CN102832274A

CN102832274A - 倒装太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN102832274A
Application number: CN2012103241602A
Authority: CN
Inventors: 毕京锋; 林桂江; 刘建庆; 丁杰
Original assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: CN102832274B

Abstract

本发明公开了一种倒装太阳能电池及其制备方法，其在倒装生长过程中，在顶电池结构中引入异质结窗口层，防止了工艺过程中可能发生过蚀刻导致窗口层受损，从而避免了单一材料窗口层遭到破坏之后电池性能受到影响的严重后果。

Description

倒装太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及倒装多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

在最近几年，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。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。

传统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。中国专利申请案CN201010193582.1公开了一种采用倒装生长方式，其先生长与衬底GaAs晶格匹配的In_0.5Ga_0.5P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；后续的衬底剥离，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

本发明公开了一种倒装太阳能电池及其制备方法，其第一子电池具有异质结窗口层，避免单一材料窗口层遭到破坏之后电池性能受到影响的严重后果。

根据本发明的第一个方面，一种倒装太阳能电池的外延结构，包括：生长衬底；刻蚀截止层，形成于所述生长衬底之上；太阳能电池外延层，倒生长形成于所述刻蚀截止层之上；其特征在于：所述太阳能电池外延层为多结子电池结构，其中靠近生长衬底的第一子电池包含异质结窗口层。

在一些优选实施例中，所述异质结窗口层由两种或两种以上材料构成，其带隙大于该子电池基区的材料。

在一些优选实施例中，在每结子电池基区和发射区之间插入与发射区等厚度的防扩散隔离层，阻止下方发射区向基区扩散的同时拓宽耗尽层厚度，提高光谱吸收效率。

在本发明中，各子电池之间由重掺杂隧穿结连接，为防止扩散，紧邻隧穿结的上一子电池的背场层和下一子电池的窗口层可采用以隧穿结为中心的渐变掺杂和特定的厚度。

根据本发明的第二个方面，一种倒装太阳能电池的制备方法，包括步骤：（1）提供一生长衬底，用于半导体材料的外延生长；（2）在所述的衬底上形成刻蚀截止层；（3）在所述刻蚀截止层上方倒装生长太阳能电池外延层，其中所述太阳能电池外延层为多结子电池结构，靠近生长衬底的第一子电池包含异质结窗口层；（4）提供一支撑衬底，将其与的所述太阳能电池外延层连结；（5）去除所述生长衬底，并制作电极结构。

本发明的创新点在于：倒装生长过程中，在顶电池结构中引入异质结窗口层，防止了工艺过程中，可能发生的盖帽层去除时过蚀刻导致窗口层受损，从而避免了单一材料窗口层遭到破坏之后电池性能受到影响的严重后果。进一步地，倒装生长不同于正装结构，优先生长的重掺杂层（发射区）会成为扩散源，在重掺杂发射区基区之间插入同质隔离层能有效抑制扩散；同时，为防止倒装生长的隧穿结的扩散效应，将前子电池背场层和后子电池的窗口层的带隙提高、掺杂渐变、厚度加大，能够提高隧穿结两边势垒高度，在反射未吸收光子、减小界面复合的同时有效防止了高掺杂隧穿结的扩散，提高了隧穿效果。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1 为根据本发明实施的一种倒装三结太阳电池的外延结构截面图。

图2 为生长衬底剥离、支撑衬底键合后倒装三结太阳能电池结构截面图。

图3 为倒装多结太阳能电池的结构简图。

图中各标号表示：

001：生长衬底

002：刻蚀截至层（ESL）

003：欧姆接触层（contact）

004：支撑衬底

101：第一子电池窗口层（window）

102：第一子电池发射区（emitter）

103：第一子电池隔离层（isolator）

104：第一子电池基区（base）

105：第一子电池背场层（BSF）

201：第二子电池窗口层

202：第二子电池发射区

203：第二子电池隔离层

204：第二子电池基区

205：第二子电池背场层

301：第三子电池窗口层

302：第三子电池发射区

303：第三子电池隔离层

304：第三子电池基区

305：第三子电池背场层

401：第一、二子电池隧穿结（Tunnel junction）

402：第二、三子电池隧穿结

500：渐变缓冲层

600：重掺杂盖帽层（cap）。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的倒装太阳能电池及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

下面各实施例公开了一种倒装太阳能电池及其制备方法。在倒装生长过程中，在顶电池结构中引入异质结窗口层，防止了工艺过程中可能发生的盖帽层去除时过蚀刻导致窗口层受损，从而避免了单一材料窗口层遭到破坏之后电池性能受到影响的严重后果。此结构可应用于三结、四结、五结、甚至六结太阳能电池，根据实际需要分配带隙。表1例举了三至六结电池的结构和带隙分布，当倒装四结、五结或者六结太阳能电池中包含两结及其以上的子电池晶格失配时，可采用两组及其以上的渐变缓冲层来降低位错密度，其结构简图如图3所示。

表1、倒装多结太阳能电池结构及其带隙分布。

【实施例1】

图1所示为一种倒装三结太阳电池的外延结构，至下而上包括：生长衬底001、刻蚀截止层002、欧姆接触层3、GaInP第一子电池A、GaAs第二子电池B、In_0.3GaAs第三子电池C，盖帽层600，其中每结子电池通过隧穿结401、402连接，在第二、第三子电池之间通过渐变缓冲层500解决两结子电池间的晶格失配。下面结合其制备方法对该结构做详细描述。

第一步：在MOCVD系统中，选用n型掺杂的向(111)晶面偏角为9⁰的GaAs衬底作为生长衬底001，厚度在350微米左右，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3～4×10¹⁸cm^-3之间。依次在此衬底上生长InGaP刻蚀截止层002和GaAs欧姆接触层003。其中InGaP刻蚀截止层002厚度为100 nm、掺杂约为1×10¹⁸cm^-3，GaAs欧姆接触层003的厚度为200 nm、掺杂约为1×10¹⁸cm^-3。

第二步：在GaAs欧姆接触层003倒装生长第一子电池A，具体包括：窗口层101、发射区102、隔离层103、基区104和背场层105。在本实施例中，以n+-AlInP/InGaP异质结作为第一子电池窗口101，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右；n+-InGaP发射区102厚度为100 nm，掺杂浓度为在2×10¹⁸cm^-3；p+-InGaP基区104厚度优选值为900 nm，掺杂浓度为在5×10¹⁷cm^-3；未掺杂i-InGaP作为隔离层103生长于基区104和发射区102之间，厚度为50 nm; p型AlGaInP背场层440的厚度为常规背场层厚度的2倍，可取100 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右。

第三步：在第一子电池上方生长重掺杂的p++/n++-AlGaAs隧穿结401，其厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×10¹⁹cm^-3。

第四步：在隧穿结401上方倒装生长第二子电池B，具体包括：窗口层201、发射区202、隔离层203、基区204和背场层205。在本实施例中，n+-AlInP窗口层201的厚度为50 nm，此厚度2倍于常规窗口层厚度，掺杂渐变，从隧穿结界面出由高到低，浓度变化范围是1~5×10¹⁸cm^-3左右； n+-GaAs发射区202的厚度为150 nm，掺杂浓度为在2×10¹⁸cm^-3；未掺杂i-GaAs作为隔离层203生长于基区204和发射区202之间，厚度为50 nm；P+-GaAs基区204的厚度优选值为1200 nm，掺杂浓度为在5×10¹⁷cm^-3； p型GaInP背场层205的厚度为100 nm，此厚度为常规背场层厚度的2倍，掺杂渐变，从隧穿结界面出由高到低，浓度变化范围是1~5×10¹⁸cm^-3左右。

第五步：在第二子电池上方生长重掺杂的p++/n++-GaAs隧穿结402，其厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×10¹⁹cm^-3。

第六步：在隧穿结402上方生长渐变缓冲层500，共生长10层：包括应力释放层In_xGa_1-xP、应力平衡层和目标晶格层。其中应力释放层In_xGa_1-xP共有8层，每层的In组分从0.485递增到0.737，相应的晶格常数从0.565 nm增加到0.577 nm，当In组分超过0.665时，生长温度从600℃降为575℃，每一层的厚度保持250 nm，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3。n+-In_0.773Ga_0.227P应力平衡层，晶格常数为0.578 nm略大于目标晶格常数(In_0.3Ga_0.7As)，因此作为应力平衡层能够调节之前8层应力释放层生长时产生的应力，使之得到释放，从而有效降低位错密度，提高电池效率，其厚度至关重要，经过实验优化，选择为1000 nm，因为In组分最高，因此生长温度降低为550℃，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3。目标晶格层n+-In_0.737Ga_0.263P和第三子电池In_0.3Ga_0.7As具有相同的晶格常数。其厚度为250 nm，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3。

第七步：在渐变缓冲层500上方倒装生长第三子电池C，具体包括：窗口层301、发射区302、隔离层303、基区304和背场层305。在本实施例中，n+-InGaP窗口层301的厚度为25 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右；n+-In_0.3Ga_0.7As发射区302的厚度为250 nm，掺杂浓度为在2×10¹⁸cm^-3；未掺杂i-In_0.3Ga_0.7As作为隔离层303生长于基区304和发射区302之间，厚度为200 nm；P+-In_0.3Ga_0.7As基区304的厚度优选值为3000 nm，掺杂浓度为在5×10¹⁷cm^-3； p型InGaP背场层305的厚度为50 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右。

第八步：在第三子电池上方面生长高掺杂的p++- In_0.3Ga_0.7As盖帽层600，以便做欧姆接触，其掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3。

第九步：电池的外延生长结束后，进行蚀刻、剥离生长衬底001，粘结支撑衬底004、键合，蒸镀减反膜，电极制备等工艺过程，完成整个电池的制备。

在本实施例中，由于第一子电池的窗口层为异质结结构，在后续进行生长衬底剥离的时候，不会因刻蚀截至层去除时过蚀刻而导致窗口层受损，从而避免了单一材料窗口层遭到破坏之后电池性能受到影响的严重后果。倒装生长过程中无论是重掺杂的欧姆接触层还是各子电池发射区都生长于下方，防扩散隔离层的插入对于倒装太阳能电池至关重要。

【实施例2】

在满足带隙分布如表一所示的同时，在实施例1的基础上，可以继续进行倒装四结太阳电池（双渐变缓冲层）的外延生长，其制备主要包括下列步骤：

在实施实例1的步骤7之后，生长第三、第四子电池的隧穿结，并进行第二渐变缓冲层InGaP的生长，共生长8层：包括应力释放层InxGa1-xP和目标晶格层n+-In_0.737Ga_0.263P，其中应力释放层InxGa1-xP，每层的In组分从0.737递增到1，相应的晶格常数从0.577 nm增加到0.587 nm。每一层的厚度保持250 nm，掺杂浓度为1×1018 cm-3。渐变缓冲层最后一层为目标晶格层n+-In_0.737Ga_0.263P，其和第四子电池In_0.53Ga_0.47As具有相同的晶格常数，其厚度为250 nm，掺杂浓度为1×10¹⁸ cm-3。

下一步：在第二渐变缓冲层InGaP上方面生长第四子电池，具体包括n+-InP窗口层、发射区、隔离层、基区和背场层。n+-InP窗口层的厚度为25 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右； n+-In_0.53Ga_0.47As发射区的厚度为250 nm，掺杂浓度为在2×10¹⁸cm^-3；未掺杂i-In_0.53Ga_0.47As作为隔离层生长于基区和发射区之间，厚度为200 nm。P+-In_0.53Ga_0.47As基区的厚度优选值为3000 nm，掺杂浓度为在5×10¹⁷cm^-3； p型InP背场层的厚度为50 nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3左右。

下一步：在第三子电池上方面生长高掺杂的p++- In_0.53Ga_0.47As盖帽层，以便做欧姆接触，其掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3。

下一步：电池的外延生长结束后，进行刻蚀、生长衬底001的剥离，支撑衬底004的粘结，键合，减反膜蒸镀，电极制备等工艺过程，完成整个电池的制备。

【实施例3】

在满足带隙分布如表一所示的同时，在实施例1进行倒装三结太阳电池的外延生长的过程中，采用用Al(In)P/In(Ga)P超晶格结构代替n+-AlInP/InGaP异质结作为第一子电池窗口101，其每个周期厚度为10 nm，总厚度30 nm。

Claims

1.倒装太阳能电池的外延结构，包括：

生长衬底；

刻蚀截止层，形成于所述生长衬底之上；

太阳能电池外延层，倒生长形成于所述刻蚀截止层之上；

其特征在于：所述太阳能电池外延层为多结子电池结构，其中靠近生长衬底的第一子电池包含异质结窗口层。

2.根据权利要求1所述的倒装太阳能电池的外延结构，其特征在于：所述异质结窗口层由两种或两种以上材料构成，其带隙大于该子电池基区的材料。

3.根据权利要求1所述的倒装太阳能电池的外延结构，其特征在于：所述异质结窗口层为超晶格结构。

4.根据权利要求1所述的倒装太阳能电池的外延结构，其特征在于：所述每结子电池包括基区和发射区，在每结子电池的基区和发射区之间插入防扩散隔离层。

5.根据权利要求4所述的倒装太阳能电池的外延结构，其特征在于：所述防扩散隔离层与所在子电池的发射区的材料同质。

6.根据权利要求1所述的倒装太阳能电池的外延结构，其特征在于：各结子电池之间由隧穿结连接，在紧邻隧穿结的上一子电池的背场层和下一子电池的窗口层中，至少其中一层采用以隧穿结为中心的渐变掺杂。

7.倒装太阳能电池的制备方法，包括步骤：

（1）提供一生长衬底，用于半导体材料的外延生长；

（2）在所述的衬底上形成刻蚀截止层；

（3）在所述刻蚀截止层上方倒装生长太阳能电池外延层，其中所述太阳能电池外延层为多结子电池结构，靠近生长衬底的第一子电池包含异质结窗口层；

（4）提供一支撑衬底，将其与的所述太阳能电池外延层连结；

（5）去除所述生长衬底，并制作电极结构。

8.根据权利要求7所述的倒装太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，在每结子电池的基区和发射区之间插入防扩散隔离层。

9.根据权利要求7所述的倒装太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中，各结子电池之间由隧穿结连接，在紧邻隧穿结的上一子电池的背场层和下一子电池的窗口层中，至少其中一层采用以隧穿结为中心的渐变掺杂。

10.根据权利要求7所述的倒装太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述支撑衬底选自Si、玻璃或者柔性聚合物衬底。