一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法，其电池是以p型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依次层叠排列着In0.5Ga0.5P成核层、In0.01Ga0.99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、InxGa1?xP渐变缓冲层、InyGa1?yAs中电池、第二隧道结、InzGa1?zP顶电池、InyGa1?yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜；在p型Ge衬底下表面制备有背面电极。本发明采用与p型Ge衬底存在微晶格失配的InyGa1?yAs和InzGa1?zP分别作为中电池材料、顶电池材料，并增加“InyGa1?yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构，同时采用InxGa1?xP渐变缓冲层来消除微晶格失配产生的位错等缺陷，并采用分布式布拉格反射镜增强InyGa1?yAs中电池对太阳光子的利用率，最终可以提高中电池和顶电池的电流密度，提升电池的光电转换效率。
【专利说明】
一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及太阳能电池的技术领域，尤其是指一种微晶格失配量子阱太阳能电池 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池是一种将太阳光转换为电能的半导体光电器件，基本原理是利用半导 体技术制造出PN结，大于半导体禁带宽度的太阳光被电池吸收，激发光生载流子，在PN结的 内建势场作用下，光生电子和空穴分离，向相反方向分别运动到N型侧及P型侧，形成光生电 压，经过电极引出后在负载电路上形成光生电流。
[0003] 由于太阳光能量呈宽谱分布，能量小于半导体带隙的光子不能激发产生光生载流 子，能量大于半导体带隙的光子将激发半导体产生光生载流子，但多出半导体带隙的能量 将以热能的形式传递给半导体材料，致使器件发热损耗。可见，单结太阳能器件对太阳能光 谱的利用效率较低，不利于光电转换效率的提高。采用不同禁带宽度的材料组成的多结叠 层太阳能电池能够大幅提高太阳光的利用效率。
[0004]多结太阳能电池是将不同禁带宽度的半导体材料分别制作成子电池，通过隧道结 将子电池按照能隙大小依次串接起来，从而实现对不同波段太阳光实现高效的光电转换。
[0005] 目前研究最多的多结电池是基于"GalnP/GaAs/Ge"晶格匹配结构的三结电池；由 于传统的晶格匹配三结电池中顶电池 Ga InP和中电池 GaAs与底电池 Ge之间电流密度存在不 匹配，导致电路中电性能的损耗，限制了光电转换效率的提高。由于Ge底电池具有较长的光 吸收范围，因此提高GaInP、GaAs子电池电流密度是提升三结电池光电转换效率的重要方 向。
[0006] 提高GaInP顶电池和GaAs中电池的电流密度，一种途径是通过提高子电池活性层 的In组份，但In组份的提高会引起GaInP与GaAs之间较大的晶格失配;一定程度晶格失配就 会诱发失配位错和穿透位错，位错进入到电池的活性层将引起电池的性能严重下降，控制 位错的产生需要复杂的结构设计及严格的外延生长条件，并且过多的In会引起外延生长及 芯片工艺的不稳定性。基于工艺及位错控制方面的考虑，我们需要控制In组份的添加量。
[0007] 提高子电池电流密度的另一种途径是采用量子阱结构，采用较高带隙的材料作为 势皇，较低带隙的材料作为势阱，这样可以进一步提高子电池光吸收能力。同时并且由于势 阱层很薄，即使势皇层与势阱层之间存在晶格常数失配，可以通过形成应变来抵消，不会引 起位错的产生。
[0008] 高In组份的大晶格失配结构的电池缺陷不容易控制，而单纯量子阱结构由于势阱 层的低带隙会造成开路电压较多的下降，因此本专利提出一种采用微晶格失配和量子阱相 结合的多结太阳能电池及其制备方法，此电池可以大幅提高电池的回路电流密度，并可以 维持开路电压不产生较大的下降，从而可以提高电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微晶格失配量子阱太阳能电池 及其制备方法，该电池可解决多结电池中子电池、顶子电池与底电池间的电流不匹配，提高 电池的回路电流密度，提升电池光电转换效率，并且制备工艺稳定、简便。
[0010] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：
[0011] -种微晶格失配量子阱太阳能电池，以P型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依 次层叠排列着Ino. 5Gao.5P成核层、Ino. oiGao. 99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、 InxGai-XP渐变缓冲层、InyGai-yAs中电池、第二隧道结、In zGai-ZP顶电池、InyGai-yAs欧姆接触 层、正面电极、减反射膜，在P型Ge衬底的下表面制备有背面电极;所述In xGahP渐变缓冲层 采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该InxGa 1-XP渐变缓冲层共由9层不同In组份 的InxGa1-J组成，从下往上每一层In xGai-xP的In组份X和厚度分别为0 · 5、250nm，0 · 504、 250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、 350腦，0.530、500歷 ;该111#&1-#渐变缓冲层在610°(：~630°(：条件下制备，掺杂211，掺杂浓 度为7.0X17/cm 3~lX18/cm3;所述InyGai-yA S中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配， InyGai-yAs的In组份y为0.03~0.05，该InyGai-yAs中电池由从下而上依次层叠设置的 Alo.3GaInAs背面反射场、含有量子讲结构的p型InyGai-yAs基区、η型InyGai-yAs发射区、 Alo. 47ln〇.53P窗口层组成；p型Iny Ga ι-yA s基区所含有的量子讲结构由InyGai-yAs与 Gao.92ln〇.()8N().()28As 交替生长 20 次得到，该量子讲结构中 InyGai-yAs 和 Gao.92lru).()8N().()28As 厚度 分别为15腦、811111，0.03〈7〈0.05;所述1112631-2?顶电池与。型66衬底之间存在晶格失配，与 InyGai-yAs中电池之间晶格匹配，该InzGai-zP顶电池的In组份z为0.052~0.054;所述 InzGai-zP顶电池由从下而上依次层叠设置的Alo.7GaInAs背面反射场、p型In zGai-zP基区、η型 InzGai-zP发射区、Alo.47Ino.53P窗口层组成;所述InzGai- zP顶电池的ρ型InzGai-zP基区厚度为 500~70011111，掺杂211，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4\17/〇11 3线性渐变到5\16/ Cm3O
[0012] 所述p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm~150mm，厚度为 130um~230um，该p型Ge衬底斜切角为（100)面偏〈111>晶向6或9°，电阻率0.005~O.lohm · cm 〇
[0013] 所述Ino.5Gao.5P成核层是在600~620°C条件下制备得到的，其厚度为IOnm~20nm; 该Ino.5Gao.5P成核层掺杂Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~I X 18/cm3。
[0014] 所述1]1().()163().9948缓冲层的厚度为40〇111]1~100〇11111，该111().()163().9948缓冲层掺杂 Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~5 X 18/cm3〇
[0015] 所述分布式布拉格反射镜由41〇.5111().5?和63().5111().5?两种不同折射率的材料组成， 该布拉格反射镜由41〇.5111〇.5?和63().5111().5?交替生长12~20次制备得到;所述分布式布拉格 反射镜的反射中心波长为850~900nm，并采用Si掺杂，掺杂浓度为2.0 X 18/cm3~3.OX 18/ cm3。
[0016] 所述第一隧道结由η型重掺杂的GaAs(n++_GaAs)和p型重掺杂的Alo.3Gao.7As(p++-Alo.3Gao.7As)组成，该n++-GaAs厚度为10~20nm，在530°C~570°C条件下制备，掺杂Te和Si， 掺杂浓度为 2X19/cm3~5X19/cm3;该 p++-Al〇.3Ga().7As 厚度为 10~30nm，在530°C ~570°C 条 件下制备，掺杂C，掺杂浓度为I X 20/cm3~2 X 20/cm3;所述第一隧道结用于连接InyGai-yAs 中电池和InxGai-xP渐变缓冲层之下的材料。
[0017] 所述第二隧道结由η型重掺杂的In〇.5Gao.5P(n++-In().5Ga().5P)和p型重掺杂的 Al〇.3Ga〇.7As(p++-Al().3Ga().7As)组成，该 n++-In〇.5Ga().5P 厚度为 10 ~20nm，在 530°C ~570°C 条 件下制备，掺杂了6，掺杂浓度为2\19/〇113~5\19/〇113;该。++-41().363().748厚度为10~3〇11111， 在530°C~570°C条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为I X 20/cm3~2 X 20/cm3;所述第二隧道结用 于连接InyGai-yAs中电池和In zGai-ZP顶电池。
[0018] 所述InyGai-yAs欧姆接触层厚度为200~500nm，该In yGai-yAs欧姆接触层中In组份y 为0.03~0.05，该InyGa1-yAs欧姆接触层采用Si掺杂，掺杂浓度为2 X 18/cm3~4 X 18/cm3。 [0019]所述正面电极和背面电极均为Au-Ag合金，厚度3um~5um;所述减反射膜为AI2O3或 Si〇2,厚度 200 ~500nm。
[0020] 本发明上述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0021] l)p型Ge衬底准备：P型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该P型Ge衬底直径为75mm~ 150mm，厚度为130um~230um，该p型Ge衬底斜切角为（100)面偏〈111>晶向6或9°，电阻率 0.005~0.Iohm · cm;
[0022] 2)p型Ge衬底处理：将选定的p型Ge衬底载入MOCVD反应室，设定反应室压力为 35torr~45torr，将反应室温度升高到700°C~750°C，PH3气氛下对衬底处理5min~IOmin; [0023] 3)1加.56&〇.#成核层生长 :将反应室温度降低到600°(：~620°(：，在经过处理的？型 Ge衬底上生长InQ.5GaQ.5P成核层，生长速率为1人/s~2 A/S，厚度1〇~20nm;
[0024] 4)In〇.(nGa().99As缓冲层生长：将反应室温度升高到630°C~640°C，在Ino.5Gao.5P成 核层上生长111().()你().9948缓冲层，生长速率为2〇人/8~50人/8，厚度4〇〇11111~100〇11111;
[0025] 5)分布式布拉格反射镜生长:将反应室温度升高到640 °C~670 °C，在Ino. Q1GaQ.99As 缓冲层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的采用经过严密计算的 Al 〇.5 Ino. δΡ/Gao. 5 Ιηο. δΡ 材料组合，在 Ino. oiGao. 99As缓冲层上首先生长 Alo. 5 Ιηο. δΡ，然后在 Alo.5Ino.5P上生长Gao.5Ino.5P，同理，Alo.5InO.5P和Gao.5Ino.5P交替生长12~20次，生长速率为 3 A/s-IO A/s；
[0026] 6)第一隧道结生长:将反应室温度降低到530°C~570°C，在分布式布拉格反射镜 上生长n++-GaAs，速率为2 A/S~4 A/S，厚度IOnm~20nm;将反应室温度保持在530°C~570 °C，在n++-GaAs上生长p++-Al〇.3Ga〇.7As，速率为5 A/s~8 A/s，厚度IOnm~30nm;
[0027] 7) InxGa1-XP渐变缓冲层生长:将反应室温度升高至丨」610~630 °C，在第一隧道结上 按顺序沉积 In 组份和厚度分别为 0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm， 0 · 519、250nm，0 · 524、250nm，0 · 530、250nm，0 · 560、350nm，0 · 530、500nm 的 InxGai-XP 渐变缓冲 层，速率为15人海~：22人細
[0028] 8) InyGai-yAs中电池生长:将反应室温度升高到620°C~640°C，在In xGa1-J渐变缓 冲层上首先生长Al〇.3GaInAs背面反射场，生长速率为7A/s-42A/s，厚度120~180nm，掺 杂Si，掺杂浓度I X 18/cm3~3 X 18/cm3;
[0029] 将反应室温度保持在620 °C~640 °C，在Al〇.3GaInAs背面反射场上生长p型InyGa1- yAs基区，首先生长一层厚度为800nm~1000 nm的InyGa1- yAs，速率为20 Α/s ~50 A/S，掺杂 Zn，掺杂浓度为2X17/cm3~5X17/cm3;在此基础上生长一层厚度为15nm的In yGai-yAs，速率 为20 A/s~50 A/s，再生长一层厚度为8nm的Ga〇.92ln〇.()8N().()28As，速率为 6 A/s ~10. A/.S，重复生长"15nm厚的InyGai-yAs/8nm厚的6&〇.92111〇.〇8仏.〇28八8"19次，均掺 杂Zn，惨杂浓度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3，即完成 "InyGai-yAs/GaQ.92ln〇.()8N().()28As" 量子讲结 构的生长；再在量子阱结构上沉积一层厚度为300nm~500nm的InyGa1- yAs-Zn，速率为 20 A/S~50 A/S，掺杂浓度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3;
[0030] 将反应室温度保持在620 °C~640 °C，在P型InyGapyAs基区上生长η型InyGapyAs发 射区，速率为20 Α·/_&.~50 Ais:，厚度8〇nm~120nm，掺杂Si，掺杂浓度为I X 18/cm3~3 X 18/ cm3 ；
[0031] 将反应室温度保持在620°C~640°C，在η型InyGa1- yAs发射区上生长Α1〇.47?η〇.53Ρ窗 口层，速率为I A/s.~4 A/s，厚度为30nm~50nm，掺杂Si，掺杂浓度I X 18/cm3~5 X 18/cm3;
[0032] 9)第二隧道结生长:将反应室温度降低到530°C~570°C，在AlQ.47ln〇. 53P窗口层上 生长n++-InQ.5GaQ. 5P，速率为3 A/s~5 Α/s,厚度l〇nm~20nm;将反应室温度保持在530°C~ 570°C，在n++_GaAs上生长p++-Al〇.3Ga〇.7As，速率为5 A/s~8 A/s，厚度l〇nm~3〇nm;
[0033] IOHnzGa1-ZP顶电池生长:将反应室温度升高到610°C~630°C，在第二隧道结上生 长八1〇.你11^背面反射场，速率为4人/8~6人/8，厚度为5〇11111~7〇11111，掺杂211，掺杂浓度为1 X 18/cm3~3 X 18/cm3;
[0034] 将反应室温度保持在610 °C~630 °C，在Alo. 7GaInAs背面反射场上生长p型InzGa1-ZP基区，速率为3 Α/s ~8: A/S，厚度为500~700nm;
[0035] 将反应室温度保持在610°C~630 °C，在p型InzGa1-J3基区上生长η型InzG ai-zP发射 区，0.052〈2〈0.054，速率为3人/8~8人/8，厚度5〇~1〇〇11111，掺杂3丨，掺杂浓度为1\18/〇11 3~ 4 X18/cm3;
[0036] 将反应室温度保持在610°C~630°C，在η型InzGa1- ZP发射区上生长Α1〇.47?η〇.53Ρ窗 口层，速率为I A/s~4 A/s，厚度为30nm~50nm，掺杂Si，掺杂浓度I X 18/cm3~5 X 18/cm3;
[0037] IUInyGa1-yAs欧姆接触层生长：将反应室温度升高到620°C~640°C，在 Al0.47InQ.53P窗口层上生长In yGa1-yAs欧姆接触层，0.03〈y〈0.05，速率为20 A/S~50 Α/s，厚 度为 200nm ~500nm;
[0038] 12)正面电极、背面电极、减反射膜生长:待反应室降温取出生长结束的外延片，将 外延片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在In yGanAs欧姆 接触层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um~5um;然后在p型Ge衬底下表面制备出背 面电极Au-Ag合金，厚度为2um~5um;最后在正面电极上蒸镀制备减反射膜AI2O3或Si〇2，厚 度200nm~500nm。
[0039] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0040] 1、利用本发明制备的太阳能电池，采用微晶格失配结合" I n y G a i - y A s / Ga〇.92ln〇.〇8N().()28As"量子讲结构，可以使InyGai-yAs中电池吸收边扩展到I IOOnm附近，大于未 添加量子阱的中子电池吸收边915nm，所以可以较大程度地提高中电池的电流。同时，通过 调整顶电池的厚度，提高顶子电池的电流，最终可以提升中顶子电池与底子电池间的电流 匹配，增加闭合电路中的串联电流。同时，由于中子电池未增加 In组份，中子电池的开路电 压未有明显下降。整体上，在未明显降低开路电压的同时，我们提高了闭合电路中的电流， 电池的光电转换效率从28.6%提高到31 %。
[0041 ] 2、利用本发明制备的太阳能电池，采用中心波长在850~900nm分布式布拉格反射 镜，反射带宽度为90nm~100nm，就可以实现InyGai-yAs中电池光吸收波段的高反射。根据我 们中电池的能带设计，波长小于950nm的反射光将会被中电池再次吸收，大幅提高了光子的 利用率。同时，由于光子利用率的提高，可以实现中电池的减薄设计，这对减少电池整体的 发热非常有益，有助于减轻电池的老化，电池的寿命显著增加了 20%。
[0042] 3、利用本发明制备的太阳能电池，采用InxGanP渐变缓冲层，可以有效消除Ge衬 底与InyGai-yAS中电池之间晶格失配引发的位错等缺陷，同时In xGa1-XP渐变缓冲层材料的光 学吸收边在650nm~670nm之间，不会吸收分布式布拉格反射镜所产生的反射光，有助于提 高中电池的光子利用效率，提高整体性能。
[0043] 4、利用本发明制备的太阳能电池，可以方便地和现有常规结构砷化镓电池制备生 产线相结合，不需要额外投入新的生产设备，具有成本低、工艺简便和稳定的优点。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明所述微晶格失配量子阱太阳能电池的结构示意图。
[0045] 图2为本发明所述分布式布拉格反射镜结构示意图。
[0046] 图3为本发明所述InxGahP渐变缓冲层结构示意图。
[0047]图4为本发明所述P型InyGai-yAs基区结构示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0049] 如图1所示，本实施例所述的微晶格失配量子阱太阳能电池，主要由"Ge/InyGai-yAs/InzGa!- ZP"三结结构组成，也可以是"Ge/InyGa!-yAs/AlGaInAs/AlGaInP"四结结构。在本 实施例中，所述的的微晶格失配量子阱太阳能电池是以P型Ge为衬底，自衬底上表面起由下 而上依次层叠排列着Ino. 5Gao. 5P成核层、Ino. oiGao. 99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧 道结、InxGai-XP渐变缓冲层、In yGai-yAs中电池、第二隧道结、InzGai-ZP顶电池、In yGai-yAs欧 姆接触层、正面电极、减反射膜;在P型Ge衬底的下表面制备有背面电极。
[0050] 所述的InQ.5Ga〇.5P成核层是在600~620°C条件下制备得到的，其厚度为IOnm~ 20nm，优选16nm;该Ino.5Gao.5P成核层掺杂Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~I X 18/cm3，优选8 X 17/cm3 〇
[0051 ]所述的 Ino. oiGao. 99AS 缓冲层厚度为400nm ~1000 nm，优选750nm;该 Ino. oiGao. 99AS 缓 冲层掺杂Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~5 X 18/cm3，优选2 X 18/cm3。
[0052] 所述的分布式布拉格反射镜由Alo. 5 Ino. 5P和Gao. 5 Ino. 5P两种不同折射率的材料组 成，如图2所示，该布拉格反射镜由六1〇.5111〇.5?和6&(). 5111().5?交替生长12~20次制备得到，优 选16次，所述的分布式布拉格反射镜反射中心波长为850~900nm，优选880nm，所述的分布 式布拉格反射镜采用Si掺杂，掺杂浓度为2.0 X 18/cm3~3.0 X 18/cm3，优选2.5 X 18/cm3。 [0053] 所述的第一隧道结由η型重掺杂的GaAs(n++_GaAs)和p型重掺杂的Alo.3Gao.7As(p+ +-Alo.3Gao.7As)组成，该n++-GaAs厚度为10~20nm，优选15nm，在530°C~570°C条件下制备， 优选550°C，掺杂Te和Si，掺杂浓度为2X 19/cm3~5X 19/cm3,优选4X19/cm3;该p++-Alo.3Gao.7As厚度为10~20nm，优选12nm，在低温530°C~570°C条件下制备，优选550°C，掺杂 C，掺杂浓度为I X 20/cm3~2 X 20/cm3，优选1.6 X 20/cm3;第一隧道结用于连接InyGa1-yAs中 电池和In xGai-xP渐变缓冲层之下的材料。
[0054]所述的InxGa1-XP渐变缓冲层采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该 InxGa1-XP渐变缓冲层共由9层不同In组份的InxGa 1-XP组成，如图3所示，从下往上每一层 InxGai-XP 的In组份 X和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm， 0 · 519、250nm，0 · 524、250nm，0 · 530、250nm，0 · 560、350nm，0 · 530、500nm，该InxGai-XP渐变缓 冲层在610°(：~630°(：条件下制备，优选620°(：，掺杂211，掺杂浓度为7.0\17/〇11 3~1\18/ cm3,优选9.0 X 17/cm3〇
[0055] 所述的InyGai-yAs中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，InyGai-yAs的In组份y为 0.03~0.05,优选0.04,该InyGai-yAs中电池由AltoGaInAs背面反射场、含有量子讲结构的p 型InyGai-yAs基区、η型InyGai-yAs发射区、Alo.47Ino.53P窗口层组成;p型In yGai-yAs基区所含有 的量子讲结构由InyGai-yAs与Ga〇.92ln〇.()8N().()28As交替生长20次得至Ij，如图4所不，该量子讲结 构中 InyGai-yAs 和 Gao. 92ln〇. osNo. O28As 厚度分别为 15nm、8nm，0 · 03〈y〈0 · 05，优选 0 · 04。
[0056] 所述的第二隧道结由η型重掺杂的In〇.5Gao.5P(n++-In().5Ga().5P)和p型重掺杂的 Alo. 3Ga〇. 7As (p++-Al〇. 3Ga〇. 7As)组成，该 n++-In〇. 5Ga〇. δΡ 厚度为 10~20nm，优选 15nm，在 530 °C ~570°C条件下制备，优选550°C，掺杂Te，掺杂浓度为2 X 19/cm3~5 X 19/cm3,优选4 X 19/ cm3;该p++-Al〇.3Ga().7As厚度为10~20nm，优选12nm，在530°C~570°C条件下制备，优选550 °C，掺杂C，掺杂浓度为I X 20/cm3~2 X 20/cm3，优选1.6 X 20/cm3;所述的第二隧道结用于连 接InyGai-yAs中电池和In zGai-ZP顶电池。
[0057]所述的InzGa1-ZP顶电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，与所述的In yGanAs中电 池之间晶格匹配，该InzGapzP顶电池的In组份z为0.052~0.054，优选0.053;所述的In zGa1-ZP顶电池由Al〇.7GaInAs背面反射场、p型InzGai- ZP基区、η型InzGai-ZP发射区、Alo.47Ino.53P窗 口层组成。所述的In zGai-ZP顶电池的p型InzGai-ZP基区厚度为500~700nm，优选600nm，掺杂 Zn，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4 X 17/cm3线性渐变到5 X 16/cm3。
[0058] 所述的InyGai-yAs欧姆接触层厚度为200~500nm，优选360nm，该In yGai-yAs欧姆接 触层中In组份y为0.03~0.05，优选0.04，该InyGa1-yAs欧姆接触层采用Si掺杂形成高掺杂 浓度，掺杂浓度为2 X 18/cm3~4 X 18/cm3，优选3 X 18/cm3 〇
[0059]以下为本实施例上述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备过程，其具体情况如 下：
[0060] l)p型Ge衬底准备：p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm~ 150mm，优选100mm，厚度为130um~230um，优选175um该p型Ge衬底斜切角为（100)面偏〈111> 晶向6°或9°，优选9°，电阻率0.005~0· Iohm · cm，优选0.05ohm · cm。
[00611 2)p型Ge衬底处理：将选定的p型Ge衬底载入MOCVD反应室，设定反应室压力为 35torr~45torr，优选39torr，将反应室温度升高到700°C~750°C，优选730°C，PH3气氛下 对衬底处理5min~10111；[11，优选8111；[11。
[0062] 3)InQ.5Ga〇.5P成核层生长:将反应室温度降低到600°C~620°C，优选615°C，在经过 处理的P型Ge衬底上生长InQ.5Gao.5P成核层，生长速率为I A/S~2 A/S，优选1.4 A/S，厚度1〇 ~20nm，优选 15nm ο
[0063] Olno.oiGaowAs缓冲层生长:将反应室温度升高到630°C~650°C，优选640°C，在 In〇.5GaQ.5P成核层上生长1加.()必().9!^缓冲层，生长速率为20人/§ :~50人/8，优选25人/8， 厚度400nm ~I OOOnm，优选750nm。
[0064] 5)分布式布拉格反射镜生长:将反应室温度升高到640°C~670°C优选650°C，在 Ino. oiGao. 99As缓冲层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的米用经过严密 计算的 41〇.5111().5?/^().5111().5?材料组合，在111().()163().9943缓冲层上首先生长41().5111().5?，然后 在Alo.5Ino.5P上生长Gao.5Ino.5P，以此为例，Alo.5InO.5P和Gao.5Ino.5P交替生长12~20次，优选 16次，生长速率为3晨/s~10 A/S::，优选为6 A/s。
[0065] 6)第一隧道结生长:将反应室温度降低到530°C~570°C，优选550°C，在分布式布 拉格反射镜上生长n++-GaAs，速率为2 Α/s~4 1/S,优选2.:8 A/S,厚度IOnm~20nm，优选 15nm;将反应室温度保持在530°C~570°C，优选550°C，在n++-GaAs上生长p++-A1q.3Ga〇.7As， 速率为.5 A/s~8 A/s优选6 A/s_.，厚度IOnm~30nm，优选15nm〇
[0066] 7)InxGai-xP渐变缓冲层生长:将反应室温度升高到610~630°C，优选620°C在第一 隧道结上按顺序沉积In组份和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、 250nm，0·519、250nm，0·524、250nm，0·530、250nm，0·560、350nm，0·530、500nm的In xGai-XP 渐 变缓冲层，速率为15 A/s~22 A/s，优选20 A/s。
[0067] 8)InyGai-yAs中电池生长：将反应室温度升高到620°C~640°C，优选630°C，在 InxGa1-XP渐变缓冲层上首先生长AltL3GaInAs背面反射场，生长速率为7人/s~12人/S，优选 10 A/s，厚度120~180nm，优选160nm，掺杂Si，掺杂浓度I X 18/cm3~3 X 18/cm3,优选2.5 X 18/cm3 ；
[0068] 将反应室温度保持在620°C~640°C，优选630°C，在AltL3GaInAs背面反射场上生长 p型InyGai-yAs基区，首先生长一层厚度为800nm~1000 nm的InyGai- yAs，优选850nm，速率为 20 i/s ~50 i/s，优选40 A/S，掺杂Zn，掺杂浓度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3，优选4 X 17/cm3; 在此基础上生长一层厚度为15nm的InyGa1- yAs，速率为20 A/s~50 A/S,优选40人/s,再生 长一层厚度为8]11]1的63().92111().()8仏.()2848，速率为6人/8~10人/8，优选7.5人/_8，重复生长 "InyGai- yAs(15nm)/Ga〇.92ln〇.〇8N〇.〇28As(8nm)" 19次，均掺杂Zn，掺杂浓度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3，优选4 X 17/cm3，即完成 "InyGai-yAs/GaQ.92ln〇.()8N().()28As" 量子讲结构的生长;再在量 子讲结构上沉积一层厚度为300nm~500nm的InyGai-yAs-Zn，优选350nm，速率为 20 A/S ~50 A/S，优选40 A/S,掺杂浓度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3，优选4 X 17/cm3;
[0069] 将反应室温度保持在620°C~640°C，优选630°C，在p型InyGa 1-yAs基区上生长η型 InyGai-yAs发射区，速率为2:0 A../S ~50 A/s，:优选40. A/S.i厚度80nm~120nm，优选 100nm，掺 杂Si，掺杂浓度为I X 18/cm3~3 X 18/cm3，优选2 · 5 X 18/cm3;
[0070] 将反应室温度保持在620°C~640°C，优选630°C，在η型InyGa 1-yAs发射区上生长 Alo.47Ino.53P窗口层，速率为I A/S ~4 A/S，优选2.8 A/s，厚度为30nm~50nm，优选40nm， 掺杂Si，掺杂浓度I X 18/cm3~5 X 18/cm3,优选4 X 18/cm3。
[0071] 9)第二隧道结生长：将反应室温度降低到530 °C~570 °C，优选550 °C，在 Alo.47Ino.53P窗口层上生长n++-In〇.5GaQ.5P，速率为3 A/s:~5 A/s，优选4.5 A/s，厚度IOnm~ 20nm，优选15nm;将反应室温度保持在530°C~570°C，优选550°C，在n++-GaAs上生长p++-Alo.3Gao.7As，速率为5 A/s ~8 A/s优选6 A/s，厚度IOnm~30nm，优选 15nm〇
[0072] IOHnzGa1-ZP顶电池生长:将反应室温度升高至lj610°C~630°C，优选625°C，在第二 隧道结上生长41〇. 76&11^8背面反射场，速率为4人/8~6人/8，优选5人/8，厚度为5〇随1~ 70nm，优选60nm，惨杂Zn，惨杂浓度为I X 18/cm3~3 X 18/cm3，优选2 · 5 X 18/cm3;
[0073] 将反应室温度保持在610°C~630°C，优选625°C，在Al〇.7GaInAs背面反射场上生长 p型InzGa1-ZP基区，速率为3 i/s:~8 A/S，优选7人/s，厚度为500~700nm，优选600nm;
[0074] 将反应室温度保持在610°C~630°C，优选625°C，在p型InzGa 1-ZP基区上生长η型 InzGa1-ΖΡ发射区（0 · 052〈ζ〈0 · 054，ζ优选0 · 04)，速率为3 Α/s ~8: Α/s，优选7 A/S，厚度50~ 100nm，优选80nm，惨杂Si，惨杂浓度为I X 18/cm3~4 X 18/cm3，优选3 X 18/cm3;
[0075] 将反应室温度保持在610°C~630°C，优选625°C，在η型InzGa 1-ZP发射区上生长 Alo.47Ino.53P窗口层，速率为I Ai.s: ~4 A/s.，优选2.8 A/s，厚度为30nm~50nm，优选40nm，掺 杂Si，惨杂浓度I X 18/cm3~5 X 18/cm3，优选4 X 18/cm3。
[0076] 11) InyGapyAs欧姆接触层生长：将反应室温度升高到620 °C~640 °C，优选630 °C， 在Α1〇.47?η〇. 53P窗口层上生长InyGa1-yAs欧姆接触层（0 · 03〈y〈0 · 05，y优选0 · 04)，速率为 20 A/s ~50 A/s，优选40 Α/s，厚度为200nm~500nm，优选360nm。
[0077] 12)正面电极、背面电极、减反射膜生长:待反应室降温取出生长结束的外延片，将 外延片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在In yGanAs欧姆 接触层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um~5um，优选4um;然后在p型Ge衬底下表面 制备出背面电极Au-Ag合金，厚度为2um~5um，优选4um;最后在正面电极上蒸镀制备减反射 膜 Al2O3 或 SiO2，厚度 200nm ~500nm，优选300nm。
[0078] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：以P型Ge为衬底，自衬底上表面起 由下而上依次层叠排列着Ino. 5Gao. 5P成核层、Ino. oiGao. 99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第 一隧道结、InxGai-XP渐变缓冲层、In yGai-yAs中电池、第二隧道结、InzGai- ZP顶电池、InyGai- yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜，在p型Ge衬底的下表面制备有背面电极;所述In xGm-xP 渐变缓冲层采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该InxG ai-xP渐变缓冲层共由9层 不同In组份的InxGai-XP组成，从下往上每一层In xGai-XP的In组份x和厚度分别为0.5、250nm， 0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm， 0.560、35011111，0.530、50011111;该11^31-^3渐变缓冲层在610°(：~630°(：条件下制备，掺杂211， 掺杂浓度为7.0 X 17/cm3~1 X 18/cm3;所述InyGai-yAS中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失 配，InyGai-yAs的In组份y为0.03~0.05，该InyGai-yAs中电池由从下而上依次层叠设置的 Al〇.3GaInAs背面反射场、含有量子讲结构的p型InyGai-yAs基区、η型InyGai-yAs发射区、 Alo.47Ino.53P窗口层组成；p型InyGai -yAs基区所含有的量子讲结构由InyGai-yAs与 Gao. 92ln〇. 〇8No. 〇28As交替生长20次得至丨」，该量子讲结构中InyGai-yAs和Gao. 92ln〇. 〇8No. 〇28As厚度 分别为15nm、8nm，0 · 03〈y〈0 · 05 ;所述InzGai-ZP顶电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，与 InyG ai-yAs中电池之间晶格匹配，该InzGai- ZP顶电池的In组份z为0 · 052~0 · 054 ;所述 InzGai-zP顶电池由从下而上依次层叠设置的AltoGalnAs背面反射场、p型In zGai-zP基区、η型 InzGai-zP发射区、Alo.47Ino.53P窗口层组成;所述In zGai-zP顶电池的ρ型InzGai-zP基区厚度为 500~700nm，掺杂Zn，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4X17/cm 3线性渐变到5X16/ cm3。2. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述p型Ge 衬底米用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm~15〇111111，厚度为13〇111]1~23〇11111，该口型 Ge衬底斜切角为(100)面偏〈111>晶向6或9°，电阻率0.005~O.lohm · cm。3. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述 In0.5Ga〇. 5P成核层是在600~620°C条件下制备得到的，其厚度为10nm~20nm;该In〇.5Ga〇. 5P 成核层掺杂Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~1 X 18/cm3。4. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述 Ino.oiGao.99As缓冲层的厚度为400nm~lOOOnrn，该Ino.oiGao.99As缓冲层掺杂Si，掺杂浓度为5 X 17/cm3~5 X 18/cm3。5. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述分布式 布拉格反射镜由A10.5 Ino. 5P和Gao. 51 no. 5P两种不同折射率的材料组成，该布拉格反射镜由 Alo.5InO.5P和Gao.5Ino.5P交替生长12~20次制备得到;所述分布式布拉格反射镜的反射中心 波长为850~900nm，并采用Si掺杂，掺杂浓度为2·0 X 18/cm3~3 ·0 X 18/cm3。6. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述第一隧 道结由η型重掺杂的GaAs(n++_GaAs)和p型重掺杂的Alo.3Gao.7As(p++-Al().3Ga().7As)组成，该 n++-GaAs厚度为10~20nm，在530°C~570°C条件下制备，掺杂Te和Si，掺杂浓度为2X19/ cm 3~5 X 19/cm3;该p++-Al〇.3Ga〇.7As厚度为10~30nm，在低温530°C~570°C条件下制备，掺 杂C，掺杂浓度为1 X 20/cm3~2 X 20/cm3;所述第一隧道结用于连接InyGai-yAs中电池和 In xGai-xP渐变缓冲层之下的材料。7. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述第二隧 道结由η型重掺杂的 Ino. 5Gao. 5Ρ(η++_Ιη〇. 5Gao. δΡ)和p型重掺杂的Alo. 3Gao. 7As (p++-Alo.3Gao.7As)组成，该n++-InQ.5Ga〇.5P厚度为10~20nm，在530°C~570°C条件下制备，掺杂 Te，掺杂浓度为2X19/cm3~5X19/cm3;该 p++-Al〇.3Ga().7As厚度为 10~30nm，在530°C ~570 °C条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为lX20/cm3~2X20/cm3;所述第二隧道结用于连接 In yGai-yAs中电池和InzGai-ZP顶电池。8. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述InyGai- yAs欧姆接触层厚度为200~500nm，该InyGai-yAs欧姆接触层中In组份y为0.03~0.05，该 In yGai-yAs欧姆接触层采用Si掺杂，掺杂浓度为2 X 18/cm3~4 X 18/cm3。9. 根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于:所述正面电 极和背面电极均为Au-Ag合金，厚度3um~5um;所述减反射膜为Al 2〇3或Si02，厚度200~ 500nm〇10. -种权利要求1所述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括 以下步骤： 1. p型Ge衬底准备:p型Ge衬底米用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm~150mm， 厚度为130um~230um，该p型Ge衬底斜切角为（100)面偏〈111>晶向6或9°，电阻率0.005~ 0. lohm · cm； 2. p型Ge衬底处理:将选定的p型Ge衬底载入M0CVD反应室，设定反应室压力为35torr~ 45torr，将反应室温度升高到700°C~750°C，PH 3气氛下对衬底处理5min~lOmin; 3. InQ.5Ga〇.5P成核层生长:将反应室温度降低到600°C~620°C，在经过处理的p型Ge衬 底上生长In Q.5Ga〇.5P成核层，生长速率为1 Α/s~2人/s，厚度1〇~20nm; 4. In〇.(nGa().99As缓冲层生长:将反应室温度升高到630°C~640°C，在Ino.5Gao.5P成核层 上生长InQ.QiGaQ.99As缓冲层，生长速率为20 A/s~50 A/s，厚度400nm~lOOOnm; 5) 分布式布拉格反射镜生长:将反应室温度升高到640°C~670°C，在Ino.Q1GaQ. 99As缓冲 层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的采用经过严密计算的AlQ. 5InQ.5P/ 6已0.5111().5?材料组合，在111().()16&().9948缓冲层上首先生长41().5111().5?，然后在41().5111().5?上生 长Gao.5Ino.5P，同理，Alo.5InO.5P和Gao.5Ino.5P交替生长12~20次，生长速率为 3 A/s ~10 A/s; 6) 第一隧道结生长:将反应室温度降低到530°C~570°C，在分布式布拉格反射镜上生 长n++-GaAs，速率为2 Α/s~4 Α/s，厚度l〇nm~20nm;将反应室温度保持在530 °C~570 °C， 在]1++-6348上生长口++-41().363().748，速率为5人/8~8人/8，厚度1〇11111~3〇11111 ; 7. InxGai-xP渐变缓冲层生长:将反应室温度升高到610~630°C，在第一隧道结上按顺序 沉积In组份和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、 250nm，0 · 524、250nm，0 · 530、250nm，0 · 560、350nm，0 · 530、500nm的InxGai-XP渐变缓冲层，速 率为1_5人/s~22.人/s.;. 8. InyGai-yAs中电池生长:将反应室温度升高到620°C~640°C，在In xGai-XP渐变缓冲层 上首先生长AlQ. 3GaInAs背面反射场，生长速率为7A/S~12入/8，厚度120~180_，掺杂51， 掺杂浓度 1 X 18/cm3~3 X 18/cm3; 将反应室温度保持在620°C~640°C，在Al〇.3GaInAs背面反射场上生长p型InyG ai-yAs基 区，首先生长一层厚度为800nm~lOOOnm的InyGai-yAs，速率为20 A/s~50 A/s，掺杂Zn，掺 杂浓度为2X17/cm3~5X17/cm3;在此基础上生长一层厚度为15nm的In yGai-yAs，速率为 20 A/s ~50 A/s，再生长一层厚度为8nm的Ga〇.92ln〇.()8N().()28As，速率为6 A/s ~丨0 A/s，重 复生长"15]11]1厚的11^31-丫厶8/8111]1厚的63().92111().()8他.()28厶8"19次，均掺杂211，掺杂浓度为2\ 17/cm 3~5 X 17/cm3，即完成 "InyGai-yAs/GaQ.92ln〇.()8N().()28As" 量子讲结构的生长;再在量子 阱结构上沉积一层厚度为300nm~500nm的InyGai- yAs-Zn，速率为20 Α/s~50 A/S，掺杂浓 度为2 X 17/cm3~5 X 17/cm3; 将反应室温度保持在620°C~640°C，在p型InyGai-yAs基区上生长η型In yGai-yAs发射区， 速率为20 A/S~50 A/S，厚度8〇nm~120nm，掺杂Si，掺杂浓度为1 X 18/cm3~3 X 18/cm3; 将反应室温度保持在620°C~640°C，在η型InyGai-yAs发射区上生长Α1〇.47?η〇. 53Ρ窗口 层，速率为1 Α/s~4 A/S,厚度为30nm~50nm，掺杂Si，掺杂浓度1 X 18/cm3~5 X 18/cm3; 9) 第二隧道结生长:将反应室温度降低到530°C~570°C，在Α1〇.47Ιη〇.53Ρ窗口层上生长η ++-In Q.5GaQ.5P，速率为3 A/S~5 A/S，厚度l〇nm~20nm;将反应室温度保持在530°C~570 °〇，在11++-63八8上生长。++-八1().363().7八8，速率为5人/8~8人/8，厚度1〇歷~3〇11111; 10. InzGai-zP顶电池生长：将反应室温度升高到610°C~630°C，在第二隧道结上生长 Al〇.7GaInAs背面反射场，速率为4 A/s -6 A/S，厚度为50nm~70nm，掺杂Zn，掺杂浓度为1 X 18/cm3~3 X 18/cm3; 将反应室温度保持在610°C~630°C，在Al〇.7GaInAs背面反射场上生长p型InzGai- zP基 区，速率为3 Λ/S~8 A/S.，厚度为500~700nm; 将反应室温度保持在610°C~630°C，在p型InzGai-ZP基区上生长η型In zGai-ZP发射区， 0.052〈2〈0.054，速率为31/8~8入/8，厚度50~100腦，掺杂3丨，掺杂浓度为1\18/〇113~4 X18/cm3; 将反应室温度保持在610°C~630°C，在η型InzGai-ZP发射区上生长Al Q.47lnQ.53P窗口层， 速率为1人/s .~4 A/s，厚度为3〇nm~50nm，掺杂Si，掺杂浓度1 X 18/cm3~5 X 18/cm3; 11. InyGai-yAs欧姆接触层生长:将反应室温度升高至lj620°C~640°C，在Al Q.47lnQ.53P窗 口层上生长InyG ai-yAs欧姆接触层，0.03〈y〈0.05，速率为20 A/S~50人/s，厚度为200nm~ 500nm； 12) 正面电极、背面电极、减反射膜生长:待反应室降温取出生长结束的外延片，将外延 片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在In yGai-yAs欧姆接触 层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um~5um;然后在p型Ge衬底下表面制备出背面电 极Au-Ag合金，厚度为2um~5um;最后在正面电极上蒸镀制备减反射膜AI2O3或Si〇2，厚度 200nm~500nm。
【文档编号】H01L33/00GK106067493SQ201610596728
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】周文远, 刘建庆, 吴波, 刘雪珍, 张小宾, 杨翠柏
【申请人】中山德华芯片技术有限公司