JP5851872B2 - 化合物半導体太陽電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に関する。
太陽電池の中で効率が高く、宇宙用太陽電池への用途に適している太陽電池として化合物半導体太陽電池がある。
図１２に、従来の特許文献１に記載されている化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。図１２に示すように、特許文献１に記載の化合物半導体太陽電池は、ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる窓層１０６上に順次積層された、ｎ型ＧａＡｓからなるベース層１０８と、ｐ+型ＡｌxＧａ1-xＡｓからなるエミッタ層１１０と、ｐ+型ＧａＡｓからなる接触層１１６とを有している。そして、隣り合うエミッタ層１１０間の窪み１１４のベース層１０８の表面にｎ電極６０２が接しており、接触層１１６の表面にｐ電極６０４が接している。
米国特許出願公開第２０１１／００４８５３２号明細書
しかしながら、図１２に示す従来の特許文献１に記載の化合物半導体太陽電池においては、ｎ型ＧａＡｓからなるベース層１０８の表面にｎ電極６０２が直接接触しており、ベース層１０８とｎ電極６０２との間に、少数キャリアの障壁となる層が形成されていないため、化合物半導体太陽電池の開放電圧が低下するという問題があった。
また、ベース層１０８とｎ電極６０２とを直接接触させる場合には、ベース層１０８とｎ電極６０２との接触抵抗を低くすることが困難となり、Ｆ．Ｆ等の特性が低下するという問題もあった。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、開放電圧およびＦ．Ｆ等の特性を向上させることができる化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することにある。
さらに、本発明は、基板上に第２導電型の化合物半導体からなる窓層を形成する工程と、窓層上に第２導電型の化合物半導体からなるベース層を形成する工程と、ベース層上に第１導電型の化合物半導体からなるエミッタ層を形成する工程と、エミッタ層上に第１導電型の化合物半導体からなる第１のコンタクト層を形成する工程と、第１のコンタクト層の一部を除去する工程と、第１のコンタクト層の除去部分から第２導電型の不純物を拡散させることによって第２導電型の化合物半導体からなるヘテロ障壁層と第２導電型の化合物半導体からなる第２のコンタクト層とを形成する工程と、第１のコンタクト層上に第１の電極を形成する工程と、第２のコンタクト層上に第２の電極を形成する工程と、を含む、化合物半導体太陽電池の製造方法である。
ここで、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法においては、少なくともベース層まで第２導電型の不純物を拡散させることが好ましい。
また、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法においては、ヘテロ障壁層のバンドギャップエネルギが、ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。
また、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法においては、エミッタ層のバンドギャップエネルギが、ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。
さらに、本発明の化合物半導体太陽電池の製造方法においては、窓層のバンドギャップエネルギが、ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。
本発明によれば、開放電圧およびＦ．Ｆ等の特性を向上させることができる化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することができる。
実施の形態の化合物半導体太陽電池の模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の裏面に形成されたｎ電極およびｐ電極のそれぞれの一例の模式的な平面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池の裏面側に樹脂等を設けたときの一例の模式的な断面図である。 実施の形態の化合物半導体太陽電池のｐ型不純物の拡散の形態が異なる他の一例の模式的な断面図である。 従来の特許文献１に記載されている化合物半導体太陽電池の模式的な断面図である。
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。
図１に、本発明の化合物半導体太陽電池の一例である実施の形態の化合物半導体太陽電池の模式的な断面図を示す。図１に示すように、実施の形態の化合物半導体太陽電池は、ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に設けられたＡｌＡｓエッチング層２と、ＡｌＡｓエッチング層２上に設けられたｐ型ＩｎＧａＰ窓層３と、ｐ型ＩｎＧａＰ窓層３上に設けられたｐ型ＧａＡｓベース層４と、ｐ型ＧａＡｓベース層４上に設けられたｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５およびｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６と、を備えている。
また、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５上にはｎ型ＧａＡｓコンタクト層７が設けられており、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７上にはｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８が設けられている。また、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６上にはｐ型ＧａＡｓコンタクト層９が設けられている。
さらに、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８上にはｎ電極１０が形成されており、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９上にはｐ電極１１が形成されている。
図１に示すように、実施の形態の化合物半導体太陽電池においては、第１導電型の化合物半導体からなるエミッタ層５と、第２導電型の化合物半導体からなるベース層４と、が接しており、第２導電型の化合物半導体からなるヘテロ障壁層６がベース層４およびエミッタ層５のそれぞれに接している。また、ベース層４のエミッタ層５と反対側には窓層３が接している。
また、エミッタ層５のベース層４と反対側には第１導電型の化合物半導体からなるコンタクト層７，８の積層体が接しており、ヘテロ障壁層６のベース層４と反対側には第２導電型の化合物半導体からなるコンタクト層９が接している。
さらには、コンタクト層７，８の積層体のエミッタ層５と反対側にはｎ電極１０が設置されており、コンタクト層９のヘテロ障壁層６と反対側にはｐ電極１１が設置されている。
以下、図２〜図８の模式的断面図を参照して、実施の形態の化合物半導体太陽電池の製造方法の一例について説明する。まず、図２に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＡｓエッチング層２、ｐ型ＩｎＧａＰ窓層３およびｐ型ＧａＡｓベース層４をこの順にたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などによりエピタキシャル成長させる。
引き続き、ｐ型ＧａＡｓベース層４上にｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５をたとえばＭＯＣＶＤなどによりエピタキシャル成長させる。
引き続き、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層７およびｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８をこの順にたとえばＭＯＣＶＤなどによりエピタキシャル成長させる。
次に、図３に示すように、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８の表面上に、たとえばＣＶＤ法またはスパッタ法などにより、たとえばＳｉＯ2またはＳｉＮなどからなる拡散防止膜２１を形成する。
次に、図４に示すように、たとえば従来から公知のフォトエッチングなどにより、拡散防止膜２１の一部を除去して、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８の表面の一部が露出する開口部１２を形成する。
次に、図５に示すように、たとえばエッチングなどにより、コンタクト層７，８の積層体のうち、開口部１２から露出しているｎ+型ＧａＡｓコンタクトコンタクト層８の部分のみを除去して、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７の表面の一部が露出する開口部１３を形成する。
次に、図６に示すように、開口部１３から、たとえば亜鉛などのｐ型不純物をｐ型ＧａＡｓベース層４に到達するまでｎ型ＧａＡｓコンタクト層７およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５に拡散する。これにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５の導電型をそれぞれｐ型に反転させて、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９を形成することができる。また、このとき、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６がｐ型ＧａＡｓベース層４に接して、少数キャリアの障壁となる層としてより有効に機能するため、実施の形態の化合物半導体太陽電池の開放電圧を向上させることができる。
また、ｐ型不純物が拡散する幅Ｄは、５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この場合には、接触抵抗の低いｐ電極１１を形成できるだけの十分な幅を確保することができ、また、ｐ型ＧａＡｓベース層４で発生した少数キャリアがｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５に到達するまでの距離を最小限に抑えることができる。
また、ｐ型不純物が拡散する幅Ｄは、２０μｍ以下であることがより好ましい。この場合には、幅Ｄが電子の拡散長の約２倍程度となるため、ｐ型ＧａＡｓベース層４で発生した少数キャリアを再結合で失うことなく、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５から効率良く収集することができる。
なお、ｐ型不純物の拡散は、たとえば気相拡散または固相拡散などにより行なうことができる。また、気相拡散によりｐ型不純物を拡散させる場合には、たとえばジエチル亜鉛などをｐ型不純物ガスとして用いることができる。
次に、図７に示すように、たとえばエッチングなどにより、拡散防止膜２１をすべて除去する。
次に、図８に示すように、たとえば真空蒸着法またはスパッタ法などにより、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８上にｎ電極１０を形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９上にｐ電極１１を形成する。ここで、ｎ電極１０およびｐ電極１１の形成の順序は特に限定されない。
その後、たとえばエッチングなどにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９のそれぞれの層の一部を除去することによって、図１に示す構造の実施の形態の化合物半導体太陽電池を作製することができる。
なお、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９のそれぞれの層の一部を除去する上記の除去工程は、必ずしも行なう必要がないが、裏面からの光閉じ込めのためには有効であるため、行なう方が好ましい。
図９に、上記のようにして作製された実施の形態の化合物半導体太陽電池の裏面に形成されたｎ電極１０およびｐ電極１１のそれぞれの一例の模式的な平面図を示す。ここで、ｎ電極１０およびｐ電極１１はそれぞれ櫛形状に形成されており、ｎ電極１０の櫛歯とｐ電極１１の櫛歯とが１本ずつ交互に噛み合わさった形状となっている。
また、実施の形態の化合物半導体太陽電池は、その機械的強度を補強するために、たとえば図１０の模式的断面図に示すように、ｎ電極１０およびｐ電極１１の表面上に樹脂３１等を塗布して硬化させた後に、その上に保護フィルムを形成してもよい。
また、実施の形態の化合物半導体太陽電池においては、たとえば図１１の模式的断面図に示すように、ｐ型不純物が放射状に拡散して、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６の一部がｐ型ＧａＡｓベース層４に食い込むように形成されていてもよい。
上記のようにして作製された実施の形態の化合物半導体太陽電池においては、ｐ型ＧａＡｓベース層４とｐ電極１１との間に少数キャリアの障壁となるｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６が設けられているため、従来の特許文献１に記載の化合物半導体太陽電池と比較して、化合物半導体太陽電池の開放電圧を向上させることができる。
また、ｐ電極１１は、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層９上に設けられており、ｐ電極１１の下地がｐ型ＧａＡｓベース層４に限定されず、ｐ電極１１と接触抵抗の低い層を選択して形成することができることから、従来の特許文献１に記載の化合物半導体太陽電池と比較して、化合物半導体太陽電池のＦ．Ｆ等の特性を向上させることができる。
したがって、実施の形態においては、開放電圧およびＦ．Ｆ等の特性を向上させることができる化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法を提供することができる。
なお、上記において、ｐ型とｎ型との導電型は、反対であってもよい。たとえば、エミッタ層５がｐ型の化合物半導体からなる場合には、ｐ型不純物の代わりにｎ型不純物を拡散して、ｎ型の化合物半導体からなるヘテロ障壁層６およびコンタクト層９を形成することができる。このようなｎ型不純物としては、たとえば、テルル、硫黄またはセレンなどを用いることができる。なお、ｎ型不純物を気相拡散する場合には、たとえば、ジエチルテルルなどを用いることができる。
また、基板１、エッチング層２、窓層３、ベース層４、エミッタ層５、ヘテロ障壁層６、コンタクト層７，８，９、ｎ電極１０およびｐ電極１１の材質は、それぞれ、上記のものに限定されるものではないが、ヘテロ障壁層６のバンドギャップエネルギは、ベース層４のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。この場合には、ヘテロ障壁層６が少数キャリアの障壁層として有効に機能するため、実施の形態の化合物半導体太陽電池の開放電圧が向上する傾向にある。
また、エミッタ層５のバンドギャップエネルギは、ベース層４のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。この場合にも、実施の形態の化合物半導体太陽電池の開放電圧が向上する傾向にある。
また、窓層３のバンドギャップエネルギは、ベース層４のバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。この場合にも、実施の形態の化合物半導体太陽電池の開放電圧が向上する傾向にある。
＜実施例＞
まず、図２に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＡｓエッチング層２、厚さ５０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＰ窓層３、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層４、厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５、厚さ２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層７、および厚さ１００ｎｍのｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８をこの順にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。
次に、図３に示すように、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８の表面上にＳｉＯ2からなる拡散防止膜２１をＣＶＤ法により形成した。
次に、図４に示すように、拡散防止膜２１の一部を除去して、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８の表面の一部が露出する開口部１２をフォトエッチングにより形成した。
次に、図５に示すように、開口部１２から露出しているｎ+型ＧａＡｓコンタクトコンタクト層８の部分のみを除去して、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７の表面の一部が露出する開口部１３を形成した。
次に、図６に示すように、開口部１３から、ジエチル亜鉛を用い、ｐ型不純物としての亜鉛をｐ型ＧａＡｓベース層４に到達するまで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５に拡散し、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７およびｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５の導電型をそれぞれｐ型に反転させて、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロ障壁層６およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９を形成した。
次に、図７に示すように、拡散防止膜２１をエッチングによりすべて除去した。次に、図８に示すように、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８上にｎ電極１０を真空蒸着法により形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９上にｐ電極１１を真空蒸着法により形成した。ここで、ｎ電極１０およびｐ電極１１は、それぞれ、図９に示す櫛形状とされた。
その後、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９のそれぞれの層の一部をエッチングにより除去することによって、図１に示す構造の実施例の化合物半導体太陽電池を作製した。
そして、ソーラシミュレータを用いて、ＧａＡｓ基板１側からＡＭ１．５の擬似太陽光を１００ｍＷ／ｃｍ2のエネルギ密度で照射することによって、実施例の化合物半導体太陽電池のＩ−Ｖ曲線を求め、そのＩ−Ｖ曲線から実施例の化合物半導体太陽電池の開放電圧（Ｖoc）、短絡電流密度（Ｊsc）、曲線因子（Ｆ．Ｆ）および変換効率（Ｅff）を算出した。
その結果、実施例の化合物半導体太陽電池の開放電圧（Ｖoc）は１．１５Ｖであり、短絡電流密度（Ｊsc）は２９ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．８５であり、Ｅffは２８．３％であった。
＜比較例＞
図１２に示すように、ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる窓層１０６上に順次積層された、ｎ型ＧａＡｓからなるベース層１０８と、ｐ+型ＡｌxＧａ1-xＡｓからなるエミッタ層１１０と、ｐ+型ＧａＡｓからなる接触層１１６とを有しており、隣り合うエミッタ層１１０間の窪み１１４のベース層１０８の表面にｎ電極６０２が接しており、接触層１１６の表面にｐ電極６０４が接している構成の比較例の化合物半導体太陽電池を作製した。
そして、ソーラシミュレータを用いて、ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる窓層１０６側から、ＡＭ１．５の擬似太陽光を１００ｍＷ／ｃｍ2のエネルギ密度で照射することによって、比較例の化合物半導体太陽電池のＩ−Ｖ曲線を求め、そのＩ−Ｖ曲線から比較例の化合物半導体太陽電池の開放電圧（Ｖoc）、短絡電流密度（Ｊsc）、曲線因子（Ｆ．Ｆ）および変換効率（Ｅff）を算出した。
その結果、比較例の化合物半導体太陽電池の開放電圧（Ｖoc）は１．００Ｖであり、短絡電流密度（Ｊsc）は２９ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．８３であり、Ｅffは２４．１％であった。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
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。
本発明は、化合物半導体太陽電池および化合物半導体太陽電池の製造方法に利用することができる。
１ 基板、２ エッチング層、３ 窓層、４ ベース層、５ エミッタ層、６ ヘテロ障壁層、７，８，９ コンタクト層、１０ ｎ電極、１１ ｐ電極、１２，１３ 開口部、２１ 拡散防止膜、３１ 樹脂、１０６ 窓層、１０８ ベース層、１１０ エミッタ層、１１４ 窪み、１１６ 接触層、６０２ ｎ電極、６０４ ｐ電極。

Claims (5)

  1. 基板上に第２導電型の化合物半導体からなる窓層を形成する工程と、
    前記窓層上に第２導電型の化合物半導体からなるベース層を形成する工程と、
    前記ベース層上に第１導電型の化合物半導体からなるエミッタ層を形成する工程と、
    前記エミッタ層上に第１導電型の化合物半導体からなる第１のコンタクト層を形成する工程と、
    前記第１のコンタクト層の一部を除去する工程と、
    前記第１のコンタクト層の除去部分から第２導電型の不純物を拡散させることによって第２導電型の化合物半導体からなるヘテロ障壁層と第２導電型の化合物半導体からなる第２のコンタクト層とを形成する工程と、
    前記第１のコンタクト層上に第１の電極を形成する工程と、
    前記第２のコンタクト層上に第２の電極を形成する工程と、を含む、化合物半導体太陽電池の製造方法。
  2. 少なくとも前記ベース層まで前記第２導電型の不純物を拡散させる、請求項１に記載の化合物半導体太陽電池の製造方法。
  3. 前記ヘテロ障壁層のバンドギャップエネルギが、前記ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きい、請求項２に記載の化合物半導体太陽電池の製造方法。
  4. 前記エミッタ層のバンドギャップエネルギが、前記ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きい、請求項２または３に記載の化合物半導体太陽電池の製造方法。
  5. 前記窓層のバンドギャップエネルギが、前記ベース層のバンドギャップエネルギよりも大きい、請求項２から４のいずれか１項に記載の化合物半導体太陽電池の製造方法。
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