CN112909102B - 一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太阳能电池及其制备方法。一种太阳能电池，其特征在于，包括柔性衬底(1)；置于柔性衬底(1)表面的粘结层(2)；设置于粘结层(2)表面的背金属层(3)；设置于背金属层(3)表面的电池材料层(4)；等间隔设置于电池材料层(4)表面的正面电极层(5)；设置于背金属层(3)表面的截止层(6)，且截止层(6)与电池材料层(4)相邻；嵌设于截止层(6)中的背电极(7)；设置于正面电极层(5)之外的电池材料层(4)表面，以及背电极(7)之外的截止层(6)表面的减反膜层(8)。本发明提供的太阳能电池制备方法，成本低、良率高、功重比高。

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
能源是人类社会存在和发展的重要物质基础。随着人类社会对能源的需求不断增高，化石能源储量日益减少，因此开发利用可再生能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽的新能源，太阳能电池是人们利用太阳能的一种重要方式。太阳能电池可将无限、清洁的太阳能转换为电能，是人类利用太阳能的一个重要媒介。
太阳能电池按形态可分为刚性太阳能电池和柔性太阳能电池，其中柔性太阳能电池相较于刚性太阳能电池，具有可弯曲、功率重量比(功重比)高的特点，非常适合空间装备轻质、高效的使用要求。在众多柔性太阳能电池中，柔性GaAs太阳电池的耐辐照性较好，温度系数优良，适合在严酷太空环境中使用。
目前柔性GaAs太阳电池常采用金属支撑衬底或是金属键合柔性衬底，存在功重比不足、容易裂片以及良率低的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种太阳能电池。
本发明还提供了一种太阳能电池的制备方法。
一种太阳能电池，包括
柔性衬底1；
粘结层2，所述粘结层2设置于所述柔性衬底1表面；
背金属层3，所述背金属层3设置于所述粘结层2表面；
电池材料层4，所述电池材料层4设置于所述背金属层3表面；
正面电极层5，所述正面电极层5等间隔设置于所述电池材料层4表面；
截止层6，所述截止层6设置于所述背金属层3表面，且与所述电池材料层4相邻；
背电极7，所述背电极7嵌设于所述截止层6中；
减反膜层8，所述减反膜层8设置于所述电池材料层4表面，所述正面电极层5之外的位置，以及所述截止层6表面，所述背电极7之外的位置。
根据本发明的一种实施方式，所述柔性衬底1材质为聚酰亚胺、玻璃、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对二苯甲酸乙二醇酯(PET)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述柔性衬底1为聚酰亚胺薄膜、超薄玻璃中的至少一种。
根据本发明的一种优选的实施方式，所述柔性衬底1为聚酰亚胺薄膜。
根据本发明的一种实施方式，所述柔性衬底1厚度为25μm～50μm。
根据本发明的一种实施方式，所述粘结层2的厚度为5μm～10μm。
根据本发明的一种实施方式，所述粘结层2的成分包括环氧树脂和催化剂。
根据本发明的一种实施方式，所述催化剂是胺类催化剂、酸酐类催化剂、合成树脂类催化剂、聚硫橡胶类催化剂中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述催化剂是聚酰胺、多元酸及多酚中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述背金属层3厚度为3μm～15μm，材质为Cr、Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt或其组合物。
根据本发明的一种实施方式，所述电池材料层4，厚度为5μm～15μm。
根据本发明的一种实施方式，所述电池材料层4，材质包括第三主族和第五主族元素。
根据本发明的一种优选的实施方式，所述电池材料层4材质为GaInP/GaAs、GaInP/GaAs/InGaAs、AlGaInP/GaAs/GaInP/InGaAs、GaAs/GaInP/GaAs/GaInP/GaAs中的至少一种。
根据本发明的一种优选的实施方式，所述电池材料层4包括次叠加的n-GaAs层、GaInP电池层、隧道结、GaAs电池层、GaInP截止层和p-GaAs层。
根据本发明的一种优选的实施方式，所述正面电极层5，材质为Au、Cu、Al、Ni、Pd、Ag、Ti或其组合物。
根据本发明的一种实施方式，所述截止层6，材质包括第三主族和第五主族元素。
根据本发明的一种实施方式，所述截止层6，材质为GaInP、AlGaAs中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述截止层6上，设有垂直于所述截止层6和所述背金属层3接触面的通孔。
根据本发明的一种实施方式，所述背电极7嵌设于所述通孔内。
根据本发明的一种实施方式，所述背电极7的材质为Cu、Ag、Au、Al中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述减反膜层8的材质为TiO2、Al2O3，SiO2、MgF2中的至少两种。
根据本发明的一种实施方式，所述减反膜层8的厚度为100nm～1000nm。
一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1.在第一衬底上外延生长牺牲层；
S2.在牺牲层远离第一衬底的表面上，设置电池材料层4；
S3.在所述电池材料层4远离第一衬底的表面上，设置背金属层3；
S4.在所述背金属层3远离第一衬底的表面上，设置粘结层2；
S5.在所述粘结层2远离第一衬底的表面上，设置柔性衬底1；
S6.对步骤S5所得材料进行热压后，实施退火工艺；
S7.腐蚀除去所述牺牲层和所述第一衬底，得电池材料薄膜；
S8.将所述电池材料薄膜的柔性衬底1远离粘结层2的一侧表面，粘结于刚性衬底上，并在所述电池材料层4远离柔性衬底1的一侧表面设置正面电极层5；
S9.腐蚀步骤S8所得的部分材料，形成截止层6，并设置所述通孔；
S10.在所述截止层6上设置所述背电极7，所述背电极7嵌入所述通孔中；
S11.除所述背电极7和所述正面电极层5所在区域外，在步骤S10所得材料表面设置减反膜层8；
S12.将步骤S11所得材料与所述刚性衬底分离，即得所述太阳能电池。
根据本发明的一种实施方式，所述第一衬底，厚度为150um～500um。
根据本发明的一种实施方式，所述第一衬底，材质包括第三主族和第五主族元素。
根据本发明的一种优选的实施方式，所述第一衬底，材质为GaAs、InP中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述牺牲层，材质为AlAs，InAlP中的至少一种。
根据本发明的一种实施方式，所述牺牲层，厚度为5nm～20nm。
根据本发明的一种实施方式，步骤S1～S2中，所述牺牲层和所述电池材料层4，采用MOCVD设备，以外延生长的方法进行设置。
根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，所述背金属层3的设置方法为蒸镀或电镀。
根据本发明的一种实施方式，步骤S4中粘结层2，和步骤S5中柔性衬底1，设置方法为贴附。
根据本发明的一种实施方式，步骤S6中，所述热压，温度为180℃～200℃，压强为2kg/cm2～3kg/cm2。
根据本发明的一种实施方式，步骤S6中，所述退火，温度为190℃～300℃，时间为40min～2h。
根据本发明的一种优选的实施方式，步骤S6中，所述退火，温度为280℃，时间为40min。
根据本发明的一种优选的实施方式，步骤S6中，所述退火，温度为250℃，时间为1h。
根据本发明的一种优选的实施方式，步骤S6中，所述退火，温度为200℃，时间为2h。
根据本发明的一种实施方式，步骤S6中，所述退火，一方面使背金属层3进行了退火反应，另一方面使粘结层热固化，因此背金属层3和柔性衬底1发生紧密粘合。
所述热固化的作用机理是：热激发催化剂，使其与环氧树脂中的环氧基或羟基发生反应，引发环氧树脂的多次加成，形成偶合、交联，进而达到牢固的粘合作用。
当所述催化剂为所述聚酰胺时，所述热固化的作用机理是：聚酰胺由植物油脂肪酸与多元胺缩合而成，因此聚酰胺含有酰胺基和氨基，也就是含有3个活泼氢原子；所述活泼氢原子在常温下不与环氧树脂中的环氧基发生反应，但当于190℃～260℃温度下加热约1min时，两者即可发生固化反应，固化后所述太阳能电池的机械性能优良。
根据本发明的一种实施方式，步骤S7中，所述腐蚀，腐蚀液为HF的水溶液。
根据本发明的一种实施方式，步骤S8中，所述粘合，采用的粘合剂为高熔点蜡或双面热解胶膜。
所述双面热解胶膜材料在常温下有粘性，因此步骤S8中，可将所述电池材料薄膜粘结至所述刚性衬底上；在加热至90℃～200℃时，所述双面热解胶膜失去粘性，因此步骤S12可将所述太阳能电池与所述刚性衬底分离。
根据本发明的一种优选的实施方式，步骤S8中，所述粘合，采用的粘合剂，为在180℃失去粘性的双面热解胶膜，厚度约为100μm。
根据本发明的一种优选的实施方式，步骤S8中，所述粘合，采用的粘合剂为高熔点蜡，厚度为20μm～50μm。
所述粘合剂耐热性、稳定性良好，在后续的制备工艺中，不被溶解、不发生性质变化。
根据本发明的一种实施方式，步骤S8中，所述正面电极层5的设置方法为光刻保护与蒸镀相结合，具体来说是保护所述正面电极层5之外的位置，对所述正面电极层5所在位置进行蒸镀。
根据本发明的一种实施方式，步骤S9中，所述截止层6的设置方法为光刻保护与湿法腐蚀相结合，腐蚀截止层6所在区域。
根据本发明的一种实施方式，步骤S9中，所述通孔的设置方法为：光刻保护与湿法腐蚀相结合，腐蚀部分截止层6中，背电极7的设置区域，直至露出背金属层，形成通孔。
根据本发明的一种实施方式，步骤S11中，所述减反膜层8的设置方法为光刻保护所述正面电极层5和背电极7所在的区域、蒸镀其余位置。
根据本发明的一种实施方式，所述的制备方法，还包括在步骤S11之前和之后，清洗去除光刻胶。
根据本发明的一种实施方式，所述光刻胶的清洗，方法为：依次用去胶液、丙酮、异丙醇、纯水清洗光刻胶所在位置。
根据本发明的一种实施方式，步骤S12中，所述分离，方法为以蜡液或甲苯类有机溶剂溶解所述粘合剂。
根据本发明的一种实施方式，步骤S12中，所述分离，方法为加热，使所述粘合剂失去粘性。
常用技术中，采用电镀或蒸镀的方法，设置20um～50um厚的背金属层做衬底，所得柔性薄膜电池单位面积的重量为0.03g/cm2。
常用技术中，采用金属键合法，将聚酰亚胺膜衬底与电池本体结合，形成的柔性薄膜电池，单位面积的重量约为0.02g/cm2。
以本发明提供的制备方法制备的柔性薄膜电池，单位面积的重量为0.015g/cm2～0.02g/cm2。
综上，本发明提供的太阳能电池，以有机粘结层代替背金属衬底或金属键合层，降低了太阳能电池的重量，提升了其功重比。
采用金属键合柔性衬底工艺形成的柔性太阳能电池，需用到价值昂贵的金属键合机，其中型号为Karl suss sb6e的进口金属键合机价格约200万，国产的金属键合机，价格为60万～100万；而本发明提供的太阳能电池，在制备过程只用到价值为2万～10万的退火设备(例如产自杭州卓驰的，型号为SG-GL1200K的退火设备，裸机价格约2.5万，加上设备备件，价格≤5万)；因此本发明提供的制备方法成本低。
本发明提供的制备方法，以柔性衬底替代背金属层衬底，减少了贵金属的使用，降低了成本；热压过程中压力较小，降低了裂片风险，提升了产品良率。
本发明与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
(1)本发明以有机粘结层，替代常用的金属键合层，减少了贵金属的使用量，将粘结层的原料成本，由约40元/片降至约0.5元/片。
(2)本发明提供的制备方法，以柔性衬底替代背金属层衬底，降低了太阳能电池的重量，提升了其功重比。
(3)本发明提供的制备方法，所用仪器价格低，降低了太阳能电池的制备成本。
(4)本发明提供的制备方法，由于热压过程中压力较小，降低了裂片风险，提升了产品良率。
附图说明
图1是实施例1中太阳能电池示意图。
图号说明：
1、柔性衬底；2、粘结层；3、背金属层；4、电池材料层；5、正面电极层；6、截止层；7、背电极；8、减反膜层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
若无特殊说明，具体实施方式部分所用试剂的质量浓度如下：
氨水 30％；
双氧水 30％；
磷酸 85％。
实施例1
本实施例制备一种太阳能电池，具体包括以下步骤：
S1.在第一衬底上外延生长牺牲层，牺牲层材料为AlAs，厚度在10nm；
S2.在牺牲层远离第一衬底的表面上，设置电池材料层4，电池材料层4包括自牺牲层表面开始，依次外延生长的n-GaAs层、GaInP电池层、隧道结、GaAs电池层、GaInP截止层和p-GaAs层；
S3.在电池材料层4远离第一衬底的表面上，采用电子束蒸镀设置总厚度为3um，的背金属层3，背金属层3为Ni层和Au层形成的复合层，其中Ni厚度1um，Au厚度2um；
S4.在背金属层3远离第一衬底的表面上，涂覆粘结层2，粘结层2的厚度为10um，包括环氧树脂和催化剂；
S5.在粘结层2远离第一衬底的表面上，设置厚度为25um，材质为聚酰亚胺薄膜的柔性衬底1；
S6.对步骤S5所得材料进行热压，热压温度为180℃，压强为2kg/cm2；之后进行退火，以达到合金退火，和粘结层2热固化的作用，其中退火温度为200℃，时间为2h；
S7.使用HF水溶液(体积比氢氟酸：水＝1:1)腐蚀AlAs牺牲层，使得第一衬底与电池材料层分离，进而获得与柔性衬底已粘合一体的电池材料薄膜；
S8.将高熔点蜡旋涂于电池材料薄膜的柔性衬底1远离粘结层2的一侧表面，厚度为20um～50um，并将柔性衬底1表面粘结于刚性衬底上；并在电池材料层4远离柔性衬底1的一侧表面，清洗、涂覆光刻胶，光刻显影后得到待设置正面电极图形，光刻胶厚为5um～10um，通过电子束蒸镀制作正面电极层，正面电极层为Au层、Pd层、Ag层形成的复合层，其中Pd层厚100nm，Au层厚3um，Ag厚度500nm，然后进行金属剥离(去胶清洗步骤)，即可得到正面电极层5；
S9.将步骤S8所得材料涂覆光刻胶，以光刻保护正面电极层5所在区域，使之露出所需腐蚀至截止层6的区域；先腐蚀n-GaAs层、GaInP电池层和隧道结材料，腐蚀液为氨水和双氧水形成的混合水溶液(体积比氨水：双氧水：纯水＝1:1:5)；再腐蚀GaAs电池层材料，腐蚀液为磷酸和双氧水形成的混合水溶液(体积比磷酸：双氧水：纯水＝1:1:7)；形成截止层6；
S10.用去胶液去除光刻胶，并依次用丙酮，异丙醇，纯水清洗材料表面；再次涂覆光刻胶，以光刻保护背电极7之外的区域，采用氨水和双氧水形成的混合水溶液作为腐蚀液(体积比氨水：双氧水：纯水＝1:1:1)，腐蚀露出的区域直至腐蚀至背金属层，形成通孔；
S11.在截止层6上，以蒸镀，设置成分为Au的背电极7，Au厚度500nm，背电极7嵌入通孔中；
S12.用去胶液去除光刻胶，并依次用丙酮，异丙醇，纯水清洗步骤S11所得材料后，对背电极7和正面电极层5进行光刻保护，在步骤S11所得材料表面，蒸镀厚度为300nm，材质为TiO2层和Al2O3层形成的减反膜层8，其中TiO2厚度100nm，Al2O3厚度200nm；
S13.用去胶液去除光刻胶，并依次用丙酮，异丙醇，纯水清洗步骤S12所得材料后，使用去蜡液溶解清洗高熔点蜡，使步骤S12所得材料与刚性衬底分离，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。
本发明提供的太阳能电池，在制备过程只用到价值为2万～10万的退火设备。
若使用金属键合来实现柔性衬底1与背金属层3的粘合，首先需在柔性衬底1上设置薄金属层，为保证金属与柔性衬底1结合致密，需对柔性衬底1进行预处理，一般是酸碱处理或等离子体处理来实现柔性衬底1的表面改性，之后结合溅射工艺，来达到金属薄层和柔性衬底1的初步紧密结合。之后通过键合设备将设置了薄金属层的柔性衬底1与背金属层3远离第一衬底的表面进行金属键合，实现柔性衬底1与背金属层3最终键合粘结。此方法需使用到的设备及相关信息如表1所示。
表1金属键合法粘结柔性衬底与背金属层所需用到的设备信息。
Figure BDA0002903822400000091
本发明采用的有机粘结层粘合，与常用技术采用的金属键合，原料成本如表2所示。
表2原料成本核算。
Figure BDA0002903822400000092
另外，第一衬底的材质为三五族类化合物，材料较脆，韧性较差，而金属键合时，需外加5kg/cm2～10kg/cm2的压强，若样品不平整或压力不均匀，很容易在键合过程中造成第一衬底的碎裂，从而影响产品良率。本发明的热压方法，只需2kg/cm2～3kg/cm2的压强进行初步压合，之后在退火合金工艺中，通过粘结层2的热固化反应来实现柔性衬底1与背金属层3的粘合，能有效降低裂片的风险，从而保证生产良率。
综上，本发明提供的太阳能电池，由于所需设备、原料价格低，因此降低了生产成本；由于柔性衬底1与背金属层3之间的粘合所需压力较小，因此有效降低了裂片风险，从而保证了生产良率。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，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。

Claims (8)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括
柔性衬底(1)；
粘结层(2)，所述粘结层(2)设置于所述柔性衬底(1)表面；
背金属层(3)，所述背金属层(3)设置于所述粘结层(2)表面；
电池材料层(4)，所述电池材料层(4)设置于所述背金属层(3)表面；
正面电极层(5)，所述正面电极层(5)等间隔设置于所述电池材料层(4)表面；
截止层(6)，所述截止层(6)设置于所述背金属层(3)表面，且与所述电池材料层(4)相邻；
背电极(7)，所述背电极(7)嵌设于所述截止层(6)中；
减反膜层(8)，所述减反膜层(8)设置于所述电池材料层(4)表面，所述正面电极层(5)之外的位置；以及所述截止层(6)表面，所述背电极(7)之外的位置；
所述粘结层(2)的成分包括环氧树脂和催化剂；所述催化剂是胺类催化剂、酸酐类催化剂、合成树脂类催化剂、聚硫橡胶类催化剂中的至少一种；
所述电池材料层(4)厚度为5μm～15μm，材质包括第三主族元素和第五主族元素；
所述正面电极层(5)，材质为Au、Cu、Al、Ni、Pd、Ag、Ti或其组合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述柔性衬底(1)材质为聚酰亚胺、玻璃、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对二苯甲酸乙二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述背金属层(3)厚度为5μm～15μm，材质为Cr、Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt或其组合物。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述截止层(6)上，设有垂直于所述截止层(6)和所述背金属层(3)接触面的通孔。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述背电极(7)嵌设于所述通孔内。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在第一衬底上外延生长牺牲层；
S2.在牺牲层远离第一衬底的表面上，设置电池材料层(4)；
S3.在所述电池材料层(4)远离第一衬底的表面上，设置背金属层(3)；
S4.在所述背金属层(3)远离第一衬底的表面上，设置粘结层(2)；
S5.在所述粘结层(2)远离第一衬底的表面上，设置柔性衬底(1)；
S6.对步骤S5所得材料进行热压后，实施退火工艺；
所述热压，温度为180℃～200℃，压强为2kg/cm2～3kg/cm2；
所述退火，温度为190℃～300℃，时间为40min～2h；
S7.腐蚀除去所述牺牲层和所述第一衬底，得电池材料薄膜；
S8.将所述电池材料薄膜的柔性衬底(1)远离粘结层(2)的一侧表面，粘结于刚性衬底上，并在所述电池材料层(4)远离柔性衬底(1)的一侧表面设置正面电极层(5)；
S9.腐蚀步骤S8所得的部分材料，形成截止层(6)，并设置通孔；
S10.在所述截止层(6)上设置所述背电极(7)，所述背电极(7)嵌入所述通孔中；
S11.除所述背电极(7)和所述正面电极层(5)所在区域，在步骤S10所得材料表面设置减反膜层(8)；
S12.将步骤S11所得材料与所述刚性衬底分离，即得所述太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述退火，温度为200℃～300℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一衬底，材质包括第三和第五主族元素；所述牺牲层，材质为AlAs，InAlP中的至少一种。
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