專利名稱：一種疊層式太陽能電池及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池的制造和應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種使用η型襯底和隧道結(jié)的疊層式太陽能電池及制作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的量產(chǎn)太陽能電池，主要采用硅、GaAs等材料制作。使用單一材料的單結(jié)電池的效率一般不能做得很高。通常的方式是將多種材料如GalnP，InGaAs和Ge等生長在同一個(gè)襯底上，然后制作太陽電池。太陽光線入射到電池表面，波長由短至長可以依次被多種材料吸收，達(dá)到充分利用太陽光譜，提高電池效率的目的。然而，這樣帶來的問題是在同一個(gè)襯底上使用的材料體系過多，造成晶格不匹配的現(xiàn)象嚴(yán)重，使生長出的電池材料質(zhì)量不高， 影響效率的提高?，F(xiàn)有的一種方法，是將兩種或者兩種以上的電池材料垂直集成在一起，形成疊層電池。這種疊層電池，可以同時(shí)解決多結(jié)和晶格不匹配的問題，有希望實(shí)現(xiàn)高效率。 然而，這種電池通常上層電池單元采用P-GaAs襯底，生長GalnP/GaAs兩結(jié)電池，下層電池采用n-InP襯底，生長InGaAsP/InGaAs兩結(jié)電池。再將上下層電池進(jìn)行垂直集成。然而， P-GaAs對光有強(qiáng)烈吸收。若直接疊層，則太陽光線會在穿過P-GaAs襯底時(shí)被大量吸收，只有很少的部分能夠透射到下層電池，造成下層電池效率很低，直接影響整個(gè)電池的效率。為了解決這個(gè)問題，必須通過將材料倒置生長，疊層集成后去除襯底的方法。這會加大成本， 造成工藝上的諸多困難。因此，發(fā)明一種不用去除襯底、能夠直接集成的高效太陽能電池集成方案，具有現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上問題，本發(fā)明提供一種疊層式太陽能電池，能有效解決電池效率及成本的難題。這種疊層式太陽能電池，包括至少一個(gè)上層電池單元和底電池單元；所述上層電池單元包括雙結(jié)電池層和η型襯底，以及形成于該雙結(jié)電池層和η型襯底之間的隧道結(jié)。上述η型襯底為n-GaAs，雙結(jié)電池層是GalnP/GaAs。底電池單元襯底的制作材料是n-InP，其襯底上形成的雙結(jié)電池層是InGaAsP/ InGaAs0上層電池單元和底電池單元之間還可以設(shè)有金屬接觸層。隧道結(jié)由極高摻雜性的p-GaAs/n-GaAs薄膜組成，這里所說的極高摻雜性指摻雜濃度在lE19/cnT3以上。金屬接觸層是由金、鎳、鈦、鍺或其合金組成的，厚度在0. I-IOnm之間。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種疊層式太陽能電池的制作方法，包括以下步驟 底電池單元的制作在襯底上生長雙結(jié)外延電池層；
上層電池單元的制作在η型襯底上生長隧道結(jié)，然后在隧道結(jié)結(jié)構(gòu)上生長雙結(jié)電池
層；將上層電池單元與底電池單元對準(zhǔn)，在真空或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，加壓加熱，保持1(Γ120 分鐘，形成上層電池單元與底電池單元界面鍵合連接；
在上層電池單元的表面及底電池單元背面進(jìn)行電極沉積，獲得疊層式太陽能電池。底電池單元襯底的制作材料是η-ΙηΡ ；所述的上層電池單元η型襯底的制作材料是 n-GaAso上層電池單元的雙結(jié)電池層是GalnP/GaAs ；所述底電池單元的雙結(jié)電池層是 InGaAsP/InGaAs。隧道結(jié)由極高摻雜性的ρ-GaAs或者n-GaAs薄膜組成，這里所說的極高濃度指摻雜濃度在lE19/cnT3以上。底電池單元的外延電池層材料選自砷、鎵、銦及磷中的兩種或兩種以上的元素組合；所述上層電池單元的外延電池層材料選自砷、鎵、銦及磷中的兩種或兩種以上的元素組合。上層電池單元與底電池單元之間還設(shè)有金屬接觸層。施加壓力范圍為5 50000牛；所述加熱溫度范圍為30(T60(TC。金屬接觸層是由金、鎳、鈦、鍺或其合金組成的。本發(fā)明的有益效果為制作出的疊層式太陽能電池，一方面由于將上層電池單元的P型襯底改為η型襯底，大大增加了光線的透射效率，有效減少上層電池單元襯底對光的吸收，進(jìn)而提高電池整體工作效率。另一方面，上層電池單元η型襯底與外延電池層之間形成一隧道結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反型，使得隧道結(jié)以上的外延電池結(jié)構(gòu)與在P型襯底生長的電池是完全一致的，很好地解決了生長材料晶格不匹配的問題。第三，兩種雙結(jié)太陽能電池單元以垂直集成的方式組合成四結(jié)太陽能電池，能實(shí)現(xiàn)較高效率的光電轉(zhuǎn)化。


圖1為疊層式太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖面圖2為上層電池單元(a)及底電池單元(b)的結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖3為上層電池單元與底電池單元鍵合連接流程圖； 圖4為η型襯底與ρ型襯底透光率坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式以下配合附圖用實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)施例的疊層式太陽能電池結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)太陽能電池單元垂直集成的太陽能電池，其結(jié)構(gòu)包括上層電池單元10及底電池單元11，上層電池單元10頂部及底電池單元11底部設(shè)有電極9 ；位于上層電池單元與底電池單元之間還設(shè)有金屬接觸層8。 其中上層電池單元10從下至上依次包括η型襯底4、隧道結(jié)3及雙結(jié)電池單元12 ；底電池單元11從下至上依次包括襯底7及雙結(jié)電池單元56。這種疊層式太陽能電池的制作方法，包括以下步驟
底電池單元11的制作在襯底7上生長雙結(jié)電池單元56。本實(shí)施例中底電池單元11 采用η型磷化銦(η-ΙηΡ)材料作為襯底7，通常襯底厚度在300-600 μ m之間，然后使用分子束外延(MBE)或者金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在該襯底7上依次生長InGaAs、InGaAsP材料形成雙結(jié)電池單元56，最終獲得雙結(jié)的底電池單元11，如圖2 (b)所示。上層電池單元10的制作。本實(shí)施例中，上層電池單元10采用η型砷化鎵(n-GaAs) 材料代替原有的P型砷化鎵(P-GaAs)材料制作一層厚度為600 μ m的η型襯底4，目的在于利用η型材料較好的透光性，提高上層電池單元10對入射光的透過率。參考圖4可知， P-GaAs材料對入射光有強(qiáng)烈的吸收效果，只有很少部分的入射光能進(jìn)入底電池單元11，降低了底電池單元11的工作效率，進(jìn)而影響整個(gè)疊層式太陽能電池效率。而采用n-GaAs材料作為上層電池單元10的η型襯底4，光吸收率大大降低，能讓充足的入射光進(jìn)入底電池單元11參與光電轉(zhuǎn)化過程?，F(xiàn)有技術(shù)中通常采用在ρ-GaAs襯底上生長GalnP/GaAs形成雙結(jié)電池，以滿足材料的體系晶格匹配要求。若將P-GaAs襯底改為n-GaAs襯底，就會造成嚴(yán)重的晶格不匹配現(xiàn)象，生長出的電池材料質(zhì)量不高。為解決此問題，本發(fā)明在n-GaA的η型襯底4上采用分子束外延(MBE)或者金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法引入隧道結(jié)3結(jié)構(gòu)進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)，其中隧道結(jié)3由極高摻雜p-GaAs/n-GaAs薄層組成，這里所說的極高摻雜性指摻雜濃度在IXlO19cnT3以上。然后在該隧道結(jié)3上用相同的方法從下至上依次生長GaAS、GaInP材料層而形成雙結(jié)的上層電池單元10，如圖2 (a)所示。此時(shí)隧道結(jié)3以上的雙結(jié)電池單元 12結(jié)構(gòu)與在ρ型GaAs襯底上生長的電池層是完全一致的，避免了晶格不匹配的現(xiàn)象出現(xiàn)。(3)將上層電池單元10的η型襯底4與底電池單元11雙結(jié)電池單元56表面對準(zhǔn)， 在真空或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，設(shè)置壓力范圍在5 50000Ν、加熱溫度范圍30(T60(TC，保持1(Γ 20 分鐘，使上層電池單元10與底電池單元1界面鍵合連接，形成四結(jié)太陽能電池。上層電池單元10與底電池單元11界面鍵合連接，可以采用上述方法獲得，也可以在兩電池單元之間插入一層金屬接觸層8來接合形成。具體操作為如圖3所示，采用分子束外延(MBE)或者金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在上層電池單元10的η型襯底4背面先沉積一層厚度0. I-IOnm的金屬接觸層8，然后再將上層電池單元10的η型襯底4與底電池單元11 雙結(jié)電池單元56表面對準(zhǔn)，在真空或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，設(shè)置壓力范圍在5飛0000Ν、加熱溫度范圍30(T60(TC，保持1(Γ120分鐘，使兩電池單元界面鍵合連接。這種金屬接觸層可使用金、鍺、鈦、鎳金屬薄膜或其合金薄膜作為制作材料，提高導(dǎo)電特性。在上層電池單元的表面及底電池單元襯底的背面進(jìn)行電極沉積，用于實(shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體材料的歐姆接觸，獲得疊層式太陽能電池。電極沉積多采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射等手段制備，一般為 AuGe/Ni/Au (10-50) / (1-50) / (100-300) nm 或者 Ti/Au (10-50)/ (100-300)nm。使用這種方法獲得的太陽能電池，可以解決直接生長材料晶格不匹配的問題，形成四結(jié)太陽電池，有希望實(shí)現(xiàn)高效率的輸出。其上層電池單元η型襯底4采用η型材料，透光率高，能讓底電池單元充分利用太陽能光譜進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，提高疊層式太陽能電池的整體工作效率。根據(jù)使用環(huán)境和太陽能使用效率的需要，可以是多個(gè)上層電池依次疊加，單元結(jié)構(gòu)一致，所使用的技術(shù)手段相同，也可以使用不同的材料，如使用AlGaInP電池等，下層電池也可以是包括Ge電池，Si電池在內(nèi)的電池等。本發(fā)明制作方法簡單可行，不需要外延層的倒置生長，不需要通過腐蝕或打磨去掉上層電池單元的襯底或添加增透膜，就能達(dá)到所需效果，成本較低，與現(xiàn)有技術(shù)相比有較突出的進(jìn)步，發(fā)展前景廣闊。
權(quán)利要求
1.一種疊層式太陽能電池，其特征在于包括至少一個(gè)上層電池單元和底電池單元； 所述上層電池單元包括雙結(jié)電池層和η型襯底，以及形成于該雙結(jié)電池層和η型襯底之間的隧道結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層式太陽能電池，其特征在于所述η型襯底為n-GaAs襯底；所述雙結(jié)電池層是GalnP/GaAs電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層式太陽能電池，其特征在于所述底電池單元襯底的制作材料是n-InP，其襯底上形成的雙結(jié)電池層是InGaAsP/InGaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的疊層式太陽能電池，其特征在于所述上層電池單元和底電池單元之間還設(shè)有金屬接觸層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的疊層式太陽能電池，其特征在于所述隧道結(jié)由P-GaAs/ n-GaAs薄膜組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的疊層式太陽能電池，其特征在于所述金屬接觸層是由金、 鎳、鈦、鍺或其合金組成的，厚度在0. I-IOnm之間。
7.一種使用η型襯底和隧道結(jié)的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟底電池單元的制作在襯底上生長雙結(jié)電池層；上層電池單元的制作在η型襯底上生長隧道結(jié)，然后在隧道結(jié)結(jié)構(gòu)上生長雙結(jié)電池層；將上層電池單元與底電池單元對準(zhǔn)，在真空或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，加壓加熱，保持1(Γ120 分鐘，形成上層電池單元與底電池單元界面鍵合連接；在上層電池單元的表面及底電池單元背面進(jìn)行電極沉積，獲得疊層式太陽能電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述底電池單元襯底的制作材料是n-InP ；所述上層電池單元η型襯底的制作材料是n-GaAs。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述上層電池單元的雙結(jié)電池層是GalnP/GaAs電池？；所述底電池單元的雙結(jié)電池層是InGaAsP/ InGaAs 電池？。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述隧道結(jié)由 p-GaAs/n-GaAs 薄膜組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述上層電池單元與底電池單元之間還設(shè)有金屬接觸層。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述施加壓力范圍為5 50000牛；所述加熱溫度范圍為30(T60(TC。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的疊層式太陽能電池的制作方法，其特征在于所述金屬接觸層是由金、鎳、鈦、鍺或其合金組成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種疊層式太陽能電池及制作方法。這種疊層式太陽能電池包括至少一個(gè)上層電池單元和底電池單元，上層電池單元頂部及底電池單元底部設(shè)有電極，上層電池單元包括n型襯底以及形成于該n型襯底上的隧道結(jié)；所述的隧道結(jié)由極高摻雜性的p-砷化鎵或者n型砷化鎵薄膜組成。上層電池單元與底電池單元之間還可以設(shè)有金屬接觸層。這種疊層太陽能電池一方面將上層電池單元的p型襯底改為n型襯底，大大增加了光線的透射效率。另一方面，引入一隧道結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反型，解決了生長材料晶格不匹配的問題。兩種雙結(jié)電池單元通過金屬接觸層以垂直集成的方式組合成四結(jié)太陽能電池，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號H01L31/18GK102254918SQ201110207240
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者季蓮, 張耀輝, 楊輝, 董建榮, 趙勇明, 陸書龍, 黃寓洋 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所