多结III-V太阳能电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及多结III-V太阳能电池及其制造方法。一种多结太阳能电池结构包括包含III-V半导体材料的顶部光伏电池和硅基底部光伏电池。薄的富锗硅锗缓冲层设于所述顶部和底部电池之间。还提供了在硅衬底上制造与锗晶格匹配或者对于锗是赝晶的多结III-V太阳能电池结构的制造技术。所述硅电池的开路电压可以通过局部背表面场结构、局部背接触或基于非晶硅的异质结背接触来增强。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及多结III-V太阳能电池及其制造方法。一种多结太阳能电池结构包括包含III-V半导体材料的顶部光伏电池和硅基底部光伏电池。薄的富锗硅锗缓冲层设于所述顶部和底部电池之间。还提供了在硅衬底上制造与锗晶格匹配或者对于锗是赝晶的多结III-V太阳能电池结构的制造技术。所述硅电池的开路电压可以通过局部背表面场结构、局部背接触或基于非晶硅的异质结背接触来增强。【专利说明】多结I I 1-V太阳能电池及其制造方法
本公开涉及物理科学，并且更具体地，涉及包括πι-v吸收材料的光伏结构以及这种结构的制造。
技术介绍
由于锗(Ge)和一些II1-V半导体材料(例如InGaAs (In含量为百分之一(1%))和InGaP2)的近乎相同的晶格常数，多结II1-V太阳能电池结构通常生长在Ge衬底上。因此，由于其与InGaAs和InGaP2的带隙相比更小的带隙,Ge衬底在这种结构中也用作第三结。尽管使用Ge作为底部电池趋于增加常规三结太阳能电池结构的总效率，但是从最大化短路电流的带隙工程的角度而言，这种太阳能电池结构不是最佳的。为了减轻这个问题，已经提出了使用竖立变质结构(upright metamorphic structure),其中通过增加铟含量进一步减小中间InGaAs基元的带隙。然而，从带隙工程的观点出发，期望采用带隙为?0.9-1.1eV的材料作为底部电池。这种结构的著名例子是倒置变质(inverted metamorphic)太阳能电池。倒置变质太阳能电池结构与常规三结和竖立变质太阳能电池的转换效率相比提供更高的转换效率。然而，由于实现带隙为?1.0eV的II1-V结的特殊生长工艺以及将太阳能电池结构与主衬底分开所需的另外的制造工艺，倒置变质太阳能电池成本高。参考图6，示出了常规双结太阳能电池结构10。该结构包括被隧道结34A、34B分开的顶部电池和底部电池。底部电池形成在缓冲层22、24上，而缓冲层22、24又形成在p+硅处理物(handle)20上。缓冲层包括邻接处理物20和p+ (In)GaAs层24的p+厚(1-3 μ m)渐变SixGei_x层22。底部电池包括II1-V半导体材料。在该特定实例中，底部电池的基极层28是P- (In)GaAs并且发射极层30是n+ (In)GaAs0底部电池的背表面场(BSF)层邻接缓冲层。窗口层32形成在发射极层30上。顶部电池包括P-1nGaP基极38、n+InGaP发射极层40、BSF层36和窗口层42。抗反射涂层(ARC) 44邻接窗口层。接触层48、50设于结构100的顶部和底部。顶部接触层48邻接重掺杂η+ (In) GaAs层46，而底部接触层50邻接处理物20。在该结构10中，硅层20不是光伏电池的一部分并且仅用作载体。
技术实现思路
本公开的原理提供了多结II1-V太阳能电池结构和用于制造包括II1-V和硅吸收体二者的多结太阳能电池结构的技术。根据示例性实施例的太阳能电池结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该太阳能电池结构包括还底部光伏电池，所述底部光伏电池包括第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层，该第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成。缓冲层位于所述顶部光伏电池和所述底部光伏电池之间，该缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述顶部光伏电池和所述缓冲层之间。第二示例性结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该第二示例性结构还包括底部光伏电池，该底部光伏电池包括晶体硅第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层。具有小于0.5 μ m的厚度的第一缓冲层位于所述结构的所述顶部和底部光伏电池之间。所述第一缓冲层包括邻接所述底部光伏电池的硅锗部分以及包括至少百分之九十的锗的富锗部分，所述顶部光伏电池与所述第一缓冲层的富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述第一缓冲层和所述顶部光伏电池之间，第二缓冲层位于所述第一缓冲层和所述隧道结之间。所述第二缓冲层对于避免反相边界缺陷是有效的。示例性制造方法包括:获得包含晶体硅基极和所述基极上的包含硅的发射极层的底部光伏结构；在所述底部光伏结构上形成第一缓冲层，该第一缓冲层包括包含娃和锗的第一部分以及第二富锗部分，所述第二富锗部分的锗的百分比显著高于所述第一部分的锗的百分比；在所述第一 缓冲层上形成隧道结，以及在所述隧道结上形成具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。如本申请中所使用的“促进”一动作包括执行该动作、使该动作更容易、帮助执行该动作或者使得该动作被执行。因此，通过举例而并非限制，在一个处理器上执行的指令，通过发送适当的数据或命令使得在远程处理器上执行的指令执行的动作被执行或者辅助该动作被执行，可促进由在远程处理器上执行的指令执行的动作。为了避免疑问，当一个施动者促进而不是执行另一个施动者执行的动作时，该动作仍由某实体或实体的组合执行。此处公开的太阳能电池结构可以提供显著的有益技术效果。例如，一个或多个实施例可以提供下述优点中的一个或多个:?高开路电压(V。。)?高太阳能电池效率(η).与常规II1-V结构相比更便宜。从下文中对其说明性实施例的详细描述中，这些和其它特征及优点将变得显而易见，所述详细描述要结合附图阅读。【专利附图】【附图说明】图1是具有硅基底部电池和II1-V族基顶部电池的多结太阳能电池结构的示意性图示；图2是具有局部背表面场结构的多结太阳能电池结构的示意性图示；图3是具有局部背表面场结构的多结太阳能电池结构的第二实施例的示意性图示；图4是具有基于异质结水合(hydrated)非晶娃的背表面场结构的多结太阳能电池结构的示意性图示；图5是具有基于异质结水合非晶硅的背表面场结构的多结太阳能电池结构的第二实施例的示意性图示；以及图6是现有技术的硅衬底上双结太阳能电池结构的示意性图示。【具体实施方式】公开了柔性(compliant)硅衬底上的与锗晶格匹配或赝晶锗多结II1-V太阳能电池结构，其中硅在这种结构中用作底部电池。由于包括下述的多种原因，在硅上生长II1-V基电池是有利的:(I) Si衬底丰富，(2)与锗和II1-V半导体材料相比硅的较低成本，(3)机械稳定性，以及(4)对于制作高效率串列结太阳能电池，硅的带隙最佳。硅与II1-V半导体材料之间的晶格失配是实现串列硅上II1-V太阳能电池的障碍，在该电池中硅用作底部结。由于与小的构图区域相反，大面积地直接在硅上生长II1-V半导体材料的挑战特质，研究人员已经试图利用渐变SiGe缓冲层作为在硅衬底上生长I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多结太阳电池结构，包括：具有1.8‑2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由III‑V半导体材料构成；底部光伏电池，其包括第二基极层和邻接所述第二基极层的第二发射极层，所述第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成；位于所述顶部光伏电池和所述底部光伏电池之间的缓冲层，所述缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶，以及位于所述顶部光伏电池和所述缓冲层之间的隧道结。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S·W·比德尔，B·赫克玛特绍塔巴里，D·K·萨达那，G·G·沙希迪，D·沙赫莉亚迪，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US