CN111524984A - 一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法 - Google Patents

一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法，包括：提供一柔性衬底，按照层状叠加结构在柔性衬底表面依次设有第二键合层、第一键合层，第一电极；按照层状叠加结构依次设于第一电极表面的GaInAs底电池、缓冲层、第二隧道结、GaAs中电池、第一隧道结、GaInP顶电池、接触层；设于接触层表面的第二电极，设于第二电极表面的减反膜；其中，所述第一电极和第二电极为同向水平电极。本发明避免了柔性砷化镓电池因其柔性状态，自动机台吸取片后电池片自然翘曲，背面可焊接面积变小，无法固晶牢固的同时保证对位准确。

Description

一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，尤其是指一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法。
背景技术
能源在人类社会生存和发展中已经演变为决定社会进步的最为重要的物质基础，随着社会的发展,石油、天然气、煤炭等不可再生能源逐渐减少,因此发展绿色能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽、用之不竭的新能源，因此研究新能源并发展太阳能电池技术将在一定程度上缓解未来能源的短缺。相比刚性太阳能电池,柔性薄膜太阳能电池具有衬底材料种类繁多(如金属、玻璃、塑料等),重量轻,可弯曲,表面覆盖性好等优点,在航天和军事领域有广泛的应用前景。因此柔性薄膜太阳能电池成为了未来太阳能电池技术发展的重中之重。
与硅晶体太阳能电池和传统薄膜电池相比，GaAs太阳能电池又具有转换效率高，性能衰减少，耐温性能好，使用寿命长的特点。1995年后我国开始采用MOCVD技术研制GaAs太阳能电池，并使用于神舟三号上，2015年我国自主研发GaAs太阳能电池转换效率达到34.5％。到目前我国GaAs太阳能电池研究与制造虽然得到了快速的发展，但关键技术发展依然较为缓慢。
传统GaAs太阳能电池封装是自动机台将汇流带焊接到电池正面的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带与后面的电池片的背面电极相连，自动机台需同时完成固晶与对位焊接工作。柔性砷化镓电池因其柔性状态，自动机台取片后电池片自然翘曲，背面可焊接面积变小，无法固晶牢固的同时保证对位准确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法，将正负极制作为同向水平电极，在柔性电池片背面任意点固晶均可，固晶完成后，电池片阵列可通过印刷等方式一次完成焊条制作，将电池片阵列电连接为一体，从而有效提升了柔性砷化镓电池封装良率，降低了封装难度，便于自动化操作。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，包括：
提供一柔性衬底，按照层状叠加结构在柔性衬底表面依次设有第二键合层、第一键合层，第一电极；
按照层状叠加结构依次设于第一电极表面的GaInAs底电池、缓冲层、第二隧道结、GaAs中电池、第一隧道结、GaInP顶电池、接触层；
设于接触层表面的第二电极，设于第二电极表面的减反膜；
其中，所述第一电极和第二电极为同向水平电极。
进一步，所述柔性衬底由Cu、Au、W、Cr中的一种或几种组成；所述第一键合层和第二键合层由Au、Ni、Sn中的一种或几种组成；所述第一电极由Au、Ni、Ag、Ti、Zn中的一种或几种组成；所述第二电极由Au、Ni、Ag、Ti、Ge、Cu中的一种或几种组成。
进一步，所述所述减反膜由TiO2、Al2O3组成。
进一步，所述第一电极面积大于GaInAs底电池面积；所述第二电极为栅状，其面积与接触层面积相同，但小于GaInP顶电池的面积；所述减反膜覆盖在GaInP顶电池表面，面积相等。
本发明也提供了上述柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，包括以下步骤：
提供砷化镓衬底；
在砷化镓衬底表面依次制作剥离层、接触层、GaInP顶电池、第一隧道结、GaAs中电池、第二隧道结、缓冲层、GaInAs底电池；
在GaInAs底电池表面制作第一电极，在第一电极表面制作第一键合层；
提供一柔性衬底，在柔性衬底表面制作第二键合层，将第一键合层与第二键合层键合，形成砷化镓电池半成品；
对砷化镓电池半成品剥离层进行腐蚀，剥离砷化镓衬底并裸露出接触层，在接触层表面制作第二电极，对接触层进行腐蚀，裸露出GaInP顶电池；
在GaInP顶电池表面制作减反膜，对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀至第一电极，得到所需的柔性砷化镓太阳能电池芯片。
进一步，所述砷化镓衬底不掺杂单晶砷化镓材料。
进一步，对砷化镓电池半成品剥离层腐蚀采用的是湿法腐蚀。
进一步，对接触层进行腐蚀，具体如下：
使用柠檬酸与双氧水混合溶液对接触层进行湿法腐蚀，由于存在第二电极作为掩膜，湿法腐蚀仅会对无掩膜区域腐蚀至GaInP顶电池，使GaInP顶电池裸露出来；其中，混合溶液由1g固体柠檬酸、3ml双氧水、10ml水配比而成。
进一步，在GaInP顶电池表面制作减反膜，采用的方法是等离子体辅助电子束蒸镀，具体如下：
首先对第二电极表面制作光刻胶掩膜，减反膜蒸镀完成后，通过撕膜方式去除第二电极表面的减反膜，再去除第二电极表面的光刻胶掩膜。
进一步，对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀至第一电极，具体是使用电感耦合等离子体对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀，将砷化镓电池半成品的部分减反膜与外延层刻蚀；其中，刻蚀采用二次分段刻蚀，依次针对不同的结构和成分选择不同的刻蚀方法，第一段刻蚀使用气体Cl2与BCl3刻蚀至GaInAs底电池，第二段刻蚀使用气体BCl3与Ar2刻蚀至第一电极，分段刻蚀能够提高刻蚀的良率，减少对各层结构的损伤。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
对于本发明提供的柔性砷化镓太阳能电池芯片，其正负电极在水平同向，电池片背面仅用于固晶，正面电极可通过印刷等方式大面积进行电池组间电连接，提升柔性砷化镓电池封装良率，降低了封装难度，便于自动化操作。
对于本发明提供的柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，通过对柔性砷化镓太阳能电池外延使用电感耦合等离子体刻蚀进行贯穿刻蚀，从而使柔性砷化镓太阳能电池正负电极在水平同向，电池片背面仅用于固晶，正面电极可通过印刷等方式大面积进行电池组间电连接。
附图说明
图1是本发明所述柔性砷化镓太阳能电池芯片的结构示意图。
图2是本发明所述柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作流程图。
图3是本发明第二键合层的制作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示，本实施例提供了一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，包括：
提供一柔性衬底30，
按照层状叠加结构在柔性衬底表面依次设有第二键合层23、第一键合层22，第一电极21；
按照层状叠加结构依次设于第一电极21表面的GaInAs底电池17、缓冲层16、第二隧道结15、GaAs中电池14、第一隧道结13、GaInP顶电池12、接触层11(优选GaAs接触层)；
设于接触层11表面的第二电极24，设于GaInP顶电池12表面的减反膜25；
其中，所述第一电极21和第二电极24为同向水平电极。
所述柔性衬底30可以由Cu、Au、W、Cr中的一种或几种组成。在本实施例中，所述柔性衬底30是依次由Cu层、W层、Au层组成，其中，Cu层厚度为10-20um，W层厚度为500-1000nm，Au层厚度为1000-3000nm；利用Cu层的延展性好、导电性好、内应力小的特点，为柔性衬底主体；利用W层为柔性衬底提供一定刚性，防止外延及电极褶皱；利用Au层保护柔性衬底接触面不被腐蚀氧化，不影响后续工艺。
所述第一键合层22和第二键合层23可以由Au、Ni、Sn中的一种或几种组成。在本实施例中，所述第一键合层22和第二键合层23均是依次由Ni层、AuSn合金层组成，其中，Ni层厚度5-20nm，AuSn合金层厚度1000-5000nm厚度。
所述第一电极21可以由Au、Ni、Ag、Ti、Zn中的一种或几种组成，其面积大于GaInAs底电池17面积。在本实施例中，该第一电极21是依次由Zn层、Ni层、Au层组成；其中，Zn层厚度10-50nm，Ni层厚度5-20nm，Au层厚度100-500nm厚度；Zn层作用为取代GaInAs底电池17表面的Ga原子，与GaInAs底电池17形成欧姆接触；Ni层阻挡Zn原子向上扩散，确保Zn原子向GaInAs底电池17表面扩散浓度；Au层保护第一电极表面不被腐蚀氧化，保证电性良好；具体的，在GaInAs底电池17表面制作第一电极21的方法为电子束蒸镀。
所述第二电极24为栅状，由Au、Ni、Ag、Ti、Ge、Cu中的一种或几种组成，其面积约等于接触层11的面积，小于GaInP顶电池12的面积。在本实施例中，第二电极24是依次由Ge层、Au层、Ti层、Cu层、Au层组成，其中，Ge层厚度30-50nm，Au层厚度30-50nm，Ti层厚度50-200nm，Cu层厚度1000-3000nm，Au层厚度50-200nm；Ge层作用为取代GaAs接触层表面的As原子，与GaAs接触层形成欧姆接触；Au层可加速Ge取代As的过程，有助于形成欧姆接触；Ti层可有效阻挡As、Au、Ge向上扩散；Cu层为电极导电主体，利用Cu良好的导电性；Au层为保护第二电极表面不被腐蚀氧化，保证电性良好。
所述减反膜25由TiO2、Al2O3组成，覆盖在GaInP顶电池12表面，面积相等；其中，TiO2厚度30-50nm，Al2O3厚度为900-1100nm。
参见图2所示，本实施例提供了上述柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，包括以下步骤：
S101：提供砷化镓衬底；
所述砷化镓衬底为不掺杂单晶砷化镓材料，厚度不超过350um。
S102：在砷化镓衬底表面制作剥离层、接触层11、GaInP顶电池12、第一隧道结13、GaAs中电池14、第二隧道结15、缓冲层16、GaInAs底电池17；
具体的，本实施例提供的剥离层为AlAs，接触层11为GaAs，第一隧道结13为GaAs材料，第二隧道结15为GaInAs，缓冲层16为AlGaInAs；
当然，本实施例提供的剥离层的材质还可以为其它材质，对此本实施例不做具体限制。
S103：在GaInAs底电池17表面制作第一电极21；
本实施例提供的第一电极21依次由Zn层、Ni层、Au层组成；其中，Zn层厚度10-50nm，Ni层厚度5-20nm，Au层厚度100-500nm厚度；Zn层作用为取代GaInAs底电池表面的Ga原子，与GaInAs底电池17形成欧姆接触；Ni层阻挡Zn原子向上扩散，确保Zn原子向GaInAs底电池表面扩散浓度；Au层保护第一电极表面不被腐蚀氧化，保证电性良好；
具体的，在GaInAs底电池17表面制作第一电极21的方法为电子束蒸镀。
S104：在第一电极21表面制作第一键合层22；
本实施例提供的第一键合层22依次由Ni层、AuSn合金层组成；其中，Ni层厚度5-20nm，AuSn合金层厚度1000-5000nm厚度。
具体的，在第一电极21表面制作第一键合层22的方法为电子束蒸镀。
参见图3所示，第二键合层23的制作，包括以下步骤：
提供一柔性衬底30；
本实施例提供的柔性衬底30依次由Cu层、W层、Au层组成；其中，Cu层厚度为10-20um，W层厚度为500-1000nm，Au层厚度为1000-3000nm；利用Cu层的延展性好、导电性好、内应力小的特点，为柔性衬底主体；利用W层为柔性衬底提供一定刚性，防止外延及电极褶皱；利用Au层保护柔性衬底接触面不被腐蚀氧化，不影响后续工艺。
在柔性衬底30表面制作第二键合层23；
本实施例提供的第二键合层23依次由Ni层、AuSn合金层组成；其中，Ni层厚度5-20nm，AuSn合金层厚度1000-5000nm厚度。
具体的，在柔性衬底30表面制作第二键合层23的方法为电子束蒸镀。
S105：将第一键合层22与第二键合层23进行键合；
采用真空热压键合技术将第一键合层22与第二键合层23进行键合，形成砷化镓电池半成品；
热压键合技术是通过加热方式使金、锡、镓等材料变成融化状态，然后通过加压方式使材料之间贴合，之后冷却，从而将不同的衬底粘合在一起，且粘合面较均匀，工艺简单，便于操作。
其中，热压键合温度为200-300℃，热压键合压力为300-2000kg/m2。热压键合温度小于200℃时，材料难以完全融化，影响键合效果；热压键合温度大于300℃时，温度过高，砷化镓电池的结构，影响光电转换效率。热压键合压力小于300kg/m2时，材料之间粘合不紧密，粘合面不均匀平整；热压键合压力大于2000kg/m2时，需要购置额外的设备。
S106：对砷化镓电池半成品剥离层进行腐蚀；
对剥离层腐蚀使用氢氟酸进行湿法腐蚀，利用氢氟酸对砷化铝(AlAs)和砷化镓(GaAs)的反应选择比超过100，完成对剥离层的腐蚀，进而使砷化镓衬底脱离，裸露出接触层；
S107：在接触层11表面制作第二电极24；
本实施例提供的第二电极24依次由Ge层、Au层、Ti层、Cu层、Au层组成；其中，Ge层厚度30-50nm，Au层厚度30-50nm，Ti层厚度50-200nm，Cu层厚度1000-3000nm，Au层厚度50-200nm；Ge层作用为取代GaAs接触层表面的As原子，与GaAs接触层形成欧姆接触；Au层可加速Ge取代As的过程，有助于形成欧姆接触；Ti层可有效阻挡As、Au、Ge向上扩散；Cu层为电极导电主体，利用Cu良好的导电性；Au层为保护第二电极表面不被腐蚀氧化，保证电性良好。
具体的，在接触层11表面制作第二电极24的方法为电子束蒸镀。
S108：对接触层11进行腐蚀；
使用柠檬酸与双氧水混合溶液对接触层11进行湿法腐蚀，由于存在第二电极24作为掩膜，湿法腐蚀仅会对无掩膜区域腐蚀至GaInP顶电池12，使GaInP顶电池12裸露出来；其中，本实施例提供的混合溶液由1g固体柠檬酸、3ml双氧水、10ml水配比而成。
S109：在GaInP顶电池12表面制作减反膜25；
本实施例提供的减反膜25依次由TiO2、Al2O3组成，首先对第二电极表面制作光刻胶掩膜，减反膜蒸镀完成后，通过撕膜方式去除第二电极24表面的减反膜，再去除第二电极24表面的光刻胶掩膜；其中，TiO2厚度30-50nm，Al2O3厚度为900-1100nm。
具体的，在GaInP顶电池12表面制作减反膜25的方法为等离子体辅助电子束蒸镀。
S110：对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀至第一电极21；
本实施例使用电感耦合等离子体对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀，将砷化镓电池半成品的部分减反膜与外延层刻蚀；刻蚀采用二次分段刻蚀，依次针对不同的结构和成分选择不同的刻蚀方法，第一段刻蚀使用气体Cl2与BCl3刻蚀至GaInAs底电池17，第二段刻蚀使用气体BCl3与Ar2刻蚀至第一电极21，分段刻蚀可提高刻蚀的良率，减少对各层结构的损伤；其中，第一电极21中的Au层化学性质稳定，电感耦合等离子体刻蚀气体无法与其进行化学反应，因此作为刻蚀截止层，干法刻蚀至第一电极21截止，同时可以作为第一电极21焊接点，进一步的，减反膜25可以对柔性砷化镓太阳能电池芯片侧壁起到钝化绝缘效果，保证光电转换效率。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，其特征在于，包括：
提供一柔性衬底，按照层状叠加结构在柔性衬底表面依次设有第二键合层、第一键合层，第一电极；
按照层状叠加结构依次设于第一电极表面的GaInAs底电池、缓冲层、第二隧道结、GaAs中电池、第一隧道结、GaInP顶电池、接触层；
设于接触层表面的第二电极，设于第二电极表面的减反膜；
其中，所述第一电极和第二电极为同向水平电极。
2.根据权利要求1所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，其特征在于：所述柔性衬底由Cu、Au、W、Cr中的一种或几种组成；所述第一键合层和第二键合层由Au、Ni、Sn中的一种或几种组成；所述第一电极由Au、Ni、Ag、Ti、Zn中的一种或几种组成；所述第二电极由Au、Ni、Ag、Ti、Ge、Cu中的一种或几种组成。
3.根据权利要求1所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，其特征在于：所述所述减反膜由TiO2、Al2O3组成。
4.根据权利要求1所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片，其特征在于：所述第一电极面积大于GaInAs底电池面积；所述第二电极为栅状，其面积与接触层面积相同，但小于GaInP顶电池的面积；所述减反膜覆盖在GaInP顶电池表面，面积相等。
5.一种权利要求1至4任意一项所述柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供砷化镓衬底；
在砷化镓衬底表面依次制作剥离层、接触层、GaInP顶电池、第一隧道结、GaAs中电池、第二隧道结、缓冲层、GaInAs底电池；
在GaInAs底电池表面制作第一电极，在第一电极表面制作第一键合层；
提供一柔性衬底，在柔性衬底表面制作第二键合层，将第一键合层与第二键合层键合，形成砷化镓电池半成品；
对砷化镓电池半成品剥离层进行腐蚀，剥离砷化镓衬底并裸露出接触层，在接触层表面制作第二电极，对接触层进行腐蚀，裸露出GaInP顶电池；
在GaInP顶电池表面制作减反膜，对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀至第一电极，得到所需的柔性砷化镓太阳能电池芯片。
6.根据权利要求5所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于：所述砷化镓衬底不掺杂单晶砷化镓材料。
7.根据权利要求5所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于：对砷化镓电池半成品剥离层腐蚀采用的是湿法腐蚀。
8.根据权利要求5所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于：对接触层进行腐蚀，具体如下：
使用柠檬酸与双氧水混合溶液对接触层进行湿法腐蚀，由于存在第二电极作为掩膜，湿法腐蚀仅会对无掩膜区域腐蚀至GaInP顶电池，使GaInP顶电池裸露出来；其中，混合溶液由1g固体柠檬酸、3ml双氧水、10ml水配比而成。
9.根据权利要求5所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于：在GaInP顶电池表面制作减反膜，采用的方法是等离子体辅助电子束蒸镀，具体如下：
首先对第二电极表面制作光刻胶掩膜，减反膜蒸镀完成后，通过撕膜方式去除第二电极表面的减反膜，再去除第二电极表面的光刻胶掩膜。
10.根据权利要求5所述的一种柔性砷化镓太阳能电池芯片的制作方法，其特征在于：对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀至第一电极，具体是使用电感耦合等离子体对砷化镓电池半成品进行贯穿刻蚀，将砷化镓电池半成品的部分减反膜与外延层刻蚀；其中，刻蚀采用二次分段刻蚀，依次针对不同的结构和成分选择不同的刻蚀方法，第一段刻蚀使用气体Cl2与BCl3刻蚀至GaInAs底电池，第二段刻蚀使用气体BCl3与Ar2刻蚀至第一电极，分段刻蚀能够提高刻蚀的良率，减少对各层结构的损伤。
CN202010313420.0A 2020-04-20 2020-04-20 一种柔性砷化镓太阳能电池芯片及其制作方法 Pending CN111524984A (zh)

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