TWI591838B - 用於太陽能電池之窗結構 - Google Patents

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艾里厄斯 菲倫 瑟瑞茲
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霍曼 袁
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Description

用於太陽能電池之窗結構 發明領域
本發明有關太陽能電池，例如由III-V半導體合金形成之多接面太陽能電池。本發明有關2011年2月25日提申之臨時專利申請案第61/446,704號中所述之發明，且該申請案中所述之全部內容，在此併入本案以為參考。
發明背景
太陽能電池典型地利用在射極表面上使用窗層，鈍化該射極表面以及反射回少數載子，以便抑制會減低效能之表面再復合。窗層係活性半導體結構之一部分，但亦可構成抗反射塗層之部分或全部。習用介電抗反射塗層已知不是一個窗層，然而其可光耦合至或整合進入窗層。(額外的透明覆蓋體可提供環境保護)。
主要由III-V半導體合金形成之多接面太陽能電池已知會產生太陽能電池效能勝過其它類型之光伏材料之效能。此等合金係由標準周期表之第III欄以及第V欄劃出之元素之組合，在此之後以其等之標準化學符號、稱號以及縮寫識別。(熟悉此技藝之人士可在不需特別參考其等之欄之情況下，藉由分類識別其等之半導體特性類型)。此等太陽能電池是高效能的，使其等對地面聚光光伏系統以及設計在外太空操作之系統來說，具有吸引力。在聚光下具效能大於42%之多接面太陽能電池，相當於數百個太陽能夠達到 之效能。
從歷史角度來看，最高效能之太陽能電池由三個子電池整體堆疊，磊晶長在鍺(Ge)或砷化鎵(GaAs)基材上構成。頂部子電池具有由(Al)GaInP製成之活性層、中間子電池係(In)GaIAs，而底部子電池包括Ge基材或由III-V材料構成。前面有關III-V合金之命名，其中以括號顯示之組成元素，諸如(Al)InGaP中之Al，提供可變異之情況，其中特定元素可為零。
參照第1圖，一種習用多接面太陽能電池10，包含二或多種子電池12、14、16堆，其典型地由隧道結18、20連接。隧道結18、20典型地包含大量摻雜的n型以及p型半導體層(未詳細示出)。其等係熟悉此技藝之人士眾所周知的，所以不需在此進一步的說明。第1圖係顯示一般多接面太陽能電池10之範例的截面概略圖，具有三個子電池12、14、16，中間由隧道結18、20連接，抗反射塗層22以及電氣接觸層24在上面，而支撐結構26在底部，其可形成基材或柄部以及背接觸層。第1圖沒有畫出比率。
如代表先前技術之結構之第2圖所示，各子電池12、14、16包含許多聯合層，包括窗層28、射極30、基部32以及背面電場(BSF)結構34。窗層28以及射極層30為一摻雜極(如，n型)，而基部層32以及背面電場層34在摻雜極性方面具相反的極性(如，p型)，在基部32以及射極30之間形成p-n或n-p接面。假如基部32含有本質區域(未示出)，則其可被視為p-i-n或n-i-p接面，此為熟悉此技藝之人士熟知的。指 定的子電池之名稱，與包含基部32之材料的名稱相同。例如，具有第2圖中所示之材料之子電池可稱作InGaP子電池。
當談論到從頂部至底部之子電池之堆疊順序時，該頂部子電池定義為在太陽能電池之操作期間，最接近光源之子電池，而該底部子電池離光源最遠。相對的術語像是“在上的”、“在下的”、“上面的”、“下面的”，亦意指疊層相對於光源之位置。其中子電池生長之順序與此定義無關。
如上所述，以上討論之各種習用子電池典型地包含窗層、射極、基部以及背面電場(BSF)，以及包括或不包括其它層。該等熟悉此技藝之人士亦公認，子電池亦可在無前述之所有層之情況下構成。窗層以及BSF用於反射分別從射極以及基部層之表面而來之少數載子，且已知對於高效力載子收集很重要。選擇用於窗層之材料以及摻雜程度，使得能帶排列能對少數載子產生大的能量障礙，而對主要載子產生最少的障礙。此使得主要的載子能夠擴散通過窗層，同時反射少數載子。很重要的是，窗層與射極間之介面需具有非常高的品質，以便使少數載子表面再復合速率最小化。為了使入射光之吸收最小化，窗層亦具有比鄰接的射極大的能帶隙。在除了頂部子電池之子電池中，窗層之能帶隙可高到使其能夠吸收到達子電池之微不足道之部分的光。在那樣的情況下，主要具有能量高於其能帶隙之光子可被上面的子電池吸收。
在頂部子電池方面，窗層可能為電流流失之主要來源。該頂部子電池之窗層會吸收入射光之太陽能光譜中高 於其能帶隙之部分，然後產生電洞對或光載子。由於在窗層之頂部處少數載子之高表面再復合速率，以及窗層常見之低少數載子擴散長度，所以此等光載子之收集效力不高。假如上面的子電池沒有吸收高於活性層之能帶隙之全部的光，則下面的子電池之窗層亦為流失之來源。
在此之後使用之本質材料晶格常數定義為指定材料之獨立結晶之晶格常數，或單位電池之邊緣的長度。典型地，晶格常數(如，a、b以及c)係在指定晶體結構之三個參考方向(如，x、y以及z)上定義出來的，其中z係生長之方向。指定的結晶結構指定了參考方向間之角度。對於諸如GaAs之立方體材料，全部三個晶格常數均相同，典型地使用單一本質材料晶格常數。在異質磊晶之情況下，假如半導體材料在垂直於生長方向之平面(a0以及bo)上之本質材料晶格常數與長在下層(a1以及b1)之晶格常數實質上相異，但均分在那平面之參考方向間之角度，則一開始將採取在下層之晶格常數。該半導體材料係承受應變的，且應變之程度正比於其本質材料晶格常數以及所採取之晶格常數間之差。在垂直於生長方向之平面上之應變(其亦可被視為“平面”)可定義如下(其亦可乘以100，以百分比表示)：
以上之討論假定垂直於生長之平面，含有晶體結構之x以及y參考方向。因為一般情況不時常如此，諸如在偏軸生長方面，所以吾人反而討論垂直生長方向之平面(x’y’平面) 中獨立晶體之本質材料晶格間距(a0’以及b0’)，與下面層之該平面(a1’以及b1’)之晶格間距的比較。當a0’與及b0’間以及a1’與b1’間之角度相同時，垂直於生長方向之平面上之應變與以上之定義類似：
當a0’與及b0’間之角度以及a1’與b1’間之角度不相同時，需要更複雜的表示方法。
當具平面應變ε xy 之半導體層之厚度增加時，應變能量增加直到到達臨界厚度，在此點時，其能量上變得適合通過差排來鬆弛以及釋出應變。該臨界厚度取決於許多因子，包括相關之材料、基材和/或下層、生長技術以及生長條件。低於該臨界厚度時，該半導體層被視為擬形態或完全承受應變的。當已形成足夠的差排，該層基本上已經回復至其本質材料晶格常數(a0、b0以及c0)時，該半導體層被視為完全鬆弛的。一般而言，當在基材之頂部或層上之生長，在垂直於生長方向之平面上具有實質上不同的晶格間距時，層可為完全承受應變、完全鬆弛或部分承受應變以及部分鬆弛的。
在以GaAs或Ge基材為主，具有射極為n型，而基部層為p型(即，n-on-p構形)之III-V多接面太陽能電池方面，頂部子電池典型地具有由單一AlInP層構成之窗層，以及(Al)InGaP射極與基部。Al0.52In0.48P係可選擇作為頂部窗層之材料，因為其係具有最高直接能帶隙(~2.3eV)之III-V材 料，其具有實質上與GaAs或Ge相同的本質材料晶格常數。然而Al0.52In0.48P會大量吸收高於其直接能帶隙之能量之入射光子(該部分取決於該層之厚度)，且其收集由此等光子產生之光載子的效能低。在此Al0.52In0.48P層中，AM1.5D或AM1.5G光譜下超過1mA/cm2可能流失(即，沒有收集到)。
由於在窗層中對光載子之典型的低收集效率，所以最好是在窗層中使光吸收最小化。一種使於AlInP窗層中被吸收的光最小化之方法，係增加AlInP中之Al。此導致一具有會吸較少光之較高的能帶隙，因此傳送更多的光至該電池之射極以及基部之窗層，其等具有較高的光載子收集效率。然而，此窗層具有與下面層差很多之本質材料晶格常數，以致於在窗層中產生高位準的平面應變ε xy和/或透過差排之鬆弛。
在窗層與射極介面處之高位準的應變或差排會增加少數載子之表面再復合速率，降低射極中之收集效率，因此減少太陽能電池之總效率。因此，目前一些藉由增加AlInP中之Al部分所獲得的好處，可能會因為增加的少數載子表面再復合速率而抵消。需要的是一種會減少窗層中光之吸收，同時保有高品質窗層/射極介面之子電池結構。
發明概要
根據本發明，提供一種多層窗結構，其併入多接面太陽能電池之一或多種子電池中。該窗結構可由二或多層構成。該底層，直接鄰接該射極，在垂直於磊晶成長方向之 平面上，具有實質上與該射極相同之本質材料晶格間距，且具有厚度介於1-15nm之間。因為在垂直於生長方向之平面上該底層具有實質上與鄰接的射極相同之本質材料晶格間距，所以可在該窗結構與射極之間形成高品質的介面，在此有最小的少數載子再復合。因為此底層比較之下較薄，所以其與較厚的層會吸收較少進來的光線。該窗結構之一或多種上面層具有比該底層逐漸高之能帶隙，且具有實質上與該射極之本質材料晶格間距相異之本質材料晶格間距。使用具有本質材料晶格間距與該等第一窗層不同之材料，可達到較高的能帶隙。完成後窗結構之總厚度介於10-60nm之間。在此揭露三個不同的具體例：雙層窗、各層具有實質上均一的本質材料晶格間距之多層窗以及由非均一組成形成之窗(其中本質材料晶格間距隨著窗層結構之深度連續地改變)。與習用具有均一組成物以及具有與射極相同之本質材料晶格間距之窗層相比，該多層窗結構會減少窗結構中之光吸收，且會改善子電池之總電流之收集。雖然使用不同本質材料晶格間距之層可能會引起應變和/或鬆弛，以及減損介面品質，但其僅在上面的窗層發生，因此不會影響窗結構/射極之介面。
圖式簡單說明
第1圖係先前技術之多接面太陽能電池之截面概略圖。
第2圖係在此定義之多接面太陽能電池之先前技術之子電池之截面概略圖。
第3A圖係例示說明本發明之第一具體例之多接面太陽 能電池之子電池之截面概略圖。
第3B圖係例示說明本發明之第二具體例之多接面太陽能電池之子電池之截面概略圖。
第3C圖係例示說明本發明之第三具體例之多接面太陽能電池之子電池之截面概略圖。
第4圖係顯示數種多接面太陽能電池之InGaP頂部子電池之內量子效率數據。
較佳實施例之詳細說明
本發明有關多接面太陽能電池之頂部子電池之窗結構，以及下面子電池之窗結構。在本發明之一具體例中，如第3A圖所示，子電池114具有窗結構128，其包括與本發明一致之二層129以及131。最下面的窗層131與射極130並置，具有能帶隙Eg1以及厚度5nm。亦使用介於1-15nm間之厚度。此最下面的層131在垂直於磊晶生長方向之平面上，具有實質上與射極130以及下面的子電池層132、134相同之本質材料晶格間距。假如相差小於0.3%或假如如上定義之平面應變ε xy或ε x’y’小於0.3%，吾人定義晶格間距為“實質上相同”。吾人相信，平面應變小於0.3%不足以降低該窗與射極間介面處之表面再復合速率。在此之上面或鄰接最下面的窗層131係至少一種窗層129，其具有本質材料晶格間距實質上與射極130的不同。層129具有能帶隙(Eg2)大於直接在其下面之層131之能帶隙(Eg1)。完成後之窗結構128之總厚度介於10-60nm之間。
第3B圖顯示根據本發明之另外的具體例之子電池214，在此窗結構228由N層構成，在此N>2。三個點代表沒有明白地示出之窗層2至N-2。窗層231具有能帶隙(Eg1)以及在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有實質上與下面射極230以及基部232相同之本質材料晶格間距。因此，於此層中之平面應變係最小的。上面窗層227、229等等，在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有實質上大於或小於底部射極230之本質材料晶格間距。該窗層之能帶隙從底部至頂部以級數方式增加，如EgN>Eg(N-1)>...>Eg1，在此該能帶隙Eg1與窗層231相關，與射極230並置。
參照第3C圖，除了包含獨立半導體層之窗結構外，窗結構328亦可能包含單一合金系統(如，InGaP或AlInP)，組成隨著結構328之垂直方向改變，以便調節能帶隙。在窗結構328之底部處，該合金之本質材料晶格間距，在垂直於磊晶成長方向之平面上，將實質上與鄰接的射極330相同，且能帶隙Eg1將為最小的。如第3C圖所示，能帶隙朝窗結構328之頂部增加，在此Eg2>Eg1。組成隨著窗328之全部或部分改變。
與習知單一均質窗層28(第2圖)(其具有實質上與鄰接之射極30相同之本質晶格常數)相比，如本發明之結構會增加與子電池相關之電流收集。在如本發明之窗結構128、228、328中之光吸收，小於習用均質單一層窗結構28中之光吸收。由於頂部表面之高再復合速率以及較差的少數載子夀命，先前技術之窗結構典型地具有低於其子電池之射 極以及底層30、32之收集效率。因此，當更多的光傳送至射極130、230、330以及基部132、232、332，而不是被窗結構吸收時，本發明之子電池114、214、314之電流收集獲得改善。
與具有本質材料晶格間距實質上與鄰接的射極層不同之單一窗層相比，如本發明之窗結構亦可增加子電池中之電流收集。具有實質不同的本質材料晶格間距之窗層具有極大的平面應變和/或差排形成，以代償晶格間距的差異。此可能降低其與射極之介面，增加少數載子表面再復合速率以及降低子電池之性能。本發明藉由在垂直於生長方向之平面上，具有與鄰接射極相同的本質材料晶格間距之較低的窗層，避開了此張力以及缺失。在射極-窗介面處達到低少數載子表面再復合速率，其使射極之光載子的收集最大化。
第4圖係顯示與多接面太陽能D之習用InGaP子電池相比，由如本發明之子電池形成之多接面太陽能電池A、B、C之InGaP子電池之內部量子效率。所有的InGaP子電池具有由AlInP層、InGaP射極、InGaP基部以及AlInGaP背面電場構成之窗結構。該射極、基部以及背面電場具有實質上與基材(在此案例中係GaAs)相同之本質材料晶格常數。具如本發明之窗結構之太陽能電池顯示出最高的量子效率。在本發明之圖式A線之具體例中，有二個窗層，頂部層具30nm之Al0.66In0.34P，底部層為5nm之Al0.52In0.48P。在垂直於生長方向之平面上，頂部窗層中之本質材料晶格間距小於底部 窗層以及射極1.0%，因此在此層中之平面應變為1.0%。具此窗結構之太陽能電池所測得之內部量子效率之數據由第4圖之A線描述。B線描述包含30nm具Al0.66In0.34P之頂部層、2nm具Al0.6In0.40P之中間層以及3nm具Al0.52In0.48P之底部層之三層窗之預期的內部量子效率。C線顯示具有組份從在頂部之Al0.7In0.30P連續變化至底部Al0.52In0.48P之35nm窗結構之預期的內部量子效率，在此該底部之組成具有與鄰接的射極相同之本質材料晶格間距。具有習用35nm具Al0.52In0.48P之窗層之太陽能電池之測得的內部量子效率數據(其具有實質上與該子電池之剩餘部分相同之本質材料晶格間距)，以D線表示。從該圖式可證實，與習用窗層結構相比，具如本發明之結構之子電池，由於在窗結構中之吸收減少，而在低波長下具有較高的量子效率。在AM1.5D光譜下獲得之電流高達0.4mA/cm2，其在太陽能電池效率方面產生顯著的增加。
在此揭露一種用於產生如本發明之窗結構之方法。根據此方法，生長溫度介於300至500℃之間，生長速率至少0.1微米/小時。作為該窗結構之素材之純度至少99.9999%。使用分子束磊晶，反應器之背景壓力低於10-5陶爾。據了解亦可使用其它生長方法來產生如本發明之窗結構。
當體現本發明之子電池係多接面太陽能電池之頂部子電池時，一或多個窗層除了具有子電池之窗的功能外，亦可作用為太陽能電池之抗反射塗層之一部分。
如本發明之太陽能電池可包含III-V、第V族或第II-VI 族之材料之任一組合。於本發明之一較佳具體例中，窗係由AlInP、AlP、InGaP、AlInGaP以及GaP層中之某些組合所形成。
本發明已經由特定的具體例作解釋。對熟悉此技藝之人士而言，其它的具體例係很明顯的。特別是，雖然本發明係透過包含二或多種子電池構成之多接面太陽能電池來作解釋，但對於熟悉此技藝之人士而言，很明顯地本發明亦可應用於由單一子電池構成之晶體太陽能電池。因此除了所附之申請專利範圍所指出的之外，本發明並不受限制。
10‧‧‧多接面太陽能電池
18、20‧‧‧隧道結
12、14、16‧‧‧子電池
22‧‧‧抗反射塗層
24‧‧‧電氣接觸層
26‧‧‧支撐結構
28‧‧‧窗層
30‧‧‧射極
32‧‧‧基部
34‧‧‧背面電場(BSF)結構
114‧‧‧子電池
128‧‧‧窗結構
129、131‧‧‧窗層
130‧‧‧射極
132‧‧‧基部
134‧‧‧背面電場
228‧‧‧窗結構
214‧‧‧子電池
231‧‧‧窗層
230‧‧‧射極
232‧‧‧基部
227、229‧‧‧上面窗層
234‧‧‧背面電場
328‧‧‧窗結構
330‧‧‧射極
第1圖係先前技術之多接面太陽能電池之截面概略圖。
第2圖係在此定義之多接面太陽能電池之先前技術之子電池之截面概略圖。
第3A圖係例示說明本發明之第一具體例之多接面太陽能電池之子電池之截面概略圖。
第3B圖係例示說明本發明之第二具體例之多接面太陽能電池之子電池之截面概略圖。
第3C圖係例示說明本發明之第三具體例之多接面太陽能電池之子電池之截面概略圖。
第4圖係顯示數種多接面太陽能電池之InGaP頂部子電池之內量子效率數據。
228‧‧‧窗結構
214‧‧‧子電池
231‧‧‧窗層
230‧‧‧射極
232‧‧‧基部
227、229‧‧‧上面窗層
234‧‧‧背面電場

Claims (9)

  1. 一種光伏電池，其包含：至少一具有窗結構之子電池，該至少一子電池具有一包含InGaP的射極層，其在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有第一晶格間距；該窗結構位在該射極層之上面，且直接與該射極層接觸；該窗結構具有至少二個窗層，該至少二個窗層包括：一底部窗層，其在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有實質上與該射極層之本質材料晶格間距相同之本質材料晶格間距；以及至少一上面窗層，其與該底部窗層重疊，且在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有實質上與該射極層之晶格間距相異之晶格間距；其中，該底部窗層係以自1nm至15nm之厚度為特徵；且該底部窗層包含AlxIn1-xP，其中x為0.52；該至少一上面窗層包含AlxIn1-xP，其中0.60x0.70；及該射極之晶格間距及平面應變、與該底部窗層之晶格間距及平面應變相差小於0.3%；以及該至少一上面窗層具有能帶隙大於該底部窗層之能帶隙。
  2. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該窗結構具有至少二個上面窗層，其等具有與該底部窗層之本質材料晶格間距相異之本質材料晶格間距，且量逐漸增加。
  3. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該至少一上面窗層之頂部窗層具有能帶隙大於任何下面窗層之一能帶隙。
  4. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該上面窗層之至少一部分包含合金，其特徵在於能帶隙是以與該射極層之距離之函數連續地增加。
  5. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該至少一子電池包含一材料，該材料是選自於III-V材料、第V族材料、第II-VI族材料，或前述之一組合。
  6. 一種光伏電池，包含至少一具有窗結構之子電池；該子電池具有一包含InP的射極，其在垂直於磊晶成長方向之平面上，具有第一晶格間距；該窗結構位在該射極之上面，且直接與該射極接觸；該窗結構具有至少一包含合金之窗層，而該窗層具有一本質材料晶格間距與一橫過該窗層之至少部分連續地改變之能帶隙，以及其中在與該射極的介面處，該窗結構在垂直於磊晶成長方向之平面上之本質材料晶格間距，實質上與該第一晶格間距相同，其中該窗結構係以自10nm至60nm之厚度為特徵；且該窗結構的特徵在於一AlxIn1-xP組成物，其中於介面處x為0.52，且連續變化至x=0.70；該射極之晶格間距及平面應變、與該底部窗層之晶 格間距及平面應變相差小於0.3%。
  7. 如申請專利範圍第6項之光伏電池，其中該至少一子電池包含一材料，該材料是選自於III-V材料、第V族材料、第II-VI族材料，或前述之一組合。
  8. 如申請專利範圍第6項之光伏電池，其中在該窗結構中，該窗結構之頂部的能帶隙大於該窗結構之底部的能帶隙。
  9. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中：該窗結構係以自10nm至60nm之厚度為特徵。
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