光伏器件的集成的製作方法

2023-10-10 23:50:24 1

專利名稱：光伏器件的集成的製作方法
技術領域：
本發明的實施方式一般涉及具有增大的效率和較大的可撓性的光伏(PV)器件 (例如太陽能電池)及用以製造其的方法。相關技術的描述因為化石燃料正以不斷增加的速率耗盡，所以對替代能源的需要變得越來越明顯。源自風、源自太陽及源自流水的能量提供對化石燃料(例如煤、油及天然氣)的可再生的、環境友好的替代物。因為太陽能在地球上的幾乎任何地方都容易得到，所以它可能有朝一日成為可行的替代物。為了利用來自太陽的能量，太陽能電池的結吸收光子以產生電子空穴對，這些電子空穴對被結的內部電場分離以產生電壓，從而將光能轉化為電能。所產生的電壓可通過串聯連接太陽能電池而增加，且電流可通過並聯連接太陽能電池而增加。太陽能電池可在太陽電池板上組合在一起。逆變器可耦合至若干太陽電池板以將直流功率轉換為交流功率。然而，生產太陽能電池的當前高成本相對於當代器件的低效率水平阻止太陽能電池成為主流能源，且限制太陽能電池可適用的應用。因此，需要適於大量應用的更有效的光伏器件。發明概述本發明的實施方式一般涉及用於以與常規太陽能電池相比時增大的效率將電磁輻射(例如太陽能)轉化為電能的方法及裝置。本發明的一個實施方式提供一種光伏(PV)器件。該PV器件通常包括多個PV單元，其中每個PV單元通常具有窗層；吸收層，其布置在窗層下方以使得在光子穿過窗層行進且由吸收層吸收時產生電子；及用於外部連接的多個接點，其耦接至吸收層，使得用於外部連接的所有這些接點布置在吸收層下方且不阻擋這些光子的任何一個經由窗層到達吸收層；及多個導電連接，其用於在所述多個PV單元之間連接所述多個接點。本發明的另一實施方式提供一種PV器件。該PV器件通常包括第一 PV單元、第二 PV單元、第三PV單元，其中第一 PV單元、第二 PV單元及第三PV單元中的每一個通常具有窗層；η型摻雜基極層，其布置在窗層下方；P+型摻雜發射極層，其布置在η型摻雜基極層下方以形成ρ-η層，使得在光子由ρ-η層吸收時產生電能；多個η型接點，其耦接至基極層且布置在發射極層下方，使得多個η型接點不阻擋這些光子經由窗層到達ρ-η層；及多個 P型接點，其耦接至發射極層且布置在發射極層下方，使得多個P型接點不阻擋這些光子經由窗層到達Ρ-η層；第一多個導電連接，其用於將第一 PV單元和第二 PV單元的這些η型接點連接在一起；及第二多個導電連接，其用於將第二 PV單元和第三PV單元的這些ρ型接點連接在一起。附圖的簡要說明因此，可詳細理解本發明的上述特徵結構的方式，S卩，上文簡要概述的本發明的更特定的描述可參照實施方式進行，一些實施方式在附圖中示出。然而，應注意，附圖僅示出
4本發明的典型實施方式，且因此不應被視為其範圍的限制，因為本發明可允許其它同等有效的實施方式。

圖1以橫截面示出根據本發明的一個實施方式的光伏(PV)單元的多個外延層。圖2示出根據本發明的一個實施方式的位於PV單元的背側上的半導體層的接點。圖3A示出根據本發明的一個實施方式的PV單元的背側。圖;3B示出根據本發明的一個實施方式的圖3A的PV單元的等效電路。圖4示出根據本發明的一個實施方式的用以形成PV組的多個PV單元之間的ρ型接點及η型接點的互連。圖5示出根據本發明的一個實施方式的用以形成PV模塊的多個PV組的互連。詳細描述本發明的實施方式提供用於以與常規太陽能電池相比時增大的效率將電磁輻射 (例如太陽能)轉化為電能的技術及裝置。示範性光伏單元圖1以橫截面示出光伏(PV)單元100的各種外延層。可使用用於半導體生長的任何適合的方法在基底(未示出)上形成各種層，這些方法例如是分子束外延法(MBE)或金屬有機化學汽相沉積法(MOCVD)。PV單元100可包括形成於基底上方的窗層106及任何下伏緩衝層。窗層106可包含砷化鋁鎵(AKktAs)，例如Ala3GEia7As。窗層106可以是未摻雜的。窗層106可為透明的以允許光子穿過PV單元的前側上的窗層傳遞至其它下伏層。基極層108可形成於窗層106上方。基極層108可包含任何適合的III-V族化合物半導體，例如GaAs。基極層108可為單晶體且可以是η型摻雜的。如圖1中所示的，發射極層(emitter layer) 110可形成於基極層108上方。發射極層110可包含任何適合III-V族化合物半導體以用於與基極層108形成異質結。舉例而言，如果基極層108包含GaAs，則發射極層110可包含不同的半導體材料，例如AWaAs (例如，Ala3GEia7As)。如果發射極層110與窗層106都包含AlGaAs，則發射極層110的AlxGi^xAs 組合物可與窗層的AlyGai_yAS組合物相同或不同。發射極層110可為單晶體且可為ρ型重摻雜(即，P+型摻雜)的。基極層108與發射極層110的組合可形成用於吸收光子的吸收層。η型摻雜基極層與P+型摻雜發射極層的接觸形成ρ-η層112。當光在ρ_η層112 附近被吸收以產生電子空穴對時，內建電場可將空穴推動至P+型摻雜側且將電子推動至η 型摻雜側。自由電荷的此移位導致兩個層108、110之間的電壓差，使得電子電流在負載耦接至這些層的端子兩端時可流動。常規光伏半導體器件通常具有ρ型摻雜基極層及η+型摻雜發射極層，而非上文所描述的η型摻雜基極層108及ρ+型摻雜發射極層110。由於載流子的漫射長度，基極層通常在常規器件中為P型摻雜的。一旦形成發射極層110，空腔(cavity)或凹槽(recess) 114就可足夠深地形成於發射極層中以到達下伏基極層108。可例如通過使用光刻術將掩模應用於發射極層110且使用任何適合技術(例如溼式或乾式蝕刻)移除發射極層110中未由掩模覆蓋的半導體材料來形成這些凹槽114。以此方式，可經由PV單元100的背側接近(access)基極層108。
5
對於一些實施例，界面層116可形成於發射極層110上方。界面層116可包含任何適合的III-V族化合物半導體，例如GaAs。界面層116可以是p+型摻雜的。一旦形成外延層，在外延層剝離(ELO，epitaxial lift-off)工藝期間，PV單元 100的功能層(例如，窗層106、基極層108及發射極層110)可與緩衝層及基底分離。示範性電接點 電接點可用以將PV單元100的半導體層耦接至導線以用於連接至其它PV單元及用於到負載的外部連接。常規太陽能電池通常在電池的前側與背側上都具有接點。前側接點(尤其是較厚的接點)形成陰影，此處光不可到達下伏吸收層以被轉換為電能。因此，無法獲得太陽能電池的效率潛能(efficiency potential)。因此，需要用於接觸PV單元的半導體層而不引入陰影的技術及裝置。圖2示出根據本發明的實施方式的在PV單元100的背側上的半導體層的所有電接點。舉例而言，η型接點602可形成於凹槽114中以提供與η型摻雜基極層108的界面， 且P型接點604可形成於界面層116上方以耦接至ρ+型摻雜發射極層110。ρ+型摻雜界面層116中的重摻雜可促進產生歐姆接觸。以此方式，通過在PV單元的前側上具有電接點以阻擋光及形成太陽陰影而無需犧牲效率。發射極層110中的凹槽114的圖案及接點602、604的界面層116的剩餘部分可基於期望的薄層電阻。與單個PV單元100的尺寸(例如，面積)相比，接點602、604的尺寸(例如，面積)可極小。而且，接點602、604的圖案可提供對局部缺陷及陰影的內建容差 (built-in tolerance)。接點602、604可包含任何適合的導電材料，例如金屬或金屬合金。優選地，接點的材料在製造期間不應穿透(punch)半導體層。包含金(Au)的傳統接點常常具有此刺穿 (spiking)問題。此外，背側接點的材料可優選地能夠在相對低金屬化處理溫度(例如在 150°C與200°C之間)下被塗覆。舉例而言，接點602、604可包含鈀/鍺(Pd/Ge)以滿足這些設計目標。鈀不與GaAs反應。無論選擇何種材料，均可通過任何適合的方法，例如經由光致抗蝕劑的真空蒸發、 光刻術、絲網印刷或僅沉積於已由石蠟或另一保護性材料部分地覆蓋的PV單元的暴露部分上而在PV單元100上製造接點602、604。這些方法均涉及一種系統，在該系統中，不需要接點的PV單元的部分被保護，而PV單元的其餘部分則暴露於金屬。在這些方法中，絲網印刷可能是最有成本效益的，其有助於降低所得到的PV器件的成本。儘管所有的接點602、604在PV單元100的背側上以減少太陽陰影，但在設計有效的PV單元時，暗電流及其隨時間及溫度的穩定性可能仍受關注。經暴露的Ρ-Π層112可能為暗電流的源，且較大的凹槽114可能造成暗電流的增加。因此，較小的凹槽114可能是期望的。然而，在減小凹槽114的大小以減少暗電流與在凹槽114中製造η型接點602而不接觸側壁的可能性之間存在取捨。示範性集成圖3Α示出PV單元100的背側，其中所有接點602、604都布置在背側上。如上所述，η型接點602可位於發射極層110內的凹槽114內。PV單元100的寬度w可為約2至 3cm，且長度1可為約10cm。圖;3B示出圖3A的PV單元100的等效電路1500。可認為PV單元100在每個η型接點602與ρ型接點604之間具有有效的微型太陽能電池1502。在PV單元100內，將所有 η型接點602耦接至同一基極層108，且將所有ρ型接點604耦接至同一發射極層110。因此，等效電路1500的開路電壓(V。。)可被模型化為在串聯的微型太陽能電池1502兩端的開路電壓的總和，且短路電流(Isc)可被模型化為在並聯的微型太陽能電池1502兩端的短路電流的總和。本質上，PV單元100的等效電路1500可被視為單個太陽能電池，其與構成該單個太陽能電池的那些微型太陽能電池1502相比，具有較大的V。。及較大的Isc。圖4示出根據本發明的一個實施方式的用以形成PV組1600的多個PV單元100 之間的P型接點604及η型接點的互連。對於一些實施方式，PV組1600可包含具有約10 個並聯布置的PV單元100的一列。以此方式，PV組1600的短路電流(Ise)可大於單個PV 單元100的短路電流約十倍。根據某種圖案，經由在PV單元100之間放置的薄條帶1602、1604來完成互連。舉例而言，條帶1604可將第一 PV單元IOO1的ρ型接點604連接至第二 PV單元IOO2的ρ型接點604。如圖4中所示出的，對於η型接點，條帶1602可將第二 PV單元IOO2的η型接點 602連接至第三PV單元IOO3的η型接點602，而不是將第一 PV單元IOO1連接至第二 PV單元1002。在PV組1600內，可選擇該互連圖案以提供相當大的可撓性。條帶1602、1604可包含諸如金屬或金屬合金的任何適合的導電材料。舉例而言， 條帶1602、1604可包含鍍錫銅。對於一些實施方式，與用於ρ型接點604的條帶1604相比， 用於η型接點的條帶1602可包含不同的材料。舉例而言，為了形成由金屬或金屬合金製成的條帶，可經由絲網印刷，橫跨接點602、604的「點幾何形狀」將條帶應用於PV單元100的背側。對金屬或金屬合金進行絲網印刷可暗示高工藝溫度。因此，對於一些實施方式，條帶1602、1604可能包含導電聚合物以替代金屬或金屬合金。可在比絲網印製金屬所建議的溫度低的溫度下經由絲網印刷來形成導電聚合物條帶。在PV組1600上，在相鄰的PV單元100之間的間隔可為約1至2mm。該相對緊密的間隔也可允許在PV組1600內的較大可撓性，尤其是當與為此目的選擇的互連圖案(例如，如上所述的互連圖案)組合時。圖5示出根據本發明的一個實施方式以陣列布置以形成PV模塊1700的多個PV 組1600的互連。在一行中的相鄰的PV組1600可由聯接器1702連接在一起。聯接器1702 可將一個PV組的η型接點602連接至在該行內的一個相鄰的PV組的ρ型接點604，以使得一行中的PV組1600(及等效電路)串聯連接，從而合併PV組1600的開路電壓(V。。)能力。 聯接器1702可包含金屬、金屬合金或導電聚合物的絲線或條帶，其類似於PV組1600內的條帶 1602、1604。聯接器1702也可將在PV組1600的每行上的ρ型接點604連接至PV模塊1700的一側上的P側匯流條1704，且將PV組1600的每行上的η型接點602連接至PV模塊1700 的另一側上的η側匯流條1706。以此方式，可並聯連接數行串接的PV組1600，從而合併PV 組1600的短路電流(Ise)能力。匯流條1704、1706可以是相對厚的，以便將PV組1600產生的相當大的電流傳送至負載(未示出)。對於一些實施方式，可將模塊1700的DC輸出電壓(V。。)耦接至逆變器以便產生AC電壓。可封裝所完成的PV模塊1700。PV模塊1700的前側可由包含例如玻璃或塑料的透明薄片覆蓋。模塊的長度L可約為lm，如圖16中所示出的，其具有PV組1600的4 X 4陣列。通過使用條帶1602、1604連接PV單元100以形成PV組1600且通過使PV組1600 與聯接器1702集成以形成PV模塊1700，PV模塊1700可具有與局部缺陷相抵的內建容差。 換言之，對PV單元100局部化的缺陷(例如，在η型接點602與ρ型接點604之間的分路) 不需導致模塊1700失效。此外，可添加宏觀和/或微觀級別的保護裝置。換言之，可將諸如保險絲的保護添加至一個或多個PV組1600和/或添加至PV模塊1700。對於一些實施方式，保護電路可以在晶片級建於PV單元100內。儘管上文針對本發明的實施方式，但是可設計本發明的其它及另外的實施方式而不偏離其基本範圍，且其範圍由隨後的權利要求確定。
權利要求
1.一種光伏(PV)器件，包括多個PV單元，其中每個PV單元包括窗層；吸收層，其布置在所述窗層下方，使得在光子穿過所述窗層行進且由所述吸收層吸收時產生電子；以及用於外部連接的多個接點，其耦接至所述吸收層，使得用於外部連接的所有所述接點布置在所述吸收層下方且不阻擋所述光子的任何一個經由所述窗層到達所述吸收層；以及多個導電連接，其用於在所述多個PV單元之間連接所述多個接點。
2.如權利要求1所述的PV器件，其中所述吸收層包括III-V族半導體。
3.如權利要求2所述的PV器件，其中所述III-V族半導體為單晶體。
4.如權利要求1所述的PV器件，其中所述吸收層包括 基極層，其鄰近於所述窗層；以及發射極層，其布置在所述基極層下方。
5.如權利要求4所述的PV器件，其中所述基極層是η型摻雜的。
6.如權利要求5所述的PV器件，其中所述基極層包含η型GaAs。
7.如權利要求4所述的PV器件，其中所述發射極層是ρ+型摻雜的。
8.如權利要求7所述的PV器件，其中所述發射極層包含ρ+型AlGaAs。
9.如權利要求4所述的PV器件，其中所述多個接點包括 多個η型接點，其耦接至所述基極層；以及多個P型接點，其耦接至所述發射極層。
10.如權利要求9所述的PV器件，其中所述多個導電連接包括第一多個導電連接，其用於在所述PV單元之間連接所述多個η型接點；以及第二多個導電連接，其用於在所述PV單元之間連接所述多個ρ型接點。
11.如權利要求10所述的PV器件，其中所述第一多個導電連接包含與所述第二多個導電連接不同的材料。
12.如權利要求1所述的PV器件，其中所述多個導電連接包含導電聚合物。
13.如權利要求12所述的PV器件，其中所述導電聚合物在低於150°C的溫度下塗覆。
14.如權利要求1所述的PV器件，其中所述多個導電連接包含金屬或金屬合金。
15.一種光伏(PV)器件，包括 第一 PV單元；第二 PV單元；第三PV單元，其中所述第一 PV單元、所述第二 PV單元及所述第三PV單元中的每個包括窗層；η型摻雜基極層，其布置在所述窗層下方；P+型摻雜發射極層，其布置在所述η型摻雜基極層下方以形成ρ-η層，使得在光子被所述ρ-η層吸收時產生電能；多個η型接點，其耦接至所述基極層且布置在所述發射極層下方以使得所述多個η型接點不阻擋所述光子經由所述窗層到達所述ρ-η層；以及多個P型接點，其耦接至所述發射極層且布置在所述發射極層下方以使得所述多個P 型接點不阻擋所述光子經由所述窗層到達所述p-n層；第一多個導電連接，其用於將所述第一 PV單元的所述η型接點與所述第二 PV單元的所述η型接點連接在一起；以及第二多個導電連接，其用於將所述第二 PV單元的所述ρ型接點與所述第三PV單元的所述P型接點連接在一起。
16.如權利要求15所述的PV器件，其中所述基極層或所述發射極層包含III-V族半導體。
17.如權利要求16所述的PV器件，其中所述III-V族半導體為單晶體。
18.如權利要求15所述的PV器件，其中所述基極層包含η型GaAs。
19.如權利要求15所述的PV器件，其中所述發射極層包含ρ+型AlGaAs。
20.如權利要求15所述的PV器件，其中所述第一多個導電連接包含與所述第二多個導電連接不同的材料。
21.如權利要求15所述的PV器件，其中所述第一多個導電連接或所述第二多個導電連接包含導電聚合物。
22.如權利要求21所述的PV器件，其中所述導電聚合物在低於150°C的溫度下塗覆。
23.如權利要求15所述的PV器件，其中所述第一多個導電連接或所述第二多個導電連接包含金屬或金屬合金。
全文摘要
提供了用於以與常規太陽能電池相比時增大的效率將電磁輻射(例如太陽能)轉化為電能的方法及裝置。光伏(PV)單元可使所有的電接點定位於PV器件的後側上以避免遮蔽並增加碰撞在PV單元的前側上的光子的吸收。可將若干PV單元組合成PV組，且可連接PV組的陣列以形成PV模塊，PV模塊具有在低溫下形成的金屬或導電聚合物的薄條帶。在與常規太陽能電池相比時，這樣的創新可允許PV器件的較大的效率及可撓性。
文檔編號H01L31/042GK102257628SQ200980150920
公開日2011年11月23日 申請日期2009年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者伊西克·C·奇吉爾亞裡, 何甘, 哈利·艾華特, 安德瑞斯·海吉杜斯, 湯瑪士·J·吉密特, 美利莎·艾契爾, 雷格·東克 申請人:奧塔裝置公司