CN111863987A - 一种高效剥离的太阳能电池牺牲层及其剥离方法 - Google Patents
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Abstract
本明属于太阳能电池领域，具体涉及一种可高效剥离的太阳能电池牺牲层及其剥离方法，所述牺牲层贴附于太阳能电池外延结构的下表面且位于衬底的上方，所述牺牲层由超晶格结构构成，所述超晶格结构由至少一层量子点层制备而成。本发明将牺牲层设置为超晶格结构，与其他结构的牺牲层相比，这种结构的牺牲层易于被剥离去除，可加快剥离速率，减少对牺牲层上部电池结构的腐蚀和损坏，实现对牺牲层的有效剥离。
Description
技术领域
本明属于太阳能电池领域，具体涉及一种可高效剥离的太阳能电池牺牲层。
背景技术
多种太阳能电池的制备是在衬底上完成，如砷化镓制备的太阳能电池，制备完成之后通常需要将衬底与太阳能电池间的牺牲层去除，即剥离衬底。衬底剥离技术为太阳能电池向薄膜化发展提供了必要技术支持。衬底的重复性利用也降低了薄膜太阳能电池的制作成本，且减少制作过程对环境的污染和资源的浪费。目前的外延层的剥离技术多为通过对衬底和外延层之间设置的牺牲层进行湿法腐蚀，来分离衬底和外延层，在湿法腐蚀过程中，往往采用酸溶液化学腐蚀，由于牺牲层一般生长在衬底和外延层中间，所以腐蚀由边缘向内部腐蚀，随着腐蚀时间的进行，腐蚀难度越来越大，湿法腐蚀需要消耗大量时间。干法腐蚀采用等离子体浸没离子注入，待注入样品直接浸没在等离子体中，通过向样品加偏置电压(也可称为“注入电压”)，使得样品和等离子体之间形成注入鞘层电场；位于注入鞘层电场内和从等离子体进入注入鞘层电场的反应离子在电场的加速作用下直接注入到样品中。但是现有的干法腐蚀存在速度慢，容易对太阳能电池的外延结构带来损害。
发明内容
针对现有技术中从下至上层叠设置有衬底、牺牲层和太阳能电池外延结构的太阳能电池中间体(牺牲层贴附于太阳能电池外延结构的下表面)，本发明首先提供一种易于剥离的太阳能电池牺牲层，所述牺牲层由超晶格结构构成，所述超晶格结构由至少一层量子点层制备而成。
与其他结构的牺牲层相比，超晶格结构的牺牲层易于被剥离去除，可加快剥离速率，减少对牺牲层上部电池结构的腐蚀和损坏。
优选的，所述超晶格结构由多个量子点层层叠制备而成时，同一层中量子点的尺寸大小相差不超过10％，从太阳能电池外延结构的底部向下，不同的量子点层中量子点的尺寸逐渐增大。
上述结构在采用干法腐蚀对电池进行处理的过程中尤其适用，干法腐蚀的特点是前期进行的速度慢，后期速度快，且易于对小尺寸的量子点层进行刻蚀，本发明将靠近所述太阳能电池外延结构的量子点层中量子点的尺寸设置的较小，靠近衬底的量子点层的尺寸设置的较大，气体先对大体积的量子点层进行刻蚀，然后对小体积的量子点进行刻蚀，这样随着后期刻蚀速度的加快，靠近太阳能电池的量子点层可被迅速地被剥离下来，也有可能随着大离子量子点层的去除而被带下来，可缩短刻蚀性气体与太阳能电池外延结构的接触时间，有利于对太阳能电池外延结构进行有效地保护，还缩短了靠近太阳能电池量子点层的去除速度。
优选的，所述超晶格结构由三层尺寸不同的AlAs量子点层制备而成时，离太阳能电池外延结构最近的量子点层中量子点的直径为1～10nm，中间量子点层中量子点直径范围为15～20nm，离所述太阳能电池外延结构最远的量子点层中量子点的直径为25～30nm。
优选的，所述三层尺寸不同的AlAs量子点层的制备方法为，先生长离所述太阳能电池外延结构最远的量子点层，生长条件为，温度800～810℃，生长时间为20～25s，总流量为8000～8100sccm；然后生长中间层量子点层，生长条件为温度780～790℃，生长时间为15～20s，总流量为7500～7600sccm；最后生长离所述太阳能电池最近的量子点牺牲层，生长条件为，温度760～770℃，生长时间为10～15s，总流量为7000～7100sccm。
本发明还保护高效地剥离本发明所述牺牲层的方法，包括如下步骤：将从下至上依次包括衬底、牺牲层和太阳能电池外延结构的太阳能电池中间体置于电场环境中，向所述电场环境中注入对所述牺牲层具有氧化作用和对所述牺牲层有刻蚀作用的混合气，对所述牺牲层进行剥离。通过将氧化性气体和刻蚀性气体联合使用，可通过前期的氧化使牺牲层中易被氧化的元素被提前的分离，进而通过刻蚀作用对所述牺牲层去除，通过上述混合气体一起操作可提高对所述牺牲层的去除速率。
优选的，所述具有氧化作用的气体为氧气。
优选的，所述具有刻蚀作用的气体为SF6、CF4、CHF3、C4F8、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr中的一种或几种。
优选的，所述具有氧化作用和对所述牺牲层有刻蚀作用的气体的摩尔比为1:45～55。
优选的，所述牺牲层剥离的具体操作为：设置等离子体注入腔室的压强10-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa，所述刻蚀气体与所述氧化气体的比为1：45～55，将具有氧化作用的气体和具有刻蚀作用的气体一起通入，气体的流量为1～1000sccm，等离子体电源输出的功率为300～5000W。
所述等离子体注入腔室为可将气体转化为等离子体的电场环境。
优选的，在所述牺牲层与所述衬底之间设有缓冲层。设置缓冲层可优化所述超晶格结构的生长环境，得到结构良好的量子点超晶格结构，有利于牺牲层的快速去除。
作为优选的方案，所述牺牲层的剥离包括如下步骤：
所述牺牲层由三层尺寸不同的AlAs量子点制备而成，离所述太阳能电池外延结构最近的量子点层中量子点的直径为1～10nm，中间量子点层中量子点直径范围为15～20nm，离所述太阳能电池外延结构最远的量子点层中量子点的直径为25～30nm。
针对上述的牺牲层，所述刻蚀性气体为SF6，氧气与SF6的摩尔比为1：50，具体操作为设置等离子体注入腔室的压强10-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa，先将氧气注入到牺牲层中，氧气的流量为80-90sccm，时间为20s，之后将氧气切断，换成腐蚀性气体，将腐蚀性的气体从大尺寸的量子点处注入或从衬底注入，先腐蚀大量子点，流量为1000-1100sccm，时间为20s，减少气流量至950-980sccm，时间15s,继续减少流量为850-880sccm,时间为10s。
针对上述方案，进一步优选的，所述衬底的材料为GaAs，Ge或SiC，和/或，所述缓冲层的材料为GaAs，和/或，所述太阳能电池外的延结构为GaAs太阳能电池。
优选的，所述GaAs太阳能电池的结构为：依次包括层叠设置的背场层、基层、发射层、窗口层和接触层。
所述背场层为AlxGa1-xAs或(AlyGa1-y)zIn1-zP其中x取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，厚度范围30-200nm；
所述基层50材料为GaAs，掺杂类型为Mg和或C，掺杂浓度1E16-1E22，厚度200-3000nm；
所述发射层与基层掺杂类型相反，掺杂的物料为Si或B，掺杂浓度1E16-1E22，厚度范围100-1000nm；
所述窗口层为于AlXGa1-XAs或者(AlYGa1-Y)zIn1-ZP，其中x取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，厚度范围30-200nm；
所述接触层为高掺杂GaAs层，掺杂的物料为C，掺杂浓度范围1E18-1E22，掺杂类型与发射层相同，厚度范围30-200nm。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明将牺牲层设置为超晶格结构，与其他结构的牺牲层相比，这种结构的牺牲层易于被剥离去除，可加快剥离速率，减少对牺牲层上部电池结构的腐蚀和损坏。
2)本发明通过将牺牲层设置为不同的尺寸，尤其是靠近太阳能电池外延结构的电池的量子点的体积较小，可使接近太阳能电池外延结构的量子点层迅速地去除，可有效地减少腐蚀性气体与太阳能电池的接触时间，对太阳能电池的外延结构进行保护，与其他方法相比，有效地提高产品的良率，还可在一定程度上加快牺牲层的剥离速率。
3)等离子体浸没离子注入的方式，在一定真空度要求的注入腔室充入混合气体，在所施加电场的作用下，将所产生的等离子体注入至衬底内，并且先通入氧化性气体，再通入刻蚀性气体，进而对衬底和薄膜进行剥离，既可加快去除速率，而且不需要加入电解腐蚀溶液，因此加工过程无需清除电解液，所以本方案控制方便，最终形成的结构易于控制，有利于太阳能电池的制备，进而提高衬底与外延层分离的良率。
附图说明
图1为本发明所述超晶格量子点牺牲层的结构示意图；
图2为量子点相对大小的示意图；
图3为本发胆所述太阳能电池的结构示意图。
图中：10、GaAs衬底；20、GaAs缓冲层；30、量子点牺牲层；40、背场层、；50、基层；60、发射层；70、窗口层；80、接触层；301为大尺寸量子点层，302为中尺寸量子点层，303为小尺寸量子点层。
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
本实施例涉及一种超量子点结构的太阳能电池牺牲层，所述量子点层的材料为AlAs，所述牺牲层由三层量子点大小不同的量子点层层叠制备而成，其中，小尺寸303和大尺寸301的量子点层位于两侧，尺寸的居中的量子点层302位于中间；小尺寸的量子点层中量子点的大小为10nm，尺寸居中的量子点层中量子点的大小为20nm，尺寸最大的量子点层中量子点的大小为30nm。(其示意图如图1和图2)
所述牺牲层由下述方法制备得到：时间对生长厚度有影响，总气流量对生长厚度有影响；总气流不变，改变温度1.生长缓冲层之后，先生长的是大尺寸量子点，温度为800℃，生长时间为20s，总流量为8000sccm，接下来生长中尺寸量子点，温度降为780℃，生长时间为15s，总流量为8000sccm，最后生长小尺寸量子点，温度降为760℃，生长时间为10s，总流量为8000sccm。
实施例2
本实施例涉及一种超量子点结构的太阳能电池牺牲层，所述量子点层的材料为AlAs，所述牺牲层由三层量子点大小不同的量子点层层叠制备而成，其中，小尺寸和大尺寸的量子点层位于两侧，尺寸的居中的量子点层位于中间；小尺寸的量子点层中量子点的大小为5nm，尺寸居中的量子点层中量子点的大小为15nm，尺寸最大的量子点层中量子点的大小为25nm。
所述牺牲层由下述方法制备得到：时间对生长厚度有影响，总气流量对生长厚度有影响；温度不变，改变总气流；生长缓冲层之后，先生长的是大尺寸量子点，温度为800℃，生长时间为20s，总流量为8000sccm，接下来生长中尺寸量子点，温度降为800℃，生长时间为15s，总流量为7500sccm，最后生长小尺寸量子点，温度降为800℃，生长时间为10s，总流量为7000sccm。
实施例3
本实施例涉及一种高效剥离太阳能电池牺牲层的方法，包括如下步骤：
从下至上，所述太阳能电池包括衬底、缓冲层、牺牲层和太阳能电池外延结构；
所述牺牲层30的结构与实施例1相同。
所述牺牲层由下述方法制备得到：先生长大尺寸量子点，温度为800℃，生长时间为20s，总流量为8000sccm，接下来生长中尺寸量子点，温度降为780℃，生长时间为15s，总流量为8000sccm，最后生长小尺寸量子点，温度降为760℃，生长时间为10s，总流量为8000sccm。
所述衬底10材料的GaAs，所述缓冲层20的材料为GaAs，所述太阳能电池依次包括层叠设置的背场层40、基层50、发射层60、窗口层70和接触层80。(其示意图如图3)
所述背场层为AlxGa1-xAs或(AlyGa1-y)zIn1-zP其中x取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，厚度范围200nm；
所述基层50材料为GaAs，在其中掺杂Mg和或C，掺杂浓度1E118，厚度1200nm；
所述发射层与基层掺杂类型相反，掺杂Si或B，掺杂浓度1E18，厚度范围200nm；
所述窗口层为于AlXGa1-XAs或者(AlYGa1-Y)zIn1-ZP，其中x取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，厚度范围100nm；
所述接触层为高掺杂GaAs层，掺杂浓度范围1E19，掺杂类型与发射层相同，厚度范围80nm。
所述剥离的具体操作为：
将太阳能电池放入等离子体注入的腔室内，设置腔室的压强0.1Pa，注入腔室的工作压强可为10Pa，所述刻蚀气体氧气与所述氧化气体SF6的比为1：50，先将氧气注入到牺牲层中，氧气的流量为80-90sccm，时间为20s，之后将氧气切断，换成腐蚀性气体，将腐蚀性的气体从衬底和大量子点的接触面注入，先腐蚀大量子点，流量为1000-1100sccm，时间为20s，改变气流量950-980sccm，时间15s,继续减少流量，850-880sccm,时间为10s。
所述牺牲层的剥离时间为46s。
实施例4
与实施例3相比，其区别仅在于，选择实施例2所述的牺牲层制备的太阳能电池中间体来制备太阳能电池中间体。
所述牺牲层的剥离时间为44s。
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 (9)
1.一种高效剥离的太阳能电池牺牲层，所述牺牲层贴附于太阳能电池外延结构的下表面且位于衬底的上方，其特征在于，所述牺牲层由超晶格结构构成，所述超晶格结构由至少一层量子点层制备而成。
2.根据权利要求1所述的牺牲层，其特征在于，所述超晶格结构由多个量子点层层叠制备而成时，同一层中量子点的尺寸大小相差不超过10％，从所述太阳能电池外延结构的下表面向下，不同的量子点层中量子点的尺寸逐渐增大。
3.根据权利要求1或2所述的牺牲层，其特征在于，所述超晶格结构由三层尺寸不同的AlAs量子点层制备而成时，离所述太阳能电池外延结构最近的量子点层中量子点的直径为1～10nm，中间量子点层中量子点直径范围为15～20nm，离所述太阳能电池外延结构最远的量子点层中量子点的直径为25～30nm。
4.根据权利要求3所述的牺牲层，其特征在于，所述三层尺寸不同的AlAs量子点层的制备方法为，先生长离所述太阳能电池外延结构最远的量子点层，生长条件为，温度800～810℃，生长时间为20～25s，总流量为8000～8100sccm；然后生长中间层量子点层，生长条件为温度780～790℃，生长时间为15～20s，总流量为7500～7600sccm；最后生长离所述太阳能电池最近的量子点牺牲层，生长条件为，温度760～770℃，生长时间为10～15s，总流量为7000～7100sccm。
5.一种高效剥离太阳能电池牺牲层的方法，将从下至上依次包括衬底、权利要求1～4任一项所述的牺牲层和太阳能电池外延结构的太阳能电池中间体置于电场环境中，其特征在于，向所述电场环境中先注入对所述牺牲层具有氧化作用的气体，再注入对所述牺牲层有刻蚀作用的气体，对所述牺牲层进行剥离。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述具有氧化作用的气体为氧气，和/或，所述具有刻蚀作用的气体为SF6、CF4、CHF3、C4F8、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr中的一种或几种。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述具有氧化作用和对所述牺牲层有刻蚀作用的气体的摩尔比为1:45～55。
8.根据权利要求5～7任一项所述的方法，其特征在于，所述牺牲层剥离的具体操作为：设置等离子体注入腔室的压强10-5Pa～10Pa，注入腔室的工作压强范围为10-3Pa～1000Pa，所述刻蚀气体与所述氧化气体的比为1：45～55，先通入具有氧化作用的气体，再通往具有刻蚀作用的气体，气体的流量为1～1000sccm，等离子体电源输出的功率为300～5000W。
9.根据权利要求5～8任一项所述的方法，其特征在于，在所述牺牲层与所述衬底之间设有缓冲层。
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