(57)【要約】【課題】ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金からなる太陽電池を提供すること。【解決手段】ゲルマニウム半導体の成長用基板を準備し、半導体物質層を順に重ねられる状態で半導体成長用基板上に堆積して、ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金から構成される補助電池を含む太陽電池を形成する方法を示している。【選択図】図２Ａ
2010263222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム半導体の成長用基板を準備し、
半導体物質層を順に重ねられる状態で前記半導体成長用基板上に堆積して、ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金から構成される補助電池を含む太陽電池を形成する、
段階からなる太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金は、ＧｅＳｉＳｎであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＧｅＳｉＳｎ補助電池は、０．８ｅＶから１．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＧｅＳｉＳｎ補助電池と前記ゲルマニウム基板との間に堆積されるゲルマニウムから構成される補助電池を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
順に重ねられた前記層は、０．９１ｅＶから０．９５ｅＶの範囲のバンドギャップを有する第一ＧｅＳｉＳｎ補助電池と、１．１３ｅＶから１．２４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する第二ＧｅＳｉＳｎ補助電池とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
順に重ねられる状態で半導体物質の層を堆積する前記段階は、前記基板上に、ＧｅＳｉＳｎから構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池を形成し、前記第一補助電池上に、ＩｎＧａＡｓから構成され、前記第一バンドギャップより大きい第二バンドギャップを有する第二補助太陽電池を形成し、前記第二補助太陽電池上に、ＧａＩｎＰから構成され、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第三補助太陽電池を形成することからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
順に重ねられる状態で半導体物質の層を堆積する前記段階は、前記基板上に、Ｇｅから構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池を形成し、前記第一補助電池上に、ＧｅＳｉＳｎから構成され、前記第一バンドギャップより大きい第二バンドギャップを有する第二補助太陽電池を形成し、前記第二補助太陽電池上に、ＩｎＧａＡｓから構成され、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第三補助太陽電池を形成し、ＧａＩｎＰから構成され、前記第三バンドギャップより大きい第四バンドギャップを有し、前記第三補助太陽電池に対して格子整合状態である第四補助太陽電池を形成することからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
順に重ねられる状態で半導体物質の層を堆積する前記段階は、前記基板上に、Ｇｅから構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池を形成し、前記第一補助電池上に、ＧｅＳｉＳｎから構成され、前記第一バンドギャップより大きい第二バンドギャップを有する第二補助太陽電池を形成し、前記第二補助太陽電池上に、ＧｅＳｉＳｎから構成され、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第三補助太陽電池を形成し、ＩｎＧａＡｓから構成され、前記第三バンドギャップより大きい第四バンドギャップを有し、前記第三補助太陽電池に対して格子整合状態である第四補助太陽電池を形成し、ＧａＩｎＰから構成され、前記第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有し、前記第四補助太陽電池に対して格子整合状態である第五補助太陽電池を形成することからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
Ｇｅから構成される前記第一補助電池と、ＧｅＳｉＳｎから構成される前記第二補助電池との間に、ＧｅＳｉＳｎから構成されるトンネルダイオードを形成することを更に含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
接合部は、ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金で形成されて、Ａｓ及び／又はＰを前記ハイブリッド合金層に拡散することにより光補助電池を形成す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、半導体装置の分野に関するもので、ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド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。
【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１１／９５６，０６９
【特許文献２】米国特許第７，０７１，４０７号公報
【特許文献３】米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１
【発明の概要】
【０００３】
［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、宇宙用としての使用だけでなく、地上設置用としての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。
【０００４】
人工衛星及び他の宇宙関連の用途においては、人工衛星電力システムの大きさ、質量及び費用は、使用される太陽電池の電力及びエネルギー変換効率に依存する。別の言い方をすれば、ペイロードの大きさ及び利用可能な機上サービスは、供給される電力量に比例する。したがって、ペイロードが高性能になるにしたがって、太陽電池の電力対重量比が、一層重要になり、高効率性と低質量の両方を有する軽量の「薄いフィルム」型の太陽電池への関心が増している。
【０００５】
典型的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池は、半導体ウエハ上に垂直方向の多接合構造として形成される。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、これ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔にかつ一般的に言うと、本発明の態様は、ゲルマニウム半導体の成長用基板を準備し、半導体物質の層を順次該半導体成長用基板上に堆積して、ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金を含む太陽電池を製造する方法からなる。
【０００７】
別の態様においては、本発明は、半導体の成長用基板を準備し、少なくとも１つの層がＧｅＳｉＳｎにより構成され、Ｇｅにより構成される層がＧｅＳｉＳｎ層の上に成長させられるような形態で、太陽電池を形成する半導体物質の層を順次該半導体成長用基板上に堆積することにより太陽電池を製造する方法からなる。
【０００８】
別の態様においては、本発明の態様による太陽電池は、ＧｅＳｉＳｎにより構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池と、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＰにより構成され、該第一補助太陽電池上に堆積されて、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有し、該第一補助太陽電池と格子整合状態である第二補助太陽電池と、ＧａＩｎＰにより構成され、該第二補助太陽電池上に堆積されて、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有し、該第二補助電池に対して格子整合状態である第三補助太陽電池とを含む。
【０００９】
本発明を実行する場合の幾つかは、前述の要約に示した態様及び特性よりも少ない態様及び特性を組み込むか又は実行するものである。
【００１０】
本発明の追加の態様、利点及び新しい特性は、以下に述べられる詳細な説明を含む本明細書の記載、並びに本発明の実施から、当業者に明らかになるであろう。本発明は、好ましい実施形態を参照して以下に説明されているが、これらに限定されるものではないことを理解するべきである。この教示に接した当業者は、ここに開示され、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内にあり、本発明が有効利用されるような、他の分野における追加の用途、修正及び実施形態を認識することができる。
【００１１】
本発明は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と併せて考えることにより、一層十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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２Ａ】本発明の一実施形態により、成長用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２Ｂ】本発明の別の実施形態により、成長用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２Ｃ】本発明の別の実施形態により、成長用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２Ａ、２Ｂ、又は２Ｃのいずれかの太陽電池の簡略化した断面図である。
【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５】次の製造段階の後の図４の太陽電池の断面図である。
【図６Ａ】４つの太陽電池が製造されたウエハの平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａのウエハの底面図である。
【図６Ｃ】２つの太陽電池が製造されたウエハの平面図である。
【図７】次の製造段階の後の図５の太陽電池の断面図である。
【図８】カバーガラスが取り付けられる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】本発明による太陽電池のベース層及びエミッター層のドーピング形状のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の詳細が、例示的な側面及びその実施形態を含むものとして以下に説明される。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。
【００１４】
多接合太陽電池を製造する基本概念は、基板上で太陽電池の補助電池を指示された順に成長させることである。すなわち、低バンドギャップ補助電池（すなわち、０．７ｅＶから１．２ｅＶ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用基板上に直接的に、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。次いで、１又はそれ以上の、中程度のバンドギャップを有する中間太陽電池（すなわち、１．０ｅＶから２．４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する）を、低バンドギャップ補助電池上に成長させることができる。
【００１５】
上部すなわち上位の補助電池が、中間補助電池に対して実質的に格子整合状態となるように、かつ、第三の高いバンドギャップ（すなわち、１．６ｅＶから２．４ｅＶ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。
【００１６】
多接合太陽電池の種々異なる特徴及び態様が上記した関連する出願に開示されている。これらの特徴の幾つか又はすべてを、本発明の太陽電池に関連する構造及び製造に含ませることができる。
【００１７】
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）などの蒸着法、又は他の蒸着法、又は分子ビームエピタクシー（ＭＢＥ）などの他の逆成長のための堆積技術の使用によって、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。
【００１８】
図２Ａは、本発明により、ゲルマニウム成長用基板上に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。具体的に述べると、基板２０１が示されており、これは、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質とすることが好ましい。
【００１９】
ゲルマニウム基板の場合には、核形成層２０２を基板２０１上に直接堆積することができる。基板２０１上に、又は（ゲルマニウム基板の場合）核形成層２０２の上に、バッファー層２０３が更に堆積される。ゲルマニウム基板の場合には、バッファー層２０３は、ｐ＋型ゲルマニウムであることが好ましい。ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎのＢＳＦ層２０４が、次に層２０３上に堆積される。次にゲルマニウムから構成されるｐ型ベース層２０５及びｎ＋型エミッター層２０６から成る補助電池Ａが、ＢＳＦ層２０４上にエピタキシャル状に堆積される。補助電池Ａは、成長用基板２０１と全体的に格子整合している。補助電池Ａは、凡そ０．６７ｅＶのバンドギャップを有することができる。
【００２０】
ＢＳＦ層２０４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２０４は、補助太陽電池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。
【００２１】
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事項を条件に、周期表に挙げられたＩＩＩ族からＶ族までの元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。
【００２２】
ベース層２０６の上部に、好ましくはｎ＋型ＧｅＳｉＳｎであるウインドウ層２０７が堆積され、再結合損失を減少するために使用される。
【００２３】
ウインドウ層２０７の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層２０８ａ及びｎ型層２０８ｂ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２０８ａは、ｎ＋＋ＧａＡｓから構成されることが好ましく、層２０８ｂは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００２４】
トンネルダイオード層２０８ａ／２０８ｂの上部に、ＢＳＦ層２０９、好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｓが堆積される。より一般的には、補助電池Ｂで使用されるＢＳＦ層２０９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。
【００２５】
ＢＳＦ層２０９の上部に、補助電池Ｂの層、すなわちｐ型ベース層２１０及びｎ＋型エミッター層２１１が堆積される。これらの層は、好ましくは、ＩｎＧａＡｓ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、該補助電池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。補助電池Ｂのバンドギャップは、凡そ１．２５から１．４ｅＶとすることができる。本発明による層２１０及び２１１のドーピング形状は、図９との関連で述べる。
【００２６】
補助電池Ｂの上部に、ウインドウ層２０７と同様の機能を行うウインドウ層２１２が堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層２１３ａ及び２１３ｂのそれぞれは、層２０８ａ及び２０８ｂと同様にウインドウ層２１２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。層２１３ａは、ｎ＋＋ＧａＩｎＰから構成されることが好ましく、層２１３ｂは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００２７】
好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｌＰから構成されるＢＳＦ層２１４が、トンネルダイオード層２１３ｂ上に堆積される。このＢＳＦ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。
【００２８】
ＢＳＦ層２１４の上部に、電池Ｃの層、すなわちｐ型ベース層２１５及びｎ＋型エミッター層２１６が堆積される。これらの層は、それぞれがｐ型ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ及びｎ＋型ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ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あらゆる他の適当な物質も、同様に使用することができる。補助電池Ｃのバンドギャップは、凡そ１．７５ｅＶとすることができる。本発明による層２１５及び２１６のドーピング形状は図９と関連して述べる。
【００２９】
次に、好ましくはｎ＋型ＩｎＡｌＰから構成されるウインドウ層２１７が、補助電池Ｃの上部に堆積され、該ウインドウ層は、ウインドウ層２０７及び２１２と同様の機能を行う。
【００３０】
図２Ａの実施形態における太陽電池の製造における順次の製造段階の説明が、図３から始まって、それ以降の図面の説明により示されている。一方で、多接合太陽電池半導体構造の他の実施形態を示す。
【００３１】
図２Ｂは、本発明による別の実施形態において、ゲルマニウムの成長用基板上に４つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。具体的に述べると、基板２０１が示されており、これは、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質であることが好ましい。
【００３２】
図２Ｂの実施形態における層２０２から層２１２の成分は、図２Ａの実施形態で示されたものと類似しているが、異なるバンドギャップを達成するために必要な異なる要素成分又はドーピング濃度を有するものとすることができ、したがってこのような層の説明は、ここに繰り返して述べない。具体的に、図２Ｂの実施形態においては、補助電池Ａのバンドギャップは、凡そ０．７３ｅＶとすることができ、補助電池Ｂのバンドギャップは、凡そ１．０５ｅＶとすることができる。
【００３３】
ウインドウ層２１２の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層２１３ｃ及びｎ型層２１３ｄがこの順で堆積され、補助電池Ｂを補助電池Ｃ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。２１３ｃ層は、ｎ＋＋ＧａＡｓから構成されることが好ましく、層２１３ｄは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００３４】
トンネルダイオード層２１３ｃ／２１３ｄの上部に、ＢＳＦ層２１４、好ましくはｐ＋型ＡｌＧａＡｓが堆積される。より一般的には、補助電池Ｃで使用されるＢＳＦ層２１４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し又は除去できることが、当業者には明らかである。
【００３５】
ＢＳＦ層２１４の上部に、補助電池Ｃの層、すなわちｐ型ベース層２１５及びｎ＋型エミッター層２１６が堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＰ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Ｃ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。補助電池Ｃのバンドギャップは、凡そ１．２５から１．４ｅＶとすることができる。本発明による層２１５及び層２１６のドーピング形状は、図９との関連で述べる。
【００３６】
補助電池Ｃの上部に、ウインドウ層２１２と同様の機能を行うＩｎＡｌＰから構成されるウインドウ層２１７が堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層２１８ａ及び２１８ｂのそれぞれは、層２１３ｃ及び２１３ｄと同様にウインドウ層２１７上に堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄに接続するオーム回路要素を形成する。層２１８ａは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましく、層２１８ｂは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００３７】
好ましくはｐ＋型ＡｌＧａＡｓから構成されるＢＳＦ層２１９が、トンネルダイオード層２１８ｂ上に堆積される。このＢＳＦ層は、補助電池「Ｄ」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。
【００３８】
ＢＳＦ層２１９の上部に、電池Ｄの層、すなわちｐ型ベース層２２０及びｎ＋型エミッター層２２１が堆積される。これらの層は、それぞれがｐ型ＩｎＧａＰ及びｎ＋型ＩｎＧａＰ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あらゆる他の適当な物質も、同様に使用することができる。補助電池Ｄのバンドギャップは、凡そ１．８５ｅＶとすることができる。本発明による層２２０及び２２１のドーピング形状は図９と関連して述べる。
【００３９】
次に、好ましくはｎ＋型ＩｎＡｌＰから構成されるウインドウ層２２２が、補助電池Ｄの上部に堆積され、該ウインドウ層は、ウインドウ層２０７、２１２、及び２１７と同様の機能を行う。
【００４０】
図２Ｃは、本発明による別の実施形態において、ゲルマニウムの成長用基板上に４つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。具体的に述べると、基板２０１が示されており、これは、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質であることが好ましい。
【００４１】
図２Ｃの実施形態における層２０１から層２１２の成分は、図２Ａの実施形態で示されたものと類似しているが、異なるバンドギャップを達成するために必要な異なる要素成分又はドーピング濃度を有するものとすることができ、したがってこのような層の説明は、ここに繰り返して述べない。具体的に、図２Ｃの実施形態においては、補助電池Ａのバンドギャップは、凡そ０．７３ｅＶとすることができ、補助電池Ｂのバンドギャップは、凡そ０．９５ｅＶ、及び補助電池Ｃのバンドギャップは、凡そ１．２４ｅＶとすることができる。ウインドウ層２１２の上部に層を有する図２Ｃの実施形態の説明を続ける。
【００４２】
ウインドウ層２１２の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層２１３ｅ及びｎ型層２１３ｆ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。２１３ｅ層は、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層２１３ｆは、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【００４３】
トンネルダイオード層２１３ｅ／２１３ｆの上部に、ＢＳＦ層２１４ａ、好ましくはｐ＋型ＧｅＳｉＳｎが堆積される。より一般的には、補助電池Ｃで使用されるＢＳＦ層２１４ａ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し又は除去できることが、当業者には明らかである。
【００４４】
ＢＳＦ層２１４ａの上部に、補助電池Ｃの層、すなわちｐ型ベース層２１５ａ及びｎ＋型エミッター層２１６ａが堆積される。これらの層は、好ましくはＧｅＳｉＳｎ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Ｃ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。補助電池Ｃのバンドギャップは、凡そ１．２４ｅＶとすることができる。本発明による層２１５ａ及び層２１６ａのドーピング形状は、図９との関連で述べる。
【００４５】
補助電池Ｃの上部に、ウインドウ層２０７及び２１２と同様の機能を行うＩｎＡｌＰから構成されるウインドウ層２１７ａが堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層２１８ｅ及び２１８ｄのそれぞれは、層２０８ａ及び２０８ｂ及び２３１ｅ及び２１３ｆと同様にウインドウ層２１７ａ上に堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄに接続するオーム回路要素を形成する。層２１８ｃは、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｓＰから構成されることが好ましく、層２１８ｄは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００４６】
好ましくはｐ＋型ＡｌＧａＡｓから構成されるＢＳＦ層２１９ａが、トンネルダイオード層２１８ｄ上に堆積される。このＢＳＦ層は、補助電池「Ｄ」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。
【００４７】
ＢＳＦ層２１９ａの上部に、電池Ｄの層、すなわちｐ型ベース層２２０ａ及びｎ＋型エミッター層２２１ａが堆積される。これらの層は、それぞれがｐ型ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓ及びｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓ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あらゆる他の適当な物質も同様に使用することができる。補助電池Ｄのバンドギャップは、凡そ１．６ｅＶとすることができる。本発明による層２２０ａ及び２２１ａのドーピング形状は図９と関連して述べる。
【００４８】
次に、好ましくはｎ＋型ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＡｌＧａＩｎＡｓから構成されるウインドウ層２２２ａが、補助電池Ｄの上部に堆積され、該ウインドウ層は、ウインドウ層２０７、２１２、及び２１７ａと同様の機能を行う。
【００４９】
ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層２２３ａ及び２２３ｂのそれぞれは、層２１８ｃ及び２１８ｄと同様にウインドウ層２２２ａ上に堆積され、補助電池Ｄを補助電池Ｅに接続するオーム回路要素を形成する。層２２３ａは、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｓＰから構成されることが好ましく、層２２３ｂは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【００５０】
好ましくはｐ＋型ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｌＰから構成されるＢＳＦ層２２４が、トンネルダイオード層２２３ｂ上に堆積される。このＢＳＦ層は、補助電池「Ｅ」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。
【００５１】
ＢＳＦ層２２４の上部に、電池Ｅの層、すなわちｐ型ベース層２２５及びｎ＋型エミッター層２２６が堆積される。これらの層は、それぞれがｐ型ＡｌＧａＩｎＰ及びｎ＋型ＡｌＧａＩｎＰ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あらゆる他の適当な物質も同様に使用することができる。補助電池Ｅのバンドギャップは、凡そ２．０ｅＶとすることができる。本発明による層２２４及び２２５のドーピング形状は図９と関連して述べる。
【００５２】
次に、好ましくはｎ＋型ＩｎＡｌＰから構成されるウインドウ層２２７が、補助電池Ｅの上部に堆積され、該ウインドウ層２２７は、ウインドウ層２０７、２１２、２１７ａ、及び２２２ａと同様の機能を行う。
【００５３】
図３は、図２Ａ、２Ｂ、又は２Ｃのいずれかの太陽電池をかなり単純化した断面図であり、好ましくはｎ＋型ＩｎＧａＡｓから構成される高バンドギャップ接触層２５０がウインドウ層２４９上に堆積される次の製造段階を示しており、これは、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃのそれぞれのウインドウ層２１７、２２２、又は２２７を表す。後の図面は、この図３の単純化した断面図を利用しており、太陽電池を製造する順序の説明は、示された図２Ａ、２Ｂ、又は２Ｃの実施形態のいずれか、又は上記した実施形態の追加の又は類似した実施形態のいずれかを参照することができる。
【００５４】
接触層２５０に加えて、本発明の範囲から外れることなく、付加的層を補助電池構造の上部の電池構造に追加し、又は除去できることは、当業者にとって明らかである。
【００５５】
図４は、次の製造段階である、フォトレジスト層（図示されず）が半導体接触層３１８上に設置される段階を行った後の図３の太陽電池の断面図である。フォトレジスト層は、マスクでリトグラフ法によりパターン化されて、グリッド線５０１の位置を形成し、グリッド線が形成されるフォトレジスト層の部分が取り除かれ、次に、フォトレジスト層の上とグリッド線が形成されるフォトレジスト層の開口部の中との両方に、金属接触層３１９が蒸着法又は同様の方法により堆積される。接触層３１８を覆うフォトレジスト層の部分は、図面に示しているように、最終の金属グリッド線５０１を残すために取り除かれる。グリッド線５０１は、Ｐｄ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの層の順序で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。
【００５６】
図５は、次の製造段階として、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２４９の表面にエッチング処理する段階を行った後の図４の太陽電池の断面図である。
【００５７】
図６Ａは、４つの太陽電池が実装されている１００ｍｍ（又は４インチ）の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特定の数の電池を使用することに限定されるものではない。
【００５８】
各々の電池には、グリッド線５０１（より具体的には図５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、図示した実施形態に限定されるものではない。
【００５９】
図６Ｂは、図６Ａのウエハの底面図であり、４つの太陽電池の位置の概線を示している。
【００６０】
図６Ｃは、２つの太陽電池が実装されている１００ｍｍ（又は４インチ）のウエハの平面図である。示した幾何学的形態においては、ウエハ内に太陽電池の境界線を定めるために様々な幾何学的多角形形状を利用することができるが、各々の太陽電池は２６．３ｃｍ2の面積を有する。
【００６１】
図７は、次の製造段階として、反射防止用（ＡＲＣ）誘電体被膜層が、グリッド線５０１を有するウエハの上部側の表面全体に付与される段階を行った後の図５の太陽電池の断面図である。
【００６２】
図８は、本発明の第二の実施形態による次の製造段階である、カバーガラス５１４が接着剤５１３を介して電池の上部に取り付けられた後の、図７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、チャンネル５１０全体を覆うことが好ましく、メサ５１６の一部上に延びるが、チャンネル５１１までは延びない。カバーガラスの使用は、多くの周囲環境状態及び用途に対して望ましいものではあるが、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９は、本発明の多接合太陽電池の１又はそれ以上の補助電池におけるエミッター及びベース層のドーピング形状のグラフである。本発明の範囲内の様々なドーピング形状、及びその様なドーピング形状の利点は、より特定的には、２００７年１２月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９に示されており、この特許出願は、引用によりここに組み入れられる。ここに示されたドーピング形状は、単に説明的なものであり、他のより複雑な形状も、本発明の範囲から外れることなく当業者に明らかなものとして利用することができる。
【００６４】
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。
【００６５】
更に、示した実施形態は、上部及び底部に電気接触部を有するように形成されているが、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をもたらす。
【００６６】
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、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、ドーピング剤の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ｐ−ｎ接合部が形成される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を有する補助電池は、均一接合補助電池の一例である。代替的には、より具体的に米国特許第７，０７１，４０７号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、ｎ型領域において異なる半導体物質の化学的化合物、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剤の種及び型を利用して、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ−ｎ接合部が形成される電池又は補助電池を利用することができる。
【００６７】
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。このような形態の幾つかは、係属中の２００８年１０月１６日付けの米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１に、より具体的に示されている。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
２０１  基板
２０２  核形成層
２０３  バッファー層
２０４  ＢＳＦ層
２０５  ベース層
２０６  エミッター層
２０７  ウインドウ層
２０８  トンネルダイオード層
２０９  ＢＳＦ層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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