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特許6040189ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金を有する反転多接合太陽電池
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6040189
(24)【登録日】2016年11月11日
(45)【発行日】2016年12月7日
(54)【発明の名称】ＩＶ／ＩＩＩ−Ｖ族ハイブリッド合金を有する反転多接合太陽電池
(51)【国際特許分類】
H01L 31/0735 20120101AFI20161128BHJP
H01L 31/0725 20120101ALI20161128BHJP
【ＦＩ】
H01L31/06 430
H01L31/06 410
【請求項の数】20
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2014-42487(P2014-42487)
(22)【出願日】2014年3月5日
(62)【分割の表示】特願2010-105305(P2010-105305)の分割
【原出願日】2010年4月30日
(65)【公開番号】特開2014-99665(P2014-99665A)
(43)【公開日】2014年5月29日
【審査請求日】2014年3月5日
(31)【優先権主張番号】12/463,205
(32)【優先日】2009年5月8日
(33)【優先権主張国】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】515014484
【氏名又は名称】ソレアロ テクノロジーズ コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100088694
【弁理士】
【氏名又は名称】弟子丸 健
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(72)【発明者】
【氏名】ポール シャープス
(72)【発明者】
【氏名】フレッド ニューマン
【審査官】
井上 徹
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０６３４０７８８（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特開２００９−０７６９２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００６／０１６３６１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
中国特許第１０１８８２６４５（ＣＮ，Ｂ）
【文献】
特開平３−２３５３７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−１５１４０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
Molecular-Based Synthetic Approach to New Group IV Materials for High-Efficiency, Low-Cost Solar Cells and Si-Based Optoelectronics，J. Am. Chem. Soc.，２００８年，Vol.130 ，P.16095-16102
【文献】
Kouvetakis, J. et al.，Nanosynthesis of Si-Ge-Sn semiconductors and devices via purpose-built hydride compounds，ECS Transactions，２００８年，Vol.16,No.10，P.807-821
【文献】
Richard Soref et al.，Advances in SiGeSn Technology，Journal of Materials Research，２００７年，vol.22，pp.3281-3291
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８、３１／１８−３１／２０、
５１／４２−５１／４８
Ｈ０２Ｓ １０／００−５０／１５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体成長用基板を準備し、
太陽電池を形成するための半導体物質層を、順に重ねられる状態で前記半導体成長基板上に堆積し、
前記半導体成長用基板を取り除く、
段階からなる太陽電池の製造方法であって、
III−Ｖ族合金から形成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を堆積し、
IV族合金から構成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を、III−Ｖ族合金から形成される前記半導体物質層の上に堆積する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
太陽電池を形成するための半導体物質層を、順に重ねられる状態で前記半導体成長基板上に堆積し、
前記半導体成長用基板を取り除く、
段階からなる太陽電池の製造方法であって、
III−Ｖ族合金から形成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を堆積し、
IV族合金から構成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を、III−Ｖ族合金から形成される前記半導体物質層の上に堆積する
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項2】
前記IV族合金は、ＧｅＳｉＳｎであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ＧｅＳｉＳｎにより形成される補助電池は、０．７３ｅＶから１．２ｅＶ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２に記載の方法。
有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記太陽電池はハイブリッド太陽電池であり、前記ＧｅＳｉＳｎにより形成される前記補助電池上に堆積されたゲルマニウムから構成される補助電池を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項5】
IV族合金から形成される前記層は、０．９１ｅＶから０．９５ｅＶの範囲のバンドギャップを有する第一ＧｅＳｉＳｎ補助電池と、１．１３ｅＶから１．２４ｅＶの範囲のバンドギャップを有する第二ＧｅＳｉＳｎ補助電池とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項6】
III−Ｖ族合金から形成される前記半導体物質の層を堆積する前記段階は、第一バンドギャップを有する前記基板上に第一補助太陽電池を形成する段階と、前記第一補助太陽電池上に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補助太陽電池を形成する段階とを含み、IV族合金から構成される前記半導体物質の層を形成する前記段階は、前記第二補助太陽電池上に前記第二バンドギャップより小さい第三バンドギャップを有する第三補助太陽電池を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項7】
IV族合金から構成される前記半導体物質の層を形成する前記段階は、前記第三バンドギャップより小さい第四バンドギャップを有し、前記第三補助太陽電池と格子整合状態の第四補助太陽電池を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項8】
IV族合金から構成される前記半導体物質の層を形成する前記段階は、前記第四補助太陽電池上に、前記第四バンドギャップより小さい第五バンドギャップを有する第五補助太陽電池を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項9】
IV族合金から構成される前記半導体物質の層を形成する前記段階は、前記第五補助太陽電池上に、前記第五バンドギャップより小さい第六バンドギャップを有する第六補助太陽電池を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項10】
IV族合金から構成される前記半導体物質の層を形成する前記段階は、前記第六補助太陽電池上に、前記第六バンドギャップより小さい第七バンドギャップを有する第七補助太陽電池を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項11】
順に重ねられた前記半導体物質の層上に接着層を付与し、前記接着層に代替基板を取り付けることを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記半導体成長用基板は、前記代替基板が取り付けられた後、研磨、エッチング、又はエピタキシャル除去により取り除かれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記半導体成長用基板は、ＧａＡｓ及びＧｅから成るグループ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14】
前記太陽電池はハイブリッド太陽電池であり、前記第一補助太陽電池は、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐエミッター領域とＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐベース領域により構成され、前記第二補助太陽電池は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＰにより構成され、前記第三補助太陽電池は、ＧｅＳｉＳｎ、ＩｎＧａＰ、又はＧａＡｓにより構成されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項15】
前記第四補助太陽電池は、Ｇｅ、ＧｅＳｉＳｎ、又はＧａＡｓにより構成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項16】
前記第五補助太陽電池は、Ｇｅ又はＧｅＳｉＳｎにより構成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項17】
前記IV族合金層内にＡｓ及びＰの少なくとも一つを拡散することにより、前記IV族合金内に接合を形成して、光起電性の補助電池を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項18】
前記IV族合金により構成される前記補助電池に隣接して、IV族合金により構成されるウインドウ層及びＢＳＦ層を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項19】
半導体成長基板を準備し、
順に重ねられた半導体物質層を前記半導体成長基板上に堆積して、太陽電池を形成し、
前記順に重ねられた層上に金属接触層を付与し、
前記金属接触層上に、直接支持部材を付与する、
段階からなるハイブリッド太陽電池の製造方法であって、
III−Ｖ族合金から形成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を堆積し、
前記III−Ｖ族合金から形成される半導体物質層上に、エミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための、ＧｅＳｉＳｎにより構成される半導体層を少なくとも１つ堆積し、
該ＧｅＳｉＳｎ層上に、エミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための、Ｇｅにより構成される半導体層を少なくとも１つ堆積することを特徴とするハイブリッド太陽電池の製造方法。
順に重ねられた半導体物質層を前記半導体成長基板上に堆積して、太陽電池を形成し、
前記順に重ねられた層上に金属接触層を付与し、
前記金属接触層上に、直接支持部材を付与する、
段階からなるハイブリッド太陽電池の製造方法であって、
III−Ｖ族合金から形成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を堆積し、
前記III−Ｖ族合金から形成される半導体物質層上に、エミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための、ＧｅＳｉＳｎにより構成される半導体層を少なくとも１つ堆積し、
該ＧｅＳｉＳｎ層上に、エミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための、Ｇｅにより構成される半導体層を少なくとも１つ堆積することを特徴とするハイブリッド太陽電池の製造方法。
【請求項20】
ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｌＰにより構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池と、
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＰにより構成され、前記第一補助太陽電池上に堆積され、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し、前記第一補助太陽電池と格子整合状態である第二補助太陽電池と、
ＧｅＳｉＳｎにより構成されたエミッタ層及びベース層の少なくとも一つを有し、前記第二補助太陽電池上に堆積され、前記第二バンドギャップより小さい第三バンドギャップを有し、前記第二補助太陽電池に対して格子整合状態である第三補助太陽電池と、
を含むことを特徴とするハイブリッド多接合太陽電池。
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、又はＩｎＧａＰにより構成され、前記第一補助太陽電池上に堆積され、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し、前記第一補助太陽電池と格子整合状態である第二補助太陽電池と、
ＧｅＳｉＳｎにより構成されたエミッタ層及びベース層の少なくとも一つを有し、前記第二補助太陽電池上に堆積され、前記第二バンドギャップより小さい第三バンドギャップを有し、前記第二補助太陽電池に対して格子整合状態である第三補助太陽電池と、
を含むことを特徴とするハイブリッド多接合太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
本発明は、半導体装置の分野に関するもので、IV／III−V族ハイブリッド半導体化合物ベースの多接合太陽電池などの製造方法及び装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0002】
【特許文献1】米国特許出願一連番号１２／４０１，１８９
【特許文献2】米国特許出願一連番号１２／０４７，９４４
【特許文献3】米国特許出願一連番号１２／３３７，０１４
【特許文献4】米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２
【特許文献5】米国特許出願一連番号１２／３６７，９９１
【特許文献6】米国特許出願一連番号１２／２１８，５８２
【特許文献7】米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９
【特許文献8】米国特許出願一連番号１１／９５６，０６９
【特許文献9】米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１
【非特許文献】
【0003】
【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】
【0004】
［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生産により、宇宙用としての使用だけでなく、地上設置用としての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により高い変換効率が得られる理由の一つは、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を使用することにより、入射放射線のスペクトル分光を行うことができ、各々の領域からの電流を蓄積することができるからである。
【0005】
人工衛星及び他の宇宙関連の用途においては、人工衛星電力システムの大きさ、質量及び費用は、使用される太陽電池の電力及びエネルギー変換効率に依存する。別の言い方をすれば、ペイロードの大きさ及び利用可能な機上サービスは、供給される電力量に比例する。したがって、ペイロードが高性能になるにしたがって、太陽電池の電力対重量比が、一層重要になり、高効率性と低質量の両方を有する軽量の「薄いフィルム」型の太陽電池への関心が増している。
【0006】
典型的なIII−V族化合物半導体太陽電池は、半導体ウエハ上に垂直方向の多接合構造として形成される。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、これ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】
【0007】
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の形成において実施されるような反転成長法は、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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
簡潔にかつ一般的に言うと、本発明は、成長用基板を準備し、IV／III−V族ハイブリッド合金を含む半導体物質の層を順次該成長基板上に堆積して太陽電池を形成し、該半導体基板を取り除くことにより太陽電池を製造する方法を提供する。もっと詳細に述べると、本発明は、半導体成長用基板を準備し、太陽電池を形成するための半導体物質層を、順に重ねられる状態で該半導体成長基板上に堆積し、該半導体成長用基板を取り除く、段階からなる太陽電池の製造方法であって、III−Ｖ族合金から形成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を堆積し、IV族合金から構成されるエミッタ層及びベース層を有する補助電池を形成するための半導体物質層を、III−Ｖ族合金から形成される前記半導体物質層の上に堆積する、ことを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。
【0009】
別の態様においては、本発明は、半導体成長用基板を準備し、少なくとも１つの層がＧｅＳｉＳｎにより構成され、Ｇｅにより構成される層がＧｅＳｉＳｎ層の上に成長させられるような形態で、太陽電池を形成する半導体物質の層を順次該半導体成長基板上に堆積し、順次形成される該層の上に金属接触層を付与し、該金属層の上に直接支持部材を取り付けることにより太陽電池を製造する方法を提供する。
【0010】
別の態様においては、本発明は、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡ１Ｐにより構成され、第一バンドギャップを有する第一補助太陽電池と、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＰにより構成され、該第一補助太陽電池上に堆積されて、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し、該第一補助太陽電池と格子整合状態である第二補助太陽電池と、ＧｅＳｉＳｎにより構成され、該第二補助太陽電池上に堆積されて、該第二バンドギャップより小さい第三バンドギャップを有し、該第二補助電池に対して格子整合状態である第三補助太陽電池と、を含む多接合太陽電池を提供する。
【0011】
本発明を実行する場合の幾つかは、前述の要約に示した態様及び特性よりも少ない態様及び特性を組み込むか又は実行するものである。
【0012】
本発明の追加の態様、利点及び新しい特性は、以下に述べられる詳細な説明を含む本明細書の記載、並びに本発明の実施から、当業者に明らかになるであろう。本発明は、好ましい実施形態を参照して以下に説明されているが、これらに限定されるものではないことを理解するべきである。この教示に接した当業者は、ここに開示され、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内にあり、本発明が有効利用されるような、他の分野における追加の用途、修正及び実施形態を認識することができる。
【0013】
本発明は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と併せて考えることにより、一層十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【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2A】本発明の第一の実施形態により、成長基板上に半導体層を堆積した後の本発明の太陽電池の断面図である。
【図2B】本発明の第二の実施形態により、成長基板上に半導体層を堆積した後の本発明の太陽電池の断面図である。
【図2C】本発明の第三の実施形態により、成長基板上に半導体層を堆積した後の本発明の太陽電池の断面図である。
【図2D】本発明の第四の実施形態により、成長基板上に半導体層を堆積した後の本発明の太陽電池の断面図である。
【図2E】本発明の第五の実施形態により、成長基板上に半導体層を堆積した後の本発明の太陽電池の断面図である。
【図10A】４つの太陽電池が製造されたウエハの平面図である。
【図10C】２つの太陽電池が製造されたウエハの平面図である。
【図16】本発明による太陽電池の補助電池のベース層及びエミッター層のドーピング形状のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の詳細が、例示的な側面及びその実施形態を含むものとして以下に説明される。図面及び以下の説明においては、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。
【0016】
反転多接合太陽電池を製造する基本概念は、基板上で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用基板上に直接的に、該基板と格子整合した状態となるようにエピタキシャル状に最初に成長させられる。次いで、１又はそれ以上の、低いバンドギャップを有する中間太陽電池（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。
【0017】
少なくとも１つの、低位の補助電池が、成長基板に対して実質的に格子整合状態となるように、かつ、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。次いで、代替基板すなわち支持構造が、「底部」又は低位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が、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。）
【0018】
反転変性多接合太陽電池として知られている反転多接合太陽電池形式の種々異なる特徴及び態様は、米国特許出願一連番号１２／４０１，１８９及びその出願に述べられている関連する出願に開示されている。これらの特徴の幾つか又はすべてを、本発明の太陽電池に関連する構造及び製造に含ませることができる。
【0019】
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）、分子ビームエピタクシー（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。
【0020】
図２Ａは、本発明の第一の実施形態により、ＧａＡｓの成長用基板上に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。具体的に述べると、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の場合には、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。２００８年１２月１７日付けの米国特許出願一連番号１２／３３７，０１４に述べられているような他の代替的成長基板も、同様に使用することができる。
【0021】
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。基板上に、又は（ゲルマニウム基板の場合）核形成層の上に、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。
【0022】
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事項を条件に、周期表に挙げられたIII族からV族までの元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。
【0023】
１つの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、本発明の様々な実施形態においては、０％から３０％の範囲の量で使用することができる。本発明の一実施形態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１６と関連して述べる。
【0024】
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、反転多接合構造の「上部」補助電池となる。
【0025】
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、再結合損失を減少するために使用される。
【0026】
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、補助太陽電池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。
【0027】
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。
【0028】
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が堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、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、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0029】
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、他の実施形態においては、該補助電池Ｂは、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、又はＧａＩｎＡｓＮエミッター領域及びＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓＮベース領域からそれぞれ構成することができる。本発明による様々な実施形態における層１１１及び１１２のドーピング形状は、図１６との関連で述べる。
【0030】
本発明の幾つかの実施形態においては、米国特許出願一連番号１２／０２３，７７２に開示された構造に類似した、中間補助電池はＩｎＧａＰを有するヘテロ構造とすることができ、そのウインドウはＩｎＡｌＰからＩｎＧａＰに変えられる。この変更は、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することができる。更に、幾つかの実施形態においては、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より多くドーピングされるようにすることが好ましく、これによりウインドウ／エミッター間インターフェースにおいて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。
【0031】
本発明の好ましい実施形態の１つにおいては、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、太陽電池が製造され、実装されて作動させられた後において、中間補助電池Ｂのエミッター及び第三補助電池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。
【0032】
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のベースにおいて吸収される。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、短絡電流ＪSCを増加させることである。
【0033】
ベース層１１２ａの上に、ＢＳＦ層１１３、好ましくはｐ＋型ＡｌＧａＡｓが堆積される。ＢＳＦ層１１３は、ＢＳＦ層１０８と同じ機能を行う。
【0034】
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と同様に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＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１１４ｂは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0035】
好ましくはｎ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されるウインドウ層１１５が、トンネルダイオード層１１４ｂ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。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付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0036】
ウインドウ層１１５の上部に、電池Ｃの層、すなわちｎ＋エミッター層１１６及びｐ型ベース層１１７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ＧｅＳｉＳｎとｐ型ＧｅＳｉＳｎか、又はｎ＋型とｐ型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他の適当な物質も、同様に使用することができる。補助電池Ｃの接合部の形成は、Ａｓ及びＰをＧｅＳｉＳｎ層に拡散することにより実行することができる。層１１６及び１１７のドーピング形状は図１６と関連して述べる。
【0037】
第一の実施形態において順に形成される補助太陽電池のバンドギャップの凡その値は、上部補助電池Ａが１．８５ｅＶ、補助電池Ｂが１．４２ｅＶ、補助電池Ｃが１．０３ｅＶであることが好ましい。
【0038】
図３に関連して述べられているように、ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましいＢＳＦ層は、補助電池Ｃのベース層１１７の上部に堆積することができ、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８及び１１３と同じ機能を達成する。
【0040】
図２Ｂは、本発明の第二の実施形態により、ＧａＡｓの成長用基板上に４つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。具体的に述べると、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。２００８年１２月１７日付けの米国特許出願一連番号１２／３３７，０１４に述べられているような他の代替的成長用基板も、同様に使用することができる。
【0041】
図２Ｂの実施形態における層１０１から層１１７の成分は、図２Ａの実施形態で示されたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度を有するものとすることができ、これはここに繰り返して述べられない。
【0042】
図２Ｂの実施形態においては、ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましいＢＳＦ層１１８が、補助電池Ｃのベース層１１７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。
【0043】
ｐ＋＋／ｎ＋＋トンネルダイオード層１１９ａ及び１１９ｂのそれぞれは、層１０９ａ及び１０９ｂ及び１１４ａ／１１４ｂと同様にＢＳＦ層１１８上に堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄに接続するオーム回路要素を形成する。１１９ａ層は、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１１９ｂは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0044】
好ましくはｎ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されるウインドウ層１２０が、トンネルダイオード層１１９ｂ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。本発明の範囲から外れることなく、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0045】
ウインドウ層１２０の上部に、補助電池Ｄの層、すなわちｎ＋エミッター層１２１及びｐ型ベース層１２２が堆積される。これらの層は、それぞれがｎ＋型Ｇｅとｐ＋型Ｇｅ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他の適当な物質も、同様に使用することができる。補助電池Ｃの接合部の形成は、Ａｓ及びＰをＧｅＳｉＳｎ層に拡散することにより実行することができる。一実施形態における層１２１及び１２２のドーピング形状は図１６と関連して述べる。
【0046】
図３に関連して述べられているように、ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましいＢＳＦ層１２３が、補助電池Ｄの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８、１１３及び１１８と同じ機能を達成する。
【0047】
第二の実施形態における補助太陽電池の順序のバンドギャップの凡その値は、上部補助電池Ａが１．８５ｅＶ、補助電池Ｂが１．４２ｅＶ、補助電池Ｃが１．０３ｅＶ、上部補助電池Ｄが０．７３ｅＶであることが好ましい。
【0049】
図２Ｃは、本発明の別の実施形態において、ＧａＡｓ成長基板上に５つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥ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。
【0050】
基板１０１から層１０５まで、及び層１１４ａから層１２３までの成分及び説明は、実質的には、図２Ｂの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成するが、ここでは繰り返す必要はない。特に、図２Ｃの実施形態においては、補助電池Ａのバンドギャップは、およそ２．０５ｅＶとすることができ、補助電池Ｂのバンドギャップは、およそ１．６ｅＶとすることができる。
【0051】
図２Ｃで述べられた実施形態を見ると、ウインドウ層１０５の上に、補助電池Ａの層、すなわちｎ＋エミッター層１０６ａ及びｐ型ベース層１０７ａが堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれｎ＋型ＩｎＧａＡｌＰ及びｐ型ＩｎＧａＡｌＰ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他の適当な物質成分も同様に使用することができる。補助電池Ａは、およそ２．０５ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0052】
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、再結合損失を減少するために使用される。
【0053】
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、補助太陽電池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。
【0054】
ＢＳＦ層１０８の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１０９ｃ及びｎ型層１０９ｄ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１０９ｃは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１０９ｄは、ｎ＋＋（Ａｌ）ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【0055】
トンネルダイオード層１０９ｃ／１０９ｄの上部に、ウインドウ層１１０、好ましくはｎ＋ＩｎＧａＰが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、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、付加層を電池構造に付加し又は除去できることが、当業者には明らかである。
【0056】
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１１１ａ及びｐ型ベース層１１２ａが堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれＩｎＧａＡｓＰ及びＩｎＧａＡｓＰ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。補助電池Ｂは、およそ１．６ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。一実施形態におけるエミッター層及びベース層のドーピング形状は、図１６との関連で述べる。
【0057】
ベース層１１２ａの上部に、好ましくはｐ＋ＩｎＧａＡｓである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）１１３ａが堆積され、再結合損失を減少するために使用される。
【0058】
ＢＳＦ層１１３の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１１４ａ及びｎ型層１１４ｂがこの順で堆積され、トンネルダイオードを形成する。層１１４ａから層１２３は、実質的には、図２Ｂの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成する。この実施形態における、補助太陽電池Ｃ及びＤの順序のバンドギャップは、補助電池Ｃがおよそ１．２４ｅＶ、補助電池Ｄがおよそ０．９５ｅＶである。
【0059】
補助電池Ｄのベース層１２２の上部に、好ましくはｐ＋ＧｅＳｉＳｎである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）１２３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。
【0060】
ＢＳＦ層１２３の上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１２４ａ及びｎ型層１２４ｂがこの順で堆積され、補助電池Ｄを補助電池Ｅ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１２４ａは、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１２４ｂは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0061】
トンネルダイオード層１２４ａ／１２４ｂの上部に、ウインドウ層１２５、好ましくはｎ＋ＧｅＳｉＳｎが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｅで使用されるウインドウ層１２５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、付加層を電池構造に付加又は除去できることが、当業者には明らかである。
【0062】
ウインドウ層１２５の上部に、補助電池Ｅの層、すなわちｎ＋型エミッター層１２６及びｐ型ベース層１２７が堆積される。これらの層は、好ましくはＧｅ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。補助電池Ｅの接合部の形成は、Ａｓ及びＰをＧｅ層に拡散することにより実行することができる。一実施形態における層１２６及び１２７のドーピング形状は、図１６との関連で述べる。補助電池Ｅは、およそ０．７３ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0063】
図３に関連して述べられているように、ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましいＢＳＦ層１２８が、補助電池Ｅの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８、１１３ａ、１１８及び１２３と同じ機能を達成する。
【0064】
この実施形態において順に形成される補助太陽電池のバンドギャップの凡その値は、上部補助電池Ａが２．０５ｅＶ、補助電池Ｂが１．６ｅＶ、補助電池Ｃが１．２４ｅＶ、上部補助電池Ｄが０．９５ｅＶ、補助電池Ｅが０．７３ｅＶであることが好ましい。
【0066】
図２Ｄは、本発明の別の実施形態により、ＧａＡｓ成長基板上に６つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及びＦを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。具体的に述べると、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。
【0067】
基板１０１及び層１０２から１１０、及び層１２０から１２８までの成分及び説明は、実質的には、図２Ｃの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成するが、ここでは繰り返す必要はない。
【0068】
図２Ｄで述べられた実施形態を見ると、ウインドウ層１１０の上に、補助電池Ｂの層、すなわちｎ＋型エミッター層１１１ｂ及びｐ型ベース層１１２ｂが堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれｎ＋型ＩｎＧａＰ及びｐ型ＩｎＧａＰ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他の適当な物質成分も同様に使用することができる。補助電池Ｂは、ほぼ１．７４ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0069】
ベース層１１２ｂの上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＡｓである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）１１３ｂ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。
【0070】
ＢＳＦ層１１３ｂの上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１１４ｃ及びｎ型層１１４ｄがこの順で堆積され、補助電池Ｂを補助電池Ｃ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１１４ｃは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１１４ｄは、ｎ＋＋ＡｌＧａＩｎＰから構成されることが好ましい。
【0071】
トンネルダイオード層１１４ｃ／１１４ｄの上部に、ウインドウ層１１５ａ、好ましくはｎ＋ＩｎＡｌＰが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｃで使用されるウインドウ層１１５ａ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、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0072】
ウインドウ層１１５ａの上に、補助電池Ｃの層、すなわちｎ＋型エミッター層１１６ａ及びｐ型ベース層１１７ａが堆積される。これらの層は、好ましくは、それぞれｎ＋型ＩｎＧａＡｓＰ及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ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他の適当な物質成分も同様に使用することができる。補助電池Ｃは、およそ１．４２ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0073】
ベース層１１７ａの上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＡｓである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）１１８ａ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。
【0074】
ＢＳＦ層１１８ａの上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１１９ｃ及びｎ型層１１９ｄがこの順で堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄ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１１９ｃは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓ又はＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１１９ｄは、ｎ＋＋ＧａＡｓ又はＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0075】
トンネルダイオード層１１９ｃ／１１９ｄの上部に、ウインドウ層１２０、好ましくはｎ＋ＧｅＳｉＳｎが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｄで使用されるウインドウ層１２０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、付加層を電池構造に付加又は除去できることが、当業者には明らかである。上記したように、層１２０から層１２８は、実質的には、図２Ｃの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成するが、ここでは繰り返す必要はない。したがって、この実施形態においては、補助電池Ｄは、およそ１．１３ｅＶのバンドギャップを有することが好ましく、補助電池Ｅは、およそ０．９１ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0076】
ｐ型ＧｅＳｉＳｎから構成されるＢＳＦ層１２８の上に、高いドーピング濃度のｐ型層１２９ａ及びｎ型層１２９ｂがこの順で堆積され、補助電池Ｅを補助電池Ｆ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１２９ａは、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１２９ｂは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0077】
トンネルダイオード層１２９ａ／１２９ｂの上部に、ウインドウ層１３０、好ましくはｎ＋ＧｅＳｉＳｎが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｆで使用されるウインドウ層１３０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、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0078】
ウインドウ層１３０の上部に、補助電池Ｆの層、すなわちｎ＋型エミッター層１３１及びｐ型ベース層１３２が堆積される。これらの層は、好ましくはそれぞれｎ＋型Ｇｅ及びｐ型Ｇｅ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。補助電池Ｆは、およそ０．７ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。一実施形態におけるエミッター層及びベース層のドーピング形状は、図１６との関連で述べる。
【0079】
図３に関連して述べられているように、ｐ＋型ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましいＢＳＦ層１３３が、補助電池Ｆの上部に堆積され、該ＢＳＦ層は、ＢＳＦ層１０８、１１３ａ、１１８、１２３及び１２８と同じ機能を達成する。
【0080】
この実施形態において順に形成される補助太陽電池のバンドギャップの凡その値は、上部補助電池Ａが２．１５ｅＶ、補助電池Ｂが１．７４ｅＶ、補助電池Ｃが１．４２ｅＶ、補助電池Ｄが１．１３ｅＶ、補助電池Ｅが０．９１ｅＶ、補助電池Ｆが０．７であることが好ましい。
【0081】
図２Ｄの実施形態における太陽電池の製造の順次の製造段階の説明が、図３から始まって、それ以降の図面の説明により示される。一方で、多接合太陽電池半導体構造の他の実施形態を示す。図２Ｅは、本発明の別の実施形態により、ＧａＡｓ成長基板上に７つの補助電池Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ及びＧを順次形成した後の多接合太陽電池を示している。具体的に述べると、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。
【0082】
基板１０１及び層１０２から層１１８ａまで、及び層１２５から層１３３までの成分及び説明は、実質的には、図２Ｄの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成するが、ここでは繰り返す必要はない。特に、図２Ｅの実施形態においては、補助電池Ｃのバンドギャップは、およそ１．６ｅＶとすることができ、層１２５から１３３の順序では、補助電池Ｅのバンドギャップは、およそ１．１３ｅＶ、補助電池Ｆのバンドギャップは、およそ０．９１ｅＶとすることができる。
【0083】
図２Ｅに示された実施形態を見ると、ＡｌＧａＡｓから構成されるＢＳＦ層１１８ａの上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１１９ｅ及びｎ型層１１９ｆがこの順で堆積され、補助電池Ｃを補助電池Ｄ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１１９ｅは、ｐ＋＋ＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１１９ｆは、ｎ＋＋ＩｎＧａＰから構成されることが好ましい。
【0084】
トンネルダイオード層１１９ｅ／１１９ｆの上部に、ウインドウ層１２０ａ、好ましくはｎ＋ＩｎＡｌＰが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｄで使用されるウインドウ層１２０ａ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、付加層を電池構造に付加するか又は除去できることが、当業者には明らかである。
【0085】
ウインドウ層１２０ａの上部に、補助電池Ｄの層、すなわちｎ＋型エミッター層１２１ａ及びｐ型ベース層１２２ａが堆積される。これらの層は、好ましくはそれぞれｎ＋型ＧａＡｓ及びｐ型ＧａＡｓ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。補助電池Ｄは、およそ１．４２ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0086】
ベース層１２２ａの上部に、好ましくはｐ＋ＡｌＧａＡｓである後部表面フィールド層（「ＢＳＦ」）１２３ａ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。
【0087】
ＢＳＦ層１２３ａの上部に、高いドーピング濃度のｐ型層１２４ｃ及びｎ型層１２４ｄがこの順で堆積され、補助電池Ｄを補助電池Ｅ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１２４ｃは、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎ又はＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましく、層１２４ｄは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎ又はＧａＡｓから構成されることが好ましい。
【0088】
トンネルダイオード層１２９ｄ／１２９ｅの上部に、ｎ＋型ＧｅＳｉＳｎで構成されるウインドウ層１３０が堆積される。上記したように、層１２５から層１３３は、実質的には、図２Ｄの実施形態と関連して述べられたものと類似しているが、異なる要素成分又はドーピング濃度によって、異なるバンドギャップを形成するが、ここでは繰り返す必要はない。このように、この実施形態においては、補助電池Ｅは、およそ１．１３ｅＶのバンドギャップを有し、補助電池Ｆは、およそ０．９１ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。
【0089】
図２Ｅに示された実施形態を再び見ると、ＧｅＳｉＳｎから構成されるＢＳＦ層１３３の上に、高いドーピング濃度のｐ型層１３４ａ及びｎ型層１３４ｂがこの順で堆積され、補助電池Ｆを補助電池Ｇ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１３４ａは、ｐ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましく、層１３４ｂは、ｎ＋＋ＧｅＳｉＳｎから構成されることが好ましい。
【0090】
トンネルダイオード層１３４ａ／１３４ｂの上部に、ウインドウ層１３５、好ましくはｎ＋ＧｅＳｉＳｎが堆積されるが、他の物質も同様に使用することができる。より一般的には、補助電池Ｇで使用されるウインドウ層１３５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、付加層を電池構造に付加するか又は除去することができることが、当業者には明らかである。
【0091】
ウインドウ層１３５の上部に、補助電池Ｇの層、すなわちｎ＋型エミッター層１３６及びｐ型ベース層１３７が堆積される。これらの層は、好ましくはそれぞれｎ＋型ＧｅＳｉＳｎ及びｐ型ＧｅＳｉＳｎ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。補助電池Ｇは、およそ０．７３ｅＶのバンドギャップを有することが好ましい。一実施形態におけるエミッター層及びベース層のドーピング形状は、図１６と関連して述べられるであろう。
【0092】
図３は、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ又は２Ｅの実施形態のいずれかの太陽電池構造を大幅に簡略化した断面図であり、図３及びその後の図面でＢＳＦ層１４６と再び標識を付されている太陽電池構造の上部ＢＳＦ層は、最後に堆積した補助電池のベース層上に堆積されたものを示している。したがって、ＢＳＦ層１４６は、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、又は２Ｅと関連して示されているＢＳＦ層１１８、１２３、１２８、１３３、又は１３８をそれぞれ表す。
【0093】
図４は、図３の太陽電池に、次の製造段階、好ましくは適当なｐ＋＋型物質から構成される高バンドギャップ接触層１４７がＢＳＦ層１４６上に堆積される製造段階を行った後の太陽電池の断面図である。多接合光電池における最低バンドギャップ光電池の底部（非照射）側に堆積するこの接触層１２７は、電池を通って通過する光の吸収を減少する適当な組成とすることができ、その結果、（i）次に堆積された接触層の下のオーム金属接触層（すなわち、非照射側に向かって）がミラー層として機能し、（ii）接触層は、層での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。
【0094】
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、又は除去できることは、当業者にとって明らかである。
【0095】
図４は、金属接触層１４８がｐ＋＋半導体接触層１４７上に堆積される次の製造段階を示している。金属は、金属層Ｔｉ／Ａｕ／Ａｇ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｄ／Ａｇの順であることが好ましいが、他の適当な順序及び物質も、同様に使用することができる。
【0096】
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、半導体に対して平らなインターフェースを有するものである。これは、（１）金属を半導体とは別の誘電層を堆積する必要がなく、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。
【0097】
図５は、次の製造段階である、接着層１４９が金属接触層１４８の上に堆積された後の図４の太陽電池の断面図である。本発明の一実施形態においては、接着層１４９は、接着剤、すなわちＷａｆｅｒ Ｂｏｎｄ（ミズーリー州ローラのＢｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｉｎｃ．で製造されている）が好ましいが、他の適当な接着物質も使用することができる。
【0098】
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替基板１５０が接着層の上に取り付けられる。代替的には、代替基板は、ＧａＡｓ、Ｇｅ又はＳｉ、或いは他の適当な物質とすることができる。代替基板１５０は、好ましくは厚さが約４０ミルで、代替基板が取り除かれる実施形態の場合には、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。
【0099】
図６Ａは、最初の基板が、次の段階、すなわち、ラッピング、研磨及び／又はエッチング段階の順により基板１０１及びバッファー層１０２を取り除く製造段階が行われた後の図５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。幾つかの実施形態においては、基板１０１は、引用によりここに組み入れられる２００９年２月９日付けの米国特許出願一連番号１２／３６７，９９１に述べられているような、エピタキシャル除去方法により取り除くことができる。
【0102】
図８は、次の製造段階である、フォトレジスト層（図示されず）が半導体接触層１０４上に設置される段階を行った後の図７の太陽電池の断面図である。フォトレジスト層は、マスクでリトグラフ法によりパターン化されて、グリッド線５０１の位置を形成し、グリッド線が形成されるフォトレジスト層の部分が取り除かれ、次にフォトレジスト層の上とグリッド線が形成されるフォトレジスト層の開口部の中との両方に、金属接触層が蒸着法又は同様の方法により堆積される。接触層１０４を覆うフォトレジスト層の部分は、図面に示しているように、最終の金属グリッド線５０１を残すために取り除かれる。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の層の順序で構成されることが好ましいが、他の適当な順序及び物質も同様に使用することができる。
【0103】
図９は、次の製造段階として、グリッド線５０１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する段階を行った後の図８の太陽電池の断面図である。
【0104】
図１０Ａは、４つの太陽電池が実装されている１００ｍｍ（又は４インチ）の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特定の数の電池を使用することに限定されるものではない。
【0105】
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、図示した実施形態に限定されるものではない。
【0107】
図１０Ｃは、２つの太陽電池が実装されている１００ｍｍ（又は４インチ）のウエハの平面図である。幾つかの実施形態においては、各々の太陽電池は、およそ２６．３ｃｍ2の面積を有する。
【0109】
図１２Ａは、本発明による次の製造段階である、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１４８をエッチング処理することにより形成される段階を行った後の図１１の太陽電池の断面図である。これらのチャンネルは、２００８年８月１２日付けの米国特許出願一連番号１２／１９０，４４９により具体的に示されているように、ウエハの縁部で、電池、囲みメサ５１６及び周辺メサ５１７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１２Ａに示された断面図は、図１３Ａに示されたＡ−Ａ面から見たものである。
【0110】
図１２Ｂは、次の製造段階である、チャンネル５１１が金属用腐食液に曝されて、チャンネル５１１の層１２３が取り除かれる段階を行った後の図１２Ａの太陽電池の断面図であり、チャンネル５１１の深さは、接着層１４９のほぼ上部表面にまで延びる。
【0113】
図１４Ａは、次の製造段階である、個々の太陽電池（図１３に示す電池１、電池２等）が、チャネル５１１においてウエハから切り出されるか、又は刻み目を入れることにより形成され、垂直縁５１２が代替基板１５０を通って延びるように形成された後における図１２Ｂの太陽電池の断面図である。本発明のこの第一の実施形態においては、代替基板１５０は、本発明の太陽電池の支持材を形成し、カバーガラス（以下に述べられる第三の実施形態で示されているような）は必要ではない。ある実施形態においては、金属接触層１４８への電気接触は、チャネル５１０を通して行うことができる。
【0114】
図１４Ｂは、本発明の第二の実施形態による次の製造段階である、代替基板１５０が、研磨、ラッピング、又はエッチングにより比較的薄い層１５０ａにまで適切に薄肉化された後の図１２Ｂの太陽電池の断面図である。個々の太陽電池（図１３Ａに示す電池１、電池２等）が、チャネル５１１においてウエハから切り出されるか、又は刻み目を入れることにより形成され、垂直縁５１５が代替基板１５０ａを通って延びるように形成されている。この実施形態においては、薄い層１５０ａは、本発明の太陽電池の支持材を形成し、以下に述べられる第三の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。ある実施形態においては、金属接触層１４８への電気接触は、チャネル５１０を通して行うことができる。
【0115】
図１４Ｃは、本発明の第三の実施形態による次の製造段階である、カバーガラス５１４が接着剤５１３を介して電池の上部に取り付けられた後の、図１２Ｂの太陽電池の断面図である。カバーガラス５１４は、典型的には、約４ミルの厚さで、チャンネル５１０全体を覆うことが好ましく、メサ５１６の一部上に延びるが、チャンネル５１１までは延びない。カバーガラスの使用は、多くの周囲環境状態及び用途に対して望ましいものではあるが、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。
【0116】
図１４Ｄは、本発明の幾つかの実施形態における次の製造段階である、接着層、代替基板１５０、及びウエハの周囲部分５１７がすべて取り除かれて、太陽電池には上部のＡＲＣ層１６０（又は他の層或いは構造）及び底部の金属接触層１４８だけが残され、金属接触層１４８が太陽電池の後側の接触部を形成した状態における図１４Ａの太陽電池の断面図である。代替基板は、「Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄ」溶媒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、代替基板は、その表面に孔を含み、該孔を通して溶媒を流れさせて該代替基板１５０を取り除くことを可能にする。取り除いた後、代替基板は、次のウエハ製造作業において再使用することができる。
【0117】
図１５は、本発明の幾つかの実施形態における次の製造段階である、接着層１２４、代替基板１５０、及びウエハの周囲部分５１７が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）及び底部の層だけが残された状態における図１４Ｃの太陽電池の断面図である。代替基板は、「Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄ」溶媒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、代替基板は、その表面に孔を含んでおり、この孔は、該代替基板１５０を通して溶媒を流れさせて該代替基板を取り除くことを可能にする。取り除いた後、代替基板は、次のウエハ製造作業において再使用することができる。
【0118】
図１６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、この特許出願は、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。
【0119】
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。
【0120】
更に、本実施形態は、上部及び底部に電気接触部を有するように形成されているが、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。
【0121】
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、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、ドーピング剤の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ｐ−ｎ接合部が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、ｎ型領域において異なる半導体物質の化学的化合物、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剤の種及び型を利用して、ｐ型半導体とｎ型半導体との間にｐ−ｎ接合部が形成される電池又は補助電池を利用することができる。
【0122】
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。このような形態の幾つかは、係属中の２００８年１０月１６日付けの米国特許出願一連番号１２／２５３，０５１に、より具体的に示されている。
【0123】
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。
【符号の説明】
【0124】
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