[發明專利]一種GaInP/GaAs/Ge/Si四結太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 202011164078.9
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112289881B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 王智勇;黃瑞;蘭天;代京京;李穎
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L31/0687
• 分類號: H01L31/0687;H01L31/0216;H01L31/18;H01L21/18;H01L21/265
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 朱鵬

本發明公開了一種GaInP/GaAs/Ge/Si四結太陽能電池及其制備方法，太陽能電池自下而成依次包括：Si襯底、Si子電池、Ge膜、Ge子電池、GaAs子電池和GaInP子電池；GaInP子電池頂部AlInP或者GaInP第三窗口層的部分上表面設有GaAs或者InGaAs接觸層和上電極，Ge膜底部設有下電極；制備方法包括Si襯底的制備與Si子電池的外延生長，Ge膜的鍵合與薄膜剝離，Ge子電池的制備，GaAs子電池的制備，GaInP子電池的制備，接觸層的制備，解鍵合，腐蝕SiO₂層，光刻，制備上下電極。本發明主要利用晶圓鍵合和離子注入的方式降低器件制備的成本，提高太陽能芯片光電轉換效率。

技術領域

本發明涉及化合物半導體太陽能電池技術領域，具體涉及一種GaInP/GaAs/Ge/Si四結太陽能電池及其制備方法。

背景技術

面向21世紀，人類文明以前所未有的速度向前發展；在經濟社會不斷發展的過程中，人們也承受著化石燃料面臨短缺的壓力。為了解決這一困境，我們需要找到一種取之不盡用之不竭的綠色能源，而太陽能就可以滿足我們的需要。太陽能發電遠期可以實現大規模應用，而近期可以解決某些特殊領域的應用；據報道，到2030年光伏發電將在世界總發電量中將占5～20％。太陽能發電具有許多優點，比如安全可靠，無噪聲，無污染，無需消耗燃料，不需要機械轉動零件，故障率低等。憑借上述優點，太陽能發電技術爭相被世界各國所研究。

晶體硅太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池、III-V族化合物半導體太陽能電池等太陽能技術的發展日趨成熟。其中，基于GaAs的III-V族化合物半導體多結太陽能電池技術的發展尤為引人矚目。目前，III-V族化合物半導體多結太陽能電池的最高轉化效率已超過30％；在高倍聚光模組聚光的條件下，這種多結太陽能電池的工作效率已超過40％。因此，III-V族化合物半導體多結太陽能電池憑借其在光伏領域內的技術突破，具有廣闊的發展與應用前景。

為了獲得盡可能高的光電轉換效率。級聯電池應滿足材料晶格匹配、禁帶寬度組合合理和頂底子電池電流匹配等基本要求。三元合金GaInP是與GaAs晶格匹配的理想頂電池材料，其禁帶寬度Eg介于1.85eV和1.9eV之間，與GaAs組成的GaInP/GaAs級聯電池，理論轉換效率最大為34％。三結GaInP/GaAs/Ge級聯電池主要是通過離子注入等工藝在Ge襯底上先形成與GaInP/GaAs兩結同向的pn結，然后在用MOCVD技術生長GaAs和GaInP電池，從而形成三個子電池串聯的結構。Ge襯底層的光譜覆蓋范圍較寬，短路電流最大可達到最高轉換效率的2倍多。

由于受到三結電池串聯的制約，傳統的三結GaInP/GaAs/Ge級聯電池的吸收效率不高；另外，Ge襯底的價格比較昂貴，整體成本較高，這些都不利于太陽能電池的大范圍應用。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種GaInP/GaAs/Ge/Si四結太陽能電池及其制備方法。

本發明公開了一種GaInP/GaAs/Ge/Si四結太陽能電池，自下而成依次包括：Si襯底、Si子電池、Ge膜、Ge子電池、GaAs子電池和GaInP子電池；

所述Si子電池為在P型Si襯底上外延生長一層N型Si薄膜，所述N型Si薄膜上沉積有一層SiO₂層并在SiO₂層上鍵合所述Ge膜；

所述GaInP子電池頂部AlInP或者GaInP第三窗口層的部分上表面設有GaAs或者InGaAs接觸層，所述GaAs或者InGaAs接觸層上設有上電極；

所述Si襯底的部分下表面光刻至所述Ge膜的位置，并在Ge膜底部設有下電極。

作為本發明的進一步改進，所述Ge子電池自下而成依次包括Ge緩沖層、Ge第一背場層、Ge第一基區、Ge第一發射區、AlGaAs第一窗口層、AlGaAs或Al(Ga)InP的勢壘層、InGaAs(P)的摻雜層和AlGaAs或Al(Ga)InP的勢壘層。