CN111524992A - 一种GaInP/GaAs/HIT三结叠层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GaInP/GaAs/HIT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HIT太阳能电池，即HIT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/HIT三结叠层太阳能电池具有电转换效率高、稳定性好、成本低的优点。

Description

一种GaInP/GaAs/HIT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/HIT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，正向晶格匹配三结叠层砷化镓太阳能电池由于光电转换效率高、抗辐照性能好已经被广泛的应用在空间电源系统。正向晶格匹配三结叠层砷化镓太阳能电池的在AM 0光谱下的转换效率都接近30.0％。
传统技术的正向晶格失配三结叠层太阳能电池主要为GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳能电池。然而，传统技术的正向晶格匹配三结砷化镓三结叠层电池存在成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种电转换效率高、稳定性好、成本低的GaInP/GaAs/HIT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/HIT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HIT太阳能电池，即HIT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TCO层、p型非晶硅BSF 层即p-a-SiBSF层、第一本征非晶硅钝化层即第一i-a-Si钝化层、p型Si衬底、第二本征非晶硅钝化层即第二i-a-Si钝化层和n型非晶硅发射层即n-a-Si发射层；所述TCO层的厚度为50nm-150nm；所述p型非晶硅BSF层的厚度为5nm-20nm；所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的厚度为1nm-10nm；所述 n型非晶硅发射层的厚度为10nm-100nm。
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为1.1eV。
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；所述隧穿层包括由下自上依次叠层设置的第一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/HIT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、中电池、第一隧穿结，形成GaInP/GaAs双结子电池；其中，所述GaInP腐蚀停止层和GaInP顶电池之间还包括n型掺杂 GaAs帽层；
S20，通过化学气相淀积或物理气相沉积制备HIT子电池；
S30，将所述GaInP/GaAs双结子电池和HIT子电池键合，生成 GaInP/GaAs/HIT电池；
S40，剥离GaInP/GaAs/HIT电池中GaInP/GaAs双结子电池的衬底，形成三结叠层太阳能电池。
进一步，在S10中，所述GaInP/GaAs双结子电池的具体生成如下：
选用n型掺杂的GaAs衬底，所述GaAs衬底的厚度为300um-600um，其掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；将n型掺杂的GaAs衬底置于MOCVD操作室，在所述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、隧穿层和键合层；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，其厚度为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，其厚度为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，其厚度可以为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，其厚度为100nm﹣500nm，其掺杂浓度为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，清洗p型Si衬底表面后，采用化学气相淀积工艺在p型Si衬底两面分别沉积厚度为1nm-10nm的沉积层，形成第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层；
S220，采用化学气相淀积工艺在第一本征非晶硅钝化层表面沉积厚度为10nm-100nm的n型非晶硅发射层；
S230，采用化学气相淀积工艺在第二本征非晶硅钝化层表面沉积厚度为 5nm-20nm的p型非晶硅BSF层；
S240，采用物理气相沉积工艺或磁控溅射工艺在p型非晶硅BSF层的表面沉积厚度为50nm-150nm的TCO层；
所述S30包括以下步骤：
S310，抛光GaInP/GaAs双结子电池和HIT子电池表面；
通过化学机械抛光工艺对GaInP/GaAs双结子电池的所述键合层和HIT子电池的n型非晶硅发射层进行表面处理，使得键合层和n型非晶硅发射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HIT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型非晶硅发射层表面进行清洗，并用等离子体进行表面活化处理，然后将键合层和n型非晶硅发射层进行贴合，进而使GaInP/GaAs 双结子电池和HIT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HIT子电池进行低温键合；
将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和HIT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HIT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HIT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，剥离GaAs衬底和GaAs缓冲层；
腐蚀AlAs牺牲层后，GaAs衬底和GaAs缓冲层即可从GaInP/GaAs/HIT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，腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层；
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/HIT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：
与传统技术中以Ge为底电池的三结叠层太阳能电池相比，本发明的三结叠层太阳能电池以HIT太阳能电池为底电池，由于HIT太阳能电池的光电转换效率高，稳定性好，制备工艺简单，成本低。因此，本发明提供的三结叠层太阳能电池具有电转换效率高、稳定性好、成本低的优点。另外，在制备时剥离的 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。
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HIT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，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HIT(铜铟镓硒)太阳能电池。
所述中间电池200、顶电池300和第二隧穿结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HIT结构的硅太阳能电池。所述底电池100 为利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。所述底电池100可以通过化学气相淀积(CVD)及物理气相沉积(PVD)工艺制备而成，也可以通过其他方法制备而成。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包括自下至上依次叠层设置的TCO层110、 p型非晶硅BSF层120(即p-a-SiBSF层)、第一本征非晶硅钝化层130(即第一 i-a-Si钝化层)、p型Si衬底140、第二本征非晶硅钝化层150(即第二i-a-Si 钝化层)和n型非晶硅发射层160(即n-a-Si发射层)。其中，所述TCO层110 的厚度可以为50nm-150nm。所述p型非晶硅BSF层120的厚度可以为5nm-20nm。所述第一本征非晶硅钝化层130和所述第二本征非晶硅钝化层150的厚度可以为1nm-10nm。所述n型非晶硅发射层150的厚度可以为10nm-100nm。
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1.1eV。所述顶电池300、中间电池200和底电池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。本实施例提供的三结叠层太阳能电池可以实现32％(AM1.5)的光电转换效率。基于超薄型(<100μm)HIT底电池的三结叠层太阳能电池可以在无人机、平流层飞艇、电动汽车等领域应用，具有广泛的应用前景。
与传统技术中以Ge为底电池的三结叠层砷化镓太阳能电池相比，传统技术的正向晶格匹配三结砷化镓太阳能电池的光电流密度通常受限于顶电池，Ge底电池上冗余的光电流密度不能被有效的利用，使其不能实现全光谱的吸收利用；且传统技术的正向晶格匹配三结砷化镓太阳能电池的成本较高，其中Ge衬底占到成本的30％-50％。本实施例提供的三结叠层太阳能电池以HIT太阳能电池为底电池。HIT太阳能电池的光电流密度能够被有效利用，光电转换效率高，稳定性好，因此，所述三结叠层太阳能电池的电转换效率高，稳定性好。同时，HIT 太阳能电池的制备工艺简单，成本低。因此，本实施例提供的三结叠层太阳能电池具有成本低的优点。
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与中间电池200连接。所述键合层420与底电池100连接。通过键合层420增加第一隧穿结400的厚度，从而利于第一隧穿结400与底电池100的键合。
所述隧穿层410与键合层420可以通过反向延伸生长制备而成。所述隧穿层410用于实现中间电池200与键合层420的连接。所述键合层420用于实现所述隧穿层410与底电池100的连接。所述键合层420的厚度可以为 50nm—100nm。
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与键合层420连接。所述第一n 型GaInP层412与中间电池200的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。在本实施例中，所述键合层420由GaAs 材料制成，更有利于底电池100的键合，且利于与隧穿层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与中间电池200连接。所述第二n型GaInP层520与顶电池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与中间电池200的n型掺杂 AlxGa1-xAs窗口层240连接。所述第二n型GaInP层520与顶电池300的p型掺杂AlGaInP背场层310连接。
参见图8所示，本实施例提供了一种三结叠层太阳能电池的制备方法，包括：
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。本实施例对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HIT子电池12。
所述HIT子电池12可以通过化学气相淀积(CVD)及物理气相沉积(PVD) 工艺制备而成，也可以通过其他方法制备而成。本申请对所述HIT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HIT子电池12包括自下至上依次叠层设置的TCO层110、p型非晶硅BSF层120(即p-a-SiBSF层)、第一本征非晶硅钝化层130(即第一i-a-Si钝化层)、p型Si衬底140、第二本征非晶硅钝化层140(即第二i-a-Si钝化层)和n型非晶硅发射层150(即n-a-Si 发射层)。其中，所述TCO层110的厚度可以为50nm-150nm。所述p型非晶硅 BSF层120的厚度可以为5nm-20nm。所述第一本征非晶硅钝化层130和第二本征非晶硅钝化层140的厚度可以为1nm-10nm。所述n型非晶硅发射层150的厚度可以为10nm-100nm。
制备所述HIT子电池12的方法包括：
S210，清洗p型Si衬底140表面后，采用CVD工艺在所述p型Si衬底140 两面分别沉积厚度约为1nm-10nm的沉积层，形成第一本征非晶硅钝化层130和第二本征非晶硅钝化层140；其中CVD工艺可以是PECVD，也可以是hotwire CVD。
S220，采用CVD工艺在第一本征非晶硅钝化层130表面沉积厚度为 10nm-100nm的n型非晶硅发射层150；其中CVD工艺可以是PECVD，也可以是 hotwire CVD。
S230，采用CVD工艺在所述第二本征非晶硅钝化层150表面沉积厚度为 5nm-20nm的p型非晶硅BSF层120；其中CVD工艺可以是PECVD，也可以是hotwire CVD。
S240，采用PVD工艺或磁控溅射工艺在p型非晶硅BSF层120的表面沉积厚度为50nm—150nm的TCO层110。
本实施例提供的上述方法形成的HIT子电池12的光电转换效率高，且制备工艺简单，稳定性好，成本低。
S30，将GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12键合，生成 GaInP/GaAs/HIT电池13。
将S10生成的GaInP/GaAs双结子电池11和S20生成的HIT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HIT子电池12的键合，生成GaInP/GaAs/HIT 电池13即可。
S40，剥离GaInP/GaAs/HIT电池13中GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，形成所需的三结叠层太阳能电池。
由于键合生成的GaInP/GaAs/HIT电池13包含GaInP/GaAs双结子电池11 的衬底，还包括所述HIT子电池12的衬底，因此需要剥离GaInP/GaAs双结子电池11的衬底，保留HIT子电池12的衬底。本实施例对剥离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GaInP/GaAs/HIT电池13中剥离即可。剥离后即得到所需的三结叠层太阳能电池。
在得到的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。
在本实施例中，通过外延生长制备GaInP/GaAs双结子电池11，制备HIT子电池12，并将GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12键合，生成 GaInP/GaAs/HIT电池13，然后剥离所述GaInP/GaAs/HIT电池13中GaInP/GaAs 双结子电池11的衬底，形成三结叠层太阳能电池。首先，本实施例提供的方法将所述HIT子电池12与GaInP/GaAs双结子电池11键合，使得所述HIT子电池 12作为三结叠层太阳能电池的底电池。所述HIT制备工艺简单，成本低。因此，本实施例提供的方法具有成本低的优点。其次，所述HIT子电池光电转换效率高，稳定性好，因此，本实施例提供的方法制备的三结叠层太阳能电池的电转换效率高，稳定性好。再次，剥离的GaInP/GaAs/HIT电池13中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。
参见图9所示，S10具体包括以下步骤：
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由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型掺杂的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(优选 1×1018cm-3)。
将n型掺杂的GaAs衬底111置于MOCVD操作室，在GaAs衬底111表面依次外延反向生长GaAs缓冲层112、AlAs牺牲层113、GaInP腐蚀停止层114、n 型掺杂GaAs帽层117、GaInP顶电池115、第二隧穿结500、GaAs中电池116、隧穿层410和键合层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，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GaInP/GaAs双结子电池11与HIT子电池12键合形成的三结叠层太阳能电池的结构稳定，光电转换效率高。
参见图10所示，S30具体包括以下步骤：
S310，抛光GaInP/GaAs双结子电池11和所述HIT子电池12表面。
通过化学机械抛光(CMP)工艺对GaInP/GaAs双结子电池11的键合层420 和HIT子电池12的n型非晶硅发射层150进行表面处理，使得键合层420和n 型非晶硅发射层150的表面粗糙度降至1nm以内。
S320，对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12表面进行活化处理，并进行贴合。
将抛光后的键合层420和n型非晶硅发射层150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420和n型非晶硅发射层150进行贴合，进而使GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12通过范德华力贴合在一起。
S330，将贴合的GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12进行低温键合。
将贴合的GaInP/GaAs双结子电池11和HIT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GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12进行60秒—120秒的预热。然后给贴合的 GaInP/GaAs双结子电池11和所述HIT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GaInP/GaAs双结子电池11和所述HIT子电池12进行表面抛光处理，然后对抛光后的GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12表面进行活化处理，并进行贴合，再将贴合的GaInP/GaAs双结子电池11和HIT 子电池12进行低温键合。通过本实施例提供的方法实现所述GaInP/GaAs双结子电池11和HIT子电池12的键合，键合方法简单易操作，且键合结果稳定，提高了三结叠层太阳能电池的稳定性。
参见图11和图12所示，S40具体包括以下步骤：
S410，使用腐蚀液腐蚀AlAs牺牲层113。
S420，剥离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GaAs缓冲层112即可从GaInP/GaAs/HIT电池13中剥离。剥离后的GaAs衬底111能够重复利用，降低三结叠层太阳能电池的制备成本。
S430，腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层114。
用HC1：H2O＝1：1的腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层114，将GaInP腐蚀停止层114从GaInP/GaAs/HIT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AlAs牺牲层113、剥离GaAs衬底111和GaAs缓冲层112，再腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层114。本实施例提供的方法操作简单，且剥离出的GaAs衬底111能够重复利用，可降低制备成本。
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/HIT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HIT太阳能电池，即HIT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/HIT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TCO层、p型非晶硅BSF层即p-a-SiBSF层、第一本征非晶硅钝化层即第一i-a-Si钝化层、p型Si衬底、第二本征非晶硅钝化层即第二i-a-Si钝化层和n型非晶硅发射层即n-a-Si发射层；所述TCO层的厚度为50nm-150nm；所述p型非晶硅BSF层的厚度为5nm-20nm；所述第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层的厚度为1nm-10nm；所述n型非晶硅发射层的厚度为10nm-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/HIT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/HIT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/HIT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为1.1eV。
6.根据权利要求1所述的一种GaInP/GaAs/HIT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；所述隧穿层包括由下自上依次叠层设置的第一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/HIT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/HIT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/HIT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、中电池、第一隧穿结，形成GaInP/GaAs双结子电池；其中，所述GaInP腐蚀停止层和GaInP顶电池之间还包括n型掺杂GaAs帽层；
S20，通过化学气相淀积或物理气相沉积制备HIT子电池；
S30，将所述GaInP/GaAs双结子电池和HIT子电池键合，生成GaInP/GaAs/HIT电池；
S40，剥离GaInP/GaAs/HIT电池中GaInP/GaAs双结子电池的衬底，形成三结叠层太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的一种GaInP/GaAs/HIT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：
选用n型掺杂的GaAs衬底，所述GaAs衬底的厚度为300um-600um，其掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；将n型掺杂的GaAs衬底置于MOCVD操作室，在所述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、隧穿层和键合层；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，其厚度为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，其厚度为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，其厚度可以为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，其厚度为100nm﹣500nm，其掺杂浓度为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，清洗p型Si衬底表面后，采用化学气相淀积工艺在p型Si衬底两面分别沉积厚度为1nm-10nm的沉积层，形成第一本征非晶硅钝化层和第二本征非晶硅钝化层；
S220，采用化学气相淀积工艺在第一本征非晶硅钝化层表面沉积厚度为10nm-100nm的n型非晶硅发射层；
S230，采用化学气相淀积工艺在第二本征非晶硅钝化层表面沉积厚度为5nm-20nm的p型非晶硅BSF层；
S240，采用物理气相沉积工艺或磁控溅射工艺在p型非晶硅BSF层的表面沉积厚度为50nm-150nm的TCO层；
所述S30包括以下步骤：
S310，抛光GaInP/GaAs双结子电池和HIT子电池表面；
通过化学机械抛光工艺对GaInP/GaAs双结子电池的所述键合层和HIT子电池的n型非晶硅发射层进行表面处理，使得键合层和n型非晶硅发射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HIT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型非晶硅发射层表面进行清洗，并用等离子体进行表面活化处理，然后将键合层和n型非晶硅发射层进行贴合，进而使GaInP/GaAs双结子电池和HIT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HIT子电池进行低温键合；
将贴合的GaInP/GaAs双结子电池和HIT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HIT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HIT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，剥离GaAs衬底和GaAs缓冲层；
腐蚀AlAs牺牲层后，GaAs衬底和GaAs缓冲层即可从GaInP/GaAs/HIT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，腐蚀剥离GaInP腐蚀停止层；
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/HIT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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