CN108258062B - 砷化镓太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种砷化镓太阳能电池，包括外延片，外延片的正面设有正面N电极，背面设有背面P电极及背面N电极；外延片上设有通道，通道的内壁上包覆绝缘层，通道内设有用于连通正面N电极与背面N电极的导电柱；背面N电极与背面P电极之间设有绝缘隔离带。本发明还提供了该电池的制备方法，包括外延片减薄，制作背面P电极、通道、绝缘层及绝缘隔离带，电镀导电柱，制作背面N电极、正面N电极。本发明提供的砷化镓太阳能电池，利用导电柱将正面N电极引至外延片背面，使得该外延片制成的芯片可靠，且能够贴装使用，与现有技术中采用引线键合连接N电极与P电极的方式相比，具有应用方便、使用寿命长、封装成本低的特点。

Description

砷化镓太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，更具体地说，是涉及一种砷化镓太阳能电池，以及该砷化镓太阳能电池的制备方法。
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为直接跃迁型材料，其禁带宽度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。
现有技术中的砷化镓太阳能电池的电极分布在太阳能电池外延片的正反两面，在应用时采用引线键合的方式实现正面电极与反面电极的连通，但是引线键合的强度不足，在实际应用中极易出现引线断裂或破损，影响太阳能电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砷化镓太阳能电池，旨在解决引线键合强度不足的问题，通过在外延片上设置通道，将正面N电极与背面N电极连通，以使该太阳能电池外延片制成的芯片稳定可靠，且可贴装使用，应用方便，且利于芯片散热，提高了电池芯片的使用寿命，同时降低了芯片的封装成本。
本发明的另一个目的，是提供一种上述砷化镓太阳能电池的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种砷化镓太阳能电池，包括外延片，所述外延片的正面设有正面N电极，所述外延片的背面设有背面N电极及背面P电极；所述正面N电极与所述背面N电极通过设于所述外延片上的通道相连；所述通道的内壁上包覆有绝缘层，所述通道内设有用于所述连通正面N电极与所述背面N电极的导电柱；导电柱；所述背面N电极与所述背面P电极之间设有绝缘隔离带。
进一步地，所述正面N电极包括分别设于所述外延片正面的角点处的多边形结构，以及连接相邻两多边形结构的长条形结构。
进一步地，所述通道沿所述外延片的厚度方向设置。
进一步地，所述通道设有多个。
进一步地，所述导电柱为铜柱。
进一步地，所述正面N电极上设有减反射膜。
本发明还提供了一种砷化镓太阳能电池的制备方法，用于制备上述的砷化镓太阳能电池，其特征在于包括如下步骤：
A.外延片减薄；
B.在外延片的背面制作背面P电极；
C.在外延片上制作通道；
D.制作通道内壁的绝缘层，及制作背面P电极两侧的绝缘隔离带；
E.使用电镀方法制作通道内的导电柱，电镀材料向外延片的背面扩散，形成背面N电极；
F.在外延片的正面制作正面N电极。
进一步地，步骤A中采用腐蚀或磨片方法将外延片减薄至30-60μm；
步骤B中采用光刻及蒸镀的方法制作背面P电极；
步骤C中采用光刻及腐蚀的方法制作通道；
步骤D中采用蒸镀或溅射方法制作通道内壁的绝缘层，及制作背面P电极两侧的绝缘隔离带；
步骤E中采用电镀方法制作导电柱及背面N电极，电镀材料为铜；
步骤F中采用光刻及蒸镀的方法制作正面N电极。
进一步地，所述步骤F之后还包括步骤G：腐蚀外延片的正面。
进一步地，所述步骤G之后还包括步骤H：在正面N电极上制作减反射膜。
本发明提供的砷化镓太阳能电池的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的砷化镓太阳能电池，在外延片的正面设置正面N电极，在外延片的背面设置背面N电极及背面P电极，利用通道内的导电柱连通正面N电极与背面N电极，从而将外延片上的正面电极引至外延片的背面，使得该外延片制成的芯片稳定可靠，且芯片可直接贴装使用，应用方便，提高了芯片的使用寿命，同时降低了芯片的封装成本。
本发明提供的砷化镓太阳能电池的制备方法，与现有技术相比，采用在外延片上制作通道，在通道内电镀导电柱的方式将正面N电极引至背面，以使N电极、P电极均附着在外延片的背面，使得该外延片制成的芯片稳定可靠，能够贴装使用，与现有技术中采用引线键合连接N电极与P电极的方式相比，具有应用方便、使用寿命长、封装成本低的特点。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的砷化镓太阳能电池的结构示意图；
图2为图1的A-A试图；
图3为图1的后视图。
图中：10、外延片；20、正面N电极；30、背面N电极；40、背面P电极；50、绝缘层；60、绝缘隔离带；70、导电柱。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“正面”、“背面”、“厚度”、“中部”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一砷化镓太阳能电池
请参阅图1及图2，现对本发明提供的砷化镓太阳能电池进行说明。所述砷化镓太阳能电池，包括外延片10，外延片10的正面设有正面N电极，背面设有背面P电极40及背面N电极30。正面N电极20与背面N电极30通过设于外延片10上的通道相连，通道的内壁上包覆有绝缘层50，通道内设有用于连通正面N电极20与背面N电极30的导电柱70。背面N电极30与背面P电极40之间设有绝缘隔离带60。
本发明提供的砷化镓太阳能电池，与现有技术相比，在外延片10的正面设置正面N电极20，在外延片10的背面设置背面N电极30及背面P电极40，利用通道内的导电柱70连通正面N电极20与背面N电极30，从而将外延片10上的正面电极引至外延片10的背面，使得该外延片10制成的芯片稳定可靠，且可直接贴装使用，应用方便，且利于芯片散热，提高了芯片的使用寿命，同时降低了芯片的封装成本。
本发明的砷化镓太阳能电池外延片10包括外延层、缓冲层、衬底。
外延层可以是单结、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，沿衬底向上分别生长缓冲层、底电池、中电池、顶电池、窗口层和N++-InGaAs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，外延片10的结构如表1所示。
表1
Figure BDA0001535695400000051
具体地，请参与图1，正面N电极20包括分别设于外延片10正面的角点处的多边形结构，以及连接相邻两多边形结构的长条形结构。
具体地，请参阅图2与图3，背面P电极40设于外延片10背面的中部，背面N电极30位于背面P电极40的两侧，绝缘隔离带60分布于背面P电极40与背面N电极30之间，即外延片10的背面由一侧向另一侧依次分布有背面N电极30、绝缘隔离带60、背面P电极40、绝缘隔离带60及背面N电极30。背面N电极30与背面P电极40还可以采用其他的方式分布。
具体地，请参阅图2，通道沿外延片10的厚度方向设置。通道设有多个。每条通道内的导电柱70均能连接正面N电极20及背面N电极30，连接效果好，即便在一个导电柱70连接失灵的情况下，该外延片10制成的芯片还能正常工作。
具体地，导电柱70为铜柱，铜柱具备良好的导电性，且成本低，便于制作。
具体地，正面N电极20上设有减反射膜，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，二氧化硅薄膜厚度为90±10nm，二氧化钛薄膜厚度为60±10nm，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。
实施例二砷化镓太阳能电池的制备方法
现对本发明提供的砷化镓太阳能电池的制备方法进行说明。所述的砷化镓太阳能电池的制备方法，用于制备实施例1所述的砷化镓太阳能电池，包括如下步骤：
A.外延片10减薄；
B.在外延片10的背面制作背面P电极40；
C.在外延片10上制作通道；
D.制作通道内壁的绝缘层50，及制作背面P电极40两侧的绝缘隔离带60；
E.使用电镀方法制作通道内的导电柱70，电镀材料向外延片10的背面扩散，形成背面N电极30；
F.在外延片10的正面制作正面N电极20。
本发明提供的砷化镓太阳能电池的制备方法，与现有技术相比，采用在外延片10上制作通道，在通道内电镀导电柱70的方式将正面N电极20引至背面，以使N电极、P电极均附着在外延片10的背面，使得该外延片10制成的芯片稳定可靠，能够贴装使用，与现有技术中采用引线键合连接N电极与P电极的方式相比，具有应用方便、使用寿命长、封装成本低的特点。
具体地，采用腐蚀或磨片的方法将外延片10厚度减薄至30-60μm，先在外延片10背面蒸镀背面P电极40，接着在外延片10的背面对应正面N电极20的位置腐蚀通道，接着在通道内壁及背面P电极40的两侧分别蒸镀或溅射绝缘层50及绝缘隔离带60，然后在通道内电镀铜柱，电镀的铜材料向外延片10的背面扩散，形成背面N电极30，接着在外延片10的正面蒸镀正面N电极20，铜柱将背面N电极30与正面N电极20连通，接着腐蚀外延片10的正面，在正面N电极20上制作减反射膜，最后根据需要将外延片10分割成多个电池芯片。
下面结合附图对本发明提供的砷化镓太阳能电池的制备方法作进一步详细的说明。
砷化镓太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
A.外延片10减薄。
选用厚度为355um±5um的三结砷化镓太阳能电池外延片10。将外延片10在丙酮中清洗3min、放入异丙醇中清洗3min，用去离子水冲洗3min，去掉外延片10表面的油污，之后放入HCl：H2O＝1:1的溶液中清洗1min，再用去离子水冲洗3min，去除表面的氧化层；
将表面清洗干净的外延片10与四寸蓝宝石衬底用蜡粘接在一起。完成后采用磨片的方法，将外延片10厚度减薄至30-60μm。
B.在外延片10的背面制作背面P电极40。
将外延片10放入涂胶机中，在背面均匀涂覆光刻胶，放在100℃的热板上面烘烤1min，根据图3中背面P电极40所在的位置制作光刻板，通过光刻机进行光刻，光刻时间为5～8s。然后将光刻好的外延片10放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3min，用氮气枪吹干外延片10的表面。将外延片10放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚和钨舟中装料，在外延片的背面依次蒸镀厚度100nm的Ti、1000nm的Ag和60nm的Au。蒸镀完成后，将外延片10取出放入丙酮中浸泡15min，超声1min。然后用流动的去离子水清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。去掉光刻胶后，外延片10的背面上形成图3形状的背面P电极40。
C.在外延片10上制作通道。
将外延片10放入涂胶机中，在背面均匀涂覆光刻胶，放在100℃的热板上面烘烤1min，根据图2中的通道所处的位置制作好光刻板，通过光刻机对背面进行光刻，光刻时间为5～8s，然后将光刻好的外延片10放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。然后将其放置在腐蚀液中，腐蚀出通道，由于外延片10表面附着有蜡，外延片10腐蚀至厚度达到外延片10减薄后的厚度。完成后将外延片10取出用流动的去离子水清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。然后用丙酮去除表面的光刻胶。
D.制作通道内壁的绝缘层50，及制作背面P电极40两侧的绝缘隔离带60。
将外延片10放入涂胶机中，在背面均匀涂覆光刻胶，放在100℃的热板上面烘烤1min，根据图3的图形制作好光刻板，通过光刻机进行光刻，光刻时间为5～8s。然后将光刻好的外延片10放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。完成后将外延片10放入PECVD中溅射SiN；
将溅射完SiN的外延片10放入丙酮中去除表面的光刻胶。完成后将外延片10取出用流动的去离子水清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。然后采用厚度50μm以上的光刻胶在背面均匀涂覆，放在100℃的热板上面烘烤1min。烘干后，通过光刻机在背面通道位置光刻小于通道开孔尺寸的图形。然后将外延片10放置在HF酸腐蚀液中，腐蚀掉孔洞中多余的SiN，使通道通透。
E.使用电镀方法制作通道内的导电柱70，电镀材料向外延片10的背面扩散，形成背面N电极30。
将溅射完SiN的外延片10放入电镀池中，在腐蚀出的通道内电镀铜柱，电镀的铜材料向外延片10的背面扩散，形成背面N电极30。电镀完成后，将外延片10放入丙酮中去除表面的光刻胶。
F.在外延片10的正面制作正面N电极20。
将蜡融化，使外延片10与蓝宝石衬底分离。将取下的外延片10放入涂胶机中，在正面均匀涂覆光刻胶，放在100℃的热板上面烘烤1min。通过光刻机对正面进行光刻，光刻时间为7～10s，然后将光刻好的外延片10放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。将外延片10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10的正面依次蒸镀厚度150nm的AuGeNi、5000nm的Ag和100nm的Au。蒸镀完成后，将外延片10取出放入丙酮中浸泡15min，超声1min。然后用流动的去离子水清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。去掉光刻胶后，外延片10的正面上形成图1形状的正面N电极20。
步骤G.腐蚀外延片10的正面。
将取下的外延片10放入涂胶机中在正面均匀涂覆光刻胶，放在100℃的热板上面烘烤1min，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10放入显影液中显影40～60s后，在流动的去离子水里面清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。然后放入腐蚀液腐蚀10min后，在流动的去离子水中清洗3min，用氮气枪吹干外延片10表面。
步骤H.在正面N电极20上制作减反射膜。
将外延片10放到蒸发台中的蒸镀盘上，将TiO2和SiO2分别放入坩埚内，在正面N电极20上先后蒸镀60nm的TiO2和90nm的SiO2。制作完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.砷化镓太阳能电池，包括外延片，其特征在于：所述外延片的正面设有正面N电极，所述外延片的背面设有背面N电极及背面P电极，且所述背面N电极设有两组，且分别位于所述背面P电极的两侧，背面N电极的表面与所述背面P电极的表面共面；所述正面N电极与所述背面N电极通过设于所述外延片上的多个通道相连；每个所述通道的内壁上均包覆有绝缘层，每组所述通道内设有用于连通所述正面N电极与所述背面N电极的导电柱；所述背面N电极与所述背面P电极之间设有绝缘隔离带；所述正面N电极包括分别设于所述外延片正面角点处的多边形结构，以及连接相邻两多边形结构的长条形结构；所述外延片包括沿衬底向上分别生长缓冲层、底电池、中电池、顶电池、窗口层和N++-InGaAs接触层，其中顶电池和中电池之间设置有阻隔层、隧道结、窗口层，所述中电池和底电池之间分别设有阻隔层、隧道结；
砷化镓太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
A.外延片减薄；
B.在外延片的背面制作背面P电极；
C.在外延片上制作通道；
D.制作通道内壁的绝缘层，及制作背面P电极两侧的绝缘隔离带；
E.使用电镀方法制作通道内的导电柱，电镀材料向外延片的背面扩散，形成背面N电极；
F.在外延片的正面制作正面N电极；
其中，步骤A中采用腐蚀或磨片方法将外延片减薄至30-60μm；
步骤B中采用光刻及蒸镀的方法制作背面P电极；
步骤C中采用光刻及腐蚀的方法制作通道；
步骤D中采用蒸镀或溅射方法制作通道内壁的绝缘层，及制作背面P电极两侧的绝缘隔离带；
步骤E中采用电镀方法制作导电柱及背面N电极，电镀材料为铜；
G.步骤F中采用光刻及蒸镀的方法制作正面N电极。
2.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述通道沿所述外延片的厚度方向设置。
3.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述正面N电极上设有减反射膜。
4.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤F之后还包括步骤G：腐蚀外延片的正面。
5.如权利要求4所述的砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤G之后还包括步骤H：在正面N电极上制作减反射膜。
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