CN104733556B - 一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池及其制备方法，涉及多结太阳能电池制备技术领域，对主电极之间的AlGaInP粗化层进行粗化，在粗化后的AlGaInP粗化层表面制作减反射膜。本发明采用倒装结构电池，提高太阳电池的开路电压，电池效率能够达到31.5%~32%，在电池受光面作出粗化图形，并且通过导电的Si衬底与电极使整个结构为电流垂直结构，在保持上下导通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。本发明提高了整个电池的短路电流密度，短路电流密度Jsc可以达到17.5mA/cm2。

Description

一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及多结太阳能电池制备技术，属于半导体材料的生产技术领域。
背景技术
由于砷化镓及其基系的多种材料的良好性能，以及这种多结叠层太阳电池结构基本已实现全光谱吸收，使得其光电转换效率始终远远领先于其他太阳电池。这一优势加上该电池的优良耐辐照性能和耐高温性能，进一步提高了电池的空间应用的可靠性及其使用寿命，已日益呈现替代高效硅太阳电池和单结砷化镓太阳电池的趋势，成为航天飞行器空间电源主力军。自2002年起，国外的空间飞行器大多使用三结砷化镓太阳电池作为空间主电源，目前的在轨电池超过750kW。2008年8月18日的CompoundSemi Online上报道了NERL最新创下的新记录：倒置结构的三结砷化镓太阳电池在326倍聚光条件下的效率达到40.8%(AM1.5)。在国外可再生能源发展及市场的拉动下，我国日益清楚认识到利用可再生能源对国家经济和环保的重要性，并于2006年1月开始实施《中国可再生能源法》。在此契机下，我国太阳电池生产在近三年来持续以超过150％的年增长率飞速发展，已成为国际较大的太阳电池生产国。然而，制约太阳电池发展的主要瓶颈是其高昂的材料成本。为此，有必要开发新的高效率太阳电池产品及发电系统，实现发电成本显著降低，为我国大规模应用光伏发电提供新技术。
三结GaAs太阳电池，在顶电池Eg=1.96eV、中电池Eg=1.10 eV的情况下，理论的效率可以达到41.7。原因是电流密度与填充因子很高。同样在这个条件下，计算得出的顶电池电流密度为20.78mA/cm2，中电池为33.20 mA/cm2。但是实际中，顶电池电流密度只有17 mA/cm2，可以看出，顶电池电流密度是制约整个电池电流的瓶颈。目前，提高电池电流密度的通用方法是蒸镀减反射膜，但是三结砷化镓太阳电池对减反射膜的厚度、折射率非常敏感，该膜的细微变化将引起电池性能的明显变化，这对于批产的稳定性和合格率是非常不利的。
发明内容
针对现有技术上的缺陷，本发明目的是提出一种与顶电池InGaP晶格匹配的，而且带隙比较宽，对光的透过也比较好的具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池。
本发明在Si衬底一侧设置背电极，在Si衬底另一侧通过接触层设置由底电池、中电池和顶电池构成的外延片，主电极通过图形化的接触层设置在顶电池上，其特征在于在外延片的顶电池外设置表面粗化层，在表面粗化层上设置减反射膜。
本发明目的是本项目计划在顶电池上面利用MOCVD技术外延一层约2个μm的高铝组分的Al0.8Ga0.2InP材料，这种材料是与顶电池InGaP晶格匹配的，而且由于带隙比较宽，对光的透过也比较好。
本发明所述表面粗化层的上表面为若干的金字塔形。在芯片工艺端，利用化学溶液对不同晶向的腐蚀速率差异，制造出最利于陷光的“金字塔”结构，然后结合减反射膜工艺，本发明成功地将电池表面反射率降低至5%以内。本发明成功提高了整个电池的短路电流密度，实际证明通过工艺改进，短路电流密度Jsc可以达到17.5mA/cm2。
本发明的另一目的是提出以上具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
1）在临时衬底上制备由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延片：
在GaAs临时衬底上面，依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、AlGaInP粗化层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型GaAs接触层；
2）准备转移Si衬底：
选取导电类型为P型的转移Si衬底，经清洗备用；
3）在电池外延片的底电池背部和转移Si衬底正面，分别通过电子束依次蒸镀Ti、Pt和Au层，再将电池外延片与转移Si衬底进行金属键合；
4）采用碱性腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的临时衬底；
5）在顶电池上制备主电极，在转移Si衬底上制备背电极；
6）对主电极之间的AlGaInP粗化层进行粗化；
7）在粗化后的AlGaInP粗化层表面制作减反射膜。
本发明工艺合理，易于操作，倒装结构电池，实际上使用InGaAs底电池代替常规正装工艺中的Ge衬底，提高太阳电池的开路电压。最终整个电池效率能够达到31.5%~32%。使用一种方法，在电池受光面作出粗化图形，并且通过导电的Si衬底与电极使整个结构为电流垂直结构，在保持上下导通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。
另外，本发明所述步骤1）中，AlGaInP粗化层的厚度为2μm。因为粗化的过程也是腐蚀的过程，所以有必要有一定厚度的粗化层。如果粗化层很薄，那么在粗化的过程中，粗化层下面的顶电池就很有可能被腐蚀到。那样会破坏电池结构。本发明先形成厚度为2μm的AlGaInP粗化层，因为后续粗化时候深度控制在5000Å~7000Å左右，以利于形成粗化形貌都是类似“金字塔”。
在所述步骤2）中，先以浓硫酸与双氧水的混合水溶液浸泡转移Si衬底5min，去除表面的有机污染物，然后再使用氢氟酸稀释液浸泡1min，去除Si表面的氧化层，最后使用盐酸与双氧水混合水溶液浸泡3min，达到去除Si表面的金属阳离子的目的。
在所述步骤3）中，蒸镀的Ti、Pt和Au层总厚度不低于1.5μm，以使形成的电极较厚，导电性能良好，另外利于符合后续的焊接封装工艺要求的厚度形成。
在所述步骤6）中，粗化溶液为盐酸、磷酸和水的混合溶液，盐酸、磷酸和水的混合体积比为1:2:5。如果盐酸比例高，那么粗化层就会被全部腐蚀掉，如果磷酸比例高，在溶液中就会限制盐酸的电离。起不到粗化效果。本发明针对粗化层AlGaInP的结构特点，该盐酸、磷酸和水的混合体积比是合适的，粗化出来的形貌最接近所谓的“金字塔”形貌，最有利于陷光。
在所述步骤7）中，减反射膜采用TiO2/Ta2O5/ Al2O3的三层结构，厚度为450Å的TiO2和150 Å Ta2O5和800 Å的Al2O3。这样的材料组合和厚度设计，能够在300nm～1000nm的光谱范围内，电池表面的整体反射率低于10%。
附图说明
图1为三结GaAs太阳电池结构的外延片示意图。
图2为三结GaAs太阳电池结构中每个子电池的结构示意图。
图3为本发明的一种结构示意图。
具体实施方式
1、制备外延片。
选取晶向为<100>的GaAs衬底片101，厚度为375μm，直径100mm±0.1mm。在GaAs衬底101上面，使用MOVPE（有机金属气相外延）技术依次生长出0.5μm的N型GaAs的缓冲层102，350nm的GaInP腐蚀截止层103，0.5μm的N型GaAs接触层104，2μm的AlGaInP粗化层105， 0.5μm的GaInP顶电池（Top cell）106，500Å的隧穿结一107，3.4μm的GaAs中电池（Middle cell）108，500Å的隧穿结二109，3μm的InGaAs底电池（Bottom cell）110，在底电池结尾，包含有400nm的P型GaAs接触层111，见图1所示。
以上子电池分别为GaInP顶电池（Top cell）106、GaAs中电池（Middle cell）108和InGaAs底电池（Bottom cell）110。每一个子电池分别具有背反射层（BSF）201、基区（base）202、发射区（emitter）203、窗口层（window）204结构（见结构图2），各个子电池之间使用隧穿结进行连接（TJ）。本产品使用的GaInP/AlGaAs异质隧穿结。
2、制备转移Si衬底。
选取晶向为<111>的单抛Si片作为转移Si衬底301，直径100mm±0.1mm，导电类型为P型，厚度为240μm，清洗备用。
转移Si衬底301的清洗步骤为：
（1）使用温度为60℃的H2SO4：H2O2：H2O=3:1:1溶液进行5min的浸泡，然后使用去离子水进行冲洗。目的是去除表面的有机污染物。
（2）使用氢氟酸稀释液浸泡1min，稀释比例为20%。目的是去除在上一步当中，Si片表面生成的氧化层，然后使用去离子水进行冲洗。
（3）使用盐酸与双氧水混合水溶液浸泡3min，盐酸、双氧水与水的比例为1:2:10，溶液温度稳定在40℃。此步的目的是去除表面的金属阳离子污染。然后使用去离子水进行冲洗。
3、蒸镀金属键合层302。
使用电子束蒸镀技术，分别在具有清洁表面的外延片的P型GaAs接触层111和转移Si衬底301的抛光面上分别蒸镀金属键合层302。
键合层金属为Ti/Pt/Au三层结构，其中蒸镀先后顺序为Ti、Pt、Au，厚度分别为Ti：1500Å、Pt：1500Å、Au ：12000Å。
蒸镀具体条件为：起始真空控制在1.0×10-6Torr以下，蒸镀开始前，腔体加热到150℃并且恒温30min。Ti的蒸镀速率为5Å/s，Pt的蒸镀速率为2Å/s，Au的蒸镀速率为10Å/s。
4、金属键合。
在真空度为1.0×10-3Pa的、压力7000kg/cm2、温度320℃的条件下，通过金属键合层302将外延片与转移Si衬底301压合在一起。键合时，采用的是Au-Au键合，即金属与金属贴合在一起。
5、衬底去除。
使用NH4OH与H2O2 的混合液腐蚀掉键合后的GaAs衬底101和缓冲层102，此反应是放热化学反应，所以腐蚀全程使用循环冷却水进行降温，温度保持在40~50℃。为了达到反应速率与温度控制之间的平衡，所以混合液中NH4OH与H2O2按体积比为1：10进行混合。
6、截止层去除。
GaAs衬底101去除后，表面的腐蚀截止层103显露出来，需要使用HCl进行去除。直接使用盐酸进行去除腐蚀截止层103，显露出接触层104。
7、主电极图形制作。
使用负胶制作电极图形，原因是负胶粘度较大，使用旋涂工艺匀胶容易得到比较厚的胶。对蒸镀后的剥离工艺有较大帮助。负胶粘度为120泊，转速为第一转500转/min，第二转1000转/min。第一转为低速运转，目的是把光刻胶均匀的分布于整个表面，第二转为高速运转，目的是结合旋转时间控制光刻胶的厚度。第一转的时间为10s，第二转的时间为80s。匀胶结束后，放入100℃的烤箱，进行烘烤30min，蒸发掉多余的水分。烘烤后使用波长为365nm的紫外线曝光6s，辐照剂量为8.5mW/cm2٠S，然后放入100℃的烤箱，进行烘烤30min，使光刻胶变性。之后使用质量分数为2%的KOH溶液进行显影，根据负胶的特性，没有背光照射的部分，会在显影液中溶解，所以在显影后，表面就会留下所需的两个主电极图形（有一些大尺寸电池，可能需要制出三个主电极）。显影之后，还需要进行冲水，由于表面还有部分光刻胶，此时不能够再进入烤箱进行烘烤，所以使用高速旋干机进行高速旋干。高速旋干机转速为1800转/min。
8、主电极蒸镀。
在利用负性光刻胶制作出电极图形后，利用电子束蒸发技术，将主电极303蒸镀上去。最后使用剥离技术，制备出两个主电极。电极金属包括Au、AuGeNi合金、Ag。其中具体结构为Au/AuGeNi/Au/Ag/Au，厚度分别为500Å/2000Å/1000Å/44000Å/3000Å，整体厚度为5μm。其中Au的镀率控制在5Å/s，AuGeNi为合金形式，采用钨舟热阻进行蒸发。Ag的镀率控制在30Å/s。
9、电极剥离。
使用剥离技术，将蒸镀在光刻胶上面的金属利用丙酮溶液溶解掉，剩背面金属电极。
10、选择性腐蚀。
使用的化学溶液为柠檬酸与双氧水的混合水溶液，其混合体积比为1:2，恒定温度为35℃。目的是去除表面电极之间的N-GaAs接触层104。这种柠檬酸与双氧水的混合水溶液，在35℃的条件下，对GaAs和AlGaInP有很好的选择比，能够迅速的腐蚀掉N型GaAs接触层104而不腐蚀N型GaAs接触层104下面的AlGaInP的粗化层105。
11、表面粗化。
使用的粗化溶液为盐酸、磷酸、水的混合溶液，其混合体积比为1:2:5。当电池片浸泡在混合液中时，利用不同晶向腐蚀速率的差异，对电池表面AlGaInP粗化层105进行粗化。粗化时间为2min，腐蚀后的表面呈现出“金字塔”的形貌，“金字塔”高度约为5000Å~7000Å.，底部直径约为5000Å~7000Å。
12、减反射膜蒸镀。
在粗化后的电池芯片表面，使用电子束蒸发的方法，均匀地蒸镀上减反射膜304。减反射膜304的结构为三层，依照蒸镀次序先后为TiO2/Ta2O5/ Al2O3的结构，厚度分别为为450Å的TiO2和150 Å Ta2O5和800 Å的Al2O3。
13、减反射膜蚀刻。
利用光刻掩膜的技术，将电池芯片上面主电极303部分的减反射膜蚀刻掉，便于后续封装工艺焊线。除去出主电极303的部分，则在蚀刻时，用光刻胶保护起来。蚀刻减反射膜使用的溶液为HF、NH4OH、H2O的混合液，配比为1：3.5：5.5。蚀刻时间为90s。
14、背电极蒸镀。
在转移衬底301的背面制作出背电极305，背电极305包括Ti，Pd、Ag、Au，厚度分别为1000Å/1200Å/25000Å/3000Å，背电极305的厚度为3μm。
15、划片。
根据芯片的具体形状，使用切割机将芯片从晶圆上面切割下来。
16、断面腐蚀。
因为切割会有切割碎屑附着在芯片的侧面。所以使用柠檬酸与双氧水的混合水溶液对侧面进行腐蚀，其混合体积比为1:1:2，恒定温度为40℃。腐蚀时间为3min。这样会防止侧面漏电的发生。腐蚀时，电池表面会涂上一层光刻胶进行保护正面。腐蚀结束后，光刻胶会使用热丙酮溶液进行去除。热丙酮溶液温度设定为45℃。
16、测试。
在AM0的条件下，使用太阳模拟器对电池进行性能测试。
二、形成的产品结构特点：
如图3所示，在背电极305上依次设置转移Si衬底301、金属键合层302、P型GaAs接触层111、InGaAs底电池（Bottom cell）110、隧穿结二109、GaAs中电池（Middle cell）108、隧穿结一107、GaInP顶电池（Top cell）106、AlGaInP粗化层105，在部分AlGaInP粗化层105上分别通过两个N型GaAs接触层104设置两个主电极303，在两个主电极303之间均匀分部若干具有“金字塔”状上表面的AlGaInP粗化层105，在“金字塔”状上表面的AlGaInP粗化层105上设置减反射膜304。
整个器件为垂直导电结构，整体上看，为上N下P的半导体器件。

Claims (6)

1.一种具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，在Si衬底一侧设置背电极，在Si衬底另一侧通过接触层设置由底电池、中电池和顶电池构成的外延片，主电极通过图形化的接触层设置在顶电池上，在外延片的顶电池外设置表面粗化层，在表面粗化层上设置减反射膜，所述具有表面粗化结构的三结GaAs太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在临时衬底上制备由底电池、中电池和顶电池构成的电池外延片：
在GaAs临时衬底上面，依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、AlGaInP粗化层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型GaAs接触层；
2）准备转移Si衬底：
选取导电类型为P型的转移Si衬底，经清洗备用；
3）在电池外延片的底电池背部和转移Si衬底正面，分别通过电子束依次蒸镀Ti、Pt和Au层，再将电池外延片与转移Si衬底进行金属键合；
4）采用碱性腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的临时衬底；
5）在顶电池上制备主电极，在转移Si衬底上制备背电极；
6）对主电极之间的AlGaInP粗化层进行粗化；
7）在粗化后的AlGaInP粗化层表面制作减反射膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中，AlGaInP粗化层的厚度为2μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在所述步骤2）中，先以浓硫酸与双氧水的混合水溶液浸泡转移Si衬底5min，然后再使用氢氟酸稀释液浸泡1min，最后使用盐酸与双氧水混合水溶液浸泡3min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在所述步骤3）中，蒸镀的Ti、Pt和Au层的总厚度不低于1.5μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在所述步骤6）中，粗化溶液为盐酸、磷酸和水的混合溶液，盐酸、磷酸和水的混合体积比为1:2:5。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在所述步骤7）中，减反射膜采用TiO2/Ta2O5/ Al2O3的三层结构，厚度为450Å的TiO2和150 Å Ta2O5和800 Å的Al2O3。
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