形成光伏器件的方法以及光伏器件的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)涉及在2011年11月7日提交的共同待決和共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)申請(qǐng) 13/290404,通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)涉及光伏器件，并且更具體地，涉及諸如太陽(yáng)能電池的光伏器件。
【背景技術(shù)】
[0004] 光伏器件是將入射光子的能量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)（e.m.f.)的器件。典型的光伏器件 包括太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池被配置為將來(lái)自太陽(yáng)的電磁輻射中的能量轉(zhuǎn)換成電能。由于 其高效率和輻射穩(wěn)定性，包括化合物半導(dǎo)體的多結(jié)太陽(yáng)能電池可用于在空間中的功率生 成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種光伏器件，所述光伏器件包括單結(jié)太陽(yáng)能電池，所述單 結(jié)太陽(yáng)能電池由具有第一導(dǎo)電性類(lèi)型的IV型半導(dǎo)體材料的吸收層、具有第二導(dǎo)電性類(lèi)型 的III-V型半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層提供，其中，所述III-V型半導(dǎo)體材料為非晶體并且具有 不大于50nm的厚度。
[0006] 在另一方面，提供一種形成光伏器件的方法，其中，所述光伏器件為單結(jié)太陽(yáng)能電 池，所述單結(jié)太陽(yáng)能電池由第一導(dǎo)電性的III-V型半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層以及第二導(dǎo)電性 的IV型半導(dǎo)體材料的吸收層提供。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括提供具有第一導(dǎo)電性的 晶體IV型半導(dǎo)體材料的吸收層，以及在所述吸收層的表面上形成具有第二導(dǎo)電性的非晶 體III-V型半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 通過(guò)舉例方式給出的下列詳細(xì)說(shuō)明并不旨在限制本發(fā)明，下列詳細(xì)說(shuō)明將參考附 圖得以最好的理解，其中，類(lèi)似的參考標(biāo)號(hào)表示類(lèi)似的元件和部分，其中：
[0008] 圖1為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的單結(jié)太陽(yáng)能電池的側(cè)面截面圖，該單結(jié)太陽(yáng)能 電池由IV型半導(dǎo)體材料的吸收層和非晶體III-V型半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層提供。
[0009] 圖2為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的初始結(jié)構(gòu)的側(cè)面截面圖，該初始結(jié)構(gòu)可以被利 用以形成類(lèi)似于圖1中所描繪的單結(jié)太陽(yáng)能電池，其中，該初始結(jié)構(gòu)包括IV型半導(dǎo)體材料 的襯底，該襯底提供單結(jié)太陽(yáng)能電池的吸收層。
[0010] 圖3為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了紋理化IV型半導(dǎo)體材料的襯底的側(cè)面 截面圖。
[0011] 圖4為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了在IV型半導(dǎo)體材料襯底的紋理化表面 上形成非晶體III-V型半導(dǎo)體材料的側(cè)面截面圖，其中，非晶體III-V型半導(dǎo)體材料的至少 一部分提供單結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)射極層。
[0012] 圖5為根據(jù)本申請(qǐng)的描繪了本申請(qǐng)的另一實(shí)施例的側(cè)面截面圖，其中，在非晶體 III-V發(fā)射極層的生長(zhǎng)之前，在吸收層頂上的鈍化層被構(gòu)圖。
[0013] 圖6為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了形成背接觸至吸收層的側(cè)面截面圖。
[0014] 圖7為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了在吸收層中形成局部的背表面場(chǎng)區(qū)域 的側(cè)面截面圖。
[0015] 圖8為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了在吸收層和鄰近吸收層的背表面的鈍 化層之間形成一個(gè)或多個(gè)材料層的側(cè)面截面圖。
[0016] 圖9為根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例的描繪了單結(jié)太陽(yáng)能電池的側(cè)面截面圖，其中， 在吸收層頂上的材料層類(lèi)似于在吸收層下的材料層。
[0017] 圖10為描繪了具有根據(jù)本申請(qǐng)的原理形成的發(fā)射極層的示例性單結(jié)太陽(yáng)能電池 的側(cè)面截面圖。
[0018] 圖11為在1太陽(yáng)（sun)的照射下的圖10中所示的單結(jié)太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的 特性的繪圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 這里公開(kāi)所要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)和方法的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)理解，所公開(kāi)的實(shí)施例 僅為可以各種形式來(lái)體現(xiàn)的所要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)和方法的例子。另外，關(guān)于各種實(shí)施例給出 的每個(gè)實(shí)例旨在說(shuō)明，而非限制。進(jìn)一步，附圖不必按比例尺，一些特征可被放大以示出特 定部件的細(xì)節(jié)。由此，這里公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和函數(shù)細(xì)節(jié)不被解釋為限制性的，而是僅為用于 教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種地采用本申請(qǐng)的方法和結(jié)構(gòu)的代表性基礎(chǔ)。
[0020] 在說(shuō)明書(shū)中對(duì)" 一個(gè)實(shí)施例"、"一實(shí)施例"、" 一實(shí)例實(shí)施例"等等的提及，包括特定 的特征、結(jié)構(gòu)或者特性，但是每個(gè)實(shí)施例不必包括該特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性。再者，這樣 的措辭不必涉及相同的實(shí)施例。進(jìn)一步，當(dāng)描述關(guān)于實(shí)施例的特定的特征、結(jié)構(gòu)或者特性 時(shí)，無(wú)法是否明確地描述，應(yīng)認(rèn)為影響關(guān)于其它實(shí)施例的這樣的特征、結(jié)構(gòu)或者特性是在本 領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍之內(nèi)。
[0021] 出于下文表面描述的目的，如其在附圖中被標(biāo)定方向那樣，術(shù)語(yǔ)"上"、"下"、"左"、 "右""垂直"、"7jC平"、"頂"、"底"及其派生詞應(yīng)涉及發(fā)明。術(shù)語(yǔ)"上覆"、"在……頂上'"定 位在……上"或者"定位在……頂上"意味著諸如第一結(jié)構(gòu)的第一要素存在于諸如第二結(jié) 構(gòu)的第二要素上，其中，在第一要素和第二要素之間可存在諸如界面結(jié)構(gòu)的中間要素。術(shù)語(yǔ) "直接接觸"意味著連接諸如第一結(jié)構(gòu)的第一要素和諸如第二結(jié)構(gòu)的第二要素，而在兩個(gè)要 素的界面處沒(méi)有任何中間導(dǎo)電、絕緣或者半導(dǎo)體層。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，本申請(qǐng)?zhí)峁┲T如太陽(yáng)能電池的單結(jié)光伏器件及其制造方法。如 本文所使用，"光伏器件"為當(dāng)暴露到諸如光的輻射時(shí)，產(chǎn)生自由電子和/或諸如空穴的空 位（vacancy)并且導(dǎo)致電流的產(chǎn)生的器件，例如為太陽(yáng)能電池。單結(jié)光伏器件典型地包括 與n型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層共享界面的p型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體層，其中，界面提供電結(jié)。如果n 型和p型區(qū)域由不同的組分和/或晶體結(jié)構(gòu)的兩種不同的半導(dǎo)體材料組成，結(jié)被稱為異質(zhì) 結(jié)。單結(jié)光伏器件包括為非晶體的III-V型半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層和由IV型半導(dǎo)體材料 組成的吸收層。III-V型半導(dǎo)體材料為由選自元素周期表的III和V族的元素組成的化合 物半導(dǎo)體。IV型半導(dǎo)體材料為選自元素周期表的IV族的半導(dǎo)體材料。
[0023] 由于當(dāng)被形成在IV型半導(dǎo)體材料上的寬帶隙電特性，對(duì)于光伏器件，一些III-V 型半導(dǎo)體材料是感興趣的，其中，IV型半導(dǎo)體材料具有較小帶隙值。例如，硅（Si)為具有 1.leV的帶隙的IV型半導(dǎo)體材料，而諸如氮化鎵（GaN)的III-V型半導(dǎo)體具有3. 3eV的帶 隙。由于兩種或者更多不同帶隙的存在允許太陽(yáng)光譜的更有效收集，即，具有較短波長(zhǎng)的光 子被有效地收集在頂電池中，而具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子被有效地收集在底電池中，對(duì)于光伏 器件而言III-V型半導(dǎo)體材料是感興趣的。于是，通過(guò)恰當(dāng)?shù)碾姵卦O(shè)計(jì)，可改善太陽(yáng)能電池 的輸出電壓和/或電流。然而，諸如串疊（雙結(jié)）的多結(jié)的低效率，至少包括包含III-V型 半導(dǎo)體材料的頂電池和包含IV型半導(dǎo)體材料的底電池的光伏器件已經(jīng)限制III-V型半導(dǎo) 體材料的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)確定，從包括由III-V型半導(dǎo)體材料組成的頂電池的多結(jié)光伏器件測(cè) 量的低效率源自在下伏電池的硅上的III-V型半導(dǎo)體材料（例如氮化鎵）的差外延生長(zhǎng)。 III-V半導(dǎo)體材料的差外延生長(zhǎng)導(dǎo)致在由III-V型半導(dǎo)體材料組成的光伏器件的電池中的 高密度的結(jié)構(gòu)缺陷。其結(jié)果是，在III-V型半導(dǎo)體材料中的載流子壽命和由此的包括III-V 型半導(dǎo)體材料的電池的效率被降低。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用單結(jié)光伏器件，而非使用多結(jié)光伏器件，本申請(qǐng)利用 III-V型半導(dǎo)體材料的寬帶隙特性，其中，單結(jié)光伏器件的發(fā)射極層由為非晶體的III-V型 半導(dǎo)體材料組成并且具有50nm或者更小的厚度，例如10nm或者更小，并且單結(jié)光伏器件的 吸收層由IV型半導(dǎo)體材料組成。這是因?yàn)椋鳛楸》蔷wIII-VIII-V發(fā)射極層的結(jié)果，通 過(guò)非晶體III-V發(fā)射極層的載流子收集被隧穿主導(dǎo)而非擴(kuò)散。如本文所使用，術(shù)語(yǔ)"單結(jié)" 表示光伏器件僅包括一個(gè)P_n結(jié)。"p-n結(jié)"為在具有p型導(dǎo)電性的第一材料（例如，p型 發(fā)射極層）和具有n型導(dǎo)電性的第二材料（n型吸收層）之間的界面。與單結(jié)光伏器件相 反，多結(jié)光伏器件由多個(gè)P_n結(jié)組成。
[0025] 與包括由IV型半導(dǎo)體材料組成的發(fā)射極層的太陽(yáng)能電池相比，本文所公開(kāi)的結(jié) 構(gòu)的III-V型半導(dǎo)體材料發(fā)射極層和方法，以至少下述方式的一種，改善公開(kāi)的單結(jié)太陽(yáng) 能電池的性能。對(duì)于III-V型半導(dǎo)體材料的n型發(fā)射極層，與IV型半導(dǎo)體材料的吸收層相 t匕，發(fā)射極層的III-V型半導(dǎo)體材料的較低電子親和勢(shì)增加了在發(fā)射極層處的電子和空穴 的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的分裂（通過(guò)提高電子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)），并由此增加電池的開(kāi)路電壓。類(lèi)似 地，對(duì)于III-V型半導(dǎo)體材料的p型發(fā)射極層，與IV型半導(dǎo)體材料的吸收層相比，III-V型 半導(dǎo)體材料的較高的空穴親和勢(shì)增加了在發(fā)射極層處的電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的分裂 (通過(guò)降低空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)），并由此增加電池的開(kāi)路電壓。材料的空穴親和勢(shì)被限定為 該材