CN102473789B - 用于异质结构太阳能电池的基于硅晶片的结构 - Google Patents

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Abstract

一种多结光伏器件，其包括硅衬底和形成在所述硅衬底上的介电层。锗层形成在所述介电层上。所述锗包括基本上类似于所述硅衬底的晶体结构。第一光伏子电池包括形成在所述锗层上的第一复数个掺杂半导体层。至少第二光伏子电池包括形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上的第二复数个掺杂半导体层。

Description

用于异质结构太阳能电池的基于硅晶片的结构
技术领域
本发明通常涉及太阳能电池的领域，尤其涉及用于多结太阳能电池的基于硅晶片的结构。
背景技术
在太阳能电池中所见的光伏结构系为半导体结构，可将光子转换成电力。一般而言，光伏电池在光吸收的材料中执行光生电荷载流子(电子和空穴)的作用，然后将电荷载流子分离到传输电力的导电接触。光伏电池的转换方法称为光伏效应。光伏效应使太阳能电池产生太阳能。
一种光伏电池类型为多结电池，诸如三结太阳能电池。习用的三结太阳能电池由p型Ge衬底上的GaInP及GaAs子电池组成。以As对Ge衬底进行近表面掺杂而形成n-p结，从而形成第三子电池。器件结构由能够在电池之间进行有效率电接触的重掺杂隧道结所隔离的GaInP、GaAs及Ge子电池组成。基于锗化合物半导体的三结电池提供当前最高效率的太阳能电池，并潜在地适用于光学集中器市场。但是，使用锗作为多结太阳能电池的晶片有若干缺点，诸如最终器件的总重量。还有，锗是昂贵的材料，而且也不是产量很多的材料。
因此需要克服上述先前技术的问题。
发明内容
在一个实施例中，公开了一种多结光伏器件。所述多结光伏器件包括硅衬底和形成在所述硅衬底上的介电层。锗层形成在所述介电层上。所述锗包括基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构。第一光伏子电池包括第一复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上。至少第二光伏子电池包括第二复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上。本发明各具体实施例的一个优点是，可以使用硅作为多结光伏电池的衬底。
在另一实施例中，公开了另一种多结光伏器件。所述多结光伏器件包括硅衬底及形成在所述硅衬底上的介电层。金属反射层形成在所述硅衬底与所述介电层之间。锗层形成在所述介电层上。所述锗包含基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构。硅-锗渐变缓冲层形成在所述介电层和所述锗层之间。包含第一复数个掺杂半导体层的第一光伏子电池形成在所述介电层上的所述锗层上。包含第二复数个掺杂半导体层的至少第二光伏子电池形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一多结光伏子电池上。所述第二光伏子电池经由穿隧n+p+二极管电耦合至所述第一光伏子电池。子电池亦可藉由在p型锗表面上并入n型掺杂而形成在所述锗层中。此“底部”电池藉由穿隧p/n结而耦合至位于其上的所述第一子电池。
在又一实施例中，公开了一种制造多结光伏器件的方法。所述方法包括于在硅衬底上形成介电层。形成通道于所述介电层中。所述通道延伸穿过所述介电层并暴露所述硅衬底的上部。在所述介电层上沉积锗层。所述锗层在所述通道中延伸。由于所述介电层在沉积在所述Si衬底上时为非晶，所述锗层在沉积时亦为非晶。使所述非晶锗层再结晶，使得所述硅衬底的晶向用作所述非晶锗的再结晶样板。包含第一复数个掺杂半导体层的第一光伏子电池形成在再结晶的所述锗层上。包含第二复数个掺杂半导体层的至少第二光伏子电池形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上。
在另一实施例中，公开了一种集成电路。所述集成电路包括包含电接触的电路支撑衬底和电耦合至所述电接触的多结光伏器件。所述多结光伏器件包括硅衬底和形成在所述硅衬底上的介电层。锗层形成在所述介电层上。所述锗包括基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构。第一光伏子电池包括第一复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上。至少第二光伏子电池包括第二复数个掺杂半导体层，形成于所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上，经由穿隧n+p+二极管电耦合至所述第一多结光伏电池。本发明各实施例的一个优点是，可以使用硅作为多结光伏电池的衬底。
如上述，在习用的多结太阳能电池中，锗通常用作衬底材料，但却很昂贵且产量不是很多。本发明各实施例因使用硅作为衬底材料而减少此成本。然后，导电或绝缘的电介质形成在所述硅衬底上，其后在所述介电层上生长锗并使锗结晶。所述锗用作其上沉积多结器件的基础。所述介电层隔开所述子电池的半导体层与所述硅衬底。所述锗再结晶可减轻由于硅晶格和多结电池的半导体不匹配所造成的缺陷。例如，再结晶方法可形成低缺陷密度衬底，其晶格与包含多结电池的化合物半导体层匹配。
附图说明
在各个附图中，相似参考数字代表相同的组件或功能上相似的组件，及与详细描述一起并入并形成本说明书部分的附图，作用在于进一步示例各种具体实施例及解释根据本发明的所有各种原理及优点，其中：
图1至7为根据本发明的一个实施例的多结光伏电池各层和制造方法的横截面图；以及
图8为示例了根据本发明的一个实施例制造多结光伏电池的方法的操作流程图。
具体实施方式
如所要求的，在此揭示本发明的详细实施例；然而，应了解，所揭示的实施例只是可按各种形式具体化的本发明的实例。因此，不应将在此揭示的特定结构和功能细节视为限制，而应只将其视为权利要求的基础，并事实上视为教导熟习本技术者以任何适当详细结构和功能以各种方式运用本发明的代表基础。此外，本文术语和措辞并非用来限制，而是用来提供本发明的可理解的描述。
本文用语“一”或“一个”可定义为一个或多于一个。本文用语“多个”可定义为两个或多于两个。本文用语“另一”可定义为至少第二个或更多。本文用语“包括”和/或“具有”可定义为包括(即，开放式语言)。本文用语“耦合”可定义为连接，但不一定直接连接且不一定机械地连接。
图1至7图解实施硅(Si)衬底的异质结构太阳能电池。尤其，以下讨论描述的器件结构包含其上生长化合物半导体异质结构的锗/非晶层/硅晶片。该器件用作光伏电池。图1显示晶片100包含晶体硅衬底102，其可为单晶或多晶硅，其上形成有非晶介电层104。在一个实施例中，介电层104为导电或绝缘的。生长于硅衬底102上的导电材料的实例为钽硅氮化物(Ta SiN)、铱-铼(Ir-Re)、铱-钽(Ir-Ta)、铼-钽(Re-Ta)等。可生长于硅衬底102上的绝缘材料的实例为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氧化钛(TiO2)等。这些材料可使用任何习用的沉积方法形成在硅衬底102上，诸如金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或原子层沉积(ALD)及物理汽相沉积(PVD)。
在一个实施例中，金属反射层206被沉积在硅衬底102和介电层104之间，如图2所示。例如，金属反射层206的底部208被形成在硅衬底102的上部210上，以及介电层104的底部212被形成在金属反射层206的上部214上。金属反射层206增加耦合至光伏电池中的光量。金属反射层206可由诸如(但不限于)铬或铝的金属材料组成，及可使用沉积方法沉积，诸如(但不限于)溅射、蒸发、化学气相沉积以及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。可选的金属反射层206由于增加光捕捉，因而允许使用更薄的半导体层。与1.5-2.0微米厚相比，层厚度可为例如0.5-0.75微米。
一旦形成介电层104，使用光刻及蚀刻方法，在非晶层104内建立通道316、318，如图3所示。注意，图3只是为了图解目的而显示两个通道316、318，可视需要形成更多通道。通道316、318用作引晶(seeding)窗口且向下延伸穿过介电层104到达硅衬底102而暴露硅衬底102的上部210。在一个实施例中，通道316、318向下延伸至硅衬底102中，如虚线319、321所示。如果在硅与介电层之间存在反射金属层，则开口316及318向下延伸穿过介电层和金属层而到达Si表面210。
使用熟知的沉积方法，在介电层104上形成非晶锗(Ge)层420。例如，可以将Ge非选择性地溅射到介电层104上和Si衬底102的由通道316、318所暴露的区域上。接着执行退火方法，使Ge熔化且Si层102保持固态。然后冷却晶片100，其中进行外延生长过程。在外延过程中，Ge生长始于通道316、318中的Si/Ge界面，且横向传播通过位于介电层104上的Ge液体，藉此形成包含单晶结构的再结晶Ge层420。有关适用外延方法的详细论述请见Liu等人所著：“High-quality single-crystal Ge on insulatorby liquid-phase epitaxy on Si substrates”，Applied Physics Letters，Vol.84，No.14，2004年4月5日，其全文在此以引用方式并入。注意，在此公开中所讨论的液相外延方法只是可适用于本发明一个或多个实施例的在Si上再结晶Ge的方法的一个实例。
硅和锗一般不具有良好的晶格匹配，因为Ge的晶格大于Si的晶格。结合Si和Ge将在结构上产生应变，这造成诸如错位等的缺陷。然而，使用如图5所示渐变缓冲层522，可以避免这些缺陷。在沉积Ge层420之前，使用光刻及蚀刻方法在介电层104中产生过孔524、526，藉此暴露Si层102的上部210。可使用外延生长方法，从Si衬底层102向上生长SiGe通过过孔，其中Ge成分由含Si和含Ge沉积源的混合物决定。Si/Ge成分逐渐增加，且在沉积特定量的Si/Ge后，沉积纯Ge，然后纯Ge转变成Ge层420。此Si/Ge的渐变缓冲层522有助于减少或消除因Si-Ge晶格失配所造成的缺陷。
一旦形成包含再结晶Ge层420的晶片，使用习用的制程，诸如(但不限于)分子束外延(MBE)、CVD、MOCVD，可在晶片100上形成光伏子电池结构628、630，如图6所示。注意，除了直接在包含Si衬底102、介电层104、及Ge层420的晶片100上形成光伏电池结构628、630之外，电池628、630也可以形成在含有Ge层的牺牲衬底上。之后可使用层转移方法和/或晶片接合方法，将由形成在牺牲衬底上的Ge上的电池构成的多结结构转移至仅包含Si层102和介电层104的晶片。
在一个实施例中，多结光伏电池628、630为III-V器件。换句话说，光伏子电池628、630包含周期表III族及V族的材料。例如，光伏子电池628、630可包括使用MBE或CVD形成的多个薄膜，该薄膜包含诸如(但不限于)砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化铝铟(AlInP)、及磷化镓铟(GaInP2)的材料。光伏电池628、630中的半导体层具有递减带隙，其中顶层吸收较高能量光子，同时传输较低能量光子，其后由多结结构的下层吸收该较低能量光子。
每个光伏子电池628、630和在Ge层420中形成的Ge子电池650为p-n二极管，且包含p-n结632、634、636，如图6所示。每个光伏子电池628、630、及650经由n+p+二极管638、640(称为，隧道结)彼此串联连接。隧道结638、640在光伏电池628、630各层生长期间可原位(in situ)生长。隧道结638、640包含极度重掺杂区域，并用作包含子电池628、630、及650的多结结构中不同材料间的欧姆接触。隧道结638、640允许多结光伏电池628、630中产生的电压被串联相加。例如，利用诸如三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝、胂、及膦等气体混合物，以气相沉积反应器中温度600℃至800℃下的希望的气体成分，沉积III-V化合物层，诸如GaAs、InP、AIInP、及GaInP，及以希望的间隔改变气相成分，沉积不同成分的层。沉积III-V化合物的其它方法包括：分子束外延，其中在高真空室中，以确定为产生希望的成分的速率蒸发材料；及MO-MBE，其中分子束外延与诸如三甲基镓和/或三甲基铟等气体源结合。
一旦形成光伏电池628、630，在顶部多结电池630的上部644上形成抗反射层642。抗反射层642可使用习用的沉积方法形成。在一个实施例中，抗反射层642包含二氧化钛、氮化硅、氧化硅、或这些材料的组合。在抗反射层642和子电池630的表面644之间，可使用诸如磷化铝镓(AIGaP)、磷化铝铟(AlInP)等钝化层，以减少表面复合损失。
可在晶片100上执行金属化方法，以形成金属接触。例如，图7显示，顶部接触746在抗反射层642中形成且向下延伸至光伏子电池630的顶部上的p-n结636的上表面644。可使用光刻和/或蚀刻，蚀刻掉抗反射层642的一部分，以形成金属接触。在实施例中，其中使用绝缘材料形成介电层104，抗反射层642及光伏电池628、630被回蚀以建立偏移区域748，在其中介电层104及Si衬底102及Ge层420横向延伸超出被蚀刻层。其后在Ge层420的p-n结632的底部上形成金属接触750，与Ge层420的底部形成欧姆接触。然而，如果介电层104包含导电材料且对Si 102及Ge 104属于欧姆接触，则背面接触752可形成于Si衬底102的底部754上。因此，在此实施例中，不需要偏移配置，且器件面积增加。
许多类型的金属可用以对Ge和/或Si表面748和754形成欧姆接触750及752。例如，利用溅射或蒸发所沉积的Al、Ag、Ti、及诸如TiAg的组合，可对Ge形成良好的欧姆接触。Al及TiAg亦用作对Si的良好欧姆接触。对Ge而言，不需要接触退火，对Si而言，在一个实施例中，需要在400-500℃下的N2H2或ArH2“形成气体(froming gas)”中的热处理，以产生低接触电阻。
图8为操作流程图，图解制造多结光伏电池的方法。图8的操作流程图始于步骤802并直接进行至步骤804。在步骤804，在硅衬底102上形成导电或绝缘的非晶介电层104。注意，亦可在硅衬底102和介电层104之间，形成金属反射层206。在步骤806，在介电层104内形成向下延伸至硅衬底102的通道316、318。在步骤808，在介电层104上沉积锗层420。在步骤810，执行外延和退火方法，使锗420再结晶，导致锗420和硅102具有相似的晶体结构。注意，亦可在介电层104及Ge层420之间，形成Si/Ge渐变缓冲层522。
在步骤812，在锗层420上形成第一光伏子电池628。在步骤814，经由隧道结638电耦合第一光伏子电池628和再结晶锗层420。在步骤816，在第一光伏电池628之上，形成至少第二光伏子电池630。在步骤818，经由另一隧道结640将第一光伏子电池628和该至少第二光伏子电池630电耦合到一起。在步骤820，在该至少第二光伏子电池630的上部644上形成抗反射层642。在步骤822，在抗反射层642内形成顶部接触746，及亦在Ge层420中的Ge子电池632的背部上或硅衬底的底部754上形成背面接触750/752。接着，控制流程在步骤824结束。
应明白，这些实施例仅是此处创新方法的许多有利运用的实例。一般而言，本申请案说明书中所做陈述未必限制任何各种主张发明。再者，某些陈述可能适用于一些发明特征但对于其它发明特征则不适用。一般而言，除非另有指明，否则在不失一般性的原则下，单一组件也可以指复数个组件，反之亦然。
上述多结光伏结构可以是集成电路芯片设计的一部分，该设计包含电路支撑衬底，该衬底包括电耦合至上述至少一个多结光伏器件的至少一个电接触。芯片设计在图形计算机编程语言中建立并储存于计算机储存媒体(如磁盘、磁带、物理硬盘，或虚拟硬盘，如在储存存取网络中)。如果设计者并不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，则设计者以实体方式(如，藉由提供储存设计的储存媒体的复制)或以电子方式(如，透过因特网)直接或间接地将所完成的设计传送到此类实体。接着将储存的设计转换成制造光刻掩模的适当格式(如，GDSII)，该等掩模通常包括所论将在晶片上形成的芯片设计的多个复制。利用光刻掩模界定晶片将要蚀刻或以其它方式处理的区域(和/或其上的层)。
上述方法可用于制造集成电路芯片。制造商可以原料晶片的形式(即作为具有多个未封装芯片的单一晶片)、作为裸芯片、或以封装形式销售所产生的集成电路芯片。在封装形式的情况中，芯片系安装于单一芯片封装中(诸如引线已固定于母板的塑料载板、或其它更高阶载板)或安装于多芯片封装中(诸如具有表面互连或隐埋互连中的一或二者的陶瓷载板)。在任何情况中，芯片接着将与其它芯片、分立电路组件、和/或其它信号处理器件整合，作为(a)中间产品，诸如母板；或(b)终端产品的部分。终端产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，其范围涵盖玩具及其它低阶应用至具有显示器、键盘、或其它输入装置、及中央处理器的进阶计算机产品。
虽然已经揭露本发明的特定具体实施例，但熟习本技术者应明白，只要不脱离本发明的精神及范畴，可对特定的具体实施例进行变更。因此，本发明范畴不限于特定具体实施例，且预期随附申请专利范围涵盖在本发明范畴内的任何及所有此类应用、修改及具体实施例。

Claims (16)

1.一种多结光伏器件，包含：
硅衬底；
介电层，形成在所述硅衬底上，所述介电层包括导电材料，在所述介电层内形成有通道，其中所述通道延伸穿过所述介电层而暴露所述硅衬底的上部，所述导电材料包括钽硅氮化物、铱-铼、铱-钽或铼-钽；
锗层，形成在所述介电层上并在所述通道中延伸，其中所述锗包含基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构；
第一光伏子电池，包含第一复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上；以及
至少第二光伏子电池，包含第二复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上。
2.根据权利要求1的多结光伏器件，还包含:
抗反射层，形成在所述至少第二光伏子电池的上部上。
3.根据权利要求1的多结光伏器件，其中所述介电层是非晶的。
4.根据权利要求1的多结光伏器件，其中所述第一复数个掺杂半导体层和所述第二复数个掺杂半导体层包括至少一个：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
包括n型和p型掺杂区域的半导体结层。
5.根据权利要求1的多结光伏器件，还包含下列中的至少一个：
第一导电金属层，在抗反射层内形成，所述抗反射层形成在所述至少第二光伏子电池的上部上，其中所述至少第一导电金属层延伸穿过所述抗反射层至所述至少第二光伏子电池的所述上部；以及
至少第二导电层，形成在所述硅衬底的底部上。
6.一种多结光伏器件，包含：
硅衬底；
金属反射层，形成在所述硅衬底上；
介电层，形成在所述金属反射层上，所述介电层包含导电材料，在所述介电层内形成有通道，其中所述通道延伸穿过所述介电层和所述金属反射层而暴露所述硅衬底的上部，所述导电材料包括钽硅氮化物、铱-铼、铱-钽或铼-钽；
硅-锗渐变缓冲层，形成在所述介电层上并在所述通道中延伸；
锗层，形成在所述硅-锗渐变缓冲层上，其中所述锗包含基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构；
第一光伏子电池，包含第一复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上，经由第一n+p+二极管而电耦合至所述锗层；以及
至少第二光伏子电池，包含第二复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上，经由第二n+p+二极管电耦合至所述第一光伏子电池。
7.一种制造多结光伏器件的方法，所述方法包含：
在硅衬底上形成介电层，所述介电层包含导电材料，所述导电材料包括钽硅氮化物、铱-铼、铱-钽或铼-钽；
在所述介电层内形成通道，其中所述通道延伸穿过所述介电层而暴露所述硅衬底的上部；
在所述介电层上沉积非晶锗层，其中所述锗层在所述通道中延伸；
使所述非晶锗层再结晶，以便晶向硅衬底用作所述非晶锗的再结晶样板；
在再结晶的所述锗层上形成包含第一复数个掺杂半导体层的第一光伏子电池；以及
在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上形成包含第二复数个掺杂半导体层的至少第二光伏子电池。
8.根据权利要求7的方法，还包含：
在所述硅衬底与所述介电层之间形成金属反射层。
9.根据权利要求7的方法，还包含：
在所述介电层与所述锗层之间形成硅-锗渐变缓冲层。
10.根据权利要求7的方法，还包含：
在所述至少第二光伏子电池的上部上形成抗反射层。
11.根据权利要求7的方法，其中所述第一复数个掺杂半导体层和所述第二复数个掺杂半导体层包括至少一个：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
包括n型和p型掺杂区域的半导体结层。
12.根据权利要求7的方法，还包含：
在所述第一光伏子电池与所述锗层之间形成第一n+p+二极管；以及
在所述第一光伏子电池与所述至少第二光伏子电池之间形成第二n+p+二极管。
13.根据权利要求7的方法，还包含：
在所述至少第二光伏子电池的上部上形成抗反射层；
在所述抗反射层内形成第一导电层，其中所述第一导电层延伸穿过所述抗反射层至所述至少第二光伏子电池的所述上部；以及
在所述硅衬底的底部上形成至少第二导电层。
14.一种集成电路，其包含：
电路支撑衬底，包括电接触和电耦合至所述电接触的多结光伏器件，其中所述多结光伏器件包含：
硅衬底；
介电层，形成在所述硅衬底上，所述介电层包含导电材料，在所述介电层内形成有通道，其中所述通道延伸穿过所述介电层而暴露所述硅衬底的上部，所述导电材料包括钽硅氮化物、铱-铼、铱-钽或铼-钽；
锗层，形成在所述介电层上并在所述通道中延伸，其中所述锗包含基本上类似于所述硅衬底的晶体结构的晶体结构；
第一光伏子电池，包含第一复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上，经由第一n+p+二极管而电耦合至所述锗层；以及
至少第二光伏子电池，包含第二复数个掺杂半导体层，形成在所述介电层上的所述锗层上的所述第一光伏子电池上，经由第二n+p+二极管电耦合至所述第一光伏子电池。
15.根据权利要求14的集成电路，其中所述第一复数个掺杂半导体层和所述第二复数个掺杂半导体层包括至少一个：
n型半导体层；
p型半导体层；以及
包括n型和p型掺杂区域的半导体结层。
16.根据权利要求14的集成电路，其中所述多结光伏器件还包含下列中的至少一个：
第一导电层，在抗反射层内形成，所述抗反射层形成在所述至少第二光伏子电池的上部上，其中所述至少第一导电层延伸穿过所述抗反射层至所述至少第二光伏子电池的所述上部；以及
至少第二导电层，形成在所述硅衬底的底部上。
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