CN107546293B - 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构 - Google Patents

双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构 Download PDF

Info

Publication number
CN107546293B
CN107546293B CN201610487672.9A CN201610487672A CN107546293B CN 107546293 B CN107546293 B CN 107546293B CN 201610487672 A CN201610487672 A CN 201610487672A CN 107546293 B CN107546293 B CN 107546293B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
substrate
sub
solar cell
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610487672.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107546293A (zh
Inventor
王伟明
李华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Yixing Derong Technology Co ltd
Original Assignee
Jiangsu Yixing Derong Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Yixing Derong Technology Co ltd filed Critical Jiangsu Yixing Derong Technology Co ltd
Priority to CN201610487672.9A priority Critical patent/CN107546293B/zh
Publication of CN107546293A publication Critical patent/CN107546293A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107546293B publication Critical patent/CN107546293B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开一种双结太阳能电池，依次包括：下电极金属层；下欧姆接触层；下层子电池；隧穿结；上层子电池；上欧姆接触层图形；上电极金属层图形，和在上层子电池表面上且位于上电极金属层图形和上欧姆接触层图形之间的减反射膜；其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数基本匹配。本发明还涉及一种制造双结太阳能电池的方法和一种太阳能电池外延结构。本发明的双结太阳能电池具有高光电转换效率和稳定、可靠的使用性能。

Description

双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构
技术领域
本发明属于化合物半导体薄膜太阳能电池的外延生长领域，具体涉及一种双结太阳能电池及其制备方法及太阳能电池外延结构。
背景技术
目前，在高效率的III-V族太阳能电池结构中，利用倒装变质技术(IMM，InvertedMetamorphic)生长的倒装三结电池效率较高且技术稳定。它的三个子电池分别是GaInP(1.85eV)、GaAs(1.42eV)和InGaAs(1.00eV)，通过三个子电池分段吸收太阳光，获得很高的光电转换效率。目前在单倍太阳光下的最高转换效率达到37％。通过衬底剥离(Epitaxy-lift-off)的方法，电池功能层结构可以根据实际应用需要转移到相对便宜的相应的柔性衬底(例如金属膜和有机材料膜)上，以获得高效率的柔性薄膜太阳能电池并实现价格相对贵昂的硬质衬底如GaAs衬底的重复利用。在实现衬底的多次重复利用后，电池的主要制造成本由薄膜电池的厚度和生长相应厚度的MOCVD(金属有机化学汽相沉积)设备的时间成本决定。
双结电池的厚度比较薄，在制造单位面积的电池成本方面比三结电池有优势，但是，目前的双结太阳能电池的光电转换效率无法和三结太阳能电池媲美。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高光电转换效率的双结太阳能电池。
根据本发明的第一方面，提供一种双结太阳能电池，依次包括：下电极金属层；下欧姆接触层；下层子电池；隧穿结；上层子电池；上欧姆接触层图形；上电极金属层图形；以及在上层子电池表面上且位于上电极金属层图形和上欧姆接触层图形之间的减反射膜；其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数基本匹配。
根据本发明的一个实施例，所述的下层子电池的晶格常数与上层子电池的晶格常数相差的范围在0.5％以内。
根据本发明的一个实施例，所述的双结太阳能电池，还包括：位于上电极金属层图形的与上欧姆接触层图形相反的一侧的柔性透明支撑层。
根据本发明的一个实施例，所述的双结太阳能电池，还包括：位于下电极金属层和下欧姆接触层之间的衬底和缓冲层，其中衬底设置在下电极金属层上，缓冲层设置在衬底上。
根据本发明的一个实施例，所述上层子电池为GaInP子电池；所述下层子电池为InGaAs子电池。
根据本发明的一个实施例，所述下欧姆接触层为p++-InGaAs接触层；所述隧穿结为InAlGaAs隧穿结；并且所述上欧姆接触层图形为n++-InGaAs接触层图形。
根据本发明第二方面，提供一种太阳能电池外延结构，包括：衬底；缓冲层；上欧姆接触层；上层子电池；隧穿结；下层子电池；和下欧姆接触层；其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数基本匹配；并且所述缓冲层包括腐蚀剥离层，所述腐蚀剥离层配置用于将所述衬底从所述太阳能电池外延结构分离。
根据本发明第三方面，提供一种太阳能电池外延结构，包括：衬底；缓冲层；下欧姆接触层；下层子电池；隧穿结；上层子电池；和上欧姆接触层；其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数基本匹配；并且所述缓冲层包括腐蚀剥离层，所述腐蚀剥离层配置用于将所述衬底从所述太阳能电池外延结构分离。
根据本发明的一个实施例，所述上层子电池为GaInP子电池；且所述下层子电池为InGaAs子电池。
根据本发明的一个实施例，所述下欧姆接触层为p++-InGaAs接触层；所述隧穿结为InAlGaAs隧穿结；所述上欧姆接触层图形为n++-InGaAs接触层图形。
根据本发明的一个实施例，所述衬底为GaAs衬底、Ge衬底、Si衬底、InP衬底、GaSb衬底、Al2O3衬底、GaN衬底、ZnO衬底中的一种；所述缓冲层中除所述腐蚀剥离层以外的材料为InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP中的一种或多种，且所述缓冲层的晶格常数从与衬底的晶格常数匹配逐渐过渡到与下层子电池的晶格常数匹配；且所述腐蚀剥离层的材料为AlAs、AlGaAs和AlInP中的一种或多种。
根据本发明第四方面，提供一种制造如第一方面所述的双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如第二方面所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的下欧姆接触层上形成下电极金属层；
S3：腐蚀掉缓冲层的腐蚀剥离层，以将衬底从太阳能电池外延结构分离；
S4：在未剥离的缓冲层上或上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S5：去除没有上电极金属层图形覆盖的上接欧姆触层和未剥离的缓冲层，以露出上层子电池的表面；以及
S6：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜。
根据本发明第五方面，提供一种制造双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如第三方面所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S3：去除没有上电极金属层图形覆盖的上接欧姆触层，以露出上层子电池的表面；
S4：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜；
S5：在具有减反射膜的上层子电池的表面上施加柔性透明支撑材料；
S6：腐蚀掉缓冲层的腐蚀剥离层，以将衬底从太阳能电池外延结构分离；以及
S7：在未剥离的缓冲层上或下欧姆接触层上形成下电极金属层。
根据本发明的一个实施例，所述的制造双结太阳能电池的方法，还包括：电池切割和封装步骤。
根据本发明第六方面，提供一种太阳能电池外延结构，依次包括：衬底；缓冲层；下欧姆接触层；下层子电池；隧穿结；上层子电池；和上欧姆接触层；其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数基本匹配。
根据本发明的一个实施例，所述上层子电池为GaInP子电池；且所述下层子电池为InGaAs子电池。
根据本发明的一个实施例，所述下欧姆接触层为p++-InGaAs接触层；所述隧穿结为InAlGaAs隧穿结；所述上欧姆接触层图形为n++-InGaAs接触层图形。
根据本发明的一个实施例，所述衬底为GaAs衬底、Ge衬底、Si衬底、InP衬底、GaSb衬底、Al2O3衬底、GaN衬底、ZnO衬底中的一种；所述缓冲层的材料为InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP中的一种或多种，且所述缓冲层的晶格常数从与衬底的晶格常数匹配逐渐过渡到与下层子电池的晶格常数匹配。
根据本发明的第七方面，提出一种制造双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如第六方面所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S3：去除没有上电极金属层图形覆盖的上接欧姆触层，以露出上层子电池的表面；
S4：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜；以及
S5：在衬底的下侧形成下电极金属层。
根据本发明各实施例的双结太阳能电池及制备方法和太阳能电池外延结构，由于两结子电池的禁带宽度分别为1.7eV和1.1eV，两个子电池用隧穿结连接进行串联，达到了双结电池的最优化配置，其光电效率高于目前所有的双结电池；并且两结子电池的晶格常数基本匹配，与晶格常数匹配度较差的三结电池相比，电池内部应力很小，更有利于获得稳定、可靠的器件使用性能。
附图说明
附图1a是根据本发明的一个实施例的倒装双结太阳能电池外延结构的示意图；
附图1b是利用图1a的倒装双结太阳能电池外延结构制备根据本发明的一个实施例的双结太阳能电池的制备工艺的示意图；
附图2a是根据本发明的一个实施例的正装双结太阳能电池外延结构的示意图；
附图2b是利用图2a的正装双结太阳能电池外延结构制备根据本发明的一个实施例的双结太阳能电池的制备工艺的示意图；
附图3a是根据本发明的一个实施例的正装双结太阳能电池外延结构的示意图；以及
附图3b是利用图3a的正装双结太阳能电池外延结构制备根据本发明的一个实施例的双结太阳能电池的制备工艺的示意图。
附图标记列表：
001 衬底
101 上层子电池窗口层
102 上层子电池发射区
103 上层子电池基区
104 上层子电池背场层
201 下层子电池窗口层
202 下层子电池发射区
203 下层子电池基区
204 下层子电池背场层
301 缓冲层晶格递变区
302 缓冲层过冲区
303 腐蚀剥离层
401 隧穿结
501 上欧姆接触层
502 下欧姆接触层
600 下电极金属层
700 上电极金属层(图形结构)
800 光学增透膜
具体实施方式
下面将详细描述本发明的优选实施例，应当理解的是，下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施例进行变化仍可获得本发明的有利效果。
在实施例的描述中，采用了上层子电池、下层子电池、上欧姆接触层、下欧姆接触层、上电极金属层(图形结构)、下电极金属层等概念，应当理解，这里所说的“上”和“下”是相对太阳能电池使用时的放置方向而言，即“上”是指太阳能电池的朝向太阳光的一侧，下是指太阳能电池的远离太阳光的一侧。
实施例1
以下以倒装变质(IMM)双结太阳能电池为例来说明根据本发明的一个实施例的双结太阳能电池的外延结构。倒装变质双结太阳能电池中的“倒装”是指在制作太阳能电池的过程中衬底上各个子电池的排列顺序与电池实际使用时太阳光入射方向相反，也就是说在衬底上首先生长禁带宽度较宽的子电池(例如禁带宽度为1.7eV上层子电池)，厚度约为2微米，然后在这个宽禁带子电池上生长禁带宽度较窄的下层子电池(例如禁带宽度为1.1eV的下层子电池)，厚度约为3微米。这样，通过衬底腐蚀或者剥离的方法，将太阳能电池的功能层与硬质衬底分离，获得柔性轻质的太阳能电池材料。倒装变质双结太阳能电池中的“变质”是指电池的晶格常数与衬底的晶格常数有不可忽略的差别，需要使用晶格递变的方法逐渐改变外延层的晶格常数，在衬底上制作合适电池材料生长的缓冲层。以上所述的半导体材料的晶格常数、以及电学和光学性能等由材料的生长技术决定，例如分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等等。
下面将根据附图1a详细说明根据本发明的一个实施例的GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)倒装双结薄膜太阳能电池外延结构。
如图1a所示，GaInP/InGaAs双结太阳能电池外延结构包括：
GaAs衬底001，也可以是Ge、Si、InP、GaSb、Al2O3、GaN、ZnO等衬底；
形成在GaAs衬底001上的缓冲层300；
形成在缓冲层300上的上欧姆接触层501；
形成在上欧姆接触层501上的GaInP(1.70eV)上层子电池100；
形成在上层子电池100上的隧穿结401，比如GaInP/InGaAs隧穿结；
形成在隧穿结401上的InGaAs(1.10eV)下层子电池200；和
形成在下层子电池200上的下欧姆接触层502，比如InGaAs。
基于AM1.5G光谱(地面太阳能光谱)条件，上层子电池和下层子电池分别采用禁带宽度为1.70eV的GaInP和禁带宽度为1.10eV的InGaAs；并且，上层子电池100与衬底001的晶格常数基本匹配，失配度小于1.5％。
具体地，所述上层子电池包括：
n+-AlInP窗口层101，厚度约为30nm；
n+-GaInP发射区102，厚度约为50nm；
p-GaInP基区103，厚度约为2000nm；
p+-AlGaInP背场层104，厚度约为100nm。
在上层子电池中除了采用n+pp+结构，也可以采用n+np+结构来实现，比如：
n+-AlInP窗口层101，厚度约为30nm；
n+-GaInP发射区102，厚度约为50nm；
n-GaInP基区103，厚度约为2000nm；
p+-AlGaInP背场层104，厚度约为100nm。
所述下层子电池包括：
n+-AlGaInP窗口层201，厚度约为30nm；
n+-InGaAs发射区202，厚度约为50nm；
p-InGaAs基区203，厚度约为1500nm；
p+-AlGaInAs背场区204，厚度约为100nm。
在下层子电池中除了采用n+pp+结构，也可以采用n+np+结构来实现，比如：
n+-AlGaInP窗口层201，厚度约为30nm；
n+InGaAs发射区202，厚度约为50nm；
n-InGaAs基区203，厚度约为1500nm；
p+-AlGaInAs背场区204，厚度约为100nm。
所述缓冲层300包括：
晶格递变区301，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种，使得晶格递变区301的晶格常数可以调节；
在晶格递变区301上的过冲区302，可采用的材料有但不限于InGaAs、Al InAs、AlGaInAs、GaInP、Al InP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种，使得过冲区302的晶格常数也可以调节；以及
腐蚀剥离层303，可采用的材料有但不限于AlAs、AlInP等具有差别腐蚀特性的薄膜材料。
需要指出的是，腐蚀剥离层303可位于缓冲层300内的任意位置：例如在晶格递变区301之下，或在过冲区302之上，也可位于301层与302层之间，甚至301层或302层内部。图1a示出了腐蚀剥离层303位于过冲区302之上的情况。
所述晶格递变区301的晶格常数从与衬底001的晶格常数匹配逐渐过渡到与下层子电池200的晶格常数匹配，所述过冲区302的晶格常数等于或略大于下层子电池200的晶格常数。
参见图1b并结合图1a，利用图1a的上述GaInP/InGaAs倒装双结太阳能电池外延结构制备双结太阳能电池的过程如下：
(1)在MOCVD设备中，选用GaAs衬底001；
在此衬底上生长缓冲层300，包括
(2)晶格递变区301；
(3)过冲区302；
缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种的一种或多种；
(4)腐蚀剥离层303，比如AlAs、AlGaAs、AlInP等；
(5)在缓冲层上生长n++-InGaAs上欧姆接触层501；
在n++-InGaAs上欧姆接触层上生长GaInP上层子电池100，包括：
(6)n+-AlInP窗口层101，
(7)n+-GaInP发射区102，
(8)p-GaInP基区103，
(9)p+-AlGaInP背场层104；
在GaInP上层子电池100上生长InAlGaAs隧穿结401，包括：
(10)p++-InAlGaAs层，
(11)n++-InAlGaAs层；
在InAlGaAs隧穿结上生长InGaAs下层子电池200，包括：
(12)n+-AlGaInP窗口层201，
(13)n+-InGaAs发射区202，
(14)p-InGaAs基区203，
(15)p+-AlGaInAs背场层204；
(16)在InGaAs下层子电池上生长p++-InGaAs下欧姆接触层502。
(17)在下欧姆接触层502上制备下电极金属层600，该下电极金属层600具有导电功能，可以作为电池输出能量的一个电极，并可以作为提供支撑功能的柔性支撑材料，下电极金属层的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；
(18)用衬底腐蚀或剥离的方法腐蚀掉缓冲层的腐蚀剥离层303，将衬底001和缓冲层300从电池外延结构分离；
(19)制作具体图形的上电极金属层图形700，上电极金属层700的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；
(20)去除没有上电极金属层图形覆盖的上欧姆接触层501，形成与上电极金属层图形对象的上欧姆接触层图形，使上欧姆接触层图形之间的窗口层101暴露在电池表面；在电池表面蒸镀光学减反射膜800，其中900是太阳光入射方向示意；
(21)电池切割和封装等。
如图1b所示，上述步骤完成后所制备的双结太阳能电池按图中的从上至下的顺序依次包括：下电极金属层600；下欧姆接触层502；下层子电池200；隧穿结401；上层子电池100；上欧姆接触层图形501；上电极金属层图形700，和在上层子电池表面上且位于上电极金属层图形700和上欧姆接触层图形501之间的减反射膜800。图中900为光照的方向。应当理解，在使用中，当光照方向为自上而下时，图1b所示的制备完成的双结太阳能电池可以倒置使用，即，使上层子电池100朝上。
根据上述实施例，基于AM1.5G光谱(地面太阳能光谱)条件，子电池分别采用GaInP(1.70eV)和InGaAs(1.10eV)。电池效率可以达到37％(AM1.5G)或34％(AM0)，但是电池的厚度减小到5微米左右，只有三结IMM电池GaInP(1.85eV)/GaAs(1.42eV)/InGaAs(1.00eV)的一半。如果基于AMO光谱(太空太阳能光谱)条件，双结电池的禁带宽度可以适当变化，以获取最高的转换效率。
另外，由于禁带宽度为1.70eV的Ga0.35In0.65P的晶格常数为0.572nm，禁带宽度为1.10eV的In0.22Ga0.78As的晶格常数为0.574nm，两者的失配度小于0.34％，远小于GaInP(1.85eV)/GaAs(1.42eV)/InGaAs(1.00eV)结构中2％的晶格失配度，所以GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)电池在使用过程中具有更好的可靠性和稳定性。
此外，根据实施例1的双结太阳能电池去除了硬质衬底，因此，进一步避免了由于衬底和其上的子电池晶格常数不匹配导致的内应力，进一步提高了太阳能电池的可靠性和稳定性。另一方面，由于去除了硬质衬底，所述双结太阳能电池能够制造成柔性薄膜电池，以适合需要柔性薄膜电池的应用场合。
实施例2
由于上层子电池GaInP(1.7eV)和下层子电池InGaAs(1.1eV)的晶格常数匹配，所以也可用于制备正装结构的太阳能电池。在这一点上比IMM的三结电池更灵活。
下面将根据附图2a详细说明根据本发明的另一个实施例的GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)正装双结薄膜太阳能电池外延结构。除了各层的制备顺序不同之外，该GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)正装双结薄膜太阳能电池外延结构的其它方面可以与实施例1相同。
如图2a所示，正装GaInP/InGaAs双结太阳能电池外延结构包括：
GaAs衬底，也可以是Ge、Si、InP、GaSb、Al2O3、GaN、ZnO等衬底；
形成在GaAs衬底001上的缓冲层300；
形成在缓冲层300上的下欧姆接触层502；
形成在下欧姆接触层502上的InGaAs下层子电池200；
形成在下层子电池200上的隧穿结401；
形成在隧穿结401上的GaInP上层子电池100；和
形成在上层子电池100上的上欧姆接触层501。
其中，所述上层子电池包括：
n+-AlInP窗口层101，
n+-GaInP发射区102，
p-GaInP基区103，
p+-AlGaInP背场层104。
所述下层子电池包括：
n+AlGaInP窗口层201，
n+-InGaAs发射区202，
p-InGaAs基区203，
p+-AlGaInAs背场区204；
所述缓冲层300包括：
晶格递变区301，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；
在晶格递变区301上的过冲区302，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；以及
腐蚀剥离层303，可采用的材料有但不限于AlAs或AlInP等。
需要特别指出的是，腐蚀剥离层303可位于缓冲层300内的任意位置：例如在晶格递变区301之下，或在过冲区302之上，也可位于301层与302层之间，甚至301层或302层内部。图2所示的腐蚀剥离层303位于过冲区302之上。
参见图2b并结合图2a，利用图2a的上述GaInP/InGaAs正装双结太阳能电池外延结构制备双结太阳能电池的过程如下：
(1)在MOCVD设备中，选用GaAs衬底001；
在此衬底上生长缓冲层，包括
(2)晶格递变区301；
(3)过冲区302；
缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；
(4)腐蚀剥离层303，比如AlAs、AlGaAs、AlInP等；
(5)在缓冲层上生长n++-InGaAs下欧姆接触层502；
在n++-InGaAs下欧姆接触层上生长InGaAs下层子电池200，包括：
(6)p+-AlGaInAs背场层204，
(7)p-InGaAs基区203，
(8)n+-InGaAs发射区202，
(9)n+-AlGaInP窗口层201；
在InGaAs下层子电池上生长AlGaAs隧穿结401，包括：
(10)n++-InAlGaAs层，
(11)p++-InAlGaAs层；
在AlGaAs隧穿结上生长GaInP上层子电池100，包括：
(12)p+-AlGaInP背场层104，
(13)p-GaInP基区103，
(14)n+-GaInP发射区102，
(15)n+-AlInP窗口层101；
(16)在GaInP上层子电池上生长n++-InGaAs上欧姆接触层501。
(17)在上欧姆接触层501上制备上电极金属层图形700，上电极金属层图形700的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；去除没有上电极金属层图形700覆盖的上欧姆接触层501，形成与上电极金属层图形700对应的上欧姆接触层图形，使上欧姆接触层图形之间的窗口层101暴露在电池表面；
(18)在电池表面蒸镀光学减反射膜800；
(19)在电池表面施加柔性透明支撑材料1000，例如，POE(乙烯-辛烯共聚物)有机膜，ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)有机膜等；
(20)用衬底腐蚀或剥离的方法腐蚀掉缓冲层300的腐蚀剥离层303，将衬底001和缓冲层300从电池外延结构分离，暴露出下欧姆接触层502；
(21)在下欧姆接触层502上制备下电极金属层600，下电极金属层600的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；
(22)电池切割和封装等。
如图2b所示，上述步骤完成后所制备的双结太阳能电池按图中的从下而上的顺序依次包括：下电极金属层600；下欧姆接触层502；下层子电池200；隧穿结401；上层子电池100；上欧姆接触层图形501；上电极金属层图形700，和在上层子电池表面上且位于上电极金属层图形700和上欧姆接触层图形501之间的减反射膜800，以及位于电池上表面上的柔性透明支撑材料1000。图中900为自上而下的光照方向。
可以看出，按照图2b的过程制备的双结太阳能电池的结构与按照图1b的过程制备的双结太阳能电池的结构相同，只是多了一层柔性透明支撑材料1000。因此，根据上述实施例2，也可以获得类似实施例1的双结太阳能电池的高光电转换效率以及高可靠性和高稳定性的优点。
此外，根据实施例2的双结太阳能电池去除了硬质衬底，进一步避免了由于衬底和其上的子电池晶格常数不匹配导致的内应力，进一步提高了太阳能电池的可靠性和稳定性。另一方面，由于去除了硬质衬底，所述双结太阳能电池能够制造成柔性薄膜电池，以适合需要柔性薄膜电池的应用场合。
实施例3
下面将根据附图3a详细说明根据本发明的另一个实施例的GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)正装双结太阳能电池的外延结构。除了缓冲层的结构不同外，该GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)正装双结薄膜太阳能电池外延结构的其它方面可以与实施例2相同。
如图3a所示，根据该实施例，GaInP/InGaAs双结太阳能电池包括：
GaAs衬底001，也可以是Ge、Si、InP、GaSb、Al2O3、GaN、ZnO等衬底；
形成在GaAs衬底001上的缓冲层300；
形成在缓冲层300上的下欧姆接触层502；
形成在下欧姆接触层502上的InGaAs下层子电池200；
形成在下层子电池200上的隧穿结401；
形成在隧穿结401上的GaInP上层子电池100；和
形成在上层子电池100上的上欧姆接触层501。
其中，所述上层子电池包括：
n+-AlInP窗口层101，
n+-GaInP发射区102，
p-GaInP基区103，
p+-AlGaInP背场层104。
所述下层子电池包括：
n+AlGaInP窗口层201，
n+-InGaAs发射区202，
p-InGaAs基区203，
p+-AlGaInAs背场区204；
所述缓冲层300包括：
晶格递变区301，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；
在晶格递变区301上的过冲区302，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；
参见图3b并结合图3a，利用图3a所示的上述GaInP/InGaAs正装双结太阳能电池外延结构制备双结太阳能电池的过程如下：
(1)在MOCVD设备中，选用GaAs衬底001；
在此衬底上生长缓冲层，包括
(2)晶格递变区301；
(3)过冲区302；
缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm，可采用的材料有但不限于InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP的一种或多种；
(4)在缓冲层上生长n++-InGaAs下欧姆接触层502；
在n++-InGaAs下欧姆接触层上生长InGaAs下层子电池200，包括：
(5)p+-AlGaInAs背场层204，
(6)p-InGaAs基区203，
(7)n+-InGaAs发射区202，
(8)n+-AlGaInP窗口层201；
在InGaAs下层子电池上生长InAlGaAs隧穿结401，包括：
(9)n++-InAlGaAs层，
(10)p++-InAlGaAs层；
在InAlGaAs隧穿结上生长GaInP上层子电池100，包括：
(11)p+-AlGaInP背场层104，
(12)p-GaInP基区103，
(13)n+-GaInP发射区102，
(14)n+-AlInP窗口层101；
(15)在GaInP上层子电池上生长n++-InGaAs上欧姆接触层501。
(16)在上欧姆接触层501上制备上电极金属层图形700，上电极金属层图形700的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；去除没有上电极金属层图形700覆盖的上欧姆接触层501，形成与上电极金属层图形700对应的上欧姆接触层图形，使上欧姆接触层图形之间的窗口层101暴露在电池表面；
(17)在电池表面蒸镀光学减反射膜800；
(18)在衬底001的背面制备下电极金属层600，下电极金属层600的材料例如选自镍、锗、银、钯、铜，金、钛、锌等；
(19)电池切割和封装等。
如图3b所示，上述步骤完成后所制备的双结太阳能电池按图中的从下而上的顺序依次包括：下电极金属层600；衬底001；缓冲层300；下欧姆接触层502；下层子电池200；隧穿结401；上层子电池100；上欧姆接触层图形501；上电极金属层图形700，和在上层子电池表面上且位于上电极金属层图形700和上欧姆接触层图形501之间的减反射膜800。
可以看出，按照图3b的过程制备的双结太阳能电池的结构与按照图1b的过程制备的双结太阳能电池的结构基本相同，只是在下电极金属层600和下欧姆接触层502之间多了一层衬底001和一层缓冲层300。因此，根据上述实施例3，也可以获得类似实施例1和2的双结太阳能电池的高光电转换效率以及高可靠性和高稳定性的优点。此外，根据实施例3的双结太阳能电池保留了硬质衬底，因此，能够制造成硬质太阳能电池，以适合需要硬质电池的应用场合。
其它实施例
虽然以上实施例以倒装和正装双结太阳能电池为例来说明本发明的构思，但是应当理解，本发明上述实施例的构思可以应用于其它的多结太阳能电池，只要其各个子电池晶格匹配但是与衬底不匹配，则利用本发明的构思都可以达到优化配置子电池的禁带宽度，最终达到提高太阳能电池光电转换效率，降低成本的目的。
因此，本发明总体构思的其它实施例涉及这样一种多结太阳能电池外延结构：所述多结太阳能电池外延结构包括缓冲层和多个子电池，所述多个子电池的晶格常数基本匹配，但是与衬底晶格常数不匹配；所述缓冲层在衬底上生长最终获得与邻近的子电池晶格常数匹配的外延层；所述多个子电池以所述缓冲层为基底进行生长；所述多个子电池的禁带宽度根据实际应用的太阳光谱达到最优化配置。
本发明的构思还涉及一种多结太阳能电池，利用上述的多结太阳能电池外延结构制备而成，其中，衬底根据应用需要可以剥离，也可以不剥离。
优选地，在AM1.5G光谱下，所述多结电池可采用GaInP(1.7eV)/InGaAs(1.1eV)双结电池结构。
优选地，所述双结电池的各子电池的晶格常数与GaAs衬底的晶格失配度小于2％，更优选小于1.5％。
可选地，下层子电池的晶格常数与邻近的上层子电池的晶格常数相差的范围在0.5％以内。
此外，晶格递变区的晶格常数可以从衬底到子电池逐渐增加，也可以从衬底到子电池逐渐减小。此外，实施例中所描述的具体结构并非限制性的，可以根据需要省略或增加一些层结构。各层电池所用材料也并非限制性的，可采用其它替代材料。因此，在不偏离本发明的实质和原理的情况下可以对实施例进行各种变化，其均落入权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种太阳能电池外延结构，依次包括：
衬底：
缓冲层；
上欧姆接触层；
上层子电池；
隧穿结；
下层子电池；和
下欧姆接触层；
其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数为0.572nm，所述衬底的晶格常数为0.565nm，所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数与所述衬底的晶格常数存在失配度小于1.5％的晶格失配；并且
所述缓冲层包括腐蚀剥离层，所述腐蚀剥离层配置用于将所述衬底从所述太阳能电池外延结构分离；
所述缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm；
所述上层子电池为GaInP子电池；且
所述下层子电池为InGaAs子电池。
2.一种太阳能电池外延结构，依次包括：
衬底：
缓冲层；
下欧姆接触层；
下层子电池；
隧穿结；
上层子电池；和
上欧姆接触层；
其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数为0.572nm，所述衬底的晶格常数为0.565nm，所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数与所述衬底的晶格常数存在失配度小于1.5％的晶格失配；并且
所述缓冲层包括腐蚀剥离层，所述腐蚀剥离层配置用于将所述衬底从所述太阳能电池外延结构分离；
所述缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm；
所述上层子电池为GaInP子电池；且
所述下层子电池为InGaAs子电池。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池外延结构，其中，
所述下欧姆接触层为p++-InGaAs接触层；
所述隧穿结为InAlGaAs隧穿结；
所述上欧姆接触层为n++-InGaAs接触层。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池外延结构，其中，
所述衬底为GaAs衬底、Ge衬底、Si衬底、InP衬底、GaSb衬底、Al2O3衬底、GaN衬底、ZnO衬底中的一种；
所述缓冲层中除所述腐蚀剥离层以外的材料为InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP中的一种或多种，且所述缓冲层的晶格常数从与衬底的晶格常数匹配逐渐过渡到与下层子电池的晶格常数匹配；且
所述腐蚀剥离层的材料为AlAs、AlGaAs和AlInP中的一种或多种。
5.一种制造双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如权利要求1所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的下欧姆接触层上形成下电极金属层；
S3：腐蚀掉缓冲层的腐蚀剥离层，以将衬底从太阳能电池外延结构分离；
S4：在未剥离的缓冲层上或上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S5：去除没有上电极金属层图形覆盖的上欧姆接触层和未剥离的缓冲层，以露出上层子电池的表面；以及
S6：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜。
6.一种制造双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如权利要求2所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S3：去除没有上电极金属层图形覆盖的上欧姆接触层，以露出上层子电池的表面；
S4：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜；
S5：在具有减反射膜的上层子电池的表面上施加柔性透明支撑材料；
S6：腐蚀掉缓冲层的腐蚀剥离层，以将衬底从太阳能电池外延结构分离；以及
S7：在未剥离的缓冲层上或下欧姆接触层上形成下电极金属层。
7.根据权利要求5或6所述的制造双结太阳能电池的方法，还包括：电池切割和封装步骤。
8.一种太阳能电池外延结构，依次包括：
衬底：
缓冲层；
下欧姆接触层；
下层子电池；
隧穿结；
上层子电池；和
上欧姆接触层；
其中，所述下层子电池的禁带宽度为1.1eV，所述上层子电池的禁带宽度为1.7eV，且所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数为0.572nm，所述衬底的晶格常数为0.565nm，所述下层子电池和所述上层子电池的晶格常数与所述衬底的晶格常数存在失配度小于1.5％的晶格失配；
所述缓冲层的晶格常数从0.565nm递变到0.572nm；
所述上层子电池为GaInP子电池；且
所述下层子电池为InGaAs子电池。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池外延结构，其中，
所述下欧姆接触层为p++-InGaAs接触层；
所述隧穿结为InAlGaAs隧穿结；
所述上欧姆接触层为n++-InGaAs接触层。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池外延结构，其中，
所述衬底为GaAs衬底、Ge衬底、Si衬底、InP衬底、GaSb衬底、Al2O3衬底、GaN衬底、ZnO衬底中的一种；
所述缓冲层的材料为InGaAs、AlInAs、AlGaInAs、GaInP、AlInP、AlGaInP、InGaAsP和InAlAsP中的一种或多种。
11.一种制造双结太阳能电池的方法，包括以下步骤：
S1：提供如权利要求8所述的太阳能电池外延结构；
S2：在所述太阳能电池外延结构的上欧姆接触层上制作上电极金属层图形；
S3：去除没有上电极金属层图形覆盖的上欧姆接触层，以露出上层子电池的表面；
S4：在露出的上层子电池的表面上制作减反射膜；
S5：在衬底的下侧形成下电极金属层。
CN201610487672.9A 2016-06-28 2016-06-28 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构 Active CN107546293B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610487672.9A CN107546293B (zh) 2016-06-28 2016-06-28 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610487672.9A CN107546293B (zh) 2016-06-28 2016-06-28 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107546293A CN107546293A (zh) 2018-01-05
CN107546293B true CN107546293B (zh) 2020-07-24

Family

ID=60962470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610487672.9A Active CN107546293B (zh) 2016-06-28 2016-06-28 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107546293B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108511543A (zh) * 2018-01-25 2018-09-07 北京创昱科技有限公司 一种一体化集成的能源供给产品及其制备方法与设备
CN108550648A (zh) * 2018-05-22 2018-09-18 江苏宜兴德融科技有限公司 激光光伏电池及其制备方法、光电转换器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373798A (zh) * 2007-08-22 2009-02-25 中国科学院半导体研究所 倒装双结铟镓氮太阳能电池结构
CN103000740A (zh) * 2012-11-28 2013-03-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法
CN104157725A (zh) * 2013-05-13 2014-11-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120067544A (ko) * 2010-12-16 2012-06-26 엘지전자 주식회사 박막 태양전지 및 이의 제조 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101373798A (zh) * 2007-08-22 2009-02-25 中国科学院半导体研究所 倒装双结铟镓氮太阳能电池结构
CN103000740A (zh) * 2012-11-28 2013-03-27 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法
CN104157725A (zh) * 2013-05-13 2014-11-19 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107546293A (zh) 2018-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8263853B2 (en) Wafer level interconnection of inverted metamorphic multijunction solar cells
US7741146B2 (en) Demounting of inverted metamorphic multijunction solar cells
US20130133730A1 (en) Thin film inp-based solar cells using epitaxial lift-off
US7960201B2 (en) String interconnection and fabrication of inverted metamorphic multijunction solar cells
US9018521B1 (en) Inverted metamorphic multijunction solar cell with DBR layer adjacent to the top subcell
US20100093127A1 (en) Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cell Mounted on Metallized Flexible Film
US20150340530A1 (en) Back metal layers in inverted metamorphic multijunction solar cells
US20090272430A1 (en) Refractive Index Matching in Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
US20100122764A1 (en) Surrogate Substrates for Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
US20100203730A1 (en) Epitaxial Lift Off in Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
US20090272438A1 (en) Strain Balanced Multiple Quantum Well Subcell In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cell
US20090288703A1 (en) Wide Band Gap Window Layers In Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
US20100047959A1 (en) Epitaxial Lift Off on Film Mounted Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells
US20100229933A1 (en) Inverted Metamorphic Multijunction Solar Cells with a Supporting Coating
US9691930B2 (en) Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive
US11424381B2 (en) Inverted metamorphic multijunction solar cells having a permanent supporting substrate
US8778199B2 (en) Epitaxial lift off in inverted metamorphic multijunction solar cells
CN107546293B (zh) 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构
US9929300B2 (en) Multijunction solar cells with electrically conductive polyimide adhesive
US9768326B1 (en) Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive
CN112366243B (zh) 四结柔性太阳能电池及其制备方法
Mizuno et al. A “smart stack” triple-junction cell consisting of InGaP/GaAs and crystalline Si
US20140373905A1 (en) Metamorphic multijunction solar cell with surface passivation
CN114649437A (zh) 一种锗多结太阳能电池及其制备方法
US10170656B2 (en) Inverted metamorphic multijunction solar cell with a single metamorphic layer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant