專利名稱：四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法及該方法制作得到的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池。
背景技術(shù)：
作為一種理想的綠色能源材料，太陽(yáng)電池成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)，為了促進(jìn)太陽(yáng)電池的進(jìn)一步實(shí)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)能極大地提高太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)與其他子電池的電流匹配必然會(huì)降低太陽(yáng)光利用率。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，需要對(duì)底電池進(jìn)行拆分，如在GaAs和Ge電池中間插入一帶隙為l.0OeV的InGaAsN材料,做成四結(jié)電池，實(shí)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(lái)獲得高效的太陽(yáng)能電池，在GaAs襯底失配生長(zhǎng)1.0eV的InGAs被證實(shí)是可行的，為了節(jié)省過(guò)渡層個(gè)數(shù)，一般采用倒裝生長(zhǎng)的方法，但器件性能相對(duì)正裝生長(zhǎng)有所降低。而且1.0eV的InGAs與GaAs存在2.1%的晶格失配，其晶體質(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GalnP/GaAs (1.9/1.42eV)和InP襯底的InGaAsP/InGaAs (1.05/0.74eV)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(gè)襯底生長(zhǎng)，可以采用倒裝生長(zhǎng)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。如何實(shí)現(xiàn)多結(jié)太·陽(yáng)電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時(shí)而又不提高電池制作成本和難度成為當(dāng)前II1- V族太陽(yáng)電池亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，在繼承以往兩結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽(yáng)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(yáng)電池中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，采用InP作為支撐襯底，首先在InP襯底上制備與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；然后在InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上制備一 InP鍵合層，并在所述InP鍵合層上鍵合一 GaAs鍵合層；最后在GaAs鍵合層上制備與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池；最終得到帶隙能量分別為1.89/1.42/1.0/0.73eV的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池。所述InP鍵合層與GaAs鍵合層形成隧道結(jié)；優(yōu)選地，所述InP鍵合層的厚度為10-50nm ;所述GaAs鍵合層的厚度為0.01-10 μ m。 優(yōu)選地，制備InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在InP襯底上按照遠(yuǎn)離InP襯底的方向依次生長(zhǎng)InP緩沖層，InGaAs子電池，第一隧道結(jié)以及InGaAsP子電池。 優(yōu)選地，制備GalnP/GaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在GaAs鍵合層上按照遠(yuǎn)離GaAs鍵合層上的方向依次生長(zhǎng)GaAs緩沖層，GaAs子電池，第二隧道結(jié)以及GaInP子電池。另外，該方法還包括在電池的表面制作正負(fù)電極以及減反膜。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，該太陽(yáng)電池包括與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池和與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池，所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池生長(zhǎng)于InP襯底上；所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上設(shè)置有一InP鍵合層，所述InP鍵合層上鍵合有一 GaAs鍵合層；所述GalnP/GaAs雙結(jié)電池生長(zhǎng)于GaAs鍵合層上；所述InP鍵合層與GaAs鍵合層形成隧道結(jié)。優(yōu)選地，所述InP鍵合層的厚度為10_50nm。優(yōu)選地，所述GaAs鍵合層的厚度為0.01-10 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1) 一般常規(guī)外延用GaAs襯底的厚度為350微米，而本發(fā)明采用鍵合10微米以下的GaAs薄層技術(shù)，直接在該GaAs鍵合層上制備雙結(jié)電池，大大節(jié)省了 GaAs襯底的消耗；并且，As作為稀有金屬與劇毒物質(zhì)，減少其使用量也減少了對(duì)環(huán)境的污染；2)本發(fā)明在繼承以往兩結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，制備得到的四結(jié)單片高效太陽(yáng)電池可以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽(yáng)電池 中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例制備四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的工藝流程示意圖。圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中在InP襯底上制備的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中在InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上制備InP鍵合層與GaAs鍵合層的不意圖。圖4為發(fā)明一實(shí)施例制備獲得的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將對(duì)結(jié)合附圖用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。如前所述，鑒于目前以InGaP/ (In)GaAs/Ge三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池為代表的光伏技術(shù)仍無(wú)法達(dá)到與太陽(yáng)光譜的最佳匹配，以及制作單片級(jí)聯(lián)三結(jié)及三結(jié)以上的太陽(yáng)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)明的目的是提出一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，在繼承以往兩結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽(yáng)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(yáng)電池中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，采用InP作為支撐襯底，首先在InP襯底上制備與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；然后在InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上制備一 InP鍵合層，并在所述InP鍵合層上鍵合一 GaAs鍵合層；最后在GaAs鍵合層上制備與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池；最終得到帶隙能量分別為
1.89/1.42/1.0/0.73eV的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池。所述InP鍵合層與GaAs鍵合層形成隧道結(jié)；優(yōu)選地，所述InP鍵合層的厚度為10-50nm ;所述GaAs鍵合層的厚度為0.01-10 μ m。優(yōu)選地，制備InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在InP襯底上按照遠(yuǎn)離InP襯底的方向依次生長(zhǎng)InP緩沖層，InGaAs子電池，第一隧道結(jié)以及InGaAsP子電池；制備GalnP/GaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在GaAs鍵合層上按照遠(yuǎn)離GaAs鍵合層上的方向依次生長(zhǎng)GaAs緩沖層，GaAs子電池，第二隧道結(jié)以及GaInP子電池。參圖1至圖4所示，四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法具體包括以下步驟:S101,采用InP作為支撐襯底，生長(zhǎng)與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，按照遠(yuǎn)離InP面的方向依次生長(zhǎng)0.2-1 μ mlnP緩沖層，InGaAs電池,第一隧道結(jié)，InGaAsP電池。其中InGaAs 電池包括，0.05 μ mP++InP 背場(chǎng)，3 μ mP-1nGaAs 基區(qū)，0.15 μ mn+ 發(fā)射區(qū)，0.1 μ mn++InP 窗口層；第一隧道結(jié)包括，0.02 μ mn++InGaAs, 0.02 μ mP++InGaAs ；InGaAsP 電池包括，0.05 μ mP++InP 背場(chǎng)，2.8 μ mP-1nGaAsP 基區(qū)，0.1 μ mn+InGaAsP 發(fā)射區(qū)，
0.05μπιη++ΙηΡ 窗口層；S102·,在InGaAsP電池上制備一厚度為10_50nm的InP鍵合層，然后在InP鍵合層的面上鍵合0.01-10 μ m的P++GaAs材料層形成GaAs鍵合層，所述InP鍵合層與GaAs鍵合層之間形成異質(zhì)隧道結(jié)；S103，在GaAs鍵合層上正裝生長(zhǎng)GalnP/GaAs雙結(jié)電池，按照遠(yuǎn)離GaAs面的方向依次生長(zhǎng)0.2-1 μ mGaAs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 mP++AlGaAs 背場(chǎng)，3ymp_GaAs 基區(qū)，0.15 μ m的n+GaAs發(fā)射區(qū)，0.1 μ m的η++Α1ΙηΡ窗口層；第二隧道結(jié)包括，0.02 μ mn++GaInP,
0.02 μ mp++AIGaAs ；GaInP 電池包括 0.05 μ mP++AlGaInP 背場(chǎng)，0.7 μ mp-GalnP 基區(qū)，
0.1 μ mn+GalnP 發(fā)射區(qū)，0.04 μ mAl InP 窗口層，0.5 μ mGaAs 接觸層。S104，接下來(lái)進(jìn)行電池的工藝過(guò)程:在電池的表面分別制作正負(fù)電極和減反膜，最終形成目標(biāo)太陽(yáng)能電池。本實(shí)施例中N、N+、N++分別表示摻雜濃度為 1.0XlO17-1.0X 1018/cm2、
1.0X 1018-9.0XlO1Vcm2, 9.0X IO18-L OX IO2Vcm2 ;P_、P++ 分別表示摻雜濃度為
1.0XlO15-L 0X1018/cm2、 9.0 X IO18-L O X 1020/cm2。上述步驟均米用MOCVD (MetalOrganicChemicalVaporDeposition,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE (MolecularBeamEpitaxy,分子束外延)方式生長(zhǎng)。若采用MOCVD法，則各層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，則各層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(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“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(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)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(qǐng)的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于:采用InP作為支撐襯底，首先在InP襯底上制備與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；然后在InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上制備一 InP鍵合層，并在所述InP鍵合層上鍵合一 GaAs鍵合層；最后在GaAs鍵合層上制備與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池；所述InP鍵合層與GaAs鍵合層形成隧道結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于:所述InP鍵合層的厚度為10-50nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于:所述GaAs鍵合層的厚度為0.01-10 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于:制備InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在InP襯底上按照遠(yuǎn)離InP襯底的方向依次生長(zhǎng)InP緩沖層，InGaAs子電池,第一隧道結(jié)以及InGaAsP子電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于AUlGaInP/GaAs雙結(jié)電池的具體步驟為，在GaAs鍵合層上按照遠(yuǎn)離GaAs鍵合層上的方向依次生長(zhǎng)GaAs緩沖層，GaAs子電池，第二隧道結(jié)以及GaInP子電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于:該方法還包括在電池的表面制作正負(fù)電極以及減反膜。
7.一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，包括與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池和與GaAs晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)電池，所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池生長(zhǎng)于InP襯底上；其特征在于:所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上設(shè)置有一 InP鍵合層，所述InP鍵合層上鍵合有一 GaAs鍵合層；所述GalnP/GaAs雙結(jié)電池生長(zhǎng)于GaAs鍵合層上；所述InP鍵合層與GaAs鍵合層形成隧道結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述InP鍵合層的厚度為10_50nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池，其特征在于:所述GaAs鍵合層的厚度為`0.01-10 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種四結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池的制作方法，采用InP作為支撐襯底，首先在InP襯底上制備與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；然后在InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池上制備一InP鍵合層，并在所述InP鍵合層上鍵合一GaAs鍵合層；最后在GaAs鍵合層上制備與GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs雙結(jié)電池。本發(fā)明在繼承以往兩結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，制備得到的四結(jié)單片高效太陽(yáng)電池可以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽(yáng)電池中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/18GK103247722SQ20131019695
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月24日
發(fā)明者趙勇明, 董建榮, 李奎龍, 孫玉潤(rùn), 曾徐路, 于淑珍, 趙春雨, 楊輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所