一種具有表面粗化結(jié)構(gòu)的三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多結(jié)太陽(yáng)能電池制備技術(shù)，屬于半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于砷化鎵及其基系的多種材料的良好性能，以及這種多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)基本已實(shí)現(xiàn)全光譜吸收，使得其光電轉(zhuǎn)換效率始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他太陽(yáng)電池。這一優(yōu)勢(shì)加上該電池的優(yōu)良耐輻照性能和耐高溫性能，進(jìn)一步提高了電池的空間應(yīng)用的可靠性及其使用壽命，已日益呈現(xiàn)替代高效硅太陽(yáng)電池和單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的趨勢(shì)，成為航天飛行器空間電源主力軍。自2002年起，國(guó)外的空間飛行器大多使用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池作為空間主電源，目前的在軌電池超過(guò)750kW。2008年8月18日的CompoundSemi Online上報(bào)道了NERL最新創(chuàng)下的新記錄:倒置結(jié)構(gòu)的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池在326倍聚光條件下的效率達(dá)到40.8%(AM1.5)。在國(guó)外可再生能源發(fā)展及市場(chǎng)的拉動(dòng)下，我國(guó)日益清楚認(rèn)識(shí)到利用可再生能源對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的重要性，并于2006年I月開(kāi)始實(shí)施《中國(guó)可再生能源法》。在此契機(jī)下，我國(guó)太陽(yáng)電池生產(chǎn)在近三年來(lái)持續(xù)以超過(guò)150%的年增長(zhǎng)率飛速發(fā)展，已成為國(guó)際較大的太陽(yáng)電池生產(chǎn)國(guó)。然而，制約太陽(yáng)電池發(fā)展的主要瓶頸是其高昂的材料成本。為此，有必要開(kāi)發(fā)新的高效率太陽(yáng)電池產(chǎn)品及發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本顯著降低，為我國(guó)大規(guī)模應(yīng)用光伏發(fā)電提供新技術(shù)。
[0003]三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池，在頂電池Eg=L 96eV、中電池Eg=L 10 eV的情況下，理論的效率可以達(dá)到41.7。原因是電流密度與填充因子很高。同樣在這個(gè)條件下，計(jì)算得出的頂電池電流密度為20.78mA/cm2，中電池為33.20 mA/cm2。但是實(shí)際中，頂電池電流密度只有17 mA/cm2，可以看出，頂電池電流密度是制約整個(gè)電池電流的瓶頸。目前，提高電池電流密度的通用方法是蒸鍍減反射膜，但是三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池對(duì)減反射膜的厚度、折射率非常敏感，該膜的細(xì)微變化將引起電池性能的明顯變化，這對(duì)于批產(chǎn)的穩(wěn)定性和合格率是非常不利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，本發(fā)明目的是提出一種與頂電池InGaP晶格匹配的，而且?guī)侗容^寬，對(duì)光的透過(guò)也比較好的具有表面粗化結(jié)構(gòu)的三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池。
[0005]本發(fā)明在Si襯底一側(cè)設(shè)置背電極，在Si襯底另一側(cè)通過(guò)接觸層設(shè)置由底電池、中電池和頂電池構(gòu)成的外延片，主電極通過(guò)圖形化的接觸層設(shè)置在頂電池上，其特征在于在外延片的頂電池外設(shè)置表面粗化層，在表面粗化層上設(shè)置減反射膜。
[0006]本發(fā)明目的是本項(xiàng)目計(jì)劃在頂電池上面利用MOCVD技術(shù)外延一層約2個(gè)μ m的高鋁組分的A10.8Ga0.2InP材料，這種材料是與頂電池InGaP晶格匹配的，而且由于帶隙比較寬，對(duì)光的透過(guò)也比較好。
[0007]本發(fā)明所述表面粗化層的上表面為若干的金字塔形。在芯片工藝端，利用化學(xué)溶液對(duì)不同晶向的腐蝕速率差異，制造出最利于陷光的“金字塔”結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合減反射膜工藝，本發(fā)明成功地將電池表面反射率降低至5%以內(nèi)。本發(fā)明成功提高了整個(gè)電池的短路電流密度，實(shí)際證明通過(guò)工藝改進(jìn)，短路電流密度Jsc可以達(dá)到17.5mA/cm2。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提出以上具有表面粗化結(jié)構(gòu)的三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟:
1)在臨時(shí)襯底上制備由底電池、中電池和頂電池構(gòu)成的電池外延片:
在GaAs臨時(shí)襯底上面，依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層、GaInP腐蝕截止層、N型GaAs接觸層、AlGaInP粗化層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型GaAs接觸層；
2)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移Si襯底:
選取導(dǎo)電類型為P型的轉(zhuǎn)移Si襯底，經(jīng)清洗備用；
3)在電池外延片的底電池背部和轉(zhuǎn)移Si襯底正面，分別通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au層，再將電池外延片與轉(zhuǎn)移Si襯底進(jìn)行金屬鍵合；
4)采用堿性腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結(jié)構(gòu)上的臨時(shí)襯底；
5)在頂電池上制備主電極，在轉(zhuǎn)移Si襯底上制備背電極；
6)對(duì)主電極之間的AlGaInP粗化層進(jìn)行粗化；
7)在粗化后的AlGaInP粗化層表面制作減反射膜。
[0009]本發(fā)明工藝合理，易于操作，倒裝結(jié)構(gòu)電池，實(shí)際上使用InGaAs底電池代替常規(guī)正裝工藝中的Ge襯底，提高太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓。最終整個(gè)電池效率能夠達(dá)到31.5%~32%。使用一種方法，在電池受光面作出粗化圖形，并且通過(guò)導(dǎo)電的Si襯底與電極使整個(gè)結(jié)構(gòu)為電流垂直結(jié)構(gòu)，在保持上下導(dǎo)通的基礎(chǔ)上可以直接應(yīng)用于目前成熟的封裝技術(shù)，并且適用于不同形狀的組件。
[0010]另外，本發(fā)明所述步驟I)中，AlGaInP粗化層的厚度為2 μm。因?yàn)榇只倪^(guò)程也是腐蝕的過(guò)程，所以有必要有一定厚度的粗化層。如果粗化層很薄，那么在粗化的過(guò)程中，粗化層下面的頂電池就很有可能被腐蝕到。那樣會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)。本發(fā)明先形成厚度為2 μπι的AlGaInP粗化層，因?yàn)楹罄m(xù)粗化時(shí)候深度控制在5000Α~7000Α左右，以利于形成粗化形貌都是類似“金字塔”。
[0011]在所述步驟2)中，先以濃硫酸與雙氧水的混合水溶液浸泡轉(zhuǎn)移Si襯底5min，去除表面的有機(jī)污染物，然后再使用氫氟酸稀釋液浸泡lmin，去除Si表面的氧化層，最后使用鹽酸與雙氧水混合水溶液浸泡3min，達(dá)到去除Si表面的金屬陽(yáng)離子的目的。
[0012]在所述步驟3)中，蒸鍍的T1、Pt和Au層總厚度不低于1.5 μπι，以使形成的電極較厚，導(dǎo)電性能良好，另外利于符合后續(xù)的焊接封裝工藝要求的厚度形成。
[0013]在所述步驟6)中，粗化溶液為鹽酸、磷酸和水的混合溶液，鹽酸、磷酸和水的混合體積比為1:2: 5。如果鹽酸比例高，那么粗化層就會(huì)被全部腐蝕掉，如果磷酸比例高，在溶液中就會(huì)限制鹽酸的電離。起不到粗化效果。本發(fā)明針對(duì)粗化層AlGaInP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該鹽酸、磷酸和水的混合體積比是合適的，粗化出來(lái)的形貌最接近所謂的“金字塔”形貌，最有利于陷光。
[0014]在所述步驟7)中，減反射膜采用Ti02/Ta205/ Al2O3的三層結(jié)構(gòu)，厚度為450A的1102和150 A Ta2O5和800 A的Al 203。這樣的材料組合和厚度設(shè)計(jì)，能夠在300nm?100nm 的光譜范圍內(nèi)，電池表面的整體反射率低于10%。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的外延片示意圖。
[0016]圖2為三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中每個(gè)子電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]1、制備外延片。
[0019]選取晶向?yàn)椤?00〉的GaAs襯底片101，厚度為375 μ m，直徑100_±0.1mm。在GaAs襯底101上面，使用MOVPE (有機(jī)金屬氣相外延)技術(shù)依次生長(zhǎng)出0.5 μ m的N型GaAs的緩沖層102，350nm的GaInP腐蝕截止層103，0.5 μ m的N型GaAs接觸層104，2 μ m的AlGaInP粗化層 105，0.5 μ m 的 GaInP 頂電池(Top cell )106，500A 的隧穿結(jié)一 107，3.4 μ m 的 GaAs中電池(Middle cell) 108，500A 的隧穿結(jié)二 109，3 μ m 的 InGaAs 底電池(Bottom cell)110，在底電池結(jié)尾，包含有400nm的P型GaAs接觸層111，見(jiàn)圖1所示。
[0020]以上子電池分別為GaInP 頂電池(Top cell) 106、GaAs 中電池(Middle cell)108和InGaAs底電池(Bottom cell) 110。每一個(gè)子電池分別具有背反射層(BSF) 201、基區(qū)(base) 202、發(fā)射區(qū)(emitter) 203、窗口層(window) 204結(jié)構(gòu)(見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖2)，各個(gè)子電池之間使用隧穿結(jié)進(jìn)行連接(U)。本產(chǎn)品使用的GalnP/AlGaAs異質(zhì)隧穿結(jié)。
[0021]2、制備轉(zhuǎn)移Si襯底。
[0022]選取晶向?yàn)椤?11〉的單拋Si片作為轉(zhuǎn)移Si襯底301，直徑100mm±0.1mm，導(dǎo)電類型為P型，厚度為240 μ m，清洗備用。
[0023]轉(zhuǎn)移Si襯底301的清洗步驟為:
(I)使用溫度為60°C的H2S04:H 202:H 20=3:1:1溶液進(jìn)行5min的浸泡，然后使用去離子水進(jìn)行沖洗。目的是去除表面的有機(jī)污染物。
[0024](2)使用氫氟酸稀釋液浸泡lmin，稀釋比例為20%。目的是去除在上一步當(dāng)中，Si片表面生成的氧化層，然后使用去離子水進(jìn)行沖洗。
[0025](3)使用鹽酸與雙氧水混合水溶液浸泡3min，鹽酸、雙氧水與水的比例為1:2:10，溶液溫度穩(wěn)定在40°C。此步的目的是去除表面的金屬陽(yáng)離子污染。然后使用去離子水進(jìn)行沖洗。
[0026]3、蒸鍍金屬鍵合層302。
[0027]使用電子束蒸鍍技術(shù)，分別在具有清潔表面的外延片的P型GaAs接觸層111和轉(zhuǎn)移Si襯底301的拋光面上分別蒸鍍金屬鍵合層302。
[0028]鍵合層金屬為T(mén)i/Pt/Au三層結(jié)構(gòu)，其中蒸鍍先后順序?yàn)門(mén)1、Pt、Au，厚度分別為T(mén)1:1500A、Pt:1500A、Au:12000A。
[0029]蒸鍍具體條件為:起始真空控制在1.0X10_6Torr以下，蒸鍍開(kāi)始前，腔體加熱到150°C并且恒溫30min。Ti的蒸鍍速率為5A/s，Pt的蒸鍍速率為2A/s，Au的蒸鍍速率為10A/so
[0030]4、金屬鍵合。