具有為改進效率配置的低帶隙活性層的光敏器件和相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開的實施方式涉及光敏器件以及制造光敏器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光敏器件是采用半導(dǎo)體材料來將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為電磁輻 射的半導(dǎo)體器件。光敏器件包括例如光伏電池、光電傳感器、發(fā)光二極管和激光二極管。
[0003]光伏電池（在本領(lǐng)域中也稱作"太陽能電池"或"光電池"）用于將來自光（例如， 太陽光）的能量轉(zhuǎn)換為電。光伏電池通常包括一個或更多個pn結(jié)，并且可利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體 材料（例如，硅、鍺和III-V半導(dǎo)體材料）來制造。來自于入射的電磁輻射（例如，光）的 光子被靠近pn結(jié)的半導(dǎo)體材料吸收，導(dǎo)致生成電子空穴對。通過橫跨pn結(jié)的內(nèi)置電場來 在相反方向上驅(qū)動通過入射的輻射生成的電子和空穴，從而導(dǎo)致在pn結(jié)的相對側(cè)的n區(qū)域 與P區(qū)域之間的電壓。該電壓可用于產(chǎn)生電。pn結(jié)處的半導(dǎo)體材料的晶格中的缺陷提供了 先前通過輻射的吸收生成的電子和空穴能夠復(fù)合的位置，從而降低了通過光伏電池將輻射 轉(zhuǎn)換成電的效率。
[0004] 入射在光伏電池上的電磁輻射的光子必須具有足夠的能量來克服導(dǎo)體材料的帶 隙能，以生成電子空穴對。因此，光伏電池的效率取決于具有與半導(dǎo)體材料的帶隙能對應(yīng)的 能量的入射光子的百分比。也就是說，光伏電池的效率至少部分地取決于入射在光伏電池 上的輻射的波長與半導(dǎo)體材料的帶隙能之間的關(guān)系。太陽光在一定范圍的波長上發(fā)射。結(jié) 果，光伏電池已被開發(fā)為包括不止一個pn結(jié)，其中，各個pn結(jié)包含具有不同帶隙能的半導(dǎo) 體材料以捕獲不同波長的光并且增加光伏電池的效率。這些光伏電池被稱作"多結(jié)"或"MJ" 光伏電池。
[0005]因此，可這樣增加多結(jié)光伏電池的效率：選擇pn結(jié)處的半導(dǎo)體材料使其帶隙能與 光伏電池將要吸收的光中的強度最高的波長所對應(yīng)的光波長一致，并且減小pn結(jié)處的半 導(dǎo)體材料的晶格中的缺陷的濃度。減小半導(dǎo)體材料的晶格中的缺陷的濃度的一種方式是采 用晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)彼此密切匹配的半導(dǎo)體材料。
[0006] 以前已知的多結(jié)光伏電池在轉(zhuǎn)換波長在約1550nm至約1800nm的范圍內(nèi)的電磁 輻射方面效率相對較低。例如，已知在多結(jié)光伏電池中的鍺（Ge)電池中采用pn結(jié)。如 例如M.Yamaguchi等人的 "Multi-junctionIII-Vsolarcells：currentstatusand futurepotential"（SolarEnergy第 79 期，第 78-85 頁（2005 年））和D.Aiken等人的 "TemperatureDependentSpectralResponseMeasurementsforIII-VMulti-Junction SolarCells"（EmcorePhotovoltaics，10420ResearchRd.SE，Albuquerque，NM87123)中 所公開的，對于比約1650nm長的波長，這些多結(jié)光伏電池的外量子效率下降。不受任何具 體理論的限制，目前認為這種外量子效率的下降至少部分地是由于這些輻射波長的光子與 Ge電池中的Ge晶格中的電子之間的光學(xué)耦合涉及導(dǎo)帶與價帶之間的間接電子躍迀。除了 光子和電子以外，光學(xué)耦合過程還需要聲子以使動量守恒。由于需要聲子以使動量守恒，所 以間接電子躍迀過程導(dǎo)致對波長大于約1650nm的光子的低光學(xué)吸收系數(shù)，這些光子很可 能只有在穿過足夠物理厚度的Ge之后才能被吸收。
[0007] 另外，以前的Ge太陽能電池常常包括形成在重摻雜的p型基板上的Ge。結(jié)果，Ge 內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）擴散長度比形成有pn結(jié)的Ge層的實際物理厚度短。結(jié)果，波長 大于約1650nm的大多數(shù)光子沒有生成電子，其在與電子空穴不期望地復(fù)合之前可向電極 擴散足夠距離，因此無法為光伏電池的光電流做貢獻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 提供
【發(fā)明內(nèi)容】
以按照簡要形式介紹概念的選擇。這些概念在下面的本公開的示例 實施方式的詳細描述中進一步詳細地描述。
【發(fā)明內(nèi)容】
并非旨在標(biāo)識要求保護的主題的關(guān)鍵 特征或基本特征，也非旨在用于限制要求保護的主題的范圍。
[0009] 在一些實施方式中，本公開包括光敏器件，所述光敏器件包括第一電極、第二電極 以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的活性區(qū)域。該活性區(qū)域被配置為吸收入射在活性區(qū) 域上的輻射并且響應(yīng)于輻射的吸收在第一電極與第二電極之間生成電壓。所述活性區(qū)域包 括至少一個活性層，所述至少一個活性層包含展現(xiàn)出介于約0. 60eV到約2. 10eV之間的帶 隙的半導(dǎo)體材料。所述至少一個活性層具有前表面以及相對于所述前表面在所述至少一個 活性層的相反側(cè)的后表面，在光敏器件的操作期間輻射穿過所述前表面進入所述至少一個 活性層。所述至少一個活性層的所述后表面的表面粗糙度大于所述前表面的表面粗糙度。
[0010] 在另外的實施方式中，本公開包括制造光敏器件的方法。根據(jù)這些方法，活性區(qū)域 可被形成并被配置為吸收入射在活性區(qū)域上的輻射并且響應(yīng)于輻射的吸收在第一電極與 第二電極之間生成電壓。所述光敏器件的活性區(qū)域可被形成為包括至少一個活性層，所述 至少一個活性層包含展現(xiàn)出介于約〇. 60eV到約2. 10eV之間的帶隙的半導(dǎo)體材料。所述至 少一個活性層可被形成為具有前表面以及相對于所述前表面在所述至少一個活性層的相 反側(cè)的后表面，在光敏器件的操作期間輻射穿過所述前表面進入所述至少一個活性層。所 述后表面可被形成為表面粗糙度大于所述前表面的表面粗糙度。所述方法還包括形成所述 第一電極和所述第二電極，在所述第一電極與所述第二電極之間響應(yīng)于入射在活性區(qū)域上 的輻射的吸收而生成電壓。
【附圖說明】
[0011] 圖1是示出根據(jù)本公開的實施方式的包括在電池中具有粗糙化的后表面的活性 層的四結(jié)光伏電池的局部橫截面圖的簡化示意圖。
[0012] 圖2是圖1的四結(jié)光伏電池的一部分的放大圖，并且示出具有粗糙化的后表面的 活性層。
[0013] 圖3是圖2的一部分的放大圖，示出了活性層的粗糙化的后表面。
[0014] 圖4示出本公開的附加實施方式中可采用的活性層的另一粗糙化的后表面。
[0015] 圖5至圖16是示意性地示出可用于制造如本文所述的光敏器件的本公開的方法 的實施方式的結(jié)構(gòu)的簡化橫截面?zhèn)纫晥D。
[0016] 圖5示出向包括半導(dǎo)體材料的供體結(jié)構(gòu)中的離子注入。
[0017] 圖6示出直接鍵合到第一基板的表面的圖5的結(jié)構(gòu)。
[0018] 圖7示出通過如圖6所示沿著離子注入平面使供體結(jié)構(gòu)裂開以將半導(dǎo)體材料層從 供體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到第一基板而形成的結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖8示出在第一基板上制造具有pn結(jié)的包含鍺（Ge)的活性層。
[0020] 圖9示出通過在圖8所示的包含Ge的活性層上制造附加活性層而形成的多結(jié)光 敏器件。
[0021] 圖10示出在與第一基板相反的一側(cè)附接到圖9的多結(jié)光敏器件的第二基板。
[0022] 圖11示出通過將第一基板從圖10的結(jié)構(gòu)去除以暴露活性層的后表面而形成的結(jié) 構(gòu)（并且示出相對于圖11的視角反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)）。
[0023] 圖12示出通過將圖11的活性層的暴露的后表面粗糙化，隨后在粗糙化的后表面 上沉積導(dǎo)電材料層而形成的結(jié)構(gòu)。
[0024] 圖13示出通過將圖12所示的粗糙化的后表面上的導(dǎo)電材料層加厚而形成的結(jié) 構(gòu)。
[0025] 圖14示出可從圖13的結(jié)構(gòu)通過在加厚的導(dǎo)電層上形成第一電極，去除第二基板， 并且在多結(jié)光敏器件的活性區(qū)域的與第一電極相反的一側(cè)設(shè)置第二電極而形成的多結(jié)光 敏器件。
[0026] 圖15示出通過在圖8的結(jié)構(gòu)上生長活性區(qū)域的附加層而形成的第一多層結(jié)構(gòu)。
[0027] 圖16示出通過在第二基板上生長活性區(qū)域的多個層而形成的第二多層結(jié)構(gòu)。
[0028] 圖17示出圖15的多層結(jié)構(gòu)直接鍵合到圖16的多層結(jié)構(gòu)以形成類似于圖10所示 的結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0029] 本文所呈現(xiàn)的例示并非表示任何特定光敏器件或其組件的實際示圖，而僅僅是用 于描述本公開的實施方式的理想化表示。
[0030] 如本文所用，術(shù)語"III V半導(dǎo)體材料"表示并包括至少主要由元素周期表的IIIA 族（B、Al、Ga、In和Ti)中的一個或更多個元素以及元素周期表的VA族（N、P、As、Sb和Bi) 中的一個或更多個元素組成的任何半導(dǎo)體材料。例如，III V半導(dǎo)體材料包括（但不限于） GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AIN、A1P、AlAs、InGaN、InGaP、GalnN、InGaNP、GalnNAs等。
[0031] 根據(jù)本公開的實施方式，光敏器件包括設(shè)置在電極之間的活性區(qū)域，其中，活性區(qū) 域包括活性層，所述活性層包含半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體材料展現(xiàn)出介于約〇. 60eV到約 2. 10eV之間，在一些實施方式中，介于約0. 60eV到約1. 20eV之間，或者甚至介于約0. 60eV 到約1. 20eV之間的帶隙。具有這種帶隙的活性層還可具有后表面，該后表面的表面粗糙度 大于活性層的前表面的表面粗糙度。這些光敏器件的非限制性示例在下面參照圖1至圖4 來描述，可被采用以制造這些光敏器件的方法的實施方式在下面參照圖5至圖16來描述。
[0032] 圖1示出可使用本公開的方法的實施方式形成的光敏器件100。圖1的光敏器件 100包括光伏電池（例如，太陽能電池），其被配置為響應(yīng)于入射在光敏器件100上的電磁 輻射（例如，太陽光）的吸收而生成電壓。換言之，光敏器件1〇〇被配置為將入射在光敏器 件100上的電磁輻射102(例如，光）轉(zhuǎn)換成電。圖1的光敏器件100是多結(jié)光敏器件100， 并且包括活性區(qū)域103,該活性區(qū)域103包括第一活性層104、第二活性層106、第三活性層 108和第四活性層。活性層104、106、108、110中的每一個限定多結(jié)光敏器件100的子單元 并且包括子層?；钚詫?04、106、108、110(以及其中的子層）中的每一個包含半導(dǎo)體材料 (例如，鍺、硅、III-V半導(dǎo)體材料等）。
[0033] 活性層104、106、108、110中的每一個包括其中的至少兩個子層之間所限定的pn 結(jié)。換言之，活性層104、106、108、110中的每一個包括包含p型半導(dǎo)體材料的子層和包含n 型半導(dǎo)體材料的相鄰子層，使得在相鄰的p型和n型半導(dǎo)體材料之間的界面處限定pn結(jié)。 如本領(lǐng)域已知的，在pn結(jié)處生成電荷耗盡區(qū)域（本領(lǐng)域中也稱作空間電荷層）和內(nèi)部電 場。隨著電磁輻射102的光子進入光敏器件100,它們可在活性層104、106、108、110中的半 導(dǎo)體材料內(nèi)被吸收。當(dāng)光子具有與吸收光子的相應(yīng)半導(dǎo)體材料的帶隙能對應(yīng)的能量時，可 在半導(dǎo)體材料內(nèi)生成電子空穴對。當(dāng)光子在pn結(jié)處的電荷耗盡區(qū)域中被吸收，并且導(dǎo)致在 其中形成電子空穴對時，pn結(jié)處的內(nèi)部電場朝著n型區(qū)域驅(qū)動電子，在朝著p型區(qū)域的相 反方向上驅(qū)動空穴。隨著電子累積在n型區(qū)域中，空穴累積在p型區(qū)域中，橫跨pn結(jié)生成 電壓?；钚詫?04、106、108、110的電壓橫跨整個光敏器件100累積（例如，串聯(lián)）以在光 敏器件100的一側(cè)的第一電極111與光敏器