CN108598217A - 一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，薄型砷化镓太阳电池包含应力匹配柔性支撑衬底、砷化镓太阳电池材料、金属电极、减反射膜，其制备方法包括：键合金属层制备、外延键合、临时键合、器件制作，所述应力匹配柔性支撑衬底为线膨胀系数低于11×10‑6/℃的金属薄膜或耐高温聚合物薄膜，与砷化镓太阳电池材料热力学性能匹配良好。所制备的砷化镓太阳电池翘曲小、平整度好、可焊性高、易于太阳电池组件的研制，空间应用可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及轻质柔性砷化镓太阳电池技术领域，具体涉及一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法。
背景技术
太阳电池是各种空间飞行器不可或缺的重要组成部分，是能量收集、高效转换和使用等电源分系统的关键部件，其性能的优劣严重制约着整个系统的信息收集能力、机动作战能力、工作寿命、可靠性等。空间技术发展及昂贵的航天发射成本迫切要求极大地降低太阳电池重量、提高光电转换效率和增强其可靠性。
随着光伏电池技术发展，空间太阳电池阵在结构方面已从刚性太阳电池阵发展至柔性太阳电池阵，电池阵重量比功率已提升至200W/kg，但由于受限于砷化镓太阳电池单体本身重量限制，难以满足大功率、多功能飞行器研制对300W/kg以上重量比功率太阳电池阵的需求，通过计算，以现有外延技术水平，对外延生长的多结砷化镓进行薄膜化、柔性化器件工艺制程，制作重量比功率大于2000W/kg的薄膜砷化镓太阳电池，可实现300W/kg以上重量比功率太阳电池阵的研制目标。
基于此，近年来，国内外各单位开展薄膜砷化镓太阳电池的研制，如中国专利申请201620949232.6公开的一种锗基砷化镓多结柔性薄膜太阳电池、中国专利申请201610062060.5公开的高比功率GaAs多结柔性薄膜太阳电池及其制备方法；中国专利申请201210378163.4公开的砷化镓薄膜多结叠层太阳电池的制备方法等。以上专利要么采用Ge衬底减薄或GaAs衬底腐蚀的方式制备薄膜砷化镓太阳电池，其支撑衬底采用PI、PET、PEN、玻璃、不锈钢以、PTFE及聚酯膜等材料，其制作的薄膜砷化镓电池受其支撑衬底膨胀系数限制，电池存在翘曲较大、柔韧性差、热压扩散焊接性能差等缺点，难以满足后续电池阵制作及行业应用要求。中国专利申请201510291455.8公开的一种高效柔性砷化镓太阳电池及制备方法采用柔性的铜/钼/铜合金衬底支撑减薄的砷化镓电池材料制作柔性砷化镓太阳电池，其优点在于该结构电池应力匹配良好，但其制作工艺与传统砷化镓电池器件工艺兼容性差，从而限制其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，以解决现有薄型砷化镓太阳电池翘曲度大、柔韧性差、可焊性差、空间稳定性差、工艺兼容性差等问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，薄型砷化镓太阳电池包含应力匹配柔性支撑衬底、砷化镓太阳电池材料、金属电极和减反射膜；所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：键合金属层制备：分别在砷化镓太阳电池材料背光面和应力匹配柔性支撑衬底上制作键合金属层；
步骤2：外延键合：将砷化镓太阳电池材料和应力匹配柔性支撑衬底的键合金属层叠合在一起并进行键合；
步骤3：临时键合：将外延键合后的应力匹配柔性支撑衬底与临时支撑衬底叠合在一起并进行键合；
步骤4：器件制作：在砷化镓太阳电池材料受光面制作金属电极和减反射膜，剥离临时支撑衬底后制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述应力匹配柔性支撑衬底的平均线膨胀系数低于11×10-6/℃，其厚度低于50μm。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述应力匹配柔性支撑衬底的材质为金属薄膜、耐高温聚合物薄膜中的任意一种。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述金属薄膜为不锈钢、铁镍合金、铁铜合金、钨合金、钼金属、钼合金中的任意一种。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述耐高温聚合物薄膜的玻璃化转变温度不小于200℃。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述应力匹配柔性支撑衬底的材质为耐高温聚合物薄膜时，在键合金属层与耐高温聚合物薄膜之间设置应力缓冲层。
上述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，所述应力缓冲层为硅碳氧化物/氧化钛复合层、钼金属层中的任意一种。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明在砷化镓太阳电池材料背光面制作应力匹配柔性支撑衬底，通过半导体光刻腐蚀工艺在受光面制作用于收集光电流的金属电极和减反射膜，制备得到应力平衡的薄型砷化镓太阳电池。由于柔性支撑衬底与砷化镓电池材料应力匹配，制备的薄型砷化镓太阳电池翘曲小、平整度好、可焊性高、易于太阳电池组件或太阳电池阵的研制，同时支撑衬底柔韧性好、密度低、与砷化镓电池结合牢固等，使得制备的薄型太阳电池不仅具有较高的机械强度和较高的重量比功率，而且易于互连焊接和封装，其制作工艺与传统砷化镓太阳电池及电池阵制作工艺兼容性好，空间应用可靠性高。
附图说明
图1为本发明提供的砷化镓太阳电池材料的俯视图；
图2为本发明提供的应力匹配柔性支撑衬底的俯视图；
图3为本发明提供的制作键合金属层后的砷化镓太阳电池材料的结构示意图；
图4为本发明提供的制作键合金属层后的应力匹配柔性支撑衬底的结构示意图；
图5为本发明提供的砷化镓太阳电池材料和应力匹配柔性支撑衬底进行外延键合后的结构示意图；
图6为本发明提供的由金属柔性支撑衬底支撑的砷化镓太阳电池材料临时键合后的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的金属电极制作前的局部结构示意图；
图8为本发明一实施例提供的金属电极制作后的局部结构示意图；
图9为本发明实施实例提供的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的剖面结构示意图；
图10为本发明提供的制作键合金属层后的由聚合物薄膜柔性支撑衬底支撑的砷化镓太阳电池材料的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其中，薄型砷化镓太阳电池包含应力匹配柔性支撑衬底2、砷化镓太阳电池材料1、金属电极7和减反射膜8；进一步地，所述应力匹配柔性支撑衬底2的平均线膨胀系数低于11×10-6/℃，其厚度低于50μm。再进一步地，所述应力匹配柔性支撑衬底2的材质为金属薄膜、耐高温聚合物薄膜中的任意一种。优选地，所述金属薄膜为不锈钢、铁镍合金、铁铜合金、钨合金、钼金属、钼合金中的任意一种。优选地，所述耐高温聚合物薄膜的玻璃化转变温度不小于200℃。
所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：键合金属层3制备：分别在砷化镓太阳电池材料1背光面和应力匹配柔性支撑衬底2上制作键合金属层3；所述应力匹配柔性支撑衬底2的材质为耐高温聚合物薄膜时，在键合金属层3与耐高温聚合物薄膜之间设置应力缓冲层6。优选地，所述应力缓冲层6为硅碳氧化物/氧化钛复合层、钼金属层中的任意一种。所述键合金属层3为Ti/Au、Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au中的任意一种；其中，Au层的厚度不小于0.3μm。
步骤2：外延键合：将砷化镓太阳电池材料1和应力匹配柔性支撑衬底2的键合金属层3叠合在一起并进行键合；
步骤3：临时键合：将外延键合后的应力匹配柔性支撑衬底2与临时支撑衬底4叠合在一起并进行键合；
步骤4：器件制作：在砷化镓太阳电池材料1受光面制作金属电极7和减反射膜8，剥离临时支撑衬底4后制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池。
实施例1
1、键合金属层3制备
1)如图1和图2所示，将MOCVD设备生长的GaInP/GaAs/InGaAs砷化镓太阳电池材料1打标编号，并与同尺寸FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2依次采用丙酮、酒精超声清洗5min，进一步采用半导体清洗液30℃水浴清洗10min，然后热氮气干燥；
2)如图3和图4所示，该砷化镓太阳电池材料1的结构为从下到上依次为砷化镓外延生长衬底11，第一砷化镓帽子层12，砷化镓电池材料层13及第二砷化镓帽子层14；
将清洗后的砷化镓太阳电池材料1背光面(第二砷化镓帽子层14)、FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2上分别采用真空镀膜依次镀制Ti/Pt/Au键合金属层3，键合金属层3的厚度为1μm。
2、外延键合
如图5所示，将砷化镓太阳电池材料1、FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2的键合金属层3叠合在一起，在真空下高温高压键合120min，使得FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2与砷化镓太阳电池材料1化学冶金结合在一起，键合温度为330℃，键合压力为2000kg/cm2，真空度为1.0×10-2mBar。
3、临时键合
1)如图6所示，采用1mm厚、同尺寸普通玻璃作为临时支撑衬底4，并在其表面涂覆热塑性耐腐蚀有机粘接剂5，并进行加热固化；
2)将涂覆有机粘接剂5的普通玻璃与外延键合后的FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2叠合在一起，并进行低温键合，有机粘接剂5将普通玻璃与FeCoNi应力匹配柔性支撑衬底2临时键合在一起，键合温度为180℃、键合压力1kN，键合时间为5min，真空度为1.0×10- 1mBar。
4、器件制作
1)外延生长衬底剥离
采用体积比为1：15的磷酸和双氧水混合溶液腐蚀衬底转移后的砷化镓太阳电池材料1，腐蚀时间约为40min，去除砷化镓外延生长衬底11，然后采用磷酸或盐酸溶液进一步腐蚀，暴露出第一砷化镓帽子层12，去离子水(QDR)清洗后热氮气干燥。
2)制作金属电极7
如图7和图8所示，采用光刻-显影工艺在砷化镓太阳电池材料1受光面(第一砷化镓帽子层12)上旋涂负性光刻胶9，显影制作金属电极7图形，通过真空镀膜在其表面制备Ag/Au电极10，电极厚度为5μm，然后依次采用丙酮、酒精、半导体清洗液剥离负性光刻胶9形成金属电极7；
3)制作减反射膜8
采用光刻-显影工艺对剥离后的砷化镓太阳电池材料1受光面涂覆负性光刻胶、显影后金属电极7表面留下光刻胶套刻保护，然后采用体积比为1：2：2的柠檬酸、双氧水、水的混合溶液对金属电极7之间进行选择性湿法腐蚀，以去除金属电极7之间的第一砷化镓帽子层12，以暴露出砷化镓电池材料层13；
进而在砷化镓电池材料层13上采用真空镀膜方法镀制TiO2/Al2O3双层减反射膜8，厚度分别为40nm/70nm。双层减反射膜8在380～800nm光谱范围反射率低于5％，900～1400nm光谱范围反射率低于5％。
4)临时支撑衬底4剥离
首先采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除金属电极7表面的光刻胶，然后在250℃下机械热滑移去除临时支撑衬底4，进而采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除有机粘接剂5，制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池，如图9所示。
5、高温合金化
对应力平衡薄型砷化镓太阳电池进行高温合金化，合金温度为400℃，时间为10min。
6、划片与测试
根据电池芯片设计尺寸，采用机械或激光切割技术进行划切，进一步打标编号，然后在AM0或AM1或AM1.5或其它太阳光谱下进行I-V测试。
实施例2
1、键合金属层3制备
1)如图1和图2所示，将MOCVD设备生长的GaInP/GaAs/InGaAs砷化镓太阳电池材料1打标编号，并与同尺寸钼金属应力匹配柔性支撑衬底2依次采用丙酮、酒精超声清洗5min，进一步采用半导体清洗液30℃水浴清洗10min，然后热氮气干燥；
2)如图3和图4所示，该砷化镓太阳电池材料1的结构为从下到上依次为砷化镓外延生长衬底11，第一砷化镓帽子层12，砷化镓电池材料层13及第二砷化镓帽子层14；
将清洗后的砷化镓太阳电池材料1背光面(第二砷化镓帽子层14)、钼金属应力匹配柔性支撑衬底2上分别采用真空镀膜依次镀制Ti/Pt/Au键合金属层3层，键合金属层3厚度为1μm；
2、外延键合
如图5所示，将砷化镓太阳电池材料1、钼金属应力匹配柔性支撑衬底2的键合金属层3叠合在一起，在真空下高温高压键合120min，使得钼金属应力匹配柔性支撑衬底2与砷化镓太阳电池材料1化学冶金结合在一起，键合温度为330℃，键合压力为2000kg/cm2，真空度为1.0×10-2mBar。
3、临时键合
1)如图6所示，采用1mm厚、同尺寸普通玻璃作为临时支撑衬底4，并在其表面涂覆热塑性耐腐蚀有机粘接剂5，并进行加热固化；
2)将涂覆有机粘接剂5的普通玻璃与外延键合后的钼金属应力匹配柔性支撑衬底2叠合在一起，并进行低温键合，有机粘接剂5将玻璃与钼金属临时键合在一起，键合温度为180℃、键合压力1kN，键合时间为5min，真空度为1.0×10-1mBar。
4、器件制作
1)外延生长衬底剥离
采用体积比为1：15的磷酸和双氧水混合溶液腐蚀衬底转移后的砷化镓太阳电池材料1，腐蚀时间约为40min，去除砷化镓外延生长衬底11，然后采用磷酸或盐酸溶液进一步腐蚀，暴露出第一砷化镓帽子层12，去离子水(QDR)清洗后热氮气干燥。
2)制作金属电极7
如图7和图8所示，采用光刻-显影工艺在砷化镓太阳电池材料1受光面(第一砷化镓帽子层12)上旋涂负性光刻胶9，显影制作金属电极7图形，通过真空镀膜在其表面制备Ag/Au电极10，电极厚度为5μm，然后依次采用丙酮、酒精、半导体清洗液剥离负性光刻胶9形成金属电极7；
3)制作减反射膜8
采用光刻-显影工艺对剥离后的砷化镓太阳电池材料1受光面涂覆负性光刻胶、显影后金属电极7表面留下光刻胶套刻保护，然后采用体积比为1：2：2的柠檬酸、双氧水、水的混合溶液对金属电极7之间进行选择性湿法腐蚀，以去除金属电极7之间的第一砷化镓帽子层12，暴露出砷化镓电池材料层13；
进而在砷化镓电池材料层13上采用真空镀膜方法镀制TiO2/Al2O3双层减反射膜8，厚度分别为40nm/70nm。双层减反射膜8在380～800nm光谱范围反射率低于5％，900～1400nm光谱范围反射率低于5％；
4)临时支撑衬底4剥离
首先采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除金属电极7表面的光刻胶，然后在250℃下机械热滑移去除临时支撑衬底4，进而采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除有机粘接剂5，制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池，如图9所示。
5、高温合金化
对应力平衡薄型砷化镓太阳电池进行高温合金化，合金温度为400℃，时间为10min。
6、划片与测试
根据电池芯片设计尺寸，采用机械或激光切割技术进行划切，进一步打标编号，然后在AM0或AM1或AM1.5或其它太阳光谱下进行I-V测试。
实施例3
1、键合金属层3制备
1)将MOCVD设备生长的GaInP/GaAs/InGaAs砷化镓太阳电池材料1进行打标编号，并与膨胀系数为10×10-6/℃的聚酰亚胺衬底(以下简称PI衬底)依次采用丙酮、酒精超声清洗5min，进一步采用半导体清洗液30℃水浴清洗10min，然后热氮气干燥；
2)该砷化镓太阳电池材料1的结构为从下到上依次为砷化镓外延生长衬底11，第一砷化镓帽子层12，砷化镓电池材料层13及第二砷化镓帽子层14；
将清洗后的砷化镓太阳电池材料1背光面(第二砷化镓帽子层14)采用真空镀膜依次镀制Ti/Pt/Au键合金属层3，键合金属层3厚度为1μm；
3)如图10所示，将清洗后的PI衬底首先采用CVD依次镀制硅碳氧化物/氧化钛复合层作为应力缓冲层6，然后在应力缓冲层6上采用真空镀膜依次镀制Ti/Pt/Au键合金属层3，键合金属层3厚度为1μm；
2、外延键合
将砷化镓太阳电池材料1、PI衬底的键合金属层3叠合在一起，在真空下高温高压键合120min，使得PI衬底与砷化镓太阳电池材料1化学冶金结合在一起，键合温度为300℃，键合压力为2000kg/cm2，真空度为1.0×10-2mBar。
3、临时键合
1)采用1mm厚、同尺寸普通玻璃作为临时支撑衬底4，并在其表面涂覆热塑性耐腐蚀有机粘接剂5，并进行加热固化；
2)将涂覆有机粘接剂5的普通玻璃与外延键合后的PI衬底叠合在一起，并进行低温键合，有机粘接剂5将玻璃与PI衬底临时键合在一起，键合温度为180℃、键合压力1kN，键合时间为5min，真空度为1.0×10-1mBar。
4、器件制作
1)外延生长衬底剥离
采用体积比为1：15的磷酸和双氧水混合溶液腐蚀衬底转移后的砷化镓太阳电池材料1，腐蚀时间约为40min，去除砷化镓外延生长衬底11，然后采用磷酸或盐酸溶液进一步腐蚀，暴露出第一砷化镓帽子层12，去离子水(QDR)清洗后热氮气干燥。
2)制作金属电极7
采用光刻-显影工艺在砷化镓太阳电池材料1受光面(第一砷化镓帽子层12)上旋涂负性光刻胶9，显影制作金属电极7图形，通过真空镀膜在其表面制备Ag/Au电极10，电极厚度为5μm，然后依次采用丙酮、酒精、半导体清洗液剥离负性光刻胶9形成金属电极7；
3)制作减反射膜8
采用光刻-显影工艺对剥离后的砷化镓太阳电池材料1受光面涂覆负性光刻胶、显影后金属电极7表面留下光刻胶套刻保护，然后采用体积比为1：2：2的柠檬酸、双氧水、水的混合溶液对金属电极7之间进行选择性湿法腐蚀，以去除金属电极7之间的第一砷化镓帽子层12，暴露出砷化镓电池材料层13；
进而在砷化镓电池材料层13上采用真空镀膜方法镀制TiO2/Al2O3双层减反射膜8，厚度分别为40nm/70nm。双层减反射膜8在380～800nm光谱范围反射率低于5％，900～1400nm光谱范围反射率低于5％；
4)临时支撑衬底4剥离
首先采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除金属电极7表面的光刻胶，然后在250℃下机械热滑移去除临时支撑衬底4，进而采用湿法腐蚀或干法腐蚀去除有机粘接剂5，制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池。
5、高温合金化
对应力平衡薄型砷化镓太阳电池进行高温合金化，合金温度为400℃，时间为10min。
6、划片与测试
根据电池芯片设计尺寸，采用机械或激光切割技术进行划切，进一步打标编号，然后在AM0或AM1或AM1.5或其它太阳光谱下进行I-V测试。
综上所述，本发明的核心思想在于，大多正向外延生长的砷化镓电池材料应力匹配良好，制作器件前的外延片光亮平整，膨胀系数约为6×10-6/℃～7×10-6/℃，而倒置生长的外延片的砷化镓电池材料由于其各子电池带隙与太阳光谱匹配良好，光电效率得到极大提高，但电池材料存在较大的晶格失配，虽可通过组分阶变缓和，但其应力相对较大，在器件制作过程中，当支撑衬底与电池材料失配较大时，制作器件会产生较大的翘曲，温度响应显著，基于此，本发明采用膨胀系数低于11×10-6/℃的柔性衬底及其缓冲层设计，制作的薄型砷化镓太阳电池平整、可焊、空间稳定，且与传统工艺兼容性好，极大地提高空间应用可靠性，可满足大功率、多功能飞行器研制及其它民用领域应用要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，薄型砷化镓太阳电池包含应力匹配柔性支撑衬底、砷化镓太阳电池材料、金属电极和减反射膜；所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：键合金属层制备：分别在砷化镓太阳电池材料背光面和应力匹配柔性支撑衬底上制作键合金属层；
步骤2：外延键合：将砷化镓太阳电池材料和应力匹配柔性支撑衬底的键合金属层叠合在一起并进行键合；
步骤3：临时键合：将外延键合后的应力匹配柔性支撑衬底与临时支撑衬底叠合在一起并进行键合；
步骤4：器件制作：在砷化镓太阳电池材料受光面制作金属电极和减反射膜，剥离临时支撑衬底后制得应力平衡薄型砷化镓太阳电池。
2.如权利要求1所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述应力匹配柔性支撑衬底的平均线膨胀系数低于11×10-6/℃，其厚度低于50μm。
3.如权利要求1所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述应力匹配柔性支撑衬底的材质为金属薄膜、耐高温聚合物薄膜中的任意一种。
4.如权利要求3所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜为不锈钢、铁镍合金、铁铜合金、钨合金、钼金属、钼合金中的任意一种。
5.如权利要求3所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述耐高温聚合物薄膜的玻璃化转变温度不小于200℃。
6.如权利要求3所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述应力匹配柔性支撑衬底的材质为耐高温聚合物薄膜时，在键合金属层与耐高温聚合物薄膜之间设置应力缓冲层。
7.如权利要求6所述的应力平衡薄型砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述应力缓冲层为硅碳氧化物/氧化钛复合层、钼金属层中的任意一种。
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