专利名称：一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜太阳能电池，更确切地说，提供了一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法，属于薄膜太阳能电池及其制造工艺的技术领域。
背景技术：
现有的量产半导体太阳能电池，主要采用多晶硅、非晶硅等材料制作，为保证薄膜电池工艺要求的高平整度，保证沉淀过程中平板电极电池的均勻性与一致性，制作的薄膜电池其衬底一般采用刚性材料。由于使用硬衬底，造成该薄膜电池是刚性的，不能满足有弧度表面如气球、飞艇等非平面材料上的应用，限制了其使用范围。另一方面，由于硬衬底的材料一般为玻璃、树脂、金属或其他刚性材料，具有较高的密度和较大的体积，导致薄膜电池整体重量较大。一个传统的薄膜太阳能电池外延层仅有10 μ m左右有效，而支撑的衬底却有300-500 μ m厚，使该薄膜电池95%以上的重量是无效的。如何能将薄膜太阳能电池的有效层剥下，并转移至更为轻薄的柔性衬底上，减轻薄膜电池重量，实现薄膜电池的轻量化和柔性化，就成为学者亟待解决的问题。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法。这种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法，其具体步骤如下(1)、首先在硬性衬底上生长沉积出一层腐蚀牺牲层；(2)、在已生长好的腐蚀牺牲层上沉积生长出一层太阳能电池层；太阳能电池层的底部是隔离层；(3)、然后加热已制作出的太阳能电池层和支撑层，在该太阳能电池层的表面连接一支撑层；支撑层通过受热融化与太阳能电池层连接，停止加热、自然冷凝至常温后固定在太阳能电池层表面；0)、将带有支撑层的太阳能电池层置于塑料或聚四氟烧杯中，加入选择性腐蚀液浸泡，使太阳能电池层与硬性衬底之间的腐蚀牺牲层被完全腐蚀去除；(5)、从硬性衬底中剥离的太阳能电池层在支撑层的作用下，转移并固定至柔性衬底上；最后采用溶解剂把固定于太阳能电池层表面的支撑层溶解去除。经过以上步骤即可实现薄膜太阳能电池衬底的剥离与转移，得到柔性衬底的薄膜太阳能电池。其中，所述的沉积生长过程均是通过使用分子束外延或金属有机物化学气相沉积方法实现的，通过这种方法可以使生长沉积的材料层有较高的均勻性和平整度。本发明中太阳能电池为砷化镓多结太阳能电池；本发明中腐蚀牺牲层材料为砷化铝。不同的薄膜太阳能电池使用不同的腐蚀牺牲材料，对于上述的砷化镓太阳能电池，腐蚀牺牲层优选砷化铝为腐蚀牺牲层材料。所述太阳能电池层厚度为5-10 μ m,腐蚀牺牲层厚度为0. 5 μ m。
太阳能电池层底部的隔离层为半绝缘半导体材料或半导体p-n结；隔离层可以将薄膜太阳能电池内部与腐蚀牺牲层隔离开来，避免后续操作对电池性能产生影响。所述的选择性腐蚀液为氢氟酸。在常温下，氢氟酸具有强腐蚀性，能在简单的反应装置中把腐蚀牺牲层材料砷化铝腐蚀完全，实现太阳能电池层与硬性衬底的剥离，这里选择性腐蚀液浸泡去除腐蚀牺牲层的条件是在常温下浸泡6-8小时。所述的支撑层材料为黑蜡或凝胶，其中凝胶是一种常温下为固体的高分子材料。 黑蜡和凝胶在常温下是固体，受热融化所需温度不高，并与相关半导体工艺兼容，易于连接到薄膜太阳能电池表面，能够起到良好支撑作用。所述的柔性衬底材料为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或者金属薄膜。这些柔性材料与薄膜电池材料层的连接是通过范德华力或者工业粘接剂方式实现的。如此就实现了把太阳能电池层转移至柔性衬底上。所述的溶解剂是一种除蜡剂，是一种用于溶解蜡的专用溶剂，能把附着在薄膜太阳能电池表面的黑蜡或凝胶去除干净。本发明的有益效果在于本发明提供了一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移技术，实现电池的轻量化和柔性化。与硬性衬底相比，柔性衬底密度较少、比重较轻、形状可随具体应用材料的形状相应改变，能满足有弧度表面如气球、飞艇等非平面材料上的应用，使通过衬底的剥离与转移技术制作出的薄膜太阳能电池在保证高平整度前提下实现更轻薄、 应用范围更广泛。
图1为薄膜太阳能电池各层材料依次在硬性衬底上沉积生长的示意图。图2为太阳能电池层与硬性衬底剥离过程的示意图。图3为薄膜太阳能电池衬底转移及最终成品形成的示意图。
具体实施例方式下面结合
为本发明具体实施例作具体说明。如图1到图3所示，一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法，其具体步骤如下1、选择一种硬性衬底1，常用硬性衬底1为GaAs衬底，厚度在300-500 μ m之间，其光滑度和硬度能保证沉积生长在上面的材料层有高平整度和精密度。采用分子束外延(MBE)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法把材料砷化铝 (AlAs)沉积生长在硬性衬底1上，形成一层厚度为0. 5 μ m的腐蚀牺牲层2。腐蚀牺牲层2 并非成品电池所包含的结构，是为实现后续的剥离转移技术而插入的材料层。2、太阳能电池层3的制作。该薄膜太阳能电池底层还包括一层用于与腐蚀牺牲层 2分隔的隔离层6，因此先在腐蚀牺牲层2表面采用分子束外延(MBE)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长沉积出一层半导体p-n结或半绝缘半导体材料作为隔离层6。然后采用同样的沉积生长方法在隔离层6上制作出薄膜太阳能电池完整结构，形成一厚度为5-10 μ m的太阳能电池层3。本发明中所制作的太阳能电池层特指一种砷化镓多结太阳能电池层3，这种半导体材料制成的多结太阳能电池层3能对太阳光的分段多次吸收，提高光电转换效率。
3、支撑层4的制作。由于太阳能电池层3很薄，仅有5-10 μ m，将其从硬性衬底上剥离后，若没有硬性的支撑，薄膜会非常易碎，不能进行夹持和转移等操作。因此，首先需要使用支撑层材料进行支撑。具体做法是加热已制作出的太阳能电池层3和支撑层4，然后将支撑层材料熔化在太阳能电池层3表面，与太阳能电池层3连接。停止加热，自然冷却后支撑层材料凝固在太阳能电池层3表面形成支撑层4。本发明支撑层4采用的材料为黑蜡(Apiezon wax)或凝胶，其中凝胶是一种常温下为固体的高分子材料，本发明中采用的是Apiezon的Wax W系列的黑蜡。两种支撑层材料都具有受热易融化，冷却至常温又变为固体的特点，并且与薄膜太阳能电池材料能良好兼容，有专用溶解剂可方便除去，因此本发明中优选黑蜡或凝胶作为支撑层4材料。4、腐蚀牺牲层2的去除与硬性衬底1的剥离。将带有支撑层4的太阳能电池层3 静置于塑料或聚四氟烧杯中，加入选择性腐蚀液在常温下浸泡6-8小时。针对本发明中腐蚀牺牲层2材料优选氢氟酸(HF)作为选择性腐蚀液，其具有强腐蚀性，能与腐蚀牺牲层2 中的砷化铝(AlAs)起化学作用，使AlAs溶解于HF中并从硬性衬底1上脱离。与此同时， 薄膜太阳能电池3包括底部隔离层6不溶解于HF，保证太阳能电池层3的结构不受HF的腐蚀。随着腐蚀牺牲层2的不断溶解脱离并最终被腐蚀完全，也随之实现太阳能电池层3与硬性衬底1的完全剥离。不同的薄膜太阳能电池其腐蚀牺牲层2材料也有所不同，因此选用的选择性腐蚀液也不同，原则上选择性腐蚀液要能快速溶解腐蚀牺牲层2而不会伤害太阳能电池层3。5、太阳能电池层3的转移与支撑层4的去除。从硬性衬底1中剥离的太阳能电池层3在支撑层4的作用下，转移并固定至柔性衬底5上，最后采用溶解剂把固定于太阳能电池层3表面的支撑层4溶解去除。其中，柔性衬底5为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或者铝箔等金属薄膜。这些柔性材料5与太阳能电池层的连接是通过范德华力或者工业粘接剂方式实现的，本发明中所使用的工业粘接剂为Epoxy Tech 301-2胶。其中的溶解剂是一种除蜡剂，溶解蜡的专用溶剂，能把附着在太阳能电池层3表面的黑蜡或凝胶去除干净。经过以上步骤即可实现薄膜太阳能电池衬底的剥离与转移，得到带柔性衬底5的薄膜太阳能电池。剥离后的硬性衬底1可循环使用，回收后可再次用于材料生长。
权利要求
1.一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移方法，其具体步骤如下(1)、首先在硬性衬底上沉积生长出一层腐蚀牺牲层；(2)、在已生长好的腐蚀牺牲层上沉积生长出一层太阳能电池层；太阳能电池层的底部是隔1 层；(3)、在太阳能电池层的表面设一支撑层，加热太阳能电池层和支撑层，支撑层通过受热融化与太阳能电池层连接，停止加热、自然冷凝至常温后固定在太阳能电池层表面；G)、将带有支撑层的太阳能电池层置于塑料或聚四氟烧杯中，加入选择性腐蚀液浸泡，使太阳能电池层与硬性衬底之间的腐蚀牺牲层被完全腐蚀去除；(5)、从硬性衬底中剥离的太阳能电池层在支撑层的作用下，转移并固定至柔性衬底上；最后采用溶解剂把固定于太阳能电池层表面的支撑层溶解去除。
2.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的沉积生长过程均是通过使用分子束外延或金属有机物化学气相沉积方法实现的。
3.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的太阳能电池为砷化镓多结太阳能电池；所述的腐蚀牺牲层材料为砷化铝；所述的隔离层为半绝缘半导体材料或半导体p-n结；所述的选择性腐蚀液为氢氟酸。
4.根据权利要求3所述的剥离转移方法，其特征在于所述选择性腐蚀液浸泡去除腐蚀牺牲层的条件是在常温下浸泡6-8小时。
5.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的太阳能电池层厚度为 5-10 μ m,所述的腐蚀牺牲层厚度为0. 5 μ m。
6.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的支撑层材料为黑蜡或凝胶。
7.根据权利要求6所述的剥离转移方法，其特征在于所述的凝胶是一种常温下为固体的高分子材料。
8.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的柔性衬底材料为聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或者金属薄膜。
9.根据权利要求8所述的剥离转移方法，其特征在于所述的柔性材料与太阳能电池材料层的连接是通过范德华力或者工业粘接剂方式实现的。
10.根据权利要求1所述的剥离转移方法，其特征在于所述的溶解剂是一种除蜡剂。
全文摘要
本发明涉及一种薄膜太阳能电池衬底的剥离转移技术，其具体步骤如下首先在硬性衬底上沉积生长出一腐蚀牺牲层；然后在已生长好的腐蚀牺牲层上沉积生长出太阳能电池层；在太阳能电池层上加热黑蜡融化并自然冷凝至常温后固定在太阳能电池层表面形成支撑层，将带有支撑层的太阳能电池层置于选择性腐蚀液在常温下浸泡6-8小时，使太阳能电池层与硬性衬底之间的腐蚀牺牲层被完全腐蚀去除；从硬性衬底中剥离的太阳能电池层在支撑层的作用下，转移并固定至柔性衬底上；最后采用溶解剂把固定于太阳能电池层表面的支撑层溶解去除。本发明实现太阳能电池的轻量化和柔性化，扩大了薄膜太阳能电池的应用范围。
文档编号H01L31/20GK102157623SQ20111005403
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者冯成义, 崔国新, 张宇翔, 张耀辉, 李文, 殷志珍, 黄寓洋 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所