一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，属于薄膜太阳能电池制造领域，适用于地面高效聚光发电系统，同时由于其高效轻质量等特性是目前空间电源的首选。该方法首先采用两片单晶硅片氧化、键合、抛光后制备成超薄硅衬底，利用金属有机气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方法生长Ge-Si缓冲层和多结太阳能电池材料，然后正面采用光刻胶保护，背面采用化学腐蚀进行减薄，最后制备成电池。该发明以柔性的超薄硅作为最终衬底，能获得极大的比功率（>2000W/Kg），大大降低空间电源的发射成本，同时其卷曲的特性能够更加适应地面特殊环境的发电，加快太阳能发电的应用和发展。
【专利说明】 一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，属于薄膜电池制造领域。【背景技术】
[0002]GaAs电池具有稳定性好、抗辐照能力强、光电转换效率最高等特特点，是一种最具潜质的空间能源产品。目前，美日欧等西方发达国家竞相开发高效、轻质的GaAs薄膜电池，满足各自航天军事领域以及未来太空电站建设的需要；同时柔性的高效砷化镓电池也能满足地面的特殊应用。GaAs是一种直接带隙半导体材料，可以做成多结电池，有效提高光电转换效率。
[0003]传统的GaAs/Ge电池，由于基底米用嫁、错等兀素的稀有，外延设备和工艺复杂，使得高效GaAs电池不但制造成本高昂，而且质量大，难以实现大规模应用，尤其是航天事业。而Si基GaAs电池，由于硅元素在地壳中储量极为丰富，提炼难度较少，生产成本较低，可用于开发低成本的多结高效GaAs电池，同时轻、薄且柔性的基底能满足未来卫星、空间站以及太空(月球)基地建设的大规模能源供应需要。因此，开发高效、低成本的柔性多结GaAs薄膜电池是未来航空航天的必然选择。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于:提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，制备出薄膜电池总厚度约为50微米，柔性、可卷曲，比功率大于2000W/Kg的优质电池，该电池在航天电源领域有着独特的优势，同时其高效、柔性的特点也在地面移动电源如单兵作战等领域有特殊应用。同时，以单晶硅替代单晶锗、单晶砷化镓作为衬底，能大大降低多结砷化镓电池的成本。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，包括以下步骤:
1)在850°C-900°C的温度下，干氧氧化30min-60min，在硅衬底A和硅衬底B上分别生长SiO2层；所述SiO2层的厚度为20nm-50nm ；
2)经过清洗后将硅衬底A的SiO2层界面和硅衬底B的SiO2层界面键合，然后从室温升温至 750°C _850°C，然后在 750°C _850°C热处理时间 60min_120min ；
3)热处理后，经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A的厚度减薄，制备成厚度小于48微米的超薄硅衬底A ；
4)经过清洗后，采用超高真空化学气相沉积，在600°C-700°C的温度下在超薄硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层；所述Ge-Si缓冲层的厚度为1_2微米；
5)然后采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层；
6)采用光刻胶将硅衬底A层、Ge-Si缓冲层、Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层包覆，采用碱腐蚀去除下表面硅衬底B，采用氢氟酸腐蚀去除SiO2层;
7)去除光刻胶；
8)制作电极，电极加固；
9)镀减反射膜层。
[0006]其中，步骤I)中所述硅衬底A优选为半导体级P型硅，硅衬底B优选为太阳能级P型硅。
[0007]步骤I)中所述SiO2层厚度优选为40nm-50nm。
[0008]步骤2)中所述室温优选20°C -25°C。
[0009]步骤3)中所述超薄硅衬底A的厚度优选为40微米-48微米。
[0010]步骤4)中所述Ge-Si缓冲层优选Ge的组分含量由内至外按比例增加，Si的组分含量由内至外同比例减少，实现从Si到Ge的过渡；其中靠近超薄硅衬底A的一侧为内。
[0011]步骤6)优选腐蚀硅衬底B采用质量浓度为20%_50%的KOH溶液，腐蚀SiO2层采用质量浓度为10%-20%的HF溶液。
[0012]步骤8)所述制作电极优选为:上下表面的电极采用蒸镀技术或者激光转印技术来制备，上表面电极材料是银，图形为栅线结构；下表面电极材料为铝，全部覆盖。
[0013]步骤9)所述减反射膜优选为硫化锌和氟化镁的双层减反射膜结构。
[0014]与现有技术相比，本发明的优势是:
1、本发明的方法可以制备出薄膜电池总厚度小于50微米，柔性、可卷曲，单片面积可以大于80cm2，转换效率超过30%，比功率大于2000W/Kg的超薄高效电池。
[0015]2、本发明的方法制备的电池在航天电源领域有着独特的优势，同时其高效、柔性的特点也在地面移动电源如单兵作战等领域有特殊应用。
[0016]3、本发明的方法制备的电池以单晶硅替代单晶锗、单晶砷化镓作为衬底，能大大降低多结砷化镓电池的成本。
[0017]4、本发明的方法制备的电池以柔性的超薄硅作为最终衬底，能获得极大的比功率(>2000ff/Kg),大大降低空间电源的发射成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是超薄硅衬底的制备流程示意图；
图2是柔性硅基砷化镓薄膜电池的制备流程示意图；
图3是本发明制备的柔性硅基砷化镓薄膜电池的结构示意图；
其中，I是娃娃片A, 2是娃娃片B, 3是SiO2层,4是减薄后的娃片A (厚度〈48um), 5是Ge-Si缓冲层,6是外延层,7是光刻I父，8是正面电极，9是背面电极，10是减反射膜层；11是欧姆接触层，12是窗口层，13是GaInP电池，14是隧道结，15是GaAs电池，16是Ge电池，17是键合后的SiO2层。
【具体实施方式】
[0019]为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
[0020]实施例1:如图1和图2所示，本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，包括以下步
骤:
I)采用热氧化法，在硅衬底A和硅衬底B上生长50nm厚的SiO2层，温度900度；2)经过15%的HCl溶液洗后，兆声处理，然后将硅衬底A和B的Si02界面在键合设备中完成键合，然后从室温逐渐升温至850°C，在850°C下热处理时间60min ；
3)经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A减薄至45-48微米厚，制作成超薄硅衬底A；
4)清洗后采用超高真空CVD(VHT-CVD)，650度，在硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层2微米；
5)采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层。(如图3所示)
6)采用光刻胶将上表面及侧面进行保护，采用20%KOH溶液腐蚀下表面硅衬底B，采用10%氢氟酸腐蚀SiO2层；
7)去除光刻胶；
8)采用激光转印技术印刷正面Ag电极和背面Al背场，烘干炉600度下电极加固。
[0021]9)镀 ZnS、MgF4 减反射膜。
[0022]电池的最终结构示意图如图3所示，性能对比数据见表1。
[0023]表1电池性能对比实验数据
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实施例2:
本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，包括以下步骤:
1)在硅衬底A和硅衬底B上生长30nm厚的SiO2层，温度850度；
2)经过20%的HCl溶液洗后，兆声处理，然后将硅衬底A和B的SiO2界面在键合设备中完成键合，然后从室温逐渐升温至800°C，800°C热处理时间为120min ；
3)经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A减薄至40微米厚，制作成超薄硅衬底A；
4)清洗后采用超高真空CVD(VHT- CVD), 700度，在硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层2微米；
5)采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层。(如图3所示)
6)采用光刻胶将上表面及侧面进行保护，采用50%KOH溶液腐蚀下表面硅衬底B，采用20%氢氟酸腐蚀SiO2层； 7)去除光刻胶；
8)采用激光转印技术印刷正面Ag电极和背面Al背场，烘干炉600度下电极加固。
[0024]9 )镀 ZnS、MgF4 减反射膜。
[0025]电池的最终结构示意图如图3所示，性能同实施例1。
[0026]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，包括以下步骤: 1)在850°C-900°C的温度下，干氧氧化30min-60min，在硅衬底A和硅衬底B上分别生长SiO2层；所述SiO2层的厚度为20nm-50nm ； 2)经过清洗后将硅衬底A的SiO2层界面和硅衬底B的SiO2层界面键合，然后从室温升温至 750°C _850°C，然后在 750°C _850°C热处理时间 60min_120min ； 3)热处理后，经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A的厚度减薄，制备成厚度小于48微米的超薄硅衬底A ； 4)经过清洗后，采用超高真空化学气相沉积，在600°C-700°C的温度下在超薄硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层；所述Ge-Si缓冲层的厚度为1_2微米； 5)然后采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层； 6)采用光刻胶将硅衬底A层、Ge-Si缓冲层、Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层包覆，采用碱腐蚀去除下表面硅衬底B，采用氢氟酸腐蚀去除SiO2层; 7)去除光刻胶； 8)制作电极，电极加固； 9)镀减反射膜层。
2.根据权利要求1所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤I)中所述硅衬底A为半导体级P型硅，硅衬底B为太阳能级P型硅。
3.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤I)中所述SiO2层厚度为40nm_50nm。
4.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤3)中所述超薄硅衬底A的厚度为40微米-48微米。
5.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤4)中所述Ge-Si缓冲层中Ge的组分含量由内至外按比例增加，Si的组分含量由内至外同比例减少，实现从Si到Ge的过渡；其中靠近超薄硅衬底A的一侧为内。
6.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤6)腐蚀硅衬底B采用质量浓度为20%-50%的KOH溶液，腐蚀SiO2层采用质量浓度为10%_20%的HF溶液。
7.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤9)所述减反射膜为硫化锌和氟化镁的双层减反射膜结构。
【文档编号】H01L31/18GK103489958SQ201310376522
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】刘文峰, 成文, 姬常晓 申请人:湖南红太阳光电科技有限公司