CN113272960A - 多结太阳能电池和具有集成边缘滤波器的多色光电检测器 - Google Patents

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Abstract

公开了包括半导体边缘滤波器、位于半导体边缘滤波器的上面的第一光吸收区域和位于半导体边缘滤波器的下面的第二光吸收区域的半导体器件。半导体边缘滤波器在上面的光吸收区域所吸收的第一波长范围上具有高反射率并且在下面的光吸收区域所吸收的第二波长范围上具有高透射。

Description

多结太阳能电池和具有集成边缘滤波器的多色光电检测器
本申请要求于2018年8月30日提交的美国临时申请第62/725,047号的权益，其通过引用被整体并入。
技术领域
本发明涉及具有半导体边缘滤波器的半导体光吸收器件，并且具体涉及具有设置在第一光吸收层下方并且位于第二光吸收层的上面的半导体边缘滤波器的光吸收器件。半导体边缘滤波器在设计波长以下提供宽的高反射率带宽，以便在上面的光吸收层内提供增加的吸收并且在设计波长以上提供非常低的反射率，使得半导体边缘滤波器最小化透射进入下面的光吸收区域中的光的影响。
背景技术
已知主要基于III-V化合物半导体材料的化合物的多结太阳能电池产生最高效率的电池，使其非常适合陆地应用，诸如聚光光伏(CPV)系统和空间应用。如图1和图2A-D中所示，多结太阳能电池(100)包括串联连接的多个二极管，在本领域中称为结或子电池(图1中的106、107和108)，通过在半导体基板上的堆叠中生长外延的薄区域来实现。堆叠中的每个结具有唯一的带隙，并且经优化用于吸收太阳光谱的不同部分，从而提高太阳能转换的效率。这些结可以选自具有不同光学和电学性能的各种半导体材料，以吸收太阳光谱的不同部分。这些材料经布置使得结的带隙从顶结(106)到底结(108)逐渐变低。因此，高能量光子在顶结中被吸收，并且较低能量的光子穿过到达低能量光子被吸收的更低结。在每个结中，产生电子-空穴对，并且在太阳能电池的欧姆接触(图1中的2和52)处收集电流。用于形成结的半导体材料包括例如锗和来自周期表的III族和V族的一种或多种元素的合金。这些合金的示例包括磷化铟镓、磷化铟、砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓、锑化镓、磷化铟和稀释氮化物化合物。对于三元和四元化合物半导体，可以使用宽范围的合金比率。在相邻电池之间使用隧道结来使电池互连。
稀释氮化物有利地用作太阳能电池材料，因为晶格常数可以变化以匹配由半导体材料而非稀释氮化物形成的宽范围的基板和/或结。由于稀释氮化物提供高质量、晶格匹配和带隙可调谐的结，因此包括稀释氮化物结的太阳能电池可以在工业标准基板上实现高转换效率。效率的提高很大程度上是由于较少的光能作为热损失，因为另外的结允许更多的入射光子被带隙更接近于入射光子的能量的半导体材料吸收。另外，由于较低的工作电流，与其他太阳能电池相比，在这些多结太阳能电池中将存在较低的串联电阻损失。在较高的太阳光的浓度下，降低的串联电阻损失变得更显著。根据底结的带隙，在太阳光谱中更宽范围的光子的收集也可以有助于提高效率。
稀释氮化物的示例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi以及GaNAsSbBi。稀释氮化物的晶格常数和带隙可由不同IIIA族和VA族元素的相对分数控制。进一步地，可以通过在特定晶格常数和带隙周围选择成分，同时将总锑和/或铋含量限制到例如不超过V族晶格格位的20％来获得高质量材料。锑和铋被认为是充当促进III-AsNV稀释氮化物合金的平滑生长形态的表面活性剂。因此，通过调整稀释氮化物材料的成分(即，元素和数量)，可以获得宽范围的晶格常数和带隙。可以调整带隙和成分，使得由稀释氮化物结产生的短路电流密度将与太阳能电池中其他结中的每一个结的短路电流密度相同或略大。
电池中具有最低电流的结为限流电池，其限制了器件中的最大电流流动，降低了效率。低电流可以由光学吸收系数弱的电池产生，或者由出于载流子收集或寿命终止的考虑而需要薄结的电池产生，因此增加这种电池内的吸收，并因此由电池产生的电流是可期望的。
分布布拉格反射器(DBR)已经提出来改善电池的性能。可以将给定电池下面的DBR设计为将未被吸收的光反射回电池中，该未被吸收的光可以被吸收，然后有助于改善电流产生。
美国专利第8,716,593号和第9,257,586号公开了一种位于3J器件的GaInNAs J2结下面的DBR。为了使3J太阳能电池以合理的效率运行，J1/GaInNAs J2/Ge 3J太阳能电池的带隙可以是1.9eV/1.35-1.4eV/0.7eV。反射率光谱示出了在从大约800nm至900nm的大约100nm的波长范围内可以实现大于大约60％的高反射率。尽管长于大约900nm的波长可以透射到下面的Ge结，但是存在多达大约20％或10％或5％的多个反射率“波纹”。虽然下面的Ge电池可以具有足够的电流以能够容许一些反射率损失，但是任何下面的电池通常会遭受降低的性能，这会是不期望的。
美国专利第9,018,521号公开了一种位于倒置变质、非晶格匹配的多结(IMM)太阳能电池的第一结J1下面的DBR。
美国专利申请第2010/0147366号公开了位于倒置变质、非晶格匹配的多结(IMM)太阳能电池的第二结J2和第三结J3下面的DBR。
美国专利申请第2017/0200845号公开了具有第一DBR和第二DBR的太阳能电池，其中DBR在不同的波长范围反射，位于多结太阳能电池中稀释氮化物电池的下面。
然而，半导体DBR的带宽典型地限于大约100nm。虽然一些工作提到了较大的反射率带宽，但是没有描述实现较大带宽的特定设计。例如，虽然双层DBR似乎在近似地150nm的波长范围内是可工作的，但是没有描述能够在例如对应于稀释氮化物结中的吸收光谱的、跨越较大波长范围延伸反射率的设计。此外，半导体DBR的反射率光谱可以在比高反射率带更长的波长处呈现波纹。这可以降低可以进入下面的子电池(或多个子电池)的较长波长光的水平，从而降低由下面的子电池(或多个子电池)产生的电流。这些问题还可以存在于多色光电检测器中，该多色光电检测器可以具有多于一个的光吸收区域，其中至少一个光吸收区域位于反射器的上面并且至少一个光吸收区域位于反射器的下面。
稀释氮化物异质结构可以表现出高的背景掺杂水平、低的少数载流子寿命和短的少数载流子扩散长度，这可以减少器件内的光载流子收集体积。这限制了可以产生的短路电流密度(Jsc)，并且还降低了电池效率。可以通过降低氮化物掺入来改善材料质量，但这增加材料的带隙、改变吸收光谱和降低吸收水平。能够提供跨越期望波长范围的反射的结构可以用于将未被吸收的光子反射回较薄的吸收区域，有效地增加用于薄区域的吸收水平。还需要此类反射结构来补偿与较大带隙材料相关联的较长波长处的减少的吸收。然而，典型的结构的剩余反射率会导致下面的子电池中的电流减少。尽管诸如边缘滤波器的结构是已知的，但是它们由与半导体生长工艺不兼容并且不能经单片集成的介电材料制成。因此，使用半导体层在覆盖用于特别结或子电池的吸收范围的大波长范围上实现高反射率，同时使在其他波长下的反射率最小化将是有用的，使得下面的子电池的性能不受影响。
发明内容
根据本发明，公开了半导体边缘滤波器，其中边缘滤波器配置为在第一波长范围内提供大于90％的反射率(该反射率具有大于100nm、或大于150nm、或大于200nm的全宽半高)，以及在大于500nm或大于750nm的波长范围内的第二波长范围处提供大于95％或98％、或99％的透射率。
根据本发明，半导体结构包括：半导体边缘滤波器；第一光吸收区域，其位于在半导体边缘滤波器的上面、具有第一带隙和第一吸收光谱；以及第二光吸收区域，其位于半导体边缘滤波器的下面、具有第二带隙和第二吸收光谱(其中，半导体边缘滤波器将可以被所述吸收区域吸收的第一波长范围反射回第一光吸收区域中，并且允许可以被第二光吸收区域吸收的第二波长范围穿过进入第二光吸收区域)。
根据本发明，半导体结构包括：根据本发明的半导体结构；位于第二光吸收区域下面的第一掺杂层；以及位于第一光吸收区域的上面的第二掺杂层。
根据本发明，半导体器件包括根据本发明的半导体结构。
根据本发明，多结光伏电池包括根据本发明的半导体结构。
根据本发明，光伏模块包括根据本发明的半导体器件。
根据本发明，电力系统包括根据本发明的光伏模块。
根据本发明，制造半导体结构的方法包括：提供半导体基板；在半导体基板上沉积半导体边缘滤波器，以及在半导体边缘滤波器上沉积第一光学吸收区域，其中第一光学吸收区域具有带隙和相关联的吸收光谱，并且其中半导体边缘滤波器将可以被所述吸收区域吸收的第一波长范围反射回第一光学吸收区域中，并且透射由下面的半导体可吸收的第二波长范围以穿过进入所述下面的半导体中。
附图说明
本领域的技术人员将理解，本文描述的附图仅用于说明目的。附图并非旨在限制本公开的范围。
图1示出了现有技术的多结太阳能电池的示例的横截面图。
图2A示出了具有三个结的多结太阳能电池的横截面示意图。
图2B和2C示出了具有四个结的多结太阳能电池的示意性横截面图。
图2D是具有五个结的多结太阳能电池的示意性横截面图。
图3示出了根据本发明的四结太阳能电池的示例的示意性横截面图。
图4示出了根据本发明的四结太阳能电池的示例的示意性横截面图。
图5A和5B示出了根据本发明的四结太阳能电池的示例的示意性横截面图。
图6示出了可以存在于包括AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb的3J多结光伏电池中的某些层的成分和功能的示例。
图7示出了可以存在于包括AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/Ge的4J多结光伏电池中的某些层的成分和功能的示例。
图8示出了具有固定层厚度和不同数目的镜对的DBR设计的反射率光谱。
图9示出了根据本发明的实施例的半导体边缘滤波器的示意性横截面图。
图10A示出了根据本发明的用于半导体边缘滤波器的反射率光谱。
图10B示出了根据本发明的用于半导体边缘滤波器的透射光谱。
图11示出了根据本发明的多色光电检测器的示意性横截面图。
图12示出了根据本发明的另一个多色光电检测器的示意性横截面图。
图13示出了在稀释氮化物J3结和(Si,Sn)Ge J4结之间具有和不具有半导体边缘滤波器的情况下，对于4J太阳能电池的稀释氮化物J3结和(Si,Sn)Ge J4结的模拟波长依赖性的量子效率。
图14示出了用于图13中所示的模拟结果的J3的模拟波长依赖性吸收差。
具体实施方式
下面的具体的描述涉及附图，附图以说明的方式示出了可以实施本发明的具体细节和实施例。对这些实施例进行充分详细地描述以使本领域技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以作出结构、逻辑和电学改变。本文公开的各种实施例不必相互排斥，因为一些公开的实施例可以与一个或多个其他公开的实施例组合以形成新的实施例。因此，下面的具体描述不应被认为具有限制意义，并且本发明的实施例的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来限定。
尽管阐述本发明的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体示例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值都固有地包含由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
而且，应当理解，本文所述的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括在所述的大约1的最小值和所述的大约10的最大值之间(并且包括所述的大约1的最小值和所述的大约10的最大值)的所有子范围，即，具有等于或大于大约1的最小值和等于或小于大约10的最大值。
而且，在本申请中，即使“和/或”可以在某些情况下明确使用，但除非另外具体地说明，“或”的使用也意味着“和/或”。
“晶格匹配”是指当材料以大于100nm的厚度存在时、在邻接材料完全松弛状态下、邻接材料的面内晶格常数相差小于0.6％的半导体层。进一步地，大体上彼此晶格匹配的结意味着：以大于100nm的厚度存在的结中的所有材料在其完全松弛状态中具有相差小于0.6％的面内晶格常数。在可替代的含义中，大体上晶格匹配是指应变。照此，基极层可以具有0.1％至6％、0.1％至5％、0.1％至4％、0.1％至3％、0.1％至2％或0.1％至1％的应变；或者可以具有小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％，或小于1％的应变。应变是指压缩应变和/或拉伸应变。
如本文使用的术语“假晶应变”意味着由具有晶格参数差的不同材料制成的层可以生长在其他晶格匹配或应变层的顶上，而不会产生失配位错。在某些实施例中，晶格参数相差高达+/-2％。在其他某些实施例中，晶格参数相差高达+/-1％。在其他某些实施例中，晶格参数相差高达+/-0.5％。在进一步的某些实施例中，晶格参数相差高达+/-0.2％。
本发明的器件和方法有助于高质量多结太阳能电池的制造。本公开教导了包括位于多结太阳能电池的第一子电池的下面并且位于多结太阳能电池的第二子电池的上面的半导体边缘滤波器的器件及制造这些器件的方法。第一子电池可以包括稀释氮化物半导体层。多结太阳能电池还可以包括晶格失配的多结太阳能电池(诸如倒置变质多结(IMM)太阳能电池)，该晶格失配的多结太阳能电池包括分级夹层和半导体边缘滤波器，分级夹层用于将晶格常数从第一子电池的晶格常数过渡到第二子电池的晶格常数，半导体边缘滤波器位于IMM太阳能电池的一个子电池的下面并且位于另一个子电池的上面。包括位于第一子电池的下面并且位于第二子电池的上面的半导体边缘滤波器的多结太阳能电池表现出改善的性能。
本公开提供的半导体器件可以包括：半导体边缘滤波器；位于半导体边缘滤波器的上面的、具有第一带隙和第一吸收光谱的第一光吸收区域；以及位于半导体边缘滤波器的下面的、具有第二带隙和第二吸收光谱的第二光吸收区域，其中半导体边缘滤波器配置为提供对第一波长范围的高反射率和在第二波长范围的高透射率。
本公开提供的半导体器件可以包括：包括稀释氮化物的第一层、位于第一层的下面的半导体边缘滤波器层；以及位于半导体边缘滤波器层的下面的第二层，其中第一层、半导体边缘滤波器和第二层与其他层中的每一个都是晶格匹配的。半导体器件的示例包括功率转换器、晶体管、激光器、发光二极管、光电器件和诸如多结太阳能电池的太阳能电池。稀释氮化物层可以包括GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi。稀释氮化物层可以包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。稀释氮化物层可以包括GaInNAsSb。
多结太阳能电池可以包括至少三层，诸如三结3J、四结(4J)、五结(5J)或六结(6J)太阳能电池，其中结中至少一个结包括稀释氮化物。多结太阳能电池可以包括例如一个稀释氮化物结或两个稀释氮化物结。
多结太阳能电池可以包括：稀释氮化物结；位于稀释氮化物结的下面的半导体边缘滤波器层；以及位于半导体边缘滤波器层的下面的(Si,Sn)Ge结。在包括两个稀释氮化物结的多结太阳能电池中，单独的半导体边缘滤波器层可以位于稀释氮化物结中的每个稀释氮化物结的下面，或者单个半导体边缘滤波器层可以位于最低的稀释氮化物结的下面。
稀释氮化物结可以包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi。稀释氮化物结可以包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。稀释氮化物结可以包括GaInNAsSb。
稀释氮化物结可以具有例如0.5微米至4微米、0.5微米至3.5微米、0.5微米至3微米、0.5微米至2.5微米、0.5微米至2微米、0.5微米至1.5微米或1微米至2微米的厚度。
如图1中所示，多结太阳能电池100可以包括基板5、背金属接触部52、包括盖区域3的顶金属接触部2和形成结中的每个结的异质外延层45。ARC 1位于金属接触部2、盖区域3和最上面的结106的前表面的上面。图1中所示的多结太阳能电池包括三个结106、107和108。每个结可以包括形成元件132的前表面场4和发射极102、耗尽区103、基极104、背表面场105和隧道结167。ARC 1可以覆盖多结太阳能电池的顶表面。隧道结178使第二结107和第三结108互连。异质外延层45位于基板5的上面，并且金属接触部52设置在基板5的背侧上。诸如当基板包括(Si,Sn)Ge时，基板5也可以是多结太阳能电池的有源结。
图2A-2D示出了包括至少一个稀释氮化物结的多结太阳能电池的示意图。图2A示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结和稀释氮化物结的三结3J太阳能电池。图2B示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结、稀释氮化物结和(Si,Sn)Ge结的四结4J太阳能电池。(Al,In)GaP结可以具有1.9eV至2.2eV的带隙；(Al,In)GaAs结可以具有1.4eV至1.7eV的带隙；稀释氮化物结可以具有0.9eV至1.3eV的带隙；并且(Si,Sn)Ge结可以具有0.7eV至0.9eV的带隙。图2C示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结和两个稀释氮化物结的四结4J太阳能电池。(Al,In)GaP结可以具有1.9eV至2.2eV的带隙；(Al,In)GaAs结可以具有1.4eV至1.7eV的带隙；稀释氮化物结(J3)可以具有1.0eV至1.3eV的带隙；并且稀释氮化物结(J4)可以具有0.7eV至1.1eV的带隙。图2D示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结、两个稀释氮化物结，以及(Si,Sn)Ge结的五结5J太阳能电池。
多结太阳能电池配置为使得具有最高带隙的结面向入射的太阳辐射，其中结的特征在于位于最上面的结的下面或下方的带隙逐渐降低。为了最佳效率，结的特定带隙至少部分地由底结的带隙、结层的厚度和入射光的光谱来规定。多结太阳能电池内的所有结可以与其他结中的每一个结大体上晶格匹配。可以在诸如(Si,Sn)Ge基板的基板上制造多结太阳能电池。基板可以包括砷化镓、磷化铟、锑化镓、(Si,Sn)Ge、硅或工程基板(诸如缓冲硅基板)。可以在硅上生长以产生晶格常数等于或大致等于Ge或GaAs的晶格常数的基板的缓冲器的示例包括SiGeSn和稀土氧化物(REO)。结中的每个结可以大体上与基板晶格匹配。在一些实施例中，如本领域中已知的，诸如IMM太阳能电池的多结太阳能电池内的结不需要与其他结中的每一个结大体上晶格匹配。
稀释氮化物有利地用作光伏电池材料，因为晶格常数可以变化以大体上匹配由半导体材料而非稀释氮化物形成的宽范围的基板和/或结。稀释氮化物的示例包括GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。不同IIIA族和VA族元素的相对分数可以控制稀释氮化物的晶格常数和带隙。因此，通过调整稀释氮化物材料的成分(即，元素和数目)，可以获得宽范围的晶格常数和带隙。进一步地，通过调节特定晶格常数和带隙周围的成分，同时将总Sb和/或Bi含量限制到例如不超过V族晶格格位的20％，诸如不超过V族晶格格位的10％，来获得高质量的材料。Sb和Bi被认为是充当促进III-AsNV稀释氮化物合金的平滑生长形态的表面活性剂。另外，Sb和Bi可以促进氮的均匀掺入并使氮相关缺陷的形成最小化。Sb和Bi的掺入可以提高整体氮的掺入，并减少合金的带隙。然而，Sb和Bi可以创建另外的缺陷，且因此将Sb和/或Bi的总浓度限于不超过V族晶格格位的20％是可取的。进一步地，对Sb和Bi含量的限制随着氮含量的降低而降低。包含铟的合金甚至可以对总含量的限制更低，因为In可以减少调整晶格常数所需的Sb的量。对于包括In的合金，总Sb和/或Bi含量可以限于不超过V族晶格格位的5％，在某些实施例中，限于不超过V族晶格格位的1.5％，在某些实施例中，限于不超过V族晶格格位的0.2％。例如，当在0.07≤x≤0.18、0.025≤y≤0.04以及0.001≤z≤0.03的成分范围内、在至少0.9eV的带隙(诸如在0.9eV至1.1eV的范围内)的情况下、与GaAs或Ge基板大体上晶格匹配时，在美国专利第8,912,433号中公开的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz可以产生高质量材料，该专利通过引用被整体并入。在美国专利第8,697,481号和第8,962,993号中公开了在0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07以及0.001≤z≤0.20的成分范围内、在0.7eV至1.4eV之间的带隙的情况下的Ga1-xInxNyAs1-y- zSbz，该两个专利均通过引用被整体并入。共同未决的美国申请公开第2019/0013430号公开了包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的稀释氮化物吸收区域，其通过引用被整体并入，其中x、y和z分别落入0≤x≤0.4、0<y≤0.07以及0≤z≤0.2的范围内。在一些实施例中，x、y和z可以分别落入0.01≤x≤0.4、0.02≤y≤0.06以及0.001≤z≤0.04的范围内。
在本公开提供的稀释氮化物的某些实施例中，N成分不超过V族晶格格位的10％。在某些实施例中，N成分不超过7％，在某些实施例中不超过5.5％，在某些实施例中不超过4％，以及在某些实施例中不超过3.5％。
在本发明提供的稀释氮化物的某些实施例中，稀释氮化物包括Ga1-xInxNyAs1-y- zSbz，其中x、y和z分别落入0≤x≤0.4、0<y≤0.1以及0≤z≤0.2的范围内。在一些实施例中，x、y和z可以分别落入0.01≤x≤0.4、0.02≤y≤0.07以及0.001≤z≤0.04的范围内。
本公开的实施例包括稀释氮化物结，其包括例如基极层中的GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsBiSb，其可以并入以高效率工作的多结光伏电池中。可以通过改变成分同时控制Sb和/或Bi的总含量来调整稀释氮化物的带隙。因此，可以制造具有适于与其他结集成的带隙的稀释氮化物结，同时维持与其他结中的每一个结的大体的晶格匹配以及与基板的大体的晶格匹配。可以调整带隙和成分，使得由稀释氮化物结产生的Jsc将与太阳能电池中其他结中的每一个结的Jsc相同或略大。由于稀释氮化物提供高质量、晶格匹配和带隙可调谐的子电池，因此包括稀释氮化物结的光伏电池可以实现高转换效率。因为另外的子电池允许更多的入射光子被带隙更接近于入射光子的能量的半导体材料吸收，因此效率的提高很大程度上是由于较少的光能作为热损失。另外，由于较低的工作电流，与其他光伏电池相比，在这些多结光伏电池中将存在较低的串联电阻损失。在较高的太阳光浓度下，降低的串联电阻损失变得更显著。根据底子电池的带隙，在太阳光谱中更宽范围的光子的收集也可以有助于提高效率。
由于不同元素之间的相互作用以及稀释氮化物层中的应变等因素，诸如Ga1- xInxNyAs1-y-zSbz的稀释氮化物的成分和带隙之间的关系不是成分的简单函数。可以通过根据经验改变成分来获得产生具有特定晶格常数的期望的带隙的成分。然而，在诸如Jsc、Voc、FF的属性中反映的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz合金的质量和效率可以取决于加工和退火的条件和参数。例如美国专利第8,912,433号和美国申请公开第2017/0110613号中公开了包括稀释氮化物的高效多结太阳能电池，这些专利中的每一个通过引用被整体并入。美国申请公开第2017/036573号中公开了高效GaInNAsBi和GaInNAsSbBi结，该专利申请通过引用被整体并入。
在美国专利9,214,580、美国专利申请公开第2016/9118526号和美国专利申请公开第2017/0338357号中公开了具有分级掺杂分布的稀释氮化物子电池，这些专利中的每一个通过引用被整体并入。已经示出分级掺杂分布以改善稀释氮化物子电池的性能。这种子电池可以包括具有第一厚度并且具有小于大约1×1015/cm3的非故意掺杂浓度的非故意掺杂的稀释氮化物区域，以及具有第二厚度并且掺杂剂浓度在1×1015/cm3与1×1019/cm3之间的掺杂稀释氮化物区域，其中第一厚度在0.3μm与1.5μm之间，并且第二厚度在1μm与2μm之间，并且其中第一厚度小于第二厚度。
图3示出了根据本发明的四结(4J)多结太阳能电池300的示意性横截面图。器件300包括基板302、半导体边缘滤波器304、稀释氮化物结(J3)306、中间结(J2)308和顶结(J1)310。
在一些实施例中，基板302具有与GaAs或Ge的晶格常数匹配或几乎匹配的晶格常数。在所示的一个实施例中，基板302是Ge并且可以形成用于多结太阳能电池的子电池(J4)，其具有本领域已知的p-n结。基板302具有第一带隙能量。
如本文所描述的，半导体边缘滤波器304位于基板302的上面，并且可以包括具有不同折射率和厚度的材料的交替层。这些层之间的折射率差以及层厚度在第一波长范围上提供了高反射率以及在第二波长范围上提供了高透射率。半导体边缘滤波器304包括具有不同折射率和至少两个不同层厚度的至少两种不同材料。半导体边缘滤波器304可以包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。半导体边缘滤波器304的成分经选择为与基板晶格匹配或对基板假晶应变。可以这样选择层的数目、顺序和厚度，使得入射太阳光谱的第一期望范围被半导体边缘滤波器反射到位于半导体边缘滤波器的上面的一个或多个结中，并且入射太阳光谱的第二期望范围被透射到位于半导体边缘滤波器的下面的一个或多个结中。如稍后将描述的，可以通过使用半导体边缘滤波器来减少上面的结的厚度而不减少上面的结中的光吸收。可以通过用Si、Te、Zn、C、Mg和/或Se掺杂边缘滤波器夹层来调谐半导体边缘滤波器的电学性能。
稀释氮化物结或子电池(J1)306形成于半导体边缘滤波器304的上面。子电池306的晶格常数与基板晶格匹配或对基板假晶应变。在一些实施例中，稀释氮化物子电池包括GaInNAs。在一些实施例中，稀释氮化物子电池包括GaInNAsSb。子电池306具有比基板302的第一带隙大的第二带隙。在一些实施例中，GaInNAsSb包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z分别落入0≤x≤0.4、0<y≤0.1以及0<z≤0.2的范围内。在一些实施例中，稀释氮化物子电池306的带隙在0.7eV与1.3eV之间或在0.9eV与1.2eV之间或在0.95eV与1.1eV之间。
子电池308位于子电池306的上面。子电池308与基板晶格匹配或对基板假晶应变。子电池308具有大于第二带隙的第三带隙。在一些实施例中，子电池308包括(Al,In)GaAs。
子电池310位于子电池308的上面。子电池310与基板晶格匹配或对基板假晶应变。子电池310具有大于第三带隙的第四带隙。在一些实施例中，子电池308包括(Al，In)GaP。
图4示出了另一种四结(4J)多结太阳能电池400的示意性横截面图。器件400包括基板402、分级层403、半导体边缘滤波器404、底结(J3)406、中间结(J2)408和顶结(J1)410。基板402具有第一晶格常数和第一带隙。通过沉积与基板晶格匹配的掺杂半导体材料以形成p-n结，来使用基板形成p-n结。基板的示例是GaSb。
在基板402上沉积半导体材料以形成分级层(或变质层)。分级层是成分逐步分级系列的子层，优选地在每个步骤中具有单调变化的晶格常数，使得子层序列实现半导体结构中的晶格常数从基板402的晶格常数到上面的层404、406、408和410的晶格常数的逐渐过渡，同时最小化穿透位错的发生。在一些实施例中，子层是AlGaAsSb。在其他实施例中，子层是InGaAlAs。在一些实施例中，上面的层具有与GaAs或Ge的晶格常数匹配或几乎匹配的晶格常数。
在形成分级层之后，然后形成半导体边缘滤波器404。然后形成底子电池或结406，其具有大于第一带隙的第二带隙。在一些实施例中，第一子电池406是稀释氮化物结或子电池。在该示例中，该结构中包括两个其他子电池(408和410)，其中所有子电池通过隧道结(未示出)耦合，提供多个p-n结(子电池)的串联连接。
图5A和5B示出了根据本发明的四结(4J)多结太阳能电池500和550的示意性横截面图。在图5A中，以Ge为基板502，一个或多个Ge层可以形成具有p-n结的底子电池。然后形成子电池506，且在该示例中子电池506为稀释氮化物结或子电池。然后形成半导体边缘滤波器507，随后是两个其他子电池(508和510)，其中所有子电池通过隧道结(未示出)耦合，提供多个p-n结(子电池)的串联连接。在图5B中，以Ge为基板502，一个或多个Ge层可以形成具有p-n结的底子电池。然后形成第一半导体边缘滤波器504，随后是子电池506。在该示例中，子电池506是稀释氮化物结或子电池。然后形成第二半导体边缘滤波器507，随后是两个其他子电池(508和510)，其中所有子电池通过隧道结(未示出)耦合，提供多个p-n结(子电池)的串联连接。第一半导体边缘滤波器504设计为反射由子电池506吸收的波长并透射由基板(和子电池)502吸收的波长。第二半导体边缘滤波器507设计为反射由子电池508吸收的波长并透射由子电池506和基板(和子电池)502吸收的波长。
本领域的技术人员将理解，在光伏电池300、400、500和550中可以并入或省略其他类型的层以创建功能器件，并且这里不必对这些其他类型的层详细描述。这些其他类型的层包括例如盖玻璃、防反射涂层(ARC)、接触层、前表面场(FSF)、隧道结、窗口、发射极、背表面场(BSF)、成核层、缓冲层，以及基板或晶片柄。在本文描述和说明的实施例中的每个实施例中，可以存在另外的半导体层以创建光伏电池器件。具体地，可以在顶子电池上方形成盖或一个或多个接触层、ARC层和电学接触部(也表示为金属栅格)，并且可以在底子电池下方形成或存在一个或多个缓冲层、基板或柄以及底接触部。在某些实施例中，基板还可以用作底结，诸如在锗结中。如本领域技术人员已知的，多结光伏电池也可以在没有上述列出的层中的一个或多个的情况下形成。这些层中的每一个都需要仔细的设计以确保其并入多结光伏电池中不会损害高性能。
图11和12示出了根据本发明的多色光电检测器1100和1200的示意性横截面图。在一些示例中，基板可以是GaAs、Ge或可以具有与GaAs或Ge的晶格常数匹配或几乎匹配的晶格常数，诸如缓冲硅基板。
在图11中，在基板1102上形成第一吸收层1104。然后在第一吸收层1104上形成半导体边缘滤波器1106，且在半导体边缘滤波器1106上形成第二吸收层1108。
在图12中，在基板1202上形成第一吸收层1204。然后在第一吸收层1204上形成第一半导体边缘滤波器1206，且在半导体边缘滤波器1206上形成第二吸收层1208。在第二吸收层1208上形成第二半导体边缘滤波器1210，且在第二半导体边缘滤波器1210上形成第三吸收层1212。第一半导体边缘滤波器1204设计为反射由第二吸收层1208吸收的波长并且透射由第一吸收层1204吸收的波长。第二半导体边缘滤波器1210设计为反射由第三吸收层1212吸收的波长并且透射由第二吸收区域1208和第一吸收区域1204吸收的波长。
本领域的技术人员将理解，可以在光电检测器1100和1200中并入或省略其他类型的层以创建功能器件，并且这里不必详细描述这些其他类型的层。这些其他类型的层包括例如防反射涂层(ARC)、接触层、缓冲层(包括变质缓冲层)、隧道结，以及基板或晶片柄。在本文描述和说明的实施例中的每个实施例中，可以存在另外的半导体层以创建多色光电检测器器件。如本领域技术人员已知的，多色光电检测器也可以在没有以上列出的层中的一个或多个层的情况下形成。这些层中的每一个层都需要仔细的设计以确保其并入多色光电检测器中不会损害高性能。
图6示出了具有包括InAlPSb的高温阻挡和成核层的4J结构(例如，AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/Ge)的示例，其示出了可以存在于多结光伏电池300中的可能的另外半导体层。在该结构中，半导体边缘滤波器位于沉积在基板上的缓冲层的上面。在一些实施例中，半导体边缘滤波器还可以充当缓冲层。半导体边缘滤波器示出为包括GaAs/AlGaAs层。半导体边缘滤波器包括具有不同折射率和至少两种不同层厚度的至少两种不同材料。半导体边缘滤波器304可以包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，诸如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。
图7示出了4J结构(例如，lInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/GaSb)的示例，其示出了可以存在于多结光伏电池400中的这些可能的另外半导体层。在该结构中，半导体边缘滤波器404位于分级层的上面，该分级层沉积在基板上以将晶格常数从基板的第一晶格常数改变为用于上面的层的期望的第二晶格常数。半导体边缘滤波器示出为包括GaAs/AlGaAs层。半导体边缘滤波器包括具有不同折射率和至少两种不同层厚度的至少两种不同材料。半导体边缘滤波器404可以包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，诸如例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。
在具有周期性结构的常规分布布拉格反射器(DBR)设计中，基于期望的设计波长λ0，将层的厚度选择为四分之一波长的整数倍。即，将层的厚度选择为λ0/4n的整数倍，其中n是材料在波长λ0处的折射率。DBR可以包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，诸如例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、GaInAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。可以这样选择层的数目、顺序和厚度，使得入射太阳光谱的期望范围被DBR反射到DBR的上面的一个或多个结中。通过使用DBR可以减少上面的结的厚度，而不减少上面的结中的光吸收。
然而，在高反射率带之外的波长处，DBR将具有剩余反射率，具有波长相关的反射率光谱。这会导致由DBR下面的结吸收的太阳光谱的部分的透射的光谱依赖性的减少，从而减少可以由下面的结产生的电流。
与分布布拉格反射器(DBR)相比，半导体边缘滤波器不需要具有周期性结构，而可以是由具有不同折射率的交替半导体材料形成的非周期性结构，该非周期性结构可以用于在由上面的结吸收的第一范围的频率或波长内实现高反射，以及配置为由下面的一个或多个结吸收的第二范围的频率或波长内的高透射。这确保了半导体边缘滤波器不会过度减少下面的结中的电流产生。
图8示出了具有五(5)个周期性结构、十(10)个周期性结构和十五(15)个周期性结构的常规DBR的计算光谱反射率，其中每个周期性结构包括一对GaAs/AlGaAs夹层。DBR设计为用于在1.05μm处的法向最大反射率。夹层中的每个夹层的厚度在70nm和90nm之间。DBR的法向反射率随着周期性结构的数目的增加而增加，峰值反射率和阻带宽度(即全宽半高)均增加。如图5中所示，该效果是高度非线性的，并且在接近100％的反射率时快速最大化。边带反射率(即，在大于1,050nm的波长处的反射率)导致由下面的层(诸如(Si，Sn)Ge结)吸收的一些损失。具有十五(15)个GaAs/AlGaAs对的DBR具有大约130nm的全宽半高(FWHM)。DBR设计表明，在给定的波长范围内增加的反射率还在更长的波长处产生反射率波纹，该更长的波长可以高达大约20％或10％或5％。
图9示出了用于半导体边缘滤波器的设计的示例。在一个实施例中，半导体边缘滤波器904包括具有不同折射率的两种晶格匹配或假晶半导体材料。作为示例，半导体904可以包括层901和层903的交替层，层901具有第一成分和第一折射率，且层903具有第二成分和第二折射率，其中相邻的层901和层903提供层对。层对可以包括包括GaAs的第一层和包括AlGaAs的第二层。层对可以包括包括AlxGa1-xAs的第一层和包括AlyGa1-yAs的第二层，其中0≤x≤1且0≤y≤1，并且x和y的值选择为不同。应当理解，半导体边缘滤波器可以具有形成多层结构的多于两种不同的半导体材料，每层具有不同的成分和不同的折射率。
半导体材料之间可用的折射率阶跃小于介电材料的折射率阶跃。因此，产生期望的反射率和透射特性所需的半导体层的数目(及其厚度)将与使用不同材料(诸如电介质)的设计显著不同。
半导体边缘滤波器包括至少20层对(40层)。半导体边缘滤波器可以包括例如20至100层对或30至50层对。例如，在半导体边缘滤波器904中，第一层对具有对应的厚度t901,1和t903,1。第二层对具有对应的厚度t901,2和t903,1。第n个镜对具有对应的厚度t901,n和t903,n。
用于不同层的光学厚度不是周期性的并且不是单调变化的。单层厚度可以在大约5nm与1,300nm之间变化，或在大约10nm与1,000nm之间变化，或在大约5nm与250nm之间变化，以便实现期望的反射率和透射特性。
可以通过分子束外延(MBE)或通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长这种半导体边缘滤波器堆叠。经过优化的高掺杂可以降低电阻(用于DBR的VCSEL技术中熟知的工艺)并且可以维持由太阳能电池中的下面的(Si,Sn)Ge结吸收的光的光学透明度。例如，相邻层之间的界面可以是δ掺杂的。这些界面还可以在薄的厚度上具有分级的成分，从一层的成分过渡到相邻层的成分。可以使用典型地大约1或2nm厚的薄层来实现成分分级。例如，可以通过Al0.2Ga0.8As和Al0.8Ga0.2As的薄层对GaAs和AlAs层之间的界面进行分级。成分的分级可以有益于半导体边缘滤波器的电学性能，而不会不利地影响光学性能。
可以根据设计规则[0.5H(LH)n L 0.5H]使用周期性层设计基本的长波通边缘滤波器，其中H和L分别是高和低折射率材料的四分之一波长光学厚度，且n是重复单元的数目。然而，这种边缘滤波器的特征在于通带中的显著波纹。对于在第一波长范围内具有高反射率、在第二波长范围内具有高透射、在高透射带内具有最小波纹并且在高反射和高透射带之间具有定义明确的截止波长的半导体边缘滤波器的设计，不存在可能的解析解。此外，半导体材料之间的折射率阶跃会限制高反射率区域的带宽。本发明的半导体边缘滤波器具有非周期性结构，在通带中没有或具有最小的波纹。虽然上述设计规则可以作为起始点，但是需要改变层厚度和在结构的特定点内的层的增加，以实现边缘滤波器的期望的光学特性。可以使用价值函数来测量针对给定设计的期望的滤波器光谱特性与实际滤波器光谱特性之间的差异。实现这一点的一种技术是针合成。在这种技术中，材料的薄层(或针)通过设计移动并且插入在其中最改进的价值函数的点处。这可以迭代地重复，以便修改层的数目和层的厚度，以使价值函数最小化并产生期望的光谱响应。
本发明公开的半导体边缘滤波器配置为在第一波长范围内提供大于80％或大于90％或大于95％的反射率。本发明公开的半导体边缘滤波器配置为在比第一波长范围更长的波长处出现的第二波长范围内提供大于95％或大于98％或大于99％的透射。第一波长范围内的反射率的全宽半高大于100nm或大于150nm或大于200nm。高反射率区域的波长下限可以由在形成边缘滤波器的半导体材料内没有光学吸收的点或比短波长吸收极限更长的一些其他设计波长来限定；波长上限可以基于期望高反射率的光的期望应用和带宽来选择，诸如多结太阳能电池中的电池的吸收光谱，或者光电检测器中的吸收层的吸收光谱。高透射的第二波长范围可以大于500nm或大于750nm。高反射率和高透射之间的波长过渡范围可以小于40nm、或小于20nm、或小于10nm。
表1和2示出了设计为具有以1.09eV的滤波器边缘的两种不同的GaAs/Al0.9Ga0.1As半导体边缘滤波器的层厚度。在表1中，最小层厚度大约为10nm，且最大层厚度大约为910nm，且总滤波器厚度大约为7.3微米。表2中所示的结构的厚度为大约8.8微米。
表1.设计为具有以大约1.09eV的截止值的边缘滤波器的材料和物理厚度(nm)。
Figure BDA0003042107810000181
Figure BDA0003042107810000191
表2.设计为具有以大约1.09eV的截止值的边缘滤波器的材料和物理厚度(nm)。
Figure BDA0003042107810000192
Figure BDA0003042107810000201
半导体边缘滤波器可以位于隧道结的下方或上方。当位于隧道结的下方时，半导体边缘滤波器可以是n型，且当位于隧道结的上方时，半导体边缘滤波器可以是p型。
诸如稀释氮化物结的结的吸收光谱可以在300nm至400nm宽之间。常规DBR不足以在下面的结的整个吸收范围上提供反射，并且典型地限于小于150nm的波长范围。这可以降低DBR在改善由电池产生的电流方面的有效性。半导体边缘滤波器可以将反射率带宽增加到大于150nm或大于200nm。
虽然半导体边缘滤波器中相邻层之间的界面可以是δ掺杂的，或者界面可以在薄厚度上具有分级成分，但从一层的成分过渡到相邻层的成分这并未示出。层可以包括具有不同元素成分、不同掺杂水平和/或不同折射率的子层，而不会使半导体边缘滤波器的光学性能退化。
可以通过选择形成半导体边缘滤波器的夹层的材料和厚度来调节半导体边缘滤波器的高反射率带的长波长截止波长。对于适用于太阳能电池中的稀释氮化物诸如GaInNAsSb、GaInNAsBi和GaInNAsSbBi，根据材料的带隙，半导体边缘滤波器的高反射率带的长波长截止可以处于例如从1,000nm(1.240eV)至1,400nm(0.885eV)、从1,000nm(1.240eV)至1,300nm(0.954eV)、从1,000nm(1.240eV)至1,200nm(1.033eV)、或从1,100nm(1.127eV)至1,200nm(1.033eV)、或从1,050nm(1.18eV)至1,150nm(1.078eV)的范围内的波长处。半导体边缘滤波器的长波长截止可以处于距离上面的(稀释氮化物)子电池的长波长吸收截止的50nm内或25nm内或10nm内的波长处。
半导体边缘滤波器的第一波长范围的高反射率光谱的FWHM可以大于100nm、或大于150nm或200nm、或大于250nm。
图10A和10B示出了根据表1中示例的具有层厚度的半导体边缘滤波器在法向入射下的模型化反射率和透射光谱。该滤波器设计为具有与上面的稀释氮化物结的带边缘对应的、在近似地1.09eV(在1130nm和1140nm之间)处的边缘。
图10A示出了在大约880nm与大约1120nm之间的高反射率区域，具有大约240nm的全宽半高。反射率在该范围内是至少90％，并且在大约200nm的波长范围上是至少95％。在跨越比使用常规DBR所能实现的更宽的波长范围提供反射率的能力是重要的，因为它可以跨越更宽的波长范围增加器件(诸如光电检测器)的光谱响应度或光伏电池的结中的吸收。在大于大约1140nm的波长处，反射率下降到小于1％。
图10B示出了对于大于大约1140nm的波长的高透射区域。对于长于大约1160nm的所有波长，该示例的透射大于99％。
高反射率与高透射之间的过渡发生在大约40nm或更小的窄波长范围中，并且该结构允许高反射率和高透射区域两者，而不损害或降低那些范围内的反射率或透射值。
当上面的结包括具有低扩散长度的材料时，或者当结的少数载流子扩散长度在其工作寿命期间显著劣化时，将半导体边缘滤波器集成到多结太阳能电池中是有利的。在部署到空间中且暴露于高能粒子的太阳能电池中，器件劣化是不可避免的。辐射损伤导致结中的扩散长度减少，使得所产生的少数载流子的仅一部分到达耗尽层。因此，这种劣化降低了由含稀释氮化物的多结太阳能电池供电的航天器的最大能力和寿命。利用半导体边缘滤波器，可以在不损害稀释氮化物结中的光学吸收的情况下减少上面的稀释氮化物结的厚度。半导体边缘滤波器有效地将光学厚度的效果与物理厚度解耦。引入半导体边缘滤波器并同时减少稀释氮化物结厚度的组合对电流产生具有积极效果。可以在稀释氮化物结的有源层的整个深度上实现更有利的电流产生分布。特别重要的是，由于稀释氮化物结厚度的减少，产生的少数载流子到耗尽层的平均距离显著减少。这导致少数载流子在扩散期间将遇到耗尽层的可能性增加，因此这将有助于在接触处收集的电流。通过使用下面的半导体边缘滤波器，可以在4J太阳能电池中使用较薄的稀释氮化物第三结(J3)，并且由于减少了载流子收集的扩散长度，因此改善在寿命开始(BOL)和寿命结束(EOL)条件下的载流子收集。
本公开所提供的半导体层可以设计为改善诸如稀释氮化物结的上面的稀释氮化物层的性能，从而改善诸如包括稀释氮化物层和下面的半导体边缘滤波器的多结太阳能电池的器件的性能。本公开所提供的半导体边缘滤波器层可以设计为(1)将能够被稀释氮化物结吸收的光反射回上面的稀释氮化物层中，以及(2)透射在可以被下面的结吸收的波长处的光。
本公开所提供的半导体边缘滤波器层可以设计为减少诸如稀释氮化物结的上面的稀释层的厚度，允许改善的载流子收集，由此改善诸如包括稀释氮化物层和下面的半导体边缘滤波器层的多结太阳能电池的器件的性能，如稍后将描述的。
本公开所提供的半导体层可以设计为改善上面的(Al,In)GaAs层(诸如(Al,In)GaAs结或子电池)的性能，从而改善器件(诸如包括(Al,In)GaAs层和下面的半导体边缘滤波器的多结太阳能电池)的性能。本公开所提供的半导体边缘滤波器层可以设计为(1)将能够被(Al,In)GaAs结吸收的光反射回上面的(Al,In)GaAs结中，以及(2)透射在可以被下面的结或下面的多个结吸收的波长处的光。
本公开所提供的半导体边缘滤波器层可以设计为减少(Al,In)GaAs层(诸如(Al,In)GaAs结或子电池)的厚度，允许改善的载流子收集，从而改善器件(诸如包括(Al,In)GaAs层和下面的半导体边缘滤波器层的多结太阳能电池)的性能。
为了比较目的，已经模拟了几种结构，以评估半导体边缘滤波器对太阳能电池中的结的性能的影响。模拟具有2.5μm的稀释氮化物(J3)厚度的基线4J结构。然后在J3与J4(Ge)之间使用和不使用半导体边缘滤波器来模拟具有较薄(1.5μm厚)稀释氮化物吸收区域的4J结构。半导体边缘滤波器设计为使用与1130与1140nm之间的波长对应的、在大约1.09eV的能量下具有截止波长的GaAs/Al0.9Ga0.1As层，并且匹配上面的稀释氮化物层的带边缘，如表1中所述。
表3示出了用于AM0源的4J太阳能电池的计算的J3和J4电流密度。基线结构针对J3具有2.5μm的厚度，并且较薄结构具有1.5μm的厚度。将J3结从2.5μm变薄到1.5μm使其电流密度降低14％，这可以使其成为4结电池中的限流电池，同时J4的短路电流增加10％。利用较薄的J3结，半导体边缘滤波器将J3电流恢复到其用于基线设计的先前值附近(比用于薄的J3结高大约2mA/cm2)，同时与基线设计相比，将J4短路电流密度降低大约1.3mA/cm2(或大约6％)。然而，因为J4具有过电流，所以可以在不使多结电池的整体性能退化的情况下容许这种损失。J4中电流密度的降低可以归因于在上面的J3结中被吸收的波长处更高的吸收效率，否则这些波长将被透射到J4中并且在那里被吸收。
表3.用于AM0源的4J太阳能电池的计算的J3和J4电流密度。
Figure BDA0003042107810000241
表4示出了用于AM0源的另一4J太阳能电池的计算的J3和J4电流密度。在该示例中，稀释氮化物(J3)吸收器的带隙为1.08eV。基线结构具有2.5μm的J3厚度，并且较薄结构具有1.5μm的J3厚度。边缘滤波器设计为使用与大约1150nm波长对应的、具有1.08eV能量处的截止波长的GaAs/Al0.9Ga0.1As层，并且匹配上面的稀释氮化物层的带边缘。
表4.用于AM0源的4J太阳能电池的计算的J3和J4电流密度。
Figure BDA0003042107810000242
计算了顶电池(J1)和第二电池(J2)的短路电流密度分别为16.2mA/cm2和16.4mA/cm2。将J3结从2.5μm变薄到1.5μm减少了J3中的电流密度，使其成为限流电池，而J4的短路电流增加。在该设计中，半导体边缘滤波器将J3电流恢复到刚好高于其用于基线设计的初始值，表明J3层的进一步变薄是可能的。尽管与基线设计相比，J4短路电流减少，因为J4具有过电流，所以可以在不使多结电池的整体性能退化的情况下容许这种损失。J4中电流密度的降低可以归因于在上面的J3结中被吸收的波长处更高的吸收效率，否则这些波长将被透射到J4中并且在那里被吸收。
图13示出了在稀释氮化物J3结与(Si,Sn)GeJ4结之间(1.5μm厚的J3)具有和不具有半导体边缘滤波器的情况下，结3(J3，稀释氮化物)和结4(J4，Ge)4J太阳能电池的模拟波长依赖性吸收率，与具有表4中示出的结果的器件相对应。可以看出，对于所有波长，相对于不具有半导体边缘滤波器的设计，在具有半导体边缘滤波器的设计中J3的吸收率更大，从而确认半导体边缘滤波器跨越稀释氮化物层的整个吸收光谱反射。在不具有半导体边缘滤波器的情况下，对于处于较薄的J3不能很好地吸收的波长的光，使J3变薄的效果导致J4的更宽的吸收光谱，但是对于J4的短波长尾部被半导体边缘滤波器消除。对于具有2.5μm的J3层并且不具有边缘滤波器的器件，还存在低于1150nm的短波长吸收尾部。边缘滤波器消除了该尾部，并且对于超过1150nm的波长，J4中的吸收率与基线设计相当，相对于基线设计具有小的波长依赖性变化，该小的波长依赖性变化小于由常规DBR引起的波纹诱发的效果。
两种设计之间的J3吸收率的差异在图14中示出。可以看出，半导体边缘滤波器跨越近似地850nm与1150nm之间的波长范围具有增加的吸收率，表明针对近似地300nm的第一波长范围的半导体边缘滤波器的反射率带宽。
在使用诸如DBR的结构时，半导体边缘滤波器的透射特性还可以最小化或消除以可能以其他方式针对由下面的层吸收的波长范围发生的吸收率的波纹。这可以有效地维持诸如多色光电检测器的器件的下面的吸收层的光谱响应度的形状。
在一些实施例中，基线结构的稀释氮化物层包括第一非故意掺杂(UID)区域和第二p-掺杂稀释氮化物区域，第一非故意掺杂(UID)区域具有第一厚度和小于大约1×1015/cm3的非故意掺杂浓度，第二p-掺杂稀释氮化物区域具有第二厚度和可以根据1×1015/cm3与1×1019/cm3之间的位置而变化的掺杂浓度，其中第二区域的厚度大于第一区域的厚度。在一个实施例中，UID区域的厚度是1μm并且p-掺杂区域的厚度是1.5μm。如已经描述的，对于本发明的示例性实施例，半导体边缘滤波器允许将稀释氮化物层的厚度从2.5μm变薄到1.5μm的厚度。在一些实施例中，半导体边缘滤波器允许将稀释氮化物层的厚度减少高达1.5μm至0.5μm与3μm之间。在一些实施例中，可以以成比例的方式将该变薄应用于UID区域和掺杂区域。在一些实施例中，可以以非比例的方式应用变薄，其中UID区域的减少的厚度比p-掺杂区域的减少的厚度薄。在其他实施例中，可以优先地将变薄应用于p-掺杂区域，使得UID区域的厚度大于或等于p-掺杂区域的厚度。例如，对于1.5μm的氮化物层厚度，UID区域的厚度可以是μm并且p-型掺杂区域的厚度可以是0.5μm，其中所有变薄应用于p-掺杂区域，或者UID区域的厚度可以是0.8μm，且p-型掺杂区域的厚度可以是0.7μm。在一些实施例中，UID区域的厚度在0.3μm与1.5μm之间，并且p-掺杂区域的厚度在0.1μm与1.5μm之间，其中UID区域的厚度大于或等于p-掺杂区域的厚度。优先地，使P-型区域变薄有利于电流收集。半导体边缘滤波器的反射率允许使用较薄的p-掺杂区域，并且允许在更靠近UID区域及其与p-掺杂区域的界面处发生更多的光吸收。更靠近稀释氮化物子电池的结的更大吸收导致提高的载流子收集效率，从而增加短路电流并增加子电池的效率。
本公开所提供的半导体边缘滤波器层可以设计为允许通过改变材料成分(例如通过减少稀释氮化物层的至少一部分上的氮含量)来改变或增加上面的稀释氮化物层(诸如稀释氮化物结)的带隙。减少氮含量可以以长波长吸收为代价提供质量改善的材料。还可以通过改变铟含量或改变Sb含量来改变材料成分。半导体边缘滤波器可以通过将较宽波长范围上的光反射回结中使得其可以被吸收并且产生光电流来补偿减少的吸收。
稀释氮化物的带隙可以增加在2meV与100meV之间。稀释氮化物的带隙可以增加在2meV与50meV之间。在一些实施例中，可以增加UID层和p-掺杂层两者的带隙。在一些实施例中，可以仅增加p-掺杂层的带隙。在一些实施例中，可以实现一个以上的带隙增加，例如，可以将两个带隙增加应用到p-掺杂区域的不同部分，其中两个带隙增加的总和在2meV和100meV之间。增加的带隙可以提高跨越结的电压，并且还可以实现确保电流匹配的半导体边缘滤波器，从而提高稀释氮化物结的性能。
在其他实施例中，带隙增加可以跨越稀释氮化物层分级。带隙分级跨越稀释氮化物层或稀释氮化物层的一部分可以是线性的，或者可以是非线性的，诸如二次分级。例如，UID层可以没有带隙变化，但是p-掺杂区域的带隙可以从与UID区域的界面处的零带隙增加变化到p-掺杂区与稀释氮化物结的背表面场之间的界面处的高达10meV或30meV或50meV或100meV的带隙增加。阶梯带隙结构和分级带隙结构可以通过跨越结提供场效应来改善电流收集，从而改善稀释氮化物结的性能。
在其他实施例中，如上所述，层厚度的变化可以与如上所述的成分(和带隙)变化组合。
本公开所提供的制造半导体器件(诸如含稀释氮化物的多结太阳能电池)的方法可以包括：提供p-型半导体；通过将p-型半导体暴露于气相n-型掺杂以形成n-p结而在p-型半导体中形成n-型区域；在n-型区域上沉积阻挡层；在阻挡层上沉积含砷层；以及在600℃至900℃范围内的温度下对半导体器件进行热退火5秒至5小时的持续时间。在热退火步骤之后，半导体器件保持与热处理之前相同的性能属性。
可以在第一材料沉积室中在基板上沉积多个层。该多个层可以包括蚀刻停止层、释放层(即，设计为当应用诸如化学蚀刻的特定工艺序列时从基板释放半导体层的层)、接触层(诸如横向传导层)、缓冲层或其他半导体层。在一个具体实施例中，所沉积的层的序列是一个或多个缓冲层，然后是一个或多个释放层，然后是一个或多个横向传导或接触层。接下来，将基板转移到第二材料沉积室，在该第二材料沉积室中在现有半导体层的顶上沉积一个或多个结。然后可以将基板转移到第一材料沉积室或第三材料沉积室，以沉积一个或多个结，且然后沉积一个或多个接触层。也在结之间形成隧道结。
基板和半导体层从一个材料沉积室到另一个材料沉积室的移动定义为转移。例如，将基板放置在第一材料沉积室中，且然后沉积一个或多个缓冲层和一个或多个底结。然后将基板和半导体层转移到沉积剩余结的第二材料沉积室。转移可以在真空中、在大气压力下在空气或另一种气体环境中、或在其间的任何环境中发生。转移可以进一步在材料沉积室之间的一个位置中，材料沉积室可以互连或可以不互连，或转移可以涉及在不同位置之间输送基板和半导体层，称之为输送。输送可以在真空下密封、被氮气或另一种气体包围、或被空气包围的基板和半导体层的情况下完成。另外的半导体、绝缘层或其他层可以在转移或输送期间用作表面保护，并且在转移或输送之后、在进一步沉积之前移除。
可以在第一材料沉积室中沉积稀释氮化物结，并且可以在第二材料沉积室中沉积(Al,In)GaP和(Al,In)GaAs结，在这些结之间形成有隧道结。转移可以发生在一个结的生长的中间，使得结具有在一个材料沉积室中沉积的一个或多个层和在第二材料沉积室中沉积的一个或多个层。
可以通过分子束外延(MBE)在一个材料沉积室中沉积稀释氮化物结和隧道结的层中的一些或全部，并且通过化学气相沉积(CVD)在另一材料沉积室中沉积光伏电池的剩余层。例如，将基板放置在第一材料沉积室中，并且在基板上生长可以包括成核层、缓冲层、发射极和窗口层、接触层和隧道结的层，随后是一个或多个稀释氮化物结。如果存在多于一个的稀释氮化物结，则在相邻结之间生长隧道结。可以生长一个或多个隧道结层，且然后将基板转移到第二材料沉积室，在第二材料沉积室中通过化学气相沉积生长剩余的光伏电池层。在某些实施例中，化学气相沉积系统是MOCVD系统。在本发明的相关实施例中，将基板放置在第一材料沉积室中，并且通过化学气相沉积在基板上生长可以包括成核层、缓冲层、发射极和窗口层、接触层和隧道结的层。随后，在现有的半导体层上生长两个或更多个顶结，在这些顶结之间生长有隧道结。然后可以生长最顶的稀释氮化物结的一部分，诸如窗口层。然后将基板转移到第二材料沉积室，在二材料沉积室中可以沉积最顶的稀释氮化物结的剩余半导体层，接着沉积多达三个更多的稀释氮化物结，在它们之间具有隧道结。
在一些实施例中，当沉积器件的任何层时，可以使用表面活性剂，诸如Sb或Bi。一小部分表面活性剂也可以并入层内。
光伏电池可以在生长之后经受一个或多个热退火处理。例如，热退火处理包括应用400℃至1000℃的温度10微秒至10小时。可以在包括空气、氮气、砷、胂、磷、磷化氢、氢气、合成气体、氧气、氦气和前述材料的任意组合的大气中进行热退火。在某些实施例中，可以在制造另外的结之前对结和相关隧道结的堆叠进行退火。
除了在结的发射极-基极结处的内置电场之外，掺杂还会引入电场。在结结构中由光伏效应产生的少数载流子会受到该另外的电场的影响，影响电流收集。跨越稀释氮化物基极层的掺杂分布的定位可以设计为产生将少数载流子推向结的前方的另外的电场，引起高的复合速度和少数载流子收集的实质性改善。具有改善的性能特性的稀释氮化物结可以具有分级掺杂，其中掺杂浓度随结的垂直轴变化。掺杂分布可以不是恒定的，但可以是线性的、指数的或对位置具有其他依赖性，以对电场造成不同的影响。当将具有分级掺杂的稀释氮化物结与具有宽的、均匀的本征掺杂区域(即，未掺杂的)的常规光伏结相比较时，对于增强的载流子收集(与常规半导体材料一起工作的公认最佳实践)，分级掺杂稀释氮化物结，特别是指数掺杂稀释氮化物结表现出优越的性能特性。位置依赖性的掺杂也可以应用于发射极，当与稀释氮化物基极的掺杂结合使用时，进一步增加结的电流收集。
虽然本公开的焦点已集中于用于多结太阳能电池、其他应用、设计等的线性啁啾反射器。
本发明的方面
方面1.一种半导体边缘滤波器，其中半导体边缘滤波器配置为：在第一波长范围上提供大于90％的反射率，且该反射率具有大于100nm的全宽半高；并且在第二波长范围上提供大于95％的透射率，其中第二波长范围的比第一波长范围更长的波长，并且第二波长范围宽于500nm。
方面2.一种半导体结构，包括：半导体边缘滤波器；位于半导体边缘滤波器的上面、具有第一带隙和第一吸收光谱的第一光吸收区域；以及位于半导体边缘滤波器的下面、具有第二带隙和第二吸收光谱的第二光吸收区域。
方面3.根据方面1或2所述的半导体结构还包括：位于第二光吸收区域的下面的第一掺杂层；以及位于第一光吸收区域的上面的第二掺杂层。
方面4.根据方面3所述的半导体结构，其中第一掺杂层为n-型掺杂，并且第二掺杂层为p-型掺杂。
方面5.根据方面3所述的半导体结构，其中第一掺杂层为p-型掺杂，并且第二掺杂层为n-型掺杂。
方面6.根据方面2至5中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器包括与作为第一掺杂层的掺杂类型相同的掺杂类型。
方面7.根据方面2至6中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器包括多个层，其中多个层中的相邻层的特征在于不同的折射率和不同的厚度。
方面8.根据方面1至7中任一项所述的半导体结构，其中层中的每个层包括AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、GaInAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。
方面9.根据方面2至8中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器配置为反射在可以被第一光吸收区域吸收的波长处的光。
方面10.根据方面2至9中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器配置为透射在可以被第二光吸收区域吸收的波长处的光。
方面11.根据方面2至10中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括稀释氮化物材料。
方面12.根据方面2至11中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。
方面13.根据方面2至12中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域与Ge或GaAs晶格匹配。
方面14.根据方面2至13中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z落入0≤x≤0.4、0<y≤0.1以及0<z≤0.2的范围内。
方面15.根据方面2至14中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域的特征在于从0.7eV至1.3eV的范围内的带隙。
方面16.根据方面2至15中任一项所述的半导体结构，其中第二光吸收区域的特征在于带隙小于用于第一光吸收区域的带隙。
方面17.根据方面2至16中任一项所述的半导体结构，还包括相邻层之间的分级夹层。
方面18.根据方面2至16中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器的特征在于在第一光吸收层的吸收边缘的25nm内的高反射率长波长截止。
方面18.根据方面2至17中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器的特征在于在从900nm(1.378eV)至1,400nm(0.885eV)、从900nm(1.378eV)至1,300nm(0.954eV)、从900nm(1.378eV)至1,200nm(1.033eV)、或从1000nm(1.240eV)至1,150nm(1.078eV)的范围内的高反射率长波长截止。
方面19.根据方面1至18中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器具有至少40个层。
方面20.一种半导体器件，包括根据方面2至19中任一项所述的半导体结构。
方面21.一种多结光伏电池，包括根据方面2至19中任一项所述的半导体结构。
方面22.一种光伏模块，包括根据方面21所述的多结光伏电池。
方面23.一种动力系统，包括根据方面22所述的光伏模块。
方面1A.一种半导体边缘滤波器，其中半导体边缘滤波器配置为：在第一波长范围上大于提供90％的法向反射率，并且在第二波长范围上提供大于95％的法向透射率。
方面2A.根据方面1A所述的半导体边缘滤波器，其中用于第一波长范围的反射率的全宽半高大于100nm。
方面3A.根据方面2A所述的半导体边缘滤波器，其中第二波长范围处于比第一波长范围更长的波长，并且其中第二波长范围大于500nm。
方面4A.根据方面1A至3A中任一项所述的半导体边缘滤波器，其中半导体边缘滤波器包括多个层，其中多个层中的相邻层的特征在于不同的折射率和不同的厚度。
方面5A.根据方面4A的半导体边缘滤波器，其中用于不同层的光学厚度不是周期性的并且不是单调变化的。
方面6A.一种半导体结构，包括：半导体边缘滤波器；位于半导体边缘滤波器的上面、具有第一带隙和第一吸收光谱的第一光吸收区域；以及位于半导体边缘滤波器的下面、具有第二带隙和第二吸收光谱的第二光吸收区域。
方面7A.根据方面6A所述的半导体结构，还包括：位于第二光吸收区域的下面的第一掺杂层；以及位于第一光吸收区域的上面的第二掺杂层。
方面8A.根据方面6A至7A中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器配置为反射在可以被第一光吸收区域吸收的波长处的光。
方面9A.根据方面6A至8A中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器配置为透射在可以被第二光吸收区域吸收的波长处的光。
方面10A.根据方面6A至9A中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域的特征在于从0.7eV至1.3eV的范围内的带隙。
方面11A.根据方面6A至10A中任一项所述的半导体结构，其中第二光吸收区域的特征在于带隙小于用于第一光吸收区域的带隙。
方面12A.根据方面6A至11A中任一项所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器的特征在于在第一光吸收层的吸收边缘的25nm内的高反射率长波长截止。
方面13A.根据方面9A所述的半导体结构，其中半导体边缘滤波器的特征在于在从900nm(1.378eV)至1,400nm(0.885eV)、从900nm(1.378eV)至1,300nm(0.954eV)、从900nm(1.378eV)至1,200nm(1.033eV)、或从1000nm(1.240eV)至1,150nm(1.078eV)的范围内的高反射率长波长截止。
方面14A.根据方面6A至13A中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域与Ge或GaAs晶格匹配。
方面15A.根据方面6A至14A中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括稀释氮化物材料。
方面16A.根据方面15A所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。
方面17A.根据方面15A至16A中任一项所述的半导体结构，其中第一光吸收区域包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中x、y和z落入0≤x≤0.4、0<y≤0.1以及0<z≤0.2的范围内。
方面18A.一种半导体器件，包括根据方面6A至17A中任一项所述的半导体结构。
方面19A.一种多结光伏电池，包括根据方面6A至17A中任一项所述的半导体结构。
方面20A.一种光伏模块，包括根据方面19A所述的多结光伏电池。
方面21A.一种动力系统，包括根据方面20A所述的光伏模块。
应当注意，存在实现本文中所公开的实施例的替代方式。因此，本实施例被认为是说明性的而不是限制性的。此外，权利要求不限于本文给出的细节，而是被赋予其全部范围及其等同物。

Claims (17)

1.一种半导体边缘滤波器，其中所述半导体边缘滤波器配置为：在第一波长范围上提供大于90％的法向反射率，并且在第二波长范围上提供大于95％的法向透射率。
2.根据权利要求1所述的半导体边缘滤波器，其中用于所述第一波长范围的所述反射率的全宽半高大于100nm。
3.根据权利要求2所述的半导体边缘滤波器，其中所述第二波长范围处于比所述第一波长范围更长的波长，并且其中所述第二波长范围大于500nm。
4.根据权利要求1所述的半导体边缘滤波器，其中所述半导体边缘滤波器包括多个层，其中所述多个层中的相邻层的特征在于不同的折射率和不同的厚度。
5.根据权利要求4所述的半导体边缘滤波器，其中用于不同层的光学厚度不是周期性的并且不是单调变化的。
6.一种半导体结构，包括：
半导体边缘滤波器；
第一光吸收区域，所述第一光吸收区域位于所述半导体边缘滤波器的上面、具有第一带隙和第一吸收光谱；以及
第二光吸收区域，所述第二光吸收区域位于所述半导体边缘滤波器的下面、具有第二带隙和第二吸收光谱。
7.根据权利要求6所述的半导体结构，还包括：
第一掺杂层，所述第一掺杂层位于所述第二光吸收区域的下面；以及
第二掺杂层，所述第二掺杂层位于所述第一光吸收区域的上面。
8.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述半导体边缘滤波器配置为反射在能够被所述第一光吸收区域吸收的波长处的光。
9.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述半导体边缘滤波器配置为透射在能够被所述第二光吸收区域吸收的波长处的光。
10.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述第一光吸收区域的特征在于从0.7eV至1.3eV的范围内的带隙。
11.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述第二光吸收区域的特征在于带隙小于用于所述第一光吸收区域的所述带隙。
12.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述半导体边缘滤波器的特征在于在第一光吸收层的吸收边缘的25nm内的高反射率长波长截止。
13.根据权利要求9所述的半导体结构，其中所述半导体边缘滤波器的特征在于在从900nm 1.378eV至1,400nm 0.885eV、从900nm 1.378eV至1,300nm 0.954eV、从900nm1.378eV至1,200nm 1.033eV、或从1000nm 1.240eV至1,150nm 1.078eV的范围内的高反射率长波长截止。
14.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述第一光吸收区域与Ge或GaAs晶格匹配。
15.根据权利要求6所述的半导体结构，其中所述第一光吸收区域包括稀释氮化物材料。
16.根据权利要求15所述的半导体结构，其中所述第一光吸收区域包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。
17.根据权利要求15所述的半导体结构，其中所述第一光吸收区域包括Ga1-xInxNyAs1-y- zSbz，其中x、y和z落入0≤x≤0.4、0<y≤0.1以及0<z≤0.2的范围内。
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