倒置結(jié)構(gòu)的雙面受光GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)電池生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)的太陽(yáng)電池迅速發(fā)展，其中GaAs太陽(yáng)電池為航天事業(yè)承擔(dān)著重要角色。目前GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池主要有以Ge和GaAs為襯底正裝多結(jié)太陽(yáng)電池，以及倒置結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽(yáng)電池，其中倒置多結(jié)太陽(yáng)電池因?yàn)楦鹘Y(jié)電池帶隙較好的匹配全光譜，有助于太陽(yáng)光吸收，使得其光電轉(zhuǎn)換效率始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其它太陽(yáng)電池，備受人們的青睞。倒裝太陽(yáng)電池雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但因使用約2-3um的Au鍵合，電池片的重量增加6-8%，相反以Ge襯底正裝多結(jié)太陽(yáng)電池效率從29%提高到倒裝電池的32%，效率提高了約9%，對(duì)比來(lái)看，太陽(yáng)電池的重量比功率提高的微乎其微！
詳細(xì)步驟如下:
1、外延生長(zhǎng):
采用M0CVD設(shè)備在GaAs襯底上依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層、GalnP腐蝕截止層、N型GaAs接觸層、GalnP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層完成外延片的生長(zhǎng)。
[0003]2、襯底轉(zhuǎn)移:
選取導(dǎo)電類型為P型的轉(zhuǎn)移Si襯底，經(jīng)清洗備用；在電池外延片的底電池背部和轉(zhuǎn)移Si襯底正面，分別通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au層，再將蒸鍍完電池外延片與轉(zhuǎn)移Si襯底進(jìn)行金屬鍵合。
[0004]3、襯底剝離:
采用氨水、雙氧水腐蝕液去除金屬鍵合后的電池外延結(jié)構(gòu)上的GaAs襯底。
[0005]4、電極制作:
采用負(fù)性光刻膠工藝光刻電極柵線圖形，用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，在頂電池歐姆接觸層上制備金屬電極，并通過(guò)有機(jī)剝離將完成上電極制作；在轉(zhuǎn)移Si襯底背面蒸鍍制備下電極。
[0006]5、減反射膜:
將完成選擇性腐蝕的電池片，采用電子束蒸鍍的方法蒸鍍Ti02/Al203雙層減反射膜。
[0007]6、退火、劃片、端面處理完成倒裝太陽(yáng)電池芯片制作。
[0008]形成的產(chǎn)品如圖1所示:在下電極21上方依次有襯底層22、金屬鍵合層23、一個(gè)倒裝的電池外延層24、減反射膜25，兩個(gè)上電極26與電池外延層24導(dǎo)電連接。
[0009]這種GalnP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)太陽(yáng)電池目前效率最高的效率在32%左右，在光譜AM 0下，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)為136.7mw/cm2,輸出功率約為43.74 mw/cm2率，已經(jīng)接近理論值。由于太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣層會(huì)發(fā)生反射和散射，這樣很多太陽(yáng)光沒(méi)有被利用，極大程度上是一種資源的浪費(fèi)，直接影響太陽(yáng)電池的電輸出功率，況且反射和散射的太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)電池組件背面會(huì)發(fā)熱，影響產(chǎn)品的使用壽命。
[0010]現(xiàn)今為提高電池的輸出功率的常規(guī)思路，就是提高其電池的光電轉(zhuǎn)化效率來(lái)改變重量比功率，這個(gè)思路模式禁錮和忽略了空間中電池體背面受光部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的是提出一種能提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化的輸出功率從而提高重量比功率的倒置結(jié)構(gòu)的雙面受光GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池。
[0012]本發(fā)明包括半絕緣或絕緣永久襯底，在所述永久襯底的正反兩面分別通過(guò)鍵合層各自連接正電池外延層和反電池外延層，在正電池外延層的表面設(shè)置正電池上電極，在反電池外延層的表面設(shè)置反電池上電極，在正電池外延層和反電池外延層的表面分別設(shè)置減反射膜，在所述永久襯底的正反兩面分別刻穿露出作為正電池下電極、反電池下電極的鍵入[3口 /Ζλ ο
[0013]由于永久襯底的絕緣作用，本發(fā)明在同一個(gè)永久襯底的正反兩面同時(shí)制有負(fù)為獨(dú)立的正面電池和反面電池，正、反面電池均可吸收光轉(zhuǎn)化電能，本發(fā)明能有效地利用各部分入射、反射和散射的太陽(yáng)光，兩電池同時(shí)工作增加了太陽(yáng)電池的電輸出功率，二者同時(shí)工作、互不影響。另外，由于本發(fā)明只采用一個(gè)永久襯底，提高了太陽(yáng)電池重量比功率，減輕空間用太陽(yáng)電池運(yùn)行的承載負(fù)擔(dān)。本發(fā)明將同一電池的上電極和下電極布置在永久襯底的同一側(cè)，而不是傳統(tǒng)上下輸出的垂直結(jié)構(gòu)，使兩電池能夠不受干擾獨(dú)立工作，也利于認(rèn)別，方便引線的連接。
[0014]另外，為了使金剛石劃片機(jī)能夠正常的切在正反兩面太陽(yáng)電池切割槽中，減少電池芯片因切割位置的差異造成產(chǎn)品失效和性能的不良，本發(fā)明所述正電池上電極和反電池上電極對(duì)稱布置在所述永久襯底的正反兩面。
[0015]同理，所述正電池下電極和反電池下電極對(duì)稱布置在所述永久襯底的正反兩面。
[0016]本發(fā)明所述減反射膜可以為T(mén)i02/Ta205/Al203，或 Ti02/Ta205/Si02，或 Ti02/Si3N4/A1203，或Ti02/Si3N4/ Si02三層結(jié)構(gòu)中的一種。Ta 205、Si3N4折射率為2.0，比較適合三層膜系，但Ta205在電子束蒸鍍時(shí)源容易噴濺，穩(wěn)定性差，不利于批量性生產(chǎn)；A1 203折射率為1.6，S1jF射率為1.46，根據(jù)光學(xué)原理，由光疏到光密折射率小Si02會(huì)比A1 203折射角小，因此Ti02/Si3N4/ 3102減反射膜反射率較優(yōu)。
[0017]本發(fā)明的另一目的是提出以上倒置結(jié)構(gòu)的雙面受光GaAs多結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法。
[0018]本發(fā)明包括以下步驟；
1)外延片生長(zhǎng):按常規(guī)工藝，使用M0CVD在臨時(shí)GaAs襯底上依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層、GalnP腐蝕截止層、N型GaAs接觸層、GalnP頂電池、第一隧穿結(jié)、GaAs中電池、第二隧穿結(jié)、InGaAs底電池和P型InGaAs接觸層完成完整的電池外延片生長(zhǎng)；
2)襯底轉(zhuǎn)移:在半絕緣或絕緣永久襯底的正反表面分別通過(guò)金屬鍵合層倒裝鍵合電池外延片，形成中間為永久襯底兩側(cè)各有一外延層的三明治式半制品；
3)襯底剝離:分別去除位于三明治式半制品兩側(cè)的外延層的臨時(shí)襯底和N型GaAs的緩沖層，直至露出各外延層的GalnP腐蝕截止層；
4)上電極制作:在去除各外延層的GalnP腐蝕截止層后，于三明治式半制品兩側(cè)分別制作正電池上電極和反電池上電極； 5)減反射膜制作:先有選擇性地腐蝕去除各上電極以外的各外延層的N型GaAs接觸層，再在各上電極以外的各外延層表面制備減反射膜；
6)退火形成歐姆接觸；
7)下電極制作:在各外延層上蝕刻，直至露出部分金屬鍵合層；
8)劃片；
9)斷面腐蝕。
[0019]本發(fā)明采用三明治鍵合方式，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，僅使用一次鍵合的方式，即可將兩個(gè)獨(dú)立的電池背靠背地粘在導(dǎo)電和散熱較好的襯底上。正反面經(jīng)過(guò)同步的選擇性腐蝕、減反射膜蝕刻、劃片和斷面腐蝕等一系列的器件工藝，完成雙面可以吸收太陽(yáng)光的電池，這樣正反面的電池同時(shí)工作，輸出電轉(zhuǎn)化功率，彌補(bǔ)了損失掉光源的功效，提高了該電池的重量比功率，減輕了火箭的運(yùn)載和衛(wèi)星的飛行負(fù)擔(dān)。
[0020]進(jìn)一步地，在襯底轉(zhuǎn)移時(shí)，分別在經(jīng)過(guò)清洗處理的永久襯底的正反兩面分別采用電子束蒸鍍鍵合層，在具有臨時(shí)襯底的外延片的正面采用電子束蒸鍍鍵合層，再通過(guò)蒸鍍鍵合層將兩片具有臨時(shí)襯底的外延片分別貼在在永久襯底的正反兩面，再通過(guò)加溫、加壓方法將兩個(gè)外延片鍵合轉(zhuǎn)移到永久襯底上。經(jīng)過(guò)剝離達(dá)到將兩片倒置的電池片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，這樣正裝無(wú)法生長(zhǎng)GalnP頂電池(1.85eV)，GaAs中電池(1.40 eV)，InGaAs底電池(1.0eV)結(jié)構(gòu)即可通過(guò)倒裝生長(zhǎng)、鍵合轉(zhuǎn)移來(lái)形成，有效的利用了 300?1800nm太陽(yáng)光譜，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
[0021]在上電極制作時(shí)，先采用負(fù)性光刻膠工藝光刻電極柵線圖形，再用電子束和熱阻真空蒸鍍的方式，在蒸鍍腔體溫度小于100°C的條件下，在兩個(gè)外延層上分別制備上電極，并通過(guò)有機(jī)剝離形成正電池上電極和反電池上電極。上電極由于蒸鍍金屬膜較厚，一般在3?4um，且電池體材料易氧化和被腐蝕的原因，無(wú)法使用刻蝕的方法，主要是采用lift-off的方法，先用負(fù)性光刻膠制作出所需的電極圖形，再在圖形表面沉積金屬層，最后有機(jī)溶解光刻膠，把不需要的金屬部分剝離下來(lái)，這樣可以形成精度在±lum金屬電極，有利于電極的一致性，提高電池的電流密度。
[0022]為了形成有效的對(duì)襯效果，本發(fā)明在上電極制作時(shí)，先制作正面電池上電極，然后再對(duì)所述永久襯底另一面對(duì)襯套刻制作反面電池上電極。
[0023]同理，在下電極制作時(shí)，采用自動(dòng)光刻機(jī)正反面CCD影像在所述永久襯底的正反兩面對(duì)位套刻制作電極圖形，采用濕法或干法刻蝕，將套刻好的部位分別蝕刻穿到兩個(gè)金屬鍵合層。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本明產(chǎn)品下電極未形成時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4為本明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5為圖4的俯視圖。
[0029]圖6為圖4的仰視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]一、參照?qǐng)D2、3、4，5、6詳細(xì)描述本發(fā)明生產(chǎn)工藝:
1、外延片生長(zhǎng):
采用M0CVD設(shè)備在350um的GaAs襯底10上依次生長(zhǎng)N型GaAs的緩沖層ll、GaInP腐蝕截止層12、N型GaAs接觸層13、GalnP頂電池14、第一隧穿結(jié)15、GaAs中電池16、第二隧穿結(jié)17、InGaAs底電池18和P型InGaAs接觸層19，完成具有臨時(shí)襯底的外延片的外延層生長(zhǎng)。如圖2所示。
[0031]2、電池外延片鍵合層蒸鍍:選取兩片上述電池外延片激光打標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，使用丙酮、異丙醇有機(jī)超聲清洗lOMin、干燥15Min，在P型InGaAs接觸層19上分別通過(guò)電子束依次蒸鍍T1、Pt和Au金屬鍵合層，總厚度不低于lum。
[0032]3、永久襯底鍵合層蒸鍍:
選取一片厚200um雙面拋光且正反兩面經(jīng)過(guò)氧化處理的Si半絕緣襯底35，經(jīng)有機(jī)超聲lOMin、干燥15Min，并在干燥后的Si半絕緣襯底35的