高效率锗基柔性多结太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种高效率锗基柔性多结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是一种可以将光能转换成电能的元件，它的这一特性使得其最先在空间电源领域得到广泛应用。从上世纪五十年代，人们开始对太阳能电池开展研究，随后美国贝尔实验室研制的Si太阳能电池率先应用在了先驱1号卫星上，拉开了太阳能电池实用化的序幕。随着太阳能电池理论研究的不断创新和工艺技术的不断进步，太阳能电池得到快速发展，目前发展为第三代GaAs基多结太阳能电池，电池转换效率和抗辐照能力得到了极大提高。作为第二代半导体材料GaAs具有抗辐射性能高、温度特性好、耐高温等特点，基于这类半导体所做的GaAs基太阳能电池较晶硅电池、薄膜电池等具有更高的转换效率，更长的使用寿命、更好的温度特性和更强的抗辐照能力。目前被广泛应用的GaAs基太阳能电池为GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池，空间AM0光谱，单倍下电池平均转换效率达到30%，然而进一步效率提升是困难的。

作为卫星等航天器的重要组成部分，空间太阳电池在航天器的制造和发射成本中占有较大比例，因此研发和生产高效柔性多结太阳电池，并将其应用于航天器中，是有效降低航天器成本的重要手段。GaInP/InGaAs/Ge多结太阳电池通常是在Ge衬底上正装外延生长多结太阳电池而获得的，其中Ge衬底厚度约为140微米左右，为刚性，因此Ge基GaInP/InGaAs/Ge多结太阳能电池不具有柔性。使用衬底研磨工艺减薄Ge基多结太阳能电池，通常需要将Ge衬底背面黏贴在发泡胶或石蜡上，由于发泡胶或石蜡厚度均匀性以及Ge衬底和发泡胶界面厚度均匀性较差，从而导致减薄后Ge衬底厚度均匀性差异大于30微米，无法直接获得柔性多结太阳能电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率锗基柔性多结太阳能电池，至少包括一柔性支撑衬底；在柔性支撑衬底上的一键合层；在键合层上的一接触金属层；在接触金属层上的一多晶硅层；在多晶硅层上的一锗第一子电池；在锗第一子电池上的其余多结子电池。

优选的，所述柔性支撑衬底材料为聚酰亚胺薄膜、可伐合金薄膜、钛箔、铜箔。

优选的，所述键合层材料为BCB胶、EVA胶、硅橡胶、Au、Sn、Au/In。

优选的，所述接触金属层材料为Au、AuZn、AuBe、Ag、Al。

优选的，所述多晶硅层为p型掺杂。

本发明的目的在于提供一种高效率锗基柔性多结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）使用正装外延生长工艺，在Ge衬底上依次外延获得锗第一子电池和其余多结子电池，从而形成多结太阳能电池；（2）使用键合技术一，将多结太阳能电池上表面通过键合层一键合到临时支撑衬底上；（3）减薄Ge衬底；（4）在锗第一子电池背面沉积多晶硅层；（5）在多晶硅层背面沉积接触金属层；（6）使用键合技术二，将多结太阳能电池背面通过键合层二键合到柔性支撑衬底上，去除临时支撑衬底，从而获得锗基柔性多结太阳能电池。

优选的，所述正装外延生长工艺为金属有机气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）。

优选的，所述键合层一材料为BCB胶、EVA胶、硅橡胶。

优选的，所述临时支撑衬底为Si衬底或GaAs衬底或蓝宝石衬底或AlN基板或金属基板。

优选的，所述键合层二材料为BCB胶、EVA胶、硅橡胶、Au、Sn、Au/In。

本发明的优点在于，一方面通过使用多晶硅作为Ge第一子电池的背场层，从而有利于提高Ge子电池的开路电压和光谱响应，进而提高多结太阳电池的转换效率；另一方面通过控制键合层和临时衬底厚度的均匀性，使用衬底研磨和湿法蚀刻相结合的方式，达到均匀控制Ge衬底减薄厚度的目的，实现减薄后Ge衬底厚度小于10微米，最终获得高效率锗基柔性多结太阳能电池。此外，Ge的热膨胀系数为6.1×10^-6/K，而接触金属（Au、AuZn、Ag、Al等）的热膨胀系数通常大于10×10^-6/K，因此直接在锗基柔性多结太阳能电池（厚度≤10微米）背面沉积接触金属层，较大的热膨胀系数差异将导致柔性电池严重翘曲。硅的热膨胀系数为2.5×10^-6/K，介于Ge和接触金属之间，因此在锗第一子电池和接触金属层之间沉积多晶硅层，还可以起到平衡应力的作用。

附图说明

图1是Ge衬底上GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池的侧视图。

图2是GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池上表面键合在临时支撑衬底上的侧视图。

图3是减薄后Ge衬底背面依次沉积多晶硅层和铝金属层后的侧视图。

图4是高效率锗基柔性GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池的侧视图。

具体实施方式

下面结合制作方法对根据本发明实施的一种高效率锗基柔性多结太阳能电池及其制备方法做详细说明。

一种高效率锗基柔性多结太阳能电池，包括下面步骤：

1、将一p型Ge衬底100清洗干净，衬底的厚度是140μm，并装入MOCVD 反应室，腔体压力设置在120mbar，运行外延生长程序，依次获得Ge第一子电池110，GaAs第一隧穿结120，InGaAs第二子电池130，GaInP/AlGaAs第二隧穿结140，GaInP第三子电池150，从而在Ge衬底上获得了GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池，如图1所示；

2、使用BCB胶200，压力1000kgf，温度250℃下耗时30分钟，将GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池上表面键合在Si临时支撑衬底300上，其中Si衬底尺寸为4英寸，厚度为350微米，厚度均匀性为±3微米；键合后BCB厚度为1微米，整面厚度均匀性为±0.2微米，如图2所示；

3、使用Disco研磨机将Ge衬底100减薄到20微米厚，然后使用HNO3:HF:CH3COOH = 2:3:1腐蚀溶液蚀刻Ge衬底4分钟，再用NH3·H2O:H2O2=1:1腐蚀溶液蚀刻Ge衬底4分钟，最终使得Ge衬底100整面平均厚度达到6微米，衬底整面厚度均匀性为±2微米；

4、使用ECR-PECVD设备，175℃下在Ge衬底100下表面沉积多晶硅层400，厚度500纳米，然后继续使用金属蒸镀工艺沉积铝金属层500，厚度500纳米，如图3所示；

5、分别在铝金属层500下表面和柔性支撑衬底600上表面沉积一层金700，厚度500纳米，然后通过金-金键合工艺（400℃，25分钟），将两者键合在一起，最后通过温差法去除电池上表面的BCB胶200和临时支撑衬底300，获得锗基柔性GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池。

使用快速退火炉，550℃下进行高温退火5分钟，以促使部分铝进入多晶硅层400内，从而提高多晶硅层400的P型掺杂浓度，获得高效率锗基柔性GaInP/InGaAs/Ge三结太阳能电池，如图4所示。多晶硅层P型掺杂浓度的增加将有利于提高多晶硅层400作为Ge第一子电池110背场层的作用，即有利于提高Ge第一子电池110的光谱响应和开路电压，从而提高多结电池的光电转换效率。