CN102790120B - GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池，包括支撑衬底，以及在所述支撑衬底上依次设置的第二接触层、Ge子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第一隧道结、GaInP子电池和第一接触层。本发明还提供一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）提供一GaAs衬底；2）在GaAs衬底表面依次生长AlGaAs的牺牲层、第一接触层、GaInP子电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、Ge子电池及第二接触层；3）提供一支撑衬底；4）将支撑衬底键合至第二接触层表面；5）从第一接触层处将GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层剥离以去除GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着一些传统非再生能源如煤、石油、天然气日趋枯竭，太阳电池作为一种新型的理想绿色能源材料已成为各国研究热点，作为一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电转化器件，GaAs体系的太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐射能力和更高的耐温特性，是目前世界上最具竞争力的新一代太阳电池。
为了进一步促进GaAs体系太阳电池的进一步实用化，提高其光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段。将不同禁带宽度的子电池进行串联做成叠层结构可实现对太阳光谱的充分利用，减小电流失配，最终提高电池效率。叠层电池中研究较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.67eV)三结电池，其最高转换效率为32-33%(一个太阳)。然而该三结电池中通过在Ge衬底外延生长GaAs时，Ga原子和As原子在格点上有两种选择，具有不确定性，两种原子并没有优先的成核位置，这就容易引入反相畴，影响载流子寿命和界面形貌，使得材料生长质量较差，传统的降低反相畴的方法对生长条件的要求比较苛刻，增加了制作难度。同时Ge资源有限，制约了Ge基电池的规模生产。
如何得到高质量的GaInP/GaAs/Ge三结电池的外延材料，同时降低电池制作成本和难度成为当前Ⅲ-Ⅴ族太阳电池亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池，包括支撑衬底，以及在所述支撑衬底上依次设置的第二接触层、Ge子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第一隧道结、GaInP子电池和第一接触层。
所述第一接触层的材料为GaAs，第二接触层的材料为Ge或(In)GaAs。
所述Ge子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为InGaAs或GaInP的第一背场层、Ge的第一基区、Ge的第一发射区和GaInP或AlInP的第一窗口层。
所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP或(Al)GaAs的第一掺杂层和(Al)GaAs的第二掺杂层。
所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP或AlGaAs的第二背场层、GaAs的第二基区、GaAs的第二发射区和Al(Ga)InP或AlGaAs的第二窗口层。
所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP或GaAs的第三掺杂层和GaAs的第四掺杂层。
所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层、GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和AlInP或AlGaAs的第三窗口层。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1）提供一GaAs衬底；
2）在GaAs衬底表面依次生长AlGaAs的牺牲层、第一接触层、GaInP子电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、Ge子电池及第二接触层；
3）提供一支撑衬底；
4）将支撑衬底键合至第二接触层表面；
5）从第一接触层处将GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层剥离以去除GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层。
本发明提供GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：
1.材料消耗低：外延Ge和GaAs衬底采用衬底剥离，GaAs衬底可多次重复利用，有利于降低成本和资源消耗。
2.电池材料质量高：GaAs上倒置生长GaInP、GaAs，无反向畴的问题，外延Ge子电池可以很好地控制结深和掺杂浓度，优于扩散结，同时可以采用宽带隙的III-V材料作其背场。
附图说明
图1是本发明提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池第一具体实施方式的电池结构图；
图2是本发明提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法第二具体实施方式的步骤流程图；
图3是本发明提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法第二具体实施方式步骤S202后形成的电池结构图；
图4是本发明提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法第二具体实施方式包括电极的电池结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
图1所示为本具体实施方式提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池的电池结构图。
本具体实施方式提供了一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池，带隙组合为1.90 eV/1.42 eV/0.67eV，该三结级联太阳能电池包括支撑衬底26，以及在所述支撑衬底26上依次设置的第二接触层20、Ge子电池21、第二隧道结22、GaAs子电池23、第一隧道结24、GaInP子电池25和第一接触层03。
作为可选实施方式，所述支撑衬底26可选用硅片、玻璃和金属中任意一个。
作为可选实施方式，所述第一接触层03的材料为GaAs，第二接触层20的材料为Ge或(In)GaAs。
所述Ge子电池21包含依次按照逐渐远离支撑衬底26的方向设置的材料为InGaAs或GaInP的第一背场层19、Ge的第一基区18、Ge的第一发射区17和GaInP或AlInP的第一窗口层16。
作为可选的实施方式，所述Ge子电池21通过外延形成，能很好地控制结深和掺杂浓度。
所述第二隧道结22包含依次按照逐渐远离支撑衬底26的方向设置的材料为GaInP或(Al)GaAs的第一掺杂层15和(Al)GaAs的第二掺杂层14。
申请文件中出现的(Al)GaAs表示AlGaAs或GaAs。
作为可选的实施方式，所述第一掺杂层15的导电类型为N型，第二掺杂类型的导电类型为P型。
所述GaAs子电池23包含依次按照逐渐远离支撑衬底26的方向设置的材料为GaInP或AlGaAs的第二背场层13、GaAs的第二基区12、GaAs的第二发射区11和Al(Ga)InP或AlGaAs的第二窗口层10。
申请文件中出现的Al(Ga)InP表示AlGaInP或AlInP。
所述第一隧道结24包含依次按照逐渐远离支撑衬底26的方向设置的材料为GaInP或GaAs的第三掺杂层09和GaAs的第四掺杂层08。
作为可选的实施方式，所述第三掺杂层09的导电类型为N型，第四掺杂类型的导电类型为P型。
所述GaInP子电池25包含依次按照逐渐远离支撑衬底26的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层07、GaInP的第三基区06、GaInP的第三发射区05和AlInP或AlGaAs的第三窗口层04。
作为可选实施方式，如图4所示，所述GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池进一步包括第一接触电极27与第二接触电极28，所述第二接触电极28位于第二接触层20表面，第一接触电极27位于第一接触层03表面。
第二具体实施方式
本具体实施方式提供了一种GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池的制备方法，采用MOCVD法或MBE法生长形成。
若采用MOCVD法，Ge子电池21中N型掺杂剂为P或As，P型掺杂剂为B或Ga，其余层N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C。
若采用MBE法，Ge子电池21中N型掺杂原子为P或As，P型掺杂剂为B或Ga，其余层N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
图2所示为本具体实施方式提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法的步骤流程图。
图3所示为本具体实施方式提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法步骤S202后形成的电池结构图。
上述GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池的制备方法，包括：
步骤S201，提供一GaAs衬底；
步骤S202，在GaAs衬底表面依次生长AlGaAs的牺牲层、第一接触层、GaInP子电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、Ge子电池及第二接触层；
步骤S203，提供一支撑衬底；
步骤S204，将支撑衬底键合至第二接触层表面；
步骤S205，从第一接触层处将GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层剥离以去除GaAs衬底及AlGaAs的牺牲层。
步骤S202进一步包括步骤：
2021）在GaAs衬底01表面生长AlGaAs的牺牲层02。
2022）在牺牲层02表面生长第一接触层03。
2023）在第一接触层03表面生长GaInP子电池25。
步骤2023）进一步包括步骤：在第一接触层03表面依次生长材料为AlInP或AlGaAs的第三窗口层04、GaInP的第三发射区05、GaInP的第三基区06及Al(Ga)InP的第三背场层07。
2024）在GaInP子电池25表面生长第一隧道结24。
步骤2024）进一步包括步骤：在GaInP子电池25表面依次生长材料为P型GaAs的第四掺杂层08及N型GaInP或GaAs的第三掺杂层09。
2025）在第一隧道结24表面生长GaAs子电池23。
步骤2025）进一步包括步骤：在第一隧道结24表面依次生长材料为Al(Ga)InP或AlGaAs的第二窗口层10、GaAs的第二发射区11、GaAs的第二基区12及GaInP或AlGaAs的第二背场层13。
2026）在GaAs子电池23表面生长第二隧道结22。
步骤2026）进一步包括步骤：在第一隧道结24表面依次生长材料为P型(Al)GaAs的第二掺杂层14及N型GaInP或(Al)GaAs的第一掺杂层15。
2027）在第二隧道结22表面生长Ge子电池21。
步骤2027）进一步包括步骤：在第一隧道结24表面依次生长材料为GaInP或AlInP的第一窗口层16、Ge的第一发射区17、Ge的第一基区18及InGaAs或GaInP的第一背场层19。
2028）在Ge子电池21表面生长第二接触层20。
作为可选的实施方式，步骤S105中剥离的方法为采用湿法腐蚀或干法刻蚀。
步骤S204进一步包括步骤：清洗第二接触层20表面，去除污染物；将支撑衬底26键合至第二接触层20表面；进行退火处理以减小支撑衬底26和第二接触层20之间的接触电阻，并在支撑衬底26表面形成欧姆接触。
当步骤S205中剥离的方法为采用湿法腐蚀时，所述牺牲层02具有不同于GaAs衬底01和GaInP子电池25外延层的化学性质，换而言之，所述牺牲层02被腐蚀时不影响GaAs衬底01和GaInP子电池25外延层的结构。
步骤S201中选用GaAs衬底01，在步骤S202中采用在GaAs衬底01上倒置生长GaInP子电池25、GaAs子电池23、Ge子电池21能有效地消除反向畴的形成。
图4所示为本具体实施方式提供的GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池制备方法包括电极的电池结构图。
作为可选的实施方式，进一步包括第一、第二接触电极28制备步骤，包括步骤：在第二接触层20表面制作第二接触电极28，并在第一接触层03表面制作第一接触电极27。
接下来提供本发明的一实施例。
本实施例提供倒装GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳电池的制备方法，包括下列步骤：
(一)采用MOCVD方法倒装生长GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳电池，其结构如图3所示：
(1)在GaAs衬底01表面生长厚度为0.5微米的AlGaAs作为倒装电池的牺牲层02；
(2)然后在牺牲层02表面生长N型掺杂浓度约为6×1018 cm-3厚度约为0.5微米的GaAs作为GaInP子电池25的第一接触层03，以形成欧姆接触层。在第一接触层03表面生长N型高掺杂厚度为0.02微米的AlInP或AlGaAs作为GaInP子电池25的第三窗口层04。再在第三窗口层04表面生长N型掺杂浓度约为2×1018 cm-3厚度为0.2微米的GaInP作为GaInP子电池25的第三发射区05。在第三发射区05表面生长P型掺杂浓度约为1×1017 cm-3厚度为0.5微米的GaInP作为GaInP子电池25的第三基区06。在第三基区06表面生长P型掺杂浓度约2×1018 cm-3厚度为0.05微米的Al(Ga)InP层作为GaInP子电池25的第三背场层07。
(3)在GaInP子电池25表面生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3厚度为0.015微米的GaAs作为第四掺杂层08。在第四掺杂层08表面生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3厚度为0.015微米的GaInP或GaAs 作为第三掺杂层09，形成第一隧道结24。
(4)在第一隧道结24表面生长N型高掺杂厚度为0.05微米的Al(Ga)InP或AlGaAs作为GaAs子电池23的第二窗口层10，以减少光生载流子的复合。在第二窗口层10表面生长N型掺杂浓度约2×1018 cm-3厚度为0.15微米的GaAs层作为GaAs子电池23的第二发射区11。在第二发射区11表面生长P型掺杂浓度约1×1017 cm-3厚度为约3微米的GaAs层作为GaAs子电池23的第二基区12。在第二基区12表面生长P型掺杂浓度约2×1018 cm-3厚度为0.05微米的GaInP或AlGaAs层作为GaAs子电池23的第二背场层13，阻挡光生电子扩散。
(5)在GaAs子电池23表面生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3厚度为0.015微米的(Al)GaAs作为第二掺杂层14。然后在第二掺杂层14表面生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3厚度约为0.015微米的GaInP或(Al)GaAs作为第一掺杂层15，形成第二隧道结22。
(6)在第二隧道结22表面生长N型掺杂约1×1019 cm-3 cm-3厚度为0.15微米的GaAs或GaInP作为Ge子电池21的第一窗口层16。在第一窗口层16表面生长N型掺杂约2×1018 cm-3厚度为0.15微米的Ge作为Ge子电池21的第一发射区17。在第一发射区17表面生长P型掺杂约2×1017 cm-3厚度约为5微米的Ge作为Ge子电池21的第一基区18。在第一基区18表面生长P型InGaAs或GaInP作为Ge子电池21的第一背场层19。
(7)在Ge子电池21表面生长P型Ge或(In)GaAs层作为第二接触层20，用于形成欧姆接触层。
(二)电极制备工艺
将步骤(1)至(7)所形成的外延片与支撑衬底26进行键合，具体是采用将第二接触层20键合至支撑衬底26上，并采用湿法腐蚀对电池进行剥离，以去除牺牲层02和GaAs衬底01，形成如图1的结构。在第一接触表面及第二接触层20表面分别制备第一接触电极27及第二接触电极28，获得所需的太阳电池，其结构如图4所示。
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 (8)
1. 一种GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，包括支撑衬底，以及在所述支撑衬底上依次设置的第二接触层、Ge 子电池、第二隧道结、GaAs 子电池、第一隧道结、GaInP 子电池和第一接触层，所述GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池采用倒装方式生长，以克服GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池的反相畴的影响，所述倒装方式生长为在GaAs 衬底表面依次生长AlGaAs 的牺牲层、第一接触层、GaInP 子电池、第一隧道结、GaAs 子电池、第二隧道结、Ge 子电池及第二接触层。
2. 根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一接触层的材料为GaAs，第二接触层的材料为Ge 或(In)GaAs。
3. 根据权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述Ge子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为InGaAs 或GaInP 的第一背场层、Ge 的第一基区、Ge 的第一发射区和GaInP 或AlInP 的第一窗口层。
4. 根据权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP 或(Al)GaAs 的第一掺杂层和(Al)GaAs 的第二掺杂层。
5. 根据权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAs 子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP 或AlGaAs 的第二背场层、GaAs 的第二基区、GaAs 的第二发射区和Al(Ga)InP 或AlGaAs 的第二窗口层。
6. 根据权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为GaInP 或GaAs 的第三掺杂层和GaAs 的第四掺杂层。
7. 根据权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaInP 子电池包含依次按照逐渐远离支撑衬底的方向设置的材料为Al(Ga)InP 的第三背场层、GaInP 的第三基区、GaInP 的第三发射区和AlInP 或AlGaAs 的第三窗口层。
8. 一种如权利要求1 所述的GaInP/GaAs/Ge 三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）提供一GaAs 衬底； 2）在GaAs 衬底表面依次生长AlGaAs 的牺牲层、第一接触层、GaInP 子电池、第一隧道结、GaAs 子电池、第二隧道结、Ge 子电池及第二接触层；3）提供一支撑衬底； 4）将支撑衬底键合至第二接触层表面； 5）从第一接触层处将GaAs衬底及AlGaAs 的牺牲层剥离以去除GaAs 衬底及AlGaAs 的牺牲层。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |