CN101785115A - 薄膜ⅲ-ⅴ族化合物太阳能电池 - Google Patents

薄膜ⅲ-ⅴ族化合物太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明利用其中牺牲层包括在基底和薄膜III-V族化合物太阳能电池之间的外延生长中的外延层剥离方法。为了在基底不存在的情况下为薄膜III-V族化合物太阳能电池提供支持，在薄膜III-V族化合物太阳能电池从基底分离之前，向薄膜III-V族化合物太阳能电池表面应用背衬层。为了从基底分离薄膜III-V族化合物太阳能电池，作为外延层剥离的一部分除去牺牲层。一旦薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离，基底可以重复用于形成另一薄膜III-V族化合物太阳能电池。

Description

薄膜Ⅲ－Ⅴ族化合物太阳能电池
相关申请
本申请要求2007年7月3日提出的临时申请60/958,186和2008年4月17日提出的临时申请61/045,850的优先权，本文完整地引入该两项申请作为参考。
政府支持的声明
本文所描述的某些工作由美国国家可再生能源实验室(NREL)按照NAT-7-77015-05号合同赞助。美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及光伏装置。更具体地说，本发明涉及基于III-V族化合物的光伏装置和制造基于III-V族化合物基光伏装置中的外延层剥离(epitaxial lift-off)方法。
发明背景
目前，基于III-V族化合物的光伏装置在基底上外延地生长，并在整个制造和配置过程中作为太阳能电池保持固定在基底上。在许多情况下，基底可以是大约150μm厚。使得基底具有这样厚度可能对太阳能电池造成许多不良后果。
这样的不良后果之一是重量。厚基底可以占到所产生的太阳能电池的总重量的很大比例。在某些应用中，如空间应用，在所选定的运载火箭具有给定的运载能力的情况下，太阳能电池的重量和大小可能是意义重大的。
另一种不良后果是导热性差。基底增加了太阳能电池和基底和太阳能电池可以安装在其上的散热片之间的热阻抗。增加的热阻抗导致太阳能电池中较高的结温(junction temperatures)，这随之又降低了太阳能电池的效率。
另一种不良后果是环境影响。基底除了作为太阳能电池的机械支撑外没有其它作用。此外，为了达到大约150μm的基底厚度，通常需要机械地或化学地除去基底的某些部分，这造成进一步的浪费。
另一种不良后果是缺乏柔性。150μm厚的基底是刚性的，这意味着太阳能电池不能被安装在曲面上，且不能卷绕以便于储存。
虽然希望太阳能电池的基底尽可能薄以减轻重量并增加热导率，但薄的基底也可能带来不希望的困难。如果基底太薄，III-V族化合物太阳能电池变得如此脆弱以至于难以操作。例如，直径为100mm但只有2-10μm厚的砷化镓(GaAs)层，即使是进行非常柔和的操作时，也往往会裂开和破裂。这种因素尤其牵涉到III-V族化合物太阳能电池的全晶片。也就是说，基底越薄，越难于制造III-V族化合物太阳能电池的全晶片而不因为破裂和操作损伤而减少产量。
因此，需要薄膜III-V族化合物太阳能电池和在制造过程中利用可移除和可重复使用的基底的制造薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。
发明内容
本发明提出了用于不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池的不同结构及其制造方法。如本文中所教导的，一种或多种薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成的牺牲层上外延生长。随之，通过外延层剥离技术从基底分离一个或多个薄膜III-V族化合物太阳能电池。为了在缺乏基底的情况下为薄膜III-V族化合物太阳能电池提供支持，在薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离或剥离之前，向薄膜III-V族化合物太阳能电池应用金属化层、聚合物层或金属/聚合物层。为了从基底分离薄膜III-V族化合物太阳能电池，除去牺牲层。金属化层、聚合物层或金属/聚合物层允许薄膜III-V族化合物太阳能电池不受损伤地弯曲。本文教导的制造方法对于薄膜III-V族太阳能电池的大尺寸制造和剥离特别有用。也就是说，本文教导的制造方法适合剥离高到6英寸直径的大面积晶片，其是GaAs晶片可提供的最大直径。剥离已经在高到6英寸直径的晶片上进行。
根据本文教导的制造方法，产生的薄膜III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压(IV)特性与常规的具有附着在其上的基底的III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压(IV)特性的比较显示在这两种太阳能电池的IV特性之间很少(如果有的话)的差异。然而，根据本文的教导制造的薄膜III-V族化合物太阳能电池有利地没有受到与具有附着在其上的基底的太阳能电池有关的不利的热和重量限制。此外，一旦基底与薄膜III-V族化合物太阳能电池分离，那么基底可以在另一薄膜III-V族化合物太阳能电池的制造中重复使用。
根据一种实施方式，提供一种制造薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括提供基底；在基底上形成牺牲层；然后在牺牲层上形成具有单结的薄膜III-V族化合物太阳能电池；接着在薄膜III-V族化合物太阳能电池上形成背衬层(backing layer)；一旦背衬层形成，从薄膜III-V族化合物太阳能电池和基底之间除去牺牲层以将薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离。
根据本发明的另一种实施方式，提供一种形成多结薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括提供基底；在基底上形成牺牲层；在牺牲层上形成第一III-V族化合物太阳能电池结；在第一太阳能电池结上形成第二III-V族化合物太阳能电池结；在第二III-V族化合物太阳能电池结上形成背衬层；一旦形成背衬层，从第一太阳能电池结和基底之间除去牺牲层以将多结薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离。
根据另一种实施方式，提供一种形成薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括提供之前用于III-V族化合物太阳能电池制造的基底；在基底上形成牺牲层；在牺牲层上形成薄膜III-V族化合物太阳能电池；在薄膜III-V族化合物太阳能电池上形成背衬层；一旦背衬层形成，从薄膜III-V族化合物太阳能电池和基底之间除去牺牲层以将薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离。
根据另一种实施方式，披露了一种形成多个薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括提供基底，在基底上形成牺牲层，在牺牲层上形成全晶片大小的III-V族化合物太阳能电池，和从晶片大小的太阳能电池和基底之间除去牺牲层以按晶片大小的尺度将晶片大小的III-V族化合物太阳能电池与基底分离。
在另一种实施方式中，披露了一种形成柔性的薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括接收之前用于形成III-V族化合物太阳能电池的基底，在重复使用的基底上形成牺牲层，在牺牲层上形成晶片大小的柔性III-V族化合物太阳能电池，在太阳能电池上形成背衬层，和从太阳能电池和基底之间除去牺牲层以按晶片大小的尺度将晶片大小的太阳能电池与基底分离。
根据一种实施方式，披露了一种形成薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的方法。该方法包括在第一基底上形成第一薄膜III-V族化合物太阳能电池和在第二基底上形成第二薄膜III-V族化合物太阳能电池的步骤。该方法包括以下步骤：通过外延层剥离从第一基底除去第一薄膜III-V族化合物太阳能电池或从第二基底除去第二薄膜III-V族化合物太阳能电池，晶片键合第一和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池以形成晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池，和通过外延层剥离从保留的基底除去晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池。
在另一种实施方式中，披露了一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。该薄膜III-V族化合物太阳能电池包括活性层和在活性层上形成的背衬层。该薄膜III-V族化合物太阳能电池最初在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
在一种实施方式中，披露了一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。该薄膜III-V族化合物太阳能电池包括多个活性层和在具有最低带隙能级的活性层的表面上形成的背衬层。该薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
在另一种实施方式中，披露了另一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。该薄膜III-V族化合物太阳能电池包括GaAs活性层和GaInP活性层。该薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，并随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
在一种实施方式中，披露了另一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。该薄膜III-V族化合物太阳能电池包括GaInAs活性层和GaInAsP活性层。该薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，并随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
在另一种实施方式中，披露了一种不含基底的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池。薄膜III-V族化合物太阳能电池包括GaInAs活性层、GaInAsP活性层、GaAs活性层、AlGaInP活性层、GaInP活性层、AlGaInP活性层和背衬层。该晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，并随后除去基底以留下不含基底的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
附图简要说明
通过参考以下结合附图的详细描述可以更充分地理解本发明的这些和其它特征，其中：
图1是具有根据本发明教导的结构的薄膜III-V族化合物太阳能电池的一种示例性层叠结构的截面视图；
图2是根据本发明教导在晶片上形成的薄膜III-V族化合物太阳能电池的一种示例性阵列的透视图；
图3是描述根据本发明教导使用外延层剥离(ELO)制造薄膜III-V族化合物太阳能电池所采取的步骤的流程图；
图4A描述在ELO之前图1的薄膜III-V族太阳能电池；
图4B描述在ELO之后和在根据本发明的教导进一步处理后的图1的薄膜III-V族太阳能电池；
图5是根据本发明教导的所述薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的一种示例性层叠结构的截面视图；
图6是根据本发明教导的所述薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的另一种示例性层叠结构的截面视图；
图7是描述根据本发明教导使用外延层剥离(ELO)制造薄膜多结III-V族化合物太阳能电池所采取的步骤的示例性流程图；
图8A是根据本发明教导的所述晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的另一种示例性层叠结构的截面视图；
图8B是根据本发明教导的所述晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的另一种示例性层叠结构的截面视图；
图8C是根据本发明教导的所述晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的另一种示例性层叠结构的截面视图；
图8D是根据本发明教导的所述晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的另一种示例性层叠结构的截面视图；
图9是图解根据本文教导制造的薄膜III-V族化合物太阳能电池和常规制造的具有附着在其上的基底的III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压特性比较的曲线图；
图10是图解根据本文教导制造的薄膜III-V族化合物太阳能电池在温度循环之前和之后的电流-偏压特性的曲线图；
图11是图解根据本文教导制造的在其上具有或不具有抗反射涂层的薄膜III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压特性的曲线图。
发明详述
本发明披露了薄膜III-V族化合物太阳能电池及制造这种太阳能电池装置的方法。在制造完成时，如本文教导的薄膜III-V族化合物是不含基底的。在制造过程中，使用使得薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离的外延层剥离方法。在薄膜III-V族化合物太阳能电池的活性层表面上形成的金属化层、聚合物层或金属/聚合物层在缺少基底的情况下提供结构支持。所产生的薄膜III-V族化合物太阳能电池比基底支持的太阳能电池装置(即常规的太阳能电池)更薄、更轻、更柔性，从而允许更大尺寸，如晶片尺度的元件和薄膜III-V族化合物太阳能电池的晶片尺度的外延层剥离。此外，在与光伏装置分离后，基底可以经适当再抛光以恢复其表面条件而重复使用在另一薄膜III-V族化合物太阳能电池装置的制造中。
图1描述了一种本发明教导的示例性的薄膜III-V族化合物太阳能电池装置100。薄膜III-V族化合物太阳能电池100包括活性层110A和在活性层110A的第一表面上形成的背衬层120。薄膜III-V族化合物太阳能电池100可以包括另外的金属化层、抗反射涂层和下面讨论的其它类似特征。为方便解释薄膜III-V族化合物太阳能电池100，采用一个活性层(即单结)用于举例说明目的。如本发明教导的，薄膜III-V族化合物太阳能电池和制造该薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法可能包括具有1个活性层、2个活性层、3个活性层、4个活性层或任何合适数目的活性层的薄膜III-V族化合物太阳能电池(即单结和多结薄膜III-V族化合物太阳能电池)。
本文使用的术语“活性层”是指具有特定带隙能量特征的薄膜III-V族化合物太阳能电池的层或区域，其使用太阳光谱的特定部分来产生电。如本文使用的，多结太阳能电池装置中的各个活性层具有不同的带隙能量特征。
如本文使用的附图标记110A一般指薄膜III-V族化合物太阳能电池的第一活性层，但不暗示或明确地教导，各个讨论和描述的第一活性层具有相同的结构、掺杂、III-V族化合物组成、性能、厚度等。
本文使用的附图标记110B一般指薄膜III-V族化合物太阳能电池的第二活性层，但不暗示或明确地教导，各个讨论和描述的第二活性层具有相同的结构、掺杂、III-V族化合物组成、性能、厚度等。
本文使用的附图标记110C一般指薄膜III-V族化合物太阳能电池的第三活性层，但不暗示或明确地教导，各个讨论和描述的第三活性层具有相同的结构、掺杂、III-V族化合物组成、性能、厚度等。
本文使用的附图标记110D一般指薄膜III-V族化合物太阳能电池的第四活性层，但并不暗示或明确地教导，各个讨论和描述的第四活性层具有相同的结构、掺杂、III-V族化合物组成、性能、厚度等。
薄膜III-V族化合物太阳能电池100的第一活性层110A由一种或多种III-V族化合物形成。在某些实施方式中，第一活性层110A由砷化镓(GaAs)、磷化铟镓(GaInP)、砷化铟镓(GaInAs)、磷砷化铟镓(GaInAsP)或任何其它合适的III-V族化合物形成。薄膜III-V族化合物太阳能电池100可能有超过一个活性层。在某些实施方式中，活性层可以包括多个子层。
背衬层120可以由金属、聚合物或金属和聚合物的复合物形成。当在外延层剥离(ELO)的过程中或之后薄膜III-V族化合物太阳能电池100与基底400分离时，背衬层120对第一活性层110A提供支持。
基底400用作提供适当的晶格结构的基础，薄膜III-V族太阳能电池100形成在该晶格结构上。图4A显示基底400的1个例子。基底400可能由砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GAP)、锑化镓(GaSb)或任何其它合适的III-V族化合物形成。如本文教导的，基底400可以再循环并重复使用于形成另一个薄膜III-V族化合物太阳能电池。
图2描述使用本发明教导的方法在晶片150上形成的薄膜III-V族太阳能电池的阵列110。为了效率和经济的原因，如本文所公开的薄膜III-V族化合物太阳能电池的阵列110通常在晶片150上制造。本发明教导的方法的优势之一是，薄膜III-V族化合物太阳能电池的整个晶片可以从基底400剥离，并经进一步处理以形成阵列110而不增加由于处理而损伤薄膜III-V族化合物太阳能电池的结构的风险。因此，薄膜III-V族化合物太阳能电池的阵列110可以在本文披露的外延层剥离处理后形成。在这个例子中可以看出，根据本文教导制造的薄膜III-V族化合物太阳能电池在从基底400剥离后是柔性的。
图3是根据本发明的教导制造薄膜III-V族太阳能电池的一种示例性方法的方块流程图。本领域的技术人员应理解：为利于解释一种示例性的制造方法，这里讨论了一个薄膜III-V族太阳能电池。尽管如此，该制造方法也同样适用于可能具有一个或多个活性层的薄膜III-V族太阳能电池。图3结合描述薄膜III-V族化合物太阳能电池100制造中的示例性阶段的图4A和4B进行讨论。
如本文教导的薄膜III-V族化合物太阳能电池100的制造方法包括在提供的基底上生长外延层。在步骤310中，提供基底400。基底400可以是新基底或可以是之前用于制造一个或多个薄膜III-V族化合物太阳能电池的基底。也就是说，正如下面解释的，基底400在制造过程中的某些点与薄膜III-V族化合物太阳能电池分离，且基底400可以再循环和重复用于制造另一个薄膜III-V族太阳能电池。
在步骤320中，在基底400上形成牺牲层420。牺牲层420使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)方法或用于形成外延层的其它合适的方法在基底400上形成。在某些实施方式中，牺牲层420与基底400晶格匹配。在其它实施方式中，可以实现假晶形的(pseudomorphic)或不匹配的晶格结构。在这样的实施方式中，缓冲层可以用于促进不匹配的晶格结构的生长。牺牲层可以直接置于缓冲层的顶部，这将允许在剥离过程中与基底一起除去缓冲层。
牺牲层420由可以使用如外延层剥离(ELO)工艺的方法除去的材料形成。在一些实施方式中，牺牲层420由n型或p型掺杂的砷化铝镓(例如AlxGa1-xAs，其中，x＞80％)形成。在某些实施方式中，牺牲层420由n型或p型掺杂的砷化铟铝(例如In0.52Al0.48As)形成。在某些实施方式中，牺牲层420由n型或p型掺杂的砷锑化铝(例如AlAs0.5Sb0.5)或任何其它合适的III-V族化合物形成。牺牲层420可以具有大约10至200nm的厚度。
在步骤330中，在牺牲层420上形成第一活性层110A。在某些实施方式中，重复步骤330“N”次(其中“N”是整数)以形成多个活性层或具有“N”个结或“N”个活性层的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池。在步骤340中，在最后形成的活性层上与基底400相对的表面上形成背衬层120。这些步骤的结果可以在图4A中看出。
在特定实施方式中，背衬层120具有10至50μm的厚度，这允许一定的柔韧性而同时仍提供支持。在某些实施方式中，背衬层120由聚合物形成。聚合物层的合适材料包括但不限于聚酰亚胺和聚酰亚胺胶带(kapton)。在其它的实施方式中，背衬层120由金属形成。背衬层120的适用材料包括但不限于金、铜、铝、钛、铂、银、钨和其它合金。本领域的技术人员可以理解，其它的实施方式也是可能的。在某些实施方式中，背衬层120是一种金属和聚合物的复合物。
在步骤350中，通过外延层剥离从第一活性层110A和基底400之间除去牺牲层420，以从基底400脱离薄膜III-V族化合物太阳能电池100。在进行任何的进一步处理之前，脱离的薄膜III-V族化合物太阳能电池100的层叠结构如图1所示。在步骤355中，基底400可以如本文所教导的进行处理并重复使用于制造另一个薄膜III-V族化合物太阳能电池。
在步骤360中，脱离的薄膜III-V族化合物太阳能电池100被倒置并安装在工件固定器450上用于进一步处理。也就是说，背衬层120邻接工件固定器450的表面以允许进一步处理活性层。图4B描绘了安装在工件固定器450上的薄膜III-V族化合物太阳能电池100。
在步骤380中，处理最后加入的活性层(例如，第一活性层)以形成金属化的导体140。在步骤380中，可以蚀刻活性层以除去其某些部分。在步骤390中，在最后加入的活性层的相对于背衬层120的表面上形成抗反射涂层130(例如，硫化锌/氟化镁涂层或其它合适的抗反射涂层)。例如，在图4B中，在第一活性层110A的与背衬层120相对的表面上形成抗反射涂层130。在某些实施方式中，可以进行额外的处理，如晶片探测、晶片键合、单个或成组薄膜III-V族化合物太阳能电池的测试、晶片分割以产生单个薄膜III-V族化合物太阳能电池、单个薄膜III-V族化合物太阳能电池的包封、薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的形成，及其它类似处理。
如本文教导的薄膜III-V族化合物太阳能电池的一个或多个活性层可以由一种或多种III-V族化合物形成。在某些实施方式中，薄膜III-V族化合物太阳能电池可能具有一个或多个由砷化镓(GaAs)、磷化铟镓(GaInP)、砷化铟镓(GaInAs)、磷砷化铟镓(GaInAsP)、磷化铟镓铝(AlGaInP)、磷化铟(InP)或任何合适的III-V族化合物形成的活性层。在某些实施方式中，第一活性层110A是与牺牲层420晶格匹配、与基底400晶格匹配、或与牺牲层420和基底400都晶格匹配。在某些实施方式中，第一活性层110A使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在牺牲层420上形成。在其它实施方式中，第一活性层110A使用分子束外延(MBE)法在牺牲层420上形成。
如上所述，本文教导的薄膜III-V族化合物太阳能电池可能具有一个以上的活性层。也就是说，本文教导的薄膜III-V族化合物太阳能电池可以是薄膜多结III-V族化合物太阳能电池。如本文所述，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池中的各个活性层(即，结)具有不同的带隙能量值。图5、6及8A-8D描绘了不含基底并根据本文的教导制成的某些示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的层叠结构。
图5描绘了一种根据本发明的教导制造的示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101。为了举例说明的目的，描绘了在沉积金属层和去除牺牲层420之前的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101。如此，在根据本发明的教导进一步处理后，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101可以包括金属背衬层(metal back layer)120、抗反射涂层130和金属化导体140。
薄膜多结太阳能电池101包括第一活性层110A和第二活性层110B。如上所述，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101可以包括金属背衬层120、抗反射涂层130和金属化导体140。在本发明的一种实施方式中，薄膜多结太阳能电池101的第一活性层110A可以由具有大约100nm至3000nm的厚度和具有大约1.42eV的带隙能量的砷化镓(GaAs)形成。在本发明的一种实施方式中，薄膜多结太阳能电池101的第二活性层110B由具有大约50nm至1500nm的厚度和具有大约1.85eV的带隙能量的磷化铟镓(GaInP)形成。
示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101可以在牺牲层420上形成。用于薄膜多结太阳能电池101的牺牲层420可以由具有大约1nm至200nm的厚度和具有或者n型或者p型掺杂的砷化铝镓(AlxGa1-xAs，其中，x＞80％)形成。牺牲层420可以在基底400上形成。在其上形成示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101并随后将其除去的基底400可以是GaAs。
图6描绘了根据本发明的教导制造的另一种示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102。为了举例说明的目的，描绘了在沉积金属层和去除牺牲层420之前的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102。如此，在根据本发明的教导进一步处理后，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102可以包括金属背衬层120、抗反射涂层130和金属化导体140。
薄膜多结太阳能电池102包括第一活性层110A和第二活性层110B。如上所述，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102可以包括金属背衬层120、抗反射涂层130和金属化导体140。在本发明的一种实施方式中，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的第一活性层110A可以由具有大约100nm至5000nm厚度的砷化铟镓(GaInAs)形成。该GaInAs第一活性层110A具有大约0.75eV的带隙能量。在本发明的一种实施方式中，薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的第二活性层110B可以在第一活性层110A上由磷砷化铟镓(GaInAsP)形成。该GaInAsP第二活性层110B可能具有大约100nm至5000nm的厚度，且具有大约0.95-1.00eV的带隙能量。
示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102可以在牺牲层420上形成。在本发明的一种实施方式中，在其上形成薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的牺牲层420可能是具有大约1nm至200nm的厚度和具有n型或p型掺杂的砷化铟铝(In0.52Al0.48As)。在本发明的另一种实施方式中，用于在其上形成示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的牺牲层420可能是具有大约1nm至200nm的厚度和具有n型或p型掺杂的砷锑化铝(AlAs0.5Sb0.5)。牺牲层420可以在基底400上形成。用于示例性的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的基底400可能是磷化铟(InP)。
可以如上所述使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法形成薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102的第一活性层110A、第二活性层110B、牺牲层420和基底400。
应当理解，具有两个以上活性层的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池根据本发明的教导是可能的。例如，具有3个和4个活性层的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池可以按照本文所述的教导形成。在某些实施方式中，多个层可以按照结合图3所讨论的步骤一个在另一个顶部形成。在其它实施方式中，晶片键合可以用来结合多个例如根据本发明的教导独立形成的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池，可以将薄膜多结III-V族化合物太阳能电池101和薄膜多结III-V族化合物太阳能电池102晶片键合以形成具有4个活性层的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池。晶片键合的一个例子结合图7进行讨论。
图7是描述由其它独立形成的薄膜III-V族化合物多结太阳能电池-例如图5和6中描绘的薄膜III-V族化合物多结太阳能电池-形成薄膜III-V族化合物多结太阳能电池的流程图。图8A-8D描绘了根据图7的流程图形成的晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的示例性层叠结构。
在步骤710中，形成第一薄膜III-V族化合物太阳能电池。第一薄膜III-V族化合物太阳能电池可能是单结太阳能电池，例如薄膜III-V族化合物太阳能电池100，或可能是多结太阳能电池，例如薄膜多结III-V族太阳能电池101或薄膜多结III-V族太阳能电池102。本领域的技术人员可以理解：除了结合图1、5和6讨论的那些之外，其它薄膜III-V族化合物太阳能电池结构也是可能的。第一薄膜III-V族化合物太阳能电池可以按照如图3所述的步骤310-350形成。
取决于晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池的最终叠层排列，在第一薄膜III-V族化合物太阳能电池的形成过程中可以省略或绕过步骤340。省略或绕过步骤340的原因是因为背衬层120的形成会干扰在下面的步骤730中发生的晶片键合过程。
同样，取决于晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池的最终叠层排列，在第一薄膜III-V族化合物太阳能电池的形成过程中可以省略或绕过步骤350。一旦第一薄膜III-V族化合物太阳能电池和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池进行了晶片键合，可以在步骤742中除去牺牲层。
在步骤720中形成第二薄膜III-V族化合物太阳能电池。第二薄膜III-V族化合物太阳能电池可能是单结太阳能电池，例如薄膜III-V族化合物太阳能电池100，或可能是多结太阳能电池，例如薄膜多结III-V族太阳能电池101或薄膜多结III-V族太阳能电池102。本领域的技术人员可以理解：除了结合图1、5和6讨论的那些之外，其它薄膜III-V族化合物太阳能电池结构也是可能的。第二薄膜III-V族化合物太阳能电池可以按照如图3所述的步骤310-350形成。
取决于晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池的最终叠层排列，在第二薄膜III-V族化合物太阳能电池的形成过程中可以省略或绕过步骤340。省略或绕过步骤340的原因是因为背衬层120的形成会干扰在下面的步骤730中发生的晶片键合过程。
同样，取决于晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池的最终叠层排列，在第二薄膜III-V族化合物太阳能电池的形成过程中可以省略或绕过步骤350。一旦第一薄膜III-V族化合物太阳能电池和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池进行了晶片键合，可以在步骤742中除去牺牲层。
本领域的技术人员可以理解：步骤710和720可以以平行方式或连续方式进行。
在步骤730中，第一和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池进行晶片键合以形成晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池103。在一种实施方式中，第一和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池进行晶片键合以形成晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D。在步骤730中或步骤730之前，第一薄膜III-V族化合物太阳能电池或第二薄膜III-V族化合物太阳能电池可以在步骤340中进行背衬层的形成，并随之在步骤350中进行外延层剥离处理以除去牺牲层420。随之，具有背衬层120的剥离的薄膜III-V族化合物太阳能电池晶片键合到固定在基底400上的其它薄膜III-V族太阳能电池的活性层表面。
晶片键合可以采用直接晶片键合方法，其通过将一个晶片放置在另一个上并在均匀施加的高压下加热组合的叠层至高温(例如，温度＞300℃)来完成。晶片键合方法还可以包括晶片表面准备，如清洗和除去表面上的大颗粒。晶片键合需要原子级平整的表面。可以通过抛光或化学刻蚀来实现表面的平滑化。在本发明的某些实施方式中，在两个待键合的表面之间采用粘合层。在某些实施方式中，在两个待键合的表面之间没有采用粘合层。
图8A描绘了晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的一个例子。晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D包括第一活性层110A、第二活性层110B、第三活性层110C和第四活性层110D。在本发明的一种实施方式中，晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的第一活性层110A由具有大约100nm至5000nm的厚度的和具有大约0.75eV的带隙能量的砷化铟镓(GaInAs)形成；晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的第二活性层110B由具有大约100nm至3000nm的厚度和具有大约0.95-1.00eV的带隙能量的磷砷化铟镓(GaInAsP)形成；晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的第三活性层110C由具有大约100nm至3000nm的厚度和具有大约1.42eV的带隙能量的砷化镓(GaAs)形成；和晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的第四活性层110D由具有大约100nm至2000nm的厚度和具有大约1.85eV的带隙能量的磷化铟镓(GaInP)形成。本领域的技术人员可以理解，上述外延层叠结构仅仅是示例性的，且图8A描绘的外延层叠结构不限于4个活性层或结，而是可以包括更少的活性层或结，例如，2或3个活性层或结。同样，图8A描绘的外延层叠结构不限于4个活性层或结，而是可以包括更多的活性层或结，例如，5、6、7或更多个活性层或结。
图8B-8D描绘了晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池100D的其它例子。图8B描绘了具有两个活性层110A和110B的晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D。图8C描绘了具有3个活性层110A、110B和110C的晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D。图8D描绘了具有5个活性层110A、110B、110C、110D和110E的晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D。如上所述，晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D不限于任何特定的活性层数目，并且不局限于任何特定的III-V族化合物层叠或结构。
在某些实施方式中，在第一和第二III-V族化合物太阳能电池晶片键合之后形成背衬层120。因此，某些实施方式包括步骤740。在步骤740中，背衬层120在晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D上形成。如上所述，也可以在形成晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池过程中的较早阶段(例如，在第一薄膜III-V族化合物太阳能电池或第二薄膜III-V族化合物太阳能电池的步骤340中，但不能同时在第一和第二薄膜III-V族化合物太阳能电池的步骤340中)形成背衬层120。背衬层120的形成在晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D的多个活性层或结中具有最低带隙能量的活性层或结上进行。如果背衬层的形成在步骤730的晶片键合之前或是作为该步骤中的部分发生，则具有在其上形成的背衬层120的薄膜III-V族化合物太阳能电池通过步骤340的外延层剥离方法从薄膜III-V族化合物太阳能电池在其上形成的基底上除去。剥离的薄膜III-V族化合物太阳能电池与其它薄膜III-V族化合物太阳能电池晶片键合。
在特定实施方式中，背衬层120具有10至50μm的厚度，这允许一定的柔韧性而同时还提供支持。在某些实施方式中，背衬层120由聚合物形成。聚合物层的适用材料包括但不限于聚酰亚胺和聚酰亚胺胶带。在其它的实施方式中，背衬层120由金属形成。背衬层120的适用材料包括但不限于金、铜、铝、钛、铂、银、钨和其它合金。本领域的技术人员可以理解，其它实施方式是可能的。在某些实施方式中，背衬层120是一种金属和聚合物的复合物。
背衬层120可以通过电镀(plating)、蒸镀、溅射、旋涂或丝网印刷(screen-printing)在具有最低带隙能级的活性层上形成。通过电极沉积或电极较少沉积(electrode less deposition)完成电镀。背衬层120在选择的具有最低带隙能级的活性层上形成通过经反射回收未完全在叠加层中吸收的光子而有助于提高本发明的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的效率。此外，背衬层120为本发明的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池提供结构支撑、热耗散和热传导。
在步骤742中，以步骤350的方式除去剩余的一个或多个牺牲层。本领域的技术人员可以理解，如果在没有在薄膜多结III-V族化合物太阳能电池之一上进行ELO的情况下发生晶片键合，那么按顺序除去牺牲层。除去第一牺牲层后，将背衬层应用于已除去基底的表面上。
在步骤745中，将晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池100D安装在工件固定器上用于进一步处理。
在步骤750中，具有最高带隙能量的活性层表面进行金属化以形成至少金属化的导体140。金属化导体140可以是汇流条或用于相互连接两个或更多的晶片键合的薄膜多结III-V族化合物太阳能电池的其它导体。
在步骤760中，向晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池100D的具有最高带隙能级的活性层表面应用抗反射涂层130。
当除去牺牲层420时，从基底400分离第一活性层110A或多个层，例如，活性层110A-110D中的任意层。牺牲层420的这种剥离和除去被称为外延层剥离(ELO)。在特定实施方式中，通过蚀刻进行牺牲层420的除去。在这样的实施方式中，这可能包括在酸浸蚀溶液中浸渍基底400、牺牲层420、各种活性层110A-110D和背衬层(backing supportlayer)120，以溶解牺牲层420。酸浸蚀溶液的类型取决于基底400、牺牲层420、活性层110A-110D和背衬层120使用的材料。合适的酸浸蚀溶液的例子是在50℃温度下大约10-25％氢氟酸的溶液。本领域的技术人员可以理解：其它合适的浸蚀溶液和方法是可能的。
本发明的一个优点是晶片尺度的外延层剥离(ELO)是可能的。背衬层120提供柔性以能够分离和操作单个的薄膜III-V族化合物太阳能电池和不含基底的薄膜III-V族的太阳能电池的全晶片或部分晶片。通过使用本文所述的外延层剥离方法形成的薄膜III-V族化合物太阳能电池具有类似于常规的固定在基底上的太阳能电池的性能特征。有利地，如本文教导的薄膜III-V族化合物太阳能电池没有这样的固定在基底上的常规太阳能电池的缺点。
图9图解地描绘了使用本文披露的外延层剥离(ELO)方法制造的薄膜单结砷化镓(GaAs)太阳能电池与固定在基底上的常规薄膜单结砷化镓(GaAs)太阳能电池的电流-偏压(IV)曲线的比较。曲线图1000用曲线1010描绘了根据本文的教导形成的薄膜单结GaAs太阳能电池的IV特性。以类似的方式，曲线图1000用曲线1020描绘了固定在基底上的单结GaAs太阳能电池的IV特性。IV曲线1010与IV曲线1020的比较表明，根据本文的教导形成的薄膜单结GaAs太阳能电池的IV特性没有退化。相反，根据本文的教导形成的薄膜单结GaAs太阳能电池显示出改进的IV性能特性。
使用本发明的ELO方法制造的太阳能电池对于热冲击也是相当稳定的。为了测试这一点，使用液氮(LN2)对使用如本发明教导的ELO方法制造的太阳能电池进行热冲击。
图10图解地描绘了在液氮循环之前和之后测量的根据本文教导形成的薄膜III-V族化合物太阳能电池的IV性能特性。曲线1120描绘了在液氮循环前测量的根据本文教导形成的薄膜III-V族化合物太阳能电池的IV性能特性。曲线1110描绘了在液氮循环后测量的根据本文教导形成的薄膜III-V族化合物太阳能电池的IV性能特性。对于之前和之后IV性能特性的观察显示在IV曲线中没有明显的差异。这表明，根据本文教导形成的薄膜III-V族太阳能电池中是稳定的，且不容易受到热冲击的损害。
图11图解地描绘了根据本文教导形成的薄膜磷化铟镓(GaInP)单结太阳能电池的电流-偏压(IV)性能特性。在图11中图解地描述的IV性能特性包括描述具有抗反射涂层130的GaInP单结太阳能电池的测量的IV性能特性的第一曲线1210。图11包括描述没有抗反射涂层130的GaInP单结太阳能电池的测量的IV性能特性的第二曲线1220。在应用抗反射涂层130后，测量以下性能特性：Voc＝1.35V，Isc＝11.7mA/cm2，FF＝81％和效率＝13.0％。
如各种图所示，本文所披露的薄膜III-V族太阳能电池制造方法不仅限于一种III-V族化合物，而是很好地适合于使用多种III-V族化合物以形成不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
因此，使用本发明教导的ELO方法有可能产生与使用常规方法制造的太阳能电池同样运行良好(如果不是更好)的薄膜III-V族化合物太阳能电池，且不需要在制造后使薄膜III-V族化合物太阳能电池保持固定在基底上。一种另外的好处是，除去的基底随后可以重复使用以形成另一个薄膜III-V族化合物太阳能电池。通过使用本发明的ELO方法，由此产生的薄膜III-V族化合物太阳能电池比使用常规方法生产的太阳能电池更轻、更少浪费且更柔性。
参照上述说明，本发明的许多修改和替代的实施方式对于本领域的技术人员是明显的。因此，本说明书被解释为只是说明性的，且是为了教导本领域的技术人员实现本发明的最佳模式的目的。在基本上不背离本发明的精神的情况下结构细节可以变化，而且保留在附加的权利要求范围内的所有修改的专有用途。其目的是，本发明仅限于附加的权利要求和适用的法律规则所要求的程度。
也可以理解，下列权利要求覆盖本文所述的本发明的所有类的和具体的特征和就语言来说可以说是落入其中的对本发明范围的所有表述。

Claims (20)

1.一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括：
活性层；和
在活性层上形成的背衬层；
其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
2.如权利要求l所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述活性层由III-V族化合物形成。
3.如权利要求1所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括单结薄膜III-V族化合物太阳能电池。
4.如权利要求1所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括多结薄膜III-V族化合物太阳能电池。
5.如权利要求1所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，进一步包括：
在与背衬层相对的活性层表面上形成的表面格栅金属化层；和
在与背衬层相对的活性层表面上形成的抗反射涂层。
6.如权利要求1所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，进一步包括至少一个另外的活性层。
7.一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括：
多个活性层；和
在具有最低带隙能级的活性层的表面上形成的背衬层；
其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
8.如权利要求7所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述多个活性层中的至少两个是晶片键合在一起的。
9.一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括：
GaAs活性层；和
GaInP活性层；且
其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
10.如权利要求9所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述GaAs活性层具有大约1.85eV的带隙能量。
11.如权利要求9所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述GaInP活性层具有大约1.85eV的带隙能量。
12.一种不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括：
GaInAs活性层；和
GaInAsP活性层；
其中，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
13.如权利要求12所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述GaInAs活性层具有大约0.75eV至大约1.14eV的带隙能量。
14.如权利要求12所述的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述GaInAsP活性层具有大约0.95eV至大约1.00eV的带隙能量。
15.一种不含基底的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，所述薄膜III-V族化合物太阳能电池包括：
GaInAs活性层；
GaInAsP活性层；
GaAs活性层；
AlGaInP活性层；
GaInP活性层；
AlGaInP活性层；和
背衬层；
其中，所述晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成，随后除去基底以留下不含基底的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
16.如权利要求15所述的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述背衬层在具有最低带隙能级的活性层的表面上形成。
17.如权利要求15所述的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述背衬层允许晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池在两个或多个维度上弯曲。
18.如权利要求15所述的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述活性层中的至少两个是晶片键合在一起的。
19.如权利要求15所述的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，进一步包括：
在与背衬层相对的活性层表面上形成的表面格栅金属化层；和
在与背衬层相对的活性层表面上形成的抗反射涂层。
20.如权利要求15所述的晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池，其中，所述基底之前用于形成另一个晶片键合的薄膜III-V族化合物太阳能电池。
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