專利名稱：多結(jié)光伏電池的制造技術(shù)
方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容總體上涉及多結(jié)光伏電池制造的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多結(jié)III-V族光伏(PV)電池，或者說串疊型電池，是由多個p-n結(jié)組成的，每個結(jié)包括不同能帶隙的材料。多結(jié)PV電池是相當(dāng)高效的，而且可以吸收大部分的太陽光譜。 多結(jié)電池可以外延生長的，其中較大能帶隙的結(jié)在較低能帶隙的結(jié)之上。用于可購買到的 3-結(jié)III-V族光伏結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率可以是大約30%至40%?；贗II-V族襯底的三結(jié)PV 電池可以是大約200微米厚的范圍，厚度的主要部分是由襯底的底層提供的，而且襯底的所述底層還可以充當(dāng)?shù)谌齻€結(jié)。襯底的相對厚度可能造成襯底層相對不易彎曲，導(dǎo)致PV電池不易彎曲。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，一種用于制造多結(jié)PV電池的方法包括在襯底上形成包括多個結(jié)的堆，所述多個結(jié)中的每一個都具有相應(yīng)的能帶隙，其中所述多個結(jié)從具有最大能帶隙的結(jié)位于所述襯底上到具有最小能帶隙的結(jié)位于所述堆的頂部來排序；在所述具有最小能帶隙的結(jié)的頂部形成金屬層，該金屬層具有拉伸應(yīng)力；將柔性襯底粘附到所述金屬層；以及在所述襯底的裂縫(fracture)處從所述襯底剝離(spall)半導(dǎo)體層，其中所述裂縫是響應(yīng)于所述金屬層中的拉伸應(yīng)力而形成的。在一個方面中，一種多結(jié)PV電池包括至少一個半導(dǎo)體觸點；包括多個結(jié)的堆，所述多個結(jié)中的每一個都具有相應(yīng)的能帶隙，其中所述多個結(jié)從具有最大能帶隙的結(jié)位于所述至少一個半導(dǎo)體觸點上到具有最小能帶隙的結(jié)位于所述堆的頂部來排序；具有拉伸應(yīng)力的金屬層，該金屬層位于所述具有最小能帶隙的結(jié)的頂部，該金屬層包括背觸點；及粘附到所述金屬層的柔性襯底。另外的特征是通過文本的示例實施方式的技術(shù)實現(xiàn)的。其它實施方式在此具體描述并且被認(rèn)為是受保護(hù)的內(nèi)容的一部分。為了對示例實施方式的特征有更好的理解，參考說明與附圖。


現(xiàn)在參考附圖，在附圖中以類似的附圖標(biāo)記指代類似的元件
圖1例示了制造多結(jié)PV電池的方法的實施方式。圖2例示了多結(jié)PV電池的實施方式。圖3例示了襯底的實施方式。圖4例示了多結(jié)電池的結(jié)的實施方式。圖5例示了包括具有應(yīng)力金屬層的多結(jié)電池的實施方式。圖6例示了具有柔性襯底的多結(jié)電池的實施方式。圖7例示了在剝離之后的多結(jié)電池的實施方式。圖8例示了多結(jié)PV電池的實施方式。
具體實施例方式利用以下具體討論的示例實施方式，提供了用于制造多結(jié)PV電池的系統(tǒng)與方法的實施方式。剝離可用于減小PV電池的底部襯底層的厚度。由于在每個電池中使用更少的襯底材料，因此襯底厚度的減小可以降低制造成本。此外，由于襯底層通常是PV電池中最厚的層，因此使襯底顯著變薄可以顯著減小電池的整體厚度，從而使電池更具柔性。剝離可以應(yīng)用到半導(dǎo)體襯底表面的單個區(qū)域，或者應(yīng)用到多個局部區(qū)域，以便允許對半導(dǎo)體襯底的區(qū)域選擇性使用。在有些實施方式中，多個局部區(qū)域可以包括小于百分之百的原始襯底表面區(qū)域。圖1例示了用于制造多結(jié)PV電池的方法100的實施方式。參考圖2至8來討論圖1。在塊101，通過逆序外延生長來形成如圖2中所示的多結(jié)PV電池200。在襯底201上形成結(jié)202，在結(jié)202上形成結(jié)203，并且在結(jié)203上形成結(jié)204。在有些實施方式中，襯底 201可以包括III-V族襯底，例如砷化鎵(GaAs)或者鍺(Ge)。以下參考圖3進(jìn)一步討論襯底201的結(jié)構(gòu)。結(jié)204的能帶隙小于結(jié)203的能帶隙，而結(jié)203的能帶隙小于結(jié)202的能帶隙。最小能帶隙的p-n結(jié)204最后生長，使得當(dāng)執(zhí)行剝離(即，層移植(layer transfer)) 時(以下參考塊103討論)，結(jié)204可以位于多結(jié)電池的背金屬觸點附近。在有些實施方式中，結(jié)204包括任何適當(dāng)?shù)南鄬π∧軒兜摩?η材料，例如基于GaAs或者基于Ge的材料； 結(jié)202包括任何適當(dāng)?shù)南鄬Υ竽軒兜牟牧?，例?^hP2材料；而結(jié)203包括其能帶隙在結(jié)202和204的能帶隙之間的任何適當(dāng)?shù)牟牧?。結(jié)202至204僅僅是出于例示目的而示出的；電池200可以生長有任何適當(dāng)個數(shù)的結(jié)，其中從具有最大能帶隙的結(jié)位于襯底201上到具有最小能帶隙的結(jié)位于堆的頂部來排序。圖3例示了襯底300的實施方式。襯底201的實施方式可以包括構(gòu)成襯底300的一系列層301至305。襯底300包括半導(dǎo)體襯底301，該半導(dǎo)體襯底301可以包括III-V族襯底，例如Ge或GaAs，或者在有些實施方式中是硅(Si)。如果半導(dǎo)體襯底301包括Ge或者 Si，則可以在半導(dǎo)體襯底301上形成包括例如GaAs或者GaInAs的籽層302。如果半導(dǎo)體襯底301包括GaAs，則籽層302可以包括GaAs。籽層302可以包括具有與結(jié)202兼容的適當(dāng)晶格參數(shù)的任何材料。蝕刻停止/釋放層303在籽層302上生長。蝕刻停止/釋放層303 可有助于使得在剝離(以下參考塊104討論)過程中在特定深度形成裂縫702。第二籽層 304在蝕刻停止/釋放層303上生長。第二籽層304可以包括與籽層302相同的材料。剝離(以下參考塊104討論)可以在第二籽層304中發(fā)生。蝕刻停止層305在第二籽層304 上生長。在有些實施方式中，蝕刻停止/釋放層303和蝕刻停止層305可以包括基于AlAs
5的材料或fe^nP。結(jié)202在蝕刻停止層305上生長。襯底300僅僅是出于例示目的而示出的；襯底300可以包括任何適當(dāng)個數(shù)和類型的層。圖4例示了結(jié)400的實施方式。圖2中的結(jié)201至203中的每一個都可以包括在結(jié) 400中示出的一系列層401至407。觸點401形成在底部，而窗口層402在觸點401上形成。 發(fā)射極403在窗口層402上形成?；鶚O層404在發(fā)射極403上形成。背面電場(BSF)405 在基極層404上形成。背觸點406在BSF 405上形成，而隧道結(jié)407在背觸點406上形成。在塊102，在結(jié)204上形成具有拉伸應(yīng)力的金屬層501，正如圖5中所示出的。金屬層501可以包括鎳(Ni)，而且在有些實施方式中可以是大約5至6微米厚。在塊103，柔性襯底601粘附到金屬層501，如圖6中所示出的。在有些實施方式中，柔性襯底601可以包括聚酰亞胺(例如，聚酰亞胺膠帶(Kapton tape))。在塊104，開始對結(jié)202至204的剝離，而且半導(dǎo)體層701在裂縫702處與襯底201 分開，如圖7中所示出的。在剝離過程中，柔性襯底601可以用作機械手柄。金屬層501 中的拉伸應(yīng)力促進(jìn)襯底201中裂縫702的形成。在有些實施方式中，半導(dǎo)體層701可以小于大約10微米厚。在有些實施方式中，可以在襯底201中形成壓縮應(yīng)變的裂開層(cleave layer)，以便在剝離之前在預(yù)先確定的物理深度或者區(qū)域弱化襯底201，從而允許精確定位裂縫702。裂開層可以通過將優(yōu)先氫化的層結(jié)合到襯底201中來形成，或者可以包括具有比襯底201低的熔點的界面層，例如鍺錫(GeSn)。也可以采用溫度梯度(例如，物理梯度或者淬火)或者蝕刻來促進(jìn)半導(dǎo)體層701在裂縫702處與襯底201剝離。在其中襯底201包括圖3中所示的層301至305的實施方式中，裂縫702可以在第二籽層304中形成，這使得在第二籽層304的頂部部分中形成半導(dǎo)體層701，而第二籽層 304的底部部分仍保留在蝕刻停止/釋放層303上。在這種實施方式中，蝕刻停止層305位于半導(dǎo)體層701和結(jié)202之間。蝕刻停止層305允許不損壞結(jié)202地蝕刻半導(dǎo)體層701。 通過允許層304的任何剩余部分從襯底201的受控去除，蝕刻停止/釋放層303便于襯底 201的表面在剝離之后返回其原始狀態(tài)，使得襯底201可以重新用作制造另外的PV電池的新表面。在有些實施方式中，由于金屬層501中的拉伸應(yīng)力，因此在剝離之后半導(dǎo)體層701 和結(jié)202至204可能有殘余的壓縮應(yīng)變。半導(dǎo)體層701和結(jié)202至204中所包含的應(yīng)變的幅值可以通過在剝離之前或者之后改變金屬層501的厚度和/或應(yīng)力來控制。利用半導(dǎo)體層701和結(jié)202至204構(gòu)造的PV電池的光屬性可以通過調(diào)整半導(dǎo)體層701和結(jié)202至204 中應(yīng)變的量來調(diào)節(jié)。在塊105，形成多結(jié)PV電池800，如圖8中所示出的。可以通過例如化學(xué)或者物理蝕刻選擇性地除去半導(dǎo)體層701的部分，以便形成半導(dǎo)體觸點801a-c，在有些實施方式中， 這些觸點可以是大約200至500納米厚。然后，可以在結(jié)202暴露的表面上形成抗反射涂層 80h-b，這些涂層可以包括基于氧化物或氮化物的薄膜。然后，可以在半導(dǎo)體觸點SOla-c 上形成金屬電極803a_c。電極803a_c包括對半導(dǎo)體觸點801a-c的歐姆接觸。電極803a_C 和半導(dǎo)體觸點801a-c僅僅是出于例示目的而示出的；多結(jié)PV電池800可以包括任何適當(dāng)數(shù)量的半導(dǎo)體觸點和電極。金屬層501可以充當(dāng)用于多結(jié)PV電池800的背金屬觸點。柔性襯底601可以允許對金屬層501的電連接，或者在有些實施方式中柔性襯底601可以被除去。在有些實施方式中，多結(jié)PV電池800的結(jié)202至204的總厚度可以小于大約15微米。多結(jié)PV電池800可以包含由于金屬層501中的應(yīng)力在半導(dǎo)體觸點801a-c和結(jié)202至 204中導(dǎo)致的一定量的壓縮應(yīng)變；半導(dǎo)體觸點SOla-c和結(jié)202至204中應(yīng)變的量可以決定多結(jié)PV電池800的光屬性。示例實施方式的技術(shù)效果和益處包括相對成本有效的制造柔性高效多結(jié)PV電池的方法。在此所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施方式而不是要作為本發(fā)明的限制。除非上下文明確地另外指出，否則在此所使用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解，本說明書中的術(shù)語“包括”是指所述特征、整體、步驟、操作、元素和/ 或部件的存在，但不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元素、部件和/或其組合的存在或添加。以下權(quán)利要求中的所有裝置或步驟加上功能元件的對應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動作及等同物旨在包括用于與具體闡述的其它請求保護(hù)的元件相結(jié)合執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作。給出對本發(fā)明的描述是出于例示和描述的目的，但不是窮盡的或者要把本發(fā)明限定到所公開的形式。在不背離本發(fā)明的范圍和主旨的情況下，許多修改和變體對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都是顯而易見的。選擇并描述所述具體描述的實施方式是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實踐應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域其他普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明針對各種實施方式可以進(jìn)行適于預(yù)期的特定用途的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于制造多結(jié)光伏(PV)電池的方法，該方法包括在襯底上形成包括多個結(jié)的堆，所述多個結(jié)中的每一個都具有相應(yīng)的能帶隙，其中所述多個結(jié)從具有最大能帶隙的結(jié)位于所述襯底上到具有最小能帶隙的結(jié)位于所述堆的頂部來排序；在所述具有最小能帶隙的結(jié)之上形成金屬層，該金屬層具有拉伸應(yīng)力；將柔性襯底粘附到所述金屬層；及在所述襯底中的裂縫處從所述襯底剝離半導(dǎo)體層，其中所述裂縫是響應(yīng)于所述金屬層中的拉伸應(yīng)力而形成的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括蝕刻所述半導(dǎo)體層，以形成至少一個半導(dǎo)體觸點。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，半導(dǎo)體觸點層是大約200納米到500納米之間厚。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在所述具有最大能帶隙的結(jié)上形成包括基于氧化物或氮化物的薄膜的抗反射涂層。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在所述至少一個半導(dǎo)體觸點上形成至少一個金屬電極，所述至少一個金屬電極包括對所述至少一個半導(dǎo)體觸點的歐姆接觸。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬層包括鎳。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包括砷化鎵或者鍺中的一種。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述柔性襯底包括聚酰亞胺。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬層包括用于所述多結(jié)PV電池的背觸點。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個結(jié)包括3個結(jié)，而且所述包括多個結(jié)的堆的厚度小于大約15微米。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體層小于大約10微米厚。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個結(jié)中的一個或多個處于壓縮應(yīng)變中，該壓縮應(yīng)變是由所述金屬層中的拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述襯底包括位于半導(dǎo)體襯底上的籽層、位于所述籽層上的蝕刻停止/釋放層、位于所述蝕刻停止/釋放層上的第二籽層、以及位于所述第二籽層上的蝕刻停止層，其中所述具有最大能帶隙的結(jié)形成在所述蝕刻停止層上，而且其中所述裂縫形成在所述第二籽層中。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個結(jié)中的每一個都包括觸點層、位于所述觸點層上的窗口層、位于所述窗口層上的發(fā)射極層、位于所述發(fā)射極層上的基極層、位于所述基極層上的背面電場、位于所述背面電場上的背觸點及位于所述背觸點上的隧道結(jié)。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述襯底中形成裂開層，該裂開層配置成確定所述裂縫的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述裂開層包括在襯底內(nèi)的鍺錫(GeSn)、氫化層或者界面層中的一個。
17.一種多結(jié)光伏(PV)電池，包括至少一個半導(dǎo)體觸點；包括多個結(jié)的堆，所述多個結(jié)中的每一個都具有相應(yīng)的能帶隙，其中所述多個結(jié)從具有最大能帶隙的結(jié)位于所述至少一個半導(dǎo)體觸點上到具有最小能帶隙的結(jié)位于所述堆的頂部來排序；具有拉伸應(yīng)力的金屬層，該金屬層位于所述具有最小能帶隙的結(jié)之上，該金屬層包括背觸點；及粘附到所述金屬層的柔性襯底。
18.如權(quán)利要求17所述的多結(jié)PV電池，其中，所述半導(dǎo)體觸點是大約200納米到500 納米之間厚，而且所述半導(dǎo)體觸點包括鍺或砷化鎵中的一種；其中所述柔性襯底包括聚酰亞胺；而且其中所述金屬層包括鎳。
19.如權(quán)利要求17所述的多結(jié)PV電池，還包括在所述具有最大能帶隙的結(jié)上的抗反射涂層及在所述至少一個半導(dǎo)體觸點上的至少一個金屬電極，該抗反射涂層包括基于氧化物或者氮化物的薄膜，所述至少一個金屬電極包括對所述至少一個半導(dǎo)體觸點的歐姆接觸。
20.如權(quán)利要求17所述的多結(jié)PV電池，其中，所述多個結(jié)中的一個或多個處于壓縮應(yīng)變下，該壓縮應(yīng)變是由所述金屬層中的拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的。
全文摘要
一種用于制造多結(jié)光伏(PV)電池的方法包括在襯底上形成包括多個結(jié)的堆，所述多個結(jié)中的每一個都具有相應(yīng)的能帶隙，其中所述多個結(jié)從具有最大能帶隙的結(jié)位于所述襯底上到具有最小能帶隙的結(jié)位于所述堆的頂部來排序；在所述具有最小能帶隙的結(jié)之上形成金屬層，該金屬層具有拉伸應(yīng)力；將柔性襯底粘附到所述金屬層；及在所述襯底中的裂縫處從所述襯底剝離半導(dǎo)體層，其中所述裂縫是響應(yīng)于所述金屬層中的拉伸應(yīng)力而形成的。
文檔編號H01L31/0352GK102428569SQ201080021163
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者D·沙杰迪, D·薩達(dá)納, K·E·佛格爾, K·L·薩恩格, N·索薩·考特斯, S·W·貝德爾 申請人:國際商業(yè)機器公司