TW201029196A - Thin absorber layer of a photovoltaic device - Google Patents

Description

201029196 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例係大致上關於具有高效率和更大彈性 的光伏（PV)元件’諸如太陽能電池，以及其製造方法。 【先前技術】 ❹

隨著化石燃料快速地耗盡，替代能源的需求變得越加 明顯。從風、從太陽、及從流動水所衍生的能量可對於 化石燃料（例如煤、油、及天然氣）提供再生、環保的替 代物。因可從地球上各處輕易取得，太陽能未來可能是 一可行的替代物。 為了運用來自太陽的能量，太陽能電池的接面可吸收 光子以形成多個電子-電洞對’其是由接面的内部電場來 分隔以產生電壓，藉此將光能轉換成電能。可以藉由以 串聯方式將多個太陽能電池連接來增加所產生的電壓， 並且可以藉由以並聯方式將多個太陽能電池連接來增加 電流。太陽能電池可以在太陽能面板上群聚在一起。可 以將一變流器耦接到一些太陽能面板，以將Dc功率轉 換成AC功率。 儘管如此’相對於當代元件的低效率程度，目前製造 太陽能電池的高成本係使太陽能電池難以成為主流能源 且限制了太陽能電池適合的應用。因此，需要一種更有 效率且適用於大量應用的光伏元件。 201029196 【發明内容】 本發明之實施例係大致上關於用以將電磁輻射（諸如 太陽能）轉換成電能的方法與設備’其相較於傳統的太陽 能電池具有提升的效率。 本發明的一實施例係提供一種光伏（PV)元件。該PV 元件大致上包括一 η-摻雜層及一 P+-摻雜層，該p+_摻雜 層鄰近該η-捧雜層以形成一 p_n接面，從而使得當電磁 輻射被該p-n接面吸收時能產生電能。 本發明之另一實施例係為一種製造一 PV元件之方 法。該方法大致上包括：形成一 n-摻雜層於一基材上方； 以及形成一 p+-摻雜層於該η-摻雜層上方，以在該n-摻 雜層與該ρ+-摻雜層之間形成一 ρ_η接面，從而使得當電 磁輻射被該p-n接面吸收時能產生電能。 ❿ 【實施方式】 本發明之實施例係提供用於將電磁輻射（諸如太陽能） 轉換成電能的技術與設備，其相較於傳統太陽能電池具 有尚效率。 示範性薄吸收層 第1圖係繪示在製造期間光伏（PV)單元100之各個蠢 晶層的戴面圖。該些磊晶層可以使用任何適於半導體生 長的方法（諸如分子束磊晶（MBE)或有機金屬化學氣相沉 5 201029196 積（MOCVD))來形成在基材（未示出）上。 為了形成PV單元1GG，-或多個緩衝層可以形成在基 材上。緩衝層❺目的在於提供最終ρν I元之基材與半 導體層間的中間層’該緩衝層可容納#形成該些蟲晶層 時其不同的晶體結構《例如對於具有例如約2〇〇nm的厚 度的緩衝層，缓衝層1〇2可以包含出^族化合物半導體 (諸如砷化鎵（GaAs)) ’取決於所期望的最終pv單元的組 • 成。例如對於一些實施例，當產生一 _緩衝層時， 基材可以包含GaAs。 對於一些實施例，一釋放層104可以形成在緩衝層1〇2 上方。釋放層1〇4可以包含例如砷化鋁（A1As),並且具 有約5〜10 nm的厚度.薄釋放層1〇4的目的係在下文中 更詳細地敛述。 在釋放層104上方’可以形成—視窗$ 1〇6。視窗層 106可以包含砷化鋁鎵（A1GaAs)，例如A1〇3Ga〇7As。視 〇 窗層106可以具有約20 nm的厚度且可以未受摻雜。視 窗層106可以是可穿透的，以允許光子通過在pv單元 前侧上之視窗層到其他下方層。 一基底層108可以形成在視窗層1〇6上方。基底層ι〇8 可以包含任何適當的ΙΠ_ν族化合物半導體例如

GaAs。基底層1〇8可以是單晶的。基底層1〇8可以是受 η-摻雜，並且對於一些實施例，n_摻雜基底層1〇8的摻 雜濃度可以是2xl〇17 cm·3。基底層1〇8的厚度可以為約 500〜3500 nm 〇 6 201029196 如第！圖所示，-放射層U0可以形成在基底層ι〇8 上方。放射層11〇可以包含任何適當之用於與基底層ι〇8 形成一異質接面的III-V族化合物半導體。例如，若基底 層1〇8包含GaAs’放射層110可以包含不同的半導體材 料（例如AlGaAs)。若放射層11〇與視窗層1〇6皆包含 AlGaAs’放射層11〇的AlxGai-xAs組成可以與視窗層1〇6 的AlyGa^yAs組成相同或不同。放射層11〇可以是單晶 Φ 的。放射層110可以受重P-摻雜（即受P+-摻雜），並且對 於一些實施例’ P+-摻雜放射層的摻雜濃度可以是1χ1〇19 cm_3。放射層iio的厚度可以為例如約3〇〇 nm。基底層 108與放射層11〇的組合可以形成用來吸收光子的吸收 層。對於一些實施例，吸收層可以具有小於8〇〇nm的厚 度，或甚至小於500 nm。 η-摻雜基底層和p+-摻雜放射層的接觸係建立一 p_n接 面112。當光在靠近p-n接面112附近處被吸收而產生電 • 子-電洞對時’内建的電場可迫使該些電洞移動到P + -掺 雜側及迫使該些電子移動到n_掺雜側。該些自由電荷的 位移造成了該兩層108、110間的電壓差，從而使得當一 負載係連接橫跨轉接到這些層的端子時，電流可以流動。 不同於前述的η-摻雜基底層1〇8和P + ·摻雜放射層 110,傳統的光伏半導體元件典型地具有一 ρ_摻雜基底層 和一 η+-摻雜放射層。在傳統的元件中，基底層通常是受 ρ_摻雜’這是由於載子的擴散長度。根據本發明的實施 例製造一更薄的基底層係允許變化成一 η_摻雜基底層。 7 201029196 相較於P-摻雜層中的電洞移動率， 子務動產T Afc 接雜層中更高的電 移動率了致使本發明實施例之 電 低的摻雜密度。 雜基底層108中更 -旦形成了放射層11〇，可 參 方基底層⑽的多個腔部或凹部^射層中形成深達下 微影技術而附加一罩幕到放射層且了以藉由例如光 (例如濕式或乾式蝕刻)而移除放:：何適當技術 蓋的半導想材料，以形成這樣的：二中未受單幕覆 =⑽可以經由PV單元U〇之背側來接取(― :於-些實施例，一介面層116可以形成在放射層110 方。”面層116可以包含任何適當㈣Iv族化合物半 導體，例如GaAs。介面層116可以受p+換雜並且對 於-些實施例，p'摻雜介面層116的.雜濃度可以是ι χΐ〇Ά介面層116的厚度可以為例如約3〇〇nm。 一旦在釋放層104上方形成了其餘的蟲晶層，薄釋放 層1〇4可以經由例如利用HF水溶液而㈣來犧牲。依 此方式’PV單元⑽的功能層（諸如視窗層1〇6、基底層 108、及放射層no)可以在磊晶剝離&⑽ EL0)製程期間和緩衝層ι〇2與基材分開， 相較於傳統的太陽能單元（其厚度可能為數微米），由 此方式建立的PV單元具有一明顯薄的吸收層（例如< 500 nm)。於PV單元中’吸收層的厚度係正比於暗電流 (darkcurrent)位準（即吸收層越薄，則暗電流則越低）。暗 電流是流動通過PV單元或其他類似光敏感性元件（諸如 8 201029196 光二極體）的小電流，即使在沒有光子進入元件時。此背 景電流可以是因_子放射或其他效應*存在的結果。 由於在-光敏感性半導體元件中隨著暗電流增加而開放 電路電壓增力，對於—給定的光強度，-較薄的吸 收層很可能導致更大# v〇c與因而增加的效率。只要吸 收層可以捕獲光，效率會隨著吸收層的厚度減小而增加。 吸收層的薄特性可以不僅受薄膜技術與EL〇的能力所 Φ 限制。舉例而言，效率隨著吸收層厚度而增加，但吸收 層應該要厚到足以載送電流。然而，更高的摻雜程度可 以允許電流流動，甚至在非常薄的吸收層中。所以，可 以利用高摻雜來製造非常薄的吸收層而具有甚至更大的 效率。傳統的pv元件可能遭受容積再組合效應（v〇lume recombination effect)，並且因此傳統元件不會使用高摻 雜於吸收層中^當決定適當的厚度時，也可以考量吸收 層的片電阻。 © 不僅薄吸收層導致增加的效率，並且具有這樣薄吸收 層的PV單元可以比傳統之具有數微米厚度的太陽能電 池更有彈性。所以，根據本發明之實施例的PV單元比 傳統太陽能電池適用於更大量的應用。 第2A-2D圖係缯示根據本發明實施例之PV單元的基 底和放射層108、110的各種層堆疊輪廓200a_d。第2A 圖中的層堆疊輪廓200a繪示如同第1圖的基底和放射層 108、110。對於一些實施例，可以在基底層上方形 成一中間層202’並且放射層110可以形成在中間層上 9 201029196 方。中間層202可以在基底和放射層i〇8、11〇間提供一 更漸進過渡。 中間層202可以受η·摻雜、重n_摻雜（即n+_摻雜）或 P+-摻雜。例如，第2B圖係繪示一包含n_A1GaAs的中間 層202b。又例如’第2C圖係繪不'一包含n+-AlGaAs的 中間層202c。又例如，第2D圖係繪示一包含p+_GaAs 的中間層202d。

在第1圖中’介於基底層108與放射層u〇之間的p_n 接面112是平坦的，並且沒有暴露於凹部114中。換言 之’第1圖的p-n接面112可被視為一僅具有二維幾何 形態的平面。對於一些實施例’如第3A和3B圖，PV 單元的半導體層可以被形成以建立一介於基底層1〇8與 放射層110之間的偏移p_n接面312。換言之，一偏移 p-n接面3 12可被視為具有三維的幾何形態。一偏移p n 接面312可以暴露於凹部114中。

如第3A圖所示 一偏移p-n接面312a可以藉由如前 述在形成凹部114時移除半導體材料一路經過放射層 no且部分地進入基底層108來產生。另一種如第36圖 所示之形成偏移p-n接面312b的方法可以包含在形成放 射層110之前附加一罩幕到基底層108。半導體材料可 以經由任何適當的技術（諸如蝕刻）從欲保留放射層處（即 除了凹部U4之期望位置以外的㈣處)之一部分基底層 108來移除。一旦形成了放射層11〇與凹们4,所產生 的偏移p-n接面312b具有比平坦 P-n接面112更大的表 10 201029196 面積。 對於一些實施例，在製造期間，pv單元的一層中的摻 雜程度可以經微調。例如’第4圖係繪示一具有放射層 110的PV單元400’該放射層110具有一經微調的摻雜 輪廓而使得摻雜濃度於Z方向從p-n接面112増加到放 射層110的頂部。 對於一些實施例，放射層110可以包含多個層，並且 該多個層可以包含不同的組成。例如，第5圖係綠示根 據本發明一實施例之PV單元500的半導體層，其中多 個p+-AlGaAs放射層具有分級的鋁（A1)程度（即百分 比）。在此示範性實施例中’ 一包含p+_GaAs而不含任何 銘的第一放射層51(^可以形成在基底層1〇8上方。一包 含P^AluGaojAs的第二放射層51〇2可以形成在第一放 射層510丨上方。然後，一包含p+_A1〇 2Ga〇 8As的第三放 射層5103與一包含p+_Al03Ga0 7As的第四放射層5104 可以接著形成在第二放射層51 〇2上方。具有這樣分級的 銘程度可以避免接面阻障。 儘管上述說明是導向本發明的實施例，可以設想出本 發明之其他與進一步實施例而不悖離本發明的基本範 固’並且本發明的範圍是由隨附申請專利範圍所決定。 【圖式簡單說明】 因此可以詳細暸解上述本發明之特徵的方式，即對本 201029196 發明更明確的描述，簡短地在前面概述過，可藉由參考 實施例來得到，其中某些在附圖中示出。但是應注意的 是，附圖僅示出本發明之一般實施例，因此不應視為係 對其範圍之限制’因為本發明可允許其他等效實施例。 第1圖係繪示根據本發明一實施例之一光伏（pV)單元 的多個蠢晶層的截面圖，其顯示出半導體層的示範性厚 度、組成與摻雜。 第2A-2D圖係繪示根據本發明實施例之Pv單元的基 底和放射層的各種層堆叠輪廓。 第3A和3B圖係繪示根據本發明實施例之Pv單元的 多個半導體層’其在基底與放射層之間具有偏移p_n接 面。 第4圖係繪示根據本發明一實施例之p V單元的多個 半導體層’該PV單元具有放射層，該放射層具有一經 微調的摻雜輪廓而使得摻雜程度從p_n接面增加到放射 層的頂部。 第5圖係繪示根據本發明一實施例之pV單元的多個 半導體層，該PV單元具有多個AlGaAs放射層，該些 AlGaAs放射層具有分及的鋁（A1)程度。 【主要元件符號說明】 100 光伏（PV)單元 102 緩衝層 12 201029196

104 釋放層 106 •視窗層 108 基底層 110 放射層 112 p-n接面 114 凹部 116 介面層 200a-c 1 層堆疊輪廓 202 中間層 202b 中間層 202c 中間層 202d 中間層 312 偏移p-n接面 312a 偏移p-n接面 312b 偏移p-n接面 400 PV單元 500 PV單元 51〇! 第一放射層 5102 第二放射層 51〇3 第三放射層 51〇4 第四放射層 13

Claims (1)

1. 201029196 七、申請專利範圍·· 1_ 一種光伏（PV)元件，其包含： 一 η-摻雜層；以及 一 Ρ+-摻雜層’其鄰近該η_摻雜層以形成一 ρ_η 接面’從而使得當電磁輻射被該ρ_η接面吸收時能產 生電能。 ❿ 2·如申請專利範圍第1項所述之PV元件，其中該η-摻 雜層與該ρ+-摻雜層構成一吸收層，並且該吸收層的 厚度小於800 nm。 3·如申請專利範圍第丨項所述之pv元件，其中該p n 接面包含一異質接面。 4. 如申請專利範圍第1項所述之pv元件，其中該卜摻 〇 雜層包含n-GaAs，並且該p+_摻雜層包含p+_A1GaAs。 5. 如申請專利範圍第1項所述之PV元件，其中該η-摻 雜層的厚度介於約500 nm至約3500 nm之間，並且 該n-摻雜層的摻雜程度為2x1017 cm·3。 6. 如申請專利範圍第1項所述之PV元件，其中該p+-摻雜層的厚度為約300 nm，並且該p+-摻雜層的摻雜 201029196 程度為 lxio19 cm·3。 7.如申請專利範圍第1項所述之PV元件，更包含一中 間層，該中間層係插置在該η-摻雜層與該p+-摻雜層 之間。 8. 如申請專利範圍第7項所述之PV元件，其中該η-摻 雜層包含n-GaAs，該ρ+-掺雜層包含p + -AlGaAs，並 且該中間層包含n-AlGaAs。 9. 如申請專利範圍第7項所述之PV元件，其中該η-摻 雜層包含n-GaAs，該ρ+-掺雜層包含p+-AlGaAs，並 且該中間層包含n+-AlGaAs。 10. 如申請專利範圍第7項所述之PV元件，其中該η-摻 ^ 雜層包含n-GaAs，該ρ+-摻雜層包含p+-AlGaAs，並 且該中間層包含p+-GaAs。 11. 如申請專利範圍第1項所述之PV元件，更包含一視 窗層，該視窗層鄰近該η-摻雜層。 12.如申請專利範圍第11項所述之PV元件，其中該視窗 層包含AlGaAs，並且該視窗層的厚度為約20 nm。 15 201029196 13. 如申請專利範圍第11項所述之Pv元件，更包含一广 放射塗層’該抗放射塗層鄰近該視窗層。 14. 如申請專利範圍第13項所述之pv元件，其中該抗放 射塗層包含MgF^ZnS或SiN之至少一者。 15. 如申請專利範圍第1項所述之pv元件，更包含一介 面層，該介面層鄰近該？ + _摻雜層。 16·如申請專利範圍第15項所述之pv元件，其中該介面 層包含p+-GaAs。 17. 如申請專利範圍第15項所述之pv元件’其中該介面 層的厚度為約300 nm，並且該介面層的摻雜程度為、 χ 1 〇19 cm-3。 18. 如申明專利範圍第i項所述之μ元件其中該Η 接面形成在該η·摻雜層與該p+_摻雜層之間，並且該 P_n接面為一偏移P-η接面。 申請專利範圍第1項所述之PV元件，其中該p' +雜層的摻雜輪廊係經微調從而使得掺雜程度從該 卜摻雜層的一側增加到另一侧。 16 201029196 20·如申請專利範圍第1項所述之pv元件，其中該p+_ 摻雜層包含複數個p+_摻雜層。 21.如申請專利範圍第2〇項所述之pv元件，其中該複數 個P+-摻雜層包含A1GaAs，並且該複數個p+摻雜層 之各P+-摻雜層包含不同百分比的鋁。

   22_ —種製造一光伏（pv)元件之方法，其包含·· 形成一 η-摻雜層於一基材上方；以及 形成一 Ρ+-摻雜層於該η_摻雜層上方，以在該卜 摻雜層與該ρ'摻雜層之間形成一 ρ_η接面，從而使 得當電磁輻射被該ρ_η接面吸收時能產生電能。 23.如申請專利範圍第22項所述之方法，更包含使用蟲 曰曰亲]離（ELO)來從該基材移除該η摻雜層與該ρ+·摻 參 雜層。 24.如申請專利範圍第22項所述之方法，更包含形成一 釋放層於該基材上方，其中形成該視窗層包含形成該 視窗層於該釋放層上方。 25·如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該釋放層 包含AlAs’並且該釋放層的厚度為約5nm。 17