢＳＦ層であるとともにｐコンタクト電極を形成するためのｐコンタクト層の機能を有する。 A tunnel junction is formed between the tunnel junction layer 704 and the composition gradient layer 721, and the first solar cell made of silicon and the second solar cell made of Ge are connected without electrical loss. it can. The p + -Ge layer 723 is a BSF layer and has a function of a p contact layer for forming a p contact electrode.

上述した製造方法では、第１太陽電池セルを構成しているシリコン基板の主表面の側に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい材料（ＩｎＧａＰ）で構成される第３太陽電池セルを形成し、シリコン基板の裏面（下面）側にシリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい材料（Ｇｅ）で構成される第２太陽電池セルを形成する例を示した。また、同様な工程により、シリコン基板の主表面側に第２太陽電池セルを形成し、シリコン基板の裏面側に第３太陽電池セルを形成してもよい。   In the manufacturing method described above, on the main surface side of the silicon substrate constituting the first solar cell, a third solar cell made of a material (InGaP) having a larger band gap energy than silicon is formed, The example which forms the 2nd photovoltaic cell comprised by the back surface (lower surface) side of a silicon substrate with the material (Ge) whose band gap energy is smaller than silicon was shown. Further, by the same process, the second solar cell may be formed on the main surface side of the silicon substrate, and the third solar cell may be formed on the back surface side of the silicon substrate.

また、上述した製造方法では、シリコン基板の主表面側にｎ型コンタクト層を配置し、シリコン基板裏面側にｐ型コンタクト層を配置する例を示したが、これに限るものではない。シリコン基板の主表面側にｐ型コンタクト層を配置し、裏面側にｎ型コンタクト層を配置してもよい。更に、上述では、ｐ型シリコン基板を用いるなど、太陽電池セルとしての吸収層に対応する領域をｐ型とした例を示したが、これに限るものではない。ｎ型シリコン基板を用いるなどして吸収層に相当する領域をｎ型にすることも可能である。あるいは、第２太陽電池セル、第１太陽電池セル、第３太陽電池セルの各々において、吸収層の導電型を任意に選択することも可能である。また、いずれかの、もしくはすべての太陽電池セルにおいて（実用上はトップセルにおいて）、吸収層領域に導電性不純物を導入せずにいわゆるｐ−ｉ−ｎ構造としてもよい。   In the above-described manufacturing method, the example in which the n-type contact layer is disposed on the main surface side of the silicon substrate and the p-type contact layer is disposed on the back surface side of the silicon substrate has been described, but the present invention is not limited thereto. A p-type contact layer may be disposed on the main surface side of the silicon substrate, and an n-type contact layer may be disposed on the back surface side. Further, in the above description, an example in which a region corresponding to an absorption layer as a solar battery cell is p-type, such as using a p-type silicon substrate, is shown, but the present invention is not limited to this. It is also possible to make the region corresponding to the absorption layer n-type by using an n-type silicon substrate. Or it is also possible to select arbitrarily the conductivity type of an absorption layer in each of a 2nd photovoltaic cell, a 1st photovoltaic cell, and a 3rd photovoltaic cell. Further, in any or all of the solar cells (practically a top cell), a so-called pin structure may be used without introducing conductive impurities into the absorption layer region.

上述した製造方法では、トンネル接合の形成について、第３太陽電池セル〜第１太陽電池セルの間は、ｐ+−ＧａＰ／ｎ+−Ｓｉとヘテロ接合でトンネル接合を形成している。また、第１太陽電池セル〜第２太陽電池セルの間は、ｐ+−Ｓｉ／ｎ+−Ｓｉとシリコン基板側にホモ接合でトンネル接合を形成した。しかしながらこれに限るものではなく、例えば、第３太陽電池セル〜第１太陽電池セルの間をｐ+−ＧａＰ／ｎ+−ＧａＰとホモ接合のトンネル接合にしてもよい。また、第１太陽電池セル〜第３太陽電池セルの間は、ｐ+−Ｇｅ／ｎ+−Ｓｉとヘテロ接合のトンネル接合にしてもよく、また、ｐ+−Ｇｅ／ｎ+−Ｇｅというホモ接合のトンネル接合にしてもよい。 In the manufacturing method described above, the tunnel junction is formed between the third solar cell and the first solar cell as a heterojunction with p + -GaP / n + -Si. Moreover, between the 1st photovoltaic cell and the 2nd photovoltaic cell, the tunnel junction was formed in p <+ >-Si / n <+>- Si and the silicon substrate side by the homojunction. However, the present invention is not limited to this. For example, the tunnel junction between the third solar cell and the first solar cell may be a p + -GaP / n + -GaP and a homojunction tunnel junction. Further, between the first solar cell and the third solar cell, a tunnel junction of p + -Ge / n + -Si and a heterojunction may be formed, and a homogeneity of p + -Ge / n + -Ge is also possible. A tunnel junction may be used.

更に、第３太陽電池セル〜第１太陽電池セルの間を、ＧａＰよりもバンドギャップエネルギーの大きい材料（例えば、ＡｌＰ）でトンネル接合を形成すると、電気的な損失がないだけでなく光学的な損失も回避することができ、変換効率向上のためには非常に有効である。同じ理由で、第１太陽電池セル〜第２太陽電池セルの間も、Ｓｉよりもバンドギャップエネルギーの大きい材料（例えばＧａＰ）でトンネル接合を形成すると、電気的・光学的な損失のない接続が可能となり、変換効率向上のためには非常に有効である。   Furthermore, when a tunnel junction is formed between the third solar cell and the first solar cell with a material having a larger band gap energy than GaP (for example, AlP), not only there is no electrical loss, but also optical. Loss can also be avoided, which is very effective for improving the conversion efficiency. For the same reason, when a tunnel junction is formed between the first solar cell and the second solar cell with a material (for example, GaP) having a larger band gap energy than Si, a connection without electrical and optical loss is obtained. This is very effective for improving the conversion efficiency.

［製造方法例２］
次に、製造方法例２について、図８Ａ〜図８Ｆを用いて説明する。まず、図８Ａに示すように、導電型がｐ型とされたシリコン基板（第１シリコン基板）８０１を用意する。次に、図８Ｂに示すように、シリコン基板８０１の主表面にｎ+−Ｓｉ層８０２を形成し、シリコン基板８０１の裏面に、ＢＳＦ層８０３およびｎ+−Ｓｉ層８０４を形成する。シリコン基板８０１とｎ+−Ｓｉ層８０２とにより、第１太陽電池セルが構成される。また、ＢＳＦ層８０３は、シリコン基板８０１で生成した小数キャリアである電子の実効的な拡散長を増大させる。また、ｎ+−Ｓｉ層８０４は、ＢＳＦ層８０３と組み合わせることで、後述する第２太陽電池セルとのトンネル接合を形成する。このトンネル接合により、第１太陽電池セルと第２太陽電池セルとを、電気的に損失なく接続することができる。 [Production Method Example 2]
Next, Production Method Example 2 will be described with reference to FIGS. 8A to 8F. First, as shown in FIG. 8A, a silicon substrate (first silicon substrate) 801 having a p-type conductivity is prepared. Next, as shown in FIG. 8B, an n + -Si layer 802 is formed on the main surface of the silicon substrate 801, and a BSF layer 803 and an n + -Si layer 804 are formed on the back surface of the silicon substrate 801. The silicon substrate 801 and the n + -Si layer 802 constitute a first solar battery cell. In addition, the BSF layer 803 increases the effective diffusion length of electrons that are fractional carriers generated in the silicon substrate 801. In addition, the n + -Si layer 804 forms a tunnel junction with a second solar cell described later by combining with the BSF layer 803. By this tunnel junction, the first solar cell and the second solar cell can be electrically connected without loss.

各不純物の導入層は、まず、シリコン基板８０１の裏に、高濃度にｐ型不純物の導入を行うことで、ＢＳＦ層８０３を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−Ｓｉ層であるＢＳＦ層８０３を形成すればよい。次に、シリコン基板８０１の主表面および裏面に高濃度にｎ型不純物の導入を行うことで、ｎ+−Ｓｉ層８０２およびｎ+−Ｓｉ層８０４を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｎ型不純物を導入すればよい。 Each impurity introduction layer first forms a BSF layer 803 on the back of the silicon substrate 801 by introducing a high concentration of p-type impurities. For example, the BSF layer 803 which is a p + -Si layer into which a p-type impurity is introduced at a high concentration may be formed by a method such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth. Next, n + -Si layer 802 and n + -Si layer 804 are formed by introducing n-type impurities at a high concentration into the main surface and the back surface of silicon substrate 801. For example, the n-type impurity may be introduced at a high concentration by a technique such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth.

次に、図８Ｃに示すように、ｎ+−Ｓｉ層８０２の上に、高濃度にｐ型不純物が導入されたＧａＰからなるトンネル接合層８１１、組成傾斜層８１２、ｐ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｐ−ＩｎＧａＰ層８１３、および高濃度にｎ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｎ+−ＩｎＧａＰ層８１４を、順次形成する。組成傾斜層８１２は、ＧａＰからバンドギャップエネルギー１．８ｅＶとなるＩｎＧａＰまでＩＩＩ族元素の組成比を徐々に変化させた層であり、ｐ型不純物を導入してｐ型としている。 Next, as shown in FIG. 8C, a tunnel junction layer 811 made of GaP into which a p-type impurity is introduced at a high concentration, a composition gradient layer 812, and a p-type impurity are introduced on the n + -Si layer 802. A p-InGaP layer 813 made of InGaP and an n + -InGaP layer 814 made of InGaP doped with an n-type impurity at a high concentration are sequentially formed. The composition gradient layer 812 is a layer in which the composition ratio of group III elements is gradually changed from GaP to InGaP having a band gap energy of 1.8 eV, and is made p-type by introducing p-type impurities.

トンネル接合層８１１とｎ+−Ｓｉ層８０２との間にはトンネル接合が形成され、Ｓｉで構成された第１太陽電池セルとＩｎＧａＰで構成された第３太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。また、ＧａＰとＳｉとの格子定数差は小さく、いわゆる格子整合しているため、高品質な状態でＧａＰを堆積することが可能であることが利点である。また、ｎ+−ＩｎＧａＮ層８１４は、この上面にｎコンタクト電極を形成するための層（ｎ型コンタクト層）である。 A tunnel junction is formed between the tunnel junction layer 811 and the n + -Si layer 802, and the first solar cell composed of Si and the third solar cell composed of InGaP are electrically lost. Can be connected. Moreover, since the lattice constant difference between GaP and Si is small and so-called lattice matching is achieved, it is advantageous that GaP can be deposited in a high quality state. The n + -InGaN layer 814 is a layer (n-type contact layer) for forming an n-contact electrode on the upper surface.

以上の第１太陽電池セルおよび第３太陽電池セルの製造については、前述した製造方法例１と同様である。この製造方法では、次に説明するように、第２太陽電池セルを別の基板に作製する。   About the manufacture of the above 1st photovoltaic cell and the 3rd photovoltaic cell, it is the same as that of the manufacturing method example 1 mentioned above. In this manufacturing method, as will be described below, the second solar battery cell is formed on another substrate.

まず、図８Ｄに示すように、高濃度にｎ型の不純物が導入された低抵抗のシリコン基板（第２シリコン基板）８２０を用意する。次に、図８Ｅに示すように、シリコン基板８２０の主表面に、組成傾斜層８２１、ｐ形の不純物が導入されたＧｅからなるｐ−Ｇｅ層８２２、およびｐ型の不純物が高濃度に導入されたＧｅからなるｐ+−Ｇｅ層８２３を順次形成する。組成傾斜層８２１は、ｎ型の不純物が導入され、ＳｉとＧｅの混合比率をシリコン基板８２０から離れるに従って（ｐ−Ｇｅ層８２２に向かって）徐々に変化させた層である。ｐ+−Ｇｅ層８２３は、ＢＳＦ層であるとともにｐコンタクト電極を形成するためのｐコンタクト層の機能を有する。なお、後述するように、シリコン基板８２０が、トンネル接合層として機能する。 First, as shown in FIG. 8D, a low-resistance silicon substrate (second silicon substrate) 820 into which n-type impurities are introduced at a high concentration is prepared. Next, as shown in FIG. 8E, a composition gradient layer 821, a p-Ge layer 822 made of Ge into which a p-type impurity is introduced, and a p-type impurity are introduced into the main surface of the silicon substrate 820 at a high concentration. A p + -Ge layer 823 made of Ge is sequentially formed. The composition gradient layer 821 is a layer in which an n-type impurity is introduced and the mixing ratio of Si and Ge is gradually changed as the distance from the silicon substrate 820 increases (toward the p-Ge layer 822). The p + -Ge layer 823 is a BSF layer and has a function of a p contact layer for forming a p contact electrode. As will be described later, the silicon substrate 820 functions as a tunnel junction layer.

次に、図８Ｆに示すように、シリコン基板８０１の裏面（ｎ+−Ｓｉ層８０４）にシリコン基板８２０の裏面を当接させて両者を貼り合わせる。このように貼り合わせることで、ｎ+−Ｓｉ層８０４とシリコン基板８２０とでトンネル接合層が構成され、シリコンで構成された第１太陽電池セルとＧｅで構成された第２太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。なお、シリコン基板８２０は、ここにおける光学的な損失を低減するために、可能な範囲で薄くすることが望ましい。例えば、貼り合わせる前にシリコン基板８２０を研磨により薄層化しておけば、変換効率の向上により有効である。 Next, as shown in FIG. 8F, the back surface of the silicon substrate 820 is brought into contact with the back surface (n + -Si layer 804) of the silicon substrate 801, and the two are bonded together. By bonding in this way, the n + -Si layer 804 and the silicon substrate 820 form a tunnel junction layer, and the first solar cell made of silicon and the second solar cell made of Ge are formed. Can be connected without electrical loss. Note that the silicon substrate 820 is desirably as thin as possible in order to reduce optical loss. For example, if the silicon substrate 820 is thinned by polishing before bonding, it is effective for improving the conversion efficiency.

製造方法例２では、ＩｎＧａＰで構成された第３太陽電池セル側の最表面をｎ+層、Ｇｅで構成された第２太陽電池セル側の最表面をｐ+層としたが、逆の組み合わせにしても全く問題はない。また、トンネル接合の形成や単一セルの構造をｐ−ｉ−ｎ構造にするといったことについては、製造方法例１で説明した様々なバリエーションがこの製造方法例２にも適用可能であることは言うまでもない。 In manufacturing method example 2, the outermost surface on the third solar cell side made of InGaP is the n + layer, and the outermost surface on the second solar cell side made of Ge is the p + layer. There is no problem at all. Further, regarding the formation of the tunnel junction and the single cell structure having the pin structure, the various variations described in the manufacturing method example 1 can be applied to the manufacturing method example 2. Needless to say.

［製造方法例３］
次に、製造方法例３について、図９Ａ〜図９Ｆを用いて説明する。まず、図９Ａに示すように、導電型がｐ型とされたシリコン基板（第１シリコン基板）９０１を用意する。次に、図９Ｂに示すように、シリコン基板９０１の主表面にｐ+−ＳｉからなるＢＳＦ層９０３およびｎ+−Ｓｉからなるトンネル接合層９０４を形成し、シリコン基板９０１の裏面に、ｎ+−Ｓｉ層９０２を形成する。これらが第１太陽電池セルとなる。 [Production Method Example 3]
Next, Production Method Example 3 will be described with reference to FIGS. 9A to 9F. First, as shown in FIG. 9A, a silicon substrate (first silicon substrate) 901 having a p-type conductivity is prepared. Next, as shown in FIG. 9B, a tunnel junction layer 904 made of BSF layers 903 and n + -Si consisting p + -Si the main surface of the silicon substrate 901 is formed on the back surface of the silicon substrate 901, n + A Si layer 902 is formed. These are the first solar cells.

各不純物の導入層は、まず、シリコン基板９０１の主表面に、高濃度にｐ型不純物の導入を行うことで、ＢＳＦ層９０３を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｐ型不純物を導入したｐ+−Ｓｉ層であるＢＳＦ層９０３を形成すればよい。次に、シリコン基板９０１の主表面および裏面に高濃度にｎ型不純物の導入を行うことで、ｎ+−Ｓｉ層９０２およびトンネル接合層９０４を形成する。例えば、熱拡散、イオン注入、もしくはエピタキシャル成長などの手法により、高濃度にｎ型不純物を導入すればよい。 Each impurity introduction layer first forms a BSF layer 903 by introducing a high concentration of p-type impurities into the main surface of the silicon substrate 901. For example, the BSF layer 903 which is a p + -Si layer into which a p-type impurity is introduced at a high concentration may be formed by a technique such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth. Next, an n + -Si layer 902 and a tunnel junction layer 904 are formed by introducing high concentration n-type impurities into the main surface and the back surface of the silicon substrate 901. For example, the n-type impurity may be introduced at a high concentration by a technique such as thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth.

次に、図９Ｃに示すように、シリコン基板９０１の主表面側のトンネル接合層９０４の上に、組成傾斜層９２１、ｐ形の不純物が導入されたＧｅからなるｐ−Ｇｅ層９２２、およびｐ型の不純物が高濃度に導入されたＧｅからなるｐ+−Ｇｅ層９２３を順次形成する。組成傾斜層９２１は、ｎ型の不純物が導入され、ＳｉとＧｅの混合比率をトンネル接合層９０４から離れるに従って（ｐ−Ｇｅ層９２２に向かって）徐々に変化させた層である。 Next, as shown in FIG. 9C, a composition gradient layer 921, a p-Ge layer 922 made of Ge into which a p-type impurity is introduced, and a p-type impurity layer 921, on the tunnel junction layer 904 on the main surface side of the silicon substrate 901, A p + -Ge layer 923 made of Ge into which a type impurity is introduced at a high concentration is sequentially formed. The composition gradient layer 921 is a layer in which an n-type impurity is introduced and the mixing ratio of Si and Ge is gradually changed as the distance from the tunnel junction layer 904 increases (toward the p-Ge layer 922).

トンネル接合層９０４と組成傾斜層９２１との間にはトンネル接合が形成され、シリコンで構成された第１太陽電池セルとＧｅで構成された第２太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。また、ｐ+−Ｇｅ層９２３は、ＢＳＦ層であるとともにｐコンタクト電極を形成するためのｐコンタクト層の機能を有する。 A tunnel junction is formed between the tunnel junction layer 904 and the composition gradient layer 921, and the first solar cell made of silicon and the second solar cell made of Ge are connected without electrical loss. it can. The p + -Ge layer 923 is a BSF layer and has a function of a p contact layer for forming a p contact electrode.

次に、以下に説明するように、第２太陽電池セルを別の基板に作製する。まず、図９Ｄに示すように、高濃度にｎ型の不純物が導入された低抵抗のシリコン基板（第２シリコン基板）９１０を用意する。   Next, as will be described below, the second solar battery cell is formed on another substrate. First, as shown in FIG. 9D, a low-resistance silicon substrate (second silicon substrate) 910 into which n-type impurities are introduced at a high concentration is prepared.

次に、図９Ｅに示すように、シリコン基板９１０の上に、高濃度にｐ型不純物が導入されたＧａＰからなるトンネル接合層９１１、組成傾斜層９１２、ｐ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｐ−ＩｎＧａＰ層９１３、および高濃度にｎ型不純物が導入されたＩｎＧａＰからなるｎ+−ＩｎＧａＰ層９１４を、順次形成する。組成傾斜層９１２は、ＧａＰからバンドギャップエネルギー１．９ｅＶとなるＩｎＧａＰまでＩＩＩ族元素の組成比を徐々に変化させた層であり、ｐ型不純物を導入してｐ型としている。 Next, as shown in FIG. 9E, on the silicon substrate 910, a tunnel junction layer 911 made of GaP doped with p-type impurities at a high concentration, a composition gradient layer 912, and made of InGaP doped with p-type impurities. A p-InGaP layer 913 and an n + -InGaP layer 914 made of InGaP doped with an n-type impurity at a high concentration are sequentially formed. The composition gradient layer 912 is a layer in which the composition ratio of group III elements is gradually changed from GaP to InGaP having a band gap energy of 1.9 eV, and is made p-type by introducing p-type impurities.

トンネル接合層９１１とシリコン基板９１０との間にはトンネル接合が形成され、後述するシリコン基板９０１とシリコン基板９１０との接合により、Ｓｉで構成された第１太陽電池セルとＩｎＧａＰで構成された第３太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。また、ＧａＰとＳｉとの格子定数差は小さく、いわゆる格子整合しているため、高品質な状態でＧａＰを堆積することが可能であることが利点である。また、ｎ+−ＩｎＧａＮ層９１４は、この上面にｎコンタクト電極を形成するための層（ｎ型コンタクト層）である。 A tunnel junction is formed between the tunnel junction layer 911 and the silicon substrate 910, and a first solar cell composed of Si and a first layer composed of InGaP are formed by joining a silicon substrate 901 and a silicon substrate 910 described later. 3 Solar cells can be connected without electrical loss. Moreover, since the lattice constant difference between GaP and Si is small and so-called lattice matching is achieved, it is advantageous that GaP can be deposited in a high quality state. The n + -InGaN layer 914 is a layer (n-type contact layer) for forming an n-contact electrode on the upper surface.

次に、図９Ｆに示すように、シリコン基板９０１の裏面（ｎ+−Ｓｉ層９０２）にシリコン基板９１０の裏面を当接させて両者を貼り合わせる。このように貼り合わせることで、ｎ+−Ｓｉ層９０１とシリコン基板９１０とでトンネル接合層が構成され、シリコンで構成された第１太陽電池セルとＩｎＧａＰで構成された第３太陽電池セルとが、電気的な損失なく接続できる。なお、シリコン基板９１０は、ここにおける光学的な損失を低減するために、可能な範囲で薄くすることが望ましい。例えば、貼り合わせる前にシリコン基板９１０を研磨により薄層化しておけば、変換効率の向上により有効である。 Next, as shown in FIG. 9F, the back surface of the silicon substrate 910 is brought into contact with the back surface (n + -Si layer 902) of the silicon substrate 901, and the two are bonded together. By bonding in this way, the n + -Si layer 901 and the silicon substrate 910 form a tunnel junction layer, and a first solar cell made of silicon and a third solar cell made of InGaP are formed. Can be connected without electrical loss. Note that the silicon substrate 910 is desirably as thin as possible in order to reduce optical loss. For example, if the silicon substrate 910 is thinned by polishing before bonding, it is effective for improving the conversion efficiency.

この製造方法例３では、第３太陽電池セル側の最表面をｎ+層、第２太陽電池セル側の最表面をｐ+層としたが、逆の組み合わせにしても全く問題はない。また、トンネル接合の形成や単一セルの構造をｐ−ｉ−ｎ構造にするなど、製造方法例１で説明した様々なバリエーションが、製造方法例３でも有効であることは言うまでもない。 In this production method example 3, the outermost surface on the third solar cell side is the n + layer and the outermost surface on the second solar cell side is the p + layer. However, there is no problem even if the combination is reversed. It goes without saying that the various variations described in the manufacturing method example 1 such as formation of a tunnel junction and a single cell structure having a pin structure are also effective in the manufacturing method example 3.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、前述では、３つおよび４つの太陽電池セルから構成した多接合太陽電池について説明したが、これに限るものではなく、更に多くの太陽電池セルから構成した多接合太陽電池であっても同様である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the multi-junction solar cell constituted by three and four solar cells has been described. However, the present invention is not limited to this, and the same applies to a multi-junction solar cell constituted by more solar cells. It is.

また、シリコンよりもバンドギャップの大きい材料として、ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＮ，およびＩｎＡｌＮを例示したが、これに限るものではなく、これ以外の材料でも本発明の効果を当然実現できる。更に、シリコンよりもバンドギャップの小さい材料として、ＧｅおよびＩｎＮを例示したが、これ以外の材料でも本発明の効果を実現できる。   In addition, although InGaP, InGaN, and InAlN have been exemplified as materials having a band gap larger than that of silicon, the present invention is not limited to this, and the effects of the present invention can be naturally realized with other materials. Furthermore, Ge and InN have been exemplified as materials having a band gap smaller than that of silicon, but the effects of the present invention can be realized with other materials.

また、例えば、前述した製造方法例では、シリコン基板上に第３太陽電池セルや第２太陽電池セルを形成する際の工程として、エピタキシャル成長など、基板上に堆積する手法を採ったが、例えば、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＰから構成された第３太陽電池セルの構造を堆積した後、シリコン基板上へ貼り合わせ、この後ＧａＡｓ基板を除去するようにしてもよい。また、Ｇｅで構成した第２太陽電池セルに関しては、Ｇｅ基板を用いてセルを作製した後にシリコン基板に貼り付けるようにしてもよい。   In addition, for example, in the above-described manufacturing method example, as a process when forming the third solar cell or the second solar cell on the silicon substrate, a method of depositing on the substrate such as epitaxial growth is adopted. After depositing the structure of the third solar cell composed of InGaP on the GaAs substrate, it may be bonded onto the silicon substrate, and then the GaAs substrate may be removed. Moreover, about the 2nd photovoltaic cell comprised with Ge, you may make it affix on a silicon substrate, after producing a cell using a Ge substrate.

１０１…第１太陽電池セル、１０２…第２太陽電池セル、１０３…第３太陽電池セル。   101 ... 1st photovoltaic cell, 102 ... 2nd photovoltaic cell, 103 ... 3rd photovoltaic cell.

Claims (2)

第１シリコン基板の主表面上にシリコンから構成された第１太陽電池セルを作製する工程と、
前記第１太陽電池セルの上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成された第２太陽電池セルを積層する工程と、
第２シリコン基板の主表面上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成された第３太陽電池セルを積層する工程と、
前記第１シリコン基板の裏面と前記第２シリコン基板の裏面とを貼り合わせる工程と
を少なくとも備えることを特徴とする多接合太陽電池の製造方法。 Producing a first solar cell composed of silicon on the main surface of the first silicon substrate;
Laminating a second solar cell composed of a first material having a lower band gap energy than silicon on the first solar cell;
Laminating a third solar cell composed of a second material having a larger band gap energy than silicon on the main surface of the second silicon substrate;
A method of manufacturing a multi-junction solar cell, comprising: bonding at least a back surface of the first silicon substrate and a back surface of the second silicon substrate. 第１シリコン基板の主表面上にシリコンから構成された第１太陽電池セルを作製する工程と、
第２シリコン基板の主表面上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの小さい第１材料から構成された第２太陽電池セルを積層する工程と、
前記第１太陽電池セルの上に、シリコンよりもバンドギャップエネルギーの大きい第２材料から構成された第３太陽電池セルを積層する工程と、
前記第１シリコン基板の裏面と前記第２シリコン基板の裏面とを貼り合わせる工程と
を少なくとも備えることを特徴とする多接合太陽電池の製造方法。 Producing a first solar cell composed of silicon on the main surface of the first silicon substrate;
Laminating a second solar cell composed of a first material having a lower band gap energy than silicon on the main surface of the second silicon substrate;
Laminating a third solar cell composed of a second material having a larger band gap energy than silicon on the first solar cell;
A method of manufacturing a multi-junction solar cell, comprising: bonding at least a back surface of the first silicon substrate and a back surface of the second silicon substrate.
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