高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及砷化鎵多結柔性太陽電池生產技術領域。
【背景技術】
[0002]我國的太陽電池發展迅速，其中GaAs太陽電池為航天事業承擔著重要角色。目前GaAs多結太陽電池主要有以Ge和GaAs為襯底正裝多結太陽電池，以及倒置結構的多結太陽電池，其中倒置多結太陽電池因為各結電池帶隙較好的匹配全光譜，有助于太陽光吸收，使得其光電轉換效率始終遠遠領先于其它太陽電池，備受人們的青睞。倒裝太陽電池雖然轉換效率較高，但因鍵合在Si片上，電池片的重量也不輕，導致重量比功率并不理想；加之使用襯底是剛性材料，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。
[0003]如圖1所示，現有的太陽電池生產步驟如下:
1、外延生長:
采用MOCVD設備在GaAs襯底上依次生長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、GaAs中電池、第二隧穿結、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層完成外延片24的生長。
[0004]2、襯底轉移:
在電池外延片24的底電池背部和導電類型為P型的轉移Si襯底22正面，分別通過電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au層，再將蒸鍍完電池外延片24與轉移Si襯底22通過金屬鍵合層23進行金屬鍵合。
[0005]3、襯底剝離:
采用氨水、雙氧水腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結構上的GaAs襯底。
[0006]4、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26制作;在轉移Si襯底22背面蒸鍍制備下電極21。
[0007]5、減反射膜:
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。
[0008]6、退火、劃片、端面處理完成倒裝太陽電池芯片制作。
[0009]這種GalnP/GaAs/InGaAs倒裝三結太陽電池目前效率最高的效率在32%左右，在光譜AM O下，標準光強為136.7mw/cm2，輸出功率約為43.74 mw/cm2率；以面積12cm2的倒裝三結電池芯片為例，電池質量2.25g，質量比功率1945w/kg，已接近理論值，離3000w/kg空間需求還有一定距離。
[0010]若能將襯底去除或者采用較輕襯底替代，結果可想而知，重量將大幅降低，相應空間飛行器的發射和運載成本將會得到很好的改善。
【發明內容】
[0011]針對現有技術的不足，本發明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大應用范圍的GaAs多結柔性薄膜太陽電池。
[0012]本發明包括下電極，在下電極一側設置電池外延層，在電池外延層上設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、GaAs中電池、第二隧穿結、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。
[0013]本發明產品僅上、下電極，加外延層和減反射膜，并無襯底支撐，具有較高的重量比功率和超薄性的特點，產品厚度僅約1?15μπι上，且輸出功率互不影響、獨立工作。另外，具有彎曲的特性，可大大增加太陽電池的應用范圍。
[0014]進一步地，本發明在上電極和減反射膜上設置臨時保護層，在臨時保護層上設置臨時柔性載體。
[0015]臨時保護層的作用在于保護電池正面，避免因臨時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特性。在臨時柔性載體只起到托運的作用，以確保在搬運過程中對產品的保護。使用時僅需通過簡單的操作即可去除臨時保護層和臨時柔性載體。
[0016]為了便于粘合和分離，同時，不影響產品的柔性和硬度，所述臨時柔性載體為UV膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0017]所述減反射膜為Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/Ta205/Al203、Ti02/Ta205/Si02、Ti02/Si3N4/ Al2O3或Ti02/Si3N4/ S12多層結構中的任意一種，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，單位nm;n為介質膜的折射系數。砷化鎵多結太陽電池不僅利用可見光，不可見的紫外光和紅外光仍然將其轉換為電能，可以吸收從300nm到2000nm波段，這也就是砷化鎵多結太陽電池高效性的特點。利用多層結構形成減反射膜的結構可以降低太陽光各個波段的反射率，從而太陽電池的光電轉換效率。
[0018]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。通過加壓和400°C高溫的作用，金屬之間會相互擴散融合在一起，金屬厚度不能小于lMi，避免因金屬之間結合的力不夠，造成下電極分層，影響太陽電池的電性能。
[0019]本發明另一目的是提出以上高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池的制備方法。
[0020]本發明包括以下步驟:
1)生長外延片:在第一臨時襯底上依次生長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、GaAs中電池、第二隧穿結、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層；
2)在P型InGaAs接觸層上制作金屬鍵合層；
3)在第二臨時襯底的正表面制作金屬鍵合層；
4)襯底轉移:將第二臨時襯底的金屬鍵合層與外延片的金屬鍵合層壓相對，通過金屬鍵合，將外延片與第二臨時襯底鍵合，取得鍵合好的電池片；
5)襯底剝離:去除鍵合好的電池片上外延片的第一臨時襯底，直至露出GaInP腐蝕截止層；
6)上電極制作:去除所述GaInP腐蝕截止層，在N型GaAs接觸層上制作上電極； 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，在外延片上制備金屬電極，并通過有機剝離形成上電極；
7)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性腐蝕去除上電極以外部分；
8)在外延片的上電極以外區域，采用電子束或PECVD沉積的方法在外延片上蒸鍍減反射膜；
9)套刻將上電極一側的減反射膜蝕刻開孔，高溫退火形成歐姆接觸；
10)涂柔性保護層后，使用化學溶液去除第二臨時襯底；
11)劃片:切除非電池區域部分留下完整電池芯片；
12)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，并去膠清洗。
[0021]本工藝簡單，操作方便，不僅能有效地解決薄膜電池因為柔性襯底與外延層膨脹系數不一，而引起的電池表面鼓泡、失效的問題，而且能夠減輕電池體重量，提高了該電池的重量比功率，減輕了火箭的發射和衛星的飛行負擔。
[0022]本發明所述步驟2)中金屬鍵合層采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In等金屬材料的任意一種或幾種。所述步驟3)中金屬鍵合層采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In金屬材料的任意一種或幾種。通過加壓和400°C高溫的作用，金屬之間相互擴散融合緊密結合在一起，形成非常牢固的金屬鍵，這樣避免空間惡劣的環境引起太陽電池的失效或衰減。
[0023]在所述步驟9)后，于在上電極和減反射膜上制作臨時保護層，然后再在臨時保護層上設置臨時柔性載體，再去除第二臨時襯底。以此在上電極和減反射膜上設置臨時保護層，在臨時保護層上設置臨時柔性載體。在臨時柔性載體只起到托運的作用，以確保在搬運過程中對產品的保護。使用時僅需通過簡單的操作即可去除臨時保護層和臨時柔性載體。
[0024]所述臨時柔性載體采用UV膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0025]本發明所述步驟3)中，臨時襯底正面有機清洗。鍵合層蒸鍍前后注意晶片表面的潔凈程度，如有顆粒或蒸鍍過程濺金屬，鍵合時會引起襯底剝離后芯片表面的鼓起或者碎
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[0026]在所述步驟6)中，在電池表面制作電極柵線圖形時，必須注意表面的潔凈，電極圖形具有一定的垂直性，避免柵線電極在退火是無法有效融合，影響電極的牢固性，從而導致電池的可靠性影響！
在所述步驟7)中，選擇性腐蝕兩面同時蝕刻，注意溶液配制的量，避免刻蝕的不均勻現象。
[0027]在所述步驟10)中，在臨時載體貼片時，注意需從一邊均勻搟膜，避免有氣泡影響粘附效果，另外，壓合的壓力不宜過大，否則電池破片影響其成品率。
[0028]在所述步驟13)中，臨時載體移除前，保證電池與基板粘附平整，牢固后方可移除臨時載體，且溫度不宜超過200°C，避免載體剝離后殘余物難以去除。
[0029]本發明關鍵在于使用倒裝電池結構，鍵合層金屬經過臨時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載體，該薄膜襯底具有一定硬度可以支撐剝離下來的電池體，另外具有柔韌性可以彎曲，便于電池非平面的粘結，更重要的是加熱到特定的溫度將會使之粘性失效，讓電池體與載體自然分離，并且表面不會有任何殘留物，使僅僅10微米多厚電池體完成器件制作，達到零襯底的電池結構。
【附圖說明】
[0030]圖1為現有技術廣品的結構不意圖。
[0031]圖2為本發明制作過程中的外延片結構示意圖。
[0032]圖3為本明產品臨時柔性載體未去除的結構示意圖。
[0033]圖4為本明廣品的結構不意圖。
[0034]圖5為本明產品的平面示意圖。
【具體實施方式】
[0035]—、生產工藝:
1、外延片生長:
采用MOCVD設備在厚度為350μπι的GaAs襯底10上依次生長N型GaAs的緩沖層11、GaInP腐蝕截止層12、N型GaAs接觸層13、GaInP頂電池14、第一隧穿結15、GaAs中電池16、第二隧穿結17、InGaAs底電池18和P型InGaAs接觸層19，