[发明专利]砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法。

背景技术

目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有Si基薄膜太阳能电池、CIGS薄膜太阳能电池和CdTe薄膜电池等。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性(即玻璃衬底)电池和柔性(不锈钢或聚酯膜衬底)电池。与厚度约为180微米-200微米的普通晶体Si太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的薄膜材料厚度不超过50微米，大量减少了电池用材料，在光伏市场的应用规模逐渐扩大，2010年已经占13%以上的市场份额。但各种薄膜电池都有一些难以解决的瓶颈问题，如：①、Si基薄膜太阳能电池，无论单结、双结还是三结电池，制造工艺都是采用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟气体。荷兰科学家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上发表文章称，这种含氟气体对环境造成的温室效应比CO₂高17200-22800倍。太阳能光伏发电一直以来被认为是绿电，那么在制造环节中也应该采用绿工艺。对于Si基薄膜电池厂商来说，有寻找新的清洗气体替代当前的氟化物的方案，降低温室气体排放。另一种方案是尽快提高电池的转换效率，当稳定效率达到12%-16%，才有可能补偿排放的温室气体对环境的影响。此外由于Si薄膜组件效率低(5%-7%)，在光伏系统应用中单位发电功率占地面积几乎是晶体Si组件(效率为13%-15%)的2倍，相应地，单位发电功率的成本也要增加，可见提高Si基薄膜太阳能电池的光电转换效率是赢得市场的重要条件；②、CIGS薄膜太阳能电池，量产化成功的案例是日本的SolarFrontier公司(前身是Showa Shell公司)；PV-tech.com网站2011年5月还报导了瑞士科学家在柔性塑料衬底上制备出18.7%转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。CIGS薄膜的技术路线是采用蒸发技术溅射加后硒化处理，而硒化处理过程会产生有毒气体，而蒸发技术难以保证大面积CIGS薄膜的均匀性和可靠性，包括薄膜的微结构、光学、电学和厚度等的均匀性和可靠性；③、CdTe薄膜电池由于材料成本高。人们已经开始寻找新的薄膜材料制备太阳能电池。

基于上述薄膜电池的瓶颈问题，人们寻找到一种典型的III-V族化合物半导体材料GaAs，其具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），正好为高吸收率太阳光的值的功能，因此，是很理想的太阳能电池材料。其主要特点：1.光电转换效率高：GaAs基太阳电池满足太阳光谱匹配所需的材料与结构，其光电转换效率记录代表当前世界最高太阳电池光电转换效率记录；2.可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接跃迁型材料,在可见光范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料，同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5-10μm的厚度,而Si太阳电池则需大于150μm，因此，GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小；3.耐高温性能好：GaAs太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围；4.抗辐照性能强：GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性能；5.多结叠层太阳电池的材料。由于III-V族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs等半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，具有很大的提高太阳电池的效率和降低成本的空间。由于上述特点，GaAs薄膜太阳电池已成为业内人士研究的热点。

经检索发现，申请公布号为CN101764165A、名称为多结砷化镓太阳电池的发明专利，包括主要采用MOVPE工艺，在P型Ge衬底上生长GaInP/InGaAs/Ge三结叠层太阳电池；形成由GaInP构成的顶电池、主要由InGaAs构成的中电池和主要由Ge构成的底电池，在顶电池和中电池之间设有AlInP（P⁺）/AlGaAs（P⁺⁺）-GaInP（n⁺⁺）/AlInP（n⁺）隧穿结连接结构，本发明由于采用了以上隧穿结连接结构，不仅能够显著减少入射光的反射，改善中电池的电流密度，还提高了三结电池的转换效率。但是该结构由于存在顶电池和中电池短路电流匹配的矛盾，限制了三结砷化镓太阳电池的研制进展。