多結太陽能電池的制作方法
【專利說明】多結太陽能電池
[0001]本申請根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求于2012年11月16日提交的第61/727，636號美國臨時申請的權益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及太陽能電池，具體涉及主要由II1-V半導體合金形成的高效多結太陽能電池。
【背景技術】
[0003]眾所周知，在空間與聚光光生伏打領域中，使用降低價格的高效率多結太陽能電池仍然是擴大太陽能市場的主要焦點。降低太陽能成本的一種方法是降低電池制造成本并且增大電池效率和保持材料質量。當前，最成功的增大太陽能電池效率的技術集中在建造多結太陽能電池。雖然本領域技術人員知道可通過將更多子電池結堆疊在太陽能電池上以獲得更寬的太陽光譜范圍來實現(xiàn)更高的效率，但是建造超過目前市場上可得到的三結電池的四結、五結、六結電池仍然是繁重且昂貴的任務。當前商業(yè)多結太陽能電池實現(xiàn)的最大效率記錄略高于44%。
[0004]本領域中通常用于多結太陽能電池的材料由II1-V半導體合金組成，生長在包括鍺、砷化鎵、硅、或磷化銦的各種基底上。II1-V合金是從標準周期表的IIIA列和VA列得到的，下文中通過其標準化學符號、名稱和縮寫標識，其中來自IIIA列的元素的總數(shù)基本等于來自VA列的元素總數(shù)。本文中“II1-AsNV”材料限定為來自周期表IIIA族(即B、Al、Ga、In、Tl)和VA族(即N、P、As、Sb、Bi)的元素的合金，其中該合金包括As、N以及來自Sb和Bi的至少一個其他元素。
[0005]II1-V半導體原子通常設置在清楚限定的三維配置(稱為點陣)中。點陣匹配指具有相同原子間距和結構的兩個不同材料并因此形成互連的界面。因為原子之間沒有額外的或缺失的鍵并且維持了這兩種材料的高質量晶體本質，所以該方案是理想的。應注意，在下文中，“基本點陣匹配”通常理解為當這些材料的厚度大于10nm時這些材料在充分松弛狀態(tài)下的面內(nèi)點陣常數(shù)相差小于0.6%。此外，本文中使用的彼此基本點陣匹配的子電池指的是子電池中厚度大于10nm的所有材料具有在充分松弛狀態(tài)下相差小于0.6%的面內(nèi)點陣常數(shù)。當兩個材料具有不同的原子間距時，發(fā)生點陣失配。
[0006]為了將不同材料集成到多結太陽能電池中，不同最優(yōu)熱處理是期望的。為了實現(xiàn)最優(yōu)材料質量，選擇需要具體熱處理、基底生長和/或基底定向的材料。例如，必須小心地控制形成用于許多多結太陽能電池的Ge子電池的生長過程，以實現(xiàn)最佳的材料質量。因此，鑒于實現(xiàn)所選材料的最優(yōu)性能所需的不同要求，有利的是生長可進行某退火過程和/或生長的材料并將這些材料集合起來，之后將這些材料集成到多結太陽能電池中。
[0007]具體地，對于包括稀釋氮化物子電池的多結太陽能電池，需要原位退火或生長后退火，以實現(xiàn)可靠的材料性能。這種高溫退火可能影響一些鄰近材料的性能。此外，可利用每個稀釋氮化物子電池具有不同帶隙的多個稀釋氮化物子電池實施先進的四結、五結、六結或更多結的多結太陽能電池。為了使每個結最優(yōu)地執(zhí)行，這些不同的帶隙稀釋氮化物子電池可能需要不同的退火過程。在這種情況下，對于用于多結太陽能電池的子電池的所有材料的整體質量有利的是各個稀釋氮化物子電池生長在不同基底上并接受其最優(yōu)的熱處理。例如，結合技術可能允許對底部擴散電池(Ge)和將結合在頂部上的三結結構使用不同的退火處理。該方法可準許使生長技術最優(yōu)化，例如通過MOCVD生長底部電池和通過MBE生長三結堆。雖然電池效率提高位于CPV成本等式的一邊，而與生長技術和材料使用相關聯(lián)的成本仍在位于另一邊。本領域技術人員使用分子束外延(MBE)或金屬有機化學氣相沉淀(MOCVD)過程進行外延生長。雖然MBE已表現(xiàn)出能夠制造最高性能的多結太陽能電池，但MOCVD是工業(yè)中通常使用的方法，其根據(jù)子電池生長可以是成本有利的。組合MOCVD和MBE生長過程而不是僅使用MBE或MOCVD對于具有4個、5個、6個或更多子電池的多結太陽能電池可能是成本有效的。
[0008]此外，用于生長某些子電池的基底可能非常昂貴。因此有利的是重復使用非外延生長襯底以形成其他子電池生長。
[0009]本申請中的每個子電池都包括多個關聯(lián)層，通常包括窗、發(fā)射極、基極和背面場(BSF) ο這些術語對于本領域技術人員是公知的并本文中不需要再進行限定。上述每個層可包括一個或多個子層。窗和發(fā)射極具有一個摻雜極性(例如η型)而基極和背面場具有相反的極性(例如P型)，并且ρ-η結或η-ρ結形成在基極與發(fā)射極之間。如果基極除有意摻雜的區(qū)域之外還包括本征區(qū)，則如對本領域技術人員公知的是，可考慮p-1-n或n-1-p結。按照慣例，給定的子電池的帶隙和具體合金分別被認為是形成基極的材料的名稱和帶隙。該材料可以或不可以組成子電池的窗、發(fā)射極和背面場。例如，包括AlInP窗、InGaP發(fā)射極、GaAs基極以及AlGaAs背面場的子電池將表示為GaAs子電池。包括AlInP窗、InGaP發(fā)射極、InGaP基極以及InGaP背面場的子電池將表示為InGaP子電池。子電池可包括除所列舉的這些層之外的其他層。本領域技術人員還應認識到子電池還可構造成沒有上述層中的一個或多個。例如，子電池可構造成沒有窗或沒有背面場。
[0010]當參照自上而下的子電池堆疊次序時，頂部子電池被定義為在太陽能電池操作過程中最靠近光源的子電池，而底部子電池離光源最遠。諸如“在……之上”、“在……之下”、“上部”和“下部”的相對術語也指的是堆中相對于光源的位置。子電池生長的次序與該定義無關。頂部子電池還可表示為“J1”，而“J2”為從頂部開始的第二子電池，“J3”為從頂部開始的第三子電池，最高數(shù)字將為底部子電池。
[0011]雖然近來使用晶片結合以形成多結太陽能電池引起了人們的興趣，但是該領域的現(xiàn)有技術沒有教導該技術可應用至與其生長的基底(如Ge或GaAs基底)基本點陣匹配的II1-AsNV子電池(本文中描述為“點陣匹配的IIIAsNV”)。本領域的現(xiàn)有技術包括點陣失配子電池的晶片結合、GaInAs和GaInP生長在Ge上并之后結合至S1、或InGaAs、InGaAsP、GaAs、以及GaInP生長在InP上并之后結合至Si。參照Law等人，Solar Energy MaterialsSolar Cells,94(2010)October 2008，pp.1314-1318?；蛘?，可替代地，已示出了可使用晶片結合制造四結太陽能電池，其中InGaAsP和InGaAs作為底部兩個結，GaAs和InGaP作為上部兩個結。參見 Szabo 等人，Phys.Stat.Sol.(RRL) 2，N0.6July，2008，pp.254-256。或此外，可通過在GaAs上生長Al InGaP和GaAs以及在InP上生長InGaAsP和InGaAs并將位于基底InP或基底Si上的InGaAs和InGaAsP、GaAs、AlInGaP結合以進行晶片結合來制造四結太陽能電池。參見 Zahler 等人，Applied Physics Letters, 91，012108，2007。然而包括上述技術的現(xiàn)有技術中沒有教導點陣匹配的II1-AsNV可包括在多結太陽能電池中或該點陣匹配的II1-AsNV可晶片結合。因為II1-AsNV材料在多個特性方面(如其大帶隙彎曲系數(shù))不同于更常規(guī)的半導體，并不顯而易見的是以上描述的用于更傳統(tǒng)的太陽能電池的技術可應用至 II1-AsNV材料。或者，如Ptak等人在 Journal of Vacuum Science Technology,B25(3) ,May/June 2007,pp.955-959的工作所教導的，因為表現(xiàn)出較低的材料質量，使用該領域中已知技術制造、具有GaInNAs的點陣匹配的太陽能電池在歷史上已不被考慮。
[0012]該領域中的現(xiàn)有技術說明已存在用于制造材料的本領域的高水平技術，所以不必再公開使用在太陽能電池中的制造材料的過程的具體細節(jié)。提供幾個代表性美國專利作為示例。第6，281，426號美國專利公開了一些結構和組合物但沒有公開制造技術，并引用了用于指導材料生長的其他文件。第7，727，795號美國專利涉及用于太陽能電池的倒置的變質結構，在該專利中公開了指數(shù)型摻雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]下面的發(fā)明描述了通過基于相似的最優(yōu)退火溫度將點陣匹配的子電池集合起來并且之后將這些集合起來的子電池集成到具有四個或更多子電池的多結太陽能電池中來制造包括至少一個II1-AsNV合金的基本點陣匹配的子電池以優(yōu)化退火環(huán)境的方法。具體地，本發(fā)明描述了多結太陽能電池的子電池的多個分組生長成與S1、SiGe、GaAs、Ge、InP或虛基底點陣匹配的實施方式。虛基底指的是這樣的材料，其中一個或多個外延層生長在特征為具有與外延層的晶格常數(shù)基本不同的晶格常數(shù)的基底上，如Ge生長在Si上。
[0014]本發(fā)明還描述了擴散過程，使用P和As摻雜劑，以在Ge基底中形成η-p或p-η結并通過晶片結合方法在摻雜的Ge基底之上形成多個子電池。
[0015]本發(fā)明還描述了四結、五結、六結點陣匹配的多結太陽能電池的多個實施方式，其中至少一部分子電池生長在兩個或更多基底上，而該兩個或更多基底后來以優(yōu)化最終多結太陽能電池性能的方式結合起來。在本文中描述的數(shù)個實施方式中，生長在基底上的子電池的多個分組通過MBE或MOCVD可在一個或多個溫度下現(xiàn)場和/或生長后被退火，以優(yōu)化多結太陽能電池和分組的子電池的性能。
[0016]在第一方面中公開了多結太陽能電池，其包括具有一個或多個子電池的第一組；以及具有一個或多個子電池的第二組，其中該一個或多個子電池中的每個均與第二基底點陣匹配；其中具有一個或多個子電池的第二組結合至具有一個或多個子電池的第一組；多結太陽能電池包括至少三個子電池；以及該至少三個子電池中至少之一包括基礎層，該基礎層包括具有周期表上IIIA族、IV族、和VA族的元素的合金。
[0017]在第二方面中，公開了制造多結太陽能電池的方法，其包括形成具有一個或多個子電池的第一組；形成具有一個或多個子電池的第二組，其中該一個或多個子電池中的每個均與第二基底點陣匹配；減薄第二基底；以及結合減薄的第二基底至具有一個或多個子電池的第一組的頂部，以形成多結太陽能電池；其中，該多結太陽能電池包括至少三個子電池；以及該至少三個子電池中至少之一包括基礎層，該基礎層包括具有周期表上IIIA族、IV族、和VA族的元素的合金。
[0018]在第三方面中，公開了制造多結太陽能電池的方法，其包括形成具有一個或多個子電池的第一組；形成覆蓋釋放層的具有一個或多個子電池的第二組，其中釋放層覆蓋第二基底，并且該一個或多個子電池中每個均與第二基底點陣匹配；附接承載基底至具有一個或多個子電池的第二組的頂部子電池；從第二基底釋放具有一個或多個子電池的第二組；以及結合具有一個或多個子電池的第二