CN102790098A - 背反射式太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种背反射式太阳能电池，包括一基底、依次设置于基底表面的一反射介质膜、一背电极和一电池薄膜。本发明还提供一种背反射式太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）提供一GaAs衬底；2）在GaA衬底表面依次生长牺牲层及电池薄膜；3）从牺牲层处将GaAs衬底和牺牲层剥离，直至显露出电池薄膜表面；4）在电池薄膜表面制备背电极；5）提供一具有反射介质膜的基底；6）将所述反射介质膜表面转移至背电极表面。

Description

背反射式太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及背反射式太阳能电池及其制作方法。
背景技术
一直以来，制约太阳能电池大规模应用的主要瓶颈是较低的光电转换效率和过高的成本。根据热力学原理，材料吸收光子的同时通过辐射复合发射光子，GaAs作为直接带隙材料，非平衡载流子辐射复合的影响不可忽略。传统的GaAs电池是直接制备在砷化镓衬底上，载流子复合产生的光子被衬底吸收，降低电池转换效率。如果能够通过光学设计使非平衡载流子复合所产生光子的循环利用，电池的理论效率将增加。实现背面反射的一种方法是通过芯片工艺将电池从砷化镓衬底转移到能够提供镜面反射的材料上。Schermer 等人将GaAs电池从衬底剥离，在背面蒸镀Au电极作为反射器，2009年这种GaAs薄膜电池的转化效率达到26.1%，基区厚度仅为2μm。 
Au既可以做为背电极，又可提供高的反射率（675nm-900nm波长范围内反射率超过95%），本是一种非常理想的反光材料。但是Au与GaAs之间形成欧姆接触，需要经历一定温度的退火，退火过程中Au和电池材料的界面变得粗糙，反射性变差。Schermer 等人采用175℃退火30分钟，不仅影响电极接触电阻，而且Au的反射率降低了8%。不只是Au电极，其它的金属电极也存在这样的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供背反射式太阳能电池及其制作方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种背反射式太阳能电池，包括一基底、依次设置于基底表面的一反射介质膜、一背电极和一电池薄膜。
所述电池薄膜为GaAs电池薄膜，包括依次设置在背电极表面的GaInP背场层、GaAs基区、GaAs发射区、AlInP或GaInP的窗口层及接触层。
进一步包括上电极，所述上电极设置于接触层表面。
所述背电极的材料为透明导电薄膜。
所述透明导电薄膜为氧化铟锡、氧化铟锌及石墨烯中任意一种。
所述反射介质膜包括两种类型介质层，所述两种类型的介质层呈周期性间隔分布。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种背反射式太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1）提供一GaAs衬底；
2）在GaA衬底表面依次生长牺牲层及电池薄膜；
3）从牺牲层处将GaAs衬底和牺牲层剥离，直至显露出电池薄膜表面；
4）在电池薄膜表面制备背电极；
5）提供一具有反射介质膜的基底；
6）将所述反射介质膜表面转移至背电极表面。
步骤2）进一步包括步骤：在GaAs衬底表面依次生长牺牲层、GaInP背场层、GaAs基区、GaAs发射区、AlInP或GaInP的窗口层及接触层。
步骤2）和步骤3）之间进一步包括步骤：在接触层表面生长上电极。
可选的，步骤6）中所述转移为采用键合的方法。
本发明提供背反射式太阳能电池及其制作方法，优点在于：
（1）使用本发明提供的方法而获得的太阳能电池，通过背面反射将非平衡载流子复合所产生的光子限制在电池内部循环利用，增加电池转换效率。
（2）由于该方法将背电极和背面反射器分开设计，提高了工艺的自由度，获得更高的反射率和更低的串联电阻。
（3）剥离下的砷化镓衬底亦可重复利用，大大减少电池制作所需要的砷化镓材料，降低GaAs电池的生产成本，为GaAs电池的大规模应用提供可靠的方案和技术保证。
附图说明
图1A是本发明提供的背反射式太阳能电池第一具体实施方式的结构图；
图1B是本发明提供的背反射式太阳能电池第一具体实施方式包含上电极的结构图；
图2是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤流程图；
图3A是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤S210所形成的结构图；
图3B是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤S220所形成的结构图；
图3C是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤S230所形成的结构图；
图3D是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤S240所形成的结构图；
图3E是本发明提供的背反射式太阳能电池制作方法第二具体实施方式的步骤S250所形成的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的背反射式太阳能电池及其制作方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
图1A所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池的结构图。
本具体实施方式提供了一种背反射式太阳能电池，参考图1A，包括一基底10、依次设置于基底10表面的一反射介质膜11、一背电极12和一电池薄膜21。
所述电池薄膜21为GaAs电池薄膜21，包括依次设置在背电极12表面的GaAs下接触层、GaInP背场层13、GaAs基区14、GaAs发射区15及AlInP或GaInP的窗口层16、GaAs接触层17。
图1B所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池包含上电极的结构图。
作为可选实施方式，参考图1B，所述背反射式太阳能电池进一步包括上电极18，所述上电极18设置于GaAs接触层17表面。采用湿法腐蚀的方法腐蚀GaAs接触层17，直至剩下上电极18对应的GaAs接触层17，换而言之，剩下上电极18和上电极18正下方的GaAs接触层17。太阳光从窗口层16射入。
作为可选实施方式，所述电池薄膜21还可以为GaInP电池薄膜，包括GaAs下接触层、AlGaInP背场层、GaInP基区、GaInP发射区、AlInP窗口层、GaAs上接触层。所述电池薄膜21还可以为InGaAs电池，包括InP下接触层、InP背场层、InGaAs基区、InGaAs发射区、InP窗口层、InP上接触层。
所述背电极12的制作材料在太阳光波段光吸收率小于30%。
作为可选实施方式，所述背电极12为透明导电薄膜，透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透明率的一种薄膜。
作为可选实施方式，所述透明导电薄膜为氧化物膜系，所述透明导电薄膜为氧化铟锡（Indium Tin Oxides，ITO，又称掺锡氧化铟）或氧化铟锌（Indium Zinc Oxides，IZO，又称掺锌氧化铟）。
作为可选实施方式，所述透明导电薄膜为石墨烯材料。
所述基底10起支撑电池薄膜21的作用，该反射介质膜11在太阳光波段反射率大于80%，可将到达电池薄膜21与基底10之间界面的光反射回电池薄膜21内。
作为可选实施方式，所述反射介质膜11包括两种类型介质层，所述两种类型的介质层呈周期性间隔分布。例如，所述反射介质膜11包括周期性间隔分布的第一类型介质层和第二类型介质层，其中第一层第二类型介质层生长在第一层第一类型介质层表面，而第二层第一类型介质层生长在第一层第二类型介质层表面，而第二层第二类型介质层生长在第二层第一类型介质层表面，依次类推。其中周期性的周期数根据器件设计需求设定。
上述描述中，第一层第二类型介质层表示一层具有第二类型的介质层，而第二层第一类型介质层表示另一层第二类型的介质层，用第一层和第二层仅仅为了将两者区分开。其他类似的描述参照上述解释。
所述具有反射介质膜11的基底10的制作方法采用在任意一种薄膜材料表面蒸镀多对介质层，其中每对介质层依次包括第一类型介质层和第二类型介质层，通过两中介质层之间的材料折射率差实现高的反射性。所述蒸镀为物理气相沉积或化学气相沉积，或其它类似方法。
第二具体实施方式
图2所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤流程图。
图3A所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤S210所形成的结构图。
图3B所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤S220所形成的结构图。
图3C所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤S230所形成的结构图。
图3D所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤S240所形成的结构图。
图3E所示为本具体实施方式提供的背反射式太阳能电池制作方法的步骤S250所形成的结构图。
本具体实施方式提供了一种背反射式太阳能电池的制备方法，参考图2，包括：
步骤S210，提供一GaAs衬底19，参考图3A。
作为可选实施方式，步骤S210中的GaAs衬底19为P型。
步骤S220，在GaA衬底19表面依次生长牺牲层20及电池薄膜21,参考图3B。
作为可选实施方式，步骤S220中牺牲层20的材料为AlGaAs、GaInP及AlInP中任意一种。
步骤S220进一步包括步骤：在GaAs衬底19表面依次生长牺牲层20、GaInP背场层13、GaAs基区14、GaAs发射区15、AlInP或GaInP的窗口层16及GaAs接触层17。步骤S220中生长均采用分子束外延或金属有机物化学汽相沉积的方法。
步骤S220与步骤S230之间进一步包括步骤：在GaAs接触层17表面生长上电极18；采用湿法腐蚀的方法腐蚀GaAs接触层17，直至剩下上电极18对应的GaAs接触层17，换而言之，剩下上电极18和上电极18正下方的GaAs接触层17，具体结构参见图1B。
步骤S230，从牺牲层20处将GaAs衬底19和牺牲层20剥离，直至显露出电池薄膜21表面，参考图3C。
步骤S230中所述剥离的方式可采用湿法腐蚀剥离牺牲层20和GaAs衬底19。如果牺牲层20的材料为AlGaAs，那么可选用氢氟酸溶液湿法腐蚀剥离，作为可选的实施方式，还可采用其他腐蚀溶液，例如H2SO4+H2O2+H2O或NH4OH+H2O2+H2O；如果牺牲层20的材料为GaInP，那么可选用H3PO4+HCl+H2O2溶液进行湿法腐蚀剥离；如果牺牲层是AlInP，用HCl+H2O2溶液进行湿法腐蚀剥离。
步骤S240，在电池薄膜21表面制备背电极12，参考图3D。
步骤S250，提供一具有反射介质膜11的基底10，参考图3E。
步骤S250中所述具有反射介质膜11的基底10的制作方法为采用在任意一种薄膜材料表面蒸镀多对介质层，其中每对介质层依次包括至少两种类型的介质层，通过两种介质层之间的材料折射率差实现高的反射性。本发明中所述蒸镀，为物理气相沉积或化学气相沉积，或其他类似方法。
步骤S260，将所述反射介质膜11表面转移至背电极12表面，参考图1A。
作为可选实施方式，步骤S260中所述转移为采用键合的方法将反射介质膜11表面转移至背电极12表面。
作为可选实施方式，步骤S260中所述转移为还可采用胶粘附的方法将反射介质膜11表面转移至背电极12表面。
接下来给出本发明的一个实施例。
本实施例提供的复合结构的背反射式太阳能电池是在电池薄膜背面生长反光性基底，其结构包括：薄膜基底10，高反的反射介质膜11， 透明导电薄膜的背电极12，背场层13，基区14，发射区15，窗口层16，接触层17及上电极18。
该复合结构的背反射式太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
太阳能电池外延结构，生长方法是分子束外延或金属有机物化学汽相沉积。
电池的生长步骤：
参考图1A，首先在P型GaAs衬底19表面生长AlGaAs牺牲层20，牺牲层20的厚度范围为3nm至100nm，Al的组分为70%至90%。Al的组分越大，牺牲层20腐蚀的速率就越大，一般希望将牺牲层20腐蚀时间控制在几分钟至几十分钟，较好操作。然后在牺牲层20表面正向生长GaAs电池薄膜21，具体为在牺牲层20表面依次生长P型GaInP的背场层13、P型GaAs的基区14、N型GaAs的发射区15、N型AlInP或N型GaInP的窗口层16以及N型GaAs的接触层17。
参考图1B，在接触层17表面制备上电极18：在接触层17表面用电子束蒸发的方法沉积合金AuGe/Ni/Au，然后退火使合金与N型GaAs接触层17形成欧姆接触，退火温度范围为350℃至500℃，退火时间范围为1分钟至5分钟。上电极18制作完成之后，以上电极18作为掩膜腐蚀上电极18区域以外的接触层17，腐蚀液为氨水、双氧水和水的混合溶液，腐蚀时间范围为1分钟至3分钟。
将电池薄膜21从衬底上剥离下来：将制作完上电极18的电池薄膜21外延片倒扣在支撑材料上，其中支撑材料可选用蜡；用氢氟酸溶液腐蚀AlGaA牺牲层20，使得电池薄膜21 (包括背场层13，基区14，发射区15，窗口层16)、接触层17，及上电极18从GaAs衬底19上剥离下来。氢氟酸溶液的浓度范围为5%至20%，腐蚀的温度范围为40℃至100℃，腐蚀的速率范围为3 mm/h 至30mm/h。为了提高AlGaAs腐蚀的速率，从而提高剥离下的电池薄膜21外延片的尺寸，要使已剥离的电池薄膜21外延片有一定的曲率，常采用的方法是重力引导或固定曲率的方法。
在电池薄膜21表面制备背电极12：在剥离下的电池薄膜21的表面用物理气相沉积的方法蒸镀透明导电薄膜氧化铟锡，蒸镀的温度范围为 200℃至400℃，退火温度范围为300℃至500℃。
将电池薄膜21转移至具有反射介质膜11的基底10表面：在薄膜基底10上用物理气相沉积的方法蒸镀反射介质膜11，所述反射介质膜11包括多层介质膜11，利用两种材料折射率差实现高的反射性；将制作完背电极12的电池薄膜21转移到具有反射介质膜11的基底10表面，即将背电极12表面转移至反射介质膜11表面。薄膜转移的方法可以是键合，也可以是用粘附上去。
反射介质膜11为TiO2/SiO2、SiO2/Ta2O5、ZrO2/MgF2或其它类似多层介质膜。TiO2/SiO2表示两种类型介质层分别为TiO2介质层和SiO2介质层，SiO2/Ta2O5表示两种类型介质层分别为Ta2O5介质层和SiO2介质层，ZrO2/MgF2表示两种类型介质层分别为ZrO2介质层和MgF2介质层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种背反射式太阳能电池，其特征在于，包括一基底、依次设置于基底表面的一反射介质膜、一背电极和一电池薄膜。
2.根据权利要求1所述的背反射式太阳能电池，其特征在于，所述电池薄膜为GaAs电池薄膜，包括依次设置在背电极表面的GaInP背场层、GaAs基区、GaAs发射区、AlInP或GaInP的窗口层及接触层。
3.根据权利要求2所述的背反射式太阳能电池，其特征在于，进一步包括上电极，所述上电极位于接触层表面。
4.根据权利要求1所述的背反射式太阳能电池，其特征在于，所述背电极的材料为透明导电薄膜。
5.根据权利要求4所述的背反射式太阳能电池，其特征在于，所述透明导电薄膜为氧化铟锡、氧化铟锌及石墨烯中任意一种。
6.根据权利要求1所述的背反射式太阳能电池，其特征在于，所述反射介质膜包括两种类型介质层，所述两种类型的介质层呈周期性间隔分布。
7.一种如权利要求1所述的背反射式太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）提供一GaAs衬底； 2）在GaA衬底表面依次生长牺牲层及电池薄膜； 3）从牺牲层处将GaAs衬底和牺牲层剥离，直至显露出电池薄膜表面； 4）在电池薄膜表面制备背电极； 5）提供一具有反射介质膜的基底； 6）将所述反射介质膜表面转移至背电极表面。
8.根据如权利要求7所述的背反射式太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2）进一步包括步骤：在GaAs衬底表面依次生长牺牲层、GaInP背场层、GaAs基区、GaAs发射区、AlInP或GaInP的窗口层及接触层。
9.根据权利要求8所述的背反射式太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2）和步骤3）之间进一步包括步骤：在接触层表面生长上电极。
10.根据权利要求7所述的背反射式太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤6）中所述转移为采用键合的方法。
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