CN111524991A - 一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法，包括依次叠层设置的底电池、中间电池和顶电池，所述底电池和中间电池通过第一隧穿结连接，所述中间电池和顶电池通过第二隧穿结连接；所述底电池为CIGS太阳能电池，即CIGS子电池；所述中电池为GaAs太阳能电池，所述顶电池为GaInP太阳能电池，所述顶电池和中电池形成为GaInP/GaAs双结子电池。本发明的GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池具有较高的抗辐照能力，且光电转换效率高，制备成本低。

Description

一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏发电的技术领域，尤其是指一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能光伏发电在全球取得长足发展。常用太阳能电池一般包括晶硅太阳能电池、薄膜太阳电池、砷化镓(GaAs)太阳能电池等。其中，反向晶格失配三结叠层砷化镓太阳能电池由于实现了子电池禁带宽度和光谱的理想匹配，具有更高的光电转换效率，因此得到了人们的青睐。目前，反向晶格失配三结叠层砷化镓太阳能电池的实验室转换效率已经实现了37.9％(AM1.5)。
传统技术的反向晶格失配三结叠层太阳能电池主要为GaInP/GaInAs/GaInAs三结叠层太阳能电池。然而，传统技术的反向晶格失配三结砷化镓三结叠层电池存在电池抗辐照性能差的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种具有较高抗辐照能力的GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，包括依次叠层设置的底电池、中间电池和顶电池，所述底电池和中间电池通过第一隧穿结连接，所述中间电池和顶电池通过第二隧穿结连接；所述底电池为CIGS太阳能电池，即CIGS子电池；所述中电池为GaAs太阳能电池，所述顶电池为GaInP太阳能电池，所述顶电池和中电池形成为GaInP/GaAs双结子电池。
进一步，所述底电池包括自下至上依次叠层设置的衬底、Mo背电极、p型CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征i-ZnO层和n型ZnO:Al窗口层；所述衬底为钠钙玻璃衬底或者不锈钢箔片衬底；所述Mo背电极的厚度为1um-2um，其方块电阻为0.1Ω/sq-0.3Ω/sq；所述p型CIGS吸收层的厚度为1um-3um，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述CdS缓冲层的厚度为30nm-80nm；所述本征i-ZnO层的厚度为30nm-80nm；所述n型ZnO:Al窗口层的厚度为300nm-500nm，其方块电阻10-20Ω/sq。
进一步，所述中电池包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层、p型掺杂GaAs基区、n型掺杂GaAs发射区和n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层；所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层的厚度为100nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaAs基区的厚度为1000nm-2000nm，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaAs发射区的厚度为50nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层的厚度为30nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；其中，0.3≤x≤0.5。
进一步，所述顶电池包括由下至上依次叠层设置的p型掺杂AlGaInP背场层、p型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区和n型掺杂AlInP窗口层；所述p型掺杂AlGaInP背场层的厚度为100nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaInP基区的厚度为500nm-1000nm，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度为50nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度为30nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
进一步，所述顶电池的禁带宽度为1.86eV；所述中间电池的禁带宽度为1.4eV；所述底电池的禁带宽度在1.02eV—1.67eV的范围内。
进一步，所述第一隧穿结包括叠层设置的隧穿层和键合层，所述隧穿层与中间电池连接，所述键合层与底电池连接；所述隧穿层包括叠层设置的第一p型AlGaAs层和第一n型GaInP层；所述第一p型AlGaAs层的厚度为10nm—100nm，其掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3；所述第一n型GaInP层的厚度为10nm-100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第一p型AlGaAs层与键合层连接；所述第一n型GaInP层与中间电池的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层连接，其中，0.3≤x≤0.5。
进一步，所述键合层为n型掺杂GaAs层，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，厚度为50nm—100nm。
进一步，所述第二隧穿结包括由下自上依次叠层设置的第二p型AlGaAs层和第二n型GaInP层；所述第二p型GaInP层与中间电池连接，所述第二n型GaInP层与顶电池连接；所述第二p型AlGaAs层的厚度为10nm—100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第二n型GaInP层的厚度为10nm-100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第二p型AlGaAs层与中间电池的n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层连接，其中，0.3≤x≤0.5；所述第二n型GaInP层与顶电池的p型掺杂AlGaInP背场层连接。
本发明也提供了上述GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S10，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术生长制备GaInP/GaAs双结子电池；
在GaAs衬底表面依次外延生长GaAs缓冲层、AlAs牺牲层、GaInP腐蚀停止层、GaInP顶电池、第二隧穿结、GaAs中电池、第一隧穿结，形成GaInP/GaAs双结子电池；
S20，通过共蒸发法或磁控溅射后硒化法制备CIGS子电池；
S30，对GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行表面抛光处理，对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面进行活化处理，并进行贴合，将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行低温键合，生成GaInP/GaAs/CIGS电池；
S40，剥离GaInP/GaAs/CIGS电池中GaInP/GaAs双结子电池的衬底，形成三结叠层太阳能电池；
S410，腐蚀AlAs牺牲层；
S420，剥离GaAs衬底和GaAs缓冲层；
S430，腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层。
进一步，在S10中，所述GaInP/GaAs双结子电池的具体生成如下：
首先，选用n型掺杂的GaAs衬底，该GaAs衬底的厚度为300um-600um，其掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；然后将n型掺杂的GaAs衬底置于MOCVD操作室，在GaAs衬底表面依次外延反向生长GaAs缓冲层、AlAs牺牲层、GaInP腐蚀停止层、n型掺杂GaAs帽层、GaInP顶电池、第二隧穿结、GaAs中电池、所述隧穿层和所述键合层；外延反向生长温度设置为500℃—800℃；所述GaAs缓冲层是作为生长GaAs基材料的成核层，所述GaAs缓冲层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述AlAs牺牲层是用于实现剥离外延生长衬底的被刻蚀层，所述AlAs牺牲层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述GaInP腐蚀停止层是作为剥离外延生长衬底的腐蚀控制层，所述GaInP腐蚀停止层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述n型掺杂GaAs帽层是作为与金属电极形成欧姆接触的重掺杂外延层，所述n型掺杂GaAs帽层的厚度为100nm﹣500nm，所述n型掺杂GaAs帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3；所述键合层的厚度为50nm﹣100nm；
所述S20包括以下步骤：
S210，以钠钙玻璃或不锈钢箔片材料作为衬底，清洗衬底表面后，采用溅射工艺，在衬底表面溅射沉积厚度为1um—2um的Mo薄层，作为CIGS子电池的Mo背电极；
S220，采用蒸发或磁控溅射后硒化法在Mo背电极表面沉积厚度为1um-3um的p型CIGS吸收层；
S230，采用化学水浴法在p型CIGS吸收层表面沉积厚度为30nm-80nm的所述CdS缓冲层；
S240，采用射频溅射法在所述CdS缓冲层的表面沉积厚度为30nm—80nm的本征i-ZnO层；
S250，采用直流磁控溅射法在本征i-ZnO层的表面沉积厚度为300nm—500nm的n型ZnO:Al窗口层；
所述S30包括以下步骤：
S310，抛光GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面；
通过化学机械抛光工艺对GaInP/GaAs双结子电池的键合层和CIGS子电池的n型ZnO:Al窗口层进行表面处理，使得键合层和n型ZnO:Al窗口层的表面粗糙度降至1nm以内；
S320，对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面进行活化处理，并进行贴合；
将抛光后的键合层和n型ZnO:Al窗口层表面进行清洗，并用等离子体进行表面活化处理，然后将键合层和n型ZnO:Al窗口层进行贴合，使得GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池通过范德华力贴合在一起。
S330，将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行低温键合；
将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和所述CIGS子电池置入键合机的键合腔，键合腔内充满N2，将键合腔的温度升至80℃—120℃，对贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行60秒—120秒的预热，然后给贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池施加1KN—5KN的键合压力，以15℃/min的升温速度将键合腔内温度提升到150℃—250℃，接着保持恒温，进行1小时—2小时的键合，最后，以3℃/min的降温速度将键合腔内温度降到室温，实现低温键合；
所述S40包括以下步骤：
S410，使用腐蚀液腐蚀AlAs牺牲层；
S420，腐蚀AlAs牺牲层后，所述GaAs衬底和GaAs缓冲层即可从GaInP/GaAs/CIGS电池中剥离，剥离后的GaAs衬底能够重复利用，降低三结叠层太阳能电池的制备成本；
S430，用HC1：H2O＝1：1的腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，将GaInP腐蚀停止层从GaInP/GaAs/CIGS电池中剥离掉，完成衬底剥离，最后再用去离子水超声清洗完成剥离的电池，得到所需的三结叠层太阳能电池。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与传统技术中基于III-V族的砷化镓太阳能电池相比，本发明的三结叠层太阳能电池以CIGS太阳能电池为底电池，由于CIGS太阳能电池的抗辐照性能高于InP系、GaAs系和Si系太阳能电池，因此，本发明的三结叠层太阳能电池具有较高的抗辐照能力。同时，由于CIGS太阳能电池的禁带宽度随着Ga含量的不同，可以在1.02eV—1.67eV的范围内调整。因此，以CIGS太阳能电池为底电池，能够满足中电池对禁带宽度的范围要求，从而提高本发明的三结叠层太阳能电池的光电转换效率。另外，由于CIGS太阳能电池制备成本低，制备简单，因此可有效降低整体制备成本。
2、对于本发明的制备方法，通过剥离GaInP/GaAs/CIGS电池中GaInP/GaAs双结子电池的衬底可以重复利用，显著降低了电池的制备成本。另外，通过键合实现GaInP/GaAs双结子电池与CIGS子电池的连接，能够有效克服反向晶格失配带来的微区缺陷问题。
附图说明
图1为实施例提供的三结叠层太阳能电池结构示意图之一。
图2为实施例提供的底电池结构示意图。
图3为实施例提供的中间电池结构示意图。
图4为实施例提供的顶电池结构示意图。
图5为实施例提供的三结叠层太阳能电池结构示意图之二。
图6为实施例提供的隧穿层结构示意图。
图7为实施例提供的第二隧穿结结构示意图。
图8为实施例提供的三结叠层太阳能电池制备方法流程示意图。
图9为实施例提供的GaInP/GaAs双结子电池结构示意图。
图10为实施例提供的键合GaInP/GaAs双结子电池和所述CIGS子电池的方法流程示意图；
图11为实施例提供的剥离GaInP/GaAs双结子电池的衬底的方法流程示意图；
图12为实施例提供的三结叠层太阳能电池结构示意图之三。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，本实施例提供了一种三结叠层太阳能电池，其包括依次叠层设置的底电池100、中间电池200和顶电池300。所述底电池100和中间电池200通过第一隧穿结400连接。所述中间电池200和顶电池300通过第二隧穿结500连接。其中，所述底电池100为CIGS(铜铟镓硒)太阳能电池。
所述中间电池200、所述顶电池300和所述第二隧穿结500可以采用外延反向生长依次制备而成。所述底电池100采用CIGS材料制成。所述底电池100可以为Cu(In，Ga)Se2。所述底电池100可以通过共蒸发法制备而成，也可以通过磁控溅射后硒化法制备而成，还可以通过其它方法制备而成。本实施例对所述底电池100的制备方法和工作不做限定，可以根据实际需求选择。所述底电池100与中间电池200通过第一隧穿结400连接。所述底电池100与中间电池200可以通过键合等方法实现连接。
参见图2所示，所述底电池100可以包括自下至上依次叠层设置的衬底110、Mo背电极120、p型CIGS吸收层130、CdS缓冲层140、本征i-ZnO层150和n型ZnO:Al窗口层160。所述CdS缓冲层140还可以替换为In(OH)xSy材料制成的缓冲层。其中，所述衬底110可以为钠钙玻璃、不锈钢箔片等材料制成。所述Mo背电极120可以采用磁控溅射生长。所述Mo背电极120的厚度可以为1um-2um。所述Mo背电极120方块电阻可以为0.1Ω/sq-0.3Ω/sq。所述p型CIGS吸收层130可以采用共蒸发或磁控溅射后硒化生长制成。所述p型CIGS吸收层130的厚度可以为1um-3um。所述p型CIGS吸收层130的掺杂浓度可以为1×1016-1×1017cm-3。所述CdS缓冲层140可以采用化学水浴(CBD)生长而成。所述CdS缓冲层140的厚度可以为30nm-80nm。所述本征i-ZnO层150可以采用磁控溅射生长制成。所述本征i-ZnO层150的厚度可以为30nm-80nm。所述n型ZnO:Al窗口层160可以采用磁控溅射生长制成。所述n型ZnO:Al窗口层160的厚度可以为300nm-500nm。所述n型ZnO:Al窗口层160的方块电阻10-20Ω/sq。
所述顶电池300的禁带宽度可以约为1.86eV。所述中间电池200的禁带宽度可以约为1.4eV。所述底电池100的禁带宽度可以约为1.05eV。所述顶电池300、所述中间电池200和所述底电池100通过以上带隙组合，能够实现带隙和AM 0太阳光谱的基本匹配，光电转换效率和反向晶格失配(IMM)三结砷化镓电池一致。
本实施例中，所述三结叠层太阳能电池包括依次叠层设置的底电池100、中间电池200和顶电池300。所述底电池100和所述中间电池200通过第一隧穿结400连接。所述中间电池200和所述顶电池300通过第二隧穿结500连接。其中，所述底电池100为CIGS太阳能电池。与传统技术中基于III-V族的砷化镓太阳能电池相比，本实施例提供的三结叠层太阳能电池以CIGS太阳能电池为底电池。CIGS太阳能电池的抗辐照性能高于InP系、GaAs系和Si系太阳能电池。因此，所述三结叠层太阳能电池具有较高的抗辐照能力。同时，由于CIGS太阳能电池的禁带宽度随着Ga含量的不同，可以在1.02eV—1.67eV的范围内调整。因此，以CIGS太阳能电池为底电池，能够满足所述中电池200对禁带宽度的范围要求，从而提高三结叠层太阳能电池的光电转换效率。另外，CIGS太阳能电池制备成本低，制备方法简单。因此，本实施例提供的三结叠层太阳能电池有效降低了制备成本。
参见图3所示，所述中间电池200为GaAs太阳能电池。所述中电池200由GaAs半导体材料制成。所述GaAs太阳能电池可以包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210、p型掺杂GaAs基区220、n型掺杂GaAs发射区230和n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240。
其中，所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210的厚度可以为100nm-200nm；所述p型掺杂GaAs基区220的厚度可以为1000nm-2000nm；所述n型掺杂GaAs发射区230的厚度可以为50nm-200nm；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240的厚度可以为30nm-100nm。
所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaAs基区的掺杂浓度可以为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaAs发射区的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3。其中，0.3≤x≤0.5。
参见图4所示，所述顶电池300为GaInP太阳电池。所述顶电池300由GaInP半导体材料制成。所述顶电池300可以包括由下至上依次叠层设置的p型掺杂AlGaInP背场层310、p型掺杂GaInP基区320、n型掺杂GaInP发射区330和n型掺杂AlInP窗口层340。
其中，所述p型掺杂AlGaInP背场层310的厚度可为100nm-200nm；所述p型掺杂GaInP基区320的厚度可以为500nm-1000nm；所述n型掺杂GaInP发射区330的厚度可以为50nm-100nm；所述n型掺杂AlInP窗口层340的厚度可以为30nm-100nm。
所述p型掺杂AlGaInP背场层310的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaInP基区320的掺杂浓度可以为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区330的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层340的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3。
参见图5所示，所述第一隧穿结400包括叠层设置的隧穿层410和键合层420。所述隧穿层410与所述中间电池200连接。所述键合层420与所述底电池100连接。
所述隧穿层410与所述键合层420可以通过反向延伸生长制备而成。所述隧穿层410用于实现所述中间电池200与所述键合层420的连接。所述键合层420用于实现所述隧穿层410与所述底电池100的连接。所述键合层420的厚度可以为50nm—100nm。
通过所述键合层420增加第一隧穿结400的厚度，从而利于所述第一隧穿结400与所述底电池100的键合。
参见图6所示，所述隧穿层410包括由下自上依次叠层设置的第一p型AlGaAs层411和第一n型GaInP层412。所述第一n型GaInP层412与所述键合层420连接。
所述第一p型AlGaAs层411的厚度可以为10nm—100nm。所述第一p型AlGaAs层411的掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3。所述第一n型GaInP层412的厚度可以为10nm-100nm。所述第一n型GaInP层412的掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3。所述第一p型AlGaAs层411与所述键合层420连接。所述第一n型GaInP层412与所述中间电池200的所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210连接。
所述键合层420为GaAs材料制成。所述键合层420的厚度可以为50nm—100nm。所述键合层420可以为n型掺杂GaAs层。所述n型掺杂GaAs层的掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3。本实施例中，所述键合层420采用GaAs材料制成，更有利于所述底电池100的键合，且利于与所述隧穿层410的结合和连接。
参见图7所示，所述第二隧穿结500包括由下自上依次叠层设置的第二p型AlGaAs层510和第二n型GaInP层520。所述第二p型GaInP层510与所述中间电池200连接。所述第二n型GaInP层520与所述顶电池300连接。
所述第二p型AlGaAs层510的厚度可以为10nm—100nm。所述第二p型AlGaAs层510的掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3。所述第二n型GaInP层520的厚度可以为10nm-100nm。所述第二n型GaInP层520的掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3。所述第二p型AlGaAs层510与所述中间电池200的所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240连接。所述第二n型GaInP层520与所述顶电池300的所述p型掺杂AlGaInP背场层310连接。
参见图8所示，本实施例也提供了上述GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S10，外延生长制备GaInP/GaAs双结子电池11。
所述GaInP/GaAs双结子电池11的制备可以采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)技术生长而成，也可以采用分子束外延(MBE)技术生长而成。所述GaInP/GaAs双结子电池11包括GaInP子电池和GaAs子电池。所述GaInP子电池和GaAs子电池通过所述第二隧穿结500连接。具体的，所述GaInP子电池可以包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlGaInP背场层310、p型掺杂GaInP基区320、n型掺杂GaInP发射区330、n型掺杂AlInP窗口层340。所述GaAs子电池可以包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210、p型掺杂GaAs基区220、n型掺杂GaAs发射区230和n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240。所述GaInP/GaAs双结子电池11包括衬底，所述衬底可以为GaAs衬底111。本申请对所述GaInP/GaAs双结子电池11的具体制备方法、工艺不做限定，只要可以实现所述GaInP/GaAs双结子电池11的制备即可。
S20，制备CIGS子电池12。
所述CIGS子电池12可以通过共蒸发法制备而成，也可以通过磁控溅射后硒化法制备而成，还可以通过其他方法制备而成。本申请对所述CIGS子电池12的制备方法和工作不做限定，可以根据实际需求选择。所述CIGS子电池12可以包括自下至上依次叠层设置的衬底110、Mo背电极120、p型CIGS吸收层130、CdS缓冲层140、本征i-ZnO层150和n型ZnO:Al窗口层160。
制备所述CIGS子电池12的方法包括：
S210，以钠钙玻璃、不锈钢箔片等材料作为所述衬底110，清洗所述衬底110表面后，采用溅射工艺，在所述衬底110表面溅射沉积厚度约为1um—2um的Mo薄层，作为所述CIGS子电池12的所述Mo背电极120；
S220，采用蒸发或磁控溅射后硒化法在所述Mo背电极120表面沉积厚度约为1um-3um的所述p型CIGS吸收层130；
S230，采用化学水浴法(CBD)在所述p型CIGS吸收层130表面沉积厚度约为30nm-80nm的所述CdS缓冲层140；
S240，采用射频溅射法在所述CdS缓冲层140的表面沉积厚度约为30nm—80nm的所述本征i-ZnO层150；
S250，采用直流磁控溅射法在所述本征i-ZnO层150的表面沉积厚度约为300nm—500nm的所述n型ZnO:Al窗口层160。
形成的所述CIGS子电池12的禁带宽度随着Ga含量的不同，可以在1.02eV—1.67eV的范围内调整。且所述CIGS子电池12的抗辐照性能高。
S30，将所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12键合，生成GaInP/GaAs/CIGS电池13。
将S20生成的所述GaInP/GaAs双结子电池11和S30生成的所述CIGS子电池12进行键合。键合采用的具体方法、步骤、工艺等本申请不做限定，只要可以实现所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12的键合，生成所述GaInP/GaAs/CIGS电池13即可。
S40，剥离所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，形成三结叠层太阳能电池。
由于键合生成的所述GaInP/GaAs/CIGS电池13包含所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，还包括所述CIGS子电池12的衬底，因此需要剥离所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，保留所述CIGS子电池12的衬底。本申请对剥离所述GaInP/GaAs双结子电池11衬底的方法和工艺不做具体限定，只要可以实现将所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底从所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中剥离即可。剥离后即得到所述三结叠层太阳能电池。
在所述三结叠层太阳能电池表面沉积减反射层和上电极，即完成对所述三结叠层太阳能电池的工艺制备。
本实施例中，上述方法通过外延生长制备GaInP/GaAs双结子电池11，制备CIGS子电池12，并将所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12键合，生成GaInP/GaAs/CIGS电池13，然后剥离所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，形成三结叠层太阳能电池。第一，本实施例提供的所述方法将所述CIGS子电池12与所述GaInP/GaAs双结子电池11键合，使得所述CIGS子电池12作为所述三结叠层太阳能电池的底电池。所述CIGS子电池12抗辐照性能高于InP系、GaAs系和Si系太阳能电池。因此，本实施例提供的所述方法形成的三结叠层太阳能电池具有较高的抗辐照能力。第二，由于所述CIGS子电池12的禁带宽度随着Ga含量的不同，可以在1.02eV—1.67eV的范围内调整。因此，以所述CIGS子电池12为底电池，能够满足所述GaInP/GaAs双结子电池11对禁带宽度的范围要求，从而提高所述三结叠层太阳能电池的光电转换效率。第三，本实施例提供的所述方法中，所述CIGS子电池12制备成本低，制备方法简单，有效降低了制备成本。第四，通过剥离的所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中所述GaInP/GaAs双结子电池11的衬底可以重复利用，显著降低了电池的制备成本。第五，通过键合实现所述GaInP/GaAs双结子电池11与所述CIGS子电池12的连接，能够有效克服反向晶格失配带来的微区缺陷问题。
参见图9所示，所述S10包括：
S110，在GaAs衬底111表面依次外延生长GaAs缓冲层112、AlAs牺牲层113、GaInP腐蚀停止层114、GaInP顶电池115、第二隧穿结500、GaAs中电池116、第一隧穿结400，形成所述GaInP/GaAs双结子电池11。其中，所述GaInP腐蚀停止层114和所述GaInP顶电池115之间还包括n型掺杂GaAs帽层117。
所述第一隧穿结400包括隧穿层410和键合层420。所述隧穿层410包括第一p型AlGaAs层411和第一n型GaInP层412。所述键合层420为GaAs材料制成。
所述GaInP/GaAs双结子电池11的具体生成步骤如下：
选用n型掺杂所述GaAs衬底111为衬底，所述GaAs衬底111的厚度可以为300um-600um，所述GaAs衬底111的掺杂浓度可以为1×1017-1×1018cm-3。在一个实施例中，所述GaAs衬底111的掺杂浓度为1×1018cm-3。
将n型掺杂所述GaAs衬底111置于MOCVD操作室，在所述GaAs衬底111表面依次外延反向生长所述GaAs缓冲层112、所述AlAs牺牲层113、所述GaInP腐蚀停止层114、所述n型掺杂GaAs帽层117、所述GaInP顶电池115、所述第二隧穿结500、所述GaAs中电池116、所述隧穿层410和所述键合层420。外延反向生长温度可以设置为500℃—800℃。所述GaAs缓冲层112是作为生长GaAs基材料的成核层。所述GaAs缓冲层112的厚度可以为0.1um﹣0.3um。所述AlAs牺牲层113是用于实现剥离外延生长衬底的被刻蚀层。所述AlAs牺牲层113的厚度可以为0.1um﹣0.3um。所述GaInP腐蚀停止层114是作为剥离外延生长衬底的腐蚀控制层。所述GaInP腐蚀停止层114的厚度可以为0.1um﹣0.3um。所述n型掺杂GaAs帽层117是作为与金属电极形成欧姆接触的重掺杂外延层。所述n型掺杂GaAs帽层117的厚度可以为100nm﹣500nm。所述n型掺杂GaAs帽层117的掺杂浓度可以为1×1018-1×1019cm-3。所述键合层420的厚度可以为50nm﹣100nm。
所述GaInP顶电池115可以包括由下至上依次叠层设置的p型掺杂AlGaInP背场层310、p型掺杂GaInP基区320、n型掺杂GaInP发射区330和n型掺杂AlInP窗口层340。其中，所述p型掺杂AlGaInP背场层310的厚度可为100nm-200nm；所述p型掺杂GaInP基区320的厚度可以为500nm-1000nm；所述n型掺杂GaInP发射区330的厚度可以为50nm-100nm；所述n型掺杂AlInP窗口层340的厚度可以为30nm-100nm。所述p型掺杂AlGaInP背场层310的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaInP基区320的掺杂浓度可以为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区330的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层340的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3。所述GaInP顶电池115的禁带宽度约为1.86eV。
所述GaAs中电池116可以包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210、p型掺杂GaAs基区220、n型掺杂GaAs发射区230和n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240。其中，所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210的厚度可以为100nm-200nm；所述p型掺杂GaAs基区220的厚度可以为1000nm-2000nm；所述n型掺杂GaAs发射区230的厚度可以为50nm-200nm；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240的厚度可以为30nm-100nm。所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层210的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaAs基区的掺杂浓度可以为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaAs发射区的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层240的掺杂浓度可以为1×1017-1×1019cm-3。其中，0.3≤x≤0.5。所述所述GaAs中电池116的禁带宽度约为1.4eV。
本实施例中，所述方法通过在GaAs衬底111表面依次外延生长GaAs缓冲层112、AlAs牺牲层113、GaInP腐蚀停止层114、GaInP顶电池115、第二隧穿结500、GaAs中电池116、第一隧穿结400，形成所述GaInP/GaAs双结子电池11，生长工艺简单。且生成的所述GaInP/GaAs双结子电池11与所述CIGS子电池12键合形成的所述三结叠层太阳能电池的光电转换效率高。同时，与传统技术相比，通过键合实现所述GaInP/GaAs双结子电池11与所述CIGS子电池12的连接，能够有效克服反向晶格失配带来的微区缺陷问题。
参见图10所示，所述S30包括：
S310，抛光所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12表面。
通过化学机械抛光(CMP)工艺对所述GaInP/GaAs双结子电池11的所述键合层420和所述CIGS子电池12的所述n型ZnO:Al窗口层160进行表面处理，使得所述键合层420和所述n型ZnO:Al窗口层160的表面粗糙度降至1nm以内。
S320，对抛光后的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12表面进行活化处理，并进行贴合。
将抛光后的所述键合层420和所述n型ZnO:Al窗口层160表面进行清洗，并用等离子体进行表面活化处理。然后将所述键合层420和所述n型ZnO:Al窗口层160进行贴合。所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12通过范德华力贴合在一起。
S330，将贴合的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12进行低温键合。
将贴合的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12置入键合机的键合腔。键合腔内充满N2。将键合腔的温度升至80℃—120℃，对贴合的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12进行60秒—120秒的预热。然后给贴合的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12施加1KN—5KN的键合压力，以15℃/min的升温速度将键合腔内温度提升到150℃—250℃。接着保持恒温，进行1小时—2小时的键合。最后，以3℃/min的降温速度将键合腔内温度降到室温，实现低温键合。
本实施例中，通过对所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12进行表面抛光处理，然后对抛光后的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12表面进行活化处理，并进行贴合，再将贴合的所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12进行低温键合。通过本实施例提供的所述方法实现所述GaInP/GaAs双结子电池11和所述CIGS子电池12的键合，键合方法简单易操作，且键合结果稳定，提高了所述三结叠层太阳能电池的稳定性。
参见图11和图12所示，所述S40包括：
S410，腐蚀所述AlAs牺牲层113。
使用腐蚀液腐蚀所述AlAs牺牲层113。
S420，剥离所述GaAs衬底111和所述GaAs缓冲层112。
腐蚀所述AlAs牺牲层113后，所述GaAs衬底111和所述GaAs缓冲层112即可从所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中剥离。剥离后的所述GaAs衬底111能够重复利用，降低所述三结叠层太阳能电池的制备成本。
S430，腐蚀剥离所述GaInP腐蚀停止层114。
用HC1：H2O＝1：1的腐蚀液腐蚀所述GaInP腐蚀停止层114，将所述GaInP腐蚀停止层114从所述GaInP/GaAs/CIGS电池13中剥离掉，完成衬底剥离。最后再用去离子水超声清洗完成剥离的电池，得到如图12所示的三结叠层太阳能电池。
本实施例中，通过腐蚀所述AlAs牺牲层113、剥离所述GaAs衬底111和所述GaAs缓冲层112，再腐蚀剥离所述GaInP腐蚀停止层114。本实施例提供的所述方法操作方法简单，且剥离出的所述GaAs衬底111能够重复利用，降低制备成本。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：包括依次叠层设置的底电池、中间电池和顶电池，所述底电池和中间电池通过第一隧穿结连接，所述中间电池和顶电池通过第二隧穿结连接；所述底电池为CIGS太阳能电池，即CIGS子电池；所述中电池为GaAs太阳能电池，所述顶电池为GaInP太阳能电池，所述顶电池和中电池形成为GaInP/GaAs双结子电池。
2.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述底电池包括自下至上依次叠层设置的衬底、Mo背电极、p型CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征i-ZnO层和n型ZnO:Al窗口层；所述衬底为钠钙玻璃衬底或者不锈钢箔片衬底；所述Mo背电极的厚度为1um-2um，其方块电阻为0.1Ω/sq-0.3Ω/sq；所述p型CIGS吸收层的厚度为1um-3um，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述CdS缓冲层的厚度为30nm-80nm；所述本征i-ZnO层的厚度为30nm-80nm；所述n型ZnO:Al窗口层的厚度为300nm-500nm，其方块电阻10-20Ω/sq。
3.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述中电池包括自下而上依次叠层设置的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层、p型掺杂GaAs基区、n型掺杂GaAs发射区和n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层；所述p型掺杂AlxGa1-xAs背场层的厚度为100nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaAs基区的厚度为1000nm-2000nm，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaAs发射区的厚度为50nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层的厚度为30nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；其中，0.3≤x≤0.5。
4.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述顶电池包括由下至上依次叠层设置的p型掺杂AlGaInP背场层、p型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区和n型掺杂AlInP窗口层；所述p型掺杂AlGaInP背场层的厚度为100nm-200nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述p型掺杂GaInP基区的厚度为500nm-1000nm，其掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度为50nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度为30nm-100nm，其掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述顶电池的禁带宽度为1.86eV；所述中间电池的禁带宽度为1.4eV；所述底电池的禁带宽度在1.02eV—1.67eV的范围内。
6.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述第一隧穿结包括叠层设置的隧穿层和键合层，所述隧穿层与中间电池连接，所述键合层与底电池连接；所述隧穿层包括叠层设置的第一p型AlGaAs层和第一n型GaInP层；所述第一p型AlGaAs层的厚度为10nm—100nm，其掺杂浓度可以为1×1018-1×1020cm-3；所述第一n型GaInP层的厚度为10nm-100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第一p型AlGaAs层与键合层连接；所述第一n型GaInP层与中间电池的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层连接，其中，0.3≤x≤0.5。
7.根据权利要求6所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述键合层为n型掺杂GaAs层，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，厚度为50nm—100nm。
8.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池，其特征在于：所述第二隧穿结包括由下自上依次叠层设置的第二p型AlGaAs层和第二n型GaInP层；所述第二p型GaInP层与中间电池连接，所述第二n型GaInP层与顶电池连接；所述第二p型AlGaAs层的厚度为10nm—100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第二n型GaInP层的厚度为10nm-100nm，其掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述第二p型AlGaAs层与中间电池的n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层连接，其中，0.3≤x≤0.5；所述第二n型GaInP层与顶电池的p型掺杂AlGaInP背场层连接。
9.一种权利要求1至8任意一项所述GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10，采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术生长制备GaInP/GaAs双结子电池；
在GaAs衬底表面依次外延生长GaAs缓冲层、AlAs牺牲层、GaInP腐蚀停止层、GaInP顶电池、第二隧穿结、GaAs中电池、第一隧穿结，形成GaInP/GaAs双结子电池；
S20，通过共蒸发法或磁控溅射后硒化法制备CIGS子电池；
S30，对GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行表面抛光处理，对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面进行活化处理，并进行贴合，将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行低温键合，生成GaInP/GaAs/CIGS电池；
S40，剥离GaInP/GaAs/CIGS电池中GaInP/GaAs双结子电池的衬底，形成三结叠层太阳能电池；
S410，腐蚀AlAs牺牲层；
S420，剥离GaAs衬底和GaAs缓冲层；
S430，腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层。
10.根据权利要求9所述的一种GaInP/GaAs/CIGS三结叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，在S10中，所述GaInP/GaAs双结子电池的具体生成如下：
首先，选用n型掺杂的GaAs衬底，该GaAs衬底的厚度为300um-600um，其掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；然后将n型掺杂的GaAs衬底置于MOCVD操作室，在GaAs衬底表面依次外延反向生长GaAs缓冲层、AlAs牺牲层、GaInP腐蚀停止层、n型掺杂GaAs帽层、GaInP顶电池、第二隧穿结、GaAs中电池、所述隧穿层和所述键合层；外延反向生长温度设置为500℃—800℃；所述GaAs缓冲层是作为生长GaAs基材料的成核层，所述GaAs缓冲层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述AlAs牺牲层是用于实现剥离外延生长衬底的被刻蚀层，所述AlAs牺牲层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述GaInP腐蚀停止层是作为剥离外延生长衬底的腐蚀控制层，所述GaInP腐蚀停止层的厚度为0.1um﹣0.3um；所述n型掺杂GaAs帽层是作为与金属电极形成欧姆接触的重掺杂外延层，所述n型掺杂GaAs帽层的厚度为100nm﹣500nm，所述n型掺杂GaAs帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3；所述键合层的厚度为50nm﹣100nm；
所述S20包括以下步骤：
S210，以钠钙玻璃或不锈钢箔片材料作为衬底，清洗衬底表面后，采用溅射工艺，在衬底表面溅射沉积厚度为1um—2um的Mo薄层，作为CIGS子电池的Mo背电极；
S220，采用蒸发或磁控溅射后硒化法在Mo背电极表面沉积厚度为1um-3um的p型CIGS吸收层；
S230，采用化学水浴法在p型CIGS吸收层表面沉积厚度为30nm-80nm的所述CdS缓冲层；
S240，采用射频溅射法在所述CdS缓冲层的表面沉积厚度为30nm—80nm的本征i-ZnO层；
S250，采用直流磁控溅射法在本征i-ZnO层的表面沉积厚度为300nm—500nm的n型ZnO:Al窗口层；
所述S30包括以下步骤：
S310，抛光GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面；
通过化学机械抛光工艺对GaInP/GaAs双结子电池的键合层和CIGS子电池的n型ZnO:Al窗口层进行表面处理，使得键合层和n型ZnO:Al窗口层的表面粗糙度降至1nm以内；
S320，对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池表面进行活化处理，并进行贴合；
将抛光后的键合层和n型ZnO:Al窗口层表面进行清洗，并用等离子体进行表面活化处理，然后将键合层和n型ZnO:Al窗口层进行贴合，使得GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池通过范德华力贴合在一起。
S330，将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行低温键合；
将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和所述CIGS子电池置入键合机的键合腔，键合腔内充满N2，将键合腔的温度升至80℃—120℃，对贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池进行60秒—120秒的预热，然后给贴合的GaInP/GaAs双结子电池和CIGS子电池施加1KN—5KN的键合压力，以15℃/min的升温速度将键合腔内温度提升到150℃—250℃，接着保持恒温，进行1小时—2小时的键合，最后，以3℃/min的降温速度将键合腔内温度降到室温，实现低温键合；
所述S40包括以下步骤：
S410，使用腐蚀液腐蚀AlAs牺牲层；
S420，腐蚀AlAs牺牲层后，所述GaAs衬底和GaAs缓冲层即可从GaInP/GaAs/CIGS电池中剥离，剥离后的GaAs衬底能够重复利用，降低三结叠层太阳能电池的制备成本；
S430，用HC1：H2O＝1：1的腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，将GaInP腐蚀停止层从GaInP/GaAs/CIGS电池中剥离掉，完成衬底剥离，最后再用去离子水超声清洗完成剥离的电池，得到所需的三结叠层太阳能电池。
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