CN205944119U - 一种正装多结太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种正装多结太阳能电池，包括：第一外延结构，自下而上依次包含衬底、第一光电转换叠层和覆盖层；第二外延结构，自下而上依次包含背接触层、第二光电转换叠层，所述背接触层通过一透明导电黏胶层与所述第一外延结构的覆盖层接合；透明基板，通过一透明黏胶层接与所述第二外延结构的上表面接合；第一电极层，形成于所述第一外延结构的覆盖层表面；第二电极层，形成于所述第二外延结构的背接触层表面。

Description

一种正装多结太阳能电池

技术领域

本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种正装多结太阳能电池。

背景技术

近年来，随着MOCVD技术的不断发展进步，Ga_0.51In_0.49P/In_0.01Ga_0.99As/Ge三结太阳能电池性能得到不断改善，并以其较高的转换效率、较好地温度系数和抗辐照能力逐渐取代Si电池成为了空间飞行器的主要能量来源，引起了人们的广泛关注。目前，此类型三结电池的大规模量产效率已从28%提高到了30%，然而其效率进一步提升的空间是有限的。

为了进一步提高电池的转换效率，人们不断研究探索，先后发展了无定形结构、倒装结构太阳能电池等多种电池结构。例如，Emcore公司报道了一种使用倒装外延技术在GaAs衬底上一次性成功外延形成GaInP/GaAs/InGaAs(1.0eV)倒装三结太阳能电池，一般情况下，采用倒装外延技术时很薄的发射层需要最先生长，然后再依次生长很厚的基区和其余子电池结构，在较长的生长过程中，对发射层的退火等影响将使得顶电池结构（厚度、掺杂和界面）发生变化，使得整体结构难以控制，电池性能将受到很大影响。

另外一种提高电池转换效率的途径是通过某种接合方式将两个多结电池接合在一起形成更多结电池而获得的。为了实现这一设想，最简单的方式是直接通过透明导电黏胶将两个多结电池粘结在一起，而这一工艺的问题在于使用透明导电胶粘结时通常表层的外延层会因为应力问题发生褶皱，影响电池的性能和可靠性。目前使用最多的外延层接合方式为晶圆键合技术。晶圆键合技术一般分为半导体直接键合、对准键合和中间插入键合媒质进行键合等。对准键合工艺首先在两个键合界面处制作金属栅线，然后将金属栅线彼此对准再进行键合的键合工艺，键合强度满足要求。由于金属栅线有一定的厚度，键合完成后将使得半导体界面处存在一层空隙，这对产品的应用是不利的。半导体直接键合工艺是一种通过高温高压使得半导体与半导体之间形成共价键的键合技术，为了获得良好的键合强度需要半导体键合界面处的晶向彼此对准，然而晶向对准是困难的。中间插入键合媒质进行键合的工艺却对键合媒质要求较高。另外，无论是直接键合还是中间插入键合媒质的键合工艺都需要具有原子级平整的键合界面，而往往一颗微米级的颗粒都将使得该处的键合无法实现，严重影响键合良率和规模化生产。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种正装多结太阳能电池，其采用正装外延技术，选用透明基板作上层外延结构的支撑，使用透明导电黏胶层将上层结构的背面金属电极与下层结构的正面金属电极相连接，从而实现多结太阳能电池结构。本发明避免使用要求较高的晶圆键合技术，解决了透明导电黏胶粘结时出现的外延层褶皱问题，保证了多结电池的性能和可靠性，工艺简单，适合规模化生产。

本实用新型的技术方案为：正装多结太阳能电池，包括：第一外延结构，自下而上依次包含衬底、第一光电转换叠层和覆盖层；第二外延结构，自下而上依次包含背接触层、第二光电转换叠层，所述背接触层通过一透明导电黏胶层与所述第一外延结构的覆盖层接合；透明基板，通过一透明黏胶层接与所述第二外延结构的上表面接合；第一电极层，形成于所述第一外延结构的覆盖层表面；第二电极层，形成于所述第二外延结构的背接触层表面。

优选地，所述第一外延结构和所述第二外延结构中的光电转换叠层为单结电池、双结电池或多结电池。

优选地，所述透明基板为石英玻璃基板、氧化铝基板或氮化铝基板等。

优选地，所述第一电极层在所述第一外延结构中的面积占比为1%~20%。

优选地，所述第二电极层在所述第二外延结构中的面积占比为1%~20%。

优选地，所述第一外延结构为单结电池，所述第二外延结构为双结电池。

优选地，所述第一电极层的电极图形为栅线状。

优选地，所述第二电极层的电极图形栅线状。

优选地，在AM0光谱，单倍测试条件下所述多结太阳能电池的开路电压大于3.1V。

优选地，在AM0光谱，单倍测试条件下所述多结太阳能电池的短路电流密度大于17.3mA/cm²。

优选地，所述透明导电黏胶层可以为掺银粉的硅胶、掺银粉的环氧树脂或掺铟粉的硅胶等。

优选地，所述第一外延结构的覆盖层和所述第二外延结构的背接触层为GaAs、AlGaAs、InGaP或InGaAs。

本实用新型的创新点在于，完全使用正装外延技术，可以更为简单地获得高质量的多结子电池，子电池性能容易保证，选用透明基板作上层外延结构的支撑，解决了透明导电黏胶粘结时出现的外延层褶皱问题，最后使用透明导电黏胶层将上层结构的背面金属电极与下层结构的正面金属电极相连接，从而实现多结太阳能电池结构。避免使用要求较高的晶圆键合技术，工艺简单，适合规模化生产。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1是根据本实用新型实施的一种正装多结太阳能电池的侧面剖视图。

图2是在GaAs衬底上正装生长第一外延结构的侧面剖视图。

图3是在GaAs衬底上正装生长第二外延结构的侧面剖视图。

图4是在第一外延结构覆盖层表面形成电极图形的侧面剖视图。

图5是将第二外延结构上表面键合在透明支撑基板上，去除第二衬底和牺牲层，之后在背接触层表面形成金属电极图形的侧面剖视图。

图6和图7显示了两种用于图4和图5所示的金属电极图形的俯视图图案。

图8是将第一外延结构的覆盖层与第二外延结构的背接触层之间使用透明导电黏胶粘结之后的侧面剖视图。

具体实施方式

现在将描述本实用新型的细节，包含本实用新型的示范性方面和实施例。参看图示和以下描述，相同的参考编号用于识别相同或功能类似的元件，且意在以高度简化的图解方式说明示范性实施例的主要特征。

请参看附图1，一种正装多结太阳能电池结构，包括第一外延结构100、第二外延结构200和透明基板500，第二外延结构200通过透明黏胶400与透明基板500相接合，然后第一外延结构100和第二外延结构200通过透明导电黏胶层600相连接。具体的，第一外延结构100包括衬底110、应力渐变缓冲层120、第一子电池130和覆盖层140；第二外延结构200包括背接触层220、第二子电池230、隧穿结240和第三子电池250，其中第一外延结构100的覆盖层140表面上具有第一电极层301、第二外延结构200的背接触层220的表面上具有第二电极层302。

下面结合制作方法对根据本实用新型实施的一种正装多结太阳能电池结构做详细说明。

一种正装多结太阳能电池结构的制作方法，包括下面步骤：

请参看附图2，正装外延生长第一外延结构100。

将一p型GaAs衬底110清洗干净，装入MOCVD 反应室，腔体压力设置在120mbar。在750℃下烘烤衬底10分钟，降温至600℃，外延形成InGaAs应力渐变缓冲层120。InGaAs应力渐变缓冲层120的In组份从0逐渐渐变到0.3，生长总厚度为3µm、掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3。

在InGaAs应力渐变缓冲层120外延形成InGaAs第一子电池130。具体为首先生长厚度为20nm的p型Al_0.2In_0.3Ga_0.5As背场层131，接着生长厚度为3µm、掺杂浓度为1×10¹⁷ cm^-3的p型In_0.3Ga_0.7As基区132，再生长厚度为150nm、掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型In_0.3Ga_0.7As发射层133，最后生长厚度为50nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n型Al_0.5In_0.3Ga_0.2As窗口层134，构成InGaAs第一子电池130。

在InGaAs第一子电池130上外延生长n型In_0.3Ga_0.7As覆盖层140，厚度为200nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，从而在GaAs衬底上完成第一外延结构100。

请参看附图3，正装外延生长第二外延结构200。

将一n型GaAs衬底202清洗干净，并装入MOCVD 反应室，腔体压力设置在120mbar。首先在750℃下烘烤衬底10分钟，降温至650℃，外延生长p型InGaP牺牲层210，厚度200nm，接着生长p型GaAs背接触层220，厚度200nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。在GaAs背接触层220上生长GaAs第二子电池230。具体为首先生长厚度为20nm的p型AlGaAs背场层231，接着生长厚度为3µm、掺杂浓度为1×10¹⁷ cm^-3的p型GaAs基区232，再生长厚度为100nm、掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型GaAs发射层233，最后生长厚度为50nm、掺杂深度为1×10¹⁸cm^-3的n型GaInP窗口层234。

在GaAs第二子电池230上外延生长n++-GaInP/p++-AlGaAs隧穿结240，降温至580℃，首先生长厚度为15nm、掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3的n型GaInP层241，然后生长厚度为15nm、掺杂浓度为2×10²⁰ cm^-3的p型AlGaAs层242。

在n++-GaInP/p++-AlGaAs隧穿结240上外延生长InGaP第三子电池250。具体为首先生长厚度为20nm的p型AlInGaP背场层251，接着生长厚度为600nm、掺杂浓度为6×10¹⁶ cm^-3的p型In_0.5Ga_0.5P基区252，再生长厚度为150nm、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的n型In_0.5Ga_0.5P发射层253，最后生长厚度为50nm、掺杂深度为5×10¹⁸cm^-3的n型AlInP窗口层254，从而在GaAs衬底上完成第二外延结构200。

请参看附图4，在第一外延结构100上表面制作第一电极层301，其材料为AuGe/Ti/Ag，总厚度为5µm，电极图形为栅线状的，如图6所示，栅线宽5µm，金属电极图形在第一外延结构中的面积占比为1~20%，较佳为5%。

请参看附图5，将第二外延结构上表面键合在透明支撑基板上，去除第二外延结构200的衬底202和牺牲层210并在背接触层220上形成第二电极层302。具体为在第二外延结构200上表面旋涂一层厚度为20µm的Tra-bond胶400，然后放置石英玻璃片500，保证Tra-bond胶400与石英玻璃片500之间没有空隙，最后在200℃、200kpa条件下耗时5分钟，使得石英玻璃片500与第二外延结构200紧密键合在一起；使用氨水：过氧水：水=2:3:1溶液，耗时1小时，选择性腐蚀去除GaAs衬底202，接着使用磷酸：盐酸=2:3溶液选择性腐蚀去除InGaP牺牲层210，然后用去离子水清洗第二外延结构，通过光刻和蒸镀技术在第二外延结构的GaAs背接触层220表面制作第二电极层AuBe/Ti/Ag 302，总厚度为5µm。第二电极层302为栅线状的，如图6所示，栅线宽5µm，金属电极图形在第二外延结构中的面积占比为1~20%，较佳为5%。图6和图7显示了几种电极图形301和302的俯视图图案。

请参看附图8，接合第一外延结构100和第二外延结构200。具体为在第一外延结构100上表面形成厚度为30µm的掺有银粉的透明硅胶作为透明导电黏胶层600，接着将第二外延结构200背接触层表面与第一外延结构100覆盖层表面彼此贴合，然后在120℃条件下耗时2分钟实现两者紧密贴合，最终获得InGaP/GaAs/ InGaAs正装多结太阳能电池。

本实施例中，不同于使用倒装外延技术的三结电池，完全使用正装外延技术，可以更为简单地获得高质量的三结子电池，子电池性能容易保证；本实施例获得的GaInP/GaAs/InGaAs正装三结电池带隙组合为1.9eV/1.4eV/1.0eV，可以获得较高的开路电压（AM0光谱，单倍测试条件下大于3.1V）和短路电流密度（AM0光谱，单倍测试条件下大于17.3mA/cm²），使其更为接近理论极限。本实用新型避免使用要求较高的晶圆键合技术，选用透明基板作上层外延结构的支撑，解决了透明导电黏胶粘结时出现的外延层褶皱问题，最后使用透明导电黏胶层将上层结构的背面金属电极与下层结构的正面金属电极相连接，从而实现多结太阳能电池结构。工艺简单，适合规模化生产。

Claims (10)

1.正装多结太阳能电池，包括：

第一外延结构，自下而上依次包含衬底、第一光电转换叠层和覆盖层；

第二外延结构，自下而上依次包含背接触层、第二光电转换叠层，所述背接触层通过一透明导电黏胶层与所述第一外延结构的覆盖层接合；

透明基板，通过一透明黏胶层接与所述第二外延结构的上表面接合；

第一电极层，形成于所述第一外延结构的覆盖层表面；

第二电极层，形成于所述第二外延结构的背接触层表面。

2.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述第一外延结构和所述第二外延结构中的光电转换叠层为单结电池、双结电池或多结电池。

3.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述透明基板为石英玻璃基板、氧化铝基板或氮化铝基板。

4.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述第一电极层在所述第一外延结构中的面积占比为1%~20%。

5.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述第二电极层在所述第二外延结构中的面积占比为1%~20%。

6.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述第一外延结构为单结电池，所述第二外延结构为双结电池。

7.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述透明导电黏胶层为掺银粉的硅胶层或掺银粉的环氧树脂层。

8.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：所述透明导电黏胶层为掺铟粉的硅胶层。

9.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：在AM0光谱，单倍测试条件下所述多结太阳能电池的开路电压大于3.1V。

10.根据权利要求1所述的正装多结太阳能电池，其特征在于：在AM0光谱，单倍测试条件下所述多结太阳能电池的短路电流密度大于17.3mA/cm²。