技术领域
[0001] 本
发明涉及多结光伏器件，更具体地，涉及导致增加的效率的纹理化的多结光伏器件以及制造方法。
背景技术
[0002] 太阳能器件利用光伏电池产生
电流。太阳光中的
光子碰撞
太阳能电池或面板并且被诸如
硅的
半导体材料吸收。载流子获得允许其流过材料以产生电
力的
能量。因此，太阳能电池将太阳能转换成可用量的电力。
[0003] 光子只需要具有比带隙能量更大的能量来将
电子从
价带激发到导带中。由于
太阳辐射包含能量大于硅的带隙的光子，较高能量的光子将被太阳能电池吸收，同时（高于带隙）的一些能量转换成热而不是转换成可用的
电能。
[0004] 为了增强太阳能电池的效率，已经开发了多结电池。多结电池包括彼此
叠加的两个或更多个电池。透射经过顶部电池的任何辐射都有机会被下面的电池吸收。
[0005] 尽管由具有不同带隙的半导体材料的叠层构成的多结太阳能电池提供了更高的电池效率，但是期望和需要效率的进一步提高。
发明内容
[0006] 一种多结光伏器件包括具有金字塔形状的锗层，所述金字塔形状具有暴露的（111）刻面（facet）以形成纹理化表面。在该纹理化表面上或之上形成第一p-n结。在第一p-n结之上并遵循该纹理化表面形成另一p-n结。
[0007] 另一多结光伏器件包括具有金字塔形状的锗层以及由III-V半导体材料形成的多个p-n结，所述金字塔形状具有暴露的（111）刻面以形成纹理化表面。所述多个p-n结被形成为遵循所述纹理化表面的（111）刻面的形状以增加光俘获和增加总体器件效率。所述III-V材料具有相关联的带隙能量使得所述p-n结通过减小带隙能量而排序。
[0008] 另一多结光伏器件包括具有金字塔形状的锗层，所述金字塔形状具有暴露的（111）刻面以形成纹理化表面。通过对所述锗层的顶部掺杂在所述锗层上或内形成第一p-n结。通过
外延生长含GaAs的层在第一p-n结上形成第二p-n结。通过外延生长含GaP的层在第二p-n结上形成第三p-n结，其中所述p-n结遵循所述纹理化表面的（111）刻面的形状以增加光俘获和增加总体器件效率。
[0009] 一种形成多结光伏器件的方法，包括：提供锗层；在锗层中蚀刻金字塔形状，使（111）刻面暴露以形成纹理化表面；在纹理化表面上或之上由III-V半导体材料形成第一p-n结；以及在第一p-n结上并遵循该纹理化表面由III-V半导体材料形成至少一个其他的p-n结。
[0010] 另一种形成多结光伏器件的方法，包括：提供锗层；使用包含过
氧化氢以及
磷酸和
氢氟酸之一的酸性蚀刻剂湿法蚀刻所述锗层；在所述锗层中形成金字塔形状，使（111）刻面暴露以形成纹理化表面；对所述锗层的顶表面进行掺杂以在该纹理化表面上或之上形成第一p-n结；在该顶表面沉积遵循所述纹理化表面的轮廓的第一半导体层；对该第一半导体层的一部分掺杂以形成第二p-n结。
[0011] 又一种形成多结光伏器件的方法，包括：提供体锗或者形成在硅衬底上的锗层之一；使用包含比率为1:1:1的磷酸、过氧化氢和
乙醇的酸性蚀刻剂湿法蚀刻所述锗层；在所述锗层中形成金字塔形状，使（111）刻面暴露以形成纹理化表面；对所述锗层的顶表面进行掺杂以在该纹理化表面上或之上形成第一p-n结；在该顶表面上沉积遵循所述纹理化表面的轮廓的第一半导体层；其中所述第一半导体层包括GaAs层或其
合金；对该第一半导体层的一部分掺杂以形成第二p-n结；在所述第一半导体层上沉积第二半导体层，该第二半导体层遵循所述纹理化表面的轮廓，其中所述第二半导体层包括GaP层或其合金；以及对该第二半导体层的一部分掺杂以形成第三p-n结。
[0012] 从下文中对其说明性
实施例的详细描述中，这些和其它特征及优点将变得显而易见，所述详细描述要结合
附图阅读。
附图说明
[0013] 本公开将参考以下附图在优选实施例的以下描述中提供细节，在附图中：
[0014] 图1是根据本发明原理的锗衬底或层的横截面视图；
[0015] 图2是根据本发明原理在湿法蚀刻以暴露（111）表面从而形成三维纹理化表面之后，图1的衬底或层的横截面视图；
[0016] 图3是根据本发明原理在对衬底的上表面掺杂之后，图2的结构的横截面视图；
[0017] 图4是根据本发明原理在形成第一半导体层之后，图3的结构的横截面视图；
[0018] 图5是根据本发明原理在对第一半导体层的一部分掺杂之后，图4的结构的横截面视图；
[0019] 图6是根据本发明原理在形成第二半导体层之后，图5的结构的横截面视图；
[0020] 图7是根据本发明原理在对第二半导体层的一部分掺杂之后，图6的结构的横截面视图；
[0021] 图8是示出根据
现有技术的粗糙化表面的横截面视图；
[0022] 图9是示出根据本发明原理用于形成多结光伏电池的说明性方法的
框图/
流程图。
具体实施方式
[0023] 根据本发明原理，通过湿法蚀刻单晶（体）锗（Ge）的表面以增强特定结晶方向上的蚀刻，来形成多结光伏电池。所述湿法蚀刻提供三维纹理化表面，该三维纹理化表面用于形成提供器件的结的半导体层。Ge（作为体材料或者外延生长在Si上）与GaAs
晶格匹配（Si与GaAs晶格不匹配）。GaAs的使用使得材料选择更加灵活，这对于设计和制造多结器件是有用的。例如，具有InGaP/InGaAs/Ge材料的
串联电池已经显示出大于40%的电池效率。使用非Si基材料的多结电池的纹理化还未有报告，尤其是对于大的太阳能面板所需的大面积结构更是如此。
[0024] 根据特别有用的实施例，采用
各向异性湿法蚀刻在Ge衬底（体Ge或者在Si上外延生长的Ge层）上形成（111）刻面（facet）。然后通过外延生长III-V半导体层在所述（111）刻面（facet）上形成多结电池。注意Ge需要足够厚以在Ge中完成（111）刻面。注意，在Si衬底上形成（111）沟槽并且然后在（111）Si表面上生长Ge极慢或者几乎不可能，并且从制造的立场上讲不可行。
[0025] 应当理解，将用具有衬底和光伏叠层的给定说明性构造来描述本发明；然而，其它构造、结构、衬底、材料和工艺特征和步骤可以在本发明的范围内变化。
[0026] 还应当理解的是，当诸如层、区域或衬底的元件称为在另一元件“上”或“之上”时，它可以直接在该另一元件上，或者也可以存在插入元件。相反，当一个元件称为“直接”在另一元件“上”或者“之上”时，不存在插入元件。应当理解，当称一个元件“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到该另一元件，或者可以存在插入元件。相反，当一个元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在插入元件。
[0027] 可以为集成
电路集成产生光伏器件的设计，或者光伏器件的设计可以与印刷
电路板上的部件相结合。电路/板可以在图形
计算机编程语言中体现，并且存储在计算机存储介质（例如盘、带、物理
硬盘驱动器、或诸如存储存取网络的虚拟硬盘驱动器）中。如果设计者不制造芯片或者用于制造芯片或光伏器件的
光刻掩模，则设计者可以直接或间接将所得到的设计通过物理装置（例如，通过提供一份存储有该设计的存储介质）或电子地（例如通过互联网）传送到这种实体。然后，所存储的设计可以转换成适当的形式（例如，GDSII），用于制造光刻掩模，光刻掩模通常包含要形成在晶片或衬底上的多份所讨论的芯片设计。光刻掩模可用于限定晶片/衬底（和/或其上的层）的要蚀刻的或者要以其他方式处理的区域。
[0028] 本
申请中描述的方法可用于制造光伏器件和/或具有光伏器件的集成电路。所得到的器件/芯片可以以原料晶片的形式（即，作为具有多个未封装的器件/芯片的单个晶片）、作为裸管芯或者以封装的形式由制造商分配。在后面的情况下，器件/芯片安装在单个芯片封装体（例如塑料载体，具有固定到母板或更高级的载体上的引线）中或者安装在多芯片封装体（例如，具有表面互连或掩埋互连、或者具有表面互连和掩埋互连的陶瓷载体）中。在任何一种情况下，所述器件/芯片然后可以作为（a）诸如母板的中间产品或（b）最终产品的一部分，与其它芯片、分立电路元件和/或其它
信号处理装置集成。所述最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，包括玩具、
能量收集器、太阳能器件和其它应用，所述其它应用包括具有显示器、
键盘或其它输入装置以及
中央处理器的计算机产品或装置。本申请记载的光伏器件特别用于用来为电子装置、家庭、
建筑物、车辆等供电的太阳能电池或面板。
[0029] 也应当理解，将用所列的元素（例如GaInP、InGaAs或SiGe）来描述材料化合物。这些化合物包括元素在化合物内不同的比例，例如InGaAs包括Inx,GayAs1-x-y，其中x、y小于或等于1，或者SiGe包括SixGe1-x，其中x小于或等于1，等等。此外，所述化合物中也可以包含其它元素，例如AlInGaAs，并且根据本发明原理仍然起作用。在本申请中具有附加的元素的化合物将称为合金。
[0030] 当前的实施例可以是光伏器件或电路的一部分，并且本申请中描述的电路可以是用于集成电路芯片、太阳能电池、光敏器件等的设计的一部分。所述光伏器件可以是长度和/或宽度在英尺或米量级的大尺寸器件，或者可以是用于计算器、太阳能供电的灯等的小尺寸器件。
[0031] 也应当理解，将用特定串列（多结）结构来描述本发明；然而，其它构造、结构、衬底材料和工艺特征和步骤可以在本发明的范围内变化。该串列结构包括电池，将用特定材料来描述所述电池。每个电池包括p掺杂的层、n掺杂的层并且可能包括未掺杂的本征层。对于当前描述而言，所述n掺杂的层和p掺杂的层将由相同的基材形成或者由两种不同的基材形成，在由相同基材形成的情况下所述基材被掺杂以提供n型部分和p型部分，在由两种不同的基材形成的情况下，第一材料被掺杂以提供n型部分并且第二材料被掺杂以提供p型部分。为了简单起见，将用基底层材料来描述每个电池层。该n掺杂的和p掺杂的区优选通过在外延生长期间进行掺杂而形成。也可以采用其它掺杂方法。尽管可以在n型和p型层之间形成本征层，例如故意插在发射极和基极之间以减轻结处的
掺杂剂混杂的非常薄的本征层，但是为了简单起见在附图中并未描绘所述本征层（如果需要）。
[0032] 现在参考附图，在图中相似的数字表示相同或相似的元件，首先参考图1，其示出了衬底102。衬底102可以包括体Ge晶片或者在Si上（不在（111）Si表面上）外延生长的弛豫Ge层，或者与Si或绝缘体上硅（SOI）衬底接合的Ge层。衬底102的Ge层需要足够厚，例如约5μm-约500μm，以允许形成所具有的深度足以形成两个或更多串列电池或结的纹理化表面。
[0033] 参考图2，然后将Ge衬底102纹理
化成金字塔结构106和/或倒金字塔结构108。该结构106、108包括（111）刻面104。虽然图2以横截面示出，但是金字塔结构106是三维的，每结构具有四个如刻面104的（111）表面，这四个表面在结构106的边缘处相接。延伸到衬底102中的反结构108也是每结构108具有四个如刻面104的（111）表面。
[0034] 该纹理化优选使用各向异性湿法蚀刻进行，该湿法蚀刻使（111）面暴露从而形成刻面104。在一个实施例中，该湿法蚀刻包括磷酸（H3PO4）、过氧化氢（H2O2）和/或乙醇（C2H5OH）中的一种或多种的稀释形式。在一个实施例中，以1:1:1的比率采用H3PO4:H2O2:C2H5OH来蚀刻衬底102。在另一个实施例中，可以采用比率为17:17:66的HF:H2O2:H2O酸性化学来进行湿法蚀刻。
[0035] 参考图3，形成第一p-n结130。该p-n结形成在Ge衬底或层102上或内。这可以包括
离子注入工艺来将掺杂剂注入到Ge衬底或层102中并且
退火以形成层110。在另一实施例中，可以采用气相扩散来形成层110。在又一实施例中，采用来自固体源（固相）的扩散，所述固体源例如是磷硅玻璃（PSG）或
硼硅玻璃（BSG）或者包含所需掺杂材料的
旋涂氧化物。层110可以包括n型层。该离子注入、气相扩散或固相扩散用n型掺杂剂对Ge衬底或层102进行掺杂，衬底102是用于结130的p型层。应当注意，在采用正确的材料选择或掺杂工艺的情况下，导电类型可以并置（n-p）。
[0036] 参考图4，备选地，p-n结130可以在第一半导体层112的外延生长期间形成。例如，如果第一半导体层112包含GaAs，则GaAs生长在Ge102上。在外延生长期间扩散到衬底102中也形成了层110并且使得p-n结130形成。然后在纹理化的Ge102上继续（外延生长）第一半导体层112以完成形成。半导体层112的带隙大于Ge衬底102的带隙。
[0037] 在沉积第一半导体层112之前形成层110的另一实施例中，半导体层112可以包含GaAs或InGaAs并且备选地可以使用金属有机
化学气相沉积（MOCVD）工艺形成。为了通过抑制As扩散来在Ge中形成浅结同时生长含As的
缓冲层，可以在层110和112之间的界面处生长扩散阻挡层103。阻挡层103可以包括也与Ge晶格匹配的InGaP层。III-V半导体层在Ge上的生长以低于700°C的
温度执行。隧穿结（未示出）是用III-V掺杂剂重掺杂的层，其优选形成在相邻的子电池之间（例如层110和112之间）。
[0038] 参考图5，然后通过掺杂第一半导体层112的一部分，在层112中形成p-n结132。可以通过在生长期间原位掺杂半导体层112或者通过如上所述的后续掺杂工艺，形成该p-n结132。图5的结构提供了晶格匹配且带隙能量兼容的两个串列结，它们提高了器件的效率。此外，在提供了几何金字塔形状的（111）刻面104上形成多结结构，该几何金字塔形状改善了光俘获并且因此提高了器件效率。可以按照需要将另外的结添加到图5的结构。
[0039] 参考图6，可以在图5的结构上生长附加的半导体层。该附加的半导体层116可以包括GaP、InGaP、InGaAlP、AlGaAs或者与层112的材料晶格匹配且带隙比其带隙大的其它材料。为了本公开的目的，晶格匹配是指基本上没有由于晶格失配引起的应变。这包括例如约1%或更少的应变，约1%或更少的应变是对无
缺陷生长的实际的限制。随着结数量增加，具有更大带隙的
二极管趋于更薄（例如，在几百nm的量级上）。因此，只要缺陷
密度例如6 -2
小于约10cm ，轻微的应变就不会对太阳能电池的性能有害。通过对附加的半导体层116掺杂以在如图7描绘的多结器件100中形成层118，形成p-n结134。隧穿结（未示出）优选形成在层114和116之间。
[0040] 可以通过在生长期间原位掺杂半导体层116或者通过如上所述的后续掺杂工艺，形成p-n结134（图7）。图7的结构提供了晶格匹配且带隙能量兼容的三个串列结，它们提高了器件100的效率。此外，在提供了几何金字塔形状的（111）刻面104上形成多结结构，该几何金字塔形状改善了光俘获并且因此提高了器件效率。可以按照需要将附加的结添加到图7的结构。
[0041] 一旦完成了多结串列电池100，以
金属化、抗反射涂层的沉积、可选的层转移等等来继续器件制造，这在本领域中是公知的。
[0042] 为了提高器件100的性能，期望穿过顶部电池或p-n结134的任何辐射都在下面的结或电池（或子电池）132、130中被吸收。这通过提供
能隙分割（Eg分割）实现。例如，顶部电池134具有更高带隙的材料并且首先接收光。在顶部电池134未被吸收的
光谱进入电池132。两个不同结之间更大的带隙差对于防止在这两个结之间共享光谱而言更好。这使得光电流最大。能隙分割允许在电池之间吸收具有不同能量的辐射。由于顶部电池134的带隙保持在较高
水平，较低水平的（一个或多个）电池132、130被设计成具有较低带隙。这样，较低的电池有更高的概率吸收透射的辐射，并且整个多结电池变得更有效，这是因为在层叠的电池之间共享更少的光子能级。这使得吸收穿透到达底部电池130的光的概率增加，因此增加了下面的电池132、130中的电流并且增加了
短路电流JSC。
[0043] 为了增加效率，优选通过对所有电池保持带隙能量（Eg）的绝对高水平在顶部电池134（较高带隙）和底部电池130（较低带隙）之间存在带隙之间的更大差异，以维持高开路
电压Voc。
[0044] 参考图8，传统的纹理化表面器件170示出了衬底174的粗糙的无规律表面172。在纹理化表面172上形成共形层176。通常，粗糙化的纹理化表面不是期望的，这是因为如果表面172是粗糙的或者不规则地/不对称地形成的，该粗糙表面会导致光散射以及由于该粗糙表面处的光吸收造成的光学损失。
[0045] 由于根据本发明原理的多结器件100形成在平坦的晶体表面上，光散射减少。衬底102的形状提供了在（111）表面上平坦形成的结130、132和134，这产生了整体上的纹理化表面，该纹理化表面构造成俘获和吸收光以增加效率。由于本发明的表面，光学损失并未增加。光被俘获和吸收，其在有源层中比在插入的不规则形状的或粗糙的表面处更有用。
[0046] 参考图9，根据说明性实施例示出了用于形成多结光伏器件的方法。在框202中，提供锗层。这可以包括提供体锗或者形成在硅衬底上的锗层。在框204中，在锗层中蚀刻金字塔形状，使（111）刻面暴露以形成纹理化表面。该金字塔形状也可以包括倒金字塔形状。
[0047] 在框206中，该蚀刻优选包括湿法
各向异性蚀刻，该湿法各向异性蚀刻通过沿着其它表面更快地蚀刻Ge暴露Ge中的（111）表面。该蚀刻可以使用1:1:1H3PO4:H2O2:C2H5OH溶液执行。在另一个实施例中，可以采用比率为17:17:66的HF:H2O2:H2O酸性化学来进行该湿法蚀刻。
[0048] 在框208中，在纹理化表面上或之上由III-V半导体材料形成第一p-n结。在框210中，通过在锗层中注入离子形成第一p-n结。在这之后可以是激活退火工艺。在框212中，通过在锗层中气相扩散掺杂剂形成第一p-n结。在框213中，通过从固体源扩散（固相扩散）对锗层进行掺杂来形成第一p-n结。在框214中，第一p-n结可以包括在锗层上外延生长的GaAs层（或其合金），其中As
原子扩散到锗层中。该GaAs层优选是第一半导体层，这将在下文中描述。在框216中，阻挡层可以沉积在层（例如Ge和GaAs）之间，该阻挡层用于减少Ge向GaAs中的扩散，反之亦然。可以在p-n结之间进行隧道结掺杂。
[0049] 在框218中，在第一p-n结之上由III-V半导体材料形成至少一个其他的p-n结，该至少一个其他的p-n结遵循该纹理化表面。在框220中，通过在第一p-n结之上沉积第一半导体层形成该其他的p-n结。在框222中，对该第一半导体层的厚度的一部分进行掺杂。这样在第一半导体的形成期间原位地进行，从而形成第二p-n结。当第一半导体层使用外延生长形成时，该原位掺杂特别有益。该第一半导体层可以使用其它技术进行沉积（例如，MOCVD工艺）。在一个备选方案中，该第一半导体层可以被沉积并且随后被掺杂。该第一半导体层可以包括GaAs层或其为合金（例如InGaAs等）。
[0050] 在框224中，在第二p-n结之上形成第三p-n结，该第三p-n结遵循该纹理化表面。在框226中，在第一半导体层之上沉积第二半导体层。在框228中，对该第二半导体层的一部分进行掺杂。当第二半导体层使用外延生长形成时，该掺杂可以原位地进行，这是特别有益的。该第二半导体层可以使用其它技术进行沉积（例如，MOCVD工艺）。在一个备选方案中，该第二半导体层可以被沉积并且随后被掺杂。该第二半导体层可以包括GaP层或其为合金（例如GaInP等）。
[0051] 在框230中，以附加的p-n结的形成继续处理。进一步的处理也包括形成
接触和完成该器件所需的其它结构。应当理解，诸如发射极层、隧道结层、接触层、缓冲层、反射层等的层可以如现有技术中已知地那样形成。
[0052] 已经描述了纹理化多结太阳能电池及制造方法的优选实施例（这些优选实施例旨在说明而并非限制），应当注意本领域技术人员可以根据上述教导做出
修改和改变。因此，应当理解，可以在由所附
权利要求书限定的本发明的范围内对所公开的特定实施例做出变化。因此已经用
专利法需要的详述和细节描述了本发明的各方面，所要求保护以及期望专利
许可证予以保护的内容在所附权利要求中阐述。
