CN104157725B - GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结太阳电池的制作方法。基于晶片键合工艺，实现了基于GaAs衬底的GaInP/GaAs双结太阳电池与基于InP衬底的InGaAsP/InGaAs双结太阳电池集成；剥离InP衬底，采用GaAs作为支撑衬底，实现四结带隙能量分别为1.89/1.42/1.05/0.72 eV的太阳电池，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收和能量转换，而且剥离后的InP衬底经抛光后可重复利用，降低了InP衬底的消耗。本发明提出的四结太阳电池，可减少机械叠层多结太阳电池***中使用多个衬底所导致的高成本以及光学集成电池中复杂的光学***导致的光学损失，同时还有效解决了生长多结级联半导体太阳电池材料的晶格失配问题。实现高电压、低电流输出，降低高倍聚光电池中电阻消耗。
Description
技术领域
本发明属于光伏领域，尤其涉及一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法。
背景技术
在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下，也在空间飞行器能源***的需求牵引下，光伏技术领域不断取得突破。晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳能电池等，越来越多的太阳能电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。
回顾光伏技术在最近10年的发展，在效率提高方面，多结级联式的太阳能电池结构是最引人瞩目的。2007年InGaP/（In）GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30%。在240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40%。理论上来说，结数越多，效率越高。但在实践上，很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现整体级联电池。因此，目前的多结电池结构主要有两种思路：一是优先考虑晶格匹配而将光电流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的设计，两结GaInP/GaAs电池的效率达到了30%以上。但晶格匹配的电池结构由于其确定的带隙能量，限制了太阳光的光电流的匹配，使得它不能实现对太阳电池的全光谱吸收利用。例如，对于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，底电池Ge上的光电流密度为上两层电池光电流密度的两倍，从而限制了效率的提升。二是优先考虑多结结构的光电流匹配而采用晶格失配的生长方式，从2005年开始，国际上几个著名的研究组，比如NREL，Emcore以及日本的丰田、夏普等越来越多地关注晶格失配的太阳电池结构的研究。通过带隙能量的调整，利用倒置方法生长的InGaAs/（In）GaAs/InGaP电池的效率从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)。最近德国夫琅和费研究所的EickeWeber教授领导的研究小组将三结GaInP/GaInAs/Ge太阳电池效率提高到了41.1％。
尽管如此，晶格失配的结构设计依赖于高质量的材料生长，而大的晶格失配必然带来失配位错，从而大大增加非辐射复合、降低电池效率。这导致了直接生长的四结串联式电池的效率反而比三结的效率要低。而根据Shockley-Quisser模型，四结带隙能量为1.89/1.42/1.05/0.67 eV的太阳电池可以获得超过45%的转换效率，与在同样的一次键合工艺下比Emcore公司提出的双结GaAs/InGaAs电池相比具有非常高的效率上的优势。同时，由于四结结构更能够实现高电压，低电流输出，可以有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻热损失，而超高倍聚光电池可以大大地降低太阳电池成本，从而为III-V族化合物半导体太阳电池在产业化方面的进展起到了极大地推动。
基于晶格失配的太阳电池在材料生长上的限制以及四结以上电池研制的需要，通过外延直接键合的方法实现大失配晶格材料的直接单片多结电池集成已经被证明具有很大的潜力。利用外延键合不仅可以解决晶格失配所带来的材料生长难题，而且还可以使用Si衬底代替昂贵的InP或GaAs，从而降低电池成本。在四结电池的研制上，美国波音-光谱公司以及加州理工的科学家们提出了将Ge衬底上的双结GaInP/GaAs电池和InP衬底上生长的InGaAsP/InGaAs（1.0/0.72 eV）键合的方法，以实现单片四结GaInP/GaAs/Ge/InP键合介面/InGaAsP/InGaAs集成。虽然使用了晶格匹配的材料结构，但Ge/InP会吸收能量在1.42eV以下的太阳光，从而降低InGaAsP/InGaAs电池的效率。因此，必须要在键合之前获得Ge薄层，这会大大增加电池研制的工艺困难。
发明内容
鉴于上述以InGaP/（In）GaAs/Ge三结级联太阳能电池为代表的光伏技术仍无法达到与太阳光谱的最佳匹配，以及制作单片级联三结以上的太阳能电池存在的半导体材料间晶格失配的客观困难，本发明的目的是提出一种四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率，同时，本发明的太阳能电池没有InP衬底，成本低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，包括：
（1）在GaAs衬底上生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池，在InP衬底上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；
（2）将GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池键合；
（3）剥离InP衬底，获得仅有GaAs衬底支撑的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
作为本发明的进一步改进，所述的制作方法具体包括：
1）在GaAs衬底上首先生长GaAs缓冲层，然后生长GaAs子电池，第二隧道结，GaInP子电池和欧姆接触层，
在InP衬底上首先生长InP缓冲层，然后生长0.1~1μm的InGaAs刻蚀停止层，AlInAs牺牲层，0.2~1μm的欧姆接触层，接下来生长InGaAs子电池，第一隧道结，InGaAsP子电池和键合层；
2）将GaInP/GaAs双结电池的GaAs衬底面与InGaAsP/InGaAs双结电池的键合层键合，形成隧道结；
3）采用湿法腐蚀的方法剥离InP衬底；
4）制作正、负电极，获得仅有GaAs衬底支撑的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
作为本发明的进一步改进，所述的步骤3）中，湿法腐蚀的腐蚀液体积比为HCL :H3PO4 =1:1。
本发明还公开了一种由上述方法制作的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供一种四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。
另一方面，本发明在将GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池键合后，将InP衬底剥离，获得了仅有GaAs衬底支撑的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，被剥离的InP衬底可以重复利用，大大降低了成本，降低了InP衬底的消耗，也降低了太阳电池的制作成本。剥离InP衬底优势在于可重复利用InP衬底，降低电池成本；采用GaAs作为支撑衬底其机械强度足以，无需其他支撑衬底。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中在GaAs衬底上制作GaInP/GaAs双结电池的示意图；
图2所示为本发明具体实施例中在InP衬底上制作InGaAsP/InGaAs双结电池的示意图；
图3所示为本发明具体实施例中GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池键合的示意图；
图4所示为本发明具体实施例中InP衬底被剥离的示意图；
图5所示为本发明具体实施例中制作获得的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法如下：
1）键合前电池的生长
参图1所示，首先在GaAs衬底上首先生长0.2-1μm的GaAs缓冲层，接下来生长GaAs子电池，第二隧道结，GaInP子电池， 500 nmGaAs接触层。
参图2所示，在InP衬底上先生长0.2-1μm的InP缓冲层，然后生长0.1-1μm的InGaAs刻蚀停止层，15nm的AlInAs牺牲层，0.2-1μm的InGaAs接触层，接下来生长晶格匹配的InGaAs电池，第一隧道结，InGaAsP电池，20nm N++ InP键合层。
所有电池均采用晶格匹配生长，不会涉及到因晶格不匹配增加材料生长的难度；更不会因晶格失配，外延层应力释放产生位错，而影响晶体质量，进而影响器件性能。
2）晶片的键合
参图3所示，本实施例中键合界面是P++GaAs/N++InP，P++GaAs需掺杂浓度高于1.0×1019/cm2；N++InP的掺杂浓度也需高于1.0×1019/cm2。P++GaAs/N++InP键合形成异质隧道结。
3）InP衬底剥离
参图4所示，键合完成后，接下来进行InP衬底的剥离，采用湿法腐蚀的方法，InP衬底需要做背面与侧壁保护，腐蚀液为HCL : H3PO4 =1:1。
参图5所示，衬底剥离完成后，在四结电池片的两个表面分别制作正负电极，完成四结太阳电池的制作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (4)
1.一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：
（1）在GaAs衬底上生长与GaAs 晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池，在InP衬底上生长与InP晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池；
（2）将GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池键合；
（3）剥离InP衬底，获得仅有GaAs衬底支撑的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
2.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述的制作方法具体包括：
1）在GaAs衬底上首先生长GaAs缓冲层，然后生长GaAs子电池，第二隧道结，GaInP子电池和欧姆接触层，
在InP衬底上首先生长InP缓冲层，然后生长0.1~1μm的InGaAs刻蚀停止层， AlInAs牺牲层，0.2~1μm的欧姆接触层，接下来生长InGaAs子电池，第一隧道结，InGaAsP子电池和键合层；
2）将GaInP/GaAs双结电池的GaAs衬底面与InGaAsP/InGaAs双结电池的键合层键合，形成隧道结；
3）采用湿法腐蚀的方法剥离InP衬底；
4）制作正、负电极，获得仅有GaAs衬底支撑的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
3.根据权利要求2所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述的步骤3）中，湿法腐蚀的腐蚀液体积比为HCL : H3PO4 =1:1。
4.一种权利要求1至3任一所述方法制作的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。
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