(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層(56)とその内側に位置し第１の層(56)によって保護されている第２の層(55)とを有している多層の後部表面フィールド構造(58)と、
前記後部表面フィールド構造(58)上に配置されているベース層(14)と、
第１の型のドーピング物質を含み、第１のエネルギバンドギャップを有し、第１の厚さを有し、前記ベース層(14)上に配置されている１次ウィンドウ層(12)と、
第１の型のドーピング物質を含み、前記１次ウィンドウ層(12)を覆って配置されている２次ウィンドウ層(11)とを具備し、
前記多層の後部表面フィールド構造(58)の前記第１の層(56)は前記第２の層(55)のエネルギバンドギャップより大きい第１の層のエネルギバンドギャップを有し、この第１の層(56)は後部表面フィールド構造(58)の前記ベース層(14)から一番遠い位置に配置され、前記第２の層(55)と前記第１の層(56)との間の約０．０３０乃至１．０ｅＶのエネルギバンドギャップ差により前記第２の層(55)の表面における少数キャリア再結合を減少させており、
前記２次ウィンドウ層(11)は前記１次ウィンドウ層(12)の前記第１の厚さよりも薄い第２の厚さを有し、前記１次ウィンドウ層(12)の第１のエネルギバンドギャップより大きい第２のエネルギバンドギャップを有し、前記１次ウィンドウ層(12)から光起電により発生された電流の収集を増加させている光起電セル。
【請求項２】
前記ベース層(14)は第２の型のドーピング物質を含んでいる請求項１記載の光起電セル。
【請求項３】
前記第１の型のドーピング物質はｎ型のドーピング物質である請求項２記載の光起電セル。
【請求項４】
前記第１の型のドーピング物質はｐ型のドーピング物質である請求項２記載の光起電セル。
【請求項５】
前記ベース層(14)と１次ウィンドウ層(12)との中間に配置され、前記第１の型のドーピング物質を含むエミッタ層(13)をさらに具備している請求項１乃至４のいずれか１項記載の光起電セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電セル、特に改良された性能および効率が得られるパッシベーション構造を有する改良された光起電セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光起電（ＰＶ）セルについては、従来から汚染の問題を解決するために関心が持たれており、リソースは限定されている。しかしながら、地上および非地上アプリケーションの両者において依然として関心が持たれている。地球外部の宇宙空間のような非地上環境では、任意の型式の限定されたリソースが主要な問題となっている。これはリソース量を増加させるにはペイロード量を増加する必要があるためである。増加したペイロードは線形の関係ではなく急速にコストを増加するので衛星の発射価格を大きく増加させる。しかしながら、衛星のような宇宙船の外部の空間の太陽エネルギの利用を容易に行うために太陽エネルギから電気エネルギへの変換を行うことはペイロードを増加する代りとして利用することができる。アプリケーションにかかわりなく、エネルギ発生システムにより、光起電セルの出力および／または効率を増加する努力が行われている。出力に関して、異なるエネルギバンドギャップを有する多数のセルまたは層が積層され、それによって各セルまたは層は太陽光の広範囲のエネルギ分布の異なった部分を吸収することができる。積層された装置は１つまたは多数の基体上にモノリシック構造として設けられている。多数のセルの装置の例は、米国特許第５，８００，６３０  号、５，４０７，４９１  号、５，１００，４７８  号、４，３３２，９７４  号、４，２５５，２１１  号、４，０１７，３３２  号明細書に示されている。
【０００３】
多数のセルの装置では、半導体材料は典型的に多数のｐ−ｎ（またはｎ−ｐ）接合を形成するように整合された格子構造である。ｐ−ｎ（またはｎ−ｐ）接合はホモ接合またはヘテロ接合型である。太陽電磁エネルギが接合部に入射されたとき、過剰な電荷キャリア（即ち電子およびホール）が接合部に隣接する半導体材料中の導電帯および価電子帯で発生される。それによって電圧が接合部を横切って生成され、そこから電流が使用されることができる。太陽電磁エネルギが、低いエネルギ範囲に最適化されている次の接合部を通過したとき、この低いエネルギ範囲で付加的な太陽エネルギを使用可能な電流に変換することができる。多数の接合部により、より大きな変換効率と増加した出力電圧が得られる。
【０００４】
しかし、多数のセルを有するＰＶ装置では、発生された電流が１つのセルから次のセルへ流れることを可能にするために個々のセル間で低い抵抗のインターフェイスが必要であるために効率が制限される。したがって、モノリシック構造では、トンネル接合およびその他の導電性インターフェイス層が電流の流れに対する妨害を最少にするために使用されている。多数のウェハを有する構造では、金属グリッドまたは透明な導電層は低抵抗の接続に使用されている。
【０００５】
多数のセルのＰＶ装置に対する別の限界は、各接合部における電流出力が直列接続において最適の効率のために同じでなければならないことである。また、各連続する接合部は論理的な最大値と比べて損失を生じるので、接合部の数には実質上制限がある。
【０００６】
ＰＶ装置の効率に関する問題は、従来のシリコンよりも効率の高いゲルマニウム、砒化ガリウム、燐化インジウム、燐化ガリウムインジウムの使用についてさらに関心が持たれている。燐化インジウムその他の燐化物半導体は、一般的に放射線に対して抵抗性がある別の利点を有し、これは宇宙空間において使用されるときには特に有効である。
【０００７】
多数の接合部または単一接合部を有するＰＶ装置のいずれであっても、一般的なＰＶセルにおいて、ベース／基体上に配置されたエミッタ層上で単一のウィンドウ層を使用することが提案されており、その１例は米国特許第５，３２２，５７３  号明細書に示されている。その代わりに、単一のウィンドウ層はベース／基体上に直接的に配置されることも可能である。どちらの例でも、単一のウィンドウ層はパッシベーション層として作用し、それによって少数キャリアの再結合がエミッタ層（またはエミッタ層が存在しない場合のベース）の前面部分で減少される。表面再結合の減少は電池の効率を増加させる傾向がある。
【０００８】
さらに、このウィンドウ層が光透過性である必要があるので、このウィンドウ層は典型的に比較的薄く、すなわち、例えば米国特許第５，３２２，５７３  号明細書で示されているように約１００ｎｍよりも小さい厚さを有し、例えば約１０乃至１００ｎｍの厚さの範囲である。事実、従来技術では米国特許第５，３２２，５７３  号明細書のようにウィンドウ層はできる限り薄くすべきであることを示している。しかしながら、過去に使用された単一のウィンドウ層には幾つかの欠点があり、その１つとして少数キャリアの表面の再結合が性能に悪影響を与える程度に生じる欠点がある。さらに、比較的薄いウィンドウ層は、不純物の不所望な拡散に対して適切なバリアを与えず、また結晶の欠陥を発生する。薄いウィンドウはまた機械的強度が低く、エミッタの横方向の導電度損失を減少させる助けとなるシート導電度が小さく、また、反射損失を最少にするのに十分な自由度を可能にしない。
【０００９】
米国特許第５，８００，６３０  号明細書には、通常の１つの層のウィンドウの使用に類似して、ベース／基体の下の１つの層の後部表面フィールド構造を使用する装置が記載されている。後部表面フィールド構造は、前述の１つのウィンドウ層のようなパッシベーション層として作用することを目的としている。しかしながら、１つの層の後部表面フィールド構造の欠点は１つのウィンドウ層に関して前述したのと同様な欠点を含んでいる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
多数の接合または単一の接合を有する装置として構成されることができる光起電セルを含む改良された光起電セルが必要とされている。また、ヘテロ接合型であり、ｐ−ｎ接合またはｎ−ｐ接合を含む改良された光起電セルが必要とされる。また、増加された効率とさらに大きな出力電圧を有する光起電セルが必要とされている。さらに、光起電セル、特に少数キャリア半導体装置で使用されることができる改良されたパッシベーション構造が必要とされている。また、後部表面フィールド構造を含んでいる光起電装置で使用されることができる改良されたパッシベーション構造もまた必要とされる。Ｇｅ、ＧａＡｓ、またはＧａＩｎＰから作られるベースを有する光起電セルはまた良好な効率が必要とされる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多数の接合または単一の接合装置における効率を改良できる改良された光起電セルに関する。改良された光起電セルはホモ接合またはヘテロ接合の形式であり、ｐ−ｎ接合またはｎ−ｐ接合を含むことができる。本発明のパッシベーション構造は光起電セルだけではなく、一般的な少数キャリア半導体装置でも使用されることができる。
【００１２】
本発明の光起電セルは、第１の層とその上に位置する第２の層とを有している多層の後部表面フィールド構造と、前記後部表面フィールド構造上に配置されているベース層と、第１の型のドーピング物質を含み、第１のエネルギバンドギャップを有し、前記ベース層上に配置されている１次ウィンドウ層と、第１の型のドーピング物質を含み、前記１次ウィンドウ層上に配置されている２次ウィンドウ層とを具備し、前記多層の後部表面フィールド構造の前記第１の層は前記第２の層のバンドギャップより大きい第１の層のバンドギャップを有し、この第１の層は後部表面フィールド構造の前記ベース層から一番遠い位置に配置されて第２の層を保護しており、前記２次ウィンドウ層は前記１次ウィンドウ層を保護し、前記１次ウィンドウ層の第１のエネルギバンドギャップより大きい２次エネルギバンドギャップを有して前記１次ウィンドウ層から光起電により発生された電流の収集を増加させていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の１実施形態では、改良された光起電セルは、第１の型のドーピング物質のベース層と、ベース層上に配置された第２の型のドーピング物質のエミッタ層と、第２の型のドーピング物質を有しエミッタ層上に配置された１次ウィンドウ層と、第２の型のドーピング物質を有し１次ウィンドウ層上に配置された２次ウィンドウ層とを含んでいる。
【００１４】
本発明の光起電セルのベース層はＧｅ、ＧａＡｓ、またはＧａＩｎＰから作られることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらおよびその他の特徴、特性、利点は以下の図面、説明、特許請求の範囲の記載を参照して良好に理解されるであろう。
本発明の改良された光起電セルを以下、種々の実施形態で説明する。しかしながら、一般的に本発明の光起電セルはパッシベーション構造として動作するウィンドウ構造を含んでいる。特に本発明の１実施形態においては、ウィンドウまたはパッシベーション構造は２つの層から作られる。ウィンドウ構造は太陽エネルギを受けて、これをエミッタ層とベース層に送る。その代わりに、太陽エネルギはウィンドウ構造からベース層へ直接送られ、それによってウィンドウ構造はまたエミッタ層として動作する。本発明の光起電セルはまたパッシベーション構造として作用する多層後部表面フィールド構造を含んでいる。
【００１６】
さらに、本発明は衛星７０（図６）の太陽パネル７１のような宇宙船において特に有用であり、その他の応用、即ち地上および非地上用が考えられる。さらに、本発明は光起電セルに関して説明されているが、本発明はそれに限定されない。
【００１７】
本発明の技術的範囲内において、本発明の少数キャリア半導体装置を構成する異なる半導体層が分子ビームエピタクシ（ＭＢＥ）、液相エピタクシ（ＬＰＥ）、金属−有機物化学的気相付着（ＭＯＣＶＤ）のような技術的に知られている多数の処理により作られることができることが当業者により認識されることができる。このような既知の方法にしたがって、半導体層を構成する特定の材料が特定の要求を満たすため変更され最適化されることができる。
【００１８】
図１のａは本発明で使用される多層ウインドウ層を備えた光起電セル１０を示している。この実施形態では、セル１０は、好ましくはエネルギが反射防止層または被覆（図示せず）或いはウィンドウ構造１５の上部に配置された多数の接合の太陽電池の別のコンポーネントセル（図示せず）を最初に通過した後に太陽エネルギを受けることができるウィンドウまたはパッシベーション構造１５を含んでいる。反射防止層は空気とセル１０の半導体層との間の表面反射を最小にすることを目的とし、それによってより多くの光子がセル１０に入ることを可能にする。反射防止層はＡｌ２  Ｏ３  、ＴｉＯ２  、ＳｉＯ２  、またはＴａ２  Ｏ５  のような技術上よく知られた材料から作られることができる。反射防止被覆の厚さを変化することができるが、典型的に３０ｎｍ乃至１５０ｎｍの範囲である。
【００１９】
図１のａでは、ウィンドウ構造１５は多層型である。特に、この特定の実施形態では、ウィンドウ構造１５は２層型であり、それ故２つの層を含んでいる。本発明は、ウィンドウ構造１５が２よりも多くの層を含むことができるが、この実施形態では、２次ウィンドウ層１１は反射防止被覆（図示せず）の直接下に配置され、１次ウィンドウ層１２は２次ウィンドウ層１１の直接下で以下説明するエミッタ層１３の上に配置される。２次ウィンドウ層１１と１次ウィンドウ層１２は第１の型のドーピング物質を有する半導体材料から作られ、これについてはさらに以下で説明する。不可欠の要件ではないが、ウィンドウ１１、１２は好ましくは相互に一致した格子構造であることが好ましい。
【００２０】
ウィンドウすなわちパッシベーション構造１５の機能は、第１の型のドーピング物質を有しウィンドウ構造１５の直接下に配置された半導体材料から作られているエミッタ層１３を部分的に被膜で保護する。光子発生がエミッタ層１３で生じたとき、太陽エネルギが入射するエミッタ層１３の前部表面（またはインターフェイス）１６で少数キャリアの再結合（即ち電子とホールの再結合）が生じる傾向がある。表面（またはインターフェイス）の再結合を最少にする１次ウィンドウ層１２の能力は、エミッタ層１３と比較してさらに広いエネルギバンドギャップを有することによるものである。光子発生が１次ウィンドウ層１２で生じることができるので少数キャリアの再結合はまた、２次ウィンドウ層１１とインターフェイスする１次ウィンドウ層１２の前部表面１７で生じることができる。それ故、２次ウィンドウ層１１は１次ウィンドウ層１２の表面（またはインターフェイス）１７における少数キャリアの表面（またはインターフェイス）再結合を最少にするように設けられている。この最少化は１次ウィンドウ１２よりも２次ウィンドウ１１が広いエネルギバンドギャップを有することにより与えられる。１次ウィンドウ１２の前部表面１７の少数キャリア再結合の減少により、さらに多量の密度の電流が１次ウィンドウ１２で光により発生された総電流密度から集められることができる。さらに、その同じ減少はエミッタ層１３から１次ウィンドウ１２へ注入されることができる少数キャリアの損失を最少にし、それによってセル１０から高い電圧が生成される。
【００２１】
それ故、認識されるように、付加的なウィンドウ層が、２次ウィンドウ１１の前部表面１８で生じる表面再結合を付加的に減少させるため２つのウィンドウ層１１、１２を覆って設けられることができる。付加されたウインドウ層によって得られる効果は線形に増加するものではないのでウィンドウの総数には事実上限度がある。
【００２２】
ウィンドウ層の数にかかわりなく、表面再結合を最少にする目的で、反射防止層の方向に上方に向うウィンドウ層の順序における隣接ウィンドウ層間のバンドギャップ幅の差は、少数キャリアがさらに広いバンドギャップを“認識する”のに十分な認識可能な大きさであることを必要とする。それにもかかわらず、増加される最少化は線形の変化ではないが、隣接ウィンドウのバンドギャップの差が大きい程、表面再結合の最少化は大きくなる。一方、バンドギャップ幅の差が増加すると、広いバンドギャップ材料へのドーピングが困難であるなどの欠点が生じる。したがって、２次ウィンドウ１１と１次ウィンドウ１２との間のバンドギャップ幅の差は好ましくは約３０ｍｅＶから１０００ｍｅＶの範囲であるべきである。約３０ｍｅＶよりも下では、表面再結合は十分に抑圧されず、一方、約１０００ｍｅＶより上では前述の欠点が生じる可能性がある。
【００２３】
２次ウィンドウ層１１の別の機能はドープ剤のような不純物またはポイント欠陥の１次ウィンドウ層１２へのまたは１次ウィンドウ層１２からの不所望な拡散を阻止できることである。これは１次ウィンドウインターフェイス１７と２次ウィンドウインターフェイス１８における（例えば各層の異なる組成、ドーピング物質、層の熱膨張係数の使用による）大きな物理的距離（厚さ）と改良された応力の制御により実現される。反対に、このような拡散が所望ならば、２次ウィンドウ層１１は前述した層のような層のパラメータを変更することにより拡散の強化に使用されてもよい。２次ウィンドウ層１１は結果的に高品質の結晶層を成長することにおいて１次ウインドウ層１２と比較してさらに良好なテンプレートとして作用する。
【００２４】
２次ウィンドウ層１１の前述の動作パラメータを与えることによって、ウィンドウ層１１、１２は広い範囲の材料から作られることができる。例として、２次ウィンドウ層１１はＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＡｌＡｓから作られることができる。２次ウィンドウ層１１のこのような材料に対しては、１次ウィンドウ層１２はそれぞれ例えば、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰおよびＧａＡｓ）、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、またはＡｌＧａＡｓ（またはＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ）から形成されることができる。
【００２５】
図１のａで示されているｎ−ｐ型の装置では、ウィンドウ層１１、１２の第１の型のドーピング物質はｎ型のドーピング物質である。使用される特定のドープ剤は技術的によく知られている方法にしたがって変化することができる。例えば２次ウィンドウ層１１がＡｌＩｎＰから作られ、１次ウィンドウ層１２がＧａＩｎＰから作られるならば、２次ウィンドウ１１のドープ剤はシリコンであり、１次ウィンドウ１２のドープ剤はテルルである。したがって、１次ウィンドウ１１と２次ウィンドウ１２のドープ剤濃度は約１Ｅ１７乃至１Ｅ１９（好ましくは約５Ｅ１７乃至５Ｅ１８）である。
【００２６】
材料のタイプがウィンドウ層１１、１２で変更できるのと同様に、それらの層の厚さもまた変更することができる。しかしながら典型的に、２次ウィンドウ１１は、この実施形態では、約２５０オングストローム乃至５００オングストロームであることが好ましいが、約１００オングストロームから２０００オングストロームの範囲であってもよい。このような厚さの範囲の２次ウィンドウ１１に対して、１次ウィンドウ１２は、約２５０オングストロームから５０００オングストロームの範囲の厚さ、好ましくは約１０００オングストローム乃至３０００オングストロームの範囲の厚さを有する。
【００２７】
図１のａで示されているように、エミッタ層１３は、セル１０中の光子発生および電流発生が生じる場所であり、これはベース層でも生じる。エミッタ層１３を構成する材料はウィンドウ層１１、１２および以下説明するベース層１４で使用される材料に依存する。ウィンドウ層１１、１２の前述の例に対しては、エミッタ１３は例えばＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、好ましくはＧａＡｓ、またはＧａＩｎＰから作られることができる。エミッタ層１３の最適な厚さはまたウィンドウ層１１、１２の厚さによって変化する。前述の厚さの範囲のウィンドウ層１１、１２を使用するとき、エミッタ層１３の厚さは約１０００オングストローム乃至３０００オングストロームの範囲であり、好ましくは約１５００オングストロームから２５００オングストロームである。図１のａで示されているように、エミッタ層１３は第１の型のドーピング物質を含んでいる。エミッタ１３に有効なドープ剤の幾つかの例としては、シリコン、セレン、テルル、錫（ｎ型のドープ剤）があり、テルルが好ましい。エミッタ１３のドープ濃度は典型的に約０．９Ｅと５Ｅ１８の間で変化でき、好ましくは約１Ｅ１８と３Ｅ１８の間である。
【００２８】
図１のａで示されているエミッタ層１３の直接下には基体であるベース層１４があり、これはセル１０の一体構造を与える。この実施形態はｎ−ｐ型の装置であるので、ベース層１４は第２の型のドーピング物質、即ちｐ型のドーピング物質を含有する材料から作られる。有用なドープ剤には、炭素、亜鉛、マグネシウム（ｐ型）が含まれるが亜鉛が好ましい。それにより、ｎ−ｐ接合はエミッタ層１３とベース層１４の接合部（ホモ接合またはヘテロ接合）で形成される。このような接合を横切る接合部の電圧差は、太陽エネルギの入射により光子により発生される電荷キャリアが過剰であるために生成されることができる。電圧差から、出力電流が生成され、これはベース層１４を経てセル１０の外部に接続される外部端子部（図示せず）へ伝達される。
【００２９】
ベース層１４はその機能を行うために好ましくはエミッタ１３と実質上同一のバンドギャップ幅を有する。等しいバンドギャップ幅が必要であることにより、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓのような種々の材料がベース層１４に使用できる。ベース層１４の厚さは変化されることができる。エミッタ層１３とウィンドウ構造１５の前述の厚さの範囲では、ベース層１４の厚さは典型的に約０．２５から５マイクロメートル範囲であり、好ましくは約０．３から４マイクロメータである。
【００３０】
図１のｂは別の実施形態を示している。この実施形態は光起電セル２０がｐ−ｎ型である点を除いて図１のａで示されている構造と同一である。したがって、セル２０は２次ウィンドウ層２１と１次ウィンドウ層２２とを有する２層ウィンドウまたはパッシベーション構造２５を含み、その両者はｐ型にドープされた材料から作られている。エミッタ層２３はパッシベーション構造２５の下に配置されｐ型にドープされた材料から作られる。ｐ−ｎ接合はｎ型のドープ材料から作られたベース層２４との間に形成される。
【００３１】
図２のａはｎ−ｐ型の装置の別の実施形態を示している。光起電セル３０はエミッタ層が設けられていない点を除いて図１のａで示されているセル１０と同一構造を有する。図２のａで示されているように、光起電セル３０は、２次ウィンドウ層３１と１次層ウィンドウ層３２を有する多層ウィンドウ構造またはパッシベーション構造３４を含んでいる。エミッタ層を省略することによって、１次ウィンドウ層３２はエミッタとウィンドウの両者として作用する。ウィンドウ３１、３２の両者は同一の導電型、即ちｎ型のドーピング物質を有する材料から作られる。図２のａから認められるように、パッシベーション構造３４の直接下にベース層または基体３３が存在する。ほとんどの光子生成は、同一のバンドギャップの分離されたエミッタ層の存在する場合と反対にベース層３３で生じる。結果として、ベース層３３の前部表面３５では少数キャリアの再結合が生じるが、それはウィンドウ構造３４により最少にされる。
【００３２】
図２のａで示されている実施形態では、２次ウィンドウ層３１と１次ウィンドウ層３２は図１のａの実施形態のウィンドウ１１、１２と同一の材料およびドープ剤を使用して作られる。同様に、ウィンドウ３１、３２の厚さはウィンドウ１１、１２と同一の厚さである。ベース層３３の厚さ、材料、ドープ剤、ドープ剤濃度は図１のａで示されている実施形態と類似している。
【００３３】
図２のｂはこれがｐ−ｎ型の装置である点を除いて、図２のａで示されているのと同様の構造を示している。このように、光起電セル４０は２次ウィンドウ層４１と１次ウィンドウ層４２のｐ型にドープされた材料から作られるウィンドウまたはパッシベーション構造４４を有する。パッシベーション構造４４はｐ型であり、ベース４３はｎ型である。
【００３４】
図３のａは図１のａで示されている構造に多層後部表面フィールド（ＢＳＦ）構造５８を付加して構成された本発明の１実施形態を示している。光起電セル５０はｎ−ｐ型である場合、ウィンドウまたはパッシベーション構造５７は２次ウィンドウ層５１と１次ウィンドウ層５２の両者共にｎ型のドープ材料を含んでいる。バンドギャップ幅の差は図１のａのパッシベーション構造１５のバンドギャップ幅に類似しており、それによってエミッタ層５３の前部表面５９の少数キャリア再結合が減少されることができる。半導体材料、ドープ剤、濃度、層５１と５２の厚さは図１のａで示されている層１１、１２と類似している。図３のａでは、エミッタ層５３はｎ型の材料から作られ、厚さは図１のａで示されているエミッタ層１３と類似している。同様に、図３のａのベース層５４はｐ型の材料から作られ、厚さは図１のａで示されているベース層１４と類似している。
【００３５】
図３のａで示されているように、ＢＳＦ構造５８は２層タイプであり、１次後部表面フィールド層５５と２次後部表面フィールド層５６とを含んでいる。ＢＳＦ構造５８はこれがベース層５４の後部表面６０ａと２次ＢＳＦ層５６の後部表面６０ｂにおける少数キャリアの表面再結合を最少にする点を除いて、ウィンドウ構造５７と類似したパッシベーション機能を与える。したがって、ＢＳＦ構造５８の一番下の第１の層である２次ＢＳＦ層５６のバンドギャップは第２の層である１次ＢＳＦ層５５のバンドギャップよりも大きい。ＢＳＦ構造５８はウィンドウ構造５７のように２層よりも多い数の層を有することができる。ＢＳＦ層５５、５６はｐ型にドープされた材料から作られている。例として、１次ＢＳＦ層５５は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＧａＩｎＰ（またはＧａＡｓ）、ＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰおよびＧａＡｓ）ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、またはＡｌＧａＡｓ（またはＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ，ＧａＡｓ）から作られることができ、２次ＢＳＦ層５６はＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＡｓから作られることができる。ＢＳＦ層５５、５６のドープ物質には炭素、マグネシウム、亜鉛が含まれるが、亜鉛が好ましい。両方の層５５と５６のドープ物質の濃度は約１Ｅ１８から１Ｅ２０の範囲であり、５Ｅ１８乃至２Ｅ１９の範囲が好ましい。ＢＳＦ層５５と５６の厚さは変化できる。しかしながら、セル５０のその他の層が前述の厚さであると、ＢＳＦ層５５は約１００オングストロームから４０００オングストロームの範囲であり、ＢＳＦ層５６は約１００オングストロームから４０００オングストロームの範囲である。好ましくは厚さはそれぞれ約５００オングストロームから２０００オングストロームの範囲および２００オングストロームから５００オングストロームの範囲である。
【００３６】
図３のｂはこれがｐ−ｎ型の装置である点を除いて、図３のａで示されているのと同一の本発明の別の実施形態を示している。このように、光起電セル６９は２次ウィンドウ層６１と１次ウィンドウ層６２のｐ型のドープされた材料から作られるウィンドウまたはパッシベーション構造６７を有する。エミッタ６３もｐ型にドープされている。パッシベーション構造６７はｐ型であり、ベース層６４はｎ型である。多層後部表面フィールド（ＢＳＦ）構造６８は１次後部表面層６５と２次後部表面層６６とを含んでおり、この両者はｎ型にドープされている。
【００３７】
図１のａ乃至図３のｂで示されている光起電セルは単一の“厚い”ウィンドウ層を有するパッシベーション構造で構成されることができる。この用語“厚い”は過去に使用されたいわゆる“薄い”単一のウィンドウ層と区別することを意図している。特にここで記載された“厚い”単一のウィンドウ層は約１０００オングストローム以上の厚さを特徴とする。好ましくは、厚さは約１５００オングストローム乃至３０００オングストロームの範囲である。約１０００オングストロームよりも薄い厚さでは、ウィンドウ層の有効な効果は減少される。約４０００オングストロームの厚さを越えるとウィンドウ中の光吸収は過剰になり、必要以上の多くの時間および材料がＭＯＶＰＥ成長で使用される。
【００３８】
多層ウィンドウ構造において、単一の“厚い”ウィンドウ層は不純物および／またはポイント欠陥の不所望な拡散を阻止できる。このような拡散を強化するためにも使用されることができる。したがって、単一の“厚い”ウィンドウはＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＮおよび全ての先に示した１次および２次ウィンドウ層材料のような材料から作られることができる。単一のウィンドウはシリコン、セレン、テルル、錫のようなドープ剤を含むことができるが、シリコンまたはテルルが好ましい。ドープ剤の濃度は典型的に約１Ｅ１７から１Ｅ１９の範囲であり、５Ｅ１７から５Ｅ１８が好ましい。
【００３９】
当業者により認識されることができるように、本発明の光起電セルは単一の接合のセルとしての使用に限定されない。これは多数の接合を有する光起電セルに構成されることができる。さらに、本発明のウィンドウまたはパッシベーション構造は一般的なヘテロ接合半導体装置において使用されることができる。
【００４０】
例
図４は、本発明による２層ウィンドウの利点を試験するための幾つかの実験においてセルについて測定されたデータを示している。“厚い”ＧａＩｎＰ中間セルウィンドウ（ＭＣＷ）は約１５００乃至３０００オングストロームの厚さのＧａＩｎＰの単一層ウィンドウである。“厚い／薄い”ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰのＭＣＷは１５００乃至２５００オングストロームの厚さのＧａＩｎＰの１次ウィンドウ層と、２５０乃至５００オングストロームの厚さのＡｌＩｎＰの２次ウィンドウ層とを有する２層ウィンドウである。図５では、データは前述の実験から標準的な太陽電池の試験方法を使用してセルについて得られたものである。
【００４１】
勿論、前述の説明は本発明の好ましい実施形態に関し、特許請求の範囲に説明されているように本発明の技術的範囲を逸脱することなく変形を行ってもよいことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】２層のウインドウを具備したｎ−ｐ型の光起電セルおよびｐ−ｎ型の光起電セルの概略図。
【図２】エミッタのない２層のウインドウのｎ−ｐ型の光起電セルおよびｐ−ｎ型の光起電セルの概略図。
【図３】本発明による２層のウインドウおよび多層後部表面フィールド構造を有するｎ−ｐ型の光起電セルおよびｐ−ｎ型の光起電セルの概略図。
【図４】図１で示されているＧａ−Ａｓベースのセル上に２層ウィンドウを有するＧａＩｎＰおよびＧａＡｓコンポーネント光起電セルの測定された外部量子効率から得られた測定された電流密度の和を示したグラフ。
【図５】光起電セルを有する光起電セルにおける内部量子効率対波長の関係を示したグラフ。
【図６】本発明の光起電セルを太陽パネル一部分として使用している衛星の斜視図。
【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５】
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【図６】
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