[發明專利]四結GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太陽電池的制作方法

無效

• 申請號: 201010165596.2
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101859813A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 陸書龍;董建榮;楊輝;黃伍橋
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 陳忠輝

技術領域

本發明涉及太陽能利用的光伏存儲設備，尤其涉及一種四結太陽電池的結構設計和器件制備，屬于太陽能光伏技術領域。

背景技術

在上個世紀70年代引發的能源危機刺激下，也在空間飛行器能源系統的需求牽引下，光伏技術領域不斷取得突破。晶體硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、III-V族化合物半導體太陽能電池、II-VI族化合物半導體多晶薄膜太陽能電池等，越來越多的太陽能電池技術日趨成熟。光電轉換效率的不斷提高及制造成本的持續降低，使得光伏技術在空間和地面都得到了廣泛的應用。回顧光伏技術在最近10年的發展，在效率提高方面，多結級聯式的太陽能電池結構是最引人矚目的。2007年InGaP/(In)GaAs/Ge三結級聯太陽能電池大規模生產的平均效率已經接近30％。在240倍聚光下，這種多結太陽能電池的實驗室AM1.5D效率已經超過了40％。理論上來說，結數越多，效率越高。但在實踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數又非常匹配的兩種材料來實現整體級聯電池。因此，目前的多結電池結構主要有兩種思路：一是優先考慮晶格匹配而將光電流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的設計，兩結GaInP/GaAs電池的效率達到了30％以上。但晶格匹配的電池結構由于其確定的帶隙能量，限制了太陽光的光電流的匹配，使得它不能實現對太陽電池的全光譜吸收利用。例如，對于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三結太陽電池，底電池Ge上的光電流密度為上兩層電池光電流密度的兩倍，從而限制了效率的提升。二是優先考慮多結結構的光電流匹配而采用晶格失配的生長方式，從2005年開始，國際上幾個著名的研究組，比如NREL，Emcore以及日本的豐田、夏普等越來越多地關注晶格失配的太陽電池結構的研究。通過帶隙能量的調整，利用倒置方法生長的InGaAs/(In)GaAs/InGaP電池的效率從2007年的38.9％(81倍聚光，AM1.5D)提高到2008年的40.8％(326倍聚光，AM1.5G)。最近德國夫瑯和費研究所的Eicke?Weber教授領導的研究小組將三結GaInP/GaInAs/Ge太陽電池效率提高到了41.1％。

盡管如此，晶格失配的結構設計依賴于高質量的材料生長，而大的晶格失配必然帶來失配位錯，從而大大增加非輻射復合、降低電池效率。這導致了直接生長的四結串聯式電池的效率反而比三結的效率要低。而根據Shockley-Quisser模型，四結帶隙能量為1.9/1.4/1.0/0.67eV的太陽電池可以獲得超過45％的轉換效率。同時，由于四結結構更能夠實現高電壓，低電流輸出，可以有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻熱損失，而超高倍聚光電池可以大大地降低太陽電池成本，從而為III-V族化合物半導體太陽電池在產業化方面的進展起到了極大地推動。

基于晶格失配的太陽電池在材料生長上的限制以及四結以上電池研制的需要，通過外延直接鍵合的方法實現大失配晶格材料的直接單片多結電池集成已經被證明具有很大的潛力。利用外延鍵合不僅可以解決晶格失配所帶來的材料生長難題，而且還可以使用Si襯底代替昂貴的InP或GaAs，從而降低電池成本。在四結電池的研制上，美國波音-光譜公司以及加州理工的科學家們提出了將Ge襯底上的雙結GaInP/GaAs電池和InP襯底上生長的InGaAsP/InGaAs(1.0/0.72eV)鍵合的方法，以實現單片四結GaInP/GaAs/[Ge/InP鍵合介面]/InGaAsP/InGaAs集成。雖然使用了晶格匹配的材料結構，但Ge/InP會吸收能量在1.42eV以下的太陽光，從而降低InGaAsP/InGaAs電池的效率。因此，必須要在鍵合之前獲得Ge薄層，這會大大增加電池研制的工藝困難。此外，為了降低使用InP襯底而導致的高的電池成本，在工藝上增加了一次鍵合過程，以使用Si代替InP襯底，這同樣會導致電池效率的可能下降。

發明內容

鑒于上述以InGaP/(In)GaAs/Ge三結級聯太陽能電池為代表的光伏技術仍無法達到與太陽光譜的最佳匹配，以及制作單片級聯三結以上的太陽能電池存在的半導體材料間晶格失配的客觀困難，本發明的目的是提出一種四結GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太陽電池的制作方法，在繼承以往三結級聯太陽電池光電轉換效率相對較高、穩定、壽命長的基礎上，制備四結單片高效太陽電池，以獲得高電壓、低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻損失，實現較高的光電轉換效率。

實現本發明的目的的技術方案如下：