CN104009046A - 倒装结构的激光光伏电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种倒装结构的激光光伏电池，所述的光伏电池包括第二绝缘衬底以及位于所述第二绝缘衬底上的外延层，所述的外延层包括依次形成于所述第二绝缘衬底上的负电极、N型导电层、P/N结电池、P型窗口层和P型接触层。本申请还公开了上述倒装结构的激光电池的制作方法。本申请的激光电池，大大降低了串联电阻，改善了电池的散热性能，从而提高光伏电池的转换效率，剥离掉的第一衬底可重复利用，降低了成本。

Description

倒装结构的激光光伏电池及其制作方法

技术领域

本发明属于光伏电池领域，尤其涉及一种倒装结构的激光光伏电池及其制作方法。

背景技术

激光供能系统是一个创新的能量传递系统，凭借这个系统，将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上，可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳能电池类似，只是可以获得更高的转换效率，更大的输出电压，能传递更多的能量，光源采用适合光纤传输的790 nm - 850 nm波长的激光。

GaAs PN结电池可以用于将808 nm的激光能量转换为电能，用作激光供能系统中的激光电池，但是GaAs电池的开路电压只有为1 V，不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将GaAs PN结电池生长在半绝缘GaAs衬底上，通过刻蚀隔离沟槽的方式将单位面积的电池芯片进行隔离，再通过引线的方式将几个单结电池单元串联得到高电压输出，串联后，串联电阻将是影响电池性能的最主要的因素之一。串联电阻主要由外延层的薄层电阻、正负电极接触电阻、正负电极金属体电阻组成。外延层的薄层电阻是电池串联电阻中的最主要的部分，主要由生长工艺决定；电极接触电阻和电极金属体电阻主要由器件制备工艺和电极结构设计决定。由于电阻与长度成正比与截面积成反比，即电流通过的距离长电阻较大，光生载流子传输距离长，造成薄层电阻大，串联电阻加大，将降低电池的性能。以往采用半绝缘衬底上生长导电层，并刻蚀窗口的方式大大增大了串联电阻。

有鉴于此，有必要提供一种新型的激光光伏电池。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种倒装结构的激光光伏电池及其制作方法，大大降低了串联电阻，改善了电池的散热性能，从而提高光伏电池的转换效率，剥离掉的第一衬底可重复利用，降低了成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种倒装结构的激光光伏电池，所述的光伏电池包括第二绝缘衬底以及位于所述第二绝缘衬底上的外延层，所述的外延层包括依次形成于所述第二绝缘衬底上的负电极、N型导电层、P/N结电池、P型窗口层和P型接触层。

作为本发明的进一步改进，还包括位于所述N型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

优选的，所述势垒层为N型的AlGaAs((Al)GaInP)，AlGaAs((Al)GaInP)是指AlGaAs(GaInP)或AlGaAs(AlGaInP)。

作为本发明的进一步改进，所述的N型导电层和P型接触层的材料均为GaAs，所述的P/N结电池为GaAs电池。

作为本发明的进一步改进，所述P型窗口层的材料为Al_xGa_1-xAs(1＞x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

作为本发明的进一步改进，还包括隔离槽，所述隔离槽将所述光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，所述的隔离槽分别贯穿所述P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型导电层和负电极。

作为本发明的进一步改进，还包括正电极，所述正电极形成于所述接触层上。

本申请还公开了一种倒装结构的激光光伏电池的制作方法，包括：

（1）在第一衬底上生长作为剥离第一衬底的牺牲层；

（2）在上述牺牲层上生长P型接触层用作欧姆接触，并用作选择性腐蚀牺牲层的截止层；

（3）在上述接触层上生长的P型窗口层；

（4）在上述P型窗口层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结电池；

（5）在上述P/N结电池上生长N型势垒层；

（6）在上述势垒层上生长N型导电层；

（7）在N型导电层上制备负电极，并退火形成欧姆接触；

（8）利用键合工艺在负电极表面和第二绝缘衬底表面之间制备键合/粘附结构层，通过键合方式/粘合方式贴附在一起；

（9）通过湿法腐蚀的方式去除牺牲层，对第一衬底进行剥离，形成在第二绝缘衬底上倒装结构的激光光伏电池基体；

（10）按照电池标准工艺，在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

作为本发明的进一步改进，所述导电层为N型掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的GaAs导电层；所述势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的N型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层；所述P型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸ cm^-3以上的窗口层；所述P型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸ cm^-3以上的GaAs接触层。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（10）中，依次刻蚀P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型势垒层、N型导电层和负电极直至露出第二绝缘衬底或部分刻蚀第二绝缘衬底以形成隔离槽。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（10）中，依次刻蚀P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型势垒层和N型导电层，直至露出负电极以形成负电极窗口，在P型接触层上制备正电极。正电极是通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射在P型接触层上沉积一层或多层金属并退火形成欧姆接触而制成的。正、负电极通过金属压焊或蒸镀金属的方式实现光伏电池中各单元电池的串联。

作为本发明的进一步改进，窗口层上还形成有减反射膜，减反射膜是通过化学气相淀积技术或镀膜机制备的ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂减反射膜。

作为一种可选用的实施方式,该光伏电池中的各层是采用MOCVD或MBE方法生长形成的，其中MOCVD的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；MBE的N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 本发明设计的倒装结构光伏电池通过有几个单元串联可产生高达数伏的输出电压。

2. 本发明设计的新型倒装结构以有效地降低串联电阻，改善了电池的散热性能，大大的提高器件的性能。

3. 剥离掉的第一衬底可重复利用，大大降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中倒装结构的激光光伏电池的基体的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中倒装结构的激光光伏电池的基体键合以及对第一衬底进行剥离的示意图；

图3所示为本发明具体实施例中倒装结构的激光光伏电池的隔离槽的示意图；

图4所示为本发明具体实施例中倒装结构的激光光伏电池的剖视图；

图5所示为本发明具体实施例中倒装结构的激光光伏电池的俯视图。

具体实施方式

考虑到现有技术中的诸多不足，如何提高并联电阻、减小串联电阻、增加激光电池的转换效率，并解决相应的生产技术具有重大意义。

本申请实施例公开了一种倒装结构的激光光伏电池，所述的光伏电池包括第二绝缘衬底以及位于所述第二绝缘衬底上的外延层，所述的外延层包括依次形成于所述第二绝缘衬底上的负电极、N型导电层、P/N结电池、P型窗口层和P型接触层。

相应地，本申请还公开了一种倒装结构的激光光伏电池的制作方法，包括：

（1）在第一衬底上生长作为剥离第一衬底的牺牲层；

（2）在上述牺牲层上生长P型接触层用作欧姆接触，并用作选择性腐蚀牺牲层的截止层；

（3）在上述接触层上生长的P型窗口层；

（4）在上述P型窗口层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结电池；

（5）在上述P/N结电池上生长N型势垒层；

（6）在上述势垒层上生长N型导电层；

（7）在N型导电层上制备负电极，并退火形成欧姆接触；

（8）利用键合工艺在负电极表面和第二绝缘衬底表面之间制备键合/粘附结构层，通过键合方式/粘合方式贴附在一起；

（9）通过湿法腐蚀的方式去除牺牲层，对第一衬底进行剥离，形成在第二绝缘衬底上倒装结构的激光光伏电池；

（10）按照电池标准工艺，在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

优选的，前述步骤（7）中是采用在GaAs导电层上制备负电极，并退火形成欧姆接触，其中负电极为必要的欧姆接触金属并进行电极加厚；前述步骤（9）中是通过湿法腐蚀的方式去除牺牲层，对第一衬底进行剥离，所采用的选择性腐蚀液只对AlAs牺牲层进行腐蚀，对电池其他材料结构不进行腐蚀；在P型接触层形成前述正电极之后，还将未分布在该金属电极正下方的接触层去除；前述减反射层通过化学气相淀积技术或镀膜机制备的ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂减反射膜。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-5，倒装结构的GaAs激光光伏电池制备方法的制作工艺包括下列步骤：

1、采用第一GaAs衬底01，厚度在200至500微米左右，作为衬底生长GaAs激光光伏电池结构材料；

2、进入MOCVD或MBE生长室，先生长一层5-100nm的AlAs牺牲层02；

3、在AlAs牺牲层02生长100-300 nm的掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的P型的GaAs 接触层03，并作为腐蚀牺牲层的截止层；

4、在GaAs 接触层03上生长1000-3000 nm的掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的P型的Al_xGa_1-xAs(1＞x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P窗口层04；

5、在窗口层04上生长100-600 nm的P型的掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10¹⁸ cm^-3的GaAs吸收层05，作为GaAs太阳能电池的发射区，再生长2500-3500 nm的N型掺杂浓度为1×10¹⁷-4×10¹⁸ cm^-3的GaAs吸收层06，作为GaAs太阳能电池的基区；形成一个PN结电池09；

6、在PN结电池09上生长掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的N型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层07，并作为GaAs电池的背场层；

7、在势垒层07上生长一层1000 -5000 nm的N型GaAs导电层08，掺杂浓度高达1×10¹⁸ -1×10¹⁹ cm^-3；

8、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式在GaAs导电层08上制备AuGe/Ni/Au＝35/10/100 nm，Ag =1μm和Au= 100 nm金属材料的负电极11形成欧姆接触，并对其进行Au= 200-1000 nm的金属电极加厚；

9、利用键合工艺在负电极11表面和第二绝缘衬底12表面之间制备键合/粘附结构层，通过键合方式/粘合方式贴附在一起，第二绝缘衬底12优选为绝缘陶瓷衬底或绝缘PI衬底；

10、通过湿法腐蚀的方式去除牺牲层02，对第一衬底01进行剥离，形成第二绝缘衬底12上倒装结构的激光光伏电池，至此制得光伏电池基体；

11、通过湿法或干法依次刻蚀P型接触层03、P型窗口层04、P/N结电池09、N型势垒层07、N型导电层08、负电极11直至露出或部分刻蚀第二绝缘衬底12的方式于光伏电池基体中形隔离槽13；

12、通过干法或湿法刻蚀依次刻蚀P型接触层03、P型窗口层04、P/N结电池09、N型势垒层07、N型导电层08直至露出负电极11加厚部分，形成负电极窗口；

13、在P型接触层03上通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备Pd/Zn/Pd/Au＝5/10/20/200 nm，Ag =1 μm和Au= 100 nm金属材料的正电极14形成欧姆接触；

14、通过湿法刻蚀将正电极14下面以外的接触层03去除；

15、通过化学气相淀积技术或镀膜机在P型窗口层04上制备减反射层15，应用ZnSe/MgF或TiO₂/SiO₂等减反射材料，如图4；

16、制备电极引线16，实现各单元电池的串联，如图5。

本发明的激光电池通过几个电池单元串联以获得所需的输出电压，其中GaAs电池的开路电压约为1 V，这样每个电池元件有几个单元串联就有约几伏的输出电压(如6 V)。

本申请的倒装结构的激光光伏电池包括生长在第一GaAs衬底上的电池外延层和第二绝缘衬底进行晶片键合，后经湿法腐蚀AlAs牺牲层对第一衬底进行剥离，形成第二绝缘衬底上的倒装结构的激光光伏电池结构。此倒装结构光伏电池的串联电阻低，输出电压高，改善了电池的散热性能，提高了电池的光电转换效率，剥离掉的第一衬底可重复利用，降低成本，可作为高效激光光伏电池广泛应用。

易于想到的是，在其他实施例中，激光光伏电池也可通过隔离槽分隔成任意数量的电池单元，比如通过一道隔离槽形成2个电池单元，2道交叉的隔离槽形成4个电池单元等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：所述的光伏电池包括第二绝缘衬底以及位于所述第二绝缘衬底上的外延层，所述的外延层包括依次形成于所述第二绝缘衬底上的负电极、N型导电层、P/N结电池、P型窗口层和P型接触层。

2.根据权利要求1所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括位于所述N型导电层和P/N结电池之间的势垒层。

3.根据权利要求2所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：所述势垒层为N型的AlGaAs((Al)GaInP)。

4.根据权利要求1所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：所述的N型导电层和P型接触层的材料均为GaAs，所述的P/N结电池为GaAs电池。

5.根据权利要求1所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：所述P型窗口层的材料为Al_xGa_1-xAs(1＞x≥0.2)或Ga_0.51In_0.49P。

6.根据权利要求1所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括隔离槽，所述隔离槽将所述光伏电池分隔成多个电池单元，电池单元之间串联连接，所述的隔离槽分别贯穿所述P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型导电层和负电极。

7.根据权利要求1所述的倒装结构的激光光伏电池，其特征在于：还包括正电极，所述正电极形成于所述接触层上。

8.权利要求1至7任一所述的倒装结构的激光光伏电池的制作方法，其特征在于，包括：

（1）在第一衬底上生长作为剥离第一衬底的牺牲层；

（2）在上述牺牲层上生长P型接触层用作欧姆接触，并用作选择性腐蚀牺牲层的截止层；

（3）在上述接触层上生长的P型窗口层；

（4）在上述P型窗口层上依次生长P型吸收层和N型吸收层形成P/N结电池；

（5）在上述P/N结电池上生长N型势垒层；

（6）在上述势垒层上生长N型导电层；

（7）在N型导电层上制备负电极，并退火形成欧姆接触；

（8）利用键合工艺在负电极表面和第二绝缘衬底表面之间制备键合/粘附结构层，通过键合方式/粘合方式贴附在一起；

（9）通过湿法腐蚀的方式去除牺牲层，对第一衬底进行剥离，形成在第二绝缘衬底上倒装结构的激光光伏电池基体；

（10）按照电池标准工艺，在由前述步骤形成的光伏电池基体上制备隔离槽、正电极、减反射层以及电极引线，获得目标产品。

9.根据权利要求8所述的倒装结构的激光光伏电池的制作方法，其特征在于：所述导电层为N型掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的GaAs导电层；所述势垒层为掺杂浓度1×10¹⁸ cm^-3以上的N型AlGaAs((Al)GaInP) 势垒层；所述P型窗口层为掺杂浓度在1×10¹⁸ cm^-3以上的窗口层；所述P型接触层为掺杂浓度在2×10¹⁸ cm^-3以上的GaAs接触层。

10.根据权利要求8所述的倒装结构的激光光伏电池的制作方法，其特征在于：所述步骤（10）中，依次刻蚀P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型势垒层、N型导电层和负电极直至露出第二绝缘衬底或部分刻蚀第二绝缘衬底以形成隔离槽。

11.根据权利要求8所述的倒装结构的激光光伏电池的制作方法，其特征在于：所述步骤（10）中，依次刻蚀P型接触层、P型窗口层、P/N结电池、N型势垒层和N型导电层，直至露出负电极以形成负电极窗口，在P型接触层上制备正电极。