CN103594539B - 一种柔性多结GaAs太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性多结GaAs太阳电池及其制备方法，属于半导体材料技术领域，先分别准备柔性衬底和同样键合金属的由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延结构，并在顶电池外侧制作第一电池衬底；然后在电池外延结构的底电池背部，依次通过蒸镀Ti、Pt和Au层，将电池外延结构与布满整个聚酰亚胺涂层外表面的金属层键合；再在键合后的金属层表面沉积Si3N4，再采用碱性腐蚀液去除电池外延结构上的第一电池衬底；在电池外延结构的顶电池上完成两个上电极和减反射膜的制作；最后将制成的芯片采用光刻胶在第二衬底上粘结Si片，然后再以碱性腐蚀液去除第二衬底。制成器件整体为柔性的，可以在不同形状的表面进行应用，不易破碎。

Description

一种柔性多结GaAs太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效多结太阳能电池制备技术，属于半导体材料技术领域。
背景技术
太阳能电池作为一种清洁能源，在国防和民用方面有巨大应用前景。随着世界航天工业的发展，高效率化合物半导体太阳能电池，广泛受到学术界和产业界的重视。
目前主流的空间用太阳电池，均采用Ge或者GaAs作为衬底材料，具有一定厚度的衬底（150μm左右）具有重量大，不可弯曲，易破碎等缺点，而且这种刚性的衬底更多的起到机械支撑的作用，必须成为独立的组件而并不能为飞行器提供动力。在火箭的运载能力一定的情况下，电源组件占有的空间越大，质量越大，就越会增加火箭额外的负担。并且刚性的衬底具有易破碎的缺点，增大了整个组件乃至整个供电系统的不稳定性。
芯片工艺采用wafer-bonding工艺，将电池倒过来bonding在Si片上，最后腐蚀掉衬底。这些工艺最后并不能减少原来衬底的固有缺点。而在一定程度上增加了上述不利因素，因为作为转移衬底的Si片，厚度往往会比原来的Ge或者GaAs衬底更厚，所以重量会反而会增大。并且Si片作为转移衬底，也是刚性的材料。而一些柔性的衬底材料，往往是绝缘体，所以正负电极只能制作在同侧，在吸光面电极增多，影响了太阳电池的光吸收，降低了太阳电池的转换效率。
发明内容
针对现有技术上的缺陷，本发明目的是提供一种可弯曲、不易破碎的柔性多结GaAs太阳电池。
本发明包括柔性衬底、上电极、下电极和由底电池、中电池、顶电池构成的电池外延结构，所述柔性衬底设置在电池外延结构的底电池背面，所述下电极设置在柔性衬底的另一面，在电池外延结构的顶电池上面设置两个上电极，在所述两个上电极之间设置减反射膜。
本发明具有一定的柔韧性，能够更好的节省空间。使用一种方法，在柔性衬底上制作出图形，并且通过金属使整个电池结构上下导通，在保持柔性的基础上可以直接应用于目前成熟的封装技术，并且适用于不同形状的组件。制成器件后，整个器件是柔性可弯曲的。可以适应不同形状的表面。与器件一起，成为一个整体，大大节省了整个系统的空间。
本发明另一目的是提出以上柔性多结GaAs太阳电池的一种生产方法。
本发明生产方法包括以下步骤：
1）准备柔性衬底：
先在第二衬底N性GaAs上采用旋涂方法涂覆聚酰亚胺层；
然后在聚酰亚胺层上面涂覆光刻胶，再将半制品曝光、显影、冲水后，用KOH水溶液对聚酰亚胺层进行腐蚀，以在聚酰亚胺涂层上面制作出了图形通孔；
再将在聚酰亚胺涂层上面制作出了图形通孔的制品经120℃～230℃固化后降温，取得形状态稳定的、具有图形通孔的柔性衬底；
在形状态稳定的、具有图形通孔的柔性衬底上面，采用电子束蒸镀方法填充入金属层，使金属布满整个聚酰亚胺涂层外表面；
2）准备同样键合金属的由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延结构，并在顶电池外侧制作第一电池衬底；
3）在电池外延结构的底电池背部，依次通过蒸镀Ti、Pt和Au层，将电池外延结构与布满整个聚酰亚胺涂层外表面的金属层键合；
4）在键合后的金属层表面采用PECVD方法沉积Si3N4，再采用碱性腐蚀液去除电池外延结构上的第一电池衬底；
5）在电池外延结构的顶电池上完成两个上电极和减反射膜的制作，取得芯片；
6）将制成的芯片采用光刻胶在第二衬底上粘结Si片，然后再以碱性腐蚀液去除第二衬底。
本发明利用两种具有不同粘度液态的聚酰亚胺，采用不同的速度旋涂，利用不同种类聚酰亚胺具有不同粘度的特性，涂覆一定厚度的聚酰亚胺层。固化后得到一种状态稳定的柔性衬底代替了原有的不可弯曲的衬底；这种柔性的衬底，既有一定的机械强度，又有一定的柔性。即能起到支撑的作用，又可以使整个器件不容易破碎。柔性衬底在旋涂后，通过光刻掩膜，等离子体去胶，碱性溶液腐蚀的技术，在一定厚度的柔性衬底上面，制作出了有规律的图形通孔。此通孔可以在中间采用电子束蒸镀技术填充入金属，使整个电池结构成为上下导通的垂直结构。由于具有垂直通孔，可以采用上下电极结构。减少由于衬底为绝缘材料，导致电极只能制作在同侧，从而减少了电池有效吸光面积的缺点。本发明再利用金属键合技术，将蒸镀有金属键合层的太阳电池与具有柔性衬底的第二衬底键合在一起，最后形成设计需要的产品。
本发明工艺的优点：制成器件整体为柔性的，可以在不同形状的表面进行应用，并且具有一定的柔韧性，不易破碎。应用本发明工艺的器件，为上下垂直导电结构，节约了表面的有效吸光面积，有利于提高整体转换效率。聚酰亚胺再固化后，性能稳定，能够在相对恶劣条件下正常工作。
另外，本发明在步骤1）中，涂覆的聚酰亚胺层厚度为50～120μm。作为固化后的衬底，必须具有一定的厚度，才能抵抗外延结构本身的应力，不至于因为外延结构本的应力导致整个器件弯曲。另外又不能够太厚，太厚会影响工艺上的不稳定，比如在显影过程中，聚酰亚胺层太厚会导致通孔图形变形。经过实验验证，本发明采用50～120μm厚度是比较合适的。
在所述步骤1）中，先以5000转/min的速度将粘度为1800～2000cp的聚酰亚胺涂覆在第二衬底100层上面，形成基底膜，然后再以1000转/min的速度将粘度为5000～6000cp的聚酰亚胺涂覆在有基底膜的基板上。采用不同的速度旋涂，利用不同种类聚酰亚胺具有不同粘度的特性，涂覆一定厚度的聚酰亚胺层。
在所述步骤1）中，在聚酰亚胺层以5000转/min的速度涂覆光刻胶。因为转速过高会导致之前涂覆的聚酰亚胺出现不均匀的现象，聚酰亚胺本身粘度比较高，如果在转速较低的情况下，底膜厚度有可能不均匀，因为衬底表面有会有不可避免的缺陷，使用高转速匀胶，可以避免衬底缺陷的影响，而后使用更高粘度的聚酰亚胺增厚时，整个表面厚度会比较均匀。我们通过多次实验验证，5000转/min的转速是比较适合本工艺的。
针对光刻胶的厚胶工艺，加长了曝光的时间，使得光刻胶可以充分的进行曝光，
在显影方面，使用质量百分比为4%的KOH水溶液、在20～25℃环境温度下显影1min的显影。此时，KOH溶液将光刻胶上面的图形制作了出来。
然后进行冲水快排，经过一段时间的冲水，水分子将光刻胶图形内的KOH溶液分子置换出来，这样做得目的是防止KOH溶液对聚酰亚胺层的腐蚀，因为在这一步，含有光刻胶分子的KOH溶液对聚酰亚胺层腐蚀速率较快，会导致聚酰亚胺层图形被侧蚀的比较厉害。
再用质量百分比为的3%的KOH水溶液对聚酰亚胺层层进行腐蚀，由于减低了KOH溶液浓度，聚酰亚胺的图形得到了很好的控制，此时用丙酮将聚酰亚胺上面的光刻胶去除，这样，就在在一定厚度的聚酰亚胺涂层上面，制作出了有规律的图形通孔。
在所述步骤1）中，所述固化和降温是：先在温度为120℃的环境下烘烤1小时，然后将温度均匀地提升到150℃后，恒温再烘烤1小时，再将温度提升到230℃并保持一个小时后降温，降温的过程分为两个阶段，第一阶段，在一个小时内，将温度由230℃降低到150℃，第二阶段，用一个小时，将温度由150℃降低到初始的120℃。
这种分阶段降温的方法，可以有效的防止固化的聚酰亚胺薄膜脆化，开裂。能够形成一种状态稳定的柔性衬底即图形化的柔性衬底。
在所述步骤1）中，聚酰亚胺涂层表面进行电子束蒸镀方法的方法是：蒸镀第一层为AuGe，厚度为1800埃；蒸镀第二层为Au，厚度为1000埃；蒸镀第三层为Ti，厚度为200埃；蒸镀第四层为Au厚度约为15μm。
第一层的AuGe，是为了在合金时Ge元素能扩散到n型GaAs半导体半导体中，形成欧姆接触。而形成欧姆接触需要一定量的Ge，实验证明，具有1800埃厚度的AuGe层，与n型GaAs半导体有很好的欧姆接触，第二层Au与第四层Au为了是电极具有一定的厚度，更容易实现键合。中间的一层Ti作为阻挡层，因为Au是深能级杂质，很容易扩散，又由于本电极采用了大量的Au（处于稳定性考虑），所以有必要在Au与Au之间加一层阻挡层，防止过多的Au元素扩散到半导体中，进而导致整个器件的欧姆接触。但是作为阻挡层的Ti又不能太厚，那样会提高串联电阻，所以经过实验，选择1000埃这个厚度是比较合适的。
在所述步骤3）中，蒸镀的金属Ti的厚度为1000埃，蒸镀的金属Pt的厚度为1200埃，蒸镀的金属Au的厚度为6000埃。本步骤的金属Ti的作用是增加粘附性，防止电极分层，Pt作为扩散阻挡层，防止Au的扩散。最后一层Au是为了实现Au-Au之间的金属键合而蒸镀的。
在所述步骤3）中，所述碱性腐蚀液采用NH4OH与H2O2按体积比为1：5的比例混合制成。对于GaAs材料来说，NH4OH与H2O2混合液腐蚀是效果比较快的，但是由于该化学反应为放热反映，容易引起腐蚀过头的现象，为了有效控制反应进程，采取特定比例的混合溶液是十分有必要的，经过多次实验验证，1：5的比例具有很好的效果，故采用这个比例。
在所述步骤4）中，上电极材料采用AuGe/Au/Ag/Au制成，厚度分别为1500埃、1000埃、30000埃、和500埃；减反射膜为依次蒸镀厚度为500埃的TiO2和800埃的Al2O3的双层膜结构。
从整体来看，电极具有一定的厚度，可以提高光生电流的收集效率，使用Ag这种导电性非常优秀，性能稳定，成本有相对低廉的金属作为电极，是比较合适的。并且Au与Ag共融的情形非常显著，使得电极分层的可能性很小。左后一层Au是为了现有封装技术考虑的，因为在现有工艺条件下Au比较容易焊接。AuGe同样是为了形成欧姆接触蒸镀的，实验证明，对于本发明采用的外延结构，1500埃的AuGe就可以形成很好的欧姆接触。
单层的减反射膜只能对单一波长的光起到很好减反射效果，而本发明制作的太阳电池，具有很宽的吸收谱线，要在一定宽度的光谱做到整体反射降低，必须用双层膜或更多的膜层机构。本发采用500埃的TiO2和800埃的Al2O3的双层膜结构，能够在400nm到1000nm的光谱范围内提供很好减反射效果。
附图说明
图1是柔性多结GaAs太阳电池太阳能电池结构图。
图2是实施流程图。
图3是实际的柔性衬底通孔平面图。
图4有机聚合物——聚酰亚胺的固化曲线图。
具体实施方式
具体制作方法，如图2所示：
1、首先在第二衬底100（可作为第二衬底的材料：N性GaAs）上，利用旋涂技术，涂覆一层厚度为50～120μm的有机聚合物——聚酰亚胺作为柔性衬底200。
在旋涂时，采用独特的旋涂方式，先在基板上面，利用5000转/min高速旋转，先将低粘度的聚酰亚胺（1800～2000cp）涂覆在基板上面，形成一层均匀性较好的基底膜。然后降低转速到1000转/min，在基板旋转的情况下，将高粘度的聚酰亚胺（5000～6000cp）涂覆在有基底膜的基板上。形成具有厚度为50～120μm的聚酰亚胺层。
2、在旋涂后，利用光刻胶掩膜技术，在聚酰亚胺上面涂覆一层光刻胶，选择低转速匀胶，因为转速过高会导致之前涂覆的聚酰亚胺出现不均匀的现象。针对光刻胶的厚胶工艺，加长了曝光的时间，使得光刻胶可以充分的进行曝光，在显影方面，使用4%的KOH溶液进行显影，温度控制在20~25℃之间，经过1min的显影，KOH溶液将光刻胶上面的图形制作了出来，此时把带有光刻胶与聚酰亚胺的wafer进行冲水快排，经过一段时间的冲水，水分子将光刻胶图形内的KOH溶液分子置换出来，这样做得目的是防止KOH溶液对聚酰亚胺层的腐蚀，因为在这一步，含有光刻胶分子的KOH溶液对聚酰亚胺层腐蚀速率较快，会导致聚酰亚胺层图形被侧蚀的比较厉害。在冲水快排后，用3%KOH溶液，对聚酰亚胺层进行进一步的腐蚀，由于减低了KOH溶液浓度，聚酰亚胺的图形得到了很好的控制，此时用丙酮将聚酰亚胺上面的光刻胶去除，这样，就在在一定厚度的聚酰亚胺涂层上面，制作出了有规律的图形通孔，如图3所示。
3、如图4所示，将上步制成的制品在120℃～230℃环境温度下进行固化，然后降温。
固化时，在第一阶段，采用4小时的时间，在温度有120℃的环境下，烘烤一个小时，把聚酰亚胺中的水分充分的蒸发掉，然后在接下来的一个小时内，把温度由120℃均匀的提升到150℃，并且在150℃恒温一个小时，使不同粘度的聚酰亚胺融合在一起，在聚酰亚胺融合在一起后，利用1小时的时间，将温度提升到230℃并保持一个小时，让融合在一起的聚酰亚胺得到固化，此时开始降温。
降温的过程分为两个阶段，第一阶段，在一个小时内，将温度由230℃降低到150℃，第二阶段，同样利用一个小时，将温度由150℃降低到初始的120℃左右。这种分阶段降温的方法，可以有效的防止固化的聚酰亚胺薄膜脆化，开裂。能够形成一种状态稳定的柔性衬底即图形化的柔性衬底300。
在第二衬底100与图形化的柔性衬底300上面，采用电子束蒸镀技术填充入金属400，图形化的柔性衬底300上面整个金属分为三层，蒸镀第一层为AuGe厚度大约为1800埃，第二层为Au厚度为1000埃，第三层为Ti厚度为200埃，第四层为Au厚度约为15μm，这些金属布满整个图形衬底300表面（包括通孔内部表面），使整个电池结构成为上下导通的垂直结构，并且可以用来做金属键合。
4、准备同样键合金属的由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延结构，并在顶电池外侧制作第一电池衬底500（可作为第一电池衬底的材料：GaAs）。
5、将同样键合金属的带有外延结构600的太阳电池，蒸镀金属选择用Ti厚度1000埃、Pt1200埃、Au6000埃，与上述第二衬底100利用metalbonding技术键合在一起。再在上述第二衬底100上利用PECVD技术沉积一层2000埃的Si3N4作为保护，使用碱性腐蚀液去除掉（或者剥离）原来电池衬底500。
其中，腐蚀液采用NH4OH与H2O2按照体积比为1：5的比例配置。
6、利用第二衬底100的支撑作用，在去掉原电池衬底500的外延层上，完成两个上电极700与减反射膜制作等芯片工艺。
其中，正面电极材料采用AuGe/Au/Ag/Au=1500/1000/30000/500（埃）。
减反射膜的制作：依次蒸镀500埃TiO2和800埃Al2O3，形成双层膜结构。
7、再将整个芯片利用光刻胶粘在一片Si片上，首先利用HF去除背面的Si3N4，然后就可以在不伤害芯片表面的情况下，利用前文中提到的碱性腐蚀液去除起到临时支撑的第二衬底100。
8、最后，将衬底去除后的芯片浸入丙酮溶液中，把起到粘合作用的光刻胶溶解掉，将电池结构与Si片分离。
二、形成的产品结构特点：
如图1所示，柔性多结GaAs太阳电池太阳能电池，包括柔性衬底1、两个上电极2、3、一个下电极4和由底电池5、中电池6、顶电池7构成的电池外延结构。
柔性衬底1设置在电池外延结构的底电池5的背面，下电极4设置在柔性衬底1的另一面，在电池外延结构的顶电池7上面设置两个上电极2和3，在两个上电极2、3之间设置减反射膜8。

Claims (9)

1.一种柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）准备柔性衬底：
先在第二衬底N性GaAs上采用旋涂方法涂覆聚酰亚胺层；
然后在聚酰亚胺层上面涂覆光刻胶，再将半制品曝光、显影、冲水后，用KOH水溶液对聚酰亚胺层进行腐蚀，以在聚酰亚胺涂层上面制作出了图形通孔；
再将在聚酰亚胺涂层上面制作出了图形通孔的制品经120℃～230℃固化后降温，取得形状态稳定的、具有图形通孔的柔性衬底；
在形状态稳定的、具有图形通孔的柔性衬底上面，采用电子束蒸镀方法填充入金属层，使金属布满整个聚酰亚胺涂层外表面；
2）准备同样键合金属的由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延结构，并在顶电池外侧制作第一电池衬底；
3）在电池外延结构的底电池背部，依次通过蒸镀Ti、Pt和Au层，将电池外延结构与布满整个聚酰亚胺涂层外表面的金属层键合；
4）在键合后的金属层表面采用PECVD方法沉积Si3N4，再采用碱性腐蚀液去除电池外延结构上的第一电池衬底；
5）在电池外延结构的顶电池上完成两个上电极和减反射膜的制作，制得芯片；
6）将制成的芯片采用光刻胶在第二衬底上粘结Si片，然后再以碱性腐蚀液去除第二衬底。
2.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，涂覆的聚酰亚胺层厚度为50～120μm。
3.根据权利要求1或2所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤1）中，先以5000转/min的速度将粘度为1800～2000cp的聚酰亚胺涂覆在第二衬底层上面，形成基底膜，然后再以1000转/min的速度将粘度为5000～6000cp的聚酰亚胺涂覆在有基底膜的基板上。
4.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤1）中，在聚酰亚胺层以5000转/min的速度涂覆光刻胶；在显影时，使用质量百分比为4%的KOH水溶液、在20～25℃环境温度下显影1min；腐蚀用的KOH水溶液的质量百分比为的3%。
5.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤1）中，所述固化和降温是：先在温度为120℃的环境下烘烤1小时，然后将温度均匀地提升到150℃后，恒温再烘烤1小时，再将温度提升到230℃并保持一个小时后降温，降温的过程分为两个阶段，第一阶段，在一个小时内，将温度由230℃降低到150℃，第二阶段，用一个小时，将温度由150℃降低到初始的120℃。
6.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤1）中，聚酰亚胺涂层表面进行电子束蒸镀方法的方法是：蒸镀第一层为AuGe，厚度为1800埃；蒸镀第二层为Au，厚度为1000埃；蒸镀第三层为Ti，厚度为200埃；蒸镀第四层为Au厚度为15μm。
7.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤3）中，蒸镀的金属Ti的厚度为1000埃，蒸镀的金属Pt的厚度为1200埃，蒸镀的金属Au的厚度为6000埃。
8.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤3）中，所述碱性腐蚀液采用NH4OH与H2O2按体积比为1：5的比例混合制成。
9.根据权利要求1所述柔性多结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于在所述步骤4）中，上电极材料采用AuGe/Au/Ag/Au制成，厚度分别为1500埃、1000埃、30000埃、和500埃；减反射膜为依次蒸镀厚度为500埃的TiO2和800埃的Al2O3的双层膜结构。
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