多结iii-v太阳能电池及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及多结III-V太阳能电池及其制造方法。一种多结太阳能电池结构包括包含III-V半导体材料的顶部光伏电池和硅基底部光伏电池。薄的富锗硅锗缓冲层设于所述顶部和底部电池之间。还提供了在硅衬底上制造与锗晶格匹配或者对于锗是赝晶的多结III-V太阳能电池结构的制造技术。所述硅电池的开路电压可以通过局部背表面场结构、局部背接触或基于非晶硅的异质结背接触来增强。
【专利说明】多结I I 1-V太阳能电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及物理科学，并且更具体地，涉及包括πι-v吸收材料的光伏结构以及这种结构的制造。
【背景技术】
[0002]由于锗(Ge)和一些II1-V半导体材料(例如InGaAs (In含量为百分之一(1%))和InGaP2)的近乎相同的晶格常数，多结II1-V太阳能电池结构通常生长在Ge衬底上。因此，由于其与InGaAs和InGaP2的带隙相比更小的带隙,Ge衬底在这种结构中也用作第三结。尽管使用Ge作为底部电池趋于增加常规三结太阳能电池结构的总效率，但是从最大化短路电流的带隙工程的角度而言，这种太阳能电池结构不是最佳的。为了减轻这个问题，已经提出了使用竖立变质结构(upright metamorphic structure),其中通过增加铟含量进一步减小中间InGaAs基元的带隙。然而，从带隙工程的观点出发，期望采用带隙为?0.9-1.1eV的材料作为底部电池。这种结构的著名例子是倒置变质(inverted metamorphic)太阳能电池。倒置变质太阳能电池结构与常规三结和竖立变质太阳能电池的转换效率相比提供更高的转换效率。然而，由于实现带隙为?1.0eV的II1-V结的特殊生长工艺以及将太阳能电池结构与主衬底分开所需的另外的制造工艺，倒置变质太阳能电池成本高。
[0003]参考图6，示出了常规双结太阳能电池结构10。该结构包括被隧道结34A、34B分开的顶部电池和底部电池。底部电池形成在缓冲层22、24上，而缓冲层22、24又形成在p+硅处理物(handle)20上。缓冲层包括邻接处理物20和p+ (In)GaAs层24的p+厚(1-3 μ m)渐变SixGei_x层22。底部电池包括II1-V半导体材料。在该特定实例中，底部电池的基极层28是P- (In)GaAs并且发射极层30是n+ (In)GaAs0底部电池的背表面场(BSF)层邻接缓冲层。窗口层32形成在发射极层30上。顶部电池包括P-1nGaP基极38、n+InGaP发射极层40、BSF层36和窗口层42。抗反射涂层(ARC) 44邻接窗口层。接触层48、50设于结构100的顶部和底部。顶部接触层48邻接重掺杂η+ (In) GaAs层46，而底部接触层50邻接处理物20。在该结构10中，硅层20不是光伏电池的一部分并且仅用作载体。
【发明内容】
[0004]本公开的原理提供了多结II1-V太阳能电池结构和用于制造包括II1-V和硅吸收体二者的多结太阳能电池结构的技术。
[0005]根据示例性实施例的太阳能电池结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该太阳能电池结构包括还底部光伏电池，所述底部光伏电池包括第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层，该第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成。缓冲层位于所述顶部光伏电池和所述底部光伏电池之间，该缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述顶部光伏电池和所述缓冲层之间。
[0006]第二示例性结构包括具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层和邻接该第一基极层的第一发射极层，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该第二示例性结构还包括底部光伏电池，该底部光伏电池包括晶体硅第二基极层和邻接该第二基极层的第二发射极层。具有小于0.5 μ m的厚度的第一缓冲层位于所述结构的所述顶部和底部光伏电池之间。所述第一缓冲层包括邻接所述底部光伏电池的硅锗部分以及包括至少百分之九十的锗的富锗部分，所述顶部光伏电池与所述第一缓冲层的富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。隧道结位于所述第一缓冲层和所述顶部光伏电池之间，第二缓冲层位于所述第一缓冲层和所述隧道结之间。所述第二缓冲层对于避免反相边界缺陷是有效的。
[0007]示例性制造方法包括:获得包含晶体硅基极和所述基极上的包含硅的发射极层的底部光伏结构；在所述底部光伏结构上形成第一缓冲层，该第一缓冲层包括包含娃和锗的第一部分以及第二富锗部分，所述第二富锗部分的锗的百分比显著高于所述第一部分的锗的百分比；在所述第一 缓冲层上形成隧道结，以及在所述隧道结上形成具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶。所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。
[0008]如本申请中所使用的“促进”一动作包括执行该动作、使该动作更容易、帮助执行该动作或者使得该动作被执行。因此，通过举例而并非限制，在一个处理器上执行的指令，通过发送适当的数据或命令使得在远程处理器上执行的指令执行的动作被执行或者辅助该动作被执行，可促进由在远程处理器上执行的指令执行的动作。为了避免疑问，当一个施动者促进而不是执行另一个施动者执行的动作时，该动作仍由某实体或实体的组合执行。
[0009]此处公开的太阳能电池结构可以提供显著的有益技术效果。例如，一个或多个实施例可以提供下述优点中的一个或多个:
[0010]?高开路电压(V。。)
[0011]?高太阳能电池效率(η)
[0012].与常规II1-V结构相比更便宜。
[0013]从下文中对其说明性实施例的详细描述中，这些和其它特征及优点将变得显而易见，所述详细描述要结合附图阅读。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是具有硅基底部电池和II1-V族基顶部电池的多结太阳能电池结构的示意性图示；
[0015]图2是具有局部背表面场结构的多结太阳能电池结构的示意性图示；
[0016]图3是具有局部背表面场结构的多结太阳能电池结构的第二实施例的示意性图示；
[0017]图4是具有基于异质结水合(hydrated)非晶娃的背表面场结构的多结太阳能电池结构的示意性图示；
[0018]图5是具有基于异质结水合非晶硅的背表面场结构的多结太阳能电池结构的第二实施例的示意性图示；以及
[0019]图6是现有技术的硅衬底上双结太阳能电池结构的示意性图示。
【具体实施方式】
[0020]公开了柔性(compliant)硅衬底上的与锗晶格匹配或赝晶锗多结II1-V太阳能电池结构，其中硅在这种结构中用作底部电池。由于包括下述的多种原因，在硅上生长II1-V基电池是有利的:(I) Si衬底丰富，(2)与锗和II1-V半导体材料相比硅的较低成本，(3)机械稳定性，以及(4)对于制作高效率串列结太阳能电池，硅的带隙最佳。硅与II1-V半导体材料之间的晶格失配是实现串列硅上II1-V太阳能电池的障碍，在该电池中硅用作底部结。由于与小的构图区域相反，大面积地直接在硅上生长II1-V半导体材料的挑战特质，研究人员已经试图利用渐变SiGe缓冲层作为在硅衬底上生长II1-V的模板。原则上生长相对厚的SiGe缓冲层以逐渐弛豫应变并且生长富Ge层。然而，与硅的带隙相比较小的SiGe的带隙排除了使用硅衬底作为底部电池的可能性，这是因为太阳光谱在SiGe缓冲层中强吸收并且随后光生载流子在多缺陷的SiGe缓冲层中湮灭。根据本公开，以如下方式制造多结II1-V太阳能电池结构:使用硅衬底来形成底部电池。
[0021]此处公开的示例性太阳能电池结构包括在柔性硅衬底上的多结II1-V太阳能电池结构，其中硅用作底部光伏电池。柔性硅衬底被加工成调和硅衬底与其上的II1-V层之间的晶格失配。在下文中进一步详细讨论的示例性结构中，在晶体硅(C-Si )上生长相对薄、富锗的硅锗(SiGe)缓冲层。应变弛豫取决于富Ge的SiGe层(Ge层)的厚度。示例性结构中的缓冲层的厚度低于I μ m并且，更优选地低于0.5 μ m。该层64的优选厚度〈0.25 μ m。使用快速热化学气相沉积(RTCVD)工艺生长示例性实施例中的缓冲层64。在该工艺中采用硅烷和锗烷来在硅基底部电池上生长SiGe。所得到的缓冲层64的邻接底部电池的部分包含约百分之二十到五十的锗，并且具有小于一百纳米的厚度，例如约十到二十纳米的厚度。缓冲层64的剩余部分的锗含量显著高于邻接底部电池的部分，优选为百分之九十或更多锗，并且在一些实施例中百分之一百(100%)的锗(原子百分比)。在包括P型基极层60、38的示例性实施例中，在缓冲层64中包含诸如磷或砷的η型掺杂剂。缓冲层64的该剩余的富锗部分在示例性实施例中具有50nm-l μ m的厚度范围，在一些实施例中采用50_300nm的厚度范围。由此II1-V顶部电池与缓冲层的富锗部分(在一些实施例中其可以包含百分之百的锗)的晶格匹配可以达到满意的程度，其中II1-V层对于它们生长于其上的柔性衬底是赝晶的。或者，可以在300-600°C之间的处理温度下采用硅烷和锗烷使用超高真空化学气相沉积工艺生长缓冲层64。
[0022]本申请中公开的太阳能电池与具有锗基底部光伏电池的常规结构相比的优点是，硅电池的开路电压与锗电池的开路电压相比更高。可以通过添加诸如局部背表面场、局部背接触和a_S1:H基异质结背接触这样的先进特征，进一步增强硅电池的开路电压。另外，硅基底部电池可以薄于50微米(50 μ m)，这是因为将近百分之五十(50%)的光谱将被顶部II1-V电池吸收。
[0023]图1是根据第一示例性实施例单片多结太阳能电池结构100的示意性图示。结构100包括底部电池，该底部电池包括光吸收硅基极层60和硅发射极层62。接触层68邻接基极层60并且与其电连通。在该示例性实施例中，基极层60包括p-Si，并且发射极层62是高掺杂n+Si层。在该示例性实施例中，硅是晶体的并且η+发射极层可以通过扩散、注入或外延形成。或者，缓冲层64的n+SiGe底部部分可以用作发射极层。硅基极可以由薄晶片制造。或者，可以在相对厚的硅衬底上生长II1-V结构之后从该相对厚的硅衬底剥落整个结构。在例如美国公开N0.2010/0307572和N0.2011/0048517中公开了受控剥落技术，这两个公开通过引用的方式结合于本申请中。在所公开结构100的示例性实施例以及下文中进一步相似讨论的其它结构200、300、400和500中，接触层68可以由铝、铝膏、银或银膏构成。如果在制造过程中采用受控剥离，则将按照受控剥落过程形成接触层68。
[0024]图1的示例性实施例中的顶部光伏电池与上文中讨论的图6中所示的顶部光伏电池相同。因此采用相同的附图标记来表示与图6中发现的那些层共同的层。顶部电池由与下面的衬底赝晶地生长或晶格匹配地生长的πι-v半导体材料构成。在示例性实施例中，基极层38由p-1nGaP、p-1nGaAlP或p-AlGaAs构成。该示例性实施例中的发射极层40是n+InGaP并且可以是无序的。在示例性结构100的实施例中，基极材料的带隙是1.8-2.1eV0在该示例性实施例中，发射极层40的带隙在相同的范围内。本领域技术人员将理解，结构100的基极层38、60可以备选地是η型的，在这种情况下，在其上形成ρ_型发射极层。
[0025]在该示例性实施例中，BSF层36可以由诸如InGaP、AlGaAs或InGaAlP或其组合的材料构成。在一个示例性实施例中，BSF层由Zn:1na5Gaa5P形成。用于窗口层42的适当的材料包括InAlP和InGaAlP (例如，In0.5 (Ga1^xAlx) 0.5P0在后一例子中，相对于镓以20-50%的比率提供招。
[0026]结构100的顶部电池和底部电池被包括隧道结的高掺杂η++和ρ++层34Α、34Β和缓冲层64、66的分开。缓冲层包括如前讨论的n+SixGei_x层64，该层64邻接底部电池的η+硅发射极层以及与隧道结形成界面的I1-(In)GaAs层66。标示(In)表示铟含量低，例如为百分之一到百分之三。隧道结邻接顶部电池的BSF层36。提供n-(In) GaAs层66 (或者(In)GaP层)来避免反相边界(APB)缺陷。在缓冲层64的邻接部分是百分之百锗的一些示例性实施例中，n-(In)GaAs层66中的铟含量为百分之一。在一个或多个示例性实施例中，隧道结可以由GaAs、InAlP、AlGaS或InGaP构成。隧道结和II1-V电池的η-型层的掺杂可以使用硅(Si)或碲(Te)实现，后者优选用于形成隧道结。可以使用碳(C)或锌(Zn)掺杂剂形成P-型层，其中在隧道结中碳是优选的。
[0027]图1所示的示例性太阳能电池结构100的II1-V顶部电池的总厚度不到1.5 μ m，而其基极层的最大厚度为约I μ m。应当认为该厚度是示例性的而不是限制性的。结构100的短路电流Js。受到II1-V顶部电池的限制。在该示例性实施例中，独立的硅基底部电池的短路电流为约40mA/cm2，而串列结构的短路电流为约14-15mA/cm2。基于一阶计算，示例性结构100的开路电压V。。被估计为约2V，填充因子FF被估计为约85%，并且能量转换效率(η )因此被推断为约25.5%。
[0028]图2示出了多结太阳能电池结构200的第二示例性实施例，该结构200包括用于增加V。。以及所得到的电池效率的局部背表面场结构。顶部电池和底部电池在其它方法与针对图1和6讨论的那 些基本相同，并且用相同的附图标记标识其元件。在该实施例中，底部电池的P-型硅基极60包括重掺杂区域70，在图2中标示为ρ+区域。这些区域邻接接触层的对应区域。在接触层和基极60之间设有钝化层72。在该示例性实施例中通过掺杂剂 (对于P+区域，硼和铝；或者，对于η+区域，磷)的扩散或注入形成掺杂区域70。在一些实施例中，通过氮化物和氢化非晶硅(a-S1:H)的热氧化或PECVD沉积，形成钝化层72。或者，可以采用诸如Al2O3的钝化层。构图钝化层72以促进掺杂区域70的形成。随后在构图的钝化层上沉积接触层68，导致接触层与硅基极60中的局部掺杂区域70之间的接触。
[0029]图3示出了与图1所示的结构相似的结构300，通过使用相似的附图标记来指示结构300。该结构包括局部背接触(LBC)结构。接触层包括与底部电池的底面接触的分立区域。钝化层72设于这些分立区域之间并且邻接硅基极60的底面。在接触层68形成之前构图钝化层72以实现在示意性图示中描绘的与硅基极60的局部接触。
[0030]图4示出了顶部电池和底部电池被SixGei_x缓冲层和高掺杂隧道结34A、34B分开的另一示例性多结太阳能电池结构400。顶部电池和底部电池与针对图1-3描述的那些相同，S卩，II1-V顶部电池和硅基底部电池。该结构包括异质结a-S1:H (氢化非晶硅)基背表面场层74。在示例性实施例中，背表面场(BSF)层包括四个层，即，a-S1:H本征层、p+a-S1:H层、p+a-Ge:H层和p+a-S1:H层。本征层邻接基极层60。透明导电氧化物层76邻接背表面场层74。
[0031]图5示出了顶部电池和底部电池被SixGei_x缓冲层和高掺杂隧道结34A、34B分开的多结太阳能电池结构500的另一示例性实施例。顶部电池和底部电池与针对图1-4描述的那些相同。结构500包括异质结a-S1:H基背表面场层78，该层78邻接底部硅基电池的基极层60。在该示例性实施例中，BSF层78包括邻接基极层60的a_S1:H的i层以及邻接TCO 层 76 的 μ c-S1:Η 层。
[0032]考虑迄今为止的讨论并且参考上文中讨论的示例性实施例和附图，将理解，一般而言，提供了示例性多结太阳能电池结构。该结构包括顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层38和邻接该第一基极层的第一发射极层40，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由πι-v半导体材料构成。该结构包括还底部光伏电池，该底部光伏电池包括第二基极层60和邻接该第二基极层的第二发射极层62，该第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成。包括SixGei_x的缓冲层和隧道结位于顶部光伏电池和缓冲层之间。II1-V结构与衬底晶格匹配或对于衬底是赝晶，该衬底在一些实施例中是掺杂锗层。图1-5示出了示例性结构。
[0033]示例性制造方法包括获得晶体硅基极以及在该基极上形成发射极层。如上所讨论的，发射极层可以通过注入、扩散或外延生长形成。在该方法的一些实施例中，发射极层可以在基极之前形成。如上文中进一步讨论的，或者发射极层可以在基极层60上沉积缓冲层64的SiGe部分时形成。因此通过这种制造获得了底部电池。或者，可以从制造商或其它来源获得硅基太阳能电池。缓冲层64形成在硅基极或发射极上，取决于下面的硅基结构包括太阳能电池还是仅为吸收层。在一些实施例中在II1-V顶部电池的形成之前纹理化缓冲层64的顶面以改善光捕获。使所得到的结构(包括底部电池和缓冲层)在500-680°C的温度范围在存在磷化氢或砷化氢气体的情况下受到热解吸附，以去除形成在缓冲层64上的氧化物层。在这样的氧化物去除之后形成n-(In)GaAs层66。该缓冲层可以在与用于形成II1-V顶部电池相同的反应室中形成。正如本领域技术人员已知的,可以在500-700°C的温度下在反应室中形成II1-V太阳能电池结构。本申请中公开的II1-V结构的形成是使用根据该方法的实施例的这种反应室通过赝晶或晶格匹配生长实现的。本领域技术人员已知的外延方法，包括诸如MOCVD的化学气相沉积，可以用于形成本申请中公开的II1-V结构的层，使得它们与下面的(例如，百分之百锗)衬底层晶格匹配或者对于该衬底层是赝晶。
[0034]本申请中公开的特定示例性串列太阳能电池结构的背表面场结构的形成可以在形成II1-V顶部电池之前或之后进行。至少部分基于所采用的材料和所需的温度，确定这种底部接触结构应当何时形成。例如，参考图3所示的结构，各种材料可以用于形成局部背表面场结构的钝化层。如果采用Si02钝化层，则这种层通常通过在800-1100°C之间的温度范围内的热氧化形成。因此，SiO2钝化层将在形成II1-V顶部电池之前形成。SiNj^Pa-S1:H (氢化非晶硅)钝化层在低于用来形成II1-V顶部电池的温度的温度下通过PECVD形成，并且因此可以在顶部电池的形成之后形成。对于图2所示的LBSF结构，ρ-Si基极中的P+区域和钝化层在生长II1-V顶部电池之前形成。钝化层被沉积在基极层60上并且被构图。在形成P+区域70之后，沉积接触层68。在形成II1-V顶部电池之后，形成包括通过PECVD沉积的层的图4中所示的太阳能电池结构400中的异质结a-S1:H基背表面场。图5所示的结构500的背表面场78也在顶部电池的形成之后形成。
[0035]考虑迄今为止的讨论，根据本申请中的教导提供了一种多结太阳能电池结构。分别在图1-4中示出了示例性结构100、200、300和400。该太阳能电池结构的顶部光伏电池具有1.8-2.1eV的带隙，并且包括第一基极层38和邻接该第一基极层的第一发射极层40，该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该太阳能电池结构的底部光伏电池包括第二基极层60和邻接该第二基极层的第二发射极层62，该第二基极层和第二发射极层中每一个都由娃构成。缓冲层位于顶部光伏电池和底部光伏电池之间，该缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分。如上所讨论的，层64由硅和锗构成并且具有可以高达百分之百锗的富锗部分。该顶部光伏电池与该缓冲层的富锗部分晶格匹配或者对于该富锗部分是赝晶。隧道结位于该顶部光伏电池和该缓冲层之间，以层34A和34B为例。在一些实施例中，硅基底部电池具 有小于50 μ m的厚度，这是因为顶部II1-V电池吸收可用光谱的接近百分之五十。
[0036]该多结太阳能电池结构的一些实施例还包括与该顶部光伏电池电连通的第一接触层48以及与该底部光伏电池电连通的第二接触层68。在一些实施例中，例如如图2和3所示，第二接触层68在多个分立区域接触底部电池的第二基极层并且还包括位于该第二接触层和该第二基极层60之间的钝化层72。在其它实施例中，例如如图2所示，在第二基极层60中提供多个高掺杂区域70，这些高掺杂区域包括在该多个分立区域与第二接触层68接触的局部背表面场结构。
[0037]在一些实施例中，该多结太阳能电池结构还包括邻接该第二基极层的背表面场。结构200、400和500包括背表面场结构。在一些实施例中，背表面场包括异质结。结构400、500包括由氢化非晶硅构成的异质结。
[0038]该多结太阳能电池结构具有缓冲层64，缓冲层64在一些实施例中具有小于
0.5μπι的厚度并且在其它实施例中具有小于0.25 μ m的厚度。在一些实施例中，对缓冲层64的表面进行纹理化。在一些实施例中，顶部光伏电池具有小于1.5μπι的厚度。在一个或多个实施例中，该太阳能电池结构还包括位于包括硅和锗的缓冲层64与隧道结34Α、Β之间的第二缓冲层66，该第二缓冲层66由II1-V半导体材料构成并且对于避免反相边界缺陷是有效的。在一些实施例中，该底部光伏电池的基极层60由ρ-型晶体娃构成。在一些实施例中，包含硅和锗的缓冲层64包括邻接第二发射极层62的SiGe部分，并且缓冲层64的富锗部分包括基本上百分之百的锗。在一些实施例中，该顶部光伏电池的第一基极层38由Ρ-1nGaP, p-1nGaAlP或p-AlGaAs构成。包含硅和锗的缓冲层在一些实施例中包括由至少百分之九十的锗构成的富锗部分，该富锗部分所包含的锗的百分比显著高于第一 SiGe部分的锗的百分比，该缓冲层的富锗部分的厚度大大超过其第一 SiGe部分的厚度。
[0039]第二示例性多结II1-V太阳能电池结构包括具有1.8-2.1eV的带隙的顶部光伏电池，该顶部光伏电池包括第一基极层38和邻接该第一基极层的第一发射极层40,该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。底部光伏电池包括晶体娃第二基极层60和邻接该第二基极层的第二发射极层62。第一缓冲层64具有小于0.5 μ m的厚度并且位于该顶部和底部光伏电池之间。该第一缓冲层包括邻接该底部光伏电池的硅锗部分以及包含至少百分之九十的锗的富锗部分，该顶部光伏电池与该第一缓冲层的富锗部分晶格匹配或者对于该富锗部分是赝晶。隧道结位于该第一缓冲层与该顶部光伏电池之间。第二缓冲层66位于该第一缓冲层与隧道结34A、34B之间，该第二缓冲层对于避免反相边界缺陷是有效的。在该第二示例性结构的一个或多个实施例中，第一缓冲层的厚度的大部分由富锗部分构成，该富锗部分包含基本上百分之百的锗，并且该顶部光伏电池与锗晶格匹配或者对于锗是赝晶。
[0040]根据本公开提供的示例性方法包括:获得包含晶体硅基极60和该基极上的包含娃的发射极层的底部光伏结构；在该底部光伏结构上形成第一缓冲层64,该第一缓冲层包括包含硅和锗的第一部分以及第二富锗部分，该第二富锗部分的锗的百分比显著高于该第一部分的锗的百分比；在该第一缓冲层上形成隧道结34A、34B，在该隧道结上形成顶部光伏电池，该顶部光伏电池对于该缓冲层的富锗部分是赝晶或者与该富锗部分晶格匹配。该顶部光伏电池包括第一基极层38和邻接该第一基极层的第一发射极层40,该第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。该顶部电池带隙在1.8-2.1eV之间。在该方法的另一个示例性实施例中，形成该第一缓冲层的步骤还包括:将该第一缓冲层64的第一部分形成为该底部光伏结构的发射极层。因此如果以这种方式形成，该发射极层将包含锗。形成第一缓冲层64的步骤包括形成第二富锗部分，使得在该方法的一个或多个实施例中锗构成该第二部分的基本上百分之百，在这种情况下该顶部电池将与锗晶格匹配。在示例性实施例中，该方法还包括形成第二缓冲层，该第二缓冲层由II1-V半导体材料构成并且对于避免反相边界缺陷是有效的。在一个或多个另外的示例性实施例中，该方法还包括:形成底部接触层，该底部接触层在多个分立区域处与该底部光伏结构的晶体硅基极接触。光伏电池200、300示意性地示出了以这种方式形成的接触层的示例性实施例。在一个或多个另外的示例性实施例中，该方法还包括:在该底部光伏结构的晶体硅基极60中形成多个高掺杂区域70，这些高掺杂区域包括在该多个分立区域接触该底部接触层68的局部背表面场结构。在该方法的备选实施例中，执行形成邻接该第二基极层的背表面场的步骤，其中该背表面场包括异质结。在图4和5中示出了由这种方法得到的示例性结构400、500，其中每一个都包括基于氢化非晶硅的异质结。如前所讨论的，第一缓冲层64在一些实施例中形成为具有小于0.5μπι的厚度并且在另一些实施例中形成为具有小于0.25μπι的厚度。在一些实施例中，采用纹理化步骤来在该第一缓冲层上提供纹理化表面以改善光捕
-M-犾。
[0041]本领域技术人员将理解，上文中讨论的示例性结构可以以原材料形式被分配(distributed)或者结合为受益于其中包含光伏元件的中间产品或最终产品的部分。
[0042]本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不意图限制本发明。如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”也意图包含复数形式，除非上下文中另外明确指出。还应当理解，术语“包含”和/或“包括”，如果在本说明书中使用了，则指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。诸如“在……上方”和“在……下方”这样的术语用于表示元件或结构之间的相对定位而不是相对高度。
[0043]下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于与特别要求保护的其它要求保护的元素相结合地执行功能的任何结构、材料或动作。已经为了说明和描述了目的呈现了各种实施例的描述，但是该描述并不是穷尽的或者限于所公开的形式。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对于本领域技术普通技术人员而言，很多修改和改变是显而易见的。选择和描述这些实施例是为了最好地解释本发明的原理和实践应用，并使得其它本领域普通技术人员能够理解进行了适于所想到的特定用途的各种修改的 各种实施例。
【权利要求】
1.一种多结太阳电池结构,包括: 具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成； 底部光伏电池，其包括第二基极层和邻接所述第二基极层的第二发射极层，所述第二基极层和第二发射极层中每一个都由硅构成； 位于所述顶部光伏电池和所述底部光伏电池之间的缓冲层，所述缓冲层包括硅和锗并且具有富锗部分，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶，以及 位于所述顶部光伏电池和所述缓冲层之间的隧道结。
2.根据权利要求1所述的结构，还包括:与所述顶部光伏电池电连通的第一接触层以及与所述底部光伏电池电连通的第二接触层。
3.根据权利要求2所述的结构，其中所述第二接触层在多个分立区域处接触所述底部电池的所述第二基极层，还包括位于所述第二接触层和所述第二基极层之间的钝化层。
4.根据权利要求3所述的结构，还包括:位于所述第二基极层中的多个高掺杂区域，所述高掺杂区域包括在所述多个分立区域处接触所述第二接触层的局部背表面场结构。
5.根据权利要求1所述的结构，还包括:邻接所述第二基极层的背表面场。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述背表面场包括异质结。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述背表面场包括氢化非晶硅层。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述缓冲层具有小于0.5 μ m的厚度。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述缓冲层包括纹理化表面。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述顶部光伏电池具有小于1.5μπι的厚度。
11.根据权利要求1所述的结构，还包括:位于包括硅和锗的所述缓冲层与所述隧道结之间的第二缓冲层，所述第二缓冲层由II1-V半导体材料构成并且对于避免反相边界缺陷是有效的。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述底部光伏电池的所述基极层由P-型晶体硅构成。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，包括硅和锗的所述缓冲层具有小于0.5 μ m的厚度。
14.根据权利要求13所述的结构，其中，包括硅和锗的所述缓冲层包括邻接所述第二发射极层的SiGe部分，包括硅和锗的所述缓冲层的所述富锗部分包含基本上百分之百的锗，并且所述顶部光伏电池的所述第一基极层由p-1nGaP、p-1nGaAlP或p-AlGaAs构成。
15.根据权利要求13所述的结构，其中，包括硅和锗的所述缓冲层包括邻接所述第二发射极层的第一 SiGe部分和所述富锗部分，所述富锗部分包括至少百分之九十的锗，所述富锗部分所包含的锗的百分比显著高于所述第一 SiGe部分的锗的百分比，所述缓冲层的所述富锗部分的厚度超过所述缓冲层的所述第一 SiGe部分的厚度。
16.—种方法,包括: 获得包含晶体硅基极和所述基极上的包含硅的发射极层的底部光伏结构； 在所述底部光伏结构上形成第一缓冲层，所述第一缓冲层包括包含硅和锗的第一部分以及第二富锗部分，所述第二富锗部分的锗的百分比显著高于所述第一部分的锗的百分比； 在所述第一缓冲层上形成隧道结，以及 在所述隧道结上形成具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池与所述缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶，所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一缓冲层的步骤还包括:将所述第一缓冲层的第一部分形 成为所述底部光伏结构的发射极层。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一缓冲层的步骤还包括:形成第二富锗部分使得锗构成所述第二部分的基本百分之百。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括:在所述第一缓冲层与所述隧道结之间形成第二缓冲层，所述第二缓冲层由II1-V半导体材料构成并且对于避免反相边界缺陷是有效的。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括:形成底部接触层，所述底部接触层在多个分立区域处与所述底部光伏结构的晶体硅基极接触。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括:在所述底部光伏结构的所述晶体硅基极中形成多个高掺杂区域，所述高掺杂区域包括在所述多个分立区域处接触所述底部接触层的局部背表面场结构。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括:形成邻接所述第二基极层的背表面场，其中所述背表面场包括异质结。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一缓冲层被形成到小于0.5 μ m的厚度。
24.—种多结太阳电池结构,包括: 具有1.8-2.1eV之间的带隙的顶部光伏电池，所述顶部光伏电池包括第一基极层和邻接所述第一基极层的第一发射极层，所述第一基极层和第一发射极层中每一个都由II1-V半导体材料构成； 底部光伏电池，其包括晶体硅第二基极层和邻接所述第二基极层的第二发射极层； 位于所述顶部和底部光伏电池之间的具有小于0.5μπι的厚度的第一缓冲层，所述第一缓冲层包括邻接所述底部光伏电池的硅锗部分以及包含至少百分之九十的锗的富锗部分，所述顶部光伏电池与所述第一缓冲层的所述富锗部分晶格匹配或者对于所述富锗部分是赝晶; 隧道结，其位于所述第一缓冲层与所述顶部光伏电池之间，以及 位于所述第一缓冲层与所述隧道结之间的第二缓冲层，所述第二缓冲层对于避免反相边界缺陷是有效的。
25.根据权利要求24所述的结构，其中，所述第一缓冲层的厚度的大部分由所述富锗部分构成，所述富锗部分包含基本上百分之百的锗，所述顶部光伏电池与所述锗晶格匹配。
【文档编号】H01L31/0352GK103928539SQ201410010911
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】S·W·比德尔, B·赫克玛特绍塔巴里, D·K·萨达那, G·G·沙希迪, D·沙赫莉亚迪 申请人:国际商业机器公司