光伏器件的薄吸收層的製作方法
2023-06-30 14:07:36
專利名稱：光伏器件的薄吸收層的製作方法
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。逆變器可耦接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。PV器件大致上包括η型摻雜層及P+型摻雜層，P+型摻雜層鄰近η型摻雜層以形成Ρ-Π層，使得當電磁輻射被ρ-η層吸收時產生電能。本發明的另一個實施方式為一種製造PV器件的方法。該方法大致上包括在基底上方形成η型摻雜層；以及在η型摻雜層上方形成P+型摻雜層，以在η型摻雜層與P+型摻雜層之間形成Ρ-η層，使得當電磁輻射被Ρ-η層吸收時產生電能。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具有半導體層的示例性厚度、組合物及摻雜的光伏(PV)單元的多個外延層。圖2Α至圖2D示出根據本發明的實施方式的PV單元的基極層及發射極層的各種層堆棧剖面。
圖3A及圖;3B示出根據本發明的實施方式的PV單元的半導體層，這些半導體層具有在基極層與發射極層之間的偏移p-n層。圖4示出根據本發明的一個實施方式的PV單元的半導體層，這些半導體層具有發射極層，該發射極層具有精細調整的摻雜剖面以使得摻雜程度從P-n層至發射極層的頂部增加。圖5示出根據本發明的一個實施方式的PV單元的半導體層，這些半導體層具有多個AlGaAs發射極層，這些發射極層具有分級的鋁(Al)含量。詳細描述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)轉化為電能的技術及裝置。示範性薄吸收層圖1以橫截面示出在製造期間光伏(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)。為了形成PV單元100，可在基底上形成一個或多個緩衝層。緩衝層的目的在於提供介於基底與最終PV單元的半導體層之間的中間層，當形成各種外延層時，該中間層可容納各種外延層的不同結晶結構。舉例而言，具有大約200nm的厚度的緩衝層102可根據最終PV單元的期望組合物而包括III-V族化合物半導體，例如砷化鎵(GaAs)。對於一些實施方式，例如當產生GaAs緩衝層時，基底可(例如)包含GaAs。對於一些實施方式，釋放層104可形成於緩衝層102之上。舉例而言，釋放層104 可包含砷化鋁(AlAs)，且其厚度在約5至IOnm的範圍內。薄釋放層104的目的被更詳細地描述於下文。在釋放層104之上，可形成窗層106。窗層106可包含砷化鋁鎵(AlGaAs)，例如 Al0.3Ga0.7Aso窗層106的厚度可在約5nm至30nm的範圍內(例如，如所示的20nm)，且可以是未摻雜的。窗層106可為透明的以允許光子穿過在PV單元的正面上的窗層傳遞到其它下伏層。基極層108可形成於窗層106之上。基極層108可包含任何適合的III-V族化合物半導體，例如砷化鎵。基極層108可為單晶體。基極層108可為η型摻雜的，且對於一些實施方式，η型摻雜基極層108的摻雜濃度可在約1 X IO16CnT3至1 X 1019cm_3的範圍內(例如，如所示的2X IO1W3)。基極層108的厚度可在約300nm至3500nm的範圍內。如圖1中所示出的，發射極層110可形成於基極層108之上。發射極層110可包含用以與基極層108形成異質結的任何適合的III-V族化合物半導體。舉例而言，如果基極層 108包含GaAs，則發射極層110可包含諸如AWaAs的不同半導體材料。如果發射極層110 及窗層106都包含AlGaAs，則發射極層110的AlxGai_xAs組合物可與窗層106的AlyGai_yAs 組合物相同或不同。發射極層110可為單晶體。發射極層110可為ρ型重摻雜(即，ρ+型摻雜)，且對於一些實施方式，P+型摻雜發射極層的摻雜濃度可為約IX IO17CnT3至IX 102°cm_3 的範圍內(例如，如所示的IX IO19CnT3)。舉例而言，發射極層110的厚度可為約300nm。基極層108及發射極層110的組合可形成用以吸收光子的吸收層。對於一些實施方式，吸收層的厚度可小於800nm，或甚至小於500nm。
η型摻雜基極層與P+型摻雜發射極層的接觸產生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，內建電場可迫使空穴到P+型摻雜側且迫使電子到η型摻雜側。自由電荷的該位移導致兩個層108、110之間的電壓差，以使得電子流可在負載連接在耦接至這些層的端子兩端時流動。不同於如上所述的η型摻雜基極層108及ρ+型摻雜發射極層110，常規光伏半導體器件通常具有P型摻雜基極層及η+型摻雜發射極層。在常規器件中，由於載流子的擴散長度，基極層通常為P型摻雜。製造根據本發明的實施方式的較薄基極層允許改變η型摻雜基極層。與P型摻雜層內的空穴的遷移率相比，η型摻雜層內的電子的較高遷移率導致本發明的實施方式的η型摻雜基極層108的較低摻雜密度。一旦形成發射極層110，就可在發射極層內形成空腔或凹槽114，這些空腔或凹槽 114足夠深以到達下伏基極層108。舉例而言，通過使用光刻術將掩模應用於發射極層110， 且使用任何適合的技術(例如溼式或乾式蝕刻)移除發射極層110內的未由掩模覆蓋的半導體材料，可形成這樣的凹槽114。以此方式，可經由PV單元100的背面接近基極層108。對於一些實施方式，可在發射極層110之上形成界面層116。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可為p+型摻雜，且對於一些實施方式，P+型摻雜界面層116的摻雜濃度可為lX1019cnT3。舉例而言，界面層116的厚度可為約 300nm。一旦在釋放層104之上形成剩餘外延層，薄釋放層104就可例如經由使用含水HF 的蝕刻而犧牲。以此方式，在外延層剝離(ELO)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102及基底分離。與常規太陽能單元相比，以此方式產生的PV單元具有相當薄的吸收層(例如， < 500nm)，而常規太陽能單元可為數微米厚。吸收層的厚度與PV單元內的暗電流電平成比例(即，吸收層越薄，暗電流越低)。暗電流為即使沒有光子進入器件時也流過PV單元或其它類似感光性器件(例如，光電二極體)的小電流。該背景電流可作為熱離子發射或其它效應的結果而存在。因為當暗電流在感光性半導體器件內減小時，開路電壓(V。。)增加，所以對給定光強度而言，較薄的吸收層最可能導致較大的V。。，且因此導致增大的效率。只要吸收層能夠捕集光，當吸收層的厚度減小時，效率增加。吸收層的薄度可能不僅僅受薄膜技術能力及ELO的能力的限制。舉例而言，效率隨著吸收層的薄度增加而增加，但吸收層應足夠厚以承載電流。然而，較高摻雜程度可允許電流流動，甚至在極薄的吸收層內流動。因此，可利用增加的摻雜來製造極薄的吸收層，並具有甚至更大的效率。常規PV器件可遭受體積重組效應，因此這樣的常規器件並不在吸收層內使用高摻雜。當確定適當厚度時，也可考慮吸收層的薄層電阻。不僅薄吸收層導致增大的效率，而且具有這樣的薄吸收層的PV單元可比具有若干微米的厚度的常規太陽能電池更具可撓性。因此，根據本發明的實施方式的PV單元可比常規太陽能電池適於更大量的應用。圖2A至圖2D示出根據本發明的實施方式的PV單元的基極層108及發射極層110 的各種層堆棧剖面200a_d。圖2A中的層堆棧剖面200a示出了如圖1所示出的基極層108及發射極層110。對於一些實施方式，可在基極層108之上形成中間層202，且可在中間層之上形成發射極層110。中間層202可提供介於基極層108與發射極層110之間的更平緩過渡。中間層202可為η型摻雜，η型重摻雜(S卩，η+型摻雜)或P+型摻雜的。舉例而言，圖2Β示出包含η型AlGaAs的中間層20 。作為另一實例，圖2C描繪包含η.型AlGaAs 的中間層202。。作為又一實例，圖2D描繪包含ρ+型GaAs的中間層20\。在圖1中，在基極層108與發射極層110之間的ρ_η層112為平坦的且未暴露於凹槽114內。換言之，圖1的ρ-η層112可被視為僅具有二維幾何形狀的平面。如圖3Α及圖3Β所示，對於一些實施方式，可形成PV單元的半導體層以在基極層108與發射極層110 之間產生偏移Ρ-η層312。換言之，偏移ρ-η層312可被視為具有三維幾何形狀。偏移ρ_η 層312可暴露於凹槽114內。如圖3Α中所示出的，當如上所述形成凹槽114時，通過一直穿過發射極層110移除半導體材料且部分地進入基極層108內，可產生偏移ρ-η層312a。如圖中所示出的， 用以形成偏移Ρ-η層31 的另一方法可包括在形成發射極層110之前，將掩模應用於基極層108。經由任何適合的技術(例如蝕刻)，可從被預期保留髮射極層的基極層108的一部分(即，除凹槽114的期望位置外的其它位置)移除半導體材料。一旦在發射極層內形成發射極層110及凹槽114，所得到的偏移ρ-η層31 就具有比平坦p-η層112的表面面積更大的表面面積。對於一些實施方式，在製造期間，可在PV單元的層內將摻雜程度精細調整。舉例而言，圖4示出具有發射極層110的PV單元400，該發射極層110具有精細調整的摻雜剖面，以使得摻雜濃度在Z方向上從ρ-η層112增加至發射極層110的頂部。對於一些實施方式，發射極層110可包括多個層，且多個層可包括不同的組合物。 舉例而言，圖5示出根據本發明的一個實施方式的PV單元500的半導體層，這些半導體層具有多個P+型AKiaAs發射極層，這些發射極層具有分級(graded)的鋁(Al)含量(S卩，百分比)。在該示例性實施方式中，可在基極層108之上形成包含ρ+型GaAs而無任何鋁的第一發射極層51(^可在第一個發射極層SlO1之上形成包含ρ+型Ala !Ga0^As的第二發射極層5102。然後，又可在第二發射極層5102之上形成包含ρ+型Ala2Giia8As的第三發射極層 5103及包含ρ+型Ala3Giia7As的第四發射極層5104。具有這些分級的Al含量可避免結勢壘。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η型摻雜層；以及P+型摻雜層，其鄰近所述η型摻雜層以形成ρ-η層，使得當電磁輻射被所述ρ-η層吸收時產生電能。
2.如權利要求1所述的PV器件，其中所述η型摻雜層與所述P+型摻雜層構成吸收層， 並且所述吸收層的厚度小於800nm。
3.如權利要求1所述的PV器件，其中所述ρ-η層包括異質結。
4.如權利要求1所述的PV器件，其中所述η型摻雜層或所述P+型摻雜層包括III-V 族半導體。
5.如權利要求4所述的PV器件，其中所述III-V族半導體是單晶體。
6.如權利要求4所述的PV器件，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs。
7.如權利要求4所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層包含P+型AWaAs。
8.如權利要求7所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層包含P+型Ala3G^l7Ast5
9.如權利要求1所述的PV器件，還包括插在所述η型摻雜層和所述ρ+型摻雜層之間的中間層。
10.如權利要求9所述的PV器件，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AlGaAs，以及所述中間層包含η型AlGaAs。
11.如權利要求9所述的PV器件，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AlGaAs，以及所述中間層包含η.型AlGaAs。
12.如權利要求9所述的PV器件，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AWaAs，以及所述中間層包含ρ+型GaAs。
13.如權利要求1所述的PV器件，還包括鄰近所述η型摻雜層的窗層。
14.如權利要求13所述的PV器件，其中所述窗層包含AWaAs。
15.如權利要求14所述的PV器件，其中所述窗層包含Ala3Giia7Astj
16.如權利要求13所述的PV器件，其中所述窗層具有大約5到30nm的厚度。
17.如權利要求1所述的PV器件，還包括鄰近所述ρ+型摻雜層的界面層。
18.如權利要求17所述的PV器件，其中所述界面層包含ρ+型GaAs。
19.如權利要求17所述的PV器件，其中所述界面層具有大約300nm的厚度。
20.如權利要求17所述的PV器件，其中所述界面層具有IXIO19cnT3的摻雜程度。
21.如權利要求1所述的PV器件，其中在所述η型摻雜層與所述P+型摻雜層之間形成的所述Ρ-η層為偏移ρ-η層。
22.如權利要求1所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層具有被精細調整的摻雜剖面， 使得摻雜程度從所述P+型摻雜層的一側到另一側增加。
23.如權利要求1所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層包括多個ρ+型摻雜層。
24.如權利要求23所述的PV器件，其中所述多個ρ+型摻雜層包含AlGaAs，並且所述多個P+型摻雜層的每個包含不同百分比的鋁。
25.如權利要求M所述的PV器件，其中所述多個ρ+型摻雜層包括具有P+型GaAs的第一 P+型摻雜層、具有P+型AlaiGiia9As的第二 P+型摻雜層、具有P+型Ala2Giia8As的第三 P+型摻雜層和具有P+型Ala3Giia7As的第四ρ+型摻雜層。
26.如權利要求25所述的PV器件，其中所述第一ρ+型摻雜層鄰近所述η型摻雜層。
27.如權利要求1所述的PV器件，其中所述η型摻雜層具有從約300nm至約3500nm的範圍內的厚度。
28.如權利要求1所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層的厚度為約300nm。
29.如權利要求1所述的PV器件，其中所述η型摻雜層具有2X IO17CnT3的摻雜程度。
30.如權利要求1所述的PV器件，其中所述ρ+型摻雜層具有IXlO19Cm-3的摻雜程度。
31.一種製造光伏(PV)器件的方法，包括在基底上方形成η型摻雜層；以及在所述η型摻雜層上方形成ρ+型摻雜層，以在所述η型摻雜層與所述P+型摻雜層之間形成ρ-η層，使得當電磁輻射被所述ρ-η層吸收時產生電能。
32.如權利要求31所述的方法，還包括使用外延剝離(ELO)來從所述基底移除所述η 型摻雜層和所述P+型摻雜層。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述η型摻雜層和所述P+型摻雜層組成吸收層， 且所述吸收層具有小於SOOnm的厚度。
34.如權利要求31所述的方法，其中所述ρ-η層包括異質結。
35.如權利要求31所述的方法，其中所述η型摻雜層或所述P+型摻雜層包括III-V族半導體。
36.如權利要求35所述的方法，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs。
37.如權利要求35所述的方法，其中所述ρ+型摻雜層包含P+型AWaAs。
38.如權利要求31所述的方法，還包括在所述η型摻雜層上方形成中間層，其中形成所述P+型摻雜層包括在所述中間層上方形成所述P+型摻雜層。
39.如權利要求38所述的方法，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AlGaAs，以及所述中間層包含η型AlGaAs。
40.如權利要求38所述的方法，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AlGaAs，以及所述中間層包含η.型AlGaAs。
41.如權利要求38所述的方法，其中所述η型摻雜層包含η型GaAs，所述p+型摻雜層包含P+型AWaAs，以及所述中間層包含ρ+型GaAs。
42.如權利要求31所述的方法，還包括在所述基底上方形成窗層，其中形成所述η型摻雜層包括在所述窗層上方形成所述η型摻雜層。
43.如權利要求42所述的方法，其中所述窗層包含AKiaAs。
44.如權利要求42所述的方法，還包括在所述基底上方形成緩衝層，其中形成所述窗層包括在所述緩衝層上方形成所述窗層。
45.如權利要求44所述的方法，其中所述緩衝層包含GaAs。
46.如權利要求44所述的方法，其中所述緩衝層具有大約200nm的厚度。
47.如權利要求44所述的方法，還包括在所述緩衝層上方形成釋放層，其中形成所述窗層包括在所述釋放層上方形成所述窗層。
48.如權利要求47所述的方法，其中所述釋放層包含AlAs。
49.如權利要求47所述的方法，其中所述釋放層具有大約5nm的厚度。
50.如權利要求31所述的方法，還包括在所述ρ+型摻雜層上方形成界面層。
51.如權利要求50所述的方法，其中所述界面層包含ρ+型GaAs。
52.如權利要求31所述的方法，還包括移除所述η型摻雜層的一部分，使得所述ρ-η層被偏移。
53.如權利要求31所述的方法，其中形成所述ρ+型摻雜層包括精細調整所述P+型摻雜層的摻雜剖面，使得摻雜程度從所述P+型摻雜層的一側到另一側增加。
54.如權利要求31所述的方法，其中形成所述ρ+型摻雜層包括形成多個P+型摻雜層。
55.如權利要求M所述的方法，其中所述多個P+型摻雜層包含AlGaAs，並且所述多個 P+型摻雜層的每個包含不同百分比的鋁。
56.如權利要求M所述的方法，其中所述多個ρ+型摻雜層包括具有ρ+型GaAs的第一 P+型摻雜層、具有P+型Ala !Ga0^As的第二 ρ+型摻雜層、具有P+型Ala2G^l8As的第三p+型摻雜層和具有P+型Ala3Giia7As的第四ρ+型摻雜層。
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。在光伏(PV)器件的一個實施方式中，PV器件大致上包括n型摻雜層及p+型摻雜層，p+型摻雜層鄰近所述n型摻雜層以形成p-n層，使得當電磁輻射被p-n層吸收時產生電能。n型摻雜層和p+型摻雜層可以構成吸收層，並且吸收層的厚度小於500nm。與常規太陽能電池相比，這樣的薄吸收層可以允許PV器件具有更大的效率和及可撓性。
文檔編號H01L31/042GK102257635SQ200980151499
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