本實用新型屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池。

背景技術(shù)：

太陽能作為一種重要的可再生的清潔能源，對緩解日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染有著十分重要的意義。太陽能電池是利用半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換的技術(shù)原理，將太陽能源直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。與其他能源相比，太陽電池發(fā)電具有以下優(yōu)點：無枯竭危險；絕對干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；獲取能源花費的時間短。

目前，單結(jié)GaAs薄膜電池的實驗室紀(jì)錄效率為26.1％，該值已接近于理論極限，從太陽能利用率的角度來看還是比較低。為了研制高效太陽能電池技術(shù)，必須突破限制單結(jié)電池效率的主要束縛。而提高電池效率的一種重要方法是采用多結(jié)(multi-junction)疊層結(jié)構(gòu)，通常做法是將帶隙不同的兩個或多個子電池按帶隙大小依次串聯(lián)在一起。當(dāng)太陽光入射時，高能量光子先被帶隙大的子電池吸收，隨后低能量光子再被帶隙較窄的子電池吸收，依此類推。其實質(zhì)相當(dāng)于把太陽光譜分成了幾段，各子電池吸收與它帶隙最接近的那一段光。這樣既增加了對低能量端光譜的吸收率，又降低了高能量光子的能量損失，提高電池效率的優(yōu)勢是很明顯的。多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池由于具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，已成為高效太陽能電池技術(shù)研究的重點內(nèi)容。

目前，多結(jié)Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池多以GaAs、Ge和Si基Ge薄膜作為襯底。其中，GaAs和Ge襯底價格相較Si襯底昂貴，機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性亦不如Si襯底。雖然Si基Ge襯底兼具Si襯底和Ge薄膜的優(yōu)勢，但Si襯底上制備Ge薄膜仍有技術(shù)問題需要解決。對于Si襯底上制備Ge薄膜常見的組分漸變SiGe緩沖層技術(shù)和低溫-高溫兩步生長法兩種方法來說，前者工藝比較復(fù)雜，緩沖層較厚；后者仍然無法解決Ge外延層中大量位錯的出現(xiàn)，這使得太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率大大降低。

因此，如何研制出高質(zhì)量、高光電轉(zhuǎn)換效率的多結(jié)太陽能電池至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的為提供了一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池，所述GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池采用激光再晶化(Laser Re-Crystallization,簡稱LRC)工藝制備的Ge/Si襯底，具有較低的位錯密度，具有高質(zhì)量的光電轉(zhuǎn)換效率。

本實用新型的一個實施例提供了一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池，包括：Si襯底層，依次層疊于所述Si襯底層之上的Ge外延層、底電池層、中電池層、頂電池層、接觸層和反射膜；

其中，所述Ge外延層中Ge為LRC晶體；

其中，所述底電池層包括依次層疊于所述Ge外延層上的Ge基區(qū)、Ge發(fā)射區(qū)、GaAs窗口層；所述中電池層包括依次層疊于所述GaAs窗口層上的第一GaAs隧道結(jié)、GaAs中電池背場、GaAs基區(qū)、GaAs發(fā)射區(qū)、Ge_0.51In_0.49P窗口層、所述頂電池層包括依次層疊于所述Ge_0.51In_0.49P窗口層上的第二GaAs隧道結(jié)、Ge_0.51In_0.49P頂電池背場、Ge_0.51In_0.49P基區(qū)、Ge_0.51In_0.49P發(fā)射區(qū)以及Al_0.53In_0.47P窗口層。

在本實用新型的一個實施例中，所述Ge基區(qū)厚度為500nm；所述Ge發(fā)射區(qū)厚度為300nm。

本實用新型的一個實施例中，所述GaAs基區(qū)厚度為2um；所述GaAs發(fā)射區(qū)厚度為0.5um。

在本實用新型的一個實施例中，所述Ge_0.51In_0.49P基區(qū)厚度為500nm；所述Ge_0.51In_0.49P發(fā)射區(qū)厚度為100nm。

在本實用新型的一個實施例中，所述LRC晶體為采用激光再晶化工藝制備生成。

在本實用新型的一個實施例中，所述Si襯底層厚度為2μm。

在本實用新型的一個實施例中，所述Ge外延層厚度為500nm。

在本實用新型的一個實施例中，所述接觸層材料為GaAs，厚度為0.5um；

在本實用新型的一個實施例中，所述反射膜材料為Si₃N₄，厚度為100nm。

在本實用新型的一個實施例中，所述GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池還包括接觸電極，所述接觸電極包括位于Si襯底層之下的負(fù)電極和位于所述接觸層上的正電極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本試用新型具有以下有益效果：

1、本試用新型使用硅材料作為襯底，降低了太陽能電池的的制造成本；

2、本試用新型通過連續(xù)激光輔助晶化Ge/Si襯底獲得的Ge薄膜厚度小于傳統(tǒng)方法Si襯底上Ge薄膜厚度，更有利于光增強(qiáng)透過，進(jìn)而可提高太陽能電池性能；

3、本試用新型通過連續(xù)激光輔助晶化可有效降低Ge/Si襯底的位錯密度，基于Ge/Si襯底的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池可有效降低復(fù)合電流密度，從而獲得較高的的光電轉(zhuǎn)化效率。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的一種LRC工藝的示意圖；

圖3為本實用新型實施例提供的一種薄膜受激光照射過程中的溫度相變關(guān)系示意圖；

圖4為本實用新型實施例提供的一種Ge/Si襯底材料的工藝之有限元仿真結(jié)果示意圖；

圖5為本實用新型實施例提供的一種連續(xù)LRC工藝效果示意圖；以及

圖6a-圖6p為本實用新型實施例提供的一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池制備工藝示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1，圖1為本實用新型實施例提供的一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；所述GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池包括：Si襯底層01，依次層疊于所述Si襯底層之上的Ge外延層02、底電池層03、中電池層04、頂電池層05、接觸層06和反射膜07；

其中，所述Ge外延層02中Ge為LRC晶體；

其中，所述底電池層03包括依次層疊于所述Ge外延層02上的Ge基區(qū)031、Ge發(fā)射區(qū)032、GaAs窗口層033；所述中電池層04包括依次層疊于所述GaAs窗口層033上的第一GaAs隧道結(jié)041、GaAs中電池背場042、GaAs基區(qū)043、GaAs發(fā)射區(qū)044、Ge_0.51In_0.49P窗口層045、所述頂電池層05包括依次層疊于所述Ge_0.51In_0.49P窗口層045上的第二GaAs隧道結(jié)051、Ge_0.51In_0.49P頂電池背場052、Ge_0.51In_0.49P基區(qū)053、Ge_0.51In_0.49P發(fā)射區(qū)054以及Al_0.53In_0.47P窗口層055。

其中，所述Ge基區(qū)031厚度為500nm；所述Ge發(fā)射區(qū)032厚度為300nm。

其中，所述GaAs基區(qū)043厚度為2um；所述GaAs發(fā)射區(qū)044厚度為0.5um。

其中，所述Ge_0.51In_0.49P基區(qū)053厚度為500nm；所述Ge_0.51In_0.49P發(fā)射區(qū)054厚度為100nm。

優(yōu)選地，所述LRC晶體為采用激光再晶化工藝制備生成。

其中，所用激光功率為6.1kW/m，激光移動速度為400mm/min，連續(xù)激光再晶化使得所述Ge外延層02的位錯率大大降低。

優(yōu)選地，所述Si襯底層01厚度為2μm。

優(yōu)選地，所述Ge外延層02厚度為500nm。

其中，所述Ge外延層02通過磁控濺射法生長形成，可提高淀積速率，而且薄膜的質(zhì)量好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。

優(yōu)選地，所述接觸層06材料為GaAs，厚度為0.5um。

優(yōu)選地，所述反射膜07材料為Si₃N₄，厚度為100nm。

優(yōu)選地，所述GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池還包括接觸電極08，所述接觸電極08包括位于Si襯底層01之下的負(fù)電極081和位于所述接觸層06上的正電極082。

請參見圖2，圖2為本實用新型實施例提供的一種LRC工藝的示意圖。先用磁控濺射工藝或者用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)工藝經(jīng)兩步法形成薄的Ge外延層，再用連續(xù)LRC橫向釋放Ge與Si之間的位錯失配，從而減少外延層中由于晶格失配引起的位錯，制備出品質(zhì)優(yōu)良的Ge/Si襯底。

請參見圖3，圖3為本實用新型實施例提供的一種薄膜受激光照射過程中的溫度相變關(guān)系示意圖；其中，LRC的原理是利用激光的高能量對材料表面瞬間加熱使之融化結(jié)晶，其本質(zhì)是熱致相變的過程，這點也與傳統(tǒng)的激光熱退火有本質(zhì)區(qū)別。因此，LRC可以看作是激光對薄膜的熱效應(yīng)，即激光通過熱效應(yīng)將被照射的薄膜融化，在較短的時間使其冷卻結(jié)晶的過程。LRC工藝大致可分為以下三個階段：

1)激光與物質(zhì)的相互作用階段。此階段物質(zhì)吸收激光能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽_(dá)到熔化狀態(tài)。激光與物質(zhì)相互作用過程中，物質(zhì)的電學(xué)性能、光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)狀況等均發(fā)生變化。

2)材料的熱傳導(dǎo)階段。根據(jù)熱力學(xué)基本定律，激光作用于材料上將會發(fā)生傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式，此時加熱速度快，溫度梯度大。

3)材料在激光作用下的傳質(zhì)階段。傳質(zhì)，即物質(zhì)從空間或空間某一部位運動到另一部位的現(xiàn)象。在此階段，經(jīng)激光輻射獲得能量的粒子開始運動。傳質(zhì)存在兩種形式：擴(kuò)散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)。擴(kuò)散傳質(zhì)表示的是原子或分子的微觀運動；對流傳質(zhì)則是流體的宏觀運動。以完全融化結(jié)晶機(jī)制為例，激光再晶化后薄膜的溫度變化情況如圖3所示。

利用激光再晶化LRC技術(shù)輔助制備高質(zhì)量虛Ge襯底，要求激光作用下虛Ge層溫度至少達(dá)到熔點，且盡量靠近燒熔點，達(dá)到理想晶化的近完全熔融狀態(tài)，保證Ge晶粒的后續(xù)完美結(jié)晶。同時，外延層下面的Si襯底層不能達(dá)到熔點，保證了LRC對襯底不產(chǎn)生影響。因此，確定合理的LRC工藝相關(guān)工藝參數(shù)(如激光功率密度、移動速度等)，控制外延層溫度分布，將是該工藝成敗的關(guān)鍵。請參見圖4，圖4為本實用新型實施例提供的一種Ge/Si襯底材料的工藝之有限元仿真結(jié)果示意圖。圖中，縱坐標(biāo)表示Ge/Si體系厚度，在Ge外延層厚度500nm的Ge/Si襯底上采用激光功率為6.1kW/m，激光移動速度為400mm/min的工藝條件可實現(xiàn)Ge融化結(jié)晶而Si未融化。

請參見圖5，圖5為本實用新型實施例提供的一種連續(xù)激光再晶化工藝效果示意圖。激光通過全反射棱鏡照向樣品臺，并通過凸透鏡聚焦到樣品上，從而防止了在受熱過程中薄膜融化后的液體受重力影響而流動對結(jié)晶產(chǎn)生的影響。激光再晶化時，步進(jìn)電機(jī)帶動樣品臺移動，每移動到一個位置進(jìn)行一次激光照射，使該位置成為具有高能量的小方塊，而后停止激光照射，樣品臺移動到下一位置時再繼續(xù)激光照射。如此循環(huán)使得激光依次照射到整個薄膜表面，至此完成連續(xù)激光再晶化過程。

另外，需要強(qiáng)調(diào)說明的是，本實用新型的LRC工藝與激光退火(laser annealing)工藝有顯著區(qū)別。激光退火工藝，屬于熱退火工藝范疇。其采用激光作為熱源，僅對半導(dǎo)體進(jìn)行加熱處理，未產(chǎn)生相變過程。而本實用新型激光再晶化工藝處理過程中，半導(dǎo)體材料會發(fā)生兩次相變--熔融液化而后再固相結(jié)晶。因而，此二者工藝在本質(zhì)上有顯著的區(qū)別。

本實用新型GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池采用LRC工藝制備的Ge晶體作為外延層，具有高質(zhì)量的Ge/Si襯底，較低的位錯密度，且Ge外延層很薄，利于光的透過，具有高器件性能。

實施例二

請參照圖6a-圖6p，圖6a-圖6p為本試用新型實施例的一種Ge/Si襯底的GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池的制備方法，在上述實施例的基礎(chǔ)上，本實施例將較為詳細(xì)地對本試用新型的工藝流程進(jìn)行介紹。該方法包括：

S101、如圖6a所示，選取厚度為2μm的單晶硅Si襯底片001為初始材料；

S102、如圖6b所示，利用磁控濺射法在所述Si襯底001上用兩步法工藝生長一層500nm厚的Ge外延層002形成Ge/Si襯底，通過磁控濺射法淀積薄膜，淀積速率高，而且薄膜的質(zhì)量好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)；

S103、如圖6c所示，利用CVD工藝，在所述Ge/Si襯底表面淀積150nm的SiO₂氧化層003；

S104、在圖6c的基礎(chǔ)上先將材料加熱至500K，然后通過LRC工藝晶化帶有SiO₂氧化層003的所述Ge外延層002，其中激光功率為6.1kW/m，激光移動速度為400mm/min，而后使材料自然冷卻。連續(xù)激光晶化使得Ge外延層002的位錯率大大降低；

S105、如圖6d所示，利用干法刻蝕工藝刻蝕圖6c中的所述SiO₂氧化層003，得到高質(zhì)量的Ge/Si襯底。

S106、底電池層制備；下面是制備不同太陽能電池層的實驗細(xì)節(jié)：GaAs材料的制備采用TMGa為III族源，ASH₃為V族源，其GaAs單層摻雜生長溫度500-600℃。GaAs材料的p型層摻雜劑選用C，n型層摻雜劑選用Se。Ge_0.51In_0.49P材料的制備以TMGa、TMIn和PH₃為源，反應(yīng)室壓強(qiáng)60乇，襯底托盤轉(zhuǎn)速80-120轉(zhuǎn)/分，生長參數(shù)650-680℃，其中H₂Se作為GalnP₂的n型摻雜劑，以DEZn為InGaP的p型摻雜劑。

S1061、如圖6e所示，制備底電池的基區(qū)與發(fā)射區(qū)。使用MBE工藝，在500℃下外延生長500nm厚的Ge材料作為底電池的基區(qū)004，并對其進(jìn)行P型摻雜，摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3；隨后再外延300nm厚的Ge材料作為底電池的發(fā)射區(qū)005，并對其進(jìn)行N型摻雜，摻雜濃度為1×10¹⁸cm^-3。

S1062、如圖6f所示，利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,簡稱MOCVD)工藝，在600℃下淀積厚度為200nm的GaAs作為底電池的窗口層006，并通過熱擴(kuò)散技術(shù)對窗口層進(jìn)行N型摻雜，濃度約1×10¹⁸cm^-3。

S107、中電池層制備；

S1071、如圖6g所示，制備底電池與中電池的GaAs隧道結(jié)。所述GaAs隧道結(jié)反應(yīng)室壓力60乇，石墨襯底托旋轉(zhuǎn)速度100轉(zhuǎn)/分鐘。首先生長N型摻雜層007，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，生長溫度550℃，采用低速生長，生長速率為5nm/min，厚度約15nm；然后升溫到600℃生長P型摻雜層008，摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3，生長速率則為10nm/min，厚度約15nm。

S1072、如圖6h所示，利用MOCVD工藝，在600℃下淀積厚度為100nm的GaAs材料作為制備中電池背場009，并對背場層進(jìn)行P型摻雜，濃度為5×10¹⁸cm^-3。

S1073、如圖6i所示，利用MOCVD工藝，在600℃下淀積GaAs中電池的基區(qū)010與發(fā)射區(qū)011?；鶇^(qū)厚度約2um，N型摻雜，濃度為1×10¹⁷cm^-3，發(fā)射區(qū)厚度約0.5um，N型摻雜，濃度為1×10¹⁸cm^-3。

S1074、如圖6j所示，利用MOCVD工藝，在650℃下淀積厚度為100nm的Ge_0.51In_0.49P作為中電池的窗口層012，并通過熱擴(kuò)散技術(shù)對窗口層進(jìn)行N型摻雜，濃度約2×10¹⁸cm^-3。

S108、頂電池層制備；

S1081、如圖6k所示，制備頂電池與中電池的GaAs隧道結(jié)。首先生長N型摻雜層013，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3，生長溫度550℃，厚度約15nm；然后升溫到600℃生長P型摻雜層014，摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3，厚度約15nm。

S1082、如圖6l所示，利用MOCVD工藝，淀積Ga_0.51In_0.49P材料作為制備頂電池背場015。背場層厚度為100nm，采用P型摻雜，濃度為1×10¹⁸cm^-3。

S1083、如圖6m所示，利用MOCVD工藝，淀積Ga_0.51In_0.49P材料作為頂電池的基區(qū)016與發(fā)射區(qū)017?；鶇^(qū)厚度約500nm，N型摻雜，濃度為1×10¹⁷cm^-3，發(fā)射區(qū)厚度約100nm，P型摻雜，濃度為1×10¹⁸cm^-3。

S1084、如圖6n所示，淀積Al_0.53In_0.47P作為頂電池的窗口層018，并對窗口層進(jìn)行N型摻雜，濃度約2×10¹⁸cm^-3，窗口層厚度為30nm。

S108、制備GaAs接觸層和反射膜。如圖6o所示，外延生長0.5um厚的GaAs作為接觸層019，并對GaAs進(jìn)行濃度為1×10¹⁹cm^-3的N型摻雜，并采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在250℃淀積100nm厚的Si₃N₄作為反射膜020。

S109、制備接觸電極。

首先蒸鍍背電極，鍍膜時在蒸發(fā)鍍膜機(jī)中連續(xù)依次鍍上背電極021，蒸鍍好背電極后，在N₂保護(hù)下置于燒結(jié)爐中以380℃的溫度燒結(jié)20min，以增強(qiáng)背電極與硅的結(jié)合，并以相同方式制備正電極022，如圖6p所示。

綜上所述，本文中應(yīng)用了具體個例對本實用新型的一種GaInP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實用新型的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本實用新型的限制，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。