倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其利用高深宽比位错捕获技术实现GaAs材料上InP外延以及GaAs系和InP系电池的单片集成，并通过倒置生长在GaAs衬底上实现GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs多结电池，其后通过层转移技术和衬底剥离技术将其转移到更加廉价衬底，获得了具有较高光电转换效率的高性价比太阳能电池。本发明专利技术方法易于实施，成本低廉，能实现III-V多结太阳能电池的规模化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光伏器件的制备工艺，特别涉及一种倒置生长高效宽谱吸收III-V多结电池制备方法，属于太阳能电池

技术介绍
太阳电池作为太阳能利用的典型方式，成为可再生能源的重要发展方向，提高太阳电池效率是太阳电池追求的目标之一。III-V族化合物半导体由于其宽广的能带结构成为太阳电池材料的理想选择，GaAs基III-V族多结电池至问世以来一直是太阳电池领域的效率记录保持者和创造者。根据太阳能谱和III-V族能带关系，GaAs基晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池和InP基晶格匹配的InGaAsP/InGaAs双结电池可以合理设计、电流匹配地覆盖绝大部分太阳光谱，试验证明，采用一次分光手段，该类太阳电池系统的电池效率可达 43%。是实现宽谱高效太阳电池的理想组合。但是由于GaAs材料和InP材料晶格失配度达3. 8%，传统方法难以在GaAs上外延高质量InP材料，因此，为了获得高效GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池，目前大多采用晶片键合的方法来实现GaAs系电池和InP系电池的集成，然而一方面晶片键合涉及到多种工艺(包括层转移和芯片剥离技术)，使得芯片的成功率降低，另一方面，GaAs材料和InP材料直接键合对环境和设备的洁净度要求非常高，且由于二者的热膨胀系数差别，键合后工艺或者后期工作如果温差较大，均会导致材料芯片的翘曲，且键合后二者之间的串联电阻较大，会无形中增加该四结电池的电学损耗；此外，GaAs衬底是6英寸，且质量高和价格低；而InP衬底是4英寸，且质量差且价格高。这些因素都阻碍了基于晶片键合实现GaAs系电池和InP系电池单片集成，因此仅凭现有技术，尚较难实现规模化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其利用高深宽比位错捕获技术实现GaAs材料上InP外延，从而实现GaAs系和InP系电池的单片集成，并通过倒置生长在GaAs衬底上实现GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs多结电池，其后通过层转移技术和衬底剥离技术将其转移到更加廉价衬底，获得了具有较高光电转换效率的高性价比太阳能电池，且该制备方法易于实施，能实现III-V多结太阳能电池的规模化生产，并且有效地改善GaAs材料和InP材料之间晶格不匹配和热膨胀系数不匹配的难题，有助于稳定可靠地实现GaAs和InP系电池的集成。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法包括如下步骤 (1)在抛光GaAs衬底表面上依次生长Al(Ga) As衬底剥离层、GaAs电极接触层、倒置GalnP/GaAs串接电池和GaAs保护层； (2)在所述GaAs保护层上沉积形成介质膜，并对所述介质膜进行图案化处理，获得纳米级图案化介质掩膜结构，并将与非掩膜区对应的GaAs保护层表面暴露出来；(3)在所述纳米级图案化介质掩膜结构的GaAs表面依次生长形成InP位错抑制层、无位错层和薄膜聚合层，随后对所述InP聚合层进行抛光，直至获得器件级平整的InP薄膜；其中InP位错层和无位错层生长采用选择生长技术，使得InP材料生长在介质纳米结构掩模下的GaAs保护层上,并通过纳米介质掩模结构侧壁有效抑制GaAs和InP材料之间的穿透位错，从而形成InP位错抑制层，然后在此位错抑制层上选择性生长InP无位错层，直至InP层基本与纳米介质结构高低基本一致。鉴于InP选择性各向异性生长，在此之上，进一步加强横向生长直至InP聚合成薄膜，材料生长完毕。然后对所聚合形成的InP薄膜进行抛光(包括化学抛光、机械抛光或者化学机械抛光多种方式，直至获得器件级平整的InP薄膜。(4)在所述抛光后的InP薄膜上生长形成倒置InGaAsP/InGaAs串结电池结构，而后在所述倒置生长的InGaAsP/InGaAs串结电池结构表面形成欧姆接触金属层，并将所述欧姆接触金属层与转移衬底键合，获得完整的倒置生长InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结电池结构； (5)将所述GaAs衬底从前述InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结电池结构中无损伤剥 离，并在剥离GaAs衬底后形成的器件表面上形成欧姆接触金属层，进而采用传统III-V电池工艺，获得目标产物。具体而言,步骤(I)中所述倒置GalnP/GaAs串接电池包括在衬底第一面上倒置生长的GaInP电池、隧穿结和GaAs电池。步骤(2)中是首先通过化学和/或物理加工方法形成图案，而后采用干法刻蚀和/或湿法刻蚀工艺将图案转移到介质膜上，从而形成光滑致密介质膜图案，并使与非掩膜区对应的GaAs保护层表面完全暴露。优选的，所述介质膜可选自SiO2膜、SiN膜、Al2O3膜及SiNO膜中的任意一种，但不限于此。步骤(3)中是是指在与非掩膜区对应的GaAs保护层表面采用高深宽比位错捕获技术依次生长InP位错抑制层、无位错层和InP聚合层，进而形成InP薄膜。步骤(4)中所述InGaAsP/InGaAs串结电池结构包括依次在所述InP薄膜上生长形成的InP缓冲层、倒置InGaAsP电池、隧穿结和InGaAs电池以及InGaAs电极接触层。步骤(4)中所述转移衬底可选自金属衬底、半导体衬底和绝缘体材料衬底中的任意一种，但不限于此。步骤(5)中是首先将所述InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结电池结构整体保护，但令该四结电池结构中靠近GaAs衬底的Al(Ga)As衬底剥离层暴露，而后蚀刻所述Al(Ga)As衬底剥离层，直至将GaAs衬底从所述四结电池结构中完全剥离。进一步的，步骤(5)中是通过在所述四结电池结构表面涂覆保护材料层对其进行整体保护的，其后再以能够蚀刻Al (Ga)As衬底剥离层，但对保护材料层无损伤的液态或气态刻蚀材料除去Al (Ga) As衬底剥离层，进而实现GaAs衬底的完全剥离，且剥离方式可以是湿法也可以是干法。更进一步的，步骤(5)中在剥离GaAs衬底的器件表面上形成欧姆接触金属层后，还采用普适III-V族太阳电池工艺对形成的多结太阳电池器件进行了后续处理，最终获得了目标产物。附图说明图I是GaAs衬底上生长采用MOCVD或者MBE生长AlGaAs剥离层、GaAs电极接触层的不意 图2是倒置生长GaInP电池、隧穿结和GaAs电池的示意 图3是在图2所示电池结构上沉积介质膜的示意 图4为通过微纳图形制备工艺在图3所示电池结构上实现介质膜纳米级图案化的示意图，其中，(4A-U4A-2 :直沟形，4B-l、4B-2:方格型，4C_1、4C_2 :圆柱形，4D_1、4D_2 :圆锥形)； 图5为在图4所示电池结构上采用MOCVD或者MBE生长InP位错抑制层、无位错层和InP薄膜聚合层的示意 图6为图5所示电池结构进行化学机械抛光后的示意 图7为图6所示电池结构置入MOCVD或者MBE材料室继续生长InP缓冲层、倒置生长InGaAsP电池、隧穿结和InGaAs电池、以及最后生长InGaAs接触层的示意 图8是将图7所得电池结构键合到转移衬底的示意 图9是图8所示电池结构在实现GaAs衬底剥离后的示意 图10是本专利技术实施例中基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤 (1)在抛光GaAs衬底表面上依次生长Al(Ga) As衬底剥离层、GaAs电极接触层、倒置GalnP/GaAs串接电池和GaAs保护层； (2)在所述GaAs保护层上沉积形成介质膜，并对所述介质膜进行图案化处理，获得纳米级图案化介质掩膜结构，并将与非掩膜区对应的GaAs保护层表面暴露出来； (3)在所述纳米级图案化介质掩膜结构内生长形成InP薄膜，随后对所述InP薄膜进行抛光，直至获得器件级平整的InP薄膜； (4)在所述InP薄膜上倒置生长形成InGaAsP/InGaAs串结电池结构，而后在所述InGaAsP/InGaAs串结电池结构表面形成欧姆接触金属层，并将所述欧姆接触金属层与转移衬底键合，获得完整的倒置生长InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结电池结构； (5)将所述GaAs衬底从前述InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结电池结构中无损伤剥离，并在剥离GaAs衬底后形成的器件表面上形成欧姆接触金属层，进而采用传统III-V族电池工艺获得目标产物。2.根据权利要求I所述的倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所述倒置GalnP/GaAs串接电池包括在衬底第一面上倒置生长的GaInP电池、隧穿结和GaAs电池。3.根据权利要求I所述的倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中是首先通过化学和/或物理加工方法形成图案，而后采用干法刻蚀和/或湿法刻蚀工艺将图案转移到介质膜上，从而形成光滑致密介质膜图案，并使与非掩膜区对应的GaAs保护层表面完全暴露。4.根据权利要求1-3中任一项所述的倒置生长宽谱吸收III-V多结电池的制备方法，其特征在于，所述介质膜至少选自SiO2膜、SiN膜、Al2O3膜及SiNO膜和TiO2膜中的任意一种或几种，所述介质膜的形成方法选自等离子体增强型化学气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，董建荣，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：