CN112864261B

CN112864261B - 一种柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN112864261B
Application number: CN202110438705.1A
Authority: CN
Inventors: 王克来; 徐培强; 熊珊; 潘彬; 王向武
Original assignee: Nanchang Kaixun Photoelectric Co ltd
Current assignee: Nanchang Kaixun photoelectric Co.,Ltd.
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN112864261A

Abstract

本发明涉及一种柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法，属于砷化镓太阳能电池技术领域。本发明提供的柔性砷化镓太阳能电池中，包括柔性衬底、接触层、底电池、中电池、顶电池、减反膜；其中，柔性衬底是通过将表面改性后的上转换材料与聚酰亚胺预聚物混合共同固化所得。本发明通过对上转换材料进行表面改性，使上转换材料颗粒表面带有氨基，使得上转换材料可以稳定均匀的分散在聚酰亚胺预聚物内而不发生团聚现象；在柔性砷化镓太阳能电池内引入上转换材料，有效扩宽了太阳能电池的吸收谱域，提高了砷化镓太阳能电池的转换效率。

Description

一种柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于砷化镓太阳能电池技术领域，具体涉及一种柔性砷化镓太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，我国的太阳能电池技术得到迅猛的发展。砷化镓太阳能电池，具有较高的转换效率和优异的可靠性等优势，被广泛用于空间飞行器，例如导航卫星、通讯卫星，空间站，空间探测器等。采用倒置结构的砷化镓太阳能电池，可以较容易的实现带隙匹配，成为持续提高多结砷化镓空间太阳能电池光电性能的一种有效途径。特别倒置柔性电池，以其功率比高，柔韧性好，机械强度高等优势，成为国内外研究机构、企业的重点研究对象。三结砷化镓太阳能电池通过将顶电池、中电池和底电池设置成不同的带隙来分段吸收太阳光，可以有效的提高太阳能电池的效率，但是由于外延技术和材料本身带隙的限制，砷化镓太阳能电池对于波长1000 nm之后的太阳光谱吸收有限，这大大限制了太阳能电池转换效率的提升，造成长波段太阳光谱的浪费。

上转化材料经波长长、频率低的光激发，可以发射出波长短、频率高的光，被应用到太阳能电池领域。中国专利CN101582330B将具有红外光转换为可见光功能的纳米稀土材料覆盖在太阳能电池受光表面或掺入染料敏化太阳能电池电解质中来提高太阳能电池的光电转换效率；但上转换材料自身在短波长处会有很强的吸收作用，直接将上转换材料覆盖在砷化镓太阳能电池表面将严重影响顶电池的效率。中国专利CN102544177B将上转换发光材料均匀分散在玻璃或者陶瓷衬底上制成上转换器，然后将上转换器设置于硅基太阳能电池底部，结合形成具有上转换器的太阳能电池结构；这种方式虽然避免了上转换材料对表面入射光的影响，但是无法应用到柔性砷化镓太阳能电池的制作。现有技术没有很好的解决上转换材料在柔性砷化镓太阳能电池领域的应用。

发明内容

基于此，本发明提供一种柔性砷化镓太阳能电池，该电池通过将上转换材料与聚酰亚胺预聚物溶液混合，共同固化得到具有上转换功能的柔性衬底，通过在柔性砷化镓太阳能电池内引入上转换材料，可以有效扩宽太阳能电池吸收谱域，提高太阳能电池的光电转换效率。

为解决现有技术中存在的问题，本发明第一方面是提供了一种柔性砷化镓太阳能电池，从该电池背光面到受光面依次包括：

柔性衬底；

接触层；

底电池；

中电池；

顶电池；

减反膜；

其中，所述柔性衬底由聚酰亚胺和氨基改性上转换材料组成，且所述氨基改性上转换材料在所述聚酰亚胺中均匀分布。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上转换材料选用的是NaYF₄：Yb³⁺，Er³⁺，粒径在5-15 nm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上转换材料的改性方法为将上转换材料加入到浓度为15%的氨水溶液中，其中上转换材料的含量在混合溶液中占20%-30%，将混合溶液加热至50℃，持续机械搅拌3 h，然后在6000 rpm转速下离心10 min，去除上层液，下层固体即为表面改性后带氨基的上转换材料。

作为上述技术方案的进一步改进，所述太阳能电池还包括上电极和下电极：所述上电极设置在顶电池上方，且所述上电极与所述顶电池相连；所述下电极设置于所述接触层上方，且所述下电极与所述接触层相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上电极和下电极均由金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述减反膜是在上电极表面依次蒸镀TiO₂和Al₂O₃制作而成。

本发明另一方面是提供了一种制备如前所述的柔性砷化镓太阳能电池的方法，包括以下步骤：

1）提供一GaAs衬底，在GaAs衬底上依次外延生长顶电池、中电池、底电池和接触层，得到带衬底的外延片；

2）将外延片清洗干净，背离GaAs衬底一面与下临时刚性衬底键合，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底；

3）在背离下临时刚性衬底的一面旋涂正性光刻胶，制作掩膜保护图形，将没有掩膜保护图形部分的外延片的一侧刻蚀掉，一直腐蚀至接触层；

4）使用负性光刻胶制作上、下电极的掩膜图形，蒸镀制作上、下电极所需的金属材料，再通过剥离多余金属得到上、下电极；

5）在上电极上方蒸镀减反膜，在上电极一侧键合上临时刚性衬底，并解除下临时刚性衬底的键合；

6）将上转换材料放入氨水进行表面改性，将表面带有氨基的上转换材料分散到聚酰亚胺的预聚物溶液内，然后将混合溶液旋涂在接触层背离上临时刚性衬底的一面；

7）通过真空分段加热使混合溶液固化，形成柔性衬底，去除上临时刚性衬底，得到柔性砷化镓太阳能电池。

作为上述技术方案的进一步改进，所述下临时刚性衬底和上临时刚性衬底材质为玻璃或者蓝宝石。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤2）所述外延片的清洗方式为有机清洗，具体为依次采用丙酮溶液超声清洗、异丙醇溶液超声清洗。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤2）所述化学腐蚀为将键合后的外延片浸泡在氨水：双氧水为1：10的混合溶液中直至GaAs衬底完全腐蚀。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤3）所述没有掩膜保护图形部分的外延片的一侧是通过电感耦合等离子体刻蚀掉的。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤6）所述表面带有氨基的上转换材料占其与聚酰亚胺的预聚物溶液混合后溶液的10%-15%，混合后溶液在转速1500 rpm下搅拌5 h，得到改性上转换材料与聚酰亚胺的预聚物溶液的均匀分散混合溶液。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤6）所述混合溶液旋涂在接触层背离上临时刚性衬底的膜层厚度为70-100 μm。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤7）所述真空分段加热使混合溶液固化具体为：将步骤6）旋涂混合溶液后的结构放入真空干燥箱内，真空度设置为-10 KPa，将温度升至60℃保持30 min，去除膜层内的气泡，再将温度升至180℃保持60 min，继续将温度升至220℃，保持150 min，完成膜层固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将上转换材料与聚酰亚胺预聚物溶液混合，共同固化得到具有上转换功能的柔性衬底，解决了上转换材料在柔性砷化镓太阳能电池上的应用问题。聚酰亚胺预聚物溶液黏度较大，商用的上转换材料在聚酰亚胺预聚物溶液内很难均匀分散，颗粒之间会发生团聚现象，严重影响柔性衬底的机械性能和上转换材料的发光效率。本发明对商用的上转换材料进行表面改性，将其放入氨水中充分搅拌，通过氨水与上转换材料表面的相互作用，使得颗粒表面带有氨基。聚酰亚胺分子主链上带有氨基，将表面带有氨基的上转换材料加入到聚酰亚胺预聚物溶液内，通过氨基之间的作用力产生相似相溶的效果，从而使得上转换材料可以稳定均匀地分散在聚酰亚胺预聚物溶液内，不发生团聚现象。通过在柔性砷化镓太阳能电池内引入上转换材料，可以有效扩宽太阳能电池吸收谱域，提高太阳能电池的光电转换效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为GaAs衬底与外延片的结构示意图。

图2为外延片与下临时刚性衬底键合后的结构示意图。

图3为去除GaAs衬底后的结构示意图。

图4为刻蚀完外延片后的结构示意图。

图5为制作完上、下电极后的结构示意图。

图6为制作完减反膜后的结构示意图。

图7为键合上临时刚性衬底并去除下临时刚性衬底后的结构示意图。

图8为形成柔性衬底后的结构示意图。

图9为去除上临时刚性衬底后的结构示意图。

附图说明：1、GaAs衬底，2、顶电池，3、中电池，4、底电池，5、接触层，6、下临时刚性衬底，7、上电极，8、下电极，9、减反膜，10、上临时刚性衬底，11、柔性衬底。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以下结合附图2、附图8和附图9对本申请进行详细说明。

图2为本发明外延片与下临时刚性衬底键合后的结构示意图，从该结构的下端到上端依次包括GaAs衬底1、顶电池2、中电池3、底电池4、接触层5、下临时刚性衬底6；其中，在GaAs衬底1上生长的外延片包括顶电池2、中电池3、底电池4、接触层5。

图8为本发明形成柔性衬底后的结构示意图，从该结构的上端到下端依次包括顶电池2、中电池3、底电池4、接触层5、柔性衬底11；其中，该结构还包括上电极7和下电极8，上电极7设置在顶电池2上方且与顶电池2相连，下电极8设置于接触层5上方且与接触层5相连，在上电极7上方依次蒸镀TiO₂和Al₂O₃制作得到减反膜9，所述减反膜9紧邻所述上电极7栅线设置，上电极7一侧与上临时刚性衬底10键合。

图9为去除上临时刚性衬底后的结构示意图，也是最终所得的柔性砷化镓太阳能电池成品结构示意图，从该电池的背光面到受光面依次包括柔性衬底11、接触层5、底电池4、中电池3、顶电池2、减反膜9。

本发明对减反膜9的制备方法无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的制备太阳能电池减反膜的方法，本发明某些具体实施例中，所述减反膜9为采用TiO₂和Al₂O₃为原料通过真空蒸镀沉积到上电极7栅线表面而得，所采用的上电极7栅线结构为太阳能电池领域常用结构，未涉及栅线结构的形状和构造的改进。

本发明对所述外延片的结构无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳能电池的电池外延片结构，本发明某些具体实施例中，其为三结太阳能电池结构；所述外延片包括依次设置的GaInP顶电池、GaAs中电池、InGaAs底电池和接触层。

本发明对所述上电极7和下电极8的材料无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳能电池的电极材料，本发明某些具体实施例中，所述上电极7和下电极8均由金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成。

本发明具体实施例提供的上述柔性砷化镓太阳能电池可采用以下方法进行制作，图1-9依次示出了该太阳能电池的制作过程中的各中间产品以及最终成品的示意图，其制备可包括以下步骤：

实施例1

1、提供一GaAs衬底，依次外延生长GaInP顶电池、GaAs中电池、InGaAs底电池、接触层，得到带衬底的外延片；

2、将外延片放入丙酮溶液中超声清洗10 min，在异丙醇溶液中超声清洗10 min，通过热熔胶使外延片背离GaAs衬底一面与下临时刚性蓝宝石衬底键合；

3、将键合后的外延片浸泡在氨水：双氧水=1：10的混合溶液，腐蚀掉GaAs衬底；

4、在背离下临时刚性蓝宝石衬底的一面旋涂正性光刻胶，制作掩膜保护图形，通过电感耦合等离子体刻蚀没有掩膜保护图形部分的外延片的一侧，刻蚀至接触层为止；

5、旋涂负性光刻胶制作电极掩膜图形，蒸镀制作上、下电极所需的金属材料，然后进行金属剥离，制作出上、下电极，电极材料均由Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成；

6、在上电极表面依次蒸镀TiO₂和Al₂O₃制作减反膜；

7、通过热熔胶将背离下临时刚性蓝宝石衬底的外延片的一侧与上临时刚性蓝宝石衬底键合，然后解除与下临时刚性蓝宝石衬底的键合；

8、选用商用的上转换材料NaYF₄：Yb³⁺，Er³⁺，粒径在5-15 nm，将其分散到氨水中（将商用的上转换材料加入到浓度为15%的氨水溶液中，其中上转换材料的含量在混合溶液中占25%，将混合溶液加热到50℃，持续机械搅拌3 h，然后将混合溶液通过高速离心机在6000rpm转速下离心10 min，去除上层溶液，下层固体即为表面改性后带氨基的上转换材料），完成表面改性；

9、将表面改性后的上转换材料加入到聚酰亚胺的预聚物溶液内（表面带有氨基的上转换材料占其与聚酰亚胺的预聚物溶液混合后溶液的12%，混合后溶液在转速1500 rpm下搅拌5 h），使其均匀稳定的分散到溶液内，然后将混合溶液旋涂到接触层背离上临时刚性衬底的一面，膜层厚度80 μm；

10、将其放入真空干燥箱内，真空度设置为-10 KPa，将温度升至60℃保持30 min，去除膜层内的气泡，再将温度升至180℃保持60 min，继续将温度升至220℃，保持150 min，完成膜层固化，形成柔性衬底；

11、去除上临时刚性衬底，得到柔性砷化镓太阳能电池。

对比例1

按照实施例1中提供的方法进行柔性太阳能电池的制作，其不同之处在于，未加入上转换材料。

对实施例1与对比例1制作的太阳能电池样品进行性能测试，如表1所示。

表1：太阳能电池样品性能测试结果

样品	Voc(V)	Isc(A)	FF	Eff(%)
					实施例1	3.078	0.357	87.23	32.02
对比例1	3.059	0.346	84.15	30.46

从表中可以看出，通过本发明的方法在柔性砷化镓太阳能电池内引入上转换材料，可以有效地提高太阳能电池的效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，从其背光面到受光面，依次包括：

柔性衬底；

接触层；

底电池；

中电池；

顶电池；

减反膜；

其中，所述柔性衬底由聚酰亚胺和氨基改性上转换材料组成，且所述氨基改性上转换材料在所述聚酰亚胺中均匀分布；所述上转换材料选用的是NaYF₄：Yb³⁺，Er³⁺，粒径在5-15nm，改性方法为将上转换材料加入到浓度为15%的氨水溶液中，其中上转换材料的含量在混合溶液中占20%-30%，将混合溶液加热至50℃，持续机械搅拌3 h，然后在6000 rpm转速下离心10 min，去除上层液，下层固体即为氨基改性上转换材料。

2.根据权利要求1所述一种柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括上电极和下电极；

所述上电极设置在顶电池上方，且所述上电极与所述顶电池相连；

所述下电极设置于所述接触层上方，且所述下电极与所述接触层相连。

3.根据权利要求2所述一种柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述上电极和下电极均由金属材料Au/AuGeNi/Au/Ag/Au复合而成。

4.根据权利要求1所述一种柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述减反膜是在上电极表面依次蒸镀TiO₂和Al₂O₃制作而成。

5.一种柔性砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-4任一项所述柔性砷化镓太阳能电池，包括以下步骤：

6）将氨基改性上转换材料分散到聚酰亚胺的预聚物溶液内，然后将混合溶液旋涂在接触层背离上临时刚性衬底的一面；

6.根据权利要求5所述一种柔性砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤2）所述化学腐蚀为将键合后的外延片浸泡在氨水：双氧水为1：10的混合溶液中直至GaAs衬底完全腐蚀。

7.根据权利要求5所述一种柔性砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤6）所述氨基改性上转换材料占其与聚酰亚胺的预聚物溶液混合后溶液的10%-15%，混合后溶液在转速1500 rpm下搅拌5 h，得到改性上转换材料与聚酰亚胺的预聚物溶液的均匀分散混合溶液。

8.根据权利要求5所述一种柔性砷化镓太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤7）所述真空分段加热使混合溶液固化具体为：将步骤6）旋涂混合溶液后的结构放入真空干燥箱内，真空度设置为-10 KPa，将温度升至60℃保持30 min，去除膜层内的气泡，再将温度升至180℃保持60 min，继续将温度升至220℃，保持150 min，完成膜层固化。