CN114447155B - 柔性太阳能电池及半导体器件的栅电极的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性太阳能电池及半导体器件的栅电极的制作方法，该柔性太阳能电池的制作方法，包括：在功能层的第一表面的一侧制作柔性衬底；在功能层的与第一表面相对的第二表面上印刷电极浆料；对电极浆料进行烧结，形成第一电极，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min。本发明通过印刷、切割、焊接技术实现柔性太阳能电池制作，打破传统基于准分子光刻技术来制备III‑V多结电池，该方案在柔性电池制备中不仅降低金属电极、光刻胶等材料的成本，也无需电子束蒸镀、光刻机等大型设备的使用，同时极大的简化工艺路线，大幅度提高产能，具有长远的产业化前景。
Description
技术领域
本发明是关于半导体技术领域，特别是关于一种柔性太阳能电池及半导体器件制作方法。
背景技术
现阶段半导体器件，比如柔性电池的工艺主要利用准分子光刻技术实现正面电极、芯片隔离、增透膜刻蚀等关键工艺，该方法不仅制程繁琐，而且在材料和设备方面成本居高不下。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性太阳能电池及半导体器件制作方法，其可以克服现有技术中制程繁琐、成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种柔性太阳能电池的制作方法，包括：
在功能层的第一表面的一侧制作柔性衬底；
在功能层的与第一表面相对的第二表面上印刷电极浆料；
对电极浆料进行烧结，形成第一电极，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min。
在本发明的一个或多个实施方式中，还包括：
在第一电极上制作增透膜；
通过焊接方式蚀穿增透膜，使得焊带的一端与第一电极连接，另一端引出增透膜。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述焊接的方式为热熔焊接或激光焊接。
在本发明的一个或多个实施方式中，还包括：
在同一工序中，对所述的功能层和柔性衬底进行物理切割，分隔成多个单芯片；
采用处理液对单芯片的切割断面进行处理，所述处理液包含柠檬酸和双氧水。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述物理切割选自刀片切割或激光切割，
所述的物理切割采用刀片切割时，切割的速度为10mm/s～20mm/s，切割的宽度为100μm以内。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述柔性衬底选自铜、PI或PET。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述电极浆料选自银、铝、铜的一种或多种的混合。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的柔性太阳能电池为GaAs电池。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述功能层包括依次叠加的第一接触层、背场层、基区、发射极、窗口层和第二接触层，
所述第二接触层上开设有暴露所述窗口层的开口，
所述开口内填充有增透膜。
为实现上述目的，本发明的实施例还提供了一种半导体器件的栅电极的制作方法，包括：
在功能层上印刷电极浆料；
对电极浆料进行烧结，形成欧姆接触，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min。
与现有技术相比，本发明通过印刷、切割、焊接技术实现柔性多结电池及组件制备，打破传统基于准分子光刻技术来制备III-V多结电池，该方案在柔性电池制备中不仅降低金属电极、光刻胶等材料的成本，也无需电子束蒸镀、光刻机等大型设备的使用，同时极大的简化工艺路线，大幅度提高产能，具有长远的产业化前景。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的柔性太阳能电池的制作方法的流程方框图；
图2a-2i是根据本发明一实施方式的柔性太阳能电池在不同步骤中的中间结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1
参图1所示，根据本发明优选实施方式的一种柔性太阳能电池的制作方法，包括如下步骤。
步骤s01，结合图2a所示，提供一功能层10，功能层10具有相对的第一表面和第二表面。
在一实施例中，功能层10包括生长衬底18、以及依次形成于生长衬底18上的牺牲腐蚀层17、第一接触层16、窗口层15、发射极14、基区13、背场层12和第二接触层11。功能层10的第一表面对应为生长衬底18的表面，也就是功能层10的背面，功能层10的第二表面对应为第二接触层11的表面，也就是功能层10的正面。当生长衬底18和牺牲腐蚀层17剥离掉之后，功能层10的第一表面对应为第一接触层16的表面。
在一优选的实施例中，功能层10为GaAs电池。一示例中，生长衬底18为GaAs或Ge衬底；牺牲腐蚀层17为GaInP或AlAs材料；第一接触层16为N-GaAs接触层，掺杂浓度在5e18cm-3以上；窗口层15采用GaInP；发射极14采用N-GaAs；基区13采用P-GaAs；背场层12采用GaInP；第二接触层11为P-(In)GaAs。
功能层10可以为单结电池或多结电池组件结构，多结电池组件结构可以尽可能使每个波段的光谱被电池所吸收利用。
步骤s02，结合图2b所示，在功能层10的第一表面制作第二电极20。也就是在第二接触层11的表面制作第二电极20。
在一实施例中，第二电极20的材料选自Al、Ag、Sn、Cu浆料中的一种或多种的组合。
步骤s03，结合图2c所示，在第二电极20的表面制作柔性衬底30。
在一实施例中，柔性衬底30可以选自薄铜、PI、PET等诸多具有可弯曲性的柔性材料，厚度为20um～50um。
柔性衬底30可以通过电化学沉积、原子沉积技术、化学合合成等的方式制备。
步骤s04，结合图2d所示，将柔性衬底30临时转移到刚性衬底40上。
刚性衬底40为刚性材质且具有一定弹性模量，进而能够在后续切割过程中作为柔性衬底的支撑结构，保证柔性衬底切割断裂面较整齐，不易发生漏电。在一实施例中，刚性衬底40选自GaAs、Si、SiC、玻璃等材料。
在一实施例中，刚性衬底40和柔性衬底30之间通过键合机或层压机以金属或者键合胶等方式键合。在键合过程中，键合的温度为90℃，键合的压力为400mbar，键合时间为50min。其中，所述刚性衬底40与电池材料的热膨胀系数相近，从而可以防止热失配导致的接触层破裂。
一实施例中，键合的材质选用与柔性衬底热膨胀系数相差较小、且附着力强的无机硅胶材质，易成膜剥离。
步骤s05，结合图2e所示，剥离掉生长衬底18和牺牲腐蚀层17。在功能层10的与第一表面相对的第二表面上，也就是第二接触层11上印刷电极浆料。然后对所述电极浆料进行低温烧结退火，低温下形成优异的金半欧姆接触，获得第一电极50。所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min
生长衬底18和牺牲腐蚀层17的剥离可以利用湿法腐蚀的方法去除。具体地，采用氨水和双氧水体系腐蚀去除生长衬底18，采用盐酸和磷酸体系腐蚀去除牺牲腐蚀层17。
第一电极50为栅格状电极，栅格的占空比为2％～5％。
电极浆料可以由银、铝、铜等一种或多种混合组成。
电极浆料印刷的方式可以采用丝网印刷或纳米压印技术。
电极浆料烧结工艺包括低温热烧结和光子烧结技术，工艺气氛不限于氮气、氢气、真空中的一种。
烧结目的是为了浆料和接触层之间形成欧姆接触。过低的温度，比如在100℃时，将不利于电极与接触层之间的紧密接触，影响欧姆接触的形成，过高的烧结温度，比如大于300℃时，虽然能保证金半欧姆接触，但是对于柔性器件来说，高温热烧结产生严重热失配而导致电池卷曲变形至撕裂。
本实施例中，所有电极的制备避免了电子束蒸镀、光刻机等大型设备的使用，成本低；其次，采用低温烧结方式形成第一电极，可以保证功能层以及柔性衬底不会因为急剧高温下的热应力发生破裂。
步骤s06，结合图2f所示，对暴露在第一电极50之间的第一接触层16进行刻蚀，并暴露出窗口层15。
对第一接触层16的刻蚀方式可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀。当采用湿法刻蚀时，可以利用柠檬酸和双氧水体系刻蚀所述第一接触层16。
步骤s07，结合图2g所示，制作增透膜60，该增透膜60填充在刻蚀第一接触层16形成的凹槽内，并覆盖在暴露的窗口层15的表面，以及第一电极50的表面。
一实施例中，增透膜选自SiO2、Ti2O3、MgF2、ZnS、Al2O3等材料中的一种或多种。
增透膜的制作可以采用原子层沉积(Atomic layer deposition)或PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)沉积方法；增透膜可以为单层结构或多层叠加结构，镀膜的温度控制在100℃～200℃。
步骤s08，结合图2h所示，通过焊接方式蚀穿增透膜60，使得焊带70的一端与第一电极50连接，另一端引出增透膜60。剥离掉刚性衬底40。
焊接方式包括热熔焊接、激光焊接，利用焊带自加热烧穿增透膜将第一电极50上电流引出。
柔性多结电上因柔性衬底热膨胀系数较大，如果采用高温氛围技术去蚀穿增透膜，则柔性衬底会因为急剧高温下的热应力发生破裂。本实施例中，通过焊接这种局部瞬时高温技术去蚀穿增透膜，可以避免对柔性衬底的影响。
实施例2
在实施例1的基础上还包括：
(1)、在步骤s08之前，也就是制作焊带70之前，通过切割的方式将实施例1中的外延结构分隔成多个单芯片。
本实施例中，切割是在同一工序中，对所述的功能层10和柔性衬底30进行物理切割，分隔成多个单芯片。在其他实施例中，也可以连同刚性衬底40一并进行切割。
切割的方式可以采用刀片切割或激光切割，当采用刀片切割时，切割的速度为10mm/s～20mm/s，切割的宽度为100μm以内，切割的深度为50～70μm。采用此切割工艺能够保证柔性衬底的收缩程度处于最小，同时能够兼顾切割质量高，避免正崩情况。
(2)、采用处理液对单芯片的切割断面进行清洗，所述处理液包含柠檬酸和双氧水。在一实施例中，柠檬酸：双氧水：水＝1:2:20，清洗时间为1min。
通过物理切割方式直接切割功能层，容易在切割断面造成损伤，而本实施例中，一方面在切割过程中限定切割速度和切割的宽度，可以最大化降低切割断面的损伤，另一方面在切割完成后，通过处理液进行清洗或浸泡，可以对损伤进行修复，同时，在同一工序中同时实现功能层和柔性衬底的切割，大大提高了切割效率和成本。
在一些实施例中，在切割之前，还包括对刚性衬底40减薄至预设厚度的步骤。
(3)、结合图2i所示，对多个单芯片进行串并联后封装。
所述的串并联包括旁路二极管等保护元器件；封装采用层压封装，层压封装由热熔胶和压敏胶中一种或多种组合。
传统电池经过多次光刻技术才可以形成单个完整可应用的器件，工艺制程复杂，良品率降低，成本居高不下，但是本实例提供的一种大尺寸柔性多结电池及组件制备，利用印刷技术、切割技术、焊接技术可实现在无光刻技术下制备大尺寸柔性电池，不仅使工艺路线减半，也大大降低了人力和物力成本，具有深远的应用前景。
实施例3
本申请的一实施例中还提供了一种半导体器件的栅电极的制作方法。
本实施例中，半导体器件为柔性太阳能电池之外的其他半导体器件，比如可以为柔性传感器，相应的，功能层采用电容或电阻材料。还可以为肖特基二极管，相应的，功能层可以采用Cu2ZnSnS4薄膜层。
本实施例中，半导体器件的栅电极的制作方法包括：
(1)、在功能层上印刷电极浆料；
(2)、对电极浆料进行烧结，形成欧姆接触，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min。
第一电极50为栅格状电极，栅格的占空比为2％～5％。
电极浆料可以由银、铝、铜等一种或多种混合组成。
电极浆料印刷的方式可以采用丝网印刷或纳米压印技术。
电极浆料烧结工艺包括低温热烧结和光子烧结技术，工艺气氛不限于氮气、氢气、真空中的一种。
烧结目的是为了浆料和接触层之间形成欧姆接触。过低的温度，比如在100℃时，将不利于电极与接触层之间的紧密接触，影响欧姆接触的形成，过高的烧结温度，比如大于300℃时，虽然能保证金半欧姆接触，但是对于柔性器件来说，高温热烧结产生严重热失配而导致电池卷曲变形至撕裂。
本实施例中，第一电极的制备避免了电子束蒸镀、光刻机等大型设备的使用，成本低；其次，采用低温烧结方式形成第一电极，可以保证功能层以及柔性衬底不会因为急剧高温下的热应力发生破裂。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (9)
1.一种柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括：
在功能层的第一表面的一侧制作柔性衬底；
在功能层的与第一表面相对的第二表面上印刷电极浆料；
对电极浆料进行烧结，形成第一电极，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min；
在第一电极上制作增透膜；
通过焊接方式蚀穿增透膜，使得焊带的一端与第一电极连接，另一端引出增透膜。
2.如权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述焊接的方式为热熔焊接或激光焊接。
3.如权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，还包括：
在同一工序中，对所述的功能层和柔性衬底进行物理切割，分隔成多个单芯片；
采用处理液对单芯片的切割断面进行处理，所述处理液包含柠檬酸和双氧水。
4.如权利要求3所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述物理切割选自刀片切割或激光切割，
所述的物理切割采用刀片切割时，切割的速度为10mm/s～20mm/s，切割的宽度为100μm以内。
5.如权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述柔性衬底选自铜、PI或PET。
6.如权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述电极浆料选自银、铝、铜的一种或多种的混合。
7.如权利要求1所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述的柔性太阳能电池为GaAs电池。
8.如权利要求7所述的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述功能层包括依次叠加的第一接触层、背场层、基区、发射极、窗口层和第二接触层，
所述第二接触层上开设有暴露所述窗口层的开口，
所述开口内填充有增透膜。
9.一种半导体器件的栅电极的制作方法，其特征在于，包括：
在功能层上印刷电极浆料；
对电极浆料进行烧结，形成欧姆接触，所述烧结的温度为200℃～250℃，烧结时间90min～120min；
在第一电极上制作增透膜；
通过焊接方式蚀穿增透膜，使得焊带的一端与第一电极连接，另一端引出增透膜。
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