專利名稱：一種多結(jié)疊層太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池制造和應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種疊層式太陽能電池及其制作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的量產(chǎn)太陽能電池，主要采用硅、GaAs等材料制作。使用單一材料的單結(jié)電池的效率一般不能做得很高。通常的方式是將多種材料如fe^nP，InGaAs和Ge等生長在同一個襯底上，然后制作太陽電池。然而，這樣帶來的問題是在同一個襯底上使用的材料體系過多，造成晶格不匹配的現(xiàn)象嚴(yán)重，使生長出的電池材料質(zhì)量不高，影響效率的提高。開發(fā)一種既能實現(xiàn)多結(jié)串聯(lián)，又能不受晶格限制影響的太陽電池，具有現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種多結(jié)疊層太陽電池及其制作方法，能解決多結(jié)串聯(lián)和晶格失配之間的矛盾，提高電池的效率。為達到以上目的，本發(fā)明提供了一種多結(jié)疊層太陽能電池，包括一電池單元疊層體以及分別位于該電池單元疊層體頂部及底部的前電極和背電極，所述電池單元疊層體還包括，一個底層電池單元，其包括襯底及外延層；以及層疊連接于底層電池單元頂部的上層電池單元；所述的上層電池單元至少包括一外延層。本發(fā)明中底層電池單元襯底為ρ4ηΡ;底層電池單元的外延層為InGaAsP及 InGaAs ；上層電池單元的外延層為GaInP及GaAs。所述的電池單元疊層體還包括金屬薄膜層，用于加強兩電池單元的連接。所述的兩個電池單元對接界面還包括一增透抗反膜，以及兩個電池單元對接界面相互對應(yīng)的金屬焊盤和對應(yīng)金屬焊盤之間的金屬球。所述的兩個電池單元對接界面間還填充有凝膠，用于進一步加強兩電池的單元的連接，保證后續(xù)工藝順利進行。所述的上層電池單元還包括P-GaAs襯底。金屬薄膜層制作材料是金、金錫合金、鈦、鎳以及其合金中的一種。所述的增透抗反膜制作材料為MgF2或ZnS ；所述的金屬焊盤的制作材料為AuGe、 Ni、Au或Ti ；所述金屬球的制作材料為h或Sn。這種方法可以加強兩電池單元的連接，也保證入射光線的透過效率。所述的上層電池單元ρ-GaAs襯底上還設(shè)有一腐蝕阻隔層，用于阻隔腐蝕液對襯底的腐蝕，隨襯底的脫離而從上層電池單元外延層中剝離。本發(fā)明的另一個目的是提供了這種多結(jié)疊層太陽能電池的制作方法，包括如下步驟(1)采用分子束外延或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積方法在P-InP襯底上依次生長InGaAs, InGaAsP材料形成外延層后，獲得底層電池單元；(2)采用分子束外延或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積方法在P-GaAs襯底上生長 GaAs及feilnP材料形成外延層后，獲得上層電池單元；(3)在真空或者氮氣保護環(huán)境下，保持壓力范圍在5 50000N、加熱溫度范圍 300 600°C，維持10 120分鐘，使上層電池單元層疊連接于底層電池單元頂部，形成電池單元疊層體；(4)采用沉積及退火工藝分別在電池單元疊層體的頂部及底部沉積前電極和背電極，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。其中，所述的電池單元疊層體是通過底層電池單元和上層電池單元的直接鍵合、 金屬鍵合或倒焊接工藝獲得的。這種金屬鍵合工藝是在兩個電池單元對接界面插入一金屬薄膜層，操作條件與直接連接是一致的，是兩電池單元連接的其中一種方式。倒焊接工藝是在兩個電池單元對接界面插入一增透抗反膜、以及相互對應(yīng)的金屬焊盤和對應(yīng)金屬焊盤之間的金屬球，也是連接兩電池單元的三種方式之一。在倒焊接工藝中還包括在兩個電池單元對接界面間填充凝膠，用于加固兩電池單元的連接，保證后續(xù)工藝的順利進行。所述的上層電池單元的襯底與外延層之間還生長一腐蝕阻隔層。所述的金屬薄膜層制作材料是金、金錫合金、鈦、鎳以及其合金中的一種。所述的增透抗反膜制作材料為MgF2或SiS ；所述的金屬焊盤的制作材料為AuGe、 Ni、Au或Ti ；所述金屬球的制作材料為h或Sn。本發(fā)明的有益效果在于這種多結(jié)疊層太陽電池，利用相互獨立雙結(jié)電池單元層疊串聯(lián)成多結(jié)電池，再通過底層電池單元、上層電池單元的直接鍵合、金屬鍵合或倒焊接工藝形成疊層太陽能電池。一方面提高了入射光的利用效率，也解決晶格不匹配的現(xiàn)象，保證了生長出的電池材料質(zhì)量，電池效率的得到提高。另一方面，為進一步提高入射光的利用效率，方案中加入增透抗反膜或采用去除上層電池單元襯底再鍵合的方式，能大大提高底層電池單元對入射光的利用效率；加入金屬薄膜層能提高太陽能電池的導(dǎo)電特性，綜合各種因素整體提高疊層太陽能電池的工作效率。


圖1為實施例1及實施例2的上層電池單元(a)和底層電池單元(b)的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2為實施例1及實施例2經(jīng)拋磨后的上層電池單元(a)結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3為實施例1及實施例2生長金屬薄膜層后的上層電池單元(a)和底層電池單元(b)的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖4為實施例1通過金屬薄膜層鍵合的多結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖5為實施例1直接鍵合多結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖6為實施例2蒸鍍增透抗反膜后的上層電池單元和底層電池單元結(jié)構(gòu)剖視圖。圖7為實施例2沉積金屬焊盤及金屬球后的上層電池單元和底層電池單元結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖8為實施例2的多結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖9為實施例3的上層電池單元(a)和底層電池單元(b)的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖10為實施例3中形成增透抗反膜、金屬焊盤及金屬球后的上層電池單元(a)和底層電池單元(b)的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖11為實施例3中通過倒焊接技術(shù)形成的電池單元疊層體結(jié)構(gòu)剖視圖。圖12為實施例3中填充凝膠的電池單元疊層體結(jié)構(gòu)剖視圖。圖13為實施例3中去除腐蝕阻隔層過程的示意圖。圖14為實施例3的多結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細介紹。如圖5所示，這種多結(jié)疊層太陽能電池，包括一電池單元疊層體A以及分別位于該電池單元疊層體A頂部及底部的前電極12和背電極13，所述電池單元疊層體A包括一個底層電池單元11，以及至少一個層疊連接于底層電池單元11頂部的上層電池單元10 ；所述的底層電池單元11包括襯底3和外延層4 ；所述的上層電池單元10至少包括一外延層2。這種通過多個電池單元層疊串聯(lián)成多結(jié)太陽能電池的方式可提高入射光的利用率，實現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)化。但是，由于在同一襯底上使用的材料體系過多，造成晶格不匹配的現(xiàn)象嚴(yán)重后果，影響效率的提高。另一方面上層電池單元一般以P型材料作為襯底，對入射光的吸收明顯，降低了底層電池單元對入射光的利用效率。因此本發(fā)明為解決多結(jié)串聯(lián)電池、晶格失配和入射光透射率的問題，提高電池的效率而提出下列方案。實施例1本實施例提供的這種多結(jié)疊層太陽能電池制作方法包括以下步驟1.使用分子束外延(MBE)或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在p-GaAs 襯底1上依次生長GaAs、GaInP外延層2，獲得上層電池單元10，見圖1(a)；在p_InP襯底 3上依次生長InGaAs、InGaAsP外延層4，獲得底層電池單元11，見圖1(b)。以上兩種電池單元均是雙結(jié)電池單元，每個電池單元的晶格是完全匹配的。2.使用化學(xué)機械磨拋(CMP)方法將上層電池單元10中的襯底1減薄拋光至 150 μ m以下，見圖2，以減少入射光在透過過程中被吸收的部分。3.分別在上層電池單元10襯底1背面和底層電池單元11外延層4的頂部蒸鍍一層金屬薄膜層5，如圖3所示。該金屬薄膜層5采用金錫合金材料。金屬薄膜層厚度在 0.l-10nm。4.在真空或者氮氣保護環(huán)境下，將兩電池單元連接界面對準(zhǔn)，保持壓力范圍在 5 50000N、加熱溫度范圍300 600°C，維持10 120分鐘，使上層電池單元10與底層電池單元11鍵合連接，形成電池單元疊層體A。在所述條件下，兩電池單元連接界面的鍵合可通過金屬薄膜層5實現(xiàn)金屬鍵合，如圖4所示；也可以在相同條件下讓兩連接界面直接鍵合，參見圖5。5.最后在位于該電池單元疊層體A頂部及底部的采用電子束蒸發(fā)方法沉積前電極 12 和背電極 13，背電極 13 采用 AuGe/Ni/Au (35_50nm) / (l_20nm) / (100-300nm)。前電極 14采用Ti/Au (30-50nm) / (100-300nm)，退火工藝后形成多結(jié)疊層太陽能電池。
上述金屬薄膜層5還可以采用金或鈦或鎳或鈦鎳合金材料。實施例2本實施例提供的這種多結(jié)疊層太陽能電池制作方法包括以下步驟1.使用分子束外延(MBE)或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在p-GaAs 襯底1上依次生長GaAs、GaInP外延層2，獲得上層電池單元10，見圖1(a)；在p_InP襯底 2上依次生長hGaAs、InGaAsP外延層4，獲得底層電池單元11，見圖1(b)。以上兩種電池單元均是雙結(jié)電池單元，每個電池單元的晶格是完全匹配的。2.使用化學(xué)機械磨拋(CMP)方法將上層電池單元10中的襯底1減薄拋光至 150 μ m以下，見圖2以減少入射光在透過過程中被吸收的部分。3.分別在上層電池單元10襯底1背面和底層電池單元11外延層4的頂部蒸鍍一層增透抗反膜6，參見圖6，用于增透太陽光譜中波長大于0. 9 μ m的部分，反射波長小于 0. 9 μ m的部分。增透抗反膜6 —般使用MgF2和ZnS材料制作。4.分別在上層電池單元10襯底1背面和底層電池單元11外延層4的頂部通過光刻技術(shù)在兩連接界面相互對應(yīng)地去掉部分增透抗反膜6，然后用電子束蒸發(fā)的方法在增透抗反膜6去除部分填充若干個金屬焊盤7。金屬焊盤7的制作材料視接觸材料而確定，一般是與η型接觸的采用AuGe/Ni/Au，與ρ型接觸的采用Ti/Au。即本實例中，與上層電池單元 10襯底1背面的金屬焊盤7采用Ni材料，底層電池單元11外延層4的頂部采用Ti材料。 再經(jīng)過剝離和退火工藝，在兩連接界面上形成若干組相互對應(yīng)金屬焊盤7，如圖7所示。5.通過光刻技術(shù)、熱蒸發(fā)、剝離和回流工藝，在金屬焊盤7上形成用于焊接集成的金屬球8，如圖7所示。金屬球8制作材料可采用h或者Sn。施加一定的壓力，并加熱熔化金屬球8。對于In的焊接條件為:145-165°C,0. 1-0. 5g/每焊點，保持時間l-5min ；對于 Sn的焊接條件為225-245°C，0. 1-0. 5g/每焊點，保持時間l-5min。然后使用倒焊接工藝， 將上層電池單元與底層電池單元的連接界面對準(zhǔn)，在真空或者氮氣保護環(huán)境下，保持壓力范圍在5 50000N、加熱溫度范圍300 600°C，維持10 120分鐘，使上層電池單元層疊連接于底層電池單元頂部，形成電池單元疊層體A，如圖8所示。這種方法形成的電池單元疊層體A，每個電池單元均相互獨立，不必考慮電池單元之間晶格不匹配的現(xiàn)象，制作方法簡單可行。6.最后在位于該電池單元疊層體A頂部及底部的采用濺射方法沉積前電極12和背電極 13，背電極 13 采用 AuGe/Ni/Au (35-50nm)/(l-20nm)/(100-300nm)。前電極 14 采用 Pt/Au (30-50nm) / (100-300nm)，退火工藝后形成多結(jié)疊層太陽能電池。實施例3本實施例提供的這種多結(jié)疊層太陽能電池制作方法包括以下步驟1.使用分子束外延(MBE)或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積(MOCVD)方法在p_InP襯底3上依次生長InGaAs、InGaAsP外延層4，獲得底層電池單元11，參見圖9 (b)。在p-GaAs襯底1上采用分子束外延(MBE)或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積(MOCVD) 方法先生長一層厚度為50-1000nm的腐蝕阻隔層9，該腐蝕阻隔層9的制作材料為AWaAs， 然后采用相同的方法在腐蝕阻隔層9上依次生長fe^nP、GaAS材料形成外延層2，獲得上層電池單元10，參見圖9 (a)。值得注意的是，這種上層電池單元10從下至上材料層分別為 P-GaAs, AlGaAs, GaInP及GaAs，其與實施例1和實施例2的上層電池單元10外延層2比較，材料的生長順序進行了顛倒，外延層2與襯底1之間也引入了腐蝕阻隔層9。2.分別在上層電池單元10及底層電池單元11的頂部蒸鍍光一層增透抗反膜6， 用于增透太陽光譜中波長大于0. 9 μ m的部分，反射波長小于0. 9 μ m的部分。增透抗反膜一般使用MgF2和ZnS材料制作。3.分別在上層電池單元10及底層電池單元11的頂部通過光刻技術(shù)在兩連接界面相互對應(yīng)去掉部分增透抗反膜6，然后用電子束蒸發(fā)的方法在增透抗反膜6去除部分填充若干個金屬焊盤7。本實例中，上層電池單元10及底層電池單元11的頂部金屬焊盤7均采用Au材料。再經(jīng)過剝離和退火工藝，形成若干組相互對應(yīng)的金屬焊盤7，參見圖10(a)和 (b)。4.通過光刻技術(shù)、熱蒸發(fā)、剝離和回流工藝，在金屬焊盤7上形成用于焊接集成的金屬球8，如圖10所示。金屬球8制作材料可采用h或者Sn。然后將上層電池單元10顛倒，讓上層電池單元10頂部與底層電池單元11頂部的連接界面對準(zhǔn)，使用倒焊接工藝，在真空或者氮氣保護環(huán)境下，保持壓力范圍在5 50000N、加熱溫度范圍300 600°C，維持 10 120分鐘，使上層電池單元層疊連接于底層電池單元頂部，形成電池單元疊層體A，其形態(tài)如圖11所示。5.在已焊接好的連接界面間填充高透光率的凝膠15，本實施例中采用環(huán)氧樹脂膠(Epoxy Tech 301-2)，用于加固兩個電池單元之間的連接，保證后續(xù)的機械磨拋工藝順利進行，如圖12所示。6.再使用化學(xué)機械磨拋(CMP)方法將上層電池單元10襯底1部分減薄至 50-100 μ m，然后使用選擇性腐蝕液氫氟酸，腐蝕掉腐蝕阻隔層9，將襯底1完全剝離上層電池單元10，如圖13所示。此步驟中需要先進行化學(xué)機械磨拋工藝，再用選擇性腐蝕液進行腐蝕。這是由于選擇性腐蝕液腐蝕速率很慢，在0. l-0.3ym/mino 一般材料若不減薄磨拋， 去除400 μ m襯底需要4000min，也就是60小時左右。腐蝕時間太長，有可能對材料造成損傷，而且腐蝕溶液需要持續(xù)更新。因此采用分步進行的方法完成腐蝕阻隔層9的去除。7.在步驟6中獲得的電池單元疊層體A頂部及底部上進行電池的前電極12和背電極13制作。采用電子束蒸發(fā)方法沉積前電極12和背電極13，背電極13采用AuGe/Ni/ Au (35-50nm) / (l_20nm) / (100_300nm)，前電極 14 采用 Pt/Au (30_50nm) / (100_300nm)，退火工藝后形成多結(jié)疊層太陽能電池，如圖14所示。本實施例制作的多結(jié)疊層太陽能電池，上層電池單元10的外延層2先倒置生長，然后再顛倒集成后去除襯底1，有效避免了光損失。以上幾種制作方法得到的多結(jié)疊層太陽能電池有效地解決晶格不匹配的現(xiàn)象，保證了生長出的電池材料質(zhì)量，并整體提高疊層太陽能電池的工作效率。但不能說明本發(fā)明的保護范圍僅限于上述幾種方法，凡是由此得到啟示或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上經(jīng)過簡單替換的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種多結(jié)疊層太陽能電池，包括一電池單元疊層體(A)以及分別位于該電池單元疊層體(A)頂部及底部的前電極(1 和背電極(13)，其特征在于所述電池單元疊層體(A) 還包括，一個底層電池單元(11)，其包括襯底⑶及外延層⑷；以及層疊連接于底層電池單元(11)頂部的上層電池單元(10)；所述的上層電池單元(10) 至少包括一外延層(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述底層電池單元(11) 襯底⑵為P-InP ；所述底層電池單元(11)的外延層⑷為InGaAsP及LGaAs ；所述上層電池單元(10)的外延層⑵為feilnP及GaAs。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的電池單元疊層體 (A)還包括金屬薄膜層(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的兩個電池單元對接界面還包括一增透抗反膜(6)，以及兩個電池單元對接界面相互對應(yīng)的金屬焊盤(7)和對應(yīng)金屬焊盤(7)之間的金屬球(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的兩個電池單元對接界面間還填充有凝膠(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的上層電池單元 (10)還包括ρ-GaAs襯底O)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的金屬薄膜層(5) 制作材料是金、金錫合金、鈦、鎳以及其合金中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的增透抗反膜(6) 制作材料為MgF2或SiS ；所述的金屬焊盤(7)的制作材料為AuGe、Ni、Au或Ti ；所述金屬球⑶的制作材料為^1或311。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的上層電池單元 (IO)p-GaAs襯底( 上還設(shè)有一腐蝕阻隔層(9)。
10.一種多結(jié)疊層太陽能電池的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用分子束外延或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積方法在P-InP襯底C3)上依次生長 InGaAsUnGaAsP材料形成外延層(4)后，獲得底層電池單元(11)；(2)采用分子束外延或者金屬有機物化學(xué)汽相沉積方法在P-GaAs襯底(1)上生長 GaAs及feilnP材料形成外延層( 后，獲得上層電池單元(10)；(3)在真空或者氮氣保護環(huán)境下，保持壓力范圍在5 50000N、加熱溫度范圍300 600°C，維持10 120分鐘，使上層電池單元層(10)疊連接于底層電池單元(1)頂部，形成電池單元疊層體(A)；(4)采用沉積及退火工藝分別在電池單元疊層體(A)的頂部及底部沉積前電極(12)和背電極(13)，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種多結(jié)疊層太陽能電池的制作方法，其特征在于所述的電池單元疊層體(A)是通過底層電池單元(11)和上層電池單元(10)直接鍵合、金屬鍵合或倒焊接工藝獲得的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的金屬鍵合工藝是在兩個電池單元對接界面插入一金屬薄膜層(5)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的倒焊接工藝是在兩個電池單元對接界面插入一增透抗反膜(6)，以及相互對應(yīng)的金屬焊盤(7)和對應(yīng)金屬焊盤(7)之間的金屬球(S)0
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的倒焊接工藝還包括在兩個電池單元對接界面間填充凝膠(15)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種多結(jié)疊層太陽能電池制作方法，其特征在于所述的上層電池單元(10)的襯底(1)與外延層( 之間還生長一腐蝕阻隔層(9)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的金屬薄膜層(5) 制作材料是金、金錫合金、鈦、鎳以及其合金中的一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多結(jié)疊層太陽能電池，其特征在于所述的增透抗反膜(6) 制作材料為MgF2或SiS ；所述的金屬焊盤(7)的制作材料為AuGe、Ni、Au或Ti ；所述金屬球⑶的制作材料為^1或311。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多結(jié)疊層太陽能電池及其制作方法包括一電池單元疊層體(A)以及分別位于該電池單元疊層體(A)頂部及底部的前電極(12)和背電極(13)，所述電池單元疊層體(A)包括一個底層電池單元(11)以及至少一個層疊連接于底層電池單元(11)頂部的上層電池單元(10)；所述的底層電池單元(11)包括襯底(3)及外延層(4)；所述的上層電池單元(10)至少包括一外延層(2)。電池單元疊層體(A)通過底層電池單元(11)、上層電池單元(10)的直接鍵合、金屬鍵合或倒焊接工藝獲得。本發(fā)明不僅解決了疊層電池單元(A)晶格不匹配的問題，提高太陽能電池的整體工作效率。
文檔編號H01L31/0216GK102270693SQ201110198258
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者何巍, 楊輝, 董建榮, 陸書龍, 黃寓洋 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所