專(zhuān)利名稱(chēng)：具有高轉(zhuǎn)換效率的光伏電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光伏電池的領(lǐng)域，尤其涉及用于太陽(yáng)輻射的光伏電池(太陽(yáng)能電 池)。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池是能夠把諸如太陽(yáng)輻射的電磁能轉(zhuǎn)換成電力的電子裝置。這種電子裝置主要由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，該半導(dǎo)體材料的特征在于固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)， 該固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)具有位于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶(“帶隙”)。帶隙定義通常禁止自由電子 的能量間隔。不過(guò)，當(dāng)太陽(yáng)輻射到達(dá)太陽(yáng)能電池中的這種類(lèi)型的材料時(shí)，占據(jù)較低能帶的電 子可以被激發(fā)到進(jìn)行能量躍遷和越過(guò)帶隙的點(diǎn)，從而到達(dá)較高能帶。例如，當(dāng)半導(dǎo)體的價(jià)帶 中的電子從入射太陽(yáng)輻射的光子吸收足夠的能量時(shí)，這樣的電子可以越過(guò)帶隙，到達(dá)導(dǎo)帶。如果到達(dá)較高能帶，那么這樣的電子在較低能帶內(nèi)留下空位；這樣的空位(在行 話(huà)中的術(shù)語(yǔ)為“空穴”)可在晶體網(wǎng)格中，從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子。從而，按照和導(dǎo)帶 中的自由電子相同的方式，空穴起電荷載流子的作用，并且對(duì)晶體的導(dǎo)電性作出貢獻(xiàn)。換句話(huà)說(shuō)，被半導(dǎo)體吸收的每個(gè)光子引起對(duì)應(yīng)的空穴-電子對(duì)。由光子吸收而形 成的電子-空穴對(duì)的集合引起所謂的太陽(yáng)能電池的光電流。按照這種方式生成的空穴和電 子可相互復(fù)合，從而減損它們對(duì)光電流的保持所作的貢獻(xiàn)。為了避免(或者至少盡可能地 減少)這種現(xiàn)象，以提高太陽(yáng)能電池的效率，在半導(dǎo)體材料內(nèi)生成局部電場(chǎng)。這樣，因光子 的吸收而生成的空穴和電子被局部電場(chǎng)朝相反的方向加速，從而空穴和電子在到達(dá)太陽(yáng)能 電池的端子之前復(fù)合的可能性大大減小。具體地講，通過(guò)生成空間電荷區(qū)，比如可通過(guò)在一 對(duì)相反摻雜的半導(dǎo)體材料之間生成Pn結(jié)而獲得的耗盡區(qū)，來(lái)產(chǎn)生這樣的電場(chǎng)。通常用于空間和地面應(yīng)用的太陽(yáng)能電池可以是單pn結(jié)或單np結(jié)式太陽(yáng)能電池， 或者說(shuō)單結(jié)太陽(yáng)能電池，或者可以是多于一個(gè)pn結(jié)或np結(jié)式太陽(yáng)能電池，或者說(shuō)多結(jié)太陽(yáng) 能電池。單結(jié)太陽(yáng)能電池實(shí)質(zhì)上是由單pn結(jié)或np結(jié)的存在而構(gòu)成的。相反，多結(jié)太陽(yáng)能 電池是通過(guò)堆疊多個(gè)pn結(jié)或np結(jié)(目前，2-5個(gè)結(jié))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在不同的半導(dǎo)體材料中 構(gòu)成不同的結(jié)，并且所述不同的結(jié)借助置于每對(duì)相鄰結(jié)之間的隧道二極管相互串聯(lián)地電連接。每個(gè)不同的疊加的結(jié)形成所謂的單元電池，并且各個(gè)單元電池能夠按照與用單結(jié) 能夠獲得的效率相比更有效的方式，分別轉(zhuǎn)換入射太陽(yáng)輻射光譜的各個(gè)部分。多結(jié)電池具有能夠提供相對(duì)于單結(jié)電池的更高輸出電壓的優(yōu)點(diǎn)，總電壓等于單個(gè) 單元電池的電壓的總和(減去在串聯(lián)連接電池的隧道二極管中的少許電壓降)。為了被制造，一般通過(guò)在工業(yè)鍺(Ge)或硅(Si)或砷化鎵(GaAs)襯底上進(jìn)行沉積 (例如，借助金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積技術(shù)，或者說(shuō)M0CVD)，利用外延生長(zhǎng)技術(shù)獲得目的在于 形成不同結(jié)的各個(gè)材料層。近年來(lái)，由于允許發(fā)展用于制造三結(jié)、四結(jié)以及五結(jié)電池的新材料的技術(shù)的進(jìn)步，以元素周期表的III族和V族元素的化合物為基礎(chǔ)，S卩，以III-V族化合物為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能 電池，尤其是GaAs太陽(yáng)能電池的性能已得到持續(xù)提高。多結(jié)太陽(yáng)能電池的成本稍高于單結(jié)太陽(yáng)能電池的成本，并且其效率高得多(在 25°C的地球外大氣層照射的條件下，與單結(jié)電池的20%的效率相比，三結(jié)電池的效率近似 等于；為此，尤其是對(duì)于宇航應(yīng)用來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)面向這種新的、更高效的裝置的使用。例 如，目前的大型通訊衛(wèi)星需要使用三結(jié)太陽(yáng)能電池。另一方面，這些電池已用在地面應(yīng)用， 比如聚光系統(tǒng)中。如上所述，太陽(yáng)能電池的效率嚴(yán)格取決于光生空穴-電子對(duì)的復(fù)合現(xiàn)象。在耗盡 區(qū)之外生成的電子-空穴對(duì)不受任何電場(chǎng)的作用，從而復(fù)合的可能性高，從而減損了光生 電流的貢獻(xiàn)。為了提高太陽(yáng)能電池的效率，本領(lǐng)域中已知的一種解決方案提出通過(guò)在η摻雜部 分和P摻雜部分之間插入一部分的本征(即，未摻雜的)半導(dǎo)體材料，來(lái)增大耗盡區(qū)的深度 (從而，增大受電場(chǎng)影響的那部分半導(dǎo)體材料)。在耗盡區(qū)的厚度達(dá)到限制輸出電壓的值之 前，這種解決方案一般增大太陽(yáng)能電池的效率。超過(guò)該值，裝置的效率開(kāi)始降低。按照另一種已知的解決方案，太陽(yáng)能電池的不屬于耗盡層的半導(dǎo)體材料部分可以 受到通過(guò)利用恰當(dāng)?shù)膿诫s梯度而獲得的局部電場(chǎng)的影響。尤其是，在Harold J. Hovel的 "Semiconductors and Semimetals, Vol. II”中，按照線(xiàn)性摻雜梯度，摻雜ρ型半導(dǎo)體部分。 由于線(xiàn)性摻雜梯度的存在，P型半導(dǎo)體材料部分將受到能夠加速在其中生成的空穴-電子 對(duì)的恒定電場(chǎng)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上面所述，申請(qǐng)人注意到，從效率的觀點(diǎn)看，現(xiàn)有技術(shù)中目前已知的涉及光伏 電池的實(shí)現(xiàn)，尤其是太陽(yáng)能電池的實(shí)現(xiàn)的解決方案能夠被改進(jìn)。在獨(dú)立權(quán)利要求中說(shuō)明了按照本發(fā)明的實(shí)施例的解決方案的不同方面。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及單片光伏電池。這樣的電池包含至少一個(gè)結(jié)；所述至少一 個(gè)結(jié)包括用第一導(dǎo)電類(lèi)型的外延摻雜半導(dǎo)體材料形成的基極，和用與第一導(dǎo)電類(lèi)型相反的 第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體材料形成的發(fā)射極。所述發(fā)射極按照第一方向?qū)盈B在基極上， 所述至少一個(gè)結(jié)的至少一個(gè)結(jié)的基極具有沿所述第一方向減小的摻雜劑濃度梯度。所述基 極包括遠(yuǎn)離發(fā)射極的第一部分、接近發(fā)射極的第二部分、和在第一部分和第二部分之間的 第三部分。在第一部分中，減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-9 * IO17Cm-3/ μπι到-4女IO17cnT3/μ m的范圍內(nèi)的斜率。在第二部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具 有其平均值基本上在從-3 * 1017cm_7ym到-9 * 1016cm_7 μ m的范圍內(nèi)的斜率。在第三 部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-2女1017cm_7ym到-5女 1016cm_7 μ m的范圍內(nèi)的斜率。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及用于制造光伏電池的對(duì)應(yīng)方法。在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明了有利的實(shí)施例。


結(jié)合附圖，參考下面的詳細(xì)說(shuō)明，將最佳地理解按照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的解決方案，以及本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)在這方面，應(yīng)清楚附圖不必按比例繪制，并且 除非另有說(shuō)明，否則附圖只是在概念上示例了所描述的結(jié)構(gòu)和程序。特別地圖1示意地示出了單片光伏電池的縱向剖視圖。圖2示例了按照現(xiàn)有技術(shù)中已知的第一種解決方案的、圖1的電池的結(jié)的摻雜分 布和對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)。圖3示例了按照現(xiàn)有技術(shù)中已知的第二種解決方案的、圖1的電池的結(jié)的摻雜分 布和對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)。圖4示例了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖1的電池的結(jié)的摻雜分布；以及圖5示例了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、圖1的電池的結(jié)的摻雜分布和對(duì)應(yīng)的電 場(chǎng)。
具體實(shí)施例方式參考附圖，尤其是參考圖1，示意地示出了其中可以應(yīng)用按照本發(fā)明的實(shí)施例的概 念的單片光伏電池，尤其是(但不限于)太陽(yáng)能電池的縱向剖面。整體由附圖標(biāo)記100表 示的光伏電池是具有三個(gè)結(jié)的多結(jié)電池，并且包含在圖中由附圖標(biāo)記10 表示、并且被 表示為“底”電池的第一單元電池，在圖中由附圖標(biāo)記10 表示、并且被表示為“中間”電 池的第二單元電池，以及在圖中由附圖標(biāo)記105c表示、并且被表示為“頂”電池的第三單元 電池。頂電池105c位于中間電池10 之上，中間電池10 又位于底電池10 之上。這三個(gè)單元電池彼此相互串聯(lián)電連接，之間插入隧道二極管；具體地講，底電池 10 借助在圖中由附圖標(biāo)記108表示的第一隧道二極管，與中間電池10 電連接，而中間 電池10 借助在圖中由附圖標(biāo)記110表示的第二隧道二極管，與頂電池105c電連接。底電池10 包含第一導(dǎo)電類(lèi)型(例如ρ型)的第一半導(dǎo)體材料層112(表示“基 極”)，和導(dǎo)電性相反(例如η型)的第二半導(dǎo)體材料層114(表示“發(fā)射極”)。基極112和 發(fā)射極114直接相互接觸，以便形成pn結(jié)。優(yōu)選地，在發(fā)射極114上形成表示“窗口層”的 又一半導(dǎo)體材料116。在窗口層116上形成隧道二極管108。在隧道二極管108和中間電池10 之間，優(yōu)選地放置阻擋層118，以減小在層120 中光生的載流子的表面復(fù)合效應(yīng)，從而增大光伏電池100的轉(zhuǎn)換效率。在阻擋層118之上形成的中間電池10 包含第一導(dǎo)電類(lèi)型(例如ρ型)的第一 半導(dǎo)體材料層120(基極)；在基極120之上，形成表示“間隔層”的第二層122，第二層122 由有意未摻雜的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。中間電池10 進(jìn)一步包括位于間隔層122之上的第三 半導(dǎo)體材料層124(發(fā)射極)。發(fā)射極124由導(dǎo)電類(lèi)型與基極120的導(dǎo)電類(lèi)型相反(例如η 型)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。按照與底電池10 相同的方式，優(yōu)選地在中間電池10 的發(fā)射 極1 之上形成窗口層126。在窗口層1 之上形成隧道二極管110。優(yōu)選地，在隧道二極管110和頂電池105c 之間放置又一個(gè)阻擋層128。在阻擋層1 之上形成的頂電池105c包含第一導(dǎo)電類(lèi)型(例如P型)的第一半 導(dǎo)體材料層130(基極)；在基極130上形成由有意未摻雜的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的間隔層132。 在間隔層132上形成導(dǎo)電類(lèi)型與基極130的導(dǎo)電類(lèi)型相反(例如η型)的第三半導(dǎo)體材料層134(發(fā)射極)。優(yōu)選地，在發(fā)射極134上形成窗口層136。在光伏電池100的背面上，具體地說(shuō)，在基極112的與面向發(fā)射極114的表面相反 的表面鄰近形成第一導(dǎo)電材料層138，例如，諸如金(Au)或銀(Ag)的金屬，從而構(gòu)成光伏電 池100的第一接觸端子。在對(duì)應(yīng)于頂電池105c的窗口層136之上分段地形成規(guī)定的導(dǎo)電類(lèi)型(例如η型) 的半導(dǎo)體材料的帽狀物145 ；在帽狀物145之上形成導(dǎo)電材料，例如，諸如Au或Ag的金屬 的觸點(diǎn)150，從而構(gòu)成光伏電池100的第二接觸端子。在窗口層136之上，進(jìn)一步形成由抗反射材料制成的，例如由一個(gè)或多個(gè)氧化物 層構(gòu)成的覆蓋層140。在抗反射覆蓋層140內(nèi)留下朝向金屬150的恰當(dāng)?shù)耐ǖ?，以允許光伏 電池100的外部接觸。下面更詳細(xì)地分析構(gòu)成整個(gè)伏打電池100的單元電池，底電池10 具有由第一導(dǎo) 電類(lèi)型(在所討論的例子中為P型)的摻雜的鍺(Ge)構(gòu)成的基極112。可替換地，可利用 適當(dāng)摻雜的硅(Si)來(lái)實(shí)現(xiàn)基極112。底電池10 的發(fā)射極114由與基極112相同、但是按 相反方式摻雜(在所討論的例子中為η型)的材料(例如Ge)構(gòu)成。窗口層116可由諸如四元或三元化合物的半導(dǎo)體材料層構(gòu)成，所述四元或三元化 合物是例如銦(In)、鎵(Ga)和磷⑵化合物，即InGaP ；Irufei和砷(As)化合物，即InGaAs ； 鋁(Al) ,Ga和As化合物，即AWaAs ；或者利用由元素周期表的III族和V族元素形成的另 外的化合物。隧道二極管108是用已知方式實(shí)現(xiàn)的，例如，利用由第二導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例 子中為η型)的摻雜的III-V族材料形成的第一層、和由相反的導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例 子中為P型)的摻雜的III-V族材料形成的第二層實(shí)現(xiàn)。阻擋層118由半導(dǎo)體材料，比如第一導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為ρ型)的摻 雜的 AlGaAs、AlGaInP 或 hfeiP 形成。中間電池10 具有由第一導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為ρ型)的摻雜的hGaAs 構(gòu)成的基極120。中間電池10 的發(fā)射極124由按照相反的方式(在所討論的例子中為η 型)摻雜的半導(dǎo)體材料，比如InGaAs、AlInGaAs或AlInGaP形成。間隔層122是用半導(dǎo)體 材料，比如與基極120相同的材料實(shí)現(xiàn)的；不過(guò)，間隔層122的材料是本征的，即，沒(méi)有可感 知量的摻雜雜質(zhì)。窗口層126可以由諸如AlGaAs、AUnfeiP或AlInP的半導(dǎo)體材料層構(gòu)成，或者可通 過(guò)由元素周期表的III族和V族元素形成的另外的化合物構(gòu)成。隧道二極管110可利用由第二導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為η型)的摻雜的 III-V族半導(dǎo)體材料形成的第一層、和由相反的導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為P型)的摻 雜的III-V族半導(dǎo)體材料形成的第二層實(shí)現(xiàn)。對(duì)于阻擋層118而言方式相同，阻擋層128由半導(dǎo)體材料，比如第一導(dǎo)電類(lèi)型(在 所討論的例子中為P型)的摻雜的AWaInP或AlInP形成。頂電池105c具有由第一導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為ρ型)的摻雜的InGaP構(gòu) 成的基極130。頂電池105c的發(fā)射極134由按照相反的方式(在所討論的例子中為η型) 摻雜的III-V族半導(dǎo)體材料形成。間隔層132是用III-V半導(dǎo)體材料，例如基極130的相 同材料實(shí)現(xiàn)的；不過(guò)，間隔層132的材料是本征的，即，沒(méi)有可感知量的摻雜雜質(zhì)。
對(duì)于窗口層1 而言方式相同，窗口層136可由諸如AlInP的半導(dǎo)體材料層構(gòu)成， 或者利用由元素周期表的III族和V族元素形成的另一種化合物構(gòu)成。從制造工藝的觀點(diǎn)看，可從恰當(dāng)導(dǎo)電類(lèi)型(在所討論的例子中為P型)并且具有 適當(dāng)摻雜濃度的、形成底電池10 的基極112的半導(dǎo)體材料(在所討論的例子中為Ge)的 襯底開(kāi)始制造光伏電池100。具體地說(shuō)，利用擴(kuò)散和沉積工藝，從充當(dāng)基極112的這種襯底 開(kāi)始，形成底電池10 的發(fā)射極114。光伏電池100的直到窗口層136的所有后續(xù)層可以 利用底電池10 的發(fā)射極114和基極112作為大規(guī)模襯底，借助適當(dāng)?shù)耐庋由L(zhǎng)技術(shù)，比 如分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)來(lái)獲得。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，中間電池10 的基極120的摻雜不是恒定不變的，而 是沿其整個(gè)深度方向，即沿圖1中用附圖標(biāo)記X表示的方向非線(xiàn)性變化。為了詳細(xì)說(shuō)明由于在基極120中存在非線(xiàn)性摻雜而產(chǎn)生的效果，并示例利用這種 解決方案能夠得到的優(yōu)點(diǎn)，下面將相互比較基極120的三種不同摻雜分布。圖2示例了現(xiàn)有技術(shù)中最常見(jiàn)的情況，即，以恒定摻雜濃度摻雜基極120的情況。 具體地說(shuō)，附圖標(biāo)記210a示出了沿著方向X，在中間電池10 的阻擋層118、基極120和發(fā) 射極124內(nèi)的摻雜濃度C(X)的示圖；實(shí)線(xiàn)表示ρ型摻雜，比如鋅(Zn)或碳(C)的濃度，而 η型摻雜，比如Si或碲(Te)的濃度用虛線(xiàn)表示。必須強(qiáng)調(diào)的是，在圖2中，間隔層122已被 故意省略，以便不會(huì)使說(shuō)明變得過(guò)于復(fù)雜；不過(guò)，本發(fā)明的概念既可應(yīng)用于包含具備用本征 材料制成的間隔層的多個(gè)結(jié)的電池，又可應(yīng)用于包含沒(méi)有任何間隔層的多個(gè)結(jié)的電池。在 圖2中示例的情況中，對(duì)基極120的整個(gè)深度來(lái)說(shuō)，沿χ方向使基極120中的ρ型摻雜濃度 保持不變。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，基極120中的ρ型摻雜濃度優(yōu)選地被設(shè)定成小于阻擋 層118中的摻雜濃度的值。附圖標(biāo)記21 示出了當(dāng)摻雜濃度遵循在示圖210a中描述的摻 雜分布時(shí)，在阻擋層118、基極120和發(fā)射極124中形成的電場(chǎng)E(X)的示圖。從示圖21 可觀察到，在這種摻雜分布的情況下，電場(chǎng)基本上集中在中間電池10 的兩個(gè)點(diǎn)，具體地 說(shuō)，集中在與阻擋層118和基極120之間的界面相對(duì)應(yīng)的第一個(gè)點(diǎn)、和與基極120和發(fā)射極 124之間的界面相對(duì)應(yīng)的第二個(gè)點(diǎn)。更詳細(xì)地說(shuō)，在阻擋層118和基極120之間，由于ρ型 摻雜濃度的突然變化，電場(chǎng)出現(xiàn)一個(gè)峰值(在圖中用附圖標(biāo)記220標(biāo)識(shí))，而在基極120和 發(fā)射極1 之間，由于存在由pn結(jié)基極120/發(fā)射極IM產(chǎn)生的耗盡區(qū)，電場(chǎng)出現(xiàn)又一峰值 (圖中用附圖標(biāo)記225標(biāo)識(shí))。沿基極120的整個(gè)中心部分，電場(chǎng)幾乎為零；結(jié)果，在基極 120的這個(gè)部分內(nèi)，所產(chǎn)生的用于光子生成的可能空穴-電子對(duì)具有很高的復(fù)合可能性，從 而它們對(duì)于光伏電池100的光生電流的貢獻(xiàn)被減損。圖3示例了現(xiàn)有技術(shù)中已知的另一種情況，即，用線(xiàn)性變化的P型摻雜濃度摻雜基 極120的情況。具體地說(shuō)，如示圖210b中示例的，基極120中的ρ型摻雜濃度C(X)從較高 的值(在阻擋層118和基極120之間的界面處)線(xiàn)性減小到較低的值(在基極120和發(fā)射 極1 之間的界面處)。附圖標(biāo)記21 示出了當(dāng)摻雜濃度遵循在示圖210b中所示的分布 時(shí)，在阻擋層118、基極120和發(fā)射極124中形成的電場(chǎng)E(X)的示圖。從示圖21 中可觀 察到，對(duì)于具備線(xiàn)性摻雜分布的基極120，電場(chǎng)不再僅僅集中在阻擋層118和基極120之間 的界面處、及基極120和發(fā)射極IM之間的界面處，而是沿著基極120的整個(gè)深度延伸。更 具體地說(shuō)，即使在這種情況下，由于ρ型摻雜濃度的突然變化，在阻擋層118和基極120之 間，電場(chǎng)出現(xiàn)第一峰值(圖中用附圖標(biāo)記230標(biāo)識(shí))，并且由于存在由pn結(jié)基極120/發(fā)射極1 產(chǎn)生的耗盡區(qū)，在基極120和發(fā)射極IM之間，電場(chǎng)出現(xiàn)第二峰值(圖中用附圖標(biāo)記 235標(biāo)識(shí))；不過(guò)，在這種情況下，線(xiàn)性摻雜梯度的存在引起了具有基本恒定的值的電場(chǎng)(圖 中用附圖標(biāo)記240標(biāo)識(shí))，該電場(chǎng)沿著基極120的中心部分延伸，從而連接峰值230和峰值 235。沿著基極120的整個(gè)深度的非零電場(chǎng)的存在允許在基極120的中心部分中產(chǎn)生的可 能的空穴-電子對(duì)被分離，并在電池的端子處被收集。為了盡可能地阻礙這樣的空穴-電 子對(duì)復(fù)合的可能性，基極120的摻雜應(yīng)使得能夠保證沿著整個(gè)基極120的足夠高的電場(chǎng)； 但是，利用圖3中示例的類(lèi)型的線(xiàn)性摻雜分布，如果如圖3中突出所示，在大范圍的基極中 (于是，也接近與阻擋層118的界面)p型摻雜的量較高，那么可以達(dá)到該條件。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員知道，過(guò)度摻雜pn結(jié)的半導(dǎo)體材料減小載流子的壽命，從而增大復(fù)合可能性；其 結(jié)果是，其大范圍的厚度具備過(guò)高的摻雜濃度的基極120將減少在朝著阻擋層118的基極 120部分中光生的載流子的收集，從而降低光伏電池100的轉(zhuǎn)換效率。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)如圖4中所示，通過(guò)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)基極120的ρ型摻 雜濃度分布的形狀來(lái)解決該缺陷。具體地講，通過(guò)把χ軸的原點(diǎn)0設(shè)定在阻擋層118和基極120之間的界面處，并假 定基極的深度等于L ( S卩，基極120和發(fā)射極IM之間的界面出現(xiàn)在χ = L處)，按照本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例，基極120的摻雜濃度分布C(X)是被再分成三個(gè)主要部分的遞減函數(shù)，具體 地說(shuō)-第一部分，由附圖標(biāo)記405表示，從χ= 0到χ = xl，其中，摻雜濃度分布 C(χ)的斜率的平均值基本上包含在范圍[_9 * IO17 ；-4 * 1017]cm_7ym內(nèi)，并且1/5 * L 彡 xl 彡 1/3 * L ；-第二部分，由附圖標(biāo)記410表示，從χ= xl到χ = x2，其中，摻雜濃度分布 C(χ)的斜率的平均值基本上包含在范圍[_2 * IO17 ；-5 * 1016]cm_7ym內(nèi)，并且1/3 * L 彡 x2 彡 9/10 * L ；和-第三部分，由附圖標(biāo)記415表示，從χ= x2到χ = L，其中，摻雜濃度分布C(X) 的斜率的平均值基本上包含在范圍[_3 * IO17 ；-9 * 1016]cm_7ym內(nèi)。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在阻擋層118和基極120之間的界面(x = 0)處的摻 雜濃度在從5 * IO16CnT3到5 * IO18CnT3的范圍內(nèi)，在基極120和發(fā)射極IM之間的界面(χ =L)處的摻雜濃度在從5 * IO15CnT3到5 * IO17CnT3的范圍內(nèi)。在光伏電池100的制造過(guò)程中，可方便地獲得基極120的這種特殊的摻雜濃度分 布C(X)，因?yàn)槿缜八觯虚g電池105b，并且在所討論的例子中還有頂電池105c，是用外延 摻雜的半導(dǎo)體材料形成的，即，由通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)，比如MBE或MOCVD產(chǎn)生的半導(dǎo)體材料 形成的。由于外延生長(zhǎng)技術(shù)，在整個(gè)基極厚度內(nèi)，能夠精細(xì)地控制中間電池的基極層的摻雜 (并且，也可能能夠控制頂電池的基極層的摻雜)；通過(guò)采用這種外延技術(shù)，用III-V族前驅(qū) 體把摻雜劑元素引入反應(yīng)室中，使得可以按原子級(jí)控制摻雜濃度，以便獲得理論上任何可 能的摻雜濃度分布。相反，采用摻雜植入和擴(kuò)散技術(shù)，比如在標(biāo)準(zhǔn)的硅太陽(yáng)能電池中，則只 可能獲得具有指數(shù)函數(shù)的形狀，或者若干指數(shù)函數(shù)的組合的形狀的摻雜濃度分布。盡管在圖4中描述的摻雜濃度分布C(X)是由正好三個(gè)線(xiàn)性斜坡形成的分段線(xiàn)性 函數(shù)，即，每個(gè)部分一個(gè)線(xiàn)性斜坡，但本發(fā)明的概念可應(yīng)用于不同的分布，只要遵守上面提 及的斜率范圍。例如，摻雜濃度分布C(X)可以是包括多于三個(gè)的線(xiàn)性斜坡的分段線(xiàn)性函數(shù)，或者至少四階的多項(xiàng)式函數(shù)。在圖5中的示圖510中，示例了符合按照本發(fā)明的前述實(shí)施例的斜率范圍的可能 的摻雜濃度分布C(X)的例子。由于其特殊的摻雜分布，在基極120的外圍部分，S卩，接近阻 擋層118和基極120之間的界面處，電場(chǎng)E(X)具有相對(duì)高的值，在pn結(jié)，即，接近基極120 和發(fā)射極124之間的界面處，電場(chǎng)E(X)具有相對(duì)低的值。特別地，如圖5的示圖515中所 示，在這種情況下，在基極120和發(fā)射極IM之間，電場(chǎng)出現(xiàn)第一峰值(在圖中用附圖標(biāo)記 550標(biāo)識(shí))。此外，即使在這種情況下，存在沿基極120的中心部分延伸的電場(chǎng)，從而連接峰 值545和峰值550。不過(guò)，非線(xiàn)性摻雜梯度的存在導(dǎo)致在基極的中心部分中延伸的電場(chǎng)(在 圖中用附圖標(biāo)記555標(biāo)識(shí))不再具有恒定的值，相反具有沿著χ方向，從在阻擋層118和基 極120之間的界面處的第一值到基極120和發(fā)射極IM之間的界面處的第二值的(就絕對(duì) 值而論)減小趨勢(shì)，其中，就絕對(duì)值而論，所述第一值大于第二值。這種電場(chǎng)的存在允許獲 得更高的轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)?在遠(yuǎn)離pn結(jié)的基極120部分中產(chǎn)生的少數(shù)載流子受由摻雜分布部分405的相對(duì) 高的斜率而產(chǎn)生的較高電場(chǎng)影響，從而以更高效的方式被收集，-由于摻雜分布部分410的相對(duì)低的斜率，在基極120中光生的多數(shù)載流子(即， 空穴)朝向結(jié)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到阻礙，從而減小了電池的暗電流的擴(kuò)散分量，-由于因摻雜分布部分410的相對(duì)高的斜率而產(chǎn)生的電場(chǎng)，在基極120中光生的多 數(shù)載流子(即，電子)被有利地推向Pn結(jié)，-所有上述優(yōu)點(diǎn)是利用對(duì)其大部分厚度來(lái)說(shuō)，摻雜相對(duì)低的基極獲得的，從而以積 極方式限制了光生載流子的復(fù)合可能性。自然地，為了滿(mǎn)足局部和具體的要求，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)上述解決方案應(yīng)用 許多修改和變更。特別地，盡管關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，以一定程度的詳細(xì)性說(shuō)明了本發(fā) 明，不過(guò)應(yīng)明白，形式和細(xì)節(jié)方面的各種省略、替換和變化，以及其它實(shí)施例都是可能的；此 外，根據(jù)一般設(shè)計(jì)選擇，結(jié)合本發(fā)明的任何公開(kāi)的實(shí)施例說(shuō)明的具體元件和/或方法步驟 可被結(jié)合到任何其它實(shí)施例中。例如，盡管在本發(fā)明中，提到三結(jié)光伏電池，其中，以非線(xiàn)性方式摻雜的基極屬于 中間單元電池，但類(lèi)似的考慮適用于不同的情況，例如，單元電池的數(shù)量不等于3的情況 (甚至在單結(jié)電池的情況下)，以非線(xiàn)性方式摻雜的基極屬于非中間電池的單元電池的情 況，以及多于一個(gè)單元電池設(shè)置有以非線(xiàn)性方式摻雜的基極的情況。
權(quán)利要求
1.單片光伏電池(100)，包含至少一個(gè)結(jié)(120，1M)，其中，所述至少一個(gè)結(jié)包括由第 一導(dǎo)電類(lèi)型的外延摻雜半導(dǎo)體材料形成的基極(120)、和由與所述第一導(dǎo)電類(lèi)型相反的第 二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體材料形成的發(fā)射極(1 )，所述發(fā)射極按照第一方向(χ)層疊在 基極上，并且所述至少一個(gè)結(jié)中的至少一個(gè)結(jié)的基極具有沿所述第一方向減小的摻雜劑濃 度梯度(C(χ))，其特征在于所述基極包括遠(yuǎn)離發(fā)射極的第一部分、接近發(fā)射極的第二部分、和在所述第一部分和所述第二部分 之間的第三部分，其中-在第一部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-9 * IO17Cm-3/ μ m到-4 * 1017cm_7 μ m的范圍內(nèi)的斜率；-在第二部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-3 * IO17Cm-3/ μ m到-9 * 1016cm_7 μ m的范圍內(nèi)的斜率；以及-在第三部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-2 * IO17Cm-3/ μ m到-5 * 1016cm_3/ μ m的范圍內(nèi)的斜率。
2.按照權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中-基極沿第一方向的長(zhǎng)度等于第一量值(L)，所述第一部分沿第一方向，從與基極的遠(yuǎn) 離發(fā)射極的一端相對(duì)應(yīng)的第一端(0)延伸到第二端(xl)，所述第三部分沿第一方向，從所 述第二端延伸到第三端(x2)，所述第二部分沿第一方向，從所述第三端延伸到與基極的接 近發(fā)射極的一端相對(duì)應(yīng)的第四端；-所述第二端位于與所述第一端相距第一距離之處，所述第三端位于沿第一距離與所 述第一端相距第二距離之處，以及-所述第一距離具有在從第一量值的1/5到1/3的范圍內(nèi)的值，并且所述第二距離具有 在從第一量值的1/3到9/10的范圍內(nèi)的值。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的光伏電池，其中，所述減小的摻雜劑濃度梯度對(duì)應(yīng)于分段 線(xiàn)性函數(shù)。
4.按照權(quán)利要求3所述的光伏電池，其中，所述分段線(xiàn)性函數(shù)包括至少三個(gè)線(xiàn)性斜坡， 基極的每個(gè)部分對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)相應(yīng)的線(xiàn)性斜坡。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的光伏電池，其中，所述減小的摻雜劑濃度梯度對(duì)應(yīng)于多項(xiàng) 式函數(shù)。
6.按照權(quán)利要求5所述的光伏電池，其中，所述多項(xiàng)式函數(shù)是至少四階的多項(xiàng)式函數(shù)。
7.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏電池，其中-所述至少一個(gè)結(jié)包括第一結(jié)、第二結(jié)和第三結(jié)，所述第二結(jié)按照第一方向?qū)盈B在第 一結(jié)之上，并且所述第三結(jié)按照第一方向?qū)盈B在第二結(jié)之上，以及-所述至少一個(gè)結(jié)中的所述至少一個(gè)結(jié)是第二結(jié)。
8.按照從屬于權(quán)利要求2的權(quán)利要求7所述的光伏電池，其中，在第一端的摻雜劑濃度 等于包括在5女IO16CnT3和5女IO18CnT3之內(nèi)的第一值，并且在第四端的摻雜劑濃度等于包 括在5 * IO15CnT3和5 * IO17CnT3之內(nèi)的第二值。
9.一種用于制造包含至少一個(gè)結(jié)的光伏電池的方法，所述方法包括產(chǎn)生所述至少一個(gè)結(jié)，所述至少一個(gè)結(jié)利用第一導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體材料來(lái)外延形成基極，并且利用與所述第一導(dǎo)電類(lèi)型相反的第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體材料來(lái)形成發(fā)射 極，所述發(fā)射極按照第一方向?qū)盈B在所述基極之上，所述形成所述至少一個(gè)結(jié)中的至少一 個(gè)結(jié)的基極的步驟包括沿所述第一方向，以減小的摻雜劑濃度梯度來(lái)?yè)诫s半導(dǎo)體材料，其 特征在于所述摻雜步驟包括-以斜率的平均值基本上在從-9 * 1017cm_7 μ m到-4 * 1017cm_7 μ m的范圍內(nèi)的減小 的摻雜劑濃度梯度，來(lái)?yè)诫s遠(yuǎn)離發(fā)射極的第一部分；-以斜率的平均值基本上在從-3 * 1017cm_7ym到-9 * 1016cm_7 μ m的范圍內(nèi)的減小 的摻雜劑濃度梯度，來(lái)?yè)诫s接近發(fā)射極的第二部分；以及-以斜率的平均值基本上在從-2 * 1017cm_7 μ m到-5 * 1016cm_7 μ m的范圍內(nèi)的減小 的摻雜劑濃度梯度，來(lái)?yè)诫s在所述第一部分和所述第二部分之間的第三部分。
全文摘要
提供一種單片光伏電池(100)。所述光伏電池包含至少一個(gè)結(jié)(120，124)；所述至少一個(gè)結(jié)包括由第一導(dǎo)電類(lèi)型的外延摻雜半導(dǎo)體材料形成的基極(120)、和由與所述第一導(dǎo)電類(lèi)型相反的第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體材料形成的發(fā)射極(124)。所述發(fā)射極按照第一方向(x)層疊在基極上，所述至少一個(gè)結(jié)中的至少一個(gè)結(jié)的基極具有沿所述第一方向減小的摻雜劑濃度梯度(C(x))。所述基極包括遠(yuǎn)離發(fā)射極的第一部分、接近發(fā)射極的第二部分、和在第一部分和第二部分之間的第三部分。在第一部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-9×1017cm-3/μm到-4×1017cm-3/μm的范圍內(nèi)的斜率。在第二部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-3×1017cm-3/μm到-9×1016cm-3/μm的范圍內(nèi)的斜率。在第三部分中，所述減小的摻雜劑濃度梯度具有其平均值基本上在從-2×1017cm-3/μm到-5×1016cm-3/μm的范圍內(nèi)的斜率。
文檔編號(hào)H01L31/072GK102144304SQ201080002460
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者G·戈利, R·坎佩薩圖 申請(qǐng)人:試驗(yàn)電工中心意大利風(fēng)信子接收股份公司