(57)【要約】      （修正有）【課題】  本発明は、太陽電池を保護するためのシステム及び方法に関する。【解決手段】  太陽電池は、第一太陽電池部分を含む。第一太陽電池部分は、第一太陽電池の裏面に少なくとも１つの接続及び少なくとも１つの太陽電池コンタクトを含む。少なくとも１つのバイパスダイオードは、第一太陽電池部分の上にエピタキシャル成長されている。インタコネクトは太陽電池コンタクトとダイオードコンタクトを結合する。【選択図】          図１１
2006013531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護された太陽電池回路であって：
第一光起電力セル；
前記第一光起電力セルに結合された(coupled)第一コンタクト；
前記第一光起電力セルの少なくとも一部をオーバレイする第二光起電力セル；
前記第二光起電力セルの少なくとも一部をオーバレイするキャップ層；
前記キャップ層の少なくとも一部にオーバレイするエピタキシャル成長ダイオード；
前記キャップ層の少なくとも一部の上に形成された第二コンタクト；
前記ダイオードを前記第一コンタクトへ電気的に結合する第一導電体；及び
前記バイパスダイオードを前記第二コンタクトに電気的に結合する第二導電体
を含み、前記ダイオードが第一及び第二光起電力セルに対してバイパスダイオードとして作動する太陽電池回路。
【請求項２】
太陽電池回路が少なくとも第III族及び第V族元素から形成される請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項３】
前記キャップ層と第二光起電力セルとの間に配置された窓層を有する請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項４】
ゲルマニウム基材をさらに含む請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項５】
ＧａＡｓ基材をさらに含む請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項６】
絶縁基材をさらに含む請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項７】
バイパスダイオードがＡＭＯ環境下での作動に宇宙向けに最適化 (space qualified)された請求項１記載の保護された太陽電池回路。
【請求項８】
太陽電池回路であって：
少なくとも２つの光起電力セルを有するマルチジャンクション太陽電池デバイス；及び
前記の少なくとも２つの光起電力セルのうち少なくとも第一及び第二光起電力セルを保護するために前記マルチジャンクション太陽電池部分にエピタキシャル成長させた第一バイパスダイオード
を含む太陽電池回路。
【請求項９】
前記マルチジャンクション太陽電池部分が少なくとも第一セル及び第二セルを含み、かつ、第一バイパスダイオード部分は第一コンタクト及び第二コンタクトを含む請求項８記載の太陽電池回路。
【請求項１０】
前記第一セルに結合する第三コンタクト；
前記第二セルの少なくとも一部をオーバレイするキャップ層；
前記キャップ層に結合された第四コンタクト；
第一コンタクトと前記第三コンタクトを結合する第一導電体；及び
前記第四コンタクトと第二コンタクトを結合する第二導電体
をさらに含む請求項９記載の太陽電池回路。
【請求項１１】
第四コンタクトが、凹部領域の底部に配置される請求項１０記載の太陽電池回路。
【請求項１２】
さらに基材を含み、当該基材の下方に向かって凹部領域が伸びている請求項１１記載の太陽電池回路。
【請求項１３】
さらに第二ダイオード部分を含む請求項１１記載の太陽電池回路。
【請求項１４】
凹部領域の形成が実効セル面積の低下を１％未満にする請求項１１記載の太陽電池回路。
【請求項１５】
第一導電体がモノリシック導電体である請求項１０記載の太陽電池回路。
【請求項１６】
第一導電体が離散金属インタコネクトである請求項１０記載の太陽電池回路。
【請求項１７】
第一導電体がＣクランプ金属インタコネクトである請求項１０記載の太陽電池回路。
【請求項１８】
太陽電池デバイスであって：
ＧａＡｓ系セル；
前記ＧａＡｓ系セルに結合された第一コンタクト；
前記ＧａＡｓ系セルの少なくとも一部をオーバレイするトンネルダイオード；
前記トンネルダイオードの少なくとも一部をオーバレイするＧａＩｎＰ系セル；
前記ＧａＩｎＰ系セルの少なくとも一部をオーバレイするキャップ；
前記キャップの少なくとも一部をオーバレイする第二コンタクト；
前記キャップの少なくとも一部をオーバレイするエピタキシャル成長バイパスダイオード；
前記バイパスダイオードに結合された第三コンタクト；
前記バイパスダイオードに結合された第四コンタクト；
前記第二コンタクト及び第三コンタクトに結合する第一導電体；及び
前記第一コンタクト及び第四コンタクトにカップリングする第二導電体
を含む太陽電池デバイス。
【請求項１９】
太陽電池デバイスであって：
第一セル；
前記第一セルにカップリングされた第一コンタクト；
前記第一セルの少なくとも一部をオーバレイする第二セル；
前記第二セルに結合された第二コンタクト；
前記第二セルの少なくとも一部をオーバレイするエピタキシャル成長ダイオード；
前記第一コンタクトと前記バイパスダイオードを電気的にカップリングする第一導電体；及び
前記第一コンタクトに前記バイパスダイオードを電気的にカップリングする第二導電体
を含む太陽電池デバイス。
【請求項２０】
保護された太陽電池デバイスであって：
第一セル部分を有し、前記第一セル部分の裏面上に少なくとも１つの接続及び少なくとも１つの太陽電池コンタクトを含み；
前記第一太陽電池部分にエピタキシャル成長した少なくとも１つのバイパスダイオード部分を有し、前記バイパスダイオード部分は少なくとも１つのコンタクトを有し、；及び
前記太陽電池を前記ダイオードコンタクトを結合する離散インタコネクト
を含む太陽電池デバイス。
【請求項２１】
前記第一太陽電池部分と直列又は並列で結合される他の多数の太陽電池部分をさらに含む請求項２０記載の太陽電池デバイス。
【請求項２２】
スペースクラフトであって、
スペースクラフトに電力を供給するために用いられる第一太陽電池であって、前記第一太陽電池は
キャップ層
前記キャップ層上に形成されたコンタクト
前記キャップ層の少なくとも一部をオーバレイするインテグラルバイパスダイオード、前記バイパスダイオードは少なくとも１つのコンタクトを有するもの
前記ダイオードコンタクトにキャップ層コンタクトを結合するインタコネクトを有し、ならびに
前記スペースクラフトに電力を供給するために用いられる第二太陽電池であって、前記第二太陽電池は前記第一太陽電池に結合されているスペースクラフト。
【請求項２３】
太陽電池アセンブリーであって：
太陽電池エネルギーを電気的エネルギーに変換する手段であって、前記手段は一連のセルを有する太陽エネルギーを変換するための手段であり、；
太陽エネルギーを変換するための前記手段の少なくとも一部をオーバーレイするコンタクトを受ける手段；
コンタクトを受けるための前記手段の少なくとも一部をオーバレイするコンタクト；
太陽エネルギーを変換するため前記手段を逆方向バイアス状態から保護する手段であって、前記保護手段は導電手段を用いて前記コンタクトに結合されている太陽電池アセンブリー。
【請求項２４】
太陽電池回路を製造する方法であって、
第一光起電力セルを提供する工程；
前記第一光起電力セルに結合する第二光起電力セルを提供する工程；
前記第二光起電力セルに結合されたキャップ層を提供する工程；及び
前記キャップ層に結合されたインテグラルバイパスダイオードを提供する工程
を含む方法。
【請求項２５】
保護された太陽電池回路を製造する方法であって、
マルチジャンクション太陽電池の少なくとも一部を形成するために第一複数層を成長させる工程；
ダイオードを形成するために前記第一複数層の少なくとも一部に第二複数層を成長させる工程；
第二複数層の少なくとも一部をエッチング除去する工程；
前記第一複数層の１つの少なくとも一部に第一コンタクトを提供する工程；
前記第二複数層の１つの少なくとも一部に第二コンタクトを提供する工程；
前記第一コンタクトを前記第二コンタクトに結合する工程であって、前記ダイオードがバイパスダイオードとして作動するものである方法。
【請求項２６】
前記第一複数層が少なくとも１つのキャップ層を含む請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記第一コンタクトが前記キャップ層の少なくとも一部に配置される請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記第一コンタクトがインテグラルコンダクターを用いて前記第二コンタクトに結合される請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
前記第一コンタクトが離散コンダクター(discrete conductor)を用いて前記第二コンタクトに結合される請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
保護された太陽電池回路であって、
基材；
前記基材に結合される第一光起電力セル；
第一光起電力セルに結合される第二光起電力セル；
前記第二光起電力セルに結合されるエピタキシャル成長バイパスダイオード；
少なくとも前記第一光起電力セル、前記第二光起電力セル及び前記ダイオードにより規定された少なくとも１つの壁をもつ凹部領域であって、前記領域が前記ダイオードから前記基材まで伸びているもの；
前記凹部領域の少なくとも１つの壁に堆積された絶縁体；
前記ダイオードと前記基材が電気的に結合されるように、前記ダイオードの少なくとも一部及び前記絶縁体の少なくとも一部に堆積された導電材料
を含む太陽電池回路。
【請求項３１】
太陽電池回路であって、
第一光起電力部分；
基材；及び
前記第一光起電力部分及び前記基材の間に形成された逆方向バイアス保護を提供するために用いられるダイオード
を含む太陽電池回路。
【請求項３２】
さらに第二光起電力部分を含む請求項３１記載の太陽電池回路。
【請求項３３】
前記第一光起電力部分がＰ／Ｎ構造をもつ請求項３１記載の太陽電池回路。
【請求項３４】
前記バイパスダイオードがＮ／Ｐ構造をもつ請求項３１記載の太陽電池回路。
【請求項３５】
前記バイパスダイオードがＰ／Ｎ構造をもつ請求項３１記載の太陽電池回路。
【請求項３６】
前記第一光起電力部分がＮ／Ｐ構造をもつ請求項３１記載の太陽電池回路。
【請求項３７】
太陽電池のインタコネクト方法であって：
インテグラルバイパスダイオードを有する第一太陽電池の第一コンタクトを第二太陽電池の第一コンタクトとインタコネクトする工程；及び
第一太陽電池の第一コンタクトを第二太陽電池の第二コンタクトをインタコネクトする工程
を含む方法。
【請求項３８】
前記第一太陽電池の第一コンタクトが、ｚ−タブインタコネクトを用いて第二太陽電池の第二コンタクトとインタコネクトする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記第一太陽電池のインテグラルダイオードが第一方向における前記第一コンタクトから間隔があけられている請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
太陽電池のインタコネクト方法であって、
インテグラルバイパスダイオードを有する第一太陽電池の第一コンタクトを第二太陽電池の第一コンタクトとインタコネクトする工程；及び
第二太陽電池の第一コンタクトを第二太陽電池の第二コンタクトにインタコネクトする工程を含む方法。
【請求項４１】
前記第二太陽電池の第一コンタクトがＣクランプを用いて第二太陽電池の第二コンタクトとインタコネクトする請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記第一セルの第一コンタクトが第一セルの表面にあり、前記第二セルの第一コンタクトが第二セルの表面にあり、及び前記第二セルの第二コンタクトが前記第二セルの裏面にある請求項４０記載の方法。
【請求項４３】
太陽電池のインタコネクト方法であって、
インテグラルバイパスダイオードを有する第一太陽電池の表面に配置された第一コンタクトに導電体を付ける工程；及び
第二太陽電池の表面に配置された第二コンタクトに導電体を付ける工程を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、太陽電池に関する。特に、本発明は、インテグラルダイオード(integral diode)を有する太陽電池を提供するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の開示
一般的に太陽電池と呼ばれる光（光起電力）電池は、太陽エネルギーを電気的エネルギーに変換する装置として良く知られている。太陽電池は、地上用及び宇宙用の双方への応用において、電力をつくりだすために長年用いられている。例えば、太陽電池は、クリーンな発電手段を提供する。さらに、太陽電池は、化石燃料により補充する必要がない。それに代わり、太陽電池は、太陽という事実上無限のエネルギーにより作動する。しかしながら、太陽電池は比較的高価な発電方法であるため、太陽電池の利用は限定される。それにもかかわらず、太陽電池は、低コストで便利なエネルギー源が得られない宇宙において、エネルギー製造方法のための魅力ある装置である。
【０００３】
太陽電池は、一般的には直列又は並列あるいは直列−並列の組み合わせにより連結された太陽電池アレイに組み立てられる。所望の出力電圧及び電流は、少なくとも一部が、アレイトポロギー(array topology)とともにアレイ中のセル数を決定する。
【０００４】
当該分野で知られているように、アレイ中のすべてのセルが光照射されると、各セルは順方向バイアスとなる。しかしながら、１又はそれ以上のセルが衛星アンテナ等により光遮断される（光照射されなくなる）と、光遮断されたセルはその光遮断されたセルにより生じた電圧により逆方向バイアスとなる。セルの逆バイアスは、セルの能力の永久的な低下又は完全なセル欠陥を引き起こす。これらのダメージからセルをまもるために、保護バイパスダイオードを提供するのが通常である。一つのバイパスダイオードは、数個のセルを交差して接続され、また信頼性を高めるために各セルは自己のバイパスダイオードを有することもできる。マルチジャンクション太陽電池は、逆方向バイアス条件下では特にダメージを受けやすい。このため、特にマルチジャンクション太陽電池は、セル当たりの一つのバイパスダイオードから利益を受けることができる。従来では、バイパスダイオードは、逆並列配置(anti-parallel configuration)で接続され、バイパスダイオードのアノード及びカソードがそれぞれ太陽電池のカソード及びアノードに接続されるので、バイパスダイオードはセルが光照射されたときに逆方向バイアスとなる。電流のほとんどは、光遮断されたセルよりもむしろバイパスダイオードを通じて流れ、これにより電流がアレイ中を流れ続ける。加えて、バイパスダイオードは、光遮断されたセルを交差する逆方向バイアス電圧を制限し、これにより光遮断されたセルが保護される。
【０００５】
いくつかの異なる従来方法が、バイパスダイオード保護による太陽電池を供給するために用いられている。いずれの従来法も欠点を有する。例えば、増加されたバイパス保護の付与を試みるために、一つの方法は、バイパスダイオードのアノードを一つのセルに接続し、そのカソードを隣りのセルに接続して、隣接したセル間にバイパスダイオードを配置することを包含する。しかしながら、この技術では、セルは、バイパスダイオード保護が付与される前にアレイに組み立てられる。この組立方法は困難であり、非効率的である。しかも、この技術では、セル製造業者によりもむしろアレイ組立業者により付与されるべきバイパスダイオードが必要となる。加えて、この技術では、バイパスダイオードを適応できるように十分離れたスペースをとれるセルが求められる。このスペース確保により、低パッキングファクターのアレイとなり、これによりアレイは面積ベースに対して非効率なものになる。
【０００６】
各セルにバイパスダイオードを提供する他の従来技術では、バイパスダイオードが配置されるセルの後ろにレセス又は凹部(recess)を形成する必要がある。各セルには、セルの表面上の第一極性コンタクト(first polarity contact)が与えられ、第二極性コンタクトは各セルの裏面上で供給される。Ｓ型インタコネクトは、その後に、第一セルの裏面コンタクトから隣接するセルの表面コンタクトに接合される。このように、この技術では、隣接するセル間を通らなければならないインタコネクトを適応させるために十分離れた間隔が確保されたセルが要求され、不利である。この方法のさらなる欠点は、凹部の形成段階でマイクロクラックが生じるおそれがあることである。加えて、この方法では、接着のための厚いボンドラインが要求されるため、ストレスライザース(stress-risers)を付与し、温度サイクルの間に発生するストレスが増大する。さらに、この従来技術では、セル製造業者と反対に、アレイ組立業者により実施されるべき隣接セルのインタコネクトの接続が要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明の要約
本発明の一つの具体的態様は、太陽電池のインテグラルバイパスダイオードを効率的に提供するための方法及び装置を有利に提供する。一つの態様は、太陽電池はマルチジャンクションセルである。バイパスダイオードは、太陽電池の少なくとも一部にモノリシカリーに成長させる。他の態様は、太陽電池は、少なくともIII、IV又はV族の材料から形成される。さらに他の態様としては、ダイオードは、少なくともＮ−タイプＧａＡｓ層及びＰ−タイプＧａｓＡｓ層を含む。さらに他の態様としては、ダイオードは、ゲルマニウム又はＩｎＧａＡｓのような比較的低いバンドギャップをもつ材料を用いて形成される。
【０００８】
一つの具体的態様は、太陽電池はゲルマニウムＧｅ基材を含む。Ｇｅ基材は、さらに光活性接続を含んでも良い。さらなる他の態様は、基材は、次の材料の少なくとも１種から形成される：ＧｅＡｓ、Ｓｉ又はＩｎＰのような半導体、及びサファイアのような絶縁体。一つの態様では、基材は単結晶である。
【０００９】
他の態様は、Ｃ−クランプコンダクターは、少なくとも１つの太陽電池コンタクトを少なくとも１つのバイパスダイオードコンタクトにインタコネクトする。他の態様は、インテグラリーメタライズド層(integrally metallized layer)を用いて太陽電池コンタクトの少なくとも１つをバイパスダイオードコンタクトの少なくとも１つをインタコネクトする。さらに他の態様は、インテグラリーメタライズド層を絶縁層上に堆積させ、インテグラリーメタライズド層が１又はそれ以上の他の層にショートすることを防ぐ。
【００１０】
一つの態様は、キャップ層が第一ダイオード極(first diode polarity)を太陽電池にインタコネクトする。さらに他の態様では、バイパスダイオードは、１又はそれ以上の接続をもつ太陽電池の上でエピタキシャル成長させる。さらに他の態様では、太陽電池は、次の材料の少なくとも１種又はそれ以上から形成されても良い：ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ2及びＡｌＧａＡｓ。さらに別の態様では、ほかのIII-V化合物が太陽電池の少なくとも一部を形成するために用いられる。
【００１１】
本発明におけるこれらの態様及び他の特徴、効果及び新規な特徴は、明細書及び次の添付図面により明確にされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明は、少なくとも一つのインテグラルバイパスダイオード (integral bypass diode)を有する太陽電池に関する。太陽電池は、単一接合 (single junction)又は複数接合(multijunction)セルであっても良い。下記に示すように、一つの態様として、バイパスダイオードをマルチジャンクション太陽電池上にエピタキシャル成長させる。太陽電池／バイパスダイオードデバイスは、他の太陽電池とインタコネクトされ、太陽電池の直列及び／又は並列のストリング（strings)を形成する。各ストリングをさらに接続して信頼性のある健全な太陽電池アレイを形成しても良い。太陽電池アレイは宇宙飛行体又は宇宙船(space vehicle)に設置しても良く、これにより宇宙飛行体又は宇宙船にパワー又は電力を供給する。
【００１３】
図１は、マルチジャンクション太陽電池１００を形成するための本発明の一態様において、Ｇｅ基材１０２上に連続的に成長させたIII−V族層１０６−１２２の順序を示す。Ｇｅ基材１０２は、さらに光活性接合(photoactive junction)を含んでも良い。一つの態様では、各層をエピタキシャル成長させるが、これは材料の単結晶構造を複製する上で意義がある。成長パラメータ（堆積温度、成長速度、化合物合金組成、不純物ドーパントの濃度）を好ましくは最適化し、所望の電気的性質及び厚さを有する層を提供し、これにより要求される全体的なセル性能を得ることができる。セル層を成長させるために用いられるエピタキシャル技術は、例えばＭＯＣＶＤ(metal-organic chemical vapor deposition)エピタキシー、いわゆるＯＭＶＰＥ(organic-metallic vapor phase epitaxy)、ＭＢＥ (molecular beam epitaxy)、及びＭＯＭＢＥ(metal-organic molecular beam epitaxy)を包含する。
【００１４】
図示された態様では、ＮドープＧａＡｓベース層１０６を成長させ、基材１０２の少なくとも一部をオーバーレイする。層１０２及び層１０６の接触面では、光活性接合が形成されている。一つの態様では、光活性接合は、Ｎ＋ＧａＡｓ／Ｎ＋Ｇｅヘテロダイオードである。他の態様として、Ｎ／Ｐ構成を成長させる場合には、Ｐ型Ｇｅ基材１０２が用いられ、層１０６からのＡｓの拡散は基材１０２においてＮ／Ｐ接合を形成する。
【００１５】
図１に示すように、高Ｐドープ(highly P doped)ＧａＡｓエミッタ層１０８を、ＧｅＡｓベース層１０６の少なくとも一部に成長させる。ベース層１０６及びエミッタ層（１０８）はともにより低いセルステージ(a lower cell stage)を形成する。高ＰドープＡｌＧａＡｓ窓層１１０は、エミッタ層１０８上にオーバーレイする。極高ドープＰ(very highly P doped)及びＮ層１１２、１１４を含むトンネルダイオードは、窓層１１０上に成長させる。Ｎドープベース層１１６及び高Ｐドープエミッタ層１１８を含む第二又はより上方のセルステージは、トンネルダイオード上に形成させる。
【００１６】
一つの態様として、太陽電池の最後の２つの層は、それぞれ高ＰドープＡｌＧａＡｓ窓１２０及びＧａＡｓキャップ層１２２であり、前記高ＰドープＡｌＧａＡｓ窓１２０は薄い透明層であってトップセル（ＧａＩｎＰ2）のエミッタ層１１８の表面を不動態化（キャリヤー再結合を抑制）し、前記ＧａＡｓキャップ層１２２は表面オームコンタクトが堆積される。一つの態様として、コンタクトは、低い電気抵抗と高い光学的透明とをバランスするためにグリッドフィンガー形成(grid-finger form)にある。しかし、他のコンタクトパターンを使用しても良い。本態様において、下記に示すように、インテグラルバイパスダイオードは、いくつかの追加層の成長によるモノリシカル成長セル構造(monolithically-grown cell structure)に包含される。キャップ層１２２はグリッド線間で選択的に除去され、反射防止コーティング (anti-reflective coatings)がトップ窓層１２０上に堆積される。
【００１７】
当業者が理解できるように、図１に示した３セル３接合太陽電池１００は、本発明において使用できる可能なセル態様の多数のうちの一つである。他の態様では、転換された１又はそれ以上の極性（例えば、Ｎドープ層が代わりとしてＰドープされ、Ｐドープ層が代わりとしてＰドープされる）をもつ相補性構造 (complementary structure)を用いることができる。例えば、図に示されて下記で説明されるセル及びダイオードの構成は、Ｐ／ＮからＮ／Ｐに変更することができる。また、ドーピング濃度又は層厚さも多様である。さらに、他の態様として、太陽電池１００は、４つ又はそれ以上の光起電力セル又は光電変換セル (photovoltaic cell)を含み、又は１又は２つのセルを含んでいても良い。同様に、太陽電池は、１つの接合又は２つ若しくはそれ以上の接合のいずかを含んでも良い。一例によれば、一つの態様としてセル１００は、４つの接合を含んでいても良い。
【００１８】
さらに、太陽電池１００は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＰのような他の材料からなるセルを含んでいても良い。他の態様としては、基材１０２は、異なる材料を組み合わせて用いて形成しても良い。例えば、太陽電池１００は、図１で示したＧｅ基材よりも、むしろＧａＡｓ、Ｓｉ又はＩｎＰのような他の半導体を基材として使用しても良い。また、サファイアのような絶縁基材を用いても良い。一つの態様として、基材１０２は単結晶である。太陽電池１００が宇宙船又は衛星のような宇宙用に予定されている場合、セル材料は適切な宇宙環境のために宇宙用に最適化(space-qualified)されることが好ましい。例えば、太陽電池１００及びバイパスダイオードは、ＡＭＯ放射線環境下で作動するように宇宙向けに最適化されていても良い。
【００１９】
バイパスダイオードを製造する一つの方法について説明する。図２に示すように、バイパスダイオード２１２は、追加された５つの成長層２０２、２０４、２０６、２０８、２１０を用いる太陽電池構造中に含まれる。
【００２０】
先にも述べたように、一つの態様として、マルチジャンクション太陽電池の光起電力部分を含む層１０６−１２２を最初に成長させ、その成長サイクルを継続して追加層２０２−２１０を成長させる。表面グリッドコンタクトのために用いられるＰ型ＧａＡｓキャップ層１２２から、追加層は順に：
・  Ｎ−ＧａＡｓダイオード層２０６及び高ドープＧａＡｓキャップ層１２２に対するコンタクト抵抗を下げるために使用される高ドープＮ−ＧａＡｓコネクティング層２０２。
【００２１】
・  ３つのダイオード層２０６−２１０の制御されたエッチング除去を行うために使用されるストップエッチ層(stop-etch layer)２０４（高ＮドープＡｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＰ）。
【００２２】
・  バイパスダイオード２１２のネガティブドープ部分からなるＮドープＧａＡｓ層２０６。
【００２３】
・  バイパスダイオード２１２のポジティブドープ部分からなるＰドープＧａＡｓ層２０８。
【００２４】
・  ダイオード（２１２）のＰ層に良好金属接触を供給する高ドープＰ−ＧａＡｓ層（２１０）
しかしながら、当業者もわかるように、本発明の他の態様では、上記の態様とは異なるドーパントを有する異なるタイプの材料から形成された異なる数の層を利用しても良い。例えば、相補性構造の利用、すなわちＰ／ＮよりもむしろＮ／Ｐは、Ｎ／Ｐマルチジャンクション太陽電池及びＮ／Ｐバイパスダイオードから同様に構成できる。また、ダイオード２１２は、ゲルマニウム又はＩｎＧａＡｓのような低バンドギャップ材料(lower bandgap materials)を用いて形成しても良い。他の態様としては、ストップエッチング及び電気的伝導を提供する層２０４を残して層２０２を省略しても良い。
【００２５】
本発明の一態様を形成するウェハの製造方法の一つをこれから説明する。本発明の態様では、製造工程は成長、メサエッチ(mesa etch)によるデファイン (define)、及びバイパスダイオード２１２の一態様をカスケード（多マルチジャンクション接合）セル１００にインタコネクトするために用いられる。
【００２６】
まず、図２に示す光活性太陽電池層及びダイオード層は、従来のＭＯＣＶＤ及び／又はＭＢＥ技術を用いてエピタキシャル成長させる。図３に示すように、一連の成長層の表面又は前面(front surface)は、フォトレジスト層３０２で保護され、レジストでカバーされたダイオード層を残すためにパターンされたフォトマスク（図示せず）を通じて露出される。図４に示すように、ダイオードキャップ層２１０ならびにＮ及びＰダイオード層２０６、２０８はストップエッチ層２０４までエッチングされる。エッチングは、４５℃に加熱されたクエン酸を用いて実施しても良い。図５に示すように、ストップエッチ層２０４は、フォトレジスト層３０２でマスクされていない部分を取り除き、ＮドープＧａＡｓコネクティング層２０２の適当な部分が露出される。ストップエッチ層２０４がＡｌＧａＡｓであるときは、一つの態様として、エッチング液はＢＨＦ（緩衝フッ化水素）酸であっても良い。ストップエッチ層２０４がＧａＩｎＰであるときは、他の態様として、エッチング液はＨＣＬであっても良い。図６に示すように、フォトレジスト層３０２は、アセトンを用いて取り除かれる。マイクロストリップ技術(microstripping techniques)は、アセトン除去工程後に残る残留フォトレジスト部分を取り除くために用いることもできる。
【００２７】
いったんフォトレジスト層３０２を除去すれば、対応するフォトレジストコーティング、焼付け、露出、デベロッピング、金属蒸着及びリフトオフオペーションを含むフロントコンタクト製造工程が行われる。他のフォトレジスト層（図示せず）は全面にコートされる。フォトレジスト層は、前面グリッド線及びパッド、ＮドープＧａＡｓ層２０２小領域ならびにダイオードキャップ層にコンタクトが堆積される部分であるオープンエリアを残すフォトマスクを用いて焼付け及び露出する。主成分としてＡｇを含む金属は、露出領域中及び残りのフォトレジスト層上に蒸着される。図７に示すような２つのコンタクト領域７０２、７０４に加えて、フォトレジストもオープンスロットをフォトレジスト中に供給し、グリッド線、及びバー／パッドコンタクトをセルに供給する。次に、リフトオフ工程が実施される。太陽電池スライス１００はアセトンに浸漬され、フォトレジストを膨潤させ、これによりコンタクト７０２、７０４を含めてコンタクトを維持するために指定された領域以外のすべての金属フィルムを取り壊す。
【００２８】
図８に示すように、Ａｇを主成分とする金属はＧｅ基材の裏面に蒸着され、裏面金属コンタクト８０２を形成する。コンタクト７０２、７０４、８０２は、その後に熱処理又は焼結される。エッチマスクとしての表コンタクト金属７０２、７０４を用い、ＧａＡｓキャップ層１２２は、図９に示すように、露出した表面の大部分がエッチングされる。キャップ層１２２は、金属化された領域の下に残り、低抵抗コンタクトメカニズム部分を形成する。
【００２９】
図１０に示すように、ダイオードパッド金属コンタクト７０２、７０４、ならびにダイオード２１２の周りに示された小さなコンタクトは、レジストマスクで保護され、残りの表面には反射防止層(anti-reflecting layer)１００２が堆積される。図１１に示すように、トップ、Ｐサイド、ダイオードコンタクト７０２は、薄いインタコネクト１１０２を結合することによって裏面セル（Ｎ−グリッド）コンタクト８０２に接続される。このように、一つの態様において、Ｐ／Ｎ ＧａＡｓダイオード２１２のＰ−層２０８とＮドープＧｅ基材の裏サイドとの間における電気的接続は、表面ダイオードコンタクト７０２とリアＧｅコンタクト８０２との両者に接続されたＣクランプ１１０２によって形成される。このように、バイパスダイオード２１２は、光起電力セルの双方を交差して接続される。他の態様では、バイパスダイオードは、１又はそれ以上の光起電力セルをバイパスするために用いられる。このように、本発明の一つの態様では、太陽電池構造１００におけるすべて又はそれよりも少ないセルをバイパスするために用いることができる。
【００３０】
他のインタコネクト技術の態様は、太陽電池をバイパスダイオードを接続するために用いることができる。最終的な選択は、付加される複雑さ及びこれらの選択的なアプローチからもたらされるセル生産量及びコストに与える影響による。例えば、他のいくつかの説明を次に示す。
【００３１】
図１２に示すように、一つの態様では、ダイオードトップコンタクトと、Ｇｅ基材を露出するためにカスケードセル層１２０６−１２１８を通してエッチングされた小トラフ(small trough)上の金属化領域との間における一つのショートコンタクトを、Ｃクランプよりも用いることができる。トラフは実効セル面積 (active cell area)の１％未満を除去しても良く、バイパスダイオードのトップコンタクト近くに配置しても良い。さきの態様において、図１２に示す態様は、前面金属コンタクト１２２４、裏面金属コンタクト１２０２、反射防止コーティング１２２６を示す。いくつかの異なるコンタクト形態を用いることができる。例えば：
ａ）一つの態様（図示せず）としては、短離散金属インタコネクト(short discrete metal interconnect)がダイオードコンタクトと一端で接続され、トラフ中に露出されたＧｅ表面に直接接続される。好ましくは、インタコネクトは金メッキされる。さまざまな技術が結合をつくるために使用できる。一つの態様では、結合は、共融Ａｕ−Ｇｅはんだ付けを用いて行われる。
【００３２】
ｂ）もし(a)の場合、Ｇｅ表面への直接接続が困難又は好ましくない場合は、他の態様として付加的な工程を通常のセル工程において追加することもできる。表面(front surface)は、乾燥フィルム又は液体フォトレジストを用いて、Ｇｅコンタクト領域が必要とされるところを除いて実質的にすべての領域にマスクされる。その後、グリッド、オーム及びダイオードコンタクトを形成するために表面金属コンタクトが他のフォトレジストマスクを通して堆積されるときは、トラフのエッジはエッチド領域内の空いた領域を用いることによりレジストで保護することができる。Ｎ-Ｇｅにコンタクトするための金属は、カスケードセル１００の前面コンタクト及びダイオードコンタクト７０２、７０４が形成される場合と同じ又は類似するような一連の蒸着において蒸着されても良い。このケースでは、ＴｉＡｕＡｇ又は同等のコンタクトが前面上の露出領域に対して与えられる。
【００３３】
ｃ）図１２に示すように、完全モノリシック構造(fully monothilic structure)において、トラフ又は凹部(recess)は、ダイオード及びセル層１２０６−１２１８を通してＧｅインタフェイス１２０４までエッチングされる。このように、トラフの壁又は壁群はセル層により形成される。マスクは、トラフのエッジを露出させるためにその後に用いられ、絶縁層１２２０は層エッジならびにダイオードキャップ層１２１８とトラフとの間の領域に堆積される。メインフロントコンタクトマスクに含まれる他のマスクは、Ｇｅ基材１２０４を露出するトラフにダイオードのフロントコンタクトを接続する金属１２２を堆積するために用いられる。他の態様では、ダイオードコンタクトは基材−ダイオードインタコネクト１２２２にとっては必要でない。
【００３４】
図１３には、バイパスダイオード回路２１２を含む太陽電池１００の一態様の斜視図を示す。太陽電池１００の前面は、オームバー１３０６によりインタコネクトされたグリッド線１３０２を含む。上記バー１３０６は、ダイオード２１２が形成される領域又は凹部を提供するように成形される。一つの態様では、ダイオード２１２は、図１１で示したＣクランプコネクタ１１０２を用いて太陽電池１００の裏面コンタクト８０２にインタコネクトされる。図１３Ｂは、図１３Ａで示したバイパスダイオード２１２の拡大詳細図である。一つの態様では、ダイオード２１２の両サイドはオームバー１３０６と組合わさっている。このように、ダイオード２１２とバー１３０６との距離は短くなる。より多くのバー１３０６はダイオード２１２に接近している。
【００３５】
図１３Ａで示すように、一つの態様では、隣接するアセンブリに接続するために、３つのタブ１３０４が設けられている。タブ１３０４は、Ｕ型ストレス軽減部分(U-shaped stress relief section)、いわゆるＺタブを含んでいても良い。各タブ１３０４の第一サイドインタコネクトは、セル１００のアノードに接続されている。太陽電池１００は、タブ１３０４の第二サイドを第二太陽電池のカソードに接続することにより、第二太陽電池にインタコネクトされていても良い。一つの態様では、タブは銀、銀−アンバ(silver-invar)又は銀−クラッドモリー(silver-clad moly)材料から形成されていても良い。
【００３６】
カバーガラス（図示せず）は、太陽電池又はバイパスダイオードデバイスを保護するために使用しても良い。宇宙用には、カバーガラスはセリアドープされたホウケイ酸カバーガラスからなるものでも良い。一つの態様では、カバーガラスは、厚さが５０μｍから２００μｍ程度である。セリアドープされたカバーガラスは、荷電粒子又は非荷電粒子を遮蔽する耐放射性を与える。一つの態様では、カバーガラスは、ＡＭＯ宇宙放射線環境スペクトラム(AMO space radiation enviroment spectrum)（地球雰囲気外で太陽のまわりの地球軌道で発見されたスペクトラム）にさらされる場合に、実質的に透明を維持する。インテグラルバイパスダイオードの一つの態様における主な効果は、ダイオードが太陽電池１００の表面の上に伸びず、そのためにインテグラルダイオードを適用するためにノッチ又はスロットされたカバーガラスの使用を必要としない。しかしながら、一つの態様では、インデクラルダイオードは、太陽電池１００の前面又はトップ表面上に伸ばしても良い。当業者であれば、他の適当なカバーガラス材料及び形状を同様に採用できることは理解できる。
【００３７】
図１４Ａは、さらに本発明の他の態様を示す。図示された太陽電池１４００は、新規な埋込み保護バイパスダイオード(buried protective bypass diode)１４１０を含む。バイパスダイオード２１２のように、保護バイパスダイオード１４１０は、セルの光遮蔽により生じる逆方向バイアス状態から太陽電池を保護するために用いられる。
【００３８】
図１４Ａに示す典型的な一連の成長層は、図１Ａのそれに類似する。２つの追加された埋込み層１４０６、１４０８はＧｅ＋エミッタ１４０４に適合する極性に与えるために提供される。太陽電池１４００は、その上にＧｅエミッタ層が成長したＧｅ基材を含む。孤立したダイオード層１４１２−１４２０は、バイパスダイオード機能部を形成する。層１４２２、１４２４は通常のトップセルを形成し、その上に窓層１４２６及びキャップ層１４２８がある。他の態様では、図１４Ａで示されたもの（例えば、Ｐドープ層が代わりにＮドープされ、Ｎドープ層が代わりにＰドープされたもの）から変換された１又はそれ以上の極性をもつ相補性構造を用いることができる。
【００３９】
上記と同様にして太陽電池が製造され、図１４Ｂに示すように、裏面金属コンタクト１４３０及び表面金属ダイオードコンタクト１４４０が形成される。加えて、反射防止コーティング１４３２が適用される。
【００４０】
一つの態様では、ショートインテグラルコネクタ１４３６は、セル層１４２０−１４１２を通じてトンネルダイオード層１４０８までエッチングされた小トラフ１４３８上において、キャップ層１４２８から絶縁体１４３４上に形成される。Ｃクランプ１４４２のようなインタコネクトは、裏面金属コンタクト１４３０及び前面金属コンタクト１４４０を接続するために用いることができる。このように、バイパスダイオード１４１０は、太陽電池１４００の光起電力部分に関して逆平行形態(anti-parallel configuration)で接続され、これにより太陽電池１４００の光起電力部分に対する逆方向バイアス保護を提供するために配置される。
【００４１】
上記のような技術を少なくともいくつか用いることにより、カスケードセル上に形成されたインテグラルダイオードが組み込まれた太陽電池は２１％以上、特に２３．５％以上の効率を達成した。これらの効率は、インテグラルバイパスダイオードを有しない汎用のカシケードセルに匹敵するものである。一つの態様では、インテグラルバイパスダイオードは、４００ｍＡの順方向電流の通電時において約１．４〜１．８ボルトの順方向バイアス電圧降下を有する。逆降伏電圧は、通常の非光遮断、イルミネーションの間において太陽電池が順方向バイアスであるとき、バイパスダイオードに通過する電流をブロックするのに十分なものである。一つの態様では、逆降伏電圧は２．５Ｖよりも大きい。
【００４２】
さらに、本発明の態様の具体例では、約２４ｃｍ2のセル面積で、４００ｍＡの逆方向電流の繰り返し１０秒パルスを顕著な性能変化もなく維持することができた。このように、例えば、インテグラルダイオードの一態様が組み込まれた太陽電池の一つのバッチ又はロットを４００ｍＡ逆方向電流で２５００パルスに供した場合、次のような性能変化が認められた。
パラメータ        試験前の測定値    試験前の測定値
ＶＯＣ            ２４７４ｍＶ      ２４７６ｍＶ
（開放回路電圧）
ＩＳＣ            ３６０．５ｍＡ    ３５９．０ｍＡ
（短絡回路電圧）
ＣＦＥ            ８１．５％        ８１．５％
（曲線因子）
効率              ２２．１％        ２２％
他の試験では、ＩＳＣよりも大きなマグネチュードの逆方向電流が太陽電池１００を通過するとき、ダイオード周辺領域は１０〜１２℃だけの温度上昇を示した。この小さな温度上昇は、セルの光起電力部分及びインテグラルダイオードの性能上大きな悪影響とはならない。
【００４３】
他の好ましい態様では、前記のように太陽電池の設計は、宇宙ベース又は地上ベース用コンセントレーターシステムのいずれにも使用できるようにさらなる促進のるための改変がなされる。ちょうどノンコンセントレーターシステムにおける場合のように、雲、鳥、建物、アンテナ、その他の構造物による太陽電池の光遮断から保護する必要がある。このように、保護ダイオードは、光遮断による逆バイアス状態から太陽電池を保護するために用いられる。しかし、コンセントレーターにおける太陽電池は、典型的にはノンコンセントレーター太陽電池よりもかなり大きな電力を集める。このように、保護ダイオードは、バイパスされるより大きな電力にともなう熱を放散する能力が必要となる。
【００４４】
一つの態様では、太陽電池の表面の少なくとも一部を交差する分配多重分離バイパスインテグラルダイオード(distributing multiple separated bypass integral diodes)は、熱放散に寄与する。このように、多重インテグラルダイオードは、逆バイアス電力の一部をバイパスし、対応して生じた熱の一部を放散する。このように、シングルインテグラルダイオードは、すべての逆バイアス電力をバイパスする必要がないか、あるいはこのようなバイパス機能に伴うすべての熱を放散する必要がない。マルチインテグラルバイパスダイオードは、一つのインテグラルダイオードを形成する上記技術と同じ技術を用いて形成しても良い。一つの態様では、異なるフォトマスクがダイオード及びダイオードコンタクトを形成するために用いられる。
【００４５】
図１５Ａは、インテグラルバイパスダイオードをもつ太陽電池を直列でインタコネクトする方法を示す。例えば、２つの太陽電池１５０２、１５１０は、対応するインテグラルバイパスダイオード１５０４、１５１４を有し、インタコネクトされて太陽電池ストリング１５００を形成する。第一のインタコネクト１５０８は、太陽電池１５０２のカスケードセルをオーバレイするフロントコンタクト１５０６と、太陽電池１５１０のインデクラルバイパスダイオードをオーバレイするフロントコンタクト１５１２とに接続することにより、太陽電池１５０２、１５１０が電気的に結合される。第一のインタコネクト１５０８は、ジャンパーバー、ワイヤー等でも良い。第二のインタコネクト１５１８は、太陽電池１５０２のフロントコンタクト１５０６と、太陽電池１５１０のバクコンタクト１５１６とに接続される。第二のインタコネクト１５１８は、ｚ−タブ、ワイヤ等でも良い。図示した態様では、バイパスダイオード１５０４、１５１４は、オームセルコンタクトパッド１５０６、１５２０の反対側のエッジ又はサイドに適宜設置されている。
【００４６】
図１５Ｂは、インテグラルバイパスダイオードをもつ太陽電池に直列でインタコネクトする他の方法を示す。前例のように、第一のインタコネクト１５０８は、太陽電池１５０２のフロントコンタクト１５０６と、太陽電池１５１０のフロントコンタクト１５１２に接続される。第二のインタコネクト１５１８は、太陽電池１５１０のフロントコンタクト１５１２及びパックコンタクト１５１６に接続される。第二のインタコネクト１５１８は、Ｃクランプ、ワイヤ等でも良い。この態様は隣接する２つのセル間で一つのインタコネクトを用いることが好ましく、セル間の直列接続は電池の表面上で形成される。このように、例えば、セルは第一に電池製造業者により個別に添付された対応Ｃクランプを有する。太陽電池パネル組立機は、図１５Ｂに図示したようなセルのフロントコンタクトにインタコネクトする。この方法は、太陽電池の効率的、高収率製造、セルストリング、太陽電池パネルに提供される。
【００４７】
本発明の好ましい態様は記載されているが、これらは単なる例示であって、本発明の範囲を限定することを示すものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第一製造工程を示す。
【図２】図２は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第二製造工程を示す。
【図３】図３は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第三製造工程を示す。
【図４】図４は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第四製造工程を示す。
【図５】図５は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第五製造工程を示す。
【図６】図６は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第六製造工程を示す。
【図７】図７は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第七製造工程を示す。
【図８】図８は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第八製造工程を示す。
【図９】図９は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第九製造工程を示す。
【図１０】図１０は、本発明の一態様を組み立てるために用いられる第十製造工程を示す。
【図１１】図１１は、離散インタコネクトを含む本発明の一態様を示す。
【図１２】図１２は、インテグラルインタコネクトを含む本発明の一態様を示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の一態様の透視図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａで示されるバイパスダイオードの拡大詳細図を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、埋込みバイパスダイオードを有する本発明の一態様を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、さらなる工程が行われた後における図１４Ａの一態様を示す。
【図１５Ａ】図１５Ａは、太陽電池をインタコネクトする第一の方法を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、太陽電池をインタコネクトする第二の方法を示す。
【図１】
2006013531.tif 000003
【図２】
2006013531.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006013531.tif 000011
【図１０】
2006013531.tif 000012
【図１１】
2006013531.tif 000013
【図１２】
2006013531.tif 000014
【図１３Ａ】
2006013531.tif 000015
【図１３Ｂ】
2006013531.tif 000016
【図１４Ａ】
2006013531.tif 000017
【図１４Ｂ】
2006013531.tif 000018
【図１５Ａ】
2006013531.tif 000019
【図１５Ｂ】
2006013531.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月13日(2005.9.13)
【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】
一連の半導体材料の層を有する集積半導体部分を備える太陽電池であって、該集積半導体部分は、
前記一連の半導体材料の層が、マルチジャンクション太陽電池の少なくとも１つのセルを形成する、第１の領域、及び、
前記一連の半導体材料の層が、前記太陽電池が光遮断された際に電流を通すバイパスダイオードを形成する、第２の領域、
を含み、
前記第１の領域中の一連の半導体材料の層と、前記第２の領域中の一連の半導体材料の層とは、同一であって、実質的に同じ厚さを有する、前記太陽電池。
【請求項２】
前記第１の領域において、前記マルチジャンクション太陽電池の少なくとも１つのセルの一部を形成する一連の層の上に、前記をバイパスダイオードを形成する一連の層を成長させる、請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
さらに、前記部分の上に堆積させた金属層であって、前記マルチジャンクション太陽電池のコンタクトを前記バイパスダイオードのコンタクトへ相互接続する前記金属層を備える、請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
前記金属層は、前記太陽電池の第１の極性の領域と前記バイパスダイオードの第２の極性の領域とを接続する、請求項３記載の太陽電池。
【請求項５】
前記半導体部分がゲルマニウム層を含む、請求項１記載の太陽電池。
【請求項６】
前記ゲルマニウム層が光活性接合を含む、請求項５記載の太陽電池。
【請求項７】
前記マルチジャンクション太陽電池の少なくとも１つのセルを形成する前記一連の層がＧａＡｓ層を含む、請求項１記載の太陽電池。
【請求項８】
前記バイパスダイオードは、前記マルチジャンクション太陽電池中の全てのセルにわたって電気的に接続されている、請求項１記載の太陽電池。