CN102723405B - 双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其利用高深宽比位错捕获技术实现GaAs材料上InP外延以及GaAs系和InP系电池的单片集成，具体包括如下步骤：（1）在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在其第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GaInP太阳能电池结构；（2）对衬底第二面进行保护，再在衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案；（3）在衬底第一面上生长形成InP薄膜，并将InP薄膜抛光至平整度达到外延级；（4）在衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层；（5）解除对衬底第二面的保护，获得目标产物。本发明工艺简洁，易于操作，且良品率高，有效解决了异质多结太阳电池中晶格失配和热失配对电池材料质量和性能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏器件的制备方法，尤其涉及一种双面生长高效宽谱吸收太阳电池的制备方法。
背景技术
太阳电池作为太阳能利用的典型方式，成为可再生能源的重要发展方向，提高太阳电池效率是太阳电池追求的目标之一。III-V族化合物半导体由于其宽广的能带结构成为太阳电池材料的理想选择，GaAs基III-V族多结电池至问世以来一直是太阳电池领域的效率记录保持者和创造者。根据太阳能谱和III-V族材料能带关系，GaAs基晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池和InP基晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池可以合理设计，电流匹配地覆盖绝大部分太阳光谱，实验证明，采用一次分光手段，该类太阳电池***的电池效率可达43%。是实现宽谱高效太阳电池的理想组合。但是由于GaAs材料和InP材料晶格失配度达3.8%，传统方法难以在GaAs上外延高质量InP材料，因此，为了获得高效GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池，目前大多采用晶片键合的方法来尝试实现该四结电流匹配宽谱吸收电池，然而一方面晶片键合涉及到多种工艺（包括层转移和芯片剥离技术），使得芯片的成功率降低，另一方面，GaAs材料和InP材料直接键合对环境和设备的洁净度要求非常高，且由于二者的热膨胀系数差别，键合后工艺或者后期工作如果温差较大，均会导致材料芯片的翘曲，且键合后二者之间的串联电阻较大，会无形中增加该四结电池的电学损耗；如果采用金属键合，则又会遇到平衡串联电阻和红外光学吸收的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其采用GaAs基纳米级图案化设计实现了GaAs基InP材料的高质量外延，而后在此基础上生长晶格匹配的InGaAsP/InGaAs太阳电池，且在GaAs衬底另一面生长晶格匹配的GaAs/GaInP太阳电池，最终获得了具有较小晶格失配和热失配，且性能良好的目标产物，并且，该制备方法易于操作，良品率高，有利于提高整体器件的可靠性和寿命。
为实现上述发明目的，本发明采用的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法包括如下步骤：
（1）在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在所述衬底的第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GaInP太阳能电池结构；
（2）对所述衬底第二面进行保护，再在所述衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案；
（3）在所述衬底第一面上生长形成InP薄膜，并将所述InP薄膜抛光至平整度达到外延级；
（4）在所述衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层；
（5）解除对所述衬底的第二面的保护，获得目标产物。
其中，步骤（1）具体为：在双面抛光的GaAs衬底第一面上形成厚度在200nm以上的介质膜，并在所述衬底第二面上依次生长形成GaAs太阳能电池-隧穿结-GaInP太阳能电池结构、电池窗口层和电极接触层。
步骤（2）中是通过化学和/或物理加工方法对所述介质膜进行图案化处理，从而形成光滑致密介质掩膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。
作为优选方案之一，所述介质膜可选自SiO2膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意一种以上，但不限于此。
步骤（2）中是首先通过化学和/或物理加工方法形成图案，而后采用干法刻蚀和/或湿法刻蚀工艺将图案转移到介质膜上，从而形成光滑致密介质膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。
优选的，步骤（2）中是采用涂覆有机光刻胶和沉积介质膜中的至少一种方式对所述衬底的第二面进行保护的。
步骤（3）具体为：首先在形成于所述衬底第一面上的介质掩膜图案中的纳米沟内选择性生长InP材料，将失配位错抑制在介质纳米沟中，直到获得无位错的InP材料，然后将分立的InP材料聚合，直至形成InP薄膜，而后以化学和/或物理方法进行抛光，形成具有外延级平整度的InP薄膜。
步骤（4）中是依次在形成于所述衬底第一面上的InP薄膜上生长InGaAsP太阳电池或InGaAsP太阳能电池-隧穿结-InGaAs太阳能电池以及电极接触层的。
作为优选的方案之一，步骤（4）中所述接触层可采用InP和/或InGaAs层，但不限于此。
进一步的，步骤（5）中在解除对所述衬底第二面的保护之后，还采用普适III-V族太阳电池工艺对形成的多结太阳电池器件进行了后续处理，最终目标产物。
附图说明
图1为A面沉积有介质膜的双面抛光GaAs衬底的结构示意图；
图2为在图1所示GaAs衬底B面生长GaAs/GaInP电池和电极接触层的示意图；
图3为在图2所示GaAs衬底B面以介质膜或者光刻胶保护的示意图；
图4为GaAs衬底A面介质膜纳米级图案化结构示意图，其中图4A-1、4A-2：直沟形；图4B-1、4B-2：方格型；图4C-1、4C-2：圆柱形；图4D-1、4D-2：圆锥形；
图5为GaAs衬底 A面生长位错抑制InP层、无位错InP层以及InP聚合层的示意图；
图6为GaAs衬底A面所生长InP薄膜经抛光后的示意图；
图7 为GaAs衬底A面上继续生长InGaAsP/InGaAs电池和电极接触层的示意图；
图8为去除GaAs衬底B面的保护层后器件的结构示意图
图9为本发明实施例中多结太阳能电池器件的结构示意图，其双面生长有电极接触层/GaInP（电池）/隧穿结1/GaAs（电池）/GaAs衬底/介质膜纳米级图案/InP位错抑制层/InP无位错层/InGaAsP（电池）/隧穿结2/InGaAs（电池）/电极接触层。
具体实施方式
如前所述，本案中发明人旨在针对现有多结太阳能电池制备工艺的不足，提供一种高效宽光谱吸收多结太阳电池的制备工艺。概括的讲，本发明将纳米图案化技术应用于GaAs基InP材料外延（二者的晶格失配达3.81%，热失配较小，且均为闪锌矿立方结构）（GaAs 热膨胀系数5.73*10-6 ℃-1， InP热膨胀系数4.6*10-6℃-1，Si的热膨胀系数为2.6*10-6℃-1，Ge的热膨胀系数为5.9*10-6℃-1），并采用双面生长方式，以期不影响各个晶格匹配材料的生长质量，从而获得GaInP/GaAs/InGaAsP/（InGaAs)宽谱高效多结电池。
进一步的讲，本发明工艺可包括如下步骤：
（1）在双面抛光的GaAs衬底A面生长一定厚度的介质膜；
（2）在该衬底B面采用MOCVD或者MBE生长晶格匹配的太阳电池GaAs/GaInP结构；
（3）将该衬底B面结构采用特定方式保护，将衬底A面进行纳米级图案化，获得纳米级图案化介质掩膜。
（4）将该纳米级图案化的GaAs衬底重新置入MOCVD或者MBE设备中，依次生长InP位错抑制层、无位错层材料和InP聚合层材料，直到形成InP薄膜。
（5）将该InP薄膜抛光直到获得外延级平整度的InP薄膜，然后将该衬底置入MOCVD(或者MBE)中，根据多结电池匹配设计原则继续生长InGaAsP（或InGaAsP电池、隧穿结和InGaAs电池）太阳电池，待电池生长完成后，最后生长电极接触层。
（6）将该多结电池B面结构保护层去除，然后按照普适III-V族太阳电池工艺，从而制备出GaInP/GaAs/InGaAsP或者GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs高效宽光谱吸收多结电池。
前述步骤1中，对于双面抛光的GaAs衬底A面和B面是任意选择，只是为了容易标记，而介质膜可以是SiO2、SiNO、 SiN，也可以是Al2O3、TiO2等，而生长方式可以是PECVD、热氧化CVD、磁控溅射、电子束蒸发和ALD，而生长厚度根据后续纳米级图案化的需求以及衬底保护方面的需求而定，应该不小于50nm。
前述步骤2中，可采用MOCVD或者MBE在该衬底B面生长晶格匹配的太阳电池GaAs/GaInP结构，该B面指没有长介质膜的一面，依次生长GaAs/GaInP太阳电池，根据高效多结太阳电池的设计和已有生长条件，依次生长GaAs太阳电池-隧穿结-GaInP太阳电池结构以及电池窗口层和接触层。
前述步骤3中，对该衬底B面结构进行保护的方式可以是采用有机光刻胶涂敷，也可以是介质膜沉积保护，只要使得已经生长的GaAs/GaInP电池结构不受后续材料生长和工艺的污染即可。 而将衬底A面进行纳米级图案化，这是指根据后续InP材料生长需求，将A面覆盖的介质膜进行图案化处理，其中图案形成方式可以是干涉光刻、电子束曝光、纳米压印、纳球光刻、金属自组装等，然后图案转移到A面介质膜上，直到裸露区域完全暴露出GaAs衬底，转移方式可以是干法刻蚀、湿法腐蚀，也可以是二者的混合应用，只要能够形成光滑致密介质膜图案，且裸露区完全暴露出GaAs衬底，而衬底质量又不受伤害即可。
前述步骤4中，是将该纳米级图案化的GaAs衬底重新置入MOCVD或者MBE设备中，首先在纳米沟介质膜中选择性生长InP材料，将失配位错抑制在介质纳米沟中，直到获得无位错的InP材料，然后将分立的InP材料实现聚合，直到形成InP薄膜。
前述步骤5中，是将该InP薄膜抛光直到获得外延级平整度的InP薄膜，然后将该衬底置入MOCVD(或者MBE)中，根据多结电池电流匹配设计原则继续生长InGaAsP（或InGaAsP/InGaAs）太阳电池。其中，InP薄膜抛光可以采用化学机械抛光、化学抛光、离子束抛光等多种方式，只要能获得大面积外延级平整度即可。抛光清洗后，然后将衬底B面朝上继续置入MOCVD(MBE)设备中，在抛光后的InP膜上根据高效多结电池设计要求生长InGaAsP太阳电池或者（InGaAsP-隧穿结-InGaAs）太阳电池以及底部电极接触层，该接触层可以是InP也可以是InGaAs。
前述步骤（6）中，是将该多结电池B面结构保护层去除，然后按照普适III-V族太阳电池工艺，从而制备出GaInP/GaAs/InGaAsP或者GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs高效宽光谱吸收多结电池。
以下结合一优选实施例及相应的附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本实施例的工艺流程如下：
首先在GaAs衬底一面沉积一层介质膜，如图1所示，包括GaAs衬底0及沉积的介质膜1，该介质膜根据需要可以是SiO2、SiN、SiNO、TiO2、Al2O3等，沉积厚度根据后期纳米级图案化衬底外延需求和外延保护需求而定,沉积设备可以是PECVD、热氧化CVD、磁控溅射、电子束蒸发和原子层沉积等。
然后在该GaAs衬底B面采用MOCVD或者MBE设备依次沉积GaAs电池、隧穿结、GaInP电池和电极接触层，如图2所示。其中附图标记0和1所指组件与图1相同，而附图标记2则是指GaAs电池，3是指隧穿结，4是指GaInP电池，41指电池窗口层Al(Ga)InP, 5是指电极接触层。各层生长的厚度和掺杂类型和浓度根据高效多结电池结构设计来定。
为了在生长A面电池结构时B面电池不受影响，将B面电池采用介质膜或者光刻胶保护，如图三所示，其中附图标记0-5所指与前面图2相同，附图标记6则是指为保护A面电池结构而沉积的介质膜，可以是SiO2、SiN、SiNO、TiO2、Al2O3等，沉积设备可以是PECVD、热氧化CVD、磁控溅射、电子束蒸发和原子层沉积等。
然后将上述结构翻转，A面朝上，将介质膜1进行纳米图案化，图案化的图形根据实际需要和条件可以是一维深沟形（如图4A所示）、二维深沟形（如图4B所示）、二维圆柱形（如图4C所示），或者二维圆锥形（如图4D所示）等图案。制备图形的方法可以是干涉光刻、电子束曝光、纳球光刻、纳米压印金属自组装等方法，图形转移方法可以是湿法腐蚀也可以是反应离子刻蚀或者感应耦合等离子体刻蚀以及干法和湿法刻蚀的混合使用。
待衬底A面纳米级图案化过程完成后，首先在该衬底表面采用MOCVD或者MBE选择生长InP层，直到失配位错完全被抑制在纳米级图案化的介质膜侧壁，然后继续生长InP,直到InP暴露出介质纳米结构。如图5所示，其中附图标记1-6所指组件与前面图4和3一样，而附图标记81则是指所生长的InP失配层，穿透位错完全被抑制在介质膜侧壁，如该图所示，附图标记82是指所生长的介质膜内无位错InP层，附图标记83是指露出图案化介质膜的InP层，鉴于选择性生长是各向异性生长，InP表面呈一定晶向，且加强横向生长，最终使得InP层相互聚合，形成非平整的InP薄膜。
将该InP进行表面抛光，获得原子级平整的InP表面，如图6所示。其中，附图标记1-6，81和82 所指组件与图5所指一致，附图标记84是指抛光后的InP薄膜。抛光方式可以是化学机械抛光，也可以是化学抛光，以及二者的结合。
在该抛光后的InP表面采用MBE或者MOCVD生长InGaAsP电池-隧穿结-InGaAs电池-电极接触层，完成InGaAsP/InGaAs双结电池生长。如图7所示，其中附图标记0-6、81、82、83、84所指组件与前面图6相同，这里附图标记9是指InGaAsP电池，10是指InGaAsP电池和InGaAs电池之间的隧穿结，11是指InGaAs电池，12是指电极接触层。
然后将A面材料保护层去除，如图8所示。
最后按照普适的III-V族太阳电池工艺制备该GaInP/GaAs/GaAs(衬底）/InGaAsP/InGaAs四结串联电池，如图9所示，其中附图标记13指InGaAs欧姆接触电极，附图标记14是指GaAs材料的欧姆接触电极，其他各个数字所指与前面图7相同。
以上说明，及在图纸上所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在所述衬底的第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GaInP太阳能电池结构；
（2）对所述衬底第二面进行保护，再在所述衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案；
（3）在形成于所述衬底第一面上的纳米级介质掩膜图案中的纳米沟内选择性生长InP材料，将失配位错抑制在所述纳米沟中，直到获得无位错的InP材料，然后将分立的InP材料聚合，直至形成InP薄膜，其后以化学和/或物理方法进行抛光，形成具有外延级平整度的InP薄膜；
（4）在所述衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层；
（5）解除对所述衬底的第二面的保护，获得目标产物。
2.根据权利要求1所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（1）具体为：在双面抛光的GaAs衬底第一面上形成厚度在50nm以上的介质膜，并在所述衬底第二面上依次生长形成GaAs太阳能电池-隧穿结-GaInP太阳能电池结构、电池窗口层和电极接触层。
3.根据权利要求1所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中是通过化学和/或物理加工方法对所述介质膜进行图案化处理，从而形成光滑致密介质掩膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述介质膜至少选自SiO2膜、SiNO膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中是首先通过化学和/或物理加工方法形成图案，而后采用干法刻蚀和/或湿法刻蚀工艺将图案转移到介质膜上，从而形成光滑致密介质膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。
6.根据权利要求1或5所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（2）中是采用涂覆有机光刻胶和沉积介质膜中的至少一种方式对所述衬底的第二面进行保护的。
7.根据权利要求1所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（4）中是依次在形成于所述衬底第一面上的InP薄膜上生长InGaAsP太阳电池或InGaAsP太阳能电池-隧穿结-InGaAs太阳能电池以及电极接触层的。
8.根据权利要求1或7所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述电极接触层为InP和/或InGaAs层。
9.根据权利要求1所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（5）中在解除对所述衬底第二面的保护之后，还采用普适III-V族太阳电池工艺对形成的多结太阳电池器件进行了后续处理，最终目标产物。
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