高比功率GaAs多结柔性薄膜太阳电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及砷化镓多结柔性太阳电池生产技术领域。
【背景技术】
[0002]我国的太阳电池发展迅速，其中GaAs太阳电池为航天事业承担着重要角色。目前GaAs多结太阳电池主要有以Ge和GaAs为衬底正装多结太阳电池，以及倒置结构的多结太阳电池，其中倒置多结太阳电池因为各结电池带隙较好的匹配全光谱，有助于太阳光吸收，使得其光电转换效率始终远远领先于其它太阳电池，备受人们的青睐。倒装太阳电池虽然转换效率较高，但因键合在Si片上，电池片的重量也不轻，导致重量比功率并不理想；加之使用衬底是刚性材料，应用范围局限于平整的基板。对于太阳电池空间来说，其中一种重要指标就是重量比功率，所以具有较高质量比功率的柔性太阳电池成为当前研究的一大热点。
[0003]如图1所示，现有的太阳电池生产步骤如下:
1、外延生长:
采用MOCVD设备在GaAs衬底上依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型InGaAs接触层完成外延片24的生长。
[0004]2、衬底转移:
在电池外延片24的底电池背部和导电类型为P型的转移Si衬底22正面，分别通过电子束依次蒸镀T1、Pt和Au层，再将蒸镀完电池外延片24与转移Si衬底22通过金属键合层23进行金属键合。
[0005]3、衬底剥离:
采用氨水、双氧水腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的GaAs衬底。
[0006]4、电极制作:
采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，在顶电池欧姆接触层上制备金属电极，并通过有机剥离将完成上电极26制作;在转移Si衬底22背面蒸镀制备下电极21。
[0007]5、减反射膜:
将完成选择性腐蚀的电池片，采用电子束蒸镀的方法蒸镀Ti02/Al203双层减反射膜25。
[0008]6、退火、划片、端面处理完成倒装太阳电池芯片制作。
[0009]这种GalnP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳电池目前效率最高的效率在32%左右，在光谱AM O下，标准光强为136.7mw/cm2，输出功率约为43.74 mw/cm2率；以面积12cm2的倒装三结电池芯片为例，电池质量2.25g，质量比功率1945w/kg，已接近理论值，离3000w/kg空间需求还有一定距离。
[0010]若能将衬底去除或者采用较轻衬底替代，结果可想而知，重量将大幅降低，相应空间飞行器的发射和运载成本将会得到很好的改善。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的不足，本发明目的是提出一种能减轻电池体重量、具有柔韧弯曲，从而提高重量比功率和扩大应用范围的GaAs多结柔性薄膜太阳电池。
[0012]本发明包括下电极，在下电极一侧设置电池外延层，在电池外延层上设置上电极和减反射膜;所述电池外延层包括N型GaAs接触层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型InGaAs接触层。
[0013]本发明产品仅上、下电极，加外延层和减反射膜，并无衬底支撑，具有较高的重量比功率和超薄性的特点，产品厚度仅约1?15μπι上，且输出功率互不影响、独立工作。另外，具有弯曲的特性，可大大增加太阳电池的应用范围。
[0014]进一步地，本发明在上电极和减反射膜上设置临时保护层，在临时保护层上设置临时柔性载体。
[0015]临时保护层的作用在于保护电池正面，避免因临时载体粘附的胶层残留在电池表面，影响柔性电池的表观和电学特性。在临时柔性载体只起到托运的作用，以确保在搬运过程中对产品的保护。使用时仅需通过简单的操作即可去除临时保护层和临时柔性载体。
[0016]为了便于粘合和分离，同时，不影响产品的柔性和硬度，所述临时柔性载体为UV膜、热剥离膜、PET衬底、PI柔性衬底或PEN衬底中的任意一种。
[0017]所述减反射膜为Ti02/Si02、Ti02/Al203、Ti02/Ta205、Ti02/Si3N4、Ti02/Ta205/Al203、Ti02/Ta205/Si02、Ti02/Si3N4/ Al2O3或Ti02/Si3N4/ S12多层结构中的任意一种，T12的厚度为1λ/4η，Τ&205的厚度为1λ/4η，Α1203的厚度为U/4n，Si02的厚度为lA/4n，Si3N4的厚度为Iλ/4η，其中λ为波长，单位nm;n为介质膜的折射系数。砷化镓多结太阳电池不仅利用可见光，不可见的紫外光和红外光仍然将其转换为电能，可以吸收从300nm到2000nm波段，这也就是砷化镓多结太阳电池高效性的特点。利用多层结构形成减反射膜的结构可以降低太阳光各个波段的反射率，从而太阳电池的光电转换效率。
[0018]所述下电极为Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、N1、In中的任意一种或几种，下电极的厚度大于Ιμπι。通过加压和400°C高温的作用，金属之间会相互扩散融合在一起，金属厚度不能小于lMi，避免因金属之间结合的力不够，造成下电极分层，影响太阳电池的电性能。
[0019]本发明另一目的是提出以上高比功率GaAs多结柔性薄膜太阳电池的制备方法。
[0020]本发明包括以下步骤:
1)生长外延片:在第一临时衬底上依次生长N型GaAs的缓冲层、GaInP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、GaInP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型InGaAs接触层；
2)在P型InGaAs接触层上制作金属键合层；
3)在第二临时衬底的正表面制作金属键合层；
4)衬底转移:将第二临时衬底的金属键合层与外延片的金属键合层压相对，通过金属键合，将外延片与第二临时衬底键合，取得键合好的电池片；
5)衬底剥离:去除键合好的电池片上外延片的第一临时衬底，直至露出GaInP腐蚀截止层；
6)上电极制作:去除所述GaInP腐蚀截止层，在N型GaAs接触层上制作上电极； 先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，蒸镀腔体温度小于100°c，在外延片上制备金属电极，并通过有机剥离形成上电极；
7)将外延片中N型GaAs接触层有选择性腐蚀去除上电极以外部分；
8)在外延片的上电极以外区域，采用电子束或PECVD沉积的方法在外延片上蒸镀减反射膜；
9)套刻将上电极一侧的减反射膜蚀刻开孔，高温退火形成欧姆接触；
10)涂柔性保护层后，使用化学溶液去除第二临时衬底；
11)划片:切除非电池区域部分留下完整电池芯片；
12)端面腐蚀:采用化学溶液将电池芯片侧面腐蚀清洗切割残渣颗粒，并去胶清洗。
[0021]本工艺简单，操作方便，不仅能有效地解决薄膜电池因为柔性衬底与外延层膨胀系数不一，而引起的电池表面鼓泡、失效的问题，而且能够减轻电池体重量，提高了该电池的重量比功率，减轻了火箭的发射和卫星的飞行负担。
[0022]本发明所述步骤2)中金属键合层采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In等金属材料的任意一种或几种。所述步骤3)中金属键合层采用Ag、Al、Au、T1、Pd、Pt、Ni或In金属材料的任意一种或几种。通过加压和400°C高温的作用，金属之间相互扩散融合紧密结合在一起，形成非常牢固的金属键，这样避免空间恶劣的环境引起太阳电池的失效或衰减。
[0023]在所述步骤9)后，于在上电极和减反射膜上制作临时保护层，然后再在临时保护层上设置临时柔性载体，再去除第二临时衬底。以此在上电极和减反射膜上设置临时保护层，在临时保护层上设置临时柔性载体。在临时柔性载体只起到托运的作用，以确保在搬运过程中对产品的保护。使用时仅需通过简单的操作即可去除临时保护层和临时柔性载体。
[0024]所述临时柔性载体采用UV膜、热剥离膜、PET衬底、PI柔性衬底或PEN衬底中的任意一种。
[0025]本发明所述步骤3)中，临时衬底正面有机清洗。键合层蒸镀前后注意晶片表面的洁净程度，如有颗粒或蒸镀过程溅金属，键合时会引起衬底剥离后芯片表面的鼓起或者碎
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[0026]在所述步骤6)中，在电池表面制作电极栅线图形时，必须注意表面的洁净，电极图形具有一定的垂直性，避免栅线电极在退火是无法有效融合，影响电极的牢固性，从而导致电池的可靠性影响！
在所述步骤7)中，选择性腐蚀两面同时蚀刻，注意溶液配制的量，避免刻蚀的不均匀现象。
[0027]在所述步骤10)中，在临时载体贴片时，注意需从一边均匀擀膜，避免有气泡影响粘附效果，另外，压合的压力不宜过大，否则电池破片影响其成品率。
[0028]在所述步骤13)中，临时载体移除前，保证电池与基板粘附平整，牢固后方可移除临时载体，且温度不宜超过200°C，避免载体剥离后残余物难以去除。
[0029]本发明关键在于使用倒装电池结构，键合层金属经过临时衬底剥离后作为电池的下电极;其次，采用具有热敏作用的柔性临时载体，该薄膜衬底具有一定硬度可以支撑剥离下来的电池体，另外具有柔韧性可以弯曲，便于电池非平面的粘结，更重要的是加热到特定的温度将会使之粘性失效，让电池体与载体自然分离，并且表面不会有任何残留物，使仅仅10微米多厚电池体完成器件制作，达到零衬底的电池结构。
【附图说明】
[0030]图1为现有技术广品的结构不意图。
[0031]图2为本发明制作过程中的外延片结构示意图。
[0032]图3为本明产品临时柔性载体未去除的结构示意图。
[0033]图4为本明广品的结构不意图。
[0034]图5为本明产品的平面示意图。
【具体实施方式】
[0035]—、生产工艺:
1、外延片生长:
采用MOCVD设备在厚度为350μπι的GaAs衬底10上依次生长N型GaAs的缓冲层11、GaInP腐蚀截止层12、N型GaAs接触层13、GaInP顶电池14、第一隧穿结15、GaAs中电池16、第二隧穿结17、InGaAs底电池18和P型InGaAs接触层19，