(57)【要約】  光起電力デバイスの製造方法を提供する。特に、前記方法は、低コストで、熱成形され、軽量であり広受光角のミニＣＰＣと集積化された薄膜ＧａＡｓ太陽電池を作製することを含む。この作製は、フォイル基板に冷間圧接され、その後、接着剤を用いない転写印刷プロセスでＣＰＣに取り付けられる、ＮＤ−ＥＬＯ薄膜セルを組み合わせる。開示された方法によって作製される改善された光起電力デバイスもまた開示される。上記改善された光起電力デバイスは、非トラッキングミニ複合放物面集光器と集積化された薄膜太陽電池を含み、前記プラスチック複合放物面集光器は、前記複合放物面集光器の受光角に等しい角度で傾斜した２つの放物線を含む。【選択図】図２
2017510085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜太陽電池を非トラッキングミニ集光器と集積化する方法であって、
成長基板を提供し；
前記成長基板上に少なくとも１つの保護層を堆積し；
前記少なくとも１つの保護層上に少なくとも１つの犠牲層を堆積し；
前記犠牲層上に光活性セルを堆積し、ここで前記光活性セルは反転されており；
フォトリソグラフィ法によって前記光活性セル上にメサのアレイを含むパターン化された金属層を形成し；
前記パターン化された金属層をプラスチックシートの金属化された表面に接合し；
前記光活性セルを前記成長基板から除去する１以上のエッチング段階で前記犠牲層をエッチングして薄膜太陽電池を形成し；
少なくとも１つの熱成形プロセスを用いてプラスチック材料から複合放物面集光器を作製し；
前記薄膜太陽電池を熱成形された複合放物面集光器上に接着剤を用いない接合段階によって転写して、集積化された薄膜太陽電池および複合放物面集光器を形成することを含む、方法。
【請求項２】
前記成長基板は、ＧａＡｓまたはＩｎＰを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの保護層は、前記成長基板と格子整合している、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの保護層は、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、およびこれらの組み合わせから選択される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記保護層、犠牲層、または光活性セルの少なくとも１つが、ガスソース分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）、固体ソース分子線エピタキシー（ＳＳＭＢＥ）、および化学ビームエピタキシーから選択される少なくとも１つの工程によって堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの保護層は、バッファ層、エッチング停止層、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記フォトリソグラフィ法は、前記少なくとも１つの光活性セル上に金属層を堆積し；メサエッチングのために前記金属層の上にマスクを堆積し；前記マスクを介して少なくとも１つのエッチング段階を行って前記金属層にパターンを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記パターンが前記犠牲層まで延びる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのエッチング段階は、前記犠牲層をウェットエッチャント、ドライエッチャント、またはこれらの組み合わせに接触させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウェットエッチャントは、ＨＦ、Ｈ３ＰＯ４、ＨＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、ＨＮＯ３、Ｃ６Ｈ８Ｏ７、およびこれらの組み合わせ（Ｈ２Ｏとの組み合わせを含む）を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ドライエッチャントは、プラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記犠牲層は、ＡｌＡｓを含み、１以上の第２エッチング段階は、前記ＡｌＡｓをＨＦに接触させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記エッチングされたパターンは、少なくとも１つの太陽電池においてエッチングされた２以上の平行なトレンチを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記２以上の平行なトレンチは、１００〜５００μｍの幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの太陽電池は、単一接合または多接合セルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記接合は、冷間圧接、熱アシスト冷間圧接、または熱圧着接合から選択される直接接着法を含み、プラスチックシートに接合されたパターン化された太陽電池を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
レーザーを使用して前記プラスチックシートに接合された前記パターン化された太陽電池をダイシングすることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザーは、ＣＯ２レーザーである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記薄膜太陽電池を熱成形された複合放物面集光器上に転写することは、前記薄膜太陽電池を、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１つの金属で金属化されたエラストマー材料に取り付け、前記太陽電池を前記複合放物面集光器の金属化された表面に転写印刷することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記複合放物面集光器の金属化された表面は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１つの金属を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記プラスチック放物面集光器は、１００℃未満のガラス転移温度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラスチック放物面集光器は、グリコール変性ポリエチレンテレフタレートを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの熱成形プロセスは、前記プラスチック材料を負の複合放物線形状の真空成形型に載せることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記プラスチック材料をそのガラス転移温度を超える温度に加熱しながら、真空を用いて前記プラスチック材料を前記型の表面に引き伸ばして、前記プラスチック材料を前記型の形状に一致させる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記プラスチック材料は、続いて室温に冷却され、そこで複合放物線としてその形状を保持する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
複合放物線としての形状である前記プラスチック材料は、少なくとも１つの湿潤層および少なくとも１つの金属反射層で被覆される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの湿潤層は、Ｇｅを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの金属反射層は、Ａｇを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの湿潤層および少なくとも１つの金属反射層は、電子ビーム、熱蒸発またはこれらの組み合わせを用いて堆積される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
非トラッキングミニ複合放物面集光器と集積化された薄膜太陽電池を含む光起電力デバイスであって、
プラスチック複合放物面集光器に接合され、前記プラスチック複合放物面集光器は、前記複合放物面集光器の受光角に等しい角度で傾斜した２つの放物線を含む、薄膜太陽電池を含み、
前記太陽電池は、前記複合放物面集光器の受光角よりも広い角度で集光することができる、光起電力デバイス。
【請求項３１】
前記集光器は、焦点の線が集光器の開口面の中心に位置するように設計される、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【請求項３２】
薄膜太陽電池とプラスチック複合放物面集光器との間に接着材料がない、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【請求項３３】
少なくとも１つの光活性セルが、単一接合または多接合セルを含む、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【請求項３４】
前記プラスチック複合放物面集光器は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１つの金属で金属化された少なくとも１つの表面を有する、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【請求項３５】
前記プラスチック放物面集光器は、１００℃未満のガラス転移温度を有する、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【請求項３６】
前記プラスチック放物面集光器は、グリコール変性ポリエチレンテレフタレートを含む、請求項３０に記載の光起電力デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１４年４月４日に出願された米国仮出願第６１／９７５，６２３号に対して優先権を主張し、これは全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
共同研究契約
本開示の主題は、合同大学法人研究協定に対する一つ以上の団体である、ミシガン大学およびナノフレックス電力会社（Ｎａｎｏｆｌｅｘ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を代表して、および／または、これらに関連してなされた。本協定は、本開示の主題が準備された日以前に有効であり、本協定の範囲内で行われた活動の結果としてなされた。
【０００３】
本開示は、概して、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）を使用して、薄膜電子デバイスおよび光電子デバイス、例えばフレキシブル光起電力デバイスを作製するための方法および成長構造に関する。ＥＬＯは、薄膜デバイス領域を成長基板またはウェハから「持ち上げ（リフトオフ）」、ホスト基板に転写する技術である。デバイス領域は、犠牲層を選択的にエッチングすることによってウェハから分離される。特に、本開示は、ソーラーコレクタを薄膜セルと集積化する独特の機会を提供する、フレキシブル基板に接合された薄膜ＥＬＯセルに関する。
【背景技術】
【０００４】
ＥＬＯは、２８％を超える効率を有する薄い単結晶ＧａＡｓ太陽電池をもたらした。印象的ではあるが、ＥＬＯにおいてセル活性層と基板との間の「犠牲層」の化学エッチングを用いるプロセスは、親ウェハを後処理して、もう一度別の太陽電池活性領域のエピタキシャル成長ができるようにする必要がある。例えば、後続のエピタキシャル成長の準備においてこれらの欠陥を排除するために、典型的には、研磨エッチングプロセスが使用される。しかしながら、一般的に、このプロセスは高品質の再成長界面を提供せず、したがって、ＥＬＯの後に化学的に研磨された表面に成長したデバイス層では、続けて作製されたデバイスの性能が大きく低下してしまう。Ｂａｕｈｕｉｓ，Ｇ．Ｊ．  ｅｔ  ａｌ．，“Ｗａｆｅｒ  ｒｅｕｓｅ  ｆｏｒ  ｒｅｐｅａｔｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ，”Ｐｒｏｆ．Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．１８，１５５−１５９（２０１０）．この問題を解決するために化学機械的ウェハ再研磨が使用されるが、このようなプロセスは、ウェハの上面から数十ミクロンの材料を消費し、これによってウェハ再使用の可能性のある数を制限する。
【０００５】
そのため、ＥＬＯプロセスによって長い間保証されていたコスト削減は、主に、各成長後の元のウェハ表面品質を完全に回復することができず、欠陥の蓄積により基板をリサイクルすることができる回数が制限されること、および化学機械的研磨によるウェハの薄化によって制限されていた。したがって、太陽電池を開発するためのかなりの努力は、電力変換効率（ＰＣＥ）を高めながら低コストを達成することに焦点を当てている。しかしながら、高ＰＣＥ単独では、高価な活性材料および製造プロセスをその製造に使用する場合、必ずしも低コストの太陽エネルギー生産に移行するとは限らない。
【０００６】
単純にＰＣＥを改善する代わりに、太陽集光器が高価な活性太陽電池材料の使用を低減するための手段として実証されている。しかしながら、大部分の集光器は、大きな光入射角での効率の大幅なロールオフを被り、また、高いセル動作温度をもたらす可能性があり、したがって高価なアクティブソーラートラッキングシステムおよび太陽電池冷却システムを必要とする。以上のことから、非破壊ＥＬＯ（ＮＤ−ＥＬＯ）、冷間圧接接合（ｃｏｌｄ−ｗｅｌｄ  ｂｏｎｄｉｎｇ）、および真空アシスト熱成形プロセスを組み合わせることによって薄膜ＧａＡｓ太陽電池を低コストのプラスチックミニ複合放物面集光器（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：ＣＰＣ）と集積化することにより、製造コストをさらに低減する必要がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明者らは、低コストで、熱成形され、軽量であり広受光角のミニＣＰＣと集積化された薄膜ＧａＡｓ太陽電池の製造方法を見出した。この製造方法は、フォイル基板に冷間圧接することができ、その後、接着剤を用いない転写印刷プロセスでＣＰＣに取り付けることができる、高速ＮＤ−ＥＬＯ薄膜セルを組み合わせる。薄膜太陽電池の低温動作と、高度に切断された（ｈｉｇｈｌｙ  ｔｒｕｎｃａｔｅｄ）ロープロファイルプラスチックＣＰＣの組み合わせにより、集光システムで特徴的に生じる高い動作温度で発生する損失を解消しながら、アクティブソーラートラッキングを必要とせずに、年間を通して２．８倍に向上したエネルギーハーベスティングが提供される。
【０００８】
したがって、薄膜太陽電池を非トラッキングミニ集光器と集積化する方法が開示される。一実施形態において、前記方法は、成長基板を提供し；前記成長基板上に少なくとも１つの保護層を堆積し；前記少なくとも１つの保護層上に少なくとも１つの犠牲層を堆積し；前記犠牲層上に光活性セルを堆積し、ここで前記光活性セルは反転されており；フォトリソグラフィ法によって前記光活性セル上にメサのアレイを含むパターン化された金属層を形成することを含む。メサのアレイを形成した後、前記方法は、前記パターン化された金属層をプラスチックシートの金属化された表面に接合し；前記光活性セルを前記成長基板から除去する１以上のエッチング段階で前記犠牲層をエッチングして薄膜太陽電池を形成することを含む。次いで、前記方法は、少なくとも１つの熱成形プロセスを用いてプラスチック材料から複合放物面集光器を作製し；前記薄膜太陽電池を熱成形された複合放物面集光器上に接着剤を用いない接合段階によって転写して、集積化された薄膜太陽電池および複合放物面集光器を形成することを含む。
【０００９】
本発明者らはまた、開示された方法から作製された、非トラッキングミニ複合放物面集光器と集積化された薄膜太陽電池を含む、改善された光起電力デバイスを見出した。例えば、前記光起電力デバイスは、プラスチック複合放物面集光器に接合され、前記プラスチック複合放物面集光器は、前記複合放物面集光器の受光角に等しい角度で傾斜した２つの放物線を含む、薄膜太陽電池を含む。この実施形態では、前記太陽電池は、前記複合放物面集光器の受光角よりも広い角度で集光することができる。
【００１０】
上述した主題とは別に、本開示は、以下に説明されるような多くの他の例示的な特徴を含む。前述の説明および以下の説明の両方は単なる例示であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付する図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、プレメサパターニング、冷間圧接、およびＥＬＯプロセスの製造フローの概略図である。
【図２】図２は、真空アシスト熱成形技術によるプラスチックミニＣＰＣの製造フローの概略図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本開示において使用可能な自己整列（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ）転写印刷プロセスの様々な形態を示す概略図である。
【図４】図４は、模擬１ＳＵＮ照射（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ｏｎｅ  ｓｕｎ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）下で測定された、ＣＰＣを有する、および有さないＮＤ−ＥＬＯ処理ＧａＡｓ薄膜太陽電池の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図５Ａ】図５（ａ）〜（ｅ）は、本開示による２次元ミニＣＰＣ設計を説明する。
【図５Ｂ】図５（ａ）〜（ｅ）は、本開示による２次元ミニＣＰＣ設計を説明する。
【図６】図６は、太陽軌道（ｓｏｌａｒ  ｐａｔｈ）に沿った２つの異なる円筒形ＣＰＣアライメントの概略図であり、４（ａ）南北軸アライメントおよび４（ｂ）東西軸アライメントを示す。
【図７Ａ】図７（ａ）〜（ｄ）は、集光下での薄膜ＧａＡｓ太陽電池の性能を示す。
【図７Ｂ】図７（ａ）〜（ｄ）は、集光下での薄膜ＧａＡｓ太陽電池の性能を示す。
【図８】図８は、薄膜及び基板ＧａＡｓ太陽電池の動作温度を示す。１ｓｕｎ照射（１００ｍＷ／ｃｍ２）下でＩＲイメージングによって測定された時間依存温度。
【図９】図９（ａ）および（ｂ）は、ＣＰＣを有する、および有さない、傾斜太陽電池からの発電の比較と、アリゾナ州フェニックスの夏（９ａ）および冬（９ｂ）の追跡を示す。
【図１０Ａ】図１０（ａ）〜（ｄ）は、本開示によって作製された太陽電池の性能特性を示す。
【図１０Ｂ】図１０（ａ）〜（ｄ）は、本開示によって作製された太陽電池の性能特性を示す。
【図１１Ａ】図１１（ａ）〜（ｄ）は、本開示によるＣＰＣを用いた時間ごとおよび年間のエネルギーハーベスティングの特性を示す。
【図１１Ｂ】図１１（ａ）〜（ｄ）は、本開示によるＣＰＣを用いた時間ごとおよび年間のエネルギーハーベスティングの特性を示す。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、最大年間エネルギーハーベスティングのためのＣＰＣの最適アライメントを示す：図１２（ａ）は、最適季節位置におけるＣＰＣのカバー範囲（カバレージ）を示す極座標プロットを示す；図１２（ｂ）は、６°傾斜ＣＰＣを用いたアリゾナ州フェニックスの日および時間ごとの集光係数の等高線図を示す；図１２（ｃ）は、集光されていない電池と比較した、６°傾斜ＣＰＣを有する薄膜ＧａＡｓ太陽電池の１日の集光された（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ）エネルギーハーベスティング係数の比を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
詳細な説明
定義
本明細書で使用される場合、「受光角」という用語は、入ってくる太陽光が複合放物面集光器（複合放物線集光器）（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）のような太陽光集光器によって捕捉されうる最大角度である。
【００１３】
本明細書で使用される場合、「ＩＩＩ−Ｖ材料」という用語は、周期表のＩＩＩＡ族およびＶＡ族からの元素を含む化合物結晶を表すために使用されうる。より具体的には、「ＩＩＩ−Ｖ材料」の用語は、本明細書では、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびアルミニウム（Ａｌ）の族と、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）およびアンチモン（Ｓｂ）の族との組み合わせである化合物を表すために使用されうる。
【００１４】
本明細書のＩＩＩ−Ｖ化合物は、省略された形式で命名されることに留意すべきである。２成分材料は、ＩＩＩ：Ｖ族の化合物のモル比が、約１：１であるとみなされる。３以上の成分の系（たとえば、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ）では、ＩＩＩ族種（すなわち、Ｉｎ、ＧａおよびＡｌ）の合計が、約１であり、Ｖ族の成分（すなわち、ＡｓおよびＰ）の合計が、約１であり、したがって、Ｖ族に対するＩＩＩ族の比は、約１である。
【００１５】
ＩＩＩ−Ｖ化合物の名称は、周囲の文章から推測されるように、格子整合または格子不整合（ひずみ）を達成するために必要とされる、化学量論比であるとみなされる。さらに、名称は、ある程度置換されうる。たとえば、ＡｌＧａＡｓおよびＧａＡｌＡｓは、同じ材料である。
【００１６】
本明細書で使用および記載される「層」は、主な次元がＸ−Ｙ、すなわち、その長さおよび幅に沿うデバイスの部材または構成要素を意味する。層という用語は、単層または材料のシートに必ずしも限定されないことが理解されるべきである。また、特定の層の表面（このような層と他の材料または層との界面を含む）は、不完全であってもよく、当該表面は、他の材料または層と浸透したり、混在されたり、入り組んだりするネットワークを示すことが理解されるべきである。同様に、層は、不連続であってもよく、たとえば、Ｘ−Ｙ次元に沿う当該層の連続は、乱れていてもよく、あるいは、他の層または材料によって妨げられたりしてもよいことも、理解されるべきである。
【００１７】
第１の層が第２の層の「上方に（ｏｖｅｒ）」または「上側に（ａｂｏｖｅ）」配置されるまたは堆積されると記載される場合、第１の層は第２の層よりも基板から離れて位置する。第１の層は、第２の層の上に直接配置されていてもよいが、第１の層が第２の層の「上に（上に接して）（ｏｎ）」または第２の層に「物理的に接触して」配置されるまたは堆積されることが特定されていない限り、第１の層と第２の層との間に他の層があってもよい。例えば、間に様々な層があっても、犠牲層の「上方に」または「上側に」エピ層が配置されていると記載されうる。同様に、間に様々な層があっても、成長基板の「上方に」または「上側に」に保護層が配置されていると記載されうる。同様に、第１の層が第２の層と第３の層との「間に」配置されるまたは堆積されると記載される場合、第１の層が、第２の層および／または第３の層の「上に（上に接して）（ｏｎ）」または第２の層および／または第３の層に「物理的に接触して」配置されるまたは堆積されることが特定されていない限り、第１の層と第２の層との間、および／または第１の層と第３の層との間に他の層があってもよい。
【００１８】
本明細書において、「半導体」という用語は、電荷キャリアが熱または電磁励起によって誘導されるときに、電気を伝導することができる材料を示す。「光伝導性の」という用語は、一般に、電磁放射エネルギーが吸収され、それにより電荷キャリアが伝導する、すなわち、物質中において電荷を移動させるように電荷キャリアの励起エネルギーに変換される過程に関する。「光伝導体」および「光伝導性の材料」という用語は、本明細書において、電荷キャリアを生成するように電磁放射線を吸収する特性のために選択される半導体材料を示すために使用される。
【００１９】
本明細書において、「ウェハ」および「成長基板」の用語は、区別しないで用いられうる。
【００２０】
本明細書において、「エッチャント選択性」という用語は、別の材料のエッチング速度と比較したときに特定のエッチャントが特定の材料を除去する速度を指す。ＸおよびＹのエッチャント選択性は、特定のエッチャントのＹのエッチング速度に対するＸのエッチング速度の間の比として定量化される。したがって、本明細書で使用される「高度に選択的な」は、一方の材料が急速にエッチングされ、他方の材料が非常にゆっくりとエッチングされるか、または全くエッチングされない場合、例えば１０：１より大きい、または１００：１、または１０００：１、１０，０００：１以上である。
【００２１】
化合物半導体は、ＳｉまたはＧｅなどの元素半導体と比較して、高効率太陽電池に有用な優れた特性を有することが多い。しかしながら、活性デバイス領域が成長するウェハは、非常に高価であり、実際の太陽電池のための使用を制限する。その結果、ＥＬＯ、これによってＩＩＩ−Ｖ半導体太陽電池が、ウェハとセルエピ（光活性セルともいう）との間のＡｌＡｓ「犠牲層」を選択的にエッチング除去することによって基板から除去される、が本明細書中に説明され、ウェハの再使用が可能になるためコストが低減できる。
【００２２】
本明細書中に記載される性能劣化のない非破壊的な基板の再使用法は、劇的な製造コスト削減の可能性を提供する。さらに、開示された方法は、バルクの２次元基板ベースのプラットフォームから、コンフォーマルの、フレキシブルであり軽量の薄膜デバイスに移行することによって、高性能のＩＩＩ−Ｖ族光電子デバイスの応用を拡張する。さらに、薄膜太陽電池をプラスチック放物面集光器のような低コスト集光器と直接集積化することで、太陽光から電気エネルギーへの変換のためのコストをさらに低減することができる。
【００２３】
本明細書に示されるように、加速ＮＤ−ＥＬＯ製造プロセスによって製造され、単純な熱成形されたミニ集光器と集積化された薄膜ＧａＡｓ太陽電池の集積化は、太陽エネルギーハーベスティングによる電気の生産コストの劇的な減少をもたらしうる。このアプローチは、類似した基板ベースのＧａＡｓセルの約３％、ＥＬＯ処理されたＧａＡｓ太陽電池のわずか１１％など、セルの材料および製造コストを最小限に抑え、光学システムは、高度に切断された２次元ミニ複合放物面集光器（ＣＰＣ）を使用することによって毎日のアクティブソーラートラッキングシステムを必要とせずに年間のエネルギー出力を最大にする。
【００２４】
本明細書に記載されるロープロファイル集光器は、わずかな損失のみで、直接および拡散太陽光の両方で、従来の集光器と比較して、オフアングルの太陽光吸収が改善された、薄型で軽量のモジュールを提供する。開示されたアプローチは、高価で重いソーラートラッキング装置を必要とする高集光係数の光学系の必要性を排除する。さらに、開示された薄膜ＧａＡｓ太陽電池のヒートシンク金属層上に搭載されているという独特のジオメトリーは、４倍に近い集光係数であっても能動的な冷却なしに室温またはその付近の温度での動作を可能にし、基板ベースのＧａＡｓ太陽電池と比較すると４０℃を超える低下を示す。
【００２５】
薄膜無機太陽電池の作製
ウェハと、一連の保護層、犠牲層および活性デバイス層を含む多層構造からなるエピタキシャル構造との間に介在する表面保護層を採用することによってウェハ損傷をなくす、非破壊ＥＬＯ（ＮＤ−ＥＬＯ）プロセスが開示される。保護層は、一般に、５〜２００ｎｍ、例えば１０〜１５０ｎｍ、またはさらには２０〜１００ｎｍの範囲の厚さを有する格子整合している層である保護層およびバッファ層を含む。これらの層は、一般に、ガスソース分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）などのガスソースによって成長させる。成長構造を調製するための他の適当な堆積技術としては、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）、固体ソース分子線エピタキシー（ＳＳＭＢＥ）および化学ビームエピタキシーが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２６】
一実施形態において、基板は、ＧａＡｓを含んでもよく、基板保護層およびデバイス構造保護層は、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＰＳｂおよびこれらの組み合わせなどの格子整合している（ｌａｔｔｉｃｅ  ｍａｔｃｈｅｄ）化合物でありうる。他の実施形態において、基板は、ＧａＡｓを含んでもよく、基板保護層およびデバイス構造保護層は、格子整合している化合物との組み合わせを含む、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂおよびこれらの組み合わせなどのひずみ層（ｓｔｒａｉｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）でありうる。
【００２７】
１以上の保護層に適したＩＩＩ−Ｖ材料の例としては、特に制限されないが、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、およびＧａＡｓが挙げられる。いくつかの実施形態において、成長基板がＧａＡｓである場合、１以上の保護層は、格子整合しているＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＰＳｂ、およびひずみのある（ｓｔｒａｉｎｅｄ）ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂから選択される。いくつかの実施形態において、成長基板がＩｎＰである場合、１以上の保護層は、格子整合しているＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ならびにひずみのあるＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＡｓ、およびＡｌＰから選択される。米国特許第８，３７８，３８５号および米国特許出願公開第２０１３／００４３２１４号は、保護層のスキームの開示について、参照により本明細書中に組み込まれる。
【００２８】
保護層（ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）は、上述したように、１以上の保護層（ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ  ｌａｙｅｒ）をさらに含みうる。いくつかの実施形態において、保護層は１つの保護層をさらに含む。他の実施形態では、保護層は２つの保護層をさらに含む。他の実施形態では、保護層は３以上の保護層をさらに含む。保護層は、成長基板と犠牲層との間に配置されうる。
【００２９】
次に、保護層上に犠牲剥離層を成長させる。このような層の１つの非制限的な例はＡｌＡｓである。この材料を犠牲層として使用する場合、酸化ヒ素の積層は、リフトオフ中のＡｌＡｓエッチングを遅くしうる。従って、Ａｌ（Ｇａ）ＡｓをゆっくりとエッチングされるＩＩＩ−Ｖ材料（例えば、ＩｎＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ）でクラッドすることによって、酸化ヒ素の積層を低減することができ；したがってリフトオフプロセスが迅速化される。米国特許出願公開第２０１０／００４７９５９号には、単結晶基板からエピタキシャル層を選択的に取り除く方法が記載されており、これは参照により本明細書中に組み込まれる。
【００３０】
一実施形態において、活性薄膜デバイス領域は、既知の酸を用いて犠牲層を選択的にエッチングすることによってリフトオフされうる。成長構造の犠牲層は、ＥＬＯの間に、成長基板からエピ層を剥離するための剥離層として働く。犠牲層は、ＥＬＯの間にエピ層および／または成長基板を損傷する可能性を最小限にするかまたはなくすように、エピ層および／または成長基板に対して高いエッチング選択性を有するように選択されうる。ＥＬＯの間にエピ層を保護するために、犠牲層とエピ層との間に保護層を使用することも可能である。いくつかの実施形態では、犠牲層はＩＩＩ−Ｖ材料を含む。いくつかの実施形態では、ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＰ、およびＡｌＧａＩｎＰから選択される。一実施形態では、犠牲層はＡｌ（Ｇａ）Ａｓを含む。いくつかの実施形態では、犠牲層は、約２ｎｍ〜約２００ｎｍ（例えば約４ｎｍ〜約１００ｎｍ、約４ｎｍ〜約８０ｎｍ、または約４ｎｍ〜約２５ｎｍなど）の範囲の厚さを有する。
【００３１】
エッチングによって犠牲層を剥離する段階は、他の技術、例えば、スポーリング（ｓｐａｌｌｉｎｇ）と組み合わせることができる。ＰＣＴ特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ１４／５２６４２は、エッチングとスポーリングとの組み合わせによるエピ層の剥離の開示について、参照により本明細書中に組み込まれる。
【００３２】
次に、エピ層（または活性デバイス領域）は、典型的には、二次プラスチック基板に接合した後、デバイスをその従来の配向で作製することができ、これによってＥＬＯデバイス処理で多く採用される第２転写段階をなくすことができるように、逆の順序（ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｏｒｄｅｒ）で成長させる。成長構造のエピ層は、成長基板の「リフトオフ」されることが望まれる任意の数の層を意味する。エピ層は、例えば、電子デバイスまたは光電子デバイスを作製するための任意の数の活性半導体層を含みうる。したがって、エピ層は、「活性デバイス領域」と呼ばれることもある。エピ層は、特に制限されないが、光電池、フォトダイオード、発光ダイオード、および金属半導体電界効果トランジスタおよび高電子移動度トランジスタなどの電界効果トランジスタを含む、デバイスを作製するための層を含みうる。いくつかの実施形態において、エピ層は、少なくとも１つのＩＩＩ−Ｖ材料を含む。
【００３３】
一実施形態において、基板がプラスチック基板に接合された後、活性デバイス領域は、例えば酸を用いて、浸漬エッチングによって親ウェハからリフトオフされうる。
【００３４】
一実施形態において、光起電力セルは、フレキシブル結晶半導体セルを含む活性光起電性領域を含む。単一接合半導体セルの非制限的な例としては、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＩｎＡｌＰが挙げられる。フレキシブル結晶半導体セルは、典型的には、２〜１０μｍ、例えば３〜６μｍの範囲の厚さを有する。
【００３５】
他の実施形態では、光起電力セルは、多接合セル、例えばタンデム光起電力セル（２つのサブセルを有する）、三接合セル（３つのサブセル）、またはさらに四接合セル（４つのサブセル）を含む活性光起電性領域を含む。
【００３６】
光起電力セルが形成された後、これは一方の表面に導電性金属コーティングで被覆される。金属コーティングの非制限的な例としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１つの金属が挙げられ、特にはＡｕである。一実施形態において、支持基板上のＡｕ層は、１００〜５００ｎｍ、例えば２００〜４００ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００３７】
上述した非破壊ＥＬＯプロセスによって光起電力セルが成長基板から除去されると、光起電力セルは様々な接合プロセスによって支持構造上に取り付けられる。例えば、単一接合セルであっても多接合セルであっても、活性光起電性領域は、直接接着接合（ｄｉｒｅｃｔ−ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  ｂｏｎｄｉｎｇ）プロセスによってホスト基板に接着されうる。このプロセスは、活性領域およびフレキシブルホスト基板の隣接する表面に金属層を追加し、冷間圧接を使用してこれらを接合することを含む。冷間圧接接合プロセスは、典型的には、均一に接合された界面を達成するために、室温で２つの表面を一緒にプレスすることを含む。
【００３８】
別の直接接着接合プロセスとしては熱圧着接合（ｔｈｅｒｍｏ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｂｏｎｄｉｎｇ）が挙げられ、これは典型的には高温（すなわち、金属の再結晶化温度よりも高い）でより低い圧力をかけることを含む。このプロセスは、フレキシブル基板が直接接着接合プロセスで使用される金属層の再結晶化温度よりも低いガラス転移温度および／または融点を有する場合には、典型的には使用されない。
【００３９】
使用されうるＥＬＯプロセスに関連する金属層を接合するための他の直接接着技術は、典型的な冷間圧接プロセスよりも低い圧力および典型的な熱圧着接合プロセスよりも低い温度を使用する、熱アシスト（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）冷間圧接接合プロセスである。特に、熱アシスト冷間圧接は、半導体ウェハに損傷を与える可能性を低減し、これにより、さらなる活性領域を成長させるためのウェハの再使用率を増加させうる。
【００４０】
本明細書で用いることができる直接接着接合プロセスの非制限的な例としては、冷間圧接、熱アシスト冷間圧接、または熱圧着接合が挙げられる。冷間圧接が記載された米国特許出願公開第２０１３／００３７０９５号は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【００４１】
一実施形態において、レーザーダイシングを採用した加速ＮＤ−ＥＬＯプロセスが開示される。例えば、図１は、本開示の一形態による、高速ＮＤ−ＥＬＯおよび冷間圧接接合の組み合わせによる薄膜ＧａＡｓ太陽電池の製造工程を示す。既知のＮＤ−ＥＬＯ法は、典型的には、犠牲層と、ＥＬＯプロセスの間、原子スケールでもオリジナルのウェハの表面品質を完全に維持しているウェハとの間に成長させたエピタキシャル保護層を採用する。
【００４２】
湿式化学エッチングを使用する保護層の選択的除去は、従来のＥＬＯに使用される化学機械的研磨の必要性をなくす。そのため、ＮＤ−ＥＬＯは、ＧａＡｓ基板のほぼ無限の再使用を可能にし、そのコストを材料費から設備投資に変換する。しかしながら、このプロセスは時間がかかる。小さいウェハからであっても活性エピタキシーを分離するために数時間を要する従来のＥＬＯを加速するために、厚い金属層、例えば１００ｎｍよりも厚い層、例えば２００〜５００ｎｍ、例えば３５０ｎｍの厚さのＡｕ層が、エピタキシャル層の表面に堆積されうる。金属層は、フォトリソグラフィによりパターン化され、画定されたトレンチ（例えば、活性太陽電池エピタキシー／ＡｌＡｓ犠牲層界面で終端となる、湿式化学エッチングによる１００〜５００μｍ幅のトレンチ）によって分離されたメサのアレイを形成するためのマスクを形成する。
【００４３】
図１は、ＣＰＣを薄膜ＧａＡｓ太陽電池と集積化するための製造工程を示す。図１（ａ）は、（左から右に）メサ（１１０）、これはＡｌＡｓ犠牲層（１２０）で停止する選択的エッチングによって非破壊エピタキシャルリフトオフ（ＮＤ−ＥＬＯ）の前に予めパターン化されている。次いで、試料を冷間圧接によってＡｕ被覆カプトン（登録商標）シート（１２５）上に接合させる。第３の段階は、ＮＤ−ＥＬＯの後の試料（１３０）を示す。
【００４４】
図１（ｂ）は、本開示の一形態によるミニＣＰＣを作製する際に使用される熱成形プロセスを示す。ここでは、このプロセスでは、３つの型：熱成形ＣＰＣを成形する金型、太陽電池を基板に転写するエラストマースタンプを作製するための他の型、および太陽電池のアライメントを補助する第３の型；が採用されることが示されている。図１（ｂ）をさらに参照すると、ＰＥＴＧシート（１４０）が金型（１５０）の上に固定されていることが示されている。次いで、ＰＥＴＧは熱および真空を適用することによってその最終形状に熱成形される。最後に、ミニＣＰＣが型（１６０）から取り外される。
【００４５】
図１（ｃ）は、レーザダイシング（１７０）を用いて個々のバーに分離された太陽電池−カプトン（登録商標）シートアセンブリを示す。例えば、一実施形態において、ＣＯ２レーザー彫刻および切断システム（Ｘ−６６０  ｓｕｐｅｒｓｐｅｅｄ−６００、ユニバーサルレーザーシステムズ社）が、カプトン（登録商標）シート（１２５）に接合された、非破壊エピタキシャルリフトオフ（ＮＤ−ＥＬＯ）処理された、薄膜ＧａＡｓ太陽電池をダイシングするために用いられうる。次に、各バーは、低圧冷間圧接によってＰＤＭＳスタンプ（１８０）を使用してミニＣＰＣ（１７５）上に転写印刷される。最後の概略図は、反射金属コーティングがＣＰＣアレイ表面（１９０）上に堆積された後の集積化された薄膜太陽電池およびミニＣＰＣを示す。
【００４６】
図１（ｃ）をさらに参照すると、一実施形態に従って使用することができるプラスチックＣＰＣ上に薄膜ＧａＡｓ太陽電池を自己整列転写印刷する実施形態が示されている。この実施形態では、薄膜ＧａＡｓ太陽電池をプラスチックミニＣＰＣと集積化および整列させるために使用されうるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）スタンプ（１８０）のためのアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）型が３Ｄプリンタ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｅｌｉｔｅ，Ｓｔｒａｔａｓｙｓ）を用いて作製される。
【００４７】
図２は、図１（ｂ）に示し説明した放物面集光器アレイを作製するために使用される製造工程のさらなる情報を提供する。ここで、変形可能な媒体（例えば、ポリマー）は、真空成形型およびオーブンを使用して円筒型放物面ミニ集光器に成形することができる。この実施形態の成形されたアレイ全体は、非常に軽量であり（全体がプラスチックおよび薄い金属フィルムから構成されうるため）、完成時にある程度の可撓性（フレキシブル性）を有する。反射面を上にして、焦点のラインが集光器の開口面の中心に位置するように集光器が設計され、これによって円筒型放物面ミニ集光器に入射する光の全集光が可能になる。
【００４８】
図２を参照すると、熱成形プロセスは、ＰＥＴＧを型の形状に引き伸ばすために真空を用いながら、ＰＥＴＧシートを１０５℃に加熱することを含みうる。熱および真空を適用してＣＰＣをその最終形状に熱成形した後、図２（ｂ）に示すように、ＣＰＣを型から取り外すことができる。次に、ミニＣＰＣ上への転写印刷により、太陽電池が取り外されたＣＰＣに集積化される。図１（ｃ）に記載されるように、太陽電池の集積化は、低圧冷間圧接によって、ＰＤＭＳスタンプ（１８０）を用いて達成されうる。図２（ｄ）は、反射金属コーティングがＣＰＣアレイ表面（１９０）上に堆積された後の、集積化された薄膜太陽電池およびミニＣＰＣを示す。
【００４９】
図３（ａ）は、図３（ｂ）に示すＣＰＣ開口部に正確にフィット（嵌合）するように設計された、ＰＤＭＳスタンプの型の詳細な寸法および写真を示す。ＰＤＭＳスタンプによるピックアップのために太陽電池ストリップを整列させるために、さらなる３Ｄ印刷された型が使用されうる。ＰＤＭＳスタンプのピラミッド型の形状は、スタンプとＣＰＣの側壁との間の直接接触を防止し、太陽電池を接合するための圧力がＣＰＣベースにのみかかるようにする。図３（ｃ）は、スタンプとＣＰＣとの間の嵌合の概略図である。
【００５０】
ミニ複合放物面集光器（ＣＰＣ）の設計
本明細書に記載されるＣＰＣは、ポリイミドのようなプラスチック材料または金属箔を含むフレキシブル材料から作製されうる。支持構造は、典型的には、２５〜１００μｍ、例えば４０〜６０μｍの範囲の厚さを有する。フレキシブル材料がプラスチック材料を含む場合、典型的には一方の表面上に導電性金属コーティングを有する。金属コーティングの非制限的な例としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＮｉおよびＣｕから選択される少なくとも１つの金属が挙げられ、特にはＡｕである。一実施形態では、支持基板上のＡｕ層は、１００〜５００ｎｍ、例えば２００〜４００ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００５１】
図５（ａ）および（ｂ）は、その受光角に等しい角度で傾斜した軸を有する２つの放物線からなるＣＰＣの模式図を示す。プラスチックミニＣＰＣは、その縦軸に沿ったソーラートラッキング（太陽追尾）の必要をなくすために、２Ｄの半円筒形状である。図５（ｃ）は、受光角および集光係数ＣＦに対するＣＰＣの切断（ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ）の効果を示す。切断されていないＣＰＣは、最も高いＣＦを示し、受光角の外側で集光がない。ＣＦは切断の増加と共に減少するが、それにもかかわらず、受光角よりもはるかに広い角度で集光することができる。
【００５２】
ＣＦを決定するために、Ｍａｔｌａｂソフトウェア（ＭａｔｈＷｏｒｋｓ）を用いたレイトレーシングが用いられた。デカルト座標で定義されたＣＰＣのジオメトリーおよびその４つの頂点は、ベース幅（ＧａＡｓ太陽電池の寸法によって定義される）、高さ、および受光角を用いて計算された。ＣＰＣを構成する２つの放物線の焦点は、ベースエッジを形成することに留意する必要がある。実際のＣＰＣ高さ（切断されていないＣＰＣの〜８％）は、切断がＣＰＣに入射する入射光の受光、したがってＣＦを変化させるように選択された。入力光線は平行であると仮定した。
【００５３】
ここで、ＣＦは、ＣＰＣを有さない太陽電池に入射する光子に対する、ＣＰＣを有する太陽電池に入射する光子の比である。ＣＰＣの中心軸に対する対称性により、正の太陽光入射角のみを考慮した。すなわち、０＜θｓｕｎ＜θｍａｘ（ここで、θｓｕｎはＣＰＣの中心軸に対する光線の角度であり、θｍａｘは角度すべての入射光線が陰になり、したがってＣＦ→０である角度である）である。各角度に対して１０，０００を超える空間的に分布した光線が使用された。光線がＣＰＣによって反射されると、その強度はＡｇの反射率により低下し、これは可変角分光エリプソメータ（ＶＡＳＥ、ＪＡ  Ｗｏｏｌｌａｍ）およびＵＶ／Ｖｉｓ／ＮＩＲ分光光度計（ＬＡＭＢＤＡ  １０５０、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ）を使用してＰＥＴＧ上で測定された。波長および角度の範囲は、３ｎｍきざみで３００〜９００ｎｍであり、５°きざみで１５〜８５°であった。測定値の間の値は補間される。次いで、波長および入射角に依存する反射率が、ＡＭ１．５Ｇ太陽光スペクトルによって重み付けされる。最後に、ＣＦ対θｓｕｎおよび受光角が計算される。
【００５４】
図５（ｄ）および（ｅ）は、様々なＣＰＣ形状について計算されたＣＦ対入射角の等高線プロットを示す。図５（ｄ）は、各放物線の軸の間の角度（すなわち、受光角）が減少するにしたがってＣＦが増加する非切断ＣＰＣの場合を示す。図５（ｅ）は、切断比（ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）が受光角に依存するように固定アスペクト比４（太陽電池幅／ＣＰＣ高さ／太陽電池幅）を有するＣＰＣの場合を示す。受光角の狭いＣＰＣの切断比は、受光角が広い場合よりも高い。
【００５５】
一実施形態において、ＣＰＣは円筒対称を含む。この実施形態では、集光器の受光角は単一の軸のみに限定される。図６は、ミニＣＰＣ円筒によって達成されうる２つの異なるアライメントジオメトリーを示す。図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ南北軸および東西軸に一致させてアラインしたＣＰＣ縦軸を示す。トラッキングのない南北のアライメントの場合、ＣＰＣは、太陽がＣＰＣの４０°の受光角内にある日中の太陽光のみを集光する；しかしながら、東西軸のアライメントによれば、トラッキングがなくても、太陽赤緯の軌道に向かって傾斜させることによって、日中の太陽光を広くカバーすることができる。ＣＰＣの受光角は太陽軌道の季節変化をカバーするのに十分に広いため、ＣＰＣの位置は最適なエネルギーハーベスティングのために年４回だけ調整すればよい。
【００５６】
本開示に従って作製し、集光下で測定した薄膜ＧａＡｓ太陽電池の特性を以下に示す。図７（ａ）〜（ｄ）は、集光下での薄膜ＧａＡｓ太陽電池の性能を示す。図７（ａ）は短絡電流を示す。図７（ｂ）は曲線因子を示す。図７（ｃ）は開放電圧を示し、図７（ｄ）は、ミニＣＰＣとの集積化によって測定された様々な集光条件下での薄膜ＧａＡｓ太陽電池の電力変換効率を示す。
【００５７】
図７（ａ）〜（ｄ）を参照すると、上述のように太陽電池はミニＣＰＣと集積化され、Ｓｉフォトダイオードを用いて１ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ２）でＡＭ１．５Ｇの照射に較正されたソーラーシミュレータを用いて測定される。Ｉ−Ｖ特性から、短絡電流（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、曲線因子、および電力変換効率（ＰＣＥ）が求められる。この測定は、ＣＦ＝３．３で６°傾斜ＣＰＣと集積化されたセルの電力変換効率が、高い強度での開放電圧Ｖｏｃの増加によって、これを有する集光されていないデバイスと比較して、わずかに改善された（〜０．５％）ことを示す。
【００５８】
１ｓｕｎ照射下での太陽電池の動作温度の比較を図８に示し、これは模擬ＡＭ１．５Ｇ、１ｓｕｎ強度（１００ｍＷ／ｃｍ２）の照射下での薄膜および基板ベースのＧａＡｓ太陽電池の動作温度を示す。２５０秒後、基板ベースのＧａＡｓ太陽電池は予想どおり約４５℃で動作するが、薄膜セルは大幅に低い２８℃で動作する。
【００５９】
図１０（ａ）は、１ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ２）強度での模擬ＡＭ１．５Ｇ照射下で測定した薄膜ＧａＡｓ太陽電池の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す；図１０（ｂ）は、Ｉ−Ｖ特性および計算値から推論される放物線の軸の傾斜角に対する集光係数の依存性を示す；図１０（ｃ）は、直接および拡散照射下の両方で、９２％の高さが切断された６°傾斜ＣＰＣの、太陽入射角の関数としての集光係数の測定値と計算値との両方を示す；図１０（ｄ）は、３．３ｓｕｎ集光下の基板ベースおよび薄膜ＧａＡｓ太陽電池の両方の熱的性能を示す。
【００６０】
図１１（ａ）および（ｂ）は、６°傾斜ＣＰＣを用いた、冬および夏のそれぞれの間の特定の２日のエネルギーハーベスティングを示す。広い受光角により、ＣＰＣは、通過大気量の低い有用な日光の大部分をカバーできる。ＣＰＣを有する、および有さない薄膜ＧａＡｓ太陽電池の時間ごとのエネルギーハーベスティングの積分から、６°傾斜ＣＰＣと集積化されたＮＤ−ＥＬＯ処理された太陽電池は、１月１日および７月１日で、集光されていないセルと比較して、それぞれ２．８倍および２．７倍高いエネルギーハーベスティングを示し（図１１（ｃ）および（ｄ））、ここで、集光されていないもの、ならびに１年あたり２、３、および４の傾斜位置のものを比較する。
【００６１】
本明細書に記載されるＣＰＣ／薄膜ＧａＡｓ太陽電池アセンブリに関連する１つの利点は、その年間のエネルギーハーベスティング特性の向上である。説明したように、本開示によるミニＣＰＣは、円筒対称であり、東西軸に沿ってアライン（整列）されたときのエネルギーハーベスティングの向上を示唆している。このアライメントは、時折傾斜の季節調整を行うだけで、単に太陽赤緯の軌道の頂点に向かってその軸を傾斜させることによって、日中の太陽光の最も広いカバレージ（カバー範囲）を提供する。一実施形態において、アリゾナ州フェニックス（３３．４Ｎ、１１２．１Ｗ）の季節アライメントが図１２（ａ）に示されている。これは、特定の日（１月１日、４月１日、および７月１日）の太陽軌道と、季節調整された傾斜角（例えば、夏至、春分／秋分、および冬至にのみそれぞれ１１°／３１°／５３．５°の天頂角に調整される）の６°傾斜ＣＰＣのカバー範囲を示す。
【００６２】
図１２（ｂ）は、６°傾斜ＣＰＣを用いた集光発電の１日ごとおよび時間ごとの傾向を示す。ＣＰＣの広い受光角によって、正午をまたぐ日光の最も有用な時間帯のエネルギーハーベスティングが可能になる。図１２（ｃ）は、従来の集光されていないセルと比較した、６°傾斜ＣＰＣを有する薄膜ＧａＡｓ太陽電池を使用した年間を通した集光されたエネルギーハーベスティングの結果を示す。いずれの場合も、年３回の季節的な位置調整に基づいて計算された。図１２（ｃ）の挿入図は、集光された、および集光されていない薄膜ＧａＡｓ太陽電池の年間のエネルギー生成を比較している。総年間エネルギー収量は、集光されたセルで２．８倍高いことが明らかになった。
【００６３】
本明細書に記載されるシステム、デバイスおよび方法は、純粋に例示的であることが意図される以下の非制限的な実施例によってさらに説明される。
【実施例】
【００６４】
実施例
以下の実施例は、非破壊ＥＬＯ（ＮＤ−ＥＬＯ）、冷間圧接接合および真空アシスト熱成形プロセスを組み合わせることによって、薄膜ＧａＡｓ太陽電池を低コストのプラスチックミニ複合放物面集光器（ＣＰＣ）と集積化する方法を示す。
【００６５】
実施例１
エピタキシャル成長
太陽電池のエピタキシャル層構造をＺｎドープ（１００）ｐ−ＧａＡｓ基板上にガスソース分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）によって成長させた。成長はＧａＡｓバッファ層（０．２μｍ厚さ）から始まり、続いてＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ（１００ｎｍ／１００ｎｍ）保護層、およびＡｌＡｓ（２０ｎｍ）犠牲層を成長させた。
【００６６】
次いで、以下のように反転活性デバイス領域を成長させた：５×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたＧａＡｓ（０．１５μｍ）コンタクト層、２×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたＡｌ０．２０Ｉｎ０．４９Ｇａ０．３１Ｐ（０．０２５μｍ）ウィンドウ、１×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたｐ−ＧａＡｓ（０．１５μｍ）エミッタ層、２×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドープしたｎ−ＧａＡｓ（３．０μｍ）ベース層、６×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドープしたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ（０．０５μｍ）裏面電界（ＢＳＦ）層、および５×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドープしたｎ−ＧａＡｓ（０．１μｍ）コンタクト層。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層は６００℃で成長させ、Ａｌ０．２０Ｉｎ０．４９Ｇａ０．３１Ｐ／Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層は４８０℃で成長させた。
【００６７】
プレメサパターニング、冷間圧接接合、およびエピタキシャルリフトオフ
図１（ａ）は、プレメサパターニング、冷間圧接、およびＥＬＯプロセスの製造フローの概略図を示す。Ｈ３ＰＯ４：Ｈ２Ｏ２：脱イオンＨ２Ｏ（３：１：２５）およびＨＣｌ：Ｈ３ＰＯ４（３：１）をそれぞれＧａＡｓおよびＩｎＧａＰに用いて、メサエッチングのマスクとして使用されるＬＯＲ  ３ＡおよびＳ−１８２７（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ）二層フォトレジストを用いたフォトリソグラフィにより、２．５ｍｍ×６．５ｍｍのＣｒ／Ａｕ（４ｎｍ／３５０ｎｍ）メサをパターン化した。エピタキシャルＧａＡｓウェハ上にパターン化されたＡｕを、ＥＶＧ５３０ウェハボンディング装置を用いて〜１０−５ｔｏｒｒでＡｕが被覆された２５μｍの厚さのカプトン（登録商標）シートに接合した。次に、Ａｕ膜との間に接合を確立するために、８０Ｎ／秒のランプ速度で４ＭＰａを直径２インチの基板にかけた。温度を２５℃／分で２３０℃に上昇させ、この温度で８分間保持した。次いで、基板を急速に冷却した。均一な圧力をかけるために、軟質黒鉛シートを試料とプレスヘッドとの間に挿入した。ＧａＡｓ基板がカプトン（登録商標）シートに完全に接着すると、薄い活性デバイス領域をＮＤ−ＥＬＯを用いてその親基板から除去した。溶液を攪拌子で９００ｒｐｍで攪拌しながら、試料を６０℃に維持した２０％ＨＦ：Ｈ２Ｏに浸漬した。全リフトオフ時間は３０分であった。
【００６８】
太陽電池の作製
リフトオフ後、薄膜活性領域およびフレキシブルプラスチックホストをカプトン（登録商標）テープを用いて剛体基板に固定した。表面接触グリッドは、ＬＯＲ  ３ＡおよびＳ−１８２７（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ）二層フォトレジストを使用してフォトリソグラフィでパターン化した：次いで、Ｐｄ（５ｎｍ）／Ｚｎ（２０ｎｍ）／Ｐｄ（２０ｎｍ）／Ａｕ（７００ｎｍ）金属コンタクトを電子ビーム蒸着によって堆積させた。グリッドおよびバスバーの幅はそれぞれ２０μｍおよび１５０μｍであり、グリッドフィンガ間の間隔は３００μｍであった。金属化による太陽電池活性領域の全カバー範囲（ｔｏｔａｌ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）は４％であった。金属層をリフトオフした後、高濃度にドープした１００ｎｍのｐ＋＋ＧａＡｓコンタクト層をプラズマエッチングによって選択的に除去した。薄膜太陽電池を空気中で２００℃で１時間アニールしてオーミックコンタクトを形成した。厚さ４９ｎｍのＴｉＯ２および厚さ８１ｎｍのＭｇＦ２からなる反射防止コーティング二重層を、電子ビーム蒸着によって堆積させた。プラスチックシート上の太陽電池をプラスチックフィルムで覆い、エッチングされたトレンチに沿って２．５Ｗの出力、１インチあたり５００パルスのＣＯ２レーザーカッター（５０Ｗ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いてダイシングする間に発生する破片からこれを保護した。
【００６９】
ＣＰＣの真空アシスト熱成形
図２は、ＣＰＣ作製のための真空アシスト熱成形プロセスの概略図を示す。グリコール変性ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＧ）シートをカプトン（登録商標）テープで底部に穴を有する金型の上部を横切って固定した。穴を通して真空にしながら、アセンブリを６０℃のオーブンに入れた。オーブンの温度を〜１５分間９６℃に上げてＰＥＴＧを型に引き込み、複合放物線形状を形成した。ＣＰＣを冷却した後、ＣＰＣを金型から取り外した。
【００７０】
集光されたＧａＡｓ光電池の特性評価
ＸｅアークランプおよびＡＭ１．５グローバルフィルタを備えたＯｒｉｅｌソーラーシミュレータ（モデル：９１１９１）をＡｇｉｌｅｎｔ  ４１５５Ｂパラメータアナライザで得られるＩ−Ｖ測定に使用した。シミュレータ強度は、直径５ｍｍの国立再生可能エネルギー研究所（ＮＲＥＬ）認定Ｓｉ基準セルを使用して較正した。光の入射角は、光ファイバおよび回転ステージ（Ｎｅｗｐｏｒｔ、４８１−Ａ）を用いて調整した。拡散照射（Ｎ−ＢＫ７粉砕ガラスディフューザー、２２０グリットポリッシュ、Ｔｈｏｒｌａｂ）下での集光係数を同一の設定で測定した。太陽電池の動作温度は、熱イメージングカメラ（Ａ３２５、ＦＬＩＲ）によって測定した。
【００７１】
太陽電池の動作温度に関連する特性を図１０（ｃ）に示す。これは、直接照射下および拡散照射下の両方で、９２％の高さが切断された６°傾斜ＣＰＣの太陽入射角の関数としての集光係数の測定値と計算値との両方を示す。加えて、図１０（ｄ）は、３．３ｓｕｎ集光下の基板ベースのＧａＡｓ太陽電池および薄膜ＧａＡｓ太陽電池の両方の熱的性能を示す。
【００７２】
実施例２
以下の実施例は、非破壊ＥＬＯ（ＮＤ−ＥＬＯ）、冷間圧接接合、および真空アシスト熱成形プロセスを組み合わせることによって、薄膜ＧａＡｓ太陽電池を低コストのプラスチックミニ複合放物面集光器（ＣＰＣ）と集積化する、上記と類似した方法を示す。
【００７３】
実施例１と同様に、図２は、負の真空成形型を使用して作製される、真空アシスト熱成形円筒型プラスチックミニＣＰＣの製造フローチャートを示す。はじめに、低ガラス転移温度（８１℃）のＰＥＴＧ（グリコール変性ポリエチレンテレフタレート）プラスチック基板を負の複合放物線形状の型に載せ、炉に入れた。型の底部で、真空ポンプに接続された均一の間隔の小さな穴を用いて、加熱された基板（１０５℃まで）を型の形状に一致するまで下方に引き伸ばした。
【００７４】
次いで、変形した基板を室温に冷却し、その形状を保持した。その後、反射体の内表面に、５ｎｍの厚さのＧｅ湿潤層および２００ｎｍの厚さのＡｇ反射層を、電子ビームおよび熱蒸発をそれぞれ用いて被覆した。堆積の前に、基板を脱イオン水、タージトール、およびイソプロピルアルコールの順でそれぞれ５分間洗浄した。
【００７５】
薄膜ＧａＡｓ光起電力セルの作製のために、エピタキシャル層構造をガスソース分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）によってＺｎドープ（１００）ｐ−ＧａＡｓ基板上に成長させた。成長は、０．２μｍの厚さのＧａＡｓバッファ層から始まり、続いて０．０２５μｍの厚さのＡｌＡｓ犠牲層を成長させた。次に、以下のような反転活性デバイス領域（ｐ−ｏｎ−ｎ  ＧａＡｓ太陽電池活性領域）を成長させた：０．１５μｍ厚さ、５×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたＧａＡｓコンタクト層、０．０２５μｍ厚さ、２×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたＡｌ０．２５Ｇａ０．２６Ｉｎ０．４９Ｐウィンドウ層、０．１５μｍ厚さ、１×１０１８ｃｍ−３のＢｅをドープしたｐ−ＧａＡｓエミッタ層、３．５μｍ厚さ、２×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドープしたｎ−ＧａＡｓベース層、０．０５μｍ厚さ、４×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドープしたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ裏面電界（ＢＳＦ）層、および０．１μｍ厚さ、５×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドープしたｎ−ＧａＡｓコンタクト層。
【００７６】
ＧＳＭＢＥを用いた成長の後、０．００５μｍの厚さのＩｒ層を５０μｍの厚さのカプトン（登録商標）シート上に接着層としてスパッタした。Ｉｒはまた、ＥＬＯプロセスを加速するためにストレッサ層として利用した。次に、０．５μｍ厚さのＡｕコンタクト層を、Ｉｒ被覆されたカプトン（登録商標）シートとＧａＡｓエピタキシャル層との両方に、電子ビーム蒸着によって堆積させた。
【００７７】
基板とプラスチックシートとを、ＥＡＧ５２０ウェハボンディングツールを用いて２００℃で４ｋＮの力を加えることからなる熱アシスト冷間圧接により接合し、次いで、エピタキシャルリフトオフのために、加熱した２０％のＨＦの溶液に浸漬した。このリフトオフした薄膜について、フォトリソグラフィを用いたフロントコンタクトグリッドパターニングと、電子ビーム蒸発によるＰｄ（０．００５μｍ）／Ｚｎ（０．０２μｍ）／Ｐｄ（０．０１５μｍ）／Ａｕ（０．７μｍ）の堆積とから始めて太陽電池を作製した。次いで、このデバイスを２００℃で３０分間アニールして、オーミックコンタクトを形成した。
【００７８】
フォトリソグラフィおよび湿式エッチングを用いてメサを画定し、高ドープＧａＡｓオーミックコンタクト層をグリッド線の間で除去した。最後に、ＴｉＯ２（０．０５２μｍ）／ＭｇＦ２（０．０８５μｍ）二重層反射防止コーティングを電子ビーム蒸着によって堆積させた。
【００７９】
１００ｍＷ／ｃｍ２の強度で、模擬エアマス１．５グローバル（ＡＭ１．５Ｇ）照射下で測定された、プラスチックミニＣＰＣを有する、および有さない、ＮＤ−ＥＬＯ処理されたＧａＡｓ太陽電池の第４象限の電流−電圧（ＩＶ）特性を図４に示す。光パワー強度は、国立再生可能エネルギー研究所トレーサブルＳｉ基準光起電力セルを用いて較正した。短絡電流密度は２１．９ｍＡ／ｃｍ２であり、開放電圧は０．９５Ｖであり、曲線因子は７６％であり、ＣＰＣなしで１５．８％の電力変換効率が得られた。
【００８０】
ＣＰＣは、２０°傾斜した放物線の５０％の高さを切断することによって、デバイスと開口面積との１：３の比で設計された。２０°ＣＰＣは、４０°の受光角にわたって同じ集光係数を提供する。図４に示すように、ＣＰＣと集積化されたＧａＡｓ薄膜太陽電池は、集光器のない同じセルと比較して２倍の短絡電流を示し、したがって２倍の発電につながる。
【００８１】
図９（ａ）および（ｂ）は、季節条件（１月１日および７月１５日）の関数としての、集光器トラッキングを有する、および有さない、本実施例に従って作製された薄膜ＧａＡｓ光起電力セルからの発電の比較を示す。これらの比較は、アリゾナ州フェニックスの座標（３３．４Ｎ、１１２．１Ｗ）に基づいて計算された。太陽放射強度は、時間依存の天頂角およびエアマスを用いて時間の関数として計算される。拡散光は計算には考慮されていない。
【００８２】
次いで、エネルギーハーベスティング値は、時間の関数としての各デバイスに入射する電力を１日を通して積分することにより計算される。はじめに、非トラッキング傾斜太陽電池から発生した電力を、ＣＰＣ集積化の有無で比較した。いずれの場合も、夏および冬にそれぞれ７．６°の北天頂角および６７．７５°の南天頂角を指すセルを有する。
【００８３】
南北軸にアラインされたＣＰＣを有するＧａＡｓ薄膜太陽電池は、夏および冬で、傾斜フラット太陽電池と比較して、それぞれ放射線の６８％と５０％を集めるだけである。これはＣＰＣの受光角が制限されているためである。一方、東西軸に沿ってアラインされたＣＰＣを有する傾斜ＧａＡｓ薄膜太陽電池は、夏および冬で、傾斜フラットセルと比較して、それぞれ１．９倍および２倍の電力を生成する。これは、主に、ミニＣＰＣのカバー範囲と太陽軌道とのアライメントによるものである。ミニＣＰＣを有するセルが太陽光を追尾（トラッキング）する場合、集光係数は、夏および冬の等面積のフラットＧａＡｓ太陽電池と比較して、それぞれさらに２．７２倍および２．３３倍に向上する。
【００８４】
本明細書の実施形態の説明は、例示および説明のために提供されたものである。網羅的であること、または開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は一般にその特定の実施形態に限定されず、適用可能であれば、交換可能であり、特に示されていないまたは記載されていなくても、選択された実施形態で用いられうる。同じこともまた、さまざまに変形されうる。そのような変形は、開示からの逸脱とみなされるべきではなく、そのような変更のすべては、本開示の範囲に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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