專利名稱：在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化合物半導體太陽能電池的外延生長領域，具體涉及在硅襯底上外延 生長高質量InGaP/GaAs/Ge三結高效率太陽能電池的方法。
背景技術：
由于煤、石油等不可再生能源的逐漸枯竭及其不斷造成的環(huán)境惡化，人類迫切需 要使用綠色能源為人們解決所面臨的巨大問題。利用光電轉換技術制造的太陽能電池可將 太陽能直接轉換為電能，這在很大程度上減少了人們生產(chǎn)生活對煤炭、石油及天然氣的依 賴，成為利用綠色能源的最有效方式之一。III-V族化合物半導體多結太陽能電池是轉換效率最高的一種太陽能電池，同時 具有耐高溫性能、抗輻射能力強、溫度特性好等優(yōu)點，早已經(jīng)成為對價格不敏感的空間光伏 電源的主流技術。InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池是目前最成熟也是最高效的III-V族化 合物半導體多結太陽能電池，其效率已達41.8%。近些年來，隨著聚光光伏技術的發(fā)展， GaAs及相關化合物III-V族太陽電池因其高光電轉換效率而越來越受到關注。聚光光伏技 術通過將一塊面積較大的太陽光進行高倍率聚光、濃縮后照射到一個面積比較小的太陽能 光伏電池上發(fā)電，從而大規(guī)模節(jié)約太陽能電池晶片。該裝置利用大面積、便宜的聚光裝置來 代替昂貴而且供應緊張的電池芯片，進而達到大幅度降低太陽能光伏發(fā)電成本的目的，使 太陽能光伏發(fā)電具有跟常規(guī)能源競爭的能力。因此基于iii-V族化合物半導體多結太陽能 電池的聚光光伏技術已經(jīng)成為很有市場前景的光伏技術。iii-V族化合物半導體多結太陽 能電池的最大問題就是它的昂貴價格，因此如何有效地降低電池制備成本，是該技術是否 能最終走向規(guī)?；孛姘l(fā)電的關鍵之一。對于本領域技術人員而言，在Ge襯底上外延生長III-V族化合物半導體多結太陽 能電池是一項成熟的技術。這一成熟技術有一個很大的問題就是，地球上Ge的資源比較稀 缺，并且十分昂貴，當大規(guī)模生廠時，Ge襯底稀缺及昂貴的問題將進一步凸顯出來。另外， 目前，全球高效率太陽能用鍺晶片的生廠主要集中在比利時的優(yōu)美可(Umicore)公司和美 國的AXT公司，這嚴重威脅到了我國自主外延生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的戰(zhàn)略 需求。在硅襯底上進行外延生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池，由于Si襯底的大面 積，廉價和資源的充足性，可以大大降低電池的InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池制備成本， 也可以減少對國外Ge襯底廠家的依賴，走一條獨立自主的光伏技術道路。但是，在Si襯底 上外延生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池并不是容易的事情，這是因為Si與Ge之間具 有4%的晶格失配，如果Ge層直接生長在Si襯底上，4%的晶格失配將引發(fā)S-K生長模式， 即Ge剛開始以層狀生長方式進行，但隨著厚度的增加，積累的應力會催發(fā)島狀生長模式， 島狀生長模式會引發(fā)高密度的穿透位錯，該類位錯會貫穿整個InGaP/GaAs/Ge三結太陽能 電池薄膜直至表面。由于位錯是十分高效的光生載流子湮滅中心，會嚴重降低太陽能電池 的效率。另外島狀生長的進行也會引起表面形貌的起伏，造成位錯的進一步增加。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種在硅襯底上外延生長高效率InGaP/GaAs/Ge三結太陽 能電池的方法，在Si襯底上生長出更大面積、低缺陷密度的InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽 能電池，用低價格的Si襯底取代了傳統(tǒng)方法所必需使用的昂貴Ge襯底，大大降低了 InGaP/ GaAs/Ge三結高效太陽能電池的生產(chǎn)成本。在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法，具體為(1)在硅襯底一表面上生長Ge組分從零漸變到1的GexSih應力過渡層， 0彡x彡1 ；(2)在Gejih應力過渡層上生長應力完全弛豫的Ge薄膜層；(3)在Ge薄膜層上形成底部Ge子電池；(4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池；(5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池。作為優(yōu)化，所述步驟(2)中的生長方法采用高真空化學氣相沉積法，GexSih應力 過渡層中的Ge含量變化速率為5 10% /iim。本發(fā)明的技術效果體現(xiàn)在本發(fā)明提出先在Si襯底上生長Ge組分從0到1漸變 的Gejih應力過渡層，生長Gejih應力過渡層是指在生長過程中，通過調節(jié)反應源的流 量比，把Ge.Sih中的Ge含量逐漸地從零提高到100%，以圖緩慢釋放應力，并將失配位錯 局限在這一過渡層中。Ge.Sih中的Ge含量的變化可以是連續(xù)線性變化、階梯形變化或其 它一切逐漸地從零提高到100%的變化方式，生長方法可采用高真空化學氣相沉積法或者 分子束外延法或者其它外延生長方法。接著在該過渡層上生長Ge薄膜層，然后在Ge薄膜 層上依次生長Ge、GaAs、InGaP三結太陽能電池。對于Ge組分漸變的Gejih應力過渡層， 其與底下生長表面的晶格失配始終保持在較低的水平，可以避免三維島狀生長，而始終維 持二維層狀生長。失配位錯也將主要的、均勻的分布在過渡層中，使穿透位錯易于傳播至晶 圓邊界而湮滅掉，降低穿透位錯的密度。生產(chǎn)運行證明以本發(fā)明為基礎的InGaP/GaAs/Ge 三結太陽能電池生長工藝可控性和重復性強，說明生長工藝窗口寬，適合規(guī)?；a(chǎn)。


圖1是本發(fā)明硅襯底上InGaP/GaAs/Ge三結高效率太陽能電池的側面剖視圖。圖2是在硅襯底上生長了 Gejih應力過渡層后的側面剖視圖。圖3是在Gejih應力過渡層上沉積了 Ge薄膜層后的側面剖視圖。圖4是在Ge薄膜層上形成底部Ge子電池后的側面剖視圖。圖5是在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池后的側面剖視圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例一1)運用高真空化學氣相沉積法生長Gejih應力過渡層選擇SiH4和GeH4為反應 源。將(001)面Si襯底1清洗干凈，并裝入高真空化學氣相沉積反應室，首先在100(TC下烘烤10分鐘。然后，降溫至600°C，生長Ge組分從0漸變到1的Gejih應力過渡層2 (如 圖2所示)。在生長過程中，把流量固定，然后緩慢的增加流量。生長溫度 為600°C，生長壓力為50mTorr，Ge含量的變化率為5% / P m，變化方式為連續(xù)變化。2)在GexSih應力過渡層上沉積2 y m厚的Ge薄膜層3 (如圖3所示)。此時生長 的Ge薄膜層3所具有的位錯密度為5X 106cm_2。3)在Ge薄膜層3上形成底部Ge子電池(如圖4所示)先生長以B作為摻雜劑 的P型Ge基區(qū)4，再生長以P作為摻雜劑的n型Ge發(fā)射層5，最后生長GalnP窗口層6。4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池(如圖5所示)先生長 AlGaAs或GalnP背場層7，再生長p型GaAs基區(qū)8，然后生長n型GaAs發(fā)射層9，最后生長 AlGaAs 或 GalnP 窗口層 10。5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池(如圖1所示)。先生長InGaP背場層11，再生長p型InGaP基區(qū)12，然后生長n型InGaP發(fā)射層 13，最后生長AllnP窗口層14。實施例二 1)運用高真空化學氣相沉積法生長Gejih應力過渡層選擇Si2H6和GeH4為反應 源。將(001)面Si襯底1清洗干凈，并裝入高真空化學氣相沉積反應室，首先在100(TC下 烘烤10分鐘。然后，降溫至750°c，生長Ge組分從0漸變到1的Gejih應力過渡層2 (如 圖2所示)。在生長過程中，把Si2H6的流量固定，然后緩慢的增加流量。生長溫度 為750°C，生長壓力為lOOmTorr，Ge含量的變化率為8% / P m，變化方式為階梯型變化，且 每生長0.5 iim為一階梯。2)在Gejih應力過渡層上沉積2 y m厚的Ge薄膜層3 (如圖3所示)。此時生長 的Ge薄膜層3所具有的位錯密度為2X 106cm_2。3)在Ge薄膜層3上形成底部Ge子電池(如圖4所示)先生長以B作為摻雜劑 的P型Ge基區(qū)4，再生長以P作為摻雜劑的n型Ge發(fā)射層5，最后生長GalnP窗口層6。4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池(如圖5所示)先生長 AlGaAs或GalnP背場層7，再生長p型GaAs基區(qū)8，然后生長n型GaAs發(fā)射層9，最后生長 AlGaAs 或 GalnP 窗口層 10。5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池(如圖1所示)。先生長InGaP背場層11，再生長p型InGaP基區(qū)12，然后生長n型InGaP發(fā)射層 13，最后生長AllnP窗口層14。實施例三1)運用高真空化學氣相沉積法生長Gejih應力過渡層選擇Si2H6和GeH4為反應 源。將(001)面Si襯底1清洗干凈，并裝入高真空化學氣相沉積反應室，首先在100(TC下 烘烤10分鐘。然后，降溫至800°C，生長Ge組分從0漸變到1的Gejih應力過渡層2 (如 圖2所示)。在生長過程中，把Si2H6的流量固定，然后緩慢的增加流量。生長溫度 為800°C，生長壓力為300mTorr，Ge含量的變化率為10% / y m，變化方式為階梯型變化，且 每生長0.5 iim為一階梯。2)在GexSih應力過渡層上沉積2 y m厚的Ge薄膜層3 (如圖3所示)。此時生長 的Ge薄膜層3所具有的位錯密度為2. 5X 106cm_2。
3)在Ge薄膜層3上形成底部Ge子電池(如圖4所示)先生長以B作為摻雜劑 的P型Ge基區(qū)4，再生長以P作為摻雜劑的n型Ge發(fā)射層5，最后生長GalnP窗口層6。4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池(如圖5所示)先生長 AlGaAs或GalnP背場層7，再生長p型GaAs基區(qū)8，然后生長n型GaAs發(fā)射層9，最后生長 AlGaAs 或 GalnP 窗口層 10。5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池(如圖1所示)。先生長InGaP背場層11，再生長p型InGaP基區(qū)12，然后生長n型InGaP發(fā)射層 13，最后生長AllnP窗口層14。實施例四1)運用高真空化學氣相沉積法生長Gejih應力過渡層選擇Si3H8和GeH4為反應 源。將(001)面Si襯底1清洗干凈，并裝入高真空化學氣相沉積反應室，首先在100(TC下 烘烤10分鐘。然后，降溫至800°C，生長Ge組分從0漸變到1的Gejih應力過渡層2 (如 圖2所示)。在生長過程中，把Si3H8的流量固定，然后緩慢的增加流量。生長溫度 為800°C，生長壓力為200mTorr，Ge含量的變化率為10% / y m，變化方式為階梯型變化，且 每生長0.5 iim為一階梯。2)在GexSih應力過渡層上沉積2 y m厚的Ge薄膜層3 (如圖3所示)。此時生長 的Ge薄膜層3所具有的位錯密度為2. OX 106cm_2。3)在Ge薄膜層3上形成底部Ge子電池(如圖4所示)先生長以B作為摻雜劑 的P型Ge基區(qū)4，再生長以P作為摻雜劑的n型Ge發(fā)射層5，最后生長GalnP窗口層6。4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池(如圖5所示)先生長 AlGaAs或GalnP背場層7，再生長p型GaAs基區(qū)8，然后生長n型GaAs發(fā)射層9，最后生長 AlGaAs 或 GalnP 窗口層 10。5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池(如圖1所示)。先生長InGaP背場層11，再生長p型InGaP基區(qū)12，然后生長n型InGaP發(fā)射層 13，最后生長AllnP窗口層14。實施例五1)運用分子束外延法生長G^Sih應力過渡層選擇Si3H8和Ge2H6為反應源。將 (ool)面si襯底1清洗干凈，并裝入分子束外延反應室，首先在iooctc下烘烤10分鐘。然 后，降溫至800°C，生長Ge組分從0漸變到1的Ge.Sih應力過渡層2(如圖2所示)。在生 長過程中，把Si3H8的流量固定，然后緩慢的增加Ge2H6的流量。生長溫度為800°C，生長壓 力為lOmTorr，Ge含量的變化率為6% / y m，變化方式為連續(xù)型。2)在GexSih應力過渡層上沉積2 y m厚的Ge薄膜層3 (如圖3所示)。此時生長 的Ge薄膜層3所具有的位錯密度為3X 106cm_2。3)在Ge薄膜層3上形成底部Ge子電池(如圖4所示)先生長以B作為摻雜劑 的P型Ge基區(qū)4，再生長以P作為摻雜劑的n型Ge發(fā)射層5，最后生長GalnP窗口層6。4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池(如圖5所示)先生長 AlGaAs或GalnP背場層7，再生長p型GaAs基區(qū)8，然后生長n型GaAs發(fā)射層9，最后生長 AlGaAs 或 GalnP 窗口層 10。5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池(如圖1所示)。
6
先生長InGaP背場層11，再生長p型InGaP基區(qū)12，然后生長n型InGaP發(fā)射層 13，最后生長AllnP窗口層14。
權利要求
在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法，具體為(1)在硅襯底表面上生長Ge組分從零漸變到1的GexSi1-x應力過渡層，0≤x≤1；(2)在GexSi1-x應力過渡層上生長應力完全弛豫的Ge薄膜層；(3)在Ge薄膜層上形成底部Ge子電池；(4)在底部Ge子電池上外延生長形成中部GaAs子電池；(5)在中部GaAs子電池上外延生長形成頂部InGaP子電池。
2.如權利要求1所述的在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池的方法， 其特征在于所述步驟(2)中的生長方法采用高真空化學氣相沉積法。
3.如權利要求1或2所述的在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池的 方法，其特征在于所述步驟(2)中Ge.Sih應力過渡層中的Ge含量變化速率為5 10% / ii m。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法，首先在硅襯底上外延生長組分漸變的GexSi1-x應力過渡層，然后在應力過渡層上形成應力完全弛豫的Ge薄膜層，接著在上述Ge/GexSi1-x/Si模板上，外延生長形成包括底部Ge子電池、中部GaAs子電池和頂部InGaP子電池的InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池。本發(fā)明用低價格的Si襯底取代了傳統(tǒng)生長方法所必需使用的昂貴的Ge襯底，進行高效太陽能電池的生長；同時在Si襯底可以生長出更大面積、低缺陷密度的InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池，大大降低了InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池的生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L31/18GK101859814SQ20101018911
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權日2010年6月2日
發(fā)明者余晨輝, 吳志浩, 宋明輝, 戴江南, 方妍妍, 熊暉, 陳長清 申請人:華中科技大學