專利名稱：太陽能電池及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及新型太陽能電池及其制造方法。
背景技術：
太陽光從近紅外線到紫外線具有廣闊的光譜分布，其能量的峰值在綠色光帶區(qū)域附近。此外，為了得到具有高量子效率的太陽能電池，已知優(yōu)選地，使半導體的帶寬落在太陽光光譜的峰值帶域中。在具有綠色光以上的帶寬大的半導體中，由于被光激發(fā)生成的載流子難以再結(jié)合，所以不僅容易提高開放電壓，而且會提高得到最大輸出的動作電壓。為了得到高效率的太陽能電池，已知采用比硅的帶寬大的半導體，例如GaAs這樣的半導體。另一方面，廣泛地采用硅作為制造太陽能電池的半導體材料，而不大使用作為與硅相同的單一 IV族元素半導體的鍺。其中的一個理由是因為鍺的帶寬是0. 65eV,而pn結(jié)型鍺太陽能電池的開放電壓低至0. 27V，所以難以實現(xiàn)高輸出的太陽能電池。另一方面，硅的帶寬是1. leV，得到的pn結(jié)型硅太陽能電池的開放電壓為 0. 6-0. 65V。這樣，在如鍺這樣的帶寬小的半導體中，由于被光激發(fā)生成的電子和空穴再結(jié)合的概率高，所以存在流過用于提供太陽能電池特性的pn結(jié)的反方向的飽和電流變大，開放電壓變小的問題。但是，當采用帶寬小的鍺半導體時，可以廣泛地使用從不能被硅吸收的長波長光帶域到短波長帶域的光，并且可以增大短路電流。為了得到如上所述的高效率的太陽能電池，為了增大短路電流，優(yōu)選地使用帶寬小的半導體，但是為了得到大的開放電壓，優(yōu)選地使用帶寬大的半導體。因此，在這些相反的現(xiàn)象中，多結(jié)型太陽能電池可有效地解決高效化的技術問題。作為將太陽光光譜的波長帶域分割成多個并將各帶域的光有效地轉(zhuǎn)換為電能的方法，采用多結(jié)型太陽能電池，即使用幾個種類即不同帶寬的半導體來實現(xiàn)pn結(jié)并且進行層疊的多結(jié)型太陽能電池。為了增加多結(jié)的數(shù)量，優(yōu)選地使用晶格匹配的半導體組合。目前，一般將pn結(jié)型鍺太陽能電池與pn結(jié)型InGaAs太陽能電池、pn結(jié)型InGaP 太陽能電池分別通過隧道結(jié)連接使用。這種結(jié)構(gòu)通過MOCVD法在鍺基板上依次外延生長。 因此，需要重復地進行復雜的半導體生長，價格較高。

發(fā)明內(nèi)容
在采用鍺這樣的帶寬小的半導體制作太陽能電池的情況下，例如采用如圖3所示的通常優(yōu)選使用的擴散法來形成pn結(jié)時，由于表面結(jié)晶的不連續(xù)性而產(chǎn)生的表面順位(順位)和結(jié)晶缺陷，使得由光照射激發(fā)的電子(05)和空穴(06)分別擴散到η型半導體(07) 和P型半導體(08)，但由于促進再結(jié)合而增加反方向的插話電流(插話電流)，不能提高開放電壓。已知的事實是采用不同半導體層形成窗層，可以降低表面順位密度。形成不同半導體的情況的問題在于，由于會在其界面產(chǎn)生相當大的應力，在界面容易產(chǎn)生晶格缺陷，所以不同半導體的選擇和組合存在限制。還存在由于在形成異質(zhì)結(jié)的情況下產(chǎn)生的帶的不連續(xù)性而產(chǎn)生勢壘，所以光激發(fā)的載流子滯留，產(chǎn)生再結(jié)合增加的問題。因此，由異質(zhì)結(jié)形成的太陽能電池在制造上存在困難，所以不能被廣泛地使用。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，將半導體A和傳導體與半導體A 不同且具有比半導體A的電子親和力al大的電子親和力a2的半導體B結(jié)合，同時各在以內(nèi)對所述半導體A和所述半導體B進行晶格匹配。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是IV族系半導體， 所述半導體B是III-V化合物半導體。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是ρ型間接遷移型半導體，所述半導體B是η型直接遷移型半導體。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是ρ型鍺，所述半導體B是η型hGaP。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述h和所述( 的組成比分別是 49%禾口 51%。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，ρ型鍺的空穴載流子濃度控制為 1018Cm_3。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是ρ型硅，所述半導體B是以η型GaP為主要成份的混晶。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，在所述GaP中的氮摻雜量是 0.2%,晶格匹配在0. 1 %以內(nèi)，在GaP和Si之間分別獲得晶格匹配。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是ρ型，并且是硅和鍺的混晶，所述半導體B是以η型化合物半導體的混晶。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，半導體A形成ρ型碳化硅，并在其表面上設置η型Α1Ν。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，所述半導體A是ρ型硅，并在其表面上形成P型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成η型GaP。在本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法中，該異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的特征在于，將半導體A和傳導體與半導體A不同且電子親和力更大的半導體B結(jié)合，同時各在 1 %以內(nèi)對所述半導體A和所述半導體B進行晶格匹配；該方法的特征在于，所述半導體A 是P型硅，并在其表面上形成P型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成η型GaP。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法的特征在于，所述半導體A是ρ型硅，所述半導體B是以η型GaP為主要成份的混晶。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法的特征在于，在所述GaP中的氮摻雜量是0. 2%，晶格匹配在0. 1 %以內(nèi)，在GaP和Si之間分別獲得晶格匹配。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法的特征在于，半導體A形成ρ型碳化硅，并在其表面上設置η型Α1Ν。本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法的特征在于，所述半導體A是ρ型硅，并在其表面上形成P型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成η型GaP。
圖1是根據(jù)本申請發(fā)明的太陽能電池的原理說明圖。由于在異質(zhì)結(jié)中的界面(09)上的缺陷使得由太陽光的照射而產(chǎn)生的少數(shù)載流子的再結(jié)合極度減少，所以提供了使各載流子移動到構(gòu)成多數(shù)載流子的區(qū)域，抑制光激發(fā)的載流子的再結(jié)合，不能增大反方向的飽和電流的結(jié)構(gòu)。此時，在電子親和力小的P型半導體基板(01)上，層疊電子親和力大且禁帶寬的η型半導體(0 。在η型半導體基板(02) 上配置負極電極(03)，在ρ型半導體基板(01)上配置正極電極(04)。在各η型半導體層 (02)和ρ型半導體層(01)上形成η側(cè)電極(03)和ρ側(cè)電極(04)。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)， 通過快速地促進空穴的移動，難以引起再結(jié)合，從而解決問題。進一步地，在圖2中示出根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池的原理說明圖。在根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池中，獲得使光激發(fā)的載流子，特別是空穴，快速移動的結(jié)構(gòu)。在一個半導體上配置不同種類的半導體，并且通過帶的不連續(xù)性，可以快速地移動有效質(zhì)量大的空穴。因此，在表面上形成帶寬大且電子親和力大的半導體，并且增大電氣位置能量。特別地，在作為單一元素半導體的硅、鍺中，將電子親和力大的半導體配置在窗層，特別是，通過利用電勢的不連續(xù)性，將移動度小的空穴快速地輸送到構(gòu)成多數(shù)載流子的P型半導體層，從而抑制再結(jié)合。通過如上所述的結(jié)構(gòu)，在采用帶寬小的半導體的太陽能電池中，可以防止光激發(fā)的載流子的再結(jié)合，并且實現(xiàn)開放電壓的增大。相對于通常的ρη結(jié)型鍺太陽能電池的開放電壓0. 27V，根據(jù)本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的開放電壓是0. 55-0. 71V。通過增大開放電壓，可以得到轉(zhuǎn)換效率高的太陽能電池。此外，相對于通常的ρη結(jié)型硅太陽能電池的開放電壓0. 6-0. 65V，根據(jù)本申請發(fā)明的硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的開放電壓是0. 8-0. 9V。


圖1是根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池的基本說明圖。圖2是根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池的基本說明圖。圖3是現(xiàn)有的ηρ結(jié)太陽能電池的原理說明圖。圖4是根據(jù)本申請的發(fā)明的η InGaP · ρ Ge太陽能電池的截面圖。圖 5 是根據(jù)本申請的發(fā)明的 η InGaP/p Ge//n InGaAs/p InGaAs//p InGaP/ nlnGaP三結(jié)太陽能電池的截面圖。圖6是根據(jù)本申請的發(fā)明的η GaP/p Si太陽能電池的截面圖。圖7是根據(jù)本申請發(fā)明的η AIN/p SiC太陽能電池的截面圖。符號的說明(Ol)P型半導體基板(0 η型半導體生長相(03) η 側(cè)電極(04) ρ 側(cè)電極(05)電子(06)空穴
(07η型半導體
(08P型半導體
(09異質(zhì)結(jié)界面
(20ρη結(jié)界面
(10P型鍺基板
(11η 型 hfeiP
(12防反射膜
(13η側(cè)電極
(14P高濃度層
(15P側(cè)電極
(16P側(cè)電極
(21η 型 hfeiP
(22ρ 型 hfeiP
(23η 型 LGaAs
(24ρ 型η InGaAs
(25η 型 hfeiP
(26P型Ge
(27歐姆電極
(30防反射膜
(31P型硅
(32η 型(iaP
(33P型碳化硅高濃度層
(41P 型 SiC
(42η型AlxN半導體層
具體實施例方式實施例1圖4示出根據(jù)本申請發(fā)明的太陽能電池的第一實施例。鍺基板(10)是方位(100)、厚度200μπι的ρ型鍺，其中，空穴載流子濃度被控制為1018cnT3。預先將基板(10)由HF等酸充分地清洗之后，通過MOCVD法(有機金屬汽相生長法)在550°C形成η型hGaP層(11)以作為η型半導體層。膜厚度為0. 1 μ m。為了實現(xiàn)降低由晶格應變導致的應力的減小，使h和( 的組成比分別為49%和51%。η側(cè)電極 (03)采用Ag，ρ側(cè)電極(04)采用Al，在η型半導體層(11)上形成防反射膜(12)。(13)是 η側(cè)電極，(14)是ρ高濃度層。在根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的電流電壓特性中，開放電壓是0. 705V,飽和電流是 ^mA/cm_2。此外，曲率因子是0.75。根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的開放電壓通過增大V鍺的帶寬而得到提高的0. 7V的值。實施例2圖5示出根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池的第二實施例。
在ρ型鍺基板06)上形成η型hGaPOO的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池上，進一步地形成同質(zhì)結(jié)型的P型InGaAs層(24)和η型InGaAs層(23)，在同質(zhì)結(jié)型的ρ型InGaP (22)上形成η型hGaPOl)的半導體pn結(jié)。各同質(zhì)結(jié)太陽能電池由隧道結(jié)結(jié)合。在其上設置防反射膜(12)、歐姆電極(27)。與現(xiàn)有的Ge、InGaAS、InGaP三結(jié)太陽能電池的開放電壓2. 9V相比，根據(jù)本申請發(fā)明的Ge/InGaP, InGaAs, InGaP中的開放電壓上升0. 4V,為3. 3V。實施例3圖6示出根據(jù)本申請的發(fā)明的太陽能電池的第三實施例。如圖6所示，在ρ型硅基板(31)上生長η型GaP(32)(氮摻雜)。在GaP中氮的摻雜量是0. 2%，晶格匹配在0. 1 %以內(nèi)，在GaP和Si之間分別獲得晶格匹配。生長溫度為 600度，生長方法采用液相生長法。η側(cè)電極(03)采用Ag，p側(cè)電極(04)采用Al，設置AlN 膜作為防反射膜(30)，在ρ型硅(31)的背面上設置高濃度SiC層(33)。這樣制作的太陽能電池的開放電壓是1. IV。另一方面，擴散磷作為雜質(zhì)而制作的 np型同質(zhì)結(jié)太陽能電池的開放電壓是0. 62V。在此，雖然采用液相生長法，但是不限于液體生長方法，也可以采用汽相生長、液相生長、分子線外延法等。實施例4圖7示出根據(jù)本申請發(fā)明的太陽能電池的第四實施例。在圖7中，在具有立方結(jié)構(gòu)的ρ型SiC基板上形成η型Α1ΧΜ42)。ρ型SiC 的載流子濃度為1016cm_3，帶隙為2. 2eV0 η型AlN的載流子濃度為1018cm_3，厚度為0. 1 μ m。 AlxN通過在生長溫度1100°C下由汽相生長法而形成。η側(cè)電極(03)采用Al。ρ型電極(04) 采用Ag。設置AlN膜作為防反射膜(30)。(33)是高濃度SiC層。在這樣的太陽能電池中的開放電壓是2V。同樣地，作為參考，在1000°C擴散磷而制作的np同質(zhì)結(jié)型SiC的太陽能電池的開放電壓是1. 5V。產(chǎn)業(yè)上的可利用性通過如上所述的結(jié)構(gòu)，在采用帶寬小的半導體的太陽能電池中，可以防止光激發(fā)的載流子再結(jié)合，并且實現(xiàn)開放電壓的增大。相對于通常的pn結(jié)型鍺太陽能電池的開放電壓0.27V，本申請發(fā)明的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的開放電壓是0.55-0. 71V。通過增大開放電壓，可以得到轉(zhuǎn)換效率高的太陽能電池。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，將半導體A和傳導體與該半導體A不同且具有比半導體A的電子親和力％大的電子親和力％的半導體B結(jié)合，同時對所述半導體A 和所述半導體B各在以內(nèi)進行晶格匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是IV族系半導體，所述半導體B是III-V化合物半導體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是ρ型間接遷移型半導體，所述半導體B是η型直接遷移型半導體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是ρ型鍺， 所述半導體B是η型^iGaP。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述In和所述( 的組成比分別是49%和51%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述ρ型鍺的空穴載流子濃度控制為1018Cm_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是ρ型硅， 所述半導體B是以η型GaP為主要成份的混晶。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，在所述GaP中的氮摻雜量是0. 2%，晶格匹配在0. 1 %以內(nèi)，在GaP和Si之間分別獲得晶格匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是ρ型，并且是硅和鍺的混晶，所述半導體B是η型化合物半導體的混晶。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A形成P型碳化硅，并在其表面上設置η型Α1Ν。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，其特征在于，所述半導體A是ρ型硅， 并在其表面上形成P型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成η型GaP。
12.—種異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法，該異質(zhì)結(jié)型太陽能電池中將半導體A和傳導體與該半導體A不同且具有比半導體A的電子親和力％大的電子親和力％的半導體B結(jié)合，同時對所述半導體A和所述半導體B各在1 %以內(nèi)進行晶格匹配；該方法的特征在于， 所述半導體A是ρ型硅，并在其表面上形成ρ型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后， 形成η型GaP。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法，其特征在于，所述半導體A是ρ型硅，所述半導體B是以η型GaP為主要成份的混晶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法，其特征在于，在所述GaP 中的氮摻雜量是0. 2%，晶格匹配在0. 1 %以內(nèi)，在GaP和Si之間分別獲得晶格匹配。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法，其特征在于，所述半導體A形成ρ型碳化硅，并在其表面上設置η型Α1Ν。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法，其特征在于，所述半導體A是ρ型硅，并在其表面上形成ρ型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成η型 GaP。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽能電池及其制造方法，通過增大開放電壓，得到轉(zhuǎn)換效率高的太陽能電池。在異質(zhì)結(jié)型太陽能電池中，將半導體A和傳導體與該半導體A不同且具有比半導體A的電子親和力a1大的電子親和力a2的半導體B結(jié)合，同時對所述半導體A和所述半導體B各在1％以內(nèi)進行晶格匹配。在異質(zhì)結(jié)型太陽能電池的制造方法中，該太陽能電池將半導體A和傳導體與該半導體A不同且具有比半導體A的電子親和力a1大的電子親和力a2的半導體B結(jié)合，同時對所述半導體A和所述半導體B各在1％以內(nèi)進行晶格匹配；該方法的特征在于，所述半導體A是p型硅，并在其表面上形成p型鍺層，通過去除該鍺層而去除氧化膜之后，形成n型GaP。得到的太陽能電池的開放電壓是2V。
文檔編號H01L31/072GK102386267SQ201110289350
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者富田孝司 申請人:富田孝司