一種鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池及其制備方法
【專利摘要】一種鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池及其制備方法，涉及薄膜太陽電池的生產(chǎn)技術領域。本發(fā)明采用比較成熟的正裝砷化鎵太陽電池工藝制作，以柔性襯底替代原來的較厚、較重的剛性襯底，形成的鍺基多結高效柔性太陽電池達到了可彎曲性、較為輕巧的目的，有利于提高太陽電池運用范圍和重量比功率，緩減火箭發(fā)射與航天運載壓力。同時，上、下電極采用同側設計的方式方便了使用，可以直接焊接在所使用的器件上，或者粘附在既柔軟又輕盈的透明PI上使用。
【專利說明】
一種鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及薄膜太陽電池的生產(chǎn)技術領域。
【背景技術】
[0002]砷化鎵化合物太陽電池一直以來都是各國研究的熱點，受到人們的普遍重視，并且相較于傳統(tǒng)硅基太陽電池有著較高的光電轉換效率和優(yōu)良的可靠性，從而在空間電源領域得到了廣泛的應用。
[0003]常規(guī)太陽電池芯片的制作方法是:先在P型Ge襯底上依次生長N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層、N型GaAs接觸層完成外延片的生長，取得電池外延片。然后將電池外延片經(jīng)過酸性清洗、干燥，在背面分別通過電子束依次蒸鍍T1、Pd、Ag和Au層，完成下電極制作。采用負性光刻膠工藝光刻電極柵線圖形，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，并通過有機剝離將完成上電極制作。再采用酸堿溶液有選擇性的蝕刻掉電極以外的GaAs歐姆接觸層，并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。最后，經(jīng)退火、劃片、端面處理，取得太陽電池芯片。這種制作過程保留的較厚、較重的襯底層，不利于進一步減輕太陽電池陣列的自重。
[0004]眾所周知，較高的效率可減小太陽電池陣列的大小和質量，增加火箭的裝載量，減少火箭燃料消耗，可降低航天器電源系統(tǒng)的費用。因此在空間應用中，以GaAs太陽電池為核心的空間電源系統(tǒng)扮演著重要的角色。
[0005]目前太陽電池使用的襯底是剛性材料，應用范圍局限于平整的基板。對于太陽電池空間來說，其中一種重要指標就是重量比功率，所以具有較高質量比功率的柔性太陽電池成為當前研究的一大熱點。
[0006]近年來，人們開始在空間應用中采用一些新型的電池技術以進一步減輕電源系統(tǒng)的重量。如果采用柔性薄膜太陽電池代替剛性太陽電池帆板，可大大減小太陽電池陣列的單位面積重量和收攏狀態(tài)體積;而其展開面積可達數(shù)十到數(shù)萬平方米，使太陽電池陣列的重量成倍減輕而功率大幅提高，從而實現(xiàn)航天器電源系統(tǒng)設計的跨越式發(fā)展。
[0007]如果能夠結合GaAs太陽電池的高轉換效率與薄膜電池優(yōu)良的物理材料特性，研制出同時具備高效率與輕質量的鍺基薄膜太陽電池，這對整個航天工業(yè)將產(chǎn)生極為深遠的影響，很有可能成為下一代的空間太陽電池。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明目的是提出一種可彎曲、較為輕巧的鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池。
[0009]本發(fā)明包括柔性襯底，在柔性襯底的一側通過鍵合層連接Ge基底層，在部分Ge基底層上設置下電極，在另一部分Ge基底層上設置外延層，在外延層上設置上電極和減反射膜層。
[0010]本發(fā)明可以采用比較成熟的正裝砷化鎵太陽電池工藝制作，以柔性襯底替代原來的較厚、較重的剛性襯底，形成的鍺基多結高效柔性太陽電池達到了可彎曲性、較為輕巧的目的，有利于提高太陽電池運用范圍和重量比功率，緩減火箭發(fā)射與航天運載壓力。同時，上、下電極采用同側設計的方式方便了使用，可以直接焊接在所使用的器件上，或者粘附在既柔軟又輕盈的透明PI上使用。
[0011]為了得到更輕、更軟的產(chǎn)品，所述鍺基底層的厚度小于50μπι。
[0012]所述外延層可以包括依次設置的N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提出以上鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法。
[0014]制備方法包括以下步驟:
1)生長外延片:在P型Ge襯底上生長包括N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層的外延層，取得外延片；
2)上電極制作:在N型GaAs接觸層上，先采用負性光刻膠工藝光刻電極柵線圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在外延片的上N型GaAs接觸層上制備金屬電極，并通過有機剝離形成上電極；
3)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性地腐蝕去除上電極以外區(qū)域部分；
4)在外延片的上電極以外區(qū)域，采用電子束或PECVD沉積的方法在外延片上蒸鍍減反射膜；
5)退火:采用400°C退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性；
6)采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進行交替刻蝕，將套刻好部位的外延層蝕刻至Ge襯底為止；
7)下電極制作:先采用負性光刻膠工藝套刻圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在蝕刻開口的Ge襯底上制備金屬電極，并通過有機剝離形成下電極；
8)襯底減薄:在電池表面涂光刻膠保護層，并與臨時載體貼片壓合，然后使用機械和化學溶液腐蝕減薄襯底；
9)襯底轉移:將減薄后的電池背面蒸鍍鍵合層，然后鍵合轉移到柔性襯底上；
10)劃片:切除非電池區(qū)域部分留下完整電池芯片；
11)端面腐蝕:采用化學溶液將電池芯片側面腐蝕清洗切割殘渣顆粒；
12)解鍵合:加熱并揭掉臨時載體貼片，去膠清洗凈芯片。
[0015]在較為成熟的正裝砷化鎵太陽電池工藝上加以改進，本發(fā)明工藝簡單、合理，成本低廉;先使用P型Ge襯底，在其上外延生長形成電池外延層，經(jīng)減薄后與柔性襯底相結合，這種以較輕柔的PI襯底替代原來剛性較大、較重的P型Ge襯底，可實現(xiàn)鍺基電池的可彎曲性，重量比功率大幅提高。
[0016]進一步地，本發(fā)明P型Ge襯底機械或腐蝕減薄襯底，剛性Ge襯底小于50μπι具有較好的柔韌性，可進一步可得到重量更輕、柔性更好的產(chǎn)品。
[0017]本發(fā)明所述上電極的制作材料為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、Pt、Cr、Ni或In材料中至少任意一種。
[0018]所述減反射膜為雙層結構，為Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/MgF2或Si3NVMgF2中的任意一種；其中T12的厚度為U/4n，Ta205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為1λ/4η，S12的厚度為1λ/4η ,MgF2的厚度為1λ/4η，Si3N4的厚度為1λ/4η，所述λ為波長，單位nm;n為介質膜的折射系數(shù)。以上由高低折射系數(shù)光學介質膜組合，有利于砷化鎵電池較寬光譜太陽的利用，提高了太陽電池效率。
[0019]所述下電極的制作材料為Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Cr、Ni或In中的至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μπι;這些電極材料易于電子束或熱阻真空蒸鍍，便于操作和工藝制程管控。
[0020]所述臨時載體貼片材料為S1、GaAs、Ge、藍寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0021]所述步驟9)中鍵合轉移用材料為半固化膠、808^8^1^11、11、？10、附或111材料至少任意一種。以上鍵合材料分別是膠或共晶方式鍵合，使用溫度較低，有效控制柔性襯底的形變。
[0022]另外，在生長外延片時，在P型Ge襯底上依次生長N型GaInP的成核層形成底電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層。為了方便生產(chǎn)，采用常規(guī)生產(chǎn)方式進行。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明制作過程中形成的電子外延片的結構示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明制作過程中的半制結構示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明產(chǎn)品的結構示意圖。
[0026]圖4為圖3的俯向視圖。
【具體實施方式】
[0027]—、生產(chǎn)工藝，如圖1、2、3所示:
1、外延片生長:
采用MOCVD設備在厚度為175μπιΡ型Ge襯底33上依次生長N型GaInP的成核層形成底電池11、Ν型GaAs緩沖層12、第一隧穿結13、InGaAs中電池14、第二隧穿結15、GaInP頂電池16、Ν型AlInP窗口層17和N型GaAs接觸層18，完成外延片的生長，形成的電池外延片結構如圖1所不O
[0028]2、上電極制作:
如圖2所示:
將完成下線刻號的電池外延片經(jīng)過丙酮、酒精有機超聲清洗，QDR清洗旋干后，采用負性光刻膠工藝經(jīng)黃光涂膠、光刻、顯影等電極柵線圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100 °C，在電池外延層34的N型GaAs接觸層18表面蒸鍍金屬電極，并通過有機剝離完成正面電池上電極36的制作。
[0029]上電極36的制作材料可以為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、PcUPt、Cr、Ni或In中至少任意一種。
[0030]3、選擇性蝕刻:
將檸檬酸、雙氧水和水以I: 2:2的體積比混合，形成混合溶液。[0031 ]將制作好上電極36的制品浸于混合溶液中，在40°C下有選擇性地蝕刻上電極36以外的N型GaAs接觸層18，經(jīng)過QDR沖洗，旋干待用。
[0032]4、減反射膜:
將完成選擇性腐蝕的電池片，采用電子束或PECVD沉積的方法在電池外延層34的N型AlInP窗口層17上蒸鍍T12/ Al2O3雙層減反射膜35，其中，T12膜厚50nm，Al203膜厚85nm，并通過套刻的方式制作圖形將電極焊線部位的減反射膜蝕刻開口便于焊接、測試。
[0033]上述減反射膜35 也可以采用 Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205 或 Ti02/Si3N4 雙層結構中的任意一種，T12的厚度為U/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，單位nm;n為介質膜的折射系數(shù)。
[0034]5、退火:
采用400°C高溫退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性。
[0035]6、下電極制作:
采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進行交替刻蝕，將套刻好的部位外延層34蝕刻至Ge襯底表面形成電極大小的隔離槽。
[0036]涂L300負性光刻膠，對準以上蝕刻好的隔離槽進行光刻，形成電極圖形。用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在套刻好的部位真空蒸發(fā)蒸鍍金屬電極，并通過有機剝離形成下電極37，下電極37的尺寸小于隔離槽，與電池外延層34隔開，避免短路。
[0037]下電極37的制作材料可以采用Ag、Al、六11、1';[、？(1、？1:、0、附或111中至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μπι。
[0038]7、襯底減薄:
在設置有上電極36和下電極37的電池表面涂光刻膠，再將電池表面與臨時載體貼片壓合以形成保護，然后使用機械和化學溶液減薄P型Ge襯底，使Ge襯底厚度小于50μπι，電池具有較好的彎曲性。
[0039]臨時載體貼片材料可以采用S1、GaAs、Ge、藍寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0040]8、襯底轉移:
將減薄后的Ge襯底33上蒸鍍鍵合層32，并通過鍵合技術，將電子外延片轉移到柔性襯底31上。
[0041 ] 蒸鍍的鍵合層32所用材料可以為半固化膠、808^8^1^11、11、？10、附或111材料至少任意一種。
[0042]9、劃片:
采用金剛石刀片切割或激光切割對電池芯片分割，將非電池區(qū)域部分切除留下完整電池芯片。
[0043]10、端面腐蝕:
采用體積比為1:2:2的檸檬酸、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面腐蝕清洗掉切割殘渣顆粒。
[0044]11、解鍵合:加熱并揭掉臨時載體，去膠清洗凈芯片。
[0045]至此，完成了鍺基多結柔性薄膜太陽電池的制作。
[0046]二、產(chǎn)品結構:
如圖3、4所示，本發(fā)明產(chǎn)品包括柔性襯底31、鍵合層32、鍺基底33、下電極37、外延層34、上電極36和減反射膜35，在鍺基底33—側設置外延層34，在外延層34上設置上電極36和減反射膜35。外延層34包括N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。
[0047]圖4中顯示了設置在同一側的兩個上電極36和兩個下電極37，兩個上電極36之間通過電導材料連接，兩個下電極37之間也通過電導材料連接。在減反射膜35正面可見電極柵線。
[0048]三、產(chǎn)品特點:
由于鍺襯底10厚度減薄小于50μπι，電池質量減輕很多，所以提高了太陽電池的重量比功率;另外，電池體變薄，具有很好的柔韌性，增加了太陽電池的使用范圍。
【主權項】
1.一種鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池，包括柔性襯底，其特征在于:在柔性襯底的一側通過鍵合層連接Ge基底層，在部分Ge基底層上設置下電極，在另一部分Ge基底層上設置外延層，在外延層上設置上電極和減反射膜層。2.根據(jù)權利要求1所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池，其特征在于所述Ge基底層的厚度為20?60μπι。3.根據(jù)權利要求1所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池，其特征在于所述外延層包括依次設置的N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。4.如權利要求1所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，包括以下步驟: 1)生長外延片:在P型Ge襯底上生長包括N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層的外延層，取得外延片； 2)上電極制作:在N型GaAs接觸層上，先采用負性光刻膠工藝光刻電極柵線圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在外延片的上N型GaAs接觸層上制備金屬電極，并通過有機剝離形成上電極； 3)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性地腐蝕去除上電極以外區(qū)域部分； 4)在外延片的上電極以外區(qū)域，采用電子束或PECVD沉積的方法在外延片上蒸鍍減反射膜； 5)退火:采用400°C退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性； 6)采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進行交替刻蝕，將套刻好部位的外延層蝕刻至Ge襯底為止； 7)下電極制作:先采用負性光刻膠工藝套刻圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在蝕刻開口的Ge襯底上制備金屬電極，并通過有機剝離形成下電極； 8)襯底減薄:在電池表面涂光刻膠保護層，并與臨時載體貼片壓合，然后使用機械和化學溶液腐蝕減薄襯底； 9)襯底轉移:將減薄后的電池背面蒸鍍鍵合層，然后鍵合轉移到柔性襯底上； 10)劃片:切除非電池區(qū)域部分留下完整電池芯片； 11)端面腐蝕:采用化學溶液將電池芯片側面腐蝕清洗切割殘渣顆粒； 12)解鍵合:加熱并揭掉臨時載體貼片，去膠清洗凈芯片。5.根據(jù)權利要求4所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于:所述上電極的制作材料為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、Pd、Pt、Cr、Ni或In中至少任意一種。6.根據(jù)權利要求4所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于:所述減反射膜為雙層結構，為Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/MgF2或Si3NVMgF2中的任意一種;其中T12的厚度為1λ/4η，Ta2O5的厚度為1λ/4η ,Al2O3的厚度為1λ/4n，S12的厚度為1λ/4η ,MgF2的厚度為1λ/4η，Si3N4的厚度為1λ/4η，所述λ為波長，單位nm; η為介質膜的折射系數(shù)。7.根據(jù)權利要求4所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于:所述下電極的制作材料為48、41、411、11、？(1、？1:、0、祖或111中至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μηι。8.根據(jù)權利要求4所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于:所述臨時載體貼片材料為S1、GaAs、Ge、藍寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。9.根據(jù)權利要求4所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于:所述步驟9)中鍵合轉移用材料為半固化膠、808)8^1^11、1^、？(1^0、附或111中至少任意一種。10.根據(jù)權利要求4或5或6或7或8或9所述鍺基砷化鎵多結柔性薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于在生長外延片時，在P型Ge襯底上依次生長N型GaInP的成核層形成底電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結、InGaAs中電池、第二隧穿結、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層。
【文檔編號】H01L31/18GK106098818SQ201610731353
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發(fā)明人】吳洪清, 米萬里, 張雙翔, 涂潔磊, 徐培強, 李俊承, 何勝, 韓效亞, 周大勇, 楊洪東
【申請人】揚州乾照光電有限公司