CN112909100B

CN112909100B - 一种太阳能电池及其制备方法

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Publication number: CN112909100B
Application number: CN202110063559.9A
Authority: CN
Inventors: 何键华; 杨文奕; 杜伟; 王硕
Original assignee: Zhongshan Dehua Chip Technology Co ltd
Current assignee: Zhongshan Dehua Chip Technology Co ltd
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN112909100A

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。一种太阳能电池，包括依次叠加的电池本体；P型接触层，P型接触层远离电池本体一侧表面，设置有沟槽；背绝缘层，背绝缘层设置于所述沟槽内；背金属层，背金属层上设有与沟槽相匹配的齿。本发明太阳能电池，由于P型接触层和背金属层之间设置部分覆盖的背绝缘层，降低了P型接触层和背金属层接触界面上的寄生损失；由于P型接触层、背绝缘层和背金属层的非平面的结构，提高了光在吸收层里的光学路径长度，从而提高了电池的光电转化效率。

Description

一种太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池及其制备方法。

背景技术

砷化镓是一种禁带较宽的半导体材料。与硅太阳能电池相比，以砷化镓为基体的太阳能电池，光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较好，且耐高温。相对于刚性砷化镓太阳能电池，柔性砷化镓太阳能电池具有转化效率高，柔性，重量轻和功重比高等优点。因此柔性砷化镓太阳能电池可应用于汽车、高空长航时无人机、消费类电子、物联网、可穿戴设备及空间航天器等领域。

为进一步提升柔性砷化镓太阳能电池的光电转换效率，研究人员通常在太阳能电池的衬底与接触层之间，沉积一层高反射率的金属薄层作为镜面反射层。金属薄层的材质通常是金、银、铝、镍、铜或这几种金属的复合材料。

金属材质的镜面反射层虽可在一定程度上提升柔性砷化镓太阳能电池的光电转换效率，但是其与电池接触层的界面处，会产生载流子复合中心，进而引起寄生损失。因此镜面反射层对柔性砷化镓太阳能电池光电转换效率的提升，作用有限。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种太阳能电池，相较于具有镜面反射层的太阳能电池，进一步提升了光电转换效率。

本发明还提出一种上述太阳能电池的制备方法。

一种太阳能电池，包括依次叠加的

电池本体；

P型接触层，所述P型接触层远离所述电池本体一侧表面，设置有沟槽；

背绝缘层，所述背绝缘层设置于所述沟槽内；

背金属层，所述背金属层上设有与所述沟槽相匹配的齿。

根据本发明的一种优选的实施方式，本发明提供的太阳能电池，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的太阳能电池中，P型接触层和背金属层之间设置部分覆盖的背绝缘层，降低了P型接触层和背金属层接触界面上的寄生损失。

(2)本发明提供的太阳能电池中，由于P型接触层、背绝缘层和背金属层的非平面的结构，增加了入射光的散射，因此提高了光在吸收层里的光学路径长度，也就是提高了电池对光的吸收概率，从而提高了太阳能电池的光电转化效率；光电转化效率≥33.3％。

(3)本发明提供的太阳能电池中，背金属层兼具衬底功能，提升了太阳能电池的功重比。

在本发明的一些实施方式中，所述背绝缘层，材质为二氧化硅和氧化铝中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，所述背绝缘层，厚度为50nm～200nm。

所述背绝缘层仅设置于所述沟槽内的原因是，若所述背绝缘层全覆盖所述P型接触层，则会阻断所述P型接触层与所述背金属层之间的电子通道，进而导致所述太阳能电池报废。

在本发明的一些实施方式中，所述背绝缘层，起到散射入射光的作用，增加了入射光在太阳能电池中的光学路径长度，进而提高了电池对光的吸收概率。

在本发明的一些实施方式中，所述背绝缘层，由于具有绝缘性，降低了所述背金属层与所述P型接触层之间寄生损失。

在具有镜面反射层的太阳能电池中，垂直进入太阳能电池的一部分光到达镜面反射层后又垂直反射回电池，光学路径长度只有电池吸收材料层厚度的两倍，在此过程中，未被电池吸收的光则反射出电池。

在本发明的一些实施方式中，由于所述太阳能电池中，所述背绝缘层设置于所述沟槽内，当入射光在到达所述背绝缘层表面时，会发生散射，因此提高了光在吸收层里的光学路径长度，也就是提高了电池对光的吸收概率，从而提高了电池的光电转化效率。

在本发明的一些实施方式中，所述背金属层，为铜层、银层、金层和镍层中的一种或多种形成的复合层。

在本发明的一些实施方式中，所述背金属层，厚度为5μm～30μm。

本发明提供的太阳能电池中，所述背金属层兼具衬底功能，若背金属层为30μm的铜层，在AM1.5测试条件下计算，太阳能电池功重比约1.05W/g。

所述AM1.5表示光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍，它描述太阳光入射于地表之平均照度，其中太阳总辐照度为100mW/cm²；太阳电池的标定温度为25±1℃。

太阳能电池中，若采用覆晶键合法设置硅片作为衬底，需先在硅片表面设置6μm～10μm的聚酰亚胺层以提升粘合强度。此外，工业上常用的硅片，厚度为180μm～200μm，超薄硅片的厚度也有130μm～150μm。经核算，若采用覆晶键合法设置硅片作为衬底，太阳能电池的功重比约为0.85W/g。

综上，本发明提供的太阳能电池，提升了功重比。

在本发明的一些实施方式中，所述沟槽，形状为三角形。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽，形状为等腰三角形。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽，形状为等腰三角形，底角为15°～30°。

在本发明的一些实施方式中，所述P型接触层，为P型GaInAs层。

在本发明的一些实施方式中，所述P型接触层，厚度为300nm～500nm。

在本发明的一些实施方式中，所述电池本体，为单结砷化镓太阳能电池片或多结砷化镓太阳能电池片。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述电池本体，为三结砷化镓太阳能电池片。

在本发明的一些实施方式中，所述三结砷化镓太阳能电池片，包括依次设置的正面电极、减反膜层、N型GaAs接触层、GaInP电池、第一隧道结、GaAs电池、第二隧道结、晶格缓冲层和GaInAs电池，所述GaInAs电池与所述P型接触层远离所述背绝缘层一侧的表面相接触。

所述三结砷化镓太阳能电池片的光电转换效率高于所述单结太阳能电池片的光电转换效率。

一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤；

S1.在衬底上依次设置牺牲层、外延层和所述P型接触层；

S2.在所述P型接触层表面设置所述沟槽；

S3.在所述沟槽内设置所述背绝缘层；

S4.在步骤S3所得部件，远离所述衬底一侧表面，设置所述背金属层；

S5.去除所述牺牲层和所述衬底，并将所得部件，远离所述外延层一侧表面与临时衬底结合；

S6.在所述外延层一侧表面设置正面电极，在所述外延层一侧表面所述正面电极之外的位置设置减反膜层，所述正面电极、减反膜层与所述外延层构成所述电池本体；

S7.去除所述临时衬底、退火，即得所述太阳能电池。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的制备方法，在提高太阳电池光电转换效率的同时，不会大幅增加太阳电池的厚度，且制造工艺相对简单，成本低。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述衬底，为GaAs衬底。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述牺牲层为AlAs层。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述设置，方法为外延生长。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述外延层，包括自所述牺牲层开始，依次生长的所述N型GaAs接触层、GaInP电池、第一隧道结、GaAs电池、第二隧道结、晶格缓冲层和GaInAs电池。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述设置，方法为刻蚀。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述设置，方法为干法刻蚀或湿法刻蚀。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述设置，方法为干法刻蚀。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述设置，还包括以光刻法，保护所述沟槽之外的位置。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括所述沟槽设置完成后，清洗去除步骤S2所用光刻胶。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述设置，方法为蒸镀、离子体增强化学的气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)中的一种。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述设置，方法为蒸镀。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述设置，还包括以光刻法，保护所述沟槽之外的位置。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括所述背绝缘层设置完成后，清洗去除步骤S3所用光刻胶。

在本发明的一些实施方式中，步骤S4中，所述设置，方法为蒸镀、电镀、化学镀覆中的一种。

在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述去除，方法为湿法腐蚀。

在本发明的一些实施方式中，所述湿法腐蚀，腐蚀液是质量分数为15％的氢氟酸水溶液。

在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述结合，方法为采用粘合剂或高熔点蜡进行粘合。

在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述临时衬底，需具有物理、化学稳定性，以确保在后续步骤中保持稳定。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S5中，所述临时衬底，为硅片或蓝宝石片。

在本发明的一些实施方式中，步骤S6中，所述正面电极，设置方法为光刻保护所述正面电极之外区域，之后以蒸镀法设置所述正面电极。

在本发明的一些实施方式中，步骤S6中，所述减反膜层，设置方法为：光刻保护正面电极区域，之后以蒸镀法设置所述减反膜层。

在本发明的一些实施方式中，步骤S7中，所述临时衬底，去除方法为：以溶剂溶解所述粘合剂或高熔点蜡。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述溶剂为甲苯。

在本发明的一些实施方式中，步骤S7中，所述退火，温度为200℃～250℃，时间为40min～60min。

所述退火，目的是使所述P型接触层和所述背金属层之间，未设置所述背绝缘层的接触界面，形成良好的欧姆接触。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例1所得太阳能电池的结构示意图。

图2为实施例1和对比例1所得太阳能电池的IV曲线图。

附图标记：

100、电池本体；101、正面电极；102、减反膜层；103、N型GaAs接触层；104、GaInP电池；105、第一隧道结；106、GaAs电池；107、第二隧道结；108、晶格缓冲层；109、GaInAs电池；200、背绝缘层；300、P型接触层；400、背金属层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

本实施例制备了一种太阳能电池，具体过程为：

S1.在GaAs衬底上依次外延生长AlAs牺牲层、N型GaAs接触层、GaInP电池、第一隧道结、GaAs电池层、第二隧道结、晶格缓冲层、GaInAs电池和P型GaInAs接触层；

S2.在P型GaInAs接触层表面，采用光刻法制作出形状为等腰三角形，底角为15°的沟槽图形，并保护沟槽图形之外的区域；之后使用干法刻蚀P型GaInAs接触层，得到沟槽，清洗去除光刻胶；

S3.光刻保护步骤S2所得部件表面，沟槽之外的区域，在沟槽所在区域设置材质为二氧化硅，厚度为150nm背绝缘层，设置方法为蒸镀，之后清洗去除光刻胶；

S4.在步骤S3所得部件远离GaAs衬底一侧的表面，以蒸镀法，设置材质为铜，厚度为5um的背金属层；

S5.以质量分数为15％的氢氟酸水溶液，腐蚀牺牲层；

S6.将步骤S5所得部件背金属层所在一侧表面，通过高熔点蜡与硅片粘合；

S7.在步骤S6所得部件，远离硅片一侧表面，首先以光刻法设置正面电极的图案，之后以蒸镀法设置正面电极；

S8.在步骤S7所得部件，远离硅片一侧表面，首先以光刻法保护正面电极区域，之后以蒸镀法设置减反膜层；

S9.采用甲苯溶解步骤S6所用粘合剂，去除硅片；

S10.对步骤S9所得，去除硅片后的部件，在200℃下，退火处理60min，即得太阳能电池。

本实施例所得太阳能电池的结构示意图如图1所示。

对比例1

本对比例制备了一种太阳能电池，具体过程与实施例1的区别是：

不包括步骤S2和S3，即将背金属层直接设置于平面的P型GaInAs接触层表面。

试验例1

本试验例测试了实施例和对比例制备的太阳能电池的性能。其中测试条件为AM1.5。

AM1.5是太阳能电池的标准测试条件，指光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍。其他测试条件如下：温度为25℃；辐照度为1000W/m²。

电池AM1.5测试所得IV(电流-电压)曲线如图2所示。

电性能测试结果如表1所示。

表1电性能测试结果。

实施方式	光电转化效率	填充因子	开路电压	电流密度
					实施例1	33.3％	85.7％	3.012V	12.92mA/cm<sup>2</sup>
对比例1	32.5％	86.3％	3.011V	12.5mA/cm<sup>2</sup>

图2和表1结果表明：相较于对比例1，实施例1中的光电转化效率提升了0.8个百分点，电流密度提升了0.4mA/cm²。

而工业上提升太阳能电池性能，主要通过优化电池片的材料、生长工艺，或通过优化太阳能电池的制程实现，而后者提升太阳能电池性能的难度较大。

本发明从太阳能电池的制程入手，虽然从数据上看，提升幅度不够显著，但是确已取得了相当的技术进步。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，由依次叠加的如下组件组成：

电池本体，所述电池本体为单结砷化镓太阳能电池片或多结砷化镓太阳能电池片；

P型接触层，所述P型接触层远离所述电池本体一侧表面，设置有沟槽；所述沟槽，形状为等腰三角形，底角为15°～30°；

背绝缘层，所述背绝缘层设置于所述沟槽内；

背金属层，所述背金属层上设有与所述沟槽相匹配的齿；

所述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤；

S1.在衬底上依次设置牺牲层、外延层和所述P型接触层；

S2.在所述P型接触层表面设置所述沟槽；

S3.在所述沟槽内设置所述背绝缘层；所述设置，方法为蒸镀、离子体增强化学的气相沉积、原子层沉积中的一种；

S5.去除所述牺牲层和所述衬底，并将所得部件远离所述外延层一侧表面，与临时衬底结合；

S7.去除所述临时衬底、退火，即得所述太阳能电池。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述背绝缘层，材质为二氧化硅和氧化铝中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述背绝缘层，厚度为50nm~200nm。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述背金属层，为铜层、银层、金层和镍层中的一种或多种形成的复合层。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述背金属层，厚度为5μm~30μm。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，步骤S1中，所述设置，方法为外延生长。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，步骤S2中，所述设置，方法为刻蚀。