特許 6640355 ２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリおよびその製造方法

(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】6640355

(24)【登録日】2020年1月7日

(45)【発行日】2020年2月5日

(54)【発明の名称】２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0725 20120101AFI20200127BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/06 410

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-525555(P2018-525555)

(86)(22)【出願日】2016年11月1日

(65)【公表番号】特表2018-534785(P2018-534785A)

(43)【公表日】2018年11月22日

(86)【国際出願番号】CN2016104203

(87)【国際公開番号】WO2017084491

(87)【国際公開日】20170526

【審査請求日】2018年5月16日

(31)【優先権主張番号】201510809748.0

(32)【優先日】2015年11月20日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】518137368

【氏名又は名称】ベイジン チュアング テクノロジー カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】グ シーハイ

(72)【発明者】

【氏名】チャン チンチャオ

【審査官】 吉岡 一也

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５０１３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０２１８８１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１２−５０３３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００６８２２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１５−５２０５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５０９３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１３５９４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００７９４０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１０−５３３９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０８５７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０６６７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１３９３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８９７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 登録実用新案第３１９３１９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１１／０５５６００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 WOJTCZUK, S.J. et al.，GaAs/Ge tandem-cell space concentrator development，IEEE Transactions on Electron Devices，IEEE，１９９０年 ２月，Volume: 37 , Issue: 2，pp.455-463，DOI: 10.1109/16.46383，ＵＲＬ，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=46383

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のセルユニットを直列に接続してなり、
各セルユニットは、選択成長基板、ボトムセルおよびトップセルを備え、
前記トップセルの上に前面金属電極層が設けられている２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリであって、
前記選択成長基板は、金属ベース、パターニングされた絶縁層およびＮ型微結晶ゲルマニウムシード層を含み、
前記絶縁層は前記金属ベース上に形成され、
前記パターニングされた絶縁層は開口を有し、
前記Ｎ型微結晶ゲルマニウムシード層は、前記絶縁層の開口内にあり、
前記ボトムセルは多結晶ゲルマニウムボトムセル層であり、
前記トップセルはＧａＡｓセルであり、
前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層から前記トップセルまで、Ｎ型の拡散層、Ｎ型のバッファ層、トンネル接合Ｎ型領域およびトンネル接合Ｐ型領域が順に成長され、前記前面金属電極層上に反射防止層が形成されている、ことを特徴とする２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリ。

【請求項2】

前記バッファ層は、Ｎ型のＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓグレーデッドバッファ層であり、インジウムの割合は１％から０％に漸次変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリ。

【請求項3】

前記反射防止層は、ＭｇＦ₂又はＺｎＳ反射防止層である、ことを特徴とする請求項１
に記載の２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリ。

【請求項4】

前記ＧａＡｓセルは、前記トンネル接合Ｐ型領域にＰ型のＡｌＧａＡｓ裏面電界、Ｐ型のＧａＡｓベース領域、Ｎ型のＡｌＧａＡｓエミッタ電極、Ｎ型のＡｌＧａＡｓ窓層およびＮ＋型のＧａＡｓ前面接触層を順にエピタキシャル成長させてなり、前記前面金属電極層が前記前面接触層上にある、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリ。

【請求項5】

前記窓層は、前記前面接触層から露出し、かつその表面にウェット・エッチング処理された粗い構造が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリ。

【請求項6】

２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリの製造方法であって、
金属ベース上に絶縁層を堆積させ、絶縁層をパターニングするステップ１と、
パターニングされた前記絶縁層の表面に微結晶ゲルマニウムシード層を堆積させ、前記絶縁層の表面の余剰な微結晶ゲルマニウム材料を除去して、前記微結晶ゲルマニウムシード層を有する選択成長基板を製造するステップ２と、
前記微結晶ゲルマニウムシード層を有する前記選択成長基板の表面に多結晶ゲルマニウムボトムセル層を堆積させて、多結晶ゲルマニウムボトムセルを製造するステップ３と、
前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面に、エピタキシャル成長により拡散層、バッファ層、トンネル接合およびトップセル構造を順に形成して、２接合セル構造を製造するステップ４と、
前記トップセル構造上に、パターニングされた前面金属電極層を形成するステップ５と、
前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層よりも上方にエピタキシャル成長した前記２接合セル構造を複数の独立したセルユニットに分離するステップ６と、
前記前面金属電極層上に反射防止層を形成し、前記反射防止層、多結晶ゲルマニウムボトムセル層および選択成長基板を順に切断し、各セルユニットを完全に分離するステップ
７と、
前記各セルユニットを直列に接続した後、上下２つのフレキシブル基板の間に置いて封止を行うことで、薄膜セルアセンブリを製造するステップ８と、
を含むことを特徴とする製造方法。

【請求項7】

前記ステップ１では、前記金属ベース上に前記絶縁層を堆積させ、前記絶縁層をパターニングする具体的な方法は、前記金属ベースの表面に厚さ１〜５μｍの前記絶縁層を堆積させ、塗布、現像および露光方法により前記絶縁層の表面にパターンを形成し、そして、ウェット・エッチングプロセスにより前記絶縁層の余剰材料を除去して前記絶縁層のパターニングを実現することである、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。

【請求項8】

前記ステップ２では、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、パターニングされた前記絶縁層の表面に高濃度ドープＰ型微結晶ゲルマニウムシード層を堆積させ、純ゲルマンおよびジボランを導入し、４００〜７００℃まで加熱し、反応圧力１０^-2〜１０Ｐａ、ドーピング濃度１×１０¹⁹〜３×１０¹⁹ｃｍ^-3にて前記Ｐ型微結晶ゲルマニウムシード層を成長形成し、化学エッチング研磨プロセスにより、前記絶縁層の表面における余剰な前記Ｐ型微結晶ゲルマニウムシード層を除去して、前記Ｐ型微結晶ゲルマニウムシード層を有する前記選択成長基板を製造する、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。

【請求項9】

前記ステップ４では、前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面に、エピタキシャル成長により前記拡散層、バッファ層、トンネル接合およびトップセル構造を順に形成する具体的な方法は、前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面にＮ型のＩｎＧａＰ拡散層を成長させ、Ｐ元素を高温で前記多結晶ゲルマニウムボトムセル層の内部へ拡散させることで、浅い拡散ＰＮ接合を形成し、ＰＨ₃の雰囲気で前記ＩｎＧａＰ拡散層に対してアニ
ール処理を行い、一定温度条件下で前記バッファ層、トンネル接合、トップセル構造の裏面電界、ベース領域、エミッタ電極、窓層および前面接触層を順に成長させることである、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。

【請求項10】

前記ステップ５では、前記２接合セル構造の前記前面接触層上に、電気めっきおよびウェット・エッチング方法により、パターニングされた前記前面金属電極層を形成し、そして、ウェット・エッチング方法により前記前面金属電極層で覆われていない前記前面接触層を除去し、前記窓層を露出させるとともに、前記窓層の表面に粗い構造を形成する、ことを特徴とする請求項９に記載の製造方法。

【請求項11】

前記ステップ８では、分離した前記各セルユニットを銅箔で直列に接続した後、上下２層のＰＥＴ薄膜の間に置いて、ラミネータにより封止を行って薄膜フレキシブルセルアセンブリを形成する、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、III−Ｖ族２接合型薄膜セルアセンブリの製造方法に関し、より具体的には、選択成長基板を有する２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

関連出願
本発明出願は、２０１５年１１月２０日にて出願した、出願番号が２０１５１０８０９７４８．０で、発明の名称が「２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリおよびその製造方法」である中国特許出願の優先権を主張し、その内容を全て参照により本願に組み込むものとする。

【0003】

１９５４年、ＧａＡｓ材料が光起電力効果をもつことを世界で始めて発見し、２０世紀６０年代、Gobatらが最初の亜鉛ドープＧａＡｓソーラーセルを開発し、変換率はわずか９％〜１０％であり、２７％の理論値より遥かに低い。最も初期の単結晶ＧａＡｓセルの製造方法は、現在の単結晶シリコンの製造方法とほぼ同じであるが、しかし、直接遷移型半導体として、吸收層の厚さが数ミクロンであれば十分であり、結晶ＧａＡｓは間違いなく大きな浪費である。

【0004】

２０世紀７０年代、ＩＢＭ社および旧ソ連のIoffe技術物理所などを代表とした研究機構は、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）技術を用いてＧａＡｌＡｓヘテロ窓層を導入することで、ＧａＡｓ表面の再結合率を低減し、ＧａＡｓソーラーセルの効率を１６％にする。その後すぐに、アメリカのＨＲＬ(Hughes Research Lab)およびSpectrolabは、ＬＰＥ技術を改良することでセルの平均効率を１８％にするとともに、大量生産を実現し、高効率ガリウムヒ素ソーラーセルの新しい時代を創造した。

【0005】

前世紀の８０年代以来、ＧａＡｓソーラーセル技術は、ＬＰＥからＭＯＣＶＤへ、ホモエピタキシャルからヘテロエピタキシャルへ、単接合から多接合積層構造へ、ＬＭ構造からＩＭＭ構造へ等、いくつかの発展段階を経て、その発展速度が加速しつつあり、効率も継続的に高められる。現在、最大効率は、単接合の場合２８．８％(alta devices)に達し、３接合の場合４４．４％(Sharp IMM)に達し、４接合の場合実験室で最高５０％(Fhg−ISE)に近い。

【0006】

ゲルマニウム基板の３接合型ＧａＡｓセルは現在の研究の重点であり、２接合型ＧａＡｓセルに対する研究がまだ少なく、２接合セルは、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰをボトムセルおよびトップセルとし、電気的および光学的に低損失のトンネル接合を接続してなるものを使うのが一般的である。２接合型の場合、ボトムセルおよびトップセルのバンドギャップの幅が整合しているか否かの問題を考えなければならず、ＡＭ０にとって、最適のバンドギャップの幅は１．２３ｅＶおよび１．９７ｅＶであり、理論効率が３５．８％に達することが可能である。現在、技術上実現可能なのは、格子整合する材料を使うことで、バンドギャップの幅Ｅｇへの要求を緩和することである。同時に、ボトムセルのバンドギャップの幅が１．４２ｅＶであり、トップセルのバンドギャップの幅が１．９ｅＶ程度であり、両者の差はわずか０．４８ｅＶ程度であり、かつボトムセルのバンドギャップの幅が大きすぎて、９００ｎｍ以上の波長の光線を吸収することができず、最終的には、ボトムセルの光生成電流密度がトップセルの電流密度よりも小さくなるため、両者の光生成電流が整合しなくなり、セルの内部量子効率をひどく低下させる。

【0007】

２接合型ＧａＡｓセルは、ＧａＡｓを基板とし、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＰをそれぞれボトムセルおよびトップセルとする２接合セルを使うのがほとんどであり、このような２接合セルのコストは単接合型ＧａＡｓセルよりも高く、エピタキシャルコストは単接合型のほぼ２倍であるが、その効率は、単接合型の効率よりやや高く、現在、単接合型の最大効率は２８．８％であり、２接合型の最大効率は３０．８％であり、大量のインジウムを原材料として使用する必要がある。

【0008】

また、２接合型ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰの吸収層の厚さはいずれも大きいため、セル全体の厚さが１０μｍを超えている。一方、フレキシブル薄膜セルの厚さは、一般的には１〜１０μｍの間に制御されることが要求されるため、このような２接合セルはフレキシブル化を実現することができない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

２接合型III−Ｖ族セルのフレキシブル化を実現し、２接合セルの製造コストを低減し、セルの発電効率を向上させるために、本発明は、選択成長基板を有する２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリおよびその製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は以下の構成となる。

【0011】

一態様によれば、本発明は、２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリを提供し、複数のセルユニットを直列に接続してなり、各セルユニットは、選択成長基板、ボトムセルおよびトップセルを備え、前記トップセルの上に前面金属電極層が設けられており、前記選択成長基板は、金属ベース、パターニングされた絶縁層およびＮ型微結晶ゲルマニウムシード層を含み、前記絶縁層は前記金属ベース上に形成され、前記Ｎ型微結晶ゲルマニウムシード層は、前記絶縁層が形成されているパターン内にあり、前記ボトムセルは多結晶ゲルマニウムボトムセル層であり、前記トップセルはＧａＡｓセルであり、前記多結晶ゲルマニウムボトムセルから前記トップセルまで、Ｎ型の拡散層、Ｎ型のバッファ層、トンネル接合Ｎ型領域およびトンネル接合Ｐ型領域が順に成長され、前記前面金属電極層上に反射防止層が形成されている。

【0012】

前記バッファ層は、Ｎ型のＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓグレーデッドバッファ層であり、インジウムの割合は１％から０％に漸次変化する。

【0013】

前記反射防止層は、ＭｇＦ₂又はＺｎＳ反射防止層である。

【0014】

前記ＧａＡｓセルは、前記トンネル接合Ｐ型領域にＰ型のＡｌＧａＡｓ裏面電界、Ｐ型のＧａＡｓベース領域、Ｎ型のＡｌＧａＡｓエミッタ電極、Ｎ型のＡｌＧａＡｓ窓層およびＮ＋型のＧａＡｓ前面接触層を順にエピタキシャル成長させてなり、前記前面金属電極層が前記前面接触層上にある。

【0015】

前記窓層は、前記前面接触層から露出し、かつその表面に粗い構造が形成されている。

【0016】

他の一態様によれば、本発明は、２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリの製造方法をさらに提供し、前記方法は、
金属ベース上に絶縁層を堆積させ、絶縁層をパターニングするステップ１と、
パターニングされた絶縁層の表面に微結晶ゲルマニウムシード層を堆積させ、絶縁層の表面の余剰な微結晶ゲルマニウム材料を除去して、微結晶ゲルマニウムシード層を有する選択成長基板を製造するステップ２と、
微結晶ゲルマニウムシード層を有する選択成長基板の表面に多結晶ゲルマニウムボトムセル層を堆積させて、多結晶ゲルマニウムボトムセルを製造するステップ３と、
多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面に、エピタキシャル成長により拡散層、バッファ層、トンネル接合およびトップセル構造を順に形成して、２接合セル構造を製造するステップ４と、
トップセル構造上に、パターニングされた前面金属電極層を形成するステップ５と、
多結晶ゲルマニウムボトムセル層よりも上方にエピタキシャル成長した２接合セル構造を複数の独立したセルユニットに分離するステップ６と、
前面金属電極層上に反射防止層を形成し、反射防止層、多結晶ゲルマニウムボトムセル層および選択成長基板を順に切断し、各セルユニットを完全に分離するステップ７と、
各セルユニットを直列に接続した後、上下２つのフレキシブル基板の間に置いて封止を行うことで、薄膜セルアセンブリを製造するステップ８と、を含む。

【0017】

前記ステップ１では、金属ベース上に絶縁層を堆積させ、絶縁層をパターニングする具体的な方法は、金属ベースの表面に厚さ１〜５μｍの絶縁層を堆積させ、塗布、現像および露光方法により絶縁層の表面にパターンを形成し、そして、ウェット・エッチングプロセスにより絶縁層の余剰材料を除去して絶縁層のパターニングを実現することである。

【0018】

前記ステップ２では、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、パターニングされた絶縁層の表面に高濃度ドープＰ型微結晶ゲルマニウムシード層を堆積させ、純ゲルマン（水素化ゲルマニウム）およびジボランを導入し、４００〜７００℃まで加熱し、反応圧力１０^-2〜１０Ｐａ、ドーピング濃度１×１０¹⁹〜３×１０¹⁹ｃｍ^-3にてＰ型微結晶ゲルマニウムシード層を成長形成し、化学エッチング研磨プロセスにより、絶縁層の表面における余剰な微結晶ゲルマニウムシード層を除去して、微結晶ゲルマニウムシード層を有する選択成長基板を製造する。

【0019】

前記ステップ４では、多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面に、エピタキシャル成長により拡散層、バッファ層、トンネル接合およびトップセル構造を順に形成する具体的な方法は、多結晶ゲルマニウムボトムセル層の表面にＮ型のＩｎＧａＰ拡散層を成長させ、Ｐ元素を高温で多結晶ゲルマニウムボトムセル層の内部へ拡散させることで、浅い拡散ＰＮ接合を形成し、ＰＨ³の雰囲気でＩｎＧａＰ拡散層に対してアニール処理を行い、一定温度条件下でバッファ層、トンネル接合、トップセルの裏面電界、ベース領域、エミッタ電極、窓層および前面接触層を順に成長させることである。

【0020】

前記ステップ５では、２接合セル構造の前面接触層上に、電気めっきおよびウェット・エッチング方法により、パターニングされた前面金属電極層を形成し、そして、前面金属電極層で覆われていない前面接触層を除去し、窓層を露出させるとともに、窓層の表面に粗い構造を形成する。

【0021】

前記ステップ８では、分離した各セルユニットを銅箔で直列に接続した後、上下２層のＰＥＴ薄膜の間に置いて、ラミネータにより封止を行って薄膜フレキシブルセルアセンブリを形成する。

【発明の効果】

【0022】

本発明は従来技術に対して以下の有益な効果を有する。

【0023】

Ａ．本発明では、ＧａＡｓを基板とし、多結晶ゲルマニウムおよびＧａＡｓをそれぞれボトムセルおよびトップセルとする２接合セルを採用し、まず、多結晶ゲルマニウムボトムセルのバンドギャップが０．６５ｅＶであり、トップセルであるＧａＡｓのバンドギャップが１．４ｅＶであり、この組み合わせは、太陽光スペクトルの分割に有利であり、より適切な電流整合を形成するとともに、波長が９００〜２０００ｎｍの範囲内の光線をさらに吸収することができ、セルの変換効率が３２％（ＡＭ１．５）に達することができる。

【0024】

Ｂ．本発明では、二次選択成長プロセスにより、金属ベース上に多結晶ゲルマニウム／ガリウムヒ素薄膜電池構造を成長させ、より適切なバンドギャップ整合の設計によりセルの効率を向上させ、大量生産により基板をより安価にし、より薄くて浅い接合の多結晶Ｇｅをボトムセルとし、より少量のインジウム材料を使用し金属基板そのものを裏面金属電極層として利用し、前面電極を電気めっきで製造する等の技術により、フレキシブル２接合型ＧａＡｓセルの製造コストを低減し、これにより、多結晶ゲルマニウムをボトムセルとする２接合型III−Ｖ族セルの低コスト化、高効率化およびフレキシブル化を実現する。

【0025】

Ｃ．本発明に用いられる多結晶ゲルマニウムボトムセルの製造コストは、ＧａＡｓをボトムセルとする場合よりも低く、拡散接合の厚さによって、ボトムセルの厚さを１ミクロン未満にすることができ、かつ複雑なセル構造を成長させる必要がなく、高温で拡散させれば、ＰＮ接合を形成することができ、製造プロセスが簡単である。同時に、多結晶ゲルマニウムをボトムセルとする価格は、ＧａＡｓをボトムセルとする場合よりも低く、かつ該セルは、バッファ層のみに材料比率＜１％のインジウムを用いる必要があり、インジウムという原料の制限を緩和することができるため、セルの製造コストを大幅に低減することができる。

【0026】

Ｄ．本発明における２接合型薄膜ソーラーセルの製造方法は、従来技術における製造方法と逆な製造過程を採用し、従来技術は、いずれもセル構造をまず最初に形成してから、前面金属電極層および裏面金属電極層を形成するようにしているが、本発明では、まず金属ベースとパターニングされた絶縁層の作成を済ませておき、パターニングされた絶縁層は、絶縁および反射の作用を担う一方、パターニングされた金属ベースは裏面金属電極層として機能することができ、セルの製造過程を簡素化する。

【0027】

Ｅ．本発明では、微結晶ゲルマニウムシード層は、主として、多結晶ゲルマニウムボトムセル層の成長のために一定の数の核形成センターを提供する作用を担い、これにより、より優れた多結晶ゲルマニウム材料を形成し、つまり、二次選択成長であり、金属ベースの表面に従来の成長技術では微結晶ゲルマニウム材料しか取得できず、多結晶ゲルマニウムを取得するには、二次選択成長技術を使用しなければならない。

【図面の簡単な説明】

【0028】

本発明の内容をより明瞭に理解してもらうために、以下、本発明の具体的な実施例に基づいて図面を結合して、本発明をさらに詳しく説明する。

【図1】本発明に提供される多結晶Ｇｅ／ＧａＡｓ２接合セルのエピタキシャル構造模式図である。

【図2】パターニングされた絶縁層を有する金属ベースの構造平面図である。

【図3】パターニングされた絶縁層を有する金属ベースの構造正面図である。

【図4】絶縁層の表面に成長された微結晶ゲルマニウムシード層の正面図である。

【図5】本発明に提供される選択成長基板の構造模式図である。

【図6】選択成長基板上に形成された多結晶ゲルマニウムボトムセル層の構造模式図である。

【図7】多結晶Ｇｅ／ＧａＡｓ２接合セル上に形成された前面金属電極層の構造模式図である。

【図8】多結晶Ｇｅ／ＧａＡｓ２接合セルの構造模式図である。

【図9】本発明に提供される２接合型ソーラーセルアセンブリの製造方法ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

本発明の目的、技術案および利点をより明瞭にするために、以下、図面を結合して本発明の実施形態をさらに詳しく説明する。

【0030】

本発明において、多結晶Ｇｅ（ゲルマニウム）をボトムセルとし、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）をトップセルとする２接合フレキシブル薄膜セルの製造方法が提供され、図１および図９を結合して、具体的な製造方法は以下の通りである。

【0031】

ステップ１：金属ベース１００上に絶縁層１０２を堆積させ、絶縁層１０２をパターニングする。

【0032】

ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition、プラズマ強化化学気相成長法）装置を用いて、大型金属基板から、適切なサイズの金属ベース１００を大量に生産する。このサイズの金属ベース１００（長さおよび幅は、いずれも切断後の基板のサイズの整数倍である)をＰＥＣＶＤ装置に投入し、該金属ベース１００は、ステンレス鋼箔、Ｃｕ箔のいずれかであることができ、金属ベース１００の表面に厚さ１〜５μｍの絶縁層１０２を堆積させ、絶縁層１０２の材料として、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ_Xなどの酸化物及び窒化物のいずれかを使用することができる。

【0033】

次に、リソグラフィーとウェット・エッチング技術を用いて、金属ベース１００上に、パターニングされた絶縁層１０２を作成する。塗布、現像および露光により、絶縁層１０２の表面にパターンを形成してから、ウェット・エッチングプロセスを用いて絶縁層１０２の余剰材料を除去するとともに、硬化したフォトレジストをアセトンで除去し、金属ベース１００上におけるパターニングされた絶縁層１０２の作成を完成し、かつ該パターニングされた絶縁層１０２の形状は、最終のセルの裏面金属電極層のパターン構造となる。このように、金属ベース１００は、裏面金属電極層として機能するとともに、その上には絶縁層１０２が堆積されているため、絶縁および反射の作用も担う。

【0034】

ステップ２：パターニングされた絶縁層１０２の表面に微結晶ゲルマニウムシード層１０４を堆積させ、絶縁層１０２の表面の余剰な微結晶ゲルマニウム材料を除去して、微結晶ゲルマニウムシード層１０４を有する選択成長基板１０５を製造する。

【0035】

ＰＥＣＶＤ装置を用いて、パターニングされた絶縁層１０２の表面に、選択成長した高濃度ドープＰ型微結晶ゲルマニウムシード層１０４を堆積させ、化学エッチング研磨プロセスにより絶縁層１０２の表面の余剰な微結晶ゲルマニウム材料を除去した後、微結晶ゲルマニウムシード層１０４を有する選択成長基板１０５を製造する。

【0036】

図２に示すように、レーザ切断技術を用いて、選択成長基板１０５をＡ方向に沿って分離し、選択成長基板１０５の作成を完成する。

【0037】

該高濃度ドープした微結晶ゲルマニウムシード層１０４は、次のステップで多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６を成長させる基盤であると同時に、セル底部でキャリアを伝送するチャネルでもある。

【0038】

ステップ３：微結晶ゲルマニウムシード層１０４を有する選択成長基板１０５の表面に多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６を堆積させ、多結晶ゲルマニウムボトムセルを製造する。ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition、低圧化学気相成長法）装置を用いて、微結晶ゲルマニウムシード層１０４を有する選択成長基板１０５の表面に、厚さが５μｍ程度の低濃度ドープＰ型多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６を堆積させ、図６に示すように、多結晶ゲルマニウムボトムセルを製造する。

【0039】

ステップ４：多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６の表面に、エピタキシャル成長により拡散層１０８、バッファ層１１０、トンネル接合およびトップセル構造１２６を順に形成して、２接合セル構造１２７を製造する。

【0040】

ＭＯＣＶＤ(Metal-organic Chemical Vapor DePosition、有機金属気相成長法)などのエピタキシャル装置を用いて、ボトムセル上に、エピタキシャル成長により２接合セル構造１２７を形成する。エピタキシャル温度が６３０〜６７０℃であり、圧力が５０〜１００ｔｏｒｒであり、好ましくはエピタキシャル温度が６５０℃であり、圧力が７６ｔｏｒｒである。

【0041】

具体的には、まず、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６の表面に浅い接合ボトムセルを拡散により形成し、主な拡散元素はリンであり、拡散層１０８に対してアニール処理を行い、界面欠陥を解消し、拡散層１０８の表面の結晶品質を保証し、さらにエピタキシャル成長によりトンネル接合およびトップセル１２６を形成することに寄与する。

【0042】

その後、一定温度条件下で拡散層１０８上にバッファ層１１０、トンネル接合、トップセル１２６の裏面電界１１６、ベース領域１１８、エミッタ電極１２０、窓層１２２および前面接触層１２４を順に成長させて、エピタキシャル層の成長を完成した後、常温まで降温させることにより、図８に示すように、２接合セル構造１２７を製造する。

【0043】

上記製造方法にアニール処理技術が導入されることで、トンネル接合およびトップセルの結晶品質をさらに向上させることができ、トップセル構造にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ材料を使うことにより、Ｉｎ原料の使用量を低減すると同時に、全過程に温度を変化させる必要がなく、一定温度条件下でエピタキシャル層の成長を完成する。

【0044】

ステップ５：トップセル構造上に、パターニングされた前面金属電極層２００を形成する。

【0045】

全面めっき技術を用いて、前面接触層１２４上に金属層をめっきして、前面金属電極層２００を形成し、ウェット・エッチングプロセスにより前面金属電極層２００の一部を除去して、前面パターニングされた電極構造を形成し、金属層が銅電極層である場合、そのエッチング液はＦｅＣｌ₃とＨＣｌの混合液である。ウェット・エッチングプロセスを用いて、電極で覆われていない前面接触層１２４を除去し、窓層１２２を露出させるとともに、窓層１２２の表面に粗い構造を形成し、エッチング液は、ＮＨ₄ＯＨとＨ₂Ｏ₂の混合物であり、常温で腐食が起こる。

【0046】

ステップ６：多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６よりも上方にエピタキシャル成長した２接合セル構造１２７を複数の独立したセルユニットに分離する。

【0047】

ウェット・エッチングプロセスを用いて、図７に示すように、セルをＢ方向に沿って予備分離し、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６まで腐食が起こり、異なる割合のＨ₃ＰＯ₄とＨ₂Ｏ₂の混合液、ＨＣｌとＣ₂Ｈ₆Ｏ₂の混合液などの腐食液を用いた腐食を順に起こす。

【0048】

ステップ７：ＰＥＣＶＤなどの装置を用いて、前面金属電極層２００上に反射防止層３００を形成し、レーザ切断プロセスにより、ウェット・エッチングした位置に沿って反射防止層３００、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６および選択成長基板１０５を順に切断し、各セルユニットを完全に分離する。

【0049】

ステップ８：各セルユニットを直列に接続した後、上下２つのフレキシブル基板間に置いて封止を行うことで、薄膜セルアセンブリを製造する。隣り合うセルを銅箔で直列に接続し、ラミネータを用いて封止を行うことができる。

【0050】

上述した製造方法で形成される２接合型薄膜ソーラーセルアセンブリは、図８および図１に示すようなものである。

【0051】

セルアセンブリは、複数のセルユニットを直列に接続してなり、各セルユニットは、選択成長基板１０５、ボトムセルおよびトップセル１２６を備え、トップセル１２６上に前面金属電極層２００が設けられており、ボトムセルは、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６であり、選択成長基板１０５は、パターニングされた金属ベース１００、パターニングされた絶縁層１０２およびＮ型微結晶ゲルマニウムシード層１０４を含み、絶縁層１０２は金属ベース１００上に形成され、Ｎ型微結晶ゲルマニウムシード層１０４は、絶縁層１０２が形成されているパターン内にある。トップセル１２６は、ガリウムヒ素(ＧａＡｓ)セルであり、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６からトップセル１２６まで、Ｎ型の拡散層１０８、Ｎ型のバッファ層１１０、トンネル接合Ｎ型領域１１２およびトンネル接合Ｐ型領域１１４が順に成長され、前面金属電極層２００上に反射防止層３００が形成されている。バッファ層１１０は、Ｎ型のＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓグレーデッドバッファ層であり、そのうち、インジウムの割合は１％から０％に漸次変化する。反射防止層３００はＭｇＦ₂又はＺｎＳ反射防止層である。

【0052】

ＧａＡｓセルは、トンネル接合Ｐ型領域１１４にＰ型のＡｌＧａＡｓ裏面電界１１６、Ｐ型のＧａＡｓベース領域１１８、Ｎ型のＡｌＧａＡｓエミッタ電極１２０、Ｎ型のＡｌＧａＡｓ窓層１２２およびＮ＋型のＧａＡｓ前面接触層１２４を順にエピタキシャル成長させてなり、前面金属電極層２００が前面接触層１２４上にあり、窓層１２２は前面接触層１２４から露出し、かつその表面に粗い構造が形成されている。

【0053】

以下、具体的な実施例によって２接合型薄膜セルアセンブリの製造方法を説明する。

【0054】

ステップ１：ＰＥＣＶＤ装置を用いて、ウェット・エッチング技術により金属ベース１００を大量に生産し、ここでの金属ベース１００は、方形、円形又は長方形など、特定の形状を有する。まずＰＥＣＶＤ装置を用いて金属ベース１００の表面に絶縁層１０２を堆積させ、該絶縁層１０２は、光線の反射作用を有する。該絶縁層１０２の材料は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＮ_X等であることができ、本実施例ではＳｉＯ₂絶縁層を使用する。５Ｐａに達するように真空化してから、温度が３００℃になるように加熱し、そして、ＡｒおよびＴＥＯＳを導入し、Ａｒ：２００ｓｃｃｍ、ＴＥＯＳ：３０ｓｃｃｍで、気圧が５０Ｐａである。ＲＦ電圧をオンにし、パワーを３００Ｗに調整する。薄膜を厚さが５μｍになるように堆積させる。

【0055】

フォトレジストの塗布、現像および露光を順次行うことで絶縁層１０２の表面にパターンを形成し、ウェット・エッチングプロセスにより絶縁層１０２の余剰材料を除去し、硬化したフォトレジストを脱ガム液で除去して、パターニングされた絶縁層１０２を図３に示すように形成する。

【0056】

ＳＵ−８ポジ型フォトレジストをスピンコートにより塗布し、厚さが約５μｍ、線幅が１〜２μｍ、線間隔が５〜１０μｍである。脱イオン水で洗浄する。腐食液が濃硫酸腐食液であり、絶縁層を２０〜６０℃にて１０分間腐食してから、硬化したポジ型フォトレジストをアセトンで去除し、脱ガム後に洗浄する。

【0057】

ステップ２：図４に示すように、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、絶縁層１０２が形成されているパターン内に微結晶ゲルマニウムシード層１０４を堆積させ、４００〜７００℃まで加熱し、成長チャンバへ純ゲルマンおよびジボランを導入し、純ゲルマンおよびジボランの流量比を制御し、反応チャンバ内の圧力が１０^-2〜１０Ｐａであり、厚さが２μｍのＮ型微結晶ゲルマニウムシード層を成長させ、ドーピング濃度が１×１０¹⁹〜３×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

【0058】

図５に示すように、化学エッチング研磨プロセスにより、絶縁層１０２の表面の余剰な微結晶ゲルマニウム材料を除去して、微結晶ゲルマニウムシード層１０４を有する選択成長基板１０５を製造する。腐食液は、過酸化水素と水酸化ナトリウムを混合した腐食液である。

【0059】

レーザ切断技術を用いて、選択成長基板１０５をＡ方向に沿って分離し、図２に示すように、選択成長基板１０５の作成を完成する。

【0060】

図６に示すように、ＬＰＣＶＤ装置を用いて、選択成長基板の表面に多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６を堆積させる。選択成長基板１０５を５００〜８００℃まで加熱し、成長チャンバへ純ゲルマンおよびジボランを導入し、純ゲルマンおよびジボランの流量比を制御し、成長チャンバ内の圧力が１〜２００ｔｏｒｒであり、厚さが１〜５μｍのＮ型多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６を成長させ、そのドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

【0061】

ステップ３：ＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル装置を用いて、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６上に、エピタキシャル成長により２接合セル構造１２７を図８および図１に示すように製造する。エピタキシャル温度が６３０〜６７０℃、圧力が５０〜１００ｔｏｒｒであり、実施例では、エピタキシャル温度を６５０℃とし、圧力を７６ｔｏｒｒとする。

【0062】

（１）６５０℃まで昇温させ、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６の表面に２０ｎｍのＮ型のＩｎ_xＧａ_1-xＰ拡散層１０８を成長させ、ｘ≒０．５である。その後、７５０℃まで昇温させ、しばらく保持してから、６５０℃まで降温させ、ＰＨ₃の雰囲気でアニールを行い、拡散層１０８の表面における結晶品質を向上させる。

【0063】

（２）拡散層１０８の表面に８０ｎｍ〜２００ｎｍのＮ型のＩｎＧａＡｓグレーデッドバッファ層１１０を成長させ、Ｉｎの割合は１％から０％に漸次減少する。

【0064】

（３）バッファ層１１０の表面に２０ｎｍのＮ＋型のＧａＡｓトンネル接合Ｎ型領域１１２を成長させる。

【0065】

（４）トンネル接合Ｎ型領域１１２の表面に２０ｎｍのＰ＋型のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓトンネル接合Ｐ型領域１１４を成長させ、ｘ≒０．７である。

【0066】

（５）トンネル接合Ｐ型領域１１４の表面に４０ｎｍのＰ型のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ裏面電界１１６を成長させ、ｘ≒０．７である。

【0067】

（６）裏面電界１１６の表面に３０００ｎｍのＰ型のＧａＡｓベース領域１１８を成長させる。

【0068】

（７）ベース領域１１８の表面に５０ｎｍのＮ型のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓエミッタ電極１２０を成長させ、ｘ≒０．３である。

【0069】

（８）エミッタ電極１２０の表面に２０ｎｍのＮ型の（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ窓層１２２を成長させ、ｘ≒０．７、ｙ≒０．５である。

【0070】

（９）窓層１２２の表面に２０ｎｍのＮ＋型のＧａＡｓ前面接触層１２４を成長させる。

【0071】

ステップ５：トップセル１２６の構造上に、パターニングされた前面金属電極層２００を図７に示すように形成する。

【0072】

セルの前面を洗浄し、電気めっきプロセスを用いて、前面接触層１２４の表面上に前面金属電極層２００を堆積させ、電極層の厚さは１〜１０μｍであり、材料として銅又は銅ニッケル合金を選択する。リソグラフィープロセスおよびウェットプロセスを用いて、不要な金属電極層２００を除去して、パターニングされた前面電極パターンを形成し、エッチング液は、３０％のＦｅＣｌ₃＋４％のＨＣｌ＋Ｈ₂Ｏであり、常温でエッチングを行う。ウェット・エッチングプロセスを用いて、電極で覆われていない前面接触層を除去し、窓層１２２を露出させるとともに、窓層１２２の表面に粗い構造を形成し、エッチング液はＮＨ₄ＯＨとＨ₂Ｏ₂の混合物であり、常温で腐食が起こる。

【0073】

ステップ６：ウェット・エッチングプロセスを用いて、特定の位置のエピタキシャル構造層１２５をＢ方向に沿って予備分離し、図２に示すように、多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６まで腐食が起こることで、エピタキシャル構造層が分離され、腐食液として異なる割合のＨ₃ＰＯ₄とＨ₂Ｏ₂の混合液、ＨＣ１とＣ₂Ｈ₆Ｏ₂の混合液を使用して腐食を順に起こす。

【0074】

ステップ７：ＰＥＣＶＤ装置を用いて、セルの前面にＭｇＦ₂又はＺｎＳ反射防止層３００を堆積させる。レーザ切断プロセスにより、反射防止層３００、ボトムセルである多結晶ゲルマニウムボトムセル層１０６および選択成長基板１０５を分割し、個別のセルへの分離を実現する。

【0075】

ステップ８：隣り合うセルを銅箔で直列に接続し、直列接続済みのセルを上下２層のＰＥＴの間に置き、ラミネータを用いて薄膜フレキシブルセルアセンブリとなるように封止を行う。

【0076】

上述した実施例は、挙げられた例を明瞭に説明するためのものに過ぎず、実施形態を限定するものではないのは、言うまでもない。当業者にとって、以上の説明に基づいて、他の異なる形での変化又は変動も可能である。ここでは、すべての実施形態を一々挙げる必要がないし、そもそも不可能である。これによる自明な変化又は変動は、依然として本発明の権利範囲内にある。

【符号の説明】

【0077】

１００…金属ベース、１０２…絶縁層、１０４…微結晶ゲルマニウムシード層、１０５…選択成長基板、１０６…多結晶ゲルマニウムボトムセル層、１０８…拡散層、１１０…バッファ層、１１２…トンネル接合Ｎ型領域、１１４…トンネル接合Ｐ型領域、１１６…裏面電界、１１８…ベース領域、１２０…エミッタ電極、１２２…窓層、１２４…前面接触層、１２５…エピタキシャル構造層、１２６…トップセル、１２７…２接合セル構造、２００…前面金属電極層、３００…反射防止層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】