多接面光電池元件的制作方法

專利名稱：多接面光電池元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多接面光電池元件，尤其涉及一種具有超晶格結構的III-V族多接面太陽能電池。
背景技術：
太陽能電池為將太陽能轉換成電能的關鍵元件之一，目前已發展的太陽能電池技術包括硅晶太陽能電池(silicon based solar cell)、硅薄膜太陽能電池(silicon thin film solar cell)、染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell)、銅銦鎵硒(CuInGaSe,簡稱CIGS)太陽能電池、及III-V族太陽能電池(concentrator III-V compound solar cell)等。傳統III-V族多接面太陽能電池(III-V multi-junction solar cell)指利用元素周期表中第III族與第V族元素組合成具有光電效應的元件，其具有整合成模塊化的潛力。典型的III-V族多接面太陽能電池具繁多應用領域，其中以應用砷化鎵(GaAs)的串疊型太陽能電池最廣泛，例如fe^nP/GaAs/Ge和feJnP/GaAs等。再者，使用III-V族多接面太陽能電池主要因素為將能夠吸收不同波長光線的晶片堆疊起來，因而可吸收不同波長范圍的太陽光，充分利用太陽光，提高發電效率。再者，由于吸收太陽光能量的波長范圍較廣， 且光電轉換效率比一般硅基太陽能電池元件高，因此所使用的材料也比一般硅基太陽能電池少。太陽能電池的電力輸出會受照光強度而改變，日照強度越大時電力輸出也會隨之增加。因此，若太陽能電池元件更有效地吸收利用太陽光頻譜，則將會大大提升元件的能量轉換效率。在已公開的相關技術中，美國專利第US 7，339，109號揭示一種改善光吸收效率的多接面太陽能電池。通過設置一 ^GaP層做為孕核層在鍺基板和雙接面磊晶疊層之間，降低上層含磷化合物半導體的沉積溫度，以控制鍺基板中η型摻雜物的擴散深度。所述 InGaP層也可做為擴散阻障層，以防止砷從上層的磊晶疊層擴散進入鍺基板的擴散區域，避免影響η型摻雜物的擴散深度。然而，除了有效地控制η型摻雜物的擴散濃度和深度之外， ^GaP疊層和鍺基板之間的界面平滑度和缺陷(如帶電粒子和差排)也影響光電池的光電轉換效率。有鑒于此，業界亟需發展一種III-V族多接面太陽能電池，能改善hGaP疊層和鍺基板之間的界面平滑度和降低缺陷的影響，以有效地提升光電轉換效率。

發明內容
根據本發明的一實施例，一種多接面光電池元件，包括一鍺基板，其表面具有一淺接面；一多接面的堆疊電池結構設置在該鍺基板之上；以及一超晶格結構夾置在該多接面的堆疊電池結構與該鍺基板之間。在一實施例中，所述超晶格結構可為短程周期超晶格結構，其包括一含磷化合物半導體的超晶格結構磊晶層。在一實施例中，所述超晶格結構包括含MGaxAlhP交替排列的一材料層，其中Χ為介于0到1之間的數值。
根據本發明另ー實施例，一種多接面光電池元件包括ー鍺基板結構具有一 p型 摻雜鍺基板和一 n+型淺擴散區域，其中一淺n+-p接面形成介于該p型摻雜鍺基板和該n+型 淺擴散區域之間；一超晶格結構設置在該n+型淺擴散區域上；以及一雙接面堆疊電池結構 設置在該超晶格結構上。為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。


圖1為本發明一實施例的具有淺p-n接面的鍺基板的剖面示意圖。圖2為本發明另ー實施例的III-V族多接面光電池元件的剖面示意圖。附圖標記100-鍺基板；101-p型摻雜鍺基板；110-淺n+-p接面；120-含磷的n型淺擴散區域；200-III-V族多接面光電池元件； 210-鍺基板；220-超晶格結構；2208-22011-11^8/1^7 疊層；232-GaAs緩沖層；234-第一穿隧接面；236-中間電池元件；M2-第二穿隧接面；M4-頂電池元件；250-電池結構。
具體實施例方式以下以各實施例詳細說明并伴隨著圖式說明的范例，作為本發明的參考依據。在 圖式或說明書描述中，相似或相同的部分皆使用相同的圖號。且在圖式中，實施例的形狀或 是厚度可擴大，并以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件的部分將以分別描述說明的， 值得注意的是，圖中未示出或描述的元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式， 另外，特定的實施例僅為掲示本發明使用的特定方式，其并非用以限定本發明。根據本發明的實施例，提供一種多接面光電池元件，通過ー超晶格結構夾置在鍺 基板與具有至少ー接面的多層結構之間。所述超晶格結構可為磊晶成長在鍺基板上的短程 周期超晶格(short-period superlattice，簡稱SPSL)，由于超晶格結構具有陷補缺陷的顯 著效果，因此能有效地控制砷和磷擴散進入鍺基板中，以提升光的有效轉換效率。再者，所 述超晶格結構具有改善界面的平滑度、控制磷和砷的擴散、及制約來自下層的差排移動的 特性。應注意的是，所述超晶格結構可為n型重摻雜的^GaxAlhP交替排列的材料層，與鍺 基板的之間形成大能隙的異質接面，使鍺基板內的淺n+-p接面形成足夠厚度的空乏區，增 加內建電場，提升光電轉換電流。圖1為本發明一實施例的具有淺p-n接面的鍺基板的剖面示意圖。在圖1中，ー鍺 基板100，例如P型鍺基板在表面具有一 n+型淺摻雜區域，構成ー淺n+-p接面110。所述淺 n+-p接面110介于ー p型摻雜鍺基板101和一含磷的n型淺擴散區域120之間。此淺n+-p 接面110的形成方式可通過將磷及/或砷等n型摻雜物擴散進入含p型摻雜的鍺基板100 中。應了解的是，所述淺n+-p接面110作為多接面光電池元件的底電池元件，因此n+型淺 摻雜區域的擴散濃度和深度會直接影響到光電池元件的最佳光電轉換效率。圖2為本發明另ー實施例的III-V族多接面光電池元件的剖面示意圖。請參閱圖2，一 III-V族多接面光電池元件200包括一多接面堆疊電池結構250設置在鍺基板210之上，且一超晶格結構220夾置在所述多接面堆疊電池結構250與鍺基板210之間。在一實施例中，所述超晶格結構包括一含磷化合物半導體的超晶格結構磊晶層，例如n+型重摻雜的含MGaxAlhP交替排列的一材料層，其中Χ為介于0到1之間的數值。例如，所述n+型重摻雜的^GaxAlhP交替排列的材料層與鍺基板的之間形成大能隙的異質接面。應了解的是， 此η+型重摻雜的超晶格結構能增益η型淺擴散區域，使其與P型鍺基板的淺η+-ρ接面形成足夠厚度的空乏區，增加內建電場，提升光電轉換電流。再者，通過交錯地改變^iGaxAlhP 疊層220a-220n中( 和Al的組成，可形成短程周期超晶格結構。應注意的是，由MGaxAlhP疊層220a-220n構成的超晶格結構220產生量子井效應或阻障效應，具有陷補帶電荷摻雜物或缺陷(如差排)的特性。因此，適當調整化6沖/ InAlP超晶格的細部結構，可改善界面的平滑度、控制上層的化合物半導體結構中磷和砷的擴散進入鍺基板中、和制約來自下層的差排移動。在一實施例中，InGaP/InAlP超晶格可為η+摻雜的InGaP磊晶層和η+摻雜的InAlP磊晶層的交替疊層結構，此交替疊層結構的各InGaP磊晶層和InAlP磊晶層的厚度范圍可介于15 50埃(人大致重復3 20周期。所述η+摻雜的^iGaP層和η+摻雜的InAlP層的摻雜物，例如為碲(Te)，摻雜濃度范圍大抵介于IO18 IO19CnT3之間。由于InGaP/InAlP超晶格結構為η+摻雜，因此可與下層的 P型鍺基板的η+型淺摻雜區域形成一異質接面(hetero junction)。一般而言，η+型淺摻雜區域非常薄，因此借著η+摻雜的InGaP/InAlP超晶格結構的輔助，進而可使ρ型鍺基板內產生足夠厚度的載子空乏區，并造成足夠大的內建電場，以有效地產生電子-空穴分離。 在另一實施例中，可選擇或替代不形成η+型淺摻雜區域，直接將η+摻雜的InGaP/InAlP超晶格結構形成在P型鍺基板上。應了解的是，上述實施例所揭示的超晶格結構并不限定于 InGaxAl1^xP疊層，在不脫離本發明的范疇，亦可選擇以其他適合的化合物半導體材料替換， 然必需符合以下條件，選用的超晶格材料必須與底層的鍺基板的晶格常數匹配，且其能隙 (例如LGaxAlhP的能隙1. 86eV)應大于ρ型鍺基板的能隙(例如Ge的能隙0. 67eV)，亦即所選用的超晶格材料不吸收長波長的入射光。再者，高能隙異質p-n接面應能產生足夠厚度載子空乏區，以產生足夠數量的電子-空穴分離，但仍應注意厚度過高會導致電阻增加。所述超晶格結構220的形成方法可采用物理性或化學性沉積法，例如有機金屬氣相磊晶法(MOVPE)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、原子層沉積法(ALD)、或其他適合的沉積法磊晶成長在鍺基板上。再請參閱第2圖，所述具有至少一接面的多層堆疊電池結構250可為一單接面或一雙接面的多層化合物半導體結構。在一實施例中，一雙接面含^iGaP與an)GaAs的多層化合物半導體結構設置在超晶格結構220上。所述多層化合物半導體結構可為一疊層結構，例如包括一 GaAs緩沖層232、一中間電池元件(例如GaAs次電池疊層)236、和一頂電池元件(例如InGaP次電池疊層)244, 一第一穿隧接面234夾置在GaAs緩沖層232和中間電池元件236之間，及一第二穿隧接面242夾置在中間電池元件236和頂電池元件244之間。 采用雙接面磷化合物半導體結構與具有淺P-n接面(可視為底電池元件)的鍺基板的組合可構成三接面太陽能電池(triple-junction solar cell)，有效地延伸太陽光吸收光譜波長上限范圍達1800nm，并使III-V族多接面光電池元件200達到最佳的光電轉換效率。
本發明雖以各種實施例揭示如上，然其并非用以限定本發明的范圍，任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可做些許的更動與潤飾。本發明的保護范圍當以權利要求界定的范圍為準。
權利要求
1.一種多接面光電池元件，其特征在于，包括一鍺基板，其表面具有一淺接面；一多接面的堆疊電池結構設置在該鍺基板之上；以及一超晶格結構夾置在該多接面的堆疊電池結構與該鍺基板之間。
2.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括一含磷化合物半導體的超晶格結構磊晶層。
3.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括一短程周期超晶格結構。
4.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括一含MGaxAlhP交替排列的材料層，其中Χ為介于0到1之間的數值。
5.根據權利要求4所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該含^iGaxAlhP交替排列的材料層包括一 n+型摻雜的InGaP磊晶層和一 η+型摻雜的InAlP磊晶層的交替疊層結構，其中該交替疊層結構的各InGaP磊晶層和InAlP磊晶層的厚度范圍可介于15 50 埃，且重復3 20周期。
6.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構與該鍺基板之間形成一異質接面。
7.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構的能隙大于該鍺基板的能隙。
8.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該鍺基板包括一P型摻雜鍺基板和一含磷摻雜的η型淺擴散區域。
9.根據權利要求1所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該多接面的堆疊電池結構包括一含^GaP的多層化合物半導體結構。
10.一種多接面光電池元件，其特征在于，包括一鍺基板結構具有一 P型摻雜鍺基板和一 η+型淺擴散區域，其中一淺Π+-Ρ接面形成介于該P型摻雜鍺基板和該η+型淺擴散區域之間；一超晶格結構設置在該η+型淺擴散區域上；以及一雙接面堆疊電池結構設置在該超晶格結構上。
11.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括一含磷化合物半導體的超晶格結構磊晶層。
12.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括一短程周期超晶格結構。
13.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構包括含MGaxAlhP交替排列的一材料層，其中Χ為介于0到1之間的數值。
14.根據權利要求13所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該含MGaxAlhP交替排列的材料層包括一 η+型摻雜的InGaP磊晶層和一 η+型摻雜的InAlP磊晶層的交替疊層結構，其中該交替疊層結構的各hGaP磊晶層和InAlP磊晶層的厚度范圍可介于15 50 埃，且重復3 20周期。
15.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構與該鍺基板之間形成一異質接面。
16.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該超晶格結構的能隙大于該鍺基板的能隙。
17.根據權利要求10所述的多接面光電池元件，其特征在于，其中該雙接面堆疊電池結構包括一中間電池元件和一頂電池元件。
全文摘要
本發明提供一種多接面光電池元件。所述多接面光電池元件包括一鍺基板，在表面具有一淺接面。該淺接面介于一p型摻雜鍺基板和一含磷的n型淺擴散區域之間。具有雙接面的一多層堆疊電池結構設置在該鍺基板之上，以及一超晶格結構夾置于具有雙接面的該多層堆疊電池結構與該鍺基板之間。
文檔編號H01L31/04GK102386252SQ20101027113
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者吳展興 申請人:太聚能源股份有限公司