CN219457629U

CN219457629U - 一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池

Info

Publication number: CN219457629U
Application number: CN202320169286.0U
Authority: CN
Inventors: 陈弘; 李云; 张宇超; 杜春花
Original assignee: Yangtze River Delta Physics Research Center Co ltd; Institute of Physics of CAS
Current assignee: Yangtze River Delta Physics Research Center Co ltd; Institute of Physics of CAS
Priority date: 2023-01-31
Filing date: 2023-01-31
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2033-01-31

Abstract

本实用新型实施例涉及一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，结构从下到上依次为从下到上依次为铜钼铜金属基板、金属键合层、砷化镓太阳能电池、碳化硅接触层、正面金属电极。本实用新型使用高掺多晶或微晶碳化硅作为电池接触层，利用其宽带隙、高电导、高折射率的性能作为透明导电电极，代替正面栅线电极，从而增大了表面透光面积，提高光电转换效率，同时减少了电极金属使用量，降低成本。

Description

一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及光伏发电领域，尤其涉及一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池。

背景技术

砷化镓太阳能电池是以砷化镓(GaAs)为基体材料的太阳能电池，其发展已有40余年的历史。GaAs材料的Eg＝1.43eV，理论上估算，GaAs单结太阳能电池的效率可达27％，从上世纪80年代后，GaAs太阳能电池技术经历了从液相外延(Liquid Phase Epitaxy，LPE)到金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高。

与硅基太阳能电池相比,砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能。如果能够把砷化镓太阳能电池制成柔性薄膜太阳能电池，借助柔性薄膜太阳能电池的可以弯曲、便于携带的特点，能够在多种生产与生活领域为人们提供电力，有广泛的应用前景。

铜钼铜(CMC)封装材料是一种三明治结构的平板复合材料，它采用纯钼做芯材，双面再覆以纯铜或者弥散强化铜。这种材料的热膨胀系数可调，热导率高，耐高温性能优异，在电子封装中得到了广泛的运用。采用CMC基板制作的柔性砷化镓太阳能电池由于其成本高，难以推广。所以设计新材料、新结构对于低成本且保证光电转化效率的柔性砷化镓太阳能电池至关重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，在柔性砷化镓太阳能电池中，将高质量、高电导率掺杂多晶或微晶碳化硅用作正面电极，增大了表面透光面积，提高光电转换效率，同时减少了电极金属使用量，大大降低电池生产成本。

有鉴于此，所述太阳能电池结构从下到上依次为铜钼铜金属基板、金属键合层、砷化镓太阳能电池本体、碳化硅接触层、正面金属电极；其中，所述碳化硅接触层为掺杂的多晶或微晶碳化硅。

优选的，所述正面金属电极为Ti/Al、Ti、Al、Ag、Cu中的一种或多种。

优选的，所述碳化硅接触层的厚度为1～10μm，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

优选的，所述砷化镓太阳能电池本体为单结、双结、三结或者多结，所述砷化镓太阳能电池本体结构从下至上包括衬底层、缓冲层、电池层、窗口层、高掺接触层。

优选的，所述金属键合层自下而上依次为钛层、银层、金层，厚度分别为10～200nm、300～2000nm、10～500nm。

优选的，所述铜钼铜金属基板的热膨胀系数为6X10^-6～7X10^-6/℃，包括底层铜10～20μm，中间层钼10～20μm，顶层铜10～20μm。

优选的，所述碳化硅接触层为N型或P型碳化硅膜层。

进一步优选的，所述P型碳化硅膜层的掺杂元素为铝或硼，N型碳化硅膜层的掺杂元素为氮。

本实用新型实施例提供的一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，从材料性能的角度，碳化硅具备高电导、宽带隙且掺杂浓度易调控等优点，掺杂多晶碳化硅可以在宽带隙的条件下可实现良好的载流子横向输运，从而作为电池的透明导电电极层实现电流的有效收集，减少表面金属栅线的使用，为柔性砷化镓太阳能电池提供一种低成本高效率的结构。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池制备方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池的结构示意图，如图1所示，所述无栅线的柔性砷化镓太阳能电池结构从下到上依次为铜钼铜金属基板1、金属键合层2、砷化镓太阳能电池本体3、碳化硅接触层4、正面金属电极5，其中，碳化硅接触层4为掺杂的多晶或微晶碳化硅。

其中，铜钼铜金属基板1的热膨胀系数为6X10^-6～7X10^-6/℃，包括底层铜10～20μm，中间层钼10～20μm，顶层铜10～20μm。

金属键合层2结构自下而上依次为钛层、银层、金层，厚度分别优选为10～200nm、300～2000nm、10～500nm,金属键合层的金层与铜钼铜柔性基片对准、压紧。

砷化镓太阳能电池本体3可以为单结、双结、三结或者多结，主要结构从下至上包括衬底层、缓冲层、电池层、窗口层、高掺接触层。

碳化硅接触层4的厚度均为1～30μm，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，这里的碳化硅接触层4可以是P型或N型微晶或多晶碳化硅膜层，其中，P型碳化硅膜层的掺杂元素包括但不限于铝或硼，N型碳化硅膜层的掺杂元素包括但不限于氮。应当理解的是，碳化硅具有宽带隙、高电导、高折射率、制备工艺简单安全等优点，在性能与生产工艺上，可替代表面栅线电极。

正面金属电极5可以为Ti/Al、Ti、Al、Ag、Cu中的一种或多种，进一步优选为点状金属。

本实施例的砷化镓太阳能电池工作过程是太阳光透过正面碳化硅接触层4照在砷化镓太阳能电池本体3产生电流，正面通过碳化硅接触层4将电流收集起来，再经过正面金属电极5将电流引出。背面通过金属键合层2将电流收集起来，通过铜钼铜金属基板1将电流导出。与现有的电池相比，碳化硅用作接触层，增大了表面透光面积，提高光电转换效率。也省去正面金属栅线的使用，大大降低电池生产成本。同时使用CMC基板，使砷化镓太阳能电池具有柔性且不碎，扩大其使用场景。

本实用新型在柔性砷化镓太阳能电池的结构中使用多晶或微晶碳化硅材料，从材料性能的角度，碳化硅具备高电导、宽带隙且掺杂浓度易调控等优点，重掺杂多晶碳化硅可以在宽带隙的条件下可实现良好的载流子横向输运，从而作为电池的透明导电电极层实现电流的有效收集，减少表面金属栅线的使用，为柔性砷化镓太阳能电池提供一种低成本高效率的结构。

本实用新型实施例还提供了一种上述无栅线的柔性砷化镓太阳能电池的制备方法，如图2所示，制备方法包括如下步骤：

步骤101，对砷化镓太阳能电池外延片进行清洗；

这里的砷化镓太阳能电池外延片可以为单结、双结、三结或者多结，主要结构从下至上包括衬底层、缓冲层、电池层、窗口层、高掺接触层。

清洗过程具体包括：依次用丙酮、异丙醇、去离子水冲清洗，去除表面颗粒、有机污染物、表面金属离子等，然后放入HCl/H₂O溶液中清洗，再用去离子水冲洗，去除表面的污渍，这里的HCl/H₂O溶液体积配比优选为1:1。

步骤102，将清洗后的砷化镓太阳能电池外延片放入匀胶机中，在正面均匀旋涂临时键合胶或蜡，用于与支撑片临时键合。

步骤103，将旋涂后的外延片与等尺寸的支撑片放入临时键合设备中，通过热压的方式将外延片和支撑片临时键合在一起。

其中，支撑片可以为蓝宝石、硅或者玻璃片，其作用是由于片子太薄易碎，所以增加支撑片以增强外延片强度。

步骤104，将临时键合后的外延片放入研磨机中减薄衬底，然后用化学溶液或化学机械抛光方式抛光衬底。

具体的，将临时键合后的外延片放入研磨机中减薄衬底至一定厚度，约50μm。然后用化学溶液或化学机械抛光(CMP)等方式抛光衬底，控制衬底厚度至10μm左右。

步骤105，对抛光后的外延片和CMC基板进行清洗。

清洗过程具体包括：依次用丙酮、异丙醇、去离子水冲清洗，然后放入HCl/H₂O溶液中清洗，再用去离子水冲洗，去除表面的污渍，这里的HCl/H₂O溶液体积配比优选为1:1。

步骤106，将清洗后的外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在外延片的背面依次蒸镀厚度Ti、Ag和Au作为金属键合层。

具体的，将表面清洗干净的减薄外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚中装料，在外延片的背面依次蒸镀厚度100nm的Ti、1000nm的Ag和60nm的Au作为金属键合层。

步骤107，将蒸镀后的外延片的蒸镀面和CMC基板面对面压紧与对准，放入晶元键合机中进行键合。

其中，键合温度优选为300～500℃，时间优选为60～120min，压力优选为2～5kg/cm²。

步骤108，将与CMC基板键合后的外延片放入临时解键合设备，将临时键合胶或蜡进行改性或者熔融，实现外延片与支撑片的分离。

步骤109，对解除临时键合后的外延片进行清洗。

步骤110，在清洗后的外延片的正面沉积微晶或多晶碳化硅膜层。

具体的，利用磁控溅射技术在外延片正面沉积微晶或多晶碳化硅膜层，厚度优选为1～10μm，微晶或多晶碳化硅掺杂浓度范围优选为5×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，这里的碳化硅接触层可以是P型或N型微晶或多晶碳化硅膜层，其中，P型碳化硅膜层的掺杂元素包括但不限于铝或硼，N型碳化硅膜层的掺杂元素包括但不限于氮。

步骤111，利用硬掩膜在碳化硅膜层上沉积正面金属电极，由此得到无栅线的柔性砷化镓太阳能电池。

具体的，利用硬掩膜在碳化硅膜层上采用电子束蒸发或磁控溅射沉积正面金属电极，正面金属电极优选为点状金属，由此具有无栅线的柔性三结砷化镓太阳能电池制备完成。

本实用新型实施例提供的一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池制备方法，从材料性能的角度，碳化硅具备高电导、宽带隙且掺杂浓度易调控等优点，重掺杂多晶碳化硅可以在宽带隙的条件下可实现良好的载流子横向输运，从而作为电池的透明导电电极层实现电流的有效收集，减少表面金属栅线的使用，为柔性砷化镓太阳能电池提供一种低成本高效率的结构。

为更好的理解本实用新型提供的技术方案，结合图1和图2所示，下述以多个具体实例分别说明应用本实用新型上述实施例提供的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池的制备方法的具体过程，以及其制备的电池特性，并以对比例进行比较说明。

实施例1

本实施例提供了一种选用单结砷化镓太阳能电池外延片制备具有单结砷化镓太阳能电池的方法，外延片具体结构如下表1所示：

表1

本实施例的单结砷化镓太阳能电池制备方法包括如下步骤：

1、对单结砷化镓太阳能电池外延片3清洗：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。之后放入HCl：H₂O＝1:1(体积比)的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的污渍；

2、将清洗后的砷化镓太阳能电池外延片放入匀胶机中，在正面均匀旋涂临时键合胶或蜡；

3、将旋涂后的砷化镓太阳能电池外延片与等尺寸的蓝宝石支撑片放入临时键合设备中，通过热压的方式将两个片子临时键合在一起；

4、将临时键合后的片子放入研磨机中减薄GaAs衬底0至一定厚度，约50微米。然后用CMP抛光衬底0，控制衬底0厚度至10μm左右；

5、对减薄后的砷化镓太阳能电池外延片3和CMC基板5清洗：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。之后放入HCl：H₂O＝1:1(体积比)的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的污渍；

6、将表面清洗干净的减薄外延片放入自动蒸镀的蒸发台中，在设备的坩埚中装料，在外延片的背面依次蒸镀厚度100nm的Ti、1000nm的Ag和60nm的Au作为金属键合层2；

7、蒸镀好的外延片3将其蒸镀面和CMC基板1面对面紧紧压紧与对准，放入晶元键合机中进行键合。键合温度为400℃，时间为80min，压力为5kg/cm²；

8、将与CMC基板键合好的外延片放入临时解键合设备，将临时键合胶或蜡改性或者熔融，实现外延片与支撑片的分离；

9、对解除临时键合后的砷化镓太阳能电池(1、2、3)清洗：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。之后放入HCl：H₂O＝1:1(体积比)的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的污渍；

10、使用掺铝P型微晶碳化硅靶材利用磁控溅射技术在外延片3正面沉积P型微晶碳化硅膜层4，厚度为5μm，掺杂浓度范围为5×10¹⁸cm^-3；

11、利用硬掩膜在碳化硅膜层4上采用电子束蒸发或磁控溅射沉积正面金属电极5，金属电极为点状金属；至此具有无栅线的柔性单结砷化镓太阳能电池制备完成。

实施例2

本实施例提供了一种选用两结砷化镓太阳能电池外延片制备具有两结砷化镓太阳能电池的方法，外延片具体结构如下表2所示：

表2

本实施例的两结砷化镓太阳能电池制备方法包括如下步骤：

1、对两结砷化镓太阳能电池外延片3清洗：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。之后放入HCl：H₂O＝1:1(体积比)的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的污渍；

4、将临时键合后的片子放入研磨机中减薄GaAs衬底0至一定厚度，约50微米。然后用NH₄OH:H₂O₂＝1:8(体积比)的溶液抛光衬底0，根据其腐蚀速率控制衬底0厚度至10μm左右；

10、使用掺铝的P型微晶碳化硅靶材利用磁控溅射技术在外延片3正面沉积P型微晶碳化硅膜层4，厚度为5μm，掺杂浓度范围为5×10¹⁸cm^-3；

11、利用硬掩膜在碳化硅膜层4上采用电子束蒸发或磁控溅射沉积正面金属电极5，金属电极为点状金属；至此具有无栅线的柔性两结砷化镓太阳能电池制备完成。

实施例3

本实施例提供了一种选用三结砷化镓太阳能电池外延片制备具有三结砷化镓太阳能电池的方法，外延片具体结构如下表3所示：

表3

本实施例的三结砷化镓太阳能电池制备方法包括如下步骤：

1、对三结砷化镓太阳能电池外延片3清洗：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。之后放入HCl：H₂O＝1:1(体积比)的溶液中清洗1分钟，再用去离子水冲洗3分钟，去除表面的污渍；

4、将临时键合后的片子放入研磨机中减薄Ge衬底0至一定厚度，约50微米。然后用NH₄OH:H₂O₂＝1:8(体积比)的溶液抛光衬底0，根据其腐蚀速率控制衬底0厚度至10μm左右；

7、蒸镀好的外延片3将其蒸镀面和CMC基板1面对面紧紧压紧与对准，放入晶元键合机中进行键合。键合温度为450℃，时间为60min，压力为5kg/cm²；

10、使用掺氮的N型微晶碳化硅靶材利用磁控溅射技术在外延片3正面沉积N型微晶碳化硅膜层4，厚度为5μm，掺杂浓度范围为1×10¹⁹cm^-3；

11、利用硬掩膜在碳化硅膜层4上采用电子束蒸发或磁控溅射沉积正面金属电极5，金属电极为点状金属；至此具有无栅线的柔性三结砷化镓太阳能电池制备完成。

对比例1

对比例1中砷化镓太阳能电池为单面电池，做法是先在表1所示的电池外延片正面做一层SiO₂/TiO₂的减反膜，然后在其上蒸发金属正面栅线电极，最后在背面整面蒸发金属电极，从而得到单结砷化镓太阳能电池。

对比例2

对比例2中砷化镓太阳能电池为单面电池，做法是先在表2所示的电池外延片正面做一层SiO₂/TiO₂的减反膜，然后在其上蒸发金属正面栅线电极，最后在背面整面蒸发金属电极，从而得到双结砷化镓太阳能电池。

对比例3

对比例3中砷化镓太阳能电池为单面电池，做法是先在表3所示的电池外延片正面做一层SiO₂/TiO₂的减反膜，然后在其上蒸发金属正面栅线电极，最后在背面整面蒸发金属电极，从而得到三结砷化镓太阳能电池。

选取上述实施例1、2、3和对比例1、2、3得到的太阳能电池中1平方厘米的电池片在一倍太阳光模拟器下进行多次测试，测试结果如下：

从测试结果可以看出每个实施例的砷化镓太阳能电池在Voc和FF指标上与其相对应对比例相当，在Isc，Pm和Eff指标上均高于对比例中的电池。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书中的描述中，术语“一个具体的实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型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达不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或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。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池结构从下到上依次为铜钼铜金属基板、金属键合层、砷化镓太阳能电池本体、碳化硅接触层、正面金属电极；其中，所述碳化硅接触层为掺杂的多晶或微晶碳化硅。

2.根据权利要求1所述的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述碳化硅接触层的厚度为1～10μm。

3.根据权利要求1所述的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述砷化镓太阳能电池本体为单结、双结、三结或者多结，所述砷化镓太阳能电池本体结构从下至上包括衬底层、缓冲层、电池层、窗口层、高掺接触层。

4.根据权利要求1所述的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述金属键合层自下而上依次为钛层、银层、金层，厚度分别为10～200nm、300～2000nm、10～500nm。

5.根据权利要求1所述的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述铜钼铜金属基板的热膨胀系数为6X10^-6～7X10^-6/℃，包括底层铜10～20μm，中间层钼10～20μm，顶层铜10～20μm。

6.根据权利要求1所述的无栅线的柔性砷化镓太阳能电池，其特征在于，所述碳化硅接触层为N型或P型碳化硅膜层。