CN112018216A - 一种太阳能电池衬底的转移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池衬底的转移方法，包括以下步骤，S1、电池结构生长，S2、电池外延层、柔性衬底的表面进行金属键合层蒸镀，S3、临时衬底制作，S4、临时衬底键合层蒸镀，S5、衬底转移，S6、衬底去除，S7、器件制作，S8、退火，S9、临时衬底转移，S10、划片、测试。本发明工艺简单，操作方便，不仅能有效地解决薄膜电池剥离后临时键合胶粘结不牢问题，带胶清洁困难，带胶不易合金退火问题，柔性衬底与外延层膨胀系数不匹配，而引起的电池表面鼓泡、失效的问题，并且能够降低电池成本，提高了该电池的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，具体为一种太阳能电池衬底的转移方法。
背景技术
砷化镓薄膜太阳电池各结电池带隙较好的匹配全光谱，有助于太阳光的充分吸收，使得其光电转换效率远远领先于其他太阳电池，且其质量轻、易弯曲的特性，受到航天、航空等空间电源系统的高度依赖。平流层飞艇和太阳能无人机，主要用于通讯、资源勘探和军事侦查等领域，由于其白昼滞空时间长、灵活机动强和覆盖区域大等需求，砷化镓薄膜电池作为一个不可替代的选择。提高砷化镓太阳电池转化效率、降低电池面密度、电池成本迫不及待，尤其衬底剥离重复和转移衬底工艺是当前的一个技术难题，因此各高等院校、研究所、企事业单位以此作为攻关的重点方向。
以下为目前砷化镓柔性薄膜电池普遍做法，主要步骤如下：
（1）外延生长：
采用MOCVD设备在GaAs衬底上依次生长N-GaAs的缓冲层、AlAs牺牲层、GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P-InGaAs接触层完成外延片的生长；
（2）电镀金属衬底
将生长好的倒置结构太阳电池经过刻号、清洗，采用磁控溅射或者电子束依次蒸镀Ti、Pd和Au层打底，再将蒸镀完的电池表面电镀沉积一层铜衬底，厚度约20~25um;
（3）衬底剥离：
把镀铜一面粘合在具有一定支撑力的柔性材料，采用设计的剥离装置，用氢氟酸水溶液浸泡，腐蚀倒置结构中AlAs牺牲层，直到电池的外延层和衬底完全分离；
（4）临时键合、衬底抛光
将剥离下来的电池片，采用键合胶bonding到刚性支撑衬底；分离后的砷化镓衬底经过研磨粗抛、精抛光以备二次外延生长；
（5）电极制作：
采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，在顶电池欧姆接触层上制备金属电极，并通过有机剥离将完成上电极制作；将完成选择性腐蚀的电池片，采用电子束蒸镀的方法蒸镀TiOx/Al203双层减反射膜；
（6）解键合
芯片器件工艺制作完成，通过加热或激光解键合，分离临时支撑衬底，清洗干净以备下一道工序。
（7）退火、划片、测试完成铜衬底支撑的柔性太阳电池芯片制作；
现有技术缺点在于：
技术步骤（2）中，铜衬底膨胀系数约为电池外延层3倍，且铜厚度较厚，经过高低温后应力释放，电池外延层容易碎裂，电池光电性能失效；
技术步骤（3）中，对专业衬底剥离设备依赖很强，目前暂无适合于产业化剥离的设备，剥离时间相当长，大约每片剥离时间6~10小时；另外，剥离时间长电池表面容易受腐蚀，影响产品良品率，不利于规模化生产；
技术步骤（4）（6）中，剥离下来较薄的外延层及柔性衬底，大于30~40微米结构，临时键合操作比较复杂，键合的质量要求极高；键合后需要经过一系列的器件工艺加工，由于电池结构和支撑衬底之间有一层胶，工艺中的清洗、蚀刻会因溶液腐蚀键合层，影响键合的质量，导致分层；另外，晶片携带胶，合金退火需要增加了麻烦，需要制作专业的夹具固定晶片，不便于良品率控制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
本发明提供了一种太阳能电池衬底的转移方法，包括以下步骤，
S1：电池结构生长，采用MOCVD设备在GaAs衬底上生长电池外延层；
S2：电池外延层、柔性衬底的表面进行金属键合层蒸镀，将生长好的电池外延层和柔性衬底，经过有机超声清洗，分别通过电子束和/或热蒸发依次蒸镀电池外延层金属键合层、柔性衬底金属键和层；
S3：临时衬底制作，选取一片单面抛光硅片，采用激光将硅片刻穿通孔，从而制作出临时衬底；
S4：临时衬底键合层蒸镀，临时衬底完成激光打孔，经有机清洗、干燥后在正表面化学气相沉积一层SiO2，形成SiO2牺牲层，并通过电子束沉积金属键合材料。
S5：衬底转移，将蒸镀后的电池外延层金属键合层、柔性衬底和SiO2牺牲层相对合在一起，经过低温低压，使电池外延层、柔性衬底和临时衬底牢牢地粘附起来，取得键合好的电池片；
S6：衬底去除，去除键合好的电池片上电池外延层的GaAs衬底，直至露出GaInP腐蚀截止层；
S7：器件制作，去除所述GaInP腐蚀截止层，在N-GaAs接触层上制作上电极；先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，蒸镀腔体温度小于100℃，在外延片上制备金属电极，并通过有机剥离形成上电极；将电池外延层中N-GaAs接触层有选择性腐蚀去除上电极以外部分，在电池外延层的上电极以外区域，采用电子束或PECVD沉积的方法在外延片上蒸镀减反射膜；
S8：退火，采用400℃快速退火炉，退火60s，形成良好的欧姆接触；
S9：临时衬底转移，在退火好的电池表面涂一层容易去除的光刻胶作为临时保护层，使用化学溶液分离临时衬底；
S10：划片、测试，采用金刚石刀片切割或激光切割对电池芯片分割，将非电池区域部分切除留下完整电池芯片，将切割好电池芯片侧面腐蚀清洗掉切割残渣颗粒，完成测试。
优选的，所述电池外延层生长过程通过使用分子束外延和/或金属有机物化学气相沉积方法实现的。
优选的，所述通孔横截面设置为圆形和矩形结构。
优选的，所述的柔性衬底设置为刚性衬底，采用PI、PET、不锈钢或者可伐合金材质。
优选的，所述单面抛光硅片厚度设置为300~500μm，所述通孔尺寸设置为1~3mm，相邻所述通孔之间的间隙设置为1~10mm。
优选的，所述化学溶液为柠檬酸、双氧水、磷酸、硝酸、氢氟酸或者冰乙酸单一组成和/或多个组合。
优选的，所述电池外延层从下往上依次包括N-GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N-GaAs接触层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P-InGaAs接触层。
本发明有益效果
（1）本发明工艺简单，操作方便，不仅能有效地解决薄膜电池剥离后临时键合胶粘结不牢问题，带胶清洁困难，带胶不易合金退火问题，柔性衬底与外延层膨胀系数不匹配，而引起的电池表面鼓泡、失效的问题，并且能够降低电池成本，提高了该电池的良品率。
（2）本发明采用带孔刚性衬底，表面沉积、蒸镀较高蚀刻选择比材料，不需要可卷曲的柔性衬底，也可以通过浸泡、超声波震动完成衬底分离。
（3）本发明采用电池外延片、柔性衬底和临时衬底三明治同时键合工艺，提高键合的牢固度，电池外延片衬底非常容易的腐蚀去除，露出平整的表面，方便光刻镀膜等器件工艺。
（4）本发明采用AuIn低温低压共晶键合，有助于降低芯片的制造成本，提升临时衬底的使用寿命。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明电池外延片结构示意图。
图3为本发明临时衬底结构俯视图。
附图标记说明：10-GaAs衬底，11-N-GaAs的缓冲层，12-GaInP腐蚀截止层，13-N-GaAs接触层，14-GaInP顶电池，15-第一隧穿结，16-GaAs中电池，17-第二隧穿结、18-InGaAs底电池，19-P-InGaAs接触层，30-临时衬底，31-通孔，32-SiO2牺牲层，33-柔性衬底金属键和层，34-柔性衬底，35-电池外延层金属键合层，36-电池外延层。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-图3所示，本发明提供了一种太阳能电池衬底的转移方法，包括以下步骤
S1：电池结构生长，采用MOCVD设备在GaAs衬底10上生长电池外延层36，所述电池外延层36从下往上依次包括N-GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层12、N-GaAs接触层13、GaInP顶电池14、第一隧穿结15、GaAs中电池16、第二隧穿结17、InGaAs底电池18和P-InGaAs接触层19。
S2：电池外延层36、柔性衬底34的表面进行金属键合层蒸镀，将生长好的电池外延层36和柔性衬底34，经过有机超声清洗，分别通过电子束依次蒸镀电池外延层金属键合层35、柔性衬底金属键和层33，
电池外延片键合层蒸镀：选取两片所述电池外延层36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-InGaAs接触层19上分别通过电子束依次蒸镀Ti、Pd、Ag和Au层，蒸镀层的总厚度不低于2μm。
柔性衬底键合层蒸镀：选取所需求的PI柔性衬底34，经过有机清洗、酸碱清洗，并等离子体清洁表面后，正反面电子束、热蒸发沉积Ti、Pd、Au和In材料，膜层厚度不低于2μm;
S3：临时衬底30制作，选取一片厚375μm单面抛光硅片，采用波长为1065nm的激光将硅衬底刻穿1.5mm通孔31，相邻通孔31之间的间距设置为8mm，通孔31无未刻穿现象，所述通孔31横截面设置为圆形结构；
S4：临时衬底30键合层蒸镀，临时衬底30的硅衬底打好孔，经有机超声10min、干燥15min，并在干燥后的硅衬底的正表面化学气相沉积约5000埃SiO2 32并通过电子束和热蒸发依次沉积Ti、Pd、Au和In材料，键合层33，膜厚不低于2μm。
S5：衬底转移，将蒸镀后的电池外延层金属键合层35、柔性衬底34和SiO2牺牲层32相对合在一起，经过低温低压，加热到150℃、加压到1000kg/cm2进行键合30min，使电池外延层36、柔性衬底34和临时衬底30牢牢地粘附起来，取得键合好的电池片。
S6：衬底去除，在键合好的电池片硅临时衬底30反面刻号，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，经30min后，去除键合好的电池片上电池外延层36的GaAs衬底10，直至露出GaInP腐蚀截止层12，并经过QDR冲洗、脱水，烘干待用。
S7：上电极制作，去除所述GaInP腐蚀截止层12，在N-GaAs接触层13上制作上电极，将完成GaAs衬底10剥离后的制品浸入由体积比为1∶2的盐酸和磷酸混合组成的溶液中去除GaInP腐蚀截止层12，露出N-GaAs接触层13，并经过丙酮、酒精有机超声清洗，QDR清洗旋干后，采用负性光刻胶工艺经黄光涂胶、光刻、显影等电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，蒸镀腔体温度小于100℃，在具有砷化镓临时衬底30的电池外延层36上制备金属电极，并通过有机剥离将完成正面电池上电极制作。
S8：选择性腐蚀，以柠檬酸、双氧水和水以1∶2∶2的体积比混合，形成混合溶液。将制作好上电极的制品浸于混合溶液中，在40℃下有选择性地蚀刻上电极以外的N-GaAs接触层13，经过QDR冲洗，旋干待用。
S9：减反射膜，将完成选择性腐蚀的电池片，采用电子束或PECVD沉积的方法在转移的电池外延层36上蒸镀TiO2/Si3N4/SiO2多层减反射膜，其中，TiO2膜厚50nm，Si3N4膜厚25nm，SiO2膜厚95nm，并通过套刻的方式制作图形将电极焊线部位的减反射膜蚀刻开口便于焊接、测试。
S10：退火，采用400℃快速退火炉，退火60s，形成良好的欧姆接触。
S11：临时衬底30分离，在退火好的电池表面涂一层容易去除的光刻胶作为临时保护层，使用与电池晶圆同等大小的热剥离膜贴在临时保护层的外表面，用倒膜机压合10～20秒，在本实施例中，具体设置为15s，形成临时柔性载体层。临时保护层的材料可选自UV膜、热剥离膜、PET衬底、PI柔性衬底34或PEN衬底中的任意一种，在本实施例中，具体采用PET衬底。
然后浸入由体积比为1∶5的氢氟酸水溶液约20min，溶液从打孔的临时衬底30背面渗入，使硅片表面的SiO2及Ti侧向钻蚀，同时超音波震动加速反应，分离临时衬底30。
S12：划片、端面蚀刻，采用金刚石刀片切割或激光切割对电池芯片分割，将非电池区域部分切除留下完整电池芯片。采用体积比为1∶2∶2的柠檬酸、双氧水和水混合溶液，在40℃下浸3～5min，将切割好电池芯片侧面腐蚀清洗掉切割残渣颗粒。
至此，完成了太阳电池的衬底转移工作，并分离制作成柔性薄膜电池。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：电池结构生长，采用MOCVD设备在GaAs衬底（10）上生长电池外延层（36）；
S2：电池外延层（36）、柔性衬底（34）的表面进行金属键合层蒸镀，将生长好的电池外延层（36）和柔性衬底（34），经过有机超声清洗，分别通过电子束和/或热蒸发依次蒸镀电池外延层金属键合层（35）、柔性衬底金属键和层（33）；
S3：临时衬底（30）制作，选取一片单面抛光硅片，采用激光将硅片刻穿通孔（31），从而制作出临时衬底（30）；
S4：临时衬底（30）键合层蒸镀，临时衬底（30）完成激光打孔，经有机清洗、干燥后在正表面化学气相沉积一层SiO2，形成SiO2牺牲层（32），并通过电子束沉积金属键合材料；
S5：衬底转移，将蒸镀后的电池外延层金属键合层（35）、柔性衬底（34）和SiO2牺牲层（32）相对合在一起，经过低温低压，使电池外延层（36）、柔性衬底（34）和临时衬底（30）牢牢地粘附起来，取得键合好的电池片；
S6：衬底去除，去除键合好的电池片上电池外延层（36）的GaAs衬底（10），直至露出GaInP腐蚀截止层（12）；
S7：器件制作，去除所述GaInP腐蚀截止层（12），在N-GaAs接触层（13）上制作上电极；先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，蒸镀腔体温度小于100℃，在外延片上制备金属电极，并通过有机剥离形成上电极；将电池外延层（36）中N-GaAs接触层（13）有选择性腐蚀去除上电极以外部分，在电池外延层（36）的上电极以外区域，采用电子束或PECVD沉积的方法在外延片上蒸镀减反射膜；
S8：退火，采用400℃快速退火炉，退火60s，形成良好的欧姆接触；
S9：临时衬底（30）转移，在退火好的电池表面涂一层容易去除的光刻胶作为临时保护层，使用化学溶液分离临时衬底（30）；
S10：划片、测试，采用金刚石刀片切割或激光切割对电池芯片分割，将非电池区域部分切除留下完整电池芯片，将切割好电池芯片侧面腐蚀清洗掉切割残渣颗粒，完成测试。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述电池外延层（36）生长过程通过使用分子束外延和/或金属有机物化学气相沉积方法实现的。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述通孔（31）横截面设置为圆形和矩形结构。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述柔性衬底（34）设置为刚性衬底，采用PI、PET、不锈钢或者可伐合金材质。
5.根据权利要求3所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述单面抛光硅片厚度设置为300~500μm，所述通孔（31）尺寸设置为1~3mm，相邻所述通孔（31）之间的间隙设置为1~10mm。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述化学溶液为柠檬酸、双氧水、磷酸、硝酸、氢氟酸或者冰乙酸单一组成和/或多个组合。
7.根据权利要求2所述的一种太阳能电池衬底的转移方法，其特征在于，
所述电池外延层（36）从下往上依次包括N-GaAs的缓冲层（11）、GaInP腐蚀截止层（12）、N-GaAs接触层（13）、GaInP顶电池（14）、第一隧穿结（15）、GaAs中电池（16）、第二隧穿结（17）、InGaAs底电池（18）和P-InGaAs接触层（19）。
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