光伏電池的制作方法
【專利摘要】一種包含半導(dǎo)體元件（10）的光伏電池，所述半導(dǎo)體元件全部由單一的導(dǎo)電類型組成。具有的逸出功與半導(dǎo)體元件的逸出功不同的偏壓介質(zhì)（26），所述偏壓介質(zhì)（26）覆蓋元件的一個(gè)面，并引起帶彎曲，從而在空間載荷區(qū)產(chǎn)生電場。電極與空間載荷區(qū)內(nèi)的半導(dǎo)體元件接觸。通過半導(dǎo)體元件吸收光產(chǎn)生的載流子被電場加速朝向電極。
【專利說明】光伏電池
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求于2013年9月4日提交的NO.61/899400,題為無半導(dǎo)體結(jié)的高帶隙太陽能電 池的美國臨時(shí)專利申請的申請日的權(quán)益，該專利申請?jiān)诖巳恳米鳛閰⒖肌?br>【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明設(shè)及光伏電池。迄今為止，人們投入了相當(dāng)大的努力于本領(lǐng)域W開發(fā)光伏 電池，例如，半導(dǎo)體裝置可將光轉(zhuǎn)化為電能。通常，此類電池包含多層半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo) 體材料包括η型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，其中η型半導(dǎo)體主要的或多數(shù)電荷載流子為電子，且P 型半導(dǎo)體的多數(shù)電荷載流子為空穴。運(yùn)些層共同限定ρ-η結(jié)。電極被提供于與在結(jié)的對立兩 側(cè)的半導(dǎo)體材料相接觸。當(dāng)彼此分離時(shí)，由于不同的滲雜，Ρ型材料和η型材料具有不同的費(fèi) 米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)為使得該能級(jí)被電子占據(jù)的概率為50%的能級(jí)。當(dāng)Ρ型材料和η型材料在電 池的Ρ-η結(jié)彼此結(jié)合，彼此的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入平衡并形成空間載荷區(qū)。空間載荷區(qū)在結(jié)附近提 供了電場。當(dāng)光撞擊在半導(dǎo)體材料上時(shí)，進(jìn)入的光子使電子從半導(dǎo)體的價(jià)帶被提升為導(dǎo)帶， 從而引起電荷載流子數(shù)目的增加。術(shù)語"帶隙"是指半導(dǎo)體材料的價(jià)帶和材料的導(dǎo)帶之間的 能量差。
[0003] 空間電荷區(qū)的電場使電荷載流子穿過ρ-η結(jié)的速度加快?？昭ê碗娮酉蛳喾吹姆?向移動(dòng)。電子傳遞至與η型材料接觸的第一電極，反之空穴傳遞至與Ρ型材料接觸的第二電 極。運(yùn)會(huì)在電極之間產(chǎn)生電勢差，從而在電極產(chǎn)生有用的、可用的電能。外電路與電極連接 可利用該電能。
[0004] 來自運(yùn)種ρ-η結(jié)電池的可用的電壓差或電勢差是有限的。從運(yùn)種電池輸出的最大 電壓由η型材料中導(dǎo)帶的能級(jí)和Ρ型材料中價(jià)帶的能級(jí)之間的差異限定。運(yùn)種差異通常小于 半導(dǎo)體的帶隙。理想的光伏電池由具有寬帶隙的材料構(gòu)成，例如，約1.7電子伏特或更多。寬 能帶材料可有效吸收波長約小于800納米的光。運(yùn)種光在光譜的可見和紫外線部分，并且構(gòu) 成太陽能的實(shí)質(zhì)部分撞擊地球。此外，由寬帶隙材料構(gòu)成的電池可與由窄帶隙材料構(gòu)成的 電池結(jié)合使用。在運(yùn)樣的布置中，寬帶隙電池被設(shè)置在窄帶隙電池的前面。長波長光不能被 寬帶隙電池吸收，并穿過至窄帶隙電池，光在那里被吸收。
[0005] 由娃形成的ρ-η結(jié)可通過相對便宜的工藝制成，例如將滲雜物植入到娃片中。然 而，娃具有1.12電子伏特的帶隙。在某些寬帶隙半導(dǎo)體材料中ρ-η結(jié)電池的制造，需要通過 外延沉積的有序過程形成多個(gè)層。在外延沉積工藝中，通過沉積材料，材料被生長于襯底 上，最典型的是從蒸汽或氣體狀態(tài)，在現(xiàn)有的固態(tài)晶體上，使得生長晶體形成具有晶體晶格 間距的結(jié)構(gòu)，所述晶體晶格間距由襯底的晶格間距決定。然而，使用某些寬帶隙半導(dǎo)體材料 可能難W生長具有相反導(dǎo)電型的高質(zhì)量半導(dǎo)體材料。因此，盡管迄今為止在本領(lǐng)域投入了 相當(dāng)大的努力W發(fā)展光伏電池，進(jìn)一步的改進(jìn)仍是人們所希望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏電池，包括具有正面、背面和面之間的厚度方向的 半導(dǎo)體元件。半導(dǎo)體元件優(yōu)選全部由η型半導(dǎo)體或全部由p型半導(dǎo)體組成。偏壓介質(zhì)優(yōu)選覆 蓋半導(dǎo)體元件的所述面的第一面。偏壓介質(zhì)優(yōu)選具有的費(fèi)米能級(jí)或逸出功不同于半導(dǎo)體元 件的標(biāo)準(zhǔn)的費(fèi)米能級(jí)或逸出功。偏壓介質(zhì)引起半導(dǎo)體元件中的帶彎曲，使得空間載荷區(qū)存 在于半導(dǎo)體元件內(nèi)，且在厚度方向有單向電勢梯度貫穿空間載荷區(qū)。電池優(yōu)選還包括在厚 度方向上彼此間隔的正電極和背電極，各電極在無光照時(shí)在空間載荷區(qū)內(nèi)與半導(dǎo)體元件接 觸。
[0007] 本發(fā)明的另一方面提供一種發(fā)電方法。根據(jù)本發(fā)明該方面的方法優(yōu)選包括保持單 向電勢梯度在梯度方向貫穿半導(dǎo)體元件的空間載荷區(qū)，所述半導(dǎo)體元件全部由P型半導(dǎo)體 或全部由η型半導(dǎo)體組成。該方法優(yōu)選還包括在保持電勢梯度的同時(shí)，將光引導(dǎo)至空間載荷 區(qū)中，使得至少一些光被半導(dǎo)體吸收，且吸收的光使電子從價(jià)帶提升至導(dǎo)帶。該方法最優(yōu)選 進(jìn)一步包括在一對電極上收集電流，該一對電極在梯度方向彼此間隔且在空間載荷區(qū)內(nèi)或 鄰近空間載荷區(qū)與半導(dǎo)體接觸。最優(yōu)地，在收集步驟中，電極在空間載荷區(qū)域內(nèi)與半導(dǎo)體接 觸。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光伏電池優(yōu)選包括具有第一面、第二面和面之間的厚度 方向的半導(dǎo)體材料。偏壓介質(zhì)優(yōu)選僅僅覆蓋第一面的第一部分，并引起半導(dǎo)體元件中的帶 彎曲。第一電極優(yōu)選覆蓋并接觸與第一部分分隔的第一面的第二部分。在本發(fā)明的該方面， 第一電極優(yōu)選不與偏壓介質(zhì)直接導(dǎo)電接觸。根據(jù)本發(fā)明該方面的電池優(yōu)選包括第二電極， 第二電極與半導(dǎo)體元件在遠(yuǎn)離第一面的位置處接觸。
【附圖說明】
[0009] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例與外電路連接的光伏電池的截面示意圖。
[0010] 圖2和圖3為描繪根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電池截面示意圖。
[0011] 圖4為描繪根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電池平面示意圖。
[0012] 圖5為沿著圖4中線5-5的截面示意圖。
[OOU]圖6為與圖5相似的截面示意圖，但描繪的是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電池。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光伏電池包括具有正面12、背面14和運(yùn)些面之間延伸的 厚度方向的半導(dǎo)體元件10。如在此所使用的，并且如通常在本領(lǐng)域中理解的，固體物體的面 之間延伸的厚度方向?yàn)閮擅嬷g的最短直線的方向。其中兩個(gè)面是相互平行的，如圖1所 示，厚度方向是垂直于面的方向。在描繪的實(shí)施例中，厚度方向?yàn)閳D1中由箭頭巧旨示的水平 方向。半導(dǎo)體元件10選擇性地可與一個(gè)或多個(gè)附加的半導(dǎo)體或襯底層16、17和18-元化。在 本實(shí)施例中，附加層遠(yuǎn)離起著產(chǎn)生電能的作用的半導(dǎo)體主體10區(qū)域，并且，相應(yīng)的，附加層 可基本上是任何成分和任何導(dǎo)電類型。例如，附加層可W包括電絕緣層17和由具有比元件 10內(nèi)的半導(dǎo)體更小的帶隙的半導(dǎo)體形成的層16和層18。層16和層18可W是相反的導(dǎo)電類 型，并因此可限定具有電極的常規(guī)的p-n結(jié)電池，所述電極如示意圖描繪的21和23。
[0015] 在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體元件10全部由具有單一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料組成。在所 說明的示例中，導(dǎo)電類型為η型。半導(dǎo)體可基本上為任何半導(dǎo)體，例如，III-V半導(dǎo)體，諸如包 括選自由如嫁、銅和侶組成的族的一種或多種III族元素和選自由氮、憐、神和錬組成的族 的一種或多種V族元素?；蛘?，半導(dǎo)體材料可為II-VI半導(dǎo)體，包括選自由儒、鋒和隸組成的 族的一種或多種II族金屬和選自由如氧、硫、砸和蹄組成的族的一種或多種VI族元素。半導(dǎo) 體也可W是IV族半導(dǎo)體，如娃或碳化娃。半導(dǎo)體可能是未滲雜的，可能是通過加入一種或多 種滲雜劑至標(biāo)稱半導(dǎo)體的有意滲雜，或可能是無意滲雜，例如，通過晶格空位。例如，氮化嫁 可能在常見的外延生產(chǎn)過程中，在無意滲雜的η型半導(dǎo)體內(nèi)形成。滲雜劑或半導(dǎo)體本身的其 他細(xì)節(jié)可W是常規(guī)的。
[0016] 在圖1中，假定附加層16、17和18不影響半導(dǎo)體的電子狀態(tài)。材料的屬性未受外界 影響的打擾在此稱之為材料的"標(biāo)準(zhǔn)"屬性。材料具有導(dǎo)帶和價(jià)帶。導(dǎo)帶的標(biāo)準(zhǔn)能級(jí)被表示 為Ε。，且價(jià)帶的標(biāo)準(zhǔn)能級(jí)表示為Εν。在所示的η型半導(dǎo)體中，標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Efs低于標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)帶 能級(jí)Ec。
[0017] 偏壓材料26的層覆蓋半導(dǎo)體元件10的正表面12。在本示例中，偏壓材料26作為薄 層，從而使偏壓材料對波長內(nèi)的光透光，所述光為被半導(dǎo)體吸收的光。如本發(fā)明公開使用的 術(shù)語"透光"表示元件使得在感興趣的波長內(nèi)的光的本質(zhì)部分將通過該元件被透射。完美的 透光度并不需要，例如，100%透射。其中，在此處，半導(dǎo)體元件10為η型，偏壓材料26具有的標(biāo) 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Efm低于半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Efs。換言之，該偏壓材料的逸出功Φπι大于半導(dǎo) 體在其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的逸出功。材料的逸出功為從費(fèi)米能級(jí)中移動(dòng)電子至真空所需的能量。 金屬的逸出功也被稱為金屬的"電子親合性"。在所示的特定示例中，偏壓材料26為導(dǎo)電金 屬。例如，當(dāng)半導(dǎo)體元件10為IIVI半導(dǎo)體，比如硫化儒η被滲雜為1〇17,具有約4.2電子伏特 ("eV")的逸出功，偏壓材料26可能為金屬，比如具有約4.78eV逸出功的金。在本實(shí)施例中， 偏壓層26是足夠薄到透光的金屬層。該金屬是導(dǎo)電的，從而偏壓介質(zhì)作為第一電極。
[0018] 在圖1中，黑暗條件下，半導(dǎo)體元件和相關(guān)結(jié)構(gòu)在開路中被示出。在此條件下，沒有 光落在半導(dǎo)體，且沒有電流流經(jīng)半導(dǎo)體。金屬和半導(dǎo)體的逸出功在一個(gè)能級(jí)上得到平衡，該 能級(jí)由共同的費(fèi)米能級(jí)Fe表示。在所說明的金屬和半導(dǎo)體的情況下，該平衡費(fèi)米能級(jí)Fe基本 上等于該金屬的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Fm。換言之，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)下降至平衡費(fèi)米能級(jí)Fe。要實(shí) 現(xiàn)運(yùn)一點(diǎn)，電子從半導(dǎo)體相鄰的正表面12被轉(zhuǎn)移至偏壓介質(zhì)。運(yùn)使得半導(dǎo)體貫穿半導(dǎo)體的 一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域在此被稱之為"空間載荷區(qū)"，也被稱為"耗盡區(qū)"，與正表面12相鄰耗盡 電子，因此該區(qū)帶正電荷，并使得偏壓介質(zhì)帶負(fù)電荷。在偏壓介質(zhì)中的電荷被集中在非常薄 的區(qū)域中，該區(qū)域通常為幾埃厚，被稱為"增量電荷區(qū)"（未示出），與半導(dǎo)體正表面12鄰接。 與正表面相鄰的半導(dǎo)體的導(dǎo)帶內(nèi)的電子被偏壓介質(zhì)上的負(fù)電荷排斥。在離正面逐漸更遠(yuǎn)的 距離，通過介于偏壓介質(zhì)和電子之間正電荷半導(dǎo)體的量逐漸增大，使排斥力減小。換言之， 在半導(dǎo)體的空間載荷區(qū)內(nèi)有電場。在空間載荷區(qū)內(nèi)，半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)的任何電子具有由電場 施加的附加勢能，并因此比在空間載荷區(qū)外的導(dǎo)帶的電子能級(jí)更高。運(yùn)由曲線20的向上彎 曲表示。因?yàn)榘雽?dǎo)體的帶隙為定量，價(jià)帶的能級(jí)也在空間載荷區(qū)內(nèi)增加，如由曲線22的向上 彎曲表示。術(shù)語"帶彎曲"通常用于描述空間載荷區(qū)內(nèi)能級(jí)的扭曲。運(yùn)些曲線向上彎曲的幅 度等于半導(dǎo)體10的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與偏壓介質(zhì)26的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之間的差異。運(yùn)種差異被稱 之為金屬-半導(dǎo)體結(jié)的"內(nèi)建電壓"（"Vbi")。電場的強(qiáng)度由曲線20的斜率表示，并在空間載荷 區(qū)的邊界逐漸下降到零，如圖1中的線28所示。在黑暗、開路的條件下，空間載荷區(qū)的厚度tsc 取決于半導(dǎo)體的載流子濃度W及內(nèi)建電壓Vbi和介電常數(shù)。在上述條件下的厚度tsc可很快 由本領(lǐng)域技術(shù)人員計(jì)算。通過舉例的方式，對于在不同內(nèi)建電壓滲雜硫化儒不同載流子濃 度，tsc的近似值如下表所示。最大電場Emm也在表1中示出。
[0019] 表1
根據(jù)本實(shí)施例的光伏電池還包括第二電極30。在厚度方向，第二電極30與正表面12遠(yuǎn) 離，且與第一電極26遠(yuǎn)離。換言之，電極26和電極30彼此不接觸，并且運(yùn)些電極之間在厚度 方向存在非零距離cb。半導(dǎo)體元件10的一部分被設(shè)置在運(yùn)些電極之間。在厚度方向，正表面 12與第二電極30之間的距離d2小于在黑暗、開路條件下，空間載荷區(qū)的厚度tsc。換言之，在 黑暗、開路條件下，第二電極與空間載荷區(qū)內(nèi)的半導(dǎo)體接觸。因此，電極26和電極30都與半 導(dǎo)體元件10的空間載荷區(qū)接觸。在本實(shí)施例中，電極30對能通過由層16和層18形成的附件 單元的低能光子透光。在實(shí)踐中，電極30可能包括金屬的薄層或多個(gè)彼此間隔的不透光導(dǎo) 體，使得光可W通過導(dǎo)體之間的空間透射。在圖1的實(shí)施例中，第二電極30被假定與半導(dǎo)體 歐姆接觸。因此，假定的目的是說明第二電極30不引起明顯的帶彎曲，或W其他方式明顯影 響空間載荷區(qū)內(nèi)導(dǎo)帶的配置。如從檢查圖1可W理解，在從結(jié)12至第二電極的厚度方向具有 電勢梯度，所述結(jié)12在偏壓材料26和半導(dǎo)體之間。換言之，本實(shí)施例中的梯度方向與厚度方 向相同。圖1中示意性示出的電路29,包括可被連接于電極26和電極30之間的開關(guān)31和負(fù)載 33。
[0020] 在運(yùn)行中，光穿過透光偏壓材料26并進(jìn)入半導(dǎo)體。光在位于正表面12和理論邊界 36之間的半導(dǎo)體的區(qū)域內(nèi)被吸收。在距離正表面12的深度X處的光強(qiáng)度Ix由W下方程給出： Ix=Ioe_ax 其中： 1〇是正表面12處的光強(qiáng)度;且 α是對于光照射在半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的吸收系數(shù)。除非在本公開中另有注明，α的值應(yīng)取 為能量高于半導(dǎo)體帶隙的太陽福射的那部分的平均值。
[0021] 如在本公開中使用的，吸收區(qū)域的厚度tA被取為等于深度X等于cTi。在運(yùn)個(gè)深度， Ix/Iq等于e^i或約0.37。換言之，tA為入射光子的約63%被吸收的深度X。厚度tA可大于或小于 空間載荷區(qū)的厚度tsc，但優(yōu)選地，tA小于tsc。再舉例來說，硫化儒提供約4000埃厚的吸收區(qū) 域。
[0022] 光的光子的吸收促進(jìn)電子從價(jià)帶至導(dǎo)帶。運(yùn)由圖1中的箭頭32表示。因此，光的吸 收增加半導(dǎo)體的載流子濃度。光子能量通過空間載荷區(qū)內(nèi)電的電勢梯度加速，形成附加載 流子。因此，電子從正表面離開并朝向第二電極移動(dòng)，反之，空穴朝向正表面12、偏壓材料和 電極26移動(dòng)。電子傳遞至第二電極30,使得第二電極相對于偏壓介質(zhì)和第一電極26帶負(fù)電 荷。少數(shù)載流子(空穴，在η型半導(dǎo)體中示出）的數(shù)目增加相對于目前在黑暗條件下小數(shù)目的 少數(shù)載流子尤其顯著。少數(shù)載流子的積累趨于減少空間載荷區(qū)的厚度。運(yùn)通過圖1中的邊界 28'示意性表示。理想地，第二電極30被設(shè)置在空間載荷區(qū)減少的厚度內(nèi)，如圖1所示。例如， 在用于陸地使用的光伏電池中，當(dāng)電池經(jīng)受1太陽光照時(shí)，第二電極優(yōu)選仍在空間載荷區(qū)的 厚度內(nèi)。如在本公開中使用的，術(shù)語"太陽'指的是光，該光具有每平方米1000瓦的強(qiáng)度和對 應(yīng)于太陽能撞擊地球的光譜的光譜。此光譜稱作為ΑΜ1.5光譜。在開路條件下，隨著外電路 30中無電流流動(dòng)，電極間的電勢差的大小將小于半導(dǎo)體的帶隙。當(dāng)開關(guān)31閉合時(shí)，電子將從 第二電極30流經(jīng)外電路至第一電極，在此情況下，偏壓材料26,將與空穴結(jié)合。半導(dǎo)體內(nèi)的 內(nèi)部電流被稱為光電流，并由圖1中的箭頭Ιρηοτο表示。
[0023] 空間載荷區(qū)內(nèi)的電場引起載流子，特別是電子，加速到相對較高的速度。此外，電 極的相對接近的間距，使由載流子移動(dòng)的距離最小化。運(yùn)是尤其重要的，其中，構(gòu)成元件10 的半導(dǎo)體為直接半導(dǎo)體，且光子吸收過程為直接吸收過程。如在本公開中使用的，術(shù)語"直 接躍遷"指的是光子被電子的量子躍遷吸收的過程，所述電子的量子躍遷為從價(jià)帶至導(dǎo)帶， 該過程不需要與其他粒子或波相互作用，或生成其他粒子或波。運(yùn)種直接躍遷過程應(yīng)與間 接躍遷過程相對比，間接躍遷過程通常設(shè)及與"聲子"相互作用，例如，在半導(dǎo)體材料內(nèi)的振 動(dòng)波。術(shù)語"直接半導(dǎo)體"指的是能夠在直接躍遷過程中吸收光子的半導(dǎo)體。因?yàn)橹苯榆S遷 過程只設(shè)及兩個(gè)粒子或波相互作用，例如，光子和電子，如果撞擊光子具有的能量至少等于 帶隙，吸收過程可能發(fā)生。因此，直接半導(dǎo)體起非常高效的吸收材料的作用。然而，反向躍 遷，例如，電子從導(dǎo)帶下降至價(jià)帶，被稱為"載流子復(fù)合"，也有可能在直接半導(dǎo)體中。換言 之，在直接半導(dǎo)體內(nèi)的載流子復(fù)合發(fā)生遠(yuǎn)快于在間接半導(dǎo)體內(nèi)。因?yàn)檩d流子在圖1中所示電 池的電極間區(qū)域內(nèi)在相反的方向快速移動(dòng)，且由于電極間的距離小，大量載流子存活充分 時(shí)間W到達(dá)電極，使得大量電流可通過電池生成。
[0024] 與此相反，在被稱為"肖特基二極管"的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，第二電極在空間載荷區(qū)外很 遠(yuǎn)的位置與半導(dǎo)體接觸。通過光子吸收所產(chǎn)生的載流子將要穿過半導(dǎo)體的一個(gè)大區(qū)域而擴(kuò) 散，它不受與空間載荷區(qū)相關(guān)聯(lián)的電場影響。因此，載流子在到達(dá)電極前將要經(jīng)受持續(xù)很久 的滯留時(shí)間。試圖把由直接半導(dǎo)體形成的此種肖特基二極管結(jié)構(gòu)作為光伏電池使用，將經(jīng) 受大量的載流子復(fù)合，并產(chǎn)生減少的輸出電流。
[0025] 如圖1所示包含半導(dǎo)體元件10的電池可由直接半導(dǎo)體制成。此外，所述電池沒有包 含ρ-η結(jié)。因此，運(yùn)種電池可由各種各樣的半導(dǎo)體制成。例如，很難制成的Ρ型半導(dǎo)體可被使 用。某些半導(dǎo)體顯示η型滲雜，即使沒有有意添加滲雜劑。當(dāng)使用運(yùn)樣的半導(dǎo)體，電池包含的 半導(dǎo)體10可不用任何有意滲雜來制造。
[0026] 具有的能量小于元件10中半導(dǎo)體的帶隙的光子穿過半導(dǎo)體而不被吸收，且穿過透 光電極30和21，使得它們到達(dá)由層16和層18構(gòu)成的附加光伏電池。該電池吸收運(yùn)些光子并 在電極21和電極23之間產(chǎn)生電勢。運(yùn)些電極可連接至任何配置的另一外電路(未示出）。在 此類電路的一個(gè)示例中，與附加層16和附加層18相關(guān)聯(lián)的電極和與半導(dǎo)體10相關(guān)聯(lián)的電極 26和電極30串聯(lián)。因此，該裝置作為一個(gè)整體起復(fù)合電池的作用，隨著短波光在包括元件10 的正面電池被吸收且被轉(zhuǎn)換為電能，且隨著長波光在包含層16和層18的背面電池被轉(zhuǎn)換為 電能。在進(jìn)一步實(shí)施例中，由層16和層18構(gòu)成的附加電池可被省略，且第二電極30可為反射 性的。在運(yùn)樣的布置中，第二電極對任何未被吸收的光重新定向，光回到第一電極和第二電 極之間的空間中。該反射光將包括一些具有的能量比半導(dǎo)體元件10的帶隙更大的光子。當(dāng) 運(yùn)些光子返回朝第一電極26移動(dòng)時(shí)，將至少部分被吸收。在進(jìn)一步的變型中，如圖1所示提 供一種由層16和層18形成的附加電池，但第二電極30被形成為選擇性反射結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)反 射高能光子朝第一電極26返回，但對低能光子透光。在該布置的變型中，背面電池可包含透 光電極，且由低帶隙半導(dǎo)體形成的一個(gè)或多個(gè)附加電池可被置于背面電池之后，使得附加 電池吸收更小波長的光。在進(jìn)一步的變型中，半導(dǎo)體主體包括位于元件10之前的一個(gè)或多 個(gè)附加電池，該附加電池由具有比元件10的材料更大帶隙的半導(dǎo)體制成。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的光伏電池（圖2)類似于參考圖1的如上所述的電池。在 運(yùn)種情況下，然而，整個(gè)半導(dǎo)體元件僅由設(shè)置在第一電極和偏壓材料126之間的半導(dǎo)體材料 層和第二電極130構(gòu)成。在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體元件的整體具有的厚度小于空間載荷區(qū)的標(biāo) 準(zhǔn)厚度。運(yùn)里再次地，兩個(gè)電極都與空間載荷區(qū)接觸。在本實(shí)施例中，第二電極130包括金屬 層131和高滲雜半導(dǎo)體材料的薄層111，該薄層111與半導(dǎo)體元件110接觸。在示出的特定示 例中，半導(dǎo)體110再次為η型，且層111是通常被稱為n+層。層111為相同的導(dǎo)電型，即η型，作 為半導(dǎo)體主體110的其余部分，但是具有如此高的載流子濃度W致在某些方面起類似金屬 的作用。運(yùn)樣的層可W促進(jìn)半導(dǎo)體主體110和第二電極130的金屬層之間的傳導(dǎo)。大量電子 到達(dá)第二電極130幫助在第二電極的電子保持高濃度。如果電子在第二電極的濃度足夠高， 由滲雜形成的η+層可能不必要。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的光伏電池（圖3)類似于圖1和圖2,不同之處在于半導(dǎo) 體主體210全部由Ρ型半導(dǎo)體形成。在運(yùn)種情況下，偏壓層226由具有的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體 210且逸出功低于半導(dǎo)體的材料形成。同樣在本實(shí)施例中，偏壓材料在半導(dǎo)體中產(chǎn)生帶彎 曲。運(yùn)里再次地，偏壓材料226和第二電極230之間的厚度方向的間距或距離小于空間載荷 區(qū)的厚度，使得第二電極230被置于空間載荷區(qū)內(nèi)。運(yùn)種電池的運(yùn)行與如上所述的基本相 同，不同之處在于電流的流動(dòng)方向是相反的。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的電池如圖4和圖5所示。該電池包括包含多個(gè)電極元件 301的第一電極，所述多個(gè)電極元件301覆蓋于半導(dǎo)體元件的第一表面312。一個(gè)運(yùn)樣的元件 被示于圖5。單個(gè)電極元件彼此之間通過布線線路303導(dǎo)電連接示意性示于圖4中。布線線路 優(yōu)選為盡實(shí)際可能的薄，使得布線線路僅覆蓋第一表面312的最小所需區(qū)域。
[0030]偏壓介質(zhì)326也覆蓋半導(dǎo)體元件的第一表面312。偏壓介質(zhì)326優(yōu)選覆蓋第一表面 的很大一部分。在本文中稱為"該表面的第一部分"。與此相反，電極元件301優(yōu)選覆蓋第一 表面312的第二、較小的部分。換言之，電極元件301被設(shè)于第一表面312上偏壓介質(zhì)不存在 的區(qū)域。每個(gè)電極元件優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層，例如金屬層。在所示的特定實(shí)施例中， 每個(gè)電極元件301包括第一金屬層305和與第一表面接觸的第二金屬層307。在其他變型中， 只有一個(gè)金屬層，或兩個(gè)W上的金屬層也可使用。電絕緣體309圍繞每個(gè)電極元件301，使得 電極元件不與偏壓介質(zhì)326直接導(dǎo)電接觸，并由此第一電極作為一個(gè)整體。布線線路303(圖 4)也與偏壓元件絕緣。偏壓介質(zhì)326優(yōu)選為透光的，但可W是導(dǎo)體或高滲雜半導(dǎo)體。例如，如 果半導(dǎo)體310為η型，偏壓介質(zhì)326可能包括p+型半導(dǎo)體327的薄層，且可選擇性地包括位于p +型半導(dǎo)體327和半導(dǎo)體元件之間的躍遷層329,該躍遷層329界定表面312W提高運(yùn)些元素 的晶格匹配。偏壓介質(zhì)不形成穿過電池的傳導(dǎo)路徑的一部分，且不是半導(dǎo)體元件310的一部 分。因此，運(yùn)里再次地，設(shè)于電極之間的半導(dǎo)體元件310全部由η型半導(dǎo)體組成。通過P+介質(zhì) 的η型半導(dǎo)體寬帶隙的偏壓可產(chǎn)生大量帶彎曲和大的內(nèi)建電壓。運(yùn)可減輕任何由躍遷層引 起的內(nèi)建電壓的降低。
[0031] 電池被描述為連接至外部負(fù)載331，例如電阻負(fù)載。在運(yùn)行中，光傳遞至半導(dǎo)體主 體內(nèi)穿過偏壓介質(zhì)，如圖5中的箭頭hv所示。然而，與電極元件301對齊的主體的區(qū)域保持大 體上無光照。因此，運(yùn)些區(qū)域?qū)]有載流子，且將具有的導(dǎo)電性遠(yuǎn)低于與偏壓介質(zhì)對齊的區(qū) 域的導(dǎo)電性。
[0032] 在與電極元件遠(yuǎn)離的半導(dǎo)體的區(qū)域中，電池的運(yùn)行很像上面討論的實(shí)施例。因此， 由箭頭標(biāo)記的Iphoto表示的光電流在第二電極330和第一表面312之間的厚度方向上流動(dòng)。假 如在第一表面312的載流子濃度足夠高時(shí)，遠(yuǎn)離電極元件301的電池區(qū)域的光電流也將沿著 表面312朝向電極元件，在垂直于厚度方向的方向流動(dòng)，使得光電流將穿過電極元件，并穿 過外部負(fù)載331，且回到第二電極330。
[0033] 負(fù)載331的電壓差作為第一電極的電極元件301和第二電極之間的外部偏壓出現(xiàn)。 運(yùn)個(gè)外部偏壓趨于抵消帶彎曲的效果。換言之，由負(fù)載施加的外部電壓抵消由偏壓介質(zhì)施 加的空間載荷區(qū)內(nèi)的電場。例如，曲線320示意性地表示不存在外部偏壓時(shí)的半導(dǎo)體的導(dǎo) 帶，反之，曲線321示意性地表示存在外部電壓時(shí)的導(dǎo)帶。運(yùn)效果減少場驅(qū)動(dòng)載流子穿過半 導(dǎo)體，并因此趨于減少光電流。另外，外部偏壓趨于產(chǎn)生與光電流相反的電流，如圖5中箭頭 Idark所示。運(yùn)減少了在電池中流動(dòng)的凈電流。
[0034] 然而，由于外部偏壓施加于電極元件301和第二電極330之間，運(yùn)些效果將主要發(fā) 生于與電極元件對齊的主體的區(qū)域。運(yùn)些區(qū)域構(gòu)成電池的一個(gè)相對較小的部分。因?yàn)榘雽?dǎo) 體的運(yùn)些區(qū)域大體上無光照，并具有非常低的載流子濃度，Idark將小于具有第一電極覆蓋 整個(gè)正面的可比電池上的Idark。此外，遠(yuǎn)離電極元件的半導(dǎo)體的那些區(qū)域?qū)⒃诎雽?dǎo)體內(nèi)的 電場中承受較小的相關(guān)偏差的減少。應(yīng)當(dāng)相信的是，運(yùn)些因素提高如圖4和圖5所示的電池 的性能。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的電池（圖6)包括由間接半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體元件410， 例如，娃。該電池具有包含多個(gè)電極元件401的第一電極，圖6中只示出了多個(gè)電極元件的其 中之一。電極元件401在半導(dǎo)體元件的第一表面412上彼此間隔。該電池還包括偏壓介質(zhì)426 和類似于W上參照圖4和圖5討論的絕緣體409。在運(yùn)個(gè)電池中，偏壓介質(zhì)和半導(dǎo)體之間的相 互作用形成在黑暗、開路條件下具有厚度tsc的空間載荷區(qū)。第二電極430與位于空間載荷區(qū) 外的半導(dǎo)體接觸。在運(yùn)個(gè)電池中，正表面412與第二電極430之間的距離d2大于tsc。所述的特 定示例包含η型半導(dǎo)體。在空間載荷區(qū)的邊界428和第二電極430之間的區(qū)域中，在黑暗條件 下沒有電場。運(yùn)由圖6中示意性示出的導(dǎo)帶Ec的平緩部分表示。在運(yùn)行中，空間載荷區(qū)產(chǎn)生 的電子在空間載荷區(qū)內(nèi)電場的影響下，朝向邊界428傳遞，然后從邊界428向第二電極430擴(kuò) 散。因?yàn)榘雽?dǎo)體為間接半導(dǎo)體，載流子將有足夠的壽命到達(dá)電極。在運(yùn)個(gè)電池中，結(jié)合利用 間隔的電子元件401和與電極元件絕緣的偏壓介質(zhì)426提供類似于W上參照圖4和圖5討論 的益處。
[0036] 眾多變型和W上討論的元素的組合可被采用。例如，W上參照圖4-6討論的實(shí)施 例，電極元件不必為如圖所示的絕緣的循環(huán)元件的形式。在一種變型中，電極元件為彼此平 行延伸的伸長條形式，且在方向垂直于條的伸長方向上彼此間隔。在包括伸長條電極元件 的布置中，布線路線303(圖4)可被省略。單個(gè)電極元件的金屬層可在條的伸長方向上延伸， 并因此可有助于載流至共同導(dǎo)體。電連接單個(gè)電極元件的其他結(jié)構(gòu)可被采用。
[0037] 在其他實(shí)施例中，描述為固體層的各種電極可被形成為復(fù)合電極，每個(gè)包括一組 彼此間隔的元件。運(yùn)些元件可W為不透光的，但該復(fù)合電極作為一個(gè)整體將大體上透光。在 另一個(gè)變型中，光可被引導(dǎo)進(jìn)入電池，穿過半導(dǎo)體元件的背面，如圖2或圖3中所示。
[0038] 在進(jìn)一步的變型中，半導(dǎo)體元件被形成為一個(gè)較大的半導(dǎo)體主體的一部分，其包 括覆蓋在偏壓介質(zhì)和半導(dǎo)體第一面的半導(dǎo)體的附加層。同樣在該布置中，偏壓介質(zhì)覆蓋在 半導(dǎo)體元件的一個(gè)面上。
[0039] 在W上討論的實(shí)施例中，偏壓介質(zhì)與半導(dǎo)體元件直接接觸。然而，偏壓介質(zhì)可通過 常規(guī)MIS結(jié)采用的絕緣體的薄層，從半導(dǎo)體元件分隔。例如，運(yùn)樣的絕緣層可被用于代替圖5 中所示的躍遷層329。運(yùn)種布置為次優(yōu)選的，因?yàn)樗档土藘?nèi)建電壓Vbi。
[0040] 雖然本發(fā)明在此參考特定實(shí)施例描述，但是應(yīng)該理解的是，運(yùn)些實(shí)施例僅僅說明 本發(fā)明的原理和應(yīng)用。因此應(yīng)該理解的是，可對說明性實(shí)施例進(jìn)行許多修改，且其他布置不 脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光伏電池，包括： (a) 具有正面、背面和面之間的厚度方向的半導(dǎo)體元件，半導(dǎo)體元件全部由η型半導(dǎo)體 或全部由Ρ型半導(dǎo)體組成； (b) 覆蓋所述面的第一面的偏壓介質(zhì)，偏壓介質(zhì)引起半導(dǎo)體元件中的帶彎曲，使得空間 載荷區(qū)存在于半導(dǎo)體元件內(nèi)，在厚度方向有單向電勢梯度貫穿空間載荷區(qū)；以及 (c) 在厚度方向上彼此間隔的正電極和背電極，各電極在開路條件下無光照時(shí)在空間 載荷區(qū)內(nèi)與半導(dǎo)體元件接觸。2. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中正電極和背電極在開路條件下、1太陽光照時(shí)在 空間載荷區(qū)內(nèi)與半導(dǎo)體元件接觸。3. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件的形式為設(shè)置在正電極和背電極之 間的半導(dǎo)體材料層。4. 如權(quán)利要求2所述的光伏電池，其中空間載荷區(qū)延伸貫穿層的整個(gè)厚度。5. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件為直接半導(dǎo)體。6. 如權(quán)利要求5所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件為寬帶隙半導(dǎo)體。7. 如權(quán)利要求5所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件全部由η型半導(dǎo)體組成。8. 如權(quán)利要求7所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件包括無意摻雜的η型半導(dǎo)體。9. 如權(quán)利要求7所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件包括III-V半導(dǎo)體。10. 如權(quán)利要求5所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件全部由ρ型半導(dǎo)體組成，并且偏壓介 質(zhì)具有的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體元件的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。11. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件包括II-VI半導(dǎo)體。12. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)為金屬。13. 如權(quán)利要求12所述的光伏電池，其中電極中的一個(gè)包括偏壓介質(zhì)。14. 如權(quán)利要求12所述的光伏電池，其中金屬為透光的。15. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中至少一個(gè)所述電極包括與半導(dǎo)體元件接觸的高 摻雜半導(dǎo)體區(qū)域。16. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)僅覆蓋所述面的第一面的第一部分， 且所述電極中的一個(gè)與所述面的第一面的第二部分接觸，但不與偏壓介質(zhì)直接導(dǎo)電接觸。17. 如權(quán)利要求16所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)為透光的。18. -種發(fā)電方法，包括如下步驟： (a) 保持單向電勢梯度在梯度方向貫穿半導(dǎo)體元件的空間載荷區(qū)； (b) 在保持步驟中，將光引導(dǎo)至空間載荷區(qū)中，使得至少一些光被半導(dǎo)體吸收，且吸收 的光使電子從價(jià)帶提升至導(dǎo)帶；以及 (c) 在一對電極上收集電流，所述一對電極在梯度方向彼此間隔且在空間載荷區(qū)內(nèi)或 鄰近空間載荷區(qū)與半導(dǎo)體接觸。19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中在收集步驟中，電極在空間載荷區(qū)域內(nèi)與半導(dǎo)體接 觸。20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中保持電勢梯度的步驟是通過保持半導(dǎo)體與偏壓介 質(zhì)并列，使得偏壓介質(zhì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生帶彎曲而進(jìn)行。21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中半導(dǎo)體元件的空間載荷區(qū)內(nèi)的半導(dǎo)體全部由ρ型半 導(dǎo)體或全部由η型半導(dǎo)體組成。22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中空間載荷區(qū)內(nèi)的半導(dǎo)體全部由η型半導(dǎo)體組成。23. 如權(quán)利要求18或權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的方法，其中光在直接躍迀過程中 被半導(dǎo)體吸收。24. -種光伏電池，包括： (a) 具有第一面、第二面和面之間的厚度方向的半導(dǎo)體元件； (b) 僅覆蓋第一面的第一部分的偏壓介質(zhì)，偏壓介質(zhì)引起半導(dǎo)體元件中的帶彎曲； (c) 第一電極，第一電極覆蓋并接觸與第一部分分隔的第一面的第二部分，第一電極 不與偏壓介質(zhì)直接導(dǎo)電接觸；以及 (d) 第二電極，第二電極與半導(dǎo)體元件在遠(yuǎn)離第一面的位置處接觸。25. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件具有在第一面和第二電極之間的 第一區(qū)域，且其中第一區(qū)域全部為P型或全部為η型。26. 如權(quán)利要求25所述的光伏電池，其中第二電極覆蓋并接觸半導(dǎo)體元件的第二面的 至少一部分。27. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中第一電極包括在半導(dǎo)體元件的第一面上彼此 間隔的多個(gè)半導(dǎo)體元件。28. 如權(quán)利要求27所述的光伏電池，其中每個(gè)電極元件包括與第一面接觸的導(dǎo)電材料 和把導(dǎo)電材料從偏壓介質(zhì)分隔的絕緣材料。29. 如權(quán)利要求27所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)為透光的，且每個(gè)所述電極元件包括 不透光材料。30. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中第二電極與半導(dǎo)體元件歐姆接觸。31. 如權(quán)利要求30所述的光伏電池，其中第二電極包括與半導(dǎo)體元件接觸的高摻雜半 導(dǎo)體層和與高摻雜半導(dǎo)體層接觸的金屬。32. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)包括與半導(dǎo)體元件的第一面接觸的 透光金屬。33. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中偏壓介質(zhì)包括覆蓋半導(dǎo)體元件第一面的透光 高摻雜半導(dǎo)體層。34. 如權(quán)利要求24所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件為η型半導(dǎo)體，且偏壓介質(zhì)具有的 費(fèi)米能級(jí)低于半導(dǎo)體元件的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。35. 如權(quán)利要求34所述的光伏電池，其中半導(dǎo)體元件選自由III -V半導(dǎo)體、II -VI半導(dǎo)體 和IV族半導(dǎo)體組成的族。36. -種發(fā)電方法，包括如下步驟： (a) 保持半導(dǎo)體的第一表面的第一部分與偏壓介質(zhì)接觸，同時(shí)也保持第一表面的第二 部分與第一電極接觸，且保持第一接觸不與偏壓介質(zhì)直接導(dǎo)電接觸，其中所述偏壓介質(zhì)具 有的費(fèi)米能級(jí)與半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不同；以及 (b) 在步驟(a)中，保持第二接觸與半導(dǎo)體在遠(yuǎn)離第一表面的位置處接觸； (c) 在步驟(a)和步驟(b)中，將光引導(dǎo)至半導(dǎo)體中，使得至少一些光被半導(dǎo)體吸收，且 吸收的光使電子從價(jià)帶提升至導(dǎo)帶；以及 (d) 在電極收集產(chǎn)生的電流。37. 如權(quán)利要求36所述的方法，還包括引導(dǎo)電流穿過電極之間的負(fù)載。38. 如權(quán)利要求36所述的方法，還包括阻擋光透射進(jìn)入與第一接觸對齊的半導(dǎo)體的區(qū) 域的步驟。39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中第一接觸是不透光的，且阻擋步驟在第一接觸的至 少一部分進(jìn)行。40. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中半導(dǎo)體在直接躍迀過程中吸收光。41. 如權(quán)利要求36所述的方法，其中半導(dǎo)體在間接躍迀過程中吸收光。
【文檔編號(hào)】H01L31/07GK105874610SQ201480072139
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月3日
【發(fā)明人】科里·E·勒納
【申請人】哥倫布光伏有限責(zé)任公司