JP2018107453A - デルタドーピング層を有する太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。【解決手段】デルタドーピング層の形成方法１００は、以下のステップからなる。１）ブロック１０２；基板を準備する、２）ブロック１０４；基板上にエピタキシーにより第１の裏面電界層を成長させる、３）ブロック１０６；エピタキシーを停止してデルタドーピングを開始する、４）ブロック１０８；デルタドーピングを停止し、第２の裏面電界層をエピタキシーによって成長を開始させる、５）ブロック１１０；基部領域、真性領域、エミッタ領域、及びウィンドウなどの太陽電池の追加層を成長させる【選択図】図２

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_２とし、エミッタ領域２０をＧａＩｎＰ_２とし、真性領域２２をＧａＩｎＰ_２とし、基部領域２４をＧａＩｎＰ_２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１×１０^１８原子／ｃｍ^３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１×１０^１９原子／ｃｍ^３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１×１０^２０原子／ｃｍ^３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１×１０^２１原子／ｃｍ^３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１×１０^１８原子／ｃｍ^３〜約１×１０^２２原子／ｃｍ^３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（「Ｖ_ＯＣ」）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 (13)

1. 基部領域、
   裏面電界層、及び
   前記基部領域と前記裏面電界層との間に位置するデルタドーピング層であって、前記基部領域と前記裏面電界層との境界面に位置するデルタドーピング層
   を備えた太陽電池。
2. 第２の裏面電界層をさらに備えており、前記デルタドーピング層が前記裏面電界層と前記第２の裏面電界層との間に位置している、請求項１に記載の太陽電池。
3. 前記デルタドーピング層が、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、及び鉛のうちの少なくとも一つを含んでいる、請求項１に記載の太陽電池。
4. 前記裏面電界層がＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰからなっている、請求項１又は２に記載の太陽電池。
5. 前記デルタドーピング層の平均層厚が、約１ナノメートル〜約１００ナノメートルである、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の太陽電池。
6. 前記デルタドーピング層が、少なくとも１×１０^１８原子／ｃｍ^３の濃度でドーパントを含んでいる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の太陽電池。
7. 前記デルタドーピング層が、少なくとも１×１０^１９原子／ｃｍ^３の濃度でドーパントを含んでいる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の太陽電池。
8. 前記デルタドーピング層が、少なくとも１×１０^２０原子／ｃｍ^３の濃度でドーパントを含んでいる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の太陽電池。
9. 多重接合太陽電池として形成された、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の太陽電池。
10. ウィンドウ、エミッタ領域、及び真性領域をさらに備えている、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の太陽電池。
11. 請求項１ないし１０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、デルタドーピング層を形成するステップ、及び
    前記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
    を含む方法。
12. 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１１に記載の方法。
13. 前記追加の層が、第２の裏面電界層及び基部領域のうちの一方である、請求項１２に記載の方法。

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