一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，包括依次從下到上設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、低溫GaP緩沖層、高溫GaP緩沖層、GaP歐姆接觸層、GaAsP過渡層、GaAs緩沖層、AlGaAs背場(chǎng)層、GaAs基層、GaAs發(fā)射層、AlGaAs窗口層、GaAs電極接觸層。本發(fā)明通過對(duì)藍(lán)寶石襯底600?900℃高溫?zé)崽幚?，并且?00?600℃生長(zhǎng)低溫GaP緩沖層，在650?750℃生長(zhǎng)高溫GaP緩沖層，在高溫GaP緩沖層生長(zhǎng)GaP歐姆接觸層，在GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)GaAsP過渡層；解決了藍(lán)寶石襯底與GaAs材料的晶格匹配問題，通過高低溫切換實(shí)現(xiàn)了GaAs材料在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)的可能性。
【專利說明】
一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是一種利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，又叫光伏器件，主要有單晶硅電池和單晶砷化鎵電池等。太陽電池最初為空間航天器使用，空間航天器用單晶硅太陽電池的基本材料為純度達(dá)0.999999、電阻率在10歐.厘米以上的P型單晶硅，包括p-n結(jié)、電極和減反射膜等部分，受光照面加透光蓋片保護(hù)，防止電池受外層空間范愛倫帶內(nèi)高能電子和質(zhì)子的輻射損傷。單體電池尺寸從2X2厘米至5.9X5.9厘米，輸出功率為數(shù)十至數(shù)百毫瓦，它的理論光電轉(zhuǎn)換效率為20%以上，實(shí)際已達(dá)到15%以上。為了提高單體太陽電池的性能，可以采取淺結(jié)、密柵、背電場(chǎng)、背反射、絨面和多層膜等措施。增大單體電池面積有利于減少太陽電池陣的焊接點(diǎn)，提高可靠性。
[0003]太陽電池發(fā)展歷史可以追溯到1839年，當(dāng)時(shí)的法國(guó)物理學(xué)家Alexander-EdmondBecquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏打效應(yīng)(Photovoltaic effect)。直到1883年，第一個(gè)砸制太陽電池才由美國(guó)科學(xué)家Charles Fritts所制造出來。在1930年代，砸制電池及氧化銅電池已經(jīng)被應(yīng)用在一些對(duì)光線敏感的儀器上，例如光度計(jì)及照相機(jī)的曝光針上。而現(xiàn)代化的硅制太陽電池則直到1946年由一個(gè)半導(dǎo)體研究學(xué)者Russell Ohl開發(fā)出來。接著在1954年，科學(xué)家將硅制太陽電池的轉(zhuǎn)化效率提高到4%左右，次年達(dá)到11%。隨后，太陽電池應(yīng)用于人造衛(wèi)星。1973年能源危機(jī)之后，人類開始將太陽電池轉(zhuǎn)向民用。最早應(yīng)用于計(jì)算器和手表等。1974年，Haynos等人，利用娃的各向異性(anisotropic)的刻蝕(etching)特性，在單晶娃太陽電池表面刻蝕出具有許多金字塔結(jié)構(gòu)的絨面。金字塔絨面結(jié)構(gòu)能有效降低太陽光在電池表面反射損失，使得當(dāng)時(shí)的太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17%。
[0004]其原理是當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N指向P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。
[0005]當(dāng)晶片受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P區(qū)移動(dòng)，而P區(qū)中的電子往N區(qū)移動(dòng)，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)差，這就形成了電源。如圖1所示。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過PN結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋PN結(jié)，以增加入射光的面積。
[0006]1976年以后，如何降低太陽電池成本成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的重點(diǎn)。1990年以后，電池成本降低使得太陽電池進(jìn)入民間發(fā)電領(lǐng)域，太陽電池開始應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電。
[0007]分類太陽電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心。從產(chǎn)生技術(shù)的成熟度來區(qū)分，太陽電池可分為以下幾個(gè)階段:
[0008]第一代太陽電池:晶體硅電池；
[0009]第二代太陽電池:各種薄膜電池。包括非晶硅薄膜電池(a-Si)、碲化鎘太陽電池(CdTe)、銅銦鎵砸太陽電池(CIGS)、砷化鎵太陽電池、納米二氧化鈦染料敏化太陽電池等；
[0010]第三代太陽電池:各種超疊層太陽電池、熱光伏電池(TPV)、量子阱及量子點(diǎn)超晶格太陽電池、中間帶太陽電池、上轉(zhuǎn)換太陽電池、下轉(zhuǎn)換太陽電池、熱載流子太陽電池、碰撞離化太陽電池等新概念太陽電池。
[0011 ]按電池結(jié)構(gòu)劃分，太陽電池可分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。
[0012]按照使用的基本材料不同，太陽電池可分為硅太陽電池、化合物太陽電池、染料敏化電池和有機(jī)薄膜電池幾種。
[0013]典型的II1- V族化合物太陽電池為砷化鎵(GaAs)電池，轉(zhuǎn)換率達(dá)到30 %以上，這是因?yàn)镮I1-V族是具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，僅僅2um厚度，就可在AMl的輻射條件下吸光97 %左右。在單晶硅基板上，以化學(xué)氣相沉積法成長(zhǎng)GaAs薄膜所制成的薄膜太陽電池，因效率較高，應(yīng)用在太空。而新一代的GaAs多接面太陽電池，因可吸收光譜范圍高，所以轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到39%以上，是目前轉(zhuǎn)換效率了最高的太陽電池種類。而且性能穩(wěn)定，壽命也相當(dāng)長(zhǎng)。不過這種電池價(jià)格昂貴，平均每瓦價(jià)格可高出多晶硅太陽電池?cái)?shù)十倍以上，因此不是民用主流。
[0014]單晶砷化鎵太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為24%，實(shí)際達(dá)到17%。它能在高溫、高光強(qiáng)下工作，耐輻射損傷能力高于硅太陽電池。級(jí)聯(lián)P-n結(jié)太陽電池是在一塊襯底上疊加多個(gè)不同帶隙材料的P-n結(jié)，帶隙大的頂結(jié)靠光照面，吸收短波光，往下帶隙依次減小，吸收的光波波長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)，這種電池可以充分利用日光，光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。
[0015]因?yàn)榫哂兄苯幽芟都案呶庀禂?shù)，而且耐反射損傷性佳且對(duì)溫度變化不敏感，所以適合應(yīng)用在熱光伏特系統(tǒng)(thermophot ο vo Iai Cs TRV)、聚光系統(tǒng)(concentratorsystem)及太空等三個(gè)主要領(lǐng)域。
[0016]從2007年8月開始，砷化鎵電池從衛(wèi)星上的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫酃獾奶柲馨l(fā)電站的規(guī)模應(yīng)用。砷化鎵高效聚光電池在國(guó)外正在被證明是低成本規(guī)模建造太陽能電站的有效途徑。
[0017]藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)技術(shù)成熟，器件質(zhì)量較好，穩(wěn)定性好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過程中；機(jī)械強(qiáng)度高是透明的，對(duì)可見光具有不吸收性，比利用GaAs襯底外延生長(zhǎng)的太陽能電池具有更高的提取效率，并且可以避免更換吸光襯底的復(fù)雜工藝和環(huán)境污染問題，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。但是，藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaAs太陽能電池的最大難點(diǎn)是二者晶格類型不同，晶格常數(shù)差別大，熱膨脹系數(shù)也有很大不同，因此業(yè)內(nèi)比較少使用藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)GaAs太陽能電池。
[0018]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN101859814A公開了在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)InGaP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池的方法，首先在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)組分漸變的GeSi應(yīng)力過渡層，然后再生長(zhǎng)Ge弛豫層，接著生長(zhǎng)GaAs子電池和GaInP頂電池。此專利主要是提供了一種基于藍(lán)寶石襯底進(jìn)行生長(zhǎng)Ge材料過渡到GaAs電池層的方法。但是，該專利中存在以下缺陷:(I)增加了生產(chǎn)、制造成本，增加了產(chǎn)品的不穩(wěn)定性；(2)光電轉(zhuǎn)換效率不高。
[0019]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102569655A公開了一種氮面氮化鎵絨面太陽能電池及其制作方法，其自下而上包括:藍(lán)寶石襯底(I)、A1N緩沖層(2)、外延層(3)、陰極(4)、有機(jī)聚合物層
(5)和陽極(6)。其中，AlN緩沖層(2)采用MOCVD生長(zhǎng)，厚度為150-200nm;外延層(3)為采用皿000)生長(zhǎng)的厚度為2-34111、電子濃度為1.0\1017011-3-2.0\1018011-3的氮面11-631且與有機(jī)聚合物(5)的接觸面為布滿凹陷的絨面，凹陷密度為1.0\107011-2-4.0\108011-2，深度為450nm-l.5μηι;陰極(4)是在氮面n_GaN層上淀積Ti和Al形成;有機(jī)聚合物(5)由在氮面n-GaN表面旋涂而成，其厚度為50_80nm;陽極(6)是在機(jī)聚合物(5)上淀積Au形成。但是，該專利中存在以下缺陷:太陽能電池轉(zhuǎn)化效率不，制造成本高。
[0020]綜上，現(xiàn)有的單晶、多晶娃、有機(jī)物太陽能電池轉(zhuǎn)化效率不尚，使用Ge襯底生長(zhǎng)GaAs單結(jié)太陽能電池，Ge襯底自身價(jià)格較高且為資源不如藍(lán)寶石襯底豐富，因此，生產(chǎn)制造成本大大提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)；
[0022]本發(fā)明還提供了藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法；
[0023]本發(fā)明利用MOCVD技術(shù)通過溫度等手段直接在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaAs材料，通過熱處理以及高低溫GaP過渡層解決藍(lán)寶石襯底與GaAs單結(jié)太陽能電池的禁帶和熱膨脹系數(shù)問題，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)民用鋪平了道路。
[0024]術(shù)語解釋
[0025]1、M0CVD:金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，MOCVD設(shè)備是半導(dǎo)體化合物生長(zhǎng)的常用設(shè)備，廣泛用于半導(dǎo)體電子器件制造行業(yè)。
[0026]2、摻雜濃度:單位1E19個(gè)原子/cm3就是指每單位立方厘米中有1*1019個(gè)原子。
[0027]3、AM0:AM為大氣質(zhì)量，AMO即大氣質(zhì)量為0，代表空間應(yīng)用環(huán)境。
[0028]4、AM1:表示陽光垂直穿透大氣，S卩0°入射。
[0029]5、ΑΜ1.5:表示陽光以45°入射。
[0030]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0031]—種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括依次從下到上設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、低溫GaP緩沖層、高溫GaP緩沖層、GaP歐姆接觸層、GaAsP過渡層、GaAs緩沖層、AlGaAs背場(chǎng)層、GaAs基層、GaAs發(fā)射層、AlGaAs窗口層、GaAs電極接觸層，所述低溫GaP緩沖層的厚度為15-50nm，摻雜濃度為1Ε19-6Ε19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.3-1μπι，摻雜濃度為1Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為2-5μπι，摻雜濃度為1Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.5-1μπι，摻雜濃度為1Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.5-1μπι，摻雜濃度為1E17-5E18個(gè)原子/cm3。
[0032]低溫GaP緩沖層、高溫GaP緩沖層用于和藍(lán)寶石襯底實(shí)現(xiàn)完美的晶格匹配，避免藍(lán)寶石襯底表面與新生長(zhǎng)材料帶來的缺陷與位錯(cuò)，并為下一步生長(zhǎng)提供了新鮮的界面;GaAsP過渡層與GaAs緩沖層的實(shí)現(xiàn)GaP材料轉(zhuǎn)GaAs材料的過渡;AlGaAs背場(chǎng)層因?yàn)槠浣麕挾缺容^高，能降低背面的電子復(fù)合，起到阻止電子流失的作用;GaAs基層為電子聚集提供了場(chǎng)所;GaAs發(fā)射層為空穴聚集提供了場(chǎng)所;AlGaAs窗口層，因?yàn)槠浣麕挾茸罡撸阅芷鸬解g化表面，降低非輻射復(fù)合，為空穴能在GaAs發(fā)射層聚集起到阻止作用;位于最上層的GaAs電極接觸層，起到接通電極的作用。
[0033]本發(fā)明采用藍(lán)寶石襯底，在成本上比Ge襯底和GaAs襯底更有優(yōu)勢(shì)，并且，本發(fā)明還解決了藍(lán)寶石襯底與GaAs材料之間晶格失配以及熱膨脹系數(shù)問題。
[0034]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述低溫GaP緩沖層的厚度為16-45nm，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.35-0.9μπι，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為2.5-4.5μπι，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.6-0.9μπι，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.6-0.9μπι，摻雜濃度為 2Ε17-4Ε18 個(gè)原子/cm3 ；
[0035]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述低溫GaP緩沖層的厚度為25nm，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.5μπι，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為3.2μπι，摻雜濃度為4Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.52μπι，摻雜濃度為4Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.65μπι，摻雜濃度為6Ε17個(gè)原子/cm3。
[0036]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，AlGaAs背場(chǎng)層采用AlxGal-XAs材料，X的取值范圍為0-0.5;進(jìn)一步優(yōu)選的，x的取值范圍為0.2-0.49 ；特別優(yōu)選的，X = 0.41。
[0037]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，AlGaAs窗口層采用AhGal-YAs材料，Y的取值范圍為0.5-1;進(jìn)一步優(yōu)選的，￥的取值范圍為0.51 -0.9;特別優(yōu)選的，Y = 0.62。
[0038]通過調(diào)整AlxGaliAs材料和AhGal-YAs材料中各自Al的組分，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光高低能態(tài)光子的吸收，極大地提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換效率，比普通的太陽能電池效率提高20%以上。
[0039]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述AlGaAs背場(chǎng)層的厚度為0.1-0.5μπι，摻雜濃度為1E17-5Ε18個(gè)原子/cm3;所述GaAs基層厚度為2-5um，摻雜濃度為1Ε17-5Ε18個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層厚度為0.5-lum，摻雜濃度為1E18-5E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層厚度為0.03-0.lum，摻雜濃度為1E18-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAs電極接觸層厚度為0.2-lum，摻雜濃度為 1E18-1E20 個(gè)原子/cm3;
[0040]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述AlGaAs背場(chǎng)層厚度為0.15-0.45μm，摻雜濃度為2E17-4E18個(gè)原子/cm3;所述GaAs基層的厚度為3-5um，摻雜濃度為2E17-4E18個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層的厚度為0.51-0.9um，摻雜濃度為2E18-9E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層的厚度為
0.04-0.9um，摻雜濃度為3E18-1E20個(gè)原子/cm3 ；所述GaAs電極接觸層的厚度為0.2-0.9um，摻雜濃度為2E18-1E20個(gè)原子/cm3 ；
[0041 ]特別優(yōu)選的，所述AlGaAs背場(chǎng)層厚度為0.27um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3;所述GaAs基層的厚度為3.2um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層的厚度為0.6um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層的厚度為0.15um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAs電極接觸層的厚度為0.5um，摻雜濃度為1E20個(gè)原子/cm3 ο
[0042]根據(jù)本發(fā)明，一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，包括采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延層，具體步驟包括:
[0043](I)在600-900°C溫度下，通入H2，對(duì)所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行熱處理；
[0044](2)降溫至400-600°C，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層；
[0045](3)升溫至650_75(TC，在所述低溫GaP緩沖層上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層；
[0046](4)在所述高溫GaP緩沖層生長(zhǎng)所述GaP歐姆接觸層；
[0047](5)在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層；
[0048](6)停止通入PH3，在所述GaAsP過渡層上生長(zhǎng)所述GaAs緩沖層；
[0049](7)通入TMAl，在所述GaAs緩沖層上生長(zhǎng)所述AlGaAs背場(chǎng)層；
[0050](8)降溫至550_700°C，在所述AlGaAs背場(chǎng)層上生長(zhǎng)所述GaAs基層；
[0051 ] (9)保持溫度550_750°C，在所述GaAs基層上生長(zhǎng)所述GaAs發(fā)射層；
[0052](10)保持溫度550_750°C，在所述GaAs發(fā)射層上生長(zhǎng)所述AlGaAs窗口層；
[0053](11)降溫至500-600°C，在所述AlGaAs窗口層上生長(zhǎng)所述GaAs電極接觸層。
[0054]通過對(duì)藍(lán)寶石襯底600-900 °C高溫?zé)崽幚?，并且?00-600 °C生長(zhǎng)低溫GaP緩沖層，在650-750 °C生長(zhǎng)高溫GaP緩沖層，在高溫GaP緩沖層生長(zhǎng)所述GaP歐姆接觸層，在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層;解決了藍(lán)寶石襯底與GaAs材料的晶格匹配問題，通過高低溫切換實(shí)現(xiàn)了 GaAs材料在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)的可能性，為繼續(xù)生長(zhǎng)新材料提供新鮮界面，為藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)GaAs太陽能電池提供了更為廣泛和高效的方法和途徑。
[0055]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)-(3)中，
[0056](I)在850°C溫度下，通入H2,對(duì)所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行熱處理；
[0057](2)降溫至600°C，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層；
[0058](3)升溫至750 V，在所述低溫GaP緩沖層上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層。
[0059]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備中，M0CVD設(shè)備的壓力為5O-2OOmbar ο
[0060]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(5)中，在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層，具體是指:通入AsH3，逐步控制PH3的流量至O，并相應(yīng)提升AsH3流量由O至設(shè)定值，在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層。
[0061 ] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述出的流量為25000 — 40000SCCm;所述TMGa的純度大于等于99.99%，所述TMGa的恒溫槽的溫度為(_5)_15°C ;所述TMAl的純度大于等于99.99%，所述TMAl的恒溫槽的溫度為10-28°C;所述AsH3的純度大于等于99.99%;所述PH3的純度大于等于99.99 %。
[0062]特別優(yōu)選的，所述TMGa的純度為99.9999%，所述TMAl的純度為99.9999%，所述AsH3的純度為99.9995% ；所述PH3的純度為99.9995%。
[0063]本發(fā)明的有益效果為:
[0064]1、本發(fā)明采用藍(lán)寶石襯底代替了傳統(tǒng)的Ge襯底和GaAs襯底，降低了太陽能電池生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)的單片面積。
[0065]2、通過調(diào)整AlGaAs背場(chǎng)層和AlGaAs窗口層中各自Al組分，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光高低能態(tài)光子的吸收，極大的提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換效率，比普通的太陽能電池效率提高20 %以上，達(dá)到了 17%以上的轉(zhuǎn)換效率，為使用藍(lán)寶石襯底大規(guī)模量產(chǎn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0066]圖1為PN結(jié)的原理圖。
[0067]圖2為本發(fā)明藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0068]1、太陽光，2、P區(qū)，3、N區(qū)，4、電流方向，5、藍(lán)寶石襯底，6、低溫GaP緩沖層，7、高溫GaP緩沖層，8、GaP歐姆接觸層，9、GaAsP過渡層，10、GaAs緩沖層，11、AlGaAs背場(chǎng)層，12,GaAs 基層，13、GaAs發(fā)射層，14、AlGaAs窗口層，15、GaAs電極接觸層。
【具體實(shí)施方式】
[0069]下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步限定，但不限于此。
[0070]實(shí)施例1
[0071]—種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括依次從下到上設(shè)置的藍(lán)寶石襯底5、低溫GaP緩沖層6、高溫GaP緩沖層7、6&?歐姆接觸層8、6&48卩過渡層9、6&48緩沖層10)16&六8背場(chǎng)層11、GaAs基層12、GaAs發(fā)射層13、AlGaAs窗口層14、GaAs電極接觸層15。如圖2所不。
[0072]低溫GaP緩沖層6、高溫GaP緩沖層7用于和藍(lán)寶石襯底5實(shí)現(xiàn)完美的晶格匹配，避免藍(lán)寶石襯底5表面與新生長(zhǎng)材料帶來的缺陷與位錯(cuò)，并為下一步生長(zhǎng)提供了新鮮的界面；GaAsP過渡層8與GaAs緩沖層10的實(shí)現(xiàn)GaP材料轉(zhuǎn)GaAs材料的過渡;AlGaAs背場(chǎng)層11因?yàn)槠浣麕挾缺容^高，能降低背面的電子復(fù)合，起到阻止電子流失的作用;GaAs基層12為電子聚集提供了場(chǎng)所;GaAs發(fā)射層13為空穴聚集提供了場(chǎng)所;AlGaAs窗口層14，因?yàn)槠浣麕挾茸罡撸阅芷鸬解g化表面，降低非輻射復(fù)合，為空穴能在GaAs發(fā)射層13聚集起到阻止作用；位于最上層的GaAs電極接觸層15起到接通電極的作用。
[0073]本發(fā)明采用藍(lán)寶石襯底5，在成本上比Ge襯底和GaAs襯底更有優(yōu)勢(shì)，并且，本發(fā)明還解決了藍(lán)寶石襯底5與GaAs材料之間晶格失配以及熱膨脹系數(shù)問題。
[0074]AlGaAs背場(chǎng)層11采用AlxGal-XAs材料，X = 0.41; AlGaAs窗口層 14采用AhGal-YAs材料，Υ = 0.62。
[0075]通過調(diào)整AlxGal-xAs材料和AhGal-YAs材料中各自Al的組分，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光高低能態(tài)光子的吸收，極大地提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換效率，比普通的太陽能電池效率提高20%。
[0076]低溫GaP緩沖層6的厚度為25nm，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3;高溫GaP緩沖層7的厚度為0.5μπι，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3; GaP歐姆接觸層8的厚度為3.2μπι，摻雜濃度為4Ε19個(gè)原子/cm3;GaAsP過渡層9的厚度為0.52μπι，摻雜濃度為4Ε19個(gè)原子/cm3;GaAs緩沖層10的厚度為0.65ym，摻雜濃度為6Ε17個(gè)原子/cm3。
[0077]AlGaAs背場(chǎng)層11厚度為0.27um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3;GaAs基層12的厚度為3.2um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3 ;GaAs發(fā)射層13的厚度為0.6um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;AlGaAs窗口層14的厚度為0.15um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;GaAs電極接觸層15的厚度為0.5um，摻雜濃度為1E20個(gè)原子/cm3。
[0078]實(shí)施例2
[0079]根據(jù)實(shí)施例1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，
[0080]AlGaAs 背場(chǎng)層 11 采用 AlxGal-XAs 材料，X = 0.5 ;AlGaAs窗口層 14 采用AhGal-YAs 材料，Υ = 0.5ο
[0081 ] 低溫GaP緩沖層6的厚度為50nm，摻雜濃度為6Ε19個(gè)原子/cm3;高溫GaP緩沖層7的厚度為Ιμπι，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;GaP歐姆接觸層8的厚度為5μπι，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;GaAsP過渡層9的厚度為Ιμπι，摻雜濃度為5Ε19個(gè)原子/cm3;GaAs緩沖層10的厚度為Iym，摻雜濃度為5E18個(gè)原子/cm3。
[0082]實(shí)施例3
[0083]根據(jù)實(shí)施例1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，AlGaAs背場(chǎng)層11采用八]^31-1八8材料，父=0;八]^八8窗口層14采用AlYGal-YAs材料，Y= I ；
[0084]低溫GaP緩沖層6的厚度為10nm，摻雜濃度為1E19個(gè)原子/cm3;高溫GaP緩沖層7的厚度為0.3μπι，摻雜濃度為1E19個(gè)原子/cm3;GaP歐姆接觸層8的厚度為2μπι，摻雜濃度為1E19個(gè)原子/cm3;GaAsP過渡層9的厚度為0.5μπι，摻雜濃度為1Ε19個(gè)原子/cm3;GaAs緩沖層10的厚度為0.5μπι，摻雜濃度為1E17個(gè)原子/cm3。
[0085]實(shí)施例4
[0086]根據(jù)實(shí)施例1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，AlGaAs背場(chǎng)層 11 采用AlxGal-XAs 材料，X = 0.2;AlGaAs窗口層 14 采用 AhGal-YAs材料，Υ = 0.8;
[0087]低溫GaP緩沖層6的厚度為45nm，摻雜濃度為5Ε19個(gè)原子/cm3;高溫GaP緩沖層7的厚度為0.9μπι，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3 ;GaP歐姆接觸層8的厚度為4.5μπι，摻雜濃度為5Ε19個(gè)原子/cm3 ;GaAsP過渡層9的厚度為0.9μπι，摻雜濃度為5Ε19個(gè)原子/cm3 ;GaAs緩沖層10的厚度為0.9μπι，摻雜濃度為4Ε18個(gè)原子/cm3。
[0088]實(shí)施例5
[0089]根據(jù)實(shí)施例1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于，AlGaAs背場(chǎng)層11采用AlxGal-xAs材料，X = 0.49; AlGaAs窗口層 14采用AhGal-YAs材料，Y=0.51;
[0090]低溫GaP緩沖層6的厚度為16nm，摻雜濃度為2E19個(gè)原子/cm3;高溫GaP緩沖層7的厚度為0.35μπι，摻雜濃度為2E19個(gè)原子/cm3;GaP歐姆接觸層8的厚度為2.5μπι，摻雜濃度為2Ε19個(gè)原子/cm3 ;GaAsP過渡層9的厚度為0.6μπι，摻雜濃度為2Ε19個(gè)原子/cm3 ;GaAs緩沖層10的厚度為0.6μπι，摻雜濃度為2Ε17個(gè)原子/cm3。
[0091 ] 實(shí)施例6
[0092]實(shí)施例1-5任一所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，包括采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底5上生長(zhǎng)外延層，工藝條件為:反應(yīng)室壓力:50 — 200mbar，H2流量為25000 — 40000sccm;有機(jī)金屬源TMAl的純度為99.9999%，所述TMAl的恒溫槽的溫度為10-28°C;有機(jī)金屬源TMGa的純度為99.9999%，所述了1?^的恒溫槽的溫度為(-5)-15°(:;AsH3的純度為99.9995%Si2H6的純度為99.9995% ；具體步驟包括:
[0093](I)在850°C溫度下，通入H2,對(duì)所述藍(lán)寶石襯底5進(jìn)行熱處理18min;
[0094](2)降溫至400°C，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底5上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層6 ；停止生長(zhǎng)，反應(yīng)室溫度升至700 0C，退火3min ；
[0095](3)升溫至650°C，在所述低溫GaP緩沖層6上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層7;
[0096](4)在所述高溫GaP緩沖層7生長(zhǎng)所述GaP歐姆接觸層8;
[0097](5)通入AsH3，逐步控制PH3的流量至O，并相應(yīng)提升AsH3流量由O至設(shè)定值，在所述GaP歐姆接觸層8上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層9 ；
[0098](6)停止通入PH3,在所述GaAsP過渡層9上生長(zhǎng)所述GaAs緩沖層10;
[0099](7)通入TMAl，在所述GaAs緩沖層10上生長(zhǎng)所述AlGaAs背場(chǎng)層11;
[0100](8)降溫至550°C，在所述AlGaAs背場(chǎng)層11上生長(zhǎng)所述GaAs基層12;
[0101](9)保持溫度550°C，在所述GaAs基層12上生長(zhǎng)所述GaAs發(fā)射層13;
[0102](10)保持溫度550°C，在所述GaAs發(fā)射層13上生長(zhǎng)所述AlGaAs窗口層14;
[0103](11)降溫至500°C，在所述AlGaAs窗口層14上生長(zhǎng)所述GaAs電極接觸層15。
[0104]在制備的單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)上經(jīng)過金屬蒸鍍、光刻電極，并蒸鍍Ti02/Si02雙層減反膜，在AM0，lsun，25°C條件下實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率為17%。
[0105]實(shí)施例7
[0106]實(shí)施例1-5任一所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，包括采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底5上生長(zhǎng)外延層，工藝條件為:反應(yīng)室壓力:50 — 200mbar，H2流量為25000 — 40000sccm;有機(jī)金屬源TMAl的純度為99.9999%，所述TMAl的恒溫槽的溫度為10-28°C;有機(jī)金屬源TMGa的純度為99.9999%，所述了1?^的恒溫槽的溫度為(-5)-15°(:;AsH3的純度為99.9995%Si2H6的純度為99.9995% ；具體步驟包括:
[0107](I)在850°C溫度下，通入H2,對(duì)所述藍(lán)寶石襯底5進(jìn)行熱處理18min;
[0108](2)降溫至600°C，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底5上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層6 ；停止生長(zhǎng)，反應(yīng)室溫度升至850 0C，退火15min;
[0109](3)升溫至750V，在所述低溫GaP緩沖層6上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層7;
[0110](4)在所述高溫GaP緩沖層7生長(zhǎng)所述GaP歐姆接觸層8;
[0111](5)通入AsH3，逐步控制PH3的流量至O，并相應(yīng)提升AsH3流量由O至設(shè)定值，在所述GaP歐姆接觸層8上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層9 ；
[0112](6)停止通入PH3，在所述GaAsP過渡層9上生長(zhǎng)所述GaAs緩沖層10 ；
[0113](7)通入TMAl，在所述GaAs緩沖層10上生長(zhǎng)所述AlGaAs背場(chǎng)層11;
[0114](8)降溫至700°C，在所述AlGaAs背場(chǎng)層11上生長(zhǎng)所述GaAs基層12;
[0115](9)保持溫度750°C，在所述GaAs基層12上生長(zhǎng)所述GaAs發(fā)射層13;
[0116](10)保持溫度750°C，在所述GaAs發(fā)射層13上生長(zhǎng)所述AlGaAs窗口層14;
[0117](11)降溫至600°C，在所述AlGaAs窗口層14上生長(zhǎng)所述GaAs電極接觸層15。
[0118]在制備的單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)上經(jīng)過金屬蒸鍍、光刻電極，并蒸鍍Ti02/Si02雙層減反膜，在AM0，lsun，25°C條件下實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率為16%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括依次從下到上設(shè)置的藍(lán)寶石襯底、低溫GaP緩沖層、高溫GaP緩沖層、GaP歐姆接觸層、GaAsP過渡層、GaAs緩沖層、AlGaAs背場(chǎng)層、GaAs基層、GaAs發(fā)射層、AlGaAs窗口層、GaAs電極接觸層，所述低溫GaP緩沖層的厚度為15_50nm，摻雜濃度為1E19-6E19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.3-Ιμπι，摻雜濃度為1E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為2_5μπι，摻雜濃度為1Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.5-1μπι，摻雜濃度為1Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.5-1μπι，摻雜濃度為1Ε17-5Ε18個(gè)原子/cm3。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低溫GaP緩沖層的厚度為16-45nm，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.35-0.9μπι，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為2.5-4.5μπι，摻雜濃度為2E19-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.6-0.9μπι，摻雜濃度為2Ε19-5Ε19個(gè)原子/cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.6-0.9μπι，摻雜濃度為2Ε17-4Ε18個(gè)原子/cm3 ； 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述低溫GaP緩沖層的厚度為25nm，摻雜濃度為4Ε19個(gè)原子/cm3;所述高溫GaP緩沖層的厚度為0.5μπι，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3;所述GaP歐姆接觸層的厚度為.3.2μπι，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/cm3;所述GaAsP過渡層的厚度為0.52μπι，摻雜濃度為4E19個(gè)原子/ cm3;所述GaAs緩沖層的厚度為0.65μηι，摻雜濃度為6Ε17個(gè)原子/ cm3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，AlGaAs背場(chǎng)層采用AlxGa1-XAs材料，X的取值范圍為0-0.5;進(jìn)一步優(yōu)選的，X的取值范圍為0.2-0.49;特別優(yōu)選的，X = 0.41。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，AlGaAs窗口層采用AhGa1-YAs材料，Y的取值范圍為0.5-1 ；進(jìn)一步優(yōu)選的，Y的取值范圍為0.51-0.9；特別優(yōu)選的，Y = 0.62。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlGaAs背場(chǎng)層的厚度為0.1-0.5μm，摻雜濃度為lE17-5E18個(gè)原子/Cm3;所述GaAS基層厚度為2-5um，摻雜濃度為1E17-5E18個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層厚度為0.5-lum，摻雜濃度為1E18-5E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層厚度為0.03-0.lum，摻雜濃度為lE18-5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAs電極接觸層厚度為0.2-lum，摻雜濃度為1E18-1E20個(gè)原子/cm3; 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述AlGaAs背場(chǎng)層厚度為0.15-0.45μm，摻雜濃度為2E17-4E18個(gè)原子/cm3;所述GaAs基層的厚度為3-5um，摻雜濃度為2E17-4E18個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層的厚度為0.51-0.9um，摻雜濃度為2E18-9E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層的厚度為0.04-.0.9um，摻雜濃度為3E18-1E20個(gè)原子/cm3;所述GaAs電極接觸層的厚度為0.2-0.9um，摻雜濃度為2E18-1E20個(gè)原子/cm3 ； 特別優(yōu)選的，所述AlGaAs背場(chǎng)層厚度為0.27um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3;所述GaAs基層的厚度為3.2um，摻雜濃度為7E17個(gè)原子/cm3;所述GaAs發(fā)射層的厚度為0.6um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;所述AlGaAs窗口層的厚度為0.15um，摻雜濃度為5E19個(gè)原子/cm3;所述GaAs電極接觸層的厚度為0.5um，摻雜濃度為1E20個(gè)原子/cm3。6.權(quán)利要求1-5任一所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，包括采用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)外延層，其特征在于，具體步驟包括: (1)在600-900°C溫度下，通入H2，對(duì)所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行熱處理； (2)降溫至400-6000C，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層； (3)升溫至650-7500C，在所述低溫GaP緩沖層上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層； (4)在所述高溫GaP緩沖層生長(zhǎng)所述GaP歐姆接觸層； (5)在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層； (6)停止通入PH3，在所述GaAsP過渡層上生長(zhǎng)所述GaAs緩沖層； (7)通入TMAl，在所述GaAs緩沖層上生長(zhǎng)所述AlGaAs背場(chǎng)層； (8)降溫至550-7000C，在所述AlGaAs背場(chǎng)層上生長(zhǎng)所述GaAs基層； (9)保持溫度550-750°C，在所述GaAs基層上生長(zhǎng)所述GaAs發(fā)射層； (10)保持溫度550-7500C，在所述GaAs發(fā)射層上生長(zhǎng)所述AlGaAs窗口層； (11)降溫至500-6000C，在所述AlGaAs窗口層上生長(zhǎng)所述GaAs電極接觸層。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)-(3)中， (1)在850°C溫度下，通入H2，對(duì)所述藍(lán)寶石襯底進(jìn)行熱處理； (2)降溫至600V，通入TMGa和PH3，在所述藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)所述低溫GaP緩沖層； (3)升溫至750V，在所述低溫GaP緩沖層上生長(zhǎng)所述高溫GaP緩沖層。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備中，MOCVD設(shè)備的壓力為50-200mbar ；所述步驟(5)中，在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層，具體是指:通入AsH3，逐步控制PH3的流量至0，并相應(yīng)提升AsH3流量由O至設(shè)定值，在所述GaP歐姆接觸層上生長(zhǎng)所述GaAsP過渡層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述H2的流量為25000 — 40000sccm;所述TMGa的純度大于等于99.99%，所述TMGa的恒溫槽的溫度為(-5) -15 °C ;所述TMAl的純度大于等于99.99%,所述TMAl的恒溫槽的溫度為10-28°C ；所述AsH3的純度大于等于99.99% ;所述PH3的純度大于等于99.99%。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種藍(lán)寶石襯底單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述TMGa的純度為99.9999%，所述TMAl的純度為99.9999%，所述AsH3的純度為.99.9995%;所述 PH3 的純度為 99.9995 %。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK105938855SQ201610480333
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】張雨, 張新, 吳德華, 于軍
【申請(qǐng)人】山東浪潮華光光電子股份有限公司