[发明专利]四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用的光伏存储设备，尤其涉及一种四结太阳电池的结构设计和器件制备，属于太阳能光伏技术领域。

背景技术

在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下，也在空间飞行器能源系统的需求牵引下，光伏技术领域不断取得突破。晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、III-V族化合物半导体太阳能电池、II-VI族化合物半导体多晶薄膜太阳能电池等，越来越多的太阳能电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。回顾光伏技术在最近10年的发展，在效率提高方面，多结级联式的太阳能电池结构是最引人瞩目的。2007年InGaP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30％。在240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40％。理论上来说，结数越多，效率越高。但在实践上，很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现整体级联电池。因此，目前的多结电池结构主要有两种思路：一是优先考虑晶格匹配而将光电流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的设计，两结GaInP/GaAs电池的效率达到了30％以上。但晶格匹配的电池结构由于其确定的带隙能量，限制了太阳光的光电流的匹配，使得它不能实现对太阳电池的全光谱吸收利用。例如，对于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，底电池Ge上的光电流密度为上两层电池光电流密度的两倍，从而限制了效率的提升。二是优先考虑多结结构的光电流匹配而采用晶格失配的生长方式，从2005年开始，国际上几个著名的研究组，比如NREL，Emcore以及日本的丰田、夏普等越来越多地关注晶格失配的太阳电池结构的研究。通过带隙能量的调整，利用倒置方法生长的InGaAs/(In)GaAs/InGaP电池的效率从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)。最近德国夫琅和费研究所的Eicke Weber教授领导的研究小组将三结GaInP/GaInAs/Ge太阳电池效率提高到了41.1％。

尽管如此，晶格失配的结构设计依赖于高质量的材料生长，而大的晶格失配必然带来失配位错，从而大大增加非辐射复合、降低电池效率。这导致了直接生长的四结串联式电池的效率反而比三结的效率要低。而根据Shockley-Quisser模型，四结带隙能量为1.9/1.4/1.05/0.67eV的太阳电池可以获得超过45％的转换效率，与在同样的一次键合工艺下比Emcore公司提出的双结GaAs/InGaAs电池相比具有非常高的效率上的优势。同时，由于四结结构更能够实现高电压，低电流输出，可以有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻热损失，而超高倍聚光电池可以大大地降低太阳电池成本，从而为III-V族化合物半导体太阳电池在产业化方面的进展起到了极大地推动。

基于晶格失配的太阳电池在材料生长上的限制以及四结以上电池研制的需要，通过外延直接键合的方法实现大失配晶格材料的直接单片多结电池集成已经被证明具有很大的潜力。利用外延键合不仅可以解决晶格失配所带来的材料生长难题，而且还可以使用Si衬底代替昂贵的InP或GaAs，从而降低电池成本。在四结电池的研制上，美国波音-光谱公司以及加州理工的科学家们提出了将Ge衬底上的双结GaInP/GaAs电池和InP衬底上生长的InGaAsP/InGaAs(1.0/0.72eV)键合的方法，以实现单片四结GaInP/GaAs/[Ge/InP键合介面]/InGaAsP/InGaAs集成。虽然使用了晶格匹配的材料结构，但Ge/InP会吸收能量在1.42eV以下的太阳光，从而降低InGaAsP/InGaAs电池的效率。因此，必须要在键合之前获得Ge薄层，这会大大增加电池研制的工艺困难。另外采用倒置生长，然后进行键合工艺的方法，也能得到和太阳光谱匹配的四结电池，但是增加了一步衬底剥离工艺，不但增加了电池制作成本，也增加了影响电池效率的因素。

发明内容