CN104867989A - 一种高效柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体公开了一种高效柔性砷化镓太阳能电池，其中砷化镓电池外延片衬底的下方依次设有金属化层和铜钼铜柔性基板，所述衬底的厚度为70～110微米，所述铜钼铜柔性基板为铜钼铜三层复合材料，其热膨胀系数为（6～7）X10-6/℃，分别包括底层铜10～20微米，中间层钼10～20微米，顶层铜10～20微米。本发明还公开了该电池的制备方法：外延片衬底减薄，抛光；外延片和铜钼铜柔性基板键合；在外延层的上方制作上电极；外延片受光面上生长减反射膜。本发明高效柔性砷化镓太阳能电池具有厚度薄、柔性好、散热好、效率高、牢固可靠、寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域。
背景技术
砷化镓太阳能电池是以砷化镓（GaAs）为基体材料的太阳能电池，其发展已有40 余年的历史。GaAs材料的Eg=1.43eV，理论上估算，GaAs单结太阳能电池的效率可达27%，从上世纪80年代后，GaAs太阳能电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，目前实验室最高效率已达到50%，产业生产转化率可达30%以上。而在光伏发电产业中，几乎占到全部产量的94%以上的单晶硅和多晶硅等硅基光伏电池，其在实验室里最高的转换效率为24.7%，工业规模生产的转换效率仅为18%，而砷化鎵太阳能电池光电转换效率比传统晶硅原料高出许多，在某些特定场合将成为市场主流。
单结GaAs 电池只能吸收特定光谱的太阳光,不同禁带宽度的Ⅲ、Ⅴ族材料制备的多结GaAs 电池,按禁带宽度大小叠合,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提高太阳能电池的光电转换效率。理论计算表明:双结GaAs 太阳能电池的极限效率为30 % ,三结GaAs 太阳能电池的极限效率为38 % ,四结GaAs 太阳能电池的极限效率为41 %。
与硅基太阳能电池相比, GaAs 太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能,其广泛应用在空间能源领域，如我国的神八宇宙飞船和“天宫一号”飞行器均采用了三结砷化镓太阳能电池，其转化效率达到26.8%。
GaAs 为直接跃迁型材料,而Si 为间接跃迁型材料。在可见光范围内, GaAs 材料的光吸收系数远高于Si 材料。同样吸收95 %的太阳光, GaAs 太阳能电池只需5～10μm的厚度,而Si 太阳能电池则需大于150μm。因此,GaAs太阳能电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。但是由于砷化镓太阳能电池的衬底材料Ge或GaAs热导系数较小，在使用中芯片内部产生的热不能及时散出，降低了电池效率；同时Ge或GaAs衬底厚度大，柔性差，极易碎，不方便使用，造成了其应用受到限制。如果能够把砷化镓太阳能电池制成柔性薄膜太阳能电池，借助柔性薄膜太阳能电池的可以弯曲、便于携带的特点，能够在多种生产与生活领域为人们提供电力，有广泛的应用前景。
铜钼铜（CMC）封装材料是一种三明治结构的平板复合材料，它采用纯钼做芯材，双面再覆以纯铜或者弥散强化铜。这种材料的热膨胀系数可调，热导率高，耐高温性能优异，在电子封装中得到了广泛的运用。铜钼铜材料属于金属基平面层状复合型电子封装材料，这类电子封装复合材料的结构是层叠式，一般分为三层，中间层为低膨胀材料层，两边为高导电导热的材料层。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种厚度薄，柔性好，散热好，效率高，牢固可靠的高效柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高效柔性砷化镓太阳能电池，包括砷化镓电池外延片，外延片结构从上至下包括砷化镓电池外延层、缓冲层、衬底，砷化镓电池外延层的受光面位于上部；所述受光面上设有上电极，所述衬底的下方依次设有金属化层和铜钼铜柔性基板，所述铜钼铜柔性基板为铜钼铜三层复合材料，包括底层铜、中间层钼和顶层铜。
进一步地，所述衬底的厚度为70～110微米；所述铜钼铜柔性基板的底层铜厚度为10～20微米，中间层钼厚度为10～20微米，顶层铜厚度为10～20微米，铜钼铜柔性基板的热膨胀系数为（6～7）X10-6/℃。
进一步地，所述外延片受光面上还设有减反射膜。
进一步地，所述减反射膜由上层的二氧化硅薄膜和下层的二氧化钛薄膜构成，所述二氧化硅薄膜厚度为90±10nm，所述二氧化钛薄膜厚度为60±10nm。
进一步地，所述金属化层自下而上依次为钛层、银层、金层。
进一步地，所述外延片为三结砷化镓电池外延片，所述外延片的厚度为90±10微米。
一种制备如上所述高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，包括如下步骤，
步骤一、外延片衬底减薄，抛光；
步骤二、外延片和铜钼铜柔性基板键合：清洗外延片和铜钼铜柔性基板的键合部位，在外延片衬底生长金属化层，将金属化层与铜钼铜柔性基板对准、压紧，最后放入晶片键合设备中，加温、加压完成键合，得到键合片；
步骤三、在外延层的上方制作上电极。
进一步地，还包括,步骤四、外延片受光面上生长减反射膜。
进一步地，所述减反射膜通过真空蒸发蒸镀至外延片受光面，蒸发台运行真空度大于1.0×10-4Pa。
进一步地，步骤二中，减薄、抛光后的外延片和铜钼铜柔性基板，依次经过丙酮、异丙醇、去离子水、HCl与H2O体积比为1:1的混合溶液、去离子水清洗。
进一步地，步骤二中，外延片和铜钼铜柔性基板的键合部位分别生长钛、银、金三层，其厚度分别为100nm、1000nm、60nm，键合温度300～500摄氏度，键合时间60～120分钟，键合压力2～5kg/cm2。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用了柔性度较高的CMC作为太阳能电池的基底材料，减小了电池的厚度，有效降低了电池的重量，大大提高了电池的柔韧性，使其可应用范围大大增加，且使用更加方便。
CMC导电导热性远高于传统技术中Ge或GaAs衬底，显著提高了衬底的散热性能，同时其热膨胀系数控制在（6～7）X10-6/℃，与Ge和GaAs材料的热膨胀系数相近，这样可保证在生产和使用过程中不会由于温度的变化，导致太阳能电池片表面分裂，延长了电池的使用寿命。
同时，相对于传统键合工艺，采用CMC，不必使用昂贵的Au材料作为键合金属，而能够选择廉价的Ag材料进行键合，极大的降低工艺成本，同时也提高了成品率。
本发明采用了TiO2和SiO2材料作为减反射膜，能在400nm～1200nm波段范围内获得很好的减反射效果，有效的降低了电池表面的反射率，使短路电流的增益达到最高，提高产品的效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1中高效柔性砷化镓太阳能电池上电极的结构示意图；
图3是本发明实施例1中高效柔性砷化镓太阳能电池表面反射率曲线；
图4是本发明铜钼铜柔性基板的结构示意图；
1、减反射膜；2、上电极；3、外延层；4、缓冲层；5、衬底；6、金属化层；7、铜钼铜柔性基板。
具体实施方式
本发明为解决公知技术中砷化镓太阳能电池由于衬底材料Ge或GaAs热导系数小、厚度大、柔性差、易碎等缺点而导致的太阳能电池散热差、电池效率降低和使用不方便的技术问题，采用柔性度较高的铜钼铜柔性基板作为太阳能电池的基底材料，能够减小电池的厚度，有效降低电池的重量，大大提高电池的柔韧性，具有使用方便、应用范围大，电池使用寿命长、效率高的优点。
本发明中铜钼铜柔性基板7为铜钼铜（CMC）三层复合材料，参见图4，优选的，分别包括底层铜10～20微米，中间层钼10～20微米，顶层铜10～20微米，其热膨胀系数为（6～7）X10-6/℃。本发明中铜钼铜柔性基板7可通过日本永福贸易株式会社购买获得。
本发明中砷化镓电池外延片其P面在下，N面在上。外延层3可以是两结、三结、四结或更多结砷化镓太阳能电池结构，视需要选择，并不影响本发明的实施。
以三结砷化镓太阳能电池为例，在外延片的衬底5上自下而上分别生长缓冲层4、底电池、中电池、顶电池和N++-GaAs接触层，其中顶电池和中电池、中电池和底电池之间分别设有隧道结结构连通。将该外延片放入研磨机中，使衬底5减薄至100微米左右，然后在外延片正面涂胶保护，再进行衬底5抛光，最终厚度在80～90微米之间。外延片和CMC键合，采取在外延片的衬底5表面上生长金属化层6，再在晶片键合设备中加温、加压来完成整片的键合。然后根据不同的工艺，在外延片的受光面上不同区域生长上电极2和减反射膜1，参见图1。最后，可根据需要将键合CMC的外延片切割成多个电池芯片，用键合引线在电池芯片上面直接进行串并联，使其能够输出所需的电压和电流。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种高效柔性砷化镓太阳能电池，参见图1，上部为受光面，自上而下依次包括减反射膜1、上电极2、外延层3、缓冲层4、衬底5、金属化层6、铜钼铜柔性基板7，其各层材料、厚度和组分参见下表1，表1中减反射层即为减反射膜1，CMC即为铜钼铜柔性基板7。铜钼铜柔性基板7的底层铜15微米，中间层钼20微米，顶层铜15微米，其热膨胀系数为（6～7）X10-6/℃。
表1
上述高效柔性砷化镓太阳能电池的制作方法，选用厚度为355um±5um的三结砷化镓太阳能电池外延片成品，包括外延层3、缓冲层4和衬底5，其结构如表2所示，
表2
制备过程依次经过如下步骤：
1、衬底减薄
将外延片放入研磨机中减薄Ge衬底5至一定厚度，约100～150微米。然后用NH4OH:H2O2=1:8的溶液抛光衬底5，根据其腐蚀速率控制衬底5厚度至100微米左右。
2、衬底与CMC键合
减薄后的外延片和CMC柔性基板在丙酮中清洗3分钟、放入异丙醇中清洗3分钟，用去离子水冲洗3分钟，去掉表面的污渍。之后放入HCl：H2O=1:1（体积比）的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的氧化层。
将表面清洗干净的外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚中装料，在外延片的P面依次蒸镀厚度100nm的Ti、1000nm的Ag和60nm的Au。取出外延片，将其蒸镀面与CMC柔性基板面对面紧紧压紧与对准，放入晶元键合机中进行键合。键合温度300～500度，时间60～120分，压力2～5kg/cm2。
3、金属化工艺
键合完成后，将该外延片放入涂胶机中，在受光面均匀涂覆RZJ-390光刻胶。放在100度的热板上面烘烤1分钟，根据图2的图形制作好光刻板，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为5～8s。然后将光刻好的外延片放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面，放在120度的热板上面烘烤1分钟。然后用NH4OH：H2O2：H2O=1:1:20的腐蚀液，腐蚀90s后，在流动的去离子水中清洗3分钟，用丙酮去除受光面表面的光刻胶。
将GaAs层腐蚀完的外延片放入涂胶机中，在受光面均匀涂覆光刻胶，放在150度的热板上面烘烤2分钟。根据图2的图形制作好光刻板，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为5～9s，然后将光刻好的外延片放在100度的热板上面烘烤1分钟，放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面。腐蚀清洗掉外延片的受光面上栅线槽内的杂质。
将外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚和钨舟中装料，在外延片的受光面依次蒸镀厚度150nm的Au、Ge、Ni和5000nm的Ag、 100nm的Au。蒸镀完成后，将外延片取出放入丙酮中浸泡15分钟，超声1分钟。然后用流动的去离子水清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面。去掉光刻胶后，外延片的受光面上形成图2形状的金属电极。
4、台面腐蚀
将蒸镀好电极的外延片放入涂胶机中，在受光面均匀涂覆RZJ-390光刻胶，放在100度的热板上面烘烤1分钟，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为7～10s，然后将光刻好的外延片放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面，放在120度的热板上面烘烤2分钟，用腐蚀液腐蚀10分钟后，在流动的去离子水中清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面。腐蚀台面后，外延片被分割成电池芯片。
5、减反射膜（AR）涂覆工艺
将腐蚀后的电池放到蒸发台中的蒸镀盘上，将TiO2和SiO2分别放入坩埚内，关闭真空室门，对蒸发台运行真空度大于1.0×10-4Pa，在上电极2面先后蒸镀60nm的TiO2和90nm的SiO2，完成减反射膜1的蒸镀。对电池表面的反射率测试，得到图3所示很好的减反射效果。
6、引线键合
用键合引线在电池芯片上面根据所需电压直接进行串并联，制作完成。
Claims (10)
1.一种高效柔性砷化镓太阳能电池，包括砷化镓电池外延片，外延片结构从上至下包括砷化镓电池外延层（3）、缓冲层（4）、衬底（5），砷化镓电池外延层（3）的受光面位于上部；所述受光面上设有上电极（2），其特征在于：所述衬底（5）的下方依次设有金属化层（6）和铜钼铜柔性基板（7），所述铜钼铜柔性基板（7）为铜钼铜三层复合材料，包括底层铜、中间层钼和顶层铜。
2.根据权利要求１所述的一种高效柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述衬底（5）的厚度为70～110微米；所述铜钼铜柔性基板（7）的底层铜厚度为10～20微米，中间层钼厚度为10～20微米，顶层铜厚度为10～20微米，铜钼铜柔性基板（7）热膨胀系数为（6～7）X10-6/℃。
3.根据权利要求１所述的一种高效柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述外延片受光面上还设有减反射膜（1），所述减反射膜（1）由上层的二氧化硅薄膜和下层的二氧化钛薄膜构成，所述二氧化硅薄膜厚度为90±10nm，所述二氧化钛薄膜厚度为60±10nm。
4.根据权利要求１所述的一种高效柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述金属化层（6）自下而上依次为钛层、银层、金层。
5.根据权利要求１所述的一种高效柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述外延片为三结砷化镓电池外延片，所述外延片的厚度为90±10微米。
6.一种制备如权利要求1所述高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一、外延片衬底（5）减薄，抛光；
步骤二、外延片和铜钼铜柔性基板（7）键合：清洗外延片和铜钼铜柔性基板的键合部位，在外延片衬底（5）生长金属化层（6），将金属化层（6）与铜钼铜柔性基板（7）对准、压紧，最后放入晶片键合设备中，加温、加压完成键合，得到键合片；
步骤三、在外延层（3）的上方制作上电极（2）。
7.根据权利要求6所述的一种制备高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，其特征在于，还包括,
步骤四、外延片受光面上生长减反射膜（1）。
8.根据权利要求7所述的一种制备高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，其特征在于，所述减反射膜（1）通过真空蒸发蒸镀至外延片受光面，蒸发台运行真空度大于1.0×10-4Pa。
9.根据权利要求6所述的一种制备高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，其特征在于，步骤二中，减薄、抛光后的外延片和铜钼铜柔性基板（7），依次经过丙酮、异丙醇、去离子水、HCl与H2O体积比为1:1的混合溶液、去离子水清洗。
10.根据权利要求6所述的一种制备高效柔性砷化镓太阳能电池的方法，其特征在于，步骤二中，外延片和铜钼铜柔性基板的键合部位分别生长钛、银、金三层，其厚度分别为100nm、1000nm、60nm，键合温度300～500摄氏度，键合时间60～120分钟，键合压力2～5kg/cm2。
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