砷化鎵薄膜多結(jié)疊層太陽電池的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種砷化鎵薄膜多結(jié)疊層太陽電池的制備方法，其特點是包括以下制備步驟：1、外延層反向生長制備GaAs三結(jié)太陽電池；2、步驟1制備的電池與Si襯底鍵合；3、剝離Ge襯底；4、粘接廉價襯底；5、剝離Si襯底。本發(fā)明專利技術(shù)采用先外延生長頂電池和中間電池，后生長底電池，保證了最先外延生長的晶格匹配頂電池和中間電池完美外延生長；提高了大面積外延薄膜的摻雜均勻性和薄膜可靠性，進(jìn)一步提高了光電轉(zhuǎn)換效率；采用比重輕于Ge的廉價支撐襯底，即減輕了電池的重量，提升了太陽電池的功率比，又有效降低了電池的成本，極大地提升了III-V族化合物太陽能電池的應(yīng)用前景。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于太陽電池
，特別是涉及一種。
技術(shù)介紹
目前在光伏市場上薄膜太陽能電池的產(chǎn)品類型主要有Si基薄膜太陽能電池、 CIGS薄膜太陽能電池和CdTe薄膜電池等。這些薄膜太陽能電池根據(jù)襯底材料可以分為剛性(即玻璃襯底)電池和柔性(不銹鋼或聚酯膜襯底)電池。與厚度約為180微米-200微米的普通晶體Si太陽能電池相比，薄膜太陽能電池的薄膜材料厚度不超過50微米，大量減少了電池用材料，在光伏市場的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，2010年已經(jīng)占13%以上的市場份額。但各種薄膜電池都有一些難以解決的瓶頸問題，如①、Si基薄膜太陽能電池，無論單結(jié)、雙結(jié)還是三結(jié)電池，制造工藝都是采用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟氣體。荷蘭科學(xué)家Rob van der Meulen 等在 2011 年第 19 期的 Progress in photovoltaics Research and Applications 上發(fā)表文章稱，這種含氟氣體對環(huán)境造成的溫室效應(yīng)比CO2高17200-22800倍。太陽能光伏發(fā)電一直以來被認(rèn)為是綠電，那么在制造環(huán)節(jié)中也應(yīng)該采用綠工藝。對于Si基薄膜電池廠商來說，有尋找新的清洗氣體替代當(dāng)前的氟化物的方案，降低溫室氣體排放。另一種方案是盡快提高電池的轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)穩(wěn)定效率達(dá)到12%-16%，才有可能補(bǔ)償排放的溫室氣體對環(huán)境的影響。此外由于Si薄膜組件效率低(5%-7%)，在光伏系統(tǒng)應(yīng)用中單位發(fā)電功率占地面積幾乎是晶體Si組件(效率為13%-15%)的2倍，相應(yīng)地，單位發(fā)電功率的成本也要增加，可見提高 Si基薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是贏得市場的重要條件；②、CIGS薄膜太陽能電池， 量產(chǎn)化成功的案例是日本的SolarFrontier公司(前身是Showa Shell公司);PV_tech. com網(wǎng)站2011年5月還報導(dǎo)了瑞士科學(xué)家在柔性塑料襯底上制備出18. 7%轉(zhuǎn)換效率的CIGS 電池，柔性電池的主要優(yōu)點是可以采用卷對卷工藝來降低制造成本。CIGS薄膜的技術(shù)路線是采用蒸發(fā)技術(shù)濺射加后硒化處理，而硒化處理過程會產(chǎn)生有毒氣體，而蒸發(fā)技術(shù)難以保證大面積CIGS薄膜的均勻性和可靠性，包括薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)和厚度等的均勻性和可靠性；③、CdTe薄膜電池由于材料成本高。人們已經(jīng)開始尋找新的薄膜材料制備太陽能電池?；谏鲜霰∧る姵氐钠款i問題，人們尋找到一種典型的II1-V族化合物半導(dǎo)體材料GaAs，其具有直接能帶隙，帶隙寬度為1.42eV (300K)，正好為高吸收率太陽光的值的功能，因此，是很理想的太陽能電池材料。其主要特點1.光電轉(zhuǎn)換效率高GaAs基太陽電池滿足太陽光譜匹配所需的材料與結(jié)構(gòu)，其光電轉(zhuǎn)換效率記錄代表當(dāng)前世界最高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率記錄；2.可制成薄膜和超薄型太陽電池GaAs為直接躍遷型材料，在可見光范圍內(nèi)，GaAs材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于Si材料，同樣吸收95%的太陽光，GaAs太陽電池只需 5-10 μ m的厚度，而Si太陽電池則需大于150 μ m,因此，GaAs太陽電池能制成薄膜型，質(zhì)量可大幅減?。?.耐高溫性能好=GaAs太陽能電池效率隨溫度升高降低比較緩慢， 可以工作在更高的溫度范圍；4.抗輻照性能強(qiáng)=GaAs是直接帶隙材料，少數(shù)載流子壽命較短，在離結(jié)幾個擴(kuò)散度外產(chǎn)生損傷，對光電流和暗電流均無影響，因此，GaAs太陽能電池具有較好的抗輻照性能；5.多結(jié)疊層太陽電池的材料。由于II1-V族三、四元化合物(GaInP、AlGaInP、 GaInAs等半導(dǎo)體材料生長技術(shù)日益成熟，使電池的設(shè)計更為靈活，具有很大的提高太陽電池的效率和降低成本的空間。由于上述特點，GaAs薄膜太陽電池已成為業(yè)內(nèi)人士研究的熱經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請公布號為CN101764165A、名稱為多結(jié)砷化鎵太陽電池的專利技術(shù)專利，包括主要采用MOVPE工藝，在P型Ge襯底上生長GalnP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層太陽電池； 形成由GaInP構(gòu)成的頂電池、主要由InGaAs構(gòu)成的中電池和主要由Ge構(gòu)成的底電池，在頂電池和中電池之間設(shè)有AlInP (P+)/AlGaAs (P++)-GaInP (n++)/AlInP (n+)隧穿結(jié)連接結(jié)構(gòu)，本專利技術(shù)由于采用了以上隧穿結(jié)連接結(jié)構(gòu)，不僅能夠顯著減少入射光的反射，改善中電池的電流密度，還提高了三結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率。但是該結(jié)構(gòu)由于存在頂電池和中電池短路電流匹配的矛盾，限制了三結(jié)砷化鎵太陽電池的研制進(jìn)展。經(jīng)檢索還發(fā)現(xiàn)，申請公布號為CN102339890A、名稱為新型三結(jié)砷化鎵太陽電池的專利技術(shù)專利，本專利技術(shù)主要采用MOCVD工藝，在P型Ge襯底上生長底電池/中電池/頂電池，本專利技術(shù)由于中電池本征區(qū)中引入量子點結(jié)構(gòu)，形成中間帶，利用應(yīng)變補(bǔ)償層，解決了頂電池與中電池電流不匹配的問題；并且量子點層上的量子點密度達(dá)到IO11每平方厘米，解決了整體尺寸不均勻的問題，并且提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，ΑΜ0，一個太陽光照下，預(yù)期能接近40%。 但是由于在P型Ge襯底上生長底電池/中電池/頂電池，依然存在晶格失配問題，影響光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高，并且增加了電池的重量、提高了電池的成本。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率和大面積薄膜的均勻性和可靠性，并且重量輕、成本低的。本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案砷化鎵薄膜多結(jié)疊層太陽電池，其特點是包括以下制備步驟步驟1、外延層反向生長制備GaAs三結(jié)太陽電池將Ge襯底置于MOCVD操作室內(nèi)，生長溫度設(shè)置為500°C _800°C，在Ge襯底上面依次外延生長厚度為O. 1-0. 3微米的GaAs緩沖層、厚度O. 1_0. 3微米的GaInP腐蝕停止層、厚度為100-500nm的η型摻雜GaAs帽層、作為頂電池的第一結(jié)GaInP電池、 第一隧穿結(jié)、作為中電池的第二結(jié)GaAs電池、第二隧穿結(jié)、厚度為2-5μπι的η型摻雜 Inx (AlyGa1Us漸變層和作為底電池的第三結(jié)InxGai_xAS電池；所述Inx (AlyGa1J ^xAs漸變層中O. 03≤χ≤O. 3、O. 5≤y≤O. 7，所述GaAs帽層和Inx (AlyGa1J ^xAs漸變層的η型摻雜濃度均為I X IO17-1 X 1018cm_3，形成外延層反向生長的GaAs三結(jié)太陽電池；步驟2、步驟I制備的電池與Si襯底鍵合在清洗后的Si片一面旋涂BCB膠后，粘貼在步驟I的第三結(jié)InxGahAs電池面上， 置入鍵合機(jī)的鍵合腔，鍵合腔內(nèi)充滿N2,將鍵合腔內(nèi)的溫度升至80-150°C時，對電池和Si 片進(jìn)行60-120秒的預(yù)固化；然后對鍵合腔施加l_5kN的鍵合壓力，以15°C /min升溫的速度將鍵合腔內(nèi)溫度提升到250-300°C時，保持恒溫，對電池和Si片進(jìn)行1-2小時的鍵合，然后以3°C /min降溫的速度將鍵合腔內(nèi)的溫度降到室溫，電池與Si襯底形成低溫鍵合；步驟3、剝離Ge襯底使用HF: H2O2: H20=2:1:1腐蝕液腐蝕Ge襯底及GaAs緩沖層，Ge襯底和GaAs緩沖層從電池上被剝離掉后，用HCl H2O=1:1腐蝕液腐蝕GaInP腐蝕停止層，GaInP腐蝕停止層從電池上被剝離掉，完成Ge襯本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
砷化鎵薄膜多結(jié)疊層太陽電池的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟：步驟1、外延層反向生長制備GaAs三結(jié)太陽電池將Ge襯底置于MOCVD操作室內(nèi)，生長溫度設(shè)置為500℃?800℃，在Ge襯底上面依次外延生長厚度為0.1?0.3微米的GaAs緩沖層、厚度0.1?0.3微米的GaInP腐蝕停止層、厚度為100?500nm的n型摻雜GaAs帽層、作為頂電池的第一結(jié)GaInP電池、第一隧穿結(jié)、作為中電池的第二結(jié)GaAs電池、第二隧穿結(jié)、厚度為2?5μm的n型摻雜Inx(AlyGa1?y)1?xAs漸變層和作為底電池的第三結(jié)InxGa1?xAs電池；所述Inx(AlyGa1?y)1?xAs漸變層中0.03≤x≤0.3、0.5≤y≤0.7，所述GaAs帽層和Inx(AlyGa1?y)1?xAs漸變層的n型摻雜濃度均為1×1017?1×1018cm?3，形成外延層反向生長的GaAs三結(jié)太陽電池；步驟2、步驟1制備的電池與Si襯底鍵合在清洗后的Si片一面旋涂BCB膠后，粘貼在步驟1的第三結(jié)InxGa1?xAs電池面上，置入鍵合機(jī)的鍵合腔，鍵合腔內(nèi)充滿N2，將鍵合腔內(nèi)的溫度升至80?150℃時，對電池和Si片進(jìn)行60?120秒的預(yù)固化；然后對鍵合腔施加1?5kN的鍵合壓力，以15℃/min升溫的速度將鍵合腔內(nèi)溫度提升到250?300℃時，保持恒溫，對電池和Si片進(jìn)行1?2小時的鍵合，然后以3℃/min降溫的速度將鍵合腔內(nèi)的溫度降到室溫，電池與Si襯底形成低溫鍵合；步驟3、剝離Ge襯底使用HF:H2O2:H2O=2:1:1腐蝕液腐蝕Ge襯底及GaAs緩沖層，Ge襯底和GaAs緩沖層從電池上被剝離掉后，用HCl:H2O=1:1腐蝕液腐蝕GaInP腐蝕停止層，GaInP腐蝕停止層從電池上被剝離掉，完成Ge襯底的剝離；步驟4、粘接廉價襯底采用玻璃、不銹鋼或聚酯膜之一種材料作為廉價襯底，將步驟3完成的電池倒置，將廉價襯底粘貼到第一結(jié)GaInP電池上，廉價襯底的粘接；步驟5、剝離Si襯底使用BCB膠去除液，將步驟4完成的電池浸泡在BCB膠去除液中超聲腐蝕，腐蝕溫度為室溫，時間5?10min,超聲頻率為700?1000KHz,BCB膠被腐 蝕掉，隨之電池上的Si襯底一同被剝離掉，用去離子水超聲清洗電池5分鐘，再用體積比為濃硫酸：H202=3：1配置出的SC3液超聲清洗電池5分鐘；最后再用去離子水超聲清洗電池5分鐘取出后，即制成本專利技術(shù)砷化鎵薄膜多結(jié)疊層太陽電池。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：高鵬，王帥，劉如彬，康培，孫強(qiáng)，穆杰，
申請(專利權(quán))人：天津藍(lán)天太陽科技有限公司，中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：