一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池及制作方法

摘要

本发明公开了一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池及制作方法，自下向上依次为Ge衬底、底电池、GaAs/InGaAs缓冲层、中底隧穿结、GaAs缓冲层，In(Al)GaAs缓冲层，DBR，中电池、中顶隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，In(Al)GaAs缓冲层由InAlAs成核层，InAlAs缓冲层，超晶格，低Al组分InAlGaAs，InGaAs组成；盖帽层由InGaAs和GaAs组成。通过引入InAlGaAs缓冲层，可以有效释放应力和过滤位错，在保证太阳电池材料晶体质量的情况下，使外延材料的晶格常数快速的达到目标值，降低产品生产周期，降低对中底隧穿结的损伤等，同时，通过盖帽层中GaAs的厚度，调节整个外延片的翘曲状况，获得平整的外延片。

权利要求

1.一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池，其特征在于：

自下向上依次为Ge衬底、底电池、GaAs/InGaAs缓冲层、中底隧穿结、GaAs缓冲层，In(Al)GaAs缓冲层，DBR，中电池、中顶隧穿结、顶电池和盖帽层；

其中，In(Al)GaAs缓冲层由InAlAs成核层，InAlAs缓冲层，超晶格，低Al组分InAlGaAs，InGaAs组成；

盖帽层由InGaAs和GaAs组成。

2.一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于，制作方法步骤如下：S1：在P型Ge衬底上，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长GaInP或AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；

S2：生长GaAs/In0.01GaAs缓冲层，GaAs和In0.01GaAs的厚度分别在0.1-0.8μm；

S3：生长中底隧穿结，中底隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构；

18 3

S4：然后生长GaAs缓冲层，GaAs缓冲层厚度为0.2-0.6μm，掺杂浓度大于1×10 /cm；

S5：生长In(Al)GaAs缓冲层，生长顺序依次为预通In，生长InxAlAs成核层，InxAlAs缓冲层，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，Inx(Al)GaAs缓冲层，InyGaAs缓冲层；

S6：生长DBR，DBR由15～30对InyAlGaAs/InyGaAs结构组成， InyAlGaAs层和InyGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中900nm≤λ≤1100nm，n为对应InAlGaAs或者InGaAs材料的折射率；

S7：生长中电池，中电池材料包括InyGaAs基区和发射区，厚度1.4-2.2μm，AlInP或GaInP窗口层，厚度0.05-0.2μm；

S8：生长中顶隧穿结，中顶隧穿结为N++GaInP/P++InyAlGaAs结构；

S9：生长顶电池，顶电池晶格常数与中电池匹配，由AlGaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成；

S10：生长盖帽层，盖帽层由InyGaAs和GaAs组成。

3.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S1中，发射区厚度为0.1-0.4μm之间；

GaInP或AlGaInP成核层，厚度0.01-0.03μm之间。

4.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S3中，其中N++GaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合；

P++GaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合。

5.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S5中，预通In，在GaAs缓冲层表面形成一层厚度小于5nm的InAs层；

然后成长InxAlAs成核层，成核层厚度0.005-0.02μm；

然后生长InxAlAs缓冲层，厚度0.1-0.4μm，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，超晶格总数不超过10对；

然后生长Inx(Al)GaAs缓冲层，厚度0.1-0.4μm；

然后生长与中电池晶格匹配的InyGaAs缓冲层，厚度0.1-0.3μm，其中0.01≤x≤0.15，

0.01≤y≤0.10，0≤a≤0.03，x≥y，x＞a。

6.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S8中，N++GaInP厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合；

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P InyAlGaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度大于2×10 /cm ，掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合。

7.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S9中，AlGaInP中Al的组分在0.15-0.4之间，厚度在0.02-0.15μm之间，GaInP基区及发射区的总厚度在0.5～1μm之间，AlInP窗口层厚度在0.05～0.1μm之间。

8.根据权利要求2所述的一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，其特征在于：步骤S10中，InyGaAs厚度在0.3-0.5μm之间，GaAs厚度在0.05-0.3μm之间，通过改变GaAs的厚度，调节外延片翘曲。

说明书

一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳电池技术领域，尤其涉及一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池及制作方法。

背景技术

[0002] 自1957年10月4日起，世界上第一颗人造地球卫星“卫星1号”进入太空以来，在短短几十年里，航天技术取得了巨大的进步，对航天器电源系统的大功率、高可靠性、长寿命和微小型化也提出了新的要求。砷化镓太阳电池具有更高的光电转换效率、更好的耐高温性能、更强的空间抗辐射能力，成功取代Si太阳电池，成为我国航天飞行器，如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等高性能长寿命通用化空间主电源。在国内，经过几代航天人的不断努力，晶格匹配型GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池的转换效率已突破30%，接近半经验理论极限值，很难进一步提高。近年来，禁带匹配，晶格失配的三结太阳电池成为研究的热点，目前已经实现32%效率太阳电池的生产。目前，晶格失配结构太阳电池的结构，主要是通过阶变缓冲层的方式，将晶格常数过渡到目标值，该方法的缺点主要有以下几点：

[0003] （1）生产步骤多，生长时间长；

[0004] （2）生长过程中的烘烤，降低中底隧穿结性能；

[0005] （3）应力释放不完全，容易造成外延片翘曲；

[0006] （4）晶体质量不够好。

发明内容

[0007] 本申请提供了一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池及制作方法，通过引入InAlGaAs材料Al组分阶变缓冲层，可以有效释放应力和过滤位错，在保证太阳电池材料晶体质量的情况下，使外延材料的晶格常数快递的达到目标值，降低产品生产周期，降低对中底隧穿结的损伤等，同时，通过盖帽层中GaAs的厚度，调节整个外延片的翘曲状况，获得平整的外延片。

[0008] 一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池，自下向上依次为Ge衬底、底电池、GaAs/InGaAs缓冲层、中底隧穿结、GaAs缓冲层，In(Al)GaAs缓冲层，DBR，中电池、中顶隧穿结、顶电池和盖帽层；其中，In(Al)GaAs缓冲层由InAlAs成核层，InAlAs缓冲层，超晶格，低Al组分InAlGaAs，InGaAs组成；盖帽层由InGaAs和GaAs组成。

[0009] 一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池的制作方法，制作方法步骤如下：

[0010] S1：在P型Ge衬底上，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长GaInP或AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；

[0011] S2：生长GaAs/In0.01GaAs缓冲层，GaAs和In0.01GaAs的厚度分别在0.1-0.8μm；

[0012] S3：生长中底隧穿结，中底隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构；

[0013] S4：然后生长GaAs缓冲层，GaAs缓冲层厚度为0.2-0.6μm，掺杂浓度大于1×1018/cm3；

[0014] S5：生长In(Al)GaAs缓冲层，生长顺序依次为预通In，生长InxAlAs成核层，InxAlAs缓冲层，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，Inx(Al)GaAs缓冲层，InyGaAs缓冲层；

[0015] S6：生长DBR，DBR由15～30对InyAlGaAs/InyGaAs结构组成， InyAlGaAs层和InyGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中900nm≤λ≤1100nm，n为对应InAlGaAs或者InGaAs材料的折射率；

[0016] S7：生长中电池，中电池材料包括InyGaAs基区和发射区，厚度1.4-2.2μm，AlInP或GaInP窗口层，厚度0.05-0.2μm；

[0017] S8：生长中顶隧穿结，中顶隧穿结为N++GaInP/P++InyAlGaAs结构；

[0018] S9：生长顶电池，顶电池晶格常数与中电池匹配，由AlGaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成；

[0019] S10：生长盖帽层，盖帽层由InyGaAs和GaAs组成。

[0020] 优选的，步骤S1中，发射区厚度为0.1-0.4μm ；GaInP或AlGaInP成核层，厚度0.01-0.03μm。

[0021] 优选的，步骤S3中，其中N++GaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合；P++GaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，
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掺杂浓度大于2×10 /cm，掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合。

[0022] 优选的，步骤S5中，预通In，在GaAs缓冲层表面形成一层厚度小于5nm的InAs层；然后成长InxAlAs成核层，成核层厚度0.005-0.02μm；然后生长InxAlAs缓冲层，厚度0.1-0.4μm，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，超晶格总数不超过10对；然后生长Inx(Al)GaAs缓冲层，厚度0.1-0.4μm；然后生长与中电池晶格匹配的InyGaAs缓冲层，厚度0.1-0.3μm，其中0.01≤x≤0.15，0.01≤y≤0.10，0≤a≤0.03，x≥y，x＞a。

[0023] 优选的，步骤S8中，N++GaInP厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合；P++InyAlGaAs的厚度为0.01-0.03μm之间，掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合。

[0024] 优选的，步骤S9中，AlGaInP中Al的组分在0.15-0.4之间，厚度在0.02-0.15μm之间，GaInP基区及发射区的总厚度在0.5～1μm之间，AlInP窗口层厚度在0.05～0.1μm之间。

[0025] 优选的，步骤S10中，InyGaAs厚度在0.3-0.5μm之间，GaAs厚度在0.05-0.3μm之间，通过改变GaAs的厚度，调节外延片翘曲。

[0026] 有益效果：

[0027] 预通In技术。在GaAs缓冲层上，先预通In，使In原子分散在GaAs表面，形成密集且均匀分布的小的成核中心，这种密集分散的成核中心及成核岛的合并，可以快速有效的释放应力，然后生长InAlAs成核层，InAlAs成核层的位错密度较高，同样可以快速有效的释放应力；

[0028] 缓冲层组分阶变技术。先生长一层InAlAs缓冲层，该缓冲层可以进一步的快速释放应力，使得外延层的应力得到充分释放，后续外延材料的生长奠定基础。然后生长一组应变平衡层，采用张、压交替生长的超晶格结构，过滤位错，最后一层低Al组分的InAlGaAs，由于Ga原子迁移率更高，可以获得平整的外延表面；

[0029] 盖帽层翘曲控制技术。盖帽层由InGaAs和GaAs组成，通过调节GaAs层的厚度，对外延片的整体翘曲进行调节。

附图说明

[0030] 图1是本发明太阳电池结构图；

[0031] 图2是本发明In(Al)GaAs缓冲层结构图；

[0032] 图3是本发明帽盖层结构图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0034] 一种晶格失配型三结砷化镓太阳电池，自下向上依次为Ge衬底、底电池、缓冲层、中底隧穿结、缓冲层，In(Al)GaAs缓冲层，DBR，中电池、中顶隧穿结、顶电池和盖帽层。其中，In(Al)GaAs缓冲层由InAlAs成核层，InAlAs缓冲层，超晶格，低Al组分InAlGaAs，InGaAs组成，盖帽层由InGaAs和GaAs组成。

[0035] 实施例一：

[0036] S1：在P型Ge衬底上，720℃下，通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，发射区厚度为0.1μm，然后温度降低至640℃，生长GaInP成核层，厚度0.01μm，该成核层同时作为底电池的窗口层；

[0037] S2：温度提升至650℃，生长GaAs/In0.01GaAs缓冲层，GaAs厚度为0.1μm，In0.01GaAs厚度为0.1μm；

[0038] S3：温度降至560℃，生长中底隧穿结，中底隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构，其中N++GaAs的厚度为0.01μm，掺杂浓度为1×1019/cm3，掺杂剂为Te和Si的组合；P++GaAs的厚度为0.01μm，掺杂浓度为2×1019/cm3，掺杂剂为C；

[0039] S4：温度提升至650℃，生长GaAs缓冲层，GaAs缓冲层厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×1018/cm3；

[0040] S5：生长In(Al)GaAs缓冲层，依次预通In，生长InxAlAs成核层，InxAlAs缓冲层，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，Inx(Al)GaAs缓冲层，InyGaAs缓冲层。其中预通In，在GaAs缓冲层表面形成一层厚度5nm的InAs层；然后成长In0.01AlAs成核层，成核层厚度0.005μm；然后生长In0.01AlAs缓冲层，厚度0.1μm，In0.01AlAs/In0.01AlAs超晶格，超晶格为10对；然后生长In0.01(Al)GaAs缓冲层，厚度0.1μm；然后生长与中电池晶格匹配的In0.01GaAs缓冲层，厚度0.1μm；

[0041] S6：生长DBR。DBR由15对In0.01AlGaAs/In0.01GaAs结构组成，每对In0.01AlGaAs/In0.01GaAs结构中，In0.01AlGaAs层和In0.01GaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中900nm≤λ≤1100nm，n为对应In0.01AlGaAs或者In0.01GaAs材料的折射率；

[0042] S7：生长中电池。中电池材料包括In0.01GaAs基区和发射区，厚度1.4μm，GaInP窗口层，厚度0.05μm；

[0043] S8：温度降至560℃，生长中顶隧穿结。中顶隧穿结为N++GaInP/P++In0.01AlGaAs结构，其中，N++GaInP厚度为0.01μm，掺杂浓度为1×1019/cm3，掺杂剂为Te和Si的组合；P++In0.01AlGaAs的厚度为0.01μm之间，掺杂浓度为2×1019/cm3，掺杂剂为C；

[0044] S9：温度提升至620℃，生长顶电池。顶电池晶格常数与中电池匹配，依次生长Al0.15Ga0.35In0.5P背电场，厚度0.02μm，Ga0.50In0.50P基区和发射区，厚度0.5μm，Al0.50In0.50P窗口层，厚度0.05μm；

[0045] S10：生长盖帽层。盖帽层由In0.01GaAs和GaAs组成，其中In0.01GaAs厚度为0.3μm，GaAs厚度为0.05μm。

[0046] 实施例二：

[0047] S1：在P型Ge衬底上，720℃下，通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，发射区厚度为0.3μm，然后温度降低至640℃，生长AlGaInP成核层，厚度0.02μm，该成核层同时作为底电池的窗口层；

[0048] S2：温度提升至650℃，生长GaAs/In0.01GaAs缓冲层，GaAs厚度为0.1μm，In0.01GaAs厚度为0.4μm；

[0049] S3：温度降至560℃，生长中底隧穿结，中底隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构，其中N++GaAs的厚度为0.02μm，掺杂浓度为3×1019/cm3，掺杂剂为Te和Se的组合；P++GaAs的厚度为0.02μm，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Zn；

[0050] S4：温度提升至650℃，生长GaAs缓冲层，GaAs缓冲层厚度为0.4μm，掺杂浓度为2×1018/cm3；

[0051] S5：生长In(Al)GaAs缓冲层，依次预通In，生长InxAlAs成核层，InxAlAs缓冲层，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，Inx(Al)GaAs缓冲层，InyGaAs缓冲层。其中预通In，在GaAs缓冲层表面形成一层厚度5nm的InAs层；然后成长In0.05AlAs成核层，成核层厚度0.01μm；然后生长In0.05AlAs缓冲层，厚度0.2μm，In0.03AlAs/In0.07AlAs超晶格，超晶格为10对；然后生长In0.05(Al)GaAs缓冲层，厚度0.2μm；然后生长与中电池晶格匹配的In0.04GaAs缓冲层，厚度0.2μm；

[0052] S6：生长DBR。DBR由25对In0.04AlGaAs/In0.04GaAs结构组成，每对In0.04AlGaAs/In0.04GaAs结构中，In0.04AlGaAs层和In0.04GaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中900nm≤λ≤1100nm，n为对应In0.04AlGaAs或者In0.04GaAs材料的折射率；

[0053] S7：生长中电池。中电池材料包括In0.04GaAs基区和发射区，厚度2μm，GaInP窗口层，厚度0.1μm；

[0054] S8：温度降至560℃，生长中顶隧穿结。中顶隧穿结为N++GaInP/P++In0.04AlGaAs结构，其中，N++GaInP厚度为0.02μm，掺杂浓度为3×1019/cm3，掺杂剂为Te和Se的组合；P++In0.04AlGaAs的厚度为0.02μm之间，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Zn；

[0055] S9：温度提升至620℃，生长顶电池。顶电池晶格常数与中电池匹配，依次生长Al0.25Ga0.225In0.525P背电场，厚度0.08μm，Ga0.475In0.525P基区和发射区，厚度0.7μm，Al0.475In0.525P窗口层，厚度0.06μm；

[0056] S10：生长盖帽层。盖帽层由In0.04GaAs和GaAs组成，其中In0.04GaAs厚度为0.4μm，GaAs厚度为0.2μm。

[0057] 实施例三：

[0058] S1：在P型Ge衬底上，720℃下，通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，发射区厚度为0.4μm，然后温度降低至640℃，生长GaInP成核层，厚度0.03μm，该成核层同时作为底电池的窗口层；

[0059] S2：温度提升至650℃，生长GaAs/In0.01GaAs缓冲层，GaAs厚度为0.8μm，In0.01GaAs厚度为0.8μm；

[0060] S3：温度降至560℃，生长中底隧穿结，中底隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构，其中N++GaAs的厚度为0.03μm，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Se和Si的组合；P++GaAs的厚度为0.03μm，掺杂浓度为1×1020/cm3，掺杂剂为Mg；

[0061] S4：温度提升至650℃，生长GaAs缓冲层，GaAs缓冲层厚度为0.6μm，掺杂浓度为3×1018/cm3；

[0062] S5：生长In(Al)GaAs缓冲层，依次预通In，生长InxAlAs成核层，InxAlAs缓冲层，In（x-a）AlAs/In(x+a)AlAs超晶格，Inx(Al)GaAs缓冲层，InyGaAs缓冲层。其中预通In，在GaAs缓冲层表面形成一层厚度5nm的InAs层；然后成长In0.15AlAs成核层，成核层厚度0.02μm；然后生长In0.15AlAs缓冲层，厚度0.4μm，In0.12AlAs/In0.18AlAs超晶格，超晶格为10对；然后生长In0.15(Al)GaAs缓冲层，厚度0.4μm；然后生长与中电池晶格匹配的In0.1GaAs缓冲层，厚度0.3μm；

[0063] S6：生长DBR。DBR由30对In0.1AlGaAs/In0.1GaAs结构组成，每对In0.1AlGaAs/In0.1GaAs结构中，In0.1AlGaAs层和In0.1GaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中900nm≤λ≤1100nm，n为对应In0.1AlGaAs或者In0.1GaAs材料的折射率；

[0064] S7：生长中电池。中电池材料包括In0.1GaAs基区和发射区，厚度2.2μm，GaInP窗口层，厚度0.2μm；

[0065] S8：温度降至560℃，生长中顶隧穿结。中顶隧穿结为N++GaInP/P++In0.1AlGaAs结构，其中，N++GaInP厚度为0.03μm，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Se和Si的组合；P++In0.1AlGaAs的厚度为0.03μm之间，掺杂浓度为8×1019/cm3，掺杂剂为Mg；

[0066] S9：温度提升至620℃，生长顶电池。顶电池晶格常数与中电池匹配，依次生长Al0.4Ga0.02In0.58P背电场，厚度0.15μm，Ga0.42In0.58P基区和发射区，厚度0.1μm，Al0.42In0.58P窗口层，厚度0.1μm；

[0067] S10：生长盖帽层。盖帽层由In0.1GaAs和GaAs组成，其中In0.1GaAs厚度为0.5μm，GaAs厚度为0.3μm。

[0068] 本发明通过预通In技术，在GaAs缓冲层上，先预通In，使In原子分散在GaAs表面，形成密集且均匀分布的小的成核中心，这种密集分散的成核中心及成核岛的合并，可以快速有效的释放应力，然后生长InAlAs成核层，InAlAs成核层的位错密度较高，同样可以快速有效的释放应力。

[0069] 缓冲层组分阶变技术。先生长一层InAlAs缓冲层，该缓冲层可以进一步的快速释放应力，使得外延层的应力得到充分释放，后续外延材料的生长奠定基础。然后生长一组应变平衡层，采用张、压交替生长的超晶格结构，过滤位错，最后一层低Al组分的InAlGaAs，由于Ga原子迁移率更高，可以获得平整的外延表面。

[0070] 盖帽层翘曲控制技术。盖帽层由InGaAs和GaAs组成，通过调节GaAs层的厚度，对外延片的整体翘曲进行调节，有效降低了翘曲的问题。