[發(fā)明專利]光伏電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980147610.1
• 申請日: 2009-09-28
• 公開（公告）號: CN102227816A
• 公開（公告）日: 2011-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J·羅伯茨
• 申請（專利權(quán)）人: 廣達(dá)索爾有限公司
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/0304;H01L31/18;H01L31/075
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;張旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在本征區(qū)(intrinsic?region)內(nèi)具有多量子阱(multiple?quantum?well)的光生伏打結(jié)(photovoltaic?junction)，并且涉及一種包括這種結(jié)以便從入射光(例如太陽光)產(chǎn)生電能的光伏電池。特別地，但并非僅限此，該結(jié)可以在級聯(lián)的多結(jié)太陽能電池中用作頂結(jié)(top?junction)，該級聯(lián)的多結(jié)太陽能電池適于接收高度會聚的太陽光并且具有基于GaAs的下部(lower)光生伏打結(jié)，該下部光生伏打結(jié)通過利用本征區(qū)中的多應(yīng)力平衡量子阱/勢壘而具有擴(kuò)展至較長波長的吸收限(absorption?edge)。

背景技術(shù)

US2005/0247339描述了一種在該文獻(xiàn)的圖7中例示的級聯(lián)太陽能電池，并且該級聯(lián)太陽能電池在這里復(fù)述為圖1。例示的太陽能電池包括GaAs基板10(另選地，可以是有源或無源Ge基板)、在該基板上生長并且適于由波長高達(dá)約1040nm的光子來生成電能的下部光生伏打結(jié)12和在下部光生伏打結(jié)上生長并且適于由波長高達(dá)約720nm的光子來生成電能的上部光生伏打結(jié)16。利用隧道結(jié)(tunnel?junction)將兩個光生伏打結(jié)連接起來，使得相同的光電流流經(jīng)這兩個光生伏打結(jié)，通過設(shè)置在基板下面和上部結(jié)頂部的電極而耦接至電路。

所以，多個半導(dǎo)體層能夠以最小缺陷(否則會顯著降低器件效率)在彼此頂部生長，各個半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)都必須與下面層的晶格常數(shù)相匹配，因此必須與GaAs或者Ge基板的晶格常數(shù)相匹配。這對能夠用于各個層的材料提出了嚴(yán)格限制，這在半導(dǎo)體技術(shù)的許多領(lǐng)域中都是熟悉的，盡管如下面解釋的這種限制可能有一些偏差。

下部結(jié)12能夠以高量子效率從太陽光譜區(qū)中波長高達(dá)約1040nm的光子來生成電能。但是，較長波長吸收限通常導(dǎo)致在下部結(jié)電壓處生成光電流，使得較短波長的光子的多數(shù)潛在電能在該結(jié)內(nèi)從釋放的電荷載流子的快速熱化流失到對應(yīng)于吸收限的帶隙能中。為了在較高的電壓下捕獲較短波長的光子，上部結(jié)被構(gòu)造為具有較短波長吸收限。為了在最高電壓下獲得各個結(jié)的光電流，該原則是具有三個、四個或更多個結(jié)的級聯(lián)多結(jié)太陽能電池發(fā)展的根據(jù)。對這種多結(jié)級聯(lián)電池的限制是：當(dāng)這些結(jié)生長為堆疊使得較長波長向下穿透到吸收這些較長波長的結(jié)(靠近適當(dāng)?shù)哪軒н吘?時，整個堆疊的光電流必須與流過各個結(jié)的光電流相同。因此，這種器件受限于生成最小光電流的結(jié)。

利用標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜和各個結(jié)的特性，能夠依據(jù)諸如各個結(jié)的吸收限等因素計算出多結(jié)級聯(lián)器件的期望效率。這里圖2中復(fù)述了下部結(jié)和上部結(jié)帶隙(與吸收限密切相關(guān))的效率的示例輪廓圖，該輪廓圖取自US2005/0247339并且與類似于圖1中的級聯(lián)電池的級聯(lián)電池相關(guān)。由GaAs?p-n結(jié)形成的下部電池和由GaInP?p-n結(jié)(GaInP是與GaAs晶格匹配的合成物)形成的上部電池的特性被示為粗十字線(heavy?cross?hairs)。可以看出，為了得到最佳效率，這兩個結(jié)的帶隙都應(yīng)當(dāng)降低為與在較長波長處的吸收限相等。該輪廓圖的強(qiáng)對角結(jié)構(gòu)是因為需要匹配由這兩個結(jié)生成的光電流。

在圖1例示的結(jié)構(gòu)中，下部結(jié)的吸收限被擴(kuò)展到比大約880nm更長的波長，這能夠通過使用本征區(qū)18由簡單的GaAs/GaAs?p-n結(jié)來實現(xiàn)，本征區(qū)18包含InGaAs材料形成的具有大約1040nm吸收限的薄層(量子阱)，盡管薄阱(thin?well)中的量子效應(yīng)只是很小地改變該值。InGaAs材料與GaAs基板并不晶格匹配，但是各個量子阱都位于提供補(bǔ)償晶格失配的由GaAsP材料形成的勢壘層之間。只要量子阱和勢壘足夠薄并且層的晶格常數(shù)、彈性系數(shù)和厚度被平衡，本征區(qū)就能夠以低缺陷水平進(jìn)行生長，以匹配GaAs基板的晶格常數(shù)。在WO03/012881中描述了實現(xiàn)這些條件的“應(yīng)力平衡”技術(shù)。

上部GaInP電池與包含增加了銦濃度以將吸收限偏移到更長波長的量子阱的本征區(qū)相類似地構(gòu)造。這些量子阱中增加的晶格常數(shù)通過插入銦濃度降低的勢壘而平衡，使得由勢壘和阱構(gòu)成的本征區(qū)具有能使相鄰的GaInP體相區(qū)的晶格常數(shù)與下面的GaAs基板的晶格常數(shù)相匹配的晶格常數(shù)。