CN112466976B - 一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法，以p型Ge为衬底制作外延片，在外延片的正面制备减反膜ARC和正面电极，将外延片正面匀胶保护，减薄外延片，在外延片的背面蒸镀图形化的全角反射镜ODR和背面电极，且全角反射镜ODR和背面电极的图形互补，背面电极所占面积不超过整颗芯片面积的10％。本发明可提升Ge子电池电流，解决多结电池的Ge子电池限流问题，同时提升太阳电池的功率质量比，还有效改善了电池片翘曲问题。

Description

一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法。

背景技术

近些年来，空间探测技术发展突飞猛进，空间电源技术作为重要支撑部分也得到不断发展。Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池具有效率高、寿命长、抗辐照性能强等优势广泛应用于空间电源领域。目前，Ⅲ-Ⅴ族多结电池的主流结构为GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，500倍聚光下转化效率超过41％，远高于晶硅电池，并且具有进一步提升的空间。

上述传统三结电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。这种结构的底电池电流远大于中电池和顶电池，造成了很大一部分太阳光能量损失，限制了电池性能的提高。根据Ⅲ-Ⅴ族多结电池发展的技术路线，制备多结太阳能电池是提升电池转换效率的重要途径之一。例如，四结晶格失配结构空间电池，在三结电池基础上增加一个电池结，带隙组合更改为0.67eV/1.0～1.25eV/1.5～1.7eV/2～2.1eV，这种带隙组合不仅优化了太阳光谱的综合利用，更提升单波段光谱的利用效率，最终实现产品的整体性能提升，光电效率将从30％提升到34％以上；理论分析表明，基于Ge衬底可以生长得到晶格匹配的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池，该五结电池的带隙组合可调节为2.0～2.2/1.6～1.8/1.4/1.0～1.2/0.67eV，接近五结电池的最佳带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％，空间光谱极限效率可达36％，远高于传统三结电池，主要是因为五结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。

理论上，电池结数越多，光电转换效率越高，实际上，随着结数增加，Ge子电池可利用的光谱能量越来越少，所产生的电流也越小。由于电池组件内部，各子电池是串联关系，故电池组件的总体短路电流受制于短路电流最小的子电池。对于四结以上的多结电池，限流结转移至Ge子电池。不同于其它子电池，Ge子电池为扩散结，可调的参数很少，比如基区厚度，Ge子电池吸收的主要是近红外的长波光子，长波的穿透能力很强，需要很厚的基区厚度才能充分吸收，且Ge子电池基区取决于衬底厚度，衬底过厚有悖与空间电池对于功率质量比的要求。目前，对于Ge以外的子电池大多采用在其基区以下生长布拉格反射层(DBR)的方法提升该子电池电流，此方法应用于Ge子电池需要二次外延，技术难度很高。因此，如何提升Ge子电池性能是四结、五结甚至更多结电池实现效率最优化的关键问题。

全角反射镜(ODR)以表面等离子体共振(Surface Plasmonics Resonance(SPR))及散逸式模态(Leaky Mode Resonance(LMR))双重效应为基础，是由介质层和金属层构成，介质层包括SiO₂、ITO、TiO₂、有机物等低折射率材料，金属层包括Au、Ag、Al等高反射率材料，一般介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内。研究表明，全角反射镜(ODR)可以在很宽的波段范围内高效反射穿透电池基区的光子，并且相对于DBR，ODR还能高效反射全角度(0～90°)的入射光，例如：铝金属光柵和BCB(Benzocyclobutene苯环丁烯)组成的双层结构可以反射400nm至1600nm波长范围的光，0～89°范围内入射光的平均反射率可达95.56％。本发明提出一种具有全反射镜(ODR)的太阳电池芯片，将图形互补的ODR和电极分别蒸镀在减薄的Ge子电池衬底面，使透过电池的光反射回去，提高其对光的吸收利用率，进而提升电池的转换效率，同时大幅减薄电池厚度，提高电池的功率质量比。

外延层高温生长过程中，磷烷分解，磷原子从衬底背面向里扩散，形成与各子电池反向的PN结，导致开路电压降低。磷原子的扩散深度与生长温度、生长时长有关，一般可达微米量级。正常的芯片工艺会对芯片背面做背洗，但不能确保反向PN结完全消失。Ge衬底减薄至少研磨掉衬底厚度的1/4，可以确保完全去除扩散结，避免背面扩散结导致的开路电压损耗。

另外，工艺制程中的背面金属为整片覆盖，由于Ge衬底及外延层与金属的热膨胀系数差异，两者之间存在的应力导致芯片发生明显向下表面的弯曲，不利于芯片的稳定性。本发明所采用的图形互补的ODR和电极，ODR的面积不宜过小，太小起不到反射光的效果，而太大则致电极面积不足，影响欧姆接触，接触电阻过大导致开路电压降低，进而降低电池效率，因此，ODR和电极的面积需折中，经理论计算研究，电极占总面积的1％效果较佳。可见，该设计的背面电极分布均匀且所占面积大大降低，大幅缓解了芯片的翘曲问题。

综上，将ODR引入到四结及以上多结太阳能电池既可以提升Ge子电池电流，又能降低芯片的厚度和重量，还可以改善背面金属导致的芯片(尤其是MM结构太阳能电池)翘曲的问题，可最大程度地发挥锗基多结太阳电池的优势，提高电池效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法，可以提升Ge子电池电流，改善Ge底电池限流的状况，还可以降低芯片的厚度和重量，同时改善背面金属导致的芯片(尤其是MM结构太阳电池)翘曲，增加电池的整体短路电流、填充因子等性能指标，提高电池整体光电转换效率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片，以p型Ge为衬底，即采用p型Ge衬底，在该衬底的上表面自下而上依次生长Ga_0.5In_0.5P成核层、GaIn_0.01As缓冲层、第一隧穿结、GaInAs晶格渐变缓冲层、AlGaInAs/GaInAs DBR反射层、GaInAs子电池、第二隧穿结、AlGaInAs子电池、第三隧穿结、AlGaInP子电池和GaInAs欧姆接触层，至此完成外延片制备；在外延片的正面制备减反膜ARC和正面电极，将外延片正面匀胶保护，减薄外延片，在外延片的背面蒸镀图形化的全角反射镜ODR和背面电极，且全角反射镜ODR和背面电极的图形互补，背面电极所占面积不超过整颗芯片面积的10％。

进一步，所述p型Ge衬底采用掺镓Ge单晶，直径为50mm～200mm，厚度为100μm～250μm，掺杂1×10¹⁷cm^-3～8×10¹⁸/cm^-3。

进一步，所述全角反射镜ODR由低折射率的介质层和高反射率的金属层构成，有效反射波长范围600～1800nm，介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内。

进一步，所述减薄外延片是指减薄外延片的背面，厚度减薄至10～150μm。

进一步，所述Ga_0.5In_0.5P成核层的厚度为5nm～50nm，n型掺杂剂Si，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；所述In_0.01Ga_0.99As缓冲层的厚度为400nm～1500nm，n型掺杂剂Si，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3～8×10¹⁸cm^-3；所述AlGaInAs/GaInAs DBR反射层的反射波长为780～880nm，其组合对数为10～30对，其n型掺杂浓度为8×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；所述GaInAs晶格渐变缓冲层的In组分渐变的方式为连续渐变或步进渐变，最终层的晶格常数与GaInAs子电池相同，掺杂为Zn，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

进一步，所述第一隧穿结由p⁺⁺-AlGaAs和n⁺⁺-GaAs构成，它们厚度均为5～80nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaAs掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述第二隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，它们厚度均为8～100nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaInP掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述第三隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，它们厚度均为10～150nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaInP掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

进一步，所述GaInAs子电池材料带隙为1.1～1.25eV，总厚度为1500～5500nm；所述AlGaInAs子电池材料带隙为1.6～1.75eV，总厚度为1000～3000nm；所述AlGaInP子电池材料带隙为1.9～2.1eV，总厚度为500～1200nm。

进一步，所述GaInAs欧姆接触层的厚度为100～1000nm，该欧姆接触层为n型高掺，掺杂浓度大于2×10¹⁸cm^-3。

进一步，所述减反膜ARC为氧化物、氮化物或氟化物薄膜；所述正面电极和背面电极均为金属合金。

上述具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，包括外延生长部分和芯片工艺部分，具体过程如下：

1)采用MOCVD或MBE技术制备外延片：

1.1)提供一p型Ge衬底，将衬底载入反应室，设定反应室压力为30～50torr；

1.2)反应室通入磷烷，并逐步升温至600～650℃，生长Ga_0.5In_0.5P成核层，其生长速率为

1.3)生长温度设定在550～650℃范围内，在所选衬底的上表面沉积一层GaIn_0.01As缓冲层，其生长速率为

此层的作用在于降低后续生长的外延层中的缺陷数量；

1.4)在GaIn_0.01As缓冲层上，于520～600℃温度范围内生长第一隧道结，其生长速率为

该第一隧穿结用于连接GaInAs晶格渐变缓冲层和GaIn_0.01As缓冲层之下的材料；

1.5)生长GaInAs晶格渐变缓冲层，其生长温度为550～650℃，生长速率为

1.6)在500～650℃温度范围内，继续生长AlGaInAs/GaInAs DBR反射层，其生长速率为

1.7)在AlGaInAs/GaInAs DBR反射层上生长GaInAs子电池，其生长温度为550～650℃，生长速率为

1.8)在520～600℃温度范围内生长第二隧道结，其生长速率为

该第二隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和GaInAs子电池；

1.9)继续生长AlGaInAs子电池，其生长温度为580～660℃，生长速率为

1.10)在520～650℃温度范围内生长第三隧道结，其生长速率为

该第三隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；

1.11)生长AlGaInP子电池，其生长温度为600～700℃，生长速率为

1.12)最后生长GaInAs欧姆接触层，其生长温度为550～650℃，生长速率为

至此，完成外延层生长部分；

2)芯片工艺部分，包括以下步骤：

2.1)将外延片在丙酮、异丙醇中分别浸泡5～10min，去离子水冲洗至阻值大于或等于10MΩ；

2.2)正面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.3)正金蒸镀，金属选择金锗镍/银/金，分别蒸镀

2.4)粘蓝膜进行金属剥离，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.5)充氮气保护，350～400℃合金1～5min；

2.6)外延片正面匀胶保护；

2.7)研磨减薄外延片背面10～150微米，去胶液超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.8)背面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.9)制备全角反射镜ODR：分别蒸镀高反射率的金属层、低折射率的介质层，介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内；

2.10)粘蓝膜进行全角反射镜ODR剥离，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.11)背金蒸镀，金属选择金/银/金，分别蒸镀

2.12)帽层腐蚀：在柠檬酸溶液中浸泡0.5～3min，去离子水冲洗并甩干；

2.13)正面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.14)蒸镀减反膜TiO₂/SiO₂或Al₂O₃/SiO₂；

2.15)去胶液中超声8～15min，异丙醇中浸泡0.5～3min，去离子水冲洗，甩干；

2.16)充氮气保护，300～400℃合金1～5min；

2.17)切割涂胶保护，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，再切割；

2.18)在柠檬酸溶液中浸泡3～10min，去离子水冲洗，吹干，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，吹干；

至此，芯片制程结束，得到具有全角反射镜的超薄多结太阳电池芯片。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、全角反射镜(ODR)可以在很宽的波段范围(可见～近红外)内反射穿透电池基区的光子，并且能够反射全角度(0～90°)的入射光，平均反射效率在91％以上，可大幅提升Ge子电池电流。

2、采用全角反射镜(ODR)，可变相地提高有效吸收厚度，提高Ge子电池电流的同时减薄Ge衬底，提高电池组件的功率质量比，同时Ge金属回收利用，在一定程度上节省成本。

3、Ge衬底减薄可以确保完全去除反向PN结，避免背面扩散结导致的开路电压损耗。

4、采用全角反射镜(ODR)，缩减背面电极所占面积，可以改善背面金属导致的芯片(尤其是MM结构太阳电池)翘曲的问题，提高电池稳定性，同时节省贵金属用量，降低成本。

5、全角反射镜(ODR)的制作工艺简单并且成熟，不会增加工艺制程的难度。

采用本发明制作的四结MM(Metamorphic)结构太阳电池芯片(见图1)，组成材料为AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ge，能够在电池设计上保持电流匹配，并通过引入全角反射镜(ODR)增加Ge子电池电流，很大程度上改善了Ge子电池限流，外延片从232微米减薄至110微米，彻底消除反向PN结，提升开路电压，提高电池的光电转换性能。根据分析，在AM0空间光谱下，相比没有全角反射镜(ODR)结构的四结MM结构电池，本发明制作的四结MM结构电池短路电流Jsc可以达到14.13mA/cm²，开路电压可提升30mV，光电性能得到明显提高(如表1)。

表1 AM0条件下，无全角反射镜(ODR)和有全角反射镜(ODR)的四结MM结构太阳电池光电性能分析

经分析，制备全结构的Ge子电池，即Ge子电池外的其它子电池用同性掺杂，无PN结，证实了Ge子电池电流有明显提升。

经对比，采用本发明制作的四结MM太阳电池芯片，质量减轻近半，可大幅提高空间电源的功质比。同时，可以观察到芯片的弯曲度比无全角反射镜(ODR)结构的芯片有明显改善。

附图说明

图1为具有全角反射镜(ODR)的超薄晶格失配四结太阳电池结构示意图。

图2为全角反射镜(ODR)和呈栅线分布的背面电极示意图

图3为全角反射镜(ODR)和圆柱形分布的背面电极示意图。

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。

如图1所示，本实施例提供了一种具有全角反射镜(ODR)的超薄晶格失配四结太阳电池芯片，该芯片采用Vecco生产的K475型MOCVD，在6英寸厚度225μm的p型Ge衬底上表面沉积外延层，该外延层按照层状叠加结构由下至上依次设置有：Ga_0.5In_0.5P成核层、GaIn_0.01As缓冲层、第一隧穿结、GaInAs晶格渐变缓冲层、AlGaInAs/GaInAs DBR反射层、GaInAs子电池、第二隧穿结、AlGaInAs子电池、第三隧穿结、AlGaInP子电池和GaInAs欧姆接触层，至此完成外延片制备；在外延片的正面制备减反膜ARC和正面电极，将外延片正面匀胶保护，减薄外延片，在外延片的背面蒸镀图形化的全角反射镜(ODR)和背面电极，且全角反射镜(ODR)和背面电极的图形互补，如图2和图3所示，背面电极所占面积不超过整颗芯片面积的10％(优先选择1％)。

所述p型Ge衬底采用掺镓Ge单晶，直径为50mm～200mm(优选150mm)，厚度为100μm～250μm(优选225μm)，掺杂2×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸/cm^-3。

所述Ga_0.5In_0.5P成核层厚度为5nm～50nm(优选8～15nm)；n型掺杂剂Si，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3(优选8×10¹⁷cm^-3～3×10¹⁸cm^-3)。

所述In_0.01Ga_0.99As缓冲层的厚度为400nm～1500nm(优选400nm～600nm)，n型掺杂剂Si，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3～8×10¹⁸cm^-3(优选5×10¹⁷cm^-3～4×10¹⁸cm^-3)。

所述AlGaInAs/GaInAs DBR反射层的反射波长为780～880nm，其组合对数为10～30对(优选14对)，其n型掺杂浓度为8×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3(优选8×10¹⁷cm^-3～4×10¹⁸cm^-3)。

所述第一隧穿结由p⁺⁺-AlGaAs和n⁺⁺-GaAs构成，其厚度均为5～80nm,p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3(优选1×10²⁰cm^-3～3×10²⁰cm^-3)；n⁺⁺-GaAs掺Si或Te,掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3(优选1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3)。

所述GaInAs晶格渐变缓冲层的In组分渐变的方式为步进渐变，最终层的晶格常数与GaInAs子电池相同，掺杂为Zn，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3(优选1×10¹⁸cm^-3～3×10¹⁸cm^-3)。

所述GaInAs子电池材料带隙为1.1～1.25eV(优选1.1～1.15eV)，总厚度为1500～5500nm(优选1300～1500nm)。

所述第二隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，其厚度均为8～100nm(优选20～25nm)；p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3(优选1×10²⁰cm^-3～3×10²⁰cm^-3)；n⁺⁺-GaInP掺Si或Te,掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3(优选1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3)。

所述AlGaInAs子电池材料带隙为1.6～1.75eV(优选1.61～1.65eV)，总厚度为1000～3000nm(优选1000～1100nm)。

所述第三隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，其厚度均为10～150nm(优选15～20nm)；p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3(优选1×10²⁰cm^-3～3×10²⁰cm^-3)；n⁺⁺-GaInP掺Si或Te,掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3(优选1×10¹⁹cm^-3～5×10¹⁹cm^-3)。

所述AlGaInP子电池材料带隙为1.9～2.1eV(优选2.0～2.05eV)，总厚度为500～1200nm(优选600～900nm)。

所述GaInAs欧姆接触层厚度为100～1000nm(优选400～500nm)，该欧姆接触层为n型高掺，掺杂浓度大于2×10¹⁸cm^-3(优选2×10¹⁸～4×10¹⁸cm^-3)。

所述减薄外延片，指减薄外延片的背面，厚度减薄至10～150μm(优选100～130μm)。

所述全角反射镜(ODR)由低折射率的介质层(SiO₂、ITO、TiO₂、有机物等)和高反射率的金属层(Au、Ag、Al、Zn等)构成，例如：ITO/Au、SiO₂/Au、ITO/AuZnAu、TiO₂/Ag等(优先选择SiO₂/Au)，介质层和金属层厚度分别在10～600nm(优先选择200nm)、50～800nm范围内(优先选择300nm)；有效反射波长范围600～1800nm。

所述减反膜为氧化物、氮化物或氟化物薄膜，如TiO₂/SiO₂或Al₂O₃/SiO₂。

所述正面电极和背面电极均为金属合金，Au、Ag或两者合金。

本实施例也提供了一种上述超薄晶格失配四结太阳电池芯片的制备方法，包括：外延生长部分和芯片工艺部分，其具体情况如下：

一、采用MOCVD技术(当然，也可以采用MBE技术)制备外延片：

步骤1)提供一Ge衬底，将衬底载入反应室，设定反应室压力为30～50torr(优选35～40torr)；

步骤2)反应室通入磷烷，并逐步升温至600～650℃(优选620～625℃)，生长Ga_0.5In_0.5P成核层，其生长速率为

(优选

)。

步骤3)生长温度设定在550～650℃(优选600～620℃)范围内，在所选衬底的上表面沉积一层GaIn_0.01As缓冲层，其生长速率为

(优选

)，此层的作用在于降低后续生长的外延层中的缺陷数量；

步骤4)在GaIn_0.01As缓冲层上，于520～600℃(优选550～560℃)温度范围内生长第一隧道结，其生长速率为

(优选

)，该隧穿结用于连接GaInAs晶格渐变缓冲层和GaIn_0.01As缓冲层之下的材料；

步骤5)生长GaInAs晶格渐变缓冲层，其生长温度为550～650℃，生长速率为

(优选

)；

步骤6)在500～650℃(优选550～620℃)温度范围内，继续生长AlGaInAs/GaInAsDBR反射层，其生长速率为

(优选

)；

步骤7)在AlGaInAs/GaInAs DBR反射层上生长GaInAs子电池，其生长温度为550～650℃(优选600～620℃)，生长速率为

(优选

)；

步骤8)在520～600℃温度范围内生长第二隧道结，其生长速率为

(优选

)，该隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和GaInAs子电池；

步骤9)继续生长AlGaInAs子电池，其生长温度为580～660℃(优选600～620℃)，生长速率为

(优选

)；

步骤10)在520～650℃温度范围内生长第三隧道结，其生长速率为

(优选

),该隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；

步骤11)生长AlGaInP子电池，其生长温度为600～700℃(优选620～660℃)，生长速率为

(优选

)；

步骤12)最后生长GaInAs欧姆接触层，其生长温度为550～650℃(优选580～620℃)，生长速率为

(优选

)；

至此，外延层生长部分完成。

二、芯片工艺部分，主要步骤包括：

步骤1)将外延片在丙酮、异丙醇中分别浸泡5～10min(优选8min)，去离子水冲洗至阻值大于或等于10MΩ；

步骤2)正面匀胶(正胶或负胶)；用烘箱100～200℃(优选180℃)烘烤、冷却分别5～10min(优选10min)；选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ(优选250mJ)；用显影液显影；

步骤3)正金蒸镀，金属选择金锗镍/银/金，分别蒸镀

(优选

)、

(优选

)、

(优选

)；

步骤4)粘蓝膜进行金属剥离，去胶液中超声5～20min(优选10min)，去离子水冲洗，甩干；

步骤5)充氮气保护，350～400℃(优选380℃)合金1～5min(优选2min)；

步骤6)外延片正面匀胶(负胶)保护；

步骤7)研磨减薄外延片背面10～150微米(优选120微米)；去胶液超声5～20min(优选5min)，去离子水冲洗，甩干；

步骤8)背面匀胶(正胶)；用烘箱100～200℃(优选180℃)烘烤、冷却分别5～10min(优选10min)；选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ(优选250mJ)；用显影液显影；

步骤9)制备全角反射镜(ODR)：分别蒸镀金属层Au、介质层SiO₂，厚度分别10～600nm(优选200nm)、50～800nm(优选300nm)；

步骤10)粘蓝膜进行全角反射镜(ODR)剥离，去胶液中超声5～20min(优选10min)，去离子水冲洗，甩干；

步骤11)背金蒸镀，金属选择金/银/金，分别蒸镀

(优选

)、

(优选

)、

(优选

)；

步骤12)帽层腐蚀：在柠檬酸溶液中浸泡0.5～3min(优选3min)，去离子水冲洗并甩干；

步骤13)正面匀胶(负胶)；用烘箱100～200℃(优选180℃)烘烤、冷却分别5～10min(优选10min)；选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ(优选250mJ)；用显影液显影；

步骤14)蒸镀减反膜TiO₂/SiO₂或Al₂O₃/SiO₂(优选TiO₂/SiO₂)；

步骤15)去胶液中超声8～15min(优选10min)，异丙醇中浸泡0.5～3min(优选2min)，去离子水冲洗，甩干；

步骤16)充氮气保护，300～400℃(优选380℃)合金1～5min(优选2min)。

步骤17)切割涂胶保护；用烘箱100～200℃(优选180℃)烘烤、冷却分别5～10min(优选10min)，再切割；

步骤18)在柠檬酸溶液中浸泡3～10min(优选5min)，去离子水冲洗，吹干；去胶液中超声5～20min(优选8min)，去离子水冲洗，吹干；

芯片制程结束，得到具有全角反射镜(ODR)的超薄晶格失配四结太阳电池芯片。

综上所述，本发明的关键技术是将全角反射镜引入到衬底减薄的多结(四结以上)太阳能电池中，既可以提升Ge子电池电流，改善Ge底电池限流的状况，还降低了芯片的厚度和重量，提高功质比，同时改善背面金属导致的芯片(尤其是MM结构太阳能电池)翘曲，还可以彻底消除扩散反向结，提升开路电压，最终增加电池的整体短路电流、填充因子等性能指标，提高电池整体光电转换效率。总之，本发明可以更加充分地利用太阳光能量，提高多结电池的光电转换效率，值得推广。

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)

1.一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，所述超薄太阳电池芯片以p型Ge为衬底，即采用p型Ge衬底，在该衬底的上表面自下而上依次生长Ga_0.5In_0.5P成核层、GaIn_0.01As缓冲层、第一隧穿结、GaInAs晶格渐变缓冲层、AlGaInAs/GaInAs DBR反射层、GaInAs子电池、第二隧穿结、AlGaInAs子电池、第三隧穿结、AlGaInP子电池和GaInAs欧姆接触层，至此完成外延片制备；在外延片的正面制备减反膜ARC和正面电极，将外延片正面匀胶保护，减薄外延片，在外延片的背面蒸镀图形化的全角反射镜ODR和背面电极，且全角反射镜ODR和背面电极的图形互补，背面电极所占面积不超过整颗芯片面积的10％；其特征在于，所述制备方法包括外延生长部分和芯片工艺部分，具体过程如下：

1)采用MOCVD或MBE技术制备外延片：

1.1)提供一p型Ge衬底，将衬底载入反应室，设定反应室压力为30～50torr；

1.2)反应室通入磷烷，并逐步升温至600～650℃，生长Ga_0.5In_0.5P成核层，其生长速率为

1.3)生长温度设定在550～650℃范围内，在所选衬底的上表面沉积一层GaIn_0.01As缓冲层，其生长速率为

此层的作用在于降低后续生长的外延层中的缺陷数量；

1.4)在GaIn_0.01As缓冲层上，于520～600℃温度范围内生长第一隧道结，其生长速率为

该第一隧穿结用于连接GaInAs晶格渐变缓冲层和GaIn_0.01As缓冲层之下的材料；

1.5)生长GaInAs晶格渐变缓冲层，其生长温度为550～650℃，生长速率为

1.6)在500～650℃温度范围内，继续生长AlGaInAs/GaInAs DBR反射层，其生长速率为

1.7)在AlGaInAs/GaInAs DBR反射层上生长GaInAs子电池，其生长温度为550～650℃，生长速率为

1.8)在520～600℃温度范围内生长第二隧道结，其生长速率为

该第二隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和GaInAs子电池；

1.9)继续生长AlGaInAs子电池，其生长温度为580～660℃，生长速率为

1.10)在520～650℃温度范围内生长第三隧道结，其生长速率为

该第三隧穿结用于连接AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；

1.11)生长AlGaInP子电池，其生长温度为600～700℃，生长速率为

1.12)最后生长GaInAs欧姆接触层，其生长温度为550～650℃，生长速率为

至此，完成外延层生长部分；

2)芯片工艺部分，包括以下步骤：

2.1)将外延片在丙酮、异丙醇中分别浸泡5～10min，去离子水冲洗至阻值大于或等于10MΩ；

2.2)正面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.3)正金蒸镀，金属选择金锗镍/银/金，分别蒸镀

2.4)粘蓝膜进行金属剥离，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.5)充氮气保护，350～400℃合金1～5min；

2.6)外延片正面匀胶保护；

2.7)研磨减薄外延片背面10～150微米，去胶液超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.8)背面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.9)制备全角反射镜ODR：分别蒸镀高反射率的金属层、低折射率的介质层，介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内；

2.10)粘蓝膜进行全角反射镜ODR剥离，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，甩干；

2.11)背金蒸镀，金属选择金/银/金，分别蒸镀

2.12)帽层腐蚀：在柠檬酸溶液中浸泡0.5～3min，去离子水冲洗并甩干；

2.13)正面匀胶，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，选择光刻板进行曝光，曝光能量200～300mJ，用显影液显影；

2.14)蒸镀减反膜TiO₂/SiO₂或Al₂O₃/SiO₂；

2.15)去胶液中超声8～15min，异丙醇中浸泡0.5～3min，去离子水冲洗，甩干；

2.16)充氮气保护，300～400℃合金1～5min；

2.17)切割涂胶保护，用烘箱100～200℃烘烤、冷却分别5～10min，再切割；

2.18)在柠檬酸溶液中浸泡3～10min，去离子水冲洗，吹干，去胶液中超声5～20min，去离子水冲洗，吹干；

至此，芯片制程结束，得到具有全角反射镜的超薄多结太阳电池芯片。

2.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述p型Ge衬底采用掺镓Ge单晶，直径为50mm～200mm，厚度为100μm～250μm，掺杂1×10¹⁷cm^-3～8×10¹⁸/cm^-3。

3.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述全角反射镜ODR由低折射率的介质层和高反射率的金属层构成，有效反射波长范围600～1800nm，介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内。

4.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述减薄外延片是指减薄外延片的背面，厚度减薄至10～150μm。

5.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述Ga_0.5In_0.5P成核层的厚度为5nm～50nm，n型掺杂剂Si，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；所述In_0.01Ga_0.99As缓冲层的厚度为400nm～1500nm，n型掺杂剂Si，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3～8×10¹⁸cm^-3；所述AlGaInAs/GaInAs DBR反射层的反射波长为780～880nm，其组合对数为10～30对，其n型掺杂浓度为8×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；所述GaInAs晶格渐变缓冲层的In组分渐变的方式为连续渐变或步进渐变，最终层的晶格常数与GaInAs子电池相同，掺杂为Zn，掺杂浓度1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

6.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述第一隧穿结由p⁺⁺-AlGaAs和n⁺⁺-GaAs构成，它们厚度均为5～80nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaAs掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述第二隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，它们厚度均为8～100nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaInP掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3；所述第三隧穿结由n++-GaInP和p++-AlGaAs构成，它们厚度均为10～150nm，p⁺⁺-AlGaAs掺C，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，n⁺⁺-GaInP掺Si或Te，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3～1×10²⁰cm^-3。

7.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述GaInAs子电池材料带隙为1.1～1.25eV，总厚度为1500～5500nm；所述AlGaInAs子电池材料带隙为1.6～1.75eV，总厚度为1000～3000nm；所述AlGaInP子电池材料带隙为1.9～2.1eV，总厚度为500～1200nm。

8.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述GaInAs欧姆接触层的厚度为100～1000nm，该欧姆接触层为n型高掺，掺杂浓度大于2×10¹⁸cm^-3。

9.根据权利要求1所述的一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片的制备方法，其特征在于：所述减反膜ARC为氧化物、氮化物或氟化物薄膜；所述正面电极和背面电极均为金属合金。

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