CN103123923A

CN103123923A - 一种激光光伏电池及其制作方法

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Publication number: CN103123923A
Application number: CN2013100393256A
Authority: CN
Inventors: 赵春雨; 董建荣; 于淑珍; 赵勇明; 李奎龙; 孙玉润; 曾徐路; 杨辉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103123923B

Abstract

本发明公开了一种激光光伏电池，包括隔离槽，该隔离槽将所述的光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，所述的隔离槽的内壁表面上依次形成有聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层。本发明还公开了一种激光光伏电池的制作方法。本发明有效地解决了半绝缘衬底光照下导致的漏电问题，制作的光伏电池具有并联电阻高、漏电小和转换效率高的优点。

Description

一种激光光伏电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种激光光伏电池，尤其涉及一种基于新型隔离填充工艺的GaAs激光光伏电池及其制作方法。

背景技术

激光供能系统是一个创新的能量传递系统，凭借这个系统，将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上，可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳能电池类似，只是可以获得更高的转换效率，更大的输出电压，能传递更多的能量，光源采用适合光纤传输的790 nm - 850 nm波长的激光。

GaAs PN结电池可以用于将808 nm的激光能量转换为电能，用作激光供能系统中的激光电池，但是GaAs电池的开路电压只有为1 V，不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将GaAs PN结电池生长在半绝缘GaAs衬底上，通过刻蚀隔离沟槽的方式将单位面积的电池芯片进行隔离，再通过引线的方式将几个单结电池单元串联得到高电压输出。由于半绝缘GaAs衬底在光照下电阻明显变小，在光电池工作时的并联电导显著增加，即光电池PN结漏电严重，这使得I-V曲线变形，最终导致光伏电池的填充因子减小和转换效率急剧降低。

有鉴于此，有必要提供一种新型的激光光伏电池。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种激光光伏电池及其制作方法，其可有效增大激光光伏电池的并联电阻，增加其转换效率，从而获得高效激光光伏电池。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种激光光伏电池，包括隔离槽，该隔离槽将所述的光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，所述的隔离槽的内壁表面上依次形成有聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层，所述的光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上的P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述的隔离槽分别贯穿所述N型接触层、N型窗口层、P/N结电池和P型导电层。

作为本发明的进一步改进，所述的光伏电池还包括位于所述P型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

作为本发明的进一步改进，所述势垒层为P型的AlGaAs((Al)GaInP)。

作为本发明的进一步改进，所述的P/N结电池包括依次形成于所述势垒层上的P型吸收层和N型吸收层。

作为本发明的进一步改进，所述的半绝缘衬底、P型导电层、以及N型接触层的材料均为GaAs，所述P/N结电池为GaAs电池，所述N型窗口层的材料为Al_xGa_1-xAs(x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

作为本发明的进一步改进，所述介质膜层的材质为SiN 或SiO₂。

作为本发明的进一步改进，所述聚酰亚胺层的表面被所述的介质膜层完全覆盖，所述的金属遮光层与所述的接触层之间绝缘。

本申请还公开了一种激光光伏电池的制作方法，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长P型导电层；

（2）在上述P型导电层上生长势垒层；

（3）在上述势垒层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结电池；

（4）在上述P/N结电池上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

（6）依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、势垒层、P型导电层直至露出半绝缘衬底或部分刻蚀半绝缘衬底以形成隔离槽；

（7）在隔离槽中依次采用聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层形成的三层结构对隔离槽底部及其侧壁进行覆盖；

（8）制备正电极、负电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

作为本发明的进一步改进，所述导电层为P型掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的GaAs导电层；所述势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层；所述N型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3以上的窗口层；所述N型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸cm^-3以上的GaAs接触层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（8）中，依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层，直至露出P型导电层以形成正电极窗口，而后再经该正电极窗口于P型导电层上制备正电极，在N型接触层上制备负电极。

优选的，正电极、负电极是通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射分别在P型导电层和N型接触层上沉积一层或多层金属并退火形成欧姆接触而制成的。正、负电极通过金属压焊或蒸镀金属的方式实现光伏电池中各单元电池的串联。

优选的，减反射层是通过化学气相淀积技术或镀膜机制备的ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂减反射膜。

作为一种可选用的实施方式,该光伏电池中的各层是采用MOCVD或MBE方法生长形成的，其中MOCVD的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；MBE的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

优选的，所述步骤（7）中，是首先采用聚酰亚胺层对隔离沟槽进行填充，使隔离沟槽底部及侧壁被填充平坦化，解决陡峭台面问题，且覆盖隔离槽边缘部分电池接触层的表面；采用SiN层对隔离沟槽底部及其侧壁处的聚酰亚胺层进行覆盖，且SiN层的面积大于聚酰亚胺层的面积；采用金属遮光层Au对隔离沟槽处的SiN层进行覆盖，金属遮光层的面积小于SiN层的面积，且不与接触层连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 本发明设计的激光光伏电池通过几个电池单元的串联可产生高达数伏的输出电压。

2、通过对隔离槽旋涂聚酰亚胺层能很好的覆盖隔离槽，介质膜能够解决因聚酰亚胺层加热固化后产生的缝隙问题，重新填充，金属膜能够起到遮光的作用，通过此方法可以很好的解决衬底漏电的问题，提高电池的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中激光光伏电池基体09的剖面图；

图2所示为本发明具体实施例中激光光伏电池隔离槽的剖面图；

图3所示为本发明具体实施例中隔离槽涂覆有聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层的激光光伏电池的剖面图；

图4所示为本发明具体实施例中激光光伏电池的剖面图；

图5所示为本发明具体实施例中激光光伏电池的俯视图。

具体实施方式

考虑到现有技术中的诸多不足，如何提高并联电阻、减小串联电阻、增加激光电池的转换效率，并解决相应的生产技术具有重大意义。

为解决上述问题，我们提出采用聚酰亚胺层、介质膜SiN层和金属遮光层Au的三层结构进行隔离，降低电池PN结的并联电导，从而提高光伏电池的转换效率。

具体地，本发明实施例公开了一种激光光伏电池，包括隔离槽，该隔离槽将所述的光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，所述的隔离槽的内壁表面上依次形成有聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层，所述的光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上的P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述的隔离槽分别贯穿所述N型接触层、N型窗口层、P/N结电池和P型导电层。

聚酰亚胺为耐高温耐腐蚀的高分子材料，主要作用为以液体形式旋涂，能很好的覆盖；介质膜层为SiO₂或SiN等，作用为因聚酰亚胺需液态旋涂后进行加热固化，固化的过程中可能导致裂缝，裂缝的地方如果直接覆盖金属会导致漏电，所以应用介质膜覆盖；金属遮光层选用Au，Ag，Al等只要能实现遮光的金属就可以，因为聚酰亚胺和介质膜不能够完全遮光，所以应用金属遮光。

本发明实施例还公开了一种激光光伏电池的制作方法，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长P型导电层；

（2）在上述P型导电层上生长势垒层；

（4）在上述P/N结电池上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

上述的激光光伏电池以半绝缘作为基底，电池外延片上加工形成的隔离槽中依次采用聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层形成的三层结构对隔离槽底部及其侧壁进行覆盖，实现几个单元电池的串联连接，实现每个电池元件有几伏的输出电压，新的隔离槽填充工艺有效地避免了衬底漏电的产生，从而获得了高效的激光电池。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图5所示，激光光伏电池的制作工艺包括下列步骤：

一、应用MOCVD方法生长基于新型隔离填充工艺的GaAs激光光伏电池。

1、采用半绝缘GaAs衬底01，厚度在200至500微米左右，作为衬底同质生长GaAs材料；

2、进入MOCVD或MBE生长室，先生长一层1000 nm-5000 nm的P型GaAs导电层02，掺杂浓度高达1×10¹⁸-1×10¹⁹cm^-3；

3、在导电层02上生长掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层03，并作为GaAs电池的背场层；

4、在势垒层03上生长2500-3500 nm的P型掺杂浓度为1×10¹⁷-4×10¹⁸cm^-3的GaAs吸收层04，作为GaAs太阳能电池的基区；再生长100-600 nm的N型的掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁸cm^-3的GaAs吸收层05，作为GaAs太阳能电池的发射区，形成一个PN结电池08；

5、在PN结电池08上生长1000-3000 nm的掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的N型的Al_xGa_1-xAs(x30.2)或Ga_0.51In_0.49P窗口层06；

6、在窗口层06上生长100-300 nm的掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的N型的GaAs 接触层07，用来做欧姆接触，至此制得光伏电池基体。

二、应用标准工艺制备激光光伏电池

1、在光伏电池外延片上通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀N型接触层07、N型窗口层06、P/N结电池08、P型势垒层03、P型导电层02、直至半绝缘GaAs衬底01，形成隔离槽10（参图2所示）；

2、参图3所示，电池外延片上加工形成的隔离槽中采用旋涂方式制备聚酰亚胺层11覆盖于隔离槽底部及其侧壁，且覆盖隔离槽边缘部分电池接触层的表面。

3、通过PECVD或其他蒸镀设备在覆盖隔离槽上的聚酰亚胺层上蒸镀200-1000nm的介质膜SiN层12，介质膜SiN层12的面积略大于聚酰亚胺层11的面积。

4、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式在介质膜SiN层12上制备100-600nm的金属遮光层Au层13，金属遮光层13的面积小于SiN层12的面积，且不与电池接触层连接。

5、参图4所示（图4中未示聚酰亚胺层、介质膜SiN层和金属遮光层），通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀N型接触层07、N型窗口层06、P/N结08、P型势垒层03、直至P型GaAs导电层02，形成正电极窗口；

6、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式在接触层07上制备AuGe/Ni/Au＝35/10/100 nm，Ag =1 μm和Au= 100 nm金属材料的负电极14形成欧姆接触；

7、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式在正电极窗口的P型GaAs导电层02上制备Pd/Zn/Pd/Au＝5/10/20/200 nm，Ag =1 μm和Au= 100 nm金属材料的正电极15形成欧姆接触；；

8、通过湿法刻蚀将除金属电极下面以外的接触层07去除；

9、通过化学气相淀积技术或镀膜机制备减反射层16，应用ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂等减反射材料，如图4；

10、制备电极引线17，实现电池串联，如图5。

本发明的激光电池通过几个电池单元串联以获得所需的输出电压，其中GaAs电池的开路电压约为1 V，这样每个电池元件有几个单元串联就有约几伏的输出电压(如6 V)。激光电池生长在半绝缘GaAs衬底上以便在随后的电池加工工艺中实现每个单元之间电学隔离，然后将一个电池的正极与另一个电池的负极相连而制作几个单元的串联连接。激光电池主要生长在半绝缘衬底上，但是半绝缘衬底在光照下的电阻变小会导致电池单元的并联电阻减低，即表现为PN结漏电。通过对隔离槽旋涂聚酰亚胺层能很好的覆盖隔离槽，介质膜能够解决因聚酰亚胺层加热固化后产生的缝隙问题，重新填充，金属膜能够起到遮光的作用，通过此方法可以很好的解决衬底漏电的问题，提高电池的性能。

易于想到的是，在其他实施例中，激光光伏电池也可通过隔离槽分隔成任意数量的电池单元，比如通过一道隔离槽形成2个电池单元，2道交叉的隔离槽形成4个电池单元等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种激光光伏电池，包括隔离槽，该隔离槽将所述的光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，其特征在于：所述的隔离槽的内壁表面上依次形成有聚酰亚胺层、介质膜层和金属遮光层，所述的光伏电池包括依次形成于半绝缘衬底上的P型导电层、P/N结电池、N型窗口层和N型接触层，所述的隔离槽分别贯穿所述N型接触层、N型窗口层、P/N结电池和P型导电层。

2.根据权利要求1所述的激光光伏电池，其特征在于：所述的光伏电池还包括位于所述P型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

3.根据权利要求2所述的激光光伏电池，其特征在于：所述势垒层为P型的AlGaAs((Al)GaInP)。

4.根据权利要求2所述的激光光伏电池，其特征在于：所述的P/N结电池包括依次形成于所述势垒层上的P型吸收层和N型吸收层。

5.根据权利2至4任一所述的激光光伏电池，其特征在于：所述的半绝缘衬底、P型导电层、以及N型接触层的材料均为GaAs，所述P/N结电池为GaAs电池，所述N型窗口层的材料为Al_xGa_1-xAs(x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

6.根据权利要求1所述的激光光伏电池，其特征在于：所述介质膜层的材质为SiN 或SiO₂。

7.根据权利要求1所述的激光光伏电池，其特征在于：所述聚酰亚胺层的表面被所述的介质膜层完全覆盖，所述的金属遮光层与所述的接触层之间绝缘。

8.权利要求1至7任一所述的激光光伏电池的制作方法，其特征在于，包括：

（1）在半绝缘衬底上生长P型导电层；

（2）在上述P型导电层上生长势垒层；

（4）在上述P/N结电池上生长N型窗口层；

（5）在上述N型窗口层上生长N型接触层用作欧姆接触；

9.根据权利要求8所述的激光光伏电池的制作方法，其特征在于：所述导电层为P型掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的GaAs导电层；所述势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的P型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层；所述N型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3以上的窗口层；所述N型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸cm^-3以上的GaAs接触层。

10.根据权利要求8所述的激光光伏电池的制作方法，其特征在于：所述步骤（8）中，依次刻蚀N型接触层、N型窗口层、P/N结电池、P型势垒层，直至露出P型导电层以形成正电极窗口，而后再经该正电极窗口于P型导电层上制备正电极，在N型接触层上制备负电极。