专利名称：单p-n结串联光伏器件的利记博彩app
技术领域：
本公开涉及太阳能电池，更具体地涉及单结串联太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池或光伏电池是具有P-N结的半导体器件，其将太阳光的辐射能直接转 化成电能。太阳光转化为电能包括三个主要过程吸收太阳光进入半导体材料；生成和分 离在太阳能电池中产生电压的正电荷和负电荷；以及收集并通过连接到半导体材料的端子 转移电荷。用于电荷分离的单耗尽区通常存在于每个太阳能电池的P-N结中。
基于单一半导体材料的现有传统太阳能电池具有大约31%的固有效率极限。这个 极限的主要原因是没有发现一种能够完美地匹配宽范围的太阳辐射的材料，太阳辐射具有 在大约0. 4eV到4eV的光子范围内的可用能量。具有半导体带隙以下能量的光将不被吸收 和不被转化为电能。具有带隙以上能量的光将被吸收，但是快速产生的电子空穴对以热的 形式丢失它们在带隙以上的过剩能量。因此，这种能量不能够用于转化为电能。
已经通过使用具有不同带隙的太阳能电池堆叠并由此形成一系列太阳能电池 (被称为"多结"、"级联"或"串联"太阳能电池)来试图取得较高的效率。串联太阳能电池 是现在可用的最高效率的太阳能电池。通过连接多个(例如，二个、三个、四个等)串联的 P-N结太阳能电池来制造串联电池。通常在顶部电池使用较高能隙的材料以转化较高能量 的光子，而让较低能量光子往下传递到太阳能电池堆叠中的较低能隙的材料，由此形成串 联电池。对堆叠中的太阳能电池的带隙进行选择以使太阳能转化的效率最大化，其中使用 隧道结来串接电池，使得电池的电压叠加在一起。这种多结太阳能电池要求大量的材料层 以形成复杂的堆叠结构。
发明内容
根据一种或多种实施方式，提供一种单P-N结太阳能电池，其具有用于电荷分离 的多个区，同时让电子和空穴复合，从而与太阳能电池的耗尽区相关的电压将叠加起来。在 一个或多个实施方式中，太阳能电池中顶层的导带边缘(CBE)被形成为与太阳能电池中较 低层的价带边缘(VBE)排成一行。 根据一种或多种实施方式，提供一种太阳能电池，该太阳能电池具有在P-N结的 一侧上形成的InGaN或InAlN合金，以及在P_N结的另一侧上形成的Si，以通过单P-N结产 生双结(2J)串联太阳能电池的特征。在一个实施方式中，使用In卜,Ga，合金，而在另一个实施方式中使用In卜XA1XN。根据一个或多个实施方式形成的单P-N结太阳能电池将实现超 过30%的实际能量转化效率。
通过参考以下说明书并结合附图，本公开以上提到的特征和目的将变得更清楚， 在附图中相同的参考数字指示相同的元件，且其中 图1是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的框图表 示。 图2是图1的更具体的透视图，其显示在根据本公开的一种或多种实施方式的单 P-N结串联太阳能电池中的各种区。 图3是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的异质结的 能带图的图解表示。 图4A和图4B是根据本公开的一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池的 异质结的计算(a)能带图和(b)电子和空穴浓度的图解表示。 图5A和图5B是根据本公开的一种或多种实施方式具有(a)反掺杂和(b)界面处
的绝缘隔层的单P-N结串联太阳能电池的异质结的计算能带图的图解表示。 图6是根据本公开的一种或多种实施方式具有双反掺杂的单P-N结串联太阳能电
池的框图横截面表示。 图7是根据本公开的一种或多种实施方式具有双反掺杂的单P-N结串联太阳能电 池的异质结的计算能带图的图解表示。
具体实施例方式
—般而言，本公开包括单P-N结串联光伏器件。本公开的某些实施方式现在将参 考前面提到的附图进行讨论，其中相同参考数字指的是相同的元器件。 现在参考图l，总体显示根据一种或多种实施方式的单P-N结串联太阳能电池100 的框图表示。层102和104之一被形成为p型材料，而层102和104的另一个被形成为n型 材料，使得单P-N结105在层102和104之间存在。层102和104中的每一个也可以被描 述和/或形成为在太阳能电池100里面的它自己的子电池(subcell)。在一种或多种实施 方式中，太阳能电池中的顶层102的导带边缘(CBE)被形成为与太阳能电池100中的底层 104的价带边缘(VBE)排成一行。在一种实施方式中，太阳能电池100包括第三族-氮化物 合金的层102和Si层104。分别形成电接触106和108，其中电接触106在第三族-氮化 物合金层102的顶部上或者用其他方法耦合到第三族-氮化物合金层102，且电接触108在 Si层104的底部上或用其它方法耦合到Si层104。在一种或多种实施方式中，顶部电接触 106应该由基本透明的导电材料形成，以让太阳辐射穿过电接触106进入太阳能电池100， 例如通过将接触106形成为铟-锡-氧化物或其它合适的基本透明的导电材料或其它金属 层的栅格来实现。依照太阳能电池制造领域的技术人员已知的方法形成电接触106和108。
在一种实施方式中，层102是In卜xGa，合金，其中0《x《l，其具有大约0. 7eV 到3.4eV的能量带隙范围，提供与太阳能光谱良好的匹配。在另一实施方式中，层102为 Irv/1，合金，其中0《x《l，其具有大约0. 7eV到6. OeV的能量带隙范围，也提供与太阳
5能光谱良好的匹配。在一种或多种实施方式中，通过分子束外延产生具有低电子浓度和高 电子迁移率的晶体来生长层102，而应该理解的是还可以进一步使用其它形成方法。为了在 本文所述的各种实施方式中方便描述，层102将被称为InGaN层102，而应该理解的是在本 文所述的各种实施方式中InAlN可以可交换地取代InGaN。 在一种或多种实施方式中，通过用p型掺杂物例如镁(Mg)掺杂InGaN层102来 将InGaN层102形成为p型层，而用p型掺杂物例如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)反 掺杂薄的Si界面层。通过用n型掺杂物例如磷(P)、砷(As)或锑(Sb)掺杂Si层104来 将Si层104的剩余部分形成为n型层。n型层和p型层的典型掺杂水平的范围为1015cm—3 到1019cm—3。实际的掺杂水平依赖于太阳能电池100的层102和104的其它特征，并且可以 在这个范围之内和之外进行调整以使效率最大化。应该理解的是P-N结105也可以通过用 n_型掺杂物掺杂InGaN层102和用p型掺杂物掺杂Si层104来形成。在InGaN中，硅通常 用作n型掺杂物而镁作为p型掺杂物。 随着生长，未掺杂的InGaN膜通常为n型，其中在一种实施方式中InGaN层102可 以用Mg受主掺杂，使得InGaN层102表现为p型。在一个特定的实施方式中，在InyGai—yN 合金中使用P型掺杂物Mg，其中0. 67《y《0. 95。 虽然P-N结105可以简单地形成为如图1所示InGaN层102与Si层104相对放 置。实际上，当结105处于热平衡和稳态时，将形成穿越P-N结105的多个耗尽区。电子和 空穴将分别扩散进入具有低电子和空穴浓度的区。因此，在n型Si层104中的过量电子将 扩散进入P-N结105的P侧，而在p型InGaN层102中的过量空穴将扩散进入P_N结105 的N侧。如图2所示，这将在邻近P-N结105的InGaN层102中产生InGaN耗尽区110和 在邻近P-N结105的Si层104中产生Si耗尽区112。 当太阳能电池100暴露于太阳能时，层102和104吸收含有与它们带隙相同量的 能量的光波时，能量从太阳能中的光子转化为太阳能电池100。带隙为推动电子从材料的价 带到它的导带所需要的能量。基于实验测量的在InN和GaN之间1. 05±0. 25eV的价带偏 移量和已知的GaN电子亲和势(affinity)，预计InN将具有5. 8eV的电子亲和势，是任意已 知的半导体中最大的。InGaN或InAlN的合金形成的层102给予宽的带隙调谐范围，对于 InGaN为0. 7eV到3. 4eV和对于InAIN为0. 7eV到6. OeV。 通过使层102或104之一的导带与层102或104中的另一个的价带对准，在层102 和104之间产生低阻抗隧道结。InGaN和InAIN的导带边缘120和价带边缘122的位置在 图3中图解说明，其中点线114和116表示使InGaN和InAIN的导带与Si的价带分别对准 的组成(例如，大约I%7A1。.3N或In。.5Ga。.5N)。具有稍微多的Ga或Al的组成将使InGaN/ InAIN的导带与Ge的价带对准。如图3所示，电子亲和势(相对于真空能级的导带最小值 (CBM)的能量位置)也可以在宽范围内调谐，在InAIN中为5. 8eV到2. leV，且在InGaN中 为5. 8eV到4. 2eV。在一种实施方式中，对于大约Al。.3In。.7N或In。.45Ga。.55N的组成，可以使 AlInN/InGaN的导带与Si的价带对准，由此在层102和104之间产生非常低阻抗隧道的条 件，而不需要以前的多结太阳能电池中一般要求的额外重掺杂层，与以前的多结太阳能电 池相比，这大大简化了本单结串联太阳能电池100的设计。 具有在p型层102 (InGaN或InAIN)和n型Si层104之间的单P_N结105的太阳 能电池IOO提供(l)用于电荷分离的两个耗尽区和(2)允许电子和空穴复合的结1Q5，从而在层102和104中由太阳能产生的电压将叠加起来。这些观察类型先前仅在具有隧道结 层的多结串联太阳能电池中可获得，而仅使用单P-N结从来没有可能获得。
太阳能电池100的单p-InGaN/n-Si异质结以根本不同于常规P-N半导体异质 结的方式进行工作。在通常的P-N结中，p型侧上的空穴被耗尽，且n型侧上的电子被耗 尽，产生单耗尽区。然而，根据一种或多种实施方式形成的本p-InGaN/n-Si异质结(或 p-InAIN/n-Si异质结)产生了两个耗尽区。在照射下，这两个耗尽区都可以分离电荷，使得 单p-InGaN/n-Si或p-InAIN/n-Si异质结用作双结串联太阳能电池。进一步地，在层102 和104之间的结105处存在型反转(在结105的InGaN侧上存在过量电子且在结105的 Si侧上存在过量空穴)，因而产生InGaN耗尽区110和Si耗尽区112。这种型反转(type inversion)提供了更高效率的电子_空穴湮灭作用并串联层102和104。
对于一种具有p型In。jGa。.^N层102和n型Si层104的实施方式，这种p-InGaN/ n-Si异质结串联太阳能电池的计算的能带图和电子及空穴浓度分别在图4A和图4B中图解 说明。两个耗尽区130和132可以在图4A中看见，它们对应于在图2中显示的耗尽区110 和112。通过指定组成获得了 1.8eV的InGaN带隙，就最大能量转化效率而言，对于与具有 带隙=1. leV的底部Si层104匹配的顶层102， 1. 8eV的InGaN带隙接近理想情况。
在照射下，具有大于In。jGa。.^N层102的1. 8eV带隙的能量的光子在InGaN层 102中产生电子-空穴对。Si层104吸收能量在1. leV和1. 8eV之间的光，以及没有被顶部 InGaN层102吸收的能量> 1. 8eV的光。两个层102和104中的掺杂可以调整以改变耗尽 区130和132的大小。有效的电子和空穴复合在InGaN/Si结105处发生，使得在照射下， 空穴将转到InGaN层102的表面并且电子将进入Si层104。薄的( 25nm)重掺杂p++层 可以用于提供到InGaN表而的欧姆接触。 耗尽区130和132类似于在半导体材料中发现的"肖特基样(Schottky-like)"耗 尽区，使得这两个耗尽区130和132对于未聚光的太阳光来说应该能在太阳能电池100中 实现大约42%的效率，类似于通过2J串联电池实现的效率。 在一种或多种实施方式中，可以通过在层102U04中的至少一个和相应电接触 106、108之一之间的界面附近的重反掺杂(即，在n型层104中的。++或在。型层102中的 n++)来减少暗电流(即，当没有光作为输入时太阳能电池100的输出电流)。这也将增加断 路电压和太阳能电池100的效率。参考图5A，其图解说明p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能 电池的能带图，其中在邻近电接触106的p型层102中已经使用11++反掺杂(例如，10nm厚 的！1++9乂1017的层)，其中线140表示CBE(eV)、线142表示VBE(eV)且线144表示EF。
在一种或多种实施方式中，可以通过使用在层102和104之间形成的薄绝缘隔层 (例如，GaN或A1N薄层)来减少暗电流并且增加断路电压。该隔层将用来增加从p-InGaN 层102进入n-Si层104的空穴泄漏的势垒，同时阻止从n-Si层104进入p-InGaN层102 的电子泄漏。参考图5B，其图解说明p-InGaN/n-Si异质结串联太阳能电池的能带图，其中 在p-InGaN层102和n-Si层104之间使用薄的5nm GaN隔层。 图5A和5B中图解说明的与使用重反掺杂或薄绝缘层减少暗电流相关的上述两种 方法，与没有这些特征的设计相比，将增加大约0. leV到0. 2eV的电子和空穴泄漏势垒。
在一种或多种实施方式中，通过在层102、 104中的每一个和它们的结105交界处 附近进行"双反掺杂"可以进一步减少暗电流。利用这种双反掺杂配置，在n型层104中形成P+反掺杂152且在p型层102中形成n+反掺杂150，如图6所示。在一种或多种实施方 式中，在大约400nm厚的2X 1016cm—3n_Si层104中将p+反掺杂152形成为大约lOnm厚的 1 X 1019cm—V层，而在大约300nm厚的2 X 1017cm—3p_In。.45Ga。. 55N层102中将n+反掺杂150形 成为大约lOnm厚的9 X 102°cm—V层。参考图7，其图解说明根据上述反掺杂结构的p-InGaN/ n-Si异质结串联太阳能电池的能带图，其中线154表示CBE(eV)、线156表示VBE(eV)且线 158表示EF。通过这种双反掺杂配置，Al或Ga扩散进入Si，在接近界面105的n型Si衬 底102中产生p型层152，而Si扩散进入n型InGaN，在接近p型InGaN层102的界面处形 成n型反掺杂层150。这种双反掺杂配置将用于增加断路电压和太阳能电池100的效率。
为了使用单P-N结形成串联光伏器件，太阳能电池100的上层102中的导带最小 值(CBM)被形成为在相对于真空能级的能量方面与太阳能电池100的底层104的价带最大 值(VBM)基本对齐或比太阳能电池100的底层104的价带最大值(VBM)低。本公开利用非 常简单的单P-N结设计来使太阳能电池具有双结串联太阳能电池的效率特征。通过在底部 n-Si层104上简单地形成p-InGaN层102 (可以很薄(< 0. 5 y m))，可以产生效率在目前 生产的最好的单结Si太阳能电池之上的串联太阳能电池100。在一种或多种实施方式中， 可以使用复晶、多晶或甚至非晶Si形成层104。与先前已知的Si技术相比较，所生产的这 种串联太阳能电池100可以具有增加的效率和较低的成本，其能使光伏制造彻底变革。
权利要求
一种太阳能电池，其包括p型层；n型层；单p-n结，所述单p-n结位于所述p型层和所述n型层之间；和多个耗尽区，所述多个耗尽区用于与所述单p-n结相关的电荷分离。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述太阳能电池包括两个耗尽区。
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述P型层和所述n型层之一包括InGaN
4. 根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述p型层和所述n型层中的另一个包括Si。
5. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述P型层和所述n型层之一包括InAIN
6. 根据权利要求4所述的太阳能电池，其中所述p型层利所述n型层中的另一个包括Si。
7. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其中所述p型层和所述n型层之一的导带与所 述P型层和所述n型层中的另一个的价带基本对齐，以将所述p-n结形成为在所述p型层 和所述n型层之间的低阻抗隧道结。
8. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其中每个所述耗尽区中产生的电压将叠加起来 以产生所述太阳能电池的组合输出电压。
9. 根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述InGaN合金包括In卜xGaxN，其中 0《x《1。
10. 根据权利要求9所述的太阳能电池，其中X大约为0. 5。
11. 根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述InAlN合金包括Irv/^N，其中 0《x《1。
12. 根据权利要求11所述的太阳能电池，其中X大约为0. 3。
13. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其还包括 第一电接触，所述第一电接触耦合到所述P型层；禾口 第二电接触，所述第二电接触耦合到所述n型层。
14. 根据权利要求13所述的太阳能电池，其还包括在所述p型层和所述n型层的至少 一个中的重反掺杂区，所述P型层和所述n型层分别邻近所述第一电接触和所述第二电接 触中的至少一个。
15. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其还包括在所述p型层和所述n型层之间的绝缘隔层。
16. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其还包括 在所述P型层中邻近所述n型层的反向掺杂区；禾口 在所述n型层中邻近所述p型层的反向掺杂区。
17. —种太阳能电池，其包括 P型层；耦合到所述P型层的第一电接触；n型层；耦合到所述n型层的第二电接触；单P-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个耗尽区的所述p型层和所述n 型层之间。
18. —种单结太阳能电池，其包括单P-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个耗尽区的p型子电池和n型子 电池之间。
19. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述p型子电池是p型材料的层。
20. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述n型子电池是n型材料的层。
21. —种形成单结太阳能电池的方法，其包括布置P型层邻近n型层以形成单p-n结，所述单p-n结位于具有用于电荷分离的多个 耗尽区的所述P型层和所述n型层之间。
22. 根据权利要求21所述的方法，其还包括耦合与所述p型层耦合的第一电接触和与 所述n型层耦合的第二电接触。
23. 根据权利要求21所述的方法，其还包括由选自InGaN和InAIN中的一种的合金形成所述p型层和所述n型层中的一个；禾口 由Si形成所述p型层和所述n型层中的另一个。
24. 根据权利要求22所述的方法，其还包括在所述p型层和所述n型层的至少一个中 形成重反掺杂区，所述P型层和所述n型层分别邻近所述第一电接触和所述第二电接触中 的至少一个。
25. 根据权利要求21所述的方法，其还包括在所述p型层和所述n型层之间形成绝缘 隔层。
26. 根据权利要求21所述的方法，其还包括在邻近所述n型层的所述p型层中形成反 掺杂区和在邻近所述P型层的所述n型层中形成反掺杂区。
全文摘要
提供一种单P-N结太阳能电池，其具有用于电荷分离的两个耗尽区同时允许电子和空穴复合，从而与太阳能电池的两个耗尽区相关的电压将叠加起来。该单p-n结太阳能电池包括在P-N结的一侧上形成的InGaN或InAlN合金，以及在P-N结的另一侧上形成的Si，以仅通过单P-N结产生双结(2J)串联太阳能电池的特征。具有串联太阳能电池特征的单P-N结太阳能电池将获得超过30％的能量转化效率。
文档编号H01L31/00GK101720511SQ200880020929
公开日2010年6月2日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月20日
发明者J·W·艾格尔三世, K·M·于, W·瓦鲁奇威兹 申请人:罗斯特雷特能源实验室公司