CN113659019A - 一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用，属于太阳能电池技术领域。本发明公开的柔性太阳能电池，包括图形化衬底；图形化衬底包括第一表面和第二表面；第一表面上形成有褶皱区；第二表面上设置有电路图案；电路图案，包括导电体以及连接导电体的引线；褶皱区在第二表面上形成的投影，覆盖引线的设置位置。本发明提供的柔性太阳能电池，通过结构设置，能够提升对太阳光的利用率，进而提升柔性太阳能电池的电池组件的效率。

Description

一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用。
背景技术
柔性太阳能电池，是薄膜太阳能电池的一种，具有技术先进、性能优良、成本低廉等优点，因此在太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船，甚至太阳能飞机上有广泛应用。
但是，在制造柔性太阳电池时，需进行焊接，为将柔性太阳能电池产生的电能导出，需用到引线，由于引线不透明，因此串并联引线的设置位置会损失一部分受光面积，从而降低电池组件的效率。
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，本发明提出一种柔性太阳能电池，通过结构设置，能够提升对太阳光的利用率，进而提升柔性太阳能电池的效率。
本发明还提出一种上述柔性太阳能电池的制备方法。
本发明还提出一种具有上述柔性太阳能电池的光伏供电系统。
根据本发明的一个方面，提出了一种柔性太阳能电池，所述柔性太阳能电池包括图形化衬底；
所述图形化衬底包括第一表面和第二表面；
所述第一表面上形成有褶皱区；
所述第二表面上设置有电路图案；
所述电路图案，包括导电体以及连接所述导电体的引线；
所述褶皱区在所述第二表面上形成的投影，覆盖所述引线的设置位置。
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：
太阳能电池使用过程中(包括单独使用和制成组件使用)，需通过引线将产生的电流导出；由于引线会阻挡太阳光的通过，因此引线的设置位置会损失部分太阳能电池的受光面积，进而降低太阳能电池的效率；又由于太阳能电池成组使用过程中，所需引线更多，因此通常太阳能电池组的效率低于单体太阳能电池的效率；
本发明中，图形化衬底上的褶皱区，由于其表面的不平整性，因此可改变照射在其表面光的路径；又因为由于褶皱区在第二表面上形成的投影，覆盖了引线的设置位置；也就是说，由于褶皱区的作用，原本被引线遮挡的太阳光，照射至引线附近的位置(不被遮挡)，因此，虽然受光面积仍有部分损失，太阳能电池接受太阳光的总能量并未发生变化；
综上，本发明中的图形化衬底，除具有常规支撑作用外，由于第二表面上集成的导电区和引线，具有电输出的功能；同时褶皱区的设置还提升了太阳能电池的效率。
在本发明的一些实施方式中，所述图形化衬底，制备原料为柔性层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述柔性层，厚度为50nm～200nm。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述柔性层，厚度为200nm。
在本发明的一些实施方式中，所述图形化衬底，材质为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，Polyethylene terephthalate)和PI(聚酰亚胺，Polyimide)中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述褶皱区，形成方法为纳米压印法和光刻腐蚀法中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述导电体，为自所述第二表面开始，依次生长的Ti层、Pt层、Au层和Sn层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述导电体，为自所述第二表面开始，依次生长的厚为50nm～100nm的Ti层、厚为50nm～100nm的Pt层、厚为500～1000nm的Au层和厚为500nm～2000nm的Sn层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述导电体，为自所述第二表面开始，依次生长的厚为50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层、厚为500nm的Au层和厚为500nm的Sn层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述柔性太阳能电池，还包括，
第一电极，所述第一电极与所述导电体接触；
外延层，所述外延层设置于所述第二表面上，并与所述第一电极接触；
第二电极，所述第二电极设置于所述外延层远离所述图形化衬底一侧表面上；
绝缘结构，所述绝缘结构设置于所述外延层远离所述图形化衬底一侧表面，并与所述第二电极的设置位置形成互补。
所述互补的含义是，所述柔性太阳能电池的表面分为两个个部分，分别被所述绝缘结构和所述第二电极占据。
在本发明的一些实施方式中，所述柔性太阳能电池，所述外延片可呈整体片状存在；也可以呈阵列化存在，相当于多个微型电池单元；所述微型电池单元经由所述第二表面上的导电体和引线发生串联和并联连接中的至少一种，最终形成所述柔性太阳能电池。
在本发明的一些实施方式中，所述第一电极，为依次叠加的Ti层、Pt层和Au层；所述Au层与所述导电体的Sn层相接触。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述第一电极，为依次叠加的，50nm～100nm的Ti层、厚为50nm～100nm的Pt层和厚为1000nm～5000nm的Au层；所述Au层与所述导电体的Sn层相接触。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述第一电极，为依次叠加的，50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层和厚为1000nm的Au层；所述Au层与所述导电体的Sn层相接触。
在本发明的一些实施方式中，所述外延层，为自所述第一电极开始，依次设置的GaInP层和InGaAs层。
在本发明的一些实施方式中，所述绝缘结构，材质为SiNx、Al2O3、MgF2、POE和EVA中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述第二电极，为依次叠加的Ti层、Pt层和Au层；所述Ti层与所述外延层的InGaAs层相接触。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述第二电极，为依次叠加的，厚为50nm～100nm的Ti层、厚为50nm～100nm的Pt层和厚为1000nm～5000nm的Au层；所述Ti层与所述外延层的InGaAs层相接触。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述第二电极，为依次叠加的，厚为50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层和厚为1000nm的Au层；所述Ti层与所述外延层的InGaAs层相接触。
当所述绝缘结构的材质包括POE和EVA中至少一种时，所述柔性太阳能电池可直接串、并联形成无背板的柔性太阳电池组；其原因是，上述绝缘结构的材质可直接贴附于待设置太阳能电池的区域表面，同时待设置太阳能电池的区域表面可兼做支撑背板，因此所述柔性太阳能电池可以不设置背板。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述图形化衬底，为绝缘材质，所述绝缘结构也是绝缘材质，也就是说，本发明所得柔性太阳能电池已经被绝缘材质包裹，即便不进行封装处理，也不存在漏电风险，因此可省去封装步骤；
此外，传统封装步骤中，由于封装材料、电池材料、预留串并联空隙等部件的热膨胀系数不一，会导致制作的柔性太阳能电池弯曲程度不可控；本发明提供的柔性太阳能电池，通过结构的调整，省去封装步骤后，还有利于柔性太阳能电池平整度的提升。
根据本发明的再一个方面，提出了所述柔性太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.在柔性层的一侧形成所述褶皱区，另一侧沉积所述导电体，并预留所述引线的设置位置，得所述图形化衬底；
S2.在衬底上生长外延层，并在所述外延层远离所述衬底一侧表面设置与所述导电体位置匹配的第一电极；
S3.以所述第一电极与所述导电体为键合点，将步骤S2所得部件与步骤S1所得图形化衬底进行键合；
S4.去除步骤S3所得部件的衬底；
S5.在步骤S4所得部件远离所述图形化衬底一侧表面形成绝缘结构；
S6.在所述绝缘结构远离所述图形化衬底的一侧表面上，形成通孔，并在所述通孔内形成第二电极，所述第二电极与所述绝缘层结构的设置位置互补，即得所述柔性太阳能电池。
根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：
由于柔性太阳电池厚度薄，柔性衬底的支撑力度小，因此容易发生暗裂碎片，从而导致漏电等良率下降的问题，进一步的，柔性太阳电池在封装成组件时，焊接过程中会产生物理冲击，这也会导致焊接处发生暗裂破损；
本发明中，在衬底上形成外延片(包括第一电极)后，再直接将其键合互联至图形化衬底上，制备方法避免了缺失物理支撑或支撑强度低的工艺步骤，也就是避免了直接在柔性衬底上进行电池工艺；
并且键合互联避免了普通焊接的物理冲击，从而极大降低碎片几率；
因此，本发明提供的制备方法，可提升柔性太阳能电池的良率。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述褶皱区，形成方法为纳米压印技术和光刻腐蚀技术中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述导电区，设置方法为，在所述第二表面，先旋涂光刻胶，再曝光显影，显示出所述导电区的设置位置，最后采用物理沉积法形成所述导电区，并去除本步骤所用光刻胶。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述衬底，材质为GaAs。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述外延层，为自所述GaAs开始，依次生长的InGaAs层和GaInP层。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，还包括在所述第一电极设置前，在所述外延层远离所述衬底一侧表面设置接触层。
所述接触层材质为GaAs，其作用是优化所述外延层与所述第一电极间的欧姆连接。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第一电极，设置方法为在所述外延层远离所述衬底一侧表面，先旋涂光刻胶，再曝光显影，显示出所述第一电极的设置位置，最后采用物理沉积法形成所述第一电极，并去除本步骤所用光刻胶。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，还包括在设置所述第一电极后，垂直于所述外延层方向，在所述外延层上设置沟槽。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽贯穿所述外延层，直至所述衬底。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽，设置方法为，在所述外延片远离所述衬底的一侧表面旋涂光刻胶，并进行曝光及显影，显示出所述沟槽的设置位置，然后采用ICP干蚀刻方法，形成所述沟槽，最后除去上述光刻胶。
所述沟槽设置完成后，所述外延片呈阵列化存在；也就是说，所述沟槽设置完成后，形成的柔性太阳能电池，实际上相当于多个微型电池单元串联、并联形成的电池组。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，还包括在所述沟槽设置完成后，去除所述第一电极设置位置以外的所述接触层。
所述接触层的去除方法为湿法腐蚀，腐蚀液为磷酸和双氧水的混合水溶液。
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括在步骤S2和S3之间，在所述外延层远离所述衬底的一侧表面上，设置与所述第一电极位置互补的介质膜。
在本发明的一些实施方式中，所述介质膜为SiO2层和MgF2层形成的复合膜。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述介质膜为自所述外延层远离所述衬底一侧表面开始，依次形成的厚度为50nm～120nm的SiO2层和厚度为80nm～150nm的MgF2层。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述介质膜为自所述外延层远离所述衬底一侧表面开始，依次形成的厚度为50nm的SiO2层和厚度为80nm的MgF2层。
所述介质膜的作用是，作为减反膜，降低柔性太阳能电池表面对太阳光的反射效果，使太阳光最大程度的入射到电池内部。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3之前，所述复合膜设置结束后，还包括再次显示所述第一电极，具体方法为：在所述外延层表面旋涂光刻胶，曝光及显影后，显示出所述第一电极的设置位置，然后采用ICP干蚀刻方法，在上述介质膜上形成开孔，显示所述第一电极。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述键合，温度为150℃～250℃。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述键合，温度为200℃。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述键合，压力为5000N～20000N。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述键合，压力为10000N。
在本发明的一些实施方式中，步骤S4中，所述衬底，去除方法为湿法腐蚀。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S4中，去除所述衬底，采用的腐蚀液为磷酸：双氧水：水混合溶液。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S4中，去除所述衬底，采用的腐蚀液为磷酸(浓度约85wt％)、双氧水(浓度约30wt％)、水，按照1:3:1的体积比例混合所得的混合水溶液。
步骤S4所得部件已具备柔性。
在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述绝缘结构，材质为SiNx薄膜，厚度为200nm～600nm。
在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述绝缘结构，材质为SiNx薄膜，厚度为400nm。
在本发明的一些实施方式中，步骤S5中，所述绝缘结构，设置方法为物理沉积法和化学沉积法中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S5中，所述绝缘结构，沉积方法为低温化学沉积法。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S6中，所述通孔，设置方法为在所述绝缘结构远离所述图形化衬底的一侧表面上旋涂光刻胶，并进行曝光及显影，形成所述通孔的设置位置，然后采用湿法腐蚀的方法，形成所述通孔，显示出部分所述外延层，并去除本步骤所用光刻胶。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S6中，所述第二电极，设置方法为在所述通孔所在一侧表面，旋涂光刻胶，并进行曝光及显影，显示出所述第二电极的设置位置后，采用物理沉积法设置所述第二电极，并去除本步骤所用光刻胶。
根据本发明的再一个方面，提出了一种包括所述柔性太阳能电池的光伏供电系统。
在本发明的一些实施方式中，所述光伏供电系统使用过程中，其中的柔性太阳能电池，所述图形化衬底一侧表面朝向阳光。
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步骤D2所得图形化衬底第一表面的结构示意图；
图2为本发明实施例1步骤D2所得图形化衬底第二表面的结构示意图；
图3为本发明实施例1步骤D3所得部件的结构示意图；
图4为本发明实施例1步骤D8所得部件主视图的结构示意图；
图5为本发明实施例1步骤D8所得部件俯视图的结构示意图；
图6为本发明实施例1所得柔性太阳能电池仰视图的结构示意图；
图7为本发明实施例1所得柔性太阳能电池主视图的结构示意图。
附图标记：
100、图形化衬底，110、褶皱区，120、电路图案，121、导电体，122、引线；
200、GaAs衬底，
300、外延层；310、第一电极，320、第二电极；
400、沟槽；
500、绝缘结构。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
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，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柔性太阳能电池，具体过程为：
D1.在厚度200μm的PET层的一侧(第一表面)，采用纳米压印技术，形成褶皱区110，褶皱区110作为透镜使用，可改变光的传播路径；
D2.在PET层的另一侧(第二表面)，旋涂型号为L300的负性光刻胶，并进行曝光及显影形成导电体的图案，然后采用物理沉积方法，自PET层开始，依次沉积厚为50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层、厚为500nm的Au层和厚为500nm的Sn层，形成导电体121；并预留引线122的设置位置，引线122连接上述导电体121，形成电路图案120；去除本步骤所用光刻胶后，形成图形化衬底100；
本步骤所得图形化衬底，第一表面的结构示意图如图1所示，第二表面的结构示意图如图2所示；
D3.在GaAs衬底200表面，依次生长InGaAs层GaInP层得到GaAs衬底200和外延层300的复合结构；并在GaInP层表面生长一层接触层，接触层材质为GaAs(附图中未示出)；
本步骤所用GaAs衬底的结构示意图如图3所示；
D4.在步骤D3所得结构的外延层300表面，旋涂型号为L300的负性光刻胶，并进行曝光及显影形成第一电极310的图案，然后采用物理沉积方法，自外延层300开始，依次沉积厚为50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层和厚为1000nm的Au层，去除本步骤所用光刻胶后，形成第一电极310；
D5.在步骤D4所得部件外延层300一侧表面上，旋涂型号为AZ4620的正性光刻胶，并进行曝光及显影形成既定图案，然后采用ICP干蚀刻方法，垂直于外延层的最大面，形成沟槽400结构，沟槽400深度至GaAs衬底；通过去胶后，形成阵列化外延层300；D6.以磷酸和双氧水的混合水溶液为腐蚀液，除第一电极的设置区域外，去除接触层(步骤D3制备，)；
D7.在步骤D6所得部件外延层300一侧表面，采用物理沉积方法以此沉积厚为20nm的SiO2层和厚为80nm的MgF2层，上述两层结构形成介质膜(由于厚度较小，附图中未显示)，作用是降低电池的表面的反射率；
D8.在步骤D7所得部件，介质膜所在一侧表面，旋涂型号为AZ4620的正性光刻胶，并进行曝光及显影形成既定图案，然后采用ICP干蚀刻方法，在上述介质膜上形成通孔，露出第一电极310；
本步骤所得部件主视图的示意图如图4所示，俯视图的示意图如图5所示；
D9.将步骤D8所得部件与步骤D2所得部件进行键合，键合点为第一电极310和导电体121，键合温度200℃，压力10000N，形成中间结构，该中间结构上表面为PET，下表面为GaAs衬底200；
D10.采用溶液腐蚀的方法，将步骤D9所得部件的GaAs衬底200腐蚀掉，腐蚀液为，磷酸(约85wt％)、双氧水(约30wt％)和水按照1:3:1的体积比配置的混合溶液；
D11.在步骤D10所得部件，远离图形化衬底100一侧表面，采用低温化学沉积方法，沉积一层厚度为400nm的SiNx绝缘结构；
D12.在步骤D11所得部件远离图形化衬底一侧表面，旋涂型号为AZ4620的正性光刻胶，并进行曝光及显影形成既定图案，然后采用湿法腐蚀的方法，在上述绝缘结构上形成通孔，露出外延层，本步骤采用的腐蚀液为氟化铵溶液，去除本步骤所用光刻胶；
D13.在步骤D12所得部件远离图形化衬底一侧表面，旋涂型号为L300的负性光刻胶，并进行曝光及显影形成既定图案，然后采用物理沉积方法沉积形成第二电极320，具体的第二电极320为自外延层开始，依次设置的厚为50nm的Ti层、厚为50nm的Pt层和厚为1000nm的Au层；通过剥离去胶后，即得柔性太阳能电池。
本实施例所得柔性太阳能电池仰视图的结构示意图如图6所述，主视图的结构示意图如图7所示。
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 (10)

1.一种柔性太阳能电池，其特征在于，所述柔性太阳能电池包括图形化衬底；
所述图形化衬底包括第一表面和第二表面；
所述第一表面上形成有褶皱区；
所述第二表面上设置有电路图案；
所述电路图案，包括导电体以及连接所述导电体的引线；
所述褶皱区在所述第二表面上形成的投影，覆盖所述引线的设置位置。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述图形化衬底，制备原料为柔性层；优选的，所述图形化衬底，材质为PET和PI中的至少一种；进一步优选的，所述柔性层，厚度为50nm～200nm。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述褶皱区，形成方法为纳米压印法和光刻腐蚀法中的至少一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述柔性太阳能电池，还包括，
第一电极，所述第一电极与所述导电体接触；
外延层，所述外延层设置于所述第二表面上，并与所述第一电极接触；
第二电极，所述第二电极设置于所述外延层远离所述图形化衬底一侧表面上；
绝缘结构，所述绝缘结构设置于所述外延层远离所述图形化衬底一侧表面，并与所述第二电极的设置位置形成互补。
5.根据权利要求4所述的柔性太阳能电池，其特征在于，所述绝缘结构，材质为SiNx、Al2O3、MgF2、POE和EVA中的至少一种。
6.一种如权利要求1～5任一项所述柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在柔性层的一侧形成所述褶皱区，另一侧沉积所述导电体，并预留所述引线的设置位置，得所述图形化衬底；
S2.在衬底上生长外延层，并在所述外延层远离所述衬底一侧表面设置与所述导电体位置匹配的第一电极；
S3.以所述第一电极与所述导电体为键合点，将步骤S2所得部件与步骤S1所得图形化衬底进行键合；
S4.去除步骤S3所得部件的衬底；
S5.在步骤S4所得部件远离所述图形化衬底一侧表面形成绝缘结构；
S6.在所述绝缘结构远离所述图形化衬底的一侧表面上，形成通孔，并在所述通孔内形成第二电极，所述第二电极与所述绝缘层结构的设置位置互补，即得所述柔性太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，还包括在设置所述第一电极后，垂直于所述外延层方向，在所述外延层上设置沟槽；优选的，所述沟槽贯穿所述外延层，直至所述衬底。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法，还包括在步骤S2和S3之间，在所述外延层远离所述衬底的一侧表面上，设置与所述第一电极位置互补的介质膜。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述键合，温度为150℃～250℃；优选的，所述键合，压力为5000N～20000N。
10.一种光伏供电系统，其特征在于包含权利要求1～5任一项所述柔性太阳能电池。
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