化合物‑半导体光伏电池及化合物‑半导体光伏电池的制造方法与流程
本公开内容在此通常涉及化合物-半导体光伏电池和化合物-半导体光伏电池的制造方法。
背景技术：
传统地，已经存在化合物-半导体光伏电池，每个包括锗(Ge)基板，布置在该基板上的底部电池以及第一杂质限制层，其布置在底部电池的上部部分中并包括具有晶格匹配于基板的构成y的第一导电类型铝铟磷化物(AlyIn1-yP)层。光伏电池进一步包括第一高杂质密度层，其布置在第一杂质限制层上并包括具有晶格匹配于基板的构成x的第一导电类型铟镓磷化物(InxGa1-xP)层，以及第二高杂质密度层，其具有构成x并包括布置在第一高杂质密度层以便与第一高杂质密度层形成隧道结的第二导电类型InxGa1-xP层。第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型。光伏电池进一步包括第二杂质限制层，其布置在第二高杂质密度层并包括具有构成y的第二导电类型铝镓磷化物(AlyGa1-yP)层，以及布置在第二杂质层上的顶部电池(参见，例如，专利文献1)。
此外，已经存在三-结光伏电池，其中用于相应的电池的带隙被设定为1.9eV/1.42eV/1.0eV(参见，例如，非专利文献1)。
非专利文献2公开了一种基于低带隙吸收体材料InGaAsP(1.03eV)和InGaAs(0.73eV)的低带隙串联太阳电池。此外，非专利文献2公开了使用时间分辨的光致发光测量来评估低带隙吸收体材料的使用寿命。
引用文献列表
专利文献
专利文献1
日本公布的专利申请号2001-102608
非专利文献
非专利文献1
Proceedings of the 29st IEEE Photovoltaic Specialists Conference(2010)pp.412-417
非专利文献2
Non-Patent Document 2:Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(2009)pp.1090-1093
技术实现要素：
技术问题
专利文献1描述了在传统的双-结型光伏电池中的p+-GaInP(镓铟磷化物)层和n+-GaInP层之间的隧道结。该隧道结是均质结。
因为在均质结中的p-型层的价带和n-型层的导带之间的能量差大于在II型的异质结中的p-型层的价带和n-型层的导带之间的能量差，在专利文献1中公开的隧道结的效率的提高是不够的。
此外，在非专利文献1中的GaInP子光伏电池和GaInAs(镓铟砷化物)子光伏电池之间，p+-AlGaAs(铝镓砷化物)层和n+-GaInP层之间的隧道结得以形成。然而，p+-AlGaAs层和n+-GaInP层的细节没有被描述，以及包括隧道结的效率的提高没有被实施。
非专利文献2没有描述通过使用晶格常数实现带隙的组合。
如上所述的，对于化合物半导体的传统的光伏电池的效率的提高还没有被足够地实施。
鉴于以上主题，本发明的至少一个实施例的大体目的是要提供一种化合物-半导体光伏电池以及化合物-半导体光伏电池的制造方法，其效率被提高。
解决技术问题的技术方案
根据本发明的一方面，化合物-半导体光伏电池包括第一光电转换电池，其由晶格匹配于砷化镓(GaAs)或锗(Ge)的第一化合物-半导体材料制成；第一隧道结层，其布置在光入射方向上比第一光电转换电池更远的深侧上，并包括第一正型(p-型)铝镓铟砷化物((Alx1Ga1-x1)y1In1-y1As(0≦x1<1,0<y1≦1))层和第一负型(n-型)铝镓铟磷化物((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P(0≦x2<1,0<y2<1))层；以及第二光电转换电池，其布置在光入射方向上比第一隧道结层更远的深侧上，并且由基于GaAs的半导体材料的第二化合物-半导体材料制成。第一光电转换电池和第二光电转换电池经由第一隧道结层被结合。第一n-型(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P层的晶格常数大于第一光电转换电池的晶格常数。
根据本发明的另一个方面，一种化合物-半导体光伏电池的制造方法，该化合物-半导体光伏电池具有由第一化合物-半导体材料制成的第一光电转换电池和由第二化合物-半导体材料制成的第二光电转换电池，包括层叠第二光电转换电池在化合物-半导体基板上的步骤；层叠隧道结层在第二光电转换电池上的步骤，隧道结层包括p-型(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1As(0≦x1<1,0<y1≦1)层和n-型(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P(0≦x2<1,0<y2<1)层；以及层叠第一光电转换电池在隧道结层上的步骤。第一化合物-半导体材料是晶格匹配于砷化镓或锗的化合物-半导体材料。第二化合物-半导体材料是基于GaAs的化合物-半导体材料。n-型(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P层的晶格常数大于第一光电转换电池的晶格常数。
根据本发明的又一个方面，一种化合物半导体光伏电池的制造方法包括在第一化合物-半导体基板上层叠第一光电转换电池的步骤，第一光电转换电池由晶格匹配于砷化镓或锗的第一化合物-半导体材料制成；在第一光电转换电池上层叠第一隧道结层的步骤，所述第一隧道结层包括第一p-型(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1As(0≦x1<1,0<y1≦1)层和第一n-型(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P(0≦x2<1,0<y2<1)层；以及在第一隧道结层上层叠第二光电转换电池的步骤，第二光电转换电池由基于GaAs的半导体材料的第二化合物-半导体材料制成；在第二光电转换电池上层叠第一结层的步骤，该第一结层由第三化合物-半导体材料制成；在第二化合物-半导体基板上层叠一个或更多个第三光电转换电池的步骤，每个第三光电转换电池都由第四化合物-半导体材料制成；在一个或更多个第三光电转换电池上层叠第二结层的步骤，第二结层由第五化合物-半导体材料制成；将与连接到第二光电转换电池的表面相反的第一结层的表面和与连接到第三光电转换电池的表面相反的第二结层的表面结合的步骤；以及移除第一化合物-半导体基板的步骤。第一n-型(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P层的晶格常数大于第一光电转换电池的晶格常数。
本发明的有益效果
根据本发明的实施例，提供一种化合物-半导体光伏电池以及一种具有提高的效率的化合物-半导体光伏电池的制造方法。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100的示例的截面示意图；
图2A是示出p-型晶格匹配(Al)GaInP和n-型晶格匹配(Al)GaInP的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图2B是示出p-型AlGaAs和n-型晶格匹配(Al)GaInP的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图2C是示出p-型晶格匹配(Al)GaInP和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图2D是示出p-型AlGaAs和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图3是示出根据第二实施例的化合物-半导体光伏电池200的示例的截面示意图；
图4是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的示例的截面示意图；
图5A是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的制造方法的示例的示意图；
图5B是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的制造方法的另一个示例的示意图；
图6A是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的制造方法的又一个示例的示意图；
图6B是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的制造方法的又一个示例的示意图；
图7是示出根据第四实施例的化合物-半导体光伏电池400的示例的截面示意图；
图8是示出根据第四实施例的第一变型的化合物-半导体光伏电池400A的示例的示意图；
图9是示出根据第四实施例的第一变型的隧道结层170A的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图10是示出根据第四实施例的第二变型的化合物-半导体光伏电池400B的示例的示意图；
图11是示出根据第四实施例的第三变型的化合物-半导体光伏电池400C的示例的示意图；
图12是示出根据第四实施例的第二变型的隧道结层170B的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图13是根据第四实施例的第四变型的化合物-半导体光伏电池400D的示例的示意图；
图14是示出根据第四实施例的第三变型的隧道结层170C的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示例的示意图；
图15是示出根据第五实施例的化合物-半导体光伏电池500的示例的截面示意图。
具体实施方式
在下文中，将描述其中根据本发明的化合物-半导体光伏电池和化合物-半导体光伏电池的制造方法被应用的实施例。
因为化合物-半导体的带隙能量或晶格常数根据材料构成变化，其中能量转换效率是通过共享太阳光的波长范围得以提高的多结型光伏电池已经被制造。
目前，存在三-结光伏电池，包括将晶格匹配材料用在Ge基板上的Ge电池/Ga(In)As电池/GaInP电池，其具有几乎与砷化镓(GaAs)相同的晶格常数，具有用于相应的1.88eV/1.40eV/0.67eV的电池的带隙。
化合物-半导体光伏电池具有是大约基于硅(Si)的光伏电池的两倍效率的效率。然而，由于基板的成本、基板等的小尺寸，化合物-半导体光伏电池比基于Si的光伏电池贵若干数量级。因此，化合物-半导体光伏电池已经被用于特殊目的，例如太空，在人造卫星中，例如。
近年来，通过结合廉价的塑料透镜和小尺寸的光伏电池，形成集光型(concentrated)电池，减少比通常平面电池更贵的化合物-半导体的量，以及实现成本降低，化合物-半导体光伏电池已经被实际用于地球应用(在地球上的一般用途)。
作为用于提高特别是集光型电池中的效率的目的，为了减少由于电流的增加引起的能量损失，用于减少电流和减小串联电阻的多结是重要的。为了减小电阻，重要的是，尤其地减小连接子电池的隧道结的电阻。
在此，隧道结是半导体中的p-n结，其中杂质在高浓度下添加。根据高浓度掺杂(doping)，n-型层的导带和p-型价带的价带退化(degenerated)，以及相应的能量级横穿费米能级彼此重叠，从而载体隧道效应的概率增大，以及隧道电流流动。虽然电流通常仅在从p-型层到n-型层的方向上流动，但是在隧道结中，可能引起电流在相反方向上流动。
为了形成在具有带两个或更多个层的光电转换电池的光伏电池中的良好的隧道结，具有带隙的材料，其几乎与隧道结的上部部分的GaInP子电池相同的宽度或比该宽度更宽，优选地用于隧道结层中以便减小隧道结层中的光的吸收损失。
另外，构成隧道结层的p-型层的价带和n-型层的导带之间的能量差优选地是小的，因为载体更容易地形成隧道并且载体的浓度(掺杂浓度)会小于能量差大的情况。
然而，不容易在高浓度下进行掺杂。重要的是允许杂质有效地进入膜中，以及抑制掺杂的杂质的扩散，以便获得需要的浓度分布等。
在下文中，将解释要解决以上所述的问题的第一到第五实施例。
示例1
图1是示出根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100的截面示意图。
化合物-半导体光伏电池100包括电极10，砷化镓(GaAs)基板110，砷化镓缓冲层111，砷化镓电池160，隧道结层170，镓铟磷化层(GaInP)电池180，接触层40A和电极50。
根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100是双-结型光伏电池，其直接地连接GaAs电池160(1.42eV)和GaInP电池180(1.9电子伏特)。
在此，GaAs电池160(1.42eV)和GaInP电池180(1.9eV)是基于GaAs的光电转换电池。
基于GaAs的光电转换电池是其差不多的晶格与砷化镓(GaAs)或锗(Ge)匹配并且由可在砷化镓基板上或在锗基板上生长的物质系统晶体形成的光电转换电池，锗具有几乎与GaAs相同的晶格常数。在此，一种材料，其差不多的晶格与砷化镓或锗(锗具有与砷化镓几乎相同的晶格常数)匹配以及可在砷化镓基板上或锗基板上生长的晶体，将被称为GaAs晶格匹配系统材料。此外，由GaAs晶格匹配系统材料制成的电池将称为GaAs晶格匹配系统材料电池。
在化合物-半导体光伏电池100中，所有的层基本上形成为以便差不多的晶格与GaAs或Ge(Ge具有与GaAs几乎相同的晶格常数)匹配，或者以使得相应的层的厚度小于或等于引起甚至在其中晶格常数彼此不同的情况下的晶格弛豫的临界膜厚度。
化合物-半导体光伏电池100是通过顺序地形成在砷化镓基板、砷化镓缓冲层111、砷化镓电池160、隧道结层170、GaInP电池180、接触层40A和电极50上，以及最后通过形成电极10，得以制成的。
砷化镓基板110是化合物-半导体基板的示例。GaInP电池180是由其晶格匹配于GaAs或Ge的第一化合物-半导体材料制成的第一光电转换电池的示例。隧道结层170是第一隧道结层的示例。GaAs电池160是由其是基于GaAs的材料的第二化合物-半导体材料制成的第二光电转换电池的示例。
在图1中，光的入射方向是从图中的上部部分到下部部分的方向(从GaInP电池180到GaAs电池160的方向)。
电极10是其是位于光入射方向上的深侧上的下部电极的电极。对于电极10，例如，Ti(钛)/Pt(铂)/Au(金)等的金属层可被使用。
对于GaAs基板110，例如，p-型砷化镓的单个晶体的晶片可被使用。对于杂质，例如，锌(Zn)等可被使用。
GaAs缓冲层111可通过例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法形成在GaAs基板110上。对于杂质，例如，碳(C)等可被使用以使得导电型是p-型。
GaAs电池160形成在GaAs缓冲层111上。GaAs电池160包括p-型GaInP层161，p-型GaAs层162，n-型GaAs层163和n-型(Al)GaInP层164。
GaInP层161，GaAs层162，GaAs层163和(Al)GaInP层164以该顺序被层叠在GaAs缓冲层111的表面上。
GaInP层161是布置在光入射方向上的深侧上的BSF(后表面区域(Back Surface Field))层。在GaAs电池160中的p-n结是通过GaAs层162和GaAs层163构成的。(Al)GaInP层164是布置在光入射方向上的近侧(光入射侧)上的窗口层。
在此，GaInP层161的表达式“GaInP”具体地表示GaxIn1-xP(0<x<1)。然而，在下文中，简化表达式“GaInP”将被使用。此外，(Al)GaInP层164的表达式“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1))。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况以及不包括Al的情况。
在此，GaAs电池160可被认为是其构造包括构成p-n结的GaAs层162和GaAs层163的电池，(Al)GaInP层164形成在其光入射侧上，以及GaInP层161形成在其光入射方向上的深侧上。
GaInP层161仅必需具有大于或等于p-型GaAs层162和n-型GaAs层163之间的带隙(1.42eV)的带隙，因为GaInP层161被用作BSF层。对于GaInP层161的杂质，例如，锌(Zn)可被使用。
GaAs层162的导电型是通过例如将Zn用作杂质被弄成p-型的。
GaAs层163的导电型是通过例如将Si用作杂质被弄成n-型的。
GaAs层162和GaAs层163之间的带隙是1.42eV。
(Al)GaInP层164具有大于p-型GaAs层162和n-型GaAs层163之间的带隙(1.42eV)的带隙，因为(Al)GaInP层164被用作窗口层。
在第一实施例中，对于(Al)GaInP层164的杂质，例如，硅(Si)可被使用。
隧道结层170被布置在GaAs电池160和GaInP电池180之间。因为化合物-半导体光伏电池100是通过在图1中示出的状态下从下侧顺序地层叠制成的，隧道结层170被层叠在GaAs电池160上。
隧道结层170包括n+-型(Al)GaInP层171，和p+-型(Al)GaAs层172。对于(Al)GaInP层171中的杂质，例如，碲(Te)可被使用以使得导电型是n-型。对于(Al)GaAs层172中的杂质，例如，碳(C)可被使用以使得导电型是p-型。n+-型(Al)GaInP层171和p+-型(Al)GaAs层172形成以高浓度掺杂的薄的p-n结。
(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172二者都以比GaInP电池180高的浓度掺杂。隧道结层170是布置成以使得电流通过隧道结在GaInP电池180中的p-型GaInP层182和GaAs电池160中的n-型GaAs层163之间流动的结层。
在此，(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172分别是第一n-型(Al)GaInP层和第一p-型(Al)Ga(In)As层的示例。
表达式“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
表达式“(Al)Ga(In)As”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yAs(0≦x<1,0<y≦1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)Ga(In)As”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况，以及符号“(In)”涵盖包括In的情况下和不包括In的情况。
(Al)GaInP层171的晶格常数大于GaAs的晶格常数，并且具有压缩应变。
在(Al)GaAs层172中的Al的构成被调节以使得带隙变得几乎和GaInP电池180中的带隙相同。
(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172的厚度，例如，大于或等于25nm(纳米)但小于或等于50nm。
在此，表达式(Al)GaInP层171的“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
此外，表达式(Al)GaAs层172的“(Al)GaAs”具体地表示AlxGa1-xAs(0≦x<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaAs”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
此外，因为隧道结层170的材料优选地具有几乎与GaInP电池180的带隙相同或大于GaInP电池180的带隙的带隙，其位于光入射侧上，被认为其晶格匹配于GaInP电池180的n+-GaInP可被用于隧道结层170的n层。
然而，在第一实施例中，Al被添加到以上所述的用于(Al)GaInP层171的材料以便具有与GaInP相同的带隙，In的构成增加以便使晶格常数大于GaAs的，从而(Al)GaInP层171具有压缩应变。
同时，为何(Al)GaInP层171的晶格常数被如上地设定的原因稍后将被描述。
GaInP电池180形成在隧道结层170和接触层40A之间。
GaInP电池180包括p-型Al(Ga)InP层181，p-型GaInP层182，n-型GaInP层183和n-型Al(Ga)InP层184。
Al(Ga)InP层181，GaInP层182，GaInP层183和Al(Ga)InP层184以该顺序被层叠在隧道结层170的表面上。GaInP电池180被层叠在隧道结层170上。
GaInP电池180由其晶格匹配于GaAs的GaInP的晶体层制成。在实际的制造工艺中，例如，Al(Ga)InP层181，GaInP层182，GaInP层183和Al(Ga)InP层184以该顺序被层叠。
Al(Ga)InP层181是布置在光入射方向上的深侧上的BSF(后表面区域)层。在GaInP电池180中的p-n结是通过GaInP层182和GaInP层183构成的。Al(Ga)InP层184是布置在光入射方向上的近侧(光入射侧)上的窗口层。
在此，GaInP电池180可被认为是其构造包括构成p-n结的GaInP层182和GaInP层183的电池，Al(Ga)InP层184形成在其光入射侧上，以及Al(Ga)InP层181形成在其在光入射方向上的深侧上。
Al(Ga)InP层181仅必需具有大于或等于p-型GaInP层182和n-型GaInP层183之间的带隙(1.9eV)的带隙，因为Al(Ga)InP层181被用作BSF层。对于Al(Ga)InP层181的杂质，例如，锌(Zn)可被使用。
GaInP层182的导电型是通过例如将Zn用作杂质被弄成p-型的。
GaInP层183的导电型是通过例如将Si用作杂质被弄成n-型的。
GaInP层182和GaInP层183之间的带隙是1.9eV。
Al(Ga)InP层184具有大于p-型GaInP层182和n-型GaInP层183之间的带隙(1.9eV)的带隙，因为Al(Ga)InP层184被用作窗口层。
在此，表达式Al(Ga)InP层181的“Al(Ga)InP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1,0<y≦1)。然而，在下文中，简化表达式“Al(Ga)InP”将被使用。符号“(Ga)”表示包括Ga描述构成和不包括Ga的构成二者。以上所述的表达式还被用于Al(Ga)InP层184。然而，Al(Ga)InP层181的x和y的值可不同于Al(Ga)InP层184的值。
此外，表达式GaInP层182的“GaInP”具体地表示GaxIn1-xP(0<x<1)。然而，在下文中，简化表达式“GaInP”将被使用。以上所述的表达式还被用于GaInP层183。GaInP层182的值x可不同于GaInP层183的值。
在第一实施例中，Al(Ga)InP层184仅必需具有大于或等于p-型GaInP层182和n-型GaInP层183之间的带隙(1.9eV)的带隙。对于Al(Ga)InP层184的杂质，例如，硅(Si)可被使用。
接触层40A被层叠在GaInP电池180上以便执行到电极50的电阻连接。例如，砷化镓(GaAs)层被用于接触层40A。
电极50是，例如，金属薄膜，例如Ti/Pt/Au，并且形成在接触层40A上。
同时，接触层40A是这样形成的：通过移除砷化镓(GaAs)层，其形成在Al(Ga)InP层184的整个表面上，将电极50(上部电极)用作掩模。
此外，化合物-半导体光伏电池100具有其中太阳光从宽带隙的电池的侧面(GaInP电池180的侧面)进入化合物-半导体光伏电池100的构造。同时，抗反射膜优选地设置在Al(Ga)InP层184的表面上，太阳光进入到其上。
图2A到2D是示出具有压缩应变的p-型AlGaAs和n-型(Al)GaInP的材料它们自己的相对能量级之间的关系的示意图。在此，为何(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172的组合被使用的原因将参照图2A到2D进行解释。
图2A示出结合其晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层和其晶格匹配于GaAs的n-型(Al)GaInP层的隧道结层的带结构。p-型(Al)GaInP层的带结构被示出在图2A中的左半部，以及n-型(Al)GaInP层的带结构被示出在图2A的右半部。同时，符号(Al)GaInP表示包括Al的构成和不包括Al的构成二者。
在图2A中，因为p-层和n-层二者都是(Al)GaInP层，p层和n层的带隙Eg是相同的，导带和价带的高度在p层和n层之间没有变化，并且没有不连续性发生。那么，图2A中示出的结是所谓的“同质结”。
图2B示出结合其晶格匹配于GaAs的p-型AlGaAs层和其晶格匹配于GaAs的n-型(Al)GaInP层的隧道结层的带结构。
其晶格匹配于GaAs的n-型(Al)GaInP层的导带和价带的能量二者都分别低于其晶格匹配于GaAs的p-型AlGaAs层的导带和价带的能量。也就是说，所谓的“II型异质结”得以获得。
在图2B中示出的结中，其晶格匹配于GaAs的p-型AlGaAs层的价带和其晶格匹配于GaAs的n-型(Al)GaInP层的导带之间的能量差E1小于相应的层的任何带隙。因此，载体隧道效应的概率增加，与图2A中示出的隧道结相比。
图2C示出结合其晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层的隧道结层的带结构。
具有压缩应变的n-型(Al)GaInP是这样形成的：通过层叠(Al)GaInP，其构成被调节以便具有大于GaAs的晶格常数的晶格常数，在晶格匹配于GaAs的层上，以具有压缩应变。
在此，层，其构成被调节以便晶格匹配于GaAs，是，例如，GaInP电池180和GaAs电池160(参见图1)。
具有比GaAs大的晶格常数的GaInP具有稍微小于晶格匹配于GaAs的GaInP的价带的能量的价带能量，以及大大低于晶格匹配于GaAs的GaInP的导带的能量的导带能量。那么，带隙减小。
此外，在添加Al到以上描述的具有比GaAs大的晶格常数的GaInP时，导带的能量增加，价带的能量减小，从而带隙增加。
因此，在其晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层的隧道结层中，具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层的导带和价带二者都分别低于晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层的导带和价带。那么，所谓的“异质结的II型结”得以获得。
晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层的价带和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层的导带之间的能量差E2小于相应层的任何带隙。因此，载体隧道效应的概率增加，与图2A中示出的隧道结相比。
同时，为了使晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层具有相同的带隙，具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层的Al构成需要大于晶格匹配于GaAs的p-型(Al)GaInP层的Al构成。
根据以上所述的，如图2D中示出的，在结合AlGaAs层和具有压缩应变的n-型(Al)GaInP层时，发现带的不连续性变得更大，与图2B中示出的AlGaAs层和其晶格匹配于GaAs的(Al)GaInP层的隧道结相比。
图2D中示出的n-型(Al)GaInP层和p-型AlGaAs层分别对应于n+-型(Al)GaInP层171和p+-型(Al)GaAs层172。
隧道结是其中杂质以高浓度添加的半导体的p-n结。在隧道结中，由于以高浓度掺杂，n-型层的导带和p-型层的价带退化，相应的能量级横穿费米能级彼此重叠，从而载体隧道效应的概率增加，以及隧道效应电流流动。
为此，如图2D中所示的，在结合作为p+-层的具有更大能量的导带和更大能量的价带的AlGaAs层和作为n+-层的具有压缩应变的(Al)GaInP层的情况下，AlGaAs层的价带和具有压缩应变的(Al)GaInP层的导带之间的能量差E3小于图2B中示出的能量差E1，载体隧道效应的概率增加更多。
根据以上所述的理由，在第一实施例中，包括具有压缩应变的(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172的隧道结层170(参见图1)被使用。具有压缩应变的(Al)GaInP层171是具有比GaAs的晶格常数大的晶格常数的(Al)GaInP层。
此外，因为GaInP电池180是由晶格匹配于GaAs的GaInP的晶体层制成的，具有压缩应变的(Al)GaInP层171具有大于GaInP电池180的晶格常数的晶格常数。
隧道结层170通过使用具有压缩应变的(Al)GaInP层171来降低导带和价带的能量级，与没有压缩应变的情况相比。
那么，通过减小(Al)GaAs层172的价带和(Al)GaInP层171的导带之间的能量差E3(参见图2D)，在隧道结层170中的载体的损失被抑制或减少。
因此，在第一实施例中，隧道结层170的电阻值减小，能量损失减少，从而高效率的化合物-半导体光伏电池100可被提供。同时，能量损失减少，因为隧道结层170的电阻值减小。
此外，在隧道结层170中，载体浓度(掺杂浓度)可降低，与其中p+-层的价带和n+-层的导带之间的能量差是大的情况相比，隧道结可容易地形成。
同时，在上述中，实施例，其中(Al)GaInP层171被用于隧道结层170的n+-层，被解释。Al没有被添加到其中的GaInP可被使用。
此外，(Al)GaInPAs层，Al被添加到其中以增加带隙且砷(As)被添加以调节晶格常数，可被用于隧道结层170的n+-层。表达式“(Al)GaInPAs”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yPzAs1-z(0≦x<1,0<y<1,0<z<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInPAs”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
也就是说，隧道结层的n+-层的构成公式是由(Al)GaInP(As)表达的。在该表达式中的符号(Al)表示包括Al的构成和不包括Al的构成二者。符号(As)表示包括As的构成和不包括As的构成二者。这样，隧道结层170的p+-层和n+-层的构成可在每种情况下被调节。p+-层和n+-层的构成也可在其他实施例中被调节。
此外，在本实施例中，包括作为隧道结层170的p+-层的(Al)GaAs层172的示例被解释。然而，其中In被添加到其中的AlGaInAs可被使用。也就是说，隧道结层170的p+-层仅必需被表达为AlGa(In)As。符号(In)表示包括In的构成和不包括In的构成二者。
示例2
图3是示出根据第二实施例的化合物-半导体光伏电池200的截面示意图。
化合物-半导体光伏电池200是通过将根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100中的GaAs电池160(1.42eV)和GaInP电池180(1.9eV)分别替换为GaInAs电池260(1.4eV)和GaInP电池280(1.88eV)，得以获得的。
此外，化合物-半导体光伏电池200通过进一步添加Ge电池210(0.67eV)变为三结型。
化合物-半导体光伏电池200包括电极10，Ge电池210，GaInP缓冲层213，GaAs缓冲层214，隧道结层150，GaInAs电池260，隧道结层170，GaInP电池280，接触层40A和电极50。
同时，在化合物-半导体光伏电池200中，对于与根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100中的相同的构成元素，被分配相同的附图标记，并且其解释将被省略。
化合物-半导体光伏电池200是这样制造的：通过在Ge电池210的Ge基板211上顺序地形成GaInP缓冲层213、GaAs缓冲层214、隧道结层150、GaInAs电池260、隧道结层170、GaInP电池280、接触层40A和电极50，以及最后通过形成电极10。
Ge电池210包括p-型Ge基板211和n-型Ge层212。通过利用磷(P)在形成于Ge层212上的GaInP缓冲层213中的扩散，Ge层212的导电型是n-型。Ge电池210是第三光电转换电池的示例。
GaInP缓冲层213例如可通过MOCVD方法形成在Ge电池210上。对于杂质，例如，硅(Si)等可被使用以使得导电型是n-型。GaInP缓冲层213是第一缓冲层的示例。
GaAs缓冲层214例如可通过MOCVD方法形成在GaInP缓冲层213上。对于杂质，例如，硅(Si)等可被使用以使得导电型是n-型。GaAs缓冲层214是第二缓冲层的示例。
隧道结层150被布置在GaAs缓冲层214和GaInAs电池260之间。
隧道结层150包括n+-型GaAs层151和p+-型GaAs层152。对于杂质，例如，碲(Te)可被使用以使得导电型是n-型。对于杂质，例如，碳(C)可被使用以使得导电型是p-型。n+-型GaAs层151和p+-型GaAs层152构造其以高浓度掺杂的薄的p-n结。
隧道结层150的GaAs层151和152二者都以比GaInAs电池260高的浓度掺杂。隧道结层150是布置成以使得电流通过隧道结在GaInAs电池260的p-型Ga(In)As层262和Ge电池210的n-型Ge层212之间流动。
GaInAs电池260包括p-型GaInP层161，p-型Ga(In)As层262，n-型Ga(In)As层263和n-型(Al)GaInP层164。GaInAs电池260是基于GaAs的光电转换电池。
也就是说，GaInAs电池260是通过将根据第一实施例的GaAs电池160中(参见图1)的执行光电转换的p层和n层替换为具有1.5％的In构成和1.40eV的带隙的Ga(In)As层262和Ga(In)As层263，得以获得的。GaInAs电池260是第二光电转换电池的示例。
在此，Ga(In)As层262的表达式“Ga(In)As”具体地表示Ga1-xInxAs(0≦x<1)。然而，在下文中，简化表达式“Ga(In)As”将被使用。此外，符号“(In)”涵盖包括In的情况和不包括In的情况。以上描述的表达式还用于Ga(In)As层263。然而，Ga(In)As层263的x的值可不同于Ga(In)As层262的x的值。
GaInP电池280包括，如在根据第一实施例的GaInP电池180(1.9eV)中的，p-型Al(Ga)InP层181，p-型GaInP层182，n-型GaInP层183和n-型Al(Ga)InP层184。在GaInP电池280中，带隙通过调节膜形成条件等被调节到1.88eV。GaInP电池280是第一光电转换电池的示例。
在第二实施例中，包括(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172的隧道结层170被使用在GaInAs电池260和GaInP电池280之间。
化合物-半导体光伏电池200被形成为以使得相应的层几乎晶格匹配于锗(Ge)以便顺序地形成相应的层在Ge基板211上。
因此，(Al)GaInP层171，在第二实施例中，是通过将其构成被调节以便具有大于Ge的晶格常数的晶格常数的(Al)GaInP沉积在晶格匹配于Ge的层上以具有压缩应变，得以形成的。
在此，晶格匹配于Ge的这些层是所有的Ge层212、GaInP缓冲层213、GaAs缓冲层214、隧道结层150、GaInAs电池260和GaInP电池280。
同时，因为锗(Ge)的晶格常数与GaAs的晶格常数近似相同，因此根据第一实施例的(Al)GaInP层171可按照它那样近似地被用于第二实施例中。因为，Ge的晶格常数稍微大于GaAs的晶格常数，因此其中In构成是大的的(Al)GaInP层171优选地被使用。
隧道结层170通过使用具有压缩应变的(Al)GaInP层171降低了导带和价带的能量级，与没有压缩应变的情况相比。
那么，通过减小(Al)GaAs层172的价带和(Al)GaInP层171的导带之间的能量差E3(参见图2D)，在隧道结层170中的载体的损失被抑制或减小。
因此，在第二实施例中，提供了一种三结型化合物-半导体光伏电池200，其中电阻值减小，能量损失减小且效率提高。
此外，与其中p+-层的价带和n+-层的导带之间的能量差是大的情况相比，载体浓度(掺杂浓度)可降低，隧道结可容易地形成。
同时，隧道结层150的n+-型GaAs层151可具有压缩应变，如(Al)GaInP层171。在该情况下，GaAs层151的晶格常数只需要设定为大于该层的晶格常数，其构成被调节以便晶格匹配于Ge(GaInP电池280或GaInAs电池260)。在该情况下，隧道结层是第二隧道结层的示例。
此外，具有压缩应变的GaAs层151的带隙可相对于GaInAs电池260的带隙被调节。
此外，在本实施例中，如上所述的，解释包括Ge电池210的示例，其中Ge层212形成在Ge基板211上。然而，替代Ge电池210，可使用由其晶格匹配于GaAs并具有比GaInAs电池260小的带隙的材料例如GaInNAs形成的电池。在该情况下，所使用的不是Ge电池210的电池仅需要具有小于GaInAs电池260的带隙。
示例3
图4是示出根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的示例的截面示意图。
根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300包括电极10，InP基板310，GaInPAs电池120，结层130，隧道结层150A，GaAs电池160，隧道结层170，GaInP电池180，接触层40A和电极50。
化合物-半导体光伏电池300是这样获得的：通过从根据第一实施例的化合物-半导体光伏电池100移除GaAs基板110和GaAs缓冲层111，并添加InP基板310、GaInPAs电池120、结层130和隧道结层150A到它。
在该情况下，通过结合结层130和隧道结层150A，两个层叠主体被结合，隧道结是由结层130和隧道结层150A形成的。
对于InP基板310，例如，p-型磷化铟的单个晶体的晶片可被使用。对于杂质，例如，锌(Zn)等可被使用。
同时，GaInPAs电池120是第三光电转换电池的示例。GaAs电池160和GaInP电池180分别是第二光电转换电池和第一光电转换电池的示例。
GaInPAs电池120形成在InP基板310的表面上。GaInPAs电池120包括p-型InP层121，p-型GaIn(P)As层122，n-型GaIn(P)As层123和n-型Al(Ga)InAs层124。
GaInPAs电池120由其晶格匹配于InP的GaInPAs的晶体层制成。
InP层121，GaIn(P)As层122，GaIn(P)As层123和Al(Ga)InAs层124以该顺序被层叠在InP基板310的表面上。
InP层121布置在光入射方向上的深侧上的BSF(后表面区域)层。在GaInPAs电池120中的p-n结是由GaIn(P)As层122和GaIn(P)As层123构成的。Al(Ga)InAs层124是布置在光入射方向上的近侧(光入射侧)上的窗口层。
在此，GaInPAs电池120可被认为是由构成p-n结的GaIn(P)As层122和GaIn(P)As层123制成的电池，Al(Ga)InAs层124形成在其光入射侧上，以及InP层121形成在其在光入射方向上的深侧上。
InP层121具有大于p-型GaIn(P)As层122和n-型GaIn(P)As层123之间的带隙(1.0eV)的带隙，因为InP层121被用作BSF层。对于InP层121的杂质，例如，锌(Zn)可被使用。
GaIn(P)As层122的导电型是p-型，例如通过将Zn用作杂质。
GaIn(P)As层123的导电型是n-型，例如通过将Si用作杂质。
在GaIn(P)As层122和GaIn(P)As层123中，Ga，x的比率，以及P，y的比率，被调节以使得带隙是1.0eV。
Al(Ga)InAs层124具有大于GaIn(P)As层122和GaIn(P)As层123的带隙(1.0eV)的带隙，因为Al(Ga)InAs层124被用作窗口层。
在此，GaIn(P)As层122的表达式“GaIn(P)As”具体地表示GaxIn1-xPyAs1-y(0<x<1,0≦y<1)。然而，在下文中，简化表达式“GaIn(P)As”将被使用。符号“(P)”涵盖包括P的情况和不包括P的情况。以上描述的表达式也被用于GaIn(P)As层123。然而，GaIn(P)As层122的x和y的值可不同于GaIn(P)As层123的那些。
Al(Ga)InAs层124的表达式“Al(Ga)InAs”具体地表示((AlxGa1-x)yIn1-yAs(0<x≦1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“Al(Ga)InAs”将被使用。此外，符号“(Ga)”涵盖包括Ga的情况和不包括Ga的情况。
在第三实施例中，Al(Ga)InAs层124的带隙例如被设定为1.5eV。对于Al(Ga)InAs层124的杂质，例如，硅(Si)可被使用。
因为AlGaInAs晶格匹配于InP，它适合于被层叠在GaIn(P)As层123上。
在制造化合物-半导体光伏电池300的过程中，通过清理处理和表面活化处理，结层130被结合到隧道结层150A。化合物-半导体光伏电池300是通过结合两个层叠主体制造的。
结层130形成在两个层叠主体之一的最高表面上，隧道结层150A形成在另一个层叠主体的最高表面上。通过结合结层130和隧道结层150A，如图4所示的化合物-半导体光伏电池300被制造。
作为所述结层130，n+-型InP层被使用。结层130的杂质浓度被设定为高于Al(Ga)InAs层124的杂质浓度。因此，结层130的导电型是n+-型。
用作结层130的InP层例如具有1.35eV的带隙。
隧道结层150A是p+-型GaAs层。对于杂质，通过其所述导电型变为p-型，例如，碳(C)可被使用。隧道结层150A结合所述结层130以形成以高浓度掺杂的薄的p-n结。
隧道结层150A和结层130以比GaAs电池160高的浓度掺杂。
接下来，根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的制造方法将参照图5A到6B进行解释。
图5A到6B是示出在制造根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300的过程期间的化合物-半导体光伏电池的截面示意图。
最初，如图5A中所示的，层叠主体300B是使用InP基板310制造的，当使用GaAs基板20制造层叠主体300A时。GaAs基板20是第一化合物-半导体基板的示例。InP基板310是第二化合物-半导体基板的示例。
在此，包括在层叠主体300A中的GaInP电池180是由其晶格匹配于GaAs的GaInP的晶体层制成的，并且形成在GaAs基板20上。此外，包括在层叠主体300B中的GaInPAs电池120是由其晶格匹配于InP的GaInPAs的晶体层制成的，并且形成在InP基板310上。
这样，层叠主体300A和层叠主体300B的晶格常数彼此不同。根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300是通过直接结合层叠主体300A和层叠主体300B被制造的，它们的晶格常数彼此不同。
因为InP的晶格常数是大约0.587纳米(nm)或5.87埃(angstroms)，仅需要调节构成以使得形成在InP基板310上的GaInPAs电池120具有十分接近InP的晶格常数(大约0.587纳米或5.87埃)的晶格常数。
此外，因为GaAs的晶格常数是大约0.565纳米或5.65埃，仅需要调节构成以使得GaAs电池160和GaInP电池180，其形成在GaAs基板20上，具有十分接近GaAs的晶格常数(大约0.565纳米或5.65埃)的晶格常数。
层叠主体300A是这样被制造的：通过用MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法在GaAs基板20上层叠GaInP蚀刻止挡层30、n+-型GaAs接触层40、GaInP电池180、隧道结层170、GaAs电池160和隧道结层150A。同时，表达式GaInP蚀刻止挡层30的“GaInP”具体地表示GaxIn1-xP(0<x<1)。
在此，GaInP电池180包括其晶格匹配于GaAs的Al(Ga)InP层184，GaInP层183，GaInP层182和Al(Ga)InP层181。Al(Ga)InP层181是BSF层，以及Al(Ga)InP层184是窗口层。
此外，隧道结层170包括(Al)GaAs层172和(Al)GaInP层171。
GaAs电池160包括(Al)GaInP层164，GaAs层163，GaAs层162和GaInP层161。GaInP层161是BSF层，(Al)GaInP层164是窗口层。
此外，隧道结层150A是由p+-型GaAs层构成的。
在在层叠主体300A的层叠(生长)时，具有GaAs基板20的下侧是光入射侧。因为层叠主体300A在稍后结合到层叠主体300B时转动到上下颠倒，层叠主体300A从相对于图1中示出的竖直关系的相反方向生长。
具体地，它从宽的带隙的电池(GaInP电池180)到窄的带隙电池(GaAs电池160)顺序地生长。此外，最后p-侧变为下侧(光入射方向上的深侧)。
此外，对于层叠主体300B，在InP基板310上，通过MOCVD方法，GaInPAs电池120和结层130被层叠(生长)。在图5A中示出的层叠主体300B中，结层130的侧面，其与InP基板310相反，是光入射侧。
GaInPAs电池120包括，从InP基板310的侧面，InP层121，GaIn(P)As层122，GaIn(P)As层123和Al(Ga)InAs层124。InP层121是BSF层，Al(Ga)InAs层124是窗口层。
如上所述的，叠层主体300A和300B是通过外延生长通过MOCVD方法制造的。
接下来，如图5B中所示的，通过外延生长制造的叠层主体300A和300B被直接结合。
层叠主体300A的隧道结层150A和层叠主体300B的结层130的表面经受清理处理和表面活化处理，以及结层130和隧道结层150A被直接结合。表面活化处理通过氮气(N2)等离子体处理被执行，所述结在真空中在150℃的温度下被执行。
根据以上所述的过程，层叠主体300C，如图5B中所示的，被制备。层叠主体300C是这样被制造的：通过将上下颠倒地转动即在其中隧道结层150A在底侧上的状态下的层叠主体300A放置在层叠主体300B的结层130上，如图5A中所示的，并结合所述结层130和隧道结层150A。
同时，隧道结层150A是第一结层的示例，结层130是第二结层的示例。
层叠主体300C是这样制成的：在InP基板310上以这样顺序层叠GaInPAs电池120、结层130、隧道结层150A、GaAs电池160、隧道结层170、GaInP电池180、GaAs接触层40、InP蚀刻止挡层30和GaAs基板20。
接下来，GaAs基板20和GaInP蚀刻止挡层30分别通过分别选择性地蚀刻从层叠主体300C被移除，如图5B中所示的，从而层叠主体300D，如图6A所示的，得以获得。
GaAs基板20和GaInP蚀刻止挡层30可被如下蚀刻：
GaAs基板20可例如用硫酸(H2SO4)、过氧化氢(H2O2)和水(H2O)的混合物作为湿蚀刻溶液被蚀刻。因为在GaInP蚀刻止挡层30中的GaInP不溶解在硫酸溶液、过氧化氢和水的混合物中，湿蚀刻工艺可通过GaInP蚀刻止挡层30被止挡。
此外，GaInP蚀刻止挡层30可例如用盐酸(HCl)和水(H2O)的混合物被蚀刻。
如上所述的，图6A中示出的层叠主体300D是通过选择性蚀刻分别从层叠主体300C移除所述GaAs基板20和GaInP蚀刻止挡层30得以获得的(参见图5B)。
接下来，当在GaAs接触层40上形成电极50(上部电极，参见图1)，电极10(下部电极)形成在InP基板310上。
那么，不是紧挨着位于电极50(参见图1)之下的部分的接触层40(参见图6A)是通过将电极50用作掩模被移除的，从而如图6B中所示的接触层40A得以形成。
接触层40A可例如通过用硫酸(H2SO4)、过氧化氢(H2O2)和水(H2O)的混合物作为湿蚀刻溶液进行蚀刻得以形成的。因为在Al(Ga)InP层184中的Al(Ga)InP没有溶解在硫酸溶液(sulfuric solution)、过氧化氢和水的混合物中，湿刻蚀过程可通过GaInP电池180中的Al(Ga)InP层184被止挡。
如上所述的，根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300得以完成。图6B中示出的化合物-半导体光伏电池300与图4中示出的化合物-半导体光伏电池300是完全相同的。
化合物-半导体光伏电池300具有其中太阳光从宽的带隙的电池的侧面(GaInP电池180的侧面)进入化合物-半导体光伏电池300的构造。同时，抗反射膜优选地提供在太阳光进入的Al(Ga)InP层184的表面上。抗反射膜在图6B中被省略。
如上所述的，在第三实施例中，三-结化合物-半导体光伏电池300，其中隧道结层170的电阻值减小，能量损失减少，从而效率提高，以及化合物-半导体光伏电池300的制造方法被提供。
此外，载体浓度(掺杂浓度)与其中p+-层的价带和n+-层的导带之间的能量差是大的情况相比降低，以及隧道结可容易地形成。
因此，根据第三实施例，化合物-半导体光伏电池300，其效率得以提高，化合物-半导体光伏电池300的制造方法被提供。
关于三-结光伏电池300，例如根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300，例如，Oyo Butsuri Vol.79No.5,2010,p.436描述了，作为三电池的带隙，1.9eV/1.42eV/1.0eV的组合和1.7eV/1.2eV/0.67eV的组合，其比根据现有技术的(1.88eV/1.4eV/0.67eV)的三-结电池是更优选的。
然而，十分难以通过使用晶格常数实现带隙的组合。
在这方面，根据第三实施例，因为化合物-半导体光伏电池300是通过使用直接结方法来结合晶格常数的两个电池(层叠主体300A和层叠主体300B(参见图5A))得以制造的，包括具有彼此不同的晶格常数的电池的化合物-半导体光伏电池300可被容易地实现。
同时，在以上描述中，解释其中相应的电池等通过MOCVD方法被形成在InP基板310和GaAs基板20上的实施例。然而，相应的电池等可通过MBE(分子束外延)方法得以形成。
此外，在以上描述中，解释其中化合物-半导体光伏电池300是通过使用层叠主体300B和300A、分别使用InP基板310和GaAs基板20进行制造的实施例。然而，不是InP基板310和GaAs基板20的组合可被使用。
例如，层叠主体300B和300A通过Ge基板和InP基板的组合、锑化镓(GaSb)基板和GaAs基板的组合、GaSb基板和Ge基板的组合、Si基板和Ge基板的组合、Si基板和GaAs基板等的组合，被相似地制造。
此外，在以上描述中，解释其中层叠主体300A和300B被直接结合的实施例。然而，它们可机械地结合。
此外，在以上描述中，解释其中作为InP晶格匹配系统材料电池的GaInPAs电池120被使用的实施例。然而，InP晶格匹配系统材料电池不限于GaInPAs电池120，但是通过GaIn(P)As表述的电池可被使用。
在表达式GaIn(P)As中的符号(P)表示包括P的构成和不包括P的构成二者。也就是说，GaIn(P)As是包括GaInPAs和GaInAs二者的表达式。因此，GaInAs电池可被使用而不是GaInPAs电池120。
此外，在以上描述中，解释其中作为GaAs晶格匹配系统材料电池的GaInP电池180被使用的实施例。然而，GaAs晶格匹配系统材料电池不限于GaInP电池180，由(Al)GaInP(As)表述的电池可被使用。
表达式(Al)GaInP(As)包括包括Al的构成和不包括Al的构成二者。此外，表达式(Al)GaInP(As)包括包括As的构成和不包括As的构成二者。为此，它由“(Al)”和“(As)”表达。也就是说，“(Al)GaInP(As)”是包括AlGaInPAs，AlGaInP，GaInPAs和GaInP的表达式。因此，AlGaInP电池，GaInPAs电池或AlGaInPAs可被使用而不是GaInP电池180。
示例4
在第三实施例中，由GaInP电池180、GaAs电池160和GaInPAs电池120制成的三-结化合物-半导体光伏电池300被制造。三个光电转换电池的带隙的组合是1.9eV/1.42eV/1.0eV。
在第四实施例中，通过添加GaInAs电池(0.75eV)到GaInP电池180、GaAs电池160和GaInPAs电池120，四结化合物-半导体光伏电池被提供。四个光电转换电池的带隙的组合是1.9eV/1.42eV/1.0eV/0.75eV。
图7是示出根据第四实施例的化合物-半导体光伏电池400的截面示意图。在下文中，对于与根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300中的相同的构成元素，被分配相同的附图标记，并且其解释将被省略。
化合物-半导体光伏电池400包括电极10，InP基板310，GaInAs电池410，隧道结层220，GaInPAs电池120，结层130，隧道结层150A，GaAs电池160，隧道结层170，GaInP电池180，接触层40A和电极50。同时，GaInAs电池410是基于InP的光电转换电池。
在此，GaInP电池180是第一光电转换电池的示例。GaAs电池160是第二光电转换电池的示例。GaInAs电池410和GaInPAs电池120是多个第三光电转换电池的示例。InP基板310是第二化合物-半导体基板的示例。
根据第四实施例的化合物-半导体光伏电池400是四-结光伏电池，其中GaInAs电池410(0.75eV)，GaInPAs电池120(1.0eV)，GaAs电池160(1.42eV)和GaInP电池180(1.9eV)被串联连接。
在图7中，光的入射方向是从该图的上部部分到下部部分的方向(从GaInP电池180到GaInAs电池410的方向)。
非专利文献2描述了大约1.9eV/1.4eV/1.0eV/0.7eV的组合的带隙平衡在四-结光伏电池中是优选的。
化合物-半导体光伏电池400具有通过将GaInAs电池410和隧道结层220插入在根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300中的基板310和GaInPAs电池120之间获得的构造。
GaInAs电池410包括p-型InP层411，p-型GaInAs层412，n-型GaInAs层413和n-型InP层414。InP层411是BSF层，InP层414是窗口层。
在此，GaInAs电池410可被认为是由p-型GaInAs层412和n-型GaInAs层413制成而不包括InP层411和InP层414的电池。在该情况下，它可视为假定InP层414(窗口层)形成在由p-型GaInAs层412和n-型GaInAs层413制成的GaInAs电池410的光入射侧上，以及假定InP层411(BSF层)被形成在光入射方向上的深侧上。
p-型GaInAs层412和n-型GaInAs层413之间的带隙是0.75eV。
GaInAs层412的表达式“GaInAs”具体地表示GaxIn1-xAs(0<x<1)。然而，在下文中，简化表达式“GaInAs”将被使用。以上所述的表达式还可用于GaInAs层413。然而，GaInAs层412的x的值可不同于GaInAs层413的x的值。
隧道结层220形成在GaInPAs电池120和GaInAs电池410之间。隧道结层220包括n+-型InP层221和p+-型Al(Ga)InAs层222。
对于InP层221中的杂质，例如，硅(Si)可被使用以使得导电型是n+-型。对于Al(Ga)InAs层222中的杂质，例如，碳(C)可被使用以使得导电型是p+-型。n+-型InP层221和p+-型Al(Ga)InAs层222构造以高浓度掺杂的薄的p-n结。
隧道结层220的InP层221和Al(Ga)InAs层222二者都以比GaInPAs电池120高的浓度掺杂。隧道结层220是布置成以使得电流通过隧道结在GaInPAs电池120的p-型GaIn(P)As层122和GaInAs电池410的n-型GaInAs层413之间流动。
表达式Al(Ga)InAs层222的“Al(Ga)InAs”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yAs(0<x≦1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“Al(Ga)InAs”将被使用。此外，符号“(Ga)”涵盖包括Ga的情况和不包括Ga的情况。
根据第四实施例的化合物-半导体光伏电池400具有根据GaInP电池180、GaAs电池160、GaInPAs电池120和GaInAs电池410的四个光电转换电池的1.9eV/1.42eV/1.0eV/0.75eV的带隙的组合。
如上所述的，在第四实施例中，四-结化合物-半导体光伏电池400，其中隧道结层170的电阻值减小，能量损失减少从而效率是高的，以及化合物-半导体光伏电池400的制造方法可被提供。
此外，载体浓度(掺杂浓度)可降低，与其中p+-层的价带和n+-层的导带之间的能量差是大的情况相比，以及隧道结可容易地形成。
为此，根据第四实施例，提供了化合物-半导体光伏电池400，其中能量转换效率与根据第三实施例的化合物-半导体光伏电池300相比可进一步改进。
在下文中，第四实施例的变型将参照图8到14进行解释。
图8是示出根据第四实施例的第一变型的化合物-半导体光伏电池400A的示意图。
根据第四实施例的第一变型的化合物-半导体光伏电池400A是通过将图7中示出的化合物-半导体光伏电池400中的隧道结层170替换为隧道结层170A得以获得的。
隧道结层170A包括晶格匹配于GaAs的n+-型(Al)GaInP层171A，具有压缩应变的n+-型(Al)GaInP层171B，以及p+-型(Al)GaAs层172。
具有压缩应变的n+-型(Al)GaInP层171b类似于具有压缩应变的n+-型(Al)GaInP层171，其示出在图7中。
也就是说，表达式(Al)GaInP层171B的“(Al)GaInP”具体地表示(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P(0≦x2<1,0<y2<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
(Al)GaInP层171A的晶格常数小于(Al)GaInP层171B的晶格常数，并且近似与GaAs的晶格常数相同。因为(Al)GaInP层171A被布置成比(Al)GaInP层171B靠近GaAs电池160的侧面，(Al)GaInP层171A形成为以便具有晶格匹配于GaAs的晶格常数。
(Al)GaInP层171A的表达式“(Al)GaInP”具体地表示(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P(0≦x1<1,0<y1<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
(Al)GaInP层171A是第二n-型(Al)GaInP层的示例，(Al)GaInP层171B是第一n-型(Al)GaInP层的示例。同时，因为在(Al)GaInP层171B的In构成和Al构成分别地大于(Al)GaInP层171A的那些，因此x2大于x1(x2>x1)以及y2小于y1(y2<y1)。
图9示出隧道结层170A的带结构。
同时使n+-层(171A，171B)具有两层的构造，具有压缩应变的(Al)GaInP层171B可以比图7中示出的(Al)GaInP层171薄，并且可被形成而没有生成甚至用于更大应变的晶格弛豫。
例如，(Al)GaInP层171B的厚度是5纳米，以及优选地小于或等于10纳米。此外，(Al)GaInP层171A的厚度可设定为大约15纳米到50纳米。
通过使(Al)GaInP层171B的压缩应变大于图7中示出的(Al)GaInP层171的压缩应变，带结构被改变，如图9中所示的。p+-型(Al)GaAs层172的价带和n+-型(Al)GaInP层171B的导带之间的能量差E4小于在图2D中示出的能量差E3。
因此，根据第四实施例的第一变型，可提供化合物-半导体光伏电池400A，其中隧道结层170A的电阻值进一步减小，能量损失进一步减小以及效率进一步变得更高。
此外，第四实施例的第一变型可按照如下变化。
图10是示出根据第四实施例的第二变型的化合物-半导体光伏电池400B的示意图。
在根据第四实施例的第一变型的(Al)GaInP层171B((Alx2Ga1-x2)y2In1-y2P中，图8中示出的，通过设定x2的值到零(x2＝0)，具有压缩应变的Gay2In1-y2P层171B1可被使用。n+-型(Al)GaInP层171A，Gay2In1-y2P层171B1，和p+-型(Al)GaAs层172构造一隧道结层170A1。
具有压缩应变的Gay2In1-y2P层的带隙小于GaInP电池180的吸收(GaInP)层182，183，以及穿过GaInP电池180的一部分光可被吸收。然而，在第四实施例的第二变型中，因为用于隧道结的p+-层是由具有(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1P层171A的两个层形成的，它可比其中用于隧道结的p+-层是由一个层形成的情况薄，例如大约5纳米。因此，当抑制吸收的影响时，隧道效应概率可增加，因为导带在不包括Al的下部位置。
图11是示出根据第四实施例的第三变型的化合物-半导体光伏电池400C的示意图。
根据第四实施例的第三变型的化合物-半导体光伏电池400C是通过将图7中示出的化合物半导体光伏电池400中的隧道结层170替换为隧道结层170B得以获得的。
隧道结层170B包括具有压缩应变的n+-型(Al)GaInP层171，p+-型(Al)GaAs层172A以及p+-型(Al)GaAs层172B。
Al)GaAs层172A的表达式“(Al)GaAs”具体地表示Alx3Ga1-x3As(0≦x3<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaAs”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
(Al)GaAs层172B的表达式“(Al)GaAs”具体地表示Alx4Ga1-x4As(0≦x4<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaAs”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
p+-型(Al)GaAs层172A类似于p+-型(Al)GaAs层172，其示出在图7中。
(Al)GaAs层172A具有其中Al构成小于(Al)GaAs层172B的构造。也就是说，x4大于x3(x4>x3)。
(Al)GaAs层172A是第一p-型(Al)Ga(In)As层的示例，以及(Al)GaAs层172B是第二p-型(Al)Ga(In)As层的示例。
表达式“(Al)Ga(In)As”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yAs(0≦x<1,0<y≦1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)Ga(In)As”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况，以及符号“(In)”涵盖包括In的情况和不包括In的情况。
(Al)GaAs层172B优选地具有与光入射侧上的GaInP电池180相同的带隙或大于该GaInP电池180的带隙。为了使得载体更容易地隧道效应，需要增加在隧道结层170B中的p-层的价带的能量。
那么，(Al)GaAs层172A，其具有小于(Al)GaAs层172B的Al构成，被设置在(Al)GaInP层171的侧面上。
图12是示出隧道结层170B的带结构的示意图。
在(Al)GaAs(AlxGa1-xAs(0≦x<1))的Al构成减小时，导带的能量减小，以及价带的能量增加。
因此，通过提供(Al)GaAs层172B和(Al)GaAs层172A，其具有更少的Al构成，如图12中所示的，(Al)GaAs层172A的价带的能量可在当减小导带的能量时增加。
结果，(Al)GaAs层172A的价带和(Al)GaInP层171的导带之间的能量差E5变得小于图2D中示出的能量差E3。
此外，(Al)GaAs层172A，具有小于(Al)GaAs层172B的Al构成，具有小于(Al)GaAs层172B的带隙。因此，通过使(Al)GaAs层172A的厚度小于(Al)GaAs层172B，在(Al)GaAs层172A处的光吸收可减少。(Al)GaAs层172A的厚度例如可以是大约5纳米，优选地小于或等于10纳米。
此外，(Al)GaAs层172B的厚度可被设定为例如大于或等于15纳米但是小于或等于50纳米。
因此，根据第四实施例的第三变型，可提供化合物-半导体光伏电池400C，其中隧道结层170B的电阻值进一步减小，能量损失进一步减少以及效率进一步变得更高。
图13是示出根据第四实施例的第四变型的化合物-半导体光伏电池400D。
化合物-半导体光伏电池400D包括具有一构造的隧道结层170C，在该构造中，图8中示出的化合物-半导体光伏电池400A的隧道结层170A和图10中示出的化合物-半导体光伏电池400C的隧道结层170B被结合。
隧道结层170C包括n+-型(Al)GaInP层171A，具有压缩应变的n+-型(Al)GaInP层171B，p+-型(Al)GaAs层172A和p+-型(Al)GaAs层172B。
图14是示出隧道结层170C的带结构的示意图。
n+-型(Al)GaInP层171B的导带和p+-型(Al)GaAs层172A之间的能量差E6小于隧道结层170A中的能量差E4以及小于隧道结层170B中的能量差E5。
因此，根据第四实施例的第四变型，可提供化合物-半导体光伏电池400D，其中隧道结层170C的电阻值进一步减小，能量损失进一步减少以及效率进一步变得更高。
示例5
图15是示出根据第五实施例的化合物-半导体光伏电池500的截面示意图。在下文中，对于与根据第四实施例的化合物-半导体光伏电池400中的相同的构成元素，相同的附图标记被分配，以及其解释将被省略。
化合物-半导体光伏电池500包括电极10，InP基板310，GaInAs电池410，隧道结层220，GaInPAs电池520，结层130，隧道结层150A和GaInAs电池560。
化合物-半导体光伏电池500进一步包括隧道结层170，AlGaAs电池570，隧道结层580，AlGaInP电池590，接触层40A和电极50。
根据第五实施例的化合物-半导体光伏电池500是五-结光伏电池，其中GaInAs电池410(0.75eV)，GaInPAs电池520(1.06eV)，GaInAs电池560(1.4eV)，AlGaAs电池570(1.68eV)和AlGaInP电池590(2.17eV)被串联连接。
AlGaInP电池590(2.17eV)的带隙大于根据第四实施例的GaInP电池180的带隙(1.9eV)。
在此，AlGaInP电池590，AlGaAs电池570和GaInAs电池560分别是第一光电转换电池、第二光电转换电池和第三光电转换电池的示例。
此外，GaInAs电池410和GaInPAs电池520是多个第四光电转换电池的示例。
化合物-半导体光伏电池500是通过结合包括结层130的第一层叠主体和包括隧道结层150A的第二层叠主体制备的。
第一层叠主体包括电极10，InP基板310，GaInAs电池410，隧道结层220，GaInPAs电池520和结层130。此外，第二层叠主体包括隧道结层150A，GaInAs电池560，隧道结层170，AlGaAs电池570，隧道结层580，AlGaInP电池590，接触层40A和电极50。
GaInPAs电池520包括p-型层121，p-型GaIn(P)As层122，n-型GaIn(P)As层123和n-型Al(Ga)InAs层524。Al(Ga)InAs层524是窗口层。
Al(Ga)InAs层524具体地表达式“Al(Ga)InAs”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yAs(0<x≦1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“Al(Ga)InAs”将被使用。此外，符号“(Ga)”涵盖包括Ga的情况和不包括Ga的情况。
GaInAs电池560包括p-型GaInP层161，p-型Ga(In)As层562n-型Ga(In)As层563和n-型(Al)GaInP层164。
Ga(In)As层562的表达式“Ga(In)As”具体地表示GaxIn1-xAs(0<x≦1)。然而，在下文中，简化表达式“Ga(In)As”将被使用。符号“(In)”表示包括In的构成和不包括In的构成二者。以上所述的表达式还用于Ga(In)As层563。然而，Ga(In)As层562的x的值可不同于Ga(In)As层563的x的值。
AlGaAs电池570包括p-型(Al)GaInP层571，p-型(Al)GaAs层572，n-型(Al)GaAs层573和n-型(Al)GaInP层574。
(Al)GaInP层571的表达式“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。以上所述的表达式还用于(Al)GaInP层574。(Al)GaInP层571的x和y的值可不同于(Al)GaInP层574的x和y的值。
(Al)GaAs层572的表达式“(Al)GaAs”具体地表示AlxGa1-xAs(0≦x<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaAs”将被使用。同时，以上所述的表达式还用于(Al)GaAs层573。然而，(Al)GaAs层572的x的值可不同于(Al)GaAs层573的x的值。
AlGaInP电池590包括p-型Al(Ga)InP层591，p-型(Al)GaInP层592，n-型(Al)GaInP层593和n-型Al(Ga)InP层594。
Al(Ga)InP层591的表达式“Al(Ga)InP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-xP(0≦x≦1,0<y≦1)。然而，在下文中，简化表达式“Al(Ga)InP”将被使用。同时，以上所述的表达式还用于Al(Ga)InP层594。然而，Al(Ga)InP层591的x的值可不同于Al(Ga)InP层594的x的值。
(Al)GaInP层592的表达式“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。以上所述的表达式还用于(Al)GaInP层593。(Al)GaInP层592的x和y的值可不同于(Al)GaInP层593的x和y的值。
同时，(Al)GaInP层592和(Al)GaInP层593可包括As。也就是说，AlGaInP电池590可形成为包括由“AlGaInP(As)”表示的吸收层。符号“(As)”表示包括As的构成和不包括As的构成二者。少量的As可被添加到(Al)GaInP层592和(Al)GaInP层593。
隧道结层580，如在隧道结层170中的，包括n+-型(Al)GaInP层581和p+-型(Al)GaAs层582。
(Al)GaInP层581的表达式“(Al)GaInP”具体地表示(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x<1,0<y<1)。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaInP”将被使用。此外，符号“(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。同时，(Al)GaAs层582的表达式“(Al)GaAs”具体地表示AlxGa1-xAs。然而，在下文中，简化表达式“(Al)GaAs”将被使用。符号(Al)”涵盖包括Al的情况和不包括Al的情况。
(Al)GaInP层581的晶格常数大于GaAs的晶格常数。此外，(Al)GaAs层582几乎晶格匹配于GaAs。因此，层叠在(Al)GaAs层582上的(Al)GaInP层581具有晶格应变。(Al)GaInP层581和(Al)GaAs层582的总厚度例如大于或等于25纳米但是小于或等于50纳米。
(Al)GaInP层581和(Al)GaAs层582分别类似于(Al)GaInP层171和(Al)GaAs层172。然而，为了抑制穿过具有2.17eV的带隙的AlGaInP电池590的光的吸收，带隙可被弄成宽的以便对应于AlGaInP电池590。
在图15中，光的入射方向是从该图的上部部分到下部部分的方向(从AlGaInP电池590到GaInAs电池410的方向)。
通常，材料的带隙越大，增加隧道电流的电流密度越难。这是因为在使用p+-(Al)GaAs层和n+-(Al)GaInP层的情况下，在增加p+-(Al)GaAs层中的Al构成以及增加n+-(Al)GaInP层中的Al构成时，p-型层的价带和n-型层的导带之间的能量差增加。
在第五实施例中，因为隧道结层170和隧道结层580是包括具有压力应变的p+-(Al)GaAs和n+-型(Al)GaInP层的p-n结，p-型层的价带和n-型层的导带之间的能量差可弄得较小。
因此，甚至在使用具有更大的带隙的材料的隧道结中，电阻值可减小。例如，在五个或更多结的多-结光伏电池的情况下，如在第五实施例中的，从相应的电池的带隙的平衡，需要包括例如1.9eV或更大的电池。
因此，在五-结光伏电池的情况下，如在第五实施例中的，使用隧道结层170和580是特别地有效的。
在第五实施例中具有2.17eV/1.68eV/1.40eV/1.06eV/0.75eV的组合的五-结光伏电池的能量转换效率大于根据第四实施例的四-结光伏电池。
因此，根据第五实施例，具有甚至更高的效率的化合物-半导体光伏电池500可被制造。
如上所述的，根据第五实施例，五-结化合物-半导体光伏电池500，其中隧道结层170和580的电阻值减小，能量损失减少且效率变得进一步更高，以及化合物-半导体光伏电池500的制造方法可被提供。
此外，载体浓度(掺杂浓度)与其中p+-层的价带和n+-层的导带之间的能量差是大的情况相比可较低，以及隧道结可容易地形成。
虽然已经参照实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例，而是在不背离如在所附的权利要求中阐述的本发明的范围的情况下可进行各种变型和修改。
本申请基于2014年7月11日提交的日本优先权申请号2014-142826以及2015年6月17日提交的申请号2015-122272的优先权并要求该优先权的权益，其整个内容以参考方式被结合于此。
工业应用性
本发明可被应用到化合物-半导体光伏电池和化合物-半导体光伏电池的制造方法。
附图标记列表
10,50 电极
20,110 GaAs基板
30 蚀刻止挡层
40,40A 接触层
100,200,300,400,400A,400B,400C,500 化合物-半导体光伏电池
111,214 GaAs缓冲层
120,520 GaInPAs电池
121,221,411,414 InP层
122,123 GaIn(P)As层
124,524 Al(Ga)InAs层
130 结层
150,150A,170,170A,170B,170C,220,580 隧道结层
151,152,162,163 GaAs层
160 GaAs电池
161,182,183 GaInP层
164,171,571,574,581,592,593 (Al)GaInP层
172,572,573,582 (Al)GaAs层
180,280 GaInP电池
181,184 Al(In)P层
210 Ge电池
211 Ge基板
212 Ge层
213 GaInP缓冲层
222 Al(Ga)InAs层
260,410,560 GaInAs层
262 Ga(In)As层
263,412,413,562,563 GaInAs层
300A,300B,300C,300D 层叠主体
310 InP基板
562,563 (Ga)InAs层
570 AlGaAs电池
590 AlGaInP电池
591,594 (Al)InP层
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