專利名稱：形成于n-摻雜襯底上的多結(jié)太陽(yáng)能電池的制作方法
形成于N-摻雜襯底上的多結(jié)太陽(yáng)能電池相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)根據(jù)35 USC 119(e)要求于2009年11月18日提交的、題為“ MULTIJUNCTI ON SOLAR CELLS FORMED ON N-DOPEDSUBSTRATES (形成于 N-摻雜襯底上的多結(jié)太陽(yáng)能電池)”的第61/262，374號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。關(guān)于對(duì)在聯(lián)邦資助的研究或開(kāi)發(fā)下做出的發(fā)明的權(quán)利的聲明不適用對(duì)以“序列表”、表格、或隨壓縮光盤(pán)提交的計(jì)算機(jī)程序表附件的引用不適用
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于構(gòu)造基于III-V材料(諸如鎵和砷化物)的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。更具體地，本發(fā)明涉及形成用于含有III-V材料的裝置或結(jié)構(gòu)的電端子的可靠導(dǎo)電接觸的問(wèn)題。如圖I中的剖視圖所示，傳統(tǒng)或已知的基于III-V GaAs的太陽(yáng)能電池可被分為三部分下部、中部、以及上部。下部10是生長(zhǎng)襯底，裝置的各個(gè)層順序地生長(zhǎng)在生長(zhǎng)襯底上。在典型的多結(jié)太陽(yáng)能電池中，下部10通常為P-GaAs或P-Ge襯底，其余的層生長(zhǎng)在該襯底上。此外，該下部可包括后部或底部電接觸部11，以從電池向某些類型的負(fù)載導(dǎo)電。中部20代表異質(zhì)外延III-V裝置層，形成完全包含在中間區(qū)域內(nèi)的至少一個(gè)p-n結(jié)。上部30代表需要完成與裝置的電接觸的半導(dǎo)體和金屬層，此外，還代表常包含在這種裝置內(nèi)的抗反射涂層(ARC)。通常，上部30中的金屬和半導(dǎo)體層被構(gòu)圖為線條柵格40，如圖3所示。柵格線圖案的許多變型是可能的。用于柵格的金屬堆疊的厚度必須足以使電池所產(chǎn)生的太陽(yáng)能生成電流在較小電阻下傳導(dǎo)。主要包含銀或金的金屬堆疊厚度通常為約5 的量級(jí)。文獻(xiàn)中和現(xiàn)有技術(shù)中描述了 III-V太陽(yáng)能電池的多種不同設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)使用各種材料和制造技術(shù)。圖2中示出了兩結(jié)太陽(yáng)能電池的示意性剖視圖。面向太陽(yáng)的層又稱為最上部結(jié)的最上層或頂層。大多數(shù)太陽(yáng)能電池結(jié)包括位于較厚P型基極區(qū)頂部的較薄n型發(fā)射極區(qū)(“11-011- ”型結(jié)構(gòu))。為了使電池適當(dāng)?shù)毓ぷ鳎琁II-V堆內(nèi)的所有結(jié)均必須具有相同的定向。因此，如果一個(gè)結(jié)是“n-on-p”型，則電池中的所有結(jié)也必須是“n-on-p”型。多結(jié)太陽(yáng)能電池堆疊中的結(jié)可包括背面電場(chǎng)和正面電場(chǎng)。隧道結(jié)可連接各種子電池P-n結(jié)。因?yàn)镮II-V堆疊內(nèi)的結(jié)需要統(tǒng)一的定向，故標(biāo)準(zhǔn)的“n-on-p”型太陽(yáng)能電池通常生長(zhǎng)于P-摻雜襯底(諸如P-GaAs或p-Ge)上。襯底在這種電池中常常被用作最下部結(jié)的底 層。然而，P-摻雜GaAs襯底通常比可替換的n型或半絕緣(SI)變體更加昂貴。因此，期望通過(guò)使用低成本n-摻雜生長(zhǎng)襯底來(lái)降低“n-on-p”型太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本。然而，直接這樣做將導(dǎo)致最下部結(jié)的反定向，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池?zé)o法正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用n-GaAs (或其它n_摻雜半導(dǎo)體材料)作為用于“n-on-p ”型太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的襯底的方法，該方法包括在襯底之上將“p-on-n”隧道結(jié)二極管沉積為第一層材料，以及將全部III-V堆疊沉積在隧道二極管之上。其它層可生長(zhǎng)于襯底與第一隧道結(jié)之間，只要其它層的摻雜類型為n型或者為未摻雜的。與太陽(yáng)能電池中的其它隧道結(jié)一樣，該第一隧道結(jié)在非整流狀態(tài)下工作。在電學(xué)方面上，隧道結(jié)像低阻值電阻器一樣工作并且不阻礙電流流動(dòng)。通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明將被更好地理解。


圖I是代表太陽(yáng)能電池的概括(現(xiàn)有技術(shù))的截面圖，其中太陽(yáng)能電池包括金屬層 上的下部、中部和上部。圖2是代表雙結(jié)n-on-p型太陽(yáng)能電池堆疊的概括(現(xiàn)有技術(shù))的截面圖。圖3是示意性地描繪(現(xiàn)有技術(shù))金屬柵格布局的平面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的p-on-n型裝置的示意性形式的截面圖，其中隧道結(jié)已經(jīng)插入襯底與III-V異質(zhì)外延太陽(yáng)能電池裝置層之間，代表三結(jié)、四結(jié)或五結(jié)太陽(yáng)能電池。圖5是在模擬的“I-太陽(yáng)”太陽(yáng)光譜構(gòu)成的光施加至太陽(yáng)能電池的情況下，InGaP/GaAs多結(jié)太陽(yáng)能電池的電流-電壓特性的圖解表示。
具體實(shí)施例方式圖4示出了本發(fā)明?！皀-on-p”型太陽(yáng)能電池裝置包括上部30、中部20、以及作為下部10的n型襯底。附加的隧道結(jié)50沉積在下部10與中部20之間，并且隧道結(jié)50基本將襯底的n-摻雜表面轉(zhuǎn)換為p_摻雜材料。可將標(biāo)準(zhǔn)的n型半導(dǎo)體和金屬接觸部11制造為n型襯底10。
具體實(shí)施方式
在隧道結(jié)50上使用稀釋氮化物子電池，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池能夠吸收較長(zhǎng)波長(zhǎng)的能量，而不需要依賴對(duì)作為子電池結(jié)構(gòu)的一部分的襯底的使用。該實(shí)施方式特別有利，因?yàn)槠鋵⑤^長(zhǎng)波長(zhǎng)子電池的性能與低成本n型GaAs襯底相結(jié)合，其中太陽(yáng)能電池中的所有基極層和發(fā)射極層均是彼此晶格匹配的。稀釋氮化物通常被認(rèn)為是氮含量小于5%的III-V型半導(dǎo)體合金。在本文中，術(shù)語(yǔ)較長(zhǎng)波長(zhǎng)是指與小于1.42eV(等價(jià)于純GaAs的帶隙)的能量相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，或波長(zhǎng)大于約870nm的波長(zhǎng)。晶格匹配層的晶體結(jié)構(gòu)是一致的，并且盡管在層中可能出現(xiàn)應(yīng)力，層間也不松弛或分離。通過(guò)適當(dāng)選擇成分，能夠獨(dú)立地改變稀釋氮化物的帶隙和晶格常數(shù)，從而允許稀釋氮化物，例如，與砷化鎵襯底晶格匹配，并具有用于具體裝置設(shè)計(jì)的最佳帶隙。例如，在三結(jié)太陽(yáng)能電池的情況下，最長(zhǎng)波長(zhǎng)結(jié)的最佳帶隙約為leV(0. 93eV至I. 05eV)。使用稀釋氮化物材料能夠獲得這種帶隙，并保持與GaAs的晶格匹配。這類三結(jié)太陽(yáng)能電池可具有由砷化鎵和磷化銦鎵構(gòu)成的第二結(jié)和第三結(jié)。在這種情況下，所有n-on-p結(jié)中的大多數(shù)都能夠與襯底晶格匹配。另一個(gè)具體實(shí)施方式
涉及將硅-鍺合金作為最長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收結(jié)的使用。硅-鍺材料能夠容易地與GaAs襯底晶格匹配。通過(guò)向鍺添加約2%的硅，實(shí)現(xiàn)與GaAs的晶格匹配。將硅添加至鍺特別有助于子電池與砷化鎵襯底的晶格匹配。這種材料具有接近0. 7eV的帶隙。包括硅-鍺子電池的三結(jié)裝置可被構(gòu)造為與上述基于稀釋氮化物的結(jié)構(gòu)類似。制備于n-GaAs襯底上的“n-on-p”型太陽(yáng)能電池使用該方法。圖5示出了在約I個(gè)太陽(yáng)的光學(xué)功率下工作的這種裝置的電流-電壓(IV)曲線。該示范裝置是雙結(jié)太陽(yáng)能電池，該雙結(jié)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與圖2所示設(shè)計(jì)類似，但在襯底10與堆疊20之間具有額外的隧道結(jié)，如圖4所示。該最底部隧道結(jié)由p++GaAs和n++GaAs形成。測(cè)量該裝置并獲得13. 4mA/cm2的I-太陽(yáng)短路電流、2. 26V的開(kāi)路電壓、以及>85%的填充因子，清楚地說(shuō)明該設(shè)計(jì)的可行性。本發(fā)明將對(duì)具有I至n個(gè)結(jié)(其中n>l)的許多不同多結(jié)裝置有效。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，適于兩結(jié)或三結(jié)裝置的方案還可用于更多或更少結(jié)，諸如四結(jié)太陽(yáng)能電池或五結(jié)太陽(yáng)能電池。本發(fā)明能夠與用于制造太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)能電池結(jié)的許多不同材料和結(jié)構(gòu)一起使用，包括但不限于稀釋氮化物材料，變質(zhì)InGaAs層、量子點(diǎn)、量子阱，等等。本文描述 的本發(fā)明適用于任何廣義上的“n-on-p”型太陽(yáng)能電池裝置，其中，所有太陽(yáng)能吸收結(jié)均包含在圖2中所示的堆疊20內(nèi)。本發(fā)明可用于晶格匹配結(jié)構(gòu)。襯底10不是太陽(yáng)能吸收結(jié)的一部分。因此，本公開(kāi)僅為代表性和示意性的，而非本領(lǐng)域技術(shù)人員可使用本發(fā)明的所有方法的決定性討論。本發(fā)明已經(jīng)參照具體實(shí)施方式
進(jìn)行了說(shuō)明。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其它實(shí)施方式將是顯而易見(jiàn)的。因此，除了所附權(quán)利要求所指示的之外，不打算對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.ー種裝置，包括 襯底，由η-摻雜半導(dǎo)體材料構(gòu)成，并與金屬導(dǎo)體電接觸； ρ-οη-η隧道結(jié)ニ極管，設(shè)置于所述襯底之上； ー個(gè)或多個(gè)η-οη-ρ結(jié)，設(shè)置于所述隧道結(jié)ニ極管之上； 金屬柵格，與最上層半導(dǎo)體電接觸， 其中所述襯底、所述Ρ-οη-η隧道結(jié)ニ極管、所述ー個(gè)或多個(gè)η-οη-ρ結(jié)以及所述金屬柵格共同形成光伏裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中與所述金屬柵格接觸的所述最上層半導(dǎo)體為η型。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述隧道結(jié)ニ極管利用了n++GaAs上的p++GaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所形成的光伏裝置是三結(jié)太陽(yáng)能電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述η-οη-ρ結(jié)中的至少ー個(gè)具有約IeV的帶隙或處于O. 93eV與I. 05eV之間的帶隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中至少第一結(jié)包含與所述襯底晶格匹配的稀釋氮化物材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中至少第二結(jié)和第三結(jié)包含神化鎵和磷化銦鎵，并且所有所述η-οη-ρ結(jié)均與所述襯底晶格匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述襯底包含η型神化鎵。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述約IeV的結(jié)包含不與所述襯底晶格匹配的材 料。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中至少ー個(gè)結(jié)包含與所述襯底晶格匹配的硅-鍺材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所形成的光伏裝置為四結(jié)太陽(yáng)能電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中至少第一結(jié)包含與所述襯底晶格匹配的稀釋氮化物材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所形成的光伏裝置為五結(jié)太陽(yáng)能電池。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中至少第一結(jié)包含與所述襯底晶格匹配的稀釋氮化物材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述ー個(gè)或多個(gè)η-οη-ρ結(jié)包括被確定為位于元素周期表的III族和V族中的材料。
全文摘要
公開(kāi)了“n-on-p”型多結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其利用了n型襯底用于III-V半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)，其中“p-on-n”隧道結(jié)二極管設(shè)置在襯底與III-V半導(dǎo)體材料的一個(gè)或多個(gè)異質(zhì)外延層之間。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102668133SQ201080052437
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者侯曼·B·禺恩, 維基特·A·薩博尼斯, 邁克爾·J·謝爾登, 邁克爾·W·維摩 申請(qǐng)人:太陽(yáng)結(jié)公司