[发明专利]多结III-V太阳能电池及其制造方法

说明书

技术领域

本公开涉及物理科学，并且更具体地，涉及包括III-V吸收材料的光伏结构以及这种结构的制造。

背景技术

由于锗（Ge）和一些III-V半导体材料（例如InGaAs（In含量为百分之一（1%））和InGaP₂）的近乎相同的晶格常数，多结III-V太阳能电池结构通常生长在Ge衬底上。因此，由于其与InGaAs和InGaP₂的带隙相比更小的带隙，Ge衬底在这种结构中也用作第三结。尽管使用Ge作为底部电池趋于增加常规三结太阳能电池结构的总效率，但是从最大化短路电流的带隙工程的角度而言，这种太阳能电池结构不是最佳的。为了减轻这个问题，已经提出了使用竖立变质结构（upright metamorphic structure），其中通过增加铟含量进一步减小中间InGaAs基元的带隙。然而，从带隙工程的观点出发，期望采用带隙为～0.9-1.1eV的材料作为底部电池。这种结构的著名例子是倒置变质（inverted metamorphic）太阳能电池。倒置变质太阳能电池结构与常规三结和竖立变质太阳能电池的转换效率相比提供更高的转换效率。然而，由于实现带隙为～1.0eV的III-V结的特殊生长工艺以及将太阳能电池结构与主衬底分开所需的另外的制造工艺，倒置变质太阳能电池成本高。

参考图6，示出了常规双结太阳能电池结构10。该结构包括被隧道结34A、34B分开的顶部电池和底部电池。底部电池形成在缓冲层22、24上，而缓冲层22、24又形成在p+硅处理物（handle）20上。缓冲层包括邻接处理物20和p+（In）GaAs层24的p+厚（1-3μm）渐变Si_xGe_1-x层22。底部电池包括III-V半导体材料。在该特定实例中，底部电池的基极层28是p-（In）GaAs并且发射极层30是n+（In）GaAs。底部电池的背表面场（BSF）层邻接缓冲层。窗口层32形成在发射极层30上。顶部电池包括p-InGaP基极38、n+InGaP发射极层40、BSF层36和窗口层42。抗反射涂层（ARC）44邻接窗口层。接触层48、50设于结构100的顶部和底部。顶部接触层48邻接重掺杂n+（In）GaAs层46，而底部接触层50邻接处理物20。在该结构10中，硅层20不是光伏电池的一部分并且仅用作载体。

发明内容

本公开的原理提供了多结III-V太阳能电池结构和用于制造包括III-V和硅吸收体二者的多结太阳能电池结构的技术。

根据示例性实施例的太阳能电池结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由III-V半导体材料构成。该太阳能电池结构包括还底部光伏电池，所述底部光伏电池包括第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层，该第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成。缓冲层位于所述顶部光伏电池和所述底部光伏电池之间，该缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述顶部光伏电池和所述缓冲层之间。

第二示例性结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由III-V半导体材料构成。该第二示例性结构还包括底部光伏电池，该底部光伏电池包括晶体硅第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层。具有小于0.5μm的厚度的第一缓冲层位于所述结构的所述顶部和底部光伏电池之间。所述第一缓冲层包括邻接所述底部光伏电池的硅锗部分以及包括至少百分之九十的锗的富锗部分，所述顶部光伏电池与所述第一缓冲层的富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述第一缓冲层和所述顶部光伏电池之间，第二缓冲层位于所述第一缓冲层和所述隧道结之间。所述第二缓冲层对于避免反相边界缺陷是有效的。