高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池的制作方法
【專利摘要】高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，涉及砷化鎵多結柔性太陽電池生產技術領域。本實用新型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。本實用新型產品僅上、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10～15μm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。
【專利說明】
高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池
技術領域
[0001]本實用新型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:
[0004]1、外延生長:
[0005]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。
[0006]2、襯底轉移:
[0007]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。
[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構上的GaAs襯底。
[0010]4、電極制作:
[0011]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。
[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電池芯片制作。
[0015]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。
[0016]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。【實用新型內容】
[0017]針對現有技術的不足，本實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大應用范圍的GaAs多結柔性薄膜太陽電池。
[0018]本實用新型包括下電極，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。
[0019]本實用新型產品僅上、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10?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。
[0020]進一步地，本實用新型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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[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。
[0025]本實用新型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】
[0026]圖1為現有技術產品的結構示意圖。
[0027]圖2為本實用新型制作過程中的外延片結構示意圖。
[0028]圖3為本明產品臨時柔性載體未去除的結構示意圖。
[0029]圖4為本明廣品的結構不意圖。
[0030]圖5為本明產品的平面示意圖。
【具體實施方式】
[0031]—、生產工藝:
[0032]1、外延片生長:
[0033]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、Ν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，完成具有臨時襯底的外延片的外延層生長，如圖2所示。以下統稱為電池外延層。
[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進行編號，使用丙酮、異丙醇有機超聲清洗1min、干燥15min，在P型InGaAs接觸層19上分別通過電子束依次蒸鍍1';[、？(1、4〖和411層，蒸鍍層的總厚度不低于241]1。
[0035]3、臨時襯底鍵合層蒸鍍:選取一片厚270μπι單面拋光砷化鎵臨時襯底，經有機超聲lOmin、干燥15min，并在干燥后的砷化鎵襯底的正表面通過電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au鍵合層31，膜厚不低于2μηι。
[0036]4、襯底轉移:
[0037]將上述蒸鍍后的外延片上蒸鍍層與砷化鎵臨時襯底上蒸鍍層相對合在一起，經過高溫加熱到400°C、加壓到5000kg/cm2進行鍵合20min，使電池片與砷化鎵襯底牢牢地粘附起來，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襯底表面涂膠保護后，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，并經過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，在具有砷化鎵臨時襯底的電池外延層32上制備金屬電極，并通過有機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，經過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。
[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多層結構中的任意一種，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，單位nm ； η為介質膜的折射系數。
[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保護層35，使用與電池晶圓同等大小的熱剝離膜貼在臨時保護層35的外表面，用倒膜機壓合10?20秒，形成臨時柔性載體層36。
[0051]臨時保護層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電池芯片分割，將非電池區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面腐蝕清洗掉切割殘渣顆粒。
[0057]可依據客戶實際需求，選擇不同尺寸的電池芯片，將其鍵合層31焊接或者用導電膠粘合在具有一定強度柔性板材上，再用金屬互聯條將各芯片間的串并聯串接形成一個太陽電池組件，該組件具有特定的光電轉換功率。
[0058]至此，完成了高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池的制作。
[0059 ]用戶使用說明:取高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池在90?110 °C條件下加熱，即可方便地分離去除臨時柔性載體層36，再在去除了臨時柔性載體層36的產品外表面用有機清洗劑將臨時保護層35清洗干凈，就可正常使用了。
[0060]二、產品結構特點:
[0061]如圖4所示，制成的產品包括鍵合層(即下電極)31，在下電極31—側設置電池外延層32，在電池外延層32的表面設置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、GaAs中電池、第二隧穿結、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。
[0062]圖5中，為設置在同一側的兩個上電極34，兩個上電極34之間通過電導材料連接，在ARC減反射膜33正面可見電極柵線。
[0063]三、產品特點:
[0064]由于375口111厚的電池襯底10完全去除，電池質量減輕很多，所以提尚了太陽電池的重量比功率;另外，電池體很薄，具有很好的柔韌性，增加了太陽電池的使用范圍。
【主權項】
1.高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，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。2.根據權利要求1所述高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，其特征在于: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。3.根據權利要求2所述高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，其特征在于: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。4.根據權利要求1所述高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，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多層結構中的任意一種;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，單位nm ； η為介質膜的折射系數。5.根據權利要求1所述高比功率GaAs多結柔性薄膜太陽電池，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】H01L31/0687GK205488149SQ201620090175
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月29日
【發明人】吳洪清, 米萬里, 曹來志, 張永, 張雙翔, 徐培強, 李俊承, 韓效亞
【申請人】揚州乾照光電有限公司