太陽能電池的制作方法
【專利摘要】在本文中描述了用于多結(jié)太陽能電池的器件、系統(tǒng)和方法。示例性硅鍺太陽能電池結(jié)構(gòu)具有基板，并且在基板上生長了漸變緩沖層。在漸變緩沖層中或上面生長了用于第一太陽能電池的基極層和發(fā)射極層。在發(fā)射極層與基極層之間提供第一結(jié)。在第一太陽能電池的頂部上生長第二太陽能電池。
【專利說明】太陽能電池
[0001]相關(guān)申請
本申請要求2011年9月2日提交的美國臨時申請序號61/530680、2012年5月22日提交的美國臨時申請序號61/650133、以及2012年6月8日提交的美國臨時申請序號61/657698的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其公開通過引用被整體地結(jié)合到本文中。
[0002]關(guān)于聯(lián)邦政府贊助研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明的各部分可能已結(jié)合合同號HR0011-07-9-0005下的政府經(jīng)費進行，并且政府可能有某些權(quán)限。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及太陽能電池，并且更特別地涉及利用漸變緩沖物的太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0004]對于針對基于空間和陸地應(yīng)用的高效率光伏的串聯(lián)多結(jié)太陽能電池的設(shè)計和制造存在相當大的興趣。多結(jié)太陽能電池包括具有被設(shè)計成使得能夠高效地收集寬太陽光譜的帶隙的兩個或更多P-η結(jié)子電池。子電池帶隙被控制使得隨著入射太陽光譜通過多結(jié)太陽能電池傳遞下去，其通過連續(xù)減小的帶隙能的子電池。因此，使與單結(jié)電池相關(guān)聯(lián)的效率損失——高能光子的低效收集和不能收集低能量光子最小化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是用于利用漸變緩沖物的多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的器件、系統(tǒng)以及方法。示例性硅鍺太陽能電池結(jié)構(gòu)能夠具有基板，并且在基板上生長了漸變緩沖層。在漸變緩沖層中或上面生長了用于第一太陽能子電池的基極層和發(fā)射極層。能夠在發(fā)射極層與基極層之間提供第一結(jié)。能夠在第一太陽能子電池的頂部上生長第二太陽能子電池。
[0006]本發(fā)明并不意圖局限于必須滿足本發(fā)明的任何聲稱的目的或特征中的一個或多個的系統(tǒng)或方法。注意到本發(fā)明不限于本文所描述的示例性或主要實施例也是重要的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進行的修改和替換被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，除被以下權(quán)利要求之外，其不受限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]通過閱讀結(jié)合附圖進行的以下詳細描述，將更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征和優(yōu)點，在所述附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性多結(jié)電池實施例的完整器件的輪廓圖。
[0008]圖2 (a — d)是根據(jù)本發(fā)明的示例性多結(jié)電池實施例的正在構(gòu)造的器件的輪廓圖。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性多結(jié)電池實施例的用來構(gòu)造器件的示例性動作的流程圖。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的透明基板上的示例性多結(jié)電池實施例的完整器件的輪廓圖。[0011]圖5 (a-h)是根據(jù)本發(fā)明的透明基板上示例性多結(jié)電池實施例的正在構(gòu)造的器件的輪廓圖。
[0012]圖6是根據(jù)本發(fā)明的透明基板上示例性多結(jié)電池實施例的用來構(gòu)造器件的示例性動作的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]概述
使用16%高效太陽能電池的太陽能模塊支配目前的光伏市場，但即使在今天的每瓦特非常低的價格下，在世界的大部分中，其不能在沒有重要津貼的情況下被有利地安裝。這部分地是因為非模塊成本或系統(tǒng)平衡(BOS)成本支配總安裝成本。這些BOS成本中的大部分是面積相關(guān)的，并且與面積線性地按比例。因此，較高效率太陽能電池通過減少用于給定功率輸出的太陽安裝面積的量而降低BOS成本。例如，對于基于住宅的屋頂安裝而言，能夠估計效率的加倍將導(dǎo)致每瓦特的總系統(tǒng)安裝成本的約20— 30%下降。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，硅上串聯(lián)電池具有對于至少33%電池效率或者今天市場主導(dǎo)的低成本的基于硅的太陽能電池的電池效率約雙倍的潛力。實施例可利用SiGe漸變緩沖物以允許在硅晶片上生長具有例如約80%的Ge含量的低位錯密度SiGe。頂部子電池能夠是與在其下面的SiGe進行匹配的GaAsP晶格。GaAsP能夠具有約1.6eV的帶隙。底部子電池可以是SiGe，在SiGe漸變緩沖物上面。底部子電池的SiGe能夠具有約0.9eV的帶隙。
[0015]實施例基于在硅基板上的硅鍺的漸變緩沖物上生長的硅鍺子電池上所生長的II1-V外延子電池而為高效率多結(jié)太陽能電池提供附加益處。當前，被用于幾乎所有商用多結(jié)II1-V太陽能電池的單晶鍺基板占此類太陽能電池成本的大多數(shù)，即使只有此基板的頂部部分對太陽能電池操作有所貢獻。
[0016]太陽能電池
參考圖1，多結(jié)電池100可具有示例性基本結(jié)構(gòu)。單晶硅基板102可用來構(gòu)造太陽能電池100的第一部分。能夠在基板102上異質(zhì)外延地生長漸變緩沖層104。能夠在漸變緩沖層104上生長SiGe子電池106。能夠在SiGe子電池106上生長GaAsP子電池110。能夠在GaAsP子電池110與SiGe子電池106之間提供隧道結(jié)108。能夠在隧道結(jié)109與GaAsP子電池110之間提供過渡層109。能夠在GaAsP子電池110的暴露表面上提供頂部接觸112。能夠在基板的底表面上提供底部接觸和/或反射表面114。雖然示例性實施例描述SiGe子電池，但實施例不限于SiGe且能夠包括由適合于提供漸變緩沖物的其它材料構(gòu)造的太陽能子電池。另外，實施例不限于頂部GaAsP子電池，并且能夠包括由適合于在底部子電池上生長的其它材料構(gòu)造的太陽能子電池。
[0017]示例性太陽能電池生產(chǎn)
參考圖2 (a — d)，根劇本發(fā)明的示例性多結(jié)實施例構(gòu)造示例性太陽能電池器件。起始基板102可以是具有例如在IXlO16 CnT3至IXlO19 cnT3范圍內(nèi)的η型摻雜(例如砷或磷)的單晶硅?；?02可以是例如但不限于具有朝向〈110〉或〈111〉方向的2-8度的截片(offcut)的(100)表面取向；例如，表面截片可以是朝向〈110〉or〈111〉方向的4一6度?；?02可具有約100—1000微米的厚度；例如，該厚度可在200與500微米之間?；?02可以是冶金級單晶硅?；?02的直徑可以是但不限于約100— 300mm的標準晶片尺寸。替換地，基板102可以是方形或半方形的，具有例如寬125_或156_的尺寸，用于Si太陽能電池的典型尺寸。
[0018]能夠在基板102上異質(zhì)外延地生長漸變緩沖層104。能夠使用諸如ASM Epsilon2000之類的CVD反應(yīng)器來在基板102上產(chǎn)生弛豫漸變緩沖層；替換地，能夠使用批外延反應(yīng)器。能夠通過本領(lǐng)域中公知的手段在外延生長期間就地結(jié)合在漸變緩沖物結(jié)構(gòu)和SiGe子電池層中描述的各種摻雜水平。能夠用0%或相對低的鍺組份來發(fā)起漸變緩沖層104的構(gòu)成。SihGex層的鍺含量X由硅和鍺前體的相對濃度控制。通過逐漸地增加鍺含量，逐漸地減輕由于硅與鍺之間的晶格失配而引起的應(yīng)變，從而使沉積的弛豫SiGe層中的穿透位錯密度最小化。通常，漸變SihGex層的鍺含量以每微米約10%-25%鍺的率增加；然而，實施例不需要被限制于該范圍。最終漸變SihGex層能夠包括50-90%鍺組份或者例如70-85%鍺組份。然而，實施例不限于該組份，并且可結(jié)合各種漸變層或者其可形成SiGe子電池106的一部分°在題為“Method for making low defect density semiconductor heterostructureand devices made thereby”的1993年6月22日的美國專利5, 221, 413中更詳細地描述了生長漸變緩沖層104的示例性過程并被結(jié)合到本文中?？衫缭贗 X IO16 cnT3至I X IO19cnT3的范圍中用例如砷或磷對漸變緩沖層104進行η型摻雜。
[0019]SiGe子電池106能夠包括對接漸變緩沖層104的背表面場層，具有在50_90%之間的任何地方的Ge組份，近似與漸變緩沖層104的終端鍺組份匹配。背表面場層能夠具有例如50-500nm的厚度,并且約Ie17-1e19 cm_3或例如3e17_3e18 cm_3的η型摻雜水平。在替換實施例中，背表面場層可以是可拉伸的，具有低于漸變緩沖層104的終端組份的鍺含量的鍺含量，例如低了約25%的Ge ;在這種情況下，背表面場層的厚度可以更薄，例如約20-100nm。由于由張力引入的能帶偏移，可拉伸背表面場層可比晶格匹配的場層更有效。SiGe子電池106能夠包括基極層，具有在50-90%之間的任何地方的Ge組份，近似與漸變緩沖層104的終端鍺組份匹配?；鶚O層能夠具有在0.5-5.0um的厚度，具有約le15-5e17 cm_3的η型摻雜水平或者例如約5e15-5e16 cm—3的水平。如果包括背表面場層，則其能夠在基極層下面并與基極層接觸。
[0020]能夠在基極層的頂部上生長發(fā)射極層，其具有類似鍺組份或與基極層的表面匹配。發(fā)射極層能夠具有5e17_5e19 cm_3的p型摻雜水平,或者例如約le18_5e18 cm_3的水平。
[0021]發(fā)射極層能夠具有約100— 2000nm，或者例如約200— 500nm的厚度。在題為“Silicon Germanium Solar Cell”的2011年5月26日公開的美國專利申請公開2011/0120538中更詳細地描述了生長SiGe太陽能電池的示例性過程并被結(jié)合在本文中。
[0022]能夠在SiGe子電池106與GaAsP子電池110之間提供隧道結(jié)108。隧道結(jié)108能夠包括底部隧道結(jié)部分，其由對接SiGe子電池106的SiGe組成，具有約7e18 — le2°cnT3的P型摻雜水平和5 — 20nm的厚度。鍺的百分比能夠與漸變緩沖物104的終端鍺組份近似匹配，或者其對于較窄帶隙而言能夠在鍺方面更富有(例如在Ge含量方面達到更高了約20%，并且可以是純Ge)，以促進更有效的隧道行為。能夠提供頂部SiGe隧道結(jié)部分，其具有約7e18—Ie20 cm_3的η型摻雜水平和5 — 20 nm的厚度。再次地，能夠使鍺的百分比與漸變緩沖物104的終端鍺組份近似匹配，或者其對于較窄帶隙而言能夠在鍺方面更富有(例如在Ge含量方面達到更高了約20%，并且可以是純Ge)，以促進更有效的隧道行為。隧道接口在P型底部隧道結(jié)部分與η型頂部隧道結(jié)部分之間。
[0023]能夠在隧道結(jié)層108與GaAsP子電池110之間提供過渡層109。過渡層可包括底部過渡層，其對接隧道結(jié)108并包括例如純鍺，具有約Ie18 — le2° cm_3的η型摻雜水平或者例如約5e18 — 5e19 cm_3的水平，和5—30nm的厚度。過渡層還可包括對接GaAsP子電池110的頂部過渡層，其由與漸變緩沖物104的終端部分近似晶格匹配的II1-V半導(dǎo)體組成，例如能夠提供具有約10 — IOOnm的厚度和Ie18 — Ie19 cm—3的η型摻雜的InGaP層。頂部過渡層的目的是允許在下面的IV族半導(dǎo)體層的頂部上發(fā)起優(yōu)質(zhì)II1-V半導(dǎo)體生長。能夠由本領(lǐng)域中眾所周知的方法在諸如Veeco TurboDisc As/P (砷化物/磷化物)MOCVD系統(tǒng)之類的MOCVD (金屬氧化物化學(xué)汽相沉積)系統(tǒng)中生長這個和隨后描述的II1-V層。
[0024]GaAsP子電池110能夠包括背表面場層，其可具有與漸變緩沖物104的終端組份近似匹配的晶格常數(shù)以及在例如50— 200nm之間的厚度，和約Ie17 — Ie19 cm_3或者例如在3e17—3e18 cm_3之間的η型摻雜水平。此層可由GaAsP或者由諸如InGaP之類的較寬帶隙半導(dǎo)體層組成。GaAsP子電池110能夠包括在背表面場層上面的GaAsP基極層，其可具有近似匹配漸變緩沖物104的終端組份的晶格常數(shù)以及在0.2—2.0um之間的厚度，和約Ie16—Ie18 cm_3或者例如約Ie17 — 2e17 cm_3的η型摻雜水平。替換地，GaAsP基極層可以是略微可拉伸的，具有例如約0.05—0.15%的應(yīng)變。可在具有例如Ie17 — Ie19 cm_3或者約Ie18 — 3e18cm-3的P型摻雜且具有類似于GaAsP基極層的晶格常數(shù)的GaAsP基極層上生長GaAsP發(fā)射極層。GaAsP發(fā)射極層能夠具有約50— 200nm或約IOOnm的厚度。附加層能夠包括AlInP或InGaP的窗口層，例如具有類似于下面的GaAsP基極和發(fā)射極層的晶格常數(shù)以及在10—50nm之間的厚度，和例如約2e17 — 2e18 cm_3的p型摻雜水平。替換地，窗口層可以是略微可拉伸的，具有達到例如2%的可拉伸應(yīng)變，允許較寬的帶隙以用于較少的紫外線吸收。還能夠為GaAsP或GaAs接觸層提供類似于漸變緩沖物104的終端部分的晶格常數(shù)，以及在100—500 nm之間的厚度和約5e18—Ie20 cm_3的p型摻雜水平。可在后續(xù)頂部接觸網(wǎng)格形成之后經(jīng)由濕法蝕刻來去除接觸層，并且因此僅保留最終結(jié)構(gòu)中的頂部接觸網(wǎng)格下面，在本領(lǐng)域中公知的制作基于II1-V的多結(jié)太陽能電池的方法。在本領(lǐng)域中已知創(chuàng)建GaAsP電池的不例性過程。例如參見 Vernon 等人的 IEEE Photovoltaic Specialists Conference,19th, New Orleans, LA, May 4-8, 1987, Proceedings 中 108-112 頁的“Development ofhigh-efficiency GaAsP solar cells on compositionalIy graded buffer layers，，。
[0025]能夠在GaAsP子電池110的暴露表面上提供頂部接觸112。能夠由本領(lǐng)域中的已知方法來提供頂部接觸112。例如，可提供具有例如Ium — 5um的厚度的CrAu的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。還能夠提供具有約10— 500nm的厚度的氮化硅的防反射涂層(ARC)以改善太陽能電池效率。用于提供用于基于II1-V的多結(jié)太陽能電池的頂部接觸和頂部ARC的方法和材料在本領(lǐng)域中是公知的。
[0026]如在本領(lǐng)域中已知的，能夠用KOH (氫氧化鉀)或TMAH將基板102的底部接觸表面紋理化，以提供金字塔狀紋理化表面。此類表面將在從后表面反射時引起光改向。光遠離基本上正交于頂部太陽能電池表面的方向的改向促進全內(nèi)反射。在發(fā)生可選紋理化之后，能夠在基板102的底部上沉積例如SiNx或SiO2的薄(例如10—1000 nm或者諸如約100nm)介電層。在圖2d中，未示出的此層能夠在層102與114之間。如果提供此介電層，則能夠通過介電區(qū)域的小百分比(例如整個的0.5-10%)提供規(guī)則開口的網(wǎng)格或其它圖案，以允許隨后沉積的后部接觸金屬與基板102之間的電接觸。能夠由例如光刻法或激光燒灼[參見例如 S.Correia 等人的 Proceedings of 22nd European Photovoltaic SolarEnergy Conference, 3-7 September 2007 的“Selective Laser Ablation of DielectricLayers”]或介電蝕刻劑的噴墨印刷[參見例如A.Lennon等人的Solar Energy Materials& Solar Cells 93 (2009)的 pl865—1874 中的“Direct patterned etching of silicondioxide and silicon nitride dielectric layers by ink jet printing，，]來形成這些開口。此類開口能夠是圓形的且在直徑方面為例如I 一 100微米。能夠通過沉積金屬(例如具有約0.5-2.0微米的厚度的鋁或銀)、通過PVD或通過本領(lǐng)域中公知的方法來提供底部接觸金屬層114。能夠在頂部和底部接觸的沉積后面是在例如300— 500°C下的退火步驟以減小接觸與半導(dǎo)體層之間的電阻。除提供后部電接觸之外，此后部金屬提供反射表面以促進已通過GaAsP頂部子電池和底部SiGe子電池兩者的任何光的內(nèi)部反射，改善太陽能電池中的光收集。由于硅基板具有比底部SiGe子電池更寬得多的能量帶隙，所以在通過SiGe子電池之后未被吸收的任何光將遠低于硅的能量帶隙。因此，Si基板對于正在討論中的波長而言將是幾乎透明的，允許太陽能電池的頂部和底部內(nèi)表面之間的多次光反射。在基板102與底部接觸金屬層114之間提供的可選介電層的目的是增強后表面反射。
[0027]示例性構(gòu)造方法
參考圖3，構(gòu)造多結(jié)太陽能電池器件300的示例性方法可包括以下動作。如前面所描述的，提供了硅基板102 (方框302)。在基板102的頂部上外延地生長漸變緩沖層104 (方框304)。在漸變緩沖層104的頂部上外延地生長第一太陽能子電池106(方框306)。在第一太陽能子電池上面外延地生長隧道結(jié)108 (方框308)。在隧道結(jié)108與第二太陽能子電池110之間可選地生長過渡層109 (方框309)。在隧道結(jié)過渡層108內(nèi)或頂部上外延地生長第二太陽能電池結(jié)110 (方框310)。在第二太陽能電池結(jié)110的頂表面上構(gòu)造頂部接觸(方框312)。在基板102的底表面上構(gòu)造底部接觸和/或反射表面114 (方框314)?？尚薷臉?gòu)造的示例性方法以結(jié)合其它實施例，例如但不限于與如在先前實施例中所描述的后表面鈍化和接觸相關(guān)聯(lián)的動作。
[0028]透明基板上的太陽能電池
參考圖4，透明基板400上的多結(jié)電池可具有示例性基本結(jié)構(gòu)?？墒褂镁哂卸嗫坠鑼?12a的單晶硅基板402來構(gòu)造太陽能電池400的基極部分。能夠在多孔硅層412a上異質(zhì)外延地生長漸變緩沖層404。能夠在漸變緩沖層404上生長SiGe子電池406。能夠在SiGe子電池406上生長GaAsP子電池410。能夠在GaAsP子電池410與SiGe子電池406之間提供隧道結(jié)408。能夠在隧道結(jié)409與GaAsP子電池410之間提供過渡層409。能夠在GaAsP子電池410的暴露表面上提供頂部接觸412。能夠在基板的底表面上提供底部接觸和/或反射表面414。雖然示例性實施例描述SiGe子電池，但實施例不限于SiGe且能夠包括由適合于提供漸變緩沖物的其它材料構(gòu)造的太陽能電池。另外，實施例不限于頂部GaAsP子電池，并且能夠包括由適合于在底部子電池上生長的其它材料構(gòu)造的太陽能電池。
[0029]透明基板上示例性太陽能電池生產(chǎn)
參考圖5 (a-h)，根據(jù)本發(fā)明的示例性透明基板實施例來構(gòu)造示例性太陽能電池器件。起始基板402可以是具有例如在I X IO16 cm_3至I X IO19 cm_3范圍中的諸如砷或磷的η型摻雜的單晶硅?；?02可以是例如但不限于具有朝向〈110〉或〈111〉方向的2-8度的截片(offcut)的(100)表面取向；例如，表面截片可以是朝向〈110〉or〈111〉方向的4_6度?；?02可具有約100-1000微米的厚度；例如；諸如，該厚度可在200與500微米之間。供體基板402可以是冶金級單晶硅。供體基板402的直徑可以是但不限于約100-300mm的標準晶片尺寸。替換地，供體基板402可以是方形或半方形的，具有例如寬125_或156_的尺寸，用于Si太陽能電池的典型尺寸。
[0030]可使用多孔硅層412a來構(gòu)造太陽能電池400的基極部分。供體基板402可以是p型的且具有在約lohm-cm以下的電阻率。可在供體基板402的表面上形成雙多孔層402a。頂部多孔層可具有較低孔隙度，以充當用于后續(xù)外延生長的模板。底部多孔層可具有較高孔隙度，以允許后續(xù)分裂。創(chuàng)建分裂平面的示例性方法在本領(lǐng)域中是已知的，并且在例如Yonehara & Sakaguchi, JSAP Int.July 2001, N0.4, pp.10—16 中被描述。還可經(jīng)由短暫熱氧化使多孔層402a穩(wěn)定化，并且還可經(jīng)由H2下的退火將其密封，如在Yonehara &Sakaguchi中所描述的。
[0031]用于形成多孔Si分裂層的示例性過程的細節(jié)如下?？蓪⒕哂性?.01—0.02ohm-cm之間的電阻率的P型(100)取向單晶Si供體基板402浸沒在由一部分氫氟酸、一部分水、以及一部分異丙醇組成的溶液中?；骞潭ㄆ魇请娊^緣的，迫使電流通過基板且不圍繞晶片外圍。供體基板402與兩個硅電極串聯(lián)且成一直線，一個面對晶片的正面且另一個面對背面。電極等于或大于基板的直徑，并且由基板的直徑的至少10%的距離與基板分離。在電極之間施加兩個不同的電壓，導(dǎo)致不同電流密度下的兩個不同多孔硅層402a的形成?？稍? — 10mA/cm2的電流密度下蝕刻至0.5—2微米的深度(蝕刻時間約0.5—5分鐘)的第一層是低孔隙度(約25%)。被掩埋在第一層下面且可在40— 200 mA/cm2的電流密度下蝕刻至0.25-2微米的深度(蝕刻時間約2 — 30秒)的第二層是較高孔隙度。第二層在下面進一步詳細地描述的后續(xù)清潔、外延、以及結(jié)合之后限定解理面。在蝕刻之后，可將晶片浸沒在硫酸和雙氧水的混合物中，自熱至約80— 140°C，持續(xù)10分鐘。還可使用其它標準半導(dǎo)體清潔溶液，諸如SC-1、SC-2、氫氟酸、鹽酸或異丙醇。然后可將晶片加載到硅生長系統(tǒng)中。
[0032]能夠在多孔硅層402a上異質(zhì)外延地生長漸變緩沖層404。能夠使用諸如ASMEpsilon 2000之類的CVD反應(yīng)器來在多孔層402a上產(chǎn)生弛豫漸變緩沖層；能夠由本領(lǐng)域中公知的手段在外延生長期間就地結(jié)合在漸變緩沖結(jié)構(gòu)和SiGe子電池層中描述的各種摻雜水平。能夠用0%或相對低的鍺組份來發(fā)起漸變緩沖層404的構(gòu)成。Sil-xGex層的鍺含量X由硅和鍺前體的相對濃度控制。通過逐漸地增加鍺含量，逐漸地減輕由于硅與鍺之間的晶格失配而引起的應(yīng)變，從而使沉積的弛豫SiGe層中的穿透位錯密度最小化。通常，漸變Sil-xGex層的鍺含量以每微米約10%-25% Ge的率增加；然而，實施例不需要局限于該范圍。最終漸變Sil-xGex層能夠包括50— 90%鍺組份或者例如70— 85%鍺組份。然而，實施例不限于該組成，并且可結(jié)合各種漸變層或者其可形成SiGe子電池406的一部分。替換地，能夠使用批外延反應(yīng)器來代替CVD反應(yīng)器。
[0033]SiGe子電池406能夠包括對接漸變緩沖層404的背表面場層，具有在50— 90%之間的任何地方的Ge組份，近似與漸變緩沖層404的終端鍺組份匹配。背表面場層能夠具有例如50-500nm的厚度，和約Iel7_lel9 cm_3或例如3el7_3el8 cm_3的p型摻雜水平。在替換實施例中，背表面場層可以是可拉伸的，具有低于漸變緩沖層404的終端組份的鍺含量的鍺含量，例如低了約25%的Ge ;在這種情況下，背表面場層的厚度可以是較薄的，例如約20 — lOOnm。由于由張力引入的能帶偏移，可拉伸背表面場層可比晶格匹配的場層更有效。SiGe子電池406能夠包括基極層，具有在50— 90%之間的任何地方的Ge組份，近似與漸變緩沖層404的終端鍺組份匹配?；鶚O層能夠具有在0.5 — 5.0 um之間的厚度，和約Iel5-lel7 cm_3的p型摻雜水平。如果包括背表面場層，則其能夠在基極層下面并與基極層接觸。
[0034]能夠在基極層的頂部上生長發(fā)射極層，其具有類似鍺組份或與基極層的表面匹配。發(fā)射極層能夠具有5el7 — 5el9 cm_3的p型摻雜水平或者例如約lel8 — 5el8 cm_3的水平。
[0035]發(fā)射極層能夠具有約100— 2000nm或者例如約200— 500nm的厚度。能夠在SiGe子電池406與GaAsP子電池410之間提供可選過渡層(未示出)。過渡層可以是例如100%鍺層，其具有約lel8 — le20 cm_3的η型摻雜水平或者例如約5el8 — 5el9 cm-3的水平和5—15nm的厚度。在此過渡層的頂部上，能夠提供具有約10 — IOOnm的厚度和lel8 — lel9cm-3的摻雜的InGaP (未示出)的II1-V成核層。II1-V成核層的摻雜類型(η或p)可與直接在II1-V成核層下面且與之接觸的層的摻雜類型匹配，以避免形成結(jié)。成核層的目的是允許在下面的IV族半導(dǎo)體層(SiGe)的頂部上發(fā)起優(yōu)質(zhì)II1-V半導(dǎo)體生長。能夠由在本領(lǐng)域中公知的方法在諸如Veeco TurboDisc As/P (砷化物/磷化物)M0CVD系統(tǒng)之類的MOCVD(金屬氧化物化學(xué)汽相沉積)系統(tǒng)中生長這個和隨后描述的II1-V層。
[0036]能夠在SiGe子電池406與GaAsP子電池410之間提供隧道結(jié)408。隧道結(jié)408能夠包括底部隧道結(jié)部分，其由對接SiGe子電池406的SiGe組成，具有約7e18_le2° cm_3的P型摻雜水平，和5-20nm的厚度。鍺的百分比能夠與漸變緩沖物404的終端鍺組份近似匹配，或者其對于較窄帶隙而言能夠在鍺方面更富有(例如在Ge含量方面達到更高了約20%，并且可以是純Ge)，以促進更有效的隧道行為。能夠提供頂部SiGe隧道結(jié)部分，其具有約7e18—Ie20 cm_3的η型摻雜水平，和5 — 20 nm的厚度。再次地，能夠使鍺的百分比與漸變緩沖物404的終端鍺組份近似匹配，或者其對于較窄帶隙而言能夠在鍺方面更富有(例如在Ge含量方面達到更高了約20%，并且可以是純Ge)，以促進更有效的隧道行為。隧道接口在P型底部隧道結(jié)部分與η型頂部隧道結(jié)部分之間。
[0037]能夠在隧道結(jié)層408與GaAsP子電池410之間提供過渡層409。過渡層可包括底部過渡層，其對接隧道結(jié)408并包括例如純鍺，具有約Ie18 — le2° cm—3的η型摻雜水平或者例如約5e18 — 5e19 cnT3的水平，和5—30nm的厚度。過渡層還可包括對接GaAsP子電池410的頂部過渡層，其由與漸變緩沖物404的終端部分近似晶格匹配的II1-V半導(dǎo)體組成，例如能夠提供具有約IO-1OOnm的厚度和Ie18-1e19 cm_3的η型摻雜的InGaP層。頂部過渡層的目的是允許在下面的IV族半導(dǎo)體層的頂部上發(fā)起優(yōu)質(zhì)II1-V半導(dǎo)體生長。能夠由在本領(lǐng)域中公知的方法在諸如Veeco TurboDisc As/P (砷化物/磷化物)M0CVD系統(tǒng)之類的MOCVD(金屬氧化物化學(xué)汽相沉積)系統(tǒng)中生長這個和隨后描述的II1-V層。
[0038]GaAsP子電池410能夠包括背表面場層，其可具有與漸變緩沖物404的最終組份近似匹配的晶格常數(shù)、以及在例如50— 200nm之間的厚度，和約Ie17 — Ie19 cm_3或者例如在3e17 — 3e18 cm_3之間的η型摻雜水平。此層可由GaAsP或者由諸如InGaP之類的較寬帶隙半導(dǎo)體層組成。GaAsP子電池410能夠包括在背表面場層上面的GaAsP基極層，其可具有近似匹配漸變緩沖物404的終端組份的晶格常數(shù)、以及在0.2-2.0um之間的厚度，和約Ie16一Ie18 cnT3或者例如約Ie17—2e17 cnT3的η型摻雜水平。替換地，GaAsP基極層可以是略微可拉伸的，具有例如約0.05—0.15%的應(yīng)變?？稍诰哂欣鏘e17 — Ie19 cm_3或者約le18-3e18 cm-3的p型摻雜且具有類似于GaAsP基極層的晶格常數(shù)的GaAsP基極層上生長GaAsP發(fā)射極層。GaAsP發(fā)射極層能夠具有約50— 200nm或約IOOnm的厚度。附加層能夠包括AlInP或InGaP的窗口層，例如具有類似于下面的GaAsP基極和發(fā)射極層的晶格常數(shù)、以及在10-50nm之間的厚度，和例如約2e17-2e18 cm_3的p型摻雜水平。替換地，窗口層可以是略微可拉伸的，具有達到例如2%的可拉伸應(yīng)變，允許較寬的帶隙以用于較少的紫外線吸收。還能夠為GaAsP或GaAs接觸層提供類似于漸變緩沖物404的終端部分的晶格常數(shù)、以及在100-500 nm之間的厚度，和約5e18_le2° cm_3的p型摻雜水平。可在后續(xù)頂部接觸網(wǎng)格形成之后經(jīng)由濕法蝕刻來去除接觸層，并且因此僅保留在最終結(jié)構(gòu)中的頂部接觸網(wǎng)格下面,在本領(lǐng)域中公知的制作基于II1-V的多結(jié)太陽能電池的方法。創(chuàng)建GaAsP電池的示例性過程在本領(lǐng)域中是已知的。例如參見Vernon等人在IEEE Photovoltaic SpecialistsConference, 19th, New Orleans, LA, May 4-8, 1987, Proceedings 的 108-112 頁的“Development of high-efficiency GaAsP solar cells on compositionalIy gradedbuffer layers，，。
[0039]能夠在GaAsP子電池410的暴露表面上提供頂部接觸412。能夠由本領(lǐng)域中的已知方法來提供頂部接觸412。例如，可提供具有例如Ium — 5um的厚度的CrAu的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。還能夠提供具有約10— 500nm的厚度的氮化硅的防反射涂層(ARC)以改善太陽能電池效率。用于為基于II1-V的多結(jié)太陽能電池提供頂部接觸和頂部ARC的方法和材料在本領(lǐng)域中是公知的。能夠?qū)⑼该骰?16結(jié)合到多結(jié)太陽能電池的頂表面以提供支撐和保護。透明基板416可以是例如一片模塊玻璃。能夠由環(huán)氧樹脂418或其它結(jié)合方法將透明基板416結(jié)合到頂表面。
[0040]可通過對多孔層402a內(nèi)的供體基板402進行解理而從被結(jié)合到透明基板416的太陽能電池的第一部分去除供體基板402。分離可單獨地經(jīng)由機械力，或者用各種其它方法來增強。例如，可應(yīng)用楔形器件(未示出)以引發(fā)多孔區(qū)域402a的暴露外部邊緣處的分離。在另一示例中，可經(jīng)由在多孔硅層402a的邊緣處指引的高壓噴水的應(yīng)用來增強分離，如在Yonehara & Sakaguchi中所描述的。在又一示例中，還可將諸如HF/H202之類的濕酸性溶液暴露于多孔區(qū)域402a以從邊緣腐蝕多孔區(qū)域402a并增強分離。應(yīng)理解的是可單個地或以各種組合來使用分離的以上示例。
[0041]能夠用NaOH、KOH (氫氧化鉀)或TMAH，或者由諸如等離子體蝕刻或如在本領(lǐng)域中已知的噴砂之類的其它手段來使基板402的底部接觸表面紋理化以提供金字塔狀紋理化表面。此類表面將在從后表面反射時引起光改向。光遠離基本上正交于頂部太陽能電池表面的方向的改向促進全內(nèi)反射。在發(fā)生可選紋理化之后，能夠在基板402的底部上沉積例如SiNx或SiO2的薄(例如10—1000 nm或者例如約100 nm)介電層。在圖5d中，未示出的此層能夠在層402與414之間。如果提供此介電層，則能夠通過介電區(qū)域的小百分比(例如整個的0.5-10%)提供規(guī)則開口的網(wǎng)格或其它圖案，以允許隨后沉積的后部接觸金屬與基板402之間的電接觸。能夠由例如光刻法或激光燒灼，[參見例如S.Correia等人在 Proceedings of 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7September 2007 中的“Selective Laser Ablation of Dielectric Layers”]或介電蝕刻劑的噴墨印刷[參見例如 A.Lennon 等人在 Solar Energy Materials & Solar Cells 93(2009) pl865_1874 中的“Direct patterned etching of silicon dioxide and siliconnitride dielectric layers by ink jet printing”]來形成這些開口。此類開口 能夠是圓形的且在直徑方面為例如I一 100微米。能夠通過沉積金屬(例如具有約0.5—2.0微米的厚度的鋁或銀)、通過PVD或通過在本領(lǐng)域中公知的方法來提供底部接觸金屬層414。能夠在頂部和底部接觸沉積的后面是在例如300-5400C下的退火步驟以減小接觸與半導(dǎo)體層之間的電阻。除提供后部電接觸之外，此后部金屬提供反射表面以促進已通過GaAsP頂部子電池和底部SiGe子電池兩者的任何光的內(nèi)部反射，改善太陽能電池中的光收集。由于硅基板具有比底部SiGe子電池寬得多的能量帶隙，所以在通過SiGe子電池之后未被吸收的任何光將遠低于硅的能量帶隙。因此，Si基板對于正在討論中的波長而言將是幾乎透明的，允許太陽能電池的頂部和底部內(nèi)表面之間的多次光反射。在基板402與底部接觸金屬層414之間提供的可選介電層的目的是增強后表面反射。
[0042]示例性構(gòu)造方法
參考圖6，構(gòu)造多結(jié)太陽能電池器件600的示例性方法可包括以下動作。如前面所描述的，提供了硅供體基板402 (方框602)。在供體基板402上生長多孔區(qū)域402a (方框604)。在多孔區(qū)域402a的頂部上外延地生長漸變緩沖層404(方框606)。在漸變緩沖層404的頂部上外延地生長第一太陽能子電池結(jié)406 (方框608)。在第一太陽能子電池上面外延地生長隧道結(jié)408 (方框610)。在隧道結(jié)408與第二太陽能子電池結(jié)410之間可選地生長過渡層409 (方框611)。在隧道結(jié)過渡層408內(nèi)或頂部上外延地生長第二太陽能子電池結(jié)410(方框612)。在第二太陽能子電池結(jié)410的頂表面上構(gòu)造頂部接觸(方框614)。將透明基板416結(jié)合到第二太陽能子電池結(jié)410的頂表面上(方框616)。在多孔區(qū)域402a處將供體基板402從多結(jié)太陽能電池400解理(方框618)。在多結(jié)太陽能電池400的底表面上構(gòu)造底部接觸和/或反射表面414 (方框620)?？尚薷氖纠詷?gòu)造方法以結(jié)合其它實施例，例如但不限于與如在先前實施例中所描述的后表面鈍化和接觸相關(guān)聯(lián)的動作。
[0043]替換實施例#1
在替換實施例中，能夠在P型硅基板而不是η型上生長太陽能電池。在這種情況下，將使?jié)u變緩沖物104、SiGe子電池106、隧道結(jié)108、過渡層109、以及GaAsP子電池110的每個層的摻雜類型反向，η型代替P型且反之亦然。在本實施例中，為了增加SiGe子電池106中的電流，可采用SiGe超晶格。在這種情況下，SiGe基極區(qū)可包括高和低Ge含量的薄層。例如，SiGe基極區(qū)可包括例如諸如30nm厚的10個壓縮應(yīng)變SiGe層，具有比漸變緩沖層104的終端鍺組份高例如10%的Ge含量?？墒惯@些層與例如諸如30nm厚的10個可拉伸地應(yīng)變的SiGe層交錯，具有比漸變緩沖層10的終端鍺組份低例如10%的Ge含量。將交替的壓縮和可拉伸層的此類超晶格說成是‘應(yīng)變平衡的’，并且其能夠在沒有弛豫的情況下包括任意數(shù)目的交替應(yīng)變層。這種方法的益處是高Ge含量層捕獲否則將通過太陽能電池的低能量光子。壓縮對比可拉伸應(yīng)變SiGe層的能帶對準使得此類交替區(qū)域之間的傳導(dǎo)帶偏移是最小的，允許光生成的少數(shù)載流子空穴的相對自由流動。
[0044]替換實施例#2
在另一替換實施例中，對于如上文最初所描述的η型基板、η型基極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)的情況，能夠由過渡層109省略例如純Ge的底部過渡層，并且頂部過渡層(II1-V半導(dǎo)體)直接地與隧道結(jié)108對接。在這種情況下，可使用公知的自動摻雜效應(yīng)來產(chǎn)生或增加隧道結(jié)108的頂部部分中的η型摻雜。該自動摻雜效應(yīng)是其中在適當生長條件之下的情況下包含P或As的II1-V半導(dǎo)體的生長通過P或As到IV族半導(dǎo)體中的擴散而引起直接在下面的IV族半導(dǎo)體表面的η型摻雜。用來創(chuàng)建自動摻雜效應(yīng)的條件在本領(lǐng)域中是公知的，然而作為示例，在具有V族源的過壓的同時，在基板的加熱和烘焙期間一般地采用P或As擴散。P或As擴散的深度和量由發(fā)起III族源之前的烘焙的溫度和時間控制，其發(fā)起II1-V半導(dǎo)體的生長。我們能夠利用自動摻雜效應(yīng)來增加或者甚至創(chuàng)建隧道結(jié)108的頂部部分中的η型摻雜是因為我們的太陽能電池設(shè)計可選地允許隧道結(jié)108的η型部分直接地對接II1-V半導(dǎo)體層(對于其中省略了底部過渡層的情況而言，上面描述的頂部過渡層)。
[0045]替換實施例#3
在替換實施例中，針對如上文最初所描述的η型基板、η型基極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)的情況，能夠由過渡層109省略例如純Ge的底部過渡層，并且另外地可省略隧道結(jié)108的η型SiGe部分。在這種情況下，隧道接口直接地在P型SiGe隧道結(jié)區(qū)域與諸如InGaP之類的η型II1-V過渡層之間。
[0046]替換實施例#4
在替換實施例中，能夠在SiGe子電池下面包括多孔Si布拉格反射器，以改善已通過SiGe子電池的光的反射率。例如在Niewenhuysen等人在34th IEEE PVSC, (2009)中的“Epitaxial thin film silicon solar cells with CVD grown emitters exceeding 16%efficiency”中描述了用以產(chǎn)生多孔Si布拉格反射器且隨后在頂部上生長優(yōu)質(zhì)外延的手段。此反射器可以代替在硅處理晶片的后表面上的反射器或者是除其之外的，如上面所描述的。
[0047]替換實施例#5
在替換實施例中，可提供補充頂部接觸層以允許頂部接觸冶金方面的更多靈活性。雖然通常用常常包括昂貴的Au的多個金屬的堆疊來接觸II1-V層，但能夠由諸如鋁之類的單一低成本金屬來接觸硅。因此，一個人可經(jīng)由例如PECVD來在GaAsP子電池110的頂部上沉積薄的就地摻雜的無定形或微晶Si層，具有與GaAsP子電池110的頂部相同的摻雜類型。經(jīng)由PECVD來沉積此類層的手段在本領(lǐng)域中是公知的?？稍谥T如GaAsP子電池110的頂部上的GaAs或GaAsP之類的II1-V接觸層的頂部上直接地沉積此層并與之接觸。替換地，可省略II1-V接觸層，并且可直接地在GaAsP子電池110的窗口層的頂部上沉積無定形Si。
[0048]由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進行的其它修改和替換被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，除被以下權(quán)利要求之外，其不受限制。
【權(quán)利要求】
1.一種多太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括: 基板； 漸變緩沖層，其在基板上生長； 在漸變緩沖層內(nèi)的第一太陽能子電池；以及 第二太陽能子電池，其在第一太陽能子電池的頂部上生長。
2.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中，所述基板是硅，所述漸變緩沖層組份是漸變硅鍺，并且所述第二太陽能子電池由GaAsP或其它II1-V材料組成。
3.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，還包括在第二太陽能子電池的頂部上的頂部接觸。
4.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中，所述基板是具有η型摻雜材料的單晶硅基板。
5.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中，所述基板是冶金級單晶硅。
6.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中，所述漸變緩沖層是具有每微米約10%— 25%鍺的漸變率的SiGe。
7.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中，所述漸變緩沖層具有70—85%鍺組份的最終漸變SiGe層。
8.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，還包括與漸變緩沖層對接且與漸變緩沖層的最終鍺組份近似匹配的背表面場層。
9.權(quán)利要求1的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，還包括在第一太陽能子電池與第二太陽能子電池之間的隧道結(jié)。
10.權(quán)利要求9的多太陽能電池結(jié)構(gòu)，還包括在隧道結(jié)與第二太陽能子電池之間的過渡層。
11.一種制作多結(jié)太陽能電池的方法，包括如下動作: 提供娃基板； 在基板上生長硅鍺漸變緩沖層； 在漸變緩沖層內(nèi)或頂部上生長第一太陽能子電池基極層和第一太陽能子電池發(fā)射極層；以及 在第一太陽能子電池吸收體層和第一太陽能子電池發(fā)射極層的頂部上生長GaAsP或其它II1-V材料的第二太陽能子電池基極層和第二太陽能子電池發(fā)射極層。
12.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，還包括如下動作: 在第二太陽能子電池基極層和第二太陽能子電池發(fā)射極層的頂部上構(gòu)造頂部接觸并在頂部接觸的頂部上構(gòu)造透明基板。
13.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，還包括如下動作: 去除娃基板的一部分。
14.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，其中，所述基板是冶金級單晶硅。
15.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，其中，所述漸變緩沖層是具有每微米約10% — 25%鍺的漸變率的SiGe。
16.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，其中，所述漸變緩沖層具有70—85%鍺組份的最終漸變SiGe層。
17.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，還包括如下動作: 構(gòu)造與漸變緩沖層對接且與漸變緩沖層的最終鍺組份近似匹配的背表面場層。
18.權(quán)利要求11的制作多結(jié)太陽能電池的方法，還包括如下動作: 在第一太陽能子電池與第二太陽能子電池之間構(gòu)造隧道結(jié)。
19.權(quán)利要求18的制作多結(jié)太陽能電池的方法，還包括如下動作: 在隧道結(jié)與第二太陽能子電池之間構(gòu)造過渡層。
20.一種多太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括: 具有η型慘雜的單晶娃基板； 在基板上生長的 硅鍺漸變緩沖層，具有每微米約10% — 25%鍺的漸變率和70—85%鍺組份的最終等級； 在漸變緩沖層上的SiGe的第一太陽能子電池； 在第一太陽能子電池的頂部上生長的GaAsP或其它II1-V材料的第二太陽能子電池；以及 在第一太陽能子電池與第二太陽能子電池之間的隧道結(jié)和在隧道結(jié)與第二太陽能子電池之間的過渡層。
【文檔編號】H01L31/18GK103975449SQ201280053618
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月2日
【發(fā)明者】A.羅赫特菲爾德, A.格杰 申請人:安伯韋弗公司