CN109755351B - 一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法 - Google Patents

一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法，在对待切割电池芯片结构进行切割前，首先将刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄，而后再沿切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，最后去除初始柔性薄膜太阳电池的刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。由上述内容可知，由于刚性衬底的存在而对起到支撑待切割电池芯片结构的作用，避免切割前待切割电池芯片结构发生收缩形变，同时在沿切割道进行切割时能够避免初始柔性薄膜太阳电池发生形变，进而避免最终得到的柔性薄膜太阳电池发生形变，保证了柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高；同时，在切割前对刚性衬底进行减薄处理，以便于切割装置进行切割。

Description

一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及柔性薄膜太阳电池技术领域，更为具体的说，涉及一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法。
背景技术
柔性薄膜太阳电池技术发展迅速，由于砷化镓多结柔性薄膜太阳电池具有光电转换效率高、抗辐照能力强、温度特性好等优点，在空间飞行器电源系统和地面高倍聚光光伏电站中得到广泛的应用，并已完全取代晶硅太阳能电池成为空间飞行器的主电源，如应用于火箭中。在柔性薄膜太阳电池的制作过程中，现有的切割工艺经常使得柔性薄膜太阳电池发生形变，进而导致柔性薄膜太阳电池的填充因子(FF)衰减较大和电池效率(Eff)降低的情况出现。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法，有效解决现有存在的技术问题，避免柔性薄膜太阳电池在切割过程中发生形变，保证柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种柔性薄膜太阳电池的制作方法，包括：
提供一待切割电池芯片结构，所述待切割电池芯片结构包括依次叠加的刚性衬底、柔性衬底、金属键合层、第二欧姆接触层、电池外延层、第一欧姆接触层、电极结构和减反射膜，其中，在所述电极结构一侧刻蚀有切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线，所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线处外为镂空，及所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处为镂空；
对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度；
沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池；
去除所述初始柔性薄膜太阳电池的所述刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
可选的，沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，包括：
采用金刚石刀片或激光切割机沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池。
可选的，所述金刚石刀片的刀刃露出量不小于0.3mm，及切割速度不超过30mm/s；
以及，所述激光切割机的划片次数为1道-5道，包括端点值，切割速度为10mm/s-300mm/s，包括端点值，及激光功率为1W-4W，包括端点值。
可选的，所述待切割电池芯片结构的制作过程包括：
提供一临时衬底；
在所述临时衬底上依次叠加生长缓冲层、腐蚀截止层、第一欧姆接触层、电池外延层和第二欧姆接触层；
在所述第二欧姆接触层背离所述临时衬底一侧固定一柔性衬底，且在所述柔性衬底背离所述临时衬底一侧固定一刚性衬底，其中，所述柔性衬底与所述第二欧姆接触层之间通过金属键合层固定；
去除所述临时衬底、缓冲层和所述腐蚀截止层；
在所述第一欧姆接触层背离所述柔性衬底一侧形成电极结构，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线；
在所述电极结构一侧刻蚀切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层；
在所述电极结构一侧进行选择性腐蚀，去除所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线以外的部分；
在所述电极结构背离所述柔性衬底一侧沉积减反射膜，且将所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处的部分去除。
可选的，所述电池外延层包括：
位于所述第二欧姆接触层背离所述柔性衬底一侧的底电池；
位于所述底电池背离所述柔性衬底一侧的第二隧穿结；
位于所述第二隧穿结背离所述柔性衬底一侧的中电池；
位于所述中电池背离所述柔性衬底一侧的第一隧穿结；
位于所述第一隧穿结和所述第一欧姆接触层之间的顶电池。
可选的，对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度，包括：
对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄不大于300微米的厚度，其中，所述刚性衬底减薄前厚度为50微米-500微米，包括端点值。
可选的，所述刚性衬底的弹性模量不小于50GPa。
可选的，所述柔性衬底为不锈钢衬底、PI衬底、金箔衬底或金属衬底。
可选的，所述金属键合层冷镀于所述柔性衬底上；
其中，所述金属键合层的材质为Cr、Ti、Ni或Au。
相应的，本发明还提供了一种柔性薄膜太阳电池，所述柔性薄膜太阳电池采用上述的柔性薄膜太阳电池的制作方法制作而成。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法，在对待切割电池芯片结构进行切割前，首先将刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄，而后再沿切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，最后去除初始柔性薄膜太阳电池的刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
由上述内容可知，由于刚性衬底的存在而对起到支撑待切割电池芯片结构的作用，避免切割前待切割电池芯片结构发生收缩形变，同时在沿切割道进行切割时能够避免初始柔性薄膜太阳电池发生形变，进而避免最终得到的柔性薄膜太阳电池发生形变，保证了柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高；同时，在切割前对刚性衬底进行减薄处理，以便于切割装置进行切割。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种柔性薄膜太阳电池的制作方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的另一种柔性薄膜太阳电池的制作方法的流程图；
图3a-图3k为图2中各步骤相应的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，柔性薄膜太阳电池技术发展迅速，由于砷化镓多结柔性薄膜太阳电池具有光电转换效率高、抗辐照能力强、温度特性好等优点，在空间飞行器电源系统和地面高倍聚光光伏电站中得到广泛的应用，并已完全取代晶硅太阳能电池成为空间飞行器的主电源，如应用于火箭中。在柔性薄膜太阳电池的制作过程中，现有的切割工艺经常使得柔性薄膜太阳电池发生形变，进而导致柔性薄膜太阳电池的填充因子(FF)衰减较大和电池效率(Eff)降低的情况出现。
基于此，本申请实施例提供了一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法，有效解决现有存在的技术问题，避免柔性薄膜太阳电池在切割过程中发生形变，保证柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图3k对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种柔性薄膜太阳电池的制作方法的流程图，其中，制作方法包括：
S1、提供一待切割电池芯片结构，所述待切割电池芯片结构包括依次叠加的刚性衬底、柔性衬底、金属键合层、第二欧姆接触层、电池外延层、第一欧姆接触层、电极结构和减反射膜，其中，在所述电极结构一侧刻蚀有切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线，所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线处外为镂空，及所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处为镂空；
S2、对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度；
S3、沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池；
S4、去除所述初始柔性薄膜太阳电池的所述刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
可以理解的，由于刚性衬底的存在而对起到支撑待切割电池芯片结构的作用，避免切割前待切割电池芯片结构发生收缩形变，同时在沿切割道进行切割时能够避免初始柔性薄膜太阳电池发生形变，进而避免最终得到的柔性薄膜太阳电池发生形变，保证了柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高；同时，在切割前对刚性衬底进行减薄处理，以便于切割装置进行切割。
下面结合附图2-3k对于本申请提供的柔性薄膜太阳电池进行更详细的描述，图2为本申请实施例提供的另一种柔性薄膜太阳电池的制作方法的流程图，图3a-图3k为图2中各步骤对应的结构示意图。
如图2所示，本申请实施例提供的柔性薄膜太阳电池的制作方法包括：
S1、提供一待切割电池芯片结构，其中所述待切割电池芯片结构的制作过程包括：
S11、提供一临时衬底；
S12、在所述临时衬底上依次叠加生长缓冲层、腐蚀截止层、第一欧姆接触层、电池外延层和第二欧姆接触层；
S13、在所述第二欧姆接触层背离所述临时衬底一侧固定一柔性衬底，且在所述柔性衬底背离所述临时衬底一侧固定一刚性衬底，其中，所述柔性衬底与所述第二欧姆接触层之间通过金属键合层固定；
S14、去除所述临时衬底、缓冲层和所述腐蚀截止层；
S15、在所述第一欧姆接触层背离所述柔性衬底一侧形成电极结构，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线；
S16、在所述电极结构一侧刻蚀切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层；
S17、在所述电极结构一侧进行选择性腐蚀，去除所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线以外的部分；
S18、在所述电极结构背离所述柔性衬底一侧沉积减反射膜，且将所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处的部分去除。
S2、对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度；
S3、沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池；
S4、去除所述初始柔性薄膜太阳电池的所述刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
如图3a所示，对应步骤S11，提供一临时衬底100。
在本申请一实施例中，本申请提供的临时衬底可以为GaAs临时衬底，对此本申请不做具体限制。
如图3b所示，对应步骤S12，在所述临时衬底100上依次叠加生长缓冲层110、腐蚀截止层120、第一欧姆接触层210、电池外延层300和第二欧姆接触层220。
在本申请一实施例中，本申请提供的缓冲层可以为N型GaAs缓冲层，腐蚀截止层为GaInP腐蚀截止层，第一欧姆接触层为N型GaAs欧姆接触层，及第二接触层为P型InGaAs欧姆接触层。
以及，本申请实施例提供的所述电池外延层300包括：
位于所述第二欧姆接触层220背离所述柔性衬底一侧的底电池350；
位于所述底电池350背离所述柔性衬底一侧的第二隧穿结340；
位于所述第二隧穿结340背离所述柔性衬底一侧的中电池330；
位于所述中电池330背离所述柔性衬底一侧的第一隧穿结320；
位于所述第一隧穿结320和所述第一欧姆接触层210之间的顶电池310。
需要说明的是，本申请实施例提供的电池外延层可以为三结电池外延层，对此本申请不做具体限制。本申请实施例提供的顶电池可以为GaInP顶电池，中电池可以为GaAs中电池，及底电池可以为InGaAs底电池。
如图3c所示，对应步骤S13，在所述第二欧姆接触层220背离所述临时衬底100一侧固定一柔性衬底410，且在所述柔性衬底410背离所述临时衬底100一侧固定一刚性衬底500，其中，所述柔性衬底410与所述第二欧姆接触层220之间通过金属键合层420固定。
在本申请一实施例中，本申请提供的刚性衬底为刚性材质且具有一定弹性模量，进而能够在后续切割过程中作为柔性衬底的支撑结构，保证柔性衬底切割断裂面较整齐，不易发生漏电。其中，本申请实施例提供的所述刚性衬底的弹性模量不小于50GPa。
可选的，本申请实施例提供的所述柔性衬底为不锈钢衬底、PI(PolyimideFilm，聚酰亚胺薄膜)衬底、金箔衬底或金属衬底。其中，所述金属键合层冷镀于所述柔性衬底上，而后通过键合机将柔性衬底、刚性衬底和第二欧姆接触层之间压合；进一步的，本申请提供的柔性衬底、刚性衬底和第二欧姆接触层之间贴合前对准时，可以在三者上设置对位标识达到对准目的，其中，对位标识可以为在三者边缘形成的一条平边等。
其中，本申请提供的金属键合层的材质选用与柔性衬底热膨胀系数相差较小、且附着力强的金属材质，如所述金属键合层的材质为Cr、Ti、Ni或Au。
如图3d所示，对应步骤S14，去除所述临时衬底100、缓冲层110和所述腐蚀截止层120。
在本申请一实施例中，可以采用含有双氧水的溶液，腐蚀去除GaAs临时衬底和N型GaAs缓冲层，裸露出GaInP腐蚀截止层；而后采用含有HCl的溶液去除GaInP腐蚀截止层。
如图3e所示，对应步骤S15，在所述第一欧姆接触层210背离所述柔性衬底410一侧形成电极结构，所述电极结构包括至少一个上电极610和多条栅线620。
在本申请一实施例中，可以采用光刻工艺在第一欧姆接触层背离柔性衬底一侧制作电极结构；其中，上电极和栅线可以为使用电子束或热阻真空蒸镀，在第二欧姆接触层上蒸镀的单电极层或多电极层叠加层后进行有机剥离后形成。可选的，本申请实施例提供的电极层的材质可以为Ti、Pd、Ag、Au、AuGe中一种。
如图3f所示，对应步骤S16，在所述电极结构一侧刻蚀切割710和至少一个背电极槽720，且所述切割道710和背电极槽720均刻蚀至所述金属键合层420。
在制作电极结构完毕后，在电极结构一侧进行切割道和背电极槽图形的刻蚀，本申请实施例可以采用ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)干法刻蚀工艺或溶液湿法刻蚀工艺，刻蚀掉切割道和背电极槽处的电池外延层，而裸露出金属键合层。
如图3g所示，对应步骤S17，在所述电极结构一侧进行选择性腐蚀，去除所述第一欧姆接触层210对应所述上电极610和所述栅线620以外的部分。
在本申请一实施例中，可以采用柠檬酸和双氧水的混合溶液，选择性的腐蚀N型GaAs欧姆接触层(第一欧姆接触层)对应栅线和上电极的区域外的部分。
如图3h所示，对应步骤S18，在所述电极结构背离所述柔性衬底410一侧沉积减反射膜800，且将所述减反射膜800对应所述上电极610和所述背电极槽720处的部分去除。
在本申请一实施例中，采用电子束或PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学的气相沉积法)沉积方法在电极结构一侧蒸镀减反射膜；其中，减反射膜可以为单层结构或多层叠加结构，且每一层的材质为可以TiO2、SiO2、MgF2或Al2O3；而后将减反射膜对应上电极和背电极槽处的部分刻蚀去除。进一步的，切割道处相应的减反射膜的部分也可以同时刻蚀去除。
如图3i所示，对应步骤S2，对所述刚性衬底500背离柔性衬底410一侧进行减薄至预设厚度。
在本申请一实施例中，在对刚性衬底进行减薄前，首先将电极结构侧进行保护，而后可以使用砂轮研磨机、大盘研磨机或化学溶液腐蚀工艺，对刚性衬底进行减薄。
其中，本申请实施例提供的对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度，包括：
对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄不大于300微米的厚度，其中，所述刚性衬底减薄前厚度为50微米-500微米，包括端点值。
如图3j所示，对应步骤S3，沿所述切割道710进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池。
在本申请一实施例中，本申请提供的沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，包括：
采用金刚石刀片或激光切割机沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池。
可选的，本申请实施例提供的所述金刚石刀片的刀刃露出量不小于0.3mm，及切割速度不超过30mm/s，采用此切割工艺能够保证柔性衬底的收缩程度处于最小，同时能够兼顾切割质量高，避免正崩情况；
以及，所述激光切割机的划片次数为1道-5道，包括端点值，切割速度为10mm/s-300mm/s，包括端点值，及激光功率为1W-4W，包括端点值，其中，在保证激光切穿的前提下，兼顾激光灼烧的宽度，避免造成漏电。
如图3k所示，对应步骤S4，去除所述初始柔性薄膜太阳电池的所述刚性衬底500得到所述柔性薄膜太阳电池。
在本申请一实施例中，可以采用溶液腐蚀初始柔性薄膜太阳电池的刚性衬底。其中，采用缓和的双氧水溶液腐蚀该剩余的刚性衬底，且溶液为采用磷酸进行1-10(包括端点值)倍稀释，避免对柔性薄膜太阳电池的电极结构侧造成腐蚀。
相应的，本申请实施例还提供了一种柔性薄膜太阳电池，所述柔性薄膜太阳电池采用上述任意一实施例提供的柔性薄膜太阳电池的制作方法制作而成。
本申请实施例提供了一种柔性薄膜太阳电池及其制作方法，在对待切割电池芯片结构进行切割前，首先将刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄，而后再沿切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，最后去除初始柔性薄膜太阳电池的刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
由上述内容可知，由于刚性衬底的存在而对起到支撑待切割电池芯片结构的作用，避免切割前待切割电池芯片结构发生收缩形变，同时在沿切割道进行切割时能够避免初始柔性薄膜太阳电池发生形变，进而避免最终得到的柔性薄膜太阳电池发生形变，保证了柔性薄膜太阳电池的填充因子衰减较小和电池效率较高；同时，在切割前对刚性衬底进行减薄处理，以便于切割装置进行切割。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，包括：
提供一待切割电池芯片结构，所述待切割电池芯片结构包括依次叠加的刚性衬底、柔性衬底、金属键合层、第二欧姆接触层、电池外延层、第一欧姆接触层、电极结构和减反射膜，其中，在所述电极结构一侧刻蚀有切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线，所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线处外为镂空，及所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处为镂空；
对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度；
沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池；
去除所述初始柔性薄膜太阳电池的所述刚性衬底得到所述柔性薄膜太阳电池。
2.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池，包括：
采用金刚石刀片或激光切割机沿所述切割道进行切割得到至少一个初始柔性薄膜太阳电池。
3.根据权利要求2所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述金刚石刀片的刀刃露出量不小于0.3mm，及切割速度不超过30mm/s；
以及，所述激光切割机的划片次数为1道-5道，包括端点值，切割速度为10mm/s-300mm/s，包括端点值，及激光功率为1W-4W，包括端点值。
4.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述待切割电池芯片结构的制作过程包括：
提供一临时衬底；
在所述临时衬底上依次叠加生长缓冲层、腐蚀截止层、第一欧姆接触层、电池外延层和第二欧姆接触层；
在所述第二欧姆接触层背离所述临时衬底一侧固定一柔性衬底，且在所述柔性衬底背离所述临时衬底一侧固定一刚性衬底，其中，所述柔性衬底与所述第二欧姆接触层之间通过金属键合层固定；
去除所述临时衬底、缓冲层和所述腐蚀截止层；
在所述第一欧姆接触层背离所述柔性衬底一侧形成电极结构，所述电极结构包括至少一个上电极和多条栅线；
在所述电极结构一侧刻蚀切割道和至少一个背电极槽，且所述切割道和背电极槽均刻蚀至所述金属键合层；
在所述电极结构一侧进行选择性腐蚀，去除所述第一欧姆接触层对应所述上电极和所述栅线以外的部分；
在所述电极结构背离所述柔性衬底一侧沉积减反射膜，且将所述减反射膜对应所述上电极和所述背电极槽处的部分去除。
5.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述电池外延层包括：
位于所述第二欧姆接触层背离所述柔性衬底一侧的底电池；
位于所述底电池背离所述柔性衬底一侧的第二隧穿结；
位于所述第二隧穿结背离所述柔性衬底一侧的中电池；
位于所述中电池背离所述柔性衬底一侧的第一隧穿结；
位于所述第一隧穿结和所述第一欧姆接触层之间的顶电池。
6.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄至预设厚度，包括：
对所述刚性衬底背离柔性衬底一侧进行减薄不大于300微米的厚度，其中，所述刚性衬底减薄前厚度为50微米-500微米，包括端点值。
7.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述刚性衬底的弹性模量不小于50GPa。
8.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述柔性衬底为不锈钢衬底、PI衬底、金箔衬底或金属衬底。
9.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法，其特征在于，所述金属键合层冷镀于所述柔性衬底上；
其中，所述金属键合层的材质为Cr、Ti、Ni或Au。
10.一种柔性薄膜太阳电池，其特征在于，所述柔性薄膜太阳电池采用权利要求1～9任意一项所述的柔性薄膜太阳电池的制作方法制作而成。
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