JP6888859B2 - マルチスタック積層レーザ太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本出願の実施例は、電池セル積層体及び電池セル積層体の下部・上部にそれぞれ電気的に接続される下部電極、上部電極を含み、前記電池セル積層体は積層して設置されるN個のAlGaAsPN接合サブ電池を含み、隣接の2つの前記サブ電池の間がトンネル接合で直列に接続され、かつN≧2であるマルチスタック積層レーザ太陽電池を提供する。
導電基板の表面に前記電池セル積層体を成長するステップと、
前記電池セル積層体上に誘電体膜を形成し、前記電池セル積層体のオーミックコンタクト層の少なくとも一部の領域が前記窓から露出するように前記誘電体膜上に窓を開設するステップと、
前記窓から露出したオーミックコンタクト層上に上部電極を形成するステップと、
前記電池セル積層体の電流拡散層が露出するまで前記窓中から露出したオーミックコンタクト層の上部電極で被覆されない領域をエッチングするステップと、
導電基板の裏面に下部電極を形成するステップと、
を含む製造方法を提供する。
導電基板の表面に前記電池セル積層体を成長するステップと、
前記電池セル積層体上に誘電体膜を形成し、前記電池セル積層体のオーミックコンタクト層の少なくとも一部の領域が前記窓から露出するように前記誘電体膜上に窓を開設するステップと、
前記窓から露出したオーミックコンタクト層上に上部電極を形成するステップと、
前記電池セル積層体の電流拡散層が露出するまで前記窓中から露出したオーミックコンタクト層の上部電極で被覆されない領域をエッチングするステップと、
導電基板の裏面に下部電極を形成するステップと、
を含む製造方法を、更に提供する。
(1)N型ドープ原子としてSi、Se、S又はTe、P型ドープ原子として、Zn、Mg又はCを使用して、導電単結晶基板上にMOCVD法によって順次に各層材料を成長させるステップ、
又は、
P型ドープ原子としてBe、Mg又はC、N型ドープ原子としてSi、Se、S又はTeを使用して、導電単結晶基板上にMBE法によって順次に各層材料を成長させるステップと、
(2)上記エピタキシャル成長したマルチスタック積層電池ウエハ(電池セル積層体)表面(N+GaAsコンタクト層)に、1層の誘電体膜を成膜し、そして、フォトリソグラフィ及びエッチング法によって、該層の誘電体膜上に円形窓を形成し、N+GaAsコンタクト層を露出させるステップと、
(3)スピンコート、フォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着(熱蒸着又はマグネトロンスパッタ)により、1層又は複数層の金属を成膜する金属剥離工程によって、円形受光領域中のゲート電極を含む上部電極を形成するステップと、
(4)ウェットエッチング法によって電流拡散層が露出するまで円形受光領域内のゲート電極で被覆されない部分のN+型GaAsコンタクト層をエッチングするステップと、
(5)機械的研磨によって基板を薄肉化するステップと、
(6)基板の裏面に電子ビーム蒸着、熱蒸着又はマグネトロンスパッタにより1層又は複数層の金属を成膜することによって平面電極を形成するステップと、
(7)急速アニールにより金属と半導体の間にオーミックコンタクトを形成するステップと、
(8)受光面に反射防止膜を形成するステップと、
(9)フォトリソグラフィ法により円形受光面以外のワイヤボンディング箇所の反射防止膜を除去することによって、ワイヤボンディングために金属を露出させるステップと、
(10)レーザ太陽電池チップを劈開又は切断し分離させ、レーザ太陽電池工程を完了するステップと、
を含む。
(1)N型GaAs基板上に、基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型(Al)GaAs層、P+型(Al)GaAs層を含む、第1のトンネル接合を成長させるステップ、
(2)上記第1のトンネル接合上に、P型Alx2Ga1−x2As(x2>x1)又はP型Ga0.52In0.48Pバックフィールド層、P型Alx1Ga1−x1Asベース領域、N型Alx1Ga1−x1Asエミッタ領域、N型Alx3Ga1−x3As(x3>x1)又はN型Ga0.52In0.48P(与GaAs格子整合)窓層を成長させ、第1のAlGaAsサブ電池を形成するステップ、
(2)上記第1のAlGaAsサブ電池上に、第2のトンネル接合を成長させるステップ、但し、トンネル接合は、基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型Alx4Ga1−x4As(x4>x1)層、P+型Alx5Ga1−x5As(x5>x1)層を含み、Alx4Ga1−x4As及びAlx5Ga1−x5Asが入射光を吸収しないようにx4及びx5を設計する。
(3)そして、第6のAlGaAsサブ電池を形成するまで順次にトンネル接合(第1のトンネル接合構造と同様)及びAlGaAsサブ電池を交互に成長するステップ、
(4)第6のAlGaAsサブ電池のN型Alx6Ga1−x6As(x6>x1)又はN型Ga0.52In0.48P窓層上に、N+型(4×1018cm−3超え)GaAsコンタクト層を、オーミックコンタクトとして成長させ、電流拡散層が入射光を吸収しないようにx6を設計するステップ。
(1)PECVDにより、上記エピタキシャル成長したAlGaAs6層積層電池のエピタキシャルウェハ表面(N+GaAsコンタクト層)に、1層のSiO2誘電体膜を成膜し、そしてフォトリソグラフィ及びエッチング法により該層のSiO2上に円形窓を形成し、N+GaAsコンタクト層を露出させるステップ、
(2)スピンコート、フォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着(熱蒸着又はマグネトロンスパッタ)により、AuGe/Ni/Auを成膜する金属剥離工程によって、円形受光領域中のゲート電極を含む上部電極を形成するステップ、
(3)ウェットエッチング法により、電流拡散層が露出するまで、円形受光領域内のゲート電極で被覆されない部分のN+型GaAsコンタクト層をエッチングするステップ、
(4)機械的研磨により、基板を約100μmまで薄肉化するステップ、
(5)基板の裏面に電子ビーム蒸着、熱蒸着又はマグネトロンスパッタにより1層又は複数層の金属(N型GaAs基板がAuGe/Ni/Auで形成され、P型GaAs基板がTi/Pd/Auで形成される)を成膜することによって、平面電極を形成するステップ、
(6)急速アニールにより、金属と半導体の間にオーミックコンタクトを形成するステップ、
(7)受光面に反射防止膜を形成するステップ、
(8)フォトリソグラフィ法により円形受光面以外のワイヤボンディング箇所の反射防止膜を除去し、ワイヤボンディングための金属を露出させるステップ、
(9)レーザ太陽電池チップを劈開又は切断し分離させ、レーザ太陽電池工程を完了するステップ。
(1)N型GaAs基板(1−2×1018cm−3、厚さ350μm)01上に、20nmのSiドープド濃度1×1019cm−3のN+型GaAs層20及び20nmのCドープド濃度4×1019cm−3のP+型Al0.3Ga0.7As層21からなる、第1のトンネル接合02を成長させる。
(1)PECVDにより、エピタキシャル成長したAlGaAs積層マルチスタック電池のエピタキシャルウェハ表面(N+GaAsコンタクト層15)に、1層の200nmSiO2を成膜し、そして該層のSiO2上にレジストを塗布し、レジスト露光・現像によりマスク上のパターンをレジスト上へ転写する。SiO2表面を露出させ、レジストをマスクとして、HFバッファードエッチング液を使用しSiO2上に、径2.2mmの円形窓をエッチングし、N+GaAsコンタクト層を露出させる。
(付記1)
電池セル積層体と、前記電池セル積層体の下部及び上部にそれぞれ電気的に接続される下部電極及び上部電極を含むルチスタック積層レーザ太陽電池であって、
前記電池セル積層体は、積層されるN個のAlGaAsPN接合サブ電池を含み、隣接の2つの前記サブ電池同士が直列トンネル接合され、かつN≧2であることを特徴とするマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記AlGaAsPN接合サブ電池における光吸収層は、P型Alx1Ga1−x1Asベース領域及びN型Alx1Ga1−x1Asエミッタ領域を含み、X1は入射光レーザの波長がAlx1Ga1−x1Asの最大吸収波長以下になるような値を取ることを特徴とする付記1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記AlGaAsサブ電池は、設定方向に沿って順次に設置されるP型バックフィールド層、P型Alx1Ga1−x1Asベース領域、N型Alx1Ga1−x1Asエミッタ領域及びN型窓層を含み、P型バックフィールド層及びN型窓層が、ともに入射レーザを吸収しないことを特徴とする付記2に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記電池セル積層体の下部に導電基板を介して前記下部電極が電気的に接続され、前記導電基板が導電単結晶基板で形成され、好適に前記導電単結晶基板の材質として、GaAs又はGeを含むことを特徴とする付記2に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記電池セル積層体が導電基板上に形成され、且つ前記AlGaAsサブ電池は、導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるP型Alx2Ga1−x2As又はP型Ga0.52In0.48Pバックフィールド層、P型Alx1Ga1−x1Asベース領域、N型Alx1Ga1−x1Asエミッタ領域、N型Alx3Ga1−x3As又はN型Ga0.52In0.48P窓層を含み、その内にx2及びx3はAlx2Ga1−x2As及びAlx3Ga1−x3Asが入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする付記4に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記導電基板は、GaAs導電単結晶基板で形成され、且つ前記バックフィールド層にP型Alx2Ga1−x2As又はP型Ga0.52In0.48PとGaAsが格子整合することを特徴とする付記5に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記電池セル積層体上に、さらに順次電流拡散層及びオーミックコンタクト層が設置され、前記オーミックコンタクト層が、前記上部電極と電気的に接続され、前記電流拡散層が入射レーザを吸収せず、好適に前記オーミックコンタクト層の材質としてGaAsを含むことを特徴とする付記5に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記導電基板はN型基板で形成され、前記電池セル積層体は順次に導電基板上に形成される第1のトンネル接合及び第1のAlGaAsサブ電池から第Nトンネル接合及び第NAlGaAsサブ電池までを含み、その内にトンネル接合とサブ電池が交互に設置され、且つ前記第1のトンネル接合〜第Nトンネル接合中のいずれか1つも入射レーザを吸収しないことを特徴とする付記4〜7のいずれか1つに記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記第1のトンネル接合は導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型(Al)GaAs層及びP+型(Al)GaAs層を含み、前記第2のトンネル接合〜第Nトンネル接合中のいずれか1つは導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.51In0.49P又はN+型Alx4Ga1−x4As(x4>x1)層及びP+型Alx5Ga1−x5As(x5>x1)層を含み、その内にx4、x5はAlx4Ga1−x4As及びAlx5Ga1−x5Asが入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする付記8に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記第NAlGaAsサブ電池上にさらに順次N型Ga0.51In0.49P又はN型Alx6Ga1−x6As電流拡散層及びN+型GaAsオーミックコンタクト層が形成され、その内にx6は前記電流拡散層が入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする付記8に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記導電基板はP型基板で形成され、前記電池セル積層体は順次に導電基板上に形成される第1のAlGaAsサブ電池、第1のトンネル接合〜第(N−1)AlGaAsサブ電池、第(N−1)トンネル接合及び第NAlGaAsサブ電池を含み、その内にトンネル接合とサブ電池が交互に設置され、且つ前記第1のトンネル接合〜第(N−1)トンネル接合中のいずれか1つも入射レーザを吸収しないことを特徴とする付記4〜7のいずれか1つに記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記第1のトンネル接合〜第(N−1)トンネル接合中のいずれか1つは導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型Alx4Ga1−x4As層及びP+型Alx5Ga1−x5As層を含み、その内にx4>x1、x5>x1であり、且つx4、x5はAlx4Ga1−x4As及びAlx5Ga1−x5Asが入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする付記11に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記第NAlGaAsサブ電池上にさらに順次N型Ga0.52In0.48P又はN型Alx6Ga1−x6As電流拡散層及びN+型GaAsオーミックコンタクト層が形成され、x6>x1であり、且つx6は前記電流拡散層が入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする付記11に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記電池セル積層体中に、各AlGaAsPN接合サブ電池が入射レーザ光エネルギーを十分に吸収する場合に同じ光電流を生成するように各AlGaAsPN接合サブ電池の厚さを設定することを特徴とする付記1、2、3、4、5、6、7、9、10、12、13のいずれか1つに記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
前記マルチスタック積層レーザ太陽電池の受光面上にさらに反射防止膜が設けられ、好適に前記受光面が前記マルチスタック積層レーザ太陽電池の先端面上に分布されることを特徴とする付記1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
付記1〜15のいずれか1つに記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池の製造方法であって、
導電基板の表面に前記電池セル積層体を成長するステップと、
前記電池セル積層体上に誘電体膜を形成し、前記電池セル積層体のオーミックコンタクト層の少なくとも一部の領域が前記窓から露出するように前記誘電体膜上に窓を開設するステップと、
前記窓から露出したオーミックコンタクト層上に上部電極を形成するステップと、
前記電池セル積層体の電流拡散層が露出するまで前記窓中から露出したオーミックコンタクト層の上部電極で被覆されない領域をエッチングするステップと、
導電基板の裏面に下部電極を形成するステップと、
形成されるマルチスタック積層レーザ太陽電池の受光面上に反射防止膜を形成するステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。
少なくともMOCVD、MBE中のいずれか1つの方式によって前記電池セル積層体を成長するステップを含み、好適に前記電池セル積層体の成長過程中に、使用するN型ドープ原子がSi、Se、S又はTeであり、かつ前記電池セル積層体の成長過程中に、使用するP型ドープ原子がBe、Zn、Mg又はCであることを特徴とする付記16に記載の製造方法。
前記導電基板の裏面に対し薄肉化処理を行ってから、導電基板の裏面に下部電極を形成するステップを更に含むことを特徴とする付記16に記載の製造方法。
少なくとも急速アニール方式によって上部電極と前記オーミックコンタクト層の間にオーミックコンタクトを形成することを特徴とする付記16に記載の製造方法。
Claims (15)
- 導電基板と、前記導電基板上に形成される電池セル積層体と、前記電池セル積層体の下部及び上部にそれぞれ電気的に接続される下部電極及び上部電極を含むマルチスタック積層レーザ太陽電池であって、
前記電池セル積層体は、積層されるN個のAlGaAsPN接合サブ電池を含み、隣接の2つの前記サブ電池同士が直列トンネル接合され、かつN≧2であり、
前記サブ電池は、導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるP型Al x2 Ga 1−x2 As又はP型Ga 0.52 In 0.48 Pバックフィールド層、P型Al x1 Ga 1−x1 Asベース領域、N型Al x1 Ga 1−x1 Asエミッタ領域、N型Al x3 Ga 1−x3 As又はN型Ga 0.52 In 0.48 P窓層を含み、x1は、入射光レーザの波長がAl x1 Ga 1−x1 Asの最大吸収波長以下になるような数値で、0.02〜0.38であり、その内にx2及びx3はAl x2 Ga 1−x2 As及びAl x3 Ga 1−x3 Asが入射レーザを吸収しないような数値で、x2>x1、x3>x1であり、
前記電池セル積層体中に、各サブ電池内のx1の値が同じで、各サブ電池の厚さは、入射レーザ光エネルギーを十分に吸収する場合に、生成した光電流が同じになることを満たす厚さであり、
前記電池セル積層体の下部に前記導電基板を介して前記下部電極が電気的に接続され、
前記トンネル接合中のいずれか1つも、入射波長が830〜650nmである入射レーザを吸収しないことを特徴とするマルチスタック積層レーザ太陽電池。 - 前記導電基板が導電単結晶基板で形成され、前記導電単結晶基板の材質として、GaAs又はGeを含むことを特徴とする請求項1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記導電基板は、GaAs導電単結晶基板で形成され、且つ前記バックフィールド層にP型Alx2Ga1−x2As又はP型Ga0.52In0.48PとGaAsが格子整合することを特徴とする請求項1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記電池セル積層体上に、さらに順次電流拡散層及びオーミックコンタクト層が設置され、前記オーミックコンタクト層が、前記上部電極と電気的に接続され、前記電流拡散層が入射レーザを吸収せず、前記オーミックコンタクト層の材質としてGaAsを含むことを特徴とする請求項1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記導電基板はN型基板で形成され、前記電池セル積層体は順次に導電基板上に形成される第1のトンネル接合及び第1のAlGaAsサブ電池から第Nトンネル接合及び第NAlGaAsサブ電池までを含み、その内にトンネル接合とサブ電池が交互に設置され、且つ前記第1のトンネル接合〜第Nトンネル接合中のいずれか1つも入射レーザを吸収しないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記第1のトンネル接合は導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型(Al)GaAs層及びP+型(Al)GaAs層を含み、前記第2のトンネル接合〜第Nトンネル接合中のいずれか1つは導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.51In0.49P又はN+型Alx4Ga1−x4As(x4>x1)層及びP+型Alx5Ga1−x5As(x5>x1)層を含み、その内にx4、x5はAlx4Ga1−x4As及びAlx5Ga1−x5Asが入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする請求項5に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記第NAlGaAsサブ電池上にさらに順次N型Ga0.51In0.49P又はN型Alx6Ga1−x6As電流拡散層及びN+型GaAsオーミックコンタクト層が形成され、その内にx6は前記電流拡散層が入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする請求項5に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記導電基板はP型基板で形成され、前記電池セル積層体は順次に導電基板上に形成される第1のAlGaAsサブ電池、第1のトンネル接合〜第(N−1)AlGaAsサブ電池、第(N−1)トンネル接合及び第NAlGaAsサブ電池を含み、その内にトンネル接合とサブ電池が交互に設置され、且つ前記第1のトンネル接合〜第(N−1)トンネル接合中のいずれか1つも入射レーザを吸収しないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記第1のトンネル接合〜第(N−1)トンネル接合中のいずれか1つは導電基板から離れる方向に沿って順次に設置されるN+型Ga0.52In0.48P又はN+型Alx4Ga1−x4As層及びP+型Alx5Ga1−x5As層を含み、その内にx4>x1、x5>x1であり、且つx4、x5はAlx4Ga1−x4As及びAlx5Ga1−x5Asが入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする請求項8に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記第NAlGaAsサブ電池上にさらに順次N型Ga0.52In0.48P又はN型Alx6Ga1−x6As電流拡散層及びN+型GaAsオーミックコンタクト層が形成され、x6>x1であり、且つx6は前記電流拡散層が入射レーザを吸収しないような値を取ることを特徴とする請求項8に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記電池セル積層体中に、各AlGaAsPN接合サブ電池が入射レーザ光エネルギーを十分に吸収する場合に同じ光電流を生成するように各AlGaAsPN接合サブ電池の厚さを設定することを特徴とする請求項1〜4、6、7、9、10のいずれか1項に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 前記マルチスタック積層レーザ太陽電池の受光面上にさらに反射防止膜が設けられ、前記受光面が前記マルチスタック積層レーザ太陽電池の先端面上に分布されることを特徴とする請求項1に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載のマルチスタック積層レーザ太陽電池の製造方法であって、
少なくともMOCVD、MBE中のいずれか1つの方式によって導電基板の表面に前記電池セル積層体を成長するステップと、
前記電池セル積層体上に誘電体膜を形成し、前記電池セル積層体のオーミックコンタクト層の少なくとも一部の領域が前記窓から露出するように前記誘電体膜上に窓を開設するステップと、
前記窓から露出したオーミックコンタクト層上に上部電極を形成するステップと、
前記電池セル積層体の電流拡散層が露出するまで前記窓中から露出したオーミックコンタクト層の上部電極で被覆されない領域をエッチングするステップと、
導電基板の裏面に下部電極を形成するステップと、
形成されるマルチスタック積層レーザ太陽電池の受光面上に反射防止膜を形成するステップと、
を含み、
前記電池セル積層体の成長過程中に、使用するN型ドープ原子がSe、S又はTeであり、かつ前記電池セル積層体の成長過程中に、使用するP型ドープ原子がBe、Zn又はMgであることを特徴とする製造方法。 - 前記導電基板の裏面に対し薄肉化処理を行ってから、導電基板の裏面に下部電極を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項13に記載の製造方法。
- 少なくとも急速アニール方式によって上部電極と前記オーミックコンタクト層の間にオーミックコンタクトを形成することを特徴とする請求項13に記載の製造方法。
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