具有兩個變質層的四結倒置變質多結太陽能電池的製作方法

2023-05-28 19:34:21

專利名稱：具有兩個變質層的四結倒置變質多結太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置領域，且涉及製造工藝和例如包含變質層的基於III-V半導體化合物的多結太陽能電池的裝置。此些裝置還被稱為倒置變質多結太陽能電池。
背景技術：
已主要通過矽半導體技術來提供來自光伏電池(還稱作太陽能電池)的太陽能。
然而，在過去的若干年中，用於太空應用的ni-v化合物半導體多結太陽能電池的大量制
造已加速了此技術的發展，不僅供太空中使用，而且還用於陸地太陽能應用。與矽相比，
ni-v化合物半導體多結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化合物半導體多結裝置往往製造起來更加複雜。典型的商業III-V化合物半導體多結太陽能電池在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)中的市場上可買到的III-V化合物半導體多結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是基於通過使用具有不同能帶隙能量的多個光伏區並聚集來自所述區中的每一者的電流而實現入射輻射的光譜分裂的能力。
典型的ni-v化合物半導體太陽能電池以垂直、多結結構製造在半導體晶片上。
接著將個別太陽能電池或晶片安置在水平陣列中，其中所述個別太陽能電池以電串聯電路的形式連接在一起。陣列的形狀和結構以及其含有的電池的數目部分由所要的輸出電壓和電流決定。 例如M.W.萬拉斯(M. W. Wanlass)等人的"用於高性能的III-V光伏能量轉換器的晶格失配方法(Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-VPhotovoltaicEnergy Converters)，，(第31屆IEEE光伏專家會議會幹U (ConferenceProceedings of the 31stIEEE Photovoltaic Specialists Conference)，2005年1月3日到1月7日，IEEE出版社，2005)中所描述的基於III-V化合物半導體層的倒置變質太陽能電池結構為未來的商業高效率太陽能電池的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的用於電池的許多不同層的材料和結構呈現與材料和製造步驟的適當選擇有關的許多實踐難題。 在本發明之前，現有技術中所揭示的材料和製造步驟尚不足以使用用於生產倒置變質多結電池結構的商業上已建立的製造工藝來生產商業上可行且具能效的太陽能電池。

發明內容
簡要且概括地說，本發明提供一種多結太陽能電池，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，其鄰近於所述第一太陽能子電池且具有比所述第一能帶隙小的第二能帶隙；第一經分級夾層，其鄰近於所述第二太陽能子電池；所述第 一經分級夾層具有比所述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 所述第一經分級夾層，所述第三子電池具有比所述第二能帶隙小的第四能帶隙，使得所述 第三子電池相對於所述第二子電池晶格失配；第二經分級夾層，其鄰近於所述第三太陽能 子電池；所述第二經分級夾層具有比所述第四能帶隙大的第五能帶隙；以及下部第四太陽 能子電池，其鄰近於所述第二經分級夾層，所述下部子電池具有比所述第四能帶隙小的第 六能帶隙，使得所述第四子電池相對於所述第三子電池晶格失配。 在另一方面中，本發明提供一種通過以下步驟來製造太陽能電池的方法形成第 一襯底；在所述第一襯底上形成具有第一能帶隙的上部第一太陽能子電池；形成鄰近於所 述第一太陽能子電池且具有比所述第一能帶隙小的第二能帶隙的第二太陽能子電池；形成 鄰近於所述第二太陽能子電池的第一經分級夾層；所述第一經分級夾層具有比所述第二能 帶隙大的第三能帶隙；形成鄰近於所述第一經分級夾層的第三太陽能子電池，所述第三子 電池具有比所述第二能帶隙小的第四能帶隙，使得所述第三子電池相對於所述第二子電池 晶格失配；形成鄰近於所述第三太陽能子電池的第二經分級夾層；所述第二經分級夾層具 有比所述第四能帶隙大的第五能帶隙；形成鄰近於所述第二經分級夾層的下部第四太陽能 子電池，所述下部子電池具有比所述第四能帶隙小的第六能帶隙，使得所述第四子電池相 對於所述第三子電池晶格失配；將代用襯底安裝在第四太陽能子電池的頂部；以及移除所 述第一襯底。


當結合附圖考慮時，通過參考以下詳細描述將更好且更完全地了解本發明，其 中 圖1是表示某些二元材料的能帶隙和所述二元材料的晶格常數的曲線圖； 圖2是在包含將某些半導體層沉積在生長襯底上的初始製造階段之後本發明的
太陽能電池的橫截面圖； 圖3是在下一序列的工藝步驟之後圖2的太陽能電池的橫截面圖； 圖4是在下一序列的工藝步驟之後圖3的太陽能電池的橫截面圖； 圖5是在下一序列的工藝步驟之後圖4的太陽能電池的橫截面圖； 圖6是在下一工藝步驟之後圖5的太陽能電池的橫截面圖； 圖7是在附著代用襯底的下一工藝步驟之後圖6的太陽能電池的橫截面圖； 圖8A是在移除原始襯底的下一工藝步驟之後圖7的太陽能電池的橫截面圖； 圖8B是圖8A的太陽能電池的另一橫截面圖，其中代用襯底位於圖的底部； 圖9是在下一工藝步驟之後圖8B的太陽能電池的簡化橫截面圖； 圖10是在下一工藝步驟之後圖9的太陽能電池的橫截面圖； 圖11是在下一工藝步驟之後圖10的太陽能電池的橫截面圖； 圖12是在下一工藝步驟之後圖11的太陽能電池的橫截面圖； 圖13A是其中製造有太陽能電池的晶片的俯視平面圖； 圖13B是其中製造有太陽能電池的晶片的仰視平面圖； 圖14是在下一工藝步驟之後圖12的太陽能電池的橫截面 圖15是在下一工藝步驟之後圖14的太陽能電池的橫截面圖； 圖16是在下一工藝步驟之後圖15的太陽能電池的橫截面圖； 圖17是圖16的晶片的俯視平面圖，其描繪蝕刻在電池周圍的溝槽的表面視圖； 圖18A是在本發明的第一實施例中的下一工藝步驟之後的圖16的太陽能電池的
橫截面圖； 圖18B是在本發明的第二實施例中的下一工藝步驟之後的圖16的太陽能電池的 橫截面圖； 圖19是在下一工藝步驟之後的圖18的太陽能電池的橫截面圖； 圖20是根據本發明的變質太陽能電池中的子電池的基極層和發射極層中的摻雜
分布的曲線圖； 圖21是描繪根據本發明的倒置變質多結太陽能電池的電流和電壓特性的曲線 圖； 圖22是表示各種GalnAlAs材料的依據Al、 In和Ga的相對濃度而變的能帶隙範 圍的圖； 圖23是表示GalnAlAs材料中實現恆定1. 5eV能帶隙所必需的Ga摩爾分數對Al 與In的摩爾分數的曲線圖； 圖24是表示GalnAlAs材料中實現恆定1. 5eV能帶隙能帶隙所必需的摩爾分數對 晶格常數的曲線具體實施例方式
現在將描述本發明的細節，包含本發明的示範性方面和實施例。參看圖式和以下 描述，相同的參考編號用於識別相同或功能類似的元件，且意在以高度簡化的圖解方式說 明示範性實施例的主要特徵。另外，所述圖式無意描繪實際實施例的每個特徵或所描繪元 件的相對尺寸，且所述圖式未按比例繪製。 製造倒置變質多結(I匪)太陽能電池的基本概念是以"相反"序列在襯底上生長 太陽能電池的子電池。即，正常將為面向太陽輻射的"頂部"子電池的高能帶隙子電池(即， 具有在1.8eV到2. leV的範圍內的能帶隙的子電池)以外延方式生長在半導體生長襯底 (例如，GaAs或Ge)上，且因此此些子電池與此襯底晶格匹配。 一個或一個以上較低能帶隙 中間子電池(即，具有在1. 2eV到1. 8eV的範圍內的能帶隙)接著可生長在所述高能帶隙 子電池上。 至少一個下部子電池形成於中間子電池上，使得所述至少一個下部子電池相對 於所述生長襯底大體上晶格失配，且使得所述至少一個下部子電池具有第三較低能帶隙 (即，在0. 7eV到1. 2eV的範圍內的能帶隙)。代用襯底或支撐結構接著附著在或提供在 "底部"或大體上晶格失配的下部子電池上，且隨後移除生長半導體襯底。(所述生長襯底 隨後可再用於第二和後續太陽能電池的生長)。 上文所述的相關申請案中揭示倒置變質多結太陽能電池的多種不同特徵。此些特 徵中的一些或所有特徵可包含於與本發明的太陽能電池相關聯的結構和工藝中。然而，更 明確地說，本發明是針對使用兩個不同變質層來製造四結倒置變質太陽能電池，所述兩個 不同變質層全都生長在單個生長襯底上。在本發明中，所得的結構包含四個子電池，其能帶隙分別在1. 8eV到2. leV、1. 3eV到1. 5eV、0. 9eV到1. leV以及0. 6eV到0. 8eV的範圍內。
圖1是表示某些二元材料的能帶隙和所述二元材料的晶格常數的曲線圖。三元 材料的能帶隙和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，其中三元材料的能帶隙位於GaAs的1. 42eV 與AlAs的2. 16eV之間，視個別成分的相對量而定)。因此，視所要的能帶隙而定，可適當地 選擇三元材料的材料成分以供生長。 優選根據適當的反應堆生長溫度和時間的規格且通過使用適當的化學組分和摻 雜劑，來控制半導體結構中的層的晶格常數和電性質。氣相沉積方法(例如，有機金屬氣相 外延(OMVPE)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或用於反向生長的其它 氣相沉積方法)的使用可使得形成電池的呈單片半導體結構的層能夠以所需的厚度、元素 組分、摻雜劑濃度以及分級和導電類型而生長。 圖2描繪在GaAs生長襯底上循序形成三個子電池A、B和C之後，根據本發明的多 結太陽能電池。更明確地說，展示襯底IOI，其優選為砷化鎵(GaAs)，但也可為鍺(Ge)或其 它合適材料。對於GaAs，所述襯底優選是15。切下襯底，也就是說，其表面遠離(100)平面 朝(lll)A平面定位成15° ，如2008年3月13日申請的第12/047， 944號美國專利申請案 中更全面地描述。 在Ge襯底的情況下，成核層(未圖示)直接沉積在襯底101上。緩衝層102和蝕 刻終止層103進一步沉積在所述襯底上或所述成核層上(在Ge襯底的情況下)。在GaAs 襯底的情況下，緩衝層102優選為GaAs。在Ge襯底的情況下，緩衝層102優選為InGaAs。 為GaAs的接觸層104接著沉積在層103上，且為AlInP的窗口層105沉積在接觸層上。由 n+發射極層106和p型基極層107組成的子電池A接著以外延方式沉積在窗口層105上。 子電池A—般與生長襯底101晶格匹配。 應注意，多結太陽能電池結構可由周期表中所列舉的第III族到第V族元素的符 合晶格常數和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)和鉈(T)。第IV族包含碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)和錫(Sn)。第V族包含氮(N)、磷 (P)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)。 在優選實施例中，發射極層106由InGa(Al)P組成，且基極層107由InGa(Al)P組 成。前面化學式中的括號中的鋁或A1項意味著A1是任選的成分，且在此例子中，可以在0X 到30%的範圍內的量使用。將結合圖20來論述根據本發明的發射極層106和基極層107 的摻雜分布。 在完成下文將描述的根據本發明的工藝步驟之後，子電池A將最終變為倒置變質 結構的"頂部"子電池。 背場("BSF")層108(優選為p+AlGalnP)沉積在基極層107的頂部，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，以使重組損耗的 影響減到最小。換句話說，BSF層18減少太陽能子電池A的背側處的重組損耗，且進而減 少基極中的重組。 在BSF層108的頂部沉積經重摻雜的p型層109a和n型層109b的序列，其形成 隧道二極體，即，將子電池A連接到子電池B的歐姆電路元件。層109a優選由p++AlGaAs組成，且層109b優選由n++InGaP組成。 在隧道二極體層109的頂部沉積窗口層110，其優選為n+InGaP。將InGaP用作窗 口層110的材料成分的優點在於其具有緊密匹配鄰近的發射極層111的折射率，如2008年 IO月24日申請的第12/258， 190號美國專利申請案中更全面地描述。子電池B中所使用的 窗口層IIO還操作以減少界面重組損耗。所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的 範圍的情況下，可在電池結構中添加或刪除額外的層。 在窗口層110的頂部沉積子電池B的層n型發射極層lll和p型基極層112。這 些層優選分別由InGaP和In。.。15GaAs (針對Ge襯底或生長模板)組成，或分別由InGaP和 GaAs(針對GaAs襯底)組成，但也可使用與晶格常數和能帶隙要求一致的任何其它合適 的材料。因此，子電池B可由GaAs、 GalnP、 GalnAs、 GaAsSb或GalnAsN發射極區和GaAs、 GalnAs、GaAsSb或GalnAsN基極區組成。將結合圖20來論述根據本發明的層111和112的 摻雜分布。 在先前所揭示的倒置變質太陽能電池的實施方案中，中間電池是同質結構。在本 發明中，類似於第12/023， 772號美國專利申請案中所揭示的結構，中間子電池變為異質結 構，其中InGaP發射極及其窗口從InAlP轉換為InGaP。此修改消除了中間子電池的窗口 / 發射極界面處的折射率不連續性，如2008年10月24日申請的第12/258， 190號美國專利申 請案中更全面地描述。另外，窗口層llO被摻雜的程度優選是發射極lll被摻雜的程度的 三倍，以將費米能級提升到更接近傳導能帶，且因此在窗口 /發射極界面處產生能帶彎曲， 其導致將少數載流子約束到發射極層。 在本發明的優選實施例中，中間子電池發射極具有等於頂部子電池發射極的能帶 隙，且第三子電池發射極具有比中間子電池的基極的能帶隙大的能帶隙。因此，在製造太陽 能電池並實施和操作後，中間子電池B或第三子電池C的發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的光子均將被吸收在電池B和C的基極中，所述基極與發射極 相比具有較窄的能帶隙。因此，使用異質結子電池的優點是(i)兩個子電池的短波長響應 將改進，以及(ii)大部分輻射更有效地被吸收，且被收集在較窄能帶隙的基極中。所述效 應將使L增加。 在電池B的頂部沉積BSF層113，其執行與BSF層109相同的功能。P++/n++隧道 二極體層114a和114b分別沉積在BSF層113上，類似於層109a和109b，從而形成用以將 子電池B連接到子電池C的歐姆電路元件。層114a優選由p++AlGaAs組成，且層114b優
選由！1++11^3 組成。 勢壘層115(優選由n型InGa(Al)P組成)在隧道二極體114a/114b上沉積到約 1. 0微米的厚度。此勢壘層意在防止貫穿式位錯在與進入中間和頂部子電池B和C中的生 長方向相對的方向上或在進入底部子電池A的生長方向上傳播，且在2007年9月24日申 請的共同待決的第11/860， 183號美國專利申請案中更明確地描述。 使用表面活性劑將變質層(或經分級夾層)116沉積在勢壘層115上。層116優 選是組分上呈階梯狀分級的一系列InGaAlAs層，優選具有單調改變的晶格常數，以便實現 從子電池B到子電池C的半導體結構中的晶格常數的逐漸轉變，同時使貫穿式位錯的發生 減到最少。層116的能帶隙在其整個厚度上是恆定的，優選約等於1. 5eV，或以其它方式與 略比中間子電池B的能帶隙大的值一致。經分級夾層的優選實施例還可表達為由(InxGai—x)yAl卜yAs組成，其中x和y經選擇以使得所述夾層的能帶隙保持恆定於約1. 50eV或其它適 當的能帶隙。 在變質層116的表面活性劑輔助式生長中，在層116的生長期間將合適的化學元 素引入到反應堆中，以改進所述層的表面特性。在優選實施例中，此元素可為摻雜劑或供電 子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，少量Se或Te併入變質層116中，且保留在完成的太 陽能電池中。儘管Se或Te是優選的n型摻雜劑原子，但也可使用其它非等電子表面活性 劑。 表面活性劑輔助式生長產生光滑得多或經平面化的表面。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的整體性質，所以表面活性劑的使用使活性區 中的貫穿式位錯減到最小，且因此改進總體太陽能電池效率。 作為對使用非等電子的替代方案，可使用等電子表面活性劑。術語"等電子"指代 例如銻(Sb)或鉍(Bi)等表面活性劑，因為此些元素與變質緩衝層中的InGaP的P原子或 InGaAlAs中的As原子具有相同數目的價電子。此Sb或Bi表面活性劑通常不會併入變質 層16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是最終的 太陽能電池中的最上或頂部子電池，其中"頂部"子電池B通常將具有1. 8eV到1. 9eV的能 帶隙，而夾層的能帶隙將保持恆定於1. 9eV。 在上文所述的萬拉斯等人的論文中所描述的倒置變質結構中，變質層由九個組分 上分級的InGaP階梯組成，其中每一階梯層具有0. 25微米的厚度。因此，萬拉斯等人的每 一層具有不同的能帶隙。在本發明的優選實施例中，層116由多個InGaAlAs層組成，其具 有單調改變的晶格常數，每一層具有相同的約1. 5eV的能帶隙。 利用例如InGaAlAs的恆定能帶隙材料的優點在於在標準的商業M0CVD反應堆 中，基於砷化物的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的輻射透明度。 儘管出於可製造性和輻射透明度的原因，本發明的優選實施例將多個InGaAlAs 層用於變質層116，但本發明的其它實施例可利用不同的材料系統來實現從子電池B到子 電池C的晶格常數改變。因此，使用組分上分級的InGaP的萬拉斯系統是本發明的第二實 施例。本發明的其它實施例可利用連續分級(而非階梯狀分級)的材料。更一般地說，經 分級夾層可由基於As、P、N、Sb的III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合以 下約束條件具有大於或等於第二太陽能電池的平面內晶格參數且小於或等於第三太陽能 電池的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的能帶隙能量的能 帶隙能量。 在本發明的另一實施例中，任選的第二勢壘層117可沉積在InGaAlAs變質層116
上。第二勢壘層117通常將具有與勢壘層115的組分不同的組分，且實質上執行防止貫穿
式位錯傳播的相同功能。在優選實施例中，勢壘層117為n+型GaInP。 優選由n+型GalnP組成的窗口層118接著沉積在勢壘層117上(或在沒有第二
勢壘層的情況下，直接沉積在層116上)。此窗口層操作以減少子電池"C"中的重組損耗。
所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結構中添加或刪
除額外的層。
在窗口層118的頂部沉積電池C的層n+型發射極層119和p型基極層120。這些 層優選分別由n+型InGaAs和n+型InGaAs組成，或分別由n+型InGaP和p型InGaAs (針 對異質結子電池)組成，但也可使用與晶格常數和能帶隙要求一致的其它合適材料。將結 合圖20來論述層119和120的摻雜分布。 優選由InGaAlAs組成的BSF層121接著沉積在電池C的頂部，所述BSF層執行與 BSF層108和113相同的功能。 P++/n++隧道二極體層122a和122b分別沉積在BSF層121上，類似於層114a和 114b，從而形成用以將子電池C連接到子電池D的歐姆電路。層122a優選由P++InGaAlAS 組成，且層122b優選由n++InGaAlAs組成。 圖3描繪在下一序列的工藝步驟之後圖2的太陽能電池的橫截面圖。勢壘層 123 (優選由n型GalnP組成)在隧道二極體122a/122b上沉積到約1. 0微米的厚度。此勢 壘層意在防止貫穿式位錯在與進入頂部和中間子電池A、B和C的生長方向相對的方向上或 在進入子電池D的生長方向上傳播，且在2007年9月24日申請的共同待決的第11/860， 183 號美國專利申請案中更明確地描述。 使用表面活性劑將變質層(或經分級夾層)124沉積在勢壘層123上。層124優 選是組分上呈階梯分級的一系列的InGaAlAs層，優選具有單調改變的晶格常數，以便實現 從子電池C到子電池D的半導體結構中的晶格常數上的逐漸轉變，同時最少化貫穿式位錯 的發生。層124的能帶隙在其整個厚度上是恆定的，優選約等於1. leV，或另外與略比中 間子電池C的能帶隙大的值一致。分經分級夾層的優選實施例還可表達為包含(InxGai—x) yAl卜yAs，其中x和y經選擇以使得所述夾層的能帶隙保持恆定於約1. leV或其它適當的能 帶隙。 在變質層124的表面活性劑輔助式生長中，在層124的生長期間將合適的化學元 素引入到反應堆中以改進所述層的表面特性。在優選實施例中，所述元素可為摻雜劑或供 電子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，小量Se或Te併入變質層124中，且保持在完成的 太陽能電池中。雖然Se或Te是優選的n型摻雜劑原子，但也可使用其它非等電子表面活 性劑。 優選包含n+型InGaAlAs的窗口層125隨後沉積於層124(或沉積於第二勢壘層 上，在有一個勢壘層的情況下，沉積於層124上)上。此窗口層操作以減少第四子電池"D" 中的重組損耗。所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結 構中添加或刪除額外的層。 圖4描繪在下一序列的工藝步驟之後圖3的太陽能電池的橫截面圖。在窗口層125 的頂部上沉積電池D的層n+發射極層126和p型基極層127。這些層優選分別包含n+型 InGaAs和p型InGaAs，或n+型InGaP和p型InGaAs (對於異質結子電池)，但也可使用與 晶格常數和能帶隙要求一致的另外合適的材料。將結合圖20論述層126和127的摻雜分 布。 接下來轉向圖5，隨後在電池D的頂部上沉積BSF層128(優選包含p+型 InGaAlAs)，所述BSF層執行與BSF層108、 113和121相同的功能。 最終，高能帶隙接觸層129 (優選包含p++型InGaAlAs)沉積於BSF層128上。
位於多結光伏電池中的最低能帶隙光伏電池(即，所描繪實施例中的子電池"D")的底部(未照射)側處的此接觸層129的組分可經公式化以減少穿過電池的光的吸收，使 得(i)位於其下方(在未照射側)的背側歐姆金屬接觸層也將充當鏡面層，以及(ii)接觸 層不必被選擇性地蝕刻掉，以防止吸收。 所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結構中 添加或刪除額外的層。 在窗口層110的頂部上沉積子電池B的層n型發射極層111和p型基極層112。 這些層優選分別包含InGaP和In。.。15GaAs (對於Ge襯底或生長模板)，或分別包含InGaP和 GaAs (對於GaAs襯底)，但也可使用與晶格常數和能帶隙要求一致的任何其它合適的材料。 因此，子電池B可包含GaAs、 GalnP、 GalnAs、 GaAsSb或GalnAsN發射極區和GaAs、 GaInAs、 GaAsSb或GalnAsN基極區。將結合圖20論述根據本發明的層111和112的摻雜分布。
在先前所揭示的倒置變質太陽能電池的實施方案中，中間電池是同質結構。在本 發明中，類似於第12/023， 772號美國專利申請案中所揭示的結構，中間子電池變為異質結 構，其中InGaP發射極和其窗口從InAlP轉換為InGaP。此修改消除了中間子電池的窗口 / 發射極界面處的折射率不連續性，如2008年10月24日申請的第12/258， 190號美國專利 申請案中更全面地描述。另外，窗口層IIO優選經摻雜得是發射極111的三倍，以將費爾米 水平提升到更接近導電帶，且因此在窗口 /發射極界面處產生帶彎曲，其導致將少數載流 子約束到發射極層。 在本發明的優選實施例中，中間子電池發射極具有等於頂部子電池發射極的能帶 隙，且第三子電池發射極具有比中間子電池的基極的能帶隙大的能帶隙。因此，在製造了太 陽能電池並實施和操作後，中間子電池B或第三子電池C的發射極將均不暴露於可吸收的 輻射。大體上所有表示可吸收輻射的光子將被吸收於B和C的基極中，所述基極具有比發 射極窄的能帶隙。因此，使用異質結子電池的優點是(i)兩個子電池的短波長響應將得以 改進，以及(ii)輻射主體更有效地被吸收和收集於較窄能帶隙的基極中。所述效果將增加
JsC o 在電池B的頂部上沉積BSF層113，其執行與BSF層109相同的功能。P++/n++隧 道二極體層114a和114b分別沉積於BSF層113上，類似於層109a和109b，從而形成用以 將子電池B連接到子電池C的歐姆電路。層114￡1優選包含。++八16^8，且層114b優選包含 n++InGaP。 勢壘層115(優選包含n型InGa(Al)P)在隧道二極體114a/114b上沉積到約1. 0 微米的厚度。此勢壘層既定防止在與生長進入中間和頂部子電池B和C的方向相對的方向 上或在生長進入底部子電池A的方向上傳播貫穿式位錯，且在2007年9月24日申請的第 11/860， 183號共同待決的美國專利申請案中更特定地描述。 使用表面活性劑將變質層(或經分級夾層)116沉積於勢壘層115上。層116優 選是組分上呈階梯狀分級的一系列的InGaAlAs層，優選具有單調改變的晶格常數，以便實 現從子電池B到子電池C的半導體結構中的晶格常數上的逐漸轉變，同時最少化貫穿式位 錯的發生。層116的能帶隙在其整個厚度上是恆定的，優選約等於1.5eV，或另外與略比 中間子電池B的能帶隙大的值一致。經分級夾層的優選實施例還可表達為包含(InxGai—x) yAl卜yAs，其中x和y經選擇以使得所述夾層的能帶隙保持恆定於約1. 5eV或其它適當的能 帶隙。
13
在變質層116的表面活性劑輔助式生長中，在層116的生長期間將合適的化學元 素引入到反應堆中以改進所述層的表面特性。在優選實施例中，所述元素可為摻雜劑或供 電子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，小量Se或Te併入變質層116中，且保持在完成的 太陽能電池中。雖然Se或Te是優選的n型摻雜劑原子，但也可使用其它非等電子表面活 性劑。 表面活性劑輔助式生長導致光滑得多或經平面化的表面。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的主體性質，所以表面活性劑的使用最少化活 性區中的貫穿式位錯，且因此改進整體太陽能電池的效率。 作為對使用非等電子的替代方案，可使用等電子表面活性劑。術語"等電子"涉及 例如銻(Sb)或鉍(Bi)等表面活性劑，因為所述元素具有與變質緩衝層中的InGaP的P原 子或InGaAlAs中的As原子相同數目的價電子。所述Sb或Bi將通常不併入變質層16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是最終的 太陽能電池中的最上或頂部的子電池，其中"頂部"子電池B將通常具有1. 8eV到1. 9eV的 能帶隙，而夾層的能帶隙將保持恆定於1. 9eV。 在上文所述的萬拉斯等人的論文中所描述的倒置變質結構中，變質層由九個組分 上分級的InGaP階梯組成，其中每一階梯層具有0. 25微米的厚度。因此，萬拉斯等人的每 一層具有不同的能帶隙。在本發明的優選實施例中，層116包含多個InGaAlAs層，其具有 單調改變的晶格常數，每一層具有相同的約1. 5eV的能帶隙。 利用例如InGaAlAs等恆定能帶隙材料的優點在於在標準的商業M0CVD反應堆 中，基於砷化物的半導體材料容易處理得多，同時小量的鋁確保變質層的輻射透明度。
雖然出於可製造性和輻射透明度的原因，本發明的優選實施例利用多個InGaAlAs 層來用於變質層116，但本發明的其它實施例可利用不同的材料系統來實現從子電池B到 子電池C的晶格常數上的改變。因此，使用組分上分級的InGaP的萬拉斯系統是本發明的 第二實施例。本發明的其它實施例可利用連續分級(與階梯分級相對)的材料。更一般來 說，經分級夾層可由基於As、 P、 N的III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合 以下約束條件具有大於或等於第二太陽能電池的平面內晶格參數且小於或等於第三太陽 能電池的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的能帶隙能量的 能帶隙能量。 在本發明的另一實施例中，任選的第二勢壘層117可沉積於InGaAlAs變質層116
上。第二勢壘層117將通常具有與勢壘層115的組分不同的組分，且實質上執行防止傳播
貫穿式位錯的相同功能。在優選實施例中，勢壘層117為n+型GalnP。 優選包含n+型GalnP的窗口層118隨後沉積於勢壘層117 (或在沒有第二勢壘層
的情況下，直接沉積於層116上)上。此窗口層操作以減少子電池"C"中的重組損耗。所
屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結構中添加或刪除
額外的層。 在窗口層118的頂部上沉積電池C的層n+型發射極層119和p型基極層120。 這些層優選分別包含n+型InGaAs和n+型InGaAs，或n+型InGaP和p型GaAs (對於異質 結子電池)，但也可使用與晶格常數和能帶隙要求一致的其它合適的材料。將結合圖20論 述層119和120的摻雜分布。
優選包含InGaAlAs的BSF層121隨後沉積於電池C的頂部上，所述BSF層執行與 BSF層108和113相同的功能。
++/!1++隧道二極體層122a和122b分別沉積於BSF層121上，類似於層114a 和114b，從而形成用以將子電池C連接到子電池D的歐姆電路。層122a優選包含 p++InGaAlAs，且層122b優選包含n++InGaAlAs。 圖3描繪在下一序列的工藝步驟之後圖2的太陽能電池的橫截面圖。勢壘層 123 (優選包含n型GalnP)在隧道二極體122a/122b上沉積到約1. 0微米的厚度。此勢壘 層既定防止在與生長進入頂部和中間子電池A、B和C的方向相對的方向上或在生長進入子 電池D的方向上傳播貫穿式位錯，且在2007年9月24日申請的第11/860， 183號共同待決 的美國專利申請案中更特定地描述。 使用表面活性劑將變質層(或經分級夾層)124沉積於勢壘層123上。層124優 選是組分上呈階梯狀分級的一系列InGaAlAs層，優選具有單調改變的晶格常數，以便實現 從子電池C到子電池D的半導體結構中的晶格常數的逐漸轉變，同時使貫穿式位錯的發生 減到最少。層124的能帶隙在其整個厚度上是恆定的，優選約等於1. leV，或以其它方式與 略比中間子電池C的能帶隙大的值一致。經分級夾層的優選實施例還可表達為由(InxGai—x) yAl卜yAs組成，其中x和y經選擇以使得所述夾層的能帶隙保持恆定於約1. leV或其它適當 的能帶隙。 在變質層124的表面活性劑輔助式生長中，在層124的生長期間將合適的化學元 素引入到反應堆中，以改進所述層的表面特性。在優選實施例中，此元素可為摻雜劑或供電 子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，少量Se或Te併入變質層124中，且保留在完成的太 陽能電池中。儘管Se或Te是優選的n型摻雜劑原子，但也可使用其它非等電子表面活性 劑。 優選由n+型InGaAlAs組成的窗口層125接著沉積在層124上(或沉積在第二勢 壘層上，如果存在一個勢壘層，那麼沉積在層124上)。此窗口層操作以減少第四子電池"D" 中的重組損耗。所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結 構中添加或刪除額外的層。 圖4描繪在下一序列的工藝步驟之後圖3的太陽能電池的橫截面圖。在窗口層 125的頂部沉積電池D的層n+發射極層126和p型基極層127。這些層優選分別由n+型 InGaAs和p型InGaAs組成，或分別由n+型InGaP和p型InGaAs (針對異質結子電池)組 成，但也可使用與晶格常數和能帶隙要求一致的其它合適材料。將結合圖20來論述層126 和127的摻雜分布。 接下來轉向圖5，接著在電池D的頂部沉積BSF層128(優選由p+型InGaAlAs組 成)，所述BSF層執行與BSF層108、113和121相同的功能。 最終，高能帶隙接觸層129 (優選由p++型InGaAlAs組成)沉積在BSF層128上。
位於多結光伏電池中的最低能帶隙光伏電池(即，所描繪實施例中的子電池"D") 的底部(未照明)側處的此接觸層129的組分可經配製以減少穿過電池的光的吸收，使得 (i)位於其下方(在未照明側)的背側歐姆金屬接觸層還將充當鏡面層，以及(ii)不必選 擇性地蝕刻掉接觸層，以防止吸收。 所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明的範圍的情況下，可在電池結構中添加或刪除額外的層。 圖6是在下一工藝步驟之後圖5的太陽能電池的橫截面圖，其中金屬接觸層123
沉積在P+半導體接觸層122上。所述金屬優選是金屬層Ti/Au/Ag/Au的序列。 而且，所選擇的金屬接觸方案是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。這樣做使得(1)不必在金屬接觸區域中沉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是在下一工藝步驟之後圖3的太陽能電池的橫截面圖，其中粘合層131沉積
在金屬層130上。粘合劑優選為晶片接合(Wafer Bond)(由密蘇裡州羅拉市的布魯爾科技
公司(Brewer Science, Inc)製造)。 在下一工藝步驟中，附著代用襯底132，優選為藍寶石。或者，代用襯底可為GaAs、 Ge或Si或其它合適材料。代用襯底的厚度為約40密耳，且被穿孔有直徑約lmm、相隔4mm 的孔，以輔助粘合劑和襯底的後續移除。作為使用粘合層131的替代方案，合適的襯底(例 如，GaAs)可低共熔或永久地接合到金屬層130。 圖8A是在下一工藝步驟之後圖7的太陽能電池的橫截面圖，其中通過研磨和/或 蝕刻步驟的序列來移除原始襯底，其中移除襯底101和緩衝層103。特定蝕刻劑的選擇取決 於生長襯底。 圖8B是圖8A的太陽能電池的橫截面圖，其中代用襯底132的定向在圖的底部。本 申請案中的後續圖將假定此定向。 圖9是圖8B的太陽能電池的簡化橫截面圖，其僅描繪代用襯底132上的少數幾個 頂部層和下部層。 圖10是在下一工藝步驟之後圖9的太陽能電池的橫截面圖，其中通過HC1/H20溶 液來移除蝕刻終止層103。 圖11是在下一序列的工藝步驟之後圖10的太陽能電池的橫截面圖，其中光致抗 蝕劑掩膜(未圖示)被放置在接觸層104上以形成柵格線501。如下文將更詳細地描述，柵 格線501經由蒸鍍而沉積並以光刻方式圖案化並沉積在接觸層104上。所述掩膜隨後被剝 離以形成完成的金屬柵格線501，如圖中所描繪。 如以引用的方式併入本文中的2008年7月18日申請的第12/218， 582號美國專 利申請案中更全面地描述，柵格線501優選由Pd/Ge/Ti/Pd/Au組成，但也可使用其它合適 材料。 圖12是在下一工藝步驟之後圖11的太陽能電池的橫截面圖，其中使用檸檬酸/
過氧化氫蝕刻混合物將柵格線用作掩膜來將表面向下蝕刻到窗口層105 。 圖13A是其中實施了四個太陽能電池的晶片的俯視平面圖。對四個電池的描繪僅
是出於說明目的，且本發明不限於每晶片任何特定數目個電池。 在每一電池中，存在柵格線501 (在圖9中以橫截面更明確地展示)、互連總線502 和接觸墊503。柵格和總線以及接觸墊的幾何形狀和數目是說明性的，且本發明不限於所說 明的實施例。 圖13B是具有圖13A中所示的四個太陽能電池的晶片的仰視平面圖； 圖14是在下一工藝步驟之後圖12的太陽能電池的橫截面圖，其中將抗反射(ARC)
介電塗層130塗施在具有柵格線501的晶片的"底部"側的整個表面上。
圖15是根據本發明在下一工藝步驟之後圖14的太陽能電池的橫截面圖，其中使 用磷化物和砷化物蝕刻劑將第一環形溝道510和第二環形溝道511或半導體結構的部分向 下蝕刻到金屬層130。這些溝道界定電池與晶片的其餘部分之間的外圍邊界，且留下構成太 陽能電池的臺面結構。圖15中所描繪的橫截面是如從圖17中所示的A-A平面所見的橫截 面。在優選實施例中，溝道510大體上比溝道511寬。 圖16是在下一工藝步驟之後圖15的太陽能電池的橫截面圖，其中溝道511暴露 於金屬蝕刻劑，且金屬層130的位於溝道511的底部的部分被移除。溝道511的深度因此 大致延伸到粘合層131的頂部表面。 圖17是圖16的晶片的俯視平面圖，其描繪蝕刻在每一電池的周邊周圍的溝道510 和511。 圖18A是在本發明的第一實施例中的下一工藝步驟之後圖16的太陽能電池的橫 截面圖，其中通過拋光、研磨或蝕刻來使代用襯底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(例如下文將描述的第二實施例中所提供)的應用中，薄層 132a形成用於太陽能電池的支撐件。在此實施例中，可通過溝道510或通過其它通路結構 形成與金屬接觸層130的電接觸。 圖18B是在本發明的第二實施例中的下一工藝步驟之後圖16的太陽能電池的橫 截面圖，其中蓋玻璃514通過粘合劑513緊固到電池的頂部。蓋玻璃514優選覆蓋整個溝 道510，但不延伸到電池的在溝道511附近的周邊。儘管使用蓋玻璃是優選實施例，但並不 是所有實施方案所必需的，且還可利用額外的層或結構來提供對太陽能電池的額外支撐或 環境保護。 圖19是在本發明的下一工藝步驟之後圖18的太陽能電池的橫截面圖，其中晶片 的粘合層131、代用襯底132和周邊部分512被全部移除，在溝道510的區中斷開，僅留下頂 部具有蓋玻璃514 (或其它層或結構)且底部具有金屬接觸層130的太陽能電池，所述金屬 接觸層130形成太陽能電池的背側觸點。優選通過使用蝕刻劑EKC 922來移除代用襯底。 如上文所述，代用襯底在其表面上包含穿孔，其允許蝕刻劑流經代用襯底132以準許其剝 離。代用襯底可在後續的晶片處理操作中再次使用。 圖20是本發明的倒置變質多結太陽能電池的一個或一個以上子電池中的發射極 層和基極層中的摻雜分布的曲線圖。以引用的方式併入本文中的2007年12月13日申請 的共同待決的第11/956,069號美國專利申請案中更明確地描述在本發明的範圍內的各種 摻雜分布以及此些摻雜分布的優點。本文中所描繪的摻雜分布僅是說明性的，如所屬領域 的技術人員將明白，可在不脫離本發明的範圍的情況下，利用其它更複雜的分布。
圖21是描繪根據本發明而製造的測試太陽能電池中的一者的電流和電壓特性的 曲線圖。在此測試電池中，下部第四子電池具有在約0. 6eV到0. 8eV的範圍內的能帶隙， 第三子電池具有在約0. 9eV到1. leV的範圍內的能帶隙，第二子電池具有在約1. 35eV到 1. 45eV的範圍內的能帶隙，且上部子電池具有在1. 8eV到2. leV的範圍內的能帶隙。所述 太陽能電池被測得具有約3. 265伏的開路電壓(V。。)，約16. 26mA/cm2的短路電流、約82% 的填充因數和32. 2%的效率。 圖22是表示各種GalnAlAs材料的依據Al、 In和Ga的相對濃度而變的能帶隙範 圍的圖。此圖說明可如何通過適當選擇A1、 In和Ga的相對濃度來設計對用於變質層中的GalnAlAs層的恆定能帶隙序列的選擇，以滿足每一連續層的不同晶格常數要求。因此，不管1. 5eV還是1. leV還是其它能帶隙值是所要的恆定能帶隙，所述圖都說明每一能帶隙的連續曲線，其表示成分比例隨著晶格常數改變而遞增地改變，以使所述層具有所需的能帶隙和晶格常數。 圖23是通過表示GalnAlAs材料中的實現恆定1. 5eV能帶隙所必需的Ga摩爾分數對Al與In的摩爾分數來進一步說明對用於變質層中的GalnAlAs層的恆定能帶隙序列的選擇的曲線圖。 圖24是通過表示GalnAlAs材料中的實現恆定1. 5eV能帶隙能帶隙所必需的摩爾分數對晶格常數來進一步說明對用於變質層中的GalnAlAs層的恆定能帶隙序列的選擇的曲線圖。 將理解，上文所描述的元素中的每一者或兩者或兩者以上一起還可在與上文所描述的構造類型不同的其它類型構造中得到有用應用。 儘管本發明的優選實施例利用四個子電池的垂直堆疊，但本發明可應用於具有更少或更多數目的子電池(即，兩結電池、三結電池、五結電池等)的堆疊。在四個或四個以上結的電池的情況下，還可利用一個以上變質分級夾層的使用。 另外，儘管本發明的實施例配置有頂部和底部電觸點，但可替代地藉助於到子電池之間的側嚮導電半導體層的金屬觸點來接觸子電池。此些布置可用於形成3端子、4端子，且一般來說，n端子裝置。可使用這些額外端子來將子電池互連在電路中，使得可有效地使用每一子電池中的大多數可用光生電流密度，從而產生多結電池的高效率，但光生電流密度在各個子電池中通常是不同的。 如上文所述，本發明可利用一個或一個以上或所有同質結電池或子電池(即，其中在P型半導體與n型半導體之間形成p-n結的電池或子電池，所述兩個半導體具有相同的化學組分和相同的能帶隙，不同之處僅在於摻雜劑種類和類型)以及一個或一個以上異質結電池或子電池的布置。具有P型和n型InGaP的子電池A是同質結子電池的一個實例。或者，如2008年1月31日申請的第12/023， 772號美國專利申請案中更明確地描述，本發明可利用一個或一個以上或所有異質結電池或子電池，即其中在P型半導體與n型半導體之間形成p-n結的電池或子電池，其中除了在形成p-n結的p型區和n型區中利用不同的摻雜劑種類和類型之外，所述半導體在n型區中具有不同化學組分的半導體材料，且/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"本徵層"可放置在發射極層與基極層之間，其與發射極層或基極層具有相同或不同的組分。本徵層可用以抑制空間電荷區中的少數載流子重組。類似地，基極層或發射極層在其部分或全部厚度上還可為本徵的或被無意摻雜的("NID")。 窗口層或BSF層的組分可利用符合晶格常數和能帶隙要求的其它半導體化合物，且可包含AlInP、 AlAs、 A1P、 AlGalnP、 AlGaAsP、 AlGalnAs、 AlGalnPAs、 GalnP、 GalnAs、GalnPAs 、 AlGaAs 、 AlInAs 、 AlInPAs 、 GaAsSb 、 AlAsSb 、 GaAlAsSb 、 AlInSb 、 GalnSb 、 AlGalnSb 、AIN、 GaN、 InN、 GalnN、 AlGalnN、 GalnNAs、 AlGalnNAs、 ZnSSe、 CdSSe，以及類似材料，且仍屬於本發明的精神。 雖然已將本發明說明和描述為在倒置變質多結太陽能電池中體現，但不希望本發明限於所示的細節，因為在不以任何方式脫離本發明的精神的情況下，可作出各種修改和結構改變。 因此，雖然本發明的描述已主要集中在太陽能電池或光伏裝置上，但所屬領域的技術人員知道，其它光電裝置(例如，熱光伏(TPV)電池、光電檢測器和發光二極體(LED))在結構、物理學和材料上非常類似於光伏裝置，其中在摻雜和少數載流子壽命方面有一些微小變化。舉例來說，光電檢測器可與上文所描述的光伏裝置具有相同的材料和結構，但可能被較輕地摻雜以獲得靈敏度而不是產生電力。另一方面，LED也可被製成具有類似的結構和材料，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不是電力的輻射壽命。因此，本發明還應用於具有上文針對光伏電池而描述的結構、物質組分、製造物件和改進的光電檢測器和LED。 在沒有進一步分析的情況下，上述內容將很全面地揭露本發明的要點，以致他人可通過應用當前知識，在不省略從現有技術的角度來看相當大地構成本發明的一般或特定方面的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所附權利要求書的均等物的含義和範圍內。
權利要求
一種多結太陽能電池，其包括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，其鄰近於所述第一太陽能子電池，且具有比所述第一能帶隙小的第二能帶隙；第一經分級夾層，其鄰近於所述第二太陽能子電池；所述第一經分級夾層具有比所述第二能帶隙大的第三能帶隙；以及第三太陽能子電池，其鄰近於所述第一經分級夾層，所述第三子電池具有比所述第二能帶隙小的第四能帶隙，使得所述第三子電池相對於所述第二子電池晶格失配；第二經分級夾層，其鄰近於所述第三太陽能子電池；所述第二經分級夾層具有比所述第四能帶隙大的第五能帶隙；以及下部第四太陽能子電池，其鄰近於所述第二經分級夾層，所述下部子電池具有比所述第四能帶隙小的第六能帶隙，使得所述第四子電池相對於所述第三子電池晶格失配。
2. 根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其中所述第一經分級夾層在組分上經分級 以在一側上與所述第二子電池晶格匹配，且在另一側上與所述第三子電池晶格匹配。
3. 根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其中所述第二經分級夾層在組分上經分級 以在一側上與所述第三子電池晶格匹配，且在另一側上與底部第四子電池晶格匹配。
4. 根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其中所述第一經分級夾層由基於As、P、N、 Sb的III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合以下約束條件具有大於或等 於所述第二子電池的平面內晶格參數且小於或等於所述第三子電池的平面內晶格參數的 平面內晶格參數且具有大於所述第二子電池的能帶隙能量和所述第三子電池的能帶隙能 量的能帶隙能量。
5. 根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其中所述第二經分級夾層由基於As、P、N、 Sb的III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合以下約束條件具有大於或等 於所述第三子電池的平面內晶格參數且小於或等於所述底部第四子電池的平面內晶格參 數的平面內晶格參數且具有大於所述第三子電池的能帶隙能量和所述第四子電池的能帶 隙能量的能帶隙能量。
6. 根據權利要求l所述的多結太陽能電池，其中所述第一和第二經分級夾層由 (In,Ga卜》yAlhyAs組成，其中x和y經選擇以使得每一夾層的所述能帶隙在其整個厚度上保 持恆定。
7. 根據權利要求6所述的多結太陽能電池，其中所述第一經分級夾層的所述能帶隙保 持恆定於1. 5eV。
8. 根據權利要求6所述的多結太陽能電池，其中所述第二經分級夾層的所述能帶隙保 持恆定於1. leV。
9. 根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其中所述上部子電池由InGaP發射極層和 InGaP基極層組成，所述第二子電池由InGaP發射極層和GaAs基極層組成，所述第三子電池 由InGaP發射極層和InGaAs基極層組成，且所述底部第四子電池由InGaAs基極層和與所 述基極晶格匹配的InGaAs發射極層組成。
10. 根據權利要求l所述的多結太陽能電池，其中所述下部第四子電池具有在約0.6eV 到0. 8eV的範圍內的能帶隙，所述第三子電池具有在約0. 9eV到1. leV的範圍內的能帶隙，所述第二子電池具有在約1.35eV到1.45eV的範圍內的能帶隙，且所述上部子電池具有在 1. 8eV到2. leV的範圍內的能帶隙。
11. 一種製造太陽能電池的方法，其包括 提供第一襯底；在所述第一襯底上形成具有第一能帶隙的上部第一太陽能子電池； 形成鄰近於所述第一太陽能子電池且具有比所述第一能帶隙小的第二能帶隙的第二 太陽能子電池；形成鄰近於所述第二太陽能子電池的第一經分級夾層；所述第一經分級夾層具有比所 述第二能帶隙大的第三能帶隙；形成鄰近於所述第一經分級夾層的第三太陽能子電池，所述第三子電池具有比所述第 二能帶隙小的第四能帶隙，使得所述第三子電池相對於所述第二子電池晶格失配；形成鄰近於所述第三太陽能子電池的第二經分級夾層；所述第二經分級夾層具有比所 述第四能帶隙大的第五能帶隙；形成鄰近於所述第二經分級夾層的下部第四太陽能子電池，所述下部子電池具有比所 述第四能帶隙小的第六能帶隙，使得所述第四子電池相對於所述第三子電池晶格失配；將代用襯底安裝在第四太陽能子電池的頂部；以及移除所述第一襯底。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述下部第四子電池具有在0. 6eV到0. 8eV的 範圍內的能帶隙；所述第三子電池具有在0. 9eV到1. leV的範圍內的能帶隙，所述第二子電 池具有在1. 35eV到1. 45eV的範圍內的能帶隙，且所述第一子電池具有在1. 8eV到2. leV 的範圍內的能帶隙。
13. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一襯底由砷化鎵或鍺組成，且所述代用 襯底由藍寶石、GaAs、Ge或Si組成。
14. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一經分級夾層在組分上經分級以在一側 上與所述第二子電池晶格匹配且在另一側上與所述第三子電池晶格匹配，且所述第二經分 級夾層在組分上經分級以在一側上與所述第三子電池晶格匹配且在另一側上與所述底部 第四子電池晶格匹配。
15. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一經分級夾層由基於As、 P、 N、 Sb的 III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合以下約束條件具有大於或等於所 述第二子電池的平面內晶格參數且小於或等於所述第三子電池的平面內晶格參數的平面 內晶格參數且具有大於所述第二子電池的能帶隙能量和所述第三子電池的能帶隙能量的 能帶隙能量。
16. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第二經分級夾層由基於As、 P、 N、 Sb的 III-V化合物半導體中的任一者組成，所述半導體符合以下約束條件具有大於或等於所 述第三子電池的平面內晶格參數且小於或等於所述底部第四子電池的平面內晶格參數的 平面內晶格參數且具有大於所述第三子電池的能帶隙能量和所述第四子電池的能帶隙能 量的能帶隙能量。
17. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述第一和第二經分級夾層由(InxGai—x) /1卜yAs組成，其中x和y經選擇以使得每一夾層的所述能帶隙在其整個厚度上保持恆定。
18. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一經分級夾層的所述能帶隙保持恆定於 1. 5eV，且所述第二經分級夾層的所述能帶隙保持恆定於1. leV。
19. 根據權利要求11所述的方法，其中所述第一子電池由且InGaP發射極層和InGaP 基極層組成，所述第二子電池由InGaP發射極層和GaAs基極層組成，所述第三子電池由 InGaP發射極層和InGaAs基極層組成，且所述底部第四子電池由InGaAs基極層和與所述基 極層晶格匹配的InGaAs發射極層組成。
20. —種製造太陽能電池的方法，其包括 提供第一襯底；在第一襯底上沉積第一序列的半導體材料層，從而形成第一和第二太陽能電池； 在所述第一和第二太陽能電池上沉積第一分級夾層；在所述第一分級夾層上沉積第二序列的半導體材料層，其包含第二分級夾層以及第三 和第四太陽能電池；將代用襯底安裝並接合在所述層序列的頂部；以及 移除所述第一襯底。
全文摘要
本申請案涉及一種具有兩個變質層的四結倒置變質多結太陽能電池。本發明提供一種多結太陽能電池，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，其鄰近於所述第一太陽能子電池且具有比所述第一能帶隙小的第二能帶隙；第一經分級夾層，其鄰近於所述第二太陽能子電池；所述第一經分級夾層具有比所述第二能帶隙大的第三能帶隙；以及第三太陽能子電池，其鄰近於所述第一經分級夾層，所述第三子電池具有比所述第二能帶隙小的第四能帶隙，使得所述第三子電池相對於所述第二子電池晶格失配。鄰近於所述第三太陽能子電池提供第二經分級夾層；所述第二經分級夾層具有比所述第四能帶隙大的第五能帶隙；且鄰近於所述第二經分級夾層提供下部第四太陽能子電池，所述下部第四子電池具有比所述第四能帶隙小的第六能帶隙，使得所述第四子電池相對於所述第三子電池晶格失配。
文檔編號H01L31/078GK101740647SQ20091022361
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月13日 優先權日2008年11月14日
發明者班傑明·丘, 阿瑟·科恩費爾德 申請人:安科太陽能公司