基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP单结电池，该两个电池之间通过晶片键合的方式串联在一起。其制备方法为：采用MOCVD法等依次生长形成GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP单结电池，而后对GaInP/GaAs双结电池的键合面进行减薄、抛光和清洁处理后，与InGaAsP电池键合，其后分别制作上、下电极，形成目标产品。本发明专利技术可形成1.90eV、1.42eV、～1.00eV的带隙组合，降低材料的生长难度，实现对太阳光谱的充分利用，减小各个子电池间的电流失配和光电转换过程中的热能损失，同时提高了1.00eV电池内量子效率，进而提高电池效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及一种，该三结太阳能电池可实现对太阳光谱的充分利用，具有较高电池效率。
技术介绍
在太阳能电池领域，目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GalnP/GaAs/Ge三结电池，该材料体系在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32-33%。该三结电池中Ge 电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，由于受三结电池串联的制约，Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，所以该三结电池的效率还有改进的空间。最直观的想法是在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为 l.OOeV的材料，在保持短路电流不变的情况下，将开路电压提高约0. 60V，在一个太阳下将原来三结电池转换效率提高约20%，四结电池在一个太阳下可望达到约39%的转换效率。迄今为止只有 InGaAsN材料可以既满足晶格匹配又具有1. OOeV的带隙，然而其较高的缺陷密度导致该材料中少子寿命很短，吸收太阳光产生的电子-空穴对没有足够的时间被分离和收集从而产生有效的电流输出，使得用InGaAsN制作的太阳能电池的转换效率远远低于预期。研究人员在寻求别的途径来获得高效太阳能转换，一种方法是调整三结电池的带隙，在尽可能吸收宽的太阳光谱的同时实现三结电池中的电流匹配，主要是采用晶格失配材料体系，由于该途径对材料生长提出很高的要求，即生长高质量的厚度远远大于(几个量级)临界厚度的晶格失配材料，如在GaAs衬底上生长厚度为几微米、晶格失配为2%的Ina 3Ga0.7As材料。 为了生长高质量的Ina3Gaa7As,需要较厚的过渡层以释放2%的晶格应变和将失配位错控制在缓冲过渡层中。但是生长晶格失配2 %的高质量外延层极具挑战性，制备晶格失配的三结电池非常困难。如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配提高内量子效率同时而又不增大材料生长难度成为当前III-V族太阳能电池亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有合理带隙组合的三结太阳能电池及其制备方法， 以实现对太阳光谱的充分利用，减小电流失配，并提高底电池内量子效率，最终提高电池效率。为达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案一种基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于，所述三结太阳能电池包括一以GaAs为衬底的晶格匹配的GalnP/GaAs双结电池和一以InP为衬底的晶格匹配的 InGaAsP单结电池，该两个电池通过晶片键合方式进行连接形成晶格失配的三结太阳能电池。进一步的讲所述GalnP/GaAs双结电池包括先后生长在N型GaAs衬底上的GaAs 电池和GaInP电池，所述GaAs电池和GaInP电池之间由隧道结连接。优选的所述GalnP/GaAs双结电池的带隙组合为1. 90eV和1. 42eV。优选的所述InGaAsP单结电池的带隙为 1. OOeV,其光谱响应在900nm 1250nm 波段。作为一 种优选实施方式所述GalnP/GaAs双结电池采用N型GaAs衬底，且所述 GaAs衬底和GaAs电池之间设有用以实现N型到P型的转换的隧道结；所述InGaAsP单结电池采用P型衬底；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的InP或In (Ga) AlAs窗口层表面键合。更具体地讲所述GalnP/GaAs双结电池包括从下至上依次设置的N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs电池、第二隧道结、GaInP电池和N型GaAs接触层；所述第一隧道结包括沿逐渐远离GaAs缓冲层的方向依次设置的N型AlGaAs或 Al (Ga) InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al) GaAs重掺层和P型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层；所述GaAs电池包括沿逐渐远离第一隧道结的方向依次设置的P型(Al)GaAs或 (Al)GaInP背场层，P型GaAs基区，N型GaAs发射区和N型AlGaAs或(Al)GaInP窗口层；所述第二隧道结包括沿逐渐远离GaAs电池的方向依次设置的N型AlGaAs或 Al (Ga) InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al) GaAs重掺层和P型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层；所述GaInP电池包括沿逐渐远离第二隧道结的方向依次设置的P型AlGaAs或 (Al)GaInP背场层，P型GaInP基区，N型GaInP发射区和N型Al (Ga) InP窗口层；所述InGaAsP单结电池包括从下至上依次设置的P型InP衬底、P型InP缓冲层和InGaAsP电池，所述InGaAsP电池包括沿逐渐远离InP缓冲层的方向依次设置的P型InP 或In(Ga)AlAs背场层、P型InGaAsP基区、N型InGaAsP发射区和N型InP或In(Ga)AlAs 窗口层；所述N型GaAs衬底表面与InGaAsP电池的N型InP或In (Ga) AlAs窗口层表面键合；所述GaAs接触层上设有上电极，所述InP衬底上设有下电极。作为另一种优选实施方式所述GalnP/GaAs双结电池和InGaAsP单结电池分别采用P型GaAs衬底和P型InP衬底，且所述InGaAsP单结电池的窗口层表面生长有用以实现 N型到P型的转换的隧道结；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的隧道结InP或In(Ga)AlAs面键合。更具体的讲所述GalnP/GaAs双结电池包括从下至上依次设置的P型GaAs衬底、P型GaAs缓冲层、GaAs电池、第三隧道结、GaInP电池和N型GaAs接触层，所述GaAs电池包括沿逐渐远离GaAs缓冲层的方向依次设置的P型(Al)GaAs或(Al)GaInP背场层、P型GaAs基区、N 型GaAs发射区和N型AlGaAs或(Al)GaInP窗口层，所述第三隧道结包括沿逐渐远离GaAs 电池的方向依次设置的N型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层、N型GaInP或GaAs重掺层、P型 (Al) GaAs重掺层和P型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层，所述GaInP电池包括沿逐渐远离隧道结的方向依次设置的P型AlGaAs或(Al)GaInP背场层、P型GaInP基区、N型GaInP发射区和N型Al(Ga)MP窗口层；所述InGaAsP单结电池包括从下至上依次设置的P型InP衬底、P型InP缓冲层、 InGaAsP电池和第四隧道结，所述InGaAsP电池包括沿逐渐远离InP缓冲层的方向依次设置的P型InP或h (Ga) AlAs背场层、P型InGaAsP基区、N型InGaAsP发射区和N型hP或 In(Ga)AlAs窗口层，所述第四隧道结包括沿逐渐远离InGaAsP电池的方向依次设置的N型 InP或M(Ga)AlAs势垒层、N型MP重掺层、P型MP重掺层和P型MP或M(Ga)AlAs势垒层；所述P型GaAs衬底表面与InGaAsP电池的第四隧道结P型表面键合；所述GaAs接触层上设有上电极，所述InP衬底上设有下电极。如上所述基于晶片键合的三结太阳能电池的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤(1)在P型GaAs衬底上依次生长GaAs电池和GaInP电池，并将该GaAs电池和 GaInP电池之间以第三隧道结连接，从而形成晶格匹配的fe^nP/GaAs双结电池，同时，在P 型I本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于，所述三结太阳能电池包括一以ＧａＡｓ为衬底的晶格匹配的ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ双结电池和一以ＩｎＰ为衬底的晶格匹配的ＩｎＧａＡｓＰ单结电池，该两个电池通过晶片键合方式进行连接形成晶格失配的三结太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于，所述三结太阳能电池包括一以 GaAs为衬底的晶格匹配的GalnP/GaAs双结电池和一以InP为衬底的晶格匹配的InGaAsP 单结电池，该两个电池通过晶片键合方式进行连接形成晶格失配的三结太阳能电池。2.根据权利要求1所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述GalnP/GaAs双结电池包括先后生长在N型GaAs衬底上的GaAs电池和GaInP电池，所述GaAs电池和GaInP电池之间由隧道结连接。3.根据权利要求1或2所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述 GalnP/GaAs双结电池的带隙组合为1. 90eV和1. 42eV。4.根据权利要求1所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述InGaAsP 单结电池的带隙为 1. OOeV，其光谱响应在900nm 1250nm波段。5.根据权利要求1所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述GalnP/GaAs双结电池采用N型GaAs衬底，且所述GaAs衬底和GaAs电池之间设有用以实现N型到P型的转换的隧道结；所述InGaAsP单结电池采用P型衬底；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的InP或In(Ga)AlAs窗口层表面键合。6.根据权利要求5所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述GalnP/GaAs双结电池包括从下至上依次设置的N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、 第一隧道结、GaAs电池、第二隧道结、GaInP电池和N型GaAs接触层；所述第一隧道结包括沿逐渐远离GaAs缓冲层的方向依次设置的N型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层禾口 P型AlGaAs或Al (Ga) InP 势垒层；所述GaAs电池包括沿逐渐远离第一隧道结的方向依次设置的P型(Al)GaAs或(Al) GaInP背场层，P型GaAs基区，N型GaAs发射区和N型AlGaAs或(Al)GaInP窗口层；所述第二隧道结包括沿逐渐远离GaAs电池的方向依次设置的N型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层禾口 P型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层；所述GaInP电池包括沿逐渐远离第二隧道结的方向依次设置的P型AlGaAs或(Al) GaInP背场层，P型GaInP基区，N型GaInP发射区和N型Al (Ga) InP窗口层；所述InGaAsP单结电池包括从下至上依次设置的P型InP衬底、P型InP缓冲层和 InGaAsP电池，所述InGaAsP电池包括沿逐渐远离InP缓冲层的方向依次设置的P型InP或 In(Ga)AlAs背场层、P型InGaAsP基区、N型InGaAsP发射区和N型InP或In(Ga)AlAs窗口层；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的InP或In(Ga)AlAs窗口层表面键合；所述GaAs接触层上设有上电极，所述InP衬底上设有下电极。7.根据权利要求1所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述GalnP/GaAs双结电池和InGaAsP单结电池分别P型GaAs衬底和P型InP衬底， 且所述InGaAsP单结电池的窗口层表面生长有用以实现N型到P型的转换的隧道结；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的隧道结InP或In(Ga)AlAs面键合。8.根据权利要求7所述的基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于所述GalnP/GaAs双结电池包括从下至上依次设置的P型GaAs衬底、P型GaAs缓冲层、 GaAs电池、第三隧道结、GaInP电池和N型GaAs接触层，所述GaAs电池包括沿逐渐远离GaAs 缓冲层的方向依次设置的P型(Al)GaAs或(Al)GaInP背场层、P型GaAs基区、N型GaAs发射区和N型AlGaAs或(Al)GaInP窗口层，所述第三隧道结包括沿逐渐远离GaAs电池的方向依次设置的N型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层、N型GaInP或GaAs重掺层、P型(Al)GaAs 重掺层和P型AlGaAs或Al (Ga) InP势垒层，所述GaInP电池包括沿逐渐远离隧道结的方向依次设置的P型AlGaAs或(Al)GaInP背场层、P型GaInP基区、N型GaInP发射区和N型 Al (Ga) InP 窗口层；所述InGaAsP单结电池包括从下至上依次设置的P型InP衬底、P型InP缓冲层、 InGaAsP电池和第四隧道结，所述InGaAsP电池包括沿逐渐远离InP缓冲层的方向依次设置的P型InP或In(Ga)AlAs背场层、P型InGaAsP基区、N型InGaAsP发射区和N型InP或 In(Ga)AlAs窗口层，所述第四隧道结包括沿逐渐远离InGaAsP电池的方向依次设置的N型 InP或In (Ga) AlAs势垒层、N型InP重掺层、P型InP重掺层和P型InP或In (Ga) AlAs势垒层；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的第四隧道结表面键合；所述GaAs接触层上设有上电极，所述InP衬底上设有下电极。9.如权利要求1所述基于晶片键合的三结太阳能电池的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤(1)在P型GaAs衬底上依次生长GaAs电池和GaInP电池，并将该GaAs电池和GaInP 电池之间以第三隧道结连接，从而形成晶格匹配的GalnP/GaAs双结电池，同时，在P型InP 衬底上生长InGaAsP电池，并在InGaAsP电池的窗口层上面生长第四隧道结，从而形成晶格匹配的InGaAsP单结电池；或者，在N型GaAs衬底上依次生长GaAs电池和GaInP电池，并在G...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奎龙，董建荣，陆书龙，赵勇明，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32