阅读说明：本技术 一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池 () 是由 方亮 张启明 张恒 刘如彬 高鹏 姜明序 王赫 于 2018-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池。本发明属于太阳电池技术领域。一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池,其特点是：GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池,采用MOCVD技术在Ge衬底上外延生长晶格匹配的太阳电池材料,包括两个子电池：GaInP顶电池,GaAs中间电池；GaAs中间电池和采用PECVD制备的μc-Si:H底电池通过低温键合工艺键合接在一起,GaAs衬底通过化学刻蚀剥离；GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池依次连接GaInP顶电池、隧穿结、GaAs中间电池、μc-Si:H底电池。本发明具有明显提升电池的转换效率,又能有效降低电池成本,极大地提升三结叠层太阳电池的应用前景等优点。()

一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池。

背景技术

目前，正向晶格匹配三结砷化镓由于光电转换效率高、抗辐照性能好已经被广泛的应用在空间电源系统。正向匹配三结级联GaInP/GaAs/Ge太阳电池在AM0光谱下的转换效率都接近30.0％，但电池的光电流密度通常受限于顶电池，底电池上冗余的光电流密度不能被有效的利用，使其不能实现全光谱的吸收利用；同时三结级联砷化镓太阳电池有相当一部分大于对应子电池禁带宽度的能量以热能形式损失。因此，需要一个禁带宽度～1.1eV的电池替代Ge底电池，反向晶格失配(IMM)三结砷化镓太阳电池通过渐变缓冲层，能够实现电池带隙和光谱的理想匹配，但是IMM电池的工艺难度较大，成本高。

硅基薄膜太阳电池的研究始于20世纪60年代末，是较早实现产业化技术进展的薄膜太阳电池技术。1980年非晶硅(a-Si:H)太阳电池效率提高到8％，具有产业化标志意义。随着硅锗(a-SiGe:H)微晶硅(μc-Si:H)等硅基材料的开发，a-Si:H/a-SiGe:H/μc-Si:H三结叠层太阳电池的小面积电池的初期效率达到了16.3％，但是a-Si:H和a-SiGe:H的光致衰减效应制约了硅基薄膜太阳电池可达到的最高稳定效率。μc-Si:H由于具有较窄的能隙和光照稳定性，可以作为底电池和其它宽带隙半导体材料组成hybird叠层太阳电池。

Hybrid叠层电池是近几年多结太阳电池研究的热点，将不同的半导体材料(三五族、CIGS、Si、钙钛矿等)依据“电池带隙与光谱匹配”的原则组合起来，实现高效、低成本等目的。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池。

本发明的目的是提供一种具有明显提升电池的转换效率，又能有效降低电池成本，极大地提升三结叠层太阳电池的应用前景等特点的GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池。

本发明GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池所采取的技术方案是：

一种GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池，其特点是：GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池，采用MOCVD技术在Ge衬底上外延生长晶格匹配的太阳电池材料，包括两个子电池：GaInP顶电池，GaAs中间电池；GaAs中间电池和采用PECVD制备的μc-Si:H底电池通过低温键合工艺键合接在一起，GaAs衬底通过化学刻蚀剥离；GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池依次连接GaInP顶电池、隧穿结、GaAs中间电池、μc-Si:H底电池。

本发明GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池还可以采用如下技术方案：

所述的GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池，其特点是：三结级联太阳电池的三个子电池的禁带宽度分别为1.86±0.05eV、1.40±0.05eV、1.05±0.05eV。

所述的GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池，其特点是：

第一结GaInP电池：依次生长为厚度100-200nm的n型掺杂AlGaInP背场层、厚度500-1000nm的n型掺杂GaInP基区、厚度50-100nm的p型掺杂GaInP发射区、厚度30-100nm的p型掺杂AlInP窗口层、其中：n型掺杂AlGaInP背场层的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3,n型掺杂GaInP基区的掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3,p型掺杂GaInP发射区的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3,p型掺杂AlInP窗口层的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3；

隧穿结：依次生长为厚度10-100nm的n型GaInP层和厚度10-100nm的p型Al_0.4Ga_0.6As：其中：n型GaInP层的掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3,p型Al_0.4Ga_0.6As的掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3；

第二结GaAs电池：依次生长为厚度100-200nm的n型掺杂AlxGa1-xAs背场层、厚度1000-2000nm的n型掺杂GaAs基区、厚度50-200nm的p型掺杂GaAs发射区、厚度30-100nm的p型掺杂AlxGa1-xAs窗口层；其中：n型掺杂AlxGa1-xAs背场层的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3,n型掺杂GaAs基区的掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10¹⁷cm^-3,p型掺杂GaAs发射区的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3,p型掺杂AlxGa1-xAs窗口层的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3、0.3≤x≤0.5；

第三结μc-Si:H电池：依次生长为厚度为1-2μm的Ag作为背电极、厚度约1-2μm的ZnO:Al(AZO)层、厚度依次为10-100nm的n型掺杂的μc-Si：H，为2-4um的本征μc-Si:H，为10-100nm的p型掺杂的a-Si:H、厚度为0.5-1.5μm的AZO窗口层。

本发明GaInP/GaAs/μc-Si:H三结级联太阳电池，应该保证GaAs子电池和μc-Si:H子电池之间键合面良好的透光性、机械强度和低的电阻率。

这种带隙组合能够实现子电池带隙和AM0太阳光谱的基本匹配，理论光电转换效率和IMM三结砷化镓太阳电池一致。

本发明GaInP/GaAs/μc-Si:H三结级联太阳电池的制备过程：

步骤1、外延反向生长制备GaInP和GaAs子电池

将Ge衬底置于MOCVD操作室内,生长温度设置为500℃～800℃,在Ge衬底上面依次外延生长厚度为0.1﹣0.3μm的GaAs缓冲层、厚度为0.1﹣0.3μm的GaInP腐蚀停止层、厚度为100﹣500nm的p型掺杂GaAs帽层、作为顶电池的GaInP电池、隧穿结、作为中电池的GaAs电池、厚度为50﹣100nm AlGaAs或GaInAs牺牲层；

步骤2、PECVD生长制备μc-Si:H子电池

将不锈钢箔片等材料作为衬底，表面清洗后采用蒸发工艺沉积厚度1-2μm的Ag作为背电极、厚度约1-2μm的AZO采用直流磁控溅射沉积、采用PECVD依次沉积N-i-P的硅基半导体薄膜、厚度为0.5-1.5μm的AZO或ITO窗口层采用直流磁控溅射沉积；

步骤3、将步骤1、2制备的电池键合在一起

通过CMP工艺表面处理AlGaAs或GaInAs牺牲层及AZO窗口层,使得表面粗糙度降至1nm以内。将表面清洗后的电池表面用等离子体进行表面活化处理，将GaAs子电池和μc-Si:H子电池通过贴合在一起；置入键合机的键合腔，键合腔内充满N₂，将键合腔的温度升至80-120℃时，对电池进行60-120秒的预热；然后施加1-5KN的键合压力，，以15℃/min升温的速度将键合腔内温度提升到150-250℃，保持恒温，进行1-2小时的键合，然后以3℃/min降温的速度将键合腔内温度降到室温，实现低温键合；

步骤4、剥离Ge衬底

使用HF:H2O2：H2O＝2：1：1腐蚀液腐蚀Ge衬底，使用1:1的氨水和双氧水腐蚀GaAs缓冲层，Ge衬底和GaAs缓冲层从电池上被剥离掉后，用HCl:H2O＝1:1腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，GaInP腐蚀停止层从电池上被剥离掉，完成Ge衬底的剥离；

步骤5、最后按照砷化镓太阳电池的器件工艺完成GaInP/GaInAs/μc-Si:H三结级联太阳电池的制备。

本发明具有的优点和积极效果是：

GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下明显特点：

1、本发明通过采用外延生长晶格匹配的顶电池和中间电池，采用PECVD生长μc-Si:H底电池；再通过低温键合技术将两种半导体材料键合接起来，克服了IMM电池最后生长一个晶格失配的InGaAs底电池带来的较高的微区缺陷问题。

2、本发明用μc-Si:H替代Ge子电池，可以明显的提升电池的理论转换效率，又能有效降低了电池的成本，极大地提升了三结叠层太阳电池的应用前景。

附图说明

图1是本发明制备过程中形成外延层反向生长的电池结构示意图；

图2是本发明制备过程中μc-Si:H电池结构示意图；

图3是本发明制备的GaInP/GaAs/μc-Si:H三结级联太阳电池结构示意图。

图中的标号分别分：4-GaInP顶电池；5-隧穿结；6-GaAs中电池；8-AZO窗口层；9-μc-Si:H底电池；10-AZO层；11-A背电极；12-衬底。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1、图2和图3。

实施例1

GaInP/GaAs/μc-Si：H三结叠层太阳电池，其结构和制备过程：

步骤1、外延层反向生长制备GaInP/GaAs双结太阳电池

(1)选用n型掺杂的Ge片作为Ge衬底1，Ge片的厚度为180μm,掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3(本发明优选的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3)：

采用MOCVD设备，在(1)中的Ge衬底上面依次外延生长GaAs缓冲层2、GaInP腐蚀停止层3、p型掺杂的GaAs帽层、作为顶电池第一结GaInP电池4、隧穿结5、作为中电池的第二结GaAs电池6，AlGaAs或GaAs牺牲层7，生长温度均为600℃；

其中：

1)GaAs缓冲层作为生长GaAs基材料的成核层，厚度为0.2μm；

2)GaInP腐蚀停止层作为剥离外延生长衬底的腐蚀控制层，厚度为0.2μm；

3)p型掺杂的GaAs帽层(图中未标注)作为与金属电极形成欧姆接触的重掺杂外延层，厚度为100-500nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

4)作为顶电池的第一结GaInP电池依次生长为n型掺杂的AlGaInP背场层、n型掺杂的GaInP基区、p型掺杂的GaInP发射区、p型掺杂的AlInP窗口层；

其中：

n型掺杂的AlGaInP背场层厚度为150nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

n型掺杂的GaInP基区厚度为800nm,掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3；

p型掺杂的GaInP背场层厚度为100nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

p型掺杂的AlInP窗口层厚度为70nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

5)隧穿结依次生长n型的GaInP层和p型的AlGaAs层；

其中：

n型的GaInP层生长温度为500-800℃，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为60nm；

p型的AlGaAs层生长温度为500-800℃，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为60nm；

6)作为中电池的第二结GaAs电池依次生长为n型的AlGaAs背场层、n型掺杂的GaAs基区、p型掺杂的GaAs发射区、p型掺杂的AlGaAs窗口层；

其中：

n型掺杂的AlGaAs背场层厚度为150nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

n型掺杂的GaAs基区厚度为1500nm,掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3；

p型掺杂的GaAs背场层厚度为70nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

p型掺杂的AlGaAs窗口层厚度为60nm,掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

7)n型掺杂的AlGaAs或GaAs牺牲层厚度为70nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

步骤2、PECVD生长制备μc-Si:H太阳电池

(2)选用不锈钢箔片等材料作为衬底12,衬底用去离子水超声清洗后用N₂气吹干；

在(2)中的衬底上面依次生长Ag背电极11、AZO层10、μc-Si:H底电池9、AZO窗口层8；

其中：

Ag背电极采用蒸发或者溅射生长，厚度为1μm,方块电阻为0.2Ω/sq；

AZO层采用溅射生长，厚度为1μm,方块电阻为15Ω/sq，表面用0.5％的HCl溶液刻蚀30s形成绒面；

n型掺杂的μc-Si：H采用RF-PECVD生长，厚度为50nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

本征μc-Si:H采用VHF-PECVD生长，厚度为3um；

p型掺杂的a-Si:H采用RF-PECVD生长，厚度为10-100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

AZO窗口层采用溅射生长，厚度为1μm,方块电阻为15Ω/sq；

步骤3、将步骤1、2制备的电池键合在一起

通过CMP工艺表面处理AlGaAs或GaAs牺牲层及AZO窗口层,使得表面粗糙度降至1nm以内。将表面清洗后的电池表面用等离子体进行表面活化处理，将GaAs子电池μc-Si:H子电池通过范德华力贴合在一起；置入键合机的键合腔，键合腔内充满N₂，将键合腔的温度升至100℃时，对电池进行90秒的预热；然后施加3KN的键合压力，以15℃/min升温的速度将键合腔内温度提升到200℃，保持恒温，进行1.5小时的键合，然后以3℃/min降温的速度将键合腔内温度降到室温，实现低温键合；

步骤4、剥离Ge衬底

使用HF:H₂O₂：H₂O＝2：1：1腐蚀液腐蚀Ge衬底，使用1:1的氨水和双氧水腐蚀GaAs缓冲层，Ge衬底和GaAs缓冲层从电池上被剥离掉后，用HCl:H₂O＝1:1腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，GaInP腐蚀停止层从电池上被剥离掉，完成Ge衬底的剥离；最后再用去离子水超声清洗电池5分钟取出后，即制成如图3所示的GaInP/GaAs/μc-Si:H三结级联太阳电池。

本实施例具有所述的明显提升电池的转换效率，又能有效降低电池成本，极大地提升三结叠层太阳电池的应用前景等积极效果。