JPWO2012160765A1 - 多接合型化合物太陽電池セル、多接合型化合物太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

多接合型化合物太陽電池セル、多接合型化合物太陽電池およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

多接合型化合物太陽電池セルのトップセルTの上に太陽光を遮蔽する電極をなくすこと、生産中の工程において破壊されにくい構造の多接合型の化合物太陽電池セルを提供すること、多接合型の化合物太陽電池の生産リードタイムを短くすることを目的とする。トップセルTおよびボトムセルBを有する多接合型のセル積層体と、トップセルTの光入射面に配置された透明電極12と、ボトムセルBの電位を有する下部電極9aと、太陽電池セル10の側面に絶縁層17を介して配置され、透明電極12に導通する側面電極16aと、を有する多接合型化合物太陽電池セル10であって、側面電極16aは、下部電極9aの位置まで引き出されている、多接合型化合物太陽電池セル10。

Description

本発明は多接合型化合物太陽電池セル、多接合型化合物太陽電池およびその製造方法に関する。
太陽電池の中で最も効率が高く、集光型太陽電池に適している太陽電池として多接合型III-V族化合物太陽電池がある(例えば、特許文献1を参照)。そのような多接合型III-V族化合物太陽電池の構造と製造方法の一例について説明する。従来の多接合型III-V族化合物太陽電池の断面構造の模式図を図16に示す。
図16に示される従来の多接合型III-V族化合物太陽電池を得るために、図15に示されるセル積層体を得る。図15に示されるセル積層体を得るために、まず、ベース基板としてGaAs基板1を用意する。そのGaAs基板1の表面に、AlAs(犠牲層)4をエピタキシャル成長させる。犠牲層4は、最終工程で内部破断させるための層である。
犠牲層4上に、InGaPのpn接合を含むトップセルTを形成する。GaAs基板の格子定数に整合し、ミスフィット転位や、空孔等の欠陥が発生しないように、ボトムセルBではなく、トップセルTから形成する必要がある。トップセルTは、InGaPなどをエピタキシャル成長させることによって形成される。トップセルTを構成するInGaPの禁制帯幅は約1.7〜2.1eVである。
次に、トップセルT上に、GaAsのpn接合を含むミドルセルMを形成する。ミドルセルMは、GaAsなどをエピタキシャル成長させることによって形成される。ミドルセルMを構成するGaAsの禁制帯幅は約1.3〜1.6eVである。
さらに、ミドルセルM上に、InGaAsのpn接合を含むボトムセルBを形成する。ボトムセルBは、InGaAsなどをエピタキシャル成長させることによって形成される。ボトムセルBを構成するInGaAsの禁制帯幅は約1.0eV以下である。
このようにしてGaAs基板1の上に、InGaP/GaAs/InGaAsによる3つのpn接合が直列に接続されたセル積層体が得られる。得られたセル積層体は、3接合型のIII-V族化合物太陽電池の太陽電池セルCとなる。
太陽電池セルCを太陽電池として利用する場合には、太陽光線をトップセルT側から入射させて、ボトムセルB(InGaAs)に向かって進入させる。そのようにすることで、トップセルT、ミドルセルMおよびボトムセルBのそれぞれの禁制帯幅に基づく所定の波長の光が吸収されて、電気エネルギに変換される。よって、高効率の太陽電池を実現できる。
しかし、図15の状態のセル積層体では、GaAs基板1の上に、トップセルTと、ミドルセルMと、ボトムセルBとが、この順番に積層されている。そのため、GaAs基板1が太陽光を遮蔽して、トップセルTに太陽光を入射させることができない。そのため、図15の状態のセル積層体は、太陽電池として利用できない。このため、トップセルTから光が入射可能な構造に変える必要がある。
トップセルTから光が入射可能な構造に変えるために、第1工程として、ボトムセルB上に裏面電極9をメッキで全面形成する。第2工程として、太陽電池セルCとGaAs基板1とを剥離させる。当該剥離は、犠牲層4の脆弱性を利用する。剥離した太陽電池セルCに残った犠牲層4を、フッ酸でエッチング除去する。
次に、トップセルTから電位を引き出すために、表面電極15を形成する(図16参照)。n型GaAs層(T1)の全面にAu−Ge/Ni/Auの金属積層体をメッキ形成し、金属積層体とGaAs層(T1)の不要な部分をエッチング除去して、表面電極15とする。
このような工程を通して、図16に示されるような、トップセルT,ミドルセルM,ボトムセルBの順番に積層され、裏面電極9と表面電極15とを有する両面電極構造の従来の多接合型の化合物太陽電池が得られる。
上述の技術の他にも、多接合型化合物太陽電池に関連する技術として、種々の技術が開示されている(例えば、特許文献2〜6を参照)。
例えば特許文献2には、積層帯の内部に設けた導通溝を介して第一電極と第二電極とが電気的に接続された、薄膜太陽電池の取り出し電極構造が開示されている。この発明によれば、取り出し電極部の面積を小さくすることができる。しかし、この電極構造は、直列に接続された複数の太陽電池セルの接続終端部から延設された第一電極上に設けられたものであり、各太陽電池セルの太陽光の受光面積を向上させるまでには至っていなかった。
例えば特許文献3には、各太陽電池セル(ダンデム型光電変換セル)の下部電極(裏面電極)と、それに隣接する太陽電池セルの透明電極(受光面電極)とが、格子電極を介して電気的に接合された、複数の太陽電池セルを備える太陽電池モジュールが開示されている。この発明によれば、格子電極により、複数の太陽電池セルを直列接合することができる。しかし、各太陽電池セルの太陽光の受光面積を向上させるまでには至っていなかった。
特許第4471584号公報 特開平9-83001号公報 特開2006-13403号公報 特開2008-34592号公報 米国2001-0023962号公報 米国2010-0065115号公報
上述のように、従来の多接合型の化合物太陽電池は、トップセルTの表面に表面電極15を有している。表面電極15は太陽光を透過しないAuやNiやGeなどの金属材料であるため、トップセルTに入射する太陽光の量を減少させる。またその他の先行技術において、太陽電池セルの太陽光の受光面積を向上させることは提案されていなかった。
また、表面電極15と裏面電極9の両面電極構造のため、裏面電極9の実装はダイボンディング工程で行う必要があり、表面電極15の実装はワイヤボンディング工程やはんだ付け工程などで行う必要がある。つまり、外部との電気的接続を図るために、裏面電極9の実装と表面電極15の実装との、2つの実装工程が必要とされる。その結果、生産リードタイムが長くなる。
また、太陽電池セルCを構成するトップセルTとミドルセルMとボトムセルBの厚みは、それぞれ5μm〜20μmしかなく、外部からの応力を受けると太陽電池セルCは破壊されやすい。そのため、犠牲層4の脆弱性を用いて、太陽電池セルCとGaAs基板1を剥離する工程や、裏面電極9のダイボンディング工程や、表面電極15のワイヤボンディング工程やはんだ付け工程などで発生する応力で、太陽電池セルCが破壊されることがあった。
本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、多接合型化合物太陽電池セルのトップセルTの上に太陽光を遮蔽する電極をなくすこと、生産中の工程において破壊されにくい構造の多接合型の化合物太陽電池セルを提供すること、多接合型の化合物太陽電池の生産リードタイムを短くすることである。
上記目的を達成するために、以下のような発明が提供される。
[1]本発明の第1態様によれば、トップセルおよびボトムセルを有する多接合型のセル積層体と、トップセルの光入射面に配置された透明電極と、ボトムセルの電位を有する下部電極と、セル積層体の側面に絶縁層を介して配置され、透明電極に導通する側面電極と、を有する多接合型化合物太陽電池セルであって、側面電極は、下部電極の位置まで引き出されている、多接合型化合物太陽電池セルが提供される。
[2]本発明の第2態様によれば、[1]に記載の多接合型化合物太陽電池セルと、下部電極および側面電極のそれぞれに接続された外部部材とを有し、
下部電極および側面電極のそれぞれと、外部部材とを接続する導電部材は、応力吸収層を有する、多接合型化合物太陽電池が提供される。
[3]本発明の第3態様によれば、[1]に記載の多接合型化合物太陽電池セルと、下部電極および側面電極のそれぞれに接続された外部部材とを有し、
下部電極および側面電極のそれぞれと、外部部材とを接続する接続部の位置は、多接合型化合物太陽電池セルと外部部材とを接続するための押圧方向について、セル積層体の位置と重ならない、多接合型化合物太陽電池が提供される。
[4]本発明の第4態様によれば、[2]に記載の多接合型化合物太陽電池の製造方法であって、
多接合型化合物太陽電池セルの下部電極および側面電極と、外部部材とを、導電部材を介して押圧して接合するステップを含み、導電部材の側面形状はテーパ形状であり、接合によりテーパ形状がつぶれて変形する、製造方法が提供される。
本発明の多接合型化合物太陽電池セルによれば、太陽光の受光面に透明電極以外の電極を有しないため、太陽光の利用効率が向上する。また、本発明の多接合型化合物太陽電池セルによれば、外部との接続電極(トップセルの電位を有する電極と、ボトムセルの電位を有する電極)が1つの面に引き出されているので、外部電極と実装する生産工程が1回ですむ。そのため、生産リードタイムが短くなる。
また本発明によれば、多接合型化合物太陽電池セルの外部部材への実装工程において、外部部材との間に配置した応力緩和層を積極的に変形させることで、太陽電池セルに加わる応力を低減する。あるいは、太陽電池セルの位置と、外部との接続電極の位置との関係を規定することによって、太陽電池セルに加わる応力を低減する。それにより、太陽電池セルの破壊を抑制する。
また、太陽電池セルの厚みと、外部との接続電極の厚みとの関係を調整することにより、太陽電池セルの破壊を抑制することができる。
図1は、本発明の多接合型化合物太陽電池の一例の全体構成を示す模式断面図である。 図2は多接合型化合物太陽電池におけるセル積層体の模式断面図と、各セルが吸収する太陽光スペクトルである。 図3Aは化合物太陽電池の製造における、基板を用意する工程図であり、図3Bは太陽電池セルのエピタキシャル成長の工程図であり、図3Cは下部コンタクト層のパターニングの工程図であり、図3Dはセル積層体のパターニングの工程図である。 図4Aは化合物太陽電池の製造における、電極形成の工程図であり、図4Bは絶縁層形成の工程図であり、図4Cは絶縁層の窓開けの工程図である。 図5Aは化合物太陽電池の製造における、電解メッキ用の全面Au/Ti膜形成の工程図であり、図5Bはレジスト形成とAuメッキによる側面電極形成の工程図であり、図5Cはメッキ保護用のTi膜形成の工程図である。 図6Aは化合物太陽電池の製造における、レジスト除去の工程図であり、図6Bは絶縁層上のAu/Ti膜除去およびAuメッキ膜上のTi膜除去の工程図である。 図7Aは応力吸収層を有する突起電極を形成したインターポーザー基板の模式断面図であり、図7Bは太陽電池セルの電極とインターポーザー基板上の突起電極とを接合する工程図である。 図8Aは化合物太陽電池セルの電極とインターポーザー基板上の突起電極とを接合する前の、位置合わせの工程図であり、図8Bは太陽電池セルの電極とインターポーザー基板上の突起電極とを接合した状態の工程図である。 図9Aは化合物太陽電池セルの電極とインターポーザー基板上の突起電極とを接合した状態における、太陽電池セル上の電極の位置と突起電極の位置との関係を示す図であり、図9Bは太陽電池セルにおける各部材の寸法関係を示した図である。 図10Aは化合物太陽電池セルの電極とインターポーザー基板上の突起電極とを接合した状態における、太陽電池セルの位置と突起電極の位置との関係を示した上面図であり、図10Bはその側面断面図である。 図11Aは化合物太陽電池の製造における、封止樹脂を充填する工程図であり、図11BはGaAs基板を犠牲層で剥離するための起点として、犠牲層凹部を形成する工程図である。 12Aは化合物太陽電池の製造における、化合物太陽電池セルから、GaAs基板を剥離する工程図であり、図12Bは残存した犠牲層をフッ酸でエッチング除去する工程図である。 図13Aは化合物太陽電池の製造における、透明電極を形成する工程図であり、図13Bは太陽電池セルおよびインターポーザー基板を、規定のサイズに分割する工程図である。 図14Aは化合物太陽電池の製造における、エレクトロンシートに紫外線(UV)を照射し、分割した太陽電池をピックアップ用ヘッドでエレクトロンシートから取り外す工程図であり、図14Bは個片化したパッケージ形態を示した図である。 図15は化合物太陽電池の模式断面図である。 図16は従来の化合物太陽電池の模式断面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る化合物太陽電池について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
<化合物太陽電池の全体構成>
図1は、本発明の実施形態に係る化合物太陽電池の全体構成を示す概略断面図である。図1に示すように、実施形態に係る化合物太陽電池は、1)多接合型の化合物太陽電池セル10と、2)外部部材としてのインターポーザー基板24と、3)化合物太陽電池セル10とインターポーザー基板24とを電気接続する導電部材と、を含む。
図1に示される多接合型の化合物太陽電池の太陽電池セル10は、トップセルTとミドルセルMとボトムセルBの3構造のセル積層体を有する。このセル積層体の3層のそれぞれに、PN接合層がある。セル積層体は、トップセルTの上面に設けられた上部コンタクト層2aと、ボトムセルBの下面に設けられた下部コンタクト層2bとを含む。
太陽電池セル10は、セル積層体の上部コンタクト層2aの上面に設けられた透明電極(ZnO)12を有する。透明電極12は、トップセルTの電位を引き出す。透明電極12には、上部電極9bが接続される。上部電極9bに、側面電極16aが接続される。側面電極16aとセル積層体との間には絶縁層17があり、両者は絶縁されている。絶縁層17は、窒化シリコン膜などである。
一方、太陽電池セル10は、セル積層体の下部コンタクト層2bの下面に設けられた下部電極9aを有する。下部電極9aの下面に中央電極16bが設けられる。
ここで、側面電極16aの下面と、中央電極16bの下面とが、破線ラインLLにて一致していることが好ましい。後に図9A、図9Bを用いて説明する太陽電池セル10にインターポーサー基板24を接合する際に、太陽電池セル10に均等に圧力が加わることで、太陽電池セル10の破損を防止することができるからである。このようにして、トップセルTで発電した電位を有する側面電極16aと、ボトムセルBで発電した電位を有する中央電極16bとが、同一面に配置される。
同一面に配置された側面電極16aの下面と中央電極16bの下面はそれぞれ、外部部材としてのインターポーザー基板24の素子側電極25a,25bに、導電部材を介して電気接続される。なお、側面電極16aと中央電極16bは互いに電気的に独立して配置されている。同様にして、素子側電極25aと素子側電極25b、貫通電極27aと貫通電極27b、外部取り出し電極26aと外部取り出し電極26bも互いに電気的に独立して配置されている。
インターポーザー基板24は、その上面(太陽電池セル10に対向する面)に配置される素子側電極25と、下面に配置される外部取り出し電極26と、素子側電極25と外部取り出し電極26とを接続するインターポーザー基板24の内部を貫通する貫通電極27とを有する。
導電部材は、応力吸収層23aを有する突起電極23からなる。突起電極23は、インターポーザー基板24の素子側電極25に接続されている。
インターポーザー基板24と太陽電池セル10との隙間は、機械的強度の補強と耐薬品性の向上とのために、封止樹脂22で封止されている。このようにして、1つの多接合型化合物太陽電池がパッケージとして全体構成されている。
<セル積層体>
図2には、図1に示される太陽電池のセル積層体が示される。前述の通り、セル積層体は、上部コンタクト層2aと、トップセルTと、ミドルセルMと、ボトムセルBと、下部コンタクト層2bと、を有する。セル積層体は、GaAs基板1の上に、各金属層を形成することで得られる。各金属層は、縦型MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置に投入し、各金属層をエピタキシャル成長法によって形成されうる。
各金属層のエピタキシャル成長は、通常の手法を用いて行われうる。例えば、環境温度を約700℃として行うことができる。GaAs層を成長させるための原料として、TMG(トリメチルガリウム)とAsH3(アルシン)が用いられうる。InGaP層を成長させるための原料として、TMI(トリメチルインジウム)、TMGおよびPH3(ホスフィン)が用いられうる。また、n型GaAs層、n型InGaP層およびn型InGaAs層を形成するための不純物として、SiH(モノシラン)が用いられうる。一方、p型GaAs層、p型InGaP層およびp型InGaAs層を形成するための不純物として、DEZn(ジエチル亜鉛)が用いられうる。
まず、GaAs基板1の上に、犠牲層4として、約100nm厚みのAlAs層を成長させる。次に、上部コンタクト層2aとして、約0.1μm厚みのn型InGaP層を成長させる。
次に、トップセルTを形成する。ウィンドウとしての、約25nm厚のn型InAlP層と;エミッターとしての、約0.1μm厚のn型InGaP層と;ベースとしての、約0.9μm厚のp型InGaP層と;BSFとしての、約0.1μmのp型InGaP層とを、それぞれエピタキシャル成長法によって形成する。その結果、約1μm厚のトップセルTが形成される。
トップセルTを形成した後、トンネル層19として、約12nm厚のp型AlGaAs層と、約20nm厚のn型GaAsと、を成長させる。その結果、約30nm厚のトンネル層19が形成される。
次に、ミドルセルMを形成する。ウィンドウとしての、約0.1μm厚のn型InGaP層と;エミッターとしての、約0.1μm厚のn型GaAs層と;ベースとしての、約2.5μm厚のp型GaAs層と;BSFとしての、約50nm厚みのp型InGaP層とを、それぞれエピタキシャル成長法によって形成する。その結果、約3μm厚のミドルセルMが形成される。
ミドルセルMを形成した後、トンネル層19として、約12nm厚のp型AlGaAs層と、約20nm厚のn型GaAs層とを成長させる。その結果、約30nm厚のトンネル層19が形成される。
次に、グリッド層20を形成する。グリッド層20は、格子定数のミスマッチで転位や欠陥等が発生することを抑制する。約0.25μm厚のn型InGaP層を8層形成し、約2μm厚みのグリッド層20が形成される。さらに、バッファ層21として、約1μm厚のn型InGaP層を形成する。
次に、ボトムセルBを形成する。パッシベーション膜としての、約50nm厚のn型InGaP層と;エミッターとしての、約0.1μm厚のn型InGaAs層と;ベースとしての、約2.9μm厚のp型InGaAs層と;パッシベーション膜としての、約50nm厚みのp型InGaP層とを、それぞれエピタキシャル成長法によって形成する。その結果、約3μm厚みのボトムセルBが形成される。最後に、下部コンタクト層2bとして、約0.1μm厚みのp型InGaAs層を成長させる。
図2には、トップセルT、ミドルセルMおよびボトムセルBによって吸収される光の波長が示される。トップセルTの禁制帯幅は1.87eVであり、太陽光スペクトルの中で吸収できる波長は650nm以下の領域である。ミドルセルMの禁制帯幅は1.41eV、太陽光スペクトルの中で吸収できる波長は650nm〜900nmの領域である。ボトムセルBの禁制帯幅は1.0eV、太陽光スペクトルの中で吸収できる波長は900nm〜1200nmの領域である。このように、太陽電池セルのセル積層体を、トップセルT、ミドルセルMおよびボトムセルBを含む3層構造とすることにより、太陽光スペクトルを有効に利用できる。そのため、高効率の太陽電池を実現できる。
<化合物太陽電池の製造方法と構造>
図3A〜図3D,図4A〜図4C,図5A〜図5C,図6A,図6B、図7A,図7Bを用いて、化合物太陽電池の製造フローを説明する。図3Aの工程では、GaAs基板1(ウェハー)を用意する。GaAs基板1のサイズは、例えば、4インチφ、500μm厚である。通常、1つのGaAs基板1に複数の太陽電池セル10を形成する。
図3Bの工程では、GaAs基板1にセル積層体(図2参照)を形成する。セル積層体は、犠牲層4や、上部コンタクト層2aや、トップセルTや、ミドルセルMや、ボトムセルBや、下部コンタクト層2bなどをエピタキシャル成長させて得られる。
図3Cの工程では、厚み約0.1μmの下部コンタクト層2bを、所定の大きさにパターニングする。パターニングは、ドライエッチング処理により行うことが好ましい。
図3Dの工程では、厚み10μmのセル積層体を、所定の大きさにパターニングする。パターニングは、ドライエッチング処理により行うことが好ましい。セル積層体が、GaAs基板1の外縁よりも内側に配置されることで、太陽電池部分の周辺で発生するキャリアの消失が抑制され、変換効率が向上することが確認されている。このように、エッジ部分のセル積層体をエッチングした構造を、"Ledge構造" と称することがある。「J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 11, No.1, Jan/Feb 1993」や「電子情報通信学会 信学技報 IEICE Technical Report ED2007-217, MW2007-148(2008-1)」などに示されるように、PNジャンクションの端部でのキャリアの消失が起こりやすいことが知られている。これに対して、"Ledge構造"とすることで、キャリアを基板の内部に集中させて、端部でのキャリア消失を抑制する。
図4Aの工程では、上部電極9bと下部電極9aとして、Auメッキ電極を形成する。まず、図3Dに示されるセル積層体の上部全面に、電界メッキ法によって、膜厚約10μm以下のAuメッキ膜を形成する。Auメッキ膜をパターニングして、上部電極9bと下部電極9aとする。パターニングは、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングを用いて行う。
図4Bの工程では、絶縁層17として、SiN膜を形成する。例えばプラズマCVD工法を用いて、セル積層体の上部全面にSiN膜を形成する。
図4Cの工程では、絶縁層17の不要な部分を除去し、絶縁層17の窓17aと17bを形成する。絶縁層17の窓17aと17bは、それぞれ、下部電極9aと上部電極9bを構成するAuメッキ面を露出させる。
図5Aの工程では、図4Cで得られたセル積層体の上部全面に、金属スパッタ工法を用いてAu/Ti積層膜を形成する。Au/Ti積層膜は、次工程において、電解Auメッキを行うための前処理膜である。
図5Bの工程では、電解Auメッキ膜を形成する必要がない部分に、レジスト18を形成し;その後、電解Auメッキ膜を形成する。レジスト18は、メサエッチングのための所定のレジストパターンを形成し、露光工程を経て、不要な部分をアルカリ水溶液または酸溶液によりエッチングすることにより形成される。
電解Auメッキにより中央電極16bと側面電極16aが形成される。Auメッキ膜からなる中央電極16bと側面電極16aの厚みは、太陽電池セルのセル積層体の厚み10μmよりも厚く、10〜50μm程度の厚みで形成する。
図5Cの工程では、Auメッキ保護用としてのTi膜を形成する。Ti膜は、金属スパッタで形成すればよく、図5Bで得られた積層体の上部全面に形成する。
図6Aの工程では、レジスト18を除去する。レジスト18の除去は、ウェット処理にて行う。アルカリ水溶液および酸溶液によるエッチングにより、レジスト18のみを除去することができる。
図6Bの工程では、絶縁層17上のAu/Ti膜と、Auメッキ電極上のTi膜を除去する。これらの除去は、ドライエッジ工法を用いて行う。このようにして、Auメッキ電極の最表面を、清浄で有機物汚染のない面とする。
図6Bに示されるように、片面接合の多接合型化合物太陽電池セルの原型が得られる。しかしながら、図6Bに示される片面接合の多接合型化合物太陽電池セルでは、トップセルTがGaAs基板1側にあり、ボトムセルBが中央電極16b側にある。これを太陽電池とするには、トップセルTから太陽光を入射可能にしなければならない。よって、太陽電池セル10にダメージを与えることなく、GaAs基板1を剥離しなければならない。
本発明の特徴の一つは、太陽電池セル10のセル積層体が薄い(例えば10μm以下)にも係わらず、セル積層体にダメージを与えることなく、GaAs基板1を剥離して太陽電池とすることにある。
<インターポーザー基板>
図7Aには、インターポーザー基板24が示される。インターポーザー基板24のサイズは、20mm×20mmであるか、または4インチφ(基板1と同じ)である。また、インターポーザー基板24の厚みは100μmである。
インターポーザー基板24は、シリコン、セラミック、ガラスエポキシまたはガラスなどで形成されており、内部を貫通する貫通電極27を有する。さらに、太陽電池セル10を配置する面に、素子側電極25を有し、その反対面に、外部取り出し電極26を有する。素子側電極25および外部取り出し電極26の最表層はAu膜で覆われている。Au膜は、フラッシュAuメッキや、電解Auメッキ工法を用いて形成さ、最大0.5μm厚である。
図7Bの工程では、インターポーザー基板24(図7A参照)と、GaAs基板1が付いた太陽電池セル10(図6B参照)とを接合する。具体的には、インターポーザー基板24の突起電極23は、それぞれ太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aに接合する。この接合において発生する応力を、太陽電池セル10のセル積層体に印加しないようにすることが、本発明の特徴の一つである。太陽電池セル10のセル積層体に応力を印加しないようにする手法の例には、1)突起電極23に応力吸収層を配置すること(図7A,図7B,図8A,図8B参照)、2)突起電極23を導電ペーストまたは柔軟性のある材料で形成すること、3)中央電極16bおよび側面電極16aを柔軟性のある材料で形成すること(図9A,図9B参照)、4)突起電極23と太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aとの接続部を、陽電池セル10のセル積層体からずらすこと(図10A,図10B参照)、がある。以下において、それぞれの手法を説明する。
<応力吸収層について>
図7Aに示されるように、インターポーザー基板24の素子側電極25には、突起電極23が配置されている。ここで突起電極23は、応力吸収層23aと円柱部23bとを有する。応力吸収層23aは、その側面がテーパ構造を有するように円錐状に形成されている。円柱部23bは、円柱状に形成されている。具体的に、応力吸収層23aの側面は、図7Aの上下方向に対して、30度〜60度傾斜している。また、円柱部23bの断面積(図7Aの上下方向に直交する面の断面積)は、応力吸収層23aの断面積よりも小さい。
突起電極23の材料は、一般的にはAuであるが、Ti、Cu、Al、Sn、Ag、Pd、Bi、Pb、Ni、Crなどの単体金属、もしくはそれらの複合金属であってもよい。金属材料からなる突起電極23は、ワイヤボンディング工法を用いたスタッドバンプ法などの手法によって形成することができる。例として、円柱部23bの直径を20〜50μm、円柱部23bの厚み(導通方向の長さ)を6〜10μm、応力吸収層の厚みを20μm以上とする。
このように、突起電極23を、互いに形状の異なる2つの導電部材(円柱部23bと応力吸収層23a)で構成している。そして、太陽電池セル10に接続される応力吸収層23aの断面を、円柱部23bの断面よりも小さくする。応力吸収層23aは、太陽電池セル10とインターポーザー基板24とを接合するときに加わる応力によって変形して、応力を吸収する(図8B参照)。変形後の応力吸収層23aの円錐形状の先端は、平坦状に押し潰された状態になる(図8B参照)。
図8Aの工程では、インターポーザー基板24の突起電極23と、太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aとを位置合わせする。太陽電池セル10のセル積層体の厚みは薄く(例えば、10μm以下である)、しかも脆弱であり破壊されやすい。そのため、太陽電池セル10に形成した中央電極16bの厚みは、太陽電池セル10のセル積層体の厚みよりも厚くする(10μm以上にする)ことが好ましい。また、突起電極23の応力吸収層23aの厚みを20μm以上とすることが好ましい。
図8Bの工程では、太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと、突起電極23の応力吸収層23aとを、Au/Au金属接合する。Au/Au金属接合は、150〜250℃の温度条件で、超音波エネルギを印加しながら行えばよい。Au/Au金属接合するときに、テーパ状の応力吸収層23aが変形して潰れていく。応力吸収層23aは、太陽電池素子10の厚みである10μm以上変形して潰れることができる。変形後の応力吸収層の厚みは10μm以下となる。応力吸収層の変形できる量が、太陽電池素子10の厚みより大きいと、太陽電池セル10に加わる過剰な応力が低減される。
また、突起電極23の円柱部23bと応力吸収層23aとを、異なるヤング率の金属で構成してもよい。具体的には、円柱部23bをヤング率の高い金属で構成し、応力吸収層23aをヤング率の低い金属で構成する。2つの金属材料は、それぞれAu、Al、Cu、Ag、Sn、Biなどから選択される。
太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと、突起電極23との接合は、例えば加熱超音波ヘッドを用いた超音波金属接合により行われる。超音波金属接合を行う場合には、側面電極16aおよび中央電極16bの表面も、Au、Al、Cu、Ag、Snなどで形成する。超音波金属接合とは、加熱と超音波エネルギにより、表面の酸化膜が破壊され、金属間の合金層を形成することで接合させる手法である。
このように、太陽電池セル10に接触する応力吸収層23aをヤング率の低い金属で構成することで、接合するときに、応力吸収層がより変形しやすくなり、応力をより吸収しやすくなる。
<導電性ペーストなどからなる突起電極について>
インターポーザー基板24に配置された突起電極23は、導電性ペーストであってもよい。導電性ペーストには、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂成分と、Ag、Pd、Au、Cu、Al、Ni、Cr、Tiなどの導電性金属とを含む。導電性ペーストからなる突起電極23は、塗布法や印刷法で形成されうる。導電性ペーストからなる突起電極23は、応力吸収層23aを有していなくてもよく、つまりテーパ状である必要はない。太陽電池セル10を、突起電極23を構成する導電性ペーストに接触させてから、導電性ペーストを硬化させる。そのため、太陽電池セル10に過剰な応力が加わることがない。
太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと、導電性ペーストで構成されている突起電極を接合させるには、太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと突起電極23とを接触させ、突起電極23を構成する導電性ペーストを硬化させればよい。
突起電極23を、柔軟性のある材料(導電性樹脂など)で構成してもよい。導電性樹脂からなる突起電極23は、ディスペンサー塗布や、マスクを用いた印刷で形成されうる。導電性樹脂の粘度は、2000cps〜50万cpsであることが好ましい。導電性樹脂には、Ag、Pd、Au、Cuなどの金属フィラーを含む液状樹脂である。
太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと、柔軟性のある材料で構成される突起電極23とを接合させると、太陽電池セル10に付加される応力を突起電極23が吸収することができる。
<柔軟性のある材料からなる中央電極および側面電極について>
図9A、図9Bは、太陽電池セル10の中央電極16bと側面電極16aを、柔軟性のある材料で構成した例を示す。図9Aに示すように、側面電極16aと、中央電極16bは、互いに電気的に独立して配置されている。この場合には、応力吸収層23aは必要なく、かつ突起電極23が硬質の材料で形成されていてもよい。この場合、突起電極23は変形せず、中央電極16bと側面電極16aに侵入する。そこで、太陽電池セル10の中央電極16bと側面電極16aの厚みを厚くして、太陽電池セル10の破壊を阻止することが好ましい。例えば、太陽電池セル10のセル積層体の厚みが10μmである場合には、中央電極16bと側面電極16aの厚みを10μm以上として、突起電極の侵入量を10μm以下とする。なお、図8A、図8B、図9A、図9Bに示される中央電極16bおよび側面電極16aと、図1等に示される中央電極16bおよび側面電極16aは、寸法関係や比率が異なって示されている。これは、上述の通り、太陽電池セル10の破壊を阻止する観点より、中央電極16bと側面電極16aの厚みを厚くしたことを示すものである。よって、図中、同一の符号が付された部材については、基本的機能は同一である。
<中央電極および側面電極と突起電極との接続部について>
図10A、図10Bに、太陽電池セル10の中央電極16bおよび側面電極16aと、突起電極23との接続位置を、太陽電池セル10のセル積層体の位置とずらす例を示す。つまり、中央電極16bおよび側面電極16aと突起電極23との接続位置を、太陽電池セル10とインターポーザー基板24とを接合するための力を印加する方向について、セル積層体とオーバーラップさせないようにする。
図10Bに示される太陽電池セルは、図6Bに示される太陽電池セルと、中央電極16bの構造において異なる。図10Bに示される太陽電池セルのボトムセルBと接続している中央電極16bは、太陽電池セル10の中央部から周辺部にまで引き出されている。太陽電池セルの周辺部は、セル積層体とオーバーラップしていない。当該周辺部にまで引き出された中央電極16bと、突起電極23とを接合させる。それにより、太陽電池セル10とインターポーザー基板24との接合における応力が、太陽電池セル10のセル積層体に印加されることを防止する。
<封止樹脂による補強>
以上のようにして、インターポーザー基板24(図7A参照)と、GaAs基板1が付いた太陽電池セル10(図6B参照)とを接合した後;図11Aの工程では、インターポーザー基板24と太陽電池セル10との隙間を樹脂で封止する。上述の隙間を封止樹脂22で封止することにより、パッケージの強度が保持され、耐薬品性が向上する。封止樹脂22は、通常は、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂である。
上述の通り、GaAs基板1のサイズは、4インチφであり;インターポーザー基板24のサイズは、20mm×20mmまたは4インチφである。インターポーザー基板24のサイズが20mm×20mm角である場合には、4インチウェハであるGaAs基板1に、複数のインターポーザー基板が実装される。複数のインターポーザー基板間の隙間から、GaAs基板1とインターポーザー基板24との隙間に、毛細管現象を利用して封止樹脂22を充填する。
一方、インターポーザー基板24が4インチφである場合にも、同様に毛細管現象を利用して封止樹脂22を充填する。この場合には、より低い粘度の封止樹脂22を充填することが好ましい。
GaAs基板1とインターポーザー基板24との隙間に封止樹脂22が充填されたら、約150〜200℃で、15分〜1時間ほど加熱し、封止樹脂22を硬化させる。
<犠牲層への凹部形成>
図11Bの工程では、GaAs基板1を剥離させるために、犠牲層4の側面に犠牲層凹部4aを形成する。太陽電池セル10は非常に脆弱なため、GaAs基板1を剥離するときの応力で破壊されることがある。このため、犠牲層4を確実に内部破断させるための起点として、犠牲層凹部4aを形成する。犠牲層凹部4aの形成は、機械的に「ケガキ」凹部を設けたり、ブレードで研削したり、ウォータージェットで研削したりするなどして、犠牲層4に破壊の起点を設ければよい。太陽電池セル10とインターポーザー基板24との隙間を封止樹脂22で封止することで、太陽電池セル10が機械的に補強されているので、犠牲層凹部4aを形成するときに太陽電池セル10が破壊されない。
<GaAs基板の剥離>
図12Aの工程では、犠牲層4を内部破断させて、GaAs基板1を剥離させる。犠牲層4を内部破断させる方法の例には、ダイシング、ローラー剥離、ウォータージェット、超音波破壊などのSOI(silicon on insulator)関連の技術が多数ある。そのため、GaAs基板1は、容易に剥離される。
また、基板1を構成するGaAsの格子定数は5.653オングストロームであり、犠牲層4を構成するAlAsの格子定数は5.661オングストロームであり、両者はほぼ一致している。そのため、犠牲層4は安定した膜であり、安定に内部破断させることができる。
<犠牲層のエッチング>
図12Bの工程では、太陽電池セル10に残存した犠牲層4をウェットエッチングで除去する。犠牲層4のウェットエッチングは、フッ酸に2〜3分間接触させて、溶融除去することで行うことができる。太陽電池セル10が封止樹脂22で保護されているので、フッ酸が太陽電池セル10にダメージを与えることを防止できる。
<透明電極の形成>
図13Aの工程では、透明電極12を形成する。透明電極12は、太陽光の入射面を構成する。透明電極12は、ZnO層やITO層などであり、スパッタ工法で形成されうる。透明電極12は、太陽電池セル10の上部全面に形成され、上部コンタクト層2aと上部電極9bとを電気的に接続する。ZnO層に、AlやGaを0.1質量%以上添加することにより、導電性を向上させることもできる。
このようにして得られる太陽電池セル10は、太陽光の入射面に、太陽光を遮る電極を有さない。従って、太陽電池セル10への太陽光の入射量が高まり、太陽電池セル10の発電効率が向上する。
<個片化>
図13Bの工程では、太陽電池を個片化する。インターポーザー基板24には、複数の太陽電池が配置されている。まず、複数の太陽電池が配置されたインターポーザー基板24を、エレクトロンシート29に貼り付ける。次に、ダイシングブレード28を備えるダイシング装置を用いて、インターポーザー基板24とともに太陽電池を個片化する。本実施の形態では、500μm×500μmサイズに個片化した。
図14Aの工程では、個片化された太陽電池を、エレクトロンシート29から剥離する。まず、エレクトロンシート29にUV光30を照射して、エレクトロンシート29の表面にある粘着性材料の粘着性を低下させる。粘着性材料の粘着性が低下したら、エレクトロンシート29から、ダイボンディング装置のピックアップ用ヘッド31で、個片化された太陽電池を取り外し、所定の位置に移載する。
<太陽電池の寸法>
図14Bに、個片化された多接合型化合物太陽電池の具体的寸法図を示す。太陽電池セル10のセル積層体は非常に薄い(10μm以下)ため脆弱である。そのために、インターポーザー基板24の厚みをある程度厚くして、かつ封止樹脂22で封止することで、機械的強度を確保する必要がある。そこで、インターポーザー基板24の厚みを100μmとしている。その結果、太陽電池の総厚は、130μmになる。
一方、太陽電池の外形サイズは500μm×500μmであり、太陽電池セル10のセル積層体の外形サイズは470μm×470μmである。そして、側面電極16aの引き出し寸法は15μmである。つまり、太陽電池10の占有面積(太陽電池の外形サイズに対する太陽電池セル10のセル積層体の外形サイズ)は88%になる。
太陽電池セル10の受光面には、透明電極12以外の電極がないので、照射を受けた太陽光の全てを利用することができる。
図14Bに示される太陽電池では、太陽電池セル10のセル積層体の外形サイズを470μm×470μmとしているが、500μm×485μmにまで拡げることができる。つまり、セル積層体の4つの側面のうちの、1つの側面にだけ側面電極16aを配置する場合には、セル積層体の外形サイズを500μm×485μmにまで拡げることができる。このとき、太陽電池10の占有面積は97%となる。
本出願は、同出願人により先にされた日本国特許出願、すなわち、特願2011−113643号(出願日2011年5月20日)に基づく優先権主張を伴うものであって、これらの明細書の内容を参照して本発明の一部としてここに組み込むものとする。
本発明の多接合型の化合物太陽電池は、従来の宇宙で用いられる用途から、地球上で使用する集光型太陽電池用途に展開できる。そして、太陽光の変換効率を、従来のシリコン太陽電池よりも飛躍的に高めることができる。そのため、日照量の多い地域での大規模発電システムに特に好適である。
1 GaAs基板
2 コンタクト層
2a 上部コンタクト層
2b 下部コンタクト層
4 犠牲層
4a 犠牲層凹部
5 AlGaAs層
6 GaAs層
7 InGaAs層
8 GaAs層
9 裏面電極
9a 下部電極
9b 上部電極
10 太陽電池セル
12 透明電極
15 表面電極
16a 側面電極
16b 中央電極
17 絶縁層
17a 絶縁層の窓
18 レジスト
19 トンネル層
20 グリッド層
21 バッファ層
22 封止樹脂
23 突起電極
23a 応力吸収層
23b 円柱部
24 インターポーザー基板
25 素子側電極
26 外部取り出し電極
27 貫通電極
28 ダイシングブレード
29 エレクトロンシート
30 UV照射光
31 ピックアップ用ヘッド
T トップセル
M ミドルセル
B ボトムセル
C セル本体
T1 GaAs層
T2 AlInP層
T3 InGaP層
T4 InGaP層
T5 AlInP層
M1 AlInP層
M2 GaAs層
M3 GaAs層
M4 InGaP層
B6 InP層
B7 InGaAs層
B8 InGaAs層
B9 InP層
B10 GaAs層
[1]本発明の第1態様によれば、トップセルおよびボトムセルを有する多接合型のセル積層体と、トップセルの光入射面を覆うように配置された透明電極と、ボトムセルの電位を有する下部電極と、セル積層体の側面に絶縁層を介して配置され、透明電極に導通する側面電極と、を有する多接合型化合物太陽電池セルであって、側面電極は、前記透明電極の光入射面とは反対の面と接する上部電極と接続され、かつ下部電極の位置まで引き出されている、多接合型化合物太陽電池セルが提供される。

Claims (14)

  1. トップセルおよびボトムセルを有する多接合型のセル積層体と、
    前記トップセルの光入射面に配置された透明電極と、
    前記ボトムセルの電位を有する下部電極と、
    前記セル積層体の側面に絶縁層を介して配置され、前記透明電極に導通する側面電極と、を有する多接合型化合物太陽電池セルであって、
    前記側面電極は、前記下部電極の位置まで引き出されている、多接合型化合物太陽電池セル。
  2. 前記トップセルの光入射面には、前記透明電極以外の非透明電極が配置されない、請求項1に記載の多接合型化合物太陽電池セル。
  3. 前記セル積層体の厚みは10μm以下である、請求項1に記載の多接合型化合物太陽電池セル。
  4. 前記絶縁層は窒化シリコン層であり、前記側面電極は金属導電材料からなる、請求項1に記載の多接合型化合物太陽電池セル。
  5. 請求項1に記載の多接合型化合物太陽電池セルと、前記下部電極および前記側面電極のそれぞれに接続された外部部材とを有し、
    前記下部電極および前記側面電極のそれぞれと、前記外部部材とを接続する導電部材は、応力吸収層を有する、多接合型化合物太陽電池。
  6. 前記応力吸収層は、金属材料で形成されている、請求項5に記載の多接合型太陽電池の製造方法。
  7. 前記応力吸収層は、樹脂成分と導電性金属とを含む導電性ペーストである、請求項5に記載の多接合型化合物太陽電池の構造。
  8. 請求項1に記載の多接合型化合物太陽電池セルと、
    前記下部電極および前記側面電極のそれぞれに接続された外部部材とを有し、
    前記下部電極および前記側面電極のそれぞれと、前記外部部材とを接続する接続部の位置は、前記多接合型化合物太陽電池セルと前記外部部材とを接続するための押圧方向について、前記セル積層体の位置と重ならない、多接合型化合物太陽電池。
  9. 前記セル積層体の厚みは、前記下部電極の厚みよりもうすい、請求項5または8に記載の多接合型化合物太陽電池。
  10. 前記セル積層体の厚みは10μm以下であり、かつ前記下部電極の厚みは10μm以上である、請求項9に記載の多接合型化合物太陽電池。
  11. 請求項5に記載の多接合型化合物太陽電池の製造方法であって、
    前記多接合型化合物太陽電池セルの下部電極および側面電極と、前記外部部材とを、導電部材を介して押圧して接合するステップを含み、
    前記導電部材の側面形状はテーパ形状であり、前記接合によりテーパ形状がつぶれて変形する、製造方法。
  12. 前記導電部材の側面形状は、前記多接合型化合物太陽電池セルと前記外部部材とを接合するための押圧方向に対して、30度〜60度傾斜されたテーパ形状である、請求項11に記載の製造方法。
  13. 前記セル積層体の厚みが10μm以下であり、
    前記導電部材の厚みが20μm以上であり、前記接合後の応力吸収層の厚みが10μm以下である、請求項11に記載の製造方法。
  14. 前記導電部材は、前記外部部材に形成されている、請求項11に記載の製造方法。
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