CN101720511A - 单p-n结串联光伏器件 - Google Patents
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Abstract
提供一种单P-N结太阳能电池，其具有用于电荷分离的两个耗尽区同时允许电子和空穴复合，从而与太阳能电池的两个耗尽区相关的电压将叠加起来。该单p-n结太阳能电池包括在P-N结的一侧上形成的InGaN或InAlN合金，以及在P-N结的另一侧上形成的Si，以仅通过单P-N结产生双结(2J)串联太阳能电池的特征。具有串联太阳能电池特征的单P-N结太阳能电池将获得超过30％的能量转化效率。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求在2007年6月20日提交的名称为“Single P-NJunction Tandem Photovoltaics”的美国临时专利申请第60/945,281号和2007年7月13日提交的名称为“Single P-N Junction TandemPhotovoltaics”的美国实用新型专利申请第11/777,963号的优先权，其内容通过全文引用并入本文。
技术领域
本公开涉及太阳能电池，更具体地涉及单结串联太阳能电池。
背景技术
太阳能电池或光伏电池是具有P-N结的半导体器件，其将太阳光的辐射能直接转化成电能。太阳光转化为电能包括三个主要过程：吸收太阳光进入半导体材料；生成和分离在太阳能电池中产生电压的正电荷和负电荷；以及收集并通过连接到半导体材料的端子转移电荷。用于电荷分离的单耗尽区通常存在于每个太阳能电池的P-N结中。
基于单一半导体材料的现有传统太阳能电池具有大约31％的固有效率极限。这个极限的主要原因是没有发现一种能够完美地匹配宽范围的太阳辐射的材料，太阳辐射具有在大约0.4eV到4eV的光子范围内的可用能量。具有半导体带隙以下能量的光将不被吸收和不被转化为电能。具有带隙以上能量的光将被吸收，但是快速产生的电子空穴对以热的形式丢失它们在带隙以上的过剩能量。因此，这种能量不能够用于转化为电能。
已经通过使用具有不同带隙的太阳能电池堆叠并由此形成一系列太阳能电池(被称为“多结”、“级联”或“串联”太阳能电池)来试图取得较高的效率。串联太阳能电池是现在可用的最高效率的太阳能电池。通过连接多个(例如，二个、三个、四个等)串联的P-N结太阳能电池来制造串联电池。通常在顶部电池使用较高能隙的材料以转化较高能量的光子，而让较低能量光子往下传递到太阳能电池堆叠中的较低能隙的材料，由此形成串联电池。对堆叠中的太阳能电池的带隙进行选择以使太阳能转化的效率最大化，其中使用隧道结来串接电池，使得电池的电压叠加在一起。这种多结太阳能电池要求大量的材料层以形成复杂的堆叠结构。
发明内容
根据一种或多种实施方式，提供一种单P-N结太阳能电池，其具有用于电荷分离的多个区，同时让电子和空穴复合，从而与太阳能电池的耗尽区相关的电压将叠加起来。在一个或多个实施方式中，太阳能电池中顶层的导带边缘(CBE)被形成为与太阳能电池中较低层的价带边缘(VBE)排成一行。
根据一种或多种实施方式，提供一种太阳能电池，该太阳能电池具有在P-N结的一侧上形成的InGaN或InAlN合金，以及在P-N结的另一侧上形成的Si，以通过单P-N结产生双结(2J)串联太阳能电池的特征。在一个实施方式中，使用In1-xGaxN合金，而在另一个实施方式中使用In1-xAlxN。根据一个或多个实施方式形成的单P-N结太阳能电池将实现超过30％的实际能量转化效率。
附图说明
通过参考以下说明书并结合附图，本公开以上提到的特征和目的将变得更清楚，在附图中相同的参考数字指示相同的元件，且其中：
图1是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的框图表示。
图2是图1的更具体的透视图，其显示在根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池中的各种区。
图3是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的异质结的能带图的图解表示。
图4A和图4B是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的异质结的计算(a)能带图和(b)电子和空穴浓度的图解表示。
图5A和图5B是根据本公开的一种或多种实施方式具有(a)反掺杂和(b)界面处的绝缘隔层的单P-N结串联太阳能电池的异质结的计算能带图的图解表示。
图6是根据本公开的一种或多种实施方式具有双反掺杂的单P-N结串联太阳能电池的框图横截面表示。
图7是根据本公开的一种或多种实施方式具有双反掺杂的单P-N结串联太阳能电池的异质结的计算能带图的图解表示。
具体实施方式
一般而言，本公开包括单P-N结串联光伏器件。本公开的某些实施方式现在将参考前面提到的附图进行讨论，其中相同参考数字指的是相同的元器件。
现在参考图1，总体显示根据一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池100的框图表示。层102和104之一被形成为p型材料，而层102和104的另一个被形成为n型材料，使得单P-N结105在层102和104之间存在。层102和104中的每一个也可以被描述和/或形成为在太阳能电池100里面的它自己的子电池(subcell)。在一种或多种实施方式中，太阳能电池中的顶层102的导带边缘(CBE)被形成为与太阳能电池100中的底层104的价带边缘(VBE)排成一行。在一种实施方式中，太阳能电池100包括第三族-氮化物合金的层102和Si层104。分别形成电接触106和108，其中电接触106在第三族-氮化物合金层102的顶部上或者用其他方法耦合到第三族-氮化物合金层102，且电接触108在Si层104的底部上或用其它方法耦合到Si层104。在一种或多种实施方式中，顶部电接触106应该由基本透明的导电材料形成，以让太阳辐射穿过电接触106进入太阳能电池100，例如通过将接触106形成为铟-锡-氧化物或其它合适的基本透明的导电材料或其它金属层的栅格来实现。依照太阳能电池制造领域的技术人员已知的方法形成电接触106和108。
在一种实施方式中，层102是In1-xGaxN合金，其中0≤x≤1，其具有大约0.7eV到3.4eV的能量带隙范围，提供与太阳能光谱良好的匹配。在另一实施方式中，层102为In1-xAlxN合金，其中0≤x≤1，其具有大约0.7eV到6.0eV的能量带隙范围，也提供与太阳能光谱良好的匹配。在一种或多种实施方式中，通过分子束外延产生具有低电子浓度和高电子迁移率的晶体来生长层102，而应该理解的是还可以进一步使用其它形成方法。为了在本文所述的各种实施方式中方便描述，层102将被称为InGaN层102，而应该理解的是在本文所述的各种实施方式中InAlN可以可交换地取代InGaN。
在一种或多种实施方式中，通过用p型掺杂物例如镁(Mg)掺杂InGaN层102来将InGaN层102形成为p型层，而用p型掺杂物例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)反掺杂薄的Si界面层。通过用n型掺杂物例如磷(P)、砷(As)或锑(Sb)掺杂Si层104来将Si层104的剩余部分形成为n型层。n型层和p型层的典型掺杂水平的范围为1015cm-3到1019cm-3。实际的掺杂水平依赖于太阳能电池100的层102和104的其它特征，并且可以在这个范围之内和之外进行调整以使效率最大化。应该理解的是P-N结105也可以通过用n-型掺杂物掺杂InGaN层102和用p型掺杂物掺杂Si层104来形成。在InGaN中，硅通常用作n型掺杂物而镁作为p型掺杂物。
随着生长，未掺杂的InGaN膜通常为n型，其中在一种实施方式中InGaN层102可以用Mg受主掺杂，使得InGaN层102表现为p型。在一个特定的实施方式中，在InyGa1-yN合金中使用p型掺杂物Mg，其中0.67≤y≤0.95。
虽然P-N结105可以简单地形成为如图1所示InGaN层102与Si层104相对放置。实际上，当结105处于热平衡和稳态时，将形成穿越P-N结105的多个耗尽区。电子和空穴将分别扩散进入具有低电子和空穴浓度的区。因此，在n型Si层104中的过量电子将扩散进入P-N结105的P侧，而在p型InGaN层102中的过量空穴将扩散进入P-N结105的N侧。如图2所示，这将在邻近P-N结105的InGaN层102中产生InGaN耗尽区110和在邻近P-N结105的Si层104中产生Si耗尽区112。
当太阳能电池100暴露于太阳能时，层102和104吸收含有与它们带隙相同量的能量的光波时，能量从太阳能中的光子转化为太阳能电池100。带隙为推动电子从材料的价带到它的导带所需要的能量。基于实验测量的在InN和GaN之间1.05±0.25eV的价带偏移量和已知的GaN电子亲和势(affinity)，预计InN将具有5.8eV的电子亲和势，是任意已知的半导体中最大的。InGaN或InAlN的合金形成的层102给予宽的带隙调谐范围，对于InGaN为0.7eV到3.4eV和对于InAlN为0.7eV到6.0eV。
通过使层102或104之一的导带与层102或104中的另一个的价带对准，在层102和104之间产生低阻抗隧道结。InGaN和InAlN的导带边缘120和价带边缘122的位置在图3中图解说明，其中点线114和116表示使InGaN和InAlN的导带与Si的价带分别对准的组成(例如，大约In0.7Al0.3N或In0.5Ga0.5N)。具有稍微多的Ga或Al的组成将使InGaN/InAlN的导带与Ge的价带对准。如图3所示，电子亲和势(相对于真空能级的导带最小值(CBM)的能量位置)也可以在宽范围内调谐，在InAlN中为5.8eV到2.1eV，且在InGaN中为5.8eV到4.2eV。在一种实施方式中，对于大约Al0.3In0.7N或In0.45Ga0.55N的组成，可以使AlInN/InGaN的导带与Si的价带对准，由此在层102和104之间产生非常低阻抗隧道的条件，而不需要以前的多结太阳能电池中一般要求的额外重掺杂层，与以前的多结太阳能电池相比，这大大简化了本单结串联太阳能电池100的设计。
具有在p型层102(InGaN或InAlN)和n型Si层104之间的单P-N结105的太阳能电池100提供：(1)用于电荷分离的两个耗尽区和(2)允许电子和空穴复合的结105，从而在层102和104中由太阳能产生的电压将叠加起来。这些观察类型先前仅在具有隧道结层的多结串联太阳能电池中可获得，而仅使用单P-N结从来没有可能获得。
太阳能电池100的单p-InGaN/n-Si异质结以根本不同于常规P-N半导体异质结的方式进行工作。在通常的P-N结中，p型侧上的空穴被耗尽，且n型侧上的电子被耗尽，产生单耗尽区。然而，根据一种或多种实施方式形成的本p-InGaN/n-Si异质结(或p-InAIN/n-Si异质结)产生了两个耗尽区。在照射下，这两个耗尽区都可以分离电荷，使得单p-InGaN/n-Si或p-InAIN/n-Si异质结用作双结串联太阳能电池。进一步地，在层102和104之间的结105处存在型反转(在结105的InGaN侧上存在过量电子且在结105的Si侧上存在过量空穴)，因而产生InGaN耗尽区110和Si耗尽区112。这种型反转(type inversion)提供了更高效率的电子-空穴湮灭作用并串联层102和104。
对于一种具有p型In0.45Ga0.55N层102和n型Si层104的实施方式，这种p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能电池的计算的能带图和电子及空穴浓度分别在图4A和图4B中图解说明。两个耗尽区130和132可以在图4A中看见，它们对应于在图2中显示的耗尽区110和112。通过指定组成获得了1.8eV的InGaN带隙，就最大能量转化效率而言，对于与具有带隙＝1.1eV的底部Si层104匹配的顶层102，1.8eV的InGaN带隙接近理想情况。
在照射下，具有大于In0.45Ga0.55N层102的1.8eV带隙的能量的光子在InGaN层102中产生电子-空穴对。Si层104吸收能量在1.1eV和1.8eV之间的光，以及没有被顶部InGaN层102吸收的能量＞1.8eV的光。两个层102和104中的掺杂可以调整以改变耗尽区130和132的大小。有效的电子和空穴复合在InGaN/Si结105处发生，使得在照射下，空穴将转到InGaN层102的表面并且电子将进入Si层104。薄的(～25nm)重掺杂p++层可以用于提供到InGaN表而的欧姆接触。
耗尽区130和132类似于在半导体材料中发现的“肖特基样(Schottky-like)”耗尽区，使得这两个耗尽区130和132对于未聚光的太阳光来说应该能在太阳能电池100中实现大约42％的效率，类似于通过2J串联电池实现的效率。
在一种或多种实施方式中，可以通过在层102、104中的至少一个和相应电接触106、108之一之间的界面附近的重反掺杂(即，在n型层104中的p++或在p型层102中的n++)来减少暗电流(即，当没有光作为输入时太阳能电池100的输出电流)。这也将增加断路电压和太阳能电池100的效率。参考图5A，其图解说明p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能电池的能带图，其中在邻近电接触106的p型层102中已经使用n++反掺杂(例如，10nm厚的n++9×1017的层)，其中线140表示CBE(eV)、线142表示VBE(eV)且线144表示EF。
在一种或多种实施方式中，可以通过使用在层102和104之间形成的薄绝缘隔层(例如，GaN或AlN薄层)来减少暗电流并且增加断路电压。该隔层将用来增加从p-InGaN层102进入n-Si层104的空穴泄漏的势垒，同时阻止从n-Si层104进入p-InGaN层102的电子泄漏。参考图5B，其图解说明p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能电池的能带图，其中在p-InGaN层102和n-Si层104之间使用薄的5nm GaN隔层。
图5A和5B中图解说明的与使用重反掺杂或薄绝缘层减少暗电流相关的上述两种方法，与没有这些特征的设计相比，将增加大约0.1eV到0.2eV的电子和空穴泄漏势垒。
在一种或多种实施方式中，通过在层102、104中的每一个和它们的结105交界处附近进行“双反掺杂”可以进一步减少暗电流。利用这种双反掺杂配置，在n型层104中形成p+反掺杂152且在p型层102中形成n+反掺杂150，如图6所示。在一种或多种实施方式中，在大约400nm厚的2×1016cm-3n-Si层104中将p+反掺杂152形成为大约10nm厚的1×1019cm-3p+层，而在大约300nm厚的2×1017cm-3p-In0.45Ga0.55N层102中将n+反掺杂150形成为大约10nm厚的9×1020cm-3n+层。参考图7，其图解说明根据上述反掺杂结构的p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能电池的能带图，其中线154表示CBE(eV)、线156表示VBE(eV)且线158表示EF。通过这种双反掺杂配置，Al或Ga扩散进入Si，在接近界面105的n型Si衬底102中产生p型层152，而Si扩散进入n型InGaN，在接近p型InGaN层102的界面处形成n型反掺杂层150。这种双反掺杂配置将用于增加断路电压和太阳能电池100的效率。
为了使用单P-N结形成串联光伏器件，太阳能电池100的上层102中的导带最小值(CBM)被形成为在相对于真空能级的能量方面与太阳能电池100的底层104的价带最大值(VBM)基本对齐或比太阳能电池100的底层104的价带最大值(VBM)低。本公开利用非常简单的单P-N结设计来使太阳能电池具有双结串联太阳能电池的效率特征。通过在底部n-Si层104上简单地形成p-InGaN层102(可以很薄(＜0.5μm))，可以产生效率在目前生产的最好的单结Si太阳能电池之上的串联太阳能电池100。在一种或多种实施方式中，可以使用复晶、多晶或甚至非晶Si形成层104。与先前已知的Si技术相比较，所生产的这种串联太阳能电池100可以具有增加的效率和较低的成本，其能使光伏制造彻底变革。
Claims (26)
1.一种太阳能电池，其包括：
p型层；
n型层；
单p-n结，所述单p-n结位于所述p型层和所述n型层之间；和
多个耗尽区，所述多个耗尽区用于与所述单p-n结相关的电荷分离。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池包括两个耗尽区。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述p型层和所述n型层之一包括InGaN合金。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述p型层和所述n型层中的另一个包括Si。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述p型层和所述n型层之一包括InAlN合金。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中所述p型层利所述n型层中的另一个包括Si。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述p 型层和所述n型层之一的导带与所述p型层和所述n型层中的另一个的价带基本对齐，以将所述p-n结形成为在所述p型层和所述n型层之间的低阻抗隧道结。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中每个所述耗尽区中产生的电压将叠加起来以产生所述太阳能电池的组合输出电压。
9.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述InGaN合金包括In1-XGaXN，其中0≤x≤1。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中X大约为0.5。
11.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述InAlN合金包括In1-XAlXN，其中0≤x≤1。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池，其中X大约为0.3。
13.根据权利要求1所述的太阳能电池，其还包括：
第一电接触，所述第一电接触耦合到所述p型层；和
第二电接触，所述第二电接触耦合到所述n型层。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其还包括在所述p型层和所述n型层的至少一个中的重反掺杂区，所述p型层和所述n型层分别邻近所述第一电接触和所述第二电接触中的至少一个。
15.根据权利要求1所述的太阳能电池，其还包括在所述p型层和所述n型层之间的绝缘隔层。
16.根据权利要求1所述的太阳能电池，其还包括：
在所述p型层中邻近所述n型层的反向掺杂区；和
在所述n型层中邻近所述p型层的反向掺杂区。
17.一种太阳能电池，其包括：
p型层；
耦合到所述p型层的第一电接触；
n型层；
耦合到所述n型层的第二电接触；
单p-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个耗尽区的所述p型层和所述n型层之间。
18.一种单结太阳能电池，其包括：
单p-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个耗尽区的p型子电池和n型子电池之间。
19.根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述p型子电池是p型材料的层。
20.根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述n型子电池是n型材料的层。
21.一种形成单结太阳能电池的方法，其包括：
布置p型层邻近n型层以形成单p-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个耗尽区的所述p型层和所述n型层之间。
22.根据权利要求21所述的方法，其还包括耦合与所述p型层耦合的第一电接触和与所述n型层耦合的第二电接触。
23.根据权利要求21所述的方法，其还包括：
由选自InGaN和InAlN 中的一种的合金形成所述p型层和所述n型层中的一个；和
由Si形成所述p型层和所述n型层中的另一个。
24.根据权利要求22所述的方法，其还包括在所述p型层和所述n型层的至少一个中形成重反掺杂区，所述p型层和所述n型层分别邻近所述第一电接触和所述第二电接触中的至少一个。
25.根据权利要求21所述的方法，其还包括在所述p型层和所述n型层之间形成绝缘隔层。
26.根据权利要求21所述的方法，其还包括在邻近所述n型层的所述p型层中形成反掺杂区和在邻近所述p型层的所述n 型层中形成反掺杂区。
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