JP6351203B2 - デルタドーピング層を有する太陽電池 - Google Patents

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Description

本出願は、太陽電池に関し、具体的にはデルタドーピング層を有する太陽電池に関し、さらに具体的には裏面電界領域内にデルタドーピング層を有する太陽電池に関する。
太陽電池は、光起電力効果により太陽のエネルギーを有用な電気エネルギーに変換する。現代の多重接合太陽電池は、軽量であるという利点が加わったことにより、従来のシリコン太陽電池よりはるかに高い効率で動作する。したがって、太陽電池により、様々な地球的及び宇宙的用途に適した、信頼性の高い、軽量で持続可能な電気エネルギー源が提供される。
太陽電池は、典型的に、特定のエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を含んでいる。半導体材料のバンドギャップより大きなエネルギーを有する太陽光中のフォトンが半導体材料によって吸収されることにより、半導体材料内部にエレクトロンが解放される。解放されたエレクトロンは、半導体材料全体に拡散し、電流として回路を通って流れる。
太陽電池の背面におけるエレクトロンと穴との再結合は、効率を低下させる。したがって、太陽電池の背面近傍には、通常、裏面電界層が設けられている。裏面電界層は、背面へと向かう(すなわち、トンネル接合又は背部電極へと向かう)少数キャリアの流れに対する障壁となる。したがって、裏面電界層は、通常、少数キャリヤが、太陽電池の裏側の境界面又は表面で再結合すること、或いは太陽電池の基部から逃げることを妨げ、それにより基部裏側の境界面又は表面を不動態化し、且つ太陽電池の少数キャリア障壁として機能する。残念ながら、特にAlGaInP太陽電池のようなバンドギャップの高い太陽電池の裏面電界層として使用できる高バンドギャップ材料を見つけることがますます困難になっている。
したがって、当業者は、太陽電池の分野において研究開発の努力を続けている。
一実施形態では、開示される太陽電池は、基部領域、裏面電界層、及び基部領域と裏面電界層との間に配置されたデルタドーピング層を含む。
別の実施形態では、開示される太陽電池は、前端と後端とを有する基部領域、及び基部領域の後端近傍に配置されるデルタドーピング層を含む。
また別の実施形態においては、太陽電池の形成方法が開示される。この方法は、(1)基板を準備するステップ、(2)基板上に裏面電界層を成長させるステップ、(3)裏面電界層をデルタドーピングすることによりデルタドーピング層を形成するステップ、及び(4)デルタドーピング層の上に追加の層を成長させるステップを含む。
デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池と、同太陽電池の形成方法の他の実施形態は、後述の詳細な説明、添付図面及び請求の範囲から明らかになるだろう。
デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池の一実施形態の概略断面図である。 デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池の形成に使用されうるステップを示すフロー図である。 本発明の太陽電池(デルタドーピング層あり)と、裏面電界領域にデルタドーピング層を持たない太陽電池とを比較する、照射時の電流/電圧(「LIV」)を示すグラフである。 本発明の太陽電池(デルタドーピング層あり)と、対照例として、裏面電界領域にデルタドーピング層を持たない太陽電池との、開回路電圧を示すグラフである。 デルタドーピング層だけを裏面電界領域として有する太陽電池のバンドギャップを示す概略図である。 裏面電界領域の一部としてデルタドーピング層を有する太陽電池のバンドギャップを示す概略図である。
図1に示すように、デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池の一実施形態(全体を参照番号10で示す)は、上部構造14及び下部構造16との間に電池12を含んでいる。電池12には、ウィンドウ18、エミッタ領域20、真性領域又は空乏領域22、基部領域24、及び裏面電界(「BSF」)領域26が含まれている。
上部構造14は、電池12の上に配置される任意の構造とすることができる。当業者であれば、上部構造14の特定の組成は太陽電池10の特定の構成に応じて決まることを理解するであろう。
一構成例では、太陽電池10は多重接合太陽電池であり、電池12は多重接合太陽電池の上側のサブ電池である。別の構成例では、電池12が太陽電池10の唯一の電池であってよい。したがって、上部構造4には、例えば、反射防止コーティング層、キャップ層(例えば、GaAsキャップ)、及び電気接触層(例えば、金属グリッド)が含まれている。
別の構成例では、太陽電池10は多重接合太陽電池であり、上部構造14は多重接合太陽電池の別のサブ電池である。当業者であれば、隣接するサブ電池同士をトンネル接合によって分離できることを理解するであろう。
下部構造16は、電池12の下に配置される任意の構造とすることができる。当業者であれば、下部構造16の特定の組成は太陽電池10の特定の構成に応じて決まることを理解するであろう。
一構成例では、太陽電池10は多重接合太陽電池であり、電池12は多重接合太陽電池の下側のサブ電池である。別の構成例では、電池12が太陽電池10の唯一の電池であってよい。したがって、下部構造16には、例えば、緩衝層、及び基板(例えば、ゲルマニウム基板)が含まれる。
別の構成例では、太陽電池10は多重接合太陽電池であり、下部構造16は多重接合太陽電池の別のサブ電池である。電池12は、トンネル接合によってその下の電池から分離できる。
裏面電界領域26には、第1の裏面電界層28、デルタドーピング層30、及び第2の裏面電界層32が含まれている。したがって、デルタドーピング層30は、第1の裏面電界層28と第2の裏面電界層32との間に位置している。
別の構成では、裏面電界領域26には、第1の裏面電界層28、及びデルタドーピング層30が含まれる(すなわち、第2の裏面電界層は含まれない)。したがって、デルタドーピング層30は、基部領域24と第1の裏面電界層28との境界面に位置している。
デルタドーピング層30は、第1及び第2の裏面電界層28、32に対するドーパントとなる任意の元素から構成することができる。したがって、デルタドーピング層30の組成は、第1及び第2の裏面電界層28、32の組成によって決まる。
一般的で非限定的な一実施例として、電池12は以下のように形成することができる。すなわち、ウィンドウ18をAlInPとし、エミッタ領域20をGaInPとし、真性領域22をGaInPとし、基部領域24をGaInPとし、第1及び第2の裏面電界層28、32をAlGaAsとする。したがって、第1及び第2の裏面電界層28、32は、第13族及び15族の元素から形成され、デルタドーピング層30は、第13族及び15族の元素以外の(一又は複数の)元素から形成される。
特定の非限定的な一実施例として、電池12の第1及び第2の裏面電界層28、32をAlGaAsから形成し、デルタドーピング層30を第14族の元素(例えば、炭素、ケイ素、又はゲルマニウム)から形成することができる。
別の特定の非限定的一実施例として、電池12の第1及び第2の裏面電界層28、32をAlGaAsから形成し、デルタドーピング層30を炭素から形成することができる。
デルタドーピング層30の層厚は、使用されるデルタドーパントと、デルタドーピング層30がその上に適用される裏面電界材料(例えば、第1の裏面電界層28の材料)の種類を含む、様々な要因によって決定される。当業者であれば、デルタドーピング層の制限により、達成可能なデルタドーピング層30の全体の層厚が制限されることを理解するであろう。
一表現例では、デルタドーピング層30の平均層厚は、約1ナノメートル〜約100ナノメートルである。別の表現例では、デルタドーピング層30の平均層厚は、約5ナノメートル〜約50ナノメートルである。別の表現例では、デルタドーピング層30の平均層厚は、約5ナノメートル〜約25ナノメートルである。別の表現例では、デルタドーピング層30の平均層厚は、約5ナノメートル〜約15ナノメートルである。また別の表現例では、デルタドーピング層30の平均層厚は、約10ナノメートルである。
このように、デルタドーパントは、裏面電界領域26において、極めて薄い層に限定されうる。
デルタドーピング層30のデルタドーパントの容積濃度も、使用されるデルタドーパントと、デルタドーピング層30がその上に適用される基板の材料(例えば、第1の裏面電界層28の材料)の種類を含む、様々な要因によって決定される。
一表現例では、デルタドーピング層30中のデルタドーパントの容積濃度は、少なくとも約1×1018原子/cmである。別の表現例では、デルタドーピング層30中のデルタドーパントの容積濃度は、少なくとも約1×1019原子/cmである。別の表現例では、デルタドーピング層30中のデルタドーパントの容積濃度は、少なくとも約1×1020原子/cmである。別の表現例では、デルタドーピング層30中のデルタドーパントの容積濃度は、少なくとも約1×1021原子/cmである。また別の表現例では、デルタドーピング層30中のデルタドーパントの容積濃度は、約1×1018原子/cm〜約1×1022原子/cmである。
図2は、デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池を形成するための本発明の方法(全体を参照番号100で示す)の、特定の一態様のステップを示すフロー図である。太陽電池の背面近傍にデルタドーピング層を形成するための他の方法も考慮される。
方法100は、ブロック102において、適切な基板を準備するステップによって開始される。基板は、その上に裏面電界層を成長させることができる任意の基板とすることができる。適切な基板の非限定的な一例はゲルマニウムである。
ブロック104では、基板上に第1の裏面電界層を成長させる。第1の裏面電界を成長させるステップステップ104)は、第1の裏面電界層の断面が所望の厚みに到達するまで続けられる。
第1の裏面電界層は、分子線エピタキシー、金属有機気相エピタキシー、又は化学気相エピタキシーといったエピタキシーにより成長させることができる。エピタキシー前駆体は、第1の裏面電界層の所望の材料を生成するために選択される。
随意で、第1の裏面電界層を成長させるステップ(ブロック104)の前に、第1の裏面電界層と基板との間に緩衝剤が位置するように、基板に緩衝剤を適用してもよい。当業者であれば、第1の裏面電界層と基板との間の格子の不整合の影響が最小化又は排除されるように、緩衝剤を選択できることを理解するであろう。
ブロック106では、エピタキシーを停止してデルタドーピングを開始する。デルタドーピングステップ(ブロック106)の間に、所望のデルタドーパントを導入することにより、第1の裏面電界層の上にデルタドーピング層を形成する。デルタドーピングステップ(ブロック106)は、デルタドーピング層中のデルタドーパントの所定の最小容積濃度が達成されるまで実行される。
ブロック108では、デルタドーピングを停止し、第2の裏面電界層の成長を開始させる。第2の裏面電界層は、第2の裏面電界層の断面が所望の厚みに到達するまでエピタキシーによって成長させる。
裏面電界層及びデルタドーピング層を形成したら、方法100では続いて、ブロック110に示すように、基部領域、真性領域、エミッタ領域、及びウィンドウ18といった太陽電池の追加層を成長させるステップを行う。
このようにして、方法100を用いて二つの太陽電池、すなわち、裏面電界領域にデルタドーピング層を有する太陽電池と、デルタドーピング層を持たない太陽電池とが組立てられる。これらの太陽電池は共に、デルタドーピング層の有無以外は概ね同一である。図3及び4に示すように、デルタドーピング層を有する太陽電池では、開回路電圧(「VOC」)が上昇し、曲線因子が改善される。
図5A及び図5Bは、裏面電界領域の一部としてデルタドーピングを有する二つの太陽電池の概略的なバンド図である。図5Aは、デルタドーピング層が唯一の裏面電界層である太陽電池のバンド図である。図5Bは、デルタドーピング層に加えて、それよりもバンドギャップの高い裏面電界層を有する陽電池のバンド図である。図5Aでは、デルタドーピング層はバンドエネルギーのスパイクを導入し、このエネルギースパイクによりp−n接合から少数キャリアが逃げることが阻止される。図5Bでは、デルタドーピング層によって導入されたエネルギースパイクにより、裏面電界層の、少数キャリア阻止機能が強化されている。
デルタドーピング層が基部領域と裏面電界層との境界面に位置しているとき、デルタドーピング層は、境界面においてよりよく不動態化するので、境界面再結合が低減し、これにより裏面電界機能も向上する。
さらに、裏面電界領域内にデルタドーピング層を位置決めすることにより、高度にp型のデルタドーピング層は狭い材料の厚みの範囲に極めてよく制限されるので、基部領域中へp型ドーパントが逆拡散する心配が殆ど又は全くない。当業者であれば、基部領域中へのドーパントの拡散は、少数キャリアの拡散長を短縮させることにより電池性能を損ないうることを理解するであろう。
したがって、太陽電池の効率は、太陽電池の裏面電界領域にデルタドーピング層を使用することにより向上する。どのような特定の理論にも限定されるものではないが、裏面電界領域にデルタドーピング層を使用することにより、裏面電界領域が、太陽電池の基部内で少数キャリアを阻止する効率が上昇し、基部領域と裏面電界領域との境界面における不動態化が改善されると考えられる。さらに、裏面電界領域にデルタドーピング層を使用することは、裏面電界として使用できる高いバンドギャップを有する材料を見つけることが困難な高バンドギャップの太陽電池にとって特に有用であると考えられる。
別の代替え的な実施形態では、開示されるデルタドーピング層は、太陽電池の、裏面電界領域ではなく、基部領域に組み入れることができる。基部領域は前端と後端とを含みうる。デルタドーピング層は、基部領域の後端近傍の(すなわち、後端の又は後端近くの)基部領域中に組み入れられる。
デルタドーピング層を有する本発明の太陽電池の様々な実施形態が示され説明されたが、本明細書を読んだ当業者には、複数の変更例が想起されるであろう。本発明はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (8)

  1. 第一の面と、前記第一の面と対向する第二の面とを備えたGaInPを含む基部領域、
    前記基部領域の前記第一の面と直接接する真性領域であって、GaInPを含む真性領域、
    前記基部領域の前記第一の面側に配置されるとともに、前記真性領域に直接接するエミッタ領域であって、前記基部領域と前記エミッタ領域との間に前記真性領域が配置されるように配置され、GaInPを含むエミッタ領域、
    前記基部領域の前記第二の面と直接接触する不純物薄膜層であって、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、及び鉛からなる群から選択される少なくとも一つのドーパントを含んでおり、平均膜厚が1ナノメートル〜100ナノメートルである不純物薄膜層、及び
    AlGaAs又はAlGaInPを含んだ裏面電界層であって、前記基部領域と反対側の前記不純物薄膜層の面と直接接しており、前記裏面電界層と前記基部領域との間に前記不純物薄膜層が直接接触して挟持されるように配置されている裏面電界層
    を備えた太陽電池。
  2. 前記不純物薄膜層が、少なくとも1×1018原子/cmの濃度でドーパントを含んでいる、請求項1に記載の太陽電池。
  3. 前記不純物薄膜層が、少なくとも1×1019原子/cmの濃度でドーパントを含んでいる、請求項1に記載の太陽電池。
  4. 前記不純物薄膜層が、少なくとも1×1020原子/cmの濃度でドーパントを含んでいる、請求項1に記載の太陽電池。
  5. 多重接合太陽電池として形成された、請求項1ないしのいずれか一項に記載の太陽電池。
  6. ウィンドウをさらに備え、前記ウィンドウはAlInPを含み、前記基部領域と前記ウィンドウとの間に前記エミッタ領域が配置されている、請求項1からのいずれか一項に記載の太陽電池。
  7. 請求項1からのいずれか一項に記載の太陽電池を形成する方法であって、
    基板を準備するステップ、
    前記基板上に裏面電界層を成長させるステップ、
    前記裏面電界層をデルタドーピングすることにより、不純物薄膜層を形成するステップ、及び
    前記不純物薄膜層の上に追加の層を成長させるステップ
    を含む方法。
  8. 前記成長させるステップが、エピタキシーにより成長させることを含む、請求項に記載の方法。
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