(57)【要約】【解決手段】光生成キャリアの再結合損失を緩和する光電池およびプロセスが提供される。再結合損失を低減するために、アクティブな太陽光発電（ＰＶ）素子の拡散ドーピング層が、金属コンタクトとアクティブなＰＶ素子との間の接触を低減する誘電材料のパターンでコーティングされている。様々なパターンを利用することができ、ＰＶ素子の１つまたは複数の表面が１つまたは複数の誘電体でコーティングされていてよい。垂直多重接合光電池は、パターニングされたＰＶ素子またはユニットセルで作製することができる。パターニングされたＰＶ素子によってＶＭＪ光電池の直列抵抗が上昇する可能性があり、ＰＶ素子の１つまたは複数の表面をパターニングすると、ＶＭＪ光電池を作製するのに使用されるプロセスがより複雑になるが、ＰＶ素子の拡散ドーピング層のキャリア損失が低減すると光電池の効率が向上する。【選択図】図２４
2012500474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体ベース太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic）素子のモノリシックスタックであって、前記複数の半導体ベースＰＶ素子の各素子がＰ型拡散ドーピング領域またはＮ型拡散ドーピング領域の少なくとも１つを含むモノリシックスタック（monolithic stack）と、
少なくとも１つの前記Ｐ型拡散ドーピング領域または前記Ｎ型拡散ドーピング領域上に堆積され、パターニングされた誘電体コーティングと、
前記複数の半導体ベースＰＶ素子の素子間の境界面における金属層と
を備える光電池。
【請求項２】
前記Ｐ型拡散ドーピング領域または前記Ｎ型拡散ドーピング領域の少なくとも１つは、１つまたはそれ以上の閉じ込められた領域（confined region）を含む、請求項１の光電池。
【請求項３】
パターニングされた誘電体コーティングは、誘電材料の、分離された領域（disconnected region）、または誘電材料の、結合された領域（connected region）の少なくとも１つを含む、請求項２の光電池。
【請求項４】
前記誘電材料の結合された領域は、誘電領域の周期的な格子またはほぼ周期的な格子（nearly-periodic lattice）の少なくとも１つを含む請求項３の光電池。
【請求項５】
前記誘電材料の分離された領域は、＜ｑｒｓ＞の結晶方向に対して第１の角度で配向されたストライプの組または＜ｑｒｓ＞の結晶方向から第２の角度で配向されたストライプの組の少なくとも１つを含み、ｑ、ｒ、およびｓはミラー指数である、請求項３の光電池。
【請求項６】
前記ストライプの組の少なくとも１つのストライプ密度は、前記複数の半導体ベースＰＶ素子が動作すると予期される放射強度によって少なくとも部分的に規定される、請求項５の光電池。
【請求項７】
前記ＰＶ素子における第１拡散ドーピング層は、誘電材料の第１パターンでコーティングされ、
前記ＰＶ素子における第２拡散ドーピング層は、誘電材料の第２パターンでコーティングされる、請求項５の光電池。
【請求項８】
前記誘電材料の第１パターンは、前記第１拡散ドーピング層の再結合損失メカニズムによって少なくとも部分的に決定される、請求項７の光電池。
【請求項９】
前記誘電材料の第２パターンは、前記第２拡散ドーピング層の再結合損失メカニズムによって少なくとも部分的に決定される、請求項８の光電池。
【請求項１０】
前記複数の半導体ベース太陽光発電（ＰＶ）素子の前記スタックは、太陽光に対して特定の結晶面を実質的に露出するように処理される、請求項１の光電池。
【請求項１１】
前記金属層は、前記太陽光発電素子の前記半導体材料の熱膨張係数とほぼ一致する熱膨張係数を有する、請求項１の光電池。
【請求項１２】
前記複数の半導体ベース太陽光発電（ＰＶ）素子によって供給される、エネルギー変換に際しての電流出力がほぼ一致する、請求項１の光電池。
【請求項１３】
前記複数の半導体ベースＰＶ素子の各素子は、Ｎ型半導体のプリカーサー（precursor）、Ｐ型半導体のプリカーサー、または真性半導体のプリカーサーの１つをドーピングすることによって形成される、請求項１の光電池。
【請求項１４】
前記モノリシックスタックの表面は、共振器（cavity）構造のパターンを有するテクスチャ加工された表面を含む、請求項１の光電池。
【請求項１５】
光生成キャリアの再結合損失を低減した光電池を製造する方法であって、前記方法は、
誘電体コーティングを有する太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic）素子の表面の組をパターニングすることと、
前記ＰＶ素子の前記パターニングされた表面の１つ以上の上にオーミックコンタクトを堆積することと、
オーミックコンタクトを有するパターニングされたＰＶ素子の組を積層して、垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi-junction）光電池を形成することと、
前記形成されたＶＭＪ光電池を、ＰＶデバイス内の配置を容易にするため、太陽光発電性能を最適化するため、またはそれらの組合せのために処理することと
を備える方法。
【請求項１６】
前記表面の組における１つまたはそれ以上の表面は、延在する領域（extended region）または閉じ込められた領域（confined region）にわたる拡散ドーピング層を含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記太陽光発電素子において、拡散ドーピングの閉じこめられた領域（confined regions）を生成するため、パターニングされた誘電体コーティングをマスクとして利用すること、
を更に備える請求項１５の方法。
【請求項１８】
前記オーミックコンタクトのための材料は、前記太陽光発電素子の熱膨張係数とほぼ一致する太陽光発電（ＰＶ）熱膨張係数を有する導電材料である、請求項１５の方法。
【請求項１９】
誘電体コーティングを有する太陽光発電（ＰＶ）素子の表面の組をパターニングすることは、前記ＰＶ素子の＜ｑｒｓ＞の結晶方向に対して第１の角度で配向されたストライプの組または前記ＰＶ素子の＜ｑｒｓ＞の結晶方向から第２の角度で配向されたストライプの組の少なくとも１つを堆積することを含み、ｑ、ｒ、およびｓはミラー指数である、請求項１５の方法。
【請求項２０】
前記ストライプの組の少なくとも１つのストライプ密度は、前記複数の半導体ベースＰＶ素子が動作すると予期される放射強度によって少なくとも部分的に規定される、請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記処理する動作は、（ｑｒｓ）の結晶面を太陽光に実質的に露出するように、前記形成されたＶＭＪ光電池をカット加工すること含み、ｑ、ｒ、およびｓはミラー指数である、請求項１５の方法。
【請求項２２】
前記ＶＭＪ光電池を形成する、オーミックコンタクトを有するパターニングされたＰＶ素子のスタックは、電流が一致する、請求項１５の方法。
【請求項２３】
誘電体コーティングを有する太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic）素子の表面の組をパターニングする手段と、
前記ＰＶ素子の前記パターニングされた表面の１つ以上の上に金属コンタクトを堆積する手段と、
金属コンタクトを有するパターニングされたＰＶ素子の組を積層して、垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi-junction）光電池を形成する手段と、
前記形成されたＶＭＪ光電池を、ＰＶデバイス内の配置を容易にするため、太陽光発電性能を最適化するため、またはそれらの組合せのために処理する手段と
を備える装置。
【請求項２４】
前記太陽光発電素子において、拡散ドーピングの閉じ込められた領域（confined region）を生成するため、パターニングされた誘電体コーティングをマスクとして利用する手段を更に備える、請求項２３の装置。
【請求項２５】
ＰＶ素子、誘電体コーティングを有するＰＶ素子、金属コンタクトを有するＰＶ素子、または形成されたＶＭＪ光電池の少なくとも１つを調査する手段を更に備える、請求項２４の装置。
【請求項２６】
積層方向に沿って積層された複数の一体接合されたセルユニット（integrally bonded cell units）を含む垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi junction）光電池と、
前記ＶＭＪのバルク（bulk）の再結合損失を緩和するためにテクスチャ加工された、光を受光するための前記ＶＭＪの表面と
を備える光電池。
【請求項２７】
実質的に反復する断面パターンを生成するために、前記積層方向は、前記テクスチャ加工された表面を横切る（cross sections）面に対して実質的に垂直である、請求項２６のＶＭＪ光電池。
【請求項２８】
基板は、ＰＮ接合の少数キャリア運動を促進する「ビルトイン（built-in）の」静電ドリフト電界を更に含む、請求項２６のＶＭＪ光電池。
【請求項２９】
ＶＭＪ電池を形成するために複数の活性層（active layer）を一体化して結合（integrally bonding）することと、
入射光を受光する前記ＶＭＪのテクスチャ加工された表面によって、前記ＶＭＪ電池におけるバルク（bulk）の損失を緩和することと
備えるＶＭＪの製造方法。
【請求項３０】
前記ＶＭＪ電池のＰＮ接合と平行な面で入射光を屈折させること
を更に備える請求項２９の方法。
【請求項３１】
光電池において波長に対するスペクトル応答を向上させる手段と、
前記光電池についてのバルク（bulk）の結合損失を緩和する手段と
を備える光電池。
【請求項３２】
それぞれがＰＮ接合を形成する複数の層を有する複数の一体接合されたセルユニット（integrally bonded cell units）を含む垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi junction）光電池と、
前記ＶＭＪ光電池に対して誘起された応力および歪みの少なくとも１つから、前記複数の層を保護するバッファゾーン（buffer zone）と
を備える光電池。
【請求項３３】
前記バッファゾーンは、セルユニットの最終層の表面上の縁形成（rim formation）として実装可能である、請求項３２の光電池。
【請求項３４】
前記バッファ層は、実質的に高濃度ドープされた低抵抗率シリコン層を含む、請求項３２の光電池。
【請求項３５】
ＶＭＪ電池を形成するため、複数の活性層（active layer）を一体化結合（integrally bonding）することと、
前記活性層を、バッファゾーンを介して、ＶＭＪ電池に対して誘起される応力、せん断、モーメント、およびねじりの少なくとも１つから保護することと
を備える、ＶＭＪ電池の活性層を保護する方法。
【請求項３６】
前記ＶＭＪ電池の最終層（end layers）の一部分として、実質的に低抵抗率を有するバッファゾーンを形成すること
を更に備える請求項３５の方法。
【請求項３７】
ユニットセルの外層（outer layers）間にオーミックコンタクトを組み込むこと
を更に備える請求項３５の方法。
【請求項３８】
垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi junction）光電池にＰＮ接合を形成する手段と、
前記ＶＭＪ光電池に対して誘起された応力または歪みから複数の活性層（active layer）を保護する手段と
を備える光電池。
【請求項３９】
それぞれがＰＮ接合を形成する複数の層を有する複数の一体接合されたセルユニット（integrally bonded cell units）を含む垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi junction）光電池と、
前記ＶＭＪ光電池によって生成された電流を受ける電解液と
を備え、前記電流が電解液を分解する、電解システム。
【請求項４０】
前記ＶＭＪ光電池は、溝付き表面を有する、請求項３９の電解システム。
【請求項４１】
ＶＭＪ電池を形成するために複数の活性層（active layer）を一体化して結合（integrally bonding）することと、
前記ＶＭＪ電池から、電解液を電解するための電流を生成することと
を備える、電解液を電解する方法。
【請求項４２】
熱調節アセンブリによって前記ＶＭＪ電池を冷却すること
を更に備える請求項４１の方法。
【請求項４３】
前記ＶＭＪ電池の表面上に複数の陽極および陰極を形成すること
を更に備える請求項４１の方法。
【請求項４４】
入射光によって電解液を分解する分解手段と、
前記分解手段を冷却する手段と
を備える電解システム。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本出願は、２００９年８月５日出願の“PHOTOVOLTAIC CELL WITH PATTERNED CONTACTS”と表題された米国特許出願番号第１２／５３５，９５２号の優先権を主張する２００８年８月１５日出願の“SOLAR CELL WITH PATTERNED CONTACTS”と表題された米国特許仮出願番号第６１／０８９，３８９号、２００８年８月１４日出願の“VERTICAL MULTIJUNCTION CELL WITH TEXTURED SURFACE”と表題された米国特許仮出願番号第６１／０８８，９２１号の優先権を主張する２００９年８月６日出願の“VERTICAL MULTI JUNCTION CELL WITH TEXTURED SURFACE”と表題された米国特許出願番号第１２／５３６，９８２号、２００８年８月１４日出願の“SOLAR CELL WITH BUFFER ZONE”と表題された米国特許仮出願番号第６１／０８８，９３６号の優先権を主張する２００９年８月６日出願の“PHOTOVOLTAIC CELL WITH BUFFER ZONE”と表題された米国特許出願番号第１２／５３６，９８７号、および２００８年８月２８日出願の“ELECTROLYSIS VIA VERTICAL MULTI-JUNCTION SOLAR CELL”と表題された米国特許仮出願番号第６１／０９２，５３１号の優先権を主張する２００９年８月６日出願の“ELECTROLYSIS VIA VERTICAL MULTI-JUNCTION PHOTOVOLTAIC CELL”と表題された米国特許出願番号第１２／５３６，９９２号の利益を主張する。上記で参照された出願の全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
化石エネルギー資源の供給の限界と増加する需要ならびに関連する地球規模の環境破壊が、様々な利用エネルギー資源および関連技術を多様化しようとする世界的な努力を駆り立てている。このような資源の１つに、光を電気に変換する太陽光発電（ＰＶ：photovoltaic）技術を使用する太陽エネルギーがある。また、太陽エネルギーは、（例えば太陽炉、蒸気発生器などにおいて）熱生成向けに活用することができる。ソーラー技術は、太陽光を受け取って電気に変換する一連のＰＶ電池もしくは太陽電池またはそれらのパネルで一般に実施され、この電気は、次に送電網へ送出することができる。太陽電池パネルの設計および製造で著しい進歩が成し遂げられており、太陽電池パネルの製造原価が低減する一方で効果的に効率が向上した。より高効率な太陽電池が開発されるのにつれて電池のサイズが縮小し、需要が大きい減少しつつある非再生可能ソースに対する競争力のある再生可能代替エネルギーを提供するのに使用される太陽電池パネルの現実性が増している。このために、太陽エネルギーを送電網に送出され得る電気に変換し、熱も採取するように、ソーラーコンセントレータのような太陽エネルギー収集システムを配置することができる。ソーラーコンセントレータ技術の開発に加えて、ソーラーコンセントレータへの利用を対象とする太陽電池の開発も実施されている。
【０００３】
垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi-junction）太陽電池と称される高強度太陽電池技術は、縁部照光型である小型の垂直接合ユニットセルを一体接合し直列接続したアレイであり、両端に電気接点を有するものである。この独特なＶＭＪ電池構造は、本質的に、高電圧で低直列抵抗の出力特性をもたらし、高強度太陽光発電コンセントレータにおける効率的な性能に理想的に適している。ＶＭＪ電池の別の重要な特徴に、製造原価を引き下げるその設計の簡易さがある。
【０００４】
ＶＭＪの有効性は、太陽強度１００から２５００の範囲（range of 100 to 2500 suns intensities）にわたる、４０個の直列接続の接合を有する実験用ＶＭＪ電池で得られた、２５ボルトで出力電力密度が４００，０００ワット／ｍ２を上回る２０％に近い効率の性能データによって証明され得る。ＶＭＪ太陽電池における前述の性能は、製造原価の低減および製造の低複雑度と共に達成されることを理解されたい。このような態様により、太陽光発電コンセントレータシステムは、世界的なエネルギー問題を解決するうえで、有意に、より費用対効果が大きく、より実現可能であり得るのに必要な、実現可能な技術的性能および経済効率にとってなくてはならない原動力であると考えられる。さらに、電池効率におけるあらゆる向上（例えば出力におけるより大きなワット数）によって、コンセントレータシステムのサイズが直接縮小する（例えば材料費に関連したコストが低減する）ことになり、ドル／ワットの太陽光発電コストが低減する。
【０００５】
従来の化石燃料コストが急上昇している一方で、世界的エネルギー需要が、新興国ばかりでなく先進国でも着実に増加しているので、ドル／ワットのコストの低減は、太陽電池技術の採用および市場浸透に実質的に関連することに留意されたい。また、広範囲の環境汚染、地球温暖化、および外国の燃料供給に対する依存と関連した国家安全保障および経済危難などのすべての関連する問題に関して懸念が高まっている。これらの、高まりつつある社会意識と結び付けて考えられる環境、経済および安全の要因は、より費用対効果が大きく、環境にやさしい再生可能エネルギーの解決策を見いだすことへの強い関心を駆り立てている。すべての利用可能な再生可能エネルギー資源のうちで、太陽エネルギーは、効率的で持続可能なやり方で需要を満たす、実質的に最も大きな可能性を有する。実際、地球は、人類が実質的にすべての他の資源から１年間にわたって消費することができるエネルギーより大きなエネルギーを、太陽光の形で数分毎に受け取っている。
【０００６】
たとえ太陽光発電が理想的な再生可能エネルギー技術として広く認められたとしても、その関連コストが、採用および市場浸透にとっての主要な障害になり得る。太陽光発電ベースの電力は、採用されて市場占有率を得るのに先立って、十分に開発され、消費者の間で採用され、実質的に費用対効果が大きい石炭火力電力を含む従来の電源に対して価格競争力を得る必要がある。さらに、低価格電力の利用は、すべての世界経済において必須であると考えられ、このため、テラワット（例えば数千ギガワット）の太陽光発電システムが必要になり得る。市場調査により、大規模な実用用途において助成金なしでコスト競争力を有するには、設置される太陽光発電システムが３ドル／ワット以下の規準コストに低下する必要があると示されている。設置される太陽光発電システムのコストが、現在６ドル／ワットを上回るので、依然として相当なコスト改善が必要である。
【０００７】
過去数十年間にわたって、より廉価なドル／ワット性能を達成する試みが、太陽光発電技術におけるほとんどの研究開発の主要な目的であった。産業界が、太陽光発電エネルギーの費用対効果をより大きくする目的で様々な技術を追及するのに数十億ドルを使っているにもかかわらず、既存の太陽光発電産業は、依然として販売を支援するための相当な助成金を必要としており、このことは、市場開発および産業発展に関して好ましくない状態の指標になり得る。
【０００８】
現在、１９６０年代に最初に発見されて開発されたときのものと実質的に同じままであるシリコン太陽電池が太陽光発電市場の約９３％を占めている。既存の太陽光発電産業は、従来型の太陽電池を製造するのに、コスト低減の努力において、低コストのスクラップグレードの半導体シリコンの有用性に極度に依存している。しばしばソーラーグレードシリコンと称されるこのようなスクラップグレードシリコンは、本来、ウェーハ製造から残されたインゴットの先頭および後部、ならびにより高品質の最上グレードのシリコンウェーハを必要とする半導体デバイス製造業者によって不合格にされた規格外材料であることに留意されたい。太陽光発電の販売は、過去十年間にわたって毎年約４０％の成長と急速に増加しており、２００７年に３．８ギガワット（ＧＷ）の生産量になると見積もられているが、現在、ソーラーグレードシリコンが不足し、また高価格であることにより、販売が妨げられている。最上グレードのシリコンも利用可能であるが、製造原価がさらに数倍増加することになるので選択肢と考えられない。
【０００９】
一般的な従来型の太陽電池については、製造原価の半分以上が太陽電池用ウェーハを作製するのに使用される未加工の半導体ポリシリコンである。その結果、一般的な効率１４％の太陽電池の定格は０．０１４Ｗ／ｃｍ２であり、あらゆる追加の製造に先んじてシリコンウェーハのコストで３ドル／ワット（すなわち０．０４２ドル／ｃｍ２）を上回っている。したがって、既存の太陽光発電産業は、シリコン材料の開始コストだけで大規模用途に必要な規準価格効用を上回るということに対処し、それを解決する必要がある。対照的な態様として、単位面積あたり１００ドル／ｃｍ２より高額で売れるマイクロプロセッサチップを作製する半導体製造業者は、最上グレードのシリコンウェーハの利用に伴うコストを受け入れる余裕がある。
【００１０】
ソーラーグレードシリコンの不足および太陽光発電産業が重要な規準コストを達成不可能であることが、宇宙空間用途向けに開発された新規のより効率的なトリプル接合太陽電池の出現と相まって、最近、太陽光発電コンセントレータにかなりの新たな関心を生み出している。太陽光発電コンセントレータの明白な利点は、高価な太陽電池のはるかに小さな領域上に日光を集中するのに、大面積の廉価な材料（ガラス反射鏡またはプラスチックレンズ）を使用し、したがって安い材料を使用して高価な材料を置換することからもたらされる費用効果の可能性である。太陽強度１０００の太陽光発電コンセントレータを設計することにより、高価な半導体シリコンの必要性を約９９．９％と著しく低減することになり、このことは、１ＭＷの従来型の太陽電池に現在必要とされる高価な半導体シリコンの同一量を使用して、１０００ＭＷのＶＭＪ電池が可能であることを意味する。実用上、これは、あらゆるシリコン不足問題を緩和するための実際的な手法と考えられる。
【００１１】
ソーラーコンセントレータの実質的な研究は、主として高強度向けの太陽電池シリコンコンセントレータ設計の開発に的が絞られており、かなりの製作品が１９７０年代のエネルギー危機の時代の間に開発されており、当時は、中程度から不十分なものまでの費用効果しかもたらさないことを示すものであった。当初は、太陽強度５００で動作するコンセントレータシステム用のシリコンセルを対象とする研究開発が行なわれたが、研究中の太陽電池の設計において直列抵抗の問題を克服しようとする際に、未解決の開発上の困難に遭遇したとき、この目標は太陽強度２５０に下げられた。例えば、コンセントレータ太陽電池における高い直列抵抗損失は、主要問題として十分に理解されており、従来型のＶＭＪ太陽電池技術は、それに対処して解決している。コンセントレータ技術向けに開発された太陽電池のかなりの部分は、６つまたは７つの高温ステップ（＞１０００℃）および６つまたは７つのフォトリソグラフィのマスキングステップを伴い、製造するのがかなり複雑でコストがかかることに留意されたい。この複雑さは、これらの設計の最善のものでも最大強度動作を太陽強度が高々２５０までに基本的に制限された直列抵抗損失を最小化する設計上の試みに起因するものであった。このような複雑さおよび関連するコストにより、コンセントレータ技術および関連する太陽電池技術の実質的な開発が妨げられ、薄膜太陽電池技術のような代替技術の開発が促進された。
【００１２】
垂直多重接合（ＶＭＪ）の太陽電池技術は、従来型のコンセントレータ太陽電池とは実質的に異なる。ＶＭＪ太陽電池技術は、他の技術に対して少なくとも以下の２つの利点をもたらす。（１）フォトリソグラフィを必要としない。（２）１０００℃を越える温度での単一の高温拡散ステップを、両方の接合を形成するのに使用することができる。したがって、より安い製造原価が得られる。また、ＶＭＪ太陽電池は、例えば太陽強度２５００といった高い強度で動作することができる。一般通念によれば経済的に実現可能でない程度であるとされる高い太陽強度でさえ、ＶＭＪ電池の設計において直列抵抗が問題にならないことは、このような動作から見てすぐにわかることである。また、太陽強度２５００でのＶＭＪユニットセル内の電流密度は一般に７０Ａ／ｃｍ２の近くであり、他の技術に基づくほとんどの太陽電池に対して実質的に有害になり得る放射レベルである。
【００１３】
前述のように、太陽光発電コンセントレータにおける新たな関心は、主としてガリウム（Ｇａ）、燐（Ｐ）、砒化物（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）を含むIII族〜Ｖ族の材料で作製されたトリプル接合太陽電池の開発によるものである。トリプル接合電池は、ゲルマニウムウェーハの上に、層になった２０から３０の別々の半導体を連続して使用することができ、これらは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）反応器内で成長されたＧａＩｎＰ２およびＧａＡｓのドープされた層であり、それぞれのタイプの半導体が、特定の色の日光を最も効率的に吸収するような特有のバンドギャップエネルギーを有する。これらの半導体層は、ほぼすべての太陽のスペクトルを吸収することによって、できるだけ多くの日光から電気を生成するように注意深く選択される。これらの多重接合デバイスは、適度の太陽光の集中および研究所の条件下で４０．７％という効率の最高記録に到達した、現在までの最も効果的な太陽電池である。しかし、これらの製造は高価なので、太陽光発電コンセントレータにおける用途を必要とする。
【００１４】
しかし、III族〜Ｖ族の太陽電池材料の需要およびコストは急速に上昇している。一例として、１２か月（２００６年１２月〜２００７年１２月）で、純粋なガリウムのコストは、１ｋｇ当たり約３５０ドルから１ｋｇ当たり６８０ドルに上昇し、ゲルマニウムの価格は、１ｋｇ当たり１０００ドル〜１２００ドルへ実質的に上昇した。２００２年に１ｋｇ当たり９４ドルであったインジウムの価格は、２００７年に１ｋｇ当たりほぼ１０００ドルへと上昇した。また、２００７年にいくつかの新規の会社によって開始された薄膜ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）太陽電池の大規模製造で、インジウムに対する需要が突出して上昇し続けている。さらに、インジウムは、液晶ディスプレイおよび大きなフラットパネルモニタ用のインジウムスズ酸化物の形で透明な電気的コーティングを形成するのに広く使用される希元素である。現実的に、これらの材料は、主要な世界的エネルギー問題を解決する際にテラワットの低コスト電力を供給するのに必要とされる太陽光発電（ＰＶ）の実現可能な長期的解決策とは思われない。
【００１５】
０．２６６８５ｃｍ２の面積のIII族〜Ｖ族の半導体太陽電池が２．６ワットすなわち約１０Ｗ／ｃｍ２の電力を生成することができ、このような技術は、結局８〜１０セント／ｋＷｈで電気を生成することができると推定されており、従来型電源からの電気の価格に実質的に類似であるが、このような評価を立証するためにさらなる分析が必要と思われる。しかし、ＶＭＪ太陽電池は、低コストの製造と共に最も廉価な半導体材料を使用して、太陽強度２５００で４０Ｗ／ｃｍ２を上回る出力電力を示した。（この出力電力は４００，０００Ｗ／ｍ２を上回る）。高性能材料に基づいた複雑なＰＶ技術に加えて、Ｓｉベースの太陽電池技術は、太陽光発電要素および用途において実質的に主要な技術であり続けている。さらに、世界的な必要性が生じた場合には、シリコンが、予測可能な将来の範囲内で広範な世界的用途に対してテラワットの太陽光発電を供給することができることになる既存の産業基盤を有する唯一の半導体材料である。
【発明の概要】
【００１６】
以下は、本明細書で説明されるいくつかの態様の基本的理解を提供するための簡易化した概要を示す。この概要は広範な概観ではなく、また、重要な要素／決定的な要素を識別したり、本明細書で説明される様々な態様の範囲を線引きしたりするようにも意図されていない。その唯一の目的は、後に示される、より詳細な説明に対して、いくつかの概念を前置きとして簡易化した形で提示することである。
【００１７】
本発明は、光生成キャリアの再結合損失を緩和する、半導体ベースの光電池およびプロセスを提供するものである。一態様では、再結合損失を低減するために、アクティブな太陽光発電要素の拡散ドーピング層が、金属コンタクトとアクティブなＰＶ素子との間の接触を低減する誘電材料のパターンでコーティングされている。様々なパターンを利用することができ、ＰＶ素子の１つまたは複数の表面が１つまたは複数の誘電体でコーティングされていてよい。垂直多重接合（ＶＭＪ）の太陽電池は、パターニングされたＰＶ素子またはユニットセルで作製することができる。パターニングされたＰＶ素子によってＶＭＪ太陽電池の直列抵抗が上昇する可能性があり、ＰＶ素子の１つまたは複数の表面をパターニングすると、ＶＭＪ太陽電池を作製するのに使用されるプロセスがより複雑になるが、拡散ドーピング層のキャリア損失が低減すると太陽電池の効率が向上し、したがって、製造がより複雑になることに勝るＰＶ動作の利点をもたらすことができる。半導体ベースのＰＶ電池の製造を可能にするシステムも提供される。
【００１８】
本明細書で説明される態様または特徴、および光生成キャリアの再結合損失の低減などの関連する利点は、太陽電池、熱光電池、またはレーザ源の光子で励起される電池などのあらゆるクラスの光電池で活用することができる。さらに、この本発明は、ベータボルタ電池など他のクラスのエネルギー変換電池で実施することができる。
【００１９】
本発明は、光を受け取る表面上のテクスチャリングによって垂直多重接合（ＶＭＪ）電池における大部分の再結合損失を緩和する。テクスチャは、「Ｖ」字形断面構成、「Ｕ」字形断面構成などの共振器（cavity）の形をした溝の形式であってもよく、このような断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。一態様では、実質的に反復する断面（例えば溝が延在する方向を切断する面）を含む面は、ユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。このような機構により、屈折した光をｐ＋およびｎ＋のＶＭＪの拡散ドープ領域から遠ざかる方向に導くのが容易になり、同時に、低減したボリューム（体積：volume）で所望のキャリアを生成する。したがって、入射光は、この断面構成を含む、ユニットセルが積層された方向に対して実質的に垂直な面で屈折され得る。
【００２０】
本発明のＶＭＪ用テクスチャリングは、従来型シリコン光電池のテクスチャのための従来技術とは異なることを理解されたい（どちらもＰＮ接合の方向および／または入射光との相互作用に関するものである）。例えば、従来型のシリコン光電池は、一般に、キャリアの電流をよりよく収集するために、より長い波長の光をＰＮ接合（水平に配置されている）のより近くでより多く吸収するように、光の侵入を傾けるためにテクスチャ加工され、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対してスペクトル応答が不十分であることを緩和する。それと対照的に、垂直接合を含み、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対して改善されたスペクトル応答を既にもたらしている本発明のＶＭＪでは、このようなことは不要である。
【００２１】
具体的な態様では、本発明の溝（例えばＶ字型溝）を実施することの成果は、（反射を低減する、あるいは反射または屈折された光を接合により近づけるテクスチャリングを有する従来型太陽電池の表面とは反対に）バルク（bulk）の体積を低減することにより、バルクの再結合損失を緩和することである。具体的には、ＶＭＪ電池は、短波長の光および長波長の光の両方に対してよりよいキャリア電流収集を示し、短波長の光に対する応答は、上面で高濃度ドープされた水平の接合を除去することによるものであり、長波長の光に対する応答は、垂直の接合の改善された収集効率によるものである。別の例として、本発明の共振器（cavity）の形をした溝付きテクスチャの代わりに、例えばランダム、ピラミッド、ドームおよび類似の突起した構成である他のテクスチャをＶＭＪの一部分として実施した場合には、入射光が全方向に屈折されてｐ＋およびｎ＋の拡散領域で光が吸収され、したがって効率が低下する。
【００２２】
関連した方法によれば、最初に複数のセルユニットを積み重ねることによりＶＭＪを形成することができ、各セルが、それ自体で、互いに積層された複数の平行な半導体の基板または層を含むことができる。各層が、不純物でドープされてＰＮ接合を形成する半導体材料からなることができ、このようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトイン（built-in）の」静電ドリフト電界をさらに含む。後に、複数のこのようなセルユニットが一体化されてＶＭＪを形成する。次に、光を受け取るＶＭＪ電池の表面上に（例えばダイシングソーによって）共振器の形をした溝を形成することができ、断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。したがって、入射光は、反復する断面構成を含む、ユニットセルが積み重なる方向に対して実質的に垂直な面で屈折することができる（例えば、その関係で、所与の深さに対してより高い吸収をもたらす）。さらに、反射コーティングを有する様々な背面および側面を、本発明の様々な態様と共に実施することができる。
【００２３】
関連した態様では、本発明の溝付き表面は、キャリア収集をさらに改善する一方で大部分の再結合損失を低減する。例えば、Ｖ字型溝は、太陽のスペクトル中のより長い波長の光の吸収経路を増大し、また、光吸収が、ｐ＋ｎｎ＋ユニットセルのｎ型の大部分の領域内に実質的に閉じ込められ得るように、ｐ＋ｎｎ＋（またはｎ＋ｐｐ＋）ユニットセルに対して垂直に配置することができる。さらに、このようなＶ字型溝は、セルへの入射光吸収を改善するように与えられた反射防止コーティングを有することができる。
【００２４】
関連した態様では、本発明は、光を受け取る表面上のテクスチャリングによって垂直多重接合（ＶＭＪ）電池における大部分の再結合損失を緩和する。テクスチャは、「Ｖ」字形断面構成、「Ｕ」字形断面構成などの共振器の形をした溝の形式であってもよく、このような断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。一態様では、実質的に反復する断面（例えば溝が延在する方向を切断する面）を含む面は、ユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。このような機構により、屈折した光をｐ＋およびｎ＋のＶＭＪの拡散ドープ領域から遠ざかる方向に導くのが容易になり、同時に、低減したボリュームで所望のキャリアを生成する。したがって、入射光は、この断面構成を含む、ユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直な面で屈折され得る。
【００２５】
本発明のＶＭＪ用テクスチャリングは、従来型シリコン光電池のテクスチャのための従来技術とは異なることを理解されたい（どちらもＰＮ接合の方向および／または入射光との相互作用に関するものである）。例えば、従来型のシリコン光電池は、一般に、キャリアの電流をよりよく収集するために、より長い波長の光をＰＮ接合（水平に配置されている）のより近くでより多く吸収するように、光の侵入を傾けるためにテクスチャ加工され、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対してスペクトル応答が不十分であることを緩和する。それと対照的に、垂直接合を含み、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対して改善されたスペクトル応答を既にもたらしている本発明のＶＭＪでは、このようなことは不要である。
【００２６】
具体的な態様では、本発明の溝（例えばＶ字型溝）を実施することの成果は、（反射を低減する、あるいは反射または屈折された光を接合により近づけるテクスチャリングを有する従来型太陽電池の表面とは反対に）バルクの体積を低減することにより、バルクの再結合損失を緩和することである。具体的には、ＶＭＪ電池は、短波長の光および長波長の光の両方に対してよりよいキャリア電流収集を示し、短波長の光に対する応答は、頂面で高濃度ドープされた水平の接合を除去することによるものであり、長波長の光に対する応答は、垂直の接合の改善された収集効率によるものである。別の例として、本発明の共振器の形をした溝付きテクスチャの代わりに、例えばランダム、ピラミッド、ドームおよび類似の突起した構成である他のテクスチャをＶＭＪの一部分として実施した場合には、入射光が全方向に屈折されてｐ＋およびｎ＋の拡散領域で光が吸収され、したがって効率が低下する。
【００２７】
関連した方法によれば、最初に複数のセルユニットを積層することによりＶＭＪを形成することができ、各セルが、それ自体で、互いに積層された複数の平行な半導体の基板または層を含むことができる。各層が、不純物でドープされてＰＮ接合を形成する半導体材料からなることができ、このようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトインの」静電ドリフト電界をさらに含む。後に、複数のこのようなセルユニットが一体化されてＶＭＪを形成する。次に、光を受け取るＶＭＪ電池の表面上に（例えばダイシングソーによって）共振器の形をした溝を形成することができ、断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。したがって、入射光は、反復する断面構成を含む、ユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直な面で屈折することができる（例えば、その関係で、所与の深さに対してより高い吸収をもたらす）。さらに、反射コーティングを有する様々な背面および側面を、本発明の様々な態様と共に実施することができる。
【００２８】
関連した態様では、本発明の溝付き表面は、キャリア収集をさらに改善する一方でバルクの再結合損失を低減する。例えば、Ｖ字型溝は、太陽のスペクトル中のより長い波長の光の吸収経路を増大し、また、光吸収が、ｐ＋ｎｎ＋ユニットセルのｎ型の大部分の領域内に実質的に閉じ込められ得るように、ｐ＋ｎｎ＋（またはｎ＋ｐｐ＋）ユニットセルに対して垂直に配置することができる。さらに、このようなＶ字型溝は、セルへの入射光吸収を改善するように与えられた反射防止コーティングを有することができる。
【００２９】
別の態様では、本発明は、高電圧シリコンの垂直多重接合（ＶＭＪ）光電池の最終層にバッファゾーンを与え、活性層を保護する一方でオーミックコンタクトをもたらす障壁を設ける。このようなバッファゾーンは、ＶＭＪ電池の最終層の上および／または下に付加的に積層された不活性の層の機構の形であり得る。ＶＭＪ電池は、それ自体が複数のセルユニットを含むことができ、各セルユニットは、いくつかの（例えば３つの）活性層を使用してＰＮ接合および「ビルトインの」静電ドリフト電界（これがＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する）を形成する。
【００３０】
そのため、ＶＭＪ電池の両端に（その電池ユニットの一部分として）配置されたｎｎ＋および／またはｐ＋ｎ接合などの様々な活性層を、有害な形態の応力および／またはひずみ（例えば熱的／機械的圧縮、ねじり、モーメント、せん断など、ＶＭＪの製造および／または動作の期間中に誘起され得るもの）から保護することができる。さらに、バッファゾーンは、動作状態で光電池内の実質的な直列抵抗損失に寄与しないように、金属または半導体のいずれかにより、実質的に低抵抗率のオーミックコンタクトを有する材料によって形成することができる。例えば、バッファゾーンは、ｐ型にドープされた低抵抗率のシリコンウェーハを使用することによって形成することができ、その結果、ＶＭＪ光電池の製造においてアルミニウム合金などの他のｐ型ドーパントを用いるとき、このバッファゾーンは、目的が実質的に低抵抗率のオーミックコンタクトを生成することであるとき、（望ましくないｐｎ接合を生成する恐れがあるｎ型ウェーハの使用とは対照的に）自己ドーピング（auto-doping）のリスクを緩和することになる。本発明は、太陽電池または熱光電電池など任意のクラスの光電池の一部分として実施可能であることを理解されたい。さらに、本発明の態様は、ベータボルタ電池など他のクラスのエネルギー変換電池で実施することができる。
【００３１】
関連した態様では、バッファゾーンは、セルユニットの最終層の表面上の周縁の形であってもよく、これは、このような活性層に対する保護境界として働くことができ、さらにはＶＭＪ電池の取扱いおよび搬送を容易にするための枠をつける。同様に、ＶＭＪ電池に対して安全な取手を与えることにより、このような周縁の形成は、反射防止コーティングと関係する動作を容易化する（例えば、コーティングの上に電池を機械的にクランプすることなどにより動作の期間中確実に保持するとき、コーティングを均一に与えることができる）。さらに、バッファゾーン（例えばＶＭＪの最後に配置された不活性層）は、堆積中に他のバッファゾーンに隣接させて物理的に配置することができ、したがって、接触面の下へ偶然侵入するいかなる望ましくない誘電体コーティング材料も、アクティブなユニットセルを損傷することなく容易に除去することができる。バッファゾーンは、実質的に低抵抗率であって高濃度ドープされたシリコン（例えば約０．００８インチの厚さ）から形成することができる。このようなバッファゾーンは、後に、ＶＭＪ電池を光電池のアレイの中の別のＶＭＪ電池から分割するかまたは分離する導電性リードと接触させることができる。
【００３２】
さらなる態様によれば、バッファゾーンは、電気コンタクトとＶＭＪ電池の活性層との間に挟むことができる。さらに、このようなバッファゾーンは、活性層の熱膨張特性と実質的に一致する熱膨張特性を有することができ、したがって性能劣化を緩和する（例えば、製造におけるリードの溶接またははんだ付けのときに生じる応力／ひずみを緩和する）。例えば、すべてのアクティブなユニットセルの熱膨張係数（３×１０−６／℃）と一致する、高濃度ドープされた低抵抗率のシリコン層を使用することができる。したがって、アクティブなユニットセルに対して実質的に強いオーミックコンタクトを与えることができ、これが、溶接／はんだ付けおよび／または接触材料における熱膨張係数の不適切な組合せから引き起こされる応力の問題をさらに緩和する。他の実施例には、アクティブなシリコン（３×１０−６／℃）のｐ＋ｎｎ＋ユニットセルに対して実質的に類似の熱膨張係数に選択されたタングステン（４．５×１０−６／℃）またはモリブデン（５．３×１０−６／℃）などの金属層を導入することが含まれる。バッファゾーンの低抵抗率シリコン層の外層またはアクティブなユニットセルの合金になる電極の金属層に適用されるメタライゼーションは、高強度の太陽電池または光電池に対して有害な応力を導入することなく溶接するかまたははんだ付けすることができ、このような外層は、他のユニットセルと直列のユニットセルのセグメントではなくオーミックコンタクトとして働く。
【００３３】
本発明の様々な態様は、バッファゾーンの関連する結晶面の方位のミラー指数（１１１）を有するウェーハの一部分として実施することができ、これらは、アクティブなＶＭＪユニットセルを作製するのに一般に用いられる結晶方位シリコン（１００）より、機械的に強く、エッチングが遅いと考えられる。したがって、低抵抗率のシリコン層は、アクティブなユニットセルとは異なる結晶方位を有することができ、このような代替方位を使用することにより、改善された機械的強度／最終コンタクトを有するデバイスがもたらされる。換言すれば、配向された不活性の最終層（１１１）と比較して、配向されたユニットセル（１００）の縁部が一般により早くエッチングされ、このような結晶方位を有するアクティブなユニットセルの隅部が本質的に丸くなり、したがって、最終コンタクトを溶接する、または他の方法で接続するためのより高い機械的強度を有するより安定したデバイス構造がもたらされる。
【００３４】
関連した態様では、本発明は、垂直多重接合（ＶＭＪ）光電池を使用して、入射光および電解用に発生した電流によって、化合物（例えば水）の電解（例えば水素および酸素の生成）をもたらす。このようなＶＭＪは、電解液に接触する複数のセルユニットを含み、各セルユニットは、いくつかの（例えば３つの）活性層を使用してＰＮ接合および「ビルトインの」静電ドリフト電界（これがＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する）を形成する。ＶＭＪは、ガラスまたはプラスチックなどの透明なハウジングの一部分として、部分的に、または完全に水／電解液の中に浸漬することができ、このようなＶＭＪに光が当たるとき、複数の電解電極（陽極／陰極）がＶＭＪを通じて形成され得る。このような電解電極間に流れる電流は、水を通って流れ、電解の閾値電圧に到達している場合は常に、水を水素と酸素に分解する。一般に、このような分解の閾値電圧は、水を分割して水素および酸素を生成するために、１．１８ボルトから１．６ボルトの範囲内にある。複数のセルユニットを積層する（例えば複数のセルを直列接続する）ことにより、高電圧に到達することができることを理解されたい。また、水素および酸素の発生効率を向上し、高い電極電位および電解質溶液によって引き起こされる半導体腐食を低減するのに触媒添加物をさらに使用することができる。さらに、電解液は、ＶＭＪ電池を形成する積層（例えばイリジウムで作製されたイリジウムベースの材料、その二元合金、またはその酸化物）に悪影響を及ぼさない任意の溶液で形成することができる。
【００３５】
関連した態様では、ＶＭＪは、水／電解液に部分的にまたは完全に浸漬され、またＶＭＪ電池のシリコンの上に突出する突起した金属領域（例えばＶＭＪ電極）を含むことができ、水および電解液との接触面積が増大して水素製造が増強される。このような突出部は、例えば数ミリメートルであり得る。さらなる態様によれば、水素の形成を強化するために、ＶＭＪ電池の製造期間中、プラチナ、ＲｕＯ２、またはチタンなどの電気触媒材料の実質的に薄い層をメタライゼーションに組み込むことができる。さらに、メタライゼーションのｎ＋のマイナス（−）側がｐ＋のプラス（＋）側と異なり得るので、電気コンタクト材料を選択する際にかなり融通性がある。当業者なら、水素製造を増強し、安定していて、ＶＭＪ電池製造に適合する触媒材料を容易に選択することができることを理解されたい。さらに、電解電極に付着したままの生成された酸素または水素の気泡を解放するのに超音波ユニットを使用することができる。電解液の流れは、このような形成された気泡を除去することもできることを理解されたい。
【００３６】
関連した方法によれば、ＶＭＪを含む容器の中に電解質溶液が導入され、ＶＭＪは、完全に、または実質的に浸漬される。次いで、このようなシステムは入射光にさらされ、ＶＭＪから生成された電流が流れる。ＶＭＪ上の入射光は電解質溶液を通じて電流を生成することができ、水の分解のための閾値に到達するかまたは同閾値を上回る（例えば約１．６ボルト）あらゆる位置で水の電気分解が行なわれる。例えば、各ユニットセルの両端に０．６ボルトの電圧を生成することができ（例えば太陽強度１０００向けに）、第１のユニットセルの領域と第３のユニットセルの領域との間で電解が行なわれ得る。したがって、生成された酸素および水素のガスを収集するための様々な収集機構（例えば膜、網目プレートなど）を、電圧が水電解の閾値（例えば約１．６ボルト）を超えて水の分解が予期される諸領域の間に配置することができる。このような収集機構は、生成された酸素および水素のガスを収集するように、電解液の流れの下流に配置することもできることを理解されたい。
【００３７】
前述の目的および関連した目的を達成するために、具体的な例示的態様が、以下の説明および添付図と共に本明細書で説明される。これらの態様は、実施することができる様々なやり方を示しており、それらのすべてが本明細書に対象として含まれるように意図されている。他の利点および斬新な特徴は、図と共に検討されたとき以下の詳細な説明から明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一態様による垂直多重接合（ＶＭＪ）電池の一部分としてテクスチャ加工されているかまたは溝付きである表面を示す概略斜視図。
【図２】本発明の溝を実施するための例示的断面を示す図。
【図３】本発明の一態様による溝付き表面を有するＶＭＪを形成するためのセルユニットの例示的な積層を示す図。
【図４】本発明の一態様によって部分的にＶＭＪを形成する特定のユニットセルを示す図。
【図５】本発明の一態様によってバルクの再結合損失を緩和するための溝付き表面を有するＶＭＪを作製する関連した方法を示す図。
【図６】本発明の一態様による垂直多重接合（ＶＭＪ）電池の一部分としてのバッファゾーンの配置を示す概略ブロック図。
【図７】そのアレイが、本発明の特定の態様によるＶＭＪ電池を形成することができるユニットセルの特定の態様を示す図。
【図８】ＶＭＪの両端に配置されたユニットセルの表面上における周縁形成の形式のバッファゾーンの例示的断面を示す図。
【図９】高電圧シリコン垂直多重接合（ＶＭＪ）光電池の最終層において、その活性層を保護する障壁を設けるためにバッファゾーンを使用する関連した方法を示す図。
【図１０】バッファゾーンを有するＶＭＪを実施することができる光（ＰＶ）電池のモジュール式機構を含む太陽電池組立体を示す概略断面図。
【図１１】本発明の一態様による水電解用の垂直多重接合（ＶＭＪ）電池を使用する電解システムを示す概略ブロック図。
【図１２】電解プロセスを促進することができるＶＭＪの表面からの金属層の突出部を示す図。
【図１３】ＶＭＪおよびその一部分としての積層型電池の全体にわたる電圧勾配を示す図。
【図１４】本発明の一態様によるＶＭＪによる水電解の方法を示す図。
【図１５】本発明の電解向けに使用することができるＶＭＪ電池を示す図。
【図１６】本発明の電解用のＶＭＪを複数で形成するセルユニットの１つを示す図。
【図１７】電解プロセスの効率を改善するように溝付き表面を有するＶＭＪ電池を示す図。
【図１８】本発明の一態様によって電解に使用されるＶＭＪの表面用の例示的溝を示す図。
【図１９Ａ】本出願で開示された態様によるＰＶ素子のパターニングされた表面の構成例の図。
【図１９Ｂ】本出願で開示された態様によるＰＶ素子のパターニングされた表面の構成例の図。
【図１９Ｃ】本明細書で説明された態様によるドーピングによって作製することができるプリカーサーおよび導出されたＰＶ素子の組の実施例を示す図。
【図２０Ａ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２０Ｂ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２０Ｃ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２０Ｄ】特定の結晶表面を露出するように処理されたＶＭＪのＰＶ電池を示す図。
【図２１Ａ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２１Ｂ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２１Ｃ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例および例示的ＶＭＪスタックを示す図。
【図２２】本明細書で説明された態様による縮小された拡散ドーピング層を有するアクティブなＰＶ素子のパターン付き誘電体コーティングの構成例を示す図。
【図２３Ａ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例を示す図。
【図２３Ｂ】本明細書で説明された態様によるＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの構成例を示す図。
【図２４】本明細書で説明された態様によるテクスチャ加工された表面を有する光電池の一実施形態を示す斜視図。
【図２５】本明細書で開示された態様によってキャリア再結合損失が低減される光電池を作製する方法の一実施例の流れ図。
【図２６】本明細書で説明された態様によってキャリア再結合損失が低減されるＶＭＪ太陽電池を作製する方法の一実施例を示す流れ図。
【図２７】本明細書に説明された態様による太陽電池の製造を可能にするシステムの一実施例のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
次に、本発明が図を参照しながら説明され、全体にわたって、同じ参照数字は同じ要素を参照するのに用いられる。以下の説明では、説明の目的で、本発明の十分な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が示される。しかし、本発明が、これらの具体的な詳細なしで実行され得ることは明白であり得る。他の例では、本発明の説明を容易にするために周知の構造体およびデバイスがブロック図の形で示される。
【００４０】
本発明の説明、添付の特許請求の範囲、または図において、用語「または」は、排他的な「または」ではなく包括的な「または」を意味するように意図されている。すなわち、別段の指定がない限りまたは文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを使用する」は、ありのままの包括的な置換を意味するように意図されている。すなわち、ＸはＡを使用する、ＸはＢを使用する、あるいは、ＸはＡおよびＢの両方を使用する、といった場合、「ＸはＡまたはＢを使用する」は、前述のあらゆる例の下で満足される。さらに、本明細書および添付図で用いられる冠詞「ａ」および「ａｎ」は、別段の指定がない限りまたは単数形態に導かれることが文脈から明らかでない限り、一般に「１つまたは複数の」を意味するものと解釈されたい。
【００４１】
さらに、本明細書で説明された光電池（photovoltaic cell）の一部分である不純物をドープした材料の用語に関して、ドナー不純物を用いるドーピングについては、用語「ｎ型」と「Ｎ型」は互換性があるように用いられ、用語「ｎ＋型」と「Ｎ＋型」についても同様である。アクセプタ不純物を用いるドーピングに関して、用語「ｐ型」と「Ｐ型」は、やはり互換性があるように利用され、用語「ｐ＋型」と「Ｐ＋型」についても同様である。理解しやすいように、ドーピングの型は、例えばｎ型がＮとラベルを付けられ、ｐ＋型がＰ＋として示されるなど、短縮されて現れることもある。多層の太陽光発電素子またはユニットセルは、１組の文字としてラベルを付けられ、そのそれぞれが層のドーピングの型を示しており、例えば、ｐ型／ｎ型接合はＰＮとラベルを付けられ、一方、ｐ＋型／ｎ型／ｎ＋型接合は、Ｐ＋ＮＮ＋で示され、他の接合の組合せのラベル付けも、この表記を忠実に守る。
【００４２】
図１は、本発明の一態様による垂直多重接合（ＶＭＪ：vertical multi junction）電池（cell）１２０の一部分としての溝付き表面１００を示す概略斜視図である。テクスチャリング（texturing）１００のこのような機構によって、屈折した光は、ｐ＋およびｎ＋の拡散されたドープ領域から遠ざかるように方向付けられる一方で、同時に所望のキャリアを生成することができる。したがって、入射光は、法線ベクトルｎを有する面１１０で屈折され得る。このような面１１０は、ＶＭＪ１２０のＰＮ接合面と平行であって溝１００の断面構成を含むことができる。さらに、電池における入射光の吸収が増加するように、テクスチャリングされた表面１００に対して反射防止コーティングを与えることができる。換言すれば、面１１０の方位は、ユニットセル１１１、１１３、１１５が積層する方向に対して実質的に垂直である。他の非垂直の方位（例えば結晶面が様々な角度で露出されるもの）も企図することができ、すべてのこのような態様は、本発明の範囲内と見なされるべきであることを理解されたい。
【００４３】
図２は、光を受け取るＶＭＪの表面に溝を彫るための例示的テクスチャを示す。このような溝は、例えば様々な角度（例えば０°＜  ＜１８０°）を有する「Ｖ」字形断面構成、「Ｕ」字形断面構成など、共振器（cavity）形状の溝を形成し、断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直であり、かつ／またはＶＭＪのＰＮ接合に対して実質的に平行である。本発明のＶＭＪ用のテクスチャリング２１０、２２０、２３０は、ＰＮ接合の方位および／または入射光との相互作用において従来型シリコン光電池のテクスチャ用の従来技術とは異なることを理解されたい。例えば、従来型シリコン光電池は、一般に光の侵入を傾斜（incline）させるようにテクスチャリングされ、その結果、キャリア電流をよりよく収集するために、より長い波長の光がＰＮ接合（水平に配置されている）のより近くでより多く吸収され、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対してスペクトル応答が不十分であることを緩和する。それと対照的に、垂直接合を含み、太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対して改善されたスペクトル応答を既にもたらしている本発明のＶＭＪでは、このようなことは不要である。
【００４４】
むしろ、本発明の溝（例えばＶ字型溝）を実施するための一態様は、（反射が低減するか、あるいは反射光または屈折光が接合により近づくテクスチャリングを有する従来型の太陽電池の表面とは反対に）バルクの体積（bulk volume）を低減することによりバルクの再結合損失を緩和する。具体的には、ＶＭＪ電池は、短波長の光および長波長の光の両方に対してより優れたキャリア電流収集を示しており、短波長の光に対する応答は、上面（top surface）において、高濃度ドープされた水平接合を除去することによるものであり、長波長の光に対する応答は、垂直接合の収集効率を強化したことによるものである。別の例として、本発明の共振器の形をした溝付きテクスチャの代わりに、例えばランダム、ピラミッド、ドームおよび類似の突起した構成である他のテクスチャをＶＭＪの一部分として実施した場合には、入射光が全方向に屈折されてｐ＋およびｎ＋の拡散領域で光が吸収され、したがって効率が低下する。このような「Ｕ」字形に形成された溝および「Ｖ」字形に形成された溝は本来例示であり、他の構成が申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００４５】
図３は、本発明の一態様による面３４５の溝付きテクスチャを実施することができるユニットセル（unit cell）３１１、３１３、３１７の機構を示す。以前に説明したように、ＶＭＪ３１５は、それ自体が複数（１からｋ、ｋは整数）の一体接合されたセルユニット３１１、３１３、３１７から形成され、各セルユニット自体が、積層型の基板または層から形成される（図示せず）。例えば、各セルユニット３１１は、不純物をドープされた半導体材料からなる互いに積層された複数の平行な半導体基板を含むことができ、同材料は、ＰＮ接合およびこのようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトイン（built-in）の」静電ドリフト電界を形成する。様々なＮ＋型およびＰ型のドーピング層の形成は、セルユニットの一部分として実施することができ、このような機構は申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００４６】
したがって、光を受け取る表面３４５上のテクスチャにより、屈折光が、ｐ＋およびｎ＋の拡散されたドープ領域から遠ざかるように方向付けられるのと同時に所望のキャリアを生成するのが容易になる。したがって、入射光は、断面構成を含む、ユニットセルが積み重なる方向に対して実質的に垂直（例えばベクトルｎに対して垂直）な面で屈折され得る。
【００４７】
図４は、そのアレイが、本発明のテクスチャ加工された溝を有するＶＭＪ電池を形成することができるユニットセルの具体的な態様を示している。ユニットセル４００は、実質的に平行な配置で互いに積層された層４１１、４１３、４１５を含む。このような層４１１、４１３、４１５は、不純物をドープされた半導体材料をさらに含むことができ、層４１３は一方の導電タイプであり、層４１１は反対方向の導電タイプであって、交点４１２でＰＮ接合を画定する。同様に、層４１５は、層４１３と同じ導電タイプではあるが実質的により高い不純物濃度を有することができ、したがってＰＮ接合４１２に向かう少数キャリアの運動を強化する組込みの静電ドリフト電界を生成する。このようなユニットセルは、ＶＭＪを形成するように互いに一体接合することができ、表面は、本発明の様々な態様による溝を彫られる。
【００４８】
さらなる態様によれば、複数のセル４００からＶＭＪを製作するために、最初に、約０．００８インチの厚さを有する高抵抗率の（例えば１００Ωｃｍを上回る）Ｎ型（またはＰ型）シリコンの平坦なウェーハの中に、約３μｍから１０μｍの深さで同一のＰＮＮ＋（またはＮＰＰ＋）接合を形成することができる。続いて、このようなＰＮＮ＋ウェーハが、その間に挟まれたアルミニウムの薄い層と一緒に積み重ねられ、各ウェーハのＰＮＮ＋接合および結晶方位は同一の方向に配向することができる。さらに、アルミニウム−シリコン共晶合金（eutectic alloy）、あるいはモリブデンまたはタングステンなどの実質的にシリコンの熱係数と一致する熱係数を有する金属を使用することができる。次に、シリコンウェーハとアルミニウムの境界面は、積層された組立体が互いに結合され得るように一緒に合金になることができる。実質的に低い抵抗率を有するバッファゾーン（buffer zone）を、ＶＭＪ電池の最終層の上および／または下に付加的に積み重ねられた不活性層の機構の形で与えることもでき、したがって、有害な形態の応力および／またはひずみ（例えばＶＭＪの製造および／または動作の間、その中で誘起される可能性がある熱的／機械的な圧縮、ねじり、モーメント、せん断など）から活性層を保護する障壁が実施される。次いで、以前に詳細に説明されたように、このようなセルの表面は、バルクの再結合損失を緩和するように溝を彫ることができる。ゲルマニウムおよびチタンなど他の材料も使用することができることを理解されたい。同様に、アルミニウム−シリコン共晶合金も使用することができる。
【００４９】
図５は、光を受け取るＶＭＪの表面に溝を彫る、関連した方法５００を示す。例示的方法が、様々な事象および／または行為を表す一連のブロックとして本明細書で図示して説明されるが、本発明が、このようなブロックの示された順序付けによって限定されることはない。例えば、いくつかの行為または事象は、本発明によって本明細書に示された順序付けから離れて、他の行為または事象に対して異なる順序で、かつ／または同時に生じることがある。また、本発明による方法を実施するのに、すべての示されたブロック、事象または行為が必要とされるとは限らない可能性がある。さらに、本発明による例示的方法および他の方法は、本明細書で図示して説明される方法、ならびに図示または説明がなされない他のシステムおよび装置と関連して実施され得ることが理解されよう。
【００５０】
最初に、５１０で、以前に詳細に説明されたように、ＰＮ接合を有する複数のセルユニットが形成される。以前に説明されたように、各セルユニットが、それ自体で、互いに積層された複数の平行な半導体の基板または層を含むことができる。各層が、不純物でドープされてＰＮ接合を形成する半導体材料からなることができ、このようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトインの」静電ドリフト電界をさらに含む。続いて、５２０で、複数のこのようなセルユニットが一体化されてＶＭＪを形成し、このような電池の（例えば製造の期間中、電池上に誘起される応力／ひずみに対する）保護として、バッファゾーンを実施することができる。次に、５３０で、光を受け取るＶＭＪ電池の表面上に、（例えばダイシングソーによって）共振器（cavity）の形をした溝を形成することができ、この断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直である。続いて、５４０で、入射光は、この断面構成を含む（かつ／またはＰＮ接合に対して平行である）ユニットセルが積層する方向に対して実質的に垂直な面で、屈折され得る。
【００５１】
図６は、本発明の一態様による垂直多重接合（ＶＭＪ）電池の一部分としてのバッファゾーン用の機構の概略ブロック図である。ＶＭＪ６１５は、それ自体が複数（１からｎ、ｎは整数）の一体接合されたセルユニット６１１、６１７から形成され、各セルユニット自体が、積層型の基板または層から形成される（図示せず）。例えば、各セルユニット６１１、６１７は、不純物をドープされた半導体材料からなる互いに積層された複数の平行な半導体基板を含むことができ、同材料は、ＰＮ接合およびこのようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトインの」静電ドリフト電界を形成する。したがって、ＶＭＪ電池６１５の両端に（そのセルユニットの一部分として）配置されたｎｎ＋および／またはｐ＋ｎ接合、あるいはｐｐ＋および／またはｐｎ＋接合などの様々な活性層を、有害な形態の応力および／またはひずみ（例えば熱的／機械的圧縮、ねじり、モーメント、せん断など、ＶＭＪの製造および／または動作の期間中に誘起され得るもの）から保護することができる。
【００５２】
さらに、バッファゾーン６１０、６１２のそれぞれが、実質的に低抵抗率のオーミックコンタクト（例えば上限が約０．５Ωｃｍ未満の任意の範囲）を有する材料によって形成することができ、その一方で、望ましくない自己ドーピング（auto-doping）を緩和し、かつ／または解消する。例えば、自己ドーピングのリスクを緩和するために、アルミニウム合金などの他のｐ型ドーパントを用いてｐ型にドープされた低抵抗率ウェーハを使用することにより、（実質的に低抵抗率のオーミックコンタクトを生成することが望まれるとき、望ましくないｐｎ接合を生成する恐れがあるｎ型ウェーハを使用するのとは対照的に）バッファゾーン６１０、６１２を形成することができる。
【００５３】
図７は、そのアレイがＶＭＪ電池を形成することができるユニットセルの特定の態様を示している。ユニットセル７００は、実質的に平行な配置で互いに積層された層７１１、７１３、７１５を含む。このような層７１１、７１３、７１５は、不純物をドープされた半導体材料をさらに含むことができ、層７１３は一方の導電タイプであり、層７１１は反対方向の導電タイプであって、交点７１２でＰＮ接合を画定する。同様に、層７１５は、層７１３と同じ導電タイプではあるが実質的により高い不純物濃度を有することができ、したがってＰＮ接合７１２に向かう少数キャリアの運動を強化するビルトインの静電ドリフト電界を生成する。このようなユニットセルは、ＶＭＪを形成するために互いに一体接合することができ、本発明のバッファゾーンは、ＶＭＪおよび関連するユニットセルおよび／またはそれらを形成する層を保護するように配置することができる。
【００５４】
さらなる態様によれば、複数のセル７００からＶＭＪを製作するために、最初に、約０．００８インチの厚さを有する高抵抗率の（例えば１００Ωｃｍを上回る）Ｎ型（またはＰ型）シリコンの平坦なウェーハの中に、約３μｍから１０μｍまでの深さで同一のＰＮＮ＋（またはＮＰＰ＋）接合を形成することができる。続いて、このようなＰＮＮ＋ウェーハが、各ウェーハの間に挟まれたアルミニウムの薄い層と一緒に積み重ねられ、各ウェーハのＰＮＮ＋接合および結晶方位は同一の方向に配向することができる。さらに、アルミニウム−シリコン共晶合金、あるいはモリブデンまたはタングステンなどの実質的にシリコンの熱係数と一致する熱係数を有する金属を使用することができる。次に、シリコンウェーハとアルミニウムの境界面は、積層された組立体が互いに結合され得るように一緒に合金になることができる。さらに、アルミニウム−シリコン共晶合金も使用することができる。様々なＮ＋型およびＰ型のドーピング層は、セルユニットの一部分として実施することができ、このような機構は申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００５５】
実質的に低い抵抗率を有するバッファゾーンを、ＶＭＪ電池の最終層の上および／または下に付加的に積み重ねられた不活性層の機構の形で与えることもでき、したがって、有害な形態の応力および／またはひずみ（例えばＶＭＪの製造および／または動作の間、その中で誘起される可能性がある熱的／機械的な圧縮、ねじり、モーメント、せん断など）から活性層を保護する障壁が実施される。
【００５６】
図８は、部分的にＶＭＪ電池８００を形成するユニットセル８３０（８４０）の最終層８３１（８４１）の表面上の周縁形成（rim formation）８１０（８１２）の形式でバッファゾーンに関する例示的断面を示す。このような周縁形成８１０、８１２は、セルユニットの活性層（active layer）のための保護境界（protective boundary）として働き、さらに、ＶＭＪ電池８００に対して、その取扱いおよび搬送を容易にするために部分的に枠をつける（例えば低抵抗率のバッファゾーンおよびＶＭＪ電池の縁部または最終コンタクト）。同様に、ＶＭＪ電池８００に対して安全な取手を与えることにより、周縁の形成は、反射防止コーティングと関係する動作を容易化する（例えば、コーティングの上に電池を機械的にクランプすることなどにより動作の期間中確実に保持するとき、コーティングを均一に与えることができる）。さらに、このような周縁形成は、堆積プロセスの間に、他の周縁形成に隣接して物理的に配置することができ、接触面の下へ偶然侵入するいかなる望ましくない誘電体コーティング材料も、ユニットセル８３０、８４０を損傷することなく容易に除去することができる。バッファゾーンを表す周縁形成８１０（８１２）は、実質的に低抵抗率であって高濃度ドープされたシリコン（例えば約０．００８インチの厚さ）から形成することができ、この周縁形成は、後に、ＶＭＪ電池を光電池のアレイの中の別のＶＭＪ電池と区分する導電性リードと接触させることができる。さらに、バッファゾーンの実質的に低い抵抗率のために、バッファゾーンに対する全電気接触を得るのに導電性リードが必要とされない。そのため、それらは点接触などの部分的接触または一連の点接触であってもよく、それにもかかわらず優れた電気接触をもたらす。図８は本来例示であり、他の変形形態（製造で形成されたバッファゾーン８１０が活性層８４１にボンディングされてＶＭＪ電池８００の表面に到達するものなど）は、申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。例えば、８１０の形状は、以前に論じられたように、バッファゾーン上のメタライゼーション（metalize）された層への部分的リード接触を意味することができる。
【００５７】
導電性リードは、基板上に第１の導電材料を堆積することにより形成される電極層の形であってもよく、タングステン、銀、銅、チタン、クロム、コバルト、タンタル、ゲルマニウム、金、アルミニウム、マグネシウム、マンガン、インジウム、鉄、ニッケル、パラジウム、プラチナ、亜鉛、それらの合金、インジウム−スズ酸化物、他の導電性および半導体の金属酸化物、窒化物および珪化物、ポリシリコン、ドープされたアモルファスシリコン、および様々な金属組成合金を備えることができる。また、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、それらの派生物など、他のドープされている、または非ドープの導電性または半導体のポリマー、オリゴマーまたはモノマーなどを電極用に使用することができる。さらに、いくつかの金属上にはＶＭＪ電池の性能に悪影響を及ぼす恐れのある酸化物層が形成されることがあるので、無定形炭素などの非金属材料を電極形成用に使用することもできる。図８の周縁形成は本来例示であり、長方形、円形、活性層との様々な表面接触を有する断面など、バッファゾーンのための他の構成は、申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００５８】
さらに、本発明の様々な態様は、バッファゾーンの関連する結晶面の方位のミラー指数（１１１）を有するウェーハの一部分として実施することができ、これらは、アクティブなＶＭＪユニットセルを製造するのに一般に用いられる結晶方位シリコン（１００）より、機械的に強く、エッチングが遅いと考えられる。したがって、低抵抗率のシリコン層は、アクティブなユニットセルとは異なる結晶方位を有することができ、このような代替方位を使用することにより、改善された機械的強度／最終コンタクトを有するデバイスがもたらされる。換言すれば、配向された不活性の最終層（１１１）と比較して、このような結晶方位を有するアクティブなユニットセルの隅部が本質的に丸くなるように、配向されたユニットセル（１００）の縁部が一般により早くエッチングされ、したがって、最終接点を溶接する、または他の方法で接続するためのより高い機械的強度を有するより安定したデバイス構造がもたらされる。
【００５９】
図９は、高電圧シリコン垂直多重接合（ＶＭＪ）光電池の最終層において、その活性層を保護する障壁を設けるためにバッファゾーンを使用する関連した方法９００を示す。例示的方法が、様々な事象および／または行為を表す一連のブロックとして本明細書で図示して説明されるが、本発明は、このようなブロックの示された順序付けによって限定されない。例えば、いくつかの行為または事象は、本発明によって本明細書に示された順序付けから離れて、異なる順序で、かつ／または他の行為または事象と同時に生じることがある。また、本発明による方法を実施するのに、すべての示されたブロック、事象または行為が必要とされるとは限らない可能性がある。さらに、本発明による例示的方法および他の方法は、本明細書で図示して説明される方法、ならびに図示または説明がなされない他のシステムおよび装置と関連して実施され得ることが理解されよう。最初に、９１０で、以前に詳細に説明されたように、ＰＮ接合を有する複数のセルユニットが形成される。以前に説明されたように、各セルユニットが、それ自体で、互いに積層された複数の平行な半導体の基板または層を含むことができる。各層が、不純物でドープされてＰＮ接合を形成する半導体材料からなることができ、このようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトインの」静電ドリフト電界をさらに含む。続いて、９２０で、複数のこのようなセルユニットが一体化されてＶＭＪを形成する。次に、９３０で、ＶＭＪの最終層（end layer）と接触するバッファゾーンを実装することができ、ＶＭＪの活性層を保護する障壁を設ける。このようなバッファゾーンは、ＶＭＪ電池の最終層の上および／または下に付加的に積み重ねられた不活性の層の機構の形であり得る。次いで、９４０で、光電池の一部分としてＶＭＪを実施することができる。
【００６０】
図１０は、光（ＰＶ）電池１０２３、１０２５、１０２７（１からｋ、ｋは整数である）のモジュール式機構１０２０を含む太陽電池組立体の概略断面図１０００である。各ＰＶ電池が、本発明の一態様によるバッファゾーンを有する複数のＶＭＪを使用することができる。一般に、ＰＶ電池（光電池とも称される）１０２３、１０２５、１０２７のそれぞれが光（例えば太陽光）を電気エネルギーに変換することができる。ＰＶ電池のモジュール式機構１０２０は、構築を容易にし、かつ融通のきく機構をもたらす標準化されたユニットまたはセグメントを含むことができる。
【００６１】
例示的一態様では、光電池１０２３、１０２５、１０２７のそれぞれが、複数のガラス基板（図示せず）を含む色素増感太陽電池（ＤＳＣ：dye-sensitized solar cell）であってもよく、例えばフッ素をドープされた酸化スズの層などの透明な導電コーティングがその上に堆積される。このようなＤＳＣは、ガラス基板の間に挟むことができるＴｉＯ２粒子などの半導体層、増感色素層、電解質、およびＰｔなどの触媒層（図示せず）を含む。ガラス基板のコーティング上に半導体層をさらに堆積することができ、また、例えば色素層が単一層として半導体層上に吸着され得る。したがって、電極および対極が、その間の電子流を制御するための酸化還元メディエータ（redox mediator）を有して形成され得る。
【００６２】
したがって、電池１０２３、１０２５、１０２７は、例えば電気エネルギーである電子の流れを生成する、励起、酸化、および還元のサイクルを経験する。例えば、入射光１００５が色素層の中の色素分子を励起し、光励起された色素分子が、続いて半導体層の伝導帯の中へ電子を注入する。こういったことが、色素分子の酸化を引き起こすことができ、注入された電子が半導体層を通って流れることができて電流を形成する。その後、電子が、触媒層で電解質を還元し、酸化された色素分子を中性の状態へ転換する。このような励起、酸化、および還元のサイクルは、電気エネルギーを供給するために連続的に繰り返すことができる。
【００６３】
図１１は、本発明の一態様による電解用の垂直多重接合（ＶＭＪ）電池１１１０を使用する電解システムを示す概略ブロック図である。ＶＭＪ１１１０は、水晶、ガラスまたはプラスチックなどの透明なハウジング１１３０の一部分として水／電解液の中へ部分的にまたは完全に浸漬することができる。入射光１１３５がこのようなＶＭＪ１１１０の表面１１３７に当たるとき、ＶＭＪを通じて、かつ／またはＶＭＪ上の表面１１３７上に、陽極および／または陰極の形式の複数の電解電極（electrolysis electrodes）を形成することができる。表面１１３７上に形成されたこのような電解電極間に流れる電流は、次いで水を通って流れ、電解の閾値電圧に到達している場合は常に、水を水素と酸素に分解する。ＶＭＪ１１１０は、複数（１からｎ、ｎは整数である）の一体接合されたセルユニット１１１１、１１１７を含み、各セルユニット自体が、積層型の基板または層から形成される（図示せず）。例えば、各セルユニット１１１１、１１１７は、不純物をドープされた半導体材料からなる互いに積み重ねられた複数の平行な半導体基板を含むことができ、同基板は、ＰＮ接合およびこのようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトインの」静電ドリフト電界を形成する。入射光１１３５が、ＶＭＪ１１１０の様々な領域において表面１１３７に向かうとき、次いで、後に電解動作のための電極として機能する複数の陰極および陽極が形成され得る。
【００６４】
このような電解電極間に流れる電流は、電解液を通って流れ、電解の閾値電圧に到達している場合は常に、水を水素と酸素に分解する。一般に、このような分解の閾値電圧は、水を分解して水素および酸素を生成するために、１．１８ボルトから１．６ボルトの範囲内にある。複数のセルユニットを積み重ねる（例えば複数のセルを直列接続する）ことにより、高電圧に到達することができることを理解されたい。また、水素および酸素の発生効率を向上し、高い電極電位および電解質溶液によって引き起こされる半導体腐食を低減するのに触媒材料をさらに使用することができる。さらに、電解質は、ＶＭＪ電池を形成する積層（例えばイリジウムで作製されたイリジウムベースの触媒、その二元合金、またはその酸化物）に悪影響を及ぼさない任意の溶液で形成することができる。関連した態様では、超音波トランスデューサが、電解電極に付着したままになっている酸素または水素の気泡を解放するように、電解システムと動作可能に相互作用することができる。
【００６５】
ＶＭＪ１１１０は、ＶＭＪ電池の温度勾配を所定のレベル以内に保つために、ホットスポット領域から発生した熱を除去する熱調節アセンブリ１１１９上にさらに配置され得る。このような熱調節アセンブリ１１１９は、ＶＭＪの背面に表面実装されることになる複数のヒートシンクを含むヒートシンク機構の形であってもよく、各ヒートシンクは、同背面に対して実質的に垂直に延在する複数のフィン（図示せず）をさらに含むことができる。フィンは、冷却媒体（例えば電解質、水などの冷却流体）との接触を増加するようにヒートシンクの表面積を拡大することができ、冷却媒体は、フィンおよび／または光電池から熱を放散するようにさらに用いることができる。そのため、ＶＭＪからの熱は、ヒートシンクを通って周囲の電解液および／または電解動作に影響を及ぼさない物質の中へ導かれ得る。さらに、ＶＭＪ電池からの熱を、ＶＭＪ電池に対するヒートシンクの直接の物理的または熱的な行為を緩和し、かつ電解の適切な動作のためのスケーラブルな解決策をもたらすヒートシンクへ、熱伝導路（例えば金属層）を通して導くことができる。
【００６６】
関連した態様では、ヒートシンクは、ＶＭＪ電池から流れ去る熱の監視、調節、包括的管理に関する様々な平坦な機構または３次元の機構の中に配置することができる。さらに、各ヒートシンクは、スパイラル、ひねり、らせん状、迷路状、またはある部分ではラインのより密なパターン分布を有し他の部分ではラインの比較的密でないパターン分布を有する他の構造形状を有し得る熱的／電気的構造体（図示せず）をさらに用いることができる。例えば、このような構造体の一部分は、比較的高い等方性の伝導率をもたらす材料で形成することができ、別の部分は、別の方向に高い熱伝導率をもたらす材料で形成することができる。したがって、熱調節アセンブリのそれぞれの熱的／電気的構造体は、ホットスポットからの熱を放散して様々な熱伝導層または関連した熱調節デバイスのヒートシンクの中へ導くことができる熱伝導路をもたらし、したがって電解動作を促進する。ヒートシンクは、電解液媒体とは別の独立した冷却媒体によって冷却することができることを理解されたい。
【００６７】
図１２は、単一のユニットセル１２０１の電極と関連した金属層の突出部１２１１、１２１５を含む本発明のさらなる態様を示す。このような突出部１２１１、１２１５は、接触表面積を増大することによって電解プロセスを促進するように、ＶＭＪ１２００の表面１２４１から（例えば数ミリメートル）突出する。また、水素の製造を増強するように、ＶＭＪ電池の製造の期間中、メタライゼーションの中にプラチナ、ＲｕＯ２、またはチタンなどの電気触媒材料の実質的に薄い層を組み込むことができる。さらに、メタライゼーションのｎのマイナス（−）側１２１１がメタライゼーションのｐ＋のプラス（＋）側１２１５と異なり得るので、電気触媒材料を選択するのにかなりの融通性がある。当業者なら、水素製造を増強し、安定していて、ＶＭＪ電池製造に適合する触媒材料を容易に選択することができることを理解されたい。入射光１２３５がＶＭＪの表面１２４１に到達するとき、その上に複数の陰極／陽極が形成され得る。例えば、ＶＭＪ上の領域でマイナスに帯電した陰極では還元反応が起こり、陰極からの電子（ｅ-）が水素のキャプション（caption）に与えられて水素ガスを形成する（酸と均衡する半反応（half reaction））。すなわち、  
陰極（還元）：２Ｈ＋(aq)＋２ｅ−→Ｈ２(g)  
陰極からの電子（ｅ−）が水素のキャプションに与えられて水素ガスを形成する（酸と均衡する半反応）。
【００６８】
プラスに帯電した陽極では酸化反応が起こり、酸素ガスを生成し、陰極に電子を与えて回路が完成する。すなわち、  
陽極（酸化）：２Ｈ２Ｏ(l)→Ｏ２(g)＋４Ｈ＋(aq)＋４ｅ− 
である。
【００６９】
以下に列挙されるように、同じ半反応が塩基とも均衡する。一般に、すべての半反応が酸または塩基と均衡することになるとは限らない。一般に、半反応を加えるために、両極は、一般にどちらも酸または塩基のいずれとも均衡するべきである。すなわち、  
陰極（還元）：２Ｈ２Ｏ(l)＋２ｅ−→Ｈ２(g)＋２ＯＨ−(aq)  
陽極（酸化）：４ＯＨ−(aq)→Ｏ２(g)＋２Ｈ２Ｏ(l)＋４ｅ− 
おのおのの半反応の対を組み合わせると、水から酸素および水素への同じ総合的分解がもたらされる。すなわち、  
総合的反応：２Ｈ２Ｏ（ｌ）→２Ｈ２（ｇ）＋Ｏ２（ｇ）
である。
【００７０】
したがって、上記で示されたように、生成される水素分子の数は酸素分子の数の２倍である。両方のガスに関して等しい温度および圧力を想定すると、したがって、生成される水素ガスは生成される酸素ガスに対して２倍の体積を有する。水に押し通される電子の数は、生成される水素分子の数の２倍であり、また、生成される酸素分子の数の４倍である。以前に説明したように、水溶性の電解質が加えられると、水の導電率がかなり増加する。したがって、電解質がキャプション（caption）と陰イオンとに分離し、陰イオンは陽極の方へ駆り立てられて、そこでプラスに帯電したＨ＋の集積（buildup）を中和（neutralize）し、同様に、キャプション（caption）は陰極の方へ駆り立てられて、そこでマイナスに帯電したＯＨ−の集積を中和する。このようなことが、電気の継続的な流れを可能にする。電解質の選択は、ＶＭＪ電池用に使用される材料と共に、その材料および動作に悪影響を及ぼすことのないように検討されるべきであることを理解されたい。電解質を選択するさらなる要因は、電解質からの陰イオンが、電子を手放すように水酸化物イオンと競争するということに関するものである。水酸化物より低い標準電極電位を有する電解質陰イオンは、水酸化物より酸化しやすく、したがって酸素ガスは生成されないことになる。同様に、水素イオンより高い標準電極電位を有する陽イオンは低減することになり、水素ガスは生成されないことになる。このような環境を緩和するために、Ｌｉ＋、Ｒｂ＋、Ｋ＋、Ｃｓ＋、Ｂａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、およびＭｇ２＋といったキャプション（caption）はＨ＋より低い電極電位を有し、したがって電解質キャプション（caption）として使用するのに適切である。ナトリウムおよびリチウムも、廉価で可溶性の塩類を形成するので、ＶＭＪ電池に悪影響を及ぼさなければ用いることができる。
【００７１】
図１３は、ＶＭＪ１３１０上の様々なポイントにおける電圧−距離のグラフを示し、ユニットセル１３１１、１３１７は、共通の境界と交差するか、または共通の境界を共有する。図示のように、ＶＭＪ１３１０は、直列接続された複数のユニットセル１３１１、１３１７を含み、電圧を、（例えば水平軸上で左から右へ）互いに積層されたセルの数の一次関数として増加させることができる。図１３に示されるように、セル１の両端間の電圧差は０．６ボルトであり、その上にセル２を積み重ねることによって、組み合わせたセルにおけるこのような電圧差は１．２ボルトまで増加する。同様に、その上にセル３を積み重ねることにより、電圧差を１．８ボルトまで増加させることができる。そのため、水の分解に関する閾値を上回るＶＭＪの表面上のあらゆる２ポイント間に電解が起こり得る。例えば、４０個の接合のＶＭＪ電池の開回路電圧の場合、太陽強度１０００（1000 suns）で３２ボルトを生成することができる（例えば１つのユニットセル当たり０．８ボルト）。１．６ボルトで電解が開始すると想定すると、その電圧を供給するのに２つのユニットセルだけで十分である。別の態様では、負荷電流が増加したとき、太陽強度１０００の最大パワーでＶＭＪ電池のＩ−Ｖ特性によって求められる電圧は、２４ボルト、すなわち１つのユニットセル当たり０．６ボルトまで低下する。そのため、３つのユニットセルが必要になる可能性があり、これらが電解反応に電力を供給するための１．８ボルトに寄与する。（一般に、より高い電流密度での電解には過電圧が必要とされることもある）。
【００７２】
電解が１つのＶＭＪの状況で説明されているが、本発明はそのようには限定されず、複数のＶＭＪ電池の一部分として（例えば、並列および／または直列で、あるいは互いに動作可能に分離して）実施され得ることをさらに理解されたい。別々の電圧を示すＶＭＪの様々な領域の中で形成された電流の関係を求めることにより、必要に応じて、より大きな電流を扱うための追加の接触面積をもたらすようにＶＭＪ電池の設計を適合させることができる。例えば、接触電流密度は、必要に応じて様々なポイントでメタライゼーションの厚さを増加することにより低減することができる。さらに、電解効率および／または分解の生成物（例えば水素、酸素）の収集（例えばふるいわけ機構、フィルタリング機構など）を改善するために、様々な形式の加圧を用いることができる。本発明は、水の電解に限定されず、ＶＭＪと適切に相互作用することができる他の化合物の電解も申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００７３】
図１４は、本発明の一態様によるＶＭＪによる水電解に関連した方法１４００を示す。例示的方法が、様々な事象および／または行為を表す一連のブロックとして本明細書で図示して説明されるが、本発明が、このようなブロックの示された順序付けによって限定されることはない。例えば、いくつかの行為または事象は、本発明によって本明細書に示された順序付けから離れて、異なる順序で、かつ／または他の行為または事象と同時に生じることがある。また、本発明による方法を実施するのに、すべての示されたブロック、事象または行為が必要とされるとは限らない可能性がある。さらに、本発明による例示的方法および他の方法は、本明細書で図示して説明される方法、ならびに図示または説明がなされない他のシステムおよび装置と関連して実施され得ることが理解されよう。最初に１４１０で、ＶＭＪを含む容器の中に電解質溶液が導入され、ＶＭＪは、完全に、または実質的に浸漬される。次いで、このようなシステムが、１４２０で入射光にさらされ、ＶＭＪから電流が生成される。入射光は、１４３０で、電解質溶液を通じて水電解を起こすことができ、水の分解のための閾値に到達するかまたは同閾値を上回る（例えば約１．２ボルト）あらゆる位置で電解が起きる。例えば、各ユニットセルの両端に０．６ボルトの電圧を生成することができ（例えば太陽強度１０００向けに）、第１のユニットセルの領域と第３のユニットセルの領域との間で電解が行なわれ得る。したがって、領域間の電圧が電解のための閾値（例えば約１．６Ｖ）を上回る領域間に様々な収集機構（例えば膜、ふるいわけプレートなど）を配置することができ、したがって、生成された水素ガスを１４４０で収集する。収集下流などの他の収集機構も使用することができることを理解されたい。
【００７４】
図１５は、本発明の一態様による電解向けに使用することができるＶＭＪ電池を示す。ＶＭＪ１５１５は、それ自体が複数（１からｎ、ｎは整数）の一体接合されたセルユニット１５１１、１５１７から形成され、各セルユニット自体が、積層型の基板または層から形成される（図示せず）。例えば、各セルユニット１５１１、１５１７は、不純物をドープされた半導体材料からなる互いに積み重ねられた複数の平行な半導体基板を含むことができ、同材料は、ＰＮ接合およびこのようなＰＮ接合に向かう少数キャリアの運動を強化する「ビルトイン（built-in）の」静電ドリフト電界を形成する。さらに、バッファゾーン１５１０、１５１２を実施することにより、ＶＭＪ電池１５１５のいずれかの終端に（その電池ユニットの一部分として）配置されたｎｎ＋および／またはｐ＋ｎ接合などの様々な活性層を、有害な形態の応力および／またはひずみ（例えば熱的／機械的圧縮、ねじり、モーメント、せん断など、ＶＭＪの製造および／または動作の期間中ＶＭＪの中に誘起され得るもの）から保護することができる。このようなバッファゾーン１５１０、１５１２のそれぞれが、実質的に低い抵抗率のオーミックコンタクト（例えば上限が約０．５Ωｃｍ未満の任意の範囲）を有する一方で、望ましくない自己ドーピングを解消および／または緩和する材料によって形成することができる。例えば、自己ドーピングのリスクを緩和するために、アルミニウム合金などの他のｐ型ドーパントを用いてｐ型にドープされた低抵抗率ウェーハを使用することにより、（実質的に低抵抗率のオーミックコンタクトを生成することが望まれるとき、望ましくないｐｎ接合を生成する恐れがあるｎ型ウェーハを使用するのとは対照的に）バッファゾーン１５１０、１５１２を形成することができる。触媒の材料（例えばプラチナ、チタンなど）を、例えば電解動作を促進するために、ＶＭＪの最終コンタクトで使用することもできる。
【００７５】
図１６は、ユニットセル１６００の特定の態様を示しており、そのアレイは、本発明の電解のためのＶＭＪ電池を形成することができる。ユニットセル１６００は、実質的に平行な配置で互いに積み重なった層１６１１、１６１３、１６１５を含む。このような層１６１１、１６１３、１６１５は、不純物をドープされた半導体材料をさらに含むことができ、層１６１３は一方の導電タイプであり、層１６１１は反対方向の導電タイプであって、交点１６１２でＰＮ接合を画定する。同様に、層１６１５は、層１６１３と同じ導電タイプではあるが実質的により高い不純物濃度を有することができ、したがってＰＮ接合１６１２の少数キャリアの運動を強化するビルトインの静電ドリフト電界を生成する。このようなユニットセルは、ＶＭＪを形成するために一体化して互いに結合することができ（例えば、電解を強化するために、このような結合に触媒の材料を用いる）、同ＶＭＪは、以前に詳細に説明されたように電解を遂行する。
【００７６】
さらなる態様によれば、複数のセル１６００からＶＭＪを製作するために、最初に、約０．００８インチの厚さを有する高抵抗率の（例えば１００Ωｃｍを上回る）Ｎ型（またはＰ型）シリコンの平坦なウェーハの中に、約３μｍから１０μｍの深さで同一のＰＮＮ＋（またはＮＰＰ＋）接合を形成することができる。続いて、このようなＰＮＮ＋ウェーハが、各ウェーハの間に挟まれたアルミニウムの薄い層と一緒に積み重ねられ、各ウェーハのＰＮＮ＋接合および結晶方位は同一の方向に配向することができる。さらに、アルミニウム−シリコン共晶合金を使用することができ、あるいはゲルマニウムおよびチタンなどの金属、またはモリブデンもしくはタングステンなどの実質的にシリコンの熱係数と一致する熱係数を有する金属も使用することができる。次に、シリコンウェーハとアルミニウム合金の境界面は、積み重ねられた組立体が互いに結合され得るように一緒に合金になることができる（例えば触媒材料をさらに含む）。ゲルマニウムおよびチタンなど他の材料も使用することができることを理解されたい。同様に、アルミニウム−シリコン共晶合金も使用することができる。電解質は、ＶＭＪの動作に悪影響を及ぼすことおよび／またはＶＭＪに有害な化学反応をもたらすことのないように選択されるべきであることをさらに理解されたい。様々なＮ＋型およびＰ型のドーピング層の形成は、セルユニットの一部分として実施することができ、このような機構は申し分なく本発明の範囲内に入ることを理解されたい。
【００７７】
図１７は、電解向けに使用される、テクスチャ加工された表面を有するＶＭＪを含む本発明のさらなる態様を示す。本発明の一態様による垂直多重接合（ＶＭＪ）電池１７２０の一部分として溝付き表面１７００の概略斜視図が示されている。テクスチャリング１７００のこのような機構によって、屈折した光は、ｐ＋およびｎ＋の拡散ドープ領域から遠ざかるように方向付けられる一方で、同時に所望のキャリアを生成することができる。したがって、入射光は、法線ベクトルｎを有する面１７１０で屈折され得る。このような面１７１０は、ＶＭＪ１７２０のＰＮ接合面と平行であって溝１７００の断面構成を含むことができる。換言すれば、面１７１０の方位は、ユニットセル１７１１、１７１３、１７１５が積み重なる方向に対して実質的に垂直である。このような溝付き表面は、電解プロセスの効率を向上することができる。
【００７８】
図１８は、電解液を電解するために光を受け取るＶＭＪの表面に溝を彫るための例示的テクスチャを示す。このような溝は、例えば様々な角度θ（例えば０°＜θ＜１８０°）を有する「Ｖ」字形断面構成、「Ｕ」字形断面構成など、共振器（cavity）形状の溝であってもよく、断面構成を含む面は、ＶＭＪを形成するユニットセルが積み重なる方向に対して実質的に垂直であり、かつ／またはＶＭＪのＰＮ接合に対して実質的に平行である。本発明のＶＭＪ用のテクスチャリング１８１０、１８２０、１８３０は、ＰＮ接合の方位および／または入射光との相互作用において従来型シリコン光電池のテクスチャ用の従来技術とは異なることを理解されたい。例えば、従来型のシリコン光電池は、一般に、キャリアの電流をよりよく収集するために、より長い波長の光をＰＮ接合（水平に配置されている）のより近くでより多く吸収するように、光の侵入を傾けるためにテクスチャ加工され、したがって太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対してスペクトル応答が不十分であることを緩和する。それと対照的に、垂直接合を含み、太陽のスペクトル中のより長い波長の光に対して改善されたスペクトル応答を既にもたらしている本発明のＶＭＪでは、このようなことは不要である。
【００７９】
むしろ、図７の溝（例えばＶ字型溝）を実施するための一態様は、（反射が低減するか、あるいは反射光または屈折光が接合により近づくテクスチャリングを有する従来型の太陽電池の表面とは反対に）バルクの体積（bulk volume）を低減することによりバルクの再結合損失を緩和する。具体的には、ＶＭＪ電池は、短波長の光および長波長の光の両方に対してより優れたキャリア電流収集を示しており、短波長の光に対する応答は、上面において、高濃度ドープされた水平接合を除去することによるものであり、長波長の光に対する応答は、垂直接合の収集効率を強化したことによるものである。別の例として、本発明の共振器（cavity）形状の溝付きテクスチャの代わりに、（例えばランダム、ピラミッド、ドームおよび類似の突起した構成である）他のテクスチャをＶＭＪの一部分として実施した場合には、入射光が全方向に屈折されてｐ＋およびｎ＋の拡散領域で光が吸収され、したがって効率が低下する。さらに、光吸収をさらに強化するために、ＶＭＪ電池の背面に反射コーティングを与えることができる。
【００８０】
別の態様では、本発明は、光電池、例えば太陽電池、特に高強度の放射レベル下で実質的に高出力を生成することができる、縁部照光型構造体（edge-illuminated structure）または垂直接合構造体（vertical junction structure）などの高強度太陽電池の性能の改善に関する。ＶＭＪ光電池を製作するのに使用されるユニットセルを形成するＰＶ素子の様々な設計が、本明細書の、パターニングされたコンタクトによって光生成キャリアの再結合損失を低減するためのユニットで説明される。
【００８１】
ＶＭＪ電池には、太陽強度１０００（1000 suns intensity）で３０％を上回る本質的な理論的限界効率があり、そのため、コンピュータシミュレーションおよびモデリング解析からの実験的な理解および洞察を用いて、さらなる性能向上が可能である。従来型の１つの太陽の太陽電池（one-sun solar cells）は、解析方程式を用いて、容易に、好結果を伴ってモデル化されるが、高強度で動作している縁部照光型ＶＭＪ電池はそうでなく、というのは、高い強度では、２次的効果さえ、セルの動作効率に対して実質的な影響を及ぼし得るからである。本発明の態様または特徴が太陽電池に関して説明されているが、このような態様または特徴および光生成キャリアの再結合損失の低減などの関連する利点は、例えば熱光電セル、またはレーザ源の光子で励起されるセルといった他の光電池で活用することができる。さらに、本発明の態様は、ベータボルタ電池（betavoltaic cells）など他の諸クラスのエネルギー変換電池で実施することもできる。
【００８２】
高強度で太陽電池の中に生成された電子−ホールのキャリア対の物理的特性は、表面再結合速度、キャリアの移動度および濃度、エミッタ（例えば拡散）の逆飽和電流、少数キャリアの寿命、バンドギャップ狭窄、ビルトイン静電界、および様々な再結合機構を含むがこれらに限定されない多くの物理的パラメータが作用するので、かなり複雑である。移動度は、キャリア密度の増加と共に急速に低下し、オージェ再結合は、キャリア密度の３乗としての強度で急速に増加する。このような態様をＶＭＪ太陽電池性能のモデリングの中に組み込むために、コンピュータシミュレーション（例えば半導体中の光生成キャリア移送の計算上の数値的２次元解析）は、垂直接合ユニットセルまたはＰＶ素子の、高強度で動作しているときの物理的パラメータまたは高強度で動作させるための物理的パラメータへの洞察力をもたらすことができる。このようなシミュレーションは、性能効率の可能性のあるソースを理解し、かつ高強度でのＶＭＪ電池の性能を向上するための解析および設計の道具をもたらす。従来型の１つの太陽の太陽電池は、簡単な解析方程式を用いて、容易に、好結果を伴ってモデル化されるが、高い照明強度で動作している縁部照光型ＶＭＪ光電池はそうでなく、というのは、高強度では、２次的効果さえ、セルの動作効率に対して劇的な影響を及ぼし得るからであるということを理解されたい。
【００８３】
コンタクト間のＶＭＪユニットセル（contact-to-contact VMJ unit cells）の、数々の半導体物理学を組み込んだモデルに基づく計算上のシミュレーションにより、光生成キャリアの再結合損失が高強度で起こるＶＭＪユニットセルの中の特定の領域が明らかになる。このような領域の少なくともいくつかは、強度に左右される複雑な損失メカニズムを示す。コンピュータシミュレーションによってＰＶ素子またはＶＭＪユニットセルの中の領域が明らかになり、ＶＭＪ電池の再結合損失を低減して性能を改善するためにこれらを改善することができる。本発明の諸態様は、このような改善をもたらす。
【００８４】
直列抵抗は、従来型のコンセントレータ太陽電池（concentrator solar cell）に関する設計課題の重大な問題であると考えられている。この点に関して、太陽強度２５００でさえ直列抵抗が問題でないことを示しているＶＭＪ光電池の設計は、この上なく適切であることを証明した。しかし、太陽強度１０００の近くで動作する太陽光発電コンセントレータ用のＶＭＪ光電池の効率を改善するために、状況によっては、設計の簡易さを低下させるために直列抵抗の増加という犠牲を払うことが有利になり得る。
【００８５】
ＶＭＪ電池を依然として効率的に動作させることができる、太陽強度２５００などの実質的により高い強度の動作のための設計は、いかなるより優れた総合性能または経済的便益にも寄与する可能性が低いにもかかわらず、光学部品、構造体、太陽追跡、および熱制御において、実質的により要求が厳しい上に高くつくコンセントレータシステム工学を要求する可能性があることを理解されたい。したがって、本発明で説明される、太陽電池およびその製造のための関連するプロセスの態様または特徴は、太陽強度１０００以上の範囲で動作する高強度ＶＭＪ電池の効率性能を向上することができる。ＶＭＪ太陽電池または本発明の態様を活用する他の太陽電池は、効率が向上すると、さらなる製造加工および１０００を上回る太陽強度に対して直列抵抗が増加する可能性が含まれることがあったとしても、より費用対効果が大きく、かつ実現可能になり得る。本明細書で説明された態様または特徴は、太陽電池またはＶＭＪ電池を用いる太陽光発電コンセントレータシステムを作製するための適切な工学的トレードオフをもたらすことができ、これは、より低いドル／ワット性能をもたらす、より実現可能でより費用対効果が大きい本発明の態様を利用する。
【００８６】
有効なシリコン処理のための現実的なパラメータ（少数キャリアの寿命、表面再結合速度など）を用いた、例えば深い接合を有するＰ＋ＮＮ＋スラブ（slab）である従来型ＶＭＪユニットセル設計の太陽強度５００を上回る強度におけるコンピュータモデリング解析により、いくつかの特定の領域に関して、以下の割合の再結合損失が示された。すなわち、  
・Ｐ＋拡散２２．７％  
・Ｐ＋コンタクト５．３％  
・Ｎ＋拡散３２．８％  
・Ｎ＋コンタクト１１．４％  
したがって、この解析は、金属コンタクトを有する高濃度ドープされたＰ＋拡散エミッタ領域およびＮ＋拡散エミッタ領域が、ＶＭＪ太陽電池を形成するユニットセル内のすべての再結合損失の半分を上回る損失を占めること、また、設計上、部分的には移動度の差により、最適な拡散Ｎ＋エミッタは、最適な拡散Ｐ＋エミッタとは異なる可能性があることを示唆している。Ｎ＋領域およびＰ＋領域から生じる再結合損失の相対的な大きさは、浅いＰ＋Ｎ接合を有するＮ＋ＰＰ＋ユニットセルまたはＰ＋ＮＮ＋ユニットセルに切り換えられ得る。一態様では、本発明は、ＶＭＪ電池の性能を改善するために前述の拡散領域内の再結合損失を低減することを対象とする。
【００８７】
長い少数キャリア寿命および低い表面再結合速度が、従来型のＶＭＪ電池開発においてうまく達成され、高強度で、１つのユニットセル接合当たり開路電圧（open-circuit voltage）ＶＯＣ＝０．８ボルトであった。ＶＯＣは、太陽光で生成された電流および拡散エミッタ逆飽和電流（Ｊ０）によって決定され、ＶＭＪ太陽電池のユニットセルに存在するＰ＋Ｎ接合およびＮＮ＋接合の両方が開路電圧に寄与している。電気的な観点から見た最適な接合はＪ０＝１×１０−１３Ａｃｍ−２を用いる最小のＪ０であって、これは拡散接合における高品質の低逆飽和電流の代表であり、金属のオーミックコンタクトにおける無限の再結合速度を考慮に入れるときでさえ、約３μｍから１０μｍの拡散深さが、Ｐ＋拡散およびＮ＋拡散の両方に関して十分な深さであることが解析によって示された。
【００８８】
深く緩やかなＮＮ＋拡散プロファイルでさえ、この領域における最高の収集および再結合の低減のための接合障壁に向かう少数キャリアの運動を強化するビルトイン静電ドリフト電界をもたらすはずであり、コンピュータシミュレーションにより、ＮＮ＋接合の増強は、高強度ではそれほど効果的でなく、このことが、上記で示されたようなＮ＋領域でのより高い再結合をもたらす可能性があることが明らかであることに留意されたい。
【００８９】
実験ならびに計算上のモデリングおよびシミュレーションにより、性能を改善するための主要な分野は、高強度で動作するＶＭＪユニットセルの高濃度ドープされたＰ＋およびＮ＋の拡散した金属接点領域における再結合損失の低減にあることがつきとめられた。高品質の酸化物で安定化された表面は、金属接点の再結合速度よりかなり低い数ｃｍ／秒の再結合速度を有することができるので、また、拡散プロファイルによって生成されたドリフト電界が、高強度ではそれほど効果的でなくなることを考慮すると、本発明の態様は、ＰＶ素子またはＶＭＪユニットセルのパターン付き誘電性コーティングによって低減される金属コンタクト面積および拡散面積をもたらし、ＶＭＪ太陽電池の性能を改善する。
【００９０】
図面に関して、図１９Ａは、ＰＶ素子の表面のうちの１つと金属コンタクト１９２５との間にパターニングされた誘電体コーティング１９２０を有する太陽光発電素子１９１０の図１９００を示す。ＰＶ素子１９１０、誘電体コーティング１９２０、および金属コンタクト１９２５の表面は、明確にするために、接触しない状態で示されていることに留意されたい。しかし、本明細書で論じられる太陽電池では、このような表面は接している。パターニングされた誘電性コーティング１９２０は、周期的なアレイまたは格子状に集合された分離した楕円の領域として示されている。ＰＶ素子１９１０は、一般にＮ型のスラブの半導体材料であり、半導体材料は、Ｓｉと、Ｇｅと、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、または他のIII族〜Ｖ族の半導体化合物と、II族〜VI族の半導体化合物と、ＣｕＧａＳｅと、ＣｕＩｎＳｅと、ＣｕＩｎＧａＳｅとのうちの１つである。スラブは、スラブの第１の表面上のドープされたＰ＋拡散領域１９１６（Ｐ＋とラベルが付いている）、および第１の表面と実質的に平行な第２の表面上のドープされたＮ＋拡散領域１９１４（Ｎ＋とラベルが付いている）を含むことができる。アクティブなＰＶ素子１９１０の厚さは、ドープされた拡散層１９１４と１９１６の間にＮ型（Ｎ）層１９１２を持つ余裕がある。拡散層１９１４および１９１６の厚さは、３〜１０μｍの範囲であってもよく、Ｎ型材料（例えばスラブ１９１２）のスラブの中へキャリアを導入するのに用いられるドーピングプロセスによって決定される。ドープされた拡散層の含有は、例えば半導体プロセスで一般に用いられる技術、ドーパント材料といった、実質的に任意のドーピング手段で遂行することができる。ドーパント材料には、Ｎ＋およびＰ＋のドーピング向けに、リンおよびホウ素がそれぞれ含まれ得る。説明の目的で、Ｎ＋拡散層１９１４およびＰ＋拡散層１９１６とＮ型（Ｎ）層１９１２との間の両境界面は、濃度が急峻に変化するはっきりとした境界として理想化されているが、このような境界面は、中性の材料とドープされた材料間の混合領域で不規則になり得る。混合の程度は、ドープされた拡散領域を生成するのに使用される機構または手段によって少なくとも部分的に規定される。
【００９１】
本発明の態様または特徴が、ＰＶ素子１９１０のプリカーサー（precursor：前駆物質）として、最初に半導体材料のＮ型スラブに関して示されているが、このような態様または特徴も、最初に真性の、例えば名目上非ドープのＰＶ素子１９１０のプリカーサーで実施または達成することができる。さらに、代替または追加のシナリオでは、Ｐ型のプリカーサーを使用することができ、ＰＶ素子１９１０は、以前に説明されたように、スラブの第１の表面上およびその近傍のＰ＋拡散層１９１６、ならびに第１の表面に対して実質的に平行な第２の表面上およびその近傍のＮ＋でドープされた拡散層１９１４を含むことができるＰ型のドープされた半導体材料のスラブであり得る。
【００９２】
本発明の一態様では、パターニングされた誘電体コーティング１９２０が、アクティブなＰＶ素子１９１０をメタライゼーションしたときの金属拡散ドーピング層境界面（例えば金属とＮ＋層１９１４との境界面）の形成を低減し、パターニングされた誘電体コーティングの開口は、金属と拡散ドーピング層とが境界面を形成する領域である。このような境界面が高い再結合損失を有するので、したがって金属拡散ドーピング層の接触を低減すると、光生成キャリア（例えば電子および正孔）の非放射の損失が緩和され、結果としてＰＶ素子１９１０の太陽光発電効率が向上する。また、ＰＶ素子、例えば１９１０を誘電材料でコーティングすると、表面状態のパッシベーションをもたらし、したがって表面の再結合損失が低減する。誘電体コーティングのパターニングは、フォトリソグラフィ技術、または実質的に誘電性表面の制御されたパターニングを可能にする他の技術、例えばウェットエッチングによって達成することができる。このようなフォトリソグラフィ技術は、一般に誘電体コーティング中の誘電材料のマスキングおよび除去の複数の処理ステップによってパターン形成をもたらす。その代わりに、もしくはそれに加えて、誘電体コーティングのパターニングは、特定のパターンを規定するために堆積された材料を覆うマスクの存在下で、堆積技術、例えば化学的気相成長法（ＣＶＤ）のような気相コーティングおよびその変形形態のプラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）などによって達成することができる。
【００９３】
誘電体コーティング層１９２０は、Ｎ＋ドーピング拡散層１９１４と金属コンタクト１９２５の間の電気接触をもたらす様々な平面状の結合構造および構成を取り入れることができることを理解されたい。以前に示されたように、実施例の１９２０の図で、誘電体コーティング１９２０は、楕円の分離した領域の正方格子の配置を採用している。誘電体領域の他の格子も形成することができる。このような格子は、三角格子、単斜晶系の格子、面心の正方格子などを含むことができる。パターニングされた誘電体コーティングの中の誘電材料の一部分の代替または追加の機構は、誘電材料の分離したストライプまたは結合したストライプを含むことができる。金属コンタクト１９３５とＰ＋拡散ドーピング層１９１６の間にコーティング１９２０などのパターニングされた誘電体コーティングを配置することができることに留意されたい（例えば図１９Ｂを参照されたい）。パターニングされた誘電体コーティング１９２０の位置は、ソーラーコンセントレータまたは他のソーラー−電気エネルギー変換の装置またはデバイスにおける動作中の放射強度の主要な損失が起きる中性にドープされた接合によって規定される。例えば、ＰＶ素子１９１０（例えばＰ＋ＮＮ＋ユニットセル）では、Ｎ＋拡散領域（または層）、および金属１９２５への拡散領域の接触は、高い電磁放射強度で実質的により大きな損失が生じることがあり、したがって、１９００の図に示された構成におけるパターニングされた誘電体コーティング１９２０は、特に高強度で、再結合（例えば放射性のものおよび非放射性のもの）損失を低減し、かつＰＶ素子１９１０の性能を改善するために実質的に最も廉価な構成である。
【００９４】
実質的に任意のパターンの誘電材料（例えば誘電体コーティング１９２０中の誘電性の楕円の領域間の空間などの開口の分離したアレイ（disconnected array））が、単一の拡散層（例えばＮ＋層１９１４）で再結合損失を低減することができ、というのは、後のステップで適用されるメタライゼーションにより、すべて、または実質的にすべての開いている接触領域が、ＶＭＪ電池構造体の内部で次の平面状のユニットセルに完全に結合されたとき、互いに接続されることを保証され得るためであることを理解されたい。本明細書で説明された、ＶＭＪ光電池を作製するのに使用されるユニットセルは、以前に説明されたように、誘導体のパターンでコーティングしてメタライゼーションされたＰＶ素子１９１０からなる。したがって、このようなユニットセルは、従来型のＶＭＪ太陽電池の製造向けに使用される従来型のユニットセルとは異なる。金属とドープされた層の間の接触面積がより小さいと、太陽電池を形成するＰＶ素子１９１０などの積層における直列抵抗が増加する一因となる可能性があり、したがって、接触面積の比率を低減するための有利なパターンは、所与の強度に対して性能を最適化するために密接な間隔で配置された高密度のより小さな開口であることが注目される。再結合損失は、光生成キャリアの放熱性または非放射性の再結合を含むことができ、非放射性再結合は、オージェ散乱、キャリア−フォノン緩和（carrier-phonon relaxation）などを備えることができる。オージェ再結合の割合は、キャリア密度、例えば光生成キャリアの密度の３乗として増加し、太陽光発電デバイスのボリュームを２倍にすると、大部分のオージェ散乱が原因であるとき、再結合損失の１６倍の増加をもたらすことがある。したがって、より薄いスラブ１９１０、あるいは、テクスチャ加工された表面を用いた光の捕捉の使用など、Ｖ字型溝付き表面、Ｕ字型溝付き表面、．．．、または後方反射器などのＰＶ素子１９１０を実質的により薄くする任意の設計変更形態が、ＶＭＪ光電池を形成するユニットセルの厚さを低減することによって高強度における大部分のオージェ再結合を緩和するのに利用され得る。本明細書で説明される態様によって設計されたＶＭＪユニットセルが再結合損失の５０％を低減することができると、ＰＶ電池の収集効率はかなり向上され得る。
【００９５】
誘電体コーティング１９２０用に実質的に任意の誘電材料を使用することができることを理解されたい。一態様では、誘電体コーティングは熱酸化物層であってもよく、これは低い表面再結合速度を有する。誘電体の中にパターニングされた開口を有する半導体ベース（例えばＳｉベース）のＶＭＪ光電池のユニットセル（またはＰＶ素子）の終端に電気コンタクトを作製するには、ユニットセルの熱膨張係数と熱的に一致するかまたは実質的に一致する低抵抗率シリコン、あるいはシリコンの熱係数とほぼ一致する熱係数を有するモリブデンまたはタングステンなどの金属によって設けることができる全電気コンタクト（full electrical contact）が必要になることがあることをさらに理解されたい。同様に、半導体材料またはシリコン以外の化合物に基づくＶＭＪ太陽電池に関して、パターニングされた誘電体コーティング、例えば１９２０または１９６０のメタライゼーションは、導電材料、例えば金属またはＶＭＪ太陽電池を形成するユニットセルの半導体材料の熱係数とほぼ一致する熱係数を有する低抵抗率のドープされた半導体で達成することができる。
【００９６】
金属層に関して、金属コンタクト層１９２５と金属コンタクト層１９３５は異なるものであり得る。例えば、自己ドーピングを緩和するために、第１の金属コンタクト層（例えば層１９２５）はドーパントを含むことができ、第２のコンタクト層（例えば層１９３５）は拡散バリアを組み込むことができる。
【００９７】
図１９Ｂは、両方の拡散ドーピング領域にパターニングされた誘電体コーティングを有する太陽光発電要素１９１０の図１９５０である。図１９５０では、Ｎ＋拡散ドーピング層１９１４と第１の金属コンタクト１９２５との間の第１のパターニングされた誘電体コーティング１９２０、およびＰ＋拡散ドーピング層１９１６と第２の金属コンタクト１９３５との間の第２のパターニングされた誘電体コーティング１９６０が見られる。誘電体コーティング１９６０の態様は、誘電体コーティング１９２０のものと実質的に同一である。前述のように、金属コンタクト層１９２５と１９３５は異なるものであり得る。
【００９８】
第２のパターニングされた誘電体コーティングの導入によってもたらされる、光生成キャリアの再結合損失の緩和、およびその結果としてのＰＶ素子の性能向上は、第２のパターニングされた誘電体コーティングの作製に関連して複雑さが増すことおよび追加の処理行為の追加費用の可能性に勝ることに留意されたい。
【００９９】
太陽光発電デバイスのＰＶ素子１９１０の効率的動作を保証するために、誘電体コーティング１９２０における第１のパターンは、コーティング１９６０の第２のパターンが、１つまたはそれ以上の開口と、金属層１９２５の領域とが対向する組を有するように、第２のパターンと互いに関係付けられるべきである。パターニングされた誘電体コーティング１９２０がパターニングされた誘電体コーティング１９６０に関して「異相（out-of-phase）」であって両誘導体コーティングが互いにそれぞれの金属層１９２５の部分を閉塞すると、ＰＶ素子１９１０の積層におけるユニットセル間の抵抗が増加してＶＭＪ太陽電池の効率が低下する。
【０１００】
それに加えて、もしくはその代わりに、パターンニングされた誘電体コーティング１９２０によって形成される開口は、誘電体コーティング１９６０によって生成される開口と、サイズ、例えば面積が異なることがあり得る。例えば、より効果的に総合損失を低減するために、特にＮ＋拡散領域と金属コンタクトとの間により大きな損失がある場合、ＰＶ素子１９１０またはＰ＋ＮＮ＋ユニットセルにおいて、Ｎ＋接触用の開口面積がＰ＋接触用の開口面積より広い方が望ましいものであり得る。前述のように、開口サイズ間のこのような差異は、誘電体コーティングの特定のパターンに関係なく実施または利用することができる。
【０１０１】
図１９Ｃは、本明細書で説明された態様によるドーピングによって作製することができるプリカーサー（前駆物質：precursor）および得られたＰＶ素子の組の実施例を示す。以前に示されたように、本明細書で説明されたパターン付き誘電体コーティングおよび金属コンタクトを導入するように処理されるＰＶ素子を生成するのに、(i)Ｎ型にドープされたプリカーサー１９８０、(ii)Ｐ型にドープされたプリカーサー１９８５、および(iii)真性（intrinsic）のプリカーサー１９９０の３つのプリカーサーのタイプを使用することができる。プリカーサーは、Ｓｉと、Ｇｅと、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、または他のIII族〜Ｖ族の半導体化合物と、II族〜VI族の半導体化合物と、ＣｕＧａＳｅと、ＣｕＩｎＳｅと、ＣｕＩｎＧａＳｅなどの半導体材料である。ドーピングに際して、Ｎ型プリカーサー１９８０が、Ｎ＋型拡散ドーピング領域およびＰ＋型ドーピング領域を含むＰＶ素子１９８２をもたらすことができ、このようなＰＶ素子はＰＶ素子１９１０である。また、プリカーサー１９８０をドーピングすると、Ｎ型およびＰ型の拡散ドーピングの層または領域を有するＰＶ素子１９８４をもたらすことができる。プリカーサー１９８５によって、Ｎ＋拡散ドーピング層およびＰ＋拡散ドーピング層を有するＰＶ素子１９８６、ならびにＮ＋拡散ドーピング層およびＰ型ドーピング層を有するＰＶ素子１９８８を形成することができる。真性のプリカーサー１９９０の様々なドーピングがＰＶ素子１９９２〜１９９８をもたらす。ＰＶ素子１９９２は、Ｐ型ドーピング領域およびＮ型ドーピング領域を含み、ＰＶ素子１９９４は、Ｎ＋型ドーピング層およびＰ型ドーピング層を含み、ＰＶ素子１９９６は、Ｎ型ドーピング層およびＰ＋型ドーピング層を含み、ＰＶ素子１９９８は、Ｎ＋型ドーピング層およびＰ＋型ドーピング層を含む。様々なドーピング領域が導入されたプリカーサー１９８０、１９８５、および１９９０は、延在する領域として示されているが、このような領域は、本明細書で説明されたように、空間的に限定するかまたはほぼ限定することができる。本明細書で示された様々なＰＶ素子は、本発明の態様によるモノリシック光電池を作製するために積層され得るユニットセルを形成するために、本明細書で説明されたように、パターンニングされた誘電材料でコーティングし、かつメタライゼーションすることができる。一態様では、Ｐ＋ＮＮ＋のＰＶ要素またはユニットセルのパターンニングされた誘電材料を用いるコーティングによって形成されたパターンニングされたコンタクトは、地上のＰＶコンセントレータ向けに使用され得るのに対して、Ｐ＋ＰＮ＋のＰＶ素子またはユニットセルは、より放射線に対して強固にされ、したがって宇宙空間用途向けに利用される。
【０１０２】
図２０Ａは、誘電体コーティングによりパターニングされた１つの表面を有するＰＶ素子の断面図２０００である。誘電材料のパターンは、Ｎ＋拡散ドーピング層２０１４の上に堆積された誘電体の部分２００５をもたらす。Ｐ＋拡散ドーピング層２０１６上のパターニングされた誘電体コーティングを有する追加または代替のＰＶ素子の構成が可能であることに留意されたい。図２０００に示されたＰＶ素子では、拡散ドーピング領域２０１４と２０１６とが、Ｎ型領域２０１２によって分離される。上記で論じたように、このような構成は、高強度でのＰＶ素子の動作に関連した再結合損失の緩和において効果的であり得る。
【０１０３】
図２０Ｂは、金属コンタクト２０２５および２０３５でメタライゼーションしたときのＰＶ素子の図２０３０を示す。Ｎ＋拡散層２０１４上のパターニングされた誘電体コーティング領域２００５の存在により、電気コンタクト２０２５と２０３５の間の電気的結合が低減する。上記で論じたように、金属コンタクト層は異なるものであり得る。
【０１０４】
図２０Ｃは、構成ユニットセル（constituent unit cells）２０７０１〜２０７０Ｍ（Ｍは正の整数である）が方向２０８０に沿って積層されているＶＭＪ光電池２０６０の一実施形態を示し、これらは、片側面に、Ｎ＋拡散ドーピング層上の非対称にパターニングされた誘電体コーティング（例えば誘電体領域２００５を有するコーティング）を利用する。ＰＶ素子であるユニットセル２０７０λ（λ＝１、２、．．．、Ｍ）の積層から得られるＶＭＪ太陽電池は、モノリシックの（例えば一体接合された）軸方向に配向された構造体である。一態様では、ユニットセルの半導体材料に基づいて、（ａ）均質および（ｂ）不均質の２つのクラスのＶＭＪ光電池を形成することができる。（ａ）では、ユニットセル２０７０１〜２０７０Ｍは、同一または実質的に同一のプリカーサーに基づくものであるのに対して、（ｂ）では、ユニットセルは異なるプリカーサーに基づくものである。異なるプリカーサーは、同一の半導体化合物に基づくものであってもよく、例えばＳｉと、Ｇｅと、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、または他のIII族〜Ｖ族の半導体化合物と、II族〜VI族の半導体化合物と、ＣｕＧａＳｅと、ＣｕＩｎＳｅと、ＣｕＩｎＧａＳｅではあるがドーピング型が異なるか、または合金化合物については合金化の濃度が異なるものとがある。不均質ＶＭＪ光電池は、電磁放射（例えば太陽光のスペクトル）のソースの発光スペクトルの様々な部分を利用することができる。ＶＭＪ太陽電池は、方向２０８０に沿った直列電圧ΔＶ≒Ｍ・ΔＶＣを生成することができ、ΔＶＣは、構成するＰＶ素子（constituent PV element）２０７０λの電圧である。一態様では、ＶＭＪ太陽電池を形成するのに、一般にＭ〜４０が利用される。Ｍ〜４０を有する１ｃｍ２のＶＭＪは、入射する光子束、放射波長、温度などの一般的な動作条件下でほぼ２５ボルトを出力することができる。最も性能が劣るＰＶ素子が直列接続における電流出力のボトルネックであり、すなわち電流出力は最も性能が劣るユニットセルのものになるので、ＰＶ素子の積層の性能はこのような素子によって制約されることを理解されたい。したがって、性能を最適化するために、ＶＭＪ光電池を形成するアクティブなＰＶ素子の積層またはユニットセルは、フィールドにおけるソーラーコレクタシステムの通常の動作条件下で予期される諸条件に実質的に類似の条件（例えば放射の波長、集中強度）の下で試験台において行なわれた性能の特徴付けに基づいて、電流を一致させるかまたは電流をほぼ一致させることができる。一致した電流は、ＰＶ素子またはユニットセルによるソーラー−電気エネルギー変換で生成された電流である。
【０１０５】
また、ＶＭＪ太陽電池を作製するＰＶ素子２０７０１〜２０７０Ｍのモノリシックスタックは、ＶＭＪ太陽電池がＰＶモジュールまたはＰＶデバイスの一部分であるとき、整数のミラー指数ｑ、ｒ、ｓを有する特定の結晶面（ｑｒｓ）を太陽光に露出するかまたはほぼ露出するために、例えばソー加工、カット、エッチング、剥離などの処理を施すことができる。一態様では、表面状態の本質的なパッシベーションを達成するために、具体的な結晶面は面（１００）であり得る。図２０Ｄは、図２０Ｃに示されたようなパターンニングされたコンタクトを有するＰＶ素子２０９２、またはユニットセルの積層によって生成されたＶＭＪ ＰＶ電池２０９０を示し、ＶＭＪ ＰＶ電池は、法線ベクトル２０９４が方向＜ｑｒｓ＞に配向されて示されている特定の結晶表面（ｑｒｓ）を露出するように処理されている。本明細書で説明されたパターニングされたコンタクトを有するあらゆるＰＶ素子が、結晶面（ｑｒｓ）を露出するＶＭＪ ＰＶ電池を形成するように利用され得ることが注目される。また、処理の一部分として、ＰＶデバイスまたはモジュールのＶＭＪ ＰＶ電池の利用を容易にするかまたは可能にする平坦な表面を生成するために、方向＜ｑｒｓ＞に基づいてＶＭＪ ＰＶ電池の一部分２０９６を除去することができる。
【０１０６】
図２１Ａは、ＰＶ素子に対する例示の誘電体コーティングのパターンを示す図である。パターン２１３０および２１４０は、ＰＶ素子の第１および第２の表面用のパターンに相当する。誘電体コーティングの開口は、画定された幅ｗ２１３５および互いのピッチ間隙ｗＰ２１４５を有するラインまたはストライプである。一態様では、パターニングされた誘電体コーティングの開口のこのような構造は、（１＋ｗ／ｗＰ）−１の接触面積の低減をもたらし、例えばｗ＝ｗＰのとき、接触面積の低減は５０％である。しかし、接触面積がより小さいと直列抵抗が増加する一因となる可能性があるので、接触面積の割合を低減するために好ましいラインまたはストライプのパターンは、密接な間隔で配置された、より小さなラインまたはストライプの高密度の開口である。この密度は、ＰＶモジュールの太陽電池またはＰＶ電池の一部分としてＰＶ素子が動作すると予期される所与の放射強度に対する性能を最適化するように変化させることができる。ＰＶ素子１９１０、またはウェーハの向かい合わせの両表面上の追加または代替のパターンも可能であり、有利でもある。図示のように、ラインまたはストライプ、開口は、各ＰＶ素子１９１０、またはウェーハの両側に作製して、一方の側から他方に対して方向を９０度ずらすことができ、すなわち、パターニングされた誘電体コーティング２１３０のストライプは＜１００＞の方向に対して１９３５度の角度で配向される一方で、パターニングされた誘電体コーティング２１４０のストライプは＜１００＞に対して４５度の角度で整列される。他の相対的方向ずれも可能であって有利であることが注目される。さらに、上記で示されたように、パターニングされた誘電体コーティング２１３０によって形成される開口は、誘電体コーティング２１４０によって生成される開口と、サイズが異なる、例えば面積が異なることがあり得る。例えば、より効果的に総合損失を低減するために、特にＮ＋拡散領域と金属コンタクトとの間により大きな損失があるとき、Ｐ＋ＮＮ＋ユニットセルを有するＰＶ素子において、Ｎ＋接触用の開口面積がＰ＋接触用の開口面積より広い方が一般に望ましいものであり得る。代替形態では、Ｎ＋ＰＰ＋ユニットセル（例えばＰＶ素子１９８６）の再結合損失を緩和するように、Ｐ＋接触用の開口領域をＮ＋接触用のものより広く実施するのが望ましいことがある。
【０１０７】
本明細書で説明された、表面をパターニングされたＰＶ素子の積層および合金化を含む垂直多重接合太陽電池の製造では、異なるように配向され誘導体の領域がメタライゼーションと接合されたとき、画定されたパターンの中に低抵抗接触ポイントを形成することができる。一態様では、誘導体コーティング２１３０および２１４０の開口によって容易になる接触ポイントは、完成したＶＭＪ電池の直列抵抗を低く保つために、直接整列して制御されたパターンで互いに隣接し、１つのウェーハのＰ＋接触が、次のウェーハのＮ＋接触へのポイントで接続する。以前に説明されたように、一態様では、製作されたＶＭＪ電池は、パッシベーション用の低水準の表面状態を確立するために、照光された表面で好ましい結晶方位＜１００＞を有するようにソー加工することができる。したがって、図２１Ａに示されるように、パターニングされたＰＶ素子の第１の表面上のラインまたはストライプの相対的配向は、第２の表面のラインまたはストライプから９０度などの角度γでずらして配向することができ、第１および第２の表面は、結晶方位＜１００＞を含み、例えば結晶面（１００）に対して垂直である。ラインまたはストライプの他の配向も可能であって有利である。同様に、様々な表面のラインまたはストライプの相対的にずれた配向γを実施することができる。一態様では、ずれた配向γは有限の実数であり、例えば、誘電体コーティングパターンは、互いに異なる表面では整列しない。さらに、本明細書で説明したＶＭＪ光電池は、任意の結晶面（ｑｒｓ）を露出するかまたは実質的に露出するように処理することができ、誘電体コーティングのストライプは、ｑ、ｒ、およびｓのミラー指数を有する結晶方向＜ｑｒｓ＞に対してある角度で配向することができる。具体的には、第１の表面上のパターニングされた誘電体コーティングのストライプは、＜ｑｒｓ＞に対して第１の角度αで配向されたストライプを含むことができる一方で、第２の表面のパターニングされた誘電体コーティングのストライプは、＜ｑｒｓ＞に対して第２の角度β（α≠β）で配向することができ、したがって、ずれた配向γ＝α−βがもたらされる。
【０１０８】
図２１Ｂは、Ｐ＋拡散ドーピング層２１７６およびＮ＋拡散ドーピング層２１７４の両方の上に堆積された誘電体コーティングパターンを有するＰＶ素子２１５０の断面図を示す。ＰＶ素子２１５０では、拡散ドーピング領域２０１４と２０１６とが、Ｎ型領域２１７２によって分離される。示された断面は、第１の表面上の誘電体領域（例えば誘電体領域２１５５）の、第２の表面上の誘電体領域（例えば誘電体領域２１６５）に対するアライメントを示すカットである。他の断面のカットは、誘電材料のずれて整列された領域である第１の表面および第２の表面を示すことができることを理解されたい。上記で論じたように、このような整列により、図２１Ｃに示されるように、ＶＭＪ太陽電池を形成するように積み重ねられたとき、Ｐ＋拡散ドーピング層の金属コンタクトを、続いて積み重ねられるＮ＋拡散ドーピング層の金属コンタクトと一致させることができるので、ＰＶ素子２１５０間の直列抵抗を保つのが容易になる。上記で示されたように、誘電体領域２１５５の間隔が、誘電体領域２１６５の間隔とは異なり得ることを理解されたい。
【０１０９】
図２２は、パターニングされた誘電体コーティング２２０２の堆積によって作り出された諸誘電体コーティング領域２２０５を有する例示的ＰＶ素子２２００の断面図を示し、これらにより、同ＰＶ素子をメタライゼーションしたときその表面の金属コンタクト領域の少なくとも１つを低減することが容易になるかまたは可能になる。ＰＶ素子２２００では、Ｎ＋拡散領域２２１４は、ドーピング層の体積（volume）を低減し、したがって光生成キャリアの再結合損失を緩和するように構成される。Ｎ＋ドーピングの領域は、パターニングされた誘電体コーティングの開口構造体によって決定することができ、例えば、Ｎ＋拡散領域２２１４は、誘電体コーティング２２０２のストライプのあるパターンのピッチの間隔に沿って配向されたストライプであり得る。このような領域は、誘電体コーティング領域２２０５を利用することにより、Ｎ＋ドーピングを制御するかまたは操作するためのマスクとして形成される。パターニングされた誘電体コーティング２２０２および堆積された領域２２０５のトポロジに少なくとも部分的に基づいて、Ｎ＋拡散ドーピング面積または体積２２１４は、完全に、または疑似的に制限することができ、例えば２つ以下の方向では制限されて（閉じこめられて：confine）第３の方向に延在する。ＰＶ素子２２００の特徴では、Ｎ型材料２２１２の領域はＮ＋拡散ドーピング領域２２１４と折り交ぜられる（intersperse）。また、Ｐ＋拡散ドーピング領域２２１６は、パターニングされた誘電材料でコーティングされていない。
【０１１０】
メタライゼーションしたとき、例えば、Ｐ＋拡散層２２１６の表面および制限（confine）され分離（disconnect）されたＮ＋拡散ドーピング領域のパターニングされた表面（例えば領域２２１４の組）は、金属コンタクトでコーティングされ、１組のメタライゼーションされたＰＶ素子が積み重ねられ、処理、例えば高温製造ステップによってはんだ付けまたは合金化することができ、本明細書で説明された態様によって再結合損失が低減されたＶＭＪ光電池を形成する。
【０１１１】
図２３Ａは、向かい合った拡散ドーピング領域上に堆積された誘電体コーティングパターンを有するＰＶ素子２３００の断面図を示す。一態様では、第１の誘電体コーティングパターン（例えば、結晶方向＜１００＞に対して１３５度回転した方向に沿って配向された、ストライプパターン２３３０）は、第１の拡散ドーピング領域で金属コンタクト表面を低減するのに利用され、一方、第２の誘電体コーティングパターン（例えば、結晶方向＜１００＞に対して４５度に配向されたストライプパターン２３４０）。Ｎ＋拡散ドーピング領域およびＰ＋拡散ドーピング領域は、それぞれ２つ以上の方向で制限（confine）されたドーピング領域２３１４および２３１６を含むことができる。誘電体コーティングパターンの諸開口は、体積が低減されたドーピング拡散層を生成するマスクとして働くことができ、これらの開口は、コーティングされた誘電体の領域２３０５と２３２５との間に形成される。金属コンタクト表面および両方の拡散ドーピング層のドーピング領域の体積を低減すると、１つのドーピング領域の誘電体コーティングおよびドーピング体積の縮小に関して、キャリア再結合損失の緩和の改善強化をもたらすことができる。上記で論じたように、パターニングされたＰＶ素子、またはユニットセルで作製されたＶＭＪの改善されたＰＶ性能の利益は、表面パターニングに関連した追加処理の複雑さおよびコストに勝る。さらに、パターニングされた誘電体コーティング２３３０によって形成される開口は、拡散ドーピング領域から生じる再結合損失をさらに制御するために、誘電体コーティング２３４０によって生成された開口と、サイズが異なる、例えば面積が異なることがあり得る。例えば、より効果的に総合損失を低減するために、特にＮ＋拡散領域と金属接点との間により大きな損失があるとき、より大きなＮ＋ドーピング領域を作製する開口を、Ｐ＋ドーピング領域を作製する開口より大きくする方が望ましいことがあり得る。
【０１１２】
図２３Ｂは、上記で論じたように互いに異なるものであり得る金属コンタクト層２３６５および２３７５を有するパターニングされたＰＶ素子２３５０の断面を示す。図示された断面カットは、Ｐ＋拡散ドーピング層の表面上の金属領域２３７５（例えば誘電材料の空間の間の領域）と整列したＮ＋拡散ドーピング層の表面上の金属領域２３６５（例えば誘電材料の空間の間にある）を示す。ＰＶ素子２３５０では、Ｎ型プリカーサーの中にドーピング領域が形成される。性能が改善されたＶＭＪ太陽電池を形成するために、１組のパターニングされたＰＶ素子２３５０を積み重ねて処理することができる。
【０１１３】
図２４は、テクスチャ加工された表面を有するテクスチャ加工された垂直多重接合（ＶＭＪ）光電池２４０５の一実施例を示す斜視図であり、これは、ユニットセル２４１０１〜２４１０１０を、ユニットセルの面に対して垂直な方向に沿って積み重ねることにより形成され、各ユニットセル２４１０κ（κ＝１、２、．．．、１０）は、本明細書で説明されたように、パターニングされた誘電体コーティングおよび金属コンタクトを有するＰＶ素子からなる。この例では、テクスチャ加工されたＰＶ電池２４０５は１０個のユニットセルの組で示されているが、テクスチャ加工されたＶＭＪ光電池はＭ個のユニットセルを備えることができ、Ｍは正の整数であることが注目される。テクスチャ加工されたＶＭＪ光電池のユニットセル、例えば２４１０κは、ユニットセル２０７０λ、２１８０λ、または２３５０、あるいは本明細書で説明したように作製された任意の他のユニットセルで実施することができる。光電池２４０５では、テクスチャ加工された表面２４１２はＶ字型溝の表面であるが、例えばＵ字型溝といった他の溝または様々な形状の共振器（cavity）を形成することができる。テクスチャ加工された表面は、ユニットセルのモノリシックスタックまたは本明細書で説明されたパターン付き金属コンタクトを有するＰＶ素子を処理した結果として電磁放射に露出されるかまたは実質的に露出される面（ｑｒｓ）の上に形成され、例えば図２０Ｄを参照されたい。入射光は、法線ベクトルｎ２４３２を有する面２４３０で屈折され得る。このような面２４３０は、ユニットセル２４１０κのパターニングされた誘電材料がコーティングされている表面と平行であって、溝２４１５の断面構成を含むことができ、ユニットセル２４１０κを積層する方向に対して実質的に垂直である。ユニットセル２４１０κのモノリシックスタックの表面のテクスチャリングは、テクスチャ加工された表面２４１２をもたらし、これによって、屈折した光を、キャリアの光発電を妨げることなくＰ＋およびＮ＋の拡散ドーピング領域から遠ざかるように方向付けることができ、したがって、テクスチャ加工された光電池２４０５を構成するユニットセルをより薄くすることができ、また、以前に示されたように再結合損失を効果的に低減する。さらに、電池における入射光の吸収を増加するために、テクスチャリングされた表面２４１０に対して反射防止コーティングを与えることができる。
【０１１４】
上記で説明された例示的システムおよび要素を考慮して、開示された本発明によって実施することができる例示的方法は、図２５〜図２８の流れ図を参照すると一層よく理解することができる。説明の簡易さのために、本明細書で説明された方法が、一連の処理として示され、かつ説明されているが、いくつかの処理は、本明細書で示され説明された他の処理と異なる順序で、かつ／または同時に行なうことができるので、説明され、かつ請求される本発明は、処理の順序によって限定されないことを理解されたい。例えば、本明細書で説明された方法は、あるいは、状態図または相互作用図などにおける一連の相互関係がある状態または事象として表すことができることを理解されたい。さらに、本発明の明細書による例示的方法を実施するのに、すべての示された処理が必要とされるとは限らない可能性がある。さらに、本明細書で説明された例示的方法は、１つまたは複数の特徴または利点を実現するために連結して実施することができる。
【０１１５】
図２５は、本明細書で開示された態様によってキャリア再結合損失が低減されるＶＭＪ太陽電池を作製する例示的方法２５００を示す流れ図である。本発明の例示的方法は、太陽電池に限定されず、任意の、または実質的に任意の光電池を作製するようにも達成され得る。本明細書で説明された１つまたは複数のコンポーネントまたはモジュールは、本発明の例示的方法２５００を達成することができる。処理２５１０で、太陽光発電要素（例えばＰＶ素子１９１０）の１組の表面は、誘電体コーティングでパターニングされる。ＰＶ素子の誘電体コーティングによるパターニングは、以前に論じられた１つまたは複数の誘導体コーティングを作製するために任意の適切な技術を利用することを含む。一例として、パターニングは、堆積およびフォトリソグラフィ技術によって進められ得る。別の例として、採用されたパターニングプロトコルを補完または補足するためにエッチング技術も使用することができる。表面の組をコーティングするのに、実質的に任意の、または任意の誘電材料を使用することができる。処理２５２０で、ＰＶ要素のパターン付き表面の１つまたは複数の上に金属コンタクトが堆積される。処理２５３０の代替または追加の実現は、ＰＶ素子の１つまたは複数のパターン付き表面の上にオーミックコンタクトまたは導電性接触を堆積することを含むことができる。金属コンタクトまたはオーミックコンタクト用の材料は、例えば低抵抗率のドープされた半導体または金属である、実質的に任意の、または任意の導電材料で実施することができる。一態様では、導電材料は、好ましくはＰＶ素子の半導体材料の熱係数とほぼ一致する熱係数を有する。別の態様では、導電材料は、パターニングされメタライゼーションされたＰＶ素子の積み重ねを容易にする結合特性を有する。さらに別の態様では、誘電材料コーティングのパターンは、向かい合った表面（opposing surface）のメタライゼーションが、異なる表面上の金属領域を整列させることにより、低抵抗の領域をもたらすことを保証する（例えば、パターン２３３０および２３４０における９０度ずれた方向のストライプの開口が、積層方向（例えばｚ方向２０８０）に沿って整列した金属コンタクト領域をもたらす）。処理２５３０で、１組のパターニングされメタライゼーションされた太陽光発電素子が積層されてＶＭＪ太陽電池を形成する。このようなＰＶ素子は、上記で論じたように、制限（confine）された拡散ドーピング領域を含み得ることを理解されたい。処理２５４０で、形成されたＶＭＪ太陽電池は、ＰＶデバイス内の配置を容易にするため、太陽光発電性能を最適化するため、またはそれらの組合せのために処理される。このような処理は、切断処理、研磨処理、清掃処理、一体化処理などの様々な製造のステップまたは処理を含むことができる。このような処理は、形成されたＶＭＪ太陽電池がＰＶデバイスの中に配置されるときに、特定の結晶面を日光に露出することを少なくとも部分的に対象とすることができる。一例では、処理は、パッシベーション用の最も低品位の表面状態を確立するために、結晶面＜１００＞を日光に露出するかまたは実質的に露出するようにカッティングを形成されたＶＭＪ電池（cutting formed VMJ cell）を��える。
【０１１６】
図２６は、本明細書で説明された態様によってキャリア再結合損失が低減される太陽電池を作製する例示的方法２６００を示す流れ図である。本発明の例示的方法２６００は、太陽電池の製造に限定されず、例示的方法２６００は、任意の、または実質的に任意の光電池を作製するようにも達成され得る。本明細書で説明された１つまたは複数のコンポーネントまたはモジュールは、本発明の例示的方法２６００を達成することができる。処理２６１０で、太陽光発電素子（例えばＰＶ素子１９１０）の１組の表面は、誘電体コーティングでパターニングされる。ＰＶ素子の誘電体コーティングによるパターニングは、以前に論じられた１つまたは複数の誘導体コーティングを作製するために任意の適切な技術を利用することを含む。一例として、パターニングは、堆積およびフォトリソグラフィ技術によって進めることができる。別の例として、採用されたパターニングプロトコルを補完または補足するためにエッチング技術も使用することができる。表面の組をコーティングするのに、実質的に任意の、または任意の誘電材料を使用することができる。処理２６２０で、パターニングされた誘電体コーティングは、ＰＶ素子の中に制限（confine）された拡散ドーピング領域を生成するのに利用され得る。パターニングされた誘電体コーティングは、ドーピング領域の制限（閉じこめ：confinement）の程度を規定するマスクとして使用することができる。一態様では、ドーピング領域の制限は、ほぼ２次元であってもよく、ドーピングは、実質的に１つの次元に沿って延在し、かつ２つの異なる方向に沿って制限され得る。ドーピング領域の制限は、ほぼ３次元でもあってもよく、ＰＶ素子のドーピングは、ＰＶ素子のサイズより実質的に小さな１組の１つまたは複数の局部領域に限定される（例えば図２２を参照されたい）。一例として、誘電材料のストライプパターン（例えばパターン２３３０）は、ドーピング用のマスクとして利用されたとき、例えば名目上ドープされていない半導体材料のスラブの中心へ向かう拡散方向、およびパターニングされたコーティングにおけるピッチまたはストライプに対して垂直な方向といった２つの方向で実質的に制限される拡散ドーピング層をもたらすことができる。拡散ドーピング領域の制限された領域は、その体積が低減して光生成キャリア再結合損失が緩和される。
【０１１７】
処理２６３０で、１つまたは複数のＰＶ素子のパターニングされた表面の上にオーミックコンタクトが堆積される。オーミックコンタクト用の材料は、例えば低抵抗率のドープされた半導体または金属である、実質的に任意の、または任意の導電材料で実施することができる。一態様では、この導電材料は、ＰＶ素子の半導体材料、例えばＳｉと、Ｇｅと、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、または他のIII族〜Ｖ族の半導体化合物と、II族〜VI族の半導体化合物と、ＣｕＧａＳｅと、ＣｕＩｎＳｅと、ＣｕＩｎＧａＳｅ、．．．、とに熱係数がほぼ一致し、合金化に適している。以前に示されたように、誘電材料コーティングのパターンは、向かい合ったパターニングされた表面上へのオーミックコンタクトの堆積が、異なる表面上のメタライゼーション領域を整列させることにより、低い電気抵抗の領域をもたらすことを保証する（例えば、パターン２３３０および２３４０における９０度ずれた方向にストライプがある開口が、積層方向（例えばｚ方向２０８０）に沿って整列した金属コンタクト領域をもたらす）。
【０１１８】
処理２６４０で、１組のパターニングされメタライゼーションされた太陽光発電素子が積層されて太陽電池を形成する。太陽電池を形成する太陽光発電素子の組は、Ｍ個の素子にわたり、Ｍは、太陽電池の目標動作電圧によって少なくとも部分的に決定される自然数である。一態様では、ＰＶ素子の組は、均質でも不均質でもあり得る。均質の組では、組の中の各素子またはユニットセルは、同一または実質的に同一のプリカーサーに基づくものであり、不均質の組では、各素子は、異なるプリカーサーに基づくものである。異なるプリカーサーは、同一の半導体化合物に基づくものであってもよく、例えばＳｉと、Ｇｅと、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、または他のIII族〜Ｖ族の半導体化合物と、II族〜VI族の半導体化合物と、ＣｕＧａＳｅと、ＣｕＩｎＳｅと、ＣｕＩｎＧａＳｅではあるがドーピング型が異なるか、または合金化合物については合金化の濃度が異なるものとがある。また、このようなパターニングされメタライゼーションされたＰＶ素子は、上記で論じたように、制限された拡散ドーピング領域を含む。２６５０で、太陽電池は、ＰＶデバイス内の配置を容易にするため、太陽光発電性能を最適化するため、またはそれらの組合せのために処理される。処理は、切断処理、研磨処理、清掃処理、一体化処理などの様々な製造のステップまたは処理を含むことができる。このようなステップは、形成された太陽電池がＰＶデバイス内に配置されるときに、特定の結晶面を太陽光に露出することを少なくとも部分的に意図することができる。一例では、処理は、パッシベーション用の最も低品位の表面状態を確立するために、結晶面（１００）を太陽光に露出するかまたは実質的に露出するようにカッティングを形成された太陽電池を備える。太陽電池は、例えば（３１１）などの（ｑｒｓ）面である他の結晶面を露出するかまたは実質的に露出するように処理することができることを理解されたい。
【０１１９】
図２７は、本明細書で説明された態様による太陽電池の製造を可能にする例示的システム２７００のブロック図である。堆積反応器（deposition reactor）２７１０によって、本明細書で説明されたように、例えばＶＭＪ太陽電池である太陽電池を構成するＰＶ素子またはユニットセルを作製するために半導体ベースのウェーハを処理することができる。堆積反応器２７１０およびその中のモジュールは、様々なハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、またはそれらの組合せ、ならびに処理を達成するための関連した電気回路または電子回路を含む。態様では、コーティングモジュール２７１２により、誘電体コーティングを用いて半導体ウェーハまたは基板の表面をパターニングすることができる。ウェーハまたは基板は、名目上非ドープであるかまたドープされたものであってもよく、太陽電池の製造に利用されるＰＶ素子のプリカーサーである。上記で示されているように、パターニングは、適切なマスク、フォトリソグラフィ、またはエッチングによる誘電材料の堆積に基づくものであり得る。堆積反応器２７１０は、ＰＶ素子の半導体プリカーサーの中にドーパントを含むことを可能にするドーピングモジュール２７１４も含む。前述のように、ドーパントは拡散ドーピング層を形成する（例えば図１９または図２３を参照されたい）ことができるが、ドーピングモジュール２７１４は、例えばデルタドーピングといった実質的にエピタキシベースのドーピングなどの任意のタイプのドーピングももたらす。また、ドーピングモジュール２７１４により、自己ドーピングを防止することができる拡散バリアの形成が可能になる。
【０１２０】
前述のように、誘電材料を用いたＰＶ素子のコーティングは、ドーピングの以前または以後に行なうことができる。パターニングされた誘電体コーティングの後に続くドーピングは、制限されたドーピング領域またはほぼ制限されたドーピング領域を生成するためのマスクとしてこのようなコーティングを利用する（例えば図２２を参照されたい）。
【０１２１】
メタライゼーションモジュール２７１６により、延在するドーピング領域または制限されたドーピング領域およびパターニングされた誘電体コーティングを含むＰＶ素子への金属層の堆積が可能になる。メタライゼーションは、後続のドーピングを伴う半導体材料の堆積または金属材料の堆積によって達成することができる。一態様では、このような材料は、ドーピング領域を有するＰＶ素子の熱係数と一致するかまたはほぼ一致する熱係数を有する。
【０１２２】
堆積反応器２７１０は、スパッタリングチャンバと、エピタキシチャンバと、気相成長チャンバと、電子ビーム銃と、原材料保持具と、ウェーハ収納場所と、サンプル基板と、オーブンと、例えばターボ分子ポンプ、拡散ポンプなどの真空ポンプとを含むことができる。また、堆積反応器２７１０は、プロセッサおよび揮発性または不揮発性のメモリを含むコンピュータと、プログラマブルロジックコントローラと、特定目的用チップセットなどの専用プロセッサとを含むことができる。堆積反応器２７１０は、オペレーティングシステム、または少なくとも以前に説明されたものを含む１つまたは複数の処理動作を達成するためのコード命令などのソフトウェアアプリケーションも含むことができる。説明されたハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せにより、堆積反応器２７１０およびそのモジュールの機能の少なくとも一部分が容易になるかまたは可能になる。バス２７１８により、堆積反応器２７１０内の様々なハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せの間で、例えばデータまたはコード命令、材料の移送、処理された要素の交換などといった情報の連絡が可能になる。
【０１２３】
太陽光発電素子は、さらなる処理のためのパッケージプラットフォーム２７３０に供給され得る。例えばコンベアリンクである交換リンク、または交換チャンバおよびその電気機械コンポーネントが、ＰＶ素子を供給することができ、交換リンクまたは交換チャンバのうち少なくとも１つが矢印２７２０で示されている。組立てモジュール２７３２は、太陽電池、例えばＶＭＪ太陽電池を作製するために、１組のＰＶ素子を収集することができ、高温のプロセスまたはステップによって諸ＰＶ素子のそれぞれを積み重ねることを可能にする。スタックは、決められた規格に対して太陽電池を完成する規格モジュール２７３４に移送され、例えば、スタックは、太陽電池を形成するスタックのＰＶ素子の特定の結晶面の露出を可能にするためにソー加工される。このような処理は、太陽電池の中のＰＶ素子またはユニットセルの結晶方位を求めることができる試験モジュール２７６０によって少なくとも部分的に容易にするかまたは可能にすることができ、このような割出しは、Ｘ線分光学、例えば回折スペクトルおよびロッキングカーブスペクトルによって確立することができる。
【０１２４】
品質を保証するかまたは仕様を満たすために、試験モジュール２７６０は、太陽電池製造の様々な段階で、プリカーサー材料または処理された材料を調査することができる。一例として、試験モジュール２７６０は、ＰＶ素子のパターニングされた誘電体コーティングの開口の密度がソーラーコンセントレータにおける予期された太陽光強度、または光子束に対して適切であるかどうか求めるために、このような密度を調査することができる。別の例として、試験モジュールは、メタライゼーションのために利用された材料またはプロセスが適切かどうか確証するために、金属層を有するＰＶ素子の熱サイクルから発生し得る欠陥の密度を求めることができる。少なくともこのような目的のために、試験モジュール２７６０は、少数キャリアの寿命測定、Ｘ線分光学、走査電子顕微鏡検査、トンネル電子顕微鏡検査、トンネル走査顕微鏡検査、電子エネルギー損失分光法などを実施するかまたは可能にすることができる。試験モジュール２７６０によって実施される調査は、in situまたはex situであり得る。処理された材料のプリカーサーまたは例えば太陽電池であるデバイスのサンプルが、交換リンク２７４０および２７５０を介して試験モジュールに供給され得る。
【０１２５】
処理ユニット（図示せず）は、システム２７００の動作に関連して、本明細書で説明された様々なプロセスの少なくとも一部分を制御するためのロジックを達成することができる。このような処理ユニット（図示せず）は、制御ロジックを達成するコード命令を実行するプロセッサを含むことができ、例えばプログラムモジュールまたは諸ソフトウェアアプリケーションといったコード命令は、プロセッサに機能的に結合されたメモリ（図示せず）に記憶することができる。
【０１２６】
上記で説明されてきたことは、本発明の利点をもたらすシステムおよび方法の実施例を含んでいる。もちろん、本発明を説明する目的で構成要素または方法のあらゆる考えられる組合せを説明するのは不可能であるが、当業者なら、特許請求されている主題の多数のさらなる組合せおよび並べ換えが可能であることを理解することができる。さらに、用語「含む（include）」、「有する（has）」、「有する（possess）」などが、詳細な説明、特許請求の範囲、付表および図で用いられる限り、このような用語は、「備える（comprising）」が請求項で移行句（transitional word）として使用されたとき解釈されるように、用語「備える（comprising）」と同様に包括的であることが意図されている。
【図１】
2012500474.tif 000003
【図２】
2012500474.tif 000004
【図３】
2012500474.tif 000005
【図４】
2012500474.tif 000006
【図５】
2012500474.tif 000007
【図６】
2012500474.tif 000008
【図７】
2012500474.tif 000009
【図８】
2012500474.tif 000010
【図９】
2012500474.tif 000011
【図１０】
2012500474.tif 000012
【図１１】
2012500474.tif 000013
【図１２】
2012500474.tif 000014
【図１３】
2012500474.tif 000015
【図１４】
2012500474.tif 000016
【図１５】
2012500474.tif 000017
【図１６】
2012500474.tif 000018
【図１７】
2012500474.tif 000019
【図１８】
2012500474.tif 000020
【図１９Ａ】
2012500474.tif 000021
【図１９Ｂ】
2012500474.tif 000022
【図１９Ｃ】
2012500474.tif 000023
【図２０Ａ】
2012500474.tif 000024
【図２０Ｂ】
2012500474.tif 000025
【図２０Ｃ】
2012500474.tif 000026
【図２０Ｄ】
2012500474.tif 000027
【図２１Ａ】
2012500474.tif 000028
【図２１Ｂ】
2012500474.tif 000029
【図２１Ｃ】
2012500474.tif 000030
【図２２】
2012500474.tif 000031
【図２３Ａ】
2012500474.tif 000032
【図２３Ｂ】
2012500474.tif 000033
【図２４】
2012500474.tif 000034
【図２５】
2012500474.tif 000035
【図２６】
2012500474.tif 000036
【図２７】
2012500474.tif 000037
【国際調査報告】
2012500474.tif 000038
2012500474.tif 000039
2012500474.tif 000040
2012500474.tif 000041