倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池及其制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，所述的光伏電池包括第二絕緣襯底以及位于所述第二絕緣襯底上的外延層，所述的外延層包括依次形成于所述第二絕緣襯底上的負(fù)電極、N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層。本申請還公開了上述倒裝結(jié)構(gòu)的激光電池的制作方法。本申請的激光電池，大大降低了串聯(lián)電阻，改善了電池的散熱性能，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，剝離掉的第一襯底可重復(fù)利用，降低了成本。
【專利說明】倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光伏電池領(lǐng)域，尤其涉及一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光供能系統(tǒng)是一個創(chuàng)新的能量傳遞系統(tǒng)，憑借這個系統(tǒng)，將激光光源發(fā)出的光通過光纖輸送到激光光伏電池上，可以提供穩(wěn)定的電源輸出。通過光纖傳導(dǎo)光轉(zhuǎn)化為電比傳統(tǒng)的金屬線和同軸電纜電力傳輸技術(shù)有更多的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在需要消除電磁干擾或需要將電子器件與周圍環(huán)境隔離的情況下，在無線電通信、工業(yè)傳感器、國防、航空、醫(yī)藥、能源等方向有重要應(yīng)用。激光光伏電池的工作原理與太陽能電池類似，只是可以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，更大的輸出電壓，能傳遞更多的能量，光源采用適合光纖傳輸?shù)?90 nm - 850nm波長的激光。
[0003]GaAs PN結(jié)電池可以用于將808 nm的激光能量轉(zhuǎn)換為電能，用作激光供能系統(tǒng)中的激光電池，但是GaAs電池的開路電壓只有為I V，不能夠直接用于電子器件電路中的電源。早期的激光光伏電池是將GaAs PN結(jié)電池生長在半絕緣GaAs襯底上，通過刻蝕隔離溝槽的方式將單位面積的電池芯片進(jìn)行隔離，再通過引線的方式將幾個單結(jié)電池單元串聯(lián)得到高電壓輸出，串聯(lián)后，串聯(lián)電阻將是影響電池性能的最主要的因素之一。串聯(lián)電阻主要由外延層的薄層電阻、正負(fù)電極接觸電阻、正負(fù)電極金屬體電阻組成。外延層的薄層電阻是電池串聯(lián)電阻中的最主要的部分,主要由生長工藝決定；電極接觸電阻和電極金屬體電阻主要由器件制備工藝和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計決定。由于電阻與長度成正比與截面積成反比，即電流通過的距離長電阻較大，光生載流子傳輸距離長，造成薄層電阻大，串聯(lián)電阻加大，將降低電池的性能。以往采用半絕緣襯底上生長導(dǎo)電層，并刻蝕窗口的方式大大增大了串聯(lián)電阻。
[0004]有鑒于此，有必要提供一種新型的激光光伏電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池及其制作方法，大大降低了串聯(lián)電阻，改善了電池的散熱性能，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，剝離掉的第一襯底可重復(fù)利用，降低了成本。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
本申請公開了一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，所述的光伏電池包括第二絕緣襯底以及位于所述第二絕緣襯底上的外延層，所述的外延層包括依次形成于所述第二絕緣襯底上的負(fù)電極、N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括位于所述N型導(dǎo)電層和P/N結(jié)電池之間的勢壘層。
[0008]優(yōu)選的，所述勢壘層為N 型的 AlGaAs ((Al) GaInP)，AlGaAs ((Al) GaInP)是指AlGaAs(GaInP)或 AlGaAs(AlGaInP)。[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的N型導(dǎo)電層和P型接觸層的材料均為GaAs，所述的P/N結(jié)電池為GaAs電池。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述P型窗口層的材料為AlxGahAsd >x≥0.2)或
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[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括隔離槽，所述隔離槽將所述光伏電池分隔成多個電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接，所述的隔離槽分別貫穿所述P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型導(dǎo)電層和負(fù)電極。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還包括正電極，所述正電極形成于所述接觸層上。
[0013]本申請還公開了一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，包括:
(1)在第一襯底上生長作為剝離第一襯底的犧牲層；
(2)在上述犧牲層上生長P型接觸層用作歐姆接觸，并用作選擇性腐蝕犧牲層的截止
層；
(3)在上述接觸層上生長的P型窗口層；
(4)在上述P型窗口層上依次生長P型吸收層和N型吸收層形成P/N結(jié)電池； (5)在上述P/N結(jié)電池上生長N型勢壘層；
(6)在上述勢壘層上生長N型導(dǎo)電層；
(7)在N型導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，并退火形成歐姆接觸；
(8)利用鍵合工藝在負(fù)電極表面和第二絕緣襯底表面之間制備鍵合/粘附結(jié)構(gòu)層，通過鍵合方式/粘合方式貼附在一起；
(9)通過濕法腐蝕的方式去除犧牲層，對第一襯底進(jìn)行剝離，形成在第二絕緣襯底上倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池基體；
(10)按照電池標(biāo)準(zhǔn)工藝，在由前述步驟形成的光伏電池基體上制備隔離槽、正電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)電層為N型摻雜濃度IXlO18 cm-3以上的GaAs導(dǎo)電層；所述勢壘層為摻雜濃度IXlO18 cm_3以上的N型AlGaAs ((Al)GaInP)勢壘層；所述P型窗口層為摻雜濃度在I X IO18 cm_3以上的窗口層；所述P型接觸層為摻雜濃度在2 X IO18cm以上的GaAs接觸層。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(10)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢壘層、N型導(dǎo)電層和負(fù)電極直至露出第二絕緣襯底或部分刻蝕第二絕緣襯底以形成隔離槽。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(10)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢壘層和N型導(dǎo)電層，直至露出負(fù)電極以形成負(fù)電極窗口，在P型接觸層上制備正電極。正電極是通過電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射在P型接觸層上沉積一層或多層金屬并退火形成歐姆接觸而制成的。正、負(fù)電極通過金屬壓焊或蒸鍍金屬的方式實現(xiàn)光伏電池中各單元電池的串聯(lián)。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，窗口層上還形成有減反射膜，減反射膜是通過化學(xué)氣相淀積技術(shù)或鍍膜機(jī)制備的ZnSe/MgF或Ti02/Si02減反射膜。
[0018]作為一種可選用的實施方式，該光伏電池中的各層是采用MOCVD或MBE方法生長形成的，其中MOCVD的N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C ；MBE的N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明設(shè)計的倒裝結(jié)構(gòu)光伏電池通過有幾個單元串聯(lián)可產(chǎn)生高達(dá)數(shù)伏的輸出電壓。
[0020]2.本發(fā)明設(shè)計的新型倒裝結(jié)構(gòu)以有效地降低串聯(lián)電阻，改善了電池的散熱性能，大大的提高器件的性能。
[0021]3.剝離掉的第一襯底可重復(fù)利用，大大降低了成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1所示為本發(fā)明具體實施例中倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的基體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2所示為本發(fā)明具體實施例中倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的基體鍵合以及對第一襯
底進(jìn)行剝離的示意圖；
圖3所示為本發(fā)明具體實施例中倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的隔離槽的示意圖；
圖4所示為本發(fā)明具體實施例中倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的剖視圖；
圖5所示為本發(fā)明具體實施例中倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的俯視圖。
【具體實施方式】
[0024]考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的諸多不足，如何提高并聯(lián)電阻、減小串聯(lián)電阻、增加激光電池的轉(zhuǎn)換效率，并解決相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)具有重大意義。
[0025]本申請實施例公開了 一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，所述的光伏電池包括第二絕緣襯底以及位于所述第二絕緣襯底上的外延層，所述的外延層包括依次形成于所述第二絕緣襯底上的負(fù)電極、N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層。
[0026]相應(yīng)地，本申請還公開了一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，包括:
(1)在第一襯底上生長作為剝離第一襯底的犧牲層；
(2)在上述犧牲層上生長P型接觸層用作歐姆接觸，并用作選擇性腐蝕犧牲層的截止
層；
(3)在上述接觸層上生長的P型窗口層；
(4)在上述P型窗口層上依次生長P型吸收層和N型吸收層形成P/N結(jié)電池；
(5)在上述P/N結(jié)電池上生長N型勢壘層；
(6)在上述勢壘層上生長N型導(dǎo)電層；
(7)在N型導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，并退火形成歐姆接觸；
(8)利用鍵合工藝在負(fù)電極表面和第二絕緣襯底表面之間制備鍵合/粘附結(jié)構(gòu)層，通過鍵合方式/粘合方式貼附在一起；
(9)通過濕法腐蝕的方式去除犧牲層，對第一襯底進(jìn)行剝離，形成在第二絕緣襯底上倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池；(10)按照電池標(biāo)準(zhǔn)工藝，在由前述步驟形成的光伏電池基體上制備隔離槽、正電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
[0027]優(yōu)選的，前述步驟(7)中是采用在GaAs導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，并退火形成歐姆接觸，其中負(fù)電極為必要的歐姆接觸金屬并進(jìn)行電極加厚；前述步驟(9)中是通過濕法腐蝕的方式去除犧牲層，對第一襯底進(jìn)行剝離，所采用的選擇性腐蝕液只對AlAs犧牲層進(jìn)行腐蝕，對電池其他材料結(jié)構(gòu)不進(jìn)行腐蝕；在P型接觸層形成前述正電極之后，還將未分布在該金屬電極正下方的接觸層去除；前述減反射層通過化學(xué)氣相淀積技術(shù)或鍍膜機(jī)制備的ZnSe/MgF 或 Ti02/Si02 減反射膜。
[0028]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029]參閱圖1-5，倒裝結(jié)構(gòu)的GaAs激光光伏電池制備方法的制作工藝包括下列步驟:
1、采用第一GaAs襯底01，厚度在200至500微米左右，作為襯底生長GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)材料；
2、進(jìn)入MOCVD或MBE生長室，先生長一層5_100nm的AlAs犧牲層02；
3、在AlAs犧牲層02生長100-300nm的摻雜濃度I X IO18 cnT3以上的P型的GaAs接觸層03，并作為腐蝕犧牲層的截止層；
4、在GaAs接觸層03上生長1000-3000nm的摻雜濃度I X IO18 cnT3以上的P型的AlxGa1^As (I > x ≥ 0.2)或 Gaa51Ina49P 窗口層 04 ;
5、在窗口層04上生長100-600nm的P型的摻雜濃度為5X IO16-1 X IO18 cnT3的GaAs吸收層05，作為GaAs太陽能電池的發(fā)射區(qū)，再生長2500-3500 nm的N型摻雜濃度為I X IO1Mx IO18 cm_3的GaAs吸收層06，作為GaAs太陽能電池的基區(qū)；形成一個PN結(jié)電池09 ；
6、在PN結(jié)電池09上生長摻雜濃度IXlO18cnT3以上的N型AlGaAs ((Al)GaInP)勢壘層07,并作為GaAs電池的背場層；
7、在勢壘層07上生長一層1000-5000 nm的N型GaAs導(dǎo)電層08，摻雜濃度高達(dá)I X IO18-1 X IO19 cnT3 ；
8、通過電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控派射等方式在GaAs導(dǎo)電層08上制備AuGe/Ni/Au=35/10/100 nm, Ag =Iyn^PAu= 100 nm金屬材料的負(fù)電極11形成歐姆接觸,并對其進(jìn)行Au= 200-1000 nm的金屬電極加厚；
9、利用鍵合工藝在負(fù)電極11表面和第二絕緣襯底12表面之間制備鍵合/粘附結(jié)構(gòu)層，通過鍵合方式/粘合方式貼附在一起，第二絕緣襯底12優(yōu)選為絕緣陶瓷襯底或絕緣PI襯底；
10、通過濕法腐蝕的方式去除犧牲層02，對第一襯底01進(jìn)行剝離，形成第二絕緣襯底12上倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，至此制得光伏電池基體；
11、通過濕法或干法依次刻蝕P型接觸層03、P型窗口層04、P/N結(jié)電池09、N型勢壘層07、N型導(dǎo)電層08、負(fù)電極11直至露出或部分刻蝕第二絕緣襯底12的方式于光伏電池基體中形隔離槽13 ；12、通過干法或濕法刻蝕依次刻蝕P型接觸層03、P型窗口層04、P/N結(jié)電池09、N型勢壘層07、N型導(dǎo)電層08直至露出負(fù)電極11加厚部分，形成負(fù)電極窗口 ；
13、在P型接觸層03上通過電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射等方式制備Pd/Zn/Pd/Au=5/10/20/200 nm, Ag =1 μ m和Au= 100 nm金屬材料的正電極14形成歐姆接觸；
14、通過濕法刻蝕將正電極14下面以外的接觸層03去除；
15、通過化學(xué)氣相淀積技術(shù)或鍍膜機(jī)在P型窗口層04上制備減反射層15，應(yīng)用ZnSe/MgF或Ti02/Si02等減反射材料，如圖4 ;
16、制備電極引線16，實現(xiàn)各單元電池的串聯(lián)，如圖5。
[0030]本發(fā)明的激光電池通過幾個電池單元串聯(lián)以獲得所需的輸出電壓，其中GaAs電池的開路電壓約為I V，這樣每個電池元件有幾個單元串聯(lián)就有約幾伏的輸出電壓(如6V)。
[0031]本申請的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池包括生長在第一 GaAs襯底上的電池外延層和第二絕緣襯底進(jìn)行晶片鍵合，后經(jīng)濕法腐蝕AlAs犧牲層對第一襯底進(jìn)行剝離，形成第二絕緣襯底上的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池結(jié)構(gòu)。此倒裝結(jié)構(gòu)光伏電池的串聯(lián)電阻低，輸出電壓高，改善了電池的散熱性能，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，剝離掉的第一襯底可重復(fù)利用，降低成本，可作為高效激光光伏電池廣泛應(yīng)用。
[0032]易于想到的是，在其他實施例中，激光光伏電池也可通過隔離槽分隔成任意數(shù)量的電池單元，比如通過一道隔離槽形成2個電池單元，2道交叉的隔離槽形成4個電池單元等。[0033]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0034]以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:所述的光伏電池包括第二絕緣襯底以及位于所述第二絕緣襯底上的外延層，所述的外延層包括依次形成于所述第二絕緣襯底上的負(fù)電極、N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:還包括位于所述N型導(dǎo)電層和P/N結(jié)電池之間的勢壘層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:所述勢壘層為N型的 AlGaAs((Al)GaInP)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:所述的N型導(dǎo)電層和P型接觸層的材料均為GaAs，所述的P/N結(jié)電池為GaAs電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:所述P型窗口層的材料為 AlxGa1^xAsd > X ≥ 0.2)或 Gaa51Ina49P0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:還包括隔離槽，所述隔離槽將所述光伏電池分隔成多個電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接，所述的隔離槽分別貫穿所述P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型導(dǎo)電層和負(fù)電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池，其特征在于:還包括正電極，所述正電極形成于所述接觸層上。
8.權(quán)利要求1至7任一所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，其特征在于，包括: (1)在第一襯底上生長作為剝離第一襯底的犧牲層； (2)在上述犧牲層上生長P型接觸層用作歐姆接觸，并用作選擇性腐蝕犧牲層的截止層； (3)在上述接觸層上生長的P型窗口層； (4)在上述P型窗口層上依次生長P型吸收層和N型吸收層形成P/N結(jié)電池； (5)在上述P/N結(jié)電池上生長N型勢壘層； (6)在上述勢壘層上生長N型導(dǎo)電層； (7)在N型導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，并退火形成歐姆接觸； (8)利用鍵合工藝在負(fù)電極表面和第二絕緣襯底表面之間制備鍵合/粘附結(jié)構(gòu)層，通過鍵合方式/粘合方式貼附在一起； (9)通過濕法腐蝕的方式去除犧牲層，對第一襯底進(jìn)行剝離，形成在第二絕緣襯底上倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池基體； (10)按照電池標(biāo)準(zhǔn)工藝，在由前述步驟形成的光伏電池基體上制備隔離槽、正電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，其特征在于:所述導(dǎo)電層為N型摻雜濃度I X IO18 cm_3以上的GaAs導(dǎo)電層；所述勢壘層為摻雜濃度I X IO18 cm_3以上的N型AlGaAs ((Al) GaInP)勢壘層；所述P型窗口層為摻雜濃度在IXlO18 cm_3以上的窗口層；所述P型接觸層為摻雜濃度在2X IO18 cm_3以上的GaAs接觸層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，其特征在于:所述步驟(10)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢壘層、N型導(dǎo)電層和負(fù)電極直至露出第二絕緣襯底或部分刻蝕第二絕緣襯底以形成隔離槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的倒裝結(jié)構(gòu)的激光光伏電池的制作方法，其特征在于:所述步驟(10)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢壘層和N型導(dǎo)電層，直至露出負(fù)電極以形成負(fù) 電極窗口，在P型接觸層上制備正電極。
【文檔編號】H01L31/0693GK104009046SQ201310060831
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月27日
【發(fā)明者】趙春雨, 董建榮, 于淑珍, 趙勇明, 李奎龍, 孫玉潤, 曾徐路, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所