CN106571408A - 五结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五结太阳能电池，包括InP衬底、以及在InP衬底上依次叠层设置的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池。本发明还公开了五结太阳能电池的制备方法，包括：在InP衬底上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池；在GaAs衬底上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池；将InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池与GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合，从而得到InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池。根据本发明的五结太阳能电池满足0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV的带隙组合，从而可实现宽光谱的吸收，获得高电压及低电流输出，有效降低了太阳能电池在高倍聚光下的电阻损失，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体地讲，涉及一种五结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
多结III-V化合物半导体太阳能电池通过其多种带隙宽度不同的半导体材料吸收与其带隙宽度相匹配的那部分太阳光，从而实现对太阳光的宽光谱吸收，这已成为太阳能电池研究的一个热点。
目前太阳能电池较为成熟的材料体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池，其在一个太阳下的最高光电转换效率为32％～33％，在聚光下的光电转换效率大于41％。为进一步提高太阳能电池的光电转换效率，一般需要更多结的带隙组合，以有效地利用太阳光谱。四结太阳能电池依赖于1eV材料的生长，一般需利用GaInNAs材料，而GaInNAs材料的缺陷较多、载流子寿命低，从而导致扩散长度小，不利于载流子的收集，且直接影响了四结太阳能电池的光电转换效率的进一步提高。目前多采用将InP衬底上的InGaAs/InGaAsP双结太阳能电池和GaAs衬底上的GaInP/GaAs双结太阳能电池进行键合，以形成单片串联四结太阳能电池；但这种四结太阳能电池的带隙组合并不能完美地实现全光谱的吸收，尤其是不能将短波段部分的光有效地转换成电能。
因此，研究人员致力于开发更多结的太阳能电池，以获得更高的光电转换效率；但在制备五结以上太阳能电池的过程中，如何兼顾晶格匹配与合理的带隙组合，成为亟需解决的一个问题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种五结太阳能电池，其包括InP衬底、以及在所述InP衬底上依次叠层设置的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池。
进一步地，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池包括：在所述InP衬底上依次叠层设置的InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结以及InAlAs子电池；其中，所述第一隧道结的材料为InGaAs，所述第二隧道结的材料为InGaAs。
进一步地，所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池包括：在所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池上依次叠层设置的GaInP子电池、第三隧道结以及AlGaInP子电池；其中，所述第三隧道结的材料为GaAs。
进一步地，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池通过所述InAlAs子电池与所述GaInP子电池之间的晶片键合作用连接起来。
进一步地，所述五结太阳能电池的带隙组合为0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV。
本发明的另一目的还在于提供了一种五结太阳能电池的制备方法，其包括：在InP衬底上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池；在GaAs衬底上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池；将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池与所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合，从而得到InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池。
进一步地，在所述InP衬底上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池的具体方法包括：在所述InP衬底上依次叠层制备InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结及InAlAs子电池；在所述GaAs衬底上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池的具体方法包括：在所述GaAs衬底上依次叠层制备AlGaInP子电池、第三隧道结及GaInP子电池；其中，所述第一隧道结的材料为InGaAs，所述第二隧道结的材料为InGaAs，所述第三隧道结的材料为GaAs。
进一步地，将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池与所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合的具体方法包括：在所述InAlAs子电池上制备第一键合层；在所述GaInP子电池上制备第二键合层；将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池置于真空键合机中，且用Ar离子枪轰击所述第一键合层和所述第二键合层，在二者表面产生悬挂键，将所述第一键合层与所述第二键合层接触并加压压合。
进一步地，所述第一键合层的掺杂物质为硅，掺杂浓度为5×1018cm-3～2×1019cm-3；所述第二键合层的掺杂物质为铍，掺杂浓度为5×1018cm-3～2×1019cm-3。
进一步地，所述第一键合层与所述第二键合层在接触时的加压压力为3000N～8000N，加压时间为10min～30min。
本发明的有益效果：本发明通过晶片键合技术将InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合，制备得到了InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池，所述五结太阳能电池的带隙组合为0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV；相比现有技术中GaInNAs材料的使用，避免了GaInNAs材料的缺陷较多、载流子寿命低等不利因素，从而可实现宽光谱的吸收，获得高电压及低电流输出，有效降低了太阳能电池在高倍聚光下的电阻损失，继而提高了太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的五结太阳能电池的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例的五结太阳能电池的制备方法的步骤流程图；
图3是根据本发明的实施例的具有第一键合层的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池的结构示意图；
图4是根据本发明的实施例的具有第二键合层的GaInP/AlGaInP双结太阳能电池的结构示意图；
图5是根据本发明的实施例的五结太阳能电池在剥离GaAs衬底前的结构示意图；
图6是根据本发明的实施例的五结太阳能电池在剥离GaAs衬底后的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。
图1是根据本发明的实施例的五结太阳能电池的结构示意图。
参照图1所示，根据本发明的实施例的五结太阳能电池包括InP衬底1、以及在InP衬底1上依次叠层设置的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池。具体地，InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池包括依次叠层设置在所述InP衬底1上的InGaAs子电池2、第一隧道结81、InGaAsP子电池3、第二隧道结82及InAlAs子电池4；GaInP/AlGaInP双结太阳能电池包括依次叠层设置在InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池上的GaInP子电池5、第三隧道结83及AlGaInP子电池6。其中，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池之间的连接即通过InAlAs子电池4和GaInP子电池5之间的晶片键合作用来实现。
在本实施例中，上述五结太阳能电池可实现0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV的带隙组合，从而可实现宽光谱的吸收，获得高电压及低电流输出，有效降低了太阳能电池在高倍聚光下的电阻损失，从而提高了太阳能电池的光电转换效率；另一方面，所述五结太阳能电池中的材料均为质量较高、载流子寿命较长的材料，相比于现有技术中的某些使用GaInNAs材料的体系，避免了GaInNAs材料的缺陷较多、载流子寿命低等不利因素，有利于太阳能电池的光电转换效率的提高。
更为具体地，所述InGaAs子电池2、InGaAsP子电池3、InAlAs子电池4、GaInP子电池5以及AlGaInP子电池6均包括依次叠层设置的背场、基极、发射极及窗口层；且每一子电池的窗口层与下一子电池的背场相邻近，依此逐层设置。
在本实施例中，InGaAs子电池2包括在InP衬底1依次叠层设置的第一背场、第一基极、第一发射极及第一窗口层；所述第一背场、第一基极、第一发射极及第一窗口层的材料分别为p型重掺杂InP、p型InGaAs、n型重掺杂InGaAs及n型重掺杂InP。InGaAsP子电池3包括在第一隧道结81上依次叠层设置的第二背场、第二基极、第二发射极及第二窗口层；所述第二背场、第二基极、第二发射极及第二窗口层的材料分别为p型重掺杂InP、p型InGaAsP、n型重掺杂InGaAsP及n型重掺杂InP。InAlAs子电池4包括在第二隧道结82上依次叠层设置的第三背场、第三基极、第三发射极及第三窗口层；所述第三背场、第三基极、第三发射极及第三窗口层的材料分别为p型重掺杂InAlAs、p型InAlAs、n型InAlAs及n型重掺杂InAlAs。GaInP子电池5包括在InAlAs子电池4上依次叠层设置的第四背场、第四基极、第四发射极及第四窗口层；所述第四背场、第四基极、第四发射极及第四窗口层的材料分别为p型重掺杂AlGaInP、p型掺杂GaInP、n型重掺杂GaInP及n型重掺杂AlInP。AlGaInP子电池6包括在第三隧道结83依次叠层设置的第五背场、第五基极、第五发射极及第五窗口层；所述第五背场、第五基极、第五发射极及第五窗口层的材料分别为p型重掺杂AlInP、p型掺杂AlGaInP、n型掺杂AlGaInP及n型重掺杂AlGaInP。
在本实施例中，所述第一隧道结81、第二隧道结82、第三隧道结83的材料分别为InGaAs、InGaAs、GaAs。
上述五结太阳能电池还需制备电极，因此，根据本实施例的五结太阳能电池还包括设置在AlGaInP子电池6的顶表面上的GaAs接触层91、分别设置在InP衬底1的底表面及GaAs接触层91的顶表面上的背电极92及栅电极93、以及设置在栅电极93的顶表面上的抗反膜94；上述顶表面或底表面均指裸露表面。
以下将对本实施例的五结太阳能电池的制备方法进行详细的描述。
具体参照图2，根据本发明的实施例的五结太阳能电池的制备方法包括如下步骤：
在步骤110中，在InP衬底1上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池。
具体地，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池包括依次叠层设置在InP衬底1上的InGaAs子电池2、第一隧道结81、InGaAsP子电池3、第二隧道结82及InAlAs子电池4；也就是说，在InP衬底1上依次叠层生长InGaAs子电池2、第一隧道结81、InGaAsP子电池3、第二隧道结82及InAlAs子电池4，从而形成InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池。
更为具体地，InGaAs子电池2包括在InP衬底1依次叠层生长的第一背场、第一基极、第一发射极及第一窗口层；所述第一背场、第一基极、第一发射极及第一窗口层的材料分别为p型重掺杂InP、p型InGaAs、n型重掺杂InGaAs及n型重掺杂InP。而后在所述第一窗口层上制备以InGaAs为材料的第一隧道结81。InGaAsP子电池3包括在第一隧道结81上依次叠层生长的第二背场、第二基极、第二发射极及第二窗口层；所述第二背场、第二基极、第二发射极及第二窗口层的材料分别为p型重掺杂InP、p型InGaAsP、n型重掺杂InGaAsP及n型重掺杂InP。而后在所述第二窗口层上制备以InGaAs为材料的第二隧道结82。InAlAs子电池4包括在第二隧道结82上依次叠层生长的第三背场、第三基极、第三发射极及第三窗口层；所述第三背场、第三基极、第三发射极及第三窗口层的材料分别为p型重掺杂InAlAs、p型InAlAs、n型InAlAs及n型重掺杂InAlAs。
值得注意的是，InGaAs子电池2、InGaAsP子电池3及InAlAs子电池4中各层材料均与InP衬底1晶格匹配。
在步骤120中，在GaAs衬底7上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池。
具体地，所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池包括依次叠层设置的GaInP子电池5、第三隧道结83及AlGaInP子电池6；也就是说，在GaAs衬底7上依次叠层制备AlGaInP子电池6、第三隧道结83及GaInP子电池5。
更为具体地，AlGaInP子电池6包括在GaAs衬底7上依次叠层生长的第五窗口层、第五发射极、第五基极及第五背场；所述第五窗口层、第五发射极、第五基极及第五背场的材料分别为n型重掺杂AlGaInP、n型掺杂AlGaInP、p型掺杂AlGaInP及p型重掺杂AlInP。而后在所述第五背场上制备以GaAs为材料的第三隧道结83。GaInP子电池5包括在所述第三隧道结83上依次叠层生长的第四窗口层、第四发射极、第四基极及第四背场；所述第四窗口层、第四发射极、第四基极及第四背场的材料分别为n型重掺杂AlInP、n型重掺杂GaInP、p型掺杂GaInP及p型重掺杂AlGaInP。由此可以看出，生长在GaAs衬底7上的GaInP/AlGaInP双结太阳能电池采用倒置生长的方法制备。
在本实施例中，AlGaInP子电池6及GaInP子电池5中各层材料均与GaAs衬底7晶格匹配。
值得注意的是，为方便后续电极的制备以及GaAs衬底7的剥离，在GaAs衬底7上制备AlGaInP子电池6之前，还需首先在GaAs衬底7上依次制备牺牲层95以及GaAs接触层91，然后再在所述GaAs接触层91上制备AlGaInP子电池6。
在步骤130中，分别在InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池的裸露表面上制备第一键合层84和第二键合层85。也就是说，第一键合层84位于所述InAlAs子电池4的裸露表面上，而第二键合层85位于所述GaInP子电池5的裸露表面上。
第一键合层84和第二键合层85的掺杂浓度均为5×1018cm-3～2×1019cm-3；在本实施例中，第一键合层84的掺杂浓度为1×1019cm-3，第二键合层85的掺杂浓度为1.5×1019cm-3；所述第一键合层84和第二键合层85的掺杂物质分别为硅和铍。具有第一键合层84的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池及具有第二键合层85的GaInP/AlGaInP双结太阳能电池的结构分别如图3和图4所示。
在步骤140中，将InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池置于真空键合机中，将第一键合层84与第二键合层85接触并加压压合，形成InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池。
具体地，首先应将InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行清洗，以保证键合表面的清洁度；然后将其置于带有氩离子枪的真空键合机里，氩离子枪轰击第一键合层84和第二键合层85的键合表面，打出悬挂键；最后将第一键合层84和第二键合层85相接触并施加3000N～8000N的压力压合10min～30min，优选为5000N。经过晶片键合且未剥离GaAs衬底7的五结太阳能电池的结构如图5所示。
在本实施例中，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池之间晶格不匹配，采用如步骤140中的晶片键合技术即可使得两个晶格不匹配的结构相互连接起来，从而避免了直接生长所带来的晶格失配或产生缺陷等不良状况。
在步骤150中，剥离GaAs衬底7。
用腐蚀液选择性腐蚀GaAs接触层91与GaAs衬底7之间的牺牲层95，将GaAs衬底7剥离去除。将GaAs衬底7进行剥离后的五结太阳能电池的结构如图6所示。
在步骤160中，制备背电极92、栅电极93及抗反膜94。
具体地，分别在InP衬底1的底表面及GaAs接触层91的顶表面上制备背电极92及栅电极93，并在栅电极93的顶表面上制备抗反膜94；上述顶表面或底表面均指所述子电池的裸露表面。
所述步骤110-160中各层电池的制备均采用分子束外延技术进行生长，但本发明并不限制于此，其他如金属有机气相化学沉淀技术等常用作电池生长的方法均可。
根据本发明的实施例制备得到的InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池满足0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV的带隙组合，从而可实现宽光谱的吸收，获得高电压及低电流输出，有效降低了太阳能电池在高倍聚光下的电阻损失，从而提高了太阳能电池的光电转换效率；与此同时，根据本发明的实施例制备得到的InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池中的材料均为生长得到的材料质量较高、载流子寿命较长的材料，相比于现有技术中的某些使用GaInNAs材料的体系，其真正切实可行地有利于太阳能电池的光电转换效率的提高。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种五结太阳能电池，其特征在于，包括InP衬底、以及在所述InP衬底上依次叠层设置的InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池包括：在所述InP衬底上依次叠层设置的InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结以及InAlAs子电池；其中，所述第一隧道结的材料为InGaAs，所述第二隧道结的材料为InGaAs。
3.根据权利要求2所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池包括：在所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池上依次叠层设置的GaInP子电池、第三隧道结以及AlGaInP子电池；其中，所述第三隧道结的材料为GaAs。
4.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和GaInP/AlGaInP双结太阳能电池通过所述InAlAs子电池与所述GaInP子电池之间的晶片键合作用连接起来。
5.根据权利要求1至4任一所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述五结太阳能电池的带隙组合为0.73eV/1.05eV/1.47eV/1.89eV/2.2eV。
6.一种五结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
在InP衬底上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池；
在GaAs衬底上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池；
将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池与所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合，从而得到InGaAs/InGaAsP/InAlAs/GaInP/AlGaInP五结太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述InP衬底上制备InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池的具体方法为：在所述InP衬底上依次叠层制备InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结及InAlAs子电池；
在所述GaAs衬底上制备GaInP/AlGaInP双结太阳能电池的具体方法为：在所述GaAs衬底上依次叠层制备AlGaInP子电池、第三隧道结及GaInP子电池；
其中，所述第一隧道结的材料为InGaAs，所述第二隧道结的材料为InGaAs，所述第三隧道结的材料为GaAs。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池与所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池进行晶片键合的具体方法包括：
在所述InAlAs子电池上制备第一键合层；
在所述GaInP子电池上制备第二键合层；
将所述InGaAs/InGaAsP/InAlAs三结太阳能电池和所述GaInP/AlGaInP双结太阳能电池置于真空键合机中，且将所述第一键合层与所述第二键合层接触并加压压合。
9.根据权利要求8所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述第一键合层的掺杂物质为硅，掺杂浓度为5×1018cm-3～2×1019cm-3；所述第二键合层的掺杂物质为铍，掺杂浓度为5×1018cm-3～2×1019cm-3。
10.根据权利要求8所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述第一键合层与所述第二键合层在接触时的加压压力为3000N～8000N，加压时间为10min～30min。
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