CN101728458A - 多结太阳电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多结太阳电池的制造方法，太阳电池结构为Si/GaAs/InGaP三层结构，底层电池为Si的PN结电池、中间电池为GaAs的PN结电池、顶层电池为InGaP的PN结电池，各子电池直接生长在硅电池衬底上，该方法具有以下工艺步骤：在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉中扩散形成PN结形成底层电池；在制备好PN结的硅片N型面上生长GaAs隧道结；在隧道结上生长GaAs电池；在GaAs电池的N型面上生长GaAs隧道结；在隧道结上生长InGaP电池；在InGaP电池上生长减反射膜；使用丝网印刷形成欧姆接触；获得多结太阳电池。
Description
技术领域
本发明属于无机材料技术领域的太阳电池领域，涉及一种多结太阳电池的制造方法。
背景技术
太阳能是一种洁净、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，人类赖以生存的自然资源几乎全部转换于太阳能，将太阳能直接转换为电能是大规模利用太阳能的一项重要技术基础。自1954年贝尔实验室开发出效率为6％的第一个多晶硅太阳电池，直至现在太阳电池市场以每年35％的速度递增。
由于传统晶体硅电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导产品。而薄膜电池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳电池。市场上使用最多的是单晶硅和多晶硅太阳电池，而硅太阳电池转换效率的理论极限只有25％，当前，单晶硅太阳电池的最高转换效率只有18％，要想再进一步提高已经非常困难，其它硅太阳电池的效率更低，远远不能满足诸多领域的应用，如何进一步提高硅太阳电池的转换效率具有重要的现实意义。
太阳的光谱非常宽，由于硅材料本身禁带宽度的限制，使得硅太阳能电池只能吸收一定波段的光，其余的波段的光不能被吸收而浪费掉。针对太阳光谱，在不同的波段选取不同禁带宽度的半导体材料做成多个太阳子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳电池，从而可以极大程度地提高太阳电池的转换效率。由于部分化合物半导体材料的禁带宽度可调，因此，选取恰当的实验方法制备能够吸收不同波段的化合物半导体材料能够解决当今电池效率相对较低的难题。
近年来，磁场强度超过10T的超导强磁场的应用已受到人们的广泛重视。强磁场因其强大的磁化作用，可以使得非铁磁性物质也能显示出内禀磁性，如水、塑料、木材等可在强磁场中悬浮。与普通磁场作用于宏观的物体不同，强磁场能够将高强度的磁能传递到物质的原子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生深远的影响。在材料制备中，磁场能控制材料生长过程中的形态、大小、分布和取向等，从而影响材料的组织结构，最终获得具有优良性能的新材料。通过磁场的磁化效应制备多结太阳电池的技术尚没有出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种多结太阳电池的制造方法，通过该方法可以在晶体硅电池上再叠加制备两层子电池，从而解决目前传统电池效率较低的技术难题。
本发明的技术方案如下：一种多结太阳电池的制造方法，所述太阳电池结构为S i/GaAs/InGaP三层结构，底层电池为Si的PN结电池、中间电池为GaAs的PN结电池、顶层电池为InGaP的PN结电池，各子电池直接生长在硅电池衬底上，该方法具有以下工艺步骤：
a.在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉中扩散形成PN结形成底层电池，刻蚀后再清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃；
b.在制备好PN结的硅片N型面上使用MBE制备GaAs隧道结；
c.在步骤b中GaAs隧道结上MBE生长GaAs电池；
d.在制备好GaAs电池的N型面上使用MBE制备GaAs隧道结；
e.在步骤d中GaAs隧道结上MBE生长InGaP电池；
f.在InGaP电池上使用PECVD(等离子体化学气相沉积法)生长减反射膜；
g.使用丝网印刷机在三层电池的硅片P型面制备形成电池的背电极和背电场，印刷的背电极和背电场构成底层电极经烧结后形成欧姆接触；
h.使用磁控溅射仪在电池的顶层制备顶层电极，在三层电池的减反射膜面溅射金属电极形成欧姆接触；
i.获得多结太阳电池。
MBE(分子束外延)是目前生长各种半导体薄膜的重要方法之一，生长过程中可以通过精确控制各个蒸发源的蒸发温度、蒸发时间等参数，并结合各种原位监控手段，实现对外延薄膜的厚度、成分的控制，实现亚单原子层精度的生长。
进一步地，所述步骤a中磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面是指：将单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面制备反应器放置于15T以下磁场中，所述反应液的配比为：氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数为0.05％～15％，乙醇或异丙醇的质量百分数为5％～30％，硅酸钠的质量百分数为0.05％～3％；反应液的温度保持在50℃～100℃，绒面制备时间10～45分钟。
进一步地，所述步骤b中使用MBE生长GaAs隧道结是指：生长N型重掺杂的GaAs层和P型重掺杂的GaAs层作为隧道结。
进一步地，所述步骤c中使用MBE生长GaAs电池是指：先生长P型掺杂的InGaP层作为中间电池背场，再生长P型重掺杂的GaAs层作为中间电池基层，最后生长N型重掺杂的GaAs层作为中间电池发射层，形成中间电池。
进一步地，所述步骤d中使用MBE生长GaAs隧道结是指：生长N型重掺杂的GaAs层和P型重掺杂的GaAs层作为隧道结。
进一步地，所述步骤e中使用MBE生长顶层电池是指：先生长P型重掺杂的InGaP层作为顶层电池背场，接着生长P型重掺杂的InGaP层作为顶层电池基层，接着生长N型重掺杂的InGaP层作为顶层电池发射层，再生长N型重掺杂的GaInP作为顶层电池窗口层，最后生长N型重掺杂的GaAs接触层作为欧姆接触层，形成顶层电池。
进一步地，所述步骤f中使用PECVD方法在电池上表面生长一层减反射膜。
本发明的技术效果在于：首先在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长底层电池，然后通过MBE在硅电池上外延生长多结电池，通过MBE方式可以精确控制材料的生长及各层电池的厚度，由于三层不同的材料具有不同的禁带宽度，每种材料可以吸收不同波谱范围内的太阳光，电池的吸收光谱变宽，大量的太阳光被电池吸收，从而进一步提高了太阳电池的光电转换效率。
说明书附图
图1为本发明的多结太阳电池的结构示意图；
图2为底层电池结构示意图；
图3为中间电池结构示意图；
图4为顶层电池结构示意图；
附图标号说明：
1-底层电池，2-隧道结，3-中间电池，4-隧道结，5-顶层电池，
6-减反射膜，7-顶层电极 11-底层电极，12-底层电池层，
31-中间电池背场，32-中间电池基层，33-中间电池发射层，
51-顶层电池背场，52-顶层电池基层，53-顶层电池发射层，
54-顶层电池窗口层，55-欧姆接触层
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1-4所示，为多结太阳电池的结构，为Si/GaAs/InGaP三层结构，底层电池1为Si的PN结电池、中间电池3为GaAs的PN结电池、顶层电池5为InGaP的PN结电池，各子电池直接生长在硅电池衬底上。
多结太阳电池的制备方法：
首先使用180μm厚的P型单晶硅通过化学腐蚀的方法制作太阳能电池，在磁场中进行高效绒面的制备，即：将单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面制备反应器放置于15T以下磁场中，反应液的配比为：氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数为0.05％～15％，乙醇或异丙醇的质量百分数为5％～30％，硅酸钠的质量百分数为0.05％～3％；反应液的温度保持在50℃～100℃，绒面制备时间10～45分钟。
之后在高温扩散炉中通过精确控制工艺条件进行PN结的制备，形成底层电池层12，对扩散后的硅片刻蚀后，在氢氟酸溶液中清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃。
将扩散好PN结的硅片底层电池1进行MBE生长，先生长一层20nm厚N型掺杂浓度1×1019cm-3的GaAs层，再生长一层20nm厚P型掺杂浓度5×1019cm-3的GaAs层形成隧道结2。
在隧道结2上进行MBE生长，先生长一层100nm厚P型掺杂浓度1×1019cm-3的GaAs层作为中间电池背场31，再生长一层2μm厚的P型掺杂浓度1×1018cm-3的GaAs层作为中间电池基层32，最后生长一层200nm厚的N型重掺杂浓度5×1018cm-3的GaAs层作为中间电池发射层33，形成GaAs中间电池3。
在GaAs电池3上进行MBE生长，先生长一层20nm厚N型掺杂浓度1×1019cm-3的GaAs层，再生长一层20nm厚P型掺杂浓度5×1019cm-3的GaAs层形成隧道结4。
在隧道结4上进行MBE生长，先生长一层100nm厚的P型掺杂浓度1×1019cm-3的InGaP层作为顶层电池背场51，接着生长一层1.5μm厚的P型掺杂浓度1×1018cm-3的I nGaP层作为顶层电池基层52，接着生长一层200nm厚的N型掺杂浓度5×1018cm-3的InGaP层作为顶层电池发射层53，再生长一层100nm厚的N型重掺杂浓度1×1018cm-3的GaInP层作为顶层电池窗口层54，最后生长一层10nm厚的N型重掺杂浓度1×1019cm-3的GaAs层作为欧姆接触层55，形成顶层电池5。
在顶层电池5上进行PECVD减反射膜6生长，生长一层60nm厚的SiNx或TiO2减反射膜。
使用丝网印刷技术在三层电池的硅片P型面上印刷两条1μm厚的导电银浆作为背电极，印刷一层1μm厚的铝浆作为背电场，印刷的背电极和背电场构成底层电极11，经烧结后形成欧姆接触。
将三层电池放入磁控溅射仪中，在减反射层6上溅射一层100nm厚的金属层，光刻后形成梳状顶层电极7，氮气中300℃退火后形成欧姆接触。
按照上述制备方法制备出的多结太阳电池使用太阳能模拟器进行测试后，结果如下：
| 样品 | 磁场(T) | 反射率 | 转换效率 |
| 1 | 0 | 9.8％ | 27.2％ |
| 2 | 3 | 8.67％ | 30.6％ |
| 3 | 5 | 8.12％ | 31.7％ |
| 4 | 8 | 7.65％ | 32.6％ |
| 5 | 10 | 7％ | 33.1％ |
| 6 | 12 | 7.53％ | 32.3％ |
| 7 | 15 | 8％ | 31.8％ |
通过以上测试结果发现，在磁场强度5T～15T时，电池转换效率均大于30％，尤其在磁场强度为10T时，电池转换效率最佳。通过MBE技术在硅电池上外延生长多结电池，可以精确控制材料的生长及各层电池的厚度，从而进一步提高太阳电池的效率。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
Claims (7)
1.一种多结太阳电池的制造方法，所述太阳电池结构为Si/GaAs/InGaP三层结构，底层电池为Si的PN结电池、中间电池为GaAs的PN结电池、顶层电池为InGaP的PN结电池，各子电池直接生长在硅电池衬底上，其特征在于：该方法具有以下工艺步骤
a、在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉中扩散形成PN结形成底层电池，刻蚀后再清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃；
b、在制备好PN结的硅片N型面上使用MBE生长GaAs隧道结；
c、在步骤b中所述GaAs隧道结上使用MBE生长GaAs电池；
d、在GaAs电池的N型面上使用MBE生长GaAs隧道结；
e、在步骤d中所述GaAs隧道结上使用MBE生长InGaP电池；
f、在InGaP电池上使用PECVD生长减反射膜；
g、使用丝网印刷机在三层电池的硅片P型面制备形成电池的背电极和背电场，经过印刷的背电极和背电场构成底层电极经烧结后形成欧姆接触；
h、使用磁控溅射仪在电池的顶层制备顶层电极，在三层电池的减反射膜面溅射金属电极形成欧姆接触；
i、获得多结太阳电池。
2.根据权利要求1所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述步骤a中磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面是指：将单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面制备反应器放置于15T以下磁场中，所述反应液的配比为：氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数为0.05％～15％，乙醇或异丙醇的质量百分数为5％～30％，硅酸钠的质量百分数为0.05％～3％；反应液的温度保持在50℃～100℃，绒面制备时间10～45分钟。
3.根据权利要求1所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述步骤b中使用MBE生长GaAs隧道结是指：生长N型重掺杂的GaAs层和P型重掺杂的GaAs层作为隧道结。
4.根据权利要求1所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述步骤c中使用MBE生长GaAs电池是指：先生长P型掺杂的InGaP层作为中间电池背场，再生长P型重掺杂的GaAs层作为中间电池基层，最后生长N型重掺杂的GaAs层作为中间电池发射层，形成中间电池。
5.根据权利要求1所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述步骤d中使用MBE生长GaAs隧道结是指：生长N型重掺杂的GaAs层和P型重掺杂的GaAs层作为隧道结。
6.根据权利要求1所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述步骤e中使用MBE生长InGaP电池是指：先生长P型重掺杂的InGaP作为顶层电池背场，接着生长P型重掺杂的InGaP层作为顶层电池基层，接着生长N型重掺杂的InGaP层作为顶层电池发射层，再生长N型重掺杂的GaInP作为顶层电池窗口层，最后生长N型重掺杂的GaAs接触层作为欧姆接触层，形成顶层电池。
7.根据权利要求2所述的多结太阳电池的制造方法，其特征在于：
所述磁场强度范围为5T至15T。
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