一種鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池及其制備方法
【專利摘要】一種鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池及其制備方法，涉及薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用比較成熟的正裝砷化鎵太陽(yáng)電池工藝制作，以柔性襯底替代原來(lái)的較厚、較重的剛性襯底，形成的鍺基多結(jié)高效柔性太陽(yáng)電池達(dá)到了可彎曲性、較為輕巧的目的，有利于提高太陽(yáng)電池運(yùn)用范圍和重量比功率，緩減火箭發(fā)射與航天運(yùn)載壓力。同時(shí)，上、下電極采用同側(cè)設(shè)計(jì)的方式方便了使用，可以直接焊接在所使用的器件上，或者粘附在既柔軟又輕盈的透明PI上使用。
【專利說(shuō)明】
一種鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及薄膜太陽(yáng)電池的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]砷化鎵化合物太陽(yáng)電池一直以來(lái)都是各國(guó)研究的熱點(diǎn)，受到人們的普遍重視，并且相較于傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)電池有著較高的光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)良的可靠性，從而在空間電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]常規(guī)太陽(yáng)電池芯片的制作方法是:先在P型Ge襯底上依次生長(zhǎng)N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層、N型GaAs接觸層完成外延片的生長(zhǎng)，取得電池外延片。然后將電池外延片經(jīng)過(guò)酸性清洗、干燥，在背面分別通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pd、Ag和Au層，完成下電極制作。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(guò)有機(jī)剝離將完成上電極制作。再采用酸堿溶液有選擇性的蝕刻掉電極以外的GaAs歐姆接觸層，并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。最后，經(jīng)退火、劃片、端面處理，取得太陽(yáng)電池芯片。這種制作過(guò)程保留的較厚、較重的襯底層，不利于進(jìn)一步減輕太陽(yáng)電池陣列的自重。
[0004]眾所周知，較高的效率可減小太陽(yáng)電池陣列的大小和質(zhì)量，增加火箭的裝載量，減少火箭燃料消耗，可降低航天器電源系統(tǒng)的費(fèi)用。因此在空間應(yīng)用中，以GaAs太陽(yáng)電池為核心的空間電源系統(tǒng)扮演著重要的角色。
[0005]目前太陽(yáng)電池使用的襯底是剛性材料，應(yīng)用范圍局限于平整的基板。對(duì)于太陽(yáng)電池空間來(lái)說(shuō)，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(yáng)電池成為當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)。
[0006]近年來(lái)，人們開(kāi)始在空間應(yīng)用中采用一些新型的電池技術(shù)以進(jìn)一步減輕電源系統(tǒng)的重量。如果采用柔性薄膜太陽(yáng)電池代替剛性太陽(yáng)電池帆板，可大大減小太陽(yáng)電池陣列的單位面積重量和收攏狀態(tài)體積;而其展開(kāi)面積可達(dá)數(shù)十到數(shù)萬(wàn)平方米，使太陽(yáng)電池陣列的重量成倍減輕而功率大幅提高，從而實(shí)現(xiàn)航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的跨越式發(fā)展。
[0007]如果能夠結(jié)合GaAs太陽(yáng)電池的高轉(zhuǎn)換效率與薄膜電池優(yōu)良的物理材料特性，研制出同時(shí)具備高效率與輕質(zhì)量的鍺基薄膜太陽(yáng)電池，這對(duì)整個(gè)航天工業(yè)將產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響，很有可能成為下一代的空間太陽(yáng)電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的是提出一種可彎曲、較為輕巧的鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池。
[0009]本發(fā)明包括柔性襯底，在柔性襯底的一側(cè)通過(guò)鍵合層連接Ge基底層，在部分Ge基底層上設(shè)置下電極，在另一部分Ge基底層上設(shè)置外延層，在外延層上設(shè)置上電極和減反射膜層。
[0010]本發(fā)明可以采用比較成熟的正裝砷化鎵太陽(yáng)電池工藝制作，以柔性襯底替代原來(lái)的較厚、較重的剛性襯底，形成的鍺基多結(jié)高效柔性太陽(yáng)電池達(dá)到了可彎曲性、較為輕巧的目的，有利于提高太陽(yáng)電池運(yùn)用范圍和重量比功率，緩減火箭發(fā)射與航天運(yùn)載壓力。同時(shí)，上、下電極采用同側(cè)設(shè)計(jì)的方式方便了使用，可以直接焊接在所使用的器件上，或者粘附在既柔軟又輕盈的透明PI上使用。
[0011]為了得到更輕、更軟的產(chǎn)品，所述鍺基底層的厚度小于50μπι。
[0012]所述外延層可以包括依次設(shè)置的N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。
[0013]本發(fā)明的另一目的是提出以上鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法。
[0014]制備方法包括以下步驟:
1)生長(zhǎng)外延片:在P型Ge襯底上生長(zhǎng)包括N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層的外延層，取得外延片；
2)上電極制作:在N型GaAs接觸層上，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，在外延片的上N型GaAs接觸層上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成上電極；
3)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性地腐蝕去除上電極以外區(qū)域部分；
4)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；
5)退火:采用400°C退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性；
6)采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側(cè)下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進(jìn)行交替刻蝕，將套刻好部位的外延層蝕刻至Ge襯底為止；
7)下電極制作:先采用負(fù)性光刻膠工藝套刻圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在蝕刻開(kāi)口的Ge襯底上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成下電極；
8)襯底減薄:在電池表面涂光刻膠保護(hù)層，并與臨時(shí)載體貼片壓合，然后使用機(jī)械和化學(xué)溶液腐蝕減薄襯底；
9)襯底轉(zhuǎn)移:將減薄后的電池背面蒸鍍鍵合層，然后鍵合轉(zhuǎn)移到柔性襯底上；
10)劃片:切除非電池區(qū)域部分留下完整電池芯片；
11)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；
12)解鍵合:加熱并揭掉臨時(shí)載體貼片，去膠清洗凈芯片。
[0015]在較為成熟的正裝砷化鎵太陽(yáng)電池工藝上加以改進(jìn)，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、合理，成本低廉;先使用P型Ge襯底，在其上外延生長(zhǎng)形成電池外延層，經(jīng)減薄后與柔性襯底相結(jié)合，這種以較輕柔的PI襯底替代原來(lái)剛性較大、較重的P型Ge襯底，可實(shí)現(xiàn)鍺基電池的可彎曲性，重量比功率大幅提高。
[0016]進(jìn)一步地，本發(fā)明P型Ge襯底機(jī)械或腐蝕減薄襯底，剛性Ge襯底小于50μπι具有較好的柔韌性，可進(jìn)一步可得到重量更輕、柔性更好的產(chǎn)品。
[0017]本發(fā)明所述上電極的制作材料為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、Pt、Cr、Ni或In材料中至少任意一種。
[0018]所述減反射膜為雙層結(jié)構(gòu)，為T(mén)i02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/MgF2或Si3NVMgF2中的任意一種；其中T12的厚度為U/4n，Ta205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為1λ/4η，S12的厚度為1λ/4η ,MgF2的厚度為1λ/4η，Si3N4的厚度為1λ/4η，所述λ為波長(zhǎng)，單位nm;n為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。以上由高低折射系數(shù)光學(xué)介質(zhì)膜組合，有利于砷化鎵電池較寬光譜太陽(yáng)的利用，提高了太陽(yáng)電池效率。
[0019]所述下電極的制作材料為Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Cr、Ni或In中的至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μπι;這些電極材料易于電子束或熱阻真空蒸鍍，便于操作和工藝制程管控。
[0020]所述臨時(shí)載體貼片材料為S1、GaAs、Ge、藍(lán)寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0021]所述步驟9)中鍵合轉(zhuǎn)移用材料為半固化膠、808^8^1^11、11、？10、附或111材料至少任意一種。以上鍵合材料分別是膠或共晶方式鍵合，使用溫度較低，有效控制柔性襯底的形變。
[0022]另外，在生長(zhǎng)外延片時(shí)，在P型Ge襯底上依次生長(zhǎng)N型GaInP的成核層形成底電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層。為了方便生產(chǎn)，采用常規(guī)生產(chǎn)方式進(jìn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明制作過(guò)程中形成的電子外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明制作過(guò)程中的半制結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為圖3的俯向視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]—、生產(chǎn)工藝，如圖1、2、3所示:
1、外延片生長(zhǎng):
采用MOCVD設(shè)備在厚度為175μπιΡ型Ge襯底33上依次生長(zhǎng)N型GaInP的成核層形成底電池11、Ν型GaAs緩沖層12、第一隧穿結(jié)13、InGaAs中電池14、第二隧穿結(jié)15、GaInP頂電池16、Ν型AlInP窗口層17和N型GaAs接觸層18，完成外延片的生長(zhǎng)，形成的電池外延片結(jié)構(gòu)如圖1所不O
[0028]2、上電極制作:
如圖2所示:
將完成下線刻號(hào)的電池外延片經(jīng)過(guò)丙酮、酒精有機(jī)超聲清洗，QDR清洗旋干后，采用負(fù)性光刻膠工藝經(jīng)黃光涂膠、光刻、顯影等電極柵線圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100 °C，在電池外延層34的N型GaAs接觸層18表面蒸鍍金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離完成正面電池上電極36的制作。
[0029]上電極36的制作材料可以為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、PcUPt、Cr、Ni或In中至少任意一種。
[0030]3、選擇性蝕刻:
將檸檬酸、雙氧水和水以I: 2:2的體積比混合，形成混合溶液。[0031 ]將制作好上電極36的制品浸于混合溶液中，在40°C下有選擇性地蝕刻上電極36以外的N型GaAs接觸層18，經(jīng)過(guò)QDR沖洗，旋干待用。
[0032]4、減反射膜:
將完成選擇性腐蝕的電池片，采用電子束或PECVD沉積的方法在電池外延層34的N型AlInP窗口層17上蒸鍍T12/ Al2O3雙層減反射膜35，其中，T12膜厚50nm，Al203膜厚85nm，并通過(guò)套刻的方式制作圖形將電極焊線部位的減反射膜蝕刻開(kāi)口便于焊接、測(cè)試。
[0033]上述減反射膜35 也可以采用 Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205 或 Ti02/Si3N4 雙層結(jié)構(gòu)中的任意一種，T12的厚度為U/4n，Ta205的厚度為1λ/4η，Α1203的厚度為U/4n，Si02的厚度為U/4n，Si3N4的厚度為1λ/4η，其中λ為波長(zhǎng)，單位nm;n為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。
[0034]5、退火:
采用400°C高溫退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性。
[0035]6、下電極制作:
采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側(cè)下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進(jìn)行交替刻蝕，將套刻好的部位外延層34蝕刻至Ge襯底表面形成電極大小的隔離槽。
[0036]涂L300負(fù)性光刻膠，對(duì)準(zhǔn)以上蝕刻好的隔離槽進(jìn)行光刻，形成電極圖形。用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在套刻好的部位真空蒸發(fā)蒸鍍金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成下電極37，下電極37的尺寸小于隔離槽，與電池外延層34隔開(kāi)，避免短路。
[0037]下電極37的制作材料可以采用Ag、Al、六11、1';[、？(1、？1:、0、附或111中至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μπι。
[0038]7、襯底減薄:
在設(shè)置有上電極36和下電極37的電池表面涂光刻膠，再將電池表面與臨時(shí)載體貼片壓合以形成保護(hù)，然后使用機(jī)械和化學(xué)溶液減薄P型Ge襯底，使Ge襯底厚度小于50μπι，電池具有較好的彎曲性。
[0039]臨時(shí)載體貼片材料可以采用S1、GaAs、Ge、藍(lán)寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。
[0040]8、襯底轉(zhuǎn)移:
將減薄后的Ge襯底33上蒸鍍鍵合層32，并通過(guò)鍵合技術(shù)，將電子外延片轉(zhuǎn)移到柔性襯底31上。
[0041 ] 蒸鍍的鍵合層32所用材料可以為半固化膠、808^8^1^11、11、？10、附或111材料至少任意一種。
[0042]9、劃片:
采用金剛石刀片切割或激光切割對(duì)電池芯片分割，將非電池區(qū)域部分切除留下完整電池芯片。
[0043]10、端面腐蝕:
采用體積比為1:2:2的檸檬酸、雙氧水和水混合溶液，在40 °C下浸3?5min，將切割好電池芯片側(cè)面腐蝕清洗掉切割殘?jiān)w粒。
[0044]11、解鍵合:加熱并揭掉臨時(shí)載體，去膠清洗凈芯片。
[0045]至此，完成了鍺基多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制作。
[0046]二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu):
如圖3、4所示，本發(fā)明產(chǎn)品包括柔性襯底31、鍵合層32、鍺基底33、下電極37、外延層34、上電極36和減反射膜35，在鍺基底33—側(cè)設(shè)置外延層34，在外延層34上設(shè)置上電極36和減反射膜35。外延層34包括N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。
[0047]圖4中顯示了設(shè)置在同一側(cè)的兩個(gè)上電極36和兩個(gè)下電極37，兩個(gè)上電極36之間通過(guò)電導(dǎo)材料連接，兩個(gè)下電極37之間也通過(guò)電導(dǎo)材料連接。在減反射膜35正面可見(jiàn)電極柵線。
[0048]三、產(chǎn)品特點(diǎn):
由于鍺襯底10厚度減薄小于50μπι，電池質(zhì)量減輕很多，所以提高了太陽(yáng)電池的重量比功率;另外，電池體變薄，具有很好的柔韌性，增加了太陽(yáng)電池的使用范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，包括柔性襯底，其特征在于:在柔性襯底的一側(cè)通過(guò)鍵合層連接Ge基底層，在部分Ge基底層上設(shè)置下電極，在另一部分Ge基底層上設(shè)置外延層，在外延層上設(shè)置上電極和減反射膜層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于所述Ge基底層的厚度為20?60μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池，其特征在于所述外延層包括依次設(shè)置的N型GaInP的成核層形成低電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池和N型AlInP窗口層。4.如權(quán)利要求1所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，包括以下步驟: 1)生長(zhǎng)外延片:在P型Ge襯底上生長(zhǎng)包括N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層的外延層，取得外延片； 2)上電極制作:在N型GaAs接觸層上，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，在外延片的上N型GaAs接觸層上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成上電極； 3)將外延片中N型GaAs接觸層有選擇性地腐蝕去除上電極以外區(qū)域部分； 4)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； 5)退火:采用400°C退火20min，使上電極與N型GaAs接觸層形成良好的歐姆接觸和電極牢固性； 6)采用正性光刻膠工藝套刻，制作同側(cè)下電極圖形，采用磷酸和雙氧水混合溶液，鹽酸進(jìn)行交替刻蝕，將套刻好部位的外延層蝕刻至Ge襯底為止； 7)下電極制作:先采用負(fù)性光刻膠工藝套刻圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，蒸鍍腔體溫度小于100°C，在蝕刻開(kāi)口的Ge襯底上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成下電極； 8)襯底減薄:在電池表面涂光刻膠保護(hù)層，并與臨時(shí)載體貼片壓合，然后使用機(jī)械和化學(xué)溶液腐蝕減薄襯底； 9)襯底轉(zhuǎn)移:將減薄后的電池背面蒸鍍鍵合層，然后鍵合轉(zhuǎn)移到柔性襯底上； 10)劃片:切除非電池區(qū)域部分留下完整電池芯片； 11)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； 12)解鍵合:加熱并揭掉臨時(shí)載體貼片，去膠清洗凈芯片。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于:所述上電極的制作材料為Ag、Al、Au、AuGe、AuGeN1、T1、Pd、Pt、Cr、Ni或In中至少任意一種。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于:所述減反射膜為雙層結(jié)構(gòu)，為T(mén)i02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/MgF2或Si3NVMgF2中的任意一種;其中T12的厚度為1λ/4η，Ta2O5的厚度為1λ/4η ,Al2O3的厚度為1λ/4n，S12的厚度為1λ/4η ,MgF2的厚度為1λ/4η，Si3N4的厚度為1λ/4η，所述λ為波長(zhǎng)，單位nm; η為介質(zhì)膜的折射系數(shù)。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于:所述下電極的制作材料為48、41、411、11、？(1、？1:、0、祖或111中至少任意一種，制成的下電極的厚度大于3μηι。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于:所述臨時(shí)載體貼片材料為S1、GaAs、Ge、藍(lán)寶石、SiC、InP、PET襯底或PEN襯底中的任意一種。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于:所述步驟9)中鍵合轉(zhuǎn)移用材料為半固化膠、808)8^1^11、1^、？(1^0、附或111中至少任意一種。10.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6或7或8或9所述鍺基砷化鎵多結(jié)柔性薄膜太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于在生長(zhǎng)外延片時(shí)，在P型Ge襯底上依次生長(zhǎng)N型GaInP的成核層形成底電池、N型GaAs緩沖層、第一隧穿結(jié)、InGaAs中電池、第二隧穿結(jié)、GaInP頂電池、N型AlInP窗口層和N型GaAs接觸層。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK106098818SQ201610731353
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月26日
【發(fā)明人】吳洪清, 米萬(wàn)里, 張雙翔, 涂潔磊, 徐培強(qiáng), 李俊承, 何勝, 韓效亞, 周大勇, 楊洪東
【申請(qǐng)人】揚(yáng)州乾照光電有限公司