CN106374001A - 具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，包括依次叠层设置于廉价衬底上的底电极、AlInP背散射层、GaInP背场层、p-GaAs基层、n-GaAs发射层、GaInP窗口层、GaAs接触层以及顶电极；其中，所述AlInP背散射层朝向所述底电极的一侧具有多个凸起的锥形结构。本发明还公开了如上所述GaAs薄膜太阳电池的制备方法。通过设置锥形背散射层以提高GaAs薄膜太阳电池的光电转换效率，采用廉价衬底，降低了电池的成本。

Description

具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术
作为当今世界最具发展前景的一种能源，太阳能具有取之不尽、功率巨大、使用安全等优点。但是，目前太阳能电池的发展和利用中遇到的主要问题是光电转换效率较低，太阳能电池的性价比不高。太阳能电池是一种能量转换的光电元件，它是经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能。太阳能电池的种类繁多，目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有Si基薄膜太阳能电池、CIGS薄膜太阳能电池和CdTe薄膜太阳能电池等。与厚度约为180～200微米的普通晶体Si太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的薄膜材料厚度不超过50微米，大大减少了材料的用量，降低电池成本，提高了重量比功率。
GaAs材料具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV(300K)，其具有以下特点：1、转换效率高：GaAs基太阳能电池满足太阳光谱匹配所需的材料与结构，具有陡峭的吸收系数曲线，可以在几个微米之内就将太阳光基本吸收，其单结光电转换效率是最高的。2、温度特性好。3、抗辐照性强：GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性能。4、作为多结叠层太阳能电池的材料，可与III-V族三、四元化合物(GaInP、AlGaInP、GaInNAs等)和Ge等组成多结电池。
尽管GaAs电池有很多优点，但GaAs太阳能电池具有单晶材料成本高、机械强度较差等不足之处，不符合空间电源低成本、高可靠的要求。为克服这一缺点，如果我们能获得吸收光子的超薄有源层，同时实现衬底的重复利用，这样可显著降低电池成本。中国专利申请(CN1941422A)公开了一种具有布拉格反射器的n/p型高抗辐射GaAs太阳电池，在缓冲层与一基区制作一层布拉格反射器结构，该布拉格反射器使用7个周期的AlGaAs/GaAs材料，共生长约0.9μm厚，能对光子进行重新吸收而产生新的电子空穴对，增加转化效率，但是使用这种布拉格反射层对低能级的光子不能反射，全部被衬底吸收，增大了工作温度，减少了太阳能电池的寿命。因此，需要研究在制作过程中得到可重复使用的衬底的薄膜电池制备方法，且可以有效地提高Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池的转换效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法，以提高GaAs薄膜太阳电池的光电转换效率，并降低电池的成本。
为了实现上述的发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其包括依次叠层设置于廉价衬底上的底电极、AlInP背散射层、GaInP背场层、p-GaAs基层、n-GaAs发射层、GaInP窗口层、GaAs接触层以及顶电极；其中，所述AlInP背散射层朝向所述底电极的一侧具有多个凸起的锥形结构。
其中，所述多个凸起的锥形结构为不规则的锥形结构，以使所述AlInP背散射层在该侧的表面为不平整的表面。
其中，所述AlInP背散射层的厚度为1～3μm。
其中，所述廉价衬底为硅衬底、铜衬底、玻璃衬底或聚酰亚胺衬底。
其中，所述底电极包括依次设置于所述廉价衬底上的第一电极层和第二电极层；其中，所述第一电极层和第二电极层通过键合结合。
其中，所述GaAs接触层中还设置有减反膜。
如上所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池的制备方法，包括步骤：
S101、应用MOCVD工艺或MBE工艺在GaAs衬底上依次生长GaAs衬底保护层、AlGaAs牺牲层、GaAs接触层、GaInP窗口层、n-GaAs发射层、p-GaAs基层、GaInP背场层以及AlInP背散射层；其中，所述AlInP背散射层的上表面具有多个凸起的锥形结构；
S102、在具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层上制备第二电极层；
S103、提供一廉价衬底并在该廉价衬底上制备第一电极层；
S104、应用键合工艺将所述第二电极层与所述第一电极层键合结合；其中，所述第二电极层与所述第一电极层共同形成一底电极；
S105、腐蚀所述AlGaAs牺牲层，剥离所述GaAs衬底；
S106、在所述GaAs接触层上制备顶电极，获得所述具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池。
进一步地，该方法还包括在所述GaAs接触层中制备减反膜的步骤。
进一步地，步骤S101中，采用以下两种方式的其中之一制备获得具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层：
(1)、在生长AlInP背散射层的过程中，通过控制Al、In、P材料源的流量，获得变化的生长速率，使AlInP背散射层的上部呈非均匀的三维生长，形成具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层；
(2)、首先生长出表面平整的AlInP背散射层，然后通过刻蚀工艺制备形成形成具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层。
进一步地，所述AlGaAs牺牲层的材料AlxGa1-xAs中，x≥0.6。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)、提高太阳能电池的转换效率。本发明采用锥形的背散射层，结合在其表面溅射的金属，使更多穿透损耗的光子反射回来被重新吸收，产生新的电子空穴对，从而提高电池的开路电压和短路电流，增加转化效率。
(2)、本发明采用外延剥离技术，通过生长GaAs衬底保护层，可以把衬底与电池活性区有效分离从而得到无损伤的GaAs衬底，使之可以多次重复利用，降低生产成本。同时，剥离的电池可以通过键合转移到在散热性好的廉价基底材料(如Si、铜片、聚酰亚胺等)上，电池散热问题将得到极大改善，电池价格将进一步降低；再者，采用比重轻于GaAs衬底的廉价支撑衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的重量功率比，又有效降低了电池的成本，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的GaAs薄膜太阳电池的结构示意图。
图2a-图2f是本发明实施例提供的GaAs薄膜太阳电池的制备工艺过程的示例性图示。
具体实施方式
如前所述，本发明的目的是为了提高GaAs薄膜太阳电池的转换效率，同时降低成本。为此，本发明提供了一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法。
具体地，该GaAs薄膜太阳电池包括依次叠层设置于廉价衬底上的底电极、AlInP背散射层、GaInP背场层、p-GaAs基层、n-GaAs发射层、GaInP窗口层、GaAs接触层以及顶电极；其中，所述AlInP背散射层朝向所述底电极的一侧具有多个凸起的锥形结构。其中，所述多个凸起的锥形结构为不规则的锥形结构，以使所述AlInP背散射层在该侧的表面为不平整的表面。其中，所述AlInP背散射层的厚度为1～3μm。其中，所述廉价衬底为硅衬底、铜衬底、玻璃衬底或聚酰亚胺衬底。该电池中采用锥形的背散射层，结合在其表面溅射的金属，使更多穿透损耗的光子反射回来被重新吸收，产生新的电子空穴对，从而提高电池的开路电压和短路电流，增加转化效率。同时，采用廉价的衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的重量功率比，又有效降低了电池的成本。
其制备方法包括步骤：S101、应用MOCVD工艺或MBE工艺在GaAs衬底上依次生长GaAs衬底保护层、AlGaAs牺牲层、GaAs接触层、GaInP窗口层、n-GaAs发射层、p-GaAs基层、GaInP背场层以及AlInP背散射层；其中，所述AlInP背散射层的上表面具有多个凸起的锥形结构；S102、在具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层上制备第二电极层；S103、提供一廉价衬底并在该廉价衬底上制备第一电极层；S104、应用键合工艺将所述第二电极层与所述第一电极层键合结合；其中，所述第二电极层与所述第一电极层共同形成一底电极；S105、腐蚀所述AlGaAs牺牲层，剥离所述GaAs衬底；S106、在所述GaAs接触层上制备顶电极，获得所述具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池。该制备工艺中，通过生长GaAs衬底保护层，可以把衬底与电池活性区有效分离从而得到无损伤的GaAs衬底，使之可以多次重复利用，降低生产成本。同时，剥离的电池可以通过键合转移到在散热性好的廉价基底材料(如Si、铜片、聚酰亚胺等)上，电池散热问题将得到极大改善，电池价格将进一步降低；再者，采用比重轻于GaAs衬底的廉价支撑衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的重量功率比，又有效降低了电池的成本，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池的应用前景。
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地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。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，都属于本发明保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的GaAs薄膜太阳电池包括依次叠层设置于廉价衬底1上的底电极2、AlInP背散射层3、GaInP背场层4、p-GaAs基层5、n-GaAs发射层6、GaInP窗口层7、GaAs接触层8以及顶电极9，所述GaAs接触层8中还设置有减反膜10，所述减反膜10连接于GaInP窗口层7上。其中，所述AlInP背散射层3朝向所述底电极2的一侧具有多个凸起的锥形结构。
具体地，所述多个凸起的锥形结构为不规则的锥形结构，以使所述AlInP背散射层3在该侧的表面为不平整的表面。进一步地，所述AlInP背散射层的厚度可以选择为1～3μm。
本实施例中，所述廉价衬底1为聚酰亚胺衬底。
其中，所述底电极2包括依次设置于所述廉价衬底1上的第一电极层21和第二电极层22，第一电极,21和第二电极层22通过键合结合。
下面介绍如上所述GaAs薄膜太阳电池的制备方法，参阅附图2a-图2f,该制备方法包括步骤：
S101、如图2a所示，提供一GaAs衬底13，将GaAs衬底13的(001)面清洗干净，装入MBE反应腔。应用MBE工艺在580℃的温度范围内外延生长GaAs缓冲层12a，在GaAs缓冲层12a上面在480℃的温度范围内生长一层GaInP材料层12b作为腐蚀阻挡层，然后升高温度到580℃，生长GaAs材料层12c，形成GaAs衬底保护层12。进一步地，在GaAs衬底保护层12上依次生长AlGaAs牺牲层11、GaAs接触层8、GaInP窗口层7、n-GaAs发射层6、p-GaAs基层5、GaInP背场层4以及AlInP背散射层3。其中，所述AlInP背散射层的上表面具有多个凸起的锥形结构；AlGaAs牺牲层11的材料为Al0.85Ga0.15As，即，Al的组分为0.85；在另外的一些实施例中，只要满足Al的组分为0.6以上即可。本实施例中，采用以下方法制备获得具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层3：先按照正常条件生长，参与生长的反应剂分子经过表面吸附、迁移和成核等基元反应过程,以层状方式进行生长。接着改变每材料个源(Al、In、P)的流量，变化生长速率，使得材料的应变能、表面自由能等发生变化，生长层在平行于表面方向将受到压缩应变,而在垂直于表面方向将受到拉伸应变,呈现出非均匀的三维生长,亦即岛状生长，因此，形成不均匀的锥形层。
S102、如图2b所示，在具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层3上制备第二电极层22。具体地，通过电子束蒸发工艺在AlInP背散射层3上依次镀Ti、Pt、Au金属材料层，形成镜反射和欧姆接触，获得Ti/Pt/Au的第二电极层22。
S103、如图2c所示，提供一聚酰亚胺衬底1并在聚酰亚胺衬底1上制备第一电极层21。具体地，通过电子束蒸发工艺在聚酰亚胺衬底1上依次镀Ti、Au金属材料层，形成欧姆接触，获得Ti/Au的第一电极层21。
S104、如图2d所示，将步骤S102和S103获得的器件结构，应用键合工艺将所述第二电极层22与所述第一电极层21键合结合；其中，所述第二电极层22与所述第一电极层22共同形成底电极2。具体地，将步骤S102和S103获得的器件结构通过电子清洗液与超声清洗后，放入键合机中进行低温键合，第二电极层22中的Au金属材料层朝向第一电极层21中的Au金属材料层，其中，键合温度为250℃，键合时间为1小时，键合压力为10000N。
S105、如图2e所示，腐蚀所述AlGaAs牺牲层11，剥离所述GaAs衬底13。具体地，首先使用浓度为10％的HF作为腐蚀液，通过选择性腐蚀AlGaAs牺牲层11后，GaAs衬底13和GaAs衬底保护层12与键合了聚酰亚胺衬底1的电池相分离。然后使用去离子水对GaAs衬底13的表面进行清洗，再用H3PO4:H2O2:H2O＝3:1:25的腐蚀液腐蚀GaAs衬底保护层12中的GaAs材料层12c，接着用HCl:H2O＝1:1的腐蚀液腐蚀GaAs衬底保护层12中的GaInP材料层12b，GaInP材料层12b被腐蚀掉，完成GaAs衬底13的无损伤剥离，GaAs衬底13即可再次被使用。
S106、如图2f所示，剥离GaAs衬底13后，在所述GaAs接触层8上制备顶电极9，获得所述具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池。具体地，在所述GaAs接触层8上，蒸镀AuGe/Ni/Au电极，之后在氮气环境下退火以形成良好的欧姆接触，获得顶电极9；进一步地，GaAs接触层8具有多个暴露出GaInP窗口层7的窗口，在暴露出GaInP窗口层7的窗口中沉积TiO2/SiO2双层减反膜10，最终制备出键合在聚酰亚胺衬底1上的GaAs高效薄膜太阳能电池器件。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，本实施例提供的GaAs薄膜太阳电池中的廉价衬底1采用了铜衬底。
在制备工艺过程中，与实施例1不同的是：
步骤S101中采用了MOVCD外延生长工艺；其中，AlGaAs牺牲层11的材料为AlAs，即，在AlxGa1-xAs中，x＝1。本实施例中，采用以下方法制备获得具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层3：首先生长出表面平整的AlInP材料层，然后利用掩膜、光刻等手段图形化AlInP材料层层，再通过刻蚀工艺形成不平整的表面，获得具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层3。
步骤S102中，通过电子束蒸发工艺在AlInP背散射层3上依次镀Pd、Zn、Pd、Au金属材料层，形成镜反射和欧姆接触，获得Pd/Zn/Pd/Au的第二电极层22。
步骤S103中，所提供的廉价衬底1为铜衬底。
步骤S105中，使用浓度为49％的HF作为腐蚀液，通过选择性腐蚀AlAs牺牲层11后。
本实施例提供的GaAs薄膜太阳电池的制备工艺，未特别指出的部分均参照实施例1中的进行，最终制备出键合在铜衬底上的GaAs高效薄膜太阳能电池器件。
综上所述，本发明实施例提供的GaAs薄膜太阳电池中，采用锥形的背散射层，结合在其表面溅射的金属，使更多穿透损耗的光子反射回来被重新吸收，产生新的电子空穴对，从而提高电池的开路电压和短路电流，增加转化效率。其制备工艺中，采用外延剥离技术，通过生长GaAs衬底保护层，可以把GaAs衬底与电池活性区有效分离从而得到无损伤的GaAs衬底，使之可以多次重复利用，降低生产成本。同时，剥离的电池可以通过键合转移到在散热性好的廉价基底材料(如Si、铜片、聚酰亚胺等)上，电池散热问题将得到极大改善，电池价格将进一步降低；再者，采用比重轻于GaAs衬底的廉价支撑衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的重量功率比，又有效降低了电池的成本，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池的应用前景。
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 (10)

1.一种具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，包括依次叠层设置于廉价衬底上的底电极、AlInP背散射层、GaInP背场层、p-GaAs基层、n-GaAs发射层、GaInP窗口层、GaAs接触层以及顶电极；其中，所述AlInP背散射层朝向所述底电极的一侧具有多个凸起的锥形结构。
2.根据权利1所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，所述多个凸起的锥形结构为不规则的锥形结构，以使所述AlInP背散射层在该侧的表面为不平整的表面。
3.根据权利要求1或2所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，所述AlInP背散射层的厚度为1～3μm。
4.根据权利要求1所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，所述廉价衬底为硅衬底、铜衬底、玻璃衬底或聚酰亚胺衬底。
5.根据权利要求1所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，所述底电极包括依次设置于所述廉价衬底上的第一电极层和第二电极层；其中，所述第一电极层和第二电极层通过键合结合。
6.根据权利要求1所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池，其特征在于，所述GaAs接触层中还设置有减反膜。
7.如权利要求1-6任一所述的具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S101、应用MOCVD工艺或MBE工艺在GaAs衬底上依次生长GaAs衬底保护层、AlGaAs牺牲层、GaAs接触层、GaInP窗口层、n-GaAs发射层、p-GaAs基层、GaInP背场层以及AlInP背散射层；其中，所述AlInP背散射层的上表面具有多个凸起的锥形结构；
S102、在具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层上制备第二电极层；
S103、提供一廉价衬底并在该廉价衬底上制备第一电极层；
S104、应用键合工艺将所述第二电极层与所述第一电极层键合结合；其中，所述第二电极层与所述第一电极层共同形成一底电极；
S105、腐蚀所述AlGaAs牺牲层，剥离所述GaAs衬底；
S106、在所述GaAs接触层上制备顶电极，获得所述具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，该方法还包括在所述GaAs接触层中制备减反膜的步骤。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S101中，采用以下两种方式的其中之一制备获得具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层：
(1)、在生长AlInP背散射层的过程中，通过控制Al、In、P材料源的流量，获得变化的生长速率，使AlInP背散射层的上部呈非均匀的三维生长，形成具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层；
(2)、首先生长出表面平整的AlInP背散射层，然后通过刻蚀工艺制备形成形成具有多个凸起的锥形结构的AlInP背散射层。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述AlGaAs牺牲层的材料AlxGa1-xAs中，x≥0.6。
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