用于光伏电池和其他光吸收装置的啁啾分布式布拉格反射器制造方法及图纸

诸如多结光伏电池的半导体光吸收装置包括在结下方的啁啾分布式布拉格反射器。啁啾分布式布拉格反射器在大波长范围内提供高反射率，并且具有改进的角容差，以便在大波长范围和入射角上在上覆结内提供增加的吸收。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光伏电池和其他光吸收装置的啁啾分布式布拉格反射器相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年3月12日提交的第62/641,482号美国临时申请的优先权，该申请通过引用清楚地并入本文。
本专利技术涉及具有啁啾分布式布拉格反射器的半导体光吸收装置，具体地，涉及具有设置在结下方的啁啾分布式布拉格反射器的多结光伏电池。啁啾分布式布拉格反射器在宽波长范围内提供高反射率，以及具有改进的角度容限，以便在较宽的波长范围和入射角内在装置内提供增加的吸收。
技术介绍
已知主要基于III-V化合物半导体材料的多结光伏电池产生最高效率的电池，使得该电池非常适合地面应用，诸如聚光光伏(CPV)系统和空间应用。如图1和图2A-2D所示，多结光伏电池(100)包括串联连接的多个二极管，在本领域中称为结(图1中106、107和108)，其通过在半导体基底上的堆叠部中生长薄外延区来实现。堆叠部中的每个结均具有唯一的带隙，以及优化用于吸收太阳光谱的不同部分，从而提高太阳能转换的效率。这些结可从具有不同光学和电学特性的各种半导体材料中选择，以吸收太阳光谱的不同部分。这些材料布置成使得结的带隙从顶部结(106)到底部结(108)逐渐变低。因而，在顶部结中吸收高能光子，而能量较低的光子通过顶部结到达较低的结，在该较低的结中，吸收低能量光子。在每个结中，产生电子-空穴对，以及在光伏电池(图1中的2和52)的欧姆接触处收集电流。用于形成结的半导体材料包括例如锗和元素周期表第III族和第V族的一种或多种元素的合金。这些合金的示例包括磷化铟镓、磷化铟、砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓、锑化镓、磷化铟和稀氮化物化合物。对于三元和四元化合物半导体，可使用大范围的合金比率。在相邻电池之间使用隧道结来使电池互连。将稀氮化物作为光伏电池材料是有利的，因为晶格常数可变化，以匹配由除了稀氮化物之外的半导体材料形成的大范围的基底和/或结。因为稀氮化物提供高质量的、晶格匹配的且带隙可调的结，因而包含稀氮化物结的光伏电池可在工业标准基底上实现高转换效率。效率的提高很大程度上是由于较少的光能作为热而损失，因为附加结允许更多的入射光子由带隙更接近入射光子能量的半导体材料吸收。另外，与其它光伏电池相比，由于工作电流较低，因而在这些多结光伏电池中将存在较低的串联电阻损耗。在较高的阳光浓度下，降低的串联电阻损失变得更加显著。根据底部结的带隙，光伏光谱中的较大范围的光子收集也可有助于提高效率。稀氮化物材料也可用作红外光电探测器中的吸收体层。稀氮化物的示例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。稀氮化物的晶格常数和带隙可通过不同第IIIA族和第VA族元素的相对分数来控制。另外，通过选择特定晶格常数和带隙周围的组成，同时将总锑和/或铋含量限制在例如不超过第V族晶格位置的20％，可获得高质量的材料。锑和铋被认为是促进III-ASNV稀氮化物合金的平滑生长形态的表面活性剂。因而，通过调整稀氮化物材料的组成(即，元素和量)，可获得大范围的晶格常数和带隙。可调整带隙和成分，使得由光伏电池中的稀氮化物结产生的短路电流密度将与光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度相同或略大于光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度。还可调整稀氮化物的带隙和组成，从而为光电检测器提供改进的检测器响应性。具有最低电流的光伏电池中的结是限流结，并且限制装置中的最大电流，从而降低效率。低电流可由光吸收系数较弱的电池产生，或由载流子收集或寿命终止问题需要薄结的结产生。因此，需要增加这种结内的吸收，并因而增加由结产生的电流。已经提出分布式布拉格反射器(DBR)来改善多结光伏电池中的结的性能。结下方的DBR可设计成将未吸收的光反射回结中，反射的光可被吸收，并有助于改善电流的产生。第8,716,493号美国专利和第9,257,586号美国专利公开了在3J装置的GaInNAsJ2结下方的DBR。为了使3J光伏电池以合理的效率工作，J1/GaInNAsJ2/Ge3J光伏电池的带隙可为例如1.9eV/1.35至1.4eV/0.7eV。反射率谱显示，在从约800nm到900nm的约100nm的波长范围内，可实现大于60％的高反射率，其中长于约900nm的波长以低损耗透射到下方的Ge结。第9,018,521号美国专利公开了一种DBR，其位于倒转的异质的非晶格匹配的多结(IMM)光伏电池的第一结J1的下面。美国申请公开2010/0147366公开了在倒转的异质的非晶格匹配的多结(IMM)光伏电池的第二结J2和第三结J3下方的DBR。美国申请公开2017/0200845公开了具有第一DBR和第二DBR的光伏电池，其中DBR在不同的波长范围反射，在多结光伏电池中的稀氮化物电池的下面。然而，半导体DBR的反射率带宽通常限于约100nm。尽管一些工作提到了更宽的反射率带宽，但是没有描述实现更宽带宽的特定设计。例如，虽然双层DBR看起来在约150nm的波长范围内是可操作的，但是没有描述能够在较大波长范围扩展反射率的设计，例如，对应于稀氮化物结中的吸收光谱上扩展反射率的设计。稀氮化物异质结构可表现出高的背景掺杂水平、低的少数载流子寿命和短的少数载流子扩散长度，这可减小装置内的光载流子收集体积。这可限制由稀氮化物产生的短路电流密度(Jsc)，以及还降低电池效率。可通过降低氮化物含量来改善材料质量，但是这增加了材料的带隙，改变了吸收光谱，并降低了吸收水平。反射器可用于将未吸收的光子反射回较薄的吸收区，从而有效地增加较薄区的吸收水平。反射器也可用于补偿与较大带隙材料相关的较长波长处的降低的吸收。优选的是，在覆盖特定结的整个吸收范围的较宽波长范围内实现反射率。DBR的反射率谱可在不同入射角在幅度和工作波长上移动。这可减小反射器对设备的影响。在光的入射角随时间变化的一些应用中，可限制DBR的效果。在诸如使用光学装置的聚光光伏(CPV)系统的系统中，其中，可在较宽的角度范围上引入光以提高效率，或在粗糙表面用于降低空气-半导体界面处的反射率的情况下，较宽的入射角范围意味着光不能同样有效地反射回来。因此，需要用于包括光伏系统和光电探测器的光吸收装置的新反射器结构，其提供更宽的反射率谱，并且对入射光的角度变化也不太敏感。
技术实现思路
根据本专利技术，半导体结构包括：包括高波长吸收边缘的光吸收区；以及在光吸收区下方的啁啾分布式布拉格反射器，其中啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：在与法线相距±45度的范围内的入射角处的反射率大于50％；100nm或更大的半峰全宽波长范围；以及在比上覆光吸收区的高波长吸收边缘长50nm的波长处的大于80％的传递率。根据本专利技术，半导体结构包括啁啾分布式布拉格反射器；以及光吸收区，其覆盖在啁啾分布式布拉格反射器上。根据本专利技术，多结光伏电池包括根据本专利技术的半导体结构；在啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂层。...

【技术保护点】
1.一种半导体结构，包括：/n光吸收区，包括高波长吸收边缘；以及/n啁啾分布式布拉格反射器，在所述光吸收区下方，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：/n在与法线相距±45度范围内的入射角处大于50％的反射率；/n100nm或更大的半峰全宽波长范围；以及/n在比上覆光吸收区的高波长吸收边缘长50nm的波长处的大于80％的传递率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180312 US 62/641,4821.一种半导体结构，包括：
光吸收区，包括高波长吸收边缘；以及
啁啾分布式布拉格反射器，在所述光吸收区下方，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：
在与法线相距±45度范围内的入射角处大于50％的反射率；
100nm或更大的半峰全宽波长范围；以及
在比上覆光吸收区的高波长吸收边缘长50nm的波长处的大于80％的传递率。


2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，
所述光吸收区配置为吸收在从900nm至1800nm的波长范围的部分内的光；以及
所述啁啾分布式布拉格反射器配置为在所述波长范围内的整个所述部分反射光。


3.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括：
第一掺杂半导体层，在所述啁啾分布式布拉格反射器下方；以及
第二掺杂半导体层，覆盖所述光吸收区。


4.根据权利要求3所述的半导体结构，其中，
所述第一掺杂半导体层的特征在于第一带隙；
所述第二掺杂半导体层的特征在于第二带隙；
所述光吸收区的特征在于第三带隙；以及
所述第一带隙和所述第二带隙中的每一个均大于所述第三带隙。


5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述光吸收区包括稀氮化物材料。


6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述光吸收区的特征在于0.7eV至1.2eV范围内的带隙。


7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器包括多个层，其中，所述多个层中的相邻层的特征在于不同折射率和不同厚度。


8.根据权利要求7所述的半导体结构，还包括在所述多个层中的相邻层之间的渐变夹层。


9.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器配置为透射波长比上覆光吸收区的所述高波长吸收边缘长的光。


10.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器包括两个或更多个镜面对，其中，所述两个或更多个镜面对中的每一个的特征在于不同的设计波长λ0。


11.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁鼎，菲利普·多德，费伦·苏阿雷兹，大卫·塔尼尔·比利尔，艾默里克·马罗斯，
申请(专利权)人：阿雷光子学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US