專利名稱：異質(zhì)結(jié)iii-v光伏電池制造技術(shù)
方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及異質(zhì)結(jié)光伏電池制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于硅(Si)的異質(zhì)結(jié)本征薄層(HIT)光伏(PV)電池有可能包括加在兩個非晶硅層(a-Si)之間的龐大的單晶硅(sc-Si)基礎(chǔ)層。與只包含sc-Si的電池相比，通過在HIT 電池中使用a-Si層，可以為HIT電池給予更寬的能帶隙。此外，a-Si層還在a_Si與sc_Si 基礎(chǔ)層之間的接口上創(chuàng)建了使少數(shù)載流子不斷遠(yuǎn)離該接口的能障，由此減小電池中的復(fù)合率。此外，還可以以相對低的溫度處理a-Si。HIT電池結(jié)構(gòu)可以具有范圍在數(shù)十微米(ym) 內(nèi)的sc-Si襯底厚度。這個襯底厚度小于PV電池中的少數(shù)載流子的擴散長度，同時這個襯底厚度足以允許最大限度地吸收太陽光譜。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供了一種用于形成異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池的方法，所述方法包括執(zhí)行基礎(chǔ)層從III-V襯底的晶片的層轉(zhuǎn)移，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米；在所述基礎(chǔ)層上形成本征層；在所述本征層上形成非晶硅層；以及在所述非晶硅層上形成透明導(dǎo)電氧化物層。在一個方面，提供了一種異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池，包括包括III-V襯底的基礎(chǔ)層，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米；位于所述基礎(chǔ)層上的本征層；位于所述本征層上的非晶硅層；以及位于所述非晶硅層上的透明導(dǎo)電氧化物層。附加特征是通過本例示實施例的技術(shù)實現(xiàn)的。在這里還詳細(xì)描述了其他實施例， 并且將這些實施例視為要求保護的內(nèi)容的一部分。為了更好地理解例示實施例的特征，在這里將會參考說明書和附圖。


現(xiàn)在將參考附圖，其中相同的部件在若干個圖中具有相同的附圖標(biāo)記圖1示出的是借助剝離(spalling)形成單異質(zhì)結(jié)III-V PV電池的方法的實施例。圖2示出的是具有背場(back surface field)、金屬層和柔性襯底層的襯底的實施例。圖3示出的是使用柔性襯底層的剝離的實施例。
圖4示出的是單異質(zhì)結(jié)II-V PV電池的實施例。圖5示出的是借助剝離形成雙異質(zhì)結(jié)III-V電池的方法的實施例。圖6示出的是具有本征層、背場、非晶硅層、金屬層以及柔性襯底層的襯底的實施例。圖7示出的是使用柔性襯底層的剝離的實施例。圖8示出的是雙異質(zhì)結(jié)III-V PV電池的實施例。
具體實施例方式在這里提供了用于制造異質(zhì)結(jié)(HJ)III-V PV電池的系統(tǒng)和方法的實施例，并且在下文中詳細(xì)論述了例示實施例。HJ太陽能電池可以使用基礎(chǔ)層來形成，所述基礎(chǔ)層包含基于III-V的襯底，諸如鍺(Ge)或砷化鎵(GaAs)，以此來取代sc_Si。在基于III-V的襯底中，與襯底厚度相比，少數(shù)載流子的擴散長度相對小。與sc-Si不同，由于其直接能帶隙，基于III-V的襯底的相對薄的層(厚度為幾微米)能夠有效吸收大部分太陽光譜。在一些實施例中，HJ III-V PV電池結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)層，該基礎(chǔ)層包括厚度小于約20微米的III-V襯底。通過在基礎(chǔ)層的一側(cè)淀積a-Si，可以形成單HJ電池，并且通過將a-Si淀積在基礎(chǔ)層的兩側(cè)，可以形成雙HJ電池。HJ III-V PV電池相對較輕和/或柔軟，由此允許在不同的應(yīng)用中使用HJ III-V PV電池。形成基于III-V的襯底的相對薄的基礎(chǔ)層可以用任何恰當(dāng)?shù)膶愚D(zhuǎn)移方法來實現(xiàn)， 所述方法包括智能切割層轉(zhuǎn)移、外延層轉(zhuǎn)移或剝離。智能切割層轉(zhuǎn)移適合形成用于單HJ電池的基礎(chǔ)層。智能切割層轉(zhuǎn)移包括將氫(H)注入III-V襯底中，接著進行退火，以便在注入了 H的區(qū)域內(nèi)部引入斷裂，之后其將會進入到襯底中。但是，對于產(chǎn)生厚度超出幾微米的層，智能切割層轉(zhuǎn)移存在一些限制。智能切割層轉(zhuǎn)移需要相對高的注入能量，而這往往會很昂貴。此外，使用高注入能量有可能導(dǎo)致在薄膜內(nèi)產(chǎn)生注入損傷，從而導(dǎo)致薄膜的晶體質(zhì)量下降，而這將會嚴(yán)重降低電池性能。智能切割層轉(zhuǎn)移不適合雙HJ電池，這是因為在層轉(zhuǎn)移之前在襯底上形成的a-Si經(jīng)受不住相對高的退火溫度。外延層轉(zhuǎn)移適合于形成單和雙HJ 電池二者，并且包括在襯底內(nèi)的基礎(chǔ)層之下生長犧牲層。該犧牲層是用濕法化學(xué)蝕刻移除的，以便從襯底中釋放相對薄的基礎(chǔ)層。最后，剝離提供了相對廉價且溫度較低的用于將襯底與相對薄的基礎(chǔ)層分離的方法。剝離的低溫特性允許將其用在制造單和雙HJ III-V電池中。圖1示出的是借助剝離形成單異質(zhì)結(jié)III-V PV電池的方法100的實施例。圖1是參考圖2-4論述的。在方框101，如圖2所示，在III-V襯底201的晶片上形成可選的背場 (BSF) 202。在一些實施例中，襯底201可以包括鍺(Ge)和/或砷化鎵(GaAs)。襯底201可以包括η型或ρ型襯底。在一些實施例中，通過在襯底201上淀積摻雜層以及將摻雜劑擴散到襯底201中，可以形成可選的BSF 202，或者可選的BSF 202可以包括局部的后部觸點。 在一些實施例中，用于形成可選的BSF 202的摻雜劑可以包括鋅(Si)、銦(In)或鋁(Al)。 作為替換，可選的BSF 202可以包括直接淀積在襯底201上的另一種材料；與襯底201相比，BSF材料可以具有更寬的能帶隙。關(guān)于恰當(dāng)?shù)腂SF材料的一些示例可以包括hGaP (用于Ge襯底)或AlGaAs (用于GaAs襯底)。在方框102，如圖2所示形成了受到張應(yīng)力的金屬層203，并且在金屬層203上粘附了柔性襯底層204。在不包括可選的BSF 202的實施例中，金屬層203是直接形成在襯底 201上的。在一些實施例中，金屬層203可以包括鎳(Ni)。柔性襯底層204可以包括柔性粘合劑，并且在一些實施例中，所述柔性粘合劑可以是水溶性的。如果將剛性材料用于柔性襯底層204，那么有可能導(dǎo)致斷裂剝離模式無法工作。因此，柔性襯底層204還可以包括曲率半徑在一些實施例中小于5米的材料，而在一些實施例中材料的曲率半徑小于1米。在方框103，如圖3所示，基礎(chǔ)層301被從襯底201上剝離。柔性襯底204則被用于使金屬層203中的張應(yīng)力在襯底201中形成斷裂302，由此將基礎(chǔ)層301與襯底201分離?；A(chǔ)層301與襯底201包含的是相同材料，并且在一些實施例中，基礎(chǔ)層的厚度可以小于約20 μ m?；A(chǔ)層301的厚度由金屬層203的張應(yīng)力和厚度確定。在包含可選的BSF 202 的實施例中，可選的BSF 202會與基礎(chǔ)層301 —起從襯底201上剝離。在方框104，柔性襯底層204將被從金屬層203移除。在方框105，如圖4所示，單HJ III-V PV電池400是用基礎(chǔ)層301形成的。單HJ III-V電池400包括可選的BSF 202 ；但在一些實施例中，基礎(chǔ)層301可以直接位于金屬層 203上，并且可選的BSF 202可以不存在。金屬層203可以包括用于單HJ III-V電池400的后部觸點(back contact)。在基礎(chǔ)層301上形成本征層401，在本征層401上則形成a_Si 層402，以及在非晶硅層402上形成透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層403。a-Si層402可以具有與襯底201的摻雜類型相反的摻雜類型(η型或ρ型)；在此類實施例中，a-Si層402被配置成充當(dāng)HJ III-V電池400的發(fā)射極。在一些實施例中，a-Si層402被配置成充當(dāng)可以在剝離前而不是剝離后在襯底201或BSF 202上形成的發(fā)射極。在一些實施例中，TCO層 403可以包括摻鋁(Al)的氧化鋅(ZnO)。在一些實施例中，在TCO層403上可以形成指狀條(finger bar)或匯流條(bus bar)(未顯示)。雖然關(guān)于單HJ III-V PV電池400的一些實施例可以包括通過剝離形成的基礎(chǔ)層 301，但是電池400的其他實施例可以包括用智能切割或外延層轉(zhuǎn)移形成的基礎(chǔ)層301。在使用智能切割或外延層轉(zhuǎn)移方法的實施例中，在襯底201上可以可選地形成被配置成充當(dāng)發(fā)射極的BSF 202和/或a-Si層402，然后則可以使用智能切割或外延層轉(zhuǎn)移來將基礎(chǔ)層 301與襯底201分離。然后，通過使用基礎(chǔ)層301以及在上文中對照方框105論述的相同方法，可以形成單HJ III-V電池400。圖5示出的是借助剝離形成雙異質(zhì)結(jié)III-V PV電池的方法500的實施例。圖5是參考圖6-8論述的。在方框501，如圖6所示，在III-V襯底201的晶片上形成本征層602。 在一些實施例中，襯底601可以包括Ge和/或GaAs。襯底601可以包括η型或ρ型襯底。 在一些實施例中，在本征層602上可以形成可選的BSF 603。可選的BSF603可以包括能帶隙比襯底601的能帶隙更寬的材料。關(guān)于恰當(dāng)?shù)腂SF材料的一些示例可以包括hGaP (用于Ge襯底)或AlGaAs (用于GaAs襯底)。然后，在不包含可選的BSF 603的實施例中，在本征層602上形成a-Si層604 ；在此類實施例中，a_Si層604和本征層602可以一起充當(dāng)背場。在包含可選的BSF 603的實施例中，在可選的BSF603上形成a-Si層604。a_Si層 604可以包括與襯底601的摻雜類型相同的摻雜類型(η型或ρ型)；在此類實施例中，a_Si 層604可以充當(dāng)BSF。作為替換，a-Si層604可以包括與襯底601的摻雜類型相反的摻雜類型；在此類實施例中，a-Si層604可以充當(dāng)發(fā)射極。在方框502中，如圖6所示，在a-Si層604上形成受到張應(yīng)力的金屬層605，并且在金屬層605上粘附柔性襯底層606。在一些實施例中，金屬層605可以包括鎳(Ni)。柔性襯底層606可以包括柔性粘合劑，在一些實施例中，所述柔性粘合劑可以是水溶性的。如果將剛性材料用于柔性襯底層606，那么有可能導(dǎo)致斷裂剝離模式無法工作。因此，柔性襯底層606還可以包括在一些實施例中曲率半徑小于5米的材料，并且在一些例示實施例中材料的曲率半徑小于1米。在方框503，如圖7所示，基礎(chǔ)層701從襯底601上被剝離。柔性襯底606被用于促使金屬層605中的張應(yīng)力在襯底601中形成斷裂702，由此將基礎(chǔ)層701與襯底601分離。基礎(chǔ)層601與襯底601包含的是相同的材料，并且在一些實施例中，基礎(chǔ)層的厚度可以小于約20 μ m?；A(chǔ)層701的厚度由金屬層605的張應(yīng)力及厚度確定。本征層602、可選的 BSF (在包含可選的BSF 603的實施例中)以及a_si層604會與基礎(chǔ)層701—起從襯底601 上被剝離。在方框504，柔性襯底層606會從金屬層605上被移除。在方框505，如圖8所示，雙HJ III-V PV電池800是用基礎(chǔ)層701形成的。雙HJ III-V電池800包括可選的BSF 603 ；但在一些實施例中，本征層602可以直接位于a_Si層 604上，并且可選的BSF 603可以不存在。金屬層605可以包括用于單HJ III-V電池800 的后部觸點。在基礎(chǔ)層701上形成本征層801，在本征層801上形成a-Si層802，并且在非晶硅層802上形成TCO層803。a-Si層802可以包括與襯底601的摻雜類型相反的摻雜類型(η型或ρ型)；在此類實施例中，a-Si層802可以充當(dāng)雙HJ III-V電池800的發(fā)射極。 在一些實施例中，TCO層803可以包括摻鋁(Al)的氧化鋅(SiO)。在一些實施例中，在TCO 層803上可以形成指狀條或匯流條(未顯示)。雖然關(guān)于雙HJ III-V PV電池800的一些實施例可以包括用剝離形成的基礎(chǔ)層 701，但是關(guān)于電池800的其他實施例可以包括用外延層轉(zhuǎn)移形成的基礎(chǔ)層701。在使用外延層轉(zhuǎn)移來形成基礎(chǔ)層701的實施例中，在襯底601中形成犧牲層，然后，在襯底601上形成本征層602、可選的BSF 603以及a_Si層604。在犧牲層上，基礎(chǔ)層701、本征層602、可選的BSF 203以及a-Si層604會與襯底601分離。然后，通過使用基礎(chǔ)層701、本征層602、 可選的BSF 203以及a-Si層604以及采用在上文中對照方框505描述的相同方式，可以形成雙HJIII-V電池800。例示實施例的技術(shù)效果和益處包括形成了重量輕的柔性太陽能電池。此處使用的術(shù)語僅出于描述特定實施例的目的，并且不旨在是對本發(fā)明的限制。 如此處使用的，除非上下文清楚地另外指出，否則單數(shù)形式“一個/ 一 ( “a” “an” “the”)，， 旨在也包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)在本說明書中使用時，術(shù)語“包括”(“comprises”和 /或“comprising”)指描述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但是不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組的存在或添加。以下權(quán)利要求中的對應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、操作以及所有裝置(means)或步驟加功能元件的等同替換，旨在包括任何用于與在權(quán)利要求中具體指出的其它單元相組合地執(zhí)行該功能的結(jié)構(gòu)、材料或操作。所給出的對本發(fā)明的描述其目的在于示意和描述，并非是窮盡性的，也并非是要把本發(fā)明限定到所表述的形式。對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不偏離本發(fā)明范圍和精神的情況下，顯然可以作出許多修改和變型。對實施例的選擇和說明，是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，使所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠明了，本發(fā)明可以有適合所要的特定用途的具有各種改變的各種實施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于形成異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池的方法，所述方法包括 執(zhí)行基礎(chǔ)層從III-V襯底的晶片的層轉(zhuǎn)移，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米； 在所述基礎(chǔ)層上形成本征層；在所述本征層上形成非晶硅層；以及在所述非晶硅層上形成透明導(dǎo)電氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述層轉(zhuǎn)移包括智能切割，并且其中所述智能切割包括在所述基礎(chǔ)層之下的晶片中執(zhí)行氫注入；以及對所述晶片執(zhí)行退火以在所述基礎(chǔ)層之下引入斷裂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述層轉(zhuǎn)移包括外延層轉(zhuǎn)移，以及其中所述外延層轉(zhuǎn)移包括在所述基礎(chǔ)層之下的晶片中形成犧牲層；以及對所述犧牲層使用濕法化學(xué)蝕刻以從所述晶片上移除所述基礎(chǔ)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述層轉(zhuǎn)移包括剝離，并且其中所述剝離包括 在所述晶片上形成具有張應(yīng)力的金屬層；將柔性襯底粘附到所述金屬層；使用所述金屬層中的張應(yīng)力在所述基礎(chǔ)層之下的晶片中產(chǎn)生斷裂；以及從所述金屬層上移除所述柔性襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬層包括鎳。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述柔性襯底包括曲率半徑小于5米的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在執(zhí)行所述層轉(zhuǎn)移之前，在所述晶片上形成背場，其中所述背場包括鋅、銦中的至少一個，并且所述背場是從帶有所述基礎(chǔ)層的晶片轉(zhuǎn)移來的層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相反的摻雜類型，并且所述非晶硅層被配置成充當(dāng)發(fā)射極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 在所述晶片上形成第二本征層，以及在執(zhí)行所述層轉(zhuǎn)移之前在所述第二本征層上形成第二非晶硅層，其中所述第二本征層和所述第二非晶硅層是從帶有所述基礎(chǔ)層的晶片轉(zhuǎn)移來的層。
10.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相同的摻雜類型，并且所述第二非晶硅層被配置成充當(dāng)背場。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相反的摻雜類型，并且所述第二非晶硅層被配置成充當(dāng)發(fā)射極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述晶片包括鍺或砷化鎵中的一個。
13.一種異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池，包括包括III-V襯底的基礎(chǔ)層，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米； 位于所述基礎(chǔ)層上的本征層； 位于所述本征層上的非晶硅層；以及位于所述非晶硅層上的透明導(dǎo)電氧化物層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，還包括位于所述基礎(chǔ)層下方的背場，其中所述背場包括鋅、銦或鋁中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，其中所述非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相反的摻雜類型，并且所述非晶硅層被配置成充當(dāng)發(fā)射極。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，還包括位于所述基礎(chǔ)層下方的第二本征層，以及位于所述第二本征層下方的第二非晶硅層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，其中所述第二非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相同的摻雜類型，并且所述第二非晶硅層被配置成充當(dāng)背場。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，其中所述第二非晶硅層包括與所述襯底的摻雜類型相反的摻雜類型，并且所述第二非晶硅層被配置成充當(dāng)發(fā)射極。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，還包括位于所述基礎(chǔ)層下方的金屬層，所述金屬層包括鎳。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)III-VPV電池，其中III-V襯底包括鍺或砷化鎵中的一個。
全文摘要
本公開涉及一種用于形成異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池的方法，所述方法包括執(zhí)行基礎(chǔ)層從III-V襯底的晶片的層轉(zhuǎn)移，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米；在所述基礎(chǔ)層上形成本征層；在所述本征層上形成非晶硅層；以及在所述非晶硅層上形成透明導(dǎo)電氧化物層。本公開還涉及一種異質(zhì)結(jié)III-V光伏(PV)電池，所述PV電池包括包括III-V襯底的基礎(chǔ)層，所述基礎(chǔ)層的厚度小于約20微米；位于所述基礎(chǔ)層上的本征層；位于所述本征層上的非晶硅層；以及位于所述非晶硅層上的透明導(dǎo)電氧化物層。
文檔編號H01L31/074GK102428577SQ201080021165
公開日2012年4月25日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者D·沙爾耶迪, D·薩達納, G·沙希迪, K·E·福格爾, N·索薩·科爾茨, S·W·比德爾 申請人:國際商業(yè)機器公司