[發明專利]一種Si襯底GaAs單結太陽能電池結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201610486170.4
• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN105938856B
• 公開（公告）日: 2018-02-09
• 發明（設計）人: 張雨;吳德華;鄧桃;于軍;張新
• 申請（專利權）人: 山東浪潮華光光電子股份有限公司
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/0352;H01L31/04;H01L31/18;C23C16/44
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 楊樹云

技術領域

本發明涉及一種Si襯底GaAs單結太陽能電池結構及其制備方法，屬于光電子技術領域。

背景技術

太陽能電池(Solar Cell)可大致分為三代，第一代為硅晶電池，又可大致分為單晶硅與多晶硅兩種，商業應用之歷史最悠久，已被廣泛應用于家庭與消費性商品；第二代產品為薄膜太陽能電池，主要構成材料為非晶硅(Amorphous)與二六族化合物半導體，常被運用于建筑涂料；第三代即為砷化鎵三五族太陽能電池，砷化鎵(GaAs)被運用于太空作為發電用途已有很長的歷史，主要因為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性，因此被廣泛利用在太空發電用途，唯價格過于高昂，故過去未被使用于地面及家庭消費性用途。然而隨著人類對半導體材料的認識益深，搭配上聚光光學組件，如今砷化鎵電池之轉換效率已可高達40％，制造成本亦大幅降低。在全球熱切尋找永續替代能源的今日，高效率砷化鎵太陽能電池將是光能發電的另一項重要選擇。

太陽電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射后，把光的能量轉換成電能，此種光電元件稱為太陽電池(Solar Cell)。從物理學的角℃來看，有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡稱PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是電力(electricity)。太陽電池的種類繁多，若依材料的種類來區分，可分為單晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon，簡稱a-Si)、III-Ⅴ族[包括：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵銦(InGaP)]、II-Ⅵ族[包括：碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅(CuInSe 2)]等。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源。太陽能光電利用是近些年來發展最快、最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。

其原理是當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現了濃度差。N區的電子會擴散到P區，P區的空穴會擴散到N區，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。

當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P區移動，而P區中的電子往N區移動，從而形成從N區到P區的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。如圖1所示。由于半導體不是電的良導體，電子在通過PN結后如果在半導體中流動，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，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋PN結，以增加入射光的面積。

GaAs(砷化鎵)光電池大多采用液相外延法或MOCVD技術制備。用GaAs作襯底的光電池效率高達29.5％(一般在19.5％左右)，產品耐高溫和輻射，但生產成本高，產量受限，目前主要作空間電源用。使用Si襯底，用MOCVD技術制造GaAs電池是降低成本很有希望的方法。在Si襯底上進行生長GaAs太陽能電池具有極大的市場前景和技術潛力，Si襯底價格便宜面積大，并且對比其他太陽能常用襯底如Ge襯底資源豐富，對于GaAs襯底處理時不會產生毒類物質，實用意義更大。但是由于Si襯底與GaAs材料禁帶系數、熱膨脹系數等技術因素有關，目前的技術一直在進行研發探索。

中國專利文獻CN101859814A公開了一種在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法，首先在硅襯底上外延生長組分漸變的GexSi1－x應力過渡層，然后在應力過渡層上形成應力完全弛豫的Ge薄膜層，接著在上述Ge/GexSi1－x/Si模板上，外延生長形成包括底部Ge子電池、中部GaAs子電池和頂部InGaP子電池的InGaP/GaAs/Ge三結高效太陽能電池。本專利主要是提供直接在Si襯底上通過變溫生長GaAs過渡層然后進行生長單結太陽能電池的方法，兩者目的一樣，但是實現的手段與方法不盡相同。