一種高效率柔性薄膜太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種高效率柔性薄膜太陽能電池，減薄的外延襯底一側(cè)設(shè)置背電極，背電極鍵合在柔性薄膜襯底上；減薄的外延襯底另一側(cè)設(shè)置外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)上設(shè)置歐姆接觸層，歐姆接觸層上設(shè)置正面柵線電極，且選擇性腐蝕歐姆接觸層，腐蝕區(qū)域設(shè)置減反射膜。本實用新型轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好，且柔性較好而減輕重量。
【專利說明】一種高效率柔性薄膜太陽能電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及太陽能電池結(jié)構(gòu)，尤其是指一種高效率柔性薄膜太陽能電池。

【背景技術(shù)】
[0002]以GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽能電池為代表的II1-V族化合物太陽電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、抗輻照能力強、溫度特性好等優(yōu)點，在空間飛行器電源系統(tǒng)和地面高倍聚光光伏電站中得到廣泛應(yīng)用，并已完全取代晶硅太陽能電池成為空間飛行器主電源。
[0003]由于GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽能電池基于較厚的剛性Ge襯底，通常剛性Ge襯底厚度> 140 μ m,電池芯片重量較大且缺乏柔性，增加了空間飛行器太陽能電池板的重量和體積。而傳統(tǒng)的銅銦鎵硒、碲化鎘或者非晶硅柔性薄膜太陽電池由于轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)定性差等原因未能進(jìn)入空間應(yīng)用市場。
[0004]因此，研制柔性薄膜型II1-V族化合物太陽能電池既能滿足空間飛行器對太陽電池高效率、高可靠性的要求，又能有效減少空間飛行器太陽電池板的重量。采用柔性薄膜電池能卷曲，同時減小太陽能電池板的體積，提升空間飛行器的搭載能力并且降低發(fā)射成本；此外，該高效率柔性薄膜太陽能電池也能夠滿足臨近空間飛行器的應(yīng)用要求，比如太陽能無人飛機、無人飛艇等；本案由此產(chǎn)生。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于提供一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好，且柔性較好而減輕重量。
[0006]為達(dá)成上述目的，本實用新型的解決方案為:
[0007]—種高效率柔性薄膜太陽能電池，減薄的外延襯底一側(cè)設(shè)置背電極，背電極鍵合在柔性薄膜襯底上；減薄的外延襯底另一側(cè)設(shè)置外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)上設(shè)置歐姆接觸層，歐姆接觸層上設(shè)置正面柵線電極，且選擇性腐蝕歐姆接觸層，腐蝕區(qū)域設(shè)置減反射膜。
[0008]進(jìn)一步，減薄的外延襯底與外延結(jié)構(gòu)及歐姆接觸層的總厚度為20-60 μ m。
[0009]進(jìn)一步，外延結(jié)構(gòu)為單結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0010]進(jìn)一步，單結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置電池BSF層，在電池BSF層上依次設(shè)置電池基區(qū)、電池發(fā)射區(qū)及電池窗口層，電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
[0011]進(jìn)一步，外延結(jié)構(gòu)為雙結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步，雙結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置底電池BSF層，在底電池BSF層上依次設(shè)置底電池基區(qū)、底電池發(fā)射區(qū)、底電池窗口層、隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)及頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
[0013]進(jìn)一步，外延結(jié)構(gòu)為三結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步，三結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置底電池BSF層，在底電池BSF層上依次設(shè)置底電池基區(qū)、底電池發(fā)射區(qū)、底電池窗口層、中底電池隧穿結(jié)、中電池BSF層、中電池基區(qū)、中電池發(fā)射區(qū)、中電池窗□層、中頂電池隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)、頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
[0015]進(jìn)一步，三結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在Ge外延襯底上設(shè)置底電池發(fā)射區(qū)，在底電池發(fā)射區(qū)上依次設(shè)置底電池窗口層、中底電池隧穿結(jié)、中電池BSF層、中電池基區(qū)、中電池發(fā)射區(qū)、中電池窗口層、中頂電池隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)、頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
[0016]進(jìn)一步，外延襯底的材料為InP、GaAs或Ge。
[0017]一種高效率柔性薄膜太陽能電池制造方法，包括以下步驟:
[0018]步驟一,提供外延襯底；
[0019]步驟二，在外延襯底上生長外延結(jié)構(gòu)；
[0020]步驟三，在外延結(jié)構(gòu)上生長歐姆接觸層，在歐姆接觸層上生長外延保護(hù)層；
[0021]步驟四，將外延保護(hù)層粘接至剛性支撐模板上；
[0022]步驟五,采用外延襯底減薄工藝將外延襯底減薄；
[0023]步驟六，在減薄后的外延襯底上蒸鍍背電極，并鍵合在柔性薄膜襯底上；
[0024]步驟七，去除剛性支撐模板及外延保護(hù)層；
[0025]步驟八、在歐姆接觸層上蒸鍍正面柵線電極，并通過選擇性腐蝕工藝去除吸光部分的歐姆接觸層，在腐蝕區(qū)域蒸鍍減反射膜，裂片處理即得。
[0026]進(jìn)一步，減薄的外延襯底與外延結(jié)構(gòu)及歐姆接觸層的總厚度為20-60 μ m。
[0027]進(jìn)一步，外延襯底減薄工藝為:先采用高濃度腐蝕溶液，增加腐蝕溫度，在高腐蝕速率下蝕刻外延襯底的背面；待外延襯底減薄后，采用稀釋腐蝕溶液，減小腐蝕溶液溫度，在低腐蝕速率下繼續(xù)蝕刻外延襯底的背面至目標(biāo)厚度。
[0028]進(jìn)一步，外延襯底減薄工藝為:通過機械研磨的方法去除外延襯底多余部分直至目標(biāo)厚度。
[0029]進(jìn)一步，外延襯底減薄工藝為:先采用化學(xué)腐蝕減薄外延襯底，再繼續(xù)采用機械研磨減薄外延襯底至目標(biāo)厚度；或者先采用機械研磨減薄外延襯底，再繼續(xù)采用化學(xué)腐蝕的方法減薄外延襯底至目標(biāo)厚。
[0030]采用上述方案后，本實用新型通過在剛性外延襯底上通過外延工藝生長外延結(jié)構(gòu)，然后通過減薄工藝減薄外延襯底，并鍵合至柔性薄膜襯底上形成。
[0031]外延結(jié)構(gòu)按照禁帶寬度從小到大的順序，由下至上依次疊加在外延襯底上。本實用新型中的外延結(jié)構(gòu)均為外延生長的單晶II1- V材料，材料質(zhì)量好，轉(zhuǎn)換效率高。此外，與傳統(tǒng)采用倒裝結(jié)構(gòu)生長的II1- V族薄膜太陽能電池不同，本實用新型中外延結(jié)構(gòu)生長順序為正裝外延生長，避免倒裝外延生長帶來的P/N型摻雜擴散等不利影響，保留了正裝剛性襯底II1- V族多結(jié)太陽電池的特點，具有轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量比功率(w/kg)高、可靠性好等優(yōu)點。
[0032]本實用新型還提供上述一種高效柔性薄膜電池制造方法，通過機械研磨、化學(xué)腐蝕或者機械研磨結(jié)合化學(xué)腐蝕的方法減薄外延襯底，不同于傳統(tǒng)的柔性薄膜太陽能電池的制作方法，不需要剝離犧牲層，制作工藝簡單易實現(xiàn)，容易制作大面積的薄膜太陽能電池，提高薄膜太陽能電池的成品率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本實用新型實施例一外延生長結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本實用新型實施例一減薄后的外延襯底結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3是本實用新型實施例一薄膜太陽能電池芯片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4是本實用新型實施例二外延生長結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖5是本實用新型實施例二薄后的外延襯底減結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖6是本實用新型實施例二薄膜太陽能電池芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]標(biāo)號說明
[0040]外延襯底I外延層2
[0041]電池BSF層21電池基區(qū)22
[0042]電池發(fā)射區(qū)23電池窗口層24
[0043]底電池基區(qū)25底電池發(fā)射區(qū)26
[0044]底電池窗口層27中底電池隧穿結(jié)28
[0045]中電池BSF層29中電池基區(qū)210
[0046]中電池發(fā)射區(qū)211中電池窗口層212
[0047]中頂電池隧穿結(jié)213 頂電池BSF層214
[0048]頂電池基區(qū)215頂電池發(fā)射區(qū)216
[0049]頂電池窗口層217歐姆接觸層3
[0050]外延保護(hù)層4剛性支撐模板5
[0051]背電極6柔性薄膜襯底7
[0052]正面柵線電極8減反射膜9。

【具體實施方式】
[0053]以下結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型做詳細(xì)描述。
[0054]實施例一
[0055]如圖1所示，本實用新型揭示的單結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，在外延襯底I上依次生長外延層2、歐姆接觸層3、外延保護(hù)層4，本實施例中，外延層2為在外延襯底I上生長電池BSF (背電場)層21，在電池BSF層21上依次生長電池基區(qū)22、電池發(fā)射區(qū)23及電池窗口層24，電池窗口層24與歐姆接觸層3相鄰。
[0056]在外延生長過程中，外延襯底I使用GaAs襯底，且外延襯底I的厚度為350 μ m。
[0057]電池BSF層21材料為AlGaAs，厚度為50nm。電池基區(qū)22和電池發(fā)射區(qū)23材料采用GaAs II1- V族化合物，電池基區(qū)22厚度為3 μ m,電池發(fā)射區(qū)23的厚度為500nm。電池窗口層24材料為GaInP II1- V族化合物，厚度為50nm。
[0058]歐姆接觸層3材料為GaAs II1- V族化合物，厚度為500nm。外延保護(hù)層4材料為AlGaInP II1- V族化合物，厚度為600nm。
[0059]所述外延保護(hù)層4連接粘貼到剛性支撐模板5上，剛性支撐模板5為硅基板。通過濕法腐蝕的方法去除外延襯底I多余的部分。具體為，先使用高腐蝕速率的腐蝕溶液H2SO4:H2O2 = HF的體積比為3:2:2，H2S04、H202、HF為行業(yè)通用，且溫度增加至70°C腐蝕液溫度，蝕刻外延襯底I的背面；經(jīng)過5分鐘后，更換到低腐蝕速率的腐蝕溶液H2SO4 =H2O2:HF的體積比為1:2:2，且溫度調(diào)整為25°C腐蝕液溫度。經(jīng)過10分鐘后；外延層2、減薄后的外延襯底I及歐姆接觸層3的總厚度為40 μ m，如圖2所示。
[0060]在減薄的外延襯底I上蒸鍍背電極6，并鍵合在具有導(dǎo)電性的柔性薄膜襯底5上。去除剛性支撐模板5及厚度為600nm的AlGaInP外延保護(hù)層4。在歐姆接觸層3上蒸鍍正面柵線電極8，并通過選擇性腐蝕工藝去除遮光部分的歐姆接觸層3，蒸鍍減反射膜9在太陽能電池的正面。最終裂片處理，通過以上的制作工藝即得到所述的柔性薄膜太陽能電池，如圖3所示。
[0061]實施例二
[0062]如圖4所示，本實用新型揭示的太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，其外延襯底I材料為Ge，在外延襯底I上依次生長外延層2、歐姆接觸層3、外延保護(hù)層4，本實施例中，外延層2為在外延襯底I上生長底電池基區(qū)25、在底電池基區(qū)25上依次生長底電池發(fā)射區(qū)26、底電池窗口層27、中底電池隧穿結(jié)28、中電池BSF層29、中電池基區(qū)210、中電池發(fā)射區(qū)211、中電池窗口層212、中頂電池隧穿結(jié)213、頂電池BSF層214、頂電池基區(qū)215、頂電池發(fā)射區(qū)216、頂電池窗口層217，頂電池窗口層217與歐姆接觸層3相鄰。
[0063]底電池基區(qū)25和底電池發(fā)射區(qū)26的材料為生長襯底Ge，底電池發(fā)射區(qū)26通過擴散V族源形成，厚度為500nm ;底電池窗口層27材料為GaInP II1- V族化合物，底電池窗口層27的厚度為20nm ;中底隧穿結(jié)28材料為兩層極性相反的GaAs/GaAs材料疊加而成，中底隧穿結(jié)28的總厚度為50nm ;中電池BSF層29材料為AlGaAs，中電池BSF層29的厚度為50nm ;中電池基區(qū)210和中電池發(fā)射區(qū)211材料采用與Ge襯底晶格匹配的GaInAs II1- V族化合物，In組分為1%，中電池基區(qū)210厚度為3 μ m，中電池發(fā)射區(qū)211的厚度為10nm ；中電池窗口層212材料為AlInP II1- V族化合物，中電池窗口層212厚度為10nm ;中頂電池隧穿結(jié)213材料為GalnP/AlGaAs，中頂電池隧穿結(jié)213厚度為50nm ;頂電池BSF層214材料為AlGaInP,頂電池BSF層214厚度為10nm ;頂電池基區(qū)215和頂電池發(fā)射區(qū)216材料采用GaInP II1- V族化合物，頂電池基區(qū)215厚度為600nm，頂電池發(fā)射區(qū)216厚度為10nm ;頂電池窗口層217材料為AlInP II1- V族化合物，頂電池窗口層217厚度為50nm。
[0064]歐姆接觸層3材料為GaAs II1- V族化合物，厚度為500nm。外延保護(hù)層4材料為AlGaInP II1- V族化合物，厚度為600nm。
[0065]外延保護(hù)層4連接粘貼到剛性支撐模板5，剛性支撐模板5為硅基板上。通過濕法腐蝕的方法去除外延襯底I多余的部分。具體為，先使用高腐蝕速率的腐蝕溶液NaOH:H2O2 =H2O的體積比為3:6:1，NaOH, H2O2, H2O為行業(yè)通用，且溫度增加至60°C腐蝕液溫度，蝕刻外延襯底I的背面。經(jīng)過20分鐘后，更換到低腐蝕速率的腐蝕溶液NaOH =H2O2 =H2O的體積比為1:2: 1，且溫度調(diào)整為25°C腐蝕液溫度，經(jīng)過15分鐘后，外延層2、減薄后的外延襯底I及歐姆接觸層3的總厚度為40 μ m，如圖5所示。
[0066]在減薄的外延襯底I上蒸鍍背電極6，并鍵合在具有導(dǎo)電性的柔性薄膜襯底7上。去除剛性支撐模板5及厚度為600nm的AlGaInP外延保護(hù)層4。在歐姆接觸層3上蒸鍍正面柵線電極8，并通過選擇性腐蝕工藝去除遮光部分的歐姆接觸層3，蒸鍍減反射膜9在太陽能電池的正面，最終裂片處理即得到所述的柔性薄膜太陽能電池，如圖6所示。
[0067]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并非對本案設(shè)計的限制，凡依本案的設(shè)計關(guān)鍵所做的等同變化，均落入本案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:減薄的外延襯底一側(cè)設(shè)置背電極，背電極鍵合在柔性薄膜襯底上；減薄的外延襯底另一側(cè)設(shè)置外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)上設(shè)置歐姆接觸層，歐姆接觸層上設(shè)置正面柵線電極，且選擇性腐蝕歐姆接觸層，腐蝕區(qū)域設(shè)置減反射膜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:減薄的外延襯底與外延結(jié)構(gòu)及歐姆接觸層的總厚度為20-60 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:外延結(jié)構(gòu)為單結(jié)結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:單結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置電池BSF層，在電池BSF層上依次設(shè)置電池基區(qū)、電池發(fā)射區(qū)及電池窗口層，電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:外延結(jié)構(gòu)為雙結(jié)結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:雙結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置底電池BSF層，在底電池BSF層上依次設(shè)置底電池基區(qū)、底電池發(fā)射區(qū)、底電池窗口層、隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)及頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
7.如權(quán)利要求1所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:外延結(jié)構(gòu)為三結(jié)結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:三結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在減薄的外延襯底上設(shè)置底電池BSF層，在底電池BSF層上依次設(shè)置底電池基區(qū)、底電池發(fā)射區(qū)、底電池窗□層、中底電池隧穿結(jié)、中電池BSF層、中電池基區(qū)、中電池發(fā)射區(qū)、中電池窗口層、中頂電池隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)、頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
9.如權(quán)利要求7所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:三結(jié)外延結(jié)構(gòu)為在Ge外延襯底上設(shè)置底電池發(fā)射區(qū)，在底電池發(fā)射區(qū)上依次設(shè)置底電池窗口層、中底電池隧穿結(jié)、中電池BSF層、中電池基區(qū)、中電池發(fā)射區(qū)、中電池窗□層、中頂電池隧穿結(jié)、頂電池BSF層、頂電池基區(qū)、頂電池發(fā)射區(qū)、頂電池窗口層，頂電池窗口層與歐姆接觸層相鄰。
10.如權(quán)利要求1所述的一種高效率柔性薄膜太陽能電池，其特征在于:外延襯底的材料為 InP、GaAs 或 Ge。
【文檔編號】H01L31/18GK204144278SQ201420537161
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】張永, 林志偉, 姜偉, 陳凱軒, 蔡建九, 吳洪清, 李俊承, 方天足, 卓祥景, 張銀橋, 黃尊祥, 王向武 申請人:廈門乾照光電股份有限公司