CN102117849A

CN102117849A - 太阳能电池元件及其装置

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Publication number: CN102117849A
Application number: CN2009102660999A
Authority: CN
Inventors: 林义杰; 李世昌
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN102117849B

Abstract

本发明关于一种多接面太阳能电池元件，其包括具有第一晶格常数的基板、具有第二晶格常数的第一光电转换层、以及具有第三晶格常数的第二光电转换层。其中，第一晶格常数介于第二晶格常数与第三晶格常数之间。

Description

太阳能电池元件及其装置

技术领域

本发明涉及一种多接面太阳能电池元件，尤其是涉及一种具有良好应力平衡的多接面太阳能电池元件。

背景技术

伴随着经济发展的脚步，为了提高商品的产量及获得更高的利润，旧有以人力为主的生产工序逐渐被机器所取代。在工业革命后，电力逐渐成为主要动力，而电力的来源，亦即能源的取得，也因此被视为国际间主要的研究课题。相对于石油、煤、核能等污染性能源，太阳能是一种无污染的能源，可提供地表平均每平方公尺约180瓦特的能量，且没有能源被垄断的问题，已成为未来最有发展潜力的能源之一。

自从第一个太阳能电池于1954年诞生于美国的贝尔实验室后，各种不同太阳能电池的结构纷纷被披露。其中，依据不同的材料主要可分为硅基太阳能电池、多接面半导体太阳能电池、色素敏化染料太阳能电池、及有机导电高分子太阳能电池等。请参照图1，以目前较普及的一种硅基太阳能电池元件1为例，其结构包括第一电极12、硅基板17、p型硅半导体层14、n型硅半导体层15、以及第二电极16。太阳光10照射太阳能电池元件1并提供p型硅半导体层14及n型硅半导体层15大于硅半导体层能隙(band gap)的能量，硅半导体层内原子吸收能量后，产生自由的载流子(电子/空穴)，其中，产生的电子往n型硅半导体层15移动，产生的空穴往p型硅半导体层14移动，p型硅半导体层14及n型硅半导体层15交接的p-n接面处因正负不同电性的电荷堆积而产生电位差。因电位差的趋使，累积于n型硅半导体层15的电子透过第一电极12流出外部线路(图未示)进入第二电极16，即可于外部线路产生电流。此时，如果在外部线路接上一个负载(图未示)，即可收集产生的电流，储存电能。在此，p型硅半导体层14及n型硅半导体层15的组合可吸收特定波长范围的光线并产生电流，称之为光电转换层11。

图2为地球表面太阳能辐射的光谱。根据光谱显示，太阳光于地表的分布波长除了可见光之外，在红外光及紫外光区域也有分布。然而，根据上述的太阳能电池原理，在传统单一半导体结构的太阳能电池中，只有相等或大于半导体层材料能隙的太阳光能量才可被吸收转换。以硅为例，其能隙约为1.12eV，仅能吸收太阳光谱部分红外线范围的波长。此外，再考量电池内部结构的损耗，会产生电池转换效率过低的问题。

为了改善上述的问题，一种多接面串叠的太阳能电池结构(multi-junctiontandem solar cell)已经研究开发并且成为目前转换效率最高的太阳能电池结构之一。

请参照图3，其为一种多接面串叠的太阳能电池元件，内部包含有锗/砷化镓铟/磷化镓铟系列(Ge/Ga_1-yIn_yAs/Ga_1-xIn_xP)三个光电转换层p-n接面的结构。多接面太阳能电池元件3由包括第一电极32、锗基板35、锗系列组成的第一光电转换层31、砷化镓铟系列组成的第二光电转换层33、磷化镓铟系列组成的第三光电转换层34、以及第二电极36串叠而成。其中，每一个光电转换层分别由p型半导体层及n型半导体层组合构成p-n接面，即：第一锗光电转换层31由p型锗层311(p-Ge)及n型锗层312(n-Ge)组合构成第一p-n接面；第二砷化镓铟光电转换层33由p型砷化镓铟层331(p-Ga_1-yIn_yAs)及n型砷化镓铟层332(n-Ga_1-yIn_yAs)组合构成第二p-n接面；第三磷化镓铟光电转换层34由p型磷化镓铟层341(p-Ga_1-xIn_xP)及n型磷化镓铟层342(n-Ga_1-xIn_xP)组合构成第三p-n接面。当太阳光30照射时，为了使太阳光的能量可以被上述多层的光电转换层重复吸收利用，最靠近太阳光位置的光电转换层优选地为具有较大半导体能隙的光电转换层，接着再逐渐递减所配置的光电转换层能隙。即，磷化镓铟光电转换层34的能隙大于砷化镓铟光电转换层33的能隙，而砷化镓铟光电转换层33的能隙又大于锗光电转换层31的能隙。

此外，第一光电转换层31与第二光电转换层33之间具有第一隧穿接面(Tunnel junction)38，第二光电转换层33与第三光电转换层34之间亦具有第二隧穿接面39。隧穿接面存在于光电转换层之间，用以调整两个相邻光电转换层结构之间的阻值，减少电荷聚集于两个光电转换层的任一侧，使光电转换层之间具有较一致的电流。

当太阳光30先通过上部具有较高能隙的磷化镓铟光电转换层34后，具有较高能量的光子部分被吸收(Ga_1-xIn_xP(1.85eV；x～0.5)，约为紫外光至可见光的范围)；接着，位于中央的砷化镓铟光电转换层33(Ga_1-yIn_yAs(y～0.01))因具有小于磷化镓铟光电转换层34的能隙，可吸收可见光至红外光部分以上能量的光线，当然，也可吸收包含在第一层磷化镓铟光电转换层34未被转换利用而穿透至此层的高能量光线，达到重复利用光能的效果。最后，锗光电转换层31因具有较低的能隙，可重复吸收通过前两个光电转换层后未被吸收且大于红外光能量范围的光能。请参照图4，图4为多接面太阳能电池元件3材料的光频谱响应图，横轴表示光电转换层可吸收太阳光的波长，纵轴表示量子效率的百分比。当量子效率越高，选择的材料越可以有效吸收相对应波段的光源并转换为太阳能电池中的电子/空穴对。图4显示，自基板向上由锗/砷化镓铟/磷化镓铟系列组成具有渐大能隙的多接面串叠太阳能电池因具有较广泛且相互重叠吸收波长范围的特性，能量可以被不断重复的吸收利用，并且在不同的波长范围皆可获得极高的量子效率。因此，利用此种串叠结构的太阳能电池具有较高的转换效率。

然而，一个多接面串叠太阳能电池的设计，不仅仅取决于材料能隙间的相互搭配，更必须调整不同光电转换层材料间的厚度，由此达成电流的平衡。此外，光电转换叠层材料间的晶格常数还需要相互匹配，才能降低太阳能电池制作工艺时产生的晶格缺陷，提高元件的品质及转换效率。

参考图3，太阳能电池元件3其主要结构由下自上分别为锗基板35，锗光电转换层31，砷化镓铟光电转换层33及磷化镓铟光电转换层34。锗基板35及锗光电转换层31的晶格常数为5.66A，砷化镓铟光电转换层33的晶格常数约为5.64A，而磷化镓铟光电转换层34的晶格常数亦约为5.64A。也就是说，相较于锗基板35而言，砷化镓铟光电转换层33及磷化镓铟光电转换层34的晶格常数是比较小的，即锗基板35对于砷化镓铟光电转换层33及磷化镓铟光电转换层34皆施予拉伸应力(tensile stress)。整体而言，在太阳能电池元件3中，锗基板35上方的光电转换层皆具有等于或小于锗基板35的晶格常数值，也就是说，上层叠层受到了来自锗基板35相同效果的应力，皆为拉伸应力，此叠加的作用力将可能于后续元件制作工艺时产生挠曲或是龟裂的情况，进而影响元件的品质及合格率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多接面太阳能电池元件及其装置，以解决上述问题。

为达上述目的，本发明提供一种多接面太阳能电池元件，包括具有第一晶格常数的基板、具有第一能隙及第二晶格常数的第一光电转换层，设置于基板上、以及具有第二能隙及第三晶格常数的第二光电转换层，设置于第一光电转换层上；其中，第一晶格常数介于第二晶格常数与第三晶格常数之间。

在本发明的另一实施例中，其中，上述的第一能隙小于第二能隙；第一光电转换层结构的材料包含Ga_1-xIn_xAs，且0.35＜x＜0.45。

在本发明的另一实施例中，其中，上述的第一能隙大于第二能隙；第一光电转换层结构的材料包含Ga_1-xIn_xP，且0.52＜x＜0.57。

在本发明的另一实施例中，其中，上述第一晶格常数与第二晶格常数的差值不大于第一晶格常数的3％。

本发明的另一方面在提供一种多接面太阳能电池元件，包括第一电极、具有第一晶格常数的基板，设置于第一电极的一侧、具有第二晶格常数的第一光电转换层设置于基板上，用以吸收第一波长范围的光线并产生第一电流、具有第三晶格常数的第二光电转换层设置于第一光电转换层上，用以吸收第二波长范围的光线并产生第二电流、以及第二电极，设置于第二光电转换层上；其中，第一晶格常数介于第二晶格常数与第三晶格常数之间。

在本发明的实施例中，上述的多接面太阳能电池元件还包括第三光电转换层，设置于第一电极与第二电极之间，用以吸收第三波长范围的光线并产生第三电流。

在本发明的另一实施例中，其中，上述第一晶格常数与第二晶格常数的差值不大于第一晶格常数的6％。

在本发明的另一实施例中，其中，元件的第一波长范围大于第二波长范围；第一光电转换层结构的材料包含Ga_1-xIn_xAs，且0.35＜x＜0.45。

本发明的另一方面在提供一种多接面太阳能电池装置，包括上述的多接面太阳能电池元件以及光线聚集装置，设置于上述多接面太阳能电池元件之上；于本发明的实施例中，其中，光线聚集装置为菲涅尔透镜(Fresnel Lens)；上述的多接面太阳能电池装置还包括散热基座，且上述的多接面太阳能电池元件设置于散热基座之上。

在本发明的实施例中，其中，上述的基板包括至少一种材料选自于砷化镓、锗、碳化硅、硅、磷化铟、硅化锗、氧化锌、氮化镓、玻璃、金属、及蓝宝石所构成的材料群组；上述的光电转换层包括至少一种材料选自于III族氮化物、III族磷化物、以及III族砷化物所构成的材料群组。

附图说明

图1为示意图，其显示已知硅基太阳能电池元件；

图2为光谱图，其显示地球表面太阳能辐射的光谱；

图3为示意图，其显示已知另一多接面太阳能电池元件；

图4为光谱图，其显示依图2所示多接面太阳能电池元件的光频谱响应图；

图5为示意图，其显示依本发明实施例所示的多接面太阳能电池元件；

图6为流程图，其显示依本发明实施例所示的多接面太阳能电池元件的制作流程；

图7为示意图，其显示依本发明实施例所示的多接面太阳能电池装置。

附图标记说明

1、3、5、73：多接面太阳能电池元件；

10、30、70：太阳光；

11：光电转换层；

12、32、52：第一电极；

14：p型硅半导体层；

15：n型硅半导体层；

16、36、56：第二电极；

17、35、55：基板；

31、51：第一光电转换层；

33、53：第二光电转换层；

34、54：第三光电转换层；

37、57：抗反射层；

38、58：第一隧穿接面；

39、59：第二隧穿接面；

311：p型锗层；

312：n型锗层；

331、511、531：p型砷化镓铟层；

332、512、532：n型砷化镓铟层；

341、541：p型磷化镓铟层；

342、542：n型磷化镓铟层；

7：多接面太阳能电池装置；

71：散热基座；

72：光线聚集装置。

具体实施方式

图5为依本发明的实施例，多接面太阳能电池元件5由包括第一电极52、砷化镓基板55、砷化镓铟(Ga_0.63In_0.37As)系列组成的第一光电转换层51、砷化镓铟(Ga_0.96In_0.04As)系列组成的第二光电转换层53、磷化镓铟(Ga_0.54In_0.46P)系列组成的第三光电转换层54、以及第二电极56串叠而成。其中，每一光电转换层分别由p型半导体层及n型半导体层所形成的p-n接面，即第一砷化镓铟光电转换层51由p型砷化镓铟层511(p-Ga_0.63In_0.37As)及n型砷化镓铟层512(n-Ga_0.63In_0.37As)所形成的第一p-n接面；第二砷化镓铟光电转换层53由p型砷化镓铟层531(p-Ga_0.96In_0.04As)及n型砷化镓铟层532(n-Ga_0.96In_0.04As)所形成的第二p-n接面；第三磷化镓铟光电转换层54由p型磷化镓铟层541(p-Ga_0.54In_0.46P)及n型磷化镓铟层542(n-Ga_0.54In_0.46P)所形成的第三p-n接面。

此外，第一光电转换层51与第二光电转换层53之间可选择性形成第一隧穿接面(Tunnel junction)58，第二光电转换层53与第三光电转换层54之间可选择性形成第二隧穿接面59。隧穿接面可选择性形成于光电转换层之间，用以调整二相邻光电转换层结构之间的阻值，减少电荷聚集于二光电转换层的任一侧，使光电转换层之间具有较一致的电流。其中，隧穿接面的结构一般为高掺杂的p型或n型半导体层，隧穿接面材料的能隙为不小于其两侧光电转换层中能隙较小的光电转换层的能隙，优选为不小于其两侧光电转换层中能隙较大的光电转换层的能隙，使隧穿接面相对于穿透光电转换层的剩余太阳光谱为透明结构而可以被其他光电转换层吸收利用。在本实施例中，为达成较高的光电转换效率，亦可选择性的在电极52与光电转换层54之间形成抗反射层57来降低结构表面对光线的反射。

接着，将详细叙述光电转换层与基板间生长及结构的相对关系。在本实施例中，砷化镓基板的晶格常数为5.65A，为了使材料能更有效率的吸收长波长的部分，在砷化镓成分中加入可降低材料能隙的铟作为光电转换层的结构。如本实施例所述，第一砷化镓铟光电转换层51的材料包含Ga_0.63In_0.37As，而第二砷化镓铟光电转换层53的材料包含Ga_0.96In_0.04As。然而，当材料中铟的比例上升时，除降低材料能隙之外，晶格常数也相对增大。因此，相较于砷化镓基板55，掺混铟的第一光电转换层51与第二光电转换层53具有较大的晶格常数。因此，上方第一光电转换层51与第二光电转换层53叠层受到来自基板55相同效果的应力，皆为压缩应力(compressive stress)。如现有技术所提及的问题，此叠加的作用力可能于后续元件制作工艺时产生挠曲或是龟裂的情况，进而影响元件的品质及合格率。因此，在本实施例中，在此多接面太阳能电池元件5中另外选择一个相对于砷化镓基板55而言具有较小晶格常数的材料，以达成元件内部的应力平衡。一般而言，内部应力平衡的元件，不论在元件的品质及结构的稳定度上都具有较优越的性质。换句话说，为达成应力的平衡，在本实施例适当地选择受到基板压缩应力的第一光电转换层51及第二光电转换层53以及受到基板拉伸应力的第三光电转换层54材料组合，亦即选择晶格常数大于基板的第一光电转换层51及第二光电转换层53以及晶格常数小于基板的第三光电转换层54材料组合。当然，本发明的精神应不以此实施例为限，对于此领域中一般技术人员，应可合理推测太阳能电池结构应可由三层光电转换层转换为二层、四层或多层结构；而光电转换层结构的组合，仅需在元件内部同时具有相对应于基板为拉伸应力或压缩应力的两种光电转换层以达到应力平衡的效果即可，具有不同作用的应力的光电转换层层数的多寡亦可任意相互搭配。

此外，除了于基板上同时设置受到基板压缩应力及拉伸应力(即于基板上同时设置具有晶格常数值小于及大于基板)的光电转换层外，为避免基板55与形成于其上的第一砷化镓铟光电转换层51间应力过于不均衡，造成元件品质下降，砷化镓基板55与第一砷化镓铟光电转换层51间晶格常数的差异以不超过砷化镓基板55的晶格常数的正负6％为佳，优选的情况为小于正负3％。以本实施例而言，第一砷化镓铟光电转换层51的晶格常数为5.80A，与砷化镓基板55的晶格常数5.65A的差异为(5.80A-5.65A)/5.65A*100％＝+2.65％；第二砷化镓铟光电转换层53的晶格常数为5.66A，与砷化镓基板55的晶格常数5.65A的差异为(5.66A-5.65A)/5.65A*100％＝+0.18％；而第三磷化镓铟光电转换层54的晶格常数为5.64A，与砷化镓基板55的晶格常数5.65A的差异为(5.64A-5.65A)/5.65A*100％＝-0.18％。

图6为根据本实施例所提出的太阳能电池元件5制作工艺流程图。第一步骤为提供元件的成长基板，此实施例中的成长基板材料为砷化镓基板，然而，在材料搭配上的考量，所述的成长基板亦可包括选自于锗、碳化硅、硅、磷化铟、硅化锗、氧化锌、氮化镓、玻璃、金属、及蓝宝石等材料。接着，第二步骤为于所提供的成长基板上成长外延(磊晶)结构。在此实施例中，在成长基板上依序成长第一磷化镓铟光电转换层54、第二隧穿接面59、第二砷化镓铟光电转换层53、第一隧穿接面58、以及第一砷化镓铟光电转换层51的太阳能电池外延结构。为了维持此太阳能电池外延结构的品质，在成长上述外延结构时，优选为选择晶格常数与成长基板的晶格常数较为相近的光电转换层材料作为第一生长层，以避免成长基板上先成长晶格常数与基板差异较大的光电转换层后，因成长基板与光电转换层间晶格常数的差异，在外延生长时产生差排(dislocation)的外延缺陷，进而影响光电转换层的成长品质，进而使其后成长的光电转换层由于前面光电转换层的成长品质不好而受到连带影响。在此实施例中，以第一磷化镓铟光电转换层54作为第一生长层。接着，依序形成第二隧穿接面59、第二砷化镓铟光电转换层53、第一隧穿接面58、以及具有与砷化镓基板较大晶格常数差异的第一砷化镓铟光电转换层51。所形成的外延结构为光电转换层能隙大小由基板向上渐减的多接面太阳能电池外延结构，应用于太阳能电池光电能转换时，其能隙大小的设置顺序为上下颠倒。因此，第三个制作工艺步骤为将此能隙大小设置顺序上下颠倒的外延结构透过贴合步骤(bonding)贴合于承载基板之上，以完成具有光电转换层能隙大小设置顺序适当的多接面太阳能电池外延结构，此基板转换的结构一般称为反向变质多接面太阳能电池外延结构(InvertedMetamorphic Multijunction，IMM)。接着，第四步骤为移除元件的原成长基板，可使用方式包含已知的干式蚀刻或湿式蚀刻等...在此，依据材料搭配的考量，所述的承载基板亦可选自包括砷化镓、锗、碳化硅、硅、磷化铟、硅化锗、氧化锌、氮化镓、玻璃、金属、及蓝宝石等材料。最后，第五步骤为形成第一电极52以及第二电极56，用以将太阳能电池外延结构产生的电流导至外部的电力供应、转换或储存装置，即完成多接面太阳能电池元件5。当然，本发明的精神应不以此流程图为限，对于此领域中一般技术人员，应可合理添加形成缓冲层(buffer layer)的制作工艺、形成包覆层(cladding layer)的制作工艺、或形成透明导电层(transparent layer)等的制作工艺于此流程中以达到元件修饰的效果，在此则不多做赘述。

图7为采用本发明所制作的太阳能电池装置7的示意图。依据图7所示，太阳能电池装置7还包括散热基座71，而如实施例中所述的多接面太阳能电池元件73则设置于散热基座71之上，透过散热基座71将成长的多余热能逸散至外部环境中；此外，此多接面太阳电池元件73上方还设置有光线聚集装置72，一般为可聚光的菲涅尔透镜(Fresnel Lens)，用以将大面积的太阳光透过透镜聚集至狭小的多接面太阳能电池元件73上，由此提高发电效率。

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

1.一种多接面太阳能电池元件，其包含：

具有第一晶格常数的基板；

具有第一能隙及第二晶格常数的第一光电转换层，设置于该基板上；以及

具有第二能隙及第三晶格常数的第二光电转换层，设置于该第一光电转换层上；其中，该第一晶格常数介于该第二晶格常数与该第三晶格常数之间。

2.如权利要求1所述的太阳能电池元件，其中该第一能隙小于该第二能隙。

3.如权利要求2所述的太阳能电池元件，其中该第一光电转换层的材料包含Ga_1-xIn_xAs，且0.35＜X＜0.45。

4.如权利要求1所述的太阳能电池元件，其中该第一能隙大于该第二能隙。

5.如权利要求4所述的太阳能电池元件，其中该第一光电转换层结构的材料包含Ga_1-xIn_xP，且0.52＜X＜0.57。

6.如权利要求1所述的太阳能电池元件，其中该第一晶格常数与该第二晶格常数的差值不大于该第一晶格常数的3％。

7.一种多接面太阳能电池元件，其包含：

第一电极；

具有第一晶格常数的基板，设置于该第一电极的一侧；

具有第二晶格常数的第一光电转换层，设置于该基板上，用以吸收第一波长范围的光线并产生第一电流；

具有第三晶格常数的第二光电转换层，设置于该第一光电转换层上，用以吸收第二波长范围的光线并产生第二电流；以及

第二电极，设置于该第二光电转换层上；其中，该第一晶格常数介于该第二晶格常数与该第三晶格常数之间。

8.如权利要求7所述的太阳能电池元件，该电池还包括第三光电转换层设置于该第一电极与该第二电极之间，用以吸收第三波长范围的光线并产生第三电流。

9.如权利要求7所述的太阳能电池元件，其中该第一波长范围大于该第二波长范围。

10.如权利要求9所述的太阳能电池元件，其中该第一光电转换层结构的材料包含Ga_xIn_1-xAs，且0.35＜X＜0.45。

11.如权利要求7所述的太阳能电池元件，其中该第一晶格常数与该第二晶格常数的差值不大于该第一晶格常数的6％。

12.一种多接面太阳能电池装置，其包含：

多接面太阳能电池元件，包含：

第一电极；

具有第一晶格常数的基板，设置于该第一电极的一侧；

具有第二晶格常数的第一光电转换层设置于该基板上，用以吸收第一波长范围的光线并产生第一电流；

具有第三晶格常数的第二光电转换层设置于该第一光电转换层上，用以吸收第二波长范围的光线并产生第二电流；

第二电极，设置于该第二光电转换层上；以及

光线聚集装置，设置于该多接面太阳能电池元件之上；其中，该第一晶格常数介于该第二晶格常数与该第三晶格常数之间。

13.如权利要求12所述的装置，其中该光线聚集装置为菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。

14.如权利要求12所述的装置，该装置还包含散热基座，且该多接面太阳能电池元件设置于该散热基座之上。

15.如权利要求12所述的装置，其中该多接面太阳能电池元件还包括第三光电转换层，用以吸收第三波长范围的光线并产生第三电流，设置于该第一电极与该第二电极之间。

16.如权利要求12所述的装置，其中该多接面太阳能电池元件的该基板包括至少一种材料选自于砷化镓、锗、碳化硅、硅、磷化铟、硅化锗、氧化锌、氮化镓、玻璃、金属、及蓝宝石所构成的材料群组。

17.如权利要求12所述的装置，其中该多接面太阳能电池元件的所述多个光电转换层包括至少一种材料选自于III族氮化物、III族磷化物、以及III族砷化物所构成的材料群组。

18.如权利要求12所述的装置，其中该多接面太阳能电池元件的该第一波长范围大于该第二波长范围。

19.如权利要求18所述的装置，其中该多接面太阳能电池元件的该第一光电转换层结构的材料包含Ga_1-xIn_xAs，且0.35＜X＜0.45。