CN103219414A - GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：采用GaAs作为支撑衬底，在其中一面键合一层InP，通过双面生长技术，分别在GaAs衬底上生长与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池以及在InP层上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，所述InP的厚度为0.5~10μm。本发明提出的四结太阳电池，不但减少InP衬底的消耗，同时还有效解决了生长单片多结级联太阳电池材料的晶格失配问题。实现高电压、低电流输出的四结级联太阳电池，有利于提高对太阳光能量的利用。

Description

GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法

技术领域

本发明属于光伏领域，尤其涉及一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法。

背景技术

作为一种理想的绿色能源材料，太阳电池成为各国的研究热点，为了促进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。

叠层电池采用不同禁带宽度的子电池串联能极大的提高太阳光的利用率，目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池，该材料体系在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32-33%。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，如在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00eV的InGaAsN材料，做成四结电池，实现光电流匹配，提高电池效率。

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。因此研究人员积极寻求别的途径来获得高效的太阳能电池，在GaAs衬底失配生长1.0eV的InGAs被证实是可行的，为了节省过渡层个数，一般采用倒装生长的方法，但器件性能相对正装生长有所降低。但是由于采用晶格失配生长，1.0eV的InGAs的晶体质量很难提高。如单纯从晶格匹配的角度采用基于GaAs衬底的GaInP/GaAs(1.9/1.42eV)和InP衬底的InGaAsP/InGaAs(1.05/0.74eV)双结电池的键合，采用常规的晶片键合技术则需要GaAs和InP两个衬底生长，可以采用倒装生长GaAs基双结电池并剥离GaAs衬底，但增加了一步剥离工艺，增加了电池制作成本及制作工艺的难度；且采用机械强度比较低的InP作为支撑衬底，降低了电池的机械强度，且同样尺寸的InP衬底的价格至少是GaAs衬底三倍，增加了电池的成本。 

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

本发明的目的提供一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其采用GaAs作为支撑衬底，在其中一面键合一层InP，通过双面生长技术，分别在GaAs衬底上生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池以及在InP层上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，所述InP的厚度为0.5~10μm。 

作为本发明的进一步改进，所述的制作方法具体包括：

1）采用P++双面抛光GaAs衬底，在其中一面键合0.5~10μm的N++ InP层，GaAs衬底与InP层间的接触形成隧道结；

2）在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、GaAs电池、第二隧道结、GaInP电池和GaAs接触层；

3）在InP层上依次生长InP缓冲层、InGaAsP电池、第一隧道结、InGaAs电池和InGaAs接触层；

4）分别制作正、负电极和减反膜，最终形成太阳能电池。

本发明还公开了一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，其采用上述的方法制作而成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一般常规外延用InP衬底为350微米，而采用键合10微米左右的InP薄层技术，使得每个衬底片可以进行至少35次外延，大大节省了InP衬底的消耗。而且采用GaAs作为四结太阳电池的支撑衬底大大提高了电池的机械强度。

在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中模板衬底的制作方法；

图2所示为本发明具体实施例中在模板衬底上制作GaInP/GaAs双结电池的示意图；

图3所示为本发明具体实施例中在模板衬底上制作InGaAsP/InGaAs双结电池的示意图；

图4所示为本发明具体实施例中制作获得的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

具体实施方式

鉴于现有技术中以InGaP/（In）GaAs/Ge三结级联太阳能电池为代表的光伏技术仍无法达到与太阳光谱的最佳匹配，以及制作单片级联三结及三结以上的太阳能电池存在的半导体材料间晶格失配的客观困难，本发明实施例提出一种GaAs支撑四结级联太阳电池的制作方法，在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。

    具体地，本发明实施例公开了一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，采用GaAs作为支撑衬底，在其中一面键合一层InP，通过双面生长技术，分别在GaAs衬底上生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池以及在InP层上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，所述InP的厚度为0.5~10μm。

在GaAs衬底其中一面键合一薄层InP，形成两种晶格常数的模板衬底，其中GaAs与InP为欧姆接触。在模板衬底上分别生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池以及与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，实现了带隙能量分别为1.89/1.42/1.0/0.73 eV的四结级联太阳电池。

四结级联太阳电池的生长方式为，在GaAs面生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池；在InP面生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池。其中GaInP/GaAs双结电池生长次序为，按照远离GaAs面的方向依次生长GaAs缓冲层，GaAs子电池，第二隧道结(GaInP/AlGaAs)，GaInP子电池，接触层。InGaAsP/InGaAs双结电池生长次序为，按照远离InP面的方向依次生长InP缓冲层，InGaAsP子电池，第一隧道结(InGaAs/InGaAs)，InGaAs子电池，接触层。最后，还包括以下步骤：在电池片的两个表面分别制作背电极和栅状电极，在栅状电极上面蒸镀减反膜，最终形成目标太阳能电池。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1至图4所示，GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法如下：

1. 采用P++双面抛光GaAs衬底，在其中一面键合0.5-10μm的N++ InP，GaAs与InP间的接触形成隧道结。实现了同时具备GaAs与InP晶格常数的模板衬底单片集成。

2. 在GaAs面正装生长GaInP/GaAs双结电池，按照远离GaAs面的方向依次生长0.2-1μm GaAs缓冲层，GaAs电池，第二隧道结，GaInP电池，0.2-1μm的GaAs接触层。其中GaAs电池包括0.05μm P++ AlGaAs背场，3μm p- GaAs基区，0.15μm的n+ GaAs发射区，0.1μm的 n++ AlInP 窗口层；第二隧道结包括，0.02μm n++ GaInP，0.02μm p++ AlGaAs；GaInP电池包括0.05μm P++ AlGaInP背场，0.7μm  p- GaInP基区， 0.1μm n+ GaInP发射区，0.04μm AlInP 窗口层。   

3. 在InP面倒装生长InGaAsP/InGaAs双结电池，按照远离InP面的方向依次生长0.2-1μm InP缓冲层，InGaAsP电池，第一隧道结，InGaAs电池，0.2-1μm的InGaAs接触层。其中InGaAs电池包括，0.05μm P++ InP 背场， 3μm P- InGaAs基区，0.15μm n+ 发射区，0.1μm n++ InP 窗口层；第一隧道结包括，0.02μm n++ InGaAs，0.02μm P++ InGaAs；InGaAsP电池包括，0.05μm P++ InP 背场，2.8μm P- InGaAsP基区，0.1μm n+ InGaAsP 发射区， 0.05μm n++ InP 窗口层。

接下来进行电池的工艺过程：在电池片的两个表面分别制作正负电极，在栅状上电极上面蒸镀减反膜，最终形成目标太阳能电池。

本实施例中N、N+、N++分别表示掺杂浓度为~1.0×10¹⁷-1.0×10¹⁸/cm²、~1.0×10¹⁸-9.0×10¹⁸/cm²、~9.0×10¹⁸-1.0×10²⁰/cm²；P-、P++分别表示掺杂浓度为~1.0×10¹⁵-1.0×10¹⁸/cm²、~9.0×10¹⁸-1.0×10²⁰/cm²。

上述步骤均采用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。

若采用MOCVD法，则Ge层的N型掺杂原子为As或P，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，则Ge层的N型掺杂原子为As或P，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。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：采用GaAs作为支撑衬底，在其中一面键合一层InP，通过双面生长技术，分别在GaAs衬底上生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池以及在InP层上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，所述InP的厚度为0.5~10μm。

2.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述的制作方法具体包括：

1）采用P++双面抛光GaAs衬底，在其中一面键合0.5~10μm的N++ InP层，GaAs衬底与InP层间的接触形成隧道结；

2）在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、GaAs电池、第二隧道结、GaInP电池和GaAs接触层；

3）在InP层上依次生长InP缓冲层、InGaAsP电池、第一隧道结、InGaAs电池和InGaAs接触层；

4）分别制作正、负电极和减反膜，最终形成太阳能电池。

3.一种权利要求1或2所述方法制作的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

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