GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池及其制作方法

摘要

本申请公开了一种四结级联太阳电池及其制作方法，将基于倒置结构生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳和Ge太阳电池进行单片集成，实现四结带隙能量分别为1.9/1.4/1.0/0.67eV的太阳电池。本发明采用具有特殊结构形态的石墨烯键合面，石墨烯键合面优异的导电性和透光性使其可有效抑制键合界面电损耗和光损耗，其延展性有助于释放应力。因此制备得到的四结单片高效太阳电池可以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，获得较高的转换效率。

权利要求

1.一种GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、在GaAs衬底上按照远离GaAs衬底的方向依次生长Ga0.51In0.49P顶层电池、GaAs中间层电池、GaxIn1-xP缓冲过渡层、In0.27Ga0.73As底层电池和Ga0.25InP背表面层，形成GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池，其中0＜x＜0.26；

(2)在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法形成Ge的pn单结电池，并在GaInP成核层上，生长GaAs作为电池的顶部盖层，形成单结Ge太阳电池晶片；

(3)采用化学气相沉积法，并以金属箔为生长基体制备石墨烯薄膜；

(4)在石墨烯薄膜上涂覆转移介质；

(5)将带有转移介质和石墨烯薄膜的金属基片放入腐蚀液中将金属腐蚀掉；

(6)将转移介质/石墨烯的薄膜从腐蚀液中捞出，清洗后，粘贴到三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池外延片的顶部盖层或单结Ge太阳电池晶片的Ga0.25InP背表面层；

(7)除去转移介质，并退火，得到石墨烯键合面；

(8)将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太阳电池晶片放置于真空室中，真空度为10-4～10-5pa，将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太阳电池晶片贴合并施加30～50N/cm2的压力，保持1～2小时，将真空室加热到150～200℃，对紧密贴合的晶片对均匀施加100～150N/cm2的压力，保持1～2小时。

2.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述金属箔的材质选自Cu、Ni或Ru。

3.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述转移介质的材质选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或胶带。

4.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于，还包括步骤：(9)对键合得到四结太阳电池进行热处理：首先加热至350～400℃并保温2～3小时，其中，当温度大于200℃时，升温的速率为0.2～0.5℃/分钟；最后，以降温速率为0.2～0.5℃/分钟进行降温处理，其中，当温度小于100℃，采用自然降温的方式降温至室温。

5.根据权利要求4所述的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，其特征在于：所述GaxIn1-xP缓冲过渡层采用组分渐变的生长方法，即在生长完GaAs中间层电池之后，生长10层Ga组分不同的GaInP缓冲层，通过这10层缓冲层的生长，最后生长一层晶格常数和In0.27Ga0.73As相同的GaInP。

6.利用权利要求1至5任一项所述的方法制作的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池，其特征在于：GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池和单结Ge太阳电池晶片之间通过石墨烯薄膜键合。

7.根据权利要求6所述的GaInP/GaAs/InGaAs/Ge四结级联太阳电池，其特征在于：所述石墨烯薄膜的厚度为0.34～30nm。

说明书

GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池及其制作方法

技术领域

[0001] 本申请属于太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池及其制作方法。

背景技术

[0002] 在光伏技术中，提高太阳电池的光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段，可促进太阳电池的进一步实用化。多结级联式的太阳能电池结构采用不同禁带宽度的子电池串联极大地提高了对太阳光的利用，从而显著提高了太阳电池的效率。 目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池。2007年 GaInP/(In)GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30％。在 240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40％。目前德国夫琅和费研究所的 Eicke Weber 教授领导的研究小组已经将三结 GaInP/GaInAs/Ge 太阳电池效率提高到了 41.1％。然而该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。

[0003] 理论上来说，结数越多，效率越高。根据Shockley-Quisser模型， 四结带隙能量为1.9/1.4/1.0/0.67eV的太阳电池可以获得超过45％的转换效率。同时，由于四结结构更能够实现高电压， 低电流输出， 可以有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻热损失， 而超高倍聚光电池可以大大地降低太阳电池成本， 从而为 III-V 族化合物半导体太阳电池在产业化方面的进展起到了极大地推动。基于晶格失配的太阳电池在材料生长上的限制以及四结以上电池研制的需要， 通过外延直接键合的方法实现大失配晶格材料的直接单片多结电池集成已经被证明具有很大的潜力。

[0004] 在四结电池的研制上，美国波音-光谱公司以及加州理工的科学家们提出了将Ge衬底上的双结GaInP/GaAs电池和InP衬底上生长的InGaAsP/InGaAs(1.0/0.72eV)键合的方法，以实现单片四结 GaInP/GaAs/[Ge/InP键合介面 ]/InGaAsP/InGaAs 集成。虽然使用了晶格匹配的材料结构，但Ge/InP会吸收能量在1.42eV以下的太阳光，从而降低InGaAsP/InGaAs电池的效率。半导体材料之间的键合受键合界面处半导体材料掺杂浓度和表面粗糙度、清洁度等的影响，会在键合界面产生一定的电学损耗和光学损耗，从而降低太阳电池效率。

发明内容

[0005] 针对上述提到的现有技术的不足，本发明的目的是提出一种带隙能量分别为1.9/1.4/1.0/0.67eV的四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池及其制备方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 本申请实施例公开了一种光电器件，包括第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层通过键合层与所述第二半导体层键合，所述键合层为石墨烯薄膜。

[0008] 相应地，本申请实施例还公开了一种光电器件的制作方法，包括步骤：

[0009] s1、以金属箔为生长基体制备石墨烯薄膜；

[0010] s2、在石墨烯薄膜上制作转移介质；

[0011] s3、去除金属箔，并将转移介质/石墨烯薄膜粘贴到第一半导体层的键合面上；

[0012] s4、去除转移介质，将第二半导体层的键合面与石墨烯薄膜贴合，然后在真空室内进行键合。

[0013] 本申请实施例还公开了一种GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池， GaInP/GaAs/ InGaAs三结太阳电池和单结Ge太阳电池晶片之间通过石墨烯薄膜键合。

[0014] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池中，所述石墨烯薄膜的厚度为0.34 30nm。~

[0015] 相应地，本申请实施例还公开了一种GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法，包括步骤：

[0016] s1、以金属箔为生长基体制备石墨烯薄膜；

[0017] s2、在石墨烯薄膜上制作转移介质；

[0018] s3、去除金属箔，并将转移介质/石墨烯薄膜粘贴到GaInP/GaAs/ InGaAs三结太阳电池的键合面上；

[0019] s4、去除转移介质，将单结Ge太阳电池晶片的键合面与石墨烯薄膜贴合，然后在真空室内进行键合。

[0020] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法中，所述金属箔的材质选自Cu、Ni或Ru。

[0021] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法中，所述转移介质的材质选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或胶带。

[0022] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法中，具体包括步骤：

[0023] （1）、在GaAs衬底上按照远离GaAs衬底的方向依次生长Ga0.51In0.49P顶层电池、GaAs中间层电池、GaxIn1-xP 缓冲过渡层、In0.27Ga0.73As底层电池和Ga0.25InP背表面层，形成GaInP/GaAs/ InGaAs三结太阳电池，其中0＜x＜0.26；

[0024] （2）在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法形成Ge的pn单结电池，并在GaInP成核层上，生长 GaAs作为电池的顶部盖层，形成单结Ge太阳电池晶片；

[0025] （3）采用化学气相沉积法，并以金属箔为生长基体制备石墨烯薄膜；

[0026] （4）在石墨烯薄膜上涂覆转移介质；

[0027] （5）将带有转移介质和石墨烯薄膜的金属基片放入腐蚀液中将金属腐蚀掉；

[0028] （6）将转移介质/石墨烯的薄膜从腐蚀液中捞出，清洗后，粘贴到三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池外延片的顶部盖层或单结Ge太阳电池晶片的Ga0.25InP背表面层；

[0029] （7）除去转移介质，并退火，得到石墨烯键合面；

[0030] （8）将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太阳电池晶片放置于真空室中，真空度为10-4 10-5Pa，将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太~2
阳电池晶片贴合并施加30 50N/cm的压力，保持1 2小时，将真空室加热到150 200℃，对紧~ ~ ~
密贴合的晶片对均匀施加100 150 N/cm2的压力，保持1 2小时。
~ ~

[0031] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法中，还包括步骤：

[0032] （9）对键合得到四结太阳电池进行热处理：首先加热至 350 400℃并保温 2 3 小~ ~时，其中，当温度大于200℃时，升温的速率为 0.2 0.5℃/分钟；最后，以降温速率为 0.2~ ~
0.5℃/分钟进行降温处理，其中，当温度小于100℃，采用自然降温的方式降温至室温。

[0033] 优选的，在上述的GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池的制作方法中，所述GaxIn1-xP 缓冲过渡层采用组分渐变的生长方法，即在生长完GaAs中间层电池之后，生长10层Ga组分不同的GaInP缓冲层，通过这10层缓冲层的生长，最后生长一层晶格常数和In0.27Ga0.73As相同的GaInP。

[0034] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0035] 本发明采用的石墨烯键合面是一种周期蜂窝状网络结构，其基本结构单元是有机材料中最稳定的苯六元环，没有碳原子缺失，且各碳原子之间的连接非常柔韧。该键合面中每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，因此石墨烯键合面具有比传统的导体和半导体（例如硅和铜）更为良好的导电性，从而有效抑制了界面电学损耗。另外，石墨烯键合面特殊的结构形态，使得它同时具有良好的透光性（单层的六边形碳原子材料仅仅吸收2.3%的光）和一定的延展性（能够伸展 20%），在减少界~面光损耗的同时，也有助于释放应力，提高键合界面质量。因此制备得到的四结单片高效太阳电池可以获得高电压、 低电流输出， 从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，获得较高的转换效率。

附图说明

[0036] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0037] 图1所示为本发明具体实施例中四结级联太阳电池制作的方法流程图；

[0038] 图2所示为本发明具体实施例中石墨烯键合面的示意图；

[0039] 图3所示为本发明具体实施例中所获得的四结级联太阳电池的结构示意图；

[0040] 图4所示为本发明具体实施例中四结级联太阳电池的制备过程示意图。

具体实施方式

[0041] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

[0042] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

[0043] 结合图1所示，以GaInP/GaAs /InGaAs/Ge四结级联太阳电池为例，以下介绍该四结级联太阳电池的制作方法，其制作方法包括步骤：

[0044] s1：键合前电池的生长（在MOCVD或MBE系统中进行）

[0045] （1）如图4所示，600 700℃高温下，单结Ge太阳电池晶片是在P型Ge衬底上通过磷~扩散的方法形成Ge的pn单结电池，并在GaInP成核层上，生长 GaAs作为电池的顶部盖层。

[0046] （2）如图4所示， GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池是采用倒置的生长方法制备的，即在GaAs衬底上按照远离GaAs衬底的方向依次生长Ga0.51In0.49P顶层电池、GaAs中间层电池、 GaxIn1-xP 缓冲过渡层（x大于0，且小于0.26）、In0.27Ga0.73As底层电池、Ga0.25InP背表面层。其中GaxIn1-xP缓冲过渡层采用组分渐变的生长方法，即在生长完 GaAs 中间电池之后， 生长 10 层 Ga 组分不同的 GaInP缓冲层， 通过这10层缓冲层的生长(厚度为2μm)， 最后生长一层晶格常数和In0.27Ga0.73As相同的GaInP， 利用这种方法有效释放应力，降低非辐射复合。

[0047] ：石墨烯键合面的制备

[0048] （1）首先采用化学气相沉积法(CVD)，并以Cu金属箔为生长基体制备石墨烯薄膜。生长基体也可使用Ni、Ru等金属；

[0049] （2）利用旋涂、滚压等方法在石墨烯上涂覆转移介质聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。也可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、胶带等作为转移介质；

[0050] （3）将带有转移介质和石墨烯薄膜的金属基片放入合适的腐蚀液中将金属腐蚀掉，得到漂浮在溶液表面的转移介质/石墨烯的薄膜。选用的腐蚀液有FeCl3溶液（腐蚀金属Cu等）。也可采用酸溶液（腐蚀金属Ni等）等；

[0051] （4）将转移介质/石墨烯的薄膜从腐蚀液中捞出，清洗后，粘贴到三结GaInP/GaAs/InGaAs太阳电池外延片的顶部盖层（GaAs）或单结Ge太阳电池晶片的背表面层（Ga0.25InP）；

[0052] （5）用有机溶剂丙酮等除去转移介质PMMA，并退火3h，得到厚度为0.34-30nm的石墨烯键合面。

[0053] ：晶片键合

[0054] （1）将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太阳电池晶片进行化学清洗，去除表面有机物,干燥后移入真空室中；

[0055] （2）在真空室为室温的条件下，将GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的外延片与单结Ge太阳电池晶片贴合并施加30 50N/ cm2的压力，保持 1 2 小时；~ ~

[0056] （3）将真空室加热到 150 200℃，对紧密贴合的晶片对均匀施加100 150 N/ cm2~ ~的压力，保持 1 2小时；
~

[0057] （4）将四结GaInP/GaAs/InGaAs/Ge太阳电池放置于氩气或氮气的气体环境中进行退后处理；首先，加热至 350 400℃并保温 2 3 小时，其中，当温度大于 2000℃时，升温的~ ~速率为 0.2 0.5℃/分钟；最后，以降温速率为 0.2 0.5℃/分钟进行降温处理，其中，当温~ ~
度小于 100℃，采用自然降温的方式降温至室温。

[0058] ：衬底的剥离及电池工艺

[0059] 键合之后，利用选择性腐蚀，将三结电池中的GaAs衬底剥离，

[0060] 另外，该方法还包括三结电池中的GaAs衬底的剥离，在所得四结电池的表面制作正负电极以及减反膜，按照适于安装的封装工艺步骤以完成四结太阳电池的制作。

[0061] 本实施中利用石墨烯良好的透光性、导电性以及延展性，将其应用于GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池与单结Ge太阳电池晶片之间的键合，制备得到的四结单片高效太阳电池可以获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，获得较高的转换效率。

[0062] 在其他实施例中，石墨烯薄膜还可以作为其他的多结太阳电池之间的键合、以及探测器等其他光电器件中的键合。

[0063] 最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。