專利名稱：倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，尤其涉及一種基于晶格異變法生長(zhǎng)的倒裝AlGaAs/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，該倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜的充分利用，具有較高的電池效率。
背景技術(shù)：
在II1- V族太陽(yáng)電池的研制過(guò)程中，為了得到較高的轉(zhuǎn)化效率，常需要將太陽(yáng)光譜進(jìn)行劃分，采用與之對(duì)應(yīng)的不同禁帶寬度的子電池進(jìn)行串聯(lián)，目前研究較為成熟的體系是晶格匹配生長(zhǎng)的GaInP/GaAS/Ge(l.9/1.42/0.7eV)三結(jié)電池，其最高轉(zhuǎn)換效率為32-33%(—個(gè)太陽(yáng))。然而該三結(jié)電池中Ge底電池覆蓋較寬的光譜，其短路電流較大，為了實(shí)現(xiàn)與其他子電池的電流匹配必然會(huì)降低太陽(yáng)光利用率。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，需要對(duì)底電池進(jìn)行拆分，計(jì)算表明在GaAs和Ge電池中間插入一帶隙為1.0OeV的材料，做成四結(jié)電池，可以實(shí)現(xiàn)光電流匹配，提高電池效率。由于晶格常數(shù)對(duì)材料的限制，與Ge襯底晶格匹配，帶隙為1.0OeV的材料的選擇較少，一種較為理想的材料為InGaAsN,但目前制備的InGaAsN材料缺陷多、載流子遷移率低，影響了電池性能的提高。另一種方法為采用晶片鍵合的方法將晶格失配的具有合理帶隙組合的電池鍵合在一起，實(shí)現(xiàn)電流匹配，提高電池效率。例如將GalnP/GaAs (1.9/1.42eV)和InGaAsP/InGaAs (1.05/0.74eV)雙結(jié)電池的鍵合，但是晶片鍵合電池需要GaAs和InP兩個(gè)襯底，這不僅增加了電池的制作成本，而且對(duì)工藝有較高的要求。如何實(shí)現(xiàn)多結(jié)太陽(yáng)電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時(shí)而又不提高電池制作成本和難度成為當(dāng)前II1- V族太陽(yáng)電池亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，實(shí)現(xiàn)多結(jié)太陽(yáng)電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時(shí)而又不提高電池制作成本和難度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，包括采用倒裝方式依次生長(zhǎng)的AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)以及InGaAs底電池；所述GaAs子電池和所述InGaAsP子電池之間通過(guò)所述晶格異變緩沖層進(jìn)行過(guò)渡。進(jìn)一步，所述AlGaAs頂電池和所述GaAs子電池均與GaAs襯底晶格匹配；所述InGaAsP子電池和所述InGaAs底電池晶格匹配。進(jìn)一步，所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池帶隙組合為1.93 eVU.42 eV、1.04 eV、0.7eV。進(jìn)一步，所述晶格異變緩沖層采用In組分線性漸進(jìn)或步進(jìn)漸變的AlhInxAs材料，其中X的范圍為(T0.51。進(jìn)一步，所述晶格異變緩沖層的帶隙大于或等于1.47 eV。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種一種本發(fā)明所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法，包括步驟:1)在一 GaAs襯底上生長(zhǎng)第一歐姆接觸層；2)在所述第一歐姆接觸層上依次生長(zhǎng)AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)、InGaAs底電池以及第二歐姆接觸層；3)在所述第二歐姆接觸層上制備第二電極并與一支撐襯底進(jìn)行鍵合；4)剝離所述GaAs襯底，并在所述第一歐姆接觸層上制備第一電極，獲得目標(biāo)太陽(yáng)電池。步驟4)進(jìn)一步包括采用濕法腐蝕方法對(duì)所述GaAs襯底進(jìn)行剝離，并在所述第一歐姆接觸層上制備頂電池柵狀電極。進(jìn)一步，所述支撐襯底采用硅片、玻璃或金屬。進(jìn)一步，所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的各結(jié)構(gòu)層采用MOCVD法或MBE法生長(zhǎng)形成。本發(fā)明提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，優(yōu)點(diǎn)在于:
1.該太陽(yáng)電池帶隙組合為1.93eVU.42 eV、1.04 eV、0.7eV，具有較高的開路電壓，有較高的電池效率；
2.采用倒裝生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)，剝離后的襯底可以重復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本。


圖1所示為本發(fā)明一具體實(shí)施方式
提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1所示的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制成品的結(jié)構(gòu)示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實(shí)施方式
提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法做詳細(xì)說(shuō)明。首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的具體實(shí)施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實(shí)施方式
提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1所示的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制成品的結(jié)構(gòu)示意圖，接下來(lái)對(duì)圖1、2所示的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)說(shuō)明。本具體實(shí)施方式
提供一種倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，包括:包括采用倒裝方式依次生長(zhǎng)的AlGaAs頂電池25、第一隧道結(jié)24、GaAs子電池23、第二隧道結(jié)22、晶格異變緩沖層11、InGaAsP子電池21、第三隧道結(jié)20以及InGaAs底電池19。所述AlGaAs頂電池25和InGaAs底電池19上分別設(shè)有電極(如圖2所示電極26、27)。所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池帶隙組合為 1.93 eVU.42 eV、1.04 eV、0.7eV。 該四結(jié)電池在GaAs襯底01上倒裝依次生長(zhǎng)各結(jié)電池，之后，將外延的電池結(jié)構(gòu)與一支撐襯底28鍵合，并將GaAs襯底01剝離，然后分別在AlGaAs頂電池25和InGaAs底電池19上設(shè)置電極，從而獲得目標(biāo)太陽(yáng)電池芯片。所述AlGaAs頂電池25和所述GaAs子電池23均與GaAs襯底01晶格匹配；所述InGaAsP子電池21和所述InGaAs底電池19晶格匹配，但與GaAs襯底01存在失配。所述GaAs子電池23和所述InGaAsP子電池21之間通過(guò)所述晶格異變緩沖層11進(jìn)行過(guò)渡。在本具體實(shí)施方式
中，在生長(zhǎng)所述AlGaAs頂電池25之前，在GaAs襯底OI上還生長(zhǎng)GaAs層作為第一歐姆接觸層02，其摻雜類型為N型。所述AlGaAs頂電池25包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)03以及P型基區(qū)04。所述AlGaAs頂電池25的帶隙約為1.93 eV。所述第一隧道結(jié)24包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的P型AlGaAs重?fù)綄?5以及N型GaInP重?fù)綄?6。所述GaAs子電池23包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)07以及P型基區(qū)08。所述GaAs子電池23的帶隙約為1.42 eV。所述第二隧道結(jié)22包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的P型GaAs重?fù)綄?9以及N型摻GaInP或GaAs重?fù)綄?0。所述晶格異變緩沖層11帶隙大于或等于1.47 eV，采用AlhInxAs材料，其中x的范圍為(Γ0.51。所述InGaAsP子電池21和所述InGaAs底電池19晶格匹配，但與GaAs襯底01存在3.8%的失配。作為一種優(yōu)選實(shí)施方式:所述晶格異變緩沖層11采用In組分線性漸進(jìn)或步進(jìn)漸變的方法生長(zhǎng)，可以使晶格失配應(yīng)力充分釋放，實(shí)現(xiàn)GaAs子電池23和InGaAsP子電池21晶格常數(shù)的過(guò)渡。所述InGaAsP子電池21包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)12以及P基區(qū)13。所述InGaAsP子電池21的帶隙約為11.04 eV。所述第三隧道結(jié)20包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的P型InP重?fù)綄?4以及N型InP重?fù)綄?5。所述InGaAs底電池19包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底01方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)16以及P型基區(qū)17。所述InGaAs底電池19的帶隙約為0.7eV。在本具體實(shí)施方式
中，在InGaAs底電池19上還設(shè)有InGaAs層作為第二歐姆接觸層18，其摻雜類型為P型。在所述第二歐姆接觸層18上制備第二電極，所述第二電極為P電極27。之后，所述InGaAs底電池19與一支撐襯底28進(jìn)行鍵合；在GaAs襯底01剝離后，在所述第一歐姆接觸層02上制作第一電極，所述第一電極為頂電池柵狀電極26，從而獲得所需的太陽(yáng)電池。其中，所述支撐襯底28采用硅片、玻璃或金屬。本發(fā)明提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池采用倒裝生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)，剝離后的襯底可以重復(fù)利用，降低了生產(chǎn)成本。且所述倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的帶隙組合為1.93 eVU.42 eVU.04eV、0.7eV,具有較高的開路電壓，有較高的電池效率。接下來(lái)結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制備方法的具體實(shí)施方式
。參考附圖3，本具體實(shí)施方式
提供的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制備方法的流程圖，接下來(lái)對(duì)圖3所示的步驟做詳細(xì)說(shuō)明。步驟S301，在一 GaAs襯底上生長(zhǎng)第一歐姆接觸層。提供一 GaAs襯底，之后在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs層作為第一歐姆接觸層，其摻雜類型為N型。步驟S302，在所述第一歐姆接觸層上依次生長(zhǎng)AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)、InGaAs底電池以及第二歐姆接觸層。在第一歐姆接觸層上生長(zhǎng)AlGaAs頂電池，所述AlGaAs頂電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)以及P型基區(qū)。在AlGaAs頂電池上生長(zhǎng)第一隧道結(jié)，所述第一隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的P型AlGaAs重?fù)綄右约癗型GaInP重?fù)綄?。在第一隧道結(jié)上生長(zhǎng)GaAs子電池，所述GaAs子電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)以及P型基區(qū)。在GaAs子電池上生長(zhǎng)第二隧道結(jié)，所述第二隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的P型GaAs重?fù)綄右约癗型摻GaInP或GaAs重?fù)綄印Ｔ诘诙淼澜Y(jié)上生長(zhǎng)晶格異變緩沖層，所述晶格異變緩沖層帶隙大于或等于1.47eV，采用AlhInxAs材料，其中x的范圍為(Γθ.51。所述晶格異變緩沖層采用In組分線性漸進(jìn)或步進(jìn)漸變的方法生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)GaAs子電池和InGaAsP子電池晶格常數(shù)的過(guò)渡。在晶格異變緩沖層上生長(zhǎng)InGaAsP子電池，所述InGaAsP子電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)以及P基區(qū)。在InGaAsP子電池上生長(zhǎng)第三隧道結(jié)，所述第三隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的P型InP重?fù)綄右约癗型InP重?fù)綄印Ｔ诘谌淼澜Y(jié)上生長(zhǎng)InGaAs底電池，所述InGaAs底電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的N型發(fā)射區(qū)以及P型基區(qū)。在InGaAs底電池上生長(zhǎng)InGaAs層作為第二歐姆接觸層，其摻雜類型為P型。步驟S303，在所述第二歐姆接觸層上制備第二電極并與一支撐襯底進(jìn)行鍵合。在所述第二歐姆接觸層18上制備第二電極，所述第二電極為P電極27。之后，將所述InGaAs底電池與一支撐襯底進(jìn)行鍵合。其中，所述支撐襯底28采用硅片、玻璃或金屬。步驟S304，剝離所述GaAs襯底，并在所述第一歐姆接觸層上制備第一電極，獲得目標(biāo)太陽(yáng)電池。其中，所述第一電`極為頂電池柵狀電極。上述生長(zhǎng)過(guò)程可米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長(zhǎng)。接下來(lái)結(jié)合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明，本優(yōu)選實(shí)施例采用MOCVD方法生長(zhǎng)本發(fā)明所述倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池。(I)在N型GaAs襯底01上生長(zhǎng)N型摻雜約6 XlO18 cm_3、厚度0.2微米的GaAs層作為第一歐姆接觸層02。(2)生長(zhǎng)N型摻雜濃度約為2 X1018cm_3、厚度0.2微米的AlGaAs作為AlGaAs電池25的發(fā)射區(qū)03，生長(zhǎng)P型摻雜濃度約為I X IO17 cm_3、厚度約3.0微米的AlGaAs作為AlGaAs電池25的基區(qū)04。(3)生長(zhǎng)P型摻雜濃度大于I X IO19CnT3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重?fù)綄?5，生長(zhǎng)N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP重?fù)綄?6，形成第一隧道結(jié)24。(4)生長(zhǎng)N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.15微米的GaAs層作為GaAs電池23的發(fā)射區(qū)07，生長(zhǎng)P型摻雜濃度約I X IO17 cm_3、厚度約3微米的GaAs層作為GaAs電池23白勺基區(qū)08ο(5)生長(zhǎng)P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaAs重?fù)綄?9，生長(zhǎng)N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重?fù)綄?0，形成第二隧道結(jié)22。(6)生長(zhǎng)N型摻雜濃度為5 X IO17 cm_3、厚度2_3微米的AlhInxAs晶格異變緩沖層11。(7)生長(zhǎng)N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.15微米的InGaAsP層作為InGaAsP電池21的發(fā)射區(qū)12，生長(zhǎng)P型摻雜濃度約IXlO17 cm_3、厚度約3微米的InGaAsP層作為InGaAsP電池21的基區(qū)13。(8)生長(zhǎng)P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的InP重?fù)綄?4，然后生長(zhǎng)N型摻雜濃度大于IXlO19 cm_3、厚度0.015微米的InP重?fù)綄?5，形成第三隧道結(jié)20。(9)生長(zhǎng)N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.15微米的InGaAs層作為InGaAs電池19的發(fā)射區(qū)16，生長(zhǎng)P型摻雜濃度約I X IO17 cm_3、厚度約3微米的InGaAs層作為InGaAs電池19的基區(qū)17。(10)然后生長(zhǎng)P型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的InGaAs層作為第二歐姆接觸層18，即作為InGaAs電池19的歐姆接觸層。用MOCVD方法生長(zhǎng)獲得的AlGaAs/GaAs/InGaAsP/InGaAs倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽(yáng)電池的電極制備工藝:在第二歐姆接觸層18上制備P電極27后與支撐襯底28進(jìn)行鍵合；利用濕法腐蝕方法對(duì)GaAs襯底01進(jìn)行剝離，在第一歐姆接觸層02上制作頂電池柵狀電極26，獲得太陽(yáng)電池，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于，包括采用倒裝方式依次生長(zhǎng)的AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)以及InGaAs底電池；所述GaAs子電池和所述InGaAsP子電池之間通過(guò)所述晶格異變緩沖層進(jìn)行過(guò)渡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于，所述AlGaAs頂電池和所述GaAs子電池均與GaAs襯底晶格匹配；所述InGaAsP子電池和所述InGaAs底電池晶格匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于，所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池帶隙組合為 1.93 eVU.42 eVU.04 eV、0.7eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于，所述晶格異變緩沖層采用In組分線性漸進(jìn)或步進(jìn)漸變的AlhInxAs材料，其中x的范圍為(Γθ.51。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于，所述晶格異變緩沖層的帶隙大于或等于1.47 eV。
6.一種權(quán)利要求1所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，包括步驟: 1)在一GaAs襯底上生長(zhǎng)第一歐姆接觸層； 2)在所述第一歐姆接觸層上依次生長(zhǎng)AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)、InGaAs底電池以及第二歐姆接觸層； 3)在所述第二歐姆接觸層上制備第二電極并與一支撐襯底進(jìn)行鍵合； 4)剝離所述GaAs襯底，并在所述第一歐姆接觸層上制備第一電極，獲得目標(biāo)太陽(yáng)電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制備方法，其特征在于，步驟4)進(jìn)一步包括采用濕法腐蝕方法對(duì)所述GaAs襯底進(jìn)行剝離，并在所述第一歐姆接觸層上制備頂電池柵狀電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制備方法，其特征在于，所述支撐襯底采用娃片、玻璃或金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池制備方法，其特征在于，所述的倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池的各結(jié)構(gòu)層采用MOCVD法或MBE法生長(zhǎng)形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種倒裝四結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，所述電池包括AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)及InGaAs底電池；GaAs子電池和InGaAsP子電池通過(guò)晶格異變緩沖層過(guò)渡。所述制備方法包括步驟在一GaAs襯底上生長(zhǎng)第一歐姆接觸層；在第一歐姆接觸層上依次生長(zhǎng)AlGaAs頂電池、第一隧道結(jié)、GaAs子電池、第二隧道結(jié)、晶格異變緩沖層、InGaAsP子電池、第三隧道結(jié)、InGaAs底電池及第二歐姆接觸層；在第二歐姆接觸層上制備第二電極并與一支撐襯底鍵合；剝離GaAs襯底，并在第一歐姆接觸層上制備第一電極，獲得目標(biāo)太陽(yáng)電池。
文檔編號(hào)H01L31/18GK103151413SQ201310093058
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者孫玉潤(rùn), 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 于淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 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