(57)【要約】  ヒ化エルビウム（ＥｒＡｓ）などの希土類Ｖ族中間層を設けて、中間ギャップ状態を伴うトンネルダイオード構造を生み出すことにより、トンネル接合を改善する。このようなトンネル接合は、ＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池に希薄窒化物材料を組み入れるのに必要な範囲の熱エネルギー条件（時間／温度）に耐え抜く。【選択図】      図７
2012531749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池内にトンネル接合を形成するステップを含む、ＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池を形成する方法であって、
前記多接合太陽電池内に、希薄窒化物を含む少なくとも１つの層を設けるステップと、
トンネル接合に関連するｎ＋半導体層を設けるステップと、
前記ｎ＋半導体層と向かい合うｐ＋半導体層を設けるステップと、
前記ｐ＋層と前記ｎ＋層の間に、中間ギャップ状態を伴うトンネルダイオードを形成する希土類Ｖ族中間層を設けるステップと、
前記希薄窒化物層を強化して、前記太陽電池の性能を改善するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記強化ステップは、前記希薄窒化物層の電圧及び電流特性を改善するのに十分な熱エネルギーを前記多接合太陽電池に印加するステップを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ｎ＋層は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ｐ＋層は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物である、
ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記希土類Ｖ族中間層は、エルビウムベースの化合物である、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記希土類Ｖ族中間層は、ランタニド及びＶ族元素の化合物である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ｎ＋層は希薄窒化物である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ｎ＋層は、希薄窒化物としてＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ｐ＋層は希薄窒化物である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ｐ＋層は、希薄窒化物としてＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ｎ＋層は、ガリウムヒ素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、ガリウムインジウムヒ素、及びアルミニウムガリウムインジウムヒ素リンから成る群から選択され、
前記ｐ＋層は、ガリウムヒ素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、ガリウムインジウムヒ素、及びアルミニウムガリウムインジウムヒ素リンから成る群から選択され、
前記希土類Ｖ族中間層は、ヒ化エルビウム及びエルビウムリンから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つのサブセルを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物型多接合太陽電池であって、
ａ）
ｎ＋半導体層と、
ｐ＋半導体層と、
中間ギャップ状態を伴うトンネルダイオードを形成する、前記ｐ＋層と前記ｎ＋層の間の希土類Ｖ族中間層と、
を有する接合構造と、
ｂ）希薄窒化物を含む少なくとも１つの層と、
を備え、
ｃ）前記太陽電池が、前記希薄窒化物含有層を改善するのに十分な熱エネルギーにさらされる、
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項１３】
アニール処理ステップは、前記希薄窒化物層の電圧及び電流特性を改善するのに十分なものである、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項１４】
前記ｎ＋層は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項１５】
前記ｐ＋層は、ＩＩＩ−Ｖ族ベースの化合物である、
ことを特徴とする請求項１４に記載の太陽電池。
【請求項１６】
前記希土類Ｖ族中間層は、ランタニド及びＶ族元素の化合物である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の太陽電池。
【請求項１７】
前記希土類Ｖ族中間層は、エルビウム化合物である、
ことを特徴とする請求項１５に記載の太陽電池。
【請求項１８】
前記ｎ＋層は希薄窒化物である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項１９】
前記ｎ＋層は、希薄窒化物としてＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項２０】
前記ｐ＋層は希薄窒化物である、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項２１】
前記ｐ＋層は、希薄窒化物としてＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【請求項２２】
前記ｎ＋層は、ガリウムヒ素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、ガリウムインジウムヒ素、及びアルミニウムガリウムインジウムヒ素リンから成る群から選択され、
前記ｐ＋層は、ガリウムヒ素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、ガリウムインジウムヒ素、及びアルミニウムガリウムインジウムヒ素リンから成る群から選択され、
前記希土類Ｖ族中間層は、ヒ化エルビウム及びエルビウムリンから成る群から選択される、
ことを特徴とする請求項１２に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光電池技術に関し、特に高効率多接合ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池を構築するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池は、様々なサブセルをまとめて単層構造に組み入れ、単機能の太陽電池に変えることによって形成される。サブセルの各々は、太陽のスペクトルの異なる領域の光を吸収して、この光を電流及び電圧に変換する。これらのサブセルは、トンネル接合と呼ばれる下部構造によって電気的に接続される。これらの下部構造の各々は、太陽電池の全体的性能に影響を与え、統合は容易でない。例えば、従来の三重接合セルでは５つの下部構造が存在し、３つが光吸収サブセルであり、２つがトンネル接合（ＴＪ）である（図１を参照）。これらの部分要素は全て、良好に一体化されなければならない。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池で使用するサブセルのバンドギャップを正しく選択することにより、セルの全体的な変換効率を最適化することができる（Ｊ．Ｆ．Ｇｅｉｓｚ、Ｄ．Ｊ．Ｆｒｉｅｄｍａｎ、Ｊ．Ｓ．Ｗａｒｄ、Ａ．Ｄｕｄａ、Ｗ．Ｊ．Ｏｌａｖａｒｒｉａ、Ｔ．Ｅ．Ｍｏｒｉａｒｔｙ、Ｊ．Ｔ．Ｋｉｅｈｌ、Ｍ．Ｊ．Ｒｏｍｅｒｏ、Ａ．Ｇ．Ｎｏｒｍａｎ、Ｋ．Ｍ．Ｊｏｎｅｓ、「２つの独立変形接合を有する４０．８％効率反転三重接合太陽電池（４０．８％  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｔｒｉｐｌｅ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ  ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第９３巻、第１２３５０５号、２００８年を参照）。ＧａＡｓと格子整合した１ｅＶ以下のバンドギャップのサブセルサンドを有する三重接合ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池が、従来の三重接合ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池（すなわち、ゲルマニウムベースの底部接合を有する太陽電池）よりも効率を改善させることができたことはよく知られている。実際に、３又はそれ以上の接合部を有する太陽電池の作成には、ＧａＡｓのバンドギャップ（１．４２ｅＶ）よりも小さい調節可能なバンドギャップを有する材料系が好ましい。この役割のために検討されてきた主な材料系の１つに希薄窒化物材料系がある（一般的には、少量のＳｂ又はＢｉを含むことがあるＧａＩｎＮＡｓとして記述される。例えば、Ｋ．Ｖｏｉｚ、Ｊ．Ｋｏｃｈ、Ｂ．Ｋｕｎｅｒｔ、Ｉ．Ｎｅｍｅｔｈ、Ｗ．Ｓｏｌｔｚ、「Ｎ含有ＩＩＩ／Ｖ族半導体ヘテロ構造の光学的及び構造的特性に対するアニール処理の影響（Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｎ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ＩＩＩ／Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」Ｊ．  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２９８巻、１２６〜１３０頁、２００７年を参照）。以下、これらの種類の材料を単純に希薄窒化物と呼ぶ。この材料系は、そのバンドギャップが１．４２ｅＶ未満の場合、バンドギャップとは無関係にＧａＡｓと格子整合できるので、太陽電池に組み入れるのに適しているように思われる。ＬＥＤなどの他の状況では、トンネル接合内の希薄窒化物が知られている。例えば、米国特許第６、７６５、２３８号を参照されたい。
【０００４】
しかしながら、希薄窒化物材料を太陽電池に組み入れるのに必要なものは格子整合にとどまらない。この材料を高性能なＩＩＩ−Ｖ族太陽電池でうまく使用するには、他の統合検討が必要となる。これまで、多接合太陽電池内に高性能希薄窒化物サブセルを形成するためのこれらの統合化問題を、他のサブセル、下位構造、又は全体としての太陽電池の性能を駄目にすることなくいかにして解決するかが示されてきた。
【０００５】
多接合太陽電池の統合要件
ａ．格子整合
材料組成を適切に選択することにより、（少量のＳｂ又はＢｉの有無に関わらず）希薄窒化物材料系を成長させてＧａＡｓと格子整合できることが知られている。実際に、インジウム及び窒素などの、層内の化合物の元素の相対的な組成の重み付けをトレードオフすることにより、格子整合を維持しながら希薄窒化物材料のバンドギャップを調節することができる。通常、格子整合した材料には、非格子整合成長中に生じるレベルの結晶欠陥が無い。これらの欠陥は、デバイスの性能とデバイスの信頼性の両方に悪影響を与え得る。
【０００６】
ｂ．電流整合
サブセルを多接合デバイスに組み込むべきかどうかを調べるために評価しなければならない別の基本的なサブセルパラメータに、その電流密度（ＪSC）がある。希薄窒化物サブセルを多接合太陽電池効率的に組み入れるには、このサブセルが、デバイス内の（ＧａＡｓ及びＩｎＧａＰベースのサブセルなどの）他のサブセル以上の電流を生成しなければならない。全てのサブセルは、トンネル接合を通じてともに直列に接続されるので、全てのサブセルを流れる電流は同一でなければならない（図２を参照）。従って、太陽のスペクトルを最適効率で変換するには、全てのサブセルがほぼ同じ量の電流を生成しなければならない（すなわち、これらは「電流整合」していなければならない）。
【０００７】
ＡＭ１．５Ｄの太陽放射の下でＧａＡｓ及びＩｎＧａＰを他の２つのサブセル材料として使用する典型的な三重接合デバイスでは、電流整合を達成するには、希薄窒化物サブセルが、１ｓｕｎの濃度で約１３ｍＡ／ｃｍ2を上回る電流を生成しなければならない。高電流生成低バンドギャップセルのさらなる動機として、全体的な太陽電池効率を若干犠牲にして、必要とされるよりも多くの電流を低バンドギャップセルに生成させることが有利と考えられる。例えば、電流整合に必要とされるよりも多くの電流を底部のセルに生成させることで、システム積分器に課される光学的伝達関数の制約が緩和される。この場合、システム積分器は、（例えば）ＧａＡｓ及びＩｎＧａＰサブセルがカバーするスペクトル範囲内でシステムの光学的スループットを高く保つことに集中する一方で、底部サブセルのスループット制約を緩和する。
【０００８】
適切なバンドギャップを有するとともに電流整合を実現するほど十分に高い電流も生成する希薄窒化物サブセルを作成することは極めて困難であったため、希薄窒化物は、太陽電池の効率に利点をもたらすと予測されるにもかかわらず、商用のＩＩＩ−Ｖ族太陽電池では使用されていない。（１３ｍＡ／ｃｍ2を上回る）必要な電流レベルを達成した既知のレポートが１つだけ存在する（Ｄ．Ｂ．Ｊａｃｋｒｅｌ、Ｓ．Ｒ．Ｂａｎｋ、Ｈ．Ｂ．Ｙｕｅｎ、Ｍ．Ａ．Ｗｉｓｔｅｙ、Ｊ．Ｓ．Ｈａｒｒｉｓ、Ａ．Ｊ．Ｐｔａｋ、Ｓ．Ｗ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ、Ｄ．Ｊ．Ｆｒｉｅｄｍａｎ、Ｓ．Ｒ．Ｋｕｒｔｚ、「分子ビームエピタキシによる希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓ及びＧａＩｎＮＡｓＳｂ太陽電池（Ｄｉｌｕｔｅ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ＧａＩｎＮＡｓ  ａｎｄ  ＧａＩｎＮＡｓＳｂ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｂｙ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）」、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ、第１０１巻、第１１４９１６号、２００７年）。
【０００９】
必要な性能を達成するための１つの鍵は、希薄窒化物サブセルを熱アニール処理にかけることである。希薄窒化物材料を堆積させた後に見られる全ての上昇温度は、希薄窒化物層の特性に影響を与えると考えられる。希薄窒化物層の上に追加の太陽電池層を成長させるのに必要な温度及び時間は、希薄窒化物のアニール処理の一部と考えることもできる。一般に、希薄窒化物層の上での追加成長に使用される温度及び時間は、希薄窒化物のパラメータを最大限に改善するのに十分なものではない。従って、太陽電池の完全なエピタキシャル堆積後に希薄窒化物材料をアニール処理することで、希薄窒化物サブセルのパラメータが著しく改善され、このようなサブセルを多接合セルにうまく統合できるようになる傾向にある。発表文献によれば、様々な研究者及び団体により、非常に広い範囲の時間及び温度にわたって希薄窒化物のアニール処理が行われている。全ての時間／温度の組み合わせによって希薄窒化物ベースのデバイスの性能が最適に改善されるわけではないが、この文献によるアニール処理の例は、最大２時間にわたって５２５℃〜８００℃の範囲に及び（Ｋ．Ｖｏｌｔｚ、Ｄ．Ｌａｃｋｎｅｒ、Ｉ．Ｎｅｍｅｔｈ、Ｂ．Ｋｕｎｅｒｔ、Ｗ．Ｓｔｏｌｚ、Ｃ．Ｂａｕｅｒ、Ｆ．Ｄｉｍｒｏｔｈ、Ａ．Ｗ．Ｂｅｔｔ、「太陽電池用途のための（ＧａＩｎ）（ＮＡｓ）のアニーリング条件の最適化（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ｏｆ  （ＧａＩｎ）（ＮＡｓ）  ｆｏｒ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第３１０巻、２２２２〜２２２８頁、２００８年）、（３０秒から１分又はそれ以上などの） 短時間にわたって８００℃を上回る（Ｊ．Ｍｉｇｕｅｌ−Ｓａｎｃｈｅｚ、Ａ．Ｇｕｚｍａｎ、Ｊ．Ｍ．Ｕｌｌｏａ、Ａ．Ｈｉｅｒｒｏ、Ｅ．Ｍｕｎｏｚ、「方向をずらした（１１１）Ｂ  ＧａＡｓ基板上におけるＩｎＧａＡｓＮのｐ−ｉ−ｎ構造の成長の光学特性に対する窒素の影響（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＩｎＧａＡｓＮ  ｐ−ｉ−ｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｍｉｓｏｒｉｅｎｔｅｄ  （１１１）Ｂ  ＧａＡｓ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第８４巻、第１４号、２５２４〜２５２６頁、２００４年）。
【００１０】
Ｃ．完全に統合されたデバイスが熱アニールに耐えなければならない。
良好な独立した希薄窒化物サブセルを作成するだけでは不十分である。完全に機能する多接合デバイスに希薄窒化物サブセルを組み入れることも必要である。適切な組成の希薄窒化物を使用することにより、格子整合及びバンドギャップの制約条件を満たすことができる一方で、アニール処理を通じてサブセルの性能を改善することができる（Ｊ．Ｈａｒｒｉｓらによる米国特許出願公開第１２／２１７８１８号を参照）。ＧａＩｎＮＡｓサブセルの性能を改善するために見られる熱照射は、材料を堆積させる堆積室との関連で、原位置で、実験施設内で、又はこれらの両方を組み合わせて行うことができる。希薄窒化物サブセル（又はセル）に対する熱負荷（又は照射）の印加は、ＧａＩｎＮＡｓサブセルにとっては有利であるが、他の下部構造に著しく悪影響を与えることがある。多接合セル内で希薄窒化物を使用するには、これらの他の下部構造が希薄窒化物のアニール処理に耐えるようにうまく扱わなければならない。このアニール制約は、希薄窒化物材料を組み入れた多接合セルに固有のものである。希薄窒化物サブセルを含まない太陽電池には、この制約はない。希薄窒化物サブセルを含まない従来の太陽電池の例としては、図１を参照されたい。
【００１１】
（ＧａＡｓ及びＩｎＧａＰなどの）他の一般的な種類のサブセルは、一般にアニール処理後に（突発故障などの）劣化を示すことはほとんどないが、通常のトンネル接合は、希薄窒化物のアニール処理後に著しく、破滅的にさえ劣化する（Ｓ．Ａｈｍｅｄ、Ｍ．Ｒ．Ｍｅｌｌｏｃｈ、Ｅ．Ｓ．Ｈａｒｍｏｎ、Ｄ．Ｔ．ＭｃＩｎｔｕｒｆｆ、Ｊ．Ｍ．Ｗｏｏｄａｌｌ、「ＧａＡｓトンネル接合を形成するための不定比性の使用（Ｕｓｅ  ｏｆ  ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ  ｔｏ  ｆｏｒｍ  ＧａＡｓ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７２巻、第２５号、３６６７〜３３６９頁、１９９７年を参照）。また、図８に、８２０ｓｕｎ付近で測定した多接合太陽電池デバイスから得られる２つの電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）曲線を示している。この曲線は、同一のエピタキシャルスタックの２つの異なるウェハから得たものである。使用したトンネル接合設計は、ｎ−ＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＧａＡｓタイプの設計（ＥｒＡｓは含まず）であった。一方のウェハを７８０℃（曲線１、黒）でアニール処理し、他方を７４０℃（曲線２、グレー）でアニール処理した。両ウェハのアニール時間は同一であった。高い温度でアニール処理した方のウェハが明らかなトンネル接合の不具合を示していることがはっきりと分かる。この種のトンネル接合の不具合は、ＧａＩｎＮＡｓサブセルの性能を改善するために太陽電池スタックに印加できるアニール熱負荷（時間及び温度など）の範囲を制限する。
【００１２】
トンネル接合の背景
図３に示すエネルギーレベル図によって示すような急変するｐ＋＋／ｎ＋＋接合を形成することにより、バンド間トンネリングが発生する状態を作り出すことができる。このトンネリングは、ドーピングが強Ｐ型から強Ｎ型に急激に変化することによって発生する高い電場に依存する。このようなデバイスでは、ｐ−ｎ接合部が、ゼロボルト付近で抵抗器と非常によく似た電流−電圧特性を示し、１つのサブセルのｐ側を隣接するサブセルのｎ側に接続する。多接合太陽電池内のこのようなトンネル接合の関心パラメータを図５に示しており、これらは以下の通りである。
１．）動作点における低実効抵抗（理想的には１ｍΩ／ｃｍ2以下であるが、実際には５ｍΩ／ｃｍ2未満）
ａ．実効抵抗Ｒは、動作電流Ｉｏｐにおける電圧降下Ｖopとして、或いは、換言すれば、Ｖop（Ｉop）を動作電流で割ったものとして定義される。これは、動作点におけるスロープ抵抗ではない。
Ｒ＝Ｖop（Ｉop）／Ｉop      （０．１）
ｂ．５００倍の濃度の三重接合太陽電池では、Ｉopは７．５Ａ／ｃｍ2付近である。バンドギャップの組み合わせ又はバンドギャップの数が異なる他の多接合設計のような他の濃度レベルでは、他の動作電流が生じる。
２．）低光吸収（理想的には、１％未満の入射光）
【００１３】
接合部の両側に対するドーピングレベルが上がると、或いはバンドギャップが下がると、トンネル電流Ｊtが増える（アクセプタドーピングをＮA、ドナードーピングをＮD、及びバンドギャップをＥgとする、階段接合の近似値を求める方程式（０．２）を参照）。
Ｊt∝ｅｘｐ（−（ＮA＋ＮD）／ＮAＮD）      （０．２）
【００１４】
方程式（０．２）より、ドーピングレベルが上がるにつれてトンネル電流が増えることが分かる。しかしながら、上記では、標準的なシリコンドーパントで約５ｅ１８ｃｍ-3を上回るＮ型ドーピングを達成することは困難である。活性化した５ｅ１８ｃｍ-3を上回るドーピングレベルのシリコンをアニール後に維持することは特に困難である。ＧａＡｓ中のシリコンのドーピングレベルが約５ｅ１８ｃｍ-3よりも高いと、アニール後に５ｅ１８ｃｍ-3付近に留まる傾向にある（表１を参照）。
【表１】
2012531749.tif 000003
【００１５】
より高いＮ型ドーピングレベルを達成するために、多くの人々はＴｅ又はＳｅを使用する。これらのドーパントは、ＧａＡｓベースの材料内での活性溶解度は高いが、ドーピングが高いと急速に拡散し、希薄窒化物材料のアニール処理の範囲の温度の影響を受けやすい。同様に、ｐ型ドーパントとしてベリリウムを使用した場合にも、熱処理下でのドーパントの拡散が問題となる。さらに、一般にドーピングレベルが上がるにつれてドーパントの拡散も高まり、トンネル接合の高電場領域が、電場増加型のドーパント拡散をもたらし得る。トンネル接合部におけるドーパントが拡散すると、これらが接合部の急激な変化を失わせ、これにより電場を低下させる。これがデバイスのトンネリング挙動にマイナスの影響を与え、その抵抗を高めるとともにピーク電流密度を下げる。拡散が十分に大きい場合、トンネリング挙動が完全に消失することもある。従って、高ドーピングレベルに基づくトンネル接合は、例えば熱アニールなどによって本質的に劣化しやすい。
【００１６】
Ａｈｍｅｄらが、低温成長させたＧａＡｓトンネル接合に対するアニール処理の効果について研究している（Ｓ．Ａｈｍｅｄ、Ｍ．Ｒ．Ｍｅｌｌｏｃｈ、Ｅ．Ｓ．Ｈａｒｍｏｎ、Ｄ．Ｔ．ＭｃＩｎｔｕｒｆｆ、Ｊ．Ｍ．Ｗｏｏｄａｌｌ、「ＧａＡｓトンネル接合を形成するための不定比性の使用（Ｕｓｅ  ｏｆ  ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ  ｔｏ  ｆｏｒｍ  ＧａＡｓ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７２巻、第２５号、３６６７〜３３６９頁、１９９７年）。これらの著者によれば、トンネル接合は、アニール処理前には非常に良好に機能したが、アニール処理後にはトンネルダイオード特性が著しく劣化している。実際に、（十分に希薄窒化物のアニール処理の範囲内である）８００℃で３０秒間アニール処理したトンネルダイオードは、多接合太陽電池に組み入れるのに必要な仕様をほとんど満たさない。この劣化は、高い急変するドーピングレベルに基づく全てのトンネルダイオードの典型である。しかしながら、Ａｈｍｅｄらによれば、トンネリングは、トンネル接合における低温成長させたＧａＡｓの欠陥（中間ギャップ状態）により強化される。多接合太陽電池では、ＩＩＩ−Ｖ族材料のエピ層スタック内に意図的に結晶の欠陥を挿入することは、これらの欠陥が時間とともに信頼性の問題を引き起こす可能性があるので望ましくない。また、トンネル接合におけるこれらの欠陥材料が、トンネル接合上に高品質な（低欠陥性の）材料成長が確実に形成されるのを妨げる場合、収量問題も生じ得る。最後に、「電流整合」に関する欄で上述したように、希薄窒化物材料のアニール処理では、Ａｈｍｅｄが使用した８００℃で３０秒よりもアニール時間を長くし、温度を高くする必要があり得る。これらのより積極的なアニール条件では、このようなトンネル接合は、高濃度ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池に必要な性能レベル未満に劣化する。
【００１７】
また、トンネル接合は、トンネル接合の下にあるあらゆるサブセルの最大バンドギャップよりも大きなバンドギャップで構築されることが好ましい。高バンドギャップ材料を使用することで、トンネル接合における光吸収が低下し、全体的な太陽電池の効率が上がる。しかしながら、方程式（０．２）で分かるように、高バンドギャップのトンネル接合は、同じバイアス電圧の場合に低いトンネル電流（高いトンネル抵抗）を示し、アニールの生存性をいっそう困難にする。また、通常、バンドギャップが大きな材料の活性ドーパントの最大値は低くなる。
【００１８】
トンネリングを２段階処理で行えるようになるという理由で、中間ギャップ状態を示す層をトンネル接合ダイオードの中央に挿入することが知られている。例えば、ＥｒＡｓなどの希土類Ｖ族の組み合わせをｐ＋層とｎ＋層の間に挿入することで中間ギャップ状態が得られ、トンネル障壁の大きさが効果的に減少する。例えば、Ｊ．Ｍ．Ｏ．Ｚｉｄｅ、Ａ．Ｋｌｅｉｍａｎ−Ｓｈｗａｒｓｃｔｅｉｎ、Ｎ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄｗｉｔｚ、Ｊ．Ｄ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ、Ｔ．Ｓｔｅｅｎｂｌｏｃｋ−Ｓｍｉｔｈ、Ａ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ、「半金属ＥｒＡｓナノ粒子をトンネル接合に組み入れることによる多接合太陽電池の効率性の増大（Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｍｅｔａｌｌｉｃ  ＥｒＡｓ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｉｎｔｏ  ｔｈｅ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第８８巻、第１６２１０３号、２００６年、又はＧｏｓｓａｒｄ他によるシリアル番号１１／６７５、２６９号としても知られている米国特許出願公開第２００７／０２２７５８８号を参照されたい。しかしながら、これまで、多接合デバイスにおけるこのようなトンネル接合の熱安定性に関するレポートは全く存在していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第６、７６５、２３８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第１２／２１７８１８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０２２７５８８号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｊ．Ｆ．Ｇｅｉｓｚ、Ｄ．Ｊ．Ｆｒｉｅｄｍａｎ、Ｊ．Ｓ．Ｗａｒｄ、Ａ．Ｄｕｄａ、Ｗ．Ｊ．Ｏｌａｖａｒｒｉａ、Ｔ．Ｅ．Ｍｏｒｉａｒｔｙ、Ｊ．Ｔ．Ｋｉｅｈｌ、Ｍ．Ｊ．Ｒｏｍｅｒｏ、Ａ．Ｇ．Ｎｏｒｍａｎ、Ｋ．Ｍ．Ｊｏｎｅｓ、「２つの独立変形接合を有する４０．８％効率反転三重接合太陽電池（４０．８％  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｔｒｉｐｌｅ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ  ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第９３巻、第１２３５０５号、２００８年
【非特許文献２】Ｋ．Ｖｏｉｚ、Ｊ．Ｋｏｃｈ、Ｂ．Ｋｕｎｅｒｔ、Ｉ．Ｎｅｍｅｔｈ、Ｗ．Ｓｏｌｔｚ、「Ｎ含有ＩＩＩ／Ｖ族半導体ヘテロ構造光学的及び構造的特性に対する焼鈍しの影響（Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｎ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ＩＩＩ／Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」Ｊ．  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２９８巻、１２６〜１３０頁、２００７年
【非特許文献３】Ｄ．Ｂ．Ｊａｃｋｒｅｌ、Ｓ．Ｒ．Ｂａｎｋ、Ｈ．Ｂ．Ｙｕｅｎ、Ｍ．Ａ．Ｗｉｓｔｅｙ、Ｊ．Ｓ．Ｈａｒｒｉｓ、Ａ．Ｊ．Ｐｔａｋ、Ｓ．Ｗ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ、Ｄ．Ｊ．Ｆｒｉｅｄｍａｎ、Ｓ．Ｒ．Ｋｕｒｔｚ、「分子ビームエピタキシによる希薄窒化物ＧａＩｎＮＡｓ及びＧａＩｎＮＡｓＳｂ太陽電池（Ｄｉｌｕｔｅ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ＧａＩｎＮＡｓ  ａｎｄ  ＧａＩｎＮＡｓＳｂ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｂｙ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）」、Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ、第１０１巻、第１１４９１６号、２００７年
【非特許文献４】Ｋ．Ｖｏｌｔｚ、Ｄ．Ｌａｃｋｎｅｒ、Ｉ．Ｎｅｍｅｔｈ、Ｂ．Ｋｕｎｅｒｔ、Ｗ．Ｓｔｏｌｚ、Ｃ．Ｂａｕｅｒ、Ｆ．Ｄｉｍｒｏｔｈ、Ａ．Ｗ．Ｂｅｔｔ、「太陽電池用途のための（ＧａＩｎ）（ＮＡｓ）のアニーリング条件の最適化（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ｏｆ  （ＧａＩｎ）（ＮＡｓ）  ｆｏｒ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第３１０巻、２２２２〜２２２８頁、２００８年
【非特許文献５】Ｊ．Ｍｉｇｕｅｌ−Ｓａｎｃｈｅｚ、Ａ．Ｇｕｚｍａｎ、Ｊ．Ｍ．Ｕｌｌｏａ、Ａ．Ｈｉｅｒｒｏ、Ｅ．Ｍｕｎｏｚ、「方向をずらした（１１１）Ｂ  ＧａＡｓ基板上におけるＩｎＧａＡｓＮ  ｐ−ｉ−ｎ構造の成長の光学特性に対する窒素の影響（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ＩｎＧａＡｓＮ  ｐ−ｉ−ｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ｍｉｓｏｒｉｅｎｔｅｄ  （１１１）Ｂ  ＧａＡｓ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第８４巻、第１４号、２５２４〜２５２６頁、２００４年
【非特許文献６】Ｓ．Ａｈｍｅｄ、Ｍ．Ｒ．Ｍｅｌｌｏｃｈ、Ｅ．Ｓ．Ｈａｒｍｏｎ、Ｄ．Ｔ．ＭｃＩｎｔｕｒｆｆ、Ｊ．Ｍ．Ｗｏｏｄａｌｌ、「ＧａＡｓトンネル接合を形成するための不定比性の使用（Ｕｓｅ  ｏｆ  ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ  ｔｏ  ｆｏｒｍ  ＧａＡｓ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７２巻、第２５号、３６６７〜３３６９頁、１９９７年
【非特許文献７】Ｊ．Ｍ．Ｏ．Ｚｉｄｅ、Ａ．Ｋｌｅｉｍａｎ−Ｓｈｗａｒｓｃｔｅｉｎ、Ｎ．Ｃ．Ｓｔｒａｎｄｗｉｔｚ、Ｊ．Ｄ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ、Ｔ．Ｓｔｅｅｎｂｌｏｃｋ−Ｓｍｉｔｈ、Ａ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ、「半金属ＥｒＡｓナノ粒子をトンネル接合に組み入れることによる多接合太陽電池の効率性の増大（Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｍｅｔａｌｌｉｃ  ＥｒＡｓ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｉｎｔｏ  ｔｈｅ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第８８巻、第１６２１０３号、２００６年
【非特許文献８】Ｊ．Ｄ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ、「ＩＩＩ−Ｖ族ショットキーダイオード及びトンネル接合の性能を高めるためのエピタキシャル成長させたＥｒＡｓ半金属の成長及び使用（Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ＥｒＡｓ  ｓｅｍｉｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｅｎｈａｎｃｅ  ＩＩＩ−Ｖ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｄｉｏｄｅ  ａｎｄ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」（博士論文、カリフォルニアサンタバーバラ大学、２００８年３月）
【非特許文献９】Ｃ．Ｋａｄｏｗ、Ｓ．Ｂ．Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ、Ｊ．Ｐ．Ｉｂｂｅｔｓｏｎ、Ｊ．Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓ、及びＡ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７５巻、第３５４８号、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上述の理由により、希薄窒化物層を利用する多接合太陽電池の効率を改善するための新たな方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明によれば、希薄窒化物サブセルを含む、ＩＩＩ−Ｖ族材料で構成される多接合太陽電池において、中間ギャップ状態をもたらす追加の層が１又はそれ以上のトンネル接合に、太陽電池内の希薄窒化物材料に必要な異常な熱アニール時間及び温度の後に熱安定するとともに良好な性能を示すトンネル接合設計を実現するような形で挿入される。適当な熱エネルギーの放射又は取り込みを、構造全体を加熱することなどのいくつかの方法で行うことができ、たとえ従来のトンネル接合に悪影響があるとしても、構造全体のアニール処理を引き起こす追加の熱処理を加えるステップを含むことができる。本発明によれば、トンネル接合を変形させる追加の層が、熱エネルギーの取り込み後に好ましい特性を保持することが分かっているヒ化エルビウム（ＥｒＡｓ）で構成される。このような層の挿入により、ドーピングレベルに対するトンネリング挙動の依存、及びｐからｎへのドーピングの急変性が低減され、希薄窒化物材料の改善された特性を得るために必要な熱エネルギーにさらされた後でも良好な性能が実現される。
【００２３】
以下の詳細な説明を添付図面に関連して参照することにより、本発明をより良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来（従来技術）のＩＩＩ−Ｖ族太陽電池の概略的な形の側断面図である。
【図２】希薄窒化物を含む高性能ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池（従来技術）の概略的な形の側断面図である。
【図３】バンドギャップを横切るトンネリングを示す、 電圧バイアスをかけたｐ＋＋  ｎ＋＋接合のエネルギーバンド図（従来技術）である。
【図４（ａ）】電子がトンネルを通過する状態が存在しない従来（従来技術）のダイオードのエネルギーバンド図である。
【図４（ｂ）】本発明によるアニール処理した希薄窒化物タイプの多接合太陽電池に関連して使用する、ＥｒＡｓ中間ギャップ状態を伴うトンネルダイオードのエネルギーバンド図である。
【図５】高いドーピング及び急変性に基づくトンネル接合の種類、例えば、トンネル接合が所望の仕様を満たすアニール処理していない標準的な種類（実線）、並びに中間ギャップ状態及び高いドーピング及び急変性に基づくトンネル接合（破線１）及び中間ギャップ状態及び低いドーピング及び急変性に基づくトンネル接合（破線２）のＶ−Ｉ図である。
【図６】希薄窒化物材料を７８０℃で１分間アニール処理する前（曲線１）及びした後（曲線２）のＥｒＡｓトンネル接合の電圧−電流図であり、ＥｒＡｓトンネル接合がアニール処理後に著しく劣化せず、高ピーク電流密度を維持することを示す図である。
【図７】本発明によるＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池から得られるＥｒＡｓトンネル接合構造の１つの実施形態の概略的な形の断面図である。
【図８】成長は同じであるがアニール温度が異なる２つのウェハから得られるデバイスの、高アニール温度におけるトンネル接合の不具合を示す電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）曲線である。
【図９】ＥｒＡｓトンネル接合を使用するアニール処理した多接合太陽電池の、約８２０ｓｕｎで測定した電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図４（ｂ）に、ヒ化エルビウムを含むトンネル接合の動作を示す。この動作は、まず、高電位ｎ＋の状態のＩＩＩ−Ｖ族材料から生じる電子キャリアを、希土類Ｖ族材料、特にヒ化エルビウム（ＥｒＡｓ）の薄い中間層にトンネリングすること、次に、中間電位の希土類Ｖ族材料から得られる電子を、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの低電位ｐ＋の状態のＩＩＩ−Ｖ族材料にトンネリングすることを含む。
【００２６】
従って、電子キャリアは、わずかなバリヤを越えて中間ギャップ状態に入り、その後わずかな障壁を通って中間ギャップ状態から出ればよい。このトンネル障壁の大きさの減少により、所与の印加バイアスでのトンネル電流が増加する（図５の破線曲線１を参照）。トンネル障壁の大きさを下げることは、トンネル接合を高バンドギャップ材料で作成する場合にも有用である。
【００２７】
中間ギャップ状態を組み入れたトンネル接合を通過する所望の電流レベル（図５の破線曲線１を参照）の場合、中間ギャップ状態の無いトンネル接合（図５の実線曲線を参照）よりもバイアス、すなわち電場が小さくて済む。必要な電場が小さくなるということは、中間ギャップ状態の無いデバイスと同じバイアス電圧の場合に、中間ギャップ状態のデバイスは、低いドーピング及び／又は低い接合部の急変性を使用して同じ電流を実現できるということを意味する。従って、中間ギャップ状態を含むデバイスは、ドーピング及び急変性は高いが中間ギャップ状態の無いデバイス（図５の実線曲線を参照）のように、低いドーピング及び急変性を使用して同様の抵抗及びピークトンネル電流を達成すると予想される（図５の破線曲線２を参照）。
【００２８】
このような中間ギャップ状態は、トンネル接合に挿入されるＥｒＡｓなどの希土類ナノ粒子の使用を通じて作成することができる（図４ａ及び図４ｂを参照）。例えば、希土類Ｖ族を組み合わせたＥｒＡｓを薄層内でＧａＡｓ上に堆積させた場合、固まってナノ粒子の島になる。これらの島は、非常に小さく不連続であるため、ＧａＡｓの格子整合を維持しながらＧａＡｓの異常増殖を続けることができる。断面透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）を使用したＧａＡｓ内のＥｒＡｓナノ粒子の顕微鏡写真分析では、ＥｒＡｓの界面にわたって格子が連続し、すなわちアニール処理によって生じるような異常加熱後でも、ＧａＡｓ結晶がレジストリを保持することが示される。また、ＥｒＡｓ層の光学波長吸収は極めて小さく、このためこれらの層は、太陽電池への統合に理想的なものとなる。
【００２９】
同じ効果を達成するために、他の希土類Ｖ族化合物を使用することもできる。他の研究でも、ＥｒＡｓがトンネル接合の電気的挙動に与える影響、及びナノアイランド層では光吸収がほとんど行われないという事実が示されているが、ＥｒＡｓを高めたトンネル接合の熱安定性、或いはＥｒＡｓを高めたトンネル接合が、希薄窒化物層を含むＩＩＩ−Ｖ族太陽電池において有効であるかどうかを示す研究はない。本発明は、ＥｒＡｓを高めたトンネル接合は、実際に、改善に必要なアニール処理後に熱的に安定し、すなわち希薄窒化物層の性能を高めると断定した。
【００３０】
図６及び表１は、ＧａＡｓベースの材料に組み込んだＥｒＡｓを高めたトンネル接合が、希薄窒化物のサブセル層に関連する熱処理に耐え抜くことができることを立証するものである。曲線１は、ＥｒＡｓトンネル接合の加熱前のＶ−Ｉ特性であり、曲線２は、ＥｒＡｓトンネル接合の、希薄窒化物層を強化するのに必要な加熱後のＶ−Ｉ特性である。特に、傾き（又は電圧降下）の変化によって示すように抵抗のみが変化し、試験した電流範囲内には、電流が電圧とともに減少する（又はこのトンネルダイオードが動作できない）「ピーク電流密度」が存在しない。対照的に、非ＥｒＡｓ型トンネル接合は機能せず、又は大幅に減少するピーク電流密度を有するように見える。ここでは、抵抗が大きくない場合には、これらの違いを無視することができる。図６及び表１のＥｒＡｓ層は、Ｊ．Ｄ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎの論文、「ＩＩＩ−Ｖ族ショットキーダイオード及びトンネル接合の性能を高めるためのエピタキシャル成長させたＥｒＡｓ半金属の成長及び使用（Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ＥｒＡｓ  ｓｅｍｉｍｅｔａｌ  ｔｏ  ｅｎｈａｎｃｅ  ＩＩＩ−Ｖ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｄｉｏｄｅ  ａｎｄ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」（博士論文、カリフォルニアサンタバーバラ大学、２００８年３月）、及びＫａｄｏｗらによる文献（Ｃ．Ｋａｄｏｗ、Ｓ．Ｂ．Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ、Ｊ．Ｐ．Ｉｂｂｅｔｓｏｎ、Ｊ．Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓ、及びＡ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、第７５巻、第３５４８号、１９９９年）に記載されるものと同様に成長させたものである。図６及び表１に関連する、２単分子層の厚みのＥｒＡｓ層を含むＥｒＡｓトンネル接合デバイスの構造を図７に示す。他の全ての層は、基本的に従来通りである。図６では、アニール処理の条件が、急速熱アニーラ（ＲＴＡ）内で７８０℃で１分間であった。多接合セルで使用するＧａＩｎＮＡｓ（希薄窒化物）材料に適した最適なアニール温度の範囲は、数時間のアニール時間で５００℃〜９００℃であり、アニール温度が高くなるほど必要な時間は実質的に短くなる。
【００３１】
５００倍の濃度の三重接合太陽電池では、トンネル接合が約７．５Ａ／ｃｍ2を伝えることができなければならない。図６のトンネル接合は、三重接合セルで必要とされるピーク電流密度をはるかに上回るピーク電流密度を維持することができる。また、抵抗率は１ｍＯｈｍ／ｃｍ2であり、これも多接合太陽電池に組み入れるのに望ましい仕様をはるかに上回る。実質的に全てのランタニド系列の希土類元素（周期表の元素５７〜７１）が、どのような形であれ希土類Ｖ族ダイオードに組み入れるのに適していると予想される。しかしながら、現在のところ化合物含有ダイオードデバイス内の好ましい希土類元素及びＶ族元素は、ヒ素を含むエルビウム、及びリンを含むエルビウムである。他のエルビウムベースの化合物も有効な可能性はあるが、今までのところ未確認である。これらには、アンチモン、ビスマス及び窒素を含むエルビウムが含まれる。このＥｒＡｓトンネル接合方法により、ＧａＩｎＮＡｓの最適なアニール範囲の全てではないがほとんどを調査し、これを少なくとも１つのＧａＩｎＮＡｓサブセルを利用する多接合太陽電池に、図８に示すようなトンネル接合の不具合を伴うことなく適用できるようになると予想される。
【００３２】
図７に示す例示的なデバイス構造は、ＧａＡｓのバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有するサブセルの上にトンネル接合として（例えば、図１及び図２の「トンネル接合＃１」として）直接使用したときに、低光吸収を示す。多接合セルでは、図７のｐ−ＧａＡｓの最上層は必要でなく、トンネル接合の電気的試験を直接容易にするためにのみ存在する。しかしながら、統合型太陽電池では、ＥｒＡｓ層を取り囲む２つのｐ−ＧａＡｓ及びｎ−ＧａＡｓ材料の２０ｎｍ層が見られる。このトンネル接合を使用して、ＧａＡｓ以上に大きなバンドギャップにサブセルを接続した場合、この４０ｎｍのＧａＡｓは、望ましくない光吸収を引き起こす可能性がある。この場合、トンネル接合がフィルタのような機能を果たし、ここを通過する光の一部を吸収する。この問題の解決策は、ＥｒＡｓ含有中間層を取り囲むｐ＋層、ｎ＋層のいずれか又は両方などの１又はそれ以上の層を高バンドギャップ材料で作成することである。このような材料は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓＰとすることができる。換言すれば、ガリウムヒ素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、ガリウムインジウムヒ素、又はアルミニウムガリウムインジウムヒ素リンである。リンベースの材料の場合、ＥｒＡｓの役割がＥｒＰによって行われる。希薄窒化物がトンネル接合を占めることもできる。これらは、ＧａＩｎＮＡｓ単体、或いはＢｉ、Ｓｂ又はこれら両方の組み合わせを含み、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＢｉ、又はＧａＩｎＮＡｓＳｂＢｉである。トンネル接合内に高バンドギャップ材料を利用する高濃度多接合太陽電池は、高温アニール後に良好に機能する（８２０ｓｕｎまで及びこれを越えてトンネル接合の不具合がない）ことが実証されている。これらの太陽電池は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＥｒＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ設計のトンネル接合を利用する。このトンネル接合の高バンドギャップｐ−ＡｌＧａＡｓ側では、トンネル接合の下部構造の光の透過が増加する。図９に、まさにこのようなデバイスから得られるＩ−Ｖ曲線を示している。アニール温度は８５０℃であり、アニール時間は、図８に示すデバイスのアニール時間の半分未満であった。
【表２】
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【００３３】
要約すれば、希土類Ｖ族の中間層を有するトンネル接合は、ＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池に希薄窒化物材料を組み入れるのに必要な範囲のアニール条件（時間／温度）に耐え抜く。ＥｒＡｓによって形成された中間ギャップ状態、及びＥｒＡｓの明らかに受け継いだ熱安定性により、トンネル接合の、高い急変するドーピングレベルへの依存が軽減され、熱劣化の影響を受けにくくなる。
【００３４】
特定の実施形態を参照しながら本発明について説明した。当業者には他の実施形態が明らかであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によって示す以外のものに限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
2012531749.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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