JP6375332B2 - 太陽電池セル構造、及び同太陽電池セル構造を形成する組成物及び方法 - Google Patents

太陽電池セル構造、及び同太陽電池セル構造を形成する組成物及び方法 Download PDF

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Description

本出願は、ウェハ接着に関するものであり、特に太陽電池セルのウェハ接着に関するものである。更に具体的には、本出願は、太陽電池サブセル群を接着して、高変換効率の多接合太陽電池セル構造を形成する組成物及び方法に関するものである。
従来より、高変換効率のＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池セルは、セルを構成するサブセル群の全てを１つの基板と格子整合するように成長させることにより形成される。残念なことに、この手法では、材料選択が制限され、従って太陽電池セル設計に利用可能なバンドギャップの範囲が制限されることにより、電力変換効率が準最適にしかならない。
別の手法では、１つの太陽電池セル構造を構成する各サブセルを最も適切な基板に成長させる。次に、これらのサブセルを多接合太陽電池セル構造に、ウェハ接着法を用いて集積化する。
１つの公知のウェハ接着法では、透明金属酸化物を接着剤として用いる。例えば、インジウム錫酸化物は、許容できる光透過性だけでなく、良好な電気伝導性を有することが分かっている。しかしながら、インジウム錫酸化物は、高品質な接着を広い表面領域に亘って実現するためには困難を呈していた。
他の公知のウェハ接着法では、薄い金属界面層を使用する、または高不純物ドープの厚いＩＩＩ−Ｖ族界面層を介して半導体−半導体を貼り合わせる直接接着法を用いる。
それにも拘らず、この技術分野の当業者は、高変換効率太陽電池セルの形成に用いることができるウェハ接着法を含む新規なウェハ接着法を探求し続けている。
１つの態様では、開示の半導体素子構造は、第１半導体ウェハ層を第２半導体ウェハ層に接続する接着層を含むことができ、前記接着層は、導電性炭素成分及びバインダ／接着剤成分を含む。
別の態様では、開示の太陽電池セル構造は、少なくとも１つの下部サブセルに接着層によって接続される少なくとも１つの上部サブセルを含むことができ、前記接着層は、カーボンナノチューブ群及びバインダ／接着剤成分を含む。
更に別の態様では、開示されるのは、太陽電池セル構造を組み立てる方法である。前記方法は、（１）少なくとも１つの下部サブセルを下部基板に成長または堆積させる工程と、（２）少なくとも１つの上部サブセルを上部基板に成長または堆積させる工程と、（３）接着層を、前記下部サブセル及び／又は前記上部サブセルに塗布する工程であって、前記接着層が、導電性成分及びバインダ／接着剤成分を含む、前記塗布する工程と、（４）前記上部サブセルを前記下部サブセルに、前記接着層が前記上部サブセルと前記下部サブセルとの間に挟まれるように接続する工程と、そして（５）必要に応じて（例えば、光透過性または電気伝導率の観点から）、前記上部基板を前記上部サブセル（群）から取り外す工程と、を含むことができる。
開示の太陽電池セル構造、及び同太陽電池セル構造を形成する組成物及び方法の他の態様は、以下の記述、添付の図面、及び添付の請求項から明らかになる。
図１は、本開示の１つの態様に従って組み立てられる太陽電池セル構造の模式的側部立面図である。 図２Ａは、図１の太陽電池セル構造を形成するために使用される下部サブセルアセンブリの模式的側部立面図である。 図２Ｂは、図１の太陽電池セル構造を組み立てるために使用される上部サブセルアセンブリの模式的側部立面図である。 図３は、図２Ｂの上部サブセルアセンブリを図２Ａの下部サブセルアセンブリに接着させることにより形成される組み立て完了前の太陽電池セルの模式的側部立面図である。 図４は、第２基板が太陽電池セルから取り外されるものとして示される、図３の組み立て完了前の太陽電池セルの模式的側部立面図である。 図５は、太陽電池セル構造を形成する開示の方法の１つの態様を示すフローチャートである。
図１を参照するに、参照番号１０で一括指示される開示の太陽電池セル構造の１つの態様は、少なくとも１つの上部サブセル１２と、接着層１４と、少なくとも１つの下部サブセル１６と、そして下部基板１８と、を含むことができる。太陽電池セル構造１０は更に、下部コンタクト層２０と、上部コンタクト層（例えば、コンタクト群２２）と、そして反射防止コーティング層２４と、を含むことができる。他の構成要素群を太陽電池セル構造１０に、本開示の範囲から逸脱しない範囲で含めてもよい。
少なくとも１つの上部サブセル１２は、前面２６及び後面２８を有する半導体材料層（または、複数の半導体材料層）を含むことができる。上部コンタクト群２２及び反射防止コーティング層２４は、少なくとも１つの上部サブセル１２の前面２６に隣接配置することができる。少なくとも１つの上部サブセル１２の後面２８は、接着層１４に隣接させることができる。
少なくとも１つの下部サブセル１６は、前面３０及び後面３２を有する半導体材料層（または、複数の半導体材料層）を含むことができる。少なくとも１つの下部サブセル１６の前面３０は、接着層１４に隣接させることができる。下部基板１８は、少なくとも１つの下部サブセル１６の後面３２に隣接配置することができる。
下部基板１８は、前面３４及び後面３６を含むことができる。少なくとも１つの下部サブセル１６は、下部基板１８の前面３４に隣接配置することができ、そして下部コンタクト層２０は、下部基板１８の後面３６に隣接配置することができる。
接着層１４は、導電成分及びバインダ成分を含むことができる。接着層１４の導電成分によって、少なくとも１つの上部サブセル１２と少なくとも１つの下部サブセル１６との間の垂直方向の電気伝導が可能になる。接着層１４のバインダ成分によって、少なくとも１つの上部サブセル１２を少なくとも１つの下部サブセル１６に接着させることができる。
接着層１４の組成物は、十分高い光透過性、垂直方向電気伝導率、及び十分高い接着強度を実現するように選択することができる。例えば、５接合太陽電池セルを設計する場合、接着層１４の組成物は、（１）少なくとも１つの下部サブセル１６に関連するスペクトル域の光波長（例えば、８００ナノメートル超の波長）について９５パーセント超の光透過率、（２）最大１Ω−ｃｍ２の合計電気抵抗（注記：この合計抵抗は、接着層１４に隣接する半導体層群とのコンタクト抵抗だけでなく、接着層１４自体の垂直方向抵抗を含む）、及び（３）処理工程だけでなく最終用途における作動状態（例えば、地上状態または宇宙状態）に耐える十分強固な接着強度を実現するように選択することができる。
接着層１４の導電成分は、接着層１４に必要な電気伝導率を、接着層１４の光透過性を大幅に低下させることなく付与するように選択することができる。従って、接着層１４中の導電成分の量は、導電成分の配合により決定することができる。
第１発現形態では、接着層１４の導電成分は、導電性炭素質材料または導電性炭素質材料群の組み合わせを含むことができる。第２発現形態では、接着層１４の導電成分は、導電性炭素質材料及び導電性無機材料の組み合わせを含むことができる。
第１発現形態の第１の実施形態では、導電性炭素質材料はカーボンナノチューブ群を含むことができる。例えば、これらのカーボンナノチューブは、約１〜２ナノメートルの平均直径、及び少なくとも１ミクロンの長さを有する単壁ナノチューブとすることができる。これらのカーボンナノチューブは、束にすることができ、そしてバインダ成分を収容することができる間隙空間（例えば、５０パーセントの間隙空間）を、これらのナノチューブの間に画定することができる。バインダを浸透させた適切なカーボンナノチューブ膜（以下に更に詳細に説明される）は、マサチューセッツ州のフランクリン市にあるＥｉｋｏｓ（エイコス）社がブランド商品化した商品名ＩＮＶＩＳＩＣＯＮ（登録商標）で販売されている。
接着層１４のバインダ成分は、接着層１４に強固な接着性を、接着層１４の光透過性を大幅に低下させることなく付与するように選択することができる。従って、接着層１４中の導電成分の量は、バインダ成分の配合により決定することができる。
１つの特定の発現形態では、接着層１４のバインダ成分は、金属酸化物、金属窒化物、ポリマー、無機−有機ハイブリッド材料、またはこれらの材料の組み合わせとすることができる、または金属酸化物、金属窒化物、ポリマー、無機−有機ハイブリッド材料、またはこれらの材料の組み合わせを含むことができる。適切なバインダ成分の例として、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ），ＴｉＯ２（チタニア），ＨｆＯ２（ハフニア），ＳｉＯ２（シリカ），Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素），ＺｎＯ（酸化亜鉛），Ｉｎ２Ｏ３／ＳｎＯ２（インジウム錫酸化物）を挙げることができる。他の適切なバインダ成分の例として、Ｄｏｗ−Ｃｏｒｎｉｎｇ（ダウ−コーニング）９３−５００のようなシリコーン類、及びＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）のようなポリマー類を挙げることができる。
上に説明したように、接着層１４の導電成分はカーボンナノチューブ群を含むことができ、これらのカーボンナノチューブは間隙群を画定し、かつ接着層１４を導電性にする。接着層１４のバインダ成分は、導電成分によって画定される間隙群に浸透して膜を形成することができる。バインダ成分は、膜に強固性及び光調整機能を付与することができる。
接着層１４は、以下に説明するように、種々の方法を使用して形成することができる。接着層１４に関して結果的に得られる厚さは、例えば約１０ナノメートル〜約１００ナノメートルの範囲とすることができる。
更に開示されるのは、図１に示す太陽電池セル構造１０のような半導体構造を形成する方法である。図５を参照するに、参照番号１００で一括指示される開示の方法の１つの態様は、下部サブセルアセンブリ３８（図２Ａ）をブロック１０２及び１０４において形成し、そして上部サブセルアセンブリ４０（図２Ｂ）をブロック１０６及び１０８において形成することから始まる。
図５のブロック１０２を参照するに、下部サブセルアセンブリ３８（図２Ａ）の形成は、少なくとも１つの下部サブセル１６を下部基板１８に形成することから始めることができる。例えば、少なくとも１つの下部サブセル１６は、少なくとも１つの下部サブセル１６を下部基板１８にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。少なくとも１つの下部サブセル１６は、真っ直ぐに成長させ、そして下部基板１８に格子整合（または、略格子整合）させることができる。例えば、下部基板１８はＩｎＰ基板とすることができ、そして少なくとも１つの下部サブセル１６は、ＧａＩｎＰＡｓサブセル４２及びＧａＩｎＡｓサブセル４４を含むことができる。
図５のブロック１０４を参照するに、第１接着層４８は、少なくとも１つの下部サブセル１６の前面３０に塗布することができる。この技術分野の当業者であれば、種々の方法を用いて、開示の接着組成物を塗布して第１接着層４８を形成することができることを理解できるであろう。１つの実施形態では、接着層４８は、導電成分及びバインダ成分を含む混合物として調製される接着組成物を塗布することにより形成することができる。別の実施形態では、接着層４８は、最初に導電成分を塗布し、そして次に、バインダ成分を別途塗布することにより形成することができる。
１つの特定の例として、接着層４８は、２つの工程で形成することができ、これらの工程は：（１）カーボンナノチューブ膜を形成する工程、及び（２）カーボンナノチューブ膜にバインダを浸透させる工程である。任意であるが、硬化させる工程を用いることもできる。カーボンナノチューブ膜は、カーボンナノチューブインクを少なくとも１つの下部サブセル１６の前面３０に印刷する、またはスプレー塗布することにより形成することができる。カーボンナノチューブインクは、精製カーボンナノチューブを水溶性担体（例えば、水）のような担体に分散させることで予め調製しておくことができる。印刷工程またはスプレー塗布工程は、低い周囲温度で行なうことにより、担体の早期蒸発を最小限に抑えることができる。
一旦、カーボンナノチューブインクが乾燥してしまうと、前面３０に残留するカーボンナノチューブにバインダを浸透させることができる。例えば、バインダは、バインダ溶液またはゾルゲルバインダのような溶液として予め調製しておくことができる。特定の例として、バインダ溶液は、アルコールに溶解させたＳｉＯ２を含むことができる。次に、カーボンナノチューブ膜を、バインダ溶液を用いて当該溶液に浸漬塗布して、カーボンナノチューブ膜にバインダ成分を浸透させることにより、導電成分及びバインダ成分を含む接着層４８を形成することができる。
図５のブロック１０６を参照するに、上部サブセルアセンブリ４０（図２Ｂ）の形成は、少なくとも１つの上部サブセル１２を上部基板５０に形成することにより始めることができる。例えば、少なくとも１つの上部サブセル１２は、少なくとも１つの上部サブセル１２を上部基板５０にエピタキシャル成長させることにより形成することができる。少なくとも１つの上部サブセル１２は、上部基板５０に逆構成となるように成長させることができ、そして上部基板５０に格子整合（または、略格子整合）させることができる。例えば、上部基板５０は、ＧａＡｓ基板とすることができ、そして少なくとも１つの上部サブセル１２は、ＧａＡｓサブセル５２、ＡｌＧａＩｎＡｓサブセル５４、及びＧａＩｎＰサブセル５６を含むことができる。
図５のブロック１０８を参照するに、第２接着層５８は、少なくとも１つの上部サブセル１２の後面２８に塗布することができる。第２接着層５８は、上に説明した種々の方法を用いて塗布することができる。
この時点において、この技術分野の当業者であれば、サブセルアセンブリ３８，４０の両方に、接着層４８，５８が必要である訳ではないことを理解できるであろう。そうではなく、別の態様では、下部サブセルアセンブリ３８及び上部サブセルアセンブリ４０のうちの一方のサブセルアセンブリにのみ接着層４８，５８を設ければよい。
図５のブロック１１０を参照するに、上部サブセルアセンブリ４０を下部サブセルアセンブリ３８に、第１接着層４８を第２接着層５８と接合させて、図３に示す接着層１４を形成することにより接続することができる。接着層１４は必要に応じて硬化させることができる。ブロック１１２（図５）では、上部基板５０は、図４に示すように、必要に応じて（例えば、光透過性ではない、または導電性ではない場合に）取り外すことができるので、少なくとも１つの上部サブセル１２の前面２６を露出させることができる。最後に、ブロック１１４（図５）では、図１に示すように、上部コンタクト群２２を少なくとも１つの上部サブセル１２の前面２６に取り付けることができ、そして下部コンタクト２０を下部基板１８の後面３６に取り付けることができる。
従って、開示の接着組成物を用いて、第１半導体ウェハを第２半導体ウェハに接着させることができる。具体的には、開示の接着組成物の光特性、導電特性、及び接着特性によって、上部サブセル積層体を下部サブセル積層体に接着させて太陽電池セル構造を形成するための当該組成物の使用が容易になる。従って、上部サブセル積層体は、上部基板上に格子整合または略格子整合（すなわち、ほぼ格子整合）するように成長させることができ、そして下部サブセル積層体は、下部（異なる導電型）基板上に格子整合または略格子整合（すなわち、ほぼ格子整合）するように成長させることができ、そして開示の接着組成物を用いて、特にカーボンナノチューブ群が接着組成物の導電成分として使用される場合に、上部サブセル積層体を下部サブセル積層体に、光特性の低下を最小限に抑えながら物理的かつ電気的に接続することができる。
開示の太陽電池セル構造及び組成物、及び太陽電池セル構造及び組成物を形成する方法の種々の態様を示し、そして説明してきたが、種々変形をこの技術分野の当業者であれば本明細書を一読することにより想到することができる。本出願は、このような変形を包含し、そして請求項の範囲によってのみ制限される。

Claims (8)

  1. 第１半導体ウェハ層を第２半導体ウェハ層に接続する接着層を含む多接合半導体構造であって、前記接着層がカーボンナノチューブ膜にバインダ成分を浸透させたものであり、前記バインダ成分は、アルミナ、ハフニア、シリカ、窒化珪素、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択される、多接合半導体構造。
  2. 前記接着層は、少なくとも８００ナノメートルの波長において少なくとも８５パーセントの光透過率を有する、請求項１に記載の多接合半導体構造。
  3. 前記接着層は、１０ナノメートル〜１００ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の多接合半導体構造。
  4. 前記第２半導体ウェハ層は、１つのスペクトル域の光を吸収し、前記接着層は、前記スペクトル域全体に渡って少なくとも８５パーセントの光透過率を有する、請求項１に記載の多接合半導体構造。
  5. 前記接着層は、接着層の垂直方向における１ｃｍ ２ あたりの電気抵抗が最大１Ωである、請求項１に記載の多接合半導体構造。
  6. 少なくとも１つの下部サブセルに接着層によって接続される少なくとも１つの上部サブセルを含む多接合太陽電池セル構造であって、前記接着層がカーボンナノチューブ膜にバインダ成分を浸透させたものであり、前記下部サブセルが１つのスペクトル域で動作し、前記接着層が、前記スペクトル域全体に渡って少なくとも８５パーセントの光透過率を有し、前記バインダ成分は、アルミナ、ハフニア、シリカ、窒化珪素、及びこれらの組み合わせから成るグループから選択される、多接合太陽電池セル構造。
  7. 前記カーボンナノチューブ膜のなかのカーボンナノチューブは、１〜２ナノメートルの範囲の断面平均厚さを有する、請求項６に記載の多接合太陽電池セル構造。
  8. 前記バインダ成分は、金属酸化物、金属窒化物、半導体酸化物、半導体窒化物、ポリマー、及びシリコーンのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の多接合太陽電池セル構造。
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