CN204885198U - 砷化镓太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种砷化镓太阳能电池，涉及太阳能电池技术领域。所述太阳能电池自下而上分别为衬底层、第一电池结、第一隧道结、第二电池结、第二隧道结、第三电池结、第N隧道结、第N+1电池结，依次类推以及接触层，电池结之间通过隧道结进行连通，其中N为大于2的自然数；接触层的上表面为欧姆接触金属层，欧姆接触金属层的周围为减反射膜，衬底的下表面为背面金属化层，背面金属化层的下表面为铜基板层。所述太阳能电池具有厚度薄，柔性好，散热好，光电转换效率高，牢固可靠的特点。

Description

砷化镓太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种砷化镓太阳能电池。

背景技术

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。数据显示2012年，我国太阳能电池继续保持产量和性价比优势，国际竞争力愈益增强。随着太阳能电池行业的不断发展，内业竞争也在不断加剧，大型太阳能电池企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的太阳能电池生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的太阳能电池品牌迅速崛起，逐渐成为太阳能电池行业中的翘楚。

目前硅太阳能电池主要应用在地面，而发电转换效率更高的砷化镓太阳能电池主要应用在空间，它们都是刚性结构的，但是在一些特定场合（如无人机、飞艇、可穿戴电子产品等领域）需要高效率的柔性的太阳能电池。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种砷化镓太阳能电池，所述太阳能电池具有厚度薄，柔性好，散热好，光电转换效率高，牢固可靠的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种砷化镓太阳能电池，其特征在于：自下而上分别为衬底层、第一电池结、第一隧道结、第二电池结、第二隧道结、第三电池结、第N隧道结、第N+1电池结，依次类推以及接触层，电池结之间通过隧道结进行连通，其中N为大于2的自然数；接触层的上表面为欧姆接触金属层，欧姆接触金属层的周围为减反射膜，衬底的下表面为背面金属化层，背面金属化层的下表面为铜基板层。

进一步的技术方案在于：所述衬底层使用GaAs或Ge。

进一步的技术方案在于：所述电池结从上到下为窗口层、电池结层和阻隔层。

进一步的技术方案在于：所述电池结层为两层结构，上层为N-GaAs层，下层为P-GaAs层。

进一步的技术方案在于：所述隧道结为两层结构，上层为P⁺⁺-GaAs层，下层为N⁺⁺-GaAs层。

进一步的技术方案在于：所述欧姆接触金属层为三层结构，从下到上依次为AuGeNi层、Ag层和Au层。

进一步的技术方案在于：所述减反射膜为两层结构，上层为T_iO₂层，下层为S_iO₂。

进一步的技术方案在于：所述背面金属化层为三层金属结构，从上到下依次为Ti层、Ag层和Au层。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型采用多个GaAs电池结，提高了光电转换效率，减小了电池的厚度；由于提高了电池的光电转换效率，减小了电池的厚度，有效降低了电池的重量，大大提高了电池的柔韧性。采用导电性较好的Cu作为基片，大大的降低了工艺成本，同时也提高了成品率。采用T_iO₂和S_iO₂材料作为减反射膜，能在400nm-1200nm波段范围内获得很好的减反射光效果，有效的降低了电池表面的光反射率，使短路电流的增益达到最高，提高产品的光电转换效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述太阳能电池的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中金属电极的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中所述太阳能电池表面的反射率图；

其中：1、衬底层2、第一电池结3、第一隧道结4、第二电池结5、第二隧道结6、第三电池结7、接触层8、欧姆接触金属层9、减反射膜10、背面金属化层11、铜基板层12、窗口层13、电池结层14、阻隔层。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例公开了一种砷化镓太阳能电池，所述太阳能电池自下而上分别为衬底层、第一电池结、第一隧道结、第二电池结、第二隧道结、第三电池结、第N隧道结、第N+1电池结，依次类推以及接触层，电池结之间通过隧道结进行连通，其中N为大于2的自然数；接触层的上表面为欧姆接触金属层，欧姆接触金属层的周围为减反射膜，衬底的下表面为背面金属化层，背面金属化层的下表面为铜基板层。

本实施还公开了上述砷化镓太阳能电池的制作工艺，包括如下步骤：

多结太阳能电池材料的生长：自下而上分别生长衬底层1、第一电池结2、第一隧道结3、第二电池结4、第二隧道结5、第三电池结6、第N隧道结、第N+1电池结，依次类推以及接触层7，电池结之间通过隧道结进行连通，其中N为大于2的自然数，采用多个GaAs电池结，提高了光电转换效率，减小了电池的厚度；由于提高了电池的光电转换效率，减小了电池的厚度，有效降低了电池的重量，大大提高了电池的柔韧性；

正面金属化：通过光刻工艺腐蚀掉金属电极以外的接触层7，在腐蚀后的接触层7上表面通过蒸发工艺形成欧姆接触金属层8；

正面金属台面腐蚀：通过对欧姆接触金属层8进行光刻和腐蚀工艺，形成划片道，划片道与划片道之间形成分离的金属电极；

减反射膜涂覆：在金属电极之外的上表面形成减反射膜9，减反射膜能在400nm-1200nm波段范围内获得很好的减反射光效果，有效的降低了电池表面的光反射率，使短路电流的增益达到最高，提高产品的光电转换效率；

衬底减薄：将衬底1减薄至所需厚度；

背面金属化：在减薄后的衬底1的下表面形成背面金属化层10；

背面电镀铜：在背面金属化层10的下表面通过电镀工艺形成铜基板层11，采用导电性较好的Cu作为基片，大大的降低了工艺成本，同时也提高了成品率。

（1）本实施例所述的多结太阳能电池材料的生长具体为三结砷化镓太阳能电池外延片，当然也可以是两结、四结或更多结砷化镓太阳能电池。在本实施例中，选用厚度为355um±5um的三结砷化镓太阳能外延片。

多结太阳能电池材料的生长：自下而上分别生长衬底层1、第一电池结2、第一隧道结3、第二电池结4、第二隧道结5、第三电池结6、以及接触层7，电池结之间通过隧道结进行连通。

所述电池结从上到下为窗口层12、电池结层13和阻隔层14，所述窗口层12的制作材料为N-In_xGa_(1-x)P，所述阻隔层14的制作材料为P-In_xGa_(1-x)P，0<x<1。

所述电池结层13为两层结构，上层为N-GaAs层，下层为P-GaAs层；或者，所述电池结层13为两层结构，上层为N-In_xGa_(1-x)As层，下层为P-In_xGa_(1-x)As层，0<x<1；或者，所述电池结层13为两层结构，上层为N-In_xGa_(1-x)P层，下层为P-In_xGa_(1-x)P层，0<x<1。所述隧道结为两层结构，上层为P⁺⁺-GaAs层，下层为N⁺⁺-GaAs层；或者，所述隧道结为两层结构，上层为P⁺⁺-Al_xGa_(1-x)As层，下层为N⁺⁺-In_xGa_(1-x)P层。

（2）正面金属化：将外延片放入涂胶机中，在受光面（接触层7的上表面）均匀涂覆RZJ-390光刻胶。放在100度的热板上面烘烤1分钟，按照图2的图形制作好光刻板，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为5s-8s。然后将光刻好的外延片放入显影液中显影40s-60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟。清洗后用氮气枪吹干片子表面，放在120度的热板上面烘烤1分钟。然后用NH₄OH：H₂O₂：H₂O=1:1:20的腐蚀液腐蚀90s后，在流动的去离子水中清洗3分钟，用丙酮去除受光面表面的光刻胶。

将接触层（使用N⁺⁺-In_xGa_(1-x)As材料）腐蚀完的外延片放入涂胶机中，在受光面均匀涂覆光刻胶，放在150度的热板上面烘烤2分钟。根据图2的图形制作好光刻板，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为5s-9s，然后将光刻好的外延片放在100度的热板上面烘烤1分钟，放入显影液中显影40s-60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面，腐蚀清洗掉外延片的接触层（受光面）上栅线槽内的杂质。

将外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚和钨舟中装料，在外延片的受光面依次蒸镀厚度150nm的AuGeNi、5000nm的Ag和100nm的Au，形成欧姆接触金属层。蒸镀完成后，将外延片取出放入丙酮中浸泡15分钟，超声1分钟。然后用流动的去离子水清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面。去掉光刻胶后，外延片的受光面的欧姆接触金属层上形成若干个互联的如图2所示形状的金属电极。

（3）正面金属台面腐蚀：将形成好金属电极的外延片放入涂胶机中，在受光面均匀涂覆RZJ-390光刻胶，放在100度的热板上面烘烤1分钟，通过光刻机对受光面进行光刻，光刻时间为7-10s，然后将光刻好的外延片放入显影液中显影40s-60s后，在流动的去离子水里面清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面，放在120度的热板上面烘烤2分钟，用腐蚀液腐蚀10分钟后，在流动的去离子水中清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面。腐蚀台面后，在互联金属电极上形成划片道，划片道与划片道之间形成分离的金属电极；

（4）减反射膜涂覆：将腐蚀后的电池放到蒸发台中的蒸镀盘上，将T_iO₂和S_iO₂分别放入坩埚内，关闭真空室门，对蒸发台运行真空度大于1.0E-4Pa，在外延片的上表面先后蒸镀60nm的TiO2和90nm的SiO2。对电池表面的反射率测试，得到图3所示很好的减反射效果，其中上面的曲线为没有减反射膜的太阳能电池的减反射效果曲线，其中下面的曲线为具有减反射膜的太阳能电池的减反射效果曲线。将蒸镀后的外延片通过重复（3）的过程将金属电极上的减反射膜去除，露出金的表面。

（5）衬底减薄：将外延片放入研磨机中减薄GaAs衬底或Ge衬底至一定厚度，约100微米。然后用NH₄OH:H₂O₂=1:8的溶液抛光衬底，根据其腐蚀速率控制衬底厚度至50微米-100微米左右。

（6）背面金属化：减薄后的外延片在丙酮中清洗3分钟、放入异丙醇中清洗3分钟，用去离子水冲洗3分钟，去掉表面的污渍。之后放入HCl：H₂O=1:1的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的氧化层。

将表面清洗干净的外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚中装料，在外延片的背面（衬底的下表面）依次蒸镀厚度100nm的Ti、1000nm的Ag和60nm的Au；取出外延片在合金炉中合金，温度350-450℃，时间60秒-100秒。

（7）背面电镀铜：将外延片正面涂上光刻胶RZJ-390光刻胶，放在100度的热板上面烘烤1分钟。

将外延片放入电镀铜的台子内进行电镀，厚度20微米-50微米。将外延片取出放入丙酮中浸泡15分钟，超声1分钟。然后用流动的去离子水清洗3分钟，用氮气枪吹干片子表面，制作的太阳能电池结构如图1所示。

（8）正面切割：使用切割机沿划片道进行切割，切割深度以切入铜基板层的3微米-5微米为准，将电池片切割成独立的电池。

（9）引线键合：用键合引线在分离后的电池上表面的电极上进行串并联工艺，所述太阳能电池的组成如表1所示。

本实用新型采用多个GaAs电池结，提高了光电转换效率，减小了电池的厚度；由于提高了电池的光电转换效率，减小了电池的厚度，有效降低了电池的重量，大大提高了电池的柔韧性。采用导电性较好的Cu作为基片，大大的降低了工艺成本，同时也提高了成品率。采用T_iO₂和S_iO₂材料作为减反射膜，能在400nm-1200nm波段范围内获得很好的减反射光效果，有效的降低了电池表面的光反射率，使短路电流的增益达到最高，提高产品的光电转换效率。

Claims (8)

1.一种砷化镓太阳能电池，其特征在于：自下而上分别为衬底层（1）、第一电池结（2）、第一隧道结（3）、第二电池结（4）、第二隧道结（5）、第三电池结（6）、第N隧道结、第N+1电池结，依次类推以及接触层（7），电池结之间通过隧道结进行连通，其中N为大于2的自然数；接触层（7）的上表面为

欧姆接触金属层（8），欧姆接触金属层（8）的周围为减反射膜（9），衬底（1）的下表面为背面金属化层（10），背面金属化层（10）的下表面为铜基板层（11）。

2.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述衬底层（1）使用GaAs或Ge。

3.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述电池结从上到下为窗口层（12）、电池结层（13）和阻隔层（14）。

4.如权利要求3所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述电池结层（13）为两层结构，上层为N-GaAs层，下层为P-GaAs层。

5.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述隧道结为两层结构，上层为P⁺⁺-GaAs层，下层为N⁺⁺-GaAs层。

6.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述欧姆接触金属层（8）为三层结构，从下到上依次为AuGeNi层、Ag层和Au层。

7.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述减反射膜（9）为两层结构，上层为T_iO₂层，下层为S_iO₂。

8.如权利要求1所述的砷化镓太阳能电池，其特征在于：所述背面金属化层（10）为三层金属结构，从上到下依次为Ti层、Ag层和Au层。