用室温键合技术制造多结太阳能电池

用室温键合技术制造多结太阳能电池

研究者们用一台商用晶圆键合设备将一对双结太阳能电池芯片键合为一体。

根据来自中国的一个科研团队的报告，他们首次将室温晶圆键合技术用于制造效率超过40%的四结太阳能电池。

研究者们相信，晶圆键合技术在制备四结或多结的太阳能电池上是一个非常吸引人选择，因为它提供了一种简单的技术途径来应对各个电池中不同材料的晶格常数的匹配问题。

传统的晶圆键合技术总是采用提高温度和加长键合时间来确保其键合界面具有高机械强度和低电阻的特性，但是这两种手段都会降低器件的性能。晶圆之间不同的热膨胀系数会导致它们产生弯曲和空洞缺陷，并且高温退火还会使内插在子电池之间的高掺杂隧道结中的掺杂原子产生扩散。
 由苏州纳米技术与纳米仿生研究所领衔的中国科研小组利用了室温晶圆键合技术完美地解决了这些问题。他们利用三菱重工的晶圆键合设备将InP衬底上的InGaAs和InGaAsP电池与GaAs衬底上的GaAs和GaInP电池键合为一体，在该键合设备中配置有一个氩离子枪和高真空的反应室。

 他们先用氩离子枪产生的低能氩离子束扫描这二种晶圆，将其表面活性化并产生悬挂键，然后施加5000N的力将这两种晶圆表面进行键合，产生一种四结电池的一体化结构。
   研究者们为了避免在键合表面上产生污染问题，整个操作都在高真空室里完成。这种预防措施可以说是非常重要的，因为空气中的小颗粒将会在键合界面上造成大面积的空洞和缺陷，从而降低了电池的性能。两个双结的外延层都是用MBE工艺制备的，课题负责人Shu Long Lu向我们解释道：这种MBE生长技术非常适合制备高掺杂的隧道结，但目前MOCVD在制备四元合金InGaAsP材料上还是占有着优势。

中国团队的研究工作还包括了对太阳能电池效率的模拟，模拟过程考虑了三种损耗机制：辐射损耗、热损耗和传输损耗。模拟计算结果表明，如果将两个具有最高能量的电池，也即将InGaP电池和GaAs电池的禁带宽度分别设定在1.91eV和1.42eV，且其余两个电池的禁带宽度分别设定为1.01eV和0.56eV的情况下，单位太阳光强度下太阳能电池的整体效率有望达到45.4%。

然而，根据研究者们的推论：要制备这样具有不同禁带宽度且晶格匹配的材料是不现实的。故他们采用了InP基材料衬底的两个晶格匹配电池组合：一个能量为1.07eV的InGaAsP电池和一个能量为0.74eV的InGaAs电池。在同样强度（单位太阳光强度）的光照条件下，采用这种结构电池的最高的效率可达到39%。

在外延层生长完成后，研究者们用透射电子显微镜仔细地截面分析了键合界面的质量，并没有发现有任何的空洞、螺旋线位错或平面型缺陷的存在，而这些缺陷问题在晶格不匹配的外延生长中是经常会发生的。

这种器件采用AuGe/Ni/ Au作为前电极，用Au/Zn/Au/Cr/Au作为背电极，还淀积有一层Ta₂O₅/TiO₂抗反射薄膜。测量电池的短路电流与其电压间的函数关系，所得到的结果说明该太阳能电池在单位强度太阳光下的效率达到了31.6%。如果将太阳光强度提升到230个太阳，那么电池的转换效率将可达到42%。

通过优化电池的结构，研究团队对打破46%的多结太阳能电池转换效率记录的前景非常乐观。要优化电池结构则要涉及到精细调整某些薄膜层的厚度，在Soitec、CEA-Leti和Fraunhofer ISE等机构所制作的创记录的器件中，InGaP 和 GaAs层的厚度分别为650nm和1400nm，而中国研究团队所制作光电池中的InGaP 和 GaAs层厚度则分别为480nm和800nm。

改进底部电池的质量也有利于提高整体电池的效率，而中国研究团队底部电池的开路电压分别只有0.54eV和0.13eV，低于最高效率记录电池的开路电压值。据推测，相对于MOCVD来说，MBE较低的生长温度可能会导致缺陷态和深能级中心的产生。

Lu表示，他们的研发团队正在努力通过优化材料的生长和光电流的匹配来进一步优化器件的性能。

室温晶圆键合技术可以制造具有更高转换效率的太阳能电池，从而提升了聚光型光伏技术的竞争力。

 P. P. Dai et. al.     Appl. Phys. Express 9 016501 (2016)