[发明专利]一种InGaP/GaAs/InGaAs三结薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化合物半导体薄膜太阳能电池的外延生长和器件制备领域，具体涉及在Ge或GaAs衬底上生长InGaP/GaAs/InGaAs三结高效太阳能电池材料，进而在低价格、低密度、散热性好的新基板上制备出InGaP/GaAs/InGaAs三结高效薄膜太阳能电池器件，同时实现Ge或GaAs衬底可多次重复使用的方法。 

背景技术

由于煤、石油等不可再生能源的逐渐枯竭及其不断造成的环境恶化，人类迫切需要使用绿色能源为人们解决所面临的巨大问题。利用光电转换技术制造的太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多结太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能电池，同时具有耐高温性能、抗辐射能力强、温度特性好等优点，早已经成为对价格不敏感的空间光伏电源的主流技术。近些年来，随着聚光光伏技术的发展，GaAs及相关化合物Ⅲ-Ⅴ族太阳电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。聚光光伏技术通过将一块面积较大的太阳光进行高倍率聚光、浓缩后照射到一个面积比较小的太阳能光伏电池上发电，从而大规模节约太阳能电池晶片。该装置利用大面积、便宜的聚光装置来代替昂贵而且供应紧张的电池芯片，进而达到大幅度降低太阳能光伏发电成本的目的，使太阳能光伏发电具有跟常规能源竞争的能力。因此基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多结太阳能电池的聚光光伏技术已经成为很有市场前景的光伏技术。 

对于本领域技术人员而言，InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池是目前最成熟也是最高效的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多结太阳能电池，该类型太阳能电池的各个子电池的晶格常数基本匹配，且带隙宽度从上而下分别是：InGaP为～1.86eV，GaAs为～1.42eV，Ge为～0.78eV，可以较有效利用太阳光谱，其转换效率(AM1.5)已高 达32％(美国光谱实验室)，而在聚光条件下，其效率为40.1％。然而，InGaP/GaAs/Ge三结电池存在两大问题。第一个问题是该电池是在保证实现晶格完美匹配条件下的一种折衷考虑的三结带隙组合结构，它并不能实现太阳光谱的最佳利用。其中，Ge子电池所产生的光生电流是InGaP和GaAs子电池的两倍左右，这所导致的子电池间电流密度的不匹配将对多结太阳能电池的转换效率产生一定程度的影响。另外一个问题是地球上Ge的资源比较稀缺，并且十分昂贵。Ge衬底的成本占InGaP/GaAs/Ge太阳能电池总成本的30～50％，是造成多结电池价格昂贵的主要因素之一。当大规模生产时，Ge衬底稀缺及昂贵的问题将进一步凸显出来。目前，全球高效率太阳能用锗晶片的生厂主要集中在比利时的优美可(Umicore)公司和美国晶体技术集团(AXT)，这严重威胁到了我国自主外延生长Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多结太阳能电池的战略需求。因此如何有效地提高Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体多结太阳能电池的转换效率以及进一步降低电池制备成本是该技术是否能最终走向规模化地面发电的关键之一。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种InGaP/GaAs/InGaAs三结薄膜太阳能电池的制备方法，具有成本低低价格、低密度、散热性好的优点，并实现Ge或GaAs衬底可多次重复使用。 

1、一种InGaP/GaAs/InGaAs三结薄膜太阳能电池的制备方法，具体为： 

(1)在Ge或GaAs衬底上外延生长Al_xGa_1-xAs作为牺牲层，0.4＜x≤1； 

(2)在牺牲层上外延生长形成底部InGaP子电池； 

(3)在底部InGaP子电池上外延生长形成中部GaAs子电池； 

(4)在中部GaAs子电池上外延生长In组分渐变的InGaP或InGaAs应力过渡层，该应力过渡层与中部GaAs子电池的接触界面符合晶格匹配要求； 

(5)在InGaP或InGaAs应力过渡层上外延生长形成应力完全弛豫的顶部InGaAs子电池，顶部InGaAs子电池与InGaP或InGaAs应力过渡层的接触界面符合晶格匹配要求； 

(6)在顶部InGaAs子电池的表面形成欧姆电极； 

(7)将InGaAs子电池粘接在具有散热性的轻质基板上； 

(8)采用氢氟酸腐蚀掉牺牲层，Ge或GaAs衬底自然剥离得到InGaP/GaAs/InGaAs三结薄膜太阳能电池。