專利名稱：四結(jié)GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能利用的光伏存儲(chǔ)設(shè)備，尤其涉及一種四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和器件制備，屬于太陽(yáng)能光伏技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在上個(gè)世紀(jì)70年代引發(fā)的能源危機(jī)刺激下，也在空間飛行器能源系統(tǒng)的需求牽 引下，光伏技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破。晶體硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅薄膜太 陽(yáng)能電池、III-V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、II-VI族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽(yáng)能電 池等，越來(lái)越多的太陽(yáng)能電池技術(shù)日趨成熟。光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及制造成本的持續(xù) 降低，使得光伏技術(shù)在空間和地面都得到了廣泛的應(yīng)用?；仡櫣夥夹g(shù)在最近10年的發(fā) 展，在效率提高方面，多結(jié)級(jí)聯(lián)式的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是最引人矚目的。2007年InGaP/(In) GaAs/Ge三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)的平均效率已經(jīng)接近30%。在240倍聚光下，這 種多結(jié)太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室AMI. 5D效率已經(jīng)超過(guò)了 40%。理論上來(lái)說(shuō)，結(jié)數(shù)越多，效率越 高。但在實(shí)踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來(lái) 實(shí)現(xiàn)整體級(jí)聯(lián)電池。因此，目前的多結(jié)電池結(jié)構(gòu)主要有兩種思路一是優(yōu)先考慮晶格匹配 而將光電流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的設(shè)計(jì)，兩結(jié)GalnP/GaAs電池的效率達(dá)到 了 30%以上。但晶格匹配的電池結(jié)構(gòu)由于其確定的帶隙能量，限制了太陽(yáng)光的光電流的匹 配，使得它不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池的全光譜吸收利用。例如，對(duì)于晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge 三結(jié)太陽(yáng)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(yōu)先考慮多結(jié)結(jié)構(gòu)的光電流匹配而采用晶格失配的生長(zhǎng)方式，從2005年開(kāi) 始，國(guó)際上幾個(gè)著名的研究組，比如NREL，Emcore以及日本的豐田、夏普等越來(lái)越多地關(guān)注 晶格失配的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的研究。通過(guò)帶隙能量的調(diào)整，利用倒置方法生長(zhǎng)的InGaAs/(In) GaAs/InGaP電池的效率從2007年的38. 9% (81倍聚光，AMI. 5D)提高到2008年的40. 8% (326倍聚光，AM1.5G)。最近德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所的Eicke Weber教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將 三結(jié)GalnP/GalnAs/Ge太陽(yáng)電池效率提高到了 41. 1%。盡管如此，晶格失配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴于高質(zhì)量的材料生長(zhǎng)，而大的晶格失配必然 帶來(lái)失配位錯(cuò)，從而大大增加非輻射復(fù)合、降低電池效率。這導(dǎo)致了直接生長(zhǎng)的四結(jié)串聯(lián) 式電池的效率反而比三結(jié)的效率要低。而根據(jù)Shockley-Quisser模型，四結(jié)帶隙能量為 1. 9/1. 4/1. 05/0. 67eV的太陽(yáng)電池可以獲得超過(guò)45%的轉(zhuǎn)換效率，與在同樣的一次鍵合工 藝下比Emcore公司提出的雙結(jié)GaAs/InGaAs電池相比具有非常高的效率上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)， 由于四結(jié)結(jié)構(gòu)更能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓，低電流輸出，可以有效降低超高倍聚光太陽(yáng)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(yáng)電池成本，從而為III-V族化合物半導(dǎo) 體太陽(yáng)電池在產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)展起到了極大地推動(dòng)?；诰Ц袷涞奶?yáng)電池在材料生長(zhǎng)上的限制以及四結(jié)以上電池研制的需要，通 過(guò)外延直接鍵合的方法實(shí)現(xiàn)大失配晶格材料的直接單片多結(jié)電池集成已經(jīng)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(lái)的材料生長(zhǎng)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(jié)電池的研制上，美國(guó)波音-光 譜公司以及加州理工的科學(xué)家們提出了將Ge襯底上的雙結(jié)GalnP/GaAs電池和InP襯底上 生長(zhǎng)的InGaAsP/InGaAs(l. 0/0. 72eV)鍵合的方法，以實(shí)現(xiàn)單片四結(jié)GaInP/GaAs/[Ge/InP 鍵合介面VlnGaAsP/InGaAs集成。雖然使用了晶格匹配的材料結(jié)構(gòu)，但Ge/InP會(huì)吸收能 量在1. 42eV以下的太陽(yáng)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(huì)大大增加電池研制的工藝?yán)щy。另外采用倒置生長(zhǎng)，然后進(jìn)行鍵合工 藝的方法，也能得到和太陽(yáng)光譜匹配的四結(jié)電池，但是增加了一步襯底剝離工藝，不但增加 了電池制作成本，也增加了影響電池效率的因素。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述以InGaP/(In)GaAs/Ge三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池為代表的光伏技術(shù)仍無(wú)法 達(dá)到與太陽(yáng)光譜的最佳匹配，以及制作單片級(jí)聯(lián)三結(jié)以上的太陽(yáng)能電池存在的半導(dǎo)體材料 間晶格失配的客觀困難，本發(fā)明的目的是提出一種四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng) 電池的制作方法，在繼承以往兩結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基 礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽(yáng)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(yáng)電池中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的的技術(shù)方案如下四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于將基于 GaAs襯底生長(zhǎng)的晶格匹配的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池和基于InP襯底生長(zhǎng)的晶格匹配的 InGaAsP/InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池以鍵合方式集成為四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng) 電池。進(jìn)一步地，上述四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，包括如 下步驟步驟1 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在GaAs襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的GaInP/ GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池外延片，獲得帶隙能量為1. 9/1. 4eV的電池組合；步驟2 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在InP襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP/ InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池外延片，獲得帶隙能量為1. 05/0. 72eV的電池組合；并在電池頂面生 長(zhǎng)InP遂穿結(jié)，以InP作為鍵合層；步驟3 將步驟1生長(zhǎng)的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池襯底減薄，并與InP襯底上生 長(zhǎng)的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池頂面鍵合，其鍵合界面為GaAs/InP。更進(jìn)一步地，前述四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其中 步驟1之后在GaAs襯底上的GaInP電池的頂端生長(zhǎng)GaAs遂穿結(jié)。更進(jìn)一步地，前述四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其中 步驟3之后，還包括一系列輸出功率、尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，以完成四結(jié)太 陽(yáng)電池的制作。本發(fā)明制作方法的提出，較之于現(xiàn)有技術(shù)其突出效果為首先，通過(guò)晶片鍵合的方法，克服了光電流匹配與晶格匹配之間的矛盾，以多種帶 隙寬度不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成級(jí)聯(lián)的太陽(yáng)能電池，吸收利用與其材料隙寬最相匹配的太陽(yáng) 光譜，減小光電轉(zhuǎn)換中的熱能損耗，更大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光全光譜的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率；其次，兩個(gè)雙結(jié)電池都是晶格匹配生長(zhǎng)，避免了因晶格不匹配造成外延層應(yīng)力 釋放時(shí)產(chǎn)生位錯(cuò)，消除了對(duì)器件性能影響的因素；另外利用鍵合的方法把兩種雙結(jié)電 池連結(jié)，獲得不受晶格匹配帶與電流匹配矛盾限制的四結(jié)太陽(yáng)電池，形成帶隙能量為 1. 9/1. 4/1. 05/0. 72eV的光學(xué)吸收，同三結(jié)電池相比，能夠提高10%的效率。以下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是本發(fā)明四結(jié)太陽(yáng)電池鍵合前后的電池結(jié)構(gòu)及其鍵合示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易理解，下面特結(jié)合本發(fā)明具體實(shí) 施例，詳細(xì)說(shuō)明如下1)鍵合前電池的生長(zhǎng)如圖1所示，是本發(fā)明所采用的GalnP/GaAs/太陽(yáng)電池和InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電 池鍵合前后的電池結(jié)構(gòu)及其鍵合示意圖。由附圖可以清楚地看到雙結(jié)電池是在GaAs襯底 上首先生長(zhǎng)GaAs電池，然后生長(zhǎng)晶格匹配的GaInP電池；在InP襯底上先生長(zhǎng)晶格匹配的 InGaAs電池，然后生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP電池。由于都是采用晶格匹配生長(zhǎng)，不會(huì)因晶格 不匹配增加材料生長(zhǎng)的難度，也不會(huì)因外延層應(yīng)力釋放產(chǎn)生位錯(cuò)，從而影響晶體質(zhì)量，進(jìn)而 影響器件性能；另外，在GaAs襯底上的GaInP電池的頂端生長(zhǎng)GaAs遂穿結(jié)，且在InP襯底 上的InGaAsP電池的頂端生長(zhǎng)InP遂穿結(jié)，以減少鍵合界面處電阻，避免界面處壓降較大， 影響電池性能。2)晶片的鍵合本發(fā)明中鍵合界面是p+GaAs/n+InP，其中，GaAs襯底減薄后作為電池的背表面 層，InP為InGaAsP電池的頂部結(jié)構(gòu)。GaAs需選擇摻雜濃度高于1. OX IO19的P型襯底，襯 底需減薄至10-30nm ；頂層n+InP的摻雜濃度需高于1. 0X 1019，厚度范圍15-30nm。然后 進(jìn)行鍵合并退火以形成良好的接觸，減小界面電阻的影響，從而獲得界面電阻較小的理想 鍵合界面；退火溫度在400-550°C，此溫度遠(yuǎn)低于材料生長(zhǎng)溫度，不會(huì)影響到材料的質(zhì)量及 器件性能。之后，則按照標(biāo)準(zhǔn)的電池工藝完成電池制備，包括一系列輸出功率、尺寸外形及 適于安裝的封裝工藝步驟，得到如圖1右側(cè)所示的四結(jié)太陽(yáng)電池。綜上所述，是對(duì)本發(fā)明一具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，對(duì)本案保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限 制，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方法，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
四結(jié)GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于將基于GaAs襯底生長(zhǎng)的晶格匹配的GaInP/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池和基于InP襯底生長(zhǎng)的晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池以鍵合方式集成為四結(jié)GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs陽(yáng)電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其 特征在于包括如下步驟步驟1 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在GaAs襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的GalnP/GaAs 雙結(jié)太陽(yáng)電池外延片，獲得帶隙能量為1. 9/1. 4eV的電池組合；步驟2 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在InP襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP/ InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池外延片，獲得帶隙能量為1. 05/0. 72eV的電池組合；步驟3 將步驟1生長(zhǎng)的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池襯底減薄，并與InP襯底上生長(zhǎng)的 InGaAsP/InGaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池頂面鍵合，其鍵合界面為GaAs/InP。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其 特征在于步驟1之后在GaAs襯底上的GaInP電池的頂端生長(zhǎng)GaAs遂穿結(jié)，且步驟2之后 在InP襯底上的InGaAsP電池的頂端生長(zhǎng)InP遂穿結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，其 特征在于步驟3之后，還包括一系列輸出功率、尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，以 完成四結(jié)太陽(yáng)電池的制作。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種四結(jié)GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽(yáng)電池的制作方法，利用晶片鍵合的方法，由基于GaAs襯底生長(zhǎng)的GaInP/GaAs雙結(jié)太陽(yáng)電池和基于InP襯底生長(zhǎng)的InGaAs/InGaAsP雙結(jié)太陽(yáng)電池集成；利用InP作為支撐襯底，實(shí)現(xiàn)四結(jié)帶隙能量分別為1.9/1.4/1.05/0.72eV的太陽(yáng)電池，更大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光全光譜的吸收和能量轉(zhuǎn)換，在AM1.5G的輻照下，一個(gè)太陽(yáng)下實(shí)現(xiàn)了32.8％的效率?；趦煞N雙結(jié)電池的研制，本發(fā)明提出了鍵合四結(jié)太陽(yáng)電池，以減少機(jī)械式級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池系統(tǒng)中使用多個(gè)不同襯底所導(dǎo)致的高成本以及光學(xué)集成電池中復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)及光學(xué)損失，同時(shí)還有效解決了生長(zhǎng)單片四結(jié)級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池材料的晶格失配問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)高電壓、低電流輸出，降低高倍聚光電池中電阻消耗。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101950774SQ20101025578
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者任雪勇, 何巍, 楊輝, 熊康林, 董建榮, 趙勇明, 陸書(shū)龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所