JPH10270726A - 太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐放射線特性にすぐれ、軽量かつ高変換効率
の太陽電池を提供する。 【解決手段】 アンドープ半導体基板１０上に下部電極
層１１を設け、この下部電極層１１の上部の一部に太陽
電池層２と、上部の他の一部に下部電極４を設けてい
る。太陽電池層２の上部には上部電極層１６および上部
電極３を設けている。アンドープ半導体基板１０を用い
ているので放射線照射による抵抗率の変化による太陽電
池特性への影響もない。また、光透過特性にも優れてい
るのでメカニカル積層型構造とすれば高い変換効率が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高い変換効率を
有する太陽電池に関するもので、特に、宇宙用途の太陽
電池、およびメカニカル積層型太陽電池に好適なIII −
Ｖ族化合物半導体を基礎とした太陽電池に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】現在、地球の温暖化の問題に関係して人
類は深刻なエネルギー問題に直面している。すなわち炭
酸ガス（ＣＯ₂ ）を放出しない代替エネルギー源が求め
られているのであるが、一つの解決策として太陽電池発
電がある。特に人工衛星に大電力用太陽電池パネルを取
付け、発電した電力をマイクロ波で地上に送るような計
画もある。宇宙用途に限らず、地上における発電を含め
て太陽電池発電を実用ベースに乗せるためには生産コス
トの低下と、発電効率の向上が急務である。

【０００３】１つのｐｎ接合のみを有したいわゆる単接
合型太陽電池の発電効率は、その半導体材料の禁制帯幅
Ｅｇによって決まるある理論限界を持つ。このため、ど
のような半導体材料を用いても地上での太陽光照射条件
下では、３０％程度の発電効率が限界であろうというこ
とが判明している。したがって、単接合型太陽電池より
も高い発電効率を得ることを目的として異なる波長特性
を有した２個以上の太陽電池を積層した種々の積層型太
陽電池が考案されている。積層型太陽電池の最も簡単な
ものが２接合太陽電池である。２接合太陽電池は、光の
入射してくる側の太陽電池（トップセル）と反対側の太
陽電池（ボトムセル）の２つの太陽電池が重ねられた構
成であり、一般にトップセルの半導体材料の禁制帯幅
（エネルギーギャップ）Ｅｇ₁ はボトムセルの半導体材
料の禁制帯幅Ｅｇ₂ よりも大きく設定されている。トッ
プセルでＥｇ₁ よりも大きなエネルギーを持つ光子を吸
収し、トップセルを透過してきた光のＥｇ₂ とＥｇ₁ の
間のエネルギーを持つ光子をボトムセルで吸収させよう
とするためである。Ｅｇ₂ とＥｇ₁ 組み合わせを適当に
選択することにより、高い発電効率を実現できる。

【０００４】従来、ＧａＡｓ太陽電池を含んだ積層型太
陽電池には、図７に示すような、ＧａＡｓよりもエネル
ギーギャップ（Ｅｇ）が大きいＩｎＧａＰやＡｌＧａＡ
ｓ等の材料からなる太陽電池（トップセル）２ＵとＧａ
Ａｓ太陽電池（ボトムセル）２Ｌをトンネル接合層２Ｔ
を用いて接続したモノリシック型構造と、図８に示すよ
うな、ＧａＡｓ太陽電池をトップセル２とし、これとＧ
ａＡｓよりＥｇが小さいＳｉやＣｕＩｎＳｅ₂ 等の材料
からなる太陽電池（ボトムセル）５とを接着剤４４等で
重ねたメカニカル積層型構成の、２種類の構成が主流で
あった。図８においてトップセル２は上部電極３と下部
電極４とを有しており、ボトムセル５は上部電極７と下
部電極９とを有している。トップセルの下部電極４と、
ボトムセルの上部電極７とは導電性接着剤４４で互いに
接続されている。また、さらに高い変換効率を高めるた
めに、図７と８を組み合わせた図９に示すようなメカニ
カル積層型構成が最も有効であることは容易に理解でき
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のメカニカル積層
型では、トップセルとしての太陽電池の直列抵抗を小さ
くするために比較的高い（５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上）不純
物密度のＧａＡｓ基板を用いなければならない。しかし
高不純物密度のＧａＡｓ基板を用いた場合にはＧａＡｓ
基板中での光吸収が大きいのでボトムセルの太陽電池へ
の光透過率が十分ではないといった問題があった。従
来、このような問題を回避するために、ＧａＡｓ基板上
にトップセル用の太陽電池層を作成後ＧａＡｓ基板を研
磨やエッチングで除去し基板からＧａＡｓ太陽電池層を
剥がし取る技術が試みられている。しかしながら、その
技術の完成度は低く、種々の問題点を有している。たと
えば高不純物密度のＧａＡｓ基板をトップセルから剥が
す工程が複雑で時間を要するため生産性が悪い点が挙げ
られる。またＧａＡｓ基板から剥がされた薄いトップセ
ルは機械的強度が弱くその後の工程でハンドリングが困
難で歩留りが低下するといった問題があり、工業化は難
しかった。また、このことは前述した生産コストの問題
に重要な影響を与えることとなっている。

【０００６】さらに、現在の宇宙用途の太陽電池はα線
等放射線照射により特性が劣化したり、太陽光が照射さ
れている部分と影になっている部分とでの電圧差が保持
できる程度の十分な耐圧を満足できないという欠点が判
明している。また宇宙用途のための軽量化のための工程
が複雑で生産コストが増大することも問題点である。

【０００７】上記問題点を鑑み、本発明は宇宙用途に好
適な耐放射線特性に優れた太陽電池の新規な構造を提供
することを目的とする。

【０００８】本発明の他の目的は宇宙用途に適合しうる
十分な耐圧を有した大電力用太陽電池パネルに好適な太
陽電池を提供することである。

【０００９】本発明のさらに他の目的は宇宙用途に好適
な軽量化が容易で生産コストが低く、かつ高効率の太陽
電池を提供することである。

【００１０】本発明のさらに他の目的は高効率メカニカ
ル積層型太陽電池のトップセルとしての十分な光透過特
性と発電効率を有した太陽電池を提供することである。

【００１１】本発明のさらに他の目的は種々の基板上に
ヘテロエピタキシャル成長が可能で、ヘテロエピ層と基
板との界面における結晶欠陥や高抵抗層の影響を受ける
ことのない太陽電池の新規な構造を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明による太陽電池は半導体基板と、半導体基
板の上部に形成された下部電極層と、この下部電極層の
上方に局部的に形成された少なくとも１つのｐｎ接合を
有する太陽電池層と、太陽電池層の上部に局部的に形成
された上部電極層と、上部電極層の上部に形成された上
部電極と、下部電極層の上部に局部的に形成された下部
電極とを少なくとも具備することを特徴とする。ここで
半導体基板は故意には不純物を添加していないいわゆる
「アンドープ」半導体基板又は半絶縁性基板であること
が好ましい。より具体的にはアンドープ半導体基板がＧ
ａＡｓ基板の場合は不純物密度１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下が
好ましい。またアンドープ半導体基板は波長９００〜２
０００ｎｍのスペクトル範囲において透過率９０％以上
であることが好ましい。

【００１３】また下部電極層は太陽電池層を構成してい
る半導体と禁制帯幅Ｅｇが同一か、又はそれ以上の半導
体材料を用いることが好ましい。下部電極層のシート抵
抗は１０Ω／ｓｑ以下であればよい。

【００１４】上述のような構成においては上部電極と下
部電極とは同一平面側に位置することになり、高耐圧化
のためのバイパスダイオードを太陽電池に接続すること
が簡単にできる。また基板を介して出力を取り出さない
ため、種々のヘテロエピタキシャル成長により太陽電池
を形成してもヘテロエピ成長層と基板との界面における
結晶欠陥や反転層形成による特性劣化等の問題も生じな
い。また基板の表面に電極がないので基板の裏面の研磨
やエッチングが簡単で、太陽電池の軽量化が容易とな
る。

【００１５】さらに上記構成によれば放射線照射により
基板の抵抗率の変化も生じず、耐放射線特性に優れてい
る。

【００１６】また、光透過特性が良好なので、メカニカ
ル積層型太陽電池に用いた場合には波長分割特性が良好
となり、全体としての変換効率の増大が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係る太陽電池の構造を示す。図１に示すように本発明
の第１の実施の形態に係る太陽電池は、半導体基板１０
と、半導体基板１０の上部に形成された下部電極層１１
と、下部電極層の上方に局部的に形成された少なくとも
１つのｐｎ接合を有する太陽電池層２と、太陽電池層２
の上部に局部的に形成された上部電極層１６と、上部電
極層１６の上部に形成された上部電極３と、下部電極層
の上部に局部的に形成された下部電極４とを少なくとも
具備することを特徴とする。より具体的には半導体基板
１０は故意には不純物を添加していない、いわゆる「ア
ンドープＧａＡｓ基板」または反絶縁性ＧａＡｓ基板で
あることが好ましい。ここで「アンドープＧａＡｓ基
板」とは市場での入手可能性を考慮すれば不純物密度１
×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のＧａＡｓ基板であれば良い。下部
電極層１１は、アンドープＧａＡｓ基板１０上に形成さ
れた亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物をドープした不純物密
度７．０×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のｐ⁺ ＧａＡ
ｓ層である。ｐ⁺ ＧａＡｓ層１１の厚さｄは２μｍ程度
が好ましい。ｐ⁺ ＧａＡｓ層１１の上には不純物密度２
×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｐ⁺ ＩｎＧａＰ層１２が裏面電界
層（ＢＳＦ層）として形成されている。ＢＳＦ層１２は
この上部に形成する太陽電池層２から少数キャリアがｐ
⁺ ＧａＡｓ層１１に入り込むのを防止するためのバンド
障壁となるものである。ＢＳＦ層１２は設計仕様によっ
ては省略可能であるが、高効率太陽電池の実現のために
は図１のように配置されることが好ましいことはもちろ
んである。ｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層１２の厚みは０．
１μｍ程度とすればよい。ＢＳＦ層１２はｐ⁺ ＩｎＧａ
Ｐに限られるものではなく、ＧａＡｓと格子整合し、Ｇ
ａＡｓよりも禁制帯幅Ｅｇが大きな材料であればよい。
たとえばｐ⁺ ＡｌＧａＡｓでもよい。このＢＳＦ層１２
を介して、下部電極層１１の上方には、ｐＧａＡｓ層
（ベース層）１３とｎ⁺ ＧａＡｓ層（エミッタ層）１４
とからなるｐｎ接合を有する太陽電池層２が局部的に形
成されている。太陽電池層２はｎ⁺ ＧａＡｓ層１４の上
部に窓層としてのｎ⁺ ＡｌＩｎＰ層１５をさらに有して
いる。ベース層１３はＺｎをドープした不純物密度２．
０×１０¹⁷ｃｍ^-3で厚み２．５〜３．０μｍ程度のｐＧ
ａＡｓ層、エミッタ層１４はシリコン（Ｓｉ）をドープ
した不純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み０．１μｍ
程度のｎ⁺ＧａＡｓ層、窓層１５はＳｉをドープした不
純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み０．１μｍ程度の
ｎ⁺ ＡｌＩｎＰ層である。窓層１５はＧａＡｓよりも禁
制帯幅Ｅｇが大きな材料であれば良く、ＩｎＧａＰやＡ
ｌＧａＡｓを用いてもよい。太陽電池層２の最上層とな
るｎ⁺ ＡｌＩｎＰ層１５の上部に局部的に厚さ０．３μ
ｍのｎ⁺ ＧａＡｓ層からなる上部電極層１６が形成され
ている。ｎ⁺ ＧａＡｓ層１６はオーミックコンタクト用
の層であり不純物密度は２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上ので
きる限り高不純物密度に選定することが好ましい。ｎ⁺
ＧａＡｓ層１６の上部には厚さ５０〜１００ｎｍのＡｕ
−Ｇｅ（１２ｗｔ％）膜、２０〜５０ｎｍのＮｉ膜およ
び７０〜２００ｎｍのＡｕ膜からなるＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ
／Ａｕ膜５３と厚さ５〜１０μｍのＡｕ膜５４からなる
上部電極３が形成されている。上部電極３はストライプ
形状であり、図１はストライプの断面が示されている。
つまり上部電極は紙面に垂直方向に所定の長さを有して
延長形成されている。下部電極層１１の上部の周辺部に
は太陽電池層２と距離Ｗだけ離間してＡｕ−Ｚｎ膜５１
およびＡｕ膜５２からなる下部電極４が局部的に形成さ
れている。下部電極４もストライプ形状である。なお、
下部電極層としてのｐ⁺ ＧａＡｓ層１１の不純物密度が
１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合は、上記太陽電池層２と下部電
極４との間隔Ｗは１０μｍ以下、下部電極層１１の厚み
ｄは１．５μｍ以上であればよいことがシミュレーショ
ン等により確認できている。ｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓層１５の
上部電極３の形成されていない部分には厚さ５５〜６５
ｎｍのＺｎＳ膜６１およびＭｇＦ₂ 膜６２とからなる反
射防止膜６が形成されている。

【００１８】図２は本発明を評価するための従来技術に
対応した太陽電池の構造の参考図である。すなわち図２
においては本発明の太陽電池と実質的に同一の積層構造
を有する太陽電池層２をｐ⁺ 基板２０上に形成してい
る。より具体的には図２に示す太陽電池は、不純物密度
２×１０¹⁹ｃｍ^-3（Ｚｎドープ）のｐ⁺ ＧａＡｓ基板２
０の上部に不純物密度７×１０¹⁸ｃｍ^-3（Ｚｎドー
プ）、厚さ０．５μｍのｐ⁺ＧａＡｓバッファ層２１を
介して不純物密度２×１０¹⁸ｃｍ^-3（Ｚｎドープ）、厚
さ０．１μｍのｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層１２を形成
し、この上に図１の太陽電池層と実質的に同一の積層構
造を有する太陽電池層２を形成している。「実質的に同
一」とは積層構造を構成する半導体材料、不純物密度、
厚みが同一という意であり、不純物密度２×１０¹⁷ｃｍ
^-3（Ｚｎドープ）、厚さ２．５〜３μｍのｐＧａＡｓベ
ース層１３，不純物密度２×１０¹⁸ｃｍ^-3（Ｓｉドー
プ）、厚さ０．１μｍのｎ⁺ ＧａＡｓエミッタ層１４，
不純物密度２×１０¹⁸ｃｍ^-3（Ｓｉドープ）、厚さ０．
１μｍのｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓層１５とから構成されてい
る。図１とは異なり太陽電池層２は、ｐ⁺ ＩｎＧａＰ
ＢＳＦ層１２の上部全面に形成されている。ｎ⁺ ＡｌＩ
ｎＰ窓層１５の上部には局部的に厚さ０．３μｍ、不純
物密度２×１０¹⁸ｃｍ^-3（Ｓｉドープ）のｎ⁺ ＧａＡｓ
上部電極層１６が形成され、さらに図１と同一構造のＡ
ｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜５３，およびＡｕメッキ膜５４
とからなるストライプ形状の上部電極が形成されてい
る。下部電極はＡｕ−Ｚｎ膜５１，Ａｕメッキ膜５２と
からなる点では図１と共通するが、ｐ⁺ ＧａＡｓ基板２
０の底面にストライプ形状となるように形成されている
点が相違する。

【表１】 図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池の
特性を、図２に示す従来技術に対応したｐ⁺ 基板を用い
た太陽電池の特性と比較して表１に示す。図１と図２と
を比較してわかるように太陽電池層２のセル面積は本発
明の第１の実施の形態の方が小さい。したがって、セル
有効面積の縮小に起因する短絡電流Ｉｓｃの若干の減少
は認められるものの、開放電圧Ｖｏｃ、曲線因子（フィ
ル・ファクタ）ＦＦ等の特性はほとんど差はない。また
変換効率Ｅｆｆも図１と図２との場合でほぼ等しい２４
％の値が得られた。

【００１９】図３は本発明の第１の実施の形態に係る太
陽電池の光透過特性と、図２に示す従来技術に対応する
太陽電池の光透過特性を比較して示す。図３から明らか
なようにｐ⁺ 基板を用いた太陽電池はほとんど光を透過
させないが、アンドープ基板を用いた本発明の第１の実
施の形態に係る太陽電池は９５％以上の透過率Ｔを有す
ることがわかる。したがって本発明の第１の実施の形態
に係る太陽電池をトップセルとして用い、Ｓｉ太陽電池
をボトムセルとしてメカニカル積層型太陽電池を構成し
た場合には２８．６％の変換効率Ｅｆｆを得ることがで
きる。メカニカル積層型太陽電池の変換効率はトップセ
ルの変換効率とボトムセルの変換効率の和となるからで
ある。一方、ｐ⁺ 基板を用いた場合はトップセルの透過
率Ｔが０％であるため、メカニカル積層型太陽電池を構
成しても、変換効率は向上せず、２４％のままである。

【００２０】なお、図２に示すＰ⁺ 基板を用いた太陽電
池は放射線照射によりｐ⁺ 基板が高抵抗化し、性能劣化
するという問題がある。本発明のアンドープ基板はもと
もと高抵抗であり、放射線照射により基板の高抵抗化の
問題は生じない。さらに電力は基板を介さずに取り出せ
るので、放射線照射による基板の状態の変化が発生した
としてもその影響はほとんど太陽電池の特性に影響を及
ぼさないので人工衛星搭載等の宇宙用途の太陽電池とし
て好適である。

【００２１】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池
は以下のような方法で製造できる。

【００２２】（ａ）まず有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）、ＣＢＥ（ＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍ Ｅｐｉｔ
ａｘｙ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ
Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＬＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌ
ａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）法等を用いて図１に示すよ
うにアンドープＧａＡｓ基板１０の上にｐ⁺ ＧａＡｓ層
１１、ｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層１２，ｐＧａＡｓベー
ス層１３，ｎ⁺ ＧａＡｓエミッタ層１４，ｎ⁺ ＡｌＩｎ
Ｐ層１５，およびｎ⁺ ＧａＡｓ上部電極層１６を順に堆
積する。ＭＯＣＶＤ法は常圧ＭＯＣＶＤでも減圧ＭＯＣ
ＶＤでも可能であるが、望ましくは、たとえば６．７〜
１０ｋＰａに保持された減圧ＭＯＣＶＤ法、さらに望ま
しくは縦型減圧ＭＯＣＶＤ法によるのがよい。III 族の
原料ガスとしてはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリ
メチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）、トリメチルアミンアラン（ＴＭＡＡＩ）な
ど、Ｖ族の原料ガスとしてはホスフィン（ＰＨ₃ ）、ア
ルシン（ＡｓＨ₃ ）などを用いる。あるいはターシャリ
ー・ブチル・フォスフィン（（Ｃ₄ Ｈ₉ ）ＰＨ₂；ＴＢ
Ｐ）、ターシャリー・ブチル・アルシン（（Ｃ₄ Ｈ₉ ）
ＡｓＨ₂ ；ＴＢＡ）などを用いてもよい。ｎ型のドーパ
ントガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン
（Ｓｉ₆ Ｈ₆ ）等を用いればよい。ｐ型のドーパントガ
スとしてはジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）等を用いればよ
い。これらの原料ガスおよびドーパントガスはマスフロ
ーコントローラ等を用いて６．７ｋＰａ〜１０ｋＰａの
減圧に制御された反応管中に導入される。Ｖ族の原料ガ
スとIII 族の原料ガスとの比、いわゆるＶ／III 比は、
たとえば１２０〜１７０程度で行えばよい。成長時の基
板温度はたとえば６５０℃〜７００℃とすればよく、Ｇ
ａＡｓボトムセル２の成長は７００℃が好ましい。

【００２３】（ｂ）次に、このように連続エピタキシャ
ル成長した多層構造のウェハを反応管より取り出し、リ
フトオフのためのフォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフィーにより所定のパターンを形成し、その上から
Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜５３を真空蒸着する。たとえ
ば１００ｎｍのＡｕ−Ｇｅ（１２ｗｔ％）、２０ｎｍの
Ｎｉ、７０ｎｍのＡｕ膜をＥＢ蒸着法にて形成する。そ
の後フォトレジストを除去すれば、図１に示すように上
部電極３が形成される。平面図を省略しているが上部電
極は櫛状のストライプ等所望の平面パターン形状を有し
ている。リフトオフ法を用いず、通常のフォトリソグラ
フィーで、ＫＩ／Ｉ₂ 溶液等のエッチャントでエッチン
グしても図１に示すパターンは得られるが、リフトオフ
法の方が簡便である。その後、Ｈ₂ 雰囲気中あるいはＮ
₂ 等の不活性ガス雰囲気中で３５０〜４５０℃等の基板
温度で電極のシンタリングを行う。たとえば、３５０℃
で数秒程度のシンタリングが好ましい。この上にＡｕメ
ッキ層５４を電解メッキを用いて選択的に形成し、上部
電極３を完成させる。

【００２４】（ｃ）次に上部電極３をマスクとして用い
てｎ⁺ ＧａＡｓ上部電極層１６をエッチングし、ｎ⁺ Ａ
ｌＩｎＰ窓層１５を露出させる。さらにフォトリソグラ
フィー法を用いて、太陽電池層部分のみにＣＶＤＳｉＯ
₂ 膜またはフォトレジストをカバーする。ＳｉＯ₂ 膜又
はフォトレジストをマスクとしてＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ
₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏ溶液（たとえば１：１：１０または２：
１：５０溶液）を用いてｎ⁺ＡｌＩｎＰ層１５，ｎ⁺ Ｇ
ａＡｓエミッタ層１４，ｐＧａＡｓベース層１３をエッ
チングする。ｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層１２はエッチン
グストッパーとして機能し、ＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ
₂ Ｏ溶液のエッチングによりｐ⁺ ＩｎＧａＰＢＳＦ層が
露出する。さらにハロゲン化水素系のエッチャント（Ｈ
Ｃｌ：Ｈ₂ Ｏ，ＨＣｌ：Ｈ₃ ＰＯ₄ ，ＨＢｒ：Ｈ₂ Ｏま
たはＨＢｒ：Ｈ₃ ＰＯ₄ 等）を用いてｐ⁺ ＩｎＧａＰ
ＢＳＦ層１２を選択的にエッチングする。このハロゲン
化水素系のエッチャントによるエッチングではｐ⁺ Ｇａ
Ａｓ下部電極１１はエッチングストッパーとして機能
し、ｐ⁺ ＧａＡｓ下部電極層１１が露出する。ｐ⁺ Ｉｎ
ＧａＰ ＢＳＦ層１２のエッチングのためにはＢＳＦ層
１２の上部にエッチング用マスクパターンをフォトリソ
グラフィー法で形成する方法を用いてもよく、あるいは
フォトリソグラフィー法を用いずにしてもよく、太陽電
池層２の側壁に厚さＷのサイドウォールを形成し、自己
整合的にエッチングしてもよい。あるいは露出している
ｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層を総て除去するようにエッチ
ング除去してもよい。

【００２５】（ｄ）次にＡｕ−Ｚｎ膜５１をリフトオフ
法を用いて所定部分にのみ真空蒸着する。ｐ⁺ ＩｎＧａ
Ｐ ＢＳＦ層をエッチングする際に用いたフォトレジス
ト等をリフトオフ用のマスクパターンとして再び用いて
もよい。Ａｕ−Ｚｎ膜５１を所定部分に形成後、Ａｕメ
ッキ膜５２を選択メッキ法によりＡｕ−Ｚｎ膜５１の上
部のみに堆積し下部電極４を完成させる。

【００２６】（ｅ）さらにリフトオフ法を用いてＺｎＳ
膜６１およびＭｇＦ₂ 膜６２をスパッタリングもしくは
真空蒸着により堆積し反射防止膜６を形成すれば、図１
に示す本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池が完成
する。

【００２７】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池
は基板裏面に電極を形成していない。したがって図１に
示す構造の太陽電極にカバーガラス装着後、精密な制御
を用いなくてもセル裏面の研磨やエッチングによる除去
が可能である。またセル裏面の除去後に裏面電極を形成
する工程等のプロセスを必要としないため、軽量化のた
めの工程が容易の構造であり、宇宙用の太陽電池として
好適である。

【００２８】図４は本発明の第２の実施の形態に係る太
陽電池の断面図である。図４に示す太陽電池はメカニカ
ル積層型太陽電池のトップセルとして好適なＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓタンデムセルを太陽電池層２として有してい
る。本発明の第２の実施の形態の太陽電池は図４に示す
ように半導体基板１０と、半導体基板１０の上部に形成
された下部電極層１１と、下部電極層１１の上型に局部
的に形成された３つのｐｎ接合を有する太陽電池層２
と、太陽電池層の上部に局部的に形成された上部電極層
１６と、上部電極層１６の上部に形成された上部電極３
と、下部電極層１１の上部に局部的に形成された下部電
極４を少なくとも具備している。特に半導体基板１０は
故意には不純物を添加していない、いわゆるアンドープ
基板または半絶縁性基板であることが好ましい。

【００２９】図４に示すように本発明の第２の実施の形
態に用いる太陽電池層２はＩｎＧａＰトップセル２Ｕと
ＩｎＧａＰトンネル接合層２ＴとＧａＡｓボトムセル２
Ｌとを有するタンデムセルである。ここでＧａＡｓボト
ムセル２Ｌは、厚み３μｍ、不純物密度２．０×１０¹⁷
ｃｍ^-3のｐＧａＡｓベース層１３、その上部に設けられ
た厚み０．１μｍ、不純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3の
ｎ⁺ ＧａＡｓエミッタ層１４、さらにその上部の厚み
０．０５μｍ、不純物密度１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺
ＡｌＩｎＰ窓層１５とから構成されている。エミッタ層
１４とベース層１３とで第１のｐｎ接合が形成されてい
る。ＩｎＧａＰトンネル接合層２Ｔは下部セル（ＧａＡ
ｓボトムセル）２Ｌの最上層であるｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓層
１５の上部に形成された厚み１５ｎｍ、不純物密度５×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上（たとえば１×１０¹⁹ｃｍ^-3）のｎ⁺⁺
ＩｎＧａＰ層３１と、厚み１５ｎｍ、不純物密度１．０
×１０¹⁹のｐ⁺⁺ＩｎＧａＰ層３２との第２のｐｎ接合か
ら構成されている。そしてＩｎＧａＰトンネル接合層２
Ｔの上部には厚み３０ｎｍ、不純物密度１．０×１０¹⁸
ｃｍ^-3以下のｐ⁺ ＡｌＩｎＰ層３３、厚み３０ｎｍ、不
純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳ
Ｆ層３４、厚み０．５５〜１．５μｍ、不純物密度１．
５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐＩｎＧａＰベース層３５；厚み５
０ｎｍ、不純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺ ＩｎＧ
ａＰエミッタ層３６、および厚み３０ｎｍ、不純物密度
２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓層３７がこの
順に堆積されたＩｎＧａＰトップセル２Ｕが形成されて
いる。このエミッタ層３６とベース層３５とで第３のｐ
ｎ接合が形成されている。ＩｎＧａＰトップセル２Ｕの
上部の一部にはオーミックコンタクト用の厚み０．３μ
ｍのｎ⁺ ＧａＡｓ上部電極層１６が形成され、その上部
にはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜５３およびその上のＡｕ
膜５４からなる上部電極３が形成されている。

【００３０】本発明の第２の実施の形態に用いる太陽電
池層２はｐ⁺ ＧａＡｓ下部電極層１１の上部に厚み０．
１μｍ、不純物密度２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ⁺ ＩｎＧ
ａＰＢＳＦ層１２を介して形成されている。ＢＳＦ層１
２はＧａＡｓと格子整合し禁制帯幅ＥｇがＧａＡｓより
も大きなｐ⁺ ＡｌＧａＡｓ等の他の半導体材料を用いて
もよい。図４に示すようにｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層の
一部が除去され、Ａｕ−Ｚｎ膜５１およびＡｕメッキ膜
５２とからなる下部電極４が形成されている。ｎ⁺ Ａｌ
ＩｎＰ窓層３７のかわりに他のＩｎＧａＰよりも禁制帯
幅Ｅｇの大きな半導体材料を用いてもよい。ｎ⁺ ＡｌＩ
ｎＰの窓層３７の上部の上部電極３が形成されていない
部分にはＺｎＳ膜６１およびＭｇＦ₂ 膜６２とからなる
反射防止膜６が形成されている。

【００３１】図４に示した本発明の第２の実施形態に係
るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓタンデムセルは２８％以上の変
換効率Ｅｆｆである。このため図４に示した太陽電池を
トップセルとして用い、Ｓｉ太陽電池をボトムセルとし
て用いたメカニカル積層型太陽電池は３２％以上の変換
効率Ｅｆｆを得ることができる。一方、図４においてア
ンドープＧａＡｓ基板１０の代わりにｐ⁺ ＧａＡｓ基板
を用いた場合はｐ⁺ ＧａＡｓ基板中の光吸収が大きいた
め、メカニカル積層型太陽電池を構成しても変換効率Ｅ
ｆｆの増大はほとんど無い。

【００３２】また、本発明の第２の実施の形態に係る太
陽電池はアンドープＧａＡｓ基板１０を用いているの
で、放射線照射による基板の高抵抗化の問題も生じな
い。さらにアンドープＧａＡｓ基板１０の裏面には下部
電極がないため、太陽電池完成後裏面の加工が自由にで
きる。したがってメカニカル積層型太陽電池を構成せ
ず、単体で用いた場合は、アンドープＧａＡｓ基板１０
の裏面の研磨等により軽量化も容易に出来る。つまり、
本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池は耐放射線特
性が良好であり、かつ軽量にできるため、人工衛星搭載
等の宇宙用途に好適である。

【００３３】本発明の第２の実施の形態ではｐｎ接合を
３つ有するタンデムセル型太陽電池について述べたが、
ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓタンデムセル型太陽電池と他の太
陽電池をさらに重ねたｐｎ接合を５つ以上有する多接合
太陽電池においても本発明は有効であることは明らかで
ある。また、トップセルおよびボトムセルの構造の細部
については本発明の第２の実施の形態である図４の構造
は単なる例示であり、その他の構造についても本発明は
有効である。たとえば、反射防止膜、窓層、裏面電界層
の材料、構造が図４のものと異なってもさしつかえな
い。

【００３４】図５（ａ）は本発明の第３の実施の形態に
係る大電力用太陽電池（太陽電池パネル）のユニットセ
ルの平面図で、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ方向に
沿った断面図である。さらに図６には図５に示したユニ
ットセルを多数、直並列配置した太陽電池パネル全体の
構成を示す平面図の概略を示す（必ずしも全体が示され
ているわけではなく、図示されていない他のユニットセ
ルが多数あると解すべきである）。図５（ｂ）に示す断
面図から明らかなような本発明の第３の実施の形態に係
る大電力用太陽電池のユニットセル１は故意には不純物
を添加していない半導体基板１０の上部に形成された下
部電極層１１と、下部電極層１１の上方にＢＳＦ層１２
を介して局部的に形成された太陽電池層２と、太陽電池
層２の上部に局部的に形成された上部電極層１６と、上
部電極層１６の上部に形成された上部電極３と、下部電
極層１１の上部に局部的に形成された下部電極４とを少
なくとも具備している。上部電極３はＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ
／Ａｕ膜５３とＡｕメッキ膜５４とから構成され、図５
（ａ）の平面図に示されるように櫛歯形状にパターニン
グされている。下部電極４はＡｕＺｎ膜５１とＡｕメッ
キ膜５２とから構成され、太陽電池層２の周辺に形成さ
れた溝部の底部において下部電極層１１とオーミック接
触をなしている。太陽電池層２はｐＧａＡｓベース層１
３とｎ⁺ ＧａＡｓエミッタ層１４とからなるｐｎ接合を
１つ有しており、さらに、最上層にはｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓
層１５を具備している。半導体基板１０はアンドープＧ
ａＡｓ基板であり、下部電極層１１はｐ⁺ ＧａＡｓ層で
あり、ＢＳＦ層１２はｐ⁺ ＩｎＧａＰ層である。また上
部電極層１６はｎ⁺ ＧａＡｓ層である。

【００３５】本発明の第３の実施の形態においてさらに
アンドープＧａＡｓ基板１０上にｐＧａＡｓアノード層
７２と、ｐＧａＡｓアノード層７２の上部に局部的に形
成されたｎＧａＡｓカソード層７１とが形成されバイパ
スダイオード８が構成されている。ｐＧａＡｓアノード
層７２の上部にはアノード電極８２が、ｎＧａＡｓカソ
ード層７１の上部にはカソード電極７１が形成されてい
る。アノード電極８２とカソード電極８１とは、図５
（ａ）の平面図に示すように空間的に分離されている。
アノード電極８２と上部電極３とはＡｕやＡｌのリボン
等の金属配線８４により互いに電気的に接続されてい
る。またカソード電極８１と下部電極４とは金属配線８
３によって互いに電気的に接続されている。太陽電池層
２の周辺部にはシリコーンゴムやポリイミド膜等の絶縁
体９２が形成され太陽電池層２と、バイパスダイオード
８とを電気的に絶縁している。すなわち本発明の大電力
用太陽電池のユニットセル１は上部電極（マイナス電
極）３と下部電極（プラス電極）４との間に逆向きにバ
イパスダイオード８が構成されている。このバイパスダ
イオード８はアンドープＧａＡｓ基板１０の上部に太陽
電池層２を形成する際に、同一工程でアンドープＧａＡ
ｓ基板１０の上部に形成することができる。

【００３６】図６は図５に示すユニットセルをマトリク
ス状に配置した大電力用太陽電池パネルの平面図であ
る。各ユニットセル１はその上部電極３と隣接するユニ
ットセルの下部電極４とが金属配線８５により直列接続
されている。直列接続されたユニットセルアレイの最上
位の下部電極４は金属配線８７によりプラス電極９５に
接続され、直列接続されたユニットセルアレイの最下位
の上部電極３は金属配線８８によりマイナス電極９６に
接続されている。プラス電極９５とマイナス電極９６と
により直列接続されたユニットセルアレイがさらに並列
接続されることとなり、本発明の第３の実施の形態に係
る大電力用太陽電池パネルが完成する。各ユニットセル
は図５（ｂ）に示すように所定の基板９１の上に配置す
ればよい。

【００３７】本発明の太陽電池はアンドープ半導体基板
を用いているのでα線等の放射線照射による特性劣化も
少ない。また、基板の裏面の研磨も容易なため軽量化の
工程が簡単であるので宇宙用途に好適である。太陽電池
パネルを人工衛星に搭載した場合は影−光照射部分での
電圧差が大きい。特に大電力用太陽電池パネルにおいて
は、太陽電池（ユニットセル）の直列数が増え、１００
Ｖ以上の逆方向耐圧が要求される。図５および図６に示
した構造によれば、高耐圧化のためのバイパスダイオー
ドの接続およびバイパスダイオードの製造が簡単であ
る。このため高耐圧の大電力用太陽電池パネルが容易に
製造でき、その信頼性も高い。

【００３８】上記のように、本発明は第１乃至第３の実
施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論
述および図面はこの発明を限定するものであると理解す
べきではない。この開示から当業者には様々な代替実施
の形態又は実施例および運用技術が明らかとなろう。特
に上記においてはアンドープＧａＡｓ基板を用いた場合
について説明したが、基板はアンドープＳｉ基板、アン
ドープＧｅ基板、アンドープＧａＰ基板等を用い、この
上に太陽電池層をヘテロエピタキシャル成長して形成し
てもよい。このようなヘテロエピタキシャル成長の場
合、本発明においては基板側より出力を取り出さない構
造であるため、基板／エピ層界面の結晶欠陥等に起因す
る特性劣化が生じにくい。さらに基板／エピ層界面近傍
における相互拡散により生じた直列抵抗成分（反転層）
に起因したオーミック特性への悪影響を受けにくいとい
う顕著な効果を有する。また、太陽電池層としては上述
のＧａＡｓシングルセル、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓタンデ
ムセル以外にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓタンデムセル、Ｉ
ｎＧａＰシングルセル、ＡｌＧａＡｓシングルセル等種
々の太陽電池層を用いることができる。又、上記実施の
形態で説明したｐ型とｎ型をすべて反転させてもかまわ
ない。このように、本発明はここでは記載していない様
々な実施の形態等を包含するということを理解すべきで
ある。したがって、本発明はこの開示から妥当な、特許
請求の範囲に記載の発明特定事項によってのみ限定され
るものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば耐放射線特性が良好であ
るので、安定した高効率の宇宙用途の太陽電池が実現で
きる。

【００４０】本発明によれば太陽電池にバイパスダイオ
ードを接続するのが簡単であり、高耐圧化が容易であ
り、大電力用太陽電池が実現できる。特に光の照射部分
と影の部分での電圧差が顕著な宇宙用途の太陽電池が簡
単な製造工程で実現され、生産性も高い。

【００４１】本発明によれば、基板の裏面の加工が容易
であるため、安価かつ軽量の宇宙用途の太陽電池が実現
できる。

【００４２】本発明によれば、光透過特性が良好である
ため、メカニカル積層型太陽電池として用いた場合には
波長分割特性が良好となり、総合変換効率の高い太陽電
池が実現できる。又ボトムセルに十分な光が照射できる
のでメカニカル積層型太陽電池の設計の自由度が増大
し、種々のトップセルとボトムセルの組み合わせが可能
となる。

【００４３】本発明によれば種々の基板を用いたヘテロ
エピタキシャル成長による太陽電池が可能で、その際ヘ
テロエピ層と基板との界面における結晶欠陥や界面近傍
での高抵抗層の生成に起因した太陽電池特性に対する悪
影響を受けることもない。従って種々の半導体材料の選
択が可能となり、安価かつ高効率の太陽電池の設計およ
びその製造が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池の断
面図である。

【図２】本発明の太陽電池の特性を説明するためのｐ⁺
ＧａＡｓ基板を用いた太陽電池の参考図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池の透
過率をｐ⁺ 基板を用いた場合と比較して示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＩｎＧａＰ／
ＧａＡｓタンデムセルを有する太陽電池の断面図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る太陽電池パネ
ルのユニットセルを説明する図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る太陽電池パネ
ルの全体構成を示す模式的な平面図である。

【図７】従来のモノリシックタンデムセルの模式的断面
図である。

【図８】従来のメカニカル積層型太陽電池の模式的な断
面図である。

【図９】従来のモノリシックタンデムセルをトップセル
として用いたメカニカル積層型太陽電池の模式的な断面
図である。

【符号の説明】

１ 太陽電池（ユニットセル） ２ 太陽電池層 ２Ｕ ＩｎＧａＰトップセル ２Ｔ ＩｎＧａＰトンネル接合層 ２Ｌ ＧａＡｓボトムセル ３ 上部電極 ４ 下部電極 ６ 反射防止膜 ８ バイパスダイオード １０ アンドープ半導体基板 １１ 下部電極層 １２ ＢＳＦ層 １３ ｐＧａＡｓベース層 １４ ｎ⁺ ＧａＡｓエミッタ層 １５ ｎ⁺ ＡｌＩｎＰ窓層 １６ 上部電極層 ３１ ｎ⁺ ＩｎＧａＰ層 ３２ ｐ⁺ ＩｎＧａＰ層 ３３ ｐ⁺ ＡｌＩｎＰ層 ３４ ｐ⁺ ＩｎＧａＰ ＢＳＦ層 ３５ ｐＩｎＧａＰベース層 ３６ ｎ⁺ ＩｎＧａＰエミッタ層 ３７ ｎ⁺ ＡｌＩｎＰ層 ５１ Ａｕ−Ｚｎ層 ５２，５４ Ａｕメッキ膜 ５３ Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜 ６１ ＺｎＳ膜 ６２ ＭｇＦ₂ 膜 ７１ ｐＧａＡｓアノード層 ７２ ｎＧａＡｓアノード層 ８１ アノード電極 ８２ カソード電極 ８３，８４，８５，８７，８８ 金属配線 ９１ 基板 ９２ 絶縁体 ９５ プラス電極 ９６ マイナス電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 該半導体基板の上部に形成された下部電極層と、 該下部電極層の上方に局部的に形成された少なくとも１
   つのｐｎ接合を有する太陽電池層と、 該太陽電池層の上部に局部的に形成された上部電極層
   と、 該上部電極層の上部に形成された上部電極と、 前記下部電極層の上部に局部的に形成された下部電極を
   少なくとも具備することを特徴とする太陽電池。
2. 【請求項２】 前記半導体基板は故意には不純物を添加
   していない半導体基板であることを特徴とする請求項１
   記載の太陽電池。