专利名称：具有iii-v族化合物半导体电池的高聚光度地面太阳能电池组件的制作方法
技术领域：
1.发明领域
本发明大体来说涉及将太阳光转换为电能的聚光地面太阳能供电系统的太阳能
电池的设计，且更特定来说涉及包含聚光透镜及使用m-v族化合物半导体的太阳能
电池的组件(arrangement)，及所述太阳能电池上的聚光度水平的优化。
背景技术：
市面上地面太阳能供电应用的硅太阳能电池具有处于从8%到15%的效率。基于 III-V族化合物的化合物半导体太阳能电池在正常操作条件下具有28%的效率。此外，
众所周知，将太阳能聚光到m-v族化合物半导体光伏电池上可在聚集时将电池效率
增加到37%效率以上。
当前，地面太阳能发电系统使用硅太阳能电池是由于其成本低且可广泛地使用。
虽然m-v族化合物半导体太阳能电池已广泛用于人造卫星应用中(其中在选择此类
装置时其比功率效率是比每瓦特成本更重要的考虑因素)，然而此类太阳能电池经设
计以用于在地球大气层(称作气团0，或AMO)顶部的太阳能光谱，且不适于存在 于地球表面(称作气团1.5或AM1.5)的太阳能光谱的覆盖。所述AMO电池也没有 经配置以用于地面太阳能跟踪、聚光光伏系统。
在硅及m-v族化合物半导体太阳能电池二者的设计中， 一个电触点通常放置在 太阳能电池的光吸收侧或前侧上，且第二触点放置在所述电池的背侧上。光激活半导
体设置在所述衬底的光吸收侧上且包含一个或一个以上p-n结。当在电池内吸收光时， 所述p-n结形成电子流。栅格线在电池顶部表面上方延伸以俘获此电子流，然后将所 述电子流连接到前部触点或接合垫中。
规定太阳能电池的设计的一个重要方面是组成所述太阳能电池的半导体材料层 的物理结构(成分、能带隙及层厚度)。太阳能电池常常制造成垂直、多结的结构以 便利用具有不同带隙的材料并尽可能多地转换太阳光谱。用于根据本发明的设计的一 种类型的多结结构是由锗底部电池、砷化镓(GaAs)中间电池及磷化镓铟(InGaP) 顶部电池组成的三结太阳能电池结构。
在本发明之前，尚不存在对伴随着适于地面应用的三结III-V族化合物半导体太 阳能电池的聚光度水平效应的考虑，也不存在对使电池的效率最大化的聚光度水平的 确定。1. 发明目的
本发明的一个目标是提供一种地面供电应用的经改善III-V族化合物半导体多结 太阳能电池，每个太阳能电池可产生超过15瓦特的峰值DC功率。
本发明的又一目标是在ni-v族半导体太阳能电池的前表面上提供一种栅格结构
以适应用于聚光光伏地面功率应用的高电流。
本发明的又一目标是为III-V族半导体太阳能电池提供相对较厚的前部或顶部子
电池半导体层，所述半导体层具有经优化以用于可用于地面供电应用的高聚光度
AM1.5太阳能辐射的成分。
本发明的再一目标是提供一种由多个太阳能电池阵列组成的地面太阳能供电系 统，所述太阳能电池阵列具有适于准许所述太阳能电池以最大效率操作的聚光光学装 置。
2. 本发明特征
简单地且一般地说，本发明提供一种从太阳产生能量的聚光光伏太阳能电池，其 包含锗衬底，其包含第一光激活结且形成底部太阳能子电池；砷化镓中间子电池， 其设置在所述衬底上；磷化镓铟顶部子电池，其设置在所述中间子电池上方且具有可 使AM1.5光谱区中的吸收最大化的能带隙且进一步具有大于7000埃的厚度及小于 330欧姆/平方的片电阻(sheet resistance)，其适于以大于20个太阳的聚光度水平来 操作，其中所述顶部子电池的电流密度大于35安培/平方厘米；及表面栅格，其设置 在所述顶部子电池上方且具有覆盖顶部子电池表面区域的大约5%且适于传导太阳能 电池所形成的相对较高的电流。
在另一方面中，本发明提供一种从太阳产生能量的聚光光伏太阳能电池，其包含 底部子电池，其包含第一光伏结；中间子电池，其设置在所述底部子电池上且包含第 二光伏结；及顶部子电池，其设置在所述中间子电池上方且具有光伏结及能带隙以使 AM1.5光谱区中的吸收最大化，且具有小于500欧姆/平方的顶部层片电阻且适于以 大于20个太阳的聚光度水平来操作。
在另一方面中，本发明提供一种从太阳产生能量的聚光光伏太阳能电池，其包含 第一光伏结；砷化镓中间子电池，其设置在所述衬底上；及磷化镓铟顶部子电池，其 设置在所述中间子电池上方且具有使AM1.5光谱区中的吸收最大化的能带隙及大于 7000埃的厚度以在所述顶部子电池的表面上载送与聚光的太阳光相关联的增大的电 流。
图1是根据本发明构造的地面太阳能电池的高度放大剖视图； 图2是显示第一实施例中的栅格线的图1的太阳能电池的俯视平面图；图3是显示第二实施例中的栅格线的图1的太阳能电池的俯视平面图；图4是显示具有根据本发明的结构的太阳能电池随栅格线的表面覆盖而变化的效率的图表；且
图5是是显示具有根据本发明的结构的太阳能电池随电池表面上的太阳能聚光度水平而变化的效率的图表。
通过阅读包含下文详细说明在内的本发明揭示内容及通过实践本发明，所属技术领域的技术人员将明了本发明的另外目的、优点及新颖特征。虽然下文将参照优选实施例来描述本发明，但应了解，本发明不仅限于此。所属技术领域的技术人员通过阅读本文中的教示内容将会认识到本发明在其它领域中的另外应用、修改及实施例，这些应用、修改及实施例均属于本文所揭示并请求的发明范围内且本发明对于这些应用、修改及实施例可具有实用性。
具体实施例方式
现在将描述本发明的细节，其中包含其例示性方面及实施例。参照附图及下文说明，相同的参考编号用于指代相同或功能上相似的元件，且意在以高度简化的图示方式图解说明例示性实施例的主要特征。此外，这些图式既不意在描绘实际实施例的每一特征，也不意在描绘所描绘元件的相对尺寸，且这些图式并非按比例绘制。
三结ni-v族化合物半导体太阳能电池中典型半导体结构的设计更加具体地描述
于第6,680,432号美国专利中，其以引用方式并入本文。由于将此类电池描述为最适合于空间(AMO)太阳能辐射，所以本发明一个方面是修改或改造此类电池设计以用于根据本发明在地面(AM1.5)太阳光谱辐射下的聚光光伏应用。
如图l所图解说明的实例中所示，底部子电池10包含由p型锗("Ge")形成的衬底11、 12，其底部部分还充当子电池10的基极层。金属接触层或垫14形成于基极层11底部上以提供与多结太阳能电池的电接触。底部子电池IO进一步包含(例如)n型Ge发射极区12及n型成核层13。成核层13沉积在衬底11、 12上方，且发射极层12通过惨杂剂从上部层到Ge衬底中的扩散而形成于Ge衬底中，借此将p型锗衬底的上部部分12改变为n型区12。重掺杂的n型砷化镓层14沉积在成核层13上方，且是进入发射极区12中的砷掺杂剂源。
虽然生长衬底及基极层11优选地为p型Ge生长衬底及基极层，但也可使用其它半导体材料来作为生长衬底及基极层，或仅作为生长衬底。此类衬底的实例包含但不限于GaAs、 InP、 GaSb、 InAs、 InSb、 GaP、 Si、 SiGe、 SiC、 A1203、 Mo、不锈
钢、碱石灰玻璃及Si02。
可在成核层13上方沉积重掺杂的p型砷化铝镓("AlGaAs")及("GaAs")隧穿结层14、 15以形成隧道二极管并在底部子电池与中间子电池20之间提供低电阻路径。中间子电池20包含高掺杂p型砷化铝镓("AlGaAs")背场("BSF")层16、 p型InGaAs基极层17、高掺杂n型磷化镓铟("InGaP2")发射极层18及高掺杂n型磷 化铝铟("AlInP2")窗口层19。
所述窗口层通常具有与发射极相同的掺杂类型，但具有比发射极更高的掺杂聚光 度。此外，为抑制窗口中的少数载流子光生及注入，通常期望窗口层具有比发射极更 高的能带隙，借此减少否则会发生于窗口层中的再结合。注意，可将各种不同的半导 体材料用于光伏电池的窗口、发射极、基极及/或BSF层，其中包含AlInP、 AlAs、 A1P、 AlGalnP、 AlGaAsP、 AlGalnAs、 AlGalnPAs、 GalnP、 GalnAs、 GalnPAs、 AlGaAs、 AlInAs、 AlInPAs、 GaAsSb、 AlAsSb、 GaAlAsSb、 AlInSb、 GalnSb、 AlGalnSb、 A1N、 GaN、 InN、 GalnN、 AlGalnN、 GalnNAs、 AlGalnNAs、 ZnSSe、 CdSSe及其它材料且 仍在本发明精神范围内。
中间子电池307的InGaAs基极层17可包含(例如)大约1.5%的铟。也可使用 其它组合物。在底部子电池10的隧穿结层14、 15上方沉积BSF16层之后，在所述 BSF层上方形成基极层17。
提供BSF层16以减少中间子电池20中的再结合损失。BSF层16从靠近背表面 的高掺杂区驱动少数载流子以使再结合损失的效应最小化。因此，BSF层16会减少 太阳能电池背侧处的再结合损失且借此减少基极层/BSF层界面处的再结合。在沉积 发射极层之后，在中间子电池20的发射极层18上沉积窗口层19。中间子电池20中 的窗口层19也帮助减少再结合损失并改善对下伏结的电池表面的钝化。
在沉积顶部子电池30的各层之前，可在中间子电池20上方分别沉积重掺杂n 型lnAlP2及p型InGaP2隧穿结层21、 22，从而形成隧道二极管。
设置在子电池之间的隧道二极管层具有适于支持通过隧道二极管的大于50安培/ 平方厘米的电流密度的厚度。在操作中，顶部子电池的电流密度大于35安培/平方厘 米。
在所图解说明的实例中，顶部子电池30包含高掺杂p型磷化铝镓铟("InGaAlP") BSF层23、p型InGaP2基极层24、高掺杂n型InGaP2发射极层25及高掺杂n型InAlp2 窗口层26。在中间子电池20的隧穿结层21、 22上方形成BSF层23之后，在BSF 层23上方沉积顶部子电池30的基极层24。在基极层24上方形成发射极层25之后， 在顶部子电池的发射极层25上方沉积窗口层26。可将顶盖层27沉积及图案化到顶 部子电池30的窗口层26上方的单独接触区中。
顶盖层27充当从顶部子电池309到金属栅格层40的电接触。所述顶部子电池的 片电阻优选地约为250欧姆/平方厘米，且在任何情况下均小于330欧姆/平方。在某 些实施方案中，所述顶部子电池具有大于7000埃的厚度、小于330欧姆/平方的片电 阻，且适于以大于20个太阳的聚光度水平来操作。在操作中，顶部子电池的电流密 度大于35安培/平方厘米。经掺杂的顶盖层27可以是诸如(例如)GaAs或InGaAs 层的半导体层。还可在顶盖层27的接触区之间中的窗口层26的表面上提供抗反射涂 层28。所得太阳能电池针对顶部、中间及底部子电池分别具有1.9eV、 1.4eV及0.7eV 的能带隙。当由聚光的太阳光以超过500X的因数照射时，太阳能电池具有至少3.0 伏特的开路电压(V。》、至少0.13安培每瓦特的短路响应度、至少0.70的填充因数 (FF)及空气质量1.5 (AM1.5)下至少35%的效率或25摄氏度下的类似地面光谱， 以便产生超过15瓦特的DC功率。
图2是显示第一实施例中的栅格线40的图1的太阳能电池的俯视平面图。特定 来说，图l描绘穿过图2的A-A平面的剖面，其中包含两个典型的栅格线40。栅格 线40配置成太阳能电池有源区域上方的四个相同的象限Ql、 Q2、 Q3及Q4。应注意， 在此实施例中，所述电池为四重旋转对称，S卩，可将所述电池旋转90。且在旋转之后 所述电池中的栅格线的每一配置与旋转之前所述栅格线的先前配置相同。
图3是显示第二实施例中的栅格线的图1的太阳能电池的俯视平面图。特定来说， 所述栅格线在所述电池相对侧上的两个母线之间延伸。所述第一或第二实施例具有4 微米或更大的厚度或高度、小于5微米的宽度及大于100微米而小于200微米的间距 (即，相邻栅格线的中心之间的距离)。
栅格图案的总表面区域覆盖顶部子电池表面区域的大约2.0%至1」5.0%。在某些实 施方案中，栅格图案的总表面区域覆盖顶部子电池表面区域的大约5.0%。栅格图案 及线尺寸经选定以载送由太阳能电池产生的相对较高的电流。
图4是显示具有根据本发明的结构的太阳能电池的效率随着占所述太阳能电池 的总表面区域一定百分比的栅格线的表面覆盖而变化的图表。所述图表在表面区域的 2%到5%的范围内达到峰值，且因此根据本发明一个方面，在所述范围(例如，大约 5%)中选定栅格线的表面覆盖。
图5是显示具有根据本发明结构的太阳能电池的效率随聚光度而变化的图表，所 述聚光度被测量为入射在太阳能电池表面上的太阳光强度数值。换句话说，所述效率 随着聚光光学装置的功率而变化。所述图形在600X到800X的范围内达到峰值，且 因此根据本发明一个方面，不考虑其它因素，将在所述范围内选择聚光光学装置的最 优值。
图5中的图表的教示的困难是，随着太阳能电池表面上光的强度增加，电池的温 度升高。升高的温度需要来自电池的较大冷却或热扩散，以使其在正常的操作规格 (即，比周围环境温度高40到50摄氏度)内操作。
虽然已在半导体结构及栅格设计的某些特定实施例中描述了本发明，但所属技术 领域的技术人员将明了许多另外的修改及改动。
例如，本发明可利用一个或一个以上单质结电池或子电池，g卩，其中在两者均具 有相同化学成分及相同带隙而仅在掺杂剂种类及类型上有所不同的p型半导体与n型 半导体之间形成p-n结的电池或子电池。或者，除了在形成p-n结的p型及n型区中 利用不同的掺杂剂种类及类型之外，本发明还可利用一个或一个以上异质结电池或子 电池，即其中在n型与n型区中具有不同的半导体材料化学成分，及/或在p型区中具有不同带隙能量的p型半导体与n型半导体之间形成p-n结的电池或子电池。因此， 本发明的此方面在所有方面上均被视为说明性而非限定性。本发明此方面的范围由相 关的所附权利要求书指示，且其中意在囊括归属于其等效物的意义及范围内的所有变 化。
应了解，上文描述的元件中的每一者，或两个或两个以上元件一起可在不同于上 文所描述类型的其它类型的地面太阳能电池系统及结构中得到有效的应用。
虽然已将本发明方面图解说明及描述成实施为使用m-v族化合物半导体的太阳 能电池半导体结构，但本发明并不意在限定于所示细节，因为也可作出各种修改及结 构改变而绝不会背离本发明的精神。
权利要求
1、一种从太阳产生能量的聚光光伏太阳能电池组件，其包括聚光透镜，其用于产生大于500X的聚光度；及在经聚集的光束路径的太阳能电池，其包含锗衬底，其包含第一光伏结并形成底部太阳能子电池；砷化镓中间子电池，其设置在所述衬底上；磷化镓铟顶部子电池，其设置在所述中间子电池上方且具有使AM1.5光谱区中的吸收最大化的带隙、大于7000埃的厚度及小于330欧姆/平方的片电阻(sheetresistance)，且适于以大于20个太阳的聚光度水平操作，其中所述顶部子电池的电流密度大于35安培/平方厘米。
2、 如权利要求l所述的组件，其进一步包括表面栅格，其设置在所述顶部电池上方，且具有覆盖所述顶部电池表面区域的大 约2.5%到5%的栅格图案。
3、 如权利要求2所述的组件，其中所述栅格图案包括5微米或更小宽度的线。
4、 如权利要求2所述的组件，其中所述栅格图案包含大于4微米的厚度的线及 大于IOO微米的中心到中心间距。
5、 如权利要求2所述的组件，其中所述栅格图案由覆盖所述顶部表面的多个平 行栅格线组成。
6、 如权利要求l所述的组件，其中所述太阳能电池具有至少3.0伏特的开路电 压(V。c)、每瓦特至少0.13安培的短路响应度、至少0.70的填充因数(FF)，且在 AM 1.5太阳能辐射下以超过35%的转换效率产生超过10瓦特的DC功率。
7、 如权利要求l所述的组件，其中所述顶部、中间及底部子电池的带隙分别为 约1.9 eV、 1.4eV及0.7eV。
8、 如权利要求1所述的组件，其中所述顶部子电池的半导体层的厚度为1微米 或更大。
9、 如权利要求l所述的组件，其进一步包括设置在所述底部与所述中间子电池 之间的第一隧道二极管，及设置在所述中间与所述顶部子电池之间的第二隧道二极 管，每一隧道二极管均能够支持大于50安培/平方厘米的电流密度。
10、 如权利要求2所述的组件，其中所述片电阻及所述栅格图案的表面区域覆盖 经选定以使所述填充因数最大化。
全文摘要
本发明涉及一种从太阳产生能量的聚光光伏太阳能电池组件，其包括聚光透镜，其用于产生大于500X的聚光度；及在经聚集的光束路径的太阳能电池，其包含锗衬底，其包含第一光伏结并形成底部太阳能子电池；砷化镓中间子电池，其设置在所述衬底上；及磷化镓铟顶部子电池，其设置在所述中间子电池上方且具有使AM1.5光谱区中的吸收最大化的带隙、大于7000埃的厚度；及小于330欧姆/平方的片电阻(sheetresistance)，且适于以大于20个太阳的聚光度水平操作，其中所述顶部子电池的电流密度大于35安培/平方厘米。
文档编号H01L31/052GK101494246SQ20081018041
公开日2009年7月29日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年1月25日
发明者丹尼尔·J·艾肯, 弗雷德·纽曼, 马克·A·斯坦 申请人:昂科公司