JP6312984B2 - ラテラル太陽電池構造 - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池に関する。具体的には、ラテラル太陽電池構造に関する。
本発明はラテラル太陽電池構造の方法、システム、及び装置に関する。本発明の一又は複数の態様によれば、アブソーバー領域、及びアブソーバー領域内に延びる複数のナノロッドを備えたエミッタ領域を含む光起電力電池が提供される。幾つかの態様では、アブソーバー領域とナノロッドは対向するようにドープされている。少なくとも１つの態様では、ナノロッドはｎ型でアブソーバー領域はｐ型である。幾つかの態様では、ナノロッドはｐ型でアブソーバー領域はｎ型である。一又は複数の態様では、アブソーバー領域及びナノロッドはＩＩＩ‐Ｖ族合金から形成される。少なくとも１つの態様では、アブソーバー領域は窒化ガリウム砒素（ＧａＡｓＮ）、窒化インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓＮ）、アルミニウムインジウムリン（ＡｌＩｎＰ）、又はアルミニウムインジウムガリウムリン （ＡｌＩｎＧａＰ） から形成される。幾つかの態様では、ナノロッドはインジウム砒素（ＩｎＡｓ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、ガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、又はインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）から形成される。
少なくとも１つの態様では、光起電力電池は２．０電子ボルト（ｅＶ）を超えるバンドギャップを有する。幾つかの態様では、光起電力電池は１．４ｅＶ未満のバンドギャップを有する。
一又は複数の態様では、各ナノロッド間の間隔は３ミクロン未満である。少なくとも１つの態様では、各ナノロッドの直径は５〜１００ナノメートル（ｎｍ）の値である。幾つかの態様では、ナノロッドの総面積はアブソーバー領域の総面積の１パーセント（％）未満である。
少なくとも１つの態様では、ナノロッド及びアブソーバー領域には対向する歪みが加えられている。幾つかの態様では、ナノロッドには引張歪みが加えられており、アブソーバー領域には圧縮歪みが加えられている。一又は複数の態様では、ナノロッドには圧縮歪みが加えられており、アブソーバー領域には引張歪みが加えられている。幾つかの態様では、アブソーバー領域は０．５〜３ミクロンの吸収長を有する。少なくとも１つの態様では、ナノロッドの長さは吸収長の５０％〜１００％となる。
一又は複数の態様では、光起電力電池の作製方法は基板の提供を含む。この方法はさらに、基板上でのアブソーバー領域及びエミッタ領域のエピタキシャル成長を含む。少なくとも１つの態様では、エミッタ領域はアブソーバー領域に延伸する複数のナノロッドを含む。幾つかの態様では、アブソーバー領域とナノロッドは対向するようにドープされている。
少なくとも１つの態様では、ナノロッド及びアブソーバー領域には対向する歪みが加えられている。幾つかの態様では、アブソーバー領域は０．５〜３ミクロンの吸収長を有する。一又は複数の態様では、ナノロッドの長さは吸収長の５０％〜１００％となる。一又は複数の態様では、各ナノロッド間の間隔は３ミクロン未満である。幾つかの態様では、各ナノロッドの直径は５〜１００ｎｍの値である。少なくとも１つの態様では、ナノロッドの総面積はアブソーバー領域の総面積の１パーセント（％）未満である。上記の特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成することができるか、または他の実施形態において組み合わせることができる。
本発明の上記並びにその他の特徴、態様、及び利点は、下記の説明、添付の請求項、添付の図面を参照することでより良く理解されるであろう。
本明細書に開示した方法及び装置は、ラテラル太陽電池構造の作動システムを提供する。具体的には、このシステムは光学的バンドギャップの組合せを有する高効率なサブセルを含む多接合型太陽電池を含む。このシステムは、太陽電池のアブソーバー領域へ延伸する電極を作製するため、エピタキシャル成長プロセスの間に形成されるナノロッドを使用する。この設計は、０．５〜３ミクロンなどの、アブソーバーの長い光学的吸収長を可能にするが、拡散長に適合するサブミクロン単位の距離に対するキャリア収集も可能にする。
現在、合金を形成する際のＮ及びＡｌの添加により所望のバンドギャップを作り出すことが可能であるが、材料の質が低下して少数キャリア拡散長が短くなり、効率が低下する傾向がある。例えば、ＩｎＧａＡｓＮ及びＡｌＩｎＧａＰなどの材料から作られるセルの直接成長が研究されている。しかしながら、これらの材料のキャリア拡散長が短いため、これらの材料から形成されるセルは高効率ではない。
例えば、図１は直接成長のアプローチによって形成されたサブセルのコンポーネント１０を描いたものである。サブセルコンポーネント１０は、ｐ型裏面電界１２、ｐ型基板層１４、ｎ型エミッタ層１６、及びｎ型ウィンドウ１８を含む。基板層１４はＩｎＧａＡｓＮ又はＡｌＩｎＰから形成されてもよい。操作の効率を高めるためには、基板層１４に生成される電子２０は、０．５〜３ミクロン厚保の基板層１４を通過してエミッタ層１６に到達できることが必要となる。逆に、エミッタ層１６に生成される正孔２２は、空乏領域を通過して基板層１４まで到達できることが必要となる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＮ及びＡｌＩｎＰのサブミクロン単位の少数キャリア拡散長は、これが効率的に起こるのを阻害する。
最適なバンドギャップ特性を有するセルを形成する別のアプローチは、弛緩された変成バッファ層を利用するものである。多数のバッファ層がＩＩＩ‐Ｖ族合金を使用することができる。１ｅＶのバンドギャップセルを形成するための共通のアプローチは、ＩｎＧａＰ合金からなるバッファ層を堆積させることである。その結果生まれるセルは、１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ合金によって形成される。しかしながら、変成バッファプロセスは複雑で、製造を困難にする。加えて、変成バッファプロセスは膜表面を粗くし、貫通転移密度を高め、その結果、効率が低下する。変成バッファプロセスはまた、きわめて厚いバッファ層を必要とするため、コスト高となり、且つ処理能力を低下させる。
最適なバンドギャップ特性を有するセルを形成するさらに別のアプローチは、ＧａＡｓ及びＩｎＰ基板上でセルを一体化するためにウエハーボンディングを利用するものである。このアプローチは、各基板上に別々に形成される２つの基板及び２つの成長プロセスを必要とする。ウエハーボンディングはこれらのセルを機械的及び電気的に結合するために使用される。次に多接合型セルを形成するため、基板のうちの少なくとも１つが取り除かれる。したがって、ウエハーボンディングアプローチは、ウエハーの結合及び基板の除去に加えて、２つの膜堆積プロセスを有するため、多額の費用を必要とする。
本発明のシステム設計により、最適なバンドギャップ特性を有する高効率なサブセルの製造が可能となる。逆の導電型のアブソーバー領域に組み込まれる導電性ナノロッドを形成することにより、キャリアが移動しなければならない距離が短縮され、その結果効率が上がる。このように、本発明のシステムは、上述の直接成長、変成バッファ、又はウエハーボンディングアプローチによって生成されるセルよりも高い効率を有するセルを提供する。
下記の説明では、システムのさらに徹底した説明を提供するために多数の詳細事項が記載されている。しかしながら、当業者には、開示されたシステムをこれらの具体的な詳細事項なしで実行可能であることが明らかであろう。その他の場合では、システムを不要にわかりにくくしないために、よく知られる特徴については詳細に説明していない。
図２は提案している設計による多接合型太陽電池のサブセルコンポーネント１００を描いたものである。サブセルコンポーネント１００は、裏面電界１１２、アブソーバー領域１１４、エミッタ領域１１６、ウィンドウ１１８、及び任意選択による付加的なエミッタ層（エミッタ＃２）１１７を含む。エミッタ領域１１６はアブソーバー領域に延伸する複数のナノロッド１１６から形成される。エミッタ領域１１６及びナノロッド１１６はＩＩＩ‐Ｖ族合金から形成される。例えば、アブソーバー領域１１４は、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＩｎＰ、又はＡｌＩｎＧａＰから形成可能である。ナノロッド１１６は、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、又はＩｎＧａＰから形成可能である。これらの材料は最適なバンドギャップ範囲を提供する。例えば、アブソーバー領域１１４の形成にＮ合金が使用される場合（例えば、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ）、アブソーバー領域１１４は１．４ｅＶ未満、例えば１．０〜１．４ｅＶの範囲のバンドギャップを有するであろう。アブソーバー領域１１４の形成にＡｌ合金（例えば、ＡｌＩｎＰ、又はＡｌＩｎＧａＰ）が使用される場合、アブソーバー領域１１４は２．０ｅＶ超、例えば２．０〜２．３ｅＶの範囲のバンドギャップを有するであろう。
アブソーバー領域１１４は、０．５〜３ミクロンの吸収長を有することができる。ナノロッド１１６の長さは、少なくとも吸収長の半分である。例えば、ナノロッド１１６の長さは、吸収長の５０％〜１００％であってもよい。
ナノロッド１１６及びアブソーバー領域１１４は逆の導電型を有し、その結果ＰＮ接合を形成する。例えば、ナノロッド１１６がｎ型で、アブソーバー領域１１４がｐ型であってもよい。代替的に、ナノロッド１１６がｐ型で、アブソーバー領域１１４がｎ型であってもよい。
以下で詳細に説明するように、ナノロッド１１６及びアブソーバー領域１１４には対向する歪みが加わっている。例えば、ナノロッド１１６には圧縮歪みが加えられ、アブソーバー領域１１４には引張歪みが加えられてもよい。代替的に、ナノロッド１１６には引張歪みが加えられ、アブソーバー領域１１４には圧縮歪みが加えられてもよい。
図２に示す構造は、光子と電荷キャリアの経路を分離する。光子吸収長は０．５〜３ミクロンの長さにとどまるが、キャリアは収集のためサブミクロン単位の距離を有するであろう。例えば、図２に示されているように、アブソーバー領域１１４で生成される電子１２０は、エミッタ層に到達するため、アブソーバー領域のほぼ全層を通過しなければならないことはなく、最も近いナノロッド１１６まで移動することができる。
図３Ａ及び３Ｂは、本発明によるシステムにより形成されるサブセルの実例的な実施形態を描いたものである。図３Ａは、ｎ型ＩｎＡｓナノロッド２１６を伴うｐ型ＧａＡｓＮアブソーバー領域を有する１．０ｅＶ吸収のためのセル２００を描いたものである。代替的に、セル２００はｐ型のＩｎＧａＡｓＮアブソーバー領域２１４及びｎ型のＩｎＧａＡｓ若しくはＧａＡｓＳｂナノロッド２１６を有していてもよい。図３Ｂは、ｐ型ＡｌＩｎＰアブソーバー領域２１４´及びｎ型ＩｎＰナノロッド２１６´を有する２．３ｅＶ吸収のためのセル２００を示している。代替的に、２．３ｅＶバンドギャップセル２００´はｐ型のＡｌＩｎＧａＰアブソーバー領域２１４´及びｎ型のＩｎＧａＰナノロッド２１６´を有していてもよい。
大きな歪みが加えられたナノロッドを有する厚い材料は、太陽電池の効率を低下させる結晶学的欠陥を軽減する歪みを形成するであろう。但し、本発明のシステムは、歪みを補償するアプローチを利用することにより、このような欠陥を回避する。すなわち、対向する歪みが加えられているアブソーバー領域を有するナノロッドの歪みを均衡させることにより、結晶の欠陥は回避可能である。図３Ａ及び３Ｂの実施例は、引張歪みが加えられたｐ型アブソーバー領域２１４、２１４´を示す。これらの実施例におけるナノロッド２１６、２１６´は、圧縮歪みが加えられたｎ型ナノロッド２１６、２１６´である。これらの導電型及び歪みの特性は、システムの重要な要素を変更することなく反転することができる。例えば、ナノロッド２１６、２１６´がｐ型で、アブソーバー領域２１４、２１４´がｎ型であってもよい。ナノロッド２１６、２１６´には引張歪みが加えられ、アブソーバー領域２１４、２１４´には圧縮歪みが加えられてもよい。
ナノロッドでの光吸収の収集効率は低いことがある。したがって、セル効率を最大化するためには、ナノロッドの被覆率を低く保つことが望ましい。すなわち、アブソーバー領域の総面積に対するナノロッドの総面積の比率は最小化すべきである。１つの態様では、ナノロッドの総面積はアブソーバー領域の総面積の１％未満である。
図４Ａは、本発明のシステムによって形成されるセル３００の上面図である。図４Ａは各ナノロッド３１６の径３０２を示している。図４Ａは各ナノロッド３１６の間隔３０４を示している。ナノロッドの径３０２及び間隔３０４は、用いられる成長条件によって制御可能である。径３０２は５〜１００ｎｍの範囲で制御可能であり、ナノロッド３１６の間隔３０４は最大３ミクロンまで制御可能である。この組合せによりナノロッドの被覆率は図４に示すように１％未満に保たれるであろう。図４のグラフは、具体的な所望のセル効率に対して、ナノロッドの被覆率を１％未満に維持することによって、また、ナノロッドの径を５〜１００ｎｍの範囲に制御することによって、３ミクロン未満のナノロッド間隔が使用しうることを示している。径が２０ｎｍで間隔が２００ｎｍのナノロッドを使用する構造は、１％未満のナノロッド被覆率を有するであろう。この構造により電子の経路長（１２０）は１００ｎｍ未満となり、さらに任意選択により０．５〜３ミクロンの基板層厚が可能となるであろう。したがって、ＩｎＧａＡｓＮ又はＡｌＩｎＰなどの、少数キャリア拡散長が短い材料から高効率のサブセルが形成可能である。
本発明のシステムにより高起電力電池を作製する方法は、図５に示されている。この方法は基板を４０２を提供するステップ４０２、及び基板上でのアブソーバー領域及びエミッタ領域をエピタキシャル成長させるステップ４０４を含む。既に議論したように、エミッタ領域は、アブソーバー領域に延伸する複数のナノロッド、及びアブソーバー領域を含み、ナノロッドは対向するようにドープされている。エピタキシャル成長の間、ナノロッドは歪み駆動型自己組織化クラスタリングによって形成される。単一の垂直なナノロッドにマージするため、アイランドは互いの上面に密に積層される。ナノロッドの歪みは、対向する歪みが加えられるアブソーバー領域によって均衡される。
特定の例示的実施形態及び方法を本明細書に開示したが、前述の開示内容から、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく上記実施形態及び方法に変更及び修正を加えることが可能であることが理解されるであろう。その他多数の本発明の実施例があり、各例はその詳細事項においてのみ他と異なる。したがって、本発明は添付の請求項及び適用法の規則及び原理で要求される範囲にのみ制限されることを目的としたものである。
１０、１００ サブセルコンポーネント
１２、１１２ ｐ型裏面電界
１４ ｐ型基板層
１６ ｎ型エミッタ層
１８、１１８ ｎ型ウィンドウ
２０ 電子
２２、１２２ 正孔
１１４ アブソーバー領域
１１６ エミッタ領域（ナノロッド）
１１７ 付加的なエミッタ領域
１２０ 電子の経路長
２００、２００´、３００ セル
２１４ ｐ型ＩｎＧａＡｓＮアブソーバー領域
２１４´ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰアブソーバー領域
２１６ ｎ型ＩｎＡｓナノロッド
２１６´ ｎ型ＩｎＰナノロッド
３０２ ナノロッドの径
３０４ ナノロッドの間隔
３１６ ナノロッド
１２、１１２ ｐ型裏面電界
１４ ｐ型基板層
１６ ｎ型エミッタ層
１８、１１８ ｎ型ウィンドウ
２０ 電子
２２、１２２ 正孔
１１４ アブソーバー領域
１１６ エミッタ領域（ナノロッド）
１１７ 付加的なエミッタ領域
１２０ 電子の経路長
２００、２００´、３００ セル
２１４ ｐ型ＩｎＧａＡｓＮアブソーバー領域
２１４´ ｐ型ＡｌＩｎＧａＰアブソーバー領域
２１６ ｎ型ＩｎＡｓナノロッド
２１６´ ｎ型ＩｎＰナノロッド
３０２ ナノロッドの径
３０４ ナノロッドの間隔
３１６ ナノロッド
Claims (12)
- エピタキシャル結晶構造を有するアブソーバー領域１１４と、
エピタキシャル結晶構造を有し前記アブソーバー領域１１４内に延伸する複数のナノロッドを含むエミッタ領域１１６とを含み、
前記複数のナノロッドの各々は、同じ材料であり、互いの上面に積層される複数の部分を有し、
前記アブソーバー領域１１４は、前記複数のナノロッドの間を完全に満たしており、
前記アブソーバー領域１１４及び前記複数のナノロッドが対向するようにドープされ、
前記複数のナノロッドの前記部分の歪みを、対向する歪みが加えられている前記アブソーバー領域１１４の複数の部分により均衡させるようになっている、光起電力電池。 - 前記複数のナノロッドはｎ型であり、且つ前記アブソーバー領域１１４はｐ型である、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記複数のナノロッドはｐ型であり、且つ前記アブソーバー領域１１４はｎ型である、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記アブソーバー領域１１４及び複数のナノロッドはＩＩＩ−Ｖ族合金から形成される、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記アブソーバー領域１１４はＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＩｎＰ、及びＡｌＩｎＧａＰのうちの１つから形成される、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記複数のナノロッドはＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、及びＩｎＧａＰのうちの１つから形成される、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記アブソーバー領域１１４が、２．０電子ボルト（ｅＶ）を超えるバンドギャップを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光起電力電池。
- 前記アブソーバー領域１１４が、１．４ｅＶ未満のバンドギャップを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光起電力電池。
- 前記各ナノロッド間の間隔は３ミクロン未満である、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記各ナノロッドの径は５ナノメートル（ｎｍ）〜１００ｎｍである、請求項１に記載の光起電力電池。
- 前記複数のナノロッドの総面積は前記アブソーバー領域１１４の総面積の１％未満である、請求項１に記載の光起電力電池。
- 基板を提供するステップと、
前記基板上でエピタキシャル結晶構造を有するアブソーバー領域１１４及びエミッタ領域１１６をエピタキシャル成長させるステップとを含み、
前記エミッタ領域１１６はエピタキシャル結晶構造を有し前記アブソーバー領域１１４の中に延伸する複数のナノロッドを含み、
前記複数のナノロッドの各々は、同じ材料であり、互いの上面に積層される複数の部分を有し、
前記アブソーバー領域１１４は、前記複数のナノロッドの間を完全に満たしており、
前記アブソーバー領域１１４及び前記複数のナノロッドが対向するようにドープされ、
前記複数のナノロッドの前記部分の歪みを、対向する歪みが加えられている前記アブソーバー領域１１４の複数の部分により均衡させるようになっている、光起電力電池を作製する方法。
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