CN114725223B - 一种太阳电池减反膜及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳电池减反膜及其制备方法与应用，属于太阳电池技术领域。本发明的太阳电池减反膜包括依次叠放的无机层和光刻胶层；所述无机层的折射率为2.3～2.4；所述光刻胶层的折射率为1.55～1.65；所述无机层的厚度为65nm～75nm；所述光刻胶层的厚度为90nm～110nm。本发明通过对无机层和光刻胶层厚度及折射率的控制，从而实现了对减反膜的反射率进行控制，最终得到了反射率低的减反膜。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种太阳电池减反膜及其制备方法与应用。
背景技术
多结砷化镓太阳电池的每一结电池吸收特定太阳光谱波段能量，具有转化效率高的优点。由于多结砷化镓太阳电池具有宽光谱吸收(300nm～1800nm范围内均有吸收)的特点，因此需要在电池表面制备对300nm～1800nm波长光的反射率均较低的减反射膜层(对于三结砷化镓太阳电池，由于底电池电流富余，中电池和顶电池的主要吸收波段为450nm～900nm；因此减反射膜层一般对上述波段的反射率进行优化)，从而有效提高电池对光的吸收。
相关技术中采用TiO2、SiO2、Al2O3等材料制备减反射膜，即先单层镀制获得各层工艺参数，再利用仿真程序设计获得多层优化结构的方法，可制备出低反射率的减反射膜。相关技术中还采用离子源辅助电子束沉积的方法，镀制TiOx、SiO2膜层。最终形成减反膜。相关技术中采用低温镀制TiO2、SiO2、Al2O3等材料后再高温退火的方法，可制备出高晶体质量和低反射率的减反射膜层。相关技术中制备多结砷化镓太阳电池减反射膜的共同特点是采用电子束蒸镀两层或三层不同折射率的材料，然后进行光刻、氢氟酸腐蚀，去除光刻胶的工艺步骤，得到带有减反射膜层及电极可焊接的太阳电池。这些工艺有以下缺点：
(1)只镀一层材料达不到低反射率的要求，必须采用电子束蒸镀方法沉积两种或两种以上材料，沉积层数越多，工艺控制难度越大。如沉积腔体内的温度、真空值、镀膜速率的变化，会对膜层折射率造成影响，从而影响膜层反射率。
(2)减反膜镀制完成后，必须依次采用光刻、氢氟酸腐蚀和去除光刻胶的工艺步骤，完成电极处减反射膜的去除。由于需要用氢氟酸腐蚀，对光刻胶耐强酸腐蚀的性能要求高，且该类光刻胶相对于普通的光刻胶，去胶难度更大，容易有去胶残留问题。
(3)由于去除光刻胶难度更大，在加强去胶时的超声、温度和去胶时间时，容易对减反射膜造成损伤，甚至损伤到减反射膜下方的窗口层，使反射率、电池性能变差。
(4)对于第一层为TiO2，第二层为Al2O3的双层膜系，第二层折射率在1.5～1.7范围内时，降低Al2O3的折射率可以使膜系反射率降低。但采用现有方法难以进一步降低Al2O3的折射率。
因此，需要开发一种太阳电池减反膜，该减反膜在450nm～900nm范围内的反射率在2.4％以下。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太阳电池减反膜，该减反膜在450nm～900nm范围内的反射率在2.4％以下。
本发明还提供了上述太阳电池减反膜的制备方法。
本发明还提供了上述太阳电池减反膜在三结太阳电池制备中的应用。
具体如下：本发明第一方面提供了一种太阳电池减反膜，包括依次叠放的无机层和光刻胶层；
所述无机层的折射率为2.3～2.4；
所述光刻胶层的折射率为1.55～1.65；
所述无机层的厚度为65nm～75nm；
所述光刻胶层的厚度为90nm～110nm。
根据本发明太阳电池减反膜的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明通过对无机层和光刻胶层厚度及折射率的控制，从而实现了对减反膜的反射率进行控制，最终得到了反射率低的减反膜。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层为二氧化钛层。
二氧化钛具有良好的绝缘性能，以及其适当的折射率，适合用于多结砷化镓太阳电池。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层的折射率为2.35。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层的折射率为1.6。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层的厚度为65nm～70nm。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层的厚度为68nm。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层的厚度为100nm～110nm。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层的厚度为102nm。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层的制备原料包括SU8光刻胶。
通过将各膜层的厚度控制在上述范围内，有利于控制减反膜的反射率。
根据多光束干涉理论，对各膜层厚度进行优化，通过将各膜层厚度控制在上述范围内，有利于使反射率在450nm～900nm范围内的均值达到较低水平。
根据本发明的一些实施方式，所述减反膜在450nm～900nm范围内的反射率在2.4％以下。
根据本发明的一些实施方式，所述减反膜在450nm～900nm范围内的反射率在2.0％以下。
根据本发明的一些实施方式，所述减反膜在450nm～900nm范围内的反射率为1.8％～2.4％。
根据本发明的一些实施方式，所述减反膜在450nm～900nm范围内的反射率为1.8％～2.0％。
将反射率控制在上述范围，有利于提升太阳电池的短路电流密度。
本发明第二方面提供了上述太阳电池减反膜的制备方法，包括以下步骤：
在基材表面依次生长所述无机层和光刻胶层。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层的生长方法选自电子束蒸镀或磁控溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述电子束蒸镀的工艺参数如下：
蒸镀温度为200℃～240℃；
蒸镀起始真空值7×10-6Torr～9×10-6Torr；
蒸镀速率为0.1nm/s～0.3nm/s。
根据本发明的一些实施方式，蒸镀温度220℃。
根据本发明的一些实施方式，蒸镀起始真空值8×10-6Torr。
根据本发明的一些实施方式，蒸镀速率0.2nm/s。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层的生长方法包括以下步骤：涂覆光刻胶和固化；所述固化的温度为150℃～250℃。
将固化温度控制在上述温度，使得光刻胶进一步充分交联，从而形成更加稳定的光刻胶层。
根据本发明的一些实施方式，所述固化的时间为30min～60min。
本发明第三方面提供了上述太阳电池减反膜在三结太阳电池制备中的应用。
根据本发明的一些实施方式，所述三结太阳电池为三结砷化镓太阳电池。
根据本发明的一些实施方式，所述三结砷化镓电池，包括Ge底电池；
GaInAs中电池，生长在所述Ge底电池的一侧；
GaInP顶电池，生长在所述GaInAs中电池的表面。
即本发明三结砷化镓电池中Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池依次叠放。
根据本发明的一些实施方式，所述三结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、在三结太阳电池片中GaInP顶电池表面部分区域生长金属电极；
S2、在步骤S1处理后的三结太阳电池片的GaInP顶电池表面剩余部分区域和金属电极表面生长无机层；
S3、在步骤S2处理后的三结太阳电池片的无机层表面涂覆光刻胶，涂覆完成后曝光、显影，在光刻胶层上形成刻蚀区；其中，所述刻蚀区域所述金属电极对应设置；
S4、将步骤S3处理后的三结太阳电池片热处理后，刻蚀。
根据本发明的一些实施方式，所述无机层为TiO2层。
根据本发明的一些实施方式，所述光刻胶层为SU8光刻胶层。
本发明的制备方法，只需采用电子束蒸镀方法镀制一层无机层(TiO2)后，再用光刻方法涂覆光刻胶层(氢氟酸腐蚀的SU8膜层)，腐蚀出电极窗口后无需去胶，降低了减反膜损伤风险及工艺难度，同时也获得了更低的反射率；腐蚀的目的为：将金属电极处的无机层(TiO2)去除，露出金属电极，方便后续电池性能测试和互连片焊接。
本发明的制备方法采用电子束蒸镀方法镀制一层无机层(TiO2)，比用电子束蒸镀多层膜的工艺更为简单。为形成金属电极窗口，对无机层(TiO2)进行腐蚀时，用光刻方法形成的光刻胶层(SU8光刻胶层)本身具有较强的耐强酸腐蚀能力；在完成无机层(TiO2)的腐蚀后，无需去胶，避免了去胶工艺过程中高温去胶液、超声对减反膜、电池窗口层的损伤。同时还获得比TiO2和Al2O3双层膜系更低反射率的减反膜。
根据本发明的一些实施方式，所述热处理的温度为150℃～250℃。
根据本发明的一些实施方式，所述热处理的时间为30min～60min。
根据本发明的一些实施方式，所述刻蚀的刻蚀液的制备原料包括氟化氢溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述刻蚀液由氟化氢溶液和水组成。
根据本发明的一些实施方式，所述氟化氢溶液的质量浓度为45％～50％。
根据本发明的一些实施方式，所述氢氟酸溶液与水的体积比为1:20～30。
根据本发明的一些实施方式，所述氢氟酸溶液与水的体积比为1:25。
附图说明
图1为本发明实施例5中步骤S1处理后的结构示意图。
图2为本发明实施例5中步骤S2处理后的结构示意图。
图3为本发明实施例5中步骤S3处理后的结构示意图。
图4为本发明实施例5中步骤S4处理后的结构示意图。
图5为本发明实施例5中制得的减反膜结构示意图。
附图标记：
100、三结砷化镓太阳电池片；101、金属电极；102、无机层；103、光刻胶层。
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。
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。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层叠加而成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为68nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为102nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
实施例2
本实施例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层叠加而成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为75nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为90nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
实施例3
本实施例为实施例1中太阳电池减反膜的制备方法，由以下步骤组成：
S1、采用电子束蒸镀的方法(蒸镀温度220℃，蒸镀起始真空值8×10-6Torr，蒸镀速率0.2nm/s)，在基板蒸镀厚度为68nm的无机层102(TiO2膜层)，波长为550nm时，其折射率为2.35。
S2、在无机层102表面涂覆光刻胶(SU8光刻胶)，经过曝光后，在200℃的烤箱烘烤30分钟，使SU8光刻胶完全玻璃化。玻璃化的光刻胶厚度为102nm，波长为550nm时，其折射率为1.6。
实施例4
本实施例为一种三结太阳电池，由以下结构组成：
三结砷化镓太阳电池片100、三结砷化镓太阳电池片100表面部分区域设有金属电极101；三结砷化镓太阳电池片100表面剩余部分区域设有减反膜；金属电极101表面部分区域设有减反膜。
减反膜选择本发明实施例1～2中任一减反膜。
实施例5
本实施例为一种三结太阳电池的制备方法，由以下步骤组成：
S1、提供一三结砷化镓太阳电池片100，在三结砷化镓太阳电池片100(太阳光入射面)制作金属电极101，本步骤处理后的电池片如图1所示。
其中，三结砷化镓电池由Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池组成。
金属电极的制备方法如下：采用光刻、电子束蒸镀和撕金去胶方法，制备金属电极。金属电极由厚度为0.2μm的AuGeNi合金层(质量分数为83％Au，质量分数为11.5％Ge和质量分数为5.5％Ni)和5μm的Ag层组成。
S2、采用电子束蒸镀的方法，在步骤S1处理后得到的电池片正面(金属电极101侧)蒸镀厚度为68nm的无机层102(TiO2膜层，在波长为550nm时，其折射率为2.35)，本步骤处理后的电池片如图2所示。
S3、在步骤S2处理后的电池片(无机层102侧)正面涂布SU8光刻胶，本步骤处理后的电池片如图3所示。
S4、将步骤S3处理后的电池片经过曝光、显影后，形成光刻胶层103(SU8光刻层)。金属电极101处对应的部分区域无光刻胶，为后续无机层102(TiO2层)的腐蚀区域，本步骤处理后的电池片如图4所示。
S5、将步骤S4处理后的电池片放入200℃的烤箱烘烤30min，使光刻胶层103(SU8光刻胶)完全玻璃化。玻璃化的光刻胶层103的厚度为102nm，波长为550nm时，其折射率为1.6。
S6、将步骤S5处理后的电池片放入腐蚀溶液(质量浓度为50％的氢氟酸溶液与水混合，混合体积比例为1:25)中，由SU8光刻胶层103充当腐蚀掩膜作用，腐蚀1min，将金属电极处的部分(TiO2膜层)去除，最终制得如图5所示的太阳电池。
对比例1
本对比例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层组成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为50nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为105nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
对比例2
本对比例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层组成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为50nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为80nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
对比例3
本对比例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层组成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为90nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为105nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
对比例4
本对比例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层组成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为90nm的无机层102(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为1.6、厚度为80nm的光刻胶层103(SU8光刻胶(美国Micro Chem公司的SU8-2000.5光刻胶)层)。
对比例5
本对比例为一种太阳电池减反膜，依次由以下膜层组成：
在550nm的波长下，折射率为2.35、厚度为75nm的无机层(TiO2层)；
在550nm的波长下，折射率为2.66、厚度为90nm的无机层Al2O3。
本发明实施例1～2和本发明对比例1～4对应的减反膜在450nm～900nm下的平均反射率的测试方法如下，测试结果见表1。
利用本发明实施例5中制备方法，将实施例2和对比例1～4对应的减反膜制成太阳电池片样品；再将样品放入日立紫外分光光度计U-4100中，设置测试波段范围为300nm～1800nm，测试步进为1nm。分光光度计发出的各个波长下的光照射到样品表面，光经过反射后，测出反射光的强度从而计算出各波长下样品的反射率。测试完成后，得到300nm～1800nm各波长下的反射率值，并可计算得到450nm～900nm波段的平均值。
表1本发明实施例1～2和对比例1～5对应的平均反射率测试结果
从表1中测试结果得知：在本实施例中列出的二氧化钛和SU8膜层的厚度，有利于使膜层反射率在450nm～900nm波段的平均值达到2.4％以下。此波段范围内的反射率低，可使三结砷化镓太阳电池的中电池和顶电池吸收更多的太阳光，提高电池短路电流密度。如果超出此范围，即过高或过低，都会使450nm～900nm波段的平均反射率升高。
且本发明减反膜中各膜层厚度与反射率是一个非线性的比较复杂的关系。对比例2和对比例4的SU8光刻胶层厚度均为80nm，不在90nm～110nm范围内，二氧化钛变厚，反射率增加；对比例1和对比例3的SU8光刻胶层厚度均为105nm，在90nm～110nm范围内，二氧化钛变厚，反射率降低。其本质为由于在不同厚度组合下，光的干涉结果不一，膜层厚度与反射率呈现复杂的非线性关系。
用SU8光刻胶，替代了行业通用方法中的Al2O3。该方法不仅可实现低反射率的效果，而且SU8起到了耐强酸腐蚀的掩膜作用，同时又作为减反膜的一部分，永久留在器件上，免去了通用方法中的去胶流程。
综上所述，本发明采用电子束蒸镀方法镀制一层TiO2层，比用电子束蒸镀多层膜的工艺更为简单；为形成电极窗口，对TiO2层进行腐蚀时，用光刻方法形成的SU8本身具有较强的耐强酸腐蚀能力；完成TiO2的腐蚀后，无需去胶，避免了去胶工艺过程中高温去胶液、超声对减反膜、电池窗口层的损伤；获得比TiO2和Al2O3双层膜系更低的反射率。
上面结合具体实施方式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 (9)
1.一种太阳电池减反膜，其特征在于：由依次叠放的无机层和光刻胶层组成；
所述无机层的折射率为2.3～2.4；
所述光刻胶层的折射率为1.55～1.65；
所述无机层的厚度为65nm～75nm；
所述光刻胶层的厚度为90nm～110nm；
所述无机层为二氧化钛层。
2.根据权利要求1所述的太阳电池减反膜，其特征在于：所述无机层的厚度为65nm～70nm。
3.根据权利要求1所述的太阳电池减反膜，其特征在于：所述光刻胶层的制备原料包括SU8光刻胶。
4.根据权利要求1所述的太阳电池减反膜，其特征在于：所述减反膜在450nm～900nm范围内的反射率在2.4％以下。
5.一种制备如权利要求1至4任一项所述的太阳电池减反膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：
在基材表面依次生长所述无机层和所述光刻胶层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述无机层的生长方法包括电子束蒸镀或磁控溅射。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述光刻胶层的生长方法包括以下步骤：涂覆光刻胶和固化；所述固化的温度为150℃～250℃。
8.一种如权利要求1至4任一项所述的太阳电池减反膜在三结太阳电池制备中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述三结太阳电池为三结砷化镓太阳电池。
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