光伏電池和光伏電池制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光伏電池制造方法。
【背景技術】
[0002] 化合物半導體根據材料組成而具有不同水平的帶隙（能帶間隙，bandgap)能量 和晶格常數。因此，制造了多結光伏電池，通過其將太陽光的波長范圍在多個光伏電池之間 分配，使得能量轉換效率提高。
[0003] 目前，多結光伏電池的典型實例為三結光伏電池（1.9eV/1.4eV/0. 67eV)，其包括 設置在具有與砷化鎵（GaAs)的晶格常數基本上相同的晶格常數的鍺（Ge)基底上的使用晶 格匹配材料的Ge單元（cell)/Ga(In)As單元/GalnP單元。
[0004] 由化合物半導體制成的光伏電池的效率為硅（Si)光伏電池的效率的大約兩倍那 么高。然而，由化合物半導體制成的光伏電池具有高成本的基底或者小尺寸的基底，并且因 此明顯比硅光伏電池昂貴。因此，由化合物半導體制成的光伏電池被用于特殊用途，主要用 于太空。
[0005] 此外，近來，通過將由塑料制成的廉價的聚光透鏡和由化合物半導體制成的小的 光伏電池單元組合而形成聚光式光伏電池。因此，與在不使用聚光透鏡的情況下形成的典 型的平板光伏電池相比，昂貴的化合物半導體的使用量減少。這樣的聚光式光伏電池能夠 以較低的成本制造并且除了如上所述的特殊用途之外，作為用于一般用途的光伏電池也是 實用的。
[0006] 然而，光伏電池的發電成本仍然高，并且因此進一步降低成本勢在必行。因此，正 進行研宄來提高能量轉換效率和降低制造成本。
[0007] 作為降低成本的實例，正研宄在成本低大約一位數并且其面積可制得大的Si基 底上用化合物半導體制造光伏電池（參見例如非專利文獻1)。然而，Si基底和由化合物半 導體制成的光伏電池具有不同的晶格常數，并且由于晶格馳豫而可出現位錯。因此，在Si 基底和光伏電池層之間設置緩沖層用于使晶格常數馳豫（relax)(進行晶格馳豫），以便使 晶格常數的差異盡可能多地在緩沖層中馳豫，并且因此減少化合物半導體中的位錯。
[0008] 此外，提出了如下方法：在Si基底和GaAs基底的每一個上形成光伏電池層，通過 直接結合方法將這些貼合在一起，和除去GaAs基底，和在Si基底上形成雙結光伏電池（參 見例如非專利文獻2和3)。
[0009] 此外，提出了通過涉及如下的智能切割（smartcut)方法制造光伏電池的方法： 將H+離子等注入到半導體基底內，和從所述基底從其中已經注入有離子的部分開始而剝 落薄層。在注入離子之后，經由SiOdfSi基底與Ge基底、GaAs基底、或InP基底結合在一 起。然后，通過加熱工藝，將Ge基底、GaAs基底、或InP基底剝落，和在由設置在Si基底上 的Ge層、GaAs層、或InP-層構成的模板基底上形成由化合物半導體制成的光伏電池（參 見例如非專利文獻4、5和6)。
[0010] 然而，通過由化合物半導體制成的光伏電池的以上制造方法，使用昂貴的GaAs基 底或InP基底，并且因此，由化合物半導體制成的光伏電池無法以低的成本制造。
[0011] 如上所述，通過常規的制造方法，由化合物半導體制成的光伏電池無法以低的成 本制造。
[0012] 非專利文獻 1:Yamaguchi等，Proceedingsofthe28thIEEEPhotovoltaic SpecialistsConference(2002),pp. 860-863
[0013] 非專利文獻 2:TheJapanSocietyofAppliedPhysicsAutumn proceedings, 2010, 15p-NC~4
[0014] 非專利文獻 3:TheJapanSocietyofAppliedPhysicsSpring proceedings, 2012, 17p-DP3-6
[0015] 非專利文獻 4:Appl.Phys.Lett. 92, 103503, (2008)
[0016] 非專利文獻 5:ProceedingsoftheIEEE4thWorldConferenceon PhotovoltaicEnergyConversion(2006),pp. 776-779.
[0017] 非專利文獻 6:Appl.Phys.Lett. 91, 012108, (2007)
[0018] 專利文獻1:日本待審專利公布No.S61-219182
[0019] 專利文獻2:日本待審專利公布No.

【發明內容】

[0020] 本發明是考慮到上述問題而完成的，并且本發明的至少一個實施方式的目的是提 供用于以低的成本制造由化合物半導體制成的光伏電池的光伏電池制造方法。
[0021] 本發明的方面提供光伏電池制造方法，其包括：在第一硅基底上沉積用于進行晶 格馳豫的第一緩沖層；在第一緩沖層上沉積第一光電轉換單元，第一光電轉換單元是用包 括pn結的化合物半導體形成的，并且第一光電轉換單元具有比硅的晶格常數高的晶格常 數；將支持基底連接至第一光電轉換單元以形成第一層狀體；和從第一層狀體除去第一緩 沖層以及第一硅基底。
【附圖說明】
[0022] 圖1A和1B說明根據第一實施方式的光伏電池制造方法；
[0023] 圖2A和2B說明根據第一實施方式的光伏電池制造方法；
[0024] 圖3說明根據第一實施方式的光伏電池制造方法；
[0025] 圖4說明根據第一實施方式變型的層狀體，其中通過浮脫（剝離，liftoff)方法 將Si基底和緩沖層除去；
[0026] 圖5A和5B說明根據第一實施方式變型的智能切割方法；
[0027] 圖6A和6B說明根據第二實施方式的光伏電池制造方法；
[0028] 圖7A和7B說明根據第二實施方式的光伏電池制造方法；
[0029] 圖8為根據第二實施方式變型的光伏電池的橫截面圖；
[0030] 圖9說明根據第三實施方式的光伏電池制造方法；
[0031] 圖10說明根據第三實施方式的光伏電池制造方法；
[0032] 圖11A和11B說明根據第三實施方式的光伏電池制造方法；
[0033] 圖12A和12B說明根據第三實施方式的光伏電池制造方法；
[0034] 圖13說明根據第三實施方式的光伏電池制造方法；
[0035] 圖14A和14B說明根據第四實施方式的光伏電池制造方法；
[0036] 圖15A和15B說明根據第四實施方式的光伏電池制造方法；和
[0037] 圖16說明根據第四實施方式的光伏電池制造方法。
【具體實施方式】
[0038] 以下參照附圖描述本發明的實施方式。
[0039] 第一實施方式
[0040] 圖1A到3說明根據第一實施方式的光伏電池制造方法。
[0041] 首先，如圖1A中所示，在基底10上順序地形成緩沖層11、接觸層12、GalnP單元 20、隧道結層13、GaAs單元30、和接觸層14。圖1A中所示的層狀體100是在假定太陽光從 如在圖1A中所看到的底側進入的情況下制得的。
[0042] Si基底10可例如為由未摻雜的硅單晶制成的基底。作為Si基底10,例如，可使 用具有8英寸或12英寸的尺寸的硅晶片。注意，Si基底10不限于以上，并且可使用任何 種類的基底。
[0043] 通過在Si基底10的一側沉積兩個層即娃鍺（SiGe)層和鍺（Ge)層而形成緩沖層 11。所述SiGe層和所述Ge層可通過例如CVD(化學氣相沉積）方法形成。
[0044] 所述SiGe層包括由Si晶體與Ge晶體的晶格常數的差異導致的缺陷，并且因此所 述SiGe層變成其中晶格常數的差異得到馳豫（進行晶格馳豫）的層。所述SiGe層沉積在 Si基底10上以使在稍后形成的化合物半導體層的晶格常數與Si基底10的晶格常數之間 的差異馳豫。此外，在所述SiGe層上沉積所述Ge層，因為所述Ge層具有與稍后形成的化 合物半導體層的晶格常數接近的晶格常數。
[0045] 如上所述，晶格常數的差異在所述SiGe層中得到馳豫，并且因此，形成于所述 SiGe層上的Ge層是在幾乎沒有任何扭曲的情況下生長的。由于以上原因，在Si基底10的 背部（backside)形成SiGe層，和在緩沖層11的背部形成Ge層。
[0046] 注意，緩沖層11可不形成為具有SiGe層和Ge層的兩層結構，而是可形成為具有 其中硅和鍺的比率連續變化的結構。例如，首先，可在Si基底10的一側形成具有高的硅比 率的SiGe層，并且可逐漸提高Ge的比率使得在背部獲得Ge層，以形成緩沖層11。
[0047] 接觸層12主要是為了與稍后形成的金屬層17 (參見圖3)的歐姆接觸而沉積在緩 沖層11上的層，并且例如，使用砷化鎵（GaAs)層作為接觸層12。例如，可通過M0CVD(有機 金屬化學氣相沉積）方法在緩沖層11上形成用作接觸層12的GaAs層。
[0048] 用作接觸層12的GaAs層具有與位于緩沖層11的最頂層處的Ge層的晶格常數顯 著接近的晶格常數。因此，可在緩沖層11上導致用作接觸層12的GaAs層的晶體生長。注 意，可導致作為接觸層12的具有晶格匹配Ge的組成的GalnAs層的晶體生長。
[0049]GalnP單元20為由包括鎵（Ga)、銦（In)、和磷（P)作為原材料的化合物半導體制 成的光電轉換單元。GalnP單元20包括n-層21和p-層22。例如，通過M0CVD方法，通過 在接觸層12上順序地沉積n-層21和p-層22而形成GalnP單元20。
[0050] 作為n-層21的摻雜劑，例如，可使用硅（Si)或硒（Se)。此外，作為p-層22的摻 雜劑，例如，可使用鋅（Zn)或鎂（Mg)。
[0051] 在第一實施方式中，調節Ga、In和P的組成，使得GalnP單元20的帶隙變為1. 9eV。 此外，GalnP單元20具有與用作接觸層12的GaAs層的晶格常數（大約5.65A)顯著接近 的晶格常數。調節Ga、In、和P的組成，使得GalnP單元20可在接觸層12上晶體生長。
[0052] 注意，在n-層21和接觸層12之間（GalnP單元20的入射側），可形成具有比GalnP 單元20的帶隙寬的帶隙的窗口層。此外，在p-層22上方（在p-層22與隧道結層13之 間），可形成具有比GalnP單元20的帶隙寬的帶隙的BSF(背場）層。
[0053] 隧道結層13設置在GalnP單元20與GaAs單元30之間，并且包括已經以比GalnP 單元20的n-層21以及p-層22和GaAs單元30的n-層31和p-層32的濃度高的濃度 摻雜的n-層和p-層。隧道結層13是結層，設置其使得電流（通過隧道結）在GalnP單元 20的p_層22與GaAs單元30的n-層31之間流動。
[0054] 例如，隧道結層13通過M0CVD方法，通過將AlGaAs層（p-層）和GalnP-層（n_層） 以所述次序沉積在GalnP單元20的表面上而形成。隧道結層13的p-層和n-層優選地用 具有比GalnP單元20的帶隙寬的帶隙的材料形成。這是為了防止已經透射通過GalnP單 元20的光在隧道結層13處被吸收。
[0055] 注意，隧道結層13具有與GaAs層的晶格常數（大約5.65A)顯著接近的晶格常 數。調節Ga、In、和P的組成，使得隧道結層13可在GalnP單元20上晶體生長。
[0056]GaAs單元30是由包括鎵（Ga)和砷（As)作為原材料的化合物半導體制成的光電 轉換單元。GaAs單元30包括n-層31和p-層32。例如，GaAs單元30通過M0CVD方法， 通過在隧道結層13上順序地沉積n-層31和p-層32而形成。
[0057] 作為n-層31的摻雜劑，例如，可使用硅（Si)或硒（Se)。此外，作為p-層32的摻 雜劑，例如，可使用鋅（Zn)或鎂（Mg)。
[0058] 注意，GaAs單元30具有大約5乂)5 A的晶格常數，并且因此GaAs單元30可在隧 道結層13上晶體生長。
[0059] 注意，在n-層31與隧道結層13之間（GaAs單元30的入射側），可形成具有比 GaAs單元30的帶隙寬的帶隙的窗口層。此外，在p-層32上方（在p-層32與接觸層14 之間），可形成具有比GaAs單元30的帶隙寬的帶隙的BSF(背場）層。
[0060] 接觸層14主要是為了與稍后形成的電極（金屬層15A)的歐姆接觸而沉積在GaAs 單元30上的層，并且例如，使用砷化鎵（GaAs)層作為接觸層14。例如，可通過M0CVD方法 在GaAs單元30上形成用作接觸層14的GaAs層。
[0061]注意，接觸層14由GaAs層構成，并且因此晶格常數為大約5.65人，并且可在GaAs單元30上晶體生長。
[0062] 如上所述，圖1A中所示的層狀體100是通過將構成光入射側的接觸層12、GalnP 單元20、隧道結層13、GaAs單元30、和接觸層14以所述次序順序地沉積在Si基底10和緩 沖層11上而形成的。
[0063] 因此，具有寬的帶隙的GalnP單元20(1. 9eV)與GaAs單元30(1. 4eV)相比設置得 更靠近光入射側。這是為了在光入射側的GalnP單元20處吸收短波長光，和在GaAs單元 30處吸收已經透射通過GalnP單元20的具有相對長的波長的光。
[0064] 接著，如圖1B中所示，準備支持基底80,并且在接觸層14上形成金屬層15A，和在 支持基底80上形成金屬層15B。金屬層15A、15B為由金屬例如金（Au)或銀（Ag)制成的薄 膜，并且可通過氣相沉積方法或者濺射方法形成。此外，支持基底80可為，例如，由塑料制 成的膜。
[0065] 注意，通過在圖1A中所示的層狀體100的接觸層14上形成金屬層15A而形成的 物體被稱作層狀體100A。
[0066] 接著，如圖2A中所示，將層狀體100A上下翻轉，并且使用結合（bonding)層16將 層狀體100A的金屬層15A與形成于支持基底80的表面上的金屬層15B結合。
[0067] 結合層16是通過例如如下而形成的：在金屬層15A或金屬層15B的表面上施加接 合（join)材料例如導電環氧試劑，所述導電環氧試劑例如通過在環氧樹脂中包括銀（Ag) 納米粒子而形成。結合層16是通過例如如下而形成的：通過絲網印刷將接合材料施加在金 屬層15A或金屬層15B的表面上。
[0068] 通過經由使用如上所述的結合層16將金屬層15A與金屬層15B接合在一起而形 成如圖2A中所示的層狀體100B。在此情況下，將結合層16加熱，使得金屬層15A和金屬層 15B通過結合層16熔合在一起。層狀體100B包括層狀體100A、結合層16、金屬層15B、和 支持基底80。
[0069] 注意，金屬層15A、結合層16、和金屬層15B用作光伏電池的底部電極（背部電 極）。
[0070] 接著，通過蝕刻圖2A中所示的層狀體100B的Si基底10和緩沖層11而將Si基 底10從層狀體100B除去。從而，形成如圖2