CN117219705A

CN117219705A - 一种柔性砷化镓太阳电池及其制备方法

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Publication number: CN117219705A
Application number: CN202311479045.7A
Authority: CN
Inventors: 李国强; 邓曦; 陈嘉颖; 莫由天
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2023-11-08
Filing date: 2023-11-08
Publication date: 2023-12-12

Abstract

本发明公开了一种柔性砷化镓太阳电池及其制备方法。本发明的柔性砷化镓太阳电池的制备方法包括以下步骤：1）在砷化镓衬底的一面制备石墨烯层；2）在石墨烯层的表面外延生长GaAs外延层；3）在GaAs外延层的表面制备太阳电池功能层；4）在太阳电池功能层的表面依次蒸镀减反射膜、窗口层和栅电极；5）将太阳电池外延结构从石墨烯层表面剥离，再蒸镀背电极层，再在背电极层表面贴合柔性基底。本发明利用少层石墨烯不能完全屏蔽衬底的电势场、层间范德华作用弱的特性，避免了制备柔性砷化镓太阳电池时引入杂质和缺陷，最终制备得到的柔性砷化镓太阳电池性能更加优异。

Description

一种柔性砷化镓太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池技术领域，具体涉及一种柔性砷化镓太阳电池及其制备方法。

背景技术

太阳电池是一种可以将太阳能转化成电能的半导体部件，其能够减少人们对化学燃料的依赖，从而可以减轻环境压力。众所周知，以砷化镓（GaAs）为代表的III-V族化合物半导体材料具有带隙接近肖克利-奎伊瑟极限（S-Q极限）、吸收光谱较宽（横跨紫外-可见光-近红外光波段）、理论光电转换效率高、耐辐射、稳定性高、使用寿命长等优点，由其制成的太阳电池在航空航天、医疗、安防、可穿戴设备等领域均有着很好的表现。

目前，GaAs体系太阳电池多为刚性结构，通常质量和体积较大，需要额外的支撑结构，且形状和结构受到限制，抗振性能较弱，应用受到了很大限制。柔性太阳电池与刚性太阳电池相比具有结构可塑性更强、安装更加便携、形状设计可变等优势，有着更大的应用潜力。然而，现有的GaAs体系柔性太阳电池在制备时通常需要先在衬底和外延层之间引入牺牲层，再通过化学剥离或激光刻蚀剥离的方法去除牺牲层从而得到柔性太阳电池，不仅操作较为复杂、衬底材料耗费量大、制备成本高，而且容易在器件中引入杂质和晶体结构缺陷，导致界面载流子复合严重，直接影响太阳电池的光电转换效率，严重制约了GaAs体系柔性太阳电池的发展和应用。

因此，开发一种操作简单、制备成本低的柔性砷化镓太阳电池制备方法，并制备出性能更加优异的柔性砷化镓太阳电池具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性砷化镓太阳电池及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种柔性砷化镓太阳电池的制备方法包括以下步骤：

1）将少层石墨烯转移到砷化镓衬底的一面，形成石墨烯层；

2）在石墨烯层的表面外延生长GaAs外延层；

3）在GaAs外延层的表面外延生长太阳电池功能层，与GaAs外延层构成同/异质结；

4）在太阳电池功能层的表面依次蒸镀减反射膜、窗口层和栅电极；

5）将由GaAs外延层、太阳电池功能层、减反射膜、窗口层和栅电极构成的太阳电池外延结构从石墨烯层的表面剥离，再蒸镀背电极层，再在背电极层表面贴合柔性基底，即得柔性砷化镓太阳电池。

优选地，步骤1）所述少层石墨烯的层数为1层～3层。

优选地，步骤2）所述外延生长采用MBE（分子束外延）技术或MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术。

优选地，步骤2）所述外延生长的具体操作为：先在温度为530℃～580℃的条件下生长厚度为50nm～150nm的GaAs薄层作为形核层，再在温度为600℃～650℃的条件下进行GaAs外延层的生长。

优选地，步骤2）所述外延生长为沿(100)晶面外延生长。

优选地，步骤3）所述太阳电池功能层包含InGaAs子电池功能层、GaAs子电池功能层、GaInP子电池功能层、AlGaAsP子电池功能层、石墨烯层、MXene材料层中的至少一种。

优选地，步骤3）所述太阳电池功能层采用MBE技术、MOCVD外延生长技术、转移技术或旋涂法制备。

优选地，步骤4）所述蒸镀采用电子束蒸发技术。

优选地，步骤4）所述减反射膜的组成成分为Al₂O₃、MoO₃、MgF₂、ZnS中的至少一种。

优选地，步骤4）所述减反射膜的厚度为50nm～150nm。

优选地，步骤4）所述窗口层的组成成分为GaInP、ZnO、SiO₂、Si₃N₄中的至少一种。

优选地，步骤4）所述窗口层的厚度为20nm～50nm。

优选地，步骤4）所述栅电极的组成成分为金、银、钛、铜、铂、镍中的至少一种。

优选地，步骤4）所述栅电极的宽度为3μm～5μm，厚度为100nm～200nm。

优选地，步骤5）所述剥离的方式为机械剥离。

优选地，所述机械剥离的具体操作为：将热释放胶带均匀粘贴在太阳电池外延结构上，再对热释放胶带均匀施加拉力将太阳电池外延结构从石墨烯层上剥离（石墨烯层与GaAs外延层间仅存在较弱的范德华力，方便进行剥离）。

优选地，步骤5）中将太阳电池外延结构从石墨烯层的表面剥离后还对剥离界面进行了抛光处理。

优选地，步骤5）所述背电极层的组成成分为金、银、钛、铜、铂、镍中的至少一种。

优选地，步骤5）所述背电极层的厚度为100nm～200nm。

优选地，步骤5）所述柔性基底为柔性金属基底、柔性有机物基底中的一种。

优选地，所述柔性金属基底为铜箔、铝箔、银箔中的一种。

优选地，所述柔性有机物基底为聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜中的一种。

优选地，所述柔性有机物基底表面镀有金属层（便于太阳电池外延结构键合到柔性有机物基底上）。

优选地，所述背电极层和柔性基底通过键合工艺进行贴合。

一种柔性砷化镓太阳电池，其由上述制备方法制成。

本发明的有益效果是：本发明利用少层石墨烯不能完全屏蔽衬底的电势场、层间范德华作用弱的特性，避免了在制备柔性砷化镓太阳电池时在器件中引入杂质和晶体结构缺陷，最终制备得到的柔性砷化镓太阳电池性能更加优异。

具体来说：

1）本发明利用少层石墨烯不能完全屏蔽衬底的电势场的特性，使得GaAs受衬底晶格信息的影响形成与衬底具有相同晶体取向的外延薄膜，同时石墨烯层的存在还为外延薄膜的应力弛豫提供了缓冲空间，可以实现晶体质量堪比无石墨烯层时的高质量外延薄膜生长；

2）本发明利用少层石墨烯层间范德华作用弱的特性，使得柔性砷化镓太阳电池在制备过程中衬底容易剥离，降低了工艺复杂性，解决了传统衬底剥离方法带来的器件损伤和易引入杂质的问题，进一步提高了外延薄膜的质量，最终制备得到的柔性砷化镓太阳电池的性能更加优异，此外，衬底还可以进行重复利用，降低了制备成本。

附图说明

图1为实施例1的步骤6）制备得到的器件的结构示意图。

图2为实施例1的柔性砷化镓太阳电池的结构示意图。

附图标识说明：10、GaAs衬底；20、石墨烯层；30、GaAs外延层；40、太阳电池功能层；50、减反射膜；60、窗口层；70、栅电极；80、背电极层；90、柔性PET基底。

图3为实施例1的柔性砷化镓太阳电池的I-V关系曲线。

图4为实施例2的柔性砷化镓太阳电池的I-V关系曲线。

图5为实施例3的柔性砷化镓太阳电池的I-V关系曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种柔性砷化镓太阳电池，其制备方法如下：

1）将铜基底少层石墨烯（少层石墨烯的层数为1层～3层）的表面旋涂质量分数为2%的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液，旋涂在转速为2000r/min的条件下进行，旋涂的时间为30s，再40℃烘干，得到含PMMA保护膜的铜基底少层石墨烯；

2）将含PMMA保护膜的铜基底少层石墨烯浸入浓度为0.1mol/L的FeCl₃溶液中刻蚀除去铜基底，再依次用丙酮、乙醇、去离子水、稀盐酸和去离子水各超声清洗5min，得到含PMMA保护膜的少层石墨烯；

3）将直径为2英寸的圆形砷化镓衬底（(100)晶面）依次用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，再用氮气枪吹干，再将含PMMA保护膜的少层石墨烯转移到砷化镓衬底的一面，再用丙酮浸泡30min除去PMMA保护膜，形成石墨烯层；

4）将砷化镓衬底加热到580℃除去表面氧化层，再采用MBE技术在温度为540℃的条件下在石墨烯层的表面外延生长厚度为100nm的GaAs薄层作为形核层，再在温度为600℃的条件下进行GaAs外延层的生长，形成GaAs外延层；

5）采用MBE技术在温度为600℃的条件下在GaAs外延层的表面外延生长厚度为10μm的GaAs基区，调控Ga/As的束流比为30，通过Si作为n型掺杂剂，调控外延生长的GaAs基区掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，再在温度为650℃的条件下退火5min，再在GaAs基区的表面继续生长厚度为200nm的GaAs激发区，调控Ga/As的束流比为15，通过Zn作为p型掺杂剂，调控外延生长的GaAs基区掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，形成太阳电池功能层，与GaAs外延层构成同质结；

6）采用电子束蒸发技术在太阳电池功能层的表面依次蒸镀厚度为50nm的MgF₂薄膜和厚度为100nm的ZnS薄膜作为减反射膜，再蒸镀厚度为20nm的ZnO薄膜作为窗口层，再通过光刻、显影和蒸镀制备宽度为3μm、厚度为100nm的Au层作为栅电极（本步骤制备得到的器件的结构示意图如图1所示；剖面结构）；

7）将热释放胶带均匀粘贴在由GaAs外延层、太阳电池功能层、减反射膜、窗口层和栅电极构成的太阳电池外延结构上，再对热释放胶带均匀施加拉力将太阳电池外延结构从石墨烯层的表面剥离，再对剥离界面进行清洗和抛光，再采用电子束蒸发技术在GaAs外延层的剥离界面（GaAs外延层远离太阳电池功能层的那面）蒸镀厚度为120nm的Au层作为背电极层，再通过键合工艺将背电极层与柔性PET基底（表面镀有金属层）贴合，再将得到的器件加热到90℃后保持30min，再去除掉热释放胶带，即得柔性砷化镓太阳电池（结构示意图如图2所示；剖面结构；总厚度小于11μm）。

性能测试：

本实施例的柔性砷化镓太阳电池的I-V（电流密度-开路电压）关系曲线如图3所示。

由图3可知：本实施例的柔性砷化镓太阳电池的开路电压达到0.83V，而短路电流密度达到31.8mA/cm²，器件效率可达22.1%，而该柔性砷化镓太阳电池的总厚度不足11μm，可以有效节约外延成本，同时可以大幅降低剥离难度和提高器件性能，实现高效太阳电池的制备。

实施例2：

一种柔性砷化镓太阳电池（总厚度小于11μm），除了将步骤5）中的GaAs太阳电池功能层制备工艺调整为“采用MBE技术在温度为600℃的条件下在GaAs外延层的表面外延生长厚度为500nm的GaAs层，再在温度为650℃的条件下退火5min，再在GaAs层的表面旋涂浓度为0.1mg/L的CuSCN溶液，旋涂的转速为3000r/min，旋涂的时间为60s，再置于烘箱中90℃烘干，形成CuSCN载流子输运层，再通过湿法转移3层石墨烯到CuSCN载流子输运层的表面，形成太阳电池功能层，与GaAs外延层构成异质结”以外，其余与实施例1完全相同。

性能测试：

本实施例的柔性砷化镓太阳电池的I-V关系曲线如图4所示。

由图4可知：本实施例的柔性砷化镓太阳电池的开路电压达到0.81V，而短路电流密度达到22.8mA/cm²，器件效率可达15.9%，此外，该柔性砷化镓太阳电池具有超薄的厚度，能够大幅节省外延过程中的材料成本，且GaAs衬底可以多次使用，可以大幅降低生产成本。

实施例3：

一种柔性砷化镓太阳电池（总厚度小于11μm），除了将步骤5）中的GaAs太阳电池功能层制备工艺调整为“采用MBE技术在温度为600℃的条件下在GaAs外延层的表面外延生长厚度为500nm的GaAs层，再在温度为650℃的条件下退火5min，再在GaAs层的表面旋涂浓度为0.1mg/L的CuSCN溶液，旋涂的转速为3000r/min，旋涂的时间为60s，再置于烘箱中90℃烘干，形成CuSCN载流子输运层，再在CuSCN载流子输运层的表面旋涂浓度为0.01mg/mL、2wt%的HCl掺杂的Ti₃C₂T_x-MXene溶液，再置于烘箱中90℃烘干，与GaAs外延层构成GaAs/MXene异质结”以外，其余与实施例1完全相同。

性能测试：

本实施例的柔性砷化镓太阳电池（通过重复本实施例的操作总共制备了4批次的柔性砷化镓太阳电池）的I-V关系曲线如图5所示。

由图5可知：不同批次的柔性砷化镓太阳电池的短路电流密度保持在22.5mA/cm²～23.2mA/cm²的范围内，开路电压保持在0.74V～0.81V的范围内，器件效率（PCE）保持在12.12%～12.69%的范围内，具有较高的一致性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将少层石墨烯转移到砷化镓衬底的一面，形成石墨烯层；

2）在石墨烯层的表面外延生长GaAs外延层；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）所述少层石墨烯的层数为1层～3层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述太阳电池功能层包含InGaAs子电池功能层、GaAs子电池功能层、GaInP子电池功能层、AlGaAsP子电池功能层、石墨烯层、MXene材料层中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述减反射膜的组成成分为Al₂O₃、MoO₃、MgF₂、ZnS中的至少一种。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述减反射膜的厚度为50nm～150nm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述窗口层的组成成分为GaInP、ZnO、SiO₂、Si₃N₄中的至少一种。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述窗口层的厚度为20nm～50nm。

8.根据权利要求1～4和6中任意一项所述的制备方法，其特征在于：步骤4）所述栅电极的组成成分为金、银、钛、铜、铂、镍中的至少一种；步骤4）所述栅电极的宽度为3μm～5μm，厚度为100nm～200nm。

9.根据权利要求1～4和6中任意一项所述的制备方法，其特征在于：步骤5）所述背电极层的组成成分为金、银、钛、铜、铂、镍中的至少一种；步骤5）所述背电极层的厚度为100nm～200nm；步骤5）所述柔性基底为柔性金属基底、柔性有机物基底中的一种。

10.一种柔性砷化镓太阳电池，其特征在于，由权利要求1～9中任意一项所述的制备方法制成。