技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實施方案通常涉及光伏器件(例如太陽能電池)以及制造這些光伏器件的方法。

背景技術(shù)：

使用光伏器件例如太陽能電池板的一個問題是在太陽能電池板的部分上形成陰影的問題。如圖1中所示，太陽能電池板包括在各模塊中串聯(lián)成串的多個光伏電池10，以提供來自太陽光的增加的功率和電壓。然而，這些電池的一部分可能在操作過程中遮陽，這影響整個串或模塊的性能。例如，電池12被障礙物遮陽，而其他電池10不是這樣的。當一個太陽能電池的電氣參數(shù)和其他電池的那些明顯改變時，發(fā)生串聯(lián)失配。由于穿過電池的電流必須相同，因此來自組合的總電流不能超過遮蔽的電池的電流。在低電壓下，當一個太陽能電池被遮蔽而串或模塊中剩余部分不是這樣時，由未遮蔽的太陽能電池產(chǎn)生的電流可能在遮蔽的電池中消散而不是開動負載。因此，在電流失配的串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，如果較差電池產(chǎn)生較少電流，可以發(fā)生嚴重的功率降低。如果結(jié)構(gòu)在短路或低電壓下運行，在遮蔽的電池中高局域化功率耗散可以引起局部“熱點”加熱、雪崩擊穿、以及一個或多個太陽能電池和模塊的不可逆損害。

在一些太陽能電池上遮蔽的失配效果的一種解決方案是使用一個或多個旁路二極管。內(nèi)在具有非常高的擊穿電壓或低分流電阻的太陽能電池可能不需要旁路二極管，但是包括高性能太陽能電池例如砷化鎵(GaAs)太陽能電池的多種其他類型可能需要旁路功能。例如，如圖2中所示，典型地一個或多個旁路二極管14并聯(lián)，并且和太陽能電池電路16極性相反。為了降低成本，旁路二極管通常放置穿過一組太陽能電池。在正常(未遮蔽的)操作中，各太陽能電池16a正向偏壓，并且旁路二極管14a反向偏壓且是開路。如果一個或多個太陽能電池16b被遮蔽，由于串聯(lián)電池之間的短路電流中的失配，這些電池16b反向偏壓，并且旁路二極管14b正向偏壓和傳導電流，這允許來自未遮蔽的太陽能電池的電流在外部電流中流動，而不適合對各未遮蔽的電池進行正向偏壓。穿過遮蔽的電池的最大反向偏壓降低至約單二極管壓降，從而限制電流和防止熱點加熱和太陽能電池的損害。

盡管旁路二極管有效地降低太陽能電池中由于遮蔽引起的失配的破壞效果，但是它們是另外組件，所述組件必須制造用于太陽能電池，因此增加太陽能電池板的生產(chǎn)成本和時間。而且，旁路二極管必須集成到太陽能電池設(shè)計中，這可是復雜和難以完成的。這些因素增加了當前太陽能電池的較高生產(chǎn)成本，可能降低變?yōu)橹髁髂芰吭吹奶柲茈姵氐男阅?，并且可能限制可適配太陽能電池的應(yīng)用。

因此，需要增加的效率和生產(chǎn)相容性方法以在光伏器件中提供旁路二極管功能性。

發(fā)明概述

本發(fā)明的實施方案通常涉及光伏器件(例如太陽能電池)，更具體地，涉及光伏器件中的旁路二極管功能。

在一個實施方案中，形成砷化鎵基光伏器件的方法包括：提供半導體結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括包含砷化鎵的吸收層。提供在所述半導體結(jié)構(gòu)的p-n接面中的旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p-n接面以受控方式通過齊納擊穿效應(yīng)擊穿。在一些實施方案中，在比引起所述p-n接面的雪崩擊穿的電場的量級低的電場中，所述p-n接面可以通過所述齊納擊穿效應(yīng)擊穿。旁路功能可以為所述光伏器件的所述p-n接面固有，使得所述光伏器件提供沒有連接或包括在所述光伏器件中的區(qū)別旁路二極管的旁路功能。

在另外實施方案中，砷化鎵基光伏器件包括：半導體結(jié)構(gòu)，包括包含砷化鎵的吸收層；以及所述半導體結(jié)構(gòu)內(nèi)的p-n接面，所述p-n接面提供旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p-n接面以受控方式通過齊納擊穿效應(yīng)擊穿。

附圖簡述

圖1是描述包括遮蔽的太陽能電池的太陽能電池模塊中的串聯(lián)太陽能電池的圖；

圖2是描述具有并聯(lián)的分立旁路二極管的串聯(lián)太陽能電池的圖；

圖3是依照本文所述一些實施方案的光伏單元的剖視圖；

圖4示出依照本文所述一些實施方案的半導體結(jié)構(gòu)的剖視圖，所述半導體結(jié)構(gòu)從圖3的單元形成以形成光伏電池；

圖5-6示出依照本文所述異質(zhì)接面的實施方案圖4的半導體結(jié)構(gòu)的剖視圖；

圖7示出依照本文所述一些實施方案的兩側(cè)光伏電池的剖視圖；和

圖8是描述涉及本文所述旁路功能的砷化鎵基太陽能電池的摻雜和擊穿特性的圖；

圖9是描述涉及本文所述旁路功能砷化鎵基太陽能電池的電壓和電流特性的圖；

圖10是描述涉及本文所述旁路功能的砷化鎵基太陽能電池的帶間隧道效應(yīng)特性的圖；以及

圖11是描述涉及本文所述旁路功能砷化鎵基太陽能電池的電壓和電流特性的圖。

發(fā)明詳述

本發(fā)明的實施方案通常涉及光伏器件和方法，更具體地涉及光伏電池和形成這些光伏電池的制造方法。展現(xiàn)下列描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠和利用本發(fā)明，并且在專利申請和其要求的上下文中提供。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易地意識到本文所述的優(yōu)選實施方案和通常原理與特征的多種修改。因此，本發(fā)明不旨在限制所示實施方案，而是具有和本文所述原理與特征一致的最寬的范圍。

本文所述光伏器件的實施方案提供光伏電池中的旁路功能，以允許旁路電流在失配條件下流動，例如串聯(lián)的串中的一些太陽能電池的遮蔽。砷化鎵光伏器件中設(shè)置的自-旁路功能性允許保護器件，同時避免需要使區(qū)別旁路二極管和器件分離或者連接。當相比于常規(guī)太陽能電池制造方法時，這些創(chuàng)新可以允許在形成光伏器件中的更高效率和靈活性。

砷化鎵太陽能電池是高性能光伏器件，其典型地和單獨旁路二極管連接，以在電池集成到太陽能電池板中時保護太陽能電池避免電流失配，例如由串聯(lián)太陽能電池中的一些的遮蔽引起而不遮蔽其他部分。然而，設(shè)置單獨旁路二極管增加太陽能電池板的生產(chǎn)成本和時間，并且二極管的集成產(chǎn)生額外的復雜性。另外，一些高性能太陽能電池具有比其他類型的太陽能電池更高的運行電壓/電池，從而要求比這些其他類型更多的旁路二極管。本文的實施方案允許旁路二極管的功能性包括在高性能GaAs太陽能電池中，而無需制造或設(shè)置連接太陽能電池的單獨旁路二極管。

摻雜濃度是指半導體器件實施方案的描述。此處，“摻雜濃度”是指材料中活性摻雜劑的濃度，即大多數(shù)載流子濃度。

圖3描述光伏單元100的剖視圖，其包括通過砷化鎵基電池140和生長晶圓101之間設(shè)置的犧牲層104偶接生長晶圓101的砷化鎵基電池140。圖4描述源自光伏單元100的半導體結(jié)構(gòu)的剖視圖，其為砷化鎵基光伏電池140的形式。含有改變組成的外延材料多層沉積在光伏單元100內(nèi)，光伏單元100包括緩沖層102、犧牲層104、以及砷化鎵基電池140內(nèi)含有的層中的多個。外延材料多層可以通過沉積法生長或形成，例如化學氣相沉積(CVD)法、金屬有機CVD(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法。

在本文所述的另外實施方案中，光伏單元100可以暴露于濕法蝕刻溶液以蝕刻犧牲層104，和在外延層剝離(ELO)法的過程中使砷化鎵基電池140和生長晶圓101分離。一旦分離，如圖4中所示，砷化鎵基電池140可以進一步加工以形成多種光伏器件，包括光伏電池和模塊，如本文數(shù)個實施方案所述。

在一些實施方案中，外延生長層可以在高生長速率(例如生長速率大于5μm/hr，例如約10-120μm/hr或更高)氣相沉積法的過程中通過生長III-V族材料來形成。其他實施方案可以使用更低生長速率方法以形成層。III-V族材料是外延生長層的薄膜，其含有砷化鎵，砷化鋁鎵，磷化鋁鎵銦，磷化鋁銦，砷化鋁或其組合。在一些實施方案中，形成單元100的方法包括：在加工體系內(nèi)加熱晶圓至約550℃或更高(或其他范圍)的沉積溫度；使晶圓暴露于含有化學前體(例如鎵前體氣體和砷化氫)的沉積氣體，以進行砷化鎵沉積方法；以及在晶圓上沉積含有砷化鎵的層。在一個實施方案中，一個或多個緩沖層102可以形成在生長晶圓101上，以開始形成光伏單元100。生長晶圓101可含有n-型、p-型或半絕緣材料，并且可以含有和一種或多種隨后沉積的緩沖層相同或類似的材料。

一個或多個緩沖層102可以提供在生長晶圓101和最終光伏單元的半導體層之間的中間層，所述最終光伏單元的半導體層可以適應(yīng)它們和形成的多個外延層不同的晶體學結(jié)構(gòu)。一個或多個緩沖層102可以沉積為厚度約100nm至約600nm，并且可含有III-V族化合物半導體。犧牲層104可以沉積在緩沖層102上。犧牲層104(也稱為脫模層)被蝕刻和除去，同時在ELO法的過程中使砷化鎵基電池140和生長晶圓101分離。

砷化鎵基電池140包括n-型薄膜疊式存儲器120，n-型薄膜疊式存儲器120含有設(shè)置在p-型薄膜疊式存儲器130上的n-摻雜的砷化鎵材料，p-型薄膜疊式存儲器130含有p-摻雜的砷化鎵材料。n-型薄膜疊式存儲器120和p-型薄膜疊式存儲器130各自獨立地含有改變的材料組成的多個層，包括砷化鎵材料。在一些實施方案中，n-型薄膜疊式存儲器120包括n-型接觸層105、n-型第一窗口106、臨近n-型第一窗口106形成的n-型吸收層108。p-型薄膜疊式存儲器130包括p-型射極層110和形成在p-型射極層110上的p-型接觸層204。后金屬層204可以形成在接觸層112上。在其他實施方案中，在電池140中p-型薄膜疊式存儲器可以設(shè)置在n-型薄膜疊式存儲器上。

如在一個實施方案中所述，在制備過程中，n-型接觸層105或界面層可以沉積在犧牲層104上。n-型接觸層105含有III-V族材料，例如砷化鎵，這取決于最終光伏單元的期望組成。n-型接觸層105是n-摻雜的，并且對于一些實施方案，摻雜濃度可以在大于約1×1018cm-3的范圍內(nèi)。n-型接觸層105可以形成為厚度在約10nm至約1,000nm的范圍內(nèi)。n-型接觸層105可以在該階段形成，例如在ELO法前砷化鎵基電池140的一部分，或者可以在ELO法后的稍后階段形成。

第一窗口106(也稱為鈍化層)可以形成在犧牲層104上，或者形成在任選的接觸層105(如果存在的話)上。第一窗口106可以含有III-V族材料，例如鋁鎵、砷化鋁鎵或其組合。窗口層還可以或者可替換地含有另外材料，包括磷化鋁鎵銦、磷化鋁銦、或其衍生物、或其組合。這些磷化鋁鎵銦化合物提供較大帶隙例如約2.2eV或更大，以及當在n-型第一窗口106內(nèi)利用時在較短波長處的較高集電極效率。例如，在一些實施方案中，第一窗口106材料可以是n-摻雜的并且摻雜濃度可以在大于約1×1018cm-3的范圍內(nèi)，或者可以是未摻雜的。砷化鋁鎵可以具有摩爾比AlxGa1-xAs的式，例如Al0.3Ga0.7As的摩爾比。第一窗口106可以沉積為厚度在約5nm至約75nm的范圍內(nèi)。

p-n接面在吸收層108和射極層110之間形成。在一些實施方案中，p-n接面的吸收層和射極層包括高度摻雜的半導體。這形成有效的齊納二極管，其在p-n接面反向偏壓時提供帶間隧道效應(yīng)。引起齊納效應(yīng)的電場小于p-n接面的雪崩擊穿閾值。該效應(yīng)在下面詳細描述。

p-n接面的吸收層108可以形成在第一窗口106上。吸收層108可以含有III-V族化合物半導體，例如砷化鎵(GaAs)。在一些實施方案中，吸收層108可以是單晶的。吸收層08可以例如僅具有一種類型摻雜，例如n-摻雜。

為了如本文的實施方案中所述在光伏器件中實現(xiàn)自-旁路二極管功能性，吸收層108的摻雜濃度相對于通常摻雜濃度非常高。例如，在其中吸收層108是n-摻雜的實施方案中，n-摻雜劑濃度可以在約4×1017cm-3至約1×1019cm-3的范圍內(nèi)。n-型吸收層108的厚度可以在約300nm至約3,500nm的范圍內(nèi)，例如約1,000nm至約2,000nm(約1.0μm至約2.0μm)，例如2,000nm。在一些實施方案中，吸收層小于1μm；例如n-型吸收層108的厚度可以為約800nm或更小，例如約500nm或更低，例如在約100nm至約500nm的范圍內(nèi)。由于短載流子壽命，這樣薄會提供高摻雜濃度引起的載流子收集的降低或忽略的限制，因為太陽能電池較薄并且可以容易地收集載流子。

在其他實施方案中其他材料可以用于吸收層108并且實現(xiàn)本文所述自-旁路二極管功能性。例如，吸收系數(shù)足夠高的材料例如III-V族材料，磷化物(磷化銦鎵(InGaP)，磷化鋁銦(AlInP)，磷化鋁銦鎵(AlInGaP))，氮化銦鎵，砷化鋁鎵或其組合。

在一些實施方案中，光伏單元100相比于常規(guī)太陽能單元(可以為數(shù)微米厚)可以具有明顯更薄的吸收層(例如，少于500nm)。

對于給定光強度更薄吸收層可以最可能導致更高開路電壓(Voc)，因此增加效率。薄吸收層還具有涉及載流子擴散長度的優(yōu)點。更高摻雜水平可以允許電流甚至在非常薄的吸收層中流動，因此增加的摻雜可以用于制造具有增加的效率的非常薄的吸收層。常規(guī)光伏器件可以遭受體積復合效應(yīng)，因此這些常規(guī)器件不會在吸收層中使用較高摻雜。當確定合適的厚度時也可以考慮吸收層的薄層電阻。含有較薄吸收層的光伏器件可以比常規(guī)太陽能電池(為數(shù)微米厚)更高撓性。在一些實施方案中，制造更薄基層/吸收層可以允許使用n-摻雜的基層/吸收層。其他實施方案可以使用p-摻雜的基層/吸收層和n-摻雜的后/射極層，例如由于載流子的擴散長度在更厚吸收層的實施方案中。

在一些實施方案中，p-n接面的射極層110可以臨近吸收層108形成。如果吸收層是n-摻雜的，射極層110可以例如含有III-V族化合物半導體并且是p-摻雜的，或反之亦然。在本文所述的一些實施方案中，p-型射極層110比n-型吸收層108更接近電池140的后側(cè)，即，n-型吸收層更接近電池140的前側(cè)。射極層110可以是單晶的。

在一些實施方案中，射極層110可以是高度p-摻雜的，并且對于一些實施方案，p-摻雜的射極層的摻雜濃度可以在約4×1017cm-3至約1×1020cm-3的范圍內(nèi)，例如約1.5×1018cm-3。射極層110的厚度可以在約100nm至約500nm或更高的范圍內(nèi)，例如約300nm。

在一些實施方案中，n-型吸收層108接觸p-型射極層110會產(chǎn)生用于吸收光子的p-n接面或界面層，并且射極層110含有和吸收層108相同或類似的材料。p-型吸收層108和n-型射極層110也可以產(chǎn)生p-n接面。

在其他實施方案中，n-型吸收層108含有一種材料(例如砷化鎵)，并且p-型射極層110含有和吸收層108的材料(例如砷化鋁鎵)不同帶隙的不同材料，并且p-n界面是異質(zhì)接面。如本文實施方案中所述，相比于常規(guī)光伏材料的異質(zhì)接面，異質(zhì)接面觀察到具有減小的暗電流、改善的電壓產(chǎn)生和改善的輻射復合性。在本文所述的一些實施方案中，p-型射極層110的材料比n-型吸收層108的材料具有更高帶隙。

射極層110可以含有III-V族化合物半導體以和n-型吸收層108形成異質(zhì)接面。例如，如果n-型吸收層108含有砷化鎵，p-型射極層110可以含有不同半導體材料，例如砷化鋁鎵(AlGaAs)。如果p-型射極層110和n-型第一窗口106都含有砷化鋁鎵，p-型射極層110的AlxGa1-xAs組成可以和n-型第一窗口106的AlyGa1-yAs組成相同或不同。例如，p-型射極層110可以具有Al0.3Ga0.7As的摩爾比。

在一些實施方案中，異質(zhì)接面可以通過在吸收層108和射極層110之間設(shè)置中間層114而從p-n接面偏離。中間層114可以在吸收層108和射極層110之間提供材料過渡。例如，這種中間層的一些實施方案參照下面圖5和6有所描述。

在一些實施方案中，p-n接面(無論是否有異質(zhì)接面)的耗盡區(qū)域可以設(shè)置有和吸收層不同的摻雜濃度，并且實現(xiàn)本文所述自-旁路二極管功能性。這些實施方案參照圖5和6在下面詳述。

任選地，接觸層112可以形成在射極層110上。例如，p-型接觸層112可以含有III-V族化合物半導體，例如砷化鎵。p-型接觸層112通常是單晶的和p-摻雜的，并且對于一些實施方案，p-型接觸層112的摻雜濃度可以大于1×1018cm-3。

一旦形成射極層110，腔洞或凹陷(未示出)可以在射極層110(或任選的接觸層112)中形成足以到達下面基礎(chǔ)吸收層108的深度。這些凹陷可以通過下列方式來形成：例如使用光蝕刻法將掩模施加至射極層110(或任選的接觸層112)；以及除去未由掩模覆蓋的射極層110(和任選的接觸層112)中的材料。按照該方式，吸收層108可以通過砷化鎵基電池140的后側(cè)接入

圖5和6是光伏電池140的實施方案的剖視圖，其中異質(zhì)接面偏離p-n接面。

圖5示出包括吸收層108、中間層114和射極層110的電池140的一個實施方案的部分150。在一些實施方案中，中間層114含有和射極層110基本上相同的材料，例如在射極層110含有砷化鋁鎵的實施方案中是砷化鋁鎵。另外，中間層114具有和吸收層108相同的摻雜類型，例如n-型摻雜。在一些實施方案中，中間層114可以具有約兩個耗盡長度的厚度，其中耗盡長度是圍繞p-n接面形成的耗盡區(qū)域的寬度。例如，在一些實施方案中，中間層114可以具有約0至200nm的厚度。

電池140的實施方案提供這樣的結(jié)構(gòu)，其允許p-n接面產(chǎn)生電壓，該電壓使電池從由具有不同帶隙的材料提供的異質(zhì)接面偏離。例如，p-n接面152是射極層110和中間層114的n-型和p-型材料之間的界面。因此，在一個實施方案中，p-n接面至少部分設(shè)置在構(gòu)成射極層110和中間層114的更高-帶隙材料內(nèi)(例如AlGaAs)，并且異質(zhì)接面122位于中間層114和吸收層108之間的界面(例如GaAs和AlGaAs之間的界面)。該偏離提供相對于一致的p-n接面和異質(zhì)接面的一些優(yōu)點，例如可以減小器件的暗電流。在一些實施方案中，大部分吸收層108在由p-n接面形成的耗盡區(qū)域外部。

在一些實施方案中，異質(zhì)接面154位于p-n接面152的兩個耗盡長度內(nèi)。例如，在一些實施方案中耗盡區(qū)域的寬度可以為約耗盡區(qū)域典型地仍舊具有通過該區(qū)域的耗盡效應(yīng)，在p-n接面的約兩個耗盡區(qū)域?qū)挾?耗盡長度)內(nèi)。

在一些實施方案中，中間層可以摻雜和吸收層108基本上相同的摻雜濃度。這允許本文所述自-旁路功能性。例如，中間層可以具有AlxGa1-xAs的摩爾比的式，例如Al0.3Ga0.7As的摩爾比，并且是約4×1017cm-3或更高n-摻雜的。

在其他實施方案中，中間層114或其部分可以具有和吸收層108和射極層110不同的摻雜濃度。例如，相比于4x1017cm-3或更高的吸收層108的更高摻雜濃度，中間層114可以具有5x1016cm-3或更高、例如1x1017cm-3的較低摻雜濃度。通常，p-n接面的耗盡區(qū)域可以具有比吸收層108更低的摻雜濃度。在這些實施方案中，電池200保持自-旁路二極管功能性(下文詳細解釋)，盡管耗盡區(qū)域和/或中間層114具有更低摻雜濃度，因此提供自-旁路功能的p-n接面具有穿過中間層的厚度延伸的耗盡區(qū)域。該特征可以允許p-n接面和異質(zhì)接面在不考慮需要獲得自-旁路二極管功能性的高摻雜水平的條件下進行設(shè)計。否則，在一些實施方案中，吸收層108的耗盡區(qū)域中高度摻雜可能影響p-n接面的運行，例如增加載流子復合率。

圖6描述中間層114的另外實施方案160，其中中間層114包括遞變層115和設(shè)置在吸收層108與射極層110之間的后窗口層117。p-n接面162從設(shè)置在具有不同帶隙的兩種材料之間的異質(zhì)接面164偏離。例如，n-型遞變層115可以形成在n-型吸收層108上并且n-型后窗口117可以形成在n-型遞變層115上，接著在n-型后窗口117上形成p-型射極層110。實施方案160包括在n-摻雜層117和p-摻雜層110之間形成的p-n接面162。在該例子中，吸收層108中的材料是GaAs并且遞變層115中的材料是AlGaAs。盡管異質(zhì)接面164示于圖6以用于因為材料遞變而在遞變層的中點處的描述性目的，異質(zhì)接面可以在層115內(nèi)的任何點處，或者層的整個寬度可以被認為是異質(zhì)接面。如圖5的實施方案中所述，p-n接面優(yōu)選從異質(zhì)接面偏離兩個耗盡長度內(nèi)。

遞變層115可以是這樣的遞變層，其包括從吸收層至后窗口117遞變的材料，其中遞變范圍為從接近吸收層的遞變層側(cè)處的吸收層材料至接近后窗口側(cè)處的后窗口117的材料。因此，使用上述示例性材料，遞變材料可以從鄰近n-型吸收層108的砷化鎵開始，并且在鋁量增加和GaAs量減小的后窗口方向上遞變，使得遞變鄰近n-型后窗口117(和后窗口117的材料大致相同的砷化鋁鎵材料(摩爾比))結(jié)束。在多個例子中，在遞變的窗口端處的砷化鋁鎵可以具有摩爾比Al_xG_a1-xA_s的式，例如，可以使用Al_0.3Ga_0.7As的摩爾比。遞變層115的遞變可以是拋物線、指數(shù)或線性遞變，和/或也可以使用其他遞變圖線。n-型后窗口117還可以含有砷化鋁鎵，并且可以具有摩爾比Al_xG_a1-xAs的式，例如，摩爾比Al0.3Ga0.7As。在其他實施方案中，中間層114僅含有遞變層115，或者中間層114僅含有非-遞變后窗口117(如圖5中所示)。

遞變層115和n-型后窗口117均可以是n-摻雜的。對于一些實施方案，摻雜濃度可以基本上等同于n-型吸收層108。在其他實施方案中，遞變層115和/或后窗口117的摻雜濃度可以小于吸收層108的濃度，和涉及圖5上面用于中間層114所述類似。例如，遞變層115和后窗口117的摻雜濃度可以為約1x1017cm-³，而吸收層108的摻雜濃度為約4x1017cm^-3。

遞變層115和后窗口117的厚度可以在不同實施方案中廣泛變化，而整個中間層114可以含有標準厚度(例如小于約2個耗盡長度，例如在一些實施方案中在0至200nm的范圍內(nèi))。在一個例子中遞變層115的存在可有助于降低AlGaAs和GaAs層之間的界面的勢壘效應(yīng)。后窗口117還可提供鈍化以在吸收層108的表面處降低復合。

圖7是適用于本發(fā)明的光伏電池200的一個實施方案的剖視圖，其中金屬接觸層202和抗反射涂層206形成在電池140的前側(cè)上。在一些實施方案中，光伏電池200通過ELO法形成，ELO法如上面涉及圖1和2所述用在砷化鎵基光伏單元100上。

如圖7中所示，在一些實施方案中電池200可以是兩側(cè)光伏器件，并且可以包括設(shè)置在光伏電池140的相對側(cè)的前金屬接觸層202和后金屬接觸層204。前金屬接觸層202設(shè)置在前側(cè)或太陽側(cè)上以接收光線210，而后金屬接觸層204設(shè)置在電池200的后側(cè)上。例如，在具有沉積在p-薄膜疊式存儲器上的n-薄膜疊式存儲器的實施方案中，前金屬接觸層202可以是n-金屬接觸，并且后金屬接觸層204可以是p-金屬接觸。

根據(jù)任一熟知方法前金屬接觸層202可以沉積在前接觸層105上。n-金屬接觸層202含有為導電材料的接觸材料，例如金屬或金屬合金。在一些實施方案中，金屬接觸層202含有相同或不同接觸材料的多個層。接觸材料的比接觸電阻率優(yōu)選為約3×10-3Ω-cm2或更低。在載流子濃度約1×1018cm-3下，優(yōu)選接觸材料也具有肖特基勢壘高度(Φbn)為約1eV或更低。

如圖7中所示，前金屬層202和半導體接觸層105可以圖案化以形成金屬接觸。例如，在一些實施方案中，金屬接觸層202沉積在接觸層105上，隨后凹陷通過金屬接觸層202和接觸層105形成以在電池200的前側(cè)上暴露第一窗口106。在可選擇的實施方案中，凹陷可以初始形成在接觸層105中以在電池200的前側(cè)上暴露第一窗口106。此后，金屬接觸層202可以形成在接觸層105的剩余部分上，同時留下暴露的第一窗口106。在另外實施方案中，接觸層105不存在，并且金屬接觸直接和前窗口層106接觸。

后金屬接觸層204可以沉積鄰近接觸層112(或射極層110)。后金屬接觸204含有為導電材料的接觸材料，例如金屬或金屬合金。金屬接觸層204可以含有相同或不同接觸材料的多個層。接觸材料的比接觸電阻率優(yōu)選為約1×10-1Ω-cm2或更低。在載流子濃度約1×1018cm-3下，優(yōu)選接觸材料也具有肖特基勢壘高度(Φbn)為約1eV或更低。后金屬接觸層204可以通過熟知方法在光伏電池200上制造。任選地，金屬保護層或金屬粘附層可以沉積在金屬接觸層204上，金屬接觸層204含有材料，包括鎳、鉻、鈦或其組合。

抗反射涂覆(ARC)層206可以沉積在暴露的第一窗口106以及半導體接觸層105和前金屬接觸層202上。ARC層含有這樣的一種或多種材料，該材料允許光穿過，同時防止光從ARC層的表面反射。對于一些實施方案，第一窗口106、射極層110和/或后接觸層112可以是粗糙的或有紋理的，接著施加ARC層。

在一些實施方案中，第一窗口106可以含有多個窗口層。對于這些實施方案，最外窗口層(例如，最接近光伏電池140的前側(cè)的窗口層)可以是粗糙的或有紋理的，接著施加ARC層。在一個實施方案中，第一窗口106含有鄰近吸收層108沉積的第一窗口層(未示出)、和夾置在第一窗口層和ARC層之間的第二窗口層(未示出)。第一和第二窗口層可以含有適用于如上所述第一窗口106的任何材料，但典型地具有不同組成。而且，對于一些實施方案，多個窗口層中的一些可以是摻雜的，而其他的則是未摻雜的。

在一些實施方案中，粘合劑層可以臨近后金屬接觸層204形成。粘合劑層可以提供后接觸層的鄰近材料良好的粘附性，并且提供電池200和背襯(可以放置鄰近粘合劑層)的粘附。

在其他實施方案中，在上面討論的層中可以使用相反類型的摻雜，和/或可以使用其他材料，該材料可以提供所述p-n接面。而且，在其他實施方案中層可以以和上述順序不同的順序沉積或者形成。

其他類型、結(jié)構(gòu)和材料的金屬接觸層也可以用于電池200。例如，金屬接觸層可以都設(shè)置在電池200的背側(cè)上。一旦形成射極層110，腔洞或凹陷可以在射極層110(或后接觸層112)中形成足以達到基礎(chǔ)吸收層108的深度。按照該方式，吸收層108可以通過砷化鎵基結(jié)構(gòu)100的后側(cè)接入。

圖8-11是描述具有本文所述旁路二極管功能的示例性太陽能電池的特性的圖。

電池140或200的p-n接面設(shè)置有上述高度摻雜的吸收層和射極層半導體，以使齊納二極管在特定條件下形成。齊納擊穿效應(yīng)能夠由帶間隧道效應(yīng)引起，所述帶間隧道效應(yīng)在p-n接面處于足夠反向偏壓下時發(fā)生。假設(shè)吸收層和射極層摻雜水平足夠高，需要引起齊納效應(yīng)的反向偏壓的量級低于需要引起雪崩擊穿的反向偏壓量級，使得齊納擊穿在雪崩擊穿前代替其發(fā)生。該齊納擊穿是可逆的，并且不破壞太陽能電池。雪崩擊穿效應(yīng)也可以是可逆的；然而，由于太陽能電池中較高電場和晶體缺陷，當接近或超過雪崩擊穿點反向偏壓時二極管可以遭受不可逆的損害，這稱為熱點加熱。

為了使齊納效應(yīng)的帶間隧道效應(yīng)在雪崩擊穿前發(fā)生，吸附劑的摻雜應(yīng)該和上述實施方案中那么高。例如，吸收層中大于4x1017cm3的摻雜可以用于砷化鎵光伏器件的實施方案。高摻雜的p-n接面太陽能電池比具有較低摻雜的p-n接面的太陽能電池具有更小的半導體薄層電阻。這可以提供優(yōu)點；例如，薄層電阻越低，在電池的頂側(cè)上的金屬接觸之間運行越大的間隔，從而增加非金屬面積的大小，這可在電池的頂部接收太陽光。

本文所述自-旁路二極管功能性防止太陽能電池陣列或串經(jīng)歷遮蔽(或者失配)的電池的熱點加熱或破壞性雪崩擊穿。這使太陽能電池200本身實現(xiàn)旁路二極管功能性的保護，并且在遮蔽的條件下避免雪崩擊穿或太陽能電池板中的其他類似失配。太陽能電池200的p-n接面包括反向偏壓的旁路二極管的功能，因此避免需要制造和連接一個或多個單獨或區(qū)別旁路二極管至一個或多個太陽能電池。

圖8示出圖300，描述砷化鎵太陽能電池的擊穿電壓vs.太陽能電池的吸收層中的摻雜濃度。線301示出砷化鎵單側(cè)接面(例如p-n接面的一半，在接面的其他側(cè)上的理想化行為)的行為，并且數(shù)據(jù)點302示出在本文所述的一個實施方案中實施的砷化鎵太陽能電池的行為。如圖中所示，在摻雜濃度降低時，太陽能電池的擊穿電壓降低。為了使帶間隧道效應(yīng)在雪崩擊穿前發(fā)生，摻雜應(yīng)該足夠高，帶間隧道效應(yīng)在比雪崩擊穿電壓更低的電壓下發(fā)生。在該例子中，在約4x1017cm-3的摻雜濃度下，隨著電壓增加以及更高摻雜濃度，帶間隧道效應(yīng)(齊納)擊穿效應(yīng)在雪崩擊穿前發(fā)生。該齊納擊穿區(qū)域在圖8中表示為區(qū)域303。在該例子中在該摻雜濃度下齊納效應(yīng)在約8-9伏特下發(fā)生，對于更高摻雜濃度齊納效應(yīng)在更低電壓下發(fā)生。

當吸收層中的摻雜足夠高時，例如在本文所述的例子中大于4x1017cm-3，帶間隧道效應(yīng)變?yōu)橹湫該舸C理。在這樣的情況下，當反向偏壓時，太陽能電池具有固有自-旁路路徑。

圖9示出圖304，描述當本文所述太陽能電池被足夠反向偏壓時發(fā)生的雪崩擊穿。在反向偏壓下，直到達到擊穿電壓Vb時太陽能電池中才有電流流動，在該量級下電流可以在具有極大增加的容量下流動。

圖10示出圖306，描述具有本文所述旁路功能的太陽能電池的帶圖在高反向偏壓(對于齊納擊穿反向偏壓足夠，并且足夠小以引起雪崩擊穿)下。圖306表示電池中的厚度或深度vs.載流子的能量，其中虛線表示導帶并且實線表示基于從頂面深入到太陽能電池的價帶能量。如所示，當耗盡區(qū)域的反向偏壓場中能量帶合并接近時，發(fā)生帶間隧道效應(yīng)，其在圖10的例子中，如果摻雜濃度為4x1017cm-3或更高，電池深度為0.4至0.6μm。該隧道效應(yīng)是齊納效應(yīng)。

圖11示出圖308，描述示出在一個量級的反向偏壓下太陽能電池中“軟性”(更遞進)擊穿效應(yīng)的線310，并且第二線312示出在更大量級的反向偏壓下更加尖銳的雪崩擊穿。軟性擊穿310由帶間隧道效應(yīng)引起，在具有更高吸收層摻雜(1x1018cm-3)的太陽能電池中，帶間隧道效應(yīng)在雪崩擊穿可發(fā)生前發(fā)生，而雪崩擊穿312在具有更低吸收層摻雜(1x1017cm-3)的太陽能電池中發(fā)生，并且因此沒有帶間隧道效應(yīng)。

如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)取決于吸收層摻雜濃度(如上所述具有高射極層摻雜)，砷化鎵太陽能電池表現(xiàn)出齊納擊穿效應(yīng)。例如，如果吸收層摻雜濃度為1或2x1017cm-3，約0.7至2μm厚的薄吸收層在約-10V或更大(量級)的電壓下經(jīng)歷雪崩擊穿。然而，在吸收層厚度為約0.7至1μm并且摻雜濃度為4x1017cm-3的器件中，在約-9V或更低(量級)的電壓下，在可能發(fā)生雪崩擊穿前發(fā)生齊納擊穿，從而避免太陽能電池受到破壞性雪崩擊穿的損害。

太陽能電池140或200的高摻雜的吸收層允許在雪崩擊穿效應(yīng)前在反向偏壓下發(fā)生齊納擊穿效應(yīng)。該齊納擊穿效應(yīng)或自-旁路二極管功能性是受控擊穿，其允許遮蔽的電池的電流流動，并且避免可以在雪崩擊穿下發(fā)生的太陽能電池的任何損害。因此，電池的反向擊穿由帶間隧道效應(yīng)和自-旁路功能性而不是破壞性雪崩擊穿支配。

自-旁路功能性允許太陽能電池串中各太陽能電池在遮蔽的或其他失配條件下接收旁路二極管的保護，然而避免需要連接分立旁路二極管。這降低分立旁路二極管的設(shè)計集成的成本和時間。而且，當使用本文所述自-旁路二極管功能性時，在太陽能電池的厚度、摻雜和擊穿電壓特性之間的效率具有很小或沒有妥協(xié)。

基于本文所述砷化鎵而不是基于不同的、更加奇異的材料的電池來賦予光伏電池的自-旁路功能的能力允許使用已經(jīng)用于砷化鎵結(jié)構(gòu)和電池的已知技術(shù)來生產(chǎn)更加通常和低成本的光伏電池。

在太陽能電池中使用齊納擊穿作為自-旁路功能的另一優(yōu)點是在特定太陽能電池的串中沒有遮蔽的太陽能電池仍舊產(chǎn)生功率，盡管在該串中具有一個或多個遮蔽的電池。一旦齊納擊穿電壓在特定電池(例如遮蔽的電池)中達到，該電池明顯表現(xiàn)為短路。相反，當一個或多個電池足夠遮蔽時，使用區(qū)別旁路二極管引起太陽能電池的整個串具有旁路，使得串中沒有太陽能電池產(chǎn)生功率。

在太陽能電池中使用自-旁路二極管功能的又一優(yōu)點是相比于雪崩擊穿，齊納擊穿是相對溫度不敏感的。在沒有齊納擊穿的情況下，雪崩擊穿的敏感性產(chǎn)生限制，在太陽能電池的最低運行溫度下，串聯(lián)太陽能電池的整個串電壓必須小于雪崩擊穿電壓。因此，當圍繞雪崩擊穿設(shè)計時，存在由溫度敏感性引起的另外的限制，當使用本文所述齊納擊穿時這不是限制。

而且，如上所述可以提供實施方案，其中允許光伏器件的耗盡區(qū)域在比周圍吸收層更低摻雜濃度下，并且仍舊保持本文所述旁路功能。例如，p-n接面處的中間層可以具有比相鄰吸收層更低的摻雜濃度。這允許更大的設(shè)計靈活性，因為p-n接面可以在沒有限制自-旁路功能所需要的較高摻雜濃度的條件下進行設(shè)計。

本文所述帶間隧道效應(yīng)可以通過在吸收層中設(shè)置高摻雜濃度來至少部分實現(xiàn)。在其他實施方案中，帶間隧道效應(yīng)和自-旁路二極管功能性可以使用其他方法來實現(xiàn)。當增加反向偏壓的量級時，帶間隧道效應(yīng)應(yīng)該支配反向偏壓條件，并且在雪崩擊穿效應(yīng)前發(fā)生。

盡管已經(jīng)參照所示實施方案來描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認識到可以對實施方案進行改變，并且這些改變在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的精神和范圍的條件下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行多種變化。