(57)【要約】  化合物半導体の選択の自由度を高くすることができる多接合太陽電池を提供する。多接合太陽電池１は、格子定数の整合する化合物半導体光電変換セル２，３が接合されている層構造部分４と、１つ又は複数の化合物半導体光電変換セル４，５が接合されているナノピラー構造部分７とを備える。
2012124807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体光電変換セルを、太陽光が入射する側に近いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるように配置すると共に、各化合物半導体光電変換セルをトンネル接合層を介して接合してなる多接合太陽電池において、
格子定数の整合する化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されている層構造部分と、１つ又は複数の化合物半導体光電変換セルが接合されているナノピラー構造部分とを備え、
該ナノピラー構造部分は、該層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数が不整合である化合物半導体光電変換セルからなるか、又は、互いに格子定数が不整合である複数の化合物半導体光電変換セル同士が接合されてなることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項２】
請求項１記載の多接合太陽電池において、互いに格子定数が不整合である前記化合物半導体光電変換セルは、前記格子定数の不整合が２．５％以下であることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項３】
請求項２記載の多接合太陽電池において、前記ナノピラー構造部分は横断面に内接する内接円の直径をｄとするときに、直径ｄが０．６５μｍ以下であることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項４】
請求項１記載の多接合太陽電池において、前記ナノピラー構造部分が前記層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数が不整合である化合物半導体光電変換セルからなるときに、
該ナノピラー構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルは、該層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数の整合する化合物半導体からなるナノピラー構造部分を介して、該層構造部分に接合されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項５】
請求項１記載の多接合太陽電池において、前記層構造部分は太陽光が入射する側に配置され、前記ナノピラー構造部分は該層構造部分の太陽光が入射する側と反対側に配置されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項６】
請求項１記載の多接合太陽電池において、前記層構造部分は格子定数の整合する２つの化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項７】
請求項１記載の多接合太陽電池において、前記ナノピラー構造部分は、その表面を被覆するパッシベーション層を備えることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項８】
請求項１記載の多接合太陽電池において、
前記層構造部分は、最表層を形成する第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルに積層されて接合されている第２の化合物半導体光電変換セルと、とからなり、
前記ナノピラー構造部分は、第２の化合物半導体光電変換セルに接合されている第３の化合物半導体光電変換セルと、第３の化合物半導体光電変換セルに接合されている第４の化合物半導体光電変換セルとからなり、
第１の化合物半導体光電変換セルはＩｎ０．４８（ＡｌαＧａ１−α）０．５２Ｐ（０≦α≦０．７）からなり、
第２の化合物半導体光電変換セルはＡｌβＧａ１−βＡｓ（０≦β≦０．４５）からなり、
第３の化合物半導体光電変換セルはＧａγＩｎ１−γＡｓ（０．６５≦γ＜１）からなり、
第４の化合物半導体光電変換セルはＧａδＩｎ１−δＡｓ（γ−０．３５≦δ＜γ）からなることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項９】
請求項１記載の多接合太陽電池において、
前記層構造部分は、最表層を形成する第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルに積層されて接合されている第２の化合物半導体光電変換セルと、とからなり、
前記ナノピラー構造部分は、第２の化合物半導体光電変換セルに接合されている第３の化合物半導体光電変換セルからなり、
第１の化合物半導体光電変換セルはＩｎ０．４８（ＡｌαＧａ１−α）０．５２Ｐ（０≦α≦０．７）からなり、
第２の化合物半導体光電変換セルはＡｌβＧａ１−βＡｓ（０≦β≦０．４５）からなり、
第３の化合物半導体光電変換セルはＧａγＩｎ１−γＡｓ（０．６５≦γ＜１）からなることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項１０】
成長基板上に結晶成長させることにより、格子定数の整合する化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されている層構造部分を形成する工程と、
該層構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルの表面に、該層構造部分に接合されるナノピラー構造部分を形成する部分を露出させて、他の部分を被覆する被覆層を形成する工程と、
該層構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルの表面の該被覆層から露出する部分に結晶をエピタキシャル成長させて、少なくとも１つの化合物半導体光電変換セルを含むナノピラー構造部分を複数形成する工程と、
該複数のナノピラー構造部分の間隙に絶縁材料を充填すると共に、該複数のナノピラー構造部分を該絶縁材料により埋設して、該ナノピラー構造部分を補強する補強層を形成する工程と、
該絶縁材料の一部を除去して該複数のナノピラー構造部分の先端部を露出させる工程と、
露出された該複数のナノピラー構造部分の先端部に接続される第１の電極を形成する工程と、
該第１の電極上に支持基板を形成する工程と、
該成長基板を除去して該層構造部分を露出させる工程と、
露出された該層構造部分の表面に接続される第２の電極を形成する工程とを備えることを特徴とする多接合太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の多接合太陽電池の製造方法において、前記補強層は、無機化合物からなる絶縁材料を用いる原子層堆積法により形成することを特徴とする多接合太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多接合太陽電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄層状の化合物半導体を光電変換セルとする太陽電池において、変換効率を向上するために、バンドギャップエネルギーの異なる化合物半導体光電変換セルを相互に積層した多接合太陽電池が知られている。【０００３】
前記多接合太陽電池では、最もバンドギャップエネルギーの大きな化合物半導体光電変換セルを最表層とし、以下順次バンドギャップエネルギーの大きな順に複数の化合物半導体光電変換セルが積層されている。このようにすることにより、前記多接合太陽電池に入射した太陽光は、まず最表層の化合物半導体光電変換セルにおいて、該化合物半導体光電変換セルのバンドギャップエネルギーより大きなエネルギーを有する光子が吸収されて光電変換され、その他の光子は透過する。次に、第２の化合物半導体光電変換セルでは、該化合物半導体光電変換セルのバンドギャップエネルギーより大きく、最表層の化合物半導体光電変換セルのバンドギャップエネルギーより小さなエネルギーを有する光子が吸収されて光電変換され、その他の光子は透過する。【０００４】
これを順次繰り返すことにより、各化合物半導体光電変換セルにより得られた起電力を合計すれば、単一の化合物半導体光電変換セルにより得られる起電力よりも大きな起電力を得ることができ、変換効率を向上することができる。【０００５】
ところが、前記多接合太陽電池において、隣接して積層される２つの化合物半導体光電変換セルの間で格子定数が不整合であるときには、両光電変換セルのヘテロ接合界面において、貫通転位と呼ばれる欠陥が発生するという問題がある。前記貫通転位は、光電変換によって生成した電子と正孔とを再結合させるように作用するため、前記多接合太陽電池内で電荷が失われることとなり、変換効率の向上が妨げられる。【０００６】
そこで、格子定数が不整合である２つの化合物半導体光電変換セルの間にバッファ層を設ける技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。前記バッファ層は、電子濃度と正孔濃度とが極端に異なる構成となっており、貫通転位が発生しても電子と正孔との再結合による電荷の損失を低減することができる。しかし、前記バッファ層を設ける技術は貫通転位の発生を前提とするものであるため電荷の損失を皆無とすることはできない。【０００７】
そこで、従来の多接合太陽電池では、互いに格子定数が整合する化合物半導体光電変換セル同士を接合させることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１８２９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、互いに格子定数が整合する化合物半導体光電変換セルを用いるときには、利用できる化合物半導体の種類が限定されるという不都合がある。【００１０】
本発明は、かかる不都合を解消して、化合物半導体の選択の自由度を高くすることができる多接合太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的を達成するために、本発明の多接合太陽電池は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体光電変換セルを、太陽光が入射する側に近いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるように配置すると共に、各化合物半導体光電変換セルをトンネル接合層を介して接合してなる多接合太陽電池において、格子定数の整合する化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されている層構造部分と、１つ又は複数の化合物半導体光電変換セルが接合されているナノピラー構造部分とを備え、該ナノピラー構造部分は、該層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数が不整合である化合物半導体光電変換セルからなるか、又は、互いに格子定数が不整合である複数の化合物半導体光電変換セル同士が接合されてなることを特徴とする。【００１２】
本発明の多接合太陽電池では、前記ナノピラー構造部分が、前記層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数が不整合である化合物半導体光電変換セルからなる。又は、前記ナノピラー構造部分が、互いに格子定数が不整合である複数の化合物半導体光電変換セル同士が接合されてなる。この結果、前記格子定数の不整合により発生する貫通転位による歪みを、前記ナノピラー構造部分の外形の変形によって吸収することにより、貫通転位の発生を防止することができる。【００１３】
従って、本発明の多接合太陽電池によれば、格子定数が不整合となる化合物半導体の組合せも用いることができ、化合物半導体の選択の自由度を高くすることができる。【００１４】
また、本発明の多接合太陽電池において、互いに格子定数が不整合である前記化合物半導体光電変換セルは、前記格子定数の不整合が２．５％以下であることが好ましい。互いに格子定数が不整合である前記化合物半導体光電変換セルは、前記格子定数の不整合が２．５％以下であることにより、該格子定数の不整合による歪みを、前記ナノピラー構造部分の外形の変形によって確実に吸収することができる。【００１５】
また、このとき、前記ナノピラー構造部分は、横断面に内接する内接円の直径をｄとするときに、直径ｄが０．６５μｍ以下であることが好ましい。前記ナノピラー構造部分は、前記格子定数の不整合が２．５％以下であれば、前記内接円の直径ｄが０．６５μｍ以下の範囲で、該格子定数の不整合による歪みを、外形の変形によって確実に吸収することができる。【００１６】
また、本発明の多接合太陽電池において、前記ナノピラー構造部分が前記層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数が不整合である化合物半導体光電変換セルからなるときに、該ナノピラー構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルは、該層構造部分を構成する化合物半導体光電変換セルと格子定数の整合する化合物半導体からなるナノピラー構造部分を介して、該層構造部分に接合されていることが好ましい。【００１７】
このようにするときには、格子定数が不整合である接合部分の全てが、前記ナノピラー構造部分に含まれることになる。従って、前記構成を備える本発明の多接合太陽電池は、前記格子定数の不整合による歪みを、前記ナノピラー構造部分の外形の変形によってさらに確実に吸収することができる。【００１８】
また、本発明の多接合太陽電池において、前記層構造部分は太陽光が入射する側に配置され、前記ナノピラー構造部分は該層構造部分の太陽光が入射する側と反対側に配置されていることが好ましい。化合物半導体において、最大のバンドギャップを備える化合物半導体と、それに次ぐバンドギャップを備える化合物半導体とは、格子定数が整合する化合物半導体を用いることができる。【００１９】
そこで、前記最大のバンドギャップを備える化合物半導体と、それに次ぐバンドギャップを備える化合物半導体とにより前記層構造部分を構成し、該層構造部分は太陽光が入射する側に配置することにより、効率よく光電変換を行うことができる。また、前記最大のバンドギャップを備える化合物半導体と、それに次ぐバンドギャップを備える化合物半導体とは、格子定数が整合しているので、前記ナノピラー構造とする必要がない。【００２０】
このとき、本発明の多接合太陽電池において、前記層構造部分は格子定数の整合する２つの化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されていることが好ましい。前記構成の多接合太陽電池によれば、前記層構造部分は、前記最大のバンドギャップを備える化合物半導体と、それに次ぐバンドギャップを備える化合物半導体とからなる２つの化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合される。そして、前記２層に次ぐ、第３層目以降を前記ナノピラー構造部分とすることにより、該ナノピラー構造部分の外形の変形による前記格子定数の不整合による歪みを効率よく吸収することができる。【００２１】
また、本発明の多接合太陽電池において、前記ナノピラー構造部分は、その表面を被覆するパッシベーション層を備えることが好ましい。一般に、化合物半導体光電変換セルでは、セル内部で発生した電子と正孔とはその一部がセルの表面方向に拡散し、表面で再結合することにより電荷の損失を招く。そこで、本発明の多接合太陽電池は、前記ナノピラー構造部分の表面を被覆するパッシベーション層を備えることにより、効率よく光電変換を行うことができる。【００２２】
本発明の多接合太陽電池は、例えば、前記層構造部分は、最表層を形成する第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルに積層されて接合されている第２の化合物半導体光電変換セルとからなり、前記ナノピラー構造部分は、第２の化合物半導体光電変換セルに接合されている第３の化合物半導体光電変換セルと、第３の化合物半導体光電変換セルに接合されている第４の化合物半導体光電変換セルとからなるものとすることができる。【００２３】
このとき、例えば、第１の化合物半導体光電変換セルはＩｎ０．４８（ＡｌαＧａ１−α）０．５２Ｐ（０≦α≦０．７）からなり、第２の化合物半導体光電変換セルはＡｌβＧａ１−βＡｓ（０≦β≦０．４５）からなり、第３の化合物半導体光電変換セルはＧａγＩｎ１−γＡｓ（０．６５≦γ＜１）からなり、第４の化合物半導体光電変換セルはＧａδＩｎ１−δＡｓ（γ−０．３５≦δ＜γ）からなるものとすることができる。【００２４】
また、本発明の多接合太陽電池は、例えば、前記層構造部分は、最表層を形成する第１の化合物半導体光電変換セルと、第１の化合物半導体光電変換セルに積層されて接合されている第２の化合物半導体光電変換セルとからなり、前記ナノピラー構造部分は、第２の化合物半導体光電変換セルに接合されている第３の化合物半導体光電変換セルからなるものとすることもできる。【００２５】
このとき、例えば、第１の化合物半導体光電変換セルはＩｎ０．４８（ＡｌαＧａ１−α）０．５２Ｐ（０≦α≦０．７）からなり、第２の化合物半導体光電変換セルはＡｌβＧａ１−βＡｓ（０≦β≦０．４５）からなり、第３の化合物半導体光電変換セルはＧａγＩｎ１−γＡｓ（０．６５≦γ＜１）からなるものとすることができる。【００２６】
本発明の多接合太陽電池の製造方法は、成長基板上に結晶成長させることにより、格子定数の整合する化合物半導体光電変換セル同士が積層されて接合されている層構造部分を形成する工程と、該層構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルの表面に、該層構造部分に接合されるナノピラー構造部分を形成する部分を露出させて、他の部分を被覆する被覆層を形成する工程と、該層構造部分を形成する化合物半導体光電変換セルの表面の該被覆層から露出する部分に結晶をエピタキシャル成長させて、少なくとも１つの化合物半導体光電変換セルを含むナノピラー構造部分を複数形成する工程と、該複数のナノピラー構造部分の間隙に絶縁材料を充填すると共に、該複数のナノピラー構造部分を該絶縁材料により埋設して、該ナノピラー構造部分を補強する補強層を形成する工程と、該絶縁材料の一部を除去して該複数のナノピラー構造部分の先端部を露出させる工程と、露出された該複数のナノピラー構造部分の先端部に接続される第１の電極を形成する工程と、
該第１の電極上に支持基板を形成する工程と、該成長基板を除去して該層構造部分を露出させる工程と、露出された該層構造部分の表面に接続される第２の電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。【００２７】
本発明の製造方法において、前記補強層は、例えば、無機化合物からなる絶縁材料を用いる原子層堆積法により形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の多接合太陽電池の一構成例を示す説明的断面図。
【図２】図１に示す多接合太陽電池におけるナノピラー構造部分の説明的断面図。
【図３】本発明の多接合太陽電池の他の構成例を示す説明的断面図。
【図４】図１に示す本発明の多接合太陽電池の製造工程を示す説明的断面図。
【図５】格子定数の不整合が２．５％であるナノピラーを成長させた基板の断面を示す電子顕微鏡写真。
【図６】格子定数の不整合が３．２％であるナノピラーを成長させた基板の断面を示す電子顕微鏡写真。
【図７】格子定数の不整合が２．５％であり、横断面に内接する内接円の直径が０．６５μｍであるナノピラーを成長させた基板の断面を示す電子顕微鏡写真。
【図８】トップセル、セカンドセル、歪緩和層、サードセル及びボトムセルを形成した基板の断面を示す電子顕微鏡写真。
【図９】パッシベーション層の有無による外部量子効率の相違を示すグラフ。
【図１０】補強層を形成する前後の基板の表面を示す電子顕微鏡写真であり、（ａ）は補強層形成前、（ｂ）は補強層形成後。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の多接合太陽電池１は、最表層を形成する第１の化合物半導体光電変換セル（トップセル）２と、トップセル２に積層されて接合されている第２の化合物半導体光電変換セル（セカンドセル）３とからなる層構造部分４とを備える。また、多接合太陽電池１は、セカンドセル３に接合されている第３の化合物半導体光電変換セル（サードセル）５と、サードセル５に接合されている第４の化合物半導体光電変換セル（ボトムセル）６とからなるナノピラー構造部分７とを備えている。この結果、多接合太陽電池１は、４接合太陽電池を形成している。
【００３１】
また、多接合太陽電池１は、トップセル２とセカンドセル３との間、セカンドセル３とサードセル５との間、サードセル５とボトムセル６との間に、それぞれ図示しないトンネル接合層を備えている。また、トップセル２、セカンドセル３、サードセル５、ボトムセル６は、その内部に図示しないｐｎ接合を備えている。
【００３２】
多接合太陽電池１において、太陽光は最表層を形成するトップセル２の側から入射するようにされる。そこで、多接合太陽電池１において、トップセル２、セカンドセル３、サードセル５、ボトムセル６は、太陽光が入射する側であるトップセル２に近いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるように配置されている。
【００３３】
また、多接合太陽電池１において、トップセル２とセカンドセル３とは、格子定数が整合する化合物半導体により形成される。一方、サードセル５はセカンドセル３に対して格子定数が不整合であり、ボトムセル６はサードセル５に対して格子定数が不整合である。しかし、多接合太陽電池１では、サードセル５とボトムセル６とによりナノピラー構造部分７を構成することにより、前記格子定数の不整合による歪みを、ナノピラー構造部分７の外形の変形によって吸収することにより、貫通転位の発生を防止することができる。
【００３４】
また、ナノピラー構造部分７の表面はパッシベーション層８により被覆されており、パッシベーション層８とセカンドセル３との間には透明絶縁材料層９が配設されている。そして、各ナノピラー構造部分７の間には、充填剤１０が充填されている。
【００３５】
トップセル２は、例えば、Ｉｎ０．４９（ＡｌαＧａ１−α）０．５１Ｐ（０≦α≦０．７）により形成することができ、セカンドセル３は、例えば、ＡｌβＧａ１−βＡｓ（０≦β≦０．４５）により形成することができる。この結果、トップセル２とセカンドセル３との格子定数を整合させることができる。
【００３６】
トップセル２を形成するＩｎ０．４９（ＡｌαＧａ１−α）０．５１Ｐにおいて、αが０．７より大きいと間接遷移型半導体になり、光を吸収しにくくなる。また、セカンドセル３を形成するＡｌβＧａ１−βＡｓにおいて、βが０．４５より大きいと間接遷移型半導体になり、光を吸収しにくくなる。
【００３７】
サードセル５及びボトムセル６について、本実施形態の多接合太陽電池１は、前記格子定数の不整合による歪みを、ナノピラー構造部分７の外形の変形によって吸収することができるので、それぞれ隣接するセルと格子定数が整合しない材料を用いることができる。この結果、サードセル５及びボトムセル６に用いる化合物半導体の選択の自由度を高くすることができる。
【００３８】
また、多接合太陽電池１では、前記格子定数の不整合による歪みを、ナノピラー構造部分７の外形の変形によって確実に吸収するために、該格子定数の不整合が２．５％以下であることが好ましい。
【００３９】
そこで、サードセル５は、例えば、ＧａγＩｎ１−γＡｓ（０．６５≦γ＜１）により形成することができ、ボトムセル６は、例えば、ＧａδＩｎ１−δＡｓ（γ−０．３５≦δ＜γ）により形成することができる。この結果、サードセル５のセカンドセル３に対する格子定数の不整合と、ボトムセル６のサードセル５に対する格子定数の不整合とを、いずれも２．５％以下の範囲とすることができる。
【００４０】
サードセル５を形成するＧａγＩｎ１−γＡｓにおいて、γが０．６５未満であるとサードセル５のセカンドセル３に対する格子定数の不整合を２．５％以下の範囲とすることができない。また、γ＝１では，サードセル５の材料がＧａＡｓとなってしまうため、適当ではない。
【００４１】
また、ボトムセル６を形成するＧａδＩｎ１−δＡｓにおいて、δがγ以上であると、ボトムセル６のバンドギャップをサードセル５のバンドギャップに対して小さくすることができない。また、ボトムセル６を形成するＧａδＩｎ１−δＡｓにおいて、δが（γ−０．３５）未満であると、ボトムセル６のサードセル５に対する格子定数の不整合を２．５％以下の範囲とすることができない。
【００４２】
また、多接合太陽電池１において、ナノピラー構造部分７は、図２に示すように、正六角形の断面形状を備えている。ここで、図２に示すように、ナノピラー構造部分７の内接円Ｃの直径をｄとすると、直径ｄは、前記格子定数の不整合による歪みを、その外形の変形によってさらに確実に吸収するために、０．６５μｍ以下であることが好ましく、小さいほど有利になる。ナノピラー構造部分７の内接円Ｃの直径ｄが０．６５μｍより大きいと、前記格子定数の不整合が２．５％以下の範囲であっても、その歪みを、ナノピラー構造部分７の外形の変形によって吸収することができないことがある。
【００４３】
また、トップセル２、セカンドセル３、サードセル５、ボトムセル６は、いずれも太陽光の入射面側に窓層、裏面側にＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）層を備えていてもよい。
【００４４】
また、パッシベーション層８は、例えば、ＡｌＩｎＰにより形成することができる。また、透明絶縁材料層９は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＳ、タングステン等により形成することができる。
【００４５】
各ナノピラー構造部分７の間に充填される充填剤１０としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ３、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＣ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、BCB樹脂（ジビニルテトラメチルシロキサンベンゾシクロブテン樹脂、ダウ・ケミカル社製、商品名：シクロテン３０２２−３５），ＳｉＯ２、ＳｉＯＦ、Ｓｉ−Ｈ含有ＳｉＯ２、ＳｉＯＣ、メチル基含有ＳｉＯ２、ポリイミド系高分子膜、パラキシリレン系高分子膜、フッ素ドープ非晶質カーボン、芳香族炭化水素系高分子、ポリアリルエーテル系材料、シリカガラス、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドアミド、アクリルゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、シリコーンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリイソブチレン等を挙げることができる。
【００４６】
各ナノピラー構造部分７の間に充填される充填剤１０は、特に、無機化合物からなる絶縁材料とすることが好ましい。このような絶縁材料として、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ３、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＣ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等の無機化合物を挙げることができる。
【００４７】
次に、図３を参照して、多接合太陽電池１の他の実施形態について説明する。図３に示す多接合太陽電池１は、サードセル５がナノピラー構造を備える歪緩和層１１を介して、セカンドセル３に接合されていること以外は、図１の多接合太陽電池１と全く同一の構成を備えている。ここで、歪緩和層１１は、セカンドセル３と格子定数の整合する化合物半導体からなる。
【００４８】
図３に示す多接合太陽電池１によれば、セカンドセル３と歪緩和層１１とは格子定数が整合しているが、サードセル５は歪緩和層１１に対して格子定数が不整合であり、ボトムセル６はサードセル５に対して格子定数が不整合である。この結果、格子定数が不整合である接合部分が全てナノピラー構造部分７に含まれることになる。
【００４９】
従って、図３に示す多接合太陽電池１によれば、前記格子定数の不整合による歪みを、ナノピラー構造部分７の外形の変形によって、さらに確実に吸収することができる。
【００５０】
次に、図４を参照して、本実施形態の多接合太陽電池１の製造方法の一例について説明する。
【００５１】
まず、図４（ａ）に示す成長基板１２上に結晶成長させることにより、図示しないエッチングストップ層、キャップ層を介して薄膜状のトップセル２を形成する。次に、トップセル２上に、図示しないトンネル接合層を介してトップセル２と格子定数の整合する化合物半導体からなる薄膜状のセカンドセル３を形成する。次に、セカンドセル３上に、図示しないトンネル接合層を形成する。この結果、成長基板１２上に、格子定数の整合するトップセル２とセカンドセル３とがトンネル接合層を介して積層されて接合されている層構造部分４を形成することができる。
【００５２】
前記成長基板１２としては、例えば、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を用いることができる。また、前記結晶成長は、成長基板１２をＭＯＶＰＥ装置にセットし、エッチングストップ層、キャップ層、トップセル２、セカンドセル３、各トンネル接合層のそれぞれの原料を含む混合ガスを順次流通することにより行うことができる。
【００５３】
次に、セカンドセル３の表面にＳｉＯ２からなる透明絶縁材料層９を形成する。透明絶縁材料層９は、セカンドセル３の表面に、セカンドセル３に接合されるナノピラー構造部分７を形成する部分を露出させて、他の部分を被覆するように形成される。
【００５４】
透明絶縁材料層９を形成するときには、セカンドセル３上に非晶質ＳｉＯ２被膜を形成し、ポジレジストを塗布する。次に、ナノピラー構造部分７を形成する部分に対応する所定のパターンを描画した後、該ポジレジストを現像し、該パターン内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去する。そして、前記エッチング後に前記ポジレジストを除去する。
【００５５】
前記非晶質ＳｉＯ２被膜は、例えば、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて形成することができる。また、前記所定のパターンは、例えば、ＥＢ描画装置を用いて描画することにより形成することができる。また、前記エッチングは、例えば、５０倍に希釈したバッファードフッ酸（ＢＨＦ）水溶液により行うことができる。
【００５６】
次に、セカンドセル３の透明絶縁材料層９から露出する部分に、結晶をエピタキシャル成長させて歪緩和層１１を形成する。次に、歪緩和層１１の端部に、結晶をエピタキシャル成長させてサードセル５を形成し、さらにサードセル５の端部に、結晶をエピタキシャル成長させて図示しないトンネル接合層を介してボトムセル６を形成する。この結果、セカンドセル３上に、歪緩和層１１と、サードセル５とボトムセル６とが、それぞれトンネル接合層を介して接合されているナノピラー構造部分７を複数形成することができる。
【００５７】
前記エピタキシャル成長は、セカンドセル３上に透明絶縁材料層９が形成された成長基板１２をＭＯＶＰＥ装置にセットし、歪緩和層１１、サードセル５、ボトムセル６、各トンネル接合層のそれぞれの原料を含む混合ガスを順次流通することにより行うことができる。
【００５８】
次に、ナノピラー構造部分７の表面にパッシベーション層８を形成する。パッシベーション層８の形成は、セカンドセル３上に透明絶縁材料層９及びナノピラー構造部分７が形成された成長基板１２をＭＯＶＰＥ装置を用いて、パッシベーション層８の原料を含む混合ガスを流通することにより行うことができる。
【００５９】
次に、複数のナノピラー構造部分７の間隙に絶縁材料を充填すると共に、複数のナノピラー構造部分７を該絶縁材料により埋設して、ナノピラー構造部分７を補強する補強層１０を形成する。補強層１０の形成は、ナノピラー構造部分７の表面にパッシベーション層８が形成された成長基板１２を原子層堆積装置にセットすることにより行うことができる。
【００６０】
次に、図４（ｂ）に示すように、補強層１０を形成する前記絶縁材料の一部を除去してナノピラー構造部分７の先端部を露出させる。前記絶縁材料の一部の除去は、補強層１０が形成された成長基板１２を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にセットし、前記絶縁材料を選択的にエッチングすることにより行うことができる。
【００６１】
次に、露出された複数のナノピラー構造部分７の先端部にオーミック接続される第１の電極１４を形成し、第１の電極１４上に支持基板１５を形成する。第１の電極１４は、例えばＡｕ／Ｔｉ電極であり、Ａｕ、Ｔｉを露出された複数のナノピラー構造部分７の先端部に抵抗加熱蒸着する又は、電子ビーム蒸着することにより形成することができる。また、支持基板１５は、例えばＡｕを表面に成膜したＳｉ基板であり、はんだを用いて第１の電極１４上に接合することにより形成することができる。
【００６２】
次に、図４（ｃ）に示すように、成長基板１２を除去する。成長基板１２の除去は、成長基板１２を選択的にエッチングすることにより行うことができる。前記エッチングは、前記エッチングストップ層により停止される。前記エッチングストップ層は、例えばｎ＋−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなる層であり、成長基板１２とは別に、塩酸を用いてエッチングすることにより除去される。
【００６３】
次に、成長基板１２を除去することにより露出された前記キャップ層上の一部に第２の電極１６を形成し、該キャップ層の第２の電極１６に被覆されていない部分を除去しトップセル２表面を露出させ、電極を備える多接合太陽電池１７を得る。第２の電極１６は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ電極であり、前記キャップ層上に電極形成用マスクを設置して、ＡｕＧｅ、Ｎｉを、抵抗加熱蒸着する又は、電子ビーム蒸着することにより形成することができる。前記キャップ層は例えばｎ＋−ＧａＡｓからなる層であり、該キャップ層の第２の電極１６に被覆されていない部分のみを、過酸化水素水及びリン酸の水溶液を用いてエッチングすることにより除去し、トップセル２の表面を一部露出させる。
【００６４】
前記製造方法は、歪緩和層１１を備える多接合太陽電池１の場合を例に説明しているが、歪緩和層１１は形成しないようにしてもよく、この場合は図１に示す構成を備える多接合太陽電池１が形成される。
【００６５】
本実施形態では、多接合太陽電池１が４接合太陽電池である場合を例に説明しているが、多接合太陽電池１は、３接合太陽電池であってもよい。前記３接合太陽電池は、図１及び図３に示す多接合太陽電池１において、ボトムセル６を備えないものに相当する。
【００６６】
このような３接合太陽電池は、ボトムセル６を形成しないこと以外は、前記製造方法にと全く同一の製造方法により製造することができる。
【００６７】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００６８】
〔実施例１〕
本実施例では、まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を洗浄した後、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に透明絶縁材料層として、非晶質ＳｉＯ２被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、透明絶縁材料層上に、ポジレジストをスピンコートにより塗布した。【００６９】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径２００ｎｍの円形孔が４００ｎｍピッチ（各円形孔の中心間距離が４００ｎｍ）で三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）水溶液により前記円形孔内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【００７０】
次に、前記非晶質ＳｉＯ２被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【００７１】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が７２０℃になるまで昇温した。【００７２】
次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：１．８×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：６．９×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなるナノピラーを成長させた。【００７３】
６０分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ナノピラーの成長を終了した。そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記ナノピラーを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【００７４】
ここで、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の格子定数は５．６５３Åであり、前記ナノピラーを構成するＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓの格子定数は５．７９５Åであって、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５ＡｓのＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板に対する格子定数の不整合は２．５％である。【００７５】
次に、前記ナノピラーを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。得られた電子顕微鏡写真を図５に示す。図５から、前記ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板と、前記Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなるナノピラーとのヘテロ接合界面には貫通転位が認められない。【００７６】
〔比較例１〕
本比較例では、まず、ＩｎＰ（１１１）Ａ基板を洗浄した後、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＩｎＰ（１１１）Ａ基板上に透明絶縁材料層として、非晶質ＳｉＯ２被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、透明絶縁材料層上に、ポジレジストをスピンコートにより塗布した。【００７７】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径約１００ｎｍの円形孔が４００ｎｍピッチで三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、ＢＨＦ水溶液により前記円形孔内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【００７８】
次に、前記非晶質ＳｉＯ２被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＩｎＰ（１１１）Ａ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【００７９】
次に、ＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が６００℃になるまで昇温し、この温度に５分間保持した。次に、ＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度を５５０℃にした。【００８０】
次に、流通ガスをＴＭＩガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：３．０×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＩｎＰ（１１１）Ａ基板上に、ＩｎＡｓからなるナノピラーを成長させた。【００８１】
２０分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ナノピラーの成長を終了した。そして、そのままＩｎＰ（１１１）Ａ基板を冷却し、前記ナノピラーを成長させたＩｎＰ（１１１）Ａ基板を取り出した。【００８２】
ここで、ＩｎＰ（１１１）Ａ基板の格子定数は５．８６９Åであり、前記ナノピラーを構成するＩｎＡｓの格子定数は６．０５８Åであって、ＩｎＡｓのＩｎＰ（１１１）Ａ基板に対する格子定数の不整合は３．２％である。【００８３】
次に、前記ナノピラーを成長させたＩｎＰ（１１１）Ａ基板の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。得られた電子顕微鏡写真を図６に示す。図６から、前記ＩｎＰ（１１１）Ａ基板と、前記ＩｎＡｓからなるナノピラーとのヘテロ接合界面には転位欠陥が認められる。【００８４】
実施例１と比較例１とにおいて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板又はＩｎＰ（１１１）Ａ基板は本発明の層構造部分に相当する。従って、実施例１と比較例１とから、層構造部分とナノピラーとのヘテロ接合界面において、格子定数の不整合が２．５％以下であれば、転位欠陥が発生しないことが明らかである。【００８５】
〔実施例２〕
本実施例では、まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を洗浄した後、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に透明絶縁材料層として、非晶質ＳｉＯ２被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、透明絶縁材料層上に、ポジレジストをスピンコートにより塗布した。【００８６】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径６５０ｎｍの円形孔が１μｍピッチで三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、ＢＨＦ水溶液により前記円形孔内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【００８７】
次に、前記非晶質ＳｉＯ２被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【００８８】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温した。次に、流通ガスをＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に、歪緩和層としてＧａＡｓ結晶からなるナノピラーを成長させた。【００８９】
１５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの成長を終了した。【００９０】
次に、ＡｓＨ３とＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７２０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：１．８×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．３×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの端部に、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなるナノピラーを成長させた。【００９１】
１５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ナノピラーの成長を終了した。そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記ナノピラーを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【００９２】
ここで、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板と前記歪緩和層としてのＧａＡｓ結晶とは格子定数が整合しており、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の格子定数は５．６５３Åであり、前記ナノピラーを構成するＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓの格子定数は５．７９５Åである。従って、Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５ＡｓのＧａＡｓ結晶（歪緩和層）に対する格子定数の不整合は２．５％である。また、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラー及びＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなるナノピラーの断面に内接する内接円Ｃの直径ｄは、６５０ｎｍである。【００９３】
次に、前記ナノピラーを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。得られた電子顕微鏡写真を図７に示す。図７から、歪緩和層としての前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーを介して、前記Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなるナノピラーを接合させた前記ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板では、ヘテロ接合界面に転位欠陥が認められない。【００９４】
実施例２において、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板は本発明の層構造部分に相当する。従って、実施例２から、前記格子定数の不整合が２．５％以下であるとき、前記ナノピラー構造部分の横断面に内接する内接円Ｃの直径ｄが０．６５μｍ以下であれば、ヘテロ接合界面に転位欠陥が発生しないことが明らかである。【００９５】
〔実施例３〕
本実施例では、まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を洗浄した後、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【００９６】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が６５０℃になるまで昇温した。次に、流通ガスをＴＭＧガスとＴＭＩガスとＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．４×１０−６ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：１．４×１０−６ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：６．５×１０−５ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に、Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐからなる薄膜状のトップセルを成長させた。【００９７】
１５分後に、流通ガスをＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：６．５×１０−５ａｔｍ）に切替え、前記トップセルの成長を終了した。【００９８】
次に、ＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．０×１０−３ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を６５０℃から８００℃に昇温した。次に、流通ガスをＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：３．９×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：７．５×１０−５ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記トップセル上に、ＧａＡｓからなる薄膜状のセカンドセルを成長させた。【００９９】
１２分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記セカンドセルの成長を終了した。そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記トップセル及びセカンドセルを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【０１００】
次に、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、前記セカンドセル上に透明絶縁材料層として、非晶質ＳｉＯ２被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、透明絶縁材料層上に、ポジレジストをスピンコートにより塗布した。【０１０１】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径１５０ｎｍの円形孔が４００ｎｍピッチで三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、ＢＨＦ水溶液により前記円形孔内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【０１０２】
次に、前記非晶質ＳｉＯ２被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【０１０３】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温した。次に、流通ガスをＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記セカンドセル上に、歪緩和層としてＧａＡｓ結晶からなるナノピラーを成長させた。【０１０４】
３分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの成長を終了した。【０１０５】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７２０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．９×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．１×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの端部に、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラー状のサードセルを成長させた。【０１０６】
８分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記サードセルの成長を終了した。【０１０７】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７１０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：６．１×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：４．３×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記サードセルの端部に、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなるナノピラー状のボトムセルを成長させた。【０１０８】
８分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ボトムセルの成長を終了した。【０１０９】
そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記トップセル、前記セカンドセル、前記歪緩和層、前記サードセル及び前記トップセルを形成したＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【０１１０】
ここで、前記トップセルと前記セカンドセルと前記歪緩和層とは格子定数が整合している。一方、前記サードセルの前記歪緩和層に対する格子定数の不整合は２．２％であり、前記ボトムセルの前記サードセルに対する格子定数の不整合は２．１％である。【０１１１】
次に、前記トップセル、前記セカンドセル、前記歪緩和層、前記サードセル及び前記ボトムセルを形成したＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。得られた電子顕微鏡写真を図８に示す。図８から、前記トップセル、前記セカンドセル、前記歪緩和層、前記サードセル及び前記ボトムセルを形成したＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板では、ヘテロ接合界面に転位欠陥が認められないことが明らかである。【０１１２】
〔実施例４〕
本実施例では、まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を洗浄した後、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に透明絶縁材料層として、非晶質ＳｉＯ２被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、前記透明絶縁材料層上に、ポジレジストをスピンコートにより塗布した。【０１１３】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径２００ｎｍの円形孔が４００ｎｍピッチで三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、ＢＨＦ水溶液により前記円形孔内の非晶質ＳｉＯ２被膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【０１１４】
次に、前記非晶質ＳｉＯ２被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【０１１５】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温した。【０１１６】
次に、流通ガスをＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＳｉＨ４ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ、ＳｉＨ４分圧：１．０×１０−８ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に、歪緩和層としてｎ＋−ＧａＡｓナノピラーを成長させた。【０１１７】
５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ｎ＋−ＧａＡｓナノピラーの成長を終了した。【０１１８】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７２０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＳｉＨ４ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．９×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．１×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ、ＳｉＨ４分圧：７．５×１０−９ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの端部に、ｎ＋−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーを成長させた。【０１１９】
１２分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ｎ＋−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーの成長を終了した。【０１２０】
次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＤＥＺ(dietylzinc)ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．９×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．１×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ、ＤＥＺ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ｎ＋−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーの端部にｐ−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーを成長させた。【０１２１】
４５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ｐ−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーの成長を終了した。【０１２２】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７５０℃に昇温した。次に、流通ガスをＴＭＧガスとＤＥＺガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ、ＤＥＺ分圧：５．０×１０−６ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ｐ−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーの端部に、ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラーを成長させた。【０１２３】
５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラーの成長を終了した。【０１２４】
この結果、前記ｎ＋−ＧａＡｓナノピラーに、ｎ＋−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラー、ｐ−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラー、ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラーが接続されたナノピラー構造部分が複数形成された。【０１２５】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を５５０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＡガスとＴＭＩガスとＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＡ分圧：１．４×１０−７ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．７×１０−６ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ナノピラー構造部分の表面にＡｌＩｎＰからなるパッシベーション層を成長させた。【０１２６】
２分後に、流通ガスをＴＢＰガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記パッシベーション層の成長を終了した。そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記ナノピラー構造部分の表面に前記パッシベーション層を成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【０１２７】
次に、前記ナノピラー構造部分の表面に前記パッシベーション層を成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を原子層堆積装置にセットし、反応室を真空排気し、基板温度が３００℃になるまで昇温した。次に、パルシングバルブによって、ＴＭＡとＨ２Ｏとをパルス状に交互に反応室に供給し、複数の前記ナノピラー構造部分の間に無機化合物からなる絶縁材料としてＡｌ２Ｏ３を充填して補強層を形成し、さらに、複数の前記ナノピラー構造部分を該補強層に埋設した。【０１２８】
次に、前記補強層が形成された基板を冷却し、冷却された該基板を原子層堆積装置から取り出した。【０１２９】
次に、前記補強層が形成された基板を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にセットし、ＣＦ４ガスを用いて、前記補強層を構成するＡｌ２Ｏ３のみを選択的にエッチングし、前記ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラーの先端部を露出させた。次に、前記補強層上に、Ａｕ、Ｔｉを用いて前記ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラーの先端部に接続するようオーミック電極を形成し、単接合太陽電池を得た。【０１３０】
次に、本実施例で得られた前記パッシベーション層を備える単接合太陽電池と、パッシベーション層を備えていないことを除いて本実施例で得られた前記単接合太陽電池と全く同一の構成を備える単接合太陽電池とについて、外部量子効率を比較した。結果を図９に示す。【０１３１】
図９から、本実施例で得られた前記パッシベーション層を備える単接合太陽電池によれば、パッシベーション層を備えていない単接合太陽電池に比較して、外部量子効率が大であることがわかる。従って、本実施例で得られた単接合太陽電池によれば、パッシベーション層によりナノピラー構造部分の表面における電子と正孔との再結合を抑制することができることが明らかである。従って、本発明の多接合太陽電池のナノピラー構造部分においても、パッシベーション層によりナノピラー構造部分の表面における電子と正孔との再結合を抑制効果が適用できることは明らかである。【０１３２】
〔実施例５〕
本実施例では、まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を洗浄した後、プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）装置にセットし、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガス、水素（Ｈ２）ガスを用いて，ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に透明絶縁材料層として、ＳｉＮＸ被膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＳｉＮＸ被膜上に、ＳｉＯ２膜を約３０ｎｍの厚さに形成した。次に、ＳｉＯ２膜上にポジレジストをスピンコートにより塗布した。【０１３３】
次に、前記ポジレジスト上に、ＥＢ描画装置を用いて、直径２００ｎｍの円形孔が４００ｎｍピッチで三角格子状に配列されているパターンを描画した。描画後、前記レジストを現像し、ＢＨＦ水溶液により前記円形孔内のＳｉＯ２膜をエッチング除去し、エッチング後に該レジストを除去した。【０１３４】
次に、ＲＩＥ装置にセットし、ＣＦ４ガスを用いて、前記円形孔内のＳｉＮＸ被膜をエッチング除去する。エッチング後、さらにＳｉＯ２膜をＢＨＦ水溶液によりエッチング除去した。【０１３５】
次に、前記非晶質ＳｉＮｘ被膜（透明絶縁材料層）が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を、ＭＯＶＰＥ装置にセットした。反応室を真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように、Ｈ２キャリアガス流量と排気速度を調整した。【０１３６】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温した。【０１３７】
次に、流通ガスをＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板上に、歪緩和層としてＧａＡｓ結晶からなるナノピラーを成長させた。【０１３８】
１５分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの成長を終了した。【０１３９】
次に、ＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通したまま、基板温度を７２０℃にした。次に、流通ガスをＴＭＩガスとＴＭＧガスとＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．９×１０−７ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．１×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替えた。そして、前記混合ガスを反応室に導入し、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーの端部に、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーを成長させた。【０１４０】
２０分後に、流通ガスをＡｓＨ３ガスとＨ２キャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．３×１０−４ａｔｍ）に切替え、前記Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーの成長を終了した。そして、そのままＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を冷却し、前記Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーを成長させたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を取り出した。【０１４１】
この結果、前記ＧａＡｓ結晶からなるナノピラーに、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるナノピラーが接続されたナノピラー構造部分が複数形成された。【０１４２】
次に、前記ナノピラー構造部分が形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を原子層堆積装置にセットし、反応室を真空排気した。【０１４３】
次に、基板温度が３００℃になるまで昇温した。次に、パルシングバルブによって、ＴＭＡとＨ２Ｏとをパルス状に交互に反応室に供給した。このとき、ＴＭＡのパルス時間を０．４秒、Ｈ２Ｏのパルス時間を０．４秒、排気時間を１．０秒と設定した。前記パルス時間とは、ＴＭＡ又はＨ２Ｏを反応室に供給するためにパルシングバルブが開弁されている時間であり、前記排気時間とは、原料ガスの供給を停止し反応室内を真空排気するため、パルシングバルブが閉弁されている時間である。【０１４４】
この結果、複数の前記ナノピラー構造部分の間に無機化合物からなる絶縁材料としてＡｌ２Ｏ３を充填して補強層を形成した。【０１４５】
次に、前記補強層を形成する前後の前記ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。前記補強層を形成する前の前記ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の表面の電子顕微鏡写真を図１０（ａ）に、前記補強層を形成した後の前記ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の表面の電子顕微鏡写真を図１０（ｂ）に、それぞれ示す。【０１４６】
図１０（ａ）、（ｂ）から、前記原子層堆積装置により、複数の前記ナノピラー構造部分の間に無機化合物からなる絶縁材料を充填して前記補強層を形成することができることが明らかである。
【符号の説明】
【０１４７】
１…多接合太陽電池、  ２…トップセル、  ３…セカンドセル、  ４…層構造部分、  ５…サードセル、  ６…ボトムセル、  ７…ナノピラー構造部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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