(57)【要約】【課題】化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いた基板を完全に除去し、薄膜化した高効率の多接合型太陽電池を製造する。【解決手段】本発明の多接合型太陽電池は、少なくとも１つの太陽電池素子層がエピタキシャル成長により形成された単結晶薄膜からなり、基板を含まない薄膜化合物太陽電池を備え、薄膜化合物太陽電池が、光入射側に一方の極性の表面電極を有し、裏面側にもう一方の極性の裏面電極となる透明導電膜を有し、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有することを特徴とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの太陽電池素子層がエピタキシャル成長により形成された単結晶薄膜からなり、基板を含まない薄膜化合物太陽電池であって、該薄膜化合物太陽電池の光入射側に、一方の極性の表面電極を有し、裏面側にもう一方の極性の裏面電極となる透明導電膜を有し、前記薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有することを特徴とする多接合型太陽電池。
【請求項２】
前記薄膜化合物太陽電池は、光入射側に高バンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側に低バンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、前記複数のセルはトンネル接合層によって接続され、前記薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、前記薄膜化合物太陽電池よりもさらに低いバンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を有することを特徴とする請求項１に記載の多接合型太陽電池。
【請求項３】
前記薄膜化合物太陽電池は、光入射側にバンドギャップが１．７〜２．１ｅＶである（Ａｌ）ＩｎＧａ（Ａｓ）Ｐ単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側にバンドギャップが１．３〜１．６ｅＶである（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、前記複数のセルはトンネル接合によって接続され、前記薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、バンドギャップが０．７〜１．２ｅＶであるＩｎＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の多接合型太陽電池。
【請求項４】
前記薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、ＣｕＩｎＧａＳｅＳ材料からなるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族の太陽電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の多接合型太陽電池。
【請求項５】
前記薄膜化合物太陽電池は、光入射側にバンドギャップが１．８〜２．１ｅＶである（Ａｌ）ＩｎＧａ（Ａｓ）Ｐ単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側にバンドギャップが１．４〜１．６ｅＶである（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、前記複数のセルはトンネル接合によって接続された構造を有し、前記薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、Ｓｉ太陽電池であることを特徴とする請求項１または２に記載の多接合型太陽電池。
【請求項６】
薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有する多接合型太陽電池の製造方法であって、
半導体基板上に中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、太陽電池の光入射側から裏面側に向かって、太陽電池素子層を順次、エピタキシャル成長させる工程と、
前記太陽電池素子層上に、裏面電極となる透明導電膜を形成する工程と、
前記透明導電膜上に、他の太陽電池を張り合わせる工程と、
前記中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する工程
を備えることを特徴とする多接合型太陽電池の製造方法。
【請求項７】
中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する前記工程において、半導体基板に対する溶解度が、中間層に対する溶解度より大きい溶剤を用いて、半導体基板を分離することを特徴とする請求項６に記載の多接合型太陽電池の製造方法。
【請求項８】
中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する前記工程において、中間層に対する溶解度が、半導体基板に対する溶解度より大きい溶剤を用いて、中間層を除去することを特徴とする請求項６に記載の多接合型太陽電池の製造方法。
【請求項９】
透明導電膜上に、他の太陽電池を張り合わせる前記工程において、他の太陽電池の表面に透明導電膜を形成し、透明導電性接着剤を介して、太陽電池素子層上の透明導電膜に、他の太陽電池上の透明導電膜を張り合わせることを特徴とする請求項６に記載の多接合型太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル成長によって形成された薄膜化合物太陽電池から製造される多接合型太陽電池およびその製造方法に関するものであり、高性能で高機能の太陽電池に関する発明である。また、宇宙空間における電源となる多接合型化合物太陽電池の薄膜化による軽量化、低コスト化および高効率化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙で使用される人工衛星などの電源に用いられるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅからなる３接合型太陽電池では、軽量化のために、使用するＧｅ基板の厚さを１４０μｍ程度に薄くしていた。また、基板をさらに薄くする方法として、エピタキシャル層表面に電極構造などを形成した後に、ガラス板のような支持基板に貼り付け、基板をバックアップし、裏面電極を形成した後、支持基板から取り外して製造していた。さらに、薄膜化されたエピタキシャル層とウェハとの張り合わせる、いわゆるウェハボンディングなどの研究では、接着剤などでの貼り付け、絶縁体を介した静電ボンディング、熱圧着などの方法が用いられてきた。
【０００３】
しかし、ほとんどの太陽電池構造をエピタキシャル層表面側に形成した後に、基板を薄くする工程をとっていたため、太陽電池構造の凹凸などにより、基板が非常に割れやすい状況にあった。また、十分な薄膜化がなされておらず、無駄な基板が残ったままであった。一方、ウェハボンディング法では、エピタキシャル層とそれを保持するウェハとの界面が高抵抗になるため、エピタキシャル層と保持材料との縦方向の十分に低い電気抵抗を達成することが困難であった。
【０００４】
太陽電池の高効率化のためには、光吸収波長の異なる材料からなる複数の太陽電池（ｐｎ接合）を重ね合わせる多接合化が有効である。現状では、ＧａＡｓ基板やＧｅ基板に格子整合したＩｎＧａＰ材料からなる上部セルと、（Ｉｎ）ＧａＡｓ材料からなる下部セルをベースにした多接合構造が主流であり、その下に、Ｇｅセルを配置した３接合太陽電池が実用化されている。しかしながら、Ｇｅセルのバンドギャップは０．７ｅＶ未満であり、３接合構造では最適ではないため、Ｇｅセルに代わる０．９〜１．１ｅＶ程度の材料が望まれている。さらに、Ｇｅセルを含んだ４接合構造においても３段目の太陽電池として０．９〜１．１ｅＶ程度の材料が望まれている。
【０００５】
このような０．９〜１．１ｅＶ程度の材料として、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＮのような材料が挙げられるが、前者は格子不整合によるミスフィット転位の発生、後者はＮ原子の欠乏による固有欠陥の発生などが問題視されており、完全な高品質化は達成されていない。さらに、このような層の上では、上部の（Ｉｎ）ＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層の品質も大幅に低下してしまうといった問題があったため、０．９〜１．１ｅＶ程度の材料からなる太陽電池を組み込んだ多接合型太陽電池の製造が困難であった。
【０００６】
なお、以上、本発明についての従来技術を、出願人の知得した一般的技術情報に基づいて説明したが、出願人の記憶する範囲において、出願前までに先行技術情報として開示すべき情報を出願人は有していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いた基板を完全に除去した構造とすることにより、薄膜化を可能にした多接合型太陽電池を提供することにある。また、薄膜化により効率の高い太陽電池を提供することにある。さらに、本発明は、薄膜化工程において化合物半導体素子や基板の割れを抑制し、薄膜化合物太陽電池と保持材料との間の電気抵抗を十分に低下させた多接合型太陽電池を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の多接合型太陽電池は、少なくとも１つの太陽電池素子層がエピタキシャル成長により形成された単結晶薄膜からなり、基板を含まない薄膜化合物太陽電池を含み、薄膜化合物太陽電池が、光入射側に一方の極性の表面電極を有し、裏面側にもう一方の極性の裏面電極となる透明導電膜を有し、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の多接合型太陽電池の製造方法は、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有する多接合型太陽電池の製造方法であって、
半導体基板上に中間層を形成する工程と、
中間層上に、太陽電池の光入射側から裏面側に向かって、太陽電池素子層を順次エピタキシャル成長させる工程と、
太陽電池素子層上に、裏面電極となる透明導電膜を形成する工程と、
透明導電膜上に、他の太陽電池を張り合わせる工程と、
中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する工程
を備えることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（多接合型太陽電池）
本発明の多接合型太陽電池は、薄膜化合物太陽電池が、光入射側に一方の極性の表面電極を有し、裏面側にもう一方の極性の裏面電極となる透明導電膜を有し、この薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して、他の太陽電池が張り合わされた構造を有する。薄膜化合物太陽電池は、少なくとも１つの太陽電池素子層がエピタキシャル成長により形成された単結晶薄膜からなり、太陽電池素子層のエピタキシャル成長に用いた基板を含まない。基板を完全に除去した構造とすることにより、薄膜化を可能としたものであり、割れにくく、薄膜化により高効率の太陽電池を提供することができる。
【００１１】
また、エピタキシャル成長により形成された単結晶薄膜からなる薄膜化合物半導体と、それを保持する太陽電池との間には、裏面電極となる透明導電膜が形成されているため、エピタキシャル層からの電気抵抗を十分に低下させることができる。また、保持材料自体を導電性にすれば、保持材料とエピタキシャル層との間の電気抵抗をさらに低下させることができる。透明導電膜を形成する材料としては、８５０ｎｍより長波長の光に対して７０％以上の透過率を有し、抵抗率が１Ω・ｃｍ以下である点で、ＩＴＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＴｉＯ２、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４などが好ましい。
【００１２】
太陽電池の高効率化のためには、光吸収波長の異なる材料からなる複数の太陽電池を重ね合せる多接合化が有効である。したがって、薄膜化合物太陽電池が、光入射側に高バンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側に低バンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、これらの複数のセルがトンネル接合層によって接続された構造を有し、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池が、薄膜化合物太陽電池よりもさらに低いバンドギャップ材料からなるｐｎ接合層を有する態様が好ましい。
【００１３】
より具体的な態様としては、薄膜化合物太陽電池が、光入射側にバンドギャップが１．７〜２．１ｅＶである（Ａｌ）ＩｎＧａ（Ａｓ）Ｐ単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側にバンドギャップが１．３〜１．６ｅＶである（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、これらの複数のセルがトンネル接合によって接続された構造を有し、簿膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、バンドギャップが０．７〜１．２ｅＶ、より望ましくは０．９〜１．１ｅＶであるＩｎＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を有するものがより好ましい。また、同様に、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池としては、ＣｕＩｎＧａＳｅＳ材料からなるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族の太陽電池が好適である。かかる他の太陽電池のバンドギャップは、０．７〜１．２ｅＶが好ましく、０．９〜１．１ｅＶがより好ましい。
【００１４】
別の態様としては、薄膜化合物太陽電池が、光入射側にバンドギャップが１．８〜２．１ｅＶである（Ａｌ）ＩｎＧａ（Ａｓ）Ｐ単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、裏面側にバンドギャップが１．４〜１．６ｅＶである（Ａｌ）（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｐ）単結晶材料からなるｐｎ接合層を含むセルを有し、これらの複数のセルがトンネル接合によって接続された構造を有し、薄膜化合物太陽電池に透明導電膜を介して張り合わされる他の太陽電池は、Ｓｉ太陽電池であるものがより好ましい。Ｓｉ太陽電池としては、太陽電池自身が基板となり、高効率である点で、単結晶Ｓｉ太陽電池が好ましい。
【００１５】
（多接合型太陽電池の製造方法）
本発明の多接合型太陽電池の製造方法は、半導体基板上に中間層を形成した後、太陽電池素子層をエピタキシャル成長する際に、従来の製造方法とは逆の方向に、太陽電池の光入射側から裏面側に向かって成長させることで、素子の裏面層をエピタキシャル基板の表面に露出させる。次に、その表面に太陽電池の裏面電極となる透明導電膜を形成し、透明導電膜に、ある程度の強度を有する他の太陽電池を張り合わせてから、半導体基板を全て除去する。
【００１６】
半導体基板を除去する際は、半導体基板と太陽電池素子層との間に形成している中間層で分離する。このため、太陽電池素子層を傷つけることなく、半導体基板を除去できる。また、化合物半導体の厚さが１０μｍ以下程度に薄くなると、伸縮性が向上し、割れにくくなるため、このような方法で、割れにくい太陽電池が製造可能となる。さらに、従来技術のように、半導体基板を薄くする工程をとらず、半導体基板を完全に除去するため、太陽電池の凹凸による基板の割れがなく、無駄な基板がないため、軽量化、高効率化を図ることができる。基板を除去した面に残った中間層を除去し、太陽電池構造の表面を露出させ、表面電極などの太陽電池構造を形成すると、多接合型太陽電池が得られる。
【００１７】
中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する際に使用する溶剤は、半導体基板の除去を速やかに行ない、中間層にて溶解を停止させ、太陽電池層の溶解を防止する点で、半導体基板に対する溶解度が、中間層に対する溶解度より大きい溶剤が好ましく、中間層に対する溶解度が、半導体基板に対する溶解度の５％以下である溶剤がより好ましく、３％以下である溶剤が特に好ましい。たとえば、半導体基板材料として、ＧａＡｓ、Ｇｅなどを用い、また、中間層材料として、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いた場合には、溶剤としては、アンモニア水と過酸化水素水などからなるアルカリ溶液が好ましい。
【００１８】
同様に、中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離する際に使用する溶剤は、中間層の除去を速やかに行ない、基板を大きく侵食せずに、太陽電池層から分離する点で、中間層に対する溶解度が、半導体基板に対する溶解度より大きい溶剤が好ましく、半導体基板に対する溶解度が、中間層に対する溶解度の５％以下である溶剤がより好ましく、３％以下である溶剤が特に好ましい。たとえば、半導体基板材料として、ＧａＡｓ、Ｇｅなどを用い、また、中間層材料として、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓなどを用いた場合には、溶剤としては、濃塩酸などからなる酸溶液が好ましい。
【００１９】
透明導電膜上に、他の太陽電池を張り合わせる際には、接合部分での電気抵抗を十分に低下させる点で、他の太陽電池の表面に透明導電膜を形成し、透明導電性接着剤を介して、素子上の透明導電膜に、他の太陽電池上の透明導電膜を張り合わせる態様が好ましい。透明導電性接着剤としては、８５０ｎｍより長波長の光に対して７０％以上の透過率を有し、抵抗率が１Ω・ｃｍ以下である点で、ＩＴＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＴｉＯ２、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４から構成されるインクなどが好適である。
【００２０】
【実施例】
実施例１
ＭＯＣＶＤ法を用い、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、図１に示す層構造を形成した。すなわち、５０ｍｍ径のＧａＡｓ基板（１×１０１８ｃｍ−３，  Ｓｉドープ）を縦型ＭＯＣＶＤ装置に投入し、まず、太陽電池素子層と基板との間の中間層としてＩｎＧａＰ層を厚さ０．５μｍ形成した。続いて、従来のエピタキシャル成長の方向とは逆向きに、太陽電池素子層を順次成長させた。成長温度は７００℃とし、ＧａＡｓ層の成長では、原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）を用いた。また、ＩｎＧａＰ層の成長では、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＰＨ３（ホスフィン）を原料に用いた。ＡｌＩｎＰ層の成長ではＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩおよびＰＨ３を原料に用いた。ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＰ層の全ての成長において、ｎ型層形成のための不純物にＳｉＨ４（モノシラン）を用い、ｐ型層形成のための不純物にＤＥＺｎを用いた。トンネル接合を形成するＡｌＧａＡｓ層の成長には、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ３を原料に用い、ｐ型不純物として、ＣＢｒ４（四臭化炭素）を用いた。
【００２１】
太陽電池構造のエピタキシャル層表面（ｎ型ＧａＡｓ層）上に、ｎ型オーミック電極となる透明導電膜（ＩＴＯ膜１）をスパッタリング法で形成した。次に、図２に示す構造のＩｎＧａＡｓＰセルの表面のｎ型ＩｎＰ層のオーミック電極となるＩＴＯ膜２をスパッタリング法で形成した。その後、ＩＴＯ膜１とＩＴＯ膜２の上に液体のＩＴＯインクを塗布し、それぞれの塗布面を合わせて張り合わせ、２００℃のプリベーク後４００℃、６０分でＩＴＯインクを乾燥・焼結させた。その後、ＧａＡｓ基板をエッチングするためにアルカリ溶液に浸し、ＧａＡｓ基板を裏面側よりエッチングした。約３５０μｍのＧａＡｓ基板を約３００分の時間で完全にエッチング除去し、ＩｎＧａＰ中間層でエッチングを停止させ、中間層により、半導体基板と太陽電池素子層を分離した。
【００２２】
次に、中間層のＩｎＧａＰ層を酸溶液でエッチング除去し、ｎ型キャップ層となるｎ型ＧａＡｓ層を露出させた。その上に、フォトリソグラフィ法によって、電極パターンの窓明けをしたレジストを形成し、真空蒸着装置に導入し、レジストを形成した上に、Ｇｅを１２％含むＡｕからなる層（厚さ１００ｎｍ）を抵抗加熱法により形成した後、Ｎｉ層（厚さ２０ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ５０００ｎｍ）を連続してＥＢ蒸着方法により形成した。その後、リフトオフ法にて所望のパターンの表面電極を形成した。次に、表面電極をマスクとして、電極が形成されていない部分のＧａＡｓキャップ層をアルカリ水溶液にてエッチングした。
【００２３】
続いて、フォトリソグラフィ法により、メサエッチングパターンの窓明けをしたレジストを形成し、窓開けされた部分のエピタキシャル層をアルカリ水溶液および酸溶液にてエッチングし、さらに中間のＩＴＯ膜を酸溶液で除去し、ＩｎＧａＡｓＰセル層をエッチングした後、ＩｎＰ基板をを露出させた。その後、ＩｎＰ基板の裏面にＡｕ−Ｚｎ膜を蒸着し、窒素中４００℃で１分間の熱処理を施し、オーミック電極を形成した。なお、さらにＥＢ蒸着法により表面に反射防止膜として、ＴｉＯ２膜（厚さ５５ｎｍ）、ＭｇＦ２（厚さ１００ｎｍ）を連続して形成することもできる。
【００２４】
メサエッチングされ、ＩｎＰが露出している部分に、スクライブラインを入れてへき開した。セルは、１０ｍｍｘ１０ｍｍサイズであり、１２枚製造した。図３は、セルの断面図である。セル特性評価として、ＡＭ１．５Ｇ基準太陽光を照射するソーラシミュレータにより、光照射時の電流電圧特性を測定し、短絡電流、開放電圧および変換効率を測定した。太陽電池の開放電圧は３．０Ｖ程度と高い値が得られた。
【００２５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いた基板を完全に除去し、薄膜化した多接合型太陽電池を製造することができる。また、薄膜化により、効率の高い太陽電池を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法において使用するＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ２接合型太陽電池の断面図である。
【図２】本発明の製造方法において使用するＩｎＧａＡｓＰ太陽電池の断面図である。
【図３】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ３接合型太陽電池の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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