GaInP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaInP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法，包括：A、在襯底上生長第一過渡層GaP；B、在第一過渡層GaP上生長第二過渡層Ga1-xInxP；C、在第二過渡層Ga1-xInxP上生長GaAs底電池；D、在GaAs底電池上生長GaInP頂電池；其中，通過調(diào)節(jié)第二過渡層Ga1-xInxP中銦的含量使其晶格常數(shù)與GaAs底電池的晶格常數(shù)相匹配。該制備方法以GaP/Ga1-xInxP為過渡層，通過控制銦源流量從而使得第二過渡層Ga1-xInxP的晶格常數(shù)過渡至GaAs底電池的晶格常數(shù)，使之晶格常數(shù)相匹配，從而達到生長制備GaInP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的目的。
【專利說明】
Ga I nP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體地講，涉及一種GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境和能源的要求，使得包括太陽能高效發(fā)電在內(nèi)的新能源技術(shù)越發(fā)重要。太陽能高效發(fā)電技術(shù)作為支撐我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前瞻性、戰(zhàn)略性的新型清潔能源技術(shù)，在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中被列為重點支持和優(yōu)先發(fā)展的方向。多結(jié)II1-V化合物半導(dǎo)體太陽電池以其多種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料吸收與其帶隙寬度相匹配的那部分太陽光，從而實現(xiàn)對太陽光的寬光譜吸收，目前雙結(jié)電池的效率已極高超過了 30%。但是成本和大面積集成的需要驅(qū)使人們需找在Si襯底上制作II1-V化合物半導(dǎo)體太陽電池。用大面積成本低廉的Si襯底代替面積小且價格昂貴GaAs襯底已經(jīng)成為最近幾十年電池研究的熱門。除了經(jīng)濟因素以外，Si襯底的機械強度大，熱導(dǎo)性好，既可以做支撐襯底又能做底層電池等優(yōu)勢，因此將這種環(huán)保型材料與能夠取得高效率的II1-V化合物半導(dǎo)體進行結(jié)合，無論是從成本還是從環(huán)保和效率方面，都是值得研究的。
[0003]目前在Si襯底上做II1-V多結(jié)電池，主要有兩種方法，一是先在GaAs襯底上生長GalnP/GaAs雙結(jié)電池，然后將該電池鍵合到Si襯底上，制備工藝相對復(fù)雜，而且采用濕法腐蝕會對GaAs造成損傷；此外，鍵合的準備過程和剝離GaAs襯底的過程必須要有較高的生產(chǎn)能力和設(shè)備才能夠有效降低成本。二是在Si襯底上直接生長雙結(jié)電池，直接生長的方法減少了工藝制備的繁瑣，但是Si和GaAs有4%的晶格常數(shù)差異，通常是通過緩沖層過渡到GaAs，先生長和Si晶格接近的GaP然后通過漸變組分的GaAsyP1 y，逐步將晶格過渡到GaAs的晶格常數(shù)；然而，漸變組分的GaAsyP1 y由于含有兩個V族源，生長時較難控制組分的精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法，該方法以GaPAa1 JnxP為過渡層，通過控制第二過渡層Ga1 JnxP中銦的含量，使得Ga1 xInxP的晶格常數(shù)過渡至GaAs底電池的晶格常數(shù)，從而生長GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池。
[0005]為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0006]GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法，包括:A、在襯底上生長第一過渡層GaP ;
B、在所述第一過渡層GaP上生長第二過渡層Ga1 xInxP ;C、在所述第二過渡層Ga1 xInxP上生長GaAs底電池；D、在所述GaAs底電池上生長GaInP頂電池；其中，通過調(diào)節(jié)所述第二過渡層Ga1 JnxP中銦的含量使其晶格常數(shù)與所述GaAs底電池的晶格常數(shù)相匹配。
[0007]進一步地，所述第二過渡層Ga1 xInxP中銦的含量x的取值范圍為O彡x彡0.48。
[0008]進一步地，所述第二過渡層Ga1 JnxP中銦的含量x的值按照遠離所述襯底的方向呈線性增加或臺階式增加。
[0009]進一步地，所述第一過渡層GaP的厚度不超過1.5 μ m。
[0010]進一步地，所述GaAs底電池與所述GaInP頂電池之間還包括隧道結(jié)。
[0011]進一步地，所述GaInP頂電池上還生長有GaAs接觸層。
[0012]進一步地，所述襯底底部設(shè)置有背電極，所述GaAs接觸層上設(shè)置有柵電極，所述柵電極表面設(shè)置有抗反膜。
[0013]進一步地，所述GaAs底電池包括按照遠離所述襯底的方向依次疊層設(shè)置的第一背場、第一基極、第一發(fā)射極及第一窗口層。
[0014]進一步地，所述GaInP頂電池包括按照遠離所述襯底的方向依次疊層設(shè)置的第二背場、第二基極、第二發(fā)射極及第二窗口層。
[0015]進一步地，所述襯底為Si襯底。
[0016]本發(fā)明以GaPAa1 JnxP為過渡層，通過控制銦源流量從而使得第二過渡層Ga1 xInxP的晶格常數(shù)過渡至GaAs底電池的晶格常數(shù)，達到生長GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的目的；同時，以Si為襯底，利用了其成本低、機械強度高和有利于大面積集成等優(yōu)點，Si襯底還降低了過渡層GaPAia1 xInxP生長的難度。
【附圖說明】
[0017]通過結(jié)合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的實施例的上述和其它方面、特點和優(yōu)點將變得更加清楚，附圖中:
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法的步驟流程圖；
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池中的第二過渡層Ga1 xInxP的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池中的GaAs底電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池中的隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池中的GaInP頂電池額結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下，將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標號將始終被用于表示相同或相似的元件。
[0025]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法的步驟流程圖。
[0026]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實施例的GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法包括如下步驟。
[0027]在步驟110中，在Si襯底100上生長第一過渡層GaP 200。
[0028]在P型Si襯底100上生長第一過渡層GaP 200時，可采用增強原子迀移外延法(MEE)和分子數(shù)外延法(MBE)相結(jié)合的方法。具體地，首先用MEE在Si襯底100上生長10個左右原子厚度的GaP，然后用MBE在其上生長更厚的GaP，從而完成Si襯底上第一過渡層GaP的生長，且第一過渡層GaP 200的厚度一般不超過1.5 μπι。
[0029]在步驟120中，在第一過渡層GaP 200上生長第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300。
[0030]第二過渡層GalxInxP 300表示銦含量在O < χ彡0.48范圍內(nèi)的一系列Ga1 “!^層的組合，其中，銦含量X的變化通過控制銦源流量的方法從而形成一系列組分漸變的第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300，而銦含量χ的變化方式可選自按照遠離Si襯底100的方向線性增加或臺階式增加的方式中的任意一種。在本實施例中，銦含量χ的變化方式為按照遠離Si襯底100的方向呈現(xiàn)臺階式增加，且χ的初始值為0.04，終止值為0.48，增加幅度為0.04 (即增加速率為4% );也就是說，在本實施例中，第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300包括疊層生長于第一過渡層 GaP200 與 GaAs 底電池 400 之間的 Gaa96Ina04P 301、Gaa92InaosP 302、Ga0.ssIn0.12P303、Gaa84Inai6P 304、Gaa8Ina2P 305、Gaa76Ina24P 306、Gaa72Ina28P 307、GaQ.68InQ.32P308、Gaa64Ina36P 309、Ga0 6In0 4P 310、Ga0 56In0 44P 311 及 Gaa52Ina4sP 312 共 12 層，如圖 2 所示，而此時Gaa52Ina4sP 312的晶格參數(shù)與GaAs的晶格參數(shù)相匹配，從而可在Gaa52Ina4sP312之上生長GaAs緩沖層313，完成第二過渡層Ga1 xInxP300的生長；但是，在第二過渡層Ga1 xInxP 300中，χ的取值范圍的最小值并不限定為0.04，以根據(jù)具體的變化方式及步進次數(shù)控制終值(即最大值)為0.48即可。
[0031]在第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300中，每一層Ga1 χΙηχΡ過渡層的厚度不超過200nm，且GaAs緩沖層313的厚度不超過500nmo
[0032]值得注意的是，在本實施例中，第二過渡層Ga1 xInxP 300中銦含量χ的變化方式為臺階式增加，且增加速率為4%，但本發(fā)明并不限制于此，當銦含量χ以臺階式增加時，增加速率控制在4%?40%均可；同時，第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300中銦含量χ的變化還可以通過線性增加的方式來實現(xiàn)，但無論選擇何種銦含量χ的增加方式，第二過渡層Ga1 JnxP 300的總厚度均需控制不超過3 μπι。
[0033]在步驟130中，在第二過渡層Ga1 χΙηχΡ 300上生長GaAs底電池400。
[0034]參照圖3，GaAs底電池400包括按照遠離Si襯底100的方向依次疊層設(shè)置的第一背場401、第一基極402、第一發(fā)射極403及第一窗口層404。在本實施例中，第一背場401的材料為P型重摻雜的GaInP ;第一基極402的材料為P型摻雜的GaAs ;第一發(fā)射極403的材料為N型重摻雜的GaAs ;第一窗口層404的材料為N型重摻雜的GaInP ;其中，N型摻雜源和P型摻雜源分別為Si和Be。
[0035]在步驟140中，在GaAs底電池400上生長隧道結(jié)500。
[0036]參照圖4，隧道結(jié)500包括按照遠離Si襯底100的方向依次疊層設(shè)置的N型隧道層501、Ρ型隧道層502及勢皇層503。在本實施例中，N型隧道層501和P型隧道層502的材料分別為N型重摻雜的GaAs和P型重摻雜的GaAs，勢皇層503的材料為P型重摻雜的GaInP0
[0037]在步驟150中，在隧道結(jié)500上生長GaInP頂電池600。
[0038]參照圖5，GaInP頂電池600包括按照遠離Si襯底100的方向依次疊層設(shè)置的第二背場601、第二基極602、第二發(fā)射極603及第二窗口層604。在本實施例中，第二背場601的材料為P型重摻雜的Al (Ga) InP，該第二背場601與隧道結(jié)500中的勢皇層503組成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的勢皇，這樣可以抑制P型摻雜源Be從隧道結(jié)500擴散到GaInP頂電池600，從而減少界面復(fù)合，提高載流子壽命，同時又能增加隧道結(jié)500的峰值電流密度，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率；第二基極602的材料為P型摻雜的GaInP ;第二發(fā)射極603的材料為N型重摻雜的GaInP ;第二窗口層604的材料為N型重摻雜的Al InP。
[0039]在步驟160中，在GaInP頂電池600上生長GaAs接觸層710，并分別在Si襯底100底部和GaAs接觸層710頂部制作背電極720和柵電極730，在柵電極730表面制作抗反膜740。
[0040]在本實施例中，在柵電極730表面制作抗反膜740采用的方法為蒸鍍法。
[0041]值得說明的是，在上述步驟120-160的各個結(jié)構(gòu)的生長的過程中，均采用分子束外延法(MBE)進行生長制備。
[0042]如此，經(jīng)上述步驟110-160，通過在Si襯底100上生長過渡層GaPAia1 xInxP，繼而通過調(diào)整銦含量達到由第二過渡層Ga1 JnxP 300的晶格參數(shù)過渡至與GaAs的晶格參數(shù)相匹配，從而生長得到GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池，如圖6所示。
[0043]雖然已經(jīng)參照特定實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解:在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節(jié)上的各種變化。
【主權(quán)項】
1.GalnP/GaAs雙結(jié)太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括: A、在襯底上生長第一過渡層GaP; B、在所述第一過渡層GaP上生長第二過渡層Ga1xInxP ; C、在所述第二過渡層Ga1xInxP上生長GaAs底電池； D、在所述GaAs底電池上生長GaInP頂電池； 其中，通過調(diào)節(jié)所述第二過渡層Ga1 JnxP中銦的含量使其晶格常數(shù)與所述GaAs底電池的晶格常數(shù)相匹配。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述第二過渡層Ga! JnxP中銦的含量X的取值范圍為O < X彡0.48。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述過渡層Ga! JnxP中銦的含量X的值按照遠離所述襯底的方向呈線性增加或臺階式增加。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述第一過渡層GaP的厚度不超過1.5 μ mD5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述GaAs底電池與所述GaInP頂電池之間還包括隧道結(jié)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述GaInP頂電池上還生長有GaAs接觸層。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述襯底底部設(shè)置有背電極，所述GaAs接觸層上設(shè)置有柵電極，所述柵電極表面設(shè)置有抗反膜。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述GaAs底電池包括按照遠離所述襯底的方向依次疊層設(shè)置的第一背場、第一基極、第一發(fā)射極及第一窗口層。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述GaInP頂電池包括按照遠離所述襯底的方向依次疊層設(shè)置的第二背場、第二基極、第二發(fā)射極及第二窗口層。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為Si襯底。
【文檔編號】H01L31/18GK106033785SQ201510109088
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月12日
【發(fā)明人】代盼, 陸書龍, 季蓮, 吳淵淵, 譚明, 楊輝
【申請人】中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所