[發明專利]多結III-V太陽能電池及其制造方法

無效

• 申請號: 201410010911.2
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103928539A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: S·W·比德爾;B·赫克瑪特紹塔巴里;D·K·薩達那;G·G·沙希迪;D·沙赫莉亞迪
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 于靜;張亞非

技術領域

本公開涉及物理科學，并且更具體地，涉及包括III-V吸收材料的光伏結構以及這種結構的制造。

背景技術

由于鍺（Ge）和一些III-V半導體材料（例如InGaAs（In含量為百分之一（1%））和InGaP₂）的近乎相同的晶格常數，多結III-V太陽能電池結構通常生長在Ge襯底上。因此，由于其與InGaAs和InGaP₂的帶隙相比更小的帶隙，Ge襯底在這種結構中也用作第三結。盡管使用Ge作為底部電池趨于增加常規三結太陽能電池結構的總效率，但是從最大化短路電流的帶隙工程的角度而言，這種太陽能電池結構不是最佳的。為了減輕這個問題，已經提出了使用豎立變質結構（upright?metamorphic?structure），其中通過增加銦含量進一步減小中間InGaAs基元的帶隙。然而，從帶隙工程的觀點出發，期望采用帶隙為～0.9-1.1eV的材料作為底部電池。這種結構的著名例子是倒置變質（inverted?metamorphic）太陽能電池。倒置變質太陽能電池結構與常規三結和豎立變質太陽能電池的轉換效率相比提供更高的轉換效率。然而，由于實現帶隙為～1.0eV的III-V結的特殊生長工藝以及將太陽能電池結構與主襯底分開所需的另外的制造工藝，倒置變質太陽能電池成本高。

參考圖6，示出了常規雙結太陽能電池結構10。該結構包括被隧道結34A、34B分開的頂部電池和底部電池。底部電池形成在緩沖層22、24上，而緩沖層22、24又形成在p+硅處理物（handle）20上。緩沖層包括鄰接處理物20和p+（In）GaAs層24的p+厚（1-3μm）漸變Si_xGe_1-x層22。底部電池包括III-V半導體材料。在該特定實例中，底部電池的基極層28是p-（In）GaAs并且發射極層30是n+（In）GaAs。底部電池的背表面場（BSF）層鄰接緩沖層。窗口層32形成在發射極層30上。頂部電池包括p-InGaP基極38、n+InGaP發射極層40、BSF層36和窗口層42。抗反射涂層（ARC）44鄰接窗口層。接觸層48、50設于結構100的頂部和底部。頂部接觸層48鄰接重摻雜n+（In）GaAs層46，而底部接觸層50鄰接處理物20。在該結構10中，硅層20不是光伏電池的一部分并且僅用作載體。

發明內容

本公開的原理提供了多結III-V太陽能電池結構和用于制造包括III-V和硅吸收體二者的多結太陽能電池結構的技術。

根據示例性實施例的太陽能電池結構包括具有1.8-2.1eV之間的帶隙的頂部光伏電池，該頂部光伏電池包括第一基極層和鄰接該第一基極層的第一發射極層，該第一基極層和第一發射極層中每一個都由III-V半導體材料構成。該太陽能電池結構包括還底部光伏電池，所述底部光伏電池包括第二基極層和鄰接該第二基極層的第二發射極層，該第二基極層和第二發射極層中每一個都由硅構成。緩沖層位于所述頂部光伏電池和所述底部光伏電池之間，該緩沖層包括硅和鍺并且具有富鍺部分，所述頂部光伏電池與所述緩沖層的所述富鍺部分晶格匹配或者對于所述富鍺部分是贗晶。隧道結位于所述頂部光伏電池和所述緩沖層之間。

第二示例性結構包括具有1.8-2.1eV之間的帶隙的頂部光伏電池，該頂部光伏電池包括第一基極層和鄰接該第一基極層的第一發射極層，該第一基極層和第一發射極層中每一個都由III-V半導體材料構成。該第二示例性結構還包括底部光伏電池，該底部光伏電池包括晶體硅第二基極層和鄰接該第二基極層的第二發射極層。具有小于0.5μm的厚度的第一緩沖層位于所述結構的所述頂部和底部光伏電池之間。所述第一緩沖層包括鄰接所述底部光伏電池的硅鍺部分以及包括至少百分之九十的鍺的富鍺部分，所述頂部光伏電池與所述第一緩沖層的富鍺部分晶格匹配或者對于所述富鍺部分是贗晶。隧道結位于所述第一緩沖層和所述頂部光伏電池之間，第二緩沖層位于所述第一緩沖層和所述隧道結之間。所述第二緩沖層對于避免反相邊界缺陷是有效的。