Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池及其制备方法技术

技术编号:18428458 阅读:245 留言:0更新日期:2018-07-12 02:29
本发明专利技术涉及一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池及其制备方法,其中,所述制备方法包括:选取Si衬底,在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底;在所述Ge/Si衬底表面形成SiO2氧化层;用激光再晶化工艺使所述Ge外延层晶化并刻蚀所述SiO2氧化层;在所述Ge外延层上制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层;制备接触电极以完成Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备;本发明专利技术中所述Ge/Si衬底是由磁控溅射经两步法形成薄的Ge外延层,再用激光再晶化工艺使Ge横向结晶生长,可有效降低Ge/Si衬底的位错密度。同时,Si衬底上Ge薄膜厚度也较前述常见方法更薄,从而更有利于光的透过。因此,通过本发明专利技术制备的高质量的Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池将获得更高的光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及集成电路
,特别涉及一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能作为一种重要的可再生的清洁能源,对缓解日益严峻的能源危机和环境污染有着十分重要的意义。太阳能电池是利用半导体的光电转换的技术原理,将太阳能源直接转换成电能的技术。与其他能源相比,太阳电池发电具有以下优点:无枯竭危险;绝对干净;不受资源分布地域的限制;可在用电处就近发电;能源质量高;获取能源花费的时间短。太阳电池主要可分为硅太阳电池和化合物半导体(如砷化镓、碲化镉等)太阳电池两类,就目前的光伏技术而言,硅(Si)和砷化镓(GaAs)基Ⅲ-Ⅴ族太阳电池是进行研究和实现产业化的两大重点。其中硅电池的理论效率大概为23%,而单结的砷化镓电池理论效率达到27%。目前,单结GaAs薄膜电池的实验室纪录效率为26.1%,该值已接近于理论极限,从太阳能利用率的角度来看还是比较低。为了研制高效太阳能电池技术,必须突破限制单结电池效率的主要束缚。而提高电池效率的一种重要方法是采用多结(multi-junction)叠层结构,通常做法是将带隙不同的两个或多个子电池按带隙大小依次串联在一起。当太阳光入射时,高能量光子先被带隙大的子电池吸收,随后低能量光子再被带隙较窄的子电池吸收,依此类推。其实质相当于把太阳光谱分成了几段,各子电池吸收与它带隙最接近的那一段光。这样既增加了对低能量端光谱的吸收率,又降低了高能量光子的能量损失,提高电池效率的优势是很明显的。多结Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池由于具有较高的光电转换效率,已成为高效太阳能电池技术研究的重点内容。目前,多结Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池多以GaAs、Ge和Si基Ge薄膜作为衬底。其中,GaAs和Ge衬底价格相较Si衬底昂贵,机械性能和热稳定性亦不如Si衬底。虽然Si基Ge衬底兼具Si衬底和Ge薄膜的优势,但Si衬底上制备Ge薄膜仍有技术问题需要解决。对于Si衬底上制备Ge薄膜常见的组分渐变SiGe缓冲层技术和低温-高温两步生长法两种方法来说,前者工艺比较复杂,缓冲层较厚;后者仍然无法解决Ge外延层中大量位错的出现,这使得太阳能电池光电转换效率大大降低。因此,选择何种材料及工艺来制作更高的的光电转化效率的太阳能电池变得尤为重要。
技术实现思路
为了获得更高的的光电转化效率的太阳能电池,本专利技术提供了一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现:本专利技术的实施例提供了一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法,其中,所述制备方法包括:(a)选取Si衬底,在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底;(b)在所述Ge/Si衬底表面形成SiO2氧化层;(c)用激光再晶化(LaserRe-Crystallization,简称LRC)工艺使所述Ge外延层晶化并刻蚀所述SiO2氧化层;(d)在所述Ge外延层上制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层;(e))在所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层上制备GaAs接触层和反射膜;(f)制备接触电极以完成Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备。在本专利技术的一个实施例中,所述Si衬底为2μm的单晶Si;所述Ge外延层通过磁控溅射法在所述Si衬底上用两步法工艺生长而成。在本专利技术的一个实施例中,所述Ge外延层厚度为500nm。在本专利技术的一个实施例中,所述SiO2氧化层的厚度为150nm。在本专利技术的一个实施例中,所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层包括:Ge基区、Ge发射区、GaAs窗口层、第一GaAs隧道结、GaAs中电池背场、GaAs基区、GaAs发射区、Ga0.51In0.49P窗口层、第二GaAs隧道结、Ga0.51In0.49P顶电池背场、Ga0.51In0.49P基区、Ga0.51In0.49P发射区以及Al0.53In0.47P窗口层。在本专利技术的一个实施例中,所述激光晶化工艺参数为:激光功率为6.1kW/m,激光移动速度为400mm/min。在本专利技术的一个实施例中,步骤(d)包括:(d1)在所述Ge/Si衬底上形成Ge底电池层;(d2)在所述Ge底电池上形成第一隧道结;(d3)在所述第一隧道结上形成GaAs中电池层;(d4)在所述GaAs中电池上形成第二隧道结;(d5)在所述第二隧道结上形成Ge0.51In0.49P顶电池层。在本专利技术的一个实施例中,步骤(e)包括:(e1)采用MBE工艺,在所述Al0.53In0.47P窗口层表面形成所述GaAs接触层;GaAs接触层厚度为0.5um;(e2)在250℃下,采用PECVD工艺,在所述Al0.53In0.47P窗口层形成所述反射膜。所述反射膜厚度为100nm。在本专利技术的一个实施例中,所述反射膜的材料为Si3N4。本专利技术的另一个实施例提供了一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池,所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池由权利要求1~9任一项所述的方法制备形成。与现有技术相比,本专利技术具有以下有益效果:1、本专利技术使用硅材料作为衬底,降低了太阳能电池的的制造成本;2、本专利技术通过连续激光辅助晶化Ge/Si衬底获得的Ge薄膜厚度小于传统方法Si衬底上Ge薄膜厚度,更有利于光增强透过,进而可提高太阳能电池性能;3、本专利技术通过连续激光辅助晶化可有效降低Ge/Si衬底的位错密度,基于Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池可有效降低复合电流密度,从而获得较高的的光电转化效率。附图说明下面将结合附图,对本专利技术的具体实施方式进行详细的说明。图1为本专利技术实施例提供的一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法流程图;图2为本专利技术实施例提供的一种LRC工艺的示意图;图3为本专利技术实施例提供的一种薄膜受激光照射过程中的温度相变关系示意图;图4为本专利技术实施例提供的一种Ge/Si衬底材料的工艺之有限元仿真结果示意图;图5为本专利技术实施例提供的一种连续LRC工艺效果示意图;以及图6a-图6p为本专利技术实施例的一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法示意图;具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述,但本专利技术的实施方式不限于此。实施例一请参见图1,图1为本专利技术实施例提供的一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法,其中,所述制备方法包括:(a)选取Si衬底,在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底;(b)在所述Ge/Si衬底表面形成SiO2氧化层;(c)用激光再晶化(LaserRe-Crystallization,简称LRC)工艺使所述Ge外延层晶化并刻蚀所述SiO2氧化层;(d)在所述Ge外延层上制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层;(e)在所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层上制备GaAs接触层和反射膜;(f)制备接触电极以完成Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备。其中,所述Si衬底为2μm的单晶Si本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:(a)选取Si衬底,在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底;(b)在所述Ge/Si衬底表面形成SiO2氧化层;(c)用激光再晶化工艺使所述Ge外延层晶化并刻蚀所述SiO2氧化层;(d)在所述Ge外延层上制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层;(e)在所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层上制备GaAs接触层和反射膜;(f)制备接触电极以完成Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备。

【技术特征摘要】
1.一种Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:(a)选取Si衬底,在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底;(b)在所述Ge/Si衬底表面形成SiO2氧化层;(c)用激光再晶化工艺使所述Ge外延层晶化并刻蚀所述SiO2氧化层;(d)在所述Ge外延层上制备GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层;(e)在所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层上制备GaAs接触层和反射膜;(f)制备接触电极以完成Ge/Si衬底的GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池的制备。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Si衬底为2μm的单晶Si;所述Ge外延层通过磁控溅射法在所述Si衬底上用两步法工艺生长而成。3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Ge外延层厚度为500nm。4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述SiO2氧化层的厚度为150nm。5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池层包括:Ge基区、Ge发射区、GaAs窗口层、第一GaAs隧道结、GaAs中电池背场、GaAs基区、GaAs发射区、Ga0.51In0.49P窗口层、第二GaAs隧道结、Ga0.51In0....

【专利技术属性】
技术研发人员:尹晓雪
申请(专利权)人:西安科锐盛创新科技有限公司
类型:发明
国别省市:陕西,61

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