半导体基多结光伏装置的制造.pdf

本发明公开了多结太阳能电池及其装置的制造。该结构还适于提供更加均匀和一致的太阳能电池结构制造，从而改善产率并降低成本。某些太阳能电池还可包括在一个或多个半导体层中的一个或多个半导体元素的一个或多个成分梯度，从而产生更加优化的太阳能电池装置。

权利要求书1.  一种制造多结光伏装置的方法，包括： 由多个太阳能电池提供硅基太阳能电池，每个该太阳能电池来自不同的 制造工艺，该硅基太阳能电池具有硅基板、提供在该基板上的第一有源单元 以及待提供且兼容于硅基模块工艺的接触图案，该硅基太阳能电池是具功能 性的、兼容于硅基模块工艺并且免于任何覆盖接触金属化，该硅基太阳能电 池以晶片形式提供； 将该硅基太阳能电池传送至用于第二有源区域的另一工艺操作工序； 形成提供在该第一有源单元上的隧道结； 形成提供在该隧道结上的第二有源单元，该隧道结包括第一半导体层和 第二半导体层，该第一半导体层和该第二半导体层之一至少包括铝或镓； 采用与硅基太阳能模块工艺兼容的多结接触图案形成覆盖该第二有源 区域的接触层； 将多结光伏装置提供至该硅基太阳能模块工艺，并且在该硅基太阳能模 块工艺中采用该多结光伏装置；以及 输出包括采用该接触图案的该多结光伏装置的模块。 2.  如权利要求1所述的方法，其中该第一半导体层包括GaP；其中该 第二半导体层包括AlP；其中该隧道结的带隙大于2.2eV；其中该多结光伏 装置是晶片形式。 3.  如权利要求1所述的方法，其中该第一半导体层是碳掺杂的，并且 该第二半导体层是碲掺杂的；或者其中该第一半导体层是碲掺杂的，并且该 第二半导体层是碳掺杂的。 4.  如权利要求1所述的方法，其中该第一半导体层的成分由AlXGa(1-X)P表示，并且该第二半导体层的成分由AlYGa(1-Y)P表示；其中该第一半导 体层掺杂有第一掺杂物，该第一掺杂物选自包括C、Zn和Mg或其任意组合 的掺杂物组；其中该第二半导体层掺杂有第二掺杂物，该第二掺杂物选自包 括Te、Si和Se或其任意组合的掺杂物组。 5.  如权利要求1所述的方法，其中该第一半导体层和第二半导体层之 一的成分是Ga(In)AsNAlP；或者其中该第一导体层和第二半导体层中的 每一个的成分是Ga(In)AsNAlP。 6.  如权利要求1所述的方法，其中该第一半导体层掺杂有第一掺杂物， 该第一掺杂物选自包括C、Zn和Mg或其任意组合的掺杂物组；其中该第二 半导体层掺杂有第二掺杂物，该第二掺杂物选自包括Te、Si和Se或其任意 组合的掺杂物组；并且其中该隧道结的带隙大于1.8eV。 7.  如权利要求1所述的方法，其中该隧道结包括第三半导体层，该第 三半导体层提供在该第一半导体层和第二半导体层之间，从而该第一半导体 层和第二半导体邻近于该第三半导体层；其中该第三半导体层是δ掺杂层； 其中该δ掺杂层包括n型掺杂物。 8.  一种采用硅单元和模块生产兼容工艺制造多结单片集成光伏装置的 方法，包括： 提供硅基板，该硅基板具有表面区域； 在该硅基板上提供第一有源单元，该第一有源单元包括基极； 使第一有源单元区域经受热工艺以在第一有源区域中形成埋入发射极 区域并且致使形成包括第一表面区域的第一有源单元； 清洁该第一表面区域以使其基本上不包含有机或金属污染物； 形成覆盖该第一表面区域的终止层，该终止层具有含外延形成材料的镓 和磷的厚度，该外延形成材料是在第一温度范围至少采用MOCVD或HVPE 或VPE工艺提供的并且含外延材料的镓和磷的厚度的特征在于螺旋位错密 度为1×105至1×107cm-3的区域； 形成覆盖该埋入发射极区域的隧道结区域； 形成覆盖该隧道结区域的背面场区域； 采用第二温度范围形成覆盖该背面场区域的第二有源单元，该第二有源 单元包括基极和发射极，该第二有源单元由一个或多个III-V半导体层形成 并且特征在于螺旋位错密度为1×105至1×107cm-3；并且 其中该第一有源单元区域和第二有源单元区域的特征在于单元级效率 为约25％至37％。 9.  如权利要求8所述的方法，其中该终止层包括用于AlGaP形核材料 的铝或铟。 10.  如权利要求8所述的方法，还包括引入选择量范围为约0.5％-3％的 氮以引起该终止层和该第一表面区域之间的晶格匹配。 11.  如权利要求8所述的方法，其中在沉积该第二有源单元之前、采用 热工艺通过扩散完全或部分形成该埋入发射极层。 12.  如权利要求8所述的方法，其中在将硅基板加载到沉积室中之前、 通过扩散完全或部分形成该埋入发射极层，或者在将硅晶片加载到沉积室中 之后、通过扩散完全或部分形成该埋入发射极层。 13.  如权利要求8所述的方法，其中通过离子注入完全或部分形成该埋 入发射极层。 14.  如权利要求8所述的方法，其中该隧道结区域包括多个掺杂的硅层。 15.  如权利要求8所述的方法，其中该隧道结区域包括含有掺杂的镓和 磷的层。 16.  如权利要求8所述的方法，还包括形成覆盖该第二有源区域的接触 层，该接触层与硅基芯片代工厂中采用的银和铜基接触方案兼容。 17.  如权利要求16所述的方法，其中该接触层的带隙大于该第二有源 单元的基极的带隙，或者其中该接触层的带隙小于该第二有源单元的基极的 带隙。 18.  如权利要求8所述的方法，还包括采用制造太阳能电池或太阳能模 块的装置。 19.  如权利要求8所述的方法，其中提供硅基板、在该硅基板上提供第 一有源单元以及使第一有源单元区域经受热工艺且致使形成包括第一表面 区域的第一有源单元是由太阳能电池的制造提供的，该太阳能电池具有接触 图案，该接触图案构造为用于单结太阳能模块或多结单片集成光伏装置；并 且还包括：执行清洁该第一表面区域以使其基本上不包含有机或金属污染 物，形成覆盖该第一表面区域的终止层，该终止层具有含外延形成材料的镓 和磷的厚度，该外延形成材料是在第一温度范围至少采用MOCVD或VPE 或HVPE工艺提供的，形成覆盖该埋入发射极区域的隧道结区域，形成覆盖 该隧道结区域的背面场区域，并且采用第二温度范围形成覆盖该背面场区域 的第二有源单元；并且其后形成具有覆盖该背面场区域的接触图案的接触 层。 20.  一种多结光伏装置，包括： 第一有源单元，包括具有第一半导体层的基极，该第一半导体层包括硅； 以及 第二有源单元，提供在该第一有源单元上，该第二有源单元包括具有第 二半导体层的基极，该第二半导体层包括选自包括B、Al、Ga和In的第一 组的一个或多个半导体元素以及选自包括As、N、P和Sb的第二组的一个 或多个半导体元素的成分，其中该第二半导体层的成分选择为具有在1.5eV 至1.9eV范围内的带隙； 因此N提供为使该第一半导体层与该第二半导体层晶格匹配、将该第 二半导体层调谐至1.5eV至1.9eV范围内的特定带隙且公差为0.05eV。 21.  如权利要求20所述的光伏装置，还包括提供在该第二有源单元上 的第三有源单元，该第三有源单元包括具有第三半导体层的基极，该第三半 导体层包括选自第一半导体元素组的一个或多个半导体元素和选自第二半 导体组的一个或多个半导体元素的成分； 其中该第二半导体层的带隙范围为第一范围，该第三半导体层的成分选 择为具有在1.9eV至2.3eV的第二范围内的带隙； 其中该第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层之一晶格匹配于该 第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层之另一；并且 其中该第一导体层、第二导体层和第三半导体中的每一个是晶格匹配 的。 22.  如权利要求20所述的光伏装置，其中该第一半导体层的带隙为 1.1eV，或者其中该第一半导体层的带隙在1.0eV至1.2eV的范围内。 23.  如权利要求20所述的光伏装置，其中该第二半导体层的成分为 GaAsNP，或者其中该第二半导体层的成分包括Al、Ga、In中的一个或多个 以及As、N和P中的一个或多个。 24.  如权利要求21所述的光伏装置，其中该第三半导体层的成分包括 Al、Ga和In中的一个或多个以及As、N和P中的一个或多个。 25.  如权利要求20所述的光伏装置，其中该第一有源单元还包括发射 极，该发射极包括选自包括GaP、AlP、AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、 InGaN、GaNP、GaAsN和GaAsP的半导体组的半导体；并且 其中该第一有源单元的该发射极的该半导体包括Sb和B中的一个或多 个。 26.  如权利要求21所述的光伏装置，其中该第二有源单元还包括发射 极，该发射极包括选自包括GaP、AlP、AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、 InGaN、GaNP、GaAsN和GaAsP的半导体组的半导体；并且其中发射极半 导体包括Sb和B中的一个或多个。 27.  如权利要求20所述的光伏装置，还包括提供在第一有源单元和第 二有源单元之间的隧道结，从而该隧道结提供在该第一有源单元上并且该第 二有源单元提供在该隧道结上；其中该第二半导体层的带隙大于1.1eV；其 中该隧道结具有带隙，该隧道结的带隙大于该第一半导体层的带隙。 28.  如权利要求27所述的光伏装置，还包括提供在该第二有源单元上 的第三有源单元，该第三有源单元包括具有第三半导体层的基极，该第三半 导体层包括选自第一半导体组的一个或多个半导体和选自第二半导体组的 一个或多个半导体的成分。 29.  如权利要求28所述的光伏装置，其中该隧道结是第一隧道结，该 光伏装置还包括提供在该第二有源单元上的第二隧道结，从而该第二隧道结 提供在该第二有源单元上并且该第三有源单元提供在该第二隧道结上；并且 其中该第二隧道结具有带隙，该第二隧道结的带隙大于该第二半导体层的带 隙。 30.  如权利要求28所述的光伏装置，其中该隧道结包括GaP；其中该 GaP为n型GaP或p型GaP。 31.  如权利要求30所述的光伏装置，其中该隧道结还包括Al(x)Ga (1-x)P；其中该Al(x)Ga(1-x)P是n型Al(x)Ga(1-x)P或p型 Al(x)Ga(1-x)P；或者其中该隧道结还包括AlGaP。 32.  如权利要求29所述的光伏装置，其中该隧道结的带隙大于1.5eV； 其中该隧道结包括Ga、As、N和P的成分。

说明书半导体基多结光伏装置的制造
本发明要求2012年6月22日提交的美国申请No.61/663,374的优先权。 该申请还要求2012年10月26日提交的美国申请No.61/718,708的优先权。 该申请为了所有目的通过引用结合于此。
技术领域
本公开总体上涉及半导体基光伏，更具体地涉及单结和多结太阳能电 池。
背景技术
太阳能电池，也称为光伏电池，是能通过光电伏打效应将光能转换成电 能的半导体装置。太阳能电池采用一个或多个P-n结产生对应的一个或多个 电场，该电场朝着太阳能电池装置的端子迅速传播(sweep)光生载流子以 进行聚集，并且发展成电流。包括大量太阳能电池的太阳能阵列的成本通常 与太阳能电池自身所用面积，即，经受光聚集的面积，成比例。高效率太阳 能电池是很重要的，因为它们的高能量密度允许减小给定量功率所需的面 积，因此改善了源自太阳能的电力成本。采用高效的太阳能电池时，功率密 度越高，所需的面积越小，从而产生良好的系统成本且接近化石燃料比价。 化石燃料比价可限定为光伏电力成本等于或低于化石燃料基电源成本的点。
利用设计为吸收和聚集太阳能光谱不同部分的多结装置是实现高效太 阳能电池的有效途径。由单结装置形成的太阳能电池可具有约31％的最大理 论效率，而由多结装置形成的太阳能电池可具有87％的最大理论效率。然而， 多结装置，例如三结装置，更加复杂且制造成本昂贵。例如，这样的装置所 用的特定材料可能更加难以合成，并且可能增加制造公差。而且，很多多结 太阳能电池设计要求昂贵的基板或者依赖于基板，这导致进一步的制造难度 且增加了成本；或者要求基板再利用，这增加了制造成本且降低了产率。
在某些进一步优化的太阳能电池设计中，作为太阳能电池的一部分，可 采用半导体的成分等级(compositional grade)来减轻相邻半导体层界面处的 不利条件。例如，成分等级可用于减小邻近窗口层的耗尽区域外部的表面再 结合损耗。例如，这可示例为薄CuInXGa(1-X)Se2装置中的AlXGa(1-X)As发 射极和窗口层以及外部耗尽区域。该方法可用在p+-n In0.5Ga0.5P太阳能电池 中p-In0.5Ga0.5P发射极层和P-In0.5Al0.5P窗口层之间的成分分级层 (compositional grading layer)中。某些成分等级也可用在耗尽区域内的窗口 层处设置的异质结附近。例如，薄的、分级的InXGa1-XN区域可用于最小化 InGaN发射极层和GaN窗口层之间的原子价带的不连续性。通常，作为太 阳能电池装置的一部分，这些示范性成分等级用于抵消半导体层界面的不利 影响，并且通常已经用在装置堆叠的非常薄的特定部分中。
需要的是结合了产生了带隙和半导体成分的半导体材料的多结太阳能 电池，其提供高效率和可制造性的最佳结合。通过提高制造太阳能电池的能 力，使其具有不严格的设计公差和简化的制造技术但仍提供宽泛的高效率， 可降低太阳能电池的每美元瓦特成本。还需要太阳能电池设计能采用一定的 特征，例如成分等级，从而在太阳能电池装置的某些关键部分中随着载流子 的产生而加速载流子。成分等级可存在于基极和/或发射体区域、背面电场或 缓冲区域中，或者这里描述的其它适当的区域中或者在别处，并且可单独地 或结合使用。使用成分等级的能力可在高效率、材料厚度和不严格的设计公 差的最佳结合中提供附加的设计灵活性。每美元瓦特设计灵活性的优点可实 现成本和性能的最好的全面结合。
发明内容
根据本公开，所提供的光伏装置包括第一有源单元和第二有源单元。第 一有源单元可包括具有硅的第一半导体层的基极。第二有源单元可提供在第 一有源单元上且包括具有第二半导体层的基极。第二半导体层可包括选自包 括B、Al、Ga和In的第一组的一个或多个半导体元素和选自包括As、N、 P和Sb的第二组的一个或多个半导体元素的成分。第二半导体层的成分可 选择为具有1.5eV至1.9eV的带隙范围。光伏装置还可包括提供在第二有 源单元上的第三有源单元。第三有源单元可包括具有第三半导体层的基极， 第三半导体层包括选自B、Al、Ga和In的一个或多个半导体元素和选自As、 N、P和Sb的一个或多个半导体元素的成分。第一半导体层的成分可具有 1.0eV至1.2eV的带隙范围，并且第三半导体层的成分范围可选择为1.9eV 至2.3eV。第一、第二和第三半导体层之一可晶格匹配于第一、第二或第三 半导体层之另一。可替换地，第一、第二和第三半导体层中的每一个可为晶 格匹配的。
在某些实施例中，第一有源单元可包括发射极，该发射极包括选自包括 GaP、AlP、AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN和 GaAsP的半导体组的半导体。第一有源单元的发射极还可包括Sb和B中的 一个或多个。第二有源单元可包括发射极，该发射极包括选自包括GaP、AlP、 AlN、GaN、GaAsNP、InGaAsNP、InGaN、GaNP、GaAsN和GaAsP的半导 体组的半导体。第二有源单元的发射极还可包括Sb和B中的一个或多个。
在某些其它实施例中，第二半导体层和第三半导体层的成分可选择为使 光伏装置的AM1.5G效率大于25％。第二和第三半导体层中的每一个的成 分可包括Al、Ga和In中的一个或多个以及As、N和P中的一个或多个。 光伏装置的第一和第二有源单元可包括发射极，该发射极包括GaP。在某些 其它实施例中，光伏装置还可包括提供在第一和第二有源单元之间的第一隧 道结以及提供在第二和第三有源单元之间的第二隧道结。第一隧道结的带隙 可大于第一半导体层的带隙，并且第二隧道结的带隙可大于第二半导体层的 带隙。第一和第二隧道结中的每一个可包括GaP。第一和第二隧道结也可进 一步包括AlP，并且第一隧道结的带隙大于1.5eV。在其它实施例中，第一 和第二隧道结中的每一个可包括Ga、As、N、P、B、Al、Sb和In中的一个 或多个的成分。
根据所公开的实施例的另一方面，光伏装置提供为包括基板和提供在基 板上的有源单元。有源单元可包括具有一定厚度的基极层，该基极层具有在 沿着基极层的厚度的第一位置处的III-V半导体的第一成分和在沿着基极层 的厚度的第二位置处的III-V半导体的第二成分。基极层可具有在第一位置 的第一带隙和在第二位置的第二带隙。在某些实施例中，第一带隙可大于第 二带隙，或者小于第二带隙。在其它实施例中，第一和第二带隙中的每一个 在1.0eV至2.2eV的带隙范围内。III-V半导体可选自包括B、Al、Ga、In、 As、N、P和Sb的半导体元素组。在一定的实施例中，III-V半导体可包括 少于5％的N。在其它的实施例中，从第一位置到第二位置，基极层的带隙 线性变化或指数变化或者为其组合。基极层可包括在沿着基极层的厚度的第 三位置处的III-V半导体的第三成分，从而第二位置位于沿着基极层的厚度 的第一位置和第三位置之间。在一定的实施例中，III-V半导体的第二成分 和III-V半导体的第一或第三成分之一可为相同的。在其它实施例中，基极 层的带隙可从第一位置到第二位置沿着基极层的厚度的第一段线性变化，并 且从第二位置到第三位置沿着基极层的厚度的第二段线性变化，每单位厚度 的变化在第一或第二段之一中大于在第一和第二段的另一个中。可替换地， 基极层的带隙可从第一位置到第二位置线性变化，并且基极层的带隙可从第 二位置到第三位置指数变化。在其它的实施例中，基极层的带隙可沿着基极 层的厚度从第一位置到第二位置指数变化，并且基极层的带隙可沿着基极层 的厚度从第二位置到第三位置线性变化。
在其它实施例中，III-V半导体可为第一III-V半导体，并且基极层可包 括在沿着基极层的厚度的第三位置处的第二III-V半导体的第一成分和在沿 着基极层的厚度的第四位置处的第二III-V半导体的第二成分。第二III-V半 导体可包括选自包括B、Al、Ga、In、As、N、P和Sb的半导体元素组的元 素。在其它的实施例中，第一有源单元可包括提供在基极层上的发射极层， 该发射极层具有一定的厚度。发射极层可包括在沿着发射极层的厚度的第一 位置处的III-V半导体的第一成分和在沿着发射极层的厚度的第二位置处的 III-V半导体的第二成分。
在不同实施例的其它方面中，有源单元可包括基极层，该基极层邻近于 限定基极层的第一表面的第一半导体层且邻近于限定基极层的第二表面的 第二半导体层，基极层包括在基极层的第一和第二表面之间的掺杂梯度。该 掺杂梯度可在第一和第二表面之间为线性或指数的，或为每一个的组合。基 极层可包括第一部分和第二部分，掺杂梯度可在第一和第二部分之一内为线 性的，并且在第一和第二部分的另一个内为指数的。
在一个示例中，本公开提供采用硅单元和模块可兼容生产工艺制造多结 单片集成光伏装置的方法。该方法包括提供硅基板，该硅基板具有表面区域， 并且在硅基板上提供(或形成)第一有源单元，第一有源单元包括基极。该 方法包括使第一有源单元区域经受热工艺以在第一有源区域中形成埋入发 射极区域且致使形成包括第一表面区域的第一有源单元，以及清洁第一表面 区域以使其基本上不包含有机或金属污染物。该方法包括形成覆盖第一表面 区域的终止层，该终止层具有含外延形成材料的镓和磷的厚度，该外延形成 材料是在第一温度范围采用MOCVD工艺提供的，并且含外延材料的镓和磷 的厚度的特征在于螺旋位错密度(threading dislocation density)为1×105至 1×107cm-3的区域。该方法还包括形成覆盖该埋入发射极区域的隧道结区域 和形成覆盖隧道结区域的背面场区域。该方法包括采用第二温度范围形成覆 盖背面场区域的第二有源单元，第二有源单元包括基极和发射极，第二有源 单元由一个或多个III-V半导体层形成并且特征在于螺旋位错密度为1×105 至1×107cm-3。第一有源单元区域和第二有源单元区域的特征在于单元级效 率为约25％至37％。本技术方案的进一步细节通过整个说明书进行描述且在 下文中更加详细地描述。
应理解，前面的总体描述和下面的细节描述二者仅为示范性的和说明性 的，而不是对如权利要求的本发明的限制。本发明的其它目标、特征和优点 将通过附图和下面的详细描述而清楚易懂。
附图说明
将参考本发明的实施例，其示例可示出在附图中。这些附图旨在为说明 性的而不是限制性的。尽管本发明总体上是在这些实施例的上下文中描述 的，但是应理解，这不意味着将本发明的范围限制到这些特定的实施例。附 图中，相同的附图标记表示相同的部分：
图1A是根据本公开不同方面的太阳能电池的截面图；
图1B是示出了在一个示例中的特定条件下、基于图1A中太阳能电池 的不同部件的带隙值的效率的表格；
图1C是示出了在一个示例中的特定条件下、采用1.1eV底部单元的二 结太阳能电池的串接单元效率的表格，其为顶部单元带隙的函数；
图1D是列出了在一个示例中的示范性可替换条件下、图1A中多结太 阳能电池中不同单元的效率的表格，其为带隙值的函数；
图1E是列出了在一个示例中的示范性可替换条件下、采用1.1eV底部 单元的二结太阳能电池的串接单元效率的表格，其为顶部单元带隙的函数；
图1F是图1A中太阳能电池、更具体而言为根据本公开各方面的太阳 能电池的截面图；
图2A是图1中根据本公开各方面的太阳能电池的一部分的截面图；
图2B是图1C中根据本公开各方面的太阳能电池的一部分的截面图， 包括结合了成分等级的半导体层；
图3是图2B中根据本公开各方面的太阳能电池的一部分的截面图的详 图；
图4A-4I的每一个示出了代表示范性成分等级的曲线，成分等级为半导 体层尺寸的函数，半导体层为根据本公开各方面的太阳能电池的一部分；
图5A-5D的每一个示出了根据本公开各方面的包括一个或多个半导体 层的成分等级的太阳能电池的一部分的截面图，该成分等级可关于对应的半 导体层的几何尺寸而变化；
图5E示出了根据本公开各方面的包括一个或多个半导体层的成分等级 的示范性太阳能电池的一部分的截面图；
图6A是根据本公开各方面的示范性多结太阳能电池的截面图；
图6B是图6A中实施例的示范性隧道结在一个示例中的详图；
图6C是图6A中实施例的示范性隧道结在一个示例中的另一个详图；
图7是示出带隙排列(alignment)的曲线；以及
图8示出了根据本公开各方面的示范性隧道结；
图9示出了具有AlP终止层而没有明显的Ga相关缺陷的晶片的示例；
图10是具有GaP终止层和Ga回蚀相关缺陷的晶片的示例；右手侧的 图像是示出了黑斑的左手侧图像上突出显示部分的放大图，其中该黑斑是 Ga回蚀相关缺陷/毛刺(spikes)；
图11示出了太阳能电池中由Ga“毛刺”引起的分流(shunted)区域， 该Ga“毛刺”与硅相互作用且在一个示例中在顶部单元沉积期间向上传播； 该逃避区域位于装置指部的紧下方并且由此缩短了太阳能电池；
图12示出了显示在一个示例中随着AlGaP终止层中Al％的增加而改善 的表面形态的一些照片；这些晶片全部采用100A终止层，在顶部掺杂3.5um 的GaP；当终止层中的Al％超过50％时表面形态最佳；
图13示出了在一个示例中Si基板中P的扩散图形(红色曲线)；该扩 散在100mbar下的MOCVD反应器中实现；该扩散在1100C下、在PH3和 H2中执行5分钟且在1150C下、在H2中深入(drive-in)执行1.5分钟；蓝 色曲线示出了有源n型掺杂浓度；总的扩散和深入执行时间少于10分钟， 仍能实现高产率工艺。
具体实施方式
公开了具有促进效率提高的结构的太阳能电池及其制造方法。该结构也 适合于提供太阳能电池结构更加均匀和协调的制造，提高产率和降低成本。 某些太阳能电池还可包括在一个或多个半导体层中的一个或多个半导体元 素的一个或多个成分梯度。
下面的描述是为了说明的目的而进行阐述的以便提供对本公开各种实 施例的理解。然而，本领域的技术人员应了解，本公开的各实施例可结合到 许多不同系统和装置中。
本公开的实施例可包括某些方面，其每个方面可呈现在一个或多个光伏 装置中，例如，太阳能电池装置等。以下面的截面图或模块图示出的结构和 装置不一定是按比例示出的，而是示范性实施例的例示，其意图使具体的实 施例清晰化。此外，示出的示范性实施例可包括比所示出的更多或更少的结 构，而不意味着限于具体示出的结构。尽管采用特定标签关于太阳能电池相 对于特定结构描述了本公开的不同部分，例如“发射极”或“基极”，但是这些 标签不具限制性。
现在详细介绍附图中示出的本发明的示范性实施例。
图1A示出了根据本公开不同方面的示范性多结太阳能电池100。太阳 能电池100是三结太阳能电池，包括第一单元或基板140A、第二单元140B 和第三单元140C。太阳能电池100还可包括第一和第二隧道结142A、142B， 分别提供其间的导电性并且同时允许大部分入射光通过。GaAs或其它适当 的半导体材料的接触层(如下面关于图1F所描述的)可邻近于第三单元140C 设置以对太阳能电池100提供低电阻通道。太阳能电池100的极性可为p-n 或n-p，或者p-i-n或n-i-p。组成太阳能电池的各种半导体层的各层厚度可选 择为获得匹配于最大效率的希望电流。下面，参考图1F更加详细地描述这 样的半导体层。第一、第二和第三单元140A、140B、140C中的每一个可分 别具有1.1eV、1.4至1.9eV和1.7至2.3eV的带隙顺序(bandgap sequence)， 并且共同提供所希望的空气质量1.5(AM1.5)效率，例如，在一定的条件 下，AM1.5大于或等于25％。例如，为了实现上述带隙顺序，硅基板可用作 第一单元140A，第一半导体成分可用作第二单元140B，并且第二半导体成 分可用作第三单元140C。形成第二单元140B的第一半导体成分的元素可包 括选自Al、Ga和In的组的第一半导体元素组中的一个或多个，其与选自 As、N、P、B和Sb的组的第二半导体元素组中的一个或多个相结合。形成 第三单元140C的第二半导体成分的元素可包括半导体元素Al、Ga和In中 的一个或多个，其与半导体元素As、N、P、B和Sb中的一个或多个相结合。
第一半导体成分可选择为对第二单元140B提供1.4至1.9eV的带隙范 围，并且第二半导体成分可选择为提供1.7至2.3eV的带隙范围。由第一和 第二半导体元素组形成的合金可为诸如GaP的二元合金、诸如GaAsP或 GaNP的三元合金、四元合金或五元合金。此外，通过第一和第二半导体组 的适当选择，太阳能电池100可生长以晶格匹配硅基板，从而助于避免或防 止形成不适当错位(misfit dislocation)。适当地选择第一和第二半导体元素 组可实现高效率并且同时改善太阳能电池100的可制造性。
我们已经观察到，随着对应于第二和第三单元140B、140C中的每一个 的半导体元素的合金带隙的减小，第二和第三单元140B、140C会变得更加 难以制造成具有足以适应例如太阳能电池100的光伏装置的光学质量。相反， 随着对应于第二和第三单元140B、140C的半导体元素的和合金带隙的增加， 第二和第三单元140B、140C会更加易于制造。因此，这里披露或描述的装 置针对AM1.5效率提供较大的设计空间，并且同时倾向于弱化对具体的(一 个或多个)带隙的要求，以便超过希望的效率，例如，使AM1.5效率等于 或大于25％。
转到图1B，表格100T1-1示出了在一定的特定条件下、基于图1A的多 结太阳能电池中不同单元的带隙计算出的效率。在该示例中，假设100％的 量子效率和零的非辐射复合(recombination)。在这些假设下，对于对应于第 一单元140A、第二单元140B和第三单元140C中的每一个的每个半导体成 分，装置模型可给出填充因子(FF)、开路电压(Voc)和短路电流(Isc)。 在该模型中，层厚度自动调节为提供电流匹配。下面的三结细节表格示出了 示范性模型方案，其中第一单元140A为硅，第二单元140B具有提供1.48 的带隙的半导体成分，并且第三单元140C具有提供1.99的带隙的半导体成 分。在该特定条件下，三结装置提供的AM1.5G总效率或组合效率为49.54％， 如三结细节表所示。
三结细节表

其中：
Eg＝带隙；
EQE＝外部量子效率；
Isc＝短路电流；
Imp＝最大功率电流；
Vmp＝最大功率电压；
Eff＝效率；
FF＝填充因子；以及
Voc＝开路电压
图1B的表格100T1-1的第一列显示第三单元140C的可能带隙范围 为1.60至2.30eV，并且第二至第九列中的每一列显示第二单元140B的单 一带隙值范围为1.20至1.90eV。因此，图1B的表格100T1-1示出了对应于 示范性特定条件下第三单元140C的带隙与第二单元140B的带隙之比的计 算效率。这些效率大于或等于25％，并且其中第二单元140B具有至少1.40 的带隙，以阴影图示出。尽管第二单元140B可具有小于1.40的带隙，但是 这样的成分可能更难以制造。因此，可能希望仅考虑带隙值约为1.40或更大 的第二单元140B。在任何情况下，图1B的表格100T1-1的阴影区域为三结 装置提供很宽的设计区域，在一定的具体条件下，总效率等于或大于25％， 并且同时改善可制造性。
返回到图1A，这样的特定设计可应用于二结太阳能电池装置。这样的 二结太阳能电池装置100A可与太阳能电池100类似，不同的是不包括隧道 结B 142B和第三单元140C并且因此仅由第一单元140A、第二单元140B 和其间的隧道结A 142A组成。还参见图1C，表格100T1-2示出了一定特定 条件下效率与第二单元140B带隙的对比，并且其中二结装置100A的第一 单元140A是硅，具有1.1eV的带隙。如图1C的表格100T1-2的阴影部分 所示，二结单元100A的效率等于或大于约25％，并且其中第二单元140B 的带隙大于约1.40eV，串接单元或第二单元140B的带隙范围为约1.41eV 至约2.21eV。下面的二结细节表格示出了示范性模型方案，其中第一单元 140A为硅，并且第二单元140B的半导体成分提供1.71eV的带隙。在这样 的特定条件下，二结装置100A提供的总效率为44.66％，如二结细节表所示。
二结细节表

其中：
Eg＝带隙；
EQE＝外部量子效率；
Isc＝短路电流；
Imp＝最大功率电流；
Vmp＝最大功率电压；
Eff＝效率；
FF＝填充因子；以及
Voc＝开路电压
在一定的环境下，与这里描述的二结或三结装置一样，可能更希望提供 具有更高带隙的、在三结装置100中的第三单元140C半导体成分或在二结 装置100A中的第二单元140B半导体成分。与这里描述或讨论的二结或三 结装置一样，潜在地利用对应于较宽带隙范围的半导体成分也可提高总体可 制造性和产率。
现在转到图1D，表格100T2-1示出了在一定的可选条件下图1A的三结 太阳能电池100的AM1.5G计算效率，其中第一单元140A具有1.1eV的带 隙，并且期望指定的总效率，例如，AM1.5G总效率大于或等于25％。例如， 对第一、第二和第三单元140A、140B、140C中的每一个，可假设85％的量 子效率以及一定的填充因子和开路电压偏移。下面的三结替换方案表格示出 了示范性模型方案，第一单元140A为硅，第二单元140B的半导体成分提 供1.50的带隙，并且第三单元140C的半导体成分提供2.00的带隙。在这样 的替换性条件下，三结装置100提供的总效率为34.73％，如三结细节表所 示。
三结替换方案表

其中：
Eg＝带隙；
EQE＝外部量子效率；
Isc＝短路电流；
Imp＝最大功率电流；
Vmp＝最大功率电压；
Eff＝效率；
FF＝填充因子；以及
Voc＝开路电压
参见图1D，表格100T2-1的第一列显示第三单元140C的可能的带隙范 围为1.6至2.3eV，并且第二至第九列中的每一列显示第二单元140B的单 一带隙值范围为1.2至1.9eV。因此，图1D的表格100T2-1示出了AM1.5G 计算效率，其为第三单元140C的带隙与第二单元140B的带隙之比。该设 计包括这里预想到的以及由表格100T2-1内突出显示的要点值表示的广泛的 带隙值范围，这些值提供等于或大于所希望的25％的效率，并且同时通过选 择具有较大带隙值的、第二单元140B的一定半导体成分而改善可制造性。 如本领域普通技术人员所知晓的，要点值仅用于说明的目的，例如，对于带 隙1.50的第二单元140B，第三单元140C的成分可选择为提供在1.80-1.90 范围内、要点值之外的带隙，装置的AM1.5G总效率为25％或更大。本公 开中描述的实施例旨在包含这类提供25％或更大的AM1.5G总效率的带隙 范围，无论这样的带隙范围是否明确在图1D所示的表格100T2-1内突出显 示的要点值内。
返回到图1A，这里关于非特定条件描述的原理也可应用于二结太阳能 电池100A设计，为Si的第一单元140A的带隙为1.1eV，并且第二单元140B 的半导体成分选择为提供在范围1.56-1.96eV内的带隙。还参见图1E，表格 100T-2示出了AM1.5G效率与第二单元140B带隙的对比，其中二结装置 100A的第一单元140A是硅，具有1.1eV的带隙。如图所示，二结单元100A 的效率等于或大于约25％，并且第二单元140B的带隙范围为1.56至1.96eV。 在某些情形下，与这里描述的三结装置一样，可能更希望提供具有更大带隙 的、第二单元140B的半导体成分。尽管可实现更高的效率，例如大于30％ 的效率，但是实现这样的效率的材料质量与对应于较低效率的材料质量相比 可能很差，因此，与其采用较大的带隙，还不如降低最大可实现二结单元效 率。例如，1.91eV的顶部单元，其明显在指定的带隙范围1.6至1.8eV之 外，对应于图1E的表格100T-2中所示的峰值效率，然而，具有1.91eV的 第二单元140B的二结单元100A仍提供27％的效率。对应于带隙范围1.56 至1.96的半导体成分提供约25％的最小效率，如表格100T2-2所示。与这里 描述或讨论的三结装置一样，潜在地利用对应于较宽带隙的半导体成分还可 提高总体可制造性和产率。再者，如本领域的普通技术人员所知晓的，与所 描述的三结单元一样，阴影区域仅用于说明目的，例如，对于带隙选自范围 1.56-1.161内的第二单元140B，尽管在图1E中阴影区域之外，但是装置的 AM1.5G总效率仍可为25％或更大。本公开中描述的二结太阳能电池100A 旨在包含这类提供25％或更大的AM1.5G总效率的带隙范围，无论这样的带 隙范围是否明确在图1E所示的表格100T2-2内的突出显示的要点值内。
下面的二结替换方案示出了示范性模型方案，其第一单元140A为硅， 并且第二单元140B具有提供1.72eV的带隙的半导体成分。在这样的可替 换条件下，二结装置100A提供的总效率为31.06％，如二结细节表所示。
二结替换方案表

其中：
Eg＝带隙；
EQE＝外部量子效率；
Isc＝短路电流；
Imp＝最大功率电流；
Vmp＝最大功率电压；
Eff＝效率；
FF＝填充因子；以及
Voc＝开路电压
尽管在某些可替换条件下示范性二结和三结装置100、100A描述为具 有等于或大于25％的总效率，但这仅用于说明目的。本领域的普通技术人员 应理解，也可实现其他的能提供较宽的半导体成分可能带隙范围的总效率 值；与提供较高的总效率的方案相比，这可改善可制造性和产率但要求较窄 的成分带隙范围。
现在转到图1F，其更加详细地示出了与本公开的各方面一致的示范性 多结太阳能电池100的部分结构的截面图。如下面更加详细讨论的，图1F 的太阳能电池100的结构提供半导体带隙的替换性范围，在该范围下易于合 成太阳能电池的制造中所用的粒子材料并且同时提供较宽的可接受效率范 围，例如，在1.5的空气质量或AM1.5下效率大于26％。这也可减少相关制 造公差、提高产率并且降低制造成本。尽管下面的讨论针对于p-on-n多结太 阳能电池，但是本领域的普通技术人员应理解，该讨论也可应用于n-on-p多 结太阳能电池，例如，每个半导体层的极性具有所描述之外的替换性掺杂。
图1F的多结太阳能电池100可包括第一单元140A、第二单元140B和 第三单元140C。第一单元140A可包括基极102(也表示为基极A)以及发 射极104(也表示为发射极A)。第二单元140B可包括基极116(也表示为 基极B)以及发射极118(也表示为发射极B)，并且第三单元140C可包括 基极128(也表示为基极C)以及发射极130(也表示为发射极C)。太阳能 电池100还可包括设置在第一单元140A和第二单元140B之间的第一隧道 结142A以及设置在第二单元140B和第三单元140C之间的第二隧道结 142B。第一基极102或基板102可包括n型硅基板。为了在单元140A中产 生p-n结，包括硅的p型异质结发射极104可邻近于基板102设置。可替换 地，该p-n结可通过扩散基工艺产生。例如，磷，作为硅中的n型掺杂物， 可扩散到p型硅基极或基板中以形成重掺杂n型区域，从而在硅中形成p-n 结。另外，随后，p型半导体层可沉积在n型硅区域的顶部上，由此形成另 一个p-n结。结果，硼，作为硅中的p型掺杂物，可扩散到硅中以形成重掺 杂p型区域。形核层106可邻近于发射极A 102设置，接下来是缓冲层108。 形核层106和缓冲层108可包括p型或n型GaP。形核层106和缓冲层108 也可用作关于第一单元140A的窗口。
然后，非吸收隧道结142A邻近于缓冲层108设置，例如在第一单元140A 和第二单元140B之间。作为示例，隧道结142A可包括第一层110和第二 层112。隧道结142A的第一层110可包括重掺杂磷化镓，例如，p+GaP，而 隧道结142A的第二层112可包括n+GaP，其近似晶格匹配于硅基单元140A。 如本领域的普通技术人员所理解的，隧道结142A可包括其它层，例如，这 些其它层中的一层或多层包括重掺杂的镓磷化物。然后，背面电场(BSF) 层114可邻近于隧道结142A设置。BSF层114例如可包括n型GaP。
第二单元140B邻近于BSF层114设置，并且包括基极116和发射极118。 基极层116可为轻掺杂n型或未掺杂层，并且发射极层118可为高掺杂p型 层。基极层116的半导体可与发射极层118的半导体相同。半导体成分可选 择为与第一单元140A的硅半导体晶格匹配，并且提供约1.5eV和1.9eV之 间的带隙。形成第二单元140B的半导体成分的元素可包括选自铝(Al)、镓 (Ga)和铟(In)的组的第一半导体元素组中的一个或多个，其与选自砷(As)、 氮(N)、磷(P)、硼(B)和锑(Sb)的组中的一个或多个半导体元素的第 二组相结合。本领域的技术人员应理解，与硅晶格匹配是指外延层的平面内 晶格参数在硅基板的约15％内(或者优选在0.1％内)。如果第二单元140B 制造为与第一单元140A的硅基板102晶格匹配，则可减少产生结构缺陷的 可能性，该结构缺陷例如为降低后续半导体层的光电质量的不适当错位 (misfit dislocation)。本领域的技术人员能够决定原子(AlGaIn)(AsNPBSb) 中半导体元素的正确比例以同时满足晶格匹配条件以及约1.5至1.9eV的带 隙范围。窗口层120可邻近于第二单元140B设置。窗口层120例如可由AlGaP 组成。
第二非吸收隧道结142B设置在第二单元140b和第三单元130C之间。 隧道结142B可与隧道结142A类似地包括第一层122，其可包括p+GaP；而 隧道结142B的第二层124可包括n+GaP，其近似晶格匹配于硅基单元140A。 如本领域的普通技术人员所理解的，任何适当的半导体材料可用于隧道结 中，优选为能在良好的隧道效应和最小光学损耗之间提供最佳平衡的材料。 然后，另一个BSF层126可邻近于隧道结142B设置。与BSF层114一样， BSF层126例如可包括n型GaP。
第三单元140C可包括基极层128和发射极层130。基极层128可为轻 掺杂n型或未掺杂层，并且发射极层130例如可为高掺杂p型层。基极层128 的半导体可与发射极层130的半导体相同或不同。第三单元140C的半导体 成分可选择为与第一单元140A的硅半导体晶格匹配，并且能够提供在约1.9 和2.3eV之间的带隙。形成第三单元140C的半导体成分的元素可包括选自 Al、Ga和In的组的第一半导体元素组中的一个或多个，其与选自As、N、 P、B和Sb的组中的一个或多个半导体元素的第二组相结合。第三单元140C 的半导体成分的选择通常可由第二单元140B的设计目标决定。因此，通过 第二单元140B的设计来限定带隙范围，第三单元140C的设计可基于该带 隙范围决定，从而实现良好的电流匹配和所希望的效率。
窗口层132邻近于第三单元140C设置，接下来是接触层134。尽管接 触层134示出为与图1F中太阳能电池100的一部分中的其它半导体层同宽， 但是接触层134的一部分被选择性地去除以允许入射光进入太阳能电池100 的有源层。发射极层130和窗口层132可仅由p+GaP制造。接触层134可由 P++GaAs制造。尽管接触层134没有与第一单元140A的硅基板晶格匹配， 但是接触层134提供与外部负荷配合的低接触电阻。
已经按照例如p-n的第一极性描述了太阳能电池100的半导体层。本领 域的普通技术人员应理解，例如p-n的第二极性也可通过简单颠倒太阳能电 池100的每个半导体层的极性而实现。
现在转到图2A，与图1A的示范性太阳能电池100类似，另一个太阳 能电池200包括基板250、缓冲层252和BSF层254。然后，有源单元可邻 近于BSF层254设置，有源单元包括基极层256并且也可包括发射极层260。 该单元也可包括本征层258，其设置为邻近于本征层258的一端上的基极层 256且邻近于本征层258的另一端上的发射极层260。太阳能电池200可包 括附加层264和接触层266。在太阳能电池200的一个或多个半导体层中， 成分等级可关于一个或多个半导体元素呈现，其可实现太阳能电池200上的 最佳聚集效率以及断路电压Voc和总装置厚度上的优化。与可能有助于电子 和空穴在相同方向上传播的、某些太阳能电池装置中呈现的掺杂等级不同， 成分等级有助于电子和空穴在相反的方向上传播，从而随着一个或多个半导 体层中载流子的产生而在整个装置中、尤其在基极256和发射极260内加速 载流子。通过在整个太阳能电池200中、例如在太阳能电池200的多个部分 中提供成分等级，提高或最大化了太阳能电池200的总效率，并且同时减小 且最小化了装置厚度和相关的制造成本。这种在整个太阳能电池200的一个 或多个位置处结合成分等级的设计可用在p-n极性结构和n-p极性结构二者 中。
太阳能电池200可为p-n极性太阳能电池设计：接触层266、窗口层262 和发射极层258为p型，而基极层256、BSF层254、缓冲层252和基板250 为n型。基极层256G可为较厚的层，因为这里会产生大部分载流子。p-n 结使电子穿过耗尽区域朝着n型基板250迅速传播(sweep)，并且使空穴穿 过耗尽区域朝着p型接触层266迅速传播(sweep)。
现在转到图2B，太阳能电池200G与太阳能电池200类似但包括基极层 256G，该基极层256G具有在一个或多个半导体元素中的、作为基极层256G 的一部分的成分等级。该成分等级可助于更加有效地收集通过光伏过程产生 的电子-空穴对，例如，所产生的电子-空穴对在复合(recombined)之前被 收集。例如，在一个或多个半导体层中采用成分等级可助于所产生的电子在 第一方向上行进并且所产生的空穴在与第一方向相反的第二方向上行进。相 对于激励所产生的电子和空穴在相同方向上行进的传统掺杂等级，这可提供 优势。可通过成分等级提高效率，从而允许关于作为光伏装置一部分的一个 或多个半导体层的厚度的更大的设计灵活性。最后，可减小一个或多个半导 体层的厚度，相应地降低制造成本。因此，可在光伏装置的各层中采用成分 等级以实现所希望的或优化的效率，并且提供装置厚度、成本和效率之间的 最佳平衡。如本领域的普通技术人员所知晓的，各个半导体层的成分变化导 致相关成分的带隙上的相应变化。
基极层256G可包括成分等级的宽阵列，该阵列例如可产生1.0至2.2eV 范围内的带隙。所希望的带隙范围可基于太阳能电池200G的材料系统和所 希望的装置性能。另外，如上面所讨论的，可减小被分级的基极层200G的 厚度以最小化生产成本并且同时仍提供所希望的或优化的效率。仅用于说明 目的，BSF层254的带隙可大于1.7eV并且本征层258的带隙可为1.6eV。 例如，基极层256G可被分级以具有接近于BSF层254和基极层256G间界 面的1.7eV的带隙以及接近于本征层258和基极层256G间界面的1.6eV的 带隙。
现在转到图3，其示出了太阳能电池200G的详图。基极层256G可包 括多个平面P，例如，沿着基极层256G的高度包括平面P1-P3，该高度从基 极层256G的底部BB延伸到基极层256G的顶部BT。第一平面P1可限定距 基极层256G的底部BB的第一距离D1以及从第一平面P1到第二平面P2的 第二距离D2。第二平面P2还可限定从平面P2到平面P3的距离D3，并且 第三平面P3还可限定从第三平面P3到基极层256G的顶部BT的距离D4。 基极层256G可包括沿着基极层256的高度的一个或多个半导体元素的一个 或多个成分等级。因此，第一成分等级可沿着距离D1限定，第二成分等级 可沿着距离D2限定，第三成分等级可沿着距离D3限定，并且第四成分等 级可沿着距离D4限定。尽管描述了三个平面P1、P2和P3，但是可存在更 多或更少的平面P从而提供更多或更少的距离，并且可分别沿这些距离存在 成分等级。此外，应容易理解，三个平面P1、P2和P3的位置可限定在沿着 基极层25G的高度、与所描述的位置不同的位置。再者，平面P的线性仅用 于说明的目的。本领域的普通技术人员应理解，制造工艺上的自然变化通常 会导致非均匀的平面P。
转到图4A–4I，其示出了限定作为基极层256G的一部分的半导体元素 成分等级的多条示范性曲线。成分等级可限定为沿着对应半导体层高度的半 导体元素的元素成分浓度或百分比。如本领域的普通技术人员所理解的，如 这里所描述的太阳能电池的任何给定半导体层可关于一个或多个半导体元 素而包括一个或多个成分等级。而且，尽管下面关于基极层256G进行了讨 论，但是一个或多个这样的成分等级可提供在任何太阳能电池装置的任何半 导体层中。另外，尽管通常描述的是元素成分百分比在半导体结构尺寸上增 加，但是一个或多个成分等级也可包括在半导体结构尺寸上浓度减小的一个 或多个元素。在某些实施例中，例如，沿着半导体层的高度，第一半导体元 素的元素成分百分比可增加，而第二半导体元素的元素成分百分比可减小。 与图4B-4I的其余曲线一样，平面P1、P2可在如图3所示的位置处，或者 它们可在沿着基极层256G的高度的任何其它位置处，包括在基极层256G 的底部BB处或顶部BT处。另外，尽管在图4A-4I中均使用了参考标记P1 和P2，但是不意味着它们在图4A-4I中的每幅图中都位于给定半导体层内的 等同位置处。
图4A示出了图表300G1，包括沿着基极层256G高度的第一平面P1和 第二平面P2，线LC1限定了一个或多个半导体元素的线性成分等级。因此， 随着从底部BB到顶部BT而在基极层256G的高度上移动，半导体元素的浓 度或元素成分的百分比发生变化。与图4A相反，图4B示出了图表300G2， 包括沿着基极层256G高度的第一和第二平面P1、P2，线LC2限定了半导体 元素的抛物线成分等级。因此，随着在基极层256G的高度上移动，半导体 元素的浓度或者元素成分的百分比呈抛物线变化。图4C示出了图表300G3， 包括沿着基极层256G高度的第一和第二平面P1、P2，线LC3限定了半导体 元素的倒抛物线成分等级。因此，与线LC2一样，随着在基极层256G的高 度上移动，半导体元素的浓度或者元素成分的百分比呈抛物线变化。
图4D-4I包括至少一个附加平面P1A作为基极层256G高度上的多个平 面P的一部分。图4D示出了图表300G4，其具有限定第一线性曲线LC4-1的平面P1和中间平面P1A，并且中间平面P1A和平面P2限定第二抛物线曲 线LC4-2。因此，在基极层256G高度的第一部分上半导体元素的成分等级是 线性的，而在基极层256G高度的第二部分上半导体元素的成分等级是呈抛 物线的。相反，图4E示出了图表300G5，其包括至少一个附加平面P1B作 为沿着基极层256G高度的多个平面P的一部分，平面P1和中间平面P1B限定第一线性曲线LC5-1，并且中间平面P1A和平面P2限定第二抛物线曲线 LC5-2。因此，在基极层256G高度的第一部分上，由曲线LC5-1限定，半导体 元素的成分等级是呈抛物线的；而在基极层256G高度的第二部分上，由曲 线LC5-2限定，半导体元素的成分等级是线性的。
转到图4F，示出了图表300G6，其包括至少一个附加平面P1C，平面 P1和中间平面P1C限定倒抛物线曲线LC6-1，并且中间平面P1C和平面P2限 定抛物线曲线LC6-2。因此，在基极层256G高度的第一部分上，由曲线LC6-1限定，半导体元素的成分等级呈倒抛物线；而在基极层256G高度的第二部 分上，由曲线LC6-2限定，半导体元素的成分等级是抛物线的。相反，图4G 示出了图表300G7，其包括至少一个附加平面P1D，从而平面P1和中间平面 P1D限定抛物线曲线LC7-1，并且中间平面P1D和平面P2限定倒抛物线曲线 LC7-2。因此，在基极层256G高度的第一部分上，由曲线LC7-1限定，半导体 元素的成分等级呈抛物线；而在基极层256G高度的第二部分上，由曲线LC7-2限定，半导体元素的成分等级呈倒抛物线。
现在转到图4H，示出了图表300G8，其包括至少一个附加平面P1E，平 面P1和中间平面P1E限定第一线性曲线LC8-1，并且中间平面P1E和平面P2 限定第二线性曲线LC8-2，第一曲线LC8-1的斜率大于第二线性曲线LC8-2的斜 率。因此，在基极层256G高度的第一部分上，由曲线LC8-1限定，半导体元 素的成分等级是线性的，并且在基极层256G的高度上、成分等级的浓度或 元素成分的百分比以与由曲线LC8-2限定的半导体元素的成分等级相比更快 的速率发生变化。相反，图4I示出了图表300G9，其包括至少一个附加平 面P1F，从而平面P1和中间平面P1F限定第一线性曲线LC9-1，并且中间平面 P1F和平面P2限定第二线性曲线LC9-2，第一曲线LC9-1的斜率小于第二曲线 LC9-2的斜率。因此，在基极层256G高度的第一部分上，由曲线LC9-1限定， 半导体元素的成分等级是线性的，并且并且在基极层256G的高度上、成分 等级的浓度或元素成分的百分比以与由曲线LC9-2限定的半导体元素的成分 等级相比更慢的速率发生变化。
应理解的是，图4A-4I仅示出了几个示范性曲线用以说明作为例如图2 的太阳能电池200的太阳能电池结构的一部分的一个或多个半导体元素的成 分等级。
转到图5A-5D，示出了如所示的太阳能电池500G1至太阳能电池500G4 的示范性太阳能电池500，其中一个或多个半导体层包括例如根据图4A-4I 的一个或多个曲线或者这些曲线的组合的、在一个或多个对应的半导体层中 的一个或多个半导体元素的成分等级。通常，太阳能电池500可为P-on-N 或P-i-N太阳能电池设计，或者为N-on-P或N-i-P太阳能电池设计。假定为 P-on-N太阳能电池设计，则太阳能电池500可包括基板250，接下来是缓冲 层252、BSF层254和基极层256，每一个都为N掺杂。太阳能电池还可包 括发射极层260、窗口层262和接触层266，每一个都为P掺杂，并且本征 区域提供在P掺杂发射极层20和N掺杂基极层256之间。接触层266可邻 近于窗口层262的一部分设置以提供对电负荷的电接口。太阳能电池500可 包括产生大部分载流子的较厚的基极层256，P-N结使电子穿过耗尽区域朝 着N型基板迅速传播并且使空穴穿过耗尽区域朝着P型接触层266迅速传 播。因此，太阳能电池500的一个或多个半导体层中的一个或多个元素的成 分等级可适于在产生载流子后加速载流子，由此最小化了在聚集前复合的机 会。
尽管太阳能电池500已被描述为单个单元装置，但是太阳能电池500可 为结合了两个或更多个太阳能电池500的多单元装置的一部分，如附加层或 子单元264所表示的。在这样的多单元装置中，两个或更多个太阳能电池500 中的每一个可与其余的太阳能电池500相同或不同，按需而定。太阳能电池 500的各种半导体层为说明目的而非按比例示出。本领域的普通技术人员应 理解，太阳能电池500可包括比图5A-5E所示更多或更少的半导体层。太阳 能电池500可设计为提供成分等级的宽阵列以实现所希望的带隙，例如，在 1eV和2.2eV之间的带隙，这取决于给定太阳能电池材料系统和相关太阳 能电池性能的具体设计。
具体地转到图5A，示出了太阳能电池500G1，其与太阳能电池200类 似，不同的是太阳能电池500G1包括基极层556G和发射极层558G并且其 每一个包括一个或多个半导体元素的成分等级。尽管太阳能电池500G1示出 为具有包括成分等级的基极层556G，但是太阳能电池500G1可仅具有一个 包括成分等级的层，例如，仅发射极层558G。太阳能电池500G1可设计为 使一个或多个成分等级提供在约1.0eV至约2.2eV范围内的带隙。对于具有 约1.7eV带隙的本征层258和带隙大于1.7eV的窗口层262，发射极层558G 的成分等级可选择为在发射极层558G与本征层258交界的平面附近提供约 1.7eV的带隙，并且在发射极层558G与窗口层262交界的平面附近提供与 窗口层262带隙相同或相近的带隙。例如，对于具有1.9eV的带隙的窗口层， 发射极层558G与窗口层262交界的平面附近的发射极层558G的成分等级 的带隙可为1.9eV或1.9eV左右。在某些情形下，在发射极层560G和窗口 层262之间界面处的成分等级中，可能希望提供微小的阶梯函数，也称为阶 梯等级。
图5B所示的太阳能电池500G2类似于太阳能电池500G1，但包括具有 成分等级的本征层558G。仅为说明的目的，基极层556G可包括成分等级， 从而使基极层556G和BSF层254之间界面处的带隙可为1.6eV或1.6eV 左右，并且使基极层556G和本征层558G之间界面处的带隙可为1.7eV或 1.7eV左右。本征层558G和发射极层560G之间界面处的带隙可为1.75eV 或1.75eV左右，并且发射极层560G和窗口层562G之间界面处的带隙可为 1.9eV或1.9eV左右。转到图5C，太阳能电池500G3可类似于太阳能电池 500G2，但是还包括具有成分等级的窗口层562G，从而，紧接着前述示例继 续，发射极层560G和窗口层之间界面处的带隙可为1.9eV，并且窗口层562G 和接触层266之间界面处的带隙可为1.9eV或1.9eV左右。太阳能电池 500G1-500G3的各种半导体层的成分等级可配合以在整个太阳能电池500上 提供所希望的带隙，同时在生成载流子后加速载流子并且最小化在聚集前复 合的机会。
转到图5D，示出了太阳能电池500G4，其总体上类似于其它的太阳能 电池500，但是包括具有成分等级的BSF层554G。因为BSF层554G可包 括比基极层256宽的带隙，所以BSF层554G的成分等级的整体带隙值必须 大于基极层256的带隙以及单元500G4的上层(例如本征层258和发射极层 260)的带隙。对于带隙大于1.7eV的缓冲层252以及带隙均为1.7eV的基 极层256、本征层258和发射极层260，BSF层可采用分级区域，该分级区 域的带隙范围为从BSF层554G和缓冲层552之间界面附近的1.86eV到BSF 层554G和基极层256之间界面附近的1.9eV。如所讨论的，太阳能电池 500G4可仅包括单个成分等级层，例如，BSF层554G。可替换地，太阳能 电池500G4可包括具有成分等级的附加层，例如，缓冲层552G，如图5D 所示。对于采用成分等级的缓冲层552G，该缓冲层552G的带隙可宽于基极 层256。因此，所有的等级可开始于提供大于基极层256、本征层258和发 射极层260的带隙的初始成分。仅为说明的目的，缓冲层可包括成分等级， 从而使1.8eV的带隙发生在基板250和缓冲层552G之间的界面处，并且使 1.86eV的带隙发生在BSF层554G和缓冲层552G之间的界面处。此外， BSF层554G可包括成分等级，从而使1.9eV的带隙发生在BSF层和基极层 256之间的界面处。
这里讨论的成分等级可以以各种材料制造在各种基板上，并且不限于这 里讨论的材料和/或基板。另外，可采用应变和晶格匹配材料。此外，尽管提 供了一定的成分等级浓度或元素成分百分比，但是这些仅为说明的目的。为 了说明的目的，多结半导体装置可制造为串接太阳能电池并且包括 Si/GaAsNP形式的结构。以n型硅基板开始，可执行初始处理以在硅太阳能 电池中产生p/n结。这可为扩散基工艺沉积的硅发射极或者p型异质结发射 极。接下来，非吸收隧道结可沉积在第一单元上。该隧道结可为p+GaP，其 近似晶格匹配于硅。该隧道结也可采用分级层。在隧道结之上，BSF层可与 随后的附加单元结构层一起沉积以形成多单元装置。
现在转到图5E，以截面图形式示出了示范性多结太阳能电池500G5。 太阳能电池500G5包括具有成分等级的一个或多个半导体层。成分等级可为 按照一个或多个半导体元素的，作为相关半导体层的一部分。尽管所讨论的 太阳能电池500G5具有p-on-n结构，但是本领域的普通技术人员应理解， 太阳能电池500G5也可为n-on-p结构的形式。
太阳能电池500G5可包括第一子单元或单元540A和第二子单元或单元 540B，并且非吸收隧道结542A设置在第一单元540A和第二单元540B之间。 第一单元540A可包括基板或基极层502以及发射极层504。基极层502可 为n掺杂的硅n-Si，而发射极504可为重p掺杂的硅p+Si。形核层506可 用在单元540A的发射极层504上。然后，缓冲层508G可沉积在形核层506 上并且可包括涉及一个或多个半导体元素的成分等级。例如，缓冲层508G 可由p掺杂Al(1-Z)GaZAs(1-X-Y)N(Y)P(X)制造，其中X、Y和Z表示成分等 级变量以在缓冲层508G的厚度上实现所希望的对应带隙梯度。仅为说明的 目的，成分等级变量x的范围可为0.85至0.92，并且成分等级变量y的范围 可为0.015至0.025以在缓冲层508G的厚度上提供范围为1.8eV至1.9eV 的带隙梯度。
然后，隧道结542A可设置在缓冲层508G上。隧道结542A可包括重p 掺杂的第一半导体层510和重n掺杂的第二半导体层512。BSF层514可提 供在隧道结542A上，该BSF层514G包括一个或多个半导体元素的成分等 级。例如，BSF层514G可包括n掺杂Al(1-Z2)GaZ2As(1-X2-Y2)N(Y2)P(X2)，其 中X2、Y2和Z2表示成分等级变量以在BSF层514G的厚度上实现所希望 的对应带隙梯度。仅为说明目的，成分等级变量x2的范围可为0.8825至 0.9975，并且成分等级变量y2的范围可为0.0025至0.0175以在BSF层514G 的厚度上提供范围为1.9eV至2.2eV的带隙梯度。第二单元540B的基极层 518G可提供在BSF层514G上并且可包括一个或多个半导体元素的成分等 级。例如，基极层518G可为n掺杂GaAsN(Y3)P(X3)，其中X3和Y3表示成 分等级变量以在基极层518G的厚度上实现所希望的对应带隙梯度。仅为说 明目的，成分等级变量x3的范围可为0.81至0.88，并且成分等级变量y3 的范围可为0.03至0.02以在基极层518G的厚度上提供范围为1.70eV至1.80 eV的带隙梯度。发射极层520G可提供在基极层518G上以形成第二单元 540B，并且发射极层520G可包括具有一个或多个半导体元素的等级的成分。 例如，发射极层520G可为p掺杂Al(X4)Ga(1-X4)P，其中X4表示成分等级 变量以在发射极层520G的厚度上实现所希望的对应带隙梯度。仅为说明目 的，成分等级变量X4的范围可为0至0.2以在发射极层520G的厚度上提供 范围为2.2eV至2.3eV的带隙梯度。
窗口层532G可提供在第二单元540B上，窗口层532G可包括具有一个 或多个半导体元素等级的成分。例如，窗口层532G可为p掺杂Al(X5)Ga(1-X5)P，其中X5表示成分等级变量以在窗口层522G的厚度上实现所希望的对应 带隙梯度。仅为说明目的，成分等级变量x5的范围可为0.20至0.65以在窗 口层522G的厚度上提供范围为2.3eV至2.4eV的带隙梯度。为了在太阳能 电池500G5和负荷(未示出)之间提供电接口，例如包括重p掺杂GaAs的 接触层566可提供在窗口层522G上。尽管太阳能电池500G5示出为p-on-n 结构并且其中基板例如为n掺杂，但是太阳能电池500G5可制造为n-on-p 结构并且每个半导体层的极性具有替换性的掺杂而非如上所述。
对于优化的太阳能电池，例如可采用成分等级进行优化，并且可能还希 望优化多结太阳能电池装置中子单元或单元之间采用的隧道结。例如，为了 减少所产生的载流子在不同单元之间的势垒，这些单元结构通过采用隧道结 相互连接。为了最小化用于形成一个或多个隧道结的半导体层中的光吸收， 这些层的带隙应大于基板的带隙，例如大于硅基板的1.1eV。采用带隙大于 1.8eV的材料的多结太阳能电池装置的高带隙隧道结可采用(AlInGa) (PAsN)制造。这样的隧道结材料的晶格参数也精密(closely)匹配于硅的 晶格参数。
转到图6A，示范性多结太阳能电池600包括基板或第一单元602、中 间单元606和提供在其间的隧道结604。太阳能电池600还可包括顶部单元 610以及提供在中间单元606和顶部单元610之间的隧道结608。仅为说明 目的，基板602可为Si并且因此具有1.1eV的带隙。多结太阳能电池600 例如可通过制造技术而优化，以提供带隙范围为1.5eV至1.9eV的中间单 元606和带隙范围为1.9eV至2.3eV的顶部单元610。然后，隧道结604、 608可设计为采用基于(AlInGa)(PAsN)材料系统的多种材料，该材料精 密地晶格匹配于Si基板。如本领域的普通技术人员所理解的，将本公开的 教导应用于二结太阳能电池装置可潜在地生成不同的带隙范围，例如，使第 二单元的带隙范围为1.5eV至1.9eV。
转到图6B，示范性隧道结604可包括由第一材料的材料A制造的第一 层604A和由第二材料的材料B制造的第二层604B。隧道结608可包括与 隧道结604类似的结构和材料。仅为说明目的，第一层604A可包括碳(C) 掺杂GaP，并且第二层604B可包括碲(Te)掺杂的AlP，所形成的隧道结 604的带隙大于2.2eV。可替换地，第一层604A可包括碳掺杂的AlGaP， 由成分方程式AlXGa(1-X)P表示；且第二层604B可包括碲掺杂的AlXGa(1-X)P；其中层604A、604B中的每一个的成分可根据需要调整，从而最小化例 如可能导致性能降低的氧化。在这样的系统中，可增加Ga，以形成更加稳 定的成分，但是或许具有较低的带隙。作为另一个示例，第一层604A可包 括碳掺杂的AlGa(In)AsNP，并且第二层604B可包括碲掺杂的AlGa(In) AsNP，所形成的隧道结604的带隙大于1.8eV。上面材料的任何组合，例 如二元、三元或四元组合，可用于制造隧道结604、608。尽管碳和碲描述为 分别对应于p型和n型掺杂物，但是可采用任何适当的掺杂物，例如，p型 掺杂物也可包括锌和镁，并且n型掺杂物也可包括硅和硒，此处仅为少数示 例。
转到图6C，隧道结604-1类似于隧道结604，但包括在第一层604A和 第二层604B之间的δ掺杂层604D。隧道结604-1的各种层604A、604B、 604D相对于彼此不按比例并且不需要具有如所示的相对厚度。例如，第一 层604A的厚度范围可为2nm至20nm，第二层604B的厚度范围可为2nm 至20nm，并且δ掺杂层604D的厚度可忽略。然而，本领域的技术人员可通 过用厚度范围1nm至10nm的重掺杂层来实现δ掺杂的效果。包含该δ掺杂 层604D可改善隧道结604A的电流处理能力，例如提供更加优化的太阳能 电池600。
δ掺杂层604D的存在可在带隙大于2eV的Ga(In)AsNP层中提高隧 道结604A的电流运载能力，其中可能更难实现高掺杂水平。更具体而言， 对于包括碳掺杂Ga(In)AsNP的第一层604A和包括碲掺杂Ga(In)AsNP 的第二层604B，其中第一和第二层604A、604B的对应带隙大于2eV，可 提供碲的δ掺杂层604D以提高隧道结604A的电流运载能力。δ掺杂层604D 可通过适当的方法实现，例如通过传统的δ掺杂技术或者大块层δ掺杂技术。 例如，在传统的δ掺杂中，可暂停例如第一层604A的当前半导体的晶体生 长，然后可生长或者沉积掺杂材料，接下来继续进行例如第二层604B的晶 体生长。可替换地，可继续生长晶体，然后加入掺杂材料以超过当前材料的 饱和生长。
转到图7，示出了示范性AlP/GaP异质结面的能带排列。AlP/GaP包括 型-II能带排列。隧道结由AlP:Te/GaP:C掺杂层形成，如图8所示。AlP和 GaP中的掺杂水平可大于5x 1018cm3。采用Ga(In)AsNP层的隧道结可形 成为具有或不具有在隧道结的p++和n++层之间的δ掺杂互连层。δ掺杂层 将提高带隙大于2eV的Ga(In)AsNP层中隧道结的电流运载能力，其中 难以实现高水平的掺杂。
在一个示例中，本方法包括终止层，该终止层包括铝或铟或者类似物。 在一个示例中，MOCVD/MOVPE环境下的铝减少了与Ga/Si相关的分流 (shunt)以及其它缺陷。在一个示例中，镓与硅相互作用，并且可能“回蚀” 或者“腐蚀”硅。可能形成镓回蚀硅的晶体缺陷。也已经观察到，超量镓的存 在可导致易于发生这些Ga/Si缺陷。另外，在顶部单元沉积期间，这些缺陷 可向上传播通过整个晶体直到晶片表面。当镓相关缺陷—“毛刺”位于汇流条 (bus bar)下时，可能导致分流。因此，在终止层及随后的顶部单元的沉积 期间，腔中存在的镓或者在沉积进行之前残留在腔内部件上的镓可能腐蚀硅 且形成Ga/Si相关毛刺。这些可能在太阳能电池装置上起到分流作用并导致 短路。采用本发明，已经克服了这些和其它缺陷。
也就是说，在一个示例中，本技术方案已经克服了这些缺陷。一种方法 是针对每次沉积“清洁”腔内部件。然而，这不利于开发高产出、低成本工 艺。可替换地，已发现在MOCVD环境下采用铝可大大减少Ga和Si的相互 作用。这减少了Ga/Si相关缺陷的存在并且允许利用腔维护规程助于高产出、 低成本制造。另外，铝通常比镓低廉且更易获得，从而为了更经济的结构而 优选采用铝。
在一个示例中，如图9所示，本技术方案示出了具有AlP终止层而不具 有明显Ga相关缺陷的晶片示例。如图10所示是具有GaP终止层和Ga-回蚀 相关缺陷的晶片示例。右手侧的图像是示出黑斑的左手侧图像上突出显示部 分的放大图像，这些黑斑为Ga回蚀相关缺陷/毛刺。
在图11所示的示例中示出了由Ga“毛刺”引起的太阳能电池中的分流区 域，Ga“毛刺”与硅相互作用且在顶部单元沉积过程中向上传播。该分流位 于装置指部的紧下方，因此使太阳能电池短路。已发现，从Al(50％)Ga (50％)P至Al(100％)P的浓度范围减少了该Ga相关缺陷并且还提供了 良好的表面形态。在图12所示的示例中，一些照片示出了Al％>50％的范围 的良好质量表面。因为AlP容易氧化，所以建议采用浓度范围为50％至90％ 的铝以保证稳定的终止层。如所示，图13示出了终止层100A，其具有沉积 在顶部的3.5um的GaP。在AlGaP的核中以Al％改善了表面形态。在可替 换示例中，本技术方案引入0.5％-3％的氮以晶格匹配于硅从而形成AlGaNP。
在进一步的示例中，可引入铟以与镓相互作用，这与铝类似。铝不是可 在HVPE/VPE环境中典型采用的元素，从而在VPE环境下可使用铟来替代 铝获得相同的效果。
在一个示例中，本技术方案包括用VPE、HVPE、LPE或MBE沉积的 外延形成材料。在一个示例中，优选采用VPE/HVPE以及V族元素的所有 氢化物(NH3、PH3、AsH3)。在一个示例中，VPE和HVPE可实现高生长 率。在一个示例中，沉积率超过30um/小时，并且采用每年能生产>150,000 个晶片的工具平台。在一个示例中，一倍太阳光强(1-sun)应用的总设备成 本目标比每年平均晶片生产的总设备成本低$3。例如，每年生产150,000个 晶片的工具成本<$450,000。所提出的结构设计不存在需要由MOCVD和 MBE提供的先进控制的统一性要求。因此，可采用VPE/HVPE，利用其高 沉积率和产能的优点。
在一个示例中，通过扩散或其它技术方案形成埋入发射极层。在一个示 例中，该埋入发射极是在2012年10月26提交的共有美国临时申请No. 61/718,708中描述的埋入发射极，并且该申请通过引用并入于此。在一个示 例中，本技术方案采用埋入发射极，其中，Si-发射极在沉积之前形成。在一 个示例中，与其依赖于例如GaP的III-V半导体材料作为扩散元素源以产生 n型发射极，不如像此处公开的工艺那样依赖于在可控环境下有意扩散III-V 元素或者依赖于离子注入以在外延生长之前形成埋入发射极。此外，这样的 工艺可结合各种非-III-V元素以形成所希望的n型发射极，并且同时仍与能 够在诸如串接单元的Si太阳能电池上生产高效III-V的低成本工艺相兼容。 在一个示例中，埋入发射极设计还能在n型Si基极晶片内形成p型发射极。
在一个示例中，提供了N型扩散方案(recipe)的细节。关于在III-V 沉积腔中将磷扩散到p型基板中，具有下面描述的下述扩散工艺；参见图13， 其示出了硅基板中磷的扩散图形。在一个示例中，在100mbar下的MOCVD 反应器中执行扩散，但可存在变型。在一个示例中，该方法包括在1100C下 在PH3和H2预沉积5分钟，且在1150C下在H2中深入(drive-in)执行1.5 分钟。在一个示例中，蓝色曲线示出了有源n型掺杂浓度。这可执行少于10 分钟并且仍能实现高产出沉积工艺。当然，可存在变型。
在一个示例中，在将硅晶片加载到III-V沉积腔中之前通过扩散形成埋 入发射极层。在某些情况下，可优选在III-V沉积之前执行扩散。在一个示 例中，该技术方案采用传统模块生产线的扩散工艺，从而与传统的技术相比 仅需要对底部单元的发射极形状进行最小的变化。另一个益处是在这之后通 过不在腔中进行扩散而实现的最大化或改善III-V沉积腔的晶片产量的灵活 性。在一个示例中，典型的外部磷扩散发生在850C的范围内达约30分钟， 并且以下是典型的发射极形状。
在一个示例中，在将硅晶片加载到III-V沉积腔中之后通过扩散形成埋 入发射极层。如果用于扩散的附加时间和费用少于在模块生产线中执行扩散 的成本，则希望在与III-V沉积相同的腔中执行扩散。在一个示例中，该工 艺的特征是以最小的附加源成本增加了少于10分钟的总工艺时间，据信这 消除了对具有扩散炉的硅模块生产线的需求。因此，生产占地面积配置有其 它设备，例如III-V沉积腔。
在可替换示例中，埋入发射极层通过离子注入形成。在一个示例中，在 诸如串接单元的一般串接单元中提供发射极结构的另一个方法是通过离子 注入工艺在与顶部单元相关的III-V半导体层的外延生长之前形成埋入发射 极。在材料加工工艺中，离子注入涉及在电场中加速特定元素的离子，并且 撞击固体，因此导致固体的物理和/或电特性的变化。与硅基生产中常规采用 的低成本生产技术相一致，离子注入可采用As、P、B、Ga、Sb、Al、In和 N元素以提供在一般串接单元中埋入的坚固的发射极结构。可通过固体溶解 度极限和注入投影射程(projected range)的对应分析来选择适用于适当条件 下离子注入的元素。注入射程的示例可在2012年10月26日提交的共有美 国临时申请No.61/718,708中附图3A、3B、3C、3D和3E的描述中找到。
在一个示例中示出了在硅中注入各种元素的投影射程，该投影射程在此 限定为距注入浓度达到其峰值的表面的距离。基于停止射程和离子剂量，可 在特定的离子能量下估算离子注入的分布轮廓(profile)。一条曲线示出了硼 的投影射程，一条曲线示出了磷的投影射程，一条曲线示出了Ga的投影射 程，一条曲线示出了As的投影射程，并且一条曲线示出了Sb的投影射程。
在一个示例中示出了在1E15ions/cm3的离子剂量和120keV下、在Si 中注入P、As和Sb的分布轮廓。一条曲线示出了Sb的注入分布轮廓，而一 条曲线示出了As的注入分布轮廓，并且一条曲线示出了磷的注入分布轮廓。 各分布轮廓遵循元素浓度与深度之比，深度即硅晶片内的深度。
在一个示例中，将更加详细地讨论注入As的离子注入工艺。假设为串 接单元，曲线表示在1E15ions/cm3的剂量和60keV下、在Si中注入As的 分布轮廓。n型Si发射极由离子注入工艺以及扩散自沉积在硅上的GaP的 Ga和P形成。在注入步骤后可能需要在1000℃进行1分钟的活化退火，但 是这对最终的As分布轮廓的影响很小。该示例中考虑了Ga、As和P的固 体溶解度极限，并且假设在生长条件下As、P和Ga的电活性掺杂物分别为 44％、55％和60％。假设Si晶片具有3E15cm-3的均匀的p型掺杂。
在一个示例中，通过采用深入(drive-in)工艺，可调整As的分布轮廓 以提供具有最佳性能的更稳定且更具可制造性的装置结构。作为一个示例， 假设采用快速热退火(RTA)系统在1150℃下执行2分钟的深入退火。在 该示例中，假设深入退火激活注入，并且假设顶部单元的外延生长对As分 布轮廓的影响极小。通过使额外的As朝着发射极和GaP之间的界面深入， 深入步骤将去除过渡区域并且保持更恒定的电子浓度曲线。
在一个示例中，隧道结区域包括掺杂的硅层。在一个示例中，所提供的 技术包括完全在硅中的隧道结并且其顶部具有III-V单元。作为一个示例， 包括位于隧道结内的硅掺杂和/或层。在一个示例中，尽管硅是吸收层，但是 可能希望在这些类型的结构中具有采用硅的隧道结，这是因为极薄的层的吸 收性极小而隧道结的硅部分的窄带隙能够降低隧道电阻。这些可替换设计相 对于整体光伏设计提供了用以生产最佳隧道结的额外的灵活性，从而在吸收 性和低电阻之间提供最佳的平衡。另外，因为高掺杂浓度对于实现突变结很 重要，所以Si因能够高掺杂而具有进一步的优点。掺杂物倾向于在随后的 工艺步骤中彼此扩散和补偿，这可降低隧道结形状的突变，并且因此掺杂浓 度越高、越适合制造。采用Si的隧道结的优点应适当地与诸如Si的低带隙 材料相关的光学吸收性的增长相平衡。然而，串接单元太阳能电池构造中的 底部单元吸收近红外光波长，由于这一事实的存在，厚度小于100nm的Si TJ 结构不应导致显著光学损耗。可在通过引用并入于此的P003中找到隧道结 的进一步细节。在一个示例中，隧道结区域包括含掺杂的镓和磷的层。
在一个示例中，接触层与硅基芯片代工厂(foundry)生产中采用的银 和铜基接触方案相兼容。在一个示例中，所希望的接触层的带隙大于基极层 (接触层范围可为1.7-2.0eV)并且能形成具有小于10-4ohm-cm2的电阻(具 有标准硅模块接触方案)的欧姆接触。另外，接触层也可用作用于前侧电极 的横向电流传输层。在此情况下，希望片阻小于每平方500ohms。示范性材 料可包括但不限于In(x)Al(y)Ga(1-x-y)P、GaAs(x)N(y)P(1-x-y)、 GaP、ZnO、ITO。该材料可为应变材料或非应变材料，只要它能充分高掺杂 且能应用标准接触方案(例如丝网印刷)即可。
在一个示例中，这里描述的光伏装置采用的材料与丝网印刷或硅基光伏 制造中采用的其它接触方案(包括但不限于镀覆和光刻)相兼容。例如，这 里公开的光伏装置与通过丝网印刷或镀覆而沉积的银和铜基接触相兼容。可 能要求该接触层能允许在金属栅格和半导体之间形成低电阻接触，并且可在 或不在指部之间蚀刻该接触层，这取决于指部是否为透明的。如果需要蚀刻， 则作为制造工艺的一部分，用于这样的接触层的蚀刻化学物也应与本说明书 中描述的各种接触方案相兼容。
在一个示例中，例如，GaAs接触层是之前已经采用过的但是具吸收性 的。所希望的接触层的带隙可大于1.9eV，并且能形成电阻小于10-4ohm-cm2的欧姆接触。另外，接触层也可用作用于前侧电极的横向电流传输层。在此 情况下，希望其片阻小于每平方500ohms。示范性材料可包括但不限于In (x)Al(y)Ga(1-x-y)P、GaAs(x)N(y)P(1-x-y)、GaP、ZnO、ITO。 该材料可为应变材料或非应变材料，只要它能充分高掺杂且能应用标准接触 方案(例如丝网印刷)即可。然后可通过化学气相沉积或溅射沉积工艺而任 意沉积抗反射覆层(ARC)或者透明导电氧化物(TCO)层，从而基本完成 接触的形成。
在一个示例中，为了加厚格栅而进行电镀，并且在这样的格栅加厚之前 可能需要接触合金。
在一个示例中，接触层的带隙大于第二有源单元的基极的带隙。也就是 说，基极的范围为1.7-1.9eV，但可存在变型。从而，接触层的范围为1.8-2.0 eV。由于接触层在此情况下是非吸收的，所以其是优选的，因为不需要去除 任何接触层材料。因此，与标准Si基模块生产工艺相比，本公开的模块生 产工艺不会增加额外的工艺步骤。
在一个示例中，接触层的带隙小于第二有源单元的基极的带隙。可能必 须利用窄带隙材料来获得良好的接触。在此情况下，可利用带隙范围为1.1eV –1.5eV的材料。在一个示例中，可采用p型或n型发射极中的任何一个形 成埋入发射极区域。在一个示例中，N型埋入发射极方案已经在前面的说明 书中进行了描述。
对于采用n型硅的模块生产线而言，使用具有n型基极晶片的p型发射 极是合意的。N型通常用于高效率硅单元。现有技术中的发射极形成方法无 法形成p型发射极，因为来自GaP外延的Ga分布轮廓不能提供合适的扩散 分布轮廓。下面描述在III-V腔中进行Al扩散的P型方案。还希望在III-V 腔中进行硼扩散或者在III-V沉积前进行硼扩散。在其它示例中，可包含Ga 来制造该区域。当然，可存在变型。
在可替换示例中，本发明提供采用Si基模块兼容工艺制造多结单片集 成光伏装置的方法。在一个示例中，该方法包括提供硅基板，该硅基板具有 表面区域。在一个示例中，硅基板能使模块生产的成本点在每瓦特23美分 和$1.00之间，具有非纹理表面，并且在[100]晶面中的主取向具有朝着[111] 晶面的、在0.2度至10度范围内的倾斜(offcut)。在实现成本目标的前提下， 硅基板可为标准太阳能级晶片或者高质量“半导体级”晶片。在一个示例中， 该方法包括在硅基板上提供第一有源单元，第一有源单元包括基极。该基极 可为n型或p型硅，这取决于模块生产的效率和成本要求。第一有源区域基 极将由与硅基板提供的材料相同的材料组成。典型地，n型晶片和基极区域 用于最高效率的单元和模块，但是p型晶片和基极用于低成本和低效率的单 元和模块。
在一个示例中，该方法包括使第一有源单元区域经受热处理以在第一有 源区域中形成埋入发射极区域并且致使形成包括第一表面区域的第一有源 单元。在一个示例中，埋入发射极区域形成为使其能够重复生产且在符合总 的热预算后具有25％-37％的效率，该总的热预算与第二和/或第三有源区域 的形成以及随后的Si基模块生产工艺相关。埋入发射极的厚度范围可为 50nm至700nm，其掺杂分布轮廓的范围可为1E16cm-3至1E20cm-3。不依 赖于作为扩散元素源的III-V半导体材料(例如GaP)来形成n型发射极， 本发明的方法依赖于在可控环境下有意增加的杂质/元素，从而在沉积第二单 元之前形成埋入发射极。此外，这样的工艺可结合各元素以形成所希望的埋 入发射极并且同时仍与低成本工艺相兼容，从而能在Si太阳能电池上生产 高效率III-V。在一个示例中，硅基太阳能电池可由传统的制造商提供。
在一个示例中，该方法包括清洁第一表面区域以使其基本上不包含有机 或金属污染物。第一表面区域的清洁在能够通过蚀刻或吸附而去除有机和金 属污染物的环境下进行。该去除操作发生在第二单元的形成之前，并且可在 沉积腔外(异位)执行或原位执行。异位清洁可采用多种化学物和条件，包 括HF基溶剂。原位清洁需要满足必要的温度阈值以去除自然氧化物，并且 需要满足一定环境条件以允许该表面免于Ga、Al、In、Te、O、C、H、Si、 As、P、N、Mg、Zn、B或任何其它金属或有机材料的实质上无意的添加或 污染。在一个示例中，该方法包括形成覆盖第一表面区域的终止层，终止层 具有含外延形成材料的镓和磷的厚度，该外延形成材料是在第一温度范围采 用MOCVD工艺提供的，含外延材料的镓和磷的厚度的特征在于螺旋位错密 度为1×105至1×107cm-3的区域并且厚度范围为50A–1000A或优选为约 100A，但可存在变型。在一个示例中，该方法包括形成覆盖埋入发射极区域 的隧道结区域。隧道结提供第一和第二有源单元之间的电流匹配，并且使电 阻和光学损耗足够低以使单元效率能大于25％。隧道结优选形成在第一有源 单元和第二有源单元的埋入发射极之间。隧道结可完全或部分地包含在硅晶 片内，或者可在沉积第二有源单元之前沉积在硅晶片的顶部上。该方法包括 形成覆盖隧道结区域的背面区域，该背面区域产生的电场强度适于将载流子 传送出基极区域以聚集。在一个示例中，该方法包括采用第二温度范围形成 第二有源单元以覆盖该背面区域。第二有源单元包括基极和发射极。第二有 源单元由一个或多个III-V半导体层形成并且特征在于螺旋位错密度为1× 105至1×107cm-3；用在PV系统中可使其具有适当的可靠性。在一个示例 中，第一有源单元区域和第二有源单元区域的特征在于单元级效率为约25％ 至37％。
在一个示例中，本方法采用来自多个制造商中的一个制造商的硅太阳能 电池，其每一个具有相同或不同的单元构造。在一个示例中，提供硅基板、 在硅基板上提供第一有源单元以及使第一有源单元区域经受热工艺以在第 一有源区域中形成埋入发射极区域且致使形成第一有源单元的这一过程是 由太阳能电池的制造提供的，该太阳能电池具有构造为用于单结太阳能模块 (构造为用于硅单元)或可替换地构造为用于本发明提供的多结单片集成光 伏装置的接触图案。在该示例中，该方法通过执行下面的步骤形成第二单元： 清洁第一表面区域以使其基本上不包含有机或金属污染物，形成覆盖第一表 面区域的终止层，形成覆盖埋入发射极区域的隧道结区域，形成覆盖隧道结 区域的背面场区域以及采用第二温度范围形成覆盖背面场区域的第二有源 单元，并且其后形成具有覆盖背面场区域的接触图案的接触层以完成多结装 置。
在一个示例中，本技术方案包括晶格匹配的终止层，其能与一个或多个 材料相兼容。在一个示例中，薄的、低位错密度的III-V顶部单元可直接沉 积在硅晶片上，该硅晶片可来自多个太阳能工艺。在一个示例中，终止层的 特征在于总沉积厚度在0.5um和1.5um之间，这对于高产量和低成本的顶部 单元沉积工艺是必须的，该顶部单元沉积工艺仅需要一个沉积工具，但可存 在变型。在一个示例中，本发明的方法可获得可调整的低成本结构，该结构 更易于在现有的硅基单元和模块生产设备中使用。
在一个示例中，通过采用现有的发射极扩散性能或者通过利用各种金属 化方案，本方法可用于p型或n型硅晶片。在一个示例中，本技术方案能利 用标准硅发射极形成工艺，从而在p型和n型晶片二者的底部单元中采用硅 发射极。在一个示例中，本技术方案采用标准背面接触方案，该方案已被配 置为用于单结模块工艺并且可与本发明的多结构造方案一起使用。在一个示 例中，已经实现了与标准硅基前部接触方案的兼容性。在大量生产中，该方 案能为硅单元或模块设备提供标准厚度的模块，n型或p型硅晶片具有沉积 在硅晶片顶部上的少于1.5um的顶部单元材料。硅基生产设备能使该晶片 “落”到生产线上，并且能利用现有的工厂和成套设备来形成最终单元或模 块的剩余部分。
在一个示例中，顶部单元沉积工具可放置在生产车间。标准的硅晶片可 进入工厂且经历标准发射极扩散工艺。可将这些晶片加载到顶部单元沉积腔 中，并且该顶部单元可以以不会不利地影响最终发射极扩散分布轮廓的适当 热预算进行沉积。晶片可从顶部单元沉积腔卸载，然后经受标准的背面和表 面生产工艺。
一方面，提供制造光伏装置的方法，该方法包括提供硅基板、在硅基板 上提供第一有源单元和在第一有源单元上提供第二有源单元。第一有源单元 可包括基极和发射极区域，并且第二有源单元可包括基极和发射极，第二有 源单元由一个或多个III-V半导体层形成。第一有源单元的埋入发射极区域 可通过一个或多个III-V元素的扩散或离子注入形成。在一些实施例中，III-V 元素包括选自包括As、B、Ga、Sb、N、In和Al的组的元素，并且还可包 括或可不包括P。在其它实施例中，在提供第一和第二有源单元的过程中将 温度曲线考虑在内，该温度曲线也可包括在其它后续制造工艺过程中的温度 范围。在其它的实施例中，温度曲线选择为减少III-V元素的扩散，作为提 供第二有源单元的一部分。在某些实施例中，第一有源单元的基极是p型基 极，第一有源单元的埋入发射极区域包括n型发射极，并且该埋入发射极区 域可通过扩散形成。扩散可包括选自包括As、N和Sb的组的III-V元素的 扩散，并且可包括或可不包括P。在其它实施例中，第一有源单元的n型埋 入发射极区域通过III-V元素的离子注入形成，该III-V元素选自包括P、As、 N、Sb、Al、In、B和Ga的组。在某些其它实施例中，第一有源单元的基极 是n型基极，并且第一有源单元的埋入发射极区域包括p型发射极。扩散可 包括选自包括Ga、B、Al和In的组的III-V元素的扩散。在其它的实施例中， 第一有源单元的p型埋入发射极区域由选自Ga、B、Al和In中的一个或多 个的III族元素的离子注入形成。
在其它的实施例中，光伏装置的第一部分可在硅腔中制造，并且光伏装 置的第二部分可在III-V腔中制造；光伏装置的第一部分可包括第一有源单 元的埋入发射极区域。硅腔和III-V腔可为相同的工具。在其它实施例中，δ 掺杂层可在第一有源单元之前提供，并且该δ掺杂层可包括Ga或Al。
另一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供第一 有源单元以及在第一有源单元上提供第二有源单元，第二有源单元由一个或 多个III-V半导体层形成。第一有源单元的基极可包括单晶硅或多晶硅。在 某些实施例中，硅可包括结晶取向。该结晶取向可为与(100)晶轴偏离2 度或小于2度。在其它实施例中该结晶取向可为(100)晶轴，但在另一些 实施例中该结晶取向可为与(100)晶轴偏离大于2度。在某些实施例中， 硅基板是有纹理的，而在其它实施例中该硅基板包括用于随后沉积的表面整 理。硅基板可适用于HIT单元，或者可为太阳能级晶片，或者可为半导体级 晶片。在其它实施例中，硅基板包括无切缝硅(kerf-free silicon)。
又一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供第一 有源单元、在第一有源单元上提供第二有源单元(第二有源单元包括一个或 多个III-V半导体层)以及在第二有源单元上提供接触层(可利用硅基光伏 制造工艺中采用的接触方案提供该接触层)。在某些实施例中，硅基光伏制 造工艺是丝网印刷。在其它实施例中，接触层与银和铜基接触相兼容，并且 银和铜基接触可通过丝网印刷或镀覆提供。在另一些实施例中，接触层可由 带隙大于1.9eV的材料制造。在某些实施例中，接触层包括GaP，或者包括 In(x)Al(y)Ga(1-x-y)P，或者包括GaAs(x)N(y)P(1-x-y)，或者 包括ZnO，或者包括ITO。在其它实施例中，提供电连接到接触层的第一接 触，并且提供电连接到第一有源单元的基极的第二接触。在某些实施例中， 第一接触临近于接触层并且第二接触层临近于第一有源单元的基极，而在其 它实施例中，第一和第二接触临近于接触层设置或者临近于第一有源单元的 基极设置。
另一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板以及在硅基板上提供第 一有源单元，第一有源单元包括埋入发射极区域，其中埋入发射极区域通过 选自III-V族元素的III-V元素的扩散形成，III-V族元素不包括P。在某些实 施例中，III-V族元素包括As、B、Ga、Sb、N、In和Al。在其它实施例中， 该方法还包括在第一有源单元上提供第二有源单元，第二有源单元由一个或 多个III-V半导体层形成，在提供第二有源单元的一个或多个III-V半导体 层之前形成第一有源单元的埋入发射极区域。在又一些实施例中，第一有源 单元的基极是p型基极，发射极区域包括n型发射极，并且III-V族元素包 括As、N和Sb。在另一些实施例中，第一有源单元的基极是n型基极，发 射极区域包括p型发射极，并且III-V族元素包括B、Ga、In和Al。
另一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供包括 n型基极和p型埋入发射极区域的第一有源单元以及在第一有源单元上提供 包括基极和发射极的第二有源单元，第二有源单元由一个或多个III-V半导 体层形成。在某些实施例中，第一有源单元的p型埋入发射极区域通过III 族元素的扩散形成。III族元素可选自Ga、B、Al和In。在又一些实施例中， 第一有源单元的p型埋入发射极区域通过III族元素的离子注入形成。III族 元素可选自Al、In、B和Ga。
又一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供包括 基极和埋入发射极区域的第一有源单元、在第一有源单元上提供由一个或多 个III-V半导体层形成的第二有源单元，在提供第二有源单元之前通过扩散 形成埋入发射极区域。在某些实施例中，扩散包括III-V元素的扩散，III-V 元素可选自包括As、B、Ga、Sb、N、In和Al的III-V族元素并且可包括P 或可不包括P。在其它实施例中，第一有源单元的基极是p型基极，埋入发 射极区域包括n型发射极，并且III-V族元素包括As、N和Sb。在其它实施 例中，第一有源单元的基极是n型基极，埋入发射极区域包括p型发射极， 并且III-V族元素包括B、Ga、In和Al。
另一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供包括 基极和埋入发射极区域的第一有源单元以及在第一有源单元上提供包括一 个或多个III-V半导体层的第二有源单元，第一有源单元的埋入发射极区域 通过离子注入形成，在提供第二有源单元之前形成第一有源单元的埋入区 域。在某些实施例中，离子注入包括选自包括P、As、N、Sb、Al、In、B 和Ga的III-V族元素的III-V元素的注入。在其它实施例中，第一有源单元 的基极是p型基极，第一有源单元的埋入发射极区域包括n型发射极，并且 III-V元素可选自包括P、As、N和Sb的III-V族元素。在另一些实施例中， 第一有源单元的基极是n型基极，埋入发射极区域包括p型发射极，并且III-V 元素可选自包括B、Ga、In和Al的III-V族元素。在某些实施例中，该方法 与硅模块生产工艺兼容。在其它实施例中，该方法提供的位错密度足够低以 实现大于或等于25％的效率。
又一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供包括 基极和埋入发射极区域的第一有源单元以及在第一有源单元上提供由多个 III-V元素形成的第二有源单元，采用低热预算以最小化该多个III-V元素扩 散到埋入发射极区域中的可能。在某些实施例中，在提供第二单元之前形成 第一有源单元的埋入发射极区域。在其它实施例中，埋入发射极区域通过 III-V元素的扩散形成，而在其它实施例中，埋入发射极区域通过III-V元素 的离子注入形成。在另一些实施例中，埋入发射极区域通过III-V元素的离 子注入形成，III-V元素可为As，并且还可提供深入扩散(drive-in)步骤以 增加埋入发射极区域和第二有源单元之间的As浓度。
另一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供第一 有源单元、在第一有源单元上提供包括一个或多个III-V半导体层的第二有 源单元以及在第一和第二有源单元之间提供隧道结。在某些实施例中，隧道 结形成在第一有源单元内。在其他一些实施例中，隧道结的第一部分形成在 第一有源单元内并且隧道结的第二部分形成在第二有源单元内，隧道结的第 一部分可包括硅。在另一些实施例中，隧道结的第二部分包括GaP。在又一 些实施例中，隧道结包括Al(x)Ga(1-x)As(1-y-z)N(y)P(z)。在其 它实施例中，隧道结包括邻近于第一有源单元的第一部分和邻近于第二有源 单元的第二部分，第一部分为第一极性并且第二部分为与第一极性不同的第 二极性。在某些实施例中，第一部分可为n型并且第二部分可为p型，而在 其他一些实施例中，第一部分可为p型并且第二部分可为n型。
再一方面，方法包括在光伏装置上提供接触层、在接触层上提供金属、 去除接触层的一部分以及在该金属和该接触层的剩余部分上提供限定接触 的材料。在某些实施例中，接触层的带隙可低于1.9eV。在某些实施例中， 可在提供金属之前执行去除接触层的一部分的步骤。在另一些实施例中，该 金属通过镀覆或光刻或荫罩板蒸发(shadow mask evaporation)提供。在又 一些实施例中，接触层与银和铜基接触相兼容，并且银和铜基接触可通过丝 网印刷或镀覆而沉积。在某些实施例中，金属和接触层之间的电阻小于1E-4 ohm-cm2，并且接触层的片阻可小于每平方500ohms。在某些实施例中，接 触层是应变层，而在其它实施例中，接触层是非应变层。
又一方面，制造光伏装置的方法包括提供硅基板、在硅基板上提供第一 有源单元、在第一有源单元上提供包括一个或多个III-V半导体层的第二有 源单元以及提供彼此间隔一定距离的多个接触。在某些实施例中，该距离选 择为使该多个接触的遮蔽损耗(shading loss)与第二有源单元的发射极的片 阻的电阻损耗相平衡。在另一些实施例中，由该多个接触的遮蔽损耗和第二 有源单元上片阻的电阻损耗引起的功率损耗可通过如下示出的函数计算得 到：
R loss = j sc 2 R sheet l 2 3 ( mW cm 2 ) , ]]>
其中l是多个接触的每一个之间的距离，Rsheet是顶部有源单元的发射极 的每平方电阻。在另一些实施例中，多个接触的每一个之间的距离的优选值 发生在函数的最小值处。
再一方面，光伏装置包括具有基极和埋入发射极区域的第一有源单元以 及包括一个或多个III-V半导体层的第二有源单元；基极包括硅，第一有源 单元的埋入发射极区域在第二有源单元之前形成。另一方面，光伏装置包括 基板、提供在基板上的第一有源单元以及提供在第一有源单元上的第二有源 单元，第二有源单元包括一个或多个III-V半导体层。另一方面，光伏装置 包括硅基板、提供在硅基板上的第一有源单元、提供在第一有源单元上的第 二有源单元以及第二有源层上的接触层，该接触层利用硅基光伏制造中采用 的接触方案。
上面描述了N型埋入发射极工艺。对于采用n型硅的模块生产线而言， 使用具有n型基极晶片的p型发射极是合意的。N型通常用于高效率硅单元。 用于在硅晶片内形成发射极的传统方法依赖于在将基板加载到沉积腔之前、 使沉积在硅上的III-V材料扩散。该传统方法无法形成p型发射极，因为来 自GaP外延的Ga分布轮廓不能提供适当的分布轮廓。结果，传统方法依靠 沉积III-V p型发射极以用作底部单元发射极，底部单元发射极通常必须沉积 在N型硅底部单元基极晶片的顶部。
在一个示例中，本技术方案包括硅晶片内的顶部单元发射极从而获得需 要较少III-V材料沉积的低成本工艺，并且还可利用现有的高规模化和低成 本的硅模块可兼容生产工艺。下面描述在III-V腔中进行Al扩散的P型方案。 还希望在III-V腔中进行硼扩散或者在III-V沉积之前进行硼扩散。
在一个示例中，提供本发明的制造多结光伏装置的方法。该方法包括由 多个太阳能电池提供硅基太阳能电池。每个该太阳能电池可来自不同制造商 或来自相同制造商的不同制造工艺。硅基太阳能电池具有硅基板、提供在基 板上的第一有源单元以及待提供且兼容于硅基模块工艺的接触图案。也就是 说，太阳能电池，优选为晶片形式，可由多个制造商中的任何一个提供。硅 基太阳能电池可操作并兼容于硅基模块工艺，并且免于在生长了覆盖单元之 后施加任何覆盖接触金属化。在一个示例中，硅基太阳能电池以晶片形式提 供。该方法包括将硅基太阳能电池传送至用于第二有源区域的另一工艺操作 工序。该传送可至不同的位置或者在相同的地理位置。该方法接收太阳能电 池，并且形成提供在第一有源单元上的隧道结。该方法包括形成提供在隧道 结上的第二有源单元，其包括第一半导体层和第二半导体层，第一和第二半 导体层之一至少包括铝镓磷化物、镓磷化物或铝磷化物等。该方法包括采用 与硅基太阳能模块工艺兼容的多结接触图案形成覆盖第二有源区域的接触 层，并将多结光伏装置提供至硅基太阳能模块工艺且在硅基太阳能模块工艺 中采用该多结光伏装置以将该装置连同多个其它装置设置在基板上，其后在 该多个装置上设置盖板并且整体层压以形成具有该多个装置的模块。该方法 然后输出包括采用该接触图案的多结光伏装置的模块。当然，可存在变型。
在一个示例中，采用有意扩散或离子注入以及可选的低热预算工艺，在 诸如Si基极的p型Si晶片上形成发射极结构。尽管该发射极不是理想的发 射极，但是可通过利用由Si层上沉积的GaP提供的P和Ga的自然扩散分布 轮廓而在p型Si晶片内形成n型非埋入发射极。然而，这些元素的扩散分 布轮廓妨碍了在该Si晶片内形成任何发射极。因此，希望采用外延生长的p 型发射极，其要么是III-V材料、要么是Si。对于在n型Si基板内形成p型 Si发射极，期待的是可替换工艺。
在一个示例中，可通过扩散或离子注入工艺、在外延沉积工艺之前形成 n型Si基极上的p型发射极。尽管可采用任何适当的元素，但是可采用与低 成本Si基生产工艺兼容的某些元素。这样的元素例如可包括Ga、B、Al或 铟。作为仅出于说明目的的示例，可通过采用Al的扩散工艺形成发射极。 在一个示例中，也可采用Ga掺杂的Si发射极，因为Ga掺杂的Si在Si基 光伏模块中具有良好的可靠性。与传统硼掺杂的Si基极相比，Ga掺杂改善 了光诱导降解(LID)特性，因此其也为合意的发射极掺杂物。
另外，这里讨论或描述的扩散或注入工艺必须考虑到在III-V半导体材 料的沉积期间的适当的总热预算以用于形成顶部单元，并且应考虑随后的模 块生产步骤以提供正确的发射极厚度和可控、可重复的图形。因为磷比Ga 更容易扩散到Si中，所以为了形成p型Ga发射极，必须扩散或注入足够的 Ga以补偿任何过量的P扩散。
在某些Si-模块生产工艺中，在一个示例中可采用高达900-950℃的温 度，但该温度可更高或更低。应在发射极区域的设计和可制造性中考虑这些 高温和Si模块热循环。可采用通常适用于III-V生产的标准工具和温度。可 替换地，可采用Si基生产技术。例如，可采用标准的、低成本的、高容量 的Si基外延生产技术以在Si基极基板上提供外延生长的Si发射极，从而形 成模板晶片。然后，所形成的模板晶片可加载到III-V生产工具中以用于沉 积剩余结构。另外，潜在地，可在Si表面上沉积可提供较简单的形核以用 于随后的III-V沉积的层。也可在加载到III-V工具中之前在Si基工具中沉 积Si BSF。可采用能够执行Si基和III-V基外延二者的双腔系统而无需在不 同外延工具之间切换。
根据本公开，能够采用以足够低的生长温度和足够短的生长时间发生的 生长工艺，从而最小化任何来自外延的元素扩散到Si中的可能性。采用这 样的III-V沉积工艺是合意的，因为它的生产率较高并且工艺成本较低。另 外，通过消除来自沉积的III-V材料的元素扩散到Si晶片中的可能性，将产 生更加可控和可重复的形状。形成发射极的传统方法中，来自沉积的III-V 材料的P扩散到硅晶片中，这与高生产率、低热预算的III-V沉积工艺不兼 容。
为了潜在地补偿从沉积的III-V层扩散的元素，可在Si基板表面采用δ 掺杂。另外，这样的δ掺杂工艺可用于形成全部或部分隧道结层。
发射极设计还应考虑形核和缓冲层的形成，以在Si上实现高质量层。 为了使太阳能电池结构运行，形核和缓冲层的厚度必须很小并且必须仍具有 很低的位错密度。例如，位错密度可小于1E6cm-3。当然，可存在变型。
尽管已经结合几个特定示例描述了各实施例，但显然，对本领域的技术 人员而言，鉴于前面的描述，很多进一步的可替换方案、修改和变化是显而 易见的。在一个示例中，本发明的硅基太阳能电池可为高等级太阳能电池， 但也可采用诸如多晶硅或非晶硅的硅材料以及其薄膜的其它示例，例如 CdTe、CIGS/CIS等。因此，这里描述的实施例旨在包含落入所附权利要求 的精神和范围内的所有这样的可替换方案、修改、应用和变化。