CN103151413A - 倒装四结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种倒装四结太阳电池及其制备方法，所述电池包括AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结及InGaAs底电池；GaAs子电池和InGaAsP子电池通过晶格异变缓冲层过渡。所述制备方法包括步骤：在一GaAs衬底上生长第一欧姆接触层；在第一欧姆接触层上依次生长AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结、InGaAs底电池及第二欧姆接触层；在第二欧姆接触层上制备第二电极并与一支撑衬底键合；剥离GaAs衬底，并在第一欧姆接触层上制备第一电极，获得目标太阳电池。

Description

倒装四结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种基于晶格异变法生长的倒装AlGaAs/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结太阳电池及其制备方法，该倒装四结太阳电池可实现对太阳光谱的充分利用，具有较高的电池效率。

背景技术

在Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的研制过程中，为了得到较高的转化效率，常需要将太阳光谱进行划分，采用与之对应的不同禁带宽度的子电池进行串联，目前研究较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)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Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。为了进一步提高转换效率，需要对底电池进行拆分，计算表明在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00eV的材料，做成四结电池，可以实现光电流匹配，提高电池效率。

由于晶格常数对材料的限制，与Ge衬底晶格匹配，带隙为1.00eV的材料的选择较少，一种较为理想的材料为InGaAsN，但目前制备的InGaAsN材料缺陷多、载流子迁移率低，影响了电池性能的提高。另一种方法为采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，实现电流匹配，提高电池效率。例如将GaInP/GaAs(1.9/1.42eV)和InGaAsP/InGaAs (1.05/0.74eV)双结电池的键合，但是晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这不仅增加了电池的制作成本，而且对工艺有较高的要求。

如何实现多结太阳电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高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

本发明的目的是，提供一种倒装四结太阳电池及其制备方法，实现多结太阳电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种倒装四结太阳电池，包括采用倒装方式依次生长的AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结以及InGaAs底电池；所述GaAs子电池和所述InGaAsP子电池之间通过所述晶格异变缓冲层进行过渡。

进一步，所述AlGaAs顶电池和所述GaAs子电池均与GaAs衬底晶格匹配；所述InGaAsP子电池和所述InGaAs底电池晶格匹配。

进一步，所述的倒装四结太阳电池带隙组合为1.93 eV、1.42 eV、1.04 eV、0.7eV。

进一步，所述晶格异变缓冲层采用In组分线性渐进或步进渐变的Al_1-xIn_xAs材料，其中x的范围为0~0.51。

进一步，所述晶格异变缓冲层的带隙大于或等于1.47 eV。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种一种本发明所述的倒装四结太阳电池的制备方法，包括步骤：1）在一GaAs衬底上生长第一欧姆接触层；2）在所述第一欧姆接触层上依次生长AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结、InGaAs底电池以及第二欧姆接触层；3）在所述第二欧姆接触层上制备第二电极并与一支撑衬底进行键合；4）剥离所述GaAs衬底，并在所述第一欧姆接触层上制备第一电极，获得目标太阳电池。

步骤4）进一步包括采用湿法腐蚀方法对所述GaAs衬底进行剥离，并在所述第一欧姆接触层上制备顶电池栅状电极。

进一步，所述支撑衬底采用硅片、玻璃或金属。

进一步，所述的倒装四结太阳电池的各结构层采用MOCVD法或MBE法生长形成。

本发明提供的倒装四结太阳电池及其制备方法，优点在于：

1. 该太阳电池带隙组合为1.93 eV、1.42 eV、1.04 eV、0.7eV，具有较高的开路电压，有较高的电池效率；

2. 采用倒装生长方法生长，剥离后的衬底可以重复利用，降低了生产成本。

附图说明

图1所示为本发明一具体实施方式提供的倒装四结太阳电池的结构示意图；

图2为图1所示的倒装四结太阳电池制成品的结构示意图；

图3所示为本发明一具体实施方式提供的倒装四结太阳电池的制备方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的倒装四结太阳电池及其制备方法做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述倒装四结太阳电池的具体实施方式。

参考附图1、2所示，其中，图1是本具体实施方式提供的倒装四结太阳电池的结构示意图，图2为图1所示的倒装四结太阳电池制成品的结构示意图，接下来对图1、2所示的结构做详细说明。

本具体实施方式提供一种倒装四结太阳电池，包括：包括采用倒装方式依次生长的AlGaAs顶电池25、第一隧道结24、GaAs子电池23、第二隧道结22、晶格异变缓冲层11、InGaAsP子电池21、第三隧道结20以及InGaAs底电池19。所述AlGaAs顶电池25和InGaAs底电池19上分别设有电极（如图2 所示电极26、27）。所述的倒装四结太阳电池带隙组合为1.93 eV、1.42 eV、1.04 eV、0.7eV。

该四结电池在GaAs衬底01上倒装依次生长各结电池，之后，将外延的电池结构与一支撑衬底28键合，并将GaAs衬底01剥离，然后分别在AlGaAs顶电池25和InGaAs底电池19上设置电极，从而获得目标太阳电池芯片。所述AlGaAs顶电池25和所述GaAs子电池23均与GaAs衬底01晶格匹配；所述InGaAsP子电池21和所述InGaAs底电池19晶格匹配，但与GaAs衬底01存在失配。所述GaAs子电池23和所述InGaAsP子电池21之间通过所述晶格异变缓冲层11进行过渡。

在本具体实施方式中，在生长所述AlGaAs顶电池25之前，在GaAs衬底01上还生长GaAs层作为第一欧姆接触层02，其掺杂类型为N型。

所述AlGaAs顶电池25包括依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的N型发射区03以及P型基区04。所述AlGaAs顶电池25的带隙约为1.93 eV。

所述第一隧道结24包含依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的P型AlGaAs重掺层05以及N型GaInP重掺层06。

所述GaAs子电池23包括依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的N型发射区07以及P型基区08。所述GaAs子电池23的带隙约为1.42 eV。

所述第二隧道结22包含依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的P型GaAs 重掺层09以及N型掺GaInP或GaAs 重掺层10。

所述晶格异变缓冲层11带隙大于或等于1.47 eV，采用Al_1-xIn_xAs材料，其中x的范围为0~0.51。所述InGaAsP子电池21和所述InGaAs底电池19晶格匹配，但与GaAs衬底01存在3.8%的失配。作为一种优选实施方式：所述晶格异变缓冲层11采用In组分线性渐进或步进渐变的方法生长，可以使晶格失配应力充分释放，实现GaAs子电池23和InGaAsP子电池21晶格常数的过渡。

所述InGaAsP子电池21包括依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的N型发射区12以及P基区13。所述InGaAsP子电池21的带隙约为11.04 eV。

所述第三隧道结20包含依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的P型InP重掺层14以及N型InP重掺层15。

所述InGaAs底电池19包括依次按照逐渐远离GaAs衬底01方向设置的N型发射区16以及P型基区17。所述InGaAs底电池19的带隙约为0.7eV。

在本具体实施方式中，在InGaAs底电池19上还设有InGaAs层作为第二欧姆接触层18，其掺杂类型为P型。

在所述第二欧姆接触层18上制备第二电极，所述第二电极为P电极27。之后，所述InGaAs底电池19与一支撑衬底28进行键合；在GaAs衬底01剥离后，在所述第一欧姆接触层02上制作第一电极，所述第一电极为顶电池栅状电极26，从而获得所需的太阳电池。其中，所述支撑衬底28采用硅片、玻璃或金属。

本发明提供的倒装四结太阳电池采用倒装生长方法生长，剥离后的衬底可以重复利用，降低了生产成本。且所述倒装四结太阳电池的带隙组合为1.93 eV、1.42 eV、1.04 eV、0.7eV，具有较高的开路电压，有较高的电池效率。

接下来结合附图给出本发明所述倒装四结太阳电池制备方法的具体实施方式。

参考附图3，本具体实施方式提供的倒装四结太阳电池制备方法的流程图，接下来对图3所示的步骤做详细说明。

步骤S301，在一GaAs衬底上生长第一欧姆接触层。

提供一GaAs衬底，之后在GaAs衬底上生长GaAs层作为第一欧姆接触层，其掺杂类型为N型。

步骤S302，在所述第一欧姆接触层上依次生长AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结、InGaAs底电池以及第二欧姆接触层。

在第一欧姆接触层上生长AlGaAs顶电池，所述AlGaAs顶电池包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的N型发射区以及P型基区。

在AlGaAs顶电池上生长第一隧道结，所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的P型AlGaAs重掺层以及N型GaInP重掺层。

在第一隧道结上生长GaAs子电池，所述GaAs子电池包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的N型发射区以及P型基区。

在GaAs子电池上生长第二隧道结，所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的P型GaAs 重掺层以及N型掺GaInP或GaAs 重掺层。

在第二隧道结上生长晶格异变缓冲层，所述晶格异变缓冲层带隙大于或等于1.47 eV，采用Al_1-xIn_xAs材料，其中x的范围为0~0.51。所述晶格异变缓冲层采用In组分线性渐进或步进渐变的方法生长，实现GaAs子电池和InGaAsP子电池晶格常数的过渡。

在晶格异变缓冲层上生长InGaAsP子电池，所述InGaAsP子电池包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的N型发射区以及P基区。

在InGaAsP子电池上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的P型InP重掺层以及N型InP重掺层。

在第三隧道结上生长InGaAs底电池，所述InGaAs底电池包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的N型发射区以及P型基区。

在InGaAs底电池上生长InGaAs层作为第二欧姆接触层，其掺杂类型为P型。

步骤S303，在所述第二欧姆接触层上制备第二电极并与一支撑衬底进行键合。

在所述第二欧姆接触层18上制备第二电极，所述第二电极为P电极27。之后，将所述InGaAs底电池与一支撑衬底进行键合。其中，所述支撑衬底28采用硅片、玻璃或金属。

步骤S304，剥离所述GaAs衬底，并在所述第一欧姆接触层上制备第一电极，获得目标太阳电池。其中，所述第一电极为顶电池栅状电极。

上述生长过程可采用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀) 或MBE (Molecular Beam Epitaxy，分子束外延) 方式生长。

接下来结合附图1、2给出本发明一优选实施例，对本发明提供的技术方案作进一步说明，本优选实施例采用MOCVD方法生长本发明所述倒装四结太阳电池。

(1) 在N型GaAs衬底01上生长N型掺杂约6×10¹⁸ cm^-3、厚度0.2微米的GaAs层作为第一欧姆接触层02。

(2) 生长N型掺杂浓度约为2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.2微米的AlGaAs作为AlGaAs电池25的发射区03，生长P型掺杂浓度约为1×10¹⁷ cm^-3、厚度约3.0微米的AlGaAs作为AlGaAs电池25的基区04。

 (3) 生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重掺层05，生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的GaInP重掺层06，形成第一隧道结24。

(4) 生长N型掺杂浓度约2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.15微米的GaAs层作为GaAs电池23的发射区07，生长P型掺杂浓度约1×10¹⁷ cm^-3、厚度约3微米的GaAs层作为GaAs电池23的基区08。

(5) 生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的GaAs重掺层 09，生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs 重掺层10，形成第二隧道结22。

(6) 生长N型掺杂浓度为5×10¹⁷ cm^-3、厚度2-3微米的Al_1-xIn_xAs晶格异变缓冲层11。

(7) 生长N型掺杂浓度约2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.15微米的InGaAsP层作为InGaAsP电池21的发射区12，生长P型掺杂浓度约1×10¹⁷ cm^-3、厚度约3微米的InGaAsP层作为InGaAsP电池21的基区13。

(8) 生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3以上、厚度0.015微米的InP重掺层14，然后生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的InP重掺层15，形成第三隧道结20。

(9)生长N型掺杂浓度约2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.15微米的InGaAs层作为InGaAs电池19的发射区16，生长P型掺杂浓度约1×10¹⁷ cm^-3、厚度约3微米的InGaAs层作为InGaAs电池19的基区17。

(10)然后生长P型掺杂浓度约为6×10¹⁸ cm^-3、厚度0.5微米的InGaAs层作为第二欧姆接触层18，即作为InGaAs电池19的欧姆接触层。

用MOCVD方法生长获得的AlGaAs/GaAs/InGaAsP/InGaAs倒装四结太阳电池的结构如图1所示。

太阳电池的电极制备工艺：在第二欧姆接触层18上制备P电极27后与支撑衬底28进行键合；利用湿法腐蚀方法对GaAs衬底01进行剥离，在第一欧姆接触层02上制作顶电池栅状电极26，获得太阳电池，其结构如附图2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 (9)

1.一种倒装四结太阳电池，其特征在于，包括采用倒装方式依次生长的AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结以及InGaAs底电池；所述GaAs子电池和所述InGaAsP子电池之间通过所述晶格异变缓冲层进行过渡。

2.根据权利要求1所述的倒装四结太阳电池，其特征在于，所述AlGaAs顶电池和所述GaAs子电池均与GaAs衬底晶格匹配；所述InGaAsP子电池和所述InGaAs底电池晶格匹配。

3.根据权利要求1所述的倒装四结太阳电池，其特征在于，所述的倒装四结太阳电池带隙组合为1.93 eV、1.42 eV、1.04 eV、0.7eV。

4.根据权利要求1所述的倒装四结太阳电池，其特征在于，所述晶格异变缓冲层采用In组分线性渐进或步进渐变的Al_1-xIn_xAs材料，其中x的范围为0~0.51。

5.根据权利要求1或4所述的倒装四结太阳电池，其特征在于，所述晶格异变缓冲层的带隙大于或等于1.47 eV。

6.一种权利要求1所述的倒装四结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 

1）在一GaAs衬底上生长第一欧姆接触层；

2）在所述第一欧姆接触层上依次生长AlGaAs顶电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、晶格异变缓冲层、InGaAsP子电池、第三隧道结、InGaAs底电池以及第二欧姆接触层； 

3）在所述第二欧姆接触层上制备第二电极并与一支撑衬底进行键合； 

4）剥离所述GaAs衬底，并在所述第一欧姆接触层上制备第一电极，获得目标太阳电池。

7.根据权利要求6所述的倒装四结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤4）进一步包括采用湿法腐蚀方法对所述GaAs衬底进行剥离，并在所述第一欧姆接触层上制备顶电池栅状电极。

8.根据权利要求6所述的倒装四结太阳电池制备方法，其特征在于，所述支撑衬底采用硅片、玻璃或金属。

9.根据权利要求6所述的倒装四结太阳电池制备方法，其特征在于，所述的倒装四结太阳电池的各结构层采用MOCVD法或MBE法生长形成。

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