一种柔性太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池，特别涉及一种柔性太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国航天事业的迅猛发展，砷化镓太阳能电池因其光电转换效率高、可靠性好，广泛应用于航天航空领域。倒置结构的砷化镓太阳能电池，由于良好的带隙匹配结构，大幅提升了砷化镓空间太阳能电池的光电性能。

2、基于刚性永久衬底的双面受光倒置结构太阳电池，打破了传统砷化镓太阳能电池只通过提高光电转化效率的方法来改善重量比功率的常规做法，让太阳电池双面受光，充分利用到电池各个角度接收到的太阳光，不仅大幅提高太阳电池的电输出功率，而且可以避免传统太阳电池组件的背面发热，以及引起产品使用寿命的下降。

3、中国专利cn201520745057.4公开了在同一个刚性永久衬底的正反面同时制作互为独立的正面电池和反面电池，以吸收太阳光，增加电池的电输出功率，其详细步骤如下所示：

4、（1）外延生长：

5、采用mocvd设备在gaas衬底上逐次生长n型gaas缓冲层、gainp腐蚀截止层、n型gaas帽层，顶电池gainp、中电池gaas、底电池ingaas和p型ingaas，制作含gaas临时衬底的外延层。如图所示。

6、（2）键合层制作：

7、取2片第（1）步骤制作出来的外延层，进行清洗、干燥，在p型ingaas上蒸镀ti、pt、au金属键合层，总厚度不低于1um；

8、取1片做过双面抛光且厚度为200um的si衬底，清洗、干燥，在其正反面蒸镀ti、pt、au金属键合层，总厚度不低于1um。

9、（3）衬底的转移和剥离：

10、将si衬底的两面分别与2片外延层的金属键合层键合，形成三明治式半制品，并用氨水和双氧水的混合液腐蚀去掉三明治结构的键合片的上下两个gaas临时衬底，n型gaas缓冲层，露出gainp截止层。

11、（4）制作上电极：

12、用盐酸和磷酸的混合溶液腐蚀去除gainp截止层，经清洗、干燥，采用光刻工艺制作正反两个电池的上电极。

13、（5）选择性腐蚀，制作减反射膜：

14、用柠檬酸、双氧水、水的混合溶液，对第（4）步制成的半制品进行选择性腐蚀，清洗、干燥后，在半制品的正反面蒸镀tio2/si3n4/sio2多层减反膜，厚度分别为50nm，25nm，95nm。

15、（6）退火、制作下电极：

16、400℃高温退火20min，制作欧姆接触，过后进行套刻，刻穿到金属键合层，完成下电极的制作。

17、（7）划片、端面处理完成倒装太阳电池芯片制作：

18、在正反面上胶保护，用金刚石刀片或激光切割方式分割电池芯片，去除边缘，保留完整电池芯片，通过柠檬酸、双氧水、水的混合溶液，进行端面腐蚀，去胶清洗制作完成双面电池。

19、上述现有技术具有以下缺点：

20、（1）质量重、体积大

21、现有专利使用200um厚的si永久衬底为刚性衬底，而外延层的厚度仅有几个到十几个um，即使采用双面生长的方式生长多结太阳电池，其刚性衬底的重量和体积依然占据太阳电池整体的绝大部分，同时也占据了电池的很大一部分成本，造成材料的浪费和成本的增加，严重限制了太阳能电池在空间站、卫星、长留空无人机等航天领域的使用价值。

22、（2）刚性衬底，无法满足柔性材质应用领域的需求

23、在某些应用领域，例如智能穿戴设备、可折叠行军帐篷、建筑物、飞行器的表面上，配备太阳能电池时，刚性衬底难以满足这些场景下的应用要求。

24、（3）湿法腐蚀去衬底，成本高

25、通过湿法腐蚀去gaas衬底的方式，造成了原有gaas衬底的浪费，特别是倒置双面生长太阳能多结电池时，会用到两片gaas衬底，浪费的衬底材料翻倍，大大增加了太阳能电池的成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性太阳能电池及其制备方法，采用永久柔性衬底代替刚性衬底，体积小、质量轻、应用范围广。

2、为达成上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种柔性太阳能电池的制备方法，包括：

4、提供两片半导体衬底，所述半导体衬底的一侧表面生长反向层叠的外延层；

5、提供柔性衬底，在柔性衬底的两侧表面分别生长第一键合层和第二键合层，分别在两个外延层的一侧表面生长第一键合层和第二键合层；

6、将两片半导体衬底和柔性衬底通过第一键合层和第二键合层键合在一起，形成柔性衬底居中，上下两侧面均为外延层的三明治式半制品；

7、去除半导体衬底，所述外延层的最外层为n型接触层；

8、将去除半导体衬底的半制品的一外延层表面贴在有固定支架的热剥离膜上，在半制品的另一外延层表面上制作栅线图形，然后生长正面电极；

9、将一面制备好正面电极的半制品进行选择性腐蚀，去除正面电极对应部位以外的n型接触层；

10、在选择性腐蚀过的外延层表面形成减反膜；

11、使用第一腐蚀溶液对半制品进行蚀刻，露出第一键合层，露出的第一键合层部分作为背面电极，完成电池一外延层表面的正面电极和背面电极制作；

12、在制作好电极的一面旋涂光刻胶进行保护，去除热剥离膜；

13、把光刻胶保护的一面贴在有固定支架的热剥离膜上，重复上述步骤制备电池另一外延层表面的正面电极，以及蚀刻露出第二键合层为另一外延层表面的背面电极；

14、将制备好双面电极的电池进行退火、涂胶、划片、端面腐蚀、除胶，完成双面电池的制备。

15、可选的，所述外延层结构的形成过程包括：

16、在半导体衬底上依次生长第一截止层、牺牲层、第二截止层、n型接触层、第一窗口层、第一发射区、第一基区、第一隧穿结、第二窗口层、第二发射区、第二基区、第二隧穿结、p型缓冲层、第三窗口层、第三发射区、第三基区和p型接触层。

17、可选的，去除半导体衬底包括：

18、将半制品浸入hf溶液48小时，腐蚀去除两片外延层上的牺牲层，把两片半导体衬底剥离，用盐酸溶液腐蚀去除半导体衬底上的第一截止层和外延层上的第二截止层。

19、可选的，在柔性衬底的两侧表面分别生长第一键合层和第二键合层，分别在两个外延层的一侧表面生长第一键合层和第二键合层包括：

20、在柔性衬底的两侧表面通过电子束蒸发的方式蒸镀厚度分别为70nm、70nm、800nm的ti、pt、au，形成第一键合层和第二键合层；

21、在两个外延层的一侧表面分别通过电子束蒸发的方式蒸镀厚度分别为70nm、70nm、800nm的ti、pt、au，形成第一键合层和第二键合层。

22、可选的，生长正面电极包括：

23、以电子束蒸发的方式在外延层表面蒸镀au、ge、ni、au，厚度分别为100nm、80nm、100nm、500nm。

24、可选的，在选择性腐蚀过的半制品的上下两侧表面形成减反膜包括：

25、以电子束蒸发的方法，在选择性腐蚀过的半制品的外延层表面蒸镀tio2/al2o3、tio2/si3n4或tio2/sio2的任意一种，每个减反膜具有两层膜，两层膜厚30nm、70nm。

26、可选的，制作好一面电极或两面电极后，都要去除热剥离膜，并将半制品浸入丙酮、异丙酮各5min，后经快排喷淋冲洗槽冲洗并烘干。

27、可选的，所述柔性衬底为pet膜或pi膜。

28、可选的，对电池进行涂胶及后续制程包括：

29、将电池的一面贴上蓝膜，另一面涂胶保护后也贴上蓝膜，解开未涂胶保护一面的蓝膜，进行涂胶保护，进行划片、端面腐蚀、除胶；完成后解开剩下一面的蓝膜，进行划片、端面腐蚀、除胶。

30、一种柔性太阳能电池，由上述任意一项所述的柔性太阳能电池的制备方法制备获得。

31、采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

32、1、本发明采用柔性衬底代替现有技术的刚性衬底，柔性衬底的材质轻、厚度薄，既减小了太阳能电池的体积和重量，大幅提高重量比功率，又增加了空间的伸缩性，柔性衬底可弯曲成不同角度，粘合在不同的支撑物上，例如用于空间飞行器太阳能电池，可削减空间飞行器的发射成本，提高其搭载能力。

33、2、去除半导体衬底后，外延应力释放容易使柔性衬底翘曲，无法进行后续的光刻和蒸镀工艺，本发明采用双面外延层对称分布在柔性衬底两侧的方式制备电池，外延应力释放的方向正好相反，可以互相抵消，在一定程度上消除外延应力释放所带来的翘曲。

34、但是柔性衬底两侧的外延层不会完全一样，柔性衬底还是会有不可控的轻微幅度翘曲，本发明引入带固定支架的热剥离膜，带固定支架的热剥离膜可以固定半制品，让半制品的一外延层表面平铺在热剥离膜上，防止柔性衬底翘曲，从而可在半制品的另一外延层表面进行后续的光刻和蒸镀工艺，完成该外延层表面的正面电极和背面电极的制备，再用同样的方法，完成剩下一外延表面的正面电极和背面电极的制备，实现柔性双光面太阳能电池的制备。

35、3、采用hf溶液腐蚀牺牲层，半导体衬底上的第一截止层不让hf继续腐蚀衬底，然后通过盐酸溶液来腐蚀去除第一截止层，得到完好的半导体衬底，不需要通过额外的化学机械抛光来提高半导体衬底表面的粗糙度和平整性，可直接用于下一次的外延层生长，实现半导体衬底的剥离重复利用，对于倒置多结双面结构的太阳能电池而言，可以大幅节省生产成本，避免湿法腐蚀对衬底原材料的双倍浪费。