CN102832285A - 一种三结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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林桂江
刘建庆
丁杰
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Abstract

本发明公开了一种三结太阳能电池及其制备方法，其采用InP做为生长衬底，在其上形成第一子电池、第二子电池InP及第三子电池In 1-x Al x As，在InP子电池的基区插入应变补偿量子阱能够有效拓宽吸收边，通过渐变缓冲层技术有效克服子电池之间的晶格匹配，降低位错密度。

Description

一种三结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三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
由于社会经济的迅速发展，人们对能源的需求急剧增加。然而，传统能源包括石油、煤炭、天然气等不但日益枯竭，还同时引发渐趋严重的环境问题，将会阻碍世界社会经济的可持续性发展。因此，为满足能源需求和解决环境污染问题，以太阳能、风能、潮汐能等为代表的绿色能源得到了越来越多的关注，成为目前世界新能源开发和利用的重要方向，其中，太阳能作为人类取之不竭、用之不尽的可再生性能源，可通过光伏效应太阳能电池产生电能，有望成为未来电力供应的支柱。太阳电池作为实用的新能源，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。
在Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge 三结太阳能电池技术已经成熟，其转换效率超过41%。对于上述三结太阳能电池来说，GaInP顶电池吸收光子能量大于1.83 eV的太阳光，即波长λ1<670 nm的可见光谱区；GaAs中电池吸收光子能量大于1.42 eV的太阳光，即波长λ2<880 nm的光谱区； Ge底电池吸收光子能量大于0.67 eV的太阳光，即波长λ3<1850 nm的光谱区。该三结太阳能电池的Ge底电池大量吸收低能光子，产生的光电流要远大于顶电池和中电池。而对于叠层电池，各个子电池的电流相等时效率才会最高，电流不匹配会带来电流的复合损失，降低效率。
发明内容
本发明提出了一种三结太阳能电池及其制备方法，其采用InP做为生长衬底，在其上形成第一子电池、第二子电池InP及第三子电池In 1-x Al x As，在InP子电池的基区插入应变补偿量子阱能够有效拓宽吸收边，通过渐变缓冲层技术有效克服子电池之间的晶格匹配，降低位错密度。
根据本发明的第一个方面，一种三结太阳能电池，其结构包括：
第一子电池，其具有第一带隙；
第二子电池InP，位于所述第一子电池上方，其基区植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱，晶格常数与第一子电池匹配，具有大于第一带隙的第二带隙；
渐变缓冲层，位于所述第二子电池上方，其组分渐变，具有大于第二带隙的第三带隙；
第三子电池In 1-x Al x As，位于所述渐变缓冲层上方，具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数小于第一、二子电池。
更具体地，所述第一子电池为In x Ga 1-x As或者GaAs y Sb 1-y ，其带隙为0.75~0.83 eV；第二子电池带隙为1.10~1.35 eV，所述InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱实现应力平衡的同时满足其有效带隙小于第二子电池基区InP的带隙；第三子电池的带隙为1.85~1.92 eV。所述渐变缓冲层的材料为In 1-x Al x As，组分渐变，其Al组分X 变化范围可以从0.48变化到0.60，相应的晶格常数从5.869 Å减小到5.775 Å。
根据本发明的第二个方面，一种三结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1）提供一InP衬底，用于半导体外延生长；
2）在所述InP衬底上方形成第一子电池，使其具有第一带隙；
3）在第一子电池上方，形成第二子电池InP，其基区植入InAs/In x Ga 1-x As应变补偿超晶格量子阱，晶格常数与第一子电池匹配，使其具有大于第一带隙的第二带隙；
4）在第二子电池上方形成渐变缓冲层，其组分渐变，使其具有大于第二带隙的第三带隙；
5）在渐变缓冲层上方，形成第三子电池In 1-x Al x As，使其具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数小于第一、二子电池。
在完成前述三结太阳能电池的外延生长步骤后，可进一步根据下述步骤进行芯片处理：提供一临时衬底，将前述完成的三结太阳能电池倒粘结在所述临时基板上；剥离InP生长衬底；提供一永久衬底，与三结太阳能电池键合；去除临时衬底，完成三结太阳能电池的工艺。
III-V族半导体材料中InP具有最佳的抗辐射性，本发明使用其做为衬底作外延生长，可应用于空间太阳能电池。在InP第二子电池中植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱,来调节第二子电池的带隙，合理分配各子电池带隙分布实现电流匹配。InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱中InxGa1-xAs势垒中In组分，对于晶格常数和带隙的调节直接有效，通过调节InAs阱宽、InGaAs垒宽和超晶格周期数，在满足应力平衡的条件下，实现三结子电池电流匹配。In 1-x Al x As渐变缓冲层，其为多层结构，组分渐变，克服了第二、三子电池之间的晶格失配，In 1-x Al x As中组分X 变化范围可以从0.48变化到0.60，相应的晶格常数从5.869 Å减小到5.775 Å。在InP中电池中植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱，通过调节各层厚度和周期数，可以运用根据本发明的制作方法能够制备出高晶格质量、电流匹配的三结太阳能电池。
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为根据本发明实施的一种三结太阳能电池的外延结构简图。
图2为完成衬底替换之后的三结太阳能电池的结构简图。
图3 为植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱的第二子电池结构简图。
图中各标号表示：
100 InP衬底
200 剥离牺牲层
300 欧姆接触层
400 第一子电池
401 第一子电池背场层（BSF）
402 第一子电池基区（Base）
403 第一子电池发射区（Emitter）
404 第一子电池窗口层（window）
500 第一二子电池之间的隧穿结（Tunnel junction）n++-/p++-AlInP
600 第二子电池
601 第二子电池背场层
602 第二子电池基区
602a InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱
603 第二子电池发射区
604 第二子电池窗口层
700 第二三子电池之间的隧穿结 n++-/p++-InAlAsP
800 渐变缓冲层
900 第三子电池
901 第三子电池背场层
902 第三子电池基区
903 第三子电池发射区
904 第三子电池窗口层
1000 重掺杂盖帽层（cap）
1100 永久衬底。
具体实施方式
下面实施例公开了一种三结太阳能电池的结构及其具体制备方法，首先采用InP衬底进行外延生长，其包括第一子电池400、第二子电池600和第三子电池900，各结电池通过隧穿结500、700串联。
其中，第一子电池的晶格常数与InP衬底匹配，带隙范围为0.75~0.83 eV，在一些实施例中，选用In x Ga 1-x As或者GaAs y Sb 1-y 。
第二子电池600为InP，其晶格常数与第一子电池匹配，在InP电极的基区插入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱，通过调整InGaAs垒宽、InAs阱宽和InxGa1-xAs中In组分x，可以实现应力平衡的同时满足其有效带隙小于第二子电池基区InP的带隙，有效拓宽了吸收边，同时保证各结子电池之间的电流匹配。一般地，InAs阱宽随InGaAs垒宽变化，其周期数为10~30。
渐变缓冲层800位于第二子电池上方，用于克服第二、第三子电池之间的晶格失配问题，其材料可用In 1-x Al x As，为多层结构，组分渐变，Al组分X 变化范围可以从0.48变化到0.60，相应的晶格常数从5.869 Å减小到5.775 Å，带隙从1.35 eV提高到1.86 eV。
第三子电池900为In 1-x Al x As，位于渐变缓冲层800上方，其晶格常数小于第一、第二子电池，与渐变缓层800的顶层晶格常数匹配，带隙为1.85~1.92 eV。
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。
一种三结太阳能电池，可以选择如下步骤获得：
首先，在MOCVD系统中，选用p型厚度为175微米的InP衬底100，其掺杂浓度为在2×1017cm-3 -- 5×1017cm-3。
下一步，在InP衬底100表面外延生长InxGa1-xP剥离牺牲层200，其厚度为160 nm，掺杂浓度均控制在1×1018cm-3。
下一步，在InxGa1-xP剥离牺牲层200上方外延生长P+-InP欧姆接触层300，其厚度为500 nm，掺杂浓度均控制在1×1018cm-3。
下一步，在欧姆接触层300上方生长GaAs0.51Sb0.49第一子电池400，其带隙为0.78 eV，包括：背场层401、基区402、发射区403和窗口层404。在本实施例中，选用p型InAlAs作为背场层401，厚度为50 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右；基区402的厚度优选值为3000 nm，掺杂浓度为5×1017cm-3；发射区403厚度为200 nm，掺杂浓度为在2×1018cm-3；在发射区403上面生长n型InAlAs材料层作为窗口层404，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第一子电池400上方生长重掺杂的p++/n++-In0.52Al0.48As隧穿结500，其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结500上方生长InP第二子电池600，其具体结构如图3所示，包括背场层601、基区602、发射区603和窗口层604。在本实施例中，背场层601选用 p+-InGaP，厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3；在InGaP背场层601上方生长p+-InP材料层作为基区602，总厚度为2微米，掺杂浓度为1~5×1017cm-3，在基区生长至1微米时插入生长InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱的生长，InGaAs用以调节InAs量子阱生长过程所产生的应力，InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱共生长15个周期，起作用调节第二子电池带隙，拓宽吸收边，实现电流匹配，其等效带隙为1.20 eV；发射区603 的材料为n+-InP，其厚度为150 nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3；在发射区603上面生长n型InGaP窗口层604，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第二子电池600上方生长重掺杂的p++/n++-AlInAsP隧穿结700，其厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结700上方外延生长In 1-x Al x As渐变缓冲层800，一共生长6层，每层In组分增加0.02，厚度为250 nm，In组分x的变化范围是0.40~0.52，相应的晶格常数变化范围是5.66~8.57Å，每层掺杂浓度均控制在1×1018cm-3。
下一步，在渐变缓冲层800上方外延生长In0.4Al0.6As第三子电池900，带隙为1.86 eV。首先生长p-InAlAsP背场层901 ，其厚度为100 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3，接着，在背场层901上生长基区902和发射区903，其中基区902的材料为n+-In0.4Al0.6Asy、厚度为800nm、掺杂浓度为5×1017cm-3，发射区903的材料为p-In0.4Al0.6As，厚度为50 nm、掺杂浓度2×1018cm-3。发射区903上面生长n型InAlAsP窗口层904，其厚度为25 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n++-InAlAs盖帽层1000，厚度为500 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3，完在三结太阳能电池的外延长生工艺，其结构示意图如图1所示。
接下来，将外延生长完成的样品取出，进行衬底剥离、支撑衬底键合、电极制备，减反膜蒸镀等后期工艺，实现所需的高效三结太阳能电池，具体工艺如下。
首先，取一Si片做为过渡衬底，将前述完成的太阳能电池通过粘结层倒粘结在所述过渡基板上，粘结层可采用环氧树脂等后续易分解的材料。
下一步，剥离InP生长衬底，可采用蚀刻工艺进行。
下一步，提供一永久衬底1100，与前述完成的太阳能电池键合。永久衬底1100可选择Si片，通过金属键合层802，采用键合工艺，使永久衬底1100与第一子电池低端连结
下一步，去除过渡衬底，完成三结太阳能电池的工艺。
临时基板剥离后的四结四元化合物太阳能电池结构示意图如图2所示。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种三结太阳能电池，其包括：
第一子电池，其具有第一带隙；
第二子电池InP，位于所述第一子电池上方，其基区植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱，晶格常数与第一子电池匹配，具有大于第一带隙的第二带隙；
渐变缓冲层，位于所述第二子电池上方，其组分渐变，具有大于第二带隙的第三带隙；
第三子电池In 1-x Al x As，位于所述渐变缓冲层上方，具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数小于第一、二子电池。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一子电池的带隙为0.75~0.83 eV，第二子电池的带隙为1.10~1.35 eV，第三子电池的带隙为1.85~1.92 eV。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一子电池为In x Ga 1-x As或者GaAs y Sb 1-y 。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：在所述第二子电池InP中，InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱实现应力平衡的同时满足其有效带隙小于第二子电池基区InP的带隙。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述渐变缓冲层的材料为In 1-x Al x As，组分渐变，其Al组分X 变化范围可以从0.48变化到0.60，相应的晶格常数从5.869 Å减小到5.775 Å。
6.一种三结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1） 提供一InP衬底，用于半导体外延生长；
2）在所述InP衬底上方形成第一子电池，使其具有第一带隙；
3）在第一子电池上方，形成第二子电池InP，其基区植入InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱，晶格常数与第一子电池匹配，使其具有大于第一带隙的第二带隙；
4）在第二子电池上方形成渐变缓冲层，其组分渐变，使其具有大于第二带隙的第三带隙；
5）在渐变缓冲层上方，形成第三子电池In 1-x Al x As，使其具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数小于第一、二子电池。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池的制备方法，还包括步骤：
6）提供一过渡衬底，将所述太阳能电池粘结在其表面上；
7）移除InP衬底，
8）提供一永久衬底，将所述太阳能电池与其粘接；
9）移除过渡衬底。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一子电池为In x Ga 1-x As或者GaAs y Sb 1-y ，其带隙为0.75~0.83 eV；第二子电池的带隙为1.10~1.35 eV；第三子电池的带隙为1.85~1.92 eV。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤3）中，通过调整InAs/InxGa1-xAs应变补偿超晶格量子阱中InGaAs垒宽、InAs阱宽和InxGa1-xAs中In组分x，实现应力平衡的同时满足其有效带隙小于第二子电池基区InP的带隙。
10.根据权利要求6所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在步骤4）中，所述渐变缓冲层的材料为In 1-x Al x As，调整Al组分X 变化，使其晶格常数从5.869 Å减小到5.775 Å。
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