TWI660520B - 經由印刷方法整合磊晶剝離太陽能電池與小型拋物線集光器陣列 - Google Patents

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Abstract

本文揭示一種製備一光伏裝置的方法。詳言之，該方法包含經由一印刷方法整合磊晶剝離太陽能電池與小型拋物線集光器陣列。由此，本文揭示一種方法，其包含：提供一生長基板；在該生長基板上沈積至少一個保護層；在該保護層上沈積至少一個犧牲層；在該犧牲層上沈積至少一個光敏性電池；蝕刻自該至少一個光敏性電池延伸至該犧牲層的至少兩個平行溝槽之一圖案；在該至少一個光敏性電池上沈積一金屬；將該金屬結合至一主體基板；及用一或多個蝕刻步驟移除該犧牲層。該主體基板可為矽氧烷，當輥壓該矽氧烷時，該矽氧烷可形成用於將太陽能電池整合至集光器陣列中之一印模。本文亦揭示一種製造一生長基板之方法及自其製得的生長基板。

Description

經由印刷方法整合磊晶剝離太陽能電池與小型拋物線集光器陣列
本申請案主張2014年1月15日申請之美國臨時申請案第61/927,932號及2014年3月3日申請之美國臨時申請案第61/947,120號的優先權，該等申請案兩者均以全文引用之方式併入本文中。
關於聯邦政府贊助研發之聲明
本發明在美國政府支援下依據由美國陸軍研究實驗室(the U.S.Army Research Laboratory)授予的合同號W911NF-08-2-0004進行。政府具有本發明中之某些權利。
聯合研究協議
本發明之標的物係由、代表一或多個以下聯合之大學公司研究協議當事人及/或與該等當事人一起完成的：密歇根大學董事會(Regents of the University of Michigan)及NanoFlex電力公司(NanoFlex Power Corporation)。該協議在本發明之標的物起草之日及之前有效且該協議係作為在該協議範疇內所進行之活動而建立的。
本發明大體上係關於使用磊晶剝離(ELO)製造薄膜電子及光電裝置(諸如可撓性光伏裝置)之方法及生長結構。詳言之，本發明係關於結合至可撓性基板上之薄膜ELO電池，該等可撓性基板提供將太陽能收集器與薄膜電池整合的獨特機會。
磊晶剝離(ELO)已產生具有>28%之創紀錄效率的薄單晶GaAs太陽能電池。儘管給人深刻印象，但在ELO中使用電池主動層與基板之間的「犧牲層」之化學蝕刻的製程需要對母晶圓之晶圓拋光，以再一次將其準備好用於另一太陽能電池主動區域之磊晶生長。令人遺憾的是，僅在幾個循環後，晶圓拋光就會移除大量晶圓材料，同時對晶圓造成額外損傷，從而導致過高生產成本。
諸如基於單晶半導體之裝置之薄膜技術由於其可撓性、輕重量及高效能特性而在電子領域中係合乎需要的。ELO為薄膜裝置區域可自生長基板或晶圓「剝離」及傳送至主體基板的一種技術。藉由選擇性地蝕刻犧牲層而使該裝置區域與晶圓分離。該ELO製程之關鍵優點為在剝離裝置區域後再使用晶圓之可能性，此舉可能藉由最小化昂貴晶圓之消耗而大大減小製造成本。
然而，習知ELO製程導致顯著的晶圓表面粗糙化及污染物聚積。為消除該等缺陷以為後續磊晶生長作準備，通常使用拋光蝕刻製程。然而，大體而言，此製程並不提供高品質再生長界面，且因此在ELO之後在化學拋光之表面上生長的裝置層導致隨後製造的裝置之效能急劇降低。Bauhuis,G.J.等人，「Wafer reuse for repated growth of III-V solar cells」Prof.Photovolt.18,155-159(2010)。化學-機械晶圓再拋光係用於解決此問題，但此類製程自晶圓之頂表面消耗數十微米之材料，進而限制晶圓再使用之可能次數。
作為前文之結果，存在對於依賴於犧牲層來保護生長基板及允許再使用之改良ELO製程之需要。亦存在對於將允許將太陽能收集器整合在薄膜電池內而不引入顯著的額外成本之改良製程的需要。
本發明人已發現一種用於執行磊晶剝離之非破壞性方法。由此，揭示一種方法，其包含：提供生長基板；在生長基板上沈積至少一個保護層；在保護層上沈積至少一個犧牲層；在犧牲層上沈積光敏 性電池；在至少一個光敏性電池上之金屬遮罩；經由該金屬遮罩執行第一蝕刻步驟以在光敏性電池中形成圖案，其中該圖案延伸至犧牲層；及用一或多個第二蝕刻步驟移除犧牲層。
本發明人亦已發現一種用於磊晶剝離之經改良生長結構。由此，揭示一種生長結構，其包含：生長基板；在生長基板上之至少一個保護層；在保護層上之至少一個犧牲層；在犧牲層上之至少一個光敏性電池；及已自光敏性電池蝕刻至犧牲層之至少一個圖案，其中該經蝕刻圖案包含已在至少一個光敏性電池中蝕刻出之兩個或兩個以上平行的溝槽。
本發明人亦已發現一種利用改良的非破壞性ELO方法及所得生長結構製備光伏裝置之方法。詳言之，揭示一種包含經由印刷方法整合磊晶剝離太陽能電池與小型拋物線集光器陣列的方法。揭示之方法包含：提供生長基板；在生長基板上沈積至少一個保護層；在保護層上沈積至少一個犧牲層；在犧牲層上沈積至少一個光敏性電池；蝕刻自至少一個光敏性電池延伸至犧牲層的至少兩個平行溝槽之圖案；在至少一個光敏性電池上沈積金屬；將金屬結合至主體基板；及用一或多個蝕刻步驟移除犧牲層。此方法提供諸如彈性體材料之主體基板，該彈性體材料可經輥壓成印模及用於印刷方法中以將已在生長基板上生長之太陽能電池整合至小型集光器陣列中。
除上文所論述之標的物以外，本發明包括許多其他例示性特徵，諸如在下文中解釋的彼等特徵。應理解，前述描述及以下描述兩者均僅為例示性的。
11‧‧‧冷焊
12‧‧‧可撓性基板
13‧‧‧金屬接點
14‧‧‧主動PV區域
15‧‧‧保護層
16‧‧‧晶圓再生長
31‧‧‧晶圓
32‧‧‧保護層
33‧‧‧犧牲層
34‧‧‧主動裝置層
35‧‧‧圖案化之金屬遮罩
36‧‧‧蝕刻平行溝槽
37‧‧‧冷焊結合
38‧‧‧主體基板
61‧‧‧彈性體印模
71‧‧‧旋轉印模
72‧‧‧移動載物台
81‧‧‧正入射日光
82‧‧‧模製之拋物線反射器
83‧‧‧GaAs太陽能電池
91‧‧‧晶圓
92‧‧‧圓形晶座
101‧‧‧區段
102‧‧‧晶圓
隨附圖式併入本說明書中並且構成其一部分。
圖1為用於非破壞性磊晶剝離(ND-ELO)中之一般性晶圓結構之示意性說明。
圖2為ELO前後晶圓表面形態之比較。
圖3為主體基板上薄膜GaAs太陽能條帶之製造流程圖。
圖4(a)為真空模具之示意性說明，且圖4(b)為用於拋物線集光器製造之經製造真空模具的圖片。
圖5為(a)使用真空模具之變形塑膠及(b)塗佈有用於最大光反射之高度反射性材料(Ag)的金屬化塑膠主體平台的圖片。
圖6為(a)結合在彈性體印模上之薄膜剝離太陽能電池條帶及(b)經拉伸及纏繞在圓筒周圍以備用於後繼整合製程之彈性體印模的示意性說明。
圖7為與集光器陣列相抵按壓之彈性體印模的示意性說明。
圖8為與小型集光器陣列整合之太陽能電池條帶的示意性說明。
圖9為展示七(7)個晶圓可如何平鋪至圓形晶座中而產生近似77%之裝填因數的示意圖。
圖10為展示可如何自單一100mm(4吋)之晶圓切割十八個1cm×3.5cm之矩形的示意圖。
定義
如本文所使用，術語「III-V材料」可用於指含有來自週期表之IIIA族及VA族之元素的複晶體。更具體言之，術語「III-V材料」在本文中可用於指為鎵(Ga)、銦(In)及鋁(Al)之族群與砷(As)、磷(P)、氮(N)及銻(Sb)之族群的組合的化合物。
應注意，III-V化合物在本文中係以縮寫格式命名的。兩組分材料被認為是III族化合物與V族化合物之莫耳比為近似1：1。在三個或三個以上組分之系統中(例如，InGaAlAsP)，III族物質(亦即In、Ga及Al)之總和近似為1，且V族組分(亦即As及P)之總和近似為1，且由此III族與V族之比率近似為一。
假定III-V化合物之命名是按達成晶格匹配或晶格失配(應變)(如自上下文可推斷)所需的化學計量比率進行的。另外，名稱可在某種程度上經換位。舉例而言，AlGaAs及GaAlAs為相同材料。
如本文中所使用及描繪，「層」係指主要維度為X-Y(亦即，沿其長度及寬度)之裝置的部件或組件。應理解，術語層不必限於材料之單一層或片。另外，應理解，某些層之表面(包括此等層與其他材料或層之界面)可係不完美的，其中該等表面表示與其他材料或層之互相滲透、纏結或捲曲網路。類似地，亦應理解，層可為不連續的，使得該層沿X-Y維度之連續性可被擾亂或以其它方式由其他層或材料中斷。
當第一層經描述為安置或沈積在第二層「上方」或「之上」時，第一層經定位為比第二層更遠離基板。第一層可直接安置在第二層上，但除非指定第一層安置或沈積在第二層「上」或與第二層「實體接觸」，否則第一層與第二層之間可存在其他層。舉例而言，磊晶層可經描述為安置在犧牲層「上方」或「之上」，即使該兩者之間可存在各種層。類似地，保護層可經描述為安置在生長基板「上方」或「之上」，即使該兩者之間可存在各種層。類似地，當第一層經描述為安置或沈積在第二層與第三層之間時，除非指定第一層安置或沈積在第二及/或第三層「上」或與第二及/或第三層「實體接觸」，否則第一層與第二層及/或第一層與第三層之間可存在其他層。
如本文中所使用，術語「半導體」表示當藉由熱或電磁激勵誘發電荷載流子時可導電的材料。術語「光導性」大體上係指吸收電磁輻射能且藉此轉化成電荷載流子之激勵能以使得該等載流子可在材料中傳導(亦即輸送)電荷的過程。術語「光導體」及「光導材料」在本文中用於指由於其吸收電磁輻射而產生電荷載流子之性質而被選擇的半導體材料。
如本文中所使用，術語「晶圓」及「生長基板」可互換使用。
如本文中所使用，術語「蝕刻劑選擇率」係指特定蝕刻劑移除特定材料之速率(相較於蝕刻另一材料之速率)。X及Y之蝕刻劑選擇率經量化為特定蝕刻劑對X之蝕刻速率與對Y之蝕刻速率之比率。因此，如本文中所使用之「高度選擇性」係指一種材料被快速蝕刻而另一材料被極緩慢蝕刻或根本未經蝕刻(諸如，大於10：1，或100：1，或1000：1、10000：1或更大)之情況。
相較於諸如Si或Ge之元素半導體，複合半導體常常具有適用於高效率太陽能電池之優良性質。然而，其上生長主動裝置區域的晶圓過於昂貴(例如，GaAs晶圓成本為約$20k/m2)，此限制其在實際太陽能電池中之使用。因此，本文中描述藉由選擇性地蝕刻掉晶圓與電池磊晶層(亦被稱作光敏性電池)之間的AlAs「犧牲層」而自基板移除III-V半導體太陽能電池的磊晶剝離(ELO)，以藉由允許晶圓再使用來降低成本。
本文中所描述之無效能降級之非破壞性基板再使用方法提供大幅降低生產成本之可能性。另外，所揭示方法藉由自大型的基於二維基板之平台移至保形、可撓性且輕量之薄膜裝置，擴展了高效能III-V族光電裝置之應用。此外，對薄膜太陽能電池與低成本集光器(諸如塑膠拋物線集光器)的直接整合可進一步降低太陽能至電能轉化之成本。
薄膜無機太陽能電池製造
申請人在本文中揭示一種完全非破壞性之ELO(ND-ELO)製程，該製程藉由使用插入於晶圓與磊晶之間的表面保護層來消除晶圓損傷。申請人已發現，當移除該等表面保護層時，亦可移除所有固有表面損傷。該製程結合電漿製程使用化學選擇性蝕刻劑。
根據本文所描述之一態樣，磊晶結構由包括依序的保護層、犧 牲層及主動裝置層之多層結構構成。保護層包含保護性層及緩衝層，該等層大體上為具有範圍為5nm至200nm(諸如10nm至150nm或甚至20nm至100nm)之厚度的晶格匹配層。此等層大體上藉由諸如氣體源分子束磊晶法(GSMBE)之氣體源生長。用於製備生長結構之其他合適的沈積技術包括(但不限於)金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、固態源分子束磊晶法(SSMBE)及化學束磊晶法。
在一個實施例中，基板可包含GaAs，且基板保護性層及裝置結構保護性層可為晶格匹配化合物，諸如GaAs、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合。在另一個實施例中，基板可包含GaAs，且基板保護性層及裝置結構保護性層可為應變層，諸如InP、InGaAs、InAlAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
用於一或多個保護性層之合適的III-V材料之實例包括(但不限於)AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb、InP、InGaAs、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及GaAs。在一些實施例中，當生長基板為GaAs時，一或多個保護性層係選自晶格匹配之AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及經應變之InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb。在一些實施例中，當生長基板為InP時，一或多個保護性層係選自晶格匹配之InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及經應變之InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb、InAs、GaSb、AlSb、GaAs、GaP及AlP。美國專利第8,378,385號及美國專利公開案第2013/0043214號以引用之方式併入本文中，以參考其對保護性層方案之揭示內容。
保護層可進一步包含如所描述之一或多個保護性層。在一些實施例中，保護層進一步包含一個保護性層。在其他實施例中，保護層 進一步包含兩個保護性層。在其他實施例中，保護層進一步包含三個或三個以上保護性層。保護性層可定位在生長基板與犧牲層之間。
隨後在保護層上生長犧牲釋放層。此類層之一個非限制性實例為AlAs。當使用此材料作為犧牲層時，氧化砷堆積會減緩剝離期間之AlAs蝕刻。由此，藉由使用緩慢蝕刻之III-V材料((例如InAlP、AlGaAs、InAlGaP)包覆AlAs，氧化砷堆積可減少；由此，加速剝離製程。以引用之方式併入本文中之美國專利公開案第2010/0047959號描述了一種用於自單晶基板選擇性釋放磊晶層之方法。
在一個實施例中，可藉由使用已知酸選擇性地蝕刻犧牲層來剝離主動薄膜裝置區域。生長結構之犧牲層在ELO期間充當釋放層以用於自生長基板釋放磊晶層。犧牲層可經選擇以相對於磊晶層及/或生長基板具有高蝕刻選擇率以在ELO期間將損傷磊晶層及/或生長基板之可能性降至最低或消除。亦可能在犧牲層與磊晶層之間使用保護性層以在ELO期間保護磊晶層。在一些實施例中，犧牲層包含III-V材料。在一些實施例中，III-V材料選自AlAs、AlInP及AlGaInP。在某些實施例中，犧牲層包含AlAs。在一些實施例中，犧牲層具有範圍為約2nm至約200nm(諸如約4nm至約100nm、約4nm至約80nm或約4nm至約25nm)之厚度。
藉由蝕刻釋放犧牲層之步驟可與其他技術(例如，剝落)結合。PCT專利申請案第PCT/US14/52642號以引用之方式併入本文中，以參考其經由蝕刻及剝落之組合釋放磊晶層之揭示內容。
接下來，磊晶層(或主動裝置區域)通常以倒置次序生長，以使得在結合至次級塑膠基板之後，可以裝置之習知定向製造裝置，藉此消除常常在ELO裝置處理中使用之第二傳送步驟。生長結構之磊晶層係指需要自生長基板剝離之任何數目的層。例如，磊晶層可包含用於製造電子或光電裝置之任何數目的主動半導體層。由此，磊晶層有時被 稱作「主動裝置區域」。磊晶層可包含用於製造包括(但不限於)光伏裝置、光電二極體、發光二極體及場效電晶體(諸如金屬半導體場效電晶體及高電子遷移率電晶體)之裝置的層。在一些實施例中，磊晶層包含至少一種III-V材料。
圖1中展示根據本發明之完整磊晶生長結構之實例。如熟習此項技術者將瞭解，圖中之倒置式GaAs太陽能電池結構可由其他倒置式高效率III-V半導體太陽能電池結構取代。參考圖1，此結構中之背面鏡允許將光子反射回主動吸收區域以達成雙重吸收，藉助於此舉，在維持相同外部量子效率的同時，主動區域之厚度相較於單吸收裝置可減小至一半。
在一個實施例中，在將基板結合至塑膠基板之後，主動裝置區域可藉由浸沒蝕刻(諸如，使用酸)自母晶圓剝離。
在另一個實施例中，申請人已發現一種恢復基板晶圓之原始表面品質以供晶圓再使用的非破壞性兩步清潔程序。此程序首先包含藉由乾式蝕刻步驟(諸如，藉由感應耦合電漿)預清潔基板表面以移除大部分污染物。隨後使用酸類蝕刻劑移除各種保護層直至蝕刻在蝕刻終止層處終止為止。隨後使用串酸(string acid)(例如，用於蝕刻終止層之經稀釋HCl酸(HCl：H2O(1：1)與用於保護層之磷酸蝕刻劑)移除蝕刻終止層。最終，達成完全蝕刻，從而允許此最後之表面清潔步驟提供高品質再生長界面。如圖2之原子力顯微鏡(AFM)影像中所展示，GaAs母晶圓基板表面在每一步驟之後展示均方根(RMS)表面粗糙度的變化，藉此提供此非破壞性兩步清潔程序之功效的證據。
在一個實施例中，光伏電池包含主動光伏區域，該區域包含可撓性結晶半導電電池。單接面半導電電池之非限制性實例包括InGaP、GaAs、InGaAs、InP或InAlP。可撓性結晶半導電電池通常具有範圍為2μm至10μm(諸如3μm至6μm)的厚度。
在另一個實施例中，光伏電池包含主動光伏區域，該區域包含多接面電池，諸如串接光伏(具有兩個子電池)、三接面電池(三個子電池)或甚至四接面電池(四個子電池)。
在一個實施例中，可使用極高效多接面(GaAs/InGaP)太陽能電池。此實施例之設計相對於習知多接面電池生長序列可倒置以適應無黏著劑冷焊製程中所使用之「倒置(upside down)」結合幾何結構；該結構包括25% GaAs電池架構。在此情況下，因為反射性全覆蓋歐姆接觸允許入射光兩次穿過裝置主動區域，故GaAs電池厚度可減小(諸如減小至2μm，該厚度為習知的基於基板之電池的近似50%)。主要焦點將在於最佳化串接PV結構以獲得最大效率，包括InGaP電池設計(層厚度、窗口層、層組成等)，改良堆疊中之元件之間的寬帶隙穿隧接面(tunnel junction；TJ)及完善此多接面電池之大面積上之多個剝離製程。
將使用n型材料於p型層之頂部上生長太陽能電池，而穿隧接面必須使用相反極性生長。因為碳並不如習知p摻雜劑Be一樣容易遷移至生長表面，故該等電池可在所有或若干p型層中使用碳摻雜。由於該等串接電池大體上受GaAs電池中之電流限制，故需要調整InGaP電池厚度以使InGaP電池與GaAs電池電流匹配。
在形成光伏電池之後，其在一個表面上塗佈有導電金屬塗層。金屬塗層之非限制性實例包括選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬，特別強調Au。在一個實施例中，支撐基板上之Au層具有範圍為100μm至500μm(諸如200μm至400μm)之厚度。
一旦藉由上文描述之非破壞性ELO製程自生長基板移除光伏電池，則藉由各種結合製程將光伏電池安裝於支撐結構上。舉例而言，主動光伏區域(不論是單接面還是多接面電池)可藉由直接附接結合製程應用至主體基板。此製程包含添加金屬層至主動區域及可撓性主體 基板之鄰接表面以及使用冷焊來結合該等層及表面。冷焊結合製程通常包括在室溫下將兩個表面按壓在一起以達成均勻結合界面。
如同單接面電池之情況一樣，可在生長-ELO-再使用循環之每一反覆之後以顯微鏡及化學方式檢驗多接面電池。可使用標準照明條件(AM1.5G光譜)但在多達10倍太陽光照強度之強度範圍內電測試包括抗反射塗層之完成的電池。待量測參數包括PCE、填充因數、開路電壓、短路電流、串聯及並聯電阻，如同單接面電池之情況一樣。
替代性直接附接結合製程可包括熱壓縮結合，此結合通常涉及施加較低壓力，但在高溫(亦即，高於金屬再結晶溫度)下進行。當可撓性基板具有低於用於直接附接結合製程中之金屬層之再結晶溫度的玻璃轉化及/或熔化溫度時，通常不使用此製程。
可使用的與ELO製程相關聯之用於結合金屬層之另一直接附接技術為使用低於典型冷焊製程之壓力及低於典型熱壓縮結合製程之溫度的熱輔助式冷焊結合製程。特定言之，熱輔助式冷焊可降低損傷半導體晶圓之或然性，藉此增加晶圓用於生長額外主動區域之再使用率。
本文中可使用之直接附接結合製程之非限制性實例包括冷焊、熱輔助式冷焊或熱壓縮結合。描述冷焊之美國專利申請公開案第US 2013/0037095號以引用之方式併入本文中。
藉由結合至諸如經Au塗佈之Cu箔的金屬箔基板、使用較便宜金屬用於冷焊(例如，用Ag而非Au)、降低HF消耗、減小保護層厚度及加速剝離製程，可實現額外成本降低。長期暴露至用於溶解AlAs犧牲層之HF限制了可使用之金屬主體基板的選擇。在一個實施例中，將可用於冷焊之Cu箔用於增加暴露於HF時的抵抗力，因為其使用可能比用諸如Au之貴金屬塗佈箔更為簡單。使用Cu箔之額外益處為其高熱導率(約4W cm-1℃-1)，該高熱導率可用以自經集光電池提取熱量。
用於加速ELO製程的太陽能電池條帶製造
為加速本文所描述之ELO製程，申請人已使用蝕刻步驟。詳言之，申請人已發現，當在磊晶層中蝕刻圖案直至AlAs犧牲層時，顯著改良達成ELO之時間。在一個實施例中，申請人已展示，若在形成光敏性電池之後及在先前描述之冷焊結合製程之前使用透過金屬遮罩圖案之反應性離子蝕刻形成直至犧牲層的平行的溝槽，則加速ELO製程。詳言之，因為不需要全面晶圓蝕刻，故使用此種修改之ND-ELO製程顯著減少了剝離蝕刻時間。實情為，蝕刻劑可進入狹窄條帶之間的溝槽以蝕刻AlAs犧牲層，且視條帶寬度而定，該製程可比全面晶圓蝕刻快約5倍至10倍。
圖3展示用於ELO處理之太陽能電池條帶的製造程序。使用條帶形薄膜太陽能電池以方便與單軸追蹤二維拋物線集光器整合，該集光器將在大面積上收集之光集中至具有較小面積之裝置。該集光器經由鏡面或透鏡將入射的平行日光光線聚焦至一點或一線。此外，可藉由使用各種形狀之太陽能電池(諸如圓形、矩形及六邊形等)來修改此製程以與雙軸追蹤三維拋物線集光器相容。
拋物線集光器製造
傳統的複合拋物線收集器(CPC)可能視CPC之設計受光角而僅提供約4X至10X之有限集中因數。另外，該等收集器需要高縱橫比，該高縱橫比難以使用真空模具以塑性變形技術製造。
為了用低縱橫比達成高集中因數，在一個實施例中，使用拋物線集光器陣列設計而非CPC。可藉由修改拋物線集光器之開口面積與太陽能電池條帶面積之比率來調整集中因數。
為製造拋物線集光器陣列，可使用真空模具及烘箱將可變形媒質(例如，聚合物)模製成圓柱形拋物線小型集光器。代替條帶形薄膜太陽能電池，亦可使用條帶形Si或多晶Si太陽能電池以方便與單軸追蹤二維拋物線集光器整合。集光器之設計與習知拋物線集光器相同， 但係由廉價塑膠製得。此係因為相較於習知大型集光器，其為按比例縮小版本。由於該等設計為2D形狀，故其僅需要追蹤單一軸線。
在一個實施例中，為製造此類集光器，使用Kapton®膠帶將聚對苯二甲酸乙二醇酯改質(PETG)之片材固定在基部處含有孔洞之金屬模具的頂部。歸因於PETG片之低玻璃轉化溫度(81℃)而使用0.75mm厚之PETG片用於集光器，使得其可藉由同時施加熱量及真空來成形。在經由孔洞施加真空的同時，將組合件置放於60℃下之烘箱中。在烘箱溫度升高至96℃時將PETG吸入模具中歷時約15分鐘，從而形成複合拋物線形狀。隨後冷卻集光器，之後自金屬模具拆卸集光器。
圖4(a)及圖4(b)展示真空模具之示意圖及圖片，且圖5(a)展示變形為與真空模具相同之形狀的塑膠。隨後，可將諸如Ag之高反射性金屬晶格沈積至圓柱形拋物線小型集光器之表面上。此實施例在圖5(b)中展示。亦可在此表面之邊緣上圖案化用於陰極及陽極之接觸襯墊以用於稍後之裝置整合。
此實施例之整個模製陣列可為極其輕量的(因為可使其完全由塑膠及金屬薄膜組成)且在完成時具有某種有限的可撓性。在反射表面面向上之情況下，集光器經設計以使得焦點線恰好位於集光器開口平面之中心處，從而允許完全收集入射至圓柱形拋物線小型集光器中之光。
在一實施例中，可撓性材料包含諸如聚醯亞胺之塑膠材料或金屬箔。支撐結構通常具有範圍為25μm至100μm(諸如40μm至60μm)的厚度。
當可撓性材料包含塑膠材料時，其通常在一個表面上具有導電金屬塗層。金屬塗層之非限制性實例包括選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬，特別強調Au。在一個實施例中，支撐基板上之Au層具有範圍為100μm至500μm(諸如200μm至400μm)之厚度。
薄膜太陽能電池與集光器之整合
在一個實施例中，可使用本文中先前描述之方法製得諸如聚合有機矽(例如，聚二甲基矽氧烷(PDMS))之彈性體印模。舉例而言，可製得已金屬化及冷焊結合至具有平行升高條帶之磊晶及金屬化表面的彈性體印模，該等條帶已被向下蝕刻至AlAs犧牲層。上文所描述之經修改ELO製程隨後可用於在此彈性體印模上形成薄膜太陽能電池條帶陣列。此實施例在圖6(a)中展示。接下來，太陽能電池之上表面經圖案化及金屬化以允許照明及來自該表面的接觸。用於陰極及陽極之接觸襯墊隨後經圖案化至該表面上，太陽能電池之陣列與該接觸襯墊冷焊結合以用於稍後之裝置整合。
隨後將彈性體拉伸至其長度之近似兩倍，且纏繞在圓筒周圍。此實施例在圖6(b)中展示。最後，將圓柱形拋物線小型集光器陣列安裝至線性傳送載物台，且與圓柱形拋物線小型集光器陣列相抵按壓圓筒(圖7)以完成整合。
線性傳送載物台為可固持圓柱形拋物線小型集光器陣列之載物台。在一個實施例中，此載物台可如圖7中所展示沿圓筒之輥壓方向以受控速度移動。
如圖7中所展示，在對彈性體印模之旋轉速度及集光器陣列之傳送速度進行精密控制的情況下，將在集光器陣列與結合太陽能電池的表面兩者上的用於陰極及陽極之接觸襯墊彼此對準及附接至彼此。
隨後與圓柱形拋物線小型集光器陣列之側面上之平坦表面相抵按壓條帶形太陽能電池之邊緣。藉由施加機械壓力而經由冷焊來結合太陽能電池及小型集光器陣列。
整合有小型集光器陣列之所得太陽能電池條帶在圖8中展示。此經整合裝置能夠在圓柱形拋物線小型集光器中收集全部正入射光且將其聚焦至太陽能電池條帶上。每一個別集光器之集中因數為拋物線集 光器之開口面積與太陽能電池條帶面積之比率。
結合至反射性及可撓性基板上之薄膜多接面電池提供了在不引入顯著額外成本之情況下整合太陽能收集器與薄膜電池的獨特機會。在一個實施例中，揭示一種由ELO單一電池或多接面電池組成之條帶，該條帶結合至較大可撓性反射薄膜之中心。隨後將薄膜模製(藉由置放於導熱或主動冷卻預成型坯中)成複合拋物線收集器(例如，CPC或Winston收集器)之形狀。此幾何形狀將平行太陽光線集中至其焦點處的電池條帶且將漫射光收集至受光錐內。
所使用之小集光之額外益處包括允許使用單軸追蹤(視收集器之定向，按天或按季度追蹤)，及與較高集光所需的冷卻相比簡化的被動冷卻。實際上，使用之極薄基板極大地簡化了熱傳遞：計算表明在10X集中及與被動冷卻之Cu散熱片相抵置放的25mm厚之KaptonTM基板的情況下，僅導致5℃至20℃之溫度上升，從而避免對於更激進之冷卻方法之需求。
在一個實施例中，揭示一種製備光伏裝置結構之方法，其包含：提供生長基板；在生長基板上沈積至少一個保護層；在保護層上沈積至少一個犧牲層；在犧牲層上沈積至少一個光敏性電池；蝕刻自至少一個光敏性電池延伸至犧牲層之至少兩個平行溝槽的圖案，其中該蝕刻引起結構表面形成延伸至犧牲層之交替溝槽及包含光敏性電池之平台區。
揭示之方法可進一步包含在至少一個光敏性電池上沈積至少一種金屬及將位於平台區上之光敏性電池結合至一主體基板。用於結合該等表面之方法的非限制性實例包括選自冷焊、熱輔助冷焊或熱壓縮結合之直接附接方法。
在一個實施例中，主體基板包含已使用選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬金屬化的彈性體材料，諸如聚二甲基矽氧烷 (PDMS)。
如先前所描述，彈性體材料可經輥壓成一環形印模以暴露包含光敏性電池之平行升高條帶之平台區，該等條帶已被向下蝕刻至犧牲層。彈性體材料在經輥壓成環形印模之前可經拉伸直至其大小之兩倍。
揭示之方法進一步包含蝕刻掉犧牲層以在該環形印模上形成薄膜太陽能電池條帶陣列。蝕刻方法之非限制性實例包括使犧牲層與濕式蝕刻劑、乾式蝕刻劑或其組合接觸。
舉例而言，濕式蝕刻劑可包含HF、H3PO4、HCl、H2SO4、H2O2、HNO3、C6H8O7及其組合，包括與H2O之組合。乾式蝕刻劑可包含使用電漿之反應性離子蝕刻(RIE)。
該方法可進一步包含在光敏性電池之表面上執行之選自圖案化、金屬化及組合之額外處理步驟。該等處理步驟在光微影技術中已知。
在一個實施例中，該方法進一步包含將至少一個圓柱形拋物線小型集光器陣列安裝至線性傳送載物台。圓柱形拋物線小型集光器陣列通常包含塑膠材料，諸如可在真空及加熱下經模製以形成圓柱形拋物線小型集光器陣列的醯胺。替代地，圓柱形拋物線小型集光器陣列可包含可撓性金屬。不論是塑膠還是金屬，圓柱形拋物線小型集光器陣列可具有範圍為10μm至250μm(諸如15μm至200μm，或20μm至150μm，或甚至25μm至100μm)的厚度。
此外，不論圓柱形拋物線小型集光器陣列為塑膠還是金屬，其皆可使用選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu中之至少一種金屬而金屬化。
為協助將太陽能電池整合至集光器陣列中，小型集光器陣列及太陽能電池可各自包含用於陰極及陽極的接觸襯墊，其中接觸襯墊在 控制彈性體印模之旋轉速度及集光器陣列之傳送速度的情況下彼此對準及附接至彼此。
一旦對準彈性體印模之旋轉速度及集光器陣列之傳送速度，方法接下來就涉及將位於環形印模上之至少一個光敏性電池結合至圓柱形拋物線小型集光器陣列以形成整合太陽能電池陣列。
所得圓柱形拋物線小型集光器陣列具有拋物線槽設計，該設計包含線性拋物線反射器，該反射器將光集中至沿反射器之焦線定位之光敏性電池上。在一個實施例中，光敏性電池及線性拋物線反射器具有相同曲率半徑以將反射損失降至最低。
薄膜條帶之磊晶剝離(ELO)
磊晶剝離(ELO)遭遇多種困難，本發明中所描述之製程解決該等困難。舉例而言，ELO常常為已展示花費極長時間(當前為每2"晶圓6小時至10天)的緩慢製程。晶圓處於剝離蝕刻劑(諸如HF)中之時間越長，出現越多難以移除之表面氧化(亦即，氧化砷)。由此，藉由縮短磊晶剝離時間，防止晶圓表面過度損傷。商業化將很可能使用較大晶圓，且ELO時間將大致隨晶圓直徑線性地增加。ELO在生產環境中可造成瓶頸。
另外，源材料利用率最終與給定反應器(亦即，MOCVD或MBE)之生長區域中由壓板中之晶圓覆蓋之區域有關，且通常受在具有給定大小之壓板上圓形之裝填限制。此效率之上限為90.7%(亦即，n/12)，此為圓形之最大裝填分率，但由於在反應器中晶圓大體上不碰觸且必須考慮到邊緣效應，因此75%之實際值係更可能的。舉例而言，如圖9中所展示，裝有以六邊形陣列平鋪的七個圓形晶圓91之圓形晶座92將填充晶座面積之約77%。第二實例為將19個晶圓裝填至圓形晶座中，產生76%之填充分率。應注意，大體上，沈積技術中遭遇其他材料使用損失。
圓形晶圓為用於製造太陽能面板陣列之難用形狀，因為需要丟棄晶圓之一部分來產生可有效填充面板之區域的正方形塊，可將完整晶圓用於最大化材料利用率，抑或可使用部分截斷之晶圓邊緣之折衷(導致具有圓角之正方形)以平衡晶圓利用率及面板效率之最佳化。大型晶圓與小晶圓或晶圓部分相比易碎且呈現較高斷裂風險。
條帶之減小的寬度將大幅提高剝離速度。該等條帶本身將較不容易斷裂(由於其較小大小及質量)，且將代表較小風險，此係因為單一斷裂條帶與整個晶圓相比便宜得多。
不同於條帶之另一最佳幾何形狀為正方形。在一個實施例中，將2"正方形置放在一起以填充壓板及導致5小時之蝕刻時間。但當完成時，將該等正方形緊密裝填至箔基板上以形成高效模組陣列。在此情況下，不需要或不使用集中。
在一個實施例中，描述一種製備光伏裝置之方法，該方法併入有前述製程之組合。舉例而言，製備光伏裝置之方法可包含：提供基板，諸如晶圓；將基板分解成複數個區段；將複數個薄膜層沈積至基板上；及使用本文所描述之磊晶剝離製程自至少一個薄膜層釋放基板。
在一個實施例中，複數個區段具有選自矩形及正方形之幾何形狀，如圖10中所展示。
將藉由以下非限制性實例進一步描述本文所描述之系統、裝置及方法，該等非限制性實例意欲僅為例示性的。
實例
以下實例展現一種完全非破壞性之ELO(ND-ELO)製程，該製程藉由使用插入於晶圓與磊晶之間的表面保護層來消除晶圓損傷。製得圖1中所展示之結構，且將本發明製程用於展現可如何結合電漿製程使用化學選擇性蝕刻劑移除表面保護層以及所有固有表面損傷。
詳言之，藉由使用稀釋氫氟酸選擇性地蝕刻AlAs犧牲層來剝離主動薄膜裝置區域。以下更詳細地描述磊晶層之細節，包括交替的GaAs-InGaP保護層及AlAs犧牲層。
如圖1中所展示，磊晶結構由依序的保護層、犧牲層及主動裝置層組成。藉由氣體源分子束磊晶法(GSMBE)在2吋直徑(100)之GaAs母晶圓上生長晶格匹配之InGaP(100nm)及GaAs(100nm)保護層及緩衝層。隨後在保護層上生長AlAs犧牲釋放層。接下來，以倒置次序生長主動裝置區域，以使得在結合至次級塑膠基板之後，可以裝置之習知定向製造裝置，藉此消除ELO裝置處理中常常使用之第二傳送步驟。
在圖1中展示整個磊晶生長結構，但該圖式中之倒置式GaAs太陽能電池結構可由其他倒置式高效III-V半導體太陽能電池結構取代。此結構中之背面鏡允許將光子反射回主動吸收區域以達成雙重吸收，藉助於此舉，在維持相同外部量子效率的同時，主動區域之厚度相較於單吸收裝置可減小至一半。
一旦GaAs基板結合至塑膠基板，則藉由浸沒在HF中歷時近似5小時以自母晶圓剝離主動裝置區域。為恢復基板晶圓之原始表面品質以供晶圓再使用，開發及使用以下完全非破壞性之兩步清潔程序。
首先，藉由感應耦合電漿預清潔表面以移除大部分污染物。將此清潔程序應用於經剝離薄膜以及基板，該等薄膜及基板在ELO製程後類似地被污染。隨後，使用以磷酸為主的蝕刻劑(H3PO4：H2O2：H2O(3：1：25))移除下部GaAs保護層直至蝕刻在InGaP層處終止為止。接下來，可經由在稀釋HCl酸(HCl：H2O(1：1))中蝕刻而移除InGaP層，稀釋HCl酸提供相對於GaAs生長緩衝層之完全蝕刻選擇率。熟知將稀釋HCl蝕刻用於經由移除天然氧化物製備準備用於磊晶的表面，從而允許此最後步驟之表面清潔提供高品質再生長界面。
在圖2中展示在每一步驟之後的均方根(RMS)表面粗糙度，從而 確認在清潔之後原始表面形態之恢復。隨後，分離的磊晶薄膜可經製造成太陽能電池。詳言之，圖2為GaAs母晶圓基板表面之原子力顯微鏡(AFM)影像，其展示在每一步驟之後的均方根(RMS)表面粗糙度(由彩條指示)。生長自次奈米表面粗糙度開始。然而，緊隨ELO之後蝕刻犧牲層，粗糙度提高一數量級。電漿清潔藉由移除顆粒降低表面粗糙度，同時由下伏GaAs保護層引發輕微物理損傷。濕式化學清潔用於移除剩餘InGaP。
出於說明及描述之目的，已提供對本文中之實施例之描述。其並不意欲為窮盡性的或限制本發明。特定實施例的個別元件或特徵一般不限於該特定實施例，但在適用時是可互換的，且可用於選定實施例中(即使未具體展示或描述)。其亦可能以多種方式進行變化。該等變化不應被視為脫離本發明，且意欲將所有該等修改包括在本發明之範疇內。

Claims (50)

  1. 一種用於執行一磊晶剝離之非破壞性方法，其包含：提供一生長基板；在該生長基板上沈積至少一個保護層；在該保護層上沈積至少一個犧牲層；在該犧牲層上沈積一光敏性電池；在該至少一個光敏性電池上沈積一金屬遮罩；透過該金屬遮罩執行一第一蝕刻步驟以在該光敏性電池中形成一圖案，其中該圖案延伸至該犧牲層；將該光敏性電池結合至包含彈性體材料之主體基板；及用一或多個第二蝕刻步驟移除該犧牲層。
  2. 如請求項1之方法，其中該生長基板包含GaAs或InP。
  3. 如請求項1之方法，其中該至少一個保護層與該生長基板晶格匹配。
  4. 如請求項3之方法，其中該至少一個保護層係選自GaAs、InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合。
  5. 如請求項4之方法，其中該至少一個保護層包含GaAs及InGaP之至少三個交替層。
  6. 如請求項1之方法，其中該至少一個保護層係藉由選自以下各者中之至少一個製程沈積：氣體源分子束磊晶法(GSMBE)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、固態源分子束磊晶法(SSMBE)及化學束磊晶法。
  7. 如請求項1之方法，其中該至少一個保護層包含一緩衝層、一蝕刻終止層或其組合。
  8. 如請求項1之方法，其中該一或多個第二蝕刻步驟包含使該犧牲層與一濕式蝕刻劑、一乾式蝕刻劑或其組合接觸。
  9. 如請求項8之方法，其中該濕式蝕刻劑包含HF、H3PO4、HCl、H2SO4、H2O2、HNO3、C6H8O7及其組合，包括與H2O之組合。
  10. 如請求項8之方法，其中該乾式蝕刻劑包含使用一電漿之反應性離子蝕刻(RIE)。
  11. 如請求項1之方法，其中該第一蝕刻步驟包含使用一電漿之反應性離子蝕刻(RIE)。
  12. 如請求項8之方法，其中該犧牲層包含AlAs，且該一或多個第二蝕刻步驟包含使該AlAs與HF接觸。
  13. 如請求項1之方法，其中該經蝕刻圖案包含已在該至少一個光敏性電池中蝕刻出的兩個或兩個以上平行的溝槽。
  14. 如請求項1之方法，其中該基板包含GaAs，且其中該至少一個保護層包含InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs。
  15. 如請求項1之方法，其中該至少一個光敏性電池包含一單接面或多接面電池。
  16. 如請求項1之方法，其中該結合包含直接附接法，其係選自冷焊、熱輔助式冷焊及熱壓縮結合。
  17. 如請求項1之方法，其中該主體基板包含經選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬金屬化之彈性體材料。
  18. 如請求項1之方法，其中該彈性體材料包含聚二甲基矽氧烷。
  19. 一種用於磊晶剝離之生長結構，其包含：一生長基板；在該生長基板上之至少一個保護層；在該保護層上之至少一個犧牲層；在該犧牲層上之至少一個光敏性電池；已自光敏性電池至該犧牲層蝕刻出至少一個圖案，其中該經蝕刻圖案包含兩個或兩個以上平行的溝槽；及至少一種金屬沈積在該光敏性電池上，其中該至少一種金屬係經結合至包含彈性體材料之主體基板。
  20. 如請求項19之生長結構，其中該生長基板包含GaAs，且該至少一個保護層係選自InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合。
  21. 如請求項20之生長結構，其中該至少一個保護層包含GaAs及InGaP之至少三個交替層。
  22. 如請求項19之生長結構，其中該犧牲層包含AlAs。
  23. 如請求項19之生長結構，其中該光敏性電池包含用於形成一光伏裝置之主動半導體層。
  24. 如請求項19之生長結構，其中該至少一個光敏性電池包含一單接面或多接面電池。
  25. 如請求項19之生長結構，其中該至少一個保護層包含一緩衝層、一蝕刻終止層或其組合。
  26. 如請求項19之生長結構，其中該基板包含GaAs，且其中該至少一個保護層包含InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs。
  27. 一種製備一光伏裝置結構之方法，其包含：提供一生長基板；在該生長基板上沈積至少一個保護層；在該保護層上沈積至少一個犧牲層；在該犧牲層上沈積至少一個光敏性電池；蝕刻自該至少一個光敏性電池延伸至該犧牲層之至少兩個平行溝槽的一圖案，其中該蝕刻引起該結構之表面形成延伸至該犧牲層之交替溝槽及包含該等光敏性電池之平台區；及將位於該等平台區之光敏性電池結合至包含彈性體材料之主體基板。
  28. 如請求項27之方法，其進一步包含以一或多個蝕刻步驟移除該至少一個犧牲層，以在該主體基板上形成薄膜太陽能電池條帶陣列。
  29. 如請求項27之方法，其中該結合包含選自冷焊、熱輔助式冷焊或熱壓縮結合之一直接附接方法。
  30. 如請求項28之方法，其中該主體基板包含已使用選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬金屬化的一彈性體材料。
  31. 如請求項30之方法，其中該彈性體材料包含聚二甲基矽氧烷。
  32. 如請求項30之方法，其中該彈性體材料經輥壓成一環形印模以暴露包含光敏性電池之平行升高條帶之該等平台區，該等條帶已被向下蝕刻至該犧牲層。
  33. 如請求項30之方法，其中該彈性體材料在經輥壓成一環形印模之前經拉伸多達其大小之兩倍。
  34. 如請求項33之方法，其進一步包含蝕刻掉該犧牲層以在該環形印模上形成一薄膜太陽能電池條帶陣列。
  35. 如請求項34之方法，其中該蝕刻包含使該犧牲層與一濕式蝕刻劑、一乾式蝕刻劑或其組合接觸。
  36. 如請求項35之方法，其中該濕式蝕刻劑包含HF、H3PO4、HCl、H2SO4、H2O2、HNO3、C6H8O7及其組合，包括與H2O之組合。
  37. 如請求項35之方法，其中該乾式蝕刻劑包含使用一電漿之反應性離子蝕刻(RIE)。
  38. 如請求項34之方法，其進一步包含在該光敏性電池之該表面上執行之選自圖案化、金屬化及組合之額外處理步驟。
  39. 如請求項34之方法，其進一步包含將至少一個圓柱形抛物面小型集光器陣列安裝至一線性傳送載物台。
  40. 如請求項39之方法，其中該小型集光器陣列及該等太陽能電池各自包含用於該集光器陣列及該等太陽能電池兩者上之陰極及陽極的接觸襯墊，其中在控制該彈性體印模之旋轉速度及集光器陣列之傳送速度的情況下，該等接觸襯墊彼此對準及附接至彼此。
  41. 如請求項39之方法，其中該等圓柱形抛物面小型集光器陣列包含具有範圍為25μm至100μm之一厚度的一塑膠材料或可撓性金屬。
  42. 如請求項41之方法，其中該塑膠材料包含在真空及加熱下經模製以形成圓柱形抛物面小型集光器陣列的醯胺，其中該醯胺係使用選自Au、Ag、Pt、Pd、Ni及Cu之至少一種金屬而金屬化。
  43. 如請求項39之方法，其進一步包含將位於該環形印模上之該至少一個光敏性電池結合至該圓柱形抛物面小型集光器陣列以形成一整合太陽能電池陣列。
  44. 如請求項43之方法，其中該圓柱形抛物面小型集光器陣列具有一拋物線槽設計。
  45. 如請求項44之方法，其中該拋物線槽包含一線性拋物線反射器，該反射器將光集中至沿該反射器之焦線定位之該光敏性電池上。
  46. 如請求項43之方法，其中該光敏性電池及該線性拋物線反射器具有相同曲率半徑。
  47. 如請求項27之方法，其進一步包含在蝕刻一圖案之前於該光敏性電池上沈積一金屬遮罩，其中該蝕刻一圖案包含使用一電漿透過該金屬遮罩進行反應性離子蝕刻(RIE)。
  48. 如請求項27之方法，其中該犧牲層包含AlAs。
  49. 如請求項27之方法，其進一步包含在沈積該至少一個保護層之前將該基板分解成複數個矩形及/或正方形區段。
  50. 如請求項49之方法，其中該基板包含一晶圓。
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