專利名稱：多結(jié)太陽能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多結(jié)太陽能電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為一種清潔能源，太陽能電池一直是最有活力的研究領(lǐng)域。太陽能電池大致可分為三代。第一代為硅晶電池，可大致分為單晶硅和多晶硅兩種，其商業(yè)應(yīng)用的歷史最長。 第二代為薄膜太陽能電池，主要構(gòu)成材料為非晶硅與二六族化合物半導(dǎo)體，常被運(yùn)用于建筑一體化光伏發(fā)電。第三代即為以砷化鎵太陽能電池為代表的高效多結(jié)太陽能電池，其運(yùn)用于太空領(lǐng)域已有較長的歷史，但由于砷化鎵電池的價(jià)格相對(duì)高昂，因此過去很少被用于地面及家庭消費(fèi)。為了降低砷化鎵的高昂價(jià)格所帶來的成本壓力，近年來提出在砷化鎵電池上搭配聚光光學(xué)單元而構(gòu)成高倍聚光光伏組件，以利用較少面積的砷化鎵電池吸收較大面積的太陽光(一般大于100 : I) O此外，為了獲得更高的對(duì)太陽光的轉(zhuǎn)化效率，使用覆蓋不同光譜的多結(jié)材料體系來形成電池。其中，出于晶格匹配的原因，技術(shù)較為成熟的一種多結(jié)砷化鎵電池由 GaInP (磷化鎵銦，或稱鎵銦磷)、GaAs (砷化鎵，或稱鎵砷)和Ge組成。如圖I所示，主流的在產(chǎn)技術(shù)三結(jié)砷化鎵電池中具有三個(gè)子電池，分別為GalnP、 GaInAs和Ge子電池。各子電池覆蓋太陽光譜的不同波段，其中Ge對(duì)應(yīng)O. 67eV(因此能吸收太陽光譜中的波長較長的波段而發(fā)電)，GaInAs對(duì)應(yīng)I. 42eV(因此能吸收太陽光譜中的波長在中間的波段而發(fā)電)，而GaInP對(duì)應(yīng)I. 85eV (因此能吸收太陽光譜中的波長較短的波段而發(fā)電)。由于Ge的帶隙較低，對(duì)應(yīng)IeV附近的太陽光譜波段(B卩，從右至左數(shù)第三個(gè)陰影區(qū)域)未被有效利用，因此，在標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5太陽光譜(該光譜標(biāo)準(zhǔn)由ASTM制定，大約相當(dāng)于晴天時(shí)太陽在水平面上方41. 81度入射時(shí)所得到的太陽光譜)下，目前GalnP/GalnAs/ Ge三結(jié)電池能實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化效率約為32%。因此，如圖I所示，雖然還未達(dá)到商業(yè)生產(chǎn)，但已經(jīng)提出對(duì)上述三結(jié)砷化鎵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。其中構(gòu)思一為使用對(duì)應(yīng)I. 25eV的新材料代替I. 42eV的GaAs，使得未被有效利用的波段減少。而構(gòu)思二則直接在Ge子電池與GaAs子電池之間插入帶隙約等于I. OeV的新材料。由此，構(gòu)思二的各子電池對(duì)應(yīng)吸收?qǐng)DI左側(cè)部分所示的太陽光譜的從O. 7eV到4eV左右的各個(gè)波段=GaInP層吸收I. 85_4eV波段，然后GaAs層吸收透過來的I. 42-1. 85eV波段， 然后Y材料層吸收透過來I. 0-1. 42eV波段，最后Ge層吸收透過來的O. 67-1. OeV波段光線的能量。盡管有上述的改進(jìn)，本申請(qǐng)的發(fā)明人注意到上述改進(jìn)均旨在提高整個(gè)電池的轉(zhuǎn)化效率，而基本未涉及成本的降低。具體地說，無論是現(xiàn)在已在生產(chǎn)的由GaInP、GaAs和Ge組成的三結(jié)電池，還是已提出構(gòu)思的理論上可獲得更高轉(zhuǎn)化效率的兩種改進(jìn)方案，它們均在底部使用Ge子電池，即由較厚的Ge晶片襯底制成Ge子電池,然后依次氣相沉積出GaAs以及GalnP。但由于Ge資源本身的稀少，以及少數(shù)公司(比利時(shí)的Umicore以及美國的AXT)壟斷鍺晶片的生產(chǎn)，使得 Ge晶片的價(jià)格十分昂貴，導(dǎo)致上述的三種方案的電池的成本難以下降。因此，在CN101859814中，提出在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結(jié)太陽能電池的方法以避開對(duì)較厚的Ge襯底的使用。但是正如該文獻(xiàn)所述，由于要處理由于Si和Ge之間的晶格失配問題，該方案的生長技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，需要生長出應(yīng)力過渡層和應(yīng)力完全馳豫層。因此，替代地，本申請(qǐng)的發(fā)明人想到用價(jià)格較低的硅材料直接替代上述Ge子電池，以機(jī)械壓合形成的導(dǎo)電連接代替基于氣相沉積技術(shù)的需要晶格匹配的接觸層，從而在工藝不明顯復(fù)雜的情況下消除對(duì)Ge晶片的使用，而顯著地降低電池的成本。同時(shí)Si子電池對(duì)應(yīng)I. 12eV的波段，對(duì)太陽光譜中位于I. 42eV和I. 12eV的波段的光子的利用也比Ge 子電池更加充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和問題的至少一個(gè)方面。相應(yīng)地，本發(fā)明的目的之一在于提供一種多結(jié)太陽能電池，包括由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池，并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案；Si子電池，其具有第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)；通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成的導(dǎo)電連接。此外，本發(fā)明還提供一種制造多結(jié)太陽能電池制造方法，包括形成由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池；形成Si子電池；在GaAs子電池上形成第一金屬圖案； 在Si子電池上形成第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng); 機(jī)械壓合步驟將所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案對(duì)準(zhǔn)，通過機(jī)械壓合使所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案形成導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述Si子電池與所述 GaAs子電池形成導(dǎo)電連接。同時(shí)由于不再需要使用價(jià)格昂貴的鍺襯底，本發(fā)明的多結(jié)電池可以以較低的成本制造，同時(shí)不需要過于復(fù)雜的生長工藝，并且可以重復(fù)利用之前剝離下來的GaAs襯底(這意味著由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池的制造不會(huì)產(chǎn)生過高的成本)。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種多結(jié)太陽能電池，包括第一子電池，所述子電池具有第一金屬圖案；第二子電池，其具有第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)；其中所述第一子電池和所述第二子電池對(duì)應(yīng)不同的太陽光譜波段；通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述第一子電池與所述第二子電池形成的導(dǎo)電連接。由此，通過金屬材料的機(jī)械壓合，本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池可有效解決異結(jié)電池之間的接觸問題。上述異結(jié)電池之間的接觸通常因?yàn)樯L時(shí)需要考慮的晶格失配問題而難以實(shí)現(xiàn)或者受到嚴(yán)重的材料選擇上的限制。


圖I示出現(xiàn)有技術(shù)的多結(jié)太陽能電池各子電池與太陽光譜各波段的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖2示出本發(fā)明多結(jié)太陽能電池主視圖。
圖3示出制造本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池的步驟。圖4示出有可能在本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池制造方法中用作犧牲層的材料的相
關(guān)參數(shù)。圖5示出根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的犧牲層的具體結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號(hào)指示相同或相似的部件。下述參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的說明旨在對(duì)本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的一種限制。參考圖2，示出根據(jù)本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池，其包括由GaAs子電池120和GaInP子電池130構(gòu)成的雙結(jié)電池，并且GaAs子電池120上具有厚度約500nm的第一金屬圖案121 (圖3a中示出);Si子電池110，其具有厚度約500nm 的第二金屬圖案111 (圖3a中示出)，所述第二金屬圖案111與所述第一金屬圖案121至少部分對(duì)應(yīng)；通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案121與所述第二金屬圖案111構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層180，所述導(dǎo)電粘結(jié)層180使所述Si子電池110與所述GaAs子電池120形成導(dǎo)電連接。優(yōu)選地，用于形成導(dǎo)電粘結(jié)層180的第一和第二金屬圖案采用延展性好并且不會(huì)產(chǎn)生快速加工硬化的金屬或合金，例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、金(Au)、 銀(Ag)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈀(Pd)、銦(In)、錫(Sn)、鉬(Pt)、鉭(Ta)、銀(Nb)以及它們?nèi)魏蝺煞N材料或兩種以上材料的合金。參考圖3，示出根據(jù)本發(fā)明的一種多結(jié)太陽能電池制造方法，包括形成由GaAs子電池120和GaInP子電池130構(gòu)成的雙結(jié)電池；形成Si子電池110;在GaAs子電池120上形成第一金屬圖案121 ；在Si子電池110上形成第二金屬圖案111，所述第二金屬圖案121與所述第一金屬圖案111至少部分對(duì)應(yīng)；機(jī)械壓合步驟將所述第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121對(duì)準(zhǔn)，通過機(jī)械壓合使所述第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121形成導(dǎo)電粘結(jié)層180，所述導(dǎo)電粘結(jié)層180使所述Si子電池110與所述GaAs子電池120形成導(dǎo)電連接。其中，對(duì)準(zhǔn)步驟可以由使用紅外線光源照明的光刻機(jī)或粘合機(jī)(bonder)來完成。因?yàn)椴ㄩL大于1200nm的紅外光能夠完全透過Si子電池、GaAs子電池以及GaInP子電池但是不能穿透金屬圖案，這樣就很容易通過紅外線光源照明完成第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121的對(duì)準(zhǔn)。壓合時(shí)需要確保GaAs子電池120和Si子電池110間距盡量小，從而避免產(chǎn)生顯著的光耦合損失。為了進(jìn)一步減少入射光在GaAs子電池表面與空氣以及Si子電池表面與空氣的反射，還可以在GaAs子電池120和Si子電池110之間間隙中填充折射率與GaAs子電池120和Si子電池110折射率相匹配(即折射率大致在兩者之間或者至少接近或等于其中一個(gè))的材料(例如高折射率的油)。參考圖3a_3c，示出一種優(yōu)選地形成由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池的方法，包括
在GaAs襯底150上形成犧牲層140 ；在所述犧牲層140上形成GaInP子電池130 ；在所述GaInP子電池130上形成GaAs子電池120 ；通過蝕刻去除所述犧牲層140 (圖3c)。對(duì)犧牲層材料的要求有兩個(gè)，第一是其晶格常數(shù)與GaAs襯底的匹配(參考圖4，示出包括GaAs在內(nèi)的一些材料的晶格常數(shù))，第二是與GaAs在同一種化學(xué)溶液里有非常大的腐蝕速率差別。滿足上述條件的材料包括但不限于MgS，ZnSe, AlAs, AlGaAs和AllnP。更優(yōu)選地，如圖5所示所述犧牲層140為MgS層182在中間而ZnSe層181、183在上下兩側(cè)的三明治結(jié)構(gòu)。另外，優(yōu)選地，通過蝕刻去除所述犧牲層的步驟在所述機(jī)械壓合步驟之后，即優(yōu)選的生長步驟是從圖3a所示狀態(tài)(執(zhí)行機(jī)械壓合步驟)到圖3b所示狀態(tài)，再(執(zhí)行去除犧牲層步驟)到圖3c所示狀態(tài)。下面，通過一個(gè)實(shí)例來完整的介紹本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池的生產(chǎn)過程。首先，如圖3a所示，在GaAs襯底150上形成由例如1_3微米厚的GaAs子電池和 O. 5-1. O微米厚的GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池，由于該雙結(jié)電池最終要與GaAs襯底150 分離，因此在形成雙結(jié)電池的兩個(gè)子電池之前要先形成犧牲層140，該犧牲層包括在中間的 20nm厚的MgS層以及在上下兩側(cè)的各IOnm厚的ZnSe。由于MgS晶格常數(shù)比GaAs稍小而 ZnSe晶格常數(shù)比GaAs稍大，上述ZnSe/MgS/ZnSe三明治結(jié)構(gòu)可以起到與GaAs晶格常數(shù)適配的作用。然后在形成好的GaAs子電池120上形成厚度約500nm的第一金屬圖案121，在Si 子電池110 (Si子電池的制造為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再詳述)上形成厚度約500nm的第二金屬圖案111。在本實(shí)例中第一金屬圖案121和第二金屬圖案111為完全相同的柵格圖案，其中柵格的線寬為10微米，間隙為100微米。隨后，在將Si子電池110上的第二金屬圖案111與GaAs子電池120上的第一金屬圖案121對(duì)準(zhǔn)之后，通過壓焊(可以進(jìn)行輔助性的加熱以提高壓合強(qiáng)度)將Si子電池 110壓在GaAs子電池120上。由于機(jī)械壓合,第一和第二金屬圖案形成導(dǎo)電粘結(jié)層180,使 Si子電池110與GaAs子電池120形成導(dǎo)電連接。為了進(jìn)一步減少入射光在GaAs子電池表面及Si子電池的內(nèi)側(cè)界面處的反射(由于空氣的折射率僅為1，因此空氣的折射率與兩個(gè)子電池的折射率差較大，會(huì)在子電池與空氣交界的界面處造成較大的反射損失)，可以在 GaAs子電池120和Si子電池110之間的間隙中填充折射率較高(η = I. 5-1. 6)的油。然后，通過蝕刻去除犧牲層140。剩下的GaAs襯底150可以被清洗、拋光而用于下一次的雙結(jié)電池的制造。而得到的三結(jié)電池(包括Si子電池110、GaAs子電池120和 GaInP子電池130)可以進(jìn)一步分別在Si子電池110和GaInP子電池130上安裝正負(fù)電極， 從而形成完整的三結(jié)電池。在標(biāo)準(zhǔn)AMl. 5光線下，本實(shí)例的匹配的電流密度為14. 2mA/cm2。其中單晶硅子電池在填充因子為至少O. 8的情況下貢獻(xiàn)O. 7V的開路電壓；GaAs/GaInP雙結(jié)電池在填充因子為至少O. 82的情況下貢獻(xiàn)2. 488V的開路電壓。在標(biāo)準(zhǔn)AMl. 5光線下總的轉(zhuǎn)化率至少是36. 9%，即超過主流的GaAs/GalnP/Ge三結(jié)電池的32%約7%。而在成本方面，以 IOmmX IOmm大小的電池為例，GaAs/GalnP/Ge三結(jié)電池的成本約為50-60RMB，而根據(jù)本發(fā)明的GaAs/GalnP/Si三結(jié)電池的成本為30_40RMB/cm2，降低大約30-40%。雖然已經(jīng)在上面闡述了將Si子電池與GaAs/GalnP雙結(jié)電池導(dǎo)電連接的例子，但本領(lǐng)域人員應(yīng)該理解的是，本發(fā)明可以應(yīng)用于其他異質(zhì)結(jié)電池中需要導(dǎo)電連接的情況。以上述子電池/雙結(jié)電池為例的原因在于，Si子電池與GaAs/GalnP雙結(jié)電池均為現(xiàn)有技術(shù)中研究非常充分的電池技術(shù)，因此以它們實(shí)施本發(fā)明的概念相對(duì)容易，也利于本發(fā)明技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化?？梢栽O(shè)想的是，如果有其他子電池(單結(jié)電池或雙結(jié)電池或多結(jié)電池)適于替代 Si子電池或者GaAs/GalnP雙結(jié)電池，則該子電池可代替本發(fā)明的Si子電池或GaAs/GalnP 雙結(jié)電池。例如，如果在本發(fā)明的專利權(quán)有效期限內(nèi)，發(fā)展了新的可代替Si子電池或Ge子電池的例如對(duì)應(yīng)I. OeV太陽光譜波段的W子電池，以及可代替目前最廣泛使用的GaAs/GalnP 雙結(jié)電池的例如對(duì)應(yīng)I. 9eV太陽光譜波段的Z子電池，則通過機(jī)械壓合上述W子電池與Z 子電池(以形成導(dǎo)電連接)而形成的最終的異質(zhì)結(jié)電池應(yīng)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管已經(jīng)結(jié)合特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)的改變。
權(quán)利要求
1.一種多結(jié)太陽能電池，包括由砷化鎵(GaAs)子電池和磷化鎵銦(GaInP)子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池，并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案；Si子電池，其具有第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)； 通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導(dǎo)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多結(jié)太陽能電池，其中所述第一或第二金屬圖案的金屬材料包括鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、 金(Au)、銀(Ag)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈀(Pd)、銦(In)、錫(Sn)、鉬(Pt)、鉭(Ta)、鈮(Nb)以及它們?nèi)魏蝺煞N材料或兩種以上材料的合金。
3.一種多結(jié)太陽能電池制造方法，包括形成由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池；形成Si子電池；在GaAs子電池上形成第一金屬圖案；在Si子電池上形成第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)；機(jī)械壓合步驟將所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案對(duì)準(zhǔn)，通過機(jī)械壓合使所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案形成導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導(dǎo)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中形成由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池包括在GaAs襯底上形成犧牲層；在所述犧牲層上形成GaInP子電池；在所述GaInP子電池上形成GaAs子電池；通過蝕刻去除所述犧牲層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述犧牲層為MgS層在中間而ZnSe層在上下兩側(cè)的三明治結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過蝕刻去除所述犧牲層的步驟在所述機(jī)械壓合步驟之后。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述對(duì)準(zhǔn)裝置為使用紅外線光源照明的光刻機(jī)或粘合機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中向采用機(jī)械壓合的第一子電池和第二子電池之間填充折射率與所述第一和第二電池材料折射率匹配的材料。
9.一種異質(zhì)結(jié)太陽能電池，包括第一子電池，其具有第一金屬圖案；第二子電池，其具有第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)；其中所述第一子電池和所述第二子電池對(duì)應(yīng)不同的太陽光譜波段；通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述第一子電池與所述第二子電池形成導(dǎo)電連接。
全文摘要
本申請(qǐng)公開一種多結(jié)太陽能電池，包括由GaAs子電池和GaInP子電池構(gòu)成的雙結(jié)電池，并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案；Si子電池，其具有第二金屬圖案，所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對(duì)應(yīng)；通過機(jī)械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構(gòu)成的導(dǎo)電粘結(jié)層，所述導(dǎo)電粘結(jié)層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導(dǎo)電連接。由于使用硅子電池代替鍺子電池，本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池可有效利用1eV能量的波段，因此其總轉(zhuǎn)化效率可進(jìn)一步提升。此外，由于不再需要使用價(jià)格昂貴的鍺襯底，本發(fā)明的多結(jié)電池可以以較低的成本制造。
文檔編號(hào)H01L31/0687GK102593229SQ20121000701
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者朱忻, 楊軍, 王偉明 申請(qǐng)人:朱忻