專利名稱：一種基于熱光伏電池的單片連接組件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光伏器件的制備方法，尤其涉及一種基于熱光伏電池的單片連接組件的制備方法，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱光伏電池是將受熱高溫?zé)彷椛潴w的能量通過半導(dǎo)體p-n結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。熱光伏電池是熱光伏系統(tǒng)中的核心部件，用來實現(xiàn)熱能和電能的轉(zhuǎn)換。熱光伏電池與太陽能光伏電池的區(qū)別僅僅在于輻射源的不同前者的輻射源則是人為制造的溫度相對低得多的物體，而后者的輻射源是溫度將近6000K的太陽；在理論計算時，輻射器的輻射光譜可根據(jù)黑體輻射的普朗克公式得出。隨溫度的降低，峰值光子能量降低，單結(jié)電池獲高效率的材料禁帶寬度降低。在1000-1500°C溫度范圍之間，單結(jié)電池的最佳禁帶寬度在
O.4eV-0. 7eV之間。目前，基于InP襯底的InGaAs電池就是熱光伏電池研究的熱點，但現(xiàn)有的熱光伏電池組件大多存在如下缺陷，例如，難以實現(xiàn)多個電池的串聯(lián)，工作效率較低，且單一電池的損毀會給整個組件造成嚴(yán)重影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的主要在于提供一種基于熱光伏電池的單片連接組件的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，包括如下步驟1、在半絕緣襯底上生長用以形成復(fù)數(shù)個設(shè)定電池單元的外延層；
I1、在任意兩個相鄰的設(shè)定電池單元之間的選定區(qū)域內(nèi)均加工形成槽狀結(jié)構(gòu)，且使所述槽狀結(jié)構(gòu)底端達到或深入橫向傳輸層，以及，在所述槽狀結(jié)構(gòu)底部的局部區(qū)域內(nèi)加工形成用于將相鄰兩個設(shè)定電池單元電性隔離的隔離槽；
II1、至少在所述槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上形成絕緣層，其后選擇性去除覆蓋于所述隔離槽一側(cè)的橫向傳輸層上的絕緣層局部區(qū)域，并在露出的橫向傳輸層上形成背電極，以及，在各設(shè)定電池單元的上端面上形成頂電極；
IV、在任一槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)置導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，并將與該槽狀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一設(shè)定電池單元的背電極與相鄰的另一設(shè)定電池單元的頂電極電連接。作為可行的實施方案之一，步驟I中是采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法在所述襯底上生長形成所述外延層的。優(yōu)選的，在所述外延層的生長過程中還采用了漸變緩沖層生長工藝。作為較為優(yōu)選的實施方案之一，步驟II中是通過刻蝕工藝形成所述槽狀結(jié)構(gòu)和所述隔離槽的，所述刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕工藝。進一步的，所述隔離槽底端 達到和/或深入所述襯底。優(yōu)選的,所述絕緣層包括Si3N4絕緣層。
作為較為優(yōu)選的實施方案之一，該方法中在步驟III與步驟IV之間還包含如下步驟
a、除去所述外延層內(nèi)的接觸層，以及，至少在各設(shè)定電池單元的上端面設(shè)置減反結(jié)構(gòu)層。優(yōu)選的，步驟a中是采用濕法腐蝕工藝去除所述接觸層，以及，利用光學(xué)鍍膜機制作0350/3丨02減反膜。優(yōu)選的，該方法中是利用蒸發(fā)方式形成金屬背電極、金屬頂電極和金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，所述蒸發(fā)方式包括熱蒸發(fā)和/或電子束蒸發(fā)。作為較佳的具體應(yīng)用方案之一，該方法具體包括如下步驟1、采用金屬有機化學(xué)氣相沉積工藝在半絕緣的InP襯底上生長外延層；
I1、利用ICP干法刻蝕工藝在所述外延層的各設(shè)定電池單元之間刻蝕形成槽狀結(jié)構(gòu)，且使所述槽狀結(jié)構(gòu)底端深入橫向傳輸層，以及，在所述槽狀結(jié)構(gòu)底部加工形成隔離槽；
II1、利用PECVD工藝在所述槽狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁上生長形成Si3N4絕緣層，其后通過濕法腐蝕工藝選擇性去除覆蓋于所述隔離槽一側(cè)的橫向傳輸層上的絕緣層局部區(qū)域，并在露出的橫向傳輸層上蒸鍍金屬背電極，以及，在各設(shè)定電池單元的上端面上蒸鍍金屬頂電極；
IV、利用濕法腐蝕工藝去除外延層中的接觸層，并利用光學(xué)鍍膜機在各設(shè)定電池單元上設(shè)置0S50/SI02減反膜；
V、在任一槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)均蒸鍍金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，并將與該槽狀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一設(shè)定電池單元的背電極與相鄰的另一設(shè)定電池單元的頂電極電連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)`明的優(yōu)點至少在于
利用半導(dǎo)體加工工藝實現(xiàn)了多個電池單元(例如，六個以上電池單元)之間的串聯(lián)，提高了熱光伏電池單片連接組件的開路電壓，減少了焦?fàn)枔p失，使得單一電池的損壞不會對整個熱光伏電池單片連接組件造成嚴(yán)重影響，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時較好的光子回收利用率還使熱光伏電池單片連接組件的轉(zhuǎn)換效率得以有效提升，實現(xiàn)了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。為使本發(fā)明一種基于半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)多個電池單元串聯(lián)的方法更易于理解其實質(zhì)性特點及其所具的實用性，下面便結(jié)合附圖對本發(fā)明若干具體實施例作進一步的詳細(xì)說明。但以下關(guān)于實施例的描述及說明對本發(fā)明保護范圍不構(gòu)成任何限制。


圖1是本發(fā)明一較佳實施例中一種基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法的工藝流程圖之一；
圖2是本發(fā)明一較佳實施例中一種基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法的工藝流程圖之二；
圖3是本發(fā)明一較佳實施例中單個電池單元的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖4a和圖4b是本發(fā)明的ICP刻蝕之后橫向傳輸層和隔離槽的SEM圖譜；
圖5本發(fā)明一較佳實施例中的一種基于熱光伏電池的單片連接組件在AM1. 5G標(biāo)準(zhǔn)太陽下的IV特性曲線。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明確，以下結(jié)合一較佳實施例及相應(yīng)附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步的詳細(xì)說明。參閱圖1-圖2所示系本發(fā)明的一較佳實施例，其利用半導(dǎo)體加工工藝實現(xiàn)了InGaAs熱光伏組件中多個電池之間的串聯(lián)，其制作工藝主要包括以下步驟
步驟1:采用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)在半絕緣的InP襯底上生長單片連接組件的外延層(結(jié)構(gòu)可參閱圖3)，其具體過程可以包括
首先在半絕緣InP襯底上生長η型橫向傳輸層和InGaAs隧道結(jié)，之后再生長組分漸變的InAsxPg緩沖層，以便更好的弛豫掉因晶格失配而引起的應(yīng)力；然后在InAsP緩沖層上依次生長P型InGaAs基區(qū)層和η型InGaAs發(fā)射層，其中基區(qū)層較厚，摻雜濃度相對較低，發(fā)射層相對較薄而摻雜濃度相對較高；隨后在發(fā)射層上依次生長η型InAsxPg窗口層和η型InGaAs接觸層，其中窗口層帶隙相對較寬，以保證光的吸收損失最小，同時也降低電池的表面復(fù)合速度；最后制作Ti02/Si02抗反射涂層，使盡可能多的輻射被電池吸收，從而最大限度的提高電池的效率。步驟2 :刻蝕橫向傳輸層和隔離槽。
參閱圖2(a)系為外延層生長完成之后的器件結(jié)構(gòu)剖面圖，通過ICP刻蝕，分別刻蝕出橫向傳輸層和隔離槽，如圖2 (b)和2 (c)所示。在刻蝕過程中，通過調(diào)整ICP功率，RF功率，HBr刻蝕氣體的流量以及壓力，來控制刻蝕速率，從而使刻蝕深度控制在橫向傳輸層的厚度范圍之內(nèi)，即6 μ m-7.5 μ m之間，同時使隔離槽的刻蝕深度大于1. 5 μ m，從而到達半絕緣襯底層，實現(xiàn)了電池單元的隔離；另一方面，通過調(diào)整ICP功率和RF功率分別來控制等離子體的數(shù)目和強度，從而控制刻蝕過程中物理作用，同時調(diào)整HBr刻蝕氣體的流量來控制刻蝕中的化學(xué)作用，同時使刻蝕側(cè)壁的坡度保持在53-57°范圍之內(nèi)，從而實現(xiàn)橫向傳輸層和隔離槽刻蝕過程中的側(cè)壁坡度均小于60°。刻蝕之后的SEM圖如圖4a和圖4b所示。步驟3 :在電池表面生長厚約600nm的Si3N4絕緣層(亦可理解為Si3N4薄膜)，進行側(cè)壁保護和電絕緣。在利用PECVD的方法生長Si3N4絕緣層時，將溫度控制為350°C，N2和SiH4的流量分別為13. 5sccm和l0sccm，通過在真空腔中施加射頻功率使N2和SiH4進行分解，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Si3N4絕緣層并粘附在樣品表面，從而實現(xiàn)側(cè)壁鈍化和電池單元之間的隔離，如圖2(d)所示。步驟4 :利用濕法腐蝕去除電池表面Si3N4絕緣層。在濕法腐蝕的過程中，以光刻膠做掩膜，利用HF :H2O=1: 2的溶液腐蝕30s去除電池表面的Si3N4絕緣層，留下側(cè)壁和隔離槽中的Si3N4絕緣層，如圖2(e)所示。步驟5 :利用電子束蒸發(fā)的方法制作底電極和頂電極。在電極的制作過程中，以光刻膠做掩膜，利用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍Ni/AuGe/Ni/Au，在剝離之后完成背電極和頂電極的制作，如圖2(f)所示。步驟6 :利用濕法腐蝕的方法去除接觸層，之后并利用光學(xué)鍍膜機制作減反膜。在利用濕法腐蝕的方法去除InGaAs接觸層時，可以用比例為1:1 :20的H3PO4:H202H2O的混合溶液進行腐蝕，腐蝕時間約為lmin，去除接觸層后再利用光學(xué)鍍膜機制作0S50/Si02減反膜，如圖2(g)所示。
步驟7 :利用熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)蒸鍍電極，實現(xiàn)電池單元之間的串聯(lián)。首先利用熱蒸發(fā)的方法蒸鍍厚約I μ m的Ag，之后再電子束蒸發(fā)厚約IOOnm的Au，實現(xiàn)頂電極和背電極之間的串聯(lián)，如圖2(h)所示。進一步的，本實施例還可包含步驟8 :標(biāo)準(zhǔn)太陽下熱光伏電池的單片連接組件的IV特性曲線，具體包括
利用1-V測試系統(tǒng)分別測試了本實施例所制得的基于熱光伏電池的單片連接組件在AM1. 5G標(biāo)準(zhǔn)光譜下的IV特性曲線。該測試系統(tǒng)主要由太陽光模擬器(Abet)、電壓電流源、電壓電流計以及溫度控制系統(tǒng)組成，其中太陽光模擬器((ABET TECHNOLOGIES Sun 2000Solar Simulator))主要功能是提供太陽電池在室內(nèi)測試時所需的光照，電壓電流源和電壓電流計型號為Keithley 2440 source meter。通過在每一次測試之前用標(biāo)準(zhǔn)娃電池測試電流密度來校準(zhǔn)AM1. 5G光譜，從而保證測試的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。同時，將電壓電流源和電壓電流計通過一個GBIP卡與電腦相連從而獲取開路電壓，短路電流，轉(zhuǎn)換效率等電學(xué)參數(shù)。在AM1. 5G標(biāo)準(zhǔn)光譜下，參閱圖5可以看出，該基于熱光伏電池的單片連接組件的開路電壓為1. 24V左右，說明各電池單元之間頂電極和背電極的串聯(lián)得到了實現(xiàn)。依據(jù)前述實施例，可以看到，藉由本發(fā)明可以有效提高熱光伏電池組件的開路電壓，減少焦耳損失，同時使得單一電池單元的損壞不會對整個組件的性能產(chǎn)生太大的影響，提高了電池組件的可靠性。需要指出的是，以上僅是本發(fā)明眾多具體應(yīng)用范例中的頗具代表性的一個實施例，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或是等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，包括如下步驟 1.在半絕緣襯底上生長用以形成復(fù)數(shù)個設(shè)定電池單元的外延層； I1、在任意兩個相鄰的設(shè)定電池單元之間的選定區(qū)域內(nèi)均加工形成槽狀結(jié)構(gòu)，且使所述槽狀結(jié)構(gòu)底端達到或深入橫向傳輸層，以及，在所述槽狀結(jié)構(gòu)底部的局部區(qū)域內(nèi)加工形成用于將相鄰兩個設(shè)定電池單元電性隔離的隔離槽； II1、至少在所述槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上形成絕緣層，其后選擇性去除覆蓋于所述隔離槽一側(cè)的橫向傳輸層上的絕緣層局部區(qū)域，并在露出的橫向傳輸層上形成背電極，以及，在各設(shè)定電池單元的上端面上形成頂電極； IV、在任一槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)置導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，并將與該槽狀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一設(shè)定電池單元的背電極與相鄰的另一設(shè)定電池單元的頂電極電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，步驟I中是采用金屬有機化學(xué)氣相沉積方法在所述襯底上生長形成所述外延層的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，在所述外延層的生長過程中還采用了漸變緩沖層生長工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，步驟II中是通過刻蝕工藝形成所述槽狀結(jié)構(gòu)和所述隔離槽的，所述刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，所述隔離槽底端達到和/或深入所述襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，所述絕緣層包括Si3N4絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，該方法中在步驟III與步驟IV之間還包含如下步驟 a、除去所述外延層內(nèi)的接觸層，以及，至少在各設(shè)定電池單元的上端面設(shè)置減反結(jié)構(gòu)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，步驟a中是采用濕法腐蝕工藝去除所述接觸層，以及，利用光學(xué)鍍膜機制作0S50/Si02減反膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，該方法中是利用蒸發(fā)方式形成金屬背電極、金屬頂電極和金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，所述蒸發(fā)方式包括熱蒸發(fā)和/或電子束蒸發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟1、采用金屬有機化學(xué)氣相沉積工藝在半絕緣的InP襯底上生長外延層；ii.利用ICP干法刻蝕工藝在所述外延層的各設(shè)定電池單元之間刻蝕形成槽狀結(jié)構(gòu)，且使所述槽狀結(jié)構(gòu)底端深入橫向傳輸層，以及，在所述槽狀結(jié)構(gòu)底部加工形成隔離槽； II1、利用PECVD工藝在所述槽狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁上生長形成Si3N4絕緣層，其后通過濕法腐蝕工藝選擇性去除覆蓋于所述隔離槽一側(cè)的橫向傳輸層上的絕緣層局部區(qū)域，并在露出的橫向傳輸層上蒸鍍金屬背電極，以及，在各設(shè)定電池單元的上端面上蒸鍍金屬頂電極；IV、利用濕法腐蝕工藝去除外延層中的接觸層，并利用光學(xué)鍍膜機在各設(shè)定電池單元上設(shè)置0S50/Si02減反膜； V 、在任一槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)均蒸鍍金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，并將與該槽狀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一設(shè)定電池單元的背電極與相鄰的另一設(shè)定電池單元的頂電極電連接。
全文摘要
一種基于熱光伏電池的單片連接組件制備方法，包括I、在半絕緣襯底上生長外延層；II、在相鄰設(shè)定電池單元之間的選定區(qū)域內(nèi)均加工形成底端達到和/或深入橫向傳輸層的槽狀結(jié)構(gòu)，并在槽狀結(jié)構(gòu)底部形成隔離槽；III、在槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上形成絕緣層，其后選擇性去除隔離槽一側(cè)的橫向傳輸層上的絕緣層，并在露出的橫向傳輸層上形成背電極，以及在各設(shè)定電池單元上端面上形成頂電極；IV、在任一槽狀結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)置導(dǎo)電結(jié)構(gòu)層，并將與該槽狀結(jié)構(gòu)相應(yīng)的一設(shè)定電池單元的背電極與相鄰的另一設(shè)定電池單元的頂電極電連接。本發(fā)明可實現(xiàn)多個電池單元之間的串聯(lián)，提高了熱光伏電池單片連接組件的開路電壓，減少焦?fàn)枔p失，提高系統(tǒng)可靠性，并實現(xiàn)較高光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/18GK103066159SQ20131001168
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者譚明, 陸書龍, 季蓮, 何巍, 代盼 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所