CN101304051A - 具渐变式超晶格结构的太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳电池，包括多个堆叠式pn结结构及多个穿隧接面层，其中穿隧接面层是位于堆叠式pn结结构之间。而且，在堆叠式pn结结构中有一个堆叠式pn结结构至少包括一层p型半导体层、一层n型半导体层以及位于p型与n型半导体层之间的一层渐变式超晶格结构。这层渐变式超晶格结构的能隙是介于磷化铟镓(InGaP)的能隙和砷化镓(GaAs)的能隙之间。因此能将波长响应范围提高至1.0eV，以增加波长响应频谱，并且因为渐变式超晶格结构，此区域载流子所碰到的势垒较小并容易跨越势垒，故可增加效率。

Description

具渐变式超晶格结构的太阳电池
技术领域
本发明涉及一种太阳电池(Solar Cell)，且特别涉及一种提高效率的具渐变式超晶格结构(Grading Superlattice Structure)的太阳电池。
背景技术
目前商品化的太阳电池的主要材料方面大致可区分为硅基太阳电池及III-V族化合物半导体基太阳电池两大类。就硅基太阳电池而言，目前效率最高约达18～23％，而III-V族化合物半导体基太阳电池方面，其能隙为直接能隙，能量转换效率高，又具有辐射耐力强等方面的特性，品质较目前的硅半导体占优势，所以许多研究报告都指出，III-V族半导体材料是最适合用来发展高效能太阳电池的材料。
III-V族半导体太阳电池结构方式，主要以串接式的结构为主，其制作方式简单且效率高。若依制造过程来看，常用的外延工艺基板又有GaAs基板和Ge基板两种，由于后者的晶格常数与GaAs很接近，容易与各种常用的III-V族材料产生最佳匹配，本身又可于0.67eV处制作出一个结(junction)，吸收长波段的光线，提高电池效率，因此，已成为市场的主流。
此外，在太阳电池元件的结构上也逐步演进，采取能够使频谱响应的范围涵盖太阳光谱的紫外光、可见光及红外光等不同能量区域的多结(multi-junction)结构，以取代单一结(single-junction)太阳电池，并逐渐提高结的数目，来得到更高效率的太阳电池。
近来有一种四结的太阳电池已经由美国圣地亚公司(Sandia Corporation)提出，其是由InGaP(1.85eV)/GaAs(1.40eV)/InGaNAs(1.0eV)/Ge(0.67eV)的四结结构所构成，理论上可大幅提高转换效率。然而，实际上由于InGaNAs材料的品质常随着N含量增加而急速劣化，造成载流子扩散距离短、移动速率慢、寿命(carrier lifetime)短、缺陷杂质浓度高等。而且由于欲得到高品质的InGaNAs(1.0eV)外延材料仍十分困难，导致此种结构的太阳电池到目前为止依然无法被实用化。
发明内容
本发明提供一种太阳电池，具有渐变式超晶格结构。
本发明提供一种太阳电池，可降低材料缺陷、加大临界厚度，以提高整体效率。
本发明提出一种太阳电池，包括一个底部电池(bottom cell)、一个中间电池和一个顶部电池。其中底部电池位于一个基板上，而中间电池是位在底部电池上，其中中间电池包括依序堆叠的一层背面电场(back surface field)、一个基极(base)、一层渐变式超晶格结构、一个射极(emitter)以及一层透光层。顶部电池(top cell)则是位在中间电池上，其中顶部电池包括依序堆叠的一层背面电场、一个基极、一个射极以及一层透光层。此外，分别在底部电池与中间电池之间以及在中间电池与顶部电池之间各有一层穿隧接面(tunneljunction)层。而在底部电池下和顶部电池上各有一层底部接触层与一层顶部接触层。另有一层抗反射层(anti-reflection)位在未被顶部接触层覆盖的顶部电池上。
在本发明的一实施例中，上述渐变式超晶格结构包括砷化镓/砷化镓铟(GaAs/GaInAs)渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑(GaAs/GaSbAs)渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓(GaAs/GaAsN)渐变式超晶格结构。
在本发明的一实施例中，上述基板的材料至少包括锗(Ge)。
在本发明的一实施例中，上述底部电池包括锗底部电池(Ge bottom cell)。
在本发明的一实施例中，上述顶部电池包括为磷化镓铟顶部电池(GaInPtop cell)。
在本发明的一实施例中，上述中间电池的背面电场的材料包括磷化镓铟。
在本发明的一实施例中，上述中间电池的基极的材料包括砷化镓。
在本发明的一实施例中，上述中间电池的射极的材料包括砷化镓。
在本发明的一实施例中，上述中间电池的透光层的材料包括磷化镓铟。
在本发明的一实施例中，上述穿隧接面层的材料包括砷化镓(GaAs)或磷化镓铟(InGaP)。
在本发明的一实施例中，上述顶部电池的背面电场层的材料包括磷化铝镓铟(AlGaInP)。
在本发明的一实施例中，上述顶部电池的透光层的材料包括磷化铝铟(AlInP)。
在本发明的一实施例中，上述顶部电池的基极的材料包括磷化铟镓(InGaP)。
在本发明的一实施例中，上述顶部电池的射极的材料包括磷化铟镓。
在本发明的一实施例中，上述顶部接触层包括n-type掺杂接触层，其材料如锗/金/镍/金(Ge/Au/Ni/Au)。
在本发明的一实施例中，上述底部接触层包括p-type掺杂接触层，其材料如钛/铂/金(Ti/Pt/Au)。
本发明另提出一种太阳电池，包括至少一个堆叠式pn结结构，且当上述堆叠式pn结结构的数目超过1，则另包括位于每一堆叠式pn结结构之间的一层穿隧接面层。而且，在上述堆叠式pn结结构中有一个堆叠式pn结结构至少包括一层p型半导体层、一层n型半导体层以及位于p型与n型半导体层之间的一层渐变式超晶格结构。这层渐变式超晶格结构的能隙是介于磷化铟镓(InGaP)和砷化镓(GaAs)之间的值。
在本发明的另一实施例中，上述渐变式超晶格结构包括砷化镓/砷化镓铟(GaAs/GaInAs)渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑(GaAs/GaSbAs)渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓(GaAs/GaAsN)渐变式超晶格结构。
在本发明的另一实施例中，上述穿隧接面层的材料包括砷化镓(GaAs)或磷化镓铟(InGaP)。
在本发明的另一实施例中，上述p型半导体层的材料包括砷化镓。
在本发明的另一实施例中，上述n型半导体层的材料包括砷化镓。
在本发明的另一实施例中，上述具有渐变式超晶格结构的堆叠式pn结结构还包括一层位于n型半导体层上的透光层以及一层位于p型半导体层下的背面电场。上述背面电场的材料包括磷化镓铟、透光层的材料包括磷化镓铟。
本发明因为在III-V族半导体化合物制成的太阳电池中，将陡结超晶格结构改采用渐变式界面技术，以降低串联电阻，并藉以改变超晶格结构量子能级分布，提高吸收波长的响应范围，以提高太阳电池效率。此外，因为渐变式超晶格结构中的载流子所碰到的势垒较小并容易跨越势垒，而载流子所碰到的势垒越小代表串联电阻越少，故可增加效率。另外，使用渐变式结构的优点还有当光子被此层材料吸收后，电子或空穴所碰到的势垒较不陡峭，因此所产生的载流子电子或空穴对，会比一般陡结结构更容易被取出而提升效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种太阳电池的剖面示意图。
图2是第一实施例的渐变式超晶格结构的能级图。
图3是已知陡结结构与本发明的渐变式超晶格结构的量子能级(quantumlevel)示意图。
图4是依照本发明的第二实施例的一种太阳电池的剖面示意图。
附图标记说明
100、400：太阳电池            108：底部接触层
110：底部电池                 111：基板
112：锗基极                   113：锗射极
116、126、404：穿隧接面层     120：中间电池
121、131：背面电场            122、132：基极
123、410：渐变式超晶格结构    124、134：射极
125、135：透光层              130：顶部电池
136：抗反射层                 138：顶部接触层
402a、402b：堆叠式pn结结构    406：p型半导体层
408：n型半导体层
具体实施方式
下文中参看附图来更充分地描述本发明，附图中展示本发明的实施例。然而，本发明可以许多不同形式来体现，且不应将其解释为限于本文所陈述的实施例。在图式中，为明确起见可能将各层以及区域的尺寸及相对尺寸以夸大的方式绘示。
此外，应了解当称某一元件或层是“位于另一元件或层上”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，其可直接位于另一元件或层上、连接至或耦接至另一元件或层，或可在两者之间另存在中间元件或层。全文中相同的数字表示相同的元件。
本文中使用如“位于...下”、“位于...上”以及其类似用语的空间相对术语，以便于描述图中的某一个元件或特征与另一(或多个)元件或特征的关系。举例而言，若将图中的元件翻转，则被描述为位于其他元件或特征“上”的元件将被定位于其他元件或特征“下方”。
图1是依照本发明的第一实施例的一种太阳电池的剖面示意图。
请参照图1，第一实施例的太阳电池100包括一个底部电池(bottomcell)110、一个中间电池120和一个顶部电池130，其中底部电池110位于一个基板111上。上述基板111的材料至少包括锗(Ge)，而且在锗基板111上形成底部电池110的步骤例如是在外延一开始时，先在基板111上通入氢化砷(AsH3)气体并形成锗外延，以形成锗底部电池(Ge bottom cell)。举例来说，底部电池110有一层锗基极(Ge base)112和一层锗射极(Ge emitter)113。而中间电池120是位在底部电池110上，其包括依序堆叠的一层背面电场(backsurface field)121、一个基极(base)122、一层渐变式超晶格结构123、一个射极(emitter)124以及一层透光层125。上述渐变式超晶格结构123例如砷化镓/砷化镓铟(GaAs/GaInAs)渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑(GaAs/GaSbAs)渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓(GaAs/GaAsN)渐变式超晶格结构。以砷化镓/砷化镓铟为例，当增加铟(In)的含量时，可使能隙向下推展至1.0eV附近，并可增加其临界厚度，以提高1.0eV附近的吸光区域，而达到提高太阳效率的目的。在第一实施例中，中间电池120的背面电场121的材料包括磷化镓铟(GaInP)、基极122的材料包括砷化镓(GaAs)、射极124的材料包括砷化镓(GaAs)、透光层125的材料包括磷化镓铟(GaInP)。
请继续参照图1，顶部电池(top cell)130是位在中间电池120上，其包括依序堆叠的一层背面电场131、一个基极132、一个射极134以及一层透光层135。在第一实施例中，顶部电池130例如是磷化镓铟顶部电池(GaInP topcell)；举例来说，顶部电池130的背面电场层131的材料包括磷化铝镓铟(AlGaInP)、透光层135的材料包括磷化铝铟(AlInP)、基极132的材料包括磷化铟镓(InGaP)、射极134的材料包括磷化铟镓(InGaP)。此外，在底部电池110与中间电池120之间有一层穿隧接面(tunnel junction)层116以及在中间电池120与顶部电池130之间有另一层穿隧接面层126，上述穿隧接面层116和126的材料包括砷化镓(GaAs)或磷化镓铟(InGaP)。而在底部电池110下和顶部电池130上各有一层底部接触层108与一层顶部接触层138，其中顶部接触层138例如是n型(n-type)掺杂接触层、底部接触层108例如是p型(p-type)掺杂接触层，而n型(n-type)掺杂接触层的材料如锗/金/镍/金(Ge/Au/Ni/Au)、p型(p-type)掺杂接触层的材料如钛/铂/金(Ti/Pt/Au)。另外，第一实施例中还有一层抗反射层(anti-reflection)136位在未被顶部接触层138覆盖的顶部电池130上。
由于第一实施例采用渐变式超晶格结构，故可增加晶格常数不匹配的容忍度。以InGaAs/GaAs渐变式超晶格结构为例，其中的InGaAs与GaAs不会因为晶格常数突然变化大而产生较大的应力损及结晶的品质，因此可以成长较厚之外延膜。而且，因为本发明采用渐变式界面技术，所以其能级比陡结式的圆滑(smooth)，因此对于在此产生的电子空穴对较不会被局限在此吸收区域，可加快载流子移动率，将利于电子空穴对由光吸收层顺利取出，增加太阳电池效率，如图2所示的能级图。
另外，一般陡结结构的量子能级(quantum level)的阶态分得很开，主要的能量转换动作都是基态(ground state)负责，但使用本发明的渐变式结构可改变量子能级分布，让第二级以后的激发态(excited state)靠近基态，因此当光被此层吸收后，除了基本的基态能级转换光之外，第二级以后的能级也会做能量转换，因此可提高吸收波长的响应范围，如图3。
除了第一实施例所描述的太阳电池以外，本发明的概念还可应用到其它多结的III-V族化合物半导体基太阳电池，如图4所示。
图4是依照本发明的第二实施例的一种太阳电池的剖面示意图。
请参照图4，第二实施例的太阳电池400包括至少一个堆叠式pn结结构，且当堆叠式pn结结构的数目超过1，则太阳电池400还包括穿隧接面层404。如图4所示，有三个堆叠式pn结结构402a和402b，其中因为本发明所属技术领域中具有通常知识者，应可根据现有技术选用合适的堆叠式pn结结构，所以在图4并未绘出堆叠式pn结结构402a中的p型半导体层与n型半导体层，而是采用全部画成同一层的方式，来表示一般的堆叠式pn结结构。至于所述的穿隧接面层404可以配置于图4最上面的堆叠式pn结结构402a和中间的堆叠式pn结结构402b之间，并且配置于中间的堆叠式pn结结构402b与最下面的堆叠式pn结结构402a之间。而且，有一个堆叠式pn结结构402b至少包括一层p型半导体层406、一层n型半导体层408以及位于p型与n型半导体层406和408之间的一层渐变式超晶格结构410。这层渐变式超晶格结构410的能隙是介于磷化铟镓(InGaP)和砷化镓(GaAs)之间的值，优选介于0.95eV～1.0eV之间。举例来说，渐变式超晶格结构410可以是砷化镓/砷化镓铟(GaAs/GaInAs)渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑(GaAs/GaSbAs)渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓(GaAs/GaAsN)渐变式超晶格结构。至于穿隧接面层的材料则与第一实施例类似，可包括砷化镓(GaAs)或磷化镓铟(InGaP)。而在第二实施例中，p型半导体层406的材料是砷化镓、n型半导体层408的材料是砷化镓。
另外，在图4中的堆叠式pn结结构402b还可包括一层位于n型半导体层408上的透光层(未绘示)以及一层位于p型半导体层406下的背面电场(未绘示)，其中透光层的材料例如是磷化镓铟透光层；背面电场的材料例如是磷化镓铟。
虽然在图4中只有三个堆叠式pn结结构402a和402b，但是本发明尚可设计为两个、四个或更多的堆叠式pn结结构。此外，图4中具有渐变式超晶格结构410的堆叠式pn结结构402b虽然是位在两个堆叠式pn结结构402a中间，但是也可根据实际需要将其设置在堆叠式pn结结构402a上方或下方。
综上所述，本发明的特点如下：
1.本发明利用渐变式超晶格结构来增加晶格常数不匹配的容忍度，使得InGaAs与GaAs不会因为晶格常数突然变化大而产生较大的应力损及结晶的品质，因此可以成长较厚之外延膜，并因此可以提高In含量超过1％以上，进而将吸收波段提高至1.0eV，而取代已知的InGaAsN材料。
2.本发明采用渐变式界面技术，因此所形成的渐变式超晶格结构的能级比陡结式的圆滑，对于在此区域产生的电子空穴对较不会被局限在此吸收区域，可加快载流子移动率，因此利于电子空穴对由光吸收层顺利取出，增加太阳电池效率。
3.本发明中的渐变式超晶格结构的势垒是连续渐增或连续渐减，因此载流子所碰到的势垒较小容易跨越势垒，而载流子所碰到的势垒越小代表串联电阻越少，故可增加效率。
4.此外，一般陡结结构的量子能级(quantum level)的阶态分得很开，主要的能量转换动作都是基态负责，但本发明使用渐变式超晶格结构可改变量子能级分布，让第二级以后的激发态(excited state)靠近基态(ground state)，因此当光被此层吸收后，除了基本的基态能级转换光之外，第二级以后的能级也会做能量转换，因此可提高吸收波长的响应范围。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (26)

1.一种太阳电池，包括：
底部电池，位于基板上；
中间电池，在该底部电池上，其中该中间电池包括依序堆叠的背面电场、基极、渐变式超晶格结构、射极以及透光层；
顶部电池，在该中间电池上，其中该顶部电池包括依序堆叠的背面电场、基极、射极以及透光层；
至少二层穿隧接面层，分别位在该底部电池与该中间电池之间以及在该中间电池与该顶部电池之间；
底部接触层，在该底部电池下；以及
顶部接触层，在该顶部电池上；
抗反射层，在未被该顶部接触层覆盖的该顶部电池上。
2.如权利要求1所述的太阳电池，其中该渐变式超晶格结构包括砷化镓/砷化镓铟渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓渐变式超晶格结构。
3.如权利要求1所述的太阳电池，其中该基板的材料至少包括锗。
4.如权利要求1所述的太阳电池，其中该底部电池包括锗底部电池。
5.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部电池的材料包括为磷化镓铟。
6.如权利要求1所述的太阳电池，其中该中间电池的该背面电场的材料包括磷化镓铟。
7.如权利要求1所述的太阳电池，其中该中间电池的该基极的材料包括砷化镓。
8.如权利要求1所述的太阳电池，其中该中间电池的该射极的材料包括砷化镓。
9.如权利要求1所述的太阳电池，其中该中间电池的该透光层的材料包括磷化镓铟。
10.如权利要求1所述的太阳电池，其中该些穿隧接面层的材料包括砷化镓或磷化镓铟。
11.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部电池的该背面电场层的材料包括磷化铝镓铟。
12.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部电池的该透光层的材料包括磷化铝铟。
13.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部电池的该基极的材料包括磷化铟镓。
14.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部电池的该射极的材料包括磷化铟镓。
15.如权利要求1所述的太阳电池，其中该顶部接触层包括n型掺杂接触层。
16.如权利要求15所述的太阳电池，其中该顶部接触层的材料至少包括锗/金/镍/金。
17.如权利要求1所述的太阳电池，其中该底部接触层包括p型掺杂接触层。
18.如权利要求17所述的太阳电池，其中该底部接触层的材料至少包括钛/铂/金。
19.一种太阳电池，包括：
至少一堆叠式pn结结构；以及
当该至少一堆叠式pn结结构的数目超过1，还包括位于每一堆叠式pn结结构之间的穿隧接面层，其中
在该至少一堆叠式pn结结构中的一个堆叠式pn结结构至少包括：
p型半导体层；
n型半导体层；以及
渐变式超晶格结构，位于该p型半导体层与该n型半导体层之间，其中该渐变式超晶格结构的能隙是介于磷化铟镓的能隙和砷化镓的能隙之间。
20.如权利要求19所述的太阳电池，其中该渐变式超晶格结构包括砷化镓/砷化镓铟渐变式超晶格结构、砷化镓/砷化镓锑渐变式超晶格结构或砷化镓/氮化砷镓渐变式超晶格结构。
21.如权利要求19所述的太阳电池，其中该些穿隧接面层的材料包括砷化镓或磷化镓铟。
22.如权利要求19所述的太阳电池，其中该p型半导体层的材料包括砷化镓。
23.如权利要求19所述的太阳电池，其中该n型半导体层的材料包括砷化镓。
24.如权利要求19所述的太阳电池，其中具有该渐变式超晶格结构的该堆叠式pn结结构还包括：
透光层，位于该n型半导体层上；以及
背面电场，位于该p型半导体层下。
25.如权利要求24所述的太阳电池，其中该背面电场的材料包括磷化镓铟。
26.如权利要求24所述的太阳电池，其中该透光层的材料包括磷化镓铟透光层。
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