一种砷化镓‑硅多结高效太阳电池的制备方法与流程

本发明涉及太阳电池技术领域，特别是涉及一种砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法。

背景技术：

全球性的能源危机和环境恶化正威胁着人类的长期稳定发展，能源与环境问题成了21世纪人类面临的两大主要问题。太阳能光伏发电是解决能源与环境问题，实现人类社会可持续发展的有效途径。据欧洲光伏工业协会(EPIA)预测，到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上。然而，和传统发电方式相比，太阳电池光伏发电的成本仍然非常高，这就限制了太阳能光伏发电的大规模应用。

Si材料的太阳电池技术是目前最为成熟的商用光伏发电技术。其特点是成本相对较低，但光电转换效率并不是各种太阳电池技术中最高的。多晶硅太阳电池批产效率在14％～16％左右，单晶硅太阳电池批产效率在17～19％左右。而硅太阳电池光电转换效率的理论极限为25％，因此硅太阳电池批产效率很难再加以提高。

砷化镓(GaAs)太阳电池作为典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池，是目前光电转换效率最高的太阳电池材料体系，多结的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池光电转换效率可达32％以上。但是其有着成本过高的缺点，目前仅应用于空间太阳电池和聚光太阳电池。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法，该砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法运用对准键合技术与衬底剥离复用技术将硅太阳电池与砷化镓太阳电池异质集成在一起，兼具硅太阳电池成本优势与砷化镓太阳电池光电转换效率优势，能够进一步降低太阳能光伏发电成本。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法，至少包括如下步骤：

步骤101、采用扩散或者离子注入的方式制备Si太阳电池；

步骤102、制备GaAs太阳电池；

步骤103、在Si太阳电池与GaAs太阳电池上分别制备相同尺寸的金属栅线电极作为接触电极；

步骤104、使用透明环氧树脂将Si太阳电池与GaAs太阳电池按照接触电极图形对准键合；

步骤105、采用衬底剥离复用技术，使用HF酸将AlAs牺牲层腐蚀掉，得到GaInP/InGaAs/Si 3结叠层太阳电池与复用的GaAs衬底；

步骤106、制作电池上下电极；

步骤107、制备电池减反射膜。

进一步：所述步骤101具体为：

步骤1011、使用P型掺杂的Si衬底，厚度为150μm～500μm，掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸cm^-3；

步骤1012、采用标准RCA溶液硅片进行表面处理，去除表面杂质污染；

步骤1013、采用扩散或者离子注入的方式制备Si子电池，所述Si子电池PN结深度为0.3～0.8μm；所述Si子电池的禁带宽度为1.12eV。

进一步：所述步骤102具体为：

步骤1021、采用n型掺杂的GaAs衬底，厚度为200-600μm，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；

步骤1022、外延生长InGaAs缓冲层；

步骤1023、外延生长AlAs牺牲层，其中AlAs牺牲层的厚度范围是100～300nm；

步骤1024、外延生长盖帽层：掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3的n型GaAs重掺层，厚度为100～200nm；

步骤1025、反向外延生长第一结GaInP子电池；

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型AlInP窗口层，厚度为50～400nm；

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的n型Ga_aIn_1-aP发射区，厚度为100～500nm，其中0.3≤a≤0.8；

掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3的p型Ga_bIn_1-bP基区，厚度为1000～5000nm，其中0.3≤b≤0.8；

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型AlGaInP背场，厚度为50～400nm；

步骤1026、外延生长隧穿结：依次生长掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型Ga_cIn_1-cP层和n型Ga_dIn_1-dP层，其中0.3≤c≤0.6，0.3≤d≤0.6，厚度为50～150nm。

步骤1027、反向外延生长第一结InGaAs子电池：

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型GaInP窗口层，厚度为50～400nm；

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的n型In_eGa_1-eAs发射区，厚度为100～500nm，其中0.3≤e≤0.8；

掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3的p型In_fGa_1-fAs基区，厚度为1000～5000nm，其中0.3≤f≤0.8；

掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型AlGaAs背场，厚度为50～400nm。

进一步：所述步骤103具体为：

所述Si太阳电池为单结Si太阳电池，所述GaAs太阳电池为双结GaInP/InGaAs太阳电池，使用电子束蒸发方法在单结Si太阳电池与双结GaInP/InGaAs太阳电池表面制备相同尺寸的Ti栅线电极、Ag栅线电极、Au栅线电极作为接触电极，其中Ti栅线电极的厚度范围为0.5～2μm，Ag栅线电极的厚度范围为3～10μm，Au栅线电极的厚度范围为0.1～0.5μm；栅线宽度为10～20μm，相邻栅线电极间距范围为700～1200μm。

进一步：所述步骤104具体为：

使用键合对准夹具，将Si太阳电池与GaAs太阳电池栅线接触电极对准，并通过透明环氧树脂将其键合，其中键合温度范围为150～300℃，键合压力范围为0.3～0.8Mpa。

进一步：所述步骤105具体为：

采用衬底剥离复用技术，使用HF酸将AlAs牺牲层腐蚀掉，得到GaInP/InGaAs/Si 3结叠层太阳电池与复用的GaAs衬底，其中HF酸浓度范围为10％～25％，腐蚀温度范围为40～60℃。

进一步：所述步骤106具体为：通过电子束蒸发制备电池上下电极。

根据权利要求1所述砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法，其特征在于：所述步骤107具体为：在电池表面蒸镀氧化铝、氧化钛的双层减反射膜，其中氧化铝厚度范围是20～70nm，氧化钛氧化铝厚度范围是20～70nm。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案：

1、本发明将硅太阳电池与砷化镓太阳电池异质集成在一起。制备出GaInP(1.88eV)/InGaAs(1.41eV)/Si(1.12eV)3结叠层太阳电池。对比硅太阳电池的单一带隙材料将多种带隙宽度不同的半导体材料构成多结级联太阳电池,用各结子电池去吸收与其带隙宽度最为匹配的太阳光谱波段,从而实现对太阳光谱最大化的有效利用，最大限度提升了太阳电池的光电转换效率。

2、本发明采用对准键合技术，将带有金属栅线图形的硅太阳电池与砷化镓太阳电池集成起来，电池间其他空隙填充以透明的环氧树脂，实现两种电池的透明导电连接。相比于直接在Si材料上外延生长Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，通过键合技术的异质集成，不用考虑Si材料与Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的晶格失配问题，大大降低工艺难度，节省成本。

3、本发明采用衬底剥离复用技术，在完成硅太阳电池与砷化镓太阳电池键合后，可以将外延生长砷化镓太阳电池GaAs衬底完整剥离，在相应处理后可使用其重复外延生长砷化镓太阳电池薄膜，达到衬底复用目的，进一步降低成本。

附图说明

图1是本发明优选实施例的结构图。

其中：1、减反射膜；2、GaInP子电池；3、隧道结；4、InGaAs子电池；5、接触电极；6、透明环氧树脂；7、Si子电池。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种砷化镓-硅多结高效太阳电池的制备方法，包括：

1、单结Si(1.12eV)太阳电池制备：

a、使用P型掺杂的Si衬底，其厚度为150-500μm，掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸cm^-3。

b、采用标准RCA溶液硅片进行表面处理，去除表面杂质污染；

c、采用扩散或者离子注入的方式制备Si子电池7，Si子电池7PN结深度为0.3～0.8μm；所述Si子电池的禁带宽度为1.12eV；

2、双结GaInP(1.88eV)/InGaAs(1.41eV)太阳电池(该太阳电池包括GaInP子电池2和InGaAs子电池两部分)制备：

a、采用n型掺杂的GaAs衬底，其厚度为200-600μm，掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

b、外延生长InGaAs缓冲层。

c、外延生长AlAs牺牲层，其中AlAs层厚度100～300nm，

d、外延生长盖帽层：掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3的n型GaAs重掺层，厚度为100～200nm。

e、反向外延生长第一结GaInP子电池：掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型AlInP窗口层，厚度为50～400nm；掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的n型Ga_xIn_1-xP发射区，厚度为100～500nm，其中0.3≤x≤0.8；掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3的p型Ga_xIn_1-xP基区，厚度为1000～5000nm，其中0.3≤x≤0.8；掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型AlGaInP背场，厚度为50～400nm。

f、外延生长隧穿结：依次生长掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型Ga_xIn_1-xP层和n型Ga_xIn_1-xP层，其中0.3≤x≤0.6，厚度为50～150nm。

g、反向外延生长第一结InGaAs子电池：掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的n型GaInP窗口层，厚度为50～400nm；掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3的n型In_xGa_1-xAs发射区，厚度为100～500nm，其中0.3≤x≤0.8；掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁸cm^-3的p型In_xGa_1-xAs基区，厚度为1000～5000nm，其中0.3≤x≤0.8；掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的p型AlGaAs背场，厚度为50～400nm。

3、使用电子束蒸发方法在单结Si太阳电池与双结GaInP/InGaAs太阳电池表面制备相同尺寸的Ti/Ag/Au栅线电极作为接触电极5，其中Ti厚度为0.5～2μm，Ag厚度为3～10μm，Au厚度为0.1～0.5μm。栅线宽度为10～20μm，栅线间距为700～1200μm。

4、使用键合对准夹具，将Si太阳电池与GaAs太阳电池栅线接触电极对准，并通过透明环氧树脂6将其键合，其中键合温度为150～300℃，键合压力为0.3～0.8Mpa。

5、采用衬底剥离复用技术，使用HF酸将AlAs牺牲层腐蚀掉，得到GaInP/InGaAs/Si3结叠层太阳电池与复用的GaAs衬底，其中HF酸浓度为10％～25％，腐蚀温度为40～60℃。

6、制作电池器件结构：通过电子束蒸发制备电池上下电极。

7、制备电池减反射膜1：在电池表面蒸镀氧化铝、氧化钛的双层减反射膜，其中氧化铝厚度20～70nm，氧化钛氧化铝厚度20～70nm。

隧穿结3位于GaInP子电池2和InGaAs子电池4之间。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。