(57)【要約】高バンドギャップヘテロ接合ミドルソーラーセルを有する方法および多重接合ソーラーデバイスが開示される。１の実施形態において、３重接合ソーラーデバイスは、ボトム、ミドルおよびトップセルを含む。ボトムセルは、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板およびバッファ層を有し、バッファ層はＧｅ基板の上に配置される。ミドルセルはヘテロ接合構造を含み、さらにボトムセルの上に配置されるエミッタ層およびベース層を含む。トップセルは、ミドルセルの上に配置されたエミッタ層およびベース層を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム（Ｇｅ）基板および該ゲルマニウム基板の上に配置されたバッファ層を有する第１のセルと；
該第１のセルの上に配置された第１のエミッタ層および第１のベース層を含むヘテロ接合ソーラーセル構造を有する第２のセルと；
該第２のセルの上に配置された第２のエミッタ層および第２のベース層を有する第３のセルと
を具備する多重接合ソーラーデバイス。
【請求項２】
前記第１および第２のセルの間に配置された第１のトンネル接合層と；
前記第２および第３のセルの間に配置された第２のトンネル接合層と；
前記第１のセルの上に配置されたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含む接触層と
をさらに具備する請求項１に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項３】
前記第１のセルはボトムセルであり、該ボトムセルはさらに、前記Ｇｅ基板と前記バッファ層との間に核生成層を含む、請求項２に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項４】
前記バッファ層はＧａＡｓを含む、請求項３に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項５】
前記第２のセルはミドルセルであり、該ミドルセルはさらに、前記第１のエミッタ層の上に配置されたウィンドウ層を含み、該ウィンドウ層はインジウムアルミニウムリン（ＩｎＡｌＰ）を含む、請求項４に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項６】
前記第１のベース層は、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含み、および前記第１のエミッタ層はインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）を含む、請求項５に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項７】
前記第３のセルはトップセルであり、該トップセルは前記第２のエミッタ層の上に配置されたウィンドウ層を含み、該ウィンドウ層はインジウムアルミニウムリン（ＩｎＡｌＰ）を含む、請求項６に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項８】
前記第２のベース素運はインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を含み、および前記第２のエミッタ層はＩｎＧａＡｓを含む、請求項７に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項９】
前記第３のセルは、前記第２のベースおよびエミッタ層の両方が実質的に同じ素材を有するホモ接合構造を有する、請求項１に記載の多重接合ソーラーデバイス。
【請求項１０】
ゲルマニウム基板に、インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）核生成層を配置し；
該核生成層にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）バッファ層を配置し；
該ＧａＡｓバッファ層の上にホモ接合ミドルセルを配置し；
該ホモ接合ミドルセルの上にホモ接合トップセルを配置する
ことを含む、３重接合ソーラーセルを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、半導体デバイスの分野に関する。より特定的には、本発明は光起電性ソーラーセルに関する。
背景
太陽エネルギは、近年利用可能になった、最も重要なエネルギ源の一つである。シリコンベースのソーラーセル半導体物質およびソーラーセル構造技術に関して、多くの研究開発が実施されている。その結果、進化した半導体ソーラーセルが、多くの商業的および消費者志向の応用に適用されている。例えば、ソーラー技術は、衛星、宇宙、移動体通信等に応用されている。
太陽エネルギまたはフォトンから電気エネルギへのエネルギ変換は、太陽エネルギの生成における重要な問題である。例えば、衛星および／または宇宙関連の応用においては、衛星電力システムのサイズ、質量およびコストは、使用されるソーラーセルの電力およびエネルギ変換効率に直接的に関連する。言い換えれば、ペイロードのサイズや機内サービスの利用可能性は、供給される太陽電力の量に比例する。このように、ペイロードがより複雑になるにつれて、機内電力システムのための電力生成装置として働くソーラーセルがより重要になる。
【０００２】
太陽エネルギ（またはフォトン）を電気エネルギに変換するエネルギ変換の効率は、様々な要因、例えばソーラーセル構造、半導体物質等に依存している。すなわち、各ソーラーセルのエネルギ変換は、太陽スペクトルに対して利用可能な日光の効率的な利用に依存している。そのように、光起電性特性としても知られている、半導体物質における日光吸収の特性は、エネルギ変換の効率を決定するのに重要である。
従来のソーラーセルは通常、紫外線から８９０ナノメートルまで、吸収スペクトルの範囲を増やすために、インジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の複合元素を使用する。例えば、セル構造へのゲルマニウム（Ｇｅ）接合の追加は、吸収範囲を拡張する（すなわち、１８００ナノメートルに）。半導体複合元素の選択は、ソーラーセルの性能を向上させうる。
【０００３】
ソーラーセルの物理的または構造的設計も、ソーラーセルの性能および変換効率を向上させうる。ソーラーセルは通常、太陽スペクトルの範囲を増やすために、多重接合構造で設計されている。ソーラーセルは通常、ｎタイプ層とｐタイプ層との間にホモ接合を形成することによって製造される。デバイスの太陽側にある接合の、薄い、最上層は、エミッタと呼ばれる。相対的に厚い底層はベースと呼ばれる。しかしながら、従来の多重接合ソーラーセル構造に関する問題は、多重接合ソーラーセル構造におけるホモ接合ミドルソーラーセルに関する低い性能である。ホモ接合ソーラーセルの性能は通常、ホモ接合においては低い、エミッタの素材の質によって制約される。素材の低質は通常、不十分な表面パッシベーション、格子の不整合、および／または狭いバンドギャップを含む。
このように、多重接合ソーラーセル構造の性能を向上させるためのメカニズムが必要とされる。
【０００４】
発明の開示
高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する多重接合ソーラーセルが開示される。１の実施形態において、多重接合ソーラーセル構造は、ボトム、ミドル、およびトップソーラーセルを含む。ボトムソーラーセルは、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板およびバッファ層を有する。バッファ層は、Ｇｅ基板の上に配置される。ミドルソーラーセルは、高バンドギャップヘテロ接合を含み、それはエミッタ層およびベース層を含む。ミドルソーラーセルは、ボトムソーラーセルの上に配置される。トップソーラーセルは、ミドルソーラーセルの上に配置され、これもエミッタ層およびベース層を含む。
本発明の追加的特徴および利点は、以下の詳細な説明、図面および特許請求の範囲から明らかになる。
【０００５】
本発明は、以下の詳細な説明から、および本発明の様々な実施形態の付随した図面から完全に理解できるが、それは本発明を特定の実施形態に限定するためではなく、説明および理解のためだけのものである。
【０００６】
詳細な説明
高バンドギャップヘテロ接合ミドルソーラーセルを有する多重接合ソーラーセル構造の製造方法および構造を説明する。
以下の記述において、説明のため、本発明の完全な理解を提供するため、多くの特定的な詳細が示される。しかしながら、これらの特定的な詳細は、本発明を実施するためには必要ないかもしれないことは、当業者には明らかである。他の例では、本発明をあいまいにしないために、ブロック図で著名な回路およびデバイスが示されている。
本発明は、著名なＣＭＯＳ（“相補型金属酸化膜半導体”）技術、または他の半導体製造プロセスを用いて容易に製造可能なトランジスタ回路を含んでもよいと理解される。加えて、本発明は、デジタルデバイスを作るための他の製造プロセスで実行されてもよい。
高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する多重接合ソーラーセル構造が開示される。１の実施形態において、多重接合ソーラーセル構造は、ボトム、ミドルおよびトップソーラーセルを含む。ボトムセルは、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板およびバッファ層を有し、バッファ層はＧｅ基板の上に配置される。ミドルソーラーセルは、高バンドギャプヘテロ接合を含み、それはエミッタ層およびベース層を含む。ミドルソーラーセルは、ボトムソーラーセルの上に配置される。トップソーラーセルは、ミドルソーラーセルの上に配置され、またこれもエミッタ層およびベース層を含む。
【０００７】
図１は、本発明の実施形態に従った、太陽スペクトルとエネルギ強度との関係を示すチャート１００である。図１を参照すると、チャート１００は、グラフ１０２および３の領域１０４から１０８を含んでおり、それはグラフ１０２を３の区分に分割している。グラフ１０２は、太陽または日光スペクトル（または放射）でのエネルギ強度を示している。すなわち、太陽スペクトルの様々な波長λは、様々なエネルギ強度Ｉを有する。エネルギ強度は通常、太陽スペクトルにおける一定の点において、太陽エネルギから変換することができる可能性のある電気エネルギの量を含むものと理解される。一般的に、太陽エネルギ、フォトン、日光、放射、および光という用語は、ここでは相互に交換可能に使用される。図１を参照すると、エネルギ強度Ｉ2よりも、エネルギ強度Ｉ1において、より多くの電気エネルギが変換されうる。すなわち、エネルギ強度または変換されうる電気エネルギの量は、太陽スペクトルの中で変化する。
領域１０４は、太陽スペクトルの高周波部分を主にカバーする。高周波数部分は、太陽スペクトルの紫外線、Ｘ線、および／またはガンマ線を含んでもよい。１の実施形態において、高周波数部分１０４は、およそ０から１２０ナノメートルのλ範囲に当てはまる。
【０００８】
本発明の１の特徴において、多重接合セル構造のトップソーラーセル１１０は、太陽スペクトルの高周波部分（領域１０４）における太陽エネルギを、電気エネルギに変換するように設計されている。トップソーラーセル１１０はフォトンの高周波部分を吸収するように設計される一方で、トップソーラーセル１１０は、吸収されないフォトンまたは太陽放射を、トップソーラーセル１１０へ通過させるような構造でもある。
１の実施形態において、領域１０６は、太陽スペクトルの紫外線の一部、可視光、および／または赤外線の一部におけるフォトンを表す。領域１０６でカバーされているλは、およそ９０ナノメートルから８００ナノメートルの間であり、可視光を含む。図示されたとおり、領域１０６は一般的に、太陽スペクトルの相対的に高いエネルギ強度の部分をカバーする。その結果、相当量の電気エネルギが領域１０６から変換されうるので、領域１０６をカバーする効率的なエネルギ変換デバイスを有することが重要である。
【０００９】
本発明の１の特徴において、多重接合セル構造のミドルソーラーセル１１２（またはミドルサブセル）または複数のミドルソーラーセルが、１０６部分における太陽エネルギを電気エネルギに変換することを担っている。ミドルソーラーセル１１２に使用される素材は、領域１０６におけるフォトンを吸収するように設計されている一方で、該素材は、吸収されないフォトンまたは太陽放射を、ボトムソーラーセル１１４またはトップセル１１０から離れたミドルソーラーセル１１２の下にあるソーラーセルに届かせるような構造も有する。
図１を再度参照すると、領域１０８は太陽スペクトルの低周波数部分をカバーしており、それはスペクトルの赤外線、マイクロ波、および／またはラジオ波の部分を含んでもよい。１の実施形態において、この領域１０８の下の太陽スペクトルのλは、およそ７００ナノメートルか、それ以上である。この実施形態においては、多重接合ソーラーセル構造のボトムソーラーセル１１４は、１０８部分における太陽エネルギを電気エネルギに変換するように設計される。ボトムソーラーセル１１４に使用される素材は、低周波部分１０８におけるすべてのフォトンを吸収するように設計される。
【００１０】
図１に戻ると、１０４、１０６、１０８部分に関して太陽エネルギを電気エネルギに変換するために、それぞれトップソーラーセル１１０、ミドルソーラーセル１１２、およびボトムソーラーセル１１４が採用される。通常、各ソーラーセルが、損失なく、特定の部分のソーラーエネルギのすべてを捕捉することは難しい。従って、ソーラーセルの性能を向上させるために、整合格子および最適なバンドギャップを有する半導体物質を有することが重要である。１の実施形態において、太陽スペクトルの範囲を増やすのと同様に、エミッタの表面パッシベーションを促進させるために、より高いバンドギャップヘテロ接合ミドルセルが使用される。そのようにして、ソーラーセルによる変換範囲が互いに重複する場合、より多くの電気エネルギが変換されてもよい。
グラフ１０２は、３以上の領域に分割することができ、また４以上の関連するソーラーセルが、個々の領域の中でフォトンを捕捉するために使用されてもよいことが、当業者には明らかである。
【００１１】
図２は、複数のソーラーセルを有する多重接合ソーラーセル構造を示す概観的断面図を説明するブロック図２００であり、各ソーラーセルは、本発明の１の実施形態に従った太陽スペクトルの異なる部分を変換することを担う。１の実施形態において、多重接合ソーラーセル構造２０１は、３重結合ソーラーセル構造であり、それはボトムソーラーセル２０６、ミドルソーラーセル２０４、トップソーラーセル２０２、２の接触子２２０ならびに２２２、および２のワイヤ２２４ならびに２２６を含む。ミドルソーラーセル２０４はヘテロ接合を含んでおり、それは従来のホモ接合ソーラーセルよりも高いバンドギャップを有する。高バンドギャップヘテロ接合を使用する効果は、ボトムソーラーセルへの光パッシベーションを促進することである。高バンドギャップヘテロ接合にかかわる別の効果は、より良い格子整合を供給し、それによって太陽スペクトル範囲を増やすことである。例えば、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセル２０４は、従来のホモ接合ミドルソーラーセルよりも太陽スペクトルのより大きな部分を吸収することができる。
【００１２】
従来のホモ接合ミドルソーラーセルを高バンドギャプヘテロ接合ミドルソーラーセルに置き換えることによって、光誘起光電流を増やす以上の利点がある。高バンドギャップヘテロ接合は、飽和暗電流を低減する。例えば、高バンドギャップヘテロ接合ミドルソーラーセルを有する３重接合ソーラーセル構造は、高い開回路電圧と高い短絡電流を供給する。すなわち、日光または光誘起光電流は、高バンドギャップエミッタヘテロ接合とともに増加する。エミッタで吸収されうるフォトンの量が、ベース領域と比較して相対的に低いことも注目される。そのように、ヘテロ接合を用いる別の効果は、高バンドギャップ半導体物質を有するエミッタは、ベース領域へサブバンドギャップ日光を送るのにより効率的であるということである。従って、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルがより大きな短絡電流を供給するのは、それが光誘起キャリアのより高い平均収集可能性を提供するからである。すなわち、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを用いることで、飽和暗電流を低減し、その結果としてより大きな開回路電圧を供給する。
エミッタ物質特性の関数として、暗電流のエミッタ成分に関して一般的に使用される解析式は
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と表され、Ｄpは拡散率、Ｌpは拡散長、ＮDはドーピングレベル、ｎは真性キャリア濃度、ｑは電荷を表す定数、およびＣはエミッタにおける表面パッシベーションのレベルに依存している定数である。半導体物質の真性キャリア濃度ｎは、上記関数において２乗されることが注目される。その結果、高バンドギャップ半導体物質が使用されるときに、より低いＪ0emitterが達成される。
【００１３】
１の実施形態において、接触子２２０および２２２は、多重接合ソーラーセル構造２０１において電流を輸送するために使用される金属導電パッドを具備する。ワイヤ２２４および２２６も、多重ソーラーセル構造２０１を、他の隣接する多重接合ソーラーセル構造および／または他の電気装置に接続するために使用される金属導電チャネルと考えてもよい。追加のブロック、回路、および／または素子を多重接合ソーラーセル構造２０１に加えることが、本発明から逸脱しないことは、当業者には明らかである。
図２を参照すると、日光２１０は、３群のフォトン２１２から２１６を含み、フォトン２１２は少なくとも太陽スペクトルの高周波数部分を含み、フォトン２１４は少なくとも太陽スペクトルの可視光部分を含み、およびフォトン２１６は太陽スペクトルの低周波部分を含む。トップソーラーセル２０２は、ホモ接合またはヘテロ接合を含んでもよく、フォトン２１２を吸収し、同時にフォトン２１４から２１６が、トップソーラーセル２０２を通過できるように設計されている。フォトン２１２を受け取ると、トップソーラーセル２０２はフォトン２１２を電気エネルギに変換し、該電気エネルギを、ミドルおよびボトムセル２０４から２０６から生成された電気エネルギとともに、１の実施形態においては接触子２２２へと送る。１の実施形態における接触子２２２は、電気エネルギを次の段階に送り、それはワイヤを介した隣接するソーラーセルおよび／または電気装置でもよい。
ミドルソーラーセル２０４は高バンドギャップヘテロ接合を含み、少なくともフォトン２１４を吸収し、同時にフォトン２１６をボトムソーラーセル２０６へと届かせるように設計されている。ミドルソーラーセル２０４はフォトン２１４を電気エネルギに変換し、その後、該電気エネルギをボトムソーラーセル２０６から生成された電気エネルギとともにトップソーラーセル２０２へと送る。ボトムソーラーセル２０６は、少なくともフォトン２１６を吸収するように設計されており、その後、フォトン２１６を電気エネルギに変換し、該電気エネルギをミドルソーラーセル２０４に送る。ボトムソーラーセルは、ワイヤ２２４から接触子２２０を介してミドルソーラーセル２０４へ電気エネルギを送ってもよいことが注目される。
【００１４】
１の実施形態において、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルは、エミッタにはインジウムガリウムリン（ＩｎＧａＰ）層、およびベースにはインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層を含む。ＩｎＧａＡｓはゲルマニウム（Ｇｅ）ベース基板に近い格子適合を有する。そのように、ＩｎＧａＡｓはエネルギ変換の効率を向上させるための、高質な半導体物質である。さらに、ＩｎＧａＡｓは、例えば、従来のＧａＡｓホモ接合よりも太陽スペクトルに対してよりよい反応をする。すなわち、ＩｎＧａＡｓは、従来のホモ接合よりも幅広い範囲の太陽スペクトルをカバーする。さらに、ＩｎＧａＰ層はより良い充填比を供給するので、ソーラーセルの開回路電圧を向上させる。ヘテロ接合ミドルセルは、周期表の３、４および５族の元素の組合せで形成されてもよく、３族はボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびタリウム（ＴＩ）を含むことが注目される。４族は、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、Ｇｅおよびスズ（Ｓｎ）を含む。５族は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００１５】
作動時、日光２１０がトップソーラーセル２０２の表面に到達すると、日光の高周波数部分２１２がトップソーラーセル２０２を通して吸収され、かつ変換される一方で、日光の可視光部分２１４および日光の低周波数部分２１６はトップソーラーセル２０２を通過して、それぞれミドルセル２０４およびボトムセル２０６に到達する。ミドルセル２０４は日光の可視光部分２１４を電気エネルギに変化する一方で、ボトムソーラーセル２０６は、フォトンの低周波数部分２１６を電気エネルギに変換する。電流がボトムソーラーセル２０６からトップソーラーセル２０２へと流れ、ワイヤ２２６を通して出力される。
図３は、本発明の１の実施形態に従った、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する３重接合ソーラーセル３００を示す概略的断面図を示すブロック図である。図３を参照すると、３重接合ソーラーセル３００は、トップセル３６０、ミドルセル３５０、ボトムセル３４０、２のトンネル接合層３１６，３２８および接触層３０２を含む。１の実施形態において、ボトムセル３４０は、Ｇｅ基板３３４、ＩｎＧａＰ核生成層３３２、およびＧａＡｓバッファ層３３０を含む。ＩｎＧａＰ核生成層３３２は、Ｇｅ基板３３４と類似した格子パラメータを有し、それは上にある接合に含まれるヒ素に対する拡散障壁として働く。すなわち、核生成層３３２は、浅い拡散Ｇｅ接合を形成するために使用されるｎタイプまたはｐタイプドーパントのソースとして働く。別の構造がボトムセル３４０において使用されても、本発明の範囲から逸脱しないことは、当業者には明らかである。
【００１６】
ミドルセル３５０は、ＩｎＧａＡｓベース層３２４、ＩｎＧａＰエミッタ層３２０、およびインジウムアルミニウムリン（ＩｎＡｌＰ）ウィンドウ層３１８を含む。ミドルセル３５０はヘテロ接合デバイスを含む。エミッタ層３２０はリン（Ｐ）元素を含む一方で、ベース層３２４はヒ素（Ａｓ）元素を含む。ヘテロ接合デバイスがソーラーセルの効率性を改善するのは、太陽スペクトルの異なる部分に整合する異なるバンドギャップエネルギを持つ素材からなるからである。従来のセルに対する、ヘテロ接合ソーラーセルの効果は、向上した短波長反応および低い直列抵抗を含む。ＩｎＡｌＰウィンドウ層３１８は、下にあるヘテロ接合層のセル表面のパッシベーションを促進し、および表面再結合損失を低減するために使用される。再結合損失は、接合から離れて生成される電荷の一部であり、一部の損失は、少数キャリアがデバイスターミナルへと拡散できる前に再結合することで生じる。別の構造を使用しても本発明の範囲から逸脱することはないことは当業者には明らかである。
トップセル３６０は、ＩｎＧａＰベース層３１０、ＩｎＧａＰエミッタ層３０６、およびＩｎＡｌＰウィンドウ層３０４を含む。トップセル３６０がホモ接合ソーラーセルデバイスを含むのは、ベースおよびエミッタ層３０６から３１０が類似の元素を含むからである。トップセル３６０におけるホモ接合ソーラーセルは、ヘテロ接合ソーラーセルと置き換えても良いことが注目される。また、別の構造がトップセル３６０において使用されても、本発明の範囲から逸脱しないことも、当業者には明らかである。
【００１７】
図４は、本発明の１の実施形態に従った詳細な３重接合ソーラーセル構造４００を示す概略的断面図を示すブロック図である。図４を参照すると、３重接合ソーラーセル構造４００は、トップセル４６０、ミドルセル４５０、ボトムセル４４０、トンネル接合層４１６から４１７、４２８から４２９、および接触層４０２を含む。１の実施形態において、ボトムセル４４０は、Ｇｅ基板４３４、ＩｎＧａＰ核生成層４３２、およびＧａＡｓバッファ層４３０を含む。前述のとおり、ＩｎＧａＰ核生成層４３２は、上にある接合に含まれるヒ素に対する拡散障壁として働く。
この実施形態において、ミドルセル４５０は、ＩｎＡｌＰウィンドウ層４１８、ＩｎＧａＰエミッタ層４２０、ＩｎＧａＡｓセットバック層４２２、ＩｎＧａＡｓベース層４２４、およびアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）裏面電界（ＢＳＦ）層４２６を含む。ミドルセル４５０は、高バンドギャップを持つヘテロ接合ソーラーセル構造を有する。この実施形態において、化合半導体が、吸収係数を改善するためにより良いバンドギャップ素材を供給する。ソーラーセル素材のための最適なバンドギャップは、多くの電子を浪費しないだけの十分な広さを持ち、十分なフォトンが電子‐ホール対を作り出すのに十分な狭さを有するバンドギャップを選択するという妥協であると考えられる。このように、高バンドギャップヘテロ接合ソーラーセルは、ソーラーセルの性能を向上させる。
【００１８】
１の実施形態において、セットバック層４２２は、やや、またはドープされていない複合体の薄層である。ＡｌＧａＡｓＢＳＦ層４２６は、ミドルセル４５０における再結合損失を低減するために使用される。ＢＳＦ層４２６は、再結合損失の影響を低減するために、裏面に近い、かなりドープされた領域から少数キャリアを送る。すなわち、ＢＳＦはソーラーセルの裏側において低再結合を供給し、およびエミッタ領域でのバルク再結合を低減する。ミドルセル４５０で使用されるＩｎＡｌＰウィンドウ層４１８も再結合損失を低減する。前述のとおり、ウィンドウ層４１８はさらに、下にあるヘテロ接合のセル表面のパッシベーションを促進する。本発明の範囲を逸脱することなく、付加的な層（または複数の層）をミドルセル４５０に加えてもよいことは、当業者には明らかである。
トップセル４６０は、ＩｎＡｌＰウィンドウ層４０４、ＩｎＧａＰエミッタ層４０６、ＩｎＧａＰセットバック層４０８、ＩｎＧａＰベース層４１０、およびインジウムガリウムアルミニウムリン（ＩｎＧａＡｌＰ）ＢＳＦ４１２を含む。トップセル４６０は、ホモ接合ソーラーセルデバイスを含む。ベース層４１０およびエミッタ層４０６は、類似の複合元素を含む。トップセル４６０におけるホモ接合ソーラーセルは、ヘテロ接合ソーラーセルと置き換えられてもよいことが注目される。また、付加的な層（複数の層）がトップセル４６０に追加されても、本発明の範囲を逸脱しないことも、当業者には明らかである。
【００１９】
図５は、本発明の１の実施形態に従った、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する３重接合ソーラーセル構造を製造するための方法を示したフローチャート５００である。ブロック５１０において、プロセスは、ＩｎＧａＰ核生成層をＧｅ基板に配置する。ＩｎＧａＰ核生成層は、接合に含まれるヒ素に対する拡散障壁を作り出すために、Ｇｅ基板に類似した格子パラメータを有する。核生成層がＧｅ基板に配置されると、プロセスはブロック５１２に進む。
ブロック５１２において、プロセスは、ボトムサブセルとしても知られている、ボトムソーラーセルを形成するために、核生成層にＩｎＧａＡｓバッファ層を配置する。バッファ層が配置されると、トンネル接合層、例えばｎ++ＧａＡｓトンネル接合およびｎ++ＡｌＧａＡｓトンネル接合が形成されてもよい。プロセスはブロック５１４に進む。
【００２０】
ブロック５１４において、プロセスは、ボトムソーラーセルの上にヘテロ接合ミドルソーラーセルを配置する。１の実施形態において、ＢＳＦ層がボトムソーラーセルの上に配置された後に、ＩｎＧａＡｓベース層がＡｌＧａＡｓＢＳＦ層に配置される。それに続き、ＩｎＧａＡｓセットバック層は、ＩｎＧａＰエミッタ層がセットバック層に配置される前に、ＩｎＧａＡｓベース層の上に形成される。エミッタ層が配置された後、ＩｎＡｌＰウィンドウ層は、エミッタ層の上に配置される。トンネル接合がトップとミドルのソーラーセルの間に形成されると、プロセスはブロック５１６に進む。
ブロック５１６において、プロセスはミドルソーラーセルの上にホモ接合トップソーラーセルを配置する。１の実施形態において、ＩｎＧａＰベース層は、ミドルソーラーセルの上に配置された後に、ＢＳＦ層に配置される。それに続いてＩｎＧａＰセットバック層は、ＩｎＧａＰエミッタ層がセットバック層に配置される前に、ＩｎＧａＡｓベース層の上に形成される。エミッタ層が配置された後、ＩｎＡｌＰウィンドウ層はエミッタ層の上に配置される。高バンドギャップヘテロ接合ミドルソーラーセルを有する３重接合ソーラーセル構造は、ＧａＡｓ接触層がＩｎＡｌＰウィンドウ層に配置されるときに形成される。３重接合ソーラーセル構造が完成すると、プロセスは終了する。
【００２１】
前記された明細書において、本発明はその特定的例示的実施形態を参照して説明されてきた。しかしながら、本発明のより広範な範囲から逸脱することなく、様々な修正や変更がなされても良いことは明らかである。従って、明細書および図面は、制約的な意味ではなく、例示的なものと考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従った、太陽スペクトルと電力出力の間の関係を示す図である。
【図２】図２は、複数のソーラーセルを有する多重接合ソーラーセル構造を示す概観的断面図を説明するブロック図であり、各ソーラーセルは、本発明の１の実施形態に従った太陽スペクトルの異なる部分を受け持つ。
【図３】図３は、本発明の１の実施形態に従った、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する３重結合ソーラーセルを示す概観的断面図を説明するブロック図である。
【図４】図４は、本発明の１の実施形態に従った、詳細な３重接合ソーラーセル構造を示す概観的断面図を説明するブロック図である。
【図５】図５は、本発明の１の実施形態に従った、高バンドギャップヘテロ接合ミドルセルを有する３重接合ソーラーセル構造を製造するための方法を説明している流れ図である。
【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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【国際調査報告】
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