JPH03503946A - 高効率の太陽電池 - Google Patents
高効率の太陽電池Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
田立用
2浬B
【氷夏一
本発明は、改良されたゲルマニウム/ガリウムヒ素太陽電池に関する。
l尻生!1
従来、主活性ジャンクションがn型とP型のガリウムヒ素からなる太陽電池に対
する基板として、ゲルマニウムか、またはガリウムヒ素が用いられている。
ガリウムヒ素の基板は、ゲルマニウム基板が有する問題点が少なく、かつ電気的
特性が勝っている。これらの問題点の一つとして、「カスケード効果」がある、
この効果により、全出力のいくらかが、ガリウムヒ素の基板とのジャンクション
(接合部)から発生する。このジャンクションは、赤外線エネルギーに特に反応
し易く、かつ相当に高い温度係数を有している。
これらの問題点や、太陽電池の標準的製造方法に関しては、次に挙げる文献で報
告されている。
(1)エム・カド−(M、Kato)らによるrMOcVDによるA Q Ga
As/GaAs太陽電池(MOCVD A n GaAs/GaAs 5ola
r Ce1ls)に1985年、米国電気電子学会(IEEE) 、発行811
0160−8371/8510000−0014゜(2)ニス・ピー・トビン(
S、P、Tobin)らによる「高効率GaAs/Geモノリシックタンデム型
太陽電池(High Efficiency GaAs/G。
Monolithic Tandsm 5olar Ce1ls)J ; IE
EE電子素子レターし、Vol、 9、&5,1988年5月、256〜258
ページ。
(3)ワイ・シー・エム・イエ−(Y、C,M、Yeh)、エフ・ホー(F、H
o)らによる「頑丈な高効率GaAs/Ge太陽電池の大量生産(HighVo
lume Production of Rugged )ligh
Efficiency GaAs/Ge5olar Ce1ls)J :I
EEE太陽電池専門家会議、1988年9月、米国ネバダ州うスベガス。
(4)アール・イー・ハート、ジュニア(R,E、Hart+Jr、)らによる
r GaAs/Ge太陽電池の高電流−電圧測定(High Altituda
Currant−Voltage Measurement of GaAs/
Go 5olar Ce1ls)J ;IEEE太陽電池専門家会議−1988
年9月、米国ネバダ州うスベガス。
上記文献中、並びに本明細書中で使われている略語の意味するところは、次の通
りである。
アルミニウム元素をrAQJ−ゲルマニウム元素をrGeJ、ヒ素をrAsJ−
ガリウム元素をrGaJと、それぞれ呼ぶ、太陽電池の表示であるrGaAs/
GeJは、ゲルマニウム基板上にガリウムヒ素を成長させた太riII!池であ
ることを表わす。
半導体の分野においてよく知られているように、ケイ素及びゲルマニウムは、4
つの価電子を有する■族の半導体元素であり、かつ、5つの価電子を有する似た
元素を加えることによる「ドーピング」を行なって、過剰の電子を有する状態の
n型をつくり、また3つの価電子しか有しない似た元素によりドーピングを行な
って、電子の欠損状態のp型をつくる。
元素の周期表におけるGaをはさむそれぞれの側にある。■族のGa及び■族の
Asは、 Geのドーピングを行なうためによく用いられている。 Geを用い
ずそれらを一緒に用いた場合、優れた半導体であるガリウムヒ素を生成する。
GaAsとGeは、非常によく似たいくつかの性質を有している。
特に、格子定数(5,6534オングストロームと5.65748オンダストロ
ーム)、および熱膨張係数(5,9X 10−’/”Cと5.8 X 10−’
/”C)。
これらの性質は、一方の物質の他方の物質に対する結晶の成長を有利にする。
再び、本発明の背景について説明する。
ゲルマニウムは、多くの理由で、ガリウムヒ素太陽電池のための基板として好適
である。第1に、ゲルマニウムは、基板として、ガリウムヒ素よりも大きな破砕
靭性を有している。 0.20m(8ミル)厚のゲルマニウムスライスは−0,
31■(12ミル)厚のガリウムヒ素スライスの2倍も強い、第2に、コストの
面で。
ゲルマニウムのほうが有利である。つまり、ゲルマニウムは、ガリウムヒ素より
30〜40%安くあがる。
また、 0.20■(8ミル)厚のゲルマニウムウェハーは+ 0.31■(1
2ミル)厚のガリウムヒ素よりも34%も軽い0重量も、例えば場所的利用に関
して、重要な要素である。
しかも、冒頭で述べた逆の効果のために、ゲルマニウム基板の使用が阻まれてい
る。
ゲルマニウムを使用する際の厄介な別の問題は、ゲルマニウム基板を、ガリウム
ヒ素の析出のために用いられるガスに曝す際の高温状態で発生するrセルフ・ド
ーピング」である。
ゲルマニウムの融点は約937℃であり、またガリウムヒ素の気相成長は780
℃までの温度で起こるので、ゲルマニウムがいくらか蒸発し、il造の際、同じ
密閉容積の中で処理されている別の太陽電池の微妙なドーピングに、悪い影響を
与える。
従来、このような影響をなくすため、相当に費用のかかる処理工程を含むガリウ
ムヒ素の特殊なキャップが使用されている。
本発明の主な目的は、ゲルマニウム基板上にガリウムヒ素の素子を形成する際に
発生していた問題点を解消して、優れた太陽電池を提供することである。
1王立l豊
本発明によれば、カスケード効果は、ゲルマニウム基板との界面に光起電性禁止
ジャンクションを形成することにより阻止される。このジャンクションは、相当
に低い温度、つまり、良好な表面形態(surface morphology
)を得るのに好適な740〜780℃の温度で成長を開始させることにより達成
される。
本発明によれば、ゲルマニウム基板を、通常の方法、つまり。
軸100とほぼ直角に、かつ軸110かまたは紬111に対して、約3度傾けて
切断するのではなく、軸001とほぼ直角であるが、結晶軸111及び011の
ほぼ中間の方向に、ある角度、即ち3〜20度。
好ましくは6〜15度の角度で切断する。
本発明の特徴は、不必要なセルフ・ドーピング効果を禁止するため、ゲルマニウ
ム基板の表面に、二酸化ケイ素の安価なコーティングを施しであることである。
本発明の利点は、高効率性、カスケード効果の排除、温度係数の低減、セルフ・
ドーピングの防止を、大きな費用を掛けることなく達成しうることである。
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しての次の詳細説明によ
り、明らかになることと思う。
図面の簡単な説明
第1図は、太陽電池の正面斜視図である。
第2図は、第1図示の太陽電池の一部拡大断面斜視図である。
第3図は、本発明による太陽電池における基板として用いられるゲルマニウムの
結晶軸を示す立体模式図である。
第4図は、本発明の実施に際して用いられるゲルマニウム基板の方向を示す幾何
学的説明図である。
の な
太陽光には、lj当たり約135.3ミリワツトに相当する強さがある。太陽電
池は、この入射光を電気的なエネルギーに変えるものであるが、太陽電池の効率
は、約15〜20%の範囲である。
ここでいう効率とは、太陽電池に入射する太陽光に対する出力電力の比の意義で
ある。
高効率であることのほかに、太陽電池に必要な他の要件は、機械的強度が高いこ
と、温度変化による出力電力の温度係数が低いこと、耐逆バイアス状態が優れて
いることである。
第1図及び第2図は、2つの重要な相違点を有する通常の太陽電池の構造を示す
。
2つの相違点とは、ゲルマニウム基板(12)の結晶の方位と、基板(12)及
びn型GaAsバッファ層(16)の間の不動態界面、即ち光禁止界面(14)
とである。
しかし、分かり易くするため、第1図及び第2図では、太陽電池(18)の全体
構造を、簡潔に示しである。
つまり、n型GaAsベース層(20)及びP型GaAsエミッタ層(22)は
、n型GaAsバッファ層(16)の上方に位置している。AρGaAs窓層(
24)、および2つの反射防止コーティング層(26)は、半導体構造を完成し
ている。全金属層(28)が、基板(12)の底面に施されている。
太陽電池(18)の頂面には、金属格子ライン(30)及び上方接触領域(32
)が設けられている。格子ラインにより、太陽光線は。
ベース(20)とエミッタ(22)との間のジャンクションに照射されこのよう
な構造は公知であり、また太陽電池をつるく方法も、公知であって、上で゛述べ
たこと以外につ、いては、冒頭で引用した文献に記載されている。
第3図及び第4図は1本発明によるゲルマニウム基板の新規の結晶方位を考える
際に有用な説明図である。
ゲルマニウムの結晶には、3つの基本的な結晶軸がある。それらの軸を、001
.111及び011として表わすことができる。これらの軸は、第3図示の幾何
学的立体の面に対して直角である。
軸111及び011は、それぞれ、軸001に対して、54度44分及び45度
傾いている。従って、第4図に示すように、軸111及び011を。
軸001に直交する面上に投影すると、投影されたものは、互いに45度の角度
を形成する。
従来、ゲルマニウム基板を有するガリウムヒ素太陽電池(GaAs/Ge)は、
001方向(つまり、001方向と直交するウェハー基板の面)にほぼ等しいが
、111面の方向へ約6度傾いた方向角を用いて構成されている。
本発明においては、第4図に示すように、基板が、011方向と111方向との
ほぼ中間で、001方向から鋭角に傾く方向をとった際に、優れた効率が達成さ
れるようにしである。つまり、第4図において、001方向は1紙面から垂直方
向に伸びており。
また、轄111及び軸011を軸001に直交する面に投影したものを、それぞ
れ、符号(24)及び(44)で示し、かつそれらは、互いに45度の角度をな
している。
線(46)は、軸111と軸011とのほぼ中間、つまり、軸111から約25
度、軸011からは約20度のところに位置している。
基板の面を、001方向を含む垂直面から約5〜15度で方向づけした際、即ち
、軸111と軸011とのほぼ中間の方向に傾いている際、太陽電池の効率が相
当に向上することが分かった。
比較処理、および9度の傾斜角を用いた場合、電池の効率は約20%よくなり、
同じ変数を用いた別の場合でも、20.0%以上の効率向上が達成された。6度
の傾斜角、それに、第4図示の方向を用いた別の試みによると、電池の効率は2
0%向上した。
それぞれの場合について、前節で述べたように方向づけした基板を有する多くの
同時処理した太陽電池による比較を行なった。9度の傾斜角、および第4図示の
方向づけを用いた際、22個のサンプルからなるテストによる太陽電池の平均効
率は、19.1%であった・
第2図に示すn型ゲルマニウム基板(12)と、n型ガリウムヒ素バッファ(1
6)との間におけるジャンクション(界面)(14)について考察を行なう。
ガリウムヒ素の析出は、キャリヤーである水素ガス中で、(CH,)、Ga及び
AsH,を用いて行なう、良好な表面形態を得るため、通常、気相成長を約74
0℃で開始し、かつ780℃程度まで昇温させるが、いずれにせよ、ガリウムヒ
素の気相成長をよくするため、この温度範囲にとどめておく、ちなみに、ガリウ
ムヒ素の融点は1 、238℃であり、ゲルマニウムの融点は約937℃である
。
通常の析出方法を用いた場合、よい表面形態が得られ、かつ第2図示の界面(1
4)のところに、よい光起電性カスケードジャンクションが形成される。
しかし、上で説明したように、主として赤外線エネルギーに反応し易いこの種の
ジャンクションが存在すると、さまざまな問題が生じる0例えば、温度係数を大
きくしたり、また前述の文献にも詳述されているように、ユニットの電力出力及
び効率に低下をもたらす電流−電圧出力特性における「キンク」を生じさせたり
する。
本発明によれば、ジャンクション(14)における光起電力効果を禁止、即ち不
動態化するため、ガリウムヒ素層(16)を最初に析出させる開始温度は、74
0℃〜780℃以下、好ましくは700℃以下となるように設定される。
より詳しくいうと、660℃で開始し、かつ748℃まで急速に立ち上げる。完
全な層が形成されたら成功であり、ジャンクション(14)における光起電力効
果は、はぼ不動態化する。すなわちなくなる。
しかし1通常、001方向に近接して方向づけられたゲルマニウム結晶に、この
ような低温度条件の下でGaAs層を成長させると、劣化結晶完成体(貧弱な表
面形態のもの)が1!察され、その結果得られる電池の効率は悪かった。
正確な方向づけと、低温度成長とを組合わせることによって、優れた電池性能が
得られる。
本発明の別の特徴について説明する。
上で述べたように、太陽電池が形成されていく連続処理過程において、ゲルマニ
ウム基板、特にその表面は、蒸発したり、また全太陽電池におけるいくつかのガ
リウムヒ素もしくは他の層と一緒に析出される。
この発生を防止するため、従来、相当高くつく方法で、ゲルマニウム基板の裏側
にガリウムヒ素のコーティングを施す方法が提案されている。
しかし1本発明によれば、約400℃で行なう簡単な化学的気相成長方法により
、ゲルマニウム基板(12)の裏面に、二酸化ケイ素による被膜をつくる。その
際、ゲルマニウム基板の裏面には、シランガス及び酸素を与える。
次に、太陽電池のジャンクションが形成された後、フッ化水素酸を用いて、二酸
化ケイ素の被膜を取り除き、裏面接合金属体を形成する。
本発明による太陽電池は、次の段階を経て製造される。
(1)結晶軸001に対してほぼ直角であるが、111方向と011方向とのほ
ぼ中間の角度へ約5〜15度傾いているウェハー基板の面を有するゲルマニウム
基板をつくる段階。
(2)ゲルマニウム基板の片面に、二酸化ケイ素の被膜を形成させる段階。
(3) 700℃以下の温度で開始させるが、その温度を、740℃〜780℃
に急速に立ち上がらせて、ガリウムヒ素によるn型バッファ層を気相成長させ、
非光起電性ジャンクションを形成させる段階。
(4)半導体の層を析出させ、ガリウムヒ素の太陽電池ジャンクションを形成す
る段階。
(5)酸腐蝕により、二酸化ケイ素の層を除去する段階。
(6)二酸化ケイ素が予め被覆されているゲルマニウム基板に。
裏面接合金属体をつける段階。
(7)太陽電池の上面に、金属格子ライン及び接触領域を設ける段階。
完全を期すため、別の技術的問題についても注意を払った。
つまり、基板をつくっているゲルマニウムの結晶の方向にっいて、001結晶方
向、および隣接する2つの結晶軸、即ち軸011と軸111を取り上げて、説明
を行なった。しかし、0】1方向と等しい結晶の方向は6つあり、これらは、六
面体の互いに直交する面になっている。
第3図において、001方向は、図の上面に表示されており、かつ2つの等価軸
、即ち100方向及び010方向も、見えている。
3つの基板は、基本的な方向として、これらの軸方向のいずれかを用いるが、隣
接する2つの軸の中間の角度で傾くようにして形成される1例えば、010方向
を基本に選ぶと、ゲルマニウム基板の面は、010方向とほぼ直交するが5軸1
10と軸111とのほぼ中間の方向に傾いている。
従って、本発明において、軸001.および隣接軸について説明すると、6つの
基本方向はいずれも包含され、かつ上で述べたように、これらの基本方向からの
傾きは、あらゆる2つの隣接軸の中間にある。
次に、第1図示の太陽電池の大きさについて説明するが、これらは、大して重要
なことではない。
第1図示の太陽電池の厚さは、約0,203■(8ミル)であり、その大部分は
、ゲルマニウム基板の厚さである。セルの長さは、約3977園(25/16イ
ンチ)であり、その幅は、約19.8m (25/ 32インチ)である、セル
の厚さを薄くしようと思えば、76ミクロン(3ミル)とすることも可能である
。セルの表面領域は、勿論、いろいろ変えることができる。前述の寸法は、好ま
しい一つの例に過ぎない。
以上、図面を参照し、好適実施例に基づいて本発明を説明してきたが2、本発明
の概念から逸脱することなく、上記した実施例に種々の変形変更を加えて本発明
を実施することが出来る。
従って、上記の実施例は1本発明を制約するものではない。
例えば、太陽電池は、上で述べた以外のさまざまな厚さ及び寸法のものとするこ
とができる。また、表面の格子ライン、および接触領域は、無反射式とは別の構
造にすることができる。
窓コーティングも、説明した以外のものを使用することができる。
ゲルマニウム基板近傍の光起電力作用を禁止させるのに、別の方法を用いること
もできる。
n型ゲルマニウム基板、並びにn型ベース及び上方P型エミッタを含むn型材料
を用いる代わりに、P型ゲルマニウム基板。
p型GaAsベース及び上方n型GaAsエミッタを含むP型層、並びにn型窓
を用いて、極性を反転させるようにしてもよい。
従って、本発明は、上で述べた構造または方法に制約されない。
替 n
国際調査報告
1M1m#lA−amsXs、”τ/LI590100410
Claims (20)
- 1.高効率の太陽電池であって、 表面及び裏面を有するゲルマニウム基板と、前記基板の裏面上の裏面接合金属体 と、前記基板表面との光起電性禁止ジャンクションを有するバッファ層と、 前記バッファ層上の一方の導電型のガリウムヒ素ベースと、前記ベース上の他方 の導電型のガリウムヒ素エミッタと、前記エミッタの上に伸びるとともに、それ に結合されている金属格子ライン とを有し、 前記ゲルマニウム基板が、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向へ約3 〜20度、つまり、結晶軸111と011とのほぼ中間の角度に方向づけられた 表面を有していることを特徴とする高効率の太陽電池。
- 2.基板が、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向へ、約6〜15度を もって方向づけられていることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 3.基板が、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向へ、ほぼ9度をもっ て方向づけられていることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 4.軸001に対する垂直面から遠ざかる方向が、軸111と001との中間の 角度である15度以内の方向であることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 5.ベースがn型ガリウムヒ素からなり、かつエミッタがp型ガリウムヒ素から なっていることを特徴とする請求項1記載の太陽電池。
- 6.高効率の太陽電池であって、 表面及び裏面を有するゲルマニウム基板と、前記基板の裏面上の裏面接合金属体 と、前記基板の表面に析出されたガリウムヒ素層と、n型ガリウムヒ素ベース及 びp型ガリウムヒ素エミッタと、前記エミッタの上に伸びるとともに、それに結 合されている金属格子ライン とを有し、 前記ゲルマニウム基板が、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向へ約3 〜20度、つまり、結晶軸111と011とのほぼ中間の角度に方向づけられた 表面を有していることを特徴とする高効率の太陽電池。
- 7.光起電力作用を禁止するため、ジャンクションを不動態化したことを特徴と する請求項6記載の太陽電池。
- 8.基板が、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向へ、約6〜15度を もって方向づけられていることを特徴とする請求項6記載の太陽電池。
- 9.高効率の太陽電池を製造する方法であって、表面と裏面を有し、かつ前記表 面が、結晶軸001に対してほぼ直交するが、軸111と011とのほぼ中間の 角度方向へ約3〜20度傾いているゲルマニウム基板をつくる段階と、間に非光 起電性ジャンクションを有する基板の表面に、ガリウムヒ素のバッファ層を形成 する段階と、前記バッファ層に半導体層を析出させ、ガリウムヒ素太陽電池ジャ ンクションを形成する段階と、ゲルマニウム基板の裏面に裏面接合金属体を施す 段階と、太陽電池の上面に、金属格子ライン及び接触領域をつける段階 とからなることを特徴とする高効率太陽電池の製造方法。
- 10.ゲルマニウム基板の裏面に裏面接合金属体をつける前に、前記基板の裏面 に、二酸化ケイ素によるコーティングを施す段階を含む請求項9載の太陽電池の 製造方法。
- 11.ゲルマニウム基板の面を、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向 へ約6〜15度傾ける請求項9記載の太陽電池の製造方法。
- 12.ゲルマニウム基板の面を、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向 へほぼ9度傾ける請求項9記載の太陽電池の製造方法。
- 13.軸111と011との中間の角度である15度以内の傾斜角を用いて.基 板をつくる請求項9記載の太陽電池の製造方法。
- 14.バッファ層を形成する段階が、700℃以下の温度で開始させるが、析出 が進行するように、その温度を急速に740〜780℃の範囲に立ち上がらせて 、ガリウムヒ素のn型バッファ層を気相成長させる段階を含む請求項9記載の太 陽電池の製造方法。
- 15.高効率の太陽電池を製造する方法であって、表面と裏面を有し、かつ前記 表面が、結晶軸001に対してほぼ直交するが、軸111と011とのほぼ中間 の角度方向へ約3〜20度傾いているゲルマニウム基板をつくる段階と、前記表 面上に複数の半導体層を析出させ、ガリウムヒ素太陽電池ジャンクションを形成 させる段階と、ゲルマニウム基板の裏面に、裏面接合金属体を施す段階と、太陽 電池の上面に、金属格子ライン及び接触領域をつける段階 とからなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
- 16.ゲルマニウム基板の片面に裏面接合金属体を施す前に、前記基板の片面に 、二酸化ケイ素によるコーティングを行なう段階を含む請求項15記載の太陽電 池の製造方法。
- 17.ゲルマニウム基板の面を、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向 へ約6〜15度傾ける請求項15記載の太陽電池の製造方法。
- 18.ゲルマニウム基板の面を、結晶軸001に対する垂直面から遠ざかる方向 へほぼ9度傾ける請求項15記載の太陽電池の製造方法。
- 19.軸111と011との中間の角度である15度以内の傾斜角を用いて、基 板をつくる請求項15記載の太陽電池の製造方法。
- 20.高効率の太陽電池であって、 表面と裏面とを有する基板であって、前記表面が、結晶軸001に対する垂直面 から遠ざかる方向へ約3〜20度、つまり、結晶軸111と011とのほぼ中間 の角度に方向づけられているものと、 前記基板の表面に析出されたp−nジャンクションを含むとともに、前記基板に 最も近接して位置する一方の導電型である第1のガリウムヒ素層、および前記基 板から更に隔離して位置する他方の導電型である第2のガリウムヒ素層を有する ガリウムヒ素太陽電池と、 前記基板の裏面上の裏面接合金属体と、p−nジャンクションを有するガリウム ヒ素太陽電池の上に伸びるとともに、前記第2のガリウムヒ素層に結合されてい る金属格子ライン とからなることを特徴とする高効率太陽電池。
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