高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及砷化鎵多結(jié)柔性太陽電池生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國的太陽電池發(fā)展迅速，其中GaAs太陽電池為航天事業(yè)承擔(dān)著重要角色。目前GaAs多結(jié)太陽電池主要有以Ge和GaAs為襯底正裝多結(jié)太陽電池，以及倒置結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽電池，其中倒置多結(jié)太陽電池因?yàn)楦鹘Y(jié)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(zhuǎn)換效率始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它太陽電池，備受人們的青睞。倒裝太陽電池雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但因鍵合在Si片上，電池片的重量也不輕，導(dǎo)致重量比功率并不理想；加之使用襯底是剛性材料，應(yīng)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(biāo)就是重量比功率，所以具有較高質(zhì)量比功率的柔性太陽電池成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有的太陽電池生產(chǎn)步驟如下:
1、外延生長:
采用MOCVD設(shè)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(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層完成外延片24的生長。
[0004]2、襯底轉(zhuǎn)移:
在電池外延片24的底電池背部和導(dǎo)電類型為P型的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移Si襯底22通過金屬鍵合層23進(jìn)行金屬鍵合。
[0005]3、襯底剝離:
采用氨水、雙氧水腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結(jié)構(gòu)上的GaAs襯底。
[0006]4、電極制作:
采用負(fù)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(jī)剝離將完成上電極26制作;在轉(zhuǎn)移Si襯底22背面蒸鍍制備下電極21。
[0007]5、減反射膜:
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。
[0008]6、退火、劃片、端面處理完成倒裝太陽電池芯片制作。
[0009]這種GalnP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)太陽電池目前效率最高的效率在32%左右，在光譜AM O下，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)為136.7mw/cm2，輸出功率約為43.74 mw/cm2率；以面積12cm2的倒裝三結(jié)電池芯片為例，電池質(zhì)量2.25g，質(zhì)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。
[0010]若能將襯底去除或者采用較輕襯底替代，結(jié)果可想而知，重量將大幅降低，相應(yīng)空間飛行器的發(fā)射和運(yùn)載成本將會(huì)得到很好的改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明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(kuò)大應(yīng)用范圍的GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽電池。
[0012]本發(fā)明包括下電極，在下電極一側(cè)設(shè)置電池外延層，在電池外延層上設(shè)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(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層。
[0013]本發(fā)明產(chǎn)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(diǎn)，產(chǎn)品厚度僅約1?15μπι上，且輸出功率互不影響、獨(dú)立工作。另外，具有彎曲的特性，可大大增加太陽電池的應(yīng)用范圍。
[0014]進(jìn)一步地，本發(fā)明在上電極和減反射膜上設(shè)置臨時(shí)保護(hù)層，在臨時(shí)保護(hù)層上設(shè)置臨時(shí)柔性載體。
[0015]臨時(shí)保護(hù)層的作用在于保護(hù)電池正面，避免因臨時(shí)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(xué)特性。在臨時(shí)柔性載體只起到托運(yùn)的作用，以確保在搬運(yùn)過程中對產(chǎn)品的保護(hù)。使用時(shí)僅需通過簡單的操作即可去除臨時(shí)保護(hù)層和臨時(shí)柔性載體。
[0016]為了便于粘合和分離，同時(shí)，不影響產(chǎn)品的柔性和硬度，所述臨時(shí)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。
[0017]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(jié)構(gòu)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(zhì)膜的折射系數(shù)。砷化鎵多結(jié)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(zhuǎn)換為電能，可以吸收從300nm到2000nm波段，這也就是砷化鎵多結(jié)太陽電池高效性的特點(diǎn)。利用多層結(jié)構(gòu)形成減反射膜的結(jié)構(gòu)可以降低太陽光各個(gè)波段的反射率，從而太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0018]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(huì)相互擴(kuò)散融合在一起，金屬厚度不能小于lMi，避免因金屬之間結(jié)合的力不夠，造成下電極分層，影響太陽電池的電性能。
[0019]本發(fā)明另一目的是提出以上高比功率GaAs多結(jié)柔性薄膜太陽電池的制備方法。
[0020]本發(fā)明包括以下步驟:
1)生長外延片:在第一臨時(shí)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(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層；
2)在P型InGaAs接觸層上制作金屬鍵合層；
3)在第二臨時(shí)襯底的正表面制作金屬鍵合層；
4)襯底轉(zhuǎn)移:將第二臨時(shí)襯底的金屬鍵合層與外延片的金屬鍵合層壓相對，通過金屬鍵合，將外延片與第二臨時(shí)襯底鍵合，取得鍵合好的電池片；
5)襯底剝離:去除鍵合好的電池片上外延片的第一臨時(shí)襯底，直至露出GaInP腐蝕截止層；
6)上電極制作:去除所述GaInP腐蝕截止層，在N型GaAs接觸層上制作上電極； 先采用負(fù)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，蒸鍍腔體溫度小于100°c，在外延片上制備金屬電極，并通過有機(jī)剝離形成上電極；
7)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性腐蝕去除上電極以外部分；
8)在外延片的上電極以外區(qū)域，采用電子束或PECVD沉積的方法在外延片上蒸鍍減反射膜；
9)套刻將上電極一側(cè)的減反射膜蝕刻開孔，高溫退火形成歐姆接觸；
10)涂柔性保護(hù)層后，使用化學(xué)溶液去除第二臨時(shí)襯底；
11)劃片:切除非電池區(qū)域部分留下完整電池芯片；
12)端面腐蝕:采用化學(xué)溶液將電池芯片側(cè)面腐蝕清洗切割殘?jiān)w粒，并去膠清洗。
[0021]本工藝簡單，操作方便，不僅能有效地解決薄膜電池因?yàn)槿嵝砸r底與外延層膨脹系數(shù)不一，而引起的電池表面鼓泡、失效的問題，而且能夠減輕電池體重量，提高了該電池的重量比功率，減輕了火箭的發(fā)射和衛(wèi)星的飛行負(fù)擔(dān)。
[0022]本發(fā)明所述步驟2)中金屬鍵合層采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In等金屬材料的任意一種或幾種。所述步驟3)中金屬鍵合層采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In金屬材料的任意一種或幾種。通過加壓和400°C高溫的作用，金屬之間相互擴(kuò)散融合緊密結(jié)合在一起，形成非常牢固的金屬鍵，這樣避免空間惡劣的環(huán)境引起太陽電池的失效或衰減。
[0023]在所述步驟9)后，于在上電極和減反射膜上制作臨時(shí)保護(hù)層，然后再在臨時(shí)保護(hù)層上設(shè)置臨時(shí)柔性載體，再去除第二臨時(shí)襯底。以此在上電極和減反射膜上設(shè)置臨時(shí)保護(hù)層，在臨時(shí)保護(hù)層上設(shè)置臨時(shí)柔性載體。在臨時(shí)柔性載體只起到托運(yùn)的作用，以確保在搬運(yùn)過程中對產(chǎn)品的保護(hù)。使用時(shí)僅需通過簡單的操作即可去除臨時(shí)保護(hù)層和臨時(shí)柔性載體。
[0024]所述臨時(shí)柔性載體采用UV膜、熱剝離膜、PET襯底、PI柔性襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0025]本發(fā)明所述步驟3)中，臨時(shí)襯底正面有機(jī)清洗。鍵合層蒸鍍前后注意晶片表面的潔凈程度，如有顆?；蛘翦冞^程濺金屬，鍵合時(shí)會(huì)引起襯底剝離后芯片表面的鼓起或者碎
m
O
[0026]在所述步驟6)中，在電池表面制作電極柵線圖形時(shí)，必須注意表面的潔凈，電極圖形具有一定的垂直性，避免柵線電極在退火是無法有效融合，影響電極的牢固性，從而導(dǎo)致電池的可靠性影響！
在所述步驟7)中，選擇性腐蝕兩面同時(shí)蝕刻，注意溶液配制的量，避免刻蝕的不均勻現(xiàn)象。
[0027]在所述步驟10)中，在臨時(shí)載體貼片時(shí)，注意需從一邊均勻搟膜，避免有氣泡影響粘附效果，另外，壓合的壓力不宜過大，否則電池破片影響其成品率。
[0028]在所述步驟13)中，臨時(shí)載體移除前，保證電池與基板粘附平整，牢固后方可移除臨時(shí)載體，且溫度不宜超過200°C，避免載體剝離后殘余物難以去除。
[0029]本發(fā)明關(guān)鍵在于使用倒裝電池結(jié)構(gòu)，鍵合層金屬經(jīng)過臨時(shí)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(shí)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(jié)，更重要的是加熱到特定的溫度將會(huì)使之粘性失效，讓電池體與載體自然分離，并且表面不會(huì)有任何殘留物，使僅僅10微米多厚電池體完成器件制作，達(dá)到零襯底的電池結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0030]圖1為現(xiàn)有技術(shù)廣品的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明制作過程中的外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為本明產(chǎn)品臨時(shí)柔性載體未去除的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖4為本明廣品的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0034]圖5為本明產(chǎn)品的平面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]—、生產(chǎn)工藝:
1、外延片生長:
采用MOCVD設(shè)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、N型GaAs接觸層13、GaInP頂電池14、第一隧穿結(jié)15、GaAs中電池16、第二隧穿結(jié)17、InGaAs底電池18和P型InGaAs接觸層19，