專利名稱：一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對能源的需求急劇增加。然而，傳統(tǒng)能源包括石油、煤炭、天然氣等不但日益枯竭，還同時(shí)引發(fā)漸趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，將會阻礙世界社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。因此，為滿足能源需求和解決環(huán)境污染問題，以太陽能、風(fēng)能、潮汐能等為代表的綠色能源得到了越來越多的關(guān)注，成為目前世界新能源開發(fā)和利用的重要方向，其中，太陽能作為人類取之不竭、用之不盡的可再生性能源，可通過光伏效應(yīng)太陽能電池產(chǎn)生電能，有望成為未來電力供應(yīng)的支柱。太陽電池作為實(shí)用的新能源，是一種利用光生伏打效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，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。在所有新能源中，太陽能是最為理想的再生能源之一，充分開發(fā)利用太陽能成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。在Ge襯底上外延生長晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池技術(shù)已經(jīng)成熟，其轉(zhuǎn)換效率超過41%。對于上述三結(jié)太陽能電池來說，GaInP頂電池吸收光子能量大于I. 83 eV的太陽光，即波長λ !<670 nm的可見光譜區(qū)；GaAs中電池吸收光子能量大于I. 42eV的太陽光，即波長λ2〈880 nm的光譜區(qū)；Ge底電池吸收光子能量大于O. 67 eV的太陽光，即波長λ3〈1850 nm的光譜區(qū)。該三結(jié)太陽能電池的Ge底電池大量吸收低能光子,產(chǎn)生的光電流要遠(yuǎn)大于頂電池和中電池。而對于疊層電池,各個(gè)子電池的電流相等時(shí)效率才會最高，電流不匹配會帶來電流的復(fù)合損失，降低效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法，其采用InP做為生長襯底，在其上形成第一子電池、第二子電池InP及第三子電池IrvxAlxAs,在InP子電池的基區(qū)插入應(yīng)變補(bǔ)償量子阱能夠有效拓寬吸收邊，通過漸變緩沖層技術(shù)有效克服子電池之間的晶格匹配，降低位錯(cuò)密度。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種三結(jié)太陽能電池，其結(jié)構(gòu)包括
第一子電池，其具有第一帶隙；
第二子電池InP,位于所述第一子電池上方,其基區(qū)植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，晶格常數(shù)與第一子電池匹配，具有大于第一帶隙的第二帶隙；
漸變緩沖層，位于所述第二子電池上方，其組分漸變，具有大于第二帶隙的第三帶隙；第三子電池IrvxAlxAs,位于所述漸變緩沖層上方，具有大于第三帶隙的第四帶隙，晶格常數(shù)小于第一、二子電池。更具體地，所述第一子電池為InxGa7_xAs或者GaAs,Sb7_,，其帶隙為O. 75、. 83eV ;第二子電池帶隙為I. 1(Γ · 35 eV，所述InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡的同時(shí)滿足其有效帶隙小于第二子電池基區(qū)InP的帶隙；第三子電池的帶隙為
1.85^1. 92 eV。所述漸變緩沖層的材料為IrvxAlxAs，組分漸變，其Al組分Z變化范圍可以從O. 48變化到O. 60，相應(yīng)的晶格常數(shù)從5. 869 A減小至Ij 5. 775 A0根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，一種三結(jié)太陽能電池的制備方法，包括步驟
1)提供一InP襯底，用于半導(dǎo)體外延生長；
2)在所述InP襯底上方形成第一子電池，使其具有第一帶隙；
3)在第一子電池上方，形成第二子電池InP，其基區(qū)植入InAS/InxGa7_xAS應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，晶格常數(shù)與第一子電池匹配，使其具有大于第一帶隙的第二帶隙；4)在第二子電池上方形成漸變緩沖層，其組分漸變，使其具有大于第二帶隙的第三帶
隙；
5)在漸變緩沖層上方，形成第三子電池IrvxAlxAs,使其具有大于第三帶隙的第四帶隙，晶格常數(shù)小于第一、二子電池。在完成前述三結(jié)太陽能電池的外延生長步驟后，可進(jìn)一步根據(jù)下述步驟進(jìn)行芯片處理提供一臨時(shí)襯底，將前述完成的三結(jié)太陽能電池倒粘結(jié)在所述臨時(shí)基板上；剝離InP生長襯底；提供一永久襯底，與三結(jié)太陽能電池鍵合；去除臨時(shí)襯底，完成三結(jié)太陽能電池的工藝。
III-V族半導(dǎo)體材料中InP具有最佳的抗輻射性，本發(fā)明使用其做為襯底作外延生長，可應(yīng)用于空間太陽能電池。在InP第二子電池中植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，來調(diào)節(jié)第二子電池的帶隙，合理分配各子電池帶隙分布實(shí)現(xiàn)電流匹配。InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子講中InxGal-xAs勢魚中In組分,對于晶格常數(shù)和帶隙的調(diào)節(jié)直接有效，通過調(diào)節(jié)InAs阱寬、InGaAs壘寬和超晶格周期數(shù)，在滿足應(yīng)力平衡的條件下，實(shí)現(xiàn)三結(jié)子電池電流匹配。IrvxAlxAs漸變緩沖層，其為多層結(jié)構(gòu)，組分漸變，克服了第二、三子電池之間的晶格失配，IrvxAlxAs中組分Z變化范圍可以從O. 48變化到O. 60，相應(yīng)的晶格常數(shù)從5. 869 A減小到5. 775 A0在InP中電池中植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，通過調(diào)節(jié)各層厚度和周期數(shù)，可以運(yùn)用根據(jù)本發(fā)明的制作方法能夠制備出高晶格質(zhì)量、電流匹配的三結(jié)太陽能電池。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。
圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)簡圖。圖2為完成襯底替換之后的三結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)簡圖。圖3為植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱的第二子電池結(jié)構(gòu)簡圖。
圖中各標(biāo)號表不
100 InP襯底
200 剝離犧牲層 300 歐姆接觸層
400第一子電池401第一子電池背場層(BSF)
402第一子電池基區(qū)(Base)
403第一子電池發(fā)射區(qū)(Emitter)
404第一子電池窗口層(window)
500第一二子電池之間的隧穿結(jié)(Tunnel junction) η++-/ρ++_Α1ΙηΡ
600第二子電池 601第二子電池背場層
602第二子電池基區(qū)
602a InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱
603第二子電池發(fā)射區(qū)
604第二子電池窗口層
700第二三子電池之間的隧穿結(jié)n++-/p++-InAlAsP
800漸變緩沖層
900第三子電池
901第三子電池背場層
902第三子電池基區(qū)
903第三子電池發(fā)射區(qū)
904第三子電池窗口層 1000重?fù)诫s蓋帽層(cap)
1100永久襯底。
具體實(shí)施例方式下面實(shí)施例公開了一種三結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其具體制備方法，首先采用InP襯底進(jìn)行外延生長，其包括第一子電池400、第二子電池600和第三子電池900，各結(jié)電池通過隧穿結(jié)500、700串聯(lián)。其中，第一子電池的晶格常數(shù)與InP襯底匹配，帶隙范圍為O. 75、. 83 eV，在一些實(shí)施例中，選用InxGa7_xAs或者GaAs,Sb7_,。第二子電池600為InP，其晶格常數(shù)與第一子電池匹配，在InP電極的基區(qū)插入InAsAnxGahAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，通過調(diào)整InGaAs壘寬、InAs阱寬和InxGapxAs中In組分X，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡的同時(shí)滿足其有效帶隙小于第二子電池基區(qū)InP的帶隙，有效拓寬了吸收邊，同時(shí)保證各結(jié)子電池之間的電流匹配。一般地，InAs阱寬隨InGaAs壘寬變化，其周期數(shù)為1(Γ30。漸變緩沖層800位于第二子電池上方，用于克服第二、第三子電池之間的晶格失配問題，其材料可用IrvxAlxAs,為多層結(jié)構(gòu)，組分漸變，Al組分X變化范圍可以從O. 48變化到O. 60，相應(yīng)的晶格常數(shù)從5. 869 A減小到5. 775 Α，帶隙從I. 35 eV提高到I. 86 eV。第三子電池900為IrvxAlxAs,位于漸變緩沖層800上方，其晶格常數(shù)小于第一、第二子電池，與漸變緩層800的頂層晶格常數(shù)匹配，帶隙為I. 85^1. 92 eV。下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。一種三結(jié)太陽能電池，可以選擇如下步驟獲得首先，在MOCVD系統(tǒng)中，選用P型厚度為175微米的InP襯底100，其摻雜濃度為在
2X IO17Cm 3 — 5 X IO17Cm 3。下一步，在InP襯底100表面外延生長InxGa^P剝離犧牲層200，其厚度為160 nm,摻雜濃度均控制在I X IO18CnT3。下一步，在InxGahP剝離犧牲層200上方外延生長P+_InP歐姆接觸層300，其厚度為500 nm，摻雜濃度均控制在lX1018cnT3。下一步，在歐姆接觸層300上方生長GaAsa51Sba49第一子電池400，其帶隙為O. 78eV，包括背場層401、基區(qū)402、發(fā)射區(qū)403和窗口層404。在本實(shí)施例中，選用P型InAlAs作為背場層401，厚度為50 nm，摻雜濃度在I X IO18CnT3左右；基區(qū)402的厚度優(yōu)選值為3000nm，摻雜濃度為5 X IO17CnT3 ;發(fā)射區(qū)403厚度為200 nm，摻雜濃度為在2 X IO18CnT3 ;在發(fā)射 區(qū)403上面生長η型InAlAs材料層作為窗口層404，厚度為25 nm，摻雜濃度在I X IO18CnT3左右。下一步，在第一子電池400上方生長重?fù)诫s的p++/n++-InQ.52Ala48As隧穿結(jié)500，其厚度為50 nm，摻雜濃度高達(dá)2 X 1019CnT3。下一步，在隧穿結(jié)500上方生長InP第二子電池600，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括背場層601、基區(qū)602、發(fā)射區(qū)603和窗口層604。在本實(shí)施例中，背場層601選用p+_InGaP，厚度為50 nm,摻雜濃度為I 2 X IO18CnT3 ;在InGaP背場層601上方生長p+_InP材料層作為基區(qū)602，總厚度為2微米，摻雜濃度為1 5X 1017cm_3，在基區(qū)生長至I微米時(shí)插入生長InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子講的生長，InGaAs用以調(diào)節(jié)InAs量子講生長過程所產(chǎn)生的應(yīng)力，InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱共生長15個(gè)周期，起作用調(diào)節(jié)第二子電池帶隙，拓寬吸收邊，實(shí)現(xiàn)電流匹配，其等效帶隙為1.20 eV;發(fā)射區(qū)603的材料為n+-InP，其厚度為150 nm，摻雜濃度大約2 X IO18CnT3 ;在發(fā)射區(qū)603上面生長η型InGaP窗口層604，其厚度為25 nm，摻雜濃度在I X IO18CnT3左右。下一步，在第二子電池600上方生長重?fù)诫s的p++/n++_AlInAsP隧穿結(jié)700，其厚度是50 nm,摻雜濃度高達(dá)2 X IO1W30下一步，在隧穿結(jié)700上方外延生長IrvxAlxAs漸變緩沖層800，一共生長6層，每層In組分增加O. 02，厚度為250 nm, In組分x的變化范圍是O. 40、. 52，相應(yīng)的晶格常數(shù)變化范圍是5. 66 8. 57A，每層摻雜濃度均控制在I X IO1W30下一步，在漸變緩沖層800上方外延生長Ina 4A10.6As第三子電池900，帶隙為I. 86eV。首先生長P-InAlAsP背場層901，其厚度為100 nm，摻雜濃度為I 2X 1018cnT3，接著，在背場層901上生長基區(qū)902和發(fā)射區(qū)903，其中基區(qū)902的材料為!!+-Ina4Ala6Asy、厚度為800nm、摻雜濃度為5 X 1017cnT3，發(fā)射區(qū)903的材料為p-I%4AlQ.6AS，厚度為50 nm、摻雜濃度2X1018cnT3。發(fā)射區(qū)903上面生長η型InAlAsP窗口層904，其厚度為25 nm，摻雜濃度在IXlO18Cnr3左右。下一步，在第三子電池上方生長重?fù)诫sn++-InAlAs蓋帽層1000，厚度為500 nm,摻雜濃度為2X1019cm_3，完在三結(jié)太陽能電池的外延長生工藝，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示。接下來，將外延生長完成的樣品取出，進(jìn)行襯底剝離、支撐襯底鍵合、電極制備，減反膜蒸鍍等后期工藝，實(shí)現(xiàn)所需的高效三結(jié)太陽能電池，具體工藝如下。首先，取一 Si片做為過渡襯底，將前述完成的太陽能電池通過粘結(jié)層倒粘結(jié)在所述過渡基板上，粘結(jié)層可采用環(huán)氧樹脂等后續(xù)易分解的材料。下一步，剝離InP生長襯底，可采用蝕刻工藝進(jìn)行。下一步，提供一永久襯底1100，與前述完成的太陽能電池鍵合。永久襯底1100可選擇Si片，通過金屬鍵合層802，采用鍵合工藝，使永久襯底1100與第一子電池低端連結(jié)
下一步,去除過渡襯底,完成三結(jié)太陽能電池的工藝。臨時(shí)基板剝離后的四結(jié)四元化合物太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
很明顯地，本發(fā)明的說明不應(yīng)理解為僅僅限制在上述實(shí)施例，而是包括利用本發(fā)明構(gòu)思的全部實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種三結(jié)太陽能電池，其包括 第一子電池，其具有第一帶隙； 第二子電池InP,位于所述第一子電池上方,其基區(qū)植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，晶格常數(shù)與第一子電池匹配，具有大于第一帶隙的第二帶隙； 漸變緩沖層，位于所述第二子電池上方，其組分漸變，具有大于第二帶隙的第三帶隙； 第三子電池IrvxAlxAs,位于所述漸變緩沖層上方，具有大于第三帶隙的第四帶隙，晶格常數(shù)小于第一、二子電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能電池，其特征在于所述第一子電池的帶隙為O.75 O. 83 eV，第二子電池的帶隙為I. 10 1· 35 eV，第三子電池的帶隙為I. 85 I. 92 eV。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能電池，其特征在于所述第一子電池為InxGa7_xAs或者GaAs,Sb7—,ο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能電池，其特征在于在所述第二子電池InP中，InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡的同時(shí)滿足其有效帶隙小于第二子電池基區(qū)InP的帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能電池，其特征在于所述漸變緩沖層的材料為IrvxAlxAs,組分漸變，其Al組分Z變化范圍可以從O. 48變化到O. 60，相應(yīng)的晶格常數(shù)從5.869 A 減小至Ij 5. 775 A。
6.一種三結(jié)太陽能電池的制備方法，包括步驟 O提供一 InP襯底，用于半導(dǎo)體外延生長； 2)在所述InP襯底上方形成第一子電池，使其具有第一帶隙； 3)在第一子電池上方，形成第二子電池InP，其基區(qū)植入InAs/InxGal-xAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱，晶格常數(shù)與第一子電池匹配，使其具有大于第一帶隙的第二帶隙； 4)在第二子電池上方形成漸變緩沖層，其組分漸變，使其具有大于第二帶隙的第三帶隙； 5)在漸變緩沖層上方，形成第三子電池IrvxAlxAs,使其具有大于第三帶隙的第四帶隙，晶格常數(shù)小于第一、二子電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池的制備方法，還包括步驟 6)提供一過渡襯底，將所述太陽能電池粘結(jié)在其表面上； 7)移除InP襯底， 8)提供一永久襯底，將所述太陽能電池與其粘接； 9)移除過渡襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池的制備方法，其特征在于所述第一子電池為InxGa7_xAs或者GaAs,Sb7_,，其帶隙為O. 75 O. 83 eV ;第二子電池的帶隙為I. 10 1. 35 eV ’第三子電池的帶隙為I. 85 I. 92 eV。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟3)中，通過調(diào)整InAsAnxGahAs應(yīng)變補(bǔ)償超晶格量子阱中InGaAs壘寬、InAs阱寬和InxGai_xAs中In組分X，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡的同時(shí)滿足其有效帶隙小于第二子電池基區(qū)InP的帶隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述漸變緩沖層的材料為IrvxAlxAs,調(diào)整Al組分Z變化，使其晶格常數(shù)從5. 869 A減小到5. 775 L
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法，其采用InP做為生長襯底，在其上形成第一子電池、第二子電池InP及第三子電池In1-xAlxAs，在InP子電池的基區(qū)插入應(yīng)變補(bǔ)償量子阱能夠有效拓寬吸收邊，通過漸變緩沖層技術(shù)有效克服子電池之間的晶格匹配，降低位錯(cuò)密度。
文檔編號H01L31/0725GK102832285SQ20121032896
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者畢京鋒, 林桂江, 劉建慶, 丁杰 申請人:天津三安光電有限公司