專利名稱：多結(jié)疊層電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及多結(jié)疊層電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源問題的不斷加劇，人類對于太陽能這種取之不盡用之不竭的清潔能源寄予厚望，成為當(dāng)前廣泛接受的研究熱點。在眾多太陽能電池中，傳統(tǒng)GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池已成功應(yīng)用于空間和地面光伏領(lǐng)域，但進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率遇到瓶頸。根據(jù)帶隙組成和與太陽光譜的匹配，頂電池的禁帶寬度達(dá)到2. 4e疒2. 7eV時可顯著提升多結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率，但這么高的帶隙寬度在已經(jīng)采用的電池材料體系內(nèi)是較難辦到的。InGaN材料通過調(diào)節(jié)In的組分即可在0.7 eV 3. 4eV的范圍內(nèi)控制其禁帶寬度，是極有可能滿足多結(jié)高效太陽能電池的材料之一。采用MBE或者M(jìn)OCVD技術(shù)直接在III-V族電池頂部生長InGaN頂電池， 由于生長條件的差異，不僅要涉及襯底在腔室之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致污染；而且，由于InGaN材料與傳統(tǒng)III-V族材料存在較大的晶格失配和熱失配，獲得的InGaN頂電池材料質(zhì)量極差，而且容易發(fā)生龜裂、脫落等現(xiàn)象。另外，使用分光的方法雖可避免材料連續(xù)生長的問題，但由于采用平行結(jié)構(gòu)且分光，會導(dǎo)致體積較大以及分光損失等。另外，InGaN電池禁帶寬度大，輸出開路電壓較高，但電流密度相對較低。若采用雙端電極，頂電池可能會成為制約電流輸出的瓶頸，影響電池效率的提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供多結(jié)疊層電池及其制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種多結(jié)疊層電池，包括一襯底、一 InGaN基電池膜層與一 III-V族多結(jié)電池膜層，所述襯底置于所述III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面，所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層之間通過鍵合方式連接。所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層均采用雙層臺面結(jié)構(gòu)，且所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置一電極。所述III-V 族多結(jié)電池膜層為 Ge/Ge/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GalnP/GalnP/GalnP/AlInP、 InGaAs/InGaAs/GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GalnP/AlGaAs/GaInP/GaInP/AlInP 與 Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GalnP/AlGaAs/AlGaAs/AlInP 中任意一種。為了解決上述問題，本發(fā)明還提供一種如上述的多結(jié)疊層電池的制備方法，包括步驟
1)提供一第一襯底、一第二襯底；
2)在所述第一襯底生長InGaN基電池膜層，在第二襯底上生長III-V族多結(jié)電池膜
層；
3)從InGaN基電池膜層上剝離第一襯底，剩下InGaN基電池膜層；
4)將InGaN基電池膜層的任意裸露表面鍵合至III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面。
所述的多結(jié)疊層電池的制備方法，進(jìn)一步包括步驟
5)圖形化所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層，使得上述兩膜層均形成雙層臺面結(jié)構(gòu)；
6)在所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置一電極。所述步驟4)中鍵合的方式包括采用共熔、過渡層、高溫處理以及靜電鍵合中任意一種。所述過渡層的材料為鋁、鈦、硅化鉬中任意一種或多種。本發(fā)明提供多結(jié)疊層電池及其制備方法，優(yōu)點在于
I.本發(fā)明中InGaN頂電池帶隙寬度為2. 4e疒2. 7eV，能與太陽光譜匹配的更好，實現(xiàn)超高效率。2. InGaN頂電池和常規(guī)III-V族電池可以在不同襯底上、不同腔室和不同生長條件下生長，生長過程方便可控，更有利于提升InGaN頂電池的材料質(zhì)量。3.采用鍵合技術(shù)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。4.采用多端電極分別輸出InGaN電池和常規(guī)III-V多結(jié)電池，可避免電流不匹配的問題，有利于多結(jié)電池效率的提升。


圖I是本發(fā)明提供的在第一襯底上生長的InGaN基電池膜層的結(jié)構(gòu) 圖2是本發(fā)明提供的在第二襯底上生長的III-V族多結(jié)電池膜層的結(jié)構(gòu) 圖3是本發(fā)明提供的多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu) 圖4是本發(fā)明提供的帶電極的多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的多結(jié)疊層電池及其制備方法的具體實施方式
做詳細(xì)說明。第一具體實施例
圖I所示為所述的在第一襯底上生長的InGaN基電池膜層的結(jié)構(gòu)圖。圖2所示為所述的在第二襯底上生長的III-V族多結(jié)電池膜層的結(jié)構(gòu)圖。圖3所示為所述的多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)圖。參照圖3，本具體實施例提供一種多結(jié)疊層電池，包括一第二襯底201、一 InGaN基電池膜層102與一 III-V族多結(jié)電池膜層202，所述InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202之間通過鍵合方式以連接，所述第二襯底201置于所述III-V族多結(jié)電池膜層202的裸露表面。本實施例中的鍵合方式采用生長過渡層的方式實現(xiàn)InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202之間的連接，故在InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202之間還包括一層鍵合層301。所述鍵合層301的材料為Al、鈦(Ti, titanium)、娃化鉬(PtSi, Platinum Silicon)及其他類似材料。
作為可選實施方式，鍵合方式還可采用采用共熔、高溫處理以及靜電鍵合中任意一種。圖4所示為所述的帶電極的多結(jié)疊層電池的結(jié)構(gòu)圖。參照圖4，InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202均采用雙層臺面結(jié)構(gòu)，且所述InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置一電極。其中，雙層臺面結(jié)構(gòu)為，以InGaN基電池膜層102為例，所述InGaN基電池膜層102具有兩層臺面，即具有兩個具有高度差的裸露表面。其中，電極302和電極303用于InGaN基電池膜層102的電流輸出，電極304和電極305用于III-V族多結(jié)電池膜層202的電流輸出。InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202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。與傳統(tǒng)電池相比，本具體實施例集成了高能端應(yīng)用的InGaN基電池，使與常規(guī)III-V電池鍵合后的多結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)跟太陽光譜匹配得更好，從而提升電池的轉(zhuǎn)換效率。所述III-V族多結(jié)電池膜層202為采用包含III族和V族元素的多結(jié)電池膜層，可選 Ge/Ge/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaAs/GaInP/GaInP/GalnP/AlInP、InGaAs/InGaAs/1 GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GaInP/AlGaAs/GaInP/GaInP/AlInP 與 Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GalnP/AlGaAs/AlGaAs/Al InP 中任意一種。作為可選的實施方式，所述III-V族多結(jié)電池膜層202可以為p-Ge/n-Ge/n+-GaAs/p+_GaAs/p-GaAs/n_GaAs/n+_GaAs/p+-GaInP/p_GaInP/n-GalnP, p-InGaAs/ n-InGaAs/n+-GaInP/P+-InGaAs/p-GaAs/n-GaAs/n+-GaInP/P+-AlGaAs/p-GalnP/n-GalnP/AlInP, p-Ge/n_Ge/n+-GaAs/P+-GaAs/p-InGaAs/n-InGaAs/ n+-GaAs/P+-GaInP/p-AlGaAs/n-AlGaAs/AlInP等類似的三結(jié)電池結(jié)構(gòu)。 上述p-Ge指具有P型摻雜類型的Ge層,n_Ge指具有N型摻雜類型的Ge層,P+-GaAs指具有高摻雜的P型摻雜類型的GaAs層，H+-GaAs指具有高N型摻雜類型的GaAs層。第二具體實施例
本具體實施例提供一種如第一具體實施例的多結(jié)疊層電池的制備方法，包括步驟
1)提供一第一襯底101、一第二襯底201；
2)在所述第一襯底101上生長InGaN基電池膜層102、在第二襯底201上III-V族多結(jié)電池膜層202 ；
3)從InGaN基電池膜層102上剝離第一襯底101，剩下InGaN基電池膜層102；
4)將InGaN基電池膜層102的任意裸露表面鍵合至III_V族多結(jié)電池膜層202的裸露表面。作為可選實施方式，步驟2)中生長InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202的方法可采用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)或者分子束外延技術(shù)(MBE)技術(shù)。步驟2)中在所述第一襯底101上生長InGaN基電池膜層102、在第二襯底201上III-V族多結(jié)電池膜層202可以各自在不同生長室和生長條件下進(jìn)行生長。步驟3)中剝離方法可采用激光器照射、濕法剝離、納米結(jié)構(gòu)輔助自剝離等。步驟4)采用鍵合技術(shù)不僅解決了多結(jié)電池材料連續(xù)生長時生長條件不一致的問題，也解決了晶格失配和熱失配的問題。
所述制備方法進(jìn)一步包括步驟5)圖形化所述InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202，使得上述兩膜層均形成雙層臺面結(jié)構(gòu)；6)在所述InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置一電極。作為可選實施方式，步驟5)中的圖形化可選用光刻結(jié)合刻蝕等方法實現(xiàn)。本具體實施方式
中，所述步驟4)中鍵合的方式采用生長過渡層的方式實現(xiàn)InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202之間的連接，故在InGaN基電池膜層102與III-V族多結(jié)電池膜層202之間還包括一層鍵合層301。所述鍵合層301的材料為Al、鈦(Ti, titanium)、娃化鉬(PtSi, Platinum Si I icon)及其他類似材料。鍵合過程所采用的鍵合層301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。作為可選實施方式，所述步驟4)中鍵合的方式包括采用共熔、高溫處理以及靜電鍵合中任意一種。本具體實施方式
采用四端電極，對常規(guī)III-V族電池和InGaN頂電池的電流分別 輸出，以此實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。以下提供本發(fā)明的一實施例
本實施例提供一種集成式InGaN/III-V族多結(jié)疊層電池的鍵合和多電極制備方法。參照圖3的電池結(jié)構(gòu)，制備工藝包括
步驟I :采用MBE或者M(jìn)OCVD法在第一襯底101上生長包含有n型層、吸收區(qū)和p型層等的InGaN基電池膜層102 ;采用MBE或者M(jìn)OCVD法在第二襯底201上生長包含有多結(jié)電池及隧道結(jié)的III-V族多結(jié)電池膜層202。采用波長為335nm的高能脈沖激光器從第一襯底101背面照射，掃描整個第一襯底101和InGaN基電池膜層102界面之后，InGaN基電池膜層102將會從第一襯底101上剝離下來。步驟2 :采用晶片鍵合技術(shù)將InGaN基電池膜層102鍵合至III-V族多結(jié)電池膜層202的裸露表面。將InGaN基電池膜層102和III-V族多結(jié)電池膜層202分別經(jīng)過有機清洗后，然后在體積比為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I分鐘,接著用去離子水沖洗并采用氮氣吹干。將InGaN基電池膜層102和III-V族多結(jié)電池膜層202的鍵合面相對齊，采用0. 5MPa的壓力在270°C下在空氣條件下退火10小時，接著在氫氣體積百分比為I :10的氫氣和氮氣混合氣體中，在45(T60(TC下退火30分鐘。步驟3 :采用光刻結(jié)合刻蝕等制備N型臺面、P型臺面,并沉積金屬電極。采用光刻膠作掩膜，結(jié)合ICP依次刻蝕出臺面，使得InGaN基電池膜層102和III-V族多結(jié)電池膜層202各自形成雙層臺面結(jié)構(gòu)，用于沉積金屬電極302、303、304和305。采用光刻結(jié)合刻蝕等方法在InGaN基電池膜層102上制備第一 N型臺面、第一 P型臺面，并在第一 N型臺面上沉積金屬電極302,在第一 P型臺面上沉積金屬電極303 ;米用光刻結(jié)合刻蝕等方法在III-V族多結(jié)電池膜層202上制備第二 N型臺面、第二 P型臺面，并在第二 N型臺面上沉積金屬電極304，在第二 P型臺面上沉積金屬電極305。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提 下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多結(jié)疊層電池,包括ー襯底、一 InGaN基電池膜層與ー III-V族多結(jié)電池膜層，所述襯底置于所述III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面，其特征在干，所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層之間通過鍵合方式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多結(jié)疊層電池，其特征在于，所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層均采用雙層臺面結(jié)構(gòu)，且所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置ー電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多結(jié)疊層電池，其特征在 /GaInP/AlInP、InGaAs/InGaAs/GaInP/InGaAs/GaAs/GaAs/GalnP/AlGaAs/GaInP/GalnP/AlInP 與 Ge/Ge/GaAs/GaAs/InGaAs/InGaAs/GaAs/GalnP/AlGaAs/AlGaAs/Al InP 中任意一種。
4.一種如權(quán)利要求I所述的多結(jié)疊層電池的制備方法，其特征在于，包括步驟I)提供一第一襯底、一第二襯底；2)在所述第一襯底生長InGaN基電池膜層,在第二襯底上生長III-V族多結(jié)電池膜層；3)從InGaN基電池膜層上剝離第一襯底，剩下InGaN基電池膜層；4)將InGaN基電池膜層的任意裸露表面鍵合至III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多結(jié)疊層電池的制備方法，其特征在干，進(jìn)ー步包括步驟5)圖形化所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層，使得上述兩膜層均形成雙層臺面結(jié)構(gòu)；6)在所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層中每層臺面結(jié)構(gòu)裸露表面均設(shè)置ー電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多結(jié)疊層電池的制備方法，其特征在于，所述步驟4)中鍵合的方式包括采用共熔、過渡層、高溫處理以及靜電鍵合中任意ー種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多結(jié)疊層電池的制備方法，其特征在于，所述過渡層的材料為招、鈦、娃化鉬中任意一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多結(jié)疊層電池，包括一襯底、一InGaN基電池膜層與一III-V族多結(jié)電池膜層，所述襯底置于所述III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面，所述InGaN基電池膜層與III-V族多結(jié)電池膜層之間通過鍵合方式以連接。本發(fā)明還提供一種多結(jié)疊層電池的制備方法，包括步驟1)提供一第一襯底、一第二襯底；2)在所述第一襯底生長InGaN基電池膜層，在第二襯底上生長III-V族多結(jié)電池膜層；3)從InGaN基電池膜層上剝離第一襯底，剩下InGaN基電池膜層；4)將InGaN基電池膜層的任意裸露表面鍵合至III-V族多結(jié)電池膜層的裸露表面。
文檔編號H01L31/078GK102738292SQ201210203859
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者吳淵淵, 張東炎, 李雪飛, 楊輝, 鄭新和, 陸書龍 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所