一種柔性多結GaAs太陽電池及其製備方法
2023-07-14 12:43:41 1
一種柔性多結GaAs太陽電池及其製備方法
【專利摘要】一種柔性多結GaAs太陽電池及其製備方法，屬於半導體材料【技術領域】，先分別準備柔性襯底和同樣鍵合金屬的由底電池、中電池和頂電池構成的電池外延結構，並在頂電池外側製作第一電池襯底；然後在電池外延結構的底電池背部，依次通過蒸鍍Ti、Pt和Au層，將電池外延結構與布滿整個聚醯亞胺塗層外表面的金屬層鍵合；再在鍵合後的金屬層表面沉積Si3N4，再採用鹼性腐蝕液去除電池外延結構上的第一電池襯底；在電池外延結構的頂電池上完成兩個上電極和減反射膜的製作；最後將製成的晶片採用光刻膠在第二襯底上粘結Si片，然後再以鹼性腐蝕液去除第二襯底。製成器件整體為柔性的，可以在不同形狀的表面進行應用，不易破碎。
【專利說明】—種柔性多結GaAs太陽電池及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高效多結太陽能電池製備技術，屬於半導體材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]太陽能電池作為一種清潔能源，在國防和民用方面有巨大應用前景。隨著世界航天工業的發展，高效率化合物半導體太陽能電池，廣泛受到學術界和產業界的重視。
[0003]目前主流的空間用太陽電池，均採用Ge或者GaAs作為襯底材料，具有一定厚度的襯底(150 μ m左右)具有重量大，不可彎曲，易破碎等缺點，而且這種剛性的襯底更多的起到機械支撐的作用，必須成為獨立的組件而並不能為飛行器提供動力。在火箭的運載能力一定的情況下，電源組件佔有的空間越大，質量越大，就越會增加火箭額外的負擔。並且剛性的襯底具有易破碎的缺點，增大了整個組件乃至整個供電系統的不穩定性。
[0004]晶片工藝米用wafer-bonding工藝，將電池倒過來bonding在Si片上,最後腐蝕掉襯底。這些工藝最後並不能減少原來襯底的固有缺點。而在一定程度上增加了上述不利因素，因為作為轉移襯底的Si片，厚度往往會比原來的Ge或者GaAs襯底更厚，所以重量會反而會增大。並且Si片作為轉移襯底，也是剛性的材料。而一些柔性的襯底材料，往往是絕緣體，所以正負電極只能製作在同側，在吸光面電極增多，影響了太陽電池的光吸收，降低了太陽電池的轉換效率。
【發明內容】
[0005]針對現有技術上的缺陷，本發明目的是提供一種可彎曲、不易破碎的柔性多結GaAs太陽電池。
[0006]本發明包括柔性襯底、上電極、下電極和由底電池、中電池、頂電池構成的電池外延結構，所述柔性襯底設置在電池外延結構的底電池背面，所述下電極設置在柔性襯底的另一面，在電池外延結構的頂電池上面設置兩個上電極，在所述兩個上電極之間設置減反射膜。
[0007]本發明具有一定的柔韌性，能夠更好的節省空間。使用一種方法，在柔性襯底上製作出圖形，並且通過金屬使整個電池結構上下導通，在保持柔性的基礎上可以直接應用於目前成熟的封裝技術，並且適用於不同形狀的組件。製成器件後，整個器件是柔性可彎曲的。可以適應不同形狀的表面。與器件一起，成為一個整體，大大節省了整個系統的空間。
[0008]本發明另一目的是提出以上柔性多結GaAs太陽電池的一種生產方法。
[0009]本發明生產方法包括以下步驟:
I)準備柔性襯底:
先在第二襯底N性GaAs上採用旋塗方法塗覆聚醯亞胺層；
然後在聚醯亞胺層上面塗覆光刻膠，再將半制品曝光、顯影、衝水後，用KOH水溶液對聚醯亞胺層進行腐蝕，以在聚醯亞胺塗層上面製作出了圖形通孔；
再將在聚醯亞胺塗層上面製作出了圖形通孔的製品經120°C?230°C固化後降溫，取得形狀態穩定的、具有圖形通孔的柔性襯底；
在形狀態穩定的、具有圖形通孔的柔性襯底上面，採用電子束蒸鍍方法填充入金屬層，使金屬布滿整個聚醯亞胺塗層外表面；
2)準備同樣鍵合金屬的由底電池、中電池和頂電池構成的電池外延結構，並在頂電池外側製作第一電池襯底；
3)在電池外延結構的底電池背部，依次通過蒸鍍T1、Pt和Au層，將電池外延結構與布滿整個聚醯亞胺塗層外表面的金屬層鍵合；
4)在鍵合後的金屬層表面採用PECVD方法沉積Si3N4，再採用鹼性腐蝕液去除電池外延結構上的第一電池襯底；
5)在電池外延結構的頂電池上完成兩個上電極和減反射膜的製作，取得晶片；
6)將製成的晶片採用光刻膠在第二襯底上粘結Si片，然後再以鹼性腐蝕液去除第二襯底。
[0010]本發明利用兩種具有不同粘度液態的聚醯亞胺，採用不同的速度旋塗，利用不同種類聚醯亞胺具有不同粘度的特性，塗覆一定厚度的聚醯亞胺層。固化後得到一種狀態穩定的柔性襯底代替了原有的不可彎曲的襯底；這種柔性的襯底，既有一定的機械強度，又有一定的柔性。即能起到支撐的作用，又可以使整個器件不容易破碎。柔性襯底在旋塗後，通過光刻掩膜，等離子體去膠，鹼性溶液腐蝕的技術，在一定厚度的柔性襯底上面，製作出了有規律的圖形通孔。此通孔可以在中間採用電子束蒸鍍技術填充入金屬，使整個電池結構成為上下導通的垂直結構。由於具有垂直通孔，可以採用上下電極結構。減少由於襯底為絕緣材料，導致電極只能製作在同側，從而減少了電池有效吸光面積的缺點。本發明再利用金屬鍵合技術，將蒸鍍有金屬鍵合層的太陽電池與具有柔性襯底的第二襯底鍵合在一起，最後形成設計需要的產品。
[0011]本發明工藝的優點:製成器件整體為柔性的，可以在不同形狀的表面進行應用，並且具有一定的柔韌性，不易破碎。應用本發明工藝的器件，為上下垂直導電結構，節約了表面的有效吸光面積，有利於提高整體轉換效率。聚醯亞胺再固化後，性能穩定，能夠在相對惡劣條件下正常工作。
[0012]另外，本發明在步驟I)中，塗覆的聚醯亞胺層厚度為50?120 μ m。作為固化後的襯底，必須具有一定的厚度，才能抵抗外延結構本身的應力，不至於因為外延結構本的應力導致整個器件彎曲。另外又不能夠太厚，太厚會影響工藝上的不穩定，比如在顯影過程中，聚醯亞胺層太厚會導致通孔圖形變形。經過實驗驗證，本發明採用50?120 μ m厚度是比較合適的。
[0013]在所述步驟I)中，先以5000轉/min的速度將粘度為1800?2000cp的聚醯亞胺塗覆在第二襯底100層上面，形成基底膜，然後再以1000轉/min的速度將粘度為5000?6000cp的聚醯亞胺塗覆在有基底膜的基板上。採用不同的速度旋塗，利用不同種類聚醯亞胺具有不同粘度的特性，塗覆一定厚度的聚醯亞胺層。
[0014]在所述步驟I)中，在聚醯亞胺層以5000轉/min的速度塗覆光刻膠。因為轉速過高會導致之前塗覆的聚醯亞胺出現不均勻的現象，聚醯亞胺本身粘度比較高，如果在轉速較低的情況下，底膜厚度有可能不均勻，因為襯底表面有會有不可避免的缺陷，使用高轉速勻膠，可以避免襯底缺陷的影響，而後使用更高粘度的聚醯亞胺增厚時，整個表面厚度會比較均勻。我們通過多次實驗驗證，5000轉/min的轉速是比較適合本工藝的。
[0015]針對光刻膠的厚膠工藝，加長了曝光的時間，使得光刻膠可以充分的進行曝光， 在顯影方面，使用質量百分比為4%的KOH水溶液、在20?25°C環境溫度下顯影Imin
的顯影。此時，KOH溶液將光刻膠上面的圖形製作了出來。
[0016]然後進行衝水快排，經過一段時間的衝水，水分子將光刻膠圖形內的KOH溶液分子置換出來，這樣做得目的是防止KOH溶液對聚醯亞胺層的腐蝕，因為在這一步，含有光刻膠分子的KOH溶液對聚醯亞胺層腐蝕速率較快，會導致聚醯亞胺層圖形被側蝕的比較厲害。
[0017]再用質量百分比為的3%的KOH水溶液對聚醯亞胺層層進行腐蝕，由於減低了 KOH溶液濃度，聚醯亞胺的圖形得到了很好的控制，此時用丙酮將聚醯亞胺上面的光刻膠去除，這樣，就在在一定厚度的聚醯亞胺塗層上面，製作出了有規律的圖形通孔。
[0018]在所述步驟I)中，所述固化和降溫是:先在溫度為120°C的環境下烘烤I小時，然後將溫度均勻地提升到150°C後，恆溫再烘烤I小時，再將溫度提升到230°C並保持一個小時後降溫，降溫的過程分為兩個階段，第一階段，在一個小時內，將溫度由230°C降低到150°C，第二階段，用一個小時，將溫度由150°C降低到初始的120°C。
[0019]這種分階段降溫的方法，可以有效的防止固化的聚醯亞胺薄膜脆化，開裂。能夠形成一種狀態穩定的柔性襯底即圖形化的柔性襯底。
[0020]在所述步驟I)中，聚醯亞胺塗層表面進行電子束蒸鍍方法的方法是:蒸鍍第一層為AuGe，厚度為1800埃；蒸鍍第二層為Au，厚度為1000埃；蒸鍍第三層為Ti，厚度為200埃；蒸鍍第四層為Au厚度約為15 μ m。
[0021]第一層的AuGe,是為了在合金時Ge元素能擴散到η型GaAs半導體半導體中，形成歐姆接觸。而形成歐姆接觸需要一定量的Ge，實驗證明，具有1800埃厚度的AuGe層，與η型GaAs半導體有很好的歐姆接觸，第二層Au與第四層Au為了是電極具有一定的厚度，更容易實現鍵合。中間的一層Ti作為阻擋層，因為Au是深能級雜質，很容易擴散，又由於本電極採用了大量的Au (處於穩定性考慮)，所以有必要在Au與Au之間加一層阻擋層，防止過多的Au元素擴散到半導體中，進而導致整個器件的歐姆接觸。但是作為阻擋層的Ti又不能太厚，那樣會提高串聯電阻，所以經過實驗，選擇1000埃這個厚度是比較合適的。
[0022]在所述步驟3)中，蒸鍍的金屬Ti的厚度為1000埃，蒸鍍的金屬Pt的厚度為1200埃，蒸鍍的金屬Au的厚度為6000埃。本步驟的金屬Ti的作用是增加粘附性，防止電極分層，Pt作為擴散阻擋層，防止Au的擴散。最後一層Au是為了實現Au-Au之間的金屬鍵合而蒸鍍的。
[0023]在所述步驟3)中，所述鹼性腐蝕液採用NH4OH與H2O2按體積比為1:5的比例混合製成。對於GaAs材料來說，NH4OH與H2O2混合液腐蝕是效果比較快的，但是由於該化學反應為放熱反映，容易引起腐蝕過頭的現象，為了有效控制反應進程，採取特定比例的混合溶液是十分有必要的，經過多次實驗驗證，1:5的比例具有很好的效果，故採用這個比例。
[0024]在所述步驟4)中，上電極材料採用AuGe/Au/Ag/Au製成，厚度分別為1500埃、1000埃、30000埃、和500埃；減反射膜為依次蒸鍍厚度為500埃的TiO2和800埃的Al2O3的雙層膜結構。
[0025]從整體來看，電極具有一定的厚度，可以提高光生電流的收集效率，使用Ag這種導電性非常優秀，性能穩定，成本有相對低廉的金屬作為電極，是比較合適的。並且Au與Ag共融的情形非常顯著，使得電極分層的可能性很小。左後一層Au是為了現有封裝技術考慮的，因為在現有工藝條件下Au比較容易焊接。AuGe同樣是為了形成歐姆接觸蒸鍍的，實驗證明，對於本發明採用的外延結構，1500埃的AuGe就可以形成很好的歐姆接觸。
[0026]單層的減反射膜只能對單一波長的光起到很好減反射效果，而本發明製作的太陽電池，具有很寬的吸收譜線，要在一定寬度的光譜做到整體反射降低，必須用雙層膜或更多的膜層機構。本發採用500埃的TiO2和800埃的Al2O3的雙層膜結構，能夠在400nm到IOOOnm的光譜範圍內提供很好減反射效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是柔性多結GaAs太陽電池太陽能電池結構圖。
[0028]圖2是實施流程圖。
[0029]圖3是實際的柔性襯底通孔平面圖。
[0030]圖4有機聚合物——聚醯亞胺的固化曲線圖。
【具體實施方式】
[0031]具體製作方法，如圖2所示:
1、首先在第二襯底100 (可作為第二襯底的材料:N性GaAs )上，利用旋塗技術，塗覆一層厚度為50?120 μ m的有機聚合物——聚醯亞胺作為柔性襯底200。
[0032]在旋塗時，採用獨特的旋塗方式，先在基板上面，利用5000轉/min高速旋轉，先將低粘度的聚醯亞胺(1800?2000cp)塗覆在基板上面，形成一層均勻性較好的基底膜。然後降低轉速到1000轉/min，在基板旋轉的情況下，將高粘度的聚醯亞胺(5000?6000cp)塗覆在有基底膜的基板上。形成具有厚度為50?120 μ m的聚醯亞胺層。
[0033]2、在旋塗後，利用光刻膠掩膜技術，在聚醯亞胺上面塗覆一層光刻膠，選擇低轉速勻膠，因為轉速過高會導致之前塗覆的聚醯亞胺出現不均勻的現象。針對光刻膠的厚膠工藝，加長了曝光的時間，使得光刻膠可以充分的進行曝光，在顯影方面，使用4%的KOH溶液進行顯影，溫度控制在2(T25°C之間，經過Imin的顯影，KOH溶液將光刻膠上面的圖形製作了出來，此時把帶有光刻膠與聚醯亞胺的wafer進行衝水快排，經過一段時間的衝水，水分子將光刻膠圖形內的KOH溶液分子置換出來，這樣做得目的是防止KOH溶液對聚醯亞胺層的腐蝕，因為在這一步，含有光刻膠分子的KOH溶液對聚醯亞胺層腐蝕速率較快，會導致聚醯亞胺層圖形被側蝕的比較厲害。在衝水快排後，用3%K0H溶液，對聚醯亞胺層進行進一步的腐蝕，由於減低了 KOH溶液濃度，聚醯亞胺的圖形得到了很好的控制，此時用丙酮將聚醯亞胺上面的光刻膠去除，這樣，就在在一定厚度的聚醯亞胺塗層上面，製作出了有規律的圖形通孔，如圖3所示。
[0034]3、如圖4所示，將上步製成的製品在120°C?230°C環境溫度下進行固化，然後降溫。
[0035]固化時，在第一階段，採用4小時的時間，在溫度有120°C的環境下，烘烤一個小時，把聚醯亞胺中的水分充分的蒸發掉，然後在接下來的一個小時內，把溫度由120°C均勻的提升到150°C，並且在150°C恆溫一個小時，使不同粘度的聚醯亞胺融合在一起，在聚醯亞胺融合在一起後，利用I小時的時間，將溫度提升到230°C並保持一個小時,讓融合在一起的聚醯亞胺得到固化，此時開始降溫。
[0036]降溫的過程分為兩個階段，第一階段，在一個小時內，將溫度由230°C降低到150°C，第二階段，同樣利用一個小時，將溫度由150°C降低到初始的120°C左右。這種分階段降溫的方法，可以有效的防止固化的聚醯亞胺薄膜脆化，開裂。能夠形成一種狀態穩定的柔性襯底即圖形化的柔性襯底300。
[0037]在第二襯底100與圖形化的柔性襯底300上面，採用電子束蒸鍍技術填充入金屬400，圖形化的柔性襯底300上面整個金屬分為三層，蒸鍍第一層為AuGe厚度大約為1800埃，第二層為Au厚度為1000埃，第三層為Ti厚度為200埃，第四層為Au厚度約為15 μ m,這些金屬布滿整個圖形襯底300表面(包括通孔內部表面)，使整個電池結構成為上下導通的垂直結構，並且可以用來做金屬鍵合。
[0038]4、準備同樣鍵合金屬的由底電池、中電池和頂電池構成的電池外延結構，並在頂電池外側製作第一電池襯底500 (可作為第一電池襯底的材料:GaAs)。
[0039]5、將同樣鍵合金屬的帶有外延結構600的太陽電池，蒸鍍金屬選擇用Ti厚度1000埃、Ptl200埃、Au6000埃，與上述第二襯底100利用metal bonding技術鍵合在一起。再在上述第二襯底100上利用PECVD技術沉積一層2000埃的Si3N4作為保護，使用鹼性腐蝕液去除掉(或者剝離)原來電池襯底500。
[0040]其中，腐蝕液採用NH4OH與H2O2按照體積比為1:5的比例配置。
[0041]6、利用第二襯底100的支撐作用，在去掉原電池襯底500的外延層上，完成兩個上電極700與減反射膜製作等晶片工藝。
[0042]其中，正面電極材料採用AuGe/Au/Ag/Au=1500/1000/30000/500 (埃)。
[0043]減反射膜的製作:依次蒸鍍500埃TiO2和800埃Al2O3,形成雙層膜結構。
[0044]7、再將整個晶片利用光刻膠粘在一片Si片上，首先利用HF去除背面的Si3N4，然後就可以在不傷害晶片表面的情況下，利用前文中提到的鹼性腐蝕液去除起到臨時支撐的第二襯底100。
[0045]8、最後，將襯底去除後的晶片浸入丙酮溶液中，把起到粘合作用的光刻膠溶解掉，將電池結構與Si片分離。
[0046]二、形成的產品結構特點:
如圖1所示，柔性多結GaAs太陽電池太陽能電池，包括柔性襯底1、兩個上電極2、3、一個下電極4和由底電池5、中電池6、頂電池7構成的電池外延結構。
[0047]柔性襯底I設置在電池外延結構的底電池5的背面，下電極4設置在柔性襯底I的另一面，在電池外延結構的頂電池7上面設置兩個上電極2和3，在兩個上電極2、3之間設置減反射膜8。
【權利要求】
1.柔性多結GaAs太陽電池太陽能電池，其特徵在於包括柔性襯底、上電極、下電極和由底電池、中電池、頂電池構成的電池外延結構，所述柔性襯底設置在電池外延結構的底電池背面，所述下電極設置在柔性襯底的另一面，在電池外延結構的頂電池上面設置兩個上電極，在所述兩個上電極之間設置減反射膜。
2.一種如權利要求1所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)準備柔性襯底: 先在第二襯底N性GaAs上採用旋塗方法塗覆聚醯亞胺層； 然後在聚醯亞胺層上面塗覆光刻膠，再將半制品曝光、顯影、衝水後，用KOH水溶液對聚醯亞胺層進行腐蝕，以在聚醯亞胺塗層上面製作出了圖形通孔； 再將在聚醯亞胺塗層上面製作出了圖形通孔的製品經120°C~230°C固化後降溫，取得形狀態穩定的、具有圖形通孔的柔性襯底； 在形狀態穩定的、具有圖形通孔的柔性襯底上面，採用電子束蒸鍍方法填充入金屬層，使金屬布滿整個聚醯亞胺塗層外表面； 2)準備同樣鍵合金屬的由底電池、中電池和頂電池構成的電池外延結構，並在頂電池外側製作第一電池襯底 ； 3)在電池外延結構的底電池背部，依次通過蒸鍍T1、Pt和Au層，將電池外延結構與布滿整個聚醯亞胺塗層外表面的金屬層鍵合； 4)在鍵合後的金屬層表面採用PECVD方法沉積Si3N4，再採用鹼性腐蝕液去除電池外延結構上的第一電池襯底； 5)在電池外延結構的頂電池上完成兩個上電極和減反射膜的製作，取得晶片； 6)將製成的晶片採用光刻膠在第二襯底上粘結Si片，然後再以鹼性腐蝕液去除第二襯底。
3.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於所述步驟I)中，塗覆的聚醯亞胺層厚度為50~120 μ m。
4.根據權利要求2或3所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟I)中，先以5000轉/min的速度將粘度為1800~2000cp的聚醯亞胺塗覆在第二襯底100層上面，形成基底膜，然後再以1000轉/min的速度將粘度為5000~6000cp的聚醯亞胺塗覆在有基底膜的基板上。
5.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟I)中，在聚醯亞胺層以5000轉/min的速度塗覆光刻膠；在顯影時，使用質量百分比為4%的KOH水溶液、在20~25°C環境溫度下顯影Imin的顯影；腐蝕用的KOH水溶液的質量百分比為的3%。
6.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟O中，所述固化和降溫是:先在溫度為120°C的環境下烘烤I小時，然後將溫度均勻地提升到150°C後，恆溫再烘烤I小時，再將溫度提升到230°C並保持一個小時後降溫，降溫的過程分為兩個階段，第一階段，在一個小時內，將溫度由230°C降低到150°C，第二階段，用一個小時，將溫度由150°C降低到初始的120°C。
7.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟I)中，聚醯亞胺塗層表面進行電子束蒸鍍方法的方法是:蒸鍍第一層為AuGe，厚度為1800埃；蒸鍍第二層為Au，厚度為1000埃；蒸鍍第三層為Ti，厚度為200埃；蒸鍍第四層為Au厚度約為15 μ m。
8.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟3)中，蒸鍍的金屬Ti的厚度為1000埃，蒸鍍的金屬Pt的厚度為1200埃，蒸鍍的金屬Au的厚度為6000埃。
9.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟3)中，所述鹼性腐蝕液採用NH4OH與H2O2按體積比為1:5的比例混合製成。
10.根據權利要求2所述柔性多結GaAs太陽電池的製備方法，其特徵在於在所述步驟4)中，上電極材料採用AuGe/Au/Ag/Au製成，厚度分別為1500埃、1000埃、30000埃、和500埃；減反射膜為依次蒸鍍厚度為50`0埃的TiO2和800埃的Al2O3的雙層膜結構。
【文檔編號】H01L31/06GK103594539SQ201310495976
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】李俊承, 楊凱, 白繼峰, 許傑林, 吳洪清, 張永, 蔡建九, 方天足, 張銀橋, 王向武 申請人:揚州乾照光電有限公司