專利名稱：多接面iii-v族光電池元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多接面III-V族化合物半導體光電池元件，尤其涉及具有重摻雜基板的多接面III-V族光電池元件。
背景技術：
太陽能電池裝置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 basedsolar 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 (Ci^nfe^e，簡稱CIGS)太陽能電池、及聚光型III-V族太陽能電池(III-V compound solar cell)等。傳統III-V族多接面太陽能電池(III-V multi-junction solarcell)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。III-V族多接面太陽能電池具有整合成模塊化的潛力，在諸多應用領域中，以應用砷化鎵(GaAs)的串迭型太陽能電池最廣泛，例如InGaP/GaAs/Ge和InGaP/GaAs等。使用III-V族多接面太陽能電池主要因素為將吸收不同波長光線的芯片堆棧起來，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III-V族多接面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。圖1顯示典型的堆棧型III-V族太陽能電池的剖面示意圖。傳統的堆棧型III-V 族太陽能電池100包括一 Ge基板10具有背面電極5設置于其底部。一低能隙的GaAs底層次電池元件20設置于Ge基板10上。一高能隙的InGaP頂層次電池元件30設置于GaAs 底層次電池元件20上方，具有一穿隧接面25夾置于GaAs底層次電池元件20和InGaP頂層次電池元件30之間。太陽能電池100的最上層是抗反射層40，然后是正面電極35設置于InGaP頂層次電池元件30上。藉由控制InGaP的晶格常數(lattice constant)，使其晶格常數非常接近GaAs的晶格常數，因此這二種材料的接面可良好晶格匹配，接面處的應力與缺陷都可降到最低，有利于電子傳遞。在已公開的相關技術中，美國專利第US7，339，109號揭示一種改善光吸收效率的多接面太陽能電池。藉由設置一 InGaP層做為孕核層于鍺基板和雙接面磊晶迭層之間，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迭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，除了有效地控制光電池接面的擴散濃度和深度之外，光電池的整體串聯電阻也影響電池的光電流凈流出效率。有鑒于此，業界亟需發展一種III-V 族多接面太陽能電池，能改善整體串聯電阻，以期有效地提升光電流凈流出效率。
發明內容
根據本發明的一實施例，一種多接面III-V族光電池元件包括一基板結構包括一重摻雜鍺基部區域、一輕摻雜磊晶成長鍺層設置于該重摻雜鍺基部區域上、及一相反極性的重摻雜區設置于該輕摻雜磊晶成長鍺層的表面，其中該輕摻雜磊晶成長鍺層和該相反極性的重摻雜區之間形成一淺接面；以及一多接面堆棧電池結構，設置于該基板結構上。根據本發明的另一實施例，一種多接面III-V族光電池元件包括一 P+摻雜的鍺基板，在其正面磊晶成長一 P型摻雜鍺層，其中一 n+型摻雜區設置于該ρ型摻雜鍺層的表層，以形成一淺n+-p型接面；一 GaAs次電池元件設置于該n+型摻雜區上方；以及一 InGaP 次電池元件設置于該GaAs次電池元件上方，其中一第一穿隧接面夾置于該hGaP次電池元件和該GaAs次電池元件之間，及一第二穿隧接面夾置于該GaAs次電池元件和該η+型摻雜區之間。根據本發明的又一實施例，一種多接面III-V族光電池元件，包括一 η+摻雜的鍺基板，在其正面磊晶成長一 η型摻雜鍺層且一第一金屬接觸層設置于該η+摻雜的鍺基板的背面，其中一 P+型摻雜區，設置于該η型摻雜鍺層的表層，以形成一淺p+-n型接面；一 GaAs 次電池元件設置于該P+型摻雜區上方；一 InGaP次電池元件設置于該GaAs次電池元件上方；以及一第二金屬接觸層設置于該InGaP次電池元件的頂部，其中一第一穿隧接面夾置于該InGaP次電池元件和該GaAs次電池元件之間，及一第二穿隧接面夾置于該GaAs次電池元件和該InGaP次電池元件之間。為使本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
圖1顯示典型的堆棧型III-V族太陽能電池的剖面示意圖。圖2顯示本發明揭示的實施例的III-V族多接面光電池元件的剖面示意圖。主要元件符號說明100-傳統的堆棧型III-V族太陽能電池；5-背面電極；IO-Ge 基板；20-低能隙的GaAs底層次電池元件；25-穿隧接面；30-高能隙的InGaP頂層次電池元件；35-正面電極；40-抗反射層；200-多接面III-V族光電池元件；205-第一金屬接觸層；210-基板結構含底電池元件；212-重摻雜鍺基部區域；214-輕摻雜磊晶成長鍺層；216-相反極性的重摻雜區；218-第二穿隧接面；
220-中間電池元件；225-第一穿隧接面；230-頂電池元件；235-第二金屬接觸層；240-抗反射層；250-多層堆棧電池結構。
具體實施例方式以下以各實施例詳細說明并伴隨著
的范例，作為本發明的參考依據。在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的標號。且在附圖中，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，附圖中各元件的部分將以分別描述說明， 值得注意的是，圖中未繪出或描述的元件，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，另夕卜，特定的實施例僅為揭示本發明使用的特定方式，其并非用以限定本發明。根據本發明的主要實施例和形態，提供一種具有重摻雜基板的多接面III-V族化合物半導體光電池元件，降低光電池元件的整體串聯電阻，以期有效地提升光電流凈流出效率。尤其是，在太陽光吸收光譜中，各個次電池所涵蓋的太陽光吸收波長范圍如果重迭， 則可增加光電池元件的整體光電流轉換效率。然而，所述多接面堆棧電池結構250設置于基板結構上有如一系列的串接電阻。因此，除了要改善各次電池的接面特性外，仍應致力降低光電池元件的整體串聯電阻。圖2顯示本發明揭示的實施例的III-V族多接面光電池元件的剖面示意圖。在圖 2中，一多接面III-V族光電池元件200包括一基板結構210，基板結構210還包括一重摻雜鍺基部區域212、一輕摻雜磊晶成長鍺層214設置于該重摻雜鍺基部區域212上、及一相反極性的重摻雜區216設置于輕摻雜磊晶成長鍺層214的表面。所述輕摻雜磊晶成長鍺層 214和相反極性的重摻雜區216之間形成一淺接面。一第一金屬接觸層205例如金柵極電極設置于基板結構210的重摻雜鍺基部區域212的底部。所述重摻雜鍺基部區域212的摻雜濃度范圍約為1018-2X1019原子/立方公分。在一實施例中，所述重摻雜鍺基部區域212為P+型摻雜的鍺基板，且輕摻雜磊晶成長鍺層214為ρ型摻雜鍺層。應了解的是，由n+型摻雜區216以及ρ型輕摻雜磊晶成長鍺層214而成η+-ρ接面，在接面處形成載子空乏區，空乏區內有內建電場。一般而言，越大的空乏區會產生越大的內建電場，也因此越有助于電子電洞對分離。應注意的是，于η+-ρ接面處電子電洞對分離也可能受到其它物理或結構的因素影響。讓ρ型磊晶摻雜鍺層214與ρ+重摻雜鍺基部區域212之間形成一能階位障，可促使太陽能電池的η+-ρ接面的內建電場增加，進而使太陽能電池的開路電壓上升。再者，借著降低重摻雜鍺基部區域212內部的串聯電阻(Rs)，且降低重摻雜鍺基部區域212與底部電極205間的奧姆接觸電阻(Re)，能使整體串聯電阻下降。更有甚者，藉由降低多接面電池裝置的整體串聯電阻，可避免多接面電池裝置產生局部的焦耳熱(I2R),提升太陽能電池的凈輸出電流。在另一實施例中，所述重摻雜鍺基部區域212可為一 η+摻雜的鍺基板，且輕摻雜磊晶成長鍺層214可為η型摻雜鍺層，由ρ+型摻雜區216以及η型輕摻雜磊晶成長鍺層214
5而形成一淺P+_n型接面。再請參閱圖2，將一多接面堆棧電池結構250設置于該基板結構210上。該基板結構210包括一底電池(bottom cell)元件210，且該多接面堆棧電池結構250包括一中間電池(meddle cell)元件220和一頂電池(top cell)元件230。一第一穿隧接面225夾置于頂電池元件230和中間電池元件220之間，及一第二穿隧接面218夾置于中間電池元件220和底電池元件210之間。一抗反射層240設置于多層堆棧電池結構250的頂部上， 且一第二金屬接觸層235設置于該抗反射層240上。所述多接面堆棧電池結構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 GaAs次電池元件220設置于該n+型摻雜區216上方；以及一 InGaP 次電池元件230設置于該GaAs次電池元件220上方，其中一第一穿隧接面225夾置于該 InGaP次電池元件230和該GaAs次電池元件220之間，及一第二穿隧接面218夾置于該 GaAs次電池元件220和該n+型摻雜區216之間。所述底電池(bottom cell)元件210、中間電池(meddle cell)元件220、和頂電池 (top cell)元件230構成三接面的太陽能電池(triple-junction solar cell)裝置。串迭電池(tandem cell)的理論效率與上下層元件的能隙搭配有絕對關系，例如MGaP次電池230與GaAs次電池220的能隙搭配相當適合。在本發明實施例中，所述底電池元件210、 中間電池元件220、和頂電池元件230可分別與入射太陽光不同頻段的波長發生光電池效應，因而能有效地利用太陽光吸收光譜，例如可延伸吸收波長上限至大約1800nm，并使所述實施例的光電池元件200達到最佳的光電轉換效率。應注意的是，所述多接面堆棧電池結構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)、或其它適合的沉積法磊晶成長于鍺基板上。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，任何所屬技術領域中的普通技術人員，可做些許的更動與潤飾，而不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種多接面III-V族光電池元件，包括一基板結構包括一重摻雜鍺基部區域、一輕摻雜磊晶成長鍺層設置于該重摻雜鍺基部區域上、及一相反極性的重摻雜區設置于該輕摻雜磊晶成長鍺層的表面，其中該輕摻雜磊晶成長鍺層和該相反極性的重摻雜區之間形成一淺接面；以及一多接面堆棧電池結構，設置于該基板結構上。
2.根據權利要求1所述的多接面III-V族光電池元件，其中還包括 一第一金屬接觸層設置于該基板結構的背面；以及一第二金屬接觸層設置于該多層堆棧電池結構的一頂部。
3.根據權利要求1所述的多接面III-V族光電池元件，其中該基板結構包括一底電池元件，且該多接面堆棧電池結構包括一中間電池元件和一頂電池元件。
4.根據權利要求3所述的多接面III-V族光電池元件，其中還包括一第一穿隧接面夾置于該頂電池元件和該中間電池元件之間，及一第二穿隧接面夾置于該中間電池元件和該底電池元件之間。
5.根據權利要求3所述的多接面III-V族光電池元件，其中該中間電池元件包含一 GaAs電池元件，及該頂電池元件包含一 InGaP電池元件。
6.根據權利要求1所述的多接面III-V族光電池元件，其中該重摻雜鍺基部區域為一 P+型摻雜的鍺基板，且該輕摻雜磊晶成長鍺層為一 P型摻雜鍺層。
7.根據權利要求1所述的多接面III-V族光電池元件，其中該重摻雜鍺基部區域為一 n+摻雜的鍺基板，且該輕摻雜磊晶成長鍺層為一 η型摻雜鍺層。
8.一種多接面III-V族光電池元件，包括一 P+摻雜的鍺基板，在其正面磊晶成長一 P型摻雜鍺層，其中一 η.型摻雜區設置于該 P型摻雜鍺層的表層，以形成一淺η+-ρ型接面；一 GaAs次電池元件設置于該η+型摻雜區上方；以及一 InGaP次電池元件設置于該GaAs次電池元件上方，其中一第一穿隧接面夾置于該MGaP次電池元件和該GaAs次電池元件之間，及一第二穿隧接面夾置于該GaAs次電池元件和該η+型摻雜區之間。
9.根據權利要求8所述的多接面III-V族光電池元件，其中還包括； 一第一金屬接觸層設置于該P+摻雜的鍺基板的背面；以及一第二金屬接觸層設置于該InGaP次電池元件的頂部。
10.一種多接面III-V族光電池元件，包括一 η.摻雜的鍺基板，在其正面磊晶成長一 η型摻雜鍺層且一第一金屬接觸層設置于該 η+摻雜的鍺基板的背面，其中一 P+型摻雜區，設置于該η型摻雜鍺層的表層，以形成一淺 Ρ+-η型接面；一 GaAs次電池元件設置于該ρ+型摻雜區上方； 一 InGaP次電池元件設置于該GaAs次電池元件上方；以及一第二金屬接觸層設置于該InGaP次電池元件的頂部，其中一第一穿隧接面夾置于該MGaP次電池元件和該GaAs次電池元件之間，及一第二穿隧接面夾置于該GaAs次電池元件和該InGaP次電池元件之間。
全文摘要
本發明揭示多接面III-V族光電池元件。所述多接面III-V族光電池元件包括一基板結構以及一多接面堆棧電池結構，設置于該基板結構上。所述基板結構包括一重摻雜鍺基部區域、一輕摻雜磊晶成長鍺層設置于該重摻雜鍺基部區域上、及一相反極性的重摻雜區設置于該輕摻雜磊晶成長鍺層的表面，其中該輕摻雜磊晶成長鍺層和該相反極性的重摻雜區之間形成一淺接面。一多接面堆棧電池結構設置于該基板結構上。本發明有效地提升光電流凈流出效率。
文檔編號H01L31/06GK102544179SQ20101058631
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者吳展興, 章賢亮 申請人:太聚能源股份有限公司