(57)【要約】高効率の薄膜シリコン太陽エネルギー変換装置およびシステムの最適な構造を開示する。イオン注入を用いた薄膜シリコン活性層の光電子変換構造を開示する。地表で高エネルギーおよび太陽スペクトルの紫外線部分を利用するために最適化した薄膜半導体装置も開示する。優先してＣＺ法を用いて形成される高酸素濃度の単一結晶シリコン基板を用いた太陽電池作製法は有利に使用される。さらに、本発明は、希土類金属酸化物（ＲＥＯｘ）、希土類金属オキシナイトライド（ＲＥＯｘＮｙ）、および希土類金属オキシリン化物（ＲＥＯｘＰｙ）ガラスおよび／または結晶質を使用することで、日射を薄膜太陽電池装置に有利に結合させる光学的コーティングを開示する。希土類金属は、元素周期表上ランタノイド系として一般的に知られている群から選択される。【選択図】図１Ａおよび１Ｂ
2011520257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの基板と、
バンドギャップが大きな材料の１つまたは複数の層と、バンドギャップが小さな材料の１つまたは複数の層とを含み、バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層がバンドギャップの小さな材料の層と接触している、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２】
前記バンドギャップの大きな材料のバンドギャップが少なくとも１．２ｅＶである、請求項１の装置。
【請求項３】
前記バンドギャップの大きな材料が少なくとも１つの希土類イオンを含む、請求項１の装置。
【請求項４】
前記バンドギャップの小さな材料が第ＩＶ族、第ＩＩＩ‐Ｖ族、第ＩＩ−ＶＩ族半導体、およびこれらの混合物を含む群の少なくとも１つを含む、請求項１の装置。
【請求項５】
前記バンドギャップの大きな材料が単結晶である、請求項１の装置。
【請求項６】
前記基板が、その上に衝突する前記放射線の大部分を、バンドギャップの大きな材料の前記１つまたは複数の層の少なくとも１つに透過する、請求項１の装置。
【請求項７】
１つの基板と、
前記基板および上面と接触する下面を含み、前記層の前記組成が前記上面から前記下面まで、バンドギャップが大きな組成から前記下面のバンドギャップが小さな組成まで様々であり、前記上面ではバンドギャップの大きな材料のバンドギャップが少なくとも１．２ｅＶである前記変換用層とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換する、装置。
【請求項８】
前記層の前記組成が、前記上面に最も近い前記層の前記組成が、少なくとも１つの希土類イオンを含む、請求項６の装置。
【請求項９】
前記下面に最も近い前記層の前記組成が、第ＩＶ族、第ＩＩＩ‐Ｖ族、第ＩＩ‐ＶＩ族半導体、およびこれらの混合物を含む群から少なくとも１つを含む、請求項６の装置。
【請求項１０】
バンドギャップの大きな材料の層およびバンドギャップの小さな材料の層を含む変換用活性層と、
最初に前記放射線を受ける前記活性層表面の少なくとも一部に光学的に透明な誘導性酸化物とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１１】
前記光学的に透明な誘導性酸化物の前記組成が、少なくとも１つの希土類イオンを含む、放射線を電気エネルギーへ変換するための、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの希土類金属イオンと、少なくとも１つの元素または化合物半導体と、酸素、窒素、およびリンを含む群から選択される少なくとも１つの元素とを含む変換用活性層を含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１３】
前記希土類イオンが、＋３イオン化状態である、請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記活性領域の一部がミニバンドを含む、請求項１２の装置。
【請求項１５】
１つの基板と、
放射線を電気エネルギーへ変換するための活性層と
交差指型の電極とを含み、
前記交差指型の電極が約２ミクロン未満のスペースを有し、前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１６】
放射線を電気エネルギーへ変換するための活性層と、
前記活性層と接続する電極を有する交換用基板とを含み、
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１７】
放射線を電気エネルギーへ変換するための活性層と、
変換用の前記放射線の大部分にとって透明である交換用基板とを含み、
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１８】
交換用基板と、
少なくとも１つの横方向ｐ‐ｎ接合を含む、放射線を電気へ変換するための活性層とを含み、前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項１９】
前記活性層との電気接触を含む交換用基板と、少なくとも１つの横方向ｐ‐ｎ接合を含む、放射線を電気へ変換するための活性層とを含み、前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２０】
前記活性層との電気接触を含む交換用基板と、少なくとも２つの横方向ｐ‐ｎ‐ｐ接合を含む、放射線を電気へ変換するための活性層とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２１】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、放射線を電気エネルギーへ変換するための請求項２０の装置として、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２２】
１つの基板と、
少なくとも１つの横方向ｐ‐ｎ接合を含む、放射線を電気へ変換するための活性層と、
前記活性層との複数のｐ＋接触とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２３】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項２２に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２４】
前記活性層との電気接触を含む１つの基板と、
少なくとも１つの横方向ｐ‐ｎ接合を含む、
放射線を電気へ変換するための活性層と、
前記活性層との複数のｐ＋接触とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２５】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項２４に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２６】
１つの基板と、
少なくとも１つの縦方向ｐ−ｉ−ｎ接合構造を含む放射線を電気エネルギーへ前記変換するための活性層とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２７】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、
請求項２６に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項２８】
１つの基板と、
少なくとも１つの横方向ｐ‐ｉ−ｎ構造を含む放射線を電気エネルギーへ前記変換するための活性層とを含む、
放射線を電気へ変換するための、装置。
【請求項２９】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項２８に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項３０】
１つの基板と、
相互接続される複数の装置を含む放射線を電気エネルギーへ前記変換する１つまたは複数の活性層と、
電圧を供給するための複数の装置と、
電流を供給するための複数の装置とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、集積装置。
【請求項３１】
前記活性層が１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項３０に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、集積装置。
【請求項３２】
第１ドーピングレベルにおける第１導電型の第１部分と、
第１ドリフト電圧がかけられ、前記第１ドーピングレベルより低い第２ドーピングレベルにおける第１導電型の第２部分と、
およそ前記第１ドーピングレベルにおける第１導電型の第３部分と、
第２ドリフト電圧がかけられ、およそ第２ドーピングレベルにおける第１導電型の第４部分と、
前記第２部分がドリフト領域であり、前記第４部分がアバランシェ領域であり、前記第２部分にかけられる前記第１ドリフト電圧および前記第４部分にかけられる前記第２ドリフト電圧に基づいて電子がアバランシェ領域でアバランシェ増倍を受ける、第３ドーピングレベルにおける第２導電型の第５部分とを含む、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項３３】
少なくとも１つの部分が、１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項３２に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項３４】
前記第１および第２ドリフト電圧が、変換される前記放射線の前記エネルギーの関数として設定される、請求項３２に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項３５】
少なくとも１つの前記第２および第４部分が、間接バンドギャップを含む半導体材料を含む、請求項３２に記載の集積装置。
【請求項３６】
第１ドーピングレベルにおける第１導電型の第１部分と、
ドリフト電圧がかけられ、前記第１ドーピングレベルより低い第２ドーピングレベルにおける第１導電型の第１部分と、
前記第２部分第３ドーピングレベルにおける第２導電型の第２部分と
前記第２部分がドリフトおよびアバランシェ領域であり、前記第２部分にかけられる前記ドリフト電圧に基づいて電子がアバランシェ領域でアバランシェ増倍を受け、第３ドーピングレベルにおける第２誘導型の第３部分とを含む放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項３７】
少なくとも１つの前記第２部分が、間接バンドギャップを含む半導体材料を含む、請求項３６の装置。
【請求項３８】
少なくとも１つの部分が、１つまたは複数の希土類イオンを含む、請求項３６の装置。
【請求項３９】
前記ドリフト電圧が、変換される前記放射線の前記エネルギーの関数として設定される、請求項３６に記載の放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項４０】
前記電気エネルギーの少なくとも約５０％が、波長４００ｎｍ以下の放射線より変換される装置。
【請求項４１】
第１表面を有し、そこにあらかじめ決まったレベルの第１反応物を含む第１基板を備えることと、
第２反応物のイオンを前記第１表面に導入し、イオンがおよそあらかじめ決まった破壊深度で分散することと、
第２基板を前記第１基板の第１表面に結合させることと、
前記第１および第２基板を、前記第１および第２反応物が結合するのに十分な温度まで加熱することとを含む、
薄膜を製造する、方法。
【請求項４２】
機械的力をかけて、前記加熱後におよそ破壊深度で前記第１および第２基板を分離するステップをさらに含む、請求項４０に記載の薄膜を製造する、方法。
【請求項４３】
前記第１および第２反応物が、水素、酸素、窒素、炭素、フッ素、ヘリウム、およびシリコンを含む群から選択される、請求項４０に記載の薄膜を製造する、方法。
【請求項４４】
第１表面を有する第１基板を備えることと、
第１および第２反応物のイオンを前記第１表面に導入し、前記イオンがおよそあらかじめ決まった破壊深度で分散することと、
第２基板を前記第１基板の前記第１表面に結合させることと、
第１および第２基板を前記第１および第２反応物が結合するのに十分な温度まで加熱することとを含む、
薄膜を製造する、方法。
【請求項４５】
機械的力をかけて、前記加熱後におよそ破壊深度で前記第１および第２基板を分離するステップをさらに含む、請求項４３に記載の薄膜を製造する、方法。
【請求項４６】
イオン交換プロセスが、前記第１および第２反応物イオンを導入するのに使用される、請求項４３の方法。
【請求項４７】
第１表面を有し、酸素含量が約１×１０１７ないし約１×１０２１原子／ｃｍ３を含むチョクラルスキー法により育成した基板を備えることと、
第１組成を前記第１表面に導入し、前記イオンがおよそあらかじめ決めた破壊深度で分散することと、
第２基板を前記第１基板の前記第１表面に結合させることと、
前記第１および第２基板を、前記酸素および前記導入されるイオンが結合するのに十分な温度まで加熱することとを含む、
薄膜を製造する、方法。
【請求項４８】
機械的力をかけて、前記加熱後におよそ破壊深度で前記第１および第２基板を分離するステップをさらに含む、請求項４６に記載の薄膜を製造する、方法。
【請求項４９】
第１表面を含む第１基板を備えることと、
犠牲層を前記第１表面上に被着させることと、
１つまたは複数の活性層を前記犠牲上に被着させることと、
１つまたは複数の第１結合層を前記活性層上に被着させることと、
第２表面を含む第２基板を備えることと、
１つまたは複数の第２結合層を前記第２表面上に結合させることと、
１つまたは複数の第１結合層を１つまたは複数の第２結合層上に結合させることと、
前記犠牲層を除去すること、とを含む、
薄膜を製造する、方法。
【請求項５０】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの小さな材料の１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの大きな材料が希土類酸化物（ＲＥｘＯ２）、希土類ゲルマニウム酸化物（ＲＥｘＧｅｙＯｚ）、希土類シリコン酸化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚ）、希土類‐シリコン‐酸化物‐リン化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＰｗ）、希土類‐シリコン‐酸化物‐窒化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＮｗ）、希土類‐シリコン‐酸化物‐窒化物‐リン化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＮｗＰｑ）から選択される、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５１】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の１つまたは複数の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの大きな材料が希土類ゲルマニウム酸化物（ＲＥｘＧｅｙＯｚ）から選択される、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５２】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、
バンドギャップの小さな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層と、前記バンドギャップの大きな材料が希土類シリコン酸化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚ）から選択される、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５３】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、
バンドギャップの小さな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの大きな材料が希土類シリコン‐酸化物‐リン化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＰｗ）から選択される、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５４】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの大きな材料が希土類‐シリコン‐酸化物‐窒化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＮｗ）から選択される、
放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５５】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、大きなバンドギャップの材料が希土類シリコン酸化物‐窒化物‐リン化物（ＲＥｘＳｉｙＯｚＮｗＰｑ）から選択される、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５６】
１つの基板と、
バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの小さな材料が希土類‐シリコン（ＲＥｘＳｉｙ）、希土類‐ゲルマニウム（ＲＥｘＧｅｙ）、希土類‐リン化物（ＲＥｘＰｙ）、希土類窒化物（ＲＥｘＮｙ）から選択される、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５７】
１つの基板と、
バンドギャップが大きな材料の１つまたは複数の層と、
バンドギャップが小さな材料の１つまたは複数の層と、前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記バンドギャップの小さな材料が希土類‐ゲルマニウム（ＲＥｘＧｅｙ）から選択される、放射線を電気エネルギーへ変換させるための、装置。
【請求項５８】
１つの基板と、
バンドギャップが大きな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記狭バンドギャップ材料が希土類‐リン化物（ＲＥｘＰｙ）から選択される、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【請求項５９】
１つの基板と、
バンドギャップが大きな材料の１つまたは複数の層と、
前記バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層が前記バンドギャップの小さな材料の層と接触する、放射線を電気エネルギーへ変換するためのバンドギャップの材料の小さな１つまたは複数の層とを含み、前記狭バンドギャップ材料が希土類‐窒化物（ＲＥｘＮｙ）から選択される、放射線を電気エネルギーへ変換するための、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプトエレクトロニクス用途に適する半導体装置に関する。種々の実施形態において、本発明は、希土類金属酸化物、窒化物、リン化物と第ＩＶ族、第ＩＩＩ-Ｖ族、ならびに第ＩＩ−ＶＩ族半導体合金の種々の組み合わせによる太陽電池の作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術分野において当業者には既知の太陽電池に関する先行技術が本明細書に記載されている。特許文献１〜１２に含まれる参考を先行技術として引用し、本明細書中で参考として援用する。最近のシリコン（Ｓｉ）太陽電池装置は、概してバルク形状および／または薄膜形状を用いて作製される。典型的には、バルクＳｉ太陽電池は、第一世代の装置として分類される。電池コストを下げるため、ガラス等（ＳｉＯ２）、比較的安価な基板上で薄膜Ｓｉを用いて、Ｓｉの必要量が減らされている。薄膜半導体太陽電池という方法は、概して第二世代の装置を形成する。残念ながら、質の高い単一結晶（または単結晶）Ｓｉをアモルファス基板上に被着させることは非常に困難であることがわかっている。典型的には、ガラス基板上に被着させるＳｉはアモルファスである。アモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）太陽電池を生産しようと取り組んだが、単一結晶バルクＳｉ太陽電池と比べて性能が劣ることが一貫して示された。ａ‐Ｓｉ膜の結晶の質を改善するには、Ｓｉの融点（Ｔｍｅｌｔ〜１４２０°Ｃ）に近い温度まで結晶を加熱し、再結晶化させなければならない。再結晶化の結果は多結晶質（ポリ‐Ｓｉ）および／または大ドメインの単一結晶Ｓｉのいずれかである。また、ポリ‐Ｓｉおよび／または大ドメインの単一結晶Ｓｉ（ｌｄ‐ｓｃ‐Ｓｉ）薄膜太陽電池のエネルギー変換効率は単一バルクＳｉ太陽電池より低い。第一世代および第二世代のＳｉ太陽装置は、単一接合（ＳＪ）構成を基盤としている。ＳＪは、基礎エネルギーバンドギャップ近くにあるごく小さな光エネルギー吸収枠であり、そこに限定されることが有利に利用されているがゆえに、太陽スペクトルから得られる電力の大部分が取りこぼされている。ＳＪ電池の到達可能なエネルギー変換効率の最大値はＤ（ｓｊ）＜２５〜３２％であることが当業者により（理論的に）実証されている。本発明は、Ｓｉ太陽電池装置における高エネルギー光子の有害な作用という長年の問題を解決する。
【０００３】
チョクラルスキー（ＣＺ）育成法を用いて製造したバルクＳｉ基板の結晶の質が優れているのは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタを基盤とするシリコンを用いた超大規模集積回路（ＵＬＳｉＣ）に関する要件によるものである。現在、ＣＭＯＳ生産では径３００ｍｍの単結晶シリコン（ｓｃ−Ｓｉ）基板が普及しているが、近い将来には４５０ｍｍを実装することが計画されている。ＵＬＳＩ  ＣＭＯＳ産業に固有の側面は、イオン注入、薄膜被着、およびリソグラフィ等の大面積製膜法を用いて大型フォームの基板を扱うのに非常に成功していることである。これにより複雑性の高い面積構造を高速処理にて、例えばウエハスケールの製造等を利用して経済的に製造することができるようになる。
【０００４】
対照的に、シリコン太陽電池産業は集積レベルが極めて低い組み立て製造技術であると言ってよい。例えば、単一接合Ｓｉ太陽電池は、典型的には０．７Ｖ未満の電流を供給し、多数の組み立て電池をモジュール構造に相互接続し、電力を生成するのに有用な電圧および電流を生成しなければならない。さらに、各電池は個装し、環境に配慮して密閉しなければならない。本発明は、高速処理が可能な大面積の基板を用いたＳＪシリコンモジュールのウエハスケールの製造法を開示する。さらに、本発明は、費用対効果の高い基板上への大面積薄膜Ｓｉ移動法を開示する。開示された装置の作製法により、大容量処理能力を付加しても低コストで複雑な電力システムが実現できる。一般には、シリコンＳＪ装置を用いて年に１ギガワットを生成する太陽電力製造プラントは、３００ｍｍ  ＣＭＯＳプラントより約１５０〜２００倍のＳｉ基板面積を消費する。（太陽エネルギー変換装置）
【０００５】
地上の広帯域太陽光スペクトルは３００ｎｍ未満ないし１７００ｎｍ超、紫外線から遠赤外線にまで及ぶ。図１ＡおよびＢは、複数の大気吸収領域により中断される一般的なパワースペクトルを示す。スペクトル変動のピークが４００ないし６００ｎｍの領域にあることがわかる。半導体を使用する光子‐電子変換装置はよく知られている。図２は、技術的に成熟した複数の半導体の吸光係数Ｄａｂｓを示す。間接バンドギャップ半導体におけるＳｉおよびゲルマニウム（Ｇｅ）は、太陽スペクトルの大部分を占める。砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、および砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）合金等、第ＩＩＩ−Ｖ族の直接バンドギャップ化合物半導体も優れたスペクトルを有し、直接バンドエッジにより規定される鋭角のカットオン波長を示す。広バンドギャップシリコン‐カーバイド（６Ｈ：ＳｉＣ）は、ＵＶでは最高エネルギーのときのみ吸収し、最小限の太陽スペクトルをカバーする。対照的に、ＳｉおよびＧｅは、間接的なエネルギー‐運動量間のバンド構造により長波長テールを有している。図３ＡないしＣ参照。Ｓｉ結晶に入射する光子のエネルギーが基礎バンドギャップエネルギーと同等またはこれを上回る場合、光子のエネルギーは吸収される。これにより光キャリア生成に必要な適切な格子‐フォノンの波ベクトルｋを利用して電子‐正孔対が生成され、エネルギーおよび運動量が保存される。電子‐正孔（ｅ−ｈ）再結合という逆工程は、直接バンドギャップ半導体と比べて極めて非効率的である。光‐電子変換の場合、間接バンドギャップＳｉは、直接バンドギャップ半導体と比べて光検出感度が高いため有利である。直接バンドギャップ半導体の場合はｅ−ｈ放射再結合は効率的で、著しいロス機構を示す。図２および図３ＡないしＣにおけるＳｉの吸光係数を詳しく見ると、Ｓｉ基礎バンドギャップ（Ｅｇ〜１．１ｅＶ）近くの吸収深度が非常に深くなることは明らかである。これは、バンドギャップエネルギーＥｇ（Ｓｉ）と同等またはこれを若干上回るエネルギーを有する光子が結晶内の深度Ｌｅ＝ｌ／Ｄａｂｓの深度に到達することを意味している。しかし、波長が４００ｎｍ未満では、全半導体において吸光係数がもっとも高いのはＳｉである。シリコン光検出器ＳｉＰＤ）はノイズが非常に低く、高感度で効率的なアバランシェ増倍効果を呈することが示されている。低ノイズ特性は、内因性の間接エネルギーバンドギャップ構造により放射再結合の確率が低いことが理由である。ＳｉＰＤのスペクトルは２００ｎｍないし１２００ｎｍと広い。ＵＶ太陽電池変換への適用については後述する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，１２８，７３３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６８６，７３４号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３３３，４５７号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４２３，５６８号明細書
【特許文献５】米国特許第６，７４３，９７４号明細書
【特許文献６】米国特許第６，７４５，６８７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，９９８，２８８号明細書
【特許文献７】米国特許第７，０３０，３１３号明細書
【特許文献８】米国特許第７，１７９，６７７号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００２／００４０７２７号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００４／０２００５２０号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００５／００００５６６号明細書
【発明の概要】
【０００７】
図３ＡないしＣは、波長の関数としてＳｉ（３０３）およびＧｅ（３０２）の吸収量と太陽スペクトル３０１の重複部を示す。したがって、Ｇｅは太陽スペクトルを吸収するための選択肢として優れており、１．１ないし３ｅＶではＳｉより吸光係数が１０ないし１００倍高くなる。これはＧｅを用いた薄膜吸収体が、Ｓｉと比べて１０ないし１００倍薄くできることを意味している。Ｇｅの使用により０．６６ｅＶまで吸収できるようになるため、利用できる太陽スペクトルおよび電力が増えると考えられる。
【０００８】
大容量・大面積・低コストの太陽電池を作製する場合、Ｓｉ基板が依然として有利であり、Ｇｅ基板より少なくとも１０未満ないし５０倍廉価である。しかし、市販されているその他すべての関連半導体より優先してＳｉ基板を用いる場合で、太陽電池の効率を高め、コストを劇的に下げる必要がある。
【０００９】
バルクシリコン半導体吸収体を基盤とする従来の太陽電池の一つの欠点は、高エネルギー光子（Ｅ＞２ｅＶ）の入射によりシリコン太陽電池の吸収率および光子‐電子変換効率が低下することである。単色効率は高くなり、広エネルギーバンド幅あるいは多色効率は非常に低くなる。太陽電池は日射からエネルギーを生成するため、これがシリコン（典型的にはすべてのＳＪ電池）の大きな欠点であることは明らかである。この欠点を克服する一つの試みとして、光フィルタリングを用いて入射光線の波長バンドを狭めるという方法がある。しかし、有用な大量のスペクトルが廃棄されるため、この試みには特定の波長ではより多くの入射電力が必要となり、太陽電池の出力電流が増えてしまうという明らかな欠点がある。集光器技術も使用されているが、インフラにコストがかかることから、システムにかかるコストが増える。その他の方法ではＳｉより優先して第ＩＩＩ‐Ｖ族化合物または第ＩＩ‐ＶＩ族化合物のいずれかより作製した半導体を使用するか、もしくはシリコンと一緒に使用している。具体的にはＧＡＡＳ、ガリウム・インジウム・リン化物（ＧａＩｎＰ）、銅・インジウム・ガリウム・セレン化物（ＣＩＧＳ）およびカドミウム・テルル化物／硫化物（ＣｄＴｅ／ＣｄＳ）化合物が、費用対効果の高い基板（ガラス等）上に配置される。しかし、前述の薄膜はアモルファス構造および／または多結晶構造を呈する。電気変換効率は比較的高いが、典型的には単結晶シリコン太陽電池と比べて低くなると考えられ、さらにコストが高く、材料が希少で、毒性物質を使用するという欠点もある。代替変換媒体を基盤とするそのような装置は、いずれも典型的にはＳＪ装置であるため、最大ポテンシャル効率が単結晶ＳｉＳＪ電池と同程度に制約される。
【００１０】
一部の実施形態では、ゲルマニウム希土類金属酸化物から構成される材料により、日射を効率よく電気エネルギーへ光変換できるバンドギャップ改良電子的結合が形成される。具体的には、本発明は電力負荷またはエネルギー蓄積媒体へ供給したときに有用に機能する電気エネルギーへと日射を直接変換する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
例示した本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図は実施例であって、代替組成物を制限することを意味するものではない。本明細書で説明され、当業者には既知であるとおり、本図で示されている材料の組み合わせについては、それぞれ代替の組成物が考えられる。
【図１Ａ】３００ナノメーターないし１，８００ナノメートルの日射の地上の分光組成図。
【図１Ｂ】光子‐電子変換プロセスの概要。
【図２】種々の材料の吸光係数と波長。
【図３Ａ】従来の半導体における日射の地上の分光組成、吸光係数、有用な範囲の図。
【図３Ｂ】従来の半導体における日射の地上の分光組成、吸光係数、有用な範囲の図。
【図３Ｃ】従来の半導体における日射の地上の分光組成、吸光係数、有用な範囲の図。
【図４Ａ】半導体の光吸収プロセスの概要。
【図４Ｂ】半導体の光吸収プロセスの概要。
【図４Ｃ】半導体の光吸収プロセスの概要。
【図４Ｄ】半導体の光吸収プロセスの概要。
【図４Ｅ】半導体の光吸収プロセスの概要。
【図５】規定の深度へのＨおよび／またはＨｅイオン注入。
【図６Ａ】Ｓｉ表面下のイオンの深度プロファイルと注入エネルギー。
【図６Ｂ】製品および注入形状。
【図７Ａ】イオン注入図。
【図７Ｂ】規定のイオンエネルギーについて計算した注入Ｈ+イオンの深度プロファイル。
【図８Ａ】薄膜の剥がれに備えた種々のステップ。
【図８Ｂ】代替または交換用基板の作製ステップ。
【図９】活性層用ウエハと交換用基板を結合させるステップ。
【図１０】元の半導体基板を除去し、薄膜を代替基板上へ移動させる準備。
【図１１】元の半導体基板を除去し、薄膜層を移動させるステップ。
【図１２Ａ】電極の電気接続および入射光エネルギーと薄膜活性層との結合ステップ。
【図１２Ｂ】バルク半導体基板の再生ステップ。
【図１３Ａ】薄膜作製および代替基質に埋め込んだ電極のパターン化の代替ステップ。
【図１３Ｂ】薄膜作製および代替基質に埋め込んだ電極のパターン化の代替ステップ。
【図１４Ａ】交換用基板を薄膜のハンドル基板と結合させる代ための替ステップ。
【図１４Ｂ】交換用基板を薄膜のハンドル基板と結合させる代ための替ステップ。
【図１５】熱活性化剥離を用いて元の基盤を除去するための代替ステップ。
【図１６】元の基盤を除去するための代替ステップ。
【図１７Ａ】装置の操作および基板再生の代替ステップ。
【図１７Ｂ】装置の操作および基板再生の代替ステップ。
【図１８】埋込み電極の作製を含む交換用基板を準備するための代替ステップ。
【図１９】薄膜離層を被覆・形成するステップと、薄膜層内の領域の選択的区域注入ステップとを含む、元のバルク半導体基板を作製するための代替ステップ。
【図２０Ａ】埋込み剥離層および薄膜層を含むバルク半導体基板と結合する交換用基板の代替ステップ。
【図２０Ｂ】埋込み剥離層および薄膜層を含むバルク半導体基板と結合する交換用基板の代替ステップ。
【図２１】分離用に元の基板を作製するための代替ステップ。
【図２２】元の基板を分離し、選択的区域注入領域を介して代替基板上に配置される電極に電気的に接続される薄膜活性層を形成するための代替ステップ。
【図２３Ａ】装置の操作および基板再生のための代替ステップ。
【図２３Ｂ】装置の操作および基板再生のための代替ステップ。
【図２４】光発電装置または電池を形成する薄膜半導体における電極パターンおよび注入領域。
【図２５Ａ】太陽電池モジュールのウエハスケールの電極パターンおよび反復する複数の太陽電池からなる相互接続図。
【図２５Ｂ】太陽電池モジュールのウエハスケールの電極パターンおよび反復する複数の太陽電池からなる相互接続図。
【図２６】光発電装置の任意のフォーマット。
【図２６Ａ】大面積の矩形ウエハ上に作製される太陽電池モジュールの別の任意のレイアウト図。
【図２６Ｂ】円形ウエハ上に作製される太陽電池モジュールの任意のレイアウト図。
【図２６Ａ】大面積の矩形ウエハ上に作製される太陽電池モジュールの別の任意のレイアウト図。
【図２６Ｃ】実質的には電圧源または電流源において作動させるために構成されるユニット電池装置を用いた太陽電池モジュールの任意の構成および相互接続。
【図２７】薄膜型光発電装置の任意の構成。
【図２８Ａ】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図２８Ｂ】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図２９Ａ】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図２９Ｂ】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３０】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３１】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３２】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３３】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３４】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３５】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３６】薄膜型光発電装置の別の任意の構成。
【図３７】短波長で上昇するシリコンの吸光係数。
【図３８】地上での太陽スペクトル変動。
【図３９】ＵＶ選択性太陽電池における薄膜単結晶シリコンのスペクトル感度。
【図４０】太陽電池における薄膜ｓｃ（単結晶）シリコンのスペクトル感度と太陽スペクトルの比較。
【図４１Ａ】くさび形の活性層薄膜半導体オンガラスを用いた多波長選択性太陽エネルギー変換装置。例えば、くさび形の薄膜は、ＣＭＰプロセスにより形成される。
【図４１Ｂ】代替ＣＭＰ多波長選択性太陽エネルギー変換装置。
【図４２】太陽電池あたりの製造コストとモジュールあたりの太陽電池数。
【図４３】太陽効率と面積および製品あたりのコスト。
【図４４】横方向ｐ−ｎ接合ダイオードである代替放射線変換装置図。
【図４５】デュアル横‐縦方向ｐ−ｎ接合ダイオードである代替放射線変換装置図。
【図４６】二重ｐ−ｎ接合太陽電池（ｎ−ｐ−ｎ）である代替放射線変換装置図。
【図４７Ａ】横方向ｐ−ｎ接合多フィンガージャンクションである代替放射線変換装置図。
【図４７Ｂ】裏面に接触部を有する横方向ｐ−ｎ接合多重ジャンクションである別の代替放射線変換装置図。
【図４８Ａ】多層から構成されるあるいは導電型が異なる代替放射線変換装置図。
【図４８Ｂ】多層から構成されるあるいは導電型が異なる代替放射線変換装置図。
【図４８Ｃ】ｐ−ｎ接合ジャンクションおよびｐ−ｉ−ｎ接合型装置のエネルギーバンド構造図。
【図４８Ｄ】ｐ−ｎ接合ジャンクションおよびｐ−ｉ−ｎ接合型装置のエネルギーバンド構造図。
【図４９】注入誘起導電領域を用いた縦方向ｐ−ｉ−ｎ接合型の代替放射線変換装置図。
【図５０Ａ】横方向ｐ−ｉ−ｎ接合型の代替放射線変換装置図。
【図５０Ｂ】代替電極パターン。
【図５０Ｃ】代替電極パターン。
【図５１】ｎ＋／ｐ基板および埋込みコレクター型の代替放射線変換装置図。
【図５２】間接半導体のエネルギー‐運動量間のバンド構造、予想される光生成電子、正孔対図。
【図５３】縮退したｎ型間接半導体放射線変換装置の代替エネルギー‐運動量間のバンド構造図。
【図５４】縮退したｐ型間接半導体放射線変換装置の代替エネルギー‐運動量間のバンド構造図。
【図５５】非ドープおよび縮退的にドープされた間接半導体放射線変換装置の吸光係数と波長の比較。
【図５６】非ドープおよび縮退的にドープされた間接半導体放射線変換装置の吸光係数および太陽スペクトルと波長の比較。
【図５７】温度上昇の影響下における間接半導体のエネルギー‐運動量間のバンド構造図。
【図５８】温度上昇の影響下における間接半導体の吸光係数と波長図。
【図５９】犠牲層を用いた層分離の代替プロセス図。
【図６０】再構成可能な相互接続を用いた太陽電池モジュールウエハの任意のレイアウト図。
【図６１】太陽電池モジュールウエハのシステムレベルのレイアウト図。
【図６２】インターフェース機能を用いて相互接続される複数のモジュール。
【図６３】チャージポンプの概念に基づくエネルギー変換装置の代替構成図。
【図６４】間接半導体のエネルギー‐運動量間のバンドスキームおよび熱い電子の衝撃イオン化のキャリア構成。
【図６５Ａ】薄膜太陽電池を形成する、デジタル的に傾斜した不純物注入により形成される横方向電界。
【図６５Ｂ】薄膜太陽電池を形成する、デジタル的に傾斜した不純物注入により形成される横方向電界。
【図６６Ａ】横方向に傾斜する電界をもつ太陽電池。
【図６６Ｂ】横方向に傾斜する電界をもつ太陽電池。
【図６７】横方向に傾斜する電界をもつ太陽電池内の波長依存性の光生成キャリア領域図。
【図６８】ｐ‐ｎ接合ジャンクション型薄膜太陽電池のドナーおよび受容器のキャリア濃度。
【図６９】横方向ｐ−Ｄ−ｐ−Ｄ−ｎ接合ジャンクション型薄膜太陽電池のドナーおよび受容器のキャリア濃度。
【図７０】横方向ｐ−Ｄ−ｐ−Ｄ−ｎ接合ジャンクション型薄膜太陽電池の不純物濃度と電界。
【図７１】ｐ−ｉ−ｎ接合ジャンクションにより生じる距離の関数としてのエネルギーバンド構造。アバランシェ増倍効果をもたらすホットキャリアの入射に適合するエネルギー‐運動量間のバンド構造も示す。
【図７２Ａ】横方向のバイポーラ太陽電池および代替基板へ移動させた薄膜装置。
【図７２Ｂ】横方向のバイポーラ太陽電池および代替基板へ移動させた薄膜装置。
【図７３Ａ】金属酸化物半導体型太陽電池および代替基板へ移動させた薄膜装置。酸化物層を選択的に被着させ、パターン化して薄膜装置に活性領域を形成させる。
【図７４Ｂ】単一の酸化物活性領域作製法を用いた代替金属酸化物半導体型太陽電池。
【図７５】代替基質上に配置される複数の横方向ｐ−ｉ−ｎ接合型金属酸化物半導体アバランシェ増倍薄膜太陽エネルギー変換装置。
【図７６】相互接続金属をさらに詳細に示す複数の横方向ｐ−ｉ−ｎ接合型金属酸化物半導体を用いたアバランシェ増倍効果を示す薄膜太陽エネルギー変換装置。各ｐ−ｉ−ｎはモジュール構成に有利に相互接続される３つの電子端子からなる。
【図７７Ａ】横方向ｐ−ｉ−ｎ接合ＭＯＳアバランシェ増倍薄膜太陽エネルギー変換装置の電極パターン。
【図７７Ｂ】横方向ｐ−ｉ−ｎ接合ＭＯＳアバランシェ増倍薄膜太陽エネルギー変換装置の電極パターン。
【図７８Ａ】ｐ型およびｎ型の半導体を用いた金属‐絶縁体‐半導体（Ｍ‐Ｉ‐Ｓ）太陽エネルギー装置。絶縁体は、希土類金属を含む酸化物から選択される。絶縁体として酸化エルビウムが開示される。
【図７８Ｂ】ｐ型およびｎ型の半導体を用いた金属‐絶縁体‐半導体（Ｍ‐Ｉ‐Ｓ）太陽エネルギー装置。絶縁体は、希土類金属を含む酸化物から選択される。絶縁体として酸化エルビウムが開示される。
【図７９Ａ】酸化物層をサンドイッチする少なくとも１種類のｐ型およびｎ型の半導体を用いた半導体‐酸化物‐半導体（ＭＯＳ）装置。酸化物は、希土類金属を用いた材料から選択される。
【図７９Ｂ】酸化物層をサンドイッチする少なくとも１種類のｐ型およびｎ型の半導体を用いた半導体‐酸化物‐半導体（ＭＯＳ）装置。酸化物は、希土類金属を用いた材料から選択される。
【図８０Ａ】従来の装置と新しい装置の太陽光吸収体比較図。本発明は、透明導電性酸化物の使用を開示する。
【図８０Ｂ】従来の装置と新しい装置の太陽光吸収体比較図。本発明は、透明導電性酸化物の使用を開示する。
【図８０Ｃ】従来の装置と新しい装置の太陽光吸収体比較図。本発明は、透明導電性酸化物の使用を開示する。
【図８０Ｄ】従来の装置と新しい装置の太陽光吸収体比較図。本発明は、透明導電性酸化物の使用を開示する。
【図８１】欠陥、共鳴バンドギャップ、およびバンドギャップ上にて種々のエネルギー光子相互作用を示す半導体における吸収プロセス。電荷キャリアの高エネルギー光生成とその後の緩和機構を示す。
【図８２】空間選択的光学材料およびオプトエレクトロニクス（ＯＥ）式変換装置を用いた多色日射の連続吸収概略図。
【図８３】ゲルマニウム‐希土類‐酸化物の三元合金バンドギャップ改良吸収体図。
【図８４】エネルギーバンドギャップと、ゲルマニウム、希土類金属酸化物、およびそれらの種々の組み合わせを用いた本発明の組成の説明図。
【図８５】網がけしたエネルギー範囲では、ゲルマニウムの吸光係数はシリコンと比べて少なくとも１００倍高い。
【図８６Ａ】ゲルマニウム‐希土類‐酸化物の三元合金バンドギャップ改良吸収体を用いた、全太陽スペクトルを占めるようにデザインされた太陽電池装置図。
【図８６Ｂ】ゲルマニウム‐希土類‐酸化物の三元合金バンドギャップ改良吸収体を用いた、全太陽スペクトルを占めるようにデザインされた太陽電池装置図。
【図８７Ａ】狭バンドギャップ（ＮＢＧ）または広バンドギャップ（ＷＢＧ）半導体のいずれかの様々な厚さの層からなるデジタル合金を用いた傾斜バンドギャップの代替生成法図。
【図８７Ｂ】狭バンドギャップ（ＮＢＧ）または広バンドギャップ（ＷＢＧ）半導体のいずれかの様々な厚さの層からなるデジタル合金を用いた傾斜バンドギャップの代替生成法図。
【図８８Ａ】希土類酸化物ポテンシャルエネルギーバリア層およびゲルマニウム量子ウェル層の使用図。ＷＢＧおよびＮＢＧ層を被着させると、電荷キャリアに量子閉じ込めが生じる。
【図８８Ｂ】バルク用Ｇｅウェルおよび量子閉じ込めＧｅウェルの吸光係数の変更形態。
【図８９】周期的なＮＢＧおよびＷＢＧ超薄膜層から構成される超格子構造。層の平面に対し垂直にミニバンド導電性を呈する超格子。
【図９０】多結晶半導体太陽電池と電気接触子。
【図９１】粒界における光生成電子と正孔の再結合。
【図９２Ａ】多結晶ゲルマニウムおよび希土類酸化物の多層積層図。空間的不均一性により、有効な超格子ポテンシャルが生じる。
【図９２Ｂ】多結晶ゲルマニウムおよび希土類酸化物の多層積層図。空間的不均一性により、有効な超格子ポテンシャルが生じる。
【図９３】一つの実施形態の超格子の層厚の範囲。
【図９４】一般的な不均一層の構造。
【図９５Ａ】分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を形成するシリコン酸化物およびシリコン窒化物の周期層からなるアモルファス基板上に実施化された希土類酸化物を示すＴＥＭ像。
【図９５Ｂ】ガラス層上に被着させた多結晶エルビウム酸化物と、続く前述の希土類酸化物上に被着させた多層を示す実際のＴＥＭ像。
【図９６Ａ】ａ−ＳｉＮｘ上の大粒径（ＬＧ）多結晶ＥｒＯｘのＴＥＭ。
【図９６Ｂ】ａ−ＳｉＮｘおよびａ‐ＳｉＯｘで被覆されるａ-ＳｉＮｘ上の大粒径（ＬＧ）多結晶ＥｒＯｘのＴＥＭ像。
【図９７Ａ】ガラス上またはアモルファス表面上に直接被着させたバルクエルビウム酸化物、すなわち多結晶のサインを呈するエルビウム酸化物層のｘ線回析スキャン測定例。
【図９７Ｂ】選択的波長型高反射器を作製するのに使用される代替屈折率材料の４分の１波長対を示す分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）。
【図９８】厚膜太陽電池とテクスチャー加工した反射器。
【図９９Ａ】理論的シリコン酸化物／シリコン窒化物の光分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）。
【図９９Ｂ】太陽電池として機能する活性領域の上および下に位置するシリコン酸化物／シリコン窒化物分布ブラッグ反射器について計算した低屈折率および高屈折率の二層対の関数である理論的反射率曲線。
【図１００Ａ】シリコン酸化物／シリコン窒化物ＤＢＲ図。
【図１００Ｂ】実際の反射率スペクトル（上）と理論的スペクトル（下）。
【図１０１Ａ】シリコン酸化物からなる受動ＤＢＲおよびマイクロキャビティの透過スペクトル。
【図１０１Ｂ】キャビティ領域により分離される受動ＤＢＲを用いた低い高反射器および低い反射器カプラー図。
【図１０２Ａ】前述の活性領域の上および下にあり、シリコン基板に取り付けたＤＢＲから構成される太陽電池のマイクロキャビティのキャビティ領域に関する多層ＥｒＯｘ／Ｇｅ活性領域。
【図１０２Ｂ】低いＤＢＲのみ、低いＤＢＲ＋キャビティ、および全マイクロキャビティについて測定した反射率。
【図１０３】希土類‐酸化物‐リン化物のエネルギーバンドギャップチューニング（いわゆるバンドギャップ改良）の概略図。
【図１０４】希土類‐酸化物‐リン化物のエネルギーバンドギャップチューニング図。
【図１０５】ウエハスケールモジュール内に組み込まれたアバランシェ増倍効果（ＡＭ）を示す太陽電池の概略図。
【図１０６Ａ】有利な機能のために相互接続されるユニット電池を備えたウエハスケール太陽エネルギー変換モジュール。
【図１０６Ｂ】有利な機能のために相互接続されるユニット電池を備えたウエハスケール太陽エネルギー変換モジュール。
【図１０６Ｃ】有利な機能のために相互接続されるユニット電池を備えたウエハスケール太陽エネルギー変換モジュール。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図３Ａおよび３Ｂは、日射の地上のスペクトル組成と吸光係数と従来の半導体、例えば単結晶シリコン（ｓｃ−Ｓｉ）、単結晶ゲルマニウム（ｓｃ−Ｇｅ）、多結晶シリコン（ｐｃ−Ｓｉ）、多結晶ゲルマニウム（ｐｃ−Ｇｅ）、アモルファス水素化ゲルマニウム（ａ−Ｇｅ：Ｈ）、およびアモルファス水素化シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）等使用時の有用な範囲を図に示したものである。図３Ｃは、吸光係数と種々の半導体、すなわち単結晶シリコン（Ｓｉ）３０７、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）３０８、および典型的な希土類酸化物（ＲＥ−Ｏｘ）３０６の光エネルギー図である。Ｇｅの吸光係数は遠赤外線にまで及び、希土類酸化物半導体は実質的には日射にとって透明である。
【００１３】
図４Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、半導体の光吸収プロセスの概要である。図４Ａに示されるとおり、入射光子および半導体表面に入射するエネルギーＥｐｈｏｔｏｎは、Ｅｐｈｏｔｏｎが半導体の電子バンドギャップＥｇａｐより小さい場合、材料を透過する。逆に、Ｅｇａｐ４０６と同じエネルギーまたはこれより若干高いエネルギーの光子は吸収される。バンドギャップエネルギーは導電性バンド４０９の低位エネルギー状態と価電子バンド４１０の高位エネルギー状態との間のエネルギー差と定義され、半導体の組成および結晶構造によって決まる。図４Ｂに示されるとおり、バンドギャップ４０６と同じエネルギーで吸収された光子は、導電性バンド４１４に電子を、価電子バンドに正孔４１５を同時に生成する。図４Ｄは、高エネルギーの太陽光子を紫外線（ＵＶ）４３０、低エネルギーの光子を遠赤外線（ＩＲ）４３１として示している。Ｅｇａｐ以下の光子エネルギーは吸収されないため、材料はこのエネルギーまたは等価の波長にとって透明である。この規則の例外は、半導体の禁制エネルギーギャップ４０５内に存在する光学的に活性な欠陥エネルギー状態４０２にあるかどうかである。そのような独立した欠陥は純結晶性半導体の吸光係数を効率的に変えると考えられるが、結果として生じる光生成された電荷キャリアはこの欠陥と密接に関係しており、典型的には導電性バンドへの導電が不十分である。
【００１４】
図４Ｃは、Ｓｉ４２５、Ｇｅ４２４、および［ＲＥ］Ｏｘ４２６半導体の吸光係数４２１と利用できる太陽スペクトル４２７図である。希土類金属酸化物は太陽スペクトルに対し光透過性を呈するように作製されるため、［ＲＥ］Ｏｘ化合物の当量または酸素‐希土類比に応じて絶縁性または導電性のいずれかの電気的特性を有する。
【００１５】
図４Ｄは、半導体のエネルギーバンドギャップ内のエネルギーと合致する欠陥エネルギー状態が吸収プロセスに関与し得る、半導体の光吸収プロセスについてのより詳細な概要である。欠陥状態は半導体の結晶構造の構造上の不完全性から生じる場合と、ホスト半導体の結晶構造に不純物原子を添加することにより意図的に導入する場合がある。局所構造または不純物による欠陥を介しての吸収は、光電流を取り出すのに適した電子および正孔等、移動性の電荷キャリアを生成するには典型的には非効率的である。
【００１６】
バルク半導体の不純物原子をドープすることも可能であり、電気的欠陥度はホスト半導体の禁制エネルギーギャップ内におさまる。欠陥吸収により光吸収はより長い波長（光子エネルギーが小さい等）まで及ぶが、光生成されるｅ−ｈキャリアの電子輸送が不十分になるという欠点がある。したがって、欠陥タイプの吸収体は、概して外部回路における光から電気への変換効率が悪い。
【００１７】
理論的に、Ｓｉは太陽電池の材料として非常に効率はよいが、高エネルギーの光子が変換効率を低下させる。図４Ａは、実空間座標（左）およびエネルギー-運動量Ｅ−ｋ間のバンド構造（右）の関数としての一般的なバルク単結晶半導体のエネルギーバンド構造図である。結晶において明確な結晶対称性を示す周期的配列された原子は、非局在化導電性および価電子バンドからなる長いバンド構造を形成する。電子および正孔は、Ｅ−ｋ分散を満たすことになる。シリコンの場合、導電性バンドが最小かつ価電子バンドが最大であるのに対し、高エネルギーＵＶ光子は効率的に吸収され（４００ｎｍ光子の場合、表面の２Ｄｍ内）、エネルギー電子４１６および正孔４１７対をもたらす。このようなエネルギーキャリアは、エネルギーＤＬＯ４０８の格子フォノンを放射することにより速やかに熱中性子化する。したがって、ｐ−ｎ接合ジャンクション型装置では、ＵＶ光生成されたキャリアは光電流の生成に容易には関与できない。
【００１８】
ＵＶ応答性を増強するには、表面上に不感層が形成しないようにすることが極めて重要である。不感層は、典型的にはＳｉとの良好なオーム性接触に必要な重ドーパント注入および／または拡散が原因である。不感層領域を回避する方法は、逆転層ダイオード（ＩＬＤ）を使用することである。ＩＬＤは、誘電性材料と半導体の間の界面、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ界面に電荷逆転層を作製することにより製造される。代替方法として、逆転層は真性Ｓｉと接触させて配置される適切な仕事関数金属を介して、ポテンシャルエネルギーのショットキー障壁を生成してもよい。ＩＬＤに対するＵＶの応答は、垂直方向および／または平面のｐ−ｎ接合および／またはｐ−ｉ−ｎ接合ジャンクション型フォトダイオードより優れている。逆転層領域取り除くにはごくわずかな逆バイアスが必要であり、これは高効率の光生成キャリア収集によって応答を改善するのに有利である。光発電操作は、軽くドープして浅く分散されたおよび／または注入されたジャンクションを装置表面近くに形成する有利な配置により生成したビルトイン電圧を用いて最適化できる。特定の波長λでのＵＶ応答性は、ｍ．λ（２＊ｎｋ）と同じ厚さのシリコン表面上にＳｉＯ２または高誘導率層（ＲＥ［Ｏｘ］等）を育成することで改善可能であり、このときλは誘導体における光の波長、ｎｋは誘導体の屈折率であり、ｍ＝１，３…は整数の奇数である。高品質ＳｉＯ２は大きなバンドギャップＥｇ（ＳｉＯ２）〜９ｅＶを有しており、ＵＶ光を吸収しない。ＳｉＯ２を形成するのに使用する育成法および／または被着法に応じて、（例、ＰＥＣＶＤまたはＩＢＤ）様々な量の水素をガラス層に取り込むことができる。水素は、膜の透過／吸収特性に影響を与えると考えられる。逆に、ＳｉＯ２および水素は、Ｓｉの表面状態の表面パッシベーションにとって有益であることから、望ましい特性である。典型的には、ＳｉＯ２はパッシベーション層として最適な反射防止（ＡＲ）膜である。希土類酸化物等を基盤とする代替の透明ＡＲ層は、本発明の一部の実施形態で使用する。
【００１９】
典型的には、半導体バンドギャップ直近の波長における単一接合（ＳＪ）の単色光用太陽電池の効率Ｄｍｏｎｏは好ましく、Ｓｉでは＞１０％である。逆に多色光用太陽効率Ｄｓｏｌａｒは従来のＳＪ太陽装置のＤｍｏｎｏより大幅に低くなる。光フィルタリングは効率を高めるのに役立つが、有用なスペクトルの大部分を廃棄し、太陽電池の製造コストを引き上げる。したがって、入射光エネルギーのスペクトルを狭めるのに光フィルタリング法を使用するには、特定の波長でより多くの入射電力が必要となり、出力電流が増える。１／４波長および１／２波長の誘導体多層を用いた光フィルターは周知である。誘導体フィルターは、典型的には少なくとも２種類の屈折率材料を使用し、操作の任意の波長範囲で高透過性を呈する。
【００２０】
典型的には、広バンドギャップエネルギー材料は、光学的には太陽スペクトルにとって透明である。実施例としてＳｉＯ２、マグネシウム‐酸化物（ＭｇＯ）、カルシウムフッ化物（ＣａＦ２）、マグネシウムフッ化物（ＭｇＦ２）、シリコン‐窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）、チタン‐二酸化物（ＴｉＯ２）、タンタル‐五酸化物（Ｔａ２Ｏ５）等が使用される。大きな屈折率材料、つまりＲＥ［Ｏｘ］およびＳｉＯｘ材料を優先使用することは、広バンドの光学的コーティングにとって有利である。具体的には紫外線用途に適している。ＲＥ［Ｏｘ］（Ｅｇ（ＲＥ［Ｏｘ］）＝５．８ｅＶ）は、実質的にはシリコン窒化物のＥｇ（ＳｉＮｘ）＜＝５．０ｅＶより大きい（〜１ｅＶ超）。したがって、太陽電池用途の場合、５．８ｅＶ未満の多層コーティングを製造する場合には、ＲＥ［Ｏｘ］およびＳｉＯｘを優先使用することが望ましい。一部の実施形態では、ｘは＞ゼロ、５以下と様々である。
【００２１】
2011520257.tif 000003
【００２２】
複雑な多層により、狭いおよび／または広い透過性および／またはＡＲ特性を有する界面フィルターを作製することができる。一次元の光のエネルギー禁制帯の使用および二次元の層状の誘導体積層の原理はあまりよく知られていない。候補となるのは、全方向反射器である。表面に対する入射角の関数として実質的には波長と無関係の、理想的な金属と同等の反射特性を有するが、ほとんど吸収しない。本発明は、そのような原理を用いて全方向送信器を作製し、太陽電池の活性領域と結合する広い光カプラーを形成できることをさらに教示する。
（ハイスループット薄膜太陽装置）
【００２３】
本発明は、薄膜単結晶シリコン太陽電池製造における長年の問題を解決する。薄膜ｓｃ‐Ｓｉ太陽電池の目的は２つある。薄膜ｓｃ‐Ｓｉは、太陽電池で消費される高品質ｓｃ−Ｓｉ量を減らし、より廉価な基板、例えばガラス、金属、ポリマーおよび／またはフレキシブルな基板を用いることで製造コストを削減する。概して、ｓｃ−Ｓｉの薄膜を生成しようとする先行技術は、バルクＳｉ材料の機械的切断および／またはアモルファスＳｉの被着後の複雑な再結晶プロセスにより制限されている。そのような先行技術の方法により、基本的には切断法を用いた一般的なプロセスを介してのみ、太陽電池の変換効率はバルクｓｃ-Ｓｉ電池に近づく。つまり、バルクｓｃ‐Ｓｉ基板のＣＺ法を用いた製造プロセスにより、結晶構造の完成度が最も高くなるため、太陽電池の効率も最も高くなる。切断法は、ｓｃ‐Ｓｉの膜厚（ミリメートルオーダー）に限定される。
【００２４】
2011520257.tif 000004
【００２５】
したがって、高品質ｓｃ-Ｓｉ薄膜を製造するためには低コストかつ高速処理可能な大面積作製法が必要になる。さらに、低コストの基板上に配置される高品質ｓｃ‐Ｓｉ薄膜を製造するためには、費用対効果の高い、高速処理可能な大面積作製法が必要である。
【００２６】
低コストの基板上に配置される前述の高品質ｓｃ‐Ｓｉ薄膜を用いて太陽電池装置に電気的機能をもたらすためには、電気的にドープされたＳｉ領域を選択的区域に多数作製する費用対効果の高い、高速処理可能な大面積処理作製法も必要である。
【００２７】
低コストの基板上に配置される前述の高品質なｓｃ‐Ｓｉ薄膜を用いて高出力のモジュールを製造するためには、多数の太陽電池装置を修正し、相互接続する費用対効果の高い、高速処理可能な大面積処理作製法も必要である。本発明は、平面処理法および大型ウエハ処理法を使用することで、前述のニーズをすべて解決する。
（薄膜層の分離）
【００２８】
2011520257.tif 000005
2011520257.tif 000006
【００２９】
本発明の一つの実施形態では、水素および／またはヘリウムおよび／またはシリコンおよび／またはゲルマニウムおよび／または酸素および／または窒素および／または炭素の高エネルギーイオン注入を用いて、高濃度の外来または非在来の原子を高品質なＳｉ基板の表面下の特定の深度まで埋め込む。水素の使用は、実質的にはウエハ表面と並行して配置される平面を分断する層を埋め込む手段として当業者には周知である。本発明は、単一のイオン核種の注入および／または異なる核種の連続イオン注入の使用をさらに教示する。
【００３０】
多くの材料における希ガスの核種のイオン注入は時に既知であり、結果として１０１６ないし１０１７ｃｍ−２フルエンスにて、材料表面または材料表面直下でふくれを生ずる。例えば、Ｇｅおよび／またはＳｉのＡｒ＋、ＧａＰおよびＳｉのＨ＋、金属（Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ，およびＡｌ等）のＨｅ＋などである。
【００３１】
このふくれ作用を用いてＳｉ薄膜と残りのバルク基板を分離する先行技術は、外部供給源の高濃度イオンを任意の深度で前述の基板へ注入することに集中している。注入された原子核種にとって基板は当初は不完全である。注入および熱アニール後、導入された高濃度のイオン、典型的には水素は規定の領域にマイクロバブルを形成し、その結果層が分離される。本発明は、この方法からも利益が得られる。
【００３２】
本発明のさらなる態様は、層分離を促進する改善されたイオン注入法の使用である。埋込み欠陥層に装飾欠陥および／またはマイクロバブルを均一な密度で形成するには、〜５×１０１６ｃｍ−２［１０］の量のＨイオンをＳｉへ注入する必要がある。外部から加えた熱エネルギーを用いてマイクロバブルを融合し、より大きな構造にすることができる。水素ガスが欠陥層に圧をかけると、最終的に薄膜層とバルク基板が分離される。径の大きなＳｉ基板を均一に破壊する際に重要となるステップには、欠陥面を結晶面に実質的に配列し、分断面として使用することが必要である。
（Ｓｉにおけるヘリウムを用いた薄膜分離）
【００３３】
ヘリウムイオン注入を用いてＳｉ表面下に埋込み欠陥面を生成することも、本発明で使用されている。Ｈより原子量が重いＨｅは、Ｓｉ表面から同一深度に到達するのに約２倍の注入エネルギーが必要である。ＨおよびＨｅイオンの連続注入を使用することもできる。Ｈｅイオンにより必要な総量を減らす手段が得られる。
【００３４】
希ガス、炭素、窒素、およびフッ素等、その他の核種でも同一の気泡および分離プロセスが生じるが、今日のＳＪ薄膜ｓｃ‐Ｓｉ太陽電池装置に提案されている深度の場合、イオン注入装置のエネルギー必要量は高い。しかし、より高効率かつ膜の薄い装置は、開示された技術を用いて作製される。
（単一結晶ＣＺ  Ｓｉにおける水素および酸素を用いた薄膜分離）
【００３５】
高純度のポリシリコン（ポリＳｉ）由来の単一結晶Ｓｉの育成は、ウエハ生産と密接に関係している。典型的には（ｉ）結晶引き上げ（またはチョクラルスキー法、ＣＺ）法［８］および（ｉｉ）帯域溶融（または浮遊帯域、ＦＺ）法［７］の２つの技術が使用される。大面積のＳｉ基板（＞径３００ｍｍ）は、典型的にはＣＺ法を用いて育成され、単結晶はＳｉの溶融領域からの引き上げにより育成される。高純度の石英または石英ガラス（ＳｉＯ２）るつぼを用いてＳｉの溶融領域が実装される（また、外部供給源を用いて熱エネルギーが供給される）。るつぼにポリＳｉ片を充填し、シリコンの融点を超えるまで加熱する。石英るつぼの径は溶融Ｓｉ供給源から引き上げる単結晶ボウルのサイズを限定するため、ウエハの径の上限が決まる。先行技術により、溶融Ｓｉを含むことのできるその他すべての既知のるつぼ材料に優先して高純度の石英を使用することで、最高品質のＳｉボウルが得られることが確認されている。るつぼ材料選択時の主な制限要因は、Ｓｉがすべての耐熱金属および／または市販のセラミック（Ｓｉの融点より相当低い）によりすぐに合金を形成するため、代替のるつぼ材料が役に立たないという事実である。るつぼ材料によるＳｉボウル中毒は、Ｓｉ生成物の最終品質および用途を決める重要な態様である。したがって、単結晶Ｓｉは、石英るつぼに含まれる溶融体から物理的に引き上げることにより育成され、引上げ速度は部分的には溶融温度によって決まる。溶融Ｓｉと接触させた石英るつぼ表面は、ＳｉＯ２＋Ｓｉ→２ＳｉＯの反応の結果として経時的に消費され、石英は失透するとされる。この反応によりＳｉ溶融体および引き上げられた酸素原子含有Ｓｉ結晶が増える。酸素原子は揮発性の一酸化ケイ素（ＳｉＯ）として溶融表面から蒸発し、残りの酸素原子は溶融‐結晶界面で成長するＳｉ結晶ボウルに取り込まれる。このように取り込まれた酸素原子により、Ｓｉ結晶の電気的、化学的、および強度特性が決まる。従来より酸素混入は問題とみなされ、酸素原子は優先的にＳｉ結晶内の格子間に取り込まれることが先行技術により確認されていた。ＣＺ  Ｓｉ結晶に取り込まれた酸素の濃度は、典型的には固体の融解限度を超えるため、その後の熱アニール処理時に過飽和酸素が析出する。したがって、ＣＺ  Ｓｉの開発および実行に先立つ重要なステップは、酸素析出を用いて生成される内部欠陥がＣＺ結晶のエピタキシャル積層欠陥を抑制する有効な方法をもたらすという観察であった。さらに、ＣＺ  Ｓｉ中の不純物である酸素の濃度は、内部吸気剤として有利に作用することが実証され、現在ではハイパフォーマンスＣＭＯＳ産業で広く使用されている。酸素の内部吸気作用の有効性は、酸素の初期濃度およびアニールプロセスによって決まる。酸素含有ＣＺ  Ｓｉの有益な作用に加え、酸素不足レジームより過飽和レジームのほうが有利であることも実証されている。先行技術は、ＦＺ  Ｓｉが酸素含有ＣＺ  Ｓｉと比べて機械的強度で劣ることを示している。したがって、ＣＺ  Ｓｉ中の酸素濃度は、（ｉ）酸素析出により生じる内部欠陥、（ｉｉ）機械的強度、および（ｉｉｉ）酸素ドナーの存在に影響を与える。
【００３６】
2011520257.tif 000007
【００３７】
したがって、本発明は、一部の実施形態で少なくとも３つのステッププロセスを教示する。（ｉ）酸素含有ＣＺ  ＳｉからＳｉ基板を優先して選択する、（ｉｉ）水素（Ｈ＋）を優先して高エネルギーイオン照射を用いてウエハに注入し、水素含有層とＳｉ表面を空間的に分離し、有限の厚さをもってして表面からあらかじめ決めた深度をもたらす。水素含有層は実質的には程度が均一で、実質的にはウエハ表面と並行に位置しており、（ｉｉｉ）注入イオン含有ＣＺ  Ｓｉウエハの少なくとも１つの表面および／または裏面を適切な雰囲気ガスで加熱処理し、注入層の直近において水素核種と酸素核種間の反応を促進する。代替的には注入可能なイオンのその他の組み合わせが使用される。
【００３８】
関連水素および酸素および／または泡および／または蒸気を含むウエハが生成され、反応物は一番上の任意のＣＺ  Ｓｉ膜を分断し、基板の残りの部分から離れるように作用する。前述の先行技術に優先する上述の膜分離法の主な利点は、膜分断および分離に必要な水素量が著しく少ないことである。これはＨ＋注入装置の注入時間が短く、コストが抑えられることを直接示している。
【００３９】
任意の利点は、上述のプロセスを用いて生成される蒸気であり、分断部の直近にあるＳｉ原子が酸化されるように作用し、それによって在来のＳｉＯ２が形成されるおよび／または水素が放出される。これは、分断されたＳｉ表面の状態をパッシベートする任意の手段として作用すると考えられる。
【００４０】
上述の開示されたプロセスのさらなる利点は、熱処理時の酸素の剥離作用の利用である［６］。ＣＺ  Ｓｉにおいて、酸素が熱処理下で剥離領域を形成することは周知である。露出された表面環境、酸素が豊富か不足しているかに応じて、露出されたＳｉ表面近くの酸素プロファイルを調節できる。典型的には、酸素析出物は表面からＳｉ結晶内部へ運ばれる。これは本発明にとって有利であり、酸素析出物は分断面を規定する水素含有層へ運ばれる。分離および剥離する蒸気について様々な温度を選択し、有利に使用することができることに留意する。剥離作用を分断プロセスと無関係の個々の熱処理に組み込む。
【００４１】
ＳＪ  Ｓｉ太陽電池製造用途の場合、酸素濃度は重要ではない。約５００°Ｃ以上での酸素含有ＣＺ  Ｓｉの熱処理により析出物が電気的に不活性および／または中性化するため、熱処理はＳＪ太陽電池の性能にとって不利にならない。これにより、高品質の単結晶Ｓｉを形成するのに用いるＣＺ製造法が廉価になる。つまり、ＣＭＯＳ産業で必要なほど高精度ではないものの、太陽電池用の単結晶Ｓｉ基板は製造できる。
【００４２】
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【００４３】
上述の発明により中濃度ないし高濃度の酸素の取り込みが奨励されるため、その他の酸化物るつぼも使用できる。２００３年３月に提出された米国特許出願第６０／４５４，２８７号明細書（現、米国特許出願１０／７９９，５４９号明細書）は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）をうまく使用して、Ｓｉの融点（１４２０°Ｃ）超、最高約１７００°Ｃにおいて溶融Ｓｉを十分に含める方法を開示している。このような高温操作により、ＣＺ法で実質的にはより迅速にＳｉボウルを引上げることが可能になり、それによりＣＺ  Ｓｉボウルの生産量が増え、結果的にＳｉウエハのコストが下がる。薄膜ｓｃ‐Ｓｉ層の新しい生成法が開示され、本明細書全体で主張される。
【００４４】
本発明の一つの代替の実施形態は、種々のイオンまたは原子または分子をウエハに導入する代替方法の使用である。一つの実施例は、任意のイオン溶液中でウエハに電圧をかけることで大量の外来原子を表面からあらかじめ決めた破壊深度まで運ぶイオン交換プロセスである。例えば、プロトンでは酸性溶液または当業者には既知のその他の溶液などがよく知られている。次に上述の方法で形成される欠陥層または破壊層にあらかじめ決めた反応および／またはストレスおよび／または曲げをもたらし、破壊および／または分断プロセスを開始および／または完了する。ウエハ上で破壊プロセスが進行し、ｓｃ‐Ｓｉ薄膜とＣＺ  Ｓｉ基板のバルク部分が分離される。前述の薄膜除去および分断プロセスと、層移動および低コストの基板への結合を組み合わせることにより、任意選択的には装置を含む薄膜シリコンを、任意選択的には装置を含む費用対効果の高い基板に結合することができる。
【００４５】
本発明の一つの代替の実施形態は、図５９Ａ、Ｂ、およびＣで示されるとおり、好適な配位で被着される単結晶シリコン層上に犠牲層を使用することである。一つの実施形態では、図５９Ａのとおり、希土類酸化物、窒化物、またはリン化物薄膜層、任意選択的には単結晶層５９０５を基板５９０１上、任意選択的には単結晶上に被着させる。シリコンまたはその他の半導体材料５９１０、任意選択的には単結晶材料を希土類層上に被着させる。重要な要件は、液相または気相プロセスのいずれかを用いて希土類層を除去することが可能で、半導体層５９１０には影響を与えないようにすることである。半導体層５９１０は、光発電装置および／またはその他の半導体装置（コントロール回路、集積回路に装備されるマイクロプロセッサ機能またはその他の機能に必要）に適する１つまたは複数の層を含むことができる。活性層５９１０材料は、１つまたは複数の第ＩＶ族、第ＩＩＩ‐Ｖ族、および第ＩＩ−ＶＩ族の元素を含む。被覆層５９１０は、任意選択的には、元の構造５９００（図５９Ａ）と交換用基板構造５９６０との結合を促進する材料を備える１つまたは複数の結合層５９１５である。このような結合を促進する材料は、活性層５９１０を保護するパッシベーション層、層５９１０上の装置を相互接続する金属化層、有機接着剤、低温溶融ガラスまたは金属を含む。図５９Ｂでは、交換用基板５９２５は、プラスチック、金属、セラミック、半導体、およびウエハなど、そこに装備される活性装置を有する多様な任意の構造を含む。結合層２、５９２０は、５９１５とほぼ同じ層を含む。図５９Ｃでは、構造５９９０は、層５９１５の表面と５９２０の表面を接触させ、結合プロセスを実行することにより構造５９００と５９６０を結合したあとの図である。結合プロセスは、結合層の選択で決まる。結合プロセスは、当業者には既知の熱結合、陽極結合、融合結合、圧着結合、またはその他の結合プロセスを含むと考えられる。本プロセスの重要な新規性は、単結晶希土類が基板５９０１上で育成され、次に単結晶半導体、任意選択的にはシリコンが犠牲層５９０５上で育成されることである。代替方法として、大粒径の多結晶希土類が育成され、多結晶半導体、任意選択的にはシリコンが希土類上で育成される。本プロセスの最終ステップ（図なし）は、エッチングまたはその他の溶融手段等の減色プロセスを用いて犠牲層５９０５を除去することで、構造５９９０から基板５９０１を分離することである。
（太陽エネルギー変換装置に関する薄膜単結晶シリコン層の代替基板への移動）
【００４６】
本発明は、薄膜製品または装置を形成するための単結晶Ｓｉ層の代替または交換用基板への移動プロセスの代替方法を開示する。さらに、本発明は、単結晶Ｓｉ層の代替基板への移動プロセスの方法および電気的またはオプトエレクトロニクス式変換領域を薄膜製品または装置内に組み込む方法を開示する。
【００４７】
図５は、外来核種５０１をＣＺ  Ｓｉ基板５０８にイオン注入し、Ｓｉ結晶中のイオンについてガウスプロファイルの分布容積５０２を形成するのに使用される配置を示す。欠陥面５０３は、実質的にはＳｉ結晶面と並行である。欠陥層分布のピークの深度は、Ｓｉ面からＬＤ５０５の距離にある。任意選択的にはＳｉＯ２から構成される任意の保護酸化物層５０６も示す。
【００４８】
2011520257.tif 000009
【００４９】
図７Ｂは、Ｓｉ表面下に埋め込まれた層における図７ＡのＨ+イオン７０１の分布を示す（３ＭｅＶの場合）。
【００５０】
一つの代替の実施形態では、酸素豊富な単結晶Ｓｉ基板に水素を注入し、水素核種と酸素核種の選択的相互作用を用いて薄膜Ｓｉ層移動プロセスに適する欠陥領域を形成する。
【実施例１】
【００５１】
（薄膜太陽電池のバーチカルプロセス）
【００５２】
１つの実施形態では、開示されたプロセスを用いて、薄膜単結晶Ｓｉ層移動法を用いて、バーチカルタイプのオプトエレクトロニクス式太陽スペクトルエネルギー変換装置を作製する。図８ＡおよびＢは、薄膜太陽電池製品を作製するための個々の並列プロセスパスを示す。単結晶ＣＺ  Ｓｉ基板８０１および代替基板８０７を洗浄し、加工の準備をする。任意のＳｉＯ２保護層８０２をＣＺ  Ｓｉ基板８０１上に被着または熱的に育成する。次に、本発明に記載されている方法によりＣＺ基板に注入し、埋込み欠陥層８０４を形成する。ウェットまたはドライエッチングあるいは当業者には既知のその他の手段を用いて層８０２を除去する。次に、洗浄した代替基板と均一な導電層８０８、例えばアルミニウムおよび／または希土類金属等の金属とを被着させる。
【００５３】
図９は、導電層８０９を有する代替基板と注入されたＣＺ  Ｓｉ基板８０６とを対向面８５０および８６０で結合８１０する方法を示す。これらの面は粒が混入していてはならず、真空結合、ファンデルワールス引力結合、融合結合、陽極結合等が考えられる。図１０は、次に化合物多層製品８１１に熱アニールシーケンス８１３をかけ、面８５０および８６０間の結合を強化し、ＣＺ  Ｓｉ結晶軸と有利に配列される領域に限定される温度依存性の欠陥破壊８１４を開始する方法を示す。熱アニールシーケンス８１３は、実質的には欠陥層により規定される面に限定される前述のＣＺ  Ｓｉ結晶内に破壊をもたらす。一つの実施形態では、熱アニールステップは、１５０°Ｃないし５００°Ｃで実行される。
【００５４】
図１１は、一つの実施形態において、外部の機械的刺激８１５を化合物製品８１１の少なくとも一つの端部領域に適用することで、残りのバルクＣＺ  Ｓｉ基板８１６と代替基板８１７に結合した薄膜ＣＺ  Ｓｉとを物理的に分離する欠陥面から破壊が進行する方法を次に示す。結果生じる欠陥面は、露出した薄膜ＣＺ  Ｓｉとバルク基板の分断面の両方とも粗面８１８を呈すると考えられる。面の粗さ８１８は、Ｏ：Ｈ比および注入エネルギーに応じて、数ナノメートルないし数マイクロメートルの範囲の表面特性を有すると考えられる。典型的には、注入エネルギーが高いほど、ガウス欠陥層の最大値の半値の全幅が広くなる。例えば、３ＭｅＶのＨ＋を注入すると、ストラッドルは〜１Ｄｍとなる。
【００５５】
図１２Ａは、次に薄膜ＣＺ  Ｓｉに接合されるウエハおよび代替基板８１７上に埋め込まれる導電性接触子を加工し、バーチカルタイプの太陽電池装置８２０を形成する方法を示す。金属接触子８１９は表面８１８上に配置される。接触子８１９は、好適にはオーム性である。例えば、高性能太陽電池では希土類ケイ化物（ＲＥ‐ＳｉＸ）および／または白金ケイ化物（Ｐｔ‐ＳｉＸ）のオーム性の接触子が使用されると考えられる。前述のケイ化物接触子をＥＲおよび／またはＰｔ金属として被着させ、次にアニールし、膜内のＳｉ原子を用いて消費し、合金することで各ケイ化物を形成する。バーチカルタイプの太陽電池は、入射する日射８２２を、図の外部回路から抽出される光電子電荷キャリアへ変換することにより機能する。
【００５６】
最後に、図１２Ｂでは、除去されたバルクＣＺ  Ｓｉ基板部分８１６が化学的機械加工（ＣＭＰ）８２１により再加工され、実質的には最初のＣＺ  Ｓｉ基板に似た平面８２３を形成する。除去されたＳｉ薄膜の厚さは、開始ＣＺ  Ｓｉ基板８０１の全厚さより大幅に薄いため、再加工した基板８２３は別の薄膜除去８０１のその後の加工に使用してもよい。
【００５７】
一つの実施形態では、薄膜層を製造する方法は、表面を有し、酸素濃度が少なくとも２×１０１６原子／ｃｍ３である第１の基板を提供することと、イオンを表面の第１の基板へ導入し、導入イオンは表面からあらかじめ決めた範囲で酸素原子の近位となるようにし、薄膜層が表面から導入イオンの中点まで伸展していることと、任意選択的には交換用基板と第１の基板の表面とを結合させることと、あらかじめ決めた温度サイクルを用いて第１の基板を加工し、導入イオンと酸素を混合することと、薄膜に機械的力をかけ、任意選択的には交換用基板を介して第１の基板の薄膜層を破壊し、薄膜層へかける機械的力は引張力、剪断力、曲げ力、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される第２の基板にかける機械的力を含むこととを含む。任意選択的には、酸素イオンを表面の第１の基板に導入し、導入イオンは表面からあらかじめ決まった範囲に存在する。任意選択的には、酸素またはその他の原子は結晶育成時またはその後に取り込まれる。任意選択的には、導入イオンは水素、ヘリウム、酸素、窒素、炭素、フッ素、またはこれらの組み合わせである。
【実施例２】
【００５８】
（薄膜太陽電池の平面プロセス）
【００５９】
一つの実施形態では、開示されたプロセスを用いて、薄膜単結晶Ｓｉ層移動法を用いて、平面タイプのオプトエレクトロニクス式太陽スペクトルエネルギー変換装置を作製する。本プロセスの重要な特徴は、電気接触子の選択的パターン化を幅広く用いて、ＣＺ  Ｓｉ薄膜活性層の界面に対し平面に埋め込まれた接触子を配列することである。
【００６０】
この平面接触子配列は、対向くし形フィンガー構成に適する最適化された金属‐半導体‐金属（ＭＳＭ）である。太陽スペクトルの波長が短いほど（高エネルギー等）、多くの太陽スペクトルフルエンスが含まれる。典型的には、高エネルギー光子、具体的にはＵＶ光子は単一接合太陽電池、具体的にはＳｉを用いた太陽電池の性能に対し有害であるとされている（図４参照）。本発明は、この長年の問題をＳｉ結晶中の光子の波長選択性を用いて解決する。シリコンＳＪ太陽電池、例えばｐ‐ｎ接合ダイオードは、典型的には〜１．１ｅＶまたはこれよりやや上の基礎となる間接バンドエッジで、外部の光電流効率が比較的高い光エネルギーを変換するだけである。事実、これはＳＪ構成で使用されるすべての半導体の限界である。
【００６１】
単結晶Ｓｉの吸光効率は、ＵＶ光子の場合、例外的に高い（Ｄａｂｃ１００Ｄｍ１）。図３７の領域３７０１に示されるとおり、Ｓｉ間接バンドギャップ近くでは吸収が不十分であるのに対し、ＵＶの挙動は市販されているその他すべての関連半導体より優れている。ＵＶ光子は、表面の約２Ｄｍ内にほぼ完全に吸収され、ｅ‐ｈ対を形成する。残念ながら、エネルギー電子および正孔は格子フォノンと強く結合し、熱としてエネルギーを放散する。このロス機構を減らし、本明細書で開示される薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽装置において光キャリアを抽出することができる。
【００６２】
薄膜ＳｉおよびＭＳＭ構成を使用することで、ＵＶ光子を有用な電子および／または正孔（ｅ−ｈ）光キャリアへ変換できる。前述の光により生成したｅ−ｈを外部回路に抽出すると、無放射再結合ロスが生じる。したがって、図３９に示されるとおり、ＳＪ薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽電池（４００ないし７００ｎｍ）の効率が最適化されるため、太陽スペクトルの高エネルギーが利用できる。
【００６３】
考え得る電子構造については後述し、図２７ないし４１で開示する。
【００６４】
図１３ＡおよびＢは、薄膜太陽電池製品を作製するための個々の並列プロセスパスを示す。単結晶ＣＺ  Ｓｉ基板１３０１および代替基板１３０６（図１３Ｂ）を洗浄し、加工の準備をする。任意のＳｉＯ２または誘電性または金属保護層１３０２をＣＺ  Ｓｉ基板１３０１上に被着または熱的に育成する。次に、本発明に記載されている方法によりＣＺ基板に注入し１３０３、埋込み欠陥層１３０４を形成する。ウェットまたはドライエッチングあるいは蒸発を用いて層１３０２を除去できる。次に、洗浄した代替基板１３０６と空間的にパターン化した導電層１３０７および１３０８、例えばアルミニウム（Ａｌ）および／または希土類（ＲＥ）金属等の金属とを被着させる。１３０７および１３０８として別々の金属を使用した場合、適切なマスク（図なし）を用いてこれらを連続的に被着させることができる。接触子１３０７および１３０８を作製した後、図のとおり、絶縁層１３０９を被着させる。層１３０９はＳｉＯ２、高ｋおよび／または低ｋ誘導性膜でもよい。接触子１３０７／１３０８および絶縁膜１３０９は、任意選択的にはＣＭＰにより平坦化され、粒が混入していない平面１３１０が形成される。次に、製品１３１２の表面１３１０を図１４Ａのステップ１３１３におけるウエハ接合に使用する。
【００６５】
図１４Ａは、導電層１３１２を有する代替基板と注入されたＣＺ  Ｓｉ基板１３１１とを対向面８５０および８６０で結合１３１３する方法を示す。これらの面は粒および界面空孔が混入していてはならず、真空結合、ファンデルワールス引力結合が考えられ、図１４Ｂに示されるとおり、製品１３１４を形成する。
【００６６】
図１５は、次に化合物多層製品１３１４に熱アニールシーケンス１３１５をかけ、面間の結合を強化し、ＣＺ  Ｓｉ結晶軸と有利に配列される領域に限定される温度依存性の欠陥破壊１３１６を開始する方法を示す。熱アニールシーケンス１３１５は、実質的には欠陥面１３１６により規定される面に限定される前述のＣＺ  Ｓｉ結晶内に破壊をもたらす。
【００６７】
図１６は、化合物製品１３１４の少なくとも一つの端部領域に外部の機械的刺激１３１８をかけることで、残りのバルクＣＺ  Ｓｉ基板１３２１と代替基板１３１９に結合させた薄膜ＣＺ  Ｓｉ１３２０とを物理的に分離する欠陥面から破壊が進行する方法を次に示す。曲げ等、代替の機械的刺激も適切と考えられる。結果生じる欠陥面は、露出した薄膜ＣＺ  Ｓｉ１３２０とバルク基板の分断面の両方とも粗面を呈すると考えられる。１３２０の面の粗さは、Ｏ：Ｈ比および注入エネルギーに応じて、数ナノメートルないし数マイクロメートルの範囲の表面特性を有すると考えられる。典型的には、注入エネルギーが高いほど、ガウス欠陥層の最大値の半値の全幅が広くなる。例えば、３ＭｅＶのＨ＋を注入すると、ストラッドルは〜１Ｄｍとなる。
【００６８】
図１７は、次に薄膜ＣＺ  Ｓｉに接合されるウエハおよび代替基板１３１９上に埋め込まれた導電性接触子を加工し、平面タイプの太陽電池装置１３１９を形成する方法を示す。金属接触子１３０７および１３０８が埋め込まれた同一表面１３１０上に配置される。接触子１３０７および１３０８は、任意選択的にはオーム性および／またはショットキータイプである。例えば、高性能太陽電池では希土類ケイ化物（ＲＥ‐ＳｉＸ）および／または白金ケイ化物（Ｐｔ‐ＳｉＸ）等の金属のオーム性の接触子を使用すると考えられる。ケイ化物接触子をＲＥおよび／またはＰｔ金属として被着させ、次にアニールし、Ｓｉ膜を用いて消費し、合金することで各ケイ化物を形成する。代替方法として、Ｓｉと接触させるとショットキーバリアを呈する金属も使用できる。
【００６９】
平面タイプの太陽電池１３１９は、入射する日射１３２５を、図の相互接続される電池を介して外部回路から抽出される光電子電荷キャリアへ変換することにより機能する。分断された薄膜ＣＺ  Ｓｉ層表面を介して、入射する光学的日射を平面タイプの太陽電池１３１９と結合させてもよい。代替基板１３０６が太陽スペクトルの全部または一部にとって透明である場合、１３０６を介して入射する光学的日射を薄膜ＣＺ  Ｓｉ層へ結合させてもよい。
【００７０】
最後に、除去されたバルクＣＺ  Ｓｉ基板部分１３２１が化学的機械加工（ＣＭＰ）１３２３により再加工され、実質的には最初のＣＺ  Ｓｉ基板に似た平面１３２４を形成する。除去されたＳｉ薄膜の厚さは、開始ＣＺ  Ｓｉ基板１３０１の全厚さより大幅に薄いため、再加工した基板１３２４は別の薄膜除去１３０１のその後の加工に使用してもよい。
【実施例３】
【００７１】
（薄膜太陽電池の平面プロセス）
【００７２】
一つの実施形態では、開示されたプロセスを用いて、薄膜単結晶Ｓｉ層移動法を用いて、平面タイプのオプトエレクトロニクス式太陽スペクトルエネルギー変換装置を作製する。本プロセスの重要な特徴は、イオン注入を幅広く用いて、ＣＺ  Ｓｉ薄膜活性層内の選択的領域の導電型に影響を及ぼすことである。考え得る電子構造については後述し、図４４ないし５１で開示する。
【００７３】
図１８ないし２６は、薄膜太陽電池製品およびウエハスケール太陽エネルギー変換モジュールを作製するための個々のプロセスパスを開示する。
【００７４】
図１８は、パターン化された平坦な電極を含む代替基板の初期加工ステップを示す。洗浄した代替基板１８０６と空間的にパターン化した導電層１８０７および１８０８、例えばアルミニウム（Ａｌ）および／または希土類（ＲＥ）金属等の金属とを被着させる。１８０７および１８０８として別々の金属を使用した場合、適切なマスク（図なし）を用いてこれらを連続的に被着させることができる。接触子／電極１８０７および１８０８を作製した後、図のとおり、絶縁層１８０９を被着させる。層１８０９はＳｉＯ２、高ｋおよび／または低ｋ誘導性膜でもよい。接触子１８０７／１８０８および絶縁膜１８０９は、任意選択的にはＣＭＰにより平坦化され、粒が混入していない平面１８１０を形成する。
【００７５】
図１９は、欠陥層１９０１として注入され、薄膜ＣＺ  Ｓｉ層１９２０を残りのバルクＣＺ  Ｓｉ基板１９０２から分離する単結晶ＣＺ  Ｓｉ基板を示す。製品１９０２は、本発明で開示される少なくとも一つの方法を用いて作製される。ＣＺ  Ｓｉ基板１９０２およびパターン化された代替基板１８１１を任意選択的には洗浄し、加工の準備をする。保護マスク層１９０３を１９０９上に被着または熱的に育成すると、薄膜ＣＺ  Ｓｉ層の任意の部分１９０５および１９０８への選択的区域イオン注入が可能になる。次に、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の不純物原子をイオン注入し、マスク１９０３により露出させたＳｉ領域の導電型を変える。選択的区域注入領域１９０５は、ｎ型および／またはｐ型の導電領域を規定する。マスク層１９０３を除去し、マスク層１９０６を被着・パターン化することで、任意の代替導電型領域を実行してもよい。再度、マスク１９０６を介して不純物原子を注入１９０７し、選択的区域導電領域１９０８を形成することができる。次にマスク層１９０６を除去すると、製品１９０９が得られる。図２０のステップ２００１に示されるとおり、表面１９１０を任意選択的には洗浄するおよび／または表面１８１０とのウエハ接合の準備をする。
【００７６】
図２０Ａは、ＣＺ  Ｓｉ薄膜中に欠陥／分断層と、パターン化電極と、選択的区域注入部とを含む製品２００２（図２０Ｂ）を形成するための１９０９と１８１１とのウエハ接合を示す。
【００７７】
図２１は、本発明で開示された方法による熱アニールステップ２１０１により、完全な多層構造２１０３中に埋込み欠陥層２１０２が形成されることを示す。分離層１９０１の選択的除去または剥離も用いて、薄膜活性層を剥離することに留意する。
【００７８】
図２２は、機械または曲げまたは流体ジェットまたは高圧ガス２２０１を用いて構造２１０２を分断し、実質的には欠陥層により規定される面に沿って破壊の進行を開始する方法を示す。代替方法として、ガス核種を用いて分離層１９０１と反応させ、構造を変化させるため、薄膜剥離に有利な特性が得られる。次に、欠陥層２１０２を介して、規定の薄膜ＣＺ  Ｓｉ層および平面タイプの注入電子装置２２０３をバルクＣＺ  Ｓｉ基板２２０２から分離する。構造２２０３の表面２２０４は粗くなるため、広い太陽スペクトルを薄膜ＣＺ  Ｓｉ活性層に有利に結合できる。代替方法として、２２０４の粗さは小規模なため、さらなる加工には向かない。ＣＭＰを用いて平坦化２２０４し、続いて薄膜（反射防止膜および／または膜コーティング等）を被着させてもよい。
【００７９】
図２３Ａは、表面２２０４を介して結合する光線２３０１を用いた平面タイプの注入規定太陽光変換装置を形成するための最終ステップ図である。次に、図２３ＢのバルクＣＺ  Ｓｉ基板２２０２が、任意選択的には、例えばＣＭＰ２３０２を用いて再加工して平坦化されるため、ステップ１９０１について許容可能な基板２３０３の再利用が可能になる。本発明で開示される平面タイプの太陽電池装置固有の能力を図２４ないし２７において示す。
【００８０】
図２４は、任意の交差指型のｐ型２４０２およびｎ型２４０３領域を用いて実装される太陽電池装置２４０１の平面図を示し、パターン化電極２４０６および代替基板の２４０５へ移動させたＣＺ  Ｓｉ薄膜において選択的区域導電領域を規定する。薄膜ＣＺ  Ｓｉ注入領域と代替基板電極との間の電気接触子を２４０７として示す。ユニット電池２４０１は、従来のＳｉ加工機器を用いて、リソグラフィによりセンチメートルないしナノメートルオーダーの寸法にデザインすることができる。図２５Ｂでは、ユニット電池２４０１の電気等価回路を２５０３として示す。
【００８１】
図２５Ａは、反復するユニット電池２４０１の大規模集積の相互接続されるアセンブリ２５０１への実装を示す。代替の実装は、ユニット太陽電池２４０１が交差指型のｐ‐ｎ接合の形状で作製され、ウエハ上で何度も反復されることを示す。注入により規定される代替キャリアタイプの領域は、薄膜活性層を含む非意図的にドープされたバルク半導体により分離される。複数のユニット電池２４０１は、母線２４０５および２４０６を介して並列および直列に電気接続される。電気等価回路を２５０２として示す。
【００８２】
図２６Ａは、大面積ウエハの形態上にある適切にデザインされた多数のユニット電池、例えばユニット電池２４０１のパターン化の利用を示す。
【００８３】
図２６ＢおよびＣは、本明細書で開示されたウエハスケール製造プロセスに基づく高性能薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽モジュールについて、本発明の代替の実施形態を開示する。例えば、ユニット電池２４０１が有利な形式で複製され、高密度実装した２４０１を大面積ウエハ上に配置することができる。ユニット電池を電圧源および電流源の機能ブロックへ有利にグループ化することができる。つまり、ウエハ２６００により規定される太陽モジュールに衝突する入射太陽スペクトルを構築し、光誘起電圧源２６０２および電流源２６０３を生成する。ユニット電池２４０１はウエハ上に一定に保たれる、あるいは最適化されたユニット電池はマスクパターンの規定に応じて、ウエハ上の有利な領域に実装される。変更２４０１にかかるコストはマスクのコストのみであり、加工コストは同じである。これが平面タイプのＣＭＯＳタイプの製造力である。ウエハ２６００上のユニット電池２６０１間の相互接続を示す。薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽モジュールの等量回路も示す。
【００８４】
図２７ないし３６は、太陽光線をＳｉおよび／または半導体活性領域に結合させるのに使用する薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽エネルギー変換構造を開示する。例えば、単純な金属‐半導体‐金属（ＭＳＭ）および注入規定導電領域を用いて、本発明による電気機能を実装する。種々の光結合層を開示し、入射太陽スペクトルの全部または一部を最適化する。
【００８５】
図２７は、薄膜装置２７００の単純な形状を図示する。電極２７０１および２７０２は薄膜ＣＺ  Ｓｉ２７０７と接触している。電極は、２７１１により規定の長さの間隔がとられている。光線２７０６または２７０８は、電池の活性領域に２７０７に結合され、装置の電極面上または基板２７０４を介して直接２７０７に入射すると考えられる。曲線因子は、電極の幅および電極の間隔によって決まり、２７０６の２７０７への結合を妨げる。電極間の電界線２７０３は、図のとおり、Ｓｉ膜および／または代替基板２７０４まで伸展する。しかし、光線２７０８は反射ロス２７１０をこうむり、入射光線２７０８の一部しか活性領域に結合しない。代替基板２７０４の厚さおよび屈折率を適切に選択することで、反射ロスを最小限に抑えることができる。
【００８６】
図２８Ａは、ユニット電池２７００の光子‐電子変換プロセスを詳細２８００に示す。入射光子２７０６により電子および／または正孔対２７１４が生じる。導電型注入および／または拡散金属および／またはドーパントを領域２７１２および２７１３として示す。光生成されたｅ−ｈ対の分離を示す。電子および正孔が反対側の電極に移動する。ＵＶ光子は、典型的には保護および／またはパッシベーション酸化物２７０５と活性層２７０７との間の界面近くに生じる。図２８Ｂは、２８００の複数の部分を示す。フィンガースペーシングが十分小さい場合および／または電界の強さが十分強い場合、無放射再結合プロセスが生じる前に電子および正孔が集まる。
【００８７】
図２９Ａは、光グレーティング作用を形成する小電極の幅ＬＰおよび離間ＬＦの効果を示す。電極の寸法が、入射光線２９００の波長と比べて非常に大きい場合、活性領域への衝突が反射２９０４および透過２９０５する。透過部分は、屈折して活性領域に入る。グレーティングが光波長または複数の光波長と同等である場合、入射光線は回析オーダー２９０１および２９０２に向かって回析する。代替基板を介して下から衝突する光線の場合、同様の形式で回析作用が生じる。後者の形状の利点は、まず光が活性層に結合し、電極格子の裏から活性領域へ、裏に反射または回析すると考えられることである。この作用により、光の薄膜活性層への結合が強化される。
【００８８】
図３０は、図２７の装置の反射ロスが、抗反射（ＡＲ）コーティング３００３の塗布により克服される方法を示す。代替基板が太陽スペクトルの全部または一部にとって透明である場合、代替基板３００２はＡＲシステムの一部を形成する。材料３００２および３００３の様々な屈折率ｎｉを考慮すると、少なくとも１つの３００２および／または３００３の厚さを選択し、４分の１波長の奇数倍または偶数倍にする。
【００８９】
図３１は、代替基板上に多層誘導体コーティングを被着させ、光フィルターおよび／または干渉フィルターを形成する方法を示す。誘導体層対３００１および３００４はほぼ同じおよび／またはチャープであり、分散Ｂｒａｇｇ鏡または広バンドのカプラーを形成する。
【００９０】
図３２は、代替基板３２０２を介する裏面の光結合３２０１を用いて、活性層３２０４へ結合させる方法を示す。追加の誘導体層３２０３を用いて、光線と有利に結合させる。
【００９１】
図３３は、図３２の装置を用いて光子を再利用３３０５および３３０６し、活性層３２０４へ戻す方法を示す。高屈折率層３３０７（例えば、アルミニウム）を誘導体層３２０３（例えば、ＳｉＯ２）に被着させる。
【００９２】
図３４は、層厚３４０５および３４０３を適切に選択することで、裏面の光結合を用いて、活性領域３４０４に入る短波長３４０１および長波長３４０２に影響を及ぼす方法を示す。
【００９３】
図３５および３６は、多層薄膜および電極の配列を利用して、太陽電池装置の波長について最適な選択をする方法を示す。
【００９４】
図３７は、該当する市販の半導体の高エネルギー吸収スペクトル３７０１を示す。ＳｉおよびＧｅの間接吸収エッジは、スペクトルの大部分に対し比較的吸光係数の低い、長い吸収テールを呈する。しかし、波長が〜４００ｎｍ未満の場合、Ｇｅの吸光係数はＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＳｉＣを上回っている。したがって、ＵＶ太陽光の選択性に対しては、Ｓｉが有利かつ一意的に使用される。
【００９５】
図３８は、地上の太陽Ｓペクトル３８０１および近似値を示す。スペクトル変動は、光子エネルギーを基準として、光子数の導関数に比例する。変動のピークは、〜５００ｎｍ未満または２．４８ｅＶで生じることが確認されている。
【００９６】
図３９は、図３３の装置を用いて薄膜ＣＺ  Ｓｉ太陽電池のＵＶの最適化された効率スペクトルを示す。真性（高酸素濃度ドープされたＣＺ  Ｓｉ３９０２）およびｎ型ドープＣＺ  Ｓｉ（３９０２）の使用を示す。代替方法として、酸素を注入することができる。代替方法として、水素および酸素以外のガスを使用する。注入され、次に反応して加熱すると膨張する化合物を形成する２種類の化学種が適する候補である。実施例は、炭素、水素、窒素、酸素を含む。水は好適であるが、可能性があるというだけである。
【００９７】
図４０および４１ＡおよびＢは、代替基板４０１１上に移動させた空間的に変化しやすい薄膜ＣＺ  Ｓｉ活性層４０１０を基盤とする太陽電池装置を示す。波長選択性を有利に用いて、様々な波長を空間的にＳｉ活性層へ結合させる。くさび４０１２は、単純なＣＭＰの研磨により作製される。電池の種々の領域で吸収されるＵＶ（４０２０）から遠赤外線（４０５０）の範囲の波長を示す。
【００９８】
図４２は、ユニット太陽電池の製造コストとモジュールあたりの太陽電池数を図示する。組み立て製造ケースを従来の組み立てとして示し、太陽電池およびモジュール生産に対する先行技術の方法を表わす。組み立てトランジスタ製造に関して示したとおり、コスト曲線は最小であった。平面型集積トランジスタ（ＣＭＯＳ  ＦＥＴ）は、新しい製造パラダイムを導入し、組み立て製造プロセスが大幅に下がってトランジスタあたりのコストが最小になった。平面型集積装置により多くのトランジスタが有限領域へ高密度実装されるようになり、複雑性および／または機能が大幅に改善し、システムのコストが下がった。太陽電池および太陽モジュールについて、本ケースと類似ケースを比較する。本発明により、ユニット電池あたりのコストが劇的に下がり、モジュールあたりの集積電池数が劇的に増加した。本発明は、本発明で開示したとおり、ウエハスケール製造法を基盤とする高効率の太陽モジュールは、コスト削減面で優れている。さらに、ウエハスケールモジュールの電圧および電流は、フレキシビリティおよび機能増強面で最適化される。さらに、本発明は、小スケールの使用による太陽電池装置の効率の最適化を教示する。装置が小型化するほど、使用される半導体の寿命が短くなり、光電変換構造を理想化することが求められる。最適な小型太陽電池数の増加を利用し、モジュールの総電気的出力を調節する。
【００９９】
図４３は、単一接合（ＳＪ）太陽電池の効率と面積あたりのコストである。ワット線あたりのコストは、グラフ上に重ねて示している。ＳＪ電池の理論上の上限は、〜３０ないし３２％である。従来の組み立て（ＣＤ）先行技術の方法を、典型的にはＤ＜２０％未満のエネルギー交換効率を呈する領域４３０１として示している。本発明の装置によりＳＪの効率は、ＩＰ製造法の最適使用により、Ｄ＜２０％から最高理論的最高値にまで上昇すると主張されている。面積あたりのコストが高く、効率が低い先行技術において、変換効率の１％上昇はイノベーションとして非常に高い値であることに留意する。例えば、ＤＤ=ＣＤ技術において１％上昇させるには、約２５ないし５０ドル／ｍ２の費用がかかる。ＩＰ法を用いる本発明と比べて、ＤＤ=１％上昇させるのにかかる費用は、実質的には＜１ドル／ｍ２未満となる。さらに、注入およびリソグラフ加工法を用いて電子電池のデザインを適合させるフレキシビリティ性は、イノベーションにふさわしい。
（ユニット電池の構成）
【０１００】
図４４ないし５１の電子装置の実施形態の例は、日射を電気エネルギーへ変換させるために最適化し、活性層構造を実装するのに使用する。図４４ないし５１は、本発明の実装例である。当業者は、その他の構成が可能であり、本明細書で開示されていることを理解する。
【０１０１】
図４４は、活性薄膜ＣＺ  Ｓｉ層を構成し、横方向ｐ‐ｎ接合ダイオード４４００を作動させる方法を示す。本図は、ウエハ上で複製され、モジュールに組み込まれるユニット電池を示す。電極４４０１および４４１２は、注入領域４４０４および４４０７と接触している。形成される空乏層４４０５により、光生成されたｅ−ｈ対が、ビルトイン電界を介して、電子４４１１と正孔４４１０に分かれ、同一表面を介してｎ＋４４０４とｐ＋４４０７領域へと抽出される。光線は、電極面４４０２を介してまたは代替基板（図なし）４４０３を介して活性層へ結合される。ＣＺ  Ｓｉ薄膜は、ｐ型ドープＳｉ（ｐＳｉ）である。
【０１０２】
図４５は、図４４で開示されたとおり構成されているが、裏面に接触子４５０１が追加されている装置４５００を示す。図４５および４６には同じ番号を与えている。裏面には絶縁体４５０８を追加している。
【０１０３】
図４６は、二重ｐ‐ｎ接合（ｎ‐ｐ‐ｎ）装置４６００を示す。装置４６００は、ｎ−ｎ＋基板４６１６およびｐ‐ウェル４６２６により形成される２つの空乏層４６０５および４６１５を有している。この空乏層は、ｐウェル４６１６とｎ+領域４６０４の間にも存在する。ｎ型およびｐ型の導電領域は、いずれも代替基板（図なし）上に移動させた薄膜Ｓｉ層を構成する最初のｎ‐ｎ＋Ｓｉ基板から変更される。任意の光線は、４６０２、表面および／または裏面を介して装置へ結合される。電極４６０１、４６１２、および４６２１を外部回路と接続し、光電流を抽出する。任意の結合層４６０８および４６１８は、典型的にはＳｉＯ２から作製される。
【０１０４】
図４７Ａは、他フィンガー電極４７０６配列を用いて、光キャリアの収集効率を高める方法を示す。装置４７００では、代替基板に移動させたｐＳｉ薄膜層７０１を使用する。注入領域４７０２、４７０５、４７０６、および４７１０は、例えばｐ型Ｓｉとして選択される薄膜Ｓｉ層４７０１の導電型を変更する。光線は、優先して４７０３から代替基板にまで結合される。接地４７０７により形成される保護環を用いて、電池間における電荷の漏れを防ぐ。
【０１０５】
図４７Ｂは、裏面に電極接触子４７１１を追加で有し、光が裏面または表面に入ってくる装置４７００を示す。
【０１０６】
図４８ＡおよびＢは、太陽電池装置で使用するためのバーチカルタイプのｐ−ｎ接合ダイオード４８０１およびｐ−ｉ−ｎ接合ダイオード４８０２構成を示す。バーチカルタイプの多層４８０１よび４８０２を図示する。ｐ−ｎおよびｐ−ｉ−ｎ接合ダイオード構成のエネルギーバンド構造と物理的距離ｚも図示する。導電性および価電子バンドエッジ（図４８ＣおよびＤ）は、単結晶Ｓｉの基礎バンドギャップを表わす。入射光子が空乏領域４８０３および／または内部領域４８０４に吸収され、それによりｅ−ｈ対が生成される。
【０１０７】
図４９は、４９０４、４９０６、および４９０５の領域において、不純物の選択的区域深部注入を用いるバーチカルタイプのｐ−ｉ−ｎ装置４９００を実装することにより、その領域の導電型を変更することを示す。薄膜Ｓｉ層４９１１は、非意図的にドープされているおよび／または真性である。光線４９０１および／または４９０９が４９０７へ結合および吸収され、それによりｅ−ｈ対４９０８が生成される。
【０１０８】
図５０Ａは、５００５、５００４の領域の薄膜Ｓｉ活性層５００８への選択的区域注入により形成される横方向ｐ−ｉ−ｎ接合型装置５０００を示す。光線５００１および／または５０１０が活性層に吸収され、より好適には真性領域５００６に吸収される。電極５００２および５００３ならびに下の注入領域は、図５０Ｂの５０１１および／または図５０Ｃの５０１２に配置される。
【０１０９】
図５１は、太陽電池要素として使用されるｎ＋／ｐダイオード６０００を示す。代替基板上に移動させた薄膜層はｐ型Ｓｉ６００６であり、次がｎ型エピタキシャル層６００５を被着させている。層６００６および６００５は、基板から代替基板上へ交互に移動させられる。薄膜Ｓｉ層の代替基板６０１１上への移動後、選択的区域深度注入領域６００７、６００８、６００４を実行する。
【０１１０】
図５２は、導電性および価電子バンドギャップエネルギーとシリコン等の間接バンドギャップエネルギー半導体の結晶運動量を図示する。導電性および価電子バンドに対し、考えられる光吸収型トランジスタを示す。バンドエッジ共鳴吸収Ｅｃｌ-ＨＨ（ｋ＝０）には、さらにＫｐｎの運動量のフォノンを追加する必要がある。高エネルギー光子は、電子‐正孔対および基礎バンドエッジに対し過剰なエネルギーを直接生成すると考えられる。この事実は、本明細書に記載されるＵＶ増強アバランシェ増倍プロセスへ有利に使用されることである。
【０１１１】
図５３は、導電性および価電子バンドギャップエネルギーとシリコン等の間接バンドギャップエネルギー半導体の結晶運動量を図示する。シリコンは、不純物原子を用いてドープされ、縮退したｎ型導電性を呈する。フェルミレベル５３０１は、導電性バンドが充填され５３０３、エネルギーが５３０２を超えるために光吸収が開始されることを示している。
【０１１２】
図５４は、導電性および価電子バンドギャップエネルギーとシリコン等の間接バンドギャップエネルギー半導体の結晶運動量を図示する。シリコンは、不純物原子を用いてドープされ、縮退したｐ型導電性を呈する。フェルミレベル５４０１は、価電子バンドが充填され５４０２、エネルギーが５３０３、５４０４、および５４０４を超えるために光吸収が開始されることを示している。したがって、吸収エッジの開始点は高エネルギー方向へ移ると、結果として透明から不透明特性までの遷移がよりシャープになる。
【０１１３】
図５５は、単結晶Ｓｉの光吸収スペクトルを真性５５０１導電型から縮退的にｐ−ドープされる５５０２へ変化させる方法を示す。位相空間充填により、吸収エッジ５５０３に青シフトも示される。
【０１１４】
図５６は、図５６に記載した青シフトと地上の太陽スペクトルを比較する方法を示す。Ｓｉの不純物ドープを有利に使用して、吸収エッジをより短い波長になるよう調整する。
【０１１５】
図５７は、高温が間接バンドギャップ材料にどのように作用するかを示す。Ｔ１からＴ２へ温度が上昇すると、バンドギャップ５７０１が５７０２まで狭まる。したがって、単結晶Ｓｉの基礎バンドギャップは温度依存性である。
【０１１６】
図５８は、温度上昇により単結晶Ｓｉの光吸収スペクトルがどのように変わるかを示す。温度上昇により、吸収エッジはより長い波長へ移る。
（スマートリンクに集積させたウエハスケールの再構成可能なモジュール）
【０１１７】
平面タイプのウエハスケールの加工法を用いて作製したオプトエレクトロニクス式エネルギー変換装置を開示する。同一方法を用いて、ウエハスケール単独モジュール上に完全に統合したデジタルおよび／またはアナログ機能を実行できるモノリシック集積型電子機能も作製できる。例えば、太陽電池ユニットの作製に使用したのと同一のマスクステップを用いて、電子ダイオードおよびトランジスタ（平面タイプのｐ−ｎ接合ダイオードおよび平面タイプのｎ‐ｐ‐ｎおよび／またはｎ‐ｐ‐ｎ型バイポーラトランジスタ等）を作製できる。電子機能は、ウエハ上で生成された電圧および／または電流を電源にして動作しているため、自己供給式と考えられる。平面タイプの集積太陽光ウエハモジュールに実装できる電子機能は、ユニット太陽電池を構成して電圧源および／または電流源操作を実行するように外部でプログラムできる電力モニタリングおよびスマートスイッチである。例えば、基本エネルギー変換ユニットを複製することで作製される太陽電池ユニットアレイを配列し、スマートスイッチでウエハ上の機能ブロックを制御する。つまり、プログラム可能なアレイロジックというアナログ機能を用いて、ウエハモジュールにおける電圧および／または電流の内部構成を基盤とするプログラム可能な電力モジュールを実装することができる。
【０１１８】
図６０は、プラグラム可能なスマートリンクおよび／またはスマートスイッチ６０１０、６０２０、６０３０、および６０４０を有し、プログラム可能な電圧源６００１または電流源６００２を形成するウエハスケール太陽光モジュール６０００を示す。
【０１１９】
図６１は、さらに外部制御入力６１０２を有するプログラム可能なモジュールコンセプトを発展させ、ウエハスケール太陽光モジュールのスマートリンク６１００を構成する。入力太陽エネルギー６１０１が電圧源アレイＶｓｒｃ６１０５および電力源アレイＩｓｒｃ６１０７区分に入射する。スマートリンクは、構成区分６１０３、６１０４、６１０６により制御される。出力多重化装置ＭＵＸ６１０６は、モジュール電源に出力する。ウエハスケール太陽光モジュール６１０８の任意の電力モニタリング６１０８を用いて、モジュールに健全性および／またはステータスおよび／または温度６１１０をもたらすことができる。温度および出力を用いてモジュールの性能を最適化し、外部からの日射フルエンスを変化させることができる。実装されている電力制御も、やはりウエハスケール太陽光モジュール上にモノリシックに集積される電力制御エレクトロニクスを用いて利用することができる。
【０１２０】
要約すると、本発明は同一のウエハスケール太陽光モジュール上にモノリシックに集積される電子回路部品を用いてロジックおよび／またはアナログ機能を実行することを教示する。付加される電子機能は、モジュールの性能の最適化を促進し、多様な用途についてモジュールを再構成可能にする。トランジスタの性能は単純なものでよいため、電子機能にかかる追加コストはごくわずかである。例えば、高速性能は不要であり、１９７０ないし１９８０年代のＬＳｉバイポーラトランジスタ技術相当の性能があればよい。
【０１２１】
図６２は、複雑なシステム６２００における再構成可能なウエハスケール太陽光モジュール６１００を使用することの実用性を開示する。例えば、複数のウエハスケール太陽光モジュールから構成される単純なアレイは、図のとおり相互接続６２０１可能である。アレイの用途およびサイズに応じて、最適なモジュール構成６２０２を使用できる。
（太陽光モジュールのチャージポンプの概念）
【０１２２】
典型的には、与えられた一定の太陽光フルエンスについて、一定の太陽光モジュール機能は、実質的には一定の直流および／または出力をもたらす定常状態操作のためにデザインされている。代替方法は、コンデンサおよびスイッチ技術の使用による、ウエハにおけるチャージポンプ型エネルギー貯蔵ユニットの概念である。例えば、日射への曝露時に太陽電池ユニットを外部回路から電気的に絶縁し、光生成キャリアを基本的容量装置において蓄積することができる。
【０１２３】
あらかじめ決めた時間またはチャージ閾値に達すると、電気スイッチがチャージポンプと外部回路を接続し、蓄積電荷が外部回路へ移動する。概念として、電気的に制御したスイッチを用いて、大型太陽電池アレイの電荷蓄積電池を相互接続し、電気回路に放電すると考えられる。本発明において説明したモノリシック手段を用いて、電子機能を実装することができる。容量記憶セルは、例えばＳｉＯ２、シリコンのオキシニトリド、Ｓｉナノ結晶、ＳｉＮＸおよび/または高誘導率材料を用いて作製し、適切な容量能を形成する。
【０１２４】
図６３は、チャージポンプ型太陽光モジュール６３００を開示する。ウエハ全体でチャージポンプおよび放電ユニットが複製されるため、本発明において説明したウエハスケール機能性がもたらされる。図は、本装置の機能が、光子をＣｃｅｌｌアレイに蓄積される電気的光キャリアへ変換する電荷蓄積ユニット電池６３０２からなることを示す。電気スイッチ６３０４は、蓄積電池のチャージ時間および放電時間を決定する電気回路６３０５により制御される。電力調整ユニット６３０３は、外部への出力６３０６に適する時間変動電流パルスを処理する。時間変動電流パルスおよび蓄積電荷を６３０７として示す。ポンプとダンプのサイクルは、スイッチの位置（それぞれ開放状態および閉鎖状態）によって決まる。そのようなシステムの実用性は、電力ピークが大きく、内部および／または外部電力コンディション回路で有利に使用され、高効率で交流へ変換できることである。外部負荷も、前述のモジュールの高いピーク出力を有利に利用すると考えられる。
（太陽電池と光キャリア増倍：アバランシェ増倍装置）
【０１２５】
先行技術の単一接合の基本的限界、ＳＪ太陽電池のデザインでは、外部の電気接触子でせいぜい１個の光子Ｄが電子‐正孔（ｅ−ｈ）対へ変換され、続いて有用な光電流Ｉｐｈへ抽出される程度である。つまり、理想的なＮ個の光子の場合、Ｎ個の光子がＮ個の電子およびＮ個の正孔へ変換され（Ｎπ→Ｎｅ−ｈ＝Ｎｅ＋Ｎｎ）、続いて光電流Ｉｐｈ∝ＮＤ＝Ｎｅ＋Ｎｈとなる。太陽スペクトルのＳＪへの最適な光結合を用いた場合、このプロセスの太陽エネルギーの最大変換効率ＤＳＪ=２５ないし３２％である。本発明は、この限界を上回るようにＳＪの変換効率を高めるための新しい機構を教示する。
【０１２６】
本明細書で開示される装置および方法を用いて、吸収されたエネルギーの光子に対し１個の電子‐正孔対を生成する太陽エネルギー変換装置を作製することは可能である。前述の光生成電荷キャリア数は内的に増倍され、電子および／または正孔の数に対し、電子の場合は増倍係数Ｍｅ、正孔の場合は増倍係数をそれぞれ乗じる。つまり、ＮＱ→Ｍｅ＊Ｎｅ+Ｍｈ＊Ｎｈ、Ｉｐｈ∝Ｍｅ＊Ｎｅ+Ｍｈ＊Ｎｈとなる。
【０１２７】
ＳＪ太陽電池装置に関する先行技術は、典型的にはバイアスがかかっていないため、小さなビルトイン空乏フィールドの影響下では単純な拡散および/またはドリフト光生成を用いたキャリアの移動に依存する。本発明は、入射する日射を電源にする電圧源を生成するための前述のウエハモジュールの専用部分を構築するのに適するウエハスケール平面処理法の使用を教示する。このために、新しい太陽エネルギー変換装置を作製し、光-電子変換装置内部に大きな電界を生成することができる。
（シリコンにおけるアバランシェ増倍効果）
【０１２８】
アバランシェ増倍（ＡＭ）プロセスにより得られた内部の電気的なゲインにより、同一の光フルエンスに対し光エネルギー変換システムがより多くの光電流を生成できるようになる。本発明の一つの実装例は、ＡＭプロセスに対するシリコンにおけるｐ−ドープ型およびｎ‐ドープ型領域からなるｐ−ｉ−ｎホモ接合の使用を教示する。これらのドープ型領域は、空乏領域全体における一定の電界下で、任意選択的には活性の内部領域により分離される。ＡＭを組み込むその他の太陽電池構造は、（ｉ）ヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ（ＨＢＰＴ）、（ｉｉ）多数キャリア装置、（ｉｉｉ）フォトコンダクタである。これらの装置のうち、ｐ−ｉ−ｎ接合型装置は逆バイアスがかかっているため、大きな暗電流がない状態で大きな電界強度が生じる。一方、ＨＢＰＴおよび光導電装置はｐ−ｉ−ｎ接合型装置以上のゲインを有するが、大きな暗電流が生じる。本発明の場合、太陽光フルエンスの時間尺度が基本的に一定であるため、直流操作のみが必要である。このような暗電流は外部回路にとってはエネルギーロスの原因であるため、太陽電池の光電流がｐ／ｎ接合検出器を上回るように改善するには、ｐ−ｉ−ｎ構造を使用することがもっとも成功する。
【０１２９】
図１０５は、ウエハスケールモジュール内に組み込まれたアバランシェ増倍効果（ＡＭ）を示す太陽電池の概略図である。ＡＭ電池は、電子‐光変換（ＰＤ）ブロック１０５０５と内部の電気的ゲインブロック（Ｇ）１０５０７として別々に示される。ＡＭ電池の代替の実装では、図７７で開示されたのと同一ユニット電池にＰＤおよびＧ関数が組み込まれる。図１０５０９に示されるとおり光子は電子および正孔へ変換され、光電流ＩＰｈを構成する。ゲインセクションは、１０５１０で示されるキャリア増倍プロセスを介して入力される光電流の増幅を含む。吸収および増幅によりノイズが発生する。Ｎｉ１０５０３およびＮａ１０５０４は、それぞれ内部のＩＰｈ１０５０６および増幅された光電流Ｍ＊Ｉｐｈ１０５０８上にのっている。典型的には、高感度の光信号検出装置にとって増幅ノイズＮａは欠点かつ制限であり、有用な増幅比の上限を制限する。本発明では、ノイズ源が大きくても、太陽エネルギー変換スキームにおいて、大きな増幅（Ｎａ）の実用性を制限しない。事実、等価ノイズ電力を有利に用いて、生成される総直流をもたらす。半導体における入射光子の電荷キャリアへの変換は、光子エネルギーが電子バンドギャップを十分に上回る場合、効率よく生じる。直接バンドギャップ半導体における吸収およびその後の電子‐正孔対生成は、フェムト秒単位で生じ、Ｓｉ等の間接バンドギャップ半導体では若干長くなる。光生成キャリアのその後の緩和は、材料および装置の実装に依存している。電子または正孔の増幅は、アバランシェ増倍プロセスにより達成される。光生成キャリアの一つのタイプの増倍は、高ゲインの真空光電子増倍管で使用される原理と似ている。
【０１３０】
シリコンは、ダイアモンド結晶の対称性によって決まる間接バンド構造を起因とするアバランシェ増倍効果を得るのに優れた材料である。しかし、シリコンは、基礎バンドエッジ近くの波長では、長波長放射線を効率的には吸収しない。逆に、立方格子を有する第ＩＩＩ-Ｖ族ＩｎＧａＡｓＰ第四級合金直接バンドギャップ半導体は、非常に効率よく長波長光子を吸収する。残念ながら、電子および正孔のイオン化係数の差が小さいため、立方格子の結晶対称性および直接バンドギャップ構造もアバランシェ効果を阻害する。
【０１３１】
一つの実施形態では、本発明は、間接バンドギャップ構造を呈する単結晶半導体結晶におけるキャリア増倍を基盤とする太陽電池装置を教示する。具体的には、単結晶シリコンまたはゲルマニウムまたはシリコンカーバイドおよび第ＩＶ族半導体の混合物を使用する。リン化ガリウム等の化合物半導体も間接バンドギャップエネルギーを呈するため、本技術に適合する。代替方法として、ＧａＰおよびＳｉを基盤とする層構造も可能であり、ＡＭ装置のバンドギャップ工学に有利に使用できる。代替方法として、結晶粒が十分に大きく、アバランシェプロセスが生じる場合、大粒径の多結晶構造におけるキャリア増倍は可能である。単結晶粒が約１ミクロン以上あれば許容可能である。多結晶の間接バンドギャップ半導体により、液晶画面（ＬＣＤ）用コーニングガラスまたはフレキシブルな膜（カプトンおよびステンレス鋼等の有機膜または無機膜の両方）等、大面積基板上の太陽電池作製にかかるコストが低くなる。一部の実施形態では、４００ｎｍ以下の日射は、アバランシェ増倍効果の恩恵を受けて、エネルギー交換装置のエネルギー出力の約５０％以上を生じる。
【０１３２】
本発明の一部の実施形態において、単結晶および／または大粒径を呈する薄膜を直接被着させた間接バンドギャップ半導体は好適である。
【０１３３】
本発明の一部の実施形態において、単結晶および／または大粒径を呈する薄膜を直接層移動させた間接半導体も好適である。
（アバランシェ効果を示す太陽電池の理論）
【０１３４】
半導体における衝撃イオン化作用は、強度の強い電界によりフリーキャリア（電子等）が加速され、十分なエネルギーを獲得して衝突により別の電子を価電子バンドから導電性バンドへと昇格させるプロセスである。衝撃イオン化を観察するのに必要な電界は、半導体のバンド構造に依存しており、範囲は低ギャップ半導体（例、ＣｄＨｇＴｅおよびＩｎＧａＡｓ、ＥＧ＜０．３ｅＶ）の１０ｋＶｃｍ−１未満ないしＧａＡｌＮおよびＧａＰ（ＥＧ＞２ｅＶ）等の広ギャップ材料の１００ｋＶｃｍ−１超までである。
【０１３５】
衝撃イオン化に必要な最小エネルギーは、イオン化閾値のエネルギーＥｔｈである。閾値エネルギーは、電子および正孔のイオン化率、それぞれＤ１およびＤ１を規定する。イオン化係数は、電子または正孔が移動して電子‐正孔対を生成する電界の方向に沿った平均距離の逆数の逆関数である。連続衝撃イオン化イベントは、アバランシェ増倍効果をもたらす。アバランシェゲインの大きさは、Ｄ１およびＤ１、高電界領域の長さ、および光吸収プロセスの種類等、キャリア注入状態によって完全に決まる。
【０１３６】
衝撃イオン化は、入射エネルギーの電荷キャリアが拡散し、さらに低エネルギーのフリーキャリアが生成される３体衝突プロセスである。電荷キャリアの最終状態は、残りの運動エネルギーと運動量により分散する。入射衝撃イオン化キャリアのエネルギーは、典型的にはホスト結晶のバンドギャップエネルギーより大きい。
【０１３７】
バンドギャップＥｇ、スピン軌道分裂価電子分離エネルギーＥＳＯ、導電性バンドおよび価電子バンドの有効質量、それぞれｍ＊ｅおよびｍ＊ｈは、図６４に示されるとおり、基礎にある結晶構造の対称性によって決まる。概して、半導体バンドのＥ−ｋ分散関係は、エネルギーが低位の導電性バンドおよび価電子バンドの極値から離れている場合、単なる放物形バンドではなく、異方性の強いｋ空間において複雑な構造を呈する。衝撃イオン化モデルは、この時点で有益である。
【０１３８】
Ｅ−ｋ分散関係の粒子により示される典型的な衝撃イオン化イベントについて検討する。導電性バンドにおける初期の熱い電子は、別の電子を価電子バンドから導電性バンドへ昇格させることで衝撃イオン化する。総エネルギーＥＴおよびキャリアの総運動量ＫＴは、
2011520257.tif 000010
および
2011520257.tif 000011
により規定される。
この場合、Ｅｉ（ｋ）はｉ番目のバンドにおけるエネルギーで、波数ベクトルはｋｉである。イオン化の閾値を見つけるため、規定のＫＴについてＥＴを最小限にし、エネルギーおよび運動量は保存する。
【０１３９】
つまり、
2011520257.tif 000012
である。
上述の反応式を置き換え、群速度
2011520257.tif 000013
が判明したら、次の式が得られる。
2011520257.tif 000014
【０１４０】
は、ｖ１＝ｖ２＝ｖ３の場合、およびこの場合のみ、満足できる。
【０１４１】
つまり、衝撃イオン化キャリアが対生成と一致する最小限のエネルギーを持つために必要であるが足りない条件は、等しい群速度を有する最終状態のキャリアを持つことである。
【０１４２】
最後に、エネルギー‐運動量保存には、開始初期電子Ｅｉ（Ｋｆ）と同等の総エネルギーを持つ最終キャリアが必要である。電子開始衝撃イオン化Ｄ１（Ｅ）の単位時間あたりの確率は、Ｅｉ（ｋｉ）が衝撃イオン化電子の初期エネルギーであるボルン近似により表わされる。
【０１４３】
閾値近くの衝撃イオン化率は、Ｄ＾ｉ（Ｅ）−１＝Ｄｐｈ（Ｅｉ）−１Ｄ（Ｅ−Ｅｉ）Ｅｉ−２により得られる。誘導率が大きな半導体の場合、項ＤＰｈ（Ｅｉ）は閾値における電子のフォノン拡散率であり、Ｄは定数である。閾値エネルギーを上回るイオン化の確率は、極めて速やかに上昇し、すぐにフォノン拡散率を超える。フォノンとの衝突によりキャリアのエネルギーおよび運動量損失が制御されるため、衝撃イオン化による電子‐正孔の生成に必要な平均距離が影響を受ける。フォノンの衝突が認められない場合、距離はＬ＝Ｅｉ／（ｑ．Ｆ）、Ｆは電界強度、ｑは電子の電荷である。フォノンの拡散により、この距離が大幅に長くなる。電界と逆の方向への拡散は、エネルギーキャリアの減速（冷却等）に極めて有効である。Ｅｇ＞０．５ｅＶの半導体の場合、衝撃イオン化に影響を及ぼす拡散プロセスは、変形ポテンシャル相互作用（相対的にｋが大きい光学および音響フォノンの縦方向の谷間散乱等）であり、センターゾーンの光学フォノンエネルギーのオーダーはＥｐｈである（〜２０未満ないし４０ｍｅＶ）ことを特徴とする。ＥｒＰ、ＥｒＮ、ＩｎＳｂ、およびＩｎＡｓ等、ギャップの小さな半導体では、極性光学フォノンの拡散の強度は限定されている。したがって、増倍プロセスは温度の影響を受けると考えられる。
【０１４４】
有用な材料に依存するパラメータは、キャリアが単位長さＬ内でイオン化を引き起こす確率に相当する電子（正孔）イオン化係数ＤＤである。イオン化係数は、電界の強度および結晶の配向に大きく依存している。ＡＭ性能を説明するのに重要なパラメータは、Ｑ＝ＤＤにより規定されるイオン化比である。正孔が衝撃イオン化を引き起こさない場合、Ｄ＞＞１である。これは、シリコン等、間接バンドギャップ半導体の場合である。Ｇｅおよびほとんどの第ＩＩ−Ｖ族合金で確認されるとおり、Ｄないし１である場合、これは電子と正孔の両方がイベントを開始する衝撃イオン化を引き起こす場合に当てはまる。電界の加速の方向が固定されるため、増幅された競合電子および正孔電流が反対方向に向かって流れることに留意する。これにより正のフィードバック機構が生じ、制御されない方法で進行し、ゲイン領域を行ったり来たりする。望ましくない性能では、増幅プロセスが不確定性であり、イオン化されたすべてのキャリアを完全に取り除くのに余計な時間がかかるため、最終的な回数が少なくなる。Ｄ＝またはＤ＝∞という理想的な場合でも、キャリアが経験する衝撃イオン化の正確な回数にはある程度のランダム性がみられる。このようなランダム性が生じるのは、衝撃イオン化の総回数が、イオンが生成または注入される位相空間構成、開始キャリアのタイプ、電界の局所の強さ、局所のドープ密度、およびゲイン領域を介してキャリアが通る経路に依存しているからである。結果的に、ＡＭプロセスは本質的に統計的であるため、吸収された各光子について、外部回路に到達するキャリアの正確な数に変動が生じるのは避けがたい。これはＡＭを示す太陽電池内のノイズ源Ｎａに相当し、増幅ノイズまたは過剰ノイズと呼ばれる。
【０１４５】
長さＬの内部領域を有するｐ−ｉ−ｎ接合型装置における電子および正孔の増幅、それぞれＭＥおよびＭＨを用いて有効なイオン化係数を規定する。使用するのは
2011520257.tif 000015
である。
さらに、単結晶Ｓｉについては、１５＜Ｔ＜４２０°Ｋの範囲でのイオン化係数の温度依存性について
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【０１４６】
および
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【０１４７】
により適切に説明される。
【０１４８】
ｐ＋／ｎおよびｎ＋／ｐ接合およびｐ‐ｉ‐ｎ＋装置のｐ＋またはｎ＋Ｓｉ領域において光子を選択的に吸収することで、純電子または純正孔のいずれかの注入により光増倍を開始することができる。例えば、４００ｎｍの光子は１ＤｍのＳｉにほぼ完全に吸収される。バンドギャップを上回る放射線が最初にｎ＋（ｐ＋）層上に入射し、ｅ−ｈ対を生成する高度にドープされた不純物層内に完全に吸収された場合、正孔（電子）のＡＭ領域への注入は無視できる。
【０１４９】
電界の強度が増強するにともない、イオン化比Ｐ＝ＤＱは増加するが、典型的にはＳｉの温度上昇とともに減少する。典型的には、太陽電池の操作温度は光電流における最適なＡＭゲインを決めるため、ボード上のウエハモジュールの温度センサーを用いて、電界の強度を有利に変更できる。暗電流は、太陽エネルギー変換性能を決定する重要なパラメータである。暗電流Ｉｄａｒｋは温度依存性であり、ｅｘｐ（−Ｅｇ／ｋＢＴ）として様々であるため、温度低下により性能が著明に向上することも確認されている。
【０１５０】
実用的なＡＭ装置において、入射光が強いときの最大の達成可能なｄｃ増幅（光電流ゲイン）は、直列抵抗および空間電荷効果（Ｒで表わす）により制限される。光電流増幅Ｍｐｈは、
2011520257.tif 000018
【０１５１】
の関係により規定される。この場合、ＩＴは総増幅電流、ＩＤは暗電流、ＩＭＤは増幅暗電流、ＩＰは総非増幅電流、ＶＲは逆バイアス電圧、ＶＢＤは破壊電圧である。
【０１５２】
係数ｎは、装置の特定の構造および入射波長に依存する。太陽電池上の高輝度照明の場合、ＩＰ＞＞ＩＤ、ＶＢＲ＞＞ＩＴＲであるため、増幅された光電流が最大となる。
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【０１５３】
図６４は、間接バンドギャップ単結晶半導体（Ｓｉ等）のエネルギー‐運動量分散構造におけるＡＭプロセスを示す。過剰に大きなエネルギーを用いて、低位の導電性バンドエッジに対し、初期の熱い電子６４０１が注入される。熱い電子は、逆オージェプロセスを介して、いわゆる衝撃イオン化し、弛緩して低エネルギー状態となり６４０２、さらに低エネルギーの電子６４０３および正孔６４０４を生成する。正孔６４０４は、価電子バンドの最高値６４０６および／または６４０７で必ずしも生成されないが、|ｋ３−ｋｖ０|＞０と考えられる。正孔は、スピン軌道価電子バンド６４０８でも生成されると考えられる。初期に注入される熱い電子６４０１は、典型的には基礎バンドギャップエネルギー６４０９以上の過剰エネルギーを有する。
【０１５４】
したがって、Ｓｉ導電性および価電子バンドエッジに対して過剰に大きな初期の紫外線電子‐正孔エネルギーにより、比較的低い電界強度で生じる効率のよいＡＭプロセスに必要なエネルギーが得られる。つまり、優先して高エネルギー光子の選択的吸収を用いることで、太陽エネルギー変換のためにＡＭプロセスを最適化することができる。
【０１５５】
図６５Ａは、平面的に傾斜する電界を持つＡＭを示すｐ−ｎ接合太陽電池を形成するのに必要な一般的な作製方法を示す。この概念では、傾斜ドーププロファイルを導入して、注入されたキャリアを加速するのに使用する電界を調節する。例えば、マスク６５０５を介してＳｉ基板６５０７を注入し、ｐ＋領域として選択的にドープされた領域６５０６を形成する。次に空間的に特徴を持つマスクを被着６５０８させると、ｎ＋型導電性の選択的区域注入部６５０９が形成される。表面上の距離の関数として、注入部６５０９をデジタル的ドープ領域として使用して電界プロファイルを形成する、あるいは注入部を作製して実質的には連続する傾斜ドーププロファイルを形成することができる。熱アニールを用いてドープ領域６５０９を横方向に融合および／または拡散させる。次のステップ６５０４では、電界の極値まで電気接触子６５１１および６５１２を実行し、太陽生成光電流および増幅電流を抽出するのに使用する領域を作成する。図６５Ｂに示されるとおり、本発明で開示されるプロセスを用いて薄膜単結晶Ｓｉから構成される最終傾斜電界活性領域を移動させ、代替または交換用基板６５１７上に、集積電気相互接続を有する薄膜傾斜電界太陽電池６５１８を形成する。反射防止膜６５１５を用いて、入射する日射６５１４を、ウエハスケールモジュールを形成する太陽光変換電池へ効率的に結合する。ＡＭプロセスに使用される電界を生成するのに使用される電圧バイアスは、ウエハスケールモジュールにおいて隣接部に配置される、同一の入射太陽束６５１４からの電圧生成用に最適化された専用の太陽電池を用いて生成される。
【０１５６】
図６６Ａは、図６５で開示された装置として作製された同一の傾斜電界構造を示すが、注入領域６６０６に対し勾配が反対である高濃度および低濃度領域６６１０を有する。選択的区域注入部６６０６および６６０９は、それぞれマスク６６０５および６６０８により規定される。図６６Ｂのとおり、代替基板６６１７上に薄膜Ｓｉ傾斜電界を持つＡＭを示す太陽電池６６１８が作製される。反射防止膜６６１５を用いて、太陽光６６１４を活性領域へ結合する。
【０１５７】
図６７は、波長選択性空間領域が優先的に吸収され、光生成電荷キャリアが初期に生成される、図６６に記載した傾斜電界を有する太陽電池装置６７０６を示す。吸光係数が小さい長波長太陽光子６７０２は、薄膜Ｓｉと代替基板の界面に近い領域６７０５で、ｅ−ｈ対を生成する。短波長光子６７０１は、実質的にはｚの方向６７０８に、反射防止カプラー６７０３に向かって配置される領域６７０１で、ｅ−ｈ対を生成する。光生成キャリア６７０４および６７０５は、ＡＭプロセスが生じる方向６７０７に、横方向電界に沿って有利にドリフトおよび加速される。
【０１５８】
図６８は、図６６および６７の装置６７０６における不純物のタイプおよび濃度の一つの例を示す。注入部６６０６により、傾斜電界はｐ＋領域を用いて生成される。隣接するスパイクｎ＋領域６８０９および６７０７の方向に沿って指数関数的段階的に低下するｎ型濃度を６８１０として示す。開示された横方向の電気構造は、ｐ＋６８０１／ｎ＋６８０２／ｎ６８０３／ｎ‐６８０４／ｉ６８０５のアバランシェ増倍効果を示す太陽電池の基礎をなす。
【０１５９】
図６９は、本発明の代替注入不純物ドーププロファイルを用いて、アバランシェ増倍効果を示す太陽電池の一例を示す。Ｄ型の基板を使用する。Ｎｎの濃度６９０９のキャリアがバックグラウンドを形成する。高濃度でドープしたｐ＋６９０３およびｎ＋６９０５領域にまで及ぶ領域として、ドリフトおよびアバランシェ増倍領域６９０２および６９０４を示す。そのため、形成されるデバイスは、ｐ＋６９０１／Ｄ６９０２／Ｄ＋６９０３／Ｄ６９０４／ｎ＋６９０５のＡＭ効果を示す太陽電池である。
【０１６０】
図７０は、図６９のＡＭ効果を示す太陽電池の内部電界プロファイル７００５をさらに開示する。ドリフト領域７００１およびアバランシェ増倍領域７００２を示す。光生成キャリアが生成され、表面近くの濃度が高く、装置の下方に向かって指数関数的に低下する。Ｓｉでは、長波長（低エネルギー）光子７００３は、短波長（高エネルギー）光子７００４より深いドリフト領域に到達する。
【０１６１】
図７１は、バイアスがかかっているｎ−ｉ−ｐ接合太陽電池における波長依存性吸収およびアバランシェプロセスを図示する。電子注入７１０１および正孔注入７１０２に対し、Ｓｉのバンド構造が重ねて示される。短波長光子は、実質的には注入正孔７１０７を生成するｎ型領域７１０４内に吸収され、長波長光子７１０３は、注入電子７１０６を生成するｐ型領域まで吸収される。注入正孔は正孔カスケード７１０２を開始し、注入電子は電子カスケード７１０１を開始する。
【０１６２】
図７２Ａは、本発明で開示された方法を用いて、薄膜Ｓｉ横方向バイポーラフォトトランジスタを用いた太陽電池を作製する一般的なプロセスを示す。マスク７２０５を介してコレクター領域７２０６が、任意選択的にはＳｉ基板７２０７にまず注入される。同様に、ステップ７２０２の選択的区域注入７２０９が実質的にはコレクター領域に対し反対の導電型を有する基部を規定する。エミッターＥ領域７２１１はマスク７２１０により規定され、実質的にはコレクターＣと同一の導電型を有する。最後に、ステップ７２０４でＣ７２１２、Ｂ７２１３、およびＥ７２１４領域と電気接触させると、パッシベーション層７２１５が作製される。図７２Ｂのとおり、本明細書で開示された方法を用いて、代替基板７２１９上に薄膜Ｓｉ装置も作製される。結合層７２１７を通って光線が活性領域７２０２および／または７２０６および／または７２１１および／または７２０９に結合される。ユニット電池７２１８の電気相互接続を用いて電気光電流が抽出され、ウエハスケール太陽モジュール内部で有利に蓄積される。
【０１６３】
図７３Ａは本発明の代替実装例を作製する一般的なステップを示す。金属酸化物半導体薄膜Ｓｉ太陽電池は、実質的には基板７３０７とは異なる導電型の選択的区域注入７３０６を用いて作製される。ステップ７３０１で使用されるマスク７３０５は任意選択的に除去され、別の層７３０８が被着および／または育成される。注入７３０６のために活性化アニールを実行してから、選択的区域の誘導性領域７３０９に被着させる。ステップ７３０４は、薄膜Ｓｉの電界作用を有する太陽電池に被着させた電気接触子７３０９、７３１０、および７３１１を示す。薄膜Ｓｉ太陽電池は、代替基板７３１４（図７３Ｂ）上に作製し、相互接続７３１５を用いてそのような太陽電池のアレイと相互接続することができる。光線７３１２は、低反射および／または低吸収ロスの結合層７３１３を介してＳｉ薄膜へ結合される。
【０１６４】
図７４Ａは、薄膜Ｓｉ層７４０７と電気接触層７４１０とを分離する誘導体層７４０８を用いて単純な薄膜Ｓｉ装置を作製する手順を図示する。パッシベーション層７４１２を被着させ、任意選択的にはＣＭＰ方を用いて表面７４１２を平坦化する。薄膜Ｓｉ装置は、代替基板７４１６（図７４Ｂ）上に作製され、電池は相互接続７４１７を用いて同一の多くの電池と相互接続される。光線７４１４は、低反射および／または低吸収ロスの結合層７４１５を介してＳｉ薄膜へ結合される。
【０１６５】
図７５は、代替基板７５０４上に作製される平面および非平面電界を使用する、任意選択的にはシリコンのハイブリッド薄膜単結晶シリコン装置を示す。薄膜Ｓｉ層７５０３に、ｐ型７５０７およびｎ型７５０８領域を一定の距離７５１１をあけて注入および／または拡散する。注入領域は、本明細書で開示された方法を用いて、代替基板回路と相互接続する金属接触子（図なし）と電気的に接続される。誘導体層７５０６を用いて、Ｓｉ領域７５０３と結合領域７５０５を空間的に分離する。電極７５０５は、Ｓｉ７５０３と誘導体７５０６との間に形成される界面における電荷の蓄積または空乏を制御する。入射光線は、低ロス結合層７５０２を介して７５０３へ結合される。内部の光反射７５０９および７５１０を用いて、薄膜Ｓｉ太陽電池内に吸収されない光子を再利用できる。
【０１６６】
図７６は、代替基板７６１２上に作製される平面および非平面電界を使用する、任意選択的にはシリコンのハイブリッド薄膜単結晶装置についてより詳細に示す。薄膜Ｓｉ層７６０３に、ｐ型７６０７およびｎ型７６０８領域を一定の距離７６１１をあけて注入および／または拡散する。注入領域は、本明細書で開示された方法を用いて、７６１５により形成される電気回路を使用する代替基板回路と相互接続する金属接触子７６０５と電気的に接続される。誘導体層７６０６を用いて、Ｓｉ領域７６０３と結合領域７６２０を空間的に分離する。電極７６２０は、Ｓｉ７６０３と誘導体７６０６との間に形成される界面における電荷の蓄積または空乏を制御する。入射光線は、低ロス結合層７５０２を介して７５０３へ結合される。内部の光反射７６０９および７６１０を用いて、薄膜Ｓｉ太陽電池内に吸収されない光子を再利用できる。
【０１６７】
図７７ＡおよびＢは、図７５および７６に記載されているハイブリッド横方向ｐ−ｉ−ｎ  ＭＯＳアバランシェ増倍太陽電池装置の平面図および断面図を示す。ｐ型７７０４およびｎ型７７０６注入領域は、交差指型のフィンガー構成を用いて形成する。導電性のゲート電極７７０５を図７７Ａに重ねて示す。ｐ−ｎ接合（ゲート電極下）に光電流のアバランシェ増倍が生じ、注入追加により破壊ポテンシャルが減少する。ＡＭ−ＭＯＳにかけた電流が、半導体の空乏層と酸化物層との間に拡散する。ｐ−ｎ接合の規定のマイクロ領域におけるアバランシェプロセスにより生成される正孔キャリアは、Ｓｉ‐ＳｉＯ２界面の小領域に集まる。アバランシェ領域からドレイン接触部までの正孔電荷キャリアのドリフトは、高抵抗層により提供される。
（ＭＯＳ  ＡＰＤ：金属酸化物半導体ヘテロ接合における衝撃イオン化）
【０１６８】
周知の金属酸化物半導体構造は、電流高性能ＵＬＳＩ  ＣＭＯＳの基礎である。太陽エネルギー変換への適合は、代替基板上に配置される薄膜短結晶Ｓｉを基盤とする、適切なデザインのＭＯＳ装置により実現する。図７８ＡおよびＢと図７９ＡおよびＢは、ＳｉＯ２および／または希土類酸化物、窒化物、またはリン化物誘導体層を用いる薄膜Ｓｉ  ＭＯＳ型太陽電池装置のエネルギーバンド構造を示す。図７８ＡおよびＢは、図７３ないし７７で開示される装置を示す。金属電極は、誘導体層と密接に接触している。誘導体層は、単結晶の、任意選択的にはＳｉの薄膜に被着される。厚い誘導層の場合、挙動は絶縁性である。＜１０ｎｍの誘導性層の場合、量子力学的トンネル効果により漏れやすい。ＭＯＳ構造における高誘導率材料の使用により、酸化物‐シリコン界面に光生成電荷キャリアが効率的に閉じ込められる。
【０１６９】
図７９ＡおよびＢは、誘導体層にドープされたシリコン電極層が被着されるＭＯＳ構造の変形タイプを示す。一つの実装例では、ｎ型Ｓｉ接触層、酸化エルビウム誘導体性およびおｎ型基板を使用する。伝導型のその他の組み合わせも可能である。
【０１７０】
例えば、図７７Ｂの層７７０３では、高誘導率ＲＥ［Ｏｘ］材料を横方向ｐ−ｉ−ｎ  ＭＯＳ  ＡＭ電池に適する層として使用してもよい。さらに、図７８ＡおよびＢと図７９ＡおよびＢの構造は、本明細書で開示される種々の装置で説明されるＡＭ太陽電池の実装にも使用できる。例えば、図７３は、層７３０９について、単純なＲＥ［Ｏ、Ｎ、Ｐ］組成物を用いて実装される。代替方法として、既出のより複雑な膜の組成物［Ｚ］ｕ［ＲＥ１］ｖ［ＲＥ２］ｗ［ＲＥ３］ｘ［Ｊ１］ｙ［Ｊ２］ｚを使用できる実施形態もある。
（別のアバランシェ増倍型装置）
【０１７１】
幸運なことに、Ｓｉは電子（Ｄ）と正孔（Ｄ）のイオン化係数の差が大きいという固有の特性を有するため、優れたアバランシェ増倍特性を呈する。本発明は、シリコン二酸化物（ＳｉＯ２）および／または希土類酸化物（ＲＥ−Ｏｘ）構造から構成される酸化物層を有するＭＯＳ装置をさらに開示する。ｐ−ｉ−ｎヘテロ構造内の酸化物層間に適切に配置されるｉ：Ｓｉ層を用いた別のキャリア増倍領域が使用できる。例えば、金属‐ＳｉＯ２／Ｓｉ（ＡＭＲ）／ＥｒＯｘ／Ｓｉ積層は、エピタキシャル育成を用いて形成できる。
【０１７２】
ｎＭＯＳ太陽電池装置の変形形態を変更し、別のアバランシェ増倍領域（ＡＭＲ）を含めてもよい。ＡＭＲで生成されるキャリアは、衝撃イオン化後にＳｉＯ２および／またはＣ‐ＥｒＯｘ層へ到達することにより、平均相互作用長ＬＤを超えて蓄積する。電子がＡＭＲに注入された場合、Ｌπ〜１／Ｄａｂｓの距離後の衝撃イオン化により、ｅ−ｈ対が生成される。アバランシェプロセスは、本質的には統計的であるため個々のキャリアのアバランシェゲインは異なっており、分布に平均的な増幅ゲインのノイズを有することでノイズの変動が増幅することを特徴とする。キャリアの一つのタイプが優先して衝撃イオン化した場合、このようなフィードバックはなくなる。Ｓｉでは、Ｑ＞１０００であることが実証されている。薄い内部領域の階段接合を有するＳｉ  ｐ−ｉ−ｎアバランシェフォトダイオードは、増倍係数Ｍ〜１０が可能である。本発明では、わずか３０ないし１００ｎｍのデッドスペースを使用する。したがって、わずか３００Ａ未満の厚さのＡＭＲは、５Ｖ未満の逆バイアスによりＭ〜１ないし１０をもたらす。
（シリコンにおけるアバランシェ増倍効果の波長依存性）
【０１７３】
吸収深度およびアバランシェプロセスに対する入射光子エネルギーの作用は、高効率薄膜単結晶太陽エネルギー変換装置のデザインにおいて有利に利用できる。具体的には、実質的には太陽スペクトルの紫外線部分に入射する高エネルギー光子は、Ｓｉの極めて浅い深度で完全に吸収される。吸収されたＵＶ光子は、低位の導電性バンドおよび価電子バンドに対し過剰に大きなエネルギーでほぼ瞬時にｅ−ｈ対へ変換される。これらのＵＶ光生成ｅ−ｈ対は熱くなるとされている。先行技術の太陽電池装置では、これらの熱いｅ−ｈ対は、効率よくフォノン場と結合することで、Ｓｉ結晶格子内で熱的に平衡化する。先行技術の装置は、典型的には、外部接触部で光電流を抽出するためのバルクＳｉ装置内の電荷キャリアの拡散に依存している。概して、先行技術の装置は、使用される装置の長さスケールにより、すなわちこれらの装置が大型であるため、キャリアが接触部まで長距離（＞１ｃｍ）にわたって拡散しなければならないため、これらのＵＶ光子を利用して有用な光電流を生成することができない。
【０１７４】
本発明は、約２００ないし５００ｎｍの範囲の波長の光子を吸収するために最適化される薄膜単結晶Ｓｉの使用を教示する。さらに、前述の装置は、アバランシェプロセスに必要な強い電界強度をもたらし、そのため光吸収プロセスで初期に生成される電荷キャリアの数を増倍するために使用される領域に有利に与えられる高電圧の外部バイアスを有する。本発明は、ＡＭプロセスに限定されない。電界強度がわずかであっても、光生成キャリアを効率的に抽出するのに適する有利なドリフト場を使用できる。したがって、本発明は、外部電圧バイアスを用いるすべての装置の使用を主張する。外部電圧バイアスはウエハスケール集積太陽モジュール内に集積されるため、自己供給式である。
【０１７５】
本発明は、薄膜単結晶Ｓｉの有利な使用により、高エネルギー光子吸収の使用を教示する。さらに、Ｓｉの基礎バンドギャップＥｇ（Ｓｉ）＝１．１２ｅＶに対し過剰に大きなエネルギーを用いて、高エネルギー光子は熱いｅ−ｈ対を生成する。Ｅｇまたはこれよりやや上で生成される光キャリアは、過剰エネルギーが極めて小さく、冷たいとされている。例えば、５００ｎｍ（２．４８ｅＶ）の光子は、総過剰エネルギー１．３６ｅＶでｅ−ｈ対を生成する。このエネルギーは、電界が高加速されないため、アバランシェ増倍を開始するには不十分であるが、初期に生成される電子および正孔には、電界によりさらに加熱され得る初期の大きな過剰エネルギーを与えている。つまり、ＡＭを開始するのに必要な電界強度は、基礎バンドエッジ近傍のエネルギーを有する光子より高エネルギーの光子のほうが低い。
【０１７６】
さらに、４００ｎｍ（３．１ｅＶ）の光子の選択的吸収は、初期に総過剰エネルギーが２．９ｅＶの熱いｅ−ｈ光キャリアを生成する。前述の電子および正孔へのエネルギーおよび運動量の拡散に基づけば、過剰エネルギーはＳｉのバンドギャップ以上であれば十分である。前に説明したとおり、これは高効率ＡＭプロセスにとって有利である。したがって、熱い電荷キャリアを加速するのに必要な所要電界強度は、冷たい光キャリアの場合より低くなる。
【０１７７】
本発明は、Ｓｉにおける波長依存性アバランシェ増倍効果の利用をさらに開示する。（希土類イオンを含む薄膜太陽電池）
【０１７８】
太陽電池活性領域を単結晶、多結晶、ガラス等のアモルファス、または有機あるいは金属基板上に直接被着してもよい。一つの実施形態では、多層希土類酸化金属およびゲルマニウム（ＲＥ‐Ｏｘ／Ｇｅ）膜を従来の窓ガラスに被着させる。代替方法として、ポリイミド、カプトン、またはその他のポリマーを用いた基板が適切な基板である。多結晶ＲＥ‐Ｏｘ層は、多結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）を被着させるのに有効なテクスチャー加工構造を呈するという条件下で被着してもよい。多結晶ＲＥ‐Ｏｘ／Ｇｅ構造により、高効率の太陽電池装置を生産できる。代替方法として、多層ＲＥ‐Ｏｘ／Ｇｅ薄膜構造を超格子およびＭＱＷに適する平面トポロジーに被着させ、太陽電池用途に組成物およびデジタル合金構造を持続的に傾斜させる。
【０１７９】
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【０１８０】
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【０１８１】
成分の個々の基本起源を用いる費用対効果の高い被着法が好適である。代替方法として、原子層被着（ＡＬＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、および分子線エピタクシー（ＭＢＥ）等の被着法も可能である。真空チャンバーおよび加熱基板を用いて被着条件を調節することができる。好ましくは、基本起源を加熱または調節し、基板上に被着させる材料を形成する育成表面に衝突する必要数の核種を形成する。チャンバーの真空度および基本成分または多成分起源由来の衝突核種の絶対数および基板温度などの被着パラメータを制御し、被着させる材料の当量または組成を最適化する。１０‐１０トールないし１０‐３トールの被着チャンバー圧により実現が促進される実施形態もある。基板温度は、２５°Ｃないし７００°Ｃ以上が使用されると考えられる。多層構造の育成後アニールも有利であり、本発明の実施形態として含まれる。個々の層の厚さは、望ましい装置構造のタイプに応じて、１ナノメートル（ｎｍ）ないし１０ミクロンと様々である。希土類金属基本起源の純度は、典型的には純度３Ｎ（９９．９％）または４Ｎの市販起源に限定される。典型的には、被着法ではこれらの純粋な希土類金属起源が使用される。ランタノイド系以外の元素の場合、純度は典型的には引用した値以上になる。したがって、希土類酸化物半導体の装置の性能は、複数の希土類金属核種の存在により悪影響を受けるか、強化されるか、あるいは影響を受けないと考えられる。
【０１８２】
図８０Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、ＧｅおよびＳｉ太陽光吸収体比較図である。吸光係数は、半導体のバルクに移動して係数１／ｅで吸収される光子の長さに比例する。ゲルマニウムの吸光係数は、シリコンと比べて相当高い。
【０１８３】
図８１は、従来の太陽電池技術と本発明の一部の実施形態とを比較している。従来の太陽電池のデザインでは、活性領域または吸収体媒体を利用して、光子を電荷キャリアに変換する。典型的には、ｐ−ｎホモ接合ダイオードを用いて、電荷キャリアを一掃するビルトイン電界を提供する。太陽電池材料との金属接触を利用して、電荷キャリアを抽出する。物理長の電荷キャリアは、典型的には太陽電池の光学窓の寸法より小さい半導体材料に移動することができる。表面との複数回の金属接触を用いてこの欠点を解決することで、吸収体への光結合を低減する。一つの実施形態では、本発明は透明導電性希土類酸化物を２つの機能を持つ表面接触体および電気的接合部として使用する。広バンドギャップ酸化物および狭バンドギャップ半導体（ゲルマニウム等）の層ペアは、光生成電荷キャリアを効率的に抽出するのに適する電気的接合を含む活性領域を形成する。
【０１８４】
図８２は、光学的に吸収される高エネルギー放射線の電子的プロセスへの作用の概略図である。実質的には半導体の基礎エネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを有する高エネルギー光子は、材料の表面近くに吸収される（つまり、吸光係数が高い）。続いて、典型的には量子化された熱的格子励起またはフォノンの放出により、光生成電子および正孔のエネルギーが低下する。フォノンエネルギーは半導体の特徴を有し、複数の放射線が可能である。このような緩和パスにより、エネルギーが半導体の格子へ結合し、結果的に加熱される。このような電荷キャリアロス機構は、太陽電池に必要とされるような外部回路へ電荷キャリアを抽出するに場合には不利である。高エネルギーキャリアの緩和により低エネルギー状態がさらに実装され、それによって低エネルギー吸収の位相空間が充填される。概して、上のプロセスは、単色操作に対し多色（全太陽スペクトル）吸収を用いる太陽電池の低エネルギー交換を示している。
【０１８５】
図８３は、全太陽スペクトルを用いた太陽電池操作の要件の解決策を図示している。太陽電池を、異なるエネルギー光子が吸収される領域に別々に分かれる。好ましくは、高エネルギー光子は、入ってくる光により衝突される表面の最も近くに、次に波長がより長い（エネルギーがより低い）特徴を有する吸収体／変換区域に吸収される。独立した吸収変換電池は、それぞれ電気的に直列または並列に接続され、光発電または電流源の操作を最適化する。
【０１８６】
図８４は、ゲルマニウム、希土類金属酸化物、およびその種々の組み合わせを用いた本発明の実施形態の説明図である。混晶半導体であるゲルマニウム‐希土類金属酸化物半導体を改良し、特定のバンドギャップエネルギーを呈し、そのため光学的および電気的特性を呈してもよい。例えば、ゲルマニウムの種々のモル比率ｘとして、ゲルマニウム‐希土類酸化物半導体Ｇｅｚ（ＥｒＯｘ）１‐ｚは、任意選択的にはエルビウム金属を用いて示される。希土類金属に対する酸素比率は公式中で「ｘ」として示され、当量未満かつ導電性が高いことを意味する酸素欠乏および当量を上回り、絶縁性が高いことを意味する酸素過剰として製造される。したがって、エネルギーギャップは、約０．６６電子ボルト（ｅＶ）ないし約６ｅＶのエネルギー範囲を超え得る。このような範囲の光学的および電子的エネルギーギャップは、太陽スペクトルの大部分に及ぶ。
【０１８７】
図８５は、ゲルマニウムの吸光係数がシリコンで使用される光学的範囲と比べて少なくとも１００倍高いことを示す。
【０１８８】
図８６ＡおよびＢは、全太陽スペクトルに及ぶようにデザインされた太陽電池装置図である。エネルギーバンドギャップは、層の被着部の厚さの関数として、約１００％エルビウム酸化物（ＥｒＯｘ）から約１００％ゲルマニウム（Ｇｅ）まで、直線的に連続的に変化する。全太陽スペクトルで表面を照射すると、光線として表面の最も近くにＵＶ光子が吸収され、次に低エネルギー光子が吸収され、傾斜バンドギャップの「じょうご」である吸収体に浸透する。そのような傾斜バンドギャップ構造のさらなる利点は、光生成電荷キャリアが再結合し、外部金属伝導体となる前にこれらを一掃するのに有利に使用されるビルトイン電界を形成することである。
【０１８９】
図８７ＡおよびＢは、傾斜バンドギャップ構造を生成する代替方法を図示する。育成方向の関数として材料中のゲルマニウムの割合を連続的に変える代わりに、バイナリ層を使用してもよい。層が十分薄い場合、狭バンドギャップ層と広バンドギャップ層の厚さは異なるため、人為的に傾斜バンドギャップ構造を生成できる。そのような構造は、超格子（ＳＬ）と呼ばれる。
【０１９０】
図８８ＡおよびＢは、希土類酸化物ポテンシャルエネルギーバリア層およびゲルマニウム量子ウェル層の説明図である。３つのポテンシャルエネルギーウェルが示される。量子レジームにおける層の厚さでは、量子ウェル内の許容エネルギーは持続しない。導電性バンドおよび価電子バンドのエネルギーがいずれも量子化され、種々の吸光プロセスが示される。
【０１９１】
図８９は、層の平面に対し垂直にミニバンド導電性を呈する超格子である。量子ウェルは、薄いトンネル障壁により結合される。許容エネルギーバンドは、ミニバンドと呼ばれる。図８９は、広バンドギャップ（ＷＢＧ）および狭バンドギャップ（ＮＢＧ）薄膜層を含む一つの実施形態を示し、ＷＢＧ層はトンネルレジームに入っており、各ＮＢＧポテンシャルウェル内の量子化されたエネルギー量は非局在化エネルギーバンド（「ミニバンド」等）を結合・形成する。ミニバンド内に閉じ込められたキャリアは、移動度の高い構造を通って広がる。粒界（ＬＧＢ）間に一定の距離がある多結晶ＮＢＧ層を改良し、キャリアの移動度を高め、粒界トラッピングの確率を低くすることができる。寸法がＬｗ＜ＬＧＢの場合、光生成キャリア、導電性ミニバンドの電子および価電子ミニバンドの正孔は、吸収体層から出て金属接触子へと自由に広がるが、結晶欠陥および粒界にトラッピングされない。
【０１９２】
図９０は、多結晶半導体太陽電池と電気接触子である。多結晶粒界を示す。
【０１９３】
図９１は、粒界における光生成電子および正孔の再結合を示す。
【０１９４】
図９２ＡおよびＢは、多結晶ゲルマニウムおよび希土類酸化物の多層積層図。薄膜ミニバンド導電性により有害な粒界再結合が克服され、それにより電気変換効率が高くなる。
【０１９５】
図９３は、一つの実施形態の超格子の層厚の範囲である。
【０１９６】
図９４は、一般的な不均一層の構造である。
【０１９７】
図９５Ａは、シリコン酸化物およびシリコン窒化物の周期層からなるアモルファス基板上に実施化された希土類酸化物を示すＴＥＭ像である。
【０１９８】
図９５Ｂは、ガラス層上に被着させた多結晶エルビウム酸化物と、続く前述の希土類酸化物上に被着させた多層を示す実際のＴＥＭ像である。
【０１９９】
図９６Ａは、ガラス層上の多結晶エルビウム酸化物のＴＥＭ像である。
【０２００】
図９６Ｂは、太陽電池装置内の光吸収を増加させるために有利に使用されるテクスチャー加工した表面の断面図である。
【０２０１】
図９７Ａは、選択的波長型高反射器を作製するのに使用される代替屈折率材料の４分の１波長対を示す分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。
【０２０２】
図９７Ｂは、ガラス上で多結晶のサインを呈するエルビウム酸化物のｘ線回析スキャンである。構造は、シリコン上に被着された実際の多層エルビウム酸化物およびシリコン酸化物／シリコン窒化物ＤＢＲガラスの偽基板からなる。太陽電池では、この反射器を光フィルターとして使用し、特定の波長領域を強化することができる。これにより、特定領域で太陽スペクトルに入る光子の数が増倍できる。
【０２０３】
図９８は、厚膜太陽電池とテクスチャー加工した反射器。本装置は、２層の希土類酸化物層に挟まれるゲルマニウム膜およびアモルファス基板上に被着される多層積層を示す。
【０２０４】
図９９Ａは、理論的シリコン酸化物／シリコン窒化物の光分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。太陽電池では、この反射器を光フィルターとして使用し、活性層が経験する太陽スペクトルを変えることができる。図の例では、ＤＢＲの中央の波長Ｄｃとして１５３５ｎｍを選択し、キャビティ長は中央の波長の半分の倍数である。
【０２０５】
図９９Ｂは、太陽電池として機能する活性領域の上および下に位置するシリコン酸化物／シリコン窒化物分布ブラッグ反射器について計算した低屈折率および高屈折率の二層対の関数である理論的反射率曲線である。
【０２０６】
図１００は、シリコン酸化物／シリコン窒化物ＤＢＲ（図１００Ａ）の実際の反射率スペクトルと理論値の比較である。太陽電池では、この反射器を光フィルターとして使用し、特定の波長領域で光子数を増やすことができる。
【０２０７】
図１０１Ａは、キャビティ領域により分離される受動ＤＢＲ対（図１０１Ｂ）の透過スペクトルである。
【０２０８】
図１０２Ｂは、前述の活性領域の上および下にあり、シリコン基板（図１０２Ａ）に取り付けたＤＢＲから構成される太陽電池のマイクロキャビティのキャビティ領域に関する多層ＥｒＯｘ／Ｇｅ活性領域のスペクトルである。
【０２０９】
図１０３は、希土類‐酸化物‐リン化物（または言い換えると希土類リン酸塩または希土類オキシリン化物）半導体化合物のエネルギーバンドギャップチューニング（いわゆるバンドギャップ改良）の概略図である。
【０２１０】
図１０４は、岩塩型結晶を有するリン酸エルビウム（Ｅｒ‐Ｐ（ＥｒＰｘ））および六角晶構造を有する酸化エルビウム（ＥｒＯｘ）から構成される混合合金に関する、希土類‐酸化物‐リン化物（希土類リン化物および希土類酸化物から構成される希土類リン酸塩）半導体化合物のエネルギーバンドギャップチューニング図である。化合物（ＥｒＰ）ｘ（ＥｒＯｙ）１‐ｘのＥｒＰおよびＥｒＯｙ部分は、化学的変数「ｘ」により説明される。一つの実施形態では、希土類金属は、具体的にはエルビウムから選択される。本発明は、１種類以上の希土類元素を用いて実施されるとも考えられる。バンドギャップは、本発明および以前、［Ｚ］ｕ［ＲＥ１］ｖ［ＲＥ２］ｗ［ＲＥ３］ｘ［Ｊ１］ｙ［Ｊ２］ｚ等として記載した組成物を教示することにより、太陽スペクトルにおいて連続的に調整されると考えられる。
【０２１１】
2011520257.tif 000022
【０２１２】
本発明の別の実施形態は、ゲルマニウム、希土類金属、および酸素の原子核種からなる合金化合物である。同様の方法で、ゲルマニウムを添加し、酸化物、窒化物、リン化物、およびこれらの混合物を使用する方法も、本発明で開示される。ゲルマニウムを希土類酸化物半導体に添加することで、本発明において説明した前述の材料の電子バンドギャップエネルギーおよび光吸収特性を有利に変えることができる。
【０２１３】
しかし、本発明の別の実施形態は、シリコン、希土類金属、および酸素の原子核種からなる合金化合物である。同様の方法で、シリコンを添加し、酸化物、窒化物、リン化物、およびこれらの混合物を使用する方法も、本発明において開示される。シリコンを希土類酸化物半導体に添加することで、本発明において説明したが、これに限定されない前述の材料の電子バンドギャップエネルギーおよび光吸収特性を有利に変えることができる。
【０２１４】
希土類金属酸化物、窒化物、リン化物、およびこれらの混合物（ＲＥＯｘＮｙＰｚ）は、希土類金属が元素周期表上の少なくとも１つのランタノイド系（Ｌａ、Ｃｅ、……Ｇｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｍ、Ｌｕ）から選択される。好適はエルビウムであり、より重い希土類金属を選択するのも好適である。
【０２１５】
第ＩＶ族、第ＩＩＩ‐Ｖ族、第ＩＩ‐ＩＶ族半導体および希土類酸化物、窒化物、およびリン化物（ＲＥＯｘＮｙＰｚ）化合物を含む広バンドギャップ材料は、単結晶（ｃ）および／または多結晶（ｐｃ）およびアモルファス（ａ）状態として、その他のセラミック材料と組み合わせて使用することができる。以前記載したとおり、種々を組み合わせた合金も可能である（［Ｚ］ｕ［ＲＥ１］ｖ［ＲＥ２］ｗ［ＲＥ３］ｘ［Ｊ１］ｙ［Ｊ２］ｚ）。
【０２１６】
2011520257.tif 000023
【０２１７】
全太陽スペクトルにおける光学的および電気的特性を調整するのに適するゲルマニウム‐希土類‐酸化物（Ｇｅｘ（ＲＥＯｙ）１ーｘ）の三元合金を開示する。全太陽スペクトルにおける光学的および電気的特性を調整するのに適する第ＩＶ族、第ＩＩＩ‐Ｖ族、第ＩＩ‐ＩＶ族半導体および希土類酸化物、窒化物、およびリン化物（ＲＥＯｘＮｙＰｚ）化合物の多成分合金および層構造を開示する。太陽電池装置の活性領域のバンドギャップが大きいものから小さいものまで様々である異なる組成物を有する構造は、前述の技術により実現される。
【０２１８】
第ＩＶ族、第ＩＩＩ−Ｖ族、または第ＩＩ−ＶＩ族半導体（元素状態または組み合わせて）からなる狭バンドギャップエネルギー半導体層を挟んだ広バンドギャップエネルギー絶縁体および／または伝導体層を用いて太陽スペクトラムを効率よく電気エネルギーへ変換するための多層薄膜構造を開示する。
【０２１９】
2011520257.tif 000024
【０２２０】
2011520257.tif 000025
【０２２１】
多層構造は、単結晶半導体、アモルファスガラス、金属、セラミックおよび／またはプラスチックおよび／またはフレキシブルな基板上に配置されると考えられる。
【０２２２】
一部の実施形態では、希土類金属、酸素、窒素、リン、および半導体など個々の基本起源を用いる費用対効果の高い被着法が好適である。一部の実施形態では、圧制御チャンバーおよび温度制御基板を用いて、層構造の被着条件を調節する。本明細書で使用されているとおり、小さなまたは狭いバンドギャップの材料では、バンドギャップＥｇは約１．２ｅＶ未満である。大きなまたは広いバンドギャップの材料では、バンドギャップは約１．２ｅＶを超える。
【０２２３】
一つの実施形態では、太陽電池装置は１つの基板と、バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層と、バンドギャップが小さな材料の層とを含み、バンドギャップの大きな材料の１つまたは複数の層は、あらかじめ厚さが決められた小さなバンドギャップの材料の各層により分離される。代替方法として、太陽電池装置は、２つ以上の電気接触子も含む。
【０２２４】
一つの実施形態では、太陽電池装置は１つの基板と、下面が基板と接触し、上面がバンドギャップの大きな材料およびバンドギャップが小さな材料とを含んでいて、バンドギャップの大きな材料の割合が多い上面からバンドギャップの大きな材料の割合が少ない下面まで、層の組成は様々である。代替方法として、前述のバンドギャップの大きな材料はバンドギャップの大きな１つまたは複数の材料を含み、バンドギャップの小さな材料はバンドギャップの小さな１つまたは複数の材料を含んでいる。
【０２２５】
一つの実施形態では、放射線を電気エネルギーへ変換するための太陽電池装置は、バンドギャップの大きな少なくとも１つの材料およびバンドギャップの小さな１つの材料を含む変換用活性層と少なくとも１つのフィルタリング層とを含み、そのフィルタリング層が、組成が異なる少なくとも２つの層を含む分布ブラッグ反射器を含み、放射線は実質的には活性層へ反射してから基板に到達する。代替方法として、太陽電池装置は基板も含む。
【０２２６】
一つの実施形態では、放射線を電気エネルギーへ変換するための太陽電池装置は、バンドギャップの大きな少なくとも１つの材料およびバンドギャップの小さな１つの材料を含む変換用活性層と、最初に放射線を受ける活性層表面の少なくとも一部に光学的に透明な誘導性酸化物とを含む。一部の実施形態では、太陽電池装置は、太陽に代わって放射線供給源を変換している。一部の実施形態では、放射線を電気エネルギーへ変換するための装置は、地上に設置されない。
【０２２７】
一つの実施形態では、放射線を電気エネルギーへ変換するための太陽電池装置は、少なくとも１つの希土類金属、少なくとも１つの半導体、酸素、窒素、およびリンを含む群から選択される少なくとも１つの元素変換用活性領域を含む。代替方法として、活性領域は、広バンドギャップ酸化金属および狭バンドギャップ半導体を含む。
【０２２８】
本発明の前述の実施形態は、図および説明として提供される。これらは、正確に説明された形式に発明を限定するものではない。具体的には、本明細書に記載された発明の機能的実装は、同程度実装されると考えられる。集積回路およびＭＥＭＳ技術に関する代替の構造技術およびプロセスは、当業者には明白である。上の教示に関しては、その他の変形形態および実施形態は可能であるため、本発明の範囲は、この「発明を実施するための形態」により制限されるものではなく、むしろ後述の請求項により制限される。
【符号の説明】
【０２２９】
３０１太陽スペクトル
３０２Ｇｅ
３０３Ｓｉ
３０６希土類酸化物
３０７単結晶シリコン
３０８単結晶ゲルマニウム
４０２欠陥エネルギー状態
４０５禁制エネルギーギャップ
４０６バンドギャップ
４０９導電性バンド
４１０価電子バンド
４１４導電性バンド
４１５正孔
４３０紫外線
４３１遠赤外線
５０１外来核種
５０２分布容積
５０３欠陥面
５０６保護酸化物層
５０８ＣＺ  Ｓｉ基板
６０１Ｈ＋イオン
７０１Ｈ＋イオン
８０１単結晶ＣＺ  Ｓｉ基板
８０２ＳｉＯ２保護層
８０４欠陥層
８０６ＣＺ  Ｓｉ基板
８０７代替基板
８０８導電層
８０９導電層
８１０結合
８１１化合物多層製品
８１３熱アニールシーケンス
８１４欠陥破壊
８１５機械的刺激
８１６バルクＣＺ  Ｓｉ基板
８１７代替基板
８１８粗面
８１９金属接触子
８２０太陽電池装置
８２１化学的機械加工
８２２日射
８２３平面
８５０対向面
８６０対向面
１３０１単結晶ＣＺ  Ｓｉ基板
１３０２金属保護層
１３０３注入
１３０４埋込み欠陥層
１３０６代替基板
１３０７導電層
１３０８導電層
１３０９絶縁層
１３１０平面
１３１１ＣＺ  Ｓｉ基板
１３１２導電層
１３１３結合
１３１４化合物多層製品
１３１５熱アニールシーケンス
１３１６欠損破壊
１３１８機械的刺激
１３１９代替基板
１３２０薄膜ＣＺ  Ｓｉ
１３２１バルクＣＺ  Ｓｉ基板
１３２３化学的機械加工
１３２４平面
１３２５日射
１８０６代替基板
１８０７導電層（接触子／電極）
１８０８導電層
１８０９絶縁層
１８１０平面
１８１１代替基板
１９０１分離層
１９０２バルクＣＺ  Ｓｉ基板
１９０３保護マスク層
１９０５薄膜ＣＺ  Ｓｉ層
１９０６マスク層
１９０７不純物原子の注入
１９０８薄膜ＣＺ  Ｓｉ層
１９０９製品
１９１０表面
２００１ステップ
２００２製品
２１０１熱アニールステップ
２１０２埋込み欠陥層
２１０３多層構造
２２０１高圧ガス
２２０２バルクＣＺ  Ｓｉ基板
２２０３注入電子装置
２２０４表面
２３０１光線
２３０２化学的機械加工（ＣＭＰ）
２３０３基板
２４０１太陽電池装置
２４０２ｐ型
２４０３ｎ型
２４０５代替基板
２４０６パターン化電極
２４０７電気接触子
２５０１アセンブリ
２５０２電気等価回路
２５０３電気等価回路
２６００ウエハ
２６０１
２６０２光誘起電圧源
２６０３電流源
２７００薄膜装置
２７０１電極
２７０２電極
２７０３電界線
２７０４基板
２７０５代替基板
２７０６光線
２７０７薄膜ＣＺ  Ｓｉ
２７０８光線
２７０９光線
２７１０反射ロス
２７１１間隔
２７１２注入領域
２７１３注入領域
２７１４電子および／または正孔対
２８００複数の部分
２９００光線
２９０１回析オーダー
２９０２回析オーダー
２９０４反射
２９０５透過
３００１誘導体層
３００２代替基板
３００３代替基板
３００４誘導体層
３２０１光結合
３２０２代替基板
３２０３誘導体層
３２０４活性層
３３０５光子
３３０６光子
３３０７高屈折率層
３４０１短波長
３４０２長波長
３４０３層厚
３４０４活性領域
３４０５層厚
３７０１エネルギー吸収スペクトル
３８０１太陽スペクトル
３８０２近似値
３９０１ＣＺ  Ｓｉ
３９０２ＣＺ  Ｓｉ
４０１０膜ＣＺ‐Ｓｉ活性層
４０１１代替基板
４０１２くさび
４０２０紫外線
４０５０遠赤外線
４３０１ＳＪ電池
４４０１電極
４４０２電極面
４４０３代替基板
４４０４注入領域
４４０５空乏層
４４０７注入領域
４４０９ｅ−ｈ対
４４１０正孔
４４１１電子
４４１２電極
４５０１接触子
４５０８絶縁体
４６０１電極
４６０２表面および／または裏面
４６０３表面および／または裏面
４６０４ｎ+領域
４６０５空乏層
４６０８結合層
４６１２電極
４６１５空乏層
４６１６ｎ−ｎ＋基板
４６１８結合層
４６２１電極
４７０１薄膜Ｓｉ層
４７０２注入領域
４７０３結合層
４７０５注入領域
４７０６注入領域
４７０７接地
４７１０注入領域
４８０１ｐ‐ｎ接合ダイオード
４８０２ｐ−ｉ−ｎ接合ダイオード
４８０３空乏領域
４８０４内部領域
４９００装置
４９０１光線
４９０４ｎ＋領域
４９０５ｐ＋領域
４９０６ｐ＋領域
４９０７導電領域
４９０８ｅ−ｈ対
４９０９光線
５０００横方向ｐ−ｉ−ｎ接合型装置
５００１光線
５００２電極
５００３電極
５００４注入領域
５００５注入領域
５００６真性領域
５００８薄膜Ｓｉ活性層
５０１０光線
５３０１フェルミレベル
５３０２エネルギー
５３０３充填された導電性バンド
５４０１フェルミレベル
５４０２充填された価電子バンド
５４０３エネルギー
５４０４エネルギー
５４０５エネルギー
５５０１スペクトル
５５０２スペクトル
５５０３吸収エッジ
５７０１バンドギャップ
５７０２バンドギャップ
５９００構造
５９０１基板
５９０５犠牲層
５９１０半導体材料
５９１５結合層
５９２０結合層
５９２５交換用基板
６０００太陽光モジュール
６００１電圧源
６００２電流源
６００４注入領域
６００５薄膜層
６００６薄膜層
６００７注入領域
６００８注入領域
６０１０スマートスイッチ
６０１１代替基板
６０２０スマートスイッチ
６０３０スマートスイッチ
６０４０スマートスイッチ
６１００スマートリンク
６１０１太陽エネルギー
６１０２外部制御入力
６１０３スマートリンク
６１０４スマートリンク
６１０５電圧源
６１０６スマートリンク
６１０７電力源
６１０８太陽光モジュール
６１０９モジュール電源
６２００システム
６２０１相互接続
６２０２モジュール構成
６３００太陽光モジュール
６３０２ユニット電池
６３０３電力調整ユニット
６３０４電気スイッチ
６３０５電気回路
６３０６出力
６３０７蓄積電荷
６４０１熱い電子
６４０２エネルギー
６４０３電子
６４０４正孔
６４０６価電子バンド
６４０７価電子バンド
６４０８価電子バンド
６４０９エネルギー
６５０４ステップ
６５０５マスク層
６５０６ドープ領域
６５０７Ｓｉ基板
６５０８マスク層
６５０９選択的区域注入部
６５１１電気接触子
６５１２電気接触子
６５１４日射
６５１５反射防止膜
６５１６相互接続
６５１７交換用基板
６５１８傾斜電界太陽電池
６６０５マスク層
６６０６選択的区域注入部
６００８マスク層
６６０９選択的区域注入部
６６１０注入領域
６６１４太陽光
６６１５反射防止膜
６６１７代替基板
６６１８傾斜電界太陽電池
６７０１短波長光子
６７０２長波長光子
６７０３反射防止カプラー
６７０４光生成キャリア
６７０５光生成キャリア
６７０６装置
６７０７傾斜電界太陽装置
６７０８ｚの方向
６８０１ｐ＋領域
６８０２ｎ＋領域
６８０３ｎ領域
６８０４ｎ−領域
６８０５ｉ領域
６８０９ｎ＋領域
６８１０ｎ型濃度
６９０１ｐ＋領域
６９０２Ｄ領域
６９０３ｐ＋領域
６９０４Ｄ領域
６９０５ｎ＋領域
７００１ドリフト領域
７００２アバランシェ増倍領域
７００３長波長光子
７００４短波長光子
７００５内部電界プロファイル
７１０１電子注入
７１０２正孔注入
７１０３長波長光子
７１０４ｎ型領域
７１０６電子
７１０７正孔
７２０２ステップ
７２０４ステップ
７２０５マスク層
７２０６活性領域
７２０７活性領域
７２０９活性領域
７２１０マスク層
７２１１活性領域
７２１２コレクター領域
７２１３結合領域
７２１４エミッター領域
７２１５パッシベーション層
７２１７結合層
７２１８ユニット電池
７２１９代替基板
７３０１ステップ
７３０４ステップ
７３０５マスク層
７３０６注入
７３０７基板
７３０８層
７３０９誘導性領域
７３１０電気接触子
７３１１電気接触子
７３１２光子
７３１３結合層
７３１４代替基板
７３１５相互接続
７４０７薄膜Ｓｉ層
７４０８誘導体層
７４１０電気接触層
７４１２パッシベーション層
７４１４光線
７４１５結合層
７４１６代替基板
７４１７相互接続
７５０２結合層
７５０３薄膜Ｓｉ層
７５０４代替基板
７５０５結合領域
７５０６誘導体層
７５０７ｐ型領域
７５０８ｎ型領域
７５０９光反射
７５１０光反射
７５１１間隔
７６０１光線
７６０２結合層
７６０３薄膜Ｓｉ層
７６０５金属接続子
７６０６誘導体層
７６０７ｐ型領域
７６０８ｎ型領域
７６０９光反射
７６１０光反射
７６１１間隔
７６１２代替基板
【図１Ａ】
2011520257.tif 000026
【図１Ｂ】
2011520257.tif 000027
【図２】
2011520257.tif 000028
【図３Ａ】
2011520257.tif 000029
【図３Ｂ】
2011520257.tif 000030
【図３Ｃ】
2011520257.tif 000031
【図４Ａ】
2011520257.tif 000032
【図４Ｂ】
2011520257.tif 000033
【図４Ｃ】
2011520257.tif 000034
【図４Ｄ】
2011520257.tif 000035
【図４Ｅ】
2011520257.tif 000036
【図５】
2011520257.tif 000037
【図６Ａ】
2011520257.tif 000038
【図６Ｂ】
2011520257.tif 000039
【図７Ａ】
2011520257.tif 000040
【図７Ｂ】
2011520257.tif 000041
【図８Ａ】
2011520257.tif 000042
【図８Ｂ】
2011520257.tif 000043
【図９】
2011520257.tif 000044
【図１０】
2011520257.tif 000045
【図１１】
2011520257.tif 000046
【図１２Ａ】
2011520257.tif 000047
【図１２Ｂ】
2011520257.tif 000048
【図１３Ａ】
2011520257.tif 000049
【図１３Ｂ】
2011520257.tif 000050
【図１４Ａ】
2011520257.tif 000051
【図１４Ｂ】
2011520257.tif 000052
【図１５】
2011520257.tif 000053
【図１６】
2011520257.tif 000054
【図１７Ａ】
2011520257.tif 000055
【図１７Ｂ】
2011520257.tif 000056
【図１８】
2011520257.tif 000057
【図１９】
2011520257.tif 000058
【図２０Ａ−２０Ｂ】
2011520257.tif 000059
【図２１】
2011520257.tif 000060
【図２２】
2011520257.tif 000061
【図２３Ａ】
2011520257.tif 000062
【図２３Ｂ】
2011520257.tif 000063
【図２４】
2011520257.tif 000064
【図２５Ａ】
2011520257.tif 000065
【図２５Ｂ】
2011520257.tif 000066
【図２６Ａ】
2011520257.tif 000067
【図２６Ｂ】
2011520257.tif 000068
【図２６Ｃ】
2011520257.tif 000069
【図２７】
2011520257.tif 000070
【図２８Ａ−２８Ｂ】
2011520257.tif 000071
【図２９Ａ】
2011520257.tif 000072
【図２９Ｂ】
2011520257.tif 000073
【図３０】
2011520257.tif 000074
【図３１】
2011520257.tif 000075
【図３２】
2011520257.tif 000076
【図３３】
2011520257.tif 000077
【図３４】
2011520257.tif 000078
【図３５】
2011520257.tif 000079
【図３６】
2011520257.tif 000080
【図３７】
2011520257.tif 000081
【図３８】
2011520257.tif 000082
【図３９】
2011520257.tif 000083
【図４０】
2011520257.tif 000084
【図４１Ａ】
2011520257.tif 000085
【図４１Ｂ】
2011520257.tif 000086
2011520257.tif 000087
【図４２】
2011520257.tif 000088
【図４３】
2011520257.tif 000089
【図４４】
2011520257.tif 000090
【図４５】
2011520257.tif 000091
【図４６】
2011520257.tif 000092
【図４７Ａ】
2011520257.tif 000093
【図４７Ｂ】
2011520257.tif 000094
【図４８Ａ】
2011520257.tif 000095
【図４８Ｂ】
2011520257.tif 000096
【図４８Ｃ】
2011520257.tif 000097
【図４８Ｄ】
2011520257.tif 000098
【図４９】
2011520257.tif 000099
【図５０Ａ】
2011520257.tif 000100
【図５０Ｂ】
2011520257.tif 000101
【図５０Ｃ】
2011520257.tif 000102
【図５１】
2011520257.tif 000103
【図５２】
2011520257.tif 000104
【図５３】
2011520257.tif 000105
【図５４】
2011520257.tif 000106
2011520257.tif 000107
【図５５】
2011520257.tif 000108
【図５６】
2011520257.tif 000109
【図５７】
2011520257.tif 000110
【図５８】
2011520257.tif 000111
【図５９】
2011520257.tif 000112
【図６０】
2011520257.tif 000113
【図６１】
2011520257.tif 000114
【図６２】
2011520257.tif 000115
【図６３】
2011520257.tif 000116
【図６４】
2011520257.tif 000117
【図６５Ａ】
2011520257.tif 000118
【図６５Ｂ】
2011520257.tif 000119
【図６６Ａ】
2011520257.tif 000120
【図６６Ｂ】
2011520257.tif 000121
【図６７】
2011520257.tif 000122
【図６８】
2011520257.tif 000123
【図６９】
2011520257.tif 000124
【図７０】
2011520257.tif 000125
【図７１】
2011520257.tif 000126
【図７２Ａ】
2011520257.tif 000127
【図７２Ｂ】
2011520257.tif 000128
【図７３Ａ】
2011520257.tif 000129
【図７３Ｂ】
2011520257.tif 000130
【図７４Ａ】
2011520257.tif 000131
【図７４Ｂ】
2011520257.tif 000132
【図７５】
2011520257.tif 000133
【図７６】
2011520257.tif 000134
【図７７Ａ】
2011520257.tif 000135
【図７７Ｂ】
2011520257.tif 000136
【図７８Ａ】
2011520257.tif 000137
【図７８Ｂ】
2011520257.tif 000138
【図７９Ａ】
2011520257.tif 000139
【図７９Ｂ】
2011520257.tif 000140
【図８０Ａ】
2011520257.tif 000141
【図８０Ｂ】
2011520257.tif 000142
【図８０Ｃ】
2011520257.tif 000143
【図８０Ｄ】
2011520257.tif 000144
【図８１】
2011520257.tif 000145
【図８２】
2011520257.tif 000146
【図８３】
2011520257.tif 000147
2011520257.tif 000148
【図８４】
2011520257.tif 000149
【図８５】
2011520257.tif 000150
【図８６Ａ】
2011520257.tif 000151
【図８６Ｂ】
2011520257.tif 000152
【図８７Ａ】
2011520257.tif 000153
【図８７Ｂ】
2011520257.tif 000154
【図８８Ａ】
2011520257.tif 000155
【図８８Ｂ】
2011520257.tif 000156
【図８９】
2011520257.tif 000157
【図９０】
2011520257.tif 000158
【図９１】
2011520257.tif 000159
【図９２Ａ】
2011520257.tif 000160
【図９２Ｂ】
2011520257.tif 000161
【図９３】
2011520257.tif 000162
【図９４】
2011520257.tif 000163
【図９５Ａ】
2011520257.tif 000164
【図９５Ｂ】
2011520257.tif 000165
【図９６Ａ】
2011520257.tif 000166
【図９６Ｂ】
2011520257.tif 000167
【図９７Ａ】
2011520257.tif 000168
【図９７Ｂ】
2011520257.tif 000169
【図９８】
2011520257.tif 000170
【図９９Ａ】
2011520257.tif 000171
【図９９Ｂ】
2011520257.tif 000172
【図１００Ａ】
2011520257.tif 000173
【図１００Ｂ】
2011520257.tif 000174
【図１０１Ａ】
2011520257.tif 000175
【図１０１Ｂ】
2011520257.tif 000176
【図１０２Ａ】
2011520257.tif 000177
【図１０２Ｂ】
2011520257.tif 000178
【図１０３】
2011520257.tif 000179
【図１０４】
2011520257.tif 000180
【図１０５】
2011520257.tif 000181
【図１０６Ａ−１０６Ｃ】
2011520257.tif 000182
【国際調査報告】
2011520257.tif 000183
2011520257.tif 000184
2011520257.tif 000185