CN106784148A - 一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法。本发明属于太阳电池技术领域。带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法：(1)制备三结太阳电池外延片，表面涂覆光刻胶；(2)采用光刻显影，在光刻胶上绘制二极管区域与电池区域的隔离槽；(3)腐蚀外延片，制备隔离槽，将二极管区域和电池区域的GaInP/GaAs子电池分离开；(4)腐蚀外延片，将二极管区域和电池区域的Ge子电池分离开；(5)在外延片表面重新涂覆光刻胶；(6)在光刻胶上绘制旁路二极管区域；(7)腐蚀外延片，将GaInP外延层去除；(8)在外延片表面重新涂覆光刻胶；(9)采用光刻显影，在光刻胶上绘制上电极图形；(10)制备上电极，完成后续工序。本发明具有体积小，重量轻，可弯折，工艺简单，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法。
背景技术
目前，砷化镓多结太阳电池因其转换效率明显高于传统的晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。当太阳电池组件中的一串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重地破坏太阳电池。有光照的太阳能电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而遭受破坏，人们会在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。当电池片损坏或被阴影覆盖不能发电时，旁路二极管可以作为一条旁路的通道，让其它电池片所产生的电流从二极管流过，避免被遮蔽或故障的太阳电池单体产生热斑效应，从而使光伏发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现异常而产生发电电路不通的情况。
砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙结构为1.85/1.40/0.67eV。针对该结构已经有多种旁路二极管的设计，例如利用太阳电池片缺角位置放置二极管、利用太阳电池片背面嵌入二极管等。其中，在电池单体的缺角位置放置片状二极管是现在普遍采用的方式，如图3所示。片状二极管被放置在电池的缺角位置，用两根导线将其与相邻的太阳电池单体反向并联。在太阳电池正常工作的状态下，二极管处于反向截止状态；当有太阳电池片故障或被阴影遮挡时，该串联段中的其他电池所产生的电流都会从旁路二极管通过，此时二极管处于导通状态。这种旁路二极管结构具有成本较低、制备工艺复杂性较低、性能稳定的优点而被广泛应用。
随着太阳电池种类的多元化，应用于不同领域的太阳电池对旁路二极管的设计提出了各种新的要求。传统的旁路二极管厚度较大、焊接工艺可靠性偏低等缺点，已经严重阻碍了其在新型太阳电池中的应用。尤其是对于各种薄膜电池和柔性电池，无法使用刚性的片状二极管作为保护旁路。针对这种现状，已经有一些集成在太阳电池上的二极管结构被设计出来。这些二极管设计通常工艺复杂，成本较高，难以进行大批量生产。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法。
本发明的目的是提供一种具有体积小、重量轻、可弯折，同时工序简练、工艺简单、成本较低，电性能参数符合太阳电池的使用要求，使太阳电池的可靠性得到提升等特点的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法。
一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其中旁路二极管电性能符合太阳电池保护的要求，正向导通压降较低，反向漏电流较小，且与太阳电池单体通过下电极紧密连接，使电池的整体可靠性得到提升。
本发明带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法所采取的技术方案是：
一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，采用太阳电池器件制备工艺，其特点是：带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备过程包括：
(1)制备三结太阳电池外延片；在外延片表面涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
(2)采用光刻显影，在光刻胶上绘制二极管区域与电池区域的隔离槽；
(3)采用酸性或碱性溶液添加双氧水腐蚀外延片，制备隔离槽，将二极管区域和电池区域的GaInP/GaAs子电池分离开；
(4)采用氢氟酸腐蚀液继续腐蚀上述外延片，将二极管区域和电池区域的Ge子电池分离开；
(5)清除覆在外延片表面的光刻胶，并在外延片表面重新涂覆光刻胶，进行烘烤使光刻胶干燥；
(6)采用光刻显影，在光刻胶上绘制旁路二极管区域；
(7)采用硫酸双氧水腐蚀液和盐酸腐蚀液交替腐蚀外延片，将GaInP外延层去除；
(8)清除覆在外延片表面的光刻胶；并在外延片表面重新涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
(9)采用光刻显影，在光刻胶上绘制上电极图形；
(10)制备上电极，按常规单体太阳电池器件工艺完成后续工序，得到带有集成式旁路二极管的太阳电池。
本发明带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法还可以采用如下技术方案：
所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特点是：三结太阳电池外延片为Ge衬底上外延生长GaInP/GaInAs/Ge结构的三结电池外延片。
所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特点是：清除覆在外延片表面的光刻胶时，采用丙酮将覆在外延片表面的光刻胶洗去后进行干燥处理。
所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特点是：采用光刻显影在光刻胶上绘制上电极图形时，包括二极管上电极及电池区域上电极图形。
所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特点是：在外延片表面涂覆光刻胶进行烘烤时，采用旋涂的方法将光刻胶涂覆在外延片上，涂胶转速为2000-3000r/min，采用烘箱进行外延片烘烤，烘烤温度为85-105℃，烘烤时间为30-50min。
本发明具有的优点和积极效果是：
带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明设计了一种基于三结太阳电池的带有集成式旁路二极管的太阳电池。在现有常规三结太阳电池外延片上设计并绘制了旁路二极管区域，实现了二极管与太阳电池有源区的集成。相比于利于太阳电池缺角放置的刚性旁路二极管，本发明具有体积小、重量轻、具有可弯折性等优点，可用于柔性太阳电池、薄膜太阳电池等新型太阳电池；
(2)本发明所设计的集成式旁路二极管是利用三结太阳电池的外延层制备出来的，只需要在器件工艺过程中进行图形绘制和选择性刻蚀，即可完成制备，不需要进行额外的外延过程和嵌入过程。相比于背面嵌入式的集成式二极管，本发明具有工序简练、工艺简单、成本较低的优点，更适合批量生产与实际应用。
(3)本发明使用光刻技术绘制二极管区域与电池区域的隔离槽，并利用湿法刻蚀技术完成对二者的分离，刻蚀范围精确、深度适当，可以形成良好的电路隔离，制备出反向漏电流小、正向开启电压低的二极管。
附图说明
图1是本发明带有集成式旁路二极管的太阳电池结构示意图；
图2是集成式旁路二极管外延结构示意图；
图3是传统的缺角旁路二极管设计示意图。
图中，1、电池有源区域，2、隔离槽，3、二极管区域，4、旁路二极管，5、太阳电池单体；201、太阳电池背电极，202、Ge衬底，203、Ge子电池，204、第一隧穿结，205、GaAs子电池，206、第二隧穿结，207、GaInP子电池，208、减反射膜，209、太阳电池上电极。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1和图2。
实施例1
一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，采用太阳电池器件制备工艺。制备带有集成式旁路二极管的工艺过程，包括以下步骤：
(1)提供一三结太阳电池外延片；
该外延片为Ge衬底上外延生长GaInP/GaInAs/Ge结构的三结电池外延片。
(2)在外延片表面涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
用旋涂的方法将光刻胶涂覆在上述电池外延片上，继而将该外延片放入烘箱中进行烘烤，使光刻胶完全干燥，其中涂胶时的转速为2000-3000r/min，烘烤温度为85-105℃，烘烤时间为30-50min。
(3)通过光刻显影技术，在光刻胶上绘制二极管区域与电池区域的隔离槽；
将上述外延片放入光刻系统，利用光刻技术绘制隔离槽图形，曝光时间为5-15s。光刻完成后，将外延片浸入显影液中轻微晃动约100-150s，完成图形绘制。随后用大量去离子水洗净。
(4)使用硫酸双氧水腐蚀液和盐酸腐蚀液交替腐蚀上述外延片，制备隔离槽，将二极管区域和电池区域的GaInP/GaAs子电池分离开；
①将外延片浸入硫酸腐蚀液，并轻微晃动约30-45s，取出后用大量去离子水清洗；②浸入盐酸腐蚀液中，并轻微晃动90-120s，取出后用大量去离子水清洗。重复上述①②步骤3-5遍，直至腐蚀区域显现金属光泽。硫酸腐蚀液为浓硫酸与双氧水按1:8比例配制成的腐蚀液，盐酸腐蚀液为浓盐酸。
(5)使用氢氟酸腐蚀液继续腐蚀上述外延片，将二极管区域和电池区域的Ge子电池分离开。
将上述外延片放入预先配制的氢氟酸腐蚀液中，上下晃动腐蚀30-60s后取出，用去离子水冲洗，氮气吹干。氢氟酸腐蚀液为氢氟酸与双氧水按1:1比例配制的腐蚀液。
(6)用丙酮将覆在外延片表面的光刻胶洗去后进行干燥处理；
将腐蚀后的外延片浸入丙酮中浸泡0.5-2小时，直至外延片表面光刻胶完全脱离。用大量去离子水冲洗外延片，放入烘箱中干燥。
(7)在外延片表面重新涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
用旋涂的方法将光刻胶涂覆在上述电池外延片上，继而将该外延片放入烘箱中进行烘烤，使光刻胶完全干燥，其中涂胶时的转速为2000-3000r/min，烘烤温度为85-105℃，烘烤时间为30-50min。
(8)通过光刻显影技术，在光刻胶上绘制旁路二极管区域；
将上述外延片放入光刻系统，利用光刻技术绘制二极管图形，曝光时间为5-15s。光刻完成后，将外延片浸入显影液中轻微晃动约100-150s，完成图形绘制。随后用大量去离子水洗净。
(9)使用硫酸双氧水腐蚀液和盐酸腐蚀液交替腐蚀上述外延片，将GaInP外延层去除；
将外延片浸入硫酸腐蚀液，并轻微晃动约30-45s，取出后用大量去离子水清洗；继而浸入盐酸腐蚀液中，并轻微晃动90-120s，取出后用大量去离子水清洗，甩干。
(10)用丙酮将覆在外延片表面的光刻胶洗去后进行干燥处理；
将腐蚀后的外延片浸入丙酮中浸泡0.5-2小时，直至外延片表面光刻胶完全脱离。用大量去离子水冲洗外延片，放入烘箱中干燥。
(11)在外延片表面重新涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
用旋涂的方法将光刻胶涂覆在上述电池外延片上，继而将该外延片放入烘箱中进行烘烤，使光刻胶完全干燥，其中涂胶时的转速为1000-2000r/min，烘烤温度为80-100℃，烘烤时间为10-20min。
(12)通过光刻显影技术，在光刻胶上绘制上电极图形，包括二极管上电极及电池区域上电极；
将上述外延片放入光刻系统，利用光刻技术绘制上电极图形，曝光时间为25-45s。光刻完成后，将外延片浸入显影液中轻微晃动约100-150s，完成图形绘制。随后用大量去离子水洗净。
(13)制备上电极，并按常规单体太阳电池器件工艺完成后续工序。
将光刻后的外延片放入蒸镀机中，用蒸镀法制备上电极。随后按常规工艺完成后续工序。
本实施例具有所述的体积小、重量轻、具有可弯折性等优点，可用于柔性太阳电池、薄膜太阳电池等新型太阳电池；同时具有工序简练、工艺简单、成本较低的优点，更适合批量生产与实际应用。
Claims (5)
1.一种带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，采用太阳电池器件制备工艺，其特征是：带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备过程包括：
(1)制备三结太阳电池外延片；在外延片表面涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
(2)采用光刻显影，在光刻胶上绘制二极管区域与电池区域的隔离槽；
(3)采用酸性或碱性溶液添加双氧水腐蚀外延片，制备隔离槽，将二极管区域和电池区域的GaInP/GaAs子电池分离开；
(4)采用氢氟酸腐蚀液继续腐蚀上述外延片，将二极管区域和电池区域的Ge子电池分离开；
(5)清除覆在外延片表面的光刻胶，并在外延片表面重新涂覆光刻胶，进行烘烤使光刻胶干燥；
(6)采用光刻显影，在光刻胶上绘制旁路二极管区域；
(7)采用硫酸双氧水腐蚀液和盐酸腐蚀液交替腐蚀外延片，将GaInP外延层去除；
(8)清除覆在外延片表面的光刻胶；并在外延片表面重新涂覆光刻胶后进行烘烤，使光刻胶干燥；
(9)采用光刻显影，在光刻胶上绘制上电极图形；
(10)制备上电极，按常规单体太阳电池器件工艺完成后续工序，得到带有集成式旁路二极管的太阳电池。
2.根据权利要求1所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特征是：三结太阳电池外延片为Ge衬底上外延生长GaInP/GaInAs/Ge结构的三结电池外延片。
3.根据权利要求1所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特征是：清除覆在外延片表面的光刻胶时，采用丙酮将覆在外延片表面的光刻胶洗去后进行干燥处理。
4.根据权利要求1所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特征是：采用光刻显影在光刻胶上绘制上电极图形时，包括二极管上电极及电池区域上电极图形。
5.根据权利要求1所述的带有集成式旁路二极管的太阳电池的制备方法，其特征是：在外延片表面涂覆光刻胶进行烘烤时，采用旋涂的方法将光刻胶涂覆在外延片上，涂胶转速为2000-3000r/min，采用烘箱进行外延片烘烤，烘烤温度为85-105℃，烘烤时间为30-50min。
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106784148A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113889553A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-04 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种GaInP/GaInAs/Ge太阳电池一次湿法台阶刻蚀工艺 |
| RU2787955C1 (ru) * | 2021-09-15 | 2023-01-13 | Акционерное общество "Сатурн" (АО "Сатурн") | Способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104393115A (zh) * | 2014-11-18 | 2015-03-04 | 上海空间电源研究所 | 一种多结砷化镓太阳电池一次腐蚀工艺方法 |
| CN105489700A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-13 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种带集成二极管的太阳电池的制备方法 |
-
2016
- 2016-12-27 CN CN201611226315.3A patent/CN106784148A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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