CN102222734A - 一种倒置太阳能电池制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒置太阳能电池制作方法，其步聚包括：提供一生长衬底；（2）在所述生长衬底表面沉积一层SiO2掩膜层，形成图形化衬底；（3）在图形化衬底上外延生长一层牺牲层，所述牺牲层将整个SiO2掩膜图形包围起来；（4）在牺牲层上外延生长一缓冲层；（5）在缓冲层上外延生长倒置太阳能电池的半导体材料层序列；（6）将前述倒置太阳能电池的半导体材料层序列与支撑基板键合；（7）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层；（8）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉牺牲层，剥离衬底。本发明可以更为简单地完成倒置结构多结太阳能电池与衬底的分离，实现衬底的重复利用。
Description
技术领域
本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种倒置太阳能电池制作方法，便于实现衬底的多次重复利用。
背景技术
近些年来，随着聚光光伏技术的发展，GaAs及相关化合物Ⅲ-Ⅴ族太阳电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。对于本领域技术人员而言，InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池是目前最成熟也是最高效的III-V族化合物半导体多结太阳能电池，该类型太阳能电池的各个子电池的晶格常数基本匹配，且带隙宽度从上而下分别是：InGaP为~1.86eV，GaAs为~1.42eV，Ge为~0.78eV，可以较有效利用太阳光谱，其转换效率(AM1.5)已高达32% (美国光谱实验室)，而在聚光条件下，其效率为41.6%。另外，Emcore 公司发明的倒置结构GaInP/GaAs/InGaAs多结太阳能电池也被认为是一个很有应用前景的电池结构。使用带隙匹配的设计，在AM0，1sun情况下倒置结构GaInP/GaAs/InGaAs多结太阳能电池实现了32%的转换效率，高倍聚光条件（500×，AM1.5）下其转换效率也可以大于40%。在光伏产业中衬底的成本通常占太阳能电池总成本的30~50%，成为太阳能电池价格昂贵的主要因素之一。
传统的衬底剥离工艺是单纯利用牺牲层与缓冲层和衬底之间在特定蚀刻液下具有选择性腐蚀的特点，在腐蚀过程中蚀刻液只对牺牲层进行选择性腐蚀，而并不腐蚀缓冲层和衬底，从而达到衬底与电池相分离的目的。由于选择性蚀刻液与牺牲层的接触面积有限，传统衬底剥离工艺中通常需要对电池结构施加一定程度的力，使得腐蚀过程中选择性刻蚀液与牺牲层接触面积能够逐渐增加，然而，由于电池结构材料是脆性的，所施加的力将会对电池结构造成一定程度的损伤，因此难以大规模应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种倒置太阳能电池制作方法，可以更为简单地完成倒置结构多结太阳能电池与衬底的分离，实现衬底的重复利用。
解决上述问题的技术方案为：一种倒置太阳能电池制作方法，其包括如下步骤：
（1）提供一生长衬底；
（2）在所述生长衬底表面沉积一层SiO2掩膜层，形成图形化衬底；
（3）在图形化衬底上外延生长一层牺牲层，所述牺牲层将整个SiO2掩膜图形包围起来；
（4）在牺牲层上外延生长一缓冲层；
（5）在缓冲层上外延生长倒置太阳能电池的半导体材料层序列；
（6）将前述倒置太阳能电池的半导体材料层序列与支撑基板键合；
（7）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层；
（8）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉牺牲层，剥离衬底。
进一步地，生长衬底的材料为Ge或GaAs。
进一步地，所述步骤（2）中形成的SiO2掩膜层的图形为单方向平行，或者纵横交错，或者彼此交叉。
进一步地，所述步骤（3）中半导体牺牲层的材料为InGaP或AlGaAs。
进一步地，所述步骤（6）中的支撑基板为Si片。
进一步地，所述步骤（6）包括如下步骤：在倒置太阳能电池的半导体材料层表面沉积一第一金属键合层；提供一Si外延片作为支撑基板，在其表面形成一层高掺杂(In)GaAs覆盖层；
在覆盖层上沉积一第二金属键合层；
通过键合工艺将倒置太阳能电池的半导体材料层序列和Si片粘结在一起。
进一步地，所述步骤（7）中采用氢氟酸选择性腐蚀掉SiO2掩膜层。
进一步地，所述步骤（7）中采用氟化铵选择性腐蚀掉SiO2掩膜层。
进一步地，所述步骤（8）中采用盐酸与磷酸体积比1∶2作为选择性蚀刻液，蚀刻牺牲层。
本发明采用SiO2作掩膜层，随后通过湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层使得牺牲层内产生很多孔隙，增加了用于去除牺牲层的选择性蚀刻液与牺牲层的接触面积，提高了牺牲层的腐蚀速率，降低了衬底剥离的难度。本发明可以更为简单地完成倒置结构多结太阳能电池与衬底的分离，实现衬底的重复利用，从而降低太阳能电池的生产成本。
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，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～图7为本发明优选实施例一种倒置太阳能电池制作过程的示意图。
图8～图10为本发明各优选实施例中SiO2掩膜图形的俯视示意图。
图中：
100：图形化衬底；
101：生长衬底；
102：SiO2掩膜层；
103：牺牲层；
104：孔隙；
200：GaAs缓冲层；
201：倒置太阳能电池半导体材料层序列； 300：支撑基板；
301：p型Si片；
302：p型GaAs覆盖层；
303：第一键合金属层；
304：第二键合金属层。
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，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
一种倒置太阳能电池的制作方法，主要包括图形化衬底形成工艺、倒置太阳能电池的半导体材料层序列形成工艺，支撑衬底键合工艺，生长衬底剥离工艺。下面结合图1～图7，进行详细说明。
第一步，选择一生长衬底101，该衬底可为Ge衬底或GaAs衬底。在本实施例中，选择GaAs作为生长衬底101。
第二步，在生长衬底101上制作SiO2掩膜层102，形成图形化衬底100。其具体工艺如下：在GaAs衬底101上使用PECVD沉积一层100nm厚的SiO2掩膜层102，使用半导体光刻工艺在SiO2掩膜层102上制作出光刻胶掩膜图形，然后使用湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层，蚀刻液可使用氢氟酸或氟化铵等。本实施例选择氢氟酸作为蚀刻液，首先选择性腐蚀30秒，接着用去离子水冲洗10分钟，最后经过光刻胶去除工艺，完成在GaAs衬底上形成SiO2掩膜图形。如图1所示，SiO2掩膜均匀地分布在生长衬底101的表面上，暴露出部分生长衬底的表面。SiO2掩膜的图形可为单方向平行，纵横交错或者彼此交叉。如图8所示，SiO2掩膜102呈单方向平行的图形，图9所示为SiO2掩膜102呈纵横交错的图形，图10所示为SiO2掩膜102呈彼此交叉的图形。
第三步，在图形化衬底100上外延生长一层牺牲层103。在本实施例中选择Ga0.5In0.5P作为牺牲层103的材料，其具体工艺如下：将图形化GaAs衬底100清洗干净，并装入MOCVD 反应室，控制反应室压强300Torr，外延生长速率1Å/s，首先在750℃下烘烤10分钟，接着降温至650℃，运用横向外延生长工艺形成一层Ga0.5In0.5P牺牲层103，其厚度为150nm。如图2所示，Ga0.5In0.5P牺牲层103将整个SiO2掩膜层102包围起来。
第四步，在牺牲层103上外延形成一层缓冲层200。在本实施例中选择GaAs作为缓冲层200的材料，其具体工艺如下：调整MOCVD反应室压强为30Torr，五三族反应源摩尔流量比为40，在Ga0.5In0.5P牺牲层103上生长一层GaAs缓冲层200。
第五步，在牺牲层103上外延生长倒置太阳能电池的的半导体材料层序列。太阳能电池可为单结或多结，在本实施例中选择倒置三结太阳能电池。如图3所示，运用传统MOCVD外延工艺继续在GaAs缓冲层200上外延生长Ga0.5In0.5P/GaAs/Ga0.7In0.3As倒置三结太阳能电池的半导体材料层序列201。
第六步，准备一支撑基板300，用于支撑太阳能电池的半导体材料层。支撑300可选择散热性较好的材料，如Si片或陶瓷基板等。本实施例选择p型Si片301做为支撑基板，应用MOCVD在其表面上外延形成一层高掺杂的p型GaAs覆盖层302。p型GaAs覆盖层302的掺杂浓度为1×1019/cm3，表面粗糙度3nm。
第七步，将倒置太阳能电池的半导体材料层序列与支撑基板键合。首先，分别在倒置太阳能电池的半导体材料层序列201的表面和p型GaAs覆盖层302表面各形成一金属键合层；然后，通过键合工艺将支撑基板300与倒置太阳能电池的半导体材料层序列201粘结在一起。键合层的材料为导电材料，可以从金、金锡合金、铟等材料中选择，在本实施例中，选择金作为键合层。具体工艺如下：使用金属蒸镀工艺，首先在Ga0.5In0.5P
/GaAs /Ga0.7In0.3As倒置三结太阳能电池的半导体材料层序列201表面蒸镀一层400nm厚的Au作为第一金属键合层303；接着在p型GaAs覆盖层302表面蒸镀一层400nm厚的Au作为第二金属键合层304；最后，通过Au-Au键合工艺，把支撑基板300和Ga0.5In0.5P/GaAs/Ga0.7In0.3As倒置三结太阳能电池半导体材料层序列201粘结在一起。如图5所示，为完成键合工艺后的太阳能电池的侧面剖视图。
第八步，剥离图形化生长衬底100，其包括去除SiO2掩膜层102和牺牲层103。采用湿法蚀刻工艺选择性腐蚀掉SiO2掩膜层102和牺牲层103,其中SiO2掩膜层102的蚀刻液可使用氢氟酸或氟化铵等，牺牲层103的蚀刻液可使用浓盐酸或盐酸与磷酸的混合液等。本实施例选择氢氟酸作为SiO2掩膜层102蚀刻液，盐酸与磷酸的混合液为牺牲层103的蚀刻液，其具体工艺如下：首先，使用20%的氢氟酸选择性腐蚀掉SiO2掩膜层102，如图6所示，使得Ga0.5In0.5P牺牲层103内产生很多孔隙104；然后，使用盐酸与磷酸体积比1∶2作为选择性蚀刻液，选择性腐蚀掉Ga0.5In0.5P牺牲层103，GaAs衬底101即可被完整地剥离下来。
对于剥离下来的GaAs衬底，使用去离子水对表面进行清洗，再用氮气枪吹干衬底表面，即可再次被使用。
本实施例采用SiO2作掩膜层，随后通过湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层使得牺牲层内产生很多孔隙，增加了用于去除牺牲层的选择性蚀刻液与牺牲层的接触面积，提高了牺牲层的腐蚀速率，降低了衬底剥离的难度，可实现衬底的重复利用，降低太阳能电池的生产成本。
进一步地，本实施例采用Si片为支撑基板，具有散热性好、成本低、易于后期芯片加工的特点。在Si片表面形成一层 (In)GaAs覆盖层，然后将其用于与倒置结构多结太阳能电池间的金属键合工艺，有利于键合的均匀性，减小界面处的应力对电池的影响，提高成品率。
Claims (10)
1.一种倒置太阳能电池制作方法，其包括如下步骤：
（1）提供一生长衬底；
（2）在所述生长衬底表面沉积一层SiO2掩膜层，形成图形化衬底；
（3）在图形化衬底上外延生长一层牺牲层，所述牺牲层将整个SiO2掩膜图形包围起来；
（4）在牺牲层上外延生长一缓冲层；
（5）在缓冲层上外延生长倒置太阳能电池的半导体材料层序列；
（6）将前述倒置太阳能电池的半导体材料层序列与支撑基板键合；
（7）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉SiO2掩膜层；
（8）采用湿法蚀刻选择性腐蚀掉牺牲层，剥离衬底。
2.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中生长衬底的材料为Ge或GaAs。
3.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的SiO2掩膜层的图形为单方向平行，或者纵横交错，或者彼此交叉。
4.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中半导体牺牲层的材料为InGaP。
5.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中半导体牺牲层的材料为AlGaAs。
6.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（6）中的支撑基板为Si片。
7.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（6）包括如下步骤：
在倒置太阳能电池的半导体材料层表面沉积一第一金属键合层；
提供一Si片作为支撑基板，在其表面形成一层高掺杂覆盖层；
在覆盖层上沉积一第二金属键合层；
通过键合工艺将倒置太阳能电池的半导体材料层序列和Si片粘结在一起；
其中覆盖层的材料为InGaAs或GaAs。
8.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（7）中采用氢氟酸选择性腐蚀掉SiO2掩膜层。
9.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（7）中采用氟化铵选择性腐蚀掉SiO2掩膜层。
10.根据权利要求1所述的一种倒置太阳能电池制作方法，其特征在于：所述步骤（8）中采用盐酸与磷酸体积比1∶2作为选择性蚀刻液，蚀刻牺牲层。
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