一種砷化鎵‑矽多結高效太陽電池的製備方法與流程
2023-07-24 11:55:21
本發明涉及太陽電池技術領域，特別是涉及一種砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法。
背景技術：
全球性的能源危機和環境惡化正威脅著人類的長期穩定發展，能源與環境問題成了21世紀人類面臨的兩大主要問題。太陽能光伏發電是解決能源與環境問題，實現人類社會可持續發展的有效途徑。據歐洲光伏工業協會(EPIA)預測，到2030年，可再生能源在總能源結構中將佔到30％以上，而太陽能光伏發電在世界總電力供應中的佔比也將達到10％以上。然而，和傳統發電方式相比，太陽電池光伏發電的成本仍然非常高，這就限制了太陽能光伏發電的大規模應用。
Si材料的太陽電池技術是目前最為成熟的商用光伏發電技術。其特點是成本相對較低，但光電轉換效率並不是各種太陽電池技術中最高的。多晶矽太陽電池批產效率在14％～16％左右，單晶矽太陽電池批產效率在17～19％左右。而矽太陽電池光電轉換效率的理論極限為25％，因此矽太陽電池批產效率很難再加以提高。
砷化鎵(GaAs)太陽電池作為典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池，是目前光電轉換效率最高的太陽電池材料體系，多結的Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池光電轉換效率可達32％以上。但是其有著成本過高的缺點，目前僅應用於空間太陽電池和聚光太陽電池。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法，該砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法運用對準鍵合技術與襯底剝離復用技術將矽太陽電池與砷化鎵太陽電池異質集成在一起，兼具矽太陽電池成本優勢與砷化鎵太陽電池光電轉換效率優勢，能夠進一步降低太陽能光伏發電成本。
本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是：
一種砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法，至少包括如下步驟：
步驟101、採用擴散或者離子注入的方式製備Si太陽電池；
步驟102、製備GaAs太陽電池；
步驟103、在Si太陽電池與GaAs太陽電池上分別製備相同尺寸的金屬柵線電極作為接觸電極；
步驟104、使用透明環氧樹脂將Si太陽電池與GaAs太陽電池按照接觸電極圖形對準鍵合；
步驟105、採用襯底剝離復用技術，使用HF酸將AlAs犧牲層腐蝕掉，得到GaInP/InGaAs/Si 3結疊層太陽電池與復用的GaAs襯底；
步驟106、製作電池上下電極；
步驟107、製備電池減反射膜。
進一步：所述步驟101具體為：
步驟1011、使用P型摻雜的Si襯底，厚度為150μm～500μm，摻雜濃度為1×1015～1×1018cm-3；
步驟1012、採用標準RCA溶液矽片進行表面處理，去除表面雜質汙染；
步驟1013、採用擴散或者離子注入的方式製備Si子電池，所述Si子電池PN結深度為0.3～0.8μm；所述Si子電池的禁帶寬度為1.12eV。
進一步：所述步驟102具體為：
步驟1021、採用n型摻雜的GaAs襯底，厚度為200-600μm，摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3；
步驟1022、外延生長InGaAs緩衝層；
步驟1023、外延生長AlAs犧牲層，其中AlAs犧牲層的厚度範圍是100～300nm；
步驟1024、外延生長蓋帽層：摻雜濃度為1×1018～1×1019cm-3的n型GaAs重摻層，厚度為100～200nm；
步驟1025、反向外延生長第一結GaInP子電池；
摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的n型AlInP窗口層，厚度為50～400nm；
摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3的n型GaaIn1-aP發射區，厚度為100～500nm，其中0.3≤a≤0.8；
摻雜濃度為1×1016～1×1018cm-3的p型GabIn1-bP基區，厚度為1000～5000nm，其中0.3≤b≤0.8；
摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型AlGaInP背場，厚度為50～400nm；
步驟1026、外延生長隧穿結：依次生長摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型GacIn1-cP層和n型GadIn1-dP層，其中0.3≤c≤0.6，0.3≤d≤0.6，厚度為50～150nm。
步驟1027、反向外延生長第一結InGaAs子電池：
摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的n型GaInP窗口層，厚度為50～400nm；
摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3的n型IneGa1-eAs發射區，厚度為100～500nm，其中0.3≤e≤0.8；
摻雜濃度為1×1016～1×1018cm-3的p型InfGa1-fAs基區，厚度為1000～5000nm，其中0.3≤f≤0.8；
摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型AlGaAs背場，厚度為50～400nm。
進一步：所述步驟103具體為：
所述Si太陽電池為單結Si太陽電池，所述GaAs太陽電池為雙結GaInP/InGaAs太陽電池，使用電子束蒸發方法在單結Si太陽電池與雙結GaInP/InGaAs太陽電池表面製備相同尺寸的Ti柵線電極、Ag柵線電極、Au柵線電極作為接觸電極，其中Ti柵線電極的厚度範圍為0.5～2μm，Ag柵線電極的厚度範圍為3～10μm，Au柵線電極的厚度範圍為0.1～0.5μm；柵線寬度為10～20μm，相鄰柵線電極間距範圍為700～1200μm。
進一步：所述步驟104具體為：
使用鍵合對準夾具，將Si太陽電池與GaAs太陽電池柵線接觸電極對準，並通過透明環氧樹脂將其鍵合，其中鍵合溫度範圍為150～300℃，鍵合壓力範圍為0.3～0.8Mpa。
進一步：所述步驟105具體為：
採用襯底剝離復用技術，使用HF酸將AlAs犧牲層腐蝕掉，得到GaInP/InGaAs/Si 3結疊層太陽電池與復用的GaAs襯底，其中HF酸濃度範圍為10％～25％，腐蝕溫度範圍為40～60℃。
進一步：所述步驟106具體為：通過電子束蒸發製備電池上下電極。
根據權利要求1所述砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法，其特徵在於：所述步驟107具體為：在電池表面蒸鍍氧化鋁、氧化鈦的雙層減反射膜，其中氧化鋁厚度範圍是20～70nm，氧化鈦氧化鋁厚度範圍是20～70nm。
本發明具有的優點和積極效果是：
通過採用上述技術方案：
1、本發明將矽太陽電池與砷化鎵太陽電池異質集成在一起。製備出GaInP(1.88eV)/InGaAs(1.41eV)/Si(1.12eV)3結疊層太陽電池。對比矽太陽電池的單一帶隙材料將多種帶隙寬度不同的半導體材料構成多結級聯太陽電池,用各結子電池去吸收與其帶隙寬度最為匹配的太陽光譜波段,從而實現對太陽光譜最大化的有效利用，最大限度提升了太陽電池的光電轉換效率。
2、本發明採用對準鍵合技術，將帶有金屬柵線圖形的矽太陽電池與砷化鎵太陽電池集成起來，電池間其他空隙填充以透明的環氧樹脂，實現兩種電池的透明導電連接。相比於直接在Si材料上外延生長Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，通過鍵合技術的異質集成，不用考慮Si材料與Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的晶格失配問題，大大降低工藝難度，節省成本。
3、本發明採用襯底剝離復用技術，在完成矽太陽電池與砷化鎵太陽電池鍵合後，可以將外延生長砷化鎵太陽電池GaAs襯底完整剝離，在相應處理後可使用其重複外延生長砷化鎵太陽電池薄膜，達到襯底復用目的，進一步降低成本。
附圖說明
圖1是本發明優選實施例的結構圖。
其中：1、減反射膜；2、GaInP子電池；3、隧道結；4、InGaAs子電池；5、接觸電極；6、透明環氧樹脂；7、Si子電池。
具體實施方式
為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：
請參閱圖1，一種砷化鎵-矽多結高效太陽電池的製備方法，包括：
1、單結Si(1.12eV)太陽電池製備：
a、使用P型摻雜的Si襯底，其厚度為150-500μm，摻雜濃度為1×1015～1×1018cm-3。
b、採用標準RCA溶液矽片進行表面處理，去除表面雜質汙染；
c、採用擴散或者離子注入的方式製備Si子電池7，Si子電池7PN結深度為0.3～0.8μm；所述Si子電池的禁帶寬度為1.12eV；
2、雙結GaInP(1.88eV)/InGaAs(1.41eV)太陽電池(該太陽電池包括GaInP子電池2和InGaAs子電池兩部分)製備：
a、採用n型摻雜的GaAs襯底，其厚度為200-600μm，摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3。
b、外延生長InGaAs緩衝層。
c、外延生長AlAs犧牲層，其中AlAs層厚度100～300nm，
d、外延生長蓋帽層：摻雜濃度為1×1018～1×1019cm-3的n型GaAs重摻層，厚度為100～200nm。
e、反向外延生長第一結GaInP子電池：摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的n型AlInP窗口層，厚度為50～400nm；摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3的n型GaxIn1-xP發射區，厚度為100～500nm，其中0.3≤x≤0.8；摻雜濃度為1×1016～1×1018cm-3的p型GaxIn1-xP基區，厚度為1000～5000nm，其中0.3≤x≤0.8；摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型AlGaInP背場，厚度為50～400nm。
f、外延生長隧穿結：依次生長摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型GaxIn1-xP層和n型GaxIn1-xP層，其中0.3≤x≤0.6，厚度為50～150nm。
g、反向外延生長第一結InGaAs子電池：摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的n型GaInP窗口層，厚度為50～400nm；摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3的n型InxGa1-xAs發射區，厚度為100～500nm，其中0.3≤x≤0.8；摻雜濃度為1×1016～1×1018cm-3的p型InxGa1-xAs基區，厚度為1000～5000nm，其中0.3≤x≤0.8；摻雜濃度為1×1017～1×1018cm-3的p型AlGaAs背場，厚度為50～400nm。
3、使用電子束蒸發方法在單結Si太陽電池與雙結GaInP/InGaAs太陽電池表面製備相同尺寸的Ti/Ag/Au柵線電極作為接觸電極5，其中Ti厚度為0.5～2μm，Ag厚度為3～10μm，Au厚度為0.1～0.5μm。柵線寬度為10～20μm，柵線間距為700～1200μm。
4、使用鍵合對準夾具，將Si太陽電池與GaAs太陽電池柵線接觸電極對準，並通過透明環氧樹脂6將其鍵合，其中鍵合溫度為150～300℃，鍵合壓力為0.3～0.8Mpa。
5、採用襯底剝離復用技術，使用HF酸將AlAs犧牲層腐蝕掉，得到GaInP/InGaAs/Si3結疊層太陽電池與復用的GaAs襯底，其中HF酸濃度為10％～25％，腐蝕溫度為40～60℃。
6、製作電池器件結構：通過電子束蒸發製備電池上下電極。
7、製備電池減反射膜1：在電池表面蒸鍍氧化鋁、氧化鈦的雙層減反射膜，其中氧化鋁厚度20～70nm，氧化鈦氧化鋁厚度20～70nm。
隧穿結3位於GaInP子電池2和InGaAs子電池4之間。
以上對本發明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明的實施範圍。凡依本發明申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本發明的專利涵蓋範圍之內。