CN111755551A - 一种太阳能电池芯片结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种太阳能电池芯片结构及制备方法。其主要改进之处为，在所述背电极和所述电池层之间设有折射层，所述折射层包括折射层，在所述折射层远离光射入方向的一面设有凹陷，所述凹陷的内表面设有反射层I；在所述前电极与所述电池层的接触面上设有反射层II，光线可在所述反射层I与所述反射层II之间进行多次反射。本发明所述的太阳能电池可以与前电极结构形成来回反射的区间，起到很好的陷光作用，能有效反射入射光线，增加光在电池层的传输路径，进而提高了太阳能电池的整体效率。本发明的制备工艺简单，且不影响电池层的晶体生长质量，便于应用与推广。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种太阳能电池芯片结构及制备方法。
背景技术
InxGa1-xN的禁带宽度为0.64-3.4eV，几乎覆盖整个太阳光波段，而受到人们的关注。近年对InxGa1-xN/GaN多量子阱(MQW)结构在太阳能电池领域的研究，显示In组分、势阱宽度、势垒宽度等对电池结构都有显著的影响，可通过调整工艺参数提高太阳能电池的整体效率。但是，就目前的材料生长技术而言，较高厚度、高In组分氮化物薄膜材料的生长还具有很大的挑战性。主要是因为在使用有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法在制备高In组分合金材料时，容易出现铟聚集的“铟滴”析出，所以难以制备高In组分的氮化物薄膜。并且生长过厚的InGaN，薄膜外延层的晶体质量会急剧下降。
在现有技术条件下，为保证薄膜外延层的晶体质量，采用MQW结构时，InxGa1-xN吸收层的总厚度一般只有几十纳米左右，和几百纳米的目标厚度仍有较大差距,但是吸收层厚度较薄的话，太阳光不能得到充分的吸收，大大降低了氮化物太阳能电池光电转化效率。因此，为了提高氮化物太阳能电池的光电转化效率，常用做法是在芯片中制作布拉格反射层(DBR)，使得透过吸收层的太阳光子被反射回来，再次被吸收，进而提高器件的光电转换效率。InxGa1-xN太阳能电池一般通过MOCVD直接外延生长高质量的AlN/GaN周期DBR反射层，AlN和GaN的折射率差Δn只有0.35，其所组成的AlN/GaN DBR的反射带宽较窄，并且AlN和GaN两者之间有2.5％的晶格失配，难以通过MOCVD直接外延生长高质量的AlN/GaN DBR。常规的AlN/GaN DBR不仅影响后续晶体生长质量，而且生长工艺复杂，本专利提出一种具有折射层的太阳能电池芯片结构及制备方法，制备工艺简单，利用折射层与前电极结构形成来回反射的区间，能有效增加光在吸收层的传输距离，变相提高吸收层厚度，提高入射光线吸收几率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种陷光效果好的太阳能电池芯片结构及制备方法，即一种具有折射层的太阳能电池芯片结构及制备方法)。
本发明第一目的在于提供一种太阳能电池芯片结构，依次包括层叠设置的前电极、电池层和背电极，其主要改进之处为，在所述背电极和所述电池层之间设有折射层，在所述折射层远离光射入方向的一面设有凹陷，所述凹陷的内表面设有反射层I；在所述前电极与所述电池层的接触面上设有反射层II，光线可在所述反射层I与所述反射层II之间进行反射。
本发明通过折射层、凹陷及其前电极上设置的反射层，使得射入其中的光在前电极与凹陷间进行多次反射，增加了光在电池层中的传输路径，进而提高了入射光线的吸收几率。
本发明中的凹陷可以为多个倒锥形或其他不规则体，也可以是V型槽，以增强反射效果为目的，可以有多种形状，数目可设置多个。所述反射层可以为银，也可以是其他具有较好反射效果的导电材料，在此不做进一步限定。
作为优选，所述前电极与所述凹陷在竖直方向上错位排布。通过上述设置，有利于光线在所述反射层I与反射层II之间进行多次反射，可进一步增加光线在电池中传播的路线的长度，有利于提高电池对光的吸收效率。
作为优选，所述凹陷的顶点的高度是所述折射层高度的1/8～1。上述高度可调整光线在电池中的传播路径，增加光线在电池中传播的路线的长度。
作为优选，所述凹陷为V型槽，设置为V型槽更有利于实现光线的折射。
作为优选，V型槽的顶角为90～170°。
作为优选，所述V型槽与所述前电极在长度方向上平行。
进一步优选，优选所述V型槽的长度与所述前电极长度相等；所述V型槽与前电极的长度相等，可增加折射光线的量，有利于提高电池效率。
作为优选，所述背电极上设有与所述凹陷形状相匹配的凸起。这种情况下折射层与背电池有更好的结合，可增加导电面积。
作为优选，所述折射层为DBR。
作为优选，所述DBR由折射率不同的ITO透明导电膜层交替层叠而成。
作为优选，相邻所述ITO透明导电膜层的折射率差不低于0.45。
当折射率设定如上时，折射效果更好，其与前述的反射效果结合，可以起到很好的陷光作用，进一步增加光在电池层中的传输路径。
作为优选，所述DBR由折射率为1.8的ITO透明导电膜层与折射率为2.3的ITO透明导电膜层交替层叠而成。
作为优选，所述ITO透明导电膜层的厚度为10～20nm。
作为优选，所述ITO透明导电膜层的层数为10～20层。
本发明第二目的在于提供制备太阳能芯片结构的方法，其中，所述折射层的制备方法如下：
在所述电池层远离光射入的一面沉积不同折射率的ITO透明导电膜层以形成DBR，在所述DBR远离所述电池层的表面刻蚀形成凹陷，在凹陷内表面设置反射层。
作为优选，利用PVD进行沉积。
作为优选，优选采用光刻胶结合等离子体刻蚀的方法进行刻蚀。
作为优选，制备方法包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底临时衬底上，依次生长GaN缓冲层、ZnO牺牲层、n型GaN欧姆接触层、n型GaN掺杂层、MQW多量子阱层InxGa1-xN吸收层、p型GaN掺杂层、p型GaN欧姆接触层；
(2)利用PVD在p型GaN欧姆接触层沉积折射率不同的ITO透明导电膜层，使相邻层的折射率差不小于0.45，层为厚度10-20nm，循环重复沉积5-10次；
(3)在ITO导电层上旋涂光刻胶，经过光刻显影，在ITO上得到预设的图形；采用等离子体刻蚀，得到V型槽，V型槽与前电极平行排布，槽深度50-400nm，V型顶角90-170°，利用HCl溶液进行抛光；
(4)采用PVD在V型槽的孔内，蒸镀填充金属Ag，形成了镜面层；然后在镜面层上，用蒸镀或者电镀的方法，制作Au或者Cu等金属键合层；
(5)在Si衬底上采用蒸镀方式，制作厚度为1000nm的Au或者Cu作为金属键合层；然后将两金属键合层相对，在300-350摄氏度条件下，于6000～8000kg保压5～10min键合；
(6)将键合好的制品放入HCl溶液中反应，去除ZnO牺牲层，剥离临时衬底；
(7)在n型GaN欧姆接触层上旋涂光刻胶，经过光刻显影，图形化后，等离子体刻蚀，并进行抛光；使用PVD在图形化的n型GaN欧姆接触层上蒸镀Ag，形成镜面银，然后再在镜面银上蒸镀正面金属电极Au或者Cu；通过350～400摄氏度氮气氛围退火10～15min，使前电极与n型欧姆接触层形成良好的欧姆接触；
(8)机械减薄Si衬底后，在Si衬底背面采用蒸镀的方式，蒸镀厚度为80～150nm的金属电极，构成背电极。
本发明有益效果如下：
(1)本发明采用设有凹陷的折射层，利用其与前电极结构形成来回反射的区间，起到很好的陷光作用，能有效反射入射光线，增加光在量子阱吸收层传输路径，进而提高了太阳能电池的整体效率。
(2)本发明中的制备工艺简单，且不影响电池层的晶体生长质量，便于应用与推广。
附图说明
图1为实施例1中的太阳能电池芯片结构的示意图；
图中：1、前电极；2、电池层；3、折射层；31、凹陷；4、背电极。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例涉及一种太阳能电池芯片结构，依次包括层叠设置的前电极1、电池层2、折射层3和背电极4(其结构示意图如图1)；
所述折射层3为DBR，所述DBR由折射率为1.8的ITO透明导电膜层与折射率为2.3的ITO透明导电膜层交替层叠而成，所述ITO透明导电膜层的厚度为20nm，层数为20层；
在所述DBR远离光射入方向的一面设有凹陷31，所述凹陷31为V型槽，所述V型槽与所述前电极在竖直方向上错位，在长度方向上平行且长度相等，高度为200nm，顶角为165°，所述凹陷31的内表面设有Ag反射层(反射层I)；
在所述前电极1与所述电池层2的接触面上设有Ag反射层(反射层II)，光线可在所述凹陷31设有的Ag反射层与所述前电极1设有的Ag反射层之间进行多次反射；
所述前电极1及背电极4的电极金属为Au；所述背电极上设有与所述凹陷形状相匹配的凸起。
所述电池层2依次包括层叠设置的n型GaN欧姆接触层、n型GaN掺杂层、MQW多量子阱层InxGa1-xN吸收层、p型GaN掺杂层和p型GaN欧姆接触层；所述n型GaN欧姆接触层与所述前电极1接触设置，所述p型GaN欧姆接触层与所述折射层3接触设置。
实施例2
制备实施例1中的太阳能电池芯片结构的方法，包括如下步骤：
(1)将蓝宝石衬底临时衬底传入MOCVD设备中，依次生长GaN缓冲层、ZnO牺牲层、n型GaN欧姆接触层、n型GaN掺杂层、MQW多量子阱InxGa1-xN吸收层、p型GaN掺杂层、p型GaN欧姆接触层。冷却到室温后，从设备中取出；
(2)利用PVD在p型GaN欧姆接触层上沉积20nm折射率为1.8的ITO透明导电膜层，再在ITO透明导电膜层上沉积折射率为2.3的ITO透明导电膜层，循环重复沉积10次。
(3)在最后一层折射率为2.3的ITO导电层上涂一层光刻胶(光照后发生交联)；
(4)在光刻胶的上方放置掩膜版，掩膜版上带有预设的图案，黑色不透光，其他区域透光；光通过掩膜版均匀照射光刻胶，黑色区域以外的光刻胶发生交联固化，黑色区域的光刻胶不发生变化，采用与光刻胶反应的溶液将未交联的光刻胶清洗掉；
(5)使用等离子体刻蚀，在未交联的部分得到V型槽，v型槽与前电极平行排布，深度200nm，锥角165°，利用HCl溶液进行抛光；
(6)采用PVD在圆锥型的孔内，填充金属Ag层，形成了镜面层；
(7)在整个镜面层上，用蒸镀或者电镀的方法，制作Au金属键合层；
(8)在Si衬底上采用蒸镀方式，制作厚度为1000nm的Au作为金属键合层；
(9)将步骤7和8制成的半制成品分别浸入IPA溶液中，进行超声清洗10min；
(10)然后将俩金属键合层相对，在300-350摄氏度条件下，于7000kg保压5min键合；
(11)将键合好的制品放入HCl溶液中反应，去除ZnO牺牲层，剥离蓝宝石临时衬底；
(12)在n型GaN欧姆接触层上旋涂光刻胶，经过光刻显影后，图形化刻蚀，并进行抛光；
(13)使用PVD在图形化的n型GaN欧姆接触层上蒸镀Ag，形成镜面银；
(14)在银层上蒸镀Au等金属电极；
(15)通过380摄氏度氮气氛围退火12min，使前电极与n型欧姆接触层形成良好的欧姆接触。
(16)机械减薄Si衬底后，在Si衬底背面采用蒸镀的方式，蒸镀厚度为100nm的Au等金属电极，构成背电极，完成器件的制作。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种太阳能电池芯片结构，依次包括层叠设置的前电极、电池层和背电极，其特征在于，在所述背电极和所述电池层之间设有折射层，在所述折射层远离光射入方向的一面设有凹陷，所述凹陷的内表面设有反射层I；在所述前电极与所述电池层的接触面上设有反射层II，光线可在所述反射层I与所述反射层II之间进行反射。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述前电极与所述凹陷在竖直方向上错位排布。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述凹陷为V型槽。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述V型槽与所述前电极在长度方向上平行；优选所述V型槽的长度与所述前电极的长度相等。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述背电极上设有与所述凹陷形状相匹配的凸起。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述折射层为DBR；优选所述DBR由折射率不同的ITO透明导电膜层交替层叠而成；更优选相邻所述ITO透明导电膜层的折射率差不低于0.45。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述ITO透明导电膜层的厚度为10～20nm，和/或，所述ITO透明导电膜层的层数为10～20层，和/或，所述凹陷的深度是所述折射层高度的1/8～1，和/或，所述V型槽的顶角为90～170°。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的太阳能电池芯片结构，其特征在于，所述电池层依次包括层叠设置的n型GaN欧姆接触层、n型GaN掺杂层、MQW多量子阱层InxGa1-xN吸收层、p型GaN掺杂层和p型GaN欧姆接触层；所述n型GaN欧姆接触层与所述前电极接触设置，所述p型GaN欧姆接触层与所述折射层接触设置。
9.一种制备太阳能电池芯片结构的方法，其特征在于，所述折射层的制备方法如下：
在所述电池层远离光射入的一面沉积不同折射率的ITO透明导电膜层以形成DBR，在所述DBR远离所述电池层的表面刻蚀形成凹陷，在凹陷内表面设置反射层；
优选利用PVD进行沉积；优选采用光刻胶结合等离子体刻蚀的方法进行刻蚀。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底临时衬底上，依次生长GaN缓冲层、ZnO牺牲层、n型GaN欧姆接触层、n型GaN掺杂层、MQW多量子阱层InxGa1-xN吸收层、p型GaN掺杂层、p型GaN欧姆接触层；
(2)利用PVD在p型GaN欧姆接触层沉积折射率不同的ITO透明导电膜层，使相邻层的折射率差不小于0.45，层为厚度10-20nm，循环重复沉积5-10次；
(3)在ITO导电层上旋涂光刻胶，经过光刻显影，在ITO上得到预设的图形；采用等离子体刻蚀，得到V型槽，V型槽与前电极平行排布，槽深度50-400nm，V型顶角90-170°，利用HCl溶液进行抛光；
(4)采用PVD在V型槽的孔内，蒸镀填充金属Ag，形成了镜面层；然后在镜面层上，用蒸镀或者电镀的方法，制作Au或者Cu等金属键合层；
(5)在Si衬底上采用蒸镀方式，制作厚度为1000nm的Au或者Cu作为金属键合层；然后将两金属键合层相对，在300-350摄氏度条件下，于6000～8000kg保压5～10min键合；
(6)将键合好的制品放入HCl溶液中反应，去除ZnO牺牲层，剥离临时衬底；
(7)在n型GaN欧姆接触层上旋涂光刻胶，经过光刻显影，图形化后，等离子体刻蚀，并进行抛光；使用PVD在图形化的n型GaN欧姆接触层上蒸镀Ag，形成镜面银，然后再在镜面银上蒸镀正面金属电极Au或者Cu；通过350～400摄氏度氮气氛围退火10～15min，使前电极与n型欧姆接触层形成良好的欧姆接触；
(8)机械减薄Si衬底后，在Si衬底背面采用蒸镀的方式，蒸镀厚度为80～150nm的金属电极，构成背电极。
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