多结太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多结太阳能电池以及用于制造这种太阳能电池的方法。更具体地，本发明涉及用于光伏应用的多结太阳能电池。
【背景技术】
[0002]在具有高的太阳能转换效率的光伏太阳能电池的领域中，试图对收集入射太阳光谱的光子进行优化。
[0003]已经提出了被称为“多结”电池的太阳能电池。多结太阳能电池包括多个子电池的堆叠，其中每个子电池由形成PN结的不同的半导体层的堆叠组成。每个子电池的PN结形成为使得每个子电池具有不同的带隙能量。因此每个子电池吸收太阳光谱的部分减少但具有高效率。这导致这种太阳能电池相较具有单硅结的太阳能电池具有增加的总效率。
[0004]多结太阳能电池通常通过构成不同的子电池的不同的层在给定的衬底上的外延生长来形成。通过这种方法形成的多结太阳能电池被称为“整体式”电池。
[0005]在操作中的整体式多结太阳能电池中，电势差被施加到放置在不同的子电池的堆叠的两侧的两个电极之间。子电池通过放置在两个相邻子电池之间的隧道二极管或隧道结串联连接。由于子电池串联连接，因此吸收入射光谱的最小能量并由此提供最小电流的子电池将其它电池限制到该电流值。由整体式多结太阳能电池提供的最大功率等于由不同的子电池传递的电流的最小值乘以多结电池的端子处的电压(等于子电池的端子处的电压的和)，而不等于由每个子电池提供的最大功率输出的和。
[0006]整体式多结太阳能电池的一个优势在于它们是通过易于实现且控制良好的方法来制造的。这导致高生产能力且品质优良的多结太阳能电池。
[0007]整体式多结太阳能电池的一个缺点与不同的子电池串联连接的事实有关。这意味着这种太阳能电池使能够获得由太阳能电池提供的最大功率输出的优化操作不等于每个子电池的优化操作。此外，如果子电池之一在操作时改变了性能，例如由于实际的太阳光谱不符合太阳能电池的设计所使用的太阳光谱，或者由于诸如合聚透镜之类的外部元件，或者由于子电池的特性的退化，这就会导致太阳能电池的整体性能的降低。这会导致这种太阳能电池的效率降低。
[0008]为了增加由整体式多结太阳能电池传递的功率，一个解决方案在于将电池制造成使得每个子电池针对给定的入射光谱传递相同的电流。使用术语子电池的“电流校准”。然而，这导致更复杂的制造太阳能电池的方法。此外，电流校准仅对太阳能电池的优化所选择的入射光谱有效。
[0009]此外，可以通过不同的子电池的机械组装的方法而不是以整体样式来形成多结太阳能电池。这样的多结太阳能电池被称为“多端子”电池。每个子电池例如通过衬底上的外延生长来独立于其它子电池形成。在每个子电池的两侧形成电极，例如导电垫。然后将子电池互相机械组装。在操作中的多端子多结太阳能电池中，电势差被施加到每个子电池的两个电极之间。每个子电池的电操作独立于其它子电池的电操作。
[0010] 多端子多结太阳能电池的一个优势在于可以单独优化每个子电池的操作。由多端子多结太阳能电池提供的最大功率等于由每个子电池提供的最大功率输出的和。此外，一个子电池的性能的退化不会导致其它子电池的性能的退化。这导致这种太阳能电池的高效率。
[0011] 多端子多结太阳能电池的另一个优势在于不需要针对给定的入射光谱进行每个子电池的电流校准。
[0012] 相反地，这种子电池的机械组装的方法需要适当地控制子电池的校准，使得上层的子电池不会对下层的子电池产生阴影效应（shadow effect)。实际上，如果形成不同的子电池的电极的导电垫不是适当地互相对准，那么会降低由下面的子电池（即，放置在具有构成机械组装的正面的面的子电池下方的子电池）吸收的光子数量。
[0013] 多端子多结太阳能电池的一个缺点为现有的制造方法的复杂性。此外，由于在不同的衬底上单独制造子电池，这导致了高的制造成本。
[0014]美国专利申请2010/0089440中描述了通过外延生长形成的双结太阳能电池的一个不例。根据该文件中描述的实施例，太阳能电池包括三个端子。第一端子和第二端子分别连接到两个子电池，第三端子连接到设置在两个子电池之间的导电层。在这种太阳能电池中，可以将电势差施加到第一端子与第二端子之间，或者第一端子与第三端子之间，或者第二端子与第三端子之间。如果电势差施加在第一端子与第二端子之间，那么太阳能电池作为传统的整体式双结太阳能电池来操作，其中两个子电池串联连接。也可以通过在第一端子与第三端子之间或者第二端子与第三端子之间施加电势差来检查每个子电池独立于其它子电池的令人满意的操作。例如，这使得能够对由两个子电池提供的电流是否相等进行检查。这种双结太阳能电池的一个缺点在于两个子电池不能彼此独立地同时投入操作。
[0015] 因此提出下述问题：通过易于实现的制造方法来生产不同的子电池可以彼此独立地同时连接的多结太阳能电池。
[0016] 还提出下述问题：生产具有最佳效率的多结太阳能电池。
【发明内容】
[0017] 本发明具体试图解决这些问题。
[0018] 本发明涉及下述太阳能电池，该太阳能电池包括：至少两个子电池的堆叠，其中在两个相邻的子电池之间插入隧道二极管，该隧道二极管包括以相反的导电类型掺杂的叠加的第一层和第二层。第一电极和第二电极分别与设置在所述堆叠两侧的一面和另一面接触。对于至少一个隧道二极管，第三电极和第四电极分别与所述隧道二极管的所述第一层和所述第二层电接触。
[0019] 根据本发明的一个实施例，对于每个隧道二极管，第三电极和第四电极分别与所述隧道二极管的所述第一层和所述第二层电接触。第三电极和第四电极用作附加的电极，使得每个子电池能够独立于其它子电池而被极化。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述第一电极与所述堆叠的暴露于光辐射的面接触，并且部分地覆盖该面，所述第二电极与所述堆叠的与暴露于光辐射的所述面相对的面接触，并且完全覆盖该面。
[0021] 对于所述至少一个隧道二极管，所述第三电极和所述第四电极可以：
[0022]-在所述堆叠的暴露于光辐射的面一侧，放置在所述隧道二极管的第一层和第二层上；
[0023]-或者在所述堆叠的与暴露于光辐射的所述面相对的面一侧，放置在所述隧道二极管的第一层和第二层上。
[0024]根据本发明的一个实施例，至少一个隧道二极管还包括放置在所述堆叠的所述第一层和所述第二层的两侧、分别与所述第一层和所述第二层接触的导电的第一阻挡层和导电的第二阻挡层。与该隧道二极管相连的第三电极可以与所述第一阻挡层直接接触和/或与该隧道二极管相连的第四电极可以与所述第二阻挡层直接接触。
[0025]根据本发明的一个实施例，通过隧道二极管将至少两个相邻的子电池隔开，该隧道二极管的第一层和第二层不与任何电极接触，其中所述至少两个相邻的子电池形成串联连接的子电池的组件。
[0026]上述类型的多结太阳能电池的一个优势在于每个子电池可以与两个电极相连，使得该子电池能够独立于其它子电池被极化。此外，不同的子电池可以彼此独立地且同时地被极化。
[0027]这种多结太阳能电池的另一优势在于该多结太阳能电池可以作为整体式双结太阳能电池(整体模式下)或者作为多端子双结太阳能电池(多端子模式下)进行操作。
[0028]这种多结太阳能电池的另一个优势与下述事实有关:可以单独对每个子电池的操作进行优化，并由此最大化太阳能电池的总效率。
[0029]这种多结太阳能电池的又一优势在于可以通过易于实现的制造方法来制造整体式的这种太阳能电池。
[0030]本发明还涉及一种用于形成太阳能电池的方法，包括下述步骤:a)形成至少两个子电池的堆叠，在两个相邻的子电池之间插入隧道二极管，该隧道二极管包括以相反的导电类型掺杂的叠加的第一层和第二层；然后，以任何顺序:b)形成第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极分别与所述堆叠的暴露于光辐射的面以及与所述堆叠的与暴露于光辐射的所述面相对的面接触；以及c)对于至少一个隧道二极管，形成分别与所述隧道二极管的所述第一层和所述第二层电接触的第三电极和第四电极。
[0031]根据本发明的一个实施例，在步骤c)中，对于每个隧道二极管，形成分别与所述隧道二极管的所述第一层和所述第二层电接触的第三电极和第四电极。
[0032]在步骤a)中，插入有隧道二极管的至少两个子电池的所述堆叠是通过外延生长形成的。
[0033]上述方法在步骤a)与步骤c)之间还可以包括下述步骤:针对至少一个隧道二极管，形成第一开口和第二开口，使得分别暴露所述隧道二极管的所述第一层的一部分和所述隧道二极管的所述第二层的一部分。
[0034]根据本发明的一个实施例，在形成所述第一电极和所述第二电极的步骤b)之前完成针对至少一个隧道二极管来形成所述第一开口和所述第二开口的步骤。
[0035]第一开口和第二开口可以通过各向异性蚀刻方法(例如通过等离子刻蚀)或者通过各向同性刻蚀方法(例如通过湿法化学刻蚀)来形成。
[0036]所述第一开口和所述第二开口可以基于所述堆叠的暴露于光辐射的所述面(称为正面)来形成。
[0037]作为变体，所述第一开口和所述第二开口可以基于所述堆叠的与暴露于光辐射的所述面相对的面(称为背面)来形成。根据另一变体，所述第一开口和所述第二开口可以基于正面以及基于背面来形成。
[0038]用于形成上述类型的多结太阳能电池的方法的一个优势在于该方法易于实现。实际上，这种方法使用在用于制造微电子组件的方法的过程中常用的步骤。
[0039]本发明还涉及使用上述类型的太阳能电池的方法，包括下述步骤:a)测量由每个子电池或串联连接的子电池的组件传递的电流；b)比较由不同的子电池或子电池的组件传递的电流；c)如果由不同的子电池或子电池的组件传递的电流相等，那么将所述太阳能电池连接为使得所述太阳能电池以整体模式进行操作；c’)如果由不同的子电池或子电池的组装件传递的电流不全部相等，那么将所述太阳能电池连接为使得所述太阳能电池以多端子模式进行操作。
[0040]根据本发明的一个实施例，对于所述第一层和所述第二层分别与第三电极和第四电极接触的每个隧道二极管:在步骤c)中，所述第三电极和所述第四电极未连接并且所述隧道二极管是导电的。
[0041]在步骤c)中，电势差可以被施加到所述第一电极与所述第二电极之间，使得由所述太阳能电池传递的功率最大。
[0042]根据本发明的一个实施例，对于所述第一