(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多接合型ソーラセル（１０）の半製品であって、
第１の部分ソーラセルとして形成された、第１のバンドギャップを有する半導体ボディ（４０）を備え、
第２の部分ソーラセルとして形成された、第２のバンドギャップを有する半導体ボディ（５０）を備え、
第１の半導体ボディ（４０）と第２の半導体ボディ（５０）との間には、トンネルダイオードが形成され、
第１のバンドギャップが、第２のバンドギャップとは異なって形成されており、
さらに、基板層（２０）として形成された第１の支持材料を備え、
該第１の支持材料と前記第１の部分ソーラセルとの間に犠牲層（３０）が形成されている、
多接合型ソーラセル（１０）の半製品において、
前記基板層（２０）が、ＧａＡｓまたはＩｎＰまたはＧｅ−基板として形成されており、
前記犠牲層（３０）が、第３のバンドギャップを有し、該第３のバンドギャップは、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ前記第２のバンドギャップよりも小さく設定されており、さらに前記第３のバンドギャップは１．２ｅＶよりも小さく設定されており、
剥離後に前記第１の半導体ボディ（４０）と前記第２の半導体ボディ（５０）とから成るスタックを機械的に安定させるため、支持層（１００）が前記第２の半導体ボディ（５０）上に形成され、
前記第１の半導体ボディ（４０）と前記第２の半導体ボディ（５０）とから成るスタック及び前記支持層（１００）が、赤外線波長領域で入射される電磁的な放射線に対して透過性を有するように形成されており、
前記犠牲層（３０）が、赤外線スペクトル領域に吸収バンドを有するので、前記スタック及び前記支持層（１００）を通じて入射された電磁的なエネルギは、前記犠牲層（３０）においてのみ吸収され、これにより前記犠牲層（３０）が破壊されて前記第１の半導体ボディ（４０）から前記第１の支持材料が除去されるようになっている、
ことを特徴とする、多接合型ソーラセル（１０）の半製品。
【請求項２】
前記犠牲層（３０）は、前記第１の部分ソーラセルの格子定数とは異なる格子定数を有する、請求項１記載の半製品。
【請求項３】
前記犠牲層（３０）は、前記第１の部分ソーラセルに対して格子適合されている、請求項１記載の半製品。
【請求項４】
前記基板層（２０）は、１．５ｅＶよりも小さなエネルギを有するバンドギャップを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の半製品。
【請求項５】
前記犠牲層（３０）と前記第１の部分ソーラセルとの間にバッファ層が形成されており、該バッファ層は、前記第１の部分ソーラセルに対して素材結合式の結合を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の半製品。
【請求項６】
前記バッファ層は、ブラッグミラーとして形成されている、請求項５記載の半製品。
【請求項７】
基板層（２０）として形成された第１の支持材料を備えた多接合型ソーラセル（１０）を製造する方法であって、
第１の部分ソーラセルとして形成された、第１のバンドギャップを有する半導体ボディ（４０）を製造し、
第２の部分ソーラセルとして形成された、第２のバンドギャップを有する半導体ボディ（５０）を製造し、
第１の半導体ボディ（４０）と第２の半導体ボディ（５０）との間で、トンネルダイオードを形成し、
第１のバンドギャップを、第２のバンドギャップとは異なって形成し、
前記第１の支持材料と前記第１の部分ソーラセルとの間に犠牲層（３０）を形成する、
多接合型ソーラセル（１０）を製造する方法において、
前記基板層（２０）を、ＧａＡｓまたはＩｎＰまたはＧｅ−基板から形成し、
前記犠牲層（３０）を、１．２ｅＶよりも小さい第３のバンドギャップを有するように形成し、ただし該第３のバンドギャップは、前記第１のバンドギャップよりも小さくかつ前記第２のバンドギャップよりも小さく設定されており、
剥離後に前記第１の半導体ボディ（４０）と前記第２の半導体ボディ（５０）とから成るスタックを機械的に安定させるための支持層（１００）を、赤外線波長領域の電磁的な放射線が入射される前に、前記第２の半導体ボディ（５０）上に形成し、
前記第１の半導体ボディ（４０）と前記第２の半導体ボディ（５０）とから成るスタック及び前記支持層（１００）を、赤外線波長領域で入射される電磁的な放射線に対して透過性を有するように形成し、
後続の方法ステップにおいて、前記第１の半導体ボディ（４０）と前記第２の半導体ボディ（５０）とから成るスタック及び前記支持層（１００）を通じて入射された電磁的な放射線が前記犠牲層（３０）で吸収されることにより、前記犠牲層（３０）のみが破壊されて前記第１の半導体ボディ（４０）から前記第１の支持材料を除去することを特徴とする、多接合型ソーラセル（１０）を製造する方法。
【請求項８】
前記犠牲層（３０）と前記第１の部分ソーラセルとの間に、前記第１の部分ソーラセルに素材結合式に結合されたバッファ層を形成する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記バッファ層をブラッグミラーとして形成する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記犠牲層（３０）を、電磁波の吸収によって加熱し、かつ分解し、前記第１の部分ソーラセルと前記第２の部分ソーラセルとを一緒に前記犠牲層（３０）から剥離させる、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の部分ソーラセルまたは前記第２の部分ソーラセルに、別の単一ソーラセルまたは別の多接合型ソーラセルを形成し、該別の単一ソーラセルまたは別の多接合型ソーラセルは、前記第１の部分ソーラセルおよび前記第２の部分ソーラセルとは異なるバンドギャップを有する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の多接合型ソーラセルの半製品および請求項９の前提部に記載の、ソーラセルを製造する方法に関する。
【０００２】
米国特許第４７７４１９４号明細書に基づき、選択的な化学的なエッチングプロセスを用いて支持基板からＩＩＩ−Ｖ族主体のソーラセル層を剥離させる方法が公知である。さらに、米国特許第４８８３５６１号明細書および米国特許出願公開第２０１０／０１１６７８４号明細書に基づき、化学的なエッチングプロセスを主体とする、半導体層の支持基板から半導体層を分離させる方法が公知である。米国特許第５３７４５６４号明細書に基づき、イオンインプランテーションの方法を用いた半導体層の分離が公知である。さらに、独国特許出願公開第１９６４９５９４号明細書および米国特許第６０７１７９５号明細書に基づき、半導体材料、特に大きなバンドギャップを有する基板のＩＩＩ族窒化物を主体としたＬＥＤ層を分離するための光学的な方法が公知である。さらに、米国特許第７７８５９８９号明細書に基づき、別のソーラセル構造が公知である。
【０００３】
これらの背景技術に基づき、本発明の課題は、公知先行技術を改良する装置を提供することにある。
【０００４】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有する多接合型ソーラセルの半製品、および請求項９の特徴部に記載の特徴を有する、ソーラセルの製造法により解決される。本発明の有利な実施態様は、従属形式の請求項の対象である。
【０００５】
本発明の第１の対象によれば、多接合型ソーラセル（多接合型太陽電池）の半製品であって、第１の部分ソーラセルとして形成された、第１のバンドギャップを有する半導体ボディを備え、第２の部分ソーラセルとして形成された、第２のバンドギャップを有する半導体ボディを備え、第１の半導体ボディと第２の半導体ボディとが、トンネルダイオードとの素材結合式の結合を形成しており、第１のバンドギャップが、第２のバンドギャップとは異なって形成されており、さらに、基板層として形成された第１の支持材料を備え、該第１の支持材料と前記第１の部分ソーラセルとの間に犠牲層が形成されており、前記第１の支持材料が、前記犠牲層の破壊下に前記第１の半導体ボディから除去される、多接合型ソーラセルの半製品が提供される。念のため付言しておくと、両部分ソーラセルはスタック状に配置されており、そして「部分ソーラセル」とは、単独の半導体ボディとして、太陽スペクトルの特定の領域の入射光子のエネルギから電気的なエネルギを直接的な変換により発生させる半導体ボディを意味する。部分ソーラセルの感度領域は、全ての部分ソーラセルが一緒になって太陽スペクトルをできるだけ理想的に利用するように設定されている。スタック状に積み重ねられた多接合型ソーラセルのコンセプトを用いると、現在、最大４０％の変換効率を達成することができる。さらに付言しておくと、基板からの剥離の際に好ましくは犠牲層だけが破壊される。
【０００６】
本発明の第２の対象によれば、基板層として形成された第１の支持材料を備えた多接合型ソーラセルを製造する方法であって、第１の部分ソーラセルとして形成された、第１のバンドギャップを有する半導体ボディを製造し、第２の部分ソーラセルとして形成された、第２のバンドギャップを有する半導体ボディを製造し、この場合、第１の半導体ボディと第２の半導体ボディとの間で、トンネルダイオードとの素材結合式の結合を形成し、第１のバンドギャップを、第２のバンドギャップとは異なって形成し、前記第１の支持材料と前記第１の部分ソーラセルとの間に犠牲層を形成し、そして後続の方法ステップで、該犠牲層の破壊下に前記第１の支持材料を前記第１の半導体ボディから除去する、多接合型ソーラセルを製造する方法が提供される。
【０００７】
基板上に設けられた犠牲層の利点は、スタック状の多接合型ソーラセルが基板から簡単にかつ廉価に剥離され得ることである。この剥離プロセスによって、多接合型ソーラセルは、基板の損傷も多接合型ソーラセルの損傷もなしに、基板から分離され得る。剥離後に場合によっては基板上または第１の部分ソーラセル上に存在する犠牲層の残分は、クリーニングプロセスによって除去されることが好ましい。さらに、基板層の剥離後に別の部分ソーラセルが多接合型ソーラセルに被着され得ること、そしてこれによって３つ、４つまたはそれ以上の部分ソーラセルのスタックから成る高効率の多接合型ソーラセルが製造され得ることが好ましい。高効率のソーラセルとは、２５％よりも高い変換効率を有するソーラセルを意味する。
【０００８】
スタック状に積み重ねられた多接合型ソーラセルを、ＩＩＩ−Ｖ族系ソーラセル、すなわち周期律表の第三主族および第五主族の化合物半導体から成るソーラセルとして形成することが好適である。さらに、基板は多接合型ソーラセルの製造のために再使用され得る。基板は極めてコストがかかるので、基板の再使用によって製造コストを大幅に減少させることができる。前記新規分離技術の別の利点は、剥離が極めて迅速かつ信頼性良く実施され得ることである。実験により、前記新規方法もしくは新規構造が、８ｃｍ×４ｃｍまたはそれよりも大きな典型的なサイズを有する宇宙使用のための多接合型ソーラセルにおいて特に有利に使用され得ることが判った。さらに、前記新規剥離プロセスを、８ｃｍ×４ｃｍよりも下のサイズ、好ましくは１ｍｍ２〜４００ｍｍ２の範囲のサイズを有する多接合型ソーラセルの製造のために使用することも有利である。小さなサイズを有するこのような多接合型ソーラセルは、好適には地上の集光器システムにおいて使用され得る。
【０００９】
犠牲層は、該犠牲層が電磁的なエネルギを吸収して局所的に加熱され得るように形成することができると特に好ましい。こうして発生した犠牲層の熱による分解によって、基板をソーラセルスタックから簡単に分離することができる。これにより、生産におけるスループットおよび歩溜まりは高められ、製造コストは低下される。
【００１０】
電磁的な放射線の吸収に基づいた犠牲層の、熱により誘発される分解のためには、犠牲層が、１．５ｅＶよりも小さなエネルギを有するバンドギャップ、極めて好ましくは１．２ｅＶよりも小さなエネルギを有するバンドギャップを有していることが好適である。これにより、犠牲層は、可視光線に対しては透明でなくなり、赤外線のスペクトル領域において吸収バンドを有する。理想的には（ただし必ずしも必要ではないが）、犠牲層は、積み重ねられた多接合型ソーラセルの全ての層の最小バンドギャップエネルギを有する。これにより、積み重ねられた多接合型ソーラセルのその他の層、すなわち特に第１の半導体ボディと第２の半導体ボディとから成るスタックが、好ましくは赤外線の波長領域で入射される電磁的な放射線に対して透過性を有するように形成されている場合には、第１の半導体ボディと第２の半導体ボディとから成るスタックを通じて入射された電磁的なエネルギが、犠牲層にのみ吸収されることが保証される。犠牲層のバンドギャップエネルギと、入射した電磁的な放射線のエネルギとを互いに調和させることが好ましい。実験により、犠牲層の吸収バンドを、約１．１６ｅＶのエネルギを有するパルスレーザ、たとえば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ−ＹＡＧレーザを用いて、赤外線レーザ装置の波長に調和させることが好ましいことが判った。このためには、犠牲層のバンドギャップエネルギが、≦１．１５ｅＶの値に調節される。
【００１１】
実験により、基板の種類に応じて種々異なる材料が犠牲層のために適していることが判った。特に好ましくは、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板またはＧｅ基板から出発して、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＰもしくはその三元および四元の混合半導体から成る犠牲層を形成することができる。Ｇｅの低いバンドギャップに基づき、ＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板上の多接合型ソーラセルのためには、特にエピタキシャル成長されたＧｅ犠牲層が適している。犠牲層を、１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さで形成することが好ましい。
【００１２】
１改良形では、犠牲層が、第１の部分ソーラセルの格子定数とは異なる格子定数を有している。実験により、犠牲層を、格子欠陥適合させて基板に析出させることが好ましいことが判った。
【００１３】
択一的な別の実施態様では、犠牲層が、第１の部分ソーラセルに対して格子適合されている。この場合、犠牲層の製造時に格子定数は第１の部分ソーラセルとほぼ等しく設定される。
【００１４】
実験により、１改良形において、犠牲層と第１の部分ソーラセルとの間にバッファ層が形成されていて、このバッファ層が、第１の部分ソーラセルとの素材結合式の結合を有していると特に好ましいことが判った。特に剥離の際には、バッファ層が、付加的な保護層として働き、第１の半導体ボディの損傷を抑制する。実験により、バッファ層を格子適合させて設定する、つまりバッファ層の格子定数を第１の部分ソーラセルの格子定数と比較可能に設定することが好ましいことが判った。特に、バッファ層の厚さを１００ｎｍ〜２μｍに設定することが好ましく、極めて有利にはバッファ層の厚さが５００ｎｍに設定される。
【００１５】
別の改良形では、バッファ層が、ブラッグミラー（Bragg-Spiegel）として形成されている。これにより、第１の半導体ボディには吸収されない光線が再び第１の半導体ボディへ戻し反射されるようになる。これにより、多接合型ソーラセルの効率を高めることができる。
【００１６】
１実施態様では、第２の部分ソーラセルに、この第２の部分ソーラセルに素材結合式に結合された支持層が配置されている。実験により、基板の剥離後に、特に剥離後に第１の部分ソーラセルに少なくとも１つの別の部分ソーラセルが被着されて、３つ、４つまたはそれ以上の部分ソーラセルから成る多接合型ソーラセルが形成される場合に、前記支持層がソーラセルを機械的に安定化させることが判った。
【００１７】
以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。この場合、同一の構成部分は同じ符号で示されている。図示の実施形態は著しく概略化されている。すなわち、間隔や、横方向および垂直方向の延在長さは、縮尺通りではなく、また特に別記しない限り、互いに対して導出可能な幾何学的な関係をも有しない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】多接合型ソーラセルの半製品を製造するための製造ステップの１実施形態を示す横断面図である。
【図１ｂ】多接合型ソーラセルの半製品を製造するための製造ステップの別の実施形態を示す横断面図である。
【図１ｃ】多接合型ソーラセルの半製品を製造するための製造ステップのさらに別の実施形態を示す横断面図である。
【図１ｄ】多接合型ソーラセルの半製品を製造するための製造ステップのさらに別の実施形態を示す横断面図である。
【００１９】
図１ａには、基板層２０と、犠牲層３０と、第１の半導体ボディ４０と、この第１の半導体ボディ４０に素材結合式に結合された第２の半導体ボディ５０とを有する多接合型ソーラセル（多接合型太陽電池）１０のスタック形の配置を有する半製品の概略的な横断面図が示されている。第１の半導体ボディ４０と第２の半導体ボディ５０との間には、トンネルダイオードが形成されている。犠牲層３０は好ましくは、載置された第１の半導体ボディ４０に結合されている。好ましくは、多接合型ソーラセル１０は、ＩＩＩ−Ｖ族系のソーラセルとして、特にＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＰを使用して形成されている。さらに、第１の半導体ボディ４０は第１の部分ソーラセルとして形成されており、第２の半導体ボディ５０は第２の部分ソーラセルとして形成されており、この場合、第１の部分ソーラセルは第１のバンドギャップを有し、第２の部分ソーラセルは、第１のバンドギャップとは異なる第２のバンドギャップを有する。さらに、犠牲層３０は第３のバンドギャップを有し、この場合、第３のバンドギャップは、第１のバンドギャップおよび第２のバンドギャップよりも小さく設定されている。さらに、基板層２０は、第４のバンドギャップを有する支持材料から成っており、この場合、第４のバンドギャップは好ましくは１．６ｅＶよりも小さく、かつ好ましくは第３のバンドギャップよりも大きく設定されている。
【００２０】
図１ｂには、半製品の第２実施形態が示されている。以下においては、図１ａに示した第１実施形態に対する相違点についてのみ説明する。第２実施形態では、第２の半導体ボディ５０上に支持層１００が形成されている。支持層１００は、特に好ましくはプラスチックシートとしても形成され得る。支持層１００は、剥離後に第１の半導体ボディ４０と第２の半導体ボディ５０とから成るスタックを機械的に安定化させるために働く。
【００２１】
図１ｃには、図１ｂに示した半製品の改良形のプロセスステップが示されている。以下においては、図１ａおよび図１ｂに示した第１実施態様および第２実施形態に対する相違点についてのみ説明する。図１ｃに示した実施形態では、犠牲層３０が赤外線、好ましくは赤外線レーザによって加熱されかつ分解される。この場合、赤外線の波長は犠牲層３０の吸収力に適合させられる。実験により、光線の入射は、多接合型ソーラセルの表側を通じて、すなわち第１の半導体ボディ４０と第２の半導体ボディ５０とから成るスタックを通じて行われるか、または択一的に基板層２０を通じて行われることが判った。表側を通じた照射の場合、１実施形態では、図１ｃに図示されているように、支持層１００が赤外線レーザの波長に対して透過性である場合は、支持層１００を既に照射前に被着させることが好ましい。択一的な別の実施形態では、赤外線光線の照射後にはじめて支持層１００を被着させることが好ましい。この場合、図１ａに示した実施形態による半製品への照射は、表側または裏側を通じて行われる。照射後に被着された支持層は、引き続き、特に基板層２０から多接合型ソーラセルを持ち上げるために使用され得る。
【００２２】
１改良形では、犠牲層３０に、表側を通じて、つまり支持層１００を有するかまたは有しない半導体ボディ４０，５０を通じて、かつ基板層２０を通じて、同時に照射することが特に好ましい。光線入射によって、犠牲層３０は著しく加熱される。この場合、犠牲層３０の破壊により、基板層２０から多接合型ソーラセルが剥離される。
【００２３】
図１ｄには、図１ｃに示した半製品の改良形のプロセスステップが図示されている。以下においては、図１ａ、図１ｂおよび図１ｃのいずれかにおける構成に対する相違点についてのみ説明する。犠牲層３０の完全な除去の後に、多接合型ソーラセルはひっくり返され、第１の半導体ボディ４０の上に第３の半導体ボディ１１０が形成される。念のため付言しておくと、この第３の半導体ボディ１１０はやはりＩＩＩ−Ｖ族系の化合物として形成されている。
【図１ａ】
0005893170.tif 000002
【図１ｂ】
0005893170.tif 000003
【図１ｃ】
0005893170.tif 000004
【図１ｄ】
0005893170.tif 000005