CN105720126B - 一种倒装四结太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种倒装四结太阳能电池结构及其制备方法，首先利用MOCVD或是MBE在GaAs衬底上依次形成GaInP子电池和GaAs子电池，然后再利用UHVCVD生长SiGeSn子电池和SiGe子电池。这种电池结构具有良好的电流匹配和晶格匹配，能获得高的晶体质量和电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶格匹配的高效倒装四结太阳能电池结构及其制备方法，属化合物半导体太阳能电池外延生长和器件制备领域。
背景技术
由于煤、石油等不可再生能源的逐渐枯竭及其不断造成的环境恶化，人类迫切需要使用绿色能源为人们解决所面临的巨大问题。太阳能因其安全环保，取之不尽，用之不竭，又无处不在，是一种十分理想的绿色可再生能源，使其备受瞩目。基于化合物半导体材料的第三代化合物半导体多结太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能电池，同时具有耐高温性能、抗辐射能力强、温度特性好等优点。为更加充分利用太阳能光谱，进一步提高太阳能电池的光电转换效率，在常规三结太阳能电池基础上增加一结1.0eV子电池，成为众多选择之一。如中国专利文献CN201010193582.1中选择的InGaAs，此子电池因与衬底材料存在较大的晶格失配，材料缺陷较多。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种倒装四结太阳能电池结构及其制备方法，其联立MOCVD和UHVCVD（超高真空CVD），采用与GaAs衬底晶格匹配的SiGeSn材料作为1.0eV的子电池，可以有效改善材料晶体质量差的问题，提高电池转换效率。
根据本发明的第一个方面，一种倒装四结太阳能电池的制备方法：首先利用MOCVD或是MBE在GaAs衬底上依次形成GaInP子电池和GaAs子电池，然后再利用UHVCVD生长SiGeSn子电池和SiGe子电池。这种电池结构具有良好的电流匹配和晶格匹配，能获得高的晶体质量和超高的电池效率。
优选的，首先采用MOCVD在GaAs衬底上依次形成GaInP子电池和GaAs子电池和转移隔离层，再采用UHVCVD生长SiGeSn子电池和SiGe子电池。
优选的，所述转移隔离层材料为GaAs，厚度大于或等于200nm。
根据本发明的第二个方面，一种倒装四结太阳能电池的制作方法，包括步骤：（1）在MOCVD反应腔内，于一GaAs衬底上依次倒装生长腐蚀截止层、欧姆接触层、第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和转移隔离层；（2）将上述样品转移至UHVCVD反应腔中，对样品进行表面热处理；（3）在UHVCVD反应腔中依次生长第三子电池，第三隧穿结，第四子电池和欧姆接触层。
优选的，第一子电池为GaInP子电池，第二子电池为GaAs子电池。
优选的，所述第三子电池为SiGeSn子电池，第四子电池为SiGe子电池。
优选的，所述第三隧穿结、第四子电池和欧姆接触层生长温度不高于第三子电池生长温度，防止第三子电池受热易析出或分解。
优选的，所述步骤（2）中，先将步骤1）完成的结构放入一衬底盒中进行密封，该过程在手套箱中完成，所述MOCVD反应腔和所述手套箱通过一真空传递室连接，再将上述样品转移至UHVCVD反应腔中。
优选的，所述转移隔离层材料为GaAs，厚度大于或等于200nm，以获得易于在UHVCVD进行电池的二次外延生长的结构。
根据本发明的第三个方面，一种倒装四结太阳能电池，包括：GaAs衬底；第一子电池、第二子电池和转移隔离层，采用MOCVD或者MBE的生长方式依次形成于所述GaAs衬底之上；第三子电池和第四子电池，采用UHVCVD的生长方式依次形成于所述转移隔离层之上。
优选的，第三子电池的基区材料由带隙为1.0eV的SiGeSn材料组成，晶格常数与GaAs匹配，其中Si组分25%~33%，Ge组分59%~68%，Sn组分6%~8%。
优选的，所述第四子电池为SiGe子电池。
优选的，第一子电池，第二子电池，第三子电池和第四子电池的带隙依次降低，各子电池电流匹配，各子电池晶格常数与GaAs衬底匹配。
优选的，所述转移隔离层材料为GaAs，厚度大于200nm，以获得易于在UHVCVD进行电池的erc外延生长的结构。
此外，采用倒装生长结构，即先在MOCVD中生长III-V族化合物电池结构，再将其转移至UHVCVD中，可以有效避免正装生长过程中，先生长的SiGeSn在高温下容易析出Sn而污染MOCVD的劣势。
相对于InGaAs材料，本专利采用SiGeSn做为1.0eV子电池，与其他三结电池一起进行倒装生长，一方面，其晶格常数可以做到与GaAs衬底材料匹配，可以获得高的晶体质量，此外，先生长III-V双结电池在生长SiGeSn子电池可以有效避免因高温导致的SiGeSn子电池中的Sn在高温下析出，不宜先生长SiGeSn，再通过MOCVD生长III-V子电池，另一方面，倒装生长时可以有效避免III-V材料在IV族材料上生长时引入的反相畴，减少非辐射复合中心，提高电池的转换效率。
附图说明
图1 是本发明涉及到的一种晶格匹配的高效四结太阳能电池结构示意图。
图中：
001 ：生长衬底
002 ：腐蚀截止层
003 ：欧姆接触层
101 ：第一子电池窗口层
102 ：第一子电池发射区
103 ：第一子电池基区
104 ：第一子电池背场层
501 ：第一隧穿结
201 ：第二子电池窗口层
202 ：第二子电池发射区
203 ：第二子电池基区
204 ：第二子电池背场层
502 ：第二电池隧穿结
004 ：转移隔离层
301 ：第三子电池窗口层
302 ：第三子电池发射区
303 ：第三子电池基区
304 ：第三子电池背场层
503 ：第三隧穿结
401 ：第四子电池窗口层
402 ：第四子电池发射区
403 ：第四子电池基区
404 ：第四子电池背场层
005 ：欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合示意图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。
下面实施例公开了一种高效率四结太阳能电池，其制备主要包括下列步骤：首先利用MOCVD或是MBE在GaAs衬底上依次形成第一子电池和第二子电池，然后再利用UHVCVD生长第三子电池和第四子电池。下具结合具体的制备方法对本实施的高效率四结太阳能电池进行详细说明。
步骤（1）：在MOCVD中，选用n型掺杂、偏向[111]方向9°的GaAs衬底作为外延生长衬底001，在其上依次外延生长GaInP牺牲截止层002和n-GaAs欧姆接触层003。其中，生长衬底001的厚度350μm左右，掺杂浓度在1×1018cm-3 ~ 4×1018cm-3之间，GaInP牺牲截止层002的厚度为200nm，掺杂1×1018cm-3， n-GaAs欧姆接触层003的厚度为500nm，掺杂5×1018cm-3。
步骤（2）：在n-GaAs欧姆接触层003上生长GaInP第一子电池，带隙为1.9eV，其各层晶格常数与GaAs衬底匹配。具体的，先生长n-AlInP窗口层101，厚度为0.03μm，掺杂浓度约7×1018cm-3，然后生长n-GaInP发射区102，厚度约为0.1μm，掺杂浓度约为1×1018cm-3，然后生长p-GaInP基区103，厚度约为1.5μm，掺杂浓度约为2×1017cm-3，最后生长p-AlGaAs背场层104，厚度约为0.07μm，掺杂浓度约为2×1018cm-3。
步骤（3）：在GaInP第一子电池上生长p++-AlGaAs/n++-GaInP隧穿结501。具体的，先生长p++-AlGaAs层，厚度20nm，掺杂浓度2×1020cm-3，再生长n++-GaInP层，厚度20nm，掺杂浓度2×1019cm-3。
步骤（4）：在p++-AlGaAs/n++-GaInP隧穿结501上生长GaAs第二子电池，带隙为1.42eV，其各层晶格常数与GaAs衬底匹配。具体的，先生长n-AlInP窗口层201，厚度为0.05μm，掺杂浓度约5×1018cm-3，然后生长n-GaAs发射区202，厚度约为0.2μm，掺杂浓度约为5×1017cm-3，然后生长p-GaAs基区203，厚度约为3.0μm，掺杂浓度约为8×1016cm-3，最后生长p-AlGaAs背场层204，厚度约为0.07μm，掺杂浓度约为1×1018cm-3。
步骤（5）：在GaAs第二子电池上生长p++-GaAs/n++-GaAs隧道结502, 先生长p++-GaAs层，厚度20nm，掺杂浓度2×1020cm-3，再生长n++-GaAs层，厚度20nm，掺杂浓度3×1019cm-3。
步骤（6）：在p++-GaAs/n++-GaAs隧穿结502上生长GaAs转移隔离层004，厚度大于或等于200nm，较佳值为0.5μm，掺杂浓度为2×1018cm-3，至此完成在MOCVD中的外延生长。
步骤（7）：上述完成的结构放入衬底盒中进行密封，该过程在手套箱中完成，MOCVD反应腔和手套箱通过一真空传递室连接；并将上述密封好的样品转移至UHVCVD反应腔中，对样品进行表面热处理10~20min，处理温度同上述转移隔离层在MOCVD中生长温度一致。
步骤（8）：在UHVCVD反应腔中继续外延生长，在GaAs缓冲层隧穿结004上生长SiGeSn材料组成，带隙为1.0eV，其中Si组分25%~33%，Ge组分59%~68%，Sn组分6%~8%，其各层晶格常数与GaAs衬底匹配，生长温度为550℃。在一个较佳实施例中，先生长n-SiSn窗口层301，厚度为0.05μm，掺杂浓度约5×1018cm-3，然后生长n- Si0.28Ge0.654Sn0.066发射区302，厚度约为0.2μm，掺杂浓度约为5×1017cm-3，然后生长p- Si0.28Ge0.654Sn0.066基区303，厚度约为4.0μm，掺杂浓度约为1×1017cm-3，最后生长p-SiSn背场层304，厚度约为0.07μm，掺杂浓度约为3×1018cm-3。
步骤（9）：在 SiGeSn第三子电池上生长p++-SiGeSn/n++-SiGe隧道结503，生长温度为480℃，先生长p++- SiGeSn 层，厚度20nm，掺杂浓度5×1019cm-3，再生长n++-SiGe层，厚度20nm，掺杂浓度5×1019cm-3。
步骤（10）：在p++-SiGeSn/n++-SiGe隧穿结503上生长SiGe第四子电池，生长温度为520℃，带隙为0.7eV，其各层晶格常数与GaAs衬底匹配。先生长n-SiGeSn窗口层401，厚度为0.1μm，掺杂浓度约5×1018cm-3，然后生长n-SiGe发射区402，厚度约为0.2μm，掺杂浓度约为5×1017cm-3，然后生长p-SiGe基区403，厚度约为5.0μm，掺杂浓度约为1×1017cm-3，最后生长p-SiGeSn背场层404，厚度约为0.1μm，掺杂浓度约为3×1018cm-3。
步骤（11）：在SiGe第四子电池上生长SiGe盖层005，生长温度为520℃，厚度约为0.5μm，掺杂浓度约为5×1018cm-3，完成电池结构外延生长，如图1所示。
Claims (12)
1.一种倒装四结太阳能电池的制备方法，其特征在于：首先利用MOCVD或是MBE在GaAs衬底上依次形成GaInP子电池和GaAs子电池，然后再利用UHVCVD生长SiGeSn子电池和SiGe子电池。
2.根据权利要求1所述的一种倒装四结太阳能电池的制备方法，其特征在于：首先采用MOCVD在GaAs衬底上依次形成GaInP子电池和GaAs子电池和转移隔离层，再采用UHVCVD生长SiGeSn子电池和SiGe子电池。
3.一种倒装四结太阳能电池的制作方法，包括步骤：
（1）在MOCVD反应腔内，于一GaAs衬底上依次倒装生长腐蚀截止层、欧姆接触层、第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和转移隔离层；（2）将上述样品转移至UHVCVD反应腔中，对样品进行表面热处理；
（3）在UHVCVD反应腔中依次生长SiGeSn第三子电池，第三隧穿结，第四子电池和欧姆接触层。
4.根据权利要求书3所述的倒装四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：第一子电池为GaInP子电池，第二子电池为GaAs子电池。
5.根据权利要求书3所述的倒装四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第四子电池为SiGe子电池。
6.根据权利要求书3所述的倒装四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第三隧穿结、第四子电池和欧姆接触层生长温度不高于第三子电池生长温度，防止第三子电池受热易析出或分解。
7.根据权利要求书3所述的倒装四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中，先将步骤1）完成的结构放入一衬底盒中进行密封，该过程在手套箱中完成，所述MOCVD反应腔和所述手套箱通过一真空传递室连接，再将上述样品转移至UHVCVD反应腔中。
8.根据权利要求书3所述的倒装四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述转移隔离层材料为GaAs，厚度大于或等于200nm，以获得易于在UHVCVD进行电池的二次外延生长的结构。
9.一种倒装四结太阳能电池，包括：
GaAs衬底；
第一子电池、第二子电池和转移隔离层，采用MOCVD或者MBE的生长方式依次形成于所述GaAs衬底之上；
第三子电池和第四子电池，采用UHVCVD的生长方式依次形成于所述转移隔离层之上，所述第三子电池为SiGeSn子电池。
10.根据权利要求书9所述的一种倒装四结太阳能电池，其特征在于：第三子电池的基区材料由带隙为1.0eV的SiGeSn材料组成，晶格常数与GaAs匹配，其中Si组分25%~33%，Ge组分59%~68%，Sn组分6%~8%。
11.根据权利要求书9所述的一种倒装四结太阳能电池，其特征在于：所述第四子电池为SiGe子电池。
12.根据权利要求书9所述的一种倒装四结太阳能电池，其特征在于：第一子电池，第二子电池，第三子电池和第四子电池的带隙依次降低，各子电池电流匹配，各子电池晶格常数与GaAs衬底匹配。
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