CN111726076B - 基于太阳能的发电储能一体化器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能的发电储能一体化器件及其制备方法，包括减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极、金属化层、正极金属电极、正极、正极‑电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极、金属保护层；减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极构成多结柔性砷化镓电池，正极金属电极、正极、正极‑电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极构成固态锂离子电池，多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池并联，在未接负载时，固态锂离子电池能够将多结柔性砷化镓电池所发电量储存起来，直至连上负载后，多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池能够一起供电，形成发电储能一体化，使得在保证柔性结构的同时，又大大提高了产品质量功率比。
Description
技术领域
本发明涉及半导体的技术领域，尤其是指一种基于太阳能的发电储能一体化器件及其制备方法。
背景技术
业内习知，GaAs太阳电池在军工和民用领域发挥着重要作用。随着世界各国对太空和近地面太阳能资源开发的不断深入，对于更高效稳定的太阳能电池产品的需求逐渐增多，而多结柔性砷化镓电池以其转化效率高、质量轻、可卷曲等特点，也将得到极大地推广和应用。对于GaAs太阳电池的应用来说，其中一种重要指标就是重量比功率，所以具有较高质量比功率的柔性太阳电池成为当前的关注重点。
目前太阳能供电系统主要为柔性太阳能电池搭配传统锂离子电池使用，供电系统普遍存在功率密度低、重量大，易燃易爆、无法柔性、需要独立储能空间等严重缺陷。因此，限制了在航天器、飞行器等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于太阳能的发电储能一体化器件及其制备方法，该器件集成有多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池，形成了发电储能一体化的理念，在保证柔性结构(可柔韧弯曲)的同时，又大大提高了产品质量功率比，并且整个制备工艺简单可靠，有极好的应用前景。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于太阳能的发电储能一体化器件，包括按照从上往下的顺序依次叠加的减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极、金属化层、正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极、金属保护层；其中，所述减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极构成多结柔性砷化镓电池，所述正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极构成固态锂离子电池，所述多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池并联，在未接负载时，该固态锂离子电池能够将多结柔性砷化镓电池所发电量储存起来，直至连上负载后，该多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池能够一起供电，形成发电储能一体化。
进一步，所述减反膜为TiO2/SiO2、TiO2/Al2O3、TiO2/Si3N4、TiO2/Si3N4/Al2O3或TiO2/Si3N4/SiO2多层结构中的任意一种。
进一步，所述上电极为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的至少一种，厚度不低于2μm。
进一步，所述背电极为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的至少一种，厚度不低于1μm。
进一步，所述金属化层采用Ag、Au、Pd、Sn、Ni中的一种或几种组合，厚度不低于1μm。
进一步，所述金属保护层采用Ag、Au、Cu中的一种或几种，厚度不低于0.5μm。
本发明也提供了上述基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一块多结柔性砷化镓外延片，其结构依次为P型GaInAs接触层、多个子电池、N型GaAs接触层、N型AlAs牺牲层、GaAs衬底，在P型GaInAs接触层上制作背电极；
2)在背电极上制作第一金属键合层；
3)提供一块固态锂离子电池，其结构依次为正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极，在正极金属电极上制作第二金属键合层；
4)在固态锂离子电池的负极金属电极表面镀一层金属保护层，金属保护层除了有很好的导电能力，同时避免在键合后多结柔性砷化镓外延片加工成芯片过程中化学腐蚀溶液造成的伤害；
5)将多结柔性砷化镓外延片的第一金属键合层与固态锂离子电池上的第二金属键合层层压相对，通过加压和高温，使第一金属键合层和第二金属键合层之间的金属相互扩散融合紧密结合在一起，形成牢固的金属化层，实现多结柔性砷化镓外延片的背电极与固态锂离子电池的正极金属电极上的金属键合层键合，取得键合好的带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片，并在此制作正极极耳；
6)在键合好的带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片侧边涂覆液体硅橡胶保护膜；通过硅橡胶对侧边的密封，有利于保护固态锂离子电池中固态电解质和正负极活性材料的稳定性，也可以避免在键合后多结柔性砷化镓外延片加工成芯片过程中化学腐蚀溶液造成的伤害。
7)腐蚀多结柔性砷化镓外延片的N型AlAs牺牲层，去除GaAs衬底；
8)制作上电极：在N型GaAs接触层上制作上电极，具体是先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用蒸镀的方式在多结柔性砷化镓外延片上制备金属电极，并通过有机剥离形成上电极；其中，在电池表面制作电极栅线图形时，需要维护表面的洁净，确保栅线图形尺寸合适，图形居中；
9)将N型GaAs接触层有选择性腐蚀去除电极栅线以外部分；
10)制备减反膜：在多结柔性砷化镓外延片主电极以外区域制作减反射膜，具体是采用负性光刻胶工艺光刻上电极图形，用蒸镀的方式制备减反膜，通过有机剥离去除电极上面的光刻胶和减反膜；
11)将多结柔性砷化镓外延片高温退火形成欧姆接触，得到多结柔性砷化镓电池制品；
12)用银带连接多结柔性砷化镓电池制品的上电极和固态锂离子电池的负极金属电极，并形成负极极耳，从金属化层引出正极极耳，至此，便完成发电储能一体化器件的制备。
在步骤1)中，在P型GaInAs接触层上制作背电极，具体是先对多结柔性砷化镓外延片激光打标进行编号，使用丙酮、异丙醇有机超声清洗，并干燥，再在P型GaInAs接触层上通过电子束蒸镀金属，蒸镀层的总厚度不低于1μm，完成背电极制作。
在步骤3)中，固态锂离子电池的正极金属电极伸长出来一点，形成正极极耳。
在步骤7)中，将带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片浸泡在由体积比为1:10的氨水和双氧水配制成的混合溶液中，而后采用QDR冲洗，冲洗后再浸入由体积比为1:2的盐酸和磷酸配制成的溶液中去除N型AlAs牺牲层，实现GaAs衬底剥离，并露出N型GaAs接触层，再经过丙酮、酒精有机超声清洗和QDR清洗旋干。
在步骤9)中，将制作好上电极的制品浸于以柠檬酸、双氧水和水按1:1:34的体积比混合形成的混合溶液中，并恒温，有选择性地蚀刻上电极以外的N型GaAs接触层，经过QDR冲洗，旋干待用。其中，注意腐蚀程度，避免过度腐蚀，也要避免腐蚀不完整，剥离时损伤外延层；
在步骤10)中，蒸镀的方式为离子束辅助蒸发或磁控溅射法。
在步骤11)中，退火温度不低于300℃。
在步骤12)中，银带表面要涂绝缘漆，银带与多结柔性砷化镓电池制品的上电极和固态锂离子电池的负极金属电极的连接方式为涂覆导电银胶或热压焊。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明提供的发电储能一体化器件集成有多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池，形成发电储能一体化的理念，该多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池并联，未接负载时，固态锂离子电池可以将多结柔性砷化镓电池所发电量储存起来，直至连上负载后，多结柔性砷化镓电池与固态锂离子电池一起供电，提高了电池的输出功率，即提高了产品质量功率比。
2、器件厚度很薄，有利于减轻自重的同时也赋予了电池产品极好的柔性，极大地增强了在各种复杂表面的应用能力。
3、工艺过程简单，有利于生产应用。
附图说明
图1是本发明所述发电储能一体化器件的结构示意图。
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基于太阳能的发电储能一体化器件，包括按照从上往下的顺序依次叠加的减反膜1、上电极2、砷化镓外延层3、背电极4、金属化层5、正极金属电极6、正极7、正极-电解质混合相8、无机固态电解质9、负极10、负极金属电极11、金属保护层12；其中，所述减反膜1、上电极2、砷化镓外延层3、背电极4构成多结柔性砷化镓电池，所述正极金属电极6、正极7、正极-电解质混合相8、无机固态电解质9、负极10、负极金属电极11构成固态锂离子电池，所述多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池并联，在未接负载时，该固态锂离子电池能够将多结柔性砷化镓电池所发电量储存起来，直至连上负载后，该多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池能够一起供电，形成发电储能一体化。
所述减反膜1为TiO2/SiO2、TiO2/Al2O3、TiO2/Si3N4、TiO2/Si3N4/Al2O3或TiO2/Si3N4/SiO2多层结构中的任意一种。
所述上电极2为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的任意一种，厚度不低于2μm。
所述背电极4为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的任意一种，厚度不低于1μm。
所述金属化层5采用Ag、Au、Pd、Sn、Ni中的一种或几种组合，厚度不低于1μm。
所述金属保护层12采用Ag、Au、Cu中的一种或几种，厚度不低于0.5μm。
本实施例也提供了一种上述发电储能一体化器件的制备方法，我们以三结柔性砷化镓电池为例，具体情况如下：
制作砷化镓电池背电极：提供一块三结砷化镓外延片，其结构依次为P型GaInAs接触层、GaInP底电池、GaAs中电池、GaInAs顶电池、N型GaAs接触层、N型AlAs牺牲层、GaAs衬底。在P型GaInAs接触层上制作背电极：先对外延片激光打标进行编号，使用丙酮、异丙醇有机超声清洗10min、干燥15min，在P型GaInAs接触层上分别通过电子束依次蒸镀Ni、Ge、Au、Ag和Au层，蒸镀层的总厚度不低于1μm，完成背电极制作。
制作砷化镓电池金属键合层：在上述背电极上继续通过电子束蒸镀Sn和Au层，膜厚不低于1μm，制备第一金属键合层。
制作固态锂离子电池金属键合层：取一块固态锂离子电池，其结构为正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极，保留并延长其正极极耳，长度为2cm。用电子束蒸镀的方法在正极金属电极上依次镀上Ag、Sn和Au层，膜厚不低于1μm，制备第二金属键合层。
制作固态锂离子电池的负极的金属保护层：在固态锂离子电池的负极金属电极表面，通过电子束蒸镀的方法依次镀上Ag和Au层，膜厚不低于0.5μm，制备金属保护层。
形成金属化层：将上述蒸镀后的砷化镓外延片的第一金属键合层与固态锂离子电池的第二金属键合层相对合在一起，经过高温加热到300℃、加压到5000kg/cm2进行键合30min，使第一金属键合层和第二金属键合层之间的金属相互扩散融合紧密结合在一起，形成非常牢固的金属化层，实现砷化镓外延片的背电极与固态锂离子电池的正极金属电极上的金属键合层键合，取得键合好的带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片，并在此制作正极极耳。
侧边涂胶保护：将上述键合好的砷化镓外延片和固态锂离子电池的侧边刷一层液态硅橡胶，在150℃真空烘箱烘烤10min，再重复上述动作一遍，即继续再刷一层液态硅橡胶后，在150℃真空烘箱烘烤10min。
GaAs衬底剥离：在键合好的柔性砷化镓外延片和固态锂离子电池侧边涂胶保护后，浸入由体积比为1:10的氨水和双氧水配制成的混合溶液中浸泡10min后QDR冲洗；然后浸入由体积比为1:2的盐酸和磷酸混合组成的溶液中去除牺牲层，露出N型GaAs接触层，并经过丙酮、酒精有机超声清洗，QDR清洗旋干。
上电极制作：采用负性光刻胶工艺经匀胶、光刻、显影等电极栅线图形，用电子束蒸发的方式，蒸镀腔体温度小于100℃，在砷化镓外延层上镀上厚度为2μm的Ni/Ge/Au/Cu/Au金属层，并通过蓝膜撕金和剥离液来完成上电极制作。
选择性腐蚀：将制作好上电极的制品浸于以柠檬酸、双氧水和水按1:1:34的体积比混合形成混合溶液中，恒温40℃，有选择性地蚀刻上电极以外的N型接触层，经过QDR冲洗，旋干待用。
制作减反膜：将完成选择性腐蚀的电池片，采用负性光刻胶工艺经匀胶、光刻、显影等做出电极图形，再采用离子束辅助沉积的方法在转移的电池外延层上蒸镀TiO2/Al2O3减反膜，其中，TiO2膜厚500nm，Al2O3膜厚1000nm，并通过浸泡剥离液去除电极上的光刻胶和减反膜。
退火：300℃高温退火5min，形成良好的欧姆接触，得到多结柔性砷化镓电池制品。
焊接金属电极：将表面涂有绝缘漆的银带通过热压焊的方式将上述制品的上电级跟固体锂离子电池的负极金属电极焊接起来，并形成负极极耳，从金属化层引出正极极耳，至此，便完成发电储能一体化器件的制备。
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 (9)
1.基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，所述基于太阳能的发电储能一体化器件包括按照从上往下的顺序依次叠加的减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极、金属化层、正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极、金属保护层；其中，所述减反膜、上电极、砷化镓外延层、背电极构成多结柔性砷化镓电池，所述正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极构成固态锂离子电池，所述多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池并联，在未接负载时，该固态锂离子电池能够将多结柔性砷化镓电池所发电量储存起来，直至连上负载后，该多结柔性砷化镓电池和固态锂离子电池能够一起供电，形成发电储能一体化；其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供一块多结柔性砷化镓外延片，其结构依次为P型GaInAs接触层、多个子电池、N型GaAs接触层、N型AlAs牺牲层、GaAs衬底，在P型GaInAs接触层上制作背电极；
2)在背电极上制作第一金属键合层；
3)提供一块固态锂离子电池，其结构依次为正极金属电极、正极、正极-电解质混合相、无机固态电解质、负极、负极金属电极，在正极金属电极上制作第二金属键合层；
4)在固态锂离子电池的负极金属电极表面镀一层金属保护层；
5)将多结柔性砷化镓外延片的第一金属键合层与固态锂离子电池上的第二金属键合层层压相对，通过加压和高温，使第一金属键合层和第二金属键合层之间的金属相互扩散融合紧密结合在一起，形成牢固的金属化层，实现多结柔性砷化镓外延片的背电极与固态锂离子电池的正极金属电极上的金属键合层键合，取得键合好的带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片，并在此制作正极极耳；
6)在键合好的带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片侧边涂覆液体硅橡胶保护膜；
7)腐蚀多结柔性砷化镓外延片的N型AlAs牺牲层，去除GaAs衬底；
8)制作上电极：在N型GaAs接触层上制作上电极，具体是先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用蒸镀的方式在多结柔性砷化镓外延片上制备金属电极，并通过有机剥离形成上电极；
9)将N型GaAs接触层有选择性腐蚀去除电极栅线以外部分；
10)制备减反膜：在多结柔性砷化镓外延片主电极以外区域制作减反射膜，具体是采用负性光刻胶工艺光刻上电极图形，用蒸镀的方式制备减反膜，通过有机剥离去除电极上面的光刻胶和减反膜；
11)将多结柔性砷化镓外延片高温退火形成欧姆接触，得到多结柔性砷化镓电池制品；
12)用银带连接多结柔性砷化镓电池制品的上电极和固态锂离子电池的负极金属电极，并形成负极极耳，从金属化层引出正极极耳，至此，便完成发电储能一体化器件的制备。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，在P型GaInAs接触层上制作背电极，具体是先对多结柔性砷化镓外延片激光打标进行编号，使用丙酮、异丙醇有机超声清洗，并干燥，再在P型GaInAs接触层上通过电子束蒸镀金属，蒸镀层的总厚度不低于1μm，完成背电极制作。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，固态锂离子电池的正极金属电极伸长出来一点，形成正极极耳。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤7)中，将带固态锂离子电池的多结柔性砷化镓外延片浸泡在由体积比为1:10的氨水和双氧水配制成的混合溶液中，而后采用QDR冲洗，冲洗后再浸入由体积比为1:2的盐酸和磷酸配制成的溶液中去除N型AlAs牺牲层，实现GaAs衬底剥离，并露出N型GaAs接触层，再经过丙酮、酒精有机超声清洗和QDR清洗旋干。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤9)中，将制作好上电极的制品浸于以柠檬酸、双氧水和水按1:1:34的体积比混合形成的混合溶液中，并恒温，有选择性地蚀刻上电极以外的N型GaAs接触层，经过QDR冲洗，旋干待用。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤10)中，蒸镀的方式为离子束辅助蒸发或磁控溅射法。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤11)中，退火温度不低于300℃。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：在步骤12)中，银带表面要涂绝缘漆，银带与多结柔性砷化镓电池制品的上电极和固态锂离子电池的负极金属电极的连接方式为涂覆导电银胶或热压焊。
9.根据权利要求1所述的基于太阳能的发电储能一体化器件的制备方法，其特征在于：所述减反膜为TiO2/SiO2、TiO2/Al2O3、TiO2/Si3N4、TiO2/Si3N4/Al2O3或TiO2/Si3N4/SiO2多层结构中的任意一种；所述上电极为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的至少一种，厚度不低于2μm；所述背电极为Ag、Au、Cu、Pd、Ge、Ni中的至少一种，厚度不低于1μm；所述金属化层采用Ag、Au、Pd、Sn、Ni中的一种或几种组合，厚度不低于1μm；所述金属保护层采用Ag、Au、Cu中的一种或几种，厚度不低于0.5μm。
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