(57)【要約】【課題】メタモルフィック層を含む多接合ソーラーセル及びその製造方法を提供する。【解決手段】上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを含む多接合ソーラーセルを製造する方法であって、半導体材料のエピタキシャル成長のために第１基板を準備し、第１バンドギャップを有する第１ソーラーサブセルを基板上に形成し、第１バンドギャップより小さい第２バンドギャップを有する第２ソーラーサブセルを第１ソーラーサブセルの上に形成し、貫通転位を防止するために第２サブセルの上にバリア層を形成し、第２バンドギャップより大きな第３バンドギャップを有するグレーディング中間層をバリア層の上に形成し、第２バンドギャップより小さい第４バンドギャップを有する第３ソーラーサブセルであって、第２サブセルに対して格子不整合している第３サブセルをグレーディング中間層の上に形成するステップを含む方法が、開示される。【選択図】図４
2014195118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを含む多接合ソーラーセルを形成する方法であって、
半導体材料のエピタキシャル成長のために第１基板を準備するステップと、
第１バンドギャップを有する第１ソーラーサブセルを前記基板の上に形成するステップと、
前記第１バンドギャップより小さい第２バンドギャップを有する第２ソーラーサブセルを前記第１ソーラーサブセルの上に形成するステップと、
前記第２サブセルの上にバリア層を形成するステップと、
前記第２バンドギャップより大きい第３バンドギャップを有するグレーディング中間層を前記バリア層の上に形成するステップと、
前記第２バンドギャップより小さい第４バンドギャップを有する第３ソーラーサブセルであって、前記第２サブセルに対して格子不整合している第３サブセルを、前記グレーディング中間層の上に形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有するＡｓ、Ｐ、Ｎ又はＳｂをベースにしたIII-Ｖ化合物半導体により構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第３ソーラーサブセルを形成する前に前記グレーディング中間層の上に第２バリア層を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有するＡｓ、Ｐ、Ｎ又はＳｂをベースにしたIII-Ｖ化合物半導体により構成される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１基板が、ゲルマニウム及びＧａＡsを含むグループから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１ソーラーサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐエミッタ領域及びＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐベース領域により構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２のソーラーセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域とにより構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記グレーディング中間層が、前記第２ソーラーセル以上であって前記第３ソーラーセル以下の平面内格子パラメータを有すること、及び、前記第２ソーラーセルより大きいバンドギャップエネルギーを有すること、という制約を受けるＡｓ、Ｐ、Ｎ又はＳｂをベースにしたIII-Ｖ化合物半導体により構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２ソーラーサブセルが、ＩｎＧａＰエミッタ領域及びＧａＡｓベース領域により構成される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記グレーディング中間層がＩｎＧａＡｌＡｓにより構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記グレーディング中間層が単調に変化する格子定数を有する９段の層により構成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第３ソーラーサブセルの上にコンタクト層を堆積させ、前記第３ソーラーサブセルと該コンタクト層との間に電気的コンタクトを確立するステップ、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コンタクト層の上に代用第２基板を取り付け、前記第１基板を除去するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
グリッド内に前記コンタクト層をパターニングするステップと、
前記代用第２基板の上にメサ構造を形成するために、前記ソーラーセルの周りに溝をエッチングするステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
基板と、
該基板の上における第１バンドギャップを有する第１ソーラーサブセルと、
前記第１サブセルの上に配置され、前記第１バンドギャップより小さい第２バンドギャップを有する第２ソーラーサブセルと、
貫通転位の伝播を低減させるために前記第２サブセルの上に配置されたバリア層と、
前記バリア層の上に配置され、前記第２バンドギャップより大きい第３バンドギャップを有するグレーディング中間層と、
該グレーディング中間層の上に配置され、前記中間サブセルに対して格子不整合しており、前記第２バンドギャップより小さい第４バンドギャップを有する第３のソーラーサブセルと、
を具備することを特徴とする多接合ソーラーセル。
【請求項１６】
前記バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有するＡｓ、Ｐ、Ｎ又はＳｂをベースにしたIII-Ｖ化合物半導体により構成される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項１７】
前記グレーディング中間層と前記第３サブセルとの間に配置された第２バリア層を更に具備する、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項１８】
前記第２バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有するＡｓ、Ｐ、Ｎ又はＳｂをベースにしたIII-Ｖ化合物半導体により構成される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項１９】
前記基板が、ゲルマニウム及びＧａＡsを含むグループから選択される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項２０】
前記第１ソーラーサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項２１】
前記第２ソーラーサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域と、により構成される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【請求項２２】
前記第３ソーラーサブセルがＩｎＧａＡｓにより構成される、請求項１５に記載のソーラーセル。
【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デバイスの分野に関し、より詳細には、メタモルフィック層を含む多接合（multijunction）ソーラーセルに関する。このようなデバイスは、反転型メタモルフィックソーラーセルも含む。
【背景技術】
【０００２】
ソーラーセルとも称される光電池は、過去数年間に利用できるようになった最も重要な新規エネルギー源の１つである。ソーラーセルの開発には著しい努力が注がれた。その結果、ソーラーセルは、現在、多数の商業向け及び消費者向け用途で使用されている。この領域では著しい進歩がなされたが、より精巧な用途のニーズを満足するためのソーラーセルに対する要求が、重要と歩調を合わせていない。データ通信に使用される衛星のような用途は、電力及びエネルギー変換特性の改善を伴うソーラーセルの需要を劇的に高めた。
【０００３】
衛星及び他の宇宙関連用途において、衛星電源システムのサイズ、質量及びコストは、使用するソーラーセルの電力及びエネルギー変換効率に依存する。換言すれば、ペイロードのサイズ及びオンボードサービスの利用性は、供給される電力量に比例する。したがって、ペイロードが、より精巧になるにつれて、オンボード電源システムの電力変換装置として働くソーラーセルは、次第に重要度が増す。
【０００４】
ソーラーセルは、しばしば、垂直の多接合構造で製造されて、水平アレーで配置され、個々のソーラーセルが直列に一緒に接続される。アレーの形状及び構造、並びにそれに含まれるセルの数は、希望の出力電圧及び電流によって部分的に決定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
M. W. Wanlass氏等の“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) に説明されたような反転型メタモルフィックソーラーセル構造体は、将来の商業的な高効率ソーラーセルを開発するための重要な出発点を与える。このような従来の文献に説明された構造は、特に「低」サブセル（最低のバンドギャップを伴うサブセル）とその隣接サブセルとの間の格子不整合層に関連して、材料及び製造ステップの適切な選択に関する多数の実際的な問題を提起する。本発明以前に、従来技術に開示された材料及び製造ステップは、反転型メタモルフィックセル構造を使用して商業的に価値ある、エネルギー効率のよいソーラーセルを製造するのに、充分なものではない。特に、メタモルフィック層から伝播する貫通転位は、処理上の難題を提起する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを含む多接合ソーラーセルを製造する方法であって、半導体材料のエピタキシャル成長のために第１の基板を準備し、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基板上に形成し、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第１のソーラーサブセルの上に形成し、貫通転位を防止するために第２のサブセルの上にバリア層を形成し、第２のバンドギャップより大きな第３のバンドギャップを有するグレーディング中間層（grading interlayer）をバリア層の上に形成し、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であって、第２のサブセルに対して格子不整合された第３のサブセルをグレーディング中間層の上に形成するというステップを備えた方法を提供する。
【０００７】
また、別の態様において、本発明は、基板と、この基板上にあって第１のバンドギャップを有する第１のソーラーサブセルと、この第１のサブセル上に配置されて、第１のバンドギャップより小さな第２のバンドギャップを有する第２のソーラーサブセルと、この第２のサブセル上に配置されたバリア層と、このバリア層上に配置され、第２のバンドギャップより大きな第３のバンドギャップを有するグレーディング中間層と、このグレーディング中間層の上に配置され、中間サブセルに対して格子不整合され、且つ第３のバンドギャップより小さな第４のバンドギャップを有する第３のソーラーサブセルと、を備えた多接合ソーラーセルも提供する。バリア層は、グレーディング中間層に関連した貫通転位が伝播するのを阻止又は防止するのに適した材料及び格子定数で構成される。
【０００８】
本発明は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から更に完全に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明により構成されたソーラーセルの拡大断面図である。
【図２】次の処理ステップの後の図１のソーラーセルを示す断面図である。
【図３】次の処理ステップの後の図２のソーラーセルを示す断面図である。
【図４】次の処理ステップの後の図３のソーラーセルを示す断面図である。
【図５Ａ】オリジナル基板が除去された次の処理ステップの後の図４のソーラーセルを示す断面図である。
【図５Ｂ】図の最下部に代用基板がある状態で見た図５Ａのソーラーセルの別の断面図である。
【図６Ａ】ソーラーセルが製造されたウェハの上面図である。
【図６Ｂ】ソーラーセルが製造されたウェハの下面図である。
【図７】次の処理ステップの後の図６Ｂのウェハを示す上面図である。
【図８】次の処理ステップの後の図５Ａのソーラーセルを示す断面図である。
【図９】次の処理ステップの後の図８のソーラーセルを示す断面図である。
【図１０】次の処理ステップの後の図９のソーラーセルを示す断面図である。
【図１１】次の処理ステップの後の図１０のソーラーセルを示す断面図である。
【図１２】次の処理ステップの後の図１１のソーラーセルを示す断面図である。
【図１３】次の処理ステップの後の図１２のソーラーセルを示す断面図である。
【図１４】次の処理ステップの後の図１３のソーラーセルを示す断面図である。
【図１５】次の処理ステップの後の図１４のソーラーセルを示す断面図である。
【図１６】本発明によるバリア層をもたない反転型メタモルフィックソーラーセルの外部量子効率（ＥＱＥ）を示すグラフである。
【図１７】バリア層をもつ及びもたない中間ソーラーサブセルのＥＱＥグラフである。
【図１８】本発明によるバリア層をもつ反転型メタモルフィックソーラーセルのＥＱＥグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、例示的な態様及びその実施形態を含めて、以下に詳細に説明する。添付図面及び以下の説明を参照すれば、同じ参照番号を使用して、同じ又は機能的に同様の要素を識別すると共に、実施形態の主たる特徴を非常に簡単な図で示すものである。更に、添付図面は、実施形態の各特徴を示すものでも要素の相対的な寸法を示すものでもなく、また、正しい縮尺でもない。
【００１１】
図１は、基板上に３つのサブセルＡ、Ｂ及びＣを形成した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、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な材料である基板１０１が示されている。Ｇｅ基板の場合には、基板上に核生成層１０２が堆積される。基板又は核生成層１０２の上には、バッファ層１０３及びエッチング停止層１０４が更に堆積される。次いで、層１０４上にはコンタクト層１０５が堆積され、このコンタクト層には窓層１０６が堆積される。次いで、ｎ＋エミッタ層１０７及びｐ型ベース層１０８より成るサブセルＡが窓層１０６上に堆積される。
【００１２】
多接合ソーラーセル構造は、格子定数及びバンドギャップ要件を受ける周期表にリストされたIII属からＶ族元素の適当な組み合わせにより形成できることに注意されたい。III属は、硼素（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。IV属は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ属は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００１３】
好ましい実施形態では、エミッタ層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐで構成され、ベース層は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐで構成される。
【００１４】
カッコ内のＡｌ項は、Ａｌが任意の成分であり、この場合は、０％ないし３０％の範囲の量で使用されてもよいことを意味する。
【００１５】
ベース層１０８の上には、再結合ロスを減少するために使用される背面フィールド（ＢＳＦ）層１０９が堆積される。
【００１６】
このＢＳＦ層１０９は、ベース／ＢＳＦ界面付近の領域から少数キャリアを駆動して、再結合ロスの影響を最小にする。換言すれば、ＢＳＦ層１０９は、ソーラーサブセルＡの背面での再結合ロスを減少し、それにより、ベースにおける再結合を減少する。
【００１７】
ＢＳＦ層１０９の上には、一連の強くドープされたｐ型及びｎ型層１１０が堆積され、これは、サブセルＡをサブセルＢに接続する回路素子であるトンネルダイオードを形成する。
【００１８】
このトンネルダイオード層１１０上には、窓層１１１が堆積される。サブセルＢに使用される窓層１１１も、再結合ロスを減少するように働く。また、窓層１１１は、その下に横たわる接合のセル面の不動態化を改善する。当業者に明らかなように、本発明の範囲から逸脱せずに、このセル構造において付加的な層（１つ又は複数）を追加又は除去してもよい。
【００１９】
窓層１１１の上には、セルＢの層、即ちエミッタ層１１２、及びｐ型ベース層１１３が堆積される。これらの層は、ＩｎＧａＰ及びＧａ（Ｉｎ）Ａｓで各々構成されるのが好ましいが、格子定数及びバンドギャップ要件が一致する他の適当な材料を使用してもよい。
【００２０】
セルＢの上には、ＢＳＦ層１０９と同じ機能を果たすＢＳＦ層１１４が堆積される。このＢＳＦ層１１４の上には、層１１０と同様に、ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード１１５が堆積され、この場合も、セルＢをセルＣに接続するための回路素子を形成する。
【００２１】
好ましくは、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐで構成されるバリア層１１６ａが、トンネルダイオード１１５の上に、約１．０ミクロンの厚みまで堆積される。このようなバリア層は、中間及び上部サブセルＢ及びＣへ成長する方向とは逆に、或いは下部サブセルＡへと成長する方向に、貫通転位が伝播するのを防止するように意図される。このバリア層は、バンドギャップエネルギーがグレーディング中間層１１６以上であり且つ厚みが貫通転位の伝播を減少するに充分なものであるIII−Ｖ化合物半導体層の組合せでよい。典型的な材料は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、又はＳｂベースのIII−Ｖ半導体材料である。
【００２２】
バリア層１１６ａ上には、グレーディング中間層又はメタモルフィック層１１６が堆積される。この層１１６は、組成的に段階的にグレード付けされる一連のＩｎＧａＡｌＡｓ層で、サブセルＢからサブセルＣへ格子定数の遷移を達成するよう意図された単調に（monotonically）変化する格子定数をもつものであるのが好ましい。層１１６のバンドギャップは、中間サブセルＢのバンドギャップより若干大きな値に一致する１．５ｅＶである。
【００２３】
グレーディング中間層は、平面内格子パラメータが第２のソーラーセルＢ以上で且つ第３のソーラーセルＣ以下であり、バンドギャップエネルギーが第２のソーラーセルＢより大きいという制約を受けるＡｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ化合物半導体のいずれかで構成される。
【００２４】
一実施形態では、Wanless氏等の論文に示唆されているように、段階的グレードは、９つの組成的にグレード付けされたＩｎＧａＰ段階を含み、その各段階層は、厚みが０．２５ミクロンである。好ましい実施形態では、層１１６は、少なくとも９つの段階にわたり単調に変化する格子定数をもつＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、ＩｎＧａＡｌＡｓメタモルフィック層１１６の上に任意の第２のバリア層１１６ｂを堆積してもよい。この第２のバリア層１１６ｂは、バリア層１１６ａとは異なる組成を有し、この場合も、ベース領域は、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮである。
【００２６】
バリア層１１６ｂの上には、窓層１１７が堆積され、この窓層は、サブセル‘Ｃ’における再結合ロスを減少するように動作する。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、このセル構造において付加的な層を追加又は除去してもよいことが明らかであろう。
【００２７】
窓層１１７の上には、セルＣの層、即ちｎ＋エミッタ層１１８及びｐ型ベース層１１９が堆積される。これら層は、ＩｎＧａＰ及びＧａ（Ｉｎ）Ａｓで各々構成されるのが好ましいが、格子定数及びバンドギャップ要件が一致する他の適当な材料を使用してもよい。
【００２８】
セルＣの上には、ＢＳＦ層１２０が堆積され、このＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０９及び１１４と同じ機能を遂行する。
【００２９】
最終的に、ＢＳＦ層１２０には、ｐ＋コンタクト層１２１が堆積される。
【００３０】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱せずに、このセル構造において付加的な層（１つ又は複数）を追加又は除去してもよいことが明らかであろう。
【００３１】
図２は、ｐ＋半導体コンタクト層１２１の上に金属コンタクト層１２２が堆積された次の処理ステップの後の図１のソーラーセルを示す断面図である。金属は、Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕであるのが好ましい。
【００３２】
図３は、金属層１２２の上に接着剤層１２３が堆積された次の処理ステップの後の図２のソーラーセルを示す断面図である。接着剤は、ＧｅｎＴａｋ３３０（ジェネラルケミカル社により供給される）であるのが好ましい。
【００３３】
図４は、代用基板、好ましくは、サファイアが取り付けられる次の処理ステップの後の図３のソーラーセルを示す断面図である。代用基板は、厚みが約４０ミルであり、接着剤及び基板のその後の除去を助けるために、直径約１ｍｍの穴が４ｍｍの間隔で開けられている。
【００３４】
図５Ａは、基板１０１、バッファ層１０３及びエッチング停止層１０４を除去する一連のラッピング及び／又はエッチングステップによりオリジナル基板が除去される次の処理ステップの後の図４のソーラーセルを示す断面図である。エッチング剤は、成長基板に依存する。
【００３５】
図５Ｂは、図の最下部に代用基板１２４が来る方向から図５Ａのソーラーセルを見た図５Ａのソーラーセルの別の断面図である。
【００３６】
図６Ａは、ソーラーセルが実施されるウェハの上面図である。
【００３７】
各セルには、グリッド線５０１（図１０の断面図により詳細に示す）、相互接続バス線５０２、及びコンタクトパッド５０３がある。
【００３８】
図６Ｂは、図６Ａに示す４つのソーラーセルをもつウェハの底面図である。
【００３９】
図７は、燐化物及び砒化物のエッチング剤を使用して各セルの周囲でメサ５１０がエッチングされる次の処理ステップの後の図６Ａのウェハを示す上面図である。
【００４０】
図８は、図５Ｂのソーラーセルの簡単な断面図で、代用基板１２４の上の幾つかの上部層及び下部層を示す図である。
【００４１】
図９は、ＨＣＬ／Ｈ2Ｏ溶液によりエッチング停止層１０４が除去される次の処理ステップの後の図８のソーラーセルを示す断面図である。
【００４２】
図１０は、コンタクト層１０５の上にホトレジストマスク（図示せず）を配置してグリッド線５０１形成する次の一連の処理ステップの後の図９のソーラーセルを示す断面図である。グリッド線５０１は、コンタクト層１０５上に蒸着により堆積され、リソグラフ的にパターニング及び堆積される。マスクが離昇されて、金属グリッド線５０１が形成される。
【００４３】
図１１は、グリッド線をマスクとして使用し、クエン酸／過酸化物エッチング混合物を使用して表面を窓層１０６までエッチングする次の処理ステップの後の図１０のソーラーセルを示す断面図である。
【００４４】
図１２は、グリッド線５０１をもつウェハの「底部」側の全面に反射防止（ＡＲＣ）誘電体被覆層１３０が付着される次の処理ステップの後の図１１のソーラーセルを示す断面図である。
【００４５】
図１３は、燐化物及び砒化物のエッチング剤を使用して金属層１２２までメサ５１０がエッチングされる次の処理ステップの後の図１２のソーラーセルを示す断面図である。この断面図は、図７のＡ−Ａ平面から見たものとして示されている。次いで、１つ以上の銀電極がコンタクトパッド（１つ又は複数）に溶接される。
【００４６】
図１４は、代用基板１２４呼び接着剤１２３がＥＫＣ９２２により除去された後の次の処理ステップの後の図１３のソーラーセルを示す断面図である。代用基板に設けられる好ましい孔は、直径が０．０３３インチで、０．１５２インチだけ分離されている。
【００４７】
図１５は、ＡＲＣ層１３０及びそれに取り付けられたカバーガラスの上に接着剤が付着される次の処理ステップの後の図１４のソーラーセルを示す断面図である。
【００４８】
本発明の効果の実験的指示が図１６ないし１８に示されている。図１に示す形式であるが、バリア層１１６ａ及び１１６ｂをもたない構造体が、４ｃｍ2セルへと成長され製造される。外部量子効率（ＥＱＥ）の測定が行われ、図１６に示す結果は、中間サブセルＢの長い波長の応答が、予想より低かったことを示している。この観察は、成長方向とは逆の貫通転位の伝播が、中間セルの効率低下の原因であることを示唆している。ノマースキー(Nomarski)の顕微鏡検査は、格子整合サブセルＡの初期エピタキシャル層における予想されないクロスハッチ（ストレインレリーフのモード）を示している。光ルミネセンスマッピングは、更に、中間サブセルＢのルミネセンスが予想より低かったことを明らかにしている。陰極線ルミネセンスの測定は、貫通転位の密度が中間サブセルにおいて高いが、貫通転位は、上部サブセルＡを貫通しないことを示している。これらの測定値は、図１６に示すＥＱＥの測定値と一貫している。
【００４９】
図１７は、本発明によりバリア層１１６ａの追加を伴う場合と、伴わない場合の、三重接合ソーラーセルの中間サブセルのＥＱＥ測定の比較を示す。サブセルＢ（バリア層を伴わない）のグラフは、積算電流（ＡＭＯ）が１５．６ｍＡ／ｃｍ2で、ＥＱＥがサブセルＤ（バリア層を伴う）より低く、その積算電流（ＡＭＯ)は、１７．４ｍＡ／ｃｍ2である。
【００５０】
本発明のソーラーセルにバリア層を使用する効果は、図１６及び１８のＥＱＥグラフの比較から明らかであろう。図１６は、バリア層を伴わない図１のソーラーセルのＥＱＥであり、図１８は、バリア層を伴うソーラーセルのＥＱＥである。図１８のソーラーセルの中間サブセルＢの電流（１７．４ｍＡ／ｃｍ2）は、上部サブセルＣの電流（１８．４ｍＡ／ｃｍ2）より若干低いだけである。中間サブセル及び上部サブセルのこのように厳密な電流整合は、本発明の効果を立証している。
【００５１】
また、上述した素子の各々、或いはその２つ以上は、上述した形式の構造とは異なる他の形式の構造にも有用に適用できることを理解されたい。
【００５２】
本発明の好ましい実施形態は、上部及び下部の電気コンタクトを伴うサブセルの垂直スタックを使用しているが、これらサブセルは、金属コンタクトにより、サブセル間の横方向導電性半導体層に接触されてもよい。このような構成は、３端子、４端子、及び一般的には、ｎ端子のデバイスを形成するように使用できる。これらサブセルは、これら付加的な端子を使用して回路が相互接続されて、各サブセルに得られる光発生電流密度の大部分を効率的に使用して、光発生電流密度が典型的に種々のサブセルにおいて異なるにも関わらず、多接合セルのための高い効率を導くことができる。
【００５３】
上述したように、本発明は、１つ以上のホモ接合セル又はサブセル、即ちｐ−ｎ接合がｐ型半導体とｎ型半導体の間に形成され、その両方が同じ化学的組成及び同じバンドギャップを有し、ドーパント種及び形式のみが異なるようなセル又はサブセルを使用することができる。ｐ型及びｎ型のＩｎＧａＰをもつサブセルＡは、ホモ接合サブセルの一例である。或いはまた、本発明は、１つ以上のヘテロ接合セル又はサブセル、即ちｐ−ｎ接合を形成するｐ型及びｎ型領域に異なるドーパント種及び形式を使用するのに加えて、ｐ型及びｎ型領域に半導体材料の異なる化学的組成を有し、及び／又はｐ型領域に異なるバンドギャップエネルギーを有するｐ型半導体とｎ型半導体の間にｐ−ｎ接合が形成されるようなセル又はサブセルを使用することができる。
【００５４】
窓又はＢＳＦ層の組成は、格子定数及びバンドギャップ要件を受ける他の半導体化合物を使用してもよく、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ及び同様の材料を含んでもよく、それでも本発明の精神内に包含される。
【符号の説明】
【００５５】
１０１：基板
１０２：核生成層
１０３：バッファ層
１０４：エッチング停止層
１０５：コンタクト層
１０６：窓層
１０７：ｎ＋エミッタ層
１０８：ｐベース層
１０９：ＢＳＦ層
１１０：ｐ型及びｎ型層（トンネルダイオード層）
１１１：窓層
１１２：ｎ＋エミッタ層
１１３：ｐベース層
１１４：ＢＳＦ層
１１５：ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード
１１６ａ：バリア層
１１６：グレーディング中間層（メタモルフィックバッファ層）
１１６ｂ：バリア層
１１７：窓層
１１８：ｎ＋エミッタ層
１１９：ｐベース層
１２０：ＢＳＦ層
１２１：ｐ＋コンタクト層
１２２：金属コンタクト層
１２３：接着剤層
１２４：代用基板
５０１：グリッド線
５０２：相互接続バス線
５０３：コンタクトパッド
５１０：メサ
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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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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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月10日(2014.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部サブセル、中間サブセル及び下部サブセルを含む多接合ソーラーセルを形成する方法であって、
半導体材料のエピタキシャル成長のために第１基板を準備するステップと、
第１バンドギャップを有する第１ソーラーサブセルを前記基板の上に形成するステップと、
前記第１バンドギャップより小さい第２バンドギャップを有する第２ソーラーサブセルを前記第１ソーラーサブセルの上に形成するステップと、
前記第２サブセルの上に第１バリア層を形成するステップと、
前記第２バンドギャップより大きい第３バンドギャップを有するグレーディング中間層を前記第１バリア層の上に形成するステップと、
前記グレーディング中間層の上に第２バリア層を形成するステップと、
前記第２バンドギャップより小さい第４バンドギャップを有する第３ソーラーサブセルであって、前記第２サブセルに対して格子不整合している第３サブセルを、前記グレーディング中間層の上に形成するステップと、
を含み、
前記第１及び第２バリア層は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成され、前記第２バリア層は、第１バリア層とは異なる組成を有し、前記第１及び第２バリア層は、成長する方向とは逆に、或いは成長する方向に、貫通転位が伝播するのを防止するのに適した材料及び格子定数で構成される、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第２ソーラーサブセルの上にバイパスダイオードを形成するステップをさらに含み、前記第１バリア層が、前記バイパスダイオードの上に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１基板が、ゲルマニウム及びＧａＡsを含むグループから選択され、前記第１ソーラーサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐエミッタ領域及びＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐベース領域により構成され、前記第２のソーラーセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域とにより構成され、前記第２ソーラーサブセルが、ＩｎＧａＰエミッタ領域及びＧａＡｓベース領域により構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記グレーディング中間層がＩｎＧａＡｌＡｓにより構成され且つ１．５ｅＶのバンドギャップを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
基板と、
該基板の上における第１バンドギャップを有する第１ソーラーサブセルと、
前記第１サブセルの上に配置され、前記第１バンドギャップより小さい第２バンドギャップを有する第２ソーラーサブセルと、
貫通転位の伝播を低減させるために前記第２サブセルの上に配置された第１バリア層と、
前記第１バリア層の上に配置され、前記第２バンドギャップより大きい第３バンドギャップを有するグレーディング中間層と、
前記グレーディング中間層の上に配置された第２バリア層と、
前記第２バリア層の上に配置され、前記第２サブセルに対して格子不整合しており、前記第２バンドギャップより小さい第４バンドギャップを有する第３のソーラーサブセルと、
を具備し、
前記第１及び第２バリア層は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成され、前記第２バリア層は、第１バリア層とは異なる組成を有し、前記第１及び第２バリア層は、貫通転位が伝播するのを防止するのに適した材料及び格子定数で構成される、
ことを特徴とする多接合ソーラーセル。
【請求項７】
前記第１バリア層が、前記グレーディング中間層以上のバンドギャップエネルギーを有する、請求項６に記載のソーラーセル。
【請求項８】
前記基板が、ゲルマニウム及びＧａＡsを含むグループから選択され、前記第１ソーラーサブセルがＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐにより構成され、前記第２ソーラーサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮエミッタ領域と、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域と、により構成され、前記第３ソーラーサブセルがＩｎＧａＡｓにより構成される、請求項６に記載のソーラーセル。