專利名稱：雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光伏器件的制備方法，尤其涉及一種雙面生長高效寬譜吸收太陽電池的制備方法。
背景技術：
太陽電池作為太陽能利用的典型方式，成為可再生能源的重要發(fā)展方向，提高太陽電池效率是太陽電池追求的目標之一。III-V族化合物半導體由于其寬廣的能帶結構成為太陽電池材料的理想選擇，GaAs基III-V族多結電池至問世以來一直是太陽電池領域的
效率記錄保持者和創(chuàng)造者。根據(jù)太陽能譜和III-V族材料能帶關系，GaAs基晶格匹配的GalnP/GaAs雙結電池和InP基晶格匹配的InGaAsP/InGaAs雙結電池可以合理設計，電流匹配地覆蓋絕大部分太陽光譜，實驗證明，采用一次分光手段，該類太陽電池系統(tǒng)的電池效率可達43%。是實現(xiàn)寬譜高效太陽電池的理想組合。但是由于GaAs材料和InP材料晶格失配度達3. 8%，傳統(tǒng)方法難以在GaAs上外延高質(zhì)量InP材料，因此，為了獲得高效GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太陽電池，目前大多采用晶片鍵合的方法來嘗試實現(xiàn)該四結電流匹配寬譜吸收電池，然而一方面晶片鍵合涉及到多種エ藝(包括層轉移和芯片剝離技木)，使得芯片的成功率降低，另ー方面，GaAs材料和InP材料直接鍵合對環(huán)境和設備的潔凈度要求非常高，且由于二者的熱膨脹系數(shù)差別，鍵合后エ藝或者后期工作如果溫差較大，均會導致材料芯片的翹曲，且鍵合后二者之間的串聯(lián)電阻較大，會無形中增加該四結電池的電學損耗；如果采用金屬鍵合，則又會遇到平衡串聯(lián)電阻和紅外光學吸收的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其采用GaAs基納米級圖案化設計實現(xiàn)了 GaAs基InP材料的高質(zhì)量外延，而后在此基礎上生長晶格匹配的InGaAsP/InGaAs太陽電池,且在GaAs襯底另一面生長晶格匹配的GaAs/GalnP太陽電池，最終獲得了具有較小晶格失配和熱失配，且性能良好的目標產(chǎn)物，并且，該制備方法易于操作，良品率高，有利于提高整體器件的可靠性和壽命。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法包括如下步驟
(1)在雙面拋光的GaAs襯底的第一面上形成介質(zhì)膜，并在所述襯底的第二面上生長形成晶格匹配的GaAs/GalnP太陽能電池結構；
(2)對所述襯底第二面進行保護，再在所述襯底第一面上加工形成納米級介質(zhì)掩膜圖
案；
(3)在所述襯底第一面上生長形成InP薄膜，并將所述InP薄膜拋光至平整度達到外延
級；
(4)在所述襯底第一面上依次生長形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太陽能電池結構以及電極接觸層；(5)解除對所述襯底的第二面的保護，獲得目標產(chǎn)物。其中，步驟(I)具體為在雙面拋光的GaAs襯底第一面上形成厚度在200nm以上的介質(zhì)膜，并在所述襯底第二面上依次生長形成GaAs太陽能電池-隧穿結-GaInP太陽能電池結構、電池窗ロ層和電極接觸層。步驟(2)中是通過化學和/或物理加工方法對所述介質(zhì)膜進行圖案化處理，從而形成光滑致密介質(zhì)掩膜圖案，并使與裸露區(qū)對應的襯底表面完全暴露出。作為優(yōu)選方案之一，所述介質(zhì)膜可選自SiO2膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意ー種以上，但不限于此。步驟(2)中是首先通過化學和/或物理加工方法形成圖案，而后采用干法刻蝕和/或濕法刻蝕エ藝將圖案轉移到介質(zhì)膜上，從而形成光滑致密介質(zhì)膜圖案，并使與裸露區(qū)對應的襯底表面完全暴露出。優(yōu)選的，步驟(2)中是采用涂覆有機光刻膠和沉積介質(zhì)膜中的至少ー種方式對所·述襯底的第二面進行保護的。步驟(3)具體為首先在形成于所述襯底第一面上的介質(zhì)掩膜圖案中的納米溝內(nèi)選擇性生長InP材料，將失配位錯抑制在介質(zhì)納米溝中，直到獲得無位錯的InP材料，然后將分立的InP材料聚合，直至形成InP薄膜，而后以化學和/或物理方法進行拋光，形成具有外延級平整度的InP薄膜。步驟(4)中是依次在形成于所述襯底第一面上的InP薄膜上生長InGaAsP太陽電池或InGaAsP太陽能電池-隧穿結-InGaAs太陽能電池以及電極接觸層的。作為優(yōu)選的方案之一，步驟(4)中所述接觸層可采用InP和/或InGaAs層，但不限于此。進ー步的，步驟(5)中在解除對所述襯底第二面的保護之后，還采用普適III-V族太陽電池エ藝對形成的多結太陽電池器件進行了后續(xù)處理，最終目標產(chǎn)物。


圖I為A面沉積有介質(zhì)膜的雙面拋光GaAs襯底的結構示意 圖2為在圖I所示GaAs襯底B面生長GaAs/GalnP電池和電極接觸層的示意 圖3為在圖2所示GaAs襯底B面以介質(zhì)膜或者光刻膠保護的示意 圖4為GaAs襯底A面介質(zhì)膜納米級圖案化結構示意圖，其中圖4Α-1、4Α-2 :直溝形；圖4B-U4B-2 :方格型；圖4C-U4C-2 :圓柱形；圖4D_1、4D_2 :圓錐形；
圖5為GaAs襯底A面生長位錯抑制InP層、無位錯InP層以及InP聚合層的示意圖； 圖6為GaAs襯底A面所生長InP薄膜經(jīng)拋光后的示意 圖7為GaAs襯底A面上繼續(xù)生長InGaAsP/InGaAs電池和電極接觸層的示意 圖8為去除GaAs襯底B面的保護層后器件的結構示意圖
圖9為本發(fā)明實施例中多結太陽能電池器件的結構示意圖，其雙面生長有電極接觸層/GaInP (電池)/隧穿結Ι/GaAs (電池)/GaAs襯底/介質(zhì)膜納米級圖案/InP位錯抑制層/InP無位錯層/InGaAsP (電池)/隧穿結2/InGaAs (電池)/電極接觸層。
具體實施方式
如前所述，本案中發(fā)明人g在針對現(xiàn)有多結太陽能電池制備エ藝的不足，提供一種高效寬光譜吸收多結太陽電池的制備エ藝。概括的講，本發(fā)明將納米圖案化技術應用于GaAs基InP材料外延(二者的晶格失配達3. 81%，熱失配較小，且均為閃鋅礦立方結構)(GaAs熱膨脹系數(shù)5. 73*10_6で-1，InP熱膨脹系數(shù)4. 6*10_6°C ―1，Si的熱膨脹系數(shù)為
2.6*10_6°C \ Ge的熱膨脹系數(shù)為5. 9*10_6°C _0，并采用雙面生長方式，以期不影響各個晶格匹配材料的生長質(zhì)量，從而獲得GalnP/GaAs/InGaAsP/ (InGaAs)寬譜高效多結電池。
進ー步的講，本發(fā)明エ藝可包括如下步驟
(1)在雙面拋光的GaAs襯底A面生長一定厚度的介質(zhì)膜；
(2)在該襯底B面采用MOCVD或者MBE生長晶格匹配的太陽電池GaAs/GalnP結構；
(3)將該襯底B面結構采用特定方式保護，將襯底A面進行納米級圖案化，獲得納米級圖案化介質(zhì)掩膜。(4)將該納米級圖案化的GaAs襯底重新置入MOCVD或者MBE設備中，依次生長InP位錯抑制層、無位錯層材料和InP聚合層材料,直到形成InP薄膜。(5)將該InP薄膜拋光直到獲得外延級平整度的InP薄膜，然后將該襯底置入MOCVD(或者MBE)中，根據(jù)多結電池匹配設計原則繼續(xù)生長InGaAsP (或InGaAsP電池、隧穿結和InGaAs電池)太陽電池，待電池生長完成后，最后生長電極接觸層。(6)將該多結電池B面結構保護層去除，然后按照普適III-V族太陽電池エ藝，從而制備出GalnP/GaAs/InGaAsP或者GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs高效寬光譜吸收多結電池。前述步驟I中,對于雙面拋光的GaAs襯底A面和B面是任意選擇，只是為了容易標記，而介質(zhì)膜可以是Si02、SiN0、SiN，也可以是Al2O3JiO2等，而生長方式可以是PECVD、熱氧化CVD、磁控濺射、電子束蒸發(fā)和ALD，而生長厚度根據(jù)后續(xù)納米級圖案化的需求以及襯底保護方面的需求而定，應該不小于50nm。前述步驟2中，可采用MOCVD或者MBE在該襯底B面生長晶格匹配的太陽電池GaAs/GalnP結構，該B面指沒有長介質(zhì)膜的一面，依次生長GaAs/GalnP太陽電池，根據(jù)高效多結太陽電池的設計和已有生長條件，依次生長GaAs太陽電池-隧穿結-GaInP太陽電池結構以及電池窗ロ層和接觸層。前述步驟3中，對該襯底B面結構進行保護的方式可以是采用有機光刻膠涂敷，也可以是介質(zhì)膜沉積保護，只要使得已經(jīng)生長的GaAs/GalnP電池結構不受后續(xù)材料生長和エ藝的污染即可。而將襯底A面進行納米級圖案化，這是指根據(jù)后續(xù)InP材料生長需求，將A面覆蓋的介質(zhì)膜進行圖案化處理，其中圖案形成方式可以是干渉光刻、電子束曝光、納米壓印、納球光刻、金屬自組裝等，然后圖案轉移到A面介質(zhì)膜上，直到裸露區(qū)域完全暴露出GaAs襯底，轉移方式可以是干法刻蝕、濕法腐蝕，也可以是二者的混合應用，只要能夠形成光滑致密介質(zhì)膜圖案，且裸露區(qū)完全暴露出GaAs襯底，而襯底質(zhì)量又不受傷害即可。前述步驟4中，是將該納米級圖案化的GaAs襯底重新置入MOCVD或者MBE設備中，首先在納米溝介質(zhì)膜中選擇性生長InP材料，將失配位錯抑制在介質(zhì)納米溝中，直到獲得無位錯的InP材料，然后將分立的InP材料實現(xiàn)聚合，直到形成InP薄膜。前述步驟5中，是將該InP薄膜拋光直到獲得外延級平整度的InP薄膜，然后將該襯底置入MOCVD (或者MBE)中，根據(jù)多結電池電流匹配設計原則繼續(xù)生長InGaAsP (或InGaAsP/InGaAs)太陽電池。其中，InP薄膜拋光可以米用化學機械拋光、化學拋光、離子束拋光等多種方式，只要能獲得大面積外延級平整度即可。拋光清洗后，然后將襯底B面朝上繼續(xù)置入MOCVD(MBE)設備中，在拋光后的InP膜上根據(jù)高效多結電池設計要求生長InGaAsP太陽電池或者(InGaAsP-隧穿結-InGaAs)太陽電池以及底部電極接觸層,該接觸層可以是InP也可以是InGaAs。前述步驟(6)中，是將該多結電池B面結構保護層去除，然后按照普適III-V族太陽電池エ藝,從而制備出GalnP/GaAs/InGaAsP或者GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs高效寬光譜吸收多結電池。以下結合一優(yōu)選實施例及相應的附圖對本發(fā)明的技術方案作進ー步說明
本實施例的エ藝流程如下
首先在GaAs襯底一面沉積ー層介質(zhì)膜，如圖I所示，包括GaAs襯底O及沉積的介質(zhì)膜1，該介質(zhì)膜根據(jù)需要可以是Si02、SiN、SiNO, TiO2^Al2O3等，沉積厚度根據(jù)后期納米級圖案化襯底外延需求和外延保護需求而定，沉積設備可以是PECVD、熱氧化CVD、磁控濺射、電子束蒸發(fā)和原子層沉積等。然后在該GaAs襯底B面采用MOCVD或者MBE設備依次沉積GaAs電池、隧穿結、GaInP電池和電極接觸層，如圖2所示。其中附圖標記O和I所指組件與圖I相同，而附圖標記2則是指GaAs電池，3是指隧穿結，4是指GaInP電池，41指電池窗ロ層Al (Ga) InP，5是指電極接觸層。各層生長的厚度和摻雜類型和濃度根據(jù)高效多結電池結構設計來定。為了在生長A面電池結構時B面電池不受影響，將B面電池采用介質(zhì)膜或者光刻膠保護，如圖三所示，其中附圖標記0-5所指與前面圖2相同，附圖標記6則是指為保護A面電池結構而沉積的介質(zhì)膜，可以是Si02、SiN、SiNO, TiO2, Al2O3等，沉積設備可以是PECVD、熱氧化CVD、磁控濺射、電子束蒸發(fā)和原子層沉積等。然后將上述結構翻轉，A面朝上，將介質(zhì)膜I進行納米圖案化，圖案化的圖形根據(jù)實際需要和條件可以是ー維深溝形(如圖4A所示)、ニ維深溝形(如圖4B所示)、ニ維圓柱形(如圖4C所示)，或者ニ維圓錐形(如圖4D所示)等圖案。制備圖形的方法可以是干渉光刻、電子束曝光、納球光亥IJ、納米壓印金屬自組裝等方法，圖形轉移方法可以是濕法腐蝕也可以是反應離子刻蝕或者感應耦合等離子體刻蝕以及干法和濕法刻蝕的混合使用。待襯底A面納米級圖案化過程完成后，首先在該襯底表面采用MOCVD或者MBE選擇生長InP層，直到失配位錯完全被抑制在納米級圖案化的介質(zhì)膜側壁，然后繼續(xù)生長InP,直到InP暴露出介質(zhì)納米結構。如圖5所示,其中附圖標記1_6所指組件與前面圖4和3 —祥，而附圖標記81則是指所生長的InP失配層，穿透位錯完全被抑制在介質(zhì)膜側壁，如該圖所示，附圖標記82是指所生長的介質(zhì)膜內(nèi)無位錯InP層，附圖標記83是指露出圖案化介質(zhì)膜的InP層，鑒于選擇性生長是各向異性生長，InP表面呈一定晶向，且加強橫向生長，最終使得InP層相互聚合，形成非平整的InP薄膜。將該InP進行表面拋光，獲得原子級平整的InP表面，如圖6所示。其中，附圖標記1-6，81和82所指組件與圖5所指一致，附圖標記84是指拋光后的InP薄膜。拋光方式可以是化學機械拋光，也可以是化學拋光，以及二者的結合。在該拋光后的InP表面采用MBE或者MOCVD生長InGaAsP電池-隧穿結-InGaAs電池-電極接觸層，完成InGaAsP/InGaAs雙結電池生長。如圖7所示，其中附圖標記0_6、、81、82、83、84所指組件與前面圖6相同，這里附圖標記9是指InGaAsP電池，10是指InGaAsP電池和InGaAs電池之間的隧穿結，11是指InGaAs電池，12是指電極接觸層。然后將A面材料保護層去除，如圖8所示。最后按照普適的III-V族太陽電池エ藝制備該GaInP/GaAs/ GaAs (襯底)/InGaAsP/InGaAs四結串聯(lián)電池，如圖9所示，其中附圖標記13指InGaAs歐姆接觸電極，附圖標記14是指GaAs材料的歐姆接觸電極，其他各個數(shù)字所指與前面圖7相同。
以上說明，及在圖紙上所示的實施例，不可解析為限定本發(fā)明的設計思想。在本發(fā)明的技術領域里持有相同知識者可以將本發(fā)明的技術性思想以多樣的形態(tài)改良變更，這樣的改良及變更應理解為屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在干，該方法包括如下步驟 (1)在雙面拋光的GaAs襯底的第一面上形成介質(zhì)膜，并在所述襯底的第二面上生長形成晶格匹配的GaAs/GalnP太陽能電池結構； (2)對所述襯底第二面進行保護，再在所述襯底第一面上加工形成納米級介質(zhì)掩膜圖案； (3)在所述襯底第一面上生長形成InP薄膜，并將所述InP薄膜拋光至平整度達到外延級； (4)在所述襯底第一面上依次生長形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太陽能電池結構以及電極接觸層； (5 )解除對所述襯底的第二面的保護，獲得目標產(chǎn)物。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(I)具體為在雙面拋光的GaAs襯底第一面上形成厚度在50nm以上的介質(zhì)膜，并在所述襯底第二面上依次生長形成GaAs太陽能電池-隧穿結-GaInP太陽能電池結構、電池窗ロ層和電極接觸層。
3.根據(jù)權利要求I所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)中是通過化學和/或物理加工方法對所述介質(zhì)膜進行圖案化處理，從而形成光滑致密介質(zhì)掩膜圖案，并使與裸露區(qū)對應的襯底表面完全暴露出。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì)膜至少選自SiO2膜、SiNO膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意ー種。
5.根據(jù)權利要求3所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)中是首先通過化學和/或物理加工方法形成圖案，而后采用干法刻蝕和/或濕法刻蝕エ藝將圖案轉移到介質(zhì)膜上，從而形成光滑致密介質(zhì)膜圖案，并使與裸露區(qū)對應的襯底表面完全暴露出。
6.根據(jù)權利要求I或5所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)中是采用涂覆有機光刻膠和沉積介質(zhì)膜中的至少ー種方式對所述襯底的第二面進行保護的。
7.根據(jù)權利要求I所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)具體為首先在形成于所述襯底第一面上的介質(zhì)掩膜圖案中的納米溝內(nèi)選擇性生長InP材料，將失配位錯抑制在介質(zhì)納米溝中，直到獲得無位錯的InP材料，然后將分立的InP材料聚合，直至形成InP薄膜，其后以化學和/或物理方法進行拋光，形成具有外延級平整度的InP薄膜。
8.根據(jù)權利要求I所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(4)中是依次在形成于所述襯底第一面上的InP薄膜上生長InGaAsP太陽電池或InGaAsP太陽能電池-隧穿結-InGaAs太陽能電池以及電極接觸層的。
9.根據(jù)權利要求I或8所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(4)中所述接觸層為InP和/或InGaAs層。
10.根據(jù)權利要求I所述的雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟(5)中在解除對所述襯底第二面的保護之后，還采用普適III-V族太陽電池エ藝對形成的多結太 陽電池器件進行了后續(xù)處理，最終目標產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙面生長高效寬譜吸收多結太陽電池的制備方法，其利用高深寬比位錯捕獲技術實現(xiàn)GaAs材料上InP外延以及GaAs系和InP系電池的單片集成，具體包括如下步驟(1)在雙面拋光的GaAs襯底的第一面上形成介質(zhì)膜，并在其第二面上生長形成晶格匹配的GaAs/GaInP太陽能電池結構；(2)對襯底第二面進行保護，再在襯底第一面上加工形成納米級介質(zhì)掩膜圖案；(3)在襯底第一面上生長形成InP薄膜，并將InP薄膜拋光至平整度達到外延級；(4)在襯底第一面上依次生長形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太陽能電池結構以及電極接觸層；(5)解除對襯底第二面的保護，獲得目標產(chǎn)物。本發(fā)明工藝簡潔，易于操作，且良品率高，有效解決了異質(zhì)多結太陽電池中晶格失配和熱失配對電池材料質(zhì)量和性能的影響。
文檔編號H01L31/18GK102723405SQ20121021395
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權日2012年6月26日
發(fā)明者張瑞英, 楊輝, 董建榮 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所