JP2014531771A - エピタキシャルリフトオフを用いた薄膜ｉｎｐベースの太陽電池 - Google Patents
エピタキシャルリフトオフを用いた薄膜ｉｎｐベースの太陽電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014531771A JP2014531771A JP2014533407A JP2014533407A JP2014531771A JP 2014531771 A JP2014531771 A JP 2014531771A JP 2014533407 A JP2014533407 A JP 2014533407A JP 2014533407 A JP2014533407 A JP 2014533407A JP 2014531771 A JP2014531771 A JP 2014531771A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- subcell
- layer
- forming
- base layer
- inp
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 178
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 86
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 63
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 94
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 64
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 21
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 22
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000408659 Darpa Species 0.000 description 1
- 206010073306 Exposure to radiation Diseases 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000013082 photovoltaic technology Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 229910002059 quaternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1892—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates
- H01L31/1896—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof methods involving the use of temporary, removable substrates for thin-film semiconductors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/044—PV modules or arrays of single PV cells including bypass diodes
- H01L31/0443—PV modules or arrays of single PV cells including bypass diodes comprising bypass diodes integrated or directly associated with the devices, e.g. bypass diodes integrated or formed in or on the same substrate as the photovoltaic cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
- H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
- H01L31/047—PV cell arrays including PV cells having multiple vertical junctions or multiple V-groove junctions formed in a semiconductor substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
- H01L31/06875—Multiple junction or tandem solar cells inverted grown metamorphic [IMM] multiple junction solar cells, e.g. III-V compounds inverted metamorphic multi-junction cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
ＩｎＰ基板上に格子整合されて成長され、又はＧａＡｓ基板上のメタモルフィック層上に成長され、基板が後にエピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）技術によって非破壊的手法で剥離される単接合又は多接合ＩｎＰベースの太陽電池の製造方法及びこれを用いて製造されたデバイスを開示する。【選択図】 図３
Description
特許に係る政府の権利
本発明は、契約番号ＦＡ９４５３−０９−Ｃ−００１８に基づく空軍研究所（Air Force Research Laboratory：ＡＦＲＬ）、契約番号ＮＮＸ０９ＣＡ４０Ｃに基づく航空宇宙局（National Aeronautics and Space Administration：ＮＡＳＡ）、及び米国陸軍研究開発エンジニアリング司令部（Research，Development and Engineering Command：ＲＤＥＣＯＭ）契約課（ACQ Center）によって発行された契約番号Ｗ９１１ＮＦ−０９−Ｃ−００３４に基づく国防高等研究計画局（Defense Advanced Research Projects Agency：ＤＡＲＰＡ）の政府支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本発明は、契約番号ＦＡ９４５３−０９−Ｃ−００１８に基づく空軍研究所（Air Force Research Laboratory：ＡＦＲＬ）、契約番号ＮＮＸ０９ＣＡ４０Ｃに基づく航空宇宙局（National Aeronautics and Space Administration：ＮＡＳＡ）、及び米国陸軍研究開発エンジニアリング司令部（Research，Development and Engineering Command：ＲＤＥＣＯＭ）契約課（ACQ Center）によって発行された契約番号Ｗ９１１ＮＦ−０９−Ｃ−００３４に基づく国防高等研究計画局（Defense Advanced Research Projects Agency：ＤＡＲＰＡ）の政府支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
関連出願
本出願は、２０１１年９月３０日に出願された米国仮出願番号第６１／５４１，９４５号及び２０１１年９月３０日に出願された米国仮出願番号第６１／５４２，０７３号の優先権を主張し、これらの全体は引用によって本願に援用される。
本出願は、２０１１年９月３０日に出願された米国仮出願番号第６１／５４１，９４５号及び２０１１年９月３０日に出願された米国仮出願番号第６１／５４２，０７３号の優先権を主張し、これらの全体は引用によって本願に援用される。
多接合太陽電池（multi-junction solar cell）は、集光された日光下で４３％を上回る効率を実現する最先端の光起電技術である。多接合太陽電池は、バンドギャップを漸次的に増加又は減少させながら、連続的に重なるように成長された２つ以上のｐｎ接合を含む。太陽電池用途では、効率を高めるために、サブセルのバンドギャップを０．６７ｅＶ〜１．４２ｅＶの範囲にすることが望ましい。現在使用されている多接合太陽電池の多くは、Ｇｅ又はＧａＡｓに基づいている。しかしながら、電池性能を劣化させる欠陥を結晶に導入する格子不整合層、又はキャリア輸送に劣り、産業的規模で成長させることが困難な窒化物ベースの材料を用いることなく、Ｇｅ又はＧａＡｓ上に成長されたサブセルのバンドギャップを０．６７ｅＶ〜１．４２ｅＶの間にすることは困難である。
ＩｎＰ基板上では、格子整合成長（lattice-matched growth）によって０．６７ｅＶ〜１．４２ｅＶの範囲のサブセルのバンドギャップを実現することができるが、ＩｎＰ上の格子整合成長は、多くの技術的な困難及び潜在的問題を伴う。例えば、ＩｎＰ基板は、Ｇｅ基板又はＧａＡｓ基板に比べて実質的に脆弱であり、ＩｎＰベースの太陽電池の処理及び取り扱いは、ＧａＡｓベースの太陽電池の処理に比べて、より困難で、複雑で、高コストである。更にＩｎＰ基板は、Ｇｅ又はＧａＡｓ基板に比べて遙かに高価である。
ここに開示する例示的な実施形態は、以下に限定されるわけではないが、エピタキシャルリフトオフを用いる基板を有さない薄膜ＩｎＰベースの太陽電池の製造方法及びエピタキシャルリフトオフを用いて製造される薄膜太陽電池を含む。
一実施形態は、基板を有さない薄膜ＩｎＰベースの太陽電池を含む。太陽電池は、窓層と、第１のサブセルと、引張応力が加わる薄膜バッキング層とを備え、第１のサブセルは、窓層と薄膜バッキング層との間にある。
幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＰに格子整合される。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＰベース層又はＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを含む。
幾つかの実施形態では、太陽電池の構造は、多接合太陽電池である。また、幾つかの実施形態では、太陽電池は、第１のサブセルとバッキング層との間の第２のサブセルを備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＰベース層を備え、第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層を備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層又はＩｎＧａＡｓＰベース層を備え、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。
幾つかの実施形態では、太陽電池は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを備える。幾つかの実施形態では、第１のトンネルダイオードは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層の一方又は両方を備える。
また、幾つかの実施形態では、太陽電池は、第２のサブセルとバッキング層との間の第３のサブセルを備える。幾つかの実施形態で第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓＳｂベース層を備え、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層を備え、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える。
幾つかの実施形態では、太陽電池は、更に、第１のサブセルと第２のサブセルとの間の第１のトンネルダイオードと、第２のサブセルと第３のサブセルとの間の第２のトンネルダイオードとを備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．４６ｅＶ乃至２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．７５ｅＶ乃至１．５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第３のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。幾つかの実施形態では、第１のサブセル、第２のサブセル及び第３のサブセルは、ＩｎＰに格子整合されている。
幾つかの実施形態では、太陽電池は、窓層と第１のサブセルとの間の第４のサブセルを備える。幾つかの実施形態では、第４のサブセルのベース材料及び第１のサブセルのベース材料は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＳｂである。
幾つかの実施形態では、窓層は、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＡｌＡｓＳｂ層の少なくとも１つを備える。
他の実施形態は、基板を有さないＩｎＰベースの太陽電池を製造する方法を含む。この方法は、ＩｎＰ基板上に剥離層をエピタキシャルに形成するステップと、剥離層上に窓層をエピタキシャルに形成するステップと、窓層上に第１のサブセルをエピタキシャルに形成するステップとを有する。この方法は、更に、第１のサブセル上にバッキング層を形成するステップと、剥離層をエッチングして、ＩｎＰ基板から太陽電池を分離するステップとを有する。
幾つかの実施形態では、剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＰ基板に格子整合された層を形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップ、ＩｎＰベース層を形成するステップ、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層を形成するステップ及びＩｎＧａＡｓＰベース層を形成するステップの少なくとも１つを含む。
幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセル上に第２のサブセルを形成するステップを更に有し、バッキング層は、第２のサブセル上に形成される。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＰベース層を形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。
幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層を形成するステップ及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層を形成するステップの一方又は両方を含む。
幾つかの実施形態では、方法は、第２のサブセル上に第３のサブセルを形成するステップを更に有し、バッキング層は、第３のサブセル上に形成される。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓＳｂベース層を形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層又はＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、第３のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層を形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、第３のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．４６ｅＶ乃至２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．７５ｅＶ乃至１．５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第３のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。
幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルの形成の前に剥離層上に第４のサブセルを形成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、第４のサブセルのベース材料及び第１のサブセルのベース材料は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＳｂである。幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップと、第２のサブセルと第３のサブセルとの間に第２のトンネルダイオードを形成するステップとを更に有する。
幾つかの実施形態では、形成されたバッキング層には、剥離層の剥離の間に引張応力が加わる。剥離層を形成するステップは、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及びシュードモルフィック（pseudomorphic）ＡｌＡｓ層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルのベース層を形成する前に、剥離層上に窓層を形成するステップを更に有する。
幾つかの実施形態では、方法は、ＩｎＰ基板を再利用し、基板を有さない第２のＩｎＰベースの太陽電池を作成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、剥離層をエッチングして、基板から太陽電池を分離するステップにおいて、基板から他の複数の太陽電池が分離される。幾つかの実施形態では、基板は、９５ｍｍ乃至１５５ｍｍの範囲の直径を有するウェハである。
他の実施形態は、エピタキシャルリフトオフを用いてＩｎＰベースの太陽電池を形成するＩＩＩ−Ｖ化合物材料積層体を含む。積層体は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板上の剥離層と、第１のサブセルと、薄膜バッキング層とを備え、第１のサブセルは、剥離層とバッキング層との間にある。幾つかの実施形態では、剥離層は、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及び／又はシュードモルフィックＡｌＡｓ層を備える。幾つかの実施形態では、薄膜バッキング層には、引張応力が加わる。
他の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に基板を有さないＩｎＰベースの太陽電池を製造する方法を含む。この方法は、ＧａＡｓ基板上に組成的に傾斜する複数のメタモルフィック（metamorphic）バッファ層を形成するステップと、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層上に剥離層をエピタキシャルに形成するステップとを有する。方法は、更に、剥離層上に窓層をエピタキシャルに形成するステップと、窓層上に第１のサブセルをエピタキシャルに形成するステップとを有する。方法は、更に、第１のサブセル上にバッキング層を形成するステップと、剥離層をエッチングして、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層及びＧａＡｓ基板から太陽電池を分離するステップとを有する。
幾つかの実施形態では、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層は、少なくとも１５個のバッファ層を含む。幾つかの実施形態では、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層は、少なくとも２０個のバッファ層を含む。
幾つかの実施形態では、剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップ、ＩｎＰベース層を形成するステップ、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層を形成するステップ及びＩｎＧａＡｓＰベース層を形成するステップの少なくとも１つを含む。
幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセル上に第２のサブセルを形成するステップを更に有し、バッキング層は、第２のサブセル上に形成される。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＰベース層を形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層を形成するステップ及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層を形成するステップの一方又は両方を含む。
幾つかの実施形態では、剥離層を形成するステップは、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及びシュードモルフィックＡｌＡｓ層の少なくとも１つを形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、形成されたバッキング層には、剥離層の剥離の間に引張応力が加わる。幾つかの実施形態では、方法は、第１のサブセルのベース層を形成する前に剥離層上に窓層を形成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、方法は、ＧａＡｓ基板を再利用し、基板を有さない第２のＩｎＰベースの太陽電池を作成するステップを更に有する。幾つかの実施形態では、剥離層をエッチングして、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層及びＧａＡｓ基板から太陽電池を分離するステップにおいて、基板から他の複数の太陽電池が分離される。幾つかの実施形態では、基板は、９５ｍｍ乃至１５５ｍｍの範囲の直径を有するＧａＡｓウェハである。
他の実施形態は、エピタキシャルリフトオフを用いてＩｎＰベースの太陽電池を形成するＩＩＩ−Ｖ化合物材料積層体を含む。積層体は、ＧａＡｓ基板上に形成され、最上位層がＩｎＰ層に略々等しい格子パラメータを有する組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層を備える。積層体は、更に、組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層上の剥離層と、剥離層上の第１のサブセルと、第１のサブセル上の薄膜バッキング層とを備える。幾つかの実施形態では、剥離層は、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ又はシュードモルフィックＡｌＡｓ層の少なくとも１つを備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＰベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層のうちの少なくとも１つを含む。
幾つかの実施形態では、積層体は、第１のサブセルとバッキング層との間の第２のサブセルを更に備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＰベース層を備え、第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層を備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える。幾つかの実施形態では、積層体は、第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを更に備える。幾つかの実施形態では、第１のトンネルダイオードは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層の一方又は両方を備える。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。幾つかの実施形態では、窓層は、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＡｌＡｓＳｂ層の少なくとも１つを備える。
以上の概要は、以下の詳細な説明において更に記述する概念の選択を紹介したものにすぎない。この概要は、特許請求される主題の主要な又は不可欠の特徴を特定するものではなく、特許請求の範囲を制限するために用いられることは意図していない。
本発明の上述及び他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかとなり、複数の図面において、同様の部分には共通の符号を付している。図面は、本発明の原理を説明するためのものであり、実寸を反映していない（例えば、材料層の相対的厚さは実寸を反映していない）。
ここに開示する実施形態は、ＩｎＰ基板上に格子整合成長され、又はＧａＡｓ基板上のメタモルフィック層上に成長され、後にエピタキシャルリフトオフ（epitaxial lift-off：ＥＬＯ）技術によって非破壊的手法で基板が除去される、単接合ＩｎＰベースの太陽電池又は多接合ＩｎＰベースの太陽電池の製造方法、及びこの製造方法を用いて製造されたデバイスに関する。
上述のように、ＩｎＰベースの太陽電池デバイスは、Ｇｅベースの太陽電池及びＧａＡｓベースの太陽電池とは異なる格子整合ＩＩＩ−Ｖ族材料の組を用いることができる。ＩｎＰベースの格子整合ＩＩ−Ｖ族材料によって、０．６７ｅＶ〜１．４２ｅＶのバンドギャップに到達することができ、これによって、Ｇｅベース及びＧａＡｓベースの設計に比べて、太陽電池の効率を向上させることができる。このため、幾つかの例示的なＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、同様のＧｅベース及びＧａＡｓベース設計より高い効率を示す。
幾つかの実施形態では、ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、ＩｎＰ基板上に格子整合成長される。包括的に言えば、高結晶品質材料内に欠陥がなければ、光生成キャリアが失われる再結合中心の数密度が減少するため、高効率の太陽電池を実現するためには、高い結晶品質が必要である。最良の結晶品質は、通常、格子整合材料を用いることで実現される。ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長された格子整合ＩｎＰベースの太陽電池構造は、高い結晶品質を有し、ＧａＡｓ基板上のメタモルフィックバッファ（格子不整合）層上にエピタキシャル成長されたＩｎＰベースの太陽電池に比べて、効率が高い。更に、格子不整合層を回避することによって、構造内にメタモルフィックバッファ層が不用になるので、成長時間を短縮させることができる。メタモルフィックバッファ層は、かなりの量のインジウムを含むことが多く、このため、バッファ層の材料コストが高くなる。
上述のように、ＩｎＰウェハは、ＧａＡｓウェハ及びＧｅウェハ基板に比べて遙かに脆弱であるため、ＩｎＰウェハ上に非ＥＬＯ太陽電池を形成する際の処理及び取り扱いは、Ｇｅウェハ又はＧａＡｓウェハ上に太陽電池を形成する処理及び取り扱いに比べて遙かに難しい。また、ＩｎＰ基板上に形成された非ＥＬＯ太陽電池は、Ｇｅ基板又はＧａＡｓ基板上の太陽電池に比べて遙かに脆弱である。
本出願人は、ＩｎＰ基板を含まない格子整合ＩｎＰベースの太陽電池を製造する製造技術、具体的には、エピタキシャルリフトオフ（epitaxial lift-off：ＥＬＯ）を採用することによって、ＩｎＰベースの太陽電池デバイスの基板の脆弱性に関する問題を解決した。従来のＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ太陽電池に比べて、ＥＬＯを用いて製造されるＩｎＰベースの太陽電池は、ＥＬＯの結果として得られる薄膜の柔軟性のために、機械的に遙かに強靱である。ＥＬＯ太陽電池は、薄い金属薄膜と同様に振る舞う。また、この優れた強靱性によって、製造プロセスにおける歩留まりが向上し、ＥＬＯを用いて製造される太陽電池のコストも削減される。ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池は、同等の従来のＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ太陽電池に比べて、高い柔軟性を有するばかりでなく、より薄く、軽量であり、これは、航空関連用途及び宇宙関連用途にとって特に有利である。宇宙関連用途では、宇宙飛行体で利用可能な総パワーは、通常、搭載されるソーラパネルの体積によって制約される。柔軟なセルによって、搭載体積がより小さいパネルの構造が実現され、この結果、利用可能なパワーがより大きい宇宙航行体を構築することができる。また、太陽光発電用途に薄膜軽量太陽電池を用いることは、基板の排除によって、セルが軽量化される点でも望ましい。
更にＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池のための製造プロセスでは、ＩｎＰ基板を再生（例えば、再研磨）して、他の太陽電池を成長させるために再利用することができる。これとは対照的に、基板がない薄膜構造を形成するための他の幾つかの技術は、基板を破壊（例えば、エッチング）してしまう。基板を破損又は破壊する技術と比べ、基板を再利用できるこの手法によって、ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池の材料コストを削減することができる。
包括的に言えば、ＩｎＰベースの太陽電池は、Ｇｅベースの太陽電池及びＧａＡｓベースの太陽電池に比べて電離放射線に対する優れた耐性を有する。したがって、幾つかの例示的なＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、放射線に対する耐性が高く、Ｇｅベース及びＧａベースの太陽電池と比べて、宇宙等の高放射線環境下での寿命が長い。
図１は、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）を用いて単接合ＩｎＰベースの太陽電池を形成するための例示的なＩＩＩ−Ｖ族化合物材料スタック１０を図式的に示している。エピタキシャル積層体（epitaxial stack）は、ＩｎＰ基板１２と、ＩｎＰ基板上の剥離層（release layer）２０と、剥離層２０上の窓層４０と、第１のサブセル５０と、第１のサブセル５０上のバックコンタクト層６０とを含む。積層体の上には、フィルムバッキング層（film backing layer）７０が設けられている。
ここでは、他の層の上の層（例えば、第１の層の上の第２の層）、又は他の層の上位の層といった表現は、１つの層が他の層の直接上にあり又は他の層に接触している構造（例えば、第１の層と、この第１の層に接触する第２の層）、並びに１つの層が他の層の上位にあるが、これらが１つ以上の介在層によって分離されている（例えば、第１の層の上位に第２の層があるが第１の層及び第２の層との間には、１つ以上の層がある。）構造を意味する。
太陽電池の各サブセルは、関連するバンドギャップエネルギを有するｐｎ接合を形成するベース層及びエミッタ層を含む。幾つかの実施形態では、ベース層は、ｐ型層であり、エミッタ層は、ｎ型層である。他の実施形態では、ベース層は、ｎ型層であり、エミッタ層は、ｐ型層である。以下に説明する具体例において、積層体内の各ドープ層のドーピングタイプを（ｎからｐに又はｐからｎに）入れ替えて、別の更なる太陽電池の具体例を作成することができる。
窓層４０と背面コンタクト層６０との間に配置された第１のサブセル５０は、エミッタ層５２を含む。エミッタ層５２及びベース層５４は、ｐｎ接合を形成する。幾つかの実施形態では、ベース層の材料は、エミッタ層と同じ材料であってもよく、ベース層及びエミッタ層は、異なるドーパントによってドーピングされている。幾つかの実施形態では、ベース層の材料は、エミッタ層の材料とは異なっていてもよい。
幾つかの実施形態では、第１のサブセルのベース層は、ＩｎＰ層である（後述する実施例２参照）。幾つかの実施形態では、第１のサブセルのベース層は、ＩｎＧａＡｓ層（後述する実施例２参照）又はＩｎＧａＡｓＰ層（後述する実施例３参照）を含む。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＰに格子整合され、これによって、欠陥が少ない高品質の結晶層構造が実現される。幾つかの実施形態では、第１のサブセルのバンドギャップは、０．６〜２．２ｅＶの範囲内にある。
幾つかの実施形態では、積層体１０は、サブセル５０のベース層５４に接触する背面電界（back surface field：ＢＳＦ）層５６を含む。ＢＳＦは、高濃度にドーピングされた層であり、ベース層５４とヘテロ接合を形成し、ベース層５４の背面における電子正孔再結合を減少させることによって効率を高める。同様に、エミッタ層５２に接触する高濃度にドーピングされた窓層４０は、エミッタ層５２とヘテロ接合を形成し、エミッタ層５２の正面おける電子正孔再結合を減少させる。幾つかの実施形態では、ＢＳＦ層は、ＩｎＰ層（後述する実施例１、３参照）又はＩｎＡｌＡｓ層（後述する実施例２参照）である。
ここでは、太陽電池の正面側とは、入射光子を受光するように設計された側であり、太陽電池の背面側とは、入射光子を受光するように設計された側の反対側である。非ＥＬＯ蒸着積層体については、積層体の層の上面（トップ）は、最終的な太陽電池の層の正面であり、積層体の層の底面（ボトム）は、最終的な太陽電池の層の背面である。一方、ＥＬＯプロセスでは、剥離層上の層を基板から分離し、これらの分離される層は、太陽電池層とも呼ばれ、これによって、リフトオフされた層のフィルムを生成し、リフトオフされた層を、反転して処理することによって太陽電池を作成する。ＥＬＯプロセスは、リフトオフされた層の反転を含むので、ＥＬＯ積層体の層の上面は、太陽電池における層の背面になり、ＥＬＯ積層体の層の底面は、太陽電池における層の正面になる。
図に示すように、積層体は、更に、剥離層２０と窓層４０との間にエミッタコンタクト層と呼ぶことができる正面コンタクト層３０を含む。幾つかの実施形態では、正面コンタクト層３０は、ＩｎＧａＡｓ層（後述する実施例１、２参照）である。幾つかの実施形態で背面コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ層（後述する実施例１、２参照）である。
窓層４０は、第１のサブセル５０に比べて高いバンドギャップを有する必要がある。幾つかの実施形態では、窓層は、高濃度にドーピングされたＩｎＰ層（後述する実施例２参照）、高濃度にドーピングされたＩｎＡｌＡｓ層（後述する実施例１参照）、又は高濃度にドーピングされたＡｌＡｓＳｂ層を含む。
背面コンタクト層６０の上にあるフィルムバッキング層７０には、二軸の引張応力が加わる。幾つかの実施形態では、バッキング層７０は、積層体１０上に形成される。他の実施形態では、バッキング層は、積層体１０に塗布し又は堆積させてもよい。
剥離層２０は、選択性エッチングによって除去され、これによって、ここではセル層７５と呼ぶ剥離層上の層は、基板１２から分離されてセル層のフィルムとなり、これを反転して１つ以上の太陽電池を形成する。幾つかの実施形態では、バッファ層によって剥離層２０からセル層７５を分離してもよい。
選択性エッチングの間、バッキング層７０内の引張応力が基底の層に加わり、剥離層２０のエッチングされた部分の上のセル層７５の一部が、基板１２から離れる方向に引っ張られて、剥離層２０の更なるエッチング及び基板１２からのセル層７５の分離を助ける。バッキング層７０自体の応力が基底の層に加わるので、剥離層２０のエッチングの間、又はリフトオフの間に基板１２からセル層７５を分離するために外部からの機械的な介入は不要である。例えば、エッチングの間にバッキング層４０又は基板１２に重みを追加したり、リフトオフの前に基板上又はバッキング層４０上にカプトン（商標）又はワックスを塗布したりする必要はない。
幾つかの実施形態では、バッキング層は、比較的厚く、柔軟な金属層である。例えば、幾つかの実施形態では、バッキング層は、厚さ２５μｍ〜５０μｍの金属層であってもよい。幾つかの実施形態では、最終的な太陽電池における背面コンタクトとして、導電性のバッキング層を用いることができる。セル層という用語は、包括的に、剥離層をエッチングした後に「剥離される」又は「リフトオフされる」層のフィルムを構成する剥離層の上位の積層体の層を意味するが、これにより得られる最終的な太陽電池は、基板から剥離された層のフィルム内の層の全てを含んでいてもよく、これらのうちの一部のみを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、１又は複数のセル層は、最終的なＥＬＯ太陽電池に組み込まれない。例えば、幾つかの実施形態では、更なる処理の間に、層のフィルムからバッキング層を除去してもよい。
幾つかの実施形態では、剥離層は、三元層（ternary layer）（例えば、ＡｌＡｓＳｂ層又はＡｌＰＳｂ層）を含む。幾つかの実施形態では、剥離層は、シュードモルフィック（擬似格子整合：pseudomorphic）ＡｌＡｓ層を含む。本出願人は、ＩｎＰ基板上で使用するためのエピタキシャル（格子整合）剥離層の開発における重大な困難に直面した。少なくともＩｎＰ基板の格子定数がＧｅ基板及びＧａＡｓ基板の格子定数とは実質的に異なるために、Ｇｅ基板及びＧａＡｓ基板等の他の半導体基板のために開発された剥離層材料は、ＩｎＰ基板のための剥離材料としては適切ではない。
本出願人は、ＩｎＰ基板上で使用するための剥離層として、様々な材料について研究した。本出願人によって採用された剥離材料の多くは、Ｇｅ基板及びＧａＡｓ基板のために使用される剥離材料に比べて、成長及び特徴付けがより困難な材料である。例えば、後述する実施例１、２において剥離層として使用されるＡｌＡｓＳｂは、溶解度ギャップ（miscibility gap）が大きいために標準の有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）条件下での単相層の形成が妨げられ、成長が困難であることが知られている。更に、ＭＯＣＶＤによって成長された材料にＳｂを組み込むことも困難である。標準のＭＯＣＶＤ成長条件を用いて成長されたＡｌＡｓＳｂ層は、複雑な多相構造を有し、Ｘ線又は他の標準の解析技術を用いて特徴付けを行うことが困難であった。開発に際し、ＡｌＡｓＳｂ剥離層は、間接的なバンドギャップ材料であるため、光学的に特徴付けることも困難であった。
幾つかの実施形態では、本出願人は、標準のＭＯＣＶＤ条件より低い温度、すなわち、５００〜５５０℃でＡｌＡｓＳｂ剥離層を成長させることによって、大きな溶解度ギャップの問題及び剥離層にＳｂを組み込む困難を解決した。ＭＯＣＶＤ条件の温度を低くすると、炭素及び酸素等の不純物が混入するため、半導体層の成長のためのＭＯＣＶＤは、通常、低い温度では行われていない。しかしながら、剥離層への不純物の混入は、最終的なデバイスに組み込まれる有効なデバイス層への不純物の混入に比べて、問題が小さい。
更に本出願人は、ＡｌＡｓＳｂ層のＡｌ成分が多くなると、ＡｌＡｓＳｂ層の酸化が早まることを見出した。剥離層２０にＡｌＡｓＳｂを採用する実施形態においてこの問題を解決するために、本出願人は、剥離層２０上にＡｌを含まないキャッピング層（capping layer）２２を成長させて、剥離層の劣化を制限した。
ＡｌＡｓＳｂのための選択性エッチングは不明であった。本出願人は、剥離層を優先的にエッチングするＨＦエッチングを採用し、エミッタコンタクトを保護するために、エッチング停止層を採用した。
また、出願人は、ＡｌＰＳｂ剥離層を開発する際にも同様の課題を見出した。出願人は、更に擬似メタモルフィック（pseudometamorphic）剥離層を開発したが、これは、ＡｌＡｓＳｂ剥離層及びＡｌＰＳｂ剥離層と同様の性能を有さなかった。
幾つかの実施形態では、積層体は、１つ以上のバッファ層と、１つ以上のエッチング停止層とを含む。後述する実施例１、２では、ＥＬＯ積層体は、基板と剥離層との間に第１のＩｎＰバッファ層を備え、及び剥離層上に第２のＩｎＧａＡｓバッファ層を備える。また、実施例１では、ＥＬＯ積層体は、エミッタコンタクト層の下に第１のＩｎＰエッチング停止層を備えエミッタコンタクト層の上に第２のＩｎＰエッチング停止層を備える。
幾つかの実施形態では、基板１２からの剥離層２０上の層の分離は、ウェハ規模で行われ、複数の太陽電池を作成するためのリフトオフされた大きなフィルムが分離される。剥離の後に、リフトオフされたフィルムを反転し、処理して、１つ以上のＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池を作成する。後述する実施例１、２のＥＬＯセルは、４インチのＩｎＰウェハに対するウェハ規模のリフトオフを実行することによって処理された。なお、他の実施形態としてより大きいサイズの基板（例えば、５インチ、６インチ又はこれら以上のウェハ）を用いてもよい。複数のＩｎＰ太陽電池を作成する処理は、リフトオフされた大きな多層フィルムを複数のピースにダイシング又は他の手法で分離するステップを含む。
幾つかの実施形態では、他の積層体を作成するためにＩｎＰ基板を再利用して、他のリフトオフされたフィルムを生成する。ＥＬＯ太陽電池を作成するための例示的な手法では、新しいＩｎＰ基板を使用してもよく、クリーニング及び研磨によって再生されたＩｎＰ基板上にデバイスを作成してもよい。
図２は、幾つかの実施形態に基づいて図１の積層体１０のリフトオフセル層７５から作成された単接合ＩｎＰ太陽電池８０を図式的に表している。図に示すように、幾つかの実施形態では、バッキング層７０は、太陽電池のボトム層を構成する。他の実施形態では、バッキング層を除去し、背面コンタクト層を太陽電池のボトム層としてもよい。セル８０の表面の大部分において、入射光子が下方にある窓層４０に到達することができるように、コンタクト層をパターン化して、パターン化されたエミッタコンタクト層３２を形成する。
窓層４０を通過した太陽の光子は、セルに吸収される。光子の吸収から放出されたエネルギによって、電子が伝導帯に入り、価電子帯に正孔が残る。熱拡散、電気ドリフト及びトンネリングによってこれらの電子及び正孔は、セルの正面（エミッタ／正面コンタクト層３２）及び背面（背面コンタクト層６０）の各電極に移動し、セルの正面（すなわち、窓側）と、セルの背面との間に電位差を生じさせる。コンタクトにおいて抽出された電荷担体を用いて、外部負荷に電力を供給することができる。
例示的なＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、単接合であってもよく、及び／又は多接合（１、２、３、４等）を含んでいてもよい。ここに開示する幾つかの実施形態は、バンドギャップを増加又は低減するためにＩｎＰ基板上でサブセルと共に成長された格子整合多接合太陽電池デバイスに関連し、基板は、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）技術によって非破壊的手法で後に除去される。
ＩｎＰ基板のコストが高いということを部分的な理由として、現在、多くの格子整合多接合太陽電池は、ＧａＡｓ基板又はＧｅ基板上で成長されている。格子整合ＩｎＰベースのＩＩＩ−Ｖ族材料のバンドギャップは、サブセルのために格子整合ＧａＡｓベースの材料を用いて得られるバインドギャップより広い範囲を有するので、ＩｎＰ基板上で成長された多接合太陽電池は、多くの場合、ＧａＡｓ上で成長されたものより望ましい。これによって、反転式メタモルフィック（inverted metamorphic：ＩＭＭ）構造等のための品質がより低い格子不整合成長を用いることなく、サブセルのバンドギャップを太陽光スペクトルに良好に整合させることができる。更に、ＩｎＰに格子整合された多接合太陽電池は、通常、ＧａＡｓ又はＧｅに格子整合されている当分野の現在の多接合セルに比べてパワー変換効率がより高いと予測されるサブセルのバンドギャップの好ましい組合せを有する。
例えば、図３は、例示的な二重接合ＩｎＰベースの太陽電池の積層体を示している。図３に示すように、積層体は、ＩｎＰ基板１１２を含み、この基板上に剥離層１２０がある。剥離層１２０の上には、エミッタコンタクト層１３０と、窓層１４０と、エミッタ層１５２及びベース層１５４を含む第１のサブセル１５０とが形成されている。更にベース層１５４の上には、ＢＳＦ層１５６が形成されている。
更に、積層体１１０は、ベース層２５４及びエミッタ層２５２を含む第２のサブセル２５０を備える。ベース層２５４の上には、第２のＢＳＦ層２５６及び背面コンタクト層２６０が形成されている。積層体の上には、バッキング層２７０が形成、堆積又は塗布されている。
図に示すように、幾つかの実施形態では、第１のサブセル１５０は、トンネルダイオード１９０によって第２のサブセル２５０から分離される。トンネルダイオード１９０は、ｐ型層１９２及びｎ型層１９４を含む。トンネルダイオード１９０は、エネルギバンド又は抵抗損失をシフトさせることなく、第１のサブセルのベース１５４と第２のサブセルのエミッタ２５２との間の電気コンタクトを提供する。また、ｎ型トンネルダイオード層１９４は、第２のサブセル２５０のための窓層としても機能する。また、トンネルダイオードは、第１のサブセルと第２のサブセルとの間のトンネル接合と呼ぶこともできる。
幾つかの実施形態では、トンネルダイオード１９０は、高濃度ＧａＡｓＳｂ又は高濃度ＩｎＰ（後述する実施例３参照）の１つ以上の層を含む。出願人は、エピタキシャルＩｎＰ格子整合トンネルダイオードの開発において、重大な困難に直面した。トンネルダイオードは、第２のサブセルによって吸収される光子を吸収してしまうことを回避するために、十分高いバンドギャップを有する縮退層（degenerate layer）を形成するために、高濃度にドーピングしなければならない。ＧａＡｓにおける炭素の拡散性は低いため、ハイレベルの炭素ドーピングを用いて高濃度にドーピングされたｐ型ＧａＡｓ材料を実現することは比較的容易である。これに対し、ＩｎＰのｐ型ドーピングのために用いられる亜鉛は、ＩｎＰにおいて拡散性が比較的高く、これは、高濃度にドーピングされたダイオード層から隣接している層に亜鉛が拡散する傾向があることを意味する。幾つかの実施形態では、本出願人は、トンネルダイオードのために高濃度にｐ型ドーピングされたＧａＡｓＳｂ層（Ｃをドーピング）及び高濃度にｎ型ドーピングされたＩｎＰ層（Ｔｅをドーピング）を採用した（後述する実施例４参照）。層におけるドーピングのレベルは、層の縮退を達成するために十分である必要がある。幾つかの実施形態では、トンネルダイオードは、ＩｎＡｌＡｓＳｂ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及び／又はＩｎＰ層を含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、トンネルダイオードは、ＡｌＡｓＳｂ層を含んでいてもよいが、この材料は、剥離層のエッチングの間に劣化しやすい。
ＥＬＯ単接合ＩｎＰベースの太陽電池に関連してここに説明する剥離層材料は、ＥＬＯ 多接合ＩｎＰベースの太陽電池にも適する。同様に、ＥＬＯ単接合ＩｎＰベースの太陽電池に関連してここに説明する窓材料、バッファ層材料、エッチング停止層材料等は、ＥＬＯ多接合ＩｎＰベースの太陽電池にも適する。
幾つかの実施形態では、第１のサブセル１５０は、ＩｎＰに格子整合され、第２のサブセル２５０は、ＩｎＰに格子整合される。幾つかの実施形態では、ＢＳＦ層５５６と窓層３４０との間の全ての層は、ＩｎＰに格子整合される。
図４は、リフトオフされた層を反転及び処理した後のＥＬＯ二重接合ＩｎＰベースの太陽電池２９０を図式的に表している。この図に示すように、（例えば、更に窓層１４０から見て）第１のサブセル１５０は、トップサブセルであり、第２のサブセル２５０は、ボトムサブセルである。正面コンタクト層１３２は、セルのトップに入射した光２９２の大部分が窓層１４０に到達するようにパターン化される。第１のサブセル２５０では、光の一部は、吸収され、電流に変換される。包括的に言えば、トップセル（第１のサブセル１５０）は、大きなバンドギャップを有し、エネルギがより大きい光（周波数がより高い光）が第１のサブセルに吸収され、エネルギがより小さい光（周波数がより低い光）が第１のサブセルを通過し、バンドギャップがより小さい下側のサブセル（例えば、第２のサブセル２５０）に到達する。包括的に言えば、第２のサブセル２５０のバンドギャップは、より小さく、第１のサブセル１５０を通過した低エネルギ光の一部が第２のサブセル２５０に吸収される。例えば、幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．３５〜１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．６〜０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。二重接合設計は、単接合設計より効率を向上させることができる。
幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＰ層を含んでいてもよく、第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓ層を含んでいてもよい（後述する実施例４参照）。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含んでいてもよく、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含んでいてもよい。
包括的に言えば、各サブセルにおいて同数の光子が吸収されるようにサブセルを構成した場合に、多接合太陽電池のパワー変換効率を最大化することができる。何れかのサブセルにおける過剰な電流は、サブセル間の電子の吸収によって失われるので、各サブセルの光電流は、整合させる必要がある。電流の整合を補助するために各サブセルの層の厚さを調整してもよい。
幾つかの実施形態として、格子整合ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、２つ以上の接合を含んでいてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、太陽電池は、比較的大きいバンドギャップを有するトップサブセルと、比較的小さいバンドギャップを有するボトムサブセルと、トップサブセルのバンドギャップとボトムサブセルのバンドギャップの間のバンドギャップを有する１つ以上の中間サブセルとを備えていてもよい。例えば、図５は、ＥＬＯ三重接合ＩｎＰベースの太陽電池を形成するための積層体３１０の実施形態を図式的に示している。この積層体は、ＩｎＰ基板３１２を含み、この基板上に剥離層３２０がある。剥離層３２０の上には、エミッタコンタクト層３３０と、窓層３４０と、エミッタ層３５２及びベース層３５４を含む第１のサブセル３５０とが形成されている。更にベース層３５４の上には、ＢＳＦ層３５６が形成されている。
更に、積層体３１０は、ベース層４５４及びエミッタ層４５２を含む第２のサブセル４５０を備える。第２のサブセル５５０の上位には、第２のＢＳＦ層５５６がある。図に示すように、幾つかの実施形態では、第１のサブセル３５０は、トンネルダイオード３９０によって、第２のサブセル４５０から分離することができる。トンネルダイオード３９０は、ｐ型層３９２及びｎ型層３９４を含む。トンネルダイオード３９０は、第１のサブセルのベース３５４と第２のサブセルのエミッタ４５２との間の電気コンタクトを提供する。また、ｎ型トンネルダイオード層３９４は、第２のサブセル４５０のための窓層としても機能する。
更に、積層体３１０は、ベース層５５４及びエミッタ層５５２を含む第３のサブセル５５０を備える。第３のサブセル５５０の上位には、第３のＢＳＦ層５５６がある。図に示すように、幾つかの実施形態では、第２のサブセル４５０は、第２のトンネルダイオード４９０によって、第３のサブセル５５０から分離することができる。第２のトンネルダイオード４９０は、ｐ型層４９２及びｎ型層４９４を含む。トンネルダイオード４９０は、第２のサブセルのベース４５４と第３のサブセルのエミッタ５５２との間の電気コンタクトを提供する。また、ｎ型トンネルダイオード層４９４は、第３のサブセル４５０のための窓層としても機能する。
また、第３のサブセルは、第３のＢＳＦ層５５６を含む。ＢＳＦ層上には、太陽電池のための背面コンタクト層５６０が形成されている。バッキング層５８０は、積層体３１０上に形成又は堆積されている。
図６は、剥離層のエッチングの後の反転及び処理によって作成された三重接合太陽電池４１０を示している。正面コンタクト層３３２は、太陽電池の上面の大部分において、入射光子が窓層３４０に到達するように、パターン化されている。反転の後、第１のサブセル３５０は、トップサブセルとなり、第２のサブセル４５０は、中間サブセルとなり、第３のサブセル５５０は、ボトムサブセルとなる。幾つかの実施形態では、トップサブセルは、比較的大きいバンドギャップ（例えば、１．４６ｅＶ〜２．２ｅＶの範囲のＢＧ１）を有していてもよく、中間サブセルは、中間レベルのバンドギャップ（例えば、０．７５ｅＶ〜１．５ｅＶの範囲のＢＧ２）を有していてもよく、ボトムサブセルは、比較的小さいバンドギャップ（例えば、０．６ｅＶ〜０．８ｅＶの範囲のＢＧ３）を有していてもよい。
幾つかの実施形態では、第１のサブセルと第２のサブセルとの間の第１のトンネルダイオードのバンドギャップは、第１のサブセルのバンドギャップと同じくらい小さくてもよい。幾つかの実施形態では、第２のサブセルと第３のサブセルとの間の第２のトンネルダイオードのバンドギャップは、第２のサブセルのバンドギャップと同じくらい小さくてもよい。
上述のように、各サブセルは、ｐｎ接合を形成するベース層及びエミッタ層を含む。幾つかの実施形態では、ベース層及びエミッタ層は、異なるドーパントがドープされた同じ材料である。幾つかの実施形態では、ベース層及びエミッタ層は、異なる材料である。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ベース層及び／又はエミッタ層として、四元合金を含む。例えば、幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓＳｂ層（例えば、ｎＡｌＡｓＳｂベース層及び／又はＩｎＡｌＡｓＳｂエミッタ層）を含み、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含み、第３のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含む（後述する実施例５参照）。幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、三元合金（例えば、ＩｎＡｌＡｓ層）を含み第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含み第３のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含む。
幾つかの実施形態では、第１のサブセルと第２のサブセルとの間の第１のトンネルダイオードは、ＩｎＡｌＡｓＳｂ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及び／又はＩｎＰ層を含む。幾つかの実施形態では、第１のトンネルダイオードは、ＡｌＡｓＳｂ層を含んでいてもよいが、この材料は、剥離層のエッチングの間に劣化しやすい。幾つかの実施形態では、第２のサブセルと第３のサブセルとの間の第２のトンネルダイオードは、第１のダイオードに関して上述した何れの材料を含んでいてもよく、及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層又はＩｎＡｌＧａＡｓ層を含んでいてもよい。
幾つかの実施形態では、歪平衡量子井戸（strain-balanced quantum well）層、超格子層又は量子ドット等のナノ構造を多接合太陽電池に組み込んでもよい。これらの構造は、更に、入射太陽スペクトルの吸収及び変換効率を向上させる。例えば、ボトムサブセルに歪平衡量子井戸層又は超格子を含めることで、格子整合を維持しながら、ボトムサブセルのバンドギャップをより小さいにエネルギに拡大することができる。後述する実施例５、６は、ボトムサブセルに量子井戸層を採用した構造を含む。
幾つかの実施形態は、「分割セル（split cell）」を含んでいてもよく、これは、２つの異なるサブセルが同じバンドギャップを有することを意味する。例えば、図７は、４つのサブセルを有するＥＬＯ三重接合（triple-junction：ＴＪ）太陽電池６１０を示しており、上位の２つのサブセルは、同じバンドギャップを有している。この場合、それぞれがｐｎ接合を含む４つのサブセルがあるが、これらのサブセルにおける異なるバンドギャップは、３個のみであるので、この太陽電池は、三重接合太陽電池と呼ばれる。太陽電池６１０において、更なるトップサブセル（第４のサブセル６５０）は、第１のサブセル３５０の上位にある。エミッタ層６５２及びベース層６５４を含む第４のサブセル６５０は、第１のサブセルのバンドギャップＢＧ１と同じバンドギャップＢＧ１を有する。第４のサブセル６５０は、第３のトンネルダイオード６９０によって第１のサブセル３５０から分離されている。「分割セル」においては、ＢＧ１より大きいエネルギを有する入射光子の半分が上側のサブセルに吸収され、ＢＧ１より大きいエネルギを有する入射光子の残りが下側のサブセルに吸収され、サブセルの間の電流整合が達成されるように、分割セルの上側のサブセル（第４のサブセル６５０）は、通常、分割セルの下側のサブセル（第１のサブセル３５０）より薄く形成される。サブセルを増やすと太陽電池の開放電圧が高まり、短絡電流が低下する。第１のサブセルの上にサブセルを追加することによって、多接合太陽電池の全体的な効率を向上させることができる。
幾つかの実施形態では、追加されるトップサブセル及び第１のサブセルは、何れも少なくとも１つのＩｎＡｌＡｓ層を含んでいてもよく、第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含んでいてもよく、第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＧａＡｓ層及び／又はＩｎＧａＡｓＰ層を含んでいてもよい（後述する実施例７参照）。幾つかの実施形態では、トップＩｎＡｌＡｓサブセルの間のトンネルダイオードは、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ及びＩｎＰを含んでいてもよい。
図８は、基板がない格子整合ＥＬＯ ＩｎＰベース太陽電池を作成する方法７００を図式的に示している。以下では、図１及び図２に示す積層体１０及び太陽電池９０の参照符号を用いてこの方法を例示的に説明する。ＩｎＰベースのベース太陽電池の多くの異なる実施形態を作成できることは、当業者にとって明らかである。まず、ＩｎＰ基板１２に剥離層２０をエピタキシャルに形成する（ステップ７０２）。上述したように、剥離層２０は、ＩｎＰ基板上にエピタキシャルに形成でき、他の上位の層に対して優先的にエッチングできる如何なる材料であってもよい。幾つかの実施形態では、剥離層２０をエピタキシャルに形成するステップは、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及び／又はシュードモルフィックＡｌＡｓ（pseudomorphic AlAs）層を形成するステップを含む。幾つかの実施形態では、剥離層２０の形成の前に、ＩｎＰ基板１２上に第１のバッファ層をエピタキシャルに形成する。幾つかの実施形態では、剥離層２０上に第２のバッファ層をエピタキシャルに形成する。
次に、剥離層２０上に窓層４０をエピタキシャルに形成する（ステップ７０４）。窓層４０を形成する前に剥離層２０上に正面コンタクト層３０を形成してもよい。幾つかの実施形態では、正面コンタクト層３０の形成の前にエッチング停止層を形成してもよい。幾つかの実施形態では、窓層４０の形成の前に正面コンタクト層３０上にエッチング停止層を形成してもよい。
次に、窓層４０上に第１のサブセル５０をエピタキシャルに形成する（ステップ７０６）。幾つかの実施形態では、第１のサブセル５０上にＢＳＦ層５６を形成する。幾つかの実施形態では、ＢＳＦ層５６上に背面コンタクト層６０を形成する。
次に、第１のサブセル５０及び他の下位の層の上にバッキング層７０を形成する（ステップ７０８）。バッキング層７０の下の層は、適切な如何なるエピタキシャル成長技術を用いて形成してもよい。例えば、これらの層は、有機金属気相成長（molecular beam epitaxy：ＭＯＣＶＤ）エピタキシ、分子線エピタキシ（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）又は液相エピタキシ（liquid phase epitaxy：ＬＰＥ）を用いて成長させてもよい。上述のように、剥離層にＡｌＡｓＳｂを使用する場合、ＭＯＣＶＤエピタキシは、複数の位相及び複雑な構造の形成の問題を解決するために、従来のＭＯＣＶＤ温度より低い温度で行う必要がある。
幾つかの実施形態では、バッキング層７０は、比較的厚い金属層又は複数の異なる金属層を含む比較的厚い層であってもよい。例えば、バッキング層７０は、金層、銅層、ニッケル層又はこれらの如何なる組合せを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、バッキング層の厚さは、５μｍ〜５０μｍであってもよい。バッキング層は、様々な技術（例えば、蒸着、メッキ又はスパッタリング）を用いて形成することができる。
次に、剥離層２０を選択的にエッチングして、ＩｎＰ基板１２から太陽電池（例えば、セル層７５）を分離する（ステップ７１０）。剥離プロセスの間、バッキング層７０の引張応力が下位の層に加わり、基板１２からの剥離層２０及びセル層７５のエッチングが補助され、これによって、太陽電池のためのリフトオフされたフィルムが形成される。積層体の端部から内部に向けて剥離層２０がエッチングされている間、引張応力を受けるバッキング層７０は、エッチングされている端部の上の層を、下の基板１２から引き離す方向に引っ張る力を加え、これによって、剥離層２０のエッチングされていない部分へのエッチング液の侵入が促進される。上述のように、バッキング層７０自体の応力が下位の層に力を加えるので、エッチングの間に基板１２からセル層７５を分離するためにバッキング層４０に更なる力を加える必要はない。幾つかの実施形態では、剥離層２０は、酸（例えば、ＨＦ）を用いてエッチングされる。幾つかの実施形態では、ＩｎＰ基板１２を研磨して再利用して他のＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池を作成してもよい（ステップ７１２）。
図９は、基板を有さない格子整合ＥＬＯ多接合ＩｎＰベースの太陽電池を作成する方法７２０を図式的に示している。以下では、図３及び図４に示す積層体１１０及び太陽電池２９０の参照符号を用いてこの方法を例示的に説明する。ＩｎＰベースのベース太陽電池の多くの異なる実施形態を作成できることは、当業者にとって明らかである。まず、ＩｎＰ基板１１２に剥離層２２０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２２）。幾つかの実施形態では、剥離層１２０の形成の前に、ＩｎＰ基板１１２上に第１のバッファ層をエピタキシャルに形成する。幾つかの実施形態では、剥離層１２０上に第２のバッファ層をエピタキシャルに形成する。
次に、剥離層２０上に窓層１４０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２４）。窓層１４０を形成する前に剥離層１２０上に正面コンタクト層１３０を形成してもよい。幾つかの実施形態では、正面コンタクト層１３０の形成の前にエッチング停止層を形成してもよい。幾つかの実施形態では、窓層１４０の形成の前に正面コンタクト層１３０上にエッチング停止層を形成してもよい。
次に、窓層１４０上に第１のサブセル１５０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２６）。第１のサブセル１５６上にトンネルダイオード１９０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２８）。幾つかの実施形態では、トンネルダイオード１９０の形成の前に第１のサブセル１５０上にＢＳＦ層１５６を形成する。次に、トンネルダイオード１９０上に第２のサブセル２５０をエピタキシャルに形成する（ステップ７３０）。幾つかの実施形態では、第２のサブセル２５０上にＢＳＦ層２５６を形成してもよい。
次に、第２のサブセル２５０及び他の下位の層上にバッキング層２７０を形成する（ステップ７３２）。
次に、剥離層１２０を選択的にエッチングして、ＩｎＰ基板１１２から太陽電池層を分離する（ステップ７３４）。幾つかの実施形態では、ＩｎＰ基板を再利用して他のＩｎＰベースの太陽電池を作成してもよい（ステップ７３６）。
ここに開示するＥＬＯ技術は、ＩｎＰ基板に格子整合されたウェハサイズのリフトオフ太陽電池に特に適合する。すなわち、完全な４インチウェハ、６インチウェハ又はより大きいウェハをＩｎＰ基板からリフトオフして、多接合太陽電池の収量を８５％以上にすることができる。
上述のように、包括的に言えば、ＩｎＰ基板上の格子整合成長は、非格子整合エピタキシャル成長に比べて、結晶品質がより高い太陽電池を作成でき、一般化して言えば、より効率的な太陽電池を作成できる。なお、下位のＧａＡｓ基板の層からＩｎＰの層にかけて層の格子定数が漸次的に変化するメタモルフィック層を用いて、ＧａＡｓ基板上にＩｎＰベースの太陽電池を成長させることができる。格子定数が急激に変化すると、格子不整合に起因する欠陥が生じ、後続する層の結晶品質が損なわれるが、格子定数の変化が緩やかであれば、後続する層に生じる格子不整合欠陥の数が減少し、デバイスの効率が向上する。ＩｎＰ基板上にメタモルフィック（metamorphic：ＭＭ）太陽電池を成長させることによって、低エネルギバンドギャップを得ることができる。これによって、設計の柔軟性が高まり、より効率的な太陽電池及び熱光起電設計（thermophotovoltaic design）が実現される。この場合の短所は、ＭＭ太陽電池構造がバッファ層を含み、結晶品質が比較的低いという点である。ある状況では、ＧａＡｓ基板を用いる利点が、結晶層の品質の低下及びこれに起因する効率の低下といった短所より優先されることがある。
図１０は、ＧａＡｓ基板７１２上に成長されたメタモルフィック（ＭＭ）ＥＬＯ 単接合ＩｎＰベースの太陽電池のための積層体８００の概略図を示している。図１１は、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィック（ＭＭ）ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池を作成する方法９００を図式的に示すフローチャートである。以下では、積層体８００の参照符号を用いてこの方法９００を例示的に説明する。まず、ＧａＡｓ基板８１２上に組成的に傾斜した（compositionally-graded）複数のメタモルフィック（ＭＭ）バッファ層８１４を形成する（ステップ９０２）。次に、複数のＭＭバッファ層８１４上に剥離層８２０をエピタキシャルに形成する（ステップ９０４）。幾つかの実施形態では、剥離層８２０の形成の前に、複数のＭＭバッファ層８１４上にＩｎＰと同様の格子定数を有するバッファ層を形成する。次に、剥離層８２０上に窓層８４０をエピタキシャルに形成する（ステップ９０６）。幾つかの実施形態では、窓層８４０の形成の前に、剥離層８２０上に正面コンタクト層８３０を形成する。次に、窓層８４０上に、ベース層８５４及びエミッタ層８５２を含む第１のサブセル８５０を形成する（ステップ９０８）。幾つかの実施形態では、第１のサブセル８５０上にＢＳＦ層８５６及び背面コンタクト層８６０を形成する。次に、エピタキシャル層上にバッキング層を形成する（ステップ９１０）。次に、剥離層９２０をエッチングして、複数のメタモルフィックバッファ層８１４及びＧａＡｓ基板８１２から太陽電池を分離し、ＩｎＰベースの太陽電池を作成する（ステップ９１２）。複数の組成的に傾斜するバッファ層の形成の後は、この方法は、実質的にＩｎＰ基板上にＩｎＰベースの太陽電池を形成する方法と同様である。
実施例１ ＥＬＯ及び非ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓセルの比較
薄膜エピタキシャルリフトオフ（epitaxial lift-off：ＥＬＯ）単接合（single-junction：ＳＪ）ＩｎＧａＡｓ太陽電池を作成し、特徴付けを行った。また、比較のために、これに対応するＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池を製造し、特徴付けを行った。この比較は、薄膜ＥＬＯ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の動作特性が、基板上の非ＥＬＯ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の動作特性と同様であり、基板からセル層を取り除くＥＬＯプロセスは、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の性能に実質的な影響を及ぼさないことを示した。
薄膜エピタキシャルリフトオフ（epitaxial lift-off：ＥＬＯ）単接合（single-junction：ＳＪ）ＩｎＧａＡｓ太陽電池を作成し、特徴付けを行った。また、比較のために、これに対応するＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池を製造し、特徴付けを行った。この比較は、薄膜ＥＬＯ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の動作特性が、基板上の非ＥＬＯ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の動作特性と同様であり、基板からセル層を取り除くＥＬＯプロセスは、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の性能に実質的な影響を及ぼさないことを示した。
下の表１は、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池を形成するために使用された積層体内のエピタキシャル層のリストである。積層体は、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層、ｎドープＩｎＰ窓層及びｎドープＡｌＡｓＳｂ剥離層を含む。これらの層は、ＭＯＣＶＤを用いて堆積された。積層体の堆積の後に、エピタキシャル層上にバッキング層を形成し、ＨＦ酸を用いて剥離層をエッチングして、基板を有さないセル層の薄膜を作成した。基板からの剥離の後に、バッキング層を含むセル層の薄膜を反転し、パターン化された正面コンタクト層（front contact layer：ＦＣＬ）及び窓層をＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池のトップ層とし、バッキング層を太陽電池のボトム層とした。
表１−ＩｎＰ基板上のＥＬＯ 単接合ＩｎＧａＡｓ積層体
下の表２は、比較用のＩｎＰ基板上のＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池のための積層体内のエピタキシャル層を示している。剥離層をエッチングした後に反転される上述のＥＬＯ積層体とは異なり、非ＥＬＯ積層体のトップ層、具体的には、パターン化されたＦＣＬ及び窓層は、非ＥＬＯ太陽電池でもトップのままである。
表２−ＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓ積層体
図１２は、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池と、比較用のＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池とについて、印加電圧（Ｉ−Ｖデータ）の関数として電流密度を示す実験データのグラフである。何れの太陽電池も反射防止（anti-reflection：ＡＲ）コーティングなしで検査した。このグラフは、薄膜ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性が比較非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性と同等であることを示している。
図１３は、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池と、比較用のＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池とについて、波長の関数として量子効率を示す実験データのグラフである。ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池及び非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池については、量子効率データも同様であった。
実施例２−単接合ＩｎＰ太陽電池
Ａ．ＥＬＯ単接合ＩｎＰセル及び非ＥＬＯ単接合ＩｎＰセルの比較
薄膜ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成及び検査して、動作特性を判定した。また、比較のために、これに対応するＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成及び検査した。
Ａ．ＥＬＯ単接合ＩｎＰセル及び非ＥＬＯ単接合ＩｎＰセルの比較
薄膜ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成及び検査して、動作特性を判定した。また、比較のために、これに対応するＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成及び検査した。
下の表３は、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を形成するために使用された積層体内のエピタキシャル層のリストである。積層体は、ｐ型ＩｎＰベース層、ｎ型ＩｎＰエミッタ層、ｎドープＩｎＡｌＡｓ窓層及びｎドープＡｌＡｓＳｂ剥離層を含む。表には記載していないが、エピタキシャル層上にバッキング層を堆積させた。バッキング層の形成の後に、剥離層をエッチングし、これにより得られた層の薄膜を反転及び処理して、ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成した。
表３−ＩｎＰ基板上のＥＬＯ単接合ＩｎＰ積層体
下の表４は、比較用のＩｎＰ基板上のＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のための積層体内のエピタキシャル層を示している。剥離層をエッチングした後に反転される上述のＥＬＯ積層体とは異なり、非ＥＬＯ積層体のトップ層、具体的には、パターン化されたＦＣＬ及び窓層は、非ＥＬＯ太陽電池でもトップのままである。
表４−ＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ単接合ＩｎＰ積層体
ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ積層体には、（例えば、ベース層、エミッタ層及びエッチング停止層のための）複数のＩｎＰ層が組み込まれている。この構造は、基板除去プロセスによって太陽電池のＩｎＰ層が破損されるため、ＩｎＰ基板から層を剥離するためにＩｎＰ基板自体を溶解又はエッチングする技術を用いて作成することはできない。
図１４は、ＡＭ０照明条件下での反射防止コーティングがないＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を示すグラフである。ここに示すように、セルの開放電圧（open current voltage）は、０．８３７Ｖ、効率は、１１．３２％、曲線因子(fill factor)は、７８．９６％であった。
図１５は、何れも反射防止コーティング（ＡＲＣ）を有するＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池及び非ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を比較するグラフである。
下の表５は、最良の単接合ＥＬＯ及び非ＥＬＯ ＩｎＧａＡｓ太陽電池、並びに最良の単接合ＥＬＯ及び非ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池のパラメータのリストである。ＳＪ ＩｎＧａＡｓ太陽電池及びＳＪ ＩｎＰ太陽電池の何れにおいても、ＥＬＯ太陽電池の性能は、対応する非ＥＬＯ太陽電池と同様である。すなわち、基板からセル層を取り除くＥＬＯプロセスは、ＥＬＯ太陽電池の動作特性に実質的な影響を及ぼしていない。
表５：ＡＭ０における最良の単接合ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ太陽電池性能
Ｂ．単接合ＩｎＰセルのための窓材料
ＧａＡｓベースの太陽電池のために共通に用いられるエピタキシャル成長される窓材料は、ＩｎＰベース太陽電池には適合しない。本出願人は、ＩｎＰに適合する（ＩｎＰ格子整合する）異なるタイプのエピタキシャル成長窓層を検査し、窓層の材料が単接合ＩｎＰ太陽電池の性能にどのように影響するかを判定した。高濃度にドーピングされたＩｎＰ（３００Ｋにおいて１．３４４ｅＶのバンドギャップ）、ＩｎＡｌＡｓ（３００Ｋにおいて１．４２ｅＶのバンドギャップ）及びＡｌＡｓＳｂ（３００Ｋにおいて１．９１ｅＶのバンドギャップ）を含む様々な窓材料を検査した。ＡｌＡｓＳｂ層は空気に反応するため、ＡｌＡｓＳｂ窓層にはＩｎＰキャップ層を設けた。ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のための幾つかの初期設計は、ｐドープ窓を必要とするｎドープベースを含んでいた。したがって、ｎドープベースを有するＳＪ ＩｎＰ太陽電池上のｐドープ窓（ｐ＋ＩｎＰ）を検査した。更なる検討のために上述したｐドープベースを有するＳＪ ＩｎＰ太陽電池を選択した後に、他の窓材料として、ｎドープ窓材料（すなわち、ｎ＋ＩｎＰ、ｎＩｎＡｌＡｓ、ｎＡｌＡｓＳｂ）を検査した。
ＧａＡｓベースの太陽電池のために共通に用いられるエピタキシャル成長される窓材料は、ＩｎＰベース太陽電池には適合しない。本出願人は、ＩｎＰに適合する（ＩｎＰ格子整合する）異なるタイプのエピタキシャル成長窓層を検査し、窓層の材料が単接合ＩｎＰ太陽電池の性能にどのように影響するかを判定した。高濃度にドーピングされたＩｎＰ（３００Ｋにおいて１．３４４ｅＶのバンドギャップ）、ＩｎＡｌＡｓ（３００Ｋにおいて１．４２ｅＶのバンドギャップ）及びＡｌＡｓＳｂ（３００Ｋにおいて１．９１ｅＶのバンドギャップ）を含む様々な窓材料を検査した。ＡｌＡｓＳｂ層は空気に反応するため、ＡｌＡｓＳｂ窓層にはＩｎＰキャップ層を設けた。ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のための幾つかの初期設計は、ｐドープ窓を必要とするｎドープベースを含んでいた。したがって、ｎドープベースを有するＳＪ ＩｎＰ太陽電池上のｐドープ窓（ｐ＋ＩｎＰ）を検査した。更なる検討のために上述したｐドープベースを有するＳＪ ＩｎＰ太陽電池を選択した後に、他の窓材料として、ｎドープ窓材料（すなわち、ｎ＋ＩｎＰ、ｎＩｎＡｌＡｓ、ｎＡｌＡｓＳｂ）を検査した。
図１６は、異なる窓材料を有するＳＪ ＩｎＰ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を示すグラフを示している。データは、非ＥＬＯ太陽電池を用いて収集された。上述のように、ＥＬＯ太陽電池は、非ＥＬＯ太陽電池と同等の動作特性を有する。したがって、非ＥＬＯ太陽電池の窓層に関する結果は、ＥＬＯ太陽電池にも適用することができる。図１６のグラフに示すように、ｐ＋ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ及びｎ＋ＩｎＰ窓層は、ＩｎＰ太陽電池内での検査において、同様のＩ−Ｖ動作特性を示した。ＡｌＡｓＳｂ窓層のみがセルのＩ−Ｖ動作特性が大幅に変化し、開路電圧及び曲線因子が大幅に低下した。図１７のグラフは、様々な窓材料、すなわち、ｐ＋ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ及びｎ＋ＩｎＰの量子効率を示している。ＩｎＰセルの量子効率は、窓材料の変更によっては実質的な影響を受けなかった。
Ｃ．ＥＬＯ単接合ＩｎＰ太陽電池の放射線耐性
本出願人は、様々なエネルギを有する放射線にＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を曝露し、累積的な放射線損傷がデバイス性能にどのように影響するかを判定した。図１８は、２ＭｅＶ陽子線（正方形）、０．３５ＭｅＶ陽子線（三角形）、１ＭｅＶ電子線（十字）について、１平方センチメートルあたりの累積放射線量の関数として、正規化された最大出力パワー（Ｐｍａｘ）を示すグラフである。
本出願人は、様々なエネルギを有する放射線にＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を曝露し、累積的な放射線損傷がデバイス性能にどのように影響するかを判定した。図１８は、２ＭｅＶ陽子線（正方形）、０．３５ＭｅＶ陽子線（三角形）、１ＭｅＶ電子線（十字）について、１平方センチメートルあたりの累積放射線量の関数として、正規化された最大出力パワー（Ｐｍａｘ）を示すグラフである。
実施例３−単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池
本出願人は、１．０ｅＶのバンドギャップを有する非ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池及び１．２ｅＶのバンドギャップを有する単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成し、特徴付けを行った。結果は、ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池にも適用できる。
本出願人は、１．０ｅＶのバンドギャップを有する非ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池及び１．２ｅＶのバンドギャップを有する単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成し、特徴付けを行った。結果は、ＥＬＯ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池にも適用できる。
Ａ．１．０ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池
本出願人は、後述する表６に記載されている層構造を有するＩｎＰ基板上のＳＪ非ＥＬＯ１．０ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成及び検査した。ベース及びエミッタ層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙの構造を有し、ｘ＝０．２４２及びｙ＝０．５２６であり、バンドギャップは、１．０ｅＶであった。
本出願人は、後述する表６に記載されている層構造を有するＩｎＰ基板上のＳＪ非ＥＬＯ１．０ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成及び検査した。ベース及びエミッタ層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙの構造を有し、ｘ＝０．２４２及びｙ＝０．５２６であり、バンドギャップは、１．０ｅＶであった。
表６−ＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ１．０ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ積層体
測定された非ＥＬＯ１．０ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を図１９に示す。図２０は、非ＥＬＯ１．０ｅＶ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の量子効率を示している。これらのデータは、非ＥＬＯ太陽電池を用いて取得したものであるが、先の比較用ＥＬＯ、非ＥＬＯ ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ太陽電池データが示すように、本出願人のＥＬＯプロセスは、太陽電池性能を実質的に変化させないので、対応するＥＬＯ太陽電池のデータも非ＥＬＯデータと実質的に同様となる。したがって、後述する表７に開示するエピタキシャル積層体から生成される対応するＥＬＯ１．０ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池の結果も図１９及び図２０における結果と同様であることが予想される。
表７−ＩｎＰ基板上の同等のＥＬＯ１．０ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ積層体
Ｂ．１．２ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池
本出願人は、後述する表８に記載されているような層構造を有するＩｎＰ基板上のＳＪ非ＥＬＯ１．２ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成及び検査した。ベース及びエミッタ層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙの構造を有し、ｘ＝０．１２及びｙ＝０．７３であり、バンドギャップは、１．２ｅＶであった。
本出願人は、後述する表８に記載されているような層構造を有するＩｎＰ基板上のＳＪ非ＥＬＯ１．２ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池を作成及び検査した。ベース及びエミッタ層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙの構造を有し、ｘ＝０．１２及びｙ＝０．７３であり、バンドギャップは、１．２ｅＶであった。
表８−ＩｎＰ基板上の非ＥＬＯ１．２ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ積層体
非ＥＬＯ１．２ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池について測定されたＩ−Ｖ動作特性を図２１に示す。図２２は、非ＥＬＯ１．２ｅＶ ＩｎＧａＡｓ太陽電池の量子効率を示している。このデータは、非ＥＬＯ太陽電池を用いて取得したものであるが、先の比較用ＥＬＯ、非ＥＬＯ ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ太陽電池データが示すように、本出願人のＥＬＯプロセスは、太陽電池性能を実質的に変更しないので、対応するＥＬＯ太陽電池のデータも非ＥＬＯデータと実質的に同様となる。したがって、後述する表９に示すエピタキシャル積層体から生成される対応するＥＬＯ１．２ｅＶ ＩｎＧａＡｓＰ太陽電池の結果も図２１及び図２２における結果と同様であることが予想される。
表９−ＩｎＰ基板上の同等のＥＬＯ１．２ｅＶ単接合ＩｎＧａＡｓＰ積層体
実施例４−二重接合ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池
本出願人は、サブセル間のトンネルダイオードを含む二重接合ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池を開発及び検査した。
本出願人は、サブセル間のトンネルダイオードを含む二重接合ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池を開発及び検査した。
Ａ．トンネルダイオード構造
まず、本出願人は、トンネルダイオードを太陽電池に組み込む前に、トンネルダイオード検査構造を用いて、ｐ／ｎ（ｐ型がｎ型の上）及びｎ／ｐ（ｎ型がｐ型の上）トンネルダイオードを作成及び検査した。下の表１０は、ｐ／ｎトンネルダイオード検査積層体で用いられる層を示しており、表１１は、ｎ／ｐトンネルダイオード検査積層体で用いられる層を示している。トンネルダイオードは、Ｃが高濃度にドープされたｐ＋ＧａＡｓＳｂ層と、Ｓｉが高濃度にドープされたｎ＋ＩｎＰ層とを含む。
まず、本出願人は、トンネルダイオードを太陽電池に組み込む前に、トンネルダイオード検査構造を用いて、ｐ／ｎ（ｐ型がｎ型の上）及びｎ／ｐ（ｎ型がｐ型の上）トンネルダイオードを作成及び検査した。下の表１０は、ｐ／ｎトンネルダイオード検査積層体で用いられる層を示しており、表１１は、ｎ／ｐトンネルダイオード検査積層体で用いられる層を示している。トンネルダイオードは、Ｃが高濃度にドープされたｐ＋ＧａＡｓＳｂ層と、Ｓｉが高濃度にドープされたｎ＋ＩｎＰ層とを含む。
表１０−ｐ／ｎトンネルダイオード積層体
表１１−ｎ／ｐトンネルダイオード積層体
図２３は、ｐ／ｎトンネルダイオード及びｎ／ｐトンネルダイオードのＩ−Ｖグラフである。何れのダイオードも電圧の上昇と共に電流が減少する領域を有し、これは、トンネリングを示している。
Ｂ．二重接合ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池
本出願人は、サブセルの間にトンネルダイオードを含む非ＥＬＯ二重接合（dual-junction：ＤＪ）ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池を作成及び検査した。下の表１２は、ｐ＋ＧａＡｓＳｂ／ｎ＋ＩｎＰトンネルダイオードを含む非ＥＬＯ ＤＪＩｎＰ／ＧａＡｓ太陽電池のために用いられるエピタキシャル層を示している。
本出願人は、サブセルの間にトンネルダイオードを含む非ＥＬＯ二重接合（dual-junction：ＤＪ）ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池を作成及び検査した。下の表１２は、ｐ＋ＧａＡｓＳｂ／ｎ＋ＩｎＰトンネルダイオードを含む非ＥＬＯ ＤＪＩｎＰ／ＧａＡｓ太陽電池のために用いられるエピタキシャル層を示している。
表１２−ＩｎＰ基板上のトンネルダイオードを有する非ＥＬＯ二重接合ＩｎＰ／ＧａＡｓ積層体
ＡＭ０の条件下で測定された非ＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を図２４に示す。トップセルの分割のみ用いても、開放電圧（Ｖｏｃ）は、１．１Ｖを超え、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は、３１．６ｍＡ／ｃｍ２であった。曲線因子は、７５．６％であり、総合的なＡＭ０効率は、１９．５％であった。図２５は、非ＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池のサブセルの量子効率を示している。量子効率データは、ＡＲＣがないトップサブセルのデータ２３１０、ＡＲＣがあるトップサブセルのデータ２３２０及びＡＲＣがないボトムサブセルのデータ２３３０を含む。このデータは、非ＥＬＯ太陽電池を用いて取得したものであるが、先の比較用ＥＬＯ、非ＥＬＯ ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ太陽電池データが示すように、本出願人のＥＬＯプロセスは、太陽電池性能を実質的に変更しないので、対応するＥＬＯ太陽電池のデータも非ＥＬＯデータと実質的に同様となる。したがって、後述する表１３に示すエピタキシャル積層体から生成される対応するＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池の結果も図２４及び図２５における結果と同様であることが予想される。
表１３−ＩｎＰ基板上の同等のトンネルダイオードを有するＥＬＯ二重接合ＩｎＰ／ＧａＡｓ積層体
Ｃ．反射防止コーティング
本出願人は、二重接合太陽電池に多層膜反射防止コーティングを採用した。最終的な二重接合太陽電池に採用した反射防止コーティングは、厚さ１１０２ÅのＭｇＦ２の層と、厚さ５４２ÅのＴｉＯ２の層とを含み、これらは、何れも電子ビーム蒸着によって堆積されている。図２６は、透過２４１０、反射２４２０及び吸収２４３０を含むＡＲＣの光学的特性を波長の関数として示すグラフである。
本出願人は、二重接合太陽電池に多層膜反射防止コーティングを採用した。最終的な二重接合太陽電池に採用した反射防止コーティングは、厚さ１１０２ÅのＭｇＦ２の層と、厚さ５４２ÅのＴｉＯ２の層とを含み、これらは、何れも電子ビーム蒸着によって堆積されている。図２６は、透過２４１０、反射２４２０及び吸収２４３０を含むＡＲＣの光学的特性を波長の関数として示すグラフである。
実施例５−三重接合ＩｎＡｌＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池
例示的なＥＬＯ三重接合（triple-junction：ＴＪ）太陽電池２６１０を図２７に示す。ＴＪ太陽電池は、１．８ｅＶのバンドギャップを有するトップＩｎＡｌＡｓＳｂサブセル２６２０と、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２６３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２６４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２６４０とを備える。
例示的なＥＬＯ三重接合（triple-junction：ＴＪ）太陽電池２６１０を図２７に示す。ＴＪ太陽電池は、１．８ｅＶのバンドギャップを有するトップＩｎＡｌＡｓＳｂサブセル２６２０と、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２６３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２６４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２６４０とを備える。
実施例６−三重接合分割トップセルＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池
トップ接合分割セルを備えるＥＬＯ三重接合（ＴＪ）太陽電池２７１０の具体例を図２８に示す。上述したＴＪ太陽電池２６１０と同様に、ＴＪ太陽電池２７１０は、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２７３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２７４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２７４０とを備える。但し、ＴＪ太陽電池２７１０は、２つのトップサブセル、すなわち、下側のトップサブセル２７２６及び上側のトップサブセル２７２６（これらをまとめて２７２０の符号を付している。）を備え、これらは何れも同じバンドギャップを有し、これを「分割セル」構成と呼ぶ。下側のトップサブセル２７２６は、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。上側のトップサブセル２７２２は、追加的トップサブセルとも呼ばれ、これも、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が上側のトップサブセル２７２２によって吸収され、１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が下側のトップサブセル２７２６によって吸収されるように、上側のトップサブセル２７２２は、下側のトップサブセル２７２４より薄く形成されている。図に示すように、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６は、トンネル接合２７２４を介して接続してもよい。トンネル接合２７２４のバンドギャップは、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６のバンドギャップより実質的に大きい必要がある。
トップ接合分割セルを備えるＥＬＯ三重接合（ＴＪ）太陽電池２７１０の具体例を図２８に示す。上述したＴＪ太陽電池２６１０と同様に、ＴＪ太陽電池２７１０は、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２７３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２７４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２７４０とを備える。但し、ＴＪ太陽電池２７１０は、２つのトップサブセル、すなわち、下側のトップサブセル２７２６及び上側のトップサブセル２７２６（これらをまとめて２７２０の符号を付している。）を備え、これらは何れも同じバンドギャップを有し、これを「分割セル」構成と呼ぶ。下側のトップサブセル２７２６は、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。上側のトップサブセル２７２２は、追加的トップサブセルとも呼ばれ、これも、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が上側のトップサブセル２７２２によって吸収され、１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が下側のトップサブセル２７２６によって吸収されるように、上側のトップサブセル２７２２は、下側のトップサブセル２７２４より薄く形成されている。図に示すように、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６は、トンネル接合２７２４を介して接続してもよい。トンネル接合２７２４のバンドギャップは、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６のバンドギャップより実質的に大きい必要がある。
実施例７−ＧａＡｓ上のメタモルフィック層に成長されたＥＬＯ単接合ＩｎＰ太陽電池
本出願人は、ＧａＡｓ上のメタモルフィック層に成長されたメタモルフィック（ＭＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成し、その動作特性を検査し、ＩｎＰ上で成長された典型的な格子整合（ＬＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池の動作特性と比較した（上述の実施例２参照）。下の表１４は、ＧａＡｓ上で成長されたＭＭ ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のため用いられたエピタキシャル層のリストである。本出願人は、式「ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ，ｘ＝０→０．５３」に基づいて組成がＧａＡｓからＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓまで段階的に傾斜する２０個の異なるＩｎＧａＡｓ層を含む傾斜（メタモルフィック）バッファ層（層２）を採用した。傾斜バッファ層上には、ＩｎＧａＡｓバッファ層を堆積させ、バッファ層上にＡｌＡｓＳｂ剥離層を堆積させた。積層体の他の層は、ＩｎＰ基板上に成長されるＬＭ ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ層のために使用される層と同様である。
本出願人は、ＧａＡｓ上のメタモルフィック層に成長されたメタモルフィック（ＭＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池を作成し、その動作特性を検査し、ＩｎＰ上で成長された典型的な格子整合（ＬＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池の動作特性と比較した（上述の実施例２参照）。下の表１４は、ＧａＡｓ上で成長されたＭＭ ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のため用いられたエピタキシャル層のリストである。本出願人は、式「ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ，ｘ＝０→０．５３」に基づいて組成がＧａＡｓからＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓまで段階的に傾斜する２０個の異なるＩｎＧａＡｓ層を含む傾斜（メタモルフィック）バッファ層（層２）を採用した。傾斜バッファ層上には、ＩｎＧａＡｓバッファ層を堆積させ、バッファ層上にＡｌＡｓＳｂ剥離層を堆積させた。積層体の他の層は、ＩｎＰ基板上に成長されるＬＭ ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ層のために使用される層と同様である。
表１４−ＧａＡｓ基板上にメタモルフィックバッファ層を有するＥＬＯ単接合ＩｎＰ積層体
図２９は、ＧａＡｓ基板上に成長された４個の異なるメタモルフィック（ＭＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のＩ−Ｖデータ及びＩｎＰ基板上に成長された典型的な格子整合（ＬＭ）ＥＬＯ ＳＪ ＩｎＰ太陽電池のＩ−Ｖデータを示している。このグラフに示すように、ＬＭ ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池は、ＭＭ ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池より大きい開放電圧及びＭＭ ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池より大きい短絡電流を有する。但し、ＭＭ ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池は、複数の太陽電池の間で一貫した挙動を示している。ＧａＡｓ基板は、ＩｎＰ基板より広く用いられており、ＩｎＰ基板より強靱であり、対応するＩｎＰウェハより大きいウェハサイズで容易に作成することができる。幾つかの用途では、ＭＭ ＥＬＯ ＩｎＰ太陽電池の動作特性が十分であり、ＩｎＰウェハの代わりにＧａＡｓウェハを使用することが望ましい場合もある（例えば、６インチＧａＡｓウェハに対するウェハ規模の処理）。
非ＥＬＯ及びＥＬＯ ＧａＡｓ及びＧｅベースの太陽電池を用いることができる全ての用途において、ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池の例示的な実施形態を用いることができる。例えば、宇宙、空中及び地上の発電のためにＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池を使用することができる。例えば、効率を高めることが望まれる地上集光型太陽光発電システム（terrestrial concentrator photovoltaic systems）において、薄膜ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池を使用することができる。また、薄膜ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、効率の向上及びセルの柔軟性が望まれる携帯型ブランケット等、非集光型の地上用途にも使用できる。幾つかの例示的なＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、宇宙等の高放射線環境下での発電に特に適合する。
他の具体例として、薄膜のＥＬＯのＩｎＰベースの太陽電池は、効率の向上及び重量の削減が望まれる人工衛星太陽光パネル等の宇宙関連用途に使用してもよい。更にＩｎＰベースの多接合太陽電池は、ＧａＡｓベースの多接合太陽電池に比べて放射線に対する耐性が向上しているので、宇宙等の高放射線環境下での発電に好適である。更に他の具体例として、薄膜ＥＬＯ ＩｎＰベースの太陽電池は、効率の向上及び重量の削減が望まれる無人飛行体の電源として用いることができる。幾つかの実施形態では、ここに開示したＥＬＯ技術は、熱光起電（thermophotovoltaic：ＴＰＶ）用途に適用することができる。
例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、添付の特許請求の範囲に定義されている本発明の意図された範囲から逸脱することなく、詳細な形式を様々に変更できることは、当業者にとって明らかである。
図４は、リフトオフされた層を反転及び処理した後のＥＬＯ二重接合ＩｎＰベースの太陽電池２９０を図式的に表している。この図に示すように、（例えば、更に窓層１４０から見て）第１のサブセル１５０は、トップサブセルであり、第２のサブセル２５０は、ボトムサブセルである。正面コンタクト層１３２は、セルのトップに入射した光２９２の大部分が窓層１４０に到達するようにパターン化される。第１のサブセル１５０では、光の一部は、吸収され、電流に変換される。包括的に言えば、トップセル（第１のサブセル１５０）は、大きなバンドギャップを有し、エネルギがより大きい光（周波数がより高い光）が第１のサブセルに吸収され、エネルギがより小さい光（周波数がより低い光）が第１のサブセルを通過し、バンドギャップがより小さい下側のサブセル（例えば、第２のサブセル２５０）に到達する。包括的に言えば、第２のサブセル２５０のバンドギャップは、より小さく、第１のサブセル１５０を通過した低エネルギ光の一部が第２のサブセル２５０に吸収される。例えば、幾つかの実施形態では、第１のサブセルは、１．３５〜１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、第２のサブセルは、０．６〜０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する。二重接合設計は、単接合設計より効率を向上させることができる。
更に、積層体３１０は、ベース層４５４及びエミッタ層４５２を含む第２のサブセル４５０を備える。第２のサブセル４５０の上位には、第２のＢＳＦ層４５６がある。図に示すように、幾つかの実施形態では、第１のサブセル３５０は、トンネルダイオード３９０によって、第２のサブセル４５０から分離することができる。トンネルダイオード３９０は、ｐ型層３９２及びｎ型層３９４を含む。トンネルダイオード３９０は、第１のサブセルのベース３５４と第２のサブセルのエミッタ４５２との間の電気コンタクトを提供する。また、ｎ型トンネルダイオード層３９４は、第２のサブセル４５０のための窓層としても機能する。
図９は、基板を有さない格子整合ＥＬＯ多接合ＩｎＰベースの太陽電池を作成する方法７２０を図式的に示している。以下では、図３及び図４に示す積層体１１０及び太陽電池２９０の参照符号を用いてこの方法を例示的に説明する。ＩｎＰベースのベース太陽電池の多くの異なる実施形態を作成できることは、当業者にとって明らかである。まず、ＩｎＰ基板１１２に剥離層１２０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２２）。幾つかの実施形態では、剥離層１２０の形成の前に、ＩｎＰ基板１１２上に第１のバッファ層をエピタキシャルに形成する。幾つかの実施形態では、剥離層１２０上に第２のバッファ層をエピタキシャルに形成する。
次に、剥離層１２０上に窓層１４０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２４）。窓層１４０を形成する前に剥離層１２０上に正面コンタクト層１３０を形成してもよい。幾つかの実施形態では、正面コンタクト層１３０の形成の前にエッチング停止層を形成してもよい。幾つかの実施形態では、窓層１４０の形成の前に正面コンタクト層１３０上にエッチング停止層を形成してもよい。
次に、窓層１４０上に第１のサブセル１５０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２６）。第１のサブセル１５０上にトンネルダイオード１９０をエピタキシャルに形成する（ステップ７２８）。幾つかの実施形態では、トンネルダイオード１９０の形成の前に第１のサブセル１５０上にＢＳＦ層１５６を形成する。次に、トンネルダイオード１９０上に第２のサブセル２５０をエピタキシャルに形成する（ステップ７３０）。幾つかの実施形態では、第２のサブセル２５０上にＢＳＦ層２５６を形成してもよい。
ＡＭ０の条件下で測定された非ＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池のＩ−Ｖ動作特性を図２４に示す。トップセルの分割のみ用いても、開放電圧（Ｖｏｃ）は、１．１Ｖを超え、短絡電流密度（Ｊｓｃ）は、３１．６ｍＡ／ｃｍ２であった。曲線因子は、７５．６％であり、総合的なＡＭ０効率は、１９．５％であった。図２５は、非ＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池のサブセルの量子効率を示している。量子効率データは、ＡＲＣがないトップサブセルのデータ２２１０、ＡＲＣがあるトップサブセルのデータ２２２０及びＡＲＣがないボトムサブセルのデータ２２３０を含む。このデータは、非ＥＬＯ太陽電池を用いて取得したものであるが、先の比較用ＥＬＯ、非ＥＬＯ ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ太陽電池データが示すように、本出願人のＥＬＯプロセスは、太陽電池性能を実質的に変更しないので、対応するＥＬＯ太陽電池のデータも非ＥＬＯデータと実質的に同様となる。したがって、後述する表１３に示すエピタキシャル積層体から生成される対応するＥＬＯ ＤＪ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池の結果も図２４及び図２５における結果と同様であることが予想される。
実施例６−三重接合分割トップセルＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ太陽電池
トップ接合分割セルを備えるＥＬＯ三重接合（ＴＪ）太陽電池２７１０の具体例を図２８に示す。上述したＴＪ太陽電池２６１０と同様に、ＴＪ太陽電池２７１０は、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２７３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２７４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２７４０とを備える。但し、ＴＪ太陽電池２７１０は、２つのトップサブセル、すなわち、下側のトップサブセル２７２６及び上側のトップサブセル２７２２（これらをまとめて２７２０の符号を付している。）を備え、これらは何れも同じバンドギャップを有し、これを「分割セル」構成と呼ぶ。下側のトップサブセル２７２６は、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。上側のトップサブセル２７２２は、追加的トップサブセルとも呼ばれ、これも、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が上側のトップサブセル２７２２によって吸収され、１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が下側のトップサブセル２７２６によって吸収されるように、上側のトップサブセル２７２２は、下側のトップサブセル２７２６より薄く形成されている。図に示すように、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６は、トンネル接合２７２４を介して接続してもよい。トンネル接合２７２４のバンドギャップは、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６のバンドギャップより実質的に大きい必要がある。
トップ接合分割セルを備えるＥＬＯ三重接合（ＴＪ）太陽電池２７１０の具体例を図２８に示す。上述したＴＪ太陽電池２６１０と同様に、ＴＪ太陽電池２７１０は、１．１７ｅＶのバンドギャップを有する中間ＩｎＧａＡｓＰサブセル２７３０と、０．７１ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓ量子井戸２７４５を含むボトムＩｎＧａＡｓサブセル２７４０とを備える。但し、ＴＪ太陽電池２７１０は、２つのトップサブセル、すなわち、下側のトップサブセル２７２６及び上側のトップサブセル２７２２（これらをまとめて２７２０の符号を付している。）を備え、これらは何れも同じバンドギャップを有し、これを「分割セル」構成と呼ぶ。下側のトップサブセル２７２６は、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。上側のトップサブセル２７２２は、追加的トップサブセルとも呼ばれ、これも、１．４６ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓサブセルである。１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が上側のトップサブセル２７２２によって吸収され、１．４６ｅＶより大きいエネルギを有する入射光子の約半分が下側のトップサブセル２７２６によって吸収されるように、上側のトップサブセル２７２２は、下側のトップサブセル２７２６より薄く形成されている。図に示すように、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６は、トンネル接合２７２４を介して接続してもよい。トンネル接合２７２４のバンドギャップは、上側のトップサブセル２７２２及び下側のトップサブセル２７２６のバンドギャップより実質的に大きい必要がある。
Claims (88)
- 基板を有さない薄膜ＩｎＰベースの太陽電池において、
窓層と、
第１のサブセルと、
引張応力が加わる薄膜バッキング層とを備え、前記第１のサブセルは、前記窓層と前記薄膜バッキング層との間に配置される太陽電池。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＰに格子整合されている請求項１記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＰベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層のうちの少なくとも１つを含む請求項１記載の太陽電池。
- 前記太陽電池の構造は、多接合太陽電池である請求項１記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルと前記バッキング層との間の第２のサブセルを更に備える請求項１記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＰベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層を備える請求項５記載の太陽電池。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項５記載の太陽電池。 - 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを更に備える請求項５記載の太陽電池。
- 前記第１のトンネルダイオードは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層の一方又は両方を備える請求項５記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項５から９までのいずれか１項記載の太陽電池。 - 前記第２のサブセルと前記バッキング層との間に第３のサブセルを更に備える請求項５記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓＳｂベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項１１記載の太陽電池。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項１１記載の太陽電池。 - 前記窓層と前記第１のサブセルとの間に第４のサブセルを更に備える請求項１１記載の太陽電池。
- 前記第４のサブセルのベース材料及び前記第１のサブセルのベース材料は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＳｂである請求項１４記載の太陽電池。
- 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間の第１のトンネルダイオードと、
前記第２のサブセルと前記第３のサブセルとの間の第２のトンネルダイオードとを更に備える請求項１１記載の太陽電池。 - 前記第１のサブセルは、１．４６ｅＶ乃至２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．７５ｅＶ乃至１．５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第３のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項１１から１６までのいずれか１項記載の太陽電池。 - 前記第１のサブセル、第２のサブセル及び第３のサブセルは、ＩｎＰに格子整合されている請求項１１から１６までのいずれか１項記載の太陽電池。
- 前記窓層は、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＡｌＡｓＳｂ層の少なくとも１つを備える請求項１から９まで及び１１から１６までのいずれか１項記載の太陽電池。
- 基板を有さない薄膜ＩｎＰベースの太陽電池を製造する方法において、
ＩｎＰ基板上に剥離層をエピタキシャルに形成するステップと、
前記剥離層上に窓層をエピタキシャルに形成するステップと、
前記窓層上に第１のサブセルをエピタキシャルに形成するステップと、
前記第１のサブセル上にバッキング層を形成するステップと、
前記剥離層をエッチングして、前記ＩｎＰ基板から太陽電池を分離するステップとを有する方法。 - 前記剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、前記ＩｎＰ基板に格子整合された層を形成するステップを含む請求項２０記載の方法。
- 前記剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップ、ＩｎＰベース層を形成するステップ、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層を形成するステップ及びＩｎＧａＡｓＰベース層を形成するステップの少なくとも１つを含む請求項２０記載の方法。
- 前記第１のサブセル上に第２のサブセルを形成するステップを更に有し、前記バッキング層は、前記第２のサブセル上に形成される請求項２０記載の方法。
- 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＰベース層を形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップを含む請求項２３記載の方法。 - 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項２３記載の方法。 - 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップを更に有する請求項２３記載の方法。
- 前記第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層を形成するステップ及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層を形成するステップの一方又は両方を含む請求項２３記載の方法。
- 前記第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項２３から２７までのいずれか１項記載の方法。 - 前記第２のサブセル上に第３のサブセルを形成するステップを更に有し、前記バッキング層は、前記第３のサブセル上に形成される請求項２３記載の方法。
- 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓＳｂベース層を形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層又はＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、
前記第３のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項２９記載の方法。 - 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層を形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、
前記第３のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項２９記載の方法。 - 前記剥離層上に第４のサブセルを形成するステップを更に有し、前記第４のサブセルは、前記第１のサブセルの形成の前に形成される請求項２９記載の方法。
- 前記第４のサブセルのベース材料及び前記第１のサブセルのベース材料は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＳｂである請求項３２記載の方法。
- 前記第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップと、
前記第２のサブセルと第３のサブセルとの間に第２のトンネルダイオードを形成するステップとを更に有する請求項２９記載の方法。 - 前記第１のサブセルは、１．４６ｅＶ乃至２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．７５ｅＶ乃至１．５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第３のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項２９から３４までのいずれか１項記載の方法。 - 前記剥離層を形成するステップは、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及びシュードモルフィックＡｌＡｓ層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記形成されたバッキング層には、前記剥離層の剥離の間に引張応力が加わる請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記剥離層上に窓層を形成するステップを更に有し、前記窓層は、前記第１のサブセルのベース層を形成する前に形成される請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記ＩｎＰ基板を再利用し、基板を有さない第２のＩｎＰベースの太陽電池を作成するステップを更に有する請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記剥離層をエッチングして、前記基板から太陽電池を分離するステップにおいて、前記基板から他の複数の太陽電池が分離される請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- 前記基板は、９５ｍｍ乃至１５５ｍｍの範囲の直径を有するウェハである請求項２０から２７まで及び２９から３４までのいずれか１項記載の方法。
- エピタキシャルリフトオフを用いてＩｎＰベースの太陽電池を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物材料積層体において、
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上の剥離層と、
第１のサブセルと、
薄膜バッキング層とを備え、前記第１のサブセルは、前記剥離層と前記バッキング層との間にある積層体。 - 前記剥離層は、ＡｌＡｓＳｂ層を備える請求項４２記載の積層体。
- 前記剥離層は、ＡｌＰＳｂ層を備える請求項４２記載の積層体。
- 前記剥離層は、シュードモルフィックＡｌＡｓ層を備える請求項４２記載の積層体。
- 前記薄膜バッキング層には、引張応力が加わる請求項４２記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、前記ＩｎＰ基板に格子整合されている請求項４２記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＰベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層のうちの少なくとも１つを備える請求項４２記載の積層体。
- 前記第１のサブセルと前記バッキング層との間の第２のサブセルを更に備える請求項４２記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＰベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層を備える請求項４９記載の積層体。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項４９記載の積層体。 - 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを更に備える請求項４９記載の積層体。
- 前記第１のトンネルダイオードは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層の一方又は両方を備える請求項５２記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項４９から５３までのいずれか１項記載の積層体。 - 前記第２のサブセルと前記バッキング層との間に第３のサブセルを更に備える請求項４９記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓＳｂベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項５５記載の積層体。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第３のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項５５記載の積層体。 - 前記剥離層と前記第１のサブセルとの間に第４のサブセルを更に備える請求項５５記載の積層体。
- 前記第４のサブセルのベース材料及び前記第１のサブセルのベース材料は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓＳｂである請求項５８記載の積層体。
- 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間の第１のトンネルダイオードと、
前記第２のサブセルと前記第３のサブセルとの間の第２のトンネルダイオードとを更に備える請求項５５記載の積層体。 - 前記第１のサブセルは、１．４６ｅＶ乃至２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．７５ｅＶ乃至１．５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第３のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項５５から６０までのいずれか１項記載の積層体。 - 前記第１のサブセル、第２のサブセル及び第３のサブセルは、ＩｎＰに格子整合されている請求項５５から６０までのいずれか１項記載の積層体。
- 前記窓層は、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＡｌＡｓＳｂ層の少なくとも１つを備える請求項４２から５３まで及び５５から６０までのいずれか１項記載の積層体。
- 基板を有さない薄膜ＩｎＰベースの太陽電池を製造する方法において、
ＧａＡｓ基板上に組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層を形成するステップと、
前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層上に剥離層をエピタキシャルに形成するステップと、
前記剥離層上に窓層をエピタキシャルに形成するステップと、
前記窓層上に第１のサブセルをエピタキシャルに形成するステップと、
前記第１のサブセル上にバッキング層を形成するステップと、
前記剥離層をエッチングして、前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層及び前記ＧａＡｓ基板から太陽電池を分離するステップとを有する方法。 - 前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層は、少なくとも１５のバッファ層を含む請求項６４記載の方法。
- 前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層は、少なくとも２０のバッファ層を含む請求項６４記載の方法。
- 前記剥離層上に第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップ、ＩｎＰベース層を形成するステップ、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層を形成するステップ及びＩｎＧａＡｓＰベース層を形成するステップの少なくとも１つを含む請求項６４記載の方法。
- 前記第１のサブセル上に第２のサブセルを形成するステップを更に有し、前記バッキング層は、前記第２のサブセル上に形成される請求項６４記載の方法。
- 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＰベース層を形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＧａＡｓベース層を形成するステップを含む請求項６８記載の方法。 - 前記第１のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含み、
前記第２のサブセルを形成するステップは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項６８記載の方法。 - 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップを更に有する請求項６８記載の方法。
- 前記第１のサブセルと第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを形成するステップは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層を形成するステップ及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層を形成するステップの一方又は両方を含む請求項６８記載の方法。
- 前記剥離層を形成するステップは、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ層及びシュードモルフィックＡｌＡｓ層の少なくとも１つを形成するステップを含む請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記形成されたバッキング層には、前記剥離層の剥離の間に引張応力が加わる請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記剥離層上に窓層を形成するステップを更に有し、前記窓層は、前記第１のサブセルのベース層を形成する前に形成される請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記ＧａＡｓ基板を再利用し、基板を有さない第２のＩｎＰベースの太陽電池を作成するステップを更に有する請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記剥離層をエッチングして、前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層及び前記ＧａＡｓ基板から太陽電池を分離するステップにおいて、前記基板から他の複数の太陽電池が分離される請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- 前記基板は、９５ｍｍ乃至１５５ｍｍの範囲の直径を有するＧａＡｓウェハである請求項６３から７２までのいずれか１項記載の方法。
- エピタキシャルリフトオフを用いてＩｎＰベースの太陽電池を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物材料積層体において、
ＧａＡｓ基板上に形成され、最上位層がＩｎＰ層に略々等しい格子パラメータを有する組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層と、
前記組成的に傾斜する複数のメタモルフィックバッファ層上の剥離層と、
第１のサブセルと、
薄膜バッキング層とを備え、前記第１のサブセルは、前記剥離層と前記バッキング層との間にある積層体。 - 前記剥離層は、ＡｌＡｓＳｂ層、ＡｌＰＳｂ又はシュードモルフィックＡｌＡｓ層の少なくとも１つを備える請求項７９記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層、ＩｎＰベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層のうちの少なくとも１つを含む請求項７９記載の積層体。
- 前記第１のサブセルと前記バッキング層との間の第２のサブセルを更に備える請求項７９記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、ＩｎＰベース層を備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＧａＡｓベース層を備える請求項７９記載の積層体。 - 前記第１のサブセルは、ＩｎＡｌＡｓベース層、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備え、
前記第２のサブセルは、ＩｎＡｌＧａＡｓベース層及びＩｎＧａＡｓＰベース層の少なくとも１つを備える請求項８３記載の積層体。 - 前記第１のサブセルと前記第２のサブセルとの間に第１のトンネルダイオードを更に備える請求項８３記載の積層体。
- 前記第１のトンネルダイオードは、高濃度にドーピングされたＧａＡｓＳｂ層及び高濃度にドーピングされたＩｎＰ層の一方又は両方を備える請求項８３記載の積層体。
- 前記第１のサブセルは、１．３５ｅＶ乃至１．４５ｅＶの範囲のバンドギャップを有し、
前記第２のサブセルは、０．６ｅＶ乃至０．８ｅＶの範囲のバンドギャップを有する請求項８３から８６までのいずれか１項記載の積層体。 - 前記窓層は、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＡｌＡｓＳｂ層の少なくとも１つを備える請求項７９から８６までのいずれか１項記載の積層体。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201161542073P | 2011-09-30 | 2011-09-30 | |
| US201161541945P | 2011-09-30 | 2011-09-30 | |
| US61/542,073 | 2011-09-30 | ||
| US61/541,945 | 2011-09-30 | ||
| PCT/US2012/057966 WO2013101317A2 (en) | 2011-09-30 | 2012-09-28 | Thin film inp-based solar cells using epitaxial lift-off |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014531771A true JP2014531771A (ja) | 2014-11-27 |
Family
ID=48096155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2014533407A Pending JP2014531771A (ja) | 2011-09-30 | 2012-09-28 | エピタキシャルリフトオフを用いた薄膜ｉｎｐベースの太陽電池 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20150255668A1 (ja) |
| EP (1) | EP2761668A2 (ja) |
| JP (1) | JP2014531771A (ja) |
| WO (1) | WO2013101317A2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018516448A (ja) * | 2014-12-23 | 2018-06-21 | インテグレイテッド ソーラー | 残留歪を相殺するｉｉｉ−ｖ族材料とシリコンウェハとの間の材料界面のエピタキシャル成長方法 |
| WO2020040393A1 (ko) * | 2018-08-21 | 2020-02-27 | 엘지전자 주식회사 | 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법 |
| JP2020524395A (ja) * | 2017-06-16 | 2020-08-13 | アルタ デバイセズ, インコーポレイテッドAlta Devices, Inc. | 光電子デバイスを製造するための剥離層の下の成長構造 |
Families Citing this family (31)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140373906A1 (en) * | 2013-06-25 | 2014-12-25 | Solar Junction Corporation | Anti-reflection coatings for multijunction solar cells |
| WO2015084810A2 (en) | 2013-12-05 | 2015-06-11 | The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma | Thermophotovoltaic materials, methods of deposition, and devices |
| US10388817B2 (en) | 2013-12-09 | 2019-08-20 | Avago Technologies International Sales Pte. Limited | Transducer to convert optical energy to electrical energy |
| WO2015085422A1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-06-18 | Azastra Opto Inc. | Transducer to convert optical energy to electrical energy |
| US11005000B2 (en) | 2013-12-09 | 2021-05-11 | Avago Technologies International Sales Pte. Limited | Connector for photonic device |
| US10158037B2 (en) | 2013-12-09 | 2018-12-18 | Avago Technologies International Sales Pte. Limited | Transducer to convert optical energy to electrical energy |
| WO2015156871A2 (en) * | 2014-01-15 | 2015-10-15 | Forrest Stephen R Forrest | Non-destructive wafer recycling for epitaxial lift-off thin-film device using a superlattice epitaxial layer |
| WO2015179213A2 (en) | 2014-05-14 | 2015-11-26 | California Institute Of Technology | Large-scale space-based solar power station: multi-scale modular space power |
| EP3142925B1 (en) | 2014-05-14 | 2023-09-06 | California Institute of Technology | Large-scale space-based solar power station: power transmission using steerable beams |
| US12021162B2 (en) | 2014-06-02 | 2024-06-25 | California Institute Of Technology | Ultralight photovoltaic power generation tiles |
| EP3149777B1 (en) | 2014-06-02 | 2024-02-14 | California Institute of Technology | Large-scale space-based solar power station: efficient power generation tiles |
| EP3325347B1 (en) | 2015-07-22 | 2021-06-16 | California Institute of Technology | Large-area structures for compact packaging |
| US10992253B2 (en) | 2015-08-10 | 2021-04-27 | California Institute Of Technology | Compactable power generation arrays |
| EP3334655B1 (en) | 2015-08-10 | 2021-03-24 | California Institute of Technology | Systems and methods for performing shape estimation using sun sensors in large-scale space-based solar power stations |
| US10460948B2 (en) | 2015-09-04 | 2019-10-29 | International Business Machines Corporation | Stress assisted wet and dry epitaxial lift off |
| RU2611569C1 (ru) * | 2015-12-09 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Метаморфный фотопреобразователь |
| DE102016001386A1 (de) * | 2016-02-09 | 2017-08-10 | Azur Space Solar Power Gmbh | Stapelförmige Mehrfachsolarzelle |
| CN108987521B (zh) * | 2017-05-31 | 2022-02-08 | 安华高科技股份有限公司 | 将光能转换为电能的换能器 |
| US10873001B2 (en) | 2017-06-16 | 2020-12-22 | Alta Devices, Inc. | Methods of manufacturing optoelectronic devices using different growth substrates |
| US11075313B2 (en) | 2017-06-16 | 2021-07-27 | Utica Leaseco, Llc | Optoelectronic devices manufactured using different growth substrates |
| CN107634121A (zh) * | 2017-08-15 | 2018-01-26 | 苏州苏纳光电有限公司 | 基于InP衬底剥离的红外光电探测器及其预制件的制备方法 |
| KR102559479B1 (ko) * | 2018-03-16 | 2023-07-26 | 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 | 화합물 반도체 태양전지의 제조 방법 |
| US11476376B2 (en) * | 2018-03-28 | 2022-10-18 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Photovoltaic array for a power-by-light system |
| KR102634586B1 (ko) | 2018-06-11 | 2024-02-07 | 삼성디스플레이 주식회사 | 발광 소자, 그 제조방법 및 발광 소자를 포함하는 표시 장치 |
| US10797197B2 (en) * | 2018-06-18 | 2020-10-06 | Alta Devices, Inc. | Thin-film, flexible optoelectronic devices incorporating a single lattice-matched dilute nitride junction and methods of fabrication |
| US11634240B2 (en) | 2018-07-17 | 2023-04-25 | California Institute Of Technology | Coilable thin-walled longerons and coilable structures implementing longerons and methods for their manufacture and coiling |
| KR102590984B1 (ko) | 2018-10-30 | 2023-10-18 | 삼성디스플레이 주식회사 | 발광 소자 구조물 및 발광 소자의 제조방법 |
| US11772826B2 (en) | 2018-10-31 | 2023-10-03 | California Institute Of Technology | Actively controlled spacecraft deployment mechanism |
| US11658256B2 (en) | 2019-12-16 | 2023-05-23 | Solaero Technologies Corp. | Multijunction solar cells |
| US11658258B2 (en) * | 2020-09-25 | 2023-05-23 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Device architectures having engineered stresses |
| US11362230B1 (en) | 2021-01-28 | 2022-06-14 | Solaero Technologies Corp. | Multijunction solar cells |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58220475A (ja) * | 1982-06-17 | 1983-12-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | モノリシツクカスケ−ド形太陽電池 |
| JPS61110470A (ja) * | 1984-11-05 | 1986-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ＩｎＰ太陽電池の製策方法 |
| JPS61182271A (ja) * | 1985-02-08 | 1986-08-14 | Toshiba Corp | 半導体受光素子 |
| JPH05114747A (ja) * | 1991-04-23 | 1993-05-07 | Us Government | 改良されたモノリシツクなタンデム型太陽電池 |
| US5407491A (en) * | 1993-04-08 | 1995-04-18 | University Of Houston | Tandem solar cell with improved tunnel junction |
| JP2006032784A (ja) * | 2004-07-20 | 2006-02-02 | Sharp Corp | 半導体装置の製造方法、半導体装置 |
| JP2010532576A (ja) * | 2007-07-03 | 2010-10-07 | マイクロリンク デバイセズ インコーポレイテッド | Ｉｉｉ−ｖ化合物薄膜太陽電池の加工方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5800630A (en) * | 1993-04-08 | 1998-09-01 | University Of Houston | Tandem solar cell with indium phosphide tunnel junction |
| US5769964A (en) * | 1996-08-29 | 1998-06-23 | The United States Of America As Reprresented By The United States Department Of Energy | Bulk single crystal ternary substrates for a thermophotovoltaic energy conversion system |
| US7339109B2 (en) * | 2000-06-20 | 2008-03-04 | Emcore Corporation | Apparatus and method for optimizing the efficiency of germanium junctions in multi-junction solar cells |
| US20060162768A1 (en) * | 2002-05-21 | 2006-07-27 | Wanlass Mark W | Low bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices |
| US7675669B2 (en) * | 2004-09-27 | 2010-03-09 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | Method and system for driving interferometric modulators |
| US7846759B2 (en) * | 2004-10-21 | 2010-12-07 | Aonex Technologies, Inc. | Multi-junction solar cells and methods of making same using layer transfer and bonding techniques |
| WO2009151979A2 (en) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | 4Power, Llc | High-efficiency solar cell structures and methods |
| US20100229933A1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-16 | Emcore Solar Power, Inc. | Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells with a Supporting Coating |
| CN102593229A (zh) * | 2011-01-11 | 2012-07-18 | 朱忻 | 多结太阳能电池及其制造方法 |
-
2012
- 2012-09-28 EP EP12840875.4A patent/EP2761668A2/en not_active Withdrawn
- 2012-09-28 JP JP2014533407A patent/JP2014531771A/ja active Pending
- 2012-09-28 WO PCT/US2012/057966 patent/WO2013101317A2/en active Application Filing
- 2012-09-28 US US13/631,533 patent/US20150255668A1/en not_active Abandoned
-
2013
- 2013-01-28 US US13/752,065 patent/US20130133730A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58220475A (ja) * | 1982-06-17 | 1983-12-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | モノリシツクカスケ−ド形太陽電池 |
| JPS61110470A (ja) * | 1984-11-05 | 1986-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ＩｎＰ太陽電池の製策方法 |
| JPS61182271A (ja) * | 1985-02-08 | 1986-08-14 | Toshiba Corp | 半導体受光素子 |
| JPH05114747A (ja) * | 1991-04-23 | 1993-05-07 | Us Government | 改良されたモノリシツクなタンデム型太陽電池 |
| US5407491A (en) * | 1993-04-08 | 1995-04-18 | University Of Houston | Tandem solar cell with improved tunnel junction |
| JP2006032784A (ja) * | 2004-07-20 | 2006-02-02 | Sharp Corp | 半導体装置の製造方法、半導体装置 |
| JP2010532576A (ja) * | 2007-07-03 | 2010-10-07 | マイクロリンク デバイセズ インコーポレイテッド | Ｉｉｉ−ｖ化合物薄膜太陽電池の加工方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018516448A (ja) * | 2014-12-23 | 2018-06-21 | インテグレイテッド ソーラー | 残留歪を相殺するｉｉｉ−ｖ族材料とシリコンウェハとの間の材料界面のエピタキシャル成長方法 |
| JP2021073721A (ja) * | 2014-12-23 | 2021-05-13 | インテグレイテッド ソーラー | 残留歪を相殺するｉｉｉ−ｖ族材料とシリコンウェハとの間の材料界面のエピタキシャル成長方法 |
| JP2020524395A (ja) * | 2017-06-16 | 2020-08-13 | アルタ デバイセズ, インコーポレイテッドAlta Devices, Inc. | 光電子デバイスを製造するための剥離層の下の成長構造 |
| WO2020040393A1 (ko) * | 2018-08-21 | 2020-02-27 | 엘지전자 주식회사 | 화합물 반도체 태양전지 및 이의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2013101317A3 (en) | 2014-02-20 |
| WO2013101317A2 (en) | 2013-07-04 |
| US20150255668A1 (en) | 2015-09-10 |
| US20130133730A1 (en) | 2013-05-30 |
| EP2761668A2 (en) | 2014-08-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2014531771A (ja) | エピタキシャルリフトオフを用いた薄膜ｉｎｐベースの太陽電池 | |
| TWI600173B (zh) | 在中間電池中具有低能隙吸收層之多接面太陽能電池及其製造方法 | |
| US9368671B2 (en) | Bifacial tandem solar cells | |
| US10263129B2 (en) | Multijunction photovoltaic device having SiGe(Sn) and (In)GaAsNBi cells | |
| EP2553731B1 (en) | Subcell for use in a multijunction solar cell | |
| JP2020155778A (ja) | エピタキシャルリフトオフ後のウエハーの再利用のための犠牲エッチング保護層 | |
| US9437769B2 (en) | Four-junction quaternary compound solar cell and method thereof | |
| US20090255575A1 (en) | Lightweight solar cell | |
| US20090272438A1 (en) | Strain Balanced Multiple Quantum Well Subcell In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cell | |
| WO2006031305A1 (en) | Multijunction laser light detector with multiple voltage device implementation | |
| US9691930B2 (en) | Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive | |
| US20200274016A1 (en) | MULTIJUNCTION SOLAR CELLS ON BULK GeSi SUBSTRATE | |
| CN105190911A (zh) | 化合物半导体光伏电池和其制造方法 | |
| CN103199142A (zh) | GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结太阳能电池及其制备方法 | |
| US9929300B2 (en) | Multijunction solar cells with electrically conductive polyimide adhesive | |
| CN107546293B (zh) | 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构 | |
| Lackner et al. | Status of four-junction cell development at fraunhofer ISE | |
| US9768326B1 (en) | Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive | |
| Miyashita et al. | Inverted lattice-matched GaInP/GaAs/GaInNAsSb triple-junction solar cells: Epitaxial lift-off thin-film devices and potential space applications | |
| US20170365732A1 (en) | Dilute nitride bismide semiconductor alloys | |
| Mizuno et al. | A “smart stack” triple-junction cell consisting of InGaP/GaAs and crystalline Si | |
| US20180226532A1 (en) | METHOD FOR FABRICATING MULTIJUNCTION SOLAR CELLS ON BULK GeSi SUBSTRATE | |
| Pakhanov et al. | Superthin Solar Cells Based on A III BV/Ge Heterostructures | |
| CN114649437A (zh) | 一种锗多结太阳能电池及其制备方法 | |
| US20140069489A1 (en) | Photovoltaic cell and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150925 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160627 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160705 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20160929 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20170307 |