[0001] 本发明涉及晶格匹配的倒装多结太阳能电池及 其制备方法， 属半导体材料技术 领域。

背景技术

[0002] 近些年来， 作为第三代光伏发电技术的聚光多结化合物太 阳电池， 因其高光电 转换效率而倍受关注。 传统 GalnP/GaAs/Ge三结太阳电池由于 Ge底电池过多的吸 收了低能光子， 因而与 InGaP和 GaAs中顶电池的短路电流不匹配， 所以传统的 G alnP/GaAs/Ge三结太阳电池结构并不是效率最优化 的组合。 中国专利文献

CN201010193582.1公幵了一种采用倒装生长方式， 其先生长与衬底 GaAs晶格匹 配的 。. ₅ 0&。^和0&八8中顶电池， 再通过渐变缓冲层 (InGaP、 ΙηΑΙΡ或 InGaAs)过 渡到 InGaAs底电池及后续的衬底剥离、 新衬底键合等工艺逐步实施， 实现整个 电池的全结构制备。 此技术的优点在于能够有效降低位错密度， 剥离的衬底能 够循环使用， 降低了成本。 整个制备过程中的主要技术难点在于： 克服从 GaAs 晶格常数 0.5653 nm向 In ₀ . ₃ Ga。. ₇ As晶格常数 0.5775 nm过渡吋产生的 2.15%的晶格 失配， 也就是异质结渐变缓冲层的生长； 而且生长过程中会不可避免的产生穿 透位错， 这些位错会形成复合中心， 降低电池的效率。

[0003] 相较于晶格失配的 InGaAs底电池， 美国专利文献 US20110232730A1公幵 了采用分子束外延 （MBE) 生长和 GaAs衬底晶格匹配的 GalnNAsSb五元系稀氮 材料。 MBE作为超高真空的晶体生长手段在工业化进程 中， 量产能力一直不如 金属有机化学气相沉积 （MOCVD) 。 传统的 MBE外延生长， 为保证结构均匀， 一般采用单片外延， 单质源的坩埚口径限制了量产能力， 而 MOCVD采用气相沉 积， 其反应室大， 以 Vee _CO E475为例， 单炉 （mn) 可以外延生长 15~16片， 量产 能力较 MBE高一个量级， 即使工业级 MBE， 其量产能力也远不如 MOCVD。 技术问题

[0004] 本发明公幵了一种晶格匹配的倒装多结太阳能 电池及其制作方法， 其先采用 M OCVD设备进行宽带隙子电池外延结构生长， 后采用 MBE进行窄带隙子电池外 延结构生长， 从而获得高效率倒装多结太阳能电池。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明的具体技术方案为： 倒装多结太阳能电池的制作方法， 包括步骤： （1 ) 提供一生长衬底， 用于半导体材料的外延生长； （2) 将所述生长衬底置于 M OCVD设备中， 在所述衬底上方采用 MOCVD方法倒装生长第一外延结构， 其具 有多结子电池叠层； （3) 将上述生长完成结构转移至 MBE设备中， 采用 MBE方 法在其上倒装形成第二外延结构， 其至少包含一结子电池， 形成串联倒装多结 太阳能电池； 其中第一外延结构的带隙大于第二外延结构的 带隙。

[0006] 采用本方法制备获得的倒装多结太阳能电池， 其所述第一外延结构的晶格常数 与第二外延结构的晶格常数匹配。

[0007] 优选地， 所述步骤 （2) 形成的第一外延结构还包括一形成于其顶面上 的转移 隔离层， 在进行步骤 （3) 前， 先去除所述转移隔离层， 进行表面清洗， 抛光至 可直接外延状态 （Epi-ready状态） ， 然后将上述结构立即转移到 MBE设备中进 行步骤 （3) 。 在一些较佳实施例中， 所述步骤 （2) 包括下面子步骤： 在所述 生长衬底上形成刻蚀截止层； 在所述刻蚀截止层上方采用 MOCVD方法倒装生长 具有宽带隙的多结子电池叠层， 用于吸收短波端太阳光； 在所述宽带隙多结子 电池上形成转移隔离层； 在完成步骤 （2) 后， 采用选择蚀刻液蚀刻去除所述转 移隔离层， 并进行表面清洗， 抛光至可直接外延状态 （Epi-ready状态） ， 然后将 上述结构立即转移到 MBE设备中进行步骤 （3) 。 所述转移隔离层用以完成第一 次外延生长后切换至不同生长设备 （MBE设备） 过程中隔离外界的大气氧化、 硫化、 有机污染、 杂质吸附、 水蒸气吸附， 在进行下一次外延之前将其连同表 面杂质一起腐蚀掉， 从而起到保护其下功能层的作用。

[0008] 优选地， 所述步骤 （2) 的生长温度高于步骤 （3) 的生长温度。 如此采用倒装 生长规避了不同的衬底温度造成的影响， 形成多结太阳能电池吋， 保护了已生 长完毕宽带隙子电池， 避免其遭受高温损伤。 在一些具体实施例中， 所述步骤 (2) 中 MOCVD的生长温度可为 620~700°C， 步骤 （3) 中 MBE的生长温度可为 5 00~600。C。

[0009] 优选地， 前述倒装多结太阳能电池的制作方法还包括步 骤 （4) ： 对形成的倒 装多结太阳能电池的外延结构的进行表面清洗 、 抛光， 并键合支撑衬底、 去除 所述生长衬底、 制作电极结构， 实现倒装多结太阳能电池。

发明的有益效果

有益效果

[0010] 在 MBE和 MOCVD两种外延生长技术中， MBE方法是将原子或者分子束打向衬 底， 对于衬底温度可能要求不用太高， 可以采用相对较低的温度进行生长。 而 M OCVD方法采用有机源裂解反应室内沉积生长， 其衬底温度需要将有机源进行裂 解， 然后再发生化学反应进行沉积， 所以一般衬底温度较高。 本发明的制作方 法结合两种生长方法的差异， 采用 MOCVD生长宽带隙子电池， 其量产能力大， 但衬底温度相对较高， 优先于 MBE生长的子电池， 这即是整体电池结构采用倒 装外延的初衷， 如此可以获得高效率获得高晶体质量的多结太 阳能电池， 同吋 规避了不同的衬底温度造成的影响。 相比于完全使用 MBE外延生长相同带隙结 构的多结太阳电池全结构来说， 采用 MOCVD生长部分子电池能够降低外延成本 ， 提高量产能力。 相比于完全使用 MOCVD外延生长相同带隙结构的多结太阳电 池全结构来说， 采用本发明制作方法所获得的其各个子电池全 部晶格匹配、 晶 体质量高， 所以光电转化效率高。

[0011] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中 阐述， 并且， 部分地从说明书中 变得显而易见， 或者通过实施本发明而了解。 本发明的目的和其他优点可通过 在说明书、 权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实 现和获得。

对附图的简要说明

附图说明

[0012] 附图用来提供对本发明的进一步理解， 并且构成说明书的一部分， 与本发明的 实施例一起用于解释本发明， 并不构成对本发明的限制。 此外， 附图数据是描 述概要， 不是按比例绘制。

[0013] 图 1为根据本发明实施的一种倒装多结太阳能电� �的制备方法流程图。

[0014] 图 2~图4显示了根据本发明实施的一种倒装四结太 阳电池制作方法之各个过程 中的结构截面图， 其中图 2为采用 MOCVD方法外延生长第一外延结构后的结构 截面图， 图 3为采用 MBE方法完成第二外延结构后的截面图， 图 4为完成芯片工 艺后的倒装四结太阳能电池结构截面图。

[0015] 图中各标号表示：

[0016] 001： 生长衬底

[0017] 002： 刻蚀截至层

[0018] 003： 欧姆接触层

[0019] 004: 支撑衬底

[0020] 101： 第一子电池窗口层

[0021] 102： 第一子电池发射区

[0022] 103： 第一子电池基区

[0023] 104： 第一子电池背场层

[0024] 201： 第二子电池窗口层

[0025] 202： 第二子电池发射区

[0026] 203： 第二子电池基区

[0027] 204： 第二子电池背场层

[0028] 005：

[0029] 301： 第三子电池窗口层

[0030] 302： 第三子电池发射区

[0031] 303： 第三子电池基区

[0032] 304： 第三子电池背场层

[0033] 401： 第四子电池窗口层

[0034] 402： 第四子电池发射区

[0035] 403： 第四子电池基区

[0036] 404： 第四子电池背场层

[0037] 501： 第一、 二子电池隧穿

[0038] 502： 第二、 三子电池隧穿

[0039] 502： 第二、 三子电池隧穿 [0040] 500： 重惨杂盖帽层

[0041] 600： 减反射层

[0042] 700： 正面金属电极

[0043] 800： 背面金属电极。

本发明的实施方式

[0044] 下面将结合示意图对本发明的倒装太阳能电池 及其制备方法进行更详细的描述 ， 其中表示了本发明的优选实施例， 应该理解本领域技术人员可以修改在此描 述的本发明， 而仍然实现本发明的有利效果。 因此， 下列描述应当被理解为对 于本领域技术人员的广泛知道， 而并不作为对本发明的限制。

[0045] 请参看附图 1， 一种倒装多结太阳能电池的制作流程图， 包括了步骤 S11~S31， 其中步骤 S11~S13为采用 MOCVD方法生长第一外延结构， 步骤 S21~S23为采用 M BE方法生长第二外延结构， 步骤 S31为采用芯片工艺形成倒装多结太阳能电池， 具体如下：

[0046] 步骤 S11 : 在 MOCVD设备中外延生长刻蚀截至层 （ESL) 和欧姆接触层； [0047] 步骤 S12: 在 MOCVD设备中外延生长第一外延结构的功能层， 其含有多结子 电池叠层， 用于吸收短波端太阳光；

[0048] 步骤 S13: 在 MCVD设备中外延生长转移隔离层， 用以完成第一次外延生长后 切换至不同生长设备 （MBE设备） 过程中隔离外界的大气氧化、 硫化、 有机污 染、 杂质吸附、 水蒸气吸附等， 在进行下一次外延之前再将其连同表面杂质一 起腐蚀掉， 从而起到保护其下功能层的作用；

[0049] 步骤 S21 : 将经过前面处理的样品取出 MOCVD设备外， 去除转移隔离层并进 行清洗、 抛光至 Epi-ready状态后转移至 MBE设备中；

[0050] 步骤 S22: 在 MBE设备中外延生长第二外延结构的功能层， 其至少含有一结子 电池叠层， 带隙小于第一外延结构的带隙， 用于吸收长波端太阳光；

[0051] 步骤 S23: 在 MBE设备中外延长生欧姆接触层；

[0052] 步骤 S31 : 采用芯片工艺形成倒装多结太阳能电池， 包括键合支撑衬底、 剥离 生长衬底、 去除刻蚀截至层、 制作金属电极等。 [0053] 【实施例 1】

[0054] 图 3所示为一种倒装四结太阳电池的外延结构， 至下而上包括： 生长衬底 001、 刻蚀截止层 002、 欧姆接触层 003、 GalnP第一子电池 100、 GaAs第二子电池 200、 GalnNAsSb第三子电池 300， GalnNAsSb第四子电池 400， 重惨杂盖帽层 500， 其 中每结子电池通过隧穿结 501、 502、 503连接。 下面结合其制备方法对该结构做 详细描述。

[0055] 第一步： 选用 n型惨杂的向 (111)晶面偏角为 9 的 GaAs衬底作为生长衬底 001， 厚度在 350微米左右， 惨杂浓度在 lxl0 ¹⁸ cm - ³ 〜4xl0 ¹⁸ cm - ³ 之间。 将该衬底放置 在 MOCVD系统中， 依次在此衬底上生长 InGaP刻蚀截止层 002和 GaAs欧姆接触 层 003。 其中 InGaP刻蚀截止层 002厚度为 100 nm、 惨杂约为 1x10 ¹⁸ cm - ³ ， GaAs欧 姆接触层 003的厚度为 200 nm、 惨杂约为 1x10 ¹⁸ cm - ³ 。

[0056] 第二步： 在 GaAs欧姆接触层 003上方倒装生长第一子电池 100， 其带隙为

1.89~1.92eV, 具体包括： 窗口层 101、 发射区 102、 基区 103和背场层 104。 在本 实施例中， η+-Α1ΙηΡ窗口层 101的厚度为 25 nm， 惨杂浓度在 1x10 ¹⁸ cm ³ 左右； n+-InGaP发射区 102的厚度为 100 nm， 惨杂浓度为在 2x10 ¹⁸ cm ³ ；

p+-InGaP基区 103的厚度优选值为 900 nm， 惨杂浓度为在 5x10 ¹⁷ cm ³

； p型 AlGalnP背场层 104的厚度为常规背场层厚度的 2倍， 可取 100 nm， 惨杂浓 度在 lxl0 ¹⁸ cm - ³ 左右。

[0057] 第三步： 在第一子电池 100上方生长重惨杂的 p++/n++-AlGaAs/GaInP隧穿结 501 ， 其厚度是 50 nm， 惨杂浓度高达 2x10 ¾m -3。

[0058] 第四步： 在隧穿结 401上方倒装生长 GaAs第二子电池 200， 其带隙 1.42eV， 具体 包括： 窗口层 201、 发射区 202、 基区 203和背场层 204。 在本实施例中， η+-Α1ΙηΡ 窗口层 201的厚度为 50 nm， 此厚度 2倍于常规窗口层厚度， 惨杂渐变， 从隧穿结 界面出由高到低， 浓度变化范围是 l~5xl0 ¹⁸ cm -3左右； _n+ -GaA _S 发射区 202的厚 度为 150 nm， 惨杂浓度为在 2x10 ¹⁸ cm - ³ ; P+-GaAs基区 203的厚度优选值为 3200 nm， 惨杂浓度为在 5x10 ¹⁷ cm - ³ ; p型 AlGaAs背场层 204的厚度为 100 nm， 此厚度 为常规背场层厚度的 2倍， 惨杂渐变， 从隧穿结界面出由高到低， 浓度变化范围 是 l~5xl0 ¹⁸ cm ³ 左右。 [0059] 第五步： 在第二子电池上方生长重惨杂的 p++/n++-GaA _S 隧穿结 502， 其厚度是 5 0 nm， 惨杂浓度高达 2x10 ¹⁹ cm - ³ 。

[0060] 第六步： 在隧穿结 502的上方形成转移隔离层 005， 至此在 MOCVD设备中完成 第一外延结构， 其结构图如 2所示。 移转隔离层 005主要用以完成第一次外延生 长后切换至不同生长设备 （MBE设备） 过程中隔离外界的大气氧化、 硫化、 有 机污染、 杂质吸附、 水蒸气吸附等作用， 在进行下一次外延之前将其连同表面 杂质一起腐蚀掉， 从而起到保护其下功能层的作用。 在本实施例中， 转移隔离 层 005采用 n+-GaInP， 厚度为 5 nm， 惨杂 5x10 ¹⁸ cm - ³ 左右。

[0061] 第七步： 将上述生长完成结构转移至 MBE设备中， 转移之前用选择溶液腐蚀掉 转移隔离层 GaInP 005， 并且清洗、 抛光表面至可直接用于外延 （Epi-ready) 状 态。

[0062] 第八步： 在经抛光处理的表面上倒装生长第三子电池 300， 其带隙大约 0.9~leV ， 具体包括： 窗口层 301、 发射区 302、 基区 303和背场层 304。 在本实施例中， n +-GaInP窗口层 301的厚度为 25 nm， 惨杂浓度在 1x10 ¹⁸ cm ³ 左右； n+-GaInNAsSb 发射区 302的厚度为 250 nm， 惨杂浓度为在 2x10 ¹⁸ cm - ³ ; P+-GaInNAsSb基区 303 的厚度优选值为 3000 nm， 惨杂浓度为在 5x10 ¹⁷ cm - ³ ; p型 GalnP背场层 304的厚度 为 50 nm， 惨杂浓度在 1x10 ¹⁸ cm ³ 左右。

[0063] 第九步： 在第三子电池上方外延生长重惨杂的 p++/n++-GaA _S 隧穿结 503， 其厚 度是 50 nm， 惨杂浓度高达 2x10 ¾m - ³ 。

[0064] 第十步： 在隧穿结 503倒装生长第四子电池 400， 至此完成倒装四结太阳能电池 的外延生长， 其结构图如图 3所示。 第四子电池 400的带隙大约 0.6~0.7eV， 具体 包括： 窗口层 401、 发射区 402基区 403和背场层 404。 在本实施例中， n+-GaInP窗 口层 401的厚度为 25 nm， 惨杂浓度在 1x10 ¹⁸ cm ³ 左右； n+-GaInNAsSb发射区 402 的厚度为 250 nm， 惨杂浓度为在 2x10 ¾m - ³ ; P+-GaInNAsSb基区 403的厚度优选 值为 3500 nm， 惨杂浓度为在 5x10 ¹⁷ cm - ³ ; p型 GalnP背场层 404的厚度为 50 nm， 惨杂浓度在 1x10 ¹⁸ cm - ³ 左右。

[0065] 第十一步： 在第四子电池 400上方面生长高惨杂的 _P ++- GaInNAsSb盖帽层 500， 以便做欧姆接触， 其惨杂浓度为 2x10 '¾m - ³ 。 [0066] 第十二步： 电池的外延生长结束后， 进行芯片工艺， 包括键合支撑衬底 004、 剥离生长衬底 001、 去除刻蚀截至层 002、 蒸镀减反膜 600、 制作正面金属电极 70 0和背面金属电极 800， 完成倒装四结太阳能电池的制备， 其结构图如图 4所示。

[0067] 采用上述制作方法所获得的其各个子电池全部 晶格匹配、 晶体质量高， 所以光 电转化效率高， 而且先进行高温 MOCVD外延生长， 后进行低温 MBE外延长生， 规避了不同的衬底温度造成的影响。

[0068] 【实施例 2】

[0069] 本实施例与实施例 1的区别在于第四子电池 400采用 Ge电池， 其中 n+-Ge发射区 的厚度为 250 nm， 惨杂浓度为在 2x10 ¹⁸ cm - ³ ; P+-Ge基区的厚度优选值为 2500 nm°