CN103247722A - 四结级联太阳电池的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四结级联太阳电池的制作方法，采用InP作为支撑衬底，首先在InP衬底上制备与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；然后在InGaAsP/InGaAs双结电池上制备一InP键合层，并在所述InP键合层上键合一GaAs键合层；最后在GaAs键合层上制备与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池。本发明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，制备得到的四结单片高效太阳电池可以获得高电压、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。

Description

四结级联太阳电池的制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种四结级联太阳电池的制作方法及该方法制作得到的四结级联太阳电池。
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地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。而且1.0eV的InGAs与GaAs存在2.1%的晶格失配，其晶体质量很难提高。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。
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
本发明的目的是提出一种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。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种四结级联太阳电池的制作方法，采用InP作为支撑衬底，首先在InP衬底上制备与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；然后在InGaAsP/InGaAs双结电池上制备一InP键合层，并在所述InP键合层上键合一GaAs键合层；最后在GaAs键合层上制备与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池；最终得到带隙能量分别为1.89/1.42/1.0/0.73eV的四结级联太阳电池。
所述InP键合层与GaAs键合层形成隧道结；优选地，所述InP键合层的厚度为10-50nm；所述GaAs键合层的厚度为0.01-10μm。
优选地，制备InGaAsP/InGaAs双结电池的具体步骤为，在InP衬底上按照远离InP衬底的方向依次生长InP缓冲层，InGaAs子电池，第一隧道结以及InGaAsP子电池。
优选地，制备GaInP/GaAs双结电池的具体步骤为，在GaAs键合层上按照远离GaAs键合层上的方向依次生长GaAs缓冲层，GaAs子电池，第二隧道结以及GaInP子电池。
另外，该方法还包括在电池的表面制作正负电极以及减反膜。
本发明的另一个目的是提供一种四结级联太阳电池,该太阳电池包括与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池和与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池,所述InGaAsP/InGaAs双结电池生长于InP衬底上；所述InGaAsP/InGaAs双结电池上设置有一InP键合层，所述InP键合层上键合有一GaAs键合层；所述GaInP/GaAs双结电池生长于GaAs键合层上；所述InP键合层与GaAs键合层形成隧道结。
优选地，所述InP键合层的厚度为10-50nm。
优选地，所述GaAs键合层的厚度为0.01-10μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）一般常规外延用GaAs衬底的厚度为350微米，而本发明采用键合10微米以下的GaAs薄层技术，直接在该GaAs键合层上制备双结电池，大大节省了GaAs衬底的消耗；并且，As作为稀有金属与剧毒物质，减少其使用量也减少了对环境的污染；
2）本发明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，制备得到的四结单片高效太阳电池可以获得高电压、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
图1为本发明一实施例制备四结级联太阳电池的工艺流程示意图。
图2为本发明一实施例中在InP衬底上制备的InGaAsP/InGaAs双结电池的结构示意图。
图3为本发明一实施例中在InGaAsP/InGaAs双结电池上制备InP键合层与GaAs键合层的示意图。
图4为发明一实施例制备获得的四结级联太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
下面将对结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
如前所述，鉴于目前以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，本发明的目的是提出一种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。
本发明实施例公开了一种四结级联太阳电池的制作方法，采用InP作为支撑衬底，首先在InP衬底上制备与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；然后在InGaAsP/InGaAs双结电池上制备一InP键合层，并在所述InP键合层上键合一GaAs键合层；最后在GaAs键合层上制备与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池；最终得到带隙能量分别为1.89/1.42/1.0/0.73eV的四结级联太阳电池。
所述InP键合层与GaAs键合层形成隧道结；优选地，所述InP键合层的厚度为10-50nm；所述GaAs键合层的厚度为0.01-10μm。
优选地，制备InGaAsP/InGaAs双结电池的具体步骤为，在InP衬底上按照远离InP衬底的方向依次生长InP缓冲层，InGaAs子电池，第一隧道结以及InGaAsP子电池；制备GaInP/GaAs双结电池的具体步骤为，在GaAs键合层上按照远离GaAs键合层上的方向依次生长GaAs缓冲层，GaAs子电池，第二隧道结以及GaInP子电池。
参图1至图4所示，四结级联太阳电池的制作方法具体包括以下步骤：
S101,采用InP作为支撑衬底，生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池，按照远离InP面的方向依次生长0.2-1μmInP缓冲层，InGaAs电池，第一隧道结，InGaAsP电池。
其中InGaAs电池包括，0.05μmP++InP背场，3μmP-InGaAs基区，0.15μmn+发射区，0.1μmn++InP窗口层；第一隧道结包括，0.02μmn++InGaAs，0.02μmP++InGaAs；InGaAsP电池包括，0.05μmP++InP背场，2.8μmP-InGaAsP基区，0.1μmn+InGaAsP发射区，0.05μmn++InP窗口层；
S102,在InGaAsP电池上制备一厚度为10-50nm的InP键合层，然后在InP键合层的面上键合0.01-10μm的P++GaAs材料层形成GaAs键合层，所述InP键合层与GaAs键合层之间形成异质隧道结；
S103，在GaAs键合层上正装生长GaInP/GaAs双结电池，按照远离GaAs面的方向依次生长0.2-1μmGaAs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0.05μmP++AlGaAs背场，3μmp-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，0.02μmn++GaInP，0.02μmp++AlGaAs；GaInP电池包括0.05μmP++AlGaInP背场，0.7μmp-GaInP基区，0.1μmn+GaInP发射区，0.04μmAlInP窗口层，0.5μmGaAs接触层。
S104，接下来进行电池的工艺过程：在电池的表面分别制作正负电极和减反膜，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(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)方式生长。
若采用MOCVD法，则各层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，则各层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 (9)

1.一种四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：采用InP作为支撑衬底，首先在InP衬底上制备与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；然后在InGaAsP/InGaAs双结电池上制备一InP键合层，并在所述InP键合层上键合一GaAs键合层；最后在GaAs键合层上制备与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池；所述InP键合层与GaAs键合层形成隧道结。
2.根据权利要求1所述的四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述InP键合层的厚度为10-50nm。
3.根据权利要求1所述的四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述GaAs键合层的厚度为0.01-10μm。
4.根据权利要求1所述的四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：制备InGaAsP/InGaAs双结电池的具体步骤为，在InP衬底上按照远离InP衬底的方向依次生长InP缓冲层，InGaAs子电池，第一隧道结以及InGaAsP子电池。
5.根据权利要求1所述的四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：制备GaInP/GaAs双结电池的具体步骤为，在GaAs键合层上按照远离GaAs键合层上的方向依次生长GaAs缓冲层，GaAs子电池，第二隧道结以及GaInP子电池。
6.根据权利要求1所述的四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：该方法还包括在电池的表面制作正负电极以及减反膜。
7.一种四结级联太阳电池,包括与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池和与GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池,所述InGaAsP/InGaAs双结电池生长于InP衬底上；其特征在于：所述InGaAsP/InGaAs双结电池上设置有一InP键合层，所述InP键合层上键合有一GaAs键合层；所述GaInP/GaAs双结电池生长于GaAs键合层上；所述InP键合层与GaAs键合层形成隧道结。
8.根据权利要求7所述的四结级联太阳电池，其特征在于：所述InP键合层的厚度为10-50nm。
9.根据权利要求7所述的四结级联太阳电池，其特征在于：所述GaAs键合层的厚度为0.01-10μm。
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