一种多结太阳能电池及其制作方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种多结太阳能电池及其制作方法。

背景技术

iii-v族化合物半导体太阳能电池由于在目前材料体系中转换效率最高，并且具有耐高温性能好和抗辐照能力强等优点，因此，被公认为是新一代高性能长寿命空间主能源。其中，gainp/ingaas/ge结构的三结iii-v族化合物半导体太阳能电池已在航天领域得到了广泛应用。

但是，由于三结太阳能电池顶部的子电池gainp和中部的子电池ingaas的电流密度远小于底部的子电池ge的电流密度，因此，三结太阳能电池不能充分利用太阳光谱，从而限制了三结太阳能电池光电转换效率的提高。虽然提高太阳能电池转换效率的最有效的途径是提高各子电池的带隙匹配程度，但是，改变各子电池的带隙需要改变外延层中三元甚至四元材料的组分配比，这样往往会导致各子电池之间存在晶格失配产生的残余应力和位错，影响太阳能电池的性能。

现有技术中通过在ⅲ-ⅴ族化合物半导体太阳能电池中加入变质缓冲层(metamorphicbuffer)，来释放晶格失配产生的残余应力，并有效阻断位错向有源区的延伸。如图1所示，第一个子电池10的晶格常数小于第二个子电池11的晶格常数，变质缓冲层12位于第一个子电池10和第二个子电池11之间，且该变质缓冲层12包括在第一个子电池10至第二个子电池11的方向上晶格常数依次增大的多个缓冲层120。

虽然该变质缓冲层12可以把失配产生的位错限制在相邻两个缓冲层的界面处，使得位错不再向上延伸进入电池的有源区，但是，其释放应力的效果并不是最佳的，而未能完全释放的应力会通过形成表面起伏来继续释放应力，这样导致晶圆表面粗糙以及产生翘曲的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多结太阳能电池及其制作方法，以解决现有的变质缓冲层不能完全释放晶格失配产生的应力的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多结太阳能电池，包括衬底、依次位于所述衬底上的多个子电池以及至少位于第一个子电池和第二个子电池之间的变质缓冲层，所述第一个子电池包括由具有第一晶格常数的材料构成的pn结，所述第二个子电池包括由具有第二晶格常数的材料构成的pn结，所述第一晶格常数小于所述第二晶格常数；

所述变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，所述第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，所述第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，m、n都为大于1的整数；在所述第一个子电池至所述第二个子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个所述第一缓冲层和一个所述第二缓冲层间隔排列；

在所述第一子电池至所述第二子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，i为大于或等于1、小于或等于n的整数。

优选地，任一所述第一缓冲层和任一所述第二缓冲层的晶格常数都大于所述第一晶格常数，且至少第m个第二缓冲层的晶格常数大于所述第二晶格常数。

优选地，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料为gainas、algainas、gainp或algainp中的至少一种。

优选地，不同的第一缓冲层的材料组分配比不同、不同的第二缓冲层的材料组分配比不同，以使不同的第一缓冲层的晶格常数不同、不同的第二缓冲层的晶格常数不同。

优选地，所述第一个子电池的晶格常数比所述第二个子电池的晶格常数至少小0.001nm。

优选地，所述第一个子电池包括依次位于所述衬底上的发射区和成核层；其他子电池都包括背场层、基区、发射区和窗口层；相邻的两个子电池之间通过隧穿结连接；

所述第一个子电池和所述第二个子电池之间的第一隧穿结位于所述第一个子电池和所述变质缓冲层之间，且所述变质缓冲层和所述第二个子电池之间还具有dbr反射层。

一种多结太阳能电池的制作方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成第一个子电池；

在所述第一个子电池上形成变质缓冲层，所述变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，所述第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，所述第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，m、n都为大于1的整数；在所述第一个子电池至所述第二个子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个所述第一缓冲层和一个所述第二缓冲层间隔排列；

在所述变质缓冲层上依次形成其他的子电池；

其中，所述第一个子电池包括由具有第一晶格常数的材料构成的pn结，所述第二个子电池包括由具有第二晶格常数的材料构成的pn结，所述第一晶格常数小于所述第二晶格常数；

在所述第一子电池至所述第二子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，i为大于或等于1、小于或等于n的整数。

优选地，在所述第一个子电池上形成变质缓冲层之前，还包括：

形成第一隧穿结。

优选地，形成所述变质缓冲层之后，还包括：

形成dbr反射层。

优选地，在形成所述变质缓冲层的过程中，通过形成材料组分配比不同的第一缓冲层来形成晶格常数不同的第一缓冲层，通过形成材料组分配比不同的第二缓冲层来形成晶格常数不同的第二缓冲层。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的多结太阳能电池及其制作方法，变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，在第一个子电池至第二个子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个第一缓冲层和一个第二缓冲层间隔排列，并且，在第一子电池至第二子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，从而不仅可以通过变质缓冲层阻挡位错，而且可以通过变质缓冲层更好地释放应力，避免晶圆出现表面粗糙和翘曲的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的变质缓冲层的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多结太阳能电池的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三结太阳能电池的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的多结太阳能电池的制作方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种多结太阳能电池，可选地，该多结太阳能电池为gainp/ingaas/ge晶格结构的三结太阳能电池，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，该多结太阳能电池还可以为四结太阳能电池和五结太阳能电池等。

如图2所示，本实施例中的多结太阳能电池包括衬底20、依次位于衬底20上的多个子电池，如第一个子电池21至第j个子电池2j，以及至少位于第一个子电池21和第二个子电池22之间的变质缓冲层3，第一个子电池21包括由具有第一晶格常数a1的材料构成的pn结，第二个子电池22包括由具有第二晶格常数a2的材料构成的pn结，第一晶格常数a1小于第二晶格常数a2，j为大于或等于2的整数。

可选地，第一个子电池21的晶格常数a1比第二个子电池22的晶格常数a2至少小0.001nm，也就是说，a2-a1≥0.001nm。

本实施例中，变质缓冲层3包括第一组缓冲层30和第二组缓冲层31，第一组缓冲层30包括第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m，第二组缓冲层31包括第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n，m、n都为大于1的整数，并且，m可以等于n，也可以不等于n，本发明并不对此进行限定。

在第一个子电池21至第二个子电池22的方向上，如箭头所示方向上，第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m依次排列，第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n依次排列，且一个第一缓冲层和一个第二缓冲层间隔排列。也就是说，第一缓冲层和第二缓冲层按照如301、311、302、312、303、313……30m、31n的顺序依次排列，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，第一缓冲层和第二缓冲层也可以按照311、301、312、302、313、303……31n、30m的顺序依次排列。

本实施例中，在第一个子电池21至第二个子电池22的方向上，第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m的晶格常数依次增大，第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n的晶格常数依次增大。即第2个第一缓冲层302的晶格常数a2大于第1个第一缓冲层301的晶格常数a1，第3个第一缓冲层303的晶格常数a3大于第2个第一缓冲层302的晶格常数a2，第4个第一缓冲层304的晶格常数a4大于第3个第一缓冲层303的晶格常数a3，以此类推；第2个第二缓冲层312的晶格常数b2大于第1个第二缓冲层311的晶格常数b1，第3个第二缓冲层313的晶格常数b3大于第2个第二缓冲层312的晶格常数b2，第4个第二缓冲层314的晶格常数b4大于第3个第二缓冲层313的晶格常数b3，以此类推。

并且，第i个第二缓冲层的晶格常数bi大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数ai+1、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数ai+2，i为大于或等于1、小于或等于n的整数。即第1个第二缓冲层311的晶格常数b1大于第2个第一缓冲层302的晶格常数a2、小于第3个第一缓冲层303的晶格常数a3，第2个第二缓冲层312的晶格常数b2大于第3个第一缓冲层303的晶格常数a3、小于第4个第一缓冲层304的晶格常数a4，以此类推。

此外，任一第一缓冲层和任一第二缓冲层的晶格常数都大于第一晶格常数a1。并且，至少第m个第二缓冲层31m的晶格常数bm大于第二晶格常数a2。也就是说，第m个第二缓冲层31m的晶格常数bm可以略大于第二晶格常数a2，即第m个第二缓冲层31m的晶格常数bm与第二晶格常数a2的差值在预设范围内。

当然，本发明并不仅限于此，在本发明的其他实施例中，靠近第二个子电池22的多个缓冲层(包括第一缓冲层和第二缓冲层)的晶格常数可以都略大于第二晶格常数a2。基于此，通过晶格常数从第一晶格常数a1逐渐过渡到第二晶格常数a2的变质缓冲层3可以释放第一个子电池21和第二个子电池22之间的晶格失配产生的应力，并有效阻断位错进一步向子电池的有源区延伸。

由于第i个第二缓冲层的晶格常数bi大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数ai+1，因此，第i个第二缓冲层会向第i+1个第一缓冲层施加张应力，反之，第i+1个第一缓冲层会向第i个第二缓冲层施加压应力；由于第i个第二缓冲层的晶格常数bi小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数ai+2，因此，第i+2个第一缓冲层会向第i个第二缓冲层施加张应力，从而起到了平衡应力的效果，进而可以通过变质缓冲层3最终实现应力释放、阻断位错和表面平整的效果，改善晶圆的表面粗糙和翘曲的问题。并且，与现有的变质缓冲层相比，本发明中的变质缓冲层不需要严格控制每个缓冲层的组分阶变量和台阶厚度，工艺窗口较大。

本实施例中，第一缓冲层和第二缓冲层的材料为gainas、algainas、gainp或algainp中的至少一种。其中，第一缓冲层和第二缓冲层的材料可以相同，也可以不同，例如，第一缓冲层和第二缓冲层的材料都为gainas，或者，第一缓冲层的材料为gainas，第二缓冲层的材料为algainas。

需要说明的是，不同的第一缓冲层的材料组分配比不同、第二缓冲层的材料组分配比也不同，以使不同的第一缓冲层的晶格常数不同、不同的第二缓冲层的晶格常数也不同。也就是说，可以通过改变第一缓冲层和第二缓冲层的材料组分配比，改变第一缓冲层和第二缓冲层的晶格常数。

具体地，可以通过改变gainas、algainas、gainp或algainp中in的组分百分比来改变晶格常数。并且，in的组分百分比越大，第一缓冲层和第二缓冲层的晶格常数越大。

在一个具体实施方式中，第1个第一缓冲层301中in的组分百分比可以为5％、第1个第二缓冲层311中in的组分百分比可以为12.5％，第2个第一缓冲层中302中in的组分百分比可以为10％、第2个第二缓冲层312中in的组分百分比可以为17.5％，第3个第一缓冲层303中in的组分百分比可以为15％、第3个第二缓冲层313中in的组分百分比可以为22.5％，第4个第一缓冲层304中in的组分百分比可以为20％、第4个第二缓冲层314中in的组分百分比可以为27.5％，第5个第一缓冲层305中in的组分百分比可以为25％。

下面以三结太阳能电池为例对各子电池的结构进行说明，如图3所示，第一个子电池21包括依次位于衬底20上的发射区210和成核层211，第二个子电池22包括背场层220、基区221、发射区222和窗口层223，第三个子电池23包括背场层230、基区231、发射区232和窗口层233，此外，第三个子电池23顶部还包括欧姆接触层234和与欧姆接触层234欧姆接触连接的电极等，在此不再赘述。

其中，相邻的两个子电池之间通过隧穿结连接，如第一个子电池21和第二个子电池22之间通过第一隧穿结212连接，第二个子电池22和第三个子电池23通过第二隧穿结213连接。可选地，第一个子电池21和第二个子电池22之间的第一隧穿结212位于第一个子电池21和变质缓冲层3之间，且变质缓冲层3和第二个子电池22之间还具有dbr(distributedbraggreflector，分布式布拉格)反射层214。

需要说明的是，本实施例中的衬底20为p型的ge衬底，发射区210为在p型ge衬底上进行磷扩散获得n型发射区，成核层211为在p型ge衬底上生长的与ge衬底晶格匹配的gainp或algainp层。隧穿结包括n型层和p型层，n型层为n型gaas层或n型gainp层，p型层为p型gaas层或p型algaas层。dbr反射层214包括交替生长的第一层和第二层，第一层的材料为alxinzgaas，第二层的材料为alyinzgaas，其中0≦x<y≦1，0.01≦z≦0.03，交替生长的周期大于等于3、小于等于30。

背场层220的材料为gainp或algaas，基区221为p型掺杂ingaas层基区，发射区222为n型掺杂ingaas层发射区，窗口层223的材料为algainp或alinp。背场层230的材料为algainp，基区231为p型掺杂algainp或gainp层基区，发射区232为n型掺杂algainp或gainp层发射区，窗口层233的材料为alinp。此外，欧姆接触层为ingaas层。

当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，多结太阳能电池的各膜层可以选用其他材料。

本发明所提供的多结太阳能电池，变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，在第一个子电池至第二个子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个第一缓冲层和一个第二缓冲层间隔排列，并且，在第一子电池至第二子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，从而不仅可以通过变质缓冲层阻挡位错，而且可以通过变质缓冲层更好地释放应力，避免晶圆出现表面粗糙和翘曲的问题。

本发明实施例还提供了一种多结太阳能电池的制作方法，应用于如上实施例所述的多结太阳能电池，如图4所示，包括：

s401：提供衬底；

s402：在衬底上形成第一子电池；

s403：在第一子电池上形成变质缓冲层，所述变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，所述第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，所述第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，m、n都为大于1的整数；在所述第一个子电池至所述第二个子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个所述第一缓冲层和一个所述第二缓冲层间隔排列；

s404：在所述变质缓冲层上依次形成其他的子电池；

其中，所述第一个子电池包括由具有第一晶格常数的材料构成的pn结，所述第二个子电池包括由具有第二晶格常数的材料构成的pn结，所述第一晶格常数小于所述第二晶格常数；

在所述第一子电池至所述第二子电池的方向上，所述第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，所述第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，i为大于或等于1、小于或等于n的整数。

进一步地，在所述第一子电池上形成变质缓冲层之前，还包括：形成第一隧穿结；形成所述变质缓冲层之后，还包括：形成dbr反射层。

下面以gainp/ingaas/ge晶格结构的三结太阳电池为例对多结太阳能电池的制作过程进行说明。参考图2和图3，三结太阳能电池从下至上依次包括第一个子电池21、第一隧穿结212、变质缓冲层3、dbr反射层214、第二个子电池22、第二隧穿结213、第三个子电池23和欧姆接触层234，三个子电池之间通过隧穿结连接，其中第一个子电池21为ge底电池，第二个子电池22为ingaas中电池，第三个子电池23为gainp顶电池。

首先，采用金属有机化学气相外延沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)方法在ge衬底20上形成第一个子电池21和第一隧穿结212。在形成第一个子电池21的过程中，先在p型ge衬底20上进行磷扩散获得n型发射区210，形成第一个子电池21的pn结，并通过在p型ge衬底20上生长和ge衬底20晶格匹配的gainp或algainp层作为成核层211，并作为第一个子电池21的窗口层。之后，生长n型gaas或n型gainp作为第一隧穿结212的n型层，生长p型gaas或algaas材料作为第一隧穿结212的p型层。其中n型和p型掺杂分别采用si和c掺杂。

之后，在第一隧穿结212上形成变质缓冲层3，变质缓冲层3包括第一组缓冲层30和第二组缓冲层31，第一组缓冲层30包括第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m，第二组缓冲层31包括第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n，m、n都为大于1的整数；在第一个子电池21至第二个子电池22的方向上，第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m依次排列，第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n依次排列，且一个第一缓冲层和一个第二缓冲层间隔排列。也就是说，在第一隧穿结212上交替生长第一缓冲层和第二缓冲层。

并且，生长完成后，在第一子电池21至第二子电池22的方向上，第1个第一缓冲层301至第m个第一缓冲层30m的晶格常数依次增大，第1个第二缓冲层311至第n个第二缓冲层31n的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，i为大于或等于1、小于或等于n的整数。

需要说明的是，任一第一缓冲层和任一第二缓冲层的晶格常数都大于第一晶格常数a1，且至少第m个第二缓冲层31m的晶格常数大于第二晶格常数a2，或者，任一第一缓冲层和任一第二缓冲层的晶格常数都小于第二晶格常数a2。并且，在形成变质缓冲层3的过程中，可以通过形成材料组分配比不同的第一缓冲层来形成晶格常数不同的第一缓冲层，通过形成材料组分配比不同的第二缓冲层来形成晶格常数不同的第二缓冲层。

之后，在变质缓冲层3上生长dbr反射层214，dbr反射层214的第一层材料为alxinzgaas，第二层材料为alyinzgaas，其中0≦x<y≦1，0.01≦z≦0.03。两层材料交替生长的周期大于等于3、小于等于30。

之后，在dbr反射层214上生长第二个子电池22，第二个子电池22从下到上依次包括背场层220、p型掺杂ingaas层基区221、n型掺杂ingaas层发射区222和窗口层223。其中，背场层220选取gainp或algaas材料，窗口层223选取algainp或alinp材料。

之后，生长n型ingaas或n型gainp作为第二隧穿结213的n型层，生长p型ingaas或alingaas材料作为第二隧穿结213的p型层。其中n型和p型掺杂分别采用si和c掺杂。

之后，在第二隧穿结213上形成第三个子电池23，第三个子电池23从下往上依次包括algainp背场层230、p型掺杂algainp或gainp层基区231、n型掺杂algainp或gainp层发射区232和alinp窗口层233。

最后生长ingaas层作为与电极形成欧姆接触的n型欧姆接触层234。

本发明所提供的多结太阳能电池的制作方法，变质缓冲层包括第一组缓冲层和第二组缓冲层，第一组缓冲层包括第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层，第二组缓冲层包括第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层，在第一个子电池至第二个子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层依次排列，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层依次排列，且一个第一缓冲层和一个第二缓冲层间隔排列，并且，在第一子电池至第二子电池的方向上，第1个第一缓冲层至第m个第一缓冲层的晶格常数依次增大，第1个第二缓冲层至第n个第二缓冲层的晶格常数依次增大，且第i个第二缓冲层的晶格常数大于第i+1个第一缓冲层的晶格常数、小于第i+2个第一缓冲层的晶格常数，从而不仅可以通过变质缓冲层阻挡位错，而且可以通过变质缓冲层更好地释放应力，避免晶圆出现表面粗糙和翘曲的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。