CN103066159A - 一种基于热光伏电池的单片连接组件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，包括：I、在半绝缘衬底上生长外延层；II、在相邻设定电池单元之间的选定区域内均加工形成底端达到和/或深入横向传输层的槽状结构，并在槽状结构底部形成隔离槽；III、在槽状结构内壁上形成绝缘层，其后选择性去除隔离槽一侧的横向传输层上的绝缘层，并在露出的横向传输层上形成背电极，以及在各设定电池单元上端面上形成顶电极；IV、在任一槽状结构内均设置导电结构层，并将与该槽状结构相应的一设定电池单元的背电极与相邻的另一设定电池单元的顶电极电连接。本发明可实现多个电池单元之间的串联，提高了热光伏电池单片连接组件的开路电压，减少焦尔损失，提高系统可靠性，并实现较高光电转换效率。

Description

一种基于热光伏电池的单片连接组件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光伏器件的制备方法，尤其涉及一种基于热光伏电池的单片连接组件的制备方法，属于半导体器件领域。
背景技术
热光伏电池是将受热高温热辐射体的能量通过半导体p-n结直接转换成电能的技术。热光伏电池是热光伏系统中的核心部件，用来实现热能和电能的转换。热光伏电池与太阳能光伏电池的区别仅仅在于辐射源的不同：前者的辐射源则是人为制造的温度相对低得多的物体，而后者的辐射源是温度将近6000K的太阳；在理论计算时，辐射器的辐射光谱可根据黑体辐射的普朗克公式得出。随温度的降低，峰值光子能量降低，单结电池获高效率的材料禁带宽度降低。在1000-1500℃温度范围之间，单结电池的最佳禁带宽度在0.4eV-0.7eV之间。目前，基于InP衬底的InGaAs电池就是热光伏电池研究的热点，但现有的热光伏电池组件大多存在如下缺陷，例如，难以实现多个电池的串联，工作效率较低，且单一电池的损毁会给整个组件造成严重影响。
发明内容
本发明的目的主要在于提供一种基于热光伏电池的单片连接组件的制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，包括如下步骤：
I、在半绝缘衬底上生长用以形成复数个设定电池单元的外延层；
II、在任意两个相邻的设定电池单元之间的选定区域内均加工形成槽状结构，且使所述槽状结构底端达到或深入横向传输层，以及，在所述槽状结构底部的局部区域内加工形成用于将相邻两个设定电池单元电性隔离的隔离槽；
III、至少在所述槽状结构内壁上形成绝缘层，其后选择性去除覆盖于所述隔离槽一侧的横向传输层上的绝缘层局部区域，并在露出的横向传输层上形成背电极，以及，在各设定电池单元的上端面上形成顶电极；
IV、在任一槽状结构内均设置导电结构层，并将与该槽状结构相应的一设定电池单元的背电极与相邻的另一设定电池单元的顶电极电连接。
作为可行的实施方案之一，步骤I中是采用金属有机化学气相沉积方法在所述衬底上生长形成所述外延层的。
优选的，在所述外延层的生长过程中还采用了渐变缓冲层生长工艺。
作为较为优选的实施方案之一，步骤II中是通过刻蚀工艺形成所述槽状结构和所述隔离槽的，所述刻蚀工艺包括ICP干法刻蚀工艺。
进一步的，所述隔离槽底端达到和/或深入所述衬底。
优选的，所述绝缘层包括Si3N4绝缘层。
作为较为优选的实施方案之一，该方法中在步骤III与步骤IV之间还包含如下步骤：
a、除去所述外延层内的接触层，以及，至少在各设定电池单元的上端面设置减反结构层。
优选的，步骤a中是采用湿法腐蚀工艺去除所述接触层，以及，利用光学镀膜机制作OS50/SiO2减反膜。
优选的，该方法中是利用蒸发方式形成金属背电极、金属顶电极和金属导电结构层，所述蒸发方式包括热蒸发和/或电子束蒸发。
作为较佳的具体应用方案之一，该方法具体包括如下步骤：
I、采用金属有机化学气相沉积工艺在半绝缘的InP衬底上生长外延层；
II、利用ICP干法刻蚀工艺在所述外延层的各设定电池单元之间刻蚀形成槽状结构，且使所述槽状结构底端深入横向传输层，以及，在所述槽状结构底部加工形成隔离槽； 
III、利用PECVD工艺在所述槽状结构的内壁上生长形成Si3N4绝缘层，其后通过湿法腐蚀工艺选择性去除覆盖于所述隔离槽一侧的横向传输层上的绝缘层局部区域，并在露出的横向传输层上蒸镀金属背电极，以及，在各设定电池单元的上端面上蒸镀金属顶电极；
IV、利用湿法腐蚀工艺去除外延层中的接触层，并利用光学镀膜机在各设定电池单元上设置OS50/SIO2减反膜；
Ⅴ、在任一槽状结构内均蒸镀金属导电结构层，并将与该槽状结构相应的一设定电池单元的背电极与相邻的另一设定电池单元的顶电极电连接。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
利用半导体加工工艺实现了多个电池单元（例如，六个以上电池单元）之间的串联，提高了热光伏电池单片连接组件的开路电压，减少了焦尔损失，使得单一电池的损坏不会对整个热光伏电池单片连接组件造成严重影响，提高了系统的可靠性，同时较好的光子回收利用率还使热光伏电池单片连接组件的转换效率得以有效提升，实现了较高的光电转换效率。
为使本发明一种基于半导体工艺实现多个电池单元串联的方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中一种基于热光伏电池的单片连接组件制备方法的工艺流程图之一；
图2是本发明一较佳实施例中一种基于热光伏电池的单片连接组件制备方法的工艺流程图之二；
图3是本发明一较佳实施例中单个电池单元的剖面结构示意图；
图4a和图4b是本发明的ICP刻蚀之后横向传输层和隔离槽的SEM图谱；
图5 本发明一较佳实施例中的一种基于热光伏电池的单片连接组件在AM1.5G标准太阳下的IV特性曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，以下结合一较佳实施例及相应附图对本发明的内容作进一步的详细说明。
参阅图1-图2所示系本发明的一较佳实施例，其利用半导体加工工艺实现了InGaAs热光伏组件中多个电池之间的串联，其制作工艺主要包括以下步骤：
步骤1：采用金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）在半绝缘的InP衬底上生长单片连接组件的外延层（结构可参阅图3），其具体过程可以包括：
首先在半绝缘InP衬底上生长n型横向传输层和InGaAs隧道结，之后再生长组分渐变的InAsXP1-X缓冲层，以便更好的弛豫掉因晶格失配而引起的应力；然后在InAsP缓冲层上依次生长P型InGaAs基区层和n型InGaAs发射层，其中基区层较厚，掺杂浓度相对较低，发射层相对较薄而掺杂浓度相对较高；随后在发射层上依次生长n型InAsXP1-X窗口层和n型InGaAs接触层，其中窗口层带隙相对较宽，以保证光的吸收损失最小，同时也降低电池的表面复合速度；最后制作TiO2/SiO2 抗反射涂层，使尽可能多的辐射被电池吸收，从而最大限度的提高电池的效率。
步骤2：刻蚀横向传输层和隔离槽。     
参阅图2(a)系为外延层生长完成之后的器件结构剖面图，通过ICP刻蚀，分别刻蚀出横向传输层和隔离槽，如图2（b）和2（c）所示。在刻蚀过程中，通过调整ICP功率，RF功率，HBr刻蚀气体的流量以及压力，来控制刻蚀速率，从而使刻蚀深度控制在横向传输层的厚度范围之内，即6μm-7.5μm之间，同时使隔离槽的刻蚀深度大于1.5μm，从而到达半绝缘衬底层，实现了电池单元的隔离；另一方面，通过调整ICP功率和RF功率分别来控制等离子体的数目和强度，从而控制刻蚀过程中物理作用，同时调整HBr刻蚀气体的流量来控制刻蚀中的化学作用，同时使刻蚀侧壁的坡度保持在53-57°范围之内，从而实现横向传输层和隔离槽刻蚀过程中的侧壁坡度均小于60°。刻蚀之后的SEM图如图4a和图4b所示。
步骤3：在电池表面生长厚约600nm 的Si3N4绝缘层（亦可理解为Si3N4薄膜），进行侧壁保护和电绝缘。
在利用PECVD的方法生长Si3N4绝缘层时，将温度控制为350℃，N2和SiH4的流量分别为13.5sccm和10sccm，通过在真空腔中施加射频功率使N2和SiH4进行分解，并发生化学反应生成Si3N4绝缘层并粘附在样品表面，从而实现侧壁钝化和电池单元之间的隔离，如图2(d)所示。
步骤4：利用湿法腐蚀去除电池表面Si3N4绝缘层。
在湿法腐蚀的过程中，以光刻胶做掩膜，利用HF：H2O=1:2的溶液腐蚀30s去除电池表面的Si3N4绝缘层，留下侧壁和隔离槽中的Si3N4绝缘层，如图2(e)所示。
步骤5：利用电子束蒸发的方法制作底电极和顶电极。 
在电极的制作过程中，以光刻胶做掩膜，利用电子束蒸发的方法蒸镀Ni/AuGe/Ni/Au，在剥离之后完成背电极和顶电极的制作，如图2(f)所示。
步骤6：利用湿法腐蚀的方法去除接触层，之后并利用光学镀膜机制作减反膜。
在利用湿法腐蚀的方法去除InGaAs接触层时，可以用比例为1：1：20的H3PO4:H2O2:H2O的混合溶液进行腐蚀，腐蚀时间约为1min，去除接触层后再利用光学镀膜机制作OS50/SiO2减反膜，如图2(g)所示。
步骤7：利用热蒸发和电子束蒸发蒸镀电极，实现电池单元之间的串联。
首先利用热蒸发的方法蒸镀厚约1μm的Ag，之后再电子束蒸发厚约100nm的Au，实现顶电极和背电极之间的串联，如图2(h)所示。
进一步的，本实施例还可包含步骤8：标准太阳下热光伏电池的单片连接组件的IV特性曲线，具体包括：
利用I-V测试系统分别测试了本实施例所制得的基于热光伏电池的单片连接组件在AM1.5G标准光谱下的IV特性曲线。该测试系统主要由太阳光模拟器(Abet)、电压电流源、电压电流计以及温度控制系统组成， 其中太阳光模拟器((ABET TECHNOLOGIES Sun 2000 Solar Simulator))主要功能是提供太阳电池在室内测试时所需的光照，电压电流源和电压电流计型号为 Keithley 2440 source meter。通过在每一次测试之前用标准硅电池测试电流密度来校准AM1.5G光谱，从而保证测试的准确性和统一性。同时，将电压电流源和电压电流计通过一个 GBIP卡与电脑相连从而获取开路电压，短路电流，转换效率等电学参数。在AM1.5G标准光谱下，参阅图5可以看出，该基于热光伏电池的单片连接组件的开路电压为1.24V左右，说明各电池单元之间顶电极和背电极的串联得到了实现。
依据前述实施例，可以看到，藉由本发明可以有效提高热光伏电池组件的开路电压，减少焦耳损失，同时使得单一电池单元的损坏不会对整个组件的性能产生太大的影响，提高了电池组件的可靠性。
需要指出的是，以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇具代表性的一个实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
I、在半绝缘衬底上生长用以形成复数个设定电池单元的外延层；
II、在任意两个相邻的设定电池单元之间的选定区域内均加工形成槽状结构，且使所述槽状结构底端达到或深入横向传输层，以及，在所述槽状结构底部的局部区域内加工形成用于将相邻两个设定电池单元电性隔离的隔离槽；
III、至少在所述槽状结构内壁上形成绝缘层，其后选择性去除覆盖于所述隔离槽一侧的横向传输层上的绝缘层局部区域，并在露出的横向传输层上形成背电极，以及，在各设定电池单元的上端面上形成顶电极；
IV、在任一槽状结构内均设置导电结构层，并将与该槽状结构相应的一设定电池单元的背电极与相邻的另一设定电池单元的顶电极电连接。
2.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，步骤I中是采用金属有机化学气相沉积方法在所述衬底上生长形成所述外延层的。
3.根据权利要求2所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，在所述外延层的生长过程中还采用了渐变缓冲层生长工艺。
4.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，步骤II中是通过刻蚀工艺形成所述槽状结构和所述隔离槽的，所述刻蚀工艺包括ICP干法刻蚀工艺。
5.根据权利要求1或4所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，所述隔离槽底端达到和/或深入所述衬底。
6.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，所述绝缘层包括Si3N4绝缘层。
7.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，该方法中在步骤III与步骤IV之间还包含如下步骤：
a、除去所述外延层内的接触层，以及，至少在各设定电池单元的上端面设置减反结构层。
8.根据权利要求7所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，步骤a中是采用湿法腐蚀工艺去除所述接触层，以及，利用光学镀膜机制作OS50/SiO2减反膜。
9.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，该方法中是利用蒸发方式形成金属背电极、金属顶电极和金属导电结构层，所述蒸发方式包括热蒸发和/或电子束蒸发。
10.根据权利要求1所述的基于热光伏电池的单片连接组件制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
I、采用金属有机化学气相沉积工艺在半绝缘的InP衬底上生长外延层；
II、利用ICP干法刻蚀工艺在所述外延层的各设定电池单元之间刻蚀形成槽状结构，且使所述槽状结构底端深入横向传输层，以及，在所述槽状结构底部加工形成隔离槽； 
III、利用PECVD工艺在所述槽状结构的内壁上生长形成Si3N4绝缘层，其后通过湿法腐蚀工艺选择性去除覆盖于所述隔离槽一侧的横向传输层上的绝缘层局部区域，并在露出的横向传输层上蒸镀金属背电极，以及，在各设定电池单元的上端面上蒸镀金属顶电极；
IV、利用湿法腐蚀工艺去除外延层中的接触层，并利用光学镀膜机在各设定电池单元上设置OS50/SiO2减反膜；
Ⅴ、在任一槽状结构内均蒸镀金属导电结构层，并将与该槽状结构相应的一设定电池单元的背电极与相邻的另一设定电池单元的顶电极电连接。
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