(57)【要約】  ｐドープＡｌＧａＩｎＡｓトンネル層及びｎドープＩｎＰトンネル層を含むタイプＩＩトンネル接合が開示される。広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を光起電力サブ電池群の間に設ける構成の太陽電池がさらに開示される。
2013543278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル接合であって、
ｐドープトンネル層と、
ｎドープトンネル層とを備え、
ＩｎＰ格子定数を有する、トンネル接合。
【請求項２】
前記ｐドープトンネル層は、ｐドープＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ材料であり、
前記ｎドープトンネル層は、ＩｎＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＡｓから成るグループから選択されるｎドープ材料である、請求項１に記載のトンネル接合。
【請求項３】
前記ｐドープトンネル層は、ｘをｘ＝１を含む０．２５〜１とした場合のＡｌｘＧａ１−ｘＩｎＡｓから成るグループから選択されるｐドープ材料であり、
前記ｎドープトンネル層は、ＩｎＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＡｓから成るグループから選択されるｎドープ材料である、請求項１又は２に記載のトンネル接合。
【請求項４】
前記ｐドープトンネル層及び前記ｎドープトンネル層は、１ｘ１０１９／ｃｍ３〜１ｘ１０２０／ｃｍ３のドープ濃度を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル接合。
【請求項５】
前記ｐドープトンネル層は、１．２５ｅＶ超のバンドギャップを有し、前記ｎドープトンネル層は、１．３５ｅＶ超のバンドギャップを有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトンネル接合。
【請求項６】
前記ｐドープトンネル層は、１．２５ｅＶのバンドギャップを有し、前記ｎドープトンネル層は、１．３５ｅＶのバンドギャップを有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトンネル接合。
【請求項７】
前記ｐドープトンネル層及び前記ｎドープトンネル層は、有機金属気相エピタキシー反応器、水素化物気相エピタキシー反応器、分子線エピタキシー反応器、化学線エピタキシー反応器、及び原子層堆積反応器から成るグループから選択される反応器で順番に成長させる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のトンネル接合。
【請求項８】
フォトニック素子（２００）であって、
広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合（２９０）を備え、該タイプＩＩトンネル接合（２９０）は、
ｐドープトンネル層（２４０）と、
ｎドープトンネル層（２５０）とを含み、
前記広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合（２９０）はＩｎＰ格子定数を有する、フォトニック素子（２００）。
【請求項９】
前記ｐドープトンネル層（２４０）は、ｐドープＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ材料であり、そして
前記ｎドープトンネル層（２５０）は、ＩｎＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＡｓから成るグループから選択されるｎドープ材料である、請求項８に記載のフォトニック素子。
【請求項１０】
前記ｐドープトンネル層は、ｘをｘ＝１を含む０．２５〜１とした場合のＡｌｘＧａ１−ｘＩｎＡｓから成るグループから選択されるｐドープ材料であり、そして前記ｎドープトンネル層は、ＩｎＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＡｓから成るグループから選択されるｎドープ材料である、請求項８又は９に記載のフォトニック素子。
【請求項１１】
前記ｐドープトンネル層（２４０）及び前記ｎドープトンネル層（２５０）は、１ｘ１０１９／ｃｍ３〜１ｘ１０２０／ｃｍ３のドープ濃度を有する、請求項８又は９に記載のフォトニック素子。
【請求項１２】
前記ｐドープトンネル層（２４０）は、１．２５ｅＶ超のバンドギャップを有し、そして前記ｎドープトンネル層（２５０）は、１．３５ｅＶ超のバンドギャップを有する、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック素子。
【請求項１３】
前記ｐドープトンネル層（２４０）は、１．２５ｅＶのバンドギャップを有し、そして前記ｎドープトンネル層（２５０）は、１．３５ｅＶのバンドギャップを有する、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載のフォトニック素子。
【請求項１４】
更に、
前記タイプＩＩトンネル接合（２９０）の第１面に配置される第１光起電力電池（２０２）と、
前記タイプＩＩトンネル接合（２９０）の第２面に配置される第２光起電力電池（２０４）と
を備える、請求項８乃至１３のいずれか１項に記載のフォトニック素子。
【請求項１５】
更に、
前記第１及び第２光起電力電池に電気的に接続される１つ以上の更に別の光起電力電池を備える、請求項１４に記載のフォトニック素子。
【請求項１６】
前記第１光起電力電池（２０２）及び前記第２光起電力電池（２０４）は、ＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，及びこれらの材料の組み合わせから成るグループから選択される、請求項１４又は１５に記載のフォトニック素子。
【請求項１７】
前記１つ以上の更に別の光起電力サブ電池は、これらの光起電力サブ電池の間に配置される広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を有する、請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のフォトニック素子。
【請求項１８】
光起電力素子を形成する方法であって、
ｐドープトンネル層を成長させることと、
ｎドープトンネル層を成長させることとを含み、
前記ｐドープトンネル層及びｎドープトンネル層は、ＩｎＰ格子定数を有する広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を構成する方法。
【請求項１９】
前記ｐドープトンネル層及びｎドープトンネル層は、有機金属気相エピタキシー反応器、水素化物気相エピタキシー反応器、分子線エピタキシー反応器、化学線エピタキシー反応器、及び原子層堆積反応器から成るグループから選択される反応器で順番に成長させる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２０】
更に、
広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合で分離される２つ以上の光起電力電池を成長させることを含む、請求項１８又は１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して光起電力電池に関するものであり、特にＩｎＰ格子定数を有し、かつ広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を有する太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽光エネルギーを電力に光起電力効果により変換することができる素子である。太陽電池は、１つ以上の光起電力サブ電池またはｐｎ接合を有することができる。多接合型太陽電池は、モノリシックに直列接続される１つよりも多くの光起電力サブ電池を有する。
【０００３】
太陽電池への関心は、汚染に関する懸念が高まり、そして利用可能なリソースが限られていることから益々高まっている。この関心は、地上用途及び宇宙用途の両方に向けられている。宇宙用途では、太陽電池は、４０年以上に亘って使用され、そしてより高い変換効率の太陽電池の開発によって、積載能力を高めることが可能となっている。
【０００４】
光起電力システムにより生成される電力のワット当たりコストが非常に高くなると、地上用途におけるこれらの光起電力システムの普及が阻害される。太陽光から電力への変換効率は、地上ＰＶシステムにとって極めて重要となるが、その理由は、変換効率が高まると普通、当該システムの必要電力出力量に関連する電力発生システム構成要素群（セル面積、モジュールまたは集電体面積、支持構造群、及び陸地面積のような）を減らすことができるからである。例えば、太陽光を太陽電池に約２倍〜約２０００倍に集光させる集光型太陽電池システムでは、セル変換効率が増加すると通常、高価な太陽電池及び集光光学系を含む領域が狭くなる。太陽電池変換効率の向上は、システムレベルで極めて大きく活用されており、そして１ワット当たりのドルコスト（＄／ワット）は、システムレベルで適用される代表的な性能指数である。衛星の場合、太陽電池パネルは、システムコスト全体の１０％未満を占めるので、太陽電池変換効率が既存の技術世代よりも３％だけ相対的に高まることによりコストを節約することができる。同じことが、太陽光受光器のコストがシステムコスト全体のほんの一部しか占めない地上集光用太陽光発電システムに当てはまる。
【０００５】
このような太陽電池の電力出力を増大させるために、異なるエネルギーバンドギャップを有する多数のサブ電池または層を積層して、各サブ電池または層が、広いエネルギー分布の異なる部分の分布を持つ太陽光を吸収できるようにする。この機構は、サブ電池に吸収される各フォトンが、当該サブ電池の半導体材料のバンドギャップと共に略直線的に変化するサブ電池動作電圧で収集される電荷の１単位に対応するので有利である。出力電力は、電圧及び電流の積であるので、理想的な変換効率の太陽電池は、極めて多くのサブ電池を有することになり、この場合、各サブ電池は、当該サブ電池のバンドギャップよりも無視できるほどにしか大きくないエネルギーを持つフォトン群のみを吸収する。
【０００６】
光起電力電池群を形成するために使用される化合物及び合金の格子定数は公知である。このような材料を組み合わせて、異なる材料からなるサブ電池群を有する素子群とする場合、異なる材料の格子が、微小な差に収まるようなほぼ同一の格子定数を有することが重要である。これにより、結晶構造に欠陥が形成されるのを防止することができ、これらの欠陥は、素子の変換効率を劇的に低下させてしまう。「格子整合」という用語が本明細書において使用される場合、当該用語は、材料群の格子定数の差が、約０．３パーセント以下であることを指している。好適には、これらの格子定数は、約０．２パーセント以下に収まるように整合する。
【０００７】
何れの多接合素子においても、電気的接続が、サブ電池群の間で行なわれる必要がある。好適には、これらのセル間のオーミック接触（ＩＯＣ）によって、セル群の間を透過する光の損失が極めて小さくなるようにする必要がある。従って、これらの接触は、最大の光透過率及び最小の電気抵抗を有する必要がある。このようなセル間のオーミック接触、金属配線、及びトンネル接合（または、トンネルダイオード）を形成する２つの方法が知られている。金属配線は、低電気抵抗を実現することができるが、これらの金属配線は、光透過率が低く、かつ加工するのが難しい。金属配線の処理が複雑であると、素子の変換効率及び信頼性が大幅に低下する。従って、トンネル接合がずっと好ましい。モノリシック集積素子は、複数のサブ電池を有するように形成することができ、この場合、トンネル接合がこれらのサブ電池の間に挟まれる。しかしながら、これらのトンネル接合は、低い抵抗率、低い光損失、及び接触しているサブ電池群の間の格子整合による結晶整合性のような多数の要件を満たす必要がある。最も重要なのは、これらのトンネル接合が、高いピーク電流密度を有する必要があることである。
【０００８】
ＩｎＰ格子定数と格子整合する多接合型太陽電池に使用されてきた１つの種類のトンネル接合は、高濃度ドープＡｌＧａＩｎＡｓホモ接合型トンネルダイオードである。ホモ接合は、同一のバンドギャップを持ち、かつ異なる導電型のドーピングを有する２つの類似層の間にある半導体界面であり、この場合は、ｎドープＡｌＧａＩｎＡｓ層とｐドープＡｌＧａＩｎＡｓ層との間の界面である。
【０００９】
図１は、以後、「先行技術セル」１００と表記される先行技術によるＩｎＰ系２接合型太陽電池１００を示している。図１から分かるように、先行技術セル１００は、第１サブ電池１０２と、第２サブ電池１０４とを含む。第１サブ電池１０２は、第１ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１２０を含む。第１サブ電池１０２は更に、第１ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１２０の上に堆積する窓層１１０と、そして第１ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１２０の反対側（または底面側）に配置されるｐドープＩｎＰ裏面電界（ＢＳＦ）層１３０とを含む。第２サブ電池１０４は、第２ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１７０を含み、この第２ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１７０は、第２ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１７０の上に配置されるｎドープＩｎＰ窓１６０と、第２ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１７０の反対側（または底面側）に配置されるＢＳＦ層１８０とを有する。第１ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１２０及び第２ＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベース１７０は、１．１電子ボルト（ｅＶ）及び０．８ｅＶのバンドギャップエネルギーをそれぞれ有する。第１サブ電池１０２と第２サブ電池１０４との間には、ＡｌＧａＩｎＡｓホモ接合型トンネルダイオード１９０が位置している。ＡｌＧａＩｎＡｓホモ接合型トンネル接合１９０は、ｎドープＡｌＧａＩｎＡｓトンネル層１５０と、そしてｐドープＡｌＧａＩｎＡｓトンネル層１４０と、を含む。
【００１０】
ＩｎＰ格子定数と格子整合する多接合型太陽電池に使用されてきた他の種類のトンネル接合は、タイプＩＩ狭バンドギャップＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂトンネルダイオード、格子不整合ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓトンネルダイオード、及び格子不整合ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓトンネルダイオードを含む。しかしながら、狭バンドギャップタイプＩＩトンネル接合によって、第２サブ電池で利用可能な光の量が減少して、変換効率が低下する。更に、砒化物系格子不整合ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓトンネルダイオード及びＡｌＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓトンネルダイオードは、格子不整合材料を含み、そして歪みがゼロの状態を必要とし、これにより、複雑さが成長時に付加され、そして多くの場合、光起電力サブ電池群の性能が低下する。更に、格子不整合材料手法の再現性が低く、そして良好な材料品質を維持することが困難であった。
【００１１】
ＩｎＰ格子定数を持ち、かつピークトンネル電流を、光損失及び電力損失を低く抑えた状態で大きくすることができるトンネル接合が必要になる。このようなトンネル接合によって、多接合型太陽電池は、より大きい太陽光強度で、全体的な素子特性を低下させることなく動作することができるので、より高い電力変換効率を達成することができる。
【発明の概要】
【００１２】
本開示は、多接合型構造に最も好適に利用される太陽（光起電力）電池に関して、ＩｎＰ格子定数を有する広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を改良することができる。開示の広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合によって、太陽電池は、従来の太陽電池と比較したときに、コストが殆ど変化することなく、高い変換効率及び性能を達成することができる。
【００１３】
本開示によれば、ｐドープＡｌＧａＩｎＡｓトンネル層及びｎドープＩｎＰトンネル層を含む広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合が開示される。
【００１４】
本開示によれば、ＩｎＰ格子定数を有し、かつ広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を含む多接合型太陽電池が開示される。広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合は、ｐドープＡｌＧａＩｎＡｓトンネル層及びｎドープＩｎＰトンネル層を含む。
【００１５】
本開示によれば、トンネル接合を形成する方法が開示され、該方法は、ＡｌＧａＩｎＡｓドープトンネル層、及びＩｎＰドープトンネル層を、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）反応器で成長させて、広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を形成することを含む。
【００１６】
本開示の１つの利点は、ｐｎ接合を通過する大きいトンネル電流を有するトンネル接合を実現することができることである。
【００１７】
本開示の別の利点は、狭い空間電荷領域を有し、トンネリング確率を高めることができ、そしてより大きい太陽光強度を検出するトンネルダイオードのピークトンネル電流を大きくすることができるトンネル接合を実現することができることである。
【００１８】
本開示の別の利点は、材料成長プロセスを改良することにより得られるトンネル接合を実現することができることである。
【００１９】
本開示の別の利点は、既存のホモ接合型トンネルダイオード及びタイプＩＩＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓトンネル接合よりも広いバンドギャップを有するトンネル接合を実現することができることである。
【００２０】
本開示の別の利点は、既存のトンネル接合よりも高い光透過率（λ＞９２０ｎｍ）を有することにより寄生光損失を低減することができるトンネル接合を実現することができることである。
【００２１】
本開示の別の利点は、対応するドープ不純物の導電型、及びドープ濃度を変更することにより、窓層、ＢＳＦ層、及びトンネル接合層として同時に機能する単一バンドギャップの二元半導体層を実現することができることである。これにより、セル構造設計及び対応するＭＯＶＰＥ成長プロセスの複雑さを低減することができる。
【００２２】
本開示の他の特徴及び利点は、好適な実施形態に関する以下の詳細な説明から、例を通して本開示の原理を示す添付の図面を併せて参照することにより明らかになる。しかしながら、本開示の範囲は、この好適な実施形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、先行技術によるＩｎＰ系２接合型太陽電池を示している。
【図２】図２は、本開示による太陽電池の例示的な実施形態を示している。
【図３】図３は、本開示のトンネル接合により形成されるタイプＩＩヘテロ接合型のｎドープＩｎＰ層及びｐドープＡｌＧａＩｎＡｓ層のジグザグ状のバンドギャップ配列を示している。
【図４】図４は、本開示による広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を用いるＩｎＰ系３接合型太陽電池を示している。
【図５】図５は、先行技術による１．２ｓｕｎ及び１．４ｓｕｎにおける多接合型太陽電池と比較したときの、１５．５ｓｕｎにおける本開示による多接合型太陽電池の電流と電圧との関係のグラフを示している。
【００２４】
可能な限り、同じ参照番号をこれらの図面全体を通じて使用して、同じ構成要素を表わすようにしている。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、本開示の１つの実施形態による素子２００を示している。素子２００はフォトニック素子である。この実施形態では、素子２００は太陽電池である。別の実施形態では、素子２００は多接合型太陽電池である。別の実施形態では、素子２００は、光を電力に変換するレーザパワー変換器またはセンサのような他のフォトニック素子とすることができる。広帯域スペクトルの光パワーを電力に変換する両方の太陽電池だけでなく、単一波長の光を電力に変換するレーザパワー変換器は、トンネル接合特性の向上による利点を生かしたフォトニック素子の例である。
【００２６】
図２から分かるように、素子２００は、ＩｎＰ系２接合型太陽電池であり、素子２００が、２つの光起電力電池を含むことを意味している。個々の光起電力電池は、サブ電池と表記することができる。素子２００は、第１光起電力電池２０２と、そして第２光起電力電池２０４とを含む。第１光起電力電池２０２は、第１エミッタ／ベース２２０を含む。この例示的な実施形態では、第１エミッタ／ベース２２０は、ＩｎＰ格子定数を有するＧａＩｎＰＡｓエミッタ／ベースである。別の実施形態では、第１エミッタ／ベース２２０は、これらには限定されないが、異なるバンドギャップを有し、かつＩｎＰと同じ格子定数を有するＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，またはＧａＩｎＰＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族材料とすることができる。１つの実施形態では、第１エミッタ／ベース２２０は、個別のエミッタ層及びベース層（図示せず）を含み、この場合、エミッタ層が入射光に最も近接している。
【００２７】
第１光起電力電池２０２は、１．１ｅＶのバンドギャップを有する。別の実施形態では、第１光起電力電池２０２は、約０．７３〜２．４５ｅＶのバンドギャップを有することができる。別の実施形態では、第１光起電力電池２０２は、約１．０〜１．１ｅＶのバンドギャップを有することができる。更に別の実施形態では、第１光起電力電池２０２は、約１．０〜１．１ｅＶのバンドギャップを有することができ、そして３接合以上の太陽電池に設けることができる。第１光起電力電池２０２は、第１感光サブ電池層の波長に対して高い感度を有する。本明細書において使用されるように、「波長」という用語は、単一の離散波長を意味する、または「波長」は、層材料が高い光−電力変換効率を実現する波長範囲を含むことができる。
【００２８】
第１光起電力電池２０２は更に、窓層２１０を含む。窓層２１０は、第１エミッタ／ベース２２０の第１面２２０ａに配置され、第１面２２０ａは、矢印Ｌで表わされる入射光に最も近接して配置される。本明細書において使用されるように、「上部」及び「下部」という相対用語は、入射光に最も近接する表面、及び入射光から最も遠い表面をそれぞれ指すために使用される。また、２つの層を比較するために使用される場合、「上の」または「上方の」、或いは「覆い被さる」とは、太陽に近い方の層を指し、そして「下側の」または「下方の」、或いは「下地の」とは、太陽または他の照射光源から遠い方の層を指す。窓層２１０は、約１．１ｅＶよりも広いバンドギャップエネルギーを実現するＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＰＡｓの組成とすることができる。窓層２１０は、２つの機能を有する。窓層２１０の第１機能は、第１光起電力サブ電池２０２の前面２２０ａにおける少数キャリア再結合を減らす（すなわち、前面２２０ａを不動態化する）ことである。更に、窓材料の光学特性は、出来る限り多量の光が透過して、第１光起電力サブ電池２０２、及び窓層の下に配置することができる任意の更に別の感光サブ電池層群（図示せず）に到達し、光生成電荷キャリアが更に高い効率で収集されるようなものとする必要がある。窓層２１０が極めて高い光吸収特性を示す場合、窓層内に生成されるキャリアは、その後収集される可能性がより低くなるので、窓の光吸収特性によって全体変換効率が低下する。
【００２９】
素子２００は任意であるが、矢印で表わされる方向から衝突するものとして図示される入射光Ｌに最も近接する素子２００の上面に配置される反射防止（ＡＲ）層または反射防止コーティング（図示せず）を含む。１つの実施形態では、ＡＲコーティングは、窓層２１０の上に配置することができる。ＡＲコーティングは、電池の上方の光透過媒質（空気、ガラス、またはポリマーのような）と素子２００の半導体層群との間の表面反射を最小限に抑えるために設けられるので、より多くのフォトンが素子２００に入射することができる。ＡＲコーティングは、ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５，ＳｉＯ２，及びＭｇＦ２のようなこの技術分野で公知の材料により形成することができる。ＡＲコーティングの厚さは変えることができ、かつ通常、約０．０４〜０．３５ミクロンである。ＡＲコーティングは素子２００に塗布することができるが、他の構成では、別のサブ電池を素子２００の上方に、別のトンネル接合をサブ電池と素子２００との間に挟んだ状態で積層する、または塗布することができる。
【００３０】
第１光起電力電池２０２は更に、第１エミッタ／ベース２２０の底面に配置されるｐドープＢＳＦ層２３０を含む。この例示的な実施形態では、ｐドープＢＳＦ層２３０はｐドープＩｎＰ／ＢＳＦ層である。別の実施形態では、ｐドープＢＳＦ層２３０は、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、ＧａＡｓＳｂ層、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＧａＡｓＳｂ層、ＡｌＩｎＡｓ層、ＧａＩｎＰＡｓ層、及びこれらの材料の合金層とすることができる。１つの実施形態では、ＢＳＦ層２３０はＩｎＰと格子整合する。別の実施形態では、ＢＳＦ層２３０は、均一に歪んだ層とすることができ、この層は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ（マシュー ブレイクスリー）の臨界膜厚を下回る膜厚を有する。ｐドープＢＳＦ層２３０は、第１エミッタ／ベース２２０の背面における少数キャリア再結合を減らす。ｐドープＢＳＦ層２３０は、ｐドープＢＳＦ層２３０の下のサブ電池群が利用することができる光が、ｐドープＢＳＦ層２３０を透過することができる光学特性を有し、そして／またはｐドープＢＳＦ層２３０内の少数キャリア特性は、光がｐドープＢＳＦ層２３０内で吸収されることにより生じる電子及び正孔が、素子２００のｐｎ接合に効果的に収集されるような特性とする必要がある。少数キャリア電子は、第１エミッタ／ベース２２０のｐｎ接合２９０に収集される。ＢＳＦ層２３０及び第１エミッタ／ベース２２０のｐドープ濃度は通常、ＢＳＦ層２３０の最高濃度から第１エミッタ／ベース２２０のベース層（図示せず）の最低濃度に傾斜して、電子をＢＳＦ層２３０からエミッタ／ベース２２０に向かって引き出す電界を形成する。
【００３１】
第２光起電力電池２０４は、第２エミッタ／ベース２７０を含む。この例示的な実施形態では、第２エミッタ／ベース２７０は、ＩｎＰ格子定数を有するＧａＩｎＰＡｓ層である。別の実施形態では、第２エミッタ／ベース２７０は、ＩｎＰ格子定数を有するＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＰＡｓ、及びこれらの材料の合金とすることができる。第２エミッタ／ベース２７０は、第１エミッタ／ベース２２０のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する。
【００３２】
この例示的な実施形態では、第２光起電力電池２０４は、約０．８ｅＶのバンドギャップを有する。別の実施形態では、第２光起電力電池２０４は、約０．７３〜２．０ｅＶのバンドギャップを有することができる。別の実施形態では、第２光起電力電池２０４は、約０．７３〜０．８０ｅＶのバンドギャップを有することができる。更に別の実施形態では、第２光起電力電池２０４は、約０．７３〜０．８０ｅＶのバンドギャップを有することができ、かつＩｎＰと格子整合する３接合以上の太陽電池に設けることができる。
【００３３】
第２光起電力電池２０４は更に、第２エミッタ／ベース２７０の上に配置されるｎドープ窓層２６０を含む。ｎドープ窓層２６０の概要特性は、窓層２１０の窓特性と同様である。ｎドープ窓２６０は、約２ｘ１０１８／ｃｍ３〜２ｘ１０１９／ｃｍ３のｎドープ濃度を有する。別の実施形態では、ｎドープ窓２６０は、約１ｘ１０１９／ｃｍ３のｎドープ濃度を有することにより、大きな電界を生成し、そしてｐｎ接合２７０を不動態化することができる。
【００３４】
第２光起電力電池２０４は更に、第２背面電界（ＢＳＦ）層２８０を、第２エミッタ／ベース２７０の下方に含む。１つの実施形態では、第２ＢＳＦ層２８０は、より広いバンドギャップのＩｎＰ層、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、ＡｌＡｓＳｂ層、ＧａＡｓＳｂ層、ＡｌＧａＡｓＳｂ層、またはＧａＩｎＰＡｓ層とすることができる。１つの実施形態では、第２ＢＳＦ層２８０は、ＩｎＰと格子整合する。別の実施形態では、ＢＳＦ層２８０は、均一に歪んだ層とすることができ、この層は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚を下回る膜厚を有する。第２ＢＳＦ層２８０は、窓層２１０と同様の不動態化機能を提供し、かつｐドープＩｎＰ／ＢＳＦ層２３０のＢＳＦ特性と同様のＢＳＦ特性を有する。従って、第２ＢＳＦ層２８０は、第２エミッタ／ベース２７０の背面２７０ｂにおける少数キャリア再結合を減らす。第２ＢＳＦ層２８０の光特性はまた、第２ＢＳＦ層の下の全てのサブ電池が利用することができる光の殆どの部分が、第２ＢＳＦ層を透過することができるようなものでなければならない、及び／または第２ＢＳＦ層２８０の少数キャリア特性は、光が第２ＢＳＦ層２８０に吸収されることにより生じる電子及び正孔が、セル２０４に効率的に収集されような特性とする必要がある。
【００３５】
素子２００は更に、高濃度ドープ、広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を含み、このタイプＩＩトンネル接合は、トンネル接合またはｐｎ接合２９０と表記することができる。ｐｎ接合は、ＩｎＰ格子定数を有することにより、第１光起電力電池２０２及び第２光起電力電池２０４を電気的に直列に接続する。タイプＩＩとは、バンド整合がより良好になって、荷電粒子がｐｎ接合をより少ないエネルギーでトンネリングすることができる状態を指す。これにより、空間電荷領域がより狭くなって、トンネリングの可能性が高くなり、そしてより大きい太陽光強度を検出するトンネルダイオードのピークトンネル電流が大きくなる。ｐｎ接合２９０に不純物を高濃度にドープする目的は、荷電キャリアに対する抵抗を低くして、荷電キャリアがｐｎ接合２９０をトンネリングすることができるようにすることにある。
【００３６】
ｐｎ接合２９０は、高濃度ｐドープトンネル層２４０と、そして高濃度ｎドープトンネル層２５０とを含む。高濃度ｐドープトンネル層２４０は、ＩｎＰと格子整合する。ドープ濃度は、これらのトンネル層の場合、１ｘ１０１９／ｃｍ３〜１ｘ１０２０／ｃｍ３の範囲である。１つの実施形態では、ｎドープＩｎＰトンネル層２５０は、トンネルダイオードのトンネル層としてのみならず、トンネルダイオードの下のサブ電池の窓層としても機能する。
【００３７】
１つの実施形態では、高濃度ｐドープトンネル層２４０は、高濃度ｐドープＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓトンネル層とすることができる。別の実施形態では、高濃度ｐドープトンネル層２４０は、ｘ＞０．２５またはｘ＝１とした場合に、ＡｌｘＧａ１−ｘＩｎＡｓである。高濃度ｐドープトンネル層２４０は、１．２５ｅＶ以上のバンドギャップを有する。１つの実施形態では、高濃度ｐドープトンネル層２４０は、１．２５ｅＶ超のバンドギャップを有する。別の実施形態では、高濃度ｐドープトンネル層２４０は、１．４５ｅＶのバンドギャップを有する。
【００３８】
高濃度ｎドープトンネル層２５０は、ＩｎＰと格子整合する。１つの実施形態では、高濃度ｎドープトンネル層２５０は、ＩｎＰ格子定数を有する広バンドギャップＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、このＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ｐドープトンネル層との間でタイプＩＩバンド整合をとることができる。別の実施形態では、高濃度ｎドープトンネル層は、１．３５ｅＶ以上のバンドギャップ、及びＩｎＰ格子定数を有する高濃度ｎドープＩｎＰ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、またはＡｌＧａＡｓＳｂトンネル層である。１つの実施形態では、高濃度ｎドープＩｎＰトンネル層２５０は、１．３５ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＰトンネル層である。
【００３９】
高濃度ｐドープトンネル層２４０のバンドギャップは、高濃度ｎドープトンネル層２５０とタイプＩＩジグザグ状トンネル接合を形成するために１．２５ｅＶ以上とする必要がある。より広いバンドギャップのｎドープトンネルＡｌＩｎＰＡｓ層の場合、ｐドープトンネルＡｌＩｎＡｓ層を用いることができる。タイプＩＩジグザグ状トンネルダイオードを形成するには、バンドギャップ差、またはＡｌ組成差を保持する必要がある。
【００４０】
太陽電池２００は更に、ＢＳＦ層２８０の下に基板（図示せず）を含むことができる。１つの実施形態では、当該基板はＩｎＰとすることができる。別の実施形態では、当該基板はシリコン、ＧａＳｂ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ／Ｓｉテンプレート、またはＩｎＧａＡｓ／Ｓｉテンプレート、或いは他の半導体とすることができる。１つの実施形態では、当該基板は、片面研磨または両面研磨することができる。１つの実施形態では、当該基板は、（１００）面方位を有することができ、そして３００〜１０００μｍ以上の厚さを有することができる。１つの実施形態では、当該基板には、ｎ型不純物またはｐ型不純物のいずれかをドープすることができる。１つの実施形態では、当該基板には、ｐ型不純物がドープされる。１つの実施形態では、当該基板に、５ｘ１０１８／ｃｍ３超の不純物をドープして、金属コンタクト層とのオーミック接触を可能にする。
【００４１】
窓層２１０は、窓層の上に超高濃度ドープｎ型キャップ層を有することができ、この超高濃度ドープｎ型キャップ層は、標準的なリソグラフィ法を使用してパターニングされる。このパターンは、窓層の面積の大きい割合が、入射光に対して開口されたままになるように設計される。このキャップ層は、金属コンタクト層を有することができ、この金属コンタクト層をパターニングしてキャップ層とのみ接触するようにして、窓の面積の大きい割合が入射光に対して開口されたままとする。金属コンタクト層によって、太陽電池とのオーミック接触を行なうことができるので、この太陽電池を続いて組み付けて電力供給回路とすることができる。
【００４２】
ｐｎ接合２９０は、全体的な素子特性を低下させることなく、光透過率を高めることができ、そして素子２００のトンネル接合を流れるピークトンネル電流を大きくすることができることにより、電力変換効率が、より大きい太陽光強度において高くなる。ｐｎ接合２９０は、より大きい太陽光強度において動作することができることにより、太陽エネルギー変換効率がより高くなるように変換効率を向上させることができる。
【００４３】
ＡｌＧａＩｎＡｓドープトンネル層２４０及びＩｎＰドープトンネル層２５０は、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）反応器で順番に成長させて、ｐｎ接合２９０、この場合はトンネル接合ダイオードを形成する。更に、素子２００及び素子構成要素群（窓、ＢＳＦ）は、ＭＯＶＰＥ反応器で成長させることができる。別の実施形態では、ｐｎ接合２９０は、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）反応器、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）反応器、化学線エピタキシー（ＣＢＥ）反応器、水素化物気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）反応器、または原子層堆積（ＡＬＤ）反応器で成長させることができる。
【００４４】
図２に示す素子２００は、順構造の太陽電池である、または別の表現をすると、素子２００は、新規の層が既成層の上になり、かつ多接合セル群のうちのバンドギャップが最も広いセルが最後の層になるように成長させる。別の実施形態では、素子２００は、逆構造となるようにすることができる、または多接合電池群のうちのバンドギャップが最も広い電池が最初に成長するように形成することができる。成長順は、順構造または逆構造によって異なるように変えることができるが、試験作業及び現地作業を行なう場合、バンドギャップが最も広い電池が太陽に最も近くなるように配置される。１つの実施形態では、素子２００は、広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合を有する逆構造ＩｎＰ系多接合セルとすることができる。本開示によれば、ｐドープトンネル層は必ず、ｐドープＢＳＦ層とｎドープトンネル層との間に位置し、そしてｎドープトンネル層は、ｐドープトンネル層とｎドープ窓層との間に位置する。
【００４５】
本開示によれば、トンネル接合２９０内の材料（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ）のバンドギャップは、例えば０．７３／０．７７ｅＶのバンドギャップをそれぞれ有するＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂのトンネル接合と比較して、既存の解決策よりも広いので、より高い光透過率を実現して寄生損失を低減することができる。本開示は、１．２５ｅＶのバンドギャップをダイオードの両端に亘って有する先行技術によるＡｌＧａＩｎＡｓホモ接合型トンネルダイオードと比較したときに、１．２５ｅＶのＡｌＧａＩｎＡｓのバンドギャップ、及び１．３５ｅＶのＩｎＰのバンドギャップを有するｐｎ接合２９０を実現する。１つの実施形態では、トンネル接合２９０のバンドギャップは０．７３ｅＶ〜２．０ｅＶの範囲であり、ＩｎＰ格子定数に格子整合する。別の実施形態では、トンネル接合２９０のバンドギャップは１．２５ｅＶ超である。１つの実施形態では、トンネル接合２９０は、既存の解決策よりも高い光透過率（λ）を有する。
【００４６】
更に広いバンドギャップを持つ半導体合金、例えばＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，及びＡｌＩｎＰＡｓを利用する他の実施形態は、ずっと高い光透過率を広い波長範囲に対応して有することができる。バンドオフセットを持ち、かつトンネル接合２９０に使用される材料（ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰのような）は、タイプＩＩヘテロ構造トンネル接合ダイオードを形成し、このヘテロ構造トンネル接合によって、荷電粒子がｐｎ接合をトンネリングするために必要なエネルギー量を小さくすることができる。これにより、空間電荷領域がより狭くなって、トンネリング確率が高くなり、そしてより大きい太陽光強度を検出するトンネルダイオードのピークトンネル電流が大きくなる。
【００４７】
ヘテロ接合型トンネルダイオードでは、合金層が、トンネル接合のｐ領域との間でタイプＩＩバンド整合をとる素子の領域（ｐｎ接合のｎ領域）に配置される。一般的に、トンネリング確率は、以下の方程式で近似することができる：
【００４８】
【数１】
2013543278.tif 000003
【００４９】
式中、Ｅｇは、接合半導体層のバンドギャップであり、そしてｗは、ｐｎ接合の空乏層幅である。
【００５０】
この方程式は、トンネリング確率が、接合のバンドギャップが小さくなるにつれて高くなることを示している。ｐｎ接合２９０により形成されるタイプＩＩヘテロ接合では、ｎドープ層及びｐドープ層のバンドギャップは図３に示すように、ジグザグである。このバンド配列によってＥｇが小さくなってＥｇｅｆｆとなる、すなわちエネルギーギャップが、ヘテロ接合界面のｐ側の価電子帯端とｎ側の伝導帯端との間に形成されるようになる。Ｅｇｅｆｆは、ホモ接合のＥｇよりも小さいので、タイプＩＩトンネル接合のトンネリング確率は、ホモ接合のトンネリング確率よりも高くなる。
【００５１】
広バンドギャップのタイプＩＩトンネル接合ダイオードと表記することができるｐｎ接合２９０は、ＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ、及びこれらの材料の組み合わせにより形成される光起電力サブ電池群をモノリシックに集積化して、ＩｎＰ格子定数を持つ多接合型太陽電池とすることができる。１つの実施形態では、広バンドギャップ（例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ）のタイプＩＩトンネル接合ダイオードによって、単一接合型太陽電池を宇宙用途または地上用途に使用される所望の素子の第１層（ｐ型ＢＳＦまたはｎ型窓のような）とは逆導電型の基板に成長させることができる。
【００５２】
更に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰタイプＩＩトンネル接合ダイオードによって、半導体直接接着による超高変換効率（＞３３％）の多接合型太陽電池、カーボンナノチューブ接着（ＣＮＴ接着）による多接合型太陽電池、及びＩｎＰ格子定数を持つ構成サブ電池群を有する多接合型太陽電池を形成することができる。例えば、ＩｎＰ格子定数を持つ狭いバンドギャップ（〜０．７−１．２−ｅＶ）の構成サブ電池群は、超高変換効率（＞３３％）多接合型太陽電池構造の不可欠な構成要素の１つとなっている。
【００５３】
別の実施形態では、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰタイプＩＩトンネル接合ダイオードを多接合型太陽電池に用いることにより、ピークトンネル電流が大きくなり、そして寄生光損失が低減するので、所望のバンドギャップを組み合わせたより高い性能の太陽電池が得られる。
【００５４】
図４は、多接合型光起電力素子４００の１つの実施形態を示している。光起電力素子４００は、多接合型太陽電池とすることができる。図４から判るように、多接合型太陽電池４００は、第１光起電力電池４１０と、第２光起電力電池４２０と、そして第３光起電力電池４３０と、を含むものとして図示されている。隣接するセルの間に配置されるのが、上に説明したｐｎ接合群２９０である。
【００５５】
多接合型太陽電池４００は更に、基板４５０を含む。この例示的な実施形態では、基板４５０はＩｎＰ基板である。別の実施形態では、基板４５０は、ＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓをＳｉ基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＧａＳｂ基板、ポリマー基板、金属基板と組み合わせたハイブリッドテンプレートのような仮想基板にＩｎＰ格子定数を整合させた状態のＩｎＰ層またはＩＩＩ−Ｖ族半導体層とすることができる。更に、多接合型太陽電池４００は更に、上に説明したように、窓層と、そしてＢＳＦ層と、を含むことができる。
【００５６】
図５は、ホモ接合型ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓトンネルダイオードを用いる１．２ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ２の光量）及び１．４ｓｕｎにおける先行技術による２つの例示的な多接合型太陽電池の電流−電圧伝達関数と比較したときの、１５．５ｓｕｎにおける本開示による多接合型太陽電池の電流−電圧伝達関数（ＩＶ曲線）を示している。図５から判るように、本開示に記載されるタイプＩＩトンネルダイオードを用いる太陽電池は、１５．５ｓｕｎで所望の通りに変化するＩＶ曲線を実現し、このＩＶ曲線は、この光量に比例した０．２５Ａ／ｃｍ２の電流密度を有することができる太陽電池を動作させるために必要な電流を上回るピークトンネル電流を示している。
【００５７】
本開示の特定の実施形態について、例示のために詳細に説明してきたが、種々の変更及び改良を、本開示の思想及び範囲から逸脱しない限り加えることができる。従って、本開示は、添付の請求項によって制限される場合を除き、限定するものではない。
【図１】
2013543278.tif 000004
【図２】
2013543278.tif 000005
【図３】
2013543278.tif 000006
【図４】
2013543278.tif 000007
【図５】
2013543278.tif 000008
【国際調査報告】
2013543278.tif 000009
2013543278.tif 000010
2013543278.tif 000011