專利名稱：GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光伏領(lǐng)域,尤其涉及一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法。
背景技術(shù)：
作為一種理想的綠色能源材料，太陽電池成為各國的研究熱點，為了促進(jìn)太陽電池的進(jìn)一步實用化，提高其光電轉(zhuǎn)換效率是其降低發(fā)電成本的一種有效手段。疊層電池采用不同禁帶寬度的子電池串聯(lián)能極大的提高太陽光的利用率，目前研究較多而且技術(shù)較為成熟的體系是GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池，該材料體系在一個太陽下目前達(dá)到的最高轉(zhuǎn)換效率為32-33%。然而該三結(jié)電池中Ge底電池覆蓋較寬的光譜，其短路電流較大，為了實現(xiàn)與其他子電池的電流匹配必然會降低太陽光利用率。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，需要對底電池進(jìn)行拆分，如在GaAs和Ge電池中間插入一帶隙為1.0OeV的InGaAsN材料，做成四結(jié)電池，實現(xiàn) 光電流匹配，提高電池效率。但目前制備的InGaAsN材料缺陷多、載流子遷移率低，影響了電池性能的提高。因此研究人員積極尋求別的途徑來獲得高效的太陽能電池，在GaAs襯底失配生長1.0eV的InGAs被證實是可行的，為了節(jié)省過渡層個數(shù)，一般采用倒裝生長的方法，但器件性能相對正裝生長有所降低。但是由于采用晶格失配生長，1.0eV的InGAs的晶體質(zhì)量很難提高。如單純從晶格匹配的角度采用基于GaAs襯底的GaInP/GaAs(l.9/1.42eV)和InP襯底的InGaAsP/InGaAs(l.05/0.74eV)雙結(jié)電池的鍵合，采用常規(guī)的晶片鍵合技術(shù)則需要GaAs和InP兩個襯底生長，可以采用倒裝生長GaAs基雙結(jié)電池并剝離GaAs襯底，但增加了一步剝離工藝，增加了電池制作成本及制作工藝的難度；且采用機(jī)械強(qiáng)度比較低的InP作為支撐襯底，降低了電池的機(jī)械強(qiáng)度，且同樣尺寸的InP襯底的價格至少是GaAs襯底三倍，增加了電池的成本。如何實現(xiàn)多結(jié)太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和難度成為當(dāng)前II1- V族太陽電池亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻損失，實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，其采用GaAs作為支撐襯底，在其中一面鍵合一層InP，通過雙面生長技術(shù)，分別在GaAs襯底上生長與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池以及在InP層上生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，所述InP的厚度為0.5 10 μ m。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的制作方法具體包括:
1)采用P++雙面拋光GaAs襯底，在其中一面鍵合0.5^10 μ m的N++ InP層，GaAs襯底與InP層間的接觸形成隧道結(jié)；
2)在GaAs襯底上依次生長GaAs緩沖層、GaAs電池、第二隧道結(jié)、GaInP電池和GaAs接觸層；
3)在InP層上依次生長InP緩沖層、InGaAsP電池、第一隧道結(jié)、InGaAs電池和InGaAs接觸層；
4)分別制作正、負(fù)電極和減反膜，最終形成太陽能電池。本發(fā)明還公開了一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池,其采用上述的方法制作而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
一般常規(guī)外延用InP襯底為350微米，而采用鍵合10微米左右的InP薄層技術(shù)，使得每個襯底片可以進(jìn)行至少35次外延，大大節(jié)省了 InP襯底的消耗。而且采用GaAs作為四結(jié)太陽電池的支撐襯底大大提高了電池的機(jī)械強(qiáng)度。在繼承以往兩結(jié)級聯(lián)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較高、穩(wěn)定、壽命長的基礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽電池，以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻損失，實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。


為了更清楚地說 明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為本發(fā)明具體實施例中模板襯底的制作方法；
圖2所示為本發(fā)明具體實施例中在模板襯底上制作GalnP/GaAs雙結(jié)電池的示意圖； 圖3所示為本發(fā)明具體實施例中在模板襯底上制作InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的示意
圖4所示為本發(fā)明具體實施例中制作獲得的GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。
具體實施例方式鑒于現(xiàn)有技術(shù)中以InGaP/ (In) GaAs/Ge三結(jié)級聯(lián)太陽能電池為代表的光伏技術(shù)仍無法達(dá)到與太陽光譜的最佳匹配，以及制作單片級聯(lián)三結(jié)及三結(jié)以上的太陽能電池存在的半導(dǎo)體材料間晶格失配的客觀困難，本發(fā)明實施例提出一種GaAs支撐四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，在繼承以往兩結(jié)級聯(lián)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較高、穩(wěn)定、壽命長的基礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽電池，以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻損失，實現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。具體地,本發(fā)明實施例公開了一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，采用GaAs作為支撐襯底，在其中一面鍵合一層InP，通過雙面生長技術(shù)，分別在GaAs襯底上生長與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池以及在InP層上生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，所述InP的厚度為0.5 10 μ m。在GaAs襯底其中一面鍵合一薄層InP，形成兩種晶格常數(shù)的模板襯底，其中GaAs與InP為歐姆接觸。在模板襯底上分別生長與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池以及與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，實現(xiàn)了帶隙能量分別為1.89/1.42/1.0/0.73eV的四結(jié)級聯(lián)太陽電池。四結(jié)級聯(lián)太陽電池的生長方式為，在GaAs面生長與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池；在InP面生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池。其中GalnP/GaAs雙結(jié)電池生長次序為，按照遠(yuǎn)離GaAs面的方向依次生長GaAs緩沖層，GaAs子電池，第二隧道結(jié)(GalnP/AlGaAs) , GaInP子電池，接觸層。InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池生長次序為，按照遠(yuǎn)離InP面的方向依次生長InP緩沖層，InGaAsP子電池,第一隧道結(jié)(InGaAs/InGaAs),InGaAs子電池，接觸層。最后，還包括以下步驟:在電池片的兩個表面分別制作背電極和柵狀電極，在柵狀電極上面蒸鍍減反膜，最終形成目標(biāo)太陽能電池。下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。參圖1至圖4所示，GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法如下:
1.采用P++雙面拋光GaAs襯底，在其中一面鍵合0.5-10μπι的N++ InP，GaAs與InP間的接觸形成隧道結(jié)。實現(xiàn)了同時具備GaAs與InP晶格常數(shù)的模板襯底單片集成。2.在GaAs面正裝生長GalnP/GaAs雙結(jié)電池，按照遠(yuǎn)離GaAs面的方向依次生長0.2-1 μ m GaAs緩沖層，GaAs電池，第二隧道結(jié)，GaInP電池，0.2-1 μ m的GaAs接觸層。其中 GaAs 電池包括 0.05 μ m P++ AlGaAs 背場,3 μ m p- GaAs 基區(qū),0.15 μ m 的 n+ GaAs 發(fā)射區(qū)，Ο. μπι 的 n++ AlInP 窗口層；第二隧道結(jié)包括，0.02 μ m n++ GaInP,0.02 μ m ρ++AlGaAs ；GaInP 電池包括 0.05 μ m P++ AlGaInP 背場，0.7 μ m p- GaInP 基區(qū)，0.1 μ m η+GaInP 發(fā)射區(qū)，0.04 μ m AlInP 窗口層。
3.在InP面倒裝生長InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，按照遠(yuǎn)離InP面的方向依次生長
0.2-1 μ m InP緩沖層，InGaAsP電池，第一隧道結(jié)，InGaAs電池，0.2-1 μ m的InGaAs接觸層。其中 InGaAs 電池包括，0.05 μ m P++ InP 背場，3 μ m P-1nGaAs 基區(qū)，0.15 μ m η+ 發(fā)射區(qū)，Ο. μπι n++ InP 窗口層；第一隧道結(jié)包括，0.02 μ m n++ InGaAs, 0.02 μ m P++ InGaAs ；InGaAsP 電池包括，0.05 μ m P++ InP 背場，2.8ym P-1nGaAsP 基區(qū)，0.1 μ m n+ InGaAsP發(fā)射區(qū)，0.05μπι n++ InP 窗口層。接下來進(jìn)行電池的工藝過程:在電池片的兩個表面分別制作正負(fù)電極，在柵狀上電極上面蒸鍍減反膜，最終形成目標(biāo)太陽能電池。本實施例中N、N+、N++分別表示摻雜濃度為 1.0X IO17-L OX 1018/cm2、 1.0X 1018-9.0X 1018/cm2、 9.0 X IO18-L O X 1027cm2 ;P_、P++ 分別表示摻雜濃度為"1.0XlO15-1.0 X 1018/cm2^9.0XlO18-1.0XlO2Vcm20上述步驟均米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。若采用MOCVD法，則Ge層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C ;
若采用MBE法，則Ge層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為S1、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程 、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，其特征在于:采用GaAs作為支撐襯底，在其中一面鍵合一層InP，通過雙面生長技術(shù)，分別在GaAs襯底上生長與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池以及在InP層上生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，所述InP的厚度為0.5 10 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，其特征在于:所述的制作方法具體包括: 1)采用P++雙面拋光GaAs襯底，在其中一面鍵合0.5^10 μ m的N++ InP層，GaAs襯底與InP層間的接觸形成隧道結(jié)； 2)在GaAs襯底上依次生長GaAs緩沖層、GaAs電池、第二隧道結(jié)、GaInP電池和GaAs接觸層； 3)在InP層上依次生長InP緩沖層、InGaAsP電池、第一隧道結(jié)、InGaAs電池和InGaAs接觸層； 4)分別制作正、負(fù)電極和減反膜，最終形成太陽能電池。
3.一種權(quán)利要求 1或2所述方法制作的GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。
全文摘要
本申請公開了一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，其特征在于采用GaAs作為支撐襯底，在其中一面鍵合一層InP，通過雙面生長技術(shù)，分別在GaAs襯底上生長與GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs雙結(jié)電池以及在InP層上生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，所述InP的厚度為0.5~10μm。本發(fā)明提出的四結(jié)太陽電池，不但減少InP襯底的消耗，同時還有效解決了生長單片多結(jié)級聯(lián)太陽電池材料的晶格失配問題。實現(xiàn)高電壓、低電流輸出的四結(jié)級聯(lián)太陽電池，有利于提高對太陽光能量的利用。
文檔編號H01L31/0735GK103219414SQ201310151500
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者趙勇明, 董建榮, 李奎龍, 孫玉潤, 曾徐路, 于淑珍, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所