本发明专利技术提供一种用于太阳能电池的多层薄膜及其制备方法和用途。本发明专利技术所提供的用于太阳能电池的多层薄膜包括：1)非晶衬底，例如金属、玻璃和陶瓷；和2)由III-V族半导体材料构成的多个串联的P-N结。本发明专利技术通过对外延剥离的方法在非晶衬底上制备多结薄膜太阳能电池，材料化学结构稳定、成本低廉相对较低，可直接组装在可弯折基底或其它非晶衬底上。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体材料
，具体涉及用于多结半导体太阳能电池的多层薄膜及其制备方法和用途，尤其是一种由III-V族半导体材料(GaAs，GaInP等)薄膜构成的高效率的多结太阳能电池。
技术介绍
太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。光伏发电是太阳能利用的一种方式，因其节能和环保的效果，受到广泛的重视。预计到2030年太阳能发电将占世界电力供应的20%以上，2050年达到50%以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中将占有非常重要的地位。传统的太阳能电池，包括基于单晶硅的第一代电池和薄膜型的第二代电池，基本都是半导体P-N结结构。这种结构的电池只能吸收太阳光谱中能量大于其吸收层半导体禁带宽度(Eg)的光子。因此，吸收层半导体禁带宽度(Eg)越小，其所能吸收的光子数也越多， 所能输出的电流密度也越大，但是所能输出的电压越小。光伏电池输出功率与输出电压和输出电流的乘积成正比。所以必须选择合适的半导体材料才能获得最大的输出功率。基于单P-N结结构的太阳能电池，其光吸收层的最佳禁带宽度是1.4电子伏特(eV)。在单倍太阳光强度下，其理论最大转换效率仅为30%。为了进一步增加太阳能电池的光电转换效率，把两个以上P-N结串联起来形成多结半导体太阳能电池，每个P-N结对应吸收特定区域的太阳光谱。图1为三结半导体太阳能电池的结构示意图(Egl > Eg2 > Eg3)，在单个太阳光强度下，其最大理论转换效率超过 60%。其实际电池效率可以达到32%。但是现有的这类电池基本都是基于单晶锗衬底的砷化镓三结太阳能电池，电池成本非常高，主要应用于航天军事领域。采用光学会聚的方法将太阳光收集于多结半导体太阳能电池上，可以大大节省多结太阳能电池的使用面积，从而降低成本，同时提升光电转化效率。例如，会聚500倍的太阳光照条件下，之前所述的三结电池的实际效率可以超过40%。尽管如此，基于单晶锗衬底的砷化镓三结电池在高倍聚光条件下的发电成本目前还是高于传统燃料能源发电。为了使太阳能发电可以真正取代传统非可再生能源发电，还必须进一步降低多结半导体太阳能电池的成本。整个电池制备成本中，单晶衬底(例如锗衬底、砷化镓衬底)占到40%-50%。 因此使用廉价的非晶衬底代替单晶锗衬底是降低多结电池成本最有效的途径。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是，提供一种高效率低成本的用于多结太阳能电池的多层薄膜及其制备方法。本专利技术的另一个目的是，提供一种包括上述多层薄膜的太阳能电池及其用途。一方面，本专利技术提供了一种用于太阳能电池的多层薄膜，所述多层薄膜包括1) 非晶或金属衬底；和2)多个串联的半导体P-N结。优选地，所述多层薄膜中的非晶衬底选自金属、玻璃、塑料和陶瓷。优选地，所述金属选自铝、铜和铁。优选地，所述非晶衬底的厚度为0. 1-1.0毫米。优选地，所述多层薄膜中的多个P-N结包括III-V族复合半导体、II-VI族复合半导体或IV-IV族复合半导体；优选地，所述多个P-N结为2个P-N结或3个P-N结，其选自磷化铟镓(GaInP)、砷化镓(GaAs)和砷化镓铟(InGaAs)中的两种或三种。另一方面，本专利技术提供了制备上述多层薄膜的方法，所述方法包括以下步骤1) 在单晶衬底上外延生长可用化学方式腐蚀掉的牺牲层，优选为砷化铝(AlAs)层；幻在步骤 1)所得结构上生长多个半导体P-N结；3)用可选择性地腐蚀牺牲层的化学溶液，优选为氢氟酸溶液浸泡步骤2)所得结构，腐蚀砷化铝层，从而使多个P-N结从单晶衬底上剥离，并将得到的多个P-N结组装于非晶衬底上；或者，将步骤2)所得结构组装于非晶衬底上，再用氢氟酸溶液浸泡，腐蚀砷化铝层，从而使组装于非晶衬底上的多个P-N结从单晶衬底上剥离； 4)回收使用步骤3)所得到的单晶衬底。优选地，所述方法的步骤1)中采用外延生长技术生长砷化铝层；优选地，所述砷化铝层的厚度为10 20纳米。优选地，所述方法的步骤2)中采用外延生长技术生长多个P-N结；优选地，所述多个P-N结包括III-V族复合半导体、II-VI族复合半导体或IV-IV族复合半导体；更优选地，所述多个P-N结为2个P-N结或3个P-N结，其选自磷化铟镓、砷化镓和砷化镓铟中的两种或三种。优选地，所述方法的步骤幻中所使用的氢氟酸溶液的重量浓度为10-30% (w/w)。优选地，所述方法的步骤幻中采用压合技术将多个P-N结组装于非晶衬底上； 优选地，所述非晶衬底选自金属、玻璃、塑料和陶瓷；更优选地，所述非晶衬底的厚度为 0. 1-1. 0 毫米。又一方面，本专利技术提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括上述的多层薄膜； 优选地，所述电池还包括金属正负电极。本专利技术还提供了一种三结电池逆向生长的方法，如图3所示，既从GaAs衬底开始， 先生长吸收层能带宽度为1. 87eV的InGaP结，然后生长吸收层能带宽度为1. 4eV的GaAs 结，最后生长吸收层能带宽度为1. OeV的InGaAs结。因为禁带宽度为1. OeV的InGaAs薄膜，其晶格常数为0. 5775纳米，大于GaAs衬底和GaAs薄膜的晶格常数(0. 566纳米)，也大于禁带宽度为1. 87eV的InGaP薄膜的晶格常数(0. 566纳米)，通过逆向生长方法，可以保证GaAs结和(ialnP结在GaAs衬底上在无应力条件下生长，从而获得高质量的单晶薄膜， 确保足够高的开路电压。而InGaAs结可以通过应力缓冲层(图4中的层7)来释放晶格常数不一致的应力实现单晶生长。该逆向生长结构可以通过外延基底剥离，在组装到非晶衬底上时，将自动实现结构反转。也就是说，面对太阳光的第一个吸收层为禁带宽度最大的 InGaP半导体结，下面一级的吸收层为GaAs半导体结，而最下面的吸收层为禁带宽度最小的InGaAs半导体结。此外，本专利技术还提供了上述太阳能电池在制备太阳能发电领域产品和移动电子终端产品中的应用；优选地，所述太阳能发电领域包括居民、厂矿、商业楼宇屋顶、汽车外壳和太阳能发电站，所述移动电子终端产品选自计算器、笔记本电脑、手机、数码相机、数码摄录机、无线鼠标、蓝牙耳机、MP3播放器、个人数字助理、个人导航系统和GPS全球定位仪。本专利技术还可以采用以下技术方案来实现。采用外延剥离的方法，实现在非晶衬底上组装III-V族多半导体P-N结太阳能电池，具体步骤如下首先在砷化镓衬底上生长一层可腐蚀牺牲层，优选选用10纳米的单晶砷化铝作为牺牲层；接着在牺牲层上依次生长磷化镓铟P-N结，砷化镓P-N结和砷化铟镓 P-N结；然后利用氢氟酸(HF)溶液对III-V族半导体具有选择性腐蚀的特征，即对砷化镓、 砷化镓铟、磷化铟镓等几乎没有腐蚀性，而对砷化铝有特别强的腐蚀特性，腐蚀速率是前者的IO8倍。把砷化镓衬底上的多结电池放入的氢氟酸溶液，氢氟酸就能够腐蚀掉砷化铝牺牲层，从而把多结太阳能电池从衬底剥离；然后把剥离的多结太阳能电池薄膜附着(物理转移)在非晶衬底，包括金属铝或玻璃；最后通过压膜，烘干工艺，把薄膜固化(加固附着力) 在非晶衬底上，包括金属铝或玻璃。在本专利技术的一个优选实施方案中，制备非晶衬底的三结串联电池具体工艺步骤如下1)在砷化镓衬底上生长10-20纳米砷化铝作为电池剥离的牺牲层；2)如图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟明，朱忻，
申请(专利权)人：朱忻，王伟明，
类型：发明
国别省市：
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