一种砷化镓太阳能电池的制备方法与流程

1.本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种砷化镓太阳能电池的制备方法。


背景技术：

2.砷化镓太阳电池虽然具有转化效率高、温度特性好、耐辐照性能强和重量轻等优点，但其制作成本也较高。砷化镓太阳电池芯片制作工艺流程中，背电极蒸镀前的背面腐蚀和减反膜制备是两个必须的步骤。在传统工艺中，相关步骤的工序如下：
3.(1)背面腐蚀和背电极金属层蒸镀：由于电池衬底在进行外延生长过程中，会不可避免的在衬底背面沉积一层杂乱的金属化合物薄层，此外延薄层若不去除，将极大的影响电池性能，故在衬底背面蒸镀背电极之前，需要先把电池正面用光刻胶保护起来，再放入腐蚀溶液(腐蚀溶液一般为配比2：1：7的硝酸、氢氟酸和冰醋酸混合溶液，常温)中把背面的外延层去除掉，去除光刻胶后，再背面蒸镀背电极金属层。
4.(2)减反膜制备：为提高电池转化效率，需要在电池正面镀制减反膜(会覆盖电池正面的负极)，为去除电池负电极处的减反膜，需要在镀制减反膜后，利用光刻方法把电极之外的区域用光刻胶保护起来，再用腐蚀的方法去除电极上的减反膜(腐蚀溶液一般为配比为1：20～25的氢氟酸和水的混合溶液)，最后把光刻胶去除，完成减反膜的制备。
5.从以上传统工艺可以看出，由于背面杂乱的金属化合物薄层和正面的减反膜材质不同，不能采用相同的腐蚀液；例如采用腐蚀背面的金属化合物薄层的腐蚀液腐蚀正面的减反膜时，容易造成侧向腐蚀。即两次腐蚀，是两步独立的过程。除此之外，传统方法中还有以下缺点：腐蚀背面金属化合物薄膜时，需严格控制温度等条件，否则腐蚀液会浸入光刻胶对电池正面造成伤害；背面腐蚀和减反膜腐蚀共需要进行两次光刻、两次腐蚀和两次去胶工艺，工艺流程长，成本高；腐蚀过程中产生的热量会影响光刻胶的耐腐蚀性能，因此对光刻胶的性能要求极为苛刻，相应的成本也提高，例如需要使用进口的安智az4620光刻胶。
6.为克服上述缺点，需要进一步优化工艺，降低芯片制作物料成本和生产耗时，同时降低工艺过程中对芯片的损伤风险。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种砷化镓太阳能电池的制备方法，通过步骤之间的协调，以及腐蚀溶液成分的调整，能够通过一轮腐蚀(一次光刻、腐蚀、去胶为一轮)，即实现正面电极部位减反膜的腐蚀，以及背面杂乱的金属化合物薄层的腐蚀，节约了流程，节省了成本，提升了芯片的良率。
8.根据本发明的一个方面，提出了一种砷化镓太阳能电池的制备方法，
9.所述制备方法包括以腐蚀溶液对外延片进行腐蚀；
10.所述外延片包括依次形成的砷化镓太阳能电池片、正面电极和减反膜；所述外延片远离所述减反膜的一侧表面附着有金属化合物薄层；
11.对所述外延片进行腐蚀时，腐蚀的区域包括所述金属化合物薄层以及覆盖所述正
面电极部分的减反膜；
12.按体积份计，所述腐蚀溶液的制备原料包括2份的硝酸、0.5～1份的氢氟酸、7.5～8份的冰醋酸和1份的水。
13.根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
14.(1)在外延生长的过程中，电池片的背面通常会形成金属化合物薄层，上述金属化合物薄层需在背电极金属层蒸镀前腐蚀去除；在电池片正面形成减反膜的过程中，会有一部分减反膜覆盖正面电极，这部分减反膜也需要腐蚀去除。
15.传统砷化镓太阳能电池的制备方法，通常需包括以下步骤：提供一个形成正面电极的电池片、光刻保护电池片正面电极一侧表面、腐蚀电池片背面的金属化合物薄层、在电池片背面形成背电极金属层、在电池片正面形成减反膜、光刻保护电池片使覆盖正面电极的减反膜裸露、腐蚀去除裸露区域的减反膜；其中每次使用光刻胶之后还要进行去胶；即进行了两次光刻、两次腐蚀和两次去胶；
16.本发明提供的制备方法，先制备减反膜，之后进行一次光刻、一次腐蚀和一次去胶，即完成了需腐蚀区域的腐蚀；
17.与传统技术相比，本发明提供的制备方法通过调整各步骤的顺序，节约了一半的工艺流程、一半的物料损耗；起到了简化流程、节约成本的效果。
18.(2)传统技术中，用于砷化镓太阳能电池的腐蚀液均不能满足本发明提供的一次腐蚀工艺，即若采用腐蚀金属化合物薄层的腐蚀液(2：1：7的硝酸、氢氟酸和冰醋酸)，则容易对正面电极处形成侧向腐蚀；若采用腐蚀减反膜的腐蚀液(1：20～25的氢氟酸和水)，则金属化合物薄层难以被腐蚀去除；传统硅电池中减反膜的成分一般是硅氮化合物，其采用的腐蚀溶液也不能适用于砷化镓太阳能电池减反膜和金属化合物薄层的腐蚀。
19.本发明通过优化腐蚀溶液的成分和含量，正面电极处的侧向腐蚀被抑制，同时保持了对金属化合物薄层和减反膜的腐蚀效果。因此可以只需要一次光刻保护、一轮腐蚀和一次去胶，即可完成背面金属化合物薄层的腐蚀和减反膜的腐蚀；最终达到了简化流程、节约成本的效果。
20.此外，本发明提供的腐蚀溶液，还可降低对光刻胶(光刻保护所用)耐腐蚀性能的影响较小，因此在本发明提供的制备方法中，可采用平价的光刻胶，即一定程度上节约了成本。
21.关于成本的核算，具体如表1所示：
22.表1关于减反膜腐蚀和背面金属电极制备，传统技术和本发明所用光刻胶成本对比
[0023][0024]
(3)在传统砷化镓太阳能电池的制备方法中，腐蚀电池片背面的金属化合物薄层时，电池片的正面仅有光刻胶保护，腐蚀溶液容易对电池片的正面造成损伤，造成电性能下降(出现性能下降的比例较高，约为5
‰
)。本发明提供的制备方法，腐蚀进行时，电池片的正面已完成减反膜的制备，多了减反膜的保护，不易对电池片的外延层造成损伤，提升了产品的良率(千次重复无不良品)。
[0025]
在本发明的一些实施方式中，所述砷化镓太阳能电池片包括依次形成的ge底电池、gainas中电池和gainp顶电池。
[0026]
在本发明的一些实施方式中，所述正面电极设于所述gainp顶电池远离所述ge底电池一侧表面上。
[0027]
在本发明的一些实施方式中，所述减反膜设于所述gainp顶电池远离所述ge底电池一侧表面上，并覆盖所述正面电极。
[0028]
在本发明的一些实施方式中，所述减反膜的成分包括tio2和al2o3中的至少一种。
[0029]
在本发明的一些实施方式中，所述减反膜的厚度为140～180nm。
[0030]
在本发明的一些优选的实施方式中，所述减反膜包括沿所述砷化镓太阳能电池片正面电极所在一侧表面依次形成的65～75nm厚的tio2层和85～95nm的al2o3层。
[0031]
在本发明的一些实施方式中，所述金属化合物薄层附着于所述ge底电池远离所述gainp顶电池一侧表面上。
[0032]
在本发明的一些实施方式中，所述金属化合物薄层的成分包括gainp、gainas、gaas、alinp中的至少一种。
[0033]
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括在所述腐蚀之前以光刻胶保护待腐蚀区域之外的位置。
[0034]
在本发明的一些实施方式中，所述光刻胶选自正性光刻胶。
[0035]
在本发明的一些实施方式中，所述光刻胶显影后的厚度为10～15μm。
[0036]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀溶液的温度为18～21℃。
[0037]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀溶液包括腐蚀溶液a和腐蚀溶液b；按体积份计：
[0038]
所述腐蚀溶液a的制备原料包括2份的硝酸、0.5～1份的氢氟酸、7.5～8份的冰醋酸和1份的水；
[0039]
所述腐蚀溶液b的制备原料包括2份的硝酸、0.5～1份的氢氟酸、7.5～8份的冰醋酸和1份的水。
[0040]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀溶液a的温度为18～21℃。
[0041]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀溶液b的温度为18～21℃。
[0042]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀溶液a和所述腐蚀溶液b采用冷却水控温。
[0043]
在本发明的一些实施方式中，所述腐蚀的步骤包括将所述外延片降温后，依次在所述腐蚀溶液a和所述腐蚀溶液b中震荡腐蚀。
[0044]
所述降温的作用是：在太阳能电池制备过程中，为尽可能的保证各步骤的正常进行，无尘车间的环境温度通常控制在20～25℃。由此在进行腐蚀前，当环境温度偏高，在23～25℃范围时，所述外延片的温度也在23～25℃之间；而该温度范围内，光刻胶的耐腐蚀性能较差，所以需先降温至18～21℃。
[0045]
在本发明的一些实施方式中，所述降温后所述外延片的温度为18～21℃。
[0046]
在本发明的一些实施方式中，所述降温的方法为将所述外延片浸入温度为18～21℃的水中。
[0047]
在本发明的一些实施方式中，所述18～21℃的水，控温方法为冷却水控温。
[0048]
在本发明的一些实施方式中，所述浸入的时长为20～50s。
[0049]
当温度＞22℃时，光刻胶耐腐蚀性能下降，对电池造成腐蚀损伤的风险增大。当温度＜18℃时，所述腐蚀的速率变慢，所述减反膜和金属化合物薄膜的腐蚀速率变慢，因此，需增加所述腐蚀的时长，还可能出现腐蚀不均匀、不干净的情况。
[0050]
因此，本发明选择18～21℃的腐蚀温度(包括降温温度、腐蚀溶液a和腐蚀溶液b的温度)可在保证腐蚀效果的前提下，获取最短的腐蚀时长。
[0051]
进一步的，当所述腐蚀溶液的温度＜16.6℃时，所述冰醋酸会发生结晶，影响所述腐蚀溶液的性能。
[0052]
在本发明的一些实施方式中，所述硝酸的质量浓度为68％～72％。
[0053]
在本发明的一些实施方式中，所述氢氟酸的质量浓度约为50％。
[0054]
在本发明的一些实施方式中，所述冰醋酸的质量浓度约为99.5％。
[0055]
在本发明的一些实施方式中，所述外延片在所述腐蚀溶液a中震荡腐蚀的时长为1～1.5min。
[0056]
在本发明的一些实施方式中，所述外延片在所述腐蚀溶液b中震荡腐蚀的时长为1～1.5min。
[0057]
在本发明的一些实施方式中，所述震荡腐蚀的震荡频率为30～50次/min。所述震荡腐蚀，与静态腐蚀相比，能进一步减缓温度的上升趋势。
[0058]
在传统工艺中，完成所述金属化合物薄层和减反膜腐蚀需2min～3min的时长，期间与所述外延片相邻的腐蚀溶液温度会升高2～3℃(化学反应产热)，该升温会降低所述光刻胶的耐腐蚀性能，因此，为了满足腐蚀所需的保护性能，传统工业中通常需要采用性能好的、昂贵的光刻胶；
[0059]
本发明将所述腐蚀分开在两个腐蚀溶液中进行，因此即便每个腐蚀溶液中均会升温，但升温幅度是1～1.5℃，在该升温范围内，中等品质、中等价格的光刻胶也可满足使用需求。由此，本发明采用两个腐蚀溶液，进一步降低了所述制备方法的成本。
[0060]
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括在所述腐蚀后进行水洗。
[0061]
所述水洗的目的是去除残留的腐蚀溶液a或腐蚀溶液b。
[0062]
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括在所述水洗后进行去胶。
[0063]
在本发明的一些实施方式中，所述去胶包括依次在去胶液、丙酮和异丙醇中浸泡。
[0064]
在本发明的一些实施方式中，所述去胶液的主要成分包括n-甲基吡咯烷酮和二甘醇胺。
[0065]
在本发明的一些实施方法中，所述制备方法还包括在所述去胶之后进行冲水和干燥。
[0066]
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法还包括在所述腐蚀后，在所述外延片远离所述减反膜一侧表面设置背电极金属层。
[0067]
在本发明的一些实施方式中，所述背电极金属层包括自所述外延片而始依次形成的金层和银层。
[0068]
在本发明的一些实施方式中，所述背电极金属层包括自所述外延片而始依次形成的140～160nm的金层和2800～3200nm的银层。
[0069]
在本发明的一些实施方式中，所述背电极金属层的厚度为2940～3360nm。
[0070]
在本发明的一些实施方式中，所述背电极金属层的设置在所述去胶、水洗和干燥之后。
[0071]
在本发明的一些实施方式中，所述背电极金属层的设置方法包括电子束蒸镀方法。
[0072]
在本发明的一些优选的实施方式中，所述腐蚀的方法包括以下步骤：
[0073]
s1.在所述外延片所述减反膜所在一侧表面涂覆所述光刻胶，通过曝光和显影去除部分光刻胶，去除部分为覆盖所述正面电极的减反膜所在区域；
[0074]
s2.将步骤s1所得部件浸入温度为18～21℃的水中20～50s；
[0075]
s3.将步骤s2所得部件在温度为18～21℃的腐蚀溶液a中震荡腐蚀1～1.5min；
[0076]
在温度为18～21℃的腐蚀溶液b中震荡腐蚀1～1.5min；
[0077]
s4.水洗步骤s3所得部件后去胶、冲水、干燥即得。
[0078]
步骤s3中，在所述腐蚀溶液a和所述腐蚀溶液b中震荡腐蚀的次序不做限定。
附图说明
[0079]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
[0080]
图1为本发明实施例1所用外延片的结构示意图；
[0081]
图2为本发明实施例1步骤d2所得部件的结构示意图；
[0082]
图3为本发明实施例1步骤d3所得部件的结构示意图；
[0083]
图4为本发明实施例1步骤d5所得部件的结构示意图；
[0084]
图5为本发明实施例1步骤d6所得部件的结构示意图；
[0085]
图6为本发明实施例1步骤d7所得部件的结构示意图。
[0086]
附图标记：
[0087]
100、砷化镓太阳能电池片；
[0088]
200、金属化合物薄层；
[0089]
300、正面电极；
[0090]
400、减反膜；
[0091]
500、光刻胶层；
[0092]
600、背电极金属层。
具体实施方式
[0093]
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0094]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0095]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0096]
若无特殊说明，本发明中的正面是指砷化镓太阳能电池使用时接受光照的一侧，背面是指背向光照的一侧。
[0097]
实施例1
[0098]
本实施例制备了一种砷化镓太阳能电池，具体过程为：
[0099]
d1.提供一如图1所示的外延片：
[0100]
上述外延片由叠加的砷化镓太阳能电池片100、减反膜400，以及砷化镓太阳能电池片100和减反膜400之间的正面电极300(负电极)组成；其中砷化镓太阳能电池片100由自正面电极300而始依次叠加的gainp顶电池、gainas中电池和ge底电池组成(图中未示出)；减反膜400由70nm的tio2层和90nm的al2o3层组成(图中未示出)，与tio2层相比，al2o3层距离砷化镓太阳能电池片100的距离更远；
[0101]
在上述外延片远离减反膜400的一侧表面，还有金属化合物薄层200，该金属化合物薄层200是外延生长外延片的过程中产生的副产物；
[0102]
d2.在步骤d2所得部件减反膜400远离金属化合物薄层200一侧表面涂覆星泰克sun-1170p正性光刻胶；
[0103]
涂覆的方法为2800rpm转速的旋涂；
[0104]
经过100℃热板烘烤4min后，形成覆盖于减反膜400上的10μm厚度的光刻胶层500，如图2所示；
[0105]
d3.采用曝光和显影的方法，去除光刻胶层500的部分区域，形成如图3所示的结构，即显示出覆盖正面电极300的减反膜400；
[0106]
其中由于采用的是正性光刻胶，光刻版透光区域为待去除区域，曝光量为600mj/cm2，采用2.38％体积比的tmah(四甲基氢氧化铵)显影液显影2min；
[0107]
d4.准备三个槽体，一个槽体内装去离子水，另两个槽体内分别装腐蚀溶液a和腐蚀溶液b。腐蚀溶液a和腐蚀溶液b的组成均为：硝酸(质量浓度68％～72％，商业购买，不同批次和放置时间，质量浓度会有一定变化，但不影响腐蚀的效果)、氢氟酸(质量浓度50％)、冰醋酸(质量浓度99.5％)和水按照2：1：7.5：1的体积比例配置。3个槽体内壁都缠绕了冷却
水管，控制槽体内溶液温度都为20
±
0.5℃；
[0108]
d5.将步骤d3所得部件先将电池放入20
±
0.5℃的去离子水溶液中，浸泡30s，使电池表面温度趋于水溶液温度20
±
0.5℃；将电池从水溶液中取出后，依次放入腐蚀溶液a和腐蚀溶液b中，各震荡腐蚀1min，震荡频率30次/min，以此降低每个腐蚀溶液的温度升高量，保持光刻胶层500的耐腐蚀性能。在2min的腐蚀时间内，体积配比为2：1：7.5：1的硝酸、氢氟酸、冰醋酸和水的混合溶液将与减反膜400的tio2层和al2o3层反应，并同时与背面的gainp、gainas、gaas、alinp等形成的金属化合物薄层200反应，反应生成物溶解于腐蚀溶液a和腐蚀溶液b中。最后将所得电池放入冲水槽，去除残留腐蚀溶液，即完成背面的金属化合物薄层200和减反膜400特定区域的去除，本步骤所得部件的结构示意图如图4。
[0109]
此步骤完成后，所得部件表面的光刻胶均匀，无脱落，说明经过本步骤的腐蚀工序后，光刻胶耐腐蚀性能正常。
[0110]
d6.将步骤d5所得部件放入60℃去胶液中，开启超声，浸泡10min，再放入约23℃的丙酮和异丙醇中分别浸泡5min后，冲水甩干，即可去除电池表面的光刻胶层500，本步骤所得部件的结构示意图如图5所示。
[0111]
d7.将步骤d6所得部件放入电子束蒸镀机台中，在砷化镓太阳能电池片100远离减反膜400一侧表面依次沉积150nm的au层，3000nm的ag层，完成电池背电极金属层600的制作，所得砷化镓太阳能电池如图6所示。
[0112]
以本实施例提供的制备方法重复制备了1000个砷化镓太阳能电池，步骤d5所得的部件中，光刻胶的耐腐蚀性能均正常，部件的性能也正常。
[0113]
本实施例中，步骤d4的实施顺序只需要在步骤d5之前即可，不必须在步骤d3之后。
[0114]
对比例1
[0115]
本对比例制备了一种砷化镓太阳能电池，具体与实施例1的区别在于：
[0116]
(1)步骤d4中，仅准备一个槽体，槽体内腐蚀溶液为硝酸(质量浓度68％～72％)、氢氟酸(质量浓度50％)、冰醋酸(质量浓度99.5％)按照2：1：7的比例配置。溶液无温度控制，趋于室内环境温度22℃。
[0117]
(2)步骤d5中，将步骤d3所得部件放入步骤d4所得腐蚀溶液中腐蚀2min后(腐蚀过程中溶液温度逐渐升高至24℃)，将电池放入冲水槽进行冲水。此步骤完成后，所得部件表面的光刻胶颜色不均，且有局部脱落现象，说明在此腐蚀溶液配比和温度条件下，光刻胶耐腐蚀性能不佳，溶液渗透进入光刻胶内部造成光刻胶颜色不均或局部脱落。
[0118]
以本对比例提供的制备方法重复进行1000片电池片的腐蚀试验，结果显示有5
‰
的几率出现所得砷化镓太阳能电池的性能异常，短路电流比正常值衰减3％左右。对比实施例1和对比例1可知，采用相同的星泰克sun-1170p光刻胶(性能中等，略次于安智az4620光刻胶)，实施例1的腐蚀溶液及配比、腐蚀方法和腐蚀控温有效；而对比例1采用传统腐蚀溶液和腐蚀方法，光刻胶耐腐蚀性能不佳。
[0119]
对比例2
[0120]
本对比例制备了一种砷化镓太阳能电池，具体与实施例1的区别在于：
[0121]
(1)步骤d4中，仅准备两个槽体，两个槽体内分别装腐蚀溶液a和腐蚀溶液b。腐蚀溶液a和腐蚀溶液b的组成均为：硝酸(质量浓度68％～72％)、氢氟酸(质量浓度50％)、冰醋酸(质量浓度99.5％)和水按照2：1：7.5：1的体积比例配置。2个槽体内溶液未进行温度控
制，腐蚀前溶液温度趋于室内环境温度22℃；
[0122]
(2)将步骤d5所得部件依次放入腐蚀溶液a和腐蚀溶液b中，各震荡腐蚀1min，震荡频率30次/min。由于无温度控制及有腐蚀过程的放热，在腐蚀溶液a中完成1min腐蚀后，溶液温度约为23℃；从腐蚀溶液a中取出电池，电池表面温度约23℃，在腐蚀溶液b中完成1min腐蚀后，溶液温度约为23.5℃。将电池放入冲水槽进行冲水。此步骤完成后，所得部件表面的光刻胶颜色均匀，无局部脱落现象。
[0123]
以本对比例提供的制备方法重复进行1000片电池片的腐蚀试验，虽然部件表面的光刻胶颜色均匀，无局部脱落现象，但结果仍显示有3
‰
的几率出现金属电极边缘被腐蚀的痕迹。此小部分外观上的异常虽然不影响电池的性能，但影响电池的表面外观，不符合相关电池外观检验标准。
[0124]
对比实施例1和对比例2可知，两种工艺的主要区别是有无温度控制方法：对比例2腐蚀前电池未进行低温水预处理，电池表面温度趋于室温(22℃)，且腐蚀溶液未进行温度控制，腐蚀前溶液温度趋于室温(22℃)。采用相同的星泰克sun-1170p光刻胶(性能中等，略次于安智az4620光刻胶)，实施例1的温度控制方法有效；而对比例2未进行温度控制，电池金属电极表观受到不良影响。
[0125]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。