倒裝多結(jié)太陽能電池及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶格匹配的倒裝多結(jié)太陽能電池及其制作方法，屬半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，作為第三代光伏發(fā)電技術(shù)的聚光多結(jié)化合物太陽電池，因其高光電轉(zhuǎn)換效率而倍受關(guān)注。傳統(tǒng)GalnP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池由于Ge底電池過多的吸收了低能光子，因而與InGaP和GaAs中頂電池的短路電流不匹配，所以傳統(tǒng)的GalnP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)并不是效率最優(yōu)化的組合。中國專利文獻(xiàn)CN201010193582.1公開了一種采用倒裝生長方式，其先生長與襯底GaAs晶格匹配的Intl 5Gatl 5P和GaAs中頂電池，再通過漸變緩沖層(InGaP、InAlP或InGaAs)過渡到InGaAs底電池及后續(xù)的襯底剝離、新襯底鍵合等工藝逐步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)整個電池的全結(jié)構(gòu)制備。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效降低位錯密度，剝離的襯底能夠循環(huán)使用，降低了成本。整個制作過程中的主要技術(shù)難點(diǎn)在于:克服從GaAs晶格常數(shù)0.5653 nm向Ina3Gaa7As晶格常數(shù)0.5775 nm過渡時產(chǎn)生的2.15%的晶格失配，也就是異質(zhì)結(jié)漸變緩沖層的生長；而且生長過程中會不可避免的產(chǎn)生穿透位錯，這些位錯會形成復(fù)合中心，降低電池的效率。
相較于晶格失配的InGaAs底電池，美國專利文獻(xiàn)US20110232730A1公開了采用分子束外延(MBE)生長和GaAs襯底晶格匹配的GaInNAsSb五元系稀氮材料。MBE作為超高真空的晶體生長手段在工業(yè)化進(jìn)程中，量產(chǎn)能力一直不如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)。傳統(tǒng)的MBE外延生長，為保證結(jié)構(gòu)均勻，一般采用單片外延，單質(zhì)源的坩堝口徑限制了量產(chǎn)能力，而MOCVD采用氣相沉積，其反應(yīng)室大，以Veeco E475為例，單爐(run)可以外延生長15~16片，量產(chǎn)能力較MBE高一個量級，即使工業(yè)級MBE，其量產(chǎn)能力也遠(yuǎn)不如MOCVD。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明公開了一種晶格匹配的倒裝多結(jié)太陽能電池及其制作方法，其先采用MOCVD設(shè)備進(jìn)行寬帶隙子電池外延結(jié)構(gòu)生長，后采用MBE進(jìn)行窄帶隙子電池外延結(jié)構(gòu)生長，從而獲得高效率倒裝多結(jié)太陽能電池。
[0004]本發(fā)明的具體技術(shù)方案為:倒裝多結(jié)太陽能電池的制作方法，包括步驟:(1)提供一生長襯底，用于半導(dǎo)體材料的外延生長；(2)將所述生長襯底置于MOCVD設(shè)備中，在所述襯底上方采用MOCVD方法倒裝生長第一外延結(jié)構(gòu)，其具有多結(jié)子電池疊層；(3)將上述生長完成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至MBE設(shè)備中，采用MBE方法在其上倒裝形成第二外延結(jié)構(gòu)，其至少包含一結(jié)子電池，形成串聯(lián)倒裝多結(jié)太陽能電池；其中第一外延結(jié)構(gòu)的帶隙大于第二外延結(jié)構(gòu)的帶隙。
[0005]采用本方法制作獲得的倒裝多結(jié)太陽能電池，其所述第一外延結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)與第二外延結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)匹配。
[0006]優(yōu)選地，所述步驟(2)形成的第一外延結(jié)構(gòu)還包括一形成于其頂面上的轉(zhuǎn)移隔離層，在進(jìn)行步驟(3)前，先去除所述轉(zhuǎn)移隔離層，進(jìn)行表面清洗，拋光至可直接外延狀態(tài)(Ep1-ready狀態(tài))，然后將上述結(jié)構(gòu)立即轉(zhuǎn)移到MBE設(shè)備中進(jìn)行步驟(3)。在一些較佳實(shí)施例中，所述步驟(2)包括下面子步驟:在所述生長襯底上形成刻蝕截止層；在所述刻蝕截止層上方采用MOCVD方法倒裝生長具有寬帶隙的多結(jié)子電池疊層，用于吸收短波端太陽光；在所述寬帶隙多結(jié)子電池上形成轉(zhuǎn)移隔離層；在完成步驟(2)后，采用選擇蝕刻液蝕刻去除所述轉(zhuǎn)移隔離層，并進(jìn)行表面清洗，拋光至可直接外延狀態(tài)(Ep1-ready狀態(tài))，然后將上述結(jié)構(gòu)立即轉(zhuǎn)移到MBE設(shè)備中進(jìn)行步驟(3)。所述轉(zhuǎn)移隔離層用以完成第一次外延生長后切換至不同生長設(shè)備(MBE設(shè)備)過程中隔離外界的大氣氧化、硫化、有機(jī)污染、雜質(zhì)吸附、水蒸氣吸附，在進(jìn)行下一次外延之前將其連同表面雜質(zhì)一起腐蝕掉，從而起到保護(hù)其下功能層的作用。
[0007]優(yōu)選地，所述步驟(2)的生長溫度高于步驟(3)的生長溫度。如此采用倒裝生長規(guī)避了不同的襯底溫度造成的影響，形成多結(jié)太陽能電池時，保護(hù)了已生長完畢寬帶隙子電池，避免其遭受高溫?fù)p傷。在一些具體實(shí)施例中，所述步驟(2)中MOCVD的生長溫度可為620~700°C，步驟(3)中MBE的生長溫度可為500~600°C。
[0008]優(yōu)選地，前述倒裝多結(jié)太陽能電池的制作方法還包括步驟(4):對形成的倒裝多結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)的進(jìn)行表面清洗、拋光，并鍵合支撐襯底、去除所述生長襯底、制作電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)倒裝多結(jié)太陽能電池。
[0009]在MBE和MOCVD兩種外延生長技術(shù)中，MBE方法是將原子或者分子束打向襯底，對于襯底溫度可能要求不用太高，可以采用相對較低的溫度進(jìn)行生長。而MOCVD方法采用有機(jī)源裂解反應(yīng)室內(nèi)沉積生長，其襯底溫度需要將有機(jī)源進(jìn)行裂解，然后再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行沉積，所以一般襯底溫度較高。本發(fā)明的制作方法結(jié)合兩種生長方法的差異，采用MOCVD生長寬帶隙子電池，其量產(chǎn)能力大，但襯底溫度相對較高，優(yōu)先于MBE生長的子電池，這即是整體電池結(jié)構(gòu)采用倒裝外延的初衷，如此可以獲得高效率獲得高晶體質(zhì)量的多結(jié)太陽能電池，同時規(guī)避了不同的襯底溫度造成的影響。相比于完全使用MBE外延生長相同帶隙結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽電池全結(jié)構(gòu)來說，采用MOCVD生長部分子電池能夠降低外延成本，提高量產(chǎn)能力。相比于完全使用MOCVD外延生長相同帶隙結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽電池全結(jié)構(gòu)來說，采用本發(fā)明制作方法所獲得的其各個子電池全部晶格匹配、晶體質(zhì)量高，所以光電轉(zhuǎn)化效率高。
[0010]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0011]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0012]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種倒裝多結(jié)太陽能電池的制作方法流程圖。
[0013]圖2~圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種倒裝四結(jié)太陽電池制作方法之各個過程中的結(jié)構(gòu)截面圖，其中圖2為采用MOCVD方法外延生長第一外延結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)截面圖，圖3為采用MBE方法完成第二外延結(jié)構(gòu)后的截面圖，圖4為完成芯片工藝后的倒裝四結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)截面圖。
[0014]圖中各標(biāo)號表不:
001:生長襯底
002:刻蝕截至層
003:歐姆接觸層
004:支撐襯底
101:第一子電池窗口層
102:第一子電池發(fā)射區(qū)
103:第一子電池基區(qū)
104:第一子電池背場層
201:第二子電池窗口層
202:第二子電池發(fā)射區(qū)
203:第二子電池基區(qū)
204:第二子電池背場層
005:轉(zhuǎn)移隔尚層
301:第三子電池窗口層
302:第三子電池發(fā)射區(qū)
303:第三子電池基區(qū)
304:第三子電池背場層
401:第四子電池窗口層
402:第四子電池發(fā)射區(qū)
403:第四子電池基區(qū)
404:第四子電池背場層
501:第一、二子電池隧穿結(jié)
502:第二、三子電池隧穿結(jié) 502:第二、三子電池隧穿結(jié) 500:重?fù)诫s蓋帽層
600:減反射層 700:正面金屬電極 800:背面金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的倒裝太陽能電池及其制作方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對本發(fā)明的限制。
[0016]請參看附圖1，一種倒裝多結(jié)太陽能電池的制作流程圖，包括了步驟S11~S31，其中步驟S11~S13為采用MOCVD方法生長第一外延結(jié)構(gòu)，步驟S21~S23為采用MBE方法生長第二外延結(jié)構(gòu)，步驟S31為采用芯片工藝形成倒裝多結(jié)太陽能電池，具體如下: 步驟Sll:在MOCVD設(shè)備中外延生長刻蝕截至層(ESL)和歐姆接觸層；
步驟S12:在MOCVD設(shè)備中外延生長第一外延結(jié)構(gòu)的功能層，其含有多結(jié)子電池疊層，用于吸收短波端太陽光；
步驟S13:在MCVD設(shè)備中外延生長轉(zhuǎn)移隔離層，用以完成第一次外延生長后切換至不同生長設(shè)備(MBE設(shè)備)過程中隔離外界的大氣氧化、硫化、有機(jī)污染、雜質(zhì)吸附、水蒸氣吸附等，在進(jìn)行下一次外延之前再將其連同表面雜質(zhì)一起腐蝕掉，從而起到保護(hù)其下功能層的作用；
步驟S21:將經(jīng)過前面處理的樣品取出MOCVD設(shè)備外，去除轉(zhuǎn)移隔離層并進(jìn)行清洗、拋光至Ep1-ready狀態(tài)后轉(zhuǎn)移至MBE設(shè)備中；
步驟S22:在MBE設(shè)備中外延生長第二外延結(jié)構(gòu)的功能層，其至少含有一結(jié)子電池疊層，帶隙小于第一外延結(jié)構(gòu)的帶隙，用于吸收長波端太陽光；
步驟S23:在MBE設(shè)備中外延長生歐姆接觸層；
步驟S31:采用芯片工藝形成倒裝多結(jié)太陽能電池，包括鍵合支撐襯底、剝離生長襯底、去除刻蝕截至層、制作金屬電極等。
[0017]【實(shí)施例1】
圖3所示為一種倒裝四結(jié)太陽電池的外延結(jié)構(gòu)，至下而上包括:生長襯底001、