CN101752302A - 高效太阳电池新型圆角集成旁路二极管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳电池制造，公开了一种高效太阳电池新型圆角集成旁路二极管的制造方法，包括1、圆角集成旁路二极管图形光刻版设计与制作；2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽；3、背面电极蒸发Pd/Ag/Au；4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发；5、减反射膜蒸发AlO/TiO；6、划片机电池分离；7、检测，本发明解决了这种太阳电池易受静电击穿和产量限制等问题，取得了成本低廉、实现十几层化合物半导体材料大面积均匀刻蚀、时间可控、可重复性高，以及器件可靠性改善等有益效果。

Description

高效太阳电池新型圆角集成旁路二极管的制造方法

技术领域

本发明涉及太阳电池的制造方法，特别涉及GaInP/GaAs/Ge太阳电池与防阴影集成二极管融合制造的方法。

背景技术

航天事业的飞速发展，使得空间飞行器对电源系统的要求也不断提高，即要求：大功率、长寿命，同时尽可能地减少太阳帆板的面积和重量。研究与实用结果已证明，多结砷化镓(GaAs)太阳电池以其更高的光电转换效率、更好的耐高温性能、更强的空间抗辐射能力脱颖而出，成为了目前世界上最具竞争力的新一代空间主电源，也是我国航天飞行器急需的高性能长寿命通用化空间主电源。

太阳电池阵在空间工作时，由于飞行器运动造成的阴影遮挡，或者电池本身出现问题，使得电池阵中局部电池不能正常工作，从而影响了电源系统的工作状态。对于高功率的多结砷化镓太阳电池，某串电池的暂时失效将极大影响整个电池阵的工作；而对于受阴影遮挡的单片电池，由于其他电池的正常工作，受到较高的反向电压，电池此时将很快发热，导致永久性损害，电池阵也将受到损害。

旁路二极管是与一片或多片电池并联的二极管，它可以保护这些电池免于因局部阴影、电池坏片或单体电池造成的整串电池失效而受到的热损害。因此旁路二极管对保护太阳电池阵的正常工作有重要的作用。由于旁路二极管在工作时与电池本身反向并联工作，因此在空间环境下容易发生静电放电，造成电池击穿，同时由于产量比较大，需要提高产量又能降低成本的技术方案。

目前，现有技术[US6864414B2，US6617508B2]太阳电池的旁路二极管一般都是采用直角或者采用干法刻蚀技术方案，其制造方法的步骤通常包括：定义方形直角图形；干法刻蚀GaInP，GaAs和Ge三个子电池；由于直角二极管容易发生静电放电且干法刻蚀设备昂贵产量不大等不足，导致器件可靠性和产品产量受到限制等问题。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

为了解决现有技术的静电击穿和产量限制等问题，本发明的目的在于提供一种高效太阳电池新型圆角集成旁路二极管及其制造方法，提出了太阳电池工艺与圆角集成旁路二极管工艺融合的方案，利用简单湿法化学腐蚀工艺在GaInP/GaAs/Ge太阳电池本体制作集成旁路二极管，形成对GaInP/GaAs/Ge太阳电池的有效保护。利用本发明，不但大大降低二极管静电放电的几率，而且能够降低整个工艺的成本和提高产量。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种圆角太阳电池集成旁路二极管的制造方法，包括：圆角集成旁路二极管图形光刻版设计与制作、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽、背面电极蒸发、减反射膜蒸发、划片机电池分离、测试；根据本发明，该方法采用GaInP/GaAs/Ge太阳电池工艺与圆角旁路二极管集成湿法化学腐蚀方法融合制造的工艺，包括如下的步骤：

步骤1、圆角集成旁路二极管图形光刻版制作，选择旁路二极管图形的边缘和圆角，把裸露区域控制在二极管面积的5％以下；

步骤2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽，对P化物采用HCl，As化物采用1H₃PO₄∶1H₂O₂∶3H₂O，对Ge化物采用2HF∶1H₂O₂∶7CH₃COOH腐蚀溶液；

步骤3、背面电极蒸发Pd/Ag/Au；

步骤4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发，制作电极蒸发光刻版与二极管图形制作光刻版，其边缘预留区域为70～90微米；

步骤5、减反射膜蒸发AlO/TiO；

步骤6、划片机电池分离；

步骤7、圆角集成本体二极管测试检测。

上述步骤1、圆角集成旁路二极管图形光刻版制作，进一步包括：

步骤1-1、1/4圆弧长圆角光刻版制作；

步骤1-2、光刻胶掩膜；

步骤1-3、光刻机暴光60秒；

步骤1-4、显影50～60秒并清洗；

步骤1-5、光刻胶后烘20分钟。

上述步骤2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽，进一步包括：

步骤2-1、GaAs帽子层腐蚀40秒，表面呈蓝红色；

步骤2-2、P化物腐蚀30秒，呈灰色；

步骤2-3、AlGaAs腐蚀10秒；呈浅红色；

步骤2-4、P化物腐蚀10秒；呈灰色；

步骤2-5、GaAs中电池以及隧穿结；表面呈浅红色或亮色；

步骤2-6、P化物成核层腐蚀30秒，亮色；

步骤2-7、扩散Ge腐蚀1分钟，根据光照开路电压判断。

上述步骤4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发，进一步包括：

步骤4-1、制作角度腐蚀和圆角的圆角光刻版；

步骤4-2、光刻胶掩膜；

步骤4-3、光刻机暴光60秒；

步骤4-4、显影50～60秒并清洗；

步骤4-5、光刻胶后烘20分钟；

步骤4-6、电子束金属蒸发Au/Ge/Ni/Au/Ag/Au

步骤4-7、光刻胶剥离。

本发明圆角太阳电池集成旁路二极管的制造方法，由于采取上述的技术方案，将简单湿法化学腐蚀工艺与空间用高效太阳电池工艺结合起来，在高效GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池上制作可靠性高的新型圆角集成防阴影二极管，整个工艺简单可靠，非常适合目前空间用高效GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池大规模生产。取得了成本低廉、能够实现十几层化合物半导体材料大面积均匀刻蚀、时间可控、可重复性高以及器件可靠性改善等有益效果。

本发明圆角太阳电池集成旁路二极管的制造方法，工艺简单，成本低廉，制作的器件可靠性高，已经成为高性能、高可靠太阳电池空间应用不可缺少的保障部分。

附图说明

图1为本发明圆角太阳电池集成旁路二极管与普通二极管的结构图；

图2为本发明太阳电池圆角集成旁路二极管湿法化学腐蚀方案与太阳电池制造工艺融合的流程图；

图3为本发明集成旁路二极管圆角电极光刻版平面图；

图4为本发明圆角集成旁路二极管测试的工/V曲线图。

具体实施方式

本发明提出了太阳电池工艺与圆角集成旁路二极管湿法化学腐蚀工艺融合的方案。下面结合附图说明本发明的优选实施例。

本发明圆角太阳电池集成旁路二极管的制造方法包括如下的步骤：

步骤一、太阳电池集成旁路二极管图形的改进；为了实现湿法化学腐蚀工艺与太阳电池电池工艺的简单融合，并降低二极管在工作时的静电电荷积累，首先要对旁路二极管的结构进行改进，图1为本发明圆角太阳电池集成旁路二极管102(图1B)与一般普通集成二极管101(图1A)的比较；如图1B所示，本发明方法制造的集成二极管102无论边缘和角都进行了改进，因此，本发明的方法充分考虑了湿法化学腐蚀和静电放电对整个电池器件性能的负面影响。

本发明方法制造的集成二极管102与一般二极管类似，从GaInP/GaAs/Ge三结高效太阳电池边缘分离面积＜4％的区域使之与太阳电池本体反向串联并依据湿法化学腐蚀和器件静电放电原理把边缘缩小和做成圆角，即：本发明中的圆角二极管102。此步骤中的二极管图形光刻版圆角设计的基本原则是取1/4圆弧长。

集成二极管反向漏电流、光照漏电流与太阳电池本体的正向导通电压需要器件正常工作的需求，因此需要选择合适的边缘和圆角把裸露区域控制在二极管面积5％以下；具体的步骤如下：

步骤1-1、1/4圆弧长圆角光刻版制作；

步骤1-2、光刻胶掩膜；

步骤1-3、光刻机暴光60秒；

步骤1-4、显影50～60秒并清洗；

步骤1-5、光刻胶后烘20分钟；

步骤二、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽；为了实现电池与二极管的有效分离并控制侧向和角上腐蚀破坏，首先要在确定合适的腐蚀溶液、腐蚀参数以及隔离槽宽度，使得整个腐蚀能够均匀干净的进行。三结砷化镓太阳电池具有多层结构，有GaAs，AlGaAs，InGaAs，AlInP，GaInP和Ge六种材料并且相互间隔的组成十几层外延层，考虑工艺的可实现性，希望选择尽量少的腐蚀溶液种类甚至一种腐蚀溶液将隔离槽腐蚀干净同时又对下一层表面物理化学特性影响较小。同时通过采取严格控制温度和适当搅拌等步骤，实现十几层化合物半导体材料大面积均匀刻蚀。本发明对P化物采用HCl，As化物采用1H₃PO₄∶1H₂O₂∶3H₂O，对Ge化物采用2HF∶1H₂O₂∶7CH₃COOH腐蚀溶液。

步骤2-1、GaAs帽子层腐蚀40秒，表面呈蓝红色；

步骤2-2、P化物腐蚀30秒，呈灰色；

步骤2-3、AlGaAs腐蚀10秒；呈浅红色；

步骤2-4、P化物腐蚀10秒；呈灰色；

步骤2-5、GaAs中电池以及隧穿结；表面呈浅红色或亮色；

步骤2-6、P化物成核层腐蚀30秒，亮色；

步骤2-7、扩散Ge腐蚀1分钟，根据光照开路电压判断。

步骤三、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发；

由于光刻机存在机器误差20微米左右(系统误差)；由于对焦存在操作误差10～20微米(操作误差)；由于光刻胶侧向钻蚀存在显影误差20～30微米(光刻胶特性)，因此根据上述误差，确定制作电极蒸发光刻版与二极管图形制作光刻版的边缘预留区域为上述三者之和，本发明中取70～90微米。

图3为本发明集成旁路二极管圆角电极光刻版平面图；如图3所示，考虑到光刻胶的角度腐蚀302现象，为了防止边缘301和圆角部分短路，此圆角303应该在步骤三中的边缘缩进基础取＜1/4圆弧长。该步骤包括：

步骤3-1、制作角度腐蚀302和圆角303的圆角光刻版；

步骤3-2、光刻胶掩膜；

步骤3-3、光刻机暴光60秒；

步骤3-4、显影50～60秒并清洗；

步骤3-5、光刻胶后烘20分钟；

步骤3-6、电子束金属蒸发Au/Ge/Ni/Au/Ag/Au

步骤3-7、光刻胶剥离。

图2为本发明太阳电池集成旁路二极管与太阳电池的制造工艺融合的流程图；本发明的改进之处在于：采用GaInP/GaAs/Ge太阳电池工艺与圆角旁路二极管集成湿法化学腐蚀方法融合制造的工艺；如图2所示，整合后的工艺流程包括如下的步骤：

步骤1、圆角集成旁路二极管图形光刻版制作(同上述步骤一)；

步骤2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽(同上述步骤二

步骤3、背面电极蒸发Pd/Ag/Au；

步骤4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发(同上述步骤三

步骤5、减反射膜蒸发AlO/TiO；

步骤6、划片机电池分离；

步骤7、圆角集成本体二极管测试检测，本发明中为了验证和检测整个艺的可靠性，确定测试二极管的明、暗I/V曲线，比较反向电流密度作为准；图4为利用本发明制作的集成旁路二极管光照I/V性能测试图，光照暗电流控制在10^-4mA/cm²。满足了二极管质量要求。

由上所述，本发明对常规工艺的改进之处在于：步骤1，步骤2和步骤对二极管图形和制作工艺作了很大改变，改进了高效太阳电池的可靠性和产合格率。其余步骤与传统的制造工艺类似，因此，这里不作详细描述。

Claims (5)

1.一种高效太阳电池新型圆角集成旁路二极管的制造方法，包括：圆角集成旁路二极管图形光刻版设计与制作、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽、背面电极蒸发、减反射膜蒸发、划片机电池分离、测试；其特征在于，该方法采用GaInP/GaAs/Ge太阳电池工艺与圆角旁路二极管集成湿法化学腐蚀方法融合制造的工艺，包括如下的步骤：

步骤1、圆角集成旁路二极管图形光刻版设计与制作，选择旁路二极管图形的边缘和圆角，把裸露区域控制在二极管面积的5％以下；

步骤2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽，对P化物采用HCl，As化物采用1H₃PO₄:1H₂O₂:3H₂O，对Ge化物采用2HF:1H₂O₂:7CH₃COOH腐蚀溶液；

步骤3、背面电极蒸发Pd/Ag/Au；

步骤4、集成旁路二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发，制作电极蒸发光刻版与二极管图形制作光刻版，其边缘预留区域为70～90微米；

步骤5、减反射膜蒸发AlO/TiO；

步骤6、划片机电池分离；

步骤7、圆角集成本体二极管测试检测。

2.如权利要求1所述的高效太阳电池圆角集成旁路二极管的制造方法，其特征在于：所述的步骤1、圆角集成旁路二极管图形光刻版制作，进一步包括：

步骤1-1、1/4圆弧长圆角光刻版制作；

步骤1-2、光刻胶掩膜；

步骤1-3、光刻机暴光60秒；

步骤1-4、显影50～60秒并清洗；

步骤1-5、光刻胶后烘20分钟。

3.如权利要求1所述的高效太阳电池圆角集成旁路二极管的制造方法，其特征在于：所述的步骤2、圆角集成旁路二极管图形湿法化学腐蚀隔离槽，进一步包括：

步骤2-1、GaAs帽子层腐蚀40秒，表面呈蓝红色；

步骤2-2、P化物腐蚀30秒，呈灰色；

步骤2-3、AlGaAs腐蚀10秒；呈浅红色；

步骤2-4、P化物腐蚀10秒；呈灰色；

步骤2-5、GaAs中电池以及隧穿结；表面呈浅红色或亮色；

步骤2-6、P化物成核层腐蚀30秒，亮色；

步骤2-7、扩散Ge腐蚀1分钟，根据光照开路电压判断。

4.如权利要求1所述的高效太阳电池圆角集成旁路二极管的制造方法，其特征在于：所述的步骤4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发，进一步包括：

步骤4-1、制作角度腐蚀[302]和圆角[303]的圆角光刻版；

步骤4-2、光刻胶掩膜；

步骤4-3、光刻机暴光60秒；

步骤4-4、显影50～60秒并清洗；

步骤4-5、光刻胶后烘20分钟；

步骤4-6、电子束金属蒸发Au/Ge/Ni/Au/Ag/Au

步骤4-7、光刻胶剥离。

5.如权利要求1或4所述的高效太阳电池圆角集成旁路二极管的制造方法，其特征在于：所述的步骤4、集成二极管正面电极光刻版防短路设计与蒸发，进一步包括：集成旁路二极管圆角电极光刻版的圆角在所述的步骤4中的边缘缩进基础取＜1/4圆弧长。

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