２つの変性層を備えた４接合型反転変性多接合太陽電池
【課題】反転変性多接合電池構造を製造するための商業的に確立された製造方法を使用して、商業的に実用的でエネルギー効率の高い太陽電池を製造すること。
【解決手段】第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、該第一太陽補助電池に隣接して、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、該第二太陽補助電池に隣接し、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、該第一の勾配中間層に隣接し、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、該第二補助電池に対して格子非整合状態の第三太陽補助電池とを含む多接合型太陽電池である。第二の勾配中間層は、該第三太陽補助電池に隣接して、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有し、下方の第四太陽補助電池は、該第二の勾配中間層に隣接して、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、該第三補助電池に対して格子非整合であるように構成される。
【解決手段】第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、該第一太陽補助電池に隣接して、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、該第二太陽補助電池に隣接し、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、該第一の勾配中間層に隣接し、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、該第二補助電池に対して格子非整合状態の第三太陽補助電池とを含む多接合型太陽電池である。第二の勾配中間層は、該第三太陽補助電池に隣接して、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有し、下方の第四太陽補助電池は、該第二の勾配中間層に隣接して、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、該第三補助電池に対して格子非整合であるように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府所有権利に関する記述
本発明は、米国空軍により与えられた契約書番号ＦＡ９４５３−０６−Ｃ−０３４５による政府の援助を得て完成されたものである。
【０００２】
［関連出願の表示］
本出願は、２００８年１１月１０日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２６７，８１２に関連する。
【０００３】
本出願は、２００８年１０月２４日付の係属中の米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に関連する。
【０００４】
本出願は、２００８年１０月１６日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１に関連する。
【０００５】
本出願は、２００８年８月１２日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９に関連する。
【０００６】
本出願は、２００８年８月７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１８７，４７７に関連する。
【０００７】
本出願は、２００８年７月１８日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２に関連する。
【０００８】
本出願は、２００８年７月１７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２１８，５５８に関連する。
【０００９】
本出願は、２００８年５月２０日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１２３，８６４に関連する。
【００１０】
本出願は、２００８年４月１４日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１０２，５５０に関連する。
【００１１】
本出願は、２００８年３月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／０４７，８４２及び米国一連番号１２／０４７，９４４に関連する。
【００１２】
本出願は、２００８年１月３１日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に関連する。
【００１３】
本出願は、２００７年１２月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９に関連する。
【００１４】
本出願は、２００７年９月２４日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／８６０，１４２及び１１／８６０，１８３に関連する。
【００１５】
本出願は、２００７年８月８日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／８３６，４０２に関連する。
【００１６】
本出願は、２００６年１２月２７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／６１６，５９６に関連する。
【００１７】
本出願は、２００６年１２月２１日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／６１４，３３２に関連する。
【００１８】
本出願は、２００６年６月２日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／４４５，７９３に関連する。
【００１９】
本出願は、２００６年８月７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／５００，０５３に関連する。
【背景技術】
【００２０】
本発明は、半導体装置の分野、及び変性層を含むIII−Ｖ族半導体化合物ベースの多接合太陽電池などの製造工程及び装置に関する。このような装置は、反転変性多接合太陽電池として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４
【特許文献２】米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０
【特許文献３】米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２
【特許文献４】米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３
【特許文献５】米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２
【特許文献６】米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他、「Ｌａｔｔｉｃｅ Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）
【発明の概要】
【００２３】
［従来の技術］
太陽電池とも呼ばれる光電池から得られる太陽エネルギー発電電力は、主としてシリコン半導体技術により提供されてきた。しかしながら過去数年間においては、宇宙用装置のためのIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池の大量製産により、宇宙用での使用だけでなく地上設置式太陽エネルギー発電装置の技術が加速度的に発達してきた。シリコンと比較して、III−Ｖ族化合物半導体多接合装置は、製造は一層複雑になるが、高いエネルギー変換効率及び全体的に高い放射線耐性を有する。典型的な商業用III−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は、１つの太陽、空気質量０（ＡＭ０）、照度の下で、２７％を越えるエネルギー効率を有するが、シリコン技術は、最も効率的なものでも、一般的には同様の条件の下で約１８％の効率しか得られない。強い太陽照射の下で（例えば、５００倍）、商業的に入手可能な地上設置式装置におけるIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は（ＡＭ１．５で）、３７％を越えるエネルギー効率を有する。シリコン太陽電池と比較して、III−Ｖ族化合物半導体太陽電池の高い変換効率は、部分的に、異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の光起電性領域の使用を通じて、入射放射線のスペクトル分光を行い、各々の領域からの電流を蓄積する能力によるものである。
【００２４】
典型的なIII−Ｖ族化合物半導体太陽電池は、垂直な多接合構造をもった半導体ウエハとして形成される。次に、個々の太陽電池、すなわちウエハは、水平アレイに配置され、該個々の太陽電池は電気回路で互いに接続される。アレイの形状及び構造、並びに含まれる電池の数は、部分的には、望まれる出力電圧及び電流により定められる。
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
非特許文献１として挙げたＭ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他の「Ｌａｔｔｉｃｅ Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）に示されているように、III−Ｖ族化合物半導体層に基づく反転変性太陽電池構造は、将来の商業的に高い効率の太陽電池の発展のために、重要な概念の出発点を示している。しかしながら、このような参照文献で提案されて述べられている、電池の多くの異なる層の物質及び構造は、物質及び製造段階の適切な選択に関して、多くの実質的な問題点を示している。
【００２６】
本発明より以前の従来技術において示された物質及び製造段階は、反転変性多接合電池構造を製造するための商業的に確立された製造方法を使用して、商業的に実用的でエネルギー効率の高い太陽電池を製造するのに適していなかった。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
簡潔にかつ一般的に言うと、本発明は、第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、該第一太陽補助電池に隣接し、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、該第二太陽補助電池に隣接し、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、該第一の勾配中間層に隣接し、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有して、該第二補助電池に対して格子非整合となっている第三太陽補助電池と、該第三太陽補助電池に隣接し、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層と、該第二の勾配中間層に隣接し、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有して、該第三補助電池に対して格子非整合となっている下方の第四太陽補助電池とを含む多接合太陽電池を提供するものである。
【００２８】
別の態様においては、本発明は、第一基板を準備し、該第一基板上に第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池を形成し、該第一太陽補助電池に隣接して、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池を形成し、該第二太陽補助電池に隣接して、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層を形成し、該第一の勾配中間層に隣接して、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し該第二補助電池に対して格子非整合となっている第三太陽補助電池を形成し、該第三太陽補助電池に隣接して、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層を形成し、該第二の勾配中間層に隣接して、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し該第三補助電池に対して格子非整合となっている下方の第四補助電池を形成し、第四補助電池の上部に代りの基板を取り付け、第一基板を取り除くことにより太陽電池を形成する方法を提供する。
【００２９】
本発明は、添付した図面と組み合わせて考えられると、以下の詳細な説明を参照して、より十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示すグラフである。
【図２】成長基板上に、ある程度の半導体層を堆積することを含む、最初の製造段階の後の、本発明の太陽電池の断面図である。
【図３】製造段階の次の順番の後の図２の太陽電池の断面図である。
【図４】製造段階の次の順番の後の図３の太陽電池の断面図である。
【図５】製造段階の次の順番の後の図４の太陽電池の断面図である。
【図６】次の製造段階の後の図５の太陽電池の断面図である。
【図７】図６に次の製造段階の代理基板が取り付けられた後の太陽電池の断面図である。
【図８Ａ】図７に次の製造段階の本来の基板が取り除かれた後の太陽電池の断面図である。
【図８Ｂ】図面の底部に代替基板を有する図８Ａの太陽電池の別の断面図である。
【図９】次の製造段階の後の図８Ｂの太陽電池の簡略化した断面図である。
【図１０】次の製造段階の後の図９の太陽電池の断面図である。
【図１１】次の製造段階の後の図１０の太陽電池の断面図である。
【図１２】次の製造段階の後の図１１の太陽電池の断面図である。
【図１３Ａ】太陽電池が形成されるウエハの平面図である。
【図１３Ｂ】太陽電池が形成されるウエハの底面図である。
【図１４】次の製造段階の後の図１２の太陽電池の断面図である。
【図１５】次の製造段階の後の図１４の太陽電池の断面図である。
【図１６】次の製造段階の後の図１５の太陽電池の断面図である。
【図１７】電池周囲のエッチングによる溝の表面図を描いた、図１６のウエハの平面図である。
【図１８Ａ】本発明の第一実施形態における次の製造段階の後の図１６の太陽電池の断面図である。
【図１８Ｂ】本発明の第二実施形態における次の製造段階の後の図１６の太陽電池の断面図である。
【図１９】次の製造段階の後の図１８の太陽電池の断面図である。
【図２０】本発明による変性太陽電池の補助電池のベース及びエミッター層内のドーピング形状のグラフである。
【図２１】本発明による変換した変性多接合太陽電池の電流と電圧の特性を示したグラフである。
【図２２】アルミニウム、インジウム及びガリウムの相対濃度の機能として、様々なＧａＩｎＡｌＡｓ物質のバンドギャップの範囲を示した図表である。
【図２３】一定した１．５ｅＶバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質の中のアルミニウム対インジウムのモル分率に対するガリウムのモル分率を示したグラフである。
【図２４】一定した１．５ｅＶバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質の中の格子定数に対するモル分率を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の詳細が、以下において、例示的側面及びその実施形態を含めて説明される。図面及び以下の説明を参照して、同じ参照番号が同様の又は機能的に類似した要素を識別すために使用され、高度に単純化した図式で例示的実施形態の主な特徴を表している。更に、図面は、実際の実施形態のあらゆる特徴、更に示した要素の相対寸法を示すようには意図されておらず、縮尺により描かれていない。
【００３２】
反転変性多接合（ＩＭＭ）太陽電池を製造する基本概念は、基板上の太陽電池の補助電池を「逆」順に成長させることである。すなわち、通常は太陽放射線に面する「上部」補助電池である高バンドギャップ補助電池（すなわち、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する補助電池）が、例えば、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムなどの半導体成長基板上にエピタキシャル状に成長させられ、したがって、このような補助電池は、この基板と格子整合した状態となる。１又はそれ以上の下方のバンドギャップ中間太陽電池（すなわち、１．２ｅＶから１．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する）を、高バンドギャップ補助電池上に成長させることができる。
【００３３】
少なくとも１つの下方の補助電池が、成長基板に対して実質的には格子非整合状態で、第三の低いバンドギャップ（すなわち、０．７ｅＶから１．２ｅＶの範囲のバンドギャップ）を持つように、中間補助電池上に形成される。代りの基板すなわち支持構造が、「底部」又は実質的に格子非整合状態の下方の補助電池に取り付けられるか又は形成され、成長用の半導体基板は、その後取り除かれる。（成長用基板は、その後第二及びそれ以降の太陽電池の成長のために順次再使用することができる。）
【００３４】
反転変性多接合太陽電池の種々異なる特徴は、上記した関連出願に示されている。これらの特徴の幾つか又はすべては、本発明の太陽電池に関連する構造及び製造に含むことができる。しかしながら、より特定的には、本発明は、２つの異なる変性層を使用して、すべてが単一の成長基板上で成長する４接合型反転変性太陽電池の製造に向けられる。本発明においては、形成された構造は、それぞれが１．８ｅＶから２．１ｅＶ、１．３ｅＶから１．５ｅＶ、０．９ｅＶから１．１ｅＶ、及び０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する４つの補助電池を含む。
【００３５】
図１は、ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示したグラフである。三元物質のバンドギャップ及び格子定数は、組み合わされた典型的な二元物質を示した線の間に位置する。（三元物質ＧａＡ１Ａｓは、個々の成分の相対量に応じて、グラフのＧａＡｓとＡ１Ａｓとの間に位置し、三元物質のバンドギャップは、ＧａＡｓの１．４２ｅＶとＡ１Ａｓの２．１６ｅＶとの間に位置する。）このように、望まれるバンドギャップに応じて、三元物質の物質成分は、成長に対して正確に選択することができる。
【００３６】
半導体構造における層の格子定数及び電気特性は、好ましくは、適切な成長温度及び時間についての反応器仕様、及び適切な化学化合物及びドーピング剤の使用により制御される。有機的金属気相エピタクシー（ＯＭＶＰＥ）、有機化学的金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエネルギピストンタクシー（ＭＢＥ）などの蒸着法、又は他の逆成長のための蒸着法の使用によって、電池を形成するモノリシック半導体構造における層を、必要とされる厚さ、元素化合物、ドーピング剤濃度と粒度、及び導電型で成長させることができる。
【００３７】
図２は、本発明により、ＧａＡｓ成長基板上に３つの補助電池Ａ、Ｂ及びＣを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。より特定的には、基板１０１が示されており、これは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）が好ましいが、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質とすることができる。ＧａＡｓにおいては、基板は好ましくは、１５°切り出し基板、すなわち、その表面が（１００）平面から（１１１）平面方向に１５°ずらして方向付けられたものであり、これは２００８年３月１３日付けの米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４に詳細に述べられている。
【００３８】
ゲルマニウム基板の場合には、核形成層（図示されず）が基板１０１上に直接堆積される。基板上又は核形成層の上に（ゲルマニウム基板の場合）、バッファー層１０２及びエッチストップ層１０３が（１１１）更に堆積される。ＧａＡｓ基板の場合には、バッファー層１０２は、ＧａＡｓであることが好ましい。ゲルマニウム基板の場合には、バッファー層１０２は、ＩｎＧａＡｓであることが好ましい。次にＧａＡｓの接触層１０４が（１１１）層１０３上に堆積され、Ａ１ＩｎＰのウインドウ層１０５が接触層上に堆積される。次にｎ＋エミッター層１０６及びｐ型ベース層１０７から成る補助電池Ａが、ウインドウ層１０５上にエピタキシャル状に堆積される。補助電池Ａは、成長基板１０１と全体的に格子整合している。
【００３９】
多接合太陽電池構造は、格子定数及びバンドギャップの必要条件によって、周期表に挙げられたIII族からＶ族までの要素のあらゆる適当な組み合わせにより形成することができ、ここで、III族は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウム（Ｔ）を含むことを理解するべきである。IV族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００４０】
好ましい実施形態においては、エミッター層１０６は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成され、ベース層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成される。上式で括弧内のアルミニウムすなわちＡｌ項は任意の成分であり、この場合には、０％から３０％の範囲の量で使用することができる。本発明によるエミッター及びベース層１０６及び１０７のドーピング形状は、図２０と関連して述べる。
【００４１】
補助電池Ａは、後に述べる本発明による製造段階の終了後、最終的には、反転変性構造の「上部」補助電池となる。
【００４２】
ベース層１０７の上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＩｎＰである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）が堆積され、これは、再結合損失を減少するために使用される。
【００４３】
ＢＳＦ層１０８は、再結合損失の影響を最小にするために、ベース／ＢＳＦインターフェース表面に近い領域から少数キャリアを駆逐する。言い換えれば、ＢＳＦ層１０８は、太陽補助電池Ａの後側で再結合損失を減少し、したがってベースでの再結合を減少する。
【００４４】
ＢＳＦ層１０８の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１０９ａ及びｎ型層１０９ｂがこの順で堆積され、補助電池Ａを補助電池Ｂに接続するトンネルダイオード、すなわちオーム回路要素を形成する。層１０９ａは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１０９ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００４５】
トンネルダイオード層１０９の上部に、ウインドウ層１１０、好ましくはｎ＋ＩｎＧａＰが堆積される。ウインドウ層１１０の物質成分としてＩｎＧａＰを利用する利点は、２００８年１０月２４日付けの米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に十分に述べられているように、ウインドウ層が隣接するエミッター層１１１と緊密に整合する屈折率を有することである。補助電池Ｂで使用されるウインドウ層１１０は、インターフェースの再結合損失を減少するように働く。本発明の範囲から外れることなく、付加層が電池構造に付加又は消去することができることが、当業者には明らかである。
【００４６】
ウインドウ層１１０の上部に、補助電池Ｂの層、すなわちｎ型エミッター層１１１及びｐ型ベース層１１２が堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれＩｎＧａＰ及びＩｎ0.015ＧａＡｓ（ゲルマニウム基板又は成長用テンプレートの場合）から、又はそれぞれＩｎＧａＰ及びＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板の場合）から構成されるが、必要条件の格子定数及びバンドギャップを備えたあらゆる他の適当な物質成分も同様に使用することができる。したがって、補助電池Ｂは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮエミッター領域及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮベース領域から構成することができる。本発明による層１１１及び１１２のドーピング形状は、図２０との関連で述べる。
【００４７】
従前の反転変性太陽電池においては、中間電池は均一構造であった。本発明においては、米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に示された構造に類似して、中間補助電池はＩｎＧａＰを有するヘテロ構造となり、そのウインドウはＩｎＡｌＰからＩｎＧａＰに変えられる。この変更は、２００８年１０月２４日付けの米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に十分に述べられているように、中間補助電池のウインドウ／エミッターインターフェースで、不連続な屈折率を除去したものである。更に、ウインドウ層１１０は、フェルミ・レベルを導電バンド近くまで上げるために、エミッター層１１１の３倍ドーピングされることが好ましく、これによりウインドウ／エミッターインターフェースでバンド曲がりを形成し、エミッター層への少数キャリアを抑制することとなる。
【００４８】
本発明の好ましい実施形態においては、中間補助電池エミッターは、上部補助電池エミッターと等しいバンドギャップを有し、第三補助電池エミッターは、中間補助電池のベースのバンドギャップより大きいバンドギャップを有する。したがって、太陽電池の製造、実行及び作動の後、中間補助電池Ｂのエミッターも第三補助電池Ｃのエミッターのいずれも吸収可能な放射線に曝されることはない。実質的には、吸収可能な放射線を表すすべての光子は、エミッターより狭いバンドギャップを有する電池Ｂ及びＣのベースで吸収される。したがって、ヘテロ接合型補助電池を使用する利点は、（i）両方の補助電池に対応する短い波長が改善され、（ii）放射線の束が、より狭いバンドギャップベースに、一層効率的に吸収されて、集積されることである。それによる効果は、ＪSCを増加させることである。
【００４９】
電池Ｂの上部に、ＢＳＦ層１０９と同じ機能として働くＢＳＦ層１１３が堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１１４ａ及び１１４ｂのそれぞれは、層１０９ａ及び１０９ｂと類似してＢＳＦ層１１３上に堆積され、補助電池Ｂを補助電池Ｃに接続するオーム回路要素を形成する。１１４ａ層は、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１１４ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００５０】
好ましくはｎ型ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから成るバリア層１１５が、約１．０ミクロンの厚さまで、トンネルダイオード１１４ａ／１１４ｂ上に堆積される。このようなバリア層は、スレッドの乱れが、中間及び上部補助電池Ｂ及びＣに成長する方向と反対方向か、又は底部補助電池Ａに成長する方向のいずれかに伝播するのを防止するように意図され、より特定的には係属中の２００７年９月２４日付けの米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３に記載されている。
【００５１】
変性層（すなわち勾配中間層）１１６は、表面活性剤を使用してバリア層１１５上に堆積される。層１１６は、スレッドの乱れが起こるのを最小にしている間、半導体構造の中の格子定数が補助電池Ｂから補助電池Ｃへと次第に遷移するようにするために、好ましくは格子定数を単調に変化させながら、組成的に段階的勾配を付したシリーズのＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１１６のバンドギャップは、好ましくはおよそ１．５ｅＶに等しく、その厚さ全体で一定であるか、又は中間補助電池Ｂのバンドギャップより僅かに大きい値で一定している。勾配中間層の好ましい実施形態は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓから構成されるものとして表すことができ、ここでｘ及びｙは、中間層のバンドギャップがおよそ１．５０ｅＶで一定した状態か、又は他の適当なバンドギャップとなるように選択される。
【００５２】
表面活性剤の助けによる変性層１１６の成長においては、層１１６の成長する間、適当な化学成分が反応器に導入され、層の表面特性が改善される。好ましい実施形態においては、このような成分は、ドーピング剤又はセレニウム（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドナー原子とすることができる。したがって、少量のＳｅ又はＴｅが変性層１１６に組み込まれ、完成した太陽電池に残存する。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーピング剤原子ではあるが、他の非等電性表面活性剤も同様に使用することができる。
【００５３】
表面活性剤の補助による成長は、より滑らかな又は平らな表面を形成する。物質が成長して、層が厚くなるにしたがって、表面形態が半導体物質の嵩特性に影響するので、表面活性剤の使用は、活性領域でのスレッドの乱れを最小にし、したがって太陽電池全体の効率を改善することとなる。
【００５４】
非等電性表面活性剤の使用に代わるものとして、等電性表面活性剤を使用することができる。「等電性」という用語は、アンチモン（Ｓｂ）又はビスマス（Ｂｉ）などの表面活性剤を意味するが、それはこのような要素が、変性バッファー層においてＩｎＧａＰのＰ原子、又はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｓ原子と同じ数の価電子を有するからである。このようなＳｂ又はＢｉ表面活性剤は、通常は、変性層１１６に組み込まれることはない。
【００５５】
代替的実施形態においては、太陽電池が２つの補助電池しか持たず、かつ「中間」電池Ｂが完成した太陽電池において最上部又は上部補助電池であり、ここで言う「上部」補助電池Ｂが、典型的には１．８ｅＶから１．９ｅＶのバンドギャップを有する場合に、中間層のバンドギャップは、一定の１．９ｅＶにとどまる。
【００５６】
上記したワンラス他の論文に述べられた反転変性構造においては、変性層は組成的にＩｎＧａＰに勾配を付す９段階から成り、各々の段階の層は０．２５ミクロンの厚さを有する。その結果、ワンラス他の各々の層は、異なるバンドギャップを有する。本発明の好ましい実施形態においては、層１１６は、単調に変化する格子定数を有し、各々の層がおよそ１．５ｅＶの同じバンドギャップを有する、複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層から構成される。
【００５７】
ＩｎＧａＡｌＡｓなどの一定バンドギャップの物質を利用する利点は、ヒ素ベースの半導体物質が、標準の商業用ＭＯＣＶＤ反応器でかなり製造しやすいことであるが、少量のアルミニウムは、変性層の放射線透過性を確実なものとする。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態は、製造容易性及び放射線透過性の理由から、変性層１１６に複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層を利用するものであるが、本発明の他の実施形態は、補助電池Ｂから補助電池Ｃへと格子定数を変化させるために、異なる物質のシステムを利用することができる。このように、組成的に勾配付けされたＩｎＧａＰを使用するワンラスのシステムは、本発明の第二実施形態である。本発明の他の実施形態は、段階的勾配付けするのとは反対に、無段階な勾配付けされた物質を利用することができる。より一般的に言うと、勾配付けされた中間層は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成することができるが、該中間層は、平面内格子パラメータが、第二太陽電池のそれより大きいか又はこれと等しく、第三太陽電池の格子のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが第二太陽電池のそれよりも大きいという制約を受ける。
【００５９】
本発明の別の実施形態においては、任意の第二バリア層１１７を、ＩｎＧａＡｌＡｓ変性層１１６上に堆積することができる。第二バリア層１１７は、典型的には、バリア層１１５の化合物とは異なる化合物を有し、本質的には、スレッドの乱れが伝播するのを防止する機能と同じ機能を実現する。好ましい実施形態においては、バリア層１１７は、ｎ＋型ＧａＩｎＰとする。
【００６０】
好ましくはｎ＋型ＧａＩｎＰから構成されるウインドウ層１１８が、バリア層１１７上に（又は第二バリア層がない場合は、直接層１１６上に）堆積される。このウインドウ層は、補助電池「Ｃ」内の再結合損失を減少するように作用する。付加的層は、本発明の範囲から外れることなく、電池構造に追加又は削除することができることが、当業者には明らかである。
【００６１】
ウインドウ層１１８の上部に、電池Ｃの層、すなわちｎ＋エミッター層１１９及びｐ型ベース層１２０が堆積される。これらの層は、ヘテロ結合補助電池に対して、それぞれがｎ＋型ＩｎＧａＡｓとｎ＋型ＩｎＧａＡｓか、又はｎ＋型ＩｎＧａＰとｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップの必要条件が一致する別の適当な物質も、同様に使用することができる。層１１９及び１２０のドーピング形状は図２０と関連して述べる。
【００６２】
ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましいＢＳＦ層１２１が、電池Ｃの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８及び１１３と同じ機能を達成する。
【００６３】
ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１２２ａ及び１２２ｂのそれぞれが、層１１４ａ及び１１４ｂと同様にＢＳＦ層１２１上に堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄに接続するためのオーム回路要素を形成する。層１２２ａは、ｐ＋＋ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましく、層１２２ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましい。
【００６４】
図３は、次の順番の製造段階を行った後の図２の太陽電池の断面図である。好ましくはｎ型ＧａＩｎＰから構成されるバリア層１２３が、約１．０ミクロンの厚さまでトンネルダイオード１２２ａ／１２２ｂ上に堆積される。このようなバリア層は、スレッドの乱れが、上部及び中間補助電池Ａ、Ｂ及びＣに成長する方向と反対方向か、或いは補助電池Ｄに成長する方向のいずれかに伝播するのを防止するように意図されるものであり、より特定的には係属中の２００７年９月２４日付けの米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３に記載されている。
【００６５】
変性層（すなわち勾配中間層）１２４は、表面活性剤を使用してバリア層１２３上に堆積される。層１２４は、スレッドの乱れが起こるのを最小にするとともに、半導体構造の中の格子定数が補助電池Ｃから補助電池Ｄへと次第に遷移するようにするために、好ましくは格子定数を単調に変化させながら、組成的に段階的勾配を付したシリーズのＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１２４のバンドギャップは、好ましくはおよそ１．１ｅＶに等しく、その厚さ全体で一定であるか、又は中間補助電池Ｃのバンドギャップより僅かに大きい値で一定している。勾配中間層の好ましい実施形態は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓの組成を有するものとして表すことができ、ここでｘ及びｙは、中間層のバンドギャップがおよそ１．１ｅＶで一定した状態か、又は他の適当なバンドギャップとなるように選択される。
【００６６】
表面活性剤により補助された変性層１２４の成長においては、層１２４が成長させられる間、適当な化学成分が反応器に導入され、層の表面特性が改善される。好ましい実施形態においては、このような成分は、ドーピング剤又はセレニウム（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドナー原子とすることができる。したがって、少ない量のＳｅ又はＴｅが変性層１２４に組み込まれ、完成した太陽電池に残存する。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーピング剤原子ではあるが、他の非等電性表面活性剤も同様に使用することができる。
【００６７】
好ましくはｎ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されるウインドウ層１２５が、層１２４上に（又はもしある場合には、層１２４上に配置された第二バリア層上に）堆積される。このウインドウ層は、補助電池「Ｄ」内の再結合損失を減少するように作用する。付加的層は、本発明の範囲から外れることなく、電池構造に追加又は削除することができることが、当業者には明らかである。
【００６８】
図４は、次の順番の製造段階をした後の図３の太陽電池の断面図である。ウインドウ層１２５の上部に、電池Ｄの層、すなわちｎ＋エミッター層１２６及びｐ型ベース層１２７が堆積される。これらの層は、ヘテロ結合補助電池に対して、それぞれがｎ＋型ＩｎＧａＡｓとｐ型ＩｎＧａＡｓか、又はｎ＋型ＩｎＧａＰとｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップの必要条件が一致する別の適当な物質も、同様に使用することができる。層１２６及び１２７のドーピング形状は、図２０と関連して述べられる。
【００６９】
次の図５では、好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されるＢＳＦ層１２８が電池Ｄの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８、１１３及び１２１と同じ機能を行う。
【００７０】
最後に、好ましくはｐ＋＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成される高バンドギャップ接触層１２９が、ＢＳＦ層１２８上に堆積される。
【００７１】
多接合光電池における最低バンドギャップ光電池（すなわち、示した実施形態においては補助電池「Ｄ」）の底部（非照射）側に位置するこの接触層１２９の化合物は、電池を通って通過する光の吸収を減少する組成とすることができ、その結果、（i）その下の後側オーム金属接触層（非照射側）がミラー層として機能し、（ii）接触層は、吸収を防止するために選択的にエッチング除去する必要がない。
【００７２】
本発明の範囲から外れることなく、付加的層を電池構造に追加し、又は除去することができることは、当業者にとって明らかである。
【００７３】
図６は、次の製造段階である、金属接触層１２３がｐ＋半導体接触層１２２上に堆積された後の図５の太陽電池の断面図である。金属は、金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕの順であることが好ましい。
【００７４】
また、選択される金属接触の構成は、加熱処理後オーム接触を活性化するために、加熱処理後に、半導体に対して平らなインターフェースを有するものとする。これは、（１）金属を半導体から分離する誘電層を堆積する必要がなく、更に金属接触領域で選択的にエッチングする必要がなく、かつ（２）接触層が、問題となる波長範囲にわたり鏡面反射する、ようにするために行われるものである。
【００７５】
図７は、接着剤層１３１を金属層１３０上に堆積する次の製造段階をオｐ個なった後の図３の太陽電池の断面図である。接着剤は、Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄ（ミズーリー州ローラのＢｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．により製造）が好ましい。
【００７６】
次の製造段階においては、好ましくはサファイアである代りの基板１３２が取り付けられる。代替的には、代りの基板は、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉ、或いは他の適当な物質とすることができる。代りの基板は、厚さが約４０ミルで、続いて行われる接着剤及び基板の除去を助けるために、直径が約１ｍｍで、４ｍｍの間隔を有する孔が穿孔される。接着剤層１３１の使用の代りに、適当な基板（例えば、ＧａＡｓ）を、金属層１３０に共晶的に又は永久的に接着することができる。
【００７７】
図８Ａは、最初の基板がラッピング及び／又はエッチング段階の順により取り除く段階、すなわち基板１０１及びバッファー層１０３を取り除く次の製造段階が行われた後の図７の太陽電池の断面図である。特定の腐食液の選択は、成長用基板に依存する。
【００７８】
図８Ｂは、代りの基板１３２が図面の底部にある状態で描かれた図８Ａの太陽電池の断面図である。本出願におけるこれ以降の図面は、この方向で描かれている。
【００７９】
図９は、代りの基板１３２における幾つかの上部層及び下方の層を示した、図８Ｂの太陽電池を簡略化した断面図である。
【００８０】
図１０は、次の製造段階としてエッチストップ層１０３がＨＣｌ／Ｈ2Ｏ溶液により取り除かれる段階を行った後の図９の太陽電池の断面図である。
【００８１】
図１１は、図１０に示す太陽電池に次の製造段階を行って、フォトレジストマスク（図示されず）が接触層１０４上に設置され、グリッド線５０１が形成された後の太陽電池の断面図である。以下に詳細に述べられるように、グリッド線５０１は、蒸着により堆積され、接触層１０４上にリトグラフ法によりパターン化されて堆積される。マスクは、図面に示しているように、最終の金属グリッド線５０１を形成するために順次取り除かれる。
【００８２】
引用によりここに組み入れられる２００８年７月１８日付けの米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２に詳細に述べられているように、グリッド線５０１は、Ｐｄ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕから構成されることが好ましいが、他の適当な物質も同様に使用することができる。
【００８３】
図１２は、図１１の太陽電池に次の製造段階を行い、グリッド線をマスクとして使用し、クエン酸／過酸化水素水エッチング混合物を使用して、ウインドウ層１０５の表面にエッチング処理した後の太陽電池の断面図である。
【００８４】
図１３Ａは、４つの太陽電池が実装されているウエハの平面図である。４つの電池の図は説明のためだけのものであり、本発明は、１つのウエハに対して何らかの特定の数の電池の使用に限定されるものではない。
【００８５】
各々の電池には、グリッド線５０１（より特定的には図９に断面図が示されている）、相互結合したバス線５０２、及び接触用パッド５０３がある。グリッド線、バス線、及び接触用パッドの形状及び数は、説明のためのものであり、本発明は示した実施形態に限定するものではない。
【００８６】
図１３Ｂは、図１３Ａで示した４つの太陽電池を有するウエハの底面図である。
【００８７】
図１４は、図１２の太陽電池に次の製造段階を行うことにより、反射防止用（ＡＲＣ）誘電体被膜層１３０が、グリッド線５０１を有するウエハの「底部」側の表面全体に付与された後の太陽電池の断面図である。
【００８８】
図１５は、図１４の太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、第一及び第二環状チャンネル５１０及び５１１、すなわち半導体構造の部分が、リン化腐食液及びヒ化腐食液を使用して、金属層１３０にエッチング処理された後の太陽電池の断面図である。これらのチャンネルは、電池とウエハの残りの部分との間に周辺境界を定め、太陽電池を構成するメサ構造を残す。図１５に示された断面図は、図１７に示されたＡ−Ａ面から見たものである。好ましい実施形態においては、チャンネル５１０は、実質的にチャンネル５１１より幅が広い。
【００８９】
図１６は、図１５の太陽電池に次の製造段階を行うことにより、チャンネル５１１が金属用腐食液に曝されて、チャンネル５１１の底部に位置する金属層１３０の部分が取り除かれた後の太陽電池の断面図である。これによりチャンネル５１１の深さは、接着剤層１３１のほぼ上部表面にまで延びる。
【００９０】
図１７は、図１６のウエハにおいて、各々の電池の周辺にエッチングされたチャネル５１０及び５１１を示した平面図である。
【００９１】
図１８Ａは、図１６の太陽電池において、本発明の第一実施形態による次の製造段階を行うことにより、代りの基板１３２が、研磨、ラッピング、又はエッチングにより比較的薄い層１３２ａにまで適切に薄肉化された後の太陽電池の断面図である。この実施形態においては、薄い層１３２ａは、本申請書の太陽電池の支持材を形成し、以下に述べられる第二実施形態で示されているようなカバーガラスは必要ではない。このような実施形態においては、金属接触層１３０への電気接触は、チャネル５１０を通して、又は他の介在構造により行うことができる。
【００９２】
図１８Ｂは、図１６の太陽電池において、本発明の第二実施形態による次の製造段階を行うことにより、カバーガラス５１４が接着剤５１３を解して電池の上部に取り付けられた後の太陽電池の断面図である。カバーガラス５１４は、チャンネル５１０全体を覆うことが好ましいが、チャンネル５１１の近くの電池周囲までは延びない。カバーガラスの使用は好ましい実施形態ではあるが、すべての実装に必要なものではなく、付加的層又は構造を使用して、太陽電池の付加的支持又は周囲環境の保護を達成することができる。
【００９３】
図１９は、図１８Ｂの太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、接着剤層１３１、代りの理基板１３２、及びウエハの周囲部分５１２が、チャンネル５１０の領域を除いてすべて取り除かれて、太陽電池には上部のカバーガラス５１４（又は他の層或いは構造）及び太陽電池の後側の接触部を形成する底部の金属接触層１３０だけが残された状態における太陽電池の断面図である。代りの基板は、腐食液ＥＫＣ９２２の使用により取り除かれることが好ましい。上記したように、代りの基板は、その表面に孔を含み、この孔は、該基板１３２を通して腐食液を流れさせて該代りの基板を取り除くことを可能にする。代りの基板は、次のウエハ製造作業において再使用することができる。
【００９４】
図２０は、本発明の反転変性多接合太陽電池の１又はそれ以上の補助電池におけるエミッター及びベース層のドーピング形状のグラフである。本発明の範囲内の様々なドーピング形状、及びその様なドーピング形状の利点は、より特定的には、２００７年１２月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９に示されており、引用によりここに組み入れられる。ここに示されたドーピング形状は、単に説明的なものであり、他のより複雑な形状も、本発明の範囲から外れることなく当業者に明らかなものとして利用することができる。
【００９５】
図２１は、本発明により製造されたテスト対象太陽電池の中の１つの電流及び電圧特性を示すグラフである。このテスト対象電池においては、下方の第四補助電池は、およそ０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第三補助電池は、およそ０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第二補助電池は、およそ１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、更に上方の補助電池は、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有していた。太陽電池は、およそ３．２６５ボルトの開放電圧（ＶOC）、およそ１６．２６ｍＡ／ｃｍ2の短絡電流、およそ８２％の充填要因、及び３２．２％の効率性を有するものと計測された。
【００９６】
図２２は、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａの相対濃度の関数として、様々なＧａＩｎＡｌＡｓ物質のバンドギャップの範囲を表した図表である。この図表は、各々の次の層に対する格子定数についての異なる要求値に適合するようにするために、変性層で使用されるＧａＩｎＡｌＡｓ層の一定バンドギャップの順を選択するに際し、Ａｌ、Ｉｎ、及びＧａの相対濃度の選択をどのように適当に企画することができるかを示している。すなわち、１．５ｅＶ又は１．１ｅＶ、或いは他のバンドギャップ値が、一定バンドギャップにとって望ましいが、図表は、各々のバンドギャップに対して連続曲線を描いており、層が必要とするバンドギャップ及び格子定数を有するために、格子定数が変化するにしたがって成分比率が増加する変化を示している。
【００９７】
図２３は、一定値である１．５ｅＶのバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質内のアルミニウム対インジウムのモル分率に対するガリウムのモル分率を示すことにより、変性層において使用されるＧａＩｎＡｌＡｓの層の一定バンドギャップの順の選択を示している。
【００９８】
図２４は、一定値である１．５ｅＶのバンドギャップを達成するために必要なＧａＩｎＡｌＡｓ物質内のモル分率対格子定数を示すことにより、変性層において使用されるＧａＩｎＡｌＡｓの層の一定バンドギャップの順の選択を更に示している。
【００９９】
上記した各々の要素、又は２又はそれ以上の要素を組み合わせたものは、上記した形式の構造とは異なる他の形式の構造において、有益な用途を見出すことができる。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態は、４つの補助電池の垂直積層体を利用することであるが、本発明は、より少ないか又はより多い数の補助電池を有する積層体、すなわち２接合電池、３接合電池、５接合電池などにも適用することができる。４又はそれ以上の接合電池の場合は、１つより多い変性勾配中間層の使用を利用することができる。
【０１０１】
更に、本実施形態は、上部及び底部電気接触を有するものとして形成されているが、補助電池は、代替的には、補助電池間に位置する横方向導電性半導体と金属接触により接触するように構成することができる。このような配列は、３端子、４端子、及び一般的にｎ端子装置を形成するために使用することができる。補助電池は、これらの付加的端子を使用して、各々の補助電池の最も有効な光電流密度を効率的に使用することができるように回路に相互接続することができ、光電流密度が典型的には様々に補助電池によって異なるにもかかわらず、多接合電池に対し高い効率性をもたらす。
【０１０２】
上記したように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべての均一接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、どちらも同一の化学化合物と同一のバンドギャップを有するが、ドーピング種及び型だけが異なるｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池、及び１又はそれ以上のヘテロ接合電池又は補助電池の配列を利用することができる。ｐ型及びｎ型ＩｎＧａＰを有する補助電池Ａは、均一接合補助電池の一例である。代替的には、より詳細に２００８年１月３１日付けの米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に述べられているように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべてのヘテロ接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、ｎ型領域において異なる半導体物質の化学化合物、及び／又はｐ型領域において異なるバンドギャップエネルギーを有し、更にｐ−ｎ接合部を形成するｐ型及びｎ型領域において異なるドーピング種及び型を利用して、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池を利用することができる。
【０１０３】
幾つかの電池においては、薄い、いわゆる「真性層」を、エミッター層とベース層との間に配置することができ、この真性層は、エミッター層又はベース層のいずれかと同じか又は異なる化合物により形成することができる。真性層は、空間電荷領域で少数キャリアの再結合を抑制するように機能するものとなる。同様に、ベース層又はエミッター層のいずれかは、その厚さの部分又は全体で真性であるか又は意図的なドーピングがなされていない（「ＮＩＤ」）ものとすることができる。
【０１０４】
ウインドウ層又はＢＳＦ層の化合物は、格子定数及びバンドの必要条件によって、他の半導体化合物を利用することができ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び同様の材料を含むことができ、これらも、本発明の思想の範囲内に含まれる。
【０１０５】
本発明は、反転変性多接合太陽電池を実現したものとして示され、述べられているが、様々な修正及び構造的変更を、種々の方法で本発明の思想から外れることなく達成することができるものであるから、本発明は、示された詳細に限定されるものではない。
【０１０６】
すなわち、本発明の説明は、主として太陽電池又は光電池装置に焦点を当ててなされているが、当業者は、熱光（ＴＰＶ）電池、光検出器及び発光ダイオード（ＬＥＤＳ）などの他の光電装置も、ドーピング及び少数キャリアの寿命に何らかの僅かな違いがあるだけで、構造、物理的性質、及び物質が光電池装置と極めて類似していることを知っている。例えば、光検出器は、上記した光電池装置と同じ物質及び構造とすることができるが、電力発生より感度を重視するために、ドーピングの程度は低くされている。一方ＬＥＤは、類似した構造及び物質で形成することができるが、再結合の時間を短くするために、すなわち、発電ではなく光を発生するための放射の持続時間のために、ドーピングの程度が高くされる。したがって本発明は、光電池に対して述べたような構造、化合物、製造する物品、及び改善点を有する光検出器及びＬＥＤにも適用できる。
【０１０７】
更なる分析を必要とすることなく、上述の説明は、本発明の要点を十分に明らかにするものであるから、第３者は、従来技術の観点からみて、本発明の一般的又は特定の態様の本質的な特性を適切に構成する特徴を省略することなく、通常の知識を適用することにより、様々な用途に対して本発明を容易に適合させることができ、したがって、このような適合は、以下の特許請求の範囲に対する均等技術の意味及び範囲内であると理解されるべきであり、かつ、そのように意図されている。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１ 成長基板
１０２ バッファー層
１０３ エッチストップ層
１０４ 接触層
１０５ ウインドウ層
１０６ エミッター層
１０７ ベース層
１０８ ＢＳＦ層
１０９ トンネルダイオード層
１１０ ウインドウ層
【技術分野】
【０００１】
政府所有権利に関する記述
本発明は、米国空軍により与えられた契約書番号ＦＡ９４５３−０６−Ｃ−０３４５による政府の援助を得て完成されたものである。
【０００２】
［関連出願の表示］
本出願は、２００８年１１月１０日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２６７，８１２に関連する。
【０００３】
本出願は、２００８年１０月２４日付の係属中の米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に関連する。
【０００４】
本出願は、２００８年１０月１６日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１に関連する。
【０００５】
本出願は、２００８年８月１２日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９に関連する。
【０００６】
本出願は、２００８年８月７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１８７，４７７に関連する。
【０００７】
本出願は、２００８年７月１８日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２に関連する。
【０００８】
本出願は、２００８年７月１７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／２１８，５５８に関連する。
【０００９】
本出願は、２００８年５月２０日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１２３，８６４に関連する。
【００１０】
本出願は、２００８年４月１４日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／１０２，５５０に関連する。
【００１１】
本出願は、２００８年３月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／０４７，８４２及び米国一連番号１２／０４７，９４４に関連する。
【００１２】
本出願は、２００８年１月３１日付けの係属中の米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に関連する。
【００１３】
本出願は、２００７年１２月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９に関連する。
【００１４】
本出願は、２００７年９月２４日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／８６０，１４２及び１１／８６０，１８３に関連する。
【００１５】
本出願は、２００７年８月８日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／８３６，４０２に関連する。
【００１６】
本出願は、２００６年１２月２７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／６１６，５９６に関連する。
【００１７】
本出願は、２００６年１２月２１日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／６１４，３３２に関連する。
【００１８】
本出願は、２００６年６月２日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／４４５，７９３に関連する。
【００１９】
本出願は、２００６年８月７日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／５００，０５３に関連する。
【背景技術】
【００２０】
本発明は、半導体装置の分野、及び変性層を含むIII−Ｖ族半導体化合物ベースの多接合太陽電池などの製造工程及び装置に関する。このような装置は、反転変性多接合太陽電池として知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４
【特許文献２】米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０
【特許文献３】米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２
【特許文献４】米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３
【特許文献５】米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２
【特許文献６】米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他、「Ｌａｔｔｉｃｅ Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）
【発明の概要】
【００２３】
［従来の技術］
太陽電池とも呼ばれる光電池から得られる太陽エネルギー発電電力は、主としてシリコン半導体技術により提供されてきた。しかしながら過去数年間においては、宇宙用装置のためのIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池の大量製産により、宇宙用での使用だけでなく地上設置式太陽エネルギー発電装置の技術が加速度的に発達してきた。シリコンと比較して、III−Ｖ族化合物半導体多接合装置は、製造は一層複雑になるが、高いエネルギー変換効率及び全体的に高い放射線耐性を有する。典型的な商業用III−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は、１つの太陽、空気質量０（ＡＭ０）、照度の下で、２７％を越えるエネルギー効率を有するが、シリコン技術は、最も効率的なものでも、一般的には同様の条件の下で約１８％の効率しか得られない。強い太陽照射の下で（例えば、５００倍）、商業的に入手可能な地上設置式装置におけるIII−Ｖ族化合物半導体多接合太陽電池は（ＡＭ１．５で）、３７％を越えるエネルギー効率を有する。シリコン太陽電池と比較して、III−Ｖ族化合物半導体太陽電池の高い変換効率は、部分的に、異なるバンドギャップエネルギーを有する複数の光起電性領域の使用を通じて、入射放射線のスペクトル分光を行い、各々の領域からの電流を蓄積する能力によるものである。
【００２４】
典型的なIII−Ｖ族化合物半導体太陽電池は、垂直な多接合構造をもった半導体ウエハとして形成される。次に、個々の太陽電池、すなわちウエハは、水平アレイに配置され、該個々の太陽電池は電気回路で互いに接続される。アレイの形状及び構造、並びに含まれる電池の数は、部分的には、望まれる出力電圧及び電流により定められる。
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
非特許文献１として挙げたＭ．Ｗ．Ｗａｎｌａｓｓ他の「Ｌａｔｔｉｃｅ Ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，III−Ｖ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」（２００５年ＩＥＥＥ出版、２００５年１月３−７、第３１回ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの会議議事録）に示されているように、III−Ｖ族化合物半導体層に基づく反転変性太陽電池構造は、将来の商業的に高い効率の太陽電池の発展のために、重要な概念の出発点を示している。しかしながら、このような参照文献で提案されて述べられている、電池の多くの異なる層の物質及び構造は、物質及び製造段階の適切な選択に関して、多くの実質的な問題点を示している。
【００２６】
本発明より以前の従来技術において示された物質及び製造段階は、反転変性多接合電池構造を製造するための商業的に確立された製造方法を使用して、商業的に実用的でエネルギー効率の高い太陽電池を製造するのに適していなかった。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
簡潔にかつ一般的に言うと、本発明は、第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、該第一太陽補助電池に隣接し、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、該第二太陽補助電池に隣接し、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、該第一の勾配中間層に隣接し、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有して、該第二補助電池に対して格子非整合となっている第三太陽補助電池と、該第三太陽補助電池に隣接し、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層と、該第二の勾配中間層に隣接し、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有して、該第三補助電池に対して格子非整合となっている下方の第四太陽補助電池とを含む多接合太陽電池を提供するものである。
【００２８】
別の態様においては、本発明は、第一基板を準備し、該第一基板上に第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池を形成し、該第一太陽補助電池に隣接して、該第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池を形成し、該第二太陽補助電池に隣接して、該第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層を形成し、該第一の勾配中間層に隣接して、該第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し該第二補助電池に対して格子非整合となっている第三太陽補助電池を形成し、該第三太陽補助電池に隣接して、該第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層を形成し、該第二の勾配中間層に隣接して、該第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し該第三補助電池に対して格子非整合となっている下方の第四補助電池を形成し、第四補助電池の上部に代りの基板を取り付け、第一基板を取り除くことにより太陽電池を形成する方法を提供する。
【００２９】
本発明は、添付した図面と組み合わせて考えられると、以下の詳細な説明を参照して、より十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示すグラフである。
【図２】成長基板上に、ある程度の半導体層を堆積することを含む、最初の製造段階の後の、本発明の太陽電池の断面図である。
【図３】製造段階の次の順番の後の図２の太陽電池の断面図である。
【図４】製造段階の次の順番の後の図３の太陽電池の断面図である。
【図５】製造段階の次の順番の後の図４の太陽電池の断面図である。
【図６】次の製造段階の後の図５の太陽電池の断面図である。
【図７】図６に次の製造段階の代理基板が取り付けられた後の太陽電池の断面図である。
【図８Ａ】図７に次の製造段階の本来の基板が取り除かれた後の太陽電池の断面図である。
【図８Ｂ】図面の底部に代替基板を有する図８Ａの太陽電池の別の断面図である。
【図９】次の製造段階の後の図８Ｂの太陽電池の簡略化した断面図である。
【図１０】次の製造段階の後の図９の太陽電池の断面図である。
【図１１】次の製造段階の後の図１０の太陽電池の断面図である。
【図１２】次の製造段階の後の図１１の太陽電池の断面図である。
【図１３Ａ】太陽電池が形成されるウエハの平面図である。
【図１３Ｂ】太陽電池が形成されるウエハの底面図である。
【図１４】次の製造段階の後の図１２の太陽電池の断面図である。
【図１５】次の製造段階の後の図１４の太陽電池の断面図である。
【図１６】次の製造段階の後の図１５の太陽電池の断面図である。
【図１７】電池周囲のエッチングによる溝の表面図を描いた、図１６のウエハの平面図である。
【図１８Ａ】本発明の第一実施形態における次の製造段階の後の図１６の太陽電池の断面図である。
【図１８Ｂ】本発明の第二実施形態における次の製造段階の後の図１６の太陽電池の断面図である。
【図１９】次の製造段階の後の図１８の太陽電池の断面図である。
【図２０】本発明による変性太陽電池の補助電池のベース及びエミッター層内のドーピング形状のグラフである。
【図２１】本発明による変換した変性多接合太陽電池の電流と電圧の特性を示したグラフである。
【図２２】アルミニウム、インジウム及びガリウムの相対濃度の機能として、様々なＧａＩｎＡｌＡｓ物質のバンドギャップの範囲を示した図表である。
【図２３】一定した１．５ｅＶバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質の中のアルミニウム対インジウムのモル分率に対するガリウムのモル分率を示したグラフである。
【図２４】一定した１．５ｅＶバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質の中の格子定数に対するモル分率を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の詳細が、以下において、例示的側面及びその実施形態を含めて説明される。図面及び以下の説明を参照して、同じ参照番号が同様の又は機能的に類似した要素を識別すために使用され、高度に単純化した図式で例示的実施形態の主な特徴を表している。更に、図面は、実際の実施形態のあらゆる特徴、更に示した要素の相対寸法を示すようには意図されておらず、縮尺により描かれていない。
【００３２】
反転変性多接合（ＩＭＭ）太陽電池を製造する基本概念は、基板上の太陽電池の補助電池を「逆」順に成長させることである。すなわち、通常は太陽放射線に面する「上部」補助電池である高バンドギャップ補助電池（すなわち、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有する補助電池）が、例えば、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムなどの半導体成長基板上にエピタキシャル状に成長させられ、したがって、このような補助電池は、この基板と格子整合した状態となる。１又はそれ以上の下方のバンドギャップ中間太陽電池（すなわち、１．２ｅＶから１．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する）を、高バンドギャップ補助電池上に成長させることができる。
【００３３】
少なくとも１つの下方の補助電池が、成長基板に対して実質的には格子非整合状態で、第三の低いバンドギャップ（すなわち、０．７ｅＶから１．２ｅＶの範囲のバンドギャップ）を持つように、中間補助電池上に形成される。代りの基板すなわち支持構造が、「底部」又は実質的に格子非整合状態の下方の補助電池に取り付けられるか又は形成され、成長用の半導体基板は、その後取り除かれる。（成長用基板は、その後第二及びそれ以降の太陽電池の成長のために順次再使用することができる。）
【００３４】
反転変性多接合太陽電池の種々異なる特徴は、上記した関連出願に示されている。これらの特徴の幾つか又はすべては、本発明の太陽電池に関連する構造及び製造に含むことができる。しかしながら、より特定的には、本発明は、２つの異なる変性層を使用して、すべてが単一の成長基板上で成長する４接合型反転変性太陽電池の製造に向けられる。本発明においては、形成された構造は、それぞれが１．８ｅＶから２．１ｅＶ、１．３ｅＶから１．５ｅＶ、０．９ｅＶから１．１ｅＶ、及び０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する４つの補助電池を含む。
【００３５】
図１は、ある種の二元物質のバンドギャップ及びその格子定数を示したグラフである。三元物質のバンドギャップ及び格子定数は、組み合わされた典型的な二元物質を示した線の間に位置する。（三元物質ＧａＡ１Ａｓは、個々の成分の相対量に応じて、グラフのＧａＡｓとＡ１Ａｓとの間に位置し、三元物質のバンドギャップは、ＧａＡｓの１．４２ｅＶとＡ１Ａｓの２．１６ｅＶとの間に位置する。）このように、望まれるバンドギャップに応じて、三元物質の物質成分は、成長に対して正確に選択することができる。
【００３６】
半導体構造における層の格子定数及び電気特性は、好ましくは、適切な成長温度及び時間についての反応器仕様、及び適切な化学化合物及びドーピング剤の使用により制御される。有機的金属気相エピタクシー（ＯＭＶＰＥ）、有機化学的金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエネルギピストンタクシー（ＭＢＥ）などの蒸着法、又は他の逆成長のための蒸着法の使用によって、電池を形成するモノリシック半導体構造における層を、必要とされる厚さ、元素化合物、ドーピング剤濃度と粒度、及び導電型で成長させることができる。
【００３７】
図２は、本発明により、ＧａＡｓ成長基板上に３つの補助電池Ａ、Ｂ及びＣを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。より特定的には、基板１０１が示されており、これは、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）が好ましいが、ゲルマニウム（Ｇｅ）又は他の適当な物質とすることができる。ＧａＡｓにおいては、基板は好ましくは、１５°切り出し基板、すなわち、その表面が（１００）平面から（１１１）平面方向に１５°ずらして方向付けられたものであり、これは２００８年３月１３日付けの米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４に詳細に述べられている。
【００３８】
ゲルマニウム基板の場合には、核形成層（図示されず）が基板１０１上に直接堆積される。基板上又は核形成層の上に（ゲルマニウム基板の場合）、バッファー層１０２及びエッチストップ層１０３が（１１１）更に堆積される。ＧａＡｓ基板の場合には、バッファー層１０２は、ＧａＡｓであることが好ましい。ゲルマニウム基板の場合には、バッファー層１０２は、ＩｎＧａＡｓであることが好ましい。次にＧａＡｓの接触層１０４が（１１１）層１０３上に堆積され、Ａ１ＩｎＰのウインドウ層１０５が接触層上に堆積される。次にｎ＋エミッター層１０６及びｐ型ベース層１０７から成る補助電池Ａが、ウインドウ層１０５上にエピタキシャル状に堆積される。補助電池Ａは、成長基板１０１と全体的に格子整合している。
【００３９】
多接合太陽電池構造は、格子定数及びバンドギャップの必要条件によって、周期表に挙げられたIII族からＶ族までの要素のあらゆる適当な組み合わせにより形成することができ、ここで、III族は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウム（Ｔ）を含むことを理解するべきである。IV族は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、及びスズ（Ｓｎ）を含む。Ｖ族は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及びビスマス（Ｂｉ）を含む。
【００４０】
好ましい実施形態においては、エミッター層１０６は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成され、ベース層１０７は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから構成される。上式で括弧内のアルミニウムすなわちＡｌ項は任意の成分であり、この場合には、０％から３０％の範囲の量で使用することができる。本発明によるエミッター及びベース層１０６及び１０７のドーピング形状は、図２０と関連して述べる。
【００４１】
補助電池Ａは、後に述べる本発明による製造段階の終了後、最終的には、反転変性構造の「上部」補助電池となる。
【００４２】
ベース層１０７の上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＩｎＰである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）が堆積され、これは、再結合損失を減少するために使用される。
【００４３】
ＢＳＦ層１０８は、再結合損失の影響を最小にするために、ベース／ＢＳＦインターフェース表面に近い領域から少数キャリアを駆逐する。言い換えれば、ＢＳＦ層１０８は、太陽補助電池Ａの後側で再結合損失を減少し、したがってベースでの再結合を減少する。
【００４４】
ＢＳＦ層１０８の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１０９ａ及びｎ型層１０９ｂがこの順で堆積され、補助電池Ａを補助電池Ｂに接続するトンネルダイオード、すなわちオーム回路要素を形成する。層１０９ａは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１０９ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００４５】
トンネルダイオード層１０９の上部に、ウインドウ層１１０、好ましくはｎ＋ＩｎＧａＰが堆積される。ウインドウ層１１０の物質成分としてＩｎＧａＰを利用する利点は、２００８年１０月２４日付けの米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に十分に述べられているように、ウインドウ層が隣接するエミッター層１１１と緊密に整合する屈折率を有することである。補助電池Ｂで使用されるウインドウ層１１０は、インターフェースの再結合損失を減少するように働く。本発明の範囲から外れることなく、付加層が電池構造に付加又は消去することができることが、当業者には明らかである。
【００４６】
ウインドウ層１１０の上部に、補助電池Ｂの層、すなわちｎ型エミッター層１１１及びｐ型ベース層１１２が堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれＩｎＧａＰ及びＩｎ0.015ＧａＡｓ（ゲルマニウム基板又は成長用テンプレートの場合）から、又はそれぞれＩｎＧａＰ及びＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板の場合）から構成されるが、必要条件の格子定数及びバンドギャップを備えたあらゆる他の適当な物質成分も同様に使用することができる。したがって、補助電池Ｂは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮエミッター領域及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮベース領域から構成することができる。本発明による層１１１及び１１２のドーピング形状は、図２０との関連で述べる。
【００４７】
従前の反転変性太陽電池においては、中間電池は均一構造であった。本発明においては、米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に示された構造に類似して、中間補助電池はＩｎＧａＰを有するヘテロ構造となり、そのウインドウはＩｎＡｌＰからＩｎＧａＰに変えられる。この変更は、２００８年１０月２４日付けの米国特許出願一連番号１２／２５８，１９０に十分に述べられているように、中間補助電池のウインドウ／エミッターインターフェースで、不連続な屈折率を除去したものである。更に、ウインドウ層１１０は、フェルミ・レベルを導電バンド近くまで上げるために、エミッター層１１１の３倍ドーピングされることが好ましく、これによりウインドウ／エミッターインターフェースでバンド曲がりを形成し、エミッター層への少数キャリアを抑制することとなる。
【００４８】
本発明の好ましい実施形態においては、中間補助電池エミッターは、上部補助電池エミッターと等しいバンドギャップを有し、第三補助電池エミッターは、中間補助電池のベースのバンドギャップより大きいバンドギャップを有する。したがって、太陽電池の製造、実行及び作動の後、中間補助電池Ｂのエミッターも第三補助電池Ｃのエミッターのいずれも吸収可能な放射線に曝されることはない。実質的には、吸収可能な放射線を表すすべての光子は、エミッターより狭いバンドギャップを有する電池Ｂ及びＣのベースで吸収される。したがって、ヘテロ接合型補助電池を使用する利点は、（i）両方の補助電池に対応する短い波長が改善され、（ii）放射線の束が、より狭いバンドギャップベースに、一層効率的に吸収されて、集積されることである。それによる効果は、ＪSCを増加させることである。
【００４９】
電池Ｂの上部に、ＢＳＦ層１０９と同じ機能として働くＢＳＦ層１１３が堆積される。ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１１４ａ及び１１４ｂのそれぞれは、層１０９ａ及び１０９ｂと類似してＢＳＦ層１１３上に堆積され、補助電池Ｂを補助電池Ｃに接続するオーム回路要素を形成する。１１４ａ層は、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１１４ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【００５０】
好ましくはｎ型ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐから成るバリア層１１５が、約１．０ミクロンの厚さまで、トンネルダイオード１１４ａ／１１４ｂ上に堆積される。このようなバリア層は、スレッドの乱れが、中間及び上部補助電池Ｂ及びＣに成長する方向と反対方向か、又は底部補助電池Ａに成長する方向のいずれかに伝播するのを防止するように意図され、より特定的には係属中の２００７年９月２４日付けの米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３に記載されている。
【００５１】
変性層（すなわち勾配中間層）１１６は、表面活性剤を使用してバリア層１１５上に堆積される。層１１６は、スレッドの乱れが起こるのを最小にしている間、半導体構造の中の格子定数が補助電池Ｂから補助電池Ｃへと次第に遷移するようにするために、好ましくは格子定数を単調に変化させながら、組成的に段階的勾配を付したシリーズのＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１１６のバンドギャップは、好ましくはおよそ１．５ｅＶに等しく、その厚さ全体で一定であるか、又は中間補助電池Ｂのバンドギャップより僅かに大きい値で一定している。勾配中間層の好ましい実施形態は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓから構成されるものとして表すことができ、ここでｘ及びｙは、中間層のバンドギャップがおよそ１．５０ｅＶで一定した状態か、又は他の適当なバンドギャップとなるように選択される。
【００５２】
表面活性剤の助けによる変性層１１６の成長においては、層１１６の成長する間、適当な化学成分が反応器に導入され、層の表面特性が改善される。好ましい実施形態においては、このような成分は、ドーピング剤又はセレニウム（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドナー原子とすることができる。したがって、少量のＳｅ又はＴｅが変性層１１６に組み込まれ、完成した太陽電池に残存する。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーピング剤原子ではあるが、他の非等電性表面活性剤も同様に使用することができる。
【００５３】
表面活性剤の補助による成長は、より滑らかな又は平らな表面を形成する。物質が成長して、層が厚くなるにしたがって、表面形態が半導体物質の嵩特性に影響するので、表面活性剤の使用は、活性領域でのスレッドの乱れを最小にし、したがって太陽電池全体の効率を改善することとなる。
【００５４】
非等電性表面活性剤の使用に代わるものとして、等電性表面活性剤を使用することができる。「等電性」という用語は、アンチモン（Ｓｂ）又はビスマス（Ｂｉ）などの表面活性剤を意味するが、それはこのような要素が、変性バッファー層においてＩｎＧａＰのＰ原子、又はＩｎＧａＡｌＡｓのＡｓ原子と同じ数の価電子を有するからである。このようなＳｂ又はＢｉ表面活性剤は、通常は、変性層１１６に組み込まれることはない。
【００５５】
代替的実施形態においては、太陽電池が２つの補助電池しか持たず、かつ「中間」電池Ｂが完成した太陽電池において最上部又は上部補助電池であり、ここで言う「上部」補助電池Ｂが、典型的には１．８ｅＶから１．９ｅＶのバンドギャップを有する場合に、中間層のバンドギャップは、一定の１．９ｅＶにとどまる。
【００５６】
上記したワンラス他の論文に述べられた反転変性構造においては、変性層は組成的にＩｎＧａＰに勾配を付す９段階から成り、各々の段階の層は０．２５ミクロンの厚さを有する。その結果、ワンラス他の各々の層は、異なるバンドギャップを有する。本発明の好ましい実施形態においては、層１１６は、単調に変化する格子定数を有し、各々の層がおよそ１．５ｅＶの同じバンドギャップを有する、複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層から構成される。
【００５７】
ＩｎＧａＡｌＡｓなどの一定バンドギャップの物質を利用する利点は、ヒ素ベースの半導体物質が、標準の商業用ＭＯＣＶＤ反応器でかなり製造しやすいことであるが、少量のアルミニウムは、変性層の放射線透過性を確実なものとする。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態は、製造容易性及び放射線透過性の理由から、変性層１１６に複数のＩｎＧａＡｌＡｓの層を利用するものであるが、本発明の他の実施形態は、補助電池Ｂから補助電池Ｃへと格子定数を変化させるために、異なる物質のシステムを利用することができる。このように、組成的に勾配付けされたＩｎＧａＰを使用するワンラスのシステムは、本発明の第二実施形態である。本発明の他の実施形態は、段階的勾配付けするのとは反対に、無段階な勾配付けされた物質を利用することができる。より一般的に言うと、勾配付けされた中間層は、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成することができるが、該中間層は、平面内格子パラメータが、第二太陽電池のそれより大きいか又はこれと等しく、第三太陽電池の格子のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが第二太陽電池のそれよりも大きいという制約を受ける。
【００５９】
本発明の別の実施形態においては、任意の第二バリア層１１７を、ＩｎＧａＡｌＡｓ変性層１１６上に堆積することができる。第二バリア層１１７は、典型的には、バリア層１１５の化合物とは異なる化合物を有し、本質的には、スレッドの乱れが伝播するのを防止する機能と同じ機能を実現する。好ましい実施形態においては、バリア層１１７は、ｎ＋型ＧａＩｎＰとする。
【００６０】
好ましくはｎ＋型ＧａＩｎＰから構成されるウインドウ層１１８が、バリア層１１７上に（又は第二バリア層がない場合は、直接層１１６上に）堆積される。このウインドウ層は、補助電池「Ｃ」内の再結合損失を減少するように作用する。付加的層は、本発明の範囲から外れることなく、電池構造に追加又は削除することができることが、当業者には明らかである。
【００６１】
ウインドウ層１１８の上部に、電池Ｃの層、すなわちｎ＋エミッター層１１９及びｐ型ベース層１２０が堆積される。これらの層は、ヘテロ結合補助電池に対して、それぞれがｎ＋型ＩｎＧａＡｓとｎ＋型ＩｎＧａＡｓか、又はｎ＋型ＩｎＧａＰとｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップの必要条件が一致する別の適当な物質も、同様に使用することができる。層１１９及び１２０のドーピング形状は図２０と関連して述べる。
【００６２】
ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましいＢＳＦ層１２１が、電池Ｃの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８及び１１３と同じ機能を達成する。
【００６３】
ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１２２ａ及び１２２ｂのそれぞれが、層１１４ａ及び１１４ｂと同様にＢＳＦ層１２１上に堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄに接続するためのオーム回路要素を形成する。層１２２ａは、ｐ＋＋ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましく、層１２２ｂは、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されることが好ましい。
【００６４】
図３は、次の順番の製造段階を行った後の図２の太陽電池の断面図である。好ましくはｎ型ＧａＩｎＰから構成されるバリア層１２３が、約１．０ミクロンの厚さまでトンネルダイオード１２２ａ／１２２ｂ上に堆積される。このようなバリア層は、スレッドの乱れが、上部及び中間補助電池Ａ、Ｂ及びＣに成長する方向と反対方向か、或いは補助電池Ｄに成長する方向のいずれかに伝播するのを防止するように意図されるものであり、より特定的には係属中の２００７年９月２４日付けの米国特許出願一連番号１１／８６０，１８３に記載されている。
【００６５】
変性層（すなわち勾配中間層）１２４は、表面活性剤を使用してバリア層１２３上に堆積される。層１２４は、スレッドの乱れが起こるのを最小にするとともに、半導体構造の中の格子定数が補助電池Ｃから補助電池Ｄへと次第に遷移するようにするために、好ましくは格子定数を単調に変化させながら、組成的に段階的勾配を付したシリーズのＩｎＧａＡｌＡｓ層であることが好ましい。層１２４のバンドギャップは、好ましくはおよそ１．１ｅＶに等しく、その厚さ全体で一定であるか、又は中間補助電池Ｃのバンドギャップより僅かに大きい値で一定している。勾配中間層の好ましい実施形態は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓの組成を有するものとして表すことができ、ここでｘ及びｙは、中間層のバンドギャップがおよそ１．１ｅＶで一定した状態か、又は他の適当なバンドギャップとなるように選択される。
【００６６】
表面活性剤により補助された変性層１２４の成長においては、層１２４が成長させられる間、適当な化学成分が反応器に導入され、層の表面特性が改善される。好ましい実施形態においては、このような成分は、ドーピング剤又はセレニウム（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）などのドナー原子とすることができる。したがって、少ない量のＳｅ又はＴｅが変性層１２４に組み込まれ、完成した太陽電池に残存する。Ｓｅ又はＴｅは、好ましいｎ型ドーピング剤原子ではあるが、他の非等電性表面活性剤も同様に使用することができる。
【００６７】
好ましくはｎ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されるウインドウ層１２５が、層１２４上に（又はもしある場合には、層１２４上に配置された第二バリア層上に）堆積される。このウインドウ層は、補助電池「Ｄ」内の再結合損失を減少するように作用する。付加的層は、本発明の範囲から外れることなく、電池構造に追加又は削除することができることが、当業者には明らかである。
【００６８】
図４は、次の順番の製造段階をした後の図３の太陽電池の断面図である。ウインドウ層１２５の上部に、電池Ｄの層、すなわちｎ＋エミッター層１２６及びｐ型ベース層１２７が堆積される。これらの層は、ヘテロ結合補助電池に対して、それぞれがｎ＋型ＩｎＧａＡｓとｐ型ＩｎＧａＡｓか、又はｎ＋型ＩｎＧａＰとｐ型ＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましいが、格子定数及びバンドギャップの必要条件が一致する別の適当な物質も、同様に使用することができる。層１２６及び１２７のドーピング形状は、図２０と関連して述べられる。
【００６９】
次の図５では、好ましくはｐ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されるＢＳＦ層１２８が電池Ｄの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８、１１３及び１２１と同じ機能を行う。
【００７０】
最後に、好ましくはｐ＋＋型ＩｎＧａＡｌＡｓから構成される高バンドギャップ接触層１２９が、ＢＳＦ層１２８上に堆積される。
【００７１】
多接合光電池における最低バンドギャップ光電池（すなわち、示した実施形態においては補助電池「Ｄ」）の底部（非照射）側に位置するこの接触層１２９の化合物は、電池を通って通過する光の吸収を減少する組成とすることができ、その結果、（i）その下の後側オーム金属接触層（非照射側）がミラー層として機能し、（ii）接触層は、吸収を防止するために選択的にエッチング除去する必要がない。
【００７２】
本発明の範囲から外れることなく、付加的層を電池構造に追加し、又は除去することができることは、当業者にとって明らかである。
【００７３】
図６は、次の製造段階である、金属接触層１２３がｐ＋半導体接触層１２２上に堆積された後の図５の太陽電池の断面図である。金属は、金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕの順であることが好ましい。
【００７４】
また、選択される金属接触の構成は、加熱処理後オーム接触を活性化するために、加熱処理後に、半導体に対して平らなインターフェースを有するものとする。これは、（１）金属を半導体から分離する誘電層を堆積する必要がなく、更に金属接触領域で選択的にエッチングする必要がなく、かつ（２）接触層が、問題となる波長範囲にわたり鏡面反射する、ようにするために行われるものである。
【００７５】
図７は、接着剤層１３１を金属層１３０上に堆積する次の製造段階をオｐ個なった後の図３の太陽電池の断面図である。接着剤は、Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄ（ミズーリー州ローラのＢｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．により製造）が好ましい。
【００７６】
次の製造段階においては、好ましくはサファイアである代りの基板１３２が取り付けられる。代替的には、代りの基板は、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉ、或いは他の適当な物質とすることができる。代りの基板は、厚さが約４０ミルで、続いて行われる接着剤及び基板の除去を助けるために、直径が約１ｍｍで、４ｍｍの間隔を有する孔が穿孔される。接着剤層１３１の使用の代りに、適当な基板（例えば、ＧａＡｓ）を、金属層１３０に共晶的に又は永久的に接着することができる。
【００７７】
図８Ａは、最初の基板がラッピング及び／又はエッチング段階の順により取り除く段階、すなわち基板１０１及びバッファー層１０３を取り除く次の製造段階が行われた後の図７の太陽電池の断面図である。特定の腐食液の選択は、成長用基板に依存する。
【００７８】
図８Ｂは、代りの基板１３２が図面の底部にある状態で描かれた図８Ａの太陽電池の断面図である。本出願におけるこれ以降の図面は、この方向で描かれている。
【００７９】
図９は、代りの基板１３２における幾つかの上部層及び下方の層を示した、図８Ｂの太陽電池を簡略化した断面図である。
【００８０】
図１０は、次の製造段階としてエッチストップ層１０３がＨＣｌ／Ｈ2Ｏ溶液により取り除かれる段階を行った後の図９の太陽電池の断面図である。
【００８１】
図１１は、図１０に示す太陽電池に次の製造段階を行って、フォトレジストマスク（図示されず）が接触層１０４上に設置され、グリッド線５０１が形成された後の太陽電池の断面図である。以下に詳細に述べられるように、グリッド線５０１は、蒸着により堆積され、接触層１０４上にリトグラフ法によりパターン化されて堆積される。マスクは、図面に示しているように、最終の金属グリッド線５０１を形成するために順次取り除かれる。
【００８２】
引用によりここに組み入れられる２００８年７月１８日付けの米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２に詳細に述べられているように、グリッド線５０１は、Ｐｄ／Ｇｅ／Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕから構成されることが好ましいが、他の適当な物質も同様に使用することができる。
【００８３】
図１２は、図１１の太陽電池に次の製造段階を行い、グリッド線をマスクとして使用し、クエン酸／過酸化水素水エッチング混合物を使用して、ウインドウ層１０５の表面にエッチング処理した後の太陽電池の断面図である。
【００８４】
図１３Ａは、４つの太陽電池が実装されているウエハの平面図である。４つの電池の図は説明のためだけのものであり、本発明は、１つのウエハに対して何らかの特定の数の電池の使用に限定されるものではない。
【００８５】
各々の電池には、グリッド線５０１（より特定的には図９に断面図が示されている）、相互結合したバス線５０２、及び接触用パッド５０３がある。グリッド線、バス線、及び接触用パッドの形状及び数は、説明のためのものであり、本発明は示した実施形態に限定するものではない。
【００８６】
図１３Ｂは、図１３Ａで示した４つの太陽電池を有するウエハの底面図である。
【００８７】
図１４は、図１２の太陽電池に次の製造段階を行うことにより、反射防止用（ＡＲＣ）誘電体被膜層１３０が、グリッド線５０１を有するウエハの「底部」側の表面全体に付与された後の太陽電池の断面図である。
【００８８】
図１５は、図１４の太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、第一及び第二環状チャンネル５１０及び５１１、すなわち半導体構造の部分が、リン化腐食液及びヒ化腐食液を使用して、金属層１３０にエッチング処理された後の太陽電池の断面図である。これらのチャンネルは、電池とウエハの残りの部分との間に周辺境界を定め、太陽電池を構成するメサ構造を残す。図１５に示された断面図は、図１７に示されたＡ−Ａ面から見たものである。好ましい実施形態においては、チャンネル５１０は、実質的にチャンネル５１１より幅が広い。
【００８９】
図１６は、図１５の太陽電池に次の製造段階を行うことにより、チャンネル５１１が金属用腐食液に曝されて、チャンネル５１１の底部に位置する金属層１３０の部分が取り除かれた後の太陽電池の断面図である。これによりチャンネル５１１の深さは、接着剤層１３１のほぼ上部表面にまで延びる。
【００９０】
図１７は、図１６のウエハにおいて、各々の電池の周辺にエッチングされたチャネル５１０及び５１１を示した平面図である。
【００９１】
図１８Ａは、図１６の太陽電池において、本発明の第一実施形態による次の製造段階を行うことにより、代りの基板１３２が、研磨、ラッピング、又はエッチングにより比較的薄い層１３２ａにまで適切に薄肉化された後の太陽電池の断面図である。この実施形態においては、薄い層１３２ａは、本申請書の太陽電池の支持材を形成し、以下に述べられる第二実施形態で示されているようなカバーガラスは必要ではない。このような実施形態においては、金属接触層１３０への電気接触は、チャネル５１０を通して、又は他の介在構造により行うことができる。
【００９２】
図１８Ｂは、図１６の太陽電池において、本発明の第二実施形態による次の製造段階を行うことにより、カバーガラス５１４が接着剤５１３を解して電池の上部に取り付けられた後の太陽電池の断面図である。カバーガラス５１４は、チャンネル５１０全体を覆うことが好ましいが、チャンネル５１１の近くの電池周囲までは延びない。カバーガラスの使用は好ましい実施形態ではあるが、すべての実装に必要なものではなく、付加的層又は構造を使用して、太陽電池の付加的支持又は周囲環境の保護を達成することができる。
【００９３】
図１９は、図１８Ｂの太陽電池に本発明による次の製造段階を行うことにより、接着剤層１３１、代りの理基板１３２、及びウエハの周囲部分５１２が、チャンネル５１０の領域を除いてすべて取り除かれて、太陽電池には上部のカバーガラス５１４（又は他の層或いは構造）及び太陽電池の後側の接触部を形成する底部の金属接触層１３０だけが残された状態における太陽電池の断面図である。代りの基板は、腐食液ＥＫＣ９２２の使用により取り除かれることが好ましい。上記したように、代りの基板は、その表面に孔を含み、この孔は、該基板１３２を通して腐食液を流れさせて該代りの基板を取り除くことを可能にする。代りの基板は、次のウエハ製造作業において再使用することができる。
【００９４】
図２０は、本発明の反転変性多接合太陽電池の１又はそれ以上の補助電池におけるエミッター及びベース層のドーピング形状のグラフである。本発明の範囲内の様々なドーピング形状、及びその様なドーピング形状の利点は、より特定的には、２００７年１２月１３日付けの係属中の米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９に示されており、引用によりここに組み入れられる。ここに示されたドーピング形状は、単に説明的なものであり、他のより複雑な形状も、本発明の範囲から外れることなく当業者に明らかなものとして利用することができる。
【００９５】
図２１は、本発明により製造されたテスト対象太陽電池の中の１つの電流及び電圧特性を示すグラフである。このテスト対象電池においては、下方の第四補助電池は、およそ０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第三補助電池は、およそ０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第二補助電池は、およそ１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、更に上方の補助電池は、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有していた。太陽電池は、およそ３．２６５ボルトの開放電圧（ＶOC）、およそ１６．２６ｍＡ／ｃｍ2の短絡電流、およそ８２％の充填要因、及び３２．２％の効率性を有するものと計測された。
【００９６】
図２２は、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａの相対濃度の関数として、様々なＧａＩｎＡｌＡｓ物質のバンドギャップの範囲を表した図表である。この図表は、各々の次の層に対する格子定数についての異なる要求値に適合するようにするために、変性層で使用されるＧａＩｎＡｌＡｓ層の一定バンドギャップの順を選択するに際し、Ａｌ、Ｉｎ、及びＧａの相対濃度の選択をどのように適当に企画することができるかを示している。すなわち、１．５ｅＶ又は１．１ｅＶ、或いは他のバンドギャップ値が、一定バンドギャップにとって望ましいが、図表は、各々のバンドギャップに対して連続曲線を描いており、層が必要とするバンドギャップ及び格子定数を有するために、格子定数が変化するにしたがって成分比率が増加する変化を示している。
【００９７】
図２３は、一定値である１．５ｅＶのバンドギャップを達成するために必要な、ＧａＩｎＡｌＡｓ物質内のアルミニウム対インジウムのモル分率に対するガリウムのモル分率を示すことにより、変性層において使用されるＧａＩｎＡｌＡｓの層の一定バンドギャップの順の選択を示している。
【００９８】
図２４は、一定値である１．５ｅＶのバンドギャップを達成するために必要なＧａＩｎＡｌＡｓ物質内のモル分率対格子定数を示すことにより、変性層において使用されるＧａＩｎＡｌＡｓの層の一定バンドギャップの順の選択を更に示している。
【００９９】
上記した各々の要素、又は２又はそれ以上の要素を組み合わせたものは、上記した形式の構造とは異なる他の形式の構造において、有益な用途を見出すことができる。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態は、４つの補助電池の垂直積層体を利用することであるが、本発明は、より少ないか又はより多い数の補助電池を有する積層体、すなわち２接合電池、３接合電池、５接合電池などにも適用することができる。４又はそれ以上の接合電池の場合は、１つより多い変性勾配中間層の使用を利用することができる。
【０１０１】
更に、本実施形態は、上部及び底部電気接触を有するものとして形成されているが、補助電池は、代替的には、補助電池間に位置する横方向導電性半導体と金属接触により接触するように構成することができる。このような配列は、３端子、４端子、及び一般的にｎ端子装置を形成するために使用することができる。補助電池は、これらの付加的端子を使用して、各々の補助電池の最も有効な光電流密度を効率的に使用することができるように回路に相互接続することができ、光電流密度が典型的には様々に補助電池によって異なるにもかかわらず、多接合電池に対し高い効率性をもたらす。
【０１０２】
上記したように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべての均一接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、どちらも同一の化学化合物と同一のバンドギャップを有するが、ドーピング種及び型だけが異なるｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池、及び１又はそれ以上のヘテロ接合電池又は補助電池の配列を利用することができる。ｐ型及びｎ型ＩｎＧａＰを有する補助電池Ａは、均一接合補助電池の一例である。代替的には、より詳細に２００８年１月３１日付けの米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に述べられているように、本発明は、１又はそれ以上の、又はすべてのヘテロ接合電池又は補助電池、すなわちｐ−ｎ接合部が、ｎ型領域において異なる半導体物質の化学化合物、及び／又はｐ型領域において異なるバンドギャップエネルギーを有し、更にｐ−ｎ接合部を形成するｐ型及びｎ型領域において異なるドーピング種及び型を利用して、ｐ型半導体とｎ型半導体との間に形成される電池又は補助電池を利用することができる。
【０１０３】
幾つかの電池においては、薄い、いわゆる「真性層」を、エミッター層とベース層との間に配置することができ、この真性層は、エミッター層又はベース層のいずれかと同じか又は異なる化合物により形成することができる。真性層は、空間電荷領域で少数キャリアの再結合を抑制するように機能するものとなる。同様に、ベース層又はエミッター層のいずれかは、その厚さの部分又は全体で真性であるか又は意図的なドーピングがなされていない（「ＮＩＤ」）ものとすることができる。
【０１０４】
ウインドウ層又はＢＳＦ層の化合物は、格子定数及びバンドの必要条件によって、他の半導体化合物を利用することができ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＺｎＳＳｅ、ＣｄＳＳｅ、及び同様の材料を含むことができ、これらも、本発明の思想の範囲内に含まれる。
【０１０５】
本発明は、反転変性多接合太陽電池を実現したものとして示され、述べられているが、様々な修正及び構造的変更を、種々の方法で本発明の思想から外れることなく達成することができるものであるから、本発明は、示された詳細に限定されるものではない。
【０１０６】
すなわち、本発明の説明は、主として太陽電池又は光電池装置に焦点を当ててなされているが、当業者は、熱光（ＴＰＶ）電池、光検出器及び発光ダイオード（ＬＥＤＳ）などの他の光電装置も、ドーピング及び少数キャリアの寿命に何らかの僅かな違いがあるだけで、構造、物理的性質、及び物質が光電池装置と極めて類似していることを知っている。例えば、光検出器は、上記した光電池装置と同じ物質及び構造とすることができるが、電力発生より感度を重視するために、ドーピングの程度は低くされている。一方ＬＥＤは、類似した構造及び物質で形成することができるが、再結合の時間を短くするために、すなわち、発電ではなく光を発生するための放射の持続時間のために、ドーピングの程度が高くされる。したがって本発明は、光電池に対して述べたような構造、化合物、製造する物品、及び改善点を有する光検出器及びＬＥＤにも適用できる。
【０１０７】
更なる分析を必要とすることなく、上述の説明は、本発明の要点を十分に明らかにするものであるから、第３者は、従来技術の観点からみて、本発明の一般的又は特定の態様の本質的な特性を適切に構成する特徴を省略することなく、通常の知識を適用することにより、様々な用途に対して本発明を容易に適合させることができ、したがって、このような適合は、以下の特許請求の範囲に対する均等技術の意味及び範囲内であると理解されるべきであり、かつ、そのように意図されている。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１ 成長基板
１０２ バッファー層
１０３ エッチストップ層
１０４ 接触層
１０５ ウインドウ層
１０６ エミッター層
１０７ ベース層
１０８ ＢＳＦ層
１０９ トンネルダイオード層
１１０ ウインドウ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、
前記第一太陽補助電池に隣接し、前記第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、
前記第二太陽補助電池に隣接し、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、
前記第一の勾配中間層に隣接し、前記第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、前記第二補助電池に対して格子非整合状態である第三太陽補助電池と、
前記第三太陽補助電池に隣接し、前記第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層と、
前記第二の勾配中間層に隣接し、前記第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、前記第三補助電池に対して格子非整合状態である下方の第四太陽補助電池と、
から構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項２】
前記第一の勾配中間層は、１つの側において前記第二補助電池と、他方の側において前記第三補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項３】
前記第二の勾配中間層は、１つの側において前記第三補助電池と、他方の側において前記底部の第四補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項４】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第二補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記第三補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第二補助電池及び前記第三補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項５】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第三補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記底部の第四補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第三補助電池及び前記第四補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項６】
前記第一及び第二の勾配中間層は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ここで、ｘ及びｙは各々の中間層の前記バンドギャップが、その厚さ全体で一定となるように選択されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項７】
前記第一の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．５ｅＶで一定していることを特徴とする請求項６に記載の多接合太陽電池。
【請求項８】
前記第二の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．１ｅＶで一定していることを特徴とする請求項６に記載の多接合太陽電池。
【請求項９】
前記上方の太陽電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＰベース層で構成され、前記第二補助電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＧａＡｓベース層で構成され、前記第三補助電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＡｓベース層で構成され、更に前記底部の第四補助電池は、ＩｎＧａＡｓベース層と前記ベースと格子整合するＩｎＧａＡｓエミッター層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１０】
前記下方の第四補助電池は、およそ０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第三補助電池は、およそ０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第二補助電池は、およそ１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記上方の補助電池は、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１１】
第一基板を準備し、
前記第一基板に、第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池を形成し、
前記第一太陽補助電池に隣接して、前記第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池を形成し、
前記第二太陽補助電池に隣接して、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層を形成し、
前記第一の勾配中間層に隣接して、前記第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、前記第二補助電池に対して格子非整合状態の第三太陽補助電池を形成し、
前記第三太陽補助電池に隣接して、前記第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層を形成し、
前記第二の勾配中間層に隣接して、前記第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、前記第三補助電池に対して格子非整合状態の下方の第四太陽補助電池を形成し、
第四太陽補助電池の上部に代りの基板を取り付けて、
前記第一基板を取り除く、
段階からなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記下方の第四補助電池は０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第三補助電池は０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第二補助電池は１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第一補助電池は１．８ｅＶから２．１ｅＶのバンドギャップを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一基板は、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムで構成され、前記代りの基板は、サファイア、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の勾配中間層は、１つの側において前記第二補助電池と、もう一方の側において前記第三補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされ、前記第二の勾配中間層は、１つの側において前記第三補助電池と、もう一方の側において前記底部の第四補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第二補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記第三補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第二補助電池及び前記第三補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第三補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記底部の第四補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第三補助電池及び前記第四補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一及び第二の勾配中間層は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ここで、ｘ及びｙは各々の中間層の前記バンドギャップが、その厚さ全体で一定となるように選択されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．５ｅＶの一定値に維持され、前記第二の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．１ｅＶの一定値に維持されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一太陽電池はＩｎＧａＰエミッター層及びＩｎＧａＰベース層で構成され、前記第二補助電池はＩｎＧａＰエミッター層とＧａＡｓベース層で構成され、前記第三補助電池はＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＡｓベース層で構成され、更に前記底部の第四補助電池はＩｎＧａＡｓベース層と前記ベースと格子整合するＩｎＧａＡｓエミッター層で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
第一基板を準備し、
第一の順序の半導体物質層を第一基板上に堆積して第一及び第二太陽電池を形成し、
第一の勾配中間層を前記第一及び第二太陽電池上に堆積し、
第二の勾配中間層と第三及び第四太陽電池を含む第二の順序の半導体物質層を前記第一の勾配中間層に堆積し、
重ねられた前記層の上部に、代りの基板を取り付けて接着し、
前記第一基板を取り除く、
段階からなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１】
第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池と、
前記第一太陽補助電池に隣接し、前記第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池と、
前記第二太陽補助電池に隣接し、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層と、
前記第一の勾配中間層に隣接し、前記第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、前記第二補助電池に対して格子非整合状態である第三太陽補助電池と、
前記第三太陽補助電池に隣接し、前記第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層と、
前記第二の勾配中間層に隣接し、前記第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、前記第三補助電池に対して格子非整合状態である下方の第四太陽補助電池と、
から構成されていることを特徴とする多接合太陽電池。
【請求項２】
前記第一の勾配中間層は、１つの側において前記第二補助電池と、他方の側において前記第三補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項３】
前記第二の勾配中間層は、１つの側において前記第三補助電池と、他方の側において前記底部の第四補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項４】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第二補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記第三補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第二補助電池及び前記第三補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項５】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第三補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記底部の第四補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第三補助電池及び前記第四補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項６】
前記第一及び第二の勾配中間層は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ここで、ｘ及びｙは各々の中間層の前記バンドギャップが、その厚さ全体で一定となるように選択されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項７】
前記第一の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．５ｅＶで一定していることを特徴とする請求項６に記載の多接合太陽電池。
【請求項８】
前記第二の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．１ｅＶで一定していることを特徴とする請求項６に記載の多接合太陽電池。
【請求項９】
前記上方の太陽電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＰベース層で構成され、前記第二補助電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＧａＡｓベース層で構成され、前記第三補助電池は、ＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＡｓベース層で構成され、更に前記底部の第四補助電池は、ＩｎＧａＡｓベース層と前記ベースと格子整合するＩｎＧａＡｓエミッター層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１０】
前記下方の第四補助電池は、およそ０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第三補助電池は、およそ０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第二補助電池は、およそ１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記上方の補助電池は、１．８ｅＶから２．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の多接合太陽電池。
【請求項１１】
第一基板を準備し、
前記第一基板に、第一バンドギャップを有する上方の第一太陽補助電池を形成し、
前記第一太陽補助電池に隣接して、前記第一バンドギャップより小さい第二バンドギャップを有する第二太陽補助電池を形成し、
前記第二太陽補助電池に隣接して、前記第二バンドギャップより大きい第三バンドギャップを有する第一の勾配中間層を形成し、
前記第一の勾配中間層に隣接して、前記第二バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、前記第二補助電池に対して格子非整合状態の第三太陽補助電池を形成し、
前記第三太陽補助電池に隣接して、前記第四バンドギャップより大きい第五バンドギャップを有する第二の勾配中間層を形成し、
前記第二の勾配中間層に隣接して、前記第四バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有し、前記第三補助電池に対して格子非整合状態の下方の第四太陽補助電池を形成し、
第四太陽補助電池の上部に代りの基板を取り付けて、
前記第一基板を取り除く、
段階からなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
前記下方の第四補助電池は０．６ｅＶから０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第三補助電池は０．９ｅＶから１．１ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第二補助電池は１．３５ｅＶから１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、前記第一補助電池は１．８ｅＶから２．１ｅＶのバンドギャップを有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第一基板は、ヒ化ガリウム又はゲルマニウムで構成され、前記代りの基板は、サファイア、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第一の勾配中間層は、１つの側において前記第二補助電池と、もう一方の側において前記第三補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされ、前記第二の勾配中間層は、１つの側において前記第三補助電池と、もう一方の側において前記底部の第四補助電池と、格子整合するように組成的に勾配付けされることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第二補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記第三補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第二補助電池及び前記第三補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第一の勾配中間層は、前記平面内格子パラメータが、前記第三補助電池のそれより大きいか又はこれと等しく、前記底部の第四補助電池のそれより小さいか又はこれと等しいという制約、及び、バンドギャップエネルギーが前記第三補助電池及び前記第四補助電池のそれよりも大きいという制約のもとで、Ａｓ、Ｐ、Ｎ、ＳｂベースのIII−Ｖ族化合物半導体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第一及び第二の勾配中間層は、（ＩｎxＧａ1-x）yＡｌ1-yＡｓで構成され、ここで、ｘ及びｙは各々の中間層の前記バンドギャップが、その厚さ全体で一定となるように選択されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．５ｅＶの一定値に維持され、前記第二の勾配中間層の前記バンドギャップは、１．１ｅＶの一定値に維持されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一太陽電池はＩｎＧａＰエミッター層及びＩｎＧａＰベース層で構成され、前記第二補助電池はＩｎＧａＰエミッター層とＧａＡｓベース層で構成され、前記第三補助電池はＩｎＧａＰエミッター層とＩｎＧａＡｓベース層で構成され、更に前記底部の第四補助電池はＩｎＧａＡｓベース層と前記ベースと格子整合するＩｎＧａＡｓエミッター層で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
第一基板を準備し、
第一の順序の半導体物質層を第一基板上に堆積して第一及び第二太陽電池を形成し、
第一の勾配中間層を前記第一及び第二太陽電池上に堆積し、
第二の勾配中間層と第三及び第四太陽電池を含む第二の順序の半導体物質層を前記第一の勾配中間層に堆積し、
重ねられた前記層の上部に、代りの基板を取り付けて接着し、
前記第一基板を取り除く、
段階からなることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１０−１１８６６７（Ｐ２０１０−１１８６６７Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−２７６９５５（Ｐ２００９−２７６９５５）
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【出願人】（５０９０１０７５７）エムコア ソーラー パワー インコーポレイテッド (8)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６９５５（Ｐ２００９−２７６９５５）
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【出願人】（５０９０１０７５７）エムコア ソーラー パワー インコーポレイテッド (8)
【Ｆターム（参考）】
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