半導(dǎo)體基多結(jié)光伏裝置的制造
【專利說明】
[0001] 本發(fā)明要求2012年6月22日提交的美國申請No. 61/663, 374的優(yōu)先權(quán)。該申請 還要求2012年10月26日提交的美國申請No. 61/718, 708的優(yōu)先權(quán)。該申請為了所有目 的通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開總體上設(shè)及半導(dǎo)體基光伏，更具體地設(shè)及單結(jié)和多結(jié)太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0003] 太陽能電池，也稱為光伏電池，是能通過光電伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo) 體裝置。太陽能電池采用一個或多個p-n結(jié)產(chǎn)生對應(yīng)的一個或多個電場，該電場朝著太陽 能電池裝置的端子迅速傳播（sweep)光生載流子W進行聚集，并且發(fā)展成電流。包括大量 太陽能電池的太陽能陣列的成本通常與太陽能電池自身所用面積，即，經(jīng)受光聚集的面積， 成比例。高效率太陽能電池是很重要的，因為它們的高能量密度允許減小給定量功率所需 的面積，因此改善了源自太陽能的電力成本。采用高效的太陽能電池時，功率密度越高，所 需的面積越小，從而產(chǎn)生良好的系統(tǒng)成本且接近化石燃料比價?；剂媳葍r可限定為光 伏電力成本等于或低于化石燃料基電源成本的點。
[0004] 利用設(shè)計為吸收和聚集太陽能光譜不同部分的多結(jié)裝置是實現(xiàn)高效太陽能電池 的有效途徑。由單結(jié)裝置形成的太陽能電池可具有約31%的最大理論效率，而由多結(jié)裝置 形成的太陽能電池可具有87%的最大理論效率。然而，多結(jié)裝置，例如S結(jié)裝置，更加復(fù)雜 且制造成本昂貴。例如，該樣的裝置所用的特定材料可能更加難W合成，并且可能增加制造 公差。而且，很多多結(jié)太陽能電池設(shè)計要求昂貴的基板或者依賴于基板，該導(dǎo)致進一步的制 造難度且增加了成本；或者要求基板再利用，該增加了制造成本且降低了產(chǎn)率。
[0005] 在某些進一步優(yōu)化的太陽能電池設(shè)計中，作為太陽能電池的一部分，可采用半導(dǎo) 體的成分等級（compositional grade)來減輕相鄰半導(dǎo)體層界面處的不利條件。例如， 成分等級可用于減小鄰近窗口層的耗盡區(qū)域外部的表面再結(jié)合損耗。例如，該可示例為薄 化IrixGa(i_x)Se澳置中的A1腳(i_x)As發(fā)射極和窗口層W及外部耗盡區(qū)域。該方法可用在P+-n Ino.5Gao.5P太陽能電池中p-Ino.5Gao.5P發(fā)射極層和P-Ino.5Alo.5P窗口層之間的成分分級層 (compositional grading layer)中。某些成分等級也可用在耗盡區(qū)域內(nèi)的窗口層處設(shè)置 的異質(zhì)結(jié)附近。例如，薄的、分級的IrixGai_xN區(qū)域可用于最小化InGaN發(fā)射極層和GaN窗口 層之間的原子價帶的不連續(xù)性。通常，作為太陽能電池裝置的一部分，該些示范性成分等級 用于抵消半導(dǎo)體層界面的不利影響，并且通常已經(jīng)用在裝置堆疊的非常薄的特定部分中。
[0006] 需要的是結(jié)合了產(chǎn)生了帶隙和半導(dǎo)體成分的半導(dǎo)體材料的多結(jié)太陽能電池，其提 供高效率和可制造性的最佳結(jié)合。通過提高制造太陽能電池的能力，使其具有不嚴格的設(shè) 計公差和簡化的制造技術(shù)但仍提供寬泛的高效率，可降低太陽能電池的每美元瓦特成本。 還需要太陽能電池設(shè)計能采用一定的特征，例如成分等級，從而在太陽能電池裝置的某些 關(guān)鍵部分中隨著載流子的產(chǎn)生而加速載流子。成分等級可存在于基極和/或發(fā)射體區(qū)域、 背面電場或緩沖區(qū)域中，或者該里描述的其它適當?shù)膮^(qū)域中或者在別處，并且可單獨地或 結(jié)合使用。使用成分等級的能力可在高效率、材料厚度和不嚴格的設(shè)計公差的最佳結(jié)合中 提供附加的設(shè)計靈活性。每美元瓦特設(shè)計靈活性的優(yōu)點可實現(xiàn)成本和性能的最好的全面結(jié) 厶 口 〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本公開，所提供的光伏裝置包括第一有源單元和第二有源單元。第一有源單 元可包括具有娃的第一半導(dǎo)體層的基極。第二有源單元可提供在第一有源單元上且包括具 有第二半導(dǎo)體層的基極。第二半導(dǎo)體層可包括選自包括B、Al、Ga和In的第一組的一個或 多個半導(dǎo)體元素和選自包括As、N、P和訊的第二組的一個或多個半導(dǎo)體元素的成分。第二 半導(dǎo)體層的成分可選擇為具有1. 5eV至1. 9eV的帶隙范圍。光伏裝置還可包括提供在第二 有源單元上的第=有源單元。第=有源單元可包括具有第=半導(dǎo)體層的基極，第=半導(dǎo)體 層包括選自B、Al、Ga和In的一個或多個半導(dǎo)體元素和選自As、N、P和訊的一個或多個半 導(dǎo)體元素的成分。第一半導(dǎo)體層的成分可具有1. OeV至1. 2eV的帶隙范圍，并且第S半導(dǎo) 體層的成分范圍可選擇為1. 9eV至2. 3eV。第一、第二和第S半導(dǎo)體層之一可晶格匹配于第 一、第二或第S半導(dǎo)體層之另一。可替換地，第一、第二和第S半導(dǎo)體層中的每一個可為晶 格匹配的。
[000引在某些實施例中，第一有源單元可包括發(fā)射極，該發(fā)射極包括選自包括GaP、A1P、 AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN 和 GaAsP 的半導(dǎo)體組的半導(dǎo)體。第一有源 單元的發(fā)射極還可包括訊和B中的一個或多個。第二有源單元可包括發(fā)射極，該發(fā)射極包 括選自包括 GaP、A1P、A1N、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN 和 GaAsP 的半導(dǎo)體 組的半導(dǎo)體。第二有源單元的發(fā)射極還可包括訊和B中的一個或多個。
[0009] 在某些其它實施例中，第二半導(dǎo)體層和第=半導(dǎo)體層的成分可選擇為使光伏裝置 的AM1. 5G效率大于25%。第二和第S半導(dǎo)體層中的每一個的成分可包括A1、Ga和In中 的一個或多個W及As、N和P中的一個或多個。光伏裝置的第一和第二有源單元可包括發(fā) 射極，該發(fā)射極包括GaP。在某些其它實施例中，光伏裝置還可包括提供在第一和第二有源 單元之間的第一隧道結(jié)W及提供在第二和第=有源單元之間的第二隧道結(jié)。第一隧道結(jié)的 帶隙可大于第一半導(dǎo)體層的帶隙，并且第二隧道結(jié)的帶隙可大于第二半導(dǎo)體層的帶隙。第 一和第二隧道結(jié)中的每一個可包括GaP。第一和第二隧道結(jié)也可進一步包括A1P，并且第一 隧道結(jié)的帶隙大于1. 5eV。在其它實施例中，第一和第二隧道結(jié)中的每一個可包括Ga、As、 N、P、B、A1、訊和In中的一個或多個的成分。
[0010] 根據(jù)所公開的實施例的另一方面，光伏裝置提供為包括基板和提供在基板上的有 源單元。有源單元可包括具有一定厚度的基極層，該基極層具有在沿著基極層的厚度的第 一位置處的III-V半導(dǎo)體的第一成分和在沿著基極層的厚度的第二位置處的III-V半導(dǎo)體 的第二成分?；鶚O層可具有在第一位置的第一帶隙和在第二位置的第二帶隙。在某些實施 例中，第一帶隙可大于第二帶隙，或者小于第二帶隙。在其它實施例中，第一和第二帶隙中 的每一個在1. OeV至2. 2eV的帶隙范圍內(nèi)。III-V半導(dǎo)體可選自包括B、A1、Ga、In、As、N、 P和訊的半導(dǎo)體元素組。在一定的實施例中，III-V半導(dǎo)體可包括少于5%的N。在其它的 實施例中，從第一位置到第二位置，基極層的帶隙線性變化或指數(shù)變化或者為其組合?；鶚O 層可包括在沿著基極層的厚度的第s位置處的III-V半導(dǎo)體的第s成分，從而第二位置位 于沿著基極層的厚度的第一位置和第S位置之間。在一定的實施例中，III-V半導(dǎo)體的第 二成分和III-V半導(dǎo)體的第一或第S成分之一可為相同的。在其它實施例中，基極層的帶 隙可從第一位置到第二位置沿著基極層的厚度的第一段線性變化，并且從第二位置到第= 位置沿著基極層的厚度的第二段線性變化，每單位厚度的變化在第一或第二段之一中大于 在第一和第二段的另一個中?？商鎿Q地，基極層的帶隙可從第一位置到第二位置線性變化， 并且基極層的帶隙可