CN101859813A - 四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，利用晶片键合的方法，将基于倒置结构生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳和Ge太阳电池单片集成，充分利用Ge电池，既直接作为四结电池的底电池，又作为支撑衬底，实现四结带隙能量分别为1.9/1.4/1.0/0.67eV的太阳电池，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收和能量转换，从而可以获得超过45％的转换效率。本发明减少了机械式级联太阳电池系统中使用多个不同衬底所导致的高成本以及光学集成电池中复杂的光学系统及光学损失，同时还有效解决了生长单片四结级联半导体太阳电池材料的晶格失配问题。实现高电压、低电流输出，降低高倍聚光电池中电阻消耗。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用的光伏存储设备，尤其涉及一种四结太阳电池的结构设计和器件制备，属于太阳能光伏技术领域。
背景技术
在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下，也在空间飞行器能源系统的需求牵引下，光伏技术领域不断取得突破。晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、III-V族化合物半导体太阳能电池、II-VI族化合物半导体多晶薄膜太阳能电池等，越来越多的太阳能电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。回顾光伏技术在最近10年的发展，在效率提高方面，多结级联式的太阳能电池结构是最引人瞩目的。2007年InGaP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30％。在240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40％。理论上来说，结数越多，效率越高。但在实践上，很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现整体级联电池。因此，目前的多结电池结构主要有两种思路：一是优先考虑晶格匹配而将光电流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的设计，两结GaInP/GaAs电池的效率达到了30％以上。但晶格匹配的电池结构由于其确定的带隙能量，限制了太阳光的光电流的匹配，使得它不能实现对太阳电池的全光谱吸收利用。例如，对于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，底电池Ge上的光电流密度为上两层电池光电流密度的两倍，从而限制了效率的提升。二是优先考虑多结结构的光电流匹配而采用晶格失配的生长方式，从2005年开始，国际上几个著名的研究组，比如NREL，Emcore以及日本的丰田、夏普等越来越多地关注晶格失配的太阳电池结构的研究。通过带隙能量的调整，利用倒置方法生长的InGaAs/(In)GaAs/InGaP电池的效率从2007年的38.9％(81倍聚光，AM1.5D)提高到2008年的40.8％(326倍聚光，AM1.5G)。最近德国夫琅和费研究所的Eicke Weber教授领导的研究小组将三结GaInP/GaInAs/Ge太阳电池效率提高到了41.1％。
尽管如此，晶格失配的结构设计依赖于高质量的材料生长，而大的晶格失配必然带来失配位错，从而大大增加非辐射复合、降低电池效率。这导致了直接生长的四结串联式电池的效率反而比三结的效率要低。而根据Shockley-Quisser模型，四结带隙能量为1.9/1.4/1.0/0.67eV的太阳电池可以获得超过45％的转换效率。同时，由于四结结构更能够实现高电压，低电流输出，可以有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻热损失，而超高倍聚光电池可以大大地降低太阳电池成本，从而为III-V族化合物半导体太阳电池在产业化方面的进展起到了极大地推动。
基于晶格失配的太阳电池在材料生长上的限制以及四结以上电池研制的需要，通过外延直接键合的方法实现大失配晶格材料的直接单片多结电池集成已经被证明具有很大的潜力。利用外延键合不仅可以解决晶格失配所带来的材料生长难题，而且还可以使用Si衬底代替昂贵的InP或GaAs，从而降低电池成本。在四结电池的研制上，美国波音-光谱公司以及加州理工的科学家们提出了将Ge衬底上的双结GaInP/GaAs电池和InP衬底上生长的InGaAsP/InGaAs(1.0/0.72eV)键合的方法，以实现单片四结GaInP/GaAs/[Ge/InP键合介面]/InGaAsP/InGaAs集成。虽然使用了晶格匹配的材料结构，但Ge/InP会吸收能量在1.42eV以下的太阳光，从而降低InGaAsP/InGaAs电池的效率。因此，必须要在键合之前获得Ge薄层，这会大大增加电池研制的工艺困难。此外，为了降低使用InP衬底而导致的高的电池成本，在工艺上增加了一次键合过程，以使用Si代替InP衬底，这同样会导致电池效率的可能下降。
发明内容
鉴于上述以InGaP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池为代表的光伏技术仍无法达到与太阳光谱的最佳匹配，以及制作单片级联三结以上的太阳能电池存在的半导体材料间晶格失配的客观困难，本发明的目的是提出一种四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，在继承以往三结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。
实现本发明的目的的技术方案如下：
四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，其特征在于：以倒置结构生长三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池，并与单结Ge太阳电池以键合方式集成为四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池。
进一步地，上述四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法在GaAs衬底上生长三结倒置结构GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池的外延片，获得带隙能量为1.9/1.4/1.0eV的电池组合；
步骤2：在MOCVD系统中，在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法生长GaInP，生成单结Ge太阳电池，其带隙能量为0.67eV，并在GaInP上，生长GaAs作为键合层；
步骤3：将步骤1生长的三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池的背表面层In0.25Ga0.75P和单结Ge太阳电池的顶层键合，其键合界面为：n+In0.25Ga0.75P/n+GaAs。
步骤4：采用湿法腐蚀，将步骤1制得的三结电池GaAs衬底腐蚀剥离。
更进一步地，前述四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，其中步骤4之后，还包括一系列输出功率、尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以完成四结太阳电池的制作。
本发明制作方法的提出，较之于现有技术其突出效果为：
首先，通过晶片键合的方法，克服了光电流匹配与晶格匹配之间的矛盾，以多种带隙宽度不同的半导体材料构成级联的太阳能电池，吸收利用与其材料隙宽最相匹配的太阳光谱，减小光电转换中的热能损耗，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收，提高光电转换效率；
其次，利用倒置结构，在传统的三结电池基础上，获得带隙能量为1.0eV的光学吸收，从而获得了更高的光电转换效率；
再者，实现了Ge电池的充分利用，既作为四结电池的底电池，又作为倒置结构的三结电池的支撑衬底，具有提高效率并节省成本的双重效果。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明四结太阳电池键合前后的电池结构转化示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实施例，详细说明如下：
1)键合前电池的生长
如图1所示，是本发明所采用的三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池和单结Ge太阳电池键合前后的电池结构转化示意图。由附图可以清楚地看到：三结电池是采用倒置的生长方法，首先在GaAs衬底上生长Ga0.51InP，然后是GaAs，最后生长In0.27Ga0.73As。这样的好处在于只有一个界面晶格失配，相比于在GaAs直接生长InGaAs，会增加一个界面失配，即InGaAs和GaAs衬底之间以及与中间的GaAs电池之间。从GaAs中间电池如何有效地过度到带隙能量为1.0eV的InGaAs是材料生长的关键。本发明采用组分渐变和应变超晶格等两种不同类型的GaxInP缓冲过渡层，通过比较二者之间的优劣，实现材料生长的优化。所谓组分渐变的生长方法，即在生长完GaAs中间电池之后，生长10层Ga组分不同的GaInP缓冲层，通过这10层缓冲层的生长(厚度为2μm)，最后生长一层晶格常数和In0.27Ga0.73As相同的GaInP，利用这种方法有效释放应力，减小晶格失配所带来的位错，降低非辐射复合。应变超晶格结构则是采用几个不同周期的应力不同的超晶格结构有效释放应力。而Ge电池，我们是利用在p型Ge衬底上生长GaInP，具体做法是：通过高温下向Ge中的扩散磷(P)形成Ge的pn单结电池，并在GaInP上，生长GaAs作为键合层。
2)晶片的键合
本发明中键合界面是n+In0.25Ga0.75P/n+GaAs，其中，In0.25Ga0.75P为三结电池的背表面层，而n+GaAs为Ge电池的顶部结构。通过掺杂浓度和退火时间的选择对界面电阻的影响，获得界面电阻较小的理想键合界面。
3)衬底的剥离及电池工艺
键合之后，需要将三结电池中的GaAs衬底剥离，对多结太阳电池来说，吸收是从高能往低能分布。利用选择性腐蚀，实现对衬底的剥离。衬底剥离之后，则按照标准的电池工艺完成电池制备，包括一系列输出功率、尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，得到如图1右侧所示的四结太阳电池。
综上所述，是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，其特征在于：以倒置结构生长三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池，并与单结Ge太阳电池以键合方式集成为四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池。
2.根据权利要求1所述的四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法在GaAs衬底上生长三结倒置结构GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池的外延片，获得带隙能量为1.9/1.4/1.0eV的电池组合；
步骤2：在MOCVD系统中，在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法生长GaInP，生成单结Gepn太阳电池，其带隙能量为0.67eV，并在GaInP上，生长GaAs作为键合层；
步骤3：将步骤1生长的三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池的背表面层In0.25Ga0.75P和单结Ge太阳电池的顶层键合，其键合界面为：n+In0.25Ga0.75P/n+GaAs。
步骤4：采用湿法腐蚀，将步骤1制得的三结电池GaAs衬底腐蚀剥离。
3.根据权利要求1所述的四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤4之后，还包括一系列输出功率、尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以完成四结太阳电池的制作。
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