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

背景技術(shù)：

近年來，太陽能電池技術(shù)取得了很大進展，典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物因為是直接能隙的半導體材料，可做厚度較薄，吸光效率特別高，成為未來主要太陽能材料之一。但由于GaAs材料價格昂貴、密度高、機械強度很低，不利于制備成本低廉、薄型輕質(zhì)的電池。因此，選擇較為廉價的襯底制作GaAs單結(jié)太陽能電池十分重要?？梢圆捎肧i襯底上外延Ge緩沖層(Ge/Si襯底技術(shù))制備GaAs單結(jié)太陽能電池的技術(shù)方案，其兼具Si與Ge的技術(shù)優(yōu)勢，尤其可與現(xiàn)有Si工藝兼容，已成為當前光電領(lǐng)域內(nèi)研究發(fā)展的重點和熱點。然而，由于Si與Ge之間存在4.2％的晶格失配，Ge/Si襯底技術(shù)實現(xiàn)難度大。目前常用的兩步生長仍然無法解決Ge外延層中大量螺位錯的出現(xiàn)，而且其所結(jié)合的循環(huán)退火工藝對于薄Ge外延層來說，會出現(xiàn)Si-Ge互擴問題，以及Ge/Si緩沖層表面粗糙度的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的為提供了一種GaAs單結(jié)太陽能電池，所述GaAs單結(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GaAs單結(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、GaAs單結(jié)電池層、 接觸層、反射膜，其中所述Ge外延層中Ge為LRC晶體。

在本實用新型的一個實施例中，所述GaAs單結(jié)電池層包括依次層疊于所述Ge外延層上的GaAs背場層、GaAs基區(qū)，GaAs發(fā)射區(qū)、GaAs窗口層。

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Ge外延層厚度為200nm。

在本實用新型的一個實施例中，所述反射膜材料為SiN。

在本實用新型的一個實施例中，所述Si襯底層材料為單晶硅。

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，所述接觸層厚度為0.5um，N型摻雜，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。

在本實用新型的一個實施例中，所述GaAs背場層厚度為800nm，N型摻雜，濃度為2×10¹⁸cm^-3。

在本實用新型的一個實施例中，所述GaAs窗口層厚度為30nm，N型，摻雜濃度約2×10¹⁸cm^-3。

本實用新型實施例具有如下有益效果：本實用新型GaAs單結(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。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例提供的一種GaAs單結(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；

圖6a-圖6h為本實用新型實施例提供的一種激光輔助晶化Ge/Si襯底上GaAs單結(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一步詳細的描述，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GaAs單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；所述GaAs單結(jié)太陽能電池包括：Si襯底層10，依次層疊于所述Si襯底層之上的Ge外延層20、GaAs單結(jié)電池層30、接觸層40、反射膜50，其中所述Ge外延層中Ge為LRC晶體。

具體地，所述GaAs單結(jié)電池層包括依次層疊于所述Ge外延層上的GaAs背場層31、GaAs基區(qū)32，GaAs發(fā)射區(qū)33、GaAs窗口層34。

具體地，所述LRC晶體為采用激光再晶化工藝制備生成。

優(yōu)選地，所述Ge外延層20的厚度為200nm，先采用磁控濺射法形成于所述Si襯底層上，后采用LRC工藝處理形成LRC晶體。

其中，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)；采用LRC的好處在于：能夠使得Ge外延層的位錯率大大降低，而且能夠制作較薄；

優(yōu)選地，反射膜50材料為SiN。

優(yōu)選地，所述Si襯底層10為單晶硅。

優(yōu)選地，所述Si襯底層10厚度為2μm。

優(yōu)選地，所述接觸層40厚度為0.5um，N型摻雜，摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。

優(yōu)選地，所述GaAs背場層31厚度為800nm，N型摻雜，濃度為2×10¹⁸cm^-3。

優(yōu)選地，所述GaAs窗口層34厚度為30nm，N型，摻雜濃度約2×10¹⁸cm^-3。

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化學氣相沉積(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，即激光通過熱效應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?，達到熔化狀態(tài)。激光與物質(zhì)相互作用過程中，物質(zhì)的電學性能、光學性能、結(jié)構(gòu)狀況等均發(fā)生變化。

2)材料的熱傳導階段。根據(jù)熱力學基本定律，激光作用于材料上將會發(fā)生傳導、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：擴散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)。擴散傳質(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層溫度至少達到熔點，且盡量靠近燒熔點，達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，縱坐標表示Ge/Si體系厚度，在Ge外延層厚度200nm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，步進電機帶動樣品臺移動，每移動到一個位置進行一次激光照射，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，僅對半導體進行加熱處理，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GaAs單結(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

請參見圖6a-圖6h，圖6a-圖6h為本實用新型實施例提供的一種激光輔助晶化Ge/Si襯底上GaAs單結(jié)太陽能電池制備工藝示意圖。在上述實施例的基礎(chǔ)上，本實施例將較為詳細地對本實用新型的工藝流程進行介紹。該方法包括：

S101、如圖6a所示，選取厚度為2μm的單晶硅Si制作襯底層001；

S102、如圖6b所示，利用磁控濺射法在Si襯底層001上用兩步法工藝生長一層200nm厚的鍺Ge外延層002；

S103、如圖6c所示，利用化學氣相淀積CVD的方法在Ge外延層002表面淀積150nm的二氧化硅SiO₂層003；

S104、在圖6c的基礎(chǔ)上先將材料加熱至500K，然后連續(xù)LRC帶有SiO₂氧化層的Ge/Si襯底，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。

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

S106、如圖6e所示，利用金屬有機化合物化學氣相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,簡稱MOCVD)的方法，在600℃下淀積厚度為800nm的砷化鎵GaAs材料作為背場層004，并對背場層004進行N型摻雜，濃度為2×10¹⁸cm^-3。

S107、如圖6f所示，利用MOCVD在600℃下淀積GaAs形成基區(qū)005與發(fā)射區(qū)006?；鶇^(qū)005厚度約3μm，N型摻雜，濃度為3×10¹⁷cm^-3，發(fā)射區(qū)區(qū)厚度約500nm，N型摻雜，濃度為2×10¹⁸cm^-3。

S108、如圖6g所示，利用MOCVD在60℃下淀積厚度為30nm的砷化鎵GaAs作為底電池的窗口層007，并通過熱擴散技術(shù)對窗口層007進行N型，摻雜濃度約2×10¹⁸cm^-3。

S109、如圖6h所示，外延生長0.5um厚的砷化鎵GaAs形成接觸層008，并對接觸層008進行濃度為1×10¹⁹cm^-3的N型摻雜，并采用等離子增強化學氣相淀積技術(shù)在250℃淀積100nm厚的SiN作為抗反射層009。

綜上所述，本文中應用了具體個例對本實用新型的一種GaAs單結(jié)太陽能電池進行了闡述，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用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本實用新型的限制，本實用新型的保護范圍應以所附的權(quán)利要求為準。