(57)【要約】【課題】  光起電力太陽電池を提供する。【解決手段】  バイパスダイオードを備えた多重接合太陽電池構造体を有する太陽電池が開示される。バイパスダイオードは、多重接合太陽電池構造体に対する逆バイアス保護を提供する。一実施形態においては、多重接合太陽電池構造体は、基板、下部電池、中間電池、上部電池、バイパスダイオード、横方向導電層、及びシャントを含む。横方向導電層は、上部電池の上に堆積される。バイパスダイオードは、横方向導電層の上に堆積される。シャントの１つの側面は基板に接続され、シャントの別の側面は横方向導電層に接続される。別の実施形態においては、バイパスダイオードは、ダイオードの性能を向上させるためにｉ層を包含する。
2005514763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に配置された少なくとも第１、第２、及び第３のサブ電池を有する多重接合太陽電池構造体と、
前記多重接合太陽電池構造体の少なくとも一部分の上に堆積された横方向導電層と、
前記横方向導電層の上に堆積されたｐ型、ｉ型、及びｎ型層を有するバイパスダイオードと、
を含むことを特徴とするソーラー装置。
【請求項２】
前記サブ電池と前記バイパスダイオードとの間に電気的分離をもたらすために前記多重接合太陽電池構造体に凹部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のソーラー装置。
【請求項３】
第１及び第２接触端部を有するシャントを更に含み、
前記シャントの第１接触端部は、前記横方向導電層に接続され、該シャントの第２接触端部は、前記凹部を通じて前記基板に接続される、
ことを特徴とする請求項２に記載のソーラー装置。
【請求項４】
前記横方向導電層の上に堆積されたストップエッチ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のソーラー装置。
【請求項５】
第１及び第２接触層を更に含み、
前記第１接触層は、前記バイパスダイオードに隣接して堆積され、前記第２接触層は、前記基板に隣接して配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のソーラー装置。
【請求項６】
前記基板は、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板であることを特徴とする請求項１に記載のソーラー装置。
【請求項７】
前記多重接合太陽電池構造体は、三重接合太陽電池であり、
前記第１サブ電池は、下部太陽電池であり、前記第２サブ電池は、中間太陽電池であり、前記第３サブ電池は、上部太陽電池であり、
前記下部太陽電池は、前記基板の上に堆積されたｐドープされたＧｅベース層と、前記ベース層の上に堆積されたか又は拡散により形成されたｎドープされたＧｅエミッタ層と、前記エミッタ層の上に堆積されたｎドープされた核生成層とを更に含み、
前記中間太陽電池は、前記下部太陽電池の上に堆積されたｐドープされた背面フィールド（ＢＳＦ）層と、前記ＢＳＦ層の上に堆積されたｐドープされたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ベース層と、前記ベース層の上に堆積されたｎドープされたＧａＡｓエミッタ層と、
前記エミッタ層の上に堆積されたｎドープされた燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ2）ウィンドウ層とを更に含み、
前記上部太陽電池は、前記中間太陽電池の上に堆積されたｐドープされた燐化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ）背面フィールド（ＢＳＦ）層と、前記ＩｎＧａＡｌＰ  ＢＳＦ層の上に堆積されたｐドープされたＧａＩｎＰ2ベース層と、前記ＩｎＧａＰ2ベース層の上に堆積されたｎドープされたＧａＩｎＰ2エミッタ層と、前記ＧａＩｎＰ2エミッタ層の上に堆積されたｎドープされた燐化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＰ2）ウィンドウ層とを更に含む、
ことを特徴とする請求項６に記載のソーラー装置。
【請求項８】
前記上部太陽電池を構成する第３サブ電池と前記横方向導電層との間に堆積されたｎドープされたＧａＡｓキャップ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のソーラー装置。
【請求項９】
太陽電池構造体であって、
ゲルマニウム（Ｇｅ）基板の上に配置された少なくとも１つの太陽電池と、
前記太陽電池構造体の一部分の上に堆積された横方向導電層と、
前記横方向導電層の上に堆積されたバイパスダイオードと、
前記太陽電池と前記バイパスダイオードとの間に形成された第１及び第２の接触側面を有するシャントであって、該第１接触側面が前記基板に接続され、該第２接触側面が前記横方向導電層に接続された、前記シャントと、
を含むことを特徴とする太陽電池構造体。
【請求項１０】
ゲルマニウム（Ｇｅ）基板を準備する工程と、
前記Ｇｅ基板上に多重接合部を有する太陽電池を堆積させる工程と、
前記太陽電池上に横方向導電層を堆積させる工程と、
前記横方向導電層の上にバイパスダイオードを堆積させる工程と、
前記バイパスダイオードと前記太陽電池との間に凹部をエッチングする工程と、
前記Ｇｅ基板と前記バイパスダイオードとの間に前記凹部を通じてシャントを堆積させる工程と、
を含み、
前記シャントの１つの側面は、前記Ｇｅ基板に接続され、該シャントの別の側面は、前記横方向導電層に接続される、
ことを特徴とする、太陽電池装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００１年１０月２４日申請の「太陽電池のバイパスダイオードの効率を最適化するための装置及び方法」という名称の米国特許出願一連番号第０９／９９９、５９８号の一部継続出願である。
本発明は、半導体素子の分野に関する。より具体的には、本発明は、光起電力太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力電池、別名太陽電池は、ここ数年の間に利用可能になってきた最も重要な新しいエネルギ源の１つである。多大な労力が太陽電池の開発に注がれてきた。この結果、太陽電池は、現在ではいくつかの業務用及び消費者向け用途に使用されている。著しい進歩がこの領域で為されてきたが、より高度な用途の要求を満たすための太陽電池に対する要件は、需要と歩調が合っていない。移動通信及び電話通信に使用される衛星のような用途は、改良された電力及びエネルギ変換特性を有する太陽電池に対する需要を飛躍的に増大させてきた。
衛星及び他の宇宙関連の応用においては、衛星の電力システムの大きさ、質量、及び費用は、使用される太陽電池の電力及びエネルギ変換効率に依存する。言い換えると、ペイロードの大きさ及び搭載機能の利用可能性は、供給される電力量に比例する。従って、ペイロードが更に高性能になる時、搭載電力システムのための電力変換装置として作用する太陽電池は、ますます重要になってくる。
【０００３】
太陽電池は、アレーの形で、すなわち互いに直列に接続された太陽電池のアセンブリの形で頻繁に使用される。アレーの形状及び構造、及び、アレーが包含する電池の数は、目標とする出力電圧及び電流によりある程度判断される。
アレー内の太陽電池が太陽光を受けているか又は照明された場合、各電池には、順バイアスがかかることになる。しかし、いずれかの電池が影又は損傷のために照明されていない場合、これらの影になった電池は、照明されている電池により生じた電流を運ぶために、無理やり逆バイアスがかかった状態にされる場合がある。この逆バイアスは、電池を劣化させ、最終的には電池を作動不能にする可能性がある。多くの場合、逆バイアスを防ぐためにダイオード構造が実施される。
【０００４】
バイパスダイオードの目的は、影になっているか又は損傷のある電池から電流を切り離すことである。このバイパスは、影になった電池が逆バイアス状態になった時に順バイアス状態になる。影になった電池に無理に電流を通す代わりに、ダイオードは、影になった電池から電流を引き離し、次の電池への接続を維持する。
従来のバイパスダイオードは、典型的には、太陽電池アレーの外部に接続される。このタイプのバイパスダイオードに付随する問題点は、外部組立てが電池の製造業者よりもむしろアレー組立て業者により行われるために、製造が難しく信頼性も低いということである。
【０００５】
太陽電池を保護する別の従来の方法は、隣接する電池の間にバイパスダイオードを配置することであり、バイパスダイオードのアノードが一方の電池に接続され、ダイオードのカソードが隣接した電池に接続される。しかし、この技術に伴う問題点は、製造工程を複雑にし、太陽電池アレーの組立てを更に難しいものにすることである。
太陽電池を保護するための第３の技術は、太陽電池構造体上に凹部を形成し、凹部内にバイパスダイオードを配置する工程を伴う。電池の脆さのために、この技術を製造ラインで実施することは難しい。それに加えて、隣接する電池をアレー組立て業者によりダイオードに接続すべきである。
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願一連番号第０９／９９９、５９８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
すなわち、必要なことは、多重接合太陽電池構造体におけるバイパスダイオードの効率及び性能を強化するための機構及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
バイパスダイオードを備えた多重接合太陽電池構造体を有するソーラー装置が開示される。バイパスダイオードは、多重接合太陽電池構造体に対する逆バイアス保護を提供する。一実施形態においては、多重接合太陽電池構造体は、基板、下部電池、中間電池、上部電池、バイパスダイオード、横方向導電層、及びシャントを含む。横方向導電層は、上部電池の上に堆積される。バイパスダイオードは、横方向導電層の上に堆積される。シャントの１つの側面は基板に接続され、シャントの別の側面は横方向導電層に接続される。別の実施形態においては、バイパスダイオードは、ダイオードの性能を向上させるためにｉ層を包含する。
本発明の付加的な特徴及び恩典は、以下に示す詳細説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明は、以下の詳細説明、及び本発明の様々な実施形態を示す添付図面から十分に理解されるであろうが、それらは、特定の実施形態に本発明を限定するようにとられるべきではなく、単に説明及び理解のためのものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ｉ層を備えたバイパスダイオードを有する多重接合太陽電池構造体を備えた太陽電池の方法及び装置について説明する。
以下の説明においては、本発明を完全に理解するために記載の目的で多くの特定の詳細を示している。しかし、本発明を実施するのにこれらの特定の詳細が必要でないことは当業者には明らかである。他の場合においては、公知の回路及び装置は、本発明を曖昧にするのを避けるためにブロック図の形で示されている。
【００１０】
本発明は、公知の「ＣＭＯＳ」（相補型金属酸化膜半導体）技術又は他の半導体製造工程を使って容易に製造可能なトランジスタ回路を含むことができることが理解されるものとする。更に、本発明は、デジタル装置を作るための他の製造工程を用いて実施することができる。
本発明は、少なくとも１つの一体型モノリシックバイパスダイオードを有する多重接合太陽電池に関する。太陽電池を構成する各層は、効率及び製造可能性の組合せに対して特に選択される。以下に説明するように、一実施形態は、独特な修正バッファ構造を有する少なくとも３つの接合部を備えた多重接合構造から成る。
一体型モノリシックバイパスダイオードを有する太陽電池を製造する工程は、以下に示す５つの別個の工程から成る。
【００１１】
図１は、本発明の一体型バイパスダイオードを有するモノリシック太陽電池の実施形態を説明している。図２は、電池を通る２つの可能な電流経路を示す一連の回路図である。
図１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板１０４の上のＧａＡｓバッファ１０３を覆う燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）の電池１０１及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の電池１０２を有する多重接合太陽電池１００を示す。太陽電池１００が照明された時には、電圧及び電流の両方が発生する。図２Ａは、以下に説明される金属化部分１０７及び横方向導電層１１３のない、図４に示すような太陽電池を表している。太陽電池に照明された場合、太陽電池の層、すなわち、Ｇｅ接合部１０４、ＧａＡｓ接合部１０２、及びＩｎＧａＰ接合部１０１を通る電池経路２０１に従って流れる電流に対する障壁はないことになる。
【００１２】
しかし、衛星の動きにより影になるか又は電池への損傷の結果として太陽電池１００が太陽光を受けていない場合は、抵抗が電池経路２０１に沿って存在する。太陽電池がアレーで存在するので、照明された電池からの電流が影になった電池を通過すべきである。もしダイオードがなかったら、電流は、電池経路２０１を通って無理やり進み、電池を破壊しない場合は、電池のバイアスを逆にして劣化させるであろう。
しかし、電池がダイオードを含む場合、電流に代替の並列経路２０２を提供することができ、影になった電池が保存されることになる。この考え方における問題点は、比較的製造し易く、電源を入れて作動させるのにごく低レベルの電圧しか使用しないダイオードを作り出すのが難しいということである。ここに説明される本発明は、これらの問題点を解決する。
【００１３】
電池が影になったか又はそれ以外の方法で太陽光を受けていない場合、電流がダイオード経路２０２を選択するためには、ダイオード経路２０２のオン電圧は電池経路２０１に沿った降伏電圧よりも小さくなる必要がある。電池経路に沿った降伏電圧は、一般に、少なくともせいぜい５ボルトであろう。ショットキー接点４０３は、「オン」するために比較的少ない電圧量の６００ミリボルトを必要とする。しかし、Ｇｅ接合部１０４を通過するためには、Ｇｅ接合部１０４のバイアスは逆になるべきであり、大きな電圧を必要とする。Ｇｅ接合部１０４のバイアスを逆にするには、約９．４ボルトを必要とし、ほぼ１０ボルトが図２Ａのダイオード経路２０２に電流を流すのに必要である。Ｇｅ接合部のバイアスを逆にするのに使用される１０ボルトは、そうでなければ他の応用に利用可能であったであろう電圧よりも１０ボルト少ない電圧である。従って、図４で示される素子は、機能するバイパスダイオードであるが、電力利用の観点からは効率の悪いものである。
【００１４】
この非効率性に対処するために、チタン金（ＴｉＡｕ）接点１０９及び１１０が太陽電池に追加される金属化処理において、金属１０７の付加的な層が同様に追加される。図１に示す実施形態においては、その金属はＴｉＡｕであるが、他の金属を使用することもできることは当業者には公知であろう。
金属１０７の効果は、  Ｇｅ電池１０４のベースにＧｅ接合部１０４を「短絡」させることである。この短絡により、層１１３とＧｅ基板との間に電流を通すのに最小電圧しか必要としない。電流をＧｅ接合部１０４に流すのに、もはや高電圧は必要ではない。電流は、「短絡経路」１０７を通って容易に流れる。図２Ｂは、回路図を提供する。太陽電池が影になった場合、電池は、もはやアレーの列に電流を通すために無理に逆バイアスにされることはない。電流がバイパスダイオード２０２を通過するのに相当に低い電圧降下しか必要としない相当に少ない抵抗の経路が存在する。金属化部分１０７の追加により、Ｇｅ電池１０４は短絡される。この結果、電流は、９．４オン電圧を有する逆バイアスダイオードではなく、代わりに抵抗器２０４により表されたオーム抵抗経路に遭遇する。
【００１５】
層は、２つのことを実行するために約７から８×１０17ｃｍ3までドープされる。第１に、それは金属層１０７の接点抵抗を減らし、第２に、それは横方向導電層に対して低抵抗経路をもたらす。横方向導電層なしにおいては、抵抗器２０４における抵抗は約２０オームである。２０オームは、太陽電池の電流に対する大きなドレーンを示している。この抵抗を減らすために、横方向導電層１１３が太陽電池に追加される。図２Ｃは、図１に示すような太陽電池の電流経路を表している。太陽電池が影になった場合、電流は抵抗器２０４へ流れることになる。横方向導電層１１３の存在により、抵抗器での抵抗は、０．４オームまで低くなることができる。
【００１６】
太陽電池１００の製造工程には５つの工程がある。図３は、多重接合太陽電池１００と、その構成要素部分、すなわち、多重接合構造３０１及びバッファ構造３０２とを示す。図示の実施形態においては、「ｎ−ｏｎ−ｐ」ＩｎＧａＰ2から構成された上部電池１０１は、「ｎ−ｏｎ−ｐ」  ＧａＡｓ電池１０２の上に成長する。第３拡散Ｇｅ接合部１０４は、バッファ層１０３の成長の間にＡｓの拡散により形成される。
【００１７】
太陽電池の上部接合部とＧｅ基板１０４との間にバッファが存在するが、その理由は、上部接合部がＩＩＩＶ族材料で作られ、電池全体がＧｅ基板１０４上に成長するからである。Ｇｅは、ＩＶ族元素であり、従って、ＩＩＩＶ族元素とは異なる格子パラメータを有する。格子整合は、一般に太陽電池の効率を向上させる方法として当業者の間で認められており、従って、格子不整合は、電池の全体的な効率を低下させる。格子整合を達成するために、バッファ層が製造工程において挿入され、通常、これはＧｅ基板の上に成長するＧａＡｓの厚い層である。ＩｎＧａＰ層の格子は、Ｇｅ層よりもＧａＡｓ層と遥かに良く整合する。
【００１８】
バッファ構造３０２は、バッファ構造３０２の上層としてのＩｎＧａＰショットキー接点３０３から成る。これは、ショットキーダイオードを後で形成することになる。バッファ構造３０２はまた、付加的なエッチストップ３０４から成る。エッチストップ３０４は、より容易な素子の製造を可能にする。「ウェットエッチング」に際して、エッチストップは、バイパスダイオードの形成を容易にする障壁を処理中に作り出す。上述のように、ダイオードから電流をより効率的に導くために、横方向導電層１１３がこのバッファ層に存在する。
【００１９】
図４に示すように、製造工程の第１の工程は、電池１００内まで下がってきてＩｎＧａＰ層４０３で終端する「ウェットエッチ」を作ることである。
ＴｉＡｕ接点１１０は、ＩｎＧａＰ層４０３上に形成される。ＴｉＡｕ接点１０９は、ｎ+−ＧａＡｓ層１１２とのオーム接点を作るために電池の上部に形成される。ＩｎＧａＰ層４０３上のＴｉＡｕ接点１１０は、非オームであるショットキー接点を作る。すなわち、抵抗器のように見える代わりに、このような接点４０３及びＴｉＡｕ接点１１０は、ダイオードを形成する。
【００２０】
製造工程の第２工程を図５に示す。図５は、Ｇｅ電池１０４のレベルまで下げられた「メサ・エッチ」５０１を示している。この工程の主な目的は、太陽電池内の接合部１０５をダイオード１０６から絶縁する真のダイオード１０６を作り出すことである。太陽電池全体が製造され、金属接点が結合され、電池がパッケージ化された時に、電池１０５及びダイオード１０６は、並列であるが絶縁していることになる。
第３の工程は、「シャント・エッチ」５０２であり、これは、次の工程で金属１０７が置かれることになる「棚」を提供する。層の間のエッチストップなしで製造途中にエッチを作るためには、この例においてどのような程度の精度を用いても使用するのが極めて難しい「微小エッチ」を使用する必要があるであろう。エッチストップ３０４は、より効率的に太陽電池を製造することを可能にする。
【００２１】
第４の工程は、金属化処理である。ＴｉＡｕ接点１０９及び１１０が追加され、更に、金属層１０７が追加される。この実施形態においては、層を構成する金属はＴｉＡｕである。ＴｉＡｕ接点１１０がＩｎＧａＰ層４０３と接する位置でショットキー接点が作り出される。
電池の上のＴｉＡｕ接点１０９においては、ＴｉＡｕは、ｎ型ＧａＡｓ１１２とのオーム接点を作る。これは、当業者にとってこのタイプの電池に対する通常の電池伝導法である。ＩｎＧａＰ層４０３でのＴｉＡｕ接点１１０により、ショットキー接点が作り出される。しかし、目的はＧｅ電池１０４を「短絡させる」ことなので、接点は、高度にドープされたｎ+−ＧａＡｓ電池１１３に対して作られた。層１１３もまた横方向導電層である。ＧａＡｓ層１１３に対する接点を作る際に、抵抗器が作り出される。図２Ａに示すように、抵抗器２０４での抵抗は約２０オームであった。２０オームの電力損失は、電力利用の面からは電池をあまりにも非効率的にする可能性がある。
【００２２】
ＧａＡｓバッファ接点３０４でのエッチストップは、この問題を軽減する。ＧａＡｓバッファ接点１１３は、電池の上部におけるＧａＡｓバッファ接点１１２と同じレベルでｎ＋ドープされる。これは、ＴｉＡｕ接点１０９と電池の上部のＧａＡｓ接触層１１２との間に、ＧａＡｓ層１１３を有する金属接点１０７と同じ品質の接点を有する電池を作り出す。
ダイオード１０６の様々な層の厚さを修正することは、ダイオード１０６における抵抗を減少させる別の方法である。
【００２３】
横方向導電層１１３はまた、ダイオード１０６の抵抗を２０オームから０．４オームの低さまで軽減させる。電流経路は、ダイオード１０６を通り、ダイオードの厚さは通常いくらかの抵抗を引き起こすであろうが、横方向導電層１１３は、電流が金属までより効率的に伝わるのを助ける。この実施形態においては、横方向導電層は、高度にドープされたｎ+−ＧａＡｓから作られる。シャント層１０７はまた、接点１１０を部分的又は完全に囲むように作ることができ、更に直列抵抗を減少させる。
【００２４】
横方向導電層１１３及び金属化部分１０７は、ダイオードを「オン」にして影になった電池をバイパスするのに必要な電圧量を減らすための２つの最も重要な手段である。直列抵抗を減らすことにより、局所的なＩ2Ｒ加熱量もまた減少する。この処理はまた、電池の上に成長すべき付加的な層ではなく、バイパスダイオード層が電池のバッファ層の内側に成長するので処理工程の数が少ないという理由で独特である。電流素子は、低直列抵抗バイパスダイオード、及び、低バイパスダイオードのオンをもたらす。バイパスダイオード回路の完了には、接点１０９及び１１０間に為されるはんだ付け又は溶接相互接続が必要である。これは、通常の相互接続溶接の一部として行うことが可能である。
【００２５】
製造工程の第５工程は、反射防止コーティングを付加し、外部接点が取り付けられることになる場所にエッチを入れることである。
上述内容から分るように、ダイオードが製造される工程は、電池の製造工程と一体になっており、付加的な製造工程又は電池上に成長すべき付加的な層は必要ない。
以下は、ｉ層を有する多重接合太陽電池の上にバイパスダイオードがエピタキシャルに配置される本発明の別の実施形態を示している。
【００２６】
図６は、本発明の一実施形態に従ってバイパスダイオード６２０を有する多重接合太陽電池構造体６４０の概略断面を示すブロック図６００である。図６００は、基板６０２、多重接合太陽電池構造体６４０、バイパスダイオード６２０、凹部６５０、及びシャント６３０を含む。一実施形態においては、基板６０２は、ゲルマニウム基板である。多重接合太陽電池構造体６４０は、更に、上部、中間、及び下部のサブ電池を含む。太陽電池、電池、及びサブ電池という用語は、ここでは同義で用いられる点に注意すべきである。多重接合太陽電池構造体は、２つの部分６４２−６４４に分けられ、部分６４２は、太陽光を電力に変換する太陽電池を含み、部分６４４は、バイパスダイオード６２０を含む。
【００２７】
図６を参照すると、多重接合太陽電池構造体６４０は、下部太陽電池６０４が基板の上に堆積され、中間太陽電池６０６が下部太陽電池６０４の上に堆積された多重接合太陽電池構造体である。多重接合太陽電池構造体の上部太陽電池６０８は、中間太陽電池６０６の上に堆積される。多重接合太陽電池構造体内の各太陽電池は、太陽スペクトルの波長λの範囲内の太陽エネルギを変換するよう設計されている。例えば、多重接合太陽電池構造体の上部太陽電池６０８は、太陽スペクトルの高周波部分を電気エネルギに変換するように設計されている。高周波部分は、太陽スペクトルの紫外線、Ｘ線、及び／又はガンマ線を含むことができる。一実施形態においては、高周波部分は、約７００ナノメートルから１００ナノメートルの範囲のλを含む。中間太陽電池６０６は、約９０ナノメートルから１０００ナノメートルの間とすることができる、太陽スペクトルの紫外線、可視光、及び／又は赤外線の一部分の範囲の太陽エネルギを変換する役割を担う。下部太陽電池６０４は、約７００ナノメートル及び／又はそれ以上とすることができる、赤外線、マイクロ波、及び／又は電波の範囲の太陽エネルギを変換する役割を担う。
【００２８】
太陽スペクトルが３つよりも多い領域に分割されて、各領域がそれぞれの領域内で光子を捕らえるための付随する太陽電池を有することは当業者に公知のことである。本発明の基本概念が３つよりも多いか又は少ないサブ電池を含む多重接合太陽電池構造体６４０にも適用される点に更に注意すべきである。
図式６００は、更に、横方向導電層６１０及びストップエッチ層６１２を含む。一実施形態に対しては、横方向導電層６１０は、高い導電性の性質を有するように重くドープされる。ストップエッチ層６１２は、一態様においては、エッチング処理中にシャント接触パッド６５２を作り出す必要がある。
【００２９】
図６を参照すると、バイパスダイオード６２０は、ｎ型層６２６、ｉ型層６２４、及びｐ型層６２２を含む。例えば、ｎ型層６２６は、ｎドープされたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層であり、ｐ型層６２２は、ｐドープされたＧａＡｓ層とすることができるであろう。一実施形態においては、「ｐ−ｏｎ−ｎ」極性を有するバイパスダイオードは、ｐ型複合層がｎ型複合層の上に堆積される場合に形成される。別の実施形態においては、「ｎ−ｏｎ−ｐ」極性を有するバイパスダイオードは、ｎ型複合層がｐ型複合層の上に堆積される場合に形成することができる。ｉ型層６２４はまた、真性層、軽ドープ層、ｉ層、及び／又は非ドープ層と呼ばれる。ｉ型層、真性層、軽ドープ層、ｉ層、及び非ドープ層という用語は、ここでは同義であることに注意すべきである。ｉ層６２４の機能は、マイクロプラズマ降伏のような欠陥による絶縁破壊を減らすことである。言い換えると、ｉ層６２４は、バイパスダイオード６２０が逆バイアスモードである場合に漏れ電流を減少させる。上述のように、バイパスダイオード６２０は、太陽電池が逆バイパスモードに入るのを防ぐことにより太陽電池の完全性を保持する。
【００３０】
一実施形態においては、バイパスダイオード６２０は、それが太陽電池構造体の一体化部分になるように多重接合太陽電池構造体６４０の上にエピタキシャルに形成される。言い換えると、バイパスダイオード６２０は、モノリシック太陽電池構造体の一部である。例えば、製造工程の間に、ｎ型層６２６がストップエッチ層６１２の上に堆積された状態で、ｉ型層６２４が、ｎ型層６２６の上に堆積される。バイパスダイオードは、ｐ型層６２２がｉ型層６２４の上に堆積された後に完成する。一体型バイパスダイオード６２０の利点は、多重接合太陽電池構造体６４０が製造されるのと同時にバイパスダイオードを製造することができることである。バイパスダイオード６２０は、凹部６５０により太陽電池の活性部分と絶縁される。
【００３１】
一実施形態においては、凹部６５０は、メサ・エッチのようなエッチ処理により作られる。これは、太陽電池とバイパスダイオード６２０との間に物理的空間又は隙間を生成する。言い換えると、凹部６５０は、太陽電池の活性部分とバイパスダイオード６２０との間に電気的な分離をもたらす。凹部６５０はまた、シャント６３０を基板にアクセスさせる経路を提供する。一実施形態においては、シャント６３０が堆積された状態で、凹部６５０は、反射防止材料のような非導電材料で充填することができる。太陽電池の活性部分とバイパスダイオードとの間の凹部６５０により作られる隙間又は空間の幅は、半導体技術に依存する点に注意すべきである。
【００３２】
シャント６３０は、凹部６５０を通じて堆積され、シャント６３０の１つの側面が基板に接触し、シャント６３０の別の側面が横方向導電層６１０に接触する。一実施形態においては、シャント６３０の１つの側面はまた、バイパスダイオード６２０を包含する多重接合太陽電池構造体６４０の一部分と接触する。言い換えると、この実施形態においては、シャント６３０は、バイパスダイオード６２０の下にある多重接合太陽電池構造体の一部分を短絡させる。この実施形態においては、シャント６３０は、それが最小の電流損失で基板からバイパスダイオード６２０へ電流を流すことを可能にする金属で作られる。シャント６３０を使用する利点は、それが太陽電池の信頼性に影響を及ぼす外部溶接ジャンパ又は短絡の必要性を減らすことである。
【００３３】
図７は、本発明の一実施形態による三重接合太陽電池構造体及びバイパスダイオード６２０を示す論理図７００である。論理図７００は、上部電池６０８、中間電池６０６、下部電池６０４、バイパスダイオード６２０、抵抗ブロック７０２、及び４つの経路７１０〜７１６を含む。一実施形態においては、抵抗ブロック７０２は、バイパスダイオード６２０の下に位置する多重接合太陽電池構造体の短絡部分からの抵抗とシャント６３０からの抵抗とを含む。
【００３４】
通常の手法を用いる間（例えば、太陽電池６０４〜６０８が、日光、太陽光、光、放射線、及び／又は光子に曝される）、太陽電池６０４〜６０８は、順方向にバイアスされている。これらは、太陽エネルギを電気エネルギに変換し、直列に接続された隣接する太陽電池との間で電流を通す。ここでは日光、太陽光、光、放射線、及び／又は光子という用語は同義に用いることができる点に注意すべきである。この実施形態においては、太陽電池は直列に編成される。太陽電池６０４〜６０８は順方向にバイアスされるが、バイパスダイオード６２０は、太陽電池と反対の極性を有するので逆バイアスがかけられる。すなわち、バイパスダイオード６２０が逆バイアスモードにある場合は、バイパスダイオード６２０に電流は流れない。
【００３５】
隣接する太陽電池から発生した電流が経路７１０を通って太陽電池６０４〜６０８に到達すると、太陽電池６０４〜６０８は、太陽電池６０４〜６０８により変換された電流と、経路７１０を通って隣接する太陽電池から到着する電流とを含む全電流を経路７１２を通じて経路７１６へ通す。経路７１６は、別の太陽電池及び／又は他の電気素子に接続することができる。
しかし、例えば太陽電池６０４〜６０８が影になった時に、太陽電池６０４〜６０８が逆バイアスモードにある状況の間は、バイパスダイオード６２０は、順バイアスがかけられた状態になる。この状況においては、バイパスダイオード６２０は活性になり、経路７１０を通じて隣接する太陽電池から経路７１４を通って経路７１６へ電流を通す。言い換えると、太陽電池６０４〜６０８が逆バイアスモードにある場合は、バイパスダイオード６２０は順方向にバイアスされ、経路７１４を使用して経路７１０から経路７１６へ電流を通す。
仮に付加的な太陽電池及びバイパスダイオードが論理図７００に追加されても、本発明の基本概念が応用可能であることが理解される。
【００３６】
図８は、本発明の一実施形態によるバイパスダイオード６２０を有する三重接合太陽電池構造体６４０を示す詳細な図式断面のブロック図８００である。図８を参照すると、ブロック図８００は、基板６０２、三重接合太陽電池構造体６４０、バイパスダイオード６２０、凹部６５０、及びシャント６３０を含む。三重接合太陽電池構造体６４０は、更に、下部、中間、及び上部サブ電池６０４〜６０８を含む。ブロック図８００はまた、接触パッド８０２〜８０６を含み、接触パッド８０６は、横方向導電層６１０の上に堆積され、接触パッド８０４は、バイパスダイオード６２０の上に堆積される。
【００３７】
一実施形態においては、基板は、金属接触パッド８０２の上に形成されたｐ型ゲルマニウム（Ｇｅ）基板６０２である。下部電池６０４は、ｐ型Ｇｅベース層８１０、ｎ型Ｇｅエミッタ層８１２、及びｎ型ＧａＡｓ核生成層８１４を含む。ベース層８１０は、基板６０２の上に堆積される。核生成層８１４は、ベース層８１０の上に堆積され、これは、一実施形態においては、エミッタ層８１２からの拡散を通じて形成することができる。下部電池６０４が堆積された後に、トンネルダイオードと呼ばれることもある構造から公知のｐ型及びｎ型トンネル接合層８１６が堆積される。
【００３８】
中間電池６０６は、更に、背面フィールド（ＢＳＦ）層８２０、ｐ型ＧａＡｓベース層８２２、ｎ型ＧａＡｓエミッタ層８２４、及びｎ型燐化ガリウムインジウム（ＧＡＩｎＰ2）ウィンドウ層８２６を含む。ベース層８２２は、ＢＳＦ層８２０がトンネル接合層８１６の上に堆積された状態で、ＢＳＦ層８２０の上に堆積される。エミッタ層８２４がベース層８２２上に堆積された後に、引き続きウィンドウ層８２６がエミッタ層８２４上に堆積される。ＢＳＦ層８２０は、中間電池６０６における再結合損失を減らすために使用され、再結合損失の影響を最小にするために、背面近くの高度にドープされた領域から少数キャリアを追い出す。言い換えると、ＢＳＦ層８２０は、太陽電池の裏面での再結合損失を減らし、それによってエミッタ領域での再結合を減少させる。
【００３９】
中間電池６０６で使用されるウィンドウ層８２６もまた、再結合損失を減らすように作用する。ウィンドウ層８２６はまた、下に重なる接合部の電池表面の不動態化を改善する。本発明の範囲から逸脱することなくブロック図８００に付加的な層が加えるか又は削除することができることは当業者には明らかなはずある。上部電池６０８を堆積する前に、ｐ型及びｎ型トンネル接合層８３０が、中間電池６０６の上に堆積される。
【００４０】
この実施形態により、上部電池６０８は、ｐ型燐化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＰ2）ＢＳＦ層８４０、ｐ型ＧａＩｎＰ2ベース層８４２、ｎ型ＧａＩｎＰ2エミッタ層８４４、及びｎ型燐化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＰ2）ウィンドウ層８４６を含む。ベース層８４２は、ＢＳＦ層８４０がトンネル接合層８３０の上に堆積された状態で、ＢＳＦ層８４０上に堆積される。ウィンドウ層８４６は、エミッタ層８４４がベース層８４２上に堆積された後に、引き続きエミッタ層８４４上に堆積される。
【００４１】
この実施形態によると、ｎ型ＧａＡｓキャップ層８５０が、金属材料との接触をより向上させるために用いられる。キャップ層８５０は、上部電池６０８の上に堆積される。ｎ型ＧａＡｓで形成された横方向導電層６１０は、キャップ層８５０の上に堆積される。ｎ型ＧａＩｎＰ2ストップエッチ層は、横方向導電層６１０の上に堆積される。ストップエッチ層が堆積された後に、バイパスダイオードがエピタキシャルに堆積される。
【００４２】
バイパスダイオード６２０は、ｎ型ＧａＡｓ層８６０、ｉ型ＧａＡｓ層８６２層、及びｐ型ＧａＡｓ層８６４を含む。ｎ型層８６０は、ストップエッチ層６１２の上に堆積される。ｉ型層８６２は、ｎ型層８６０の上に堆積される。ｐ型層８６４は、ｉ型層８６２の上に堆積される。層８６４が堆積された後で、接触パッド８０４がバイパスダイオード６２０の上に堆積される。接触パッド８０４が形成された状態で、「ｐ−ｏｎ−ｎ」極性を有する「ｐ−ｉ−ｎ」バイパスダイオードが太陽電池の上に形成される。別の実施形態においては、「ｎ−ｏｎ−ｐ」極性バイパスダイオードを有する「ｎ−ｉ−ｐ」バイパスはまた、上述と同様の処理を使って太陽電池構造体の上に形成することができる。本発明の範囲から逸脱することなくバイパスダイオード６２０において付加的な層の追加又は削除が可能であることは当業者には明らかなはずである。
【００４３】
一実施形態においては、金属シャント６３０は、凹部６５０を通じて堆積される。シャント６３０の１つの側面は、基板６０２に接続され、シャント６３０の別の側面は、横導電層６１０と三重接合電池６４４の一部分とに接続される。太陽電池の性能を向上させるために、太陽電池のいくつかの部分の上に反射防止コーティングを堆積させることが可能である。
多重接合太陽電池構造体は、周期律表にあるＩＩＩ族からＶ族元素のどの組合せによっても形成することができることに注意すべきであり、ＩＩＩ族は、ホウ素（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（Ｔｌ）を含む。ＩＶ族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００４４】
図９Ａ〜９Ｅは、本発明の一実施形態に従うバイパスダイオード６２０及びシャント６３０を有する多重接合太陽電池構造体６４０の製造工程を示すブロック図である。図９Ａは、三重接合太陽電池構造体９００上にエピタキシャルに形成された一体型バイパスダイオード６０２を有する三重接合太陽電池構造体９００を示す。三重接合太陽電池９００は、下部、中間、及び上部電池６０４〜６０８を含む。
図９Ｂは、バイパスダイオード６０２の一部分９２２がエッチングで除かれたものを示す。図９Ｃは、凹部９３２がメサ・エッチ法のようなエッチング処理により作り出されることを示している。図９Ｄは、バイパスダイオード６２０の第２の部分９４２がエッチングで除かれることを示している。一実施形態においては、ストップエッチ層６１２は、シャント接触パッド６５２を作り出すためのバイパスダイオード６２０の部分９４２を取り除くためのエッチング処理を制御するために使用される。図９Ｅは、シャント９５２を形成する次の工程を示す。本発明の範囲を逸脱することなく付加的な層及び工程の追加又は削除が可能であることは当業者には明らかなはずである。
【００４５】
図１０は、本発明の一実施形態によるバイパスダイオードを有する多重接合太陽電池構造体を製造する方法を示す流れ図１０００である。ブロック１０１０での処理は、ゲルマニウム基板を堆積する。一実施形態においては、ゲルマニウム基板は、接触層の上に堆積される。基板が形成された状態で、処理は、ブロック１０１２へ進む。
ブロック１０１２での処理は、太陽電池を堆積する。一実施形態においては、太陽電池は、下部、中間、及び上部サブ電池を含む三重接合太陽電池である。更に、下部サブ電池は、ゲルマニウム太陽サブ電池としてもよく、中間サブ電池は、ＧａＡｓ太陽サブ電池とすることができる。上部サブ電池は、ＧａＩｎＰ２太陽サブ電池としてもよい。ホモ接合サブ電池がヘテロ接合サブ電池に取り替えられた場合も本発明の範囲から逸脱しない点に注意すべきである。太陽電池が形成された後に、処理はブロック１０１４へ進む。
【００４６】
ブロック１０１４での処理は、太陽電池の上に横方向導電層を堆積する。一実施形態においては、シャント接触パッドとして使用される横方向導電層は、ｎドープされたＧａＡｓ層である。横方向導電層が堆積された状態で、処理はブロック１０１６へ進む。
ブロック１０１６での処理は、横方向導電層の上にバイパスダイオードを堆積させる。一実施形態においては、ストップエッチ層が横方向導電層上に堆積された後に、ｎ型ＧａＡｓ層がストップエッチ層の上に堆積される。ｉ型ＧａＡｓ層がｎ型層の上に堆積された後に、ｐ型ＧａＡｓ層がｉ型層の上に堆積される。一実施形態においては、ｎ型ＧａＡｓ層におけるｎドーパントの濃度は、１０17から１０18の間である。ｎ型層と同様に、ｐ型ＧａＡｓ層のｐドーパントの濃度は、１０17と１０18の間である。反対に、ｉ型ＧａＡｓ層のドーパントの濃度は、１０16よりも小さい。バイパスダイオードが形成された状態で、処理はブロック１０１８へ進む。
【００４７】
ブロック１０１８では、バイパスダイオードと太陽電池との間に電気的な分離をもたらすために、凹部又は隙間又は空間が作り出される。凹部はまた、シャントが基板にアクセスすることを可能にする。凹部の形成後に、処理はブロック１０２０へ進む。
ブロック１０２０では、シャントが多重接合太陽電池構造体の一部分に沿って堆積され、シャントの１つの側面が基板に接続され、別の側面がシャント接触パッドに接続される。
以上の明細書において、本発明は、その特定の例示的実施形態に関して説明された。しかし、本発明の広範な範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を為し得ることは明らかであろう。従って、本明細書及び図面は、限定的ではなく例示的な意味であるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】全ての処理工程完了後の本発明の多重接合太陽電池の一実施形態、特にそのような実施形態の構成を示す図である。
【図２】特定の状況の組が与えられた場合に図１に示す電池の電流が取り得る２つの経路を示す図である。
【図３】あらゆる処理工程の前の本発明の多重接合太陽電池の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態を構成するのに使用される第１の処理工程を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態を構成するのに使用される第２及び第３の処理工程を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるバイパスダイオードを有する多重接合太陽電池構造体を表す図式断面を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による三重接合太陽電池構造体及びバイパスダイオードを示す論理回路図である。
【図８】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する三重接合太陽電池構造体を表す詳細な図式断面を示すブロック図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する多重接合太陽電池構造体の製造工程を示すブロック図である。
【図９Ｂ】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する多重接合太陽電池構造体の製造工程を示すブロック図である。
【図９Ｃ】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する多重接合太陽電池構造体の製造工程を示すブロック図である。
【図９Ｄ】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する多重接合太陽電池構造体の製造工程を示すブロック図である。
【図９Ｅ】本発明の一実施形態によるバイパスダイオード及びシャントを有する多重接合太陽電池構造体の製造工程を示すブロック図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるバイパスダイオードを有する多重接合太陽電池構造体の製造方法を示す流れ図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  多重接合太陽電池
１０１  燐化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）電池
１０２  ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）電池
１０３  ＧａＡｓバッファ
１０４  ゲルマニウム（Ｇｅ）基板
１０７  金属化部分
１０９、１１０  チタン金（ＴｉＡｕ）接点
１１３  横方向導電層
【図１】
2005514763.tif 000003
【図２Ａ】
2005514763.tif 000004
【図２Ｂ】
2005514763.tif 000005
【図２Ｃ】
2005514763.tif 000006
【図３】
2005514763.tif 000007
【図４】
2005514763.tif 000008
【図５】
2005514763.tif 000009
【図６】
2005514763.tif 000010
【図７】
2005514763.tif 000011
【図８】
2005514763.tif 000012
【図９Ａ】
2005514763.tif 000013
【図９Ｂ】
2005514763.tif 000014
【図９Ｃ】
2005514763.tif 000015
【図９Ｄ】
2005514763.tif 000016
【図９Ｅ】
2005514763.tif 000017
【図１０】
2005514763.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月4日(2004.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005514763.tif 000019
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2005514763.tif 000020
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2005514763.tif 000021
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005514763.tif 000022
【国際調査報告】
2005514763.tif 000023
2005514763.tif 000024
2005514763.tif 000025
2005514763.tif 000026
2005514763.tif 000027