一种基于外延正向失配生长的多结GaAs薄膜太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种多结GaAs薄膜太阳能电池。
【背景技术】
[0002] 目前，在光伏市场上，各种材料的薄膜太阳能电池以其特有的优势和逐渐成熟的 工艺技术占有了光伏市场的一席之地，而且成长速度非常快。
[0003] 薄膜太阳能电池的产品类型主要有CdTe薄膜电池、硅基薄膜电池和铜铟镓锡 (CIGS)薄膜电池。与常规的晶体硅太阳能电池相比，上述薄膜电池使用材料很少，构成太 阳能电池的薄膜材料厚度不超过50微米，而晶体硅电池厚度约180微米~200微米。除此 之外，薄膜太阳能电池还因为其廉价的衬底材料（如玻璃、不锈钢、聚酯膜）、有柔性、材料 禁带宽度可调控、组件温度系数低等优点倍受瞩目，近年来，在光伏市场的应用规模逐渐扩 大，2014年已经占18%以上的市场份额。
[0004] 但是由于受到材料自身的限制，上述薄膜电池存在光电转换效率低、国外技术封 锁壁皇高、大面积薄膜的均匀性和可靠性差等瓶颈问题，因此无论是CdTe薄膜电池、硅基 薄膜电池还是CIGS薄膜电池，都无法制作出高效薄膜太阳能电池。
[0005] GaAs是典型的III-V族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为 I. 42eV(300K)，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的太阳能电池材料。其主要特 占.
[0006] 1.光电转换效率高：GaAs基太阳能电池满足太阳光谱匹配所需的材料与结构，其 光电转换效率记录代表当前世界最高太阳能电池光电转换效率记录；
[0007] 2.可制成薄膜和超薄型太阳能电池：GaAs为直接跃迀型材料，在可见光范围 内，GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，GaAs太阳能电池只 需5~10 ym的厚度，而Si太阳能电池则需大于150 ym，因此，GaAs太阳能电池能制成薄 膜型，质量可大幅减小；
[0008] 3.耐高温性能好：GaAs太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更 高的温度范围；
[0009] 4.抗辐照性能强：GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散 度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性 能；
[0010] 5.适合制作多结叠层太阳能电池：由于III-V族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、 GaInAs等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳 能电池的效率并降低成本。
[0011]现今，GaAs薄膜太阳能电池制作工艺大都采用生长衬底直接腐蚀掉实现外延薄膜 层转移的薄膜电池工艺，造成GaAs薄膜太阳能电池的制备成本相当昂贵。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于多结GaAs太阳能电池的加工设备 与加工工艺，采用选择腐蚀衬底剥离工艺、外延层正向失配生长等技术制备GaAs薄膜多结 叠层太阳能电池，提高光电转换效率、大面积薄膜的均匀性和可靠性。
[0013] 本发明的技术方案是：一种基于外延正向失配生长的多结GaAs薄膜太阳能 电池，包括GaAs帽层、Inx (AlyGa1-Jf)hAs渐变层、弟一结InxGa1-JiAs电池、弟一險穿结、 Inx (AlyGa1-) "As渐变层、第二结InxGa1^As电池、第二隧穿结、Inx (AlyGa1-) Js渐变层、第 三结GaAs电池、第三隧穿结、第四结GaInP电池、GaAs帽层。
[0014] 上述为电池本体部分，还包括初始生长在GaAs衬底上的电池有源层，具体包括依 次生长的缓冲层、GaInP腐蚀停止层、本征GaAs层、GaInP腐蚀停止层、第一牺牲层、本征 GaAs层、第二牺牲层、本征GaAs层、第三牺牲层、本征GaAs层、第四牺牲层、本征GaAs层、第 五牺牲层、GaInP腐蚀停止层。
[0015]进一步地，所述第一结InxGapxAs电池，包括Inx(AlyGa1I)PxAs背场层、InxGapxAs 基区、InxGa1-JiAs发射区、Inx(AlyGa1I)hAs窗口层，其中 0.2<x<0. 6,0.4<y<0. 9， 生长温度为500°C-800°C，厚度为2-5ym，掺杂浓度为IXIO17 -IXIO19cm3;所述第二 结InxGahAs电池，包括Inx(AlyGa1I)hAs背场层、InxGahAs基区、InxGahAs发射区、 Inx (AlyGa1I)hAs窗口层，其中0.2彡X彡0.5,0.5彡y彡0.7,生长温度为 500°C-800°C， 厚度为2-5ym，掺杂浓度为IXIO17-IXIO19cm3;所述第三结GaAs电池，包括AlxGai_xAs 背场层、GaAs基区、GaAs发射区、AlxGa^xAs窗口层，其中0.I< X <0. 5,生长温度为 500°C-800°C，厚度为3-5ym，掺杂浓度为IXIO17-IXIO19cnT3;所述第四结GaInP电池， 包括AlGaInP背场层、GaInP基区、GaInP发射区、AlInP窗口层，生长温度为500°C_800°C， 厚度为 〇? 5-3ym，掺杂浓度为IXIO17-IXIO19cnT3;
[0016] 所述第一隧穿结，包括n型的Inx(AlyGa1I) hAs层和p型的Inx(AlyGa1I) hAs 层，其中0? 2彡X彡0? 6,0. 4彡y彡0? 9,生长温度为500 °C -800 °C，掺杂浓度 为I X IO18-I X IO2tlcm3,厚度范围为IOnm-IOOnm ;所述第二隧穿结，包括n型的 InjAlyGa^hAs 层和 p 型的 InjAlyGa^hAs 层，其中0.2 彡X彡0.5,0.5 彡y 彡0.7， 生长温度为500 °C -800 °C，掺杂浓度为IX IO18-I X IO2tlcnT3，厚度范围为IOnm-IOOnm ;所述 第三隧穿结，包括n型的GaInP层和p型的AlxGapxAs层，其中0. 2彡X彡0. 5,生长温度为 500°〇-800°〇，掺杂浓度为1\1018-1\102°〇11_ 3，厚度范围为1011111-10011111。
[0017] 所述GaAs帽层，生长温度为500°C -800°C，厚度为100-1000nm，掺杂浓度为 IX IO18-I X IO20CnT30
[0018] 所述Inx (AlyGa1I) ^xAs渐变层，包括晶格渐变的Inx (AlyGa1-) ^xAs层，其中 0? 01 < X < 0? 6,0? 4 < y < 0? 9,生长温度为 500°C -800°C，厚度为 0? 5-5 y m，掺杂浓度为 IXlO17-IXlO19CnT30
[0019] 所述牺牲层有五层，分别包括第一至第五牺牲层，包括AlAs层或Al xGai_xAs，在 AlxGahAs技术方案中，0? 6彡X，生长温度为500°C _800°C，厚度为20-100nm。
[0020] 本发明还提供所述基于外延正向失配生长的四结GaAs薄膜太阳能电池的制备方 法，包括下述步骤：
[0021] 1)在GaAs衬底上，依次生长权利要求2所述的电池有源层，权利要求1所述的各 层；
[0022] 2)将步骤1得到的电池，使用BCB胶，在与GaAs衬底相反的方向，与廉价衬底键 合；
[0023] 3)选择腐蚀衬底剥离工艺将GaAs衬底剥离；
[0024] 4)将步骤3得到的太阳能电池的第一结InxGahAs电池方向通过BCB胶键合到硅 衬底；
[0025] 5)将BCB胶剥离，得到完整的四结电池。
[0026] 该方法通过与苯并环丁烯BCB胶，即上述的BCB胶之间的半导体键合工艺将所述 外延正向失配生长的四结GaAs太阳能电池与廉价衬底连接起来，再通过选择腐蚀衬底剥 离工艺、BCB胶剥离工艺制备得到本发明的太阳能电池。
[0027] 所述廉价衬底为聚酰亚胺薄膜衬底，金属钼、铜、镍薄膜衬底，PMMA薄膜衬底，PDMS 薄膜衬底，不锈钢薄膜衬底中的一种。
[0028] 所述半导体键合工艺采用低温热压键合工艺，将外延正向失配生长的四结GaAs 太阳能电池与廉价衬底连接起来。
[0029] 所述选择腐蚀衬底剥离工艺，使用HF腐蚀液腐蚀剥离GaAs衬底，使用HCl: H2O = 1:1 (体积比）腐蚀液腐蚀GaInP。
[0030] 本发明具有的优点和积极效果是：
[0031] 1、本发明提供的是基于正向外延生长的GaAs四结太阳能电池，正向外延失配生 长技术成为一种提高光电转换效率的重要技术。它是用晶格失配的两结InGaAs电池来替 代Ge底电池，该正转质变过程的正向外延生长，通过首先外延生长晶格失配的两结电池， 最后生长两结晶格匹配的电池来实现。这种正向外延生长技术使晶格失配交替产生控制的 微区缺陷逐步被湮没或向边缘延伸，保证电池良好外延生长，从而使太阳能电池光电转换 效率获得进一步提升；
[0032] 2、本发明的半导体键合工艺采用低温热压键合工艺，将外延正向生长的GaAs四 结太阳能电池与新的支撑衬底连接起来。低温键合技术，可以将晶格严重失配的材料直接 连接起来，