TWI594449B - 具有二變質層的四接點反向變質多接點太陽能電池 - Google Patents

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TWI594449B
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Description

具有二變質層的四接點反向變質多接點太陽能電池
本發明係關於半導體裝置領域，且係關於製造製程及諸如包含變質層之基於III-V半導體化合物的多接點太陽能電池的裝置。此類裝置亦被稱為反向變質多接點太陽能電池。
[政府權利申明]
本發明係在美國空軍授予之第FA9453-06-C-0345號合同下由政府支援完成的。政府在本發明中具有一定權利。
對相關申請案之參考
本申請案係關於2008年11月10日申請之共同待決美國專利申請案第12/267,812號。
本申請案係關於2008年10月24日申請之共同待決美國專利申請案第12/258,190號。
本申請案係關於2008年10月16日申請之共同待決美國專利申請案第12/253,051號。
本申請案係關於2008年8月12日申請之共同待決美國專利申請案第12/190,449號。
本申請案係關於2008年8月7日申請之共同待決美國專利申請案第12/187,477號。
本申請案係關於2008年7月18日申請之共同待決美國專利申請案第12/218,582號。
本申請案係關於2008年7月17日申請之共同待決美國專利申請案第12/218,558號。
本申請案係關於2008年5月20日申請之共同待決美國專利申請案第12/123,864號。
本申請案係關於2008年4月14日申請之共同待決美國專利申請案第12/102,550號。
本申請案係關於2008年3月13日申請之共同待決美國專利申請案第12/047,842號及美國專利申請案第12/047,944號。
本申請案係關於2008年1月31日申請之共同待決美國專利申請案第12/023,772號。
本申請案係關於2007年12月13日申請之共同待決美國專利申請案第11/956,069號。
本申請案亦係關於2007年9月24日申請之共同待決美國專利申請案第11/860,142號及第11/860,183號。
本申請案亦係關於2007年8月8日申請之共同待決美國專利申請案第11/836,402號。
本申請案亦係關於2006年12月27日申請之共同待決美國專利申請案第11/616,596號。
本申請案亦係關於2006年12月21日申請之共同待決美國專利申請案第11/614,332號。
本申請案亦係關於2006年6月2日申請之共同待決美國專利申請案第11/445,793號。
本申請案亦係關於2006年8月7日申請之共同待決美國專利申請案第11/500,053號。
已主要藉由矽半導體技術來提供來自光伏打電池(亦稱作太陽能電池)的太陽能。然而，在過去的若干年中，用於太空應用之III-V化合物半導體多接點太陽能電池的大量製造已加速了此技術的發展，不僅供太空中使用，而且亦用於陸地太陽能應用。與矽相比，III-V化合物半導體多接點裝置具有更大的能量轉換效率，且通常具有更大的抗輻射性，但III-V化合物半導體多接點裝置往往製造起來更加複雜。典型的商業III-V化合物半導體多接點太陽能電池在1太陽強度、氣團0(AM0)照明下具有超過27%的能效，而亦即便最高效的矽技術一般在相當的條件下僅達到約18%的效率。在較高日光濃度(例如，500X)下，陸地應用(在AM1.5D下)中之市場上可買到之III-V化合物半導體多接點太陽能電池具有超過37%的能效。III-V化合物半導體太陽能電池與矽太陽能電池相比較高的轉換效率部分係基於經由使用具有不同能帶隙能量之多個光伏打區並聚集來自該區中之每一者的電流而達成入射輻射之光譜分裂的能力。
典型的III-V化合物半導體太陽能電池以垂直、多接點結構製造於半導體晶圓上。接著將個別太陽能電池或晶圓安置於水平陣列中，其中該等個別太陽能電池以電串聯電路之形式連接在一起。陣列之形狀及結構以及其含有之電池的數目部分由所要之輸出電壓及電流決定。
諸如M.W. Wanlass等人之「Lattice Mismatched Approaches for High Performance,III-V Photovoltaic Energy Converters」(第31屆IEEE光伏打專家會議會刊(Conference Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference)，2005年1月3日至1月7日，IEEE出版社，2005)中所描述之基於III-V化合物半導體層的反向變質太陽能電池結構為未來的商業高效率太陽能電池之發展提供了重要的概念性起點。然而，此會議中所提出並描述之用於電池之許多不同層的材料及結構呈現與材料及製造步驟之適當選擇有關的許多實踐難題。
在本發明之前，先前技術中所揭示之材料及製造步驟尚不足以使用用於生產反向變質多接點電池結構之商業上已建立的製造製程來生產商業上可行且具能效的太陽能電池。
簡要且概括而言，本發明提供一種多接點太陽能電池，其包含：上部第一太陽能子電池，其具有第一能帶隙；第二太陽能子電池，其鄰近於該第一太陽能子電池且具有比該第一能帶隙小的第二能帶隙；第一漸變夾層，其鄰近於該第二太陽能子電池；該第一漸變夾層具有比該第二能帶隙大的第三能帶隙；以及第三太陽能子電池，其鄰近於該第一漸變夾層，該第三子電池具有比該第二能帶隙小的第四能帶隙，使得該第三子電池相對於該第二子電池晶格失配；第二漸變夾層，其鄰近於該第三太陽能子電池；該第二漸變夾層具有比該第四能帶隙大的第五能帶隙；以及下部第四太陽能子電池，其鄰近於該第二漸變夾層，該下部子電池具有比該第四能帶隙小的第六能帶隙，使得該第四子電池相對於該第三子電池晶格失配。
在另一方面中，本發明提供一種藉由以下步驟來製造太陽能電池的方法：形成第一基板；在該第一基板上形成具有第一能帶隙的上部第一太陽能子電池；形成鄰近於該第一太陽能子電池且具有比該第一能帶隙小的第二能帶隙的第二太陽能子電池；形成鄰近於該第二太陽能子電池的第一漸變夾層；該第一漸變夾層具有比該第二能帶隙大的第三能帶隙；形成鄰近於該第一漸變夾層的第三太陽能子電池，該第三子電池具有比該第二能帶隙小的第四能帶隙，使得該第三子電池相對於該第二子電池晶格失配；形成鄰近於該第三太陽能子電池的第二漸變夾層；該第二漸變夾層具有比該第四能帶隙大的第五能帶隙；形成鄰近於該第二漸變夾層的下部第四太陽能子電池，該下部子電池具有比該第四能帶隙小的第六能帶隙，使得該第四子電池相對於該第三子電池晶格失配；將代用基板安裝於第四太陽能子電池之頂部；以及移除該第一基板。
現在將描述本發明之細節，包含本發明之例示性方面及實施例。參看圖式及以下描述，相同的參考編號用於識別相同或功能類似之元件，且意在以高度簡化之圖解方式說明例示性實施例之主要特徵。另外，該等圖式無意描繪實際實施例之每個特徵或所描繪元件之相對尺寸，且該等圖式未按比例繪製。
製造反向變質多接點(IMM)太陽能電池之基本概念係以「相反」序列在基板上生長太陽能電池之子電池。亦即，正常將為面向太陽輻射之「頂部」子電池的高能帶隙子電池(亦即，具有在1.8eV至2.1eV之範圍內之能帶隙的子電池)以磊晶方式生長於半導體生長基板(例如，GaAs或Ge)上，且因此此類子電池與此基板晶格匹配。一或多個較低能帶隙中間子電池(亦即，具有在1.2eV至1.8eV之範圍內的能帶隙)接著可生長於該等高能帶隙子電池上。
至少一下部子電池形成於中間子電池上，使得該至少一下部子電池相對於該生長基板大體上晶格失配，且使得該至少一下部子電池具有第三較低能帶隙(亦即，在0.7eV至1.2eV之範圍內的能帶隙)。代用基板或支撐結構接著附著於或提供於「底部」或大體上晶格失配之下部子電池上，且隨後移除生長半導體基板。(該生長基板接著可再用於第二及後續太陽能電池之生長)。
上文所述之相關申請案中揭示反向變質多接點太陽能電池之多種不同特徵。此類特徵中的一些或所有特徵可包含於與本發明之太陽能電池相關聯的結構及製程中。然而，更特定而言，本發明係針對使用兩個不同變質層來製造四接點反向變質太陽能電池，該兩個不同變質層全部生長於單個生長基板上。在本發明中，所得之構造包含四個子電池，其能帶隙分別在1.8eV至2.1eV、1.3eV至1.5eV、0.9eV至1.1eV以及0.6eV至0.8eV之範圍內。
圖1為表示某些二元材料之能帶隙及該等二元材料之晶格常數的曲線圖。三元材料之能帶隙及晶格常數位於在典型的相關聯二元材料之間繪製的線上(例如三元材料GaAlAs在曲線圖上位於GaAs點與AlAs點之間，其中三元材料之能帶隙位於GaAs之1.42eV與AlAs之2.16eV之間，視個別成分之相對量而定)。因此，視所要之能帶隙而定，可適當地選擇三元材料之材料成分以供生長。
較佳根據適當的反應器生長溫度及時間的規格且藉由使用適當的化學成分及摻雜劑，來控制半導體結構中之層的晶格常數及電性質。氣相沈積方法(諸如，有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)或用於反向生長之其他氣相沈積方法)的使用可使得形成電池之呈單片半導體結構的層能夠以所需之厚度、元素成分、摻雜劑濃度以及漸變及導電類型而生長。
圖2描繪在GaAs生長基板上循序形成三個子電池A、B及C之後，根據本發明之多接點太陽能電池。更特定而言，展示基板101，其較佳為砷化鎵(GaAs)，但亦可為鍺(Ge)或其他合適材料。對於GaAs，該基板較佳為15°切下之基板，換言之，其表面遠離(100)平面朝(111) A平面定位成15°，如2008年3月13日申請之美國專利申請案第12/047,944號中更全面地描述。
在Ge基板之情況下，成核層(未圖示)直接沈積於基板101上。緩衝層102及蝕刻終止層103進一步沈積於該基板上或該成核層上(在Ge基板之情況下)。在GaAs基板之情況下，緩衝層102較佳為GaAs。在Ge基板之情況下，緩衝層102較佳為InGaAs。為GaAs之接觸層104接著沈積於層103上，且為AlInP之窗口層105沈積於接觸層上。由n+射極層106及p型基極層107組成之子電池A接著以磊晶方式沈積於窗口層105上。子電池A一般與生長基板101晶格匹配。
應注意，多接點太陽能電池結構可由週期表中所列舉之第III族至第V族元素之符合晶格常數及能帶隙要求的任何合適組合形成，其中第III族包含硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)及鉈(T)。第IV族包含碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)及錫(Sn)。第V族包含氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)及鉍(Bi)。
在較佳實施例中，射極層106由InGa(Al) P組成，且基極層107由InGa(Al) P組成。前面化學式中之括號中的鋁或Al項意味著Al為任選成分，且在此例子中，可以在0%至30%之範圍內的量使用。將結合圖20來論述根據本發明之射極層106及基極層107的摻雜分布。
在完成下文將描述之根據本發明之製程步驟之後，子電池A將最終變為反向變質結構之「頂部」子電池。
背場(「BSF」)層108(較佳為p+ AlGaInP)沈積於基極層107之頂部，且用於減少重組損耗。
BSF層108驅動來自基極/BSF界面表面附近的區的少數載流子，以使重組損耗之影響減至最小。換言之，BSF層18減少太陽能子電池A之背側處的重組損耗，且進而減少基極中之重組。
在BSF層108之頂部沈積經重摻雜之p型層109a及n型層109b的序列，其形成穿隧二極體，亦即，將子電池A連接至子電池B的歐姆電路元件。層109a較佳由p++ AlGaAs組成，且層109b較佳由n++ InGaP組成。
在穿隧二極體層109之頂部沈積窗口層110，其較佳為n+ InGaP。將InGaP用作窗口層110之材料成分的優點在於其具有緊密匹配鄰近的射極層111的折射率，如2008年10月24日申請之美國專利申請案第12/258,190號中更全面地描述。子電池B中所使用之窗口層110亦操作以減少界面重組損耗。熟習此項技術者應明白，在不脫離本發明之範疇的情況下，可在電池結構中添加或刪除額外的層。
在窗口層110之頂部沈積子電池B之層：n型射極層111及p型基極層112。此等層較佳分別由InGaP及In0.015GaAs(針對Ge基板或生長模板)組成，或分別由InGaP及GaAs(針對GaAs基板)組成，但亦可使用與晶格常數及能帶隙要求一致的任何其他合適材料。因此，子電池B可由GaAs、GaInP、GaInAs、GaAsSb或GaInAsN射極區及GaAs、GaInAs、GaAsSb或GaInAsN基極區組成。將結合圖20來論述根據本發明之層111及112的摻雜分布。
在先前所揭示之反向變質太陽能電池之實施方案中，中間電池係同質結構。在本發明中，類似於美國專利申請案第12/023,772號中所揭示之結構，中間子電池變為異質結構，其中InGaP射極及其窗口自InAlP轉換為InGaP。此修改消除了中間子電池之窗口/射極界面處的折射率不連續性，如2008年10月24日申請之美國專利申請案第12/258,190號中更全面地描述。另外，窗口層110被摻雜之程度較佳為射極111被摻雜之程度的三倍，以將費米能階提昇至更接近傳導能帶，且因此在窗口/射極界面處產生能帶彎曲，其導致將少數載流子約束至射極層。
在本發明之較佳實施例中，中間子電池射極具有等於頂部子電池射極的能帶隙，且第三子電池射極具有比中間子電池之基極的能帶隙大的能帶隙。因此，在製造太陽能電池並實施及操作後，中間子電池B或第三子電池C之射極將均不暴露於可吸收輻射。大體上所有表示可吸收輻射之光子均將被吸收於電池B及C之基極中，該基極與射極相比具有較窄的能帶隙。因此，使用異質結子電池之優點係：(i)兩個子電池之短波長響應將改良，以及(ii)大部分輻射更有效地被吸收，且被收集於較窄能帶隙的基極中。該效應將使Jsc增加。
在電池B之頂部沈積BSF層113，其執行與BSF層109相同的功能。p++/n++穿隧二極體層114a及114b分別沈積於BSF層113上，類似於層109a及109b，從而形成用以將子電池B連接至子電池C的歐姆電路元件。層114a較佳由p++AlGaAs組成，且層114b較佳由n++ InGaP組成。
障壁層115(較佳由n型InGa(Al) P組成)在穿隧二極體114a/114b上沈積至約1.0微米的厚度。此障壁層意在防止穿透位錯在與進入中間子電池B及頂部子電池C中之生長方向相對的方向上或在進入底部子電池A之生長方向上傳播，且在2007年9月24日申請之共同待決美國專利申請案第11/860,183號中更明確地描述。
使用界面活性劑將變質層(或漸變夾層)116沈積於障壁層115上。層116較佳為成分上呈階梯狀漸變之一系列InGaAlAs層，較佳具有單調改變之晶格常數，以便達成自子電池B至子電池C的半導體結構中之晶格常數的逐漸轉變，同時使穿透位錯之發生減至最少。層116之能帶隙在其整個厚度上係恆定的，較佳約等於1.5eV，或以其他方式與略比中間子電池B之能帶隙大的值一致。漸變夾層之較佳實施例亦可表達為由(InxGa1-x)yAl1-yAs組成，其中x及y經選擇以使得該夾層的能帶隙保持恆定於約1.50eV或其他適當的能帶隙。
在變質層116之界面活性劑輔助式生長中，在層116之生長期間將合適的化學元素引入至反應器中，以改良該層之表面特性。在較佳實施例中，此元素可為摻雜劑或施體原子，諸如硒(Se)或碲(Te)。因此，少量Se或Te併入變質層116中，且保留於完成之太陽能電池中。儘管Se或Te為較佳的n型摻雜劑原子，但亦可使用其他非等電子界面活性劑。
界面活性劑輔助式生長產生光滑得多或經平面化之表面。由於表面拓撲在半導體材料生長且層變得較厚時影響了半導體材料之整體性質，因此界面活性劑之使用使活性區中之穿透位錯減至最小，且因此改良總體太陽能電池效率。
作為對使用非等電子的替代方案，可使用等電子界面活性劑。術語「等電子」指代諸如銻(Sb)或鉍(Bi)等界面活性劑，因為此類元素與變質緩衝層中之InGaP的P原子或InGaAlAs中的As原子具有相同數目的價電子。此類Sb或Bi界面活性劑通常不會併入變質層116中。
在替代實施例中，其中太陽能電池僅具有兩個子電池，且「中間」電池B係最終的太陽能電池中之最上或頂部子電池，其中「頂部」子電池B通常將具有1.8eV至1.9eV的能帶隙，而夾層之能帶隙將保持恆定於1.9eV。
在上文所述之Wanlass等人之論文中所描述的反向變質結構中，變質層由九個成分上漸變之InGaP階梯組成，其中每一階梯層具有0.25微米的厚度。因此，Wanlass等人之每一層具有不同的能帶隙。在本發明之較佳實施例中，層116由多個InGaAlAs層組成，其具有單調改變之晶格常數，每一層具有相同的約1.5eV的能帶隙。
利用諸如InGaAlAs之恆定能帶隙材料的優點在於：在標準的商業MOCVD反應器中，基於砷化物之半導體材料處理起來要容易得多，同時少量的鋁確保變質層之輻射透明度。
儘管出於可製造性及輻射透明度之原因，本發明之較佳實施例將多個InGaAlAs層用於變質層116，但本發明之其他實施例可利用不同的材料系統來達成自子電池B至子電池C的晶格常數改變。因此，使用成分上漸變之InGaP的萬拉斯系統係本發明之第二實施例。本發明之其他實施例可利用連續漸變(而非階梯狀漸變)之材料。更一般而言，漸變夾層可由基於As、P、N、Sb之III-V化合物半導體中的任一者組成，該等半導體符合以下約束條件：具有大於或等於第二太陽能電池之平面內晶格參數且小於或等於第三太陽能電池之平面內晶格參數的平面內晶格參數且具有大於第二太陽能電池之能帶隙能量的能帶隙能量。
在本發明之另一實施例中，任選之第二障壁層117可沈積於InGaAlAs變質層116上。第二障壁層117通常將具有與障壁層115之成分不同的成分，且實質上執行防止穿透位錯傳播的相同功能。在較佳實施例中，障壁層117為n+型GaInP。
較佳由n+型GaInP組成之窗口層118接著沈積於障壁層117上(或在無第二障壁層之情況下，直接沈積於層116上)。此窗口層操作以減少子電池「C」中之重組損耗。熟習此項技術者應明白，可在不脫離本發明之範疇的情況下，在電池結構中添加或刪除額外的層。
在窗口層118之頂部沈積電池C之層：n+型射極層119及p型基極層120。此等層較佳分別由n+型InGaAs及n+型InGaAs組成，或分別由n+型InGaP及p型InGaAs(針對異質接點子電池)組成，但亦可使用與晶格常數及能帶隙要求一致的其他合適材料。將結合圖20來論述層119及120之摻雜分布。
較佳由InGaAlAs組成之BSF層121接著沈積於電池C之頂部，該BSF層執行與BSF層108及113相同的功能。
p++/n++穿隧二極體層122a及122b分別沈積於BSF層121上，類似於層114a及114b，從而形成用以將子電池C連接至子電池D的歐姆電路元件。層122a較佳由p++ InGaAlAs組成，且層122b較佳由n++ InGaAlAs組成。
圖3描繪在下一序列之製程步驟之後圖2之太陽能電池的截面圖。障壁層123(較佳由n型GaInP組成)在穿隧二極體122a/122b上沈積至約1.0微米的厚度。此障壁層意在防止穿透位錯在與進入頂部及中間子電池A、B及C之生長方向相對的方向上或在進入子電池D之生長方向上傳播，且在2007年9月24日申請之共同待決美國專利申請案第11/860,183號中更明確地描述。
使用界面活性劑將變質層(或漸變夾層) 124沈積於障壁層123上。層124較佳係成分上呈階梯漸變之一系列的InGaAlAs層，較佳具有單調改變之晶格常數，以便達成自子電池C至子電池D的半導體結構中之晶格常數上的逐漸轉變，同時使穿透位錯的發生減至最少。層124之能帶隙在其整個厚度上係恆定的，較佳約等於1.1eV，或另外與略比中間子電池C之能帶隙大的值一致。漸變夾層之較佳實施例亦可表達為由(InxGa1-x)yAl1-yAs組成，其中x及y經選擇以使得該夾層之能帶隙保持恆定於約1.1eV或其他適當的能帶隙。
在變質層124之界面活性劑輔助式生長中，在層124之生長期間將合適的化學元素引入至反應器中以改良該層之表面特性。在較佳實施例中，該元素可為摻雜劑或施體原子，諸如硒(Se)或碲(Te)。因此，小量Se或Te併入變質層124中，且保留於完成的太陽能電池中。雖然Se或Te係較佳的n型摻雜劑原子，但亦可使用其他非等電子界面活性劑。
較佳由n+型InGaAlAs組成之窗口層125接著沈積於層124上(或沈積於第二障壁層上，在存在一個障壁層之情況下，沈積於層124上)。此窗口層操作以減少第四子電池「D」中之重組損耗。熟習此項技術者應明白，在不脫離本發明之範疇的情況下，可在電池結構中添加或刪除額外的層。
圖4描繪在下一序列之製程步驟之後圖3之太陽能電池的截面圖。在窗口層125之頂部沈積電池D之層：n+射極層126及p型基極層127。此等層較佳分別由n+型InGaAs及p型InGaAs組成，或由n+型InGaP及p型InGaAs(針對異質接點子電池)組成，但亦可使用與晶格常數及能帶隙要求一致的其它合適材料。將結合圖20論述層126及127之摻雜分布。
接下來轉向圖5，接著在電池D之頂部沈積BSF層128(較佳由p+型InGaAlAs組成)，該BSF層執行與BSF層108、113及121相同的功能。
最終，高能帶隙接觸層129(較佳由p++型InGaAlAs組成)沈積於BSF層128上。
位於多接點光伏打電池中之最低能帶隙光伏打電池(亦即，所描繪實施例中之子電池「D」)之底部(未照射)側處的此接觸層129之成分可經配製以減少穿過電池之光的吸收，使得(i)位於其下方(在未照射側)的背側歐姆金屬接觸層亦將充當鏡面層，以及(ii)接觸層不必被選擇性地蝕刻掉，以防止吸收。
熟習此項技術者應明白，在不脫離本發明之範疇的情況下，可在電池結構中添加或删除額外的層。
圖6為在下一製程步驟之後圖5之太陽能電池的截面圖，其中金屬接觸層123沈積於p+半導體接觸層122上。該金屬較佳係金屬層Ti/Au/Ag/Au之序列。
而且，所選擇之金屬接觸方案係在熱處理以激活歐姆接觸之後與半導體具有平坦界面的金屬接觸方案。如此做使得(1)不必在金屬接觸區域中沈積並選擇性地蝕刻使金屬與半導體分離的介電層；以及(2)接觸層在所關注的波長範圍上是鏡面反射的。
圖7為在下一製程步驟之後圖3之太陽能電池的截面圖，其中黏合層131沈積於金屬層130上。黏合劑較佳為晶圓接合(Wafer Bond)(由密蘇里州羅拉市之布魯爾科技公司(Brewer Science,Inc.)製造)。
在下一製程步驟中，附著代用基板132，較佳為藍寶石。或者，代用基板可為GaAs、Ge或Si或其他合適材料。代用基板之厚度為約40密耳，且被穿孔有直徑約1mm、相隔4mm的孔，以輔助黏合劑及基板之後續移除。作為使用黏合層131之替代方案，合適的基板(例如，GaAs)可共熔或永久地接合至金屬層130。
圖8A為在下一製程步驟之後圖7之太陽能電池的截面圖，其中藉由研光(lapping)及/或蝕刻步驟之序列來移除原始基板，其中移除基板101及緩衝層103。特定蝕刻劑之選擇取決於生長基板。
圖8B為圖8A之太陽能電池的截面圖，其中代用基板132之定向在該圖之底部。本申請案中之後續圖將假定此定向。
圖9為圖8B之太陽能電池的簡化截面圖，其僅描繪代用基板132上之少數幾個頂部層及下部層。
圖10為在下一製程步驟之後圖9之太陽能電池的截面圖，其中藉由HCl/H2O溶液來移除蝕刻終止層103。
圖11為在下一序列之製程步驟之後圖10之太陽能電池的截面圖，其中光阻遮罩(未圖示)被置放於接觸層104上以形成柵格線501。如下文將更詳細地描述，柵格線501經由蒸鍍而沈積並以微影方式圖案化於接觸層104上。該遮罩隨後被剝離以形成完成的金屬柵格線501，如圖中所描繪。
如以引用之方式併入本文中的2008年7月18日申請之美國專利申請案第12/218,582號中更全面地描述，柵格線501較佳由Pd/Ge/Ti/Pd/Au組成，但亦可使用其他合適材料。
圖12為在下一製程步驟之後圖11之太陽能電池的截面圖，其中使用檸檬酸/過氧化氫蝕刻混合物將柵格線用作遮罩來將表面向下蝕刻至窗口層105。
圖13A為其中實施了四個太陽能電池之晶圓的俯視平面圖。對四個電池之描繪僅係出於說明目的，且本發明不限於每晶圓任何特定數目個電池。
在每一電池中，存在柵格線501(在圖9中以截面更明確地展示)、互連總線502及接觸焊墊503。柵格及總線以及接觸焊墊之幾何形狀及數目係說明性的，且本發明不限於所說明之實施例。
圖13B為具有圖13A中所示之四個太陽能電池之晶圓的仰視平面圖；圖14為在下一製程步驟之後圖12之太陽能電池的截面圖，其中將抗反射(ARC)介電塗層130塗施於具有柵格線501之晶圓之「底部」側的整個表面上。
圖15為根據本發明在下一製程步驟之後圖14之太陽能電池的截面圖，其中使用磷化物及砷化物蝕刻劑將第一環形通道510及第二環形通道511或半導體結構之一部分向下蝕刻至金屬層130。此等通道界定電池與晶圓之其餘部分之間的周邊邊界，且留下構成太陽能電池之台面結構。圖15中所描繪之截面係如自圖17中所示之A-A平面所見的截面。在較佳實施例中，通道510大體上比通道511寬。
圖16為在下一製程步驟之後圖15之太陽能電池的截面圖，其中通道511暴露於金屬蝕刻劑中，且金屬層130之位於通道511之底部的部分被移除。通道511之深度因此大致延伸至黏合層131之頂部表面。
圖17為圖16之晶圓的俯視平面圖，其描繪蝕刻於每一電池之周邊周圍的通道510及511。
圖18A為在本發明之第一實施例中之下一製程步驟之後圖16之太陽能電池的截面圖，其中藉由打磨(grinding)、研光或蝕刻來使代用基板132適當地變薄為相對較薄的層132a。在此實施例中，在不需要蓋玻璃(諸如下文將描述之第二實施例中所提供)之應用中，薄層132a形成用於太陽能電池之支撐件。在此實施例中，可經由通道510或藉由其他通路結構形成與金屬接觸層130之電接觸。
圖18B為在本發明之第二實施例中之下一製程步驟之後圖16之太陽能電池的截面圖，其中蓋玻璃514藉由黏合劑513緊固至電池的頂部。蓋玻璃514較佳覆蓋整個通道510，但不延伸至電池之在通道511附近的周邊。儘管使用蓋玻璃係較佳實施例，但並非所有實施方案均必需，且亦可利用額外的層或結構來提供對太陽能電池之額外支撐或環境保護。
圖19為在本發明之下一製程步驟之後圖18B之太陽能電池的截面圖，其中晶圓之黏合層131、代用基板132及周邊部分512被全部移除，在通道510之區中斷開，僅留下頂部具有蓋玻璃514(或其他層或結構)且底部具有金屬接觸層130的太陽能電池，該金屬接觸層130形成太陽能電池之背側觸點。較佳藉由使用蝕刻劑EKC 922來移除代用基板。如上文所述，代用基板在其表面上包含穿孔，其允許蝕刻劑流經代用基板132以使其能剝離。代用基板可在後續之晶圓處理操作中再次使用。
圖20為本發明之反向變質多接點太陽能電池之一或多個子電池中之射極層及基極層中之摻雜分布的曲線圖。以引用之方式併入本文中的2007年12月13日申請之共同待決美國專利申請案第11/956,069號中更明確地描述在本發明之範疇內的各種摻雜分布以及此類摻雜分布之優點。本文中所描繪之摻雜分布僅為說明性的，如熟習此項技術者將明白，可在不脫離本發明之範疇的情況下，利用其他更複雜的分布。
圖21為描繪根據本發明而製造之測試太陽能電池中之一者的電流及電壓特性的曲線圖。在此測試電池中，下部第四子電池具有在約0.6eV至0.8eV之範圍內的能帶隙，第三子電池具有在約0.9eV至1.1eV之範圍內的能帶隙，第二子電池具有在約1.35eV至1.45eV之範圍內的能帶隙，且上部子電池具有在1.8eV至2.1eV之範圍內的能帶隙。該太陽能電池被測得具有約3.265伏之開路電壓(Voc)，約16.26mA/cm2之短路電流、約82%之填充因數及32.2%之效率。
圖22為表示各種GaInAlAs材料之依據Al、In及Ga之相對濃度而變的能帶隙範圍的圖。此圖說明可如何經由適當選擇Al、In及Ga之相對濃度來設計對用於變質層中之GaInAlAs層之恆定能帶隙序列的選擇，以滿足每一連續層之不同晶格常數要求。因此，不管1.5eV還是1.1eV還是其他能帶隙值為所要之恆定能帶隙，該圖均說明每一能帶隙之連續曲線，其表示成分比例隨著晶格常數改變而遞增地改變，以使該層具有所需之能帶隙及晶格常數。
圖23為藉由表示GaInAlAs材料中之達成恆定1.5eV能帶隙所必需之Ga莫耳分率對Al與In之莫耳分率來進一步說明對用於變質層中之GaInAlAs層之恆定能帶隙序列的選擇的曲線圖。
圖24為藉由表示GaInAlAs材料中之達成恆定1.5eV能帶隙所必需之莫耳分率對晶格常數來進一步說明對用於變質層中之GaInAlAs層之恆定能帶隙序列的選擇的曲線圖。
將理解，上文所描述之元素中之每一者或兩者或兩者以上一起亦可在與上文所描述之構造類型不同的其他類型之構造中得到有用應用。
儘管本發明之較佳實施例利用四個子電池之垂直堆疊，但本發明可應用於具有更少或更多數目之子電池(亦即，兩接點電池、三接點電池、五接點電池等)的堆疊。在四個或四個以上接點之電池的情況下，亦可利用一個以上變質漸變夾層的使用。
另外，儘管本發明之實施例配置有頂部及底部電觸點，但可替代地藉助於至子電池之間的側向導電半導體層之金屬觸點來接觸子電池。此類布置可用於形成3端子、4端子，且一般而言，n端子裝置。可使用此等額外端子來將子電池互連於電路中，使得可有效地使用每一子電池中之大多數可用光生電流密度，從而產生多接點電池之高效率，但光生電流密度在各個子電池中通常係不同的。
如上文所述，本發明可利用一或多個或所有同質接點電池或子電池(亦即，其中在p型半導體與n型半導體之間形成p-n接點的電池或子電池，該兩個半導體具有相同的化學成分及相同的能帶隙，不同之處僅在於摻雜劑種類及類型)以及一或多個異質接點電池或子電池的布置。具有p型及n型InGaP之子電池A為同質接點子電池的一個實例。或者，如2008年1月31日申請之美國專利申請案第12/023,772號中更明確地描述，本發明可利用一或多個或所有異質接點電池或子電池，亦即其中在p型半導體與n型半導體之間形成p-n接點的電池或子電池，其中除了在形成p-n接點之p型區及n型區中利用不同的摻雜劑種類及類型之外，該半導體在n型區中具有不同化學成分之半導體材料，及/或在p型區中具有不同的能帶隙能量。
在某些電池中，薄的所謂的「本質層」可置放於射極層與基極層之間，其與射極層或基極層具有相同或不同的成分。本質層可用以抑制空間電荷區中之少數載流子重組。類似地，基極層或射極層在其部分或全部厚度上亦可為本質的或被無意摻雜的(「NID」)。
窗口層或BSF層之成分可利用符合晶格常數及能帶隙要求的其他半導體化合物，且可包含AlInP、AlAs、AlP、AlGaInP、AlGaAsP、AlGaInAs、AlGaInPAs、GaInP、GaInAs、GaInPAs、AlGaAs、AlInAs、AlInPAs、GaAsSb、AlAsSb、GaAlAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AIN、GaN、InN、GaInN、A]GaInN、GaInNAs、AlGaInNAs、ZnSSe、CdSSe，以及類似材料，且仍屬於本發明之精神。
雖然已將本發明說明及描述為在反向變質多接點太陽能電池中體現，但不希望本發明限於所示之細節，因為在不以任何方式脫離本發明之精神的情況下，可作出各種修改及結構改變。
因此，雖然本發明之描述已主要集中於太陽能電池或光伏打裝置上，但熟習此項技術者知道，其他光電裝置(諸如，熱光伏打(TPV)電池、光電偵測器及發光二極體(LED))在結構、物理學及材料上非常類似於光伏打裝置，其中在摻雜及少數載流子壽命方面有一些微小變化。舉例而言，光電偵測器可與上文所描述之光伏打裝置具有相同的材料及結構，但可能被較輕地摻雜以獲得靈敏度而非產生電力。另一方面，LED亦可被製成具有類似的結構及材料，但可能被較重地摻雜以縮短重組時間，從而獲得用以產生光而非電力的輻射壽命。因此，本發明亦應用於具有如上文針對光伏打電池而描述之結構、物質成分、製造物件及改良的光電偵測器及LED。
在無進一步分析之情況下，上述內容將很全面地揭露本發明之要點，以致他人可藉由應用當前知識，在不省略自先前技術之角度來看相當大地構成本發明之一般或特定方面之本質特性的特徵的情況下，容易地使本發明適合於各種應用，且因此，此類適應應該且既定被理解為在隨附之申請專利範圍之均等物的含義及範圍內。
101．．．基板
102．．．緩衝層
103．．．蝕刻終止層
104．．．接觸層
105．．．窗口層
106．．．n+射極層
107．．．p型基極層
108．．．背場層/BSF層
109a．．．p型層
109b．．．n型層
110．．．窗口層
111．．．射極層/n型射極層
112．．．p型基極層
113．．．BSF層
114a．．．層
114b．．．層
115．．．障壁層
116．．．變質層/漸變夾層/InGaAlAs變質層
117．．．第二障壁層/障壁層
118．．．窗口層
119．．．n+型射極層
120．．．p型基極層
121．．．BSF層
122a．．．p++穿隧二極體層
122b．．．n++穿隧二極體層
123．．．障壁層
124．．．變質層/漸變夾層
125．．．窗口層
126．．．n+射極層
127．．．p型基極層
128．．．BSF層
129．．．高能帶隙接觸層/接觸層
130．．．金屬層/抗反射介電塗層
131．．．黏合層
132．．．代用基板
501．．．柵格線/金屬柵格線
502．．．互連總線
503．．．接觸焊墊
510．．．第一環形通道
511．．．第二環形通道
512．．．周邊部分
513．．．黏合劑
514．．．蓋玻璃
當結合附圖考慮時，藉由參考以下詳細描述將更好且更完全地瞭解本發明，其中：
圖1為表示某些二元材料之能帶隙及該等二元材料之晶格常數的曲線圖；
圖2為在包含將某些半導體層沈積於生長基板上之初始製造階段之後本發明之太陽能電池的截面圖；
圖3為在下一序列之製程步驟之後圖2之太陽能電池的截面圖；
圖4為在下一序列之製程步驟之後圖3之太陽能電池的截面圖；
圖5為在下一序列之製程步驟之後圖4之太陽能電池的截面圖；
圖6為在下一製程步驟之後圖5之太陽能電池的截面圖；
圖7為在附著代用基板之下一製程步驟之後圖6之太陽能電池的截面圖；
圖8A為在移除原始基板之下一製程步驟之後圖7之太陽能電池的截面圖；
圖8B為圖8A之太陽能電池的另一截面圖，其中代用基板位於該圖之底部；
圖9為在下一製程步驟之後圖8B之太陽能電池的簡化截面圖；
圖10為在下一製程步驟之後圖9之太陽能電池的截面圖；
圖11為在下一製程步驟之後圖10之太陽能電池的截面圖；
圖12為在下一製程步驟之後圖11之太陽能電池的截面圖；
圖13A為其中製造有太陽能電池之晶圓的俯視平面圖；
圖13B為其中製造有太陽能電池之晶圓的仰視平面圖；
圖14為在下一製程步驟之後圖12之太陽能電池的截面圖；
圖15為在下一製程步驟之後圖14之太陽能電池的截面圖；
圖16為在下一製程步驟之後圖15之太陽能電池的截面圖；
圖17為圖16之晶圓的俯視平面圖，其描繪蝕刻於電池周圍之溝槽的表面視圖；
圖18A為在本發明之第一實施例中之下一製程步驟之後圖16之太陽能電池的截面圖；
圖18B為在本發明之第二實施例中之下一製程步驟之後圖16之太陽能電池的截面圖；
圖19為在下一製程步驟之後圖18之太陽能電池的截面圖；
圖20為根據本發明之變質太陽能電池中之子電池的基極層及射極層中之摻雜分布的曲線圖；
圖21為描繪根據本發明之反向變質多接點太陽能電池之電流及電壓特性的曲線圖；
圖22為表示各種GaInAlAs材料之依據Al、In及Ga之相對濃度而變的能帶隙範圍的圖；
圖23為表示GaInAlAs材料中達成恆定1.5eV能帶隙所必需之Ga莫耳分率對Al與In之莫耳分率的曲線圖；及
圖24為表示GaInAlAs材料中達成恆定1.5eV能帶隙所必需之莫耳分率對晶格常數的曲線圖。
101．．．基板
102．．．緩衝層
103．．．蝕刻終止層
104．．．接觸層
105．．．窗口層
106．．．n+射極層
107．．．p型基極層
108．．．背場層/BSF層
109a．．．p型層
109b．．．n型層
110．．．窗口層
111．．．射極層/n型射極層
112．．．P型基極層
113．．．BSF層
114a．．．層
114b．．．層
115．．．障壁層
116．．．變質層/漸變夾層/InGaAlAs變質層
117．．．第二障壁層/障壁層
118．．．窗口層
119．．．n+型射極層
120．．．p型基極層
121．．．BSF層
122a．．．p++穿隧二極體層
122b．．．n++穿隧二極體層

Claims (17)

  1. 一種多接點(multijunction)太陽能電池，其包括：一上部第一太陽能子電池(subcell)，其具有一第一能帶隙(band gap)；一第二太陽能子電池，其鄰近於(adjacent to)該第一太陽能子電池，且具有比該第一能帶隙小的一第二能帶隙；一第一漸變夾層(graded interlayer)，其鄰近於該第二太陽能子電池；該第一漸變夾層具有比該第二能帶隙大的一第三能帶隙，其中該第一漸變夾層之該第三能帶隙保持恆定於1.5eV；以及一第三太陽能子電池，其鄰近於該第一漸變夾層，該第三子電池具有比該第二能帶隙小的一第四能帶隙，使得該第三子電池相對於該第二子電池晶格失配(lattice mismatched)；一第二漸變夾層，其鄰近於該第三太陽能子電池；該第二漸變夾層具有比該第四能帶隙大的一第五能帶隙，其中該第二漸變夾層之該第五能帶隙保持恆定於1.1eV：以及一下部第四太陽能子電池，其鄰近於該第二漸變夾層，該下部子電池具有比該第四能帶隙小的一第六能帶隙，使得該第四子電池相對於該第三子電池晶格失配。
  2. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該第一漸變夾層在成分上漸變以在一側上與該第二子電池晶格匹配，且 在另一側上與該第三子電池晶格匹配。
  3. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該第二漸變夾層在成分上漸變以在一側上與該第三子電池晶格匹配，且在另一側上與該底部第四子電池晶格匹配。
  4. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該第一漸變夾層係由基於As、P、N、Sb之III-V化合物半導體中之任一者組成，該等半導體符合以下約束條件：具有大於或等於該第二子電池之平面內晶格參數且小於或等於該第三子電池之平面內晶格參數的平面內晶格參數，且具有一大於該第二子電池之能帶隙能量及該第三子電池之能帶隙能量的能帶隙能量。
  5. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該第二漸變夾層係由基於As、P、N、Sb之III-V化合物半導體中之任一者組成，該等半導體符合以下約束條件：具有大於或等於該第三子電池之平面內晶格參數且小於或等於該底部第四子電池之平面內晶格參數的平面內晶格參數，且具有一大於該第三子電池之能帶隙能量及該第四子電池之能帶隙能量的能帶隙能量。
  6. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該第一及第二漸變夾層係由(InxGa1-x)yAl1-yAs組成，其中x及y經選擇以使得每一夾層之該能帶隙在其整個厚度上保持恆定。
  7. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該上部子電池係由一InGaP射極層及一InGaP基極層組成，該第二子電池係由InGaP射極層及一GaAs基極層組成，該第三子電池 係由一InGaP射極層及一InGaAs基極層組成，且該底部第四子電池係由一InGaAs基極層及一與該基極層晶格匹配的InGaAs射極層組成。
  8. 如請求項1之多接點太陽能電池，其中該下部第四子電池具有一在約0.6eV至0.8eV之範圍內的能帶隙，該第三子電池具有一在約0.9eV至1.1eV之範圍內的能帶隙，該第二子電池具有一在約1.35eV至1.45eV之範圍內的能帶隙，且該上部子電池具有一在1.8eV至2.1eV之範圍內的能帶隙。
  9. 一種製造一太陽能電池之方法，其包括：提供一第一基板；在該第一基板上形成具有一第一能帶隙的一上部第一太陽能子電池；形成鄰近於該第一太陽能子電池且具有一比該第一能帶隙小的第二能帶隙的一第二太陽能子電池；形成鄰近於該第二太陽能子電池之一第一漸變夾層；該第一漸變夾層具有比該第二能帶隙大的一第三能帶隙，其中該第一漸變夾層之該第三能帶隙保持恆定於1.5eV；形成鄰近於該第一漸變夾層之一第三太陽能子電池，該第三子電池具有比該第二能帶隙小的一第四能帶隙，使得該第三子電池相對於該第二子電池晶格失配；形成鄰近於該第三太陽能子電池之一第二漸變夾層；該第二漸變夾層具有一比該第四能帶隙大的第五能帶 隙，其中該第二漸變夾層之該第五能帶隙保持恆定於1.1eV；形成一鄰近於該第二漸變夾層之下部第四太陽能子電池，該下部子電池具有一比該第四能帶隙小的第六能帶隙，使得該第四子電池相對於該第三子電池晶格失配；將一代用基板安裝於第四太陽能子電池之頂部；以及移除該第一基板。
  10. 如請求項9之方法，其中該下部第四子電池具有一在0.6eV至0.8eV之範圍內的能帶隙；該第三子電池具有一在0.9eV至1.1eV之範圍內的能帶隙，該第二子電池具有一在1.35eV至1.45eV之範圍內的能帶隙，且該第一子電池具有一在1.8eV至2.1eV之範圍內的能帶隙。
  11. 如請求項9之方法，其中該第一基板係由砷化鎵或鍺組成，且該代用基板係由藍寶石、GaAs、Ge或Si組成。
  12. 如請求項9之方法，其中該第一漸變夾層在成分上漸變以在一側上與該第二子電池晶格匹配且在另一側上與該第三子電池晶格匹配，且該第二漸變夾層在成分上漸變以在一側上與該第三子電池晶格匹配且在另一側上與該底部第四子電池晶格匹配。
  13. 如請求項9之方法，其中該第一漸變夾層係由基於As、P、N、Sb之III-V化合物半導體中之任一者組成，該等半導體符合以下約束條件：具有大於或等於該第二子電池之平面內晶格參數且小於或等於該第三子電池之平面內晶格參數的平面內晶格參數，且具有大於該第二子電池 之能帶隙能量和該第三子電池之能帶隙能量的能帶隙能量。
  14. 如請求項9之方法，其中該第二漸變夾層係由基於As、P、N、Sb之III-V化合物半導體中之任一者組成，該等半導體符合以下約束條件：具有大於或等於該第三子電池之平面內晶格參數且小於或等於該底部第四子電池之平面內晶格參數的平面內晶格參數，且具有大於該第三子電池之能帶隙能量及該第四子電池之能帶隙能量的能帶隙能量。
  15. 如請求項9之方法，其中該第一及第二漸變夾層係由(InxGa1-x)yAl1-yAs組成，其中x及y經選擇以使得每一夾層之該能帶隙在其整個厚度上保持恆定。
  16. 如請求項9之方法，其中該第一子電池係由一InGaP射極層及一InGaP基極層組成，該第二子電池係由InGaP射極層及一GaAs基極層組成，該第三子電池係由一InGaP射極層及一InGaAs基極層組成，且該底部第四子電池係由一InGaAs基極層及一與該基極層晶格匹配的InGaAs射極層組成。
  17. 一種製造一太陽能電池之方法，其包括：提供一第一基板；在一第一基板上沈積一第一序列(sequence)之半導體材料層，從而形成一第一及第二太陽能電池；在該第一及第二太陽能電池上沈積一第一漸變夾層，其中該第一漸變夾層之能帶隙保持恆定於1.5eV； 在該第一漸變夾層上沈積一第二序列之半導體材料層，其包含一第二漸變夾層以及第三及第四太陽能電池，其中該第二漸變夾層之能帶隙保持恆定於1.1eV；將一代用基板安裝並接合於該序列之層的頂部；以及移除該第一基板。
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