具有改善的转换效率的太阳能电池

摘要

本发明公开了表现出改善的转换效率的太阳能电池。具体地讲，本发明公开了包含电流扩散层的多pn结太阳能电池以及包括此类太阳能电池和聚光光学器件的聚光光伏模块。所考虑的多pn结通常可由III-V半导体材料制成，而电流扩散层通常可由II-VI半导体材料制成。

说明书

技术领域

本说明书涉及表现出改善的转换效率的太阳能电池。具体地讲， 本说明书涉及包含电流扩散层的多pn结太阳能电池以及包括此类太 阳能电池和聚光光学器件的聚光光伏模块。

背景技术

在寻找化石燃料的替代能源的过程中，已经探明多种选择，包 括地热能、水电能、氢气、生物燃料和风能。然而，越来越吸引人 的替代形式是对太阳能的利用。光伏太阳能电池可用于捕集入射的 太阳光并且将所吸收的光子转换成流过电池的电子和空穴，从而形 成电流并产生电力。遗憾的是，使用光伏电池进行能量转换的一个 主要历史性缺陷是此类电池的转换效率。损失的入射太阳光的能量 可归因于光伏电池的反射、热力损耗、电池的内部量子效率和电池 的导电效率。最早期的光伏电池仅转换入射太阳光的约1%至2%的 能量。由单个pn结硅片制成的现代太阳能电池能够实现约15和25 之间的最大转换效率。然而，该领域已取得重要的最新进展。通过 使用光学元件以将高通量的光聚集到复合太阳能电池上，研究人员 实现了大约40%的转换效率，所述复合太阳能电池由多个pn结以及 其它晶体材料例如III-V半导体制成。本领域存在提供将继续改善此 类太阳能电池的转换效率的解决方案的巨大需求。

发明内容

在一个方面，本说明书涉及多结太阳能电池。所述多结太阳能 电池包括第一pn结、设置在所述第一pn结下面的第二pn结、设置 在所述第一pn结上面的电流扩散层、与所述第一pn结相对的设置 在所述电流扩散层上的电极。第一pn结包括第一n掺杂的III-V半 导体层和第一p掺杂的III-V半导体层。第二pn结包括第二n掺杂 的III-V半导体层和第二p掺杂的III-V半导体层。电流扩散层是II-VI 半导体层并且可具有大于2.8eV、3.1eV或3.4eV的带隙能量。在至 少一些实施例中，多结太阳能电池还可包括设置在第二pn结下面的 第三pn结。多结太阳能电池还可包括设置在电极和电流扩散层之间 的透明导体。在一些实施例中，多结太阳能电池是聚光光伏模块的 一部分。

在另一方面，本说明书涉及聚光光伏电池构造，所述聚光光伏 电池构造包括能够聚集太阳光的光学元件和多结太阳能电池。光学 元件接收入射太阳光并且将其聚焦在多结太阳能电池上，使得强度 超过100个太阳或可能超过150个太阳或甚至超过200个太阳的光 入射在多结太阳能电池上。多结太阳能电池包括外延III-V半导体pn 结和外延II-VI半导体电流扩散层，所述外延II-VI半导体电流扩散 层设置在III-V半导体pn结和光学元件之间，使得来自光学元件的 聚焦的光入射在电流扩散层上。在一些实施例中，光学元件可为透 镜诸如菲涅耳透镜，或者可能是反射镜。多结太阳能电池还可包括 电流扩散层的表面上的电极。在一些实施例中，多结太阳能电池可 包括电极和电流扩散层之间的透明导体。

附图说明

图1是多结太阳能电池的剖视图。

图2是根据本说明书的多结太阳能电池的剖视图。

图3是根据本说明书的多结太阳能电池的剖视图。

图4是根据本说明书的多结太阳能电池的剖视图。

图5是根据本说明书的多结太阳能电池的剖视图。

图6是根据本说明书的聚光光伏电池构造的剖视图。

图7是根据本说明书的聚光光伏电池构造的剖视图。

具体实施方式

具有多pn结（被聚集的光入射在所述pn结上）的复合光伏太 阳能电池在转换效率方面取得了前所未有的水平。这些电池可接收 强度超过200个太阳的光。因此，此类电池中的电流密度可超过 3Amps/cm2。遗憾的是，尽管这些电池中的转换效率水平已提高，但 与金属电极关联的寄生电阻（“电极电阻”）和具有与光源最近的 半导体层中的横向电流的寄生电阻（“扩散电阻”）仍然显著地降 低电池的效率，从而使电池的性能保持在低于其理论上能够实现的 转换水平。尽管使太阳能电池的表面上的电极间隔更紧密地在一起 可减小扩散电阻，但这可导致表面区域具有显著更大的遮蔽，从而 导致更少的光可进入太阳能电池的有源区域并被转换成可使用的能 量。

增加与光源最近的pn结半导体层的厚度可减小扩散电阻，但通 常以降低对短波光的转换效率为代价。遗憾的是，为电极添加透明 导体（诸如，ITO(In2O3:SnO3)或ZnO:Al）并非一个切实可行的解 决方案，因为通常在用常用方式（诸如，溅射涂覆）沉积这些材料 时，导体不与顶部半导体层形成低电阻接触。III-V半导体层的表面 钉扎费米能级（Fermi level），使得当施加常规的透明导体时形成萧 特基势垒（Schottky barrier），其高度很大程度上与施加的导体无关。 在精心设计的电池中，由于串联电阻导致的损耗可导致在500个太 阳强度的情况下降低6%的效率。

因此，将非常期望的是，提供可最小化扩散电阻的多结太阳能 电池以及利用此类太阳能电池的聚光光伏模块。当前的说明书描述 了通过以下方式进行的此类解决方案：在太阳和太阳能电池中的多 pn结之间提供II-VI半导体层。II-VI层用作电流扩散层，其为在太 阳能电池III-V表面上外延生长的。此层用于通过以下方式最小化转 换损耗：为横向通过多结太阳能电池流向透明且具有高带隙能量的 电极提供低薄层电阻并且在II-VI/III-V异质界面处具有低电阻。

图1提供本领域现在使用的常规三结太阳能电池100的示图。 三结太阳能电池100可包含：第一pn结103，其由n掺杂层102和 p掺杂层104构成；第二pn结107，其由n掺杂层106和p掺杂层 108构成；以及第三pn结111，其由n掺杂层110和p掺杂层112 构成。N掺杂层102、106、110和p掺杂层104、108、112可由任 何合适的材料制成，并且至少在一些情况下，可由III-V半导体材料 制成。通常，这些结被单片加工并且通过重掺杂隧道穿结串联连接。 在底部pn结之下，在这种情况下，在第三pn结111和第三p掺杂 层112之下的是背电极190。一种典型的三结太阳能电池的构造可见 于R.R.King的40%Efficient Metamorphic GaInP/GaInAs/Ge  Multijunction Solar Cells（40%有效变性GaInP/GaInAs/Ge多结太阳 能电池）（Applied Physics Letters90,183516(2007)（《应用物理学 快报》，90,183516(2007)））。设置在n掺杂层102的表面116上 的是由互连的片段构成的电极114。遗憾的是，如上所讨论的，在图 1所示构造中，电极部分必须在一起以非常近的距离DE间隔开。这 是因为电极部分114必须一起接近地间隔开，以减小扩散电阻和层 102中的电流损耗。遗憾的是，当然，在电极114由不透明材料制成 的情况下，电极遮蔽其所处的表面116的部分，从而允许将较少的 入射太阳光转换成可使用的能量。如也简要提到的，由于公共使用 的透明电极材料（诸如，ITO）未与表面116形成低电阻接触，因此 使用用作电极114的透明电极并非一个切实可行的解决方案。

使用图2中的构造示出与图1的构造关联的问题的一个可能的 解决方案。图2提供根据本说明书的多结太阳能电池200。多结太阳 能电池包括第一pn结203，该第一pn结包括第一n掺杂的III-V半 导体层202和第一p掺杂的III-V半导体层204。在至少一些实施例 中，第一n掺杂的半导体层和第一p掺杂的半导体层可由(Al)GaInP 制成。这里，括号用于指示合金中可选的元素，也就是说，GaInP 是(Al)GaInP的一种组成。当在整个本书面描述中的材料组成中使用 括号时，括号应该被理解为意指可选择的元素。在其它实施例中， 第一n掺杂的半导体层和第一p掺杂的半导体层可由InP或 Al(Ga)InAs制成。多结太阳能电池还包括第二pn结207，该第二pn 结在电池中设置在第一pn结203下面（与入射光相对）。第二pn 结207包括第二n掺杂的III-V半导体层206和第二p掺杂的III-V 半导体层208。在至少一些实施例中，第二n掺杂的半导体层和第二 p掺杂的半导体层可由Ga(In)As制成。

如图2中所示，尽管不一定被包括在太阳能电池中，但可存在 由第三n掺杂的III-V半导体层210和第三p掺杂的III-V半导体层 212构成的第三pn结211。在包括的情况下，第三n掺杂的半导体 层和第三p掺杂的半导体层可由例如锗制成。多结太阳能电池200 还包括由互连的片段构成的电极214。然而，与图1中示出的实施例 不同，本说明书在第一pn结203上面（在入射光230的一侧）提供 电流扩散层220。电流扩散层由在界面222处的层202上外延生长的 II-VI半导体层构成。电流扩散层允许电流在被电极214的片段收集 之前，以低电阻流过太阳能电池的横向延伸部。层220的有效电流 扩散允许电极214的片段以距离DE间隔开，距离DE远大于图1示 出的之前利用的实施例中的距离，从而降低由于遮蔽太阳能电池的 表面218而导致的损耗。尽管在剖视图中示出，但电极214的片段 可被理解为离散的线性电极片段，其长度将延伸进出图2中的页面。 各片段可与最近的相邻片段间隔距离DE，距离DE为至少0.1mm， 或至少0.15mm，或甚至可能为0.20mm。为了提供足够低的薄层电 阻，重要的是，电流扩散层220具有相当大的厚度224，通常大于1 微米并且在一些实施例中大于10微米。

电极214提供与II-VI层的低电阻欧姆接触。如果II-VI半导体 是n型，则电极214可包括与半导体接触的逸出功相对低的金属（诸 如，Ti）层。如果II-VI半导体是p型，则电极214可包括与半导体 接触的逸出功相对高的金属（诸如，Pd）层。在任一种情况下，电 极214的剩余部分可包含具有优异导电率的金属或合金，诸如Al、 Cu、Ag和Au。电极214的厚度应选择成提供可接受的损耗。对于 电极片段之间存在较大间距的情况，各片段中的电流增大，所以电 极的厚度应该相应地增大。因此，尽管未按比例示出，但当前所描 述的图2至图7的太阳能电池中的电极（例如，214）的厚度应该显 著大于现有技术的太阳能电池中的电极（例如，图1中的电极114） 的厚度。

多结太阳能电池200还包括背电极290，用于结合电极214从电 池中牵引出电流。因为背电极290在与入射太阳光相对的多结太阳 能电池的表面上，所以它可为连续层或者被分段作为电极214。背电 极290提供与太阳能电池的欧姆接触，也提供反射器和散热路径。 电极可为本领域已知的任何种类的合适导电材料，包括但不限于金 属或金属合金，包括：金、银、铝、镍、钛、铬、铂、钯、铑、铼、 钌、钨、铟以及它们的混合物和合金。电极也可由透明导电氧化物 形成，诸如ITO。电极214和290通常可被用于向外部负载或电路 （诸如，继而向交流电路供电的反相器）提供直流电力。

电流扩散层220通常可由宽带隙II-VI半导体材料制成。生长以 构造电流扩散层220的特别合适的II-VI材料可为MgZnSSe、 BeMgZnSe、CdMgZnSe或BeZnTe。假若这些III-V半导体材料的晶 体结构构成pn结（例如，203），则II-VI材料的选择会尤其有效。 优选地，II-VI层是在III-V表面上外延生长的，其中在异质结面处 的晶体缺陷（例如，位错）最少，以使异质结面处捕获的电荷最少， 所述电荷会对流过异质结面的电流形成障碍。这可通过生长基本与 III-V层晶格匹配（或者换句话说，与第一n掺杂层202和第一p掺 杂层204或结203晶格匹配）的II-VI电流扩散层220来实现。例如， 可生长与GaAs与Ge基底上生长的(Al)GaInP晶格匹配的MgZnSSe 或BeMgZnSe。相似地，可生长与InP或InP基底上生长的Al(Ga)InAs 晶格匹配的CdMgZnSe或BeZnTe。

电流扩散层也可被理解为具有相当高的带隙能量，使得它对于 太阳光谱中的大部分是透明的。例如，在一些实施例中，电流扩散 层的带隙能量可大于2.8eV，或大于3.1eV，并且可能大于3.4eV。 通过外延生长II-VI电流扩散层可得到低浓度的晶体缺陷也允许通过 提供高载流子迁移率和低电荷捕获而得到高导电性。通过在II-VI层 中掺杂合适的杂质来实现低薄层电阻。包括MgZnSSe、BeZnMgSe 和CdMgZnSe的某些II-VI半导体可通过用浅供体进行n掺杂实现高 导电性。因此，在至少一些实施例中，可对电流扩散层220进行掺 杂。Cl和Al是优选的浅供体，但是替代形式包括F、Br、I、Ga和 In。包括BeZnTe的某些II-VI半导体可通过用浅受体进行p掺杂来 实现高导电性，N是优选的浅受体，但是替代形式包括P、As和Cu。 最佳的掺杂物浓度通常在1018cm-3至1020cm-3的范围内。在浓度 较高的情况下，载流子迁移率的降低限制了可实现的导电性。通过 使用合适的掺杂和厚度，II-VI电流扩散层的薄层电阻可小于100欧 姆/平方，或甚至小于10欧姆/平方。在一些实施例中，由于在异质 结面处的导电或价电子带偏移，因此可能存在势垒。这种异质结构 的电阻由于在接近III-V的II-VI层中具有非常高的掺杂物浓度而减 小，从而促进量子机械隧穿异质势垒。对掺杂II-V外延层的进一步 讨论可见于共同拥有的美国专利No.5,248,631，该美国专利的全文 以引用的方式并入本文。

如简要提到的，本说明书的多结太阳能电池不需要包括第三pn 结。例如，图3的多结太阳能电池300包括：第一pn结203，其具 有第一n掺杂的III-V半导体层202和第一p掺杂的III-V半导体层 204；以及第二pn结207，其具有第二n掺杂的III-V半导体层206 和第二p掺杂的III-V半导体层208；以及电流扩散层220和电极214。 然而，在太阳能电池300中，在第二pn结207下面不存在第三pn 结。金属背电极290通常覆盖与II-VI电流扩散层相对的太阳能电池 的表面。背电极提供与太阳能电池的欧姆接触，也提供散热路径。 在多个实施例中，基底280支承太阳能电池的pn结并且从结向背接 触件290导电和导热。在一个例子中，第一pn结202包括InP或 Al(Ga)InAs，第二pn结207包括GaInAs(P)，二者均生长在InP基底 280上。外延II-VI电流扩散层包括n型CdMgZnSe或p型BeZnTe。 背接触件290通常可为与针对图2描述的电极类似的电极。

在另一个实施例中，如图4中所示，多结太阳能电池可包括电 流扩散层和电极之间单独的层。多结太阳能电池400包括第一pn结 403、第二pn结407、电流扩散层420和可能的第三pn结411，它 们彼此之间的关系与图2示出的堆叠相同。然而，不同于在电流扩 散层的表面上直接放置电极414，在电极414和电流扩散层420之间 设置透明导体426。与图2的电极290类似的背电极490存在于多结 太阳能电池的相对侧上。与大多数III-VI半导体不同，一些II-VI半 导体没有在空的表面处表现出强的费米能级钉扎。因此，可能在外 延II-VI和常规（非外延）透明导体诸如ITO(In2O3:SnO3)或ZnO:Al 之间构造低电阻界面。在II-VI外延电流扩散层的顶部上附加常规透 明导体可有助于进一步降低由于电流扩散而导致的损耗。

图5中示出另一种设想的多结太阳能电池。多结太阳能电池500 可包括第三pn结511，该第三pn结由第三p掺杂的半导体层512 和第三n掺杂层511构成。第三n掺杂层可堆叠在第二p掺杂层508 和第二n掺杂层506下面，第二p掺杂层508和第二n掺杂层506 构成第二pn结507。然而，在第二pn结507上面，不存在与单独的 电流扩散层在一起的单独的pn结。相反，第一p掺杂的半导体层504 设置在第二n掺杂的半导体层506上。设置在第一p掺杂层504上 的是第一n掺杂电流扩散层532。这两层形成pn结533。在上述许 多实施例中，电流扩散层（例如，220）可为p掺杂的。然而，这些 其它实施例中的pn结将由例如单独的n掺杂的III-V半导体层和p 掺杂的III-V半导体层构成。这里，构成pn结的n掺杂层实际上是 II-V材料并且还用作所考虑的电流扩散层。太阳能电池660还包括 面向入射太阳光的前电极514和在电池的相对表面上的背电极590。

当然，为了正确有效地发挥功能，通常当前说明书中的多结太 阳能电池必须部分由较大的装置制成，所述装置也将入射太阳光聚 集和引导到小的电池上。通过图6的聚光光伏电池构造600示出了 一种此类装置。聚光光伏电池构造600部分地由光学元件640构成。 光学元件设置成使得其接收与多结太阳能电池660的位置相对的表 面上的入射太阳光650。光学元件可为任何合适的用于聚集光并且将 其向小的表面（即，多结太阳能电池660的表面）聚焦的透镜。例 如，透镜可为诸如图6中所示的凸透镜，或者可为菲涅耳透镜、平 凸透镜等。可使用任何合适的透镜。另外，尽管示出为单个光学元 件640，但光学元件640可由多个子元件透镜构成，可能具有不同形 状的透镜。

光学元件640接收入射光650并且透射所述光使其成为聚焦在 多结太阳能电池660的表面上的光630。当太阳光到达多结太阳能电 池时，光学元件640应该大量聚集太阳光，使得多结太阳能电池的 表面上的每单位面积的光通量远大于光学元件640的表面。事实上， 到达多结太阳能电池的光630应该入射在电池上，其强度超过100 个太阳强度，可能超过150个太阳强度，甚至可能超过200个太阳 强度。

多结太阳能电池660应被理解为可能对应于图2至图5中的上 述任何太阳能电池。如图6中所示的，多结太阳能电池部分地由多 个外延的III-V半导体pn结603、607、611构成。电池还部分地由 设置在II-V pn结603、607、611和光学元件640之间的外延II-VI 半导体电流扩散层620构成。这种设置使得来自光学元件640的聚 焦光630在到达pn结之前入射在电流扩散层620上。

如同上述太阳能电池一样，多结太阳能电池可包括电极614，所 述电极被分成离散的线性部分并且设置在面向光学元件640的电流 扩散层620的表面上。在一些实施例中，电极可为不透明的。电极 614的离散的线性部分可为间隔开的，如针对图2中的电池所描述 的，其间隔距离为至少0.1mm，或至少0.15mmm，或可能甚至 0.20mm。可任选地，如针对图4的太阳能电池所示，多结太阳能电 池660可包括透明导体626，其设置在电极614和电流扩散层620 之间。太阳能电池500还包括电池的相对表面上的背电极690。

在多个实施例中，pn结603、607、611可由一个或多个p掺杂 的III-V半导体层和n掺杂的III-V半导体层构成。这些层可由Ge、 Ga(In)As、(Al)GaInP、InP、GaInAs、GaInAsP或Al(Ga)InAs构成。 电流扩散层620将通常为II-V半导体层，其中，所述层可由 MgZnSSe、BeMgZnSe、CdMgZnSe或BeZnTe构成。

尽管在一些实施例中可使用透镜来聚集光并且将光聚焦在多结 太阳能电池上，如图6所示，但也可设想出其它构造。例如，图7 示出了聚光光伏电池构造的另一个实施例。同样，太阳光750入射 在光学元件740上。然而，这里，光学元件为反射镜740。在这种构 造中，反射镜740被成形使得它既反射光又将光聚焦在多结太阳能 电池760的小表面区域上成为聚集光730。这个实施例提供了可在设 想出的构造中用作光学元件的大元件阵列的示例，只要元件能够聚 集入射太阳光750并将太阳光750导向太阳能电池即可。

如开始所讨论的，本说明书的多结太阳能电池与现有技术的许 多多结太阳能电池相比，明显更加有效。多结太阳能电池可将入射 的太阳光以大于35%，大于37%，可能甚至大于39%或者甚至40% 的转换效率转换成能量。例如，在高强度（超过400个太阳）下， 附加外延II-VI电流扩散层和合适的电极可将电池的效率提高3个百 分点（例如，从37%提高至40%）。

在大多数实施例中，II-VI电流扩散层上的抗反射涂层可用于将 太阳光有效地耦合至太阳能电池。

本发明不应被视为限于上述的具体实例和实施例，因为详细描 述此类实施例是为了便于说明本发明的各种方面。相反，本发明应 当被理解为涵盖本发明的所有方面，包括落入如由所附权利要求书 限定的精神和范围内的各种修改形式、等效方法和替代装置。