CN102983208B

CN102983208B - 用于iii‑v化合物半导体电池的栅格设计

Info

Publication number: CN102983208B
Application number: CN201110276170.9A
Authority: CN
Inventors: 理查德·W·小霍夫曼; 普拉温·帕特尔; 坦森·瓦格赫塞
Original assignee: Suoaier Technology Co Ltd
Current assignee: SUOAIER TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102983208A

Abstract

一种用于从太阳产生能量的光伏太阳能电池，所述光伏太阳能电池包含：锗衬底，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元；砷化镓中间单元，其安置在所述衬底上；磷化铟镓顶部单元，其安置在所述中间单元上；以及表面栅格，其包含多个间隔开的栅格线，其中所述栅格线具有大于7微米的厚度，且每一栅格线具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间。

Description

用于III-V化合物半导体电池的栅格设计

理查W·霍夫曼，Jr.(Richard W.Hoffman，Jr.)、普拉文·帕特尔(Pravin Patel)和坦森·瓦吉斯(Tansen Varghese)的针对“用于III-V化合物半导体电池的栅格设计(GRIDDESIGN FOR III-V COMPOUND SEMICONDUCTOR CELL)”的美国专利申请案

技术领域

本发明大体上涉及用于将日光转化成电能的空间或聚光器地面太阳能发电系统的太阳能电池的设计，且更明确地说，涉及一种包含太阳能电池上的栅格配置的布置。

背景技术

用于地面太阳能发电应用的市售硅太阳能电池具有范围在从8％到15％的效率。基于III-V化合物的化合物半导体太阳能电池在正常操作条件下具有28％的效率。此外，众所周知，将太阳能聚集到III-V化合物半导体光伏电池上会在聚光状态下将所述电池的效率增加到超过37％的效率。

地面太阳能发电系统目前鉴于其低成本和普遍可用性而使用硅太阳能电池。尽管III-V化合物半导体太阳能电池已在卫星应用(其中在选择此些装置时其功率-重量效率比每瓦的成本考虑因素更重要)中广泛使用，但尚未针对存在于地球表面的太阳光谱(称为空气质量1.5或AM1.5D)的最佳覆盖而设计此些III-V半导体太阳能电池。

在硅和III-V化合物半导体太阳能电池两者的设计中，一个电接点通常放置在太阳能电池的光吸收侧或前侧上，且第二接点放置在所述电池的后侧上。光敏半导体安置在衬底的光吸收侧上，且包含一个或一个以上p-n结，这样当光被吸收于电池内时形成电子流。导电栅格线在电池的上部表面上延伸以捕获此电子流，接着所述导电栅格线连接到前接点或接合垫中。

指定太阳能电池的设计的一个重要方面是构成所述太阳能电池的半导体材料层的物理结构(组成、带隙和层厚度)。常常以垂直、多结结构制造太阳能电池以便使用具有不同带隙的材料且转化尽可能多的太阳光谱。根据本发明的设计中可用的一种类型的多结结构为三结太阳能电池结构，其由锗底部单元、砷化镓(GaAs)中间单元和磷化铟镓(InGaP)顶部单元构成。

发明内容

1.发明目的

本发明的一目的是提供一种具有栅格配置的用于地面发电应用的改进的III-V化合物半导体多结太阳能电池，其准许太阳能电池每太阳照度下在AM1.5D太阳辐射下产生每平方厘米电池面积超过35毫瓦的峰值DC功率。

本发明的一目的是提供一种具有栅格配置的用于空间发电应用的改进的III-V化合物半导体多结太阳能电池，其准许太阳能电池每太阳照度下在AM0太阳辐射下产生每平方厘米电池面积超过35毫瓦的峰值DC功率。

本发明的另一目的是在III-V半导体太阳能电池的前表面上提供一种栅格结构，以容纳高电流用于聚光器光伏地面发电应用。

一些实施方案可实现前述目的中的一些目的。

2.发明特征

简洁且概括地说，本发明提供一种用于从太阳产生能量的聚光器光伏太阳能电池布置，所述布置包括：聚光透镜，其用于产生大于500X的聚光度；以及太阳能电池，其在所聚集的光束的路径中，所述太阳能电池包含：锗衬底，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元；砷化镓中间单元，其安置在所述衬底上；磷化铟镓顶部单元，其安置在所述中间单元上且具有带隙以使AM1.5光谱区中的吸收最大化；以及安置在所述顶部单元上的表面栅格，其包含多个间隔开的栅格线，其中所述栅格线具有大于7微米的厚度，且每一栅格线具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间。

在另一方面中，本发明提供一种用于从太阳产生能量的光伏太阳能电池，所述光伏太阳能电池包含：锗衬底，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元；砷化镓中间单元，其安置在所述衬底上；磷化铟镓顶部单元，其安置在所述中间单元上；以及表面栅格，其包含多个间隔开的栅格线，其中所述栅格线具有大于7微米的厚度，且每一栅格线具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间。

在另一方面中，本发明提供一种用于从太阳产生能量的光伏太阳能电池布置，所属布置包括：锗衬底，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元；砷化镓中间单元，其安置在所述衬底上；磷化铟镓顶部单元，其安置在所述中间单元上；以及表面栅格，其安置在所述顶部单元上，包含多个间隔开的栅格线，其中所述栅格线具有大于7微米的厚度。

在一些实施例中，表面栅格线具有梯形横截面形状，其中顶部处的宽度为约4.5微米且底部处的宽度为约7微米。

在一些实施例中，表面栅格线具有约100微米的中心到中心间距。

在一些实施例中，表面栅格线由覆盖顶部表面的多个平行栅格线构成。

在一些实施例中，表面栅格线具有覆盖顶部单元的表面面积的至少5％但少于表面面积的10％的总表面面积。

在一些实施例中，表面栅格线具有覆盖约6％表面面积的栅格图案的总表面面积。

在一些实施例中，太阳能电池具有至少3.0伏的开路电压(V_oc)、至少0.13安培/瓦的短路状态下的响应度、至少0.70的填充因数(FF)，且每太阳照度下以超过35％的转化效率在AM1.5D太阳辐射下产生每平方厘米电池面积超过35毫瓦的峰值DC功率。

在一些实施例中，太阳能电池具有至少3.0伏的开路电压(V_oc)、至少0.13安培/瓦的短路状态下的响应度、至少0.70的填充因数(FF)，且每太阳照度下以超过35％的转化效率在AM0太阳辐射下产生每平方厘米电池面积超过35毫瓦的峰值DC功率。

在一些实施例中，顶部、中间和底部子单元的带隙分别为1.9电子伏特、1.4电子伏特和0.7电子伏特。

在一些实施例中，顶部子单元具有少于300欧姆/平方的薄层电阻。

在一些实施例中，顶部子单元的薄层电阻为约200欧姆/平方。

在一些实施例，安置于太阳能电池的子单元之间的隧道二极管层具有适于支持穿过隧道二极管的15与30安培/平方厘米之间的电流密度的厚度。

本发明的一些实施方案可并入有或实施前述发明内容中提到的较少方面和特征。

附图说明

图1为根据现有技术构造的地面太阳能电池的很大程度放大的横截面图；

图2为根据本发明的教示构造的地面太阳能电池的很大程度放大的横截面图；

图3为展示在AM1.5D光谱以及一平方厘米太阳能电池表面面积的情况下500太阳照度下的太阳能电池效率随着栅格线厚度而变化的曲线图；以及

图4为展示在AM0光谱以及六十平方厘米表面面积的情况下一太阳照度下的太阳能电池效率随着栅格线厚度而变化的曲线图。

具体实施方式

现在将描述本发明的细节，其包含本发明的示范性方面和实施例。参看图式和以下描述，使用相同参考数字来指代相同或在功能上类似的元件，且相同参考数字旨在以高度简化的图解方式说明示范性实施例的主要特征。此外，图式并不希望描绘实际实施例的每个特征或所描绘的元件的相对尺寸，且未按比例绘制。

在第6,680,432号美国专利中更明确地描述三结III-V化合物半导体太阳能电池的典型半导体结构的设计，所述专利以引用的方式并入本文中。

如在图1的所说明的实例中所展示，底部子单元10包含由p型锗(“Ge”)形成的衬底11、12，底部部分也用作子单元10的基底层。金属接触层或垫50形成于基底层11的底部上，以向多结太阳能电池提供电接点。底部子单元10进一步包含(例如)n型Ge发射极区12和n型成核层13。成核层13沉积在衬底11、12上，且通过掺杂剂从上部层到Ge衬底中的扩散而在Ge衬底中形成发射极层12，进而将p型锗衬底的上部部分12改变成n型区12。重度掺杂的n型砷化镓层14沉积在成核层13上，且为到发射极区12中的砷掺杂剂的源。

尽管生长衬底和基底层11优选为p型Ge生长衬底和基底层，但其它半导体材料也可用作生长衬底和基底层，或仅用作生长衬底。此些衬底的实例包含(但不限于)GaAs、InP、GaSb、InAs、InSb、GaP、Si、SiGe、SiC、Al₂O₃、Mo、不锈钢、钠钙玻璃(soda-lime glass)和SiO₂。

重度掺杂的p型砷化铝镓(“AlGaAs”)和(“GaAs”)穿隧结层(tunneling junctionlayer)14、15可沉积在成核层13上，以形成隧道二极管且在底部子单元与中间子单元20之间提供低阻路径。

中间子单元20包含高度掺杂的p型砷化铝镓(“AlGaAs”)背表面场(“BSF”)层16、p型InGaAs基底层17、高度掺杂的n型磷化铟镓(“InGaP₂”)发射极层18和高度掺杂的n型磷化铟铝(“AlInP₂”)窗口层19。

窗口层通常具有与发射极相同的掺杂类型，但具有比发射极高的掺杂浓度。此外，窗口层常常需要具有比发射极高的带隙，以便抑制窗口中的少数载流子光生(photogeneration)和注入，进而减少原本将在窗口层中发生的重组。注意，多种不同半导体材料可用于光伏电池的窗口、发射极、基底和/或BSF层，所述半导体材料包含AlInP、AlAs、AlP、AlGaInP、AlGaAsP、AlGaInAs、AlGaInPAs、GaInP、GaInAs、GaInPAs、AlGaAs、AlInAs、AlInPAs、GaAsSb、AlAsSb、GaAlAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlN、GaN、InN、GaInN、AlGaInN、GaInNAs、AlGaInNAs、ZnSSe、CdSSe和其它材料且仍落在本发明的精神内。

中间子单元20的InGaAs基底层17可包含(例如)大约1.5％的铟。也可使用其它组成。在BSF层沉积在底部子单元10的穿隧结层14、15上之后，基底层17形成于BSF层16上。

提供BSF层16以减少中间子单元20中的重组损失。所述BSF层16从接近背表面的高度掺杂区驱动少数载流子，以使重组损失的影响最小化。因此，BSF层16减少太阳能电池的背侧处的重组损失，且进而减少基底层/BSF层界面处的重组。在发射极层沉积之后，窗口层19沉积在中间子单元20的发射极层18上。中间子单元20中的窗口层19也有助于减少重组损失且改进下伏结的单元表面的钝化。

在沉积顶部单元30的层之前，重度掺杂的n型InAlP₂和p型InGaP₂穿隧结层21、22分别可沉积在中间子单元20上，从而形成隧道二极管。

在高聚光度地面太阳能电池的实施例中，安置于子单元之间的隧道二极管层具有适于支持穿过隧道二极管的15与30安培/平方厘米之间的电流密度的厚度。

在所说明的实例中，顶部子单元30包含高度掺杂的p型磷化铟镓铝(“InGaAlP”)BSF层23、p型InGaP₂基底层24、高度掺杂的n型InGaP₂发射极层25和高度掺杂的n型InAlP₂窗口层26。在BSF层23形成于中间子单元20的穿隧结层21、22上之后，顶部子单元30的基底层24沉积在BSF层23上。在发射极层25形成于基底层24上之后，窗口层26沉积在顶部子单元的发射极层25上。盖帽层(cap layer)27可沉积且经图案化为顶部子单元30的窗口层26上的单独接触区。

盖帽层27用作从顶部子单元30到金属栅格层40的电接点。顶部单元的薄层电阻小于300欧姆/平方，且在一些实施例中其为约200欧姆/平方厘米。经掺杂的盖帽层27可为半导体层，例如，GaAs或InGaAs层。也可在窗口层26的表面上在盖帽层27的接触区之间提供抗反射涂层28。

现有技术太阳能电池中的栅格线40通常在电池的相对侧上在两条母线(bus bar)之间延伸。在现有技术中，栅格线通常具有5微米或更小的厚度或高度，约5微米的宽度和约100微米的间距(即，邻近栅格线的中心之间的距离)。栅格图案的总表面面积覆盖顶部单元的表面面积的5.0％与10.0％之间。

如在图2的所说明的实例中所展示，本发明的太阳能电池具有实质上与图1的太阳能电池相同的半导体层11到27、金属接触层50和抗反射涂层28，且此处不需要重复此描述。

在本发明的一些实施例中，栅格线在电池的相对侧上在两条母线之间延伸。在一些实施例中，每一栅格线可具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间，因此每一导体的大小适于传导由太阳能电池在高聚光度下形成的相对高的电流。

栅格线具有为7微米或更大的厚度或高度，约5微米的宽度和约100微米的间距(即，邻近栅格线的中心之间的距离)。在一些实施例中，栅格线具有梯形横截面形状，其中顶部处的宽度为约4.5微米且底部处的宽度为约7微米。

栅格图案的总表面面积覆盖顶部单元的表面面积的5.0％与10.0％之间。栅格图案和线尺寸经选择以运载由太阳能电池产生的相对高的电流。在一些实施例中，栅格图案的总表面面积覆盖顶部单元的表面面积的6％。

在一些实施例中，例如对于地面发电应用来说，聚光透镜60或其它光学器件可安置在太阳能电池的上方且用以在所述电池的表面上将入射日光聚焦到500X或更大的放大倍率。

在一些实施例中，所得的太阳能电池具有针对顶部、中间和底部子单元的1.9电子伏特、1.4电子伏特和0.7电子伏特的带隙。在一些实施例中，在由聚集的日光以超过500倍照明时，太阳能电池具有至少3.0伏的开路电压(V_oc)、至少0.13安培/瓦的短路状态下的响应度、至少0.70的填充因数(FF)和空气质量1.5(AM1.5D)或处于25摄氏度的类似地面光谱下的至少35％的效率，以便产生每平方厘米电池面积超过35亳瓦的峰值DC功率。

图3为展示在AM1.5D光谱以及一平方厘米太阳能电池表面面积的情况下500太阳照度下的太阳能电池效率随着栅格线厚度而变化的曲线图。此类太阳能电池(标注为型号CTJ)适合于聚光器光伏系统中的地面应用，所述地面应用使用透镜或其它光学器件以500倍或更大的放大倍率在所述电池上聚焦入射的太阳光束。使用厚栅格线(例如，厚度为7微米或更大)实现电池效率的实质改进。光刻的限制和处理考虑因素可使得从生产或可靠性的立场来说使用当前生产技术实现曲线图较高端处的栅格厚度(即，十微米或更大)是不太可行的，但这不应损害本发明的教示。

图4为展示在AM0光谱以及六十平方厘米表面面积的情况下一太阳照度下的太阳能电池效率随着栅格线厚度而变化的曲线图。此类太阳能电池(标注为型号ZTJ)适合于光伏系统中的空间应用，所述空间应用以一个太阳照度操作(即，不使用入射太阳光束的放大)。使用厚栅格线(例如，厚度为7微米或更大)实现电池效率的实质改进。光刻的限制和处理考虑因素可使得从生产或可靠性的立场来说使用当前生产技术实现曲线图较高端处的栅格厚度(即，十微米或更大)是不太可行的，但这不应损害本发明的教示。

Claims

1.一种用于从太阳产生能量的聚光器光伏太阳能电池布置，其包括：

聚光透镜(60)，其用于产生大于500X的聚光度；以及

太阳能电池，其在所述聚光透镜(60)所聚集的光束的路径中，所述太阳能电池包含

锗(11、12)衬底，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元(10)；

砷化镓中间单元(20)，其安置在所述锗衬底(11、12)上；

磷化铟镓顶部单元(30)，其安置在所述砷化镓中间单元(20)上且具有带隙以使AM1.5光谱区中的吸收最大化；以及

安置在所述磷化铟镓顶部单元(30)上的表面栅格，其包含多个间隔开的栅格线(45)，其中所述栅格线(45)具有大于7微米的厚度，且每一栅格线具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间，且适合于传导由所述太阳能电池产生的相对高的电流，其中所述梯形形状具有顶部处4.5微米的宽度和底部处7微米的宽度；

其中由覆盖顶部表面的多个平行栅格线(45)构成的栅格图案的总表面面积覆盖所述磷化铟镓顶部单元(30)的表面面积的至少6％，但少于所述表面面积的10％；

其中所述磷化铟镓顶部单元(30)具有200欧姆/平方的薄层电阻；

其中所述栅格线(45)具有100微米的中心到中心间距；

其中所述太阳能电池具有至少3.0伏的开路电压(V_oc)、至少0.13安培/瓦的短路状态下的响应度、至少0.70的填充因数(FF)，且在AM1.5D或AM0太阳辐射下产生每平方厘米电池面积超过35毫瓦的峰值DC功率；以及

所述布置进一步包括安置于所述太阳能电池的介于所述底部太阳能子单元(10)和所述砷化镓中间单元(20)之间的隧道二极管层(14、15)和安置于所述太阳能电池的介于所述砷化镓中间单元(20)和所述磷化铟镓顶部单元(30)之间的隧道二极管层(21、22)，所述隧道二极管层具有适于支持穿过所述隧道二极管的15与30安培/平方厘米之间的电流密度的厚度。

2.根据权利要求1所述的布置，其中所述磷化铟镓顶部单元(30)、所述砷化镓中间单元(20)和所述底部太阳能子单元(10)的带隙分别为1.9电子伏特、1.4电子伏特和0.7电子伏特。

3.一种用于从太阳产生能量的光伏太阳能电池布置，其包括：

锗衬底(11、12)，其包含第一光敏结且形成底部太阳能子单元(10)；

砷化镓中间单元(20)，其安置在所述锗衬底(11、12)上；

磷化铟镓顶部单元(30)，其安置在所述砷化镓中间单元(20)上；以及

安置在所述磷化铟镓顶部单元(30)上的表面栅格，其包含多个间隔开的栅格线(45)，其中所述栅格线(45)具有大于7微米的厚度，且每一栅格线(45)具有梯形形状的横截面，其中横截面面积在45与55平方微米之间，其中所述梯形形状具有顶部处4.5微米的宽度和底部处7微米的宽度；

其中所述栅格线(45)具有100微米的中心到中心间距；

其中所述布置进一步包括安置于所述太阳能电池的介于所述底部太阳能子单元(10)和所述砷化镓中间单元(20)之间的隧道二极管层(14、15)和安置于所述太阳能电池的介于所述砷化镓中间单元(20)和所述磷化铟镓顶部单元(30)之间的隧道二极管层(21、22)，所述隧道二极管层具有适于支持穿过所述隧道二极管的15与30安培/平方厘米之间的电流密度的厚度。

4.根据权利要求3所述的布置，其中所述磷化铟镓顶部单元(30)、所述砷化镓中间单元(20)和所述底部太阳能子单元(10)的带隙分别为1.9电子伏特、1.4电子伏特和0.7电子伏特。