高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，涉及砷化鎵多結(jié)柔性太陽(yáng)電池生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型在下電極一側(cè)設(shè)置電池外延層，在電池外延層上設(shè)置上電極和減反射膜；所述電池外延層包括N型GaAs接觸層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。本實(shí)用新型產(chǎn)品僅上、下電極，加外延層和減反射膜，并無(wú)襯底支撐，具有較高的重量比功率和超薄性的特點(diǎn)，產(chǎn)品厚度僅約10～15μm上，且輸出功率互不影響、獨(dú)立工作。另外，具有彎曲的特性，可大大增加太陽(yáng)電池的應(yīng)用范圍。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及砷化鎵多結(jié)柔性太陽(yáng)電池生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)的太陽(yáng)電池發(fā)展迅速，其中GaAs太陽(yáng)電池為航天事業(yè)承擔(dān)著重要角色。目前GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池主要有以Ge和GaAs為襯底正裝多結(jié)太陽(yáng)電池，以及倒置結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽(yáng)電池，其中倒置多結(jié)太陽(yáng)電池因?yàn)楦鹘Y(jié)電池帶隙較好的匹配全光譜，有助于太陽(yáng)光吸收，使得其光電轉(zhuǎn)換效率始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它太陽(yáng)電池，備受人們的青睞。倒裝太陽(yáng)電池雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但因鍵合在Si片上，電池片的重量也不輕，導(dǎo)致重量比功率并不理想；加之使用襯底是剛性材料，應(yīng)用范圍局限于平整的基板。對(duì)于太陽(yáng)電池空間來(lái)說(shuō)，其中一種重要指標(biāo)就是重量比功率，所以具有較高質(zhì)量比功率的柔性太陽(yáng)電池成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有的太陽(yáng)電池生產(chǎn)步驟如下:
[0004]1、外延生長(zhǎng):
[0005]采用MOCVD設(shè)備在GaAs襯底上依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層、GaInP腐蝕截止層、N型GaAs接觸層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層完成外延片24的生長(zhǎng)。
[0006]2、襯底轉(zhuǎn)移:
[0007]在電池外延片24的底電池背部和導(dǎo)電類(lèi)型為P型的轉(zhuǎn)移Si襯底22正面，分別通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au層，再將蒸鍍完電池外延片24與轉(zhuǎn)移Si襯底22通過(guò)金屬鍵合層23進(jìn)行金屬鍵合。
[0008]3、襯底剝離:
[0009]采用氨水、雙氧水腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結(jié)構(gòu)上的GaAs襯底。
[0010]4、電極制作:
[0011]采用負(fù)性光刻膠工藝光刻電極柵線(xiàn)圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，在頂電池歐姆接觸層上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離將完成上電極26制作;在轉(zhuǎn)移Si襯底22背面蒸鍍制備下電極21。
[0012]5、減反射膜:
[0013]將完成選擇性腐蝕的電池片，采用電子束蒸鍍的方法蒸鍍Ti02/Al203雙層減反射膜25。
[0014]6、退火、劃片、端面處理完成倒裝太陽(yáng)電池芯片制作。
[0015]這種GalnP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池目前效率最高的效率在32%左右，在光譜AM O下，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)為136.7mw/cm2，輸出功率約為43.74 mw/cm2率；以面積12cm2的倒裝三結(jié)電池芯片為例，電池質(zhì)量2.25g，質(zhì)量比功率1945w/kg，已接近理論值，離3000w/kg空間需求還有一定距離。
[0016]若能將襯底去除或者采用較輕襯底替代，結(jié)果可想而知，重量將大幅降低，相應(yīng)空間飛行器的發(fā)射和運(yùn)載成本將會(huì)得到很好的改善?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0017]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型目的是提出一種能減輕電池體重量、具有柔韌彎曲，從而提高重量比功率和擴(kuò)大應(yīng)用范圍的GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池。
[0018]本實(shí)用新型包括下電極，在下電極一側(cè)設(shè)置電池外延層，在電池外延層上設(shè)置上電極和減反射膜;所述電池外延層包括N型GaAs接觸層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。
[0019]本實(shí)用新型產(chǎn)品僅上、下電極，加外延層和減反射膜，并無(wú)襯底支撐，具有較高的重量比功率和超薄性的特點(diǎn)，產(chǎn)品厚度僅約10?15μπι上，且輸出功率互不影響、獨(dú)立工作。另外，具有彎曲的特性，可大大增加太陽(yáng)電池的應(yīng)用范圍。
[0020]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型在上電極和減反射膜上設(shè)置臨時(shí)保護(hù)層，在臨時(shí)保護(hù)層上設(shè)置臨時(shí)柔性載體。
[0021]臨時(shí)保護(hù)層的作用在于保護(hù)電池正面，避免因臨時(shí)載體粘附的膠層殘留在電池表面，影響柔性電池的表觀和電學(xué)特性。在臨時(shí)柔性載體只起到托運(yùn)的作用，以確保在搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)。使用時(shí)僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可去除臨時(shí)保護(hù)層和臨時(shí)柔性載體。
[0022]為了便于粘合和分離，同時(shí)，不影響產(chǎn)品的柔性和硬度，所述臨時(shí)柔性載體為UV膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0023]所述減反射膜為T(mén)i02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/Ta205/Al203、Ti02/Ta205/Si02、Ti02/Si3N4/ Al2O3或Ti02/Si3N4/ S12多層結(jié)構(gòu)中的任意一種，T12的厚度為1λ/4η，Τ&205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為U/4n，Si02的厚度為lA/4n，Si3N4的厚度為Iλ/4η，其中λ為波長(zhǎng)，單位nm;n為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)電池不僅利用可見(jiàn)光，不可見(jiàn)的紫外光和紅外光仍然將其轉(zhuǎn)換為電能，可以吸收從300nm到2000nm波段，這也就是砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)電池高效性的特點(diǎn)。利用多層結(jié)構(gòu)形成減反射膜的結(jié)構(gòu)可以降低太陽(yáng)光各個(gè)波段的反射率，從而太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0024]所述下電極為Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、N1、In中的任意一種或幾種，下電極的厚度大于Ιμπι。通過(guò)加壓和400 °C高溫的作用，金屬之間會(huì)相互擴(kuò)散融合在一起，金屬厚度不能小于lMi，避免因金屬之間結(jié)合的力不夠，造成下電極分層，影響太陽(yáng)電池的電性能。
[0025]本實(shí)用新型關(guān)鍵在于使用倒裝電池結(jié)構(gòu)，鍵合層金屬經(jīng)過(guò)臨時(shí)襯底剝離后作為電池的下電極;其次，采用具有熱敏作用的柔性臨時(shí)載體，該薄膜襯底具有一定硬度可以支撐剝離下來(lái)的電池體，另外具有柔韌性可以彎曲，便于電池非平面的粘結(jié)，更重要的是加熱到特定的溫度將會(huì)使之粘性失效，讓電池體與載體自然分離，并且表面不會(huì)有任何殘留物，使僅僅10微米多厚電池體完成器件制作，達(dá)到零襯底的電池結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本實(shí)用新型制作過(guò)程中的外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3為本明產(chǎn)品臨時(shí)柔性載體未去除的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為本明廣品的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0030]圖5為本明產(chǎn)品的平面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]—、生產(chǎn)工藝:
[0032]1、外延片生長(zhǎng):
[0033]采用MOCVD設(shè)備在厚度為350μπι的GaAs襯底10上依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層11、GaInP腐蝕截止層12、Ν型GaAs接觸層13、GaInP頂電池14、第一隧穿結(jié)15、GaAs中電池16、第二隧穿結(jié)17、InGaAs底電池18和P型InGaAs接觸層19，完成具有臨時(shí)襯底的外延片的外延層生長(zhǎng)，如圖2所示。以下統(tǒng)稱(chēng)為電池外延層。
[0034]2、電池外延片鍵合層蒸鍍:選取兩片所述電池外延片激光打標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，使用丙酮、異丙醇有機(jī)超聲清洗1min、干燥15min，在P型InGaAs接觸層19上分別通過(guò)電子束依次蒸鍍1';[、？(1、4〖和411層，蒸鍍層的總厚度不低于241]1。
[0035]3、臨時(shí)襯底鍵合層蒸鍍:選取一片厚270μπι單面拋光砷化鎵臨時(shí)襯底，經(jīng)有機(jī)超聲lOmin、干燥15min，并在干燥后的砷化鎵襯底的正表面通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au鍵合層31，膜厚不低于2μηι。
[0036]4、襯底轉(zhuǎn)移:
[0037]將上述蒸鍍后的外延片上蒸鍍層與砷化鎵臨時(shí)襯底上蒸鍍層相對(duì)合在一起，經(jīng)過(guò)高溫加熱到400°C、加壓到5000kg/cm2進(jìn)行鍵合20min，使電池片與砷化鎵襯底牢牢地粘附起來(lái)，取得鍵合好的電池片。
[0038]5、襯底剝離:
[0039]在鍵合好的電池片上的砷化鎵臨時(shí)襯底表面涂膠保護(hù)后，浸入由體積比為I: 10的氨水和雙氧水配制成的混合溶液中，經(jīng)3 O m i η后，去除電池片的外延片上的襯底1，露出GaInP腐蝕截止層12，并經(jīng)過(guò)QDR沖洗、脫水，烘干待用。
[0040]6、上電極制作:
[0041]將完成襯底剝離后的制品浸入由體積比為1:2的鹽酸和磷酸混合組成的溶液中去除截止層12，露出N型GaAs接觸層13，并經(jīng)過(guò)丙酮、酒精有機(jī)超聲清洗，QDR清洗旋干后，采用負(fù)性光刻膠工藝經(jīng)黃光涂膠、光刻、顯影等電極柵線(xiàn)圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在具有砷化鎵臨時(shí)襯底的電池外延層32上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離將完成正面電池上電極34制作。
[0042]7、選擇性腐蝕:
[0043]以檸檬酸、雙氧水和水以1:2:2的體積比混合，形成混合溶液。
[0044]將制作好上電極34的制品浸于混合溶液中，在40°C下有選擇性地蝕刻上電極34以外的N型GaAs接觸層13，經(jīng)過(guò)QDR沖洗，旋干待用。
[0045]8、減反射膜:
[0046]將完成選擇性腐蝕的電池片，采用電子束或PECVD沉積的方法在轉(zhuǎn)移的電池外延層32上蒸鍍Ti02/Si3N4/Si02多層減反射膜33，其中，T12膜厚50nm，Si3N4膜厚25nm，S12膜厚95nm，并通過(guò)套刻的方式制作圖形將電極焊線(xiàn)部位的減反射膜蝕刻開(kāi)口便于焊接、測(cè)試。
[0047]上述減反射膜也可以采用Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/Ta205/Al203、Ti02/Ta205/Si02或Ti02/Si3N4/ Al2O3多層結(jié)構(gòu)中的任意一種，T12的厚度為 1λ/4n，Ta205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為U/4n，Si02的厚度為U/4n，Si3N4的厚度為1λ/4η，其中λ為波長(zhǎng)，單位nm ； η為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。
[0048]9、退火:采用400 0C高溫退火20min，形成良好的歐姆接觸。
[0049]10、臨時(shí)柔性載體:
[0050]在退火好的電池表面涂一層容易去除的光刻膠作為臨時(shí)保護(hù)層35，使用與電池晶圓同等大小的熱剝離膜貼在臨時(shí)保護(hù)層35的外表面，用倒膜機(jī)壓合10?20秒，形成臨時(shí)柔性載體層36。
[0051]臨時(shí)保護(hù)層35的材料可選自V膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0052]然后浸入由體積比為1:10的氨水和雙氧水組成的混合溶液約30min，去除砷化鎵臨時(shí)襯底，露出鍵合層31截止。
[0053]11、劃片
[0054]采用金剛石刀片切割或激光切割對(duì)電池芯片分割，將非電池區(qū)域部分切除留下完整電池芯片。
[0055]12、端面腐蝕
[0056]采用體積比為I: 2: 2的梓檬酸、雙氧水和水混合溶液，在40°C下浸3?5min，將切割好電池芯片側(cè)面腐蝕清洗掉切割殘?jiān)w粒。
[0057]可依據(jù)客戶(hù)實(shí)際需求，選擇不同尺寸的電池芯片，將其鍵合層31焊接或者用導(dǎo)電膠粘合在具有一定強(qiáng)度柔性板材上，再用金屬互聯(lián)條將各芯片間的串并聯(lián)串接形成一個(gè)太陽(yáng)電池組件，該組件具有特定的光電轉(zhuǎn)換功率。
[0058]至此，完成了高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制作。
[0059 ]用戶(hù)使用說(shuō)明:取高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池在90?110 °C條件下加熱，即可方便地分離去除臨時(shí)柔性載體層36，再在去除了臨時(shí)柔性載體層36的產(chǎn)品外表面用有機(jī)清洗劑將臨時(shí)保護(hù)層35清洗干凈，就可正常使用了。
[0060]二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn):
[0061]如圖4所示，制成的產(chǎn)品包括鍵合層(即下電極)31，在下電極31—側(cè)設(shè)置電池外延層32，在電池外延層32的表面設(shè)置ARC減反射膜33和上電極34。其中，電池外延層包括N型GaAs接觸層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。
[0062]圖5中，為設(shè)置在同一側(cè)的兩個(gè)上電極34，兩個(gè)上電極34之間通過(guò)電導(dǎo)材料連接，在ARC減反射膜33正面可見(jiàn)電極柵線(xiàn)。
[0063]三、產(chǎn)品特點(diǎn):
[0064]由于375口111厚的電池襯底10完全去除，電池質(zhì)量減輕很多，所以提尚了太陽(yáng)電池的重量比功率;另外，電池體很薄，具有很好的柔韌性，增加了太陽(yáng)電池的使用范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，包括下電極，在下電極一側(cè)設(shè)置電池外延層，在電池外延層上設(shè)置上電極和減反射膜;所述電池外延層包括N型GaAs接觸層、GaInP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:在上電極和減反射膜上設(shè)置臨時(shí)保護(hù)層，在臨時(shí)保護(hù)層上設(shè)置臨時(shí)柔性載體。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述臨時(shí)柔性載體為UV膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述減反射膜為1^02/3102、1102/^1203、1^02八&205、1^02/313?、1^02八&205/^1203、1^02八&205/3102、Ti02/Si3N4/ Al2O3或Ti02/Si3N4/ S12多層結(jié)構(gòu)中的任意一種;T12的厚度為 1λ/4η，Τα205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為U/4n，Si02的厚度為U/4n，Si3N4的厚度為1λ/4η，其中λ為波長(zhǎng)，單位nm ； η為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于:所述下電極為八8、41、411、11、？(1、？1:、附、111中的至少任意一種，下電極的厚度大于]^1]1。
【文檔編號(hào)】H01L31/0687GK205488149SQ201620090175
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年1月29日
【發(fā)明人】吳洪清, 米萬(wàn)里, 曹來(lái)志, 張永, 張雙翔, 徐培強(qiáng), 李俊承, 韓效亞
【申請(qǐng)人】揚(yáng)州乾照光電有限公司