专利名称：四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能利用的光伏存储设备，尤其涉及一种四结太阳电池的结构设计 和器件制备，属于太阳能光伏技术领域。
背景技术：
在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下，也在空间飞行器能源系统的需求牵 引下，光伏技术领域不断取得突破。晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太 阳能电池、III-V族化合物半导体太阳能电池、II-VI族化合物半导体多晶薄膜太阳能电 池等，越来越多的太阳能电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续 降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。回顾光伏技术在最近10年的发 展，在效率提高方面，多结级联式的太阳能电池结构是最引人瞩目的。2007年InGaP/(In) GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30%。在240倍聚光下，这 种多结太阳能电池的实验室AMI. 5D效率已经超过了 40%。理论上来说，结数越多，效率越 高。但在实践上，很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来 实现整体级联电池。因此，目前的多结电池结构主要有两种思路一是优先考虑晶格匹配 而将光电流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的设计，两结GalnP/GaAs电池的效率达到 了 30%以上。但晶格匹配的电池结构由于其确定的带隙能量，限制了太阳光的光电流的匹 配，使得它不能实现对太阳电池的全光谱吸收利用。例如，对于晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge 三结太阳电池，底电池Ge上的光电流密度为上两层电池光电流密度的两倍，从而限制了效 率的提升。二是优先考虑多结结构的光电流匹配而采用晶格失配的生长方式，从2005年开 始，国际上几个著名的研究组，比如NREL，Emcore以及日本的丰田、夏普等越来越多地关注 晶格失配的太阳电池结构的研究。通过带隙能量的调整，利用倒置方法生长的InGaAs/(In) GaAs/InGaP电池的效率从2007年的38. 9% (81倍聚光，AMI. 5D)提高到2008年的40. 8% (326倍聚光，AM1.5G)。最近德国夫琅和费研究所的Eicke Weber教授领导的研究小组将 三结GalnP/GalnAs/Ge太阳电池效率提高到了 41. 1%。尽管如此，晶格失配的结构设计依赖于高质量的材料生长，而大的晶格失配必然 带来失配位错，从而大大增加非辐射复合、降低电池效率。这导致了直接生长的四结串联 式电池的效率反而比三结的效率要低。而根据Shockley-Quisser模型，四结带隙能量为 1. 9/1. 4/1. 05/0. 67eV的太阳电池可以获得超过45%的转换效率，与在同样的一次键合工 艺下比Emcore公司提出的双结GaAs/InGaAs电池相比具有非常高的效率上的优势。同时， 由于四结结构更能够实现高电压，低电流输出，可以有效降低超高倍聚光太阳电池中的电 阻热损失，而超高倍聚光电池可以大大地降低太阳电池成本，从而为III-V族化合物半导 体太阳电池在产业化方面的进展起到了极大地推动。基于晶格失配的太阳电池在材料生长上的限制以及四结以上电池研制的需要，通 过外延直接键合的方法实现大失配晶格材料的直接单片多结电池集成已经被证明具有很 大的潜力。利用外延键合不仅可以解决晶格失配所带来的材料生长难题，而且还可以使用Si衬底代替昂贵的InP或GaAs，从而降低电池成本。在四结电池的研制上，美国波音-光 谱公司以及加州理工的科学家们提出了将Ge衬底上的双结GalnP/GaAs电池和InP衬底上 生长的InGaAsP/InGaAs(l. 0/0. 72eV)键合的方法，以实现单片四结GaInP/GaAs/[Ge/InP 键合介面VlnGaAsP/InGaAs集成。虽然使用了晶格匹配的材料结构，但Ge/InP会吸收能 量在1. 42eV以下的太阳光，从而降低InGaAsP/InGaAs电池的效率。因此，必须要在键合之 前获得Ge薄层，这会大大增加电池研制的工艺困难。另外采用倒置生长，然后进行键合工 艺的方法，也能得到和太阳光谱匹配的四结电池，但是增加了一步衬底剥离工艺，不但增加 了电池制作成本，也增加了影响电池效率的因素。
发明内容
鉴于上述以InGaP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池为代表的光伏技术仍无法 达到与太阳光谱的最佳匹配，以及制作单片级联三结以上的太阳能电池存在的半导体材料 间晶格失配的客观困难，本发明的目的是提出一种四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳 电池的制作方法，在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基 础上，制备四结单片高效太阳电池，以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光 太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。实现本发明的目的的技术方案如下四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其特征在于将基于 GaAs衬底生长的晶格匹配的GalnP/GaAs双结太阳电池和基于InP衬底生长的晶格匹配的 InGaAsP/InGaAs双结太阳电池以键合方式集成为四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳 电池。进一步地，上述四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，包括如 下步骤步骤1 利用金属有机物化学气相沉积法在GaAs衬底上生长晶格匹配的GaInP/ GaAs双结太阳电池外延片，获得带隙能量为1. 9/1. 4eV的电池组合；步骤2 利用金属有机物化学气相沉积法在InP衬底上生长晶格匹配的InGaAsP/ InGaAs双结太阳电池外延片，获得带隙能量为1. 05/0. 72eV的电池组合；并在电池顶面生 长InP遂穿结，以InP作为键合层；步骤3 将步骤1生长的GalnP/GaAs双结太阳电池衬底减薄，并与InP衬底上生 长的InGaAsP/InGaAs双结太阳电池顶面键合，其键合界面为GaAs/InP。更进一步地，前述四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其中 步骤1之后在GaAs衬底上的GaInP电池的顶端生长GaAs遂穿结。更进一步地，前述四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其中 步骤3之后，还包括一系列输出功率、尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以完成四结太 阳电池的制作。本发明制作方法的提出，较之于现有技术其突出效果为首先，通过晶片键合的方法，克服了光电流匹配与晶格匹配之间的矛盾，以多种带 隙宽度不同的半导体材料构成级联的太阳能电池，吸收利用与其材料隙宽最相匹配的太阳 光谱，减小光电转换中的热能损耗，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收，提高光电转换效率；其次，两个双结电池都是晶格匹配生长，避免了因晶格不匹配造成外延层应力 释放时产生位错，消除了对器件性能影响的因素；另外利用键合的方法把两种双结电 池连结，获得不受晶格匹配带与电流匹配矛盾限制的四结太阳电池，形成带隙能量为 1. 9/1. 4/1. 05/0. 72eV的光学吸收，同三结电池相比，能够提高10%的效率。以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详述，以使本发明 技术方案更易于理解、掌握。
图1是本发明四结太阳电池键合前后的电池结构及其键合示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实 施例，详细说明如下1)键合前电池的生长如图1所示，是本发明所采用的GalnP/GaAs/太阳电池和InGaAsP/InGaAs太阳电 池键合前后的电池结构及其键合示意图。由附图可以清楚地看到双结电池是在GaAs衬底 上首先生长GaAs电池，然后生长晶格匹配的GaInP电池；在InP衬底上先生长晶格匹配的 InGaAs电池，然后生长晶格匹配的InGaAsP电池。由于都是采用晶格匹配生长，不会因晶格 不匹配增加材料生长的难度，也不会因外延层应力释放产生位错，从而影响晶体质量，进而 影响器件性能；另外，在GaAs衬底上的GaInP电池的顶端生长GaAs遂穿结，且在InP衬底 上的InGaAsP电池的顶端生长InP遂穿结，以减少键合界面处电阻，避免界面处压降较大， 影响电池性能。2)晶片的键合本发明中键合界面是p+GaAs/n+InP，其中，GaAs衬底减薄后作为电池的背表面 层，InP为InGaAsP电池的顶部结构。GaAs需选择掺杂浓度高于1. OX IO19的P型衬底，衬 底需减薄至10-30nm ；顶层n+InP的掺杂浓度需高于1. 0X 1019，厚度范围15-30nm。然后 进行键合并退火以形成良好的接触，减小界面电阻的影响，从而获得界面电阻较小的理想 键合界面；退火温度在400-550°C，此温度远低于材料生长温度，不会影响到材料的质量及 器件性能。之后，则按照标准的电池工艺完成电池制备，包括一系列输出功率、尺寸外形及 适于安装的封装工艺步骤，得到如图1右侧所示的四结太阳电池。综上所述，是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限 制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其特征在于将基于GaAs衬底生长的晶格匹配的GaInP/GaAs双结太阳电池和基于InP衬底生长的晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结太阳电池以键合方式集成为四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs阳电池。
2.根据权利要求1所述的四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其 特征在于包括如下步骤步骤1 利用金属有机物化学气相沉积法在GaAs衬底上生长晶格匹配的GalnP/GaAs 双结太阳电池外延片，获得带隙能量为1. 9/1. 4eV的电池组合；步骤2 利用金属有机物化学气相沉积法在InP衬底上生长晶格匹配的InGaAsP/ InGaAs双结太阳电池外延片，获得带隙能量为1. 05/0. 72eV的电池组合；步骤3 将步骤1生长的GalnP/GaAs双结太阳电池衬底减薄，并与InP衬底上生长的 InGaAsP/InGaAs双结太阳电池顶面键合，其键合界面为GaAs/InP。
3.根据权利要求1所述的四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其 特征在于步骤1之后在GaAs衬底上的GaInP电池的顶端生长GaAs遂穿结，且步骤2之后 在InP衬底上的InGaAsP电池的顶端生长InP遂穿结。
4.根据权利要求1所述的四结GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，其 特征在于步骤3之后，还包括一系列输出功率、尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以 完成四结太阳电池的制作。
全文摘要
本发明揭示了一种四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法，利用晶片键合的方法，由基于GaAs衬底生长的GaInP/GaAs双结太阳电池和基于InP衬底生长的InGaAs/InGaAsP双结太阳电池集成；利用InP作为支撑衬底，实现四结带隙能量分别为1.9/1.4/1.05/0.72eV的太阳电池，更大限度地实现太阳光全光谱的吸收和能量转换，在AM1.5G的辐照下，一个太阳下实现了32.8％的效率。基于两种双结电池的研制，本发明提出了键合四结太阳电池，以减少机械式级联太阳电池系统中使用多个不同衬底所导致的高成本以及光学集成电池中复杂的光学系统及光学损失，同时还有效解决了生长单片四结级联半导体太阳电池材料的晶格失配问题。实现高电压、低电流输出，降低高倍聚光电池中电阻消耗。
文档编号H01L31/18GK101950774SQ20101025578
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者任雪勇, 何巍, 杨辉, 熊康林, 董建荣, 赵勇明, 陆书龙 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所