CN207765468U - 一种基于Si衬底的四结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Si衬底的四结太阳电池，所述四结太阳电池包括：硅电池；在所述硅电池沿着第一方向依次设置的P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池以及粗化层，其中，所述第一方向为垂直于所述硅电池，且由所述硅电池指向所述P型接触层；设置在所述粗化层背离所述顶电池一侧的N电极；设置在所述N电极与所述粗化层之间的N型接触层；设置在所述硅电池背离所述P型接触层一侧的P电极。该四结太阳电池相比较现有的三结GaAs太阳电池，极大程度的提高了转换效率，且优化了目前制作四结太阳电池的工艺难度。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳电池技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于Si衬底的四结太阳电池。
背景技术
随着科学技术的不断发展，太阳电池已广泛应用于人们的日常生活、工作以及工业中，为人们的生活带来了极大的便利。
在目前的太阳电池研究领域中，砷化镓化合物太阳电池一直以来都是各国探究的热点，相比较传统硅基太阳电池有着较高的光电转换效率和优良的可靠性，进而可以在空间电源领域得到广泛的应用。其较高的光电转换效率可以减小太阳电池阵列的大小和质量，增加火箭的装载量，减少火箭燃料的消耗，进而降低航天器电源系统的费用，因此在空间应用中，以GaAs太阳电池为核心的空间电源系统具有极其重要的地位，自2002年起，国外很多国家的空间飞行器已经全部采用GaAs三结太阳电池作为主电源，国内空间飞行器使用的主电源也正在由传统的硅衬底太阳电池向高效GaAs三结太阳电池过渡。
随着空间技术的进步，对太阳电池性能的要求越来越高，而现有的三结GaAs太阳电池已经接近极限，为了进一步提高太阳电池的性能，有研究提出GaAs倒置生长四结太阳电池的方案，即在GaAs衬底上面，一次外延生长出GaInP、GaAs、In0.3GaAs以及In0.7GaAs外延结构，再利用metal bonding(键合)的方式，将外延结构翻转过来，制成电池；还有研究提出在Si衬底上直接生长外延结构，实现在Si衬底四结太阳电池；还有研究提出通过环氧树脂对位焊接的方法，实现Si衬底四结太阳电池等。
但是，基于GaAs倒置生长四结太阳电池的方案，其第四节子电池材料外延难度很大，难以生长出高质量的外延材料，且键合的方式容易出现表面缺陷，最终影响电池的成品率；基于在Si衬底上直接生长外延结构的方案，其外延生长难度很大，难以生长出高质量的外延结构，且该结构只有三结太阳电池结构；基于通过环氧树脂对位焊接的方法实现Si衬底四结太阳电池的方案，其工艺难度很大，对设备要求很高，难以实现大规模量产，并且存在环氧树脂老化问题。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于Si衬底的四结太阳电池，相比较现有的三结GaAs太阳电池，极大程度的提高了转换效率，且优化了目前制作四结太阳电池的工艺难度。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种基于Si衬底的四结太阳电池，所述四结太阳电池包括：
硅电池；
在所述硅电池沿着第一方向依次设置的P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池以及粗化层，其中，所述第一方向为垂直于所述硅电池，且由所述硅电池指向所述P型接触层；
设置在所述粗化层背离所述顶电池一侧的N电极；
设置在所述N电极与所述粗化层之间的N型接触层；
设置在所述硅电池背离所述P型接触层一侧的P电极。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述四结太阳电池还包括：
设置在所述硅电池和所述P型接触层之间的氧化铟锡透明薄膜，其中，所述氧化铟锡透明薄膜的厚度范围为0.8um-1.2um，包括端点值。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述四结太阳电池还包括：
设置在所述N电极背离所述N型接触层一侧的减反射膜，其中，位于所述N电极上的所述减反射膜上设置有电极引线凹槽。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述减反射膜包括：TiO2膜层和Al2O3膜层；
其中，所述TiO2膜层设置在所述N电极背离所述N型接触层的一侧，所述Al2O3膜层设置在所述TiO2膜层背离所述N电极的一侧。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述TiO2膜层的厚度范围为包括端点值，所述Al2O3膜层的厚度范围为包括端点值。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述P电极包括TiAl金属电极；
其中，Ti的厚度范围为90nm-110nm，包括端点值，Al的厚度范围为2400nm-2600nm，包括端点值。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述N电极包括Au、AuGeNi合金以及Ag金属电极，所述N电极的厚度范围为4.8um-5.2um，包括端点值。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述硅电池的衬底为P型单晶硅衬底。
优选的，在上述四结太阳电池中，所述P型单晶硅衬底的的晶向为100，所述P型单晶硅衬底的厚度范围为170um-180um，包括端点值。
本实用新型还提供了一种基于Si衬底的四结太阳电池的制作方法，所述制作方法包括：
提供一GaAs衬底，在所述GaAs衬底上倒置外延生长三结太阳电池；
提供一P型单晶硅衬底，采用离子注入的方式，制备硅电池；
将所述硅电池与所述三结太阳电池的外延结构采用直接键合技术连接在一起；
去除所述GaAs衬底。
通过上述描述可知，本实用新型提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池，首先在所述GaAs衬底上倒置外延生长三结太阳电池；其次在P型单晶硅衬底，采用离子注入的方式，制备硅电池；然后将所述硅电池与所述三结太阳电池的外延结构键合在一起；最后去除所述GaAs衬底。
也就是说，在GaAs衬底外延生长出三结太阳电池，很容易得到更好质量的外延材料，采用硅电池作为第四节的子电池，使其四结太阳电池的整体输出电压更高，能够得到更高的转换效率，将硅电池与三结太阳电池采用直接键合技术连接，相比较环氧树脂键合，工艺稳定性更好，更容易实现，可靠性更高，良率也很高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的另一种基于Si衬底的四结太阳电池的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将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。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本实用新型实施例提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池的结构示意图。
所述四结太阳电池包括：
硅电池11；在所述硅电池11沿着第一方向依次设置的P型接触层12、底电池13、第一隧穿结14、中电池15、第二隧穿结16、顶电池17以及粗化层18，其中，所述第一方向为垂直于所述硅电池11，且由所述硅电池11指向所述P型接触层12；设置在所述粗化层18背离所述顶电池17一侧的N电极20；设置在所述N电极20与所述粗化层18之间的N型接触层19；设置在所述硅电池11背离所述P型接触层12一侧的P电极21。
其中，所述P型接触层12为P型GaAs接触层，所述底电池13为InGaAs底电池，所述中电池15为GaAs中电池，所述顶电池17为GaInP顶电池，所述粗化层18为AlGaInP粗化层，所述N型接触层19为N型GaAs接触层。
该四结太阳电池，将单独的硅电池和单独的三结太阳电池设置在一起，解决了目前直接制作四结太阳电池的工艺难度，且相比较现有的三结GaAs太阳电池，极大程度的提高了太阳电池的转换效率。
其中，所述硅电池11的衬底为P型单晶硅衬底。
具体的，所述P型单晶硅衬底的的晶向为100，所述P型单晶硅衬底的厚度范围为170um-180um，包括端点值。
其中，所述P电极21包括TiAl金属电极。
具体的，Ti的厚度范围为90nm-110nm，包括端点值，Al的厚度范围为2400nm-2600nm，包括端点值。
其中，所述N电极20包括Au、AuGeNi合金以及Ag金属电极。
具体的，所述N电极20的具体结构为Au/AuGeNi/Au/Ag/Au，厚度分别可选为使其所述N电极的厚度范围为4.8um-5.2um，包括端点值。
进一步的，如图2所示，所述四结太阳电池还包括：
设置在所述硅电池11和所述P型接触层12之间的氧化铟锡透明薄膜22，其中，所述氧化铟锡透明薄膜22的厚度范围为0.8um-1.2um，包括端点值。
进一步的，如图2所示，所述四结太阳电池还包括：
所述四结太阳电池还包括：
设置在所述N电极20背离所述N型接触层19一侧的减反射膜23，其中，位于所述N电极20上的所述减反射膜23上设置有电极引线凹槽。
具体的，所述减反射膜23还覆盖暴露出来的所述粗化层18，将位于所述N电极20上的所述减反射膜23蚀刻出电极引线凹槽，用于后续封装工艺焊线。
其中，所述减反射膜23包括：TiO2膜层和Al2O3膜层。
具体的，所述TiO2膜层设置在所述N电极20背离所述N型接触层19的一侧，所述Al2O3膜层设置在所述TiO2膜层背离所述N电极20的一侧。所述TiO2膜层的厚度范围为包括端点值，所述Al2O3膜层的厚度范围为 包括端点值。
基于本实用新型上述实施例提供的四结太阳电池，下面对其制作方法进行详细说明。
参考图3，图3为本实用新型实施例提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池的制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S101：提供一GaAs衬底，在所述GaAs衬底上倒置外延生长三结太阳电池。
具体的，所述GaAs衬底为N型15°的GaAs衬底，厚度可选为350um，通过在GaAs衬底上依次倒置外延生长N型GaAs缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、AlGaInP粗化层、GaInP顶电池、第二隧穿结、GaAs中电池、第一隧穿结、InGaAs底电池以及P型GaAs接触层。
S102：提供一P型单晶硅衬底，采用离子注入的方式，制备硅电池。
具体的，所述P型单晶硅衬底的的晶向为100，所述P型单晶硅衬底的厚度范围为170um-180um，包括端点值。
首先，对P型单晶硅衬底的表面进行清洗，清洗方法可选为：使用硫酸：双氧水：水＝5:1:1的混合溶液，浸泡5分钟左右，且溶液温度保持在60℃左右，之后去离子水冲洗3分钟左右；再使用氢氟酸：水＝1:20的混合溶液，再次浸泡1分钟左右，之后去离子水冲洗3分钟左右；最后使用盐酸：双氧水：水＝1:2:8的混合溶液，浸泡3分钟左右，之后去离子水冲洗3分钟左右，再浸泡新鲜的异丙醇90秒左右，之后在110℃的烘箱中烘干。
之后，对所述P型单晶硅衬底表面进行离子注入，N型离子注入的剂量为2.5×10-15/cm2，进行热退火，退火温度为900℃左右，退火时间为1000s左右，以形成硅电池。
需要说明的是，在步骤S102完成后步骤S103之前，首先，将制备好的硅电池以及在GaAs衬底上生长的外延结构进行有机清洗，清洗方法可选为：丙酮超声5分钟左右，温度为60℃左右，异丙酮超声5分钟左右，温度为60℃左右，第二道异丙酮超声5分钟左右，温度为60℃左右，之后清洁异丙酮浸泡90s左右，之后在110℃的烘箱中烘干。
之后，分别在清洁好的硅电池和在GaAs衬底上生长的外延结构表面采用电子束蒸发的方式蒸镀氧化铟锡透明薄膜，腔室温度可选为150℃，其氧化铟锡透明薄膜厚度可选为1um。
然后，对氧化铟锡透明薄膜进行抛光处理，抛光方法采用CMP方法，工作压力为2.5psi，上盘转速为90rpm-100rpm，下盘转速为80rpm-90rpm，抛光液流量为80ml/min，抛光时间为3分钟，磨料选用二氧化硅，磨料为直径30nm-50nm的球形，其中，抛光液成分配比可选为：磨料15g、无机碱1.5g、40％硅胶70ml以及添加剂5.25g。
S103：将所述硅电池与所述三结太阳电池的外延结构采用直接键合技术连接在一起。
具体的，将抛光好的氧化铟锡透明薄膜的硅电池和外延结构进行直接键合，键合压力为12000kgf/cm2，温度为230℃左右，压合时间为2小时左右。
S104：去除所述GaAs衬底。
具体的，使用NH4OH与H2O2的混合液腐蚀掉键合后的GaAs衬底和N型GaAs缓冲层，由于该操作为放热化学反应，所以在腐蚀的全程使用循环冷却水进行降温，温度保持在25℃-30℃，为了达到反应速率与温度控制之间的平衡，将混合液中NH4OH与H2O2按照体积比为1:1进行混合，再使用同体积H2O进行稀释。
进一步的，在GaAs衬底和N型GaAs缓冲层去除之后，将暴露出的GaInP腐蚀截止层，采用HCl进行去除，直至显露出N型GaAs接触层。
进一步的，使用负性光刻胶制作相应的电极图形，将光刻胶均匀的分布于整个表面，结合旋转时间控制光刻胶的厚度，当匀胶完成后，放入100℃的烤箱中烘烤大约30min，用于蒸发掉多余的水分。烘烤完成后，使用波长为365nm的紫外线进行曝光，辐照剂量为60mj/cm2，再次放入100℃的烤箱中烘烤大约30min，以使光刻胶变性。之后使用质量分数为2％的KOH溶液进行显影，根据负性光刻胶的特性，没有背光照射的部分会在显影液中溶解，所以在显影后，表面就会留下所需的电极图形。其次还需要进行冲水，由于表面还有部分光刻胶，此时不能够再进入烤箱进行烘烤，所以使用高速旋干机进行高速旋干，其中，高速旋干机的转速为1800转/min。最后，利用电子束蒸发技术，将N电极蒸镀上去，该N电极包括Au、AuGeNi合金以及Ag金属电极，其具体结构为Au/AuGeNi/Au/Ag/Au，厚度分别可选为 使其所述N电极的厚度范围为4.8um-5.2um，包括端点值。
进一步的，由于柠檬酸与双氧水的混合水溶液在35℃的条件下，对GaAs和AlGaInP有很好的选择比，能够迅速腐蚀掉N型GaAs接触层，因此使用柠檬酸与双氧水混合比例为1:2的混合水溶液，在恒定温度为35℃的条件下，用于去除没有被所述N电极图形覆盖的N型GaAs接触层，防止N型GaAs接触层吸光。
进一步的，使用电子束蒸发的方法，均匀的在所述N电极背离所述N型接触层一侧形成减反射膜，所述减反射膜包括：TiO2膜层和Al2O3膜层，所述TiO2膜层设置在所述N电极背离所述N型接触层的一侧，所述Al2O3膜层设置在所述TiO2膜层背离所述N电极的一侧。所述TiO2膜层的厚度范围为包括端点值，所述Al2O3膜层的厚度范围为包括端点值。
进一步的，采用光刻掩膜技术，将位于所述N电极上的所述减反射膜蚀刻出电极引线凹槽，即将电池芯片上面主电极部分的减反射膜蚀刻掉，便于后续封装工艺焊线。其中，蚀刻减反射膜使用的溶液为HF和H2O的混合液，混合比例为1:10，蚀刻时间为30s。
进一步的，对整个电池片进行有机超声清洗，然后蒸镀P电极，所述P电极包括TiAl金属电极。其中，Ti的厚度范围为90nm-110nm，包括端点值，Al的厚度范围为2400nm-2600nm，包括端点值。
进一步的，对电池片进行合金，合金温度为380℃，合金时间为10分钟，根据芯片的具体形状，使用切割机将芯片从晶圆片上面切割下来，由于切割会有切割碎屑附着在芯片的侧面，所以采用柠檬酸与双氧水与水的混合液对侧面进行腐蚀，其混合比例为1:1:2，恒定温度为45℃，腐蚀时间为2分钟，也用于防止芯片侧面漏电的情况发生，在腐蚀的过程中，电池表面会涂上一层光刻胶对其正面进行保护，腐蚀结束后再去除该光刻胶。
通过上述描述可知，本实用新型提供的一种基于Si衬底的四结太阳电池，与现有技术中直接在Si衬底上生长外延结构的方案相比较，本实用新型外延难度很低，更容易实现，极大程度的提高了成品率，电池性能也会更好；与现有技术中直接在GaAs衬底上生长四结太阳电池的方案相比较，首先在GaAs衬底上生长第四结只能是失配更大的InGaAs材料，带隙比Si要小，并且难以克服表面位错，晶格失配等外延问题，而本实用新型使用Si作为第四结子电池，能够提供更高的开路电压，以获得更好的电池性能；与现有技术中通过环氧树脂对位焊接的方法实现Si衬底四结太阳电池的方案相比较，本实用新型采用直接键合技术将硅电池与三结太阳电池连接，相比较环氧树脂键合，工艺稳定性更好，更容易实现，可靠性更高，良率也很高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于Si衬底的四结太阳电池，其特征在于，所述四结太阳电池包括：
硅电池；
在所述硅电池沿着第一方向依次设置的P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池以及粗化层，其中，所述第一方向为垂直于所述硅电池，且由所述硅电池指向所述P型接触层；
设置在所述粗化层背离所述顶电池一侧的N电极；
设置在所述N电极与所述粗化层之间的N型接触层；
设置在所述硅电池背离所述P型接触层一侧的P电极。
2.根据权利要求1所述的四结太阳电池，其特征在于，所述四结太阳电池还包括：
设置在所述硅电池和所述P型接触层之间的氧化铟锡透明薄膜，其中，所述氧化铟锡透明薄膜的厚度范围为0.8um-1.2um，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的四结太阳电池，其特征在于，所述四结太阳电池还包括：
设置在所述N电极背离所述N型接触层一侧的减反射膜，其中，位于所述N电极上的所述减反射膜上设置有电极引线凹槽。
4.根据权利要求3所述的四结太阳电池，其特征在于，所述减反射膜包括：TiO2膜层和Al2O3膜层；
其中，所述TiO2膜层设置在所述N电极背离所述N型接触层的一侧，所述Al2O3膜层设置在所述TiO2膜层背离所述N电极的一侧。
5.根据权利要求4所述的四结太阳电池，其特征在于，所述TiO2膜层的厚度范围为包括端点值，所述Al2O3膜层的厚度范围为 包括端点值。
6.根据权利要求1所述的四结太阳电池，其特征在于，所述P电极包括TiAl金属电极；
其中，Ti的厚度范围为90nm-110nm，包括端点值，Al的厚度范围为2400nm-2600nm，包括端点值。
7.根据权利要求1所述的四结太阳电池，其特征在于，所述N电极包括Au、AuGeNi合金以及Ag金属电极，所述N电极的厚度范围为4.8um-5.2um，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的四结太阳电池，其特征在于，所述硅电池的衬底为P型单晶硅衬底。
9.根据权利要求8所述的四结太阳电池，其特征在于，所述P型单晶硅衬底的的晶向为100，所述P型单晶硅衬底的厚度范围为170um-180um，包括端点值。
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| CN108054231A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-05-18 | 扬州乾照光电有限公司 | 一种基于Si衬底的四结太阳电池及制作方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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