[发明专利]化合物半导体光伏电池和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及化合物半导体光伏电池和制造所述化合物半导体光伏电池的方法。

背景技术

化合物半导体根据材料组成而具有不同水平的带隙(能带间隙，band gap)能量和晶格常数。因此，制造了多结光伏电池，通过其将太阳光的波长范围在多个光伏电池之间分配，使得能量转换效率提高。

目前，多结光伏电池的典型实例为三结光伏电池(1.88eV/1.40eV/0.67eV)，其包括设置在具有与砷化镓(GaAs)的晶格常数基本上相同的晶格常数的锗(Ge)基底上的使用晶格匹配材料的Ge单元(cell)/Ga(In)As单元/GaInP单元。

由化合物半导体制成的光伏电池的效率为硅(Si)光伏电池的效率的约两倍高。然而，由化合物半导体制成的光伏电池具有高成本的基底或者小尺寸的基底，并且因此明显比硅光伏电池昂贵。因此，由化合物半导体制成的光伏电池被用于特殊用途，主要用于在例如空间卫星中的空间用途。

此外，近来，已经通过将由塑料制成的廉价的聚光透镜和由化合物半导体制成的小的光伏电池单元组合而形成聚光式光伏电池。因此，与在不使用聚光透镜的情况下形成的典型的平板光伏电池相比，昂贵的化合物半导体的使用量减少。这样的聚光式光伏电池能够以较低的成本制造并且除了如以上描述的特殊用途之外，作为用于一般用途的光伏电池也是实用的。

然而，光伏电池的发电成本仍然保持为高的，并且因此进一步降低成本势在必行。因此，正进行研究来提高能量转换效率和降低制造成本。

然而，从电流平衡的观点来看，使用Ge基底的现在主要使用的晶格匹配型三结光伏电池的带隙平衡不是最佳的。期望提高其构造中的底部单元的带隙。

作为用于获得较高效率的实例构造，存在其中单元的带隙被设定为1.9eV/1.42eV/1.0eV的三结光伏电池(例如，非专利文献1)。

作为具有1.9eV和1.42eV带隙的单元的材料，分别使用与GaAs基底晶格匹配的GaInP和GaAs。另一方面，作为具有1.0eV带隙的单元的材料，使用不与GaAs基底晶格匹配且引起约2％的晶格失配量的GaInAs单元。为了实现该结构，使晶体在与常见光伏电池的晶体生长方向相反的方向上生长。

具体而言，在GaAs基底上顺序生长GaInP单元和GaAs单元。接着，经由用于改变晶格常数差的晶格弛豫缓冲层生长GaInAs单元。然后，将表面粘附至支持基底。最后，通过除去GaAs基底，制得三结光伏电池。光在具有较大带隙的GaInP单元侧入射。

进一步地，存在机械堆叠型光伏电池，其中具有GaAs顶部单元的GaAs基底沉积在具有GaInAsP底部单元的InP基底上(例如，专利文献1)。所述单元在光接收区域中不是彼此直接地物理连接的，而是所述单元彼此机械地连接，使得所述单元经由间隙光学地连接。

进一步地，存在使用导电纳米粒子阵列的基于直接结合的光伏电池(参见，例如，非专利文献2)，其中基于范德瓦尔斯(Van-der-Waals，VDW)方法将其上形成有光伏电池的GaAs基底和InP基底经由钯(Pd)纳米粒子阵列连接，使得电流经由纳米粒子与半导体之间的欧姆接触流动。

进一步地，存在通过将其上形成有GaInP顶部单元的GaAs基底和其上形成有GaInAs底部单元的InP基底直接结合而形成的光伏电池(参见，例如，专利文献2)。

进一步地，存在通过将其上形成有GaAs单元的GaAs基底的表面和其上形成有GaInAs底部单元的InP基底的表面直接结合而形成的光伏电池(非专利文献3)。如下变为可能的：在GaAs基底上使用晶格匹配材料容易地形成处于短波长区域中的单元，且在InP基底上使用晶格匹配材料容易地形成处于长波长区域中的单元。

发明内容

技术问题

然而，非专利文献1中公开的三结光伏电池具有包括在GaAs单元和GaInAs单元之间的晶格弛豫缓冲层的结构，其中缺陷(位错)由于晶格弛豫而集中。这样的包括缺陷的层变成在吸收太阳光和从电极取得产生的载流子之前再结合的原因。结果，变得难以获得高的效率。

进一步地，缺陷可在操作期间增加，且从而使效率随时间而劣化。因此，难以制造具有高的可靠性的光伏电池。

进一步地，在专利文献1中公开的光伏电池中，在光接收区域中，从具有GaAs单元的GaAs基底透射的长波长光入射到形成于InP基底上的GaInAsP单元上。