專利名稱：一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種倒裝三結(jié)化6鄉(xiāng)太陽能電池。
背景技術(shù)：
公知的能源都是不可再生的，經(jīng)過多年的開采之后，這些能源的儲(chǔ)量都在一天天地減少，而且使用后會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，于是人們對太陽能這種取之不盡用之不竭的綠色能源越來越重視，長期以來，都在孜孜不倦地尋找高轉(zhuǎn)換效率的材料。近年來，以GaN 及InGaN，AWaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料——III族氮化物是人們研究的熱點(diǎn)，它主要應(yīng)用于光電器件和高溫、高頻、大功率器件。2002年的研究結(jié)果表明，^iN的禁帶寬度不是之前報(bào)道的1. 89eV而是0. 7eV，這就意味著通過調(diào)節(jié)InGaN材料中h組分，可使其禁帶寬度從3. ^V(GaN)到0. 7eVanN)連續(xù)可調(diào)，也就是其對應(yīng)吸收光譜的波長從紫外部分(365nm) 可以一直延伸到近紅外部分(1770nm)，幾乎完整地覆蓋了整個(gè)太陽光譜，除此之外，還有吸收系數(shù)高、電子遷移率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，于是化6鄉(xiāng)材料在太陽能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們的密切關(guān)注。InGaN太陽能電池的發(fā)展趨勢是制作多結(jié)串聯(lián)太陽能電池，這是由于其禁帶寬度在太陽光譜的最主要范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的，很容易得到與最大理論轉(zhuǎn)換效率相對應(yīng)帶隙的材料，而且當(dāng)電池結(jié)數(shù)增加到更多時(shí)，這個(gè)優(yōu)勢會(huì)更明顯。理論計(jì)算表明，InGaN雙結(jié)和三結(jié)太陽能電池的最高理論轉(zhuǎn)換效率均高于目前已有傳統(tǒng)材料的太陽能電池，例如fe^nP/ GaAs雙結(jié)電池，GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池的理論值。但是在實(shí)際生長過程中不能像傳統(tǒng)材料那樣正向生長，這是由于InGaN材料的生長溫度隨著h含量的減少而增加，若按正向生長的方法會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，從而影響太陽能電池的性能，于是反向生長并倒裝的方法使hGaN 多結(jié)串聯(lián)太陽能電池成為可能。經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)專利號為200710120608. 8，名稱為倒裝雙結(jié)銦鎵氮太陽能電池結(jié)構(gòu)的發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)包括一襯底，其上依次為一低溫氮化鎵成核層，一非有意摻雜氮化鎵緩沖層，一 η型摻雜In3Ga1^N層，一 ρ型摻雜InaGivaN層、一 ρ型重?fù)诫sInbGi^bN層、一 η 型重?fù)诫sInbGi^bN層、一 η型摻雜In。Gai_。N層，一 ρ型摻雜h。Gai_。N層。目前公認(rèn)的理論轉(zhuǎn)換效率為41. 3%，該發(fā)明專利理論轉(zhuǎn)換效率為50%，但上述技術(shù)方案相對三結(jié)或三結(jié)以上電池效率偏低，而且描述至InGaN材料的生長過程，無法作為完整的太陽能電池直接應(yīng)用， InGaN材料生長過程之后的制作將對太陽能電池的性能產(chǎn)生很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題提出一種外量子效率高、光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、電池工作穩(wěn)定性高，并可作為完整的電池直接應(yīng)用的倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其下依次為GaN成核層、GaN緩沖層、三結(jié)InGaN電池和之間的隧道結(jié)、半透明電流擴(kuò)展層，蒸鍍于半透明電流擴(kuò)展層下的正電極， 其特點(diǎn)是所述三結(jié)InGaN電池和隧道自上至下依次為第一 InGaN電池、第一隧道結(jié)、第二 InGaN電池、第二隧道結(jié)、第三InGaN電池，第一 InGaN電池下蒸鍍有負(fù)電極；所述半透明電流擴(kuò)展層和第三InGaN電池之間置有帽層，所述正電極和負(fù)電極通過金屬凸點(diǎn)鍵合于蒸鍍有反射層的載體上。本發(fā)明還可以采取如下技術(shù)方案
所述第一 InGaN電池包括Si摻雜的n-haGai_aN層和Mg摻雜的p_haGai_aN層，其中 0. 45彡a彡0. 65，摻雜濃度為1 X IO17-I X IO1W3,厚度范圍為100nm_300nm ；所述第二 InGaN電池包括Si摻雜的η-Ιι^^^Ν層和Mg摻雜的ρ-Ιι^^^Ν層，其中0. 65彡b彡0. 85， 摻雜濃度為1 X IO17-I X IO1W3,厚度范圍為100nm-300nm ；所述第三InGaN電池包括 Si摻雜的rrfn。Gai_。N層和Mg摻雜的P-IncXkihN層，其中0. 85彡c彡1，摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度范圍為 100nm-300nm。所述第一隧道結(jié)包括Si摻雜的IiMnaGivaN層和Mg摻雜的pMnaGai_aN層，其中 0. 45 ^ a ^ 0. 65，摻雜濃度為1 X IO19-I X 1020Cm_3，厚度范圍為10nm-50nm ；所述第二隧道結(jié)，包括Si摻雜的Ii+-InbGa1^bN層和Mg摻雜的P+-InbGa1^N層，其中0. 65彡b彡0. 85，摻雜濃度為 lX1019-lX102°cnT3，厚度范圍為 10nm-50nm。所述帽層為Mg摻雜的P+-IneGi^eN,其中0. 85彡c彡1，摻雜濃度為 1 X IO19-I X IO20CnT3,厚度范圍為 IOnm-IOOnmo所述載體為Si，所述反射層為Al層和SiA層。所述半透明電流擴(kuò)展層為ITO膜。所述負(fù)電極自上至下為厚度10/30/10/200nm的Ti/Al/Ti/Au，其中上層Ti蒸鍍于第一 InGaN電池Si摻雜的Ii+HnaGanN層下。所述正電極自上至下為厚度30nm的Ni和厚度80nm的Au。所述金屬凸點(diǎn)材料為Au。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是
1、本發(fā)明采用倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽能電池以及hGaN材料生長過程之后的制作，充分吸收了太陽光譜，外量子效率超過70%，理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到55%以上，并可作為完整的電池直接應(yīng)用。2、本發(fā)明采用高摻雜層作為帽層，有利于實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，加之蒸鍍半透明電流擴(kuò)展層，進(jìn)一步加強(qiáng)了對載流子的收集，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。3、本發(fā)明采用金屬凸點(diǎn)和起機(jī)械支撐作用的載體，提高了電池的機(jī)械強(qiáng)度，提升了鍵合成功的幾率，從而延長了電池的使用壽命，加強(qiáng)了電池工作的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明第一次光刻后的俯視示意圖； 圖3為本發(fā)明第二次光刻后的俯視示意圖。圖中1、襯底；2、GaN成核層；3、GaN緩沖層；4、第一 InGaN電池；5、第一隧道結(jié)；6、第二 MiaN電池；7、第二隧道結(jié)；8、第三InGaN電池；9、帽層；10、半透明電流擴(kuò)展層；11、 正電極；12、負(fù)電極；13、金屬凸點(diǎn)；14、反射層；15、載體；16、蝕刻區(qū)；17、保護(hù)區(qū)；18、正電極區(qū)域；19、負(fù)電極區(qū)域。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下
參閱附圖1-圖3。一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其下依次為GaN成核層、GaN緩沖層、三結(jié)InGaN電池和之間的隧道結(jié)、半透明電流擴(kuò)展層，蒸鍍于半透明電流擴(kuò)展層下的正電極，其特點(diǎn)是所述三結(jié)InGaN電池和隧道自上至下依次為第一 InGaN電池、第一隧道結(jié)、 第二 InGaN電池、第二隧道結(jié)、第三InGaN電池，第一 InGaN電池下蒸鍍有負(fù)電極；所述半透明電流擴(kuò)展層和第三InGaN電池之間置有帽層，所述正電極和負(fù)電極通過金屬凸點(diǎn)鍵合于蒸鍍有反射層的載體上。其制作過程為
選用Si作為載體15，采用公知的蒸鍍工藝在載體上先蒸鍍一層厚度200nm的Al，再蒸鍍一層厚度80nm的SiO2,形成圖1中所示的反射層14 ；
采用MOCVD即金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底1上面依次生長GaN成核層 2、GaN緩沖層3、第一 InGaN電池4、第一隧道結(jié)5、第二 InGaN電池6、第二隧道結(jié)7、第三 InGaN電池8、帽層9，具體制作過程為
GaN成核層，生長溫度為500 - 650°C，厚度范圍為10-40nm，本層可增加襯底表面的成核密度；
GaN緩沖層，生長溫度為950 - IlOO0C，厚度范圍為1_3 μ m,本層可減少外延層的缺陷密度，從而提高晶體質(zhì)量；
第一 InGaN電池，包括Si摻雜的ηΗη^ε^Ν層和Mg摻雜的ρΗη^ε^Ν層，其中 0. 45 ^ a ^ 0. 65，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為1 X IO17-I X IO19cnT3，厚度范圍為 100nm-300nm ；
第一隧道結(jié)，包括Si摻雜的n+-haGai_aN層和Mg摻雜的P+-InaGi^aN層，其中 0. 45 ^ a ^ 0. 65，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°cnT3，厚度范圍為 10nm_50nm ；
第二 InGaN電池，包括Si摻雜的η-Ιι^^^Ν層和Mg摻雜的P-Inb^vbN層，其中 0.65彡b彡0. 85，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為1 X IO17-I X IO19cnT3，厚度范圍為 100nm-300nm ；
第二隧道結(jié)，包括Si摻雜的Ii+-InbGivbN層和Mg摻雜的p+-InbGai_bN層，其中 0.65彡b彡0. 85，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°cnT3，厚度范圍為 10nm_50nm ；
第三InGaN電池，包括Si摻雜的Ii-IncGa1^cN層和Mg摻雜的P-IncGa1^cN層，其中 0.85彡c彡1，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為1 X IO17-I X IO19CnT3，厚度范圍為 100nm-300nm ；
帽層為Mg摻雜的P+-IneGi^eN,其中0. 85彡c彡1，生長溫度為600 - 1000°C，摻雜濃度為 lX1019-lX102°cnT3，厚度范圍為 IOnm-IOOnm0上述各層材料生長之后，總時(shí)間為5-7小時(shí)，在帽層上蒸鍍ITO膜作為半透明電流擴(kuò)展層10，再依次進(jìn)行第一次光刻、干法蝕刻、第二次光刻、蒸鍍正電極11和負(fù)電極12，構(gòu)成太陽電池器件，然后將太陽電池器件倒置，鍵合到蒸鍍有反射層的載體15上，制作過程如下
蒸鍍ITO 采用公知的蒸鍍工藝蒸鍍ITO膜。為保持ITO薄膜的化學(xué)比不失衡，蒸鍍時(shí)真空度為10-4 以下，同時(shí)通流量約為3. 5sccm的氧氣，蒸鍍時(shí)間為1. 5-2. 5小時(shí)，形成厚度100-300nm半透明電流擴(kuò)展層，之后放置在450°C的N2環(huán)境下，退火15分鐘； 第一次光刻采用公知的光刻工藝，光刻出圖2所示的保護(hù)區(qū)17和蝕刻區(qū)16 ； 干法蝕刻采用公知的干法蝕刻工藝，去掉蝕刻區(qū)的半透明電流擴(kuò)展層、帽層、第三 InGaN電池、第二隧道結(jié)電池、第二 InGaN電池、第一隧道結(jié)、第一 InGaN電池的PHnaGi^aN 層；
第二次光刻采用公知的光刻工藝，在保護(hù)區(qū)的半透明電流擴(kuò)展層上刻出圖3所示的正電極區(qū)域18，在蝕刻區(qū)第一 InGaN電池的IiHnaGivaN層上刻出圖3所示的負(fù)電極區(qū)域 19 ；
蒸鍍正電極采用公知的蒸鍍工藝在正電極區(qū)域先蒸鍍一層厚度30nm的Ni，再蒸鍍一層厚度80nm的Au，共蒸鍍1. 5-2. 5小時(shí)，形成圖1所示的正電極；蒸鍍時(shí)的真空度為 IO-4Pa以下，最后在500°C的隊(duì)環(huán)境下，退火1分鐘；
蒸鍍負(fù)電極采用公知的蒸鍍工藝在負(fù)電極區(qū)域依次蒸鍍厚度為10/30/l(V200nm的 Ti/Al/Ti/Au，共蒸鍍1. 5-2. 5小時(shí)，形成圖1所示的負(fù)電極；蒸鍍時(shí)的真空度要為以下，最后在800°C的隊(duì)環(huán)境下，退火3分鐘，構(gòu)成太陽電池器件。鍵合采用公知的磁控濺射方法在載體的反射層上濺射兩點(diǎn)Au作為金屬凸點(diǎn)13， 然后將制作出的太陽電池器件倒置，并將其正電極和負(fù)電極對準(zhǔn)金屬凸點(diǎn)，采用公知的鍵合工藝在100-800°C和1. 5-3. 5個(gè)大氣壓下鍵合10-40分鐘。通過以上步驟的實(shí)施，完成本發(fā)明倒裝三結(jié)化6鄉(xiāng)太陽能電池的制作過程。以上是對本發(fā)明一具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，對本案保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方法，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其下依次為GaN成核層、GaN緩沖層、三結(jié)InGaN電池和之間的隧道結(jié)、半透明電流擴(kuò)展層，蒸鍍于半透明電流擴(kuò)展層下的正電極，其特征在于所述三結(jié)InGaN電池和隧道自上至下依次為第一 InGaN電池、第一隧道結(jié)、第二 InGaN電池、第二隧道結(jié)、第三InGaN電池，第一 InGaN電池下蒸鍍有負(fù)電極；所述半透明電流擴(kuò)展層和第三InGaN電池之間置有帽層，所述正電極和負(fù)電極通過金屬凸點(diǎn)鍵合于蒸鍍有反射層的載體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述第一InGaN 電池包括Si摻雜的n-haGai_aN層和Mg摻雜的PdnaGahN層，其中0. 45彡a彡0. 65， 摻雜濃度為1 X IO17-I X IO1W3,厚度范圍為100nm-300nm ；所述第二 InGaN電池包括Si摻雜的Ii-Inb^vbN層和Mg摻雜的P-InbGi^bN層，其中0. 65彡b彡0. 85，摻雜濃度為1 X IO17-I X 1019cnT3，厚度范圍為100nm-300nm ；所述第三MGaN電池包括Si 摻雜的Ii-IncGa1^cN層和Mg摻雜的P-IncGa1^cN層，其中0. 85彡c彡1，摻雜濃度為 1 X IO17-I X IO1W3,厚度范圍為 100nm-300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述第一隧道結(jié)包括Si摻雜的nMriaGai_aN層和Mg摻雜的pMnaGai_aN層，其中0. 45彡a彡0. 65，摻雜濃度為 1 X IO19-I X IO20Cm-3,厚度范圍為10nm-50nm ；所述第二隧道結(jié)，包括Si摻雜的Ii+-InbGivbN 層和Mg摻雜的P+-Inb^vbN層，其中0. 65彡b彡0. 85，摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°cnT3，厚度范圍為10nm-50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述帽層為Mg 摻雜的P+-IncGa1^cN,其中0. 85彡c彡1，摻雜濃度為1 X IO19-I X 102°cnT3，厚度范圍為 IOnm-IOOnm0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述載體為Si，所述反射層為Al層和SiO2層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述半透明電流擴(kuò)展層為ITO膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述負(fù)電極自上至下為厚度10/30/10/200nm的Ti/Al/Ti/Au，其中上層Ti蒸鍍于第一 InGaN電池Si摻雜的n+-haGai_aN層下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述正電極自上至下為厚度30nm的Ni和厚度80nm的Au。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述金屬凸點(diǎn)材料為Au。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種倒裝三結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其下依次為GaN成核層、GaN緩沖層、三結(jié)InGaN電池和之間的隧道結(jié)、半透明電流擴(kuò)展層，半透明電流擴(kuò)展層下的正電極和第一InGaN電池下的負(fù)電極；半透明電流擴(kuò)展層和第三InGaN電池之間置有帽層，正、負(fù)電極通過金屬凸點(diǎn)鍵合于蒸鍍有反射層的載體上。本發(fā)明采用倒裝結(jié)構(gòu)三結(jié)太陽能電池以及InGaN材料生長過程之后的高摻雜層作帽層、金屬凸點(diǎn)和載體，充分吸收了太陽光譜，外量子效率超過70%，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，延長了電池的使用壽命，加強(qiáng)了電池工作的穩(wěn)定性，并可作為完整的電池直接應(yīng)用。
文檔編號H01L31/0352GK102324443SQ201110281900
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者劉如彬, 孫強(qiáng), 康培, 張啟明, 王帥, 穆杰, 高鵬 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所, 天津藍(lán)天太陽科技有限公司