CN102386252A - 多接面光电池元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多接面光电池元件。所述多接面光电池元件包括一锗基板，在表面具有一浅接面。该浅接面介于一p型掺杂锗基板和一含磷的n型浅扩散区域之间。具有双接面的一多层堆叠电池结构设置在该锗基板之上，以及一超晶格结构夹置于具有双接面的该多层堆叠电池结构与该锗基板之间。

Description

多接面光电池元件
技术领域
本发明涉及一种多接面光电池元件，尤其涉及一种具有超晶格结构的III-V族多接面太阳能电池。 
背景技术
太阳能电池为将太阳能转换成电能的关键元件之一，目前已发展的太阳能电池技术包括：硅晶太阳能电池(silicon based solar cell)、硅薄膜太阳能电池(silicon thin film solar cell)、染料敏化太阳能电池(dye sensitized solar cell)、铜铟镓硒(CuInGaSe，简称CIGS)太阳能电池、及III-V族太阳能电池(concentrator III-V compound solar cell)等。 
传统III-V族多接面太阳能电池(III-V multi-junction solar cell)指利用元素周期表中第III族与第V族元素组合成具有光电效应的元件，其具有整合成模块化的潜力。典型的III-V族多接面太阳能电池具繁多应用领域，其中以应用砷化镓(GaAs)的串叠型太阳能电池最广泛，例如GaInP/GaAs/Ge和GaInP/GaAs等。再者，使用III-V族多接面太阳能电池主要因素为将能够吸收不同波长光线的晶片堆叠起来，因而可吸收不同波长范围的太阳光，充分利用太阳光，提高发电效率。再者，由于吸收太阳光能量的波长范围较广，且光电转换效率比一般硅基太阳能电池元件高，因此所使用的材料也比一般硅基太阳能电池少。太阳能电池的电力输出会受照光强度而改变，日照强度越大时电力输出也会随之增加。因此，若太阳能电池元件更有效地吸收利用太阳光频谱，则将会大大提升元件的能量转换效率。 
在已公开的相关技术中，美国专利第US 7,339,109号揭示一种改善光吸收效率的多接面太阳能电池。通过设置一InGaP层做为孕核层在锗基板和双 接面磊晶叠层之间，降低上层含磷化合物半导体的沉积温度，以控制锗基板中n型掺杂物的扩散深度。所述InGaP层也可做为扩散阻障层，以防止砷从上层的磊晶叠层扩散进入锗基板的扩散区域，避免影响n型掺杂物的扩散深度。然而，除了有效地控制n型掺杂物的扩散浓度和深度之外，InGaP叠层和锗基板之间的界面平滑度和缺陷(如带电粒子和差排)也影响光电池的光电转换效率。 
有鉴于此，业界亟需发展一种III-V族多接面太阳能电池，能改善InGaP叠层和锗基板之间的界面平滑度和降低缺陷的影响，以有效地提升光电转换效率。 
发明内容
根据本发明的一实施例，一种多接面光电池元件，包括：一锗基板，其表面具有一浅接面；一多接面的堆叠电池结构设置在该锗基板之上；以及一超晶格结构夹置在该多接面的堆叠电池结构与该锗基板之间。在一实施例中，所述超晶格结构可为短程周期超晶格结构，其包括一含磷化合物半导体的超晶格结构磊晶层。在一实施例中，所述超晶格结构包括含InGaxAl1-xP交替排列的一材料层，其中x为介于0到1之间的数值。 
根据本发明另一实施例，一种多接面光电池元件包括：一锗基板结构具有一p型掺杂锗基板和一n+型浅扩散区域，其中一浅n+-p接面形成介于该p型掺杂锗基板和该n+型浅扩散区域之间；一超晶格结构设置在该n+型浅扩散区域上；以及一双接面堆叠电池结构设置在该超晶格结构上。 
为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 
附图说明
图1为本发明一实施例的具有浅p-n接面的锗基板的剖面示意图。 
图2为本发明另一实施例的III-V族多接面光电池元件的剖面示意图。 
附图标记： 
100-锗基板；                     101-p型掺杂锗基板； 
110-浅n+-p接面；                 120-含磷的n型浅扩散区域； 
200-III-V族多接面光电池元件；    210-锗基板； 
220-超晶格结构；                 220a-220n-InGaxAl1-xP叠层； 
232-GaAs缓冲层；                 234-第一穿隧接面； 
236-中间电池元件；               242-第二穿隧接面； 
244-顶电池元件；                 250-电池结构。 
具体实施方式
以下以各实施例详细说明并伴随着图式说明的范例，作为本发明的参考依据。在图式或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的图号。且在图式中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，图式中各元件的部分将以分别描述说明的，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中具有通常知识者所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。 
根据本发明的实施例，提供一种多接面光电池元件，通过一超晶格结构夹置在锗基板与具有至少一接面的多层结构之间。所述超晶格结构可为磊晶成长在锗基板上的短程周期超晶格(short-period superlattice，简称SPSL)，由于超晶格结构具有陷补缺陷的显著效果，因此能有效地控制砷和磷扩散进入锗基板中，以提升光的有效转换效率。再者，所述超晶格结构具有改善界面的平滑度、控制磷和砷的扩散、及制约来自下层的差排移动的特性。应注意的是，所述超晶格结构可为n型重掺杂的InGaxAl1-xP交替排列的材料层，与锗基板的之间形成大能隙的异质接面，使锗基板内的浅n+-p接面形成足够厚度的空乏区，增加内建电场，提升光电转换电流。 
图1为本发明一实施例的具有浅p-n接面的锗基板的剖面示意图。在图1中，一锗基板100，例如p型锗基板在表面具有一n+型浅掺杂区域，构成一浅n+-p接面110。所述浅n+-p接面110介于一p型掺杂锗基板101和一含磷的n型浅扩散区域120之间。此浅n+-p接面110的形成方式可通过将磷及/或砷等n型掺杂物扩散进入含p型掺杂的锗基板100中。应了解的是，所述浅n+-p接面110作为多接面光电池元件的底电池元件，因此n+型浅掺杂区域的扩散浓度和深度会直接影响到光电池元件的最佳光电转换效率。 
图2为本发明另一实施例的III-V族多接面光电池元件的剖面示意图。请参阅图2，一III-V族多接面光电池元件200包括一多接面堆叠电池结构250设置在锗基板210之上，且一超晶格结构220夹置在所述多接面堆叠电池结构250与锗基板210之间。在一实施例中，所述超晶格结构包括一含磷化合物半导体的超晶格结构磊晶层，例如n+型重掺杂的含InGaxAl1-xP交替排列的一材料层，其中x为介于0到1之间的数值。例如，所述n+型重掺杂的InGaxAl1-xP交替排列的材料层与锗基板的之间形成大能隙的异质接面。应了解的是，此n+型重掺杂的超晶格结构能增益n型浅扩散区域，使其与p型锗基板的浅n+-p接面形成足够厚度的空乏区，增加内建电场，提升光电转换电流。再者，通过交错地改变InGaxAl1-xP叠层220a-220n中Ga和Al的组成，可形成短程周期超晶格结构。 
应注意的是，由InGaxAl1-xP叠层220a-220n构成的超晶格结构220产生量子井效应或阻障效应，具有陷补带电荷掺杂物或缺陷(如差排)的特性。因此，适当调整InGaP/InAlP超晶格的细部结构，可改善界面的平滑度、控制上层的化合物半导体结构中磷和砷的扩散进入锗基板中、和制约来自下层的差排移动。在一实施例中，InGaP/InAlP超晶格可为n+掺杂的InGaP磊晶层和n+掺杂的InAlP磊晶层的交替叠层结构，此交替叠层结构的各InGaP磊晶层和InAlP磊晶层的厚度范围可介于15～50埃 
Figure DEST_PATH_GSB00000405445000041
大致重复3～20周期。所述n+掺杂的InGaP层和n+掺杂的InAlP层的掺杂物，例如为碲(Te)，掺杂浓度范 围大抵介于1018～1019cm-3之间。由于InGaP/InAlP超晶格结构为n+掺杂，因此可与下层的p型锗基板的n+型浅掺杂区域形成一异质接面(heterojunction)。一般而言，n+型浅掺杂区域非常薄，因此借着n+掺杂的InGaP/InAlP超晶格结构的辅助，进而可使p型锗基板内产生足够厚度的载子空乏区，并造成足够大的内建电场，以有效地产生电子-空穴分离。在另一实施例中，可选择或替代不形成n+型浅掺杂区域，直接将n+掺杂的InGaP/InAlP超晶格结构形成在p型锗基板上。应了解的是，上述实施例所揭示的超晶格结构并不限定于InGaxAl1-xP叠层，在不脱离本发明的范畴，亦可选择以其他适合的化合物半导体材料替换，然必需符合以下条件，选用的超晶格材料必须与底层的锗基板的晶格常数匹配，且其能隙(例如InGaxAl1-xP的能隙1.86eV)应大于p型锗基板的能隙(例如Ge的能隙0.67eV)，亦即所选用的超晶格材料不吸收长波长的入射光。再者，高能隙异质p-n接面应能产生足够厚度载子空乏区，以产生足够数量的电子-空穴分离，但仍应注意厚度过高会导致电阻增加。 
所述超晶格结构220的形成方法可采用物理性或化学性沉积法，例如有机金属气相磊晶法(MOVPE)、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、原子层沉积法(ALD)、或其他适合的沉积法磊晶成长在锗基板上。 
再请参阅第2图，所述具有至少一接面的多层堆叠电池结构250可为一单接面或一双接面的多层化合物半导体结构。在一实施例中，一双接面含InGaP与(In)GaAs的多层化合物半导体结构设置在超晶格结构220上。所述多层化合物半导体结构可为一叠层结构，例如包括一GaAs缓冲层232、一中间电池元件(例如GaAs次电池叠层)236、和一顶电池元件(例如InGaP次电池叠层)244，一第一穿隧接面234夹置在GaAs缓冲层232和中间电池元件236之间，及一第二穿隧接面242夹置在中间电池元件236和顶电池元件244之间。采用双接面磷化合物半导体结构与具有浅p-n接面(可视为底电池元件)的锗基板的组合可构成三接面太阳能电池(triple-junction solar cell)，有效地延伸太阳光吸收光谱波长上限范围达1800nm，并使III-V族多接面光电池元件 200达到最佳的光电转换效率。 
本发明虽以各种实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。本发明的保护范围当以权利要求界定的范围为准。 

Claims (17)

1.一种多接面光电池元件，其特征在于，包括：
一锗基板，其表面具有一浅接面；
一多接面的堆叠电池结构设置在该锗基板之上；以及
一超晶格结构夹置在该多接面的堆叠电池结构与该锗基板之间。
2.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括一含磷化合物半导体的超晶格结构磊晶层。
3.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括一短程周期超晶格结构。
4.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括一含InGaxAl1-xP交替排列的材料层，其中x为介于0到1之间的数值。
5.根据权利要求4所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该含InGaxAl1-xP交替排列的材料层包括一n+型掺杂的InGaP磊晶层和一n+型掺杂的InAlP磊晶层的交替叠层结构，其中该交替叠层结构的各InGaP磊晶层和InAlP磊晶层的厚度范围可介于15～50埃，且重复3～20周期。
6.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构与该锗基板之间形成一异质接面。
7.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构的能隙大于该锗基板的能隙。
8.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该锗基板包括一p型掺杂锗基板和一含磷掺杂的n型浅扩散区域。
9.根据权利要求1所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该多接面的堆叠电池结构包括一含InGaP的多层化合物半导体结构。
10.一种多接面光电池元件，其特征在于，包括：
一锗基板结构具有一p型掺杂锗基板和一n+型浅扩散区域，其中一浅n+-p 接面形成介于该p型掺杂锗基板和该n+型浅扩散区域之间；
一超晶格结构设置在该n+型浅扩散区域上；以及
一双接面堆叠电池结构设置在该超晶格结构上。
11.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括一含磷化合物半导体的超晶格结构磊晶层。
12.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括一短程周期超晶格结构。
13.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构包括含InGaxAl1-xP交替排列的一材料层，其中x为介于0到1之间的数值。
14.根据权利要求13所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该含InGaxAl1-xP交替排列的材料层包括一n+型掺杂的InGaP磊晶层和一n+型掺杂的InAlP磊晶层的交替叠层结构，其中该交替叠层结构的各InGaP磊晶层和InAlP磊晶层的厚度范围可介于15～50埃，且重复3～20周期。
15.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构与该锗基板之间形成一异质接面。
16.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该超晶格结构的能隙大于该锗基板的能隙。
17.根据权利要求10所述的多接面光电池元件，其特征在于，其中该双接面堆叠电池结构包括一中间电池元件和一顶电池元件。 
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