叠堆状的集成的多结太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种叠堆状的集成的多结太阳能电池。
【背景技术】
[0002] 为了借助太阳能电池实现用于将太阳光转换成电能的尽可能高的效率，自多年 以来研究由不同半导体材料的多结太阳能电池（W.Guter的《Optimierung von III-V basierten Hochleistungssolarzellen》（博士论文，康斯坦茨大学，物理系，2011))。多 结太阳能电池将入射的光分布到具有不同的带隙能量的多个彼此重叠地叠堆的部分太 阳能电池上。为了实现最高的效率，半导体材料和其带隙能量必须彼此匹配，以便优选 地在电方面串联的部分太阳能电池中的每一个尽可能地产生相同的电流。此外，对于宇 宙空间应用而言除高的效率以外也期望相对于高能量电子和/或质子（例如太阳耀斑 (Sonneneruption))的高的福射稳定性。
[0003] 只要叠堆的各个部分电池的半导体材料具有相同的晶格常数，则部分电池可以借 助外延（印itaktisch)的方法制造。由 Meusel 等《III-V MULTIJUNCTION SOLAR CELLS-FR0M CURRENT SPACE AND TERRESTRIAL PRODUCTS TO MODERN CELL ARCHITECTURES》（第五届 WCPEC，2010, Valencia，1AP. L 5)已知一种由 AlInGaP、InGaAs、InGaNAs 和 Ge 组成的晶格 匹配的4结太阳能电池。由于尤其InGaNAs部分电池的晶体质量，实现仅仅不足的效率。
[0004] 如果部分电池具有不同的晶格常数，则在第一替代方案中在两个部分电池之间 置入变质（metamorphe)的缓冲层。由 Guter 等的《DEVELOPMENT, QUALIFICATION AND PRODUCTION OF SPACE SOLAR CELLS WITH 30% E0L EFFICIENCY)) (European Space Power Conference，2014, Noordwijkerhout，荷兰）已知由 AlInGaP、AlInGaAs、InGaAs、变质缓冲 器和Ge组成的部分电池的序列。此外，由Cornfeld等的《Development of a four sub-cell inverted metamorphic multi-junction(IMM)highly efficient AMO solar cell〉〉（第35 届IEEE PVSC，2010,檀香山，美国）已知由InGaP、GaAs组成的部分电池的另一序列，其具 有第一变质缓冲器、第一 InGaAs部分电池和第二变质缓冲器以及第二InGaAs部分电池。
[0005] 组合具有不同晶格常数的材料的另一替代方案是晶片键合方法。在此，使具有不 同晶格常数的部分电池接合。由博士论文Uwe Seidel的《GrenzfMchenuntersuchungeii am Tunnelkontakt einer MOCVD-priiparie丨ten Tandemsolarzelle》（HU Berlin，数学 自然科学I系，2007年1月9日）以及由In J. Boisvert等的《Development of advanced space solar cells at spectrolab (Photovoltaic Specialists Conference (PVSC),2010 年第 35 届 IEEE，2010年 6 月 20-25,檀香山，ISSN :0160-8371 以及由 R. Krause 等的《Wafer Bonded 4-Junction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs》（AIP 会议记录 1616,45 (2014); doi :10.1063/1.4897025)已知具有四个部分电池的键合的太阳能电池叠堆。此外，由 Ρ· T. Chiu 等的〈〈Direct Semiconductor Bonded 5J Cell For Space And Terrestrial Applications》（IEEE Journal of Photovoltaics，Volume 4 (1)，pp. 493, 2014)已知一种 具有两个键合的太阳能电池部分的5结太阳能电池叠堆。
【发明内容】
[0006] 在所述背景下，本发明的任务在于，说明一种扩展现有技术的装置。
[0007] 所述任务通过具有权利要求1的特征的叠堆状的集成的多结太阳能电池解决。本 发明的有利构型是从属权利要求的主题。
[0008] 根据本发明的主题，提供一种叠堆状的集成的多结太阳能电池，其具有：第一部分 电池、第二部分电池、第三部分电池和第四部分电池，其中第一部分电池具有由InGaP化合 物组成的层并且所述层的厚度大于100纳米并且所述层构造为发射极的一部分和/或基极 的一部分和/或位于发射极和基极之间的空间电荷区的一部分，所述InGaP化合物具有第 一晶格常数和第一带隙能量，其中第二部分电池具有由InJ^化合物组成的层并且所述层 的厚度大于1〇〇纳米并且所述层构造为发射极的一部分和/或基极的一部分和/或位于发 射极和基极之间的空间电荷区的一部分，所述合物具有第二晶格常数和第二带隙 能量，其中第三部分电池具有由In xGai xASl yPy化合物组成的层并且所述层的厚度大于100 纳米并且所述层构造为发射极的一部分和/或基极的一部分和/或位于发射极和基极之 间的空间电荷区的一部分，所述In xGai xASl卢,化合物具有第三晶格常数和第三带隙能量， 其中第四部分电池具有由InGaAs化合物组成的层并且所述层的厚度大于100纳米并且所 述层构造为发射极的一部分和/或基极的一部分和/或位于发射极和基极之间的空间电 荷区的一部分，所述InGaAs化合物具有第四晶格常数和第四带隙能量，其中对于带隙能量 适用：Egl>Eg2>Eg3>Eg4,并且在两个部分电池之间构造具有晶片键合的区域，并且所述区 域具有最大200纳米的厚度，并且所述区域中的晶格常数产生至少0. 01纳米的阶跃和/或 晶体定向在所述区域中变化，和/或在所述区域中构造非晶形的中间层，并且第三部分电 池的层和第四部分电池的层彼此晶格匹配和/或对于晶格常数适用：a3 = a4± △ 1，其中 Δ 1 < 〇. 〇〇3纳米，并且对于第二部分电池的层的化学计量适用：l>m>0. 9以及1>η>0. 8,并 且对于第三部分电池的层的化学计量适用：l>x>〇. 2以及l>y>0. 1。
[0009] 由于清楚性要注意的是，关系Egl>Eg2>Eg3>Eg4意味着：第一部分电池具有比第 二部分电池更大的带隙能量，而第二部分电池具有比第三部分电池更大的带隙能量，而第 三部分电池具有比第四部分电池更大的带隙能量。
[0010] 理解为，具有最大的带隙能量的部分电池上方地布置在叠堆状的集成的多结太阳 能电池上，即太阳光到达第一部分电池的表面上。在经过第一部分电池之后，没有吸收的光 到达第二部分电池直至最后在第四和最下方的部分电池中吸收光的长波范围。只要存在用 于叠堆状的集成的多结太阳能电池的承载衬底，所述承载衬底就总是与最下方的部分电池 连接。要注意的是，部分电池直至具有晶片键合的区域地分别整体地集成在晶片键合下方 和晶片键合上方。此外要注意的是，以下使用术语"太阳能电池叠堆"同义于名称"叠堆状 的集成的多结太阳能电池"而术语"晶片键合"理解为两个半导体片的接合。
[0011] 有利的是，根据本发明的太阳能电池叠堆具有高的效率和多个抗辐射加固 (strahlungshart)的部分电池。在此，使用多个具有InP化合物的部分电池。尤其使用特 别的辐射稳定的材料、如AlInGaP和InP以及InGaAsP。研究表明：尤其在InP的情况下已 经在300K以下的温度时出现辐射损坏的恢复，而在基于GaAs的部分电池的情况下仅仅自 从600° K以上的温度起才开始恢复。换言之，通过抗辐射加固的部分电池与同时彼此一致 的带隙的组合可以制造具有高的效率的太阳能电池叠堆，其中所述太阳能电池叠堆由于特 别的抗辐射加固也优选使用于宇宙空间应用。
[0012] 在一种实施方式中，衬底由InP、GaAs、Ge、Si组成的化合物和/或金属构造。优 选地，衬底在两个太阳能电池的制造时用作承载部。在此，使用具有彼此不同的晶格常数的 两个衬底。在一种实施方式中，在衬底中的每一个上借助外延方法制造一个或多个部分电 池。在部分电池的键合之后至少使第一部分电池上的衬底脱落（abldsen )。
[0013] 在一种扩展方案中，第四部分电池的层的厚度小于2. 2微米和/或半导体镜构造 在第四部分电池下方。所述层的厚度越小，则