GaAs单结太阳能电池的制作方法

本实用新型属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种GaAs单结太阳能电池。

背景技术：

近年来，太阳能电池技术取得了很大进展，典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物因为是直接能隙的半导体材料，可做厚度较薄，吸光效率特别高，成为未来主要太阳能材料之一。但由于GaAs材料价格昂贵、密度高、机械强度很低，不利于制备成本低廉、薄型轻质的电池。因此，选择较为廉价的衬底制作GaAs单结太阳能电池十分重要。可以采用Si衬底上外延Ge缓冲层(Ge/Si衬底技术)制备GaAs单结太阳能电池的技术方案，其兼具Si与Ge的技术优势，尤其可与现有Si工艺兼容，已成为当前光电领域内研究发展的重点和热点。然而，由于Si与Ge之间存在4.2％的晶格失配，Ge/Si衬底技术实现难度大。目前常用的两步生长仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，而且其所结合的循环退火工艺对于薄Ge外延层来说，会出现Si-Ge互扩问题，以及Ge/Si缓冲层表面粗糙度的增加。

技术实现要素：

本实用新型的目的为提供了一种GaAs单结太阳能电池，所述GaAs单结太阳能电池采用激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺制备的Ge/Si衬底，具有较低的位错密度，具有高质量的光电转换效率。

本实用新型的一个实施例提供了一种GaAs单结太阳能电池，包括：Si衬底层，依次层叠于所述Si衬底层之上的Ge外延层、GaAs单结电池层、 接触层、反射膜，其中所述Ge外延层中Ge为LRC晶体。

在本实用新型的一个实施例中，所述GaAs单结电池层包括依次层叠于所述Ge外延层上的GaAs背场层、GaAs基区，GaAs发射区、GaAs窗口层。

在本实用新型的一个实施例中，所述LRC晶体为采用激光再晶化工艺制备生成。

在本实用新型的一个实施例中，所述Ge外延层厚度为200nm。

在本实用新型的一个实施例中，所述反射膜材料为SiN。

在本实用新型的一个实施例中，所述Si衬底层材料为单晶硅。

在本实用新型的一个实施例中，所述Si衬底层厚度为2μm。

在本实用新型的一个实施例中，所述接触层厚度为0.5um，N型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

在本实用新型的一个实施例中，所述GaAs背场层厚度为800nm，N型掺杂，浓度为2×10¹⁸cm^-3。

在本实用新型的一个实施例中，所述GaAs窗口层厚度为30nm，N型，掺杂浓度约2×10¹⁸cm^-3。

本实用新型实施例具有如下有益效果：本实用新型GaAs单结太阳能电池采用LRC工艺制备的Ge晶体作为外延层，具有高质量的Ge/Si衬底，较低的位错密度，且Ge外延层很薄，利于光的透过，具有高器件性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种GaAs单结太阳能电池结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种LRC工艺的示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种薄膜受激光照射过程中的温度相变关系示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种Ge/Si衬底材料的工艺之有限元仿真结果示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种连续LRC工艺效果示意图；

图6a-图6h为本实用新型实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上GaAs单结太阳能电池制备工艺示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种GaAs单结太阳能电池结构示意图；所述GaAs单结太阳能电池包括：Si衬底层10，依次层叠于所述Si衬底层之上的Ge外延层20、GaAs单结电池层30、接触层40、反射膜50，其中所述Ge外延层中Ge为LRC晶体。

具体地，所述GaAs单结电池层包括依次层叠于所述Ge外延层上的GaAs背场层31、GaAs基区32，GaAs发射区33、GaAs窗口层34。

具体地，所述LRC晶体为采用激光再晶化工艺制备生成。

优选地，所述Ge外延层20的厚度为200nm，先采用磁控溅射法形成于所述Si衬底层上，后采用LRC工艺处理形成LRC晶体。

其中，通过磁控溅射法淀积薄膜，淀积速率高，而且薄膜的质量好，适宜大规模生产；采用LRC的好处在于：能够使得Ge外延层的位错率大大降低，而且能够制作较薄；

优选地，反射膜50材料为SiN。

优选地，所述Si衬底层10为单晶硅。

优选地，所述Si衬底层10厚度为2μm。

优选地，所述接触层40厚度为0.5um，N型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

优选地，所述GaAs背场层31厚度为800nm，N型掺杂，浓度为2×10¹⁸cm^-3。

优选地，所述GaAs窗口层34厚度为30nm，N型，掺杂浓度约2×10¹⁸cm^-3。

请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种LRC工艺的示意图。先用磁控溅射工艺或者化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)工艺经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续LRC横向释放Ge与Si之间的位错失配，从而减少外延层中由于晶格失配引起的位错，制备出品质优良的Ge/Si衬底。

请参见图3，图3为本实用新型实施例提供的一种薄膜受激光照射过程中的温度相变关系示意图；其中，LRC的原理是利用激光的高能量对材料表面瞬间加热使之融化结晶，其本质是热致相变的过程，这点也与传统的激光热退火有本质区别。因此，LRC可以看作是激光对薄膜的热效应，即激光通过热效应将被照射的薄膜融化，在较短的时间使其冷却结晶的过程。LRC工艺大致可分为以下三个阶段：

1)激光与物质的相互作用阶段。此阶段物质吸收激光能量转变为热能，达到熔化状态。激光与物质相互作用过程中，物质的电学性能、光学性能、结构状况等均发生变化。

2)材料的热传导阶段。根据热力学基本定律，激光作用于材料上将会发生传导、对流和辐射三种传热方式，此时加热速度快，温度梯度大。

3)材料在激光作用下的传质阶段。传质，即物质从空间或空间某一部位运动到另一部位的现象。在此阶段，经激光辐射获得能量的粒子开始运动。传质存在两种形式：扩散传质和对流传质。扩散传质表示的是原子或分子的微观运动；对流传质则是流体的宏观运动。以完全融化结晶机制为例，激光再晶化后薄膜的温度变化情况如图3所示。

利用激光再晶化LRC技术辅助制备高质量虚Ge衬底，要求激光作用下虚Ge层温度至少达到熔点，且尽量靠近烧熔点，达到理想晶化的近完全熔融状态，保证Ge晶粒的后续完美结晶。同时，外延层下面的Si衬底层不能达到熔点，保证了LRC对衬底不产生影响。因此，确定合理的LRC工艺相关工艺参数(如激光功率密度、移动速度等)，控制外延层温度分布，将是该工艺成败的关键。请参见图4，图4为本实用新型实施例提供的一种Ge/Si衬底材料的工艺之有限元仿真结果示意图。图中，纵坐标表示Ge/Si体系厚度，在Ge外延层厚度200nm的Ge/Si衬底上采用激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min的工艺条件可实现Ge融化结晶而Si未融化。

请参见图5，图5为本实用新型实施例提供的一种连续激光再晶化工艺效果示意图。激光通过全反射棱镜照向样品台，并通过凸透镜聚焦到样品上，从而防止了在受热过程中薄膜融化后的液体受重力影响而流动对结晶产生的影响。激光再晶化时，步进电机带动样品台移动，每移动到一个位置进行一次激光照射，使该位置成为具有高能量的小方块，而后停止激光照射，样品台移动到下一位置时再继续激光照射。如此循环使得激光依次照射到整个薄膜表面，至此完成连续激光再晶化过程。

另外，需要强调说明的是，本实用新型的LRC工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本实用新型激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。

本实用新型GaAs单结太阳能电池采用LRC工艺制备的Ge晶体作为外延层，具有高质量的Ge/Si衬底，较低的位错密度，且Ge外延层很薄，利于光的透过，具有高器件性能。

实施例二

请参见图6a-图6h，图6a-图6h为本实用新型实施例提供的一种激光辅助晶化Ge/Si衬底上GaAs单结太阳能电池制备工艺示意图。在上述实施例的基础上，本实施例将较为详细地对本实用新型的工艺流程进行介绍。该方法包括：

S101、如图6a所示，选取厚度为2μm的单晶硅Si制作衬底层001；

S102、如图6b所示，利用磁控溅射法在Si衬底层001上用两步法工艺生长一层200nm厚的锗Ge外延层002；

S103、如图6c所示，利用化学气相淀积CVD的方法在Ge外延层002表面淀积150nm的二氧化硅SiO₂层003；

S104、在图6c的基础上先将材料加热至500K，然后连续LRC带有SiO₂氧化层的Ge/Si衬底，其中激光功率为6.1kW/m，激光移动速度为400mm/min，而后使材料自然冷却。

S105、如图6d所示，利用干法刻蚀工艺刻蚀图6c中的SiO₂氧化层003，得到高质量的Ge/Si衬底。

S106、如图6e所示，利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)的方法，在600℃下淀积厚度为800nm的砷化镓GaAs材料作为背场层004，并对背场层004进行N型掺杂，浓度为2×10¹⁸cm^-3。

S107、如图6f所示，利用MOCVD在600℃下淀积GaAs形成基区005与发射区006。基区005厚度约3μm，N型掺杂，浓度为3×10¹⁷cm^-3，发射区区厚度约500nm，N型掺杂，浓度为2×10¹⁸cm^-3。

S108、如图6g所示，利用MOCVD在60℃下淀积厚度为30nm的砷化镓GaAs作为底电池的窗口层007，并通过热扩散技术对窗口层007进行N型，掺杂浓度约2×10¹⁸cm^-3。

S109、如图6h所示，外延生长0.5um厚的砷化镓GaAs形成接触层008，并对接触层008进行浓度为1×10¹⁹cm^-3的N型掺杂，并采用等离子增强化学气相淀积技术在250℃淀积100nm厚的SiN作为抗反射层009。

综上所述，本文中应用了具体个例对本实用新型的一种GaAs单结太阳能电池进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以所附的权利要求为准。