一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层。本实用新型专利技术通过对Si衬底500‑850℃高温热处理，并且在500‑750℃生长GaAs低温缓冲层，在600‑750℃生长GaAs高温缓冲层，解决了Si衬底与GaAs材料的晶格匹配问题，通过高低温切换实现了GaAs材料在Si衬底上进行生长的可能性，为继续生长新材料提供新鲜界面，为Si衬底生长GaAs太阳能电池提供了更为广泛和高效的方法和途径。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，属于光电子

技术介绍
太阳能电池(Solar Cell)可大致分为三代，第一代为硅晶电池，又可大致分为单晶硅与多晶硅两种，商业应用之历史最悠久，已被广泛应用于家庭与消费性商品；第二代产品为薄膜太阳能电池，主要构成材料为非晶硅(Amorphous)与二六族化合物半导体，常被运用于建筑涂料；第三代即为砷化镓三五族太阳能电池，砷化镓(GaAs)被运用于太空作为发电用途已有很长的历史，主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性，因此被广泛利用在太空发电用途，唯价格过于高昂，故过去未被使用于地面及家庭消费性用途。然而随着人类对半导体材料的认识益深，搭配上聚光光学组件，如今砷化镓电池之转换效率已可高达40％，制造成本亦大幅降低。在全球热切寻找永续替代能源的今日，高效率砷化镓太阳能电池将是光能发电的另一项重要选择。太阳电池是一种能量转换的光电元件，它是经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能，此种光电元件称为太阳电池(Solar Cell)。从物理学的角℃来看，有人称之为光伏电池(Photovoltaic，简称PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是电力(electricity)。太阳电池的种类繁多，若依材料的种类来区分，可分为单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon，简称a-Si)、III-Ⅴ族[包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)]、II-Ⅵ族[包括：碲化镉(CdTe)、硒化铟铜(CuInSe 2)]等。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。太阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。其原理是当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P区移动，而P区中的电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。如图1所示。由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5％(一般在19.5％左右)，产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。使用Si衬底，用MOCVD技术制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。在Si衬底上进行生长GaAs太阳能电池具有极大的市场前景和技术潜力，Si衬底价格便宜面积大，并且对比其他太阳能常用衬底如Ge衬底资源丰富，对于GaAs衬底处理时不会产生毒类物质，实用意义更大。但是由于Si衬底与GaAs材料禁带系数、热膨胀系数等技术因素有关，目前的技术一直在进行研发探索。中国专利文献CN101859814A公开了一种在硅衬底上生长InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池的方法，首先在硅衬底上外延生长组分渐变的GexSi1－x应力过渡层，然后在应力过渡层上形成应力完全弛豫的Ge薄膜层，接着在上述Ge/GexSi1－x/Si模板上，外延生长形成包括底部Ge子电池、中部GaAs子电池和顶部InGaP子电池的InGaP/GaAs/Ge三结高效太阳能电池。本专利主要是提供直接在Si衬底上通过变温生长GaAs过渡层然后进行生长单结太阳能电池的方法，两者目的一样，但是实现的手段与方法不尽相同。中国专利文献CN103346190A公开了一种Si衬底的四结级联太阳能电池，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联。本技术还提供这种太阳能电池的制备方法。本技术采用Si衬底作为支撑衬底具有良好的机械强度。同时，采用了键合后再正装生长薄层的双结电池的方式，且GaAs与InP薄层键合方法实现了四结电池的晶格匹配生长。但是，该专利存在以下缺陷：没有根本解决材料结构之间的禁带和热膨胀系数问题，多次键合后对材料质量和光电转换效率有一定影响。中国专利文献CN103311354A公开了一种Si衬底三结级联太阳电池，包括按照远离Si衬底的方向依次在Si衬底上生长的第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层。本技术采用Si衬底制作的三结级联太阳能电池，实现带隙能量分别为1.89eV/1.42eV/1.0eV，获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。但是，该专利存在以下缺陷：该结构增加了生产制造成本，并且无法实现从Si衬底直接向GaAs材料过渡形成单结电池的优势，增加了产品的不稳定性。综上所述，现有的单晶、多晶硅、有机物太阳能电池转化效率不高，而使用Ge衬底生长GaAs单结太阳能电池，由于Ge衬底自身价格较高且来源不丰富、成本较高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术提供了一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构；本技术利用MOCVD技术通过温度等手段直接在Si衬底上生长GaAs材料，通过热处理以及GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层解决Si衬底与GaAs单结太阳能电池的禁带和热膨胀系数问题，通过调整结构中Al组分实现最大光电转换效率，为实现大规模量产民用铺平了道路。术语解释1、MOCVD：金属有机化学气相沉积技术，MOCVD设备是半导体化合物生长的常用设备，广泛用于半导体电子器件制造行业。2、掺杂浓度：单位1E19个原子/cm3就是指每单位立方厘米中有1*1019个原子。3、AMO：AM为大气质量，AMO即大气质量为0，代表空间应用环境。4、AM1：表示阳光垂直穿透大气，即0°入射。5、AM1.5：表示阳光以45°入射。本技术的技术方案为：一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层，所述GaAs低温缓冲层的厚度为20-100nm，掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3；所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-3um，掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3。通过对Si衬底500-850℃高温热处理，并且在500-750℃生长GaAs低温缓冲层，在600-750℃生长GaAs高温缓冲层，解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，其特征在于，包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层，所述GaAs低温缓冲层的厚度为20‑100nm，所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3‑3um。

【技术特征摘要】
1.一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，其特征在于，包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层，所述GaAs低温缓冲层的厚度为20-100nm，所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-3um。2.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，其特征在于，所述GaAs低温缓冲层的厚度为50-100nm，所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-2um。3.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，其特征在于，所述GaAs低温缓冲层的厚度为80nm，所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.6um。4.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构，其特征在于，所述AlGaAs背场层厚度为0.1-0.5μm，所述Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨，吴德华，张新，
申请(专利权)人：山东浪潮华光光电子股份有限公司，
类型：新型
国别省市：山东;37