CN119008811A - 一种空间用多结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳电池结构技术领域，具体是涉及一种空间用多结太阳电池及其制备方法。该空间用多结太阳电池包括背面电极、Si衬底、键合金属层、ODR反射层、子电池结构与隧穿结、欧姆接触层、减反射膜、正面电极；其中，ODR反射层自上而下依次为介质膜、欧姆接触合金层、Au层。本发明通过从制备工艺上进行优化，经过两次外延层翻转，实现在多结太阳电池结构中添加ODR反射层，大幅度提升光的反射吸收，从而提升太阳电池的整体反射效率，同时通过减薄各个子电池外延层的厚度，从而提升太阳电池的空间抗辐射性能。

Description

一种空间用多结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池结构技术领域，具体是涉及一种空间用多结太阳电池及其制备方法。

背景技术

目前空间用太阳电池，主要结构是在锗衬底上，依次外延生长GaAs、GaInP子电池结构，组成Ge/GaAs/GaInP三结太阳电池结构，然后通过芯片工艺制作出可以供空间飞行器使用的太阳电池芯片。而现在主流的这种结构，主要有以下缺点：一是，需要使用锗材料的衬底作为底电池，要消耗大量的锗，而锗的电池通常只能贡献1%-2%的效率，相比于目前锗材料的价格与稀缺属性，性价比较低，资源浪费严重；二是，有的产品会在外延结构中，生长DBR结构，增加光的反射，来提升光的利用率，而这种外延生长的DBR，虽然反射率较高，但是反射光谱很窄，所以只能提升单一子电池的的光吸收，对整体效率提升改善有限；三是，为了更好的吸收太阳光，各个子电池必须具有一定的厚度，但是厚度的增加，同时也会增加空间辐照衰减，使太阳电池在空间中的使用寿命受限。因此，急需开发一种新型空间用太阳电池。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种空间用多结太阳电池及其制备方法，能有效解决现有太阳电池结构成本高、使用DBR结构反射效果有限以及使用寿命低的问题。

本发明提供一种空间用多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

S1.在GaAs衬底上生长多结太阳电池的外延片，依次包括腐蚀截止层、子电池结构与隧穿结、欧姆接触层；

S2.在外延片表面使用PECVD（等离子增强型化学气相淀积）技术依次沉积氮化硅（Si₃N₄）牺牲层与二氧化硅（SiO₂）层；

S3.利用临时键合技术，将外延片与蓝宝石临时衬底键合在一起，然后去除GaAs衬底和腐蚀截止层，进行外延片的第一次翻转；

S4.在外延片上制作ODR反射层（全方位金属反射层）；

S5.利用金属键合技术，将外延片与Si衬底键合在一起，并且去除蓝宝石临时衬底，实现外延片的第二次翻转；

S6.在翻转后的外延片上进行芯片工艺制作。

本发明通过两次外延层翻转，实现在多结太阳电池结构中添加ODR反射层，大幅度提升光的反射吸收，实现太阳电池对光的二次吸收，从而提升太阳电池的转换效率，这样也可以减薄各子电池外延片的厚度，从而提升太阳电池的空间抗辐射性能；此外，本发明不使用锗衬底，节约锗材料，性价比高。

进一步的，上述技术方案S1中，所述腐蚀截止层的材料为InGaP或AlInP；所述子电池结构为二结或单结，二结生长的顺序是GaAs、InGaP，单结为GaAs或InGaP；所述隧穿结为GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP；所述子电池整体厚度为1μm-2μm，也可以是常规太阳电池结构厚度的1/4至1/2；所述欧姆接触层的材料为GaAs。

进一步的，上述技术方案中，所述子电池结构包括背反射层、基区、发射区、PN结、窗口层；GaAs子电池窗口层的材料为AlGaAs或InGaP，InGaP子电池窗口层的材料为AlInP。

进一步的，上述技术方案S2中，所述氮化硅牺牲层的厚度不低于0.5μm，二氧化硅层的厚度不低于2μm。

进一步的，上述技术方案S3中，键合条件为：真空度低于5E-01Pa，压力15000kgf，温度375℃，键合时间为45min；去除GaAs衬底的腐蚀溶液的化学成分为NH₄OH、H₂O₂、H₂O体积比例为1:1:5或1:5:5的混合液；去除腐蚀截止层的溶液为盐酸溶液。

进一步的，上述技术方案S4中，ODR反射层的制作方法包括以下步骤：首先，采用电子束蒸发技术或PECVD技术在外延片表面沉积介质膜；然后，通过光刻技术，在介质膜上制作图形，采用化学溶液腐蚀或干法蚀刻将露出部分的介质膜腐蚀掉，并去除表面剩余光刻胶；最后，在介质膜上先沉积欧姆接触合金层，再沉积Au层，即得。本发明先在介质膜上开孔，然后蒸镀欧姆接触层金属，可保证电流畅通，同时，通过光刻技术控制通孔大小和分布，在保证欧姆接触不受影响的前提下，保留最多的介质膜，增加反射率。

进一步的，上述技术方案中，所述介质膜为MgF₂或SiO₂；所述欧姆接触合金层的材料为AuZn或AuBe，厚度为0.12μm；所述Au层的厚度≥0.5μm。本发明选择能与GaAs欧姆接触层实现良好欧姆接触的AuZn或AuBe，结合效果好，同时该材料具备较高的反射率，另外还可与后续蒸镀Au键合层之间形成很好的融合，可靠性好。

进一步的，上述技术方案S5中，键合前，先对Si衬底上沉积键合金属层，所述键合金属层为与硅片具有高粘附性的金属，且最表层为Au或In；键合时，金属面对金属面，键合条件是：压力7000kgf-9000kgf，温度分三个阶段，第一阶段240℃，保持时间5min，第二阶段320℃，保持时间10min，第三阶段100℃，保持时间5min。该技术方案中第一阶段为初步融合阶段，采用低温高压，可减少金属热形变；第二阶段为主要融合阶段，采用高温高压，可将金属融合到一起；第三阶段，保持压力不变的情况下，逐步降温，这样会有利于晶圆应力的逐步释放，可防止晶圆开裂，整体提高键合效果。

进一步的，上述技术方案S5中，去除蓝宝石临时衬底的方法为：利用激光剥离技术烧蚀氮化硅牺牲层，实现蓝宝石的分离，然后使用HF酸溶液，腐蚀掉剩余的键合层和牺牲层。

进一步的，上述技术方案S6中，芯片工艺制作包括正面电极制作、减反射膜制作、背面减薄、背面电极制作，切割、测试等工艺，此过程采用常规多结太阳电池制作工艺。

本发明还提供一种由上述制备作方法制备的空间用多结太阳电池，所述空间用多结太阳电池包括背面电极、Si衬底、键合金属层、ODR反射层、介质膜、子电池结构与隧穿结、欧姆接触层、减反射膜、正面电极。

本发明与现有技术相比，其有益效果有：

1.本发明从制备工艺上进行优化，通过采用正向生长太阳电池结构的方式，经过两次外延层翻转后在多结太阳电池结构中添加了ODR反射层，不仅反射光谱涵盖所有外延结构，大幅度提升光的反射吸收，从而提升太阳电池的整体反射效率；同时，还能实现太阳电池对光的二次吸收，提升太阳电池的转换效率。

2.本发明在提升反射效果后，各个子电池的外延层的厚度可以适当减薄，子电池整体厚度可控制在常规太阳电池结构的1/4至1/2，大大提升了太阳电池的空间抗辐射性能。

3.本发明使用硅替代锗材料作为衬底，不仅可靠性大大提高，还可降低成本。

附图说明

图1为本发明S1中外延片结构示意图；

图2为本发明S3中外延片临时键合结构示意图；

图3为本发明外延片一次翻转与制作ODR反射层后的结构示意图；

图4为本发明S5中外延片二次翻转到Si衬底后的结构示意图；

图5为本发明制备完成的空间用多结太阳电池的结构示意图。

示意图中标号说明：

1、GaAs衬底；2、腐蚀截止层；3、子电池结构与隧穿结；4、欧姆接触层；5、氮化硅牺牲层；6、二氧化硅层；7、蓝宝石临时衬底；8、ODR反射层；8-1、介质膜；8-2、欧姆接触合金层；8-3、Au层；9、Si衬底；10、键合金属层；11、正面电极；12、减反射膜；13、背面电极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

请参阅图1至图5，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明的一些实施例提供一种空间用多结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

S1.在GaAs衬底1上生长多结太阳电池的外延片，依次包括腐蚀截止层2、子电池结构与隧穿结3、欧姆接触层4，结构示意图如图1所示；

具体地，在GaAs衬底上，使用有机金属化学气象沉积的方法，生长多结太阳电池的外延结构。首先生长腐蚀截止层，材料为InGaP或AlInP；然后生长外延结构，外延结构可以是二结或单结；为二结时，生长的顺序依次是GaAs、InGaP；为单结时，可以是单结GaAs或单结InGaP；各个子电池之间，使用隧穿结进行连接，隧穿结可以是GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP。外延层最表面是GaAs材料，作为欧姆接触层材料；子电池结构包括背反射层、基区、发射区、窗口层，PN结在基区与发射区之间。整体子电池的厚度，可以是常规结构的1/2至1/4，视具体情况确定，一般为1μm-2μm；GaAs子电池窗口层可以是AlGaAs材料或InGaP材料，InGaP子电池窗口层为AlInP材料。

S2.在外延片表面使用PECVD技术依次沉积氮化硅牺牲层5与二氧化硅层6；具体地，在外延片表面使用PECVD技术依次沉积Si₃N₄与SiO₂，其中Si₃N₄作为牺牲层厚度不低于0.5μm，SiO₂作为键合层，厚度不低于2μm。

S3.利用临时键合技术，将外延片与蓝宝石临时衬底7键合在一起，然后去除GaAs衬底和腐蚀截止层，进行外延片的第一次翻转，所得外延片临时键合结构示意图如图2所示；具体地，先利用CMP（化学机械抛光）技术对外延片进行表面抛光，抛光后表面粗糙度不超过5nm，抛光后的外延片，与蓝宝石临时衬底进行表面活化，活化处理目的是在表面制造出悬挂键，可以使用化学溶液或者是等离子体处理等物理方法，活化后将外延片与蓝宝石临时衬底键合在一起，键合条件为：真空度低于5E-01Pa，压力15000kgf，温度375℃，键合时间为45min；然后，使用的化学成分为NH₄OH、H₂O₂、H₂O体积比例为1:1:5或1:5:5的混合液腐蚀去除GaAs衬底；其中腐蚀反应可以在冷却槽内进行，便于吸收反应放出的热量，也可以使用其它可以腐蚀GaAs材料的化学溶液，腐蚀至腐蚀截止层自然停止，再使用HCl或其它可以腐蚀InGaP或AlInP材料的化学溶剂，去除腐蚀截止层。至此，完成外延层的第一次翻转。

S4.在外延片上制作ODR反射层8，所得结构示意图如图3所示；具体地，ODR反射层的制作方法包括以下步骤：首先，采用电子束蒸发技术或PECVD技术在外延片表面沉积介质膜8-1，介质膜可以是MgF₂、SiO₂等折射率低于AlInP的介质膜，可以使用电子束蒸发或PECVD等技术进行沉积；然后，通过光刻技术，在介质膜上制作图形，采用化学溶液腐蚀或干法蚀刻将露出部分的介质膜腐蚀掉，腐蚀可以采用化学溶液腐蚀或者是干法蚀刻，并去除表面剩余光刻胶；再在介质膜上先沉积欧姆接触合金层8-2，欧姆接触合金层的材料可以为AuZn或AuBe，或其它能形成欧姆接触且具有高反射率的材料，这样形成欧姆接触的同时形成全方位反射镜，优选为AuZn材料，厚度为0.12μm；最后，沉积Au层8-3作为键合层，这样便于与后续衬底的键合，因此在保证键合质量良好的前提下，也可以使用Au或其它组合金属，整体厚度不低于0.5μm。

S5.利用金属键合技术，将外延片与Si衬底9键合在一起，并且去除蓝宝石临时衬底，实现外延片的第二次翻转，所得结构示意图如图4所示；具体地，键合时，在硅片上沉积键合金属层10，键合金属层可以是Ti或Al或其它与硅片具有高粘附性的金属，且键合金属层的最表面为Au、In或其他适合于金属键合的材料；键合时，金属面对金属面，键合条件是：压力7000kgf-9000kgf，温度分三个阶段，第一阶段240℃，保持时间5min，第二阶段320℃，保持时间10min，第三阶段100℃，保持时间5min。蓝宝石临时衬底去除时，使用激光剥离技术，通过激光烧蚀Si₃N₄牺牲层，实现蓝宝石的分离动作；再使用HF酸溶液，腐蚀掉剩余的键合层和牺牲层。至此，完成外延层的二次翻转。

S6.在翻转后的外延片上进行芯片工艺制作；具体地，对反转后的外延片，依次制作正面电极11，减反射膜12制作，背面减薄，背面电极13制作，切割，测试等工艺，完成芯片制作。此过程与常规多结太阳电池制作工艺基本一致。

本发明的另一些实施例还提供一种空间用多结太阳电池，结构示意图如图5所示，所述空间用多结太阳电池包括背面电极13、Si衬底9、键合金属层10、ODR反射层8、子电池结构与隧穿结3、欧姆接触层4、减反射膜12、正面电极11。其中，ODR反射层自上而下依次为介质膜8-1、欧姆接触合金层8-2、Au层8-3；所述欧姆接触合金层穿过图形化后剩余的介质膜与电池外延结构实现欧姆接触。

综上所述，本发明通过从制备工艺上进行优化，通过采用正向生长太阳电池结构的方式，经过两次外延层翻转，实现在多结太阳电池结构中添加ODR反射层，大幅度提升光的反射吸收，实现太阳电池对光的二次吸收，从而提升太阳电池的转换效率，同时这样也可以减薄各子电池外延片的厚度，从而提升太阳电池的空间抗辐射性能；此外，本发明不使用锗衬底，节约锗材料，性价比高。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在GaAs衬底上生长多结太阳电池的外延片，依次包括腐蚀截止层、子电池结构与隧穿结、欧姆接触层；

S2.在外延片表面使用PECVD技术依次沉积氮化硅牺牲层与二氧化硅层；

S3.利用临时键合技术，将外延片与蓝宝石临时衬底键合在一起，然后去除GaAs衬底和腐蚀截止层，进行外延片的第一次翻转；

S4.在外延片上制作ODR反射层；

S5.利用金属键合技术，将外延片与Si衬底键合在一起，并且去除蓝宝石临时衬底，实现外延片的第二次翻转；

S6.在翻转后的外延片上进行芯片工艺制作。

2.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S1中，所述腐蚀截止层的材料为InGaP或AlInP；所述子电池结构为二结或单结，二结生长的顺序是GaAs、InGaP，单结为GaAs或InGaP；所述隧穿结为GaAs/AlGaAs或GaAs/GaInP；所述子电池整体厚度为1μm-2μm；所述欧姆接触层的材料为GaAs。

3.根据权利要求2所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述子电池结构包括背反射层、基区、发射区、PN结、窗口层；GaAs子电池窗口层的材料为AlGaAs或InGaP，InGaP子电池窗口层的材料为AlInP。

4.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S2中，所述氮化硅牺牲层的厚度不低于0.5μm，二氧化硅层的厚度不低于2μm。

5.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S3中，键合条件为：真空度低于5E-01Pa，压力15000kgf，温度375℃，键合时间为45min；去除GaAs衬底的腐蚀溶液的化学成分为NH₄OH、H₂O₂、H₂O体积比例为1:1:5或1:5:5的混合液；去除腐蚀截止层的溶液为盐酸溶液。

6.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S4中，ODR反射层的制作方法包括以下步骤：首先，采用电子束蒸发技术或PECVD技术在外延片表面沉积介质膜；然后，通过光刻技术，在介质膜上制作图形，采用化学溶液腐蚀或干法蚀刻将露出部分的介质膜腐蚀掉，并去除表面剩余光刻胶；最后，在介质膜上先沉积欧姆接触合金层，再沉积Au层，即得。

7.根据权利要求6所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述介质膜为MgF₂或SiO₂；所述欧姆接触合金层的材料为AuZn或AuBe，厚度为0.12μm；所述Au层的厚度≥0.5μm。

8.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S5中，键合前，先对Si衬底上沉积键合金属层，所述键合金属层为与硅片具有高粘附性的金属，且最表层为Au或In；键合时，金属面对金属面，键合条件是：压力7000kgf-9000kgf，温度分三个阶段，第一阶段240℃，保持时间5min，第二阶段320℃，保持时间10min，第三阶段100℃，保持时间5min。

9.根据权利要求1所述的一种空间用多结太阳电池的制备方法，其特征在于，S5中，去除蓝宝石临时衬底的方法为：利用激光剥离技术烧蚀氮化硅牺牲层，实现蓝宝石的分离，然后使用HF酸溶液，腐蚀掉剩余的键合层和牺牲层。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的制备作方法制备的空间用多结太阳电池。