CN104617167A

CN104617167A - 形成光伏器件的方法以及光伏器件

Info

Publication number: CN104617167A
Application number: CN201410561798.7A
Authority: CN
Inventors: C·巴伊拉姆; B·海克麦特朔-塔巴里
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明涉及形成光伏器件的方法以及光伏器件。一种光伏器件，包括由具有第一导电性的IV型半导体材料的吸收层和具有第二导电性的III-V型半导体材料的发射极层提供的单结太阳能电池，其中，所述III-V型半导体材料为非晶体并且具有不大于50nm的厚度。

Description

形成光伏器件的方法以及光伏器件

相关申请

本申请涉及在2011年11月7日提交的共同待决和共同转让的美国申请13/290404，通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

本申请涉及光伏器件，并且更具体地，涉及诸如太阳能电池的光伏器件。

背景技术

光伏器件是将入射光子的能量转换成电动势(e.m.f.)的器件。典型的光伏器件包括太阳能电池，太阳能电池被配置为将来自太阳的电磁辐射中的能量转换成电能。由于其高效率和辐射稳定性，包括化合物半导体的多结太阳能电池可用于在空间中的功率生成。

发明内容

在一个实施例中，提供一种光伏器件，所述光伏器件包括单结太阳能电池，所述单结太阳能电池由具有第一导电性类型的IV型半导体材料的吸收层、具有第二导电性类型的III-V型半导体材料的发射极层提供，其中，所述III-V型半导体材料为非晶体并且具有不大于50nm的厚度。

在另一方面，提供一种形成光伏器件的方法，其中，所述光伏器件为单结太阳能电池，所述单结太阳能电池由第一导电性的III-V型半导体材料的发射极层以及第二导电性的IV型半导体材料的吸收层提供。在一个实施例中，所述方法包括提供具有第一导电性的晶体IV型半导体材料的吸收层，以及在所述吸收层的表面上形成具有第二导电性的非晶体III-V型半导体材料的发射极层。

附图说明

通过举例方式给出的下列详细说明并不旨在限制本发明，下列详细说明将参考附图得以最好的理解，其中，类似的参考标号表示类似的元件和部分，其中：

图1为根据本申请的一个实施例的单结太阳能电池的侧面截面图，该单结太阳能电池由IV型半导体材料的吸收层和非晶体III-V型半导体材料的发射极层提供。

图2为根据本申请的一个实施例的初始结构的侧面截面图，该初始结构可以被利用以形成类似于图1中所描绘的单结太阳能电池，其中，该初始结构包括IV型半导体材料的衬底，该衬底提供单结太阳能电池的吸收层。

图3为根据本申请的一个实施例的描绘了纹理化IV型半导体材料的衬底的侧面截面图。

图4为根据本申请的一个实施例的描绘了在IV型半导体材料衬底的纹理化表面上形成非晶体III-V型半导体材料的侧面截面图，其中，非晶体III-V型半导体材料的至少一部分提供单结太阳能电池的发射极层。

图5为根据本申请的描绘了本申请的另一实施例的侧面截面图，其中，在非晶体III-V发射极层的生长之前，在吸收层顶上的钝化层被构图。

图6为根据本申请的一个实施例的描绘了形成背接触至吸收层的侧面截面图。

图7为根据本申请的一个实施例的描绘了在吸收层中形成局部的背表面场区域的侧面截面图。

图8为根据本申请的一个实施例的描绘了在吸收层和邻近吸收层的背表面的钝化层之间形成一个或多个材料层的侧面截面图。

图9为根据本申请的一个实施例的描绘了单结太阳能电池的侧面截面图，其中，在吸收层顶上的材料层类似于在吸收层下的材料层。

图10为描绘了具有根据本申请的原理形成的发射极层的示例性单结太阳能电池的侧面截面图。

图11为在1太阳(sun)的照射下的图10中所示的单结太阳能电池的实验测量的特性的绘图。

具体实施方式

这里公开所要求保护的结构和方法的具体实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅为可以各种形式来体现的所要求保护的结构和方法的例子。另外，关于各种实施例给出的每个实例旨在说明，而非限制。进一步，附图不必按比例尺，一些特征可被放大以示出特定部件的细节。由此，这里公开的具体结构和函数细节不被解释为限制性的，而是仅为用于教导本领域技术人员以各种地采用本申请的方法和结构的代表性基础。

在说明书中对“一个实施例”、“一实施例”、“一实例实施例”等等的提及，包括特定的特征、结构或者特性，但是每个实施例不必包括该特定的特征、结构或者特性。再者，这样的措辞不必涉及相同的实施例。进一步，当描述关于实施例的特定的特征、结构或者特性时，无法是否明确地描述，应认为影响关于其它实施例的这样的特征、结构或者特性是在本领域技术人员的知识范围之内。

出于下文表面描述的目的，如其在附图中被标定方向那样，术语“上”、“下”、“左”、“右”“垂直”、“水平”、“顶”、“底”及其派生词应涉及发明。术语“上覆”、“在……顶上”、“定位在……上”或者“定位在……顶上”意味着诸如第一结构的第一要素存在于诸如第二结构的第二要素上，其中，在第一要素和第二要素之间可存在诸如界面结构的中间要素。术语“直接接触”意味着连接诸如第一结构的第一要素和诸如第二结构的第二要素，而在两个要素的界面处没有任何中间导电、绝缘或者半导体层。

在一个实施例中，本申请提供诸如太阳能电池的单结光伏器件及其制造方法。如本文所使用，“光伏器件”为当暴露到诸如光的辐射时，产生自由电子和/或诸如空穴的空位(vacancy)并且导致电流的产生的器件，例如为太阳能电池。单结光伏器件典型地包括与n型导电性的半导体层共享界面的p型导电性的半导体层，其中，界面提供电结。如果n型和p型区域由不同的组分和/或晶体结构的两种不同的半导体材料组成，结被称为异质结。单结光伏器件包括为非晶体的III-V型半导体材料的发射极层和由IV型半导体材料组成的吸收层。III-V型半导体材料为由选自元素周期表的III和V族的元素组成的化合物半导体。IV型半导体材料为选自元素周期表的IV族的半导体材料。

由于当被形成在IV型半导体材料上的宽带隙电特性，对于光伏器件，一些III-V型半导体材料是感兴趣的，其中，IV型半导体材料具有较小带隙值。例如，硅(Si)为具有1.1eV的带隙的IV型半导体材料，而诸如氮化镓(GaN)的III-V型半导体具有3.3eV的带隙。由于两种或者更多不同带隙的存在允许太阳光谱的更有效收集，即，具有较短波长的光子被有效地收集在顶电池中，而具有较长波长的光子被有效地收集在底电池中，对于光伏器件而言III-V型半导体材料是感兴趣的。于是，通过恰当的电池设计，可改善太阳能电池的输出电压和/或电流。然而，诸如串叠(双结)的多结的低效率，至少包括包含III-V型半导体材料的顶电池和包含IV型半导体材料的底电池的光伏器件已经限制III-V型半导体材料的优点。已经确定，从包括由III-V型半导体材料组成的顶电池的多结光伏器件测量的低效率源自在下伏电池的硅上的III-V型半导体材料(例如氮化镓)的差外延生长。III-V半导体材料的差外延生长导致在由III-V型半导体材料组成的光伏器件的电池中的高密度的结构缺陷。其结果是，在III-V型半导体材料中的载流子寿命和由此的包括III-V型半导体材料的电池的效率被降低。

在一个实施例中，通过使用单结光伏器件，而非使用多结光伏器件，本申请利用III-V型半导体材料的宽带隙特性，其中，单结光伏器件的发射极层由为非晶体的III-V型半导体材料组成并且具有50nm或者更小的厚度，例如10nm或者更小，并且单结光伏器件的吸收层由IV型半导体材料组成。这是因为，作为薄非晶体III-VIII-V发射极层的结果，通过非晶体III-V发射极层的载流子收集被隧穿主导而非扩散。如本文所使用，术语“单结”表示光伏器件仅包括一个p-n结。“p-n结”为在具有p型导电性的第一材料(例如，p型发射极层)和具有n型导电性的第二材料(n型吸收层)之间的界面。与单结光伏器件相反，多结光伏器件由多个p-n结组成。

与包括由IV型半导体材料组成的发射极层的太阳能电池相比，本文所公开的结构的III-V型半导体材料发射极层和方法，以至少下述方式的一种，改善公开的单结太阳能电池的性能。对于III-V型半导体材料的n型发射极层，与IV型半导体材料的吸收层相比，发射极层的III-V型半导体材料的较低电子亲和势增加了在发射极层处的电子和空穴的准费米能级的分裂(通过提高电子的准费米能级)，并由此增加电池的开路电压。类似地，对于III-V型半导体材料的p型发射极层，与IV型半导体材料的吸收层相比，III-V型半导体材料的较高的空穴亲和势增加了在发射极层处的电子和空穴的准费米能级的分裂(通过降低空穴的准费米能级)，并由此增加电池的开路电压。材料的空穴亲和势被限定为该材料的带隙和电子亲和势的和。

在另一实施例中，对于III-V型半导体材料的n型发射极层，与吸收层的IV型半导体材料相比，发射极层的III-V型半导体材料的较大空穴亲和势增加了通过发射极层结的空穴隧穿的势垒，并由此降低太阳能电池的暗电流。其结果是，太阳能电池的开路电压得以增加。类似地，对于III-V型半导体材料的p型发射极层，与IV型半导体材料的吸收层相比，III-V型半导体材料的较小电子亲和势增加了通过发射极层结的电子隧穿的势垒，并由此降低阳能电池的暗电流，导致较高的开路电压。

在另一实施例中，在发射极层处的增强的电场改善在发射极层处的载流子分离以及由此的太阳能电池的短路电流，该增强的电场源自与吸收层的IV型半导体材料相比III-V型半导体材料的较低的电子亲和势。

在更进一步的实施例中，与由IV型半导体材料组成的发射极层相比，III-V型半导体材料的发射极层的宽带隙降低了在发射极层之内(尤其是在短波长处的)的吸收损失。从而，与由IV型半导体材料组成的发射极层相比，III-V型半导体材料的宽带隙增加了太阳能电池的短路电流，该太阳能电池包括III-V型半导体材料的发射极层。

图1描绘单结太阳能电池的一个实施例，该单结太阳能电池具有IV型半导体材料的吸收层10(也被称为吸收体10)和为非晶体的III-V型半导体材料的发射极层20(也被称为发射极20)。光伏器件的“吸收层”为容易吸收光子以生成电荷载流子(即，自由电子或者空穴)的材料。光伏器件在前侧和与吸收层10的结之间的一部分被称为“发射极层”，并且该结被称为“发射极层结”。发射极层20存在于吸收层10的顶上，其中，发射极层20具有与吸收层10的导电性类型相反的导电性类型。如本文中所使用的，术语“导电性类型”表示半导体材料为p型或者n型。如本文中所使用的，“p型”指的是杂质到本征半导体的添加，其产生价电子的缺乏(即，空穴)。如本文中所使用的，“n型”指的是杂质的添加，其贡献自由电子到本征半导体。

在一个实例中，当在电池层中收集光子形式的太阳能量时，在光伏器件之内的n型和p型导电性材料中生成电子-空穴对。发射极层结提供用于分别在发射极层结的p型掺杂和n型掺杂侧上的光生电子和空穴的收集所需的电场。鉴于此原因，并且在此实例中，光伏器件的至少一个p型层提供吸收层10，并且至少一个邻近的n型层提供发射极层20。

在一个实施例中，发射极层20由至少一种III-V型半导体材料组成，此III-V型半导体材料选自氮化镓(GaN)、磷氮化镓(GaPN)、锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铝铟(AlInAs)、锑化铝铟(AlInSb)、砷氮化镓(GaAsN)、砷锑化镓(GaAsSb)、氮化铝镓(AlGaN)、磷化铝镓(AlGaP)、氮化铟镓(InGaN)、砷锑化铟(InAsSb)、锑化铟镓(InGaSb)、磷化铝镓铟(AlGaInP中)、砷磷化铝镓(AlGaAsP)、砷磷化铟镓(InGaAsP)、砷锑磷化铟(InArSbP)、砷磷化铝铟(AlInAsP)、砷氮化铝镓(AlGaAsN)、砷氮化铟镓(InGaAsN)、砷氮化铟铝(InAlAsN)、砷锑氮化镓(GaAsSbN)、氮砷锑化镓铟(GaInNAsSb)、砷锑磷化镓铟(GaInAsSbP)及其组合。在一个实例中，发射极层20由至少一种III-V型半导体材料组成，该III-V型半导体材料选自氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、氮磷化镓(GaPN)、氮锑化镓(GaSbN)、氮磷砷化镓(GaAsPN)及其组合。在又一实施例中，发射极层20由GaN、InGaN、GaP、InP和/或GaPN组成。

需要指出，用于发射极层20的上述III-V型半导体材料仅用于说明性目的，只要III-V型半导体材料的电子亲和势低于IV型半导体材料的电子亲和势和/或III-V型半导体材料的空穴亲和势高于IV型半导体材料的空穴亲和势，也可以采用其它III-V型半导体材料。晶体硅的电子和空穴亲和势分别大约为4.05eV和5.15eV，其中，空穴亲和势被限定为电子亲和势和带隙的和。锗晶体的电子和空穴亲和势分别大约为4.00eV和4.67eV。对于Si_xGe_1-x合金，电子和空穴亲和势具有组成比x的线性依赖。例如，当x＝0.75时，电子和空穴亲和势分别大约为4.04eV和5.03eV。在另一实施例中，当x＝0.50时，电子和空穴亲和势分别大约为4.03eV和4.91eV。组成比可为恒定或者跨吸收层变化。在上述实例中，x指的是在吸收层10的顶表面处(即，在发射极层结处)的组成比。

提供发射极层20的每个III-V型半导体材料具有非晶体结构。非晶体结构指的是非晶、纳米晶体或者微晶体。术语“非晶”表示非晶体固体，其中，在该半导体材料中没有长程原子秩序。原子秩序指的是在固体中的原子键长和原子键角的秩序。术语“纳米/微-晶体”指的是由在非晶介质之内分布的纳米/微-尺寸的晶体区域组成的固体材料。

发射极层20由单层的III-V型半导体材料构成、或者III-V型半导体材料的多层结构构成。发射极层20典型地具有不大于50nm的总厚度T1。在一个实施例中，发射极层20的总厚度T1不大于10nm。在另一实施例中，发射极层20的总厚度T1范围从1nm到8nm。在进一步的实施例中，选择发射极层20的总厚度T1，以便光生电荷载流子的多数隧穿通过发射极层20(如果存在的话，也通过钝化/缓冲层15和25)，并且被朝着发射极电极35转移。如本文中所使用的，术语“隧穿”意味着电荷载流子(即，电子和/空穴电荷载流子)跨势能垒(例如，在p-n结处的势垒)的量子-机械运输，而没有改变其能量。由于发射极层20的厚度为50nm或者更小，例如，小于10nm，并且电荷载流子隧穿通过发射极层20，显著地降低了对生长的发射极层20的高品质要求。高品质半导体材料层典型地具有小于10¹³缺陷/cm³的缺陷密度。这典型到要求在外延生长材料中的低于10⁸位错/cm²的位错密度。然而，在本申请中，这样的要求被放宽。在一个实施例中，可以提供根据本申请形成的单结太阳能电池，该单结太阳能电池具有10nm或者更小厚度的发射极层20，并且由具有范围从10¹³缺陷/cm³到10²¹缺陷/cm³缺陷密度的III-V型半导体材料组成。

为了在发射极层20和下伏吸收层10之间提供结，提供发射极层20的III-V型半导体材料可被掺杂至p型或者n型导电性，并且提供吸收层10的IV半导体材料可被掺杂至与发射极层20相反的导电性。例如，当提供发射极层20的III-V型半导体材料被掺杂至p型导电性时，提供吸收层10的IV半导体材料被掺杂至n型导电性。在另一实施例中，当提供发射极层20的III-V型半导体材料被掺杂至n型导电性时，提供吸收层10的IV半导体材料被掺杂至p型导电性。

对于提供发射极层20的III-V型半导体材料，掺杂剂原子(即，不管其是p型或者n型掺杂剂)的影响，取决于在基础材料的晶格上的掺杂剂原子所占据的位置。在III-V型半导体材料中，当占据III族原子的位置时，II族原子作为受主(即，p型)，而当其取代V族原子时，在VI族中的原子作为施主(即，n型)。诸如硅(Si)的IV族的掺杂剂原子具有取决于其是分别占据III族或者V族原子的位置而作为受主或者施主的性质。这样的杂质被已知为两性杂质。用于掺杂剂的掺杂剂浓度范围从10¹⁵原子/cm³至10²¹原子/cm³，该掺杂剂决定提供发射极层20的III-V型半导体材料的导电性类型。在另一实施例中，决定III-V型半导体材料的导电性类型的掺杂剂浓度范围从10¹⁶原子/cm³至10²⁰原子/cm³。

参考图1，并且在一些实施例中，在发射极层20和吸收层10之间存在III-V型半导体材料的缓冲/钝化层15。缓冲/钝化层15为本征或者轻掺杂的半导体材料。在一个实施例中，由于与在发射极层20中的掺杂浓度相比在缓冲/钝化层15中较低的掺杂，缓冲/钝化层15用以改善提供吸收层10的IV型半导体材料的表面钝化。在另一实施例中，缓冲/钝化层15由这样的材料构成，与发射极层20的非晶体III-V型半导体材料和吸收层10的IV型半导体材料之间的晶格失配相比，该材料具有与吸收层10的IV型半导体材料的较低晶格失配。通过降低在材料层之间的晶格失配，缓冲/钝化层15降低在生长期间的短程应变梯度的生成。“本征半导体材料”(也称为未掺杂半导体)或者i型半导体，基本上为纯半导体，而没有任何明显的掺杂剂物种(species)存在。在本征半导体中的电荷载流子的数目由材料本身的性质确定，而非杂质(即，掺杂剂)的量。典型地，在本征半导体中，激发电子的数目和空穴的数目是相等的(n＝p)。在一些实施例中，缓冲/钝化层15具有用于p型或者n型掺杂剂的最大掺杂剂浓度，该最大掺杂剂浓度不大于10¹⁷原子/cm3。缓冲/钝化层15可被故意或者非故意地掺杂。非故意的掺杂起因于在缓冲/钝化层15的生长期间和/或随后(即，当发射极层20时)IV型半导体材料原子和/或掺杂剂原子从吸收层10到缓冲/钝化层15的扩散。缓冲/钝化层15为晶体或者非晶体。在后续生长工艺步骤期间，缓冲/钝化层15也可被非故意地掺杂。掺杂剂还可从发射极层20扩散到缓冲/钝化层15中。在一个实施例中，缓冲/钝化层15基本上不含n型或者p型掺杂剂。缓冲/钝化层15由任何已经参考发射极层20在上面描述的III-V型半导体材料组成。在一些实施例中，缓冲/钝化层15由与提供发射极层20的III-V型半导体材料相同的组分组成。缓冲/钝化层15可直接与提供吸收层10的IV型半导体材料的表面相接触。通过与发射极层20相同的生长技术形成缓冲/钝化层15。然而，可使用包括外延生长的其它生长技术以形成缓冲层。缓冲/钝化层15的厚度薄于30nm。在另一实施例中，缓冲/钝化层15的厚度范围从3nm到10nm。在图1中描绘的缓冲/钝化层15为可选层并且可被忽略。在缓冲/钝化层15被忽略的实施例中，提供发射极层20的III-V型半导体材料可与提供吸收层10的IV型半导体材料直接接触。

提供吸收层10的IV型半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)和碳掺杂硅(Si:C)。在一个实例中，提供吸收层10的IV型半导体材料为硅。吸收层10通常为晶体半导体材料，例如，单晶或者多晶半导体。需要指出，仅出于说明性目的提供用于吸收层10的上述IV型半导体材料，只要III-V半导体材料的电子亲和势低于IV半导体材料的电子亲和势，和/或III-V材料的空穴亲和势高于IV材料的空穴亲和势，可以采用其它IV型半导体材料。

吸收层10典型地被从半导体衬底形成，并且典型地具有与发射极层20的导电性类型相反的导电性类型。例如，当发射极层20被掺杂至p型导电性时，吸收层10被掺杂至n型导电性，并且当发射极层20被掺杂至n型导电性时，吸收层10被掺杂至p型导电性。在由IV型半导体材料组成的吸收层10中，p型掺杂剂(即，杂质)的实例，包括但不限于硼、铝、镓、铟及其组合。在其中吸收层10被掺杂至p型导电性的一个实施例中，p型掺杂剂以从1x10⁹原子/cm³到1x10²⁰原子/cm³范围的浓度存在。在其中吸收层10被掺杂至p型导电性的另一实施例中，p型掺杂剂以从1x10¹⁴原子/cm³到1x10¹⁸原子/cm³范围的浓度存在。在由IV型半导体材料组成的吸收层10中，n型掺杂剂(即，杂质)的实例，包括但不限于锑、砷、磷及其组合。在其中吸收层10中的晶体半导体材料的第一导电性类型为n型一个实施例中，n型掺杂剂以从1x10⁹原子/cm³到1x10²⁰原子/cm³范围的浓度存在。在其中第一导电性类型为n型的另一实施例中，n型掺杂剂以从1x10¹⁴原子/cm³到1x10¹⁸原子/cm³范围的浓度存在。

吸收层10的表面S₁被典型地纹理化，该吸收层10的表面直接与可选的缓冲/钝化层15相接触，或者当可选的缓冲/钝化层15被忽略时，直接与发射极层20相接触。在太阳能电池应用中使用纹理化(即，特别是粗糙化的)的表面，以增加光吸收的效率。由于在倾斜特征(angled feature)上入射的光子将被反射到相邻倾斜特征的侧面上并且从而具有被吸收的另外机会，相对于传输到电池中的入射光的分数，纹理化表面降低损失到反射的入射光的分数。再者，纹理化的表面增加内部吸收，由于在倾斜的表面上入射的光将典型地被反射，以倾斜角度传播通过器件，从而增加用以到达器件的背表面的路径的长度，还使得以下是更可能的：从器件的背表面反射的光子将以与全内反射和光捕获兼容的角度撞击前表面。在一些实施例中，吸收层10的表面S1的纹理提供(111)晶体取向。在一些实施例中，吸收层10为Si(100)并且被纹理化，以提供(111)表面取向。吸收层10具有范围从100nm到1mm的厚度T3。在一个实施例中，吸收层10具有范围从500nm到0.5mm的厚度T3。在另一实施例中，吸收层10具有范围从50微米到180微米的厚度T3。

仍参考图1，光伏器件进一步包括与发射极层20直接接触的第一钝化层25和与吸收层10直接接触的第二钝化层5。每个第一钝化层25和第二钝化层5均由本征非晶半导体材料组成。第一钝化层25可以用以钝化发射极层20的上表面，以及第二钝化层5用以钝化吸收层10的背表面，其中，第一钝化层25和第二钝化层5的每个层可以降低电子-空穴复合。尽管也可以采用较大厚度，第一钝化层25的厚度T4典型地小于25nm。在一个实施例中，钝化层25的厚度T4在3nm到8nm的范围中。在一些实施例中，钝化层25由氢化非晶Si组成并且包括C、Ge、O、N、F、D及其组合。尽管也可以采用较大厚度，第二钝化层5的厚度T5典型地小于1微米。在一个实施例中，钝化层5的厚度T5在50nm到150nm的范围中。在另一实施例中，钝化层5的厚度T5在3nm到15nm的范围中。第一和第二钝化层25、5是可选的，并且可被忽略。

在第一钝化层25上存在透明导电材料层30。在整个申请中，如果要素在可见电磁光谱范围中是足够透明的，该要素为“透明的”。在一个实施例中，透明导电材料层30可以包括透明导电氧化物，该透明导电氧化物诸如但不限于，掺氟氧化锡(SnO₂:F)、掺铝氧化锌(ZnO:Al)、氧化锡(SnO)和氧化铟锡(InSnO₂，或者简称为ITO)。透明导电材料层30的厚度可取决于所采用的透明导电材料的类型以及在形成透明导电材料中所使用的技术而变化。典型地，并且在一个实施例中，透明导电材料层30的厚度范围从20nm到500nm。也可以采用包括小于20nm和/或大于500nm的其它厚度。透明导电材料层30为可选的，并且可被忽略。

前接触35(也被称为发射极接触35)直接与透明导电材料层30相接触，并且背接触(未示出)与吸收层10电连通。在一个实施例中，太阳能电池的前接触35包括一组平行的窄指状线路(finger line)和典型地以与指状线路成直角而沉积的宽集电极线路。前接触35典型地由金属材料组成。提供前接触35的金属材料可为任何导电膏，例如，铝(Al)膏、银(Ag)膏、铜(Cu)膏或者铝银(AlAg)膏。尽管也可以采用较小或者较大的厚度，前接触35的厚度可以范围从100nm到10微米。与前接触35相类似，背接触40可由诸如铝的任何导电材料组成，并且具有范围从100nm到10微米的厚度，尽管也可以采用较小或者较大的厚度。

图2-4描绘了形成单结太阳能电池的方法的一个实施例，该方法提供在图1中所描绘的光伏器件。在一个实施例中，本申请提供形成光伏器件100的方法，该方法包括提供具有第一导电性类型的晶体IV型半导体材料的吸收层10，以及形成被定位在吸收层10的表面上的具有第二导电性类型的非晶体III-V半导体材料的发射极层20。术语“第一导电性类型”和“第二导电性类型”意味着发射极层20和吸收层10具有相反的导电性类型。例如，当发射极层20被掺杂至p型导电性类型时，吸收层10被掺杂至n型导电性类型，并且当发射极层20被掺杂至n型导电性类型时，吸收层10被掺杂至p型导电性类型。

图2描绘了初始结构的一个实施例，该初始结构可被利用以形成类似于在图1中所描绘的单结太阳能电池，其中，该初始结构包括IV型半导体材料的衬底，该IV型半导体材料的衬底提供单结太阳能电池的吸收层10。上面已经参考图1描述了提供吸收层10的用于衬底的IV型半导体材料的恰当的组分和厚度。在一个实例中，衬底由单晶硅组成。使用离子注入、气相掺杂，可将提供吸收层10的第一导电性类型的掺杂剂引到衬底，或者在衬底形成工艺期间通过原位(in-situ)掺杂，将该掺杂剂引到衬底。在一些实施例中，提供吸收层10的衬底包括Si并且具有(100)晶体取向。

图3描绘了纹理化IV型半导体材料的衬底的一个实施例。在一个实施例中，纹理化衬底提供具有(111)晶体取向的纹理化表面S1。在一个实施例中，可以通过用基于氢氧化钾(KOH)的溶液，刻蚀IV型半导体材料的上表面，进行纹理化IV型半导体材料的单晶衬底。在另一实施例中，可以用硝酸(HNO₃)/氢氟酸(HF)溶液，刻蚀IV型半导体材料的上表面，进行纹理化IV型半导体材料的多晶体衬底。适合于纹理化衬底的其它溶液包括碳酸钾(K₂CO₃)。在又一实施例中，可以通过利用反应离子刻蚀(RIE)和包括紧密堆积的自组装聚合物球掩模的组合实现纹理化。在又一实施例中，在无掩模的情况下使用反应离子刻蚀(RIE)，实现纹理化。在一些实施例中，吸收层10的两侧均被纹理化。在一些实施例中，吸收层10的纹理化背侧改善光从吸收层10的背侧回到吸收层10中的反射。

图4描绘了形成被定位于提供吸收层10的IV型半导体材料的衬底的纹理化的表面S1上的非晶体III-V型半导体材料作为缓冲/钝化层15的一个实施例，其中，至少非晶体III-V型半导体材料的一部分提供单结太阳能电池的发射极层20。

许多不同的源可被用于非晶体III-V型半导体材料的生长。在一些实施例中，用于III-V型半导体材料的生长的源包括固体源和/或气体前驱体，固体源包括铟(In)、镓(Ga)、氮(N)、磷(P)元素及其组合，气体前驱体选自三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、叔丁基膦(tertiary-butylphosphine)(TBP)、磷化氢(PH₃)、氨(NH₃)及其组合。可使用诸如采用液体源的液相生长或者采用气体源的气相生长的生长技术。尽管也可以采用较低或者较高的温度，用于非晶体III-V型半导体材料的生长的温度典型地范围从450℃至900℃。生长温度还取决于生长技术。例如，在采用固体源的分子束沉积中，衬底温度可低至200℃。在通过分子束沉积的N或者P基材料的生长中，低衬底温度可通过诸如NH₃或者PH₃的气体源的等离子体辅助裂化(cracking)来促进，以分别提供n型或者p型导电性。在通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)的生长的情况下，较高的温度典型地导致较快的沉积，但是较快的沉积可导致晶体缺陷和膜开裂。

在一些实施例中，缓冲/钝化层15被直接沉积在吸收层10的纹理化的表面S1上。已经参考图1在上面描绘了缓冲/钝化层15的组分和厚度。在一些实施例中，使用描述的用于发射极层20的生长所相同的技术形成缓冲/钝化层15。然而，可使用包括外延生长的其它生长技术，以形成缓冲/钝化层15。如上面所描述，缓冲/钝化层15为本征半导体层或者轻掺杂半导体层。当缓冲/钝化层15被轻掺杂时，在缓冲/钝化层15中存在的最大n型或者p型掺杂剂浓度可为10¹⁷原子/cm³。缓冲/钝化层15为可选的，并且可被忽略。

仍参考图4，发射极层20可被沉积在或者定位于吸收层10上，其中，发射极层20被掺杂至与吸收层10相反的导电性类型。在吸收层10上存在缓冲/钝化层15的实施例中，发射极层20被与缓冲/钝化层15的顶表面直接接触地生长，缓冲/钝化层15的顶表面与缓冲/钝化层15的与吸收层10的纹理化的表面S1直接接触的表面相反。在存在缓冲/钝化层15的实施例中，发射极层20由具有与缓冲/钝化层15不同的组分的III-V型半导体材料组成。在缓冲/钝化层15被忽略的实施例中，发射极层20被与吸收层10的纹理化的表面S1直接接触地生长。

使用等离子体掺杂、离子注入和/或一次性扩散源的外扩散(例如，硼硅酸盐玻璃)的至少一种，通过原位掺杂工艺掺杂发射极层20，或者在发射极层20的材料层的沉积之后掺杂发射极层20。“原位”意味着提供诸如发射极层20的材料层的导电性类型的掺杂剂在材料层被形成或沉积时引入。在一个实施例中，其中，发射极层20为原位掺杂，以提供p型或者n型导电性，掺杂剂气体选自双环戊二烯基镁(bis-cyclopentadienyl-magnesium)(Cp₂Mg)、硅烷(SiH₄)、乙硅烷(Si₂H₆)、锗烷(GeH₄)、四溴化碳(CBr₄)及其组合。

参考图1，在单结太阳能电池的形成之后，利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或者热和/或等离子体辅助氧化/氮化工艺，形成第一和第二钝化层25、5。在一些其中第一和第二钝化层25、5由本征非晶氢化半导体材料(例如，硅)组成的实施例中，本征非晶氢化半导体材料被沉积在工艺腔中，该工艺腔包括半导体前驱体源气体和包含氢气的载体气体。在载体气体之内的氢气中的氢原子被并入到沉积的材料中，以形成提供第一和第二钝化层25、5的本征氢化半导体材料。在一些实施例中，在发射极层20的形成之前，形成第二钝化层5。在发射极层20的形成之前通过吸收层10(即，开始衬底)的热氧化形成第二钝化层5的实施例中，在发射极层10形成之前，例如，通过湿法刻蚀，去除(局部地或者全部地)在吸收层10的顶表面上形成的热氧化物，以便提供用于发射极层和/或缓冲层的生长的层10的顶表面的至少一部分。使用诸如溅射或者化学气相沉积(CVD)的沉积工艺典型地形成透明导电材料层30。用丝网印刷技术沉积前接触35。在另一实施例中，通过刻蚀或者电镀的金属图形的施加提供前接触35。使用与前接触35相类似的方法形成背接触(未描绘)。

图5描绘本申请的另一实施例，其中，在形成非晶体III-V型半导体材料的发射极层20之前，在吸收层10的顶上形成构图的钝化层40。在此实施例中，提供发射层层20的非晶体III-V型半导体材料直接与吸收层相接触，并且存在于通过构图的钝化层40的开口中。在一些吸收层10由硅组成的实施例中，构图的缓冲/钝化层40由二氧化硅(SiO₂)组成，其可通过热氧化形成并且使用光刻或者激光去除工艺构图。在发射极层20的形成之前，在吸收层10的顶上形成可选的缓冲/钝化层15a。图5中描绘的实施例包括先于第二钝化层5的形成的工艺流程。

参考图6，并且在一些实施例中，在背接触50的形成之前，使用诸如光刻或者激光去除的技术构图第二钝化层5。在这些实施例中，背接触50典型地由金属组成，在钝化层5已经被去除的区域，直接与吸收层10接触。在这些实施例中，接触50通常被称为局部背接触。

参考图7，并且在已经构图第一钝化层5的一些实施例中，如同参考图6所描述的，在吸收层10中形成掺杂区域45。在第一钝化层5已经被去除的区域处形成掺杂区域45。通过离子注入或者气相掺杂形成掺杂区域45。在一些实施例中，掺杂区域45典型地具有与在第一钝化层5中存在的掺杂剂相同的导电性，即，p型或者n型导电性。图7中描绘的掺杂区域45被称为局部背表面场接触。

参考图8，并且在一些实施例中，在第一钝化层5和背接触50之间存在一个或多个掺杂材料层55。该一个或多个掺杂材料层55由氢化非晶硅、纳米硅、微米硅、多晶Si、氢化非晶锗(a-Ge:H)、纳米锗、微米锗、多晶锗及其组合构成，并且包括选自碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)、氘(D)及其组合的掺杂剂。仍参考图8，在一些实施例中，在一个或多个掺杂材料层55和背接触50之间存在诸如透明导电氧化物(例如，掺氟氧化锡(SnO₂:F))的透明导电材料60。

参考图9，并且在一些实施例中，背侧接触结构具有与前侧(发射极)接触结构相同的配置，但是掺杂层20a具有与吸收层10相同的导电性类型。在吸收层的前部和背部中相应的层的组分不同。另外，在一侧存在可选的层，而在另一层不存在相应的可选的层。如果吸收层10为p型，选择背表面场层20a的III-V材料具有大于吸收层10的空穴亲和势。类似地，如果吸收层10为n型，选择表面场层20a的III-V材料具有小于吸收层10的电子亲和势。可选的钝化层25a的功能与第一钝化层25的功能相同。透明导电材料层30a为可选的并且可被忽略。背接触层35a为金属栅格或者毯式(blanket)金属层。

参考图10，根据本申请的原理，通过在用作吸收层的n型单晶体硅衬底10上生长p⁺掺杂非晶GaN发射极层20，形成单结太阳能电池。晶体Si衬底10具有在0.2-0.3ohm.cm范围的电阻率、约200μm的厚度和(100)晶体取向。p⁺掺杂非晶GaN发射极层20具有10nm的厚度，并且被通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)从氨(NH₃)和三甲基镓(TMG)的混合物(～1500的V/III比率)、在525℃的衬底温度、在H₂载体气体下、并且在100mbar下生长。使用二茂基镁(Biscyclopentadienylmagnesium)(DCpMg)作为Mg源。非晶GaN沉积速率为DCpMg的流动速率为4nmol/sec。在沉积之后，在N₂气氛下，在1000℃通过30秒的的快速热退火，将Mg激活。然后，在150℃的衬底温度下，通过氧化铟锡(ITO)的溅射，形成具有90nm厚度的透明导电电极30。用阴影掩模(shadow mask)，通过银的热蒸发形成前接触栅格35。通过热蒸发形成铝背接触5。

图11为在1太阳的照射下测量的图10的单结太阳能电池的实验输出特性的曲线图。该输出特性示出18.5mA/cm²的短路电流密度、533mV的开路电压和75.7％的填充因子、对应于7.5％的转换效率。需要指出，图10的单结器件缺乏优选太阳能电池实施例的各种要素，特别是纹理化的表面、前钝化层和背表面场，而这些将显著地增强转换效率。

已经就优选实施例特别地示出和描述了本申请，应当理解，本领域技术人员可在不脱离本申请的精神和范围下，做出在形成和细节上的上述或者其它改变。因而，本申请不限于所描述和说明的具体形式和细节，而是旨在落在所附权利要求的范围之内。

Claims

1.一种光伏器件，包括：

单结太阳能电池，由具有第一导电性的IV型半导体材料的吸收层和具有第二导电性的III-V型半导体材料的发射极层提供；

其中，所述III-V型半导体材料为非晶体并且具有不大于50nm的厚度。

2.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述III-V型半导体材料具有不大于10nm的厚度。

3.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述IV型半导体材料选自硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳掺杂硅(Si:C)及其组合。

4.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述吸收层的厚度范围从100nm至1mm。

5.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述III-V型半导体材料选自氮化镓(GaN)、磷氮化镓(GaPN)、锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铝铟(AlInAs)、锑化铝铟(AlInSb)、砷氮化镓(GaAsN)、锑氮化镓(GaSbN)、砷锑化镓(GaAsSb)、氮化铝镓(AlGaN)、磷化铝镓(AlGaP)、氮化铟镓(InGaN)、砷锑化铟(InAsSb)、锑化铟镓(InGaSb)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷磷化铝镓(AlGaAsP)、砷磷化铟镓(InGaAsP)、砷锑磷化铟(InArSbP)、砷磷化铝铟(AlInAsP)、砷氮化铝镓(AlGaAsN)、砷氮化铟镓(InGaAsN)、砷氮化铟铝(InAlAsN)、砷锑氮化镓(GaAsSbN)、砷磷氮化镓(GaAsPN)、氮砷锑化镓铟(GaInNAsSb)、砷锑磷化镓铟(GaInAsSbP)及其组合。

6.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述IV型半导体材料为硅，所述第一导电性为n型，所述III-V型半导体材料选自氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、氮磷化镓(GaPN)及其组合，并且所述第二导电性为p型。

7.根据权利要求6的光伏器件，其中，在所述IV型半导体材料中提供所述第一导电性的所述n型的第一掺杂剂选自P、Sb、As及其组合，并且在所述III-V型半导体材料中提供所述第二导电性的所述p型的第二掺杂剂选自Mg、Zn、C、Fe及其组合。

8.根据权利要求7的光伏器件，其中，在所述IV型半导体材料中提供所述第一导电性的所述n型的所述第一掺杂剂的浓度范围从10⁹原子/cm³至10²⁰原子/cm³，并且在所述III-V型半导体材料中提供所述第二导电性的所述p型的所述第二掺杂剂的浓度范围从10¹⁵原子/cm³至10²¹原子/cm³。

9.根据权利要求7的光伏器件，其中，所述IV型半导体材料为硅，所述第一导电性为p型，所述III-V型半导体材料选自氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、氮磷化镓(GaPN)及其组合，并且所述第二导电性为n型。

10.根据权利要求9的光伏器件，其中，在所述IV型半导体材料中提供所述第一导电性的所述p型的第一掺杂剂选自B、Ga、Al及其组合，并且在所述III-V型半导体材料中提供所述第二导电性的所述n型的第二掺杂剂选自Si、Ge、O及其组合。

11.根据权利要求7的光伏器件，其中，在所述IV型半导体材料中提供所述第一导电性的所述p型的所述第一掺杂剂的浓度范围从10⁹原子/cm³至10²⁰原子/cm³，并且在所述III-V型半导体材料中提供所述第二导电性的所述n型的所述第二掺杂剂的浓度范围从10¹⁵原子/cm³至10²¹原子/cm³。

12.根据权利要求1的光伏器件，其中，所述发射极层与所述吸收层、或者在所述发射极层和所述吸收层之间的III-V型半导体材料的缓冲层直接接触。

13.根据权利要求12的光伏器件，其中，所述缓冲层为本征半导体。

14.根据权利要求1的光伏器件，进一步包括：

第一钝化层，所述第一钝化层存在于与所述发射极层的与所述吸收层形成结的表面相反的所述发射极层的表面上；以及

透明导电氧化物或者金属层的至少一个存在于所述第一钝化层的暴露的表面上。

15.根据权利要求14的光伏器件，进一步包括第二钝化层，所述第二钝化层存在于与所述吸收层的与所述发射极层形成结的表面相反的所述吸收层的表面上。

16.一种形成光伏器件的方法，包括：

提供具有第一导电性类型的晶体IV型半导体材料的吸收层；以及

在所述吸收层的表面上形成具有第二导电性类型的非晶III-V型半导体材料的发射极层。

17.根据权利要求16的方法，其中，所述吸收层由已经被掺杂至所述第一导电性类型的含硅衬底提供，其中，所述第一导电性类型包括n型导电性或者p型导电性。

18.根据权利要求16的方法，其中，所述含硅衬底的表面被纹理化，以提供(111)晶体表面。

19.根据权利要求18的方法，其中，通过用由氢氧化钾(KOH)、碳酸钾(K₂CO₃)、硝酸(HNO₃)、氢氟酸(HF)或其组合的至少一种构成的湿法刻蚀，处理所述含硅衬底的所述表面，提供所述含硅衬底的所述表面的纹理化，或者用反应离子刻蚀(RIE)将所述含硅衬底的所述表面纹理化。

20.根据权利要求18的方法，其中，在形成所述发射极层之前，在纹理化的所述含硅衬底的所述表面上沉积III-V型半导体材料的缓冲层。

21.根据权利要求17的方法，其中，所述III-V型半导体材料的所述缓冲层为本征半导体材料。

22.根据权利要求18的方法，其中，形成具有所述第二导电性的所述III-V型半导体材料的所述发射极层包括与所述缓冲层直接接触的所述III-V型半导体材料的沉积，其中，使用固体源和/或气体前驱体进行生长，所述固体源包含In、Ga、N、P元素及其组合，所述气体前驱体选自三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMI)、叔丁基膦(TBP)、磷化氢(PH₃)、氨(NH₃)及其组合。

23.根据权利要求20的方法，其中，所述发射极层的所述第二导电性为与所述吸收层的所述第一导电性相反的n型或者p型导电性。

24.根据权利要求23的方法，其中，在提供所述发射极的所述III-V型半导体材料的生长期间，提供所述发射极层的所述第二导电性的第二掺杂剂被原位引入至所述III-V型半导体材料，其中，所述第二掺杂剂由选自双环戊二烯基镁(Cp₂Mg)、硅烷(SiH₄)、乙硅烷(Si₂H₆)、锗烷(GeH₄)、四溴化碳(CBr₄)及其组合的掺杂剂气体提供。

25.根据权利要求18的方法，其中，所述发射极层具有50nm或者更小的厚度。

26.根据权利要求18的方法，其中，所述III-V型半导体材料具有范围从10¹³缺陷/cm³至10²¹缺陷/cm³的缺陷密度。