權(quán)利要求

1.一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.在GaAs襯底上生長多結(jié)太陽電池的外延片，依次包括腐蝕截止層、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié)、歐姆接觸層;

S2.在外延片表面使用PECVD技術(shù)依次沉積氮化硅犧牲層與二氧化硅層;

S3.利用臨時鍵合技術(shù)，將外延片與藍(lán)寶石臨時襯底鍵合在一起，然后去除GaAs襯底和腐蝕截止層，進(jìn)行外延片的第一次翻轉(zhuǎn);

S4.在外延片上制作ODR反射層;

S5.利用金屬鍵合技術(shù)，將外延片與Si襯底鍵合在一起，并且去除藍(lán)寶石臨時襯底，實現(xiàn)外延片的第二次翻轉(zhuǎn);

S6.在翻轉(zhuǎn)后的外延片上進(jìn)行芯片工藝制作。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S1中，所述腐蝕截止層的材料為InGaP或AlInP;所述子電池結(jié)構(gòu)為二結(jié)或單結(jié)，二結(jié)生長的順序是GaAs、InGaP，單結(jié)為GaAs或InGaP;所述隧穿結(jié)為GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP;所述子電池整體厚度為1μm-2μm;所述歐姆接觸層的材料為GaAs。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述子電池結(jié)構(gòu)包括背反射層、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、PN結(jié)、窗口層;GaAs子電池窗口層的材料為AlGaAs或InGaP，InGaP子電池窗口層的材料為AlInP。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S2中，所述氮化硅犧牲層的厚度不低于0.5μm，二氧化硅層的厚度不低于2μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S3中，鍵合條件為：真空度低于5E-01Pa，壓力15000kgf，溫度375℃，鍵合時間為45min;去除GaAs襯底的腐蝕溶液的化學(xué)成分為NH4OH、H2O2、H2O體積比例為1:1:5或1:5:5的混合液;去除腐蝕截止層的溶液為鹽酸溶液。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S4中，ODR反射層的制作方法包括以下步驟：首先，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)或PECVD技術(shù)在外延片表面沉積介質(zhì)膜;然后，通過光刻技術(shù)，在介質(zhì)膜上制作圖形，采用化學(xué)溶液腐蝕或干法蝕刻將露出部分的介質(zhì)膜腐蝕掉，并去除表面剩余光刻膠;最后，在介質(zhì)膜上先沉積歐姆接觸合金層，再沉積Au層，即得。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì)膜為MgF2或SiO2;所述歐姆接觸合金層的材料為AuZn或AuBe，厚度為0.12μm;所述Au層的厚度≥0.5μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S5中，鍵合前，先對Si襯底上沉積鍵合金屬層，所述鍵合金屬層為與硅片具有高粘附性的金屬，且最表層為Au或In;鍵合時，金屬面對金屬面，鍵合條件是：壓力7000kgf-9000kgf，溫度分三個階段，第一階段240℃，保持時間5min，第二階段320℃，保持時間10min，第三階段100℃，保持時間5min。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，S5中，去除藍(lán)寶石臨時襯底的方法為：利用激光剝離技術(shù)燒蝕氮化硅犧牲層，實現(xiàn)藍(lán)寶石的分離，然后使用HF酸溶液，腐蝕掉剩余的鍵合層和犧牲層。

10.一種如權(quán)利要求1-9任一項所述的制備作方法制備的空間用多結(jié)太陽電池。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及太陽電池結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種空間用多結(jié)太陽電池及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]目前空間用太陽電池，主要結(jié)構(gòu)是在鍺襯底上，依次外延生長GaAs、GaInP子電池結(jié)構(gòu)，組成Ge/GaAs/GaInP三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)，然后通過芯片工藝制作出可以供空間飛行器使用的太陽電池芯片。而現(xiàn)在主流的這種結(jié)構(gòu)，主要有以下缺點：一是，需要使用鍺材料的襯底作為底電池，要消耗大量的鍺，而鍺的電池通常只能貢獻(xiàn)1%-2%的效率，相比于目前鍺材料的價格與稀缺屬性，性價比較低，資源浪費嚴(yán)重;二是，有的產(chǎn)品會在外延結(jié)構(gòu)中，生長DBR結(jié)構(gòu)，增加光的反射，來提升光的利用率，而這種外延生長的DBR，雖然反射率較高，但是反射光譜很窄，所以只能提升單一子電池的的光吸收，對整體效率提升改善有限;三是，為了更好的吸收太陽光，各個子電池必須具有一定的厚度，但是厚度的增加，同時也會增加空間輻照衰減，使太陽電池在空間中的使用壽命受限。因此，急需開發(fā)一種新型空間用太陽電池。

發(fā)明內(nèi)容

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種空間用多結(jié)太陽電池及其制備方法，能有效解決現(xiàn)有太陽電池結(jié)構(gòu)成本高、使用DBR結(jié)構(gòu)反射效果有限以及使用壽命低的問題。

[0004]本發(fā)明提供一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，包括以下步驟：

S1.在GaAs襯底上生長多結(jié)太陽電池的外延片，依次包括腐蝕截止層、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié)、歐姆接觸層;

S2.在外延片表面使用PECVD(等離子增強型化學(xué)氣相淀積)技術(shù)依次沉積氮化硅(Si3N4)犧牲層與二氧化硅(SiO2)層;

S3.利用臨時鍵合技術(shù)，將外延片與藍(lán)寶石臨時襯底鍵合在一起，然后去除GaAs襯底和腐蝕截止層，進(jìn)行外延片的第一次翻轉(zhuǎn);

S4.在外延片上制作ODR反射層(全方位金屬反射層);

S5.利用金屬鍵合技術(shù)，將外延片與Si襯底鍵合在一起，并且去除藍(lán)寶石臨時襯底，實現(xiàn)外延片的第二次翻轉(zhuǎn);

S6.在翻轉(zhuǎn)后的外延片上進(jìn)行芯片工藝制作。

[0005]本發(fā)明通過兩次外延層翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)中添加ODR反射層，大幅度提升光的反射吸收，實現(xiàn)太陽電池對光的二次吸收，從而提升太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，這樣也可以減薄各子電池外延片的厚度，從而提升太陽電池的空間抗輻射性能;此外，本發(fā)明不使用鍺襯底，節(jié)約鍺材料，性價比高。

[0006]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S1中，所述腐蝕截止層的材料為InGaP或AlInP;所述子電池結(jié)構(gòu)為二結(jié)或單結(jié)，二結(jié)生長的順序是GaAs、InGaP，單結(jié)為GaAs或InGaP;所述隧穿結(jié)為GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP;所述子電池整體厚度為1μm-2μm，也可以是常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)厚度的1/4至1/2;所述歐姆接觸層的材料為GaAs。

[0007]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述子電池結(jié)構(gòu)包括背反射層、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、PN結(jié)、窗口層;GaAs子電池窗口層的材料為AlGaAs或InGaP，InGaP子電池窗口層的材料為AlInP。

[0008]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S2中，所述氮化硅犧牲層的厚度不低于0.5μm，二氧化硅層的厚度不低于2μm。

[0009]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S3中，鍵合條件為：真空度低于5E-01Pa，壓力15000kgf，溫度375℃，鍵合時間為45min;去除GaAs襯底的腐蝕溶液的化學(xué)成分為NH4OH、H2O2、H2O體積比例為1:1:5或1:5:5的混合液;去除腐蝕截止層的溶液為鹽酸溶液。

[0010]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S4中，ODR反射層的制作方法包括以下步驟：首先，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)或PECVD技術(shù)在外延片表面沉積介質(zhì)膜;然后，通過光刻技術(shù)，在介質(zhì)膜上制作圖形，采用化學(xué)溶液腐蝕或干法蝕刻將露出部分的介質(zhì)膜腐蝕掉，并去除表面剩余光刻膠;最后，在介質(zhì)膜上先沉積歐姆接觸合金層，再沉積Au層，即得。本發(fā)明先在介質(zhì)膜上開孔，然后蒸鍍歐姆接觸層金屬，可保證電流暢通，同時，通過光刻技術(shù)控制通孔大小和分布，在保證歐姆接觸不受影響的前提下，保留最多的介質(zhì)膜，增加反射率。

[0011]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述介質(zhì)膜為MgF2或SiO2;所述歐姆接觸合金層的材料為AuZn或AuBe，厚度為0.12μm;所述Au層的厚度≥0.5μm。本發(fā)明選擇能與GaAs歐姆接觸層實現(xiàn)良好歐姆接觸的AuZn或AuBe，結(jié)合效果好，同時該材料具備較高的反射率，另外還可與后續(xù)蒸鍍Au鍵合層之間形成很好的融合，可靠性好。

[0012]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S5中，鍵合前，先對Si襯底上沉積鍵合金屬層，所述鍵合金屬層為與硅片具有高粘附性的金屬，且最表層為Au或In;鍵合時，金屬面對金屬面，鍵合條件是：壓力7000kgf-9000kgf，溫度分三個階段，第一階段240℃，保持時間5min，第二階段320℃，保持時間10min，第三階段100℃，保持時間5min。該技術(shù)方案中第一階段為初步融合階段，采用低溫高壓，可減少金屬熱形變;第二階段為主要融合階段，采用高溫高壓，可將金屬融合到一起;第三階段，保持壓力不變的情況下，逐步降溫，這樣會有利于晶圓應(yīng)力的逐步釋放，可防止晶圓開裂，整體提高鍵合效果。

[0013]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S5中，去除藍(lán)寶石臨時襯底的方法為：利用激光剝離技術(shù)燒蝕氮化硅犧牲層，實現(xiàn)藍(lán)寶石的分離，然后使用HF酸溶液，腐蝕掉剩余的鍵合層和犧牲層。

[0014]進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案S6中，芯片工藝制作包括正面電極制作、減反射膜制作、背面減薄、背面電極制作，切割、測試等工藝，此過程采用常規(guī)多結(jié)太陽電池制作工藝。

[0015]本發(fā)明還提供一種由上述制備作方法制備的空間用多結(jié)太陽電池，所述空間用多結(jié)太陽電池包括背面電極、Si襯底、鍵合金屬層、ODR反射層、介質(zhì)膜、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié)、歐姆接觸層、減反射膜、正面電極。

[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果有：

1.本發(fā)明從制備工藝上進(jìn)行優(yōu)化，通過采用正向生長太陽電池結(jié)構(gòu)的方式，經(jīng)過兩次外延層翻轉(zhuǎn)后在多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)中添加了ODR反射層，不僅反射光譜涵蓋所有外延結(jié)構(gòu)，大幅度提升光的反射吸收，從而提升太陽電池的整體反射效率;同時，還能實現(xiàn)太陽電池對光的二次吸收，提升太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。

[0017]2.本發(fā)明在提升反射效果后，各個子電池的外延層的厚度可以適當(dāng)減薄，子電池整體厚度可控制在常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)的1/4至1/2，大大提升了太陽電池的空間抗輻射性能。

[0018]3.本發(fā)明使用硅替代鍺材料作為襯底，不僅可靠性大大提高，還可降低成本。

附圖說明

[0019]圖1為本發(fā)明S1中外延片結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為本發(fā)明S3中外延片臨時鍵合結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本發(fā)明外延片一次翻轉(zhuǎn)與制作ODR反射層后的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4為本發(fā)明S5中外延片二次翻轉(zhuǎn)到Si襯底后的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖5為本發(fā)明制備完成的空間用多結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

[0020]示意圖中標(biāo)號說明：

1、GaAs襯底;2、腐蝕截止層;3、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié);4、歐姆接觸層;5、氮化硅犧牲層;6、二氧化硅層;7、藍(lán)寶石臨時襯底;8、ODR反射層;8-1、介質(zhì)膜;8-2、歐姆接觸合金層;8-3、Au層;9、Si襯底;10、鍵合金屬層;11、正面電極;12、減反射膜;13、背面電極。

具體實施方式

[0021]下面將結(jié)合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本申請及其應(yīng)用或使用的任何限制?；诒旧暾堉械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。

[0022]在本申請的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等詞語來限定零部件，僅僅是為了便于對相應(yīng)零部件進(jìn)行區(qū)別，如沒有另行聲明，上述詞語并沒有特殊含義，因此不能理解為對本申請保護(hù)范圍的限制。

[0023]在本申請的描述中，需要理解的是，方位詞如“前、后、上、下、左、右”、“橫向、豎向、垂直、水平”和“頂、底”等所指示的方位或位置關(guān)系通常是基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本申請和簡化描述，在未作相反說明的情況下，這些方位詞并不指示和暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位或者以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本申請保護(hù)范圍的限制;方位詞“內(nèi)、外”是指相對于各部件本身的輪廓的內(nèi)外。

[0024]請參閱圖1至圖5，需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的形態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局形態(tài)也可能更為復(fù)雜。

[0025]本發(fā)明的一些實施例提供一種空間用多結(jié)太陽電池的制備方法，包括以下步驟：

S1.在GaAs襯底1上生長多結(jié)太陽電池的外延片，依次包括腐蝕截止層2、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié)3、歐姆接觸層4，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示;

具體地，在GaAs襯底上，使用有機金屬化學(xué)氣象沉積的方法，生長多結(jié)太陽電池的外延結(jié)構(gòu)。首先生長腐蝕截止層，材料為InGaP或AlInP;然后生長外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)可以是二結(jié)或單結(jié);為二結(jié)時，生長的順序依次是GaAs、InGaP;為單結(jié)時，可以是單結(jié)GaAs或單結(jié)InGaP;各個子電池之間，使用隧穿結(jié)進(jìn)行連接，隧穿結(jié)可以是GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP。外延層最表面是GaAs材料，作為歐姆接觸層材料;子電池結(jié)構(gòu)包括背反射層、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、窗口層，PN結(jié)在基區(qū)與發(fā)射區(qū)之間。整體子電池的厚度，可以是常規(guī)結(jié)構(gòu)的1/2至1/4，視具體情況確定，一般為1μm-2μm;GaAs子電池窗口層可以是AlGaAs材料或InGaP材料，InGaP子電池窗口層為AlInP材料。

[0026]S2.在外延片表面使用PECVD技術(shù)依次沉積氮化硅犧牲層5與二氧化硅層6;具體地，在外延片表面使用PECVD技術(shù)依次沉積Si3N4與SiO2，其中Si3N4作為犧牲層厚度不低于0.5μm，SiO2作為鍵合層，厚度不低于2μm。

[0027]S3.利用臨時鍵合技術(shù)，將外延片與藍(lán)寶石臨時襯底7鍵合在一起，然后去除GaAs襯底和腐蝕截止層，進(jìn)行外延片的第一次翻轉(zhuǎn)，所得外延片臨時鍵合結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示;具體地，先利用CMP(化學(xué)機械拋光)技術(shù)對外延片進(jìn)行表面拋光，拋光后表面粗糙度不超過5nm，拋光后的外延片，與藍(lán)寶石臨時襯底進(jìn)行表面活化，活化處理目的是在表面制造出懸掛鍵，可以使用化學(xué)溶液或者是等離子體處理等物理方法，活化后將外延片與藍(lán)寶石臨時襯底鍵合在一起，鍵合條件為：真空度低于5E-01Pa，壓力15000kgf，溫度375℃，鍵合時間為45min;然后，使用的化學(xué)成分為NH4OH、H2O2、H2O體積比例為1:1:5或1:5:5的混合液腐蝕去除GaAs襯底;其中腐蝕反應(yīng)可以在冷卻槽內(nèi)進(jìn)行，便于吸收反應(yīng)放出的熱量，也可以使用其它可以腐蝕GaAs材料的化學(xué)溶液，腐蝕至腐蝕截止層自然停止，再使用HCl或其它可以腐蝕InGaP或AlInP材料的化學(xué)溶劑，去除腐蝕截止層。至此，完成外延層的第一次翻轉(zhuǎn)。

[0028]S4.在外延片上制作ODR反射層8，所得結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示;具體地，ODR反射層的制作方法包括以下步驟：首先，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)或PECVD技術(shù)在外延片表面沉積介質(zhì)膜8-1，介質(zhì)膜可以是MgF2、SiO2等折射率低于AlInP的介質(zhì)膜，可以使用電子束蒸發(fā)或PECVD等技術(shù)進(jìn)行沉積;然后，通過光刻技術(shù)，在介質(zhì)膜上制作圖形，采用化學(xué)溶液腐蝕或干法蝕刻將露出部分的介質(zhì)膜腐蝕掉，腐蝕可以采用化學(xué)溶液腐蝕或者是干法蝕刻，并去除表面剩余光刻膠;再在介質(zhì)膜上先沉積歐姆接觸合金層8-2，歐姆接觸合金層的材料可以為AuZn或AuBe，或其它能形成歐姆接觸且具有高反射率的材料，這樣形成歐姆接觸的同時形成全方位反射鏡，優(yōu)選為AuZn材料，厚度為0.12μm;最后，沉積Au層8-3作為鍵合層，這樣便于與后續(xù)襯底的鍵合，因此在保證鍵合質(zhì)量良好的前提下，也可以使用Au或其它組合金屬，整體厚度不低于0.5μm。

[0029]S5.利用金屬鍵合技術(shù)，將外延片與Si襯底9鍵合在一起，并且去除藍(lán)寶石臨時襯底，實現(xiàn)外延片的第二次翻轉(zhuǎn)，所得結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示;具體地，鍵合時，在硅片上沉積鍵合金屬層10，鍵合金屬層可以是Ti或Al或其它與硅片具有高粘附性的金屬，且鍵合金屬層的最表面為Au、In或其他適合于金屬鍵合的材料;鍵合時，金屬面對金屬面，鍵合條件是：壓力7000kgf-9000kgf，溫度分三個階段，第一階段240℃，保持時間5min，第二階段320℃，保持時間10min，第三階段100℃，保持時間5min。藍(lán)寶石臨時襯底去除時，使用激光剝離技術(shù)，通過激光燒蝕Si3N4犧牲層，實現(xiàn)藍(lán)寶石的分離動作;再使用HF酸溶液，腐蝕掉剩余的鍵合層和犧牲層。至此，完成外延層的二次翻轉(zhuǎn)。

[0030]S6.在翻轉(zhuǎn)后的外延片上進(jìn)行芯片工藝制作;具體地，對反轉(zhuǎn)后的外延片，依次制作正面電極11，減反射膜12制作，背面減薄，背面電極13制作，切割，測試等工藝，完成芯片制作。此過程與常規(guī)多結(jié)太陽電池制作工藝基本一致。

[0031]本發(fā)明的另一些實施例還提供一種空間用多結(jié)太陽電池，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，所述空間用多結(jié)太陽電池包括背面電極13、Si襯底9、鍵合金屬層10、ODR反射層8、子電池結(jié)構(gòu)與隧穿結(jié)3、歐姆接觸層4、減反射膜12、正面電極11。其中，ODR反射層自上而下依次為介質(zhì)膜8-1、歐姆接觸合金層8-2、Au層8-3;所述歐姆接觸合金層穿過圖形化后剩余的介質(zhì)膜與電池外延結(jié)構(gòu)實現(xiàn)歐姆接觸。

[0032]綜上所述，本發(fā)明通過從制備工藝上進(jìn)行優(yōu)化，通過采用正向生長太陽電池結(jié)構(gòu)的方式，經(jīng)過兩次外延層翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)中添加ODR反射層，大幅度提升光的反射吸收，實現(xiàn)太陽電池對光的二次吸收，從而提升太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，同時這樣也可以減薄各子電池外延片的厚度，從而提升太陽電池的空間抗輻射性能;此外，本發(fā)明不使用鍺襯底，節(jié)約鍺材料，性價比高。

[0033]最后需要強調(diào)的是，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種變化和更改，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

說明書附圖(5)