倒置结构的双面受光GaAs多结太阳电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及砷化镓多结太阳电池生产技术领域。
【背景技术】
[0002]我国的太阳电池迅速发展，其中GaAs太阳电池为航天事业承担着重要角色。目前GaAs多结太阳电池主要有以Ge和GaAs为衬底正装多结太阳电池，以及倒置结构的多结太阳电池，其中倒置多结太阳电池因为各结电池带隙较好的匹配全光谱，有助于太阳光吸收，使得其光电转换效率始终远远领先于其它太阳电池，备受人们的青睐。倒装太阳电池虽然转换效率较高，但因使用约2-3um的Au键合，电池片的重量增加6-8%，相反以Ge衬底正装多结太阳电池效率从29%提高到倒装电池的32%，效率提高了约9%，对比来看，太阳电池的重量比功率提高的微乎其微！
详细步骤如下:
1、外延生长:
采用M0CVD设备在GaAs衬底上依次生长N型GaAs的缓冲层、GalnP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、GalnP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型InGaAs接触层完成外延片的生长。
[0003]2、衬底转移:
选取导电类型为P型的转移Si衬底，经清洗备用；在电池外延片的底电池背部和转移Si衬底正面，分别通过电子束依次蒸镀T1、Pt和Au层，再将蒸镀完电池外延片与转移Si衬底进行金属键合。
[0004]3、衬底剥离:
采用氨水、双氧水腐蚀液去除金属键合后的电池外延结构上的GaAs衬底。
[0005]4、电极制作:
采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，用电子束和热阻真空蒸镀的方式，在顶电池欧姆接触层上制备金属电极，并通过有机剥离将完成上电极制作；在转移Si衬底背面蒸镀制备下电极。
[0006]5、减反射膜:
将完成选择性腐蚀的电池片，采用电子束蒸镀的方法蒸镀Ti02/Al203双层减反射膜。
[0007]6、退火、划片、端面处理完成倒装太阳电池芯片制作。
[0008]形成的产品如图1所示:在下电极21上方依次有衬底层22、金属键合层23、一个倒装的电池外延层24、减反射膜25，两个上电极26与电池外延层24导电连接。
[0009]这种GalnP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳电池目前效率最高的效率在32%左右，在光谱AM 0下，标准光强为136.7mw/cm2,输出功率约为43.74 mw/cm2率，已经接近理论值。由于太阳光经过大气层会发生反射和散射，这样很多太阳光没有被利用，极大程度上是一种资源的浪费，直接影响太阳电池的电输出功率，况且反射和散射的太阳光照射在太阳电池组件背面会发热，影响产品的使用寿命。
[0010]现今为提高电池的输出功率的常规思路，就是提高其电池的光电转化效率来改变重量比功率，这个思路模式禁锢和忽略了空间中电池体背面受光部分。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的不足，本发明目的是提出一种能提高太阳电池光电转化的输出功率从而提高重量比功率的倒置结构的双面受光GaAs多结太阳电池。
[0012]本发明包括半绝缘或绝缘永久衬底，在所述永久衬底的正反两面分别通过键合层各自连接正电池外延层和反电池外延层，在正电池外延层的表面设置正电池上电极，在反电池外延层的表面设置反电池上电极，在正电池外延层和反电池外延层的表面分别设置减反射膜，在所述永久衬底的正反两面分别刻穿露出作为正电池下电极、反电池下电极的键入[3口 /Ζλ ο
[0013]由于永久衬底的绝缘作用，本发明在同一个永久衬底的正反两面同时制有负为独立的正面电池和反面电池，正、反面电池均可吸收光转化电能，本发明能有效地利用各部分入射、反射和散射的太阳光，两电池同时工作增加了太阳电池的电输出功率，二者同时工作、互不影响。另外，由于本发明只采用一个永久衬底，提高了太阳电池重量比功率，减轻空间用太阳电池运行的承载负担。本发明将同一电池的上电极和下电极布置在永久衬底的同一侧，而不是传统上下输出的垂直结构，使两电池能够不受干扰独立工作，也利于认别，方便引线的连接。
[0014]另外，为了使金刚石划片机能够正常的切在正反两面太阳电池切割槽中，减少电池芯片因切割位置的差异造成产品失效和性能的不良，本发明所述正电池上电极和反电池上电极对称布置在所述永久衬底的正反两面。
[0015]同理，所述正电池下电极和反电池下电极对称布置在所述永久衬底的正反两面。
[0016]本发明所述减反射膜可以为Ti02/Ta205/Al203，或 Ti02/Ta205/Si02，或 Ti02/Si3N4/A1203，或Ti02/Si3N4/ Si02三层结构中的一种。Ta 205、Si3N4折射率为2.0，比较适合三层膜系，但Ta205在电子束蒸镀时源容易喷溅，稳定性差，不利于批量性生产；A1 203折射率为1.6，S1jF射率为1.46，根据光学原理，由光疏到光密折射率小Si02会比A1 203折射角小，因此Ti02/Si3N4/ 3102减反射膜反射率较优。
[0017]本发明的另一目的是提出以上倒置结构的双面受光GaAs多结太阳电池的制备方法。
[0018]本发明包括以下步骤；
1)外延片生长:按常规工艺，使用M0CVD在临时GaAs衬底上依次生长N型GaAs的缓冲层、GalnP腐蚀截止层、N型GaAs接触层、GalnP顶电池、第一隧穿结、GaAs中电池、第二隧穿结、InGaAs底电池和P型InGaAs接触层完成完整的电池外延片生长；
2)衬底转移:在半绝缘或绝缘永久衬底的正反表面分别通过金属键合层倒装键合电池外延片，形成中间为永久衬底两侧各有一外延层的三明治式半制品；
3)衬底剥离:分别去除位于三明治式半制品两侧的外延层的临时衬底和N型GaAs的缓冲层，直至露出各外延层的GalnP腐蚀截止层；
4)上电极制作:在去除各外延层的GalnP腐蚀截止层后，于三明治式半制品两侧分别制作正电池上电极和反电池上电极； 5)减反射膜制作:先有选择性地腐蚀去除各上电极以外的各外延层的N型GaAs接触层，再在各上电极以外的各外延层表面制备减反射膜；
6)退火形成欧姆接触；
7)下电极制作:在各外延层上蚀刻，直至露出部分金属键合层；
8)划片；
9)断面腐蚀。
[0019]本发明采用三明治键合方式，工艺简单，操作方便，仅使用一次键合的方式，即可将两个独立的电池背靠背地粘在导电和散热较好的衬底上。正反面经过同步的选择性腐蚀、减反射膜蚀刻、划片和断面腐蚀等一系列的器件工艺，完成双面可以吸收太阳光的电池，这样正反面的电池同时工作，输出电转化功率，弥补了损失掉光源的功效，提高了该电池的重量比功率，减轻了火箭的运载和卫星的飞行负担。
[0020]进一步地，在衬底转移时，分别在经过清洗处理的永久衬底的正反两面分别采用电子束蒸镀键合层，在具有临时衬底的外延片的正面采用电子束蒸镀键合层，再通过蒸镀键合层将两片具有临时衬底的外延片分别贴在在永久衬底的正反两面，再通过加温、加压方法将两个外延片键合转移到永久衬底上。经过剥离达到将两片倒置的电池片翻转过来，这样正装无法生长GalnP顶电池(1.85eV)，GaAs中电池(1.40 eV)，InGaAs底电池(1.0eV)结构即可通过倒装生长、键合转移来形成，有效的利用了 300?1800nm太阳光谱，提高了光电转换效率。
[0021]在上电极制作时，先采用负性光刻胶工艺光刻电极栅线图形，再用电子束和热阻真空蒸镀的方式，在蒸镀腔体温度小于100°C的条件下，在两个外延层上分别制备上电极，并通过有机剥离形成正电池上电极和反电池上电极。上电极由于蒸镀金属膜较厚，一般在3?4um，且电池体材料易氧化和被腐蚀的原因，无法使用刻蚀的方法，主要是采用lift-off的方法，先用负性光刻胶制作出所需的电极图形，再在图形表面沉积金属层，最后有机溶解光刻胶，把不需要的金属部分剥离下来，这样可以形成精度在±lum金属电极，有利于电极的一致性，提高电池的电流密度。
[0022]为了形成有效的对衬效果，本发明在上电极制作时，先制作正面电池上电极，然后再对所述永久衬底另一面对衬套刻制作反面电池上电极。
[0023]同理，在下电极制作时，采用自动光刻机正反面CCD影像在所述永久衬底的正反两面对位套刻制作电极图形，采用湿法或干法刻蚀，将套刻好的部位分别蚀刻穿到两个金属键合层。
【附图说明】
[0024]图1为电池外延片结构示意图。
[0025]图2为现有技术产品的结构示意图。
[0026]图3为本明产品下电极未形成时结构示意图。
[0027]图4为本明产品的结构示意图。
[0028]图5为图4的俯视图。
[0029]图6为图4的仰视图。
【具体实施方式】
[0030]一、参照图2、3、4，5、6详细描述本发明生产工艺:
1、外延片生长:
采用M0CVD设备在350um的GaAs衬底10上依次生长N型GaAs的缓冲层ll、GaInP腐蚀截止层12、N型GaAs接触层13、GalnP顶电池14、第一隧穿结15、GaAs中电池16、第二隧穿结17、InGaAs底电池18和P型InGaAs接触层19，完成具有临时衬底的外延片的外延层生长。如图2所示。
[0031]2、电池外延片键合层蒸镀:选取两片上述电池外延片激光打标进行编号，使用丙酮、异丙醇有机超声清洗lOMin、干燥15Min，在P型InGaAs接触层19上分别通过电子束依次蒸镀T1、Pt和Au金属键合层，总厚度不低于lum。
[0032]3、永久衬底键合层蒸镀:
选取一片厚200um双面抛光且正反两面经过氧化处理的Si半绝缘衬底35，经有机超声lOMin、干燥15Min，并在干燥后的Si半绝缘衬底35的