JP6199323B2 - 効率的化合物の半導体太陽電池のための構造及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年2月29日に出願された米国特許仮出願第61/605,186号の利益を主張し、当該暫定特許出願は引用により全体が本明細書に組み込まれる。
(技術分野)
本開示は、一般に、光起電力の分野に関し、より詳細には、高効率化合物半導体太陽電池に関する。
−出発基板(GaAs又はGeウェハなど)は、比較的高価であり、Siに比べて実質的に高価となる。
−出発基板/ウェハは典型的には、直径がおよそ75mm〜最大150mmの範囲でより小さく、太陽電池用として直径が通常200mm〜300mm(450mm直径のCZシリコンウェハのプロトタイプでも実証されている)及び156mm×156mm正方形である、普及しているSi基板/ウェハと比べて実質的に小さい。
−特定の地上マウントの実用用途用に比較的コスト効果があるようにするために、小面積化合物半導体太陽電池は、ほとんどが超高集光型PV(CPV)用途でのみ使用され、多くの場合、高価で大型の集光装置及び多軸追尾装置(及び一部の例では、太陽電池の液体冷却)を必要とする。
−従来のIII−V族半導体ベースの太陽電池は、多くの場合、シリコンベースのPVモジュール(特に集光装置のない用途において)としてのスケールメリットを有していない非従来型の高価なセルパッケージング機構を使用し依存している。
−セル効率はより高くなるが、化合物半導体太陽電池及びモジュールに関する主要な問題は、出発材料(GaAs又はGeウェハ)のコストが極めて高いこと、製造方法(比較的低スループットのMOCVDシステム)、及び集光装置及び追尾装置(並びに冷却システム)を含む、化合物半導体のCPVシステムのBOS(balance−of−system;システムの残りの部分)の追加となるコストに関するものである。これらの問題は、システムレベル全体コスト(ドル/ワット)評価基準を比較的高くする。BOSにおける機械的構成要素(多軸追尾装置)に起因して、これらのシステムは、フィールド信頼生が低く、保守要求がより多くなる可能性がある。
−GaAs(及びGe)ウェハのコスト高に起因して、GaAs(及びGe)ウェハは、償却される出発ウェハコストが、結果として得られるIII−V族太陽電池及びモジュールの全体コストに対する有意な寄与因子でないことを確保するために、どのような破壊及び表面品質の劣化を生じることなく少なくとも数百回再使用しなければならなくなる。
−GaAsは、本質的に脆弱な半導体材料であるので、数百回にわたって破壊なくこの材料を再使用可能にすることは極めて厳しく困難である。実際には、GaAsウェハの再使用の最大回数は、約5(GaAsウェハの破壊及び/又は劣化によって再使用回数が制限されるので、恐らくは、実際には最大で10回の再使用サイクルまで延ばすことが可能である)であることが照明されている。従って、証明又は立証できること(最大で数10サイクル)と、所望の製造コスト目標を達成するのに必要なこと(少なくとも数百サイクル)との間には、再使用実施の大きな隔たりがある。
−太陽電池のサイズは、広く入手可能な出発GaAsウェハのサイズによって制限され、結果として、比較的高いセル効率にもかかわらず、セル当たりに低い出力となる。現在入手可能なGaAsウェハのサイズは、最大で約150mm直径(200mm〜300mm直径であるシリコン基板の遙かに大きなサイズと比べて)までの範囲であり、実際の最大太陽電池サイズが約100mmx100mm完全方形、又は約125mmx125mm擬似方形となる。
−キャリアGaAsウェハから脱離された後の薄い(通常は<5ミクロン)GaAs太陽電池吸収体スタック層の取り扱いは、展開される方式に応じて極めて難しく高コストとなる可能性がある。更に、GaAsは、極めて脆弱な材料であり、GaAs基板処理収量に関して問題となり、基板サイズ(面積)が増大するにつれて構造的一体性が実質的に悪化することになる。従って、GaAs吸収体は、脱離後に処理中に信頼生のあるキャリアによって支持される必要がある。以下で説明するように、本明細書で開示される実施形態は、このような問題及び制約を効果的に克服し、大面積GaAsベースの単一接合及び多接合太陽電池の低コストで高収量の製作を可能にする。
−公知の大量生産方式は、実質的に製造設備の限界によって制約される可能性がある。例えば、コスト効果のある大容量MOCVD反応器は、大規模太陽電池製造には未だ商業的に入手可能ではない。商業的に入手可能なMOCVD及びMBEツールは、比較的小さなバッチサイズを有し、通常は1時間当たりにおよそ数個から数十個のウェハの極めて低い生産スループットをもたらす。低コスト太陽電池製造ツールは、現在商業的に入手可能なMOCVD及びMBEツールよりも少なくとも1〜2桁大きいスループットを有していなければならない。製作要件は、太陽電池のMOCVD及びMBE処理ではツール当たりに少なくとも数百ウェハ/時間とすることができる。
−極めてコスト効果のある方式で大面積(例えば、125mmx125mm又は156mmx156mm、又は210mmx210mm、或いは更に大きなサイズ及び面積)の超薄(例えば、約0.1μm〜約10μm)化合物半導体太陽電池構造体(限定ではないが、GaAsを含む、実質的に単結晶の直接バンドギャップIII−V族半導体など)を製造する方法、ここで、これらの薄い化合物半導体太陽電池の高収量製造を可能にするのに使用されるテンプレートコスト(薄い基板の機械的取り扱いを含む)は、結晶シリコンテンプレートの上に多孔質シリコンシード/剥離層の使用に基づいて大幅に低減される。
−前述の低コスト大面積基板と適合する高効率III−V族(特に、GaAs及び/又はその三元合金を含む単一接合及び多接合吸収体を用いた)ベースの太陽電池の構造及びアーキテクチャ。
−かなり安価な結晶シリコンテンプレート上の成長に基づく高効率の単一接合及び多接合太陽電池を製造する方法。
−一回の使用又は再使用サイクルを通じて複数回使用することができるテンプレートとして使用される結晶シリコンウェハ上に実質的に単結晶又は事実上単結晶の直接バンドギャップベース(例えば、限定ではないが、単一接合GaAsベース、又は多接合III−V族化合物半導体ベース)の大面積(例えば、125mmx125mm、156mmx156mm、又はそれよりも大きい)太陽電池を成長させる方法。1つの実施形態において、本発明の製造プロセスは、ゲルマニウムを含む中間バッファ層のエピタキシャルシードと、結晶Siテンプレート(堅牢なキャリアとしても機能する)と高効率太陽電池基板/吸収体(Ge又はSiGe合金におけるシリコンとゲルマニウムの組み合わせなどの何らかの1つ又は複数の中間層と共に)との間の分離との両方を支援する層として、結晶シリコンテンプレート上に形成される多孔質シリコンを使用する。多孔質シリコン上の1つ又は複数の中間結晶層は、高品質な単結晶高効率化合物半導体の太陽光吸収体(GaAsを含むような)の成長を促進する。大面積の商業的に入手可能な安価な結晶シリコンウェハが脱離可能キャリアとして使用されるので、GaAs又はGeウェハ何れかを使用した公知の技術と比べて、出発ウェハコストが実質的に低減される。
−例えば、犠牲多孔質シリコンシード及び剥離層を備えたシリコンベーステンプレートは、太陽光吸収体が依然として結晶シリコンテンプレート上にあり/結晶シリコンテンプレートに取り付けられながら、Si以外の異なる材料で作られた太陽電池の部分的又は全体の処理中の機械的支持として使用(及び後続の中間バッファ層及び化合物半導体層のエピタキシャルシードとして使用)することができる。例えば、オンテンプレート太陽電池処理の特定の実施例は、限定ではないが、裏面反射器及び/又はワイドギャップウィンドウ層を形成するのに好適な他のフィルムの堆積及び/又は裏面コンタクトメタライゼーションを含むことができる。重要なことには、これらの層は、アクティブな太陽電池吸収体層(単一接合又は多接合太陽電池用に)の前又は後に堆積することができ、中間バッファ層を使用する際には、上述の中間バッファ層の堆積に加えて形成することができる。
−一部の例において、結晶シリコンテンプレートが1つだけの太陽電池形成にのみ使用されることが望ましいとすることができる(換言すると、シリコンテンプレートの再使用はコスト上の利点を得るのに必要ではない)。結晶シリコンテンプレートの再使用がないこの事例は、従来のバルクGaAs基板又は再使用可能GaAsテンプレート技術に優るかなりのコスト上の利点を提供しながら、シリコンテンプレートを再使用することに関連するあらゆる問題及び残余コスト(再使用サイクルのための結晶シリコンテンプレートの再調整及び清浄化)が排除されるので、より高効率の多接合太陽電池のような特定の用途において望ましいとすることができる。従って、この手法は、処理の複雑さを低く保ちながら、高価なGaAsウェハ及び従来の直接バンドギャップIII−V族太陽電池と比べて、比較的安価な結晶シリコンテンプレートを用いることに関するコスト低減の利点を達成する中間のコストメリットのある方法である。他方、単一接合及び多接合太陽電池の両方を含む、本明細書で開示される一部の実施形態は、依然として、結晶シリコンテンプレートの再使用による更なる製造コスト低減からの恩恵を受けることができる。しかしながら、比較的少ない数の再使用サイクル(例えば、約5〜最大で数十回の再使用サイクル)により、最も重要な追加コストの利点及び節減が達成される。結晶シリコンテンプレートが比較的安価であることに起因して、より高い再使用サイクル数に向けて取り組ませる必要はない。更に、結晶シリコンは、GaAsウェハよりも遙かに強固で脆弱ではなく、また更に堅牢でもあり、GaAsウェハの再使用よりも遙かに多く実施することができる。例えば、2米国ドルのコストがかかる156mmx156mmの結晶シリコンテンプレートが(1つのテンプレートから10個の化合物半導体太陽電池を作るために)10回再使用されると、太陽電池当たりの償却テンプレートコストは0.20米国ドルとなる。対照的に、100米国ドルのコストがかかる156mmx156mmの結晶GaAsテンプレートが10回再使用されると、太陽電池当たりの償却テンプレートコストは10米国ドルとなり、すなわち、結晶テンプレートの償却テンプレートコストの50倍高くなる。この実施例において、遙かに弱くより脆弱なGaAsテンプレートは、10回再使用される結晶シリコンテンプレートの償却テンプレートコストを達成するためには、500回再使用しなければならない。このことは、テンプレートの再使用の有無にかかわらず、結晶シリコンテンプレートを用いた本発明の実施形態のコスト及び製造上の収量/スケーリングの利点が極めて大きいことを示している。
−中間層と共にシリコンベースの出発テンプレート上で単一接合GaAsを成長させるための高容量及びコスト効果のある反応器。例えば、高容量バッチ大気圧又は低圧エピタキシャル堆積反応器構成のような、高容量エピタキシャル成長反応器。GaAs以外の材料をベースとした太陽電池において、及び/又はGaAsベースの単一及び多接合太陽電池において、本明細書で開示される構造及び方法は、商業的に入手可能なMOCVD又はMBE反応器(又は他の同様の商業的に入手可能な反応器)を利用することができる。加えて、開示される主題は、GaAsベースの単一接合セル用の商用反応器(MOCVD又はMBEベースなどの)の使用も非明示的に含み、これを除外するものではない。むしろ、高容量エピタキシャル成長反応器が提供され、他の考慮事項によっては使用するのが望ましい場合がある。
−高収量及び高い繰り返し性を有する太陽電池を仕上げる(例えば、一部の例において、多孔質シリコン界面での取り外し/分離)ために、結晶シリコンテンプレート/ウェハからの薄い大面積(単結晶)化合物半導体ベース(例えば、GaAs及びその三元合金を含む吸収体を備えた太陽電池)の太陽電池吸収体層(何らかの中間層及び他の関連する堆積層と共に)のための脱離/剥離/分離方法。
−多孔質シリコン界面にてシリコンキャリアから薄い大面積(単結晶)化合物半導体ベースの部分的に処理された太陽電池(例えば、GaAs)を、必要に応じてその構成要素である太陽電池構成要素及び中間層と共に脱離/分離した後、破壊及び収量損失を防ぐために機械的及び構造的支持が必要となる場合がある。脱離された太陽電池の恒久的支持層としての役割を果たす支持ハンドラを半導体基板の脱離の直前又は直後に取り付けることを含む、高収量/堅牢性及び超低コストの残りのセル製作プロセスによりこの脆弱層を処理及び支持するための構造体及び方法が提供される。
−薄いGaAs層(約0.5ミクロン〜10ミクロン)は、高生産性のMOCVD又はMBE反応器のような好適な気相堆積法により形成することができ、従って、層の材料コストを最小限に維持する。
−GaAsは、結晶シリコンと成長した化合物半導体材料(GaAsなど)との間の格子定数の差異又は不整合に対処するために適切な中間バッファ層を用いてテンプレート(単一回使用、又は再使用として複数回使用)としての役割を果たす出発結晶シリコンウェハ上に成長する。結晶Siは、GaAsよりも実質的に低コストの材料である。従って、Siテンプレートが単一回の使用に望ましく再使用されない場合でも、SiウェハのコストはGaAsウェハのコストよりも有意に低い(少なくとも約10倍〜100倍)ので、結晶Siハンドラ/キャリア又はテンプレートウェハ上への薄いGaAs層の形成は、大幅なコスト低減を提供する。GaAsウェハの実際の再使用回数は、GaAsウェハプロセスを単一回使用のSiウェハのコストよりもかなり高いコストに制限する。加えて、テンプレート/キャリアとして役割を果たす結晶Si出発ウェハ上にGaAs太陽電池吸収体を形成することにより、セル処理においてコスト効果のあるキャリアであることに加えて、(ガリウムヒ素と比べたシリコンの機械的強度及び/又は高温安定性、並びに降伏強さに起因して)セルプロセスの汎用性を向上させることが可能となる。
−更に、結晶Siテンプレートは、より多くのGaAsベースの太陽電池を成長させるために引き続き再使用することができる。従って、Siキャリアシリコンウェハの既に低いコストは、複数の太陽電池に対してコストを償却することにより更に低減することができる。
−従来の遙かに低いスループットのMOCVD法とは対照的に、MOCVD用に構成された既存の高容量プラットフォームを用いた超高生産性のCVDエピタキシャル反応器においてGaAs成長が実施される場合には、ツールコスト(Cap Ex:資本支出)並びに減価償却費を更に低減することができる。しかしながら、開示される主題は、標準的MOCVD又はMBE、或いは、他の何れかの好適なGaAs(又は化合物半導体)成長技法を排除するものではない。
高品質GaAs(又は同様の材料)は、中間Ge層を用いて結晶Siキャリアテンプレート上に成長することができる。例えば、最初に、テンプレートからのGaAs層の分離が生じる出発結晶シリコンテンプレート上に犠牲多孔質シリコン層(一部の例において、少なくとも2つの異なる多孔率を有する)を形成する。多孔質シリコンは、高生産性の多孔質シリコン製造ツール(一部の例において、640ウェハ/時のスループットを有し、多孔質シリコン高容量製造機器で示されている)を用いて結晶Siテンプレートウェハ(例えば、好ましくは、p型単結晶Siウェハ)の上面の上にフッ化水素(HF)酸及びIPAの存在下でアノードエッチングプロセスを用いて形成することができる。具体的には、多孔質シリコン層は、以下のような2つの主要な技法、すなわち、(i)シリコンエピタキシーを用いてn型テンプレート基板上に薄い共形の結晶シリコン層(1つの実施形態において、0.2〜約5ミクロンの範囲のp型ホウ素ドープのシリコン層)を堆積した後、電気化学HFエッチングを用いてp型エピタキシャル層を多孔質シリコンに変換すること、又は(ii)テンプレート基板(1つの実施形態において、p型テンプレート)の薄い層を多孔質シリコン(1つの実施形態において、0.1〜10ミクロン、より具体的には0.2〜約5ミクロンの範囲の厚さ)に直接変換すること、のうちの1つによって形成することができる。
上述のプロセスを修正し、中間層と共にシリコンテンプレート上にGaAsを成長させる代替のプロセスを提供することができる。1つの実施形態において、ゲルマニウムは、エピタキシャルシリコンの最初のシード層を必要とせずに多孔質シリコンの上に直接成長させる。幾つかの方法が利用可能である。これらの方法の1つにおいて、サーファクタント媒介エピタキシーを用いて多孔質シリコン上に直接ゲルマニウム層を成長させる(詳細は、以下を参照。「T. F. Wietler et. al., "Relaxed Germaniumn on porous silicon Substrates", ISTDM 2012」、本論文は引用により全体が本明細書に組み込まれる)。この水素プリベークは、2つの重要な役割を実施する。(1)残留自然酸化物を多孔質シリコン層の表面から除去すること、及び(2)後続のエピタキシャルGe堆積のために、表面細孔を閉鎖して表面を優れたシード表面にすることにより、単結晶シリコンシード層の薄い(10nm程度の)連続した層を生成することである。次いで、単結晶ゲルマニウムがアニールされた多孔質シリコン層の上に直接形成される。一般に、Ge層の成長は、上述のMHAMプロセスと同様の多段プロセスであり、欠陥密度を改善するために中間で複数のアニールがある。高品質ゲルマニウム層の形成の後、GaAsの気相成長が続くことができる。図4は、上述の成長シーケンスを示す断面図である。
コスト低減の大部分として必要とされず、本明細書では1つの実施形態として説明されているが、Siテンプレートの再使用は、セル当たりのテンプレートコストを償却し、更に低減することができる。必要に応じて、シリコンウェハの再使用は、多孔質シリコンの上のスタック(例えば、方法1の場合、エピタキシャルSi/Ge/GaAs/セル層スタック、又は方法2の場合、Ge/GaAs/セル層スタック、或いは、<111>Siウェハ上の成長の場合には単にGaAs/セル層)から成功裏に分離する能力によって決まる。多孔質シリコン形成及びテンプレート再使用調整及び清浄プロセスがSi材料を使用し、従って、テンプレート厚さを低減するので、再使用中のテンプレートの磨耗は制限されるべきである。リフトオフ剥離収量は、多孔質シリコンシード及び剥離層に応じて増大する可能性がある。二層多孔質シリコン層において、低多孔率の多孔質シリコン層の直ぐ下にある高多孔率の埋め込み多孔質シリコン層の多孔率は、組立体をチャック固定して機械的に引き離し、成長層スタックを再使用可能シリコンテンプレートからリフトオフすることにより剥離が実施されるように調整することができる。残留多孔質シリコンは、テンプレートの表面から清浄に落とされ、必要に応じて光学表面研磨及び/又は修復を実施することができる。
表1:Siテンプレート上に薄膜大面積GaAsセルを形成するための代表的プロセスフロー
これらの方法は、とりわけ、MHAHとして知られる技法を含む。例えば、シリコン上に薄いGe層が直接成長した後にMHAHを用いて、例えば、エピタキシャル反応器の内部で水素の存在下でGe層が複数のアニールを受ける。その後、成長したGe層は、高品質で低い欠陥密度を有することができる(図3において詳細に説明したプロセス)。高品質Ge層の形成/成長後、後続のセル処理は、本明細書で記載される変形形態全てを含む、図7に概略的に示すように実施することができる。セル剥離後のエッチングは、存在する場合には、犠牲シリコン及びGe層を除去すべきである点に留意されたい。
Claims (19)
- Si半導体テンプレートからの化合物半導体基板の製作方法であって、
シリコン半導体テンプレート上に該シリコン半導体テンプレートと実質的に共形である多孔質シリコン層を形成するステップと、
前記多孔質シリコン層上に該多孔質シリコン層と実質的に共形であるゲルマニウム層を形成するステップと、
前記ゲルマニウム層上に該ゲルマニウム層と実質的に共形である薄いガリウムヒ素層を形成するステップと、
前記ガリウムヒ素層と接するメタライゼーションを形成するステップと、
該メタライゼーションの上にバックプレーンを形成するステップと、
前記多孔質シリコン層に沿って前記テンプレートから前記薄いガリウムヒ素層を剥離するステップと、
を含み、
前記多孔質シリコン層を形成するステップが更に、少なくとも2つの異なる多孔率を含む多孔質シリコン層を形成するステップを含む、方法。 - 前記多孔質シリコン層の上に単結晶をエピタキシャル形成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に単結晶をエピタキシャル形成する前に前記多孔質シリコン層の水素ベイクをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に前記ゲルマニウム層を形成するステップが少なくとも1回の水素アニールサイクルを用いる、請求項2に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に前記ゲルマニウム層を形成する前に前記多孔質シリコン層の水素ベイクをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に前記ゲルマニウム層を形成するステップが少なくとも1回の水素アニールサイクルを用いる、請求項2に記載の方法。
- 前記バックプレーンが誘電体である、請求項1に記載の方法。
- 前記バックプレーンがポリマーシートである、請求項1に記載の方法。
- 前記バックプレーンがプリプレグである、請求項1に記載の方法。
- 前記バックプレーンがバックミラーとして機能する、請求項1に記載の方法。
- 前記ガリウムヒ素層と接する前記メタライゼーションへの前記バックプレーンにビアホールを形成するステップをさらに備えた、請求項1に記載の方法。
- 前記ビヤホールを介して前記ガリウムヒ素層と接するドープされた領域と接する前記メタライゼーションと接する第2のメタリゼーションを形成するステップをさらに備えた請求項1に記載の方法。
- Si半導体テンプレートからの化合物半導体基板の製作方法であって、
シリコン半導体テンプレート上に該シリコン半導体テンプレートと実質的に共形である多孔質シリコン層を形成するステップと、
前記多孔質シリコン層上に該多孔質シリコン層と実質的に共形であるゲルマニウム層を形成するステップと、
前記ゲルマニウム層の上に、表面側にエミッタードープ層及び裏面側にベースドープ層を有する、ガリウムヒ素太陽電池層を形成するステップと、
前記ガリウムヒ素の裏面側ベースドープ層と接する第1の裏面側メタリゼーション層を形成するステップと、
前記第1の裏面側メタリゼーション層を形成するステップと、
前記多孔質シリコン層に沿って前記テンプレートから前記ガリウムヒ素太陽電池層を剥離するステップと、
前記解離したガリウムヒ素太陽電池層から前記多孔質シリコン層と前記ゲルマニウム層を除去するステップと、
前記第1の裏面側メタリゼーション層の上にバックプレーンを形成するステップと、
前記第1の裏面側メタリゼーション層への前記バックプレーンにビアホールを形成するステップと、
前記ビアホールを介して前記第1の裏面側メタリゼーションと接する第2の裏面側メタリゼーションを形成するステップと、
前記ガリウムヒ素の表面側エミッター層のドープされた領域と接する表面側メタリゼーション層を形成するステップ
と、を含む、方法。 - 前記多孔質シリコン層の上に単結晶シリコン層をエピタキシャル形成するステップをさらに備えた請求項13に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に単結晶をエピタキシャル形成する前に前記多孔質シリコン層の水素ベイクをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に前記ゲルマニウム層を形成するステップが少なくとも1回の水素アニールサイクルを用いる、請求項14に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上に前記ゲルマニウム層を形成する前に前記多孔質シリコン層の水素ベイクをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記多孔質シリコン層の上にゲルマニウム層を形成するステップが少なくとも1回の水素アニールサイクルを用いる、請求項13に記載の方法。
- 前記ゲルマニウム層の上の前記ガリウムヒ素太陽電池層が表面側窓層と裏面電界層を含む、請求項13に記載の方法。
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