[發明專利]光伏電池

有效

• 申請號: 201080014930.2
• 申請日: 2010-02-17
• 公開（公告）號: CN102388466A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: R·C·哈珀
• 申請（專利權）人: IQE硅化合物有限公司
• 主分類號: H01L31/0693
• 分類號: H01L31/0693;H01L31/0687;H01L31/18
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 丁香蘭;龐東成

技術領域

本發明涉及光伏電池，具體而言(但非專門地)涉及多結太陽能電池，其中用于吸收太陽光譜中的長波部分的下部光伏結(lower?photovoltaic?junction)是鍺基的。

背景技術

光伏電池將光能如陽光轉換成有用的電能。通常，電子-空穴對通過在半導體材料中鄰近起到分離電荷載流子作用的p-n結處吸收光子而形成，該電荷載流子隨后通過該電池器件上的金屬觸點輸送到電路中。該吸收過程只有在光子能量高于局部半導體材料的帶隙時才發生，因此低帶隙材料易于吸收更多光子。某一光子高出帶隙能的過剩能量將作為熱流失在半導體晶格內。如果p-n結由高帶隙的材料制成，則不會吸收低能量的光子，而且使輸送光電流的電壓增大。

陽光含有涵蓋一系列波長的大量能量，因此為了使太陽能電池的效率最大化，適宜的是，在高帶隙的上部結(upper?junction)中吸收高能量光子，并且在具有連續降低的特征帶隙能的下層結(underlying?junction)中吸收能量連續降低的光子。該技術尋求通過在高電壓結中吸收高能光子而使從各部分太陽光譜中獲得的電能最大化。已知的是利用外延生長技術在單個半導體襯底上單體式地形成多個結。來自各個結的光電流流經整個結構體并通過使用上電池頂部和襯底下的金屬觸點而耦合至外部電路。以這種方式形成的太陽能電池通常被稱作多結電池。

US?6,380,601的背景技術中描述了一種公知的多結電池結構體。上部高帶隙能結基于InGaP材料。中間結(middle?junction)基于GaAs材料。底部低帶隙能結基于鍺材料。特別是，下部結由適當摻雜的Ge襯底形成，在該Ge襯底上使用外延生長技術形成中間結和上部結。各個結中所使用的材料受到高品質外延生長的要求，即各層的晶格間距都要與下層的間距匹配的限制。多于1％的小部分的晶格間距錯配會導致生長缺陷，其會導致材料品質差，并且由于器件中光生電荷載流子容易復合而使太陽能電池效率大大降低。GaAs和Ge接近晶格匹配。通過確保In、Ga和P組分的正確比率，InGaP材料可以與GaAs晶格匹配。同樣，在這種三結串聯電池中使用的其他材料必須與襯底晶格匹配，以及相互晶格匹配。

在US?6,380,601中，鍺襯底用鎵p型摻雜至濃度為約1×10¹⁸cm^-3。然后，通過使磷擴散進入Ge襯底的表層來形成底部p-n結。為克服本體p型摻雜，擴散的n型磷摻雜處于較高的濃度，約5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，并且該擴散過程使得濃度隨著深度逐漸降低，而不是形成明顯的邊界。

描述了相似器件的US?6,380,601和US?2002/0040727的目的均在于改善Ge襯底表面中的擴散n型摻雜層的性質。但是，使用所描述的技術仍然難以精確控制n型摻雜層的厚度，n型摻雜區域和p型摻雜區域的邊界本質上是彌散的，而且n型摻雜的濃度必須要高至抵消襯底的本體p型摻雜。

本發明將解決相關現有技術中的這些和其他問題。

發明內容

因此，本發明提供了諸如太陽能電池等光伏電池，所述光伏電池包含鍺基第一光伏結，所述結包括一個或多個外延生長的與GaAs晶格匹配或基本晶格匹配的SiGe或另一鍺材料的第一層。特別是，所述一個或多個層可以與GaAs襯底或提供GaAs表面的另一襯底(例如絕緣體上GaAs襯底)一起單體式地生長。所述結可以包含或者由兩個可相反摻雜的SiGe或另一鍺材料的層形成，所述層中之一或全部是不同的所述SiGe和/或Ge材料的外延生長層。兩個層可以與GaAs晶格匹配或基本晶格匹配。替代性地或附加地，可以通過例如利用擴散或束注入來對所述一個或多個外延生長層中的一個或多個，或其他部分如下部層或襯底添加摻雜劑來形成所述光伏結。

盡管在所述一個或多個鍺材料的層中可以單獨使用鍺，或者使用Si_xGe_1-x，其中硅含量可達至少x＝0.04并且可能x＝0.06以上，但是所述層更優選由適當摻雜的Si_xGe_1-x形成，其中0.01≤x≤0.03。優選的是，所述第一結的特征帶隙為小于0.76eV，更優選小于0.73eV。然而，更一般地，當在本文中使用時，術語“鍺材料”可以是其中鍺摩爾分數至少為0.7，可選地至少為0.9的材料，而且所述鍺材料是單晶體和/或單體式形成的。