CN102790134A - 一种高效倒装五结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效倒装五结太阳能电池及其制备方法，该结构至上而下包括下面各子电池：倒装生长的(Al)GaInP第一子电池；倒装生长的AlGaAs(P)第二子电池，晶格常数与第一子电池匹配；倒装生长的Ga(In)As(P)第三子电池，晶格常数与第二子电池匹配；倒装生长的Ga 1-X In X As第四子电池，晶格常数大于第三子电池；倒装生长的Ga 1-y In y As第五子电池，晶格常数大于第二子电池；第一渐变缓冲层，位于所述第三、第四子电池之间，组分渐变；第二渐变缓冲层，位于所述第四、第五子电池之间，组分渐变。此太阳能电池结构合理配置了各子电池的带隙，在拓宽太阳能吸收范围的同时能够实现各结电池电流匹配，运用此方法能够制备出高晶格质量、低位错密度、电流匹配的高效倒装五结太阳能电池。

Description

一种高效倒装五结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效倒装五结太阳能电池及其制备方法，属半导体材料技术领域。
背景技术
最近几年，太阳电池作为实用的新能源，吸引了越来越多的关注。它是一种利用光生伏打效应，将太阳能转化成电能的半导体器件，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。在所有新能源中，太阳能是最为理想的再生能源之一，充分开发利用太阳能成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策。近些年来，作为第三代光伏发电技术的聚光多结化合物太阳电池，因其高光电转换效率而倍受关注。
当前高效GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在聚光条件下已获得超过41.8%光电转换效率。但是由于Ge底电池过多的吸收了低能光子，因而与InGaP和GaAs中顶电池的短路电流不匹配，所以传统的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池结构并不是效率最优化的组合。理想状况下，如果能够寻找禁带宽度为1 eV的材料替代Ge，就能够实现三结电池电流匹配。In0.3Ga0.7As具有1eV的禁带宽度，是最佳的选择之一，但其与GaAs之间存在2.14%的晶格失配。采用倒装方式生长：先生长与衬底晶格匹配的InGaP和GaAs中、顶电池；然后再通过渐变缓冲层(InGaP、InAlP或InGaAs)过渡到InGaAs底电池；最后通过衬底剥离、新衬底键合等工艺逐步实施，实现整个电池的全结构制备。此技术的优点在于能够有效降低位错密度，剥离的衬底能够循环使用，降低了成本。
发明内容
本发明提供了一种包含双渐变缓冲层的倒装五结电池及其制备方法，通过此方法能够制备出了电流匹配、低位错密度的高效电池。
根据本发明的第一个方面，一种高效倒装五结太阳能电池及其制备方法，其具体步骤包括：
提供生长衬底，用于半导体外延生长；
在所述生长衬底上倒装生长(Al)GaInP第一子电池，晶格与衬底匹配；
在所述第一子电池上倒装生长AlGaAs(P)第二子电池，晶格与第一子电池匹配；
在所述第二子电池上倒装生长Ga(In)As(P)第三子电池，晶格与第二子电池匹配；
在所述第三子电池上生长第一渐变缓冲层，组分渐变；
在所述第一渐变缓冲层上倒装生长Ga 1-X In X As第四子电池，晶格常数大于第三子电池；
在所述第四子电池上生长第二渐变缓冲层，组分渐变；
在所述第二渐变缓冲层上倒装生长Ga 1-y In y As第五子电池，晶格常数大于第四子电池；
提供一支撑基板，将其安装在第五子电池的顶部；
移除所述生长衬底。
根据本发明的第二个方面，一种高效倒装五结太阳能电池，至上而下包括下面各子电池：
倒装生长的(Al)GaInP第一子电池；
倒装生长的AlGaAs(P)第二子电池，晶格常数与第一子电池匹配；
倒装生长的Ga(In)As(P)第三子电池，晶格常数与第二子电池匹配；
倒装生长的Ga 1-X In X As第四子电池，晶格常数大于第三子电池；
倒装生长的Ga 1-y In y As第五子电池，晶格常数大于第二子电池；
第一渐变缓冲层，位于所述第三、第四子电池之间，组分渐变；
第二渐变缓冲层，位于所述第四、第五子电池之间，组分渐变。
在本发明中，所述生长衬底可选用GaAs或者Ge衬底。所述第一子电池的带隙为1.85～2.10 eV，第二子电池的带隙为1.55～1.65 eV，第三子电池的带隙为1.38～1.45 eV，第四子电池的带隙为0.95～1.05 eV，第五子电池的带隙为0.66～0.75 eV。所述GaInAs第四、五子电池的In组分不同：第四子电池x的范围为0.25～0.32，第五子电池y 的范围为0.46～0.53。所述第一渐变缓冲层的晶格常数由第三子电池的晶格常数向第四子电池的晶格常数渐变，所述第二渐变缓冲层由第四子电池的晶格常数向第五子电池的晶格常数渐变，分别用于克服第三、四子电池和第四、五子电池之间的晶格失配。在本发明的优选实施例中，所述第一、二渐变缓冲层的材料为Ga 1-Y In Y P或者(Al)Ga(In)As，其In组分渐变，使得晶格常数渐变。
本发明采用倒装方式生长，先生长晶格匹配的三结子电池，通过双渐变缓冲层，将晶格失配的两结子电池依次生长于上方，在有效降低了位错密度的同时，拓宽了太阳能光谱的吸收范围。衬底剥离后可以实现循环利用，从而降低了成本。运用此方法能够制备出高晶格质量、低位错密度、电流匹配的高效倒装五结太阳能电池。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1 为本发明中各子电池的晶格常数与带隙之间的关系图。
图2 ～图3为根据本发明实施的一种高效倒装五结太阳能电池的结构示意图。
图中各标号表示：
C1 :第一子电池；
C2: 第二子电池；
C3: 第三子电池；
C4: 第四子电池；
C5: 第五子电池；
001：生长衬长；
002：刻蚀截止层（ESL）；
003：支撑基板；
101：第一子电池的窗口层；
102：第一子电池发射区；
103：第一子电池基区；
104：第一子电池背场层；
201：第二子电池的窗口层；
202：第二子电池发射区；
203：第二子电池基区；
204：第二子电池背场层；
301：第三子电池的窗口层；
302：第三子电池发射区；
303：第三子电池基区；
304：第三子电池背场层；
401：第四子电池的窗口层；
402：第四子电池发射区；
403：第四子电池基区；
404：第四子电池背场层；
501：第五子电池的窗口层；
502：第五子电池发射区；
503：第五子电池基区；
504：第五子电池背场层；
601：第一、二子电池之间的隧穿结；
602：第二、三子电池之间的隧穿结；
603：第三、四子电池之间的隧穿结；
604：第四、五子电池之间的隧穿结；
701：第一渐变缓冲层；
702：第二渐变缓冲层；
800：重掺杂盖帽层。
具体实施方式
下面实施例公开了一种高倒装五结太阳能电池的结构及其制备方法，其各子电池的带隙分布为：顶部第一子电池带隙为1.85～2.10 eV，第二子电池带隙为1.55～1.65 eV，第三子电池带隙为1.38～1.45 eV第四子电池带隙为0.95～1.05 eV，第五子电池带隙为0.66～0.75 eV。该结构包括至上而下包括下面各子电池： (Al)GaInP第一子电池、AlGaAs(P)第二子电池、Ga(In)As(P)第三子电池、Ga1-xInxAs第四子电池、Ga1-yInyAs第五子电池。第四、五子电池的In组分不同：第四子电池x的范围为0.25～0.32，第五子电池y 的范围为0.46～0.53。其中，第一至第三子电池的晶格常数与生衬底的晶格常数匹配，第四子电池的晶格常数大于第三子电池的晶格常数，第五子电池的晶格常数大于第四子电池的晶格常数。在第三、第四子电池之间和第四、第五子电池之间分别插入第一、第二渐变缓冲层，可以解决三结子电池之间的晶格失配问题。第一、二渐变缓冲层为多层结构，材料可选择Ga 1-Y In Y P或者(Al)Ga(In)As，其中In组分渐变。
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种高效倒装五结太阳能电池的制备方法，可以选择如下步骤获得。
首先，在MOCVD系统中，选用n型Ge衬底001，其掺杂浓度为在2×1017cm-3～5×1017cm-3。也可选用GaAs衬底。
下一步，在衬底001表面外延生长GaInP刻蚀截止层002, 其厚度为150 nm，掺杂约为1×1018cm-3。
下一步，在刻蚀截止层002上方倒装生长第一子电池GaInP，其带隙为2 eV。首先生长n型AlGaInP窗口层101，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；接着生长发射区102，厚度为150 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3，然后生长基区103，厚度优选值为900 nm，掺杂浓度为在5×1017cm-3，最后在基区C02上面生长p型AlGaInP背场层104，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，第一子电池上方生长重掺杂的p++/n++-AlGaAs隧穿结601，厚度为50 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结601上方倒装生长第二子电池AlGaAs，带隙为1.6 eV。首先生长n型GaInP窗口层201，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；接着，生长发射区202，厚度为200 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3；然后生长基区203，厚度优选值为1200 nm，掺杂浓度为在5×1017cm-3；最后在基区203上面生长p型GaInP背场层204，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第二子电池上方生长重掺杂的p++/n++-AlGaAs隧穿结602，其厚度是50 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结602上方倒装生长第三子电池GaAs，其带隙为1.4 eV。首先生长n型GaInP窗口层301，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；接着生长发射区302，厚度为250 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3；然后生长基区303，厚度优选值为1500 nm，掺杂浓度为在5×1017cm-3；最后在基区204上面生长p型GaInP背场层304，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第三子电池上方生长重掺杂的p++/n++-GaAs隧穿结603，厚度是50 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结603上方生长InxGa1-xP第一渐变缓冲层701。一共生长5层，每层In组分增加0.05，厚度为250 nm。In组分x的变化范围是0.50～0.75，每层掺杂浓度均控制在1×1018cm-3。
下一步，在渐变缓冲层701上方倒装生长第四子电池InGaAs，带隙为1 eV。首先生长n型GaInP窗口层401，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；接着生长发射区402，厚度为250 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3；然后生长基区403，厚度优选值为2000 nm，掺杂浓度为在5×1017cm-3；最后在基区403上面生长p型GaInP背场层404，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第四子电池上方生长重掺杂的p++/n++-GaAs隧穿结604，厚度为50 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结604上方生长InAlGaAs第二渐变缓冲层702，一共生长5层，每层In组分增加0.05，厚度为250 nm。In组分x的变化范围是0.30～0.53，每层掺杂浓度均控制在1×1018cm-3。
下一步，在渐变缓冲层702上方倒装生长第五子电池InGaAs，带隙为0.7 eV。首先生长n型InAlGaAs窗口层501，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；接着生长发射区502，厚度为250 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3；然后生长基区503，厚度优选值为2500 nm，掺杂浓度为在5×1017cm-3；最后在基区503上面生长p型GaInP背场层504，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第五子电池上方生长重掺杂n++-InGaAs盖帽层800，厚度为500 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3，形成倒装生长的五结太阳能电池的外延结构，其结构示意图如图2所示。
下一步，采用衬底剥离、新衬底键合等工艺逐步实施，实现整个电池的全结构制备。
如图3所示，完成后的五结太阳能电池至上而下包括：第一子电池C1、第二子电池C2、第三子电池C4、InxGa1-xP第一渐变缓冲层701、第四子电池C4、InAlGaAs第二渐变缓冲层702、第五子电池C5。
图1表示了各子电池的晶格常数与带隙之间的关系图。第一子电池C1的带隙为1.85～2.10 eV，第二子电池C2的带隙为1.55～1.65 eV，第三子电池C3的带隙为1.38～1.45 eV，第四子电池C4的带隙为0.95～1.05 eV，第五子电池C5的带隙为0.66～0.75 eV。采用InxGa1-xP第一渐变缓冲层701、InAlGaAs第二渐变缓冲层702，克服了从GaAs 晶格常数0.5653 nm向In0.3Ga0.7As晶格常数0.5775nm，再向In0.6Ga0.4As晶格常数0.5896 nm过渡时分别产生的2.15%和2.09%的晶格失配。此太阳能电池结构合理配置了各子电池的带隙，在拓宽太阳能吸收范围的同时实现各结子电池电流匹配，运用此方法能够制备出高晶格质量、低位错密度、电流匹配的高效倒装五结太阳能电池。进一步地，选用InGaAs作为底电池，其具有0.66～0.75 eV的禁带宽度，取代价格昂贵的Ge底电池，具有广阔的市场前景。

Claims (10)

1.一种高效倒装五结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
提供生长衬底，用于半导体外延生长；
在所述生长衬底上倒装生长(Al)GaInP第一子电池，晶格与衬底匹配；
在所述第一子电池上倒装生长AlGaAs(P)第二子电池，晶格与第一子电池匹配；
在所述第二子电池上倒装生长Ga(In)As(P)第三子电池，晶格与第二子电池匹配；
在所述第三子电池上生长第一渐变缓冲层，组分渐变；
在所述第一渐变缓冲层上倒装生长Ga 1-X In X As第四子电池，晶格常数大于第三子电池；
在所述第四子电池上生长第二渐变缓冲层，组分渐变；
在所述第二渐变缓冲层上倒装生长Ga 1-y In y As第五子电池，晶格常数大于第四子电池；
提供一支撑基板，将其安装在第五子电池的顶部；
移除所述生长衬底。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为GaAs或者Ge衬底。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一子电池的带隙为1.85～2.10 eV，第二子电池的带隙为1.55～1.65 eV，第三子电池的带隙为1.38～1.45 eV，第四子电池的带隙为0.95～1.05 eV，第五子电池的带隙为0.66～0.75 eV。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述GaInAs第四、五子电池的In组分不同：第四子电池x的范围为0.25～0.32，第五子电池y 的范围为0.46～0.53。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一、第二渐变缓冲层分别用于克服第三、四子电池和第四、五子电池之间的晶格失配，其材料为GaInP或者(Al)Ga(In)As。
6.一种高效倒装五结太阳能电池，至上而下包括下面各子电池：
倒装生长的(Al)GaInP第一子电池；
倒装生长的AlGaAs(P)第二子电池，晶格常数与第一子电池匹配；
倒装生长的Ga(In)As(P)第三子电池，晶格常数与第二子电池匹配；
倒装生长的Ga 1-X In X As第四子电池，晶格常数大于第三子电池；
倒装生长的Ga 1-y In y As第五子电池，晶格常数大于第二子电池；
第一渐变缓冲层，位于所述第三、第四子电池之间，组分渐变；
第二渐变缓冲层，位于所述第四、第五子电池之间，组分渐变。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一子电池的带隙为1.85～2.10 eV，第二子电池的带隙为1.55～1.65 eV，第三子电池的带隙为1.38～1.45 eV，第四子电池的带隙为0.95～1.05 eV，第五子电池的带隙为0.66～0.75 eV。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于：所述GaInAs第四、五子电池的In组分不同：第四子电池x的范围为0.25～0.32，第五子电池y 的范围为0.46～0.53。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一渐变缓冲层的晶格常数由第三子电池的晶格常数向第四子电池的晶格常数渐变，所述第二渐变缓冲层由第四子电池的晶格常数向第五子电池的晶格常数渐变，分别用于克服第三、四子电池和第四、五子电池之间的晶格失配。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一、二渐变缓冲层的材料为Ga 1-Y In Y P或者(Al)Ga(In)As，其In组分渐变，使得晶格常数渐变。
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