III-V族半導體材料的光伏器件及其形成方法技術

本發明專利技術的實施方案通常涉及光伏器件。在一個實施方案中，形成砷化鎵基光伏器件的方法包括：提供半導體結構，所述結構包括包含砷化鎵的吸收層。提供在半導體結構的p?n接面中的旁路功能，其中在反向偏壓條件下p?n接面以受控方式通過齊納擊穿效應擊穿。

【技術實現步驟摘要】
用于砷化鎵光伏器件的自‐旁路二極管功能本申請是申請號為201210027952.3、申請日為2012年2月9日、專利技術名稱為“用于砷化鎵光伏器件的自-旁路二極管功能”的專利申請的分案申請。
本專利技術的實施方案通常涉及光伏器件(例如太陽能電池)以及制造這些光伏器件的方法。
技術介紹
使用光伏器件例如太陽能電池板的一個問題是在太陽能電池板的部分上形成陰影的問題。如圖1中所示，太陽能電池板包括在各模塊中串聯成串的多個光伏電池10，以提供來自太陽光的增加的功率和電壓。然而，這些電池的一部分可能在操作過程中遮陽，這影響整個串或模塊的性能。例如，電池12被障礙物遮陽，而其他電池10不是這樣的。當一個太陽能電池的電氣參數和其他電池的那些明顯改變時，發生串聯失配。由于穿過電池的電流必須相同，因此來自組合的總電流不能超過遮蔽的電池的電流。在低電壓下，當一個太陽能電池被遮蔽而串或模塊中剩余部分不是這樣時，由未遮蔽的太陽能電池產生的電流可能在遮蔽的電池中消散而不是開動負載。因此，在電流失配的串聯結構中，如果較差電池產生較少電流，可以發生嚴重的功率降低。如果結構在短路或低電壓下運行，在遮蔽的電池中高局域化功率耗散可以引起局部“熱點”加熱、雪崩擊穿、以及一個或多個太陽能電池和模塊的不可逆損害。在一些太陽能電池上遮蔽的失配效果的一種解決方案是使用一個或多個旁路二極管。內在具有非常高的擊穿電壓或低分流電阻的太陽能電池可能不需要旁路二極管，但是包括高性能太陽能電池例如砷化鎵(GaAs)太陽能電池的多種其他類型可能需要旁路功能。例如，如圖2中所示，典型地一個或多個旁路二極管14并聯，并且和太陽能電池電路16極性相反。為了降低成本，旁路二極管通常放置穿過一組太陽能電池。在正常(未遮蔽的)操作中，各太陽能電池16a正向偏壓，并且旁路二極管14a反向偏壓且是開路。如果一個或多個太陽能電池16b被遮蔽，由于串聯電池之間的短路電流中的失配，這些電池16b反向偏壓，并且旁路二極管14b正向偏壓和傳導電流，這允許來自未遮蔽的太陽能電池的電流在外部電流中流動，而不適合對各未遮蔽的電池進行正向偏壓。穿過遮蔽的電池的最大反向偏壓降低至約單二極管壓降，從而限制電流和防止熱點加熱和太陽能電池的損害。盡管旁路二極管有效地降低太陽能電池中由于遮蔽引起的失配的破壞效果，但是它們是另外組件，所述組件必須制造用于太陽能電池，因此增加太陽能電池板的生產成本和時間。而且，旁路二極管必須集成到太陽能電池設計中，這可是復雜和難以完成的。這些因素增加了當前太陽能電池的較高生產成本，可能降低變為主流能量源的太陽能電池的性能，并且可能限制可適配太陽能電池的應用。因此，需要增加的效率和生產相容性方法以在光伏器件中提供旁路二極管功能性。專利技術概述本專利技術的實施方案通常涉及光伏器件(例如太陽能電池)，更具體地，涉及光伏器件中的旁路二極管功能。在一個實施方案中，形成砷化鎵基光伏器件的方法包括：提供半導體結構，所述結構包括包含砷化鎵的吸收層。提供在所述半導體結構的p-n接面中的旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p-n接面以受控方式通過齊納擊穿效應擊穿。在一些實施方案中，在比引起所述p-n接面的雪崩擊穿的電場的量級低的電場中，所述p-n接面可以通過所述齊納擊穿效應擊穿。旁路功能可以為所述光伏器件的所述p-n接面固有，使得所述光伏器件提供沒有連接或包括在所述光伏器件中的區別旁路二極管的旁路功能。在另外實施方案中，砷化鎵基光伏器件包括：半導體結構，包括包含砷化鎵的吸收層；以及所述半導體結構內的p-n接面，所述p-n接面提供旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p-n接面以受控方式通過齊納擊穿效應擊穿。附圖簡述圖1是描述包括遮蔽的太陽能電池的太陽能電池模塊中的串聯太陽能電池的圖；圖2是描述具有并聯的分立旁路二極管的串聯太陽能電池的圖；圖3是依照本文所述一些實施方案的光伏單元的剖視圖；圖4示出依照本文所述一些實施方案的半導體結構的剖視圖，所述半導體結構從圖3的單元形成以形成光伏電池；圖5-6示出依照本文所述異質接面的實施方案圖4的半導體結構的剖視圖；圖7示出依照本文所述一些實施方案的兩側光伏電池的剖視圖；和圖8是描述涉及本文所述旁路功能的砷化鎵基太陽能電池的摻雜和擊穿特性的圖；圖9是描述涉及本文所述旁路功能砷化鎵基太陽能電池的電壓和電流特性的圖；圖10是描述涉及本文所述旁路功能的砷化鎵基太陽能電池的帶間隧道效應特性的圖；以及圖11是描述涉及本文所述旁路功能砷化鎵基太陽能電池的電壓和電流特性的圖。專利技術詳述本專利技術的實施方案通常涉及光伏器件和方法，更具體地涉及光伏電池和形成這些光伏電池的制造方法。展現下列描述以使本領域技術人員能夠和利用本專利技術，并且在專利申請和其要求的上下文中提供。本領域技術人員容易地意識到本文所述的優選實施方案和通常原理與特征的多種修改。因此，本專利技術不旨在限制所示實施方案，而是具有和本文所述原理與特征一致的最寬的范圍。本文所述光伏器件的實施方案提供光伏電池中的旁路功能，以允許旁路電流在失配條件下流動，例如串聯的串中的一些太陽能電池的遮蔽。砷化鎵光伏器件中設置的自-旁路功能性允許保護器件，同時避免需要使區別旁路二極管和器件分離或者連接。當相比于常規太陽能電池制造方法時，這些創新可以允許在形成光伏器件中的更高效率和靈活性。砷化鎵太陽能電池是高性能光伏器件，其典型地和單獨旁路二極管連接，以在電池集成到太陽能電池板中時保護太陽能電池避免電流失配，例如由串聯太陽能電池中的一些的遮蔽引起而不遮蔽其他部分。然而，設置單獨旁路二極管增加太陽能電池板的生產成本和時間，并且二極管的集成產生額外的復雜性。另外，一些高性能太陽能電池具有比其他類型的太陽能電池更高的運行電壓/電池，從而要求比這些其他類型更多的旁路二極管。本文的實施方案允許旁路二極管的功能性包括在高性能GaAs太陽能電池中，而無需制造或設置連接太陽能電池的單獨旁路二極管。摻雜濃度是指半導體器件實施方案的描述。此處，“摻雜濃度”是指材料中活性摻雜劑的濃度，即大多數載流子濃度。圖3描述光伏單元100的剖視圖，其包括通過砷化鎵基電池140和生長晶圓101之間設置的犧牲層104偶接生長晶圓101的砷化鎵基電池140。圖4描述源自光伏單元100的半導體結構的剖視圖，其為砷化鎵基光伏電池140的形式。含有改變組成的外延材料多層沉積在光伏單元100內，光伏單元100包括緩沖層102、犧牲層104、以及砷化鎵基電池140內含有的層中的多個。外延材料多層可以通過沉積法生長或形成，例如化學氣相沉積(CVD)法、金屬有機CVD(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法。在本文所述的另外實施方案中，光伏單元100可以暴露于濕法蝕刻溶液以蝕刻犧牲層104，和在外延層剝離(ELO)法的過程中使砷化鎵基電池140和生長晶圓101分離。一旦分離，如圖4中所示，砷化鎵基電池140可以進一步加工以形成多種光伏器件，包括光伏電池和模塊，如本文數個實施方案所述。在一些實施方案中，外延生長層可以在高生長速率(例如生長速率大于5μm/hr，例如約10-120μm/hr或更高)氣相沉積法的過程中通過生長III-V族材料來形成。其他實施方案可以使用更低生長速率方法以形成層。III-V族材料本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種形成砷化鎵基光伏器件的方法，該方法包括：提供半導體結構，所述結構包括包含砷化鎵的吸收層，其中所述吸收層足夠厚以在暴露在光源下的時候捕獲光并且產生電流；以及提供在所述半導體結構的p?n接面中的旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p?n接面以受控方式通過齊納擊穿效應擊穿。

【技術特征摘要】
2011.02.09 US 13/023,7331.一種形成砷化鎵基光伏器件的方法，該方法包括：提供半導體結構，所述結構包括包含砷化鎵的吸收層，其中所述吸收層足夠厚以在暴露在光源下的時候捕獲光并且產生電流；以及提供在所述半導體結構的p-n接面中的旁路功能，其中在反向偏壓條件下，所述p-n接面以受控方式通過齊納擊穿效應擊穿。2.權利要求1所述的方法，其中在比引起所述p-n接面的雪崩擊穿的電場的量級低的電場中，所述p-n接面通過所述齊納擊穿效應擊穿。3.權利要求1所述的方法，其中所述旁路功能為所述光伏器件的所述p-n接面固有，使得所述光伏器件提供沒有連接或包括在所述光伏器件中的區別旁路二極管的旁路功能。4.權利要求1所述的方法，其中中間層在所述吸收層和所述射極層之間形成，所述中間層具有和所述吸收層相同的摻雜類型，并且包括和所述射極層不同的材料，其中p-n接面形成于從所述異質接面偏離的位置。5.權利要求4所述的方法，其中所述吸收層以約4x1017cm-3或更高高度摻雜并且...

【專利技術屬性】
技術研發人員：H·聶，B·M·卡耶斯，I·C·凱茲亞力，
申請(專利權)人：埃爾塔設備公司，
類型：發明
國別省市：美國,US