一種具有表面粗化結構的三結GaAs太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及多結太陽能電池制備技術，屬于半導體材料的生產技術領域。
【背景技術】
[0002]由于砷化鎵及其基系的多種材料的良好性能，以及這種多結疊層太陽電池結構基本已實現全光譜吸收，使得其光電轉換效率始終遠遠領先于其他太陽電池。這一優(yōu)勢加上該電池的優(yōu)良耐輻照性能和耐高溫性能，進一步提高了電池的空間應用的可靠性及其使用壽命，已日益呈現替代高效硅太陽電池和單結砷化鎵太陽電池的趨勢，成為航天飛行器空間電源主力軍。自2002年起，國外的空間飛行器大多使用三結砷化鎵太陽電池作為空間主電源，目前的在軌電池超過750kW。2008年8月18日的CompoundSemi Online上報道了NERL最新創(chuàng)下的新記錄:倒置結構的三結砷化鎵太陽電池在326倍聚光條件下的效率達到40.8%(AM1.5)。在國外可再生能源發(fā)展及市場的拉動下，我國日益清楚認識到利用可再生能源對國家經濟和環(huán)保的重要性，并于2006年I月開始實施《中國可再生能源法》。在此契機下，我國太陽電池生產在近三年來持續(xù)以超過150%的年增長率飛速發(fā)展，已成為國際較大的太陽電池生產國。然而，制約太陽電池發(fā)展的主要瓶頸是其高昂的材料成本。為此，有必要開發(fā)新的高效率太陽電池產品及發(fā)電系統，實現發(fā)電成本顯著降低，為我國大規(guī)模應用光伏發(fā)電提供新技術。
[0003]三結GaAs太陽電池，在頂電池Eg=L 96eV、中電池Eg=L 10 eV的情況下，理論的效率可以達到41.7。原因是電流密度與填充因子很高。同樣在這個條件下，計算得出的頂電池電流密度為20.78mA/cm2，中電池為33.20 mA/cm2。但是實際中，頂電池電流密度只有17 mA/cm2，可以看出，頂電池電流密度是制約整個電池電流的瓶頸。目前，提高電池電流密度的通用方法是蒸鍍減反射膜，但是三結砷化鎵太陽電池對減反射膜的厚度、折射率非常敏感，該膜的細微變化將引起電池性能的明顯變化，這對于批產的穩(wěn)定性和合格率是非常不利的。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現有技術上的缺陷，本發(fā)明目的是提出一種與頂電池InGaP晶格匹配的，而且?guī)侗容^寬，對光的透過也比較好的具有表面粗化結構的三結GaAs太陽電池。
[0005]本發(fā)明在Si襯底一側設置背電極，在Si襯底另一側通過接觸層設置由底電池、中電池和頂電池構成的外延片，主電極通過圖形化的接觸層設置在頂電池上，其特征在于在外延片的頂電池外設置表面粗化層，在表面粗化層上設置減反射膜。
[0006]本發(fā)明目的是本項目計劃在頂電池上面利用MOCVD技術外延一層約2個μ m的高鋁組分的A10.8Ga0.2InP材料，這種材料是與頂電池InGaP晶格匹配的，而且由于帶隙比較寬，對光的透過也比較好。
[0007]本發(fā)明所述表面粗化層的上表面為若干的金字塔形。在芯片工藝端，利用化學溶液對不同晶向的腐蝕速率差異，制造出最利于陷光的“金字塔”結構，然后結合減反射膜工藝，本發(fā)明成功地將電池表面反射率降低至5%以內。本發(fā)明成功提高了整個電池的短路電流密度，實際證明通過工藝改進，短路電流密度Jsc可以達到17.5mA/cm2。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提出以上具有表面粗化結構的三結GaAs太陽電池的制備方法，包括以下步驟:
1)在臨時襯底上制備由底電池、中電池和頂電池構成的電池外延片:
在GaAs臨時襯底上面，依次生長N型GaAs的緩沖層、GaInP腐蝕截止層、N型GaAs接觸層、AlGaInP粗化層、GaInP頂電池、第一隧穿結、GaAs中電池、第二隧穿結、InGaAs底電池和P型GaAs接觸層；
2)準備轉移Si襯底:
選取導電類型為P型的轉移Si襯底，經清洗備用；
3)在電池外延片的底電池背部和轉移Si襯底正面，分別通過電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au層，再將電池外延片與轉移Si襯底進行金屬鍵合；
4)采用堿性腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結構上的臨時襯底；
5)在頂電池上制備主電極，在轉移Si襯底上制備背電極；
6)對主電極之間的AlGaInP粗化層進行粗化；
7)在粗化后的AlGaInP粗化層表面制作減反射膜。
[0009]本發(fā)明工藝合理，易于操作，倒裝結構電池，實際上使用InGaAs底電池代替常規(guī)正裝工藝中的Ge襯底，提高太陽電池的開路電壓。最終整個電池效率能夠達到31.5%~32%。使用一種方法，在電池受光面作出粗化圖形，并且通過導電的Si襯底與電極使整個結構為電流垂直結構，在保持上下導通的基礎上可以直接應用于目前成熟的封裝技術，并且適用于不同形狀的組件。
[0010]另外，本發(fā)明所述步驟I)中，AlGaInP粗化層的厚度為2 μm。因為粗化的過程也是腐蝕的過程，所以有必要有一定厚度的粗化層。如果粗化層很薄，那么在粗化的過程中，粗化層下面的頂電池就很有可能被腐蝕到。那樣會破壞電池結構。本發(fā)明先形成厚度為2 μπι的AlGaInP粗化層，因為后續(xù)粗化時候深度控制在5000Α~7000Α左右，以利于形成粗化形貌都是類似“金字塔”。
[0011]在所述步驟2)中，先以濃硫酸與雙氧水的混合水溶液浸泡轉移Si襯底5min，去除表面的有機污染物，然后再使用氫氟酸稀釋液浸泡lmin，去除Si表面的氧化層，最后使用鹽酸與雙氧水混合水溶液浸泡3min，達到去除Si表面的金屬陽離子的目的。
[0012]在所述步驟3)中，蒸鍍的T1、Pt和Au層總厚度不低于1.5 μπι，以使形成的電極較厚，導電性能良好，另外利于符合后續(xù)的焊接封裝工藝要求的厚度形成。
[0013]在所述步驟6)中，粗化溶液為鹽酸、磷酸和水的混合溶液，鹽酸、磷酸和水的混合體積比為1:2: 5。如果鹽酸比例高，那么粗化層就會被全部腐蝕掉，如果磷酸比例高，在溶液中就會限制鹽酸的電離。起不到粗化效果。本發(fā)明針對粗化層AlGaInP的結構特點，該鹽酸、磷酸和水的混合體積比是合適的，粗化出來的形貌最接近所謂的“金字塔”形貌，最有利于陷光。
[0014]在所述步驟7)中，減反射膜采用Ti02/Ta205/ Al2O3的三層結構，厚度為450A的1102和150 A Ta2O5和800 A的Al 203。這樣的材料組合和厚度設計，能夠在300nm?100nm 的光譜范圍內，電池表面的整體反射率低于10%。
【附圖說明】
[0015]圖1為三結GaAs太陽電池結構的外延片示意圖。
[0016]圖2為三結GaAs太陽電池結構中每個子電池的結構示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的一種結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]1、制備外延片。
[0019]選取晶向為〈100〉的GaAs襯底片101，厚度為375 μ m，直徑100_±0.1mm。在GaAs襯底101上面，使用MOVPE (有機金屬氣相外延)技術依次生長出0.5 μ m的N型GaAs的緩沖層102，350nm的GaInP腐蝕截止層103，0.5 μ m的N型GaAs接觸層104，2 μ m的AlGaInP粗化層 105，0.5 μ m 的 GaInP 頂電池(Top cell )106，500A 的隧穿結一 107，3.4 μ m 的 GaAs中電池(Middle cell) 108，500A 的隧穿結二 109，3 μ m 的 InGaAs 底電池(Bottom cell)110，在底電池結尾，包含有400nm的P型GaAs接觸層111，見圖1所示。
[0020]以上子電池分別為GaInP 頂電池(Top cell) 106、GaAs 中電池(Middle cell)108和InGaAs底電池(Bottom cell) 110。每一個子電池分別具有背反射層(BSF) 201、基區(qū)(base) 202、發(fā)射區(qū)(emitter) 203、窗口層(window) 204結構(見結構圖2)，各個子電池之間使用隧穿結進行連接(U)。本產品使用的GalnP/AlGaAs異質隧穿結。
[0021]2、制備轉移Si襯底。
[0022]選取晶向為〈111〉的單拋Si片作為轉移Si襯底301，直徑100mm±0.1mm，導電類型為P型，厚度為240 μ m，清洗備用。
[0023]轉移Si襯底301的清洗步驟為:
(I)使用溫度為60°C的H2S04:H 202:H 20=3:1:1溶液進行5min的浸泡，然后使用去離子水進行沖洗。目的是去除表面的有機污染物。
[0024](2)使用氫氟酸稀釋液浸泡lmin，稀釋比例為20%。目的是去除在上一步當中，Si片表面生成的氧化層，然后使用去離子水進行沖洗。
[0025](3)使用鹽酸與雙氧水混合水溶液浸泡3min，鹽酸、雙氧水與水的比例為1:2:10，溶液溫度穩(wěn)定在40°C。此步的目的是去除表面的金屬陽離子污染。然后使用去離子水進行沖洗。
[0026]3、蒸鍍金屬鍵合層302。
[0027]使用電子束蒸鍍技術，分別在具有清潔表面的外延片的P型GaAs接觸層111和轉移Si襯底301的拋光面上分別蒸鍍金屬鍵合層302。
[0028]鍵合層金屬為Ti/Pt/Au三層結構，其中蒸鍍先后順序為T1、Pt、Au，厚度分別為T1:1500A、Pt:1500A、Au:12000A。
[0029]蒸鍍具體條件為:起始真空控制在1.0X10_6Torr以下，蒸鍍開始前，腔體加熱到150°C并且恒溫30min。Ti的蒸鍍速率為5A/s，Pt的蒸鍍速率為2A/s，Au的蒸鍍速率為10A/so
[0030]4、金屬鍵合。