(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの接合（１２０、１２４）を備えるモノリシック光電池（１００）であって、前記少なくとも１つの接合が、第１の導電型にドープされたエピタキシャル成長半導体材料によって形成されたベース（１２０）と、第１の導電型とは逆の第２の導電型にドープされた半導体材料によって形成されたエミッタ（１２４）とを含み、前記エミッタが、第１の方向（ｘ）に沿って前記ベース上に積層され、前記少なくとも１つの接合のうちの少なくとも１つの接合のベースが、前記第１の方向に沿って、減少するドーパント濃度勾配（Ｃ（ｘ））を有する光電池（１００）において、
前記ベースが、
前記エミッタから遠い第１の部分と、前記エミッタに近い第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間の第３の部分とを備え、
−  前記第１の部分では、前記減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が−９×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−４×１０１７ｃｍ−３／μｍの範囲内にあり、
−  前記第２の部分では、前記減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が−３×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−９×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にあり、
−  前記第３の部分では、前記減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が−２×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−５×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にあり、
前記第１の部分が、前記第１の方向に沿って、前記エミッタから遠い前記ベースの端部に対応する第１の端部（０）から第２の端部（ｘ１）まで延在し、前記第１の端部でのドーパント濃度が、５×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内にある第１の値であることを特徴とするモノリシック光電池（１００）。
【請求項２】
−  前記第１の方向に沿った前記ベースの長さが第１の量（Ｌ）であり、前記第３の部分が、前記第１の方向に沿って、前記第２の端部から第３の端部（ｘ２）まで延在し、前記第２の部分が、前記第１の方向に沿って、前記第３の端部から、前記エミッタに近接する前記ベースの端部に対応する第４の端部まで延在し、
−  前記第２の端部が、前記第１の端部から第１の距離に位置し、前記第３の端部が前記第１の距離に沿って前記第１の端部から第２の距離に位置し、かつ
−  前記第１の距離が、前記第１の量の５分の１〜３分の１の範囲内の値を有し、前記第２の距離が、前記第１の量の３分の１〜前記第１の量の１０分の９の範囲内の値を有する、
請求項１に記載の光電池。
【請求項３】
前記減少するドーパント濃度勾配が、区分的線形関数に対応する請求項１又は２に記載の光電池。
【請求項４】
前記区分的線形関数が、少なくとも３つの線形傾斜を備え、前記ベースの各部分がそれぞれ少なくとも１つの線形傾斜に対応する請求項３に記載の光電池。
【請求項５】
前記減少するドーパント濃度勾配が、多項式関数に対応する請求項１又は２に記載の光電池。
【請求項６】
前記多項式関数が、少なくとも４次の多項式関数である請求項５に記載の光電池。
【請求項７】
−  前記少なくとも１つの接合が、第１の接合、第２の接合、及び第３の接合を含み、前記第２の接合が、前記第１の方向に沿って前記第１の接合上に積層され、前記第３の接合が、前記第１の方向に沿って前記第２の接合上に積層され、かつ
−  前記少なくとも１つの接合のうちの前記少なくとも１つの接合が前記第２の接合である、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光電池。
【請求項８】
前記第４の端部での前記ドーパント濃度が、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３の範囲内にある第２の値である、請求項２又は７に記載の光電池。
【請求項９】
少なくとも１つの接合を備える光電池の製造方法であって、
エピタキシャル成長によって、第１の導電型にドープされた半導体材料によってベースを形成し、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型にドープされた半導体材料によってエミッタを形成して、前記少なくとも１つの接合を生成する工程を含み、前記エミッタが、第１の方向に沿って前記ベース上に積層され、前記少なくとも１つの接合のうちの少なくとも１つの接合のベースを形成する工程が、前記第１の方向に沿って減少するドーパント濃度勾配で半導体材料をドープする工程を含む、該方法において、
前記ドープする工程が、
−  前記エミッタから遠い第１の部分を、傾斜の平均値が−９×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−４×１０１７ｃｍ−３／μｍの範囲内にある減少するドーパント濃度勾配でドープする工程と、
−  前記エミッタに近接する第２の部分を、傾斜の平均値が−３×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−９×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にある減少するドーパント濃度勾配でドープする工程と、
−  前記第１の部分と前記第２の部分の間の第３の部分を、傾斜の平均値が−２×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−５×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にある減少するドーパント濃度勾配でドープする工程と、
を含み、
前記第１の部分は前記第１の方向に沿って、前記エミッタから遠い前記ベースの端部に対応する第１の端部（０）から第２の端部（ｘ１）まで延在し、前記第１の端部でのドーパント濃度が、５×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内にある第１の値であることを特徴とする該方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光電池の分野に関し、詳細には太陽放射用の光電池（太陽電池）に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、電磁エネルギー（太陽放射など）を電気に変換することができる電子デバイスである。
【０００３】
このような電子デバイスは主に半導体材料からなる。半導体材料は、価電子帯と伝導帯の間に位置する禁制エネルギー帯（「バンドギャップ」）を有する固体結晶構造を特徴とする。バンドギャップは、通常は自由電子が取ることのできないエネルギー間隔を定義する。しかし、太陽電池におけるこのようなタイプの材料に太陽放射が当たるとき、低い方のエネルギー帯を占めている電子は、エネルギー的にジャンプしてバンドギャップを超える点まで励起されて、高い方のエネルギー帯に到達することがある。例えば、半導体の価電子帯にある電子は、入射した太陽放射の光子から十分なエネルギーを吸収すると、バンドギャップを超えて伝導帯に達することがある。
【０００４】
高い方のエネルギー帯に達すると、このような電子は、低い方のエネルギー帯に空の位置を残す。専門用語では「正孔」と定義されるこのような空の位置は、結晶格子（ｒｅｔｉｃｕｌｅ）内で原子から原子に移動することができる。したがって、正孔は、伝導帯内の自由電子と同様に電荷キャリアとして働き、結晶の伝導性に寄与する。
【０００５】
言い換えると、半導体によって吸収される各光子が、対応する正孔−電子対を生み出す。光子吸収によって生成される電子−正孔対の組は、太陽電池のいわゆる光電流を生み出す。このようにして生成された正孔と電子は、互いに再結合することがあり、これらは、光電流の維持に寄与しなくなる。太陽電池の効率を高めるためにこの現象を防止する（又は少なくともできるだけ減少させる）目的で、局所電場が半導体材料の内部に発生される。このようにすると、光子の吸収により生成された正孔と電子は、局所電場によって反対方向に向けて加速されるようになり、これにより、太陽電池の端子に達する前に再結合する可能性が大幅に減少する。特に、このような電場は、例えば、逆の導電型にドープされた一対の半導体材料間でｐｎ接合を生成することによって得られる空乏領域など、空間電荷領域を形成することによって生み出される。
【０００６】
宇宙及び地上用途で一般に使用される太陽電池は、単一のｐｎ又はｎｐ接合からなるタイプ、即ち、単接合太陽電池であっても、複数のｐｎ又はｎｐ接合からなるタイプ、即ち、多接合太陽電池であってもよい。
【０００７】
単接合太陽電池は、単一のｐｎ又はｎｐ接合の存在によって実質的に構成される。一方、多接合太陽電池は、種々のｐｎ又はｎｐ接合、現在では２〜５個の接合を積層することによって実現される。各種接合が種々の半導体材料で形成され、隣接する接合の各対の間に挿間されたトンネルダイオードによって互いに直列に電気的に接続される。
【０００８】
重畳された種々の接合はそれぞれいわゆる基本セルを形成し、種々の基本セルが、単接合によって得られる基本セルよりも効率的に、入射する太陽放射スペクトルの種々の部分を単独で変換することができる。
【０００９】
多接合セルは、単接合セルに比べて高い出力電圧を供給できるという利点を有し、全体の電圧は、単一の基本セルの電圧の和（から、セルを直列に接続するトンネルダイオードにおける僅かな電圧降下を引いた値）である。
【００１０】
製造を行うために、種々の接合を形成するための種々の材料層は、通常は市販のゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコン（Ｓｉ）又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上への堆積によるエピタキシャル成長法によって（例えば金属酸化物化学気相成長法、即ち、ＭＯＣＶＤによって）得られる。
【００１１】
近年、３接合セル、４接合セル、更には５接合セルを製造するための新規材料の開発を実現する技術進歩により、元素周期表のＩＩＩ族とＶ族の元素の化合物、即ち、ＩＩＩ−Ｖ族化合物に基づく太陽電池、特にＧａＡｓ太陽電池の性能は向上し続けている。
【００１２】
多接合太陽電池のコストは、単接合太陽電池のコストよりも僅かに高く、その効率は非常に高い（２５℃での地球大気外での照射の条件下で、効率は、単接合セルの２０％に対して３接合セルでは約２８％である）。このために、特に航空宇宙用途では、より効率的なこの新規のデバイスの使用に向かう市場動向がある。例えば、現在の大型の遠隔通信衛星では、３接合太陽電池を使用する必要がある。他方で、これらのセルは、集光システムなど地上用途でも使用される。
【００１３】
既に前述したように、太陽電池の効率は、光生成された正孔−電子対の再結合現象に強く左右される。空乏領域外で生成される正孔−電子対は、電場の作用を何ら受けず、したがって再結合の可能性が高く、それらは、光生成される電流に寄与しなくなる。
【００１４】
太陽電池の効率を改良するために、当技術分野で知られている解決策は、ｎドープ部分とｐドープ部分の間に真性（即ち、ドープされていない）半導体材料部分を挿入することによって、空乏領域の深さを増す（したがって、電場にさらされる半導体材料部分を増やす）というものである。この解決策は、一般に、空乏領域の厚さが出力電圧を制限するほどの値に達するまでは、太陽電池の効率を高める。この値を超えると、デバイスの効率は低下し始める。
【００１５】
更なる既知の解決策によれば、空乏領域に属さない太陽電池の半導体材料部分も、適切なドーピング勾配の使用によって得られる局所電場に曝すことができる。特に、Ｈａｒｏｌｄ  Ｊ．  Ｈｏｖｅｌによる「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，  Ｖｏｌ．  ＩＩ」では、ｐ型の半導体部分が、線形ドーピング勾配に従ってドープされている。線形ドーピング勾配の存在により、ｐ型の半導体材料部分は、内部で生成される正孔−電子対を加速することができる定電場を受けることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のことに鑑みて、本出願人は、光電池の実現、特に太陽電池の実現に関する技術分野で現在知られている解決策を、効率の観点で改良できることに気付いた。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一実施形態による解決策の種々の態様が独立請求項に示される。
【００１８】
本発明の一態様は、モノリシック光電池に関する。このような電池は、少なくとも１つの接合を備える。前記少なくとも１つの接合は、第１の導電型にドープされたエピタキシャル成長半導体材料によって形成されたベースと、第１の導電型とは逆の第２の導電型にドープされた半導体材料によって形成されたエミッタとを含む。エミッタは、第１の方向に沿ってベース上に積層され、前記少なくとも１つの接合のうちの少なくとも１つの接合のベースが、前記第１の方向に沿って、減少するドーパント濃度勾配を有する。前記ベースは、前記エミッタから遠い第１の部分と、エミッタに近接する第２の部分と、第１の部分と第２の部分の間の第３の部分とを備える。第１の部分では、減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が、実質的に−９×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−４×１０１７ｃｍ−３／μｍの範囲内にある。第２の部分では、前記減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が、実質的に−３×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−９×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にある。第３の部分では、前記減少するドーパント濃度勾配の傾斜の平均値が、実質的に−２×１０１７ｃｍ−３／μｍ〜−５×１０１６ｃｍ−３／μｍの範囲内にある。
【００１９】
本発明の更なる態様は、光電池を製造するための対応する方法に関する。
【００２０】
有利な実施形態が従属請求項に記載される。
【００２１】
本発明の１つ又は複数の実施形態による解決策、並びにその更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面に関連して読めば、最も良く理解されよう。これに関して、図面は必ずしも一律の縮尺ではなく、別段の指示がない限り、説明する構造及び手順の概念的に例示するものと意図されているにすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】モノリシック光電池の概略垂直断面図である。
【図２】図１のセルの接合のドーピング分布、及び当技術分野で知られている第１の解決策による対応する電場を示す図である。
【図３】図１のセルの接合のドーピング分布、及び当技術分野で知られている第２の解決策による対応する電場を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による図１のセルの接合のドーピング分布を示す図である。
【図５】図１のセルの接合のドーピング分布、及び本発明の一実施形態による対応する電場を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態による概念を適用できるモノリシック光電池、限定はしないが特に太陽電池の垂直断面が概略的に示されている。参照符号１００で全体を識別される光電池は、３つの接合を有する多接合セルであり、図面に参照符号１０５ａで示して「下側」セルと呼ぶ第１の基本セルと、図面に参照符号１０５ｂで示して「中間」セルと呼ぶ第２の基本セルと、参照符号１０５ｃで示して「上側」セルと呼ぶ第３の基本セルとを備える。上側セル１０５ｃは中間セル１０５ｂの上に位置し、中間セル１０５ｂは下側セル１０５ａの上に位置する。
【００２４】
３つの基本セルは、トンネルダイオードを挿間されて、互いに直列に電気的に接続される。特に、下側セル１０５ａは、図面に参照符号１０８で示す第１のトンネルダイオードによって中間セル１０５ｂに電気的に接続され、中間セル１０５ｂは、図面に参照符号１１０で示す第２のトンネルダイオードによって上側セル１０５ｃに電気的に接続される。
【００２５】
下側セル１０５ａは、第１の導電型、例えばｐ型の第１の半導体材料層１１２（「ベース」と呼ぶ）と、逆の導電型、例えばｎ型の第２の半導体材料層１１４（「エミッタ」と呼ぶ）とを備える。ベース１１２とエミッタ１１４は、ｐｎ接合を形成するために互いに直接接触して位置する。好ましくは、「窓層」と呼ぶ更なる半導体材料１１６がエミッタ１１４上に形成される。
【００２６】
トンネルダイオード１０８は窓層１１６上に形成される。
【００２７】
好ましくは、トンネルダイオード１０８と中間セル１０５ｂの間に障壁層１１８が配置されて、層１２０内で光生成された電荷キャリアの表面再結合効果を低減させ、それにより光電池１００の変換効率を高める。
【００２８】
障壁層１１８上に形成された中間セル１０５ｂは、第１の導電型、例えばｐ型の第１の半導体層１２０（ベース）を備える。ベース１２０上に第２の層１２２が形成され、この層１２２は「スペーサ層」と呼ばれ、意図的にドープなしの半導体材料によって構成される。更に、中間セル１５０ｂは、スペーサ層１２２上に位置する第３の半導体材料層１２４（エミッタ）を備える。エミッタ１２４は、ベース１２０の導電型とは逆の導電型、例えばｎ型の半導体材料から構成される。下側セル１０５ａの場合と同様に、好ましくは、窓層１２６が中間セル１０５ｂのエミッタ１２４上に形成される。
【００２９】
トンネルダイオード１１０が窓層１２６上に形成される。好ましくは、トンネルダイオード１１０と上側セル１０５ｃの間に更なる障壁層１２８が配置される。
【００３０】
障壁層１２８上に形成される上側セル１０５ｃは、第１の導電型、例えばｐ型の第１の半導体材料層１３０（ベース）を備える。意図的にドープなしの半導体材料によって構成されるスペーサ層１３２はベース１３０上に形成される。ベース１３０の導電型とは逆の導電型、例えばｎ型の第３の半導体材料層１３４（エミッタ）はスペーサ層１３２上に形成される。好ましくは、窓層１３６がエミッタ１３４上に形成される。
【００３１】
光電池１００の裏面、特にエミッタ１１４に面する表面とは逆のベース１１２の表面の近傍には、例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの金属からなる第１の導電材料層１３８が形成され、光電池１００の第１の接触端子を構成する。
【００３２】
規定の導電型、例えばｎ型の半導体材料のキャップ１４５が、上側セル１０５ｃに対応する窓層１３６上の一区分に形成される。キャップ１４５上に、導電材料、例えばＡｕやＡｇなどの金属の接点１５０が形成され、光電池１００の第２の接触端子を構成する。
【００３３】
窓層１３６上に、例えば１つ又は複数の酸化物層によって構成される反射防止材料からなる被覆層１４０が更に形成される。光電池１００の外部接触を可能にするために、金属１５０に向けて反射防止被覆層１４０に適切な通過バイア（ｐａｓｓａｇｅ  ｖｉａ）が残される。
【００３４】
ボルタ電池１００全体を構成する各基本セルをより詳細に分析すると、下側セル１０５ａは、第１の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたゲルマニウム（Ｇｅ）によって構成されるベース１１２を有する。或いは、ベース１１２は、適切にドープされたシリコン（Ｓｉ）によって実現することができる。下側セル１０５ａのエミッタ１１４は、ベース１１２と同じ材料、例えばＧｅによって形成されるが、逆の導電型（考察中の例ではｎ型）にドープされる。
【００３５】
窓層１１６は、四元又は三元化合物、例えばインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、及びリン（Ｐ）の化合物、即ち、ＩｎＧａＰ、Ｉｎ、Ｇａ、砒素（Ａｓ）の化合物、即ち、ＩｎＧａＡｓ、アルミニウム（Ａｌ）、Ｇａ、及びＡｓの化合物、即ち、ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料層によって、又は元素周期表のＩＩＩ族とＶ族の元素から形成された更なる化合物によって構成することができる。
【００３６】
トンネルダイオード１０８は、既知の方法で、例えば、第２の導電型（考察中の例ではｎ型）にドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料によって形成された第１の層と、逆の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料によって形成された第２の層とによって実現される。
【００３７】
障壁層１１８は、例えば第１の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、又はＩｎＧａＰなどの半導体材料によって形成される。
【００３８】
中間セル１０５ｂは、第１の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＩｎＧａＡｓによって構成されたベース１２０を有する。中間セル１０５ｂのエミッタ１２４は、逆の導電型（考察中の例ではｎ型）にドープされた半導体材料、例えばＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＰによって形成される。スペーサ層１２２は、半導体材料、例えばベース１２０と同じ材料で実現される。しかし、スペーサ層１２２の材料は真性であり、即ち、有意な量のドーピング不純物を含まない。
【００３９】
窓層１２６は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、もしくはＡｌＩｎＰなどの半導体材料層によって、又は元素周期表のＩＩＩ族とＶ族の元素から形成される更なる化合物によって構成することができる。
【００４０】
トンネルダイオード１１０は、第２の導電型（考察中の例ではｎ型）にドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって形成された第１の層と、逆の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって形成された第２の層とによって実現することができる。
【００４１】
障壁層１１８の場合と同様に、障壁層１２８は、例えば第１の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰなどの半導体材料によって形成される。
【００４２】
上側セル１０５ｃは、第１の導電型（考察中の例ではｐ型）にドープされたＩｎＧａＰによって構成されるベース１３０を有する。上側セル１０５ｃのエミッタ１３４は、逆の導電型（考察中の例ではｎ型）にドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって形成される。スペーサ層１３２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、例えばベース１３０と同じ材料によって実現される。しかし、スペーサ層１３２の材料は真性であり、即ち、有意な量のドーピング不純物を含まない。
【００４３】
窓層１２６の場合と同様に、窓層１３６は、ＡｌＩｎＰなどの半導体材料層によって、又は元素周期表のＩＩＩ族とＶ族の元素から形成された別の化合物によって構成することができる。
【００４４】
製造プロセスの観点から、光電池１００の製造は、適切なドーピング濃度で適切な導電型（考察中の例ではｐ型）の下側セル１０５ａのベース１１２を形成する半導体材料（考察中の例ではＧｅ）の基板から始めることができる。特に、ベース１１２となるこのような基板から始めて、拡散及び堆積プロセスによって下側セル１０５ａのエミッタ１１４が形成される。窓１３６まで、後に続く光電池１００のすべての層を、適切なエピタキシャル成長法、例えば分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ）又は金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって得ることができ、大きな基板として下側セル１０５ａのエミッタ１１４及びベース１１２を使用する。
【００４５】
本発明の一実施形態によれば、中間セル１０５ｂのベース１２０のドーピングは一定でなく、その深さ全体に沿って、即ち、図１に参照符号ｘで示される方向に沿って非線形に変化する。
【００４６】
ベース１２０内の非線形ドーピングの存在によって生み出される効果を詳細に説明し、このような解決策を使用することで得られる利点を示すために、ここで、ベース１２０の３つの異なるドーピング分布を相互に比較する。
【００４７】
図２は、従来技術における最も一般的な場合、即ち、ベース１２０が一定のドーピング濃度でドープされる場合を示す。特に、参照符号２１０ａで、方向ｘに沿った中間セル１０５ｂの障壁層１１８、ベース１２０、及びエミッタ１２４内部のドーピング濃度Ｃ（ｘ）のグラフが示されている。ｐ型ドーピング（亜鉛（Ｚｎ）又は炭素（Ｃ）など）の濃度を実線で示し、ｎ型ドーピング（例えばＳｉ又はテルル（Ｔｅ）など）の濃度を破線で示す。説明が過度に複雑にならないように図２ではスペーサ層１２２を意図的に省いてあることを強調しておく。しかし、本発明の概念は、真性材料から形成されたスペーサ層を設けられた接合を備えるセルにも、スペーサ層を何ら有さない接合を備えるセルにも適用することができる。図２に示される場合には、ベース１２０内のｐ型ドーピング濃度は、ｘ方向に沿ってベース１２０の深さ全体にわたって一定に保たれる。当業者には知られているように、ベース１２０内のｐ型ドーピング濃度は、障壁層１１８内のドーピング濃度の値よりも低い値に設定することが好ましい。ドーピング濃度がグラフ２１０ａで示される分布に従うときに障壁層１１８、ベース１２０、及びエミッタ１２４内に発生する電場Ｅ（ｘ）のグラフが参照符号２１５ａで示される。グラフ２１５ａで見ることができるように、このタイプのドーピング分布では、電場が中間セル１０５ｂの２点に実質的に集中し、特に、障壁層１１８とベース１２０の界面に対応する第１の点と、ベース１２０とエミッタ１２４の界面に対応する第２の点に集中する。より詳細には、電場は、障壁層１１８とベース１２０の間では、ｐ型ドーピング濃度の突然の変化によるピーク（図面に参照符号２２０で示される）を示し、ベース１２０とエミッタ１２４の間では、ｐｎ接合であるベース１２０／エミッタ１２４によって生成される空乏領域の存在による別のピーク（図面に参照符号２２５で示される）を示す。ベース１２０の中央部分全体に沿って、電場はほぼゼロになる。その結果、ベース１２０のこのような部分において光生成により生成される生じ得る正孔−電子対は、再結合の可能性が非常に高く、それらは、光電池１００の光生成される電流に寄与しなくなる。
【００４８】
図３は、当技術分野で知られている別の場合、即ち、ベース１２０が、線形に変化するｐ型ドーピング濃度でドープされることになる場合を示す。特に、グラフ２１０ｂに示されるように、ベース１２０内のｐ型ドーピング濃度Ｃ（ｘ）は、（障壁層１１８とベース１２０の界面での）高い方の値から（ベース１２０とエミッタ１２４の界面での）低い方の値に線形に減少する。ドーピング濃度がグラフ２１０ｂで示される分布に従うときに障壁層１１８、ベース１２０、及びエミッタ１２４内に発生する電場Ｅ（ｘ）のグラフが参照符号２１５ｂで示される。グラフ２１５ｂで見ることができるように、線形タイプのドーピング分布を与えられたベース１２０では、電場は、障壁層１１８とベース１２０の界面及びベース１２０とエミッタ１２４の界面だけに集中するのではなく、ベース１２０の深さ全体に沿って広がる。より詳細には、この場合でさえ、電場は、ｐ型ドーピング濃度の突然の変化による障壁層１１８とベース１２０の間での第１のピーク（図面に参照符号２３０で示される）と、ｐｎ接合であるベース１２０／エミッタ１２４によって生成される空乏領域の存在によるベース１２０とエミッタ１２４の間での第２のピーク（図面に参照符号２３５で示される）を示す。しかし、この場合、線形ドーピング勾配の存在により、ベース１２０の中央部分に沿って広がってピーク２３０とピーク２３５をつなぐ実質的に一定の値を有する電場（図面に参照符号２４０で示される）が生じる。ベース１２０の深さ全体に沿った非ゼロ電場の存在により、ベース１２０の中央部分で生成される生じ得る正孔−電子対を引き離して、セルの端子で収集できるようになる。このような正孔−電子対が再結合するのをできるだけ妨げるために、ベース１２０のドーピングは、ベース１２０全体に沿った十分に高い電場を保証するようなものにすべきである。しかし、図３に示されるタイプの線形ドーピング分布では、この条件を達成することができるのは、図３で強調されるように、ｐ型ドーピングの量がベースの大部分で（したがって障壁層１１８との界面の近くでも）高いと仮定した場合である。当業者に知られているように、ｐｎ接合の半導体材料を過剰にドープすると、キャリアの寿命が縮まり、再結合の可能性が高まる。したがって、厚さの大部分にわたって過剰に高いドーピング濃度を与えられたベース１２０は、障壁層１１８に向けてベース１２０部分で光生成されるキャリアの収集を減少させ、光電池１００の変換効率を低下させる。
【００４９】
本発明の一実施形態によれば、この欠点は、図４に示されるようにベース１２０のｐ型ドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）を適切な形状にすることによって解決される。
【００５０】
特に、障壁層１１８とベース１２０の界面にｘ軸の原点０を設定し、ベースの深さをＬ（即ち、ベース１２０とエミッタ１２４の界面がｘ＝Ｌに位置する）と仮定すると、本発明の一実施形態によれば、ベース１２０のドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）は、３つの主要部分に細分化される減少関数である。それらの主要部分は、具体的には以下のものである。
−  図面に参照符号４０５で示され、ｘ＝０からｘ＝ｘｌの範囲にわたる第１の部分。ここでは、ドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）の傾斜の平均値が実質的に［−９×１０１７；−４×１０１７］ｃｍ−３／μｍの範囲内にあり、１／５×Ｌ≦ｘ１≦１／３×Ｌである。
−  図面に参照符号４１０で示され、ｘ＝ｘｌからｘ＝ｘ２の範囲にわたる第２の部分。ここでは、ドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）の傾斜の平均値が実質的に［−２×１０１７；−５×１０１６］ｃｍ−３／μｍの範囲内にあり、１／３×Ｌ≦ｘ２≦９／１０×Ｌである。
−  図面に参照符号４１５で示され、ｘ＝ｘ２からｘ＝Ｌの範囲にわたる第３の部分。ここでは、ドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）の傾斜の平均値が実質的に［−３×１０１７；−９×１０１６］ｃｍ−３／μｍの範囲内にある。
【００５１】
本発明の一実施形態によれば、障壁層１１８とベース１２０の界面（ｘ＝０）でのドーピング濃度は、５×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内にあり、ベース１２０とエミッタ１２４の界面（ｘ＝Ｌ）でのドーピング濃度は、５×１０１５ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３の範囲内にある。
【００５２】
ベース１２０のこの独特なドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）は、好適には、光電池１００の製造プロセス中に得られる。なぜなら、既に前述したように、中間セル１０５ｂ、及び考察中の例では上側セル１０５ｃも、ドープされたエピタキシャル成長半導体材料によって、即ち、ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどエピタキシャル成長法によって生成される半導体材料によって形成されるからである。エピタキシャル成長法により、中間セル（場合によっては、更に上側セル）のベース層のドーピングは、ベース厚さ全体にわたって細かく制御することができる。このようなエピタキシャル法を活用することにより、ＩＩＩ−Ｖ族前駆体を含む反応チャンバ内にドーパント元素が導入され、原子レベルでドーピング濃度を制御できるようにし、理論的にはどのようなドーピング濃度分布でも得られる。逆に、標準的なシリコン太陽電池におけるようなドーピング注入及び拡散法を採用した場合には、指数関数形状、又は複数の指数関数を組み合わせた形状を有するドーピング濃度分布を得ることしかできない。
【００５３】
図４に示されるドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）は、ちょうど３つの線形傾斜、即ち、１部分に１つの線形傾斜によって形成された区分的線形関数であるが、本発明の概念は、上述した傾斜の範囲に当てはまるように供給される異なる分布に適用することもできる。例えば、ドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）は、４つ以上の線形傾斜を含む区分的線形関数又は少なくとも４次の多項式関数でもよい。
【００５４】
前述した本発明の実施形態による傾斜範囲に当てはまる可能なドーピング濃度分布Ｃ（ｘ）の一例が、図５にグラフ５１０で示される。その独特なドーピング分布により、電場Ｅ（ｘ）は、ベース１２０の周縁部で、即ち、障壁層１１８とベース１２０の界面の近くで比較的高い値を有するようになり、ｐｎ接合で、即ち、ベース１２０とエミッタ１２４の界面の近くで比較的低い値を有するようになる。特に、図５のグラフ５１５に示されるように、この場合にも、電場は、ベース１２０とエミッタ１２４の間で第１のピーク（図面に参照符号５５０で示される）を示す。更に、この場合でさえ、ベース１２０の中央部分に沿って広がってピーク５４５とピーク５５０をつなぐ電場が存在する。しかし、非線形ドーピング勾配の存在により、ベースの中央部分に広がる電場（図面に参照符号５５５で示される）は、もはや一定の値を有さず、障壁層１１８とベース１２０の界面での第１の値からベース１２０とエミッタ１２４の界面での第２の値へ、ｘ方向に沿って（絶対値で）減少傾向を示し、ここで前記第１の値は（絶対値で）第２の値よりも大きい。このタイプの電場の存在により、より高い変換効率を得られるようになる。その理由として以下のことが挙げられる。
−  ｐｎ接合から遠いベース１２０の部分で発生された少数キャリアが、（ドーピング分布部分４０５の比較的大きい傾斜により発生される）比較的高い電場を受け、したがって、より効率良く収集される。
−  ベース１２０内で光生成された多数キャリア（即ち、正孔）が接合に向かう拡散運動が（ドーピング分布部分４１０の比較的小さい傾斜により）妨げられることになり、それによりセルの暗電流の拡散成分を減少させる。
−  ベース１２０内で光生成された少数キャリア（即ち、電子）が、有利には、（ドーピング分布部分４１０の比較的大きい傾斜によって発生される電場により）ｐｎ接合に向けて押される。
−  すべての上述した利点が、比較的低ドープのベースでその厚さの大半にわたって得られ、その結果、光生成されたキャリアが再結合する可能性が好適に制限されるようになる。
【００５５】
当然、当業者は、特定的な場合の特殊な要件を満たすように、上述した解決策に多くの修正及び変更を加えることができる。特に、本発明を、その好ましい実施形態を参照してある程度詳細に説明してきたが、形態及び詳細について種々の省略、置換、及び変更が可能であり、また他の実施形態も可能であることを理解すべきである。更に、一般に設計上の選択肢として、開示した本発明の任意の実施形態に関連して説明した特定の要素及び／又は方法工程を任意の他の実施形態に組み込むことができることが明確に意図される。
【００５６】
例えば、本発明について、非線形にドープされたベースが中間基本セルに属している３接合光電池を参照してきたが、異なる場合、例えば基本セルの数が３つでない場合（ひいては単接合セルの場合）、非線形にドープされたベースが中間セル以外の基本セルに属している場合、及び非線形にドープされたベースが複数の基本セルに供給される場合にも同様の考察が当てはまる。
【符号の説明】
【００５７】
１００      光電池又はボルタ電池
１０５ａ    下側セル
１０５ｂ    中間セル
１０５ｃ    上側セル
１０８      第１のトンネルダイオード
１１０      第２のトンネルダイオード
１１２      第１の半導体材料層又はベース
１１４      第２の半導体材料層又はエミッタ
１１６      窓層
１１８      障壁層
１２０      第１の半導体材料層又はベース
１２２      第２の半導体材料層又はスペーサ層
１２４      第３の半導体材料層又はエミッタ
１２６      窓層
１２８      障壁層
１３０      第１の半導体材料層又はベース
１３２      スペーサ層
１３４      第２の半導体材料層又はエミッタ
１３６      窓層
１３８      第１の導電材料層
１４０      反射防止被覆層
１４５      半導体材料のキャップ
１５０      金属接点
２１０ａ    ドーピング濃度分布
２１０ｂ    ドーピング濃度分布
２１５ａ    電場グラフ
２１５ｂ    電場グラフ
２３０      ピーク
２３５      ピーク
２４０      電場
４０５      ドーピング濃度分布
４１０      ドーピング濃度分布
５１０      ドーピング濃度分布
５４５      ピーク
５５０      ピーク
５５０      電場
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００５８】
【非特許文献１】Ｈａｒｏｌｄ  Ｊ．  Ｈｏｖｅｌによる「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ，  Ｖｏｌ．  ＩＩ」
【図１】
0005579847.tif 000002
【図２】
0005579847.tif 000003
【図３】
0005579847.tif 000004
【図４】
0005579847.tif 000005
【図５】
0005579847.tif 000006