CN108269880A - 激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池及其制作方法，包括：(a)制备衬底层，所述衬底层材料为单晶硅；(b)利用磁控溅射法在所述衬底层上用两步法工艺生长Ge外延层，所述衬底层和所述Ge外延层构成Ge/Si衬底；(c)利用CVD方法在所述Ge外延层上形成氧化层；(d)采用LRC工艺使所述Ge外延层晶化；(e)刻蚀清除所有所述氧化层；(f)在所述Ge/Si衬底上制备Ge/GaAs双结太阳能电池层；(g)在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层，最终形成所述Ge/GaAs双结太阳能电池。本发明激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池的制作方法通过连续激光辅助晶化Ge/Si衬底，可有效降低Ge/Si衬底的位错密度，利于获得高质量Ge/Si衬底Ge/GaAs双结太阳能电池，电转化效率提高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池及其制作方法。
背景技术
对于太阳能电池，发光效率是最主要的参数，从光伏效应的角度分析，单结太阳能电池已经快接近发光极限，为提高太阳能电池的发光效率，就必须对结构进行优化。其中较优的解决方法就是增加太阳能电池结数。其中Ⅲ-Ⅴ族GaAs材料因为是直接能隙的半导体材料，可做较薄的厚度，而且其吸光效率特别高，能够做成顶电池，所以成为当前光电领域内重点研究的双结太阳能电池材料。Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池制作方法，既造价低廉，易于与其他器件集成，而且与单结太阳能电池相比，极大的提升了发光效率。传统的高温两步生长Ge/Si衬底的方法，无法解决Ge外延层中大量螺位错，而且得到的缓冲层较厚，表面粗糙度较高，这些因素使得太阳能电池的发光效率大大的降低。
因此，如何研制出高质量Ge/Si衬底的Ge/GaAs双结太阳能电池及其制作方法至关重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池的制作方法。
本发明的一个实施例提供了一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池的制作方法，包括：
(a)制备衬底层，所述衬底层材料为单晶硅；
(b)利用磁控溅射法在所述衬底层上用两步法工艺生长Ge外延层，所述衬底层和所述Ge外延层构成Ge/Si衬底；
(c)利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)方法在所述Ge外延层上形成氧化层；
(d)采用激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺使所述Ge外延层晶化；
(e)刻蚀清除所有所述氧化层；
(f)在所述Ge/Si衬底上制备Ge/GaAs双结太阳能电池层；
(g)在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层，最终形成所述Ge/GaAs双结太阳能电池。
在本发明的一个实施例中，所述氧化层材料为SiO2。
在本发明的一个实施例中，所述步骤(d)包括：
(d1)使用激光照射带有所述氧化层的所述Ge/Si衬底令所述氧化层和所述Ge/Si衬底升温到第一温度，在第一温度下，激光照射部分所述Ge外延层为熔融态而与其接触的所述氧化层和所述衬底层为固态；
(d2)移除激光并使照射部分所述Ge外延层冷却晶化；
(d3)连续依次采用激光照射所述Ge外延层，直到全部所述Ge外延层都冷却晶化；
在本发明的一个实施例中，所述第一温度为500K，所述LRC工艺参数为：激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min。
在本发明的一个实施例中，所述LRC的设备为808nm半导体激光器。
在本发明的一个实施例中，所述Ge外延层厚度为200nm。
在本发明的一个实施例中，所述步骤(f)包括：
(f1)利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,简称MBE)工艺制备底电池；
(f2)利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition,简称MOCVD)工艺在所述底电池上形成第一窗口层；
(f3)在所述第一窗口层上形成隧道结；
(f4)利用MOCVD工艺在所述隧道结上形成顶电池；
(f5)利用MOCVD工艺在所述顶电池上形成第二窗口层。
在本发明的一个实施例中，所述在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层后还包括：在所述Si衬底层底和所述接触层上制备接触电极。
在本发明的一个实施例中，所述反射膜的材料为氮化硅。
本发明的另外一个实施例提供了一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池，所述Ge/GaAs双结太阳能电池按照上述实施例制备形成；
本发明具有如下有益效果通过采用LRC工艺，晶化速度快，工艺简单，周期短，预算低。并且能够有效降低Ge/Si衬底的位错密度，利于后续获得高质量GaAs材料，使基于Ge/Si衬底的Ge/GaAs双结太阳能电池器件质量提高，光电转化效率提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池制作方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种薄膜受激光照射过程中的温度相变关系示意图；
图4为本发明实施例提供的一种Ge/Si衬底材料的工艺之有限元仿真结果示意图；
图5为本发明实施例提供的一种连续激光再晶化工艺效果示意图；
图6a-图6j为本发明实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池制作工艺示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池制作方法的流程图；该制作方法包括如下步骤：
(a)制备衬底层，所述衬底层材料为单晶硅；
(b)利用磁控溅射法在所述衬底层上用两步法工艺生长Ge外延层，所述衬底层和所述Ge外延层构成Ge/Si衬底；
(c)利用CVD方法在所述Ge外延层上形成氧化层；
(d)采用LRC工艺使所述Ge外延层晶化；
其中，采用连续激光再晶化的好处在于：能够使得Ge外延层的位错率大大降低，而且能够制作较薄；
(e)刻蚀清除所有所述氧化层；
(f)在所述Ge/Si衬底上制备Ge/GaAs双结太阳能电池层；
(g)在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层，最终形成所述Ge/GaAs双结太阳能电池。
优选地，所述氧化层材料为SiO2。
其中，所述步骤(d)包括：
(d1)使用激光照射带有所述氧化层的所述Ge/Si衬底令所述氧化层和所述Ge/Si衬底升温到第一温度，在第一温度下，激光照射部分所述Ge外延层为熔融态而与其接触的所述氧化层和所述衬底层为固态；
(d2)移除激光并使照射部分所述Ge外延层冷却晶化；
(d3)连续依次采用激光照射所述Ge外延层，直到全部所述Ge外延层都冷却晶化；
优选地，所述第一温度为500K，所述LRC工艺为：激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min。
优选地，所述LRC的设备为808nm半导体激光器。
优选地，所述Ge外延层厚度为200nm。
其中，所述步骤(f)包括：
(f1)利用分子束外延MBE工艺制备底电池；
(f2)利用MOCVD工艺在所述底电池上形成第一窗口层；
(f3)在所述第一窗口层上形成隧道结；
(f4)利用MOCVD工艺在所述隧道结上形成顶电池；
(f5)利用MOCVD工艺在所述顶电池上形成第二窗口层。
具体地，所述在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层后还包括：在所述Si衬底层底和所述接触层上制备接触电极。
优选地，所述反射膜的材料为氮化硅。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种LRC工艺的示意图。先用磁控溅射工艺或者CVD工艺经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续激光再晶化横向释放Ge与Si之间的位错失配，从而减少外延层中由于晶格失配引起的位错，制备出品质优良的Ge/Si衬底。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种薄膜受激光照射过程中的温度相变关系示意图；其中，LRC的原理是利用激光的高能量对材料表面瞬间加热使之融化结晶，其本质是热致相变的过程，这点也与传统的激光热退火有本质区别。因此，LRC可以看作是激光对薄膜的热效应，即激光通过热效应将被照射的薄膜融化，在较短的时间使其冷却结晶的过程。LRC大致可分为以下三个阶段：
1)激光与物质的相互作用阶段。此阶段物质吸收激光能量转变为热能，达到熔化状态。激光与物质相互作用过程中，物质的电学性能、光学性能、结构状况等均发生变化。
2)材料的热传导阶段。根据热力学基本定律，激光作用于材料上将会发生传导、对流和辐射三种传热方式，此时加热速度快，温度梯度大。
3)材料在激光作用下的传质阶段。传质，即物质从空间或空间某一部位运动到另一部位的现象。在此阶段，经激光辐射获得能量的粒子开始运动。传质存在两种形式：扩散传质和对流传质。扩散传质表示的是原子或分子的微观运动；对流传质则是流体的宏观运动。以完全融化结晶机制为例，LRC后薄膜的温度变化情况如图3所示。
利用激光再晶化LRC技术辅助制备高质量虚Ge衬底，要求激光作用下虚Ge层温度至少达到熔点，且尽量靠近烧熔点，达到理想晶化的近完全熔融状态，保证Ge晶粒的后续完美结晶。同时，外延层下面的Si衬底层不能达到熔点，保证了LRC对衬底不产生影响。因此，确定合理的LRC相关工艺参数(如激光功率密度、移动速度等)，控制外延层温度分布，将是该工艺成败的关键。请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种Ge/Si衬底材料的工艺之有限元仿真结果示意图。图中，纵坐标表示Ge/Si体系厚度，在Ge外延层厚度200nm的Ge/Si衬底上采用激光移动速度为400mm/s、激光功率6.1kW/cm2的工艺条件可实现Ge融化结晶而Si未融化。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种连续激光再晶化工艺效果示意图。激光通过全反射棱镜照向样品台，并通过凸透镜聚焦到样品上，从而防止了在受热过程中薄膜融化后的液体受重力影响而流动对结晶产生的影响。激光再晶化时，步进电机带动样品台移动，每移动到一个位置进行一次激光照射，使该位置成为具有高能量的小方块，而后停止激光照射，样品台移动到下一位置时再继续激光照射。如此循环使得激光依次照射到整个薄膜表面，至此完成连续激光再晶化过程。
另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本发明激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。
本发明实施例具有如下有益效果：
1、本发明Ge/GaAs双结太阳能电池制造过程中通过连续激光辅助晶化Ge/Si衬底，与传统热退火工艺相比，仅一次LRC即可达到目的，且晶化速度快，因而还具有工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低的优点；
2、本发明Ge/GaAs双结太阳能电池制造过程中通过连续激光辅助晶化Ge/Si衬底，可有效降低Ge/Si衬底的位错密度，利于后续获得高质量GaAs材料，进而提高器件性能；
3、本发明Ge/GaAs双结太阳能电池制造过程中通过连续激光辅助晶化Ge/Si衬底，连续激光再晶化工艺选择性高，仅作用于Ge外延层，控制精确，使基于Ge/Si衬底的Ge/GaAs双结太阳能电池器件质量提高，光电转化效率提高。
实施例二
请参见图6a-图6j，图6a-图6j为本发明实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池制作工艺示意图，在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S101、如图6a所示，选取厚度为2μm的单晶硅Si作为衬底层001；
S102、如图6b所示，利用磁控溅射法在Si衬底上用两步法工艺生长一层200nm厚的锗Ge外延层002，通过磁控溅射法淀积薄膜，淀积速率高，而且薄膜的质量好，适宜大规模生产；
S103、如图6c所示，利用化学气相淀积CVD的方法在表面淀积150nm的二氧化硅SiO2层003；
S104、在图6c的基础上先将材料加热至500K，然后连续激光再晶化带有SiO2氧化层的Ge/Si衬底，其中激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min，而后使材料自然冷却。
S105、如图6d所示，利用干法刻蚀工艺刻蚀图6c中的SiO2层003，得到高质量的Ge/Si衬底。
S106、如图6e所示，使用分子束外延MBE工艺在500℃下外延生长500nm厚的Ge材料作为底电池的基区004，并对其进行P型掺杂，掺杂浓度为1×1017cm-3；随后再外延300nm厚的Ge材料作为底电池的发射区005，并对其进行N型掺杂，掺杂浓度为2×1018cm-3。
S107、如图6f所示，利用金属有机化合物气相外延技术MOCVD(Metal-organicChemical Vapor Deposition)在600℃下淀积厚度为50nm的GaAs作为底电池的窗口层006，并通过热扩散技术对窗口层进行N型，掺杂浓度约2×1018cm-3。
S108、如图6g所示，反应室压力60乇，衬底层001托旋转速度100转/分钟。首先生长N型掺杂层007，掺杂浓度为2×1019cm-3，生长温度550℃，采用低速生长，生长速率为5nm/min，厚度约10nm；然后升温到600℃生长P型掺杂层008，掺杂浓度为5×1019cm-3，生长速率则为10nm/min，厚度约10nm。
S109、如图6h所示，利用MOCVD的方法，在600℃下淀积厚度为80nm的GaAs材料作为制备顶电池背场009，并对背场层009进行P型掺杂，浓度为5×1018cm-3。利用MOCVD在600℃下淀积GaAs中电池的基区010与发射区011。基区010厚度约2um，P型掺杂，浓度为1017cm-3，发射区011厚度约0.5um，N型掺杂，浓度为1018cm-3。
其中GaAs材料的制备采用三甲基稼(TMGa)为III族源，砷烷(ASH3)为V族源。GaAs材料的p型层掺杂剂选用碳(C)，n型层掺杂剂选用硒(Se)，掺杂生长温度500-600℃。
S110、如6i所示，利用MOCVD在60℃下淀积厚度为30nm的GaAs作为窗口层012，并通过热扩散技术对窗口层012进行N型，掺杂浓度约2×1018cm-3。
S107、如6j所示，外延生长0.5um厚的GaAs，并对GaAs进行浓度为1019cm-3的N型掺杂，并采用等离子增强化学气相淀积技术在250℃淀积100nm厚的氮化硅作为抗反射层013。
实施例三
本发明实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池，其中，所述Ge/GaAs双结太阳能电池由上述实施例所述的方法制备形成。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池的制备方法原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括：
(a)制备衬底层，所述衬底层材料为单晶硅；
(b)利用磁控溅射法在所述衬底层上用两步法工艺生长Ge外延层，所述衬底层和所述Ge外延层构成Ge/Si衬底；
(c)利用CVD方法在所述Ge外延层上形成氧化层；
(d)采用LRC工艺使所述Ge外延层晶化；
(e)刻蚀清除所有所述氧化层；
(f)在所述Ge/Si衬底上制备Ge/GaAs双结太阳能电池层；
(g)在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层，最终形成所述Ge/GaAs双结太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述氧化层材料为SiO2。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(d)包括：
(d1)使用激光照射带有所述氧化层的所述Ge/Si衬底令所述氧化层和所述Ge/Si衬底升温到第一温度，在第一温度下，激光照射部分所述Ge外延层为熔融态而与其接触的所述氧化层和所述衬底层为固态；
(d2)移除激光并使照射部分所述Ge外延层冷却；
(d3)连续依次采用激光照射所述Ge外延层，直到全部所述Ge外延层都冷却晶化。
4.根据权利3所述的制作方法，其特征在于，所述第一温度为500K，所述LRC工艺参数为：激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述LRC的设备为808nm半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述Ge外延层厚度为200nm。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤(f)包括：
(f1)利用MBE工艺制备底电池；
(f2)利用MOCVD工艺在所述底电池上形成第一窗口层；
(f3)在所述第一窗口层上形成隧道结；
(f4)利用MOCVD工艺在所述隧道结上形成顶电池；
(f5)利用MOCVD工艺在所述顶电池上形成第二窗口层。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述太阳能电池层上制备接触层和反射膜层后还包括：在所述Si衬底层底和所述接触层上制备接触电极。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述反射膜的材料为氮化硅。
10.一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上Ge/GaAs双结太阳能电池，其特征在于，所述Ge/GaAs双结太阳能电池按照任一权利要求1～9制作完成。
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