專利名稱：用于太陽能電池的多層薄膜及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于多結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池的多層薄膜及其制備方法和用途，尤其是一種由III-V族半導(dǎo)體材料(GaAs，GaInP等)薄膜構(gòu)成的高效率的多結(jié)太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種可再生的新能源，越來越引起人們的關(guān)注。光伏發(fā)電是太陽能利用的一種方式，因其節(jié)能和環(huán)保的效果，受到廣泛的重視。預(yù)計(jì)到2030年太陽能發(fā)電將占世界電力供應(yīng)的20%以上，2050年達(dá)到50%以上。大規(guī)模的開發(fā)和利用使太陽能在整個(gè)能源供應(yīng)中將占有非常重要的地位。傳統(tǒng)的太陽能電池，包括基于單晶硅的第一代電池和薄膜型的第二代電池，基本都是半導(dǎo)體P-N結(jié)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的電池只能吸收太陽光譜中能量大于其吸收層半導(dǎo)體禁帶寬度(Eg)的光子。因此，吸收層半導(dǎo)體禁帶寬度(Eg)越小，其所能吸收的光子數(shù)也越多， 所能輸出的電流密度也越大，但是所能輸出的電壓越小。光伏電池輸出功率與輸出電壓和輸出電流的乘積成正比。所以必須選擇合適的半導(dǎo)體材料才能獲得最大的輸出功率?；趩蜳-N結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其光吸收層的最佳禁帶寬度是1.4電子伏特(eV)。在單倍太陽光強(qiáng)度下，其理論最大轉(zhuǎn)換效率僅為30%。為了進(jìn)一步增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，把兩個(gè)以上P-N結(jié)串聯(lián)起來形成多結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池，每個(gè)P-N結(jié)對(duì)應(yīng)吸收特定區(qū)域的太陽光譜。圖1為三結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖(Egl > Eg2 > Eg3)，在單個(gè)太陽光強(qiáng)度下，其最大理論轉(zhuǎn)換效率超過 60%。其實(shí)際電池效率可以達(dá)到32%。但是現(xiàn)有的這類電池基本都是基于單晶鍺襯底的砷化鎵三結(jié)太陽能電池，電池成本非常高，主要應(yīng)用于航天軍事領(lǐng)域。采用光學(xué)會(huì)聚的方法將太陽光收集于多結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池上，可以大大節(jié)省多結(jié)太陽能電池的使用面積，從而降低成本，同時(shí)提升光電轉(zhuǎn)化效率。例如，會(huì)聚500倍的太陽光照條件下，之前所述的三結(jié)電池的實(shí)際效率可以超過40%。盡管如此，基于單晶鍺襯底的砷化鎵三結(jié)電池在高倍聚光條件下的發(fā)電成本目前還是高于傳統(tǒng)燃料能源發(fā)電。為了使太陽能發(fā)電可以真正取代傳統(tǒng)非可再生能源發(fā)電，還必須進(jìn)一步降低多結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池的成本。整個(gè)電池制備成本中，單晶襯底(例如鍺襯底、砷化鎵襯底)占到40%-50%。 因此使用廉價(jià)的非晶襯底代替單晶鍺襯底是降低多結(jié)電池成本最有效的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是，提供一種高效率低成本的用于多結(jié)太陽能電池的多層薄膜及其制備方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是，提供一種包括上述多層薄膜的太陽能電池及其用途。一方面，本發(fā)明提供了一種用于太陽能電池的多層薄膜，所述多層薄膜包括1) 非晶或金屬襯底；和2)多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體P-N結(jié)。
優(yōu)選地，所述多層薄膜中的非晶襯底選自金屬、玻璃、塑料和陶瓷。優(yōu)選地，所述金屬選自鋁、銅和鐵。優(yōu)選地，所述非晶襯底的厚度為0. 1-1.0毫米。優(yōu)選地，所述多層薄膜中的多個(gè)P-N結(jié)包括III-V族復(fù)合半導(dǎo)體、II-VI族復(fù)合半導(dǎo)體或IV-IV族復(fù)合半導(dǎo)體；優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)為2個(gè)P-N結(jié)或3個(gè)P-N結(jié)，其選自磷化銦鎵(GaInP)、砷化鎵(GaAs)和砷化鎵銦(InGaAs)中的兩種或三種。另一方面，本發(fā)明提供了制備上述多層薄膜的方法，所述方法包括以下步驟1) 在單晶襯底上外延生長(zhǎng)可用化學(xué)方式腐蝕掉的犧牲層，優(yōu)選為砷化鋁(AlAs)層；幻在步驟 1)所得結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)多個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)；3)用可選擇性地腐蝕犧牲層的化學(xué)溶液，優(yōu)選為氫氟酸溶液浸泡步驟2)所得結(jié)構(gòu)，腐蝕砷化鋁層，從而使多個(gè)P-N結(jié)從單晶襯底上剝離，并將得到的多個(gè)P-N結(jié)組裝于非晶襯底上；或者，將步驟2)所得結(jié)構(gòu)組裝于非晶襯底上，再用氫氟酸溶液浸泡，腐蝕砷化鋁層，從而使組裝于非晶襯底上的多個(gè)P-N結(jié)從單晶襯底上剝離； 4)回收使用步驟3)所得到的單晶襯底。優(yōu)選地，所述方法的步驟1)中采用外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)砷化鋁層；優(yōu)選地，所述砷化鋁層的厚度為10 20納米。優(yōu)選地，所述方法的步驟2)中采用外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)多個(gè)P-N結(jié)；優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)包括III-V族復(fù)合半導(dǎo)體、II-VI族復(fù)合半導(dǎo)體或IV-IV族復(fù)合半導(dǎo)體；更優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)為2個(gè)P-N結(jié)或3個(gè)P-N結(jié)，其選自磷化銦鎵、砷化鎵和砷化鎵銦中的兩種或三種。優(yōu)選地，所述方法的步驟幻中所使用的氫氟酸溶液的重量濃度為10-30% (w/w)。優(yōu)選地，所述方法的步驟幻中采用壓合技術(shù)將多個(gè)P-N結(jié)組裝于非晶襯底上； 優(yōu)選地，所述非晶襯底選自金屬、玻璃、塑料和陶瓷；更優(yōu)選地，所述非晶襯底的厚度為 0. 1-1. 0 毫米。又一方面，本發(fā)明提供了一種太陽能電池，所述太陽能電池包括上述的多層薄膜； 優(yōu)選地，所述電池還包括金屬正負(fù)電極。本發(fā)明還提供了一種三結(jié)電池逆向生長(zhǎng)的方法，如圖3所示，既從GaAs襯底開始， 先生長(zhǎng)吸收層能帶寬度為1. 87eV的InGaP結(jié)，然后生長(zhǎng)吸收層能帶寬度為1. 4eV的GaAs 結(jié)，最后生長(zhǎng)吸收層能帶寬度為1. OeV的InGaAs結(jié)。因?yàn)榻麕挾葹?. OeV的InGaAs薄膜，其晶格常數(shù)為0. 5775納米，大于GaAs襯底和GaAs薄膜的晶格常數(shù)(0. 566納米)，也大于禁帶寬度為1. 87eV的InGaP薄膜的晶格常數(shù)(0. 566納米)，通過逆向生長(zhǎng)方法，可以保證GaAs結(jié)和(ialnP結(jié)在GaAs襯底上在無應(yīng)力條件下生長(zhǎng)，從而獲得高質(zhì)量的單晶薄膜， 確保足夠高的開路電壓。而InGaAs結(jié)可以通過應(yīng)力緩沖層(圖4中的層7)來釋放晶格常數(shù)不一致的應(yīng)力實(shí)現(xiàn)單晶生長(zhǎng)。該逆向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以通過外延基底剝離，在組裝到非晶襯底上時(shí)，將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)。也就是說，面對(duì)太陽光的第一個(gè)吸收層為禁帶寬度最大的 InGaP半導(dǎo)體結(jié)，下面一級(jí)的吸收層為GaAs半導(dǎo)體結(jié)，而最下面的吸收層為禁帶寬度最小的InGaAs半導(dǎo)體結(jié)。此外，本發(fā)明還提供了上述太陽能電池在制備太陽能發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)品和移動(dòng)電子終端產(chǎn)品中的應(yīng)用；優(yōu)選地，所述太陽能發(fā)電領(lǐng)域包括居民、廠礦、商業(yè)樓宇屋頂、汽車外殼和太陽能發(fā)電站，所述移動(dòng)電子終端產(chǎn)品選自計(jì)算器、筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、無線鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器、個(gè)人數(shù)字助理、個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS全球定位儀。本發(fā)明還可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。采用外延剝離的方法，實(shí)現(xiàn)在非晶襯底上組裝III-V族多半導(dǎo)體P-N結(jié)太陽能電池，具體步驟如下首先在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)一層可腐蝕犧牲層，優(yōu)選選用10納米的單晶砷化鋁作為犧牲層；接著在犧牲層上依次生長(zhǎng)磷化鎵銦P-N結(jié)，砷化鎵P-N結(jié)和砷化銦鎵 P-N結(jié)；然后利用氫氟酸(HF)溶液對(duì)III-V族半導(dǎo)體具有選擇性腐蝕的特征，即對(duì)砷化鎵、 砷化鎵銦、磷化銦鎵等幾乎沒有腐蝕性，而對(duì)砷化鋁有特別強(qiáng)的腐蝕特性，腐蝕速率是前者的IO8倍。把砷化鎵襯底上的多結(jié)電池放入的氫氟酸溶液，氫氟酸就能夠腐蝕掉砷化鋁犧牲層，從而把多結(jié)太陽能電池從襯底剝離；然后把剝離的多結(jié)太陽能電池薄膜附著(物理轉(zhuǎn)移)在非晶襯底，包括金屬鋁或玻璃；最后通過壓膜，烘干工藝，把薄膜固化(加固附著力) 在非晶襯底上，包括金屬鋁或玻璃。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，制備非晶襯底的三結(jié)串聯(lián)電池具體工藝步驟如下1)在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)10-20納米砷化鋁作為電池剝離的犧牲層；2)如圖3所示，從下到上生長(zhǎng)窗口層，GaInP結(jié)，GaAs結(jié)和InGaAs結(jié)；3)用磁控濺射的方法在InGaAs上淀積2微米厚的鉬鈦銅合金的金屬電極，對(duì)應(yīng)于圖4中的層2 ；4)把作為非晶襯底的厚度為1毫米左右的銅基板壓合在金屬電極上。銅基板在表面清潔的條件下，通過10個(gè)大氣壓左右的壓強(qiáng)作用30分鐘左右，銅基板就可以和金屬電極合為一體；5)在氫氟酸溶液中浸泡數(shù)個(gè)小時(shí)，砷化鋁層被腐蝕掉，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)三結(jié)電池和砷化鎵襯底剝離；6)在窗口層上通過光刻工藝制備頂電極，從而形成完整的銅基板高效率三結(jié)電池；電池的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。7)砷化鎵襯底通過表面處理后，作為下一次的多級(jí)電池的生長(zhǎng)基底。每次表面處理所消耗的砷化鎵厚度在10微米左右。這樣一個(gè)500微米厚度的砷化鎵襯底至少可以重復(fù)使用20-30次。綜上所述，本發(fā)明利用外延剝離技術(shù)，首次在非晶襯底上，包括金屬鋁，玻璃和陶瓷等，實(shí)現(xiàn)基于III-V族化合物半導(dǎo)體的薄膜高效率多結(jié)太陽能電池。如圖2所示，以晶格常數(shù)與砷化鎵單晶相同或相近的III-V族復(fù)合半導(dǎo)體多結(jié)太陽能電池為例，在砷化鎵襯底上首先生長(zhǎng)一層砷化鋁單晶犧牲層，然后在此襯底上生長(zhǎng)雙結(jié)(例如InGaP/InGaAs (磷化鎵銦/砷化銦鎵))或三結(jié)(例如InGaP/GaAs/lnGaAs (磷化銦鎵/砷化鎵/砷化鎵銦) 電池。接著采用特定溶液有選擇性的將單晶犧牲層腐蝕掉，在其上的薄膜型III-V族多結(jié)電池就會(huì)因此從襯底上剝離。最后將薄膜型III-V族多結(jié)電池組裝于非晶襯底上，而先前所使用的砷化鎵襯底進(jìn)行簡(jiǎn)單處理重復(fù)使用，從而大大節(jié)省了昂貴的砷化鎵單晶襯底的損耗。整個(gè)制備的操作流程如圖2所示。以上技術(shù)方案同樣適用于其它族薄膜半導(dǎo)體太陽能電池的相關(guān)技術(shù)，例如II-VI族、IV-IV族復(fù)合半導(dǎo)體太陽能電池等。本發(fā)明所提供的基于非晶襯底的高效太陽能電池在結(jié)合光學(xué)聚焦技術(shù)后，是一種非常具有成本優(yōu)勢(shì)的太陽能發(fā)電方案。同時(shí)，在制備在柔性非晶襯底上，如金屬鋁襯底上的高效太陽能電池，為高端移動(dòng)電子產(chǎn)品中的無間斷供電提供了一種有效的解決方案。所述太陽能發(fā)電領(lǐng)域包括居民、廠礦、商業(yè)樓宇屋頂、汽車外殼和太陽能發(fā)電站，所述移動(dòng)電子終端產(chǎn)品選自筆記本電腦、智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、無線鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS全球定位儀。由此可見，本發(fā)明所提供的基于非晶襯底的多P-N結(jié)太陽能電池，通過串聯(lián)疊加兩個(gè)或三個(gè)能夠響應(yīng)不同光譜區(qū)間的電池，大大增加了整個(gè)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，通過現(xiàn)在高效多結(jié)電池在非晶襯底的制備，大大降低整個(gè)電池的制備成本。與其它類型的太陽能電池相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1.低成本采用非晶襯底取代單晶鍺襯底，電池成本大大降低。和光學(xué)會(huì)聚技術(shù)結(jié)合，基于這種電池的太陽能系統(tǒng)成本可以最終達(dá)到1美元/峰瓦，接近，甚至低于傳統(tǒng)能源的發(fā)電成本。2.高光電轉(zhuǎn)換效率多結(jié)電池的理論效率為60 %以上，在實(shí)際產(chǎn)品中，其效率在30 %以上。3.高可靠性和使用壽命長(zhǎng)基于砷化鎵銦，砷化鎵和磷化鎵銦的III-V電池材料具有非常穩(wěn)定的化學(xué)特性。 此外電池半導(dǎo)體層的薄膜本身是單晶結(jié)構(gòu)，具有非常低的缺陷密度，電池使用壽命通常在 20年以上。4.易集成外延剝離技術(shù)可以在室溫下把高效多結(jié)電池從砷化鎵單晶襯底上轉(zhuǎn)移到非晶襯底上，如金屬薄膜，柔性塑料上，，具有很高的抗摔性和抗彎折性，可以輕松實(shí)現(xiàn)和筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及MP3隨身聽等外殼的集成。整個(gè)薄膜電池的厚度控制在10微米以下， 最終太陽能電池產(chǎn)品中不含有任何對(duì)人體和環(huán)境有危害的物質(zhì)。本發(fā)明所采用外延剝離技術(shù)制備的基于非晶襯底的多P-N結(jié)太陽能電池，在結(jié)合光學(xué)會(huì)聚技術(shù)后，可以徹底打破目前傳統(tǒng)單晶硅、多晶硅太陽能產(chǎn)品對(duì)于硅原料供給的過分依賴，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本達(dá)到或低于1美元/峰瓦，從而使太陽能的大規(guī)模應(yīng)用、以及代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)電方式成為可能。本技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用能夠?qū)⒛壳暗?5-20美分/千瓦時(shí)光伏發(fā)電成本降低到5-7美分/千瓦時(shí)，可與火力發(fā)電成本相媲美，從而帶來世界范圍內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)的改善，并大量減少大氣污染和二氧化碳的排放量。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中已有的三個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所采用的外延剝離技術(shù)的操作流程示意圖。圖3為本發(fā)明所提供的制備非晶襯底三結(jié)串聯(lián)電池的工藝流程示意圖。圖4為本發(fā)明所提供的非晶襯底三結(jié)串聯(lián)電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為金屬襯底(銅或鋁)；2為金屬緩沖壓合層；3為P型砷化鎵銦導(dǎo)電層；4為P型砷化鎵銦吸收層 (1. OeV) ；5為N型砷化鎵銦電子注入層；6為N型磷化鎵銦窗口層；7為N型磷化鎵銦緩沖層；8為砷化鎵P-N結(jié)(隧穿層)；9為P型砷化鎵吸收層(IjeV) ； 10為N型砷化鎵電子注入層；11為N型磷化鎵銦窗口層；12為磷化鎵銦P-N結(jié)(隧穿層)；13為P型磷化鎵銦吸收層(LSeV) ；14為N型磷化鎵銦電子注入層；15為N型磷化銦鋁窗口層；16為金屬電極； 17為增透層。
具體實(shí)施例方式以下參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。^MLl本發(fā)明所提供的基于金屬襯底的III-V三結(jié)串聯(lián)電池及其制備方法本實(shí)施例為本發(fā)明所提供的基于金屬襯底的III-V三結(jié)串聯(lián)電池，其完整結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中1為廉價(jià)非晶襯底，可以為銅基板或鋁基板等，同時(shí)作為電流輸出的電極之一。2為金屬緩沖壓合層，主要是鈦鉬銅合金，厚度為2微米左右。3為高濃度ρ型摻雜的砷化鎵銦導(dǎo)電層，厚度為200納米，ρ型摻雜濃度為 5 X IO1W304為ρ型砷化鎵銦吸收層，摩爾組分構(gòu)成為Ina3Giia7Asi,其晶格常數(shù)為0. 5775納米，對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為1. OeV，厚度3000納米，ρ型摻雜濃度1017cm_3，用于吸收太陽光譜中能量大于1. OeV小于1. 42eV的光子。5為η型砷化鎵銦電子注入層，摩爾組分構(gòu)成為Ina3Giia7Asi，對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為 1. OeV，厚度為300納米，η型摻雜濃度2 X IO18cnT3。6為η型磷化鎵銦窗口層，摩爾組分為Giia23Ina78P1，其晶格常數(shù)也為0. 5775納米， 對(duì)應(yīng)的禁帶寬度為1. MeV，厚度為200納米，η型摻雜濃度為1018cnT3。7為η型磷化鎵銦緩沖層，，其厚度為3000納米，其摩爾組分從G^l23Ina ^P1 (6/7界面)，對(duì)應(yīng)禁帶寬度為1. 54eV,晶格常數(shù)為0. 5775納米，漸變?yōu)镚iici. 5In0. (7/8界面)，對(duì)應(yīng)禁帶寬度為1.87eV，晶格常數(shù)為0.566納米，作為應(yīng)力緩沖層。η型摻雜濃度為1019cnT3。8是基于砷化鎵的隧穿P-N結(jié)，由ρ型砷化鎵層和η型砷化鎵層組成；其中η型砷化鎵和η型磷化鎵銦緩沖層7相連；P型砷化鎵的厚度100納米，摻雜濃度為5Χ 1018cm_3，n 型砷化鎵的厚度為50納米，摻雜濃度為2X 1018cnT3。9是基于ρ型砷化鎵的吸收層，厚度為3000納米，ρ型摻雜的濃度時(shí)1017cm_3，用于吸收太陽光譜中能量大于1. 42eV小于1. 87eV的光子。10是η型砷化鎵電子注入層，其η型摻雜濃度為1018cm_3，其厚度為300納米。11是η型磷化鎵銦窗口層，其摩爾組分為Intl 5Giia5P1，其厚度為100納米，其η型摻雜濃度為1017cm_3，其晶格常數(shù)和砷化鎵一致，禁帶寬度為1.87eV。12是基于磷化鎵銦(Ina5Giia5P1)的隧穿P-N結(jié)，由ρ型和η型磷化鎵銦組成；其中P型是基于磷化鎵銦(1%^5P1)的厚度100納米，摻雜濃度為5X1018cm_3，η型是基于磷化鎵銦(Ina5Giia5P1)的厚度為50納米，摻雜濃度為2X1018cm_3，其中η型磷化鎵銦 (In0.^5P1)連接η型磷化鎵銦窗口層11。13是ρ型磷化鎵銦(Ina5Gaa5P1)吸收層，其厚度為500-600納米，ρ型摻雜濃度為 1017cm_3，用于吸收太陽光譜中能量大于1. 87eV的光子。14是η型磷化鎵銦(Ina5Giia5P)電子注入層，其厚度為300納米，η型摻雜濃度為1018Cm_3。15是η型磷化銦鋁(Ala5Ina5P)窗口層，其摻雜濃度為1019cnT3，厚度為100納米， 禁帶寬度為2. 36eV,晶格常數(shù)為0. 566納米。16為頂部金屬電極，有鈦金合金組成，厚度為300納米增透層。17為增透層，有非晶態(tài)S^2構(gòu)成，厚度為500納米。制備上述非晶襯底的三結(jié)串聯(lián)電池的工藝步驟如圖3所示，具體包括以下步驟1)在砷化鎵襯底上生長(zhǎng)10-20納米砷化鋁作為電池剝離的犧牲層；2)如圖3所示，從下到上生長(zhǎng)窗口層、GaInP結(jié)、GaAs結(jié)和InGaAs結(jié)；以上結(jié)構(gòu)的制備采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延片生長(zhǎng)技術(shù)(詳細(xì)信息請(qǐng)參考文獻(xiàn) Organometallic Vapor-Phase Epitaxy Theory andPractice，Gerald B. Stringfellow, Academic Press，1999)。3)用磁控濺射方法在InGaAs上淀積2微米厚的鉬鈦銅合金的金屬電極，對(duì)應(yīng)于圖 4中的層2 ；4)把厚度為1毫米左右的銅基板壓合在金屬電極上，銅基板在表面清潔的條件下，通過10個(gè)大氣壓左右的壓強(qiáng)作用30分鐘左右，銅基板就可以和金屬電極合為一體；5)在氫氟酸溶液中浸泡數(shù)個(gè)小時(shí)，砷化鋁層被腐蝕掉，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)三結(jié)電池和砷化鎵襯底剝離；用于腐蝕的氫氟酸水溶液，其中的氫氟酸重量濃度為10% (w/w)，腐蝕溫度控制在20°C，此時(shí)氫氟酸溶液對(duì)砷化鋁的腐蝕速率是每小時(shí)0. 5毫米；6)在窗口層上通過光刻工藝制備頂電極，從而形成完整的銅基板高效率三結(jié)電池；7)砷化鎵襯底通過化學(xué)機(jī)械拋光表面處理后，作為下一次的多級(jí)電池的生長(zhǎng)基底。每次表面處理所消耗的砷化鎵厚度在10微米左右?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)的三結(jié)P-N結(jié)串聯(lián)電池，其轉(zhuǎn)化效率在30%以上。測(cè)試方法詳見 Physics of Semiconductor Devices, S. Μ. SZE & KWOK K. NG, WILEY INTERSCIENCE，2007。實(shí)施例2本發(fā)明所提供的基于金屬襯底的III-V雙結(jié)串聯(lián)電池本實(shí)施例為本發(fā)明所提供的III-V族雙結(jié)串聯(lián)電池。去除圖4中的層4，5，6，7，就構(gòu)成基于磷化鎵銦(InGaP)和砷化鎵(GaAs)的雙結(jié)P_N結(jié)串聯(lián)電池，其具體的制備工藝同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)定，該III-V族雙結(jié)串聯(lián)電池的轉(zhuǎn)換效率在25%以上。實(shí)MMl本發(fā)明所提供的基于非晶襯的多結(jié)薄膜太陽能電池的應(yīng)用本實(shí)施例為本發(fā)明非晶襯底高效率多結(jié)薄膜太陽能電池的應(yīng)用。本發(fā)明所研制開發(fā)的非晶襯底高效率多結(jié)薄膜太陽能電池的應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電領(lǐng)域里，包括民用和商用屋頂發(fā)電、個(gè)人便攜式電子產(chǎn)品的供電與充電、城市郊區(qū)的中等規(guī)模與入電網(wǎng)的大規(guī)模太陽能發(fā)電站等。1.本發(fā)明的太陽能電池在太陽能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用由于基于非晶襯底高效率多結(jié)薄膜太陽能電池的有易集成、高可靠性、使用壽命長(zhǎng)、輕便美觀環(huán)保和低成本的特點(diǎn)，普通的居民、廠礦、商業(yè)樓宇屋頂、汽車外殼均可安裝此類薄膜太陽能電池，為生活、生產(chǎn)辦公、以及交通運(yùn)輸提供電力。除此以外，基于非晶襯底高效率多結(jié)薄膜太陽能電池，通過光學(xué)會(huì)聚方法，進(jìn)一步減小太陽能電池面積，還可大規(guī)模部署在人口稀少的城市郊區(qū)或沙漠地區(qū)，形成太陽能發(fā)電站，并入電網(wǎng)為更大的區(qū)域提供電力。2.本發(fā)明的太陽能電池在便攜電子產(chǎn)品中的應(yīng)用移動(dòng)電子終端產(chǎn)品，例如計(jì)算器、筆記本電腦、無線鼠標(biāo)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器、GPS全球定位僅、PDA (個(gè)人數(shù)字助理)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)等，已經(jīng)成為現(xiàn)代生活不可缺少的部分。但是它們的性能和應(yīng)用都受到本身電池容量的限制。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，通常筆記本電腦電池只能維持大約三個(gè)小時(shí)的文檔處理，兩個(gè)小時(shí)的DVD 播放；手機(jī)電池也只能提供三個(gè)小時(shí)左右的通話；一節(jié)7號(hào)電池也只能維持MP3播放器7個(gè)小時(shí)的工作。這對(duì)于需要經(jīng)常出行的人們來說非常不便。集成于電子設(shè)備上的太陽能電池可以從任何光源(太陽，室內(nèi)外照明燈，甚至高溫物體的紅外輻射)中直接獲取光能并轉(zhuǎn)化為電能。在光線強(qiáng)烈的場(chǎng)合(如天氣晴朗時(shí)天安門廣場(chǎng))，太陽能電池本身可以提供足夠大的功率維持移動(dòng)電子終端工作，同時(shí)對(duì)化學(xué)電池進(jìn)行充電。在光線較弱的場(chǎng)合(如戶內(nèi))， 太陽能電池可以從照明燈中獲取能量，從而大大延長(zhǎng)化學(xué)電池使用時(shí)間，同時(shí)提高能源的使用效率。綜上所述，多結(jié)太陽能電池是通過串聯(lián)兩個(gè)以上的半導(dǎo)體P-N，增強(qiáng)對(duì)太陽能光譜的吸收，大大增加電池的光電轉(zhuǎn)化效率。在本發(fā)明中首次提出了并驗(yàn)證了通過對(duì)外延剝離的方法在非晶襯底上制備單晶的高效率的多結(jié)薄膜太陽能電池。其中砷化鎵結(jié)和磷化鎵銦結(jié)串聯(lián)的雙結(jié)電池，其光電轉(zhuǎn)化效率在25%以上；其中從底到頂，以砷化鎵銦結(jié)、砷化鎵結(jié)和磷化鎵銦結(jié)串聯(lián)的三結(jié)電池，其光電轉(zhuǎn)化效率在30%以上。通過外延剝離，結(jié)合襯底壓合技術(shù)(壓膜)，可以實(shí)現(xiàn)在耐高溫的非晶襯底上，如陶瓷上，制作出單晶的多結(jié)高效薄膜電池。與已有的薄膜太陽能電池材料相比，通過本發(fā)明制備的高效薄膜電池具有以下優(yōu)點(diǎn)，其本身材料化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成本低廉相對(duì)較低、并可直接組裝在可彎折基底上，或者其它耐高溫的非晶襯底上。除了可以應(yīng)用在居民、商業(yè)與廠礦屋頂發(fā)電以及大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電外，它還可以被集成在各類便攜式電子終端產(chǎn)品的外殼上，為這些移動(dòng)電子終端直接供電或?qū)ζ湫铍姵剡M(jìn)行充電。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能電池的多層薄膜，其特征在于，所述多層薄膜包括1)非晶襯底；和 2)多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體P-N結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層薄膜，其特征在于，所述非晶襯底選自金屬、玻璃、塑料和陶瓷；優(yōu)選地，所述金屬選自鋁、銅和鐵；更優(yōu)選地，所述非晶襯底的厚度為為0. 1-1. 0毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層薄膜，其特征在于，所述多個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)包括 IH-V族復(fù)合半導(dǎo)體、II-VI族復(fù)合半導(dǎo)體或IV-IV族復(fù)合半導(dǎo)體；優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)為2個(gè)P-N結(jié)或3個(gè)P-N結(jié)，其選自磷化銦鎵、砷化鎵和砷化鎵銦中的兩種或三種。
4.制備權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多層薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)在單晶襯底上生長(zhǎng)砷化鋁犧牲層；2)在步驟1)所得結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)多個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)；3)用氫氟酸溶液浸泡步驟幻所得結(jié)構(gòu)，使砷化鋁犧牲層被腐蝕，從而使多個(gè)P-N結(jié)從單晶襯底上剝離，并將得到的多個(gè)P-N結(jié)組裝于非晶襯底上；或者將步驟2、所得結(jié)構(gòu)組裝于非晶襯底上，再用氫氟酸溶液浸泡，腐蝕砷化鋁犧牲層，從而使組裝于非晶襯底上的多個(gè)P-N結(jié)從單晶襯底上剝離；4)回收使用步驟3)所得到的單晶襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟1)中采用外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)砷化鋁層；優(yōu)選地，所述砷化鋁層的厚度為10 20納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步驟幻中采用外延生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)多個(gè)P-N結(jié)；優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)包括III-V族復(fù)合半導(dǎo)體、II-VI族復(fù)合半導(dǎo)體或 IV-IV族復(fù)合半導(dǎo)體；更優(yōu)選地，所述多個(gè)P-N結(jié)為2個(gè)P-N結(jié)或3個(gè)P-N結(jié)，其選自磷化銦鎵、砷化鎵和砷化鎵銦中的兩種或三種。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟幻中所使用的氫氟酸溶液的重量濃度為10-30% (w/w) 0
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟；3)中采用壓合技術(shù)將多個(gè)P-N結(jié)組裝于非晶襯底上；優(yōu)選地，所述非晶襯底選自金屬、玻璃、塑料和陶瓷；更優(yōu)選地，所述非晶襯底的厚度為0. 3-1. 0毫米。
9.一種太陽能電池，其特征在于，所述電池包括權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多層薄膜；優(yōu)選地，所述電池還包括金屬正負(fù)電極。
10.權(quán)利要求9所述太陽能電池在制備太陽能發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)品和移動(dòng)電子終端產(chǎn)品中的應(yīng)用；優(yōu)選地，所述太陽能發(fā)電領(lǐng)域包括居民、廠礦、商業(yè)樓宇屋頂、汽車外殼和太陽能發(fā)電站，所述移動(dòng)電子終端產(chǎn)品選自計(jì)算器、筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)、無線鼠標(biāo)、藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器、個(gè)人數(shù)字助理、個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS全球定位儀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于太陽能電池的多層薄膜及其制備方法和用途。本發(fā)明所提供的用于太陽能電池的多層薄膜包括1)非晶襯底，例如金屬、玻璃和陶瓷；和2)由III-V族半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多個(gè)串聯(lián)的P-N結(jié)。本發(fā)明通過對(duì)外延剝離的方法在非晶襯底上制備多結(jié)薄膜太陽能電池，材料化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成本低廉相對(duì)較低，可直接組裝在可彎折基底或其它非晶襯底上。
文檔編號(hào)H01L31/0392GK102376788SQ20101025432
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者朱忻, 王偉明 申請(qǐng)人:朱忻, 王偉明