特表 2022-509963 アルミニウム－ヒ素およびインジウム－リンベースのヘテロ接合による光起電セル、関連する多接合セル、および関連する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-25

(54)【発明の名称】アルミニウム－ヒ素およびインジウム－リンベースのヘテロ接合による光起電セル、関連する多接合セル、および関連する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0735 20120101AFI20220118BHJP

   H01L 31/075 20120101ALI20220118BHJP

【ＦＩ】

H01L31/06 430

H01L31/06 500

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021529081

(86)(22)【出願日】2019-11-25

(85)【翻訳文提出日】2021-06-22

(86)【国際出願番号】 EP2019082432

(87)【国際公開番号】W WO2020114821

(87)【国際公開日】2020-06-11

(31)【優先権主張番号】18306604.2

(32)【優先日】2018-12-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】592236245

【氏名又は名称】サントル・ナシオナル・ドゥ・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィク

【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ

(71)【出願人】

【識別番号】507030070

【氏名又は名称】エレクトリシテ ド フランス

(71)【出願人】

【識別番号】520478437

【氏名又は名称】トタル エスイー

(71)【出願人】

【識別番号】511312698

【氏名又は名称】リベル

(71)【出願人】

【識別番号】521217080

【氏名又は名称】アンスティテュ フォトボルタイク ディル ド フランス

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】ベン スリマン，アーメド

【テーマコード（参考）】

5F151

【Ｆターム（参考）】

5F151AA08

5F151AA16

5F151BA18

5F151DA04

5F151DA07

5F151DA15

(57)【要約】

本発明は、アルミニウム－ヒ素ベースの合金から作製されたベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）およびインジウム－リンベースの合金から作製されたエミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）のヘテロ接合を備える光起電セル（１）に関し、エミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）は、１００ｎｍ未満の厚さを有し、かつベース層の酸化を防止し、表面再結合（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）を低減するためのパッシベーション層として機能する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム－ヒ素ベースの合金から作製されたベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）およびインジウム－リンベースの合金から作製されたエミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）のヘテロ接合を備える光起電セル（１）であって、前記エミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）が、１００ｎｍ未満の厚さを有し、かつ前記ベース層の酸化を防止し、表面再結合（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）を低減するためのパッシベーション層として機能する、光起電セル（１）。

【請求項2】

前記ヘテロ接合が、ｐ－ｉ－ｎヘテロ接合であり、前記ベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）と前記エミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）との間の界面に少なくとも１つの真性副層を備える、請求項１に記載の光起電セル（１）。

【請求項3】

前記ベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）が、アルミニウム－ガリウム－ヒ素「ＡｌＧａＡｓ」合金で作製される、請求項１または２に記載の光起電セル（１）。

【請求項4】

前記エミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）が、インジウム－ガリウム－リン化物「ＩｎＧａＰ」合金で作製される、請求項１～３のいずれか一項に記載の光起電セル（１）。

【請求項5】

前記ベース層（Ｌ４’’）が、アルミニウムパーセンテージ組成が２０～５５％の範囲で変動する傾斜アルミニウムベースの合金を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の光起電セル。

【請求項6】

前記ベース層（Ｌ４’’）が、２５％のアルミニウムがベリリウムまたは炭素でドープされたＡｌＧａＡｓで作製された第１の副層と、アルミニウム組成のパーセンテージが２５％～３０％で変動する真性傾斜ＡｌＧａＡｓで作製された第２の副層と、を備える、請求項５に記載の光起電セル（１）。

【請求項7】

前記ベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）が、１．７ｅＶのバンドギャップを有し、前記エミッタ層が、１．９ｅＶのバンドギャップを有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の光起電セル（１）。

【請求項8】

－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～５．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、フロントコンタクト層（Ｌ１、Ｌ１’）と、
－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－インジウム－リン化物「ＡｌＩｎＰ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～７０ｎｍに含まれる厚さを有する、窓層（Ｌ２、Ｌ２’）と、
－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかを１．１０^１６ｃｍ^－３～２．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープすることができるインジウム－ガリウム－リン化物「ＩｎＧａＰ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～１００ｎｍに含まれる厚さを有する、エミッタ層（Ｌ３、Ｌ３’）と、
－ｘが０～０．３７に含まれ、かつ次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが２．１０^１６ｃｍ^－３～５．１０^１７ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」合金で作製され、
かつ２００ｎｍ～２０００ｎｍに含まれる厚さを有する、ベース層（Ｌ４、Ｌ４’、Ｌ４’’）と、
－ｘが０．４～０．８に含まれ、かつ次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、裏面電界（Ｌ５、Ｌ５’）と、
－次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、バックコンタクト層（Ｌ６、Ｌ６’）と、を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の光起電セル（１）。

【請求項9】

－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、シリコン「Ｓｉ」がドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０～３２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロントコンタクト層（Ｌ１）と、
－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、シリコン「Ｓｉ」がドープされたアルミニウム－インジウム－リン化物「ＡｌＩｎＰ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～５０ｎｍに含まれる厚さを有する、窓層（Ｌ２）と、
－４０ｎｍ～６０ｎｍに含まれる厚さを有するインジウム－ガリウム－リン化物「ＩｎＧａＰ」で作製されたアンドープのエミッタ層（Ｌ３）と、
－１．１０^１６ｃｍ^－３～２．１０^１７ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ４００ｎｍ～２０００ｎｍに含まれる厚さを有する、ベース層（Ｌ４）と、
－４．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_０．５１ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～８０ｎｍに含まれる厚さを有する、裏面電界（Ｌ５）と、
－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、バックコンタクト層（Ｌ６）と、を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の光起電セル（１）。

【請求項10】

前記ベース層（Ｌ４、Ｌ４’’）が、
－アルミニウムの傾斜濃度が２５％～３７％で変動するアンドープのアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロント追加副層（Ｌ４１）と、
－アルミニウムの傾斜濃度が２５％～５１％で変動し、４．１０^１８ｃｍ^－３～６．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、バック追加副層（Ｌ４３）と、を備える、請求項８または９に記載の光起電セル（１）。

【請求項11】

前記バックコンタクト層（Ｌ６、Ｌ６’’）が、
－アルミニウムの傾斜濃度が５１％～０％で変動し、４．１０^１８ｃｍ^－３～６．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロント追加副層（Ｌ６１）と、を備える、請求項９または１０に記載の光起電セル（１）。

【請求項12】

少なくとも第１および第２の光起電セルのスタックを備える多接合光起電セル（１０、２０、３０）であって、第１のバンドギャップを有するフロント光起電セルおよび第１のバンドギャップより低い第２のバンドギャップを有する第２の光起電セルを有し、少なくとも前記フロント光起電セルが、請求項１～１１のいずれか一項に記載の光起電セルである、多接合光起電セル（１０、２０、３０）。

【請求項13】

前記第２の光起電セルが、１．１ｅＶのバンドギャップを有するシリコンベースのセルである２つの光起電セルを備える、請求項１２に記載の多接合光起電セル（２０、３０）。

【請求項14】

前記タンデム光起電セルの少なくともいくつかの層が、分子線エピタキシー「ＭＢＥ」プロセスまたは有機金属化学気相成長法「ＭＯＣＶＤ」プロセスに基づいて得られる、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光起電セルまたはタンデム光起電セルを製造するための方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光起電エネルギー生成、特に太陽エネルギーの電気への変換を可能にする高効率光起電セルに関する。

【背景技術】

【0002】

気候変動、地球温暖化、および化石燃料の枯渇により、代替資源、特に再生可能エネルギー資源を使用するために、過去数年間にわたって多くの技術が開発されてきた。

【0003】

主要な技術のうちの１つは、太陽エネルギーを電気に変換するための光起電セルの使用に関する。

【0004】

太陽電池は、光が吸収されて電子－正孔対を作るＰ－Ｎ接合および一方の側に電子を、他方の側に正孔を収集するための対向電極を備える。

【0005】

光起電セルの効率を改善するための１つの方法は、異なるバンドギャップを有する２つの光起電セルを積層して、タンデム光起電セルを形成することであり、各光起電セルは、受け取った光のスペクトルの異なる部分を変換する。

【0006】

タンデム光起電セルは、通常、シリコンをベースとし、かつ約１．１ｅＶのバンドギャップを有するバック光起電セルを備える。

【0007】

フロント光起電セルは、より高いバンドギャップ、好ましくは約１．７ｅＶを有する必要がある。

【0008】

ＡｌＧａＡｓ合金は、それらが成長基板およびフロントセルのバックコンタクトに使用されるＧａＡｓに一致するアルミニウム濃度および格子定数に応じて、１．４２ｅＶ～２．１６ｅＶの調整可能なバンドギャップを提供するのでシリコンベースのタンデム光起電セルのフロント光起電セルの有力な候補である。

【0009】

しかしながら、ＡｌＧａＡｓ合金にも欠点があり、特にそれらの耐酸化性は低く、アルミニウム－酸素の深いレベルの汚染が発生し、少数キャリアの拡散距離が短くなり、効率が低下する。

【0010】

より高い耐酸化性を提供する別の候補は、比較的良好な放射線耐性および低い界面再結合率を備えた約１．９ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＰである。これらの良好な材料特性にもかかわらず、そのような解決策は、インジウム元素の希少性およびコストのために、まだ好ましくない。

【0011】

したがって、本発明は、１．７ｅＶに近いバンドギャップを提供し、酸化汚染物質に対して良好な耐性を有し、かつ製造コストを削減した光起電セルを得るための解決策を提供することを目的とする。

【発明の概要】

【0012】

本発明は、アルミニウム－ヒ素ベースの合金から作製されたベース層およびインジウム－リンベースの合金から作製されたエミッタ層を有するヘテロ接合を備える光起電セルに関し、エミッタ層は、１００ｎｍ未満の厚さを有し、かつベース層の酸化を防止するパッシベーション層として機能する。

【0013】

本発明の別の態様によれば、ヘテロ接合は、ｐ－ｉ－ｎヘテロ接合であり、ベース層とエミッタ層との間の界面に少なくとも１つの真性副層を備える。

【0014】

本発明のさらなる態様によれば、ベース層は、アルミニウム－ガリウム－ヒ素「ＡｌＧａＡｓ」合金で作製される。

【0015】

本発明の追加の態様によれば、エミッタ層は、インジウム－ガリウム－リン「ＩｎＧａＰ」合金で作製される。

【0016】

本発明の別の態様によれば、ベース層は、アルミニウムのパーセンテージ組成が２０～５５％の範囲で変動する傾斜アルミニウムベースの合金を含む。

【0017】

本発明のさらなる態様によれば、ベース層は、ベリリウムがドープされた２５％のアルミニウムを有するＡｌＧａＡｓで作製された第１の副層と、アルミニウム組成のパーセンテージが２５～３０％で変動する真性傾斜ＡｌＧａＡｓで作製された第２の副層と、を備える。

【0018】

本発明の追加の態様によれば、ベース層は、１．７ｅＶのバンドギャップを有し、エミッタ層は、１．９ｅＶのバンドギャップを有する。

【0019】

本発明の別の態様によれば、光起電セルは、
－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～５．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、フロントコンタクト層と、
－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－インジウム－リン化物「ＡｌＩｎＰ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～７０ｎｍに含まれる厚さを有する、窓層と、
－次のドーパント：
－シリコン「Ｓｉ」、
－セレン「Ｓｅ」、
－テルル「Ｔｅ」、
のいずれかを１．１０^１６ｃｍ^－３～２．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープすることができるインジウム－ガリウム－リン化物「ＩｎＧａＰ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～１００ｎｍに含まれる厚さを有する、エミッタ層と、
－ｘが０～０．３７に含まれ、かつ次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが２．１０^１６ｃｍ^－３～５．１０^１７ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」合金で作製され、
かつ２００ｎｍ～２０００ｎｍに含まれる厚さを有する、ベース層と、
－ｘが０．４～０．８に含まれ、かつ次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」合金で作製され、
かつ２０ｎｍ～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、裏面電界と、
－次のドーパント：
－ベリリウム「Ｂｅ」、
－炭素「Ｃ」、
－亜鉛「Ｚｎ」、
のいずれかが５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、
かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、バックコンタクト層と、を備える。

【0020】

本発明のさらなる態様によれば、光起電セルは、
－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、シリコン「Ｓｉ」がドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、かつ１５０～３２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロントコンタクト層と、
－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、シリコン「Ｓｉ」がドープされたアルミニウム－インジウム－リン化物「ＡｌＩｎＰ」合金で作製され、かつ２０ｎｍ～５０ｎｍに含まれる厚さを有する、窓層と、
－４０～６０ｎｍに含まれる厚さを有するインジウム－ガリウム－リン化物「ＩｎＧａＰ」で作製されたアンドープのエミッタ層と、
－１．１０^１６ｃｍ^－３～２．１０^１７ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_０．２５ＧａＡｓ」合金で作製され、かつ４００ｎｍ～２０００ｎｍに含まれる厚さを有する、ベース層と、
－４．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_０．５１ＧａＡｓ」合金で作製され、かつ２０ｎｍ～８０ｎｍに含まれる厚さを有する、裏面電界と、
－５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたガリウム－ヒ素「ＧａＡｓ」合金で作製され、かつ１５０ｎｍ～３００ｎｍに含まれる厚さを有する、バックコンタクト層と、を備える。

【0021】

本発明の追加の態様によれば、ベース層は、
－アルミニウムの傾斜濃度が２５％～３７％で変動するアンドープのアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロント追加副層（Ｌ４１）と、
－アルミニウムの傾斜濃度が２５％～５１％で変動し、４．１０^１８ｃｍ^－３～６．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、バック追加副層（Ｌ４３）と、を備える。

【0022】

本発明の別の態様によれば、バックコンタクト層は、
－アルミニウムの傾斜濃度が５１％～０％で変動し、４．１０^１８ｃｍ^－３～６．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロント追加副層（Ｌ６１）を備える。

【0023】

本発明はまた、少なくとも第１および第２の光起電セルのスタックを備える多接合光起電セルに関し、第１のバンドギャップを有するフロント光起電セルおよび第１のバンドギャップより低い第２のバンドギャップを有する第２の光起電セルを有し、少なくともフロント光起電セルは、前述のような光起電セルである。

【0024】

本発明の別の態様によれば、多接合光起電セルは、２つの光起電セルを備え、第２の光起電セルは、１．１ｅＶのバンドギャップを有するシリコンベースのセルである。

【0025】

本発明はまた、前述のような光起電セルまたはタンデム光起電セルを製造するための方法に関し、タンデム光起電セルの層の少なくともいくつかは、分子線エピタキシー「ＭＢＥ」プロセスまたは有機金属化学気相成長法「ＭＯＣＶＤ」プロセスに基づいて得られる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の第１の実施形態による光起電セルの異なる層の図である。

【図2】本発明の第２の実施形態による光起電セルの異なる層の図である。

【図3】本発明の第３の実施形態による光起電セルの異なる層の図である。

【図4】本発明の第４の実施形態による光起電セルの異なる層の図である。

【図5】本発明の実施形態による多接合光起電セルの異なる層の図である。

【図6】本発明の第１の実施形態によるタンデム光起電セルの異なる製造ステップの図である。

【図7】本発明の第２の実施形態によるタンデム光起電セルの異なる製造ステップの図である。

【図8】本発明の第１の実施形態によるタンデム光起電セルの製造プロセスの異なるステップのフローチャートである。

【図9】本発明の第２の実施形態によるタンデム光起電セルの製造プロセスの異なるステップのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明は、ｐ－ｎまたはｐ－ｉ－ｎヘテロ接合、すなわち接合のｐ部分を提供するための第１の元素または合金および接合のｎ部分を提供するための第２の元素または合金を含む接合を備える光起電セルに関する。したがって、接合のｐ部分と接合のｎ部分との違いは、ドーピングの違いだけでは得られない。ｐ－ｉ－ｎ接合の場合、真性部分とは、接合のｐ部分とｎ部分との間の界面でのアンドープの（真性）副層の存在を指す。

【0028】

図１は、本発明の第１の実施形態による光起電セル１の全体構造を表す。光起電セル１は、以下の複数の層を有するスタックを備える。
－矢印３で表される光が層Ｌ１に入る側に対応する前面と、前面に対向する裏面と、を備えるフロントコンタクト層Ｌ１。フロントコンタクト層Ｌ１は、電流を収集し、かつフロントコンタクト層Ｌ１の上部に配置された金属グリッド（図１には表されていない）とのオーミックコンタクトを形成することを可能にする。グリッドの下にないフロントコンタクト層Ｌ１の部分（光起電セルが、異なる層が水平方向（重力方向に対応する垂直方向）になるように配列されることを考慮し、層の前面は、層の裏面の上に配列される）は、その後、エッチングプロセスによって除去される。
－フロントコンタクト層Ｌ１の裏面と接触する前面と、前面に対向する裏面と、を備える窓層Ｌ２。窓層Ｌ２は、多数キャリア（ｎ型層の場合は電子）を通過させてフロントコンタクト層Ｌ１に収集し、少数キャリア（ｎ型層の場合は正孔）を遮断することによって、表面再結合を低減するための障壁として使用される。
－窓層Ｌ２の裏面と接触する前面と、前面に対向する裏面と、を備えるエミッタ層Ｌ３。
－エミッタ層Ｌ３の裏面と接触する前面と、前面に対向する裏面と、を備えるベース層Ｌ４。

【0029】

エミッタ層Ｌ３およびベース層Ｌ４は、光を吸収して電子－正孔対を生成する層に属する。エミッタ層Ｌ３は、例えばｎ型層に対応し、ベース層Ｌ４は、例えばｐ型層に対応する。
－ベース層Ｌ４の裏面と接触する前面と、前面に対向する裏面と、を備える裏面電界層Ｌ５。裏面電界層Ｌ５は、バンドギャップ障壁を作り、電子を遮断することにより、電子と正孔との再結合を低減することを可能にする。
－裏面電界層Ｌ５の裏面と接触する前面と、前面に対向する裏面と、を備えるバックコンタクト層Ｌ６。バックコンタクト層Ｌ６は、正孔を収集し、かつバックコンタクト層Ｌ６のバックに配置された金属コンタクト（図１には表されていない）とのオーミックコンタクトを形成することを可能にする。

【0030】

本発明において、ベース層Ｌ４は、アルミニウムおよびヒ素ベースの合金、特にアルミニウム－ガリウム－ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）合金で作製され、エミッタ層Ｌ３は、インジウムおよびリン合金、特にインジウム－ガリウム－リン（ＩｎＧａＰ）合金で作製される。

【0031】

エミッタ層Ｌ３－ベース層Ｌ４のそのような構成により、ベース層Ｌ４におけるアルミニウムのパーセンテージ組成の濃度を調整して、所望のバンドギャップ、この場合、１．７ｅＶに近いバンドギャップを得、エミッタ層Ｌ３をベース層Ｌ４のパッシベーション層として使用して、酸化、特に深いレベルのアルミニウム－酸素欠陥を防止することが可能である。インジウム材料の希少性および高価なコストに関連する全体的なコストを制限するために、エミッタ層Ｌ３の厚さも１００ｎｍ未満に減らしてもよい。このパッシベーション層Ｌ３の厚さは、例えば２０～１００ｎｍに含まれる、特に４０～６０ｎｍ、例えば５０ｎｍである。さらに、ｐ－ｎヘテロ接合により、ベース層Ｌ４およびエミッタ層Ｌ３によって提供される２つの異なるバンドギャップにより、吸収帯スペクトルが増加し、したがって、光起電セルの全体的な効率の増加が可能になり、ＩｎＧａＰ合金の場合、エミッタ層のバンドギャップは、約１．９ｅＶである。

【0032】

ベース層Ｌ４は、アルミニウムのパーセンテージ組成の異なる濃度を有する複数の副層を備え得る。副層のいくつかはまた、隣接する層間のバンドギャップの大きなホップを回避し、したがってキャリアドリフト現象を制限するために、アルミニウムのパーセンテージ組成が所定の範囲で変動する傾斜アルミニウムベースの合金でもあり得る。

【0033】

さらに、接合の両面でのキャリア収集を改善するために、エミッタ層Ｌ３の裏面およびエミッタ層Ｌ３自体と接触するフロント副層は、アンドープ層であり得、真性層とも呼ばれる。

【0034】

例えば、ベース層Ｌ４は、２５％のアルミニウムがベリリウムまたは炭素でドープされたＡｌＧａＡｓで作製されたバック副層と、アルミニウム組成のパーセンテージが２５％～３０％で変動する真性傾斜ＡｌＧａＡｓで作製されたフロント副層と、を備え得る。

【0035】

図２は、本発明によるヘテロ接合を有する光起電セルの第２の実施形態の一例を表す。

【0036】

フロントコンタクト層Ｌ１’は、５．１０^１８ｃｍ^－３～５．１０^１９ｃｍ^－３に含まれる、特に５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３、例えば１．１０^１９ｃｍ^－３のドーピング濃度で、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、またはテルリウム（Ｔｅ）がドープされたガリウム－ヒ素（ＧａＡｓ）合金で作製される。フロントコンタクト層Ｌ１’の厚さは、１５０～３２０ｎｍに含まれる、特に２８０～３２０ｎｍ、例えば３００ｎｍであり得る。

【0037】

窓層Ｌ２’は、５．１０^１８ｃｍ^－３～２．１０^１９ｃｍ^－３に含まれる、例えば１．１０^１９ｃｍ^－３のドーピング濃度で、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、またはテルル（Ｔｅ）がドープされたアルミニウム－インジウム－リン（ＡｌＩｎＰ）合金で作製される。窓層Ｌ２’の厚さは、２０～７０ｎｍに含まれる、特に２０～５０ｎｍ、例えば２０ｎｍであり得る。

【0038】

エミッタ層Ｌ３’は、インジウム－ガリウム－リン合金で作製され、真性層であり得るか、または１．１０^１６ｃｍ^－３～２．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、またはテルル（Ｔｅ）がドープされ得る。先に示したように、エミッタ層Ｌ３’は、真性層であることが好ましい。窓層Ｌ２’の厚さは、２０～７０ｎｍに含まれる、特に２０～１００ｎｍ、特に４０～６０ｎｍ、例えば５０ｎｍであり得る。

【0039】

ベース層Ｌ４’は、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが、０～０．３７の範囲に含まれる、例えば０．２５であるアルミニウム－ガリウム－ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）合金で作製される。Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金は、１．１０^１６ｃｍ^－３～５．１０^１７ｃｍ^－３に含まれる、例えば１．１０^１９ｃｍ^－３のドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」、炭素「Ｃ」、または亜鉛「Ｚｎ」がドープされ得る。ベース層Ｌ４’の厚さは、４００～２０００ｎｍに含まれる、例えば１０００ｎｍであり得る。

【0040】

しかしながら、第１の実施形態で先に示したように、ベース層Ｌ４’は、異なる副層を備え得る。図３は、３つの副層、すなわちフロント副層Ｌ４１、メイン副層Ｌ４２、およびバック副層Ｌ４３を備えるベース層Ｌ４’‘を有する第３の実施形態の一例を表す。

【0041】

フロント副層Ｌ４１は、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが、０．２５～０．３７、例えば０．２５～０．３で変動する傾斜Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金の真性層であり得る。フロント副層Ｌ４１は、８０～１２０ｎｍに含まれる、例えば１００ｎｍの厚さを有し得る。あるいは、フロント副層は、例えばベリリウムがドープされ得る。約２．１０^１６のドーピング濃度で。

【0042】

主副層Ｌ４２は、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが、０．２５であるアルミニウム－ガリウム－ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）合金で作製され得る。Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金は、２．１０^１６ｃｍ^－３のドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされ得る。主層Ｌ４２の厚さは、８００～１２００ｎｍに含まれる、例えば１０００ｎｍであり得る。

【0043】

バック副層Ｌ４３は、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが、０．２５～０．５１で変動する傾斜Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金で作製され得る傾斜Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金は、２．１０^１６ｃｍ^－３のドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされ得る。バック副層Ｌ４３は、８０～１２０ｎｍに含まれる、例えば１００ｎｍの厚さを有し得る。

【0044】

図３の光起電セルの層Ｌ１’、Ｌ２’およびＬ３’は、第２の実施形態による図２の光起電セルの層と同一のままである。

【0045】

裏面電界層Ｌ５’は、例えば、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが０．４～０．８の範囲に含まれる、例えば０．５１であるアルミニウム－ガリウム－ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）合金で作製される。Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ合金は、５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれる、例えば５．１０^１８ｃｍ^－３のドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」、炭素「Ｃ」、または亜鉛「Ｚｎ」がドープされ得る。裏面電界層Ｌ５’の厚さは、２０～１２０ｎｍに含まれる、例えば７０ｎｍであり得る。

【0046】

バックコンタクト層Ｌ６’は、例えば、５．１０^１８ｃｍ^－３～１．１０^１９ｃｍ^－３に含まれる、例えば１．１０^１９ｃｍ^－３のドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」、炭素「Ｃ」、または亜鉛「Ｚｎ」がドープされたガリウム－ヒ素（ＧａＡｓ）合金で作製される。裏面電界層Ｌ６’の厚さは、１５０～３００ｎｍに含まれる、例えば３００ｎｍであり得る。

【0047】

図３の第３の実施形態に表されるように、バックコンタクト層Ｌ６’‘は、アルミニウムの傾斜濃度が５１％～０％で変動し、かつ４．１０^１８ｃｍ^－３～６．１０^１８ｃｍ^－３に含まれるドーピング濃度で、ベリリウム「Ｂｅ」がドープされたアルミニウム－ガリウム－ヒ素「Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ」で作製され、かつ８０～１２０ｎｍに含まれる厚さを有する、フロント追加副層Ｌ６１も備え得る。

【0048】

異なる層の組成ならびに異なるドーピング濃度および厚さは、本発明の範囲から逸脱することなく、図２および３に関連して説明された実施形態とは異なり得ることに留意されたい。層または副層の数も、提示された実施形態とは異なり得る。さらに、実施形態のいくつかの層を別の実施形態の層と組み合わせて、新しい実施形態を生成してもよい。

【0049】

図４は、特に高い効率を提供する本発明による光起電セルの特定の実施形態を表す。
－１．１０^１９のドーピング濃度で、シリコン（Ｓｉ）がドープされたガリウム－μヒ素（ＧａＡｓ）合金で作製され、かつ３００ｎｍの厚さを有する、フロントコンタクト層と、
－１．１０^１９のドーピング濃度で、シリコン（Ｓｉ）がドープされたアルミニウム－インジウム－リン（ＡｌＩｎＰ）合金で作製され、かつ２０ｎｍの厚さを有する、窓層と、
－５０ｎｍの厚さを有する真性インジウム－ガリウム－リン（ＩｎＧａＰ）合金のエミッタ層と、
－２．１０^１６のドーピング濃度で、ベリリウム（Ｂｅ）がドープされた、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが０．２５であるアルミニウム－ガリウム－ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）合金で作製され、かつ１０００ｎｍの厚さを有する、ベース層と、
－５．１０^１８のドーピング濃度で、ベリリウム（Ｂｅ）がドープされた、アルミニウム組成ｘのパーセンテージが０．５１であるアルミニウム－ガリウム－ヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）合金で作製され、かつ７０ｎｍの厚さを有する、裏面電界層と、
－１．１０^１９のドーピング濃度で、ベリリウム（Ｂｅ）がドープされたガリウム－ヒ素（ＧａＡｓ）合金で作製され、かつ３００ｎｍの厚を有する、バックコンタクト層と、を備える。

【0050】

さらに、光起電セルは、一般に、フロントコンタクト層Ｌ１、Ｌ１’上およびバックコンタクト層Ｌ６、Ｌ６’上に配置された金属コンタクトも備えることに留意されたい。フロント金属コンタクトは、次の元素、すなわちニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、および／または金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含む合金で作製され得、グリッドとして提供され得る。バック金属コンタクトは、次の元素、すなわちチタン（Ｔｉ）および／または金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つの合金で作製され得る。

【0051】

フロント金属コンタクトおよびバック金属コンタクトに他の金属も使用され得る。

【0052】

したがって、アルミニウム組成のパーセンテージに応じたアルミニウム－ヒ素ベースの合金の柔軟性により、この層に所望のバンドギャップを得ることが可能になり、インジウム－リン合金の薄層で作製されたエミッタとの組み合わせにより、ベース層のアルミニウム－ヒ素合金の酸化を防止し、したがってベース層のパッシベーションを提供し、かつ表面の再結合を低減することが可能になる。

【0053】

さらに、図２～４に基づいて提示されるような光起電セルは、複数のｐ－ｎ接合またはｐ－ｉ－ｎ接合を含む多接合光起電セルまたは多接合太陽電池、特にトップセルでの使用によく適している。

【0054】

図５は、複数のサブセル１’を備える多接合太陽電池１０の一例を表す。

【0055】

異なるサブセル１’は、接合のｎ部分に対応する窓層（ＡｌＩｎＰ合金で作製）Ｌ２およびエミッタ層（ＩｎＧａＰ合金で作製）Ｌ３と、ｐ部に対応するベース層（ＡｌＧａＡｓ合金で作製）Ｌ４および裏面電界（ＡｌＧａＡｓ合金で作製）Ｌ５と、を備える。

【0056】

隣接する２つのサブセル１’は、トンネル接合（例えば、ＡｌＧａＡｓ合金の２つの層で作製、一方の層は、ｎ型ドーピングを有し、他方の層は、ｐ型ドーピングを有する）によって分離される。

【0057】

異なるサブセル１’は、ベース層におけるアルミニウム組成のパーセンテージを除いて、同一であり得る。このパーセンテージは、トップサブセルの０．３７～バックサブセルの０で変動する場合があり、このパーセンテージは、サブセルごとに異なり、トップサブセルからバックサブセルに向かって減少する。

【0058】

さらに、トンネル接合の組成は、バンドギャップおよびドーピングプロファイルに一致するように適合され得る。

【0059】

図２～４に基づいて提示されるような光起電セルは、シリコン（Ｓｉ）ベースのバックセルを備えるタンデム光起電セルまたはタンデム太陽電池での使用にも適している。Ｓｉベースのバックサブセルは、例えば、約１．１ｅＶのバンドギャップを有する。

【0060】

図６は、製造プロセスの異なるステップにおける２端子（２Ｔ）光起電セルの場合のタンデム光起電セル２０の第１の実施形態を表す。それは、金属バックコンタクトを有するホモ接合（Ｓｉ）の形態のバックサブセル２０１、トンネル接合２０２、および金属フロントコンタクトを有するヘテロ接合（ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ）を有するフロントサブセル２０３を備える。製造ステップについては、図８に基づく以下の説明でより詳細に説明する。

【0061】

図７は、製造プロセスの異なるステップにおける４端子（４Ｔ）光起電セルの場合のタンデム光起電セルの第２の実施形態を表す。それは、金属バックコンタクトを有するホモ接合（Ｓｉ）の形態のバックサブセル３０１、Ｓｉサブセルの前面上の第１の内部コンタクト、透明絶縁（電気的）中間層３０２、例えば、ガラス層、中間層の前面上の第２の内部コンタクト、および金属フロントコンタクトを有するヘテロ接合（ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ）を備えるフロントサブセル３０３を備える。製造ステップについては、図９に基づく以下の説明でより詳細に説明する。

【0062】

また、図５の実施形態を図６または７の実施形態と組み合わせて、図６または７に開示されるようなバックＳｉサブセルと組み合わされた図５に記載されるような複数のサブセルを有する多接合セルを提供することも可能である。

【0063】

約１．７ｅＶのバンドギャップを有する少なくとも１つのヘテロ接合（ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ）サブセルを前面上に備え、約１．１ｅＶのバンドギャップを有するホモ接合Ｓｉサブセルを裏面上に備えるそのようなタンデム光起電力は、異なる接合による光波長の広いスペクトルの吸収が可能になり、キャリアの再結合が制限されるため、高い効率をもたらす。さらに、インジウム－リンベースの合金の薄層のみを使用することで、深いレベルの酸化を回避しながら、全体的なコストを制限することが可能になる。

【0064】

本発明はまた、前述の実施形態のうちの１つによる光起電セル、多接合光起電セル、またはタンデム光起電セルを得るための製造プロセスにも関する。

【0065】

製造プロセスの第１の実施形態によれば、ヘテロ接合光起電セルの異なる層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって得られる。

【0066】

製造プロセスの第２の実施形態によれば、ヘテロ接合光起電セルの異なる層は、有機金属化学気相成長法（ＭＣＶＤ）によって得られる。

【0067】

製造プロセスは、例えば、結合ステップ、エッチングステップ、または金属化ステップなどの追加のステップも含み得る。

【0068】

シリコンベースのサブセルとＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰベースのヘテロ接合とを組み合わせたタンデム光起電セルを製造するための異なるステップを、図６と組み合わせた図８のフローチャートおよび図７と組み合わせた図９のフローチャートに基づいてここで説明する。

【0069】

図８は、２端子（２Ｔ）タンデムセルを得るための結合技術に基づく製造プロセスに対応し、一方、図９は、４端子（４Ｔ）タンデムセルを得るための機械的積層技術に基づく製造プロセスに対応する。

【0070】

ａ）２Ｔタンデムセルの製造
図８において、第１のステップ１０１は、Ｓｉベースの光起電サブセルの異なる層を得るための成長プロセスを指す。先に示したように、Ｓｉベースの光起電セルの異なる層は、化学気相成長法（ＣＶＤ）または他の堆積技術に基づいて成長させ得る。

【0071】

第２のステップ１０２は、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰベースのヘテロ接合の異なる層を得るための成長プロセスを指す。先に示したように、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰベースのヘテロ接合の異なる層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセスまたは有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）に基づいて成長させ得る。

【0072】

この第２のステップ１０２は、ステップ１０１の前に、または同時に達成され得る。両方のステップは、図６の左側部分に表されている。

【0073】

第３のステップ１０３は、トンネル接合の成長プロセスに対応する。この成長プロセスは、Ｓｉベースの光起電セル、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰベースのヘテロ接合、または部分的にその両方で達成され得る。ステップ１０１および１０２と同じ成長プロセスを使用することができる。

【0074】

第４のステップ１０４は、確実な結合を可能にするために平滑な表面を得るための研磨ステップを指す。

【0075】

第５のステップ１０５は、結合する必要のある平滑な表面を互いに押し付け、加熱して表面を融着させて結合する結合ステップを指す。

【0076】

そのような結合を得るには、異なる技術、例えば、イオン注入、導電層による直接融着、最大３００℃の高温、低温（１００℃）での表面活性化直接ウェーハ結合、または直接金属相互接続が使用され得る。

【0077】

第６のステップ１０６は、基板リフトオフを指す。基板は、一般に、ステップ１０２の成長プロセスに使用されるＧａＡｓベースの基板であり、取り外すことができる。このステップは、図６の中央部分に表されている。

【0078】

第７のステップ１０７は、タンデム光起電を得るための他の必要なタスクを含む最終化ステップ、特に、図６の右側部分に表されるように、フロントコンタクト層Ｌ１の可能なエッチングステップまたはフロント金属コンタクトおよびバック金属コンタクトを得るための金属化ステップを指す。

【0079】

ａ）４Ｔタンデムセルの製造
図９において、第１の１００１および第２の１００２ステップは、図８に基づいて説明された結合プロセスと同一である。図７の左側部分は、同時にまたは任意の順序で達成することができるこれらのステップ１００１および１００２を表す。

【0080】

第３のステップ１００３は、例えばフロントコンタクト層Ｌ１の一部を除去するためのエッチングステップと、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰベースのヘテロ接合のバックおよびＳｉベースのサブセルのフロントに位置する中間金属接触を得るための金属化ステップと、を含む２つの光起電セルの最終化ステップに対応する。

【0081】

第４のステップ１００４は、接着する表面上にエポキシまたは非導電性接着剤を塗布することを指す。ガラス層を使用して、両方のサブセル間の電気的絶縁も確保し得る。

【0082】

第５のステップ１００５は、接着する表面を互いに押し付ける接着ステップを指す。エポキシを硬化させるために熱が必要な場合は、加熱が使用され得る。サブセルの損傷を回避するために、加熱は、２００℃に制限される場合がある。

【0083】

第６のステップ１００６は、基板リフトオフを指す。基板は、一般に、ステップ１０２の成長プロセスに使用されるＧａＡｓベースの基板であり、取り外すことができる。図７の中央部分は、この第６のステップ１００６を表す。

【0084】

第７のステップ１００７は、タンデム光起電を得るための他の必要なタスクを含む最終化ステップ、特に、図７の右側部分に表されるように、フロントコンタクト層Ｌ１の可能なエッチングステップまたはフロント金属コンタクトおよびバック金属コンタクトを得るための金属化ステップを指す。

【0085】

このように、本発明により、高効率で、かつ制限された全体的なコストで、効率的なタンデム光起電セルを得ることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】