TWI499069B - 單一ｐ－ｎ接面串接光電伏打裝置 - Google Patents
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Description
本申請案要請求2007年6月20日申請之No. 60/945,281美國臨時專利申請案，名稱為“單一P-N接面串接光生伏打元件”；及2007年7月13日申請之No. 11/777,963美國新型專利申請案，名稱為“單一P-N接面串接光生伏打裝置”等之優先權，其內容併此附送。
本揭露係有關太陽能電池，且尤係有關一種單接面串接的太陽能電池。
太陽能或先生伏打電池係為具有P-N接面的半導體裝置，其會將陽光的輻射能直接轉變成電能。陽光轉變成電能包含三個主要程序：將陽光吸收至半導體材料中；產生並分離正負電荷而在該太陽能電池中造成一電壓；及收集並經由連接於該半導體材料的端子來傳送該等電荷。一可供電荷分離的單一空乏區典型會存在於每一太陽能電池的P-N接面中。
目前依據單一半導體材料的傳統太陽能電池具有一大約31%的本質效率極限。此極限之一主要原因係沒有任一材料已被發現能完全地匹配太陽能輻射的寬度範圍，其具有一在大約0.4至4eV之光子範圍內的可用能量。所具能量
低於該半導體帶隙的光將不會被吸收並轉化成電能。具有高於該帶隙能量的光將會被吸收，但迅速造成的電子-電洞對會以熱的形式來耗失其高於該帶隙的過多能量。故，此能量不能被用於轉化成電能。
較高的效率曾被企圖藉使用具有不同帶隙的太陽能電池疊組，以形成一連串的太陽能電池，稱為“多接面”、“串級”或“串接”太陽能電池而來達成。串接太陽能電池係為目前可用之最有效率的太陽能電池。串接電池係將多數個(例如二、三、四個等)P-N接面太陽能電池串聯而來製成。串接電池典型的製法會在頂上電池使用較高帶隙的材料來轉化較高能量的光子，而容許較低能量的光子向下達到該太陽能電池疊組中的較低帶隙材料。該疊組中的太陽能電池之帶隙係被選為能最大化太陽能轉換效率，其中隧道接面會被用來串連該等電池，而使該等電池的電壓總加在一起。此等多接面太陽能電池需要許多材料層被以一複雜的堆疊排列方式來形成。
依據一或多個實施例，一單P-N接面太陽能電池係被設成具有多個電荷分離區，而容許該等電子與電洞復合，以使與該太陽能電池之二空乏區相關連的電壓總加在一起。在一或多個實施例中，在該太陽能電池中之一頂層的傳導帶緣(CBE)係被製成與該太陽能電池中之一下層的價帶緣(CVE)對齊。
依據一或多個實施例，一太陽能電池係被設成有一InGaN或InAlN的合金形成於該P-N接面的一側上，而Si形成於另一側上，俾能由一單P-N接面來造成一雙接面(2J)串接太陽能電池的特性。在一實施例中，一In1-x
Gax
N合金會被利用，而在另一實施例中In1-x
Alx
N會被利用。依據一或多個實施例製成之單一P-N接面太陽能電池將可達到超過30%的實際能量轉換效率。
本揭露之上述特徵和目的等將可配合所附圖式參閱以下說明而更容易瞭解，在各圖式中相同的標號係指相同的元件；且其中：第1為依據本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之方塊圖。
第2圖為第1圖之更詳細立體圖示出依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池中的不區域。
第3圖為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面的能帶圖。
第4A和4B圖為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面所算出的(a)能帶圖及(b)電子和電洞濃度之圖表。
第5A和5B為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面在該介面處具有(a)反摻雜和(b)絕緣中介層時所算出的能帶圖。
第6圖為依本揭露之一或多個實施例而具有雙重反摻
雜之一單P-N接面串接太陽能電池的截面方塊圖。
第7圖為依本揭露之一或多個實施例而具有雙重反摻雜之一單P-N接面串接太陽能電池的異質接面所算出的能帶圖。
概括而言，本揭露包含一單P-N接面串接光生伏打裝置。本揭露的某些實施例現將參照上述圖式來被討論，在各圖中相同的標號係指相同的構件。
現請參閱第1圖，一依據一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池100之方塊圖係被概括地示出。該二層102和104之一層係被形成為一p型材料，且另一層被形成為一n型材料，而使一單P-N接面105存在於該二層102和104之間。該各層102和104亦能被描述及/或形成為該太陽能電池100中之各自的次電池。在一或多個實施例中，該太陽能電池中的上層102之傳導帶緣(CBE)係被形成與該下層104價帶緣(VBE)對齊。在一實施例中，該太陽能電池100包含一III族氮化物合金層102及一矽層104。電觸點106和108係分別被形成於或連接於該III族氮化物合金層102頂上和該矽層104的底下。在一或多個實施例中，該上電觸點106將會被由一實質上透明的導電材料製成，以容許太陽能輻射穿過該電觸點106來進入該太陽能電池100，其例如可將該觸點106形成為銦錫氧化物或其它適當的實質上透明導電材料或一柵或其它金屬材料等。該等電觸點106和108係依精
習於製造太陽能電池之技術者所習知的方法來形成。
在一實施例中，該層102係為一種In1-x
Gax
N的合金，其中0x1，而具有一大約0.7至3.4eV的能帶隙範圍，可提供對太陽能光譜的良好匹配。在另一實施例中，該層102係為一In1-x
Alx
N的合金，其中0x1，而具有一大約0.7至6.0eV的能帶隙範圍，亦可提供對太陽能光譜的良好匹配。在一或更多實施例中，該層102係藉分子束磊晶法造成具有低電子濃度和高電子遷移率的晶體而來生長，惟已瞭解其它的形成方法亦能被利用。為了方便在所述之各實施例中說明，該層102將被稱為InGaN層102，而請瞭解在所述各實施例中InAlN亦可互換地取代該InGaN。
在一或多個實施例中，該InGaN層102係藉以一p型摻雜劑例如鎂(Mg)摻雜該InGaN層102來形成一p型層，而一薄片矽介面層會被以一p型摻雜劑例如硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)或銦(In)來反摻雜。該矽層104的其餘部份則會被藉以一n型摻雜劑例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)摻雜該Si層104來形成一n型層。用於n型和p型層的典型摻雜程度範圍係由1015
cm-3
至1019
cm-3
。實際的摻雜程度乃依該大陽能電池100之各層102和104的其它特性而定，並可在此範圍內或以外來被調整，俾最大化其效率。已瞭解該P-N接面105亦能藉以一n型摻雜劑摻雜該InGaN層102並以一p型摻雜劑摻雜該Si層104而被形成。矽乃一般在InGaN中被用作為一n型摻雜劑，而鎂係作為一p型摻雜劑。
當生長時，無摻雜的InGaN膜一般是n型，故在一實施
例中該InGaN層102可被以Mg受體摻雜，而使該InGaN層102作用如一p型層。在一特定實施例中，一Mg p型摻雜劑會被使用於Iny
Ga1-y
N合金中，其中0.67y0.95。
雖該P-N接面105可被簡單地形成如第1圖所示，而有一InGaN層102置抵一Si層104。但實際上，當該接面105係在熱平衡且在一穩定狀態時，有多數個空乏區將會被形成遍佈該P-N接面105。電子和電洞將會分別擴散至具有較低的電子和電洞濃度的區域中。故，在該n型Si層104中之過多的電子將會擴散至該P-N接面105的P側中，而在p型InGaN層102中的過多電洞將會擴散至該P-N接面105的N側中。如第2圖中所示，此將會在該InGaN層102中造成一InGaN空乏區110鄰接於該P-N接面105，及在該Si層104中造成一Si空乏區112鄰接於該P-N接面105。
當該太陽能電池100暴露於太陽能時，能量會在該各層102和104吸收含有與其帶隙相同能量的光波時由該太陽能中的光子移轉至該太陽能電池100。一帶隙即為將一電子由一材料的價帶推送至其傳導帶所須的能量。依據一1.05±0.25eV之實驗性測量值的InN和GaN之間的價帶偏差，及GaN之已知的電子親和力，InN係被推測具有一5.8eV的的電子親和力，乃是任何已知半導體中之最大者。將該層102製成為一InGaN或InAlN合金可容許一較寬的帶隙調變範圍。InGaN為0.7至3.4eV，而InAlN為0.7至6.0eV。
藉著將該二層102或104之一層的傳導帶與另一層的價帶對準，則一低電阻的隧道接面會被形成於該二層102與
104之間。該InGaN和InAlN之傳導帶緣120和價帶緣122的位置係被示於第3圖中，其中點線114和116分別表示會使InGaN和InAlN的傳導帶對準Si的價帶之成分(例如大約為In0.7
Al0.3
N或In0.5
Ga0.5
N)。一具有稍微較多Ga或Al的成分將會使InGaN/InAlN的傳導帶對準Ge的價帶。如第3圖所示，該電子親和力(該傳導帶最低值(CBM)相對於該真空標度的能量位置)亦能被調變於一較寬範圍，在InAlN係為5.8eV至2.1eV，在InGaN係為5.8eV至4.2eV。在一實施例中，針對大約為Al0.3
In0.7
N或In0.45
Ga0.55
N的成分，該AlInN/InGaN的傳導帶可被形成對準Si的價帶，而在該二層102和104之間造成一非常低電阻隧道的情況，並不需要如以往多接面太陽能電池典型所需的附加重摻雜層，此將會比以往的多接面太陽能電池更大大地簡化本單接面串接太陽能電池100的設計。
在該p型層102(InGaN或InAlN)與n型Si層104之間具有一單P-N接面105的太陽能電池100會提供：(1)二空乏區可供電荷分離，及(2)一接面105可容電子和電洞復合，而使由該二層102和104中之太陽能所產生的電壓會累加在一起。此種觀察的結果先前僅可見於具有數隧道接面層的多接面串接太陽能電池中，而只用一單P-N接面在以往是絕不能得到的。
該太陽能電池100的單p-InGaN/n-Si異質接面會以一與通常的P-N半導體異質接面基本上不同的方式來運作。在一正常的P-N接面中，電洞係在該p型側耗空，且電子係在該n
型側耗空，而造成單一的空乏區。但是，依據一或多個實施例所形成之本發明的p-InGaN/n-Si異質接面(或P-InAlN/n-Si異質接面)會造成二個空乏區。在光照下，該二空乏區皆能分離電荷，而使一單p-InGaN/n-Si或p-InAlN/n-Si異質接面能有如一雙接面串接太陽能電池的功能。且，在該二層102和104之間的接面105處將會類型反轉(在該接面105的InGaN側電子過多，且在Si側電洞過多)，而造成該InGaN空乏區110和Si空乏區112。此類型反轉會提供一更有效率的電子-電洞消滅及該二層102和104的串連。
針對一具有一P型In0.45
Ga0.55
N層102及一n型Si層104的實施例，為此一P-InGaN/n-Si異質接面串接太陽能電池所算出的能帶圖和電子與電洞濃度係分別被示於第4A和4B圖中。該二空乏區130和132可被見於第4A圖中，其對應於第2圖中所示的空乏區110和112。一1.8eV的InGaN帶隙可藉指定其成分而被獲得，此由最大能量轉換效率而言，對一匹配於一具有帶隙=1.1eV之底Si層104的頂層102係接近於理想。
在光照下，具有大於該In0.45
Ga0.55
N層102之1.8eV帶隙的能量之光子會在InGaN層102中造成電子-電洞對。該Si層104會吸收具有1.1至1.8eV之間能量的光，而具有大於1.8eV能量的光不會被該頂InGaN層102吸收。在該二層102和104中的摻雜可被調整來改變該等空乏區130和132的尺寸。有效率的電子與電洞復合會發生在該InGaN/Si接面105處，而使其在光照下，電洞將會移至該InGaN層102的表面，且電
子將會移入該Si層104中。一薄(約25nm)的重摻雜之p++
層可被用來對該InGaN表面提供一歐姆接觸。
該等空乏區130和132係類似於半導體材料中可見的“肖特基式”空乏區，而使該二空乏區130和132在非集中的陽光下將會達到大約42%的太陽能電池100效率，乃類似於以2J串交電池所達到的效率。
在一或多個實施例中，該暗電流(即該太陽能電池100在無光作用輸入時的輸出電流)能藉重反摻雜(即在n型區104中摻雜p++
或在p型區102中摻雜n++
)靠近該二層102和104之至少一者與各別的電觸點106、108之間的介面處而被減少。此亦將會增加該開放電路電壓及該太陽能電池100的效率。請參閱第5A圖，一p-InGaN/n-Si異質接面串接太陽能電池的能帶圖係被示出，其中n++
反摻雜(例如一10nm的9×1017
n++
層)已被利用於該p型層102中鄰接於電觸點106，且線140代表CBE(eV)，線142代表VBE(eV)，而線144代表EF。
在一或多個實施例中，該暗電流可藉使用一形成於該二層102和104之間的薄絕緣中介層(如一GaN或AlN的薄層)而被減少，且該開放電路電壓會被提升。該中介層將可用以增加阻止電洞由該p-InGaN層102洩漏至n-Si層104而阻止電子由該n-Si層104洩漏至p-InGaN層102的障壁。請參閱第5B圖，一p-InGaN/n-Si異質接面串接太陽能電池的能帶圖係被示出，其中有一5nm的薄GaN中介層已被利用於該p-InGaN層102與n-Si層104之間。
在第5A及5B圖中所示之使用重反摻雜或一薄絕緣層之與減少暗電流相關連的上述兩種方法皆會比沒有該等特徵的設計增加阻抗電子和電洞洩漏的障壁大約0.1至0.2eV。
在一或多個實施例中，該暗電流可藉在靠近該各層102、104與其接面105之間處進行“雙重反摻雜”而更為減少。利用此一雙重反摻雜設計，一p+
反摻雜區152會形成於該n型層104中，且一n+
反摻雜區150會形成於該p型層102中，如第6圖中所示。在一或多個實施例中，該p+
反摻雜區152係在一厚度約為400nm的2×1016
cm-3
n-Si層104中被形成為一大約10nm的1×1019
cm-3
p+
層，而該n+
反摻雜區150係在一厚度約為300nm的2×1017
cm-3
p-In0.45
Ga0.55
N層102中被形成為一大約10nm的9×1020
cm-3
n+
層。請參閱第7圖，一依據上述反摻雜結構的p-InGaN/n-Si異質接面串接太陽能電池的能帶圖係被示出，其中線154代表CBE(eV)，線156代表VBE(eV)，而線158代表EF
。利用此一雙重反摻雜設計，Al或Ga擴散至Si中會在該n型Si基材102中靠近該介面105處造成該p型層152，而Si擴散至n型InGaN中會在靠近於該p型InGaN層102的介面105處形成一n型反摻雜層150。此雙重反摻雜設計將可增加該開放電路電壓及該太陽能電池100的效率。
為能使用一單P-N接面來形成一串接光生伏打裝置，在該太陽能電池100之上層102中的傳導帶最大值(CBM)會被形成相對於該真空標度的能量實質上對齊或較低於該太陽能電池100之下層104的價帶最大值(VBM)。本揭露可容一
具有雙接面串接太陽能電池之效率特性的太陽能電池以一非常簡單的單P-N接面設計來被製成。藉著在一底下的n-Si層104上簡單地形成一p-InGaN層102，其可為很薄(<0.5μm)，則一串接太陽能電池100將能被製成，其具有一效率高於目前所製成之最佳的單接面Si太陽能電池者。在一或多個實施例中，該Si層104可被使用複晶的、多晶的、或甚至非結晶的Si來形成。此一串接太陽能電池100能被以比先前習知的Si技術更提高的效率和較低的成本來製成，其將能革新光生伏打裝置的製造。
100‧‧‧單P-N接面串接太陽能電池
102‧‧‧上層(InGaN層)
104‧‧‧下層(Si層)
105‧‧‧單P-N接面
106，108‧‧‧電觸點
110，112，130，132‧‧‧空乏區
120‧‧‧傳導帶緣
122‧‧‧價帶緣
140，154‧‧‧CBE線
142，156‧‧‧VBE線
144，158‧‧‧EF
線
150‧‧‧n+
反摻雜區
152‧‧‧p+
反摻雜區
第1為依據本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之方塊圖。
第2圖為第1圖之更詳細立體圖示出依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池中的不區域。
第3圖為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面的能帶圖。
第4A和4B圖為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面所算出的(a)能帶圖及(b)電子和電洞濃度之圖表。
第5A和5B為依本揭露之一或多個實施例的單P-N接面串接太陽能電池之異質接面在該介面處具有(a)反摻雜和(b)絕緣中介層時所算出的能帶圖。
第6圖為依本揭露之一或多個實施例而具有雙重反摻雜之一單P-N接面串接太陽能電池的截面方塊圖。
第7圖為依本揭露之一或多個實施例而具有雙重反摻雜之一單P-N接面串接太陽能電池的異質接面所算出的能帶圖。
100‧‧‧單P-N接面串接太陽能電池
102‧‧‧上層(InGaN層)
104‧‧‧下層(Si層)
105‧‧‧單P-N接面
106，108‧‧‧電觸點
Claims (26)
- 一種太陽能電池，包含：一p型層；一n型層；一介於該p型層和n型層之間的單一p-n接面；一用於在光照下之電荷分離、且形成在具有一第一帶隙之該p型層中的電荷分離區；及一用於在光照下之電荷分離、且形成在具有一第二帶隙之該n型層中的電荷分離區，其中該第二帶隙係不同於該第一帶隙；其中該太陽能電池包括多數個電荷分離區而其用於與該單一p-n接面相關連的電荷分離，每一電荷分離區係可分別地在光照下進行電荷分離。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該太陽能電泡包含兩個電荷分離區。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等p型和n型層中之一者包含一InGaN合金。
- 如申請專利範圍第3項之太陽能電池，其中該等p型和n型層中之另一者包含Si。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等p型和n型層中之一者包含一InAlN合金。
- 如申請專利範圍第4項之太陽能電池，其中該等p型和n型層中之另一者包含Si。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等p型和n 型層中的一者之一傳導帶，實際上與該等p型和n型層中的另一者之一價帶對準，而使該p-n接面形成為一介於該p型層與該n型層之間的低電阻隧道接面。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中產生於該等電荷分離區中的每一者的電壓，將會加在一起來為該太陽能電池造成一結合的輸出電壓。
- 如申請專利範圍第3項之太陽能電池，其中該InGaN合金包含In1-x Gax N，其中0x1。
- 如申請專利範圍第9項之太陽能電池，其中x係約為0.5。
- 如申請專利範圍第3項之太陽能電池，其中該InAlN合金包含In1-x Alx N，其中0x1。
- 如申請專利範圍第11項之太陽能電池，其中x係約為0.3。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，更包含：一第一電觸點，其與該p型層耦合；及一第二電觸點，其與該n型層耦合。
- 如申請專利範圍第13項之太陽能電池，更包含一重反摻雜區，其設在該p型層和該n型層中之至少一者中且各別地鄰接於該等第一和第二電觸點中之至少一者。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，更包含係設於該p型層和該n型層之間之一絕緣中介層。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，更包含：設在該p型層中鄰接於該n型層之一反摻雜區；及設在該n型層中鄰接於該p型層之一反摻雜區。
- 一種太陽能電池，包含： 一p型層；與該p型層耦合之一第一電觸點；一n型層；與該n型層耦合之一第二電觸點；一介於該p型層和該n型層之間、且具有可供電荷分離用之多數個電荷分離區的單一p-n接面，該等電荷分離區係形成在該單一p-n接面的兩側上之該p型層及該n型層的各別區域中，每一電荷分離區係可分別地進行電荷分離，該p型層及該n型層中的各層具備一不同帶隙，使得每一電荷分離區將吸收太陽能光譜中之數個不同的各別部分，以在光照下與該等電荷分離區中之其他電荷分離區分別地進行電荷分離。
- 一種單一接面太陽能電池，包含：一介於一p型次電池與一n型次電池間、且具有可供電荷分離用之多數個電荷分離區的單一p-n接面，每一電荷分離區係位在一具備一不同各別帶隙的材料中，使得每一電荷分離區將在光照下吸收太陽能光譜中之數個不同的各別部分，且係可分別地進行電荷分離。
- 如申請專利範圍第18項之太陽能電池，其中該p型次電池係為一p型材料層。
- 如申請專利範圍第18項之太陽能電池，其中該n型次電池係為一n型材料層。
- 一種用於形成單一接面太陽能電池的方法，包含：列設係鄰接於一n型層之一p型層來形成一介於該p 型層與該n型層間的單一p-n接面，且形成可供電荷分離用、且在該單一p-n接面之兩側上的電荷分離區，每一電荷分離區係可分別地、獨立地進行電荷分離。
- 如申請專利範圍第21項之方法，更包含：將一耦合至該p型層的第一電觸點，與一耦合至該n型層的第二電觸點予以耦合。
- 如申請專利範圍第21項之方法，更包含：由一選自InGaN和InAlN中之一者的合金來形成該等p型和n型層中之一者；及由Si來形成該等p型和n型層中之另一者。
- 如申請專利範圍第22項之方法，更包含：在該p型層和該n型層中的至少一者中形成一重反摻雜區各別地鄰接於該等第一和第二電觸點中之至少一者。
- 如申請專利範圍第21項之方法，更包含：在該p型層和該n型層之間形成一絕緣中介層。
- 如申請專利範圍第21項之方法，更包含：形成一反摻雜區在鄰接於該n型層之該p型層中，及形成一反摻雜區在鄰接於該p型層之該n型層中。
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