具有两个变质层的四结倒置变质多结太阳能电池的制作方法

专利名称：具有两个变质层的四结倒置变质多结太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置领域，且涉及制造工艺和例如包含变质层的基于III-V半导体化合物的多结太阳能电池的装置。此些装置还被称为倒置变质多结太阳能电池。
背景技术：
已主要通过硅半导体技术来提供来自光伏电池(还称作太阳能电池)的太阳能。
然而，在过去的若干年中，用于太空应用的ni-v化合物半导体多结太阳能电池的大量制
造已加速了此技术的发展，不仅供太空中使用，而且还用于陆地太阳能应用。与硅相比，
ni-v化合物半导体多结装置具有更大的能量转换效率，且通常具有更大的抗辐射性，但
III-V化合物半导体多结装置往往制造起来更加复杂。典型的商业III-V化合物半导体多结太阳能电池在1太阳强度、气团0(AM0)照明下具有超过27%的能效，而即便最高效的硅技术一般在相当的条件下仅达到约18%的效率。在较高日光浓度(例如，500X)下，陆地应用(在AM1.5D下)中的市场上可买到的III-V化合物半导体多结太阳能电池具有超过37%的能效。III-V化合物半导体太阳能电池与硅太阳能电池相比较高的转换效率部分是基于通过使用具有不同能带隙能量的多个光伏区并聚集来自所述区中的每一者的电流而实现入射辐射的光谱分裂的能力。
典型的ni-v化合物半导体太阳能电池以垂直、多结结构制造在半导体晶片上。
接着将个别太阳能电池或晶片安置在水平阵列中，其中所述个别太阳能电池以电串联电路的形式连接在一起。阵列的形状和结构以及其含有的电池的数目部分由所要的输出电压和电流决定。 例如M.W.万拉斯(M. W. Wanlass)等人的"用于高性能的III-V光伏能量转换器的晶格失配方法(Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-VPhotovoltaicEnergy Converters)，，(第31届IEEE光伏专家会议会干U (ConferenceProceedings of the 31stIEEE Photovoltaic Specialists Conference)，2005年1月3日到1月7日，IEEE出版社，2005)中所描述的基于III-V化合物半导体层的倒置变质太阳能电池结构为未来的商业高效率太阳能电池的发展提供了重要的概念性起点。然而，此会议中所提出并描述的用于电池的许多不同层的材料和结构呈现与材料和制造步骤的适当选择有关的许多实践难题。 在本发明之前，现有技术中所揭示的材料和制造步骤尚不足以使用用于生产倒置变质多结电池结构的商业上已建立的制造工艺来生产商业上可行且具能效的太阳能电池。

发明内容
简要且概括地说，本发明提供一种多结太阳能电池，其包含上部第一太阳能子电池，其具有第一能带隙；第二太阳能子电池，其邻近于所述第一太阳能子电池且具有比所述第一能带隙小的第二能带隙；第一经分级夹层，其邻近于所述第二太阳能子电池；所述第 一经分级夹层具有比所述第二能带隙大的第三能带隙；以及第三太阳能子电池，其邻近于 所述第一经分级夹层，所述第三子电池具有比所述第二能带隙小的第四能带隙，使得所述 第三子电池相对于所述第二子电池晶格失配；第二经分级夹层，其邻近于所述第三太阳能 子电池；所述第二经分级夹层具有比所述第四能带隙大的第五能带隙；以及下部第四太阳 能子电池，其邻近于所述第二经分级夹层，所述下部子电池具有比所述第四能带隙小的第 六能带隙，使得所述第四子电池相对于所述第三子电池晶格失配。 在另一方面中，本发明提供一种通过以下步骤来制造太阳能电池的方法形成第 一衬底；在所述第一衬底上形成具有第一能带隙的上部第一太阳能子电池；形成邻近于所 述第一太阳能子电池且具有比所述第一能带隙小的第二能带隙的第二太阳能子电池；形成 邻近于所述第二太阳能子电池的第一经分级夹层；所述第一经分级夹层具有比所述第二能 带隙大的第三能带隙；形成邻近于所述第一经分级夹层的第三太阳能子电池，所述第三子 电池具有比所述第二能带隙小的第四能带隙，使得所述第三子电池相对于所述第二子电池 晶格失配；形成邻近于所述第三太阳能子电池的第二经分级夹层；所述第二经分级夹层具 有比所述第四能带隙大的第五能带隙；形成邻近于所述第二经分级夹层的下部第四太阳能 子电池，所述下部子电池具有比所述第四能带隙小的第六能带隙，使得所述第四子电池相 对于所述第三子电池晶格失配；将代用衬底安装在第四太阳能子电池的顶部；以及移除所 述第一衬底。


当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更好且更完全地了解本发明，其 中 图1是表示某些二元材料的能带隙和所述二元材料的晶格常数的曲线图； 图2是在包含将某些半导体层沉积在生长衬底上的初始制造阶段之后本发明的
太阳能电池的横截面图； 图3是在下一序列的工艺步骤之后图2的太阳能电池的横截面图； 图4是在下一序列的工艺步骤之后图3的太阳能电池的横截面图； 图5是在下一序列的工艺步骤之后图4的太阳能电池的横截面图； 图6是在下一工艺步骤之后图5的太阳能电池的横截面图； 图7是在附着代用衬底的下一工艺步骤之后图6的太阳能电池的横截面图； 图8A是在移除原始衬底的下一工艺步骤之后图7的太阳能电池的横截面图； 图8B是图8A的太阳能电池的另一横截面图，其中代用衬底位于图的底部； 图9是在下一工艺步骤之后图8B的太阳能电池的简化横截面图； 图10是在下一工艺步骤之后图9的太阳能电池的横截面图； 图11是在下一工艺步骤之后图10的太阳能电池的横截面图； 图12是在下一工艺步骤之后图11的太阳能电池的横截面图； 图13A是其中制造有太阳能电池的晶片的俯视平面图； 图13B是其中制造有太阳能电池的晶片的仰视平面图； 图14是在下一工艺步骤之后图12的太阳能电池的横截面 图15是在下一工艺步骤之后图14的太阳能电池的横截面图； 图16是在下一工艺步骤之后图15的太阳能电池的横截面图； 图17是图16的晶片的俯视平面图，其描绘蚀刻在电池周围的沟槽的表面视图； 图18A是在本发明的第一实施例中的下一工艺步骤之后的图16的太阳能电池的
横截面图； 图18B是在本发明的第二实施例中的下一工艺步骤之后的图16的太阳能电池的 横截面图； 图19是在下一工艺步骤之后的图18的太阳能电池的横截面图； 图20是根据本发明的变质太阳能电池中的子电池的基极层和发射极层中的掺杂
分布的曲线图； 图21是描绘根据本发明的倒置变质多结太阳能电池的电流和电压特性的曲线 图； 图22是表示各种GalnAlAs材料的依据Al、 In和Ga的相对浓度而变的能带隙范 围的图； 图23是表示GalnAlAs材料中实现恒定1. 5eV能带隙所必需的Ga摩尔分数对Al 与In的摩尔分数的曲线图； 图24是表示GalnAlAs材料中实现恒定1. 5eV能带隙能带隙所必需的摩尔分数对 晶格常数的曲线具体实施例方式
现在将描述本发明的细节，包含本发明的示范性方面和实施例。参看图式和以下 描述，相同的参考编号用于识别相同或功能类似的元件，且意在以高度简化的图解方式说 明示范性实施例的主要特征。另外，所述图式无意描绘实际实施例的每个特征或所描绘元 件的相对尺寸，且所述图式未按比例绘制。 制造倒置变质多结(I匪)太阳能电池的基本概念是以"相反"序列在衬底上生长 太阳能电池的子电池。即，正常将为面向太阳辐射的"顶部"子电池的高能带隙子电池(即， 具有在1.8eV到2. leV的范围内的能带隙的子电池)以外延方式生长在半导体生长衬底 (例如，GaAs或Ge)上，且因此此些子电池与此衬底晶格匹配。 一个或一个以上较低能带隙 中间子电池(即，具有在1. 2eV到1. 8eV的范围内的能带隙)接着可生长在所述高能带隙 子电池上。 至少一个下部子电池形成于中间子电池上，使得所述至少一个下部子电池相对 于所述生长衬底大体上晶格失配，且使得所述至少一个下部子电池具有第三较低能带隙 (即，在0. 7eV到1. 2eV的范围内的能带隙)。代用衬底或支撑结构接着附着在或提供在 "底部"或大体上晶格失配的下部子电池上，且随后移除生长半导体衬底。(所述生长衬底 随后可再用于第二和后续太阳能电池的生长)。 上文所述的相关申请案中揭示倒置变质多结太阳能电池的多种不同特征。此些特 征中的一些或所有特征可包含于与本发明的太阳能电池相关联的结构和工艺中。然而，更 明确地说，本发明是针对使用两个不同变质层来制造四结倒置变质太阳能电池，所述两个 不同变质层全都生长在单个生长衬底上。在本发明中，所得的结构包含四个子电池，其能带隙分别在1. 8eV到2. leV、1. 3eV到1. 5eV、0. 9eV到1. leV以及0. 6eV到0. 8eV的范围内。
图1是表示某些二元材料的能带隙和所述二元材料的晶格常数的曲线图。三元 材料的能带隙和晶格常数位于在典型的相关联二元材料之间绘制的线上(例如三元材料 GaAlAs在曲线图上位于GaAs点与AlAs点之间，其中三元材料的能带隙位于GaAs的1. 42eV 与AlAs的2. 16eV之间，视个别成分的相对量而定)。因此，视所要的能带隙而定，可适当地 选择三元材料的材料成分以供生长。 优选根据适当的反应堆生长温度和时间的规格且通过使用适当的化学组分和掺 杂剂，来控制半导体结构中的层的晶格常数和电性质。气相沉积方法(例如，有机金属气相 外延(OMVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或用于反向生长的其它 气相沉积方法)的使用可使得形成电池的呈单片半导体结构的层能够以所需的厚度、元素 组分、掺杂剂浓度以及分级和导电类型而生长。 图2描绘在GaAs生长衬底上循序形成三个子电池A、B和C之后，根据本发明的多 结太阳能电池。更明确地说，展示衬底IOI，其优选为砷化镓(GaAs)，但也可为锗(Ge)或其 它合适材料。对于GaAs，所述衬底优选是15。切下衬底，也就是说，其表面远离(100)平面 朝(lll)A平面定位成15° ，如2008年3月13日申请的第12/047， 944号美国专利申请案 中更全面地描述。 在Ge衬底的情况下，成核层(未图示)直接沉积在衬底101上。缓冲层102和蚀 刻终止层103进一步沉积在所述衬底上或所述成核层上(在Ge衬底的情况下)。在GaAs 衬底的情况下，缓冲层102优选为GaAs。在Ge衬底的情况下，缓冲层102优选为InGaAs。 为GaAs的接触层104接着沉积在层103上，且为AlInP的窗口层105沉积在接触层上。由 n+发射极层106和p型基极层107组成的子电池A接着以外延方式沉积在窗口层105上。 子电池A—般与生长衬底101晶格匹配。 应注意，多结太阳能电池结构可由周期表中所列举的第III族到第V族元素的符 合晶格常数和能带隙要求的任何合适组合形成，其中第III族包含硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、 铟(In)和铊(T)。第IV族包含碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)和锡(Sn)。第V族包含氮(N)、磷 (P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)。 在优选实施例中，发射极层106由InGa(Al)P组成，且基极层107由InGa(Al)P组 成。前面化学式中的括号中的铝或A1项意味着A1是任选的成分，且在此例子中，可以在0X 到30%的范围内的量使用。将结合图20来论述根据本发明的发射极层106和基极层107 的掺杂分布。 在完成下文将描述的根据本发明的工艺步骤之后，子电池A将最终变为倒置变质 结构的"顶部"子电池。 背场("BSF")层108(优选为p+AlGalnP)沉积在基极层107的顶部，且用于减少
重组损耗。 BSF层108驱动来自基极/BSF界面表面附近的区的少数载流子，以使重组损耗的 影响减到最小。换句话说，BSF层18减少太阳能子电池A的背侧处的重组损耗，且进而减 少基极中的重组。 在BSF层108的顶部沉积经重掺杂的p型层109a和n型层109b的序列，其形成 隧道二极管，即，将子电池A连接到子电池B的欧姆电路元件。层109a优选由p++AlGaAs组成，且层109b优选由n++InGaP组成。 在隧道二极管层109的顶部沉积窗口层110，其优选为n+InGaP。将InGaP用作窗 口层110的材料成分的优点在于其具有紧密匹配邻近的发射极层111的折射率，如2008年 IO月24日申请的第12/258， 190号美国专利申请案中更全面地描述。子电池B中所使用的 窗口层IIO还操作以减少界面重组损耗。所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的 范围的情况下，可在电池结构中添加或删除额外的层。 在窗口层110的顶部沉积子电池B的层n型发射极层lll和p型基极层112。这 些层优选分别由InGaP和In。.。15GaAs (针对Ge衬底或生长模板)组成，或分别由InGaP和 GaAs(针对GaAs衬底)组成，但也可使用与晶格常数和能带隙要求一致的任何其它合适 的材料。因此，子电池B可由GaAs、 GalnP、 GalnAs、 GaAsSb或GalnAsN发射极区和GaAs、 GalnAs、GaAsSb或GalnAsN基极区组成。将结合图20来论述根据本发明的层111和112的 掺杂分布。 在先前所揭示的倒置变质太阳能电池的实施方案中，中间电池是同质结构。在本 发明中，类似于第12/023， 772号美国专利申请案中所揭示的结构，中间子电池变为异质结 构，其中InGaP发射极及其窗口从InAlP转换为InGaP。此修改消除了中间子电池的窗口 / 发射极界面处的折射率不连续性，如2008年10月24日申请的第12/258， 190号美国专利申 请案中更全面地描述。另外，窗口层llO被掺杂的程度优选是发射极lll被掺杂的程度的 三倍，以将费米能级提升到更接近传导能带，且因此在窗口 /发射极界面处产生能带弯曲， 其导致将少数载流子约束到发射极层。 在本发明的优选实施例中，中间子电池发射极具有等于顶部子电池发射极的能带 隙，且第三子电池发射极具有比中间子电池的基极的能带隙大的能带隙。因此，在制造太阳 能电池并实施和操作后，中间子电池B或第三子电池C的发射极将均不暴露于可吸收辐射。 大体上所有表示可吸收辐射的光子均将被吸收在电池B和C的基极中，所述基极与发射极 相比具有较窄的能带隙。因此，使用异质结子电池的优点是(i)两个子电池的短波长响应 将改进，以及(ii)大部分辐射更有效地被吸收，且被收集在较窄能带隙的基极中。所述效 应将使L增加。 在电池B的顶部沉积BSF层113，其执行与BSF层109相同的功能。P++/n++隧道 二极管层114a和114b分别沉积在BSF层113上，类似于层109a和109b，从而形成用以将 子电池B连接到子电池C的欧姆电路元件。层114a优选由p++AlGaAs组成，且层114b优
选由！1++11^3 组成。 势垒层115(优选由n型InGa(Al)P组成)在隧道二极管114a/114b上沉积到约 1. 0微米的厚度。此势垒层意在防止贯穿式位错在与进入中间和顶部子电池B和C中的生 长方向相对的方向上或在进入底部子电池A的生长方向上传播，且在2007年9月24日申 请的共同待决的第11/860， 183号美国专利申请案中更明确地描述。 使用表面活性剂将变质层(或经分级夹层)116沉积在势垒层115上。层116优 选是组分上呈阶梯状分级的一系列InGaAlAs层，优选具有单调改变的晶格常数，以便实现 从子电池B到子电池C的半导体结构中的晶格常数的逐渐转变，同时使贯穿式位错的发生 减到最少。层116的能带隙在其整个厚度上是恒定的，优选约等于1. 5eV，或以其它方式与 略比中间子电池B的能带隙大的值一致。经分级夹层的优选实施例还可表达为由(InxGai—x)yAl卜yAs组成，其中x和y经选择以使得所述夹层的能带隙保持恒定于约1. 50eV或其它适 当的能带隙。 在变质层116的表面活性剂辅助式生长中，在层116的生长期间将合适的化学元 素引入到反应堆中，以改进所述层的表面特性。在优选实施例中，此元素可为掺杂剂或供电 子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，少量Se或Te并入变质层116中，且保留在完成的太 阳能电池中。尽管Se或Te是优选的n型掺杂剂原子，但也可使用其它非等电子表面活性 剂。 表面活性剂辅助式生长产生光滑得多或经平面化的表面。由于表面拓扑在半导体 材料生长且层变得较厚时影响了半导体材料的整体性质，所以表面活性剂的使用使活性区 中的贯穿式位错减到最小，且因此改进总体太阳能电池效率。 作为对使用非等电子的替代方案，可使用等电子表面活性剂。术语"等电子"指代 例如锑(Sb)或铋(Bi)等表面活性剂，因为此些元素与变质缓冲层中的InGaP的P原子或 InGaAlAs中的As原子具有相同数目的价电子。此Sb或Bi表面活性剂通常不会并入变质 层16中。 在替代实施例中，其中太阳能电池仅具有两个子电池，且"中间"电池B是最终的 太阳能电池中的最上或顶部子电池，其中"顶部"子电池B通常将具有1. 8eV到1. 9eV的能 带隙，而夹层的能带隙将保持恒定于1. 9eV。 在上文所述的万拉斯等人的论文中所描述的倒置变质结构中，变质层由九个组分 上分级的InGaP阶梯组成，其中每一阶梯层具有0. 25微米的厚度。因此，万拉斯等人的每 一层具有不同的能带隙。在本发明的优选实施例中，层116由多个InGaAlAs层组成，其具 有单调改变的晶格常数，每一层具有相同的约1. 5eV的能带隙。 利用例如InGaAlAs的恒定能带隙材料的优点在于在标准的商业M0CVD反应堆 中，基于砷化物的半导体材料处理起来要容易得多，同时少量的铝确保变质层的辐射透明度。 尽管出于可制造性和辐射透明度的原因，本发明的优选实施例将多个InGaAlAs 层用于变质层116，但本发明的其它实施例可利用不同的材料系统来实现从子电池B到子 电池C的晶格常数改变。因此，使用组分上分级的InGaP的万拉斯系统是本发明的第二实 施例。本发明的其它实施例可利用连续分级(而非阶梯状分级)的材料。更一般地说，经 分级夹层可由基于As、P、N、Sb的III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合以 下约束条件具有大于或等于第二太阳能电池的平面内晶格参数且小于或等于第三太阳能 电池的平面内晶格参数的平面内晶格参数且具有大于第二太阳能电池的能带隙能量的能 带隙能量。 在本发明的另一实施例中，任选的第二势垒层117可沉积在InGaAlAs变质层116
上。第二势垒层117通常将具有与势垒层115的组分不同的组分，且实质上执行防止贯穿
式位错传播的相同功能。在优选实施例中，势垒层117为n+型GaInP。 优选由n+型GalnP组成的窗口层118接着沉积在势垒层117上(或在没有第二
势垒层的情况下，直接沉积在层116上)。此窗口层操作以减少子电池"C"中的重组损耗。
所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结构中添加或删
除额外的层。
在窗口层118的顶部沉积电池C的层n+型发射极层119和p型基极层120。这些 层优选分别由n+型InGaAs和n+型InGaAs组成，或分别由n+型InGaP和p型InGaAs (针 对异质结子电池)组成，但也可使用与晶格常数和能带隙要求一致的其它合适材料。将结 合图20来论述层119和120的掺杂分布。 优选由InGaAlAs组成的BSF层121接着沉积在电池C的顶部，所述BSF层执行与 BSF层108和113相同的功能。 P++/n++隧道二极管层122a和122b分别沉积在BSF层121上，类似于层114a和 114b，从而形成用以将子电池C连接到子电池D的欧姆电路。层122a优选由P++InGaAlAS 组成，且层122b优选由n++InGaAlAs组成。 图3描绘在下一序列的工艺步骤之后图2的太阳能电池的横截面图。势垒层 123 (优选由n型GalnP组成)在隧道二极管122a/122b上沉积到约1. 0微米的厚度。此势 垒层意在防止贯穿式位错在与进入顶部和中间子电池A、B和C的生长方向相对的方向上或 在进入子电池D的生长方向上传播，且在2007年9月24日申请的共同待决的第11/860， 183 号美国专利申请案中更明确地描述。 使用表面活性剂将变质层(或经分级夹层)124沉积在势垒层123上。层124优 选是组分上呈阶梯分级的一系列的InGaAlAs层，优选具有单调改变的晶格常数，以便实现 从子电池C到子电池D的半导体结构中的晶格常数上的逐渐转变，同时最少化贯穿式位错 的发生。层124的能带隙在其整个厚度上是恒定的，优选约等于1. leV，或另外与略比中 间子电池C的能带隙大的值一致。分经分级夹层的优选实施例还可表达为包含(InxGai—x) yAl卜yAs，其中x和y经选择以使得所述夹层的能带隙保持恒定于约1. leV或其它适当的能 带隙。 在变质层124的表面活性剂辅助式生长中，在层124的生长期间将合适的化学元 素引入到反应堆中以改进所述层的表面特性。在优选实施例中，所述元素可为掺杂剂或供 电子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，小量Se或Te并入变质层124中，且保持在完成的 太阳能电池中。虽然Se或Te是优选的n型掺杂剂原子，但也可使用其它非等电子表面活 性剂。 优选包含n+型InGaAlAs的窗口层125随后沉积于层124(或沉积于第二势垒层 上，在有一个势垒层的情况下，沉积于层124上)上。此窗口层操作以减少第四子电池"D" 中的重组损耗。所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结 构中添加或删除额外的层。 图4描绘在下一序列的工艺步骤之后图3的太阳能电池的横截面图。在窗口层125 的顶部上沉积电池D的层n+发射极层126和p型基极层127。这些层优选分别包含n+型 InGaAs和p型InGaAs，或n+型InGaP和p型InGaAs (对于异质结子电池)，但也可使用与 晶格常数和能带隙要求一致的另外合适的材料。将结合图20论述层126和127的掺杂分 布。 接下来转向图5，随后在电池D的顶部上沉积BSF层128(优选包含p+型 InGaAlAs)，所述BSF层执行与BSF层108、 113和121相同的功能。 最终，高能带隙接触层129 (优选包含p++型InGaAlAs)沉积于BSF层128上。
位于多结光伏电池中的最低能带隙光伏电池(即，所描绘实施例中的子电池"D")的底部(未照射)侧处的此接触层129的组分可经公式化以减少穿过电池的光的吸收，使 得(i)位于其下方(在未照射侧)的背侧欧姆金属接触层也将充当镜面层，以及(ii)接触 层不必被选择性地蚀刻掉，以防止吸收。 所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结构中 添加或删除额外的层。 在窗口层110的顶部上沉积子电池B的层n型发射极层111和p型基极层112。 这些层优选分别包含InGaP和In。.。15GaAs (对于Ge衬底或生长模板)，或分别包含InGaP和 GaAs (对于GaAs衬底)，但也可使用与晶格常数和能带隙要求一致的任何其它合适的材料。 因此，子电池B可包含GaAs、 GalnP、 GalnAs、 GaAsSb或GalnAsN发射极区和GaAs、 GaInAs、 GaAsSb或GalnAsN基极区。将结合图20论述根据本发明的层111和112的掺杂分布。
在先前所揭示的倒置变质太阳能电池的实施方案中，中间电池是同质结构。在本 发明中，类似于第12/023， 772号美国专利申请案中所揭示的结构，中间子电池变为异质结 构，其中InGaP发射极和其窗口从InAlP转换为InGaP。此修改消除了中间子电池的窗口 / 发射极界面处的折射率不连续性，如2008年10月24日申请的第12/258， 190号美国专利 申请案中更全面地描述。另外，窗口层IIO优选经掺杂得是发射极111的三倍，以将费尔米 水平提升到更接近导电带，且因此在窗口 /发射极界面处产生带弯曲，其导致将少数载流 子约束到发射极层。 在本发明的优选实施例中，中间子电池发射极具有等于顶部子电池发射极的能带 隙，且第三子电池发射极具有比中间子电池的基极的能带隙大的能带隙。因此，在制造了太 阳能电池并实施和操作后，中间子电池B或第三子电池C的发射极将均不暴露于可吸收的 辐射。大体上所有表示可吸收辐射的光子将被吸收于B和C的基极中，所述基极具有比发 射极窄的能带隙。因此，使用异质结子电池的优点是(i)两个子电池的短波长响应将得以 改进，以及(ii)辐射主体更有效地被吸收和收集于较窄能带隙的基极中。所述效果将增加
JsC o 在电池B的顶部上沉积BSF层113，其执行与BSF层109相同的功能。P++/n++隧 道二极管层114a和114b分别沉积于BSF层113上，类似于层109a和109b，从而形成用以 将子电池B连接到子电池C的欧姆电路。层114￡1优选包含。++八16^8，且层114b优选包含 n++InGaP。 势垒层115(优选包含n型InGa(Al)P)在隧道二极管114a/114b上沉积到约1. 0 微米的厚度。此势垒层既定防止在与生长进入中间和顶部子电池B和C的方向相对的方向 上或在生长进入底部子电池A的方向上传播贯穿式位错，且在2007年9月24日申请的第 11/860， 183号共同待决的美国专利申请案中更特定地描述。 使用表面活性剂将变质层(或经分级夹层)116沉积于势垒层115上。层116优 选是组分上呈阶梯状分级的一系列的InGaAlAs层，优选具有单调改变的晶格常数，以便实 现从子电池B到子电池C的半导体结构中的晶格常数上的逐渐转变，同时最少化贯穿式位 错的发生。层116的能带隙在其整个厚度上是恒定的，优选约等于1.5eV，或另外与略比 中间子电池B的能带隙大的值一致。经分级夹层的优选实施例还可表达为包含(InxGai—x) yAl卜yAs，其中x和y经选择以使得所述夹层的能带隙保持恒定于约1. 5eV或其它适当的能 带隙。
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在变质层116的表面活性剂辅助式生长中，在层116的生长期间将合适的化学元 素引入到反应堆中以改进所述层的表面特性。在优选实施例中，所述元素可为掺杂剂或供 电子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，小量Se或Te并入变质层116中，且保持在完成的 太阳能电池中。虽然Se或Te是优选的n型掺杂剂原子，但也可使用其它非等电子表面活 性剂。 表面活性剂辅助式生长导致光滑得多或经平面化的表面。由于表面拓扑在半导体 材料生长且层变得较厚时影响了半导体材料的主体性质，所以表面活性剂的使用最少化活 性区中的贯穿式位错，且因此改进整体太阳能电池的效率。 作为对使用非等电子的替代方案，可使用等电子表面活性剂。术语"等电子"涉及 例如锑(Sb)或铋(Bi)等表面活性剂，因为所述元素具有与变质缓冲层中的InGaP的P原 子或InGaAlAs中的As原子相同数目的价电子。所述Sb或Bi将通常不并入变质层16中。
在替代实施例中，其中太阳能电池仅具有两个子电池，且"中间"电池B是最终的 太阳能电池中的最上或顶部的子电池，其中"顶部"子电池B将通常具有1. 8eV到1. 9eV的 能带隙，而夹层的能带隙将保持恒定于1. 9eV。 在上文所述的万拉斯等人的论文中所描述的倒置变质结构中，变质层由九个组分 上分级的InGaP阶梯组成，其中每一阶梯层具有0. 25微米的厚度。因此，万拉斯等人的每 一层具有不同的能带隙。在本发明的优选实施例中，层116包含多个InGaAlAs层，其具有 单调改变的晶格常数，每一层具有相同的约1. 5eV的能带隙。 利用例如InGaAlAs等恒定能带隙材料的优点在于在标准的商业M0CVD反应堆 中，基于砷化物的半导体材料容易处理得多，同时小量的铝确保变质层的辐射透明度。
虽然出于可制造性和辐射透明度的原因，本发明的优选实施例利用多个InGaAlAs 层来用于变质层116，但本发明的其它实施例可利用不同的材料系统来实现从子电池B到 子电池C的晶格常数上的改变。因此，使用组分上分级的InGaP的万拉斯系统是本发明的 第二实施例。本发明的其它实施例可利用连续分级(与阶梯分级相对)的材料。更一般来 说，经分级夹层可由基于As、 P、 N的III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合 以下约束条件具有大于或等于第二太阳能电池的平面内晶格参数且小于或等于第三太阳 能电池的平面内晶格参数的平面内晶格参数且具有大于第二太阳能电池的能带隙能量的 能带隙能量。 在本发明的另一实施例中，任选的第二势垒层117可沉积于InGaAlAs变质层116
上。第二势垒层117将通常具有与势垒层115的组分不同的组分，且实质上执行防止传播
贯穿式位错的相同功能。在优选实施例中，势垒层117为n+型GalnP。 优选包含n+型GalnP的窗口层118随后沉积于势垒层117 (或在没有第二势垒层
的情况下，直接沉积于层116上)上。此窗口层操作以减少子电池"C"中的重组损耗。所
属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结构中添加或删除
额外的层。 在窗口层118的顶部上沉积电池C的层n+型发射极层119和p型基极层120。 这些层优选分别包含n+型InGaAs和n+型InGaAs，或n+型InGaP和p型GaAs (对于异质 结子电池)，但也可使用与晶格常数和能带隙要求一致的其它合适的材料。将结合图20论 述层119和120的掺杂分布。
优选包含InGaAlAs的BSF层121随后沉积于电池C的顶部上，所述BSF层执行与 BSF层108和113相同的功能。
++/!1++隧道二极管层122a和122b分别沉积于BSF层121上，类似于层114a 和114b，从而形成用以将子电池C连接到子电池D的欧姆电路。层122a优选包含 p++InGaAlAs，且层122b优选包含n++InGaAlAs。 图3描绘在下一序列的工艺步骤之后图2的太阳能电池的横截面图。势垒层 123 (优选包含n型GalnP)在隧道二极管122a/122b上沉积到约1. 0微米的厚度。此势垒 层既定防止在与生长进入顶部和中间子电池A、B和C的方向相对的方向上或在生长进入子 电池D的方向上传播贯穿式位错，且在2007年9月24日申请的第11/860， 183号共同待决 的美国专利申请案中更特定地描述。 使用表面活性剂将变质层(或经分级夹层)124沉积于势垒层123上。层124优 选是组分上呈阶梯状分级的一系列InGaAlAs层，优选具有单调改变的晶格常数，以便实现 从子电池C到子电池D的半导体结构中的晶格常数的逐渐转变，同时使贯穿式位错的发生 减到最少。层124的能带隙在其整个厚度上是恒定的，优选约等于1. leV，或以其它方式与 略比中间子电池C的能带隙大的值一致。经分级夹层的优选实施例还可表达为由(InxGai—x) yAl卜yAs组成，其中x和y经选择以使得所述夹层的能带隙保持恒定于约1. leV或其它适当 的能带隙。 在变质层124的表面活性剂辅助式生长中，在层124的生长期间将合适的化学元 素引入到反应堆中，以改进所述层的表面特性。在优选实施例中，此元素可为掺杂剂或供电 子原子，例如硒(Se)或碲(Te)。因此，少量Se或Te并入变质层124中，且保留在完成的太 阳能电池中。尽管Se或Te是优选的n型掺杂剂原子，但也可使用其它非等电子表面活性 剂。 优选由n+型InGaAlAs组成的窗口层125接着沉积在层124上(或沉积在第二势 垒层上，如果存在一个势垒层，那么沉积在层124上)。此窗口层操作以减少第四子电池"D" 中的重组损耗。所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结 构中添加或删除额外的层。 图4描绘在下一序列的工艺步骤之后图3的太阳能电池的横截面图。在窗口层 125的顶部沉积电池D的层n+发射极层126和p型基极层127。这些层优选分别由n+型 InGaAs和p型InGaAs组成，或分别由n+型InGaP和p型InGaAs (针对异质结子电池)组 成，但也可使用与晶格常数和能带隙要求一致的其它合适材料。将结合图20来论述层126 和127的掺杂分布。 接下来转向图5，接着在电池D的顶部沉积BSF层128(优选由p+型InGaAlAs组 成)，所述BSF层执行与BSF层108、113和121相同的功能。 最终，高能带隙接触层129 (优选由p++型InGaAlAs组成)沉积在BSF层128上。
位于多结光伏电池中的最低能带隙光伏电池(即，所描绘实施例中的子电池"D") 的底部(未照明)侧处的此接触层129的组分可经配制以减少穿过电池的光的吸收，使得 (i)位于其下方(在未照明侧)的背侧欧姆金属接触层还将充当镜面层，以及(ii)不必选 择性地蚀刻掉接触层，以防止吸收。 所属领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可在电池结构中添加或删除额外的层。 图6是在下一工艺步骤之后图5的太阳能电池的横截面图，其中金属接触层123
沉积在P+半导体接触层122上。所述金属优选是金属层Ti/Au/Ag/Au的序列。 而且，所选择的金属接触方案是在热处理以激活欧姆接触之后与半导体具有平坦
界面的金属接触方案。这样做使得(1)不必在金属接触区域中沉积并选择性地蚀刻使金属
与半导体分离的介电层；以及(2)接触层在所关注的波长范围上是镜面反射的。 图7是在下一工艺步骤之后图3的太阳能电池的横截面图，其中粘合层131沉积
在金属层130上。粘合剂优选为晶片接合(Wafer Bond)(由密苏里州罗拉市的布鲁尔科技
公司(Brewer Science, Inc)制造)。 在下一工艺步骤中，附着代用衬底132，优选为蓝宝石。或者，代用衬底可为GaAs、 Ge或Si或其它合适材料。代用衬底的厚度为约40密耳，且被穿孔有直径约lmm、相隔4mm 的孔，以辅助粘合剂和衬底的后续移除。作为使用粘合层131的替代方案，合适的衬底(例 如，GaAs)可低共熔或永久地接合到金属层130。 图8A是在下一工艺步骤之后图7的太阳能电池的横截面图，其中通过研磨和/或 蚀刻步骤的序列来移除原始衬底，其中移除衬底101和缓冲层103。特定蚀刻剂的选择取决 于生长衬底。 图8B是图8A的太阳能电池的横截面图，其中代用衬底132的定向在图的底部。本 申请案中的后续图将假定此定向。 图9是图8B的太阳能电池的简化横截面图，其仅描绘代用衬底132上的少数几个 顶部层和下部层。 图10是在下一工艺步骤之后图9的太阳能电池的横截面图，其中通过HC1/H20溶 液来移除蚀刻终止层103。 图11是在下一序列的工艺步骤之后图10的太阳能电池的横截面图，其中光致抗 蚀剂掩膜(未图示)被放置在接触层104上以形成栅格线501。如下文将更详细地描述，栅 格线501经由蒸镀而沉积并以光刻方式图案化并沉积在接触层104上。所述掩膜随后被剥 离以形成完成的金属栅格线501，如图中所描绘。 如以引用的方式并入本文中的2008年7月18日申请的第12/218， 582号美国专 利申请案中更全面地描述，栅格线501优选由Pd/Ge/Ti/Pd/Au组成，但也可使用其它合适 材料。 图12是在下一工艺步骤之后图11的太阳能电池的横截面图，其中使用柠檬酸/
过氧化氢蚀刻混合物将栅格线用作掩膜来将表面向下蚀刻到窗口层105 。 图13A是其中实施了四个太阳能电池的晶片的俯视平面图。对四个电池的描绘仅
是出于说明目的，且本发明不限于每晶片任何特定数目个电池。 在每一电池中，存在栅格线501 (在图9中以横截面更明确地展示)、互连总线502 和接触垫503。栅格和总线以及接触垫的几何形状和数目是说明性的，且本发明不限于所说 明的实施例。 图13B是具有图13A中所示的四个太阳能电池的晶片的仰视平面图； 图14是在下一工艺步骤之后图12的太阳能电池的横截面图，其中将抗反射(ARC)
介电涂层130涂施在具有栅格线501的晶片的"底部"侧的整个表面上。
图15是根据本发明在下一工艺步骤之后图14的太阳能电池的横截面图，其中使 用磷化物和砷化物蚀刻剂将第一环形沟道510和第二环形沟道511或半导体结构的部分向 下蚀刻到金属层130。这些沟道界定电池与晶片的其余部分之间的外围边界，且留下构成太 阳能电池的台面结构。图15中所描绘的横截面是如从图17中所示的A-A平面所见的横截 面。在优选实施例中，沟道510大体上比沟道511宽。 图16是在下一工艺步骤之后图15的太阳能电池的横截面图，其中沟道511暴露 于金属蚀刻剂，且金属层130的位于沟道511的底部的部分被移除。沟道511的深度因此 大致延伸到粘合层131的顶部表面。 图17是图16的晶片的俯视平面图，其描绘蚀刻在每一电池的周边周围的沟道510 和511。 图18A是在本发明的第一实施例中的下一工艺步骤之后图16的太阳能电池的横 截面图，其中通过抛光、研磨或蚀刻来使代用衬底132适当地变薄为相对较薄的层132a。在 此实施例中，在不需要盖玻璃(例如下文将描述的第二实施例中所提供)的应用中，薄层 132a形成用于太阳能电池的支撑件。在此实施例中，可通过沟道510或通过其它通路结构 形成与金属接触层130的电接触。 图18B是在本发明的第二实施例中的下一工艺步骤之后图16的太阳能电池的横 截面图，其中盖玻璃514通过粘合剂513紧固到电池的顶部。盖玻璃514优选覆盖整个沟 道510，但不延伸到电池的在沟道511附近的周边。尽管使用盖玻璃是优选实施例，但并不 是所有实施方案所必需的，且还可利用额外的层或结构来提供对太阳能电池的额外支撑或 环境保护。 图19是在本发明的下一工艺步骤之后图18的太阳能电池的横截面图，其中晶片 的粘合层131、代用衬底132和周边部分512被全部移除，在沟道510的区中断开，仅留下顶 部具有盖玻璃514 (或其它层或结构)且底部具有金属接触层130的太阳能电池，所述金属 接触层130形成太阳能电池的背侧触点。优选通过使用蚀刻剂EKC 922来移除代用衬底。 如上文所述，代用衬底在其表面上包含穿孔，其允许蚀刻剂流经代用衬底132以准许其剥 离。代用衬底可在后续的晶片处理操作中再次使用。 图20是本发明的倒置变质多结太阳能电池的一个或一个以上子电池中的发射极 层和基极层中的掺杂分布的曲线图。以引用的方式并入本文中的2007年12月13日申请 的共同待决的第11/956,069号美国专利申请案中更明确地描述在本发明的范围内的各种 掺杂分布以及此些掺杂分布的优点。本文中所描绘的掺杂分布仅是说明性的，如所属领域 的技术人员将明白，可在不脱离本发明的范围的情况下，利用其它更复杂的分布。
图21是描绘根据本发明而制造的测试太阳能电池中的一者的电流和电压特性的 曲线图。在此测试电池中，下部第四子电池具有在约0. 6eV到0. 8eV的范围内的能带隙， 第三子电池具有在约0. 9eV到1. leV的范围内的能带隙，第二子电池具有在约1. 35eV到 1. 45eV的范围内的能带隙，且上部子电池具有在1. 8eV到2. leV的范围内的能带隙。所述 太阳能电池被测得具有约3. 265伏的开路电压(V。。)，约16. 26mA/cm2的短路电流、约82% 的填充因数和32. 2%的效率。 图22是表示各种GalnAlAs材料的依据Al、 In和Ga的相对浓度而变的能带隙范 围的图。此图说明可如何通过适当选择A1、 In和Ga的相对浓度来设计对用于变质层中的GalnAlAs层的恒定能带隙序列的选择，以满足每一连续层的不同晶格常数要求。因此，不管1. 5eV还是1. leV还是其它能带隙值是所要的恒定能带隙，所述图都说明每一能带隙的连续曲线，其表示成分比例随着晶格常数改变而递增地改变，以使所述层具有所需的能带隙和晶格常数。 图23是通过表示GalnAlAs材料中的实现恒定1. 5eV能带隙所必需的Ga摩尔分数对Al与In的摩尔分数来进一步说明对用于变质层中的GalnAlAs层的恒定能带隙序列的选择的曲线图。 图24是通过表示GalnAlAs材料中的实现恒定1. 5eV能带隙能带隙所必需的摩尔分数对晶格常数来进一步说明对用于变质层中的GalnAlAs层的恒定能带隙序列的选择的曲线图。 将理解，上文所描述的元素中的每一者或两者或两者以上一起还可在与上文所描述的构造类型不同的其它类型构造中得到有用应用。 尽管本发明的优选实施例利用四个子电池的垂直堆叠，但本发明可应用于具有更少或更多数目的子电池(即，两结电池、三结电池、五结电池等)的堆叠。在四个或四个以上结的电池的情况下，还可利用一个以上变质分级夹层的使用。 另外，尽管本发明的实施例配置有顶部和底部电触点，但可替代地借助于到子电池之间的侧向导电半导体层的金属触点来接触子电池。此些布置可用于形成3端子、4端子，且一般来说，n端子装置。可使用这些额外端子来将子电池互连在电路中，使得可有效地使用每一子电池中的大多数可用光生电流密度，从而产生多结电池的高效率，但光生电流密度在各个子电池中通常是不同的。 如上文所述，本发明可利用一个或一个以上或所有同质结电池或子电池(即，其中在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，所述两个半导体具有相同的化学组分和相同的能带隙，不同之处仅在于掺杂剂种类和类型)以及一个或一个以上异质结电池或子电池的布置。具有P型和n型InGaP的子电池A是同质结子电池的一个实例。或者，如2008年1月31日申请的第12/023， 772号美国专利申请案中更明确地描述，本发明可利用一个或一个以上或所有异质结电池或子电池，即其中在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，其中除了在形成p-n结的p型区和n型区中利用不同的掺杂剂种类和类型之外，所述半导体在n型区中具有不同化学组分的半导体材料，且/或在P型区中具有不同的能带隙能量。 在某些电池中，薄的所谓的"本征层"可放置在发射极层与基极层之间，其与发射极层或基极层具有相同或不同的组分。本征层可用以抑制空间电荷区中的少数载流子重组。类似地，基极层或发射极层在其部分或全部厚度上还可为本征的或被无意掺杂的("NID")。 窗口层或BSF层的组分可利用符合晶格常数和能带隙要求的其它半导体化合物，且可包含AlInP、 AlAs、 A1P、 AlGalnP、 AlGaAsP、 AlGalnAs、 AlGalnPAs、 GalnP、 GalnAs、GalnPAs 、 AlGaAs 、 AlInAs 、 AlInPAs 、 GaAsSb 、 AlAsSb 、 GaAlAsSb 、 AlInSb 、 GalnSb 、 AlGalnSb 、AIN、 GaN、 InN、 GalnN、 AlGalnN、 GalnNAs、 AlGalnNAs、 ZnSSe、 CdSSe，以及类似材料，且仍属于本发明的精神。 虽然已将本发明说明和描述为在倒置变质多结太阳能电池中体现，但不希望本发明限于所示的细节，因为在不以任何方式脱离本发明的精神的情况下，可作出各种修改和结构改变。 因此，虽然本发明的描述已主要集中在太阳能电池或光伏装置上，但所属领域的技术人员知道，其它光电装置(例如，热光伏(TPV)电池、光电检测器和发光二极管(LED))在结构、物理学和材料上非常类似于光伏装置，其中在掺杂和少数载流子寿命方面有一些微小变化。举例来说，光电检测器可与上文所描述的光伏装置具有相同的材料和结构，但可能被较轻地掺杂以获得灵敏度而不是产生电力。另一方面，LED也可被制成具有类似的结构和材料，但可能被较重地掺杂以縮短重组时间，从而获得用以产生光而不是电力的辐射寿命。因此，本发明还应用于具有上文针对光伏电池而描述的结构、物质组分、制造物件和改进的光电检测器和LED。 在没有进一步分析的情况下，上述内容将很全面地揭露本发明的要点，以致他人可通过应用当前知识，在不省略从现有技术的角度来看相当大地构成本发明的一般或特定方面的本质特性的特征的情况下，容易地使本发明适合于各种应用，且因此，此类适应应该且既定被理解为在所附权利要求书的均等物的含义和范围内。
权利要求
一种多结太阳能电池，其包括上部第一太阳能子电池，其具有第一能带隙；第二太阳能子电池，其邻近于所述第一太阳能子电池，且具有比所述第一能带隙小的第二能带隙；第一经分级夹层，其邻近于所述第二太阳能子电池；所述第一经分级夹层具有比所述第二能带隙大的第三能带隙；以及第三太阳能子电池，其邻近于所述第一经分级夹层，所述第三子电池具有比所述第二能带隙小的第四能带隙，使得所述第三子电池相对于所述第二子电池晶格失配；第二经分级夹层，其邻近于所述第三太阳能子电池；所述第二经分级夹层具有比所述第四能带隙大的第五能带隙；以及下部第四太阳能子电池，其邻近于所述第二经分级夹层，所述下部子电池具有比所述第四能带隙小的第六能带隙，使得所述第四子电池相对于所述第三子电池晶格失配。
2. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其中所述第一经分级夹层在组分上经分级 以在一侧上与所述第二子电池晶格匹配，且在另一侧上与所述第三子电池晶格匹配。
3. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其中所述第二经分级夹层在组分上经分级 以在一侧上与所述第三子电池晶格匹配，且在另一侧上与底部第四子电池晶格匹配。
4. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其中所述第一经分级夹层由基于As、P、N、 Sb的III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合以下约束条件具有大于或等 于所述第二子电池的平面内晶格参数且小于或等于所述第三子电池的平面内晶格参数的 平面内晶格参数且具有大于所述第二子电池的能带隙能量和所述第三子电池的能带隙能 量的能带隙能量。
5. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其中所述第二经分级夹层由基于As、P、N、 Sb的III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合以下约束条件具有大于或等 于所述第三子电池的平面内晶格参数且小于或等于所述底部第四子电池的平面内晶格参 数的平面内晶格参数且具有大于所述第三子电池的能带隙能量和所述第四子电池的能带 隙能量的能带隙能量。
6. 根据权利要求l所述的多结太阳能电池，其中所述第一和第二经分级夹层由 (In,Ga卜》yAlhyAs组成，其中x和y经选择以使得每一夹层的所述能带隙在其整个厚度上保 持恒定。
7. 根据权利要求6所述的多结太阳能电池，其中所述第一经分级夹层的所述能带隙保 持恒定于1. 5eV。
8. 根据权利要求6所述的多结太阳能电池，其中所述第二经分级夹层的所述能带隙保 持恒定于1. leV。
9. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其中所述上部子电池由InGaP发射极层和 InGaP基极层组成，所述第二子电池由InGaP发射极层和GaAs基极层组成，所述第三子电池 由InGaP发射极层和InGaAs基极层组成，且所述底部第四子电池由InGaAs基极层和与所 述基极晶格匹配的InGaAs发射极层组成。
10. 根据权利要求l所述的多结太阳能电池，其中所述下部第四子电池具有在约0.6eV 到0. 8eV的范围内的能带隙，所述第三子电池具有在约0. 9eV到1. leV的范围内的能带隙，所述第二子电池具有在约1.35eV到1.45eV的范围内的能带隙，且所述上部子电池具有在 1. 8eV到2. leV的范围内的能带隙。
11. 一种制造太阳能电池的方法，其包括 提供第一衬底；在所述第一衬底上形成具有第一能带隙的上部第一太阳能子电池； 形成邻近于所述第一太阳能子电池且具有比所述第一能带隙小的第二能带隙的第二 太阳能子电池；形成邻近于所述第二太阳能子电池的第一经分级夹层；所述第一经分级夹层具有比所 述第二能带隙大的第三能带隙；形成邻近于所述第一经分级夹层的第三太阳能子电池，所述第三子电池具有比所述第 二能带隙小的第四能带隙，使得所述第三子电池相对于所述第二子电池晶格失配；形成邻近于所述第三太阳能子电池的第二经分级夹层；所述第二经分级夹层具有比所 述第四能带隙大的第五能带隙；形成邻近于所述第二经分级夹层的下部第四太阳能子电池，所述下部子电池具有比所 述第四能带隙小的第六能带隙，使得所述第四子电池相对于所述第三子电池晶格失配；将代用衬底安装在第四太阳能子电池的顶部；以及移除所述第一衬底。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述下部第四子电池具有在0. 6eV到0. 8eV的 范围内的能带隙；所述第三子电池具有在0. 9eV到1. leV的范围内的能带隙，所述第二子电 池具有在1. 35eV到1. 45eV的范围内的能带隙，且所述第一子电池具有在1. 8eV到2. leV 的范围内的能带隙。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一衬底由砷化镓或锗组成，且所述代用 衬底由蓝宝石、GaAs、Ge或Si组成。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一经分级夹层在组分上经分级以在一侧 上与所述第二子电池晶格匹配且在另一侧上与所述第三子电池晶格匹配，且所述第二经分 级夹层在组分上经分级以在一侧上与所述第三子电池晶格匹配且在另一侧上与所述底部 第四子电池晶格匹配。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一经分级夹层由基于As、 P、 N、 Sb的 III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合以下约束条件具有大于或等于所 述第二子电池的平面内晶格参数且小于或等于所述第三子电池的平面内晶格参数的平面 内晶格参数且具有大于所述第二子电池的能带隙能量和所述第三子电池的能带隙能量的 能带隙能量。
16. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第二经分级夹层由基于As、 P、 N、 Sb的 III-V化合物半导体中的任一者组成，所述半导体符合以下约束条件具有大于或等于所 述第三子电池的平面内晶格参数且小于或等于所述底部第四子电池的平面内晶格参数的 平面内晶格参数且具有大于所述第三子电池的能带隙能量和所述第四子电池的能带隙能 量的能带隙能量。
17. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述第一和第二经分级夹层由(InxGai—x) /1卜yAs组成，其中x和y经选择以使得每一夹层的所述能带隙在其整个厚度上保持恒定。
18. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一经分级夹层的所述能带隙保持恒定于 1. 5eV，且所述第二经分级夹层的所述能带隙保持恒定于1. leV。
19. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一子电池由且InGaP发射极层和InGaP 基极层组成，所述第二子电池由InGaP发射极层和GaAs基极层组成，所述第三子电池由 InGaP发射极层和InGaAs基极层组成，且所述底部第四子电池由InGaAs基极层和与所述基 极层晶格匹配的InGaAs发射极层组成。
20. —种制造太阳能电池的方法，其包括 提供第一衬底；在第一衬底上沉积第一序列的半导体材料层，从而形成第一和第二太阳能电池； 在所述第一和第二太阳能电池上沉积第一分级夹层；在所述第一分级夹层上沉积第二序列的半导体材料层，其包含第二分级夹层以及第三 和第四太阳能电池；将代用衬底安装并接合在所述层序列的顶部；以及 移除所述第一衬底。
全文摘要
本申请案涉及一种具有两个变质层的四结倒置变质多结太阳能电池。本发明提供一种多结太阳能电池，其包含上部第一太阳能子电池，其具有第一能带隙；第二太阳能子电池，其邻近于所述第一太阳能子电池且具有比所述第一能带隙小的第二能带隙；第一经分级夹层，其邻近于所述第二太阳能子电池；所述第一经分级夹层具有比所述第二能带隙大的第三能带隙；以及第三太阳能子电池，其邻近于所述第一经分级夹层，所述第三子电池具有比所述第二能带隙小的第四能带隙，使得所述第三子电池相对于所述第二子电池晶格失配。邻近于所述第三太阳能子电池提供第二经分级夹层；所述第二经分级夹层具有比所述第四能带隙大的第五能带隙；且邻近于所述第二经分级夹层提供下部第四太阳能子电池，所述下部第四子电池具有比所述第四能带隙小的第六能带隙，使得所述第四子电池相对于所述第三子电池晶格失配。
文档编号H01L31/078GK101740647SQ20091022361
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月13日 优先权日2008年11月14日
发明者本杰明·丘, 阿瑟·科恩费尔德 申请人:安科太阳能公司