(57)【要約】【課題】太陽電池及び太陽電池の製造、特にＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物に基づく多重接合太陽電池を提供する。【解決手段】太陽電池は、半導体基板と、基板の上に配置されて窓層を含む一連の半導体層とを含む。太陽電池はまた、窓層の上に半導体シリコン含有キャップ層を含む。キャップ層は、シリコンを含まないか又はキャップ層のシリコン濃度よりも顕著に低いシリコン濃度を有するかのいずれかである半導体障壁層によって窓層から空間的に分離される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記基板の上に配置されて半導体窓層を含む一連の半導体層と、
前記窓層の上の半導体シリコン含有キャップ層と、
を含み、
前記キャップ層は、シリコンを含まないか又は該キャップ層のシリコン濃度よりも少なくとも５０％低いシリコン濃度を有するかのいずれかである半導体障壁層によって前記窓層から空間的に分離されている、
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記障壁層の前記シリコンの濃度は、前記キャップ層の前記シリコン濃度よりも少なくとも２桁少ないことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記障壁層は、前記キャップ層よりも少なくとも数倍厚いことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記窓層は、アルミニウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記窓層は、アルミニウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含み、前記障壁層及びキャップ層の各々は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含み、かつ該障壁層は、該キャップ層のシリコン濃度よりも少なくとも２桁少ないシリコン濃度を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項６】
太陽電池を製造する方法であって、
半導体基板の上に太陽電池構造体を形成するために、半導体窓層を含む一連の半導体層を堆積させる段階と、
前記窓層の上に半導体障壁層を堆積させる段階と、
前記障壁層の上に半導体シリコン含有キャップ層を堆積させる段階と、
を含み、
前記障壁層は、シリコンを含まないか又は前記キャップ層のシリコン濃度よりも少なくとも５０％低いシリコン濃度を有するかのいずれかである、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記障壁層は、前記キャップ層のシリコン濃度よりも少なくとも２桁少ないシリコン濃度を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記キャップ層は、前記障壁層よりも少なくとも数倍小さい厚みを有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記窓層は、アルミニウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の開示は、太陽電池及び太陽電池の製造に関し、より詳細には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物に基づく多重接合太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池とも呼ばれる光電池は、ここ数年で利用可能となった重要なエネルギ源である。現在、太陽電池は、衛星及び他の宇宙関連用途を含むいくつかの商業用及び消費者向け用途を有する。一部の太陽電池は、基板上に上下に積み重ねた複数のサブセルを含む多重接合太陽電池構造体を有する。アレイ形態の太陽電池が太陽光を受光しているか又は照明されている時、各電池は、順方向にバイアスされる。しかし、例えば、遮光又は破損のために１つ又はそれよりも多くの電池が照明されていない時、遮光された電池は、照明された電池によって発生した電流を担持するために逆にバイアスされる場合がある。こうした逆バイアスは、電池を劣化させる可能性があり、最終的には電池を作動不能とする可能性がある。逆バイアスを防止するために、時にダイオード構造が実施される。例えば、本発明の出願人に譲渡された米国特許第６，８６８，４１４号は、上部サブセル層の上方に形成された一体化バイパスダイオードを有するモノリシック多重接合太陽電池構造体を開示している。バイパスダイオードの目的は、遮光又は損傷したセルから電流を引き離すことである。バイアスダイオードは、遮光セルが逆バイアスされる時に順方向にバイアスされる。遮光セルに電流を強制的に流すのではなく、このダイオードは、遮光セルから電流を引き離し、次のセルとの接続を維持する。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８６８，４１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バイパスダイオードを一体化した装置として製造することは、装置の効率及び性能を高めることができるが、一体化バイパスダイオードの製造は、上部サブセルの開路電圧（ＶOC）を時に低下させることが見出されており、それは、望ましくない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、太陽電池は、半導体基板と基板の上に配置された一連の半導体層とを含む。一連の半導体層は、半導体窓層を含む。太陽電池はまた、窓層の上に半導体シリコン含有キャップ層を含む。キャップ層は、シリコンを含まないか又はキャップ層のシリコン濃度よりも顕著に低い（例えば、少なくとも５０％低い）シリコン濃度を有するかのいずれかである半導体障壁層によって窓層から空間的に分離されている。
【０００６】
別の態様では、本発明は、太陽電池を製造する方法を含む。本方法は、半導体窓層を含む一連の半導体層を堆積させて、半導体基板の上に太陽電池構造体を形成する段階を含む。半導体障壁層が、窓層の上に堆積され、半導体シリコン含有キャップ層が、障壁層の上に堆積される。障壁層は、シリコンを含まないか又はキャップ層のシリコン濃度よりも顕著に低いシリコン濃度を有するかのいずれかである。
【０００７】
一部の実施には、以下の特徴の１つ又はそれよりも多くが存在すると考えられる。例えば、一部の場合では、障壁層のシリコンの濃度は、キャップ層のシリコン濃度よりも少なくとも２桁少ない。障壁層は、キャップ層よりも厚くすることができ、一部の実施では、キャップ層よりも少なくとも数倍厚い。
窓層は、例えば、アルミニウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物とすることができ、障壁層及びキャップ層の各々は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を含むことができる。例えば、障壁層及びキャップ層は、ＩｎＧａＡｓ層とすることができ、窓層は、ＡｌＩｎＰ2層とすることができる。
【０００８】
キャップ層内のシリコンの濃度は、例えば、約１×１０18ｃｍ-3から約１×１０19ｃｍ-3の範囲とすることができる。一部の実施では、キャップ層内のシリコンの濃度は、約５×１０18ｃｍ-3から約６×１０18ｃｍ-3の範囲である。
一連の半導体層は、窓層がサブセルのスタックの上端の近くにある、上下に積み重ねたサブセルを有する多重接合太陽電池構造体を含むことができる。
一部の実施例は、様々な利点を含む。例えば、障壁層の追加は、窓層内へのシリコンの拡散を阻止（又は低減）するのを助けることができ、従って、窓層からのアルミニウムの外方拡散を阻止（又は低減）することができる。それは、太陽電池の開路電圧（ＶOC）及び効率の増大をもたらすことができる。
他の特徴及び利点は、以下の詳細説明、添付図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、太陽エネルギを電力に変換するための太陽電池１０として機能する第１の部分１２と、太陽電池の上に形成された一体化バイパスダイオード２４を含む第２の部分１４とを有する多重接合太陽電池構造体の例を示している。バイパスダイオード２４は、太陽電池１０のための逆方向バイパス防御を提供する。ウェル１６を太陽電池１０とバイパスダイオード２４の間に形成することができ、太陽電池の活性部分とバイパスダイオード２４の間の電気的分離が提供される。ウェル１６は、基板３６にアクセスするための分路１８のための経路もまた提供することができる。ウェルは、その後、反射防止材料のような非導電材料で充填することができる。
図示の例においては、多重接合太陽電池構造体２２は、基板３６の上に垂直方向に積み重ねた下部サブセル２８、中間サブセル３０、及び上部サブセル３２を含む。サブセル２８、３０、３２は、上下に堆積した一連の半導体層２２を含む。上部セル３２の上方には、障壁層６４によって上部セルから分離されたキャップ層６６があり、これは、以下でより詳細に説明する。
【００１０】
図２は、太陽電池層の特定的な実施を示している。図示の実施形態では、基板３６は、ｐ型ゲルマニウム（Ｇｅ）であり、金属接触パッド３４を有する。下部サブセル２８は、ｐ型Ｇｅ基部層３８、ｎ型Ｇｅエミッタ層４０、及び適切な核生成層４２を含む。より詳細には、基部層３８は、基板３６上に形成され、エミッタ及び核生成層４０、４２は、基部層３８の上に堆積される。下部サブセル２８を堆積させた後に、ｐ型及びｎ型トンネル接合層４４が堆積される。
【００１１】
中間サブセル３０は、背面電界（ＢＳＦ）層４６、ｐ型ＧａＡｓ基部層４８、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５０、及びｎ型アルミニウム・インジウム・燐2（ＡｌＩｎＰ2）窓層５２を含む。基部層４８は、トンネル接合層４４の上にＢＳＦ層４６を堆積させた後にＢＳＦ層の上に堆積される。基部層４８上にエミッタ層５０を堆積させた後、引き続き窓層５２がエミッタ層上に堆積される。ＢＳＦ層４６は、中間サブセル３０内の再結合損失を低減するために使用される。ＢＳＦ層４６は、背面の近くの高ドープ領域から少数キャリアを追い出して再結合損失の影響を最小にする。換言すれば、ＢＳＦ層４６は、太陽電池の裏側での再結合損失を低減し、それによって基部層／ＢＳＦ層境インタフェースでの再結合を低減する。
中間サブセル３０内の窓層５２は、同じく再結合損失の低減に役立ち、かつ下側接合のセル表面の不動態化を改善する。本発明の範囲から逸脱することなく付加的な層を追加又は削除することができる。上部セル３２の堆積の前に、ｐ型及びｎ型トンネル接合層５４が、中間サブセル３０の上に堆積される。
【００１２】
図示の実施形態によれば、上部サブセル３２は、ｐ型インジウム・ガリウム・アルミニウム・燐（ＩｎＧａＡｌＰ2）ＢＳＦ層５６、ｐ型ＧａＩｎＰ2基部層５８、ｎ型ＧａＩｎＰ2エミッタ層６０、及びｎ型アルミニウム・インジウム・燐2（ＡｌＩｎＰ2）窓層６２を含む。基部層５８は、トンネル接合層５４の上にＢＳＦ層５６を堆積させた後にＢＳＦ層の上に堆積される。基部層５８上にエミッタ層６０を堆積させた後、引き続き窓層６２がエミッタ層上に堆積される。図示の実施において、窓層６２は、約２７５オングストローム（Å）の厚みを有する。他の実施では、異なる厚みを適切とすることができる。
【００１３】
図示の実施形態では、キャップ層６６が上部サブセル３２の窓６２の上に堆積され、障壁層６４によって窓層６２から空間的に分離される。上部サブセル３２のための接触として機能するドープキャップ層６６は、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ層である。図示の実施において、キャップ層６６は、ｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓである。他のモル比率も同じく使用することができる。
図示の例において、金属材料との接触を改善するために使用されるドープキャップ層６６は、約５×１０18ｃｍ-3から６×１０18ｃｍ-3の範囲のシリコン濃度を有する。より一般的には、ドープキャップ層６６は、通常は、約１×１０18ｃｍ-3から約１×１０19ｃｍ-3の範囲のシリコン濃度を有する。
【００１４】
障壁層６４は、非ドープであるか又はキャップ層６６のシリコン濃度よりも顕著に低いシリコン濃度を有する。本明細書で用いる時、「顕著により低い」シリコン濃度とは、障壁層６４がドープキャップ層６６のシリコン濃度よりも少なくとも５０％低いシリコン濃度を有することを意味する。一部の場合では、障壁層６４がドープキャップ層６６のものよりも少なくとも２桁低いシリコン濃度を有することが好ましい。障壁層６４は、好ましくは、意図的にドープされないが、それにも関わらず、少量の濃度のシリコンが汚染として層内に存在する可能性がある。
【００１５】
図示の実施において、障壁層６４は、非ドープ（ｉ型）、又は非意図的ドープＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ層である。例えば、障壁層６４は、非ドープ又は非意図的ドープＩｎ0.015ＧａＡｓとすることができる。他のモル比率も同じく使用することができる。
図示の実施において、ｎ＋キャップ層６６は、約６００Åの厚みを有し、非ドープ（又は非意図的ドープ）障壁層６４は、約４１５０Åの厚みを有する。従って、障壁層６４は、ドープキャップ層６６の数倍の厚みとすることができる（図示の例においては、７倍に近い厚み）。いずれにせよ、より高くシリコンドープされたキャップ層６６は、上部サブセル３２の窓６２から空間的に分離される。
【００１６】
図示の実施では、特定のＩＩＩ−Ｖ半導体化合物が太陽電池構造体の様々な層に使用されている。しかし、多重接合太陽電池構造体は、周期表に説明したＩＩＩ族からＶ族元素の他の組合せによっても形成することができ、ＩＩＩ族は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウム（Ｔｉ）を含み、ＩＶ族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、及び錫（Ｓｎ）を含み、Ｖ族は、窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００１７】
図３は、バイパスダイオード２４に対する部分１４内のキャップ層６６の上に含めることができる付加的な層の特定的な実施を示している。
図３の例に示すように、エッチング停止層６８がキャップ層６６の上に堆積される。エッチング停止層６８は、例えば、ｎ型ＧａＩｎＰ2とすることができる。次の加工段階が高温で行われる状況では、ｎ型ＡｌＧａＡｓのエッチング停止層６８が有利であろう。
【００１８】
エッチング停止層６８を堆積させた後、ｐ−ｉ−ｎバイパスダイオード２４のための層が、例えば、エピタキシャル的に堆積される。図示の実施形態では、バイパスダイオード２４は、より低いｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ接触層７０、ｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ基部層７２、ｉ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層７４、及びｐ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓエミッタ層７６を含む。ｎ型基部層７２は、接触層７０の上に堆積され、ｉ型層７４は、ｎ型層７２の上に堆積され、ｐ型層７６は、ｉ型層７４の上に配置される。層７６を堆積させた後、接触パッド７８がバイパスダイオード２４の上に堆積される。このようにして、ｐ−ｏｎ−ｎ極性を有するｐ−ｉ−ｎバイパスダイオードが、太陽電池構造体２２の上に形成される。他の実施形態では、ｎ−ｏｎ−ｐ極性を有するｎ−ｉ−ｐバイパスダイオードが、上述したものと類似の工程を用いて太陽電池構造体２２の上に形成される。
図示の実施において、エッチング停止層６８は、約９００Åの厚みを有する。図示の例における他の層の厚みは、次の通りである：接触層７０（１０００Å）、基部層７２（２０００Å）、真性層７４（１００００Å）、エミッタ層（５０００Å）、及び接触層７８（５００Å）。
【００１９】
以上の説明は、様々な層に関する材料及び厚みの特定の例に言及しているが、他の実施では、異なる材料及び厚みを使用することができる。また、本発明の範囲を逸脱することなく、バイパスダイオード２４において付加的な層を追加することができ、又は一部の層を削除することができる。一部の場合では、バイパスダイオード２４以外の一体化デバイスを太陽電池層２２の上に形成することができる。他の実施では、太陽電池構造体は、太陽電池層の上方に一体化バイパスダイオード又は他のデバイスを含まなくてもよい。
【００２０】
本発明者は、ドープキャップ層６６と窓６２の間の障壁層６４の追加は、上部サブセル３２の開路電圧（ＶOC）を高めることを発見した。作用理論は本発明に対して重要ではないが、障壁層６４の追加は、高温でのバイパスダイオードの成長中のキャップ層６６から窓層６２内へのシリコンの拡散を低下させると見られている。障壁層６４の追加は、ｎ＋ドープ層６６内のシリコンを実質的に局在化させ、そのようにして窓６２内へのシリコンの拡散が阻止又は低減される。窓６２内へのシリコンの拡散は、それが窓６２からのアルミニウムの外方拡散を招き、それは、次に、インタフェースの少数キャリア再結合を増大させサブセルの開路電圧（ＶOC）を低下させるので望ましくない。
【００２１】
図示の太陽電池の得られた開路電圧（ＶOC）は、非ドープ（又は非意図的ドープ）障壁層６４の開路電圧よりも高電圧とすることができるので、より高い作動電圧並びにより高電力を達成することができる。それは、換言すれば、太陽電池の効率を高めることができる。従って、非ドープ又は非意図的ドープ障壁層６４の追加は、多重接合太陽電池構造体２２を有する効率的な太陽電池２０の製造を可能にする。
【００２２】
図４は、本発明の実施形態による多重接合太陽電池構造体の製造方法を示す流れ図である。ブロック１１０では、この工程は、ゲルマニウム基板を準備する段階を含む。ゲルマニウム基板は、接触層を備えることができる。基板が準備されると、工程は、ブロック１１２に移動する。
ブロック１１２では、工程は、太陽電池構造体のための一連の層を堆積させる段階を含む。一部の実施形態では、太陽電池は、下部、中間、及び上部サブセルを含む三重接合太陽電池である。ホモ接合サブセルでヘテロ接合サブセルを置換することができる。太陽電池サブセルが形成された後に、工程は、ブロック１１４に進む。
【００２３】
ブロック１１４では、工程は、障壁層及びキャップ層を堆積させる段階を含む。最初に、障壁層が、上部サブセルの窓の上に堆積される。次に、ドープキャップ層が、障壁層の上に堆積され、それによって高度にドープされたキャップ層が上部サブセルから空間的に分離される。上述のように、障壁層は、非ドープであるか又はキャップ層のシリコン濃度よりも顕著に低いシリコン濃度を有する。好ましくは、障壁層６４は、非ドープであるか又は非意図的にドープされるのみである。障壁層及びキャップ層が堆積されると、工程は、ブロック１１６に進む。
【００２４】
ブロック１１６では、工程は、キャップ層の上にバイパスダイオード又は他の能動素子を堆積させる段階を含む。一実施形態では、キャップ層上にエッチング停止層を堆積させた後、エッチング停止層の上にｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層が堆積される。次に、ｉ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層が、ｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層の上に堆積され、ｉ型層の上にｐ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層が堆積される。一実施形態では、ｎ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層内のｎ型ドーパントの濃度は、１０17から１０18ｃｍ-3である。ｎ型層と同様に、ｐ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層内のｐ型ドーパントの濃度は、１０17から１０18ｃｍ-3である。これに対して、ｉ型Ｉｎ0.015ＧａＡｓ層に関するドーパントの濃度は、特定的な実施において１０16ｃｍ-3未満である。
次に、他の製造段階を行ってもよい。例えば、ブロック１１８で示すように、太陽電池の形成を完了させるために、ガラスカバー及び電極ターミナルを堆積させることができる。
他の実施も特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による太陽電池の例を示す図である。
【図２】本発明による太陽電池層の例を示す図である。
【図３】太陽電池層の上のバイパスダイオード層の例を示す図である。
【図４】本発明による方法の例の流れ図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  太陽電池
１６  ウェル
２４  一体化バイパスダイオード
【図１】
2008103720.tif 000003
【図２】
2008103720.tif 000004
【図３】
2008103720.tif 000005
【図４】
2008103720.tif 000006