CN101345268B

CN101345268B - 具有结合结构的半导体光电元件

Info

Publication number: CN101345268B
Application number: CN2007101291894A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: CN101345268A

Abstract

本发明关于一具有结合结构的半导体光电元件，包括一第一光电结构、一第二光电结构、以及一透明结合结构形成于第一光电结构及第二光电结构之间。

Description

具有结合结构的半导体光电元件

技术领域

本发明关于一种具有结合结构的半导体光电元件。

背景技术

在全世界迈向高度开发之际，能源问题俨然已成为最亟待解决的课题之一。相对于石油在可预期的未来将被用罄，太阳能被视为未来取代石油的环保能源之一。太阳能转换成电能的方法之一在利用具有特定能隙(band gap)的半导体材料形成p-n结，结两侧的载流子(电子/空穴)在吸收具有大于该特定能隙能量的光子后结合而产生电流。目前较为普及的多晶硅太阳能电池，虽然其转换效率仍低，约为10至15％，但由于原料取得容易及价格低廉，仍广泛被运用及推广。由于硅的能隙为1.12eV，仅能吸收太阳光谱部分的红外线范围的波长，若欲得到较高发电功率，硅太阳能板的面积必须随的增加，造成应用上的不便。

III-V族多结串迭层太阳能电池(multi-junction tandem solar cell)已被公认为目前转换效率最高的结构，例如包括晶格互相匹配的三个半导体结：锗/砷化镓/磷化镓铟系列(Ge/GaAs/GaInP)的串迭层结构，其最上层以具有较大能隙的Ga_xIn_1-xP(1.85eV；x～0.5)为上部电池(Top cell)，能吸具有较高能量的光子，即紫外线至可见光范围的波长；GaAs的能隙1.42eV，为中间电池(Middle cell)，吸收近红外线范围的波长；锗具有较低的能隙0.74eV，为底部电池(Bottom cell)，吸收通过前二迭层电池的红外线范围的波长。由于可吸收的太阳辐射光谱范围较广，转换效率亦大为提高至30％以上。

串迭层太阳能电池的转换效率取决于许多因素，例如，具有不同能隙的串迭层材料的选择以涵盖较广的太阳辐射光谱、各迭层厚度的最佳化以调整太阳能电池的短路电流(short-circuit current；I_sc)或开路电压(open-circuitvoltage；V_oc)，提高发电功率、或者各迭层的外延晶格匹配(lattice-match)程度，以降低晶格缺陷，提高转换效率。

受限于材料本身的晶格常数，当基板与下层材料的晶格不匹配(lattice-mismatch)时，于薄膜成长时会产生晶格缺陷，劣化元件的品质。多结串迭层太阳能电池元件在解决晶格不匹配问题时，最常见的作法为在不互相匹配的层别中间加入一透明的缓冲层，例如，已有研究以双结GaAs/GaInAs系列形成能隙组合为1.42eV/1.1eV的太阳能电池结构取代习知的GaAs/Ge电池结构，但由于Ga_yIn_1-yAs于能隙1.1eV(y～0.8)的晶格常数为5.75

，与GaAs的晶格常数5.65

不匹配，晶格不匹配程度达约1.8％。因此，有另一习知的作法为在GaAs电池与GaInAs系列电池之间成长一透明的晶格渐变层(graded layer)，例如为Ga_xIn_1-xP系列材料，并藉由逐步增加In含量使Ga_xIn_1-xP的晶格常数由5.65

(x～0.5)逐渐变化至5.75(x～0.25)，使包含GaInP系列材料的晶格渐变层的一表面匹配于GaAs电池，另一表面匹配于GaInAs电池，以解决晶格匹配问题。

为了获取更高的转换效率，更多结的串迭层太阳能电池设计将使得材料的选择更形困难，相对造成晶格不匹配的情形亦将更趋严重。有鉴于此，本发明提出一半导体光电的结合结构，提供使用者另一方案以解决不同材料间的结合问题。

发明内容

本发明提供一具有结合结构的半导体光电元件，包括第一光电结构、第二光电结构、以及形成于第一光电结构及第二光电结构之间的透明结合结构，使第一光电结构及第二光电结构电性连接；透明结合结构包括第一导电层、第二导电层、以及形成于第一导电层及第二导电层之间的透明黏着层，使第一导电层及第二导电层互相接触并电性导通；其中，该第一导电层及/或该第二导电层互相接触的表面具有非平面表面。

本发明的另一方面提供一具有结合结构的半导体光电元件，包括第一光电结构、第二光电结构、以及形成于第一光电结构及第二光电结构之间的透明结合结构，包括多个导电通道用以电性导通第一光电结构及第二光电结构，以及充填于多个导电通道之间的空隙内的透明黏着层。

本发明的另一方面提供一具有结合结构的太阳能电池元件，包括第一电池结构、第二电池结构、以及形成于第一电池结构以及第二电池结构之间的透明结合结构。

本发明的另一方面提供一具有结合结构的发光元件，包括第一发光迭层、第二发光迭层、以及形成于第一发光迭层以及第二发光迭层之间的透明结合结构。

附图说明

图1为一示意图，显示依本发明所示的一太阳能电池元件；

图2为一示意图，显示依本发明所示的另一太阳能电池元件；

图3为一示意图，显示依本发明所示的太阳能电池元件的第三实施例；

图4为一示意图，显示依本发明所示的发光元件结构；

图5为一示意图，显示依本发明所示接合结构的另一实施例；

图6为一示意图，显示依本发明所示接合结构的第三实施例。

主要元件符号说明

1～3：太阳能电池元件；

4：发光元件；

5、6：半导体光电元件；

10：硅电池结构；

101：p型硅；

102：n型硅；

11、21、31：砷化镓电池结构；

111、211、311：p型砷化镓层；

112、212、312：n型砷化镓层；

12、22、32：磷化镓铟系列电池结构；

121、221、321：p型磷化镓铟层；

122、222、322：n型磷化镓铟层；

13、23、34、43、52、62：透明结合结构；

131、231、341、431、521、132、232、342、432、522：透明导电层；

133、233、343、433、523、622：透明黏着层；

14、24、35、36：隧穿结；

15、25、37：抗反射层；

16、26、38、53、63：上部电极；

17、27、39、54、64：底部电极；

30：锗电池结构；

301：p型锗；

302：n型锗；

33：氮化镓铟系列电池结构；

331：p型氮化镓铟层；

332：n型氮化镓铟层；

40：基板；

41、42：发光迭层；

411、421：n型覆层；

412、422：有源层；

411、421：p型覆层；

44～45：电极；

50、60：第一光电结构；

51、61：第二光电结构

621：金属块

具体实施方式

图1为依本发明的一实施例，太阳能电池元件1包括一硅(Si)电池结构10，至少包括一p型硅层101及一n型硅层102组成的第一p-n结、一砷化镓(GaAs)电池结构11，至少包括一p型砷化镓层111及一n型砷化镓层112组成的第二p-n结、以及一磷化镓铟(GaInP)系列电池结构12，至少包括一p型磷化镓铟层121及一n型磷化镓铟层122组成的第三p-n结串迭而成。一隧穿结(Tunnel junction)14形成于晶格为互相匹配的GaAs电池结构11及GaInP系列电池结构12之间，使两电池结构电性导通，其中，该隧穿结14为高掺杂的p型及n型半导体层所组成，隧穿结14材料的能隙为不小于第二p-n结材料的能隙，较佳为不小于第三p-n结材料的能隙，使隧穿结14相对于穿透GaInP系列电池结构12的剩余太阳光谱为透明结构，例如为AlGaAs系列或GaInP系列的材料。一透明结合结构13形成于晶格不互相匹配的Si电池结构10及GaAs电池结构11之间，该透明结合结构13包括透明导电层131及132分别形成于Si电池结构10及GaAs电池结构11彼此相对的表面、以及一透明黏着层133形成于透明导电层131及132之间，用以使透明导电层131及132互相接触并电性导通；其中，透明结合结构13相对于穿透GaAs电池结构11的剩余太阳光谱具有至少60％的穿透率。为达到较佳的黏着效果，透明导电层131及/或透明导电层132具有非平面表面，例如，可为以传统光刻、蚀刻方式所形成的具有规则或不规则图案的连续表面或不连续表面，并于结合时使透明黏着层133的材料填入透明导电层131及132接触后所形成的空隙内，以提高接合强度。透明导电层131及132包括透明氧化导电层或薄金属层；透明氧化导电层例如为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锌；薄金属层为具有较薄厚度的金属层，例如不大于100埃

以使透明结合结构13的穿透率大于60％，其材料例如为铍金合金(BeAu)、锗金合金(GeAu)、镍金合金(NiAu)、铂(Pt)、或钯(Pd)。透明黏着层133包括至少一种材料选自于聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(epoxy resin)、及硅树脂(Silicone)所构成的材料群组。太阳能电池元件1还包括一抗反射层15形成于GaInP系列电池结构12之上，以降低结构表面对光线的反射、一上部电极16形成于GaInP系列电池结构12之上、以及一底部电极17形成于Si电池结构10底部，其中该上部电极16以及底部电极17用以将电池结构1产生的电流导至外部的电力供应、转换或储存装置。

图2为依本发明的另一实施例，太阳能电池元件2包括一砷化镓铟(GaInAs)系列电池结构20，至少包括一p型GaInAs层201及一n型GaInAs层202组成的第一p-n结、一砷化镓(GaAs)系列电池结构21，至少包括一p型GaAs层211及一n型GaAs层212组成的第二p-n结、以及一磷化镓铟(GaInP)系列电池结构22，至少包括一p型GaInP层221及一n型GaInP层222组成的第三p-n结串迭而成。一隧穿结(Tunnel junction)24形成于晶格为互相匹配的GaAs电池结构21及GaInP系列电池结构22之间，使两电池结构电性导通，其中，该隧穿结24为高掺杂的p型及n型半导体层所组成，隧穿结24材料的能隙为不小于第二p-n结材料的能隙，较佳为不小于第三p-n结材料的能隙，使隧穿结24相对于穿透GaInP系列电池结构22的剩余太阳光谱为透明结构，例如为包含AlGaAs系列或GaInP系列的材料。一透明结合结构23形成于晶格不互相匹配的GaInAs系列电池结构20及GaAs电池结构21之间，该透明结合结构23包括透明导电层231及232分别连接于GaInAs系列电池结构20及GaAs电池结构21彼此相对的表面、以及一透明黏着层233形成于透明导电层231及232之间，用以使透明导电层231及232互相接触并电性导通；其中，透明结合结构23相对于穿透GaAs电池结构21的剩余太阳光谱具有至少60％的穿透率。为达到较佳的黏着效果，透明导电层231及/或透明导电层232具有非平面表面，例如，可为以传统光刻、蚀刻方式所形成的具有规则或不规则图案的连续表面或不连续表面并在结合过程时使透明黏着层233的材料填入透明导电层231及232接触后所形成的空隙内，以提高接合强度。透明导电层231及232包括透明氧化导电层或薄金属层；透明氧化导电层例如为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锌；薄金属层为具有较薄的厚度的金属层，例如不大于100埃

以使透明结合结构23的穿透率大于60％，其例如为铍金合金(BeAu)、锗金合金(GeAu)、镍金合金(NiAu)、铂(Pt)、或钯(Pd)。透明黏着层233包括至少一种材料选自于聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(epoxy resin)、及硅树脂(Silicone)所构成的材料群组。太阳能电池元件2还包括一抗反射层25形成于GaInP系列电池结构22之上，以降低元件表面对光线的反射、一上部电极26形成于GaInP系列电池结构22之上、以及一底部电极27形成于GaInAs系列电池结构20底部，其中该上部电极26以及底部电极27用以将太阳能电池元件2产生的电流导至外部的电力供应、转换或储存装置。

图3为依本发明的另一实施例，太阳能电池元件3由包括一锗(Ge)电池结构30，至少包括一p型Ge层301及一n型Ge层302组成的第一p-n结、一砷化镓(GaAs)电池结构31，至少包括一p型GaAs层311及一n型GaAs层312组成的第二p-n结、一磷化镓铟(GaInP)系列电池结构32，至少包括一p型GaInP层321及一n型GaInP层322组成的第三p-n结、以及一氮化镓铟(GaInN)系列电池结构33，至少包括一p型GaInN层321及一n型GaInN层322组成的第四p-n结串迭而成。太阳能电池元件3还包括一第一隧穿结35形成于晶格为互相匹配的Ge电池结构30及GaAs电池结构31之间，使两电池结构电性导通、以及一第二隧穿结36形成于晶格为互相匹配的GaAs电池结构31及GaInP系列电池结构32之间，使两电池结构电性导通，其中，第一隧穿结35及第二隧穿结36各包括一高掺杂的p型及n型半导体层所组成，且第一隧穿结35材料的能隙为不小于第一p-n结材料的能隙，较佳为不小于第二p-n结材料的能隙，使隧穿结35相对于穿透GaAs电池结构31的剩余太阳光谱为透明结构，例如为AlGaAs系列或GaAs材料；第二隧穿结36材料的能隙为不小于第二p-n结材料的能隙，较佳为不小于第三p-n结材料的能隙，使隧穿结36相对于穿透GaInP系列电池结构32的剩余太阳光谱为透明结构，例如为AlGaAs系列或GaInP系列材质。一透明结合结构34形成于晶格不互相匹配的GaInP系列电池结构32及GaInN系列电池结构33之间，该透明结合结构34包括透明导电层341及342分别连接于GaInP系列电池结构32及GaInN系列电池结构33彼此相对的表面、以及一透明黏着层343形成于透明导电层341及342之间，用以使透明导电层341及342互相接触并电性导通；其中，透明结合结构34相对于穿透GaInN系列电池结构33的剩余太阳光谱具有至少60％的穿透率。为达到较佳的黏着效果，透明导电层341及/或透明导电层342具有非平面表面，例如，可为以传统光刻、蚀刻方式所形成的具有规则或不规则图案的连续表面或不连续表面，并在结合过程时使透明黏着层343的材料填入透明导电层341及342接触后所形成的空隙内，以提高接合强度。透明导电层341及342包括透明氧化导电层或薄金属层；透明氧化导电层例如为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锌；薄金属层为具有较薄厚度的金属层，例如不大于100埃

以使透明结合结构34的穿透率大于60％，其材料例如为铍金合金(BeAu)、锗金合金(GeAu)、镍金合金(NiAu)、铂(Pt)、或钯(Pd)。透明黏着层233包括至少一种材料选自于聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(epoxy resin)、及硅树脂(Silicone)所构成的材料群组。太阳能电池元件3还包括一抗反射层37形成于GaInN系列电池结构33之上，以降低结构表面对光线的反射、一上部电极38形成于GaInN系列电池结构33之上、以及一底部电极39形成于Ge电池结构30底部，其中该上部电极38以及底部电极39用以将电池元件3产生的电流导至外部的电力供应、转换或储存装置。

图4为依本发明的另一实施例，发光元件4包括一基板40、一包括(Al_aGa_1-a)_0.5In_0.5P系列材质的第一发光迭层41形成于基板上、以及一包括Al_bIn_cGa_(1-b-c)N系列材质的第二发光迭层42形成于第一发光迭层41上，第一发光迭层41及第二发光迭层42于驱动时发出不同波长范围的光线，例如，第一发光迭层41可视Al的组成比例a发出红、黄、或绿色的光线，而第二发光迭层42则可视Al的组成比例b及In的组成比例c发出蓝、绿、或紫色的光线；第二发光迭层42的能隙大于第一发光迭层41的能隙，以避免第一发光迭层41发出的光线被第二发光迭层42吸收。其中，第一发光迭层41包括一第一n型覆层(cladding layer)411、一第一p型覆层413、以及一第一有源层(active layer)412，介于该第一n型覆层411及第一p型覆层413之间；第二发光迭层42包括一第二n型覆层421、一第二p型覆层423、以及一第二有源层422，介于第二n型覆层421及第二p型覆层423之间。一透明结合结构43形成于晶格不互相匹配的第一发光迭层41及第二发光迭层42之间，该透明结合结构43包括一第一透明导电层431及一第二透明导电层432分别连接于第一发光迭层41及第二发光迭层42彼此相对的表面、以及一透明黏着层433形成于第一透明导电层431及第二透明导电层432之间，用以使第一透明导电层431及第二透明导电层432互相接触并电性导通；其中，透明结合结构43相对于第一发光迭层41发出的光线具有至少60％的穿透率，较佳为80％以上，以提高出光效率。为达到较佳的黏着效果，透明导电层431及/或透明导电层432具有非平面表面，例如，可为以传统光刻、蚀刻方式所形成的具有规则或不规则图案的连续表面或不连续表面，并在结合过程时使透明黏着层433的材料填入透明导电层431及432接触后所形成的空隙内，以提高接合强度。透明导电层431及432包括透明氧化导电层或薄金属层；透明氧化导电层例如为氧化铟锡、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锌；薄金属层为具有较薄厚度的金属层，例如不大于100埃

以使透明结合结构的穿透率大于60％，薄金属层的材料例如为铍金合金(BeAu)、锗金合金(GeAu)、镍金合金(NiAu)、铂(Pt)、或钯(Pd)。透明黏着层432包括至少一种材料选自于聚酰亚胺(PI)、苯并环丁烯(BCB)、过氟环丁烷(PFCB)、环氧树脂(epoxy resin)、及硅树脂(Silicone)所构成的材料群组。此外，部分的第二发光迭层42、透明结合结构43、以及第一发光迭层41被移除以裸露出部分的第一发光迭层41的第一n型覆层411，且第二发光迭层42堆迭于部分的第一发光迭层41之上。发光元件4还包括一第一电极44形成于裸露的第一发光迭层41的第一n型覆层411之上，并施加一第一电位、以及一第二电极形成于第二发光迭层42的第二p型覆层423之上，并施加一第二电位，其中，第一电位小于第二电位。于驱动时，第一发光迭层41及第二发光迭层42发出的光线混合形成具有第三光谱特性的光线，例如白光。

图5为依本发明的另一实施例，半导体光电元件5包括一第一光电结构50、一第二光电结构51、一透明结合结构52、一上部电极53、以及一底部电极54。第一光电结构50及第二光电结构51可为上述各实施例所揭露的太阳能电池结构或发光迭层结构，且透明结合结构52的透明导电层521及/或透明导电层522的表面为粗化表面，例如为以机械研磨或其他物理化学方式所随机形成的粗化表面，亦或以薄膜沉积方式，藉由控制沉积参数，使形成的粗化表面，并在结合过程时使透明黏着层523的材料填入透明导电层521及522接触后所形成的空隙内，以提高接合强度。

图6为依本发明的另一实施例，半导体光电元件6包括一第一光电结构60、一第二光电结构61、一透明结合结构62、一上部电极63、以及一底部电极64。第一光电结构60及第二光电结构61可为上述各实施例所揭露的太阳能电池结构或发光迭层结构，且透明结合结构62包括多个金属块621分布于两光电结构之间、以及透明黏着层622的材料填入两光电结构之间的空隙内，以提高接合强度。其中，多个金属块621覆盖不大于30％的第一光电结构或第二光电结构表面，使得透明结合结构62的穿透率大于60％，以维持透明导电结构的透光性。金属块621包括至少一种材料选自于铍金合金(BeAu)、锗金合金(GeAu)、镍金合金(NiAu)、铂(Pt)、及钯(Pd)所组成的群组。

以上各实施例提及的GaInP系列代表任意x值的Ga_xIn_1-xP(0≤x≤1)，于说明书不同地方提及的GaInP并不隐含具有相同的Ga或In组成；相同情形，可类推于GaInAs系列、AlGaAs系列、以及GaInN系列的定义。

虽然以上各实施例所揭露的太阳能电池结构为p-n结，但为了得到较佳的载流子结合效率，可在p型半导体层及n型半导体层之间加入一本征型(intrinsic type)半导体层以形成p-i-n结，以进一步提升太阳能电池元件的效能。

本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更皆不脱离本发明的精神与范围。

Claims

1.一种具有结合结构的半导体光电元件，包括：

第一光电结构，包括至少一第一p-n结；

第二光电结构，包括至少一第二p-n结；以及

透明结合结构，形成于该第一光电结构及该第二光电结构之间，使第一光电结构及第二光电结构电性连接；其中，该透明结合结构包括具有第一结合面的第一导电层、具有第二结合面的第二导电层、以及透明黏着层用以结合该第一导电层及该第二导电层，并填充于该第一结合面及该第二结合面互相接触后所形成的缝隙内，且不接触该第一光电结构和该第二光电结构，其中该第一结合面及/或该第二结合面为非平面表面。

2.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该非平面表面包括粗化表面及/或图案化表面。

3.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第一p-n结具有第一能隙，该第二p-n结具有相异于第一能隙的第二能隙。

4.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第一光电结构或该第二光电结构包括至少两个具有相异能隙的p-n结。

5.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第一光电结构及该第二光电结构每一个均包括至少两个具有相异能隙的p-n结。

6.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第一p-n结与该第二p-n结的晶格不匹配。

7.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该透明黏着层包括至少一种材料选自于聚酰亚胺、苯并环丁烯、过氟环丁烷、环氧树脂、及硅树脂所构成的材料群组。

8.如权利要求1所述的半导体光电元件，其中该第一导电层及/或该第二导电层包括透明金属氧化层或薄金属层。