本發(fā)明涉及物理電源技術領域，尤其涉及一種太陽電池集成式雙結二極管的結構設計及制造方法。

背景技術：

太陽電池在空間工作中，由于衛(wèi)星運動造成的陰影或者電池單體失效等原因，很容易造成電池陣帆板熱斑效應，破壞太陽電池。為了防止熱斑效應的產生，在單體太陽電池的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，避開問題電池，起到分流作用。對于空間太陽電池陣，旁路二極管必不可少，十分關鍵。

常用的空間用旁路二極管分為分體式和集成式，分體式旁路二極管與電池主體分別設計與制造，工序繁瑣；集成式能夠大大簡化生產制作的器件工藝流程和后期的貼片工藝，因此，集成式電池的需求日益增大。

目前，集成式二極管均采用多結結構設計，通過干法或濕法刻蝕隔離旁路二極管和電池主體，保留了太陽電池主體的多結gainp/gaas/ge結構。由于旁路二極管具有開啟電壓高、串聯(lián)電阻大等原因，容易造成工作中發(fā)熱量大使得二極管失效等技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是提供一種太陽電池集成式雙結二極管的設計及制造方法，尤其適合于降低開啟電壓，降低內阻，降低成本的gaas結旁路二極管。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種太陽電池集成式雙結二極管的結構設計，三結gaas太陽電池與集成二極管在同一晶片上，所述集成式二極管為雙結結構，從上到下依次設置有上電極金屬層、gaas子電池、ge子電池、ge襯底和下電極金屬層。

還包括一種太陽電池集成式雙結二極管的制造方法，其特征在于：該方法包括以下步驟，

1)通過第一次光刻腐蝕工藝，將隔離區(qū)和二極管區(qū)域腐蝕至隧穿結層；

2)通過第二次光刻腐蝕工藝，將隔離區(qū)腐蝕至襯底層；

3)光刻、蒸鍍主體電池以及二極管上電極；

4)蒸鍍下電極；

5)通過劃片工藝劃成所需要的電池尺寸；

6)電池上表面蒸鍍減反射膜。

進一步的，所述光刻腐蝕中的光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進行曝光，時間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時間為15-25s；堅膜溫度為120-130℃，時間為20-25min。

進一步的，所述第一次光刻腐蝕中的腐蝕液包括腐蝕液f1和腐蝕液f2，所述腐蝕液f1為hcl溶液，所述腐蝕液f2為h3po4、h2o2和h2o的混合液，所述第二次光刻腐蝕中的腐蝕液為腐蝕液f3和腐蝕液f4，所述腐蝕液f3為hcl、h2o2和h2o的混合液,所述腐蝕液f4為hf、h2o2和h2o的混合液。

進一步的，所述腐蝕液f2中h3po4、h2o2和h2o的體積比為1:2:7，所述腐蝕液f3中hcl、h2o2和h2o的體積比為6:2:1，所述腐蝕液f4為hf、h2o2和h2o的體積比為2:1:7。

進一步的，所述第一次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用所述腐蝕液f2腐蝕18-23s，所述腐蝕液f1腐蝕55-65s；所述第二次光刻腐蝕的腐蝕方式為進一步的，所述光刻上電極的光刻方式的步驟為涂光刻膠800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進行曝光，時間為25-40s；顯影時間為45-60s。

進一步的，所述蒸鍍上電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ag和au的復合薄膜，所述復合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

進一步的，所述蒸鍍下電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ge、ag和au的復合薄膜，所述復合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

進一步的，所述電池上表面制成減反射膜為在高真空條件下依次蒸鍍三氧化二鈦和三氧化二鋁的復合薄膜，所述三氧化二鈦膜的厚度為40nm-50nm；所述三氧化二鋁膜的厚度為70nm-80nm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：

1.降低開啟電壓

旁路二極管的功能之一是正向導通性，只要當二極管加上的正向電壓大于開啟電壓時，二極管實現(xiàn)正向導通。而開啟電壓的大小跟本身材料和pn結內電場有關，過往的集成式二極管是由ge結、gaas結、gainp結以及多種材料構成，開啟電壓為2ⅴ～3ⅴ，大大增大了其開啟電壓，本發(fā)明的集成式二極管只采用ge結與gaas結雙結結構，其開啟電壓只有1.5ⅴ左右，有益于并聯(lián)電池在出現(xiàn)故障之時，及時導通旁路二極管，避免出現(xiàn)更大的電池傷害。

2.降低內阻

旁路二級管在導通工作時，其發(fā)熱量是跟熱阻有很大的關系，熱阻越小，發(fā)熱量就越小，散熱效果也就越好，相應的工作溫度也就越低，即可避免或減小了因過熱導致的二極管失效的可能性。一般集成式旁路二極管主要由ge結、gaas結、gainp結等多結構成，其熱阻是多種材料內阻、結電阻、各結之間的面接觸電阻等多個串聯(lián)阻值之和；本發(fā)明的集成式旁路二極管由gaas結和ge結構成，降低了其熱阻值，進而大大降低旁路二極管被熱擊穿的風險。

3.降低成本

本發(fā)明利用了主體電池外延結構，而不是通過增加外延工藝實現(xiàn)旁路二極管的構造，本發(fā)明取得了降低開啟電壓、降低內阻的有益效果，減少了外延的費用，大大降低了電池的使用成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明集成式旁路二極管與其它類剖面結構差異圖

其中，圖1a為一般集成式二極管的剖面圖，圖1b為本發(fā)明集成式雙結式旁路二極管的剖面圖，101-ge襯底，102-ge子電池，103-gaas子電池，104-gainp子電池，105-上電極金屬層(au/ag/au)，106-下電極金屬層(au/ge/ag/au)

圖2是本發(fā)明集成式旁路二極管太陽電池剖面結構示意圖

其中，a-太陽電池，b-隔離槽，c-二極管，201-ge襯底(p)，202-ge外延層(n+)，203-第一隧道二極管，204-gaas子電池，205-第二隧道二極管，206-gainp子電池，207-gaas帽子層，208-上電極金屬層(auagau)，209-減反射膜，210-下電極金屬層(augeagau)

圖3是本發(fā)明集成式旁路二極管太陽電池正面俯視圖

其中，3-a-旁路二極管區(qū)，301-上電極金屬au/ag/au，302-雙結二極管，303-隔離槽

圖4是本發(fā)明集成式雙結旁路二極管太陽電池制造流程

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細說明。

本發(fā)明對這種具有雙結結構設計的集成式旁路二極管進行制作工藝說明。圖4是依據集成式雙結旁路二極管太陽電池制造流程順序并結合圖1、圖2與圖3進行工藝詳細說明。本發(fā)明只針對集成式雙結旁路二極管，與主體太陽電池有關的結構設計、電極工藝、減反射膜工藝、劃片等工藝和一般工藝類似。

如圖1b所示，一種太陽電池集成式雙結二極管的結構設計，集成式二極管為雙結結構，從上到下依次設置有上電極金屬層、gaas子電池、ge子電池、ge襯底和下電極金屬層，如圖1a所示，普通集成式二極管的結構為多結結構，從上到下依次為上電極金屬層、gainp子電池、gaas子電池、ge子電池、電池主體和下電極金屬層。

如圖4所示，一種太陽電池集成式雙結二極管的制造方法，該方法包括以下步驟，

1)依據三結外延結構在ge襯底201上依次生長ge子電池202、第一隧道二極管203、gaas子電池204、第二隧道二極管205、gainp子電池206、gaas帽子層207；

2)經過第一次光刻腐蝕去除隔離環(huán)區(qū)域以及二極管pn結區(qū)域上的gainp結子電池206、gaas帽子層207的外延層，腐蝕至隧穿結；

3)經過第二次光刻腐蝕依次去除隔離環(huán)的gaas帽子層207、gainp子電池206、第二隧道二極管205、gaas子電池204、第一隧道二極管203、ge結子電池202，腐蝕至ge襯底201；

4)光刻、蒸鍍上電極；

5)蒸鍍下電極；

6)通過劃片工藝，將圓片劃成所需要的電池尺寸；

7)電池上表面制成減反射膜；

依據三結外延結構依次生長ge子電池102、gaas子電池103、gainp子電池104。利用了主體電池外延結構，而不是通過增加外延工藝實現(xiàn)旁路二極管的構造，通過將多結結構變?yōu)殡p結結構，實現(xiàn)了開啟電壓降低、內阻降低的有益效果，減少了外延的費用，大大降低了電池的使用成本。

通過第一次光刻圖形，濕法腐蝕去除隔離環(huán)區(qū)域以及二極管pn結區(qū)域上的gainp結子電池206、gaas帽子層207的外延層，腐蝕至隧穿結205，此步驟即可完成集成式旁路二極管保留雙結結構的目的。第一次光刻腐蝕工藝，應準備帶有二極管c區(qū)域圖形的光刻版，腐蝕液f1和腐蝕液f2，腐蝕液f1為hcl溶液，腐蝕液f2為h3po4、h2o2和h2o的混合液，它們的體積比為1:2:7。第一次光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進行曝光，時間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時間為15-60s。堅膜溫度為120-130℃，時間為20-25min。第一次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用腐蝕液f2腐蝕18-23s，腐蝕液f1腐蝕55-65s；最后去膠處理。

通過第二次光刻圖形，采用濕法腐蝕依次去除隔離環(huán)c區(qū)域的gaas帽子層207、gainp子電池206、第二隧道二極管205、gaas子電池204、第一隧道二極管203、ge結子電池202，腐蝕至ge襯底201，見圖，此步驟即可完成集成式旁路二極管與主體電池分離的任務。第二次光刻腐蝕工藝，應準備帶有隔離環(huán)b區(qū)域圖形的光刻版，腐蝕液f3和腐蝕液f4，腐蝕液f3為hcl、h2o2和h2o的混合液，它們的體積比為6:2:1，腐蝕液f4為hf、h2o2和h2o的的混合液，它們的體積比為2:1:7。第二次光刻方式的步驟為涂光刻膠1500-2500r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進行曝光，時間為15-25s；顯影采用naoh溶液，溶度為0.8-1.2％，時間為15-25s。堅膜溫度為120-130℃，時間為20-25min。第二次光刻腐蝕的腐蝕方式為依次使用使用腐蝕液f3腐蝕25-30s，腐蝕液f4腐蝕30-35s。最后去膠處理。

通過光刻，為下一步蒸鍍電極做圖形準備。

準備帶有主體上電極圖形、集成二極管上電極301圖形的光刻版：涂光刻膠800-1300r/m，85-95℃下烘烤10-20min；再進行曝光，時間為25-40s；顯影時間為15-60s。

蒸鍍上電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ag和au的復合薄膜，復合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

蒸鍍下電極為在低真空條件下依次蒸鍍au、ge、ag和au的復合薄膜，復合薄膜的厚度為4.9-5.1μm。

如圖3所示，采用劃片機，依據電池的尺寸設置好程序，從操作屏幕上校準所劃電池的定位位置，校準完畢后，按start鍵，劃片機自動進行劃片。通過劃片工藝，將圓片劃成所需要的電池尺寸。

電池上表面制成減反射膜為在高真空條件下依次蒸鍍三氧化二鈦和三氧化二鋁的復合薄膜，三氧化二鈦膜的厚度為40nm-50nm；三氧化二鋁膜的厚度為70nm-80nm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：

1.降低開啟電壓

旁路二極管的功能之一是正向導通性，只要當二極管加上的正向電壓大于開啟電壓時，二極管實現(xiàn)正向導通。而開啟電壓的大小跟本身材料和pn結內電場有關，過往的集成式二極管是由ge結、gaas結、gainp結以及多種材料構成，開啟電壓為2ⅴ～3ⅴ，大大增大了其開啟電壓，本發(fā)明的集成式二極管只采用ge結與gaas結雙結結構，其開啟電壓只有1.5ⅴ左右，有益于并聯(lián)電池在出現(xiàn)故障之時，及時導通旁路二極管，避免出現(xiàn)更大的電池傷害。

2.降低內阻

旁路二級管在導通工作時，其發(fā)熱量是跟熱阻有很大的關系，熱阻越小，發(fā)熱量就越小，散熱效果也就越好，相應的工作溫度也就越低，即可避免或減小了因過熱導致的二極管失效的可能性。一般集成式旁路二極管主要由ge結、gaas結、gainp結等多結構成，其熱阻是多種材料內阻、結電阻、各結之間的面接觸電阻等多個串聯(lián)阻值之和；本發(fā)明的集成式旁路二極管由gaas結和ge結構成，降低了其熱阻值，進而大大降低旁路二極管被熱擊穿的風險。

3.降低成本

本發(fā)明利用了主體電池外延結構，而不是通過增加外延工藝實現(xiàn)旁路二極管的構造，本發(fā)明取得了降低開啟電壓、降低內阻的有益效果，減少了外延的費用，大大降低了電池的使用成本。

以上對本發(fā)明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內。