一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构的制作方法

本实用新型涉及一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，属于光电子技术领域。

背景技术：

太阳能电池是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件，主要有单晶硅电池和单晶砷化镓电池等。太阳电池最初为空间航天器使用，空间航天器用单晶硅太阳电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧·厘米以上的P型单晶硅，包括p-n结、电极和减反射膜等部分，受光照面加透光盖片保护，防止电池受外层空间范爱伦带内高能电子和质子的辐射损伤。单体电池尺寸从2×2厘米至5.9×5.9厘米，输出功率为数十至数百毫瓦，它的理论光电转换效率为20％以上，实际已达到15％以上。为了提高单体太阳电池的性能，可以采取浅结、密栅、背电场、背反射、绒面和多层膜等措施。增大单体电池面积有利于减少太阳电池阵的焊接点，提高可靠性。

太阳电池发展历史可以追溯到1839年，当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光生伏打效应(Photovoltaic effect)。直到1883年，第一个硒制太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者Russell Ohl开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到4％左右，次年达到11％。随后，太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用硅的各向异性(anisotropic)的刻蚀(etching)特性，在单晶硅太阳电池表面刻蚀出具有许多金字塔结构的绒面。金字塔绒面结构能有效降低太阳光在电池表面反射损失，使得当时的太阳电池转换效率达到17％。

其原理是当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P区移动，而P区中的电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。如图1所示。由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。

1976年以后，如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本降低使得太阳电池进入民间发电领域，太阳电池开始应用于并网发电。

分类太阳电池是光伏发电系统的核心。从产生技术的成熟度来区分，太阳电池可分为以下几个阶段：

第一代太阳电池：晶体硅电池；

第二代太阳电池：各种薄膜电池。包括非晶硅薄膜电池(a-Si)、碲化镉太阳电池(CdTe)、铜铟镓硒太阳电池(CIGS)、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电池等；

第三代太阳电池：各种超叠层太阳电池、热光伏电池(TPV)、量子阱及量子点超晶格太阳电池、中间带太阳电池、上转换太阳电池、下转换太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池等新概念太阳电池。

按电池结构划分，太阳电池可分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。

按照使用的基本材料不同，太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池几种。

典型的III-Ⅴ族化合物太阳电池为砷化镓(GaAs)电池，转换率达到30％以上，这是因为III-Ⅴ族是具有直接能隙的半导体材料，仅仅2um厚度，就可在AM1的辐射条件下吸光97％左右。在单晶硅基板上，以化学气相沉积法成长GaAs薄膜所制成的薄膜太阳电池，因效率较高，应用在太空。而新一代的GaAs多接面太阳电池，因可吸收光谱范围高，所以转换效率可达到39％以上，是目前转换效率了最高的太阳电池种类。而且性能稳定，寿命也相当长。不过这种电池价格昂贵，平均每瓦价格可高出多晶硅太阳电池数十倍以上，因此不是民用主流。

单晶砷化镓太阳电池的理论光电转换效率为24％，实际达到17％。它能在高温、高光强下工作，耐辐射损伤能力高于硅太阳电池。级联p-n结太阳电池是在一块衬底上叠加多个不同带隙材料的p-n结，带隙大的顶结靠光照面，吸收短波光，往下带隙依次减小，吸收的光波波长逐渐增长，这种电池可以充分利用日光，光电转换效率大大提高。

因为具有直接能隙及高吸光系数，而且耐反射损伤性佳且对温度变化不敏感，所以适合应用在热光伏特系统(thermophotovolaics TRV)、聚光系统(concentrator system)及太空等三个主要领域。

从2007年8月开始，砷化镓电池从卫星上的使用转变为聚光的太阳能发电站的规模应用。砷化镓高效聚光电池在国外正在被证明是低成本规模建造太阳能电站的有效途径。

蓝宝石衬底生长技术成熟，器件质量较好，稳定性好，能够运用在高温生长过程中；机械强度高是透明的，对可见光具有不吸收性，比利用GaAs衬底外延生长的太阳能电池具有更高的提取效率，并且可以避免更换吸光衬底的复杂工艺和环境污染问题，具有明显的性能优势和环保优势。但是，蓝宝石衬底上生长GaAs太阳能电池的最大难点是二者晶格类型不同，晶格常数差别大，热膨胀系数也有很大不同，因此业内比较少使用蓝宝石衬底生长GaAs太阳能电池。

中国专利文献CN101859814A公开了在蓝宝石衬底上生长InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池的方法，首先在蓝宝石衬底上生长组分渐变的GeSi应力过渡层，然后再生长Ge弛豫层，接着生长GaAs子电池和GaInP顶电池。此专利主要是提供了一种基于蓝宝石衬底进行生长Ge材料过渡到GaAs电池层的方法。但是，该专利中存在以下缺陷：(1)增加了生产、制造成本，增加了产品的不稳定性；(2)光电转换效率不高。

中国专利文献CN102569655A公开了一种氮面氮化镓绒面太阳能电池及其制作方法，其自下而上包括：蓝宝石衬底(1)、AlN缓冲层(2)、外延层(3)、阴极(4)、有机聚合物层(5)和阳极(6)。其中，AlN缓冲层(2)采用MOCVD生长，厚度为150-200nm；外延层(3)为采用MOCVD生长的厚度为2-3μm、电子浓度为1.0×1017cm-3-2.0×1018cm-3的氮面n-GaN，且与有机聚合物(5)的接触面为布满凹陷的绒面，凹陷密度为1.0×107cm-2-4.0×108cm-2，深度为450nm-1.5μm；阴极(4)是在氮面n-GaN层上淀积Ti和Al形成；有机聚合物(5)由在氮面n-GaN表面旋涂而成，其厚度为50-80nm；阳极(6)是在机聚合物(5)上淀积Au形成。但是，该专利中存在以下缺陷：太阳能电池转化效率不，制造成本高。

综上，现有的单晶、多晶硅、有机物太阳能电池转化效率不高，使用Ge衬底生长GaAs单结太阳能电池，Ge衬底自身价格较高且为资源不如蓝宝石衬底丰富，因此，生产制造成本大大提高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构；

本实用新型利用MOCVD技术通过温度等手段直接在蓝宝石衬底上生长GaAs材料，通过热处理以及高低温GaP过渡层解决蓝宝石衬底与GaAs单结太阳能电池的禁带和热膨胀系数问题，为实现大规模量产民用铺平了道路。

术语解释

1、MOCVD：金属有机化学气相沉积技术，MOCVD设备是半导体化合物生长的常用设备，广泛用于半导体电子器件制造行业。

2、掺杂浓度：单位1E19个原子/cm³就是指每单位立方厘米中有1*10¹⁹个原子。

3、AMO：AM为大气质量，AMO即大气质量为0，代表空间应用环境。

4、AM1：表示阳光垂直穿透大气，即0°入射。

5、AM1.5：表示阳光以45°入射。

本实用新型的技术方案为：

一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，包括依次从下到上设置的蓝宝石衬底、低温GaP缓冲层、高温GaP缓冲层、GaP欧姆接触层、GaAsP过渡层、GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层，所述低温GaP缓冲层的厚度为15-50nm，掺杂浓度为1E19-6E19个原子/cm³；所述高温GaP缓冲层的厚度为0.3-1μm，掺杂浓度为1E19-5E19个原子/cm³；所述GaP欧姆接触层的厚度为2-5μm，掺杂浓度为1E19-5E19个原子/cm³；所述GaAsP过渡层的厚度为0.5-1μm，掺杂浓度为1E19-5E19个原子/cm³；所述GaAs缓冲层的厚度为0.5-1μm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³。

低温GaP缓冲层、高温GaP缓冲层用于和蓝宝石衬底实现完美的晶格匹配，避免蓝宝石衬底表面与新生长材料带来的缺陷与位错，并为下一步生长提供了新鲜的界面；GaAsP过渡层与GaAs缓冲层的实现GaP材料转GaAs材料的过渡；AlGaAs背场层因为其禁带宽度比较高，能降低背面的电子复合，起到阻止电子流失的作用；GaAs基层为电子聚集提供了场所；GaAs发射层为空穴聚集提供了场所；AlGaAs窗口层，因为其禁带宽度最高，所以能起到钝化表面，降低非辐射复合，为空穴能在GaAs发射层聚集起到阻止作用；位于最上层的GaAs电极接触层，起到接通电极的作用。

本实用新型采用蓝宝石衬底，在成本上比Ge衬底和GaAs衬底更有优势，并且，本实用新型还解决了蓝宝石衬底与GaAs材料之间晶格失配以及热膨胀系数问题。

根据本实用新型优选的，所述低温GaP缓冲层的厚度为16-45nm，掺杂浓度为2E19-5E19个原子/cm³；所述高温GaP缓冲层的厚度为0.35-0.9μm，掺杂浓度为2E19-5E19个原子/cm³；所述GaP欧姆接触层的厚度为2.5-4.5μm，掺杂浓度为2E19-5E19个原子/cm³；所述GaAsP过渡层的厚度为0.6-0.9μm，掺杂浓度为2E19-5E19个原子/cm³；所述GaAs缓冲层的厚度为0.6-0.9μm，掺杂浓度为2E17-4E18个原子/cm³；

进一步优选的，所述低温GaP缓冲层的厚度为25nm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；所述高温GaP缓冲层的厚度为0.5μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；所述GaP欧姆接触层的厚度为3.2μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；所述GaAsP过渡层的厚度为0.52μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；所述GaAs缓冲层的厚度为0.65μm，掺杂浓度为6E17个原子/cm³。

AlGaAs背场层采用Al_XGa_1-XAs材料，X的取值范围为0-0.5；进一步优选的，X的取值范围为0.2-0.49；特别优选的，X＝0.41。

AlGaAs窗口层采用Al_YGa_1-YAs材料，Y的取值范围为0.5-1；进一步优选的，Y的取值范围为0.51-0.9；特别优选的，Y＝0.62。

通过调整Al_XGa_1-XAs材料和Al_YGa_1-YAs材料中各自Al的组分，实现对太阳光高低能态光子的吸收，极大地提高了太阳能光电转换效率，比普通的太阳能电池效率提高20％以上。

根据本实用新型优选的，所述AlGaAs背场层的厚度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³；所述GaAs基层厚度为2-5um，掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm³；所述GaAs发射层厚度为0.5-1um，掺杂浓度为1E18-5E19个原子/cm³；所述AlGaAs窗口层厚度为0.03-0.1um，掺杂浓度为1E18-5E19个原子/cm³；所述GaAs电极接触层厚度为0.2-1um，掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm³；

进一步优选的，所述AlGaAs背场层厚度为0.15-0.45μm，掺杂浓度为2E17-4E18个原子/cm³；所述GaAs基层的厚度为3-5um，掺杂浓度为2E17-4E18个原子/cm³；所述GaAs发射层的厚度为0.51-0.9um，掺杂浓度为2E18-9E19个原子/cm³；所述AlGaAs窗口层的厚度为0.04-0.9um，掺杂浓度为3E18-1E20个原子/cm³；所述GaAs电极接触层的厚度为0.2-0.9um，掺杂浓度为2E18-1E20个原子/cm³；

特别优选的，所述AlGaAs背场层厚度为0.27um，掺杂浓度为7E17个原子/cm³；所述GaAs基层的厚度为3.2um，掺杂浓度为7E17个原子/cm³；所述GaAs发射层的厚度为0.6um，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；所述AlGaAs窗口层的厚度为0.15um，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；所述GaAs电极接触层的厚度为0.5um，掺杂浓度为1E20个原子/cm³。

根据本实用新型，一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构的制备方法，包括采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长外延层，具体步骤包括：

(1)在600-900℃温度下，通入H₂，对所述蓝宝石衬底进行热处理；

(2)降温至400-600℃，通入TMGa和PH₃，在所述蓝宝石衬底上生长所述低温GaP缓冲层；

(3)升温至650-750℃，在所述低温GaP缓冲层上生长所述高温GaP缓冲层；

(4)在所述高温GaP缓冲层生长所述GaP欧姆接触层；

(5)在所述GaP欧姆接触层上生长所述GaAsP过渡层；

(6)停止通入PH₃，在所述GaAsP过渡层上生长所述GaAs缓冲层；

(7)通入TMAl，在所述GaAs缓冲层上生长所述AlGaAs背场层；

(8)降温至550-700℃，在所述AlGaAs背场层上生长所述GaAs基层；

(9)保持温度550-750℃，在所述GaAs基层上生长所述GaAs发射层；

(10)保持温度550-750℃，在所述GaAs发射层上生长所述AlGaAs窗口层；

(11)降温至500-600℃，在所述AlGaAs窗口层上生长所述GaAs电极接触层。

通过对蓝宝石衬底600-900℃高温热处理，并且在400-600℃生长低温GaP缓冲层，在650-750℃生长高温GaP缓冲层，在高温GaP缓冲层生长所述GaP欧姆接触层，在所述GaP欧姆接触层上生长所述GaAsP过渡层；解决了蓝宝石衬底与GaAs材料的晶格匹配问题，通过高低温切换实现了GaAs材料在蓝宝石衬底上进行生长的可能性，为继续生长新材料提供新鲜界面，为蓝宝石衬底生长GaAs太阳能电池提供了更为广泛和高效的方法和途径。

所述蓝宝石衬底单结太阳能电池结构的制备中，MOCVD设备的压力为50-200mbar。

所述步骤(5)中，在所述GaP欧姆接触层上生长所述GaAsP过渡层，具体是指：通入AsH₃，逐步控制PH3的流量至0，并相应提升AsH3流量由0至设定值，在所述GaP欧姆接触层上生长所述GaAsP过渡层。

所述H₂的流量为25000－40000sccm；所述TMGa的纯度大于等于99.99％，所述TMGa的恒温槽的温度为(-5)-15℃；所述TMAl的纯度大于等于99.99％，所述TMAl的恒温槽的温度为10-28℃；所述AsH₃的纯度大于等于99.99％；所述PH₃的纯度大于等于99.99％。

所述TMGa的纯度为99.9999％，所述TMAl的纯度为99.9999％，所述AsH₃的纯度为99.9995％；所述PH₃的纯度为99.9995％。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型采用蓝宝石衬底代替了传统的Ge衬底和GaAs衬底，降低了太阳能电池生产成本，提高生产的单片面积。

2、通过调整AlGaAs背场层和AlGaAs窗口层中各自Al组分，实现对太阳光高低能态光子的吸收，极大的提高了太阳能光电转换效率，比普通的太阳能电池效率提高20％以上，达到了17％以上的转换效率，为使用蓝宝石衬底大规模量产提供了技术基础。

附图说明

图1为PN结的原理图。

图2为本实用新型蓝宝石衬底单结太阳能电池结构的示意图。

1、太阳光，2、P区，3、N区，4、电流方向，5、蓝宝石衬底，6、低温GaP缓冲层，7、高温GaP缓冲层，8、GaP欧姆接触层，9、GaAsP过渡层，10、GaAs缓冲层，11、AlGaAs背场层，12、GaAs基层，13、GaAs发射层，14、AlGaAs窗口层，15、GaAs电极接触层。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，包括依次从下到上设置的蓝宝石衬底5、低温GaP缓冲层6、高温GaP缓冲层7、GaP欧姆接触层8、GaAsP过渡层9、GaAs缓冲层10、AlGaAs背场层11、GaAs基层12、GaAs发射层13、AlGaAs窗口层14、GaAs电极接触层15。如图2所示。

低温GaP缓冲层6、高温GaP缓冲层7用于和蓝宝石衬底5实现完美的晶格匹配，避免蓝宝石衬底5表面与新生长材料带来的缺陷与位错，并为下一步生长提供了新鲜的界面；GaAsP过渡层8与GaAs缓冲层10的实现GaP材料转GaAs材料的过渡；AlGaAs背场层11因为其禁带宽度比较高，能降低背面的电子复合，起到阻止电子流失的作用；GaAs基层12为电子聚集提供了场所；GaAs发射层13为空穴聚集提供了场所；AlGaAs窗口层14，因为其禁带宽度最高，所以能起到钝化表面，降低非辐射复合，为空穴能在GaAs发射层13聚集起到阻止作用；位于最上层的GaAs电极接触层15起到接通电极的作用。

本实用新型采用蓝宝石衬底5，在成本上比Ge衬底和GaAs衬底更有优势，并且，本实用新型还解决了蓝宝石衬底5与GaAs材料之间晶格失配以及热膨胀系数问题。

AlGaAs背场层11采用Al_XGa_1-XAs材料，X＝0.41；AlGaAs窗口层14采用Al_YGa_1-YAs材料，Y＝0.62。

通过调整Al_XGa_1-XAs材料和Al_YGa_1-YAs材料中各自Al的组分，实现对太阳光高低能态光子的吸收，极大地提高了太阳能光电转换效率，比普通的太阳能电池效率提高20％。

低温GaP缓冲层6的厚度为25nm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；高温GaP缓冲层7的厚度为0.5μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；GaP欧姆接触层8的厚度为3.2μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；GaAsP过渡层9的厚度为0.52μm，掺杂浓度为4E19个原子/cm³；GaAs缓冲层10的厚度为0.65μm，掺杂浓度为6E17个原子/cm³。

AlGaAs背场层11厚度为0.27um，掺杂浓度为7E17个原子/cm³；GaAs基层12的厚度为3.2um，掺杂浓度为7E17个原子/cm³；GaAs发射层13的厚度为0.6um，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；AlGaAs窗口层14的厚度为0.15um，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaAs电极接触层15的厚度为0.5um，掺杂浓度为1E20个原子/cm³。

实施例2

根据实施例1所述的一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，其区别在于，

AlGaAs背场层11采用Al_XGa_1-XAs材料，X＝0.5；AlGaAs窗口层14采用Al_YGa_1-YAs材料，Y＝0.5。

低温GaP缓冲层6的厚度为50nm，掺杂浓度为6E19个原子/cm³；高温GaP缓冲层7的厚度为1μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaP欧姆接触层8的厚度为5μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaAsP过渡层9的厚度为1μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaAs缓冲层10的厚度为1μm，掺杂浓度为5E18个原子/cm³。

实施例3

根据实施例1所述的一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，其区别在于，AlGaAs背场层11采用Al_XGa_1-XAs材料，X＝0；AlGaAs窗口层14采用Al_YGa_1-YAs材料，Y＝1；

低温GaP缓冲层6的厚度为10nm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³；高温GaP缓冲层7的厚度为0.3μm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³；GaP欧姆接触层8的厚度为2μm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³；GaAsP过渡层9的厚度为0.5μm，掺杂浓度为1E19个原子/cm³；GaAs缓冲层10的厚度为0.5μm，掺杂浓度为1E17个原子/cm³。

实施例4

根据实施例1所述的一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，其区别在于，AlGaAs背场层11采用Al_XGa_1-XAs材料，X＝0.2；AlGaAs窗口层14采用Al_YGa_1-YAs材料，Y＝0.8；

低温GaP缓冲层6的厚度为45nm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；高温GaP缓冲层7的厚度为0.9μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaP欧姆接触层8的厚度为4.5μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaAsP过渡层9的厚度为0.9μm，掺杂浓度为5E19个原子/cm³；GaAs缓冲层10的厚度为0.9μm，掺杂浓度为4E18个原子/cm³。

实施例5

根据实施例1所述的一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构，其区别在于，AlGaAs背场层11采用Al_XGa_1-XAs材料，X＝0.49；AlGaAs窗口层14采用Al_YGa_1-YAs材料，Y＝0.51；

低温GaP缓冲层6的厚度为16nm，掺杂浓度为2E19个原子/cm³；高温GaP缓冲层7的厚度为0.35μm，掺杂浓度为2E19个原子/cm³；GaP欧姆接触层8的厚度为2.5μm，掺杂浓度为2E19个原子/cm³；GaAsP过渡层9的厚度为0.6μm，掺杂浓度为2E19个原子/cm³；GaAs缓冲层10的厚度为0.6μm，掺杂浓度为2E17个原子/cm³。

在制备的单结太阳能电池结构上经过金属蒸镀、光刻电极，并蒸镀TiO2/SiO2双层减反膜，在AMO,1sun，25℃条件下实现最高转换效率为16％。