具有可变带隙的光伏电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及光伏电池的领域，并且具体地，涉及用于太阳辐射的光伏电池(太阳能电池)。
【背景技术】
[0002 ]太阳能电池是能够将电磁能量一诸如太阳辐射一转化为电的电子设备。
[0003]这种电子设备主要由半导体材料构成，其特征在于，具有位于价带和导带之间的禁能带(“带隙”)的固态晶体结构。带隙限定通常禁止自由电子的能量间隔。但是，当太阳辐射击中在太阳能电池中的这种类型的材料时，占据较低能带的电子可以被激发到做出能量跳跃的点并且超过带隙从而到达较高能带。例如，当在半导体的价带中的电子从入射的太阳辐射的光子吸收足够的能量时，这种电子会超过带隙并且到达导带。
[0004]在到达较高能带之后，这种电子在较低能带内留下空的位置;这种在专业术语中被定义为“空穴”的空的位置会在晶体标度线中从原子移动到原子。空穴因此以与导带中的自由电子相同的方式充当电荷载体，并且有助于晶体的导电性。
[0005]换句话说，被半导体吸收的每个光子源自对应的空穴-电子对。通过光子吸收形成的这组电子-空穴对源自太阳能电池的所谓光电流。以这种方式产生的空穴和电子会彼此复合，从而减少它们对光电流维持的贡献。为了避免(或至少尽可能地减少)这种现象以便提高太阳能电池的效率，在半导体材料内产生局部电场。在这种方式中，对光子的吸收进一步产生的空穴和电子结果被局部电场朝相反方向加速，并且因此它们在到达太阳能电池的端子之前复合的概率急剧下降。具体而言，这种电场源自空间电荷区域的产生，诸如可通过在一对相反掺杂的半导体材料之间产生pn结获得的耗尽区域。
[0006]太阳能电池可以是单个pn或np结类型，或者单结太阳能电池，或者可以是多于一个pn或np结类型，或者多结太阳能电池。
[0007]单结太阳能电池基本上通过单个pn或np结的存在构成。相反地，多结太阳能电池通过堆叠各个pn或np结来实现，当前，从两个至五个结。不同的结用不同的半导体材料制成，并且利用在每对相邻结之间插入的隧道二极管被电连接到彼此。
[0008]不同叠加结中的每个结形成所谓的基本电池，并且各个基本电池能够以与利用单个结可获得的相比更有效的方式单独地转换入射太阳辐射光谱的各个部分。
[0009]多结电池相对于单结电池具有能够提供更高输出电压的优点，其总的电压等于单个基本电池的电压之和(减去串联电池的隧道二极管中的小的压降)。
[0010]在过去的几年里，由于允许开发用于制造三、四以及还有五结电池的新材料的技术的进展，基于元素周期表III和V族元素的化合物的半导体材料(以下被简称为“II1-V材料”)的太阳能电池的性能，并且尤其是GaA太阳能电池的性能已经历了连续的增长。
[0011]多结太阳能电池的成本比单结太阳能电池的成本稍高，而其效率要高的多(在25°C的外地面大气照明的条件下，与单结电池20 %的效率相比，对于三结电池，效率大约等于30%);由于这个原因，尤其对于航空航天应用，市场朝着使用这种新的、更高效的设备发展。例如，当前的大电信卫星需要使用三结太阳能电池。这些电池在另一方面被用于地面应用中，诸如在光学浓度系统中。
[0012]为了进行制造，针对形成太阳能电池的结的各种材料层通常利用外延生长技术通过在商用基板上沉积(例如利用金属有机化学气相沉积技术或M0CVD)来获得。为了制造111-V材料的太阳能电池，被更多用作基板的材料是锗(Ge)和/或砷化镓(GaAs)。可用作基板的其它材料包括例如硅(Si)。
[0013]通过利用沉积在基板上外延生长一个或多个层来制造太阳能电池需要被生长的层的材料具有与形成基板的材料的晶格常数相容的晶格常数。事实上，如果材料的层利用与基板材料的晶格非常不同的晶格来生长，那么在沉积操作期间将形成结晶缺陷(在专业术语中，“位错”)，这会显著降级结果产生的太阳能电池的结的光电和传输特性。
[0014]上述晶格常数相容性约束限制了在当前太阳能电池中一例如在具有Ge基板的三结太阳能电池中一可采用的II1-V材料的选择，从而阻碍了具有比那些当前正在被开发的太阳能电池更好的效率的新太阳能电池的开发。事实上，选择具有与基板的晶格常数相容的晶格常数的材料的要求使得其中结由其带隙允许更好的太阳光谱转换的材料制成的新结构难以实现。
[0015]为了增加由III和V材料形成的太阳能电池的效率，已知的解决方案提供了还使用具有与基板的晶格常数不相容的晶格常数的材料，在具有不相容晶格常数的材料的每对层之间插入适于将结晶缺陷限制在它里面的特别(ad hoc)匹配结构，从而防止太阳能电池性能的退化。每个匹配结构被制造在具有第一晶格常数的第一结和具有第二晶格常数(与第一晶格常数不同)的第二结之间，在从光伏的角度看没有激活的电池的区域中，通常在第一结和连接第二结的隧道二极管之间。匹配结构通常通过一系列相同材料(例如，InGaAs、InGaP、AlInGaP)的层来实现。每一层具有各自的晶格常数(该晶格常数在整个层中是恒定的)，其中该系列的第一层(与第一结接触)具有等于形成第一结的材料的晶格常数的晶格常数，随后的中间层具有逐渐接近形成第二结的材料的晶格常数的晶格常数，并且最后一层(与隧道二极管接触)具有等于形成第二结的材料的晶格常数的晶格常数。各个层的晶格常数通过在每一层中调节形成这个层的材料的化合物的其中两种元素的浓度来设定。但是，当前，仍然没有证据表明这些结构也能够防止在其操作寿命期间在太阳能电池的其它区域中结晶缺陷的传播。例如，太阳能电池在其操作寿命期间经历的温度变化在构成它的材料中导致了机械应力，诸如使得最初被限制在匹配结构中的结晶缺陷传播到太阳能电池的整个结构。
[0016]也已经知道制造包含至少包括基于铟(In)、镓(Ga)和磷(P)的化合物一或InGaP—或者铟、镓和砷(As)的化合物一或InGaAs—的一层材料的结的太阳能电池，其中In沿该层的整个深度具有均匀的浓度。通过在形成结的两个层中的至少一层的材料中增加In的所述均匀浓度，已经知道相应的带隙减小。给定由于带隙减小，太阳光谱的能够被转换的部分相应地增加，那么利用这种技术，有可能增加由太阳能电池产生的电流。但是，使用这种技术不是没有缺陷。首先，已经知道通过减小带隙，跨结的端子开发的电压相应地减小。此外，通过增加过多的In浓度，材料的晶格常数被改变，相应地引发能够降级太阳能电池的光电和传输特性的结晶缺陷。这种结晶缺陷的存在随着具有高浓度In的这层材料的厚度的增加而增加。
[0017]鉴于上述情况，申请人已观察到，关于光伏电池的实现，尤其对于太阳能电池的实现，现有技术中当前已知的解决方案可以从效率的角度进行改善。
【发明内容】
[0018]根据本发明实施例的解决方案的不同方面在独立的权利要求中指示。
[0019]本发明的一个方面涉及单片光伏电池。所述单片光伏电池包括至少一个结。所述至少一个结中的每个结包括由第一导电类型的掺杂半导体材料形成的基极和由与第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂半导体材料形成的发射极。所述发射极按照第一方向被堆叠在基极上。所述至少一个结中的至少一个结的基极和/或发射极的半导体材料是由至少一种第一元素和第二元素的化合物形成的半导体材料。基极和/或发射极的所述半导体材料的带隙和晶格常数取决于所述第一元素在所述化合物中相对于所述第二元素的浓度。第一元素在所述化合物中相对于第二元素的所述浓度沿所述第一方向不是均匀的，其在所述基极和/或发射极的下部部分处等于第一值并且在所述基极和/或发射极的上部部分处等于比第一值低的第二值。所述上部部分按照第一方向在所述下部部分的上方。
[0020]本发明的另一个方面涉及用于制造光伏电池的相应方法。
[0021 ]有利的