[发明专利]光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电池，具体而言(但非专门地)涉及多结太阳能电池，其中用于吸收太阳光谱中的长波部分的下部光伏结(lower photovoltaic junction)是锗基的。

背景技术

光伏电池将光能如阳光转换成有用的电能。通常，电子-空穴对通过在半导体材料中邻近起到分离电荷载流子作用的p-n结处吸收光子而形成，该电荷载流子随后通过该电池器件上的金属触点输送到电路中。该吸收过程只有在光子能量高于局部半导体材料的带隙时才发生，因此低带隙材料易于吸收更多光子。某一光子高出带隙能的过剩能量将作为热流失在半导体晶格内。如果p-n结由高带隙的材料制成，则不会吸收低能量的光子，而且使输送光电流的电压增大。

阳光含有涵盖一系列波长的大量能量，因此为了使太阳能电池的效率最大化，适宜的是，在高带隙的上部结(upper junction)中吸收高能量光子，并且在具有连续降低的特征带隙能的下层结(underlying junction)中吸收能量连续降低的光子。该技术寻求通过在高电压结中吸收高能光子而使从各部分太阳光谱中获得的电能最大化。已知的是利用外延生长技术在单个半导体衬底上单体式地形成多个结。来自各个结的光电流流经整个结构体并通过使用上电池顶部和衬底下的金属触点而耦合至外部电路。以这种方式形成的太阳能电池通常被称作多结电池。

US 6,380,601的背景技术中描述了一种公知的多结电池结构体。上部高带隙能结基于InGaP材料。中间结(middle junction)基于GaAs材料。底部低带隙能结基于锗材料。特别是，下部结由适当掺杂的Ge衬底形成，在该Ge衬底上使用外延生长技术形成中间结和上部结。各个结中所使用的材料受到高品质外延生长的要求，即各层的晶格间距都要与下层的间距匹配的限制。多于1％的小部分的晶格间距错配会导致生长缺陷，其会导致材料品质差，并且由于器件中光生电荷载流子容易复合而使太阳能电池效率大大降低。GaAs和Ge接近晶格匹配。通过确保In、Ga和P组分的正确比率，InGaP材料可以与GaAs晶格匹配。同样，在这种三结串联电池中使用的其他材料必须与衬底晶格匹配，以及相互晶格匹配。

在US 6,380,601中，锗衬底用镓p型掺杂至浓度为约1×10¹⁸cm^-3。然后，通过使磷扩散进入Ge衬底的表层来形成底部p-n结。为克服本体p型掺杂，扩散的n型磷掺杂处于较高的浓度，约5×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，并且该扩散过程使得浓度随着深度逐渐降低，而不是形成明显的边界。

描述了相似器件的US 6,380,601和US 2002/0040727的目的均在于改善Ge衬底表面中的扩散n型掺杂层的性质。但是，使用所描述的技术仍然难以精确控制n型掺杂层的厚度，n型掺杂区域和p型掺杂区域的边界本质上是弥散的，而且n型掺杂的浓度必须要高至抵消衬底的本体p型掺杂。

本发明将解决相关现有技术中的这些和其他问题。

发明内容

因此，本发明提供了诸如太阳能电池等光伏电池，所述光伏电池包含锗基第一光伏结，所述结包括一个或多个外延生长的与GaAs晶格匹配或基本晶格匹配的SiGe或另一锗材料的第一层。特别是，所述一个或多个层可以与GaAs衬底或提供GaAs表面的另一衬底(例如绝缘体上GaAs衬底)一起单体式地生长。所述结可以包含或者由两个可相反掺杂的SiGe或另一锗材料的层形成，所述层中之一或全部是不同的所述SiGe和/或Ge材料的外延生长层。两个层可以与GaAs晶格匹配或基本晶格匹配。替代性地或附加地，可以通过例如利用扩散或束注入来对所述一个或多个外延生长层中的一个或多个，或其他部分如下部层或衬底添加掺杂剂来形成所述光伏结。

尽管在所述一个或多个锗材料的层中可以单独使用锗，或者使用Si_xGe_1-x，其中硅含量可达至少x＝0.04并且可能x＝0.06以上，但是所述层更优选由适当掺杂的Si_xGe_1-x形成，其中0.01≤x≤0.03。优选的是，所述第一结的特征带隙为小于0.76eV，更优选小于0.73eV。然而，更一般地，当在本文中使用时，术语“锗材料”可以是其中锗摩尔分数至少为0.7，可选地至少为0.9的材料，而且所述锗材料是单晶体和/或单体式形成的。