CN103000759B - 砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法，其特点是包括以下制备步骤：1、外延层反向生长制备GaAs三结太阳电池；2、步骤1制备的电池与Si衬底键合；3、剥离Ge衬底；4、粘接廉价衬底；5、剥离Si衬底。本发明采用先外延生长顶电池和中间电池，后生长底电池，保证了最先外延生长的晶格匹配顶电池和中间电池完美外延生长；提高了大面积外延薄膜的掺杂均匀性和薄膜可靠性，进一步提高了光电转换效率；采用比重轻于Ge的廉价支撑衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的功率比，又有效降低了电池的成本，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法。
背景技术
目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有Si基薄膜太阳能电池、CIGS薄膜太阳能电池和CdTe薄膜电池等。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性(即玻璃衬底)电池和柔性(不锈钢或聚酯膜衬底)电池。与厚度约为180微米-200微米的普通晶体Si太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的薄膜材料厚度不超过50微米，大量减少了电池用材料，在光伏市场的应用规模逐渐扩大，2010年已经占13％以上的市场份额。但各种薄膜电池都有一些难以解决的瓶颈问题，如：①、Si基薄膜太阳能电池，无论单结、双结还是三结电池，制造工艺都是采用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)方法，真空腔的清洗基本是氟化物(SF6或NF3)，排出物是含氟气体。荷兰科学家Rob van der Meulen等在2011年第19期的Progress in photovoltaics：Research and Applications上发表文章称，这种含氟气体对环境造成的温室效应比CO2高17200-22800倍。太阳能光伏发电一直以来被认为是绿电，那么在制造环节中也应该采用绿工艺。对于Si基薄膜电池厂商来说，有寻找新的清洗气体替代当前的氟化物的方案，降低温室气体排放。另一种方案是尽快提高电池的转换效率，当稳定效率达到12％-16％，才有可能补偿排放的温室气体对环境的影响。此外由于Si薄膜组件效率低(5％-7％)，在光伏系统应用中单位发电功率占地面积几乎是晶体Si组件(效率为13％-15％)的2倍，相应地，单位发电功率的成本也要增加，可见提高Si基薄膜太阳能电池的光电转换效率是赢得市场的重要条件；②、CIGS薄膜太阳能电池，量产化成功的案例是日本的SolarFrontier公司(前身是Showa Shell公司)；PV-tech.com网站2011年5月还报导了瑞士科学家在柔性塑料衬底上制备出18.7％转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。CIGS薄膜的技术路线是采用蒸发技术溅射加后硒化处理，而硒化处理过程会产生有毒气体，而蒸发技术 难以保证大面积CIGS薄膜的均匀性和可靠性，包括薄膜的微结构、光学、电学和厚度等的均匀性和可靠性；③、CdTe薄膜电池由于材料成本高。人们已经开始寻找新的薄膜材料制备太阳能电池。
基于上述薄膜电池的瓶颈问题，人们寻找到一种典型的III-V族化合物半导体材料GaAs，其具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV(300K)，正好为高吸收率太阳光的值的功能，因此，是很理想的太阳能电池材料。其主要特点：1.光电转换效率高：GaAs基太阳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电池光电转换效率记录；2.可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接跃迁型材料,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太阳电池只需5-10μm的厚度,而Si太阳电池则需大于150μm，因此，GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小；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；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；5.多结叠层太阳电池的材料。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，具有很大的提高太阳电池的效率和降低成本的空间。由于上述特点，GaAs薄膜太阳电池已成为业内人士研究的热点。
经检索发现，申请公布号为CN101764165A、名称为多结砷化镓太阳电池的发明专利，包括主要采用MOVPE工艺，在P型Ge衬底上生长GaInP/InGaAs/Ge三结叠层太阳电池；形成由GaInP构成的顶电池、主要由InGaAs构成的中电池和主要由Ge构成的底电池，在顶电池和中电池之间设有AlInP(P+)/AlGaAs(P++)-GaInP(n++)/AlInP(n+)隧穿结连接结构，本发明由于采用了以上隧穿结连接结构，不仅能够显著减少入射光的反射，改善中电池的电流密度，还提高了三结电池的转换效率。但是该结构由于存在顶电池和中电池短路电流匹配的矛盾，限制了三结砷化镓太阳电池的研制进展。
经检索还发现，申请公布号为CN102339890A、名称为新型三结砷化镓太阳电池的发明专利，本发明主要采用MOCVD工艺，在P型Ge衬底上生长底电 池/中电池/顶电池，本发明由于中电池本征区中引入量子点结构，形成中间带，利用应变补偿层，解决了顶电池与中电池电流不匹配的问题；并且量子点层上的量子点密度达到1011每平方厘米，解决了整体尺寸不均匀的问题，并且提高了电池的转换效率，AMO，一个太阳光照下，预期能接近40％。但是由于在P型Ge衬底上生长底电池/中电池/顶电池，依然存在晶格失配问题，影响光电转换效率的进一步提高，并且增加了电池的重量、提高了电池的成本。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种进一步提高光电转换效率和大面积薄膜的均匀性和可靠性，并且重量轻、成本低的砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法。
本发明砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法采用如下技术方案：
砷化镓薄膜多结叠层太阳电池，其特点是包括以下制备步骤：
步骤1、外延层反向生长制备GaAs三结太阳电池
将Ge衬底置于MOCVD操作室内，生长温度设置为500℃-800℃，在Ge衬底上面依次外延生长厚度为0.1-0.3微米的GaAs缓冲层、厚度0.1-0.3微米的GaInP腐蚀停止层、厚度为100-500nm的n型掺杂GaAs帽层、作为顶电池的第一结GaInP电池、第一隧穿结、作为中电池的第二结GaAs电池、第二隧穿结、厚度为2-5μm的n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层和作为底电池的第三结InxGa1-xAs电池；所述Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层中0.03≤x≤0.3、0.5≤y≤0.7，所述Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层的n型掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，所述GaAs帽层的n型掺杂浓度为1×1018cm-3，形成外延层反向生长的GaAs三结太阳电池；
步骤2、步骤1制备的电池与Si衬底键合
在清洗后的Si片一面旋涂BCB胶后，粘贴在步骤1的第三结InxGa1-xAs电池面上，置入键合机的键合腔，键合腔内充满N2，将键合腔内的温度升至80-150℃时，对电池和Si片进行60-120秒的预固化；然后对键合腔施加1-5kN的键合压力，以15℃/min升温的速度将键合腔内温度提升到250-300℃时，保持恒温，对电池和Si片进行1-2小时的键合，然后以3℃/min降温的速度将键合腔内的温度降到室温，电池与Si衬底形成低温键合；
步骤3、剥离Ge衬底
使用HF:H2O2:H2O＝2:1:1腐蚀液腐蚀Ge衬底及GaAs缓冲层，Ge衬底和GaAs缓冲层从电池上被剥离掉后，用HCl:H2O＝1:1腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，GaInP腐蚀停止层从电池上被剥离掉，完成Ge衬底的剥离；
步骤4、粘接廉价衬底
采用玻璃、不锈钢或聚酯膜之一种材料作为廉价衬底，将步骤3完成的电池倒置，将廉价衬底粘贴到第一结GaInP电池上，完成廉价衬底的粘接；
步骤5、剥离Si衬底
使用BCB胶去除液，将步骤4完成的电池浸泡在BCB胶去除液中超声腐蚀，腐蚀温度为室温，时间5-10min,超声频率为700-1000KHz,BCB胶被腐蚀掉，随之电池上的Si衬底一同被剥离掉，用去离子水超声清洗电池5分钟，再用体积比为浓硫酸：H202＝3：1配置出的SC3液超声清洗电池5分钟；最后再用去离子水超声清洗电池5分钟取出后，即制成本发明砷化镓薄膜多结叠层太阳电池。
本发明砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法还可以采用如下技术措施：
步骤1中所述第一结GaInP电池、第一隧穿结、第二结GaAs电池、第二隧穿结、第三结InxGa1-xAs电池分别包括以下生长过程：
第一结GaInP电池：依次生长为厚度100-200nm的p型掺杂AlGaInP背场层、厚度1000-2000nm的p型掺杂GaInP基区、厚度50-200nm的n型掺杂GaInP发射区、厚度30-100nm的n型掺杂AlInP窗口层；其中：p型掺杂AlGaInP背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，p型掺杂GaInP基区的掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3，n型掺杂GaInP发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，n型掺杂AlInP窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
第一隧穿结：依次生长为厚度10nm-100nm的n型GaAs层和厚度10nm-100nm的p型Al0.4Ga0.6As层；其中：n型GaAs层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，p型Al0.4Ga0.6As层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
第二结GaAs电池：依次生长为厚度100-200nm的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层、厚度3000-4000nm的p型掺杂GaAs基区、厚度50-200nm的n型掺 杂GaAs发射区、厚度30-100nm的n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层；其中：p型掺杂AlxGa1-xAs背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5；p型掺杂GaAs基区的掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3，n型掺杂GaAs发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5；
第二隧穿结：依次生长为厚度10nm-100nm的n型GaAs层和厚度10nm-100nm的p型Al0.4Ga0.6As层；其中：n型GaAs层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，p型Al0.4Ga0.6As层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
第三结InxGa1-xAs电池：依次生长为厚度100-300nm的n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层、厚度为200-400nm的n型掺杂InxGa1-xAs发射区、厚度为1500-2000nm的p型掺杂InxGa1-xAs基区、厚度为100-200nm的p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层、厚度为500-800nm的p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层；其中：n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7，n型掺杂InxGa1-xAs发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5，p型掺杂InxGa1-xAs基区的掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3、0.3≤x≤0.5，p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7，p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7。
步骤2中的Si片为厚度400-500微米的p型Si片，按照表1所示的清洗过程清洗Si片并吹干：
表1Si片的清洗过程
| 溶液 | 时间(Min) | 温度(℃) | 频率(KHz) | |
| 1 | 去离子水 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 2 | SC1 | 5 | 80 | 700-1000 |
| 3 | 去离子水 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 4 | SC2 | 5 | 80 | 700-1000 |
| 5 | 去离子水 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 6 | SC3 | 5 | 80 | 700-1000 |
| 7 | 去离子水 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 8 | DHF溶液 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 9 | 去离子水 | 5 | 27 | 700-1000 |
| 10 | N2气吹干 | 2 | 27 | 700-1000 |
其中：SC1为体积比的15％NH3.H20+15％H2O2+70％H2O，
SC2为体积比的15％HCl+15％H202+70％H20，
SC3为体积比的浓硫酸：H202＝3：1，
DHF为体积比的HF:H20＝1:10。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明通过采用先外延生长晶格匹配的顶电池和中间电池，最后生长一个晶格失配的InGaAs底电池替代Ge底电池的反向外延生长技术，使晶格失配产生的微区缺陷向上层延展，保证了最先外延生长的晶格匹配顶电池和中间电池完美外延生长；再通过低温键合技术将晶格严重失配的材料直接键合接起来,晶格失配所产生的大量位错和缺陷也都限制在键合界面附近几个纳米的薄层区域内,即不会对其他区域材料的性能，还有效提高了大面积外延薄膜的掺杂均匀性和薄膜可靠性，进一步提高了光电转换效率，AMO、一个太阳光照下，光电转换效率可以达到40％以上；
2、本发明采用剥离技术，将多结砷化镓薄膜外延层与外延生长的Ge衬底剥离开；采用比重轻于Ge的廉价支撑衬底，即减轻了电池的重量，提升了太阳电池的功率比，又有效降低了电池的成本，极大地提升了III-V族化合物太阳能电池的应用前景。
附图说明
图1是本发明制备过程中形成外延层反向生长的GaAs三结太阳电池结构示意图；
图2是图1电池与Si键合的结构示意图；
图3是图2电池中剥离的结构示意图；
图4是图3电池上粘接廉价衬底的结构示意图；
图5是本发明制备的砷化镓薄膜多结叠层太阳电池结构示意图。
图中的标号分别为：1-第三结InxGa1-xAs电池；2-Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层；3-第二隧穿结；4-第二结GaAs电池；5-第一隧穿结；6-第一结GaInP电 池；7-GaInP腐蚀停止层；8-GaAs缓冲层；9-Ge衬底；10-BCB胶；11-Si衬底；12-廉价衬底。
具体实施方式
为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下。
实施例：参阅附图1-图5：
步骤1、外延层反向生长制备GaAs三结太阳电池
⑴选用n型掺杂的Ge片作为Ge衬底9，Ge片的厚度为150-200微米(本发明优选的厚度为150微米)，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
⑵采用MOCVD设备，在⑴中的Ge衬底上面依次外延生长GaAs缓冲层8、GaInP腐蚀停止层7、n型掺杂的GaAs帽层、作为顶电池的第一结GaInP电池6、第一隧穿结5、作为中电池的第二结GaAs电池4、第二隧穿结3、n型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层2和作为底电池的第三结InxGa1-xAs电池1，生长温度均为500℃-800℃(本发明优选温度均为600℃)；
其中：
①GaAs缓冲层作为生长GaAs基材料的成核层，厚度为0.1-0.3微米(本发明优选厚度为0.2微米)；
②GaInP腐蚀停止层作为剥离外延生长衬底的腐蚀控制层，厚度0.1-0.3微米(本发明优选厚度为0.2微米)；
③n型掺杂的GaAs帽层(图中未标注)作为与金属电极形成欧姆接触的重掺杂外延层，厚度为100-500nm(本发明优选厚度为200nm)，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
④作为顶电池的第一结GaInP电池依次生长为p型掺杂的AlGaInP背场层、p型掺杂的GaInP基区、n型掺杂的GaInP发射区、n型掺杂的AlInP窗口层；
其中：
p型掺杂的AlGaInP背场层厚度为100-200nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为 1×1018cm-3)；
p型掺杂的GaInP基区厚度为1000-2000nm(本发明优选厚度为1500nm)，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1017cm-3)；
n型掺杂的GaInP发射区厚度为50-200nm(本发明优选厚度为100nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
n型掺杂的AlInP窗口层厚度为30-100nm(本发明优选厚度为50nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
⑤第一隧穿结依次生长为n型的GaAs层和p型的Al0.4Ga0.6As层；
其中：
n型的GaAs层生长温度为500℃-800℃(本发明优选温度为600℃)，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)，厚度范围为10nm-100nm(本发明优选厚度为50nm)；
p型的Al0.4Ga0.6As层，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1019cm-3)，厚度范围为10nm-100nm(本发明优选厚度为50nm)；
⑥作为中电池的第二结GaAs电池依次生长为p型掺杂的AlxGa1-xAs背场层、p型掺杂的GaAs基区、n型掺杂的GaAs发射区、n型掺杂的AlxGa1-xAs窗口层；
其中：
p型掺杂的AlxGa1-xAs背场层厚度为100-200nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)；
p型掺杂的GaAs基区厚度为3000-4000nm(本发明优选厚度为3500nm)，掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
n型掺杂的GaAs发射区厚度为50-200nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
n型掺杂的AlxGa1-xAs窗口层厚度为30-100nm(本发明优选厚度为50nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)；
⑦第二隧穿结依次生长为n型的GaAs层和p型的Al0.4Ga0.6As层；
其中：
n型的GaAs层厚度为10nm-100nm(本发明优选厚度为50nm)，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)；
p型的Al0.4Ga0.6As层，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1019cm-3)，厚度范围为10nm-100nm(本发明优选厚度为50nm)；
⑧n型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层作为晶格渐变调节外延层，厚度为2-5μm(本发明优选厚度为3μm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3)，其中0.03≤x≤0.3(本发明x的优选值为0.1)，0.5≤y≤0.7(本发明y的优选值为0.6)；
⑨作为底电池的第三结InxGa1-xAs电池依次生长为n型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层、n型掺杂的InxGa1-xAs发射区、p型掺杂的InxGa1-xAs基区、p型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层、p型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层；
其中：
n型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层厚度为100-300nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)，0.5≤y≤0.7(本发明y的优选值为0.6)；
n型掺杂的InxGa1-xAs发射区厚度为200-400nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)；
p型掺杂的InxGa1-xAs基区厚度为1500-2000nm(本发明优选厚度为1800nm)，掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)；
p型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层厚度为100-200nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3),其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)，0.5≤y≤0.7(本发明y的优选值为0.6)；
p型掺杂的Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层厚度为500-800nm(本发明优选厚度为150nm)，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3(本发明优选的掺杂浓度为1×1018cm-3), 其中0.3≤x≤0.5(本发明x的优选值为0.4)，0.5≤y≤0.7(本发明y的优选值为0.6)；
上述制备过程即形成如图1所示的外延反向生长的GaAs三结太阳电池。
步骤2、步骤1制备的电池与Si衬底11键合，Si衬底作为砷化镓外延薄膜外延层转移的支撑衬底：
⑴选用厚度为400-500微米、直径为4英寸的p型Si片作为Si衬底，按照表1所示的清洗过程清洗Si片并吹干：
表1Si片的清洗过程
| 溶液 | 时间(Min) | 温度(℃) | 频率(KHz) | |
| 1 | 去离子水 | 5 | 27 | 800 |
| 2 | SC1 | 5 | 80 | 800 |
| 3 | 去离子水 | 5 | 27 | 800 |
| 4 | SC2 | 5 | 80 | 800 |
| 5 | 去离子水 | 5 | 27 | 800 |
| 6 | SC3 | 5 | 80 | 800 |
| 7 | 去离子水 | 5 | 27 | 800 |
| 8 | DHF溶液 | 5 | 27 | 800 |
| 9 | 去离子水 | 5 | 27 | 800 |
| 10 | N2气吹干 | 2 | 27 | 800 |
注：SC1(15％NH3.H2O+15％H2O2+70％H2O，体积比)
SC2(15％HCl+15％H2O2+70％H2O，体积比)
SC3(浓硫酸：H2O2＝3：1，体积比)
DHF(HF:H2O＝1:10，体积比)
上述清洗不仅去除了Si片表面的自然氧化层、颗粒杂质、金属离子、有机杂质，而且还去除了不利于后续工艺步骤的表面亲水性或疏水性。
⑵在清洗后的Si片一面旋涂BCB胶10(即苯并环丁烯胶)后，该面粘贴在步骤1电池中的第三结InxGa1-xAs电池面上，置入键合机的键合腔，键合腔内充满N2，将键合腔内的温度升至80-150℃(本发明的优选温度为120℃)时，对电池和Si片进行60-120秒(本发明的优选温度为80秒)的预固化；然后对键合腔施加1-5kN(本发明的优选压力为3kN)的键合压力，以 15℃/min升温的速度将键合腔内温度提升到250-300℃(本发明的优选温度为280℃)时，保持恒温，对电池和Si片进行1-2小时(本发明的优选温度为1.5小时)的键合，然后以3℃/min降温的速度将键合腔内的温度降到室温，取出电池，完成如图2所示的外延反向生长的GaAs三结太阳电池与Si衬底的低温键合。
步骤3、剥离Ge衬底
使用HF:H2O2:H2O＝2:1:1腐蚀液腐蚀Ge衬底及GaAs缓冲层，Ge衬底和GaAs缓冲层从电池上被剥离掉；然后使用HCl:H2O＝1:1腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，GaInP腐蚀停止层从电池上被剥离掉；完成如图3所示电池Ge衬底的剥离；
步骤4、在步骤3完成的电池中粘接廉价衬底
采用玻璃、不锈钢或聚酯膜材料作为廉价衬底12(本发明的优选廉价衬底材料为聚酯膜)，将步骤3完成的电池倒置，聚酯膜粘贴到第一结GaInP电池上，聚酯膜作为砷化镓外延薄膜外延层转移的支撑衬底，完成如图4所示电池上粘接廉价衬底的结构；
步骤5、Si衬底的剥离
使用BCB胶去除液，将将步骤4完成的电池外延片浸泡在BCB胶去除液中超声腐蚀，腐蚀温度为室温，时间5-10min,超声频率为700-1000KHz,BCB胶被腐蚀掉，随之电池上的Si衬底一同被剥离掉，用去离子水超声清洗电池5分钟，再用体积比为浓硫酸：H2O2＝3：1配置出的SC3液超声清洗电池5分钟；最后再用去离子水超声清洗电池5分钟取出后，即制成如图5所示的本发明砷化镓薄膜多结叠层太阳电池。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：
步骤1、外延层反向生长制备GaAs三结太阳电池
将Ge衬底置于MOCVD操作室内，生长温度设置为500℃-800℃，在Ge衬底上面依次外延生长厚度为0.1-0.3微米的GaAs缓冲层、厚度0.1-0.3微米的GaInP腐蚀停止层、厚度为100-500nm的n型掺杂GaAs帽层、作为顶电池的第一结GaInP电池、第一隧穿结、作为中电池的第二结GaAs电池、第二隧穿结、厚度为2-5μm的n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层和作为底电池的第三结InxGa1-xAs电池；所述Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层中0.03≤x≤0.3、0.5≤y≤0.7，所述Inx(AlyGa1-y)1-xAs渐变层的n型掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，所述GaAs帽层的n型掺杂浓度为1×1018cm-3，形成外延层反向生长的GaAs三结太阳电池；
步骤2、步骤1制备的电池与Si衬底键合
在清洗后的Si片一面旋涂BCB胶后，粘贴在步骤1的第三结InxGa1-xAs电池面上，置入键合机的键合腔，键合腔内充满N2，将键合腔内的温度升至80-150℃时，对电池和Si片进行60-120秒的预固化；然后对键合腔施加1-5kN的键合压力，以15℃/min升温的速度将键合腔内温度提升到250-300℃时，保持恒温，对电池和Si片进行1-2小时的键合，然后以3℃/min降温的速度将键合腔内的温度降到室温，电池与Si衬底形成低温键合；
步骤3、剥离Ge衬底
使用HF:H2O2:H2O＝2:1:1腐蚀液腐蚀Ge衬底及GaAs缓冲层，Ge衬底和GaAs缓冲层从电池上被剥离掉后，用HCl:H2O＝1:1腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停止层，GaInP腐蚀停止层从电池上被剥离掉，完成Ge衬底的剥离；
步骤4、粘接廉价衬底
采用玻璃、不锈钢或聚酯膜之一种材料作为廉价衬底，将步骤3完成的电池倒置，将廉价衬底粘贴到第一结GaInP电池上，完成廉价衬底的粘接；
步骤5、剥离Si衬底
使用BCB胶去除液，将步骤4完成的电池浸泡在BCB胶去除液中超声腐蚀，腐蚀温度为室温，时间5-10min,超声频率为700-1000KHz,BCB胶被腐 蚀掉，随之电池上的Si衬底一同被剥离掉，用去离子水超声清洗电池5分钟，再用体积比为浓硫酸：H202＝3：1配置出的SC3液超声清洗电池5分钟；最后再用去离子水超声清洗电池5分钟取出后，即制成本发明砷化镓薄膜多结叠层太阳电池。
2.根据权利要求1所述的砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤1中所述第一结GaInP电池、第一隧穿结、第二结GaAs电池、第二隧穿结、第三结InxGa1-xAs电池分别包括以下生长过程：
第一结GaInP电池：依次生长为厚度100-200nm的p型掺杂AlGaInP背场层、厚度1000-2000nm的p型掺杂GaInP基区、厚度50-200nm的n型掺杂GaInP发射区、厚度30-100nm的n型掺杂AlInP窗口层；其中：p型掺杂AlGaInP背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，p型掺杂GaInP基区的掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3，n型掺杂GaInP发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，n型掺杂AlInP窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
第一隧穿结：依次生长为厚度10nm-100nm的n型GaAs层和厚度10nm-100nm的p型Al0.4Ga0.6As层；其中：n型GaAs层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，p型Al0.4Ga0.6As层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
第二结GaAs电池：依次生长为厚度100-200nm的p型掺杂AlxGa1-xAs背场层、厚度3000-4000nm的p型掺杂GaAs基区、厚度50-200nm的n型掺杂GaAs发射区、厚度30-100nm的n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层；其中：p型掺杂AlxGa1-xAs背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5；p型掺杂GaAs基区的掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3，n型掺杂GaAs发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，n型掺杂AlxGa1-xAs窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5；
第二隧穿结：依次生长为厚度10nm-100nm的n型GaAs层和厚度10nm-100nm的p型Al0.4Ga0.6As层；其中：n型GaAs层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3，p型Al0.4Ga0.6As层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
第三结InxGa1-xAs电池：依次生长为厚度100-300nm的n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层、厚度为200-400nm的n型掺杂InxGa1-xAs发射区、厚度为1500-2000nm的p型掺杂InxGa1-xAs基区、厚度为100-200nm的p型掺杂 Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层、厚度为500-800nm的p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层；其中：n型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs窗口层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7，n型掺杂InxGa1-xAs发射区的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5，p型掺杂InxGa1-xAs基区的掺杂浓度为1×1016-1×1018cm-3、0.3≤x≤0.5，p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs背场层的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7，p型掺杂Inx(AlyGa1-y)1-xAs帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3、0.3≤x≤0.5、0.5≤y≤0.7。
3.根据权利要求1所述的砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤2中的Si片为厚度400-500微米的p型Si片，按照表1所示的清洗过程清洗Si片并吹干：
表1 Si片的清洗过程
其中：SC1为体积比的15％NH3.H20+15％H2O2+70％H2O，
SC2为体积比的15％HCl+15％H202+70％H20，
SC3为体积比的浓硫酸：H202＝3：1，
DHF为体积比的HF:H20＝1:10。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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