一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池及其制备方法技术

一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池及其制备方法，涉及多结太阳能电池制备技术领域，对主电极之间的AlGaInP粗化层进行粗化，在粗化后的AlGaInP粗化层表面制作减反射膜。本发明专利技术采用倒装结构电池，提高太阳电池的开路电压，电池效率能够达到31.5%~32%，在电池受光面作出粗化图形，并且通过导电的Si衬底与电极使整个结构为电流垂直结构，在保持上下导通的基础上可以直接应用于目前成熟的封装技术，并且适用于不同形状的组件。本发明专利技术提高了整个电池的短路电流密度，短路电流密度Jsc可以达到17.5mA/cm2。

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法
本专利技术涉及多结太阳能电池制备技术，属于半导体材料的生产

技术介绍
由于砷化镓及其基系的多种材料的良好性能，以及这种多结叠层太阳电池结构基本已实现全光谱吸收，使得其光电转换效率始终远远领先于其他太阳电池。这一优势加上该电池的优良耐辐照性能和耐高温性能，进一步提高了电池的空间应用的可靠性及其使用寿命，已日益呈现替代高效硅太阳电池和单结砷化镓太阳电池的趋势，成为航天飞行器空间电源主力军。自2002年起，国外的空间飞行器大多使用三结砷化镓太阳电池作为空间主电源，目前的在轨电池超过750kW。2008年8月18日的CompoundSemiOnline上报道了NERL最新创下的新记录：倒置结构的三结砷化镓太阳电池在326倍聚光条件下的效率达到40.8%(AM1.5)。在国外可再生能源发展及市场的拉动下，我国日益清楚认识到利用可再生能源对国家经济和环保的重要性，并于2006年1月开始实施《中国可再生能源法》。在此契机下，我国太阳电池生产在近三年来持续以超过150％的年增长率飞速发展，已成为国际较大的太阳电池生产国。然而，制约太阳电池发展的主要瓶颈是其高昂的材料成本。为此，有必要开发新的高效率太阳电池产品及发电系统，实现发电成本显著降低，为我国大规模应用光伏发电提供新技术。三结GaAs太阳电池，在顶电池Eg=1.96eV、中电池Eg=1.10eV的情况下，理论的效率可以达到41.7。原因是电流密度与填充因子很高。同样在这个条件下，计算得出的顶电池电流密度为20.78mA/cm2，中电池为33.20mA/cm2。但是实际中，顶电池电流密度只有17mA/cm2，可以看出，顶电池电流密度是制约整个电池电流的瓶颈。目前，提高电池电流密度的通用方法是蒸镀减反射膜，但是三结砷化镓太阳电池对减反射膜的厚度、折射率非常敏感，该膜的细微变化将引起电池性能的明显变化，这对于批产的稳定性和合格率是非常不利的。
技术实现思路
针对现有技术上的缺陷，本专利技术目的是提出一种与顶电池InGaP晶格匹配的，而且带隙比较宽，对光的透过也比较好的具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池。本专利技术在Si衬底一侧设置背电极，在Si衬底另一侧通过接触层设置由底电池、中电池和顶电池构成的外延片，主电极通过图形化的接触层设置在顶电池上，其特征在于在外延片的顶电池外设置表面粗化层，在表面粗化层上设置减反射膜。本专利技术目的是本项目计划在顶电池上面利用MOCVD技术外延一层约2个μm的高铝组分的Al0.8Ga0.2InP材料，这种材料是与顶电池InGaP晶格匹配的，而且由于带隙比较宽，对光的透过也比较好。本专利技术所述表面粗化层的上表面为若干的金字塔形。在芯片工艺端，利用化学溶液对不同晶向的腐蚀速率差异，制造出最利于陷光的“金字塔”结构，然后结合减反射膜工艺，本专利技术成功地将电池表面反射率降低至5%以内。本专利技术成功提高了整个电池的短路电流密度，实际证明通过工艺改进，短路电流密度Jsc可以达到17.5mA/cm2。本专利技术的另一目的是提出以上具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，包括以下步骤：1）在临时衬底上制备由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延片：在GaAs临时衬底上面，依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、AlGaInP粗化层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型GaAs接触层；2）准备转移Si衬底：选取导电类型为P型的转移Si衬底，经清洗备用；3）在电池外延片的底电池背部和转移Si衬底正面，分别通过电子束依次蒸镀Ti、Pt和Au层，再将电池外延片与转移Si衬底进行金属键合；4）采用碱性腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的临时衬底；5）在顶电池上制备主电极，在转移Si衬底上制备背电极；6）对主电极之间的AlGaInP粗化层进行粗化；7）在粗化后的AlGaInP粗化层表面制作减反射膜。本专利技术工艺合理，易于操作，倒装结构电池，实际上使用InGaAs底电池代替常规正装工艺中的Ge衬底，提高太阳电池的开路电压。最终整个电池效率能够达到31.5%~32%。使用一种方法，在电池受光面作出粗化图形，并且通过导电的Si衬底与电极使整个结构为电流垂直结构，在保持上下导通的基础上可以直接应用于目前成熟的封装技术，并且适用于不同形状的组件。另外，本专利技术所述步骤1）中，AlGaInP粗化层的厚度为2μm。因为粗化的过程也是腐蚀的过程，所以有必要有一定厚度的粗化层。如果粗化层很薄，那么在粗化的过程中，粗化层下面的顶电池就很有可能被腐蚀到。那样会破坏电池结构。本专利技术先形成厚度为2μm的AlGaInP粗化层，因为后续粗化时候深度控制在5000Å~7000Å左右，以利于形成粗化形貌都是类似“金字塔”。在所述步骤2）中，先以浓硫酸与双氧水的混合水溶液浸泡转移Si衬底5min，去除表面的有机污染物，然后再使用氢氟酸稀释液浸泡1min，去除Si表面的氧化层，最后使用盐酸与双氧水混合水溶液浸泡3min，达到去除Si表面的金属阳离子的目的。在所述步骤3）中，蒸镀的Ti、Pt和Au层总厚度不低于1.5μm，以使形成的电极较厚，导电性能良好，另外利于符合后续的焊接封装工艺要求的厚度形成。在所述步骤6）中，粗化溶液为盐酸、磷酸和水的混合溶液，盐酸、磷酸和水的混合体积比为1:2:5。如果盐酸比例高，那么粗化层就会被全部腐蚀掉，如果磷酸比例高，在溶液中就会限制盐酸的电离。起不到粗化效果。本专利技术针对粗化层AlGaInP的结构特点，该盐酸、磷酸和水的混合体积比是合适的，粗化出来的形貌最接近所谓的“金字塔”形貌，最有利于陷光。在所述步骤7）中，减反射膜采用TiO2/Ta2O5/Al2O3的三层结构，厚度为450Å的TiO2和150ÅTa2O5和800Å的Al2O3。这样的材料组合和厚度设计，能够在300nm～1000nm的光谱范围内，电池表面的整体反射率低于10%。附图说明图1为三结GaAs太阳电池结构的外延片示意图。图2为三结GaAs太阳电池结构中每个子电池的结构示意图。图3为本专利技术的一种结构示意图。具体实施方式1、制备外延片。选取晶向为<100>的GaAs衬底片101，厚度为375μm，直径100mm±0.1mm。在GaAs衬底101上面，使用MOVPE（有机金属气相外延）技术依次生长出0.5μm的N型GaAs的缓冲层102，350nm的GaInP腐蚀截止层103，0.5μm的N型GaAs接触层104，2μm的AlGaInP粗化层105，0.5μm的GaInP顶电池（Topcell）106，500Å的隧穿结一107，3.4μm的GaAs中电池（Middlecell）108，500Å的隧穿结二109，3μm的InGaAs底电池（Bottomcell）110，在底电池结尾，包含有400nm的P型GaAs接触层111，见图1所示。以上子电池分别为GaInP顶电池（Topcell）106、GaAs中电池（Middlecell）108和InGaAs底电池（Bottomcell）110。每一个子电池分别具有背反射层（BSF）201、基区（base）202、发射区（e本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池，在Si衬底一侧设置背电极，在Si衬底另一侧通过接触层设置由底电池、中电池和顶电池构成的外延片，主电极通过图形化的接触层设置在顶电池上，其特征在于在外延片的顶电池外设置表面粗化层，在表面粗化层上设置减反射膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，在Si衬底一侧设置背电极，在Si衬底另一侧通过接触层设置由底电池、中电池和顶电池构成的外延片，主电极通过图形化的接触层设置在顶电池上，在外延片的顶电池外设置表面粗化层，在表面粗化层上设置减反射膜，所述具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）在临时衬底上制备由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延片：在GaAs临时衬底上面，依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、AlGaInP粗化层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型GaAs接触层；2）准备转移Si衬底：选取导电类型为P型的转移Si衬底，经清洗备用；3）在电池外延片的底电池背部和转移Si衬底正面，分别通过电子束依次蒸镀Ti、Pt和Au层，再将电池外延片与转移Si衬底进行金属键合；4）采用碱性腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的临时衬底；5）在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊承，韩效亚，杨凯，林洪亮，徐培强，白继峰，张双翔，王英，
申请(专利权)人：扬州乾照光电有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32