(57)【要約】【課題】太陽電池を製造する新規な方法を提供すること。【解決手段】第一基板を準備し、該第一基板上に半導体物質の順に重ねられた層を堆積して太陽電池を形成し、順に重ねられた層の上部の半導体層と実質的に類似する熱膨張係数を有する物質から構成される代替第二基板を取り付けて、接着し、第一基板を取り除くことにより太陽電池を製造する方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一基板を準備し、
順に重ねられた半導体物質層を第一基板上に堆積して太陽電池を形成し、
順に重ねられた前記層の上部に、上部の前記半導体物質と実質的に類似する熱膨張係数を有する物質から構成される代替第二基板を取り付けて、接着し、
前記第一基板を取り除く、
段階からなる太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記接着段階は、共晶接着であることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池の形成方法。
【請求項３】
前記代替第二基板の熱膨張係数は、絶対温度１度につき６から７ｐｐｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池の形成方法。
【請求項４】
前記代替第二基板は、およそ８０％のシリコンと２０％のアルミニウムを有するシリコンアルミニウム合金から構成されることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池の形成方法。
【請求項５】
順に重ねられた前記層を形成する前記段階は、
第一バンドギャップと第一格子定数をもった第一半導体物質を含む第一補助電池を形成し、
前記第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップと、前記第一格子定数より大きい第二格子定数とを備えた第二半導体物質を含む第二補助電池を形成し、
前記第一補助電池と前記第二補助電池との間に位置するように格子定数遷移物質を形成する、
段階からなり、
前記格子定数遷移物質は、前記第一格子定数から前記第二格子定数に漸次変化する格子定数を有することを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池の形成方法。
【請求項６】
前記遷移物質は、前記平面内格子パラメータが、前記第一補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記第二補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及びバンドギャップエネルギーが前記第二補助電池のそれより大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されており、前記遷移物質の前記バンドギャップは、その厚さ全体でおよそ１．５０ｅＶで一定していることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記遷移物質は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ここで、ｘ及びｙは各々の中間層の前記バンドギャップが、その厚さ全体で一定となるように選択されていることを特徴とする請求項５に記載の多接合太陽電池。
【請求項８】
前記半導体物質の重ねられた前記層は、
０．８から１．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有する底部補助電池と、
１．２から１．６ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記底部電池の上に配置されて、格子非整合状態である中間補助電池と、
１．８から２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記中間電池の上に配置されて、格子非整合状態である上部補助電池と、
を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記上部補助電池は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記中間補助電池は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッター領域、及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮベース領域から構成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記底部太陽補助電池は、ＩｎＧａＡｓベース層とエミッター層、又はＩｎＧａＡｓベース層とＩｎＧａＰエミッター層から構成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一基板は、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムから構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一基板は、研磨、ラッピング又はエッチングにより取り除かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、半導体装置の分野、及び変性層を含むIII−Ｖ族半導体化合物ベースの多接合太陽電池などの製造方法及び装置に関する。このような装置は、反転変性多接合太陽電池として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４
【特許文献２】米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０
【特許文献３】米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２
【特許文献４】米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３
【特許文献５】米国特許出願一連番号１２／２６５，１１３
【特許文献６】米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２
【特許文献７】米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９
【特許文献８】米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９
【特許文献９】米国特許出願一連番号１２／２６７，８１２
【特許文献１０】米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他、「Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）
【発明の概要】
【０００４】
［従来の技術］
太陽電池とも呼ばれる光電池から得られる太陽エネルギー発電電力は、主としてシリコン半導体技術により提供されてきた。しかしながら過去数年間においては、宇宙用装置のためのIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池の大量生産により、宇宙用での使用だけでなく地上設置式太陽エネルギー発電装置の技術が加速度的に発達してきた。シリコンと比較して、III−Ｖ族化合物半導体多接合装置は、製造は複雑になるが、高いエネルギー変換効率及び全体的に高い放射線耐性を有する。典型的な商業用III−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は、１つの太陽、空気質量０（ＡＭ０）、照度の下で、２７％を越えるエネルギー効率を有するが、シリコン技術は、最も効率的なものでも、一般的には同様の条件の下で約１８％の効率しか得られない。強い太陽照射の下で（例えば、５００倍）、商業的に入手可能な地上設置式装置におけるIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は（ＡＭ１．５で）、３７％を越えるエネルギー効率を有する。シリコン太陽電池と比較して、III−Ｖ族化合物半導体太陽電池により高い変換効率が得られる理由の一つは、異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の光起電性領域を使用することにより、入射放射線のスペクトル分光を行うことができ、各々の領域からの電流を蓄積することができるからである。
【０００５】
典型的なIII−Ｖ族化合物半導体太陽電池は、垂直な多接合構造をもった半導体ウエハとして形成される。次に、個々の太陽電池、すなわちウエハは、水平アレイに配置され、該個々の太陽電池は電気回路で互いに接続される。アレイの形状及び構造、並びに含まれる電池の数は、部分的には、望まれる出力電圧及び電流により定められる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１として挙げたＭ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他の「Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）に示されているように、III−Ｖ族化合物半導体層に基づく反転変性太陽電池構造は、将来の商業的に高い効率の太陽電池の発展のために、重要な概念の出発点を示している。しかしながら、このような参照文献で提案されて述べられている、電池の多くの異なる層の物質及び構造は、特に物質及び製造段階の最も適切な選択に関して、多くの実質的な問題点を示している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔にかつ一般的に言うと、本発明は、第一基板を準備し、半導体物質の次の層を第一基板上に堆積して太陽電池を形成し、重ねられた層の上部の半導体層の熱膨張係数と実質的に類似する係数を有する物質から構成される代替第二基板を取り付け、かつ接着し、該第一基板を取り除くことにより太陽電池を製造する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示すグラフである。
【図２】成長基板上に半導体層を堆積した後の、本発明の太陽電池の断面図である。
【図３】次の製造段階の後の図２の太陽電池の断面図である。
【図４】次の製造段階の後の図３の太陽電池の断面図である。
【図５Ａ】図４に次の製造段階の代替基板が取り付けられた後の太陽電池の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに次の製造段階の本来の基板が取り除かれた後の太陽電池の断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｂの図面の底部に代替基板を備えた太陽電池の断面図である。
【図６】次の製造段階の後の図５Ｃの太陽電池の簡略化した断面図である。
【図７】次の製造段階の後の図６の太陽電池の断面図である。
【図８】次の製造段階の後の図７の太陽電池の断面図である。
【図９】次の製造段階の後の図８の太陽電池の断面図である。
【図１０Ａ】４つの太陽電池が形成されたウエハの平面図である。
【図１０Ｂ】太陽電池が形成されたウエハの底部平面図である。
【図１１】次の製造段階の後の図９の太陽電池の断面図である。
【図１２Ａ】次の製造段階の後の図１１の太陽電池の断面図である。
【図１２Ｂ】次の製造段階の後の図１２Ａの太陽電池の断面図である。
【図１３】次の製造段階の後の電池周囲のエッチングによる溝の表面図を描いた、図１２Ｂのウエハの平面図である。
【図１４】本発明の第一実施形態における次の製造段階の後の図１２Ｂの太陽電池の断面図である。
【図１５】本発明の第二実施形態における次の製造段階の後の図１２Ｂの太陽電池の断面図である。
【図１６】本発明による変性太陽電池のベース層のドーピング形状のグラフである。
【図１７】本発明による反転変性多接合太陽電池の電流と電圧の特性を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の詳細が、以下に、例示的側面及びその実施形態を含めて説明される。図面及び以下の説明においては、同じ参照番号が同様の又は機能的に類似した要素を識別すために使用され、高度に単純化した図式で例示的実施形態の主な特徴を表している。更に、図面は、実際の実施形態のあらゆる特徴、更に示した要素の相対寸法を示すようには意図されておらず、縮尺により描かれていない。
【００１０】
反転変性多接合（ＩＭＭ）太陽電池を製造する基本概念は、基板上の太陽電池の補助電池を「逆」順に成長させることである。すなわち、通常は太陽放射線に面する「上部」補助電池である高バンドギャップ補助電池（すなわち、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する補助電池）が、例えば、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムなどの半導体成長基板上に、該基板と格子整合した状態となるようにエピタキシャル状に成長させられる。１又はそれ以上の下方のバンドギャップ中間太陽電池（すなわち、１．２ｅＶから１．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する）を、高バンドギャップ補助電池上に成長させることができる。
【００１１】
少なくとも１つの下方の補助電池が、成長基板に対して実質的に格子非整合状態で、第三の低いバンドギャップ（すなわち、０．７ｅＶから１．２ｅＶの範囲のバンドギャップ）を持つように、中間補助電池上に形成される。代替基板すなわち支持構造が、「底部」又は実質的に格子非整合状態の下方の補助電池に取り付けられるか又は形成され、成長用の半導体基板は、その後取り除かれる。（成長用基板は、その後第二及びそれ以降の太陽電池の成長のために順次再使用することができる。）
【００１２】
反転変性多接合太陽電池の種々異なる特徴及び態様は、上記した関連出願に示されている。これらの特徴の幾つか又はすべては、本発明の太陽電池に関連する構造及び製造に含むことができる。
【００１３】
図１は、ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示したグラフである。三元物質のバンドギャップ及び格子定数は、組み合わされた典型的な二元物質を示した線の間に位置する。（三元物質ＧａＡ１Ａｓは、個々の成分の相対量に応じて、グラフのＧａＡｓとＡ１Ａｓとの間に位置し、三元物質のバンドギャップは、ＧａＡｓの１．４２ｅＶとＡ１Ａｓの２．１６ｅＶとの間に位置する。）このように、望まれるバンドギャップに応じて、三元物質の物質成分は、成長に対して正確に選択することができる。
【００１４】
半導体構造における層の格子定数及び電気特性は、好ましくは、適切な成長温度及び時間についての反応器仕様、及び適切な化学化合物及びドーピング剤の使用により制御される。有機的金属気相エピタクシー（ＯＭＶＰＥ）、有機化学的金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）などの蒸着法、又は他の逆成長のための蒸着法の使用によって、電池を形成するモノリシック半導体構造における層を、必要とされる厚さ、元素化合物、ドーピング剤濃度と粒度、及び導電型で成長させることができる。
【００１５】
図２は、本発明により、ＧａＡｓ成長基板上に３つの補助電池Ａ、Ｂ及びＣを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。より特定的には、基板１０１が示されており、これは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）が好ましいが、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質とすることができる。ＧａＡｓにおいては、基板は好ましくは、１５°切り出し基板、すなわち、その表面が（１００）平面から（１１１）平面方向に１５°ずらして方向付けられたものであり、これは２００８年３月１３日付けの米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４に詳細に述べられている。
【００１６】
ゲルマニウム基板の場合には、核形成層（図示されず）が基板１０１上に直接堆積される。基板上又は核形成層の上に（ゲルマニウム基板の場合）、バッファー層１０２及びエッチストップ層１０３が（１１１）更に堆積される。ＧａＡｓ基板の場合には、バッファー層１０２は、ＧａＡｓであることが好ましい。ゲルマニウム基板の場合には、バッファー層１０２は、ＩｎＧａＡｓであることが好ましい。次にＧａＡｓの接触層１０４が（１１１）層１０３上に堆積され、Ａ１ＩｎＰのウインドウ層１０５が接触層上に堆積される。次にｎ＋エミッター層１０６及びｐ型ベース層１０７から成る補助電池Ａが、ウインドウ層１０５上にエピタキシャル状に堆積される。補助電池Ａは、成長基板１０１と全体的に格子整合している。
【００１７】
多接合太陽電池構造は、格子定数及びバンドギャップの必要条件によって、周期表に挙げられたIII族からＶ族までの要素のあらゆる適当な組み合わせにより形成することができ、ここで、III族は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウム（Ｔ）を含むことを理解するべきである。IV族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００１８】
好ましい実施形態においては、エミッター層１０６は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成され、ベース層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成される。上式で括弧内のアルミニウムすなわちＡｌ項は任意の成分であり、この場合には、０％から３０％の範囲の量で使用することができる。本発明によるエミッター及びベース層１０６及び１０７のドーピング形状は、図１６と関連して述べる。
【００１９】
補助電池Ａは、後に述べる本発明による製造段階の終了後、最終的には、反転変性構造の「上部」補助電池となる。
【００２０】
ベース層１０７の上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＩｎＰである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）が堆積され、これは、再結合損失を減少するために使用される。
【００２１】
ＢＳＦ層１０８は、再結合損失の影響を最小にするために、ベース／ＢＳＦインターフェース表面に近い領域から少数キャリアを駆逐する。言い換えれば、ＢＳＦ層１０８は、太陽補助電池Ａの後側で再結合損失を減少し、したがってベースでの再結合を減少する。
【００２２】
ＢＳＦ層１０８の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１０９ａ及びｎ型層１０９ｂがこの順で堆積され、補助電池Ａを補助電池Ｂに接続するトンネルダイオード、すなわちオーム回路要素を形成する。層１０９ａは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１０９ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００２３】
トンネルダイオード層１０９の上部に、ウインドウ層１１０、好ましくはｎ＋ＩｎＧａＰが堆積される。ウインドウ層１１０の物質成分としてＩｎＧａＰを利用する利点は、２００８年１０月２４日付けの米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に十分に述べられているように、ウインドウ層が隣接するエミッター層１１１と緊密に整合する屈折率を有することである。より一般的には、補助電池Ｂで使用されるウインドウ層１１０は、インターフェースの再結合損失を減少するように働く。本発明の範囲から外れることなく、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【００２４】
ウインドウ層１１０の上部に、補助電池Ｂの層、すなわちｎ型エミッター層１１１及びｐ型ベース層１１２が堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれＩｎＧａＰ及びＩｎ0.015ＧａＡｓ（ゲルマニウム基板又は成長用テンプレートの場合）から、又はそれぞれＩｎＧａＰ及びＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板の場合）から構成されるが、必要条件の格子定数及びバンドギャップを備えたあらゆる他の適当な物質成分も同様に使用することができる。したがって、補助電池Ｂは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮエミッター領域及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮベース領域から構成することができる。本発明による層１１１及び１１２のドーピング形状は、図１６との関連で述べる。
【００２５】
従前の反転変性太陽電池においては、中間電池は均一構造であった。本発明においては、米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に示された構造に類似して、中間補助電池はＩｎＧａＰを有するヘテロ構造となり、そのウインドウはＩｎＡｌＰからＩｎＧａＰに変えられる。この変更は、中間補助電池のウインドウ／エミッターインターフェースで、不連続な屈折率を除去したものである。更に、ウインドウ層１１０は、フェルミ・レベルを導電バンド近くまで上げるために、エミッター層１１１の３倍ドーピングされることが好ましく、これによりウインドウ／エミッターインターフェースでバンド曲がりを形成し、エミッター層への少数キャリアを抑制することとなる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態においては、中間補助電池エミッターは、上部補助電池エミッターと等しいバンドギャップを有し、第三補助電池エミッターは、中間補助電池のベースのバンドギャップより大きいバンドギャップを有する。したがって、太陽電池の製造、形成及び作動の後、中間補助電池Ｂのエミッターも第三補助電池Ｃのエミッターのいずれも吸収可能な放射線に曝されることはない。実質的には、吸収可能な放射線を表すすべての光子は、エミッターより狭いバンドギャップを有する電池Ｂ及びＣのベースで吸収される。したがって、ヘテロ接合型補助電池を使用する利点は、（i）両方の補助電池に対応する短い波長が改善され、（ii）放射線の束が、より狭いバンドギャップベースに、一層効率的に吸収されて、集積されることである。それによる効果は、ＪSCを増加させることである。
【００２７】
電池Ｂの上部に、ＢＳＦ層１０９と同じ機能として働くＢＳＦ層１１３が堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１１４ａ及び１１４ｂのそれぞれは、層１０９ａ及び１０９ｂと同様にＢＳＦ層１１３上に堆積され、補助電池Ｂを補助電池Ｃに接続するオーム回路要素を形成する。１１４ａ層は、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１１４ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００２８】
好ましくはｎ型ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから成るバリア層１１５が、約１．０ミクロンの厚さまで、トンネルダイオード１１４ａ／１１４ｂ上に堆積される。このようなバリア層は、スレッドの乱れが、中間及び上部補助電池Ｂ及びＣに成長する方向と反対方向か、又は底部補助電池Ａに成長する方向のいずれかに伝播するのを防止するように意図され、より特定的には係属中の２００７年９月２４日付けの米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３に記載されている。
【００２９】
変性層（すなわち勾配中間層）１１６は、表面活性剤を使用してバリア層１１５上に堆積される。層１１６は、スレッドの乱れが起こるのを最小にしながら、半導体構造の中の格子定数が補助電池Ｂから補助電池Ｃへと次第に遷移するようにするために、好ましくは格子定数を単調に変化させながら、組成的に段階的勾配を付したシリーズのＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１１６のバンドギャップは、好ましくはおよそ１．５ｅＶに等しく、その厚さ全体で一定であるか、又は中間補助電池Ｂのバンドギャップより僅かに大きい値で一定している。勾配中間層の好ましい実施形態は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓから構成されるものとして表すことができ、ここでｘ及びｙは、中間層のバンドギャップがおよそ１．５０ｅＶで一定した状態か、又は他の適当なバンドギャップとなるように選択される。
【００３０】
表面活性剤の助けによる変性層１１６の成長においては、層１１６の成長する間、適当な化学成分が反応器に導入され、層の表面特性が改善される。好ましい実施形態においては、このような成分は、ドーピング剤又はセレニウム（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドナー原子とすることができる。したがって、少量のＳｅ又はＴｅが変性層１１６に組み込まれ、完成した太陽電池に残存する。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーピング剤原子ではあるが、他の非等電性表面活性剤も同様に使用することができる。
【００３１】
表面活性剤の補助による成長は、より滑らかな又は平らな表面を形成する。物質が成長して、層が厚くなるにしたがって、表面形態が半導体物質の嵩特性に影響するので、表面活性剤の使用は、活性領域でのスレッドの乱れを最小にし、したがって太陽電池全体の効率を改善することとなる。
【００３２】
非等電性表面活性剤の使用に代わるものとして、等電性表面活性剤を使用することができる。「等電性」という用語は、アンチモン（Ｓｂ）又はビスマス（Ｂｉ）などの表面活性剤を意味するが、それはこのような要素が、変性バッファー層においてＩｎＧａＰのＰ原子、又はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｓ原子と同じ数の価電子を有するからである。このようなＳｂ又はＢｉ表面活性剤は、通常は、変性層１１６に組み込まれることはない。
【００３３】
代替的実施形態においては、太陽電池が２つの補助電池しか持たず、かつ「中間」電池Ｂが完成した太陽電池において最上部又は上部補助電池であり、ここで言う「上部」補助電池Ｂが、典型的には１．８ｅＶから１．９ｅＶのバンドギャップを有する場合に、中間層のバンドギャップは、一定の１．９ｅＶにとどまる。
【００３４】
上記したワンラス他の論文に述べられた反転変性構造においては、変性層は、組成的にＩｎＧａＰに勾配を付する９段階から成り、各々の段階の層は０．２５ミクロンの厚さを有する。その結果、ワンラス他の各々の層は、異なるバンドギャップを有する。本発明の好ましい実施形態においては、層１１６は、単調に変化する格子定数を有し、各々の層がおよそ１．５ｅＶの同じバンドギャップを有する、複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層から構成される。
【００３５】
ＩｎＧａＡｌＡｓなどの一定バンドギャップの物質を利用する利点は、ヒ素ベースの半導体物質が、標準の商業用ＭＯＣＶＤ反応器でかなり製造しやすいことであるが、少量のアルミニウムは、変性層の放射線透過性を確実なものとする。
【００３６】
本発明の好ましい実施形態は、製造容易性及び放射線透過性の理由から、変性層１１６に複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層を利用するものであるが、本発明の他の実施形態は、補助電池Ｂから補助電池Ｃへと格子定数を変化させるために、異なる物質のシステムを利用することができる。このように、組成的に勾配付けされたＩｎＧａＰを使用するワンラスのシステムは、本発明の第二実施形態である。本発明の他の実施形態は、段階的勾配付けするのとは反対に、無段階な勾配付けされた物質を利用することができる。より一般的に言うと、勾配付けされた中間層は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成することができるが、該中間層は、平面内格子パラメータが、第二太陽電池のそれより大きいか又はこれと等しく、第三太陽電池の格子のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが第二太陽電池のそれよりも大きいという制約を受ける。
【００３７】
本発明の別の実施形態においては、任意の第二バリア層１１７を、ＩｎＧａＡｌＡｓ変性層１１６上に堆積することができる。第二バリア層１１７は、典型的には、バリア層１１５の化合物とは異なる化合物を有し、本質的には、スレッドの乱れが伝播するのを防止する機能と同じ機能を実現する。好ましい実施形態においては、バリア層１１７は、ｎ＋型ＧａＩｎＰとする。
【００３８】
好ましくはｎ＋型ＧａＩｎＰから構成されるウインドウ層１１８が、バリア層１１７上に（又は第二バリア層がない場合は、直接層１１６上に）堆積される。このウインドウ層は、補助電池「Ｃ」内の再結合損失を減少するように作用する。本発明の範囲から外れることなく、付加的層を、電池構造に追加し、又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【００３９】
ウインドウ層１１８の上部に、電池Ｃの層、すなわちｎ＋エミッター層１１９及びｐ型ベース層１２０が堆積される。これらの層は、ヘテロ結合補助電池に対して、それぞれがｎ＋型ＩｎＧａＡｓとｎ＋型ＩｎＧａＡｓか、又はｎ＋型ＩｎＧａＰとｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップの必要条件が一致する別の適当な物質も、同様に使用することができる。層１１９及び１２０のドーピング形状は図１６と関連して述べる。
【００４０】
ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましいＢＳＦ層１２１が、電池Ｃの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８及び１１３と同じ機能を達成する。
【００４１】
最後に、好ましくはＩｎＧａＡｌＡｓから構成される高バンドギャップ接触層１２２が、ＢＳＦ層１２１上に堆積される。
【００４２】
単一又は多接合光電池における低いバンドギャップ光電池の底部（非照射）側に追加されるこの接触層は、電池を通って通過する光の吸収を減少する組成とすることができ、その結果、（i）その下のオーム金属接触層（非照射側）がミラー層として機能し、（ii）接触層は、吸収を防止するために選択的にエッチング除去する必要がない。
【００４３】
本発明の範囲から外れることなく、付加的層を電池構造に追加し、又は除去することができることは、当業者にとって明らかである。
【００４４】
図３は、次の製造段階である、金属接触層１２３がｐ＋半導体接触層１２２上に堆積された後の図２の太陽電池の断面図である。金属は、金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｄ／Ａｇの順であることが好ましいが、他の適当な順序及び物質も同様に使用することができる。
【００４５】
また、選択される金属接触の構成は、加熱処理後オーム接触を活性化するために、加熱処理後に、半導体に対して平らなインターフェースを有するものとする。これは、（１）金属を半導体から分離する誘電層を堆積する必要がなく、更に金属接触領域で選択的にエッチングする必要がなく、かつ（２）接触層が、問題となる波長範囲にわたり鏡面反射する、ようにするために行われるものである。
【００４６】
図４は、接着層１２４を金属層１２３上に堆積する次の製造段階を行った後の図３の太陽電池の断面図である。本発明の接着材料は、金−スズ共晶はんだが好ましく、約２．５ミクロンの厚さが好ましい。
【００４７】
図５Ａは、代替基板１２５を取り付ける次の製造段階を行った後の図４の太陽電池の断面図である。本発明の好ましい実施形態においては、代替基板は、絶対温度１度につき６から７ｐｐｍの範囲の熱膨張係数を有し、およそ８０％のシリコンと２０％のアルミニウムから成るシリコンアルミニウム合金から構成されることが好ましい。鉄ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）などの、製造方法に適合し、適当な熱膨張係数を有する他の物質も、同様に使用することができる。好ましい実施形態においては、合金はスプレー法により堆積され、合金の溶融点である摂氏２８０度を越える温度では、接着により堆積される。代替基板は、厚さが約５００ミクロンであることが好ましく、金属層に永久的に接着される。２００８年１１月５日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２６５，１１３に述べられているような接着法も使用することができる。
【００４８】
図５Ｂは、最初の基板がラッピング、研磨及び／又はエッチング段階の順により取り除く段階、すなわち基板１０１及びバッファー層１０３を取り除く次の製造段階が行われた後の図５Ａの太陽電池の断面図である。特定の腐食液の選択は、成長用基板に依存する。
【００４９】
図５Ｃは、代替基板１２５が図面の底部にある状態で描かれた図５Ｂの太陽電池の断面図である。本出願におけるこれ以降の図面は、この方向で描かれている。
【００５０】
図６は、代替基板１２５における幾つかの上部層及び下方の層を示した、図５Ｂの太陽電池を簡略化した断面図である。
【００５１】
図７は、次の製造段階としてエッチストップ層１０３がＨＣｌ／Ｈ2Ｏ溶液により取り除かれる段階を行った後の図６の太陽電池の断面図である。
【００５２】
図８は、図７に示す太陽電池に次の製造段階を行って、フォトレジストマスク（図示されず）が接触層１０４上に設置され、グリッド線５０１が形成された後の太陽電池の断面図である。以下に詳細に述べられるように、グリッド線５０１は、蒸着により堆積され、接触層１０４上にリトグラフ法によりパターン化されて堆積される。マスクは、図面に示しているように、最終の金属グリッド線５０１を形成するために順次取り除かれる。
【００５３】
引用によりここに組み入れられる２００８年７月１８日付けの米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２に詳細に述べられているように、グリッド線５０１は、Ｐｄ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの層の順序から構成されることが好ましいが、他の適当な順序及び物質も同様に使用することができる。
【００５４】
図９は、図８の太陽電池に次の製造段階を行い、グリッド線をマスクとして使用し、クエン酸／過酸化水素水エッチング混合物を使用して、ウインドウ層１０５の表面にエッチング処理した後の太陽電池の断面図である。
【００５５】
図１０Ａは、４つの太陽電池が実装されているウエハの平面図である。４つの電池の図は説明のためだけのものであり、本発明は、１つのウエハに対して何らかの特定の数の電池の使用に限定されるものではない。
【００５６】
各々の電池には、グリッド線５０１（より特定的には図９に断面図が示されている）、相互結合したバス線５０２、及び接触用パッド５０３がある。グリッド線、バス線、及び接触用パッドの形状及び数は、説明のためのものであり、本発明は示した実施形態に限定するものではない。
【００５７】
図１０Ｂは、図１０Ａで示した４つの太陽電池を有するウエハの底面図である。
【００５８】
図１１は、図９の太陽電池に次の製造段階を行うことにより、反射防止用（ＡＲＣ）誘電体被膜層１３０が、グリッド線５０１を有するウエハの「底部」側の表面全体に付与された後の太陽電池の断面図である。
【００５９】
図１２Ａ及び１２Ｂは、図１１の太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、第一及び第二環状チャンネル５１０及び５１１、すなわち半導体構造の部分が、リン化腐食液及びヒ化腐食液を使用して、金属層１２３にエッチング処理された後の太陽電池の断面図である。これらのチャンネルは、２００８年８月１２日付けの米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９により具体的に述べられているように、電池とウエハの残りの部分との間に周辺境界を定め、太陽電池を構成するメサ構造を残す。図１２Ａ及び１２Ｂに示された断面図は、図１３に示されたＡ−Ａ面から見たものである。好ましい実施形態においては、チャンネル５１０は、実質的にチャンネル５１１より幅が広い。
【００６０】
図１３は、図１２Ｂのウエハにおいて、各々の電池の周辺にエッチングされたチャネル５１０及び５１１を示した平面図である。
【００６１】
図１４は、図１２Ａ又は１２Ｂの太陽電池に、個々の太陽電池（図１３で示している電池１、電池２など）がチャネル５１１を通して、代替基板１２５を通って延びる垂直縁５１２を残したまま、ウエハから切断又は刻み目を入れられた後の断面図である。本発明のこの第一実施形態においては、代替基板１２５は、本申請書の太陽電池の支持材を形成し、カバーガラス（以下に述べられる第二実施形態で示されているような）は必要ではない。このような実施形態においては、金属接触層１２３への電気接触は、チャネル５１０を通して行うことができる。
【００６２】
図１５は、図１２の太陽電池において、本発明の第二実施形態による次の製造段階を行うことにより、カバーガラス５１４が接着剤５１３を解して電池の上部に取り付けられた後の太陽電池の断面図である。カバーガラス５１４は、典型的には約４ミルの厚さであり、チャンネル５１０全体を覆うことが好ましいが、チャンネル５１１までは延びない。カバーガラスの使用は好ましい実施形態ではあるが、すべての実装に必要なものではなく、付加的層又は構造を使用して、太陽電池の付加的支持又は周囲環境の保護を達成することができる。
【００６３】
図１９は、図１８Ｂの太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、接着剤層１３１、代替理基板１３２、及びウエハの周囲部分５１２が、チャンネル５１０の領域を除いてすべて取り除かれて、太陽電池には上部のカバーガラス５１４（又は他の層或いは構造）及び太陽電池の後側の接触部を形成する底部の金属接触層１３０だけが残された状態における太陽電池の断面図である。代替基板は、腐食液ＥＫＣ９２２の使用により取り除かれることが好ましい。上記したように、代替基板は、その表面に孔を含み、この孔は、該基板１３２を通して腐食液を流れさせて該代替基板を取り除くことを可能にする。代替基板は、次のウエハ製造作業において再使用することができる。
【００６４】
図１７は、本発明による太陽電池の電流及び電圧特性を示すグラフである。太陽電池は、およそ３．０７４ボルトの開放電圧（ＶOC）、およそ１６．８ｍＡ／ｃｍ2の短絡電流、およそ８５．７％の充填要因、及び３２．７％の効率性を有する。
【００６５】
上記した各々の要素、又は２又はそれ以上の要素を組み合わせたものは、上記した形式の構造とは異なる他の形式の構造において、有益な用途を見出すことができる。
【００６６】
本発明の好ましい実施形態は、４つの補助電池の垂直積層体を利用することであるが、本発明は、２００８年１１月１０日付けの米国特許出願一連番号１２／２６７，８１２により特定的に述べられているように、より少ないか又はより多い数の補助電池を有する積層体、すなわち２接合電池、３接合電池、５接合電池などにも適用することができる。４又はそれ以上の接合電池の場合は、１つより多い変性勾配中間層の使用を利用することができる。
【００６７】
更に、本実施形態は、上部及び底部電気接触を有するものとして形成されているが、補助電池は、代替的には、補助電池間に位置する横方向導電性半導体と金属接触により接触するように構成することができる。このような配列は、３端子、４端子、及び一般的にｎ端子装置を形成するために使用することができる。補助電池は、これらの付加的端子を使用して、各々の補助電池の最も有効な光電流密度を効率的に使用することができるように回路に相互接続することができ、光電流密度が典型的には様々に補助電池によって異なるにもかかわらず、多接合電池に対し高い効率性をもたらす。
【００６８】
上記したように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべての均一接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、どちらも同一の化学化合物と同一のバンドギャップを有するが、ドーピング種及び型だけが異なるｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池、及び１又はそれ以上のヘテロ接合電池又は補助電池の配列を利用することができる。ｐ型及びｎ型ＩｎＧａＰを有する補助電池Ａは、均一接合補助電池の一例である。代替的には、より詳細に２００８年１月３１日付けの米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に述べられているように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべてのヘテロ接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、ｎ型領域において異なる半導体物質の化学化合物、及び／又はｐ型領域において異なるバンドギャップエネルギーを有し、更にｐ−ｎ接合部を形成するｐ型及びｎ型領域において異なるドーピング種及び型を利用して、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池を利用することができる。
【００６９】
幾つかの電池においては、薄い、いわゆる「真性層」を、エミッター層とベース層との間に配置することができ、この真性層は、エミッター層又はベース層のいずれかと同じか又は異なる化合物により形成することができる。真性層は、空間電荷領域で少数キャリアの再結合を抑制するように機能するものとなる。同様に、ベース層又はエミッター層のいずれかは、その厚さの部分又は全体で真性であるか又は意図的なドーピングがなされていない（「ＮＩＤ」）ものとすることができる。幾つかのこのような形態は、２００８年１０月１６日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１により特定的に述べられている。
【００７０】
ウインドウ層又はＢＳＦ層の化合物は、格子定数及びバンドの必要条件によって、他の半導体化合物を利用することができ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び同様の材料を含むことができ、これらも、本発明の思想の範囲内に含まれる。
【００７１】
本発明は、反転変性多接合太陽電池を実現したものとして示され、述べられているが、様々な修正及び構造的変更を、種々の方法で本発明の思想から外れることなく達成することができるものであるから、本発明は、示された詳細に限定されるものではない。
【００７２】
すなわち、本発明の説明は、主として太陽電池又は光電池装置に焦点を当ててなされているが、当業者は、熱光（ＴＰＶ）電池、光検出器及び発光ダイオード（ＬＥＤＳ）などの他の光電装置も、ドーピング及び少数キャリアの寿命に何らかの僅かな違いがあるだけで、構造、物理的性質、及び物質が光電池装置と極めて類似していることを知っている。例えば、光検出器は、上記した光電池装置と同じ物質及び構造とすることができるが、電力発生より感度を重視するために、ドーピングの程度は低くされている。一方ＬＥＤは、類似した構造及び物質で形成することができるが、再結合の時間を短くするために、すなわち、発電ではなく光を発生するための放射の持続時間のために、ドーピングの程度が高くされる。したがって本発明は、光電池に対して述べたような構造、化合物、製造する物品、及び改善点を有する光検出器及びＬＥＤにも適用できる。
【００７３】
更なる分析を必要とすることなく、上述の説明は、本発明の要点を十分に明らかにするものであるから、第３者は、従来技術の観点からみて、本発明の一般的又は特定の態様の本質的な特性を適切に構成する特徴を省略することなく、通常の知識を適用することにより、様々な用途に対して本発明を容易に適合させることができ、したがって、このような適合は、以下の特許請求の範囲に対する均等技術の意味及び範囲内であると理解されるべきであり、かつ、そのように意図されている。
【符号の説明】
【００７４】
１０１  成長基板
１０２  バッファー層
１０３  エッチストップ層
１０４  接触層
１０５  ウインドウ層
１０６  エミッター層
１０７  ベース層
１０８  ＢＳＦ層
１０９  トンネルダイオード層
１１０  ウインドウ層
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【外国語明細書】
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