(57)【要約】  限定ではないが、結晶シリコンテンプレートウェハの上にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族デバイス層を含有した比較的薄層の結晶化合物半導体の成長及び分離のための方法及び構造体が提供される。結晶化合物半導体に基づく太陽電池構造体及び製造方法が記載される。【選択図】      図４
2015513518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高効率光起電太陽電池の製造に使用される結晶半導体構造体であって、
ホストテンプレートとして使用される結晶シリコンウェハと、
前記ホストテンプレート上に直接形成される多孔質シリコン層と、
前記多孔質シリコン層上に堆積されるゲルマニウムを含む中間単結晶バッファ層と、
前記中間バッファ層の上に堆積されるガリウムヒ素を含む単結晶化合物半導体層スタックと、
を備える、結晶半導体構造体。
【請求項２】
前記ホストテンプレートが、チョクラルスキー（ＣＺ）インゴット成長を用いて形成された単結晶シリコンウェハから作られている、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項３】
前記ホストテンプレートが、フローティングゾーン（ＦＺ）インゴット成長を用いて形成された単結晶シリコンウェハから作られている、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項４】
前記ホストテンプレートが、ＭＯＮＯ−ＣＡＳＴ（ｑｕａｓｉ−ｍｏｎｏ又はｃａｓｔ−ｍｏｎｏ）成形物を用いて形成された単結晶シリコンウェハから作られている、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項５】
前記多孔質シリコン層が、エピタキシャルシード層と剥離層の両方として使用される犠牲層である、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項６】
前記中間単結晶バッファ層が、少なくとも１つの水素アニールサイクルと、前記多孔質シリコン層を通る前記ホストテンプレートへのエピタキシャル整列によって前記バッファ層の実質結晶度をもたらす化学気相堆積（ＣＶＤ）との組み合わせにより形成された結晶ゲルマニウム層を含む、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項７】
前記中間単結晶バッファ層が、段階的ゲルマニウム含有量と、少なくとも１つの水素アニールサイクルと前記多孔質シリコン層を通る前記ホストテンプレートへのエピタキシャル整列によって前記バッファ層の実質結晶度をもたらす化学気相堆積（ＣＶＤ）との組み合わせにより形成された、５０％よりも実質的に多い比較的高い最大ゲルマニウム含有量とを有するゲルマニウム−シリコン層の結晶合金を含む、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項８】
前記単結晶化合物半導体層スタックが、単一接合太陽電池のためのガリウムヒ素ベーススタックを含む、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項９】
前記単結晶化合物半導体層スタックが、多接合太陽電池のためのガリウムヒ素ベーススタックを含み、前記接合の数は２〜５の何れかとすることができる、請求項１に記載の結晶半導体構造体。
【請求項１０】
前記多孔質シリコン層が、ＨＦを含む浴中で電気化学エッチングプロセスを用いたアノードエッチングプロセスで形成される、請求項５に記載の結晶半導体構造体。
【請求項１１】
前記ホストテンプレートが、単一のホストテンプレートから複数の前記高効率光起電太陽電池を製造するよう再使用される、請求項５に記載の結晶半導体構造体。
【請求項１２】
多孔質半導体の犠牲シード及び剥離層の使用によりＳｉ半導体テンプレートから剥離することによる薄膜化合物半導体基板の製作方法であって、
Ｓｉ半導体テンプレート上に該半導体テンプレートと実質的に共形である多孔質Ｓｉ層を形成するステップと、
前記多孔質Ｓｉ層上に該多孔質Ｓｉ層と実質的に共形であるＧｅ層を形成するステップと、
前記Ｇｅ層上に該Ｇｅ層と実質的に共形である薄いＧａＡｓ層を形成するステップと、
前記多孔質Ｓｉ層に沿って前記テンプレートから前記薄いＧａＡｓ層を剥離するステップと、
を含む、方法。
【請求項１３】
前記多孔質Ｓｉ層を形成するステップが更に、少なくとも２つの異なる多孔率を含む多孔質Ｓｉ層を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年２月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／６０５，１８６号の利益を主張し、当該暫定特許出願は引用により全体が本明細書に組み込まれる。
（技術分野）
本開示は、一般に、光起電力の分野に関し、より詳細には、高効率化合物半導体太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力（ＰＶ）システムの大規模で世界的規模の展開に対する現行の課題の１つは、助成金及び当局による支援に頼ることなく、ＰＶシステムから生じる電力の均等化発電原価（ＬＣＯＥ）を従来の化石燃料よりも低くすることである。ＬＣＯＥの低減には、製作した太陽電池及びモジュールの効率を高めながら、太陽電池及びモジュールの製作コストを低減すること、並びに設置したＰＶシステムのＢＯＳ（ｂａｌａｎｃｅ−ｏｆ−ｓｙｓｔｅｍ；システムの残りの部分）コストの低減（ＢＯＳコストの一部は、ＰＶモジュール効率の向上に伴って削減される）を含むことができる。例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のような単結晶直接バンドギャップ材料などの材料を用いて形成される、結晶Ｓｉを上回る効率を有する高効率太陽電池（実際には２５％）の低コストの生産は、このような設置されるＰＶシステムにおいて極めて魅力的で競争力のあるＬＣＯＥを実現することができる。幾つかの例では、ＧａＡｓのような直接バンドギャップ材料は、太陽光を効率的に（極めて高い量子効率で）吸収するのに必要な吸収体厚さは僅かであるか又は最小となっている（例えば、約１ミクロン〜数ミクロン程）。材料厚さが低減されたことにより、高効率の太陽電池及び低コストの製造を可能にしながら、材料及び処理コストを有意に低減することができる。例えば、およそ１．４ｅＶのバンドギャップエネルギーのようなより大きな半導体バンドギャップエネルギーを有する材料（単結晶ＧａＡｓのような）は、通常、シリコン（Ｓｉ）と比べてより高い開路電圧（Ｖｏｃ）を提供し、これにより、セル及びモジュールのより高い変換効率並びに効率の温度係数の低下（現場における高いセル温度での効率低下の軽減）をもたらすことになり、従って、一部の例において、実質的に向上したエネルギー収量及びＬＣＯＥの更なる低下を可能にする。
【０００３】
しかしながら、単結晶直接バンドギャップ材料（例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料及び特にＧａＡｓ）などの現行の直接バンドギャップ材料は、大規模で広範囲の商業的実施（住宅用及び商用ルーフトップ用を含む）を完全には実現していない。従来及び一般的な太陽電池材料及び製造実施構成において、太陽電池を作るために高価なバルクのＧａＡｓウェハ（典型的には、約２００〜数百ミクロンの範囲のウェハ厚さを有する）が処理される。光の吸収は、直接バンドギャップ吸収体の１ミクロン又は数ミクロンでのみ実施されるが、ウェハの残りの厚さの大部分（例えば、９５％を上回る）は、デバイス製作プロセス中に光吸収ＧａＡｓのアクティブに吸収する最上部の数ミクロンを機械的に支持するのに使用される。従って、機械的支持のためにＧａＡｓのような高価な材料を使用することは、極めて非効率的であると考えることができる。ほとんどの例では、アクティブな太陽電池吸収体層スタック（単一接合又は多接合太陽電池において）は、実際には、ＧａＡｓ基板上で有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）プロセスにより堆積され、これらの例において、本質的にはＧａＡｓウェハの１００％が機械的支持のため（また、ＭＯＣＶＤによる太陽電池吸収体層又は層のスタックのエピタキシャル成長のため）に使用される。ＧａＡｓ太陽電池の第２の及び代替の実施構成において、機械的支持（及びまた、ＭＯＣＶＤによる化合物半導体吸収体層の成長のためのエピタキシャル成長基板）として使用するため高価なＧａＡｓウェハの高コストに対処する試みがなされてきた。これらの方法は、再使用可能テンプレートとして高価なＧａＡｓウェハを再使用し、従って、出発ＧａＡｓウェハのコストを複数回の再使用サイクルにわたり償却することができる。しかしながら、ＧａＡｓウェハは、極めて高価（シリコンウェハと比べて遙かに多くのサイズ制限がある）であるので、ほとんどの例において、再使用可能テンプレートとして使用されるＧａＡｓウェハは、従来の主流となっているシリコン太陽電池技術と比べて（ワット当たりのセルコストの観点で）結果として得られる太陽電池コストを有意に低下してこれらの競争力を高めるためには、破壊することなく極めて高い（例えば、９９．９％以上の）収量で少なくとも数百回再使用しなければならない。このことは、コスト効果のある光起電力技術のための再使用可能テンプレートとしてのＧａＡｓウェハの商業的実行可能性において技術上及び製造上の重大な問題を提起する。その上、重要なことには、この方法は、ＧａＡｓウェハが極めて高価であること、並びにＧａＡｓ太陽電池が形成され処理される大面積ＧａＡｓウェハ（例えば、２００ｍｍ直径、又は１５６ｍｍ×１５６ｍｍセル寸法）を生産及び処理することが技術上困難で経済的課題があることに起因して、より小サイズのＧａＡｓ太陽電池サイズ（例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍまで、又は最大でも１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）の生産に事実上制限される。
【０００４】
高効率の単一接合及び多接合セルは、これまではＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族材料を用いて作られ実施されてきたが、これらの構造及び製造プロセスは、（高ＤＮＩ太陽放射領域における特定の地上マウントの実用用途向けのＣＰＶ市場セグメントを除いて）主流の地上用ＰＶ市場への広範囲の普及を妨げる出発ウェハの極めて高いコストに悩まされ制限されてきた。ＧａＡｓウェハのコストは、シリコンウェハよりも有意に高いが、経済的に実行可能な最大のＧａＡｓウェハは、対応するシリコンウェハよりも実質的に小さいことは周知である。ＧａＡｓウェハは、一般にはシリコンと比べてより小さいサイズで作られ（Ｓｉウェハにおいては最大で３００ｍｍ直径又は４５０ｍｍ直径であるのに比べ、ＧａＡｓウェハは、現行では直径が最大で約１５０ｍｍで形成される）、シリコンよりも実質的により脆弱で遙かに機械的に弱い。従来、ＧａＡｓセル製作プロセスは、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はＧａＡｓのような半導体基板から始まり、これら極めて高価な基板の上部にＧａＡｓベースの太陽電池を構築することができる（Ｇｅウェハもまた、Ｓｉウェハと比べて極めて高価である点に留意されたい）。例えば、単一接合ＧａＡｓ太陽電池形成プロセスは、ｎ型及びｐ型ドープのＧａＡｓ材料層両方と共に、例えば、ＡｌＧａＡｓ（ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを備えた半導体、バンドギャップ対格子定数のグラフの図２を参照）を用いていわゆるワイドギャップ窓層及び裏面電界（ＢＳＦ）の成長を含むことができる。この後、金属コンタクト形成及び反射防止コーティング（ＡＲＣ）層が続く。しかしながら、この従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料ベースの太陽電池及び製作プロセスにおいて、特にコスト及びスケーラビリティに関する幾つかの問題がある。
−出発基板（ＧａＡｓ又はＧｅウェハなど）は、比較的高価であり、Ｓｉに比べて実質的に高価となる。
−出発基板／ウェハは典型的には、直径がおよそ７５ｍｍ〜最大１５０ｍｍの範囲でより小さく、太陽電池用として直径が通常２００ｍｍ〜３００ｍｍ（４５０ｍｍ直径のＣＺシリコンウェハのプロトタイプでも実証されている）及び１５６ｍｍ×１５６ｍｍ正方形である、普及しているＳｉ基板／ウェハと比べて実質的に小さい。
−特定の地上マウントの実用用途用に比較的コスト効果があるようにするために、小面積化合物半導体太陽電池は、ほとんどが超高集光型ＰＶ（ＣＰＶ）用途でのみ使用され、多くの場合、高価で大型の集光装置及び多軸追尾装置（及び一部の例では、太陽電池の液体冷却）を必要とする。
−従来のＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースの太陽電池は、多くの場合、シリコンベースのＰＶモジュール（特に集光装置のない用途において）としてのスケールメリットを有していない非従来型の高価なセルパッケージング機構を使用し依存している。
−セル効率はより高くなるが、化合物半導体太陽電池及びモジュールに関する主要な問題は、出発材料（ＧａＡｓ又はＧｅウェハ）のコストが極めて高いこと、製造方法（比較的低スループットのＭＯＣＶＤシステム）、及び集光装置及び追尾装置（並びに冷却システム）を含む、化合物半導体のＣＰＶシステムのＢＯＳ（ｂａｌａｎｃｅ−ｏｆ−ｓｙｓｔｅｍ；システムの残りの部分）の追加となるコストに関するものである。これらの問題は、システムレベル全体コスト（ドル／ワット）評価基準を比較的高くする。ＢＯＳにおける機械的構成要素（多軸追尾装置）に起因して、これらのシステムは、フィールド信頼生が低く、保守要求がより多くなる可能性がある。
【０００５】
上述のＩＩＩ−Ｖ族半導体構造及び製作方法に対する部分的な改善は、比較的厚みのある（例えば、良好な機械的支持のため、及び高収量の太陽電池製作を可能にするために数百ミクロン厚）ＧａＡｓ又はゲルマニウムウェハの上に薄い（吸収体の約１ミクロン〜最大で数ミクロン）ＧａＡｓ太陽電池吸収体スタックを成長させること、並びにＧａＡｓ（又はゲルマニウム）基板／ウェハのコストを償却及び軽減するために追加の薄いＧａＡｓ太陽電池吸収体形成サイクルにおいてＧａＡｓ（又はＧｅ）基板を再使用することを伴う。多くの場合、ＧａＡｓ太陽電池吸収体スタック成長が分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて実施され、結果として得られる薄いＧａＡｓベースの吸収体層（又はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、その他などの層を含む層スタック）は、高効率太陽電池吸収体として機能する。但し、このことは、これまでのＩＩＩ−Ｖ族半導体太陽電池製造方式に対する経済的（コスト低減の）改善を示すことができるが、この手法はまた、特に、結晶シリコンＰＶが優性を占める市場セグメント（例えば、特に住宅用及び商用ルーフトップ市場、並びに地上マウント実用規模のＰＶ設置）においては、幅広い地上規模の展開及び採用に関連する重大な製造上の問題を抱える可能性がある。例えば、
−ＧａＡｓ（及びＧｅ）ウェハのコスト高に起因して、ＧａＡｓ（及びＧｅ）ウェハは、償却される出発ウェハコストが、結果として得られるＩＩＩ−Ｖ族太陽電池及びモジュールの全体コストに対する有意な寄与因子でないことを確保するために、どのような破壊及び表面品質の劣化を生じることなく少なくとも数百回再使用しなければならなくなる。
−ＧａＡｓは、本質的に脆弱な半導体材料であるので、数百回にわたって破壊なくこの材料を再使用可能にすることは極めて厳しく困難である。実際には、ＧａＡｓウェハの再使用の最大回数は、約５（ＧａＡｓウェハの破壊及び／又は劣化によって再使用回数が制限されるので、恐らくは、実際には最大で１０回の再使用サイクルまで延ばすことが可能である）であることが照明されている。従って、証明又は立証できること（最大で数１０サイクル）と、所望の製造コスト目標を達成するのに必要なこと（少なくとも数百サイクル）との間には、再使用実施の大きな隔たりがある。
−太陽電池のサイズは、広く入手可能な出発ＧａＡｓウェハのサイズによって制限され、結果として、比較的高いセル効率にもかかわらず、セル当たりに低い出力となる。現在入手可能なＧａＡｓウェハのサイズは、最大で約１５０ｍｍ直径（２００ｍｍ〜３００ｍｍ直径であるシリコン基板の遙かに大きなサイズと比べて）までの範囲であり、実際の最大太陽電池サイズが約１００ｍｍｘ１００ｍｍ完全方形、又は約１２５ｍｍｘ１２５ｍｍ擬似方形となる。
−キャリアＧａＡｓウェハから脱離された後の薄い（通常は＜５ミクロン）ＧａＡｓ太陽電池吸収体スタック層の取り扱いは、展開される方式に応じて極めて難しく高コストとなる可能性がある。更に、ＧａＡｓは、極めて脆弱な材料であり、ＧａＡｓ基板処理収量に関して問題となり、基板サイズ（面積）が増大するにつれて構造的一体性が実質的に悪化することになる。従って、ＧａＡｓ吸収体は、脱離後に処理中に信頼生のあるキャリアによって支持される必要がある。以下で説明するように、本明細書で開示される実施形態は、このような問題及び制約を効果的に克服し、大面積ＧａＡｓベースの単一接合及び多接合太陽電池の低コストで高収量の製作を可能にする。
−公知の大量生産方式は、実質的に製造設備の限界によって制約される可能性がある。例えば、コスト効果のある大容量ＭＯＣＶＤ反応器は、大規模太陽電池製造には未だ商業的に入手可能ではない。商業的に入手可能なＭＯＣＶＤ及びＭＢＥツールは、比較的小さなバッチサイズを有し、通常は１時間当たりにおよそ数個から数十個のウェハの極めて低い生産スループットをもたらす。低コスト太陽電池製造ツールは、現在商業的に入手可能なＭＯＣＶＤ及びＭＢＥツールよりも少なくとも１〜２桁大きいスループットを有していなければならない。製作要件は、太陽電池のＭＯＣＶＤ及びＭＢＥ処理ではツール当たりに少なくとも数百ウェハ／時間とすることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. F. Wietler et. al., "Relaxed Germaniumn on porous silicon Substrates", ISTDM 2012
【発明の概要】
【０００７】
従って、比較的安価な結晶シリコンテンプレートウェハから高効率の化合物半導体太陽電池のためのデバイス層製作に対する必要性がある。開示された主題によれば、従来開発された化合物半導体太陽電池製作方法に関連するコスト及びスケール上の欠点を実質的に排除又は低減した光起電太陽電池を製作するための構造体及び方法が開示される。
【０００８】
開示された主題の１つの態様によれば、遙かに厚く強固で比較的安価な結晶シリコンテンプレートウェハの上に、限定ではないがガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族デバイス層を含む結晶化合物半導体の所望の厚さの比較的薄い（約１ミクロン未満から最大でも数ミクロンの）層の成長及び分離のための方法が提供される。必要に応じて、このような結晶シリコンテンプレートウェハは、複数の化合物半導体太陽電池の生産のために再使用され、生産される太陽電池当たりの安価な結晶シリコンテンプレートの償却コストを低減することができる。
【０００９】
開示された手段のこれらの態様又は他の態様、並びに追加の新規の特徴は、本明細書で提供される明細書から明らかになるであろう。この概要の意図は、請求項に記載された主題の包括的な記述ではなく、むしろ本主題の機能の一部の短い概観を提供することである。本明細書で提供される他のシステム、方法、特徴及び利点は、添付の図面及び詳細な説明を考察すれば、当業者には明らかになるであろう。本明細書内に含まれる全てのこのような追加のシステム、方法、特徴及び利点は、請求項の範囲内にあるものとする。
【００１０】
開示した主題の特徴、特質、及び利点は、図面を参照すると以下に記載した詳細な説明からより明確になることができ、図面では類似の参照番号は類似の特徴要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】出発ウェハのコストを比較した図である。
【図２】様々な直接及び間接バンドギャップ半導体のエネルギーバンドギャップと格子定数を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ構造体上での大面積ＧａＡｓ層の成長シーケンスを示した断面図である。
【図４】多孔質シリコン及びゲルマニウムを用いてシリコンの上に大面積ＧａＡｓ層を成長させるプロセスを示す図である。
【図５】バルクＧａＡｓ基板上の標準的な単一接合フロントコンタクトＧａＡｓ太陽電池を示す断面図である。
【図６】薄いＧａＡｓベースの単一接合前面コンタクトセルのセル断面図である。
【図７】多孔質シリコン上にＧｅを直接成長させることによる単一接合ＧａＡｓベースセルの形成を示す断面図である。
【図８】多孔質シリコン上に直接成長させた単結晶ゲルマニウムを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。
【図９】２接合直列セルにおいて上部及び下部材料のバンドギャップの選択の関数として最大達成効率を示したグラフである。
【図１０】開示される主題に従って製作可能な典型的な多接合セルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の説明は、限定的な意味で捉えるベきではなく、本開示の一般的な原理を説明する目的でなされる。本開示の範囲は、請求項を参照して決定されるベきである。本開示の例示的な実施形態は、図面において例示され、同様の番号は種々の図面の同様の部分及び対応する部分を参照するのに使用される。
【００１３】
また、本開示は、結晶シリコンテンプレートウェハ上でガリウムヒ素吸収体及び他の記載した製作材料を用いてこのような化合物半導体太陽電池の特定の実施形態を参照しながら説明するが、当業者であれば、本明細書で考察される原理を必要以上に実験することなく、代替のセル構造体（前面コンタクト及び裏面コンタクト設計、単一接合及び多接合太陽電池、その他などを有する種々のセル構造体）、及び代替の元素及び化合物の半導体材料（ゲルマニウム、窒化ガリウム、その他など）を含む他の製作材料、技術領域、及び／又は実施形態に適用することができる。その上、代表的な実施形態は、結晶シリコンテンプレートの１つの側部又は面上に化合物半導体（ＧａＡｓを含む吸収体のような）の太陽電池の製作を示しているが、このような太陽電池は、結晶シリコンテンプレートウェハの両側部又は両面上に作成することができ（シリコンテンプレートの両側部上に犠牲多孔質シリコンシード層及び剥離層を形成することによって）、よって、有効生産性を高め、結果として得られる太陽電池及びモジュールの製造コストを更に低減する点を理解されたい。
【００１４】
開示される主題は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板形成に関連する欠点を克服し、結晶シリコンテンプレートを用いた高効率の化合物半導体太陽電池のコスト効果のある製造方法を提供する。このような結晶シリコンテンプレートは、結晶シリコンテンプレート当たりに１つの化合物半導体太陽電池を、又は各結晶シリコンテンプレートに複数の化合物半導体太陽電池を作るのに用いることができ、後者については、このようなテンプレートの複数回の再使用を経ている（よって、再使用サイクルにわたり結晶シリコンテンプレートのコストを更に償却し、太陽電池当たりの効果的なテンプレートコストを低減する）。これまでのＧａＡｓ又はＩＩＩ−Ｖ族もしくは他の化合物半導体ウェハベースの太陽電池と比較して、本開示の製作方法及び構造体は、太陽電池製造コストを大幅に低下させ、またより大面積の太陽電池の製作を可能にしながら、ＧａＡｓなどの材料で作られた直接バンドギャップベースの太陽電池の高効率及び大きなエネルギー収量の利点の全体の恩恵をもたらしている。従来の結晶Ｓｉ太陽電池と比べて、本開示の製作方法及び構造体は、より高い効率をもたらすと同時に、ワット当たりのコストを更に低減することができる。
【００１５】
開示される主題の実施形態及び態様は一般に、とりわけ、
−極めてコスト効果のある方式で大面積（例えば、１２５ｍｍｘ１２５ｍｍ又は１５６ｍｍｘ１５６ｍｍ、又は２１０ｍｍｘ２１０ｍｍ、或いは更に大きなサイズ及び面積）の超薄（例えば、約０．１μｍ〜約１０μｍ）化合物半導体太陽電池構造体（限定ではないが、ＧａＡｓを含む、実質的に単結晶の直接バンドギャップＩＩＩ−Ｖ族半導体など）を製造する方法、ここで、これらの薄い化合物半導体太陽電池の高収量製造を可能にするのに使用されるテンプレートコスト（薄い基板の機械的取り扱いを含む）は、結晶シリコンテンプレートの上に多孔質シリコンシード／剥離層の使用に基づいて大幅に低減される。
−前述の低コスト大面積基板と適合する高効率ＩＩＩ−Ｖ族（特に、ＧａＡｓ及び／又はその三元合金を含む単一接合及び多接合吸収体を用いた）ベースの太陽電池の構造及びアーキテクチャ。
−かなり安価な結晶シリコンテンプレート上の成長に基づく高効率の単一接合及び多接合太陽電池を製造する方法。
【００１６】
太陽電池吸収体（結果として得られる太陽電池のアクティブ部分）の機能を吸収体の機械的支持（並びにエピタキシャルシード）の機能から切り離すことにより、コスト効果のあるマススケーリングに好適な、コスト効果のある大面積ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＡｓなど）ベースの太陽電池の製造を可能にする。この分離は、一般には異種であるコスト効果のある効率的な材料（例えば、シリコンと化合物半導体層又は層スタックとの間のあらゆる格子不整合に対処するために適切な中間バッファ層を使用することによって、太陽電池吸収体として高性能直接バンドギャップの薄いＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、吸収体の機械的支持及びエピタキシャルシードのために、特にＳｉのような極めてコスト効果があり強固な元素半導体材料）をターゲットにし使用して、太陽電池吸収体の機能並びに機械的構造支持及びエピタキシャルシードの機能を提供することを可能にする。例えば、最も低い製造コストを達成するために、薄い化合物半導体（ＧａＡｓ及び／又はその三元合金を含む単一接合又は多接合吸収体層などの）材料は、薄いが十分な太陽光吸収体（例えば、約０．５ミクロン〜最大約１０ミクロンの範囲の厚さを有する）としてのみ使用され、他方、安価な結晶シリコンウェハ（少数キャリアライフタイム要件のようなどのような厳しい材料品質もなしの）は、少なくとも一部の太陽電池の製造プロセスフローの間又は本質的に全体の太陽電池の製造プロセスフローの間の薄い化合物半導体吸収体のエピタキシャルシード及び成長、並びに薄い化合物半導体吸収体の機械的支持を可能にするのに使用される。安価な結晶シリコンテンプレート及び犠牲多孔質シリコンシード／剥離層を用いた本発明のこの方式は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体太陽電池生産の公知及び従来技術（ここでは、吸収（高価なウェハの上にエピタキシャル化合物半導体吸収体層構造の直接的又はその成長を通じて）の機能と機械的支持の機能が出発ウェハとしてＧａＡｓ又はＧｅの何れかを用いた高価な半導体材料によって実施される）に優る大きな利点及び製造コストの有意な低減をもたらす。機械的支持が、薄い吸収体の支持体として使用される比較的厚い（例えば、数百ミクロン厚さ）ウェハを必要とするので、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を用いた公知の従来技術は、主流のＰＶ用途（地上マウント実用規模のＰＶ用途に加えて、住宅用及び商用ルーフトップ市場など）として極めて高価となることが多い。
【００１７】
相当に安価で遙かに低コストの結晶シリコンテンプレートの使用に基づいた、異種材料を使用することによる光吸収と機械的支持（並びにエピタキシャル堆積プロセスによって形成される吸収体構造のエピタキシャルシード）の対応分担を分離することで、従来一般的であった状況を阻止しながら高度にコスト効果のある解決策を提供し、ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＡｓ）及び関連する化合物半導体材料を用いて作られた単一接合及び多接合太陽電池の高効率の利点を保持及び提供する。しかしながら、克服すべき処理及び構造上の有意な問題があり、これらは以下のことにより促進することができる。
−一回の使用又は再使用サイクルを通じて複数回使用することができるテンプレートとして使用される結晶シリコンウェハ上に実質的に単結晶又は事実上単結晶の直接バンドギャップベース（例えば、限定ではないが、単一接合ＧａＡｓベース、又は多接合ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ベース）の大面積（例えば、１２５ｍｍｘ１２５ｍｍ、１５６ｍｍｘ１５６ｍｍ、又はそれよりも大きい）太陽電池を成長させる方法。１つの実施形態において、本発明の製造プロセスは、ゲルマニウムを含む中間バッファ層のエピタキシャルシードと、結晶Ｓｉテンプレート（堅牢なキャリアとしても機能する）と高効率太陽電池基板／吸収体（Ｇｅ又はＳｉＧｅ合金におけるシリコンとゲルマニウムの組み合わせなどの何らかの１つ又は複数の中間層と共に）との間の分離との両方を支援する層として、結晶シリコンテンプレート上に形成される多孔質シリコンを使用する。多孔質シリコン上の１つ又は複数の中間結晶層は、高品質な単結晶高効率化合物半導体の太陽光吸収体（ＧａＡｓを含むような）の成長を促進する。大面積の商業的に入手可能な安価な結晶シリコンウェハが脱離可能キャリアとして使用されるので、ＧａＡｓ又はＧｅウェハ何れかを使用した公知の技術と比べて、出発ウェハコストが実質的に低減される。
−例えば、犠牲多孔質シリコンシード及び剥離層を備えたシリコンベーステンプレートは、太陽光吸収体が依然として結晶シリコンテンプレート上にあり／結晶シリコンテンプレートに取り付けられながら、Ｓｉ以外の異なる材料で作られた太陽電池の部分的又は全体の処理中の機械的支持として使用（及び後続の中間バッファ層及び化合物半導体層のエピタキシャルシードとして使用）することができる。例えば、オンテンプレート太陽電池処理の特定の実施例は、限定ではないが、裏面反射器及び／又はワイドギャップウィンドウ層を形成するのに好適な他のフィルムの堆積及び／又は裏面コンタクトメタライゼーションを含むことができる。重要なことには、これらの層は、アクティブな太陽電池吸収体層（単一接合又は多接合太陽電池用に）の前又は後に堆積することができ、中間バッファ層を使用する際には、上述の中間バッファ層の堆積に加えて形成することができる。
−一部の例において、結晶シリコンテンプレートが１つだけの太陽電池形成にのみ使用されることが望ましいとすることができる（換言すると、シリコンテンプレートの再使用はコスト上の利点を得るのに必要ではない）。結晶シリコンテンプレートの再使用がないこの事例は、従来のバルクＧａＡｓ基板又は再使用可能ＧａＡｓテンプレート技術に優るかなりのコスト上の利点を提供しながら、シリコンテンプレートを再使用することに関連するあらゆる問題及び残余コスト（再使用サイクルのための結晶シリコンテンプレートの再調整及び清浄化）が排除されるので、より高効率の多接合太陽電池のような特定の用途において望ましいとすることができる。従って、この手法は、処理の複雑さを低く保ちながら、高価なＧａＡｓウェハ及び従来の直接バンドギャップＩＩＩ−Ｖ族太陽電池と比べて、比較的安価な結晶シリコンテンプレートを用いることに関するコスト低減の利点を達成する中間のコストメリットのある方法である。他方、単一接合及び多接合太陽電池の両方を含む、本明細書で開示される一部の実施形態は、依然として、結晶シリコンテンプレートの再使用による更なる製造コスト低減からの恩恵を受けることができる。しかしながら、比較的少ない数の再使用サイクル（例えば、約５〜最大で数十回の再使用サイクル）により、最も重要な追加コストの利点及び節減が達成される。結晶シリコンテンプレートが比較的安価であることに起因して、より高い再使用サイクル数に向けて取り組ませる必要はない。更に、結晶シリコンは、ＧａＡｓウェハよりも遙かに強固で脆弱ではなく、また更に堅牢でもあり、ＧａＡｓウェハの再使用よりも遙かに多く実施することができる。例えば、２米国ドルのコストがかかる１５６ｍｍｘ１５６ｍｍの結晶シリコンテンプレートが（１つのテンプレートから１０個の化合物半導体太陽電池を作るために）１０回再使用されると、太陽電池当たりの償却テンプレートコストは０．２０米国ドルとなる。対照的に、１００米国ドルのコストがかかる１５６ｍｍｘ１５６ｍｍの結晶ＧａＡｓテンプレートが１０回再使用されると、太陽電池当たりの償却テンプレートコストは１０米国ドルとなり、すなわち、結晶テンプレートの償却テンプレートコストの５０倍高くなる。この実施例において、遙かに弱くより脆弱なＧａＡｓテンプレートは、１０回再使用される結晶シリコンテンプレートの償却テンプレートコストを達成するためには、５００回再使用しなければならない。このことは、テンプレートの再使用の有無にかかわらず、結晶シリコンテンプレートを用いた本発明の実施形態のコスト及び製造上の収量／スケーリングの利点が極めて大きいことを示している。
−中間層と共にシリコンベースの出発テンプレート上で単一接合ＧａＡｓを成長させるための高容量及びコスト効果のある反応器。例えば、高容量バッチ大気圧又は低圧エピタキシャル堆積反応器構成のような、高容量エピタキシャル成長反応器。ＧａＡｓ以外の材料をベースとした太陽電池において、及び／又はＧａＡｓベースの単一及び多接合太陽電池において、本明細書で開示される構造及び方法は、商業的に入手可能なＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ反応器（又は他の同様の商業的に入手可能な反応器）を利用することができる。加えて、開示される主題は、ＧａＡｓベースの単一接合セル用の商用反応器（ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥベースなどの）の使用も非明示的に含み、これを除外するものではない。むしろ、高容量エピタキシャル成長反応器が提供され、他の考慮事項によっては使用するのが望ましい場合がある。
−高収量及び高い繰り返し性を有する太陽電池を仕上げる（例えば、一部の例において、多孔質シリコン界面での取り外し／分離）ために、結晶シリコンテンプレート／ウェハからの薄い大面積（単結晶）化合物半導体ベース（例えば、ＧａＡｓ及びその三元合金を含む吸収体を備えた太陽電池）の太陽電池吸収体層（何らかの中間層及び他の関連する堆積層と共に）のための脱離／剥離／分離方法。
−多孔質シリコン界面にてシリコンキャリアから薄い大面積（単結晶）化合物半導体ベースの部分的に処理された太陽電池（例えば、ＧａＡｓ）を、必要に応じてその構成要素である太陽電池構成要素及び中間層と共に脱離／分離した後、破壊及び収量損失を防ぐために機械的及び構造的支持が必要となる場合がある。脱離された太陽電池の恒久的支持層としての役割を果たす支持ハンドラを半導体基板の脱離の直前又は直後に取り付けることを含む、高収量／堅牢性及び超低コストの残りのセル製作プロセスによりこの脆弱層を処理及び支持するための構造体及び方法が提供される。
【００１８】
セル構造及び構成（単一及び多接合セル）が提供される。セル構造は、開示される薄いＧａＡｓ基板製造法に適合し、提供されるコスト効果のあるＩＩＩ−Ｖ族半導体太陽電池基板製造法と統合することができる。単一接合及び多接合太陽電池の両方において、前面コンタクト太陽電池（セルのフロント側／太陽光照射側でメタライゼーション／金属グリッドを有する）及び裏面コンタクト太陽電池（セルの裏面側／太陽光非照射側で両電気極性のメタライゼーション／金属グリッドを有し、従って、日陰損失を最小限にし、結果として得られる太陽電池のモジュールレベルの相互接続を可能にする）は、本明細書で記載される実施形態に従って形成することができる。更に、エミッタラップスルー（ＥＷＴ）又はメタライゼーションラップスルー（ＭＷＴ）方式は、本明細書で記載される結晶シリコンテンプレート上に裏面コンタクトのＩＩＩ−Ｖ族セルがある実施形態の場合に利用することができ、金属グリッドから反射光を除去し、太陽電池への効果的な光結合を増大させる追加の利点がある。
【００１９】
更に、セル製造方法、単一接合及び多接合前面コンタクト及び裏面コンタクト太陽電池がそれぞれのプロセスフローと共に提供される。
【００２０】
本明細書で記載される例示的な実施形態は、薄いＧａＡｓベース及び／又は他の直接バンドギャップ単結晶化合物半導体太陽電池のエピタキシャル成長及び部分セル処理のためのキャリア及びエピタキシャルシードとして１５０μｍ〜１．５ｍｍ（Ｓｉウェハが再使用されるか否かに依存することができる）にわたる厚さを有する低コスト（ＧａＡｓ及びＧｅウェハ上に太陽電池を作るのと比べて）結晶Ｓｉウェハ（ＧａＡｓ又はＧｅウェハよりも遙かに低いコスト）を使用する。テンプレートとして使用される結晶シリコンウェハの既に遙かに低いコストは、複数回（例えば、少なくとも２〜最大で数十回）の太陽電池製作に各テンプレートを再使用することにより、更に低下させることができ、結果として、再使用サイクルの数が増大するにつれて、セル当たりの償却テンプレートコストがより低くなる。Ｓｉウェハは、脆弱ではなく、遙かに強固で、熱処理中に遙かに安定しており、他の化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ）材料と比べて高価でもない（またＧｅと比べても遙かに低コスト）ので、シリコンウェハを再使用することは遙かに容易で且つ低コストであり、実際の太陽電池の無視できる程の割合にまでコストダウンするのに必要な再使用回数は、化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ）又はＧｅウェハ及びキャリアよりも遙かに少ない。しかしながら、１つの太陽電池プロセスに結晶Ｓｉウェハを使用する、換言すると、安価なＳｉウェハテンプレート上に薄いＧａＡｓ又は他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ベースの太陽電池を成長させることによりＳｉテンプレートウェハの再使用をしないようにすることで既に提供されるコスト低減により、吸収体層の成長及び担持のために遙かに高価なＧａＡｓ（又はＧｅ）ウェハ又は再使用のＧａＡｓ（又はＧｅ）ウェハの何れかを使用する従来の手法と比べて、製作コストが既に相当に低減されている。
【００２１】
更に、シリコンキャリアウェハ厚さ及び対応するコストは、望ましい再使用に応じて低減することができ、換言すると、ウェハの再使用は、より厚みのあるキャリアウェハ（望ましい再使用回数に応じて、５００μｍ〜１．５ｍｍの範囲の厚さ）を必要とする場合があり、他方、ウェハは、単一回の使用（又は少数の再使用回数、例えば、最大１０〜２０回）ではより薄く（１００〜２５０μｍ）することができ、従って、単一プロセスで使用されるウェハは、少ない材料及びより少ないコストとなる。図１は、ＧａＡｓキャリアと比べた結晶シリコンキャリアを用いることにより可能となるコスト低減を示すグラフである（対数軸上にプロットされている）。この図では、単に有効性を実証するために薄い吸収体としてＧａＡｓを仮定しているが、開示される主題は、ＧａＡｓに限定されず、むしろ、限定ではないが、ＧａＡｓの三元合金及び／又はＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む幾つかの単結晶直接バンドギャップ材料に適用可能である。図１で分かるように、結晶シリコンテンプレートキャリアを用いることにより有意なコスト低減を達成することができるが、製造コストは、結晶Ｓｉキャリアの再使用により（極めて大きな再使用サイクルである必要はなく、数回から数十回の少数回の再使用サイクルによっても）、更に低減することができる。図１は、キャリアのコストを示している（比較のために代表的な実施例として示される）。従来技術の実施形態において、アクティブ吸収体は、上部の数ミクロンにあり、従って、遙かに厚みのある出発ＧａＡｓ（又はＧｅ）基板のコストに含まれる。図１に示す他の３つの実施形態において、太陽電池吸収体の成長、及び結晶シリコンテンプレートキャリアからの分離／剥離技術に関連したコストの追加が存在する場合がある。しかしながら、これらの追加コストは、テンプレート／キャリアとして高価なＧａＡｓウェハを使用しないことにより達成される材料節減よりも少ない。加えて、エピタキシャル成長した薄い（サブミクロン〜最大約１０ミクロン厚さ）ＧａＡｓ及び／又は関連するＩＩＩ−Ｖ族二元又は三元化合物半導体層は、従来技術に基づいてＧａＡｓウェハ上に作られるセルに優る追加の効率上の利点を提供することができ、結果として得られる太陽電池のコスト（ドル／ワット単位）を更に相殺し、従って、セル形成の全体コストは、図１に示すのと同様の傾向を辿る。
【００２２】
薄膜半導体基板（ＴＦＳＳ）から作られた薄い結晶半導体太陽電池は、太陽電池製作プロセスステップ全体にわたって太陽電池製造中に確実に支持され（例えば、コスト効果のあるキャリアを用いて）、取り扱い及び処理を可能にし、よって、機械的収量損失（歩留まり損）のリスクを実質的に低減及び／又は阻止する。太陽電池の両側（表面と裏面）が処理されるので、２つのキャリアを用いて堅牢な薄いセル製造プロセスを提供する。キャリア及びキャリア材料の選択は、以下の考慮事項を含むことができる。キャリアは、製造コストを低く保つためにコスト効果の高いものであるべきである。第２に、キャリアの少なくとも１つは、セル製造に必要とされる比較的高温の処理、例えば、約３００℃〜最大約８００−１０００℃の範囲にわたる高い温度のような、化合物半導体層のエピタキシャル堆積用のＭＯＣＶＤ処理温度に耐えることができなければならない。しかしながら、特定の処理温度は、特に範囲の上限にて変わる可能性があり、これは、特定のセル材料及びこのような材料のためのＭＯＣＶＤ処理温度によって決定付けられる。加えて、キャリアの１つだけが高温セル処理（例えば、セル基板を形成するためのＭＯＣＶＤ処理並びに裏面構造処理などの高温処理）をサポートすることができる場合、プロセスフローは、全ての高温処理ステップが高温可能キャリア（本発明の結晶シリコンテンプレート）上で実行されるように設計することができる。第３に、２つのキャリアの少なくとも１つ、又は必須ではないが両方は、好ましくは、太陽電池の製造に一般的に必要とされる湿式化学処理に耐えることができる必要がある。例えば、湿式処理ステップは、限定ではないが、テンプレートキャリアからの脱離後のあらゆる残留多孔質シリコンの清浄化及び除去、並びに中間バッファ層の選択エッチングを含むことができる。第４に、第１の側面（換言すると、結晶シリコンキャリアテンプレートの反対にあるセル面）上での部分又は完全セル処理の後、薄いセルと必要に応じて成分構成要素及び中間層は、高収量でキャリアテンプレート（又は第１のキャリア）から効率的に脱離され、処理セル面上に取り付けられた第２のキャリアに移送されて、セルの第２の面（換言すると、第１のキャリアから脱離したセル面／界面）の処理を可能にする。その後、第１の面が既に部分的に処理されており、部分的に処理された第１の面上で更に処理される必要がある場合には、残りの処理ステップ（例えば、最終セルメタライゼーションの完了）は、以下で説明するプロセスを用いて完了することができる。
【００２３】
高度にコスト効果のある方式で大面積（例えば、１２５ｍｍ×１２５ｍｍ又はそれよりも大きい）の薄い吸収体結晶ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ベース太陽電池をコスト効果が高く製造する方法が提供される。薄いＧａＡｓ太陽電池吸収体を参照して特定の実施例を詳細に説明するが、本開示の主題の態様は、高度に効率的な太陽電池を形成することができるより広範な種類の材料にも適用可能であり、これら材料は、成長した１つ又は複数の化合物半導体層（限定ではないが、ＧａＡｓ及び／又はＡｌＧａＡｓ、及び／又はＧａＮを含む、二元及び／又は三元ＩＩＩ−Ｖ族半導体層など）と、結晶シリコンテンプレートとの間の格子不整合に対応する適切な中間層を通じて多孔質シリコン上での成長を促進する。
【００２４】
更に、本明細書で開示される高効率ＧａＡｓのコストの大幅な低減はまた、これらの代替の材料にも適用可能とすることができる。開示される主題のコスト低減手段は、例えば、以下のことを含むことができる。
−薄いＧａＡｓ層（約０．５ミクロン〜１０ミクロン）は、高生産性のＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ反応器のような好適な気相堆積法により形成することができ、従って、層の材料コストを最小限に維持する。
−ＧａＡｓは、結晶シリコンと成長した化合物半導体材料（ＧａＡｓなど）との間の格子定数の差異又は不整合に対処するために適切な中間バッファ層を用いてテンプレート（単一回使用、又は再使用として複数回使用）としての役割を果たす出発結晶シリコンウェハ上に成長する。結晶Ｓｉは、ＧａＡｓよりも実質的に低コストの材料である。従って、Ｓｉテンプレートが単一回の使用に望ましく再使用されない場合でも、ＳｉウェハのコストはＧａＡｓウェハのコストよりも有意に低い（少なくとも約１０倍〜１００倍）ので、結晶Ｓｉハンドラ／キャリア又はテンプレートウェハ上への薄いＧａＡｓ層の形成は、大幅なコスト低減を提供する。ＧａＡｓウェハの実際の再使用回数は、ＧａＡｓウェハプロセスを単一回使用のＳｉウェハのコストよりもかなり高いコストに制限する。加えて、テンプレート／キャリアとして役割を果たす結晶Ｓｉ出発ウェハ上にＧａＡｓ太陽電池吸収体を形成することにより、セル処理においてコスト効果のあるキャリアであることに加えて、（ガリウムヒ素と比べたシリコンの機械的強度及び／又は高温安定性、並びに降伏強さに起因して）セルプロセスの汎用性を向上させることが可能となる。
−更に、結晶Ｓｉテンプレートは、より多くのＧａＡｓベースの太陽電池を成長させるために引き続き再使用することができる。従って、Ｓｉキャリアシリコンウェハの既に低いコストは、複数の太陽電池に対してコストを償却することにより更に低減することができる。
−従来の遙かに低いスループットのＭＯＣＶＤ法とは対照的に、ＭＯＣＶＤ用に構成された既存の高容量プラットフォームを用いた超高生産性のＣＶＤエピタキシャル反応器においてＧａＡｓ成長が実施される場合には、ツールコスト（Ｃａｐ  Ｅｘ：資本支出）並びに減価償却費を更に低減することができる。しかしながら、開示される主題は、標準的ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ、或いは、他の何れかの好適なＧａＡｓ（又は化合物半導体）成長技法を排除するものではない。
【００２５】
大面積結晶シリコンセルは、多くの場合、少なくとも１５０ｃｍ2ほどの大きさの面積を有し、２４３ｃｍ2又は４４１ｃｍ2又はそれよりも大きいとすることができる。ＧａＡｓが成長した場合（例えば、高生産性のＭＢＥ又はＭＯＣＶＤによって）、効率的な吸収に必要とされるのに十分な材料厚さだけが成長する（例えば、最大で約２〜５ミクロンの厚さを有するＧａＡｓ層）ので、ＧａＡｓ吸収体自体のコストは最小にすることができる。比較的、既知の方法は、妥当な機械的強度（依然として結晶シリコンウェハよりも遙かに弱くより脆弱であるが）を提供し、主な太陽電池吸収体のみが化合物半導体材料の数ミクロンのみを必要でなくても機械的一体性を確保するよう約１５０ミクロン〜最大数百ミクロンの厚さがある出発ＧａＡｓウェハを必要とする。換言すると、厚みのあるＧａＡｓウェハは、光吸収（バルクウェハの上面に直接、又はエピタキシャル成長した太陽電池吸収体スタックの何れか）と層構造支持の両方を提供するのに使用される。加えて、シリコンテンプレートから脱離した後にセルプロセスを通じて薄いＧａＡｓを扱う方法はまた、高度に堅牢（高度の収量）でコスト効果のあるものにすることができ、高効率大面積のＧａＡｓ太陽電池のコストの大幅な低減をもたらす。
【００２６】
従来技術と開示される主題との間の適正な比較のために、基板コストは、薄い気相堆積ＧａＡｓのコスト（反応器の材料、消耗品、資本支出、減価償却）、ＧａＡｓが成長する結晶シリコンウェハのコスト、並びに多孔質シリコン（脱離可能層）及び他の何れかの犠牲中間バッファ層の形成コストを含めるべきである。結晶Ｓｉのコストは、再使用しない場合でも、ＧａＡｓウェハ（この場合も同様に、ＧａＡｓウェハは、その脆弱性を考慮すると、十分に高い収量のＧａＡｓの実際の再使用限界とすることができる５０回再使用される場合でも）と比べて極めて低い。Ｓｉウェハは償却することができ、そのコストは、後続の基板形成においてウェハを再使用することにより更に低減される。シリコンウェハテンプレートの再使用は、ＧａＡｓ（又はＧｅ）よりも遙かに実施可能で遙かに高い収量であるが、再使用しない場合でも、Ｓｉベースのテンプレートは、有意なコスト節減を提供する。
【００２７】
加えて、結晶Ｓｉウェハは比較的大きなサイズ及び大きな製造体積（例えば、３００ｍｍ直径及び同程度に大きな方形ウェハ）で利用可能であるので、ＧａＡｓベース太陽電池は、結晶Ｓｉウェハと同じサイズスケールで、及びシリコン吸収体と比べてＧａＡｓのセル効率が高いことに起因して、結晶Ｓｉベース太陽電池と比べてより低いコスト／ワットで製作することができる。対照的に、ＧａＡｓ層は、多くの場合、１０〜１５０ｍｍ直径のような小さなサイズで経済的に（及びシリコンと比べて遙かに高いコストで）利用可能であるゲルマニウム又はＧａＡｓウェハの何れかの上に成長するので、ＧａＡｓ太陽電池のサイズはまた、１００〜１５０ｍｍ直径（又は１２５ｍｍ×１２５ｍｍ擬似方形）に制限される。従って、結晶シリコンウェハと比べた大面積ゲルマニウム又はＧａＡｓウェハの材料コスト、脆弱性（サイズに伴って増大）及び材料の降伏強度の低下、並びにスケールメリットの喪失（同様に結晶シリコンウェハと比べて）は、大面積薄膜ＧａＡｓベース太陽電池の製造を大きく制限する。
【００２８】
開示される主題の主要な態様は、キャリア及びエピタキシャルシードテンプレートとして使用される結晶Ｓｉウェハ上での高品質ＧａＡｓ（又は同様の材料）の成長である。Ｓｉ上に直接ＧａＡｓを成長させることについての課題は、結晶ＧａＡｓとシリコンとの間の格子不整合を克服することである。ＧａＡｓがＳｉ上に直接成長する場合、ＧａＡｓ層は、極めて高い転位密度を有して高度に欠陥があることになり、本質的に高効率の太陽電池には実用可能ではない。図２は、ＧａＡｓ及びＳｉのものを含む、様々な直接及び間接バンドギャップ半導体におけるエネルギーバンドギャップと格子定数を示すグラフである。
【００２９】
結晶Ｓｉ基板上に高品質（低転位密度）のＧａＡｓ層を形成することの困難性を克服する２つの主要な方法が提供される。これらの方法の各々は、優れたＧａＡｓ膜成長及び最低の欠陥密度をもたらす出発シリコン基板の異なる向き及び切断を利用することができる。
【００３０】
（方法１．）
高品質ＧａＡｓ（又は同様の材料）は、中間Ｇｅ層を用いて結晶Ｓｉキャリアテンプレート上に成長することができる。例えば、最初に、テンプレートからのＧａＡｓ層の分離が生じる出発結晶シリコンテンプレート上に犠牲多孔質シリコン層（一部の例において、少なくとも２つの異なる多孔率を有する）を形成する。多孔質シリコンは、高生産性の多孔質シリコン製造ツール（一部の例において、６４０ウェハ／時のスループットを有し、多孔質シリコン高容量製造機器で示されている）を用いて結晶Ｓｉテンプレートウェハ（例えば、好ましくは、ｐ型単結晶Ｓｉウェハ）の上面の上にフッ化水素（ＨＦ）酸及びＩＰＡの存在下でアノードエッチングプロセスを用いて形成することができる。具体的には、多孔質シリコン層は、以下のような２つの主要な技法、すなわち、（ｉ）シリコンエピタキシーを用いてｎ型テンプレート基板上に薄い共形の結晶シリコン層（１つの実施形態において、０．２〜約５ミクロンの範囲のｐ型ホウ素ドープのシリコン層）を堆積した後、電気化学ＨＦエッチングを用いてｐ型エピタキシャル層を多孔質シリコンに変換すること、又は（ｉｉ）テンプレート基板（１つの実施形態において、ｐ型テンプレート）の薄い層を多孔質シリコン（１つの実施形態において、０．１〜１０ミクロン、より具体的には０．２〜約５ミクロンの範囲の厚さ）に直接変換すること、のうちの１つによって形成することができる。
【００３１】
多孔質シリコン層の多孔率及び厚さは、２つの主要機能を達成するよう最適化されるべきである。第１に、シリコンマザーテンプレートからのその上に成長した基板のオンデマンド分離を可能にするよう十分に多孔質である（換言すると、十分に高い多孔率を有する）べきである。第２に、高忠実度でテンプレートから基板への単結晶情報の転写を確実にするのに十分に非多孔質（換言すると、多孔質シリコン層の表面上に十分に低い多孔率を有する）でなければならない。例えば、異なる多孔率の少なくとも２つの層を有する二層又は多層の多孔質シリコンを用いることができる。形成される第１の多孔質層（又は最上層）は、低多孔率の層である（例えば、これは、限定ではないが、１０％〜最大４０％の範囲の多孔率を有する層とすることができる）。この層の後に、より高い多孔率を有する第２の多孔質層（埋め込み層）（例えば、これは、限定ではないが、４５％〜最大７５％の範囲の多孔率を有する層とすることができる）が続き、第２の多孔質層は、テンプレートにより近接してテンプレートからより低い多孔率の層を分離するように下側に形成される。換言すると、第１の高い多孔率の層が低い多孔率の最上層により覆われた多孔質シリコンの二重層である。単層（約２５％〜４０％の範囲の単一の多孔率を有する）又は３層もしくは段階的な多孔率の多孔質シリコンのような他の構成も実施可能である。犠牲多孔質シリコンはまた、中間層（ゲルマニウムなど）又は薄い単結晶シリコン層の後続の成長のためのエピタキシャルシード層としての機能を果たし、中間層はまた、後続の層のための中間層として機能を果たす。
【００３２】
その後、高品質エピタキシャルシード層並びに後続の分離／リフトオフ層の両方として機能する犠牲多孔質シリコン層が形成されると、単結晶シリコンの薄い中間層（例えば、数十ｎｍ未満から最大で数ミクロンの範囲の層厚さ）は、水素プリベークを実施して自然酸化物を除去し、また多孔質シリコン面のエピタキシャル特性を改善した後、任意選択的に、エピタキシー又はエピタキシャル成長を用いて多孔質シリコン層上に形成される。単結晶シリコン層は、例えば、トリクロロシランすなわちＴＣＳなどのシリコンガス及び水素を含む環境下で化学気相堆積すなわちＣＶＤプロセスを用いて大気圧エピタキシーにより形成することができる。エピタキシャルシリコンの厚さは、後続の最適な処理を支持するために十分な厚さを有しながら、コスト低減のために最小限にすべきである。
【００３３】
エピタキシーは、コスト効果が高く、トリクロロシラン（ＴＣＳ）による低コストの愛気圧プロセスを用いることができ、又は代替として、低圧シランベース（又はジクロロシラン）のシリコンエピタキシーを用いることができる。多孔質シリコンを有するシリコン基板は、バッチエピタキシャル化学気相堆積（ＣＶＤ）反応器内に装填されたときに純水素環境（例えば、約１０００°Ｃ〜最大１１５０°Ｃの範囲の基板温度で）においてプリベークすることができる。この水素プリベークは、２つの重要な役割を実施する。（１）残留自然酸化物を多孔質シリコン層の表面から除去すること、及び（２）後続のエピタキシャルシリコン（及び／又は中間バッファ層）の堆積のために、表面細孔を閉鎖して表面を優れたシード表面にすることにより、単結晶シリコンシード層の薄い（数ｎｍ〜最大約１０ｎｍ程度の）比較的連続した層を生成することである。エピタキシャルシリコンの厚さは、後続の最適なプロセスを支持するために十分な厚さを有しながら、コスト低減のために最小限にすべきである。欠陥密度３，０００／ｃｍ2未満及び５００μｓを超える小数キャリアライフタイムを有して、多孔質シリコンの上に高品質単結晶エピタキシャル成長を形成することができる。このエピタキシャルシリコン堆積ステップを完全に排除し、エピタキシャル堆積反応器における水素プリベークプロセスの直後にゲルマニウム含有中間バッファ層のエピタキシャル成長に進むことが可能である。
【００３４】
次いで、薄くエピタキシャル成長したシリコン層の上に（又は代替として、水素プリベーク処理された多孔質シリコン層の直ぐ上に）、薄い結晶ゲルマニウム層が形成／成長される。Ｇｅ層は、Ｓｉと比べて４％格子不整合しているような、実質的に欠陥のないＧｅ層（欠陥密度＜３ｅ６ｃｍ2）をＳｉの上に成長させることが可能であるが、そのまま成長させた場合には、Ｇｅ層は、多くの欠陥を有する可能性がある。従って、シリコン上に直接成長したゲルマニウム層の欠陥密度は、例えば、以下の方法を用いて最小限にすることができる。第１に、エピタキシャル反応器（好ましくは、最初の水素プリベーク及び後続の任意選択のエピタキシャルシリコン成長で使用されたのと同じエピタキシャル反応器）を用いて、Ｇｅの薄い欠陥のある層を単結晶Ｓｉの上に成長させる。反応器は、多孔質シリコン上に薄いエピタキシャルシリコンを成長させるよう上述したもののようなＣＶＤ反応器とすることができる。Ｇｅ成長の後、複数の水素アニールが続き、エピタキシャル反応器においてその場でゲルマニウムをリフローする。続いて、より厚いＧｅ層をアニール処理したＧｅ層の上に成長させる。シリコンの上にゲルマニウムを直接成長させるこの技法は、２×１０6ｃｍ-2程の低い欠陥密度をもたらすことができる。加えて、多孔質シリコン上に成長したシリコンの上に十分に高品質のゲルマニウムを成長させるために、複数のアニールに依存する他の技法並びにグレーディング技法を用いることもでき、ここで各層は、中間ＳｉＧｅ層を通り抜けることにより純水シリコンから純水ゲルマニウムまで漸次的に変化している。高品質ＧａＡｓは、Ｇｅと比較的密接に格子整合しており、比較的低い転位密度で上述のＧｅ層上に直接成長させることができる。例えば、ＧａＡｓ成長は、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥにより実施され、或いはまた、最初の水素プリベーク、任意選択のエピタキシャルシリコン、及び後続のエピタキシャルゲルマニウム層堆積及びアニールで使用したのと同じ高容量エピタキシャル成長反応器において直接実施することができる。エピタキシャルシリコン及びゲルマニウム層の厚さは、高品質ＧａＡｓをこれらの層スタックの上に成長させることを確実にしながら、コストダウンを維持するため最小限にすべきである。高品質ＧａＡｓ層の形成の後、部分セル処理が続くことができ、この部分セル処理は、窓層及び裏面電界層（格子整合したＡｌＧａＡｓ層における実施例）の成長並びにメタライゼーションを含むことができる。（一部の例において部分的に処理された）ＧａＡｓ層は、存在する場合に中間層と共に機械的に脆弱な犠牲多孔質シリコン層に沿ってテンプレートから分離されリフトオフされる（好ましくは、機械的脱離及び剥離プロセスを通じて）。
【００３５】
図３は、上述の成長シーケンスを示す断面図である。具体的には、多孔質シリコンシード／分離層及びゲルマニウム 中間バッファ層を用いてシリコン基板の上に大面積ＧａＡｓ層を成長させるプロセスが提示される。ｐ＋ＧａＡｓエミッタ前面コンタクト層がセル構造の実施例として図示されているが、この層は、異なるようにドープされてもよく、特定のセル構成に応じて異なる機能を提供することができる。その後、高効率ＧａＡｓベース単一接合又は多接合太陽電池をこのＧａＡｓ層の上に形成することができる。ＧａＡｓ太陽電池の領域は、出発シリコンウェハの領域と同程度の大きさとすることができ、１５６ｍｍｘ１５６ｍｍ（及び２１０ｍｍｘ２１０ｍｍ程度の大きさ又はそれ以上）のサイズにされたＧａＡｓベースの薄い太陽電池を得ることができる。
【００３６】
（方法２．）
上述のプロセスを修正し、中間層と共にシリコンテンプレート上にＧａＡｓを成長させる代替のプロセスを提供することができる。１つの実施形態において、ゲルマニウムは、エピタキシャルシリコンの最初のシード層を必要とせずに多孔質シリコンの上に直接成長させる。幾つかの方法が利用可能である。これらの方法の１つにおいて、サーファクタント媒介エピタキシーを用いて多孔質シリコン上に直接ゲルマニウム層を成長させる（詳細は、以下を参照。「T. F. Wietler et. al., "Relaxed Germaniumn on porous silicon Substrates", ISTDM 2012」、本論文は引用により全体が本明細書に組み込まれる）。この水素プリベークは、２つの重要な役割を実施する。（１）残留自然酸化物を多孔質シリコン層の表面から除去すること、及び（２）後続のエピタキシャルＧｅ堆積のために、表面細孔を閉鎖して表面を優れたシード表面にすることにより、単結晶シリコンシード層の薄い（１０ｎｍ程度の）連続した層を生成することである。次いで、単結晶ゲルマニウムがアニールされた多孔質シリコン層の上に直接形成される。一般に、Ｇｅ層の成長は、上述のＭＨＡＭプロセスと同様の多段プロセスであり、欠陥密度を改善するために中間で複数のアニールがある。高品質ゲルマニウム層の形成の後、ＧａＡｓの気相成長が続くことができる。図４は、上述の成長シーケンスを示す断面図である。
【００３７】
図４は、多孔質シリコン及び犠牲ゲルマニウムを用いてシリコンテンプレートの上に大面積ＧａＡｓ層を成長させるプロセスを示している。但し、ゲルマニウムは、図３に示した中間シリコン層と比べて（約１０００°Ｃ〜最大１１５°Ｃの温度範囲で多孔質シリコンを含有するシリコンウェハの水素プリベークの後に）、多孔質シリコンの上に直接成長される。この場合も同様に、単に例証としてｐ＋ＧａＡｓが示されているが、一般には、最上ＧａＡｓ層は、セル構成の要件に応じてあらゆるドープ又は他の格子整合材料であってもよい。
【００３８】
更に別のＳｉテンプレートオンＧａＡｓの実施形態において、出発基板は、＜１１１＞配向Ｓｉウェハとすることができる。最上Ｓｉウェハは、多孔質シリコンに変換され、その上にＧａＡｓが直接成長する。ＧａＡｓは、＜１１１＞配向Ｓｉウェハの上に成長するのにより好適である。本方法はまた、多孔質シリコンを用いたシリコンウェハの最初の水素プリベークの後、更にＧａＡｓ欠陥密度を低減するために中間ゲルマニウム層成長が続くことを含む、上述の技法と組み合わせることができる。更に、上述のＧａＡｓ形成法の何れかは、現行の商業的に入手可能な３００ｍｍ直径の出発シリコンウェハに拡張可能であり、これに応じて、太陽電池のサイズが３００ｍｍ直径にまで増大する。セルサイズの増大は、セル当たりに発生する電力を増大させ、太陽電池の製造コストの更なる低減をもたらすことになる。
【００３９】
（Ｓｉウェハテンプレートの再使用）
コスト低減の大部分として必要とされず、本明細書では１つの実施形態として説明されているが、Ｓｉテンプレートの再使用は、セル当たりのテンプレートコストを償却し、更に低減することができる。必要に応じて、シリコンウェハの再使用は、多孔質シリコンの上のスタック（例えば、方法１の場合、エピタキシャルＳｉ／Ｇｅ／ＧａＡｓ／セル層スタック、又は方法２の場合、Ｇｅ／ＧａＡｓ／セル層スタック、或いは、＜１１１＞Ｓｉウェハ上の成長の場合には単にＧａＡｓ／セル層）から成功裏に分離する能力によって決まる。多孔質シリコン形成及びテンプレート再使用調整及び清浄プロセスがＳｉ材料を使用し、従って、テンプレート厚さを低減するので、再使用中のテンプレートの磨耗は制限されるべきである。リフトオフ剥離収量は、多孔質シリコンシード及び剥離層に応じて増大する可能性がある。二層多孔質シリコン層において、低多孔率の多孔質シリコン層の直ぐ下にある高多孔率の埋め込み多孔質シリコン層の多孔率は、組立体をチャック固定して機械的に引き離し、成長層スタックを再使用可能シリコンテンプレートからリフトオフすることにより剥離が実施されるように調整することができる。残留多孔質シリコンは、テンプレートの表面から清浄に落とされ、必要に応じて光学表面研磨及び／又は修復を実施することができる。
【００４０】
複数の要因が、ＧａＡｓ太陽電池の全体コストに寄与し、決定付けることができる。第１は、ＧａＡｓ材料自体のコストである。これは、十分な又は完全な光吸収にとって十分に厚いことを確保しながら、ＧａＡｓ層の厚さを低減することで（例えば、約３μｍ未満）、使用されるＧａＡｓの量を確実に最少にすることによって低減することができる。これは、ＧａＡｓが機械的強度及び補強のために使用されないので最少層厚さである。薄い層は、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥのような好適な高生産性のバッチ気相堆積法を用いて直接堆積することができる。作業中、ＧａＡｓ層厚さは、効率要件、セル設計機構、及びＧａＡｓ層の材料品質に応じてサブミクロンまで低減することができる。第２に、コストは、資本支出原価償却及び消耗品、及び所与の太陽電池製造ラインにおいて幾つの反応器が必要とされるかを決定付ける反応器のスループットに関連する。典型的なＧａＡｓ堆積は、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥ（一部の例において、ＭＢＥよりも高いスループットのＭＯＣＶＤが望ましいとすることができる）を用いることができる。或いは、ゲルマニウム上にＧａＡｓを成長させるために、標準の高容量バッチＣＶＤエピタキシーを用いることができ、この場合、反応器は、ゲルマニウムエピタキシーではＣＶＤモード（例えば、ゲルマン又はジゲルマン及び水素を用いて）で作動し、非ドープ及びドープのＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ堆積ではＭＯＣＶＤモード（例えば、必要なドーパント源と共に、Ａｓ及びＧａの有機金属前駆体を用いて）で作動すべきである。現行のソーラーグレードの高スループットの低原価償却エピタキシャル反応器（一部の例において、シリコン及びゲルマニウム成長に設計され助けとなる）を修正し、好適な液体送出（例えば、直接液体注入）構成要素、金属有機前駆体の送出ラインの制御された加熱、及び高蒸気圧金属−有機源を付加することによりＧａＡｓを成長させることができる。
【００４１】
薄いＧａＡｓ吸収体及びセルは、シリコンテンプレートから剥離されると、残りの高収量太陽電池処理ステップのために支持される。ＧａＡｓが堆積すると、セル構成に応じて、部分的太陽電池形成ステップが完了することができ、薄いＧａＡｓ層は、Ｓｉテンプレート（多孔質シリコン層により保持された）に取り付けられて支持される。コスト効果のある大面積の薄いＧａＡｓ及び付随する層（例えば、使用される形成方法、付随する太陽電池構成要素／テンプレートとは反対のＧａＡｓ基板側上に形成された、換言すると露出したＧａＡｓ面上に形成された層に応じて、ＧａＡｓ層と多孔質シリコンとの間の層スタック）は、コスト効果のあるマザーテンプレートから分離される。薄いＧａＡｓ太陽電池基板は、残りのセル製作プロセス全体にわたりキャリア又はバックプレーンによって支持される必要がある。キャリア又はバックプレーンは、コスト効果があり、処理温度並びに後続のセル処理で必要とされる湿式化学的プロセスに耐えることができ、第１のキャリア（一時的な再使用可能シリコンテンプレートキャリア）から第２のキャリア（例えば、プラスチック積体のような低コスト恒久キャリア）に高収量のシームレスな伝達を可能にする必要がある。第２のキャリアは、様々な天候及び風条件で太陽電池の現場支持を提供する恒久的構造体とすることができる。
【００４２】
第２の（例えば、恒久的な）キャリアは、低コストの薄い誘電体又はポリマーシートとすることができる。或いは、キャリアは、金属層又はシートのようなバックプレーンとすることができ、これは、太陽電池のコンタクト及びミラーとして機能する。この支持層の要件は、後続の太陽電池プロセスの厳密な特質によって決まり、具体的には、湿式及び高温プロセスに関連している。しかしながら、一般に、キャリア層は、湿式化学プロセスを支持する必要があり、また、このようなプロセスで使用される化学物質に耐性があると共に、高効率セルプロセスに必要とされる温度をサポートする能力を有する必要があり、下層のあらゆるメタライゼーションをシールし保護することができ、妥当な場合には、必要に応じて高温処理に適合する熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するべきである。引き続き詳細に説明するＩＩＩ−Ｖ族半導体セルプロセスにおいて、高温処理要件及びキャリア材料に対する次の要望を有意に軽減することができる。
【００４３】
１つの実施形態において、第２のキャリア（本明細書ではバックプレーンとも呼ばれる）はプリプレグとすることができる。プリプレグシートは、プリント回路基板の構成単位として使用され、樹脂及びＣＴＥ低減繊維又は粒子の組み合わせから作ることができる。バックプレーン材料は、安価で、低ＣＴＥ（典型的にはＣＴＥ＜１０ｐｐｍ／°Ｃ、又は好ましくはＣＴＥ＜５ｐｐｍ／°Ｃ）、薄い（通常は５０〜２５０ミクロン、好ましくは約５０〜１５０ミクロンの範囲）プリプレグシートとすることができ、このプリプレグシートは、エッチング／織地化学物質に対して化学的に比較的耐性があり、最大で少なくとも１８０°Ｃ（又は好ましくは、少なくとも２８０°Ｃ程の高さ）までの温度で熱的に安定している。プリプレグシートは、真空ラミネータを用いてテンプレート上に依然としてありながらＩＩＩ−Ｖ族太陽電池の裏面に取り付けることができる。熱及び圧力が加わると、薄いプリプレグシートは、処理された太陽電池に恒久的に積層又は取り付けられる。次いで、リフトオフ剥離境界（必要な場合）は、例えば、パルスレーザスクライビングツールを用いることにより太陽電池の周辺（テンプレートエッジの近傍）に定めることができ、次いで、バックプレーン積層太陽電池は、機械的剥離又はリフトオフプロセスを用いて再使用可能テンプレートから分離される。後続のプロセスステップは、（ｉ）太陽電池の太陽光照射側上の化学的多孔質シリコン残留物の除去、テクスチャ、及びパッシベーションプロセスの完了、及び（ｉｉ）セルの前面側又は裏面側上の太陽電池の高伝導メタライゼーション（太陽電池バックプレーンとしても機能し、構造的支持を提供する）の完了を含むことができる。
【００４４】
プリプレグ樹脂の粘度は、その特性に影響を及ぼし、温度による影響を受け、２０°Ｃでは、プリプレグ樹脂は、「乾燥」しているが粘着性のある固体のように感じる。加熱すると、樹脂粘度は劇的に低下し、繊維の周りに流動できるようになり、モールド形状に共形となる必要な柔軟性をプリプレグに与える。プリプレグが活性化温度を超えて加熱されると、樹脂分子の触媒反応及び架橋反応が促進される。漸次的重合化は、流動しなくなる点を通過するまで樹脂の粘度を増大させる。次いで、反応が進み、完全に硬化する。従って、プリプレグ材料は、所望の取り付け面におけるギャップ／ボイドの周り及び内部に「流動」するよう用いることができる。
【００４５】
別の実施形態において、誘電体層バックプレーンキャリアは、スクリーン印刷及びサーマルスプレーなどの多数の直接書き込み技術を用いて堆積することができる。また、別の第３の実施形態において、バックプレーン材料は、コンタクト及びミラー材料としても機能するパターン形成されたメタライゼーションとすることができる。金属バックプレーンが、シリコンテンプレートからのＩＩＩ−Ｖ族基板の剥離に続く後続のプロセスステップと確実に適合性あるように留意すべきである。重要なことに、第２のキャリアは、薄い大面積ＩＩＩ−Ｖ族基板に構造的支持を提供する材料のあらゆる組み合わせ（例えば、メタライゼーション／プリプレグバックプレーンの組み合わせ）を含むことができる。
【００４６】
より大きな面積の安価なＧａＡｓベースの基板を作る方法が提供されると、この薄いＧａＡｓ吸収体を用いて製造することができる高効率のＩＩＩ−Ｖ族ベース太陽電池構造体が実現される。セル構造及び機構は、広い範囲の単一及び多接合太陽電池に体系化することができ、ここで多接合セルとは、２つ、３つ、又はそれ以上の接合を有するセルを指す（より多くの接合が付加されると、実施可能な最大効率は、他の考慮事項に応じて増大する）。例えば、一般的な２接合セルは、Ｇｅ上にＧａＡｓを含む。更に、単一及び多接合セルの両方は、前面及び裏面コンタクトのセル設計で形成することができる。
【００４７】
図５は、バルクＧａＡｓ基板上の標準的な単一接合前面コンタクトＧａＡｓ太陽電池を示した断面図である。図示のように、図５のセルは、ｎ型ＧａＡｓベースと、ｐ型ＧａＡｓエミッタとを有する。一般的には、エミッタがｎ型で、ベースがｐ型も実施可能である。ｐ型ＡｌＧａＡｓベースのワイドギャップ窓層がエミッタの上に形成されて、強化少数キャリアパッシベーションを提供する。ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは、ＧａＡｓのバンドギャップよりも大きいので、光を吸収することなく関連する光を中に取り込むようにする。太陽電池への光のより大きな結合を可能にするよう反射防止コーティングが付加される（例えば、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層は、ＺｎＳのような材料から作ることができる）。また、一部の場合において、ｐ型コンタクトは、高濃度にドープされたｐ型層を必要とする場合がある。ｎ型ＧａＡｓの下には、より広いバンドギャップのｎ型ＡｌＧａＡｓがあり、少数キャリアを反射し再結合を低減する裏面電界（ＢＳＦ）層として機能する。典型的なベース厚さは、最大８５０ｎｍ波長のフォトン全てが確実に吸収されるよう、約０．５μｍ〜２μｍの範囲とすることができる。ＧａＡｓは直接バンドギャップ材料であるので、そのバンドギャップにより決定付けられる波長吸収を超えると劇的に低下する。更に、バルクＧａＡｓ上で作られたセルは、光を反射して吸収体に戻す方法がないことが多い。従って、吸収体は、第２の反射からの恩恵が得られず、光を全て取り込むためにはより厚みのある側面（〜２μｍ）上で形成されることになる。従来のバルクＧａＡｓ技術においてこの２μｍの厚さより薄くできないことは、ＧａＡｓにおける典型的なバルクライフタイム（〜２０ｎｓ）が厚みのある自由層の再結合を支持するのに十分ではないので、再結合の増大とのトレードオフを生じることになる。この結果として、より低いＪｓｃがもたらされる可能性がある。
【００４８】
シリコンキャリアテンプレート上に形成された前面コンタクト単一及び多結合の薄い太陽電池が提供される。１つの実施形態において、この構造は、Ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層から出発し、ｐドープされたＡｌＧａＡｓ窓層、ＰドープされたＧａＡｓエミッタ、ｎドープされたＧａＡｓエミッタ、ｎドープされたＡｌＧａＡｓ  ＢＳＦ、及びｎドープされたＧａＡｓベースコンタクト層を有する結晶半導体薄膜の標準スタック（図６のセル断面図に示すような）を含む。図６に示す薄いＧａＡｓベース単一接合前面コンタクトセルは、より薄い吸収体層の使用を可能にする、裏面側金属からの光反射の利点を有することができる。このことは、光キャリア収集及びＪｓｃの増加をもたらし、また、より低い再結合体積及びより高いＶｏｃをもたらすことができる。
【００４９】
図６の構造と従来のセル構造との差違は、ｎドープされたＧａＡｓコンタクト層に隣接／接触する裏面金属の後に誘電体バックプレーン（金属又は半導体バックプレーンであってもよい）が続くことである。バックプレーンは、ビアホールを有し、ここを通って別の金属層が活性Ｎ型ＧａＡｓ層と接触した状態で下層の金属に接続される。図示していない代替の実施形態において、活性ｎドープされたＧａＡｓに接続される金属は、より厚みがあり、バックプレーン自体として機能し、従って、後続の誘電体バックプレーン及び追加の金属層が不要になる。この場合、金属バックプレーンは後続の処理と確実に適合性がある点に留意されたい。
【００５０】
図６の構造と従来のセル構造との差違は、光の第２の通過を可能にするバックミラーの存在に起因して、ｎ型ＧａＡｓ層をより薄く（＜１μｍ）することができることである。但し、図６に示す例示的なメタライゼーションはＡｌであり、これは限定と解釈すべきではない。一般に、裏面金属は、ｎドープされたＧａＡｓに対する接触抵抗が高効率をもたらす助けとなり、堆積技術がコスト効果のあるものである限り、銀又は銅などの幾つかの導電性金属から構成することができる。
【００５１】
薄く成長したＧａＡｓベースの太陽電池に対応する、図６に示すセル構造において、光がセルに入射／反射し且つ吸収体が第２の光通過、すなわち効果的に２倍になった光路長を受ける高品質バックミラーの形成は、薄膜吸収体の厚さの更なる低減をもたらすことができる。従って、吸収体は、バルク再結合損失の低減に起因した電流収集を増大させながら、光子捕捉を損なうことなくより薄くすることができ、バルクＧａＡｓデバイスと比べてセル効率を増大させる可能性がある。更に、再結合体積が小さいことにより、より高い開路電圧を提供できる可能性があり、効率を更に向上させることができる。従って、薄膜太陽電池を有することに基づいて可能となるより薄い層のＧａＡｓは、バックミラーが存在する可能性があり、１．吸収体体積がより小さく、再結合がより少ないことに起因して高効率であること、２．吸収体の厚さをより小さくすることができるので、低コストである、という２つの利点をもたらす。
【００５２】
本明細書で記載される薄膜ＧａＡｓベース太陽電池構成は、シリコンベースのテンプレート上に成長したＧａＡｓに基づくことができる。反射性及び鏡面性に関連するバックミラーの反射品質は、金属及び処理の選択に基づいて調整することができる。重要なことに、薄膜の利点を活用しながら多接合セルを製作するために同様の構造骨格を用いることができる。多接合の実施形態は、多接合を形成し、隣接する接合間の必要な電流整合を確実にする修正した成長プロセス以外は、図６に概略的に示されたセルの基本的構造を使用することができる。
【００５３】
裏面接合又は前面接合の何れかとすることができる、裏面コンタクトＩＩＩ−Ｖ族単一及び多接合太陽電池が提供される。単一接合裏面コンタクト／裏面接合の実施形態において、ｐ型及びｎ型金属は両方ともセルの裏面側に形成される。結果として、前面側メタライゼーション（例えば、金属前面グリッド）からの反射による光の寄生損失が無いので、光捕捉の量が増大する。薄膜吸収体は、裏面コンタクト／裏面接合ＧａＡｓセルの形成を可能にする。この構成は、従来のように、低ライフタイム及びＧａＡｓでの高吸収に起因して、光の大部分がセルの前面で捕捉されるので、厚みのあるバルクウェハにおいては好ましくない。加えて、低ライフタイムに起因して、エミッタは、光の大部分が吸収されるセル前面側に位置付けられることが多い。従来の厚みのあるＧａＡｓウェハにおいては、エミッタを２００μｍ厚さのセルの裏面に移動させることで、セルの裏面コンタクトの裏面側に到達する前に全ての光生成キャリアの再結合が生じる結果となる。この限界は、本発明で提案されたように、シリコンテンプレート上に薄膜ＧａＡｓセルを使用し、従って、裏面コンタクト／裏面接合構成を可能とすることによって克服される。薄い裏面コンタクト／裏面接合ＧａＡｓセルにおいて、ＧａＡｓ吸収体の厚さが２μｍ未満であるので、電流収集を損なうことなく、エミッタをセル裏面側に位置付けることができる。
【００５４】
裏面コンタクトセルの代替の実施形態は、薄膜裏面コンタクト／前面エミッタセルであり、ここでエミッタは、セルの前面側に位置付けられるが、コンタクトはセル裏面側にある。吸収体の厚さが小さい（ある範囲の薄膜）ので、ＧａＡｓの〜１．５〜２μｍまで通過するレーザ又は他の技法を用いて、全ての裏面側コンタクトメタライゼーションにおける裏面側から前面エミッタへのアクセスビアを形成することができる。
【００５５】
図７は、多孔質シリコン上にＧｅを直接成長させることにより、単一接合ＧａＡｓベースセルの形成を示した断面図である。図７に示す処理ステップの概要を以下の表１に示す。
表１：Ｓｉテンプレート上に薄膜大面積ＧａＡｓセルを形成するための代表的プロセスフロー
2015513518.tif 000003
【００５６】
ゲルマニウムは、公知の方法を用いて多孔質シリコン上に直接成長する。プロセスは、シリコンテンプレートから始まる。一般に、多孔質シリコンは、アノードエッチングプロセス（ＨＦ／ＩＰＡで）を用いて生成される。この二重多孔率（又は複数の多孔率）層の厚さは、典型的には１〜５μｍの範囲であり、テンプレートからの高収量脱離並びに良好な品質のエピタキシーをもたらす二重層である。ゲルマニウムは、その場での水素プリベーク後に多孔質シリコンの上に直接成長される。図８は、多孔質シリコン上に直接成長した単結晶ゲルマニウムを示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。次に、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの何らかの合金の両方がゲルマニウムと格子整合されているので、これらは、最少欠陥でこの層の上に成長することができ、高品質材料をもたらすことになる。
【００５７】
単一接合フロントコンタクトエミッタセルを製造する１つの実施形態において、セルは、セルは、前面側（太陽光照射側）エミッタが多孔質シリコンに向かって下方に面するように設計される。この方法は、本明細書ではエミッタファースト手法と呼ぶことができる。本方法は、エミッタ金属（例えば、エミッタは、ＡｇＭｎ、Ｎｉ、Ａｕなどの材料から形成することができる）を接触させるのに使用されるＰ＋ＧａＡｓ層を成長させることで始まる。次に、ｐ型ＡｌＧａＡｓの窓層をＰ＋ＧａＡｓ層の上に成長させ、そのより大きなバンドギャップに起因してエミッタにおける超低表面再結合及び速度のパッシベーションを提供することができる。これの後に、ｐ型ＧａＡｓエミッタ、及び主太陽電池ダイオードを形成するｎ型ＧａＡｓベース層の形成が続くことができる。ｎ型ＧａＡｓ形成に続いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層が成長し、少数キャリアを裏面側面から反射させるための裏面電界（ＢＳＦ）として機能することができる。最後に、ベースコンタクト層として機能するｎ型ＧａＡｓ層を成長させることができる。上述の層及びスタックは、１つのエピタキシャル／ＭＯＣＶＤ反応器においてその場で成長することができ、或いは、異なる反応器を用いることもでき、スタック全体の合計厚さは、数ミクロンの範囲とすることができる。太陽電池用途において、高スループットでこれらの成長ステップを実施できる高容量反応器、例えば、高成長速度のＭＯＣＶＤ反応器を用いるべきである。或いは、成長は、上述のような高容量エピタキシャル成長ＣＶＤ反応器を用いて形成することができる。
【００５８】
次いで、スタックがオンテンプレートである間に、ベースコンタクトメタライゼーション層堆積を形成することができる。ベースコンタクトメタライゼーションは、例えば、Ａｌ、ＡｇＧｅ、Ｎｉ、又はＧｕなどの材料から形成することができる。Ａｌは、他の導電金属と比べて安価である利点を有することができる。更に、Ａｌは、テンプレートからの清浄化が比較的容易であり、従って、比較的低リスクのメタライゼーション材料を提供する。この金属層（ベースコンタクトメタライゼーション層）は、本明細書ではメタル１（Ｍ１）と呼ばれ、スクリーン印刷、ステンシル印刷、物理的気相成長法、又は蒸着／スパッタリングなどの公知の技法を用いてブランケット堆積することができる。この層の主要な機能及び要件は、ベースに対する低い接触抵抗を提供すること、並びに光が太陽電池に跳ね返って吸収時の追加の通過を可能にするよう高反射性のバックミラーを生成することである。
【００５９】
続いて、第２のキャリア又はバックプレーン（上述の）が堆積したＡｌに接合又は積層され、このようにしてバックプレーンを形成することができる。バックプレーンは、幾つかの方法により取り付けることができる。１つの実施形態において、バックプレーンは、セルの太陽光照射側処理が完了した後、下層の金属を接続するための孔又はビアホールがドリル加工されることなく、取り付けられる。別の実施形態において、バックプレーンは、予めパターン形成されたビアホールを有し、ここを通って上の第２の金属層がメタル１に接続される。このようなプロセスがバックプレーンの取り付け後に続く場合には、予めパターン形成されたビアホールは、セル前面側の処理の間湿式処理の化学的性質から保護するために一時的にシールすることができる。ビアホールシールは、メタル２の堆積の前で且つ湿式化学処理の後に、機械的に又はレーザザップ（ｌａｓｅｒ  ｚａｐ）を用いて開けることができる。予めパターン形成されたビアは、スクリーン又はステンシル印刷を用いてビアパターンでバックプレーンを直接印刷することにより形成することができる。或いは、メタル１の上に積層する前に、積層材料に孔を予めドリル加工することができる。予めドリル加工された又は予めパターン形成されたバックプレーンの利点は、オンセルのドリルステップを排除できることであるが、バックプレーンを選ぶ際に他の要因が考慮される可能性がある。
【００６０】
バックプレーン層は、セルの前面／太陽光照射側（多孔質シリコン／テンプレートから脱離されることになる側）の処理中に薄い基板を支持する第２のキャリアとして機能することを含む、幾つかの機能を提供する。バックプレーンはまた、現場作業中に薄い太陽電池の恒久的キャリアとして機能することができ、従って、種々の気候条件でセルを堅牢に支持するはずである。バックプレーンはまた、セル前面側上での後続の湿式処理から下層のＭ１を保護することができる。この場合、この層は、犠牲多孔質シリコン層に沿ったテンプレートからのセル脱離の後に、セルの太陽光照射側をエッチング及び洗浄する際に使用される化学的性質に対して不活性でなければならない。
【００６１】
更に、バックプレーンの選択は、追加の考慮事項に従うことができる。バックプレーンが積層後にドリル加工される事例では、バックプレーンは、下層の金属上で高選択性のストップを有して急速なドリル速度を促進すべきである。材料は、安価で、軽量であるが構造的及び機械的に支えることができ、後続の高温処理が望ましい場合には下層及び取り付けられる層に対してＣＴＥ整合することができる。しかしながら、ＰＶＤ層及び他の後続の低温処理だけが実施される場合には、バックプレーンのＣＴＥ整合は緩和することができる。
【００６２】
一例として、バックプレーンは、約２５μｍ〜２００μｍの範囲の厚さを有する樹脂を備えたプリント基板プリプレグ材料シートとすることができる。この標準の積層体材料は、ＰＣＢ産業において使用されており、材料コストは、１５セント／セルにまで低減することができる。マイラー又はＰＥＮ  ＴＥＯＮＥＸ  Ｑ８３、ＵＬＴＥＭプラスチック、又は印刷された誘電体ペーストなどの他のプラスチック材料もまたバックプレーンとして用いることができる。
【００６３】
バックプレーンを使用して、ゲルマニウム、ＧａＡｓ、及びＡｌＧａＡｓ層の成長したスタックがテンプレートから剥離される。好ましい手法は、簡単な機械的剥離を用いてこのプロセスを行うことである。ここで、真空チャックを用いて基板及び成長した組立体を含む上部が引っ張られる間、結合された組立体全体がチャック固定される。埋め込まれた多孔質シリコンは、最も弱い結合力を示すので、組立体は、この界面から分離される。多孔質シリコンの多孔率及び厚さのプロセス最適化は、このプロセスを支援する。次に、テンプレートが洗浄されて、残留する多孔質シリコンが取り除かれ、多孔質シリコンエッチングの新しいサイクルの準備が整えられる。その上、バックプレーン上の基板組立体がエッチング溶液中で洗浄され、該エッチング溶液は、残留する多孔質シリコン並びに中間及び犠牲ゲルマニウム層を含む何らかの残留層をエッチする。エッチングは、ＧａＡｓ層に対して選択的である。
【００６４】
後続のセル前面側処理は、テンプレートから剥離された後にバックプレーン上に支持される薄い基板スタック上で実施することができる。前面側プロセスは、例えば、プラズマスパッタリングを用いて堆積された反射防止コーティング（ＡＲＣ）の堆積及び画定を含むことができる。裏面側セル処理は、例えばＣＯ２レーザを用いて積層体が予めドリル加工又は予めパターン形成されない場合、特に、バックプレーンがプリプレグ樹脂から構成される場合など、妥当な場合には、バックプレーンを貫通して孔をドリル加工することにより完了することができる。或いは、簡単な機械的手段又はレーザ処理を用いてアクセス孔を形成することもできる。一部の例において、レーザドリル加工は、数秒で数千の孔をドリル加工することができる。孔／ビアは、裏面金属Ｍ１へのアクセスを可能にする。バックプレーンが予めドリル加工又は予めパターン形成されて湿式処理のためにシールされている場合には、一時的シーラントを機械的、化学的、又はシーラントのタイプに応じたレーザを用いて除去することができる。メタル２（Ｍ２）と呼ばれる最終金属の堆積物は、バックプレーンのビアホールを通ってＭ１に接続される。Ｍ２（例えば、Ａｌ、Ｃｕ、又はＡｌベース合金）は、蒸着、ＰＶＤ、フレーム溶射、ツインアーク溶射、又はコールドスプレーなどの技法を用いた直接書き込みにより堆積することができる。或いは、Ｍ２は、スクリーン印刷又はメッキすることができる。また、Ｍ１がＡｌである場合、Ｍ２は、Ｃｕ、Ａｌ、又はＡｌＺｎなどの材料とすることができるが、Ｍ２にＣｕ及びＡｌＺｎを用いることにより、セルは、モジュール内部でのはんだ付け、及び追加のセルへの接続／相互接続を比較的容易にすることができる。一部のプロセスフローにおいて、最終ステップは、前面側メタライゼーションの形成である。
【００６５】
上述のフローの１つの変形形態において、ＡＲＣは、ｐ＋ＧａＡｓ層が定められた後に付加することができる。この後、ｐ＋ＧａＡｓ層が存在する領域にのみＡＲＣを開口して前面側金属を堆積させるステップが続く。別の変形形態において、前面側メタライゼーションの順序を変更し、裏面側ドリル加工の前又はその直後でＭ２堆積の前に行うことができる。フローの更に別の変形形態において、ゲルマニウム層を用いてセルに接触することができる。
【００６６】
表１に記載したプロセスフローの変形形態において、金属バックプレーンが使用される場合には、ステップ４及び５を結合することができる。この実施形態において、バックプレーンのレーザ孔ドリル加工並びに直接金属書き込みステップを含むステップ１０及び１１もまた排除し、９ステッププロセスにすることができる。
【００６７】
更に、上述の製造方法及びその変形形態の全ては、多孔質シリコンの上にＧｅを直接的に成長させるのではなく、多孔質シリコン上に成長した結晶Ｓｉ層と、次いでＧｅ層の成長及び後続のＧａＡｓベースセルの成長とを利用することができる。ＧａＡｓ形成の選択肢の選択は、多孔質シリコン上の直接成長によって可能なＧｅ層の品質によって決定付けることができる。多孔質シリコンの上の結晶シリコン形成は、十分に確立されたプロセスであり、後続の単結晶シリコン上でのＧｅの成長に対して高いライフタイムの結晶シリコン層をもたらすことができる。２ｅ６ｃｍ−２程の欠陥密度を有して結晶Ｓｉ上に直接高品質Ｇｅを成長／形成させるために幾つかの方法を用いることができる。
これらの方法は、とりわけ、ＭＨＡＨとして知られる技法を含む。例えば、シリコン上に薄いＧｅ層が直接成長した後にＭＨＡＨを用いて、例えば、エピタキシャル反応器の内部で水素の存在下でＧｅ層が複数のアニールを受ける。その後、成長したＧｅ層は、高品質で低い欠陥密度を有することができる（図３において詳細に説明したプロセス）。高品質Ｇｅ層の形成／成長後、後続のセル処理は、本明細書で記載される変形形態全てを含む、図７に概略的に示すように実施することができる。セル剥離後のエッチングは、存在する場合には、犠牲シリコン及びＧｅ層を除去すべきである点に留意されたい。
【００６８】
フロントコンタクトセルプロセス、具体的にはフロントコンタクト単一接合太陽電池の代替の実施形態において、エミッタは、端部に向けて成長し、ベースは、最初に多孔質シリコンの近傍に成長する。換言すると、エミッタは、プロセスの終わりに向けて形成され、本明細書ではエミッタラストプロセスと呼ばれる。多孔質シリコン上でのＧｅの直接成長又は中間結晶シリコン層上でのＧｅの成長の両方は、エミッタラスト製造手法で用いることができる。例えば、成長したＧｅ層の上に、ｎ型ＧａＡｓ、次いでｎ型ＡｌＧａＡｓ  ＢＳＦ、次にｎ型ＧａＡｓベース、ｐ型ＧａＡｓエミッタ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層、及びｐ＋ＧａＡｓエミッタコンタクト層の順番で後続の層を成長させることができる。従って、エミッタは、成長したスタックの最上部に位置付けられ（セル前面側／太陽光照射側で）、ベースは、テンプレート及び多孔質シリコンに向けられる（セル裏面側で）。組立体がまだテンプレート上にある間に、ｐ＋層の後のＡＲＣのパターン形成を実施することができる。この後に、最上部エミッタに接続するセル上側（前面側）に金属グリッドなどのメタライゼーションが続く。次いで、透明なバックプレーン層（例えば、透明プラスチック又はマイラー）をメタライゼーションの上に積層することができる。バックプレーンの透明性は、ＧａＡｓ吸収に関連する波長、例えば、３５０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲とすることができる。透明性を除いて、このバックプレーン材料の追加の要件は、ポスト剥離として緩和することができ、バックプレーンは、裏面側上でのメタライゼーションステップ並びに多孔質シリコン及びゲルマニウム清浄化にのみ耐えなければならず、換言すると、高温セル処理ステップは存在しない。次いで、太陽電池組立体は、上述のように機械的剥離を用いて剥離することができる。この後に、前面金属コンタクトのためバックプレーン材料に孔をドリル加工する（換言すると、前面メタライゼーションパターンに接触するよう孔が位置付けられる）ステップが続くことができる。前面側金属は、重ねて直接書き込みされ、下にある前面金属被覆に限定することができる。前面上の金属被覆の量は、エミッタの光遮断と直列抵抗の間のトレードオフにより決定付けることができる。次いで、残留多孔質シリコン、犠牲シリコン（適用可能であり、中間単結晶Ｓｉ層が形成された場合）、及び犠牲ゲルマニウムがエッチング除去され、ｎ型ＧａＡｓ層で止まる。次に、Ａｌ、亜鉛とのＡｌ合金、はんだ、及びＡｌとＣｕ、又はＡｕベースコンタクトなどのブランケット金属が、セル裏面側上でＧａＡｓと接触して堆積することができる。
【００６９】
上述のプロセスの変形形態において、透明なバックプレーンは、Ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層の上に堆積することができる。続いて、ビア孔が開けられ、ビアホールを通って金属グリッドがＰ−ＧａＡｓコンタクト層と接触する。透明積層体は、予めドリル加工されるか、又は上述の積層後にドリル加工することができる。
【００７０】
加えて、本明細書で記載される製造方法を用いて、例えば、ＭＯＣＶＤプロセスを用いて必要な追加の薄膜成長を導入することにより、フロントコンタクト多接合セルを形成することができる。図９は、２接合直列セルにおいて上部及び下部材料のバンドギャップの選択の関数として最大達成効率を示したグラフである。図１０は、上述の製造方法を用いて製作できる典型的な多接合セルを示す断面図である。単一接合ＧａＡｓ太陽電池の関連において説明した上述の変形形態の全ては、多接合太陽電池にも同様に適用可能であり、具体的には、エミッタファースト及びエミッタラスト前面コンタクト太陽電池構成（手法）の両方の関連で適用することができる。
【００７１】
作業中、開示される主題は、シリコンベーステンプレート及び剥離／リフトオフプラットフォーム技術によって可能にされる直接バンドギャップ結晶半導体吸収体を用いて、大面積（例えば、約１２５ｍｍｘ１２５ｍｍ〜２１０ｍｍｘ２１０ｍｍのサイズ範囲を有する）低コストの薄い（約０.１μｍ〜１０μｍの厚さと、約０.１μｍ〜２μｍの範囲の活性半導体層厚さとを有する）高効率太陽電池を製造する種々の構造及び方法を提供する。これは、限定ではないが、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、並びに超高効率の多接合直列太陽電池を生成するために異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の多数の組み合わせを用いた単一接合太陽電池を含む。この構想は、薄い結晶を形成するために成功裏に立証されている堅牢で低コストの基本プラットフォームを利用し構成する。
【００７２】
本明細書で開示される種々の実施形態の主要な特徴及び特質は、極めて高い収量及び低コストの超大面積太陽電池（一部の例において、従来の化合物半導体ベースの太陽電池よりも遙かに大きい）上で太陽電池効率を結晶シリコンの限界よりも高くする（例えば、２８％を上回る効率）能力を含む。太陽電池サイズは、必要に応じて、約１００ｍｍ×１００ｍｍから２１０ｍｍ×２１０ｍｍ又はそれ以上にわたることができ、効率は、約２８％（例えば、ＧａＡｓ単一接合セルを用いて）とすることができ、４３％（例えば、３接合型直列セル構成において）にまで上げることができる。更に、０．５μｍ〜５μｍ厚さにわたる薄層（及び従って、直接バンドギャップ材料の高吸収を利用する）のみが使用されるので、材料消費及びコストが実質的に低減され、この超高効率の太陽電池技術を地上用途でコスト効果が高く実用可能なものにし、ＬＣＯＥ評価基準を化石燃料よりも低くする有利な状況を提供する。
【００７３】
本開示の範囲又は目的から逸脱することなく、上記の開示及び開示の態様において様々な修正及び変形を行うことができる点は、当業者には理解されるであろう。開示事項の多の実施形態は、当業者であれば、本明細書の考慮事項並びに開示される本開示の実施から明らかになるであろう。本明細書及び実施例は、単に例示とみなされることが意図される。従って、本開示の範囲は、請求項によってのみ限定されるべきである。
【図１】
2015513518.tif 000004
【図２】
2015513518.tif 000005
【図３】
2015513518.tif 000006
【図４】
2015513518.tif 000007
【図５】
2015513518.tif 000008
【図６】
2015513518.tif 000009
【図７−１】
2015513518.tif 000010
【図７−２】
2015513518.tif 000011
【図７−３】
2015513518.tif 000012
【図７−４】
2015513518.tif 000013
【図８】
2015513518.tif 000014
【図９】
2015513518.tif 000015
【図１０】
2015513518.tif 000016
【国際調査報告】
2015513518.tif 000017
2015513518.tif 000018