TWI285436B - Solar cell with superlattice structure and fabricating method thereof - Google Patents

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Description

1285436 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 b本發明係種太陽電池，_是_種具有超晶格結構之 太陽電池及其製造方法。 【先前技術】 目前商品化之太陽電池(S〇lar cell)的主要材料方面大致可區 分為石夕半導體紋陽電池及m_v族化合物轉齡太陽電池兩 大頦。就矽半導體系太陽電池而言，由於矽材料為間接能隙，對 光的吸收性不好且所能達到的轉換效率不高，目前轉換效率最高 約可達24%左右；而ni-V族化合物半導體系太陽電池方面，由於 ιπ-ν無化合物半導體之能隙(energyband卿)為直接能隙，能量轉 換效率鬲，具有輻射耐力強等方面的特性，且又可高溫操作與適 合薄膜化等優點，因此品質較目前的矽半導體系太陽電池佔優 勢’所以許多研究報告都指出，m_v族化合物半導體材料是較適 合用來發展高效能太陽電池的材料。 傳統的III-V族化合物太陽電池，若就其製造過程來看，常 用之蟲晶製程基板有砷化鎵(GaAs)基板和鍺(Ge)基板兩種，由於 後者的晶格常數與GaAs很接近，不但容易與各種常用之ni-V族 材料產生達到較佳匹配，本身又可於〇.67eV處製作出一個接面 (junction) ’吸收長波段之光線，提高太陽電池之效率，因此& 基板已成為市之主流。 若就III-V族化合物太陽電池元件之結構來分類，可分為單 1285436 一接面(血扯-細比⑽與多接面(multi_juncti〇n)太陽電池兩種。單 .一接面太陽電池因為只能吸收單一能隙以上之光譜，其轉換效率 ^之理論録高只輯到26〜29%，這是料導财、太陽電池無法進 _ 一步提南效率之主因。而多接面太陽電池常利用具有不同能隙之 ’ 半導體來堆41組合’使產生頻譜響應(spectral response)的範圍涵蓋 太陽光譜之紫外光、可見光及紅外光料不量的區域，因此 鲁可以達到提高轉換效率之目的；而多接面太陽電池若經適當之結 構設計，其轉換效率之理論值最高可達5〇%以上。 因此，在太陽電池的元件結構上也逐步演進，先以多接面結 構取代單一接面，並逐漸提高juncti〇n的數目，近來也開始成長 量子阱(quantum well)結構，以取代純粹之厚膜_k)結構，也因而 逐漸传到更咼效率的太知電池。這些jjl-v族化合物太陽電池的結 構與製作方法，都已被主張於許多專利之中，例如U.s pat Ν〇·4404421，4128733，4451691，5944913，6281426，6372980， ® 3993506，6437233 等。 而目别有幾十種不同的材料可被運用來堆疊多接面太陽電 池’不過由於堆疊時必須考慮晶格匹配(Latticeniatching)之問題， 並非任意材料都適合堆疊在一起，當堆疊材料間之晶格常數 (Lattice constant)差異太大時，所產生之應力將會損及結晶之品 質’產生晶格缺陷(Crystalline defect)，進而降低電池之轉換效率。 h今’商業上所製造最具效能的多重接面太陽電池為三接面組 成：GaInP(l.85eV) / GaAs(h40eV) / Ge(0.67eV)，即鱗化鎵銦/坤化 1285436 鎵/錯三接面太陽電池，其理論上可獲得4〇%之轉換效率。在傳統 之二接面太陽電池結構中，若能任意增加原本的GaAs材料 (1.40eV)之銦⑽含量，使其成為GaInAs化合物，其能隙將可調降 至恰好落於1.85eV和0.67eV之正中間(l26eV)，而使整體元件效 率得到最佳化；然而，實際上為了減少中間層與Ge基板晶格常數 的差異’其In含量必須被侷限在p/。以内，因而使其能隙無法達 到1.25eV，相對的減少陽光中紅外光區域的吸收，使傳統三接面 太陽電池的效能無法達最佳化。 為了進一步提昇其效率，近年美國Sandia國家實驗室提出
GaInP(1.85eV) / GaAs(1.40eV) / InGaNAs(l.OeV) / Ge(d67eV)之四 接面結構，於石t化鎵(GaAs)和鍺(Ge)接面之間添加氮化鎵銦砷 (InGaNAs) ’由於InGaNAs其能隙可控制於i 〇ev，因此可補償 1.40eV至（X67eV間之吸收損失，理論上可大幅提高轉換效率至 40%以上。然而，實際上由於材料之品質常隨著氮讲） 含量之增加而急速劣化，使此層之載子生命週期(canier lifetime) 偏低’因此欲得到高品質的inGaNAs (10eV)磊晶材料仍十分困 難，導致此一結構到目前為止依然無法被實用化。 然而，常用之III-V族半導體材料中，雖然其晶格常數可匹 配於GaAs和Ge基板上的很多，如神化紹鎵(A1GaAs)、碎化鎵 銦(GaInAs)、氮化鎵銦砷(GalnAsN)、磷化鎵銦(GalnP)、氮化鎵 砷(GaAsN)···等材料’但是每一種都必須經過精密的組成調配才 行，而非任意組成皆能完全匹配，因此能運用的範圍很小，使 1285436 得磊晶成長時材料的選擇受到限制。 • 在匕外4知材料中由於晶格不易匹配的關係，太陽電池結 ^巾各層㈣產生應力，使絲晶絲中無法成錄厚的蟲晶 •膜，導致太陽電池結構中的光吸收區域體積受限，因而常影響 太陽電池的效率。 曰 而近年來常德用GaInAsN材料來當i.QeV波段的吸光材 #料，但是此-材料之結晶品質不佳，造成載子擴散距離短、移 動速率慢、生命脑、缺濃度高等缺點，導致整體太陽 電池之效率無法有效提高。 在 U.S.Pat.No.4688068、6147296 及 6372980 專利中，雖主 張於多接面結構中使用量子解結構，但是其量子胖結構中之應 力(strain)仍無法完全補{f(c〇mpensate)，因此亦或者讓結晶生長 之臨界厚度偏低，或容易因晶格不匹配而產生晶格缺陷，此皆 > 最後會影響到太陽電池之轉換效率。 【發明内容】 鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種具有超晶 。、、。構之太陽電池及其製法，藉以解決先前技術所揭露之結晶品 貝不佳、晶格不匹配而產生晶格缺陷或應力及蟲晶成長中無法成 長較厚的磊晶膜影響到太陽電池之轉換效率的問題。 ♦、為了解決上述問題，本發明提出一種具有超晶格結構之太陽 電池及其製造方法，包括在使用m_v族化合物半導體製成之三接 1285436 面太％電池中’於其中間電池的基射極(|3ase_emitter)間，利用應力 補償技術，製作超晶格結構。 本發明之一種製造具有超晶格結構之太陽電池之方法，包括: 先提供基板(substrate);在基板上形成底部電池bottom cell)後，在 底部電池上形成穿隧接面(加1111^1111此〇11);之後，在穿隧接面上形 成为面電％(back surface field)、基極(base)、超晶格結構、射極 (emitter)以及透光層(GalnP window)，以形成具有超晶格結構的中 間電池；然後，在中間電池上形成另一穿隧接面；在另一穿隧接 面上形成頂部電池(top cell)，·在頂部電池上形成抗反射層 (anti-reflection);以及，在底部電池及頂部電池上各形成p/n摻雜 的接觸(contact)。 依照本發明之較佳實施例，其中超晶格結構例如為氮化鎵砷 /石申化鎵銦超晶格結構、氮化鎵珅/坤化鎵録超晶格結構或氮化錄砷 /砷化鎵銦銻超晶格結構。 依照本發明之較佳實施例，其中底部電池例如為鍺底部電池 (Ge bottom cell) 〇 依照本發明之較佳實施例，其中背面電場例如為磷化鎵銦背 面電場(GalnP back surface field) 〇 依照本發明之較佳實施例，其中基極例如為砷化鎵基極 (GaAsbase) ’而射極例如為神化鎵射極(GaAsemittei^。 依照本發明之錄實_，其巾透光層例如麵化鎵鋼透光 層(GalnP window) 〇 1285436 依恥本發明之較佳實施例，其中頂部電池例如為磷化鎵銦頂 部電池(GaInPtopcelD。 本發明除了可以晶格間的應力補償效應，以減少材料的 結晶缺陷並增加其生賊界厚度，更職化斜和較鎵姻兩種 材料之能隙向下推展至丨麟附伏·近，讀高丨.㈣附近 之吸光區域，而翻提高太陽電池效率的目的。 有關本發日⑽概與實作，統合®轉最佳實施例詳細說 明如下。 【實施方式】 、以下舉出具體實施例以詳細說明本發明之内容，並以圖示作 為輔助說明。綱巾提及之符義參關式符號。 本發明提出-種具有超晶格結構之太陽電池，包括於三接面 太陽電池的中間電池基射極間，具有超晶格結構。
上述之超晶格結構例如為氮化鎵坤/坤化鎵銦 (GaAsN/GaI肉超晶储構售神魏轉制備 超晶格結構或氮化神坤化鎵錮録(GaAsN/GainSbAs)超晶格结 構。 " 上述之一接面太陽電池，當例如為碟化嫁鋼/坤化録/錯 (GaInP/GaAs/Ge)三接面太陽電鱗，中間電池為坤化嫁中間電 池’而_池祕極為p型或n型的坤化鎵，射極即為與基極 電性相反的p型或η型的砷化鎵。 本發明所利用之原理如下所述· 11 1285436 第1圖為本發明之實施例的m_v族化合物半導體晶格常數_ 能隙圖，由第i圖看來，若要增加L4eVfiJ 〇jeV之間的長波段 吸光效果’而且晶格常數接近Ge者，可選用的材料除了氣化録姻 .tdnGaNAs)^^，^^^^^(GaAsN) .，t^l^(GaInAs)^ 珅化鎵爾GaSbAs) ’料獨使用GaAsN、或時， -旦能隙下降_界厚度制外，都將與錯(Ge)基板產生失配問 題’使材料缺陷大幅增加’因而造成太陽效率的降低。為了解決 上述問題’本發明使用GaAsN/GaInAs、GaAsN/GaSbAs或
GaAsN/GalnSbAs超晶格結構，利用應力補償作用，讓晶格容易匹 配於Ge，降低材料缺陷，大幅增加臨界厚度，以提高太陽電池整 體效率。 本發明提出一種具有超晶格結構之太陽電池及其製造方 法，係於二接面太陽電池的中間電池元件的基射極 層中，利用應力補償技術添加適當厚度的GaAsN/Ga][nAs、 GaAsN/GaSbAs或GaAsN/GalnSbAs超晶格結構，以提昇其效率。 本發明主要是利用能隙較GaAs為低的GaAsN和GaInAs吸收長 波段區’再利用GaAsN所產生的張應力(tensile strain)與GaInAs 所產生的壓應力(compressive strain)間的應力補償作用，製作成超 晶格結構，不但讓晶格容易匹配於Ge，降低材料缺陷，大幅增加 臨界厚度，因而提高整體效率；此外，在臨界厚度範圍内，GaAsN 和GaInAs中之N與In的各別含量可以適當調整，讓兩者的能隙 值遠低於1.40eV，使吸收波段可拉長至長波段區，如此可增加太 12 1285436 陽光紅外光區域的魏’進而得到高效柄太陽電池。 第2圖為本發日狀製造具_晶觀構之场電池之方法實 施例結構示賴。如第2騎示，先在職供的基板上形成底部 電池200，接著在底部祕场成f _面21()，織在穿隨 接面加形成背面電場22!、基極223、超晶格結構奶、射極瓜 以及透光層229 ’以形成具有超晶袼結構225的中間電池22〇，之 後在中間電池220上形成另-穿隨接面23〇，在穿随接面細上 形成頂部電池240，在頂部電池24〇上形成抗反射層細，以及在 底部電池200上形成p/n摻雜的接觸26〇，與頂部電池24〇上形成 與接觸260電性相反的p/n摻雜的接觸27〇。 上述之在所提供的基板上形成底部電池的步驟，例如在磊晶 一開始時，先在基板上通入氫化砷(AsH3)氣體，並利用分子擴散 現象’以形成錯底部電池(Ge bottom cell)。 上述之背面電場例如為磷化鎵銦背面電場(GaInp back surface field)。 上述之基極例如為砷化鎵基極(GaAsbase)，而射極例如為與 基極笔性相反之石申化録射極(GaAs emitter)。 上述之透光層例如為磷化鎵銦透光層(GalnPwind〇w)。 上述之頂部電池例如為鱗化鎵銦頂部電池(GaInp t〇p ceu)。 上述之氮化鎵砷/砷化鎵銦超晶格結構(GaAsN/GaInAs superlattice)，當例如由 GaAsi xNx( 〇% < X $ 5% )/ 〇% < X S 30%)所疊加組成時，在使用m_v族化合物半導體製成之三接 13 1285436 面太陽電池晶片中，於中間電池裡，先使用結構(正_本_負結 構)’再利用應力補償(s仕ain_c〇mpensate)技術，製作GaAsN/GalnAs superlattice，除了可以利用其應力補償效應，減少材料缺陷，將 GaAsN和GalnAs兩種材料之能隙向下推展至1〇eV附近，並可 增加其臨界厚度，以提高1〇eV附近之吸光區域，而達到提高太 陽電池效率的目的。 本發明所提出的具有超晶格結構之太陽電池及其製造方法，至 少具有以下優點： 1.-般三接面太陽電池巾，巾間電池主要以Ga⑽As為主，而 本發明增加例如GaAsN/GalnAs _晶格結構，在利用應力補償 技術所製造出來的超晶格結構中，〇讀與〇她中_與銦 (In)各別的組成比例已經適當調整，可以有效降低晶格常數與& 基板不匹_程度，雖朗部之局部地區仍殘留應力，但是盆中 的GaAsN將受到張應力細sile strain)，而則受到壓應力 (_P簡ive strain) ’因體之為零，故而本發明不但可 降低材料内部之缺陷之外，結晶所可以生長之臨界厚度也可有效 增加。 2. 由於GaNAs、GaInAs與GaSbAs在能隙圖中都是屬於較 的能隙材料，將之朝於多接面太陽電池的結構上，可增加1讀 -0磨間之吸光區域，耻本發啊使太陽電池整體效率提昇。 3. 以本發騎則之恤臟心雜格結 14 1285436 擴散距離長、密度(—Si—及響應頻譜圖的效 定本發 技較,實施例揭露如上’然其並非用以限 内，當可作铸者，在不雌核私精神和範圍 本說明查舰此本發日狀翻保護範圍須視 /、Ϊ4專利!!_界定者為準。 【圖式簡單說明】 能隙圖 第！圖為本發明之實施例的族化合物半導體晶 I ;以及 第圖為本杳明之製造具有超晶格結幕ϋυ 施例結構示意圖。 【主要元件符號說明】 200底部電池 210穿隧接面 220中間電池 221背面電場 223基極 225超晶格結構 227射極 229透光層 230穿隧接面 240頂部電池 1285436 250抗反射層 260接觸 270接觸

Claims (1)

1285436 十、申請專利範圍： 1· 一種具有超晶格結構之太陽電池，包括於一個三接面太陽電池 的中間電池基射極（base-emitter)間具有一超晶格結構 (superlattice structure) 〇 2.如申請專利範圍第1項所述之具有超晶格結構之太陽電池，其 中該超晶格結構包括為氮化鎵砷/石申化鎵銦(GaAsN/GalnAs)超 晶格結構、氮化鎵砷/神化鎵銻（GaAsN/GaSbAs)超晶格結構或 氮化鎵砷/神化鎵銦銻（GaAsN/GalnSbAs)超晶格結構。 3·如申請專利範圍第1項所述之具有超晶格結構之太陽電池，其 中該三接面太陽電池包括為磷化鎵銦/砷化鎵/鍺 (GalnP/GaAs/Ge)三接面太陽電池。 4· 一種製造具有超晶格結構之太陽電池之方法，包括： 提供一基板(substrate); 在該基板上形成一底部電池(bottom cell); 在该底部電地上形成一穿隧接面(tunnei juncti〇n); 在该牙隧接面上形成一背面電場(back surface field)、一基極 (base)、一超晶格結構、一射極(emitter)以及一透光層(Gainp window) ’以形成具有該超晶格結構的一中間電池； 在該中間電池上形成另一穿隧接面； 在另5亥牙隧接面上形成一頂部電池(t〇p ce]j); 在该了員部電池上形成一抗反射層(anti_reHecti〇n);以及 在該底部電池及該頂部電池上形成p/n摻雜的接觸 17 I285436 (contact) 〇 5·如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 方去其中忒起aa格結構包括為氮化鎵神/珅化鎵銦超晶 格結構、氮化鎵珅/石申化鎵銻超晶格結構或氣化録石申/石申化錄銦 録超晶格結構。 6·如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法’其巾形成該超晶格結構的方法包括應力補償技術 (strain-compensate technology) 〇 7.如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法，其中該底部電池包括為鍺底部電池(Ge b 〇論ceU)。 8·如申請專娜圍第4賴述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法，其中該背面電場包括為磷化鎵銦背面電場(Gain? back surface field) 〇 9·如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法’其中該基極包括為珅化鎵基極。 10.如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法，其中該射極包括為砷化鎵射極(GaAsemitter)。 11·如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法’其中该透光層包括為碟化嫁銦透光層（Gajnp window) 〇 12·如申請專利範圍第4項所述之製造具有超晶格結構之太陽電 池之方法，其中該頂部電池包括為麟化鎵銦頂部電池(GaInp 18 1285436 top cell)
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