具有iv/iii-v族混合合金的反向多结太阳能电池的制作方法

专利名称：具有iv/iii-v族混合合金的反向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的领域及其制作工艺及装置，例如基于IV/III-V族混合 半导体化合物的多结太阳能电池。
背景技术：
已主要通过硅半导体技术提供来自光伏打电池(也称作太阳能电池)的太阳能电 力。然而，在过去几年中，大量制造用于太空应用的III-V族化合物半导体多结太阳能电池 已加速不仅用于太空中而且用于陆地太阳能应用的此技术的发展。与硅相比，尽管III-V 族化合物半导体多结装置往往制造起来更复杂，但其具有更高的能量转换效率且通常更抗 辐照。典型的商用III-V族化合物半导体多结太阳能电池在一个太阳、0气团(AMO)照明 条件下具有超过27%的能量效率，而即使是最有效的硅技术在相当的条件下通常仅达到约 18%的效率。在高太阳能会聚(例如，500倍)的情况下，陆地应用(AM处于1.5D)中的市 场可购得III-V族化合物半导体多结太阳能电池具有超过37%的能量效率。与硅太阳能电 池相比，III-V族化合物半导体太阳能电池的较高转换效率部分地基于能够实现通过使用 具有不同带隙能量的多个光伏打区域进行对入射辐照的光谱分离且积累来自所述区域中 的每一者的电流。在卫星及其它太空相关的应用中，卫星电力系统的大小、质量及成本依赖于所使 用的太阳能电池的功率及能量转换效率。换句话说，有效负载的大小及机载服务的可用性 与所提供的功率量成比例。因此，随着有效负载变得更加成熟，太阳能电池的功率对重量比 变得越来越重要，且越发关注具有高效率及低质量的重量较轻、“薄膜”型太阳能电池。典型的III-V族化合物半导体太阳能电池以垂直、多结结构制作于半导体晶片 上。然后，将个别太阳能电池或晶片安置成水平阵列，其中个别太阳能电池以串联电路方式 连接在一起。阵列的形状及结构以及其包含的电池数目部分地取决于所需要的输出电压及 电流。反向生长工艺(例如，在例如M. W.万拉斯(M. W. Wanlass)等人的“用于高性能 III-V族光伏打能量转换器的晶格失配方法”(2005年IEEE出版社，2005年1月3_7日召 开的第31届IEEE光伏打专家会议的会议学报)中所述的基于III-V族化合物半导体层的 反向变质多结太阳能电池结构的制作中所例示)提出了发展未来商用高效率太阳能电池 的重要概念性起点。

发明内容
简要且概括地，本发明提供一种制造太阳能电池的方法，其包括提供生长衬底； 在所述生长衬底上提供包含形成太阳能电池的IV/III-V族混合合金的半导体材料层的序 列；及移除所述半导体衬底。在另一方面中，本发明提供一种制造太阳能电池的方法，其包括提供半导体生 长衬底；在所述半导体生长衬底上沉积形成太阳能电池的半导体材料层的序列，其包含由GeSiSn构成的至少一个层及生长在所述GeSiSn层上方由Ge构成的一个层；在所述序列的 层上方施加金属接触层；及直接在所述金属接触层上方施加支撑部件。在另一方面中，本发明提供一种多结太阳能电池，其包含由InGaP或InGaAlP构 成且具有第一带隙的第一太阳能子电池；由GaAs、InGaAsP或InGaP构成且安置在所述第一 太阳能子电池上方的第二太阳能子电池，其具有小于所述第一带隙的第二带隙且与所述第 一太阳能子电池晶格匹配；及由GeSiSn构成且安置在所述第二太阳能子电池上方的第三 太阳能子电池，其具有小于所述第二带隙的第三带隙且相对于所述第二子电池晶格匹配。本发明的一些实施方案可并入或实施上述发明内容中所述的各个方面及特征中 的数者。依据本发明(包含下文详细说明)及通过实践本发明，所属领域的技术人员将明 了本发明的另外方面、优点及新颖特征。虽然下文参照优选实施例来描述本发明，但应了 解，本发明并不限于此。所属领域的技术人员通过阅读本文中的教示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。


结合附图考虑并参照以下详细说明将更好且更全面地理解本发明，附图中图1是表示某些二进制材料的带隙及其晶格常数的图表；图2A是根据本发明第一实施例的在生长衬底上沉积半导体层之后的本发明太阳 能电池的横截面视图；图2B是根据本发明第二实施例本发明太阳能电池在生长衬底上沉积半导体层之 后的横截面视图；图2C是根据本发明第三实施例本发明太阳能电池在生长衬底上沉积半导体层之 后的横截面视图；图2D是根据本发明第四实施例本发明太阳能电池在生长衬底上沉积半导体层之 后的横截面视图；图2E是根据本发明第五实施例本发明太阳能电池在生长衬底上沉积半导体层之 后的横截面视图；图3是图2的太阳能电池在于“底部”太阳能子电池上方沉积BSF层的下一工艺 步骤后的高度简化横截面视图；图4是图3的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图5是图4的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中附接替代衬底； 图6A是图5的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中移除原始衬底；图6B是图6A的替代衬底在图式的底部的太阳能电池的另一横截面视图；图7是图6B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图8是图7的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图9是图8的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图IOA是在其中制作四个太阳能电池的晶片的俯视平面图；图IOB是图IOA的晶片的仰视平面图；图IOC是在其中制作有两个太阳能电池的晶片的俯视平面视图；图11是图9的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图12A是图11的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图12B是图12A的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图；图13A是图IOA的晶片的俯视平面图，其描绘在图12B中所描绘的工艺步骤之后 在电池周围蚀刻的沟槽的表面视图；图13B是图IOC的晶片的俯视平面图，其描绘在图12B中所描绘的工艺步骤之后 在电池周围蚀刻的沟槽的表面视图；图14A是本发明第一实施例中图12B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面 视图；图14B是本发明第二实施例中图12B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面 视图；图14C是图14A的太阳能电池在移除替代衬底的下一工艺步骤之后的横截面视 图；图15是在本发明第三实施例中图14B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截 面视图；及图16是根据本发明的太阳能电池中子电池的基极层及发射极层的掺杂分布的图表。
具体实施例方式现在将描述本发明的细节，包含其实例性方面及实施例。参照图式及下文说明，相 同的参考编号用于识别相同或功能上相似的元件，且打算以高度简化的图示方式图解说明 实例性实施例的主要特征。此外，这些图式既不打算描绘实际实施例的每一特征，也不打算 描绘所描绘元件的相对尺寸，且这些图式并非按比例绘制。制作反向多结太阳能电池的基本概念是在衬底上以“逆向”顺序生长太阳能电池 的子电池。即，首先直接在半导体生长衬底(例如砷化镓或锗)上外延生长通常将为面向 太阳辐照的“顶部”子电池的高带隙子电池(即，具有介于1. 8到2. IeV范围中的带隙的子 电池)，且此类子电池因此与此衬底晶格匹配。然后，可在高带隙子电池上生长一个或一个 以上较低带隙中间子电池(即，具有介于1. 2到1. SeV范围中的带隙)。在中间子电池上方形成至少一个较低子电池，以使得所述至少一个较低子电池相 对于生长衬底大致晶格匹配且以使得所述至少一个较低子电池具有第三较低带隙(即，介 于0. 7到1. 2eV范围中的带隙)。然后，将替代衬底或支撑结构附接到“底部”或较低子电 池或在所述“底部”或较低子电池上方提供替代衬底或支撑结构，且随后移除生长半导体衬 底。(然后所述生长衬底可再用于第二及后续太阳能电池的生长)。称为反向变质多结太阳能电池的反向多结太阳能电池类型的各种不同特征及方 面揭示于第12/401，189号美国专利申请案及所述申请案中所述的相关申请案中。此类特 征中的一些特征或所有特征可包含在与本发明太阳能电池相关联的结构及工艺中。
半导体结构中的层的晶格常数及电特性优选地通过规定适当反应器生长温度及 时间且通过使用适当化学组成及掺杂剂来控制。使用气相沉积方法(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)或用于逆向生长的其它 气相沉积方法)可使单块半导体结构中形成电池的层能够生长为具有所需厚度、元素组 成、掺杂剂浓度及粒度和传导性类型。图2A描绘在GaAs生长衬底上按序形成三个子电池A、B及C之后的根据本发明第 一实施例的多结太阳能电池。更特定来说，图中显示衬底101，其优选地为砷化镓(GaAs)， 但也可为锗(Ge)或其它适合的材料。对于GaAs来说，衬底优选地为15°切余衬底，即， 其表面朝向(Ill)A平面偏离(100)平面15°定向，如2008年3月13日提出申请的第 12/047，944号美国专利申请案中更全面地描述。也可使用其它替代生长衬底(例如，2008 年12月17日提出申请的第12/337，014号美国专利申请案中所述)。在Ge衬底的情况下，在衬底101上直接沉积成核层(未显示)。在衬底上，或在成 核层上方(在Ge衬底的情况下)，进一步沉积缓冲层102及蚀刻停止层103。在GaAs衬底 的情况下，缓冲层102优选地为GaAs。在Ge衬底的情况下，缓冲层102优选地为InGaAs。 然后在层103上沉积GaAs接触层104，并在所述接触层上沉积η+型AlInP窗口层105。然 后，在窗口层105上外延沉积由η+发射极层106及ρ-型基极层107构成的子电池Α。子电 池A通常与生长衬底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的III到V族元素的满足晶格常 数及带隙要求的任何适当组合形成，其中III族包含硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)及铊 (T)。所述IV族包含碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)及锡(Sn)0所述V族包含氮(N)、磷(P)、砷 (As)、锑(Sb)及铋(Bi)。在一个优选实施例中，发射极层106由InGa(Al)P构成且基极层107由InGa(Al) P构成。前述式中括号内的铝或Al项意指Al是可选成分，且在本发明各种实施例中的此示 例中可以从0%到30%范围的量使用。将结合图16来论述根据本发明一个实施例的发射 极层及基极层106及107的掺杂分布。在完成后文将描述的根据本发明的工艺步骤之后，子电池A将最终变成反向多结 结构的“顶部”子电池。在基极层107顶部上，沉积背表面场(“BSF”)层108 (优选地p+AlGalnP)且使用 所述层来减少复合损失。BSF层108从基极/BSF界面附近的区域驱动少数载流子，以使复合损失效应最小 化。换句话说，BSF层108减少太阳能子电池A背侧处的复合损失且从而减少基极中的复合在BSF层108的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池A连接到子电池B的 欧姆电路元件)的重掺杂P型及η型层109a及109b的序列。层109a优选地由p++AlGaAs 构成，且层109b优选地由n++InGaP构成。在隧道二极管层109的顶部上，沉积窗口层110，其优选地为n+InGaP，但也可使用 其它材料。更大体来说，子电池B中所使用的窗口层110操作以减少界面复合损失。所属 领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添加或删除 一个或多个额外层。
在窗口层110的顶部上，沉积子电池B的各个层n+型发射极层111及ρ型基极层 112。这些层优选地分别由InGaP及GaAs构成(针对GaAs衬底)，但也可使用与晶格常数 及带隙要求相一致的任何其它适合材料。因此，在其它实施例中，子电池B可分别由GaAs、 GaInP, GaInAs, GaAsSb 或 GaInAsN 发射极区域及 GaAs、GaInAs, GaAsSb 或 GaInAsN 基极区 域构成。将结合图16论述根据本发明的各种实施例中的层111及112的掺杂分布。在本发明的一些实施例中，类似于第12/023，772号美国专利申请案中所揭示的 结构，中间子电池可以是具有InGaP发射极的异质结构且其窗口从InAlP转换成InGaP。此 修改可消除中间子电池的窗口/发射极界面处的折射率不连续性。而且，在一些实施例中， 窗口层110可优选地比发射极111更多地被掺杂以使费密能级向上移动到靠近传导带，且 因此在窗口 /发射极界面处形成带弯曲，从而导致将少数载流子限定在发射极层。在本发明优选实施例中的一者中，中间子电池发射极具有等于顶部子电池发射极 的带隙，且底部子电池发射极具有大于中间子电池基极带隙的带隙。因此，在制作完太阳能 电池并实施及操作之后，中间子电池B和底部子电池C的发射极都将不会暴露于可吸收辐 照。在电池B及C的基极中将吸收表示可吸收辐照的大致所有光子，所述基极具有比 发射极窄的带隙。因此，使用异质结子电池的优点是(i)将改进两个子电池的短波长响 应，及(ii)在较窄带隙基极中更有效地吸收及收集大部分辐照。所述效应将增加短路电流
Jsc0在基极层112上方，沉积BSF层113，其优选地为ρ+型AlGaAs。BSF层113与BSF 层108执行相同功能。在BSF层113上方分别沉积类似于层109a/109b的p++/n++隧道二极管层114a 及114b，其形成将子电池B连接到子电池C的欧姆电路元件。层114a优选地由p++GeSiSn 构成且层114b优选地由n++GeSiSn构成。然后，在隧道二极管层114b上方沉积优选地由η+型GeSiSn构成的窗口层115。 此窗口层操作以减少子电池C中的复合损失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本 发明范围的前提下在电池结构中添加或删除额外层。在窗口层115的顶部上，沉积子电池C的各个层η+发射极层116及ρ型基极层 117。这些层优选地分别由η+型GeSiSn及ρ型GeSiSn构成，或对于异质结子电池来说分 别由η+型及ρ型构成，但也可使用与晶格常数及带隙要求一致的其它适合材料。在子电池 C中形成结可通过将As及P扩散到GeSiSn层中来实施。将结合图16论述层116及117的 掺杂分布。第一实施例中的所述序列的太阳能子电池的带隙优选地大约为对于顶部子电池 A为1.85eV，对于子电池B为1. 42eV且对于子电池C为1. 03eV。如将结合图3论述，在子电池C的基极层117顶部上沉积BSF层(优选地由ρ+型 GeSiSn构成)，所述BSF层与BSF层108及113执行相同功能。将以对图3及后续图的说明为开始来描述对制作图2Α实施例中的太阳能电池的 后续处理步骤的说明。同时，将描述多结太阳能电池半导体结构的其它实施例。图2Β描绘在GaAs衬底上按序形成四个子电池A、B、C及D之后的本发明第二实施 例的多结太阳能电池。更特定来说，图中显示衬底101，其优选地为砷化镓(GaAs)，但也可为锗(Ge)或其它适合的材料。对于GaAs来说，衬底优选地为15°切余的衬底，即，其表面 朝向(Ill)A平面偏离(100)平面15°定向，如2008年3月13日提出申请的第12/047，944 号美国专利申请案中更全面地描述。也可使用其它替代生长衬底，例如，2008年12月17日 提出申请的第12/337，014号美国专利申请案中所述。图2B的实施例中的层101到117的组成类似于图2A的实施例中所述的那些层的 组成，但可具有不同的元素组成或掺杂剂浓度，且此处将不进行重复。在图2B的实施例中，在子电池C的基极层117顶部上沉积优选地由ρ+型GeSiSn 构成的BSF层118，所述BSF层与BSF层108及113执行相同功能。在BSF层118上方分别沉积类似于层109a/109b及114a/114b的p++/n++隧道二 极管层119a及119b，其形成将子电池C连接到子电池D的欧姆电路元件。层119a优选地 由p++GeSiSn构成，且层119b优选地由n++GeSiSn构成。然后，在隧道二极管层119b上方沉积优选地由η+型GeSiSn构成的窗口层120。 此窗口层操作以减少子电池D中的复合损失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本 发明范围的前提下在电池结构中添加或删除额外层。在窗口层120顶部上，沉积子电池D的各个层η+发射极层121及ρ型基极层122。 这些层优选地分别由η+型Ge及ρ型Ge构成，但也可使用与晶格常数及带隙要求相一致的 其它适合材料。在子电池C中形成结可通过将As及P扩散到GeSiSn层中来实施。将结合 图16论述一个实施例中的层121及122的掺杂分布。如将结合图3论述，然后，在子电池D的顶部上沉积优选地由ρ+型GeSiSn构成的 BSF层123，所述BSF层与BSF层108、113及118执行相同功能。第二实施例中的所述序列的太阳能子电池的带隙优选地大约为对于顶部子电 池A为1.85eV，对于子电池B为1. 42eV，对于子电池C为1. 03eV且对于顶部子电池D为 0.73eV0将以对图3及后续图的说明为开始来描述对制作图2B的实施例中的太阳能电池 的后续处理步骤的说明。同时，将描述多结太阳能电池半导体结构的其它实施例。图2C描绘在GaAs生长衬底上按序形成五个子电池A、B、C、D及E之后的根据本 发明另一实施例的多结太阳能电池。更特定来说，图中显示衬底101，其优选地为砷化镓 (GaAs)，但也可为锗(Ge)或其它适合的材料。衬底101到层105且层114a到123的组成及说明大致类似于结合图2B的实施例 所述的那些层，但其具有不同的元素组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙，且此处不需进 行重复。特定来说，在图2C的实施例中，子电池A的带隙可大约为2. 05eV，且子电池B的带 隙可大约为1. 6eV。转至图2C中所描绘的实施例，在窗口层105的顶部上，沉积子电池A的各个层n+ 发射极层106a及ρ型基极层107a。这些层优选地分别由η+型InGaAlP及ρ型InGaAlP构 成，但也可使用与晶格常数及带隙要求相一致的其它适合材料。子电池A优选地具有大约 为2. 05eV的带隙。在基极层107a的顶部上沉积优选地为p+AlGalnP的背表面场(“BSF”)层108且 所述层用于减少复合损失。BSF层108从基极/BSF界面附近的区域驱动少数载流子，以使复合损失效应最小化。换句话说，BSF层108减少太阳能子电池A背侧处的复合损失且从而减少基极中的复
I=I O在BSF层108顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池A连接到子电池B的欧 姆电路元件)的重掺杂P型及η型层109c及109d的序列。层109c优选地由p++AlGaAs 构成，且层109d优选地由n++(Al) InGaP构成。在隧道二极管层109c/109d的顶部上，沉积窗口层110，其优选地为n+InGaP，但也 可使用其它材料。更大体来说，子电池B中所使用的窗口层110操作以减少界面复合损失。 所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添加或 删除一个或多个额外层。在窗口层110的顶部上，沉积子电池B的各个层n+型发射极层Illa及P型基极 层112a。这些层优选地分别由InGaAsP及InGaAsP构成，但也可使用与晶格常数及带隙要 求相一致的任何其它适合材料。子电池B优选地具有大约为1.6eV的带隙。将结合图16 论述一个实施例中的发射极层及基极层的掺杂分布。在基极层112a的顶部上，沉积优选地为p+ InGaAs的背表面场(“BSF”)层113a 且所述层用于减少复合损失。在BSF层113a的顶部上，沉积形成隧道二极管的重掺杂P型及η型层114a及114b 的序列。层114a到123大致类似于结合图2B的实施例所述的那些层，但具有不同的元素 组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙。此实施例中的所述序列的太阳能子电池C及D的带 隙优选地大约为对于子电池C为1. 24eV且对于子电池D为0. 95eV。在子电池D的基极层122的顶部上，沉积优选地为p+GeSiSn的背表面场(“BSF”) 层123，且所述层用于减少复合损失。在BSF层123的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池D连接到子电池E的 欧姆电路元件)的重掺杂P型及η型层124a及124b的序列。层124a优选地由p++GeSiSn 构成，且层124b优选地由n++GeSiSn构成。在隧道二极管层124a/124b的顶部上，沉积窗口层125，其优选地为n+GeSiSn，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池E中所使用的窗口层125操作以减少界面复合损 失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。在窗口层125的顶部上，沉积子电池E的各个层n+型发射极层126及ρ型基极 层127。这些层优选地由Ge构成，但也可使用与晶格常数及带隙要求相一致的任何其它适 合材料。在子电池E中形成结可通过将As及P扩散到Ge层中来实施。将结合图16论述 一个实施例中的层126及127的掺杂分布。子电池E优选地具有大约为0. 73eV的带隙。如将结合图3论述，然后在子电池E的顶部上沉积优选地由ρ+型GeSiSn构成的 BSF层128，所述BSF层与BSF层108、113a、118及123执行相同功能。此实施例中的所述序列的太阳能子电池的带隙优选地大约为对于顶部子电池A 为2. 05eV，对于子电池B为1. 6eV且对于子电池C为1. 24eV、对于子电池D为0. 95eV且对 于子电池E为0. 73eV。将以对图3及后续图的说明为开始来描述对制作图2C的实施例中的太阳能电池 的后续处理步骤的说明。同时，将描述多结太阳能电池半导体结构的其它实施例。
图2D描绘在GaAs生长衬底上按序形成六个子电池A、B、C、D、E及F之后的根据 本发明另一实施例的多结太阳能电池。更特定来说，图中显示衬底101，其优选地为砷化镓 (GaAs)，但也可为锗(Ge)或其它适合的材料。衬底101和层102到110及层120到128的组成及描述大致类似于结合图2C的 实施例所述的那些层，但具有不同元素组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙，且此处不需
进行重复。转至图2D中所描绘的实施例，在窗口层110的顶部上，沉积子电池B的各个层n+ 型发射极层Illb及ρ型基极层112b。这些层优选地分别由η+型InGaP及ρ型InGaP构 成，但也可使用与晶格常数及带隙要求相一致的任何其它适合材料。子电池B优选地具有 大约为1.74eV的带隙。在基极层112b的顶部上，沉积优选地为p+AlGaAs的背表面场(“BSF”)层113b， 且所述层用于减少复合损失。在BSF层113b的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池B连接到子电池C的 欧姆电路元件)的重掺杂P型及η型层114c及114d的序列。层114c优选地由p++AlGaAs 构成，且层114d优选地由n++AlGaInP构成。在隧道二极管层114c/114d的顶部上，沉积窗口层115a，其优选地为η+ΙηΑΙΡ，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池C中所使用的窗口层115a操作以减少界面复合损 失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。在窗口层115a的顶部上，沉积子电池C的各个层n+型发射极层116a及ρ型基 极层117a。这些层优选地分别由η+型InGaAsP及ρ型InGaAsP构成，但也可使用与晶格常 数及带隙要求相一致的任何其它适合材料。子电池C优选地具有大约为1. 42eV的带隙。在基极层117a的顶部上，沉积优选地为p+AlGaAs的背表面场(“BSF”)层118a， 且所述层用于减少复合损失。在BSF层118a的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池C连接到子电池D的 欧姆电路元件)的重掺杂P型及η型层119c及119d的序列。层119c优选地由p++AlGaAs 或GeSiSn构成，且层119d优选地由n++GaAs或GeSiSn构成。在隧道二极管层119c/119d的顶部上，沉积窗口层120，其优选地为n+GeSiSn，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池D中所使用的窗口层120操作以减少界面复合损 失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。如上文所述，层120到128大致类似于结合图2C的实施例所 述的那些层，但其具有不同的元素组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙，且此处不需进行 重复。因此，在此实施例中，子电池D优选地具有大约为1. 13eV的带隙，且子电池E优选地 具有大约为0.91eV的带隙。在由P型GeSiSn构成的BSF层128的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池 E连接到子电池F的欧姆电路元件)的重掺杂ρ型及η型层129a及129b的序列。层129a 优选地由p++GeSiSn构成且层129b优选地由n++GeSiSn构成。在隧道二极管层129a/129b的顶部上，沉积窗口层130，其优选地为n+GeSiSn，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池F中所使用的窗口层130操作以减少界面复合损失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。在窗口层130的顶部上，沉积子电池F的各个层n+型发射极层131及ρ型基极 层132。这些层优选地分别由η+型Ge及ρ型Ge构成，但也可使用与晶格常数及带隙要求 相一致的任何其它适合材料。子电池F优选地具有大约为0.7eV的带隙。将结合图16论 述一个实施例中的发射极及基极层的掺杂分布。如将结合图3论述，然后在子电池F的顶部上沉积优选地由ρ+型GeSiSn构成的 BSF层133，所述BSF层与BSF层108、113a、118、123及128执行相同的功能。此实施例中的所述序列的太阳能子电池的带隙优选地大约为对于顶部子电池A 为2. 15eV，对于子电池B为1. 74eV，且对于子电池C为1. 42eV，对于子电池D为1. 13eV，对 于子电池E为0. 91eV，且对于子电池F为0. 7。将以对图3及后续图的说明为开始来描述对制作图2D的实施例中的太阳能电池 的后续处理步骤的说明。同时，将描述多结太阳能电池半导体结构的再一个实施例。图2E描绘在GaAs生长衬底上按序形成七个子电池A、B、C、D、E、F及G之后的根 据本发明另一实施例的多结太阳能电池。更特定来说，图中显示衬底101，其优选地为砷化 镓(GaAs)，但也可为锗(Ge)或其它适合的材料。衬底101和层102到118a及层125到133的组成及说明大致类似于结合图2D 的实施例所述的那些层，但其具有不同的元素组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙，且此 处不需进行重复。特定来说，在图2E的实施例中，子电池C的带隙可大约为1.6eV，且在所 述序列的层125到133中，子电池E的带隙可大约为1. 13eV，且子电池F的带隙可大约为 0. 91eV0转至图2E中所描绘的实施例，在由AlGaAs构成的BSF层118a的顶部上，沉积形 成隧道二极管(即，将子电池C连接到子电池D的欧姆电路元件)的重掺杂ρ型及η型层 119e及119f的序列。层119e优选地由p++AlGaAs构成且层119f优选地由n++InGaP构 成。在隧道二极管层119e/119f的顶部上，沉积窗口层120a，其优选地为η+ΙηΑΙΡ，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池D中所使用的窗口层120a操作以减少界面复合损 失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。在窗口层120a的顶部上，沉积子电池D的各个层n+型发射极层121a及ρ型基 极层122a。这些层优选地分别由η+型GaAs及ρ型GaAs构成，但也可使用与晶格常数及带 隙要求相一致的任何其它适合材料。子电池D优选地具有大约为1. 42eV的带隙。在基极层122a的顶部上，沉积优选地为p+AlGaAs的背表面场(“BSF”)层123a， 且所述层用于减少复合损失。在BSF层123a的顶部上，沉积形成隧道二极管(即，将子电池D连接到子电池E的 欧姆电路元件)的重掺杂P型及η型层124c及124d的序列。层124c优选地由p++GeSiSn 或AlGaAs构成，且层124d优选地由n++GeSiSn或GaAs构成。在隧道二极管层129d/129e的顶部上，沉积窗口层130，其由η+型GeSiSn构成。 如上文所述，层125到133大致类似于结合图2D的实施例所述的那些层，但其具有不同的元素组成或掺杂剂浓度以导致不同的带隙，且此处不需进行重复。因此，在此实施例中，子 电池E优选地具有大约为1. 13eV的带隙，且子电池F优选地具有大约为0. 91eV的带隙。再次转到图2E中所描绘的实施例，在由GeSiSn构成的BSF层133的顶部上，沉积 形成隧道二极管(即，将子电池F连接到子电池G的欧姆电路元件)的重掺杂ρ型及η型 层134a及134b的序列。层134a优选地由p++GeSiSn构成且层134b优选地由n++GeSiSn 构成。在隧道二极管层134a/134b的顶部上，沉积窗口层135，其优选地为n+GeSiSn，但 也可使用其它材料。更大体来说，子电池G中所使用的窗口层135操作以减少界面复合损 失。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构中添 加或删除一个或多个额外层。在窗口层135的顶部上，沉积子电池G的各个层n+型发射极层136及ρ型基极 层137。这些层优选地分别由η+型GeSiSn及ρ型GeSiSn构成，但也可使用与晶格常数及 带隙要求相一致的任何其它适合材料。子电池G优选地具有大约为0. 73eV的带隙。将结 合图16论述一个实施例中的发射极层及基极层的掺杂分布。图3是图2A、2B、2C、2D或2E的实施例中的任一者的太阳能电池结构的高度简化 横截面视图，其描绘太阳能电池结构的顶部BSF层，在此图3及后续图中所述顶部BSF层被 重新标示为沉积在最后沉积的子电池的基极层上方的BSF层146。因此，BSF层146表示分 别结合图2A、2B、2C、2D或2E所描绘且描述的BSF层118、123、128、133或138。图4是图3的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中，在BSF层146上沉积优选地由适合的ρ++型材料构成的高带隙接触层147。沉积在多 结光伏打电池中的最低带隙光伏打子电池的底部(未被照明)侧上的此接触层147可经适 当调配以减少对穿过所述电池的光的吸收，以使得(i)所述接触层下面(即，朝向未被照明 侧)的随后所沉积的欧姆金属接触层也将充当反射镜层，且(ii)接触层不必选择性地被蚀 刻掉来防止在所述层中的吸收。所属领域的技术人员应明了，可在不背离本发明的范围的前提下在所述电池结构 中添加或删除一个或多个额外层。图4进一步描绘其中在ρ++半导体接触层147上方沉积金属接触层148的下一工 艺步骤。所述金属优选地为金属层Ti/Au/Ag/Au或Ti/Pd/Ag的序列，但也可使用其它适合 序列及材料。所选取的金属接触方案是在用以激活欧姆接触的热处理之后具有与半导体的平 坦界面的金属接触方案。执行此操作以使得(i)不必在金属接触区中沉积并选择性地蚀刻 将金属与半导体分离的介电层；及(ii)所述接触层在所关注波长范围中发生镜面反射。图5是图4的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中，在金属接触层148上方沉积接合层149。在本发明的一个实施例中，接合层149为 粘合剂，优选地为Wafer Bond(由美国密苏里州罗拉市的布鲁尔科技有限公司(Brewer Science, Inc.)制造)，但也可使用其它适合接合材料。在下一工艺步骤中，在接合层上方附接替代衬底150，优选地为蓝宝石。另一选择 是，替代衬底可以为GaAs、Ge或Si或其它适合材料。替代衬底150优选地厚度约为40密 耳，且在其中将要移除替代衬底的实施例的情况下，其打有间隔为4mm、直径约为Imm的孔，以有助于随后移除粘合剂及衬底。图6A是图5的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中通过研磨、磨削及/或蚀刻步骤的序列(其中移除衬底101及缓冲层102)来移除原始 衬底。特定蚀刻剂的选取相依于生长衬底。在一些实施例中，可通过外延剥离工艺移除衬 底101，例如2009年2月9日提出申请的第12/367,991号美国专利申请案，且所述申请案 以引用的方式并入本文中。图6B是图6A的具有替代衬底150在图的底部的定向的太阳能电池的横截面视 图。此应用中的后续图将采取所述定向。图7是图6B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中蚀刻停止层103通过HCVH2O溶液移除。图8是图7的太阳能电池在下一工艺步骤的序列之后的横截面视图，在所述下一 工艺步骤的序列中，将光致抗蚀剂层(未显示)置于半导体接触层104上方。借助掩模以 光刻方式图案化光致抗蚀剂层以形成栅格线501的位置，移除光致抗蚀剂层的其中将要形 成栅格线的部分，且然后通过蒸气或类似工艺将金属接触层既沉积到光致抗蚀剂层上方又 沉积到光致抗蚀剂层中的其中将要形成栅格线的开口中。然后，剥离覆盖接触层104的光 致抗蚀剂层部分以留下完成的金属栅格线501，如图中所描绘。如在2008年7月18日提出 申请的第12/218，582号美国专利申请案(其以引用方式并入本文中)中更全面地描述，栅 格线501优选地由层Pd/Ge/Ti/Pd/Au的序列构成，但也可使用其它适合序列及材料。图9是图8的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中将所述栅格线501用作掩膜来使用柠檬酸/过氧化物蚀刻混合物向下蚀刻所述表面到 达窗口层105。图IOA是在其中实施四个太阳能电池的IOOmm(或4英寸)晶片的俯视平面图。对 四个电池的描绘仅出于说明的目的，且本发明并不限于每一晶片的任何特定电池数目。在每一电池中，存在栅格线501 (更具体地显示于图9的横截面图中)、互连总线 502及接触垫503。栅格线及总线以及接触垫的几何形状及数目为说明性的，且本发明并不 限于所图解说明的实施例。图IOB是图IOA的晶片的仰视平面图。图IOC是在其中实施两个太阳能电池的IOOmm (或4英寸)晶片的俯视平面图。在 一些实施例中，每一太阳能电池具有大约为26. 3cm2的面积。图11是图9的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步 骤中在晶片的具有栅格线501的“顶部”侧的整个表面上方施加抗反射(ARC)电介质涂布 层 160。图12A是图11的太阳能电池在根据本发明的下一工艺步骤之后的横截面视图， 在所述下一工艺步骤中，使用磷化物及砷化物蚀刻剂向下蚀刻第一及第二环形通道510及 511或半导体结构的若干部分到达金属层148。这些通道(如在2008年8月12日提出申 请的第12/190，449号美国专利申请案中更具体地描述)界定电池之间的外围边界、围绕平 台516及晶片边缘处的外围平台517，且留下构成太阳能电池的平台结构518。图12A中所 描绘的横截面是从图13A中所示的A-A平面看到的横截面。图12B是图12A的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截面视图，在所述下一工艺步骤中，将通道511暴露于金属蚀刻剂，移除通道511中的层123且在深度上延伸通道 511大约到达接合层149的顶表面。图13A是图IOA的晶片的俯视平面图，其描绘围绕每一电池的外周所蚀刻的通道 510 及 511。图13B是图IOC的晶片的俯视平面图，其描绘围绕每一电池的外围所蚀刻的通道 510 及 511。图14A是图12B的太阳能电池在通过通道511从晶片切割或划线个别太阳能电池 (图13中所示的电池1、电池2等)(留下延伸穿过替代衬底150的垂直边缘512)之后的 横截面视图。在本发明的此第一实施例中，替代衬底150在其中不需要盖片玻璃的应用中 形成用于太阳能电池的支撑。在实施例中，可通过通道510实现与金属接触层148的电接 触。图14B是在本发明第二实施例中图12B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截 面视图，在所述下一工艺步骤中，通过磨削、研磨或蚀刻将替代衬底150适当地薄化为相对 薄的层150a。通过通道511从晶片切割或划线个别太阳能电池(图13A中所示的电池1、 电池2等)，留下延伸穿过替代衬底150a的垂直边缘515。在此实施例中，在其中不需要盖 片玻璃(例如，在下文将描述的第三实施例中所提供)的应用中，薄层150a形成用于太阳 能电池的支撑件。在实施例中，可通过通道510实现与金属接触层148的电接触。图14C是在本发明第三实施例中图12B的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横截 面视图，在所述下一工艺步骤中，通过粘合剂513将盖片玻璃514固定到电池的顶部。盖片 玻璃514通常约为4密耳厚，且优选地覆盖整个通道510、在平台516的一部分上方延伸，但 不延伸到通道511。尽管对于众多环境条件及应用，期望使用盖片玻璃，但对于所有实施方 案并非为必要，且也可利用额外的层或结构来向太阳能电池提供额外的支撑或环境保护。图14D是在本发明的某些实施例中图14A的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横 截面视图，在所述下一工艺步骤中，完全移除晶片的接合层、替代衬底150及外围部分517， 仅留下在顶部具有ARC层160 (或其它层或结构)及在底部具有金属接触层148的太阳能 电池，其中金属接触层148形成太阳能电池的背侧触点。优选地，通过使用‘Wafer Bond' 溶剂来移除替代衬底。如上文所述，替代衬底包含其表面上方的打孔，其允许溶剂流过替代 衬底150中的打孔以准许其剥离。在剥离之后，可在后续晶片处理操作中再使用替代衬底。图15是在本发明的一些实施例中图14C的太阳能电池在下一工艺步骤之后的横 截面视图，在所述下一工艺步骤中，完全移除晶片的接合层124、替代衬底150及外围部分 517，仅留下在顶部具有盖片玻璃514(或其它层或结构)及在底部具有所述层的太阳能电 池。优选地，通过使用‘Wafer Bond’溶剂来移除替代衬底。如上文所述，替代衬底包含其 表面上方的打孔，其允许溶剂流过替代衬底150而准许其剥离。在剥离之后，可在后续晶片 处理操作中再使用替代衬底。图16是本发明的反向变质多结太阳能电池的一个或一个以上子电池中发射极层 及基极层中的掺杂分布的图表。在2007年12月13日提出申请的第11/956，069号共同未 决美国专利申请案(其以引用的方式并入本文中)中更具体描述本发明范围内的各种掺杂 分布及此类掺杂分布的优点。本文中所描绘的掺杂分布仅为说明性，且如所属领域的技术 人员所明了，可在不背离本发明的范围的前提下使用其它更复杂的分布。
应了解，上文所述元件中的每一者或两个或两个以上元件一起，也可有用地应用 于不同于上文所述类型的构造的其它类型的构造中。另外，尽管本实施例配置有顶部及底部电触点，但替代地子电池可借助金属触点 与子电池之间的横向传导性半导体层接触。此类布置可用于形成3-端子装置、4-端子装置 且大体来说，η-端子装置。可使用这些额外端子将所述子电池互连成电路，以使得可有效 地使用每一子电池中的大多数可用光生电流密度，从而导致多结电池的高效性，尽管在各 种子电池中光生电流密度通常不同。如上文所述，本发明可利用一个或一个以上或者全部为单质结的电池或子电池 (即，其中在两者均具有相同化学组成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η型半导体之间形成ρ-η结的电池或子电池)及一个或一个以上异质结电池 或子电池的布置。具有P型及η型InGaP的子电池A是单质结子电池的一个实例。另一选 择是，如在2008年1月31日提出申请的第12/023，772号美国专利申请案中更具体描述， 本发明可利用一个或一个以上或全部为异质结的电池或子电池，即其中在P型半导体与η 型半导体之间形成Ρ-η结的电池或子电池，所述ρ-η结除了在形成ρ-η结的ρ型及η型区 域中利用不同的掺杂剂种类及类型之外，还在η型区域中具有半导体材料的不同化学组成 及/或在P型区域中具有不同的带隙能量。在一些电池中，可将薄的所谓“本征层”置于发射极层与基极层之间，其具有与发 射极层或者基极层相同或不同的组成。所述本征层可用于抑制空间电荷区域中的少数载流 子复合。类似地，基极层或发射极层也可以是本征的或在其厚度的一部分或全部上为故意 掺杂的(“NID”)。在2008年10月16日提出申请的第12/253，051号共同未决美国专利 申请案中更具体地描述了 一些此类配置。窗口或BSF层的组成可利用满足晶格常数及带隙要求的其它半导体化合物，且可 包含 AlInP, AlAs、Α1Ρ、AlGaInP、AlGaAsP、AlGalnAs、AlGalnPAs、GaInP、GaInAs、GaInPAs、 AlGaAs、AlInAs、AlInPAs、GaAsSb、AlAsSb、GaAlAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AIN、GaN、 InN、GalnN、AlGalnN、GaInNAs、 、ZnSSe、CdSSe 及类似材料，且此仍归属于本发明 的精神内。
权利要求
一种制造太阳能电池的方法，其包括提供半导体生长衬底；在所述半导体生长衬底上沉积形成太阳能电池的半导体材料层的序列，其包含由IV/III-V族混合合金构成的子电池；及移除所述半导体生长衬底。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述IV/III-V族混合合金为GeSiSn。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述GeSiSn子电池具有介于0.73eV到1. 2eV范围 中的带隙。
4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括在所述GeSiSn子电池上方沉积由锗构成的 子电池。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述序列的层包含具有介于0.91eV到0. 95eV范围 中的带隙的第一 GeSiSn子电池及具有介于1. 13eV到1. 24eV范围中的带隙的第二 GeSiSn 子电池。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述沉积半导体材料层的序列的步骤包含在所述 衬底上形成具有第一带隙的第一太阳能子电池；在所述第一子电池上方形成具有小于所述 第一带隙的第二带隙的第二太阳能子电池；及在所述第二太阳能子电池上方形成具有小于 所述第二带隙的第三带隙的第三太阳能子电池。
7.如权利要求6所述的方法，其进一步包括形成具有小于所述第三带隙的第四带隙的 第四太阳能子电池，其与所述第三太阳能子电池晶格匹配。
8.如权利要求7所述的方法，其进一步包括在所述第四太阳能子电池上方形成具有小 于所述第四带隙的第五带隙的第五太阳能子电池。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括在所述第五太阳能子电池上方形成具有小 于所述第五带隙的第六带隙的第六太阳能子电池。
10.如权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述第六太阳能子电池上方形成具有 小于所述第六带隙的第七带隙的第七太阳能子电池。
11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述序列的半导体材料层上方施加接 合层且将替代衬底附接到所述接合层。
12.如权利要求11所述的方法，其中在已附接所述替代衬底之后通过磨削、蚀刻或外 延剥离移除所述半导体衬底。
13.如权利要求1所述的方法，其中从由GaAs及Ge组成的群组中选择所述第一衬底。
14.如权利要求6所述的方法，其中所述第一太阳能子电池由InGa(Al)P发射极区域及 InGa(Al)P基极区域构成；所述第二太阳能子电池由GaAs、InGaAsP或InGaP构成；且所述 第三太阳能子电池由GeSiSn、InGaP或GaAs构成。
15.如权利要求7所述的方法，其中所述第四太阳能子电池由Ge、GeSiSn或GaAs构成。
16.如权利要求8所述的方法，其中所述第五太阳能子电池由Ge或GeSiSn构成。
17.如权利要求1所述的方法，其中通过将As及/或P扩散到混合合金层中而在所述 IV/III-V族混合合金中形成结以形成光伏打子电池。
18.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在邻近于由所述IV/III-V族混合合金构 成的所述子电池处形成由所述IV/III-V族混合合金构成的窗口及BSF层。
19.一种制造太阳能电池的方法，其包括 提供半导体生长衬底；在所述半导体生长衬底上沉积形成太阳能电池的半导体材料层的序列，其包含由 GeSiSn构成的至少一个层及生长在所述GeSiSn层上方由Ge构成的一个层； 在所述序列的层上方施加金属接触层；及 直接在所述金属接触层上方施加支撑部件。
20.一种多结太阳能电池，其包括第一太阳能子电池，其由InGaP或InGaAlP构成且具有第一带隙； 第二太阳能子电池，其由GaAsUnGaAsP或InGaP构成且安置在所述第一太阳能子电池 上方，所述第二太阳能子电池具有小于所述第一带隙的第二带隙且与所述第一太阳能子电 池晶格匹配；及第三太阳能子电池，其由GeSiSn构成且安置在所述第二太阳能子电池上方，所述第三 太阳能子电池具有小于所述第二带隙的第三带隙且相对于所述第二子电池晶格匹配。
全文摘要
本发明涉及一种制造太阳能电池的方法，其包括提供生长衬底；在所述生长衬底上沉积形成太阳能电池的半导体材料层的序列，其包含由IV/III-V族混合合金(例如GeSiSn)构成的至少一个子电池；及移除所述半导体衬底。
文档编号H01L31/18GK101882645SQ201010169548
公开日2010年11月10日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年5月8日
发明者保罗·夏普斯, 弗雷德·纽曼 申请人:安科太阳能公司