专利名称：多结太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多结太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
作为一种清洁能源，太阳能电池一直是最有活力的研究领域。太阳能电池大致可分为三代。第一代为硅晶电池，可大致分为单晶硅和多晶硅两种，其商业应用的历史最长。 第二代为薄膜太阳能电池，主要构成材料为非晶硅与二六族化合物半导体，常被运用于建筑一体化光伏发电。第三代即为以砷化镓太阳能电池为代表的高效多结太阳能电池，其运用于太空领域已有较长的历史，但由于砷化镓电池的价格相对高昂，因此过去很少被用于地面及家庭消费。为了降低砷化镓的高昂价格所带来的成本压力，近年来提出在砷化镓电池上搭配聚光光学单元而构成高倍聚光光伏组件，以利用较少面积的砷化镓电池吸收较大面积的太阳光(一般大于100 : I) O此外，为了获得更高的对太阳光的转化效率，使用覆盖不同光谱的多结材料体系来形成电池。其中，出于晶格匹配的原因，技术较为成熟的一种多结砷化镓电池由 GaInP (磷化镓铟，或称镓铟磷)、GaAs (砷化镓，或称镓砷)和Ge组成。如图I所示，主流的在产技术三结砷化镓电池中具有三个子电池，分别为GalnP、 GaInAs和Ge子电池。各子电池覆盖太阳光谱的不同波段，其中Ge对应O. 67eV(因此能吸收太阳光谱中的波长较长的波段而发电)，GaInAs对应I. 42eV(因此能吸收太阳光谱中的波长在中间的波段而发电)，而GaInP对应I. 85eV (因此能吸收太阳光谱中的波长较短的波段而发电)。由于Ge的带隙较低，对应IeV附近的太阳光谱波段(B卩，从右至左数第三个阴影区域)未被有效利用，因此，在标准的AM1.5太阳光谱(该光谱标准由ASTM制定，大约相当于晴天时太阳在水平面上方41. 81度入射时所得到的太阳光谱)下，目前GalnP/GalnAs/ Ge三结电池能实现的转化效率约为32%。因此，如图I所示，虽然还未达到商业生产，但已经提出对上述三结砷化镓结构的改进。其中构思一为使用对应I. 25eV的新材料代替I. 42eV的GaAs，使得未被有效利用的波段减少。而构思二则直接在Ge子电池与GaAs子电池之间插入带隙约等于I. OeV的新材料。由此，构思二的各子电池对应吸收图I左侧部分所示的太阳光谱的从O. 7eV到4eV左右的各个波段=GaInP层吸收I. 85_4eV波段，然后GaAs层吸收透过来的I. 42-1. 85eV波段， 然后Y材料层吸收透过来I. 0-1. 42eV波段，最后Ge层吸收透过来的O. 67-1. OeV波段光线的能量。尽管有上述的改进，本申请的发明人注意到上述改进均旨在提高整个电池的转化效率，而基本未涉及成本的降低。具体地说，无论是现在已在生产的由GaInP、GaAs和Ge组成的三结电池，还是已提出构思的理论上可获得更高转化效率的两种改进方案，它们均在底部使用Ge子电池，即由较厚的Ge晶片衬底制成Ge子电池,然后依次气相沉积出GaAs以及GalnP。但由于Ge资源本身的稀少，以及少数公司(比利时的Umicore以及美国的AXT)垄断锗晶片的生产，使得 Ge晶片的价格十分昂贵，导致上述的三种方案的电池的成本难以下降。因此，在CN101859814中，提出在硅衬底上生长InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池的方法以避开对较厚的Ge衬底的使用。但是正如该文献所述，由于要处理由于Si和Ge之间的晶格失配问题，该方案的生长技术相当复杂，需要生长出应力过渡层和应力完全驰豫层。因此，替代地，本申请的发明人想到用价格较低的硅材料直接替代上述Ge子电池，以机械压合形成的导电连接代替基于气相沉积技术的需要晶格匹配的接触层，从而在工艺不明显复杂的情况下消除对Ge晶片的使用，而显著地降低电池的成本。同时Si子电池对应I. 12eV的波段，对太阳光谱中位于I. 42eV和I. 12eV的波段的光子的利用也比Ge 子电池更加充分。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中存在的缺陷和问题的至少一个方面。相应地，本发明的目的之一在于提供一种多结太阳能电池，包括由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池，并且GaAs子电池上具有第一金属图案；Si子电池，其具有第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应；通过机械压合由所述第一金属图案与所述第二金属图案构成的导电粘结层，所述导电粘结层使所述Si子电池与所述GaAs子电池形成的导电连接。此外，本发明还提供一种制造多结太阳能电池制造方法，包括形成由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池；形成Si子电池；在GaAs子电池上形成第一金属图案； 在Si子电池上形成第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应; 机械压合步骤将所述第一金属图案与所述第二金属图案对准，通过机械压合使所述第一金属图案与所述第二金属图案形成导电粘结层，所述导电粘结层使所述Si子电池与所述 GaAs子电池形成导电连接。同时由于不再需要使用价格昂贵的锗衬底，本发明的多结电池可以以较低的成本制造，同时不需要过于复杂的生长工艺，并且可以重复利用之前剥离下来的GaAs衬底(这意味着由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池的制造不会产生过高的成本)。进一步地，本发明提供一种多结太阳能电池，包括第一子电池，所述子电池具有第一金属图案；第二子电池，其具有第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应；其中所述第一子电池和所述第二子电池对应不同的太阳光谱波段；通过机械压合由所述第一金属图案与所述第二金属图案构成的导电粘结层，所述导电粘结层使所述第一子电池与所述第二子电池形成的导电连接。由此，通过金属材料的机械压合，本发明的多结太阳能电池可有效解决异结电池之间的接触问题。上述异结电池之间的接触通常因为生长时需要考虑的晶格失配问题而难以实现或者受到严重的材料选择上的限制。
图I示出现有技术的多结太阳能电池各子电池与太阳光谱各波段的对应关系。图2示出本发明多结太阳能电池主视图。
图3示出制造本发明的多结太阳能电池的步骤。图4示出有可能在本发明的多结太阳能电池制造方法中用作牺牲层的材料的相
关参数。图5示出根据优选实施例的牺牲层的具体结构。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。参考图2，示出根据本发明的多结太阳能电池，其包括由GaAs子电池120和GaInP子电池130构成的双结电池，并且GaAs子电池120上具有厚度约500nm的第一金属图案121 (图3a中示出);Si子电池110，其具有厚度约500nm 的第二金属图案111 (图3a中示出)，所述第二金属图案111与所述第一金属图案121至少部分对应；通过机械压合由所述第一金属图案121与所述第二金属图案111构成的导电粘结层180，所述导电粘结层180使所述Si子电池110与所述GaAs子电池120形成导电连接。优选地，用于形成导电粘结层180的第一和第二金属图案采用延展性好并且不会产生快速加工硬化的金属或合金，例如铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)、锗(Ge)、金(Au)、 银(Ag)、锌(Zn)、鉻(Cr)、钯(Pd)、铟(In)、锡(Sn)、钼(Pt)、钽(Ta)、银(Nb)以及它们任何两种材料或两种以上材料的合金。参考图3，示出根据本发明的一种多结太阳能电池制造方法，包括形成由GaAs子电池120和GaInP子电池130构成的双结电池；形成Si子电池110;在GaAs子电池120上形成第一金属图案121 ；在Si子电池110上形成第二金属图案111，所述第二金属图案121与所述第一金属图案111至少部分对应；机械压合步骤将所述第一金属图案111与所述第二金属图案121对准，通过机械压合使所述第一金属图案111与所述第二金属图案121形成导电粘结层180，所述导电粘结层180使所述Si子电池110与所述GaAs子电池120形成导电连接。其中，对准步骤可以由使用红外线光源照明的光刻机或粘合机(bonder)来完成。因为波长大于1200nm的红外光能够完全透过Si子电池、GaAs子电池以及GaInP子电池但是不能穿透金属图案，这样就很容易通过红外线光源照明完成第一金属图案111与所述第二金属图案121的对准。压合时需要确保GaAs子电池120和Si子电池110间距尽量小，从而避免产生显著的光耦合损失。为了进一步减少入射光在GaAs子电池表面与空气以及Si子电池表面与空气的反射，还可以在GaAs子电池120和Si子电池110之间间隙中填充折射率与GaAs子电池120和Si子电池110折射率相匹配(即折射率大致在两者之间或者至少接近或等于其中一个)的材料(例如高折射率的油)。参考图3a_3c，示出一种优选地形成由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池的方法，包括
在GaAs衬底150上形成牺牲层140 ；在所述牺牲层140上形成GaInP子电池130 ；在所述GaInP子电池130上形成GaAs子电池120 ；通过蚀刻去除所述牺牲层140 (图3c)。对牺牲层材料的要求有两个，第一是其晶格常数与GaAs衬底的匹配(参考图4，示出包括GaAs在内的一些材料的晶格常数)，第二是与GaAs在同一种化学溶液里有非常大的腐蚀速率差别。满足上述条件的材料包括但不限于MgS，ZnSe, AlAs, AlGaAs和AllnP。更优选地，如图5所示所述牺牲层140为MgS层182在中间而ZnSe层181、183在上下两侧的三明治结构。另外，优选地，通过蚀刻去除所述牺牲层的步骤在所述机械压合步骤之后，即优选的生长步骤是从图3a所示状态(执行机械压合步骤)到图3b所示状态，再(执行去除牺牲层步骤)到图3c所示状态。下面，通过一个实例来完整的介绍本发明的多结太阳能电池的生产过程。首先，如图3a所示，在GaAs衬底150上形成由例如1_3微米厚的GaAs子电池和 O. 5-1. O微米厚的GaInP子电池构成的双结电池，由于该双结电池最终要与GaAs衬底150 分离，因此在形成双结电池的两个子电池之前要先形成牺牲层140，该牺牲层包括在中间的 20nm厚的MgS层以及在上下两侧的各IOnm厚的ZnSe。由于MgS晶格常数比GaAs稍小而 ZnSe晶格常数比GaAs稍大，上述ZnSe/MgS/ZnSe三明治结构可以起到与GaAs晶格常数适配的作用。然后在形成好的GaAs子电池120上形成厚度约500nm的第一金属图案121，在Si 子电池110 (Si子电池的制造为现有技术，在此不再详述)上形成厚度约500nm的第二金属图案111。在本实例中第一金属图案121和第二金属图案111为完全相同的栅格图案，其中栅格的线宽为10微米，间隙为100微米。随后，在将Si子电池110上的第二金属图案111与GaAs子电池120上的第一金属图案121对准之后，通过压焊(可以进行辅助性的加热以提高压合强度)将Si子电池 110压在GaAs子电池120上。由于机械压合,第一和第二金属图案形成导电粘结层180,使 Si子电池110与GaAs子电池120形成导电连接。为了进一步减少入射光在GaAs子电池表面及Si子电池的内侧界面处的反射(由于空气的折射率仅为1，因此空气的折射率与两个子电池的折射率差较大，会在子电池与空气交界的界面处造成较大的反射损失)，可以在 GaAs子电池120和Si子电池110之间的间隙中填充折射率较高(η = I. 5-1. 6)的油。然后，通过蚀刻去除牺牲层140。剩下的GaAs衬底150可以被清洗、抛光而用于下一次的双结电池的制造。而得到的三结电池(包括Si子电池110、GaAs子电池120和 GaInP子电池130)可以进一步分别在Si子电池110和GaInP子电池130上安装正负电极， 从而形成完整的三结电池。在标准AMl. 5光线下，本实例的匹配的电流密度为14. 2mA/cm2。其中单晶硅子电池在填充因子为至少O. 8的情况下贡献O. 7V的开路电压；GaAs/GaInP双结电池在填充因子为至少O. 82的情况下贡献2. 488V的开路电压。在标准AMl. 5光线下总的转化率至少是36. 9%，即超过主流的GaAs/GalnP/Ge三结电池的32%约7%。而在成本方面，以 IOmmX IOmm大小的电池为例，GaAs/GalnP/Ge三结电池的成本约为50-60RMB，而根据本发明的GaAs/GalnP/Si三结电池的成本为30_40RMB/cm2，降低大约30-40%。虽然已经在上面阐述了将Si子电池与GaAs/GalnP双结电池导电连接的例子，但本领域人员应该理解的是，本发明可以应用于其他异质结电池中需要导电连接的情况。以上述子电池/双结电池为例的原因在于，Si子电池与GaAs/GalnP双结电池均为现有技术中研究非常充分的电池技术，因此以它们实施本发明的概念相对容易，也利于本发明技术的产业化。可以设想的是，如果有其他子电池(单结电池或双结电池或多结电池)适于替代 Si子电池或者GaAs/GalnP双结电池，则该子电池可代替本发明的Si子电池或GaAs/GalnP 双结电池。例如，如果在本发明的专利权有效期限内，发展了新的可代替Si子电池或Ge子电池的例如对应I. OeV太阳光谱波段的W子电池，以及可代替目前最广泛使用的GaAs/GalnP 双结电池的例如对应I. 9eV太阳光谱波段的Z子电池，则通过机械压合上述W子电池与Z 子电池(以形成导电连接)而形成的最终的异质结电池应落入本发明的范围内。尽管已经结合特定实施例描述了本发明，应该理解，本领域技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对上述实施例进行各种形式和细节的改变。
权利要求
1.一种多结太阳能电池，包括由砷化镓(GaAs)子电池和磷化镓铟(GaInP)子电池构成的双结电池，并且GaAs子电池上具有第一金属图案；Si子电池，其具有第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应； 通过机械压合由所述第一金属图案与所述第二金属图案构成的导电粘结层，所述导电粘结层使所述Si子电池与所述GaAs子电池形成导电连接。
2.根据权利要求I所述的多结太阳能电池，其中所述第一或第二金属图案的金属材料包括铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)、锗(Ge)、 金(Au)、银(Ag)、锌(Zn)、鉻(Cr)、钯(Pd)、铟(In)、锡(Sn)、钼(Pt)、钽(Ta)、铌(Nb)以及它们任何两种材料或两种以上材料的合金。
3.一种多结太阳能电池制造方法，包括形成由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池；形成Si子电池；在GaAs子电池上形成第一金属图案；在Si子电池上形成第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应；机械压合步骤将所述第一金属图案与所述第二金属图案对准，通过机械压合使所述第一金属图案与所述第二金属图案形成导电粘结层，所述导电粘结层使所述Si子电池与所述GaAs子电池形成导电连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其中形成由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池包括在GaAs衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层上形成GaInP子电池；在所述GaInP子电池上形成GaAs子电池；通过蚀刻去除所述牺牲层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述牺牲层为MgS层在中间而ZnSe层在上下两侧的三明治结构。
6.根据权利要求4所述的方法，其中通过蚀刻去除所述牺牲层的步骤在所述机械压合步骤之后。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述对准装置为使用红外线光源照明的光刻机或粘合机。
8.根据权利要求3所述的方法，其中向采用机械压合的第一子电池和第二子电池之间填充折射率与所述第一和第二电池材料折射率匹配的材料。
9.一种异质结太阳能电池，包括第一子电池，其具有第一金属图案；第二子电池，其具有第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应；其中所述第一子电池和所述第二子电池对应不同的太阳光谱波段；通过机械压合由所述第一金属图案与所述第二金属图案构成的导电粘结层，所述导电粘结层使所述第一子电池与所述第二子电池形成导电连接。
全文摘要
本申请公开一种多结太阳能电池，包括由GaAs子电池和GaInP子电池构成的双结电池，并且GaAs子电池上具有第一金属图案；Si子电池，其具有第二金属图案，所述第二金属图案与所述第一金属图案至少部分对应；通过机械压合由所述第一金属图案与所述第二金属图案构成的导电粘结层，所述导电粘结层使所述Si子电池与所述GaAs子电池形成导电连接。由于使用硅子电池代替锗子电池，本发明的多结太阳能电池可有效利用1eV能量的波段，因此其总转化效率可进一步提升。此外，由于不再需要使用价格昂贵的锗衬底，本发明的多结电池可以以较低的成本制造。
文档编号H01L31/0687GK102593229SQ20121000701
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者朱忻, 杨军, 王伟明 申请人:朱忻