专利名称：一种叠层式太阳能电池及制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池的制造和应用领域，尤其是一种使用η型衬底和隧道结的叠层式太阳能电池及制作方法。
背景技术：
现有的量产太阳能电池，主要采用硅、GaAs等材料制作。使用单一材料的单结电池的效率一般不能做得很高。通常的方式是将多种材料如GalnP，InGaAs和Ge等生长在同一个衬底上，然后制作太阳电池。太阳光线入射到电池表面，波长由短至长可以依次被多种材料吸收，达到充分利用太阳光谱，提高电池效率的目的。然而，这样带来的问题是在同一个衬底上使用的材料体系过多，造成晶格不匹配的现象严重，使生长出的电池材料质量不高， 影响效率的提高。现有的一种方法，是将两种或者两种以上的电池材料垂直集成在一起，形成叠层电池。这种叠层电池，可以同时解决多结和晶格不匹配的问题，有希望实现高效率。 然而，这种电池通常上层电池单元采用P-GaAs衬底，生长GalnP/GaAs两结电池，下层电池采用n-InP衬底，生长InGaAsP/InGaAs两结电池。再将上下层电池进行垂直集成。然而， P-GaAs对光有强烈吸收。若直接叠层，则太阳光线会在穿过P-GaAs衬底时被大量吸收，只有很少的部分能够透射到下层电池，造成下层电池效率很低，直接影响整个电池的效率。为了解决这个问题，必须通过将材料倒置生长，叠层集成后去除衬底的方法。这会加大成本， 造成工艺上的诸多困难。因此，发明一种不用去除衬底、能够直接集成的高效太阳能电池集成方案，具有现实意义。
发明内容
为了克服以上问题，本发明提供一种叠层式太阳能电池，能有效解决电池效率及成本的难题。这种叠层式太阳能电池，包括至少一个上层电池单元和底电池单元；所述上层电池单元包括双结电池层和η型衬底，以及形成于该双结电池层和η型衬底之间的隧道结。上述η型衬底为n-GaAs，双结电池层是GalnP/GaAs。底电池单元衬底的制作材料是n-InP，其衬底上形成的双结电池层是InGaAsP/ InGaAs0上层电池单元和底电池单元之间还可以设有金属接触层。隧道结由极高掺杂性的p-GaAs/n-GaAs薄膜组成，这里所说的极高掺杂性指掺杂浓度在lE19/cnT3以上。金属接触层是由金、镍、钛、锗或其合金组成的，厚度在0. I-IOnm之间。本发明的另一个目的是提供一种叠层式太阳能电池的制作方法，包括以下步骤 底电池单元的制作在衬底上生长双结外延电池层；
上层电池单元的制作在η型衬底上生长隧道结，然后在隧道结结构上生长双结电池
层；将上层电池单元与底电池单元对准，在真空或氮气的保护下，加压加热，保持1(Γ120 分钟，形成上层电池单元与底电池单元界面键合连接；
在上层电池单元的表面及底电池单元背面进行电极沉积，获得叠层式太阳能电池。底电池单元衬底的制作材料是η-ΙηΡ ；所述的上层电池单元η型衬底的制作材料是 n-GaAso上层电池单元的双结电池层是GalnP/GaAs ；所述底电池单元的双结电池层是 InGaAsP/InGaAs。隧道结由极高掺杂性的ρ-GaAs或者n-GaAs薄膜组成，这里所说的极高浓度指掺杂浓度在lE19/cnT3以上。底电池单元的外延电池层材料选自砷、镓、铟及磷中的两种或两种以上的元素组合；所述上层电池单元的外延电池层材料选自砷、镓、铟及磷中的两种或两种以上的元素组合。上层电池单元与底电池单元之间还设有金属接触层。施加压力范围为5 50000牛；所述加热温度范围为30(T60(TC。金属接触层是由金、镍、钛、锗或其合金组成的。本发明的有益效果为制作出的叠层式太阳能电池，一方面由于将上层电池单元的P型衬底改为η型衬底，大大增加了光线的透射效率，有效减少上层电池单元衬底对光的吸收，进而提高电池整体工作效率。另一方面，上层电池单元η型衬底与外延电池层之间形成一隧道结结构进行反型，使得隧道结以上的外延电池结构与在P型衬底生长的电池是完全一致的，很好地解决了生长材料晶格不匹配的问题。第三，两种双结太阳能电池单元以垂直集成的方式组合成四结太阳能电池，能实现较高效率的光电转化。
图1为叠层式太阳能电池的结构剖面图2为上层电池单元(a)及底电池单元(b)的结构剖视图； 图3为上层电池单元与底电池单元键合连接流程图； 图4为η型衬底与ρ型衬底透光率坐标图。
具体实施例方式以下配合附图用实施例对本发明作详细说明。如图1所示，本实施例的叠层式太阳能电池结构是由两个太阳能电池单元垂直集成的太阳能电池，其结构包括上层电池单元10及底电池单元11，上层电池单元10顶部及底电池单元11底部设有电极9 ；位于上层电池单元与底电池单元之间还设有金属接触层8。 其中上层电池单元10从下至上依次包括η型衬底4、隧道结3及双结电池单元12 ；底电池单元11从下至上依次包括衬底7及双结电池单元56。这种叠层式太阳能电池的制作方法，包括以下步骤
底电池单元11的制作在衬底7上生长双结电池单元56。本实施例中底电池单元11 采用η型磷化铟(η-ΙηΡ)材料作为衬底7，通常衬底厚度在300-600 μ m之间，然后使用分子束外延(MBE)或者金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法在该衬底7上依次生长InGaAs、InGaAsP材料形成双结电池单元56，最终获得双结的底电池单元11，如图2 (b)所示。上层电池单元10的制作。本实施例中，上层电池单元10采用η型砷化镓(n-GaAs) 材料代替原有的P型砷化镓(P-GaAs)材料制作一层厚度为600 μ m的η型衬底4，目的在于利用η型材料较好的透光性，提高上层电池单元10对入射光的透过率。参考图4可知， P-GaAs材料对入射光有强烈的吸收效果，只有很少部分的入射光能进入底电池单元11，降低了底电池单元11的工作效率，进而影响整个叠层式太阳能电池效率。而采用n-GaAs材料作为上层电池单元10的η型衬底4，光吸收率大大降低，能让充足的入射光进入底电池单元11参与光电转化过程。现有技术中通常采用在ρ-GaAs衬底上生长GalnP/GaAs形成双结电池，以满足材料的体系晶格匹配要求。若将P-GaAs衬底改为n-GaAs衬底，就会造成严重的晶格不匹配现象，生长出的电池材料质量不高。为解决此问题，本发明在n-GaA的η型衬底4上采用分子束外延(MBE)或者金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法引入隧道结3结构进行极性反转，其中隧道结3由极高掺杂p-GaAs/n-GaAs薄层组成，这里所说的极高掺杂性指掺杂浓度在IXlO19cnT3以上。然后在该隧道结3上用相同的方法从下至上依次生长GaAS、GaInP材料层而形成双结的上层电池单元10，如图2 (a)所示。此时隧道结3以上的双结电池单元 12结构与在ρ型GaAs衬底上生长的电池层是完全一致的，避免了晶格不匹配的现象出现。(3)将上层电池单元10的η型衬底4与底电池单元11双结电池单元56表面对准， 在真空或氮气的保护下，设置压力范围在5 50000Ν、加热温度范围30(T60(TC，保持1(Γ 20 分钟，使上层电池单元10与底电池单元1界面键合连接，形成四结太阳能电池。上层电池单元10与底电池单元11界面键合连接，可以采用上述方法获得，也可以在两电池单元之间插入一层金属接触层8来接合形成。具体操作为如图3所示，采用分子束外延(MBE)或者金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)方法在上层电池单元10的η型衬底4背面先沉积一层厚度0. I-IOnm的金属接触层8，然后再将上层电池单元10的η型衬底4与底电池单元11 双结电池单元56表面对准，在真空或氮气的保护下，设置压力范围在5飞0000Ν、加热温度范围30(T60(TC，保持1(Γ120分钟，使两电池单元界面键合连接。这种金属接触层可使用金、锗、钛、镍金属薄膜或其合金薄膜作为制作材料，提高导电特性。在上层电池单元的表面及底电池单元衬底的背面进行电极沉积，用于实现与半导体材料的欧姆接触，获得叠层式太阳能电池。电极沉积多采用电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等手段制备，一般为 AuGe/Ni/Au (10-50) / (1-50) / (100-300) nm 或者 Ti/Au (10-50)/ (100-300)nm。使用这种方法获得的太阳能电池，可以解决直接生长材料晶格不匹配的问题，形成四结太阳电池，有希望实现高效率的输出。其上层电池单元η型衬底4采用η型材料，透光率高，能让底电池单元充分利用太阳能光谱进行光电转化，提高叠层式太阳能电池的整体工作效率。根据使用环境和太阳能使用效率的需要，可以是多个上层电池依次叠加，单元结构一致，所使用的技术手段相同，也可以使用不同的材料，如使用AlGaInP电池等，下层电池也可以是包括Ge电池，Si电池在内的电池等。本发明制作方法简单可行，不需要外延层的倒置生长，不需要通过腐蚀或打磨去掉上层电池单元的衬底或添加增透膜，就能达到所需效果，成本较低，与现有技术相比有较突出的进步，发展前景广阔。
权利要求
1.一种叠层式太阳能电池，其特征在于包括至少一个上层电池单元和底电池单元； 所述上层电池单元包括双结电池层和η型衬底，以及形成于该双结电池层和η型衬底之间的隧道结。
2.根据权利要求1所述的叠层式太阳能电池，其特征在于所述η型衬底为n-GaAs衬底；所述双结电池层是GalnP/GaAs电池。
3.根据权利要求1所述的叠层式太阳能电池，其特征在于所述底电池单元衬底的制作材料是n-InP，其衬底上形成的双结电池层是InGaAsP/InGaAs。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叠层式太阳能电池，其特征在于所述上层电池单元和底电池单元之间还设有金属接触层。
5.根据权利要求4所述的叠层式太阳能电池，其特征在于所述隧道结由P-GaAs/ n-GaAs薄膜组成。
6.根据权利要求4所述的叠层式太阳能电池，其特征在于所述金属接触层是由金、 镍、钛、锗或其合金组成的，厚度在0. I-IOnm之间。
7.一种使用η型衬底和隧道结的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤底电池单元的制作在衬底上生长双结电池层；上层电池单元的制作在η型衬底上生长隧道结，然后在隧道结结构上生长双结电池层；将上层电池单元与底电池单元对准，在真空或氮气的保护下，加压加热，保持1(Γ120 分钟，形成上层电池单元与底电池单元界面键合连接；在上层电池单元的表面及底电池单元背面进行电极沉积，获得叠层式太阳能电池。
8.根据权利要求7所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述底电池单元衬底的制作材料是n-InP ；所述上层电池单元η型衬底的制作材料是n-GaAs。
9.根据权利要求7所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述上层电池单元的双结电池层是GalnP/GaAs电池？；所述底电池单元的双结电池层是InGaAsP/ InGaAs 电池？。
10.根据权利要求7所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述隧道结由 p-GaAs/n-GaAs 薄膜组成。
11.根据权利要求7所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述上层电池单元与底电池单元之间还设有金属接触层。
12.根据权利要求7所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述施加压力范围为5 50000牛；所述加热温度范围为30(T60(TC。
13.根据权利要求12所述的叠层式太阳能电池的制作方法，其特征在于所述金属接触层是由金、镍、钛、锗或其合金组成的。
全文摘要
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是一种叠层式太阳能电池及制作方法。这种叠层式太阳能电池包括至少一个上层电池单元和底电池单元，上层电池单元顶部及底电池单元底部设有电极，上层电池单元包括n型衬底以及形成于该n型衬底上的隧道结；所述的隧道结由极高掺杂性的p-砷化镓或者n型砷化镓薄膜组成。上层电池单元与底电池单元之间还可以设有金属接触层。这种叠层太阳能电池一方面将上层电池单元的p型衬底改为n型衬底，大大增加了光线的透射效率。另一方面，引入一隧道结结构进行反型，解决了生长材料晶格不匹配的问题。两种双结电池单元通过金属接触层以垂直集成的方式组合成四结太阳能电池，实现较高的光电转化效率。
文档编号H01L31/18GK102254918SQ201110207240
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者季莲, 张耀辉, 杨辉, 董建荣, 赵勇明, 陆书龙, 黄寓洋 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所