半导体基多结光伏装置的制造
【专利说明】
[0001] 本发明要求2012年6月22日提交的美国申请No. 61/663, 374的优先权。该申请 还要求2012年10月26日提交的美国申请No. 61/718, 708的优先权。该申请为了所有目 的通过引用结合于此。
技术领域
[0002] 本公开总体上设及半导体基光伏，更具体地设及单结和多结太阳能电池。
【背景技术】
[0003] 太阳能电池，也称为光伏电池，是能通过光电伏打效应将光能转换成电能的半导 体装置。太阳能电池采用一个或多个p-n结产生对应的一个或多个电场，该电场朝着太阳 能电池装置的端子迅速传播（sweep)光生载流子W进行聚集，并且发展成电流。包括大量 太阳能电池的太阳能阵列的成本通常与太阳能电池自身所用面积，即，经受光聚集的面积， 成比例。高效率太阳能电池是很重要的，因为它们的高能量密度允许减小给定量功率所需 的面积，因此改善了源自太阳能的电力成本。采用高效的太阳能电池时，功率密度越高，所 需的面积越小，从而产生良好的系统成本且接近化石燃料比价。化石燃料比价可限定为光 伏电力成本等于或低于化石燃料基电源成本的点。
[0004] 利用设计为吸收和聚集太阳能光谱不同部分的多结装置是实现高效太阳能电池 的有效途径。由单结装置形成的太阳能电池可具有约31%的最大理论效率，而由多结装置 形成的太阳能电池可具有87%的最大理论效率。然而，多结装置，例如S结装置，更加复杂 且制造成本昂贵。例如，该样的装置所用的特定材料可能更加难W合成，并且可能增加制造 公差。而且，很多多结太阳能电池设计要求昂贵的基板或者依赖于基板，该导致进一步的制 造难度且增加了成本；或者要求基板再利用，该增加了制造成本且降低了产率。
[0005] 在某些进一步优化的太阳能电池设计中，作为太阳能电池的一部分，可采用半导 体的成分等级（compositional grade)来减轻相邻半导体层界面处的不利条件。例如， 成分等级可用于减小邻近窗口层的耗尽区域外部的表面再结合损耗。例如，该可示例为薄 化IrixGa(i_x)Se澳置中的A1脚(i_x)As发射极和窗口层W及外部耗尽区域。该方法可用在P+-n Ino.5Gao.5P太阳能电池中p-Ino.5Gao.5P发射极层和P-Ino.5Alo.5P窗口层之间的成分分级层 (compositional grading layer)中。某些成分等级也可用在耗尽区域内的窗口层处设置 的异质结附近。例如，薄的、分级的IrixGai_xN区域可用于最小化InGaN发射极层和GaN窗口 层之间的原子价带的不连续性。通常，作为太阳能电池装置的一部分，该些示范性成分等级 用于抵消半导体层界面的不利影响，并且通常已经用在装置堆叠的非常薄的特定部分中。
[0006] 需要的是结合了产生了带隙和半导体成分的半导体材料的多结太阳能电池，其提 供高效率和可制造性的最佳结合。通过提高制造太阳能电池的能力，使其具有不严格的设 计公差和简化的制造技术但仍提供宽泛的高效率，可降低太阳能电池的每美元瓦特成本。 还需要太阳能电池设计能采用一定的特征，例如成分等级，从而在太阳能电池装置的某些 关键部分中随着载流子的产生而加速载流子。成分等级可存在于基极和/或发射体区域、 背面电场或缓冲区域中，或者该里描述的其它适当的区域中或者在别处，并且可单独地或 结合使用。使用成分等级的能力可在高效率、材料厚度和不严格的设计公差的最佳结合中 提供附加的设计灵活性。每美元瓦特设计灵活性的优点可实现成本和性能的最好的全面结 厶 口 〇
【发明内容】
[0007] 根据本公开，所提供的光伏装置包括第一有源单元和第二有源单元。第一有源单 元可包括具有娃的第一半导体层的基极。第二有源单元可提供在第一有源单元上且包括具 有第二半导体层的基极。第二半导体层可包括选自包括B、Al、Ga和In的第一组的一个或 多个半导体元素和选自包括As、N、P和訊的第二组的一个或多个半导体元素的成分。第二 半导体层的成分可选择为具有1. 5eV至1. 9eV的带隙范围。光伏装置还可包括提供在第二 有源单元上的第=有源单元。第=有源单元可包括具有第=半导体层的基极，第=半导体 层包括选自B、Al、Ga和In的一个或多个半导体元素和选自As、N、P和訊的一个或多个半 导体元素的成分。第一半导体层的成分可具有1. OeV至1. 2eV的带隙范围，并且第S半导 体层的成分范围可选择为1. 9eV至2. 3eV。第一、第二和第S半导体层之一可晶格匹配于第 一、第二或第S半导体层之另一。可替换地，第一、第二和第S半导体层中的每一个可为晶 格匹配的。
[000引在某些实施例中，第一有源单元可包括发射极，该发射极包括选自包括GaP、A1P、 AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN 和 GaAsP 的半导体组的半导体。第一有源 单元的发射极还可包括訊和B中的一个或多个。第二有源单元可包括发射极，该发射极包 括选自包括 GaP、A1P、A1N、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN 和 GaAsP 的半导体 组的半导体。第二有源单元的发射极还可包括訊和B中的一个或多个。
[0009] 在某些其它实施例中，第二半导体层和第=半导体层的成分可选择为使光伏装置 的AM1. 5G效率大于25%。第二和第S半导体层中的每一个的成分可包括A1、Ga和In中 的一个或多个W及As、N和P中的一个或多个。光伏装置的第一和第二有源单元可包括发 射极，该发射极包括GaP。在某些其它实施例中，光伏装置还可包括提供在第一和第二有源 单元之间的第一隧道结W及提供在第二和第=有源单元之间的第二隧道结。第一隧道结的 带隙可大于第一半导体层的带隙，并且第二隧道结的带隙可大于第二半导体层的带隙。第 一和第二隧道结中的每一个可包括GaP。第一和第二隧道结也可进一步包括A1P，并且第一 隧道结的带隙大于1. 5eV。在其它实施例中，第一和第二隧道结中的每一个可包括Ga、As、 N、P、B、A1、訊和In中的一个或多个的成分。
[0010] 根据所公开的实施例的另一方面，光伏装置提供为包括基板和提供在基板上的有 源单元。有源单元可包括具有一定厚度的基极层，该基极层具有在沿着基极层的厚度的第 一位置处的III-V半导体的第一成分和在沿着基极层的厚度的第二位置处的III-V半导体 的第二成分。基极层可具有在第一位置的第一带隙和在第二位置的第二带隙。在某些实施 例中，第一带隙可大于第二带隙，或者小于第二带隙。在其它实施例中，第一和第二带隙中 的每一个在1. OeV至2. 2eV的带隙范围内。III-V半导体可选自包括B、A1、Ga、In、As、N、 P和訊的半导体元素组。在一定的实施例中，III-V半导体可包括少于5%的N。在其它的 实施例中，从第一位置到第二位置，基极层的带隙线性变化或指数变化或者为其组合。基极 层可包括在沿着基极层的厚度的第s位置处的III-V半导体的第s成分，从而第二位置位 于沿着基极层的厚度的第一位置和第S位置之间。在一定的实施例中，III-V半导体的第 二成分和III-V半导体的第一或第S成分之一可为相同的。在其它实施例中，基极层的带 隙可从第一位置到第二位置沿着基极层的厚度的第一段线性变化，并且从第二位置到第= 位置沿着基极层的厚度的第二段线性变化，每单位厚度的变化在第一或第二段之一中大于 在第一和第二段的另一个中。可替换地，基极层的带隙可从第一位置到第二位置线性变化， 并且基极层的带隙可