(57)【要約】      （修正有）【課題】導電性基板上に、直列に配置された複数のサブセルを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池を提供する。【解決手段】複数のサブセルのうちの少なくとも一つのサブセルがエピタキシャルに成長させた自己組織化量子ドット材料を含んでいる。サブセルは、トンネル接合を介して電気的に接続されている。各々のサブセルは、有効バンドギャップエネルギーを有している。サブセルは、有効バンドギャップエネルギーが大きくなる順に配置され、最も低い有効バンドギャップエネルギーを有するサブセルが、基板に最も近い。ある場合には、各サブセルが、ほぼ同量の太陽光子を吸収するよう設計されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に配置された複数のサブセルを備え、複数のサブセルがエピタキシャルに成長させた自己組織化量子ドット材料を含む少なくとも一つのサブセルを有するモノリシック多接合半導体光起電太陽電池。
【請求項２】
サブセル内に形成されたトンネル接合を更に備え、トンネル接合がサブセルを電気的に接続するためのものである請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
複数のサブセルが上に配置された導電性の基板を、更に備えた請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
各々のサブセルが有効バンドギャップエネルギーを有し、サブセルは有効バンドギャップエネルギーが大きくなる順に配置され、最も低い有効バンドギャップエネルギーを有するサブセルが基板に最も近い請求項３記載の太陽電池。
【請求項５】
各々のサブセルが、ほぼ同じ割合の太陽光子を吸収するためのものである請求項１記載の太陽電池。
【請求項６】
複数のサブセルが三つのサブセルからなり、第一のサブセルが最も低い有効バンドギャップエネルギーを有し、第三のサブセルが最も高い有効バンドギャップエネルギーを有し、第二のサブセルが自己組織化量子ドット材料を含んでいる請求項４記載の太陽電池。
【請求項７】
基板が、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板であり、
第一のサブセルが、Ｇｅを含み、第一のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約０．７ｅＶであり、
第二のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入されている（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ）複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、第二のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約１．１６ｅＶであり、
第三のサブセルが、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰを含み、第三のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約１．８ｅＶである、
請求項６記載の太陽電池。
【請求項８】
第一のサブセルが、エピタキシャルに成長した請求項７記載の太陽電池。
【請求項９】
基板がＧｅ基板であり、第一のサブセルが、基板の相互拡散部分である請求項７記載の太陽電池。
【請求項１０】
基板が、ｎ型にドープされており、
第一、第二及び第三のサブセルが、各々、ｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を含み、各接合のｎ側が、接合のｐ側よりも基板に近い、
請求項７記載の太陽電池。
【請求項１１】
基板が、ｐ型にドープされており、
第一、第二及び第三のサブセルが、各々、ｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を含み、各接合のｐ側が、接合のｎ側よりも基板に近い、
請求項７記載の太陽電池。
【請求項１２】
太陽電池の吸収特性を変えるため、サブセルのうちの一つが、ブラッグリフレクタ又は分布ブラッグリフレクタを備えている請求項１記載の太陽電池。
【請求項１３】
基板が、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板であり、
複数のサブセルが、四つのサブセルからなり、
第一のサブセルが、約０．７ｅＶの有効バンドギャップエネルギーを有し、
第二のサブセルが、約１．０ｅＶの有効バンドギャップエネルギーを有し、
第三のサブセルが、約１．４ｅＶの有効バンドギャップエネルギーを有し、
第四のサブセルが、約１．８ｅＶの有効バンドギャップエネルギーを有する、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項１４】
第一のサブセルが、Ｇｅを含み、
第二のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、
第三のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含み、
第四のサブセルが、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓを含む、
請求項１３記載の太陽電池。
【請求項１５】
基板が、ｎ型にドープされており、
第一、第二、第三及び第四のサブセルが、各々、ｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を含み、各接合のｎ側が、接合のｐ側よりも基板に近い、
請求項１４記載の太陽電池。
【請求項１６】
基板が、ｐ型にドープされており、
第一、第二、第三及び第四のサブセルが、各々、ｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を含み、各接合のｐ側が、接合のｎ側よりも基板に近い、
請求項１４記載の太陽電池。
【請求項１７】
基板が、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが自己組織化量子ドット層材料を含み、第二のサブセルが、約１．６ｅＶの有効バンドギャップを有し、第一のサブセルの有効バンドギャップが、第二のサブセルの有効バンドギャップよりも小さい、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項１８】
第一及び第二のサブセルが、ほぼ同じ割合の太陽光子を吸収するためのものである、請求項１７記載の太陽電池。
【請求項１９】
自己組織化量子ドット層材料が、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、第二のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約０．９２ｅＶであり、
第二のサブセルが、ＧａＩｎＰＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含んでいる、
請求項１８記載の太陽電池。
【請求項２０】
自己組織化量子ドット層材料が、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、第二のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約０．９２ｅＶであり、
第二のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ層とともに挿入されたＩｎＡｌＡｓ量子ドットを有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項１８記載の太陽電池。
【請求項２１】
基板が、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでおり、第二のサブセルが、ＡｌＧａＩｎＰ層とともに挿入された複数のＩｎＰ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２２】
基板が、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、Ｇｅを含み、第二のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２３】
基板が、ＩｎＰ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、ＩｎＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含み、第二のサブセルが、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＰを含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２４】
基板が、Ｓｉ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、Ｓｉ層とともに挿入された複数のＳｉＧｅ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含み、第二のサブセルが、ＧａＰ層とともに挿入された複数のＩｎＰ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２５】
基板が、バッファ層を有するＳｉ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含み、第二のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＡｌＩｎＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２６】
基板が、バッファ層を有するＳｉ基板であり、
複数のサブセルが、二つのサブセルからなり、第一のサブセルが、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含み、第二のサブセルが、ＧａＩｎＰ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を有する自己組織化量子ドット層材料を含んでいる、
請求項４記載の太陽電池。
【請求項２７】
Ｓｉ基板と、
Ｓｉ基板上に変形して成長させた推移層であって、複数のＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ層を含む推移層と、
推移層上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、自己組織化量子ドット材料を含む第一のサブセルとを、備えた
モノリシック半導体光起電太陽電池。
【請求項２８】
第一のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、第一のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約０．９２ｅＶである請求項２７記載の太陽電池。
【請求項２９】
第一のサブセル上にエピタキシャルに成長させた第二のサブセルをさらに備え、第二のサブセルが、自己組織化量子ドット材料を含んでいる請求項２７記載の太陽電池。
【請求項３０】
第二のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＡｌＩｎＡｓ量子ドット層を含み、第二のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約１．６ｅＶである請求項２９記載の太陽電池。
【請求項３１】
ＩｎＰ基板と、
基板上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、ＩｎＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＡｓ量子ドット層を含んでいる第一のサブセルとを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池。
【請求項３２】
第一のサブセル上にエピタキシャルに成長させた第二のサブセルをさらに備え、第二のサブセルが、ドープされたＡｌＩｎＡｓを含んでいる請求項３１記載の太陽電池。
【請求項３３】
バリアとともに挿入された複数の量子ドット層を有する自己組織化量子ドット材料をエピタキシャルに成長させることにより、量子ドットサブセルを形成する工程を含む、モノリシック多接合光起電太陽電池の製造方法。
【請求項３４】
基板が、導電性Ｇｅ基板であって、
さらに、基板上にＧｅサブセルをエピタキシャルに成長させることにより、又は基板の一部を相互拡散させることにより、基板上にＧｅサブセルを形成する工程と、
Ｇｅサブセルと量子ドットサブセルとの間にトンネル接合を形成する工程であって、量子ドットサブセルが、Ｇｅサブセル上に形成され、量子ドット層が、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを含み、バリアがＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含んでいる工程と、
量子ドットサブセル上にＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャルに成長させることにより、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセルを形成する工程と、
量子ドットサブセルと、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセルとの間に、トンネル接合を形成する工程と、
基板上に第一の電気接点を、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセル上に第二の電気接点を形成する工程とを含む、
請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、光起電太陽電池に関する。より詳細には、本発明は、エピタキシャルに成長させた量子ドット材料を有するＩＩＩ〜Ｖ族の多接合半導体太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽は、可視部分においてピークに達する広い光学スペクトルであって、その光子束の６０％を約３５０ｎｍ〜約１３５０ｎｍにわたる波長領域において有する光学スペクトルを放射する。この波長領域は、地球における約１．３ｋＷ／平方メートルの太陽の総電力束の８０％に相当する。
【０００３】
数十年間、太陽の光パワーを電力に変換する最善のアプローチは、半導体における吸収遷移を利用した太陽電池によるものであることが知られている。光子エネルギーは、半導体の価電子帯からバンドギャップを越えて伝導帯へと電子を励起することにより、このようにして利用される。このようにして生じた光キャリア、すなわち、電子及び正孔は、次いで半導体構造の異なる領域に不純物を加えることにより作製したｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を越えて掃引され（ｓｗｅｐｔ）、電気を生じさせるのに用いられる。バンドギャップＥｇを有する半導体又は半導体合金は、Ｅｇ未満のエネルギーを有する光子ではなく、Ｅｇ以上のエネルギーを有する当射する光子を吸収する。同じ意味で、Ｅｇより大きなエネルギーに相当する波長を有する光子は吸収されるが、より長い波長を有する光子は吸収されないということができる。
【０００４】
Ｅｇを越える光子のエネルギーは、熱プロセスを通じて効率的に失われるので、太陽光を電気に変換する効率を最善にするためには、太陽電池の電圧と電流を調整するのに異なるバンドギャップを有する材料の組み合わせを用いなければならないことがしっかりと確立している。その意味で、タンデム太陽電池としても知られる多接合太陽電池が、より高い変換効率を要する用途のために開発されてきた。
【０００５】
製造と結晶の面から、半導体又は半導体合金の選択は、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ又はＩｎＰ基板などの一般的な基板上に、最小限の欠陥で、成長させることのできる材料に、特に限定される。現在まで、光から電気への変換効率は、光源、例えば、太陽から受けた光パワーで割ったデバイスが生じさせることのできる電力として定義され、最良の光から電気への変換効率は、約３０％であり、Ｇｅ基板上にＧａＩｎＰ上部サブセル（Ｅｇ約１．８ｅＶ）、ＧａＡｓ中間サブセル（Ｅｇ約１．４ｅＶ）、及びＧｅ底部サブセル（Ｅｇ約０．７ｅＶ）を有するモノリシック多接合電池を成長させることによって達成されてきた。サブセルは、トンネル接合を介して直列に接続されるのが典型的なので、さらに変換効率を向上させるには、材料のバンドギャップを変えなければならないか、又は第四のサブセルを追加しなければならないことが分かる。
【０００６】
多接合電池の総電圧は、基本的に、個々のサブセルによって生じた電圧の合計であり、各サブセルの電圧は、サブセルのバンドギャップに比例している。変換効率を最高にするためには、サブセルの電流が一致していなければならず、そうでないと、もっとも弱い電流を発生させるサブセルが、全体の電流を制限する。上記の場合では、ＧａＩｎＰは、総太陽光子束（時には、ＡＭ０スペクトルと称する）の２５％を吸収することのできるバンドギャップを有するのに対し、ＧａＩｎＰサブセルを透過した総太陽光子束の１４％しかＧａＡｓサブセルによって吸収されず、ＧａＡｓサブセルを通過した総太陽光子束の３８％が、Ｇｅサブセルによって吸収される。
【０００７】
これは、明らかに、多接合電池内の電流の不均衡につながる。比較して言えば、ＧａＡｓサブセルは、太陽光子を十分に吸収せず、一方、Ｇｅサブセルは、太陽光子を多く捕捉しすぎる。サブセル間の電流バランスを釣り合わせるには、中間サブセル、すなわち、ＧａＩｎＰサブセルとＧｅサブセルとの間に配置されたサブセルが、より小さなバンドギャップを有していればよい。例えば、約１．１６ｅＶのバンドギャップ（約１１００ｎｍの光波長に相当）を有する中間サブセルが、三つの全てのサブセルが、各々、約２５％の総太陽光子束を吸収するであろうことを暗示する。太陽光子束の残りの２５％は、三つのサブセルが、より長い波長の光子に対して透明である（すなわち、１．８μｍよりも大きな波長を有する光子は、吸収されない）ため、吸収されないであろう。
【０００８】
上記のように、四サブセル構成が、電流バランスを改善することができる。Ｅｇ約１．０ｅＶの材料を、ＧａＡｓサブセルとＧｅサブセルとの間に導入すると、この材料は、太陽光子束の吸収において以下の分布をもたらす。第一のサブセル（ＧａＩｎＰ）によって吸収される約２５％の光子、第二のサブセル（ＧａＡｓ）によって吸収される約１４％の光子、第三のサブセル（Ｅｇ約１ｅＶ）によって吸収される約１９％の光子、及び第四のサブセル（Ｇｅ）によって吸収される約１９％の光子。しかしながら、この四サブセル構成は、ＧａＡｓサブセルによって、なお電流が制限されている。四サブセル構成を、電流の面でよりバランス良くするため、幾分かのより短い波長の光子を第二のサブセルに到達させるよう、第一のサブセルの厚さを調節（少なく）することができる。このシナリオでは、第二のサブセルが、そのバンドギャップのエネルギーよりも大きなエネルギーを有する光子をより多く吸収し、そのため、より熱的に無駄になるエネルギーが多くなる。このことは、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第５，２２３，０４３号において、オルソン（Ｏｌｓｏｎ）等によって説明されている。
【０００９】
太陽電池の効率を向上させるため、新しい材料及び新規な多接合構成を見出す研究開発が、非常に活発である。例えば、オルソンは、米国特許第４，６６７，０５９号で、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ二層セル（ｄｕａｌ  ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ  ｃｅｌｌｓ）を開示し、ホー（Ｈｏ）等は、米国特許第５，４０５，４５３号で、Ｇｅ基板上のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ二層セルを開示し、ウォンラス（Ｗａｎｌａｓｓ）は、米国特許第５，０１９，１７７号で、ＩｎＰ基板上のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ二層セルを開示し、フロインドリッヒ（Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ）等は、米国特許第５，４０７，４９１号で、ＩｎＰ基板上のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ二層セルを開示し、チャン（Ｃｈａｎｇ）等は、米国特許第５，３３０，５８５号で、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ二層セルを開示しており、これらの特許は、参照することにより、本願明細書に組み込まれている。
【００１０】
二層セルのこれらの例、及びＧｅ基板上のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅからなる三層セルは、設計又は材料の質において妥協をする限りでは、３０％に近い変換効率を有し得る。最小のバンドギャップとしてＧａＡｓを有する二層セルの場合における妥協は、より長い波長の光子が吸収されず、全ての層を透過することである。より小さなＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰバンドギャップを有する二層セルの場合には、妥協は、より短い波長の光子が、それらの過剰のエネルギーを熱として失うことである。ＧａＡｓ又はＧｅ基板が、ＩｎＰ基板と比較して費用が安いという利点を有することも、全く価値がない。
【００１１】
ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓセルの光吸収を、より長い波長へと広げるため、フロインドリッヒは、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第６，３７２，９８０号で、ＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する太陽電池を開示している。この太陽電池は、３０％を超える模範的な（ｍｏｄｅｌｅｄ）効率を有している。太陽電池の効率を向上させようとする他の案も、開示されている。例えば、フロインドリッヒ等は、参照することによって本願明細書に組み込まれている米国特許第５，８５１，３１０号で、ＩｎＰ基板上に成長させたひずみ（ｓｔｒａｉｎｅｄ）量子井戸の使用を開示している。また、スズキ（Ｓｕｚｕｋｉ）は、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第６，５６６，５９５号（以下、‘５９５と称する）で、いろいろな大きさの複数の突起を有する量子井戸層の使用を開示しており、目標は、異なるバンドギャップを有する材料を使用することによる太陽のスペクトルとのより良い適合である。
【００１２】
類似のものが、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第４，２０６，００２号におけるサブニス（Ｓａｂｎｉｓ）等による、バルク漸変バンドギャップ（ｂｕｌｋ  ｇｒａｄｅｄ  ｂａｎｄｇａｐ）多接合太陽電池に関する開示である。しかしながら、‘５９５特許の場合には、吸収スペクトルの調整が、層の平面に異なる大きさの量子井戸又は量子ドット材料を分布させることを伴うので、全体の効率は改善されそうもない。これは、光を吸収するのに使用することのできる材料の空間密度を妥協するものであり、均一な層に吸収されるのと同じ数の光子を吸収するのにより厚い層、又は変換効率を低減させるより大きな表面を要するであろう。チャフィン（Ｃｈａｆｆｉｎ）等も、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第４，６８８，０６８号で、多接合電池における量子井戸の使用を開示している。
【００１３】
カーツ（Ｋｕｒｔｚ）等によって、参照することにより本願明細書に組み込まれている米国特許第６，２５２，２８７号において開示されているように、ＧａＡｓと格子整合したＩｎＧａＡｓＮも、変換効率を最高にするため、ＧａＡｓと格子整合した層のバンドギャップを調整するための有望な材料である。
【００１４】
モノリシック多接合太陽電池の製造の他の特徴、例えば、反射防止ウィンドウ、トンネル接合、及び表面金属被服などは、上記の幾つかの特許（例えば、米国特許第４，６９４，１１５号、５，００９，７１９号、４，４１９，５３０号、４，５７５，５７７号）にみられるように、その分野における多数の特許及び出版物に開示されているような光起電太陽電池の広範な開発とともに成熟してきた。
【００１５】
半導体ナノ構造の分野では、質が高く、欠陥のない自己組織化量子ドットが、非常にひずんだ半導体の成長の初期段階の間に得られることが周知である｛例えば、エス・ファファード（Ｓ．Ｆａｆａｒｄ）等の「半導体量子ドットのエネルギー準位操作（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｅｖｅｌｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔｓ）」物理学レビュー（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．）Ｂ５９，１５３６８（１９９９年）及びエス・ファファード等「急激な調節が可能な電子殻を有する量子ドットアンサンブルにおけるレージング（Ｌａｓｉｎｇ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｈａｒｐ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｈｅｌｌｓ）」応用物理学報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）７５，９８６（１９９９年）、参照｝。斯かる量子ドット材料は、ファファード等によって、参照することによって本願明細書に組み込まれている米国特許第６，２３９，４４９号に開示されているように、量子ドット赤外光検出手段などのデバイス用の厚い活性領域を得るため、複数の層に成長させることができる。この特許においては、光学スペクトルの近赤外部分及び可視部分における種々の波長領域をカバーするよう、量子ドット材料のバンド間吸収特性を適合させることができる。量子ドット材料の量子化エネルギー及び有効バンドギャップを変えるため、量子ドット材料の組成、大きさ及び形状を適合させる。ここで、材料の有効バンドギャップは、実質上光子が吸収されうる最も低いエネルギー遷移として定義され、ヘテロ構造の量子化エネルギー準位によって決定される。
【００１６】
自己組織化量子ドットは、ＧａＡｓ又はＩｎＰ上に仮像的に（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃａｌｌｙ）成長させることのできる広い範囲の高質材料として利用される。例えば、ＧａＡｓ基板上のＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓは、赤又は近赤外領域において吸収し、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓは、１．５μｍの波長領域において吸収し、ＩｎＰ基板上のＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓは、１．９μｍの波長領域において吸収する。しかしながら、より重要なことは、ＧａＡｓ基板上に成長させたＩｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ自己組織化量子ドット材料が、８８５ｎｍ〜１１５０ｎｍに亘るスペクトル領域、又は成長パラメータによっては最長約１３５０ｎｍまでに亘るスペクトル領域にあるＧａＡｓバンドギャップよりも下の吸収に、特に好適なことである。Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ自己組織化量子ドット層は、高密度で均一に成長させることができる。さらに、単に成長パラメータを制御することにより、複数の層を、同じ均一度で、所望の場合には、異なる大きさ及び／又は組成で成長させることができる。加えて、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ自己組織化量子ドット材料は、従来の材料よりも桁違いに耐放射線性が高い｛例えば、ピー・ジー・ピヴァ（Ｐ．Ｇ．Ｐｉｖａ）等の「放射線ダメージに対する量子ドットレーザーの高められた耐劣化性（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｌａｓｅｒｓ  ｔｏ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｄａｍａｇｅ）」、応用物理学報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）７７，６２４（２０００年）、参照｝。耐放射線性及び耐欠陥性は、太陽電池が放射線にさらされる宇宙の用途に対して、大きな利点である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述の先行技術から認められるように、さらに変換効率を向上させるため、容易に多接合太陽電池に組み込むことのできる所望の吸収スペクトルを有する高品質材料に対する現実の要望がある。ＧａＡｓ及びＧｅのバンドギャップの間の吸収のバランスをとることのできる信頼性のある材料が、特に関心のあるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
第一の特徴において、本発明は、直列に配置された複数のサブセルを備え、複数のサブセルがエピタキシャルに成長させた自己組織化量子ドット材料を含む少なくとも一つのサブセルを有するモノリシック多接合半導体光起電太陽電池を、提供する。
【００１９】
別の実施の形態では、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に変形して成長させた推移層であって、複数のＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ層を含む推移層と、推移層上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、自己組織化量子ドット材料を含む第一のサブセルとを、備えたモノリシック半導体光起電太陽電池が、提供される。
【００２０】
さらに別の特徴において、本発明は、ＩｎＰ基板と、基板上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、ＩｎＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＡｓ量子ドット層を含んでいる第一のサブセルとを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池を、提供する。
【００２１】
さらに別の特徴において、本発明は、バリアとともに挿入された複数の量子ドット層を有する自己組織化量子ドット材料をエピタキシャルに成長させることにより、量子ドットサブセルを形成する工程を含む、モノリシック多接合光起電太陽電池の製造方法を、提供する。
【００２２】
本発明の他の面及び特徴は、添付図面とともに以下の本発明の具体的な実施の形態の説明を考察することにより、当業者に明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を、単なる例として、図面を参照して説明する。
本発明は、自己組織化量子ドット材料を有する少なくとも一つのサブセルを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池を提供する。斯かる太陽電池の製造方法も提供される。この方法は、太陽電池の少なくとも一つのサブセルにおける自己組織化量子ドット材料のエピタキシャルな成長を用いている。
【００２４】
第一の実施の形態は、高効率モノリシック三接合光起電太陽電池である。三接合光起電太陽電池は、異なる半導体材料からなるｐ−ｎ又はｎ−ｐ接合を積み重ねることによって製造することができる。上述のように、ＧａＡｓ中間サブセル及びＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓ上部サブセルを有する、Ｇｅ基板上に成長させたＧｅ底部セルを用いて約３０％の変換効率が得られている。斯かる多接合光起電太陽電池の効率は、本発明において、中間サブセルに、バルクＧａＡｓの代わりに自己組織化量子ドット材料を用いることによって改善される。
【００２５】
本発明の原理は、図１に図解されており、図１において、プロット１０は、波長の関数として２００ｎｍの波長から積分したＡＭ０太陽光子束のパーセンテージを示し、プロット１２は、波長の関数として２００ｎｍの波長から積分したＡＭ０太陽電力束のパーセンテージを示している。プロット１０上の参照番号は、半導体材料とそれらの吸収端を示している。これらの半導体材料は、（太陽又はそれ以外の）光子を電気キャリアに変換するのに使用することができる。図１のプロットした点は、説明において、それらの特定の背景により、電池、サブセル、特定の半導体材料又は吸収端をあらわす。
【００２６】
太陽電池の変換効率を最高にするためには、サブセルが直列に接続されるので、各サブセルの電流は、ほぼ等しくなければならない。デバイスの表面における反射を無視すれば、これは反射防止膜を備えた太陽電池に関して有効な近似であり、半導体の表面から深さｚを透過する光の強さは、Ｉ（ｚ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−αｚ）によって与えられる。Ｉ０は、入力の強さであり、αは、半導体の吸収係数であって波長に従属する材料の状態密度の関数である（すなわち、αは、波長に従属する）。十分に厚い半導体材料に関しては、αが低下するにつれて、バンドギャップエネルギーよりも小さい光子エネルギーに関して状態密度が低下するので、半導体のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長を有する光（すなわち、バンドギャップエネルギーよりも、小さなエネルギーを有する光）のみが、半導体層を透過する。直接バンドギャップ半導体に関しては、バンドギャップ波長よりも短い波長において、αは、１０４ｃｍ−１〜１０５ｃｍ−１の範囲であり、各々の当射する光子は、一対の光キャリア、すなわち電子と正孔、をつくることができる。
【００２７】
サブセル内の電流は、サブセルによって吸収される光子束の割合（ｆｒａｃｔｉｏｎ）に比例する。プロット１０から推測できるように、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ太陽電池が、光子束の約２５％をその上部ＧａＩｎＰサブセル１４で、約１４％をその中間ＧａＡｓサブセル１６で、約３８％を底部Ｇｅサブセル１８で吸収する。上部ＧａＩｎＰサブセル１４を、ＡｌＧａＡｓサブセル２０に取りかえても、同様の結果が得られるであろう。
【００２８】
サブセル１４、１６及び１８による太陽光子束の吸収の不均衡は、電流の不均衡につながる。すなわち、Ｇｅ底部サブセル１８が、最も大きな電流を発生させ、中間ＧａＡｓサブセル１６が、全体の電流及び変換効率を制限している。全体の変換効率は、ＧａＡｓ材料１６を、約１０７０ｎｍ（１．１６ｅＶ）の有効バンドギャップ波長を有する材料に代えることによって、向上させることができる。以下で詳細にわかるように、斯かる材料は、自己組織化量子ドット材料２２でよい。中間サブセルに、量子ドット材料２２を使用することによって、三つのサブセル各々の太陽光子束吸収は、全太陽光子束の約２５％であり、各サブセルによって発生する電流は等しくなる。光起電エネルギー変換の熱力学的限界を与える理論的効率を、計算することができる。理論的効率は、例えば、２００３年、大阪でのＷＣＰＥＣ−３会報の論文３Ｐ−Ｂ５―０７においてボー（Ｂａｕｒ）等によって説明されているように、対応する開路電圧（Ｖｏｃ）及び短絡回路電流（Ｊｓｃ）を推定するため、サブセルのバンドギャップ、当射光子束及びそのスペクトル分布を考慮に入れている。最適化された構成に関しては、変換効率は、理論的には４０％を越えることができる。
【００２９】
斯かるモノリシック三接合光起電太陽電池の詳細が、図２に図示されており（正確な縮尺ではない）、図２は、本発明の太陽電池の実施の形態を描いている。多接合太陽電池２４が、基板２６、第一のサブセル２８、エピタキシーによって仮像的に（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃａｌｌｙ）成長させた自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を含む第二のサブセル３０、及び第三のサブセル３２を備えている。第二のサブセル３０のＩｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料は、約１．１６ｅＶの有効バンドギャップを得るよう、適合させることができる。同様のナノ構造を、他のエピタキシャル技術、例えば、選択領域エピタキシー（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ  ｅｐｉｔａｘｙ）、テンプレートエピタキシー（ｔｅｍｐｌａｔｅｄ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ひずみ誘導バンドギャップ変型ヘテロ構造を有するエピタキシー（ｅｐｉｔａｘｙ  ｗｉｔｈ  ｓｔａｉｎｅｄ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｂａｎｄｇａｐ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ヴォルマー−ウェーバー（Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ）成長モード、変型ストランスキー−クラスタノフ（ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）成長モード、高分解能微細加工（ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）と組み合わせた又は組み合わせないフランク−ファン・デア・マーウェ（Ｆｒａｎｋ−Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｍｅｒｗｅ）成長モード、或いは、非エピタキシー技術、例えば、コロイダル量子ドットを用いて製造するのに、他の技術を用いることができる。しかしながら、斯かるナノ構造の光学的／構造的特性は、多接合太陽電池デバイスの効率を向上させるのに適してはいないのが典型的である。
【００３０】
本発明のこの実施の形態によれば、基板２６は、導電性のＧａＡｓでよく、好ましくは、導電性のＧｅがよい、それらはいずれも同様の格子定数を有している。基板２６のドーピングは、ｎ型でもｐ型でもよい。基板２６がｎ型でその上に成長させたｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を有しているか、あるいは、基板２６がｐ型でその上に成長させたｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を有しているかは、本発明にとって根本的なことではない。説明の目的で、この実施の形態は、ｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を有するｎ型基板を用いる。他の可能な組み合わせが、同様に可能であり、これはドープしていない基板と埋設バック接点を含んでいる。基板２６は、図２に示すように、裏側に抵抗接点３４を形成するため、金属で被覆してもよく、いろいろな構造的、電気的、又は光学的特性を最適化するため、基板２６と第一のサブセル２８との間に、バッファ及び／又はバックフィールド層３６を、成長させることができる。第一のサブセル２８は、Ｇｅからなるのが好ましく、空乏領域を形成するためｎ−ｐ接合を含んでいる。第一のサブセル２８と第二のサブセル３０とを接続するため、トンネル接合３８が、用いられている。
【００３１】
当業者によって容易に理解されるように、トンネル接合３８は、第一のサブセル２８上にエピタキシャルに成長させることのできる高質材料からなるのが好ましい。トンネル接合３８は、良好な電気伝導性をもたらし、高い電流密度をサポートするため、高濃度にドープされているのが好ましく、トンネル接合を通る光子に対して透明であることが好ましい。この実施の形態に関しては、トンネル接合３８は、高濃度にドープされたＧａＡｓｎ−ｐ接合からなるものでよいが、本発明における要件を満たす他の多くの組み合わせも同様に有効である。
【００３２】
第二のサブセル３０は、約１．１６ｅＶの有効なバンドギャップを得るよう適合又は適応させた自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を含んでいる。第二のサブセル３０についての更なる詳細が、図４及びそれに対応する説明にあり、そこでは、第二のサブセルが、エピタキシーによって仮像的に成長させた、特定の形状、組成及び密度の高質自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドットを有する複数の層を備えたｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を含むものとして開示されている。
【００３３】
第二のサブセル３０は、トンネル接合４０を介して第三のサブセル３２に電気的に接続されている。トンネル接合４０の要件は、上述のトンネル接合３８の要件と同様である。この実施の形態では、トンネル接合４０は、高濃度にドープされたＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＡｓｎ−ｐ接合からなっていてよいが、他の多くの組み合わせが、同様に有効である。第三のサブセル３２は、基本的にｎ−ｐ接合であり、ドープされたＧａＩｎＰ又はドープされたＡｌＧａＡｓ、あるいは、ＧａＡｓと格子整合した同様の合金からなるのが好ましく、およそ１．８ｅＶのバンドギャップを有している。第三のサブセル３２は、多接合太陽電池において通例であるように、ウィンドウ４２、反射防止層４４、及び接点４６を備えていてもよい。
【００３４】
図２の上部は、太陽スペクトル５０に関する波長の関数としてのスペクトル強度のグラフ４８を示している。図２はまた、それぞれ、第三のサブセル３２、第二のサブセル３０及び第一のサブセル２８に関する太陽スペクトル５０の吸収域５２、５４及び５６を示している。図１に関する記述に鑑みて、斯かる三接合光起電太陽電池が、高い変換効率とともにサブセル間の良好な電流の均衡を有していることが、当業者には、明らかであろう。
【００３５】
図３は、高質自己組織化量子ドット材料、すなわち、第二のサブセルに含まれることができ、ｐ−ｉ−ｎ接合内に成長させることのできる材料の光起電スペクトル５８を示している。プロット５８は、２０℃で測定した第一の材料のスペクトルを示している。プロット５８の特徴は、量子ドット材料の基底状態６０、量子ドット材料の励起状態６２、及び湿潤層状態６４であり、湿潤層は、通常、自己組織化量子ドットのエピタキシーの間に生成する薄い連続層である。この自己組織化エピタキシャルプロセスにおいて、第一の単分子層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）又は第一の少数の単分子層が、湿潤層と呼ばれる均一な二次元の層として付着する。次いで、量子ドットが、付着した追加の材料から及び／又は部分的に先にある湿潤層材料から自己組織化する。プロット５８は、ＧａＡｓ層を透過した白色光源を用いて測定された。ＧａＡｓバンドギャップより大きなエネルギーに関して、信号低下がみられる。量子ドット基底状態６０は、自己組織化量子ドット材料の有効バンドギャップということができる。半導体ヘテロ構造を備えていないバルク半導体に関しては、有効バンドギャップは、単に半導体材料のバンドギャップである。
【００３６】
量子ドットエネルギー準位は、それらの形状、組成、及び成長の間の密度を制御することによって調節できることが知られている｛例えば、エス・ファファード（Ｓ．Ｆａｆａｒｄ）等の「半導体量子ドットのエネルギー準位操作（Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｅｖｅｌｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔｓ）」物理学レビュー（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．）Ｂ５９，１５３６８（１９９９年）又はエス・ファファード等「急激な調節が可能な電子殻を有する量子ドットアンサンブルにおけるレージング（Ｌａｓｉｎｇ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｈａｒｐ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｈｅｌｌｓ）」応用物理学報告（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）７５，９８６（１９９９年）、参照｝。プロット５８に関しては、自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料は、約１．１６ｅＶの有効バンドギャップを有するよう、調整されていた。プロット５８において評価された材料は、ＧａＡｓからなる１０ｎｍのバリアで隔てられたＩｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットの１４個の層を備えている。
【００３７】
第二のセル３０の実施の形態が、図４に示されている。この実施の形態では、複数のＩＩＩ〜Ｖ族の半導体合金層が、トンネル接合３８上に、エピタキシャルに成長しており、トンネル接合は、高密度にｐ型ドープした層７８と高密度にｎ型ドープした層８０を備えている。エミッタ８２が、高密度にｎ型ドープした層８４とｎ型ドープ層８６との組み合わせによって形成されている。エミッタ８２は、ＧａＡｓ又はＧａＡｓと格子整合した他の合金からなるのが好ましく、ＧａＡｓのバンドギャップに近いバンドギャップを有している。同様に、その後、層９０及び高密度ｐ型ドープ層９２にｐ型ドーピングを用いてコレクタ８８を成長させる。ｎ型ドーピングには、シリコンを用いるのが好ましく、一方、ｐ型ドーピングには、ベリリウムを用いるのが好ましい。明らかに、他のドーパント、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、テルル（Ｔｅ）等を、用いることができる。
【００３８】
エミッタ８２とコレクタ８８は、エミッタ８２とコレクタ８８との間に配置された真性に非ドープの自己組織化量子ドット材料９４とともに、ｎ−ｉ−ｐ接合を形成している。エミッタ８２とコレクタ８８のドーピングプロファイルは、それらが、ほぼ自己組織化量子ドット材料９４に亘って延びる空乏領域を提供しているというものである。ｎ−ｉ−ｐ接合の代わりにｎ−ｐ接合を用いて、又はｐ型とｎ型のドーピングの順序を逆にすることにより、同様の構成を設計することができる。加えて、自己組織化量子ドット材料９４は、ＧａＡｓ上に仮像的に成長させたので、サブセルの、ひいては、太陽電池２４の反射能を高め、吸収特性を変えるため、高屈折率半導体と低屈折率半導体の交互の層を備えたブラッグリフレクタ又は分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）キャビティを、エミッタ及び／又はコレクタ内に成長させてもよい。図４に示すような、同様の自己組織化量子ドット材料９４が、エミッタ８２及びコレクタ８８とともに、本発明の全ての実施の形態の説明において使用される。
【００３９】
自己組織化量子ドット材料９４は、第一の量子ドット層９６、第一のバリア９８、第二の量子ドット層１００、第二のバリア１０２、その他、Ｎ番目の自己組織化量子ドット材料１０４及びＮ番目のバリア１０６までを備えている。Ｎ個の量子ドット層は、厚さ又は組成が同じである必要がないということが、当業者には明らかであろう。更に、第二のサブセル３０のような太陽電池サブセルの光学的、構造的又は電気的特性を最高にするため、自己組織化量子ドット材料９４に、層を挿入することができる。例えば、量子ドット材料９４の光学的及び／又は構造的特性を変更するため、他のバンドギャップを有する層又は他の格子定数を有する層を、量子ドット層９６、１００、１０４の上及び／又は下に成長させることができる。また、他のバンドギャップを有する層又は他の格子定数を有する層を、バリア９８、１０２、１０６内に成長させることもできる。バリア内の斯かる中間層の成長は、構造内に生じる総ひずみを制御するのに特に重要である。例えば、量子ドット層に、より大きな格子定数を有する半導体を使用したときに生じるひずみを補償する層を得るため、エピタキシャル層よりも小さく基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体層の厚さを選択することができる。例えば、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓ量子ドットのひずみを補償するため、ＧａＰＡｓ又はＧａＩｎＰをバリア内に成長させることができる。更に、複数の層は、同様の特性を有する多数のサブグループ層を、Ｎ個の層が、各々がｍｉ個の量子ドットと、同様の大きさ、組成及び有効バンドギャップを有するバリア層とを含むｍ個のサブグループからなるように、備えることができる。
【００４０】
この実施の形態では、所望の吸収特性、例えば、１．１６ｅＶの吸収端を有する自己組織化量子ドット材料９４を得るため、成長材料及びパラメータを選択することができる。自己組織化量子ドット材料９４の仮像的成長が、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）システムを用いるエピタキシーによって得られる。ＭＢＥシステムは、例えば、ＧａＡｓと格子整合した半導体材料上にＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層を成長させるのに用いる。ＭＢＥシステム以外のエピタキシーシステムを使用することもできる。それらのシステムには、例えば、化学線エピタキシー（ＣＢＥ）システム、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＥ）システム又は他の同様なハイブリッドシステム、あるいはそれらの組み合わせがある。所望の光学的、電気的及び構造的特性を得るため、層の混合或いは、例えばエミッタ層８２又はコレクタ層８８に、存在するドーパントの拡散を発生させることのある高温を避けながら、成長温度を、所望の特性を最高にする範囲に維持する。
【００４１】
例示として、層の混合又はエミッタ８２層に存在するドーパントの拡散が、心配なければ、ＧａＡｓ層の成長は、４００℃〜８００℃の温度範囲で行うのが好ましく、５２０℃〜６３０℃がより好ましく、６００℃〜６３０℃が最も好ましい。量子ドット層のエピタキシャル成長の間に、混合及び／又はドーパントの拡散が懸念される場合には、成長温度は、４５０℃〜５５０℃が好ましく、４９０℃〜５３０℃が最も好ましい。量子ドット層の成長温度は、量子ドットの形状及び組成を調整するのに用いられる。各量子ドット層のバリアのオーバーグロースの間の温度は、量子ドットの大きさ及び組成、したがって、自己組織化量子ドット材料９４の吸収特性を、さらに制御するため、オーバーグロースのいろいろな段階で変えることができる。
【００４２】
所望のエネルギー準位を有する非常に均一な量子ドットの高い面内密度を有する量子ドット層を得るため、成長温度、Ｖ族の超過圧（ｏｖｅｒ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ）又はＩＩＩ族／Ｖ族の比、量子ドット材料、均一な準二次元のフィルムから三次元のアイランドへの自己組織化成長推移を得るために用いる材料の量、成長速度又は成長の間の用いる中断、及び成長温度及び成長速度などのオーバーグロース条件の組み合わせが、選択される。これが、当射する太陽光子の電気への高い変換効率を可能にするのである。
【００４３】
当業者には明らかなように、所望の吸収特性を達成することのできる多くのパラメータの組み合わせがある。しかしながら、この実施の形態の説明の目的で、自己組織化量子ドット材料９４の所望の吸収は、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓを成長させることによって得られる。ＩｎＡｓの厚さは、０．６ｎｍ〜０．８ｎｍであり、好ましくは、０．６８ｎｍ〜０．７２ｎｍである。ＩｎＡｓの好ましい成長速度は、０．００１〜３ｎｍ／ｓであり、０．０１〜０．０３ｎｍ／ｓが、最も好ましい。ＩｎＡｓの付着成長に続いて、成長の中断があり、成長の中断は、０〜３００秒の範囲であるのが好ましい。ＩｎＡｓ量子ドット層の成長の後に、６ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚さを有するバリア層のオーバーグロースが続く。バリア層は、ＧａＡｓ又はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓであるのが好ましく、ｘは、０〜１であるが、０〜０．３５であるのが好ましい。量子ドット層とバリア層の成長シーケンスは、上述のように、何回も繰り返される。
【００４４】
上記のように、量子ドット層及びバリア層のオーバーグロースの間に、量子ドットの形状、組成及び均一性を調整するため、基板の特定の温度サイクリングを用いることができる。この場合、基板２６の温度を、好ましくは、ＭＢＥ成長に関してほぼ５３０℃であって、いろいろなファクターの中で成長方法と界面活性剤の使用に依存することのあるＩｎＡｓ脱着（ｄｉｓｏｒｐｔｉｏｎ）温度よりも上に上昇させる。ひとたび、温度をＩｎＡｓの脱着温度よりも上に上昇させたら、温度を下降させて、好ましくは４５０℃〜５５０℃、最も好ましくは４９０℃〜５３０℃の公称値に戻す。次の量子ドット層の成長が、これに続く。所望の吸収端が、１．１６ｅＶである場合には、バリアの厚さが１ｎｍ〜５０ｎｍ、好ましくは２．０ｎｍ〜１０．０ｎｍ、最も好ましくは４．５ｎｍ〜６．５ｎｍの時に、オーバーグロースの間に行われる温度サイクリングを行ってもよい。
【００４５】
好ましい実施の形態では、量子ドット層の数は、１〜１００であり、好ましくは３０〜８０である。必要であれば、より多くの層を成長させることができる。自己組織化量子ドット層材料９４の層の数が大きいほど、第二のセル３０の吸収係数が大きくなり、これは、第二のセル３０の電流を上昇させるのに望ましい。
【００４６】
量子ドット層の間の間隔、すなわち、バリアの厚さは、（Ａ）吸収スペクトルの所望の特性を変えるため、（Ｂ）自己組織化量子ドットの垂直方向の積み重ねを制御するため、そして（Ｃ）全体のひずみレベルを、格子緩和の発現につながる臨界厚さに関するひずみレベルよりも下に維持するため、調節される。臨界厚さを越える厚さでは、量子ドット材料は、材料の転位と欠陥の発生を引き起こすことがある。臨界厚さは、例えば、マシューの法則（Ｍａｔｔｈｅｗ‘ｓ  ｌｏｗ）を用いることにより、測定及び／又は推定することができる。関心の対象である低いインジウム含有率の平均的なＩｎＧａＡｓ組成物に関しては、臨界厚さは、１〜２ミクロンと予想される。平均インジウム含有率が高いほど、臨界厚さは小さくなる。したがって、量子ドット層の間の間隔は、量子ドット材料の平均インジウム組成を調整し、ひずみと格子緩和によって生じる転位及び欠陥を回避するのに使用することができる。上述のように、量子ドット層は、構造体の残部よりも大きな格子定数を有しているのが典型的であり、したがって、必要であれば、量子ドット材料における平均ひずみを減少させる目的で、実施の形態は、反対ひずみ（ｏｐｐｏｓｉｔｅ  ｓｔｒａｉｎ）（すなわち、より小さい格子定数）を有するＧａＰＡｓ又はＩｎＧａＰなどの半導体の薄い層を組み込んでいてもよい。例えば、上記のように、量子ドット材料９４の構造的特性を変えるため、異なる格子定数を有する層を、量子ドット層９６、１００、１０４の上及び／又は下に成長させることができ、又は、同様に、異なる格子定数を有する層を、バリア９８，１０２、１０６内に成長させることができる。
【００４７】
本発明の第二の実施の形態が、効率の高いモノリシック四接合光起電太陽電池を提供する。自己組織化量子ドット材料９４を、図１において材料２１として示す約１．０ｅＶよりも大きいエネルギーを有する光子を吸収するよう適合させることができる。斯かる材料は、図５に示す高効率モノリシック四接合光起電太陽電池を製造するのに用いることができ、この電池においては、各々のサブセルが、太陽束の約１９％を吸収すれば、サブセルは電流整合する。
【００４８】
この四接合太陽電池は、上に第一のサブセル１１０が形成される基板１０８を備えている。第一のサブセル１１０は、適当なドーピングプロファイルを有するゲルマニウムを含んでいるのが好ましく、このゲルマニウムは、エピタキシー又は他の結晶成長法によって基板１０８上に成長させる。そのほか、適当なドーピングプロファイルをつくるため、バルクゲルマニウム材料、例えばゲルマニウム基板にドーパントを混合させる又は打ち込むことにより、第一のサブセル１１０を作製することができる。例えば、ＩＩＩ〜Ｖ族の半導体材料を、ｐ型Ｇｅ上に成長させる場合、基板のＧｅ内へのＶ族の混合は、ｎ型Ｇｅ領域を形成し、したがって、ｐ−ｎ接合を形成する。同様に、ｎ型Ｇｅ基板に関しては、基板のＧｅ内へのＩＩＩ族の混合は、ｐ型領域を形成し、したがって、ｎ−ｐ接合を形成する。第二のサブセル１１２を、エピタキシーによって第一のサブセル１１０上に仮像的に成長させる。第二のサブセル１１２は、約１．０ｅＶの有効バンドギャップを得るよう適合化された自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を含んでいる。第三のサブセル１１４を、エピタキシーによって第二のサブセル１１２上に仮像的に成長させ、第三のサブセル１１４には、第四のサブセル１１６が続く。第四のサブセル１１６は、エピタキシーによって第三のサブセル１１４上に仮像的に成長させる。
【００４９】
この実施の形態では、基板１０８は、導電性のＧａＡｓ好ましくはＧｅでよく、それらは各々、同じような格子定数を有している。基板１０８のドーピングは、ｎ型でもｐ型でもよい。基板１０８が、上にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を成長させたｎ型であるか、上にｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を成長させたｐ型であるかは、本発明にとって根本的なことではない。説明の目的で、この実施の形態は、ｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を有するｎ型の基板を用いる。他のあり得る組み合わせは、非ドープの基板と埋め込みのバック接点を含むが、同様に可能である。プロセスの最終段階で、図５に示すように、基板を金属被覆して抵抗接点を形成してもよい。
【００５０】
種々の構造的、電気的又は光学的特性を最適にするため、第一のサブセル１１０の成長の前に、バッファ及び／又はバックフィールド層１２０を基板１０８上に形成してもよい。第一のサブセル１１０は、Ｇｅからなるのが好ましく、空乏領域を提供するため、ｎ−ｐ接合を含んでいる。第一のサブセル１１０を第二のサブセル１１２と接続するため、トンネル接合１２２が用いられる。当業者によって容易に理解されるように、トンネル接合１２２は、第一のサブセル１１０上にエピタキシャルに成長させることのできる高質材料からなるのが好ましく、良好な電気伝導性をもたらし、高い電流密度をサポートするため、高濃度にドープされている。トンネル接合１２２は、本願明細書において説明する全てのトンネル接合のように、トンネル接合を横切る光子に対してほぼ透明であるのが好ましい。
【００５１】
この実施の形態に関しては、トンネル接合１２２は、高密度にドープされたＧａＡｓｎ−ｐ接合からなるものでよいが、他の種類のトンネル接合、例えば、ＧａＡｓの格子定数に近い格子定数を有するＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＡｓＰの合金でもよい。先に述べたように、第二のサブセル１１２は、約１．０ｅＶの有効バンドギャップを得るよう適合させた自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を含んでいる。第二のサブセル１２２の詳細は、図４に開示されたものとそれに対応する説明と同様であるが、自己組織化量子ドット材料の成長パラメータに関する限りでは変更が施されている。第二のサブセル１１２の成長に関する更なる詳細が、以下にある。さしあたり、第二のサブセル１１２は、自己組織化量子ドット材料とｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合とを備えていると言えば十分であろう。自己組織化量子ドット材料は、エピタキシーによって仮像的に成長した特定の形状、組成、及び密度の高質自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドットを有する複数の層を含んでいる。
【００５２】
第二のサブセル１１２は、トンネル接合１２４を介して、第三のサブセル１１４に接続されている。トンネル接合１２４は、第三のセル１１２上にエピタキシャルに成長させることのできる高質材料からなるのが好ましく、良好な電気伝導性をもたらし、高い電流密度をサポートするため、高濃度にドープされている。トンネル接合１２４は、トンネル接合を横切る光子に対してほぼ透明である。この実施の形態では、トンネル接合１２４は、高密度にドープされたＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＡｓＰのｎ−ｐ接合からなるものでよく、合金は、ＧａＡｓの格子定数に近い格子定数とＧａＡｓのバンドギャップと等しい又はそれよりも大きいバンドギャップを有するものが用いられる。
【００５３】
第三のサブセル１１４は、基本的にドープされたＧａＡｓからなる、或いは、ＧａＡｓと格子適合し、およそ１．４ｅＶのバンドギャップを有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ又はＧａＩｎＮＡｓ合金からなるのが好ましいｎ−ｐ接合である。ある構成に関しては、サブセルの電流のバランスをとるのを助けるため、第三のサブセル１１４が、第三のサブセルに当射する光の一部を第二のサブセル１１２に到達させるように第三のサブセル１１４の厚さと吸収特性を調整することが望ましい。第三のサブセル１１４は、トンネル接合１２６を介して第四のサブセル１１６に接続されており、このトンネル接合は、高密度にドープされたＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＡｓのｎ−ｐ接合からなるものでよいが、上記の要件を満たす他の合金、例えば、ＡｌＩｎＧａＰ又はＺｎＳｅ合金も、同様に有効である。
【００５４】
第四のサブセル１１６は、基本的にドープされたＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓ、或いは、ＧａＡｓと格子適合する同様のＡｌＧａＩｎＡｓＰ合金からなるのが好ましいｎ−ｐ接合であり、およそ１．８ｅＶのバンドギャップを有する。第四のサブセル１１６の厚さと吸収特性は、第四のサブセル１１６が、第四のサブセルに当射する光の一部を第三のサブセル１１４に到達させるようになっているのが好ましい。さらに、第四のサブセル１１６、第三のサブセル１１４、第二のサブセル１１２及び第一のサブセル１１０は、それぞれのセルによって吸収された光子によって発生するそれぞれの電流のバランスがとれているようになっている。第四のサブセル１１６は、多接合太陽電池の製造において通例であるように、ウィンドウ１２８、反射防止被膜１３０、及び電気接点１３２を備えていてもよい。
【００５５】
図５の上部は、太陽スペクトル５０に関する波長の関数としてのスペクトル強度のグラフ１３４を示している。図５はまた、それぞれ、第四のサブセル１１６、第三のサブセル１１４、第二のサブセル１１２及び第一のサブセル１１０に関する太陽スペクトル５０の吸収域１３６、１３８、１４０及び１４２を示している。図１に関する記述の助けを借りれば、斯かる四接合光起電太陽電池が、各サブセルに吸収される約１９％の太陽光子束というサブセル間の良好な電流の均衡と、したがって、高い変換効率とを有していることが、当業者には、明らかであろう。
【００５６】
ｐ−ｉ−ｎ接合内に成長させた約１．０ｅＶの吸収バンド端を有する高質自己組織化量子ドット材料の、測定された光起電スペクトルが、図３にプロット７０として示されている。図３においては、２０℃で測定したプロット７０が、量子ドット基底状態７１、量子ドット励起状態７２及び湿潤層状態７６とともに、スペクトルの特徴を示している。この特定のサンプルは、ＧａＡｓバリアに埋め込まれたＩｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットの一つの単層を含んでいる。
【００５７】
第二のサブセル１１２の成長条件は、量子ドットの大きさ及び組成が、量子ドットに近接する材料の組成とともに、１．１６ｅＶよりも低いエネルギー、１．０ｅＶにおいて吸収端を有する自己組織化量子ドット材料をもたらすよう調節することができる。先に述べたように、所望の目的を達成することのできる成長パラメータの多くの組み合わせがある。しかしながら、現在説明している実施の形態を説明する目的で、自己組織化量子ドット材料９４の所望の吸収特性は、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓを成長させることによって得られる。ＩｎＡｓの厚さは、０．４ｎｍ〜０．８ｎｍが好ましく、０．５０ｎｍ〜０．５８ｎｍが最も好ましい。ＩｎＡｓの好ましい成長速度は、０．００１〜３ｎｍ／ｓであり、０．０１〜０．０３ｎｍ／ｓがより好ましく、ＩｎＡｓの成長に続いて成長の中断がある。成長の中断は、０秒〜３００秒の範囲にあるのが好ましい。ＩｎＡｓ量子ドット層の成長の後には、６ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にある厚さを有するバリア層のオーバーグロースが続く。バリア層は、ＧａＡｓ又はやや高いバンドギャップを有するＡｌ組成が約１０％よりも少ないＡｌＧａＡｓ合金であるのが好ましい。量子ドット層とバリア層の成長シーケンスは、先に述べたように、何回も繰り返される。量子ドット層の好ましい数は、５０〜１５０層であるか、又はサブセルにおける吸収の均衡をとるように要求される通りである。
【００５８】
上記のように、量子ドット層のオーバーグロースの間に、量子ドットの形状、組成及び均一性を調整するため、基板１０８の特定の温度サイクリングを用いることができる。この場合、次の量子ドット層の成長の前に、基板１０８の温度を、ＩｎＡｓ脱着（ｄｉｓｏｒｐｔｉｏｎ）温度よりも上に上昇させた後、下降させてその公称値に戻す。所望の吸収端が、約１．０ｅＶであるこの場合では、バリアの厚さが１ｎｍ〜５０ｎｍ、好ましくは２．０ｎｍ〜１０．０ｎｍ、最も好ましくは７．５ｎｍ〜１０．０ｎｍの時に、オーバーグロースの間に行われる温度サイクリングを行ってもよい。そのほか、吸収をより長い波長まで広げるため、ＧａＡｓよりもやや低いバンドギャップ材料の合金、例えばインジウム濃度の低いＩｎＧａＡｓ、又は段階的（ｇｒａｄｅｄ）バンドギャップ材料を、量子ドット層に近接して用いることができる。
【００５９】
自己組織化量子ドット材料を、多接合モノリシック光起電太陽電池のサブセルに組み込む方法が、格子定数を有する上面を有する基板を用意する工程と、前記格子定数と格子整合したサブセルを、先の層上に設ける工程と、前記格子定数と格子整合したトンネル接合を、先のサブセル上に設ける工程とを含み、最後の二つの工程を、自己組織化量子ドット材料を備えたサブセルが組み込まれるまで、繰り返す。最後の二つの工程は、自己組織化量子ドット材料が、底部サブセルに組み込まれる場合には、省略される。更なる工程には、前記格子定数と格子整合し、バッファドーパント濃度を有する半導体材料のバッファ層を、先の層上にエピタキシャルに付着させる工程と、前記格子定数と格子整合し、バックフィールドドーパント濃度を有する半導体材料のバックフィールド層を、前記バッファ層上にエピタキシャルに付着させる工程と、前記格子定数と格子整合し、バリアドーパント濃度とバリア温度で成長させたバリア厚さとを有する半導体材料の第一のバリア層を、前記バックフィールド層上にエピタキシャルに付着させる工程とがある。追加の工程は、欠陥が低密度であり、形状及び大きさを有する高密度の均一な自己組織化量子ドットを含む量子ドット層を、量子ドット用の公称組成を有し、前記格子定数まで大きくひずみを受け、量子ドットドーパント濃度、量子ドット厚さ、量子ドット成長温度、量子ドット成長速度、量子ドットＶ族超過圧力又はＩＩＩ〜Ｖ族の割合を有する半導体を用いて、先のバリア上にエピタキシャルに付着させる工程と、成長中断時間を得るために成長を中断した後、前記格子定数と格子整合し、バリアドーパント濃度，バリア厚さ、バリア成長速度、及び量子ドットのオーバーグロースの間の基板温度に関するバリア温度プロファイルを有する半導体材料のバリア層を、先の量子ドット層上にエピタキシャルに付着させる工程と、最後の二つの工程を多数周期繰り返す工程であって、成長パラメータにより、量子ドットの前記組成、前記大きさ及び前記形状が制御され、積み重ねプロファイルを通じて変化させることができる工程である。更なる工程には、前記格子定数と格子整合し、上部フィールドドーパント濃度を有する半導体材料の上部フィールド層を、先のバリア層上にエピタキシャルに付着させる工程と、前記格子定数と格子整合し、トンネル接合の初めの部分では前記上部フィールドドーパントと同じ型のドーパント濃度で、トンネル接合の終わりの部分では反対の型に急激に変化するドーパント濃度を有する高濃度にドープされた半導体材料のトンネル接合を、前記上部フィールド層上にエピタキシャルに付着させる工程と、前記格子定数と格子整合したサブセルを、先のトンネル接合上に設ける工程と、前記格子定数と格子整合したトンネル接合を、先のサブセル上に設ける工程と、最後の二つの工程を繰り返して、前記多接合太陽電池に含まれる多数のサブセルを完成させる工程がある。最後に、この方法は、上部サブセル上にウィンドウを設け、前記ウィンドウ上に反射防止被膜を設け、前記上部サブセルに接続された接点層を設けることを含んでいる。今説明している方法において、前記バッファ層のドーパント濃度は、１ｘ１０１６ｃｍ−３〜１ｘ１０１９ｃｍ−３、前記バックフィールド層の前記ドーパント濃度は、１ｘ１０１６ｃｍ−３〜１ｘ１０１９ｃｍ−３、前記バリアドーパント濃度は、１ｘ１０１３ｃｍ−３〜１ｘ１０１７ｃｍ−３、前記量子ドット厚さは、０．４ｎｍ〜５．０ｎｍ、前記量子ドット成長温度は、４５０℃〜５４０℃、前記量子ドット成長速度は、０．０００１ｎｍ／ｓ〜０．２ｎｍ／ｓ、前記成長中断時間は、０秒〜６００秒であり、前記バリア温度プロファイルは、一定か又は４５０℃〜６５０℃の間で変化し、前記バリア成長速度は、０．０１ｎｍ／ｓ〜１ｎｍ／ｓ、前記バリア厚さは、３ｎｍ〜６０ｎｍ、前記上部フィールド層の前記ドーパント濃度は、１ｘ１０１６ｃｍ−３〜１ｘ１０１９ｃｍ−３である。格子定数は、ＧａＡｓの格子定数でよく、前記バッファ層、前記バックフィールド層、前記バリア材料、及び前記上部フィールド層の合金組成は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７ＡｓとＧａＡｓの合金組成の間であり、量子ドットの前記公称組成は、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７ＡｓとＩｎＡｓの公称組成の間であり；格子定数は、ＧａＡｓの格子定数でよく、前記バッファ層、前記バックフィールド層、前記バリア材料、及び前記上部フィールド層の合金組成は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓとＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの合金組成の間であり、量子ドットの前記公称組成は、Ｉｎ０．３Ａｌ０．７ＡｓとＩｎＡｓの公称組成の間であり；又は格子定数は、ＧａＡｓの格子定数でよく、前記バッファ層、前記バックフィールド層、前記バリア材料、及び前記上部フィールド層の合金組成は、ＧａＡｓと格子整合したＧａＡｌＩｎＰの合金組成であり、量子ドットの前記公称組成は、ＩｎＰである。
【００６０】
本発明の第三の実施の形態が、高効率モノリシック二接合光起電太陽電池を提供する。他の一つの実施の形態では、自己組織化量子ドット材料が、二接合太陽電池に用いられるようになっている。高効率光起電二接合太陽電池を得るためには、自己組織化量子ドット材料９４と類似しているが、吸収端が０．９２ｅＶである自己組織化量子ドット材料を有する第一のサブセルが、約１．６ｅＶよりも大きなエネルギーを有する光子を吸収する材料を有する第二のサブセルとともに、必要である。第二のサブセルは、自己組織化量子ドット材料９４と類似の自己組織化量子材料を含んでいてもよい。斯かる二接合太陽電池は、各サブセルで発生したバランスのとれた電流を有する。さらに、各サブセルは、図１のバンドギャップ１５（１．６ｅＶ）とバンドギャップ２３（０．９２ｅＶ）が図示されたプロット１０で示すように、総太陽光子束の約３１％を吸収する。
【００６１】
本発明の二接合光起電太陽電池が、図６に描かれている。この二接合太陽電池は、上に第一のサブセル１４６をエピタキシーによって仮像的に成長させた基板１４４を備えており、０．９２ｅＶの有効バンドギャップを得るように適合させた第一の自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を備えている。第一のサブセル１４６の詳細は、図４に開示された図２の第二のサブセル３０の詳細及びそれに対応する説明と同様である。第二のサブセル１４８は、第一のサブセル１４６上にエピタキシーによって仮像的に成長させたものであり、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットを有するのが好ましい約１．６ｅＶの有効バンドギャップを得るよう適合させた第二の自己組織化量子ドット材料を含んでいてもよい。この実施の形態では、基板１４４は、導電性のＧａＡｓ基板又は導電性のＧｅ基板であるのが好ましく、これらはいずれも似たような格子定数を有している。
【００６２】
他の多接合の実施の形態について先に述べたように、基板１４４のドーピングは、ｎ形でもｐ型でもよい。基板１４４が、上に成長させたｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を有するｎ型であるか、上に成長させたｐ−ｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を有するｐ型であるかは、本発明にとって根本的なことではない。説明の目的で、この実施の形態は、ｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合を有するｎ型基板を用いる。他のあり得る材料は、非ドープの基板及び埋設のバック接点を含むが、同様に可能である。プロセスの最終段階で、基板１４４は、図６に示すように、抵抗接点１５０を形成するため、金属被覆されてもよい。
【００６３】
種々の構造的、電気的又は光学的特性を最適化するため、第一のサブセル１４６を成長させる前に、バッファ及び／又はバックフィールド層１５２を、基板１４４上に成長させることができる。第一のサブセル１４６は、トンネル接合１５４を介して第二のサブセル１４８に電気的に接続されている。この実施の形態では、トンネル接合１５４は、約１．７ｅＶよりも大きなバンドギャップを有する高密度にドープされたＩｎＧａＰ、又はＡｌＧａＡｓのｎ−ｐ接合を備えていてもよい。そのほか、他の同様のＡｌＩｎＧａＡｓＰ合金を使用することができる。第二のサブセル１４８は、基本的にエピタキシーによって仮像的に成長させたｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合である。上述のように、第二のサブセル１４８は、約１．６ｅＶの有効バンドギャップを得るよう適合させた自己組織化ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子ドット材料を含むことができる。そのほか、第二のセル１４８は、バルクＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓ或いは約１．６ｅＶのバンドギャップをもたらす合金組成を有する他の同様のＩｎＡｌＧａＡｓＰ合金からなっていてもよい。第二のサブセル１４８は、多接合太陽電池の製造において通例であるように、ウィンドウ１５６、反射防止被膜１５８、及び電気接点１６０を有していてもよい。
【００６４】
図６の上部は、太陽スペクトル５０に関する波長の関数としてのスペクトル強度のグラフ１６２を示している。グラフ１６２はまた、それぞれ、第一のセル１４６及び第二のセル１４８に関する太陽スペクトル５０の吸収域１６４及び１６６を示している。図１の記述の助けを借りれば、斯かる二接合光起電太陽電池が、高い変換効率とともに、サブセル間の良好な電流の均衡を有することが、当業者には、明らかであろう。
【００６５】
この実施の形態に関して、自己組織化量子ドット材料層構造を有するサブセルの構造は、図４に開示されたサブセルの構造及びそれに関する説明と同様である。しかしながら、所望の光学的、電気的及び構造的特性を得るため、成長条件を変えている。特に、自己組織化量子ドット材料の吸収を、第一のサブセル１４６に関しては、より長い波長へと広げ、第二のサブセル１４８に関しては、より短い波長へと広げるため、量子ドット又は量子ドットに近接する材料の大きさ及び組成を変更してある。先に述べたように、所望の目的を達成することのできる多くのパラメータの組み合わせがある。
【００６６】
この実施の形態を説明する目的で、第一のセル１４６の自己組織化量子ドット材料の所望の吸収特性は、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓを成長させることにより得られ、ＩｎＡｓの厚さは、０．５〜０．８ｎｍ、好ましくは０．５０〜０．５８ｎｍである。ＩｎＡｓの好ましい成長速度は、０．００１〜３ｎｍ／ｓで、より好ましくは０．０１〜０．０３ｎｍ／ｓである。ＩｎＡｓの付着（成長）には成長の中断が続き、成長の中断は、０〜３００秒の範囲であるのが好ましい。ＩｎＡｓ量子ドット層の成長の後には、６ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚さを有するバリア層のオーバーグロースが続く。バリア層は、ＧａＡｓ層又は同様のバンドギャップを有する合金であるのが好ましい。量子ドット層とバリア層の成長シーケンスは、先に述べたように、何回も繰り返される。
【００６７】
上記のように、量子ドット層のオーバーグロースの間に、量子ドットの形状、組成、及び均一性を調整するため、基板１４４の特定の温度サイクリングを用いることができる。この場合、次の量子ドット層の成長の前に、基板１４４の温度を、好ましくはＩｎＡｓの脱着温度よりも上に上昇させた後、低下させてその公称値まで戻す。所望の吸収端が約０．９２ｅＶである場合には、バリアの厚さが１〜５０ｎｍ、好ましくは２〜１１ｎｍ、より好ましくは７．５〜１１ｎｍの時に、オーバーグロースの間に行う温度サイクリングを行うことができる。加えて、吸収をより長い波長へと広げるため、バンドギャップがＧａＡｓよりもわずかに低い材料の合金、例えば、低いインジウム濃度のＩｎＧａＡｓ、又は段階的バンドギャップ材料を、量子ドット層に近接して成長させることもできる。
【００６８】
第二のサブセル１４８用に、所望の特性を有する自己組織化量子ドット材料を得るため、同様の方法が用いられるが、ＩｎＡｓ量子ドットの代わりにＡｌＩｎＡｓ量子ドットが用いられ、ＧａＡｓバリア材料が、ＡｌＧａＡｓバリア材料に代えられている。バリアにおけるＡｌの公称パーセンテージは、０％〜１００％でよいが、直接バンドギャップ材料を維持するためには、０％〜３５％であるのが好ましい。より好ましくは、Ａｌパーセンテージは、２５％〜３５％である。量子ドットにおけるＩｎの公称パーセンテージは、３５％〜１００％でよいが、５０％〜７５％が好ましく、５５％〜７０％がより好ましい。自己組織化量子ドット層を形成するのに使用されるＡｌＩｎＡｓの厚さは、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍが好ましく、０．８ｎｍ〜０．９ｎｍであるのがより好ましい。
【００６９】
そのほか、第二のサブセル１４８用に、ＡｌＩｎＡｓ量子ドットの代わりにＩｎＰ量子ドットを、ＡｌＧａＡｓバリアの代わりにＧａＩｎＰバリアを用いることにより、同等の構造を製造することができる。ＧａＡｓと格子整合した他の合金、例えば、ＧａＡｌＩｎＰ又はＧａＩｎＰＡｓをバリアに用いることができる。
【００７０】
本発明は、他の実施の形態及び材料、例えば、ＩｎＰ基板上に成長させた二接合モノリシック太陽電池に適用することができる。この二接合電池は、第一のサブセルを有しており、このサブセルは、基本的にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合であって、ＩｎＰと格子整合したＩｎＧａＡｓバリア内にＩｎＡｓ量子ドット材料を含んでいるのが好ましい。この二接合電池はまた、第二のサブセルを有しており、このサブセルは、基本的に、ドープされたバルクＡｌＩｎＡｓからなる或いはＩｎＰと格子整合した同様の合金、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓ又はＧａＩｎＰＡｓからなるのが好ましいｎ−ｐ接合である。この実施の形態の第一のサブセルは、このサブセルが約０．６５ｅＶという小さなエネルギーの光子を吸収するので、Ｇｅと比較して広がった吸収域を有している。第一及び第二のサブセルの配置は、図６に描かれているものと同様である。いくつかの更に別の実施の形態では、第二のサブセルは、選択随意でよい。第二のサブセルが省略される実施の形態においては、変換効率はより低いが、製造がより簡単であり、コストがより低く、しかも／或いは、耐放射線性又は耐欠陥性がより高いという利点がある。
【００７１】
他の関心の対象となる実施の形態が、効率の高い二接合モノリシック光起電太陽電池を形成するのに、ゲルマニウム基板を用いている。ここでもまた、第一及び第二のサブセルの配置は、図６に描かれている通りである。第一のサブセルは、基本的にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合であって、図５のサブセル１１０について述べたように、エピタキシー又は他の同様のデポジション、打ち込み、相互拡散技術によってＧｅ基板上に仮像的に成長させたＧｅからなる。第二のサブセルは、基本的にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合であって、Ｇｅの格子定数に近い格子定数を有するエピタキシーによって仮像的に成長させたＡｌＧａＡｓバリア（又は同様の合金、例えば、ＡｌＧａＰ合金）内にＩｎＧａＡｓ量子ドット材料を含んでいるのが好ましい。Ｇｅ基板を使用する斯かる二接合電池は、本願明細書で論じた他の可能な実施の形態ほどは効率的でないが、製造がより簡単であり、バリア層及び量子ドット層に関する選択の組み合わせがひろいので融通性がより高く、耐放射線性及び耐欠陥性がより高いのでより高い寿命末期効率につながるという面から利点がある。
【００７２】
特に興味深い他の実施の形態が、効率の高い二接合モノリシック光起電太陽電池を形成するのに、シリコン基板を用いている。ここでもまた、第一及び第二のセルの配置は、図６に描かれている通りである。第一のサブセルは、基本的にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合であって、Ｇｅ又はＳｉＧｅ量子ドット材料と、エピタキシー又は他の同様のデポジション技術によって仮像的にＳｉ基板上に成長させたＳｉバリアとを備えているのが好ましい。薄膜法又は半導体結晶を成長させる方法の組み合わせも使用することができる。第二のサブセルは、基本的にｎ−ｐ又はｎ−ｉ−ｐ接合であって、エピタキシーによってＳｉ上に仮像的に成長させたＧａＰバリア（又は同様の合金、例えば、ＡｌＧａＰ）内に、ＩｎＰ量子ドット材料を含んでいるのが好ましい。Ｓｉ基板を用いた二接合電池は、向上した効率を得るため、従来の結晶又は多結晶Ｓｉ第一セル上に成長させた第二のサブセルに自己組織化量子ドット材料を用いるよう設計することもできる。いくつかの更に別の実施の形態では、第二のサブセルは、選択随意でよい。第二のサブセルが、省略される場合には、変換効率はより低いが、製造がより簡単で、コストがより低いという利点がある。
【００７３】
上記のように、自己組織化量子ドット材料は、耐放射線性及び耐欠陥性が桁違いに高いデバイスを作り出すものとして示されてきた。より高い耐放射線性及び耐欠陥性は、（Ａ）欠陥のある領域を隔絶する空間的閉じ込め（ｓｐａｔｉａｌ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）、（Ｂ）ナノ構造に起因する好ましい拡散距離損傷係数、（Ｃ）放射線によって最も影響を受けるサブセルにおける電流を制限する制約（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ）の排除、及び（Ｄ）電流を制限するセルのない太陽電池の設計の組み合わせの結果である。これが、自己組織化量子材料を有するデバイスを、宇宙の用途に対して特に魅力のあるものにしている。上述の実施の形態の太陽電池は、デバイスが放射線にさらされる用途において、耐放射線性の面から利点がある。例えば、最適化された太陽電池は、約４０％の寿命のはじめの効率を有する。この最適化された太陽電池が、従来の太陽電池に対して二桁大きい向上した耐放射線性を有すると仮定すると、寿命の終わりの効率は、寿命の終わりを、１ＭｅＶ電子放射線の１ｘ１０１５ｃｍ−２の総線量と等価と定義すると、３８％よりも高い。
【００７４】
幾分かの変換効率を部分的に犠牲にしながらも、耐欠陥性を活用し、しかも／又は最適化する本発明の実施の形態があることが望ましい。例えば、二接合太陽電池が、推移バッファ層をつくるため、上に複数のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層を変形して（ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃａｌｌｙ）成長させたＳｉ基板を備えていてもよい。この推移バッファ層上には、約０．９２ｅＶの有効バンドギャップを得るように適合させた自己組織化Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ量子ドット材料を含む第一のサブセルがエピタキシャルに成長している。第二のサブセルは、実施の形態によっては選択随意であるが、第一のサブセル上にエピタキシーによって成長し、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットからなるのが好ましい自己組織化量子ドット材料を含むことができ、約１．６ｅＶの有効バンドギャップを得るように適合させてある。この実施の形態では、ＳｉとＧａＡｓとの間の大きな格子不整合に起因して、かなりの欠陥の集中があろう。しかしながら、変換効率は、自己組織化量子ドット材料の耐欠陥性により、ある用途には、受け入れ可能であろう。
【００７５】
耐欠陥性に加え、本発明の他の利点を、実現することができる。例えば、自己組織化量子ドット材料は、半導体のバンドギャップを越える光子エネルギーの幾分かを回収することにより、変換効率を高めることができ、さもなければ、この幾分かの光子エネルギーは、有効バンドギャップより高いエネルギーを有する光子が、多接合太陽電池に当射する時に失われる。周知のように、有効バンドギャップを越えるエネルギーは、光子を発生させることができる。これらの光子の幾分かは、量子ドット内に再吸収され、空乏領域を横切って掃引される前に、光キャリアを、閉じ込められた量子ドットの状態から、より高い、閉じ込められていない状態に上げることにより、熱電子放出プロセスに使用される。したがって、より高い効率が得られる。
【００７６】
変換効率を最高にする他の同様の手法を、本発明の実施の形態に組み込むことができる。例えば、より長い赤外線波長において検出手段として作用するよう、自己組織化量子ドット材料を、制御された残留ドーピング（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｄｏｐｉｎｇ）でドープすることができる。検出プロセスは、バンド間遷移と同時にバンド内吸収を用い、したがって、総太陽光子束のより大きなフラクションを用いることにより、サブセルの電流を上昇させる。これが、図７に示されており、この図において、量子ドットにおいてポテンシャル井戸２０２を形成するためのバイアスのかかった伝導帯端２００が示されている。電子量子化エネルギー準位２０４、２０６及び２０８が、擬フェルミ準位２１２とともに、ポテンシャル井戸２０２に示されている。準位２０４及び２０６にある電子３００が示されている。長波長赤外線バンド内吸収遷移（２１６及び２１８として示す）は、通常は太陽電池には存在しないのであるが、矢印３１０で示すようにデバイス内を漂流する（ｄｒｉｆｔ）追加の光キャリアをつくる。この種の吸収は、太陽光子束の約２０％が、Ｇｅバンドギャップの下にあるエネルギー領域にあるので、重要である。
【００７７】
提案するアプローチを、やはり、他の実施の形態及び材料システムへと広げることができる。例えば、ＩｎＧａＡｓＮのような希薄な窒化物を含む自己組織化量子ドット又は少量の窒素を含む同様の半導体合金、或いはＧａ（Ａｌ）Ｎバリア内のＩｎ（Ｇａ）Ｎ量子ドット、或いはＧａ（Ａｌ）Ｓｂバリア内のＩｎＳｂ自己組織化量子ドット又は同様の合金のようなアンチモンベースの材料システムを用いものである。明らかに、本発明は、太陽エネルギー変換以外の用途にも、広帯域の光子源の電気信号への効率のよい変換を必要とする用途にも有益である。
【００７８】
本発明の一連のいろいろな実施の形態が、提示されてきた。全ての実施の形態は、全ての実施の形態は、自己組織化量子ドット材料を有する少なくとも一つのサブセルを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池に関したものである。自己組織化量子材料を有するサブセルの有効バンドギャップを、どのようにして調整するかについての詳細が、提示された。バンドギャップの調整は、先行技術の太陽電池よりも高い変換効率を有する太陽電池を可能にする。二つ、三つ及び四つのサブセルを含む実施の形態を論述した。
【００７９】
上述の本発明の実施の形態は、例示であることのみを意図するものである。本願明細書に添付の請求の範囲よってのみ定義される本発明の範囲を逸脱することなしに、当業者によって、具体的な実施の形態に、変更、調整及び改変を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】２００ｎｍから積分した（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）ＡＭ０太陽光子及び電力束のパーセンテージを示す図である。
【図２】本発明のモノリシック三サブセル光起電太陽電池を示す図である。
【図３】自己組織化量子ドット材料の光起電スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の自己組織化量子ドット材料を示す図である。
【図５】本発明のモノリシック四サブセル光起電太陽電池を示す図である。
【図６】本発明のモノリシック二サブセル光起電太陽電池を示す図である。
【図７】量子ドットの伝導帯を示す図である。
【図１】
2011223022.tif 000003
【図２】
2011223022.tif 000004
【図３】
2011223022.tif 000005
【図４】
2011223022.tif 000006
【図５】
2011223022.tif 000007
【図６】
2011223022.tif 000008
【図７】
2011223022.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月8日(2011.7.8)
【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】
Ｓｉ基板と、
Ｓｉ基板上に変形して成長させた推移層であって、複数のＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ層を含む推移層と、
推移層上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、自己組織化量子ドット材料を含む第一のサブセルとを、備えた
モノリシック半導体光起電太陽電池。
【請求項２】
第一のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット層を含み、第一のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約０．９２ｅＶである請求項１記載の太陽電池。
【請求項３】
第一のサブセル上にエピタキシャルに成長させた第二のサブセルをさらに備え、第二のサブセルが、自己組織化量子ドット材料を含んでいる請求項１記載の太陽電池。
【請求項４】
第二のサブセルが、ＡｌＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＡｌＩｎＡｓ量子ドット層を含み、第二のサブセルの有効バンドギャップエネルギーが、約１．６ｅＶである請求項３記載の太陽電池。
【請求項５】
ＩｎＰ基板と、
基板上にエピタキシャルに成長させた第一のサブセルであって、ＩｎＧａＡｓ層とともに挿入された複数のＩｎＡｓ量子ドット層を含んでいる第一のサブセルとを備えたモノリシック半導体光起電太陽電池。
【請求項６】
第一のサブセル上にエピタキシャルに成長させた第二のサブセルをさらに備え、第二のサブセルが、ドープされたＡｌＩｎＡｓを含んでいる請求項５記載の太陽電池。
【請求項７】
バリアとともに挿入された複数の量子ドット層を有する自己組織化量子ドット材料をエピタキシャルに成長させることにより、量子ドットサブセルを形成する工程を含む、モノリシック多接合光起電太陽電池の製造方法。
【請求項８】
基板が、導電性Ｇｅ基板であって、
さらに、基板上にＧｅサブセルをエピタキシャルに成長させることにより、又は基板の一部を相互拡散させることにより、基板上にＧｅサブセルを形成する工程と、
Ｇｅサブセルと量子ドットサブセルとの間にトンネル接合を形成する工程であって、量子ドットサブセルが、Ｇｅサブセル上に形成され、量子ドット層が、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを含み、バリアがＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含んでいる工程と、
量子ドットサブセル上にＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャルに成長させることにより、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセルを形成する工程と、
量子ドットサブセルと、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセルとの間に、トンネル接合を形成する工程と、
基板上に第一の電気接点を、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰサブセル上に第二の電気接点を形成する工程とを含む、
請求項７記載の方法。