CN102738292B - 多结叠层电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多结叠层电池，包括一衬底、一InGaN基电池膜层与一III-V族多结电池膜层，所述衬底置于所述III-V族多结电池膜层的裸露表面，所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层之间通过键合方式以连接。本发明还提供一种多结叠层电池的制备方法，包括步骤：1）提供一第一衬底、一第二衬底；2）在所述第一衬底生长InGaN基电池膜层，在第二衬底上生长III-V族多结电池膜层；3）从InGaN基电池膜层上剥离第一衬底，剩下InGaN基电池膜层；4）将InGaN基电池膜层的任意裸露表面键合至III-V族多结电池膜层的裸露表面。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及多结叠层电池及其制备方法。
背景技术
随着能源问题的不断加剧，人类对于太阳能这种取之不尽用之不竭的清洁能源寄予厚望，成为当前广泛接受的研究热点。在众多太阳能电池中，传统GaInP/GaAs/Ge三结电池已成功应用于空间和地面光伏领域，但进一步提升转换效率遇到瓶颈。根据带隙组成和与太阳光谱的匹配，顶电池的禁带宽度达到2.4eV~2.7eV时可显著提升多结电池的转换效率，但这么高的带隙宽度在已经采用的电池材料体系内是较难办到的。InGaN材料通过调节In的组分即可在0.7 eV ~3.4eV的范围内控制其禁带宽度，是极有可能满足多结高效太阳能电池的材料之一。采用MBE或者MOCVD技术直接在III-V族电池顶部生长InGaN顶电池，由于生长条件的差异，不仅要涉及衬底在腔室之间的转移导致污染；而且，由于InGaN材料与传统III-V族材料存在较大的晶格失配和热失配，获得的InGaN顶电池材料质量极差，而且容易发生龟裂、脱落等现象。另外，使用分光的方法虽可避免材料连续生长的问题，但由于采用平行结构且分光，会导致体积较大以及分光损失等。
另外，InGaN电池禁带宽度大，输出开路电压较高，但电流密度相对较低。若采用双端电极，顶电池可能会成为制约电流输出的瓶颈，影响电池效率的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供多结叠层电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种多结叠层电池，包括一衬底、一InGaN基电池膜层与一III-V族多结电池膜层，所述衬底置于所述III-V族多结电池膜层的裸露表面，所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层之间通过键合方式连接。
所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层均采用双层台面结构，且所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
所述III-V族多结电池膜层为Ge/Ge/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaInP/GaInP/GaInP/AlInP、InGaAs/InGaAs/GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/GaInP/GaInP/AlInP与Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/AlGaAs/AlInP中任意一种。
为了解决上述问题，本发明还提供一种如上述的多结叠层电池的制备方法，包括步骤：
1）提供一第一衬底、一第二衬底；
2）在所述第一衬底生长InGaN基电池膜层，在第二衬底上生长III-V族多结电池膜层；
3）从InGaN基电池膜层上剥离第一衬底，剩下InGaN基电池膜层；
4）将InGaN基电池膜层的任意裸露表面键合至III-V族多结电池膜层的裸露表面。
所述的多结叠层电池的制备方法，进一步包括步骤：
5）图形化所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层，使得上述两膜层均形成双层台面结构；
6）在所述InGaN基电池膜层与III-V族多结电池膜层中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
所述步骤4）中键合的方式包括采用共熔、过渡层、高温处理以及静电键合中任意一种。
所述过渡层的材料为铝、钛、硅化铂中任意一种或多种。
本发明提供多结叠层电池及其制备方法，优点在于：
1. 本发明中InGaN顶电池带隙宽度为2.4eV~2.7eV，能与太阳光谱匹配的更好，实现超高效率。
2. InGaN顶电池和常规III-V族电池可以在不同衬底上、不同腔室和不同生长条件下生长，生长过程方便可控，更有利于提升InGaN顶电池的材料质量。
3. 采用键合技术有效避免了因晶格失配和热失配造成的龟裂和脱落，增加了成品率。
4. 采用多端电极分别输出InGaN电池和常规III-V多结电池，可避免电流不匹配的问题，有利于多结电池效率的提升。
附图说明
图1是本发明提供的在第一衬底上生长的InGaN基电池膜层的结构图；
图2是本发明提供的在第二衬底上生长的III-V族多结电池膜层的结构图；
图3是本发明提供的多结叠层电池的结构图；
图4是本发明提供的带电极的多结叠层电池的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的多结叠层电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施例
图1所示为所述的在第一衬底上生长的InGaN基电池膜层的结构图。
图2所示为所述的在第二衬底上生长的III-V族多结电池膜层的结构图。
图3所示为所述的多结叠层电池的结构图。
参照图3，本具体实施例提供一种多结叠层电池，包括一第二衬底201、一InGaN基电池膜层102与一III-V族多结电池膜层202，所述InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202之间通过键合方式以连接，所述第二衬底201置于所述III-V族多结电池膜层202的裸露表面。
本实施例中的键合方式采用生长过渡层的方式实现InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202之间的连接，故在InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202之间还包括一层键合层301。所述键合层301的材料为Al、钛（Ti，titanium）、硅化铂（PtSi，Platinum Silicon）及其他类似材料。
作为可选实施方式，键合方式还可采用采用共熔、高温处理以及静电键合中任意一种。
图4所示为所述的带电极的多结叠层电池的结构图。
参照图4，InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202均采用双层台面结构，且所述InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
其中，双层台面结构为，以InGaN基电池膜层102为例，所述InGaN基电池膜层102具有两层台面，即具有两个具有高度差的裸露表面。
其中，电极302和电极303用于InGaN基电池膜层102的电流输出，电极304和电极305用于III-V族多结电池膜层202的电流输出。InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202的电流分别独立输出，避免了因为电流不匹配造成的效率降低。
与传统电池相比，本具体实施例集成了高能端应用的InGaN基电池，使与常规III-V电池键合后的多结叠层电池结构跟太阳光谱匹配得更好，从而提升电池的转换效率。
所述III-V族多结电池膜层202为采用包含III族和V族元素的多结电池膜层，可选Ge/Ge/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaInP/GaInP/GaInP/AlInP、InGaAs/InGaAs/GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/GaInP/GaInP/AlInP与Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/AlGaAs/AlInP中任意一种。
作为可选的实施方式，所述III-V族多结电池膜层202可以为p-Ge/n-Ge/n+-GaAs/p+-GaAs/p-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs/p+-GaInP/p-GaInP/n-GaInP,p-InGaAs/n-InGaAs/n+-GaInP/p+-InGaAs/p-GaAs/n-GaAs/n+-GaInP/p+-AlGaAs/p-GaInP/n-GaInP/AlInP，p-Ge/n-Ge/n+-GaAs/p+-GaAs/p-InGaAs/n-InGaAs/ n+-GaAs/p+-GaInP/p-AlGaAs/n-AlGaAs/AlInP等类似的三结电池结构。
上述p-Ge指具有P型掺杂类型的Ge层，n-Ge指具有N型掺杂类型的Ge层，p+-GaAs指具有高掺杂的P型掺杂类型的GaAs层，n+-GaAs指具有高N型掺杂类型的GaAs层。
第二具体实施例
本具体实施例提供一种如第一具体实施例的多结叠层电池的制备方法，包括步骤：
1）提供一第一衬底101、一第二衬底201；
2）在所述第一衬底101上生长InGaN基电池膜层102、在第二衬底201上III-V族多结电池膜层202；
3）从InGaN基电池膜层102上剥离第一衬底101，剩下InGaN基电池膜层102；
4）将InGaN基电池膜层102的任意裸露表面键合至III-V族多结电池膜层202的裸露表面。
作为可选实施方式，步骤2）中生长InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202的方法可采用金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）或者分子束外延技术（MBE）技术。
步骤2）中在所述第一衬底101上生长InGaN基电池膜层102、在第二衬底201上III-V族多结电池膜层202可以各自在不同生长室和生长条件下进行生长。
步骤3）中剥离方法可采用激光器照射、湿法剥离、纳米结构辅助自剥离等。
步骤4）采用键合技术不仅解决了多结电池材料连续生长时生长条件不一致的问题，也解决了晶格失配和热失配的问题。
所述制备方法进一步包括步骤：5）图形化所述InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202，使得上述两膜层均形成双层台面结构；6）在所述InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
作为可选实施方式，步骤5）中的图形化可选用光刻结合刻蚀等方法实现。
本具体实施方式中，所述步骤4）中键合的方式采用生长过渡层的方式实现InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202之间的连接，故在InGaN基电池膜层102与III-V族多结电池膜层202之间还包括一层键合层301。所述键合层301的材料为Al、钛（Ti，titanium）、硅化铂（PtSi，Platinum Silicon）及其他类似材料。键合过程所采用的键合层301对入射可见光仍保持较高的透过率，不会造成对光的明显吸收。
作为可选实施方式，所述步骤4）中键合的方式包括采用共熔、高温处理以及静电键合中任意一种。
本具体实施方式采用四端电极，对常规III-V族电池和InGaN顶电池的电流分别输出，以此实现较高的转换效率。
以下提供本发明的一实施例：
本实施例提供一种集成式InGaN/III-V族多结叠层电池的键合和多电极制备方法。参照图3的电池结构，制备工艺包括：
步骤1：采用MBE或者MOCVD法在第一衬底101上生长包含有n型层、吸收区和p型层等的InGaN基电池膜层102；采用MBE或者MOCVD法在第二衬底201上生长包含有多结电池及隧道结的III-V族多结电池膜层202。
采用波长为335nm的高能脉冲激光器从第一衬底101背面照射，扫描整个第一衬底101和InGaN基电池膜层102界面之后，InGaN基电池膜层102将会从第一衬底101上剥离下来。
步骤2：采用晶片键合技术将InGaN基电池膜层102键合至III-V族多结电池膜层202的裸露表面。
将InGaN基电池膜层102和III-V族多结电池膜层202分别经过有机清洗后，然后在体积比为7：100的氟化氢溶液中浸泡30秒，接着在体积比为0.05:1:5的氨水、双氧水和水的混合溶液中浸泡1分钟，接着用去离子水冲洗并采用氮气吹干。
将InGaN基电池膜层102和III-V族多结电池膜层202的键合面相对齐，采用0.5MPa的压力在270℃下在空气条件下退火10小时，接着在氢气体积百分比为1：10的氢气和氮气混合气体中，在450~600℃下退火30分钟。
步骤3：采用光刻结合刻蚀等制备N型台面、P型台面，并沉积金属电极。
采用光刻胶作掩膜，结合ICP依次刻蚀出台面，使得InGaN基电池膜层102和III-V族多结电池膜层202各自形成双层台面结构，用于沉积金属电极302、303、304和305。
采用光刻结合刻蚀等方法在InGaN基电池膜层102上制备第一N型台面、第一P型台面，并在第一N型台面上沉积金属电极302，在第一P型台面上沉积金属电极303；采用光刻结合刻蚀等方法在III-V族多结电池膜层202上制备第二N型台面、第二P型台面，并在第二N型台面上沉积金属电极304，在第二P型台面上沉积金属电极305。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种多结叠层电池，包括一衬底、一InGaN 基电池膜层与一III-V 族多结电池膜层，所述衬底置于所述III-V 族多结电池膜层的裸露表面，其特征在于，所述InGaN 基电池膜层与III-V 族多结电池膜层之间通过键合方式连接，所述InGaN 基电池膜层与III-V族多结电池膜层均采用双层台面结构，且所述InGaN 基电池膜层与III-V 族多结电池膜层中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
2.根据权利要求1 所述的多结叠层电池，其特征在于，所述III-V 族多结电池膜层为Ge/Ge/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaInP/GaInP/GaInP/AlInP、InGaAs/InGaAs/GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/GaInP/GaInP/AlInP 与Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/AlGaAs/AlInP 中任意一种。
3.一种如权利要求1 所述的多结叠层电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）提供一第一衬底、一第二衬底； 2）在所述第一衬底生长InGaN 基电池膜层，在第二衬底上生
长III-V 族多结电池膜层； 3）从InGaN 基电池膜层上剥离第一衬底，剩下InGaN 基电池膜层； 4）将InGaN 基电池膜层的任意裸露表面键合至III-V 族多结电池膜层的裸露表面；5）图形化所述InGaN 基电池膜层与III-V 族多结电池膜层，使得上述两膜层均形成双层台面结构； 6）在所述InGaN 基电池膜层与III-V 族多结电池膜层中每层台面结构裸露表面均设置一电极。
4.根据权利要求3 所述的多结叠层电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中键合的方式包括采用共熔、过渡层、高温处理以及静电键合中任意一种。
5.根据权利要求4 所述的多结叠层电池的制备方法，其特征在于，所述过渡层的材料为铝、钛、硅化铂中任意一种或多种。
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2012
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