[发明专利]InGaAs/Ge双结太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种InGaAs/Ge双结太阳能电池及其制备方法，其中，所述制备方法包括：选取Si衬底；在所述Si衬底上生长Ge外延层形成Ge/Si衬底；在所述Ge/Si衬底表面形成SiO₂氧化层；用激光再晶化工艺使所述Ge外延层晶化；依次制备底电池层和顶电池层；制备GaAs接触层和反射膜；制备接触电极以完成所述InGaAs/Ge双结太阳能电池的制备。本发明中由磁控溅射经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续激光晶化使Ge横向结晶生长，可有效降低Ge/Si衬底的位错密度。同时，Si衬底上Ge薄膜厚度也较前述常见方法更薄，从而更有利于光的透过。因此，通过本发明制备的InGaAs/Ge双结太阳能电池将获得更高的光电转化效率。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种InGaAs/Ge双结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

环境污染和能源短缺，是我们人类目前面临着的最大的问题，如何解决这些问题是人类能否可持续发展的重要因素。由于太阳电池可以将太阳的光能直接转换成电能，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，因此，使用太阳能发电技术是解决环境污染和能源短缺最好的一种方案。

太阳能电池的基本原理是利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，当太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就会形成电流。根据这一基本原理，科学家已经研究出多种不同材料和结构的太阳能电池。目前，硅和砷化镓(GaAs)基Ⅲ-Ⅴ族太阳电池是进行研究和实现产业化的两大重点。无论从带隙类型或禁带宽度来衡量，硅材料都不是最适宜的太阳电池材料，但由于硅资源的丰富以及硅工艺的成熟，低成本的硅太阳电池已被广泛应用于各个领域，成为目前光伏产业的主流。同时，GaAs及其相关Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料因其具有直接带隙以及优异的光谱响应特性，可获得最为理想的光电转换效率，且其温度特性、抗辐照性能也远优于硅。尽管其成本相对高昂，但GaAs基Ⅲ-Ⅴ族太阳电池由于具有高转换效率、高可靠性、长寿命、小型轻质等特点，在航天空间领域备受青睐。

砷化镓属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为太阳光高吸收率的值，与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温，在250℃的条件下，光电转换性能仍很良好，其最高光电转换效率约30％，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50％。在衬底选择方面，由于GaAs材料价格昂贵、密度高、机械强度很低，不利于制备成本低廉、薄型轻质的电池，而Ge与GaAs的晶格常数与热膨胀系数都极为相近，适宜外延生长GaAs。因此，GaAs太阳电池现在基本上均采用Ge作为衬底。虽然GaAs与Ge的晶格常数及热膨胀系数都近乎完美匹配，但就严格意义上来说，GaAs与Ge之间仍存在着约0.08％的晶格失配，如此小的晶格失配仍然可能是影响电池性能的潜在重要因素。而在GaAs中引人1％的In后，可实现与Ge的严格晶格匹配。In的掺入使得中间电池的禁带宽度变窄，Ga_0.99In_0.01As的带隙宽度为1.408eV。这将使电池的光吸收范围向红外方向扩展，有利于提高电池的短路电流密度。

然而，将Ge材料作为太阳能电池的衬底制造III-V族太阳能电池，仍存在着很多限制因素。首先若衬底全部为锗材料，其价格比较昂贵，不利于太阳能电池的推广与大规模应用；其次，在Si衬底上直接制备Ge外延层缺陷密度高。但为了利用丰富的硅资源和成熟的硅工艺，研究人员开发了组分渐变的SiGe缓冲层技术和低温-高温两步生长法来实现Si衬底上的Ge材料外延。但遗憾的是，这两种工艺仍存在着较为难以解决的问题。具体来说，组分渐变的SiGe缓冲层技术工艺比较复杂，缓冲层较厚；两步生长法仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，需要通过高温退火进一步降低位错密度，但高温退火中经常会出现Si、Ge相互扩散，因此会影响器件的性能。

因此，选择何种材料及工艺来制作更高的的光电转化效率的太阳能电池变得尤为重要。

发明内容