(57)【要約】  ＩＩＩ‐Ｖ半導体材料のエピタキシャル成長用のｎ型基板を使用する“ｎオンｐ”型多接合太陽電池構造であって、基板と、ＩＩＩ‐Ｖ半導体材料の１つまたは複数のヘテロエピタキシャル層との間に“ｐオンｎ”トンネル接合ダイオードが配置されたものを開示する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属導体と電気的に接触しているｎドープ半導体材料の基板と、
前記基板の上方に配置されたｐオンｎトンネル接合ダイオードと、
前記トンネル接合ダイオードの上方に配置された１つまたは複数のｎオンｐ接合部と、
半導体の最上層と電気的に接触している金属グリッドと、を備え、
これらが共に光起電デバイスを形成していることを特徴とした多接合太陽電池。
【請求項２】
前記金属グリッドと接触している前記半導体の最上層は、ｎ型である、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項３】
前記トンネル接合ダイオードは、ｎ＋＋ＧａＡｓの上にｐ＋＋ＧａＡｓを用いたものである、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項４】
前記形成される光起電デバイスは、３接合太陽電池である、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項５】
前記ｎオンｐ接合部の少なくとも１つは、およそ１ｅＶの、すなわち０．９３ｅＶから１．０５ｅＶの間のバンドギャップを有する、請求項４に記載の多接合太陽電池。
【請求項６】
少なくとも第１の接合部は、前記基板に格子整合した希薄窒化物材料で構成されている、請求項５に記載の多接合太陽電池。
【請求項７】
少なくとも第２の接合部と第３の接合部は、ガリウム‐ヒ素とインジウム‐ガリウム‐リンで構成されており、すべての前記ｎオンｐ接合部は前記基板に格子整合している、請求項６に記載の多接合太陽電池。
【請求項８】
前記基板は、ｎ型ガリウム‐ヒ素で構成されている、請求項７に記載の多接合太陽電池。
【請求項９】
前記およそ１ｅＶの接合部は、前記基板に格子整合していない材料で構成されている、請求項５に記載の多接合太陽電池。
【請求項１０】
少なくとも１つの接合部は、前記基板に格子整合したシリコン‐ゲルマニウム材料で構成されている、請求項４に記載の多接合太陽電池。
【請求項１１】
前記形成される光起電デバイスは、４接合太陽電池である、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１２】
少なくとも第１の接合部は、前記基板に格子整合した希薄窒化物材料で構成されている、請求項１１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１３】
前記形成される光起電デバイスは、５接合太陽電池である、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１４】
少なくとも第１の接合部は、前記基板に格子整合した希薄窒化物材料で構成されている、請求項１３に記載の多接合太陽電池。
【請求項１５】
前記１つまたは複数のｎオンｐ接合部は、周期表のＩＩＩ族およびＶ族に分類される材料を含んでいる、請求項１に記載の多接合太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、“ＭＵＬＴＩＪＵＮＣＴＩＯＮ ＳＯＬＡＲ ＣＥＬＬＳ ＦＯＲＭＥＤ ＯＮ Ｎ‐ＤＯＰＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ（ｎドープ基板に形成された多接合太陽電池）”という名称で２００９年１１月１８日に出願された米国仮特許出願番号６１／２６２，３７４の優先権の利益を主張するものであり、その内容の全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府の支援による研究開発の下で行われた発明の権利に関する声明
該当なし
【０００３】
コンパクトディスクで提出される「配列表」、表、またはコンピュータプログラムリストの付録への参照
該当なし
【０００４】
本発明は、ガリウムとヒ素のようなＩＩＩ‐Ｖ材料系太陽電池の構築のための構造および技術に関するものである。より具体的には、本発明は、ＩＩＩ‐Ｖ材料を組み込んだデバイスまたは構造の電気端子の信頼性の高い導電性接触を形成する問題に関する。
【背景技術】
【０００５】
従来または周知のＩＩＩ‐Ｖ族ＧａＡｓ系太陽電池は、図１の断面表示に示すように、下部、中間部、上部という３つの部分に分けることができる。下部１０は成長基板であり、この上にデバイスの様々な層を順次成長させる。典型的な多接合太陽電池では、下部１０は、一般にｐ‐ＧａＡｓまたはｐ‐Ｇｅ基板であり、この上に残りの層を成長させる。さらに、この下部には、セルから何らかの負荷へ電気を伝えるための裏面または下部電気接点１１が組み込まれることがある。中間部２０は、ヘテロエピタキシャルＩＩＩ‐Ｖ素子層を表しており、これは中央領域内に完全に含まれる少なくとも１つのｐ‐ｎ接合を形成している。上部３０は、このようなデバイスがよく備えている反射防止膜（ＡＲＣ）層の他に、デバイスへの電気的接触を実現するために必要な半導体および金属の層を示している。
【０００６】
上部３０の金属および半導体の層は、図３に示すように、一般的には、グリッドライン４０にパターン形成されている。グリッドラインのパターンについては、多くの変形例が可能である。グリッドに使用される金属スタックは、セルで生じるソーラー電流をほとんど抵抗なしで伝えるような十分な厚さのものでなければならない。金属スタックは、主として銀または金を含む、５μｍ程度の厚さのものが一般的である。文献および先行技術に記載されているＩＩＩ‐Ｖ太陽電池には、様々な材料および製造技術を用いた多くの異なる設計のものがある。図２に、２接合太陽電池の概略断面図を示している。
【０００７】
太陽が当たる層は、最上位の接合部の最上層または上位層と言われるものである。多くの太陽電池の接合部は、薄いｎ型エミッタ領域がこれより厚いｐ型ベース領域の上に形成されたもの（“ｎオンｐ”型構造）から成る。セルが正しく機能するためには、ＩＩＩ‐Ｖスタック内のすべての接合が同じ向きでなければならない。従って、１つの接合部が“ｎオンｐ”型であれば、セル内のすべての接合部がそれと同じでなければならない。多接合太陽電池スタック内の接合部は、裏面電界部および前面電界部を含んでもよい。異なるサブセルのｐ‐ｎ接合は、トンネル接合によって接続してもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＩＩＩ‐Ｖスタック内の接合の向きを揃える必要があるので、標準的な“ｎオンｐ”型太陽電池は、通常、ｐ‐ＧａＡｓまたはｐ‐Ｇｅといったｐドープ基板上に成長させる。そのようなセルでは、基板は、最下位の接合部の最下層として用いられることが多い。しかしながら、ｐドープＧａＡｓ基板は、通常、これに代わるｎ型または半絶縁性（ＳＩ）の類のものよりも高価である。従って、より低コストのｎドープ成長基板を用いることにより、“ｎオンｐ”型太陽電池の生産コストを削減することが望ましい。しかし、これを直接行うと、最下位の接合部の向きが逆になって、太陽電池が正常に機能しないことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、“ｎオンｐ”型太陽電池の設計にｎ‐ＧａＡｓ（または他のｎドープ半導体材料）を基板として用いる方法を提供し、これは、基板の上方の第１の材料層として“ｐオンｎ”トンネル接合ダイオードを堆積させ、さらに、このトンネルダイオードの上方にＩＩＩ‐Ｖスタック全体を堆積させることによるものである。他の層を、その層のドープ型がｎ型またはアンドープのいずれかであれば、基板と第１のトンネル接合部との間に成長させてもよい。この第１のトンネル接合部は、太陽電池における他のトンネル接合部と同様に、電気的に非整流的に機能する。トンネル接合部は、電気的には低抵抗レジスタのように機能し、電流の流れを妨げない。
【００１０】
本発明は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一般的な（従来技術の）太陽電池を、金属層上の下部、中間部、および上部として示す断面図である。
【図２】図２は、一般的な（従来技術の）２接合のｎオンｐ型太陽電池スタックを示す断面図である。
【図３】図３は、（従来技術の）金属グリッドのレイアウトを概略的に示す上面図である。
【図４】図４は、基板とＩＩＩ‐Ｖヘテロエピタキシャル太陽電池素子層との間にトンネル接合が差し込まれた、３接合、４接合、または５接合の太陽電池を表す本発明によるｐオンｎ型デバイスの概略的な断面図である。
【図５】図５は、“１サン（１‐ｓｕｎ）”の太陽スペクトルをシミュレートした光を太陽電池に当てた場合の、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ多接合太陽電池の電流‐電圧特性のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図４は本発明を示している。“ｎオンｐ”型太陽電池デバイスは、上部３０と、中間部２０と、下部１０としてのｎ型基板とを含んでいる。追加のトンネル接合部５０が、下部１０と中間部２０との間に堆積されており、これは、基本的に基板のｎドープ面をｐドープ材料に反転させるものである。標準的なｎ型半導体と金属接点１１とにより、ｎ型基板１０を構成することができる。
【００１３】
具体的な実施形態では、トンネル接合部５０の上方に希薄窒化物サブセルを使用しており、これは、サブセル構造の一部として基板を用いることに頼る必要なく、太陽電池がより長い波長のエネルギーを吸収することを可能にしている。この実施形態は、長波長サブセル機能を低コストのｎ型ＧａＡｓ基板と組み合わせているので特に効果的であり、太陽電池内のすべてのベース層およびエミッタ層は互いに格子整合している。希薄窒化物は、一般的には窒素含有量が５％未満のＩＩＩ‐Ｖ型半導体合金であると考えられる。この文脈における長波長という用語は、高純度ＧａＡｓのバンドギャップに相当する１．４２ｅＶ未満のエネルギーに対応する波長、または約８７０ｎｍの波長より大きい波長を指している。格子整合層は結晶構造を有し、これは合着していて、層内に歪みが生じても緩んだり、層から層に分かれたりすることはない。
【００１４】
希薄窒化物のバンドギャップおよび格子定数は、組成を適切に選択することにより独立に変更することができ、希薄窒化物を例えばガリウム‐ヒ素基板に格子整合させることが可能であり、また、特定のデバイス設計に最適なバンドギャップを持つようにすることができる。例えば、３接合太陽電池の場合、最長波長の接合部の最適なバンドギャップは１ｅＶ前後（０．９３ｅＶから１．０５ｅＶ）である。このようなバンドギャップは、希薄窒化物材料を用いて、ＧａＡｓへの格子整合を維持しながら、実現することができる。この種の３接合太陽電池は、ガリウム‐ヒ素とインジウム‐ガリウム‐リンで構成された第２の接合部と第３の接合部とを有するものとしてもよい。この場合、すべてのｎオンｐ接合部をまとめて基板に格子整合させることができる。
【００１５】
他の具体的な実施形態は、最長波長吸収接合部としてシリコン‐ゲルマニウム合金を使用することを伴う。シリコン‐ゲルマニウム材料は、ＧａＡｓ基板に容易に格子整合させることができる。ＧａＡｓへの格子整合は、約２％のシリコンをゲルマニウムに添加することにより実現される。シリコンは、特にサブセルのガリウム‐ヒ素基板への格子整合を促進するために、ゲルマニウムに添加される。このような材料は、０．７ｅＶに近いバンドギャップを有している。シリコン‐ゲルマニウム・サブセルを有する３接合デバイスは、上記の希薄窒化物ベースの構造と同様にして構成することができる。
【００１６】
ｎ‐ＧａＡｓ基板上に作製される“ｎオンｐ”型太陽電池は、このようなアプローチを利用する。図５は、約１サンの光強度の下で作動するそのようなデバイスから得た電流‐電圧（ＩＶ）曲線を示している。この実例のデバイスは、図２に示すものに類似した設計の２接合太陽電池であったが、ただし図４に示すように基板１０とスタック２０との間に追加のトンネル接合部を備えるものであった。一番下のトンネル接合部は、ｐ＋＋ＧａＡｓとｎ＋＋ＧａＡｓから形成されたものであった。試験したデバイスは、１３．４ｍＡ／ｃｍ2の１サン短絡電流、２．２６Ｖの開放電圧、そして曲線因子＞８５％を達成し、この設計のバイアビリティを明確に示した。
【００１７】
本発明は、１からｎ（ｎ＞１）までの接合部を有する多くの異なる多接合デバイスに適用される。２または３接合デバイスに適用可能なソリューションは、４接合太陽電池または５接合太陽電池など、より多くまたは少ない接合部の場合にも有効であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。本発明は、太陽電池および太陽電池の接合部を形成するために使用される多くの異なる材料および構成で用いることができ、それには、希薄窒化物材料、メタモルフィックＩｎＧａＡｓ層、量子ドット、量子井戸など含まれるが、これらに限定されるものではない。本明細書に記載の発明は、図２に示すスタック２０内にすべての太陽光吸収接合部が含まれている、あらゆる一般的な“ｎオンｐ”型太陽電池デバイスに、適用可能である。本発明は、格子整合構造において有用である。基板１０は、太陽光吸収接合部の一部ではない。このように、本開示は、典型例を示すものであり、説明のためのものであって、当業者が発明を使用するすべての可能性のある方法の決め手となる論考ではない。
【００１８】
本発明について、具体的な実施形態を参照して説明を行った。その他の実施形態は、当業者には明らかであろう。よって、本発明は、添付の請求項に示すもの以外は、限定されるものではない。
【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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