CN102222706B - 一种高倍聚光太阳能电池芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高倍聚光太阳能电池芯片，其包括一外延层结构，一形成于所述外延层结构上表面的经特殊设计的图形化上电极，一形成于所述外延层结构下表面的背面电极。所述图形化上电极包括主栅及次栅，其中主栅由一系列等腰梯形结构连接而成，梯形上边在同一条直线上，并指向电池芯片内部；梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区；次栅与梯形主栅的两腰连接。本发明的优点在于，所述的图形化上电极经过特殊设计，可使得太阳电池芯片在高倍聚光下产生的大密度电流在流经主栅时充分扩展，防止电流拥挤；同时增加聚光太阳电池芯片有效光照面积，增加光生电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种高倍聚光太阳能电池芯片，属半导体光电子器件与技术领域。
背景技术
目前聚光型太阳能电池多采用砷化镓材料系多结太阳能电池，其聚光倍数随材料性能与工艺技术的进步可达到500乃至数千倍，而芯片尺寸相比传统的硅材料电池小很多，大大降低了半导体材料耗费，是一种具有广泛应用前景的太阳能电池。但是随着聚光倍数的增加，太阳电池芯片产生的光生电流也将成正比地增加，如1000倍聚光下，三结聚光太阳能电池将产生15-20A/cm2的大密度电流，如此高的电流密度要求电池串联电阻足够小，以降低电池芯片的电阻性损耗，同时还要求电流分布足够均匀，以避免电流拥挤，造成芯片局部过热，严重影响芯片的可靠性。如果芯片表面太阳光均匀分布，则芯片外延结构内部及背面电极的电流将均匀分布，但上电极特别是主栅电流拥挤问题不会因为太阳光的分布情况而有所改变。
在传统的栅状上电极中，主栅为细长的规则矩形结构，次栅均匀地与矩形长边连接。考虑从某一次栅汇流至主栅的电流，电流必须经主栅流至引线焊接区，则从电阻的角度考虑，电流流经主栅的极端路线有两条，第一条为自次栅流出后，直接沿主栅上靠近次栅的一侧汇流至引线焊接区；第二条为自次栅流出后，首先垂直流向主栅上远离次栅一侧的边缘，然后沿此边缘汇流至引线焊接区。显然电流将沿路径较短的第一条路线流过。以此类推，所有从次栅流出的电流都将沿主栅上靠近次栅的一侧流过，而远离次栅的一侧电流密度则较小，这种电流分布不均匀即造成电流拥挤，特别是在高倍聚光条件下，这种电流拥挤现象将更明显，造成的局部过热的影响也更大。
图1～图3分别为传统电极图形及其电流路线示意图。A、B分别为次栅电极经主栅汇流至引线焊接区的最远和最短两条极端路线，显然电流将沿较短的B路线流过。所有经次栅流出的电流都将沿主栅上靠近次栅一侧的边缘流过，从而造成下图的在大电流密度情况下的电流拥挤；而主栅上远离次栅一侧电流密度很小，对光生电流的传输作用并不大，实际上浪费了电池表面有效光照面积。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高倍聚光太阳能电池芯片，其包括一外延层结构，一形成于所述外延层结构上表面的图形化上电极，一形成于所述外延层结构下表面的背面电极；所述图形化上电极包括主栅及次栅，其中主栅由一系列等腰梯形结构连接而成，梯形上边在同一条直线上，并指向电池芯片内部，梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区，次栅与梯形主栅的两腰或上边连接。
优选地，组成主栅的等腰梯形个数与主栅上焊接引线条数相等，梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区，上边的长度与引线焊接区沿垂直于次栅方向的宽度相等，下边的长度与相邻引线焊接区之间的距离相等。
优选地，所述次栅的间距相等，均匀地与所述组成主栅的等腰梯形的两腰或上边连接。
优选地，所述组成主栅的等腰梯形依次排列，梯形下边处于同一条直线上，梯形上边处于同一条直线上，所有等腰梯形的上边指向电池芯片内部。
优选地，所述主栅为两列，相对地分布于太阳能电池芯片两边，其中所述等腰梯形的上边相对地指向芯片内部。
优选地，所述主栅为四列，分布于太阳能电池芯片四边，每相对的两列所述等腰梯形的上边相对地指向芯片内部。
优选地，所述组成主栅的等腰梯形上边长度为0.1～2毫米，下边长度为2～5毫米，梯形高度为0.1～1毫米。
优选地，所述图形化上电极包括：一覆盖于所述外延层结构的欧姆接触层，一覆盖于所述欧姆接触层上的粘附层，一覆盖于所述粘附层上的导电层，一覆盖于所述导电层上的保护层。
优选地，在图形化上电极及裸露出的外延层表面覆盖有减反射膜。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
首次采用的经特殊设计的图形化上电极可有效避免电流拥挤的问题。由于次栅与主栅的连接点在等腰梯形两腰或上边上均匀分布，即在垂直于主栅的方向上均匀分布，而按照电流沿最短路径传输原理，经次栅汇流至主栅的电流将沿各自的最短路径流过，最终汇集于电池引线焊接区，从而实现电流的均匀扩展，避免了电流拥挤的问题。
其次，本发明在避免了电流拥挤问题，而又不增加电阻性损耗的同时，增加了电池芯片表面有效光照面积，提高了光生电流大小，从而提高电池光电转换效率。
再次，本发明还对电极多层结构进行优化设计，组成所述图形化上电极的四层结构既保证与电池外延层形成良好的欧姆接触，同时保证电极良好的导电性能。其中，粘附层增强了导电层与欧姆接触层的粘附性，并防止两者因扩散而相互影响；保护层对其下的导电层进行保护，防止氧化和污染，同时可选用合适材料以更好地实现引线的焊接。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为传统栅状上电极的平面图。
图2为图1所示栅状上电极的局部放大图。
图3为图1所示传统图形化上电极电流路线示意。
图4为本发明优选实施方式的高倍聚光太阳能电池芯片侧面剖视图。
图5为本发明第一优选实施方式的图形化上电极的平面图。
图6为本发明另一优选实施方式的图形化上电极的平面图。
图7为图5所示图形化上电极主栅结构的局部放大图。
图8为图5所示图形化上电极的电流路线示意图。
图9为本发明优选实施方式的图形化上电极的侧面剖视图。
图中：
100：减反射膜 200：图形化上电极
201：主栅 202：引线焊接区
203：次栅 204：欧姆接触层
205：粘附层 206：导电层
207：保护层 300：外延层结构
400：背面电极 500：电流线。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。需要说明的是，在不冲突的情况下本发明各实施例及实施例中的各个特征可以相互结合，这些均落在本发明的保护范围之内。
如图4所示，一种高倍聚光太阳能电池芯片，其包括高倍聚光太阳电池外延层结构300，其为三五族化合物，可为单结或多结结构。在外延层结构300的上表面形成一经特殊设计的图形化上电极200，在外延层结构300下表面形成背面电极400。在本发明的一个优选实施例中，在上电极200及裸露出的外延层300表面覆盖有一层减反射膜100。
如图5～图7所示，图形化上电极200包括主栅201及次栅203，其中主栅201由一系列等腰梯形结构连接而成，梯形上边b在同一条直线上，并指向电池芯片内部。梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区202，次栅203间距相等，均匀地与梯形主栅201的两腰或上边连接。在本发明的一个优选实施例中，主栅201等腰梯形个数与主栅上焊接引线条数相等，梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区，下边a的长度La与相邻引线焊接区之间的距离L相等。梯形上边b的长度Lb根据引线焊接所需区域大小决定，在本发明的一个优选实施例中，上边b的长度Lb与引线焊接区沿垂直于次栅方向的宽度相等。主栅201的等腰梯形上边长度Lb可为0.1～2毫米，下边a的长度La可为2～5毫米，梯形高度h可为0.1～1毫米。在本发明的一个优选实施例中，等腰梯形上边长0.5毫米，下边长2.5毫米，梯形高0.3毫米。
主栅201可以由多个系列的梯形结构构成，如两个系列或四个系列。如图5所示，当由两个构成时，两列梯形主栅相对地分布于太阳能电池芯片两边，等腰梯形上边b相对地指向芯片内部。如图6所示，当由四个构成时，四列梯形主栅分布于太阳能电池芯片四边，每相对的两列等腰梯形的上边相对地指向芯片内部。
由于电池芯片工作在高倍聚光条件下，电流密度很大，考虑到电极与电池外延层的欧姆接触、电极导电性能等问题，电极次栅还需具有足够大的高宽比。单一的金属层较难同时满足上述应用需要，因此本发明的优选实施例采用多层电极结构。
如图8所示，图形化上电极200包括四层结构：欧姆接触层204，粘附层205，导电层206，保护层207。
欧姆接触层204覆盖于外延层结构300上，用于与聚光太阳能电池外延层结构300形成良好的欧姆接触，其厚度在10至300纳米之间，其材料可选用金锗合金、锗、钯等之一或其组合。在本发明的一个优选实施例中，欧姆接触层204选用金锗合金，厚度为200纳米。
粘附层205覆盖于所述欧姆接触层204上，用于增加所述欧姆接触层204与导电层206的粘附性，其厚度控制在1至20纳米之间，材料可选用钛、镍等之一。在本发明的一个优选实施例中，粘附层205选用钛，厚度为10纳米。
导电层206覆盖于粘附层205上，其厚度可在1至10微米之间，材料选用高电导率材料，如银、铝等。在本发明的一个优选实施例中，导电层206的材料选用银，厚度为6微米。
保护层207覆盖于所述导电层206上，对其下的导电层进行保护，防止氧化和污染，厚度在10至200纳米之间。保护层可选用合适材料以更好地实现引线的焊接，在本发明的一个优选实施例中，选用金，厚度为20纳米。
图形化上电极200的四层结构204～207均具有相同的图形化上电极200图案。
图8为本发明优选实施方式的图形化上电极的电流路线示意图。由于次栅203与主栅201的连接点在等腰梯形两腰或上边上均匀分布，即在垂直于主栅的方向上均匀分布，而按照电流500沿最短路径传输原理，经次栅203汇流至主栅201的电流将沿各自的最短路径流过，最终汇集于电池引线焊接区202，从而实现电流500的均匀扩展，避免了电流拥挤的问题。
Claims (13)
1.一种高倍聚光太阳能电池芯片，其包括：
一外延层结构；
一形成于所述外延层结构上表面的图形化上电极；
一形成于所述外延层结构下表面的背面电极；其特征在于：
所述图形化上电极包括主栅及次栅，其中主栅由一系列等腰梯形结构连接而成，梯形上边在同一条直线上，并指向电池芯片内部，梯形上边以下至下边的区域为引线焊接区，次栅与梯形主栅的两腰或上边连接。
2.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：组成主栅的所述等腰梯形个数与主栅上焊接引线条数相等，上边的长度与引线焊接区沿垂直于次栅方向的宽度相等，下边的长度与相邻引线焊接区之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：所述次栅的间距相等，均匀地与组成主栅的所述等腰梯形的两腰或上边连接。
4.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：所述主栅为两列，相对地分布于太阳能电池芯片两边，其中所述等腰梯形的上边相对地指向芯片内部。
5.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：所述主栅为四列，分布于太阳能电池芯片四边，每相对的两列所述等腰梯形的上边相对地指向芯片内部。
6.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：组成主栅的所述等腰梯形上边长度为0.1～2毫米，下边长度为2～5毫米，梯形高度为0.1～1毫米。
7.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：组成主栅的所述等腰梯形依次排列，梯形下边处于同一条直线上，梯形上边处于同一条直线上，所有等腰梯形的上边指向电池芯片内部。
8.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：所述图形化上电极包括：
一覆盖于所述外延层结构的欧姆接触层，
一覆盖于所述欧姆接触层上的粘附层，
一覆盖于所述粘附层上的导电层，
一覆盖于所述导电层上的保护层。
9.根据权利要求8所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于： 所述欧姆接触层的厚度为10～300纳米之间，其材料选用金锗合金、锗、钯之一或其组合。
10.根据权利要求8所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于： 所述粘附层的厚度为1～20纳米，其材料选用钛或镍。
11.根据权利要求8所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于： 所述导电层的厚度为1～10微米，材料选自高电导率材料。
12.根据权利要求8所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：所述保护层的材料为金，其厚度为10～200纳米。
13.根据权利要求1或7所述的一种高倍聚光太阳能电池芯片，其特征在于：在图形化上电极及裸露出的外延层表面覆盖有减反射膜。
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