專利名稱：太陽能電池結(jié)構(gòu)中的多層背面場層的制作方法
太陽能電池結(jié)構(gòu)中的多層背面場層背景技術(shù)
本公開的領(lǐng)域一般地涉及太陽能轉(zhuǎn)換設(shè)備，并且更具體地涉及太陽能電池結(jié)構(gòu)中的多層背面場層。
由于對污染和有限資源的持續(xù)關(guān)心，對地面(terrestrial)和非地面應(yīng)用中的光伏("PV")電池的關(guān)注已經(jīng)增加。不論這種電池的應(yīng)用如何，已經(jīng)繼續(xù)努力增加輸出和/ 或增加PV電池的效能。
一些已知的PV電池結(jié)構(gòu)包括電池基體(base)，該電池基體具有與具有相對高帶隙的基底(substrate)點(diǎn)陣匹配的層。背面場(back surface field, BSF)層通常用于太陽能電池的電池基體部分和基底或鄰接基體層的層之間，以減少在界面處的電子空穴復(fù)合， 阻擋少數(shù)載流子擴(kuò)散遠(yuǎn)離pn結(jié)，并由此增加電池的效能。BSF層通常與電池晶格常數(shù)點(diǎn)陣匹配。然而，在這種結(jié)構(gòu)中相對大的電池帶隙降低了太陽能電池結(jié)構(gòu)的效能。
一些多結(jié)地面用PV電池結(jié)構(gòu)，利用具有較大的晶格常數(shù)和較寬的帶隙范圍的垂直變形(metamorphic)設(shè)計以更好地分裂太陽光譜,并因此增加效能。一些這樣的PV電池結(jié)構(gòu)可具有從大約O. 7eV至大約2. OeV的電池基體帶隙范圍。為了使BSF層與變形PV電池結(jié)構(gòu)中更大的電池晶格常數(shù)點(diǎn)陣匹配，銦通常被添加至BSF層。例如，一些已知的垂直變形PV電池使用AlGaInAs或ALGaInP BSF層。在至少一個已知的變形PV電池結(jié)構(gòu)中，BSF 層包括大約20%的銦和大約60%的鋁。盡管添加的銦增加了 BSF層的晶格常數(shù)，但銦也降低了 BSF層的帶隙。因此，一些已知的變形PV電池結(jié)構(gòu)具有低于2. OeV的間接帶隙。在這樣的相對于電池基體帶隙相對低的帶隙下，BSF層可能沒有如期望的那樣有效地起作用，并且這樣的PV電池的效能可被降低。此外，因?yàn)樘嫉你熚g刻作用，BSF層中與碳的P摻雜受限。因此，在BSF層中包括銦的至少一些已知的變形PV電池結(jié)構(gòu)被限于小于大約IO18CnT3 的P摻雜。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供包括發(fā)射體層、與發(fā)射體層鄰近的基體層和與基體層鄰近的背面場(BSF)層的光伏(PV)電池。BSF層包括與基體層鄰近的第一層和與第一層鄰近的第二層。第一層包括第一材料，并且第二層包括不同于第一材料的第二材料。
有利地，所述BSF層的第二層與所述基體層點(diǎn)陣匹配。
有利地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約0%。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約0.5%。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約1%。
有利地，發(fā)射體層和基體層每個包括AlGaInP材料。優(yōu)選地，所述BSF層的所述第一層的第一材料包括AlGaAs材料。優(yōu)選地，所述BSF層的所述第二層的第二材料包括 AlGaInAs 材料。
有利地，所述BSF層的第一層比所述BSF層的所述第二層薄。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的光伏(PV)電池包括發(fā)射體層、與發(fā)射體層鄰近的基體層和與基體層鄰近的背面場(BSF)層。發(fā)射體層和基體層建立了電池晶格常數(shù)。BSF 層包括與基體層鄰近的第一層，和與第一層鄰近的第二層。第一層與電池晶格常數(shù)失配，第二層與電池晶格常數(shù)匹配。
有利地，發(fā)射體層和基體層每個包括AlGaInP材料。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層包括AlGaAs材料。
有利地，所述BSF層的第二層包括AlGaInAs材料。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約0%。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約0.5%。優(yōu)選地，所述BSF層的第一層與所述基體層晶格失配大于大約1%。
有利地，所述BSF層的第一層比所述BSF層的所述第二層薄。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供的光伏(PV)電池包括發(fā)射體層、與發(fā)射體層鄰近的基體層和與基體層鄰近的背面場(BSF)層。BSF層包括與基體層鄰近的應(yīng)變的假晶層 (strained pseudomorphic layer),和與應(yīng)變的假晶層鄰近的點(diǎn)陣匹配層。
有利地，應(yīng)變的假晶層為完全應(yīng)變的假晶層。優(yōu)選地，所述BSF層的應(yīng)變的假晶層與所述基體層晶格失配大于大約0%。優(yōu)選地，所述BSF層的假晶層與所述基體層晶格失配大于大約O. 5%。優(yōu)選地，所述BSF層的假晶層與所述基體層晶格失配大于大約1%。
有利地，應(yīng)變的假晶層具有比所述點(diǎn)陣匹配層高的帶隙。
有利地，發(fā)射體層和基體層每個包括AlGaInP材料。優(yōu)選地，應(yīng)變的假晶層包括 AlGaAs材料。優(yōu)選地，點(diǎn)陣匹配層包括AlGaInAs材料。
已經(jīng)被討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可以以不同的實(shí)施方式單獨(dú)實(shí)現(xiàn)或可在另外其他的實(shí)施方式中被結(jié)合，其進(jìn)一步的細(xì)·節(jié)參考以下描述和附圖可見。


圖1為示例性光伏電池結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。
圖2為針對基于圖1示出的光伏結(jié)構(gòu)制成的四個樣本光伏電池結(jié)構(gòu)的電流作為電壓函數(shù)的示例圖。
圖3為針對圖2示出的四個樣本光伏電池結(jié)構(gòu)的開路電壓的示例性曲線圖。
圖4為針對圖2示出的四個樣本光伏電池結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)的示例性曲線圖。
圖5為針對圖2示出的四個樣本光伏電池結(jié)構(gòu)的效能的示例性曲線圖。
圖6為示例性光伏電池結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。
圖7為另一個示例性光伏電池結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。
發(fā)明詳述
如在此所用的，以單數(shù)陳述或以詞“一個(a) ”或“一個(an) ”進(jìn)行的要素或步驟應(yīng)被理解為不排除復(fù)數(shù)要素或步驟，除非這種排除被明確地陳述。此外，本發(fā)明的“一個實(shí)施方式”或“示例性實(shí)施方式”的提及不意欲被解釋為排除也引入所陳述特征的另外的實(shí)施方式的存在。
如在此所用的，術(shù)語“晶格失配”指光伏設(shè)備的層之間的材料晶格常數(shù)的有意失配。術(shù)語“材料晶格常數(shù)”通常指自立(無支撐，free-standing)層(即，當(dāng)材料“松弛”或 “完全松弛”時)中材料的晶格常數(shù)。第一層相對于第二層的“晶格失配”為第一層的材料晶格常數(shù)和第二層的材料晶格常數(shù)之間的差除以第二層的材料晶格常數(shù)。“晶格失配”的光伏設(shè)備的層以更大程度失配，并且因此大大不同于“點(diǎn)陣匹配”或“幾乎點(diǎn)陣匹配”的層。如在此所用的，“應(yīng)變的”層具有大于0%的晶格失配。
本文中描述了示例性光伏(PV)電池結(jié)構(gòu)。每個示例性結(jié)構(gòu)都包括多層背面場 (BSF)層，與一些已知的結(jié)構(gòu)相比，其可提供更高帶隙的BSF層。因此，BSF層可更有效地作為BSF層起作用和/或該結(jié)構(gòu)的效能可被提高。此外，與一些已知的結(jié)構(gòu)的可能的P摻雜相比，本文描述的示例性結(jié)構(gòu)可允許BSF層的至少一層更多的P摻雜。與至少一些已知的結(jié)構(gòu)相反，本文描述的示例性結(jié)構(gòu)可包括用碳摻雜而不是用鋅摻雜的BSF層，碳將不擴(kuò)散進(jìn)入PV電池基體。
圖1為示例性PV電池結(jié)構(gòu)10的橫截面示意圖。在示例性實(shí)施方式中，PV電池結(jié)構(gòu)10為單結(jié)PV結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施方式中，PV電池結(jié)構(gòu)10可為多結(jié)PV電池結(jié)構(gòu)。PV電池結(jié)構(gòu)10包括PV電池12、蓋層14、緩沖16、隧道結(jié)18和基底20。PV電池12包括窗口層 22、發(fā)射體層24、基體層26和BSF層28。
在不例性實(shí)施方式中，發(fā)射體層24為第一摻雜型,并且基體層26為第二摻雜型。 例如，如果發(fā)射體層24為η型，則基體層26通常為P型；并且如果發(fā)射體層24為ρ型，則基體層26通常為η型。因此，ρ-η結(jié)在發(fā)射體層24和基體層26之間形成。在一些實(shí)施方式中，在發(fā)射體層24和/或基體層26中的摻雜濃度可能有變化。這種變化可用于抑制表面上的少數(shù)載流子(少子)濃度遠(yuǎn)離Ρ-η結(jié)，并提高少數(shù)載流子流向聚集的ρ-η結(jié)。在示例性實(shí)施方式中，發(fā)射體層24和基體層26由相同的材料制成，盡管摻雜不同。更具體地， 在示例性實(shí)施方式中，發(fā)射體層24和基體層26每個由AlGaInP材料制成。甚至更具體地， 在示例性實(shí)施方式中，發(fā)射體層24和基體層26每個包括(AlGa)a32Ina68P材料。在其他實(shí)施方式中，發(fā)射體層24和基體層26可包括任何其他合適的材料和/或任何其他合適的 AlGaInP配方。在示例性實(shí)施方式中，發(fā)射體層24和基體層26彼此點(diǎn)陣匹配并建立PV電池12的晶格常數(shù)。
PV電池12包括位于發(fā)射體層24上的窗口層22。在不例性實(shí)施方式中，窗口層22 具有與發(fā)射體層24相同的摻雜型(例如，ρ型或η型)。在一些實(shí)施方式中，窗口層22具有高于發(fā)射體層24的摻雜濃度和/或高于發(fā)射體層24的帶隙。該差異便于抑制少數(shù)載流子光生和注入窗口層22，并因此降低了否則將發(fā)生在窗口層22中的任何復(fù)合。在示例性實(shí)施方式中，窗口層22相對于發(fā)射體層24是晶格失配的。在其他實(shí)施方式中，窗口 層22可與發(fā)射體層24點(diǎn)陣匹配或幾乎點(diǎn)陣匹配。此外，在實(shí)例實(shí)施方式中，窗口層22包括AlInP 材料。更具體地，窗口層22包括Ala5Ina5P材料。在其他實(shí)施方式中，窗口層22可包括任何其他合適的材料和/或任何其他合適的AlInP配方。
在示例性實(shí)施方式中，在PV電池12內(nèi)，BSF層28與基體層26鄰近。BSF層28基本上阻止了少數(shù)載流子的通過并使PV電池12的基體層26鈍化。在示例性實(shí)施方式中，BSF 層28具有與基體層26相同的摻雜型(例如，ρ型或η型)。在一些實(shí)施方式中，BSF層28 具有高于基體層26的摻雜濃度和高于基體層26的帶隙，以便于抑制少數(shù)載流子光生和注入BSF層28中，和便于減少在基體和BSF之間的界面上或在BSF層28中的復(fù)合。
BSF層28包括第一(或上)層30和第二(或下)層32。上層30與基體層26鄰近或位于其下。下層32與上層30鄰近或位于其下。下層32與PV電池12的晶格常數(shù)點(diǎn)陣匹配。然而，上層30與基體26以及PV電池12的其余層晶格失配。更具體地，上層30為應(yīng)變的假晶層，其中上層30中的原子是應(yīng)變的，以基本上與鄰近層的晶格結(jié)構(gòu)對齊。更具體地，上層30中的原子是應(yīng)變的，而不像變形層那樣塑性變形。上層30中的應(yīng)變量通常由晶格失配量指示。上層30是應(yīng)變的并因此具有大于0%的晶格失配。在一些實(shí)施方式中， 上層30與基體26晶格失配大于大約O. 5%。還在其他實(shí)施方式中，上層30與基體26晶格失配大于1%。具有大于大約O. 5%的晶格失配的層諸如上層30在本文中可被稱為“高度應(yīng)變的”或“充分應(yīng)變的”。
BSF層28的下層32與發(fā)射體層24和基體層26的晶格常數(shù)點(diǎn)陣匹配。在示例性實(shí)施方式中，下層32包括AlGaInAs材料。更具體地，在示例性實(shí)施方式中，下層32包括 (AlGa)0 8In0 2Aso在其他實(shí)施方式中，可使用其他材料和/或配方。在示例性實(shí)施方式中， 下層32包括大約20%的銦。在一些實(shí)施方式中，下層32包括大于20%的銦。在其他實(shí)施方式中，下層32包括在大約1%和20%之間的銦。還在其他實(shí)施方式中，下層32包括在大約 10%和20%之間的銦。盡管下層32與基體層26點(diǎn)陣匹配，并可被用作沒有上層30的BSF， 但下層32中的銦產(chǎn)生相對低的帶隙，這可導(dǎo)致作為BSF的相對弱的性能。在示例性實(shí)施方式中，下層32具有低于2. OeV的帶隙。
在示例性實(shí)施方式中，上層30包括不含銦的材料。更具體地,上層30包括AlGaAs。 甚至更具體地，上層30包括Ala8Gaa2As15因此，在示例性實(shí)施方式中，上層30包括大約80% 的鋁。如在此所用的，鋁含量大于大約50%可被稱為“高”鋁含量。在一些已知結(jié)構(gòu)中BSF 層上和下層32上的上層30增加的鋁含量增加的鋁含量產(chǎn)生增加的間接帶隙。上層30的帶隙優(yōu)選在大約4. 95eV和大約2.1eV之間。在其他實(shí)·施方式中，可使用其他材料和/或配方。例如，在一些實(shí)施方式中，上層30的鋁含量可在大約20%和大約100%之間。在其他實(shí)施方式中，鋁含量可大于大約60%。還在其他實(shí)施方式中，上層30的鋁含量大于或等于大約 80%。上層30與PV電池12的晶格常數(shù)晶格失配，并且為具有高于下層32的帶隙的充分應(yīng)變的層。增加的帶隙允許上層30和相應(yīng)地允許BSF層28成為一個整體，以便通過減少少數(shù)載流子從基體層26注入BSF層28，更有效地用作少數(shù)載流子的BSF，其中少數(shù)載流子壽命低。此外，因?yàn)樯蠈?0不包括銦，上層30的ρ型摻雜可利用碳實(shí)現(xiàn)。更具體地，在示例性實(shí)施方式中，上層30可被ρ-摻雜至大約102°cnT3。在其他實(shí)施方式中，上層30可包括大于大約IO18CnT3的ρ摻雜。相比之下，由于碳源材料的銦蝕刻作用，包含銦的材料諸如下層32 難以利用碳進(jìn)行P型摻雜。在示例性實(shí)施方式中，下層32被ρ-摻雜至小于大約1018cm_3。
生產(chǎn)具有不同厚度的上層30的一系列樣本PV電池12并進(jìn)行測試。這些測試的結(jié)果在圖2-5中說明。在所有的樣本電池中，下層32為與基體層26點(diǎn)陣匹配的 (AlGa) ο. 8In0.2As。此外，在具有上層30的所有樣本電池中，上層30為高度應(yīng)變的Al。. 8Ga0.2As 層。生產(chǎn)沒有上層30的第一樣本電池，作為最初的參考或?qū)φ?。第二樣本包括具有厚度tl 在大約Inm和大約4nm之間的上層30。第三樣本包括具有厚度t2在大約4nm和大約8nm 之間的上層30。第四樣本包括具有厚度t3在大約9nm和15nm之間的上層30。樣本電池 12中上層30的厚度僅為示例性的。上層30的厚度可在以上說明的厚度以上和/或以下變化。具體地，上層30的厚度可取決于用于電池12的上層30和其他層的材料的晶格常數(shù)而變化。
圖2為針對四個樣本電池中的每一個的電流作為電壓函數(shù)的示例性圖100 (通常被稱為1-V曲線)。更具體地，跡線102對應(yīng)于第一樣本電池，跡線104對應(yīng)于第二樣本電池，跡線106對應(yīng)于第三樣本電池，并且跡線108對應(yīng)于第四樣本電池。跡線104-108說明了大于跡線102的開路電壓。由此，添加應(yīng)變的上層30增強(qiáng)了性能，超過沒有應(yīng)變的上層 30的第一樣本電池。當(dāng)上層30的厚度從t2增加至t3(跡線108)，因?yàn)閼?yīng)變的上層30部分松弛(relax),開路電壓減小。
圖3-5分別為針對圖2繪出的四個樣本電池的開路電壓(Voc)、填充系數(shù)(FF)和效能的示例性曲線圖。圖3-5顯示了通過添加應(yīng)變的上層30而產(chǎn)生的增加的開路電壓、填充系數(shù)和效能。當(dāng)應(yīng)變的上層30的厚度增加時，這些性能測量值中的每一個通常都增加超過第一(對照)樣本。當(dāng)上層30的厚度超過大于第三樣本(t2)的一些厚度時，開路電壓、填充系數(shù)和效能開始下降。然而，除了效能，所有這些性能測量值都在測試的最厚上層 30 (t3)處仍然超過對照樣本的性能測量值。
圖6為示例性PV電池結(jié)構(gòu)200的橫截面示意圖。PV電池結(jié)構(gòu)200類似于PV電池結(jié)構(gòu)10(圖1示出)，并且共同的參考數(shù)字用于指示共同的要素。在PV電池結(jié)構(gòu)200中， BSF第一層30位于第二層32和緩沖16之間。圖7為另一個示例性PV電池結(jié)構(gòu)300的橫截面示意圖。PV電池結(jié)構(gòu)300類似于PV電池結(jié)構(gòu)10 (圖1示出)和200(圖6示出)。共同的參考數(shù)字用于指示共同的要素。在PV電池結(jié)構(gòu)300中，BSF層28包括第三層302。第一層30位于第二層32和第三層302之間。在示例性實(shí)施方式中，第三層302通常包括與第二層32相同的材料和配方。更具體地，第三層302包括AlGaInAs材料。甚至更具體地， 在示例性實(shí)施方式中，第三層302包括(AlGa)a8Ina2As15在其他實(shí)施方式中，可使用其他材料和/或配方。在示例 性實(shí)施方式中，第三層302和第二層32厚度基本上相同。在其他實(shí)施方式中，第三層302可比第二層32更厚或更薄。
本文描述的PV電池結(jié)構(gòu)包括在電池基體側(cè)面處作為BSF —部分的不含銦的高度應(yīng)變的層。該BSF層具有更高的帶隙，并且與一些已知的電池結(jié)構(gòu)相比可以在少數(shù)載流子阻擋方面更好地起作用。此外，BSF層相對薄,處于Mathews-Blakeslee臨界厚度內(nèi)，并且為充分應(yīng)變的假晶層。因此，該層使基體-BSF界面很好地鈍化。此外，應(yīng)變的層不含銦，具有相對高的鋁含量。應(yīng)變層的高鋁含量產(chǎn)生增加的間接帶隙，由此增加BSF層的有效性并增加PV電池結(jié)構(gòu)的總體效能，超過一些已知的結(jié)構(gòu)。此外，由于缺少銦，該層可用碳高度P 摻雜，以形成彎曲的帶以更有效地阻擋少數(shù)載流子。因此，本文描述的PV電池結(jié)構(gòu)提供了可更容易地用碳摻雜的BSF層并提供增加的性能，超過至少一些已知的PV電池結(jié)構(gòu)。
不同的有利的實(shí)施方式的描述已經(jīng)為了說明和描述的目的而顯示，并且不意欲為窮盡的或限于公開形式的實(shí)施方式。很多更改和變形將對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。此外，與其他有利的實(shí)施方式相比，不同的有利的實(shí)施方式可提供不同的優(yōu)點(diǎn)。選擇和描述所選一種或多種實(shí)施方式，以便更好地解釋實(shí)施方式的原理、實(shí)踐應(yīng)用，并使其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解本公開用于具有多種更改的多種實(shí)施方式，如適于所考慮的具體應(yīng)用。
該書面描述使用了實(shí)施例，以公開多種實(shí)施方式，其包括最優(yōu)模式，以使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`那些實(shí)施方式，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)，并實(shí)施任何并入的方法?？墒谟鑼＠姆秶蓹?quán)利要求定義，并可包括被本領(lǐng)域技術(shù)人員想起的其他實(shí)施例。 如果它們具有沒有不同于權(quán)利要求字面語言的結(jié)構(gòu)要素，或如果它們包括具有與權(quán)利要求字面語言無實(shí)質(zhì)不同的等同的結(jié)構(gòu)要素，這種其他的實(shí)施例意欲處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.光伏(PV)電池，包括發(fā)射體層(24)；與所述發(fā)射體層(24)鄰近的基體層(26);和與所述基體層(26)鄰近的背面場(BSF)層(28)，所述BSF層(28)包括包括第一材料的第一層(30);和與所述第一層鄰近并包括不同于所述第一材料的第二材料的第二層(32)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第二層(32)與所述基體層(26)點(diǎn)陣匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第一層(30)與所述基體層(26)晶格失配。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第一層(30)與所述基體層(26)晶格失配大于大約0%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中所述發(fā)射體層(24)和基體層(26)每個包括 AlGaInP 材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第一層(30)的第一材料包括AlGaAs材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第二層(32)的第二材料包括AlGaInAs材料。
8.根據(jù)權(quán)利要I求所述的PV電池，其中所述BSF層(28)的所述第一層(30)比所述 BSF層(28)的所述第二層(32)薄。
全文摘要
本發(fā)明是“太陽能電池結(jié)構(gòu)中的多層背面場層”。公開了光伏(PV)電池結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)例實(shí)施方式中，PV電池包括發(fā)射體層、與發(fā)射體層鄰近的基體層和與基體層鄰近的背面場(BSF)層。BSF層包括第一層和與第一層鄰近的第二層。第一層包括第一材料，第二層包括不同于第一材料的第二材料。
文檔編號H01L31/0352GK103022181SQ20121035249
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者X-Q·劉, D·C·羅, E·M·雷德爾, C·M·費(fèi)策爾, R·R·金 申請人:波音公司