CN102299210A - 倒装薄膜太阳能电池的制作方法 - Google Patents

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王荣新
李晓伟
曾春红
张宝顺
杨辉
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Abstract

本发明揭示了一种倒装薄膜太阳能电池的制备方法，在半导体的第一衬底上沉积牺牲层，在牺牲层上生长太阳能电池外延层；然后在外延层的表面和第二衬底的表面分别制备键合/粘附结构层，通过键合方式/粘合方式贴附在一起；最后选择性去除牺牲层，把第一衬底剥离，形成第二衬底上的倒装型结构太阳电池，同时剥离掉的半导体第一衬底可以重复利用。本发明方法可以降低生产成本，改善电池工作状态下的散热性能，提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

倒装薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种倒装型薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术
在过去近20年的光伏技术发展进程中，GaAs基III-V族太阳电池技术取得了引人瞩目的里程碑式突破。2007年，GaAs基多结级联太阳电池的高倍聚光系统的转换效率（AM1.5，240suns）可达40.7%，其大规模量产的平均效率已远远高于硅太阳电池，在空间电源领域中占据的应用比例超过了80%，同时，性价比较高的高倍聚光GaAs基多结太阳电池阵列在地面系统也逐渐得以批量应用。可以预见，作为光伏技术的新突破，GaAs基III-V族多结太阳电池有着非常广阔的应用和发展前景。
根据光伏效应原理，单一半导体材料构成的太阳电池，只能将太阳光谱中的一部分光能有效转换成电能，光电转换效率非常有限。因此，以多种带隙宽度不同的半导体材料构成多结级联太阳电池，用各结子电池去吸收与其带隙宽度最为匹配的太阳光谱波段，从而实现对太阳光谱最大化的有效利用，是突破光电转换效率限制的最好途径和必然选择。
多结级联电池的级联方式可分为机械级联和整体级联两种。机械级联是通过金属电极将分别制备的各级子电池逐层叠加，其工艺复杂且可靠性差，不适合大规模生产及空天应用；整体级联是将各级子电池作为一个整体来制备，即在外延生长过程中，在各级子电池之间插入超薄重掺杂的隧道结，利用隧道结的隧穿效应实现子电池间的互联，这是目前普遍采用的级联方式。
多结太阳电池制作过程中，由于III-V化合物半导体衬底材料价格昂贵、密度高、机械强度很低，不利于制备成本低廉、薄型轻质的电池；同时其导热性能也不好，在高倍聚光条件下因温度过高导致效率下降，不利于高效电池的制作。
发明内容
针对上述III-V半导体衬底制备的电池存在成本高、机械强度低、散热性能差等问题，本发明的目的旨在：提供一种倒装薄膜太阳能电池的制作方法，以降低生产成本，改善电池工作状态下的散热性能，提高转换效率。
本发明的上述目的，将通过以下技术方案得以实现：
倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法，在半导体的第一衬底上生长牺牲层，所述牺牲层为III-V族元素组成的单元、两元、三元或四元化合物；
步骤2：在上述牺牲层上生长太阳能电池结构外延层，所述外延层为由Ⅲ-Ⅴ族化合物组成的含有一个以上光伏单元的薄膜；
步骤3：采用物理或化学的方法，在上述外延层的表面和第二衬底的表面分别制备键合/粘附层；
步骤4：将带有键合/粘附层的外延层以倒装方式键合或粘合连接到第二衬底的表面；
步骤5：选择性地去除牺牲层，把第一衬底剥离，在第二衬底上形成倒装结构的太阳能电池。
进一步地，在太阳能电池结构外延层中，所述一个以上光伏单元的种类为叠层PN结、叠层PIN结或两种混用；顺次串联或分组串联。
进一步地，所述倒装薄膜太阳能电池的结构为单结结构，双结级联式结构，双结以上级联式结构，复合双结级联加双结的结构，复合三结级联加单结的结构，复合双结级联加双结级联再加单结的结构，复合三结级联加双结级联加单结的结构，或者复合多结级联加多结级联的结构中的任意一种。
进一步地，所述牺牲层至少为铝砷，铟砷，镓锑，铝镓砷，铝镓锑，镓砷锑，铟铝砷或者铟镓砷中的一种。
进一步地，步骤4中所述键合方式包括金属-金属键合，金属-硅键合，金属-玻璃键合，或者金属-陶瓷键合；并且其中粘合方式包括金属-有机材料或者有机材料-有机材料通过粘合剂粘连。
进一步地，所述第二衬底为具有机械强度的无机或有机片状体，至少包括硅片，玻璃，陶瓷，金属基板，有机衬底，硅胶基板或者石墨片。
本发明制作方法的应用，其较之于现有技术的突出效果为：
一方面通过采用衬底剥离技术，剥离掉的半导体第一衬底可以重复利用，大大降低在III-V族化合物半导体衬底上制备太阳能电池的生产成本；另一方面采用第二衬底有助太阳电池的导热性能，进一步提高光电转换效率，同时还可以增加电池的机械强度，提高成品率。
附图说明
图1是本发明制作方法键合制作的电池剖面示意图。
图2是本发明制作方法粘合制作的电池剖面示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所用试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例一
如图1所示的本发明倒装薄膜太阳能电池制作方法的一种实施方式的电池剖面示意图可见，该制作方法包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法，在GaAs第一衬底上生长AlAs牺牲层及太阳能电池结构外延层，制成第一衬底上的外延片；
步骤2：取具一定机械强度的无机或有机材料的片状物质，即硅片，玻璃，陶瓷，金属基板，有机衬底，硅胶基板或者石墨片等之一作为第二衬底，采用物理或化学的方法，在上述外延片的表面和第二衬底的表面分别沉积金属键合层；
步骤3：采用晶片键合的方式将外延片的表面和第二衬底的表面键合在一起；
步骤4：键合完成后放入腐蚀液中，腐蚀掉AlAs牺牲层，剥离GaAs第一衬底，制成在第二衬底上的倒装型太阳能电池外延片；
步骤5：将上述第二衬底上的倒装型太阳能电池外延片加工成太阳电池。
实施例二
如图2所示的本发明倒装薄膜太阳能电池制作方法的另一种实施方式的电池剖面示意图可见，该制作方法包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法，在GaAs第一衬底上生长AlAs牺牲层及太阳能电池结构外延层，制成第一衬底上的外延片；
步骤2：取具一定机械强度的无机或有机材料的片状物质，即硅片，玻璃，陶瓷，金属基板，有机衬底，硅胶基板或者石墨片等作为第二衬底，采用物理或化学的方法，在上述外延片的表面和第二衬底的表面分别涂覆粘附层；
步骤3：利用对接的方式将外延片的表面和第二衬底的表面粘合在一起；
步骤4：粘合完成后放入腐蚀液中，腐蚀掉AlAs牺牲层，剥离GaAs第一衬底，制成在第二衬底上的倒装型太阳能电池外延片；
步骤5：将上述第二衬底上的倒装型太阳能电池外延片加工成太阳电池。
上述两个制作实施方式中，太阳能电池结构外延层为由III-V族化合物组成的含有一个以上光伏单元的薄膜结构，光伏单元的种类包括叠层PN结和叠层PIN结中的一种或两种混用；并且该些光伏单元串联连接或分组串联；上述牺牲层为III-V族元素组成的单元、两元、三元或四元化合物，包括铝砷，铟砷，镓锑，铝镓砷，铝镓锑，镓砷锑，铟铝砷或者铟镓砷等；上述倒装型薄膜太阳能电池的结构包括单结结构，双结级联式结构，双结以上级联式结构，复合双结级联加双结的结构，复合三结级联加单结的结构，复合双结级联加双结级联再加单结的结构，复合三结级联加双结级联加单结的结构，或者复合多结级联加多结级联的结构中的任意一种。
利用本实施例的太阳能电池的制备方法，通过采用衬底剥离技术，剥离掉的半导体第一衬底可以重复利用，大大降低在III-V族化合物半导体衬底上制备太阳能电池的生产成本；同时采用第二衬底有助太阳电池的导热性能，进一步提高光电转换效率，同时还可以增加电池的机械强度，提高成品率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用金属有机物化学气相沉积法，在半导体的第一衬底上生长牺牲层，所述牺牲层为III-V族元素组成的单元、两元、三元或四元化合物；
步骤2：在上述牺牲层上生长太阳能电池结构外延层，所述外延层为由Ⅲ-Ⅴ族化合物组成的含有一个以上光伏单元的薄膜；
步骤3：采用物理或化学的方法，在上述外延层的表面和第二衬底的表面分别制备键合/粘附层；
步骤4：将带有键合/粘附层的外延层以倒装方式键合或粘合连接到第二衬底的表面；
步骤5：选择性地去除牺牲层，把第一衬底剥离，在第二衬底上形成倒装结构的太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在太阳能电池结构外延层中，所述一个以上光伏单元的种类为叠层PN结、叠层PIN结或两种混用。
3.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在太阳能电池结构外延层中，所述一个以上光伏单元为顺次串联或分组串联。
4.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述倒装薄膜太阳能电池的结构为单结结构，双结级联式结构，双结以上级联式结构，复合双结级联加双结的结构，复合三结级联加单结的结构，复合双结级联加双结级联再加单结的结构，复合三结级联加双结级联加单结的结构，或者复合多结级联加多结级联的结构中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述牺牲层至少为铝砷，铟砷，镓锑，铝镓砷，铝镓锑，镓砷锑，铟铝砷或者铟镓砷中的一种。
6.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤4中所述键合方式包括金属-金属键合，金属-硅键合，金属-玻璃键合，或者金属-陶瓷键合。
7.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤4中所述粘合方式包括金属-有机材料或者有机材料-有机材料通过粘合剂粘连。
8.根据权利要求1所述的倒装薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第二衬底为具有机械强度的无机或有机片状体，至少包括硅片，玻璃，陶瓷，金属基板，有机衬底，硅胶基板或者石墨片。
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