專利名稱：包含具有分級摻雜的稀釋氮化物子電池的多結(jié)太陽能電池的制作方法
包含具有分級摻雜的稀釋氮化物子電池的多結(jié)太陽能電池
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及太陽能電池設(shè)計，尤其涉及采用稀釋氮化物的多結(jié)太陽能電池。最高太陽能電池效率已知由包括II1-V半導(dǎo)體合金的多結(jié)(MJ)太陽能電池產(chǎn)生。多結(jié)太陽能電池的較高效率使這些設(shè)備對于陸地集中光伏系統(tǒng)和被設(shè)計為在外太空中運轉(zhuǎn)的天體系統(tǒng)來說具有吸引力。多結(jié)太陽能電池在等效于幾百個太陽的濃度下已經(jīng)達(dá)到了41.6%的效率。當(dāng)前，最高效率的設(shè)備具有三個結(jié)并且與它們的結(jié)構(gòu)晶格匹配或者包含不被晶格匹配的變質(zhì)層。在其它因素相同的情況下，晶格匹配的系統(tǒng)是優(yōu)選的，因為它們已經(jīng)證明了可靠性并且與需要厚緩沖層來適應(yīng)相鄰材料的不同晶格常數(shù)的變質(zhì)的太陽能電池相比幾乎不需要半導(dǎo)體材料。稀釋氮化物是一類具有小部分(例如，< 5原子百分比)氮化物的II1-V合金材料(具有來自周期表上的III族連同來自周期表上的V族一個或多個元素的合金)。這些合金對多結(jié)太陽能電池來說是感興趣的，因為它們與感興趣的基底(包括GaAs和Ge)晶格匹配。此外，對于稀釋氮化物材料，可實現(xiàn)IeV的帶隙，這對于集成至具有實質(zhì)效率改善的多結(jié)太陽能電池來說是理想的。GaInNAs、GaNAsSb和GaInNAsSb是已經(jīng)被研究作為對于多結(jié)太陽能電池可能有用的幾種稀釋氮化物材料(見，例如A.J.Ptak等人的Journal of Applied Physics(應(yīng)用物理期刊)98 (2005) 094501 和 Yoon 等人的Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)(光伏專家會議)，200934th IEEE, pp76-80, 7-12,6 月 2009 ;do1:10.1109/PVSC.2009.5411736)。此外，四結(jié)GalnP/GaAs/稀釋氮化物/Ge太陽能電池結(jié)構(gòu)的使用保持效率超過標(biāo)準(zhǔn)變質(zhì)和晶格匹配的三結(jié)電池的效率的承諾，三結(jié)電池的效率當(dāng)前是高效多結(jié)電池性能的基準(zhǔn)。(Friedman 等人的 Progress in Photovoltaics:Research and Applications (光伏學(xué)的進(jìn)展:研究和應(yīng)用)10(2002)，331)。為了使該承諾實現(xiàn)，所需的是與具有接近IeV帶隙的GaAs和Ge晶格匹配并且產(chǎn)生大于0.3V的開路電壓以及足夠電流以匹配多結(jié)太陽能電池中的(Al) InGaP和(In)GaAs的材料。應(yīng)注意，用于陸地用途的多結(jié)太陽能電池被集成至集中的光伏系統(tǒng)內(nèi)。這種系統(tǒng)采用由使太陽光集中至太陽能電池的盤狀反射器或菲涅耳透鏡構(gòu)成的集中光學(xué)器件。集中器的光學(xué)器件可以使位于對稀釋氮化物電池不利的具體波長區(qū)域中的光衰減。在稀釋氮化物電池中生成更高電流因此至關(guān)重要，故由于集中器光學(xué)器件導(dǎo)致的任何損失都不影響多結(jié)太陽能電池的性能。在多結(jié)太陽能電池中，子電池中的每一個均以串聯(lián)方式附接至另一個子電池，通常使用隧道結(jié)二極管來將單個子電池彼此連接。由于由整堆子電池生成的總電流必須穿過所有子電池，故對于整個堆疊來說，流過最少量電流的子電池將是電流限制性電池，并且通過相同的原則，該電池是效率限制性電池。因此，每個子電池與該堆疊中的其它子電池電流匹配以獲得最佳效率是最重要的。這在將使用稀釋氮化物子電池情況下特別重要，因為稀釋氮化物半導(dǎo)體材料歷史上曾受到少數(shù)載流子傳輸性質(zhì)的困擾，該性質(zhì)被證明當(dāng)結(jié)合至更大太陽能電池中時是有害的。雖然稀釋氮化物合金具有使它們適用于多結(jié)結(jié)構(gòu)的其他性質(zhì)，尤其是靈活性，通過該靈活性，稀釋氮化物合金的帶隙和晶格常數(shù)可以作為它們的設(shè)計的一部分而被微調(diào)，這些子電池的最小載流子壽命和擴(kuò)散長度通常比傳統(tǒng)多結(jié)太陽能電池中所使用的傳統(tǒng)太陽能電池半導(dǎo)體諸如GaAs和InGaP更差，因此導(dǎo)致短路電流、開路電壓或二者的損失。此夕卜，背面場和稀釋氮化物子電池的基極之間的接觸面可具有高表面復(fù)合速度，這可進(jìn)一步減小子電池的短路電流和開路電壓。作為這些問題的結(jié)果，稀釋氮化物子電池中生成的光電流通常小于具有更多傳統(tǒng)材料的情況。(D.B.Jackrel等人的Journal of AppliedPhysics (應(yīng)用物理期刊)101(114916)2007)。太陽能電池中的摻雜物變化是已知的。見M.A.Green的Progress inPhotovoltaics:Research and Applications (光伏學(xué)的進(jìn)展:研究和應(yīng)用)17(2009)。第7，727，795號美國專利是在太陽能電池結(jié)構(gòu)的部分中使用指數(shù)摻雜的太陽能電池設(shè)計的示例，明顯針對在反向變質(zhì)和晶格不匹配的結(jié)構(gòu)中生長的多結(jié)太陽能電池。對稀釋氧化物子電池的應(yīng)用不被建議并且不是顯而易見的，由于稀釋氮化物的不規(guī)則特性。稀釋氧化物是一種新材料，其常常展示出與傳統(tǒng)半導(dǎo)體合金中所見的不同的行為。例如，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，根據(jù)合金成分彎曲的帶隙在稀釋氮化物中十分不同(例如，Wu等人的Semicondutor Science and Technology (半導(dǎo)體科學(xué)和技術(shù))17，860 (2002))。類似地，用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體諸如GaAs和InGaP的標(biāo)準(zhǔn)摻雜物和摻雜分布不產(chǎn)生比得上在稀釋氮化物半導(dǎo)體中的特性。例如，在稀釋氮化物中結(jié)合摻雜物具有反常行為。據(jù)Yu等人的論文報告，當(dāng)稀釋氮化物薄膜大量摻雜Si時，Si和N互相地鈍化彼此的電子活度(Yu等人的App.Phys.Lett.83，2844(2003))。類似地，Janotti 等人(Phys.Rev.Lett.100，045505(2008))建議，雖然在母體化合物GaAs和GaN中摻雜η型和ρ型的物理現(xiàn)象被良好建立，但摻雜GaASl_xNx合金可導(dǎo)致全新的現(xiàn)象。他們還指出，對在高于800°C的溫度下?lián)诫sSi的稀釋(In) GaAsN合金進(jìn)行快速熱退火能夠?qū)е码娮杪实募眲≡黾?。由于與摻雜分布和產(chǎn)出相關(guān)的不確定性，并且由于稀釋氮化物的唯一性質(zhì)，如何將文中教導(dǎo)的概念結(jié)合至采用部分受到受控?fù)诫s的稀釋氮化物元素的太陽能電池對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說不是顯而易見的。此外，由于摻雜稀釋氮化物合金的困難性，該文獻(xiàn)教導(dǎo)稀釋氮化物合金當(dāng)結(jié)合至太陽能電池結(jié)構(gòu)中時不應(yīng)被摻雜(即，應(yīng)為固有的)，以增強電流收集(Ptak等人的J.Appl.Phys.98，094501(2005) ;Volz 等人的 J.Crys.Growth310, 2222(2008))。相反，該文獻(xiàn)教導(dǎo)在稀釋氮化物太陽能電池的基極中使用摻雜物導(dǎo)致性能降低。眾所周知，如前所述，稀釋氮化物電池被認(rèn)為具有顯著的缺點，使得將它們結(jié)合至多結(jié)太陽能電池將導(dǎo)致該太陽能電池的效率的大量損失，因此使稀釋氮化物電池在商業(yè)上不如其他類型的材料具有吸引力。期望改善基于稀釋氮化物的子電池中的電流收集，而不存在短路電流、開路電壓或二者的伴隨損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，具有基于稀釋氮化物的子電池的晶格匹配的太陽能電池在稀釋氮化物層的所有或部分中具有分級摻雜分布，分級摻雜分布被定義為摻雜物的濃度從層的頂部向底部增加或減小的摻雜分布，其中頂部和底部相對于太陽能電池在工作中的定向定義，頂部最靠近輻射源。具體地，公開了具有至少一個稀釋氮化物子電池的太陽能電池，該至少一個稀釋氮化物子電池的基極或射極具有分級摻雜。在一個實施方式中，晶格匹配的多結(jié)太陽能電池具有上部子電池、中間子電池和下部稀釋氮化物子電池，下部稀釋氮化物子電池在基極和/或射極中具有分級摻在以改善其太陽能電池性能特性。在構(gòu)造中，稀釋氮化物子電池可具有最小帶隙被與基底晶格匹配；中間子電池通常具有比稀釋氮化物子電池更高的帶隙并且與稀釋氮化物子電池晶格匹配。上部子電池通常具有最高帶隙并且與相鄰子電池晶格匹配。在其它實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池可包括四個、五個或更多個子電池，其中一個或多個子電池可各自包含具有分級摻雜分布的稀釋氮化物合金。對所有這些實施方式來說共同的是在總性能與稀釋氮化物子電池的基極和/或射極中的垂直分布摻雜之間的重要函數(shù)關(guān)系。摻雜濃度可被選擇為具有位置依賴性，其中該依賴性根據(jù)基極或射極中的豎直位置改變。例如，摻雜可被設(shè)計為在基極中從頂部向底部線性地或指數(shù)地增加。以數(shù)學(xué)術(shù)語規(guī)定，摻雜濃度“d”具有函數(shù)依賴性，使得d=F(x)(gp，摻雜是位置的函數(shù))，其中X是在基極和或射極中的豎直位置，使得X在基極/射極結(jié)處為O并且隨著遠(yuǎn)離該結(jié)的距離而增加。摻雜的這種方式和分布(即，函數(shù)F)被選擇為改善并最終優(yōu)化將存在于稀釋氮化物層中的短路電流和開路電壓。本發(fā)明因此提供包含一個或多個稀釋氮化物子電池并具有與不具有這種摻雜分布的多結(jié)太陽能電池相比提高的效率的晶格匹配的多結(jié)太陽能電池。在本發(fā)明的一個實施方式中，摻雜分布在太陽能電池的基極中被改變，使得其在射極基極結(jié)處最小并且隨著遠(yuǎn)離該結(jié)而增加。用于這種增加的精確的分布函數(shù)被選擇為為稀釋氮化物子電池獲得最大電流和電壓的增強。在另一種實施方式中，摻雜分布被選擇為在基極中具有兩個子區(qū)域，其中，對靠近射極-基極結(jié)的子區(qū)域不使用摻雜或使用均勻摻雜，而在另一個子區(qū)域中使用分級摻雜。參照下面的詳細(xì)描述結(jié)合附圖，本發(fā)明將更好地理解。


圖1示出具有三個子電池的示例性三結(jié)太陽能電池的示意圖，其中底部電池是稀釋氮化物子電池。圖2示出包括一個稀釋氮化物子電池的示例性四結(jié)太陽能電池的示意圖。圖3示出包括兩個稀釋氮化物子電池的示例性五結(jié)太陽能電池的示意圖。圖4示出基于稀釋氮化物的太陽能子電池的各個層的一種配置。圖5示出具有表示可用于在基極中包含分級摻雜的稀釋氮化物子電池的各個層的厚度的示例性范圍的標(biāo)記的配置。圖6示出具有表示稀釋氮化物基極層如何能夠?qū)σ粋€子區(qū)域包含恒定摻雜并對另一個子區(qū)域包含分級摻雜的標(biāo)記的配置。圖7示出如圖5中所示的結(jié)構(gòu)的稀釋氮化物子電池的基極層中的示例性摻雜分布曲線圖。圖8是稀釋氮化物子電池的示例性摻雜分布的曲線圖，該稀釋氮化物子電池在結(jié)的前面的基極層的一部分中包含恒定摻雜并且在基極層的一部分中包含指數(shù)摻雜。圖9是在射極層中包含分級摻雜的稀釋氮化物子電池的示例性摻雜分布的曲線圖。圖10是示出在基極中具有分級摻雜的稀釋氮化物子電池的被測量的量子效率與不具有分級摻雜的子電池的量子效率的比較的曲線圖。圖11是示出針對在基極中具有分級摻雜的稀釋氮化物子電池與不具有分級摻雜的子電池，測量到的電流對電壓的特性與短路電流和開路電壓的比較的曲線圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明，如文中所述，多結(jié)太陽能電池至少包括具有被調(diào)整尤其是分級的摻雜和/或雜質(zhì)濃度的稀釋氮化物太陽能子電池。在不限制本發(fā)明的普遍性的情況下，具有一個或多個稀釋氮化物子電池的多結(jié)太陽能電池利用子電池性能對子電池的基極和/或射極內(nèi)的摻雜物的垂直分布的函數(shù)依賴性。分級摻雜指的是對基極和/或射極的位置的函數(shù)依賴性。圖1示出具有三個子電池的示例性三結(jié)太陽能電池的示意圖，三個子電池中的底部電池是稀釋氮化物子電池。在該實施方式中，基底可以是用于外延的任何傳統(tǒng)基底，選自但不限于GaAs、Ge、InP、GaSb和類似材料。在基底之上，三結(jié)電池具有按帶隙增加的順序布置的底部子電池1、中間子電池2以及頂部子電池3。在圖1的實施方式中，稀釋氮化物電池I被集成為第三結(jié)或多結(jié)太陽能電池堆的底部子電池。這三個太陽能子電池1、2、3以串聯(lián)方式堆疊并在上表面和下表面上具有電接觸(超過虛線示出的區(qū)域)。各子電池通過位于它們的邊界處的隧道結(jié)二極管1-2、2-3連接至位于其上的子電池，隧道結(jié)二極管1-2、2-3是非常高度摻雜的P-η結(jié)的薄層。隧道結(jié)是本領(lǐng)域已知的并且不需要進(jìn)一步限定。如下面更加全面地描述，稀釋氮化物子電池I的基極和/或射極層(如圖4所描繪)被摻雜從而改變層內(nèi)的摻雜物的濃度。中間和頂部子電池2、3可由一組材料中的任何一種構(gòu)成，這組材料包括但不限于某些組合III族和V族元素(包括In、Ga、Al、B、N、As、P、Sb和Bi)并且還包含摻雜物元素(選自但不限于Zn、C、Be、Mg、S1、Ge、O、Se和Te)。在本發(fā)明的其它實施方式中，具有摻雜和/或雜質(zhì)結(jié)合的位置依賴性的稀釋氮化物子電池被集成為四結(jié)、五結(jié)、六結(jié)太陽能電池的一個或多個子電池，每個子電池對不同光譜敏感。圖2描繪了具有稀釋氮化物子電池2的四結(jié)電池的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，其中第二子電池是稀釋氮化物子電池并且第一子電池可以任選地為稀釋氮化物子電池。圖3描繪了具有兩個可變摻雜的稀釋氮化物子電池2、3的五結(jié)電池的示例。本發(fā)明的實用性不限于圖1、2和3中概括的這些設(shè)計但可用于任何兼容的太陽能電池，其中結(jié)的數(shù)量超過兩個并且稀釋氮化物合金可被用作一個或多個子電池。在一個實施方式中，稀釋氮化物子電池是基極和/或射極包括稀釋氮化物材料的太陽能電池。圖4中示出了示例性稀釋氮化物子電池的截面。具體地，該子電池包括多個層(編號為1、2、3、4)，這些層包括用于減小載流子復(fù)合損耗的背面場(BSF)(層4)。(按照太陽能電池技術(shù)中的慣例，術(shù)語“正面”指的是電池的面對輻射源的外表面，術(shù)語“背面”指的是遠(yuǎn)離該源的外表面。如本專利申請的附圖中所使用，“背面”因此與“底部”同義并且“正面”與“頂部”同義)。在受晶格常數(shù)和帶隙限制的情況下，III族和V族元素的任何合適的組合可用于制造BSF。在BSF的頂部，基極包括稀釋氮化物材料。在基極3的頂部，包括稀釋氮化物材料和/或III族和V族元素的合適組合的射極2被生長。此后，可選的正面場(FSF，層I)沉積在射極的頂部，其同樣包括III族和V族元素的合適組合。稀釋氮化物的許多示例是本領(lǐng)域已知的，例如如被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的共同待決的第12/819，534號美國專利申請中所述。摻雜或雜質(zhì)濃度分布被選擇為產(chǎn)生改變基極層3和/或射極層2內(nèi)的摻雜水平的期望的功能效應(yīng)。圖4示出示例性情況，其中基極3和射極2的摻雜具有與從射極-基極結(jié)測量的位置的線性分級依賴性或指數(shù)分級依賴性?？色@得使用這些示例性情況的多種排列，包括具有線性摻雜的射極和具有指數(shù)摻雜的基極，反之亦然。通常，摻雜(例如，雜質(zhì)濃度)將基本位于IxlO1Vcm3與IxlO1Vcm3之間,其中最低摻雜水平離射極-基極結(jié)(2-3)最近并且最高摻雜水平離射極-基極結(jié)(1-2)和/或(3-4)最遠(yuǎn)。在該實施方式中，摻雜的這種位置依賴性在射極-基極結(jié)2-3處引發(fā)除了內(nèi)建電場之外的電場。由圖4中示出的子電池結(jié)構(gòu)的光伏效應(yīng)生成的少數(shù)載流子將受這種電場的影響。摻雜的精確分布可被改變以引發(fā)最佳電場以獲得少數(shù)載流子收集的實質(zhì)性改善。與具有均勻摻雜的太陽能電池相比，該內(nèi)部電場已經(jīng)被確定為提高太陽能電池的電流和/或電壓。本發(fā)明確定，在稀釋氮化物型電池中，與之前公認(rèn)的使用寬的本征(即未摻雜)區(qū)域來增強載流子收集的最佳實踐相比，分級摻雜是有利的，因為其產(chǎn)生更高的短路電流、更高的開路電壓和更好的填充系數(shù)。某些具體示例如下:參照圖5，認(rèn)為摻雜物密度在基極3中從射極-基極結(jié)的正面(在層2與層3之間)到遠(yuǎn)離射極-基極結(jié)(位于層3-4直之間)的背面4增加。分級摻雜分布被示出如圖4中的稀釋氮化物子電池的基極3中的虛線所標(biāo)記。該摻雜分布通過創(chuàng)造附加電場來將少數(shù)載流子推動至結(jié)的正面而有助于少數(shù)載流子收集。指數(shù)摻雜分布在基極中引發(fā)恒定電場。也可以使用線性和其它摻雜分布來獲得不同效果。改變摻雜分布改變作為基極3中的位置的函數(shù)的電場，并相應(yīng)地改善電流收集。在該實施方式中，電場驅(qū)動少數(shù)載流子遠(yuǎn)離電池(3-4)的背面處的如上所述可具有高復(fù)合速率的接觸面。這種摻雜分布的示例由圖7中的曲線圖示出，其中描繪了相對于深度的指數(shù)摻雜的示例，最少摻雜物位于基極-射極結(jié)處。作為摻雜濃度以如圖7所示的方式變化的示例性情況，在制造期間，在生長期間沖擊外延表面的摻雜物通量以指數(shù)方式改變，使其它可變參數(shù)保持恒定。例如，摻雜由如下等式給出:摻雜=A.eBx其中，A=IxlO1Vcm3至 2xl017/cm3，Β=0.l/μπι 至 10/μ m 并且 χ 是深度。根據(jù)基極厚度，使用這個范圍將產(chǎn)生位于lX1015/cm3與lX1019/cm3之間的摻雜。在任何情況下，摻雜物通量在射極/基極結(jié)處都是最小的。該通量的值被預(yù)設(shè)以獲得外延層中的摻雜物濃度的期望值。圖5還概括了用于稀釋氮化物子電池的各種層的典型厚度。在圖5中，背面場4層、基極3層、射極2層和正面場I層的厚度范圍分別為100-500nm、1000-2000nm、100-200nm 以及 10_500nm。參照圖6，摻雜的位置依賴性發(fā)展，使得基極具有兩個子區(qū)域3和4。接近射極-基極結(jié)的正面(即，頂部)的區(qū)域(在圖6中為層3)具有恒定摻雜或不具有摻雜，如子區(qū)域3中的虛線所示。例如，該摻雜由如下等式給出:摻雜=A；其中A是常數(shù)并且范圍為O到2xl017/cm3?；鶚O的剩余部分具有隨著位置以與針對前述實施方式說明的方式類似的方式并且如圖中的子區(qū)域4中的虛線所示的方式變化的摻雜分布。對于O μ m至3 μ m的基極厚度，使用這種方式將在基極中產(chǎn)生IxlO1Vcm3至IxlO1Vcm3的摻雜?？筛淖兏髯訁^(qū)域的厚度以使子電池的電流和電壓輸出最佳化。具體地，對于不同的稀釋氮化物材料，以及隨著稀釋氮化物材料的成分改變，最佳厚度將會不同。圖8中示出了這種摻雜分布的示例。子區(qū)域I具有恒定摻雜或未被摻雜。該區(qū)域靠近射極-基極結(jié)。子區(qū)域2具有分級摻雜，分級摻雜根據(jù)子區(qū)域2中的深度位置指數(shù)地改變。該位置相對于射極-基極結(jié)測量。如摻雜物濃度以圖8中所示的方式變化的示例性情況，摻雜物通量在基極的背面被生長的瞬間最大。在典型結(jié)構(gòu)中，基極的背面首先被生長，隨后摻雜物通量以如下方式變化，即摻雜物通量在基極的剩余部分被生長時指數(shù)地減小。應(yīng)注意，在圖6中，在外延期間，層4通常首先被生長接著是層3和層2。摻雜物通量在子區(qū)域I與子區(qū)域2之間的接觸面處最小。此后，摻雜物通量被關(guān)閉或保持恒定。摻雜分布以這種方式變化，以由于未摻雜或均勻摻雜區(qū)域所產(chǎn)生的更大的空乏區(qū)寬度而獲得附加電流?；鶚O的剩余部分具有位置(深度)依賴性摻雜，以引發(fā)漂移電場以進(jìn)一步改善電流收集。此外，與在整個基極中具有分級摻雜的情況相反，對于在太陽能電池的空乏區(qū)之外生成的載流子來說，由恒定摻雜或非摻雜的區(qū)域引發(fā)的空乏區(qū)寬度的擴(kuò)展確保更高幾率的電流收集。在這些實施方式中實現(xiàn)了電流收集的實質(zhì)改善。在某些實施方式中，具有這種摻雜分布的層可包括GaAs、InGaP、Al InGaP、AlGaAs 或 InGaAs0圖10是包括使用和不使用位置依賴性摻雜分布的稀釋氮化物子電池的內(nèi)部量子效率的曲線圖。內(nèi)部量子效率，是由太陽能電池收集的載流子數(shù)量與進(jìn)入太陽能電池的給定波長的光子(即，不包括被表面反射的光子)的數(shù)量的比。如果具有特定波長的全部光子都被吸收并且所產(chǎn)生的載流子被收集，則該具體波長下的內(nèi)部量子效率是一。所示量子效率測量值示出在AMMD光譜下電流由于摻雜而增加約8.5%，如果稀釋氮化物子電池是限流限制電池，則該8.5%的電流增加摻雜將轉(zhuǎn)換為多結(jié)太陽能電池的總效率的約8.5%的增加。通過使用本發(fā)明，電流收集存在實質(zhì)改善，因此太陽能電池的總效率也存在提升。在該具體示范中，在AMMD光譜下，短路電流提升約8.5%。在示出稀釋氮化物子電池的1-V特性的圖11中也能夠看見類似改善。在與不具有這種摻雜分布的子電池比較時，開路電壓、短路電流和填充因素示出在具有分級摻雜分布的子電池中的實質(zhì)改善。該改善比在稀釋氮化物子電池的基極和/或射極中不具有分級摻雜的稀釋氮化物子電池明顯更高。在上述發(fā)明的實施方式中，摻雜分布的改變在半導(dǎo)體層的外延生長期間實現(xiàn)。除了在外延生長期間創(chuàng)造優(yōu)選摻雜分布之外，該分布還可通過半導(dǎo)體外延層上的生長后步驟操縱。這種生長后步驟包括但不限于在大氣中對半導(dǎo)體材料進(jìn)行退火，該大氣包括以下中的一種或多種:As、P、H2, N2、合成氣體、和/或02。這種處理步驟具有被最佳化以實現(xiàn)期望的摻雜分布的多個變量。除了前面提到的退火環(huán)境之外，其還包括但不限于改變退火時間、退火溫度、退火周期。例如，退火溫度可以為400°C至1000°C，而退火過程的持續(xù)時間可以為10秒至1000秒，并且環(huán)境條件可以是恒定壓力的大氣，其主要由磷、砷、氫、氧和/或氮構(gòu)成。對于稀釋氮化物材料的特定成分而言，最終目的(不考慮用于實現(xiàn)其的處理步驟)是令人滿意的摻雜分布。依然在本發(fā)明的另一個實施方式中，分級摻雜被弓I入稀釋氮化物太陽能電池的射極。在該實施方式中，基極可以或可以不具有根據(jù)上述實施方式的分級摻雜分布。射極(圖4中的層2)的摻雜濃度基本上位于IxlO1Vcm3至IxlO1Vcm3之間。摻雜分布從射極_基極結(jié)(圖5和圖6中的接觸面(2-3))朝著太陽能電池的正面場(圖5和圖6中的接觸面(1-2))增加。圖9概括稀釋氮化物子電池的射極中的摻雜。給出了兩種示例性情況。在第一種情況下，摻雜根據(jù)射極的位置線性地變化。在第二種情況下，摻雜中的這種變化以指數(shù)增加的方式遠(yuǎn)離射極-基極結(jié)。對于這兩種情況，摻雜在射極-基極結(jié)處最小。射極中的位置依賴性摻雜的優(yōu)點與在太陽能電池的基極中獲得的優(yōu)點相似。具體地，少數(shù)載流子的收集被改善，增加了光電流。指數(shù)摻雜分布在太陽能電池的射極中引起恒定的電場，但線性和其它摻雜分布也可用于產(chǎn)生具有不同幾何形狀的電場。摻雜分布的變化是可能的，從而根據(jù)位置改變電場以改善電流收集。應(yīng)注意，上面詳細(xì)說明的實施方式具有針對摻雜的具體分布，這些分布導(dǎo)致在稀釋氮化物太陽能電池的基極和/或射極內(nèi)產(chǎn)生具體電場。詳細(xì)說明這些示例僅為了闡述目的，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過許多其他方式和配置來改變摻雜分布以實現(xiàn)具體結(jié)果。這些具體實施方式
的陳述不打算限制本發(fā)明，本發(fā)明將通過權(quán)利要求中完全闡明。
權(quán)利要求
1.多結(jié)太陽能電池，包括: 至少一個稀釋氮化物子電池，具有射極、基極和射極-基極結(jié)，所述子電池在所述射極和所述基極中的至少一個中具有摻雜分布，所述摻雜分布依賴于深度位置，使得摻雜物濃度在所述射極-基極結(jié)處最小并且隨著遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離而增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其中所述摻雜物濃度基本上位于IxlO15/cm3 與 1xl019/cm3 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，所述摻雜在所述射極-基極結(jié)處最小并且在遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離的至少一部分上指數(shù)地增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，所述摻雜在所述射極-基極結(jié)處最小并且在遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離的至少一部分上線性地增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述子電池的基極具有摻雜，所述摻雜具有對所述基極的深度位置函數(shù)依賴性，所述摻雜在所述射極-基極結(jié)處最小并且隨著遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離而增加，增加的速率被選擇為提高所述太陽能電池的效率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中所述子電池的射極具有摻雜，所述摻雜具有對所述射極的深度位置函數(shù)依賴性，所述摻雜在所述射極-基極結(jié)處最小并且隨著遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離而增加，增加的速率被選擇為提高所述太陽能電池的效率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，具有至少三個子電池，即第一子電池、第二子電池以及第三子電池， 所述第一子電池為所述稀釋氮化物子電池，所述第一子電池與位于下方的基底晶格匹配，所述稀釋氮化物子電池具有第一帶隙，所述第一帶隙在所述第一子電池、第二子電池以及第三子電池之中最??； 所述第二子電池位于所述第一子電池上并與所述第一子電池晶格匹配并具有高于所述第一帶隙的第二帶隙；以及 所述第三子電池形成于所述第二子電池上并與所述第二子電池晶格匹配，所述第三子電池是最上方的子電池并具有高于所述第一帶隙和所述第二帶隙的第三帶隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其中所述基極具有第一摻雜子區(qū)域和第二摻雜子區(qū)域，所述第一摻雜子區(qū)域與所述射極-基極結(jié)相鄰并具有恒定摻雜，所述第二摻雜子區(qū)域具有隨著遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離增加的摻雜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，具有至少第一子電池、第二子電池、第三子電池和第四子電池， 所述第一子電池具有最小的第一帶隙； 所述第二子電池包括所述稀釋氮化物子電池，所述稀釋氮化物子電池基本上與位于下方的相鄰結(jié)構(gòu)晶格匹配；所述稀釋氮化物子電池具有高于所述第一帶隙的帶隙； 所述第三子電池與所述第二子電池晶格匹配并具有高于所述第二子電池的帶隙的第三帶隙；以及 所述第四子電池與所述第三子電池晶格匹配，所述第四子電池具有高于所述第三帶隙的帶隙。
10.多結(jié)太陽能電池，包括: 至少一個子電池，具有射極、基極和射極-基極結(jié)，其中所述基極具有第一子區(qū)域和第二子區(qū)域，第一摻雜子區(qū)域與所述射極-基極結(jié)相鄰并且不具有摻雜，第二摻雜子區(qū)域具有隨著遠(yuǎn)離所述射極-基極結(jié)的距離而增加的摻雜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多結(jié)太陽能電池，其中所述至少一個子電池是稀釋氮化物子電池。
12.形成分級摻雜分布的方法，包括: 在包含摻雜物的大氣中生長多結(jié)太陽能電池的稀釋氮化物子電池的基極，在所述生長期間，所述摻雜物的濃度從最大變化至最小以在所述基極中產(chǎn)生分級摻雜分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括: 對包含所述稀釋氮化物子電池的多結(jié)太陽能電池進(jìn)行退火。
14.形成分級摻雜分布的方法，包括: 在生長基極之后生長多結(jié)太陽能電池的稀釋氮化物子電池的射極，所述射極在含有摻雜物的大氣中被生長，在所述生長期間，所述摻雜物的濃度從最大變化至最小以在所述射極中產(chǎn)生分級摻雜分布。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括: 對包含所述稀釋氮化物子電池的 多結(jié)太陽能電池進(jìn)行退火。
全文摘要
具有基于稀釋氮化物的子電池的晶格匹配的太陽能電池具有指數(shù)摻雜以控制太陽能電池的載流容量。具體地，公開了具有至少一個稀釋氮化物子電池的太陽能電池，該至少一個稀釋氮化物子電池具有可變摻雜的基極或射極。在一個實施方式中，晶格匹配的多結(jié)太陽能電池具有上部子電池、中間子電池和下部稀釋氮化物子電池，該下部稀釋氮化物子電池在基極和/或射極中具有至少部分指數(shù)摻雜以改善太陽能電池性能特性的摻雜。相比之下，稀釋氮化物子電池可具有最小的帶隙并且與基底晶格匹配，中間電池通常具有比稀釋氮化物子電池更大的帶隙，同時還與稀釋氮化物子電池晶格匹配。上部子電池通常具有最大帶隙并且與相鄰子電池晶格匹配。
文檔編號H01L31/00GK103210497SQ201180052889
公開日2013年7月17日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者普拉諾·米薩, 麗貝卡·伊麗莎白·瓊斯艾伯特斯, 劉楟, 伊歐雅·富士曼, 侯曼·伯納德·禺恩 申請人:太陽結(jié)公司