(57)【要約】以下の特徴を備えたタンデム型太陽電池構造を説明する。(a)光発電エネルギ変換のための互いに異なる材料の互いに異なる少なくとも２つの吸収体(104、108)を備えたモノリシック構成。(b)結晶シリコンから成る吸収体(108)。(c)隣接した吸収体(104)の方向に向けられたシリコン製吸収体(108)の側に配置された電荷担体の選択的接合。(d)薄い界面酸化物107と、それに膜付けされかつ主にシリコンから成るアモルファス、部分結晶又は多結晶層と、の電荷担体の選択的接合の構成、ｐ型ドープされた(106)又はｎ型ドープされた(201)。層107及び106又は201で構成された電荷担体の選択的接合は、それぞれ、結晶シリコン製吸収体108の優れた表面不動態化、及び表面全体にわたって結晶シリコン製吸収体108からの電荷担体タイプの選択的な抽出を確実にする。従って、あらゆるサブセルの中に横方向の横伝導度が必要ないので、垂直方向の電流が達成される。隣接した層とのトンネル接合の発生は、層106及び201の高いドーピングによって達成することができる。層106及び201の厚さ及び／又はドーピングを使用して、各サブセルの中の発生電流を一致させることができる。層107、106、又は201の温度安定性は、それぞれ、その次の製造ステップでの400℃よりも高い温度の適用を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なるスペクトル領域での吸収によって放射エネルギを電気エネルギにそれぞれ変換するための、互いに異なる材料の互いに異なる少なくとも２つの吸収体（１０４、１０８）を有する太陽電池であって、
（ａ）前記太陽電池は、モノリシックに構成され、
（ｂ）第１吸収体（１０８）が結晶シリコンで作製され、
（ｃ）隣接した第２吸収体（１０４）の方向に向けられた前記第１吸収体（１０８）の一方の側に、正孔と電子とを有する群から選択された１つのタイプの電荷担体に対して、それぞれの他のタイプの電荷担体よりも高い透過性を持つ電荷担体の選択的接合があり、前記電荷担体の選択的接合は、前記第１吸収体（１０８）の対応する表面を十分に不動態化し、
（ｄ）前記電荷担体の選択的接合は、薄い界面誘電体（１０７）の層と、その層に膜付けされかつ主にシリコンから成るアモルファス、部分結晶又は多結晶層と、から形成され、前記層（１０６）がｐ型ドープされる、又は前記層（２０１）がｎ型ドープされる太陽電池。
【請求項２】
前記アモルファス、部分結晶又は多結晶シリコン層（１０６、２０１）は、その層に膜付けされた層（１０５、１０３）とのトンネル接合が可能になる程度にドープされる請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記アモルファス、部分結晶又は多結晶シリコン層（１０６、２０１）の中の干渉効果及び／又は光吸収は、層の厚さを調整すること及び／又は前記第１吸収体（１０８）の中に生成された電流密度を前記第２吸収体（１０４）の中に生成された電流密度に一致させるようにドーピングを調整することによって、選択的に調整される請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記界面誘電体は、界面酸化物である先行する請求項のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
太陽放射（１００）に面した側及び／又は前記太陽放射（１００）から離れた側の第２吸収体（１０４）は、ペロブスカイト材料から成る先行する請求項の内の１項に記載の太陽電池。
【請求項６】
太陽放射（１００）に面した側及び／又は前記太陽放射（１００）から離れた側に配置された第２吸収体（１０４）は、III−V族化合物半導体から成る先行する請求項の内の１項に記載の太陽電池。
【請求項７】
太陽放射（１００）に面した側及び／又は前記太陽放射（１００）から離れた側に配置された第２吸収体（１０４）は、I−III−VI族化合物半導体から成る先行する請求項の内の１項に記載の太陽電池。
【請求項８】
太陽放射（１００）に面した側及び／又は前記太陽放射（１００）から離れた側に配置された第２吸収体（１０４）は、II−VI族化合物半導体から成る先行する請求項の内の１項に記載の太陽電池。
【請求項９】
太陽放射（１００）から離れた側に配置された第２吸収体（１０４）は、ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウム混合物から成る先行する請求項の内の１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
太陽放射（１００）に面した側に配置された第２吸収体（１０４）は、アモルファスシリコンから成る先行する請求項のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記界面誘電体は、界面酸化物を除いたあらゆる界面誘電体である先行する請求項のいずれかに記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、太陽電池に、特に、複数の吸収体を備えたタンデム型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術的背景
光電効果を使用して日光のエネルギを電気エネルギに変換するために、太陽電池が使用される。しかしながら、吸収体材料に応じて、太陽スペクトルのある一部だけを効率的に使用することができる。例えば、吸収体が半導体材料で作製される場合には、バンドギャップよりも小さいエネルギを備えた光子は、電子正孔対の生成に直接寄与しないかもしれないので、ほとんど吸収されない。バンドギャップよりもずっと高いエネルギを備えた光子は、電子正孔対を生成するが、励起されたより高いエネルギ状態の電子及び正孔は、バンドエッジの近くの低いエネルギ状態に熱運動化し、エネルギ差異を熱の形態で解放する。
【０００３】
高及び低エネルギ光子の範囲のこれらの２つの損失メカニズムを最小化するための１つの方法は、太陽スペクトルの互いに異なる領域からの放射エネルギを電気エネルギに効率的に変換する、互いに異なる材料で作製された２つ以上の吸収体を使用することである。光発電エネルギ変換のための高エネルギ光子を効率的に使用し、かつより低いエネルギを備えた光子を下方にある吸収体に効率的に透過する１つまたは複数の吸収体は、太陽放射に面した太陽電池の側に位置する。
【０００４】
タンデム型太陽電池又は多重接合セルとして知られるこの太陽電池構造は、例えば、長い間米国４，４９６，７８８から知られ、日光が光学部品を介して小さい領域に集められる非常に効率的な宇宙太陽電池の領域又は地球上太陽電池の領域で既に商品化されている。
【０００５】
また、地球上の非集中型光発電のアプリケーションのために、タンデム型太陽電池を使用することができることが望ましいだろう。しかしながら、これを達成するためには、従来のタンデム型太陽電池の高い製造及び材料費が大幅に削減されなければならない。この目的のために、タンデム型太陽電池は、相対的に安価なかつ相対的に効率的な（単又は多）結晶シリコン製太陽電池に基づくことができる、即ち、結晶シリコン以外の材料で作製された１つ以上の吸収体をシリコン製吸収体に膜付けすることができる。材料は、１．１２ｅＶのシリコンバンドギャップよりも低い光子エネルギのための光発電エネルギ変換を可能にするものが可能であり、そのような吸収体は、太陽放射から離れたシリコン製吸収体の側に膜付けされるだろう。その代わりに、１．４ｅＶよりも低いエネルギで光子を効率的に透過し、かつ光発電エネルギ変換のためのより高いエネルギ光子を効率的に使用する材料で作製された吸収体を、太陽放射に面したシリコン製吸収体の側に膜付けすることができる。
【０００６】
さらに、１つだけのｐｎ接合を備えたシリコン製太陽電池が絶えず開発されている。表面不動態化の質を高めることによって、エネルギ変換効率の大幅な改良を達成することができる。シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）のような誘電性の不動態化層は、それぞれの覆われた領域を電気的に絶縁するので、電荷担体の抽出のために非不動態化された接合の追加が必要である。通常、結晶シリコンに金属が局所的に直接隣接し、再結合の不完全な高活性界面を形成する。これに対して、いわゆる電荷担体の選択的接合は、それらで覆われた表面を十分に不動態化するだけでなく、これらの領域のシリコン製吸収体から１つの電荷担体タイプ、即ち、電子又は正孔を選択的に抽出する可能性を提供する。
【０００７】
用語「電荷担体の選択的接合」は、様々な実施形態を含む。これについて、シリコン光発電の分野の最も良く知られているのは、水素が豊富なアモルファスシリコンと結晶シリコン製吸収体との間のヘテロ接合である。しかしながら、これらのヘテロ接合の電気特性は、２００℃よりも高い温度でしばしば激しく低下する。近年の光発電においてますます調査されているバイポーラ電子機器で代わりに知られているのは、薄い界面酸化物（又は、より一般的には界面誘電体）と、その上に析出した、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコンの層と、から成る電荷担体の選択的接合である。界面酸化物は、一部ではトンネル酸化物とも呼ばれ、酸化物を通る特徴的な物理的電流輸送メカニズムは、引き続き、現在の科学議論の主題である。界面酸化物の上のアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層がｎ型又はｐ型ドープされるか否かに応じて、電荷担体の選択的接合は、電子又は正孔のために光を通し、それぞれ高い透過性を持ち、酸化物とシリコン製吸収体との間の界面の近くの他の電荷担体タイプをブロックする。薄い界面酸化物と、その上に析出した、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコンの層と、から成る電荷担体の選択的接合は、通常、最高で低くても１０５０℃までのプロセス温度で安定している。それらの優れた不動態化の質は、通常、それらの層のタイプと無関係である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明及び実施形態の要旨
非常に効率的な、かつ／又は、容易にかつ費用効率良く生産することが可能なタンデム型太陽電池のニーズがあるかもしれない。
【０００９】
特に、吸収体材料として結晶シリコンを備え、他の吸収体に面したシリコン製吸収体の表面が極めて十分に不動態化され、この不動態化に隣接した層の特性と無関係に、シリコン製吸収体の中に生成された電子とシリコン製吸収体のこの表面の正孔との再結合が最小化されるように、タンデム型太陽電池を設計するニーズがあるかもしれない。
【００１０】
吸収体のための材料として結晶シリコンを備え、１つのタイプの電荷担体が他の吸収体に面したシリコン製吸収体の表面で非常に効率的に抽出され、主にシリコン製吸収体から成るサブセルが隣接したサブセルに電気的に十分に接続されるように、タンデム型太陽電池を設計するニーズがあるかもしれない。
【００１１】
主に結晶シリコン製吸収体から成るサブセルと主に別の吸収体材料から成るサブセルとの間に、トンネル接合を形成するニーズもあるかもしれない。
【００１２】
吸収体のための材料として結晶シリコンを備え、サブセルの中に生成された電流密度の微調整の追加の可能性が生じるように、タンデム型太陽電池を設計するニーズもあるかもしれない。
【００１３】
吸収体のための材料として結晶シリコンを備えたタンデム型太陽電池の製造において、いくつかのステップが２００℃よりも高いプロセス温度を含む製造プロセスを使用するニーズもあるかもしれない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１のニーズは、本出願の独立請求項の主題によって満たされているかもしれない。また、記載されたニーズは、本出願の従属請求項の内の少なくとも１つの主題によって満たされているかもしれない。
【００１５】
本発明の形態によれば、放射エネルギを電気エネルギに変換するための少なくとも２つの吸収体を持ち、第１吸収体が結晶シリコンから成るタンデム型太陽電池構造が説明される。１つ又は複数の他の（第２）吸収体は、光発電エネルギ変換のための太陽スペクトルの他のスペクトル領域をそれぞれが効率的に使用する様々な材料で作製することができる。タンデム型太陽電池は、モノリシックである、即ち、それぞれのサブセルが直列に接続され、好ましくは、それらの吸収体が互いに実質的に平行に積層される。結晶シリコン以外の材料で作製されかつ隣接した吸収体に面した結晶シリコン製吸収体の側は、電荷担体の選択的接合を持つ。結晶シリコン製吸収体が他の材料で作製された２つの吸収体の間に埋め込まれる場合には、シリコン製吸収体の両面は、電荷担体の選択的接合を持つ。本発明によれば、電荷担体の選択的接合は、薄い界面誘電体（例えば、界面酸化物）、例えば、ほんの数ナノメートルの厚さである二酸化珪素の層と、その上に析出した、主として（即ち、５０％以上）シリコンから成るアモルファス又は部分結晶又は多結晶層と、から成る。後者は、例えば、ｎ型ドープされても良く、それによって、電荷担体の選択的接合がシリコン製吸収体の中に生成された電子を隣接した層に効率的に輸送し、シリコン製吸収体の中に生成された正孔をシリコン製吸収体と界面酸化物との間の界面の近くでブロックするだろう。その代わりに、主としてシリコンから成るアモルファス又は部分結晶又は多結晶層は、ｐ型ドープされても良く、それによって、電荷担体の選択的接合がシリコン製吸収体の中に生成された正孔を隣接した層に効率的に通過させ、シリコン製吸収体の中に生成された電子をシリコン製吸収体と界面酸化物との間の界面の近くでブロックするだろう。
【００１６】
主としてシリコンから成るアモルファス又は部分結晶又は多結晶層が十分にドープされる場合には、この層と隣接した層との間にトンネル接合が発生するかもしれない。
【００１７】
形態及び実施形態は、本発明を限定することなく、他のものの内、以下に説明された知識と考えに基づくとみなすことができる。
【００１８】
序文に記載したように、地球上の非集中型又は低集中型のアプリケーションのために、例えば、シリコンウェハのような相対的に低コストのシリコン基板の上にモノリシックに構築された低コストのタンデム型太陽電池の概念を使用することができることが分かっていた。機械的担体としてだけでなく、タンデム型太陽電池構造の中の少なくとも２つの活性な吸収体の内の一方としてシリコン基板を使用することは、利点であると考えられる。結晶シリコン及び別の材料で作製されかつ隣接したサブセルに属する隣接した層の間の界面が、高密度の界面状態を持つと仮定することができる。例えば、後者の層も結晶質である場合には、それは、シリコンとは異なる格子定数を持つことができるであろう。結晶シリコンに隣接し、別の材料で作製されかつ隣接したサブセルに属する層が、非結晶質の微細構造を持つ場合でも、この層と結晶シリコンとの間の界面での高密度の欠陥状態は、確実である。
【００１９】
セル性能を大幅に低下させるこれらの界面状態で、シリコン製吸収体の中に生成された電子及び正孔を含む電荷担体対を再結合することができる。
【００２０】
今現在は、結晶シリコン及び別の材料で作製されかつ隣接したサブセルに属する隣接した層の間の界面を不動態化する、即ち、界面状態の密度及び再結合損失を最小化することが利点であることが分かってきた。結晶シリコンの上に析出し、通常、結晶シリコンのほんの１つの吸収体を備えた太陽電池を不動態化するために使用される誘電体層は、本発明に記載の太陽電池構造には不利である。全表面の析出では、そのような誘電体層は、隣接したサブセルからシリコン製サブセルを電気的に絶縁し、全てのサブセルの必要な高伝導性の接続を保証しないだろう。通常、ほんの１つの結晶シリコン製吸収体を備えた太陽電池のために使用される誘電性の絶縁層の局所的開口は、サブセルの内部の横方向の電流を示すだろう。このため、両方のタイプの電荷担体−電子及び正孔−のために全てのサブセルに必要な横伝導度は、一般に、本発明に記載の太陽電池構造には与えられず、少なくとも、シリコン以外の材料で作製された通常非常に薄いサブセルには与えられない。
【００２１】
例えば、薄い界面酸化物と、その上に析出した、主としてシリコンから成る、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶層と、から成る電荷担体の選択的接合は、隣接したサブセルに面するシリコン製吸収体の表面に位置し、本明細書で決定的利点を提供する。一方、それは、シリコン製吸収体の表面の優れた不動態化を確実にするので、この時に起こる再結合損失を最小化する。他方、そのような電荷担体の選択的接合は、電荷担体タイプ、即ち、界面酸化物の上のｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層の場合の電子、及び界面酸化物の上のｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層の場合の正孔も、隣接したサブセルの表面全体にわたって通過させる。従って、電流は、単に垂直方向に生じるのが好ましく、両方のタイプの電荷担体のために、それぞれのサブセルの横方向の横伝導度が必要なわけではない。
【００２２】
タンデム型太陽電池のモノリシック構造の場合、トンネル接合によるサブセルの高伝導性の電気的接続が利点であることも分かっていた。この目的のために、高いドーピングが小さい空間電荷領域の幅及び高いトンネル確率を示すので、トンネル接合を形成する隣接した層の中の高いドーピングが利点である。シリコン製サブセルの側のこの要件を満たすために、シリコン製吸収体は、その表面で高くドープすることができる。しかしながら、高くドープされた範囲の中の少数の電荷担体の寿命がオージェ再結合のために非常に短いので、結晶シリコンに直接導入された高いドーピングは、大幅な再結合損失も示す。
【００２３】
ここでも、好ましくは、シリコン製吸収体の表面に直接膜付けされ、例えば、薄い界面酸化物と、その上に析出した、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層と、から成る電荷担体の選択的接合は、明確な利点を提供する。少数の電荷担体がシリコン製吸収体と界面酸化物との間の界面で既にブロックされているので、それらは、それらの上に析出したアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層に到達しない。従って、後者の層の少数の担体の寿命は、無関係である。従って、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層のドーピングは、隣接したサブセルに伝導性のトンネル接合を確実にするために、十分に高い（即ち、例えば、１０１８よりも高く、好ましくは、１０１９よりも高く、さらに好ましくは、１０２０ｃｍ−３よりも高い）ので、この層の中のオージェ再結合による損失を示さないかもしれない。
【００２４】
モノリシックに構成され、直列接続の全てのサブセルに対応するタンデム型太陽電池では、全てのサブセルを通る電流の力が同じでなければならないことも分かっていた。これは、それぞれのサブセルの中の生成電流が等しくなるような、それぞれのサブセルの設計を必要とする。そうでない場合には、タンデムセルの内側に、セル性能を大幅に悪化させるかもしれない望ましくない補償電流が流れる。全てのサブセルの中の生成電流の正確な調整は、過大な労力を要する。更なる境界条件は、限定、例えば、結晶シリコン以外の材料で作製されたサブセルの限定された最大の厚さを設定することができる。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、生成電流の微調整のための追加の自由度として、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層の厚さ及び／又はドーピングを使用することが利点であるかもしれない。厚さ及びドーピングに応じて、建設的又は破壊的な干渉を使用して、結晶シリコン以外の材料から裏側のサブセルの中に一部の入射放射線を反射しても、特にシリコン製サブセルの中にそれを透過しても良い。ドーピング及び厚さに応じて、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層の中に、例えば、より高いエネルギ状態の自由な電荷担体の励起と結合した吸収が生じる。その時には、この光は、もはやシリコン製吸収体の中の電子正孔対の生成のために利用可能ではないので、シリコン製サブセルの中の生成電流は、縮小する。この縮小は、光学的損失に対応する。それにもかかわらず、それぞれのサブセルの中の生成電流の逸脱による電気的損失を最小化するために、この光学的損失を受け入れることは、セルの全性能にとって利点であるかもしれない。
【００２６】
上述の利点が、他の電荷担体の選択的接合、即ち、薄い界面酸化物と、その上に析出した、主としてシリコンから成る、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶層と、から成る二重の層に対する代替案によって達成することができることも分かってきた。
【００２７】
例えば、結晶シリコン製吸収体とその上に析出した水素含有アモルファスシリコン層との間のヘテロ接合は、特に、優れた表面不動態化に関して同様な特性を持つ。
【００２８】
それにもかかわらず、薄い界面酸化物の上に析出した、主としてシリコンから成る、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶層から成る電荷担体の選択的接合は、セル生産プロセスへの統合のための重要な利点を提供する。これらの電荷担体の選択的接合の電気特性は、温度が非常に安定しているので、最高で１０００℃及びそれよりも高いプロセス温度を備えたその次のプロセスステップのアプリケーションを可能にする。これに対して、結晶シリコン製吸収体とその上に析出した水素含有アモルファスシリコン層との間のヘテロ接合は、２００℃よりも高い温度で既に低下し、タンデム型太陽電池のために可能な製造プロセスに関して強い限定を示す。
【００２９】
本発明に記載のタンデム型太陽電池構造が、結晶シリコンから成らないサブセルのために可能な材料に関して大きい柔軟性を提供することも分かっていた。III−V族、II−VI族、及びI−III−VI族化合物半導体の吸収体、ペロブスカイトの吸収体、及びゲルマニウム又はアモルファスシリコンの吸収体を備えたサブセルが考えられるだろう。全ての場合に、隣接した吸収体に向かって配置されたシリコン製吸収体の表面に、薄い界面酸化物（又は、場合によっては別の界面誘電体）と、その上に析出した、主としてシリコンから成る、ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶層と、から成る電荷担体の選択的接合を析出することは、その電気及び光学特性が、隣接した層のタイプと無関係なので、利点であるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
図面の簡単な説明
本発明の更なる特徴及び利点は、代表的な実施形態の及び添付図面に関する以下の説明から、当業者にとって明確になるので、説明及び図面は、本発明で限定的に解釈されてはならない。
【００３１】
【図１】図１及び図２は、本発明の可能な実施形態に記載のタンデム型太陽電池の模式図を示す。
【図２】図１及び図２は、本発明の可能な実施形態に記載のタンデム型太陽電池の模式図を示す。
【００３２】
図面に示した詳細は、単に模式的に示されたものであり、縮尺通りに再生されたものではない。特に、示した層の厚さ及び大きさは、実態と一致せず、基板に膜付けされた層が、図面に示した層よりも大幅に薄い。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、本発明の２つの好適な実施形態の内の１つ目に記載のタンデム型太陽電池の模式図を示す。
【００３４】
図１に示すように、タンデム型太陽電池は、互いに異なる材料で作製された互いに異なる２つの吸収体１０４、１０８を持つ。その代わりに、互いに異なる３つ以上の吸収体材料を使用することができる。いずれの場合も、本発明によれば、第１吸収体は、シリコンで作製される（図１の１０８）。
【００３５】
例えば、シリコン製吸収体１０８は、結晶、特に単結晶又は多結晶シリコンで作製されたウェハであっても良い。必要ならば、シリコン製吸収体１０８の表面からソーダメージが取り除かれた。シリコン製吸収体１０８は、通常、３０μｍから５００μｍまで、好ましくは、５０μｍから３００μｍまでの範囲の厚さを持つ。横寸法は、通常、０．１×０．１ｃｍ２から２００×２００ｃｍ２までの範囲である。シリコン製吸収体１０８は、ｐ型ドープされても、ｎ型ドープされても、無ドープであっても、イントリンシックであっても良い。シリコン製吸収体１０８は、均一なドーピングタイプを持つ、即ち、その厚さ全体にわたってｐ型ドープされる、その厚さ全体にわたってｎ型ドープされる、又はその厚さ全体にわたって無ドープである又はイントリンシックであるのが好ましい。ドーピング濃度は、厚さで変化しても良い。シリコン製吸収体１０８の可能な表面形態は、図１に示すように、平坦な表側及び裏側である。その代わりに、例えば、シリコン製吸収体の表側及び／又は裏側をざらざらにしても良い。
【００３６】
第２吸収体１０４は、シリコン以外の材料で作製される。図１に示された本発明の実施形態では、第２吸収体１０４は、１．１２ｅＶのシリコンバンドギャップよりも高いが、例えば、１．２〜２．２ｅＶ又は１．２〜１．９ｅＶ、好ましくは、１．４〜１．８ｅＶのエネルギよりも低い光子エネルギを備えた光を、下方にあるシリコン製吸収体１０８にほとんど透過し、かつより高い光子エネルギを備えた光を効果的に吸収し、かつそれを使用して電子正孔対を生成する材料で作製される。その代わりに、吸収体１０８は、また、１．１２ｅＶのシリコンバンドギャップよりも低い光子エネルギを備えた光を吸収し、かつそれを使用して電子正孔対を生成する材料で作製することもできるが、その場合には、第２吸収体１０４は、図１と異なり、照明１００から遠く離れたシリコン製吸収体１０８の側にあるだろう。
【００３７】
図１に示された本発明の実施形態に記載の第２吸収体１０４のために可能な材料は、例えば、III−V族、II−VI族、及びI−III−VI族の材料区分の化合物半導体のような、シリコンよりも高いバンドギャップを備えた半導体、最も高い占有エネルギレベルと１．３ｅＶよりも高い最も低い非占有エネルギレベルとの間のエネルギ距離を備えた有機材料、及び、例えば、ペロブスカイトの材料区分の有機物質と無機物質との化合物である。第２吸収体１０４の厚さは、必ず各材料に適応し、それによって、吸収体１０４の中の少数の電荷担体の拡散長さが上限を示し、光の効果的な吸収のための要件が吸収体１０４の厚さに関する下限を示す。例えば、直接的なバンドギャップを備えたIII−V族半導体の材料区分の第２吸収体１０４では、吸収体１０４の厚さは、０．０５〜５０μｍの範囲、好ましくは、０．５μｍ〜５μｍの範囲にあるだろう。ペロブスカイト材料区分の第２吸収体１０４のための好適な厚さは、０．０５μｍ〜３μｍの範囲にあるだろう。第２吸収体は、均一なドーピングタイプを持つ、即ち、その厚さ全体にわたってｐ型ドープされても、その厚さ全体にわたってｎ型ドープされても、又はその厚さ全体にわたって無ドープ又はイントリンシックであっても良い。ドーピング濃度は、厚さで変化しても良い。
【００３８】
本発明の中心となるのは、シリコン製吸収体１０８に隣接した二重の層であり、二重の層は、例えば、薄い界面酸化物１０７と、図１に示された実施形態の場合にはｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６と、から成る。層１０７及び１０８は、共同でいわゆる電荷担体の選択的接合を形成する。図１の実施形態では、この電荷担体の選択的接合は、シリコン製吸収体１０８の中に生成された正孔に光を通し、それらを上方の層に効率的に通過させる。しかしながら、図１の実施形態では、シリコン製吸収体１０８の中に生成された電子は、シリコン製吸収体１０８と界面酸化物１０７との間の界面の近く又は界面の位置でブロックされるので、上方の層に入ることができない。このことは、上方に配置された層の特性と無関係に、層１０７、１０６で覆われたシリコン製吸収体の表面での再結合損失を最小化する。二重の層１０７、１０６から成る電荷担体の選択的接合は、シリコン製吸収体１０８の他の吸収体１０４に面する側に位置する。図１に示された以外の他の吸収体１０４が、光から離れた吸収体１０８の側に位置する、又は、そこに第３吸収体がある場合には、光から離れたシリコン製吸収体１０８の側も、そのような電荷担体の選択的接合によって制限されるだろう。
【００３９】
界面酸化物１０７は、本明細書の中ではトンネル酸化物として部分的に参照されるが、この酸化物を通る電荷担体の輸送は、必ずしも、トンネリングに基づくわけではない。界面酸化物１０７は、様々な方法でシリコン製吸収体１０８に膜付けすることができる。例えば、熱酸化、湿式化学酸化、オゾン存在下での照射による酸化、及び化学蒸着プロセスを考慮することができる。界面酸化物１０７の好適な厚さは、０．５〜５ｎｍの範囲にある。アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６も、様々なプロセスを使用して析出することができる。この目的に適しているのは、プラズマ励起又は熱励起によってサポートされた化学蒸着プロセスである。アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６を析出するために、シリコン含有材料のスパッタ又は印刷又はスピンコートのような代わりのプロセスを使用しても良い。図１に示された実施形態で必要な層１０６のｐ型ドーピングは、析出中又はその次に実行することができる。その次のドーピングのために、ガス相からの熱拡散、イオン注入及びその次のヒーリング、又は印刷プロセス又はスピンコート及びその次の熱負荷による不純物の塗布のようなプロセスが可能である。アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６の中の不純物濃度は、好ましくは、上方の層１０５に対するトンネル接合の発生を可能にするために、１０１８ｃｍ−３よりも高くなければならない。この場合には、上方の層１０５は、第１吸収体１０４からの電子の抽出のために役立ち、通常、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６の反対側がドープされる。トンネリングを可能にするために、上方のこの層１０５は、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６と同程度にドープしても良い、即ち、ドーピング濃度は、好ましくは、１０１８ｃｍ−３よりも高くても良い。アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６の厚さは、通常、５〜１０００ｎｍの範囲にあり、好ましくは、１０〜３００ｎｍの範囲にある。吸収体１０４の中に生成された電流密度に、シリコン製吸収体１０８の中に生成された電流密度を適応させることは、層１０６の中の干渉及び／又は吸収を変えることによって具体的に変えることができる。シリコン層１０６がアモルファス、部分結晶又は多結晶であるかどうかは、この層の析出条件及び／又は熱処理に依存し、層１０６の微細構造は、概して、本発明と無関係である。
【００４０】
詳細に説明したこれらの構成要素に加えて、図１に記載のタンデム型太陽電池は、精密設計が本発明と無関係な他の構造を持っても良い。図１によれば、これらは、以下の通りである。
【００４１】
−吸収体１０４から正孔を抽出するための層１０３、及び吸収体１０４から電子を抽出するための層１０５。特に、吸収体１０４自身が半導体材料で作製された場合には、これらは、例えば、適切にドープされた半導体層であっても、吸収体１０４に対して適切な電子構造又は適切なバンド配列を備えたヘテロ接合を形成する材料であっても良い。図１に示された本発明の実施形態では、吸収体１０４からの電子の抽出のための層１０５は、シリコン製吸収体１０８の正孔に光を通す電荷担体の選択的接合１０７、１０６に隣接する。ｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６と吸収体１０４からの電子の抽出のための層１０５との間に、トンネル接合が発生する。層１０５自身は、高い選択性を持つことができる、即ち、それは、光を通し、又は吸収体１０４の中に生成された電子のために高い透過性を持ち、吸収体１０４の中に生成された正孔をブロックするので、層１０５によって覆われた吸収体１０４の側での再結合を最小化することができる。層１０５及び層１０３の両方は、太陽スペクトルの広い範囲にわたって光るために、できる限り光を通さなければならない。
【００４２】
−シリコン製吸収体１０８から電子を抽出するための層１０９。これは、例えば、ｎ型ドープされた結晶シリコンから成り、図１に示すように、シリコン製吸収体１０８の裏側全体を覆っても、裏側接点１１１の領域だけに制限されても良い。その代わりに、層１０９は、複数の副層、例えば、界面酸化物及びｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層から成っても良い。層１０９の更なる実現可能性は、シリコン製吸収体１０８に対して適切なバンド構造を備えたヘテロ接合を形成する、結晶シリコン以外の半導体材料である。適切な電子特性を備えた有機層も、可能である。
【００４３】
−太陽電池の表側での反射を減らす、かつ／又は、それを不動態化する層１０２。これは、太陽スペクトル全体にわたる光のために、できる限り光を通さなければならない。
【００４４】
−太陽電池の裏側での内部反射を増大させる、かつ／又は、それを不動態化する層１１０。これは、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、又はアルミニウム酸化物といった誘電体層でも、多量の誘電体層でも良い。内部反射を増大させるシリコン製吸収体の裏側の構造も考えられる。
【００４５】
−表側金属化部１０１及び裏側金属化部１１１。表側金属化部１０１が光を通す材料で製作されない場合には、表側金属化部１０１は、表面全体にわたって膜付けすることができないが、全表面の裏側金属化は、図１に示された以外に、十分に可能である。可能な材料は、層１０３及び１１０との接触を改善するために他の構成要素とできる限り組み合わせた、銅、銀、金、プラチナ、ニッケル、チタン、パラジウム、及びアルミニウムのような高伝導性金属である。
【００４６】
個々の構造が余分になるようにこれらの構造の特別な設計が複数の機能を同時に引き継ぐことが考えられる。例えば、吸収体１０４から正孔を抽出するための層１０３は、同時に、層１０２が余分になるように、太陽電池の表側の反射を減らしても良い。
【００４７】
層１０２、１０３、１０４、１０５に可能な生産プロセスは、使用された材料に強く依存する。これらの層の内の１つが半導体材料から成る場合には、それは、スパッタ、蒸発、分子線エピタキシャル成長、化学蒸着、又は別のプロセスによって下方にある層の上に直接析出しても良い。その代わりに、吸収体１０４は、層１０５、１０３、１０２、１０１の内の１つ以上とできる限り一緒に、個別に生産した後に、下方にある層に機械的、電気的、及び光学的に接続することができる。この目的のために、接合だけでなく、光を通す伝導性接着剤での接着のような方法を使用しても良い。層の内の１つが有機材料又はペロブスカイト区分の材料から成る場合には、スピンコート及び様々な印刷プロセスのような追加の析出プロセスが可能である。概して、これらの製造プロセスは、例えば、２００℃よりも高いプロセス温度を備えた一定の温度収支と関連する。薄い界面酸化物１０７とｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６とから成る電荷担体の選択的接合の電気特性が最高で１１００℃までのプロセス温度でさえ必ずしも低下しないという事実は、層１０５、１０４、１０３、１０２のための温度に苦しむ製造プロセスの適用を可能にする。
【００４８】
図２は、本発明の２つの好適な実施形態の内の２つ目に記載のタンデム型太陽電池の模式図を示す。
【００４９】
図１に示された実施形態との実質的相違点は、アモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層２０１が層１０６のようにｐ型ドープされずにｎ型ドープされることである。これは、界面酸化物１０７とｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層２０１とから成る電荷担体の選択的接合に、光を通す、又はシリコン製吸収体１０８の中に生成された電子のために高い透過性を持たせるようにし、それらを上方の層に効率的に通過させる。しかしながら、シリコン製吸収体１０８の中に生成された正孔は、図２に示された実施形態の中のシリコン製吸収体１０８と界面酸化物１０７との間の界面の近く又は界面の位置でブロックされるので、上方の層に入ることができない。このことは、上方の層の特性と無関係に、層１０７、２０１で覆われたシリコン製吸収体の表面での再結合損失を最小化する。本明細書の上述の詳細な説明を参照すると、ｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層２０１は、層の厚さ、ドーピング、及び製造プロセスという観点では、ｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層１０６と同一である。
【００５０】
図２に示された本発明の実施形態によれば、光から離れたシリコン製吸収体１０８の側に、吸収体１０８の中に生成された正孔の抽出が必要である。このタスクは、層２０２によって実行される。この層は、例えば、ｐ型ドープされた結晶シリコンから成り、図２に示すように、シリコン製吸収体１０８の裏側全体を覆っても、裏側接点１１１の領域だけに制限されても良い。その代わりに、層２０２は、複数の副層、例えば、界面酸化物及びｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層から成っても良い。層２０１の他の実現可能性は、シリコン製吸収体１０８に対して適切なバンド構造を備えたヘテロ接合を形成する、結晶シリコン以外の半導体材料である。適切な電子特性を備えた有機層も、可能である。
【００５１】
さらに、吸収体１０４から正孔を抽出するための層１０３及び図２の吸収体１０４から電子を抽出するための層１０５の位置が、図１と比べて交換される。その時は、吸収体１０４から正孔を抽出するための層１０３は、光から離れた吸収体１０４の側に位置するので、ｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコン層２０１に直接隣接する。図２に示された本発明の実施形態に記載の層２０１と層１０３との間に、トンネル接合が発生するかもしれない。層１０３、１０５の様々な実現可能性は、上述の両方の層の説明と同一である。
【００５２】
最後に、本発明の可能な形態を以下に示す。
【００５３】
１．互いに異なるスペクトル領域での吸収によって放射エネルギを電気エネルギにそれぞれ変換するための、互いに異なる少なくとも２つの吸収体材料（１０４及び１０８）を含む太陽電池であって、
（ａ）太陽電池は、モノリシックに構成され、
（ｂ）吸収体１０８が結晶シリコンから成り、
（ｃ）隣接した吸収体１０４の方向に向けられたシリコン製吸収体１０８の側に電荷担体の選択的接合があり、電荷担体の選択的接合は、１つのタイプの電荷担体−正孔又は電子−に対して、他のタイプの電荷担体よりも高い透過性を持ち、シリコン製吸収体１０８の対応する表面を十分に不動態化し、
（ｄ）電荷担体の選択的接合は、薄い界面酸化物１０７と、それに膜付けされるアモルファス、部分結晶又は多結晶層と、から形成され、その層は、主にシリコンから成り、層（１０６）がｐ型ドープされる、又は層（２０１）がｎ型ドープされる太陽電池。
【００５４】
２．アモルファス、部分結晶又は多結晶シリコン層は、高程度にｐ型ドープされる（１０６）又は高程度にｎ型ドープされる（２０１）ので、その層に膜付けされた層（１０５又は１０３）とのトンネル接合を可能にする形態１に記載の太陽電池。
【００５５】
３．アモルファス、部分結晶又は多結晶シリコン層（１０６又は２０１）の中の干渉効果及び／又は光吸収は、層の厚さを調整すること及び／又はシリコン製吸収体１０８の中に生成された電流密度を、重ね合わせた吸収体１０４の中に生成された電流密度に一致させるようにドーピングを調整することによって、選択的に調整される形態１に記載の太陽電池。
【００５６】
４．薄い界面酸化物１０７と、４００℃よりも高いプロセス温度でそれに膜付けされかつ主にシリコンから成るアモルファス、部分結晶又は多結晶層（１０６又は２０１）と、から成る電荷担体の選択的接合の電気特性の安定性は、構造体１０１〜１０５を生産するための以下のプロセスステップの内の少なくとも１つの適用にとって必須である形態１に記載の太陽電池の製造プロセス。
【００５７】
５．太陽放射１００に面した側及び／又は太陽放射１００から離れた側に位置する吸収体１０４は、ペロブスカイト材料から成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００５８】
６．太陽放射１００に面した側及び／又は太陽放射１００から離れた側に位置する吸収体１０４は、III−V族化合物半導体から成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００５９】
７．太陽放射１００に面した側及び／又は太陽放射１００から離れた側に位置する吸収体１０４は、I−III−VI族化合物半導体から成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００６０】
８．太陽放射１００に面した側及び／又は太陽放射１００から離れた側に位置する吸収体１０４は、II−VI族化合物半導体から成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００６１】
９．太陽放射１００から離れた側に位置する吸収体１０４は、ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウム混合物から成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００６２】
１０．太陽放射１００に面した側に位置する吸収体１０４は、アモルファスシリコンから成る前述の形態の内の１つに記載の太陽電池。
【００６３】
要約として、実施形態に記載の、以下の特徴を備えたタンデム型太陽電池構造を説明する。
（ａ）光発電エネルギ変換のための互いに異なる少なくとも２つの吸収体材料（１０４及び１０８）を備えたモノリシック構造
（ｂ）結晶シリコンから成る吸収体１０８
（ｃ）隣接した吸収体１０４の方向に向けられたシリコン製吸収体１０８の側に位置する電荷担体の選択的接合
（ｄ）薄い界面酸化物１０７と、それに膜付けされかつ主にシリコンから成るアモルファス、部分結晶又は多結晶層と、の電荷担体の選択的接合の構成、ｐ型ドープされた（１０６）又はｎ型ドープされた（２０１）
【００６４】
層１０７及び１０６又は２０１で構成された電荷担体の選択的接合は、それぞれ、結晶シリコン製吸収体１０８の優れた表面不動態化、及び表面全体にわたって結晶シリコン製吸収体１０８からの電荷担体タイプの選択的な抽出を確実にする。従って、あらゆるサブセルの中に横方向の横伝導度が必要ないので、垂直方向の電流が達成される。隣接した層とのトンネル接合の発生は、層１０６及び２０１の高いドーピングによって達成することができる。層１０６又は２０１の厚さ及び／又はドーピングを使用して、それぞれ、各サブセルの中の発生電流を一致させることができる。層１０７、１０６、又は２０１の温度安定性は、それぞれ、その次の製造ステップでの４００℃よりも高い温度の適用を可能にする。
【符号の説明】
【００６５】
符号のリスト
１００  日光
１０１  表側金属化部
１０２  表側不動態化及び反射防止層
１０３  第１吸収体からの正孔の抽出のための層
１０４  結晶シリコン以外の材料で作製された第１吸収体
１０５  第１吸収体からの電子の抽出のための層
１０６  ｐ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコンの層
１０７  界面酸化物
１０８  結晶シリコンで作製された第２吸収体
１０９  第２吸収体からの電子の抽出のための層
１１０  裏側不動態化部及び裏側鏡
１１１  裏側金属化部
２０１  ｎ型ドープされたアモルファス又は部分結晶又は多結晶シリコンの層
２０２  第２吸収体からの正孔の抽出のための層
【図１】
2018535554.tif 000003
【図２】
2018535554.tif 000004
【国際調査報告】
2018535554.tif 000005
2018535554.tif 000006
2018535554.tif 000007
2018535554.tif 000008
2018535554.tif 000009
2018535554.tif 000010
2018535554.tif 000011
2018535554.tif 000012