專利名稱：疊層型薄膜太陽能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多個(gè)由半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換單元通過粘貼而疊層的疊層型薄膜太陽能電池及其制造方法。更詳細(xì)地說，涉及利用太陽光的寬廣的波長譜高效率地轉(zhuǎn)換成電力，但將由晶格常數(shù)的差別引起的結(jié)晶缺陷問題消除，并且將由多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元間的隧道結(jié)等引起的損失消除，從而能夠進(jìn)行高效率的光電轉(zhuǎn)換的疊層型薄膜太陽能電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)有的太陽能電池，形成如下的結(jié)構(gòu)通過由例如硅半導(dǎo)體形成pn結(jié)并在其兩側(cè)形成電極，由于光而成對生成的電子與空穴因接合部的內(nèi)部電場而移動，在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生光電動勢，從兩電極取出。但是，硅的帶隙能量為1.1eV，處于紅外線附近，在接收可見光附近(2eV)的光的情況下，理論上能量的利用效率為大約50％。利用這樣的光的能量利用效率，硅的單晶太陽能電池的理論效率最大可達(dá)到45％，考慮到其它損失，實(shí)際上可達(dá)到28％左右。
另一方面，為了解決上述的轉(zhuǎn)換率的問題，例如如圖5所示，考慮將由InGaP構(gòu)成的上部單元(cell)34和由GaAs構(gòu)成的下部單元32隔著GaAs隧道結(jié)層33疊層的串疊單元(tandem cell)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)。即，通過在p+-GaAs基板31上疊層由p-GaAs層321、n+-GaAs層322、n+-AlGaAs層323構(gòu)成的下部單元32，在其上疊層由n++-GaAs層331、p++-GaAs層332構(gòu)成的隧道結(jié)層33，進(jìn)一步在其上依次疊層由p-InGaP層341、n+-InGaP層342、n+-AlInP343構(gòu)成的頂單元(topcell)34，在其表面和半導(dǎo)體基板31的背面上，分別設(shè)置Au電極35、36而形成(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開平8-162649號公報(bào)(圖5)

發(fā)明內(nèi)容
如前所述，通過將帶隙能量不同的半導(dǎo)體材料疊層，形成能夠吸收寬廣的波長區(qū)域的光的串疊結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)樾枰淼澜Y(jié)部，所以，存在轉(zhuǎn)換效率由于由該隧道結(jié)引起的損失等而停留在29％左右的問題。
另外，已研究了將InGaP、GaAs、InGaAs三單元疊層的太陽能電池，InGaP與GaAs比較容易采用晶格匹配，但是GaAs與InGaAs之間無法采用晶格匹配，從而無法生長結(jié)晶性好的半導(dǎo)體層。因此，即使要多段地進(jìn)行疊層，其材料選擇也有限制，存在無法充分地得到轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異的太陽能電池的問題。附帶說一下，在上述三單元的疊層結(jié)構(gòu)中，如果消除由隧道結(jié)引起的損失和由結(jié)晶缺陷引起的損失，則理論轉(zhuǎn)換效率據(jù)估計(jì)為80％左右。
本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的，其目的在于提供一種能夠高效地轉(zhuǎn)換太陽光、而且能夠多段地進(jìn)行疊層而半導(dǎo)體材料的選擇不受限制、轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異的疊層型薄膜太陽能電池。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種各光電轉(zhuǎn)換單元的電極形成容易，并且即使疊層的光電轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)不同，也能夠良好地維持各自的結(jié)晶性的疊層型薄膜太陽能電池的制造方法。
本發(fā)明的疊層型薄膜太陽能電池包括基板；第一光電轉(zhuǎn)換單元，設(shè)置在該基板上，具備由具有第一帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一半導(dǎo)體疊層部和分別與該第一半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第一電極；和第二光電轉(zhuǎn)換單元，粘貼在該第一光電轉(zhuǎn)換單元上，具備由具有第二帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第二半導(dǎo)體疊層部和分別與該第二半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第二電極。
通過將上述第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元錯(cuò)開地粘貼從而在該粘貼的部分形成臺階差、在因該臺階差而露出的上述第一和第二光電轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體層上設(shè)置有上述第一和第二電極的各自的一方，通過形成上述的結(jié)構(gòu)，能夠容易地形成各單元的電極。此外，也可以上述一對第一電極和第二電極分別設(shè)置在上述第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元的兩面的周圍，該第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元以串聯(lián)連接的方式重疊，在上述第一電極與第二電極的接合部粘貼。
在上述第二光電轉(zhuǎn)換單元的表面上，粘貼有第三光電轉(zhuǎn)換單元，該第三光電轉(zhuǎn)換單元具備由具有第三帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第三半導(dǎo)體疊層部和分別與該第三半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第三電極，此外，在該第三光電轉(zhuǎn)換單元的表面上還粘貼有第四光電轉(zhuǎn)換單元，該第四光電轉(zhuǎn)換單元具備由具有第四帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第四半導(dǎo)體疊層部和分別與該第四半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第四電極，通過形成上述的結(jié)構(gòu)，能夠在更寬廣的波長區(qū)域中將光轉(zhuǎn)換成電，從而能夠提高光的轉(zhuǎn)換效率。
上述第一光電轉(zhuǎn)換單元、第二光電轉(zhuǎn)換單元、第三光電轉(zhuǎn)換單元和第四光電轉(zhuǎn)換單元使用利用例如InxGa1-xAs(0≤x＜1)半導(dǎo)體、Inz(GayAl1-y)1-zP(0≤y≤1，0＜z＜1)半導(dǎo)體等的選自Mg、O、Zn、Se、Al、Ga、As、P和N中的元素的化合物半導(dǎo)體、以及由選自Si、Ge和C中的元素的單質(zhì)或化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體而形成的半導(dǎo)體層。此外，優(yōu)選在光的照射面?zhèn)仍O(shè)置由帶隙大的半導(dǎo)體層構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換單元，可以以適當(dāng)?shù)慕M合進(jìn)行選擇。
本發(fā)明的薄膜太陽能電池的制造方法，其特征在于，包括(a)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第二光電轉(zhuǎn)換單元的第二半導(dǎo)體疊層部的工序；(b)將上述第二半導(dǎo)體疊層部的最表面粘貼在臨時(shí)基板上，通過將使上述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去上述生長用基板，僅將第二半導(dǎo)體疊層部粘貼在上述臨時(shí)基板上的工序；(c)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一半導(dǎo)體疊層部的工序；(d)在粘貼在上述臨時(shí)基板上的第二半導(dǎo)體疊層部的表面上，以該第二半導(dǎo)體疊層部的一部分露出的方式，錯(cuò)開地粘貼上述第一半導(dǎo)體疊層部，通過將使上述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去上述生長用基板，僅保留該第一半導(dǎo)體疊層部的工序；(e)通過從該第一半導(dǎo)體疊層部的表面?zhèn)雀采w金屬膜，至少在上述第二半導(dǎo)體疊層部的露出面上形成電極的工序；(f)將主基板粘貼在上述第一半導(dǎo)體疊層部的表面上后，除去上述臨時(shí)基板的工序；和(g)通過從上述第二半導(dǎo)體疊層部側(cè)覆蓋金屬膜，至少在上述第一半導(dǎo)體疊層部與上述第二半導(dǎo)體疊層部的粘接面?zhèn)鹊穆冻霾糠稚闲纬呻姌O的工序。
此外，本發(fā)明的薄膜太陽能電池的制造方法，也可以構(gòu)成為包括(a)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一半導(dǎo)體疊層部，在其表面的一部分上形成第一電極的一方的工序；(b)以在主基板的表面上形成的電極與上述第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極的一方連接的方式，粘貼上述第一半導(dǎo)體疊層部的最表面，通過將使上述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去上述生長用基板，僅將第一半導(dǎo)體疊層部粘貼在上述主基板上的工序；(c)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第二光電轉(zhuǎn)換單元的第二半導(dǎo)體疊層部，在其表面的一部分上形成第二電極的一方的工序；(d)在粘貼在上述主基板上的第一半導(dǎo)體疊層部的露出的表面的一部分上形成第一電極的另一方，以該第一電極的另一方與上述第二半導(dǎo)體疊層部的第二電極的一方連接的方式，粘貼上述第二半導(dǎo)體疊層部的最表面，通過將使上述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去上述生長用基板，僅粘貼第二半導(dǎo)體疊層部的工序；和(e)在粘貼在上述主基板上的第二半導(dǎo)體疊層部的露出的表面的一部分上形成第二電極的另一方的工序。
只要上述易于氧化的化合物層為AluGa1-uAs(0.5≤u≤1)或AlvIn1-vAs(0.5≤v≤1)，就容易采用基板與半導(dǎo)體疊層部的晶格匹配，而且，可容易地使其氧化從而將半導(dǎo)體疊層部分離，所以優(yōu)選。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)槎鄠€(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的各個(gè)分別與一對電極連接，所以將多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元接合，通過以多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元串聯(lián)的方式連接該電極，能夠?qū)拸V的波長區(qū)域的光轉(zhuǎn)換為電。而且，因?yàn)椴皇峭ㄟ^半導(dǎo)體層的連續(xù)生長來形成多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的疊層結(jié)構(gòu)，可以通過粘貼來形成，所以，即使在由帶隙能量不同、晶格常數(shù)不同的半導(dǎo)體層形成多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的情況下，也能夠疊層，而不會產(chǎn)生由晶格不匹配引起的結(jié)晶缺陷的問題。結(jié)果，能夠?qū)拸V的波長區(qū)域的光轉(zhuǎn)換為電，可得到不是非常浪費(fèi)的高效率的疊層型薄膜太陽能電池。
此外，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，因?yàn)橥ㄟ^粘貼將多個(gè)光電單元疊層，所以，在粘貼各單元的半導(dǎo)體疊層部時(shí)，可以錯(cuò)開地粘貼，通過利用真空蒸鍍等使金屬膜附著在該錯(cuò)開的臺階差部分上，能夠同時(shí)形成各單元的電極，從而能夠非常容易地形成電極。結(jié)果，僅通過將該電極串聯(lián)連接，就能夠容易地得到多個(gè)波長范圍的太陽能電池。


圖1是表示本發(fā)明的太陽能電池的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的截面說明圖。
圖2A～2C是說明圖1的太陽能電池的制造工序的圖。
圖3D～3H是說明圖1的太陽能電池的制造工序的圖。
圖4A～4H是說明本發(fā)明的太陽能電池的另一個(gè)制造工序的圖。
圖5是說明以往的串聯(lián)型太陽能電池的結(jié)構(gòu)的圖。
符號說明1 第一光電單元1a 第一半導(dǎo)體疊層部2 第二光電單元2a 第二半導(dǎo)體疊層部3 第三光電單元3a 第三半導(dǎo)體疊層部4 基板13、14 一對第一電極23、24 一對第二電極33、34 一對第三電極具體實(shí)施方式
下面，參照圖1～3，對本發(fā)明的疊層型薄膜太陽能電池及其制造方法進(jìn)行說明。本發(fā)明的疊層型薄膜太陽能電池，在基板4上設(shè)置有第一光電轉(zhuǎn)換單元1，該第一光電轉(zhuǎn)換單元1具備由具有第一帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一半導(dǎo)體疊層部1a(11、12)和分別與該第一半導(dǎo)體疊層部1a的兩面的至少一部分連接而設(shè)置的一對第一電極13、14，在該第一光電轉(zhuǎn)換單元1上粘貼有第二光電轉(zhuǎn)換單元2，該第二光電轉(zhuǎn)換單元2具備由具有第二帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第二半導(dǎo)體疊層部2a(21、22)和分別與該第二半導(dǎo)體疊層部2a的兩面的至少一部分連接而設(shè)置的一對第二電極23、24。
在圖1所示的例子中，在第二光電單元2上還粘貼有第三光電轉(zhuǎn)換單元3，該第三光電轉(zhuǎn)換單元3具備由具有第三帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第三半導(dǎo)體疊層部3a(31、32)和分別與該第三半導(dǎo)體疊層部3a的兩面的至少一部分連接而設(shè)置的一對第三電極33、34。光電轉(zhuǎn)換單元可以像這樣僅粘貼期望的個(gè)數(shù)，可以覆蓋期望的波長范圍。
第一光電轉(zhuǎn)換單元1中，在圖1所示的例子中，InxGa1-xAs(0≤x≤1，例如x＝0.7)的p型層11與n型層12分別以0.5～3μm左右的厚度外延生長至雜質(zhì)濃度為1×1015～1×1017cm-3左右而形成pn結(jié)層的第一半導(dǎo)體疊層部1a(11、12)，被粘貼在例如p+型的硅基板4上。而且，在與p型層11電氣連接的基板4的背面上形成有一方的電極13，在n型層12的一部分表面上形成有另一方的電極14，由此形成第一光電轉(zhuǎn)換單元1。在圖1所示的例子中，使用半導(dǎo)體的硅基板作為基板4，一方的電極13被設(shè)置在基板4的背面，但是也可以將一方的電極13設(shè)置在與基板4的接合面上，形成為引出到基板4的表面上的結(jié)構(gòu)。該電極13、14例如通過利用真空蒸鍍等將Au等金屬在需要的區(qū)域上成膜至0.2～1μm左右的厚度而得到。此外，另一方的電極14，如后所述，可以在粘貼多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元用的半導(dǎo)體疊層部后，通過形成金屬膜，將多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的一方側(cè)的電極匯總而形成。
第一半導(dǎo)體疊層部1a的InxGa1-xAs(例如x＝0.7)半導(dǎo)體，帶隙能量為0.6eV左右，如果照射0.84～2μm左右的波長的光，則由于該光而成對生成的電子與空穴因接合部的內(nèi)部電場而移動，在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生光電動勢，可以從兩電極13、14作為電壓取出。半導(dǎo)體疊層部不限定于該例子所示的p型層11與n型層12的疊層結(jié)構(gòu)，也可以是在其間夾著i層的pin結(jié)構(gòu)。此外，n型層與p型層的上下也可以相反。
與基板4粘貼的粘接劑，在如前所述在基板4的背面上形成一方的電極13的情況下，需要使用例如AuGeNi那樣的導(dǎo)電性材料，但是在將半導(dǎo)體層(p型層)11上設(shè)置的金屬膜導(dǎo)出到基板4的表面上而形成電極13的情況下，也可以是例如聚酰亞胺等非導(dǎo)電性材料?；?如該例子所示，可以是半導(dǎo)體基板，也可以是金屬板、非導(dǎo)電性基板，而且，可以是透光性的也可以是非透光性的。使用與電極形成等目的相應(yīng)的材料。
在圖1所示的例子中，該第一光電轉(zhuǎn)換單元1在與其它的光電轉(zhuǎn)換單元2、3一起粘貼后，粘貼在基板4上，但只要基板4是半導(dǎo)體基板、第一半導(dǎo)體疊層部1a是沒有晶格匹配問題的半導(dǎo)體材料，也可以直接在基板4上進(jìn)行外延生長。
第二光電轉(zhuǎn)換單元2中，在圖1所示的例子中，GaAs半導(dǎo)體的p型層21與n型層22分別以0.5～3μm左右的厚度外延生長至雜質(zhì)濃度為1×1015～1×1019cm-3左右而形成pn結(jié)層的第二半導(dǎo)體疊層部2a，稍微錯(cuò)開地粘貼在第一光電轉(zhuǎn)換單元1上。然后，在p型層21的一部分表面上形成一方的電極23，在n型層22的一部分表面上形成另一方的電極24，由此形成第二光電轉(zhuǎn)換單元2。該一對電極23、24也與上述的第一光電轉(zhuǎn)換單元1的電極同樣地形成。此外，在該情況下也可以以pin結(jié)構(gòu)形成半導(dǎo)體疊層部。
第二半導(dǎo)體疊層部21、22的GaAs半導(dǎo)體，帶隙能量為1.89eV左右，如果照射650～840nm左右的波長的光，則由于該光而成對生成的電子與空穴因接合部的內(nèi)部電場而移動，在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生光電動勢，可以從兩電極23、24作為電壓取出。此外，該半導(dǎo)體疊層部2a的半導(dǎo)體層21、22，可以通過如后所述將在另一個(gè)GaAs基板上外延生長的薄膜疊層部剝離并粘貼，從而與晶格常數(shù)不同的InxGa1-xAs接合。
第三光電轉(zhuǎn)換單元3中，在圖1所示的例子中，例如InxGa1-xAs(0≤x＜1)半導(dǎo)體、Inz(GayAl1-y)1-zP(0≤y≤1，0＜z＜1)半導(dǎo)體等選自Mg、O、Zn、Se、Al、Ga、As、P和N中的元素的化合物半導(dǎo)體、以及由選自Si、Ge和C中的元素的單質(zhì)或化合物構(gòu)成的半導(dǎo)體的p型層31與n型層32分別以0.5～3μm左右的厚度，外延生長至雜質(zhì)濃度為1×1013～1×1017cm-3左右并形成有pn結(jié)層的第三半導(dǎo)體疊層部3a，稍微錯(cuò)開地粘貼在第二光電轉(zhuǎn)換單元2上。在p型層31的一部分表面上形成一方的電極33，在n型層32的一部分表面上形成另一方的電極34，由此形成第三光電轉(zhuǎn)換單元3。該一對電極33、34也與上述的第二光電轉(zhuǎn)換單元2的電極同樣地、而且在粘貼各光電轉(zhuǎn)換單元后同時(shí)形成。此外，在該情況下也是可以以pin結(jié)構(gòu)形成半導(dǎo)體疊層部。
第三半導(dǎo)體疊層部3a(31、32)的In0.49(GayAl1-y)0.51P(例如y＝1)半導(dǎo)體，帶隙能量為1.89eV左右，如果照射200～660nm左右的波長的光，則由于該光而成對生成的電子與空穴因接合部的內(nèi)部電場而移動，在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生光電動勢，可以從一對電極33、34作為電壓取出。此外，該半導(dǎo)體疊層部3a的半導(dǎo)體層31、32可以通過如后所述將在另一個(gè)GaAs基板上外延生長的半導(dǎo)體疊層部剝離并粘貼，從而與第二半導(dǎo)體疊層部2a錯(cuò)開地接合，以便容易形成電極33、34。
該第一～第三光電轉(zhuǎn)換單元1、2、3被疊層，各單元的一對第一～第三電極，以各自的pn結(jié)串聯(lián)的方式連接，由此在各光電轉(zhuǎn)換單元1、2、3中產(chǎn)生的電動勢串聯(lián)地連接，在第一電極的一方的電極與第三電極的另一方的電極之間，得到在各光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電動勢的合計(jì)的電動勢。
此外，雖然未圖示，但是可以同樣地進(jìn)一步疊層由例如Ge半導(dǎo)體構(gòu)成的第四光電轉(zhuǎn)換單元等，還可以形成為多層。例如Ge半導(dǎo)體，帶隙能量為0.2eV左右，可以吸收2480～6200nm左右的波長的光而轉(zhuǎn)換成電壓。結(jié)果，可以將更寬的波長區(qū)域的光轉(zhuǎn)換成電壓。此外，雖然在圖1中疊層有三個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元，但是即使通過粘貼兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元而疊層，由于晶格常數(shù)不同的半導(dǎo)體不直接生長，所以也可以疊層，而且可以容易地形成接合面的兩個(gè)單元的電極，同時(shí)可以得到期望的波長區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換單元。
接著，參照圖2A～2C和圖3D～3H，對本發(fā)明的疊層型薄膜太陽能電池的制造方法進(jìn)行說明。
首先，如圖2A～2B所示，在例如由GaAs構(gòu)成的生長用基板5上，隔著具有與該生長用基板5的匹配性并且易于氧化的化合物層、例如AluGa1-uAs(0.5≤u≤1，例如u＝1)層511或AlvIn1-vAs(0.5≤u≤1)層，將構(gòu)成第三光電轉(zhuǎn)換單元3的半導(dǎo)體層31、32疊層，形成第三半導(dǎo)體疊層部3a。生長用基板5的導(dǎo)電型可以是n型也可以是p型。AlAs層51形成例如0.01～0.5μm左右，在其上，依次各生長0.5～3μm左右例如n型和p型的In0.49(GayAl1-y)0.51P(例如y＝1)層31、32。該p型層與n型層的順序沒有限制。
接著，將生長有該半導(dǎo)體層的基板5放入水蒸氣氣氛的氧化爐中，在400～500℃左右的溫度下，進(jìn)行1～20小時(shí)左右的氧化處理，由此如圖2C所示，使AlAs層51氧化，形成Al2O3層52。此時(shí)，因?yàn)锳lAs層51中Al的混晶比率非常大，所以，雖然通過氧化處理、AlAs層52的氧化顯著地進(jìn)行，但是其它的In0.49Ga0.51P層31、32幾乎未進(jìn)行氧化，沒有任何影響。由于該原因，即使不是AlAs層，稍微含有Ga的AlGaAs層也沒有問題，此外，也可以是Al(P，Sb)(是指Al與P和Sb的至少一方的化合物，以下相同)、InAl(As，P，Sb)、InGaAl(As，P，Sb)等?？傊?，可以在其上外延生長In0.49Ga0.51P層等，只要是距該外延生長層遠(yuǎn)遠(yuǎn)地進(jìn)行氧化的層即可。此外，該氧化處理也可以在下一個(gè)半導(dǎo)體疊層部的粘貼時(shí)或粘貼后進(jìn)行。
然后，如圖3D～3E所示，將第三半導(dǎo)體疊層部3a的最表面粘貼在例如由Si等構(gòu)成的臨時(shí)基板6上，通過將上述氧化形成的氧化物層、Al2O3層溶解，除去生長用基板5。該第三半導(dǎo)體疊層部3a的粘貼在使疊層部3a干燥以后，利用夾具固定，進(jìn)行粘貼，使得可以容易地從臨時(shí)基板6上剝離。Al2O3層52的溶解，例如通過浸漬在氨水中，僅Al2O3層52溶解，其它的半導(dǎo)體疊層部和生長用基板5沒有變化，可以將生長用基板5分離。但是，除此以外，也可以利用氫氟酸等僅將氧化物層溶解。
然后，同樣地在生長用基板5上隔著AlAs層51外延生長由GaAs構(gòu)成的第二光電轉(zhuǎn)換單元用的第二半導(dǎo)體疊層部2a(21、22)，在將AlAs層51氧化后，粘貼在第三半導(dǎo)體疊層部3a上。此時(shí)，如圖3F所示，將第二半導(dǎo)體疊層部2a與第三半導(dǎo)體疊層部3a以稍微錯(cuò)開、形成臺階差的方式粘貼。此時(shí)的粘貼與向臨時(shí)基板6的粘貼不同，為了維持這樣粘貼，通過例如利用熱量的晶片熔接、利用SiO2的晶片熔接等而牢固地粘貼。然后，通過與上述同樣地除去生長用基板5，形成第三半導(dǎo)體疊層部3a與第二半導(dǎo)體疊層部2a的疊層結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，與第二半導(dǎo)體疊層部2a的生長和粘貼完全同樣地將在生長用基板5上生長的由InxGa1-xAs(x＝0.7)層11、12構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換單元1用的第一半導(dǎo)體疊層部1a稍微錯(cuò)開地粘貼在第二半導(dǎo)體疊層部2a上。然后，除去生長用基板5，如圖3G所示，第一～第三半導(dǎo)體疊層部1a、2a、3a被疊層在臨時(shí)基板6上。此外，AlAs(AluGa1-uAs)層51由于與生長用的GaAs基板5晶格匹配，所以能夠維持結(jié)晶結(jié)構(gòu)。另一方面，雖然InxGa1-xAs(x＝0.7)層的晶格常數(shù)與GaAs基板不同，但是通過使用超薄膜基板的技術(shù)，可以在GaAs基板上生長。
然后，用抗蝕劑膜等覆蓋第一半導(dǎo)體疊層部1a的表面，從第一半導(dǎo)體疊層部1a側(cè)，利用真空蒸鍍等，以0.2～1μm左右的厚度形成由Au等構(gòu)成的金屬膜，如圖3H所示，在第二和第三半導(dǎo)體疊層部2a、3a的露出面(p型半導(dǎo)體層21、31)上形成一方的電極23、33。此時(shí)，可以不使用掩模從而在第一半導(dǎo)體疊層部1a的整個(gè)表面上形成金屬膜，也可以使用掩模從而以部分地露出的方式形成金屬膜，從而形成第一電極的一方的電極13。此外，電極23、33，只要不將各pn結(jié)短路，可以與相鄰的第一半導(dǎo)體疊層部1a或第二半導(dǎo)體疊層部2a的半導(dǎo)體層接觸。
然后，如圖1所示，在對第一半導(dǎo)體疊層部1a的表面進(jìn)行清洗后，用夾具將其固定并粘貼在由硅基板等構(gòu)成的主基板4上，除去臨時(shí)基板6。然后，以將第三半導(dǎo)體疊層部3a的露出面的一部分露出的方式，在表面上設(shè)置掩模，從第三半導(dǎo)體疊層部3a側(cè)，利用真空蒸鍍等，形成0.2～1μm左右的厚度的例如由Au等構(gòu)成的金屬膜，在第一～第三半導(dǎo)體疊層部1a、2a、3a的露出面(n型半導(dǎo)體層12、22、32)上形成第一～第三的另一方的電極14、24、34。然后，同樣地利用真空蒸鍍等，在主基板4的背面上形成第一電極的一方的電極13，由此得到圖1所示的結(jié)構(gòu)的疊層型薄膜太陽能電池。
圖4A～4F是對本發(fā)明的疊層型薄膜太陽能電池的制造方法的另一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說明的工序說明圖。首先，與上述的圖2A～2C同樣地(雖然半導(dǎo)體層的n型層與p型層順序相反，但是其順序沒有限制)，在生長用基板5上，隔著具有與生長用基板5的匹配性、易于氧化的化合物層(例如AlAs層)51，形成構(gòu)成第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一半導(dǎo)體疊層部1a(12、11)，在其表面的一部分上形成第一電極的一方的電極13(參照圖4A～4B)。因?yàn)樵撾姌O13成為與光的照射面相反的面，所以，可以不只在外周部而在整個(gè)面上設(shè)置，也可以在僅外周部的整個(gè)圓周上設(shè)置，也可以如圖所不在外周部的一部分上設(shè)置。
接下來，如圖4C所示，以在主基板4的表面上形成的電極端子13a與第一光電轉(zhuǎn)換單元的一方的電極13連接的方式，粘貼第一半導(dǎo)體疊層部1a的最表面?zhèn)取Ｈ缓?，如圖4D所示，利用與上述同樣的方法使AlAs層51氧化，利用氨水等除去生長用基板5。此外，粘貼通過利用熱量的半導(dǎo)體或SiO2的熔接的方法來進(jìn)行。此外，AlAs層51的氧化也可以在粘貼前進(jìn)行。
然后，如圖4E所示，在由于生長用基板的除去而露出的第一半導(dǎo)體疊層部1a的n型層12的表面外周部上，利用真空蒸鍍等設(shè)置電極材料Au，形成第一電極的另一方的電極14。該電極14不需要設(shè)置在外周部的整個(gè)圓周上，只要如圖所示在一部分上形成即可。電極的面積小，則光的照射面變大，優(yōu)選。
然后，以n型層側(cè)的電極與p型層側(cè)的電極連接(串聯(lián)連接)的方式，同樣的粘貼第二光電轉(zhuǎn)換單元用的第二半導(dǎo)體疊層部2a、第三光電轉(zhuǎn)換單元用的第三半導(dǎo)體疊層部3a，利用導(dǎo)線7將設(shè)置在最上層的第三電極的另一方的電極34與主基板4上的電極端子34a連接，由此，在一方的電極端子13a與另一方的電極端子34a之間，輸出由第一～第三單元1～3產(chǎn)生的總電動勢。該光電單元的疊層數(shù)不限于三個(gè)，如前所述，可以是兩個(gè)，也可以是四個(gè)以上。此外，在本例子中，作為主基板4，使用絕緣性基板或者在半導(dǎo)體基板或?qū)щ娦曰灞砻嫔显O(shè)置有絕緣膜的基板。除了該基板和電極的形成方法以外，與上述的例子相同。
上述的例子是分別形成第一光電單元1、第二光電單元2等，然后將其粘貼在絕緣性基板或基板的絕緣膜上的例子，但是也可以在半導(dǎo)體基板上直接形成第一光電單元1，以該半導(dǎo)體基板作為上述的基板，在其背面上形成第一電極的一方13，也可以形成一個(gè)電極端子13a。在該情況下，第一光電單元1不需要上述的圖4A～4D的工序，從第二光電單元起采用圖4A～4D的工序。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法，因?yàn)檎迟N構(gòu)成各光電轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體疊層部而將多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元疊層，所以可以稍微錯(cuò)開地粘貼半導(dǎo)體疊層部，可以在其錯(cuò)開的臺階差部分上形成電極，此外，如圖4B～4F所示，因?yàn)榭梢砸贿呍诟鲉卧闲纬呻姌O一邊進(jìn)行疊層，所以，可以利用任一種方法，在各光電轉(zhuǎn)換單元上容易地形成兩個(gè)電極。結(jié)果，可以通過引線接合(wire bonding)自由地連接該電極，或?qū)㈦姌O彼此直接連接，通過以串聯(lián)的方式連接各光電轉(zhuǎn)換單元，能夠?qū)拸V的波長區(qū)域的光轉(zhuǎn)換成電動勢，從而能夠得到效率非常高的太陽能電池。
另外，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，因?yàn)橥ㄟ^粘貼將多個(gè)光電單元疊層，所以，由于對寬廣的波長區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即使在將帶隙能量大不相同、晶格常數(shù)不同的半導(dǎo)體層進(jìn)行疊層的情況下，也能夠粘貼幾乎不產(chǎn)生晶格缺陷的半導(dǎo)體疊層部，能夠疊層期望的波長區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換單元，而不受半導(dǎo)體材料的限制。
結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，將對期望的波長區(qū)域的光進(jìn)行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體疊層部疊層幾層都可以，能夠得到效率非常高的疊層型薄膜太陽能電池。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性能夠作為不從便攜式設(shè)備釋放各種電氣設(shè)備的CO2的清潔的電源、以及作為航天設(shè)備的電源而廣泛地利用。
權(quán)利要求
1.一種疊層型薄膜太陽能電池，其特征在于，包括基板；第一光電轉(zhuǎn)換單元，設(shè)置在該基板上，具備由具有第一帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一半導(dǎo)體疊層部和分別與該第一半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第一電極；和第二光電轉(zhuǎn)換單元，粘貼在該第一光電轉(zhuǎn)換單元上，具備由具有第二帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第二半導(dǎo)體疊層部和分別與該第二半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第二電極。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜太陽能電池，其特征在于通過將所述第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元錯(cuò)開地粘貼從而在該粘貼的部分形成臺階差，在因該臺階差而露出的所述第一和第二光電轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體層上設(shè)置有所述第一和第二電極的各自的一方。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜太陽能電池，其特征在于所述一對第一電極和第二電極分別設(shè)置在所述第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元的兩面的周圍，該第一光電轉(zhuǎn)換單元和第二光電轉(zhuǎn)換單元以串聯(lián)連接的方式重疊，在所述第一電極與第二電極的接合部粘貼。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜太陽能電池，其特征在于在所述第二光電轉(zhuǎn)換單元的表面上，粘貼有第三光電轉(zhuǎn)換單元，該第三光電轉(zhuǎn)換單元具備由具有第三帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第三半導(dǎo)體疊層部和分別與該第三半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第三電極，此外，在該第三光電轉(zhuǎn)換單元的表面上還粘貼有第四光電轉(zhuǎn)換單元，該第四光電轉(zhuǎn)換單元具備由具有第四帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第四半導(dǎo)體疊層部和分別與該第四半導(dǎo)體疊層部兩面的至少一部分電氣連接而設(shè)置的一對第四電極。
5.如權(quán)利要求3所述的薄膜太陽能電池，其特征在于由構(gòu)成所述第一光電轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體形成所述基板，在該第一光電轉(zhuǎn)換單元上以串聯(lián)連接的方式粘貼有包括所述第二光電轉(zhuǎn)換單元的一個(gè)以上的光電轉(zhuǎn)換單元，所述基板的背面和粘貼的光電轉(zhuǎn)換單元的最表面的電極成為電極端子。
6.如權(quán)利要求3所述的薄膜太陽能電池，其特征在于在絕緣性基板或表面上形成有絕緣膜的半導(dǎo)體基板或?qū)щ娦曰宓谋砻嫔希源?lián)連接的方式粘貼有包括所述第一光電轉(zhuǎn)換單元和所述第二光電轉(zhuǎn)換單元的兩個(gè)以上的光電轉(zhuǎn)換單元，在所述基板表面上形成有所述第一光電轉(zhuǎn)換單元的一方的電極和最表面的電極的端子。
7.一種疊層型薄膜太陽能電池的制造方法，其特征在于，包括(a)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第二光電轉(zhuǎn)換單元的第二半導(dǎo)體疊層部的工序；(b)將所述第二半導(dǎo)體疊層部的最表面粘貼在臨時(shí)基板上，通過將使所述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去所述生長用基板，僅將第二半導(dǎo)體疊層部粘貼在所述臨時(shí)基板上的工序；(c)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一半導(dǎo)體疊層部的工序；(d)在粘貼在所述臨時(shí)基板上的第二半導(dǎo)體疊層部的表面上，以該第二半導(dǎo)體疊層部的一部分露出的方式，錯(cuò)開地粘貼所述第一半導(dǎo)體疊層部，通過將使所述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去所述生長用基板，僅保留該第一半導(dǎo)體疊層部的工序；(e)通過從該第一半導(dǎo)體疊層部的表面?zhèn)雀采w金屬膜，至少在所述第二半導(dǎo)體疊層部的露出面上形成電極的工序；(f)將主基板粘貼在所述第一半導(dǎo)體疊層部的表面上后，除去所述臨時(shí)基板的工序；和(g)通過從所述第二半導(dǎo)體疊層部側(cè)覆蓋金屬膜，至少在所述第一半導(dǎo)體疊層部與所述第二半導(dǎo)體疊層部的粘接面?zhèn)鹊穆冻霾糠稚闲纬呻姌O的工序。
8.一種疊層型薄膜太陽能電池的制造方法，其特征在于，包括(a)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一半導(dǎo)體疊層部，在其表面的一部分上形成第一電極的一方的工序；(b)以在主基板的表面上形成的電極與所述第一光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極的一方連接的方式，粘貼所述第一半導(dǎo)體疊層部的最表面，通過將使所述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去所述生長用基板，僅將第一半導(dǎo)體疊層部粘貼在所述主基板上的工序；(c)在生長用基板上，隔著具有與該生長用基板的匹配性、易于氧化的化合物層，形成構(gòu)成第二光電轉(zhuǎn)換單元的第二半導(dǎo)體疊層部，在其表面的一部分上形成第二電極的一方的工序；(d)在粘貼在所述主基板上的第一半導(dǎo)體疊層部的露出的表面的一部分上形成第一電極的另一方，以該第一電極的另一方與所述第二半導(dǎo)體疊層部的第二電極的一方連接的方式，粘貼所述第二半導(dǎo)體疊層部的最表面，通過將使所述易于氧化的化合物層氧化而形成的氧化物層溶解，除去所述生長用基板，僅粘貼第二半導(dǎo)體疊層部的工序；和(e)在粘貼在所述主基板上的第二半導(dǎo)體疊層部的露出的表面的一部分上形成第二電極的另一方的工序。
9.如權(quán)利要求7或8所述的制造方法，其特征在于所述易于氧化的化合物層為AluGa1-uAs(0.5≤u≤1)或AlvIn1-vAs(0.5≤v≤1)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠高效地轉(zhuǎn)換太陽光、而且能夠多段地進(jìn)行疊層而半導(dǎo)體材料的選擇不受限制、并且轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異的疊層型薄膜太陽能電池及其制造方法。在基板(4)上設(shè)置有具備由具有第一帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第一半導(dǎo)體疊層部(1a)和一對第一電極(13、14)的第一光電轉(zhuǎn)換單元，在其上，粘貼有具備由具有第二帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第二半導(dǎo)體疊層部(2a)和一對第二電極(23、24)的第二光電轉(zhuǎn)換單元。此外，也可以在其上粘貼有具備由具有第三帶隙能量的半導(dǎo)體構(gòu)成的第三半導(dǎo)體疊層部(3a)和一對第三電極(33、34)的第三光電轉(zhuǎn)換單元，并且能夠粘貼期望的個(gè)數(shù)。
文檔編號H01L31/18GK1938866SQ20058001008
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
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