太陽能電池及其製作方法與流程

2023-12-10 11:32:22 2

本申請屬於太陽能電池領域，特別是涉及一種含GaInNAs(Sb)子電池的五結疊層電池及其製備方法。

背景技術：
太陽光譜是寬光譜，光子能量範圍大約是0~4eV，因此從根本上決定了單結太陽電池的轉換效率低於相應單色光譜下（光子能量大於帶隙寬度）的能量轉換效率。解決的方法也很簡單，從原理上來說，與其用一個固定帶隙的太陽能電池轉換所有的光子能量，不如將光譜分為幾個區域，用幾個帶隙匹配的多結太陽電池中的結區實現光電轉換。假設光譜的能量被分為幾個區域hν1~hν2，hν2~hν3，hν3~hν∞，其中hν1<hν2<hν3，則相對應的多結太陽電池內各結區帶隙分別為Eg1=hν1，Eg2=hν2，Eg3=hν3。光譜分段越多，則電池的潛在轉換效率則越高。多結電池的實現需要光子直接到達與之能量匹配的結區。從概念上來說最簡單的解決方法是用一個光學分光裝置如稜鏡根據光的能量將光分到空間的不同區域，把合適的太陽電池分別放在對應的區域來收集光子。然而在實際的環境中這種光學結構極為複雜，實現非常困難。通常一種更好的方法是做一種疊層式的電池結構，光先進入到最高帶隙的結中，然後進入到較低帶隙的結中，這種結構充分利用了結的「低通光子濾波器」功能，即只通過下級帶隙的光。GaInNAs(Sb)材料由於其帶隙（0.8~1.4eV）和晶格常數可調範圍都很大，是多結太陽能電池發展的理想材料。目前含GaInNAs(Sb)子電池的三結疊層電池GaInP/GaAs/GaInNAs(Sb)效率已取得重大突破。另外，Ge襯底上的含有GaInNAs(Sb)子電池的GaInP/GaAs/GaInNAs(Sb)/Ge四結疊層電池也是將轉換效率進一步提升的重要方案之一。為進一步提升效率，含GaInNAs(Sb)的五結甚至更多結電池也必然是發展趨勢。然而，同一個襯底上使用的材料體系過多，會造成晶格不匹配的現象嚴重。

技術實現要素：
本發明的目的提供一種AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)/GaInAs五結疊層電池，其具有合理的帶隙組合（2.2/1.7/1.4/1.05/~0.7eV），可實現對太陽光譜的充分利用，最終提高電池的轉換效率，而且避免了晶格不匹配的問題。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：本申請公開了一種太陽能電池，包括襯底、形成於襯底表面的GaInAs基電池膜層以及與GaInAs基電池膜層鍵合的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層。優選的，在上述的太陽能電池中，還包括分別電性連接於所述AlGaInP層以及GaInAs基電池膜層的兩個電極。優選的，在上述的太陽能電池中，所述GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層均採用雙層臺面結構，且所述GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層中每層臺面結構裸露表面均設置一電極。相應地，本申請還公開了一種太陽能電池的製作方法，包括如下步驟：1）在GaAs襯底上倒置生長AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層，在InP襯底上生長GaInAs基電池膜層；2)將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層底部的GaInNAs(Sb)裸露面鍵合至GaInAs基電池膜層的裸露表面；3)剝離GaAs襯底；4)製作電極。優選的，在上述的太陽能電池的製作方法中，所述的步驟還包括剝離所述的InP襯底並替換成矽、金屬或塑料襯底。優選的，在上述的太陽能電池的製作方法中，所述的步驟1）具體包括：依次在GaAs襯底上生長n-AlGaInP、p-AlGaInP、隧道結、n-(Al)GaInP、p-(Al)GaInP、隧道結、n-GaInNAs(Sb)、p-GaInNAs(Sb)、隧道結、n-GaInNAs(Sb)和p-GaInNAs(Sb)。優選的，在上述的太陽能電池的製作方法中，所述的步驟4）具體包括：圖形化所述GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層，使得上述兩膜層均形成雙層臺面結構；在所述GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層中每層臺面結構裸露表面均設置一電極。優選的，在上述的太陽能電池的製作方法中，所述AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層和GaInAs基電池膜層之間通過金屬薄膜層鍵合，所述金屬薄膜層的材料選自金、金錫合金、鈦、鎳及其合金中的一種。與現有技術相比，本發明的優點在於：1、充分利用了GaInNAs(Sb)的帶隙和晶格常數可調範圍大的特徵，做成了帶隙為1.4eV和帶隙為1.05eV的兩個子電池，且能保持晶格匹配。2、在直接生長含GaInNAs(Sb)材料的五結疊層電池過程中，由於晶格失配，缺陷較多等問題造成GaInNAs(Sb)材料少子壽命很低的問題，用本發明方法得到有效解決。3、本發明中AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)/GaInAs五結子電池的帶隙寬度分別為2.2eV，1.7eV，1.4eV，1.05eV，0.7eV，將在三、四結疊層電池提高效率中取得顯著成效的GaInNAs(Sb)材料推廣到五結疊層電池，能與太陽光譜匹配更好，實現高效率。4、GaInAs底電池和AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池可以在不同襯底、不同腔室和不同條件下生長，生長過程方便可控，更有利於提升各子電池的材料的質量。5、採用鍵合技術有效避免了因晶格失配和熱失配造成的龜裂和脫落，增加了成品率。6、若採用四電極終端，分別輸出GaInAs基電池和AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池的電流，可以避免電流不匹配的問題，有利於多結電池效率的提升。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是本發明具體實施例提供的在InP襯底上生長的GaInAs基電池膜層的結構圖；圖2是本發明具體實施例提供的在GaAs襯底上倒置生長的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層的結構圖；圖3是本發明具體實施例提供的將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層的GaInNAs（Sb）裸露面鍵合至GaInAs基電池膜層的結構圖；圖4是本發明具體實施例提供的把由鍵合得到的五結疊層電池的頂部的GaAs襯底剝離後的結構圖；圖5是本發明第一實施例提供的帶兩電極終端的五結疊層電池的結構圖；圖6是本發明第二實施例提供的帶四電極終端的五結疊層電池的結構圖。具體實施方式基於GaAs襯底上AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)（四結）和InP襯底上GaInAs（一結）電池通過鍵合形成的含GaInNAs(Sb)子電池的五結疊層電池是一個高效方案。因此，本發明提出了使用這種結構（AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)/GaInAs）的五結疊層電池，通過鍵合的方法，以此實現多結太陽電池的高效低成本。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。實施例1參圖5所示，太陽能電池包括襯底101、形成於襯底101上方的GaInAs基電池膜層102以及GaInAs基電池膜層鍵合的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202，還包括分別電性連接於AlGaInP層以及GaInAs基電池膜層的兩個電極。襯底101為InP襯底，也可以為矽、金屬、塑料等其他襯底。GaInAs基電池膜層102和AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202之間通過金屬薄膜層301進行鍵合。在其他實施例中，兩者之間也可以採用共熔、高溫處理或靜電鍵合等直接鍵合方式，也可以採用倒焊接工藝。AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202包括依次形成於GaInAs基電池膜層102上方的n-AlGaInP、p-AlGaInP、隧道結、n-(Al)GaInP、p-(Al)GaInP、隧道結、n-GaInNAs(Sb)、p-GaInNAs(Sb)、隧道結、n-GaInNAs(Sb)和p-GaInNAs(Sb)。參圖1所示，圖1是本實施例提供的用分子束外延技術（MBE）或金屬有機化學氣相沉澱技術（MOCVD）在InP襯底上生長的GaInAs基電池膜層的結構圖。參圖2所示，圖2是本實施例提供的用分子束外延技術（MBE）或金屬有機化學氣相沉澱技術（MOCVD）在GaAs襯底上倒置生長的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層的結構圖。其中，(Al)GaInP是指GaInP或添加有Al的GaInP；GaInNAs(Sb)是指GaInNAs或者添加有Sb的GaInNAs。參圖3所示，圖3是本實施例提供的鍵合後的五結疊層電池的結構圖，把兩個電池膜層的鍵合可採用共熔、高溫處理以及靜電鍵合等直接鍵合中任意一種，也可採用金屬鍵合、倒焊接鍵合技術中的一種。參圖4所示，圖4是本實施例提供的把由鍵合得到的五結疊層電池的頂部的GaAs襯底剝離後的結構圖，可採用雷射器照射、溼法剝離、納米結構輔助自剝離等方法。參照圖4，本實施例提供一種五結疊層電池的初步結構，包括一InP(可以換作是矽、金屬或塑料等)襯底101、一GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層202，GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)膜層202的GaInNAs(Sb)面通過鍵合方式連接，其中301層為採用金屬鍵合或者是倒焊接工藝中的鍵合層，對入射可見光仍保持較高的透過率，不會造成對光的明顯吸收，對於直接鍵合可視為不存在。圖5是本發明實施例提供的帶兩電極的五結疊層電池的結構圖。參照圖5所示，若在生長AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜考慮了與GaInAs基電池膜層的電流匹配，或者電池生長時未考慮，而後將頂層子電池AlGaInP減薄使兩個電池膜層電流匹配後，可以選擇兩電極終端結構輸出電流，這樣可獲得更大的開路電壓。本實施例提供一種集成式GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202鍵合和兩電極終端製備方法。製備工藝包括：步驟1：採用MBE或者MOCVD法在InP襯底101上生長出GaInAs基電池膜層102，在GaAs襯底201上倒置生長出AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202。步驟2：採用晶片鍵合技術將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202的GaInNAs(Sb)面鍵合至GaInAs基電池膜層102裸露的表面。將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202和GaInAs基電池膜層102分別經過有機清洗後，然後在體積比為7:100的氟化氫溶液中浸泡30秒，接著在體積比為0.05:1:5的氨水、雙氧水和水的混合溶液中浸泡1分鐘，接著用去離子水衝洗並採用氮氣吹乾。分別在AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202的GaInNAs(Sb)面與GaInAs基電池膜層102裸露的表面蒸鍍一層金屬薄膜層，該金屬薄膜層採用金錫合金材料，厚度在0.1-10nm。在真空環境下，將兩電池膜層的金屬薄層面對準，保持壓力範圍0.5Mpa，加熱溫度為300~600°C，維持10~120分鐘，使兩電池膜層膜層實現金屬鍵合。步驟3：採用配比為3：1：50的H3PO4-H2O2-H2O腐蝕劑溶液進行刻蝕，把由鍵合得到的五結疊層電池的頂部的GaAs襯底201上剝離下來。步驟4：採用光刻結合刻蝕等對五結電池的上、下表面進行處理，並沉積金屬電極。採用光刻膠作掩膜，結合ICP依次刻蝕，使得鍵合後的五結電池的AlGaInP裸露面和底部襯底（如InP）各自形成臺面結構，再用電子束蒸發方法沉積金屬電極。實施例2參圖6所示，太陽能電池包括襯底101、形成於襯底101上方的GaInAs基電池膜層102以及GaInAs基電池膜層鍵合的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202，GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層均採用雙層臺面結構，且所述GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層中每層臺面結構裸露表面均設置一電極401、402、403和403。。襯底101為InP襯底，也可以為矽、金屬、塑料等其他襯底。GaInAs基電池膜層102和AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202之間通過金屬薄膜層301進行鍵合。在其他實施例中，兩者之間也可以採用共熔、高溫處理或靜電鍵合等直接鍵合方式，也可以採用倒焊接工藝。AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202包括依次形成於GaInAs基電池膜層102上方的n-AlGaInP、p-AlGaInP、隧道結、n-(Al)GaInP、p-(Al)GaInP、隧道結、n-GaInNAs(Sb)、p-GaInNAs(Sb)、隧道結、n-GaInNAs(Sb)和p-GaInNAs(Sb)。參圖1所示，圖1是本實施例提供的用分子束外延技術（MBE）或金屬有機化學氣相沉澱技術（MOCVD）在InP襯底上生長的GaInAs基電池膜層的結構圖。參圖2所示，圖2是本實施例提供的用分子束外延技術（MBE）或金屬有機化學氣相沉澱技術（MOCVD）在GaAs襯底上倒置生長的AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層的結構圖。參圖3所示，圖3是本實施例提供的鍵合後的五結疊層電池的結構圖，把兩個電池膜層的鍵合可採用共熔、高溫處理以及靜電鍵合等直接鍵合中任意一種，也可採用金屬鍵合、倒焊接鍵合技術中的一種。參圖4所示，圖4是本實施例提供的把由鍵合得到的五結疊層電池的頂部的GaAs襯底剝離後的結構圖，可採用雷射器照射、溼法剝離、納米結構輔助自剝離等方法。參照圖4，本實施例提供一種五結疊層電池的初步結構，包括一InP(可以換作是矽、金屬或塑料等)襯底101、一GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結疊層電池膜層202，GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)膜層202的GaInNAs(Sb)面通過鍵合方式連接，其中301層為採用金屬鍵合或者是倒焊接工藝中的鍵合層，對入射可見光仍保持較高的透過率，不會造成對光的明顯吸收，對於直接鍵合可視為不存在。參照圖6，GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)電池膜層202均採用雙層臺面結構，且所述GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)電池膜層202中每層臺面結構裸露表面均設置一電極。其中，雙臺面結構為，以AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202為例，所述AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202具有兩層臺面，即具有高度差的裸露表面。其中，電極401和電極402用於GaInAs基電池膜層102的電流輸出，電極403和電極404用於AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202的電流輸出，AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202與GaInAs電池膜層102的電流分別獨立輸出，避免了因為電流不匹配造成的效率降低。以下提供本發明的第二具體實施例本實施例提供一種集成式GaInAs基電池膜層102與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202鍵合和四電極終端製備方法。製備工藝包括：步驟1：採用MBE或者MOCVD法在InP襯底101上生長出GaInAs基電池膜層102，在GaAs襯底201上倒置生長出AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202。步驟2：採用晶片鍵合技術將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202的GaInNAs(Sb)面鍵合至GaInAs基電池膜層102裸露的表面。將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202和GaInAs基電池膜層102分別經過有機清洗後，然後在體積比為7:100的氟化氫溶液中浸泡30秒，接著在體積比為0.05:1:5的氨水、雙氧水和水的混合溶液中浸泡1分鐘，接著用去離子水衝洗並採用氮氣吹乾。將AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202的GaInNAs(Sb)面與GaInAs基電池膜層102裸露的表面相對齊，採用0.5Mpa的壓力在270°C下在空氣條件下退火10小時，接著在氫氣與氮氣體積比為1:10的混合氣體中，在450~600°C下退火30分鐘。步驟3：採用波長為335nm的高能脈衝雷射器從GaAs襯底201背面照射，掃描整個GaAs襯底201與鍵合後得到的五結疊層電池的界面之後，將五結疊層電池的頂部的GaAs襯底剝離下來。步驟4：採用光刻結合刻蝕等製備N型臺面、P型臺面，並沉積金屬電極。採用光刻膠作掩膜，結合ICP依次刻蝕出臺面，使得AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202和GaInAs基電池膜層102各自形成雙層臺面結構，用於沉積金屬電極401、402、403、404。採用光刻結合刻蝕等方法在AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層202上製備第二N型臺面、第二P型臺面，並在第二N型檯面上沉積金屬電極404，在第一P型檯面上沉積金屬電極403；採用光刻結合刻蝕等方法在GaInAs基電池膜層102上製備第一N型臺面，第一P型臺面，並在第一N型檯面上沉積金屬電極402，在第一P型檯面上沉積金屬電極401。本發明實施方式採用四電極終端，對AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層和GaInAs基電池膜層分別輸出，以此實現較高的轉換效率。與傳統電池相比，本發明集成了GaInAs基電池膜層與AlGaInP/(Al)GaInP/GaInNAs(Sb)/GaInNAs(Sb)四結電池膜層，鍵合後形成的五結高效低成本疊層太陽電池結構跟太陽光譜匹配得更好，從而提升電池的轉換效率。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。