多结太阳能电池的制作方法
【专利说明】多结太阳能电池
[0001]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)要求于2012年11月16日提交的第61/727，636号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及太阳能电池，具体涉及主要由II1-V半导体合金形成的高效多结太阳能电池。
【背景技术】
[0003]众所周知，在空间与聚光光生伏打领域中，使用降低价格的高效率多结太阳能电池仍然是扩大太阳能市场的主要焦点。降低太阳能成本的一种方法是降低电池制造成本并且增大电池效率和保持材料质量。当前，最成功的增大太阳能电池效率的技术集中在建造多结太阳能电池。虽然本领域技术人员知道可通过将更多子电池结堆叠在太阳能电池上以获得更宽的太阳光谱范围来实现更高的效率，但是建造超过目前市场上可得到的三结电池的四结、五结、六结电池仍然是繁重且昂贵的任务。当前商业多结太阳能电池实现的最大效率记录略高于44%。
[0004]本领域中通常用于多结太阳能电池的材料由II1-V半导体合金组成，生长在包括锗、砷化镓、硅、或磷化铟的各种基底上。II1-V合金是从标准周期表的IIIA列和VA列得到的，下文中通过其标准化学符号、名称和缩写标识，其中来自IIIA列的元素的总数基本等于来自VA列的元素总数。本文中“II1-AsNV”材料限定为来自周期表IIIA族(即B、Al、Ga、In、Tl)和VA族(即N、P、As、Sb、Bi)的元素的合金，其中该合金包括As、N以及来自Sb和Bi的至少一个其他元素。
[0005]II1-V半导体原子通常设置在清楚限定的三维配置(称为点阵)中。点阵匹配指具有相同原子间距和结构的两个不同材料并因此形成互连的界面。因为原子之间没有额外的或缺失的键并且维持了这两种材料的高质量晶体本质，所以该方案是理想的。应注意，在下文中，“基本点阵匹配”通常理解为当这些材料的厚度大于10nm时这些材料在充分松弛状态下的面内点阵常数相差小于0.6%。此外，本文中使用的彼此基本点阵匹配的子电池指的是子电池中厚度大于10nm的所有材料具有在充分松弛状态下相差小于0.6%的面内点阵常数。当两个材料具有不同的原子间距时，发生点阵失配。
[0006]为了将不同材料集成到多结太阳能电池中，不同最优热处理是期望的。为了实现最优材料质量，选择需要具体热处理、基底生长和/或基底定向的材料。例如，必须小心地控制形成用于许多多结太阳能电池的Ge子电池的生长过程，以实现最佳的材料质量。因此，鉴于实现所选材料的最优性能所需的不同要求，有利的是生长可进行某退火过程和/或生长的材料并将这些材料集合起来，之后将这些材料集成到多结太阳能电池中。
[0007]具体地，对于包括稀释氮化物子电池的多结太阳能电池，需要原位退火或生长后退火，以实现可靠的材料性能。这种高温退火可能影响一些邻近材料的性能。此外，可利用每个稀释氮化物子电池具有不同带隙的多个稀释氮化物子电池实施先进的四结、五结、六结或更多结的多结太阳能电池。为了使每个结最优地执行，这些不同的带隙稀释氮化物子电池可能需要不同的退火过程。在这种情况下，对于用于多结太阳能电池的子电池的所有材料的整体质量有利的是各个稀释氮化物子电池生长在不同基底上并接受其最优的热处理。例如，结合技术可能允许对底部扩散电池(Ge)和将结合在顶部上的三结结构使用不同的退火处理。该方法可准许使生长技术最优化，例如通过MOCVD生长底部电池和通过MBE生长三结堆。虽然电池效率提高位于CPV成本等式的一边，而与生长技术和材料使用相关联的成本仍在位于另一边。本领域技术人员使用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉淀(MOCVD)过程进行外延生长。虽然MBE已表现出能够制造最高性能的多结太阳能电池，但MOCVD是工业中通常使用的方法，其根据子电池生长可以是成本有利的。组合MOCVD和MBE生长过程而不是仅使用MBE或MOCVD对于具有4个、5个、6个或更多子电池的多结太阳能电池可能是成本有效的。
[0008]此外，用于生长某些子电池的基底可能非常昂贵。因此有利的是重复使用非外延生长衬底以形成其他子电池生长。
[0009]本申请中的每个子电池都包括多个关联层，通常包括窗、发射极、基极和背面场(BSF) ο这些术语对于本领域技术人员是公知的并本文中不需要再进行限定。上述每个层可包括一个或多个子层。窗和发射极具有一个掺杂极性(例如η型)而基极和背面场具有相反的极性(例如P型)，并且ρ-η结或η-ρ结形成在基极与发射极之间。如果基极除有意掺杂的区域之外还包括本征区，则如对本领域技术人员公知的是，可考虑p-1-n或n-1-p结。按照惯例，给定的子电池的带隙和具体合金分别被认为是形成基极的材料的名称和带隙。该材料可以或不可以组成子电池的窗、发射极和背面场。例如，包括AlInP窗、InGaP发射极、GaAs基极以及AlGaAs背面场的子电池将表示为GaAs子电池。包括AlInP窗、InGaP发射极、InGaP基极以及InGaP背面场的子电池将表示为InGaP子电池。子电池可包括除所列举的这些层之外的其他层。本领域技术人员还应认识到子电池还可构造成没有上述层中的一个或多个。例如，子电池可构造成没有窗或没有背面场。
[0010]当参照自上而下的子电池堆叠次序时，顶部子电池被定义为在太阳能电池操作过程中最靠近光源的子电池，而底部子电池离光源最远。诸如“在……之上”、“在……之下”、“上部”和“下部”的相对术语也指的是堆中相对于光源的位置。子电池生长的次序与该定义无关。顶部子电池还可表示为“J1”，而“J2”为从顶部开始的第二子电池，“J3”为从顶部开始的第三子电池，最高数字将为底部子电池。
[0011]虽然近来使用晶片结合以形成多结太阳能电池引起了人们的兴趣，但是该领域的现有技术没有教导该技术可应用至与其生长的基底(如Ge或GaAs基底)基本点阵匹配的II1-AsNV子电池(本文中描述为“点阵匹配的IIIAsNV”)。本领域的现有技术包括点阵失配子电池的晶片结合、GaInAs和GaInP生长在Ge上并之后结合至S1、或InGaAs、InGaAsP、GaAs、以及GaInP生长在InP上并之后结合至Si。参照Law等人，Solar Energy MaterialsSolar Cells,94(2010)October 2008，pp.1314-1318。或者，可替代地，已示出了可使用晶片结合制造四结太阳能电池，其中InGaAsP和InGaAs作为底部两个结，GaAs和InGaP作为上部两个结。参见 Szabo 等人，Phys.Stat.Sol.(RRL) 2，N0.6July，2008，pp.254-256。或此外，可通过在GaAs上生长Al InGaP和GaAs以及在InP上生长InGaAsP和InGaAs并将位于基底InP或基底Si上的InGaAs和InGaAsP、GaAs、AlInGaP结合以进行晶片结合来制造四结太阳能电池。参见 Zahler 等人，Applied Physics Letters, 91，012108，2007。然而包括上述技术的现有技术中没有教导点阵匹配的II1-AsNV可包括在多结太阳能电池中或该点阵匹配的II1-AsNV可晶片结合。因为II1-AsNV材料在多个特性方面(如其大带隙弯曲系数)不同于更常规的半导体，并不显而易见的是以上描述的用于更传统的太阳能电池的技术可应用至 II1-AsNV材料。或者，如Ptak等人在 Journal of Vacuum Science Technology,B25(3) ,May/June 2007,pp.955-959的工作所教导的，因为表现出较低的材料质量，使用该领域中已知技术制造、具有GaInNAs的点阵匹配的太阳能电池在历史上已不被考虑。
[0012]该领域中的现有技术说明已存在用于制造材料的本领域的高水平技术，所以不必再公开使用在太阳能电池中的制造材料的过程的具体细节。提供几个代表性美国专利作为示例。第6，281，426号美国专利公开了一些结构和组合物但没有公开制造技术，并引用了用于指导材料生长的其他文件。第7，727，795号美国专利涉及用于太阳能电池的倒置的变质结构，在该专利中公开了指数型掺杂。
【发明内容】
[0013]下面的发明描述了通过基于相似的最优退火温度将点阵匹配的子电池集合起来并且之后将这些集合起来的子电池集成到具有四个或更多子电池的多结太阳能电池中来制造包括至少一个II1-AsNV合金的基本点阵匹配的子电池以优化退火环境的方法。具体地，本发明描述了多结太阳能电池的子电池的多个分组生长成与S1、SiGe、GaAs、Ge、InP或虚基底点阵匹配的实施方式。虚基底指的是这样的材料，其中一个或多个外延层生长在特征为具有与外延层的晶格常数基本不同的晶格常数的基底上，如Ge生长在Si上。
[0014]本发明还描述了扩散过程，使用P和As掺杂剂，以在Ge基底中形成η-p或p-η结并通过晶片结合方法在掺杂的Ge基底之上形成多个子电池。
[0015]本发明还描述了四结、五结、六结点阵匹配的多结太阳能电池的多个实施方式，其中至少一部分子电池生长在两个或更多基底上，而该两个或更多基底后来以优化最终多结太阳能电池性能的方式结合起来。在本文中描述的数个实施方式中，生长在基底上的子电池的多个分组通过MBE或MOCVD可在一个或多个温度下现场和/或生长后被退火，以优化多结太阳能电池和分组的子电池的性能。
[0016]在第一方面中公开了多结太阳能电池，其包括具有一个或多个子电池的第一组；以及具有一个或多个子电池的第二组，其中该一个或多个子电池中的每个均与第二基底点阵匹配；其中具有一个或多个子电池的第二组结合至具有一个或多个子电池的第一组；多结太阳能电池包括至少三个子电池；以及该至少三个子电池中至少之一包括基础层，该基础层包括具有周期表上IIIA族、IV族、和VA族的元素的合金。
[0017]在第二方面中，公开了制造多结太阳能电池的方法，其包括形成具有一个或多个子电池的第一组；形成具有一个或多个子电池的第二组，其中该一个或多个子电池中的每个均与第二基底点阵匹配；减薄第二基底；以及结合减薄的第二基底至具有一个或多个子电池的第一组的顶部，以形成多结太阳能电池；其中，该多结太阳能电池包括至少三个子电池；以及该至少三个子电池中至少之一包括基础层，该基础层包括具有周期表上IIIA族、IV族、和VA族的元素的合金。
[0018]在第三方面中，公开了制造多结太阳能电池的方法，其包括形成具有一个或多个子电池的第一组；形成覆盖释放层的具有一个或多个子电池的第二组，其中释放层覆盖第二基底，并且该一个或多个子电池中每个均与第二基底点阵匹配；附接承载基底至具有一个或多个子电池的第二组的顶部子电池；从第二基底释放具有一个或多个子电池的第二组；以及结合具有一个或多个子电池的第二