GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池的製作方法與流程

2023-05-10 07:53:01 1

本發明屬於光伏領域，尤其涉及一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池的製作方法。

背景技術：
在上個世紀70年代引發的能源危機刺激下，也在空間飛行器能源系統的需求牽引下，光伏技術領域不斷取得突破。晶體矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池、非晶矽薄膜太陽能電池、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體太陽能電池、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體多晶薄膜太陽能電池等，越來越多的太陽能電池技術日趨成熟。光電轉換效率的不斷提高及製造成本的持續降低，使得光伏技術在空間和地面都得到了廣泛的應用。回顧光伏技術在最近10年的發展，在效率提高方面，多結級聯式的太陽能電池結構是最引人矚目的。2007年InGaP/（In）GaAs/Ge三結級聯太陽能電池大規模生產的平均效率已經接近30%。在240倍聚光下，這種多結太陽能電池的實驗室AM1.5D效率已經超過了40%。理論上來說，結數越多，效率越高。但在實踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數又非常匹配的兩種材料來實現整體級聯電池。因此，目前的多結電池結構主要有兩種思路：一是優先考慮晶格匹配而將光電流匹配放在次要的位置。採用晶格匹配的設計，兩結GaInP/GaAs電池的效率達到了30%以上。但晶格匹配的電池結構由於其確定的帶隙能量，限制了太陽光的光電流的匹配，使得它不能實現對太陽電池的全光譜吸收利用。例如，對於晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池，底電池Ge上的光電流密度為上兩層電池光電流密度的兩倍，從而限制了效率的提升。二是優先考慮多結結構的光電流匹配而採用晶格失配的生長方式，從2005年開始，國際上幾個著名的研究組，比如NREL，Emcore以及日本的豐田、夏普等越來越多地關注晶格失配的太陽電池結構的研究。通過帶隙能量的調整，利用倒置方法生長的InGaAs/（In）GaAs/InGaP電池的效率從2007年的38.9％（81倍聚光，AM1.5D）提高到2008年的40.8％(326倍聚光，AM1.5G)。最近德國夫琅和費研究所的EickeWeber教授領導的研究小組將三結GaInP/GaInAs/Ge太陽電池效率提高到了41.1％。儘管如此，晶格失配的結構設計依賴於高質量的材料生長，而大的晶格失配必然帶來失配位錯，從而大大增加非輻射複合、降低電池效率。這導致了直接生長的四結串聯式電池的效率反而比三結的效率要低。而根據Shockley-Quisser模型，四結帶隙能量為1.89/1.42/1.05/0.67eV的太陽電池可以獲得超過45%的轉換效率，與在同樣的一次鍵合工藝下比Emcore公司提出的雙結GaAs/InGaAs電池相比具有非常高的效率上的優勢。同時，由於四結結構更能夠實現高電壓，低電流輸出，可以有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻熱損失，而超高倍聚光電池可以大大地降低太陽電池成本，從而為III-V族化合物半導體太陽電池在產業化方面的進展起到了極大地推動。基於晶格失配的太陽電池在材料生長上的限制以及四結以上電池研製的需要，通過外延直接鍵合的方法實現大失配晶格材料的直接單片多結電池集成已經被證明具有很大的潛力。利用外延鍵合不僅可以解決晶格失配所帶來的材料生長難題，而且還可以使用Si襯底代替昂貴的InP或GaAs，從而降低電池成本。在四結電池的研製上，美國波音-光譜公司以及加州理工的科學家們提出了將Ge襯底上的雙結GaInP/GaAs電池和InP襯底上生長的InGaAsP/InGaAs（1.0/0.72eV）鍵合的方法，以實現單片四結GaInP/GaAs/Ge/InP鍵合介面/InGaAsP/InGaAs集成。雖然使用了晶格匹配的材料結構，但Ge/InP會吸收能量在1.42eV以下的太陽光，從而降低InGaAsP/InGaAs電池的效率。因此，必須要在鍵合之前獲得Ge薄層，這會大大增加電池研製的工藝困難。

技術實現要素：
鑑於上述以InGaP/（In）GaAs/Ge三結級聯太陽能電池為代表的光伏技術仍無法達到與太陽光譜的最佳匹配，以及製作單片級聯三結以上的太陽能電池存在的半導體材料間晶格失配的客觀困難，本發明的目的是提出一種四結GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽電池的製作方法，在繼承以往兩結級聯太陽電池光電轉換效率相對較高、穩定、壽命長的基礎上，製備四結單片高效太陽電池，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，實現較高的光電轉換效率，同時，本發明的太陽能電池沒有InP襯底，成本低。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池的製作方法，包括：（1）在GaAs襯底上生長與GaAs晶格匹配的GaInP/GaAs雙結電池，在InP襯底上生長與InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結電池；（2）將GaInP/GaAs雙結電池和InGaAsP/InGaAs雙結電池鍵合；（3）剝離InP襯底，獲得僅有GaAs襯底支撐的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池。作為本發明的進一步改進，所述的製作方法具體包括：1）在GaAs襯底上首先生長GaAs緩衝層，然後生長GaAs子電池，第二隧道結，GaInP子電池和歐姆接觸層，在InP襯底上首先生長InP緩衝層，然後生長0.1~1μm的InGaAs刻蝕停止層，AlInAs犧牲層，0.2~1μm的歐姆接觸層，接下來生長InGaAs子電池，第一隧道結，InGaAsP子電池和鍵合層；2）將GaInP/GaAs雙結電池的GaAs襯底面與InGaAsP/InGaAs雙結電池的鍵合層鍵合，形成隧道結；3）採用溼法腐蝕的方法剝離InP襯底；4）製作正、負電極，獲得僅有GaAs襯底支撐的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池。作為本發明的進一步改進，所述的步驟3）中，溼法腐蝕的腐蝕液體積比為HCL:H3PO4=1:1。本發明還公開了一種由上述方法製作的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池。與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明提供一種四結GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽電池的製作方法，在繼承以往兩結級聯太陽電池光電轉換效率相對較高、穩定、壽命長的基礎上，製備四結單片高效太陽電池，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，實現較高的光電轉換效率。另一方面，本發明在將GaInP/GaAs雙結電池和InGaAsP/InGaAs雙結電池鍵合後，將InP襯底剝離，獲得了僅有GaAs襯底支撐的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池，被剝離的InP襯底可以重複利用，大大降低了成本，降低了InP襯底的消耗，也降低了太陽電池的製作成本。剝離InP襯底優勢在於可重複利用InP襯底，降低電池成本；採用GaAs作為支撐襯底其機械強度足以，無需其他支撐襯底。附圖說明為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為本發明具體實施例中在GaAs襯底上製作GaInP/GaAs雙結電池的示意圖；圖2所示為本發明具體實施例中在InP襯底上製作InGaAsP/InGaAs雙結電池的示意圖；圖3所示為本發明具體實施例中GaInP/GaAs雙結電池和InGaAsP/InGaAs雙結電池鍵合的示意圖；圖4所示為本發明具體實施例中InP襯底被剝離的示意圖；圖5所示為本發明具體實施例中製作獲得的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結級聯太陽電池的製作方法如下：1）鍵合前電池的生長參圖1所示，首先在GaAs襯底上首先生長0.2-1μm的GaAs緩衝層，接下來生長GaAs子電池，第二隧道結，GaInP子電池，500nmGaAs接觸層。參圖2所示，在InP襯底上先生長0.2-1μm的InP緩衝層，然後生長0.1-1μm的InGaAs刻蝕停止層，15nm的AlInAs犧牲層，0.2-1μm的InGaAs接觸層，接下來生長晶格匹配的InGaAs電池，第一隧道結，InGaAsP電池，20nmN++InP鍵合層。所有電池均採用晶格匹配生長，不會涉及到因晶格不匹配增加材料生長的難度；更不會因晶格失配，外延層應力釋放產生位錯，而影響晶體質量，進而影響器件性能。2）晶片的鍵合參圖3所示，本實施例中鍵合界面是P++GaAs/N++InP，P++GaAs需摻雜濃度高於1.0×1019/cm2；N++InP的摻雜濃度也需高於1.0×1019/cm2。P++GaAs/N++InP鍵合形成異質隧道結。3）InP襯底剝離參圖4所示，鍵合完成後，接下來進行InP襯底的剝離，採用溼法腐蝕的方法，InP襯底需要做背面與側壁保護，腐蝕液為HCL:H3PO4=1:1。參圖5所示，襯底剝離完成後，在四結電池片的兩個表面分別製作正負電極，完成四結太陽電池的製作。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，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係或者順序。而且，術語「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，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設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，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護範圍。