多结太阳能电池装置的制造方法

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多结太阳能电池装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种制造多结太阳能电池装置的方法,所述方法包括以下步骤:提供第一加工基板;提供第二基板;在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构;在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构;将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构;脱离所述第一加工基板;去除所述第二基板;将第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层。
【专利说明】多结太阳能电池装置的制造

【技术领域】
[0001]本发明涉及多结太阳能电池基板的制造,特别地,涉及包括层转印处理的多结太阳能电池基板的制造以及用于地面和空间相关应用的太阳能电池装置的制造。

【背景技术】
[0002]光伏或太阳能电池被设计用于将太阳能辐射转换成电流。在聚光太阳能光伏应用中,入射的太阳光在它被导向太阳能电池之前被光学聚光。例如,入射的太阳光被主镜接收,主镜将接收到的辐射向着次镜反射,次镜进而将辐射向着太阳能电池反射,太阳能电池通过例如在II1-V族半导体或单晶硅中生成电子-空穴对,将被聚集的辐射转换成电流。另选地,可通过使用像菲涅尔(Fresnel)透镜的透射型光学器件将太阳光聚集到太阳能电池上。
[0003]由于不同的半导体材料组成对于不同波长的输入太阳光表现出最佳吸收,因此已提出多结太阳能电池,这些多结太阳能电池包括例如在不同波长范围内表现出最佳吸收的三个单元。例如,三单元结构可包括带隙值是1.8eV的GaInP顶部单元层、带隙值是1.4eV的GaAs中间单元层和带隙值是0.7eV的Ge底部单元层。原理上,II1-V或IV族半导体可被用作通过层转印/粘结而制造的多结太阳能电池装置的有源单元层。多结太阳能电池常常是通过单片外延生长制造的。单片外延生长处理通常需要几本上与之前形成的层或下伏的基板晶格匹配的任何成形层。然而,在生长基板上外延生长太阳能电池层仍然存在晶格不匹配方面的棘手问题。例如,不适于在Ge基板上外延生长InP太阳能电池层,因为InP太阳能电池层的晶体和光学特性将由于晶体不匹配而导致严重劣化。另外,在传统使用的层转印处理中,在转印了外延生长层之后,损失了中间基板。
[0004]因此,即便是近期的加工处理,仍然需要其中实现了具有低缺陷率的太阳能电池层并且可循环使用中间基板的多结太阳能电池装置的改进制造处理。


【发明内容】

[0005]本发明应对上述需要,因此,提供了一种制造多结太阳能电池装置的方法,所述方法包括以下步骤:
[0006]提供第一加工基板;
[0007]提供第二基板;
[0008]在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构;
[0009]在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构;
[0010]将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构;
[0011]脱离所述第一加工基板;
[0012]去除所述第二基板;
[0013]将第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层。
[0014]另选地,可提供第一基板和第二加工基板。
[0015]术语“加工基板”包括与仅仅纯粹的体基板不同的基板,而是包括在基板中形成的层或界面,以便于将它从通过结合第一晶圆结构和第二晶圆结构而得到的结构去除。特别地,“加工基板”可包括在种层和基体基板之间的拉链层。特别地,加工基板可包括在去除加工基板的步骤中脱离种层的基体基板。
[0016]通过拉链层进行脱离允许循环使用脱离的基板。
[0017]在文档中,措辞“脱离加工基板”应该被解释为脱离基体基板。在该脱离步骤之后,可以进行去除拉链层的可能残余物(如果有的话),并且从剩余结构中去除种层。
[0018]拉链层可以是例如通过限定上种层和下基体基板的界限的合适处理(例如,基板中的氢和/或氦注入)而形成的弱化层。
[0019]可通过在基体基板的表面上进行阳极蚀刻用埋入的多孔层来形成拉链层。然后,可在多孔层的顶部上执行种层的外延生长。
[0020]拉链层可被设置成用于在外延序列期间的中间应变层(Si基质中的SiGe,特别地,Si基板中的20%的SiGe的中间应变层)中进行激光剥离、化学剥离或机械分裂的吸收层形式。在这个替代形式中,可通过种层本身形成拉链层,例如,可选择性地化学蚀刻掉种层以脱离加工基板。
[0021]拉链层还可由用于插入在种层和透明基体基板之间的激光剥离的SiN吸收层形成,如WO 2010/0125878的示例中已知的。
[0022]加工基板的另一种可能性如下:在种层和基体支承件的相对表面之间形成可去除的(表现出小于1.5J/m2的低结合能量,优选地小于lj/m2的低结合能量)结合界面。在这种可能性中,通过该可去除结合界面形成拉链层。可在种层上通过外延来生长第一太阳能电池层,同时保留结合界面的可去除特性,其中,加工基板被加热至外延生长温度。通过执行特别地通过化学侵蚀或蚀刻而执行的用于增强种层或基板中的一个的对向表面的粗糙度的处理,通过产生用于减小种层或基板(或它们中的每个上的S12或Si3N4中的结合层)中的一个的相对表面的亲水性的处理,得到低能量结合。此外,可选择用于结合层的不同材料,使得实现界面材料的弱本征相互化学亲和性。例如,可通过应用流体喷射或叶片施加的热处理或机械应力,执行基体基板的脱离。例如,在W003/063214中公开了这种类型的脱离。
[0023]如已经提到的,加工基板包括在拉链层的顶部或可去除结合界面处形成的种层。通过从晶圆转印到晶圆的层转印,例如,通过Smart Cut?工艺,将种层从种基板转印到基体基板。种层可包含或者不包含起初通过在种基板上外延生长形成的外延层。另选地,种层被从体种基板转印或者脱离体种基板。在本发明的优选实施方式中,种层不用作太阳能电池层,而是在种层上生长第一太阳能电池层。
[0024]根据上述方法中的特定示例,所述第一加工基板包括拉链层和第一种层并且所述方法包括特别地随后执行的以下步骤:
[0025]a)在所述拉链层脱离所述第一加工基板的基体基板;
[0026]b)去除所述第一种层;
[0027]c)特别地,通过导电结合接触件将所述第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层;
[0028]d)去除所述第二基板。
[0029]种层不必被用作太阳能电池层的部分,因为它的带隙会不适于将最终形成多结太阳能电池的一系列电池层中的最佳效率。因此,在本发明的实施方式中,种层不仅用于生长第一太阳能电池层,从而导致多结太阳能电池装置包括满足晶体特性和电特性的第一太阳能电池层(作为底部单元)。事实上,根据以上示例,可例如随后在通过诸如蚀刻的化学处理进行的处理中去除种层。
[0030]在上述示例中,可生长具有高的晶体和电质量的太阳能电池层。例如,可实现小于1Vcm2的位错密度。
[0031]可通过激光剥离执行拉链层处的脱离:将激光束辐射到加工基板(例如,包括蓝宝石基板),并且招致拉链层中材料降解,从而允许在拉链层脱离。
[0032]此外,在上述示例中,在脱离第一加工基板直至将第三基板结合到第一加工基板的期间或者在此之后,第二基板为堆叠的太阳能电池层提供机械稳定性。第三基板是太阳能电池装置的最终基体基板。形成在最终基体基板上的太阳能电池层的堆叠可经受抛光处理,以实现最终的太阳能电池。抛光处理或构图的步骤可包括通过蚀刻、沉积和构图抗反射涂层和进行其电接触来用堆叠的太阳能电池层形成台面(形成在晶圆的完整表面上方)。最终基体基板可由导热和导电的材料制成,例如,由铝或铜或钥或钨或用于欧姆接触的像硅一样的被掺杂的半导体制成。
[0033]由钨或钥或像Ge、GaAs或InP—样的被掺杂的半导体制成的最终基体基板可特别适于容纳由例如GaAs或GaAsOS (参见下文)制成的第二基板上设置的太阳能电池层的堆叠。特别地,最终基体基板的CTE与第二基板的CTE的差异应该小于30%,以避免与结合到最终基板相关的问题。
[0034]根据用于制造多结太阳能电池的本发明方法的替代实施方式,第一加工基板包括体基板,所述体基板具有通过注入的离子物质而形成在其中(并且限定体基板的被注入表面和被注入物质的层之间的种层)的层,所述方法包括特别地随后执行的以下步骤:
[0035]a)脱离第一加工基板的体基板的在通过注入的离子物质所形成的层处的部分;
[0036]b)去除第一种层;
[0037]c)特别地,通过导电结合将所述第三基板结合到至少一个第一太阳能电池层;
[0038]d)去除第二基板。
[0039]在这个实施方式中,制造包括拉链层上方的种层的加工基板的需要是简化整体处理。
[0040]根据另一个示例,本发明方法包括以下步骤:
[0041]提供第一加工基板;
[0042]提供第二基板;
[0043]在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构;
[0044]在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构;
[0045]将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构;
[0046]脱离所述第一加工基板;
[0047]去除所述第二基板;
[0048]将第三基板结合到至少一个第一太阳能电池层;
[0049]特别地包括后续执行的以下步骤:
[0050]a)去除所述第二基板;
[0051]b)对所述至少一个第一太阳能电池层和所述至少一个第二太阳能电池层构图;
[0052]c)将临时(第四)基板结合到经构图的所述至少一个第二太阳能电池层;
[0053]d)脱离所述第一加工基板;
[0054]e)将所述第三基板结合到经构图的所述至少一个第一太阳能电池层。
[0055]根据这个示例,它是第一加工基体基板,第一加工基体基板在构图处理(像是堆叠的太阳能电池层的台面和覆盖层、和/或抗反射涂敷实现和/或正面金属化)期间和结合到临时基板期间为堆叠的太阳能电池层提供机械稳定性。在脱离第一基体基板(并且去除第一基体基板的残余物)之后包括临时基板的结构被结合到最终基体基板,并且在去除临时基板之后,实现了作为成品或半成品(至少相对于处理太阳能电池层)的多结太阳能电池。临时基板可以是玻璃晶圆、硅并且可用胶、蜡等执行结合,以便通过溶剂或热处理或本领域的技术人员熟知的其它方法容易地进行可逆处理。通过用溶剂溶解胶或者使子单元层不受损的热处理得到临时基板的脱离。
[0056]在所有上述实施方式中,可通过第一太阳能电池层和最终基体基板之间形成的导电(金属、或带有导体氧化物、透明导体氧化物TC0、硅化物等)结合层执行与最终基体基板的最终结合。还可通过直接结合(即,不用任何中间结合层)并且通过直接接触第一太阳能电池和最终基体基板的表面执行导电结合。导电结合特别地也有助于为最终基体基板提供导热性,所述最终基体基板可用作散热器或者可连接到散热器并且优选地本身是导热和导电的。可通过形成诸如Au/Sn的共晶接触或者通过诸如Au/Au热降解的热压缩技术,得到导电结合。
[0057]将第一晶圆结构结合第二晶圆结构的步骤可包括在大约400°C至大约600°C的温度下更优选地在450°C到550°C之间的温度下执行的高温处理,从而允许在太阳能电池层的半导体材料之间形成可靠的结合。
[0058]该处理的优点在于,执行太阳能电池层的结合,而在结构中还不存在最终基体基板。因此,在结合和热处理期间避免了金属污染的风险,使得可使用高温。此外,由于热膨胀系数(CTE)不同导致在此温度下将与第一基板和第二基板的膨胀不同的最终基体基板的膨胀将使结构受损,特别地,它将会弱化半导体材料之间的结合界面。
[0059]由钨或钥或像Ge、GaAs或InP—样的被掺杂的半导体制成的最终基体基板可特别适于容纳由例如GaAs或GaAsOS (参见下文)制成的第二基板上设置的太阳能电池层的堆叠。特别地,最终基体基板的CTE与第二基板的CTE的差异应该小于30%,以避免与结合到最终基板相关的问题。
[0060]在形成根据本发明的优选实施方式的将第一晶圆结构直接结合到第二晶圆结构的情况下,可执行对将结合的太阳能电池层的表面的抛光,以平滑该表面,例如最好在5微米X5微米的场地上进行0.5nm RMS,以得到太阳能电池层之间增强的结合强度以及后续太阳能电池的改进效率和可靠性。
[0061]另选地,导电的光学透明材料可用作结合层并且有助于两个结构的粘附。
[0062]此外,在以上示例中,第二基板还可被设置成上面形成有至少一个第二太阳能电池层的、包括拉链层和第二种层的加工基板形式。特别地,第二基板可包括蓝宝石基板并且第二种层可包括InP、Ge或GaAs或者由InP、Ge或GaAs组成。在此情形下,可通过脱离蓝宝石基板,例如脱离种层来执行第二基板的去除。
[0063]第一加工基板另一方面可包括蓝宝石基板并且在本发明方法的所有以上示例中第一种层可包括InP、GaSb、InAs或GaAs或者由InP、GaSb、InAs或GaAs组成。
[0064]根据特定变形形式,在上述示例中,至少一个第一太阳能电池层包括通过外延生长在第一层上生长的两个层(第一层和第二层),至少一个第二太阳能电池层也包括通过外延生长在第四层上生长的两个层(第四层和第三层)以便提供倒置的生长层。换句话讲,在第二太阳能电池中,在带隙更高的层的顶部上生长带隙较小的层。根据特定示例,所述第一层(底部单元)包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第四层(多结太阳能电池装置成品中的顶部单元)包括GaInP或者由GaInP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成。因此,实现四单元多结太阳能电池装置,其中,针对特定波长的入射太阳光,优化各单元的材料。
[0065]术语“层”被理解成功能化光伏层。这种功能层可包括具有不同晶体性质或组成的许多单独的层,并且包括必要的结、隧穿二极管、屏障层等。
[0066]此外,提供了一种实施方式,其中,不需要在制造处理期间倒置太阳能电池层。根据这个实施方式,一种制造多结太阳能电池装置的方法包括以下步骤:
[0067]提供第一加工基板;
[0068]提供第二基板,特别地,第二加工基板;
[0069]在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构;
[0070]在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构;
[0071]在所述至少一个第二太阳能电池层处将操纵基板结合到所述第二晶圆结构;
[0072]去除,特别地,脱离所述第二基板以得到第三晶圆结构,
[0073]在所述至少一个第一太阳能电池层和所述至少一个第二太阳能电池层处将所述第三晶圆结构结合到所述第一晶圆结构;
[0074]脱离所述第一加工基板以得到第四晶圆结构;
[0075]将所述至少一个第一太阳能电池层处的所述第四晶圆结构结合到最终基板;
[0076]脱离所述操纵基板。
[0077]在这个实施方式中,特别地,第一加工基板包括蓝宝石基体基板和InP种层并且在InP层上形成第一层和第二层。第二基板可以是体GaAs基板或包括蓝宝石基体基板和GaAs种层的加工基板;接连地形成第三层和第四层并且在GaAs层上没有倒置的生长(即,在带隙较小的层的顶部上生长带隙较大的层)。在这种情况下,在附着操纵基板并且脱离第二基板(也参见下面的详细描述)之后,将第二层和第三层没有倒置地彼此结合在一起。
[0078]本发明还提供了一种中间半导体基板,所述中间半导体基板包括:
[0079]包括GaAs或Ge的第一基板,特别地,包括GaAs或Ge的第一加工基板;
[0080]第四层、第三层、第二层和第一层层依此顺序形成在所述第一基板上(即,第四层直接接触第一加工基板),其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成。注意的是,列举了单独的层,使得便于比较根据用于制造根据本发明的多结太阳能电池装置的方法的上述示例提供的层。
[0081]中间半导体器件还可包括特别地通过导电结合接触件结合到第一太阳能电池层的最终基体基板,特别地,由Cu、Mo或Al或W或Si制成的最终基体基板。
[0082]由钨或钥或像Ge、GaAs或InP—样的被掺杂的半导体制成的最终基体基板可特别适于容纳由例如GaAs或GaAsOS (参见下文)制成的第二基板上设置的太阳能电池层的堆叠。特别地,最终基体基板的CTE与第二基板的CTE的差异应该小于30%,以避免与结合到最终基板相关的问题。
[0083]本文提供的另一个中间半导体器件包括:
[0084]包括InP的第一基板,特别地,包括InP的第一加工基板;
[0085]第一层、第二层、第三层和第四层依此顺序(即,第一层直接接触第一加工基板)形成在所述第一基板上,其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成。
[0086]所述中间半导体器件还可包括形成在第四层上的接触件。操纵基板(特别地,包括玻璃或硅材料或者由玻璃或硅材料制成的操纵基板)定位在第四层和接触件上。
[0087]对应于上述的“非倒置”方法,还提供了一种中间半导体器件,所述中间半导体器件包括:
[0088]包括InP的第一基板,特别地,包括InP的第一加工基板;
[0089]第一层、第二层、第三层和第四层依此顺序形成在所述第一基板上,其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成;
[0090]操纵基板,特别地,形成在所述第四层上的包括玻璃材料或者由玻璃材料制成的操纵基板。
[0091]另外,提供了一种能通过根据本发明的用于制造多结太阳能电池装置的方法的上述示例中的一个得到的多结太阳能电池装置。
[0092]将参照附图描述本发明的额外特征和优点。在描述中,参照意在示出本发明的优选实施方式的附图。理解的是,这种实施方式不代表本发明的整个范围。
[0093]图1示出包括两个晶圆结合步骤的制造多结太阳能电池的本发明方法的示例。
[0094]图2示出包括三个晶圆结合步骤的制造多结太阳能电池的本发明方法的另一个示例。
[0095]图3示出制造其中不包括成形太阳能电池层的倒置的多结太阳能电池的本发明方法的另一个示例。
[0096]图1中示出本发明的制造包括四个太阳能电池层的多结太阳能电池的方法的示例。提供包括拉链层2的加工的第一基体基板,拉链层2之后脱离第一基体基板I。术语“加工”一般是指以在基板内引入某个层或界面的方式被处理的基板,所述层或界面方便在后续加工步骤中在晶圆结合之后脱离基板。例如,第一基体基板I是蓝宝石基板。可在外延生长期间和针对进一步的处理(特别是,结合步骤(参见下文))优选地依据蓝宝石的热膨胀系数来选择蓝宝石,所述热膨胀系数对于温度变化(升温&降温)而言是重要的。此夕卜,蓝宝石对于激光是透明的,因此可允许在后续处理步骤(参见下文)中进行激光剥离。在第一基体基板I上形成种层3,例如,InP、Ge、GaSb, InAs或GaAs种层。例如,种层可在种基板上生长,然后被转印到基体基板。另选地,从体种基板脱掉种层。拉链层2可包括插入在基体基板和种层之间的SiN层。在变形形式中,拉链层本身是种层(例如,InP)。由于种层3将不用作太阳能电池层而是只用作第一太阳能电池层4的外延生长的种,因此该种层可用作牺牲层以方便脱离基体基板,例如,成为其中将发生降解或者又如通过横向选择性蚀刻种层而能够分离的媒介。
[0097]InP种层的厚度可在50nm至Ιμπι的范围内。在第一太阳能电池层4上生长第二太阳能电池层5。
[0098]此外,提供第二基板6,在第二基板6上外延生长第四太阳能电池层7和第三太阳能电池层8。第二基板6可以是体GaAs或Ge基板。另选地,第二基板6可以是加工的GaAsOS或GeOS ( “OS”指示“在蓝宝石上”)基板,其包括与为第一基体基板I提供的拉链层类似的拉链层,以允许基板I和/或6的允许外延生长子单元层的那部分能循环使用。就加工的基板而言,可循环使用的那部分是基体基板。当基体基板的成本高(诸如,是蓝宝石)时这是特别有利的。借助拉链层与基体基板结合的GaAs和Ge层是种层,所述种层与第三太阳能电池7和第四太阳能电池8基本上晶格匹配,使得太阳能电池的外延生长引起对于多结太阳能电池装置中的后续操作而言具有足够的晶体质量(位错密度小于1fVcm2)。
[0099]四个太阳能电池层4、5、7、8表现出不同波长的入射太阳光的吸收最大量。应该注意,在完成的多结太阳能电池装置(参见下面的描述)中,第一太阳能电池4变成底部单元并且第四太阳能电池层7变成顶部单元。根据本示例,四个单晶太阳能电池层4、5、7、8全都是通过外延生长形成的。原理上,可从由InGaAs、GaAs> AlGaAs> InGaP、InP、GaSb>AlGaAsSb和InGaAsP组成的组中的II1-V族半导体中选择太阳能电池层的材料。例如,第一太阳能电池层4可包括InGaAs,第二太阳能电池5可包括InGaAsP,第三太阳能电池层7可包括GaAs,第四太阳能电池层8可包括GaInP或InGaP。各太阳能电池层可包括诸如针对少数载流子的屏障、隧穿二极管等的功能层。还可通过在各个太阳能电池层上沉积或生长,在太阳能电池层中的特定太阳能电池层之间提供合适的隧道结层。
[0100]如在图1中示出的,分别包括第一基体基板I和两个第一太阳能电池层4和5以及第二基板6和两个第二太阳能电池层7和8的所得晶圆结构结合在一起。在大多数优选实施方式中,在没有任何结合层的情况下通过结构的直接结合或(换句话讲)两个面接触时的分子附着,来执行结合。优选地,在部分真空下执行分子粘附。可在大约400°C至600°C且更优选地在450°C和550°C之间的相对高温,执行接触和结合。优选地,在室温下执行接触步骤,之后是达到400°C和600°C之间的最大温度的退火步骤,尽管不排除在更高温度下执行接触步骤。该结合步骤对于所得多结太阳能电池的质量而言是关键的并且有利的是执行高温结合,以实现没有显著缺陷的结合界面(在太阳能电池层5和太阳能电池层8之间)。此外,包括第一基体基板I的多晶圆结构可与包括第二基板6的较大晶圆结构相邻地结合。例如,可提供大小为6”的GaAs和大小为2”或3”的InP。
[0101]随后,通过拉链层2,第一基体基板I脱离种层3,例如,加工的第一基板在拉链层2处被劈裂,从而允许第一基体基板I脱离种层3。例如,拉链层2可被设置成通过注入离子物质(例如,氢或氦离子)而形成的弱化层的形式。在这种情况下,第一基板I可被设置为体InP基板,通过体基板的主顶表面的注入形成了弱化层2,弱化层2分别在体基板的顶部部分和底部部分中形成种层3和第一基体基板I。然后,可通过施加机械力调和第一基体基板I的脱离,以在通过氢离子或氦离子形成的弱化层处剥离(delaminate)。
[0102]此外,例如,特别是,如果种层3表现出弱的电和/或热特性并且不能用于后续装置中,则通过蚀刻和/或抛光,去除基体基板和/或粘结层和种层3的残余物。然后,将由此得到的结构结合最终基体基板10。可通过将第一太阳能电池层4与最终基体基板10直接导电结合或者通过金属结合层9执行该结合处理,在结合处理之前,金属结合层9形成在第一太阳能电池层4或最终基体基板10的露出的表面上。还可以分别在第一太阳能电池4和最终基体基板10的露出的表面上形成金属结合层。
[0103]注意的是,可以循环使用脱离的第一基体基板1,以形成再用作外延层的生长基板的新加工基板。
[0104]在图1中示出的下一个步骤中,通过研磨和/或薄化处理或蚀刻来去除第二基板
6。如果第二基板6被设置为如上所述的加工基板形式,则通过加工基板的拉链层调和脱离。然后,所得结构经受某个抛光处理,该抛光处理包括形成包括蚀刻的太阳能电池层的多个台面。可通过在形成被合适构图的光刻胶之后的光刻处理和可选形成的抗反射涂敷,实现台面的形成。注意的是,种层3上生长的第一太阳能电池层4是所得多结太阳能电池中的底部单元并且太阳能电池层7和8—定在所得的多结太阳能电池中相对于最终取向以倒序形成。
[0105]注意的是,最终基体基板10可用作导热和导电基板。特别地,最终基体基板10可由Cu或Al制成,特别地,由硬度足以为堆叠的太阳能电池层提供支承的铝制成。设想到的最终基体基板10的其它候选材料包括Si (诸如,被掺杂的硅)、Mo和W。
[0106]由钨或钥或如同Ge、GaAs或InP的被掺杂的半导体制成的最终基体基板可特别适用于容纳设置在例如由GaAs或GaAsOS(参见下文)制成的第二基板上的太阳能电池层的堆叠。特别地,最终基体基板的CTE与第二基板的CTE之差应该小于30%,以避免与结合最终基板相关的问题。
[0107]此外,注意的是,根据图1中示出的示例的变形形式,可提供体基板(特别地,InP体基板)来替代第一加工基板。
[0108]图2示出包括三个晶圆结合步骤的制造多结太阳能电池的本发明方法的替代示例。提供包括第一拉链层112、蓝宝石的第一基体基板11和InP种层13的InPOS (蓝宝石基板上结合的INP层)基板形式的第一加工基板。在InP种层13上,外延生长第一太阳能电池层14和第二太阳能电池层15。还提供包括第二拉链层17、蓝宝石的第二基体基板16和GaAs种层18的GaAsOS (蓝宝石上的GaAs)基板形式的第二加工基板。在GaAs种层18上,外延生长第四太阳能电池层19和第三太阳能电池层20。如图1中示出的示例中一样,执行第二太阳能电池层15和第三太阳能电池层20处的晶圆结合。因为基体基板11和16都是蓝宝石的,所以基体基板具有相同的CTE,使得在结合结构的底部中和顶部中出现相同的材料膨胀并且结合温度可以高达600°C,而不减小结合强度。然而,在该示例的下一个步骤中,脱离第二基板16。通过第二拉链层17促成脱离。此后,去除GaAs种层18(例如,通过抛光、薄化和/或蚀刻)。
[0109]蓝宝石的第一基体基板11和第二基体基板16的优点在于,它们的CTE与整个太阳能电池层堆叠完美匹配,这使得可以施加高达600°C的结合温度,而太阳能电池不劣化。类似的推理应用于可用作第一基体基板11和第二基体基板16的例如Ge、GaAs或InP的材料。使用的第一基体基板11可以不是导电的例如蓝宝石,这使得与必须导电的最终基体基板结合。优选地,第一基体基板11和第二基体基板16的材料可不同,但它们的CTE之差应该小于30%,以允许高的结合温度。然而,由于关于用于太阳能电池层外延生长的高温用于生长太阳能电池层的种层和基体基板之间的CTE差异,导致将Si用于第一基体基板或第二基体基板是不合适的。
[0110]与图1中示出的示例不同,对InPOS第一加工基板而非最终基体基板执行包括用太阳能电池层堆叠形成台面的抛光处理,这在工作流程效率和处理容易度方面会是有利的。然而,如果是优选的,则可在转印到最终基体基板之后执行抛光处理。可在太阳能电池层19的顶部(顶部单元)形成接触件21。所得结果必须被转印到最终基体基板。为此,通过胶合材料22将它结合到例如另一个基板23,另一个基板23可被设置成玻璃形式并且被设置成太阳能电池层结构的机械支承。
[0111]随后,可脱离第一基体基板11。通过第一拉链层12促成脱离。然后,将最终基体基板25结合到通过利用拉链层进行脱离而露出的表面。例如,可通过金属结合层24实现最终基体基板25的结合。随后,同时去除胶合材料22和其它基板23。注意的是,然而在图2中,胶合材料22和其它基板23被示出为是单独的元件,原理上,它们可一致地形成。
[0112]虽然第二基板被设置成加工基板的形式,但还可以将它设置成上面外延生长第三太阳能电池层和第四太阳能电池层的GaAs体基板的形式。在这种情况下,通过研磨或蚀刻去除GaAs第二基板。最终基体基板25以及太阳能电池层可由与参照图1描述的相同的材料制成。
[0113]可通过将各个种层转印到基体基板的层转印来制造上述示例的加工基板。例如,InP外层层或又如张紧或松弛InGaAs层可以是初始体InP种基板的表面层,随后通过熟知的Smart Cut?工艺将它转印到蓝宝石基板。可在转印之后循环使用初始体种基板的残余物。还可在各个脱离步骤之后循环使用基体基板。为了形成InP种层,优选地对体InP种基板应用熟知的Smart Cut?工艺。然而,可选择对由InP构成的外延堆叠应用相同的工艺,从而关于例如选择掺杂水平、晶体质量和精确工艺以制造种层提供更多选项。作为SmartCut?技术的替代技术,可使用任何层转印工艺,诸如,结合和薄回(thin back)技术。
[0114]图3示出制造多结太阳能电池的另一个示例。提供两个加工基板:包括拉链层31的第一蓝宝石基体基板30和包括另一个拉链层36的第二蓝宝石基体基板35。在第一基体基板30上形成InP层32并且在第二基体基板35上形成GaAs层37。注意的是,根据替代形式,可提供体GaAs基板替代第二加工基板。
[0115]第一太阳能电池层33和第二太阳能电池层34形成在InP层上并且第三太阳能电池层38和第四太阳能电池层39形成在GaAs层37上。可如以上示例中描述地,选择用于太阳能电池层的材料。然后,为了剥离第二基板并且去除GaAs层37,通过粘合剂层40将操纵基板41附着于第四太阳能电池层39。操纵基板41可以是玻璃基板并且粘合剂层可以是胶合层。在剥离第二基体基板35并且去除GaAs层37之后,执行第二太阳能电池层34和第三太阳能电池层38处的结合,从而得到图3中上一行的右手侧示出的结构。
[0116]在剥离第一基体基板30并且去除InP层32之后,通过金属结合层43将太阳能电池堆叠附着于最终基体基板42。去除粘合剂层40和操纵基板41,随后,对太阳能电池层堆叠构图并且在太阳能电池层39的顶部(顶部单元)形成接触件44。可看到这个示例的优点在于,不必倒置第三太阳能电池层38和第四太阳能电池层39。另一方面,需要附着于操纵基板41的另一个步骤,并且由于可能发生结合的受限温度,导致第二太阳能电池层34和第三太阳能电池层38处的结合造成某个问题。
[0117]所有之前讨论的实施方式不旨在是限制,而是用作示出本发明的特征和优点的示例。必须理解,上述特征中的一些或全部还可按不同方式组合。特别地,根据本发明可以形成不仅由4个结(如通常在之前实施方式中公开的)而且由2个、3个、5个或更多个结组成的多结太阳能电池。
【权利要求】
1.一种制造多结太阳能电池装置的方法,所述方法包括以下步骤: 提供第一加工基板; 提供第二基板; 在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构; 在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构; 将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构; 脱离所述第一加工基板; 去除所述第二基板; 将第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述第一加工基板包括拉链层和第一种层,并且其中所述方法包括特别地随后执行的以下步骤: a)在所述拉链层脱离所述第一加工基板的基体基板; b)去除所述第一种层; c)特别地通过导电结合接触件将所述第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层; d)去除所述第二基板。
3.根据权利要求2所述的方法,其中 通过所述第一加工基板的种层和基体层之间的电磁吸收层形成所述拉链层,并且通过激光剥离执行所述第一加工基板的脱离;或者 所述拉链层是弱化层,并且通过施加热或机械应力执行所述第一加工基板的脱离;或者 所述拉链层是多孔层; 所述拉链层呈现低结合界面。
4.根据权利要求1所述的方法,所述方法包括特别地随后执行的以下步骤: a)去除所述第二基板; b)对所述至少一个第一太阳能电池层和所述至少一个第二太阳能电池层构图; c)将第四临时基板结合到经构图的所述至少一个第二太阳能电池层; d)脱离所述第一加工基板; e)将所述第三基板结合到经构图的所述至少一个第一太阳能电池层。
5.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中所述第二基板是上面形成有所述至少一个第二太阳能电池层的、包括拉链层和第二种层的加工基板。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述第二基板包括蓝宝石基板,并且所述第二种层包括InP、GaAs或Ge或者由InP、GaAs或Ge组成。
7.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中所述第一加工基板包括蓝宝石基板,并且所述第一种层包括InP、InAs> GaSb或GaAs或者由InP、InAs> GaSb或GaAs组成。
8.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中所述至少一个第一太阳能电池层包括第一层和第二层,和/或所述至少一个第二太阳能电池层包括第三层和第四层。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成。
10.根据权利要求8所述的方法,其中所述第二层和所述第三层分别形成在所述第一层和所述第四层上,或者所述第二层和所述第四层分别形成在所述第一层和所述第三层上。
11.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中通过直接结合执行将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构的步骤。
12.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中在室温下执行将所述第一晶圆结构结合到所述第二晶圆结构的步骤,之后在大约400°C至大约600°C的温度下特别地在450°C到550°C之间的温度下执行退火处理。
13.根据之前权利要求中的一项所述的方法,其中提供所述第一加工基板的步骤包括: 在种基板上生长所述第一种层; 将所述第一种层转印到蓝宝石基板。
14.一种能通过根据之前权利要求中的一项所述的方法得到的多结太阳能电池装置。
15.一种用于多结太阳能电池和空间电池的中间半导体基板,所述中间半导体基板包括: 包括GaAs或Ge的第一基板,特别地,包括GaAs或Ge的第一加工基板; 第四太阳能电池层、第三太阳能电池层、第二太阳能电池层和第一太阳能电池层,依此顺序形成在所述第一基板上,其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成。
16.根据权利要求15所述的中间半导体基板,所述中间半导体基板还包括最终基体基板,特别地,由Cu、Mo、W或Si或Al制成的最终基体基板,特别地,由特别地通过导电结合接触件结合到所述第一太阳能电池层的铝片材制成的最终基体基板。
17.—种中间半导体基板,所述中间半导体基板包括: 包括InP的第一基板,特别地,包括InP的第一加工基板; 第一太阳能电池层、第二太阳能电池层、第三太阳能电池层和第四太阳能电池层,依此顺序形成在所述第一基板上,其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成。
18.—种中间半导体基板,所述中间半导体基板包括: 包括InP的第一基板,特别地,包括InP的第一加工基板; 第一太阳能电池层、第二太阳能电池层、第三太阳能电池层和第四太阳能电池层,依此顺序形成在所述第一基板上,其中,所述第一层包括GaInAs或者由GaInAs组成,和/或所述第二层包括GaInAsP或者由GaInAsP组成,和/或所述第三层包括GaAs或者由GaAs组成,和/或所述第四层包括GaInP或者由GaInP组成;以及 操纵基板,特别地,形成在所述第四太阳能电池层上的包括玻璃材料或者由玻璃材料制成的操纵基板。
19.一种制造多结太阳能电池装置的方法,所述方法包括以下步骤: 提供第一加工基板; 提供第二基板,特别地,第二加工基板; 在所述第一加工基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构; 在所述第二基板上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构; 在所述至少一个第二太阳能电池层处将操纵基板结合到所述第二晶圆结构; 去除,特别地,脱离所述第二基板以得到第三晶圆结构,其中,特别地通过蚀刻和/或研磨且之后通过抛光进行薄化来执行脱离, 在所述至少一个第一太阳能电池层和所述至少一个第二太阳能电池层处将所述第三晶圆结构结合到所述第一晶圆结构; 脱离所述第一加工基板以得到第四晶圆结构; 将所述至少一个第一太阳能电池层处的所述第四晶圆结构结合到最终基板;以及 脱离所述操纵基板。
20.一种制造多结太阳能电池装置的方法,所述方法包括以下步骤: 提供第一基板,特别地,体InP基板; 提供第二加工基板;特别地,包括拉链层的蓝宝石基板,其中,所述第二加工基板包括种层,特别地,所述第二加工基板包括GaAs层; 在所述第一基板上形成至少一个第一太阳能电池层,以得到第一晶圆结构; 在所述种层上形成至少一个第二太阳能电池层,以得到第二晶圆结构; 在所述至少一个第一太阳能电池层和所述至少一个第二太阳能电池层处结合所述第一晶圆结构和所述第二晶圆结构,以得到结合结构; 将所述第一基板从所述结合结构脱离; 脱离所述第二加工基板;以及 将第三基板结合到所述至少一个第一太阳能电池层。
【文档编号】H01L31/0687GK104247047SQ201380016818
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】布鲁诺·吉瑟兰, 尚塔尔·艾尔纳, F·迪姆罗特, A·W·贝特 申请人:索泰克公司
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