CN103346190B - Si衬底的四结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其是指一种四结级联太阳能电池，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联。本发明还提供这种太阳能电池的制备方法。本发明采用Si衬底作为支撑衬底具有良好的机械强度。同时，采用了键合后再正装生长薄层的双结电池的方式，且GaAs与InP薄层键合方法实现了四结电池的晶格匹配生长，相比晶格失配生长，材料的晶体质量有所保证。

Description

Si衬底的四结级联太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其是一种四结级联太阳能电池的结构及其制备方法。

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，做成四结级联电池，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InGaAs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。由于1.0eV的InGaAs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(1.9eV/1.42eV)和InP衬底的InGaAsP/InGaAs(1.05eV/0.74eV)双结电池的键合，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，采用常规的晶片键合技术则需要厚度较大（约350μm）的GaAs和InP两个衬底生长，增加了电池的成本和对环境的污染。

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备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

为解决上述问题，本发明提供一种四结级联太阳能电池，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联。

优选地，所述Si衬底与所述第一键合层成欧姆接触；所述第二键合层、第三键合层之间键合形成第二隧道结。

优选地，所述第一键合层、第二键合层的材质为InP；所述第三键合层的材质为GaAs。

优选地，所述第一键合层的厚度为0.2～10μm；所述第二键合层的厚度为10～50nm；所述第三键合层的厚度为0.2～10μm。

优选地，所述InGaAsP/InGaAs双结电池与所述第一键合层晶格匹配；InGaAsP/InGaAs双结电池与所述第三键合层晶格匹配。

优选地，所述InGaAsP/InGaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第一键合层的方向依次生长的InP缓冲层、InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池。

优选地，所述InGaAs子电池、InGaAsP子电池的禁带宽度分别为1.0eV、0.73eV。

优选地，所述GaInP/GaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第三键合层的方向依次生长的GaAs缓冲层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池、GaAs接触层。

优选地，所述GaAs子电池、GaInP子电池的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV。

优选地，还包括分别装设在Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部的背电极、栅电极，以及蒸镀在所述栅电极上的抗反膜。

本发明还提供所述四结级联太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

步骤A：在Si衬底键合第一键合层，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延从下到上依次在第一键合层上生长InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层；

步骤B：在所述第二键合层上键合第三键合层，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延从下到上在第三键合层上生长GaInP/GaAs双结电池；

步骤C：在所述Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部的GaAs接触层上制备背电极、栅电极，然后在所述栅电极上蒸镀抗反膜。

本发明的优势在于：

1.采用Si衬底作为支撑衬底具有良好的机械强度，

2.与现有技术相比，每个双结电池采用较薄（0.2～10μm）的GaAs或InP作为键合层，代替衬底，在降低制备成本的同时，更有利于实现四结电池的晶格匹配生长，相比晶格失配生长，材料的晶体质量有所保证。

3.创新的采用了键合后再进行外延生长的制备方法，配合薄层键合技术，解决晶格失配问题。

附图说明

图1为本发明Si衬底四结级联太阳能电池成品结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实施例进一步说明。

本实施例提供一种Si衬底四结级联太阳能电池，如图1所示，

包括从下至上依次设置在Si衬底10上的第一键合层21、InGaAsP/InGaAs双结电池30、第二键合层22、第三键合层23、GaInP/GaAs双结电池40，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池30、GaInP/GaAs双结电池40在Si衬底10上形成串联。还包括分别形成在Si衬底10底部、GaInP/GaAs双结电池40顶部的背电极51、栅电极52，以及蒸镀在栅电极52表面的抗反膜53。

其中，Si衬底10可以是N型或P型的。第一键合层21、第二键合层22的材质为InP，第三键合层23的材质为GaAs。

所述InGaAsP/InGaAs双结电池30包括：按照逐渐远离所述第一键合层21的方向依次生长的InP缓冲层31，InGaAs子电池32，第一隧道结33，InGaAsP子电池34。所述InGaAs子电池32、InGaAsP子电池34的禁带宽度分别为1.0eV、0.73eV。

所述GaInP/GaAs双结电池40包括：按照逐渐远离所述第三键合层23的方向依次生长的GaAs缓冲层41，GaAs子电池42，第三隧道结43，GaInP子电池44、GaAs接触层45。所述GaAs子电池42、GaInP子电池44的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV。

下面，详细说明这种四结级联太阳能电池的制备方法：

步骤A：

生长步骤均采用MOCVD（MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀）或MBE（MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)。若采用MOCVD法，则各外延层的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，则各外延层的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。

在N++Si衬底10表面键合0.5～10μm的N++InP，然后进行退火处理以形成良好的欧姆接触，减小界面电阻的影响，从而获得界面电阻较小的理想键合界面。由此实现InP的第一键合层21形成。

采用MOCVD方法从下到上依次在第一键合层21上生长InGaAsP/InGaAs双结电池30、第二键合层22、第三键合层23、GaInP/GaAs双结电池40，具体如下：

在第一键合层21上正装生长与第一键合层21晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池30，按照远离第一键合层21的方向依次生长0.2～1μmInP缓冲层31、InGaAs子电池32、第一隧道结33、InGaAsP子电池34。

其中，InGaAs子电池32从下至上包括0.05μm的P++InP背场、3μm的P-InGaAs基区、0.15μm的N+发射区，0.1μm的N++InP窗口层。

第一隧道结33从下至上包括0.02μm的N++InGaAs、0.02μm的P++InGaAs。

InGaAsP子电池34从下至上包括，0.05μm的P++InP背场、2.8μm的P-InGaAsP基区、0.1μm的N+InGaAsP发射区，0.05μmN++InP窗口层。

接下来，在InGaAsP/InGaAs双结电池30顶部采用MOCVD法生长10～50nm的N++InP作为第二键合层22。

步骤B：进行第二次键合步骤。即在所述第二键合层22上键合0.5～10μm的P++GaAs作为第三键合层23，第三键合层23与第二键合层22之间的接触形成第二隧道结24。

采用MOCVD法在第三键合层23正装生长与第三键合层23晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池40。即，按照远离第三键合层23的方向依次生长0.2～1μmGaAs缓冲层41、GaAs子电池42、第三隧道结43、GaInP子电池44、0.2～1μm的GaAs接触层45。

其中，GaAs子电池42从下至上包括0.05μm的P++AlGaAs背场、3μmP-GaAs基区、0.15μm的N+GaAs发射区、0.1μm的N++AlInP窗口层。

第三隧道结43从下至上包括：0.02μm的N++GaInP、0.02μmP++AlGaAs。

GaInP子电池44从下至上包括0.05μm的P++AlGaInP背场、0.7μm的P-GaInP基区、0.1μmN+GaInP发射区、0.04μm的AlInP窗口层。

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。

步骤C：清洗除去外延层表面和背面的污染物，分别在Si衬底10底部、GaInP/GaAs双结电池40顶部（选择性腐蚀后的GaAs接触层45顶部）制备背电极51、栅电极52，在栅电极52上蒸镀抗反膜60，最终形成目标太阳能电池。

综上所述，是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Si衬底的四结级联太阳能电池，其特征在于，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联；

所述Si衬底与所述第一键合层成欧姆接触；所述第二键合层、第三键合层之间键合形成第二隧道结；

所述第一键合层、第二键合层的材质为InP；所述第三键合层的材质为GaAs；

所述第一键合层的厚度为0.2～10μm；所述第二键合层的厚度为10～50nm；所述第三键合层的厚度为0.2～10μm。

2.根据权利要求1所述四结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP/InGaAs双结电池与所述第一键合层晶格匹配；GaInP/GaAs双结电池与所述第三键合层晶格匹配。

3.根据权利要求1或2所述四结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP/InGaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第一键合层的方向依次生长的InP缓冲层、InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池。

4.根据权利要求3所述四结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs子电池、InGaAsP子电池的禁带宽度分别为1.0eV、0.73eV。

5.根据权利要求1或2所述四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaInP/GaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第三键合层的方向依次生长的GaAs缓冲层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池、GaAs接触层。

6.根据权利要求5所述四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAs子电池、GaInP子电池的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV。

7.根据权利要求1所述四结级联太阳能电池，其特征在于，还包括分别装设在Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部的背电极、栅电极，以及蒸镀在所述栅电极上的抗反膜。

8.根据权利要求1～7任一项所述四结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：在Si衬底键合第一键合层，采用金属有机化合物化学气相沉淀法或分子束外延从下到上依次在第一键合层上生长InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层；

步骤B：在所述第二键合层上键合第三键合层，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延从下到上在第三键合层上生长GaInP/GaAs双结电池；

所述第一键合层、第二键合层的材质为InP；所述第三键合层的材质为GaAs；

步骤C：在所述Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部GaAs接触层上制备背电极、栅电极，然后在所述栅电极上蒸镀抗反膜。