CN104218108B - 一种高效率柔性薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种高效率柔性薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效率柔性薄膜太阳能电池，减薄的外延衬底一侧设置背电极，背电极键合在柔性薄膜衬底上；减薄的外延衬底另一侧设置外延结构，外延结构上设置欧姆接触层，欧姆接触层上设置正面栅线电极，且选择性腐蚀欧姆接触层，腐蚀区域设置减反射膜。本发明转换效率高、可靠性好，且柔性较好而减轻重量。

Description

一种高效率柔性薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池结构，尤其是指一种高效率柔性薄膜太阳能电池。
背景技术
以GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池为代表的III-V族化合物太阳电池具有光电转换效率高、抗辐照能力强、温度特性好等优点，在空间飞行器电源系统和地面高倍聚光光伏电站中得到广泛应用，并已完全取代晶硅太阳能电池成为空间飞行器主电源。
由于GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池基于较厚的刚性Ge衬底，通常刚性Ge衬底厚度≥140μm，电池芯片重量较大且缺乏柔性，增加了空间飞行器太阳能电池板的重量和体积。而传统的铜铟镓硒、碲化镉或者非晶硅柔性薄膜太阳电池由于转换效率低、稳定性差等原因未能进入空间应用市场。
因此，研制柔性薄膜型III-V族化合物太阳能电池既能满足空间飞行器对太阳电池高效率、高可靠性的要求，又能有效减少空间飞行器太阳电池板的重量。采用柔性薄膜电池能卷曲，同时减小太阳能电池板的体积，提升空间飞行器的搭载能力并且降低发射成本；此外，该高效率柔性薄膜太阳能电池也能够满足临近空间飞行器的应用要求，比如太阳能无人飞机、无人飞艇等；本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其转换效率高、可靠性好，且柔性较好而减轻重量。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
一种高效率柔性薄膜太阳能电池，减薄的外延衬底一侧设置背电极，背电极键合在柔性薄膜衬底上；减薄的外延衬底另一侧设置外延结构，外延结构上设置欧姆接触层，欧姆接触层上设置正面栅线电极，且选择性腐蚀欧姆接触层，腐蚀区域设置减反射膜。
进一步，减薄的外延衬底与外延结构及欧姆接触层的总厚度为20-60μm。
进一步，外延结构为单结结构。
进一步，单结外延结构为在减薄的外延衬底上设置电池BSF层，在电池BSF层上依次设置电池基区、电池发射区及电池窗口层，电池窗口层与欧姆接触层相邻。
进一步，外延结构为双结结构。
进一步，双结外延结构为在减薄的外延衬底上设置底电池BSF层，在底电池BSF层上依次设置底电池基区、底电池发射区、底电池窗口层、隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区及顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
进一步，外延结构为三结结构。
进一步，三结外延结构为在减薄的外延衬底上设置底电池BSF层，在底电池BSF层上依次设置底电池基区、底电池发射区、底电池窗口层、中底电池隧穿结、中电池BSF层、中电池基区、中电池发射区、中电池窗口层、中顶电池隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
进一步，三结外延结构为在Ge外延衬底上设置底电池发射区，在底电池发射区上依次设置底电池窗口层、中底电池隧穿结、中电池BSF层、中电池基区、中电池发射区、中电池窗口层、中顶电池隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
进一步，外延衬底的材料为InP、GaAs或Ge。
一种高效率柔性薄膜太阳能电池制造方法，包括以下步骤：
步骤一，提供外延衬底；
步骤二，在外延衬底上生长外延结构；
步骤三，在外延结构上生长欧姆接触层，在欧姆接触层上生长外延保护层；
步骤四，将外延保护层粘接至刚性支撑模板上；
步骤五，采用外延衬底减薄工艺将外延衬底减薄；
步骤六，在减薄后的外延衬底上蒸镀背电极，并键合在柔性薄膜衬底上；
步骤七，去除刚性支撑模板及外延保护层；
步骤八、在欧姆接触层上蒸镀正面栅线电极，并通过选择性腐蚀工艺去除吸光部分的欧姆接触层，在腐蚀区域蒸镀减反射膜，裂片处理即得。
进一步，减薄的外延衬底与外延结构及欧姆接触层的总厚度为20-60μm。
进一步，外延衬底减薄工艺为：先采用高浓度腐蚀溶液，增加腐蚀温度，在高腐蚀速率下蚀刻外延衬底的背面；待外延衬底减薄后，采用稀释腐蚀溶液，减小腐蚀溶液温度，在低腐蚀速率下继续蚀刻外延衬底的背面至目标厚度。
进一步，外延衬底减薄工艺为：通过机械研磨的方法去除外延衬底多余部分直至目标厚度。
进一步，外延衬底减薄工艺为：先采用化学腐蚀减薄外延衬底，再继续采用机械研磨减薄外延衬底至目标厚度；或者先采用机械研磨减薄外延衬底，再继续采用化学腐蚀的方法减薄外延衬底至目标厚。
采用上述方案后，本发明通过在刚性外延衬底上通过外延工艺生长外延结构，然后通过减薄工艺减薄外延衬底，并键合至柔性薄膜衬底上形成。
外延结构按照禁带宽度从小到大的顺序，由下至上依次叠加在外延衬底上。本发明中的外延结构均为外延生长的单晶Ⅲ-Ⅴ材料，材料质量好，转换效率高。此外，与传统采用倒装结构生长的Ⅲ-Ⅴ族薄膜太阳能电池不同，本发明中外延结构生长顺序为正装外延生长，避免倒装外延生长带来的P/N型掺杂扩散等不利影响，保留了正装刚性衬底Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池的特点，具有转换效率高、质量比功率（W/kg）高、可靠性好等优点。
本发明还提供上述一种高效柔性薄膜电池制造方法，通过机械研磨、化学腐蚀或者机械研磨结合化学腐蚀的方法减薄外延衬底，不同于传统的柔性薄膜太阳能电池的制作方法，不需要剥离牺牲层，制作工艺简单易实现，容易制作大面积的薄膜太阳能电池，提高薄膜太阳能电池的成品率。
附图说明
图1是本发明实施例一外延生长结构示意图；
图2是本发明实施例一减薄后的外延衬底结构示意图；
图3是本发明实施例一薄膜太阳能电池芯片结构示意图；
图4是本发明实施例二外延生长结构示意图；
图5是本发明实施例二薄后的外延衬底减结构示意图；
图6是本发明实施例二薄膜太阳能电池芯片结构示意图。
标号说明
外延衬底1 外延层2
电池BSF 层21 电池基区22
电池发射区23 电池窗口层24
底电池基区25 底电池发射区26
底电池窗口层27 中底电池隧穿结28
中电池BSF层29 中电池基区210
中电池发射区211 中电池窗口层212
中顶电池隧穿结213 顶电池BSF层214
顶电池基区215 顶电池发射区216
顶电池窗口层217 欧姆接触层3
外延保护层4 刚性支撑模板5
背电极6 柔性薄膜衬底7
正面栅线电极8 减反射膜9。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
实施例一
如图1所示，本发明揭示的单结太阳能电池外延结构，在外延衬底1上依次生长外延层2、欧姆接触层3、外延保护层4，本实施例中，外延层2为在外延衬底1上生长电池BSF（背电场）层21，在电池BSF层21上依次生长电池基区22、电池发射区23及电池窗口层24，电池窗口层24与欧姆接触层3相邻。
在外延生长过程中，外延衬底1使用GaAs衬底，且外延衬底1的厚度为350μm。
电池BSF层21材料为AlGaAs，厚度为50nm。电池基区22和电池发射区23材料采用GaAs Ⅲ-Ⅴ族化合物，电池基区22厚度为3μm，电池发射区23的厚度为500nm。电池窗口层24材料为GaInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，厚度为50nm。
欧姆接触层3材料为GaAs Ⅲ-Ⅴ族化合物，厚度为500nm。外延保护层4材料为AlGaInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，厚度为600nm。
所述外延保护层4连接粘贴到刚性支撑模板5上，刚性支撑模板5为硅基板。通过湿法腐蚀的方法去除外延衬底1多余的部分。具体为，先使用高腐蚀速率的腐蚀溶液H2SO4：H2O2:HF的体积比为3:2:2，H2SO4、H2O2、HF为行业通用，且温度增加至70℃腐蚀液温度，蚀刻外延衬底1的背面；经过5分钟后，更换到低腐蚀速率的腐蚀溶液H2SO4：H2O2:HF的体积比为1:2:2，且温度调整为25℃腐蚀液温度。经过10分钟后；外延层2、减薄后的外延衬底1及欧姆接触层3的总厚度为40μm，如图2所示。
在减薄的外延衬底1上蒸镀背电极6，并键合在具有导电性的柔性薄膜衬底5上。去除刚性支撑模板5及厚度为600nm的AlGaInP外延保护层4。在欧姆接触层3上蒸镀正面栅线电极8，并通过选择性腐蚀工艺去除吸光部分的欧姆接触层3，蒸镀减反射膜9在太阳能电池的正面。最终裂片处理，通过以上的制作工艺即得到所述的柔性薄膜太阳能电池，如图3所示。
实施例二
如图4所示，本发明揭示的太阳能电池外延结构，其外延衬底1材料为Ge，在外延衬底1上依次生长外延层2、欧姆接触层3、外延保护层4，本实施例中，外延层2为在外延衬底1上生长底电池基区25、在底电池基区25上依次生长底电池发射区26、底电池窗口层27、中底电池隧穿结28、中电池BSF层29、中电池基区210、中电池发射区211、中电池窗口层212、中顶电池隧穿结213、顶电池BSF层214、顶电池基区215、顶电池发射区216、顶电池窗口层217，顶电池窗口层217与欧姆接触层3相邻。
底电池基区25和底电池发射区26的材料为生长衬底Ge，底电池发射区26通过扩散V族源形成，厚度为500nm；底电池窗口层27材料为GaInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，底电池窗口层27的厚度为20nm；中底隧穿结28材料为两层极性相反的GaAs/GaAs材料叠加而成，中底隧穿结28的总厚度为50nm；中电池BSF层29材料为AlGaAs，中电池BSF层29的厚度为50nm；中电池基区210和中电池发射区211材料采用与Ge衬底晶格匹配的GaInAs Ⅲ-Ⅴ族化合物，In组分为1%，中电池基区210厚度为3μm，中电池发射区211的厚度为100nm；中电池窗口层212材料为AlInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，中电池窗口层212厚度为100nm；中顶电池隧穿结213材料为GaInP/AlGaAs，中顶电池隧穿结213厚度为50nm；顶电池BSF层214材料为AlGaInP，顶电池BSF层214厚度为100nm；顶电池基区215和顶电池发射区216材料采用GaInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，顶电池基区215厚度为600nm，顶电池发射区216厚度为100nm；顶电池窗口层217材料为AlInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，顶电池窗口层217厚度为50nm。
欧姆接触层3材料为GaAs Ⅲ-Ⅴ族化合物，厚度为500nm。外延保护层4材料为AlGaInP Ⅲ-Ⅴ族化合物，厚度为600nm。
外延保护层4连接粘贴到刚性支撑模板5，刚性支撑模板5为硅基板上。通过湿法腐蚀的方法去除外延衬底1多余的部分。具体为，先使用高腐蚀速率的腐蚀溶液NaOH：H2O2：H2O的体积比为3:6:1，NaOH、H2O2、H2O为行业通用，且温度增加至60℃腐蚀液温度，蚀刻外延衬底1的背面。经过20分钟后，更换到低腐蚀速率的腐蚀溶液NaOH：H2O2：H2O的体积比为1:2:1，且温度调整为25℃腐蚀液温度，经过15分钟后，外延层2、减薄后的外延衬底1及欧姆接触层3的总厚度为40μm，如图5所示。
在减薄的外延衬底1上蒸镀背电极6，并键合在具有导电性的柔性薄膜衬底7上。去除刚性支撑模板5及厚度为600nm的AlGaInP外延保护层4。在欧姆接触层3上蒸镀正面栅线电极8，并通过选择性腐蚀工艺去除吸光部分的欧姆接触层3，蒸镀减反射膜9在太阳能电池的正面，最终裂片处理即得到所述的柔性薄膜太阳能电池，如图6所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (9)

1.一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：在外延衬底一侧生长外延结构，在外延结构上生长欧姆接触层，在欧姆接触层上生长外延保护层，将外延保护层粘接至刚性支撑模板上，采用外延衬底减薄工艺将外延衬底减薄，在减薄后的外延衬底另一侧蒸镀背电极，背电极键合在柔性薄膜衬底上；去除刚性支撑模板及外延保护层，在欧姆接触层上蒸镀正面栅线电极，并通过选择性腐蚀工艺去除吸光部分的欧姆接触层，在腐蚀区域蒸镀减反射膜；外延衬底为Ge衬底或GaAs衬底。
2.如权利要求1所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：减薄的外延衬底与外延结构及欧姆接触层的总厚度为20-60μm。
3.如权利要求1所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：外延结构为单结结构。
4.如权利要求3所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：单结外延结构为在减薄的外延衬底上设置电池BSF层，在电池BSF层上依次设置电池基区、电池发射区及电池窗口层，电池窗口层与欧姆接触层相邻。
5.如权利要求1所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：外延结构为双结结构。
6.如权利要求5所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：双结外延结构为在减薄的外延衬底上设置底电池BSF层，在底电池BSF层上依次设置底电池基区、底电池发射区、底电池窗口层、隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区及顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
7.如权利要求1所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：外延结构为三结结构。
8.如权利要求7所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：三结外延结构为在减薄的外延衬底上设置底电池BSF层，在底电池BSF层上依次设置底电池基区、底电池发射区、底电池窗口层、中底电池隧穿结、中电池BSF层、中电池基区、中电池发射区、中电池窗口层、中顶电池隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
9.如权利要求7所述的一种高效率柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：三结外延结构为在Ge外延衬底上设置底电池发射区，在底电池发射区上依次设置底电池窗口层、中底电池隧穿结、中电池BSF层、中电池基区、中电池发射区、中电池窗口层、中顶电池隧穿结、顶电池BSF层、顶电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层，顶电池窗口层与欧姆接触层相邻。
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