(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板を準備するステップと、
前記第１の基板の上に、多接合ソーラーセルの少なくとも１つのセルを形成する、一連の半導体材料の層を蒸着するステップと、
前記一連の層の頂部表面から、前記第１の基板までビアをエッチングするステップと、
前記ビアの内側表面の周りを取り囲むように誘電体材料の層を蒸着するステップと、
前記誘電体材料の層の上に、前記ビアを通じて延びる導電性の層を蒸着するステップと、
前記導電性の層の面の上に第２の基板を接着するステップと、
前記第１の基板を除去するステップと、
前記第１の基板が除去された面の上に、前記導電性の層に電気的に接続された正面金属格子を蒸着するステップと、
前記第２の基板を除去するステップと、
前記第２の基板が除去された面の上に、第１及び第２の電極接触パッドを蒸着するステップと、を有し、
前記第１の電極接触パッドが、前記導電性の層に電気的に接続され、
前記第２の電極接触パッドは、前記第１の電極接触パッドから電気的に絶縁され、かつ前記第２の基板が除去された面と電気的に接続されるものである、ソーラーセルを製造する方法。
【請求項２】
一連の半導体材料の層を蒸着する前記ステップが、
前記第１の基板の上に、第１のバンドギャップを有する第１のソーラー・サブセルを形成し、
前記第１のソーラー・サブセルの上に、前記第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有する第２のソーラー・サブセルを形成し、
前記第２のソーラー・サブセルの上に、前記第２のバンドギャップより大きい第３のバンドギャップを有する、徐々に変化する中間層を形成し、
前記中間層の上に、前記第２のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有する第３のソーラー・サブセルを形成して、前記第３のソーラー・サブセルが、前記第２のサブセルに関して格子ミスマッチされるようにする、
ステップを含む、請求項１に記載のソーラーセルを製造する方法。
【請求項３】
前記第１の基板が、GaAsからなる、請求項１に記載のソーラーセルを製造する方法。
【請求項４】
前記第１のソーラー・サブセルが、InGaAlPエミッタ領域、及び、InGaAlPベース領域からなり、
前記第２のソーラー・サブセルが、InGaP2エミッタ領域、及び、In0.015GaAsベース領域からなる、請求項２に記載のソーラーセルを製造する方法。
【請求項５】
前記徐々に変化する中間層が、単調的に増加する格子定数を持つ複数のInGaAlAsの層からなる、請求項２に記載のソーラーセルを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーラーセル半導体素子の分野に関連し、特に、マルチ接合(multijunction)のソーラーセル、及び、アノードとカソードの双方が、セルの背面(back side)の上に配置されることを可能とする導電性のviaを含む集積半導体構造に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ソーラーセルとも呼ばれる光起電性(photovoltaic)のセルは、この数年において利用可能となってきた、最も重要な、新しいエネルギー源の１つである。かなりの努力が、ソーラセル開発に注がれてきた。その結果、ソーラーセルは、現在、いくつかの商業的、及び、消費者オリエンテッドのアプリケーション(application)において用いられている。この分野で重要な進歩が為された一方、より洗練されたアプリケーションのニーズに応えるための、ソーラーセルに対する要求には追いついていない。データ通信で用いられる衛星のようなアプリケーションは、改善されたパワー(power)及びエネルギー変換特性を持つソーラーセルに対する需要を劇的に増大させている。
【０００３】
衛星及び他の宇宙関連のアプリケーションにおいて、衛星電源(power)システムのサイズ、重量、及び、コストは、使用されるソーラーセルのパワー及びエネルギー変換効率に依存する。換言すると、ペイロードのサイズ、及び、機体上のサービスの利用可能性は、提供されるパワーの総量に比例する。従って、ペイロードが、より洗練されるにつれて、機体上の電源システムのための電力変換素子として動作する、ソーラーセルの設計効率は、益々重要になる。
【０００４】
ソーラーセルは、しばしば、垂直の、多接合構造に製造され、個々のソーラーセルが互いに直列に接続される形で、水平のアレイに配置される。アレイの形状及び構造、及び、それが含むセルの数は、部分的に、所望の出力電圧及び電流によって決定される。
【０００５】
特許文献１（米国特許第6,951,819号）、非特許文献１［M.W.Wanless他の論文"Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III−V Photovoltaic Energy Converters" (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan. 3-7, 2005, IEEE Press, 2005)］、及び、本願と同時に係属する、2006年6月2日に出願された、本願譲受人の米国特許出願番号11/445,793号(特許文献２)、に説明されるような倒置変性(inverted metamorphic)ソーラーセル構造は、将来の商業的ソーラーセル製品における重要な開発を提示する。
【０００６】
ソーラーセルは、垂直の、多接合構造として製造されるので、１つの電気的接触(contact)は、通常、セルの頂部面(top surface)の上に配置され、他の接触は、セルの底部の上に配置され、それによって、信頼性とコストに影響を与え得る内部相互接続(internal interconnections)を回避する。本願出願人の、特許文献３（米国特許出願第11/109,016号）に示されるものを含む、双方の接触がセルの１つの側の上に配置されるような、種々の設計もまた、知られている。
【０００７】
本発明の前に、アノードとカソードの双方の接触がセルの同じ側の上にある、倒置変性(inverted metamorphic)ソーラーセルは存在しなかった。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,951,819号公報
【特許文献２】米国特許出願番号11/445,793号
【特許文献３】米国特許出願第11/109,016号
【０００９】
【非特許文献１】M.W.Wanless他の論文"Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III−V Photovoltaic Energy Converters" (Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan. 3-7, 2005, IEEE Press, 2005)
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
簡潔に言えば、そして、一般的な表現では、本発明は、第１の基板を準備し、当該基板上に、多接合ソーラーセルの少なくとも１つのセルを形成する一連の半導体材料の層を蒸着し、当該一続きの層(layers)の頂部面から、当該第１の基板に、viaをエッチングし、当該一続きの層の上(over)に第２の基板を準備し、そして、当該第１の基板を除去する、ことによってソーラーセルを製造する方法を提供する。
【００１１】
他の特徴において、本発明は、第１の基板を準備し、当該基板の上に、多接合ソーラーセルの少なくとも１つのセルを形成する半導体材料の一続きの層を蒸着し、一続きの層の上(over)に第２の基板を準備し、そして、当該第１の基板を除去することによって、正面側及び背面側を有するソーラーセルを製造する方法を提供する。
【００１２】
次に、第１の電極がソーラーセルの背面側の上に形成され、多接合ソーラーセルの頂部セルと、ソーラーセルの背面側の上の第２電極の間に、電気的接続が形成される。
【００１３】
他の特徴において、本発明は、第１のバンドギャップを有する第１のソーラー・サブセル、当該第１のサブセルの上(over)に配置され、当該第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有する第２のソーラー・サブセル、第２のサブセルの上(over)に配置され、第２のバンドギャップより大きい弟３のバンドギャップを有する、徐々に変化する(grading) 中間の層(interlayer)、及び、当該中間層の上(over)に配置される第３のサブセルであって、当該第３のソーラー・サブセルが、第２のサブセルとの関係で格子ミスマッチ(lattice mis-matched)され、第３のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを持ち、アノード接触及びカソード接触が、ソーラーセルの背面の上にある、ものである、を含む、他接合ソーラーセルを形成する一続きの層、を有する半導体部(body)を含むソーラーセルを提供する。
【００１４】
本発明の他の特徴において、第１のバンドギャップを有する正面側表面に隣接する第１のソーラー・サブセル、第１のサブセルの上(over)に配置され、当該第１のバンドギャップより小さい第２のバンドギャップを有する第２のソーラー・サブセル、第２のサブセルの上(over)に配置され、第２のバンドギャップより大きい第３のバンドギャップを有する、徐々に変化する(grading) 中間の層(interlayer)、及び、背面側表面に隣接し、中間の層の上(over)に配置される、第３のソーラー・サブセルであって、当該第３のサブセルが、前記第２のサブセルとの関係で格子ミスマッチされ、第３のバンドギャップより小さい第４のバンドギャップを有するものであり、を含み、正面側表面及び背面側表面を有する多接合ソーラーセルが提供される。
【００１５】
第１の、第２の、及び、第３のソーラーセルに、viaが、形成され、電気的導電体が、viaを貫通して(through)延在する。絶縁された接触(contact)パッドが、背面側表面の上(on)に提供され、導電体に電気的に接続されて、ソーラーセルの第１の端子(terminal)を、背面側表面の上(on)に形成する。第２の端子は、金属層によって背面側表面の上(on)に形成され、背面側の上（on）の接触層(contact layer)との接触(contact)を作る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
添付の図面との関係で考察されるときに、本発明の、これらの、及び、他の特徴、並びに、利点が、以下の詳細な説明を参照して、より良く、そして、より完全に理解されることになろう。
【００１７】
図１は、３つのサブセル(subsells)Ａ、Ｂ、及び、Ｃの、基板上への形成後の、本発明による多接合ソーラー・セルを示す。より詳細には、ガリウム砒素(GaAs)、ゲルマニウム(Ｇｅ)、又は、他の適切な材料のいずれかであり得る、第１の基板101、が示される。Ｇｅ基板の場合には、InGaP2のような核生成（nucleation）層102が、基板の上に蒸着される。基板上(on)には、又は、Ge基板の場合に核生成層102の上(over)には、InGaAsのバッファ層103、及び、InAlP2のエッチング阻止層104が、更に蒸着される。InGaAsの接触層105が、次に、層104の上(on)に蒸着される。そして、InAlP2のウィンドウ層106が、接触層の上に蒸着される。InGaP2のｎ＋エミッタ層107、及び、InGaP2のｐ型ベース層からなるサブセルＡが、次に、ウィンドウ層106の上に蒸着される。
【００１８】
好ましい実施例は、上述のIII−Ｖ半導体材料を利用するが、本実施例は、説明目的のためだけに示されるものであり、多接合ソーラー・セル構造が、格子定数及びバンドギャップの要求に依存して、周期律表に示される、如何なるIIIからＶの要素の組み合わせによっても形成され得ることが理解されるべきである。ここで、III族には、ボロン(Ｂ)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、及び、チタン(Ｔ)、が含まれる。IV族には、炭素(Ｃ)、シリコン(Si)、ゲルマニクム(Ge)、及び、スズ(錫)（tin）が含まれる。Ｖ族には、窒素(Ｎ)、リン(Ｐ)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、及び、ビスマス(Bi)が含まれる。
【００１９】
好ましい実施例において、基板101はガリウム砒素であり、エミッタ層107はInGa(Al)P2からなり、ベース層は、InGa(Al)P2からなる。式中の括弧書きの使用は、アルミニウムの総量が、０から３０％まで変化し得ることを示すための、標準的な命名法（nomenclature）である。
【００２０】
ベース層108の上(on top of )には、再結合ロスを低減するために用いられる、InGaAlPのｐ＋型の背面表面フィールド(”ＢＳＦ”)層109が蒸着される。
【００２１】
ＢＳＦ層109は、再結合ロスの効果を最小化するために、ベース／ＢＳＦインターフェース表面の近傍の領域から少数キャリアを駆動(drive)する。換言すれば、ＢＳＦ層109は、ソーラー・サブセルＡの背面側における再結合ロスを低減し、それによって、ベースにおける再結合を低減する。
【００２２】
ＢＳＦ層109の上(on top of)に、セルＡをセルＢに接続するための回路要素であるトンネル・ダイオードを形成する、一連の、強くドープされたｐ型(AlGaAsのような)及びｎ型層110(InGaP2のような)が蒸着される。
【００２３】
トンネル・ダイオード層110の上(on top of)に、ｎ＋＋InAlP2のウィンドウ層111が蒸着される。サブセルＢ内で用いられるウィンドウ層111もまた、再結合ロスを低減するために作動する。ウィンドウ層111は、下にある接合(underlying junctions)のセル表面のパシベーション（passivation）をも改善する。本技術分野の当業者にとって、本発明の範囲から離れること無しに、セル構造内で、追加の層(１つあるいはそれより多い)が追加又は削除され得ることが明白である。
【００２４】
ウィンドウ層111の上(on top of)に、セルＢの層(layers)(即ち、エミッタ層112及びｐ型ベース層113)が蒸着される。これらの層は、好ましくは、それぞれ、エミッタについてInGaP2からなり、ベースについてはGaAsかIn0.015GaAsかのいずれかからなる(格子定数及びバンドギャップ要求と整合する、如何なる他の適切な材料もが、使用され得るが)。
【００２５】
セルＢの上(on top of)に、ＢＳＦ層109と同じ機能を奏する、ｐ＋型AlGaAsのＢＳＦ層114が蒸着される。層110と同様に、ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネル・ダイオード115が、ＢＳＦ層114の上(over)に蒸着され、ここでも、セルＢをセルＣに接続するための回路要素を形成する。好ましくはInGaAsであるバッファ層115ａが、約1.0ミクロンの厚さで、トンネル・ダイオード115の上(over)に蒸着される。変性の（metamorphic)バッファ層116が、次に、バッファ層115aの上(over)に蒸着される。
【００２６】
層116は、好ましくは、格子定数における、セルＢからサブセルＣへの遷移を与える、単調的に変化する格子定数を持つ一連の層として蒸着されたInGaAsの、組成的にステップ・グレーデッドされた(a compositionally step-graded)組成である。層116のバンドギャップは、中央セルＢのバンドギャップよりわずかに大きい値である、一定の値の(constant with a value)1.5ｅＶである。
【００２７】
１つの実施例において、Wanless他の論文で示唆されるように、ステップ・グレード(step grade)は、９個の組成的にグレーデッドされたステップ(compositionally graded steps)を含み、各ステップ層は0.25ミクロンの厚さを有する。
【００２８】
好ましい実施例において、中間層(interlayer)は、単調的に変化する格子定数を持つ、InGaAlAsからなる(is composed of)。
【００２９】
変性の（meta・morphic）バッファ層116の上(on top of)に、他のｎ＋ウィンドウ層117が蒸着される。ウインドウ層117は、下にある(underlying)接合のセル表面のパシベーション（passivation）を改善する。本発明の範囲から離れること無しに、追加の層が提供され得る。
【００３０】
ウィンドウ層117の上(on top of)に、サブセル(subcell)Ｃの層(即ち、ｎ型エミッタ層118及びｐ型ベース層119)が蒸着される。好ましい実施例において、エミッタ層はGaInAsからなり、ベース層はGaInAsからなり(composed of)、1.0ｅｖのバンドギャップを持つ(適切な格子定数及びバンドギャップ要求を持つ、如何なる他の半導体材料もまた使用され得るが)。
【００３１】
サブセルＣのベース層119の上(on top of)に、好ましくはGaInAsPからなる背面表面フィールド(ＢＳＦ)層120が蒸着される。
【００３２】
ＢＳＦ層120の上(on top of)に、好ましくはp+型のInGaAsであるｐ＋接触層(contact layer)121が蒸着される。
【００３３】
図２は、ドライ又はウェット化学プロセスによって、via150が、蒸着された層102から121までの頂部表面(top surface)から、基板101までエッチングされているプロセス・ステップ(process step)の後の、図１の構造の断面図である。
【００３４】
図３は、ｐ＋接触層121の上(over)の背面金属層の蒸着、及び、via150の内部及び背面金属接触層(back metal contact layer)の一部の上での誘電(dielectric)層161の蒸着、を含む、本発明による、プロセス・ステップの次のシーケンス(sequence)の後の、図２のソーラーセル構造の断面図である。導電層162が次に、via150内(in)に、及び、誘電層161の上(over)に、蒸着される。層162は、ソーラーセルに対する、正面接触(front contact)に通じる(through)覆い(wrap)としての役割を果たす。
【００３５】
図４は、本発明による、次のプロセス・ステップの後の、図３のソーラーセルの断面図(図の頂部において、如何に、基板101との関係で配向される(oriented)かを示す)である。ウェーハ・キャリア、又は、代理(surrogate)第２基板が、ソーラー・セル構造の”頂部(top)”側に固着(adhered)され、当該”頂部(top)”側は、本図では底部に存在する。好ましい実施例において、代理基板は、厚さ約1000ミクロンのサファイヤであり、直径約1mmで、４mm間隔が空けられた、孔(holes)で穿孔(perforated)され、後続の基板の除去を促進する。
【００３６】
図５は、研摩（lapping）プロセス、又は、研削（grinding）プロセスによって第１の基板101が除去された、本発明による、次のプロセス・ステップの後の、図４のソーラーセルの断面図である。
【００３７】
図６は、キャップ(cap)層が、via150の領域内(in the region of)の核生成層の一部の上(over)に蒸着され、金属接触(contact)層がキャップ層の上(over)に蒸着されて、via150内の(in)金属層161との電気的接触を作る、本発明による、次のプロセス・ステップの後の、図５のソーラーセルの断面図である。非反射的(antireflective)コーティング(ＡＲＣ)層が、次に、核生成（nucleation）層の表面の上(over)に与えられる(applied)。
【００３８】
図７は、正面金属層及びＡＲＣ層の上(over)に接着剤(adhesives)が塗布され(applied)、カバー・ガラスが、ソーラーセル構造に付着される、本発明による、次のプロセス・ステップの後の、図６のソーラー・セルの断面図である。他の側(side)の上(on)において、代理第２基板が、次に、それを付着している接着剤を溶解(dissolve)することによって、又は、他の何らかの適切な技術によって、除去される。
【００３９】
図８Ａ及び８Ｂはそれぞれ、本発明のソーラーセルを含むウェーハの頂部及び底部平面図である。図８Ａにおいて、各ウェーハのセル１は、より拡大されて、格子(grid)ライン501、バス502、及び、円形の領域503(この中で、以前の断面図に示されるように、via150がウェーファを通じて延びる)、の詳細が示される。
【００４０】
図８Ｂは、背面側接触(contact)領域505、及び、図８Ａに示されるviasに対応するvia503を伴った、正面接触領域に通じる(through)覆い(wrap)504を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１の基板の上(on)の多接合ソーラーセルの形成のプロセス・ステップの終了時点における、本発明によるソーラーセル構造の拡大断面図である。
【図２】viaが第１の基板にエッチングされた、図１の構造の断面図である。
【図３】via内の誘電層及び導電層の蒸着を含む、本発明による次のプロセス・ステップの後の、図２のソーラーセル構造の断面図である。
【図４】ウェーハ・キャリア又は代用(suoogate)第２基板が、ソーラーセル構造の”頂部(top)”側に固着(adhered)される、本発明による次のプロセス・ステップの後の、図３のソーラーセルの断面図である。
【図５】第１の基板が除去された、本発明による次のプロセス・ステップの後の、図４のソーラーセルの断面図である。
【図６】キャップ層及び金属接触層が、構造の上(on)に蒸着された、本発明による次のプロセス・ステップの後の、図５のソーラーセルの断面図である。
【図７】カバー・ガラスが１つの側(side)の上(on)のソーラーセル構造に固着(adhered)され、代用(surrugate)第２基板が他の側(side)の上(on)で除去される、本発明による次のプロセス・ステップの後の、図６のソーラーセルの断面図である。
【図８Ａ】本発明のソーラーセルを含む、ウェーハの頂部平面図である。
【図８Ｂ】本発明のソーラーセルを含む、ウェーハの底部平面図である。
【符号の説明】
【００４２】
５０１  格子(grid)ライン
５０２  バス
５０３  円形の領域
５０４  正面接触領域(front contact region)
５０５  背面側(back side)接触(contact)領域
【図１】
0005512086.tif 000002
【図２】
0005512086.tif 000003
【図３】
0005512086.tif 000004
【図４】
0005512086.tif 000005
【図５】
0005512086.tif 000006
【図６】
0005512086.tif 000007
【図７】
0005512086.tif 000008
【図８Ａ】
0005512086.tif 000009
【図８Ｂ】
0005512086.tif 000010