[发明专利]具有微纳减反结构的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池及制作方法

说明书

本发明公开了一种具有微纳减反结构的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池及制作方法，包括InGaP/InGaAs/Ge三结电池以及顶部表面的微纳结构，表面是六方周期性排布的复合微纳减反结构，本发明主要利用纳米软压印技术，制备出具有微纳减反结构的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池器件，包括微纳条栅结构和复合微纳凸起(凹陷)结构。该结构具有极低的表面反射率，通过调节复合微纳结构的高度及填充因子，使光从空气进入到太阳电池时实现介质折射率缓慢变化，这种等效的折射率缓变结构，减缓了传统电池表面和界面处折射率变化的剧烈程度，极大地降低反射率，同时增加光程，提高有效光吸收，从而实现太阳电池的高转换效率。

技术领域

本发明属于半导体光伏器件领域，涉及一种具有微纳减反结构的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池。利用纳米软压印技术，制备出具有微纳减反结构的InGaP/InGaAs/Ge三结太阳电池器件，包括微纳条栅结构和复合微纳凸起(凹陷)结构，实现表面高减反特性，增加光吸收功率，提高光电流和转换效率。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，人类正面临着资源短缺和生态环境恶化的现状，因此改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的清洁能源越来越受到人们的青睐。1839年，法国物理学家Becquerel意外地发现电解质溶液的“光生伏特效应”。1883年，美国Fritts研制出第一个Au/Se/Metal结构的太阳电池雏形。1930年，Schottky提出固态Cu₂O电池的“光生伏特效应”。1954年，美国贝尔实验室的Pearson发现了单晶硅pn结上的光伏现象。1999年，澳大利亚新南威尔士大学的马丁·格林创造出单晶硅电池效率达25％的最高纪录。至此，光伏事业的帷幕被拉开。

为了节省材料、降低成本，太阳电池的研究开始追求微型化。因此减薄单晶硅电池厚度、创新高效率电池结构、开发新型薄膜光伏材料，成为20世纪后半叶以来科学界关注的重点。1975年，英国科学家Spear等利用硅烷(SiH₄)辉光放电的方法，制作出氢化非晶硅薄膜，实现了掺杂，并制作出了pn结。1976年，美国RCA实验室的Carlson等成功地制成了p-i-n结型非晶硅薄膜太阳电池，光电转换效率为2.4％。1980年，美国RCA实验室的电池效率达到8％。2008年，美国NREL制作出薄膜CnInSe太阳电池，效率高达19.9％。同年，美国MicroLinkDevices公司在直径为100mm的ELO GaAs晶片上制备了GaAs单结薄膜太阳电池，在AM0光谱下效率为21％。2009年，MicroLink Devices公司研制出GaInP/GaAs双结薄膜太阳电池，AM0光谱下效率为25％。2010年，MicroLink Devices公司又研制出GaInP/GaAs/InGaAs三结薄膜太阳电池，在AM1.5光谱下效率为30％。2011年7月，美国United Solar报道三结非晶硅/非晶锗硅/微晶硅电池效率达16.3％。2012年7月，日本Panasonic公司报道厚度100μm的HIT电池效率达23.9％。2014年，日本Sharp公司报道最新三结薄膜GaAs太阳电池效率高达30.5％。这些历程见证光伏事业的蒸蒸日上。

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体具有较高的转换效率等优越特性。以GaAs为例，其能隙与太阳光谱的匹配较合适，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍然很好。用GaAs系材料制备的太阳电池，除了转换效率高、温度特性好，还具有光谱响应特性好、抗辐射能力强等优点。

GaAs太阳电池以其高效率、高可靠性和长寿命的特点已日益成为许多研究机构的关注热点。然而不容忽视的是，尽管其转换效率较硅太阳电池有显著提高，但由于GaAs材料密度大、质量大，严重制约了电池功率重量比的提高。