CN103367465B - 一种有金属反射镜的多结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有金属反射镜的多结太阳能电池及其制备方法。本发明在多结太阳能电池结构上制作局部接触的欧姆接触电流通道，将其它区域的第二帽子层去掉，依次制备透明导电介质材料和蒸镀金属反射镜、阻挡金属层和键合金属。采用键合技术，将外延片键合到第二衬底上，去除第一衬底后的外延片进行电极蒸镀，光刻电极图形，同时去掉多余的第二帽子层后进行合金，然后蒸镀减反射膜，光刻出电极图形，最后蒸镀背面金属，进行合金。本发明在键合的过程中，制备了金属反射镜，将对光吸收严重的帽子层去掉，多余的光会反射回电池，提高光利用率，提高电池效率。
Description
技术领域
本发明涉及到太阳能利用的光伏发电设备，尤其涉及一种具有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，属于太阳能光伏技术领域。
背景技术
伴随着日益引发人们重视的能源危机，可再生能源的利用成为人们关注和研究的焦点。基于此发展起来的光伏技术，越来越多的应用到人们的日常生活中，并加入到与石油发电的竞争中。近几年随着MOCVD技术的发展，III-V族太阳能电池，如GaAs、GaInP及其多结太阳能电池已经取代传统的Si太阳能电池应用到空间飞行器能源系统，而且技术越来越成熟，成本越来越低，电池效率不断提升。
虽然III-V族太阳能电池取得了巨大进步，但是其产生的电能相比于全世界能源的消耗依然是微不足道的。目前，电池效率的提高成为人们研究的焦点。提高电池效率的一种方法是串联生长多结太阳能电池，每节电池利用不同光谱的太阳光，通过调整电流匹配提高光谱利用率，从而提高电池效率。
中国专利文件CN102339874A提供一种降低串联电阻损失的太阳能电池结构，包括透明导电膜覆盖于减反膜表面；制备方法包括硅片绒面制备、硅片掺杂形成P-N、背结刻蚀、正背面减反膜制备、背面电极电场制备、正背面电极制备和电池金属化形成，在正背面减反膜制备之后还增加采用磁控溅射法的正面透明导电膜制备。本发明通过透明导电膜使电池正表面电池栅线连成一个整体，改善因正表面电池栅线的间断、虚印刷引起的电阻、电流损失，有效增加电池的光吸收。该技术方案的透明导电膜和电极删线不接触，透明导电膜主要起到一个隔离作用。
由于太阳光是由不同波长的光组成，不同波长具有不同的光子能量，只有光子能量大于单结电池材料的带隙，才能被吸收继而发电，如果光子能量小于单结电池材料的带隙是会透过材料的。对于多结串联的太阳能电池，因每节电池厚度不是无限厚，因此不可能吸收所有的光子能量大于单结电池带隙的太阳光，依然会有一部分太阳光透过电池，因此可以选用多结太阳能电池串联，同时提高多余太阳光的重复利用提高电池效率。中国专利文件CN101656275A公开了一种倒装型多结化合物太阳电池芯片的制备方法，本申请引用该专利文件全文作为背景技术，其步骤包括：在外延片衬底上先外延顶电池，再外延中电池，最后外延底电池；在转移衬底的表面蒸镀制备有高反射率的金属电极，金属电极的表面涂覆网格状荧光粉层，用于将大于1.2微米部分太阳光谱转变成短波长的太阳电池光谱灵敏度较高的光谱；在转移衬底表面和太阳电池的底电池表面制备用于键合的网格状厚金属电极；把转移衬底的表面和多结化合物太阳电池的底电池的表面键合在一起，荧光粉层的表面同样和多结化合物太阳电池的底电池表面紧密接触，把多结化合物太阳电池外延片衬底去除。该专利文件通过涂覆荧光粉的方法将波长进行转化，增大光谱的利用率，提高电池效率的方法，该方法将太阳光波长能量进行转换后利用，操作难度较大。
发明内容
本发明针对太阳能电池光吸收损失的缺陷，提出一种有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法。
发明概述：本发明在多结太阳能电池结构上制作局部接触的欧姆接触电流通道，将其它区域的用于制作欧姆接触的第二帽子层去掉，依次制备透明导电介质和蒸镀金属反射镜、阻挡金属层和键合金属。采用键合技术，将外延片键合到第二衬底上，然后将第一衬底移除。将移除第一衬底后的外延片进行电极蒸镀，光刻电极图形，同时去掉多余的第二帽子层后进行合金，然后蒸镀减反射膜，光刻出电极图形，最后蒸镀背面金属，进行合金。
本发明的技术方案如下：
一种有金属反射镜的多结太阳能电池，其结构包括顶电池、0～5个中电池、底电池，所述顶电池、中电池和底电池各以隧穿结连接，顶电池上中部为电极，电极四周有减反膜；其特征在于，在底电池下方有电流通道，电流通道占电池面积的5％-20％，在底电池下方有反射镜，反射镜上面是透明介质，反射镜下面是阻挡层，阻挡层上是键合金属层，键合金属层下面是衬底，衬底背面蒸镀有金属。
根据本发明，所述的电流通道的形状为矩形、圆形或回型，有利于电池产生电流的收集。
根据本发明，所述的反射镜为反射率较高的金属材料层，选自Au、Ag或Al金属。反优选射镜厚度为500-1500埃。
根据本发明，所述的透明介质材料，选自氧化铟锡(ITO)或者二氧化硅(SiO2)。透明介质用于透光和隔离反射镜和底电池，避免与GaAs电池半导体材料接触，防止反射镜污染，减少金属的反射率损失。因制备有电流通道，所以透明介质可以选择导电材料，也可以选择不导电材料。这样的结构单元，可以将多余太阳光反射回电池，提高电池的效率。优选透明介质厚度为500-3000埃。
根据本发明，所述的阻挡层为Pt、Ti、Ni或W金属层。在反射镜下方制作阻挡层，可防止键合金属对反射镜的污染。优选阻挡层厚度100-500埃。
根据本发明，所述的键合衬底为Si片。
根据本发明，所述的减反射膜采用SiO2和TiO2交替排列，厚度400-1000埃。所述的电极为GeAu。衬底背面蒸镀的金属为TiAu。均按现有技术制作。
当中电池为0个时，称为双结太阳能电池；当中电池为1个时，称为三结太阳能电池；当中电池为2～5个时，分别称为四结、五结、六结、七结太阳能电池。若干个中电池之间以隧穿结连接，统称为中电池。顶电池、中电池和底电池的材料按III-V族太阳能电池现有技术。
根据本发明，一种有金属反射镜的多结太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：
(1)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长多结太阳能电池外延片，按现有技术在第一衬底上依次生长缓冲层、腐蚀阻挡层、第一帽子层、顶电池、中电池、底电池、第二帽子层，顶电池、中电池和底电池各以隧穿结连接；顶电池的带隙大于中电池的带隙，中电池的带隙大于底电池的带隙。如图1。
(2)在第二帽子层上蒸镀欧姆接触金属层，如图3所示；
(3)光刻在步骤(2)的欧姆接触金属层，制作光刻电流通道图形，腐蚀出电流通道图形后，用湿法腐蚀去除电流通道图形以外的第二帽子层；如图4所示；然后进行合金。优选合金温度为200-500℃，合金时间为3-10min。
(4)在光刻后欧姆接触金属层上蒸镀透明介质层，覆盖欧姆接触金属层；如图5所示。
(5)在步骤(4)的透明介质层上，蒸镀反射镜，反射镜采用反射率较高的金属材料Au、Ag或Al；如图6所示。
(6)在反射镜层上蒸镀阻挡层金属，然后蒸镀键合金属层，如图7所示。
(7)将步骤(6)得到的外延片，键合到蒸镀有键合层金属且已合金的第二衬底上。优选键合温度为200-400℃，压力为1000kg-2000kg，时间为30min。形成倒装结构。
(8)采用湿法腐蚀去除第一衬底和缓冲层，同时采用湿法腐蚀去掉腐蚀阻挡层。
(9)在步骤(8)中腐蚀出的新界面上蒸镀金属，光刻形成电极图形，同时采用湿法腐蚀方法去除第一帽子层。
(10)对步骤(9)中光刻完毕的电极图形进行合金；优选合金温度为300-500℃，合金时间为10-20min。
(11)在去除第一帽子层后的新界面上蒸镀减反射膜。
(12)光刻腐蚀去除电极上的减反射膜，光刻出电极。
(13)蒸镀第二衬底背面金属，进行合金。
(14)按现有技术切割、封装，制作太阳能电池。
根据本发明上述的方法，优选如下：
步骤(2)中的欧姆接触金属层为GeAu或者NiAu。
步骤(3)中欧姆接触层的光刻图形可以为矩形、圆形、回形等图形，电流通道面积为电池横面积的5％-20％。
步骤(4)中透明导电层选择氧化铟锡(ITO)或选用SiO2介质。厚度为500-3000埃。
步骤(5)中的反射镜为Ag，厚度为500-1500埃。
步骤(6)中的阻挡层金属为Pt、Ti、Ni或W，阻挡层厚度100-500埃；金属电极材料为GeAu。
步骤(11)中反射膜采用SiO2和TiO2交替排列，厚度400-1000埃。
步骤(13)中第二衬底背面金属为TiAu；厚度为3000-5000埃。
根据本发明上述的方法，最优选第二衬底为Si片，第一衬底为GaAs衬底。
本发明上述技术方案中未做详细说明和限定的，均参照III-V族太阳能电池的现有技术。
本发明的技术特点是，制作以透明导电层(氧化铟锡)隔离的金属反射镜，可以将透过的未被电池完全利用的太阳光反射回电池，将可利用部分提供给电池利用，提高电池的光利用率，提高电池效率。本发明生长倒装太阳能电池外延片，制备的电池结构包括制备电流通道、透明导电介质、反射镜、阻挡层和键合金属。本发明中提出的金属反射镜结构，用透明介质隔离反射镜和电池的半导体材料，避免因为电池半导体材料污染反射镜导致反射镜反射率降低，同时不影响光的通过。本发明中阻挡层用于保护反射镜，避免因为金属扩散导致金属融合，污染反射镜，影响金属反射镜的反射效果。
本发明是直接利用高反射率的的金属反射镜，在制备工艺过程中直接加入反射镜，增大太阳光的利用，具有可实施性强、操作简单、实用的优点。金属反射镜用于提高光的利用率，从而提高电池效率的方法。
附图说明
图1是三结太阳能电池片外延结构。其结构包括第一衬底，顶电池，中电池，底电池，腐蚀阻挡层，第一帽子层和第二帽子层。
图2是具有金属反射镜的三结太阳能电池产品结构。
图3是在图1结构基础上第二帽子层上蒸镀欧姆接触层示意图。1为欧姆接触层。
图4是在图3结构基础上光刻欧姆接触层形成电流通道示意图。2为电流通道。
图5是在图4结构基础上蒸镀透明介质示意图。3为透明介质。
图6是在图5结构基础上透明介质上蒸镀反射镜示意图。4为反射镜。
图7是在图5结构基础反射镜上蒸镀阻挡层和键合层示意图。5为阻挡层，6为键合层。
图8是双结太阳能电池外延结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例中使用的材料及设备均为现有技术。下面分别以GaInP/GaAs/InGaNAs三结太阳能电池和GaInP/GaAs双结太阳能电池为例进行说明。
实施例1、有金属反射镜的GaInP/GaAs/InGaNAs三结太阳能电池的制作方法，步骤如下：
(1)采用MOCVD法生长三结太阳能电池外延片，外延片结构如图1所示，在第一衬底GaAs上生长顶电池GaInP，中电池GaAs，底电池InGaNAs；顶电池的带隙大于中电池的带隙，中电池的带隙大于底电池的带隙。
(2)在步骤(1)生长的外延片上，清洗太阳能电池外延片，去除表面有机物和污物，在第二帽子层表面蒸镀欧姆接触NiAu金属层，NiAu厚度为1500埃。
(3)在步骤(2)的基础上光刻电流通道图形，图形为边框矩形图形，电流通道面积为电池面积10％左右，腐蚀出电流通道图形后，腐蚀液用双氧水∶氨水∶水＝5∶1∶5溶液，30s去除多余的第二帽子层，然后进行合金，合金温度为300℃，合金时间为8min。
(4)在步骤(3)操作完毕后，在顶电池层上，蒸镀二氧化硅(SiO2)透明介质层，二氧化硅厚度为1500埃。
(5)在步骤(4)的基础上，腐蚀SiO2，露出电流通道的区域，然后在SiO2层上蒸镀反射镜，反射镜采用反射率较高的Al金属材料，厚度为1000埃。
(6)在金属反射镜上蒸镀阻挡层金属Ti，厚度400埃，然后蒸镀Au键合金属层，厚度1.5微米。
(7)将步骤(6)操作完毕的外延片，键合到已经蒸镀好键合层金属，并进行合金的第二衬底Si片上。键合温度为250℃，压力为1500kg，时间为30min。
(8)采用湿法腐蚀去掉第一衬底，同时腐蚀掉腐蚀阻挡层，腐蚀液采用双氧水∶氨水∶水＝3∶1∶5，腐蚀时间20min。
(9)在(8)中腐蚀出的新界面蒸镀金属GeAu，厚度0.7微米，光刻形成电极图形，同时去除多余的第一帽子层。
(10)进行金属合金，合金温度为300℃，合金时间为10min。
(11)蒸镀减反射膜，减反射膜采用SiO2和TiO2交替排列，厚度500埃。
(12)光刻腐蚀去掉电极上方的减反射膜，光刻出电极。
(13)蒸镀第二衬底背面金属TiAu，厚度3000埃。
(14)切割、封装等工艺，制作太阳能电池。
本发明制作的有金属反射镜的双结太阳能电池的光利用率可提高约1.5％。
实施例2、一种有金属反射镜的双结GaInP/GaAs太阳能电池制作方法，步骤如下：
(1)采用MOCVD法生长双结太阳能电池外延片，外延片结构如图4所示，在第一衬底GaAs上先生长顶电池GaInP，然后生长底电池GaAs；顶电池的带隙大于底电池的带隙。
(2)清洗步骤(1)的太阳能电池外延片，去除表面有机物和污物，在第二帽子层表面蒸镀欧姆接触GeAu金属层，厚度3000埃。
(3)在步骤(2)的基础上光刻电流通道图形，图形为回形图形，电流通道面积为电池面积的5％-20％，腐蚀出电流通道图形后，腐蚀液用双氧水∶氨水∶水＝5∶1∶5溶液，30s去除多余的第二帽子层，然后进行合金，合金温度为400℃，合金时间为6min。
(4)在步骤(3)操作完毕后，在顶电池层上蒸镀透明介质层氧化铟锡(ITO)，氧化铟锡厚度为3000埃。
(5)在步骤(4)的氧化铟锡上蒸镀反射镜，反射镜采用反射率较高的Ag金属材料，厚度300-1000埃。
(6)在金属反射镜上蒸镀阻挡层金属Pt，厚度200埃，然后蒸镀In键合金属层；厚度2微米；
(7)将步骤(6)的外延片，键合到已经蒸镀好键合层金属，并进行合金的第二衬底Si片上。键合温度为200℃，压力为1000kg，时间为30min。
(8)采用湿法腐蚀去掉第一衬底，同时腐蚀掉腐蚀阻挡层，腐蚀液采用双氧水∶氨水∶水＝3∶1∶5，腐蚀时间20min。
(9)在(8)中腐蚀出的新界面蒸镀GeAu，厚度0.7微米，，光刻形成电极图形，同时去除多余的第一帽子层。
(10)进行金属合金，合金温度为300℃，合金时间为10min。
(11)蒸镀减反射膜，减反射膜采用SiO2和TiO2交替排列，厚度500埃。
(12)光刻腐蚀去掉电极上方的减反射膜，光刻出电极。
(13)蒸镀第二衬底背面金属TiAu，厚度3000埃。
(14)按现有技术切割、封装等工艺，制作太阳能电池。
本发明制作的有金属反射镜的双结太阳能电池的光利用率可提高约2％。
Claims (9)
1.一种有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，所述多结太阳能电池结构包括顶电池、0～5个中电池、底电池，所述顶电池、中电池和底电池各以隧穿结连接，顶电池上中部为电极，电极四周有减反膜；在底电池下方有电流通道，电流通道占电池面积的5%-20%，在底电池下方有反射镜，反射镜上面是透明介质，反射镜下面是阻挡层，阻挡层上是键合金属层，键合金属层下面是衬底，衬底背面蒸镀有金属；制备步骤包括：
（1）采用金属有机化学气相沉积法生长多结太阳能电池外延片，按现有技术在第一衬底上依次生长缓冲层、腐蚀阻挡层、第一帽子层、顶电池、中电池、底电池、第二帽子层，顶电池、中电池和底电池各以隧穿结连接；
（2）在第二帽子层上蒸镀欧姆接触金属层；
（3）光刻在步骤（2）的欧姆接触金属层，制作光刻电流通道图形，腐蚀出电流通道图形后，用湿法腐蚀去除电流通道图形以外的第二帽子层；
（4）在光刻后欧姆接触金属层上蒸镀透明介质层，覆盖欧姆接触金属层；
（5）在步骤（4）的透明介质层上，蒸镀反射镜，反射镜采用金属材料Au、Ag或Al；
（6）在反射镜层上蒸镀阻挡层金属，然后蒸镀键合金属层；
（7）将步骤（6）得到的外延片，键合到蒸镀有键合层金属且已合金的第二衬底上，形成倒装结构；
（8）采用湿法腐蚀法腐蚀去除第一衬底和缓冲层，同时采用湿法腐蚀去掉腐蚀阻挡层；
（9）在步骤（8）中腐蚀出的新界面上蒸镀金属，光刻形成电极图形，同时采用湿法腐蚀方法去除第一帽子层；
（10）对步骤（9）中光刻完毕的电极图形进行合金；
（11）在去除第一帽子层后的新界面上蒸镀减反射膜；
（12）光刻腐蚀去除电极上的减反射膜，光刻出电极；
（13）蒸镀第二衬底背面金属，进行合金；
（14）按现有技术切割、封装，制作太阳能电池。
2.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的电流通道的形状为矩形、圆形或回型。
3.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的金属反射镜为Au、Ag或Al金属；厚度为500-1500埃。
4.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的透明介质材料选自氧化铟锡或者二氧化硅；厚度为500-3000埃。
5.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的阻挡层为Pt、Ti、Ni或W金属层；厚度为100-500埃。
6.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（2）中的欧姆接触金属层为GeAu或者NiAu。
7.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（5）中的反射镜为Ag，步骤（6）中金属电极材料为GeAu。
8.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（11）中反射膜采用SiO2和TiO2交替排列，厚度400-1000埃。
9.如权利要求1所述的有金属反射镜的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤（7）中第二衬底为硅；步骤（13）第二衬底蒸镀的背面金属为TiAu，厚度为3000-5000埃。
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