CN111613693A - 柔性太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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龙军华
陆书龙
黄欣萍
李雪飞
代盼
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Abstract

本发明提供了柔性太阳能电池及其制作方法，所述制作方法包括：在第一刚性衬底上制作倒置的太阳能电池单元；在所述太阳能电池单元的背面上制作叠层设置的背面电极和柔性衬底；将所述柔性衬底贴附于涂覆粘贴剂的第二刚性衬底上并通过烘烤固化所述粘贴剂，以将所述柔性衬底粘贴至第二刚性衬底上；将所述第一刚性衬底从所述太阳能电池单元上分离；在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极；剥离所述第二刚性衬底。相比于现有技术需要多次键合及反复转移外延层部分的方案，该制作方法无需通过键合机进行键合和利用额外的辅助手段进行解键合，可以提高生产效率，避免了键合所需的高温条件损坏电池，有利于产业化的大规模生产。

Description

柔性太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，尤其涉及柔性太阳能电池及其制作方法。
背景技术
柔性太阳能电池因其具有柔韧性好、质量功率比高以及方便携带等优点，在各个领域拥有广阔的市场。现有技术中，柔性电池很难进行大面积生产，而且成本居高不下。主要原因如下：柔性电池的材料尤其是多结柔性太阳能电池的材料本身质地脆，面积稍大就容易发生破碎；而若通过柔性太阳能电池的外延层部分转移到刚性衬底上进行制作来解决该问题又较为困难，比如：现有技术常常采用二次临时键合的方法来制作大面积的多结柔性太阳能电池，具体地，通过在外延衬底上外延生长倒置的太阳能电池单元，然后在太阳能电池单元的背面上通过电子束蒸发工艺或磁控溅射工艺制作背面电极后，在背面电极上通过第一次临时键合一个临时衬底，然后分离太阳能电池单元的正面上的外延衬底，在太阳能电池单元的正面上通过电子束蒸发工艺或磁控溅射工艺制作正面电极，接着再在所述正面电极上第二次键合另一个临时衬底，然后通过对第一个临时衬底和背面电极进行解键合后，在所述背面电极上制作柔性衬底，最后将第二个临时衬底和所述太阳能电池单元进行解键合即获得所需的多结柔性太阳能电池。
但是上述二次临时键合的方法存在以下缺点：其共有两次键合操作，工艺较复杂，需要反复地利用键合机进行键合和利用解键合试剂等辅助手段进行解键合，生产成本较高，生产效率比较低。第一次键合操作对电池表面粗糙度要求较高，解键合较复杂。键合需要在高温下进行，而在第二次键合中，由于材料的热膨胀系数不一样，高温条件下容易导致晶圆翘曲，良品率下降。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供柔性太阳能电池及其制作方法，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种柔性太阳能电池的制作方法，所述制作方法包括：在第一刚性衬底上制作倒置的太阳能电池单元；在所述太阳能电池单元的背面上制作叠层设置的背面电极和柔性衬底；将所述柔性衬底贴附于涂覆粘贴剂的第二刚性衬底上并通过烘烤固化所述粘贴剂，以将所述柔性衬底粘贴至第二刚性衬底上；将所述第一刚性衬底从所述太阳能电池单元上分离；在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极；剥离所述第二刚性衬底。
优选地，在第一刚性衬底上制作倒置的太阳能电池单元的方法包括：在第一刚性衬底上制作腐蚀阻挡层；在所述腐蚀阻挡层上制作倒置的太阳能电池单元。
优选地，在所述太阳能电池单元的背面上制作叠层设置的背面电极和柔性衬底的方法包括：在所述太阳能电池单元的背面上电镀背面种子层；在所述背面种子层上电镀背面电极；在所述背面电极上电镀金属薄膜以形成柔性衬底。
优选地，所述金属薄膜为铜薄膜，所述第二刚性衬底为硼硅玻璃。
优选地，所述粘贴剂为可剥离的硅胶，所述可剥离的硅胶对所述第二刚性衬底的粘附强度大于对所述柔性衬底的粘附强度。
优选地，将所述第一刚性衬底从所述太阳能电池单元上分离的方法包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层上的第一刚性衬底；利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层上的第一刚性衬底后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述太阳能电池单元上的腐蚀阻挡层。
优选地，在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极的方法包括：在所述太阳能电池单元的正面上电镀正面种子层；在所述正面种子层上电镀正面电极。
优选地，在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：在所述太阳能电池单元的正面电极及所述太阳能电池单元的正面未被所述正面电极覆盖的区域上制作减反射层。
优选地，所述太阳能电池单元为多结太阳能电池。
本发明还提供了一种柔性太阳能电池，所述柔性太阳能电池由以上所述的柔性太阳能电池的制作方法制成。
本发明提供的柔性太阳能电池及其制作方法，将在背面电极上制作的柔性衬底通过粘贴剂转移到第二刚性衬底上，所述粘贴剂的固化通过低温的烘烤方法实现，当完成柔性太阳能电池的制作后，可直接将第二刚性衬底从柔性衬底上剥离。相比于现有技术需要多次键合、反复转移外延层的方案，其无需通过键合机进行键合和利用额外的辅助手段进行解键合，避免了键合所需的高温条件损坏电池，提高了生产效率，具有产业化的应用价值。并且，所述柔性太阳能电池中的正面电极、背面电极及柔性衬底均可利用电镀法进行制作，相对成本较低，对设备要求低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性太阳能电池的制作方法流程图；
图2是对应图1的柔性太阳能电池的工艺流程图；
图3是本发明实施例提供的太阳能电池单元的结构示意图。
图4是本发明实施例示例性制作的柔性太阳能电池在AM1.5G光谱下的电流密度和电压的关系曲线。
图中标号：
1 第一刚性衬底；
11 腐蚀阻挡层；
2 太阳能电池单元；
21 正面接触层；
22 窗口层；
23 发射区；
24 基区；
25 背面接触层；
3 背面电极；
31 背面种子层；
4 柔性衬底；
5 第二刚性衬底；
6 粘贴剂；
7 正面电极；
71 正面种子层；
8 减反射层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1和图2所示，本实施例提供了一种柔性太阳能电池的制作方法，所述制作方法包括：
S1、在第一刚性衬底1上制作倒置的太阳能电池单元2。其中，结合图3所示，所述太阳能电池单元2包括依次叠层设置于所述第一刚性衬底1上的正面接触层21、窗口层22、发射区23、基区24以及背面接触层25，所述正面接触层21所在的一面为所述太阳能电池单元2的正面，光线需要从所述太阳能电池单元的正面入射，所述背面接触层25所在的面为所述太阳能电池单元2的背面。
在本实施例中，具体地，在第一刚性衬底1上制作倒置的太阳能电池单元2的方法包括：
在第一刚性衬底1上制作腐蚀阻挡层11；
在所述腐蚀阻挡层11上制作倒置的太阳能电池单元2。
其中，所述腐蚀阻挡层11用于后续利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层11上的第一刚性衬底1，其能阻挡腐蚀液对所述太阳能电池单元2的腐蚀，保护所述太阳能电池单元2。所述腐蚀阻挡层11的厚度为150～170nm，优选为160nm。
更具体地，所述第一刚性衬底1选用GaAs衬底，在所述GaAs衬底上依次外延生长所述太阳能电池单元2的正面接触层21、窗口层22、发射区23、基区24以及背面接触层25，形成倒置的太阳能电池单元2。本实施例中，所述太阳能电池单元2为多结太阳能电池。示例性地，其为GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池，GaInP太阳能电池、GaAs太阳能电池以及InGaAs太阳能电池依次倒置生长在所述第一刚性衬底上，三者的带隙依次分别为1.9eV、1.42eV以及1.05eV，所述InGaAs太阳能电池为失配生长。
S2、在所述太阳能电池单元2的背面上制作叠层设置的背面电极3和柔性衬底4。
具体地，在所述太阳能电池单元2的背面上制作叠层设置的背面电极3和柔性衬底4的方法包括：
在所述太阳能电池单元2的背面上电镀背面种子层31；
在所述背面种子层31上电镀背面电极3；
在所述背面电极3上电镀金属薄膜以形成柔性衬底4。
当需要电镀电极时，先通过在接触层上电镀种子层，例如Ni薄膜等，然后再在种子层上电镀形成欧姆接触的电极，有利于电极的稳固。故所述背面种子层31优选为Ni薄膜。
示例性地，所述背面电极3为Ti、Pt、Au以及Cu中的任意一种金属，所述背面电极3的厚度小于500纳米。所述金属薄膜为铜薄膜，通过在所述背面电极3上电镀的铜薄膜作为柔性衬底，所述铜薄膜的厚度为10～20微米，优选为15微米。进一步地，所述柔性衬底4的表面还需进行防氧化处理。
S3、将所述柔性衬底4贴附于涂覆粘贴剂的第二刚性衬底5上并通过烘烤固化所述粘贴剂6，以将所述柔性衬底4粘贴至第二刚性衬底5上。其中，所述第二刚性衬底5作为太阳能电池单元2这外延层部分进行临时转移的临时衬底，采用与所述太阳能电池单元2外延材料的热膨胀系数相接近的硼硅玻璃。
进一步地，通过烘烤固化所述粘贴剂的方法具体包括：将所述第二刚性衬底5置于热板炉上进行烘烤以固化所述粘贴剂6。上述步骤利用低温的烘烤方式固化所述粘贴剂6，不使用现有技术的键合方案，避免高温环境损坏电池。
示例性地，在本实施例中，所述粘贴剂6为可剥离的硅胶，所述可剥离的硅胶对所述第二刚性衬底5的粘附强度大于对所述柔性衬底4的粘附强度，因此，后续步骤从所述柔性衬底4上直接剥离所述第二刚性衬底5时，所述粘贴剂6会更倾向于粘附在所述第二刚性衬底5上，可以将所述第二刚性衬底5连带所述粘贴剂6一同从所述柔性衬底上剥离。示例性地，所述烘烤时间优选为20分钟，所述烘烤温度低于90℃。
示例性地，本实施例是在所述第二刚性衬底5上涂覆的粘贴剂6处于半固化状态时，再将所述柔性衬底4贴附于所述第二刚性衬底5的粘贴剂6上进行烘烤固化，使得不仅能保证粘贴剂6固化后所述柔性衬底4和第二刚性衬底5之间的粘贴足够稳固，还能使得在此过程中所述柔性衬底4自动地被第二刚性衬底5上的粘贴剂6吸附而排尽接触界面内的空气，从而能提高转移效率和制品质量。其中，所述半固化状态指处于未固化状态与完全固化状态之间的状态。
相比于现有技术中的二次临时键合的方法，本发明实施例是在进行柔性太阳能电池的正面电极7的制作前先通过电镀金属薄膜形成柔性衬底4，以所述柔性衬底4粘贴到所述第二刚性衬底5来完成外延层的转移。其通过所述柔性衬底4与所述第二刚性衬底5接触，避免了因为背面接触层25表面粗糙度过大引发外延层转移后正面接触层21的表面不平整的问题以及在背面接触层25或背面电极3上键合临时衬底的操作难度高和对设备要求高的问题。而且，通过电镀金属薄膜的方式形成柔性衬底4后，可以再通过打磨抛光的方法来继续降低所述柔性衬底4的表面粗糙度，使表面更为光滑平整来适应制作需求。
S4、将所述第一刚性衬底1从所述太阳能电池单元2上分离。
具体地，将所述第一刚性衬底1从所述太阳能电池单元2上分离的方法包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层11上的第一刚性衬底1；
利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层11上的第一刚性衬底1后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述太阳能电池单元2上的腐蚀阻挡层11。
所述步骤S4中，根据湿法剥离工艺，采用腐蚀液对第一刚性衬底1和腐蚀阻挡层11进行选择性腐蚀，能实现将约4寸的第一刚性衬底和约160nm厚的腐蚀阻挡层11完整去除，而不会对电池造成损伤。
S5、在所述太阳能电池单元2的正面上制作正面电极7。
具体地，在所述太阳能电池单元2的正面上制作正面电极7的方法包括：
在所述太阳能电池单元2的正面上电镀正面种子层71；
在所述正面种子层71上电镀正面电极7。
其中，所述正面电极7呈梳状排列于所述太阳能电池单元2的正面上，所述太阳能电池单元2的正面上未被所述正面电极7及正面种子层71覆盖的区域中，需要去除正面接触层21以露出窗口层22，避免造成对光的遮挡。同理地，所述正面种子层71优选为Ni薄膜。
本实施例中，利用电镀的方法制备正面电极7、背面电极3以及柔性衬底4，实现了以全电镀方式进行金属膜层的制备，相比于现有技术中通过电子束蒸发或磁控溅射等方式制备欧姆接触电极，电镀的方法对设备要求较低，所需成本较低。
示例性地，所述正面电极7为AuGe、Ni、Au以及Cu中的任意一种合金或金属，所述正面电极7的厚度小于500纳米。
S6、剥离所述第二刚性衬底5。其中，如上所述，采用电镀金属薄膜作为柔性衬底4粘贴至所述第二刚性衬底5，由于铜等金属薄膜构成的所述柔性衬底4的柔韧性较好，所以可以直接从所述柔性衬底4上直接剥离所述第二刚性衬底5，而不会对所述太阳能电池单元造成损伤。
进一步地，在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极7后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：在所述太阳能电池单元2的侧壁上制作覆盖所述侧壁的钝化层。其中，所述钝化层为绝缘材料，用于保护所述太阳能电池单元的侧壁，防止漏电。示例性地，本实施例中，所述钝化层选用氮化硅材料，所述钝化层的厚度为290nm～310nm，优选为300nm。
进一步地，在所述太阳能电池单元2的正面上制作正面电极7后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：在所述太阳能电池单元的正面电极7及所述太阳能电池单元2的正面未被所述正面电极覆盖的区域上制作减反射层8。
所述减反射层8能够大大减少太阳能电池表面对光的反射，使更多光子被电池吸收，提高光电转换效率。在本实施例中，所述减反射层8采用TiO2/SiO2/TiO2/SiO2四层光学膜构成。
本发明还提供了一种柔性太阳能电池，所述柔性太阳能电池由以上所述的柔性太阳能电池的制作方法制成。
参阅图4所示，本发明示例性制备了4寸的柔性太阳能电池，由其在AM1.5G光谱下的电流密度和电压的关系曲线可知，其光电转换效率(Eff)可达到28.8％，开路电压(Voc)约为2.74V，短路电流密度(Jsc)约为13.07mA/cm2，填充因子(FF)约为80.76％。
综上所述，本发明提供的柔性太阳能电池及其制作方法，将在背面电极上制作的柔性衬底4通过粘贴剂6转移到第二刚性衬底5上，所述粘贴剂6的固化通过低温的烘烤方法实现，避免了键合所需的高温条件损坏电池；当完成柔性太阳能电池的制作后，可直接将第二刚性衬底5从柔性衬底4上剥离，相比于现有技术需要多次键合、反复转移外延层的方案，其无需通过键合机进行键合，可以通过直接剥离的方式剥离所述第二刚性衬底5而无需通过额外的辅助手段进行解键合，提高了生产效率，具有产业化的应用价值。并且，所述柔性太阳能电池中的正面电极7、背面电极3及柔性衬底4均可利用电镀法进行制作，相对成本较低，对设备要求低。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在第一刚性衬底上制作倒置的太阳能电池单元；
在所述太阳能电池单元的背面上制作叠层设置的背面电极和柔性衬底；
将所述柔性衬底贴附于涂覆粘贴剂的第二刚性衬底上并通过烘烤固化所述粘贴剂，以将所述柔性衬底粘贴至第二刚性衬底上；
将所述第一刚性衬底从所述太阳能电池单元上分离；
在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极；
剥离所述第二刚性衬底。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，在第一刚性衬底上制作倒置的太阳能电池单元的方法包括：
在第一刚性衬底上制作腐蚀阻挡层；
在所述腐蚀阻挡层上制作倒置的太阳能电池单元。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，在所述太阳能电池单元的背面上制作叠层设置的背面电极和柔性衬底的方法包括：
在所述太阳能电池单元的背面上电镀背面种子层；
在所述背面种子层上电镀背面电极；
在所述背面电极上电镀金属薄膜以形成柔性衬底。
4.根据权利要求3所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述金属薄膜为铜薄膜，所述第二刚性衬底为硼硅玻璃。
5.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述粘贴剂为可剥离的硅胶，所述可剥离的硅胶对所述第二刚性衬底的粘附强度大于对所述柔性衬底的粘附强度。
6.根据权利要求2所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，将所述第一刚性衬底从所述太阳能电池单元上分离的方法包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层上的第一刚性衬底；
利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述腐蚀阻挡层上的第一刚性衬底后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：利用湿法剥离工艺腐蚀去除所述太阳能电池单元上的腐蚀阻挡层。
7.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极的方法包括：
在所述太阳能电池单元的正面上电镀正面种子层；
在所述正面种子层上电镀正面电极。
8.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，在所述太阳能电池单元的正面上制作正面电极后，所述柔性太阳能电池的制作方法还包括：在所述太阳能电池单元的正面电极及所述太阳能电池单元的正面未被所述正面电极覆盖的区域上制作减反射层。
9.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述太阳能电池单元为多结太阳能电池。
10.一种柔性太阳能电池，其特征在于，所述柔性太阳能电池由权利要求1至9任一项所述的柔性太阳能电池的制作方法制成。
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