CN103489958B - 一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，属于薄膜太阳能电池制造领域，适用于地面高效聚光发电***，同时由于其高效轻质量等特性是目前空间电源的首选。该方法首先采用两片单晶硅片氧化、键合、抛光后制备成超薄硅衬底，利用金属有机气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）方法生长Ge-Si缓冲层和多结太阳能电池材料，然后正面采用光刻胶保护，背面采用化学腐蚀进行减薄，最后制备成电池。该发明以柔性的超薄硅作为最终衬底，能获得极大的比功率（2000W/Kg），大大降低空间电源的发射成本，同时其卷曲的特性能够更加适应地面特殊环境的发电，加快太阳能发电的应用和发展。
Description
技术领域
本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，属于薄膜电池制造领域。
背景技术
GaAs电池具有稳定性好、抗辐照能力强、光电转换效率最高等特特点，是一种最具潜质的空间能源产品。目前，美日欧等西方发达国家竞相开发高效、轻质的GaAs薄膜电池，满足各自航天军事领域以及未来太空电站建设的需要；同时柔性的高效砷化镓电池也能满足地面的特殊应用。GaAs是一种直接带隙半导体材料，可以做成多结电池，有效提高光电转换效率。
传统的GaAs/Ge电池，由于基底采用镓、锗等元素的稀有，外延设备和工艺复杂，使得高效GaAs电池不但制造成本高昂，而且质量大，难以实现大规模应用，尤其是航天事业。而Si基GaAs电池，由于硅元素在地壳中储量极为丰富，提炼难度较少，生产成本较低，可用于开发低成本的多结高效GaAs电池，同时轻、薄且柔性的基底能满足未来卫星、空间站以及太空（月球）基地建设的大规模能源供应需要。因此，开发高效、低成本的柔性多结GaAs薄膜电池是未来航空航天的必然选择。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，制备出薄膜电池总厚度约为50微米，柔性、可卷曲，比功率大于2000W/Kg的优质电池，该电池在航天电源领域有着独特的优势，同时其高效、柔性的特点也在地面移动电源如单兵作战等领域有特殊应用。同时，以单晶硅替代单晶锗、单晶砷化镓作为衬底，能大大降低多结砷化镓电池的成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，包括以下步骤：
1）在850℃-900℃的温度下，干氧氧化30min-60min，在硅衬底A和硅衬底B上分别生长SiO2层；所述SiO2层的厚度为20nm-50nm；
2）经过清洗后将硅衬底A的SiO2层界面和硅衬底B的SiO2层界面键合，然后从室温升温至750℃-850℃，然后在750℃-850℃热处理时间60min-120min；
3）热处理后，经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A的厚度减薄，制备成厚度小于48微米的超薄硅衬底A；
4）经过清洗后，采用超高真空化学气相沉积，在600℃-700℃的温度下在超薄硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层；所述Ge-Si缓冲层的厚度为1-2微米；
5）然后采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层；
6）采用光刻胶将硅衬底A层、Ge-Si缓冲层、Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层包覆，采用碱腐蚀去除下表面硅衬底B，采用氢氟酸腐蚀去除SiO2层；
7）去除光刻胶；
8）制作电极，电极加固；
9）镀减反射膜层。
其中，步骤1）中所述硅衬底A优选为半导体级P型硅，硅衬底B优选为太阳能级P型硅。
步骤1）中所述SiO2层厚度优选为40nm-50nm。
步骤2）中所述室温优选20℃-25℃。
步骤3）中所述超薄硅衬底A的厚度优选为40微米-48微米。
步骤4）中所述Ge-Si缓冲层优选Ge的组分含量由内至外按比例增加，Si的组分含量由内至外同比例减少，实现从Si到Ge的过渡；其中靠近超薄硅衬底A的一侧为内。
步骤6）优选腐蚀硅衬底B采用质量浓度为20%-50%的KOH溶液，腐蚀SiO2层采用质量浓度为10%-20%的HF溶液。
步骤8）所述制作电极优选为：上下表面的电极采用蒸镀技术或者激光转印技术来制备，上表面电极材料是银，图形为栅线结构；下表面电极材料为铝，全部覆盖。
步骤9）所述减反射膜优选为硫化锌和氟化镁的双层减反射膜结构。
与现有技术相比，本发明的优势是：
1、 本发明的方法可以制备出薄膜电池总厚度小于50微米，柔性、可卷曲，单片面积可以大于80cm2，转换效率超过30%，比功率大于2000W/Kg的超薄高效电池。
2、 本发明的方法制备的电池在航天电源领域有着独特的优势，同时其高效、柔性的特点也在地面移动电源如单兵作战等领域有特殊应用。
3、 本发明的方法制备的电池以单晶硅替代单晶锗、单晶砷化镓作为衬底，能大大降低多结砷化镓电池的成本。
4、 本发明的方法制备的电池以柔性的超薄硅作为最终衬底，能获得极大的比功率（>2000W/Kg），大大降低空间电源的发射成本。
附图说明
图1 是超薄硅衬底的制备流程示意图；
图2是柔性硅基砷化镓薄膜电池的制备流程示意图；
图3是本发明制备的柔性硅基砷化镓薄膜电池的结构示意图；
其中，1是硅硅片A，2是硅硅片B，3是SiO2层，4是减薄后的硅片A（厚度<48um），5是Ge-Si缓冲层，6是外延层，7是光刻胶，8是正面电极，9是背面电极，10是减反射膜层 ；11是欧姆接触层，12是窗口层，13是GaInP电池，14是隧道结，15是GaAs电池，16是Ge电池 ，17是键合后的SiO2层。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，包括以下步骤：
1）采用热氧化法，在硅衬底A和硅衬底B上生长50nm厚的SiO2层，温度900度；2）经过15%的HCl溶液洗后，兆声处理，然后将硅衬底A和B的SiO2界面在键合设备中完成键合，然后从室温逐渐升温至850℃，在850℃下热处理时间60min；
3）经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A减薄至45-48微米厚，制作成超薄硅衬底A；
4）清洗后采用超高真空CVD（VHT-CVD），650度，在硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层2微米；
5）采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层。（如图3所示）
6）采用光刻胶将上表面及侧面进行保护，采用20% KOH溶液腐蚀下表面硅衬底B，采用10%氢氟酸腐蚀SiO2层；
7）去除光刻胶；
8）采用激光转印技术印刷正面Ag电极和背面Al背场，烘干炉600度下电极加固。
9）镀ZnS、MgF4减反射膜。
电池的最终结构示意图如图3所示，性能对比数据见表1。
表1 电池性能对比实验数据
实施例2：
本发明提供一种制备柔性硅基砷化镓薄膜电池的方法，包括以下步骤：
1）在硅衬底A和硅衬底B上生长30nm厚的SiO2层，温度850度；
2）经过20%的HCl溶液洗后，兆声处理，然后将硅衬底A和B的SiO2界面在键合设备中完成键合，然后从室温逐渐升温至800℃，800℃热处理时间为120min；
3）经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A减薄至40微米厚，制作成超薄硅衬底A；
4）清洗后采用超高真空CVD（VHT-CVD），700度，在硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层2微米；
5）采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层。（如图3所示）
6）采用光刻胶将上表面及侧面进行保护，采用50% KOH溶液腐蚀下表面硅衬底B，采用20%氢氟酸腐蚀SiO2层；
7）去除光刻胶；
8）采用激光转印技术印刷正面Ag电极和背面Al背场，烘干炉600度下电极加固。
9）镀ZnS、MgF4减反射膜。
电池的最终结构示意图如图3所示，性能同实施例1。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并不用于限制本发明，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 (7)
1.一种柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
1）在850℃-900℃的温度下，干氧氧化30min-60min，在硅衬底A和硅衬底B上分别生长SiO2层；所述SiO2层的厚度为20nm-50nm；
2）经过清洗后将硅衬底A的SiO2层界面和硅衬底B的SiO2层界面键合，然后从室温升温至750℃-850℃，然后在750℃-850℃热处理时间60min-120min；
3）热处理后，经过粗磨、粗抛和精抛，将硅衬底A的厚度减薄，制备成厚度小于48微米的超薄硅衬底A；
4）经过清洗后，采用超高真空化学气相沉积，在600℃-700℃的温度下在超薄硅衬底A表面生长Ge-Si缓冲层；所述Ge-Si缓冲层的厚度为1-2微米；
5）然后采用MOCVD在Ge-Si缓冲层上依次生长Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层；
6）采用光刻胶将硅衬底A层、Ge-Si缓冲层、Ge电池层、隧道层、GaAs电池层、隧道结层、GaInP电池层、窗口层和接触层包覆，采用碱腐蚀去除下表面硅衬底B，采用氢氟酸腐蚀去除SiO2层；
7）去除光刻胶；
8）制作电极，电极加固；
9）在接触层上镀减反射膜层。
2.根据权利要求1所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤1）中所述硅衬底A为半导体级P型硅，硅衬底B为太阳能级P型硅。
3.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤1）中所述SiO2层厚度为40nm-50nm。
4.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤3）中所述超薄硅衬底A的厚度为40微米-48微米。
5.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤4）中所述Ge-Si缓冲层中Ge的组分含量由内至外按比例增加，Si的组分含量由内至外同比例减少，实现从Si到Ge的过渡；其中靠近超薄硅衬底A的一侧为内。
6.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤6）腐蚀硅衬底B采用质量浓度为20%-50%的KOH溶液，腐蚀SiO2层采用质量浓度为10%-20%的HF溶液。
7.根据权利要求1或2所述柔性硅基砷化镓电池的制备方法，其特征是，步骤9）所述减反射膜为硫化锌和氟化镁的双层减反射膜结构。
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