双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，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，具体包括如下步骤：（1）在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在其第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GaInP太阳能电池结构；（2）对衬底第二面进行保护，再在衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案；（3）在衬底第一面上生长形成InP薄膜，并将InP薄膜抛光至平整度达到外延级；（4）在衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层；（5）解除对衬底第二面的保护，获得目标产物。本发明专利技术工艺简洁，易于操作，且良品率高，有效解决了异质多结太阳电池中晶格失配和热失配对电池材料质量和性能的影响。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光伏器件的制备方法，尤其涉及一种双面生长高效宽谱吸收太阳电池的制备方法。
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族材料能带关系，GaAs基晶格匹配的GalnP/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，实验证明，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尝试实现该四结电流匹配宽谱吸收电池，然而一方面晶片键合涉及到多种エ艺(包括层转移和芯片剥离技木)，使得芯片的成功率降低，另ー方面，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別，键合后エ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；如果采用金属键合，则又会遇到平衡串联电阻和红外光学吸收的问题。
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，其采用GaAs基纳米级图案化设计实现了 GaAs基InP材料的高质量外延，而后在此基础上生长晶格匹配的InGaAsP/InGaAs太阳电池,且在GaAs衬底另一面生长晶格匹配的GaAs/GalnP太阳电池，最终获得了具有较小晶格失配和热失配，且性能良好的目标产物，并且，该制备方法易于操作，良品率高，有利于提高整体器件的可靠性和寿命。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的包括如下步骤 (1)在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在所述衬底的第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GalnP太阳能电池结构； (2)对所述衬底第二面进行保护，再在所述衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案； (3)在所述衬底第一面上生长形成InP薄膜，并将所述InP薄膜抛光至平整度达到外延级； (4)在所述衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层；(5)解除对所述衬底的第二面的保护，获得目标产物。其中，步骤(I)具体为在双面抛光的GaAs衬底第一面上形成厚度在200nm以上的介质膜，并在所述衬底第二面上依次生长形成GaAs太阳能电池-隧穿结-GaInP太阳能电池结构、电池窗ロ层和电极接触层。步骤(2)中是通过化学和/或物理加工方法对所述介质膜进行图案化处理，从而形成光滑致密介质掩膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。作为优选方案之一，所述介质膜可选自SiO2膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意ー种以上，但不限于此。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/或湿法刻蚀エ艺将图案转移到介质膜上，从而形成光滑致密介质膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。优选的，步骤(2)中是采用涂覆有机光刻胶和沉积介质膜中的至少ー种方式对所·述衬底的第二面进行保护的。步骤(3)具体为首先在形成于所述衬底第一面上的介质掩膜图案中的纳米沟内选择性生长InP材料，将失配位错抑制在介质纳米沟中，直到获得无位错的InP材料，然后将分立的InP材料聚合，直至形成InP薄膜，而后以化学和/或物理方法进行抛光，形成具有外延级平整度的InP薄膜。步骤(4)中是依次在形成于所述衬底第一面上的InP薄膜上生长InGaAsP太阳电池或InGaAsP太阳能电池-隧穿结-InGaAs太阳能电池以及电极接触层的。作为优选的方案之一，步骤(4)中所述接触层可采用InP和/或InGaAs层，但不限于此。进ー步的，步骤(5)中在解除对所述衬底第二面的保护之后，还采用普适III-V族太阳电池エ艺对形成的多结太阳电池器件进行了后续处理，最終目标产物。附图说明图I为A面沉积有介质膜的双面抛光GaAs衬底的结构示意 图2为在图I所示GaAs衬底B面生长GaAs/GalnP电池和电极接触层的示意 图3为在图2所示GaAs衬底B面以介质膜或者光刻胶保护的示意 图4为GaAs衬底A面介质膜纳米级图案化结构示意图，其中图4Α-1、4Α-2 :直沟形；图4B-U4B-2 :方格型；图4C-U4C-2 :圆柱形；图4D_1、4D_2 :圆锥形； 图5为GaAs衬底A面生长位错抑制InP层、无位错InP层以及InP聚合层的示意图； 图6为GaAs衬底A面所生长InP薄膜经抛光后的示意 图7为GaAs衬底A面上继续生长InGaAsP/InGaAs电池和电极接触层的示意 图8为去除GaAs衬底B面的保护层后器件的结构示意图 图9为本专利技术实施例中多结太阳能电池器件的结构示意图，其双面生长有电极接触层/GaInP (电池)/隧穿结Ι/GaAs (电池)/GaAs衬底/介质膜纳米级图案/InP位错抑制层/InP无位错层/InGaAsP (电池)/隧穿结2/InGaAs (电池)/电极接触层。具体实施方式如前所述，本案中专利技术人g在针对现有多结太阳能电池制备エ艺的不足，提供一种高效宽光谱吸收多结太阳电池的制备エ艺。概括的讲，本专利技术将纳米图案化技术应用于GaAs基InP材料外延(二者的晶格失配达3. 81%，热失配较小，且均为闪锌矿立方结构)(GaAs热膨胀系数5. 73*10_6で-1，InP热膨胀系数4. 6*10_6°C ―1，Si的热膨胀系数为2.6*10_6°C \ Ge的热膨胀系数为5. 9*10_6°C _0，并采用双面生长方式，以期不影响各个晶格匹配材料的生长质量，从而获得GalnP/GaAs/InGaAsP/ (InGaAs)宽谱高效多结电池。 进ー步的讲，本专利技术エ艺可包括如下步骤 (1)在双面抛光的GaAs衬底A面生长一定厚度的介质膜； (2)在该衬底B面采用MOCVD或者MBE生长晶格匹配的太阳电池GaAs/GalnP结构； (3)将该衬底B面结构采用特定方式保护，将衬底A面进行纳米级图案化，获得纳米级图案化介质掩膜。(4)将该纳米级图案化的GaAs衬底重新置入MOCVD或者MBE设备中，依次生长InP位错抑制层、无位错层材料和InP聚合层材料,直到形成InP薄膜。(5)将该InP薄膜抛光直到获得外延级平整度的InP薄膜，然后将该衬底置入MOCVD(或者MBE)中，根据多结电池匹配设计原则继续生长InGaAsP (或InGaAsP电池、隧穿结和InGaAs电池)太阳电池，待电池生长完成后，最后生长电极接触层。(6)将该多结电池B面结构保护层去除，然后按照普适III-V族太阳电池エ艺，从而制备出GalnP/GaAs/InGaAsP或者GalnP/GaAs/InGaAsP/InGaAs高效宽光谱吸收多结电池。前述步骤I中,对于双面抛光的GaA本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在干，该方法包括如下步骤 (1)在双面抛光的GaAs衬底的第一面上形成介质膜，并在所述衬底的第二面上生长形成晶格匹配的GaAs/GalnP太阳能电池结构； (2)对所述衬底第二面进行保护，再在所述衬底第一面上加工形成纳米级介质掩膜图案； (3)在所述衬底第一面上生长形成InP薄膜，并将所述InP薄膜抛光至平整度达到外延级； (4)在所述衬底第一面上依次生长形成InGaAsP或InGaAsP/InGaAs太阳能电池结构以及电极接触层； (5 )解除对所述衬底的第二面的保护，获得目标产物。2.根据权利要求I所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(I)具体为在双面抛光的GaAs衬底第一面上形成厚度在50nm以上的介质膜，并在所述衬底第二面上依次生长形成GaAs太阳能电池-隧穿结-GaInP太阳能电池结构、电池窗ロ层和电极接触层。3.根据权利要求I所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中是通过化学和/或物理加工方法对所述介质膜进行图案化处理，从而形成光滑致密介质掩膜图案，并使与裸露区对应的衬底表面完全暴露出。4.根据权利要求1-3中任一项所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述介质膜至少选自SiO2膜、SiNO膜、SiN膜、Al2O3膜及TiO2膜中的任意ー种。5.根据权利要求3所述的双面生长高效宽谱吸收多结太阳电池的制备方法，其...

【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：