(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多接合反転変成ソーラーセルであって、
第１のバンドギャップを有する上部の第１のソーラーサブセルと、
前記上部の第１のソーラーサブセルに隣接して格子整合し、前記第１のバンドギャップよりも低い第２のバンドギャップを有する第２のソーラーサブセルと、
前記第２のソーラーサブセルに隣接して格子整合し、前記第２のバンドギャップよりも低い第３のバンドギャップを有する第３のソーラーサブセルと、
前記第３のソーラーサブセルに隣接し、該第３のバンドギャップよりも高い第４のバンドギャップを有する傾斜中間層と、
前記傾斜中間層に隣接し、前記第３のバンドギャップよりも低い第５のバンドギャップを有し、前記第３のソーラーサブセルに対して格子不整合である下部の第４のソーラーサブセルと、
前記下部の第４のソーラーサブセルに設けられた金属層と、
前記金属層に取り付けられた基板と、
を備え、前記傾斜中間層は、一方では前記第３のソーラーサブセルと、他方では前記下部の第４のソーラーサブセルと格子整合するように組成的に傾斜し、前記第３のソーラーサブセルの面内格子定数以上であって前記第４のソーラーサブセルの面内格子定数以下の面内格子定数を有することという制約に従って、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のいずれかで構成され、前記第３のソーラーサブセル及び前記第４のソーラーサブセルのバンドギャップエネルギーを上回るバンドギャップエネルギーを有し、
前記下部の第４のソーラーサブセルは、１．０５〜１．１５ｅＶのバンドギャップを有し、前記第３のソーラーサブセルは、１．４０〜１．５０ｅＶのバンドギャップを有し、前記第２のソーラーサブセルは、１．６５〜１．７８ｅＶのバンドギャップを有し、前記上部の第１のソーラーサブセルは、１．９２〜２．２ｅＶのバンドギャップを有し、
前記上部の第１のソーラーサブセルは、ＡｌＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＰのエミッタ層と、ＡｌＩｎＧａＰのベース層とで構成され、前記第２のソーラーサブセルは、ＩｎＧａＰのエミッタ層と、ＡｌＧａＡｓのベース層とで構成され、前記第３のソーラーサブセルは、ＩｎＧａＰ又はＧａＡｓのエミッタ層とＧａＡｓのベース層とで又は（Ｉｎxのｘの値を０〜１％とする）ＩｎxＧａ1-xＡｓで構成され、前記下部の第４のソーラーサブセルは、ＩｎＧａＡｓのベース層と、該ベース層に格子整合したＩｎＧａＡｓのエミッタ層とで構成され、前記傾斜中間層は、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１とする（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ソーラーサブセルとして前記第１のソーラーサブセル、前記第２のソーラーサブセル、前記第３のソーラーサブセル、及び前記第４のソーラーサブセルの４つのみのソーラーサブセルが設けられており、傾斜中間層として前記傾斜中間層の１つのみの傾斜中間層が設けられていることを特徴とする多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項２】
前記下部の第４のソーラーサブセルは、１．１０ｅＶのバンドギャップを有し、前記第３のソーラーサブセルは、１．４０〜１．４２ｅＶのバンドギャップを有し、前記第２のソーラーサブセルは、１．７３ｅＶのバンドギャップを有し、前記上部の第１のソーラーサブセルは、２．１０ｅＶのバンドギャップを有する、
請求項１に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項３】
前記傾斜中間層の前記バンドギャップは、その厚み全体にわたって１．４２〜１．６０ｅＶである、
請求項１から２のいずれか１項に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項４】
前記傾斜中間層の前記バンドギャップは、その厚み全体にわたって一定値のままである、請求項１から３のいずれか１項に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項５】
前記第２のソーラーサブセルに隣接する、前記第２のソーラーサブセルと前記第３のソーラーサブセルとの間、及び／又は前記第３のソーラーサブセルと前記傾斜中間層との間の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層をさらに備え、該ＤＢＲ層は、該ＤＢＲ層上に配置されたソーラーサブセルに光が入射して通過し、前記光の少なくとも一部を前記ＤＢＲ層によって前記ソーラーサブセル内に反射できるように配置される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項６】
前記分布ブラッグ反射器層は、それぞれの屈折率が不連続な格子整合材料の複数の交互層で構成され、該交互層間の前記屈折率の差分は、所与の反射率を達成するために必要な周期数を最小化するために最大化され、各周期の厚み及び屈折率は、ストップバンド及びその限界波長を決定し、前記分布ブラッグ反射器層は、複数のｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層で構成された第１のＤＢＲ層と、前記第１のＤＢＲ層の上に配置された、ｙ＞ｘとする複数のｐ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ層で構成された第２のＤＢＲ層とを含む、
請求項５に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【請求項７】
前記第３のソーラーサブセルは、量子井戸層を含み、該量子井戸層は、該量子井戸層の歪みを平衡させて前記第４のソーラーサブセルと格子整合した状態に保つように、低いバンドギャップ又は大きな格子定数のＩｎＧａＡｓと、高バンドギャップ又は低格子定数のＧａＡｓＰとを組み合わせることによって「歪平衡」している、
請求項１から６のいずれか１項に記載の多接合反転変成ソーラーセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体デバイスの分野に関し、変成層を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物に基づく多接合ソーラーセルなどの製造工程及びデバイスに関する。このようなデバイスは、反転変成多接合ソーラーセルとしても知られている。
【背景技術】
【０００２】
ソーラーセルとも呼ばれる光起電力セルからのソーラーパワーは、主にシリコン半導体技術によってもたらされてきた。しかしながら、ここ数年、宇宙用途のためのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池の大量生産により、このような技術の進歩が、宇宙での使用のみならず地上のソーラーパワー用途のためにも加速されてきた。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体多接合デバイスは、シリコンに比べて製造が複雑になる傾向はあるものの、エネルギー変換効率が高く、一般的に放射線耐性も高い。典型的な商用のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体多接合ソーラーセルは、１ｓｕｎ、エアマス０（ＡＭ０）の照度下で２７％を超えるエネルギー変換効率を有しているのに対し、最も効率の高いシリコン技術でも、同等の条件下で約１８％の効率にしか達しない。シリコンソーラーセルに比べて高いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ソーラーセルの変換効率は、異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の光起電力領域を用いた入射放射線のスペクトル分割と、各領域からの電流の蓄積とを達成する能力に部分的に基づく。
【０００３】
典型的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ソーラーセルは、半導体ウェハ上に垂直多接合構造で製造される。その後、個々のソーラーセル又はウェハが水平アレイの形に配置され、電気的直列回路の形で個々のソーラーセルが互いに接続される。アレイの形状及び構造、並びにアレイが含むセルの数は、所望の出力電圧及び電流によって部分的に決まる。
【０００４】
例えば、Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他著、「高性能ＩＩＩ−Ｖ族光起電力エネルギー変換器のための格子不整合手法（Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，  Ｉｌｌ−Ｖ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」（２００５年１月３日〜７日  第３１回ＩＥＥＥ光起電力専門家会議議事録  ＩＥＥＥ出版  ２００５年）に記載されるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に基づく反転変成ソーラーセル構造は、将来的な商用高効率ソーラーセルの発展のための重要な概念的出発点を提示するものである。しかしながら、このような参考文献に提案され記載されているセルの多くの異なる層の材料及び構造は、材料及び製造ステップの適切な選択に関する数多くの実用的困難を示す。
【０００５】
数十年にわたり、研究者の目標は、宇宙用ソーラーセルの効率を高めることであった。宇宙用ソーラーセルの効率は、（不活性Ｇｅ上の２重接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓの）２３％から（３重接合ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの）２９．５％に向上しており、この向上の実現は、材料品質の改善のみならず、宇宙動作環境の特徴である荷電粒子放射に起因する電力劣化を低減するセル設計の改善にもよるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８，９６９，７１２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０２２９６６２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０２７２４３０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０００７８３０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００９／０２７２４３０号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００９／００７８３０９号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他著、「高性能ＩＩＩ−Ｖ族光起電力エネルギー変換器のための格子不整合手法（Ｌａｔｔｉｃｅ  Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，  Ｉｌｌ−Ｖ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」（２００５年１月３日〜７日  第３１回ＩＥＥＥ光起電力専門家会議議事録  ＩＥＥＥ出版  ２００５年）
【非特許文献２】Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｌ．、Ｊ．Ｄ．Ｇａｂｂｅ、及びＲｏｓｅｎｚｗｅｉｇ著、「テルスター放射線実験の結果（Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｔｅｉｓｔａｒ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」、Ｂｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊ．、第４２巻、１５０５頁、１９６３年
【非特許文献３】Ｔａｄａ，Ｈ．Ｙ．、Ｊ．Ｒ．Ｃａｒｔｅｒ，Ｊｒ．、Ｂ．Ｅ．Ａｎｓｐａｕｇｈ、及びＲ．Ｇ．Ｄｏｗｎｉｎｇ著、「太陽電池放射線ハンドブック（Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、第３版、ＪＰＬ出版  ８２−６９頁、１９８２年
【非特許文献４】「Ｍａｒｖｉｎ，Ｄ．Ｃ．著、「放射線環境における多接合ソーラーセル性能の評価（Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｉｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）」  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｎｏ．ＴＯＲ−２０００（１２１０）−１、２０００年
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、１つの態様において多接合ソーラーセルを提供する。１つの実施形態では、この多接合ソーラーセルが、第１のバンドギャップを有する上部の第１のソーラーサブセルと、上部の第１のソーラーサブセルに隣接し、第１のバンドギャップよりも低い第２のバンドギャップを有する第２のソーラーサブセルと、第２のソーラーサブセルに隣接して量子井戸を含み、第２のバンドギャップよりも低い第３のバンドギャップを有する第３のソーラーサブセルと、第３のソーラーサブセルに隣接し、第３のバンドギャップよりも高い第４のバンドギャップを有する傾斜中間層と、傾斜中間層に隣接し、第３のバンドギャップよりも低い第５のバンドギャップを有し、第３のソーラーサブセルに対して格子不整合である下部の第４のソーラーサブセルとを含む。
【０００９】
本開示は、別の態様においてソーラーセルの製造方法を提供する。１つの実施形態では、この方法が、第１の基板を準備するステップと、第１の基板上に、第１のソーラーサブセル、第２のソーラーサブセル及び第３のソーラーサブセルを形成する第１の一連の半導体材料の層を堆積させるステップと、第３のソーラーサブセル上に傾斜中間層を堆積させるステップと、傾斜中間層上に、第３のソーラーサブセルと格子整合した第４のソーラーサブセルを形成する第２の一連の半導体材料の層を堆積させるステップと、一連の層の上部に代用基板を取り付けて接合するステップと、第１の基板を除去するステップとを含む。
【００１０】
１又は２以上の実施形態では、傾斜中間層を、一方で第３のソーラーサブセルと格子整合し、他方で第４のソーラーサブセルと格子整合するように組成的に傾斜させることができる。
【００１１】
１又は２以上の実施形態では、傾斜中間層を、第３のソーラーサブセルの面内格子パラメータ以上であって第４のソーラーサブセルの面内格子パラメータ以下の面内格子パラメータを有することという制約に従ってＡｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のいずれかで構成することができ、傾斜中間層は、第３のソーラーサブセル及び第４のソーラーサブセルのバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有することができる。
【００１２】
１又は２以上の実施形態では、傾斜中間層を、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１とする（ＩｎxＧａ1-x）ｙＡｌ1-yＡｓで構成することができ、ｘ及びｙは、バンドギャップがその厚み全体にわたって一定のままであるように選択される。
【００１３】
１又は２以上の実施形態では、傾斜中間層のバンドギャップが、その厚み全体にわたって１．４２〜１．６０ｅＶの値を有することができる。
【００１４】
１又は２以上の実施形態では、傾斜中間層のバンドギャップが、その厚み全体にわたって１．５〜１．６ｅＶの値で一定を保つことができる。
【００１５】
１又は２以上の実施形態では、上部の第１のサブセルを、ＡｌＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＰのエミッタ層とＡｌＩｎＧａＰのベース層で構成することができ、第２のサブセルを、ＩｎＧａＰのエミッタ層とＡｌＧａＡｓのベース層で構成することができ、第３のサブセルを、ＩｎＧａＰ又はＧａＡｓのエミッタ層及びＧａＡｓのベース層で構成することができ、下部の第４のサブセルを、ＩｎＧａＡｓのベース層及びベースと格子整合するＩｎＧａＡｓのエミッタ層で構成することができる。
【００１６】
１又は２以上の実施形態では、第４のソーラーサブセルが、約１．０５〜１．１５ｅＶのバンドギャップを有することができ、第３のソーラーサブセルが、約１．４０〜１．４２ｅＶのバンドギャップを有することができ、第２のソーラーサブセルが、約１．６５〜１．７８ｅＶのバンドギャップを有することができ、第１のソーラーサブセルが、約１．９２〜２．２ｅＶのバンドギャップを有することができる。
【００１７】
１又は２以上の実施形態では、第４のソーラーサブセルが、約１．１０ｅＶのバンドギャップを有することができ、第３のソーラーサブセルが、約１．４０〜１．４２ｅＶのバンドギャップを有することができ、第２のソーラーサブセルが、約１．７３ｅＶのバンドギャップを有することができ、第１のソーラーサブセルが、約２．１０ｅＶのバンドギャップを有することができる。
【００１８】
１又は２以上の実施形態では、第１のソーラーサブセルを、ＡｌＩｎＧａＰで構成することができ、第２のソーラーサブセルを、ＩｎＧａＰのエミッタ層及びＡｌＧａＡｓのベース層で構成することができ、第３のソーラーサブセルを、ＧａＡｓ又は（Ｉｎxのｘの値を０〜１％とする）ＩｎxＧａＡｓで構成することができ、第４のソーラーサブセルを、ＩｎＧａＡｓで構成することができる。
【００１９】
１又は２以上の実施形態では、第２のサブセル及び上部の第１のサブセルの各々が、半導体元素に加えてアルミニウムを含む。
【００２０】
１又は２以上の実施形態では、第２のサブセル及び上部の第１のサブセルの各々が、４つの全てのサブセルの平均バンドギャップが１．４４ｅＶよりも大きくなるような量のアルミニウムを含む。
【００２１】
１又は２以上の実施形態では、サブセルの組成及びそのバンドギャップの選択により、「寿命初期」（ＢＯＬ）以降の、「寿命末期」（ＥＯＬ）時間と呼ばれる所定の期間における、ＡＭ０の宇宙空間に展開された際の所定の高温値（摂氏５０〜７０度）において前記ソーラーセルの効率が最大化される。
【００２２】
いくつかの実施形態では、所定の期間が、少なくとも２年、５年、１０年、又は少なくとも１５年である。
【００２３】
１又は２以上の実施形態では、サブセルの組成及びそのバンドギャップの選択により、初期展開時ではなく、初期展開後にＡＭ０の宇宙空間にソーラーセルが連続的に展開された後の、１〜２０をｘとする少なくともｘ年の、４つの全てのサブセルの平均バンドギャップが１．４４ｅＶよりも大きな所定の期間における所定の高温値（摂氏５０〜７０度）においてソーラーセルの効率が最大化される。
【００２４】
いくつかの実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなく、セル構造に対して（単複の）さらなる層を追加又は削除することができる。
【００２５】
本開示のいくつかの実装は、上述した概要に示す態様及び特徴よりも少ない態様及び特徴を組み込み、又は実装することもできる。
【００２６】
本明細書で説明する装置及び方法は、以下の詳細な説明を参照して以下の添付図面と合わせて検討することによってより良くさらに完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】成長基板上にいくつかの半導体層を堆積させることを含む初期製造段階後のソーラーセルの断面図である。
【図２Ａ】次の一連の処理ステップ後の、１つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層を含む図１のソーラーセルの第１の実施形態の断面図である。
【図２Ｂ】次の一連の処理ステップ後の、１つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層を含む図１のソーラーセルの第２の実施形態の断面図である。
【図３Ａ】次の一連の処理ステップ後の、２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層を含む図１のソーラーセルの第１の実施形態の断面図である。
【図３Ｂ】次の一連の処理ステップ後の、２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層を含む図１のソーラーセルの第２の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
用語解説
「寿命末期（ＥＯＬ）」とは、光起電力システムが展開されて稼働できていた寿命初期後の所定の期間を意味する。ＥＯＬ時間は、例えばソーラーセルの設計者が他の設計目的に加えて指定された時点における技術性能要件を満たすようにソーラーセルのサブセル及びソーラーセルの下位層の組成を規定するのに必要な光起電力システムの技術性能仕様の一部として顧客が指定することができる。「ＥＯＬ」という用語は、ＥＯＬ時間以降に光起電力システムが稼働できず、又は電力を生成しないことを示唆するものではいない。
【００２９】
「ＺＴＪ」は、市販のＳｏｌＡｅｒｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社の３重接合ソーラーセルの製品名を示す。
【００３０】
以下、本発明の例示的な態様及び実施形態を含む詳細について説明する。同じ参照番号を用いて同じ又は機能的に類似する要素を識別する図面及び以下の説明への参照は、例示的な実施形態の主な特徴を高度に単純化した図の形で説明するように意図したものである。さらに、図面は、実際の実施形態の全ての特徴を示すものでも、図示の要素の相対的寸法を示すものでもなく、縮尺通りではない。
【００３１】
３３％効率の４重接合ＩｎＧａＰ2／ＧａＡｓ／Ｉｎ0.30Ｇａ0.70Ａｓ／Ｉｎ0.60Ｇａ0.40Ａｓ（バンドギャップはそれぞれ１．９１ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．０３ｅＶ／０，７０ｅＶ）反転変成多接合セルは、標準的なＺＴＪ３重接合デバイスよりも寿命初期（ＢＯＬ）において（相対的に）効率が１０％高く、１５０μｍ厚の低質量リジッド基板に恒久的に接合した時に４０％低い質量を有することができる。さらに、反転変成技術は、基板と格子整合する（ＩｎＧａＰ及びＧａＡｓが最初に成長する）高品質材料と、格子不整合な高品質材料（Ｉｎ0.30Ｇａ0.70Ａｓ及びＩｎ0.60Ｇａ0.40Ａｓ）とを同時に実現可能にすることにより、一体化できる材料の選択肢を広げることができる。変成法の利点は、光学的に透明なステップ傾斜したバッファ層の頂部で成長したＩｎＧａＡｓサブセルを介して広範囲の赤外線バンドギャップにアクセスできることであると考えられる。さらに、変成材料は、ほぼ完全な量子効率、有利に低いＥg−Ｖocオフセット及び高効率を提供することができる。大抵の場合、追加コストを伴わない効率向上はめったに実現されない。例えば、４重接合反転変成多接合セルは、厚いエピタキシと複雑な処理に起因してＺＴＪよりもコストが掛かることがある。さらに、反転エピタキシャル薄膜を成長基板から除去し、表を上にしてリジッド基板に一時的に又は恒久的に接合して前面加工を完了することができる。さらに、結果として、従来のＺＴＪソーラーセルとほとんど区別できない全上部コンタクト型セルを得ることができる。しかしながら、４重接合反転変成多接合セルは、ＺＴＪの高効率で低質量な暫定的置き換えになるにも関わらず、顧客は、その［ドル又はユーロ／ワットで評価した］高い特殊コストによって新たな又は交換セル技術を採用したがらないこともある。
【００３２】
本開示による反転変成４重接合ＡｌＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ（バンドギャップはそれぞれ、２．１ｅＶ／１．７３ｅＶ／１．４２ｅＶ／１．１０ｅＶ）ソーラーセルの設計は、最適化された多接合セルは全てのサブセル間で均衡のとれた光電流を発生し、１２００ｎｍ〜２０００ｎｍの赤外線スペクトルを含む太陽スペクトル全体を使用すべきであるという点で、一般的な通念と一致しない。本開示では、高バンドギャップ電流整合３重接合スタックを最初に成長させた後に、１つの実施形態では「下部」サブセルを形成する格子不整合１．１０ｅＶＩｎＧａＡｓサブセルを成長させる。その後、反転ＩｎＧａＡｓサブセルを成長基板から除去し、その後に通常のソーラーセルとして４重接合ソーラーセルを加工できるようにリジッドな担体に接合する。
【００３３】
提案する構造は、寿命初期（ＢＯＬ）効率は従来の反転変成４重極接合型ソーラーセルより低いにも関わらず、高温寿命末期（以下、「ＨＴ−ＥＯＬ」と呼ぶ）＄／Ｗを設計メトリックとして使用した場合、ＨＴ−ＥＯＬ電力を１０％増加させ、ＨＴ−ＥＯＬ＄／Ｗを大幅に減少させることができる。
【００３４】
提案する技術は、３つの格子整合サブセルと１つの格子不整合サブセルとを用いて４接合型デバイスを構成している点で既存の技術（例えば、米国特許第８，９６９，７１２号）と異なる。これまでの反転変成４重接合型ソーラーセルは、２つの格子整合サブセルと２つの格子不整合サブセルとを用いて構成されていた。この結果、例えばソーラーセルが、（ｉ）薄い上部セルを使用することによってＩｎ及びＰの使用量を減少させ、（ｉｉ）傾斜バッファ層の数を２から１に減少させ、（ｉｉｉ）必要なＩｎの量に起因して高価になり得る高濃度Ｉｎ含有下部セルの必要性を排除できる、という点で、提案する構造のエピタキシのコストを安価にすることができる。
【００３５】
反転変成多接合（ＩＭＭ）ソーラーセルの基本製造概念は、ソーラーセルのサブセルを基板上で「逆」順に成長させることである。すなわち、本来であれば太陽放射に面する「上部」サブセルである高バンドギャップサブセル（すなわち、１．９〜２．３ｅＶのバンドギャップを有するサブセル）をＧａＡｓ又はＧｅなどの半導体成長基板上にエピタキシャル成長させ、従ってこのようなサブセルをこのような基板に格子整合させる。その後、この高バンドギャップサブセル上で１又は２以上の低バンドギャップの中間サブセル（すなわち、１．３〜１．９ｅＶのバンドギャップを有するサブセル）を成長させることができる。
【００３６】
この中間セル上に少なくとも１つの下部サブセルを形成して、少なくとも１つの下部サブセルが成長基板に対して実質的に格子不整合であるとともに、この少なくとも１つの下部サブセルが第３のさらに低いバンドギャップ（例えば、０．８〜１．２ｅＶのバンドギャップ）を有するようにする。その後、この「下部」サブセル又は実質的に格子不整合の下部サブセル上に代用基板又は支持構造体を取り付け又は設け、その後に成長半導体基板を除去する。（その後、この成長基板は、第２の及びその後のソーラーセルの成長に再利用することができる。）
【００３７】
本開示のソーラーセルに関連する構造及び工程には、本出願人の関連出願に開示する反転変成多接合ソーラーセルの様々な異なる特徴を含めることもできる。しかしながら、より具体的に言えば、本開示は、全てを単一の成長基板上で成長させた１つのみの変成層を使用する４接合反転変成ソーラーセルの製造に関する。本開示では、結果として得られる構造が４つのサブセルを含み、これらのバンドギャップは、それぞれ１．９２〜２．２ｅＶ（例えば、２，１０ｅＶ）、１．６５〜１．７８ｅＶ（例えば、１．７３ｅＶ）、１．４２〜１．５０ｅＶ（例えば、１．４２ｅＶ）、及び１．０５〜１．１５ｅＶ（例えば、１．１０ｅＶ）である。
【００３８】
半導体構造における層の格子定数及び電気特性は、反応器の適切な成長温度及び成長時間の指定、並びに適切な化学組成及びドーパントの使用によって制御されることが好ましい。有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ）、又は逆成長用のための他の気相成長法などの気相成長法を使用することにより、ソーラーセルを形成するモノリシック半導体構造内の層が、必要な厚み、元素組成、ドーパント濃度及び傾斜型と導電型を有して成長できるようになる。
【００３９】
図１に、ＧａＡｓ成長基板上に４つのサブセルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを逐次形成した後の本開示による多接合ソーラーセルを示す。具体的には、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）であることが好ましいが、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の好適な材料であってもよい基板１０１を示している。ＧａＡｓの場合、基板は１５度のオフカット基板であり、すなわち米国特許出願公開第２００２／０２２９６６２号（Ｓｔａｎ他）にさらに完全に記載されているように、その表面が（１００）面から（１１１）面に向かって１５度ずれて配向されていることが好ましい。
【００４０】
Ｇｅ基板の場合には、基板１０１上に核生成層（図示せず）を直接堆積させる。基板上又は（Ｇｅ基板の場合）核生成層上には、バッファ層１０２及びエッチストップ層１０３をさらに堆積させる。ＧａＡｓ基板の場合、バッファ層１０２はＧａＡｓであることが好ましい。Ｇｅ基板の場合、バッファ層１０２はＩｎＧａＡｓであることが好ましい。その後、層１０３上にＧａＡｓのコンタクト層１０４を堆積させ、このコンタクト層上にＡｌＩｎＰの窓層１０５を堆積させる。窓層１０５上には、ｎ＋エミッタ層１０６及びｐ型ベース層１０７から成るサブセルＡをエピタキシャル堆積させる。サブセルＡは、一般に成長基板１０１と格子整合する。
【００４１】
なお、多接合太陽電池の構造は、格子定数及びバンドギャップ要件に従って、周期律表に記載されているＩＩＩ〜Ｖ族の元素のいずれかの好適な組み合わせによって形成することができ、ＩＩＩ族は、ホウ素（Ｂ）、アルミ（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）及びタリウム（Ｔ）を含む。ＩＶ族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００４２】
１つの実施形態では、エミッタ層１０６がＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐ2で構成され、ベース層１０７がＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐ2で構成される。この化学式中の括弧内のアルミニウム又はＡｌの表現は、Ａｌが任意の構成要素であることを意味し、この例では０％〜４０％の量で使用することができる。
【００４３】
サブセルＡは、後述する本開示による処理ステップの完了後には、最終的に反転変成構造の「上部」サブセルになる。
【００４４】
ベース層１０７の上部には、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＩｎＰである裏面電界（「ＢＳＦ」）層１０８を堆積し、これを用いて再結合損失を低減する。
【００４５】
ＢＳＦ層１０８は、ベース／ＢＳＦ界面近傍の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限に抑える。換言すれば、ＢＳＦ層１０８は、ソーラーサブセルＡの裏面での再結合損失を低減することによってベースでの再結合を低減する。
【００４６】
ＢＳＦ層１０８の上部には、トンネルダイオード、すなわちサブセルＡをサブセルＢに接続するオーミック回路要素を形成する一連の高濃度にドープされたｐ型及びｎ型層１０９ａ及び１０９ｂを堆積させる。層１０９ａは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓで構成されることが好ましく、層１０９ｂは、ｎ＋＋ＧａＩｎＰで構成されることが好ましい。
【００４７】
トンネルダイオード層１０９ａ／１０９ｂの上部には、好ましくはｎ＋ＩｎＧａＰである窓層１１０を堆積させる。窓層１１０の材料構成要素としてＩｎＧａＰを利用する利点は、米国特許出願公開第２００９／０２７２４３０号（Ｃｏｒｎｆｅｌｄ他）にさらに完全に記載されているように、ＩｎＧａＰが、隣接するエミッタ層１１１と密接に一致する屈折率を有する点である。サブセルＢで使用される窓層１１０は、界面再結合損失を低減させるようにも作用する。当業者には、本開示の範囲から逸脱することなくセル構造において（単複の）さらなる層を追加又は削除できることが明らかなはずである。
【００４８】
窓層１１０の上部には、サブセルＢの層であるｎ型エミッタ層１１１及びｐ型ベース層１１２を堆積させる。これらの層は、（Ｇｅ基板又は成長テンプレートについては）それぞれＩｎＧａＰ及びＡｌＩｎＧａＡｓ、又は（ＧａＡｓ基板については）それぞれＩｎＧａＰ及びＡｌＧａＡｓで構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップ要件に一致する他のいずれかの好適な材料を使用することもできる。従って、サブセルＢは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰ、又はＡｌＧａＩｎＡｓＰのエミッタ領域と、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰ、又はＡｌＧａＩｎＡｓＰのベース領域とで構成することができる。
【００４９】
これまでに開示されている反転変成太陽電池の実装では、第２のサブセル又はサブセルＢがホモ構造であった。本開示では、米国特許出願公開第２００９／００７８３０号（Ｓｔａｎ他）に開示される構造と同様に、第２のサブセル又はサブセルＢを、ＩｎＧａＰエミッタを含むヘテロ構造とし、その窓層をＩｎＡｌＰからＡｌＩｎＧａＰに転化する。米国特許出願公開第２００９／０２７２４３０号（Ｃｏｒｎｆｅｌｄ他）にさらに完全に記載されているように、この変更によって第２のサブセルの窓／エミッタ界面における屈折率の不連続性が減少する。さらに、窓層１１０を好ましくはエミッタ層１１１の３倍にドープして、フェルミ準位を伝導帯に近づくように高め、従って窓／エミッタ界面にバンド曲がりを生じさせて少数キャリアをエミッタ層に拘束する。
【００５０】
セルＢの上部には、ＢＳＦ層１０９と同じ機能を果たすＢＳＦ層１１３を堆積させる。ＢＳＦ層１１３上には、ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１１４ａ及び１１４ｂをそれぞれ層１０９ａ及び１０９ｂと同様に堆積させ、オーミック回路要素を形成してサブセルＢをサブセルＣに接続する。層１１４ａは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓで構成されることが好ましく、層１１４ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰで構成されることが好ましい。
【００５１】
その後、トンネルダイオード層１１４上に、好ましくはｎ＋型ＧａＩｎＰで構成された窓層１１８を堆積させる。この窓層は、サブセル「Ｃ」での再結合損失を低減させるように作用する。当業者には、本開示の範囲から逸脱することなくセル構造においてさらなる層を追加又は削除できることが明らかなはずである。
【００５２】
窓層１１８の上部には、セルＣの層であるｎ＋エミッタ層１１９及びｐ型ベース層１２０を堆積させる。これらの層は、それぞれｎ＋型ＧａＡｓ及びｐ型ＧａＡｓ、又はヘテロ接合サブセルについてはｎ＋型ＩｎＧａＰ及びｐ型ＧａＡｓであることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップ要件に一致する他のいずれかの好適な材料を使用することもできる。
【００５３】
いくつかの実施形態では、サブセルＣを、バンドギャップが１．４０〜１．４２ｅＶの（Ｉｎ）ＧａＡｓとすることができる。このように成長させると、セルは、ＧａＡｓと同じ格子定数を有するが、インジウムの割合が０％＜Ｉｎ＜１％と低くなり、格子緩和して転位を生じることなくサブセルのバンドギャップがわずかに低くなる。この場合、サブセルは、歪んではいるが依然として格子整合しており、ＧａＡｓよりも低いバンドギャップを有する。このことは、サブセルの短絡電流をわずかに改善してソーラーセル全体の効率を高める役に立つ。
【００５４】
いくつかの実施形態では、第３のサブセル又はサブセルＣが、サブセルのバンドギャップを約１．３ｅＶに効果的に下げる量子井戸又は量子ドットを有することができる。上述した他のサブセルの他のバンドギャップ範囲は、全て同じままである。このような実施形態では、第３のサブセルが、依然としてＧａＡｓ基板と格子整合している。通常、量子井戸は、低バンドギャップ又は高格子定数のＩｎＧａＡｓ（例えば、〜１．３ｅＶのバンドギャップ）と、高バンドギャップ又は低格子定数のＧａＡｓＰとを組み込むことによって「歪平衡」している。エピタキシの交互になった高／低原子格子／層は、歪みを平衡させて材料を格子整合に保つ。
【００５５】
その後、セルＣの上部に、好ましくはＩｎＧａＡｌＡｓで構成された、ＢＳＦ層１０８及び１１３と同じ機能を果たすＢＳＦ層１２１を堆積させる。
【００５６】
ＢＳＦ層１２１上には、ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１２２ａ及び１２２ｂをそれぞれ層１１４ａ及び１１４ｂと同様に堆積させ、オーミック回路要素を形成してサブセルＣをサブセルＤに接続する。層１２２ａは、ｐ＋＋ＧａＡｓで構成されることが好ましく、層１２２ｂは、ｎ＋＋ＧａＡｓで構成されることが好ましい。
【００５７】
トンネルダイオード１２２ａ／１２２ｂ上には、好ましくはｎ型ＧａＩｎＰで構成されたアルファ層１２３を約１．０ミクロンの厚さに堆積させる。このようなアルファ層は、貫通転位が上部及び中間サブセルＡ、Ｂ及びＣ内に成長方向と逆に、又はサブセルＤ内に成長方向に伝播するのを防ぐためのものであり、米国特許出願公開第２００９／００７８３０９号（Ｃｏｒｎｆｅｌｄ他）にさらに具体的に記載されている。
【００５８】
アルファ層１２３上には、界面活性剤を用いて変成層（又は傾斜中間層）１２４を堆積させる。層１２４は、半導体構造において貫通転位の発生を最小化しながら格子定数がサブセルＣからサブセルＤに緩やかな遷移するように、好ましくは格子定数が単調に変化する組成的にステップ傾斜した一連のＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１２４のバンドギャップは、その厚み全体にわたって一定であり、１，５〜１．６ｅＶにほぼ等しく、又は中間サブセルＣのバンドギャップよりもわずかに大きな値と一致することが好ましい。傾斜中間層の１つの実施形態は、中間層のバンドギャップが約１．５〜１．６ｅＶ又は他の適切なバンドギャップにおいて一定を保ったままであるようにｘ及びｙを選択した、（ＩｎxＧａ1-x）ｙＡｌ1-yＡｓで構成されているものとして表すこともできる。
【００５９】
変成層１２４の界面活性剤支援成長では、層１２４の表面特性を高めるように層１２４の成長中に反応器に好適な化学元素を導入する。好ましい実施形態では、このような元素を、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドーパント原子又はドナー原子とすることができる。従って、変成層１２４に少量のＳｅ又はＴｅが取り込まれ、完成したソーラーセル内に残る。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーパント原子ではあるが、他の非等電子界面活性剤を使用することもできる。
【００６０】
界面活性剤支援成長は、はるかに滑らかな又は平坦な表面をもたらす。表面トポグラフィは、半導体材料が成長してその層が厚くなると、この半導体材料のバルク特性に影響を及ぼすので、界面活性剤の使用によって活性領域の貫通転位が最小化され、従ってソーラーセル全体の効率が改善される。
【００６１】
非等電子界面活性剤を使用する代わりに、等電子界面活性剤を使用することもできる。アンチモン（Ｓｂ）又はビスマス（Ｂｉ）などの元素は、変成バッファ層においてＩｎＧａＰのＰ原子、又はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｓ原子と同じ価電子数を有するので、「等電子の」という用語は、このような元素の界面活性剤を意味する。通常、このようなＳｂ又はＢｉ界面活性剤は、変成層１２４に組み込まれない。
【００６２】
上記で引用したＷａｎｌａｓｓ他の論文に記載されている反転変成構造では、変成層が、各層が０．２５μｍの厚みを有する９つの組成的に傾斜したＩｎＧａＰステップから成る。この結果、Ｗａｎｌａｓｓ他の各層は、異なるバンドギャップを有する。本開示の好ましい実施形態では、層１２４が、格子定数が単調に変化して各層が約１．５ｅＶの同じバンドギャップを有する複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層で構成される。
【００６３】
ＩｎＧａＡｌＡｓなどの一定バンドギャップの材料を利用する利点は、砒素系の半導体材料を標準的な市販のＭＯＣＶＤ反応器においてはるかに容易に処理できる一方で、少量のアルミニウムによって変成層の放射光透過性が確実になる点である。
【００６４】
本開示の好ましい実施形態では、製造容易性及び放射光透過性の理由で変成層１２４に複数のＩｎＧａＡｌＡｓ層を利用するが、本開示の他の実施形態では、異なる材料系を利用してサブセルＣからサブセルＤへの格子定数の変化を実現することもできる。従って、組成的に傾斜したＩｎＧａＰを使用するＷａｎｌａｓｓのシステムは、本開示の第２の実施形態である。本開示の他の実施形態では、ステップ傾斜した材料とは対照的に、連続傾斜した材料を利用することができる。より一般的には、傾斜中間層を、第２のソーラーセルの面内格子定数以上であって第３のソーラーセルの面内格子定数以下の面内格子定数を有し、第２のソーラーセルのバンドギャップエネルギーを上回るバンドギャップエネルギーを有することという制約に従って、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のいずれかで構成することができる。
【００６５】
変成バッファ層１２４上には、好ましくはｎ＋型ＡｌＧａＩｎＡｓＰで構成されたアルファ層１２５を約１．０μｍの厚さに堆積させる。このようなアルファ層は、貫通転位が上部及び中間サブセルＡ、Ｂ及びＣ内に成長方向と逆に、又はサブセルＤ内に成長方向に伝播するのを防ぐためのものであり、米国特許出願公開第２００９／００７８３０９号（Ｃｏｒｎｆｅｌｄ他）にさらに具体的に記載されている。
【００６６】
その後、アルファ層１２５上に、好ましくはｎ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された窓層１２６を堆積させる。この窓層は、第４のサブセル「Ｄ」における再結合損失を低減するように作用する。当業者には、本開示の範囲から逸脱することなくセル構造においてさらなる層を追加又は削除できることが明らかなはずである。
【００６７】
窓層１２６の上部には、セルＤの層であるｎ＋エミッタ層１２７及びｐ型ベース層１２８を堆積させる。これらの層は、それぞれｎ＋型ＩｎＧａＡｓ及びｐ型ＩｎＧａＡｓ、又はヘテロ接合サブセルについてはｎ＋型ＩｎＧａＰ及びｐ型ＩｎＧａＡｓであることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップ要件に一致する他のいずれかの好適な材料を使用することもできる。
【００６８】
その後、セルＤの上部に、好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された、ＢＳＦ層１０８、１１３及び１２１と同じ機能を果たすＢＳＦ層１２９を堆積させる。
【００６９】
ＢＳＦ層１２９上には、好ましくはｐ＋＋型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された高バンドギャップのコンタクト層１３０を堆積させる。
【００７０】
多接合光起電力セルの最低バンドギャップ光起電力セル（すなわち、図示の実施形態ではサブセル「Ｄ」）の底部（非照射）側に位置するこのコンタクト層１３０の組成は、（ｉ）その下部（非照射側）の裏面オーミック金属コンタクト層がミラー層としても機能し、（ｉｉ）吸収を防ぐためにこのコンタクト層を選択的にエッチング除去する必要がないように、セルを通過する光の吸収を低減するように構築することができる。
【００７１】
ｐ型半導体コンタクト層１３０上には、金属コンタクト層１３１を堆積させる。この金属は、一連の金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕであることが好ましい。
【００７２】
また、選択する金属コンタクト設計は、オーミックコンタクトを活性化する熱処理後に、半導体との間に平坦な界面を有するものでもある。この設計は、（１）半導体から金属を分離する誘電体層を金属コンタクト領域に堆積させて選択的にエッチングする必要がなく、（２）コンタクト層が対象波長範囲にわたって鏡面反射的となるように行われる。
【００７３】
任意に、金属層１３１上に接着層（例えば、ミズーリ州ローラのＢｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社製のＷａｆｅｒ  Ｂｏｎｄ）を堆積させて、支持基板又は代用基板を取り付けることができる。いくつかの実施形態では、代用基板をサファイアとすることができる。他の実施形態では、代用基板をＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉ、或いは他の好適な材料とすることができる。代用基板は、厚みが約４０ｍｉｌであり、後で接着剤及び基板を除去しやすいように４ｍｍ間隔で直径約１ｍｍの穴を開けることができる。接着層を使用する代わりに、金属層１３１に好適な基板（例えば、ＧａＡｓ）を共晶的又は恒久的に接合することもできる。
【００７４】
任意に、基板１０１及びバッファ層１０２を除去する一連のラッピングステップ及び／又はエッチングステップによって元の基板を除去することもできる。特定のエッチング液の選択は、成長基板に依存する。
【００７５】
図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂは、金属コンタクト層１３１が図の底部にくるように配向して元の基板を除去した、図１の実施形態と同様のソーラーセルの実施形態の断面図である。また、例えばＨＣｌ／Ｈ2０溶液を用いてエッチストップ層１０３も除去している。
【００７６】
当業者には、本開示の範囲から逸脱することなくセル構造において（単複の）さらなる層を追加又は削除できることが明らかなはずである。例えば、本発明の様々な実施形態では、１又は２以上の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層を加えることもできる。
【００７７】
図２Ａ及び図２Ｂは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃを含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの実施形態の断面図である。
【００７８】
図２Ａは、第３のソーラーサブセルＣに光が入射して通過し、少なくとも光の一部を第３のソーラーサブセル内に反射できるように第３のソーラーサブセルＣに隣接して第３のソーラーサブセルＣと傾斜中間層１２４との間に配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃを含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの第１の実施形態の断面図である。図２Ａでは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃが、具体的には第３のソーラーサブセルＣとトンネルダイオード層１２２ａ／１２２ｂとの間に位置する。
【００７９】
図２Ｂは、第３のソーラーサブセルＣに光が入射して通過し、少なくとも光の一部を第３のソーラーサブセル内に反射できるように第３のソーラーサブセルＣに隣接して第３のソーラーサブセルＣと傾斜中間層１２４との間に配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃを含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの第２の実施形態の断面図である。図２Ｂでは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃが、具体的にはトンネルダイオード層１２２ａ／１２２ｂと傾斜中間層１２４との間に位置する。
【００８０】
図３Ａ及び図３Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂに示す分布ブラッグ反射器層１２２ｃに加えて分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４を含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの実施形態の断面図である。
【００８１】
図３Ａは、図２Ａ及び図２Ｂに示す分布ブラッグ反射器層１２２ｃに加えて、第２のソーラーサブセルＢに光が入射して通過し、少なくとも光の一部を第２のソーラーサブセル内に反射できるように第２のソーラーサブセルＢに隣接して第２のソーラーサブセルＢと第３のソーラーサブセルＣとの間に配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４を含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの第１の実施形態の断面図である。図３Ａでは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４が、具体的には第２のソーラーサブセルとトンネルダイオード層１１４ａ／１１４ｂとの間に位置し、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃが、具体的には第３のソーラーサブセルＣとトンネルダイオード層１２２ａ／１２２ｂとの間に位置する。
【００８２】
図３Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂに示す分布ブラッグ反射器層１２２ｃに加えて、第２のソーラーサブセルＢに光が入射して通過し、少なくとも光の一部を第２のソーラーサブセルＢ内に反射するように第２のソーラーサブセルＢに隣接して第２のソーラーサブセルＢと第３のソーラーサブセルＣとの間に配置された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４を含む、図１の実施形態と同様のソーラーセルの第２の実施形態の断面図である。図３Ｂでは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４が、具体的には第２のソーラーサブセルとトンネルダイオード層１１４ａ／１１４ｂとの間に位置し、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１２２ｃが、具体的にはトンネルダイオード層１２２ａ／１２２ｂと組成傾斜層１２４との間に位置する。
【００８３】
いくつかの実施形態では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４及び／又は１２２ｃを、それぞれの屈折率を不連続にした格子整合材料の複数の交互層で構成することができる。いくつかの実施形態では、所与の反射率を達成するために必要な周期数を最小化するために交互層間の屈折率の差分が最大化され、各周期の厚み及び屈折率がストップバンド及びその限界波長を決定する。
【００８４】
いくつかの実施形態では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層１１４及び／又は１２２ｃが、複数のｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層で構成された第１のＤＢＲ層と、第１のＤＢＲ層上に配置され、複数のｐ型ＡｌyＧａ1-yＡｓ層で構成された第２のＤＢＲ層とを含み、この場合、ｙはｘよりも大きく、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１である。
【００８５】
本開示は、高温ＥＯＬ性能を高める目標を達成するために可能な限り多くの高バンドギャップサブセルを組み込むべきであるという設計ルールに従う反転変成多接合ソーラーセルを提供する。例えば、高バンドギャップサブセルは、温度が上昇するにつれて、より大きな割合のセル電圧を保持することができ、これによって温度上昇の際の電力損失を低減する。この結果、例示的な反転変成多接合ソーラーセルのＨＴ−ＢＯＬ及びＨＴ−ＥＯＬ性能は、いずれも従来のセルよりも高くなると期待することができる。
【００８６】
例えば、標準的な３接合型商用ソーラーセル（ＺＴＪ）について、寿命初期（ＢＯＬ）及び寿命末期において室温（ＲＴ）２８℃と高温（ＨＴ）７０℃とで測定したセル効率（％）は以下の通りである。
0006404282.tif 000002
【００８７】
本開示において説明したＩＭＭＸソーラーセルの場合、対応するデータは以下の通りである。
0006404282.tif 000003
ＩＭＭＸソーラーセルは、ＢＯＬの２８℃及び７０℃の両方において標準的な商用ソーラーセル（ＺＴＪ）よりもセル効率がわずかに高い。しかしながら、本開示において説明したＩＭＭＸソーラーセルは、５×１０14ｅ／ｃｍ2の１ＭｅＶ電子等価フルエンスでは、標準的な商用ソーラーセル（ＺＴＪ）を上回る実質的に向上したセル効率（％）を示し、１×１０15ｅ／ｃｍ2の１ＭｅＶ電子等価フルエンスでは、標準的な商用ソーラーセル（ＺＴＪ）を上回る劇的に向上したセル効率（％）を示す。
【００８８】
通常、地球低軌道（ＬＥＯ）衛星は、５年の耐用寿命にわたって５×１０14ｅ／ｃｍ2と同等の放射線を受ける。通常、地球同期軌道（ＧＥＯ）衛星は、１５年の耐用寿命にわたって５×１０14〜１×１０15ｅ／ｃｍ2と同等の放射線を受ける。
【００８９】
宇宙空間に存在する幅広い電子及び陽子エネルギーは、実験室条件下で作成できる放射線環境において多様なタイプの放射線の影響を説明する方法を必要とする。宇宙空間におけるソーラーセルの劣化を推定する方法は、Ｂｒｏｗｎ他［Ｂｒｏｗｎ，Ｗ．Ｌ．、Ｊ．Ｄ．Ｇａｂｂｅ、及びＲｏｓｅｎｚｗｅｉｇ著、「テルスター放射線実験の結果（Ｒｅｓｕｌｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｔｅｉｓｔａｒ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」、Ｂｅｌｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊ．、第４２巻、１５０５頁、１９６３年］、及びＴａｄａ［Ｔａｄａ，Ｈ．Ｙ．、Ｊ．Ｒ．Ｃａｒｔｅｒ，Ｊｒ．、Ｂ．Ｅ．Ａｎｓｐａｕｇｈ、及びＲ．Ｇ．Ｄｏｗｎｉｎｇ著、「太陽電池放射線ハンドブック（Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、第３版、ＪＰＬ出版  ８２−６９頁、１９８２年］によって記載された技術に基づく。要約すれば、全方向性宇宙放射線は、正規化エネルギーにおいて、特定の放射線粒子に関して、損傷等価一方向フルエンスに変換される。この等価フルエンスは、この変換を可能にするように相対損傷係数（ＲＤＣ）が正しく定められた時に考慮される全方向性宇宙放射線によって生じる損傷と同じ損傷を生じる。特定のソーラーセル構造の相対損傷係数（ＲＤＣ）は、カバーガラスの異なる厚み値に加えて多くのエネルギー及びフルエンスレベルの下で推測的に測定される。所与の宇宙環境について等価フルエンスが決まると、計算されたフルエンスレベルの一方向垂直入射粒子束をソーラーセルに照射することにより、実験室においてパラメータ劣化を評価することができる。通常、等価フルエンスは、１ＭｅＶ電子又は１０ＭｅＶ陽子を単位として表される。
【００９０】
ソフトウェアパッケージＳｐｅｎｖｉｓ（ｗｗｗ．ｓｐｅｎｖｉｓ．ｏｍａ．ｂｅ）を用いて、持続期間、高度、方位角などによって定められる特定の衛星ミッション中にソーラーセルが曝される特定の電子及び陽子フルエンスを計算する。Ｓｐｅｎｖｉｓは、ジェット推進研究所によって開発されたＥＱＦＬＵＸプログラムを用いて、捕捉放射線と指定されたミッション環境の持続時間のための太陽陽子モデルとによって予測されるフルエンスへの曝露について、１ＭｅＶの損傷等価電子フルエンス及び１０ＭｅＶの損傷等価陽子フルエンスをそれぞれ計算する。損傷等価フルエンスへの変換は、多接合セルについて定められた相対損傷係数（Ｍａｒｖｉｎ，Ｄ．Ｃ．著、「放射線環境における多接合ソーラーセル性能の評価（Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｉｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ）」  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｎｏ．ＴＯＲ−２０００（１２１０）−１、２０００年）に基づく。異なる材料は、従来のソーラーセルで使用される材料よりも損傷耐性が大きかったり、又は小さかったりする場合があるので、最終的に、新たなセル構造には新たなＲＤＣ測定が必要になる。１５年間の地球同期衛星ミッションについて広く認められている総ミッション等価フルエンスは、１ＭｅＶ・１×１０15電子／ｃｍ2である。
【００９１】
本明細書で説明した例示的なソーラーセルは、上部２つの各サブセルの半導体組成にアルミニウムの使用を必要とすることができる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体業界では、アルミニウムを組み込むと、深い準位のドナー欠陥、高いドーピング補償、短い少数キャリア寿命、セル電圧の低下、及びＢＯＬのＥg−Ｖoc計量の増加に起因して、ＢＯＬサブセル性能が劣化することが広く知られている。要するに、アルミニウム含有サブセルでは、Ｅg−Ｖocの増加が最も厄介な欠点と考えられ、他の欠点は、ドーピング工程の修正又はベース厚の薄化によって軽減することができる。
【００９２】
さらに、ＢＯＬでは、優れたサブセルの室温におけるＥg−Ｖocは約０．４０であるということが広く認められている。ＩＭＭＸセルの関心サブセルには、ＢＯＬのＥｇ−Ｖocの広いばらつきが存在することがある。しかしながら、本出願人らは、ＨＴ−ＥＯＬにおけるＥg−Ｖoeを調査することにより、アルミニウム含有サブセルが、ＩＩＩ−Ｖ族ソーラーセルで使用される他の材料ほど悪くないことを示す場合もあると分かった。例えば、ＥＯＬにおける全てのサブセルは、アルミニウム濃度又は格子整合の程度に関わらず、室温２８℃において約０．６というほぼ一定のＥg−Ｖocを示すことが分かった。
【００９３】
例示的な反転変成多接合ソーラーセルの設計理念は、材料のバンドギャップが減少するにつれて出費が増える赤外線サブセルを採用する従来のセル効率改善の方向に相対するものと言われている。例えば、多くの場合、通常の設計目標は、太陽光スペクトル全体に及ぶ全てのサブセル間の正しい電流整合である。さらに、ＭＢＥによって成長する希釈窒化物、直立変成、及び反転変成多接合ソーラーセル設計を含む周知の手法は、セルに大幅なコストを加え、ＨＴ−ＥＯＬ性能を少ししか改善しない場合もある。さらに、高価な赤外線サブセルではなく安価な高バンドギャップサブセルをセル構成に組み込んだ時に、低いＨＴ−ＥＯＬ＄／Ｗを達成することができる。本明細書で説明した例示的なソーラーセルの設計理念を可能にする鍵は、アルミニウム含有サブセルがＨＴ−ＥＯＬにおいて良好に機能することの観察である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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