專利名稱：活性區(qū)域帶有具有能量阱的納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池設(shè)計。特定來說，本發(fā)明的實施例涉及太陽能電池的具有
能量阱的活性區(qū)域。
背景技術(shù)：
部分由于迫在眉睫的傳統(tǒng)能源短缺(例如，原油及天然氣)且由于對"綠色技術(shù)" 好處的認識增加，太陽能電池技術(shù)當(dāng)前隨時準備在大規(guī)模利用方面取得顯著進步。盡
管從太陽捕獲"免費"能量，但太陽能電池技術(shù)比較昂貴，每瓦特所有權(quán)成本($/w)
遠遠超過由電效用提供的S/W。最近在S5/W下，很大程度上由于所使用半導(dǎo)體材料的 費用，太陽能面板的投資回收期差不多是其壽命的50%。持續(xù)高的S/W數(shù)字已引發(fā)關(guān) 于成本降低的想法，其一實例是聚集光伏技術(shù)(CPV)。在CPV中，太陽的能量被數(shù) 百次地聚集到太陽能電池上。然而，由于因聚集而產(chǎn)生的高熱量，CPV要求太陽能電 池要非常熱強健。幸運的是，具有更強健的熱性質(zhì)及更好地適合于太陽的光譜的帶隙 能量的新材料的出現(xiàn)通過CPV再次使太陽能技術(shù)具有吸引力。
直到最近，硅(Si)已處于太陽能電池技術(shù)的核心。然而，最好的基于單結(jié)Si 的電池的效率僅達到約22%。最近，多結(jié)太陽能電池設(shè)計已實現(xiàn)遠遠超過單結(jié)裝置的
效率。在多結(jié)設(shè)計中，通常每一結(jié)由不同的材料形成。舉例來說，己一起使用in-v化
合物半導(dǎo)體(例如，InGaAs、 InGaP)及IV族材料(例如，Ge)來制作多結(jié)太陽能電 池。這些多結(jié)太陽能電池針對每一結(jié)通常使用不同的材料。已聲稱在使用三種所提及 半導(dǎo)體的三結(jié)設(shè)計中實現(xiàn)高達40.7%的實驗室效率。
然而，由于材料成本以及制造復(fù)雜性，這些基于III-V化合物半導(dǎo)體的太陽能電 池比單結(jié)Si裝置昂貴。因此，在純粹的大小要求意味著高昂成本的傳統(tǒng)太陽能面板生
意中已將這些裝置排除在外。然而，太空及其它利基應(yīng)用維持對基于m-v化合物半導(dǎo)
體的更昂貴但更高效且更強健的太陽能電池的特殊興趣。
因此，盡管已作出對太陽能電池效率的改善，但仍需要進一步改善效率。另外需 要降低太陽能電池的每瓦特所有權(quán)成本。
此部分中說明的方法是可推行的方法，但未必是先前已構(gòu)思或推行的方法。因此， 除非另外指示，否則不應(yīng)假設(shè)這部分中說明的任何方法如現(xiàn)有技術(shù)僅由其在此部分中
的包括來限定。


本文以舉例方式而非限定方式在附圖的各圖式中圖解說明本發(fā)明，且在附圖中相 同的參考編號指代類似的元件，附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的實例性單結(jié)太陽能電池。
圖2描繪根據(jù)本發(fā)明實施例的單個納米結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的傳導(dǎo)能帶圖。 圖3A、圖3B、圖3C、圖3D及圖3E是根據(jù)本發(fā)明實施例的不同能量阱配置的
傳導(dǎo)能帶圖。
圖4圖解說明根據(jù)本發(fā)明實施例的實例性三結(jié)太陽能電池。 圖5圖解說明根據(jù)本發(fā)明實施例的實例性兩結(jié)太陽能電池。 圖6圖解說明根據(jù)本發(fā)明實施例的其中生長襯底已被蝕刻掉的實例性太陽能電池。
具體實施例方式
在以下說明中，為便于進行解釋，列舉了許多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的透徹理 解。然而，應(yīng)明了，不需要這些具體細節(jié)也可以實踐本發(fā)明。在其它例示中，本文以 框圖形式顯示眾所周知的結(jié)構(gòu)及裝置，以避免對本發(fā)明造成不必要的遮蔽。
^ 防 《7見
本文揭示一種具有帶有能量阱的光活性區(qū)域("活性區(qū)域")的光伏電池("太 陽能電池")。所述能量阱可以是量子阱，但對此不作要求。所述能量阱可以是漸變 的，由此意指所述能量阱彼此具有不同的帶隙，通常從一個阱向另一個阱單調(diào)增加或 減小。所述太陽能電池容許電池輻射穿過之物將稱作所述太陽能電池的"窗口"。 一 般來說，遠離所述窗口的能量阱具有比接近所述窗口的能量阱低的帶隙。
在一個實施例中，所述活性區(qū)域包含納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)可以是納米柱、納
米導(dǎo)線、納米桿、納米管等。所述納米結(jié)構(gòu)由包含in-v化合物半導(dǎo)體及改變所述m-v 化合物半導(dǎo)體的帶隙的元素的材料形成。舉例來說，所述ni-v化合物半導(dǎo)體可以是氮
化鎵(GaN)，其具有約3.4eV的帶隙。作為實例，所述"帶隙改變元素"可以是銦 (In)。當(dāng)In并入到GaN中且取代Ga時，所得InGaN的帶隙低于GaN的帶隙。并 入的In越多(且因此被取代的Ga越多)，那么InGaN的帶隙越低。如果所有的Ga 被In取代，產(chǎn)生InN，那么帶隙為約0.7 eV。可將顯著量的In并入到InGaN納米結(jié)
構(gòu)中，其中所述納米結(jié)構(gòu)大致無缺陷及應(yīng)變。
在一個實施例中，活性區(qū)域中銦的濃度不均勻，使得所述活性區(qū)域具有若干由阻 擋層間隔的能量阱。所述能量阱能夠"吸收"光子。如先前所提及，所述能量阱是"漸 變的"，由此意指每一能量阱的帶隙隨著移動遠離窗口而逐漸減小。因此，較靠近所 述窗口的能量阱吸收具有至少與帶隙一樣高的能量的光子，但不吸收具有更少能量的 光子。然而，遠離所述窗口的能量阱能夠吸收具有更少能量的光子。
應(yīng)注意，具有約365納米(nm)波長的光子具有約3.4 eV的能量。因此，具有365 mn或更短波長的光子可由具有3.4eV帶隙的材料(例如，GaN)吸收。應(yīng)注意， 具有約1700納米(nm)波長的光子具有約為.7 eV的能量。因此，具有1700nm或更 短波長的光子可由具有0.7 eV帶隙的材料(例如，InN)吸收。另外注意，通過使In 濃度從窗口向太陽能電池的背部增加，具有越來越少能量(波長更長)的光子可遠離 所述窗口被吸收。
兩個能量阱之間的阻擋層具有比那兩個能量阱高的帶隙，且因此將不吸收其能量 比所述阻擋層帶隙少的光子。換句話說，光子必須具有非常短的波長以便由阻擋層吸 收。所述阻擋層可用于阻止載荷子在能量阱之間遷移。然而，足夠高能的載荷子可"逃 脫"能量阱且被作為漂移電流(此漂移電流用作太陽能電池"輸出")掃除。
實例性太陽能電池
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的實例性單結(jié)太陽能電池100。實例性太陽能電池100 通常包含頂部接觸件/窗口 102、頂部結(jié)層104、活性區(qū)域106、襯底108 (其也可用作 底部結(jié)層)、底部接觸件110及電引線112。
頂部接觸件/窗口 102可透過至少一部分光譜中的電磁輻射。太陽能輻射(例如， 光子)114穿過頂部接觸件/窗口 102進入且可在活性區(qū)域106中被吸收。光子的吸收 將促進電子到達傳導(dǎo)帶。通過光子的吸收而被促進到達傳導(dǎo)帶的電子可傳導(dǎo)到接觸件 102、 110。注意，將不論述空穴的行為。下部接觸件IIO可由合適的金屬制成，且不 需要是透明的?？舍槍Π瑢?10的所有太陽能電池裝置優(yōu)化下部接觸件110以獲得 高反射率。電子傳導(dǎo)穿過電引線112。
活性區(qū)域106由橫向分布在太陽能電池100中的若干納米結(jié)構(gòu)115形成?；钚詤^(qū) 域106經(jīng)設(shè)計使得較高能量的光子在窗口 102附近被吸收且較低能量的光子在襯底 108附近被吸收。此通過變化納米結(jié)構(gòu)115中帶隙改變元素的濃度來實現(xiàn)。特定來說， 納米結(jié)構(gòu)115的每一段117具有特定的帶隙改變元素濃度以實現(xiàn)所述段117的所需帶 隙。下文更全面地說明活性區(qū)域106。
在一個實施例中，納米結(jié)構(gòu)115由InGaN形成。太陽能電池100可以是p上n裝 置或n上p裝置。在p上n實施例中，所述InGaN材料生長在p-型襯底108上。在另 一實施例中，太陽能電池100是n上p單結(jié)裝置，其中InGaN材料生長在n-型襯底108 上。用于襯底108的合適材料的實例包括但不限于Si、鍺(Ge)、碳化硅(SiC)及 氧化鋅(ZnO)。如果襯底108是Si或Ge，那么襯底108可以是(111)平面定向。 如果襯底108是SiC或ZnO，那么襯底108可以是(0001)平面定向。在一個實施例 中，用p-型摻雜劑對襯底108進行摻雜。用于Si襯底的p-型摻雜劑的實例包括但不限 于硼(B)。所述p-型慘雜可以是p、 p+或p"+。在一個實施例中，用n-型摻雜劑對襯 底108進行摻雜。用于Si襯底的n-型摻雜劑的實例包括但不限于砷(As)及磷(P)。 所述n-型摻雜可以是n、 11+或11++。
活性區(qū)域106可經(jīng)摻雜，從而產(chǎn)生p-n裝置或n-p裝置。在此類裝置中，二極管 結(jié)可在窗口102附近，靠近頂部結(jié)層104與活性區(qū)域106之間的界面出現(xiàn)。然而，活性區(qū)域106不需要經(jīng)摻雜，從而產(chǎn)生p-i-n裝置或n-i-p裝置。舉例來說，在p-i-n裝置 中，二極管的電場可跨越活性區(qū)域106出現(xiàn)。此外，活性區(qū)域106中摻雜的量可不均 勻。舉例來說，某些段117可重摻雜，其它段117可輕摻雜，而另一些段可不摻雜。
可使用外延生長技術(shù)(例如，金屬有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延及氫化物氣相 外延)通過自組裝或通過圖案化生長來生長納米結(jié)構(gòu)115。在圖案化生長中，襯底表 面的不由掩模材料(例如，Si02或SiN》覆蓋的一部分被暴露以用作所述納米結(jié)構(gòu)的 成核位點。在納米結(jié)構(gòu)115的生長期間調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)115中銦的濃度，使得不同的段 117具有不同的銦濃度。影響銦并入的因素是活性區(qū)域生長期間銦供應(yīng)的量。影響銦 并入的另一因素是溫度，其在生長期間影響銦在生長表面上的蒸發(fā)速率。其它因素也 可影響并入到納米結(jié)構(gòu)115中的銦的量。當(dāng)在n-型襯底108上生長時，納米結(jié)構(gòu)115 的鄰近襯底108的段117可具有任何量的銦濃度。
納米結(jié)構(gòu)115的橫向?qū)挾确秶蓮募s5 nm-500 nm。整個寬度范圍可存在于單個 活性區(qū)域106中。在一個實施例中，納米結(jié)構(gòu)115中的至少某些的寬度足夠?qū)?，使?橫向方向上無量子限制效應(yīng)。然而，在一個實施例中，納米結(jié)構(gòu)115中的至少某些的 寬度足夠窄以在橫向方向上導(dǎo)致量子限制。納米結(jié)構(gòu)115的橫向?qū)挾瓤尚∮? nm且可 大于500 nm。相對窄的寬度可導(dǎo)致應(yīng)力松弛的納米結(jié)構(gòu)115。應(yīng)力松弛的納米結(jié)構(gòu)115 可允許高濃度的銦并入到其中。
段117可具有任何長度。此外，特定納米結(jié)構(gòu)115中的段117可具有彼此不同的 長度。在一個實施例中，銦濃度在特定段117中近似均勻。在一個實施例中，濃度 沿納米結(jié)構(gòu)115的生長軸線不斷改變。因此，在一個實施例中，納米結(jié)構(gòu)115不具有 段117。
頂部結(jié)層104可由與納米結(jié)構(gòu)115相同的化合物半導(dǎo)體形成。舉例來說，結(jié)層104 可由InGaN形成。在結(jié)層104中，InGaN的分子式是IriyGa^N,其中y可以是0與1 之間的任何值。頂部結(jié)層104可包含一個以上子層，其中所述子層具有不同濃度的銦。
結(jié)層104被描繪為在實例性太陽能電池100中聚結(jié)。然而，結(jié)層104可不聚結(jié)。 也就是說，不同的納米結(jié)構(gòu)115可延伸到結(jié)層104的全部或一部分中。在其中太陽能 電池100是p上n裝置的實施例中，結(jié)層104是n-摻雜。所述n-型摻雜可以是n、 n+ 或,。在其中太陽能電池100是n上p裝置的實施例中，結(jié)層104是p-摻雜。所述 p-型摻雜劑可以是p、 p+或p^。
如果結(jié)層104聚結(jié)，那么頂部接觸件/窗口 102可直接沉積到結(jié)層104。作為實例， 金屬柵格、銦-錫-氧化物(ITO)柵格或ITO片可直接沉積在聚結(jié)的結(jié)層104上。如果 結(jié)層104不聚結(jié)，那么可將透明襯底接合到不聚結(jié)的結(jié)層104，其中柵格或整片ITO 或金屬柵格被沉積到所述透明襯底上。
實例性太陽能電池IOO與太陽能聚集系統(tǒng)兼容，所述太陽能聚集系統(tǒng)多次將電磁 輻射聚焦到太陽能電池100上。
活性區(qū)域活性區(qū)域106可包含段117，每一段具有特定濃度的"帶隙改變元素"。如本文 中所使用，術(shù)語"帶隙改變元素"是其濃度影響其所并入到的材料的帶隙的任何元素。
作為實例，當(dāng)并入到至少某些in-v化合物半導(dǎo)體中時，銦是帶隙改變元素。作為特 定實例，GaN中銦的濃度影響InGaN的帶隙。當(dāng)銦被并入到GaN中時，其取代鎵。 因此，段117的分子式可以是InxGax.,N。銦也可影響其它III-V化合物半導(dǎo)體的帶隙。 一般來說，In可減小III-V化合物半導(dǎo)體的帶隙。其它帶隙改變元素可增加帶隙。舉 例來說，鋁(Al)的并入增加GaN的帶隙。也就是說，AlGaN中Al的濃度越高，AlGaN 的帶隙將越高。
出于圖解說明的目的，以下論述將使用In作為實例性帶隙改變元素。然而，可使 用除In以外的元素。在一個實施例中，不同濃度的In導(dǎo)致若干能量阱，其中所述能 量阱之間具有阻擋層。圖2描繪被劃分為段117a、 117b的單個納米結(jié)構(gòu)115的物理結(jié) 構(gòu)及顯示對應(yīng)于納米結(jié)構(gòu)115中的段117的能量阱204及阻擋層206的傳導(dǎo)能帶圖 202。能量阱204可以是量子阱，但對此不作要求。納米結(jié)構(gòu)115具有若干阱段117a 及若干阻擋層段117b。阱段還標注為WrWn。阱段117a被定義為產(chǎn)生能量阱204的 段117。阻擋層段117b被定義為產(chǎn)生能量阻擋層206的段117。阱段W,最靠近太陽 能電池的容許太陽能輻射的窗口 102。將阱段117a彼此進行比較，銦濃度在遠離太陽 能電池的窗口 102的阱段117a中較高。
參照帶隙圖202，較高的銦濃度對應(yīng)于InGaN中的較低帶隙。因此，遠離窗口 102 的能量阱204具有比窗口 102附近的能量阱204低的帶隙。術(shù)語"漸變能量阱"在本 文中用于說明在遠離太陽能電池的窗口 102的方向上通常減小阱段117a的帶隙的配 置。
在此實例中，阻擋層段117b具有彼此大約相同的銦濃度。因此，對應(yīng)于阻擋層 段117b的能量阻擋層206的"高度"彼此大約相同，如能帶圖202中所描繪。此對于 阻擋層段117b導(dǎo)致從窗口 102到太陽能電池的襯底108的近似水平的帶隙。然而，不 要求阻擋層段117b具有此水平的帶隙。在一個實施例中，阻擋層段117b的帶隙是漸 變的，使得帶隙大體上從接近窗口 102的阻擋層段117b向遠離窗口 102的那些阻擋層 段減小。
應(yīng)注意，為便于圖解說明，將特定能量阱204的底部描繪為大致平坦。換句話說， 就像具有大致均勻的帶隙。然而，例如壓電效應(yīng)等效應(yīng)可導(dǎo)致能量阱204底部處的斜 坡。此外，即使銦的濃度在整個特定阻擋層段117b中均勻，阻擋層段117b的帶隙也
可具有斜坡。
選擇電子以供抽取為電流 由于能量阱204及能量阻擋層206的配置，不是由光子促進到傳導(dǎo)帶(或所述傳 導(dǎo)帶以上)的所有電子都能夠逃脫能量阱204。被促進到(至少)所述傳導(dǎo)帶的電子 將具有能量分布。所述電子中的某些將足夠高能以穿過阻擋層段117b。圖2顯示能量 阱204a中的一者中的電子的熱能量分布(E)。具有至少與阻擋層206的傳導(dǎo)帶同樣多的能量的電子可"逃脫"能量阱204a且遷移出活性區(qū)域106。應(yīng)注意，由于熱平衡， 熱分布(E)的形狀可趨于保持相同，盡管更高能的光子退出能量阱204a。其它能量 阱204b-d中具有充足熱能量的電子也將遷移出活性區(qū)域106。由于由n-p結(jié)產(chǎn)生的電 場，退出能量阱204a-d的電子在"p上n"實施例中朝向窗口 102遷移。由于由p-n 結(jié)產(chǎn)生的電場，電子在"n上p"實施例中遷移離開窗口 102。 CPV操作期間太陽能電 池的升高的溫度可有益于所述操作，因為熱能量將增加能夠逃脫阱且被作為漂移電流 掃除的電子的數(shù)量。
應(yīng)注意，由于僅具有至少阻擋層段117b的阻擋層能量206的電子能夠跨越阻擋 層段117b，因此這些"高能"電子不可能落到能量阱204中，因為所述"高能"電子 遷移出活性區(qū)域106除非因半導(dǎo)體的散射中心的無彈性散射而發(fā)生能量損失。此外， 阻擋層段117b的帶隙可用作用于確定輸出電壓的參數(shù)。
替代能量阱及阻擋層配置
不要求能量阱204中的每一者彼此具有不同的帶隙。在一個實施例中，將能量阱 204分組，如圖3A的傳導(dǎo)能帶圖310中所描繪。
每一能量阱204的寬度(Ww)可個別經(jīng)配置以使用量子限制效應(yīng)調(diào)整帶隙，如 圖3B的傳導(dǎo)能帶圖320中所描繪?？赏ㄟ^在納米結(jié)構(gòu)形成期間控制阱段117a的長度 來配置阱寬度Ww。
每一阻擋層206的寬度(Bw)可個別經(jīng)配置以控制能量阱204之間的隧穿，如圖 3C的傳導(dǎo)能帶圖330中所描繪?？赏ㄟ^在納米結(jié)構(gòu)115生長期間控制阻擋層段117b 的長度來配置阻擋層寬度Bw。
此外，所述阱寬度可經(jīng)配置以通過影響因阱阻擋層界面處的極化電荷而產(chǎn)生的壓 電場效應(yīng)來影響(例如，降低)電子-空穴復(fù)合率。
能量阱204及阻擋層206可個別經(jīng)適當(dāng)摻雜(不摻雜、n型、p型)以也通過影 響因阱-阻擋層界面處的極化電荷而產(chǎn)生的壓電場來影響(例如，降低)電子-空穴復(fù) 合率。
在一個實施例中，阻擋層206是漸變的，如圖3D的傳導(dǎo)能帶圖340中所描繪。 可通過在納米結(jié)構(gòu)115生長期間適當(dāng)選擇帶隙改變元素的濃度來使阻擋層206漸變。
在一個實施例中，所述帶隙改變元素的濃度在活性區(qū)域106的全部或一部分中不 斷改變。因此，盡管帶隙改變元素的濃度發(fā)生改變，不存在能量阱204及阻擋層206。 圖3E描繪其中帶隙在活性區(qū)域106的至少一部分中不斷改變(因帶隙改變元素濃度 的不斷改變)的實施例的傳導(dǎo)能帶圖350。
使用隧道結(jié)的實例性多結(jié)裝置
在一個實施例中，所述太陽能電池裝置具有一個或一個以上隧道結(jié)。圖4圖解說 明根據(jù)本發(fā)明實施例的一個實例性三結(jié)裝置400。 一般來說，裝置400具有頂部接觸 件/窗口 102、頂部結(jié)層104a-c、活性區(qū)域106a-c、隧道結(jié)412、襯底108、底部接觸件 IIO及電引線112。三個活性區(qū)域106a-c由隧道結(jié)412間隔。此外，每一活性區(qū)域106a-c與頂部結(jié) 層104a-c配對以形成結(jié)。三個活性區(qū)域106a-c中的每一者可經(jīng)配置以用于吸收不同波 長范圍的光子。舉例來說，活性區(qū)域106a中的不同段117可經(jīng)配置以吸收從365 nm 到Rnm的光子。在活性區(qū)域106b中，段117可經(jīng)配置以吸收從Rnm到S nm的光子。 在活性區(qū)域106c中，段117可經(jīng)配置以吸收從Snm到1700 nm的光子。如先前所論 述，帶隙改變元素(例如，銦)的濃度經(jīng)選擇以實現(xiàn)所需的波長吸收。此外，帶隙能 量對應(yīng)于"特性波長"，其等于可被吸收的最長波長的光子。由于最接近窗口 102的 段117具有最高帶隙，因此其特性波長最短且因此"透射"或"穿過"那些具有較長 波長的光子。以此方式，最接近窗口 102的段117充當(dāng)用于遠離窗口 102的段117的 "長通濾波器"，且所吸收光子的波長逐漸變得更長、更遠離窗口 102。
在活性區(qū)域106a、 106b、 106c中的任一者中，某些段117可充當(dāng)能量阱204，其 中其它段充當(dāng)具有比鄰近段117高的帶隙的能量阻擋層206。能量阱204可以是分級 的。然而，在一個實施例中，活性區(qū)域106的至少一部分在帶隙上具有連續(xù)改變，如 圖3E中所描繪。通過間隔三個結(jié)的兩個隧道結(jié)412來實現(xiàn)所述三個結(jié)的串聯(lián)連接。 在圖4中所描繪的實施例中，隧道結(jié)412在裝置400中生長，因此裝置400是單片的。 作為裝置400的替代方案，可使用更多或更少的活性區(qū)域106及隧道結(jié)412。
裝置400可以是p上n裝置或n上p裝置?；钚詤^(qū)域106可包含InGaN，但可使 用其它材料。對圖1中的實例性太陽能電池100的頂部接觸件102、襯底108及底部 接觸件110的論述適用于實例性裝置400。頂部結(jié)層104a-c類似于實例性太陽能電池 100中的那些結(jié)層。然而，僅頂部接觸件/窗口 102附近的頂部結(jié)層104a可聚結(jié)。頂部 結(jié)層104b、 104c不聚結(jié)。
實例性多結(jié)太陽能電池 圖5圖解說明根據(jù)本發(fā)明實施例的實例性兩結(jié)太陽能電池500?？赏ㄟ^單獨生長 兩個裝置且將其接合在一起來制作太陽能電池500。在圖5中，所述兩個裝置是上部 裝置501及下部裝置502?？赏ㄟ^在襯底108b上生長InGaN材料的納米結(jié)構(gòu)來形成上 部裝置501。出于圖解說明的目的，將相對于特定n-及p-型摻雜來論述太陽能電池500。 然而，摻雜的變化形式是可行的。此外，InGaN用于圖解說明的目的，但可使用其它 材料。
襯底108b可透過所關(guān)心區(qū)域中的電池輻射且可以是n-型SiC或ZnO襯底。所關(guān) 心區(qū)域可以是可見及紅外波長，但可延伸出這些波長。
裝置501中的InGaN材料具有三個區(qū)域。最靠近襯底108b的是不聚結(jié)的頂部結(jié) 層104，其可具有任何銦濃度。所述摻雜可以是n、 11+或11++?；钚詤^(qū)域106d可不經(jīng)摻 雜或具有p型摻雜。段117具有彼此不同的銦濃度，使得目標吸收光譜的范圍從約365 nm到Rnm。裝置501具有下部結(jié)層512。下部結(jié)層512可聚結(jié)或不聚結(jié)。所述下部 結(jié)層的摻雜可以是p、 p+或p卩。
可通過在襯底108a上生長InGaN材料的納米結(jié)構(gòu)115來形成下部裝置502。襯底108a不需要是透明的且可以是p-型Si、 Ge、 SiC或ZnO。裝置502中的InGaN材 料具有兩個區(qū)域。最靠近襯底108a的是活性區(qū)域106e，其可不經(jīng)摻雜或具有p-型摻 雜。段117具有彼此不同的銦濃度，使得目標吸收光譜的范圍從約Rnm到1700nm。 裝置502具有結(jié)層514，其完成n-p結(jié)。在圖5中所描繪的實施例中，結(jié)層514不聚 結(jié)。因此，可通過生長在結(jié)層514中聚結(jié)的納米結(jié)構(gòu)來形成結(jié)層514。所述摻雜可以 是n、 n+或n+十。
可通過使用透明ITO 506作為裝置501與502之間的接合材料來將上部裝置501 接合到下部裝置502。因此所述兩個二極管結(jié)串聯(lián)連接。所產(chǎn)生的電垂直傳導(dǎo)到由合 適金屬制成的接觸件IIO。
作為實例性兩裝置太陽能電池500的設(shè)計的替代方案，可使用三個或三個以上裝 置。額外透明ITO用于將額外裝置接合到其它裝置中的一者。在三個裝置的情況下， 目標吸收光譜范圍可被劃分為三個區(qū)域。
在活性區(qū)域106d、 106e中的任一者中，某些段117可充當(dāng)能量阱204，其中其它 段充當(dāng)具有比鄰近段117高的帶隙的能量阻擋層206。能量阱204可以是漸變的。然 而，在一個實施例中，活性區(qū)域106的至少一部分在帶隙上具有連續(xù)改變，如圖3E 中所描繪。
蝕刻掉的襯底
在一個實施例中，上面生長納米結(jié)構(gòu)115的襯底被蝕刻掉。圖6圖解說明根據(jù)實 施例的其中生長襯底已被蝕刻掉的實例性太陽能電池600。 一般來說，實例性太陽能 電池600具有頂部接觸件/窗口 102、頂部結(jié)層104、由納米結(jié)構(gòu)115形成的活性區(qū)域 106、下部結(jié)層612、下部接觸件6M、基礎(chǔ)襯底616及電引線112。
活性區(qū)域106及下部結(jié)層612是在已被蝕刻掉的襯底上生長的納米結(jié)構(gòu)115。作 為實例，納米結(jié)構(gòu)115可包含InGaN材料。然而，可使用不同的帶隙改變元素及不同
的ni-v化合物半導(dǎo)體。
在所述襯底被蝕刻掉之后，將下部接觸件614及基礎(chǔ)襯底616接合到納米結(jié)構(gòu) 115。下部接觸件614可以是用于到引線112的良好電傳導(dǎo)的片金屬。基礎(chǔ)襯底616 應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性且提供機械支撐。另外，可優(yōu)化基礎(chǔ)襯底616以獲得高反射率。
在一個實施例中，實例性太陽能電池600是n上p裝置。因此，下部結(jié)612可以 是n-慘雜，頂部結(jié)層104可以是p摻雜，且活性區(qū)域106可以是n-摻雜。然而，不要 求活性區(qū)域106經(jīng)慘雜。此外，蝕刻掉襯底可用于p上n、 n-i-p及p-i-n裝置。此外， 蝕刻掉生長襯底不限于單結(jié)裝置。
在實例性太陽能電池的活性區(qū)域106中，某些段117可充當(dāng)能量阱204，其中其 它段充當(dāng)具有比鄰近段117高的帶隙的能量阻擋層206。能量阱204可以是漸變的。 然而，在一個實施例中，活性區(qū)域106的至少一部分在帶隙上具有連續(xù)改變，如圖3E 中所描繪。
反射性襯底在一個實施例中，將襯底108制作為反射性，使得在活性區(qū)域106中未被吸收的 光子被反射回所述活性區(qū)域。舉例來說，再次參照圖1，可蝕刻用于納米結(jié)構(gòu)115生 長的襯底108 (例如，Si)以產(chǎn)生朝向活性區(qū)域106擴散地向回反射未被吸收的光子 的多孔Si。由于將襯底108制作為多孔可降低垂直傳導(dǎo)性，因此可將襯底108制作為 部分多孔。在一個實施例中，襯底108是n-型Si襯底。然而，襯底108不限于Si或 n-型摻雜。將襯底108制作為反射性不限于單結(jié)裝置。
在前面的說明中，已參考許多可根據(jù)不同實施方案而改變的具體細節(jié)說明了本發(fā) 明的實施例。因此，本發(fā)明及本申請者打算作為本發(fā)明實質(zhì)的唯一及排他標識是以發(fā) 出此權(quán)利要求書的具體形式從本申請案發(fā)出的一組包括任何后續(xù)修正的權(quán)利要求項。 本文中針對所述權(quán)利要求書中所包含的術(shù)語所明確陳述的任何定義應(yīng)如權(quán)利要求書中 所使用來支配這些術(shù)語的含義。因此，權(quán)利要求書中未明確敘述的任何限制、元素、 特性、特征、優(yōu)點或?qū)傩圆粦?yīng)以任何方式限制本權(quán)利要求書的范圍。因此，須將本說 明書及圖式視為僅具有例證意義而非限制意義。
權(quán)利要求
1、一種太陽能電池，其包含活性區(qū)域，其中所述活性區(qū)域包含由以下形成的多個納米結(jié)構(gòu)III-V化合物半導(dǎo)體；及帶隙改變元素，其并入到所述化合物半導(dǎo)體中；其中所述帶隙改變元素的濃度是不均勻的，從而在所述納米結(jié)構(gòu)中的每一者中產(chǎn)生多個段，其中所述段中的每一者具有帶隙；其中特定段的所述帶隙由所述帶隙改變元素的濃度建立；且其中所述帶隙改變元素的濃度在整個所述活性區(qū)域中是不均勻的，從而產(chǎn)生不同能級的能量阱。
2、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池具有容許電磁輻射進 入的窗口且其中較靠近所述窗口的能量阱具有比距所述窗口較遠的能量阱高的帶隙。
3、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池具有容許電磁輻射進 入的窗口且其中能量阱的帶隙沿遠離所述窗口的方向從一個能量阱到另一個能量阱單 調(diào)減小。
4、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述能量阱之間的阻擋層具有彼此大 約相同的帶隙。
5、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述能量阱之間的阻擋層具有漸變帶隙。
6、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述太陽能電池具有容許電磁輻射進 入的窗口，且其中較靠近所述窗口的所述能量阱之間的阻擋層具有比距所述窗口較遠 的阻擋層大的帶隙。
7、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述能量阱之間的阻擋層阻止載荷子 在所述能量阱之間遷移。
8、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中特定能量阱的寬度經(jīng)配置以通過量子 限制效應(yīng)影響所述特定能量阱的所述帶隙。
9、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述能量阱中的兩者之間的特定阻擋 層的寬度經(jīng)配置以控制所述兩個能量阱之間的載荷子隧穿。
10、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中特定能量阱的寬度經(jīng)配置以通過影響 因阱-阻擋層界面處的極化電荷所致的壓電場效應(yīng)來影響電子-空穴復(fù)合率。
11、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中特定能量阱經(jīng)摻雜以通過影響因所述 特定能量阱與鄰近阻擋層之間的界面處的極化電荷所致的壓電場效應(yīng)來影響電子-空 穴復(fù)合率。
12、 如權(quán)利要求11所述的太陽能電池，其中鄰近所述特定能量阱的特定能量阻擋層經(jīng)摻雜以通過影響因所述界面處的極化電荷所致的壓電場效應(yīng)來影響所述電子-空穴復(fù)合率。
13、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中鄰近特定能量阱的特定能量阻擋層經(jīng) 摻雜以通過影響因所述特定能量阻擋層與所述特定能量阱之間的界面處的極化電荷所 致的壓電場效應(yīng)來影響電子-空穴復(fù)合率。
14、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中所述帶隙改變元素包含銦。
15、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中所述帶隙改變元素包含鋁。
16、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中所述帶隙改變元素通過降低所述活性區(qū)域的若干部分的帶隙來產(chǎn)生所述能量阱。
17、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中所述帶隙改變元素增加所述能量阱之 間的若干阻擋層的帶隙。
18、 如權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其中所述III-V化合物半導(dǎo)體包含氮化鎵。
19、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其包含如權(quán)利要求1中所說明的多個活性 區(qū)域。
20、 如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其進一步包含經(jīng)配置以將在穿過所述活性 區(qū)域時未被吸收的光子反射回到所述活性區(qū)域中的層。
21、 一種形成太陽能電池的方法，所述方法包含在襯底上生長多個納米結(jié)構(gòu)，其中生長所述納米結(jié)構(gòu)包含調(diào)整并入到ni-v化合物半導(dǎo)體中的帶隙改變元素的濃度以便將所述納米結(jié)構(gòu)中的每一者配置為具有不均勻濃度的所述帶隙改變元素，其中所述納米結(jié)構(gòu)中的每一者具有多個段，且其中所述段中的每一者具有帶隙；其中通過調(diào)整所述帶隙改變元素的所述濃度來建立特定段的所述帶隙；且 其中所述帶隙改變元素的濃度是不均勻的，從而產(chǎn)生不同能級的能量阱。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得較靠近所述活性區(qū)域的第一側(cè)的能量阱具有比距所述第一側(cè)較遠的能量阱 高的帶隙。
23、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得能量阱的帶隙從一個能量阱到另一個能量阱單調(diào)地減小。
24、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得所述能量阱之間的阻擋層具有與其它阻擋層大約相同的帶隙。
25、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得所述能量阱之間的阻擋層具有漸變帶隙。
26、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得較靠近所述活性區(qū)域的第一側(cè)的所述能量阱之間的阻擋層具有比距所述第 一側(cè)較遠的阻擋層大的帶隙。
27、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所述濃度使得特定能量阱的寬度經(jīng)配置以通過量子限制效應(yīng)來影響所述特定能量阱的所 述帶隙。
28、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中調(diào)整所述帶隙改變元素的濃度包含調(diào)整所 述濃度使得所述能量阱中的兩者之間的特定阻擋層的寬度經(jīng)配置以控制所述兩個能量 阱之間的載荷子隧穿。
29、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述帶隙改變元素包含銦。
30、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述帶隙改變元素包含鋁。
31、 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述III-V化合物半導(dǎo)體包含氮化鎵。
32、 如權(quán)利要求21所述的方法，其進一步包含形成經(jīng)配置以將在穿過所述活性 區(qū)域時未被吸收的光子反射回到所述活性區(qū)域中的層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于具有漸變能量阱的太陽能電池的方法及設(shè)備。所述太陽能電池的活性區(qū)域包含納米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)由包含III-V化合物半導(dǎo)體及改變所述III-V化合物半導(dǎo)體的帶隙的元素的材料形成。舉例來說，所述III-V化合物半導(dǎo)體可以是氮化鎵(GaN)。作為實例，所述“帶隙改變元素”可以是銦(In)。所述銦在所述活性區(qū)域中的濃度是不均勻的，使得所述活性區(qū)域具有由阻擋層分離的若干能量阱。所述能量阱可以是“漸變的”，由此意指所述能量阱彼此具有不同的帶隙，其通常從一個阱向另一個阱單調(diào)地增加或減小。
文檔編號H01L31/0352GK101589474SQ200780048752
公開日2009年11月25日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者李圣秀, 詹姆斯·C·金 申請人:桑迪奧德公司