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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
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金属衬底InGaP/GaAs双结薄膜太阳能电池的制备与特性

赵斌  
【摘要】:GaAs基薄膜太阳能电池在军用、航天等领域具有巨大的应用价值,美国已经掌握了成熟技术并且制备出相应的产品,我国在GaAs基薄膜太阳能电池方面仍处于研发阶段,与世界先进水平仍存在一定差距。针对未来在卫星、空间站、无人机、移动军需装备等领域对薄膜太阳能电池的特殊应用需求,本文设计和制备了一种具有金属衬底薄膜型InGaP/GaAs双结太阳能电池,并对其性能进行了综合性研究。基于常规GaAs基太阳能电池外延结构,在外延层和GaAs生长衬底之间设计插入一层InGaP腐蚀停止层。采用MOCVD生长设备完成外延层的生长,解决双结电池中各层厚度和掺杂浓度、掺杂源扩散、异质结、隧道结、均匀性等关键生长技术。与常规GaAs基太阳能电池上表面制备工艺相互兼容,首先完成了栅状顶电极制备、电池隔离槽腐蚀、减反膜设计和优化等工艺研发。利用InGaP腐蚀停止层的高腐蚀选择比,采用湿法腐蚀移除GaAs衬底,然后采用电镀技术制备金属薄膜衬底,完成外延层衬底转移工艺,制备出薄膜型双结电池。相比于GaAs衬底剥离工艺,湿法移除衬底工艺对裸露外延层表面刻蚀损伤更小、化学残留更少,可以获得更加洁净和光滑的外延层表面,改善电池底电极与半导体材料的接触性能。通过优化酸性光亮电镀铜工艺,改善铜薄膜均匀性、平坦性、光亮性以及膜层应力等特性,获得理想的金属薄膜衬底。电镀是一种在溶液中电化学沉积过程,相比于键合工艺,对操作环境的洁净度没有苛刻要求,而且不需要外延层经过高温、高压等过程,所以可以避免表面颗粒残留或者基片翘曲等造成器件的机械损伤,有效提高产品的均匀性和成品率。电镀可以灵活地调节金属衬底的厚度,使薄膜电池具有良好的柔性可弯曲特性,对制备大面积柔性薄膜电池具有很大优势。根据外延层正向或反向外延生长结构,这种衬底转移工艺能够灵活进行薄膜器件的正装或倒装制备,可以扩展到发光二极管、光电探测器、半导体激光器等其他光电子器件的制备。金属衬底InGaP/GaAs双结薄膜太阳能电池在AM 1.5模拟光下,开路电压为2.4V,短路电流密度为13.67mA/cm~2,填充因子为88.7%,转换效率达到29.09%,接近国际先进水平。薄膜电池总体厚度仅有30微米左右,具有超轻、超薄特性,表现出高功率质量比和功率体积比。基于电镀工艺的薄膜电池具有良好的柔性性能,可以贴附于不平坦表面上使用,实验研究了薄膜电池在不同弯曲应变程度和不同弯曲循环次数后其转换性能的变化。在外延层应变量小于0.06%时,转换效率基本保持稳定,随着应变程度进一步增加,转换效率开始急剧下降,经多次弯曲循环后,薄膜电池没有出现明显的裂纹、脱落等机械损伤,经过多达100次弯曲循环后,双结薄膜电池性能降级很小,表现出良好的机械稳定性。双结薄膜电池具有较强的光致发光(PL)和电致发光(EL)特性,特别是模拟光下电池芯片的PL特性可作为检验材料生长和器件制备工艺的一种快捷手段。采用532nm激光激发双结电池,得到In GaP顶电池和GaAs底电池的PL峰值分别在648nm和874nm,衬底转移前后PL的峰位和半峰宽没有发生变化,表明薄膜电池外延层几乎没有受到应力,而且相比于GaAs衬底移除之前,薄膜电池表现出增强的PL强度,将薄膜电池正向弯曲后,因为外延层受到张应变两个PL峰位发生7nm红移。目前我们已经研发出GaAs基薄膜电池制备工艺的关键技术,对双结薄膜电池综合性能也有一定的数据积累,但总体上与国际先进水平还有一定的差距,后续仍需在外延结构设计、材料生长和器件制备工艺方面进行深层次的优化和研发,实现我国GaAs基薄膜型太阳能电池的自主化生产。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM914.4

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