基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法与流程

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法。

背景技术：

近年来，随着科技的发展，无论是在航天领域，军事武器装备，还是在民用市场上对柔性太阳电池都有迫切的需求。

柔性薄膜太阳电池即指将常规的半导体衬底去掉，换成超薄柔性材料衬底，在保证高转换效率的前提下实现太阳电池重量比功率大幅度提高。传统的iii-v族刚性电池因其超高的转换效率及抗辐照性能，一直以来都是空间领域的主力军，但其材质脆而硬，质量大，一定程度上限制了它的应用范围。而iii-v族柔性电池在继承刚性电池优良性能的前提下，又有着刚性电池所没有的超轻、超薄、可弯曲的特点，成为无人机、人工智能及微型追踪器优先选择的供能器件。

目前主流的iii-v族柔性太阳能电池使用晶片键合(wafer-bonding)工艺，先将电池键合在硅片上，去掉衬底后再键合到柔性聚酰亚胺(pi)薄膜上，最后腐蚀掉硅片。这些工艺过程涉及到多次键合过程，不仅过程复杂，工艺条件苛刻，同时极容易造成电池表面的损坏。而键合上的柔性衬底一般都是绝缘的，电池电极只能做到正负同侧，这样也会在一定程度上增加电池表面的遮光面积，降低其光电转换效率。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种制备工艺简单且基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法，且通过该方法制得的太阳能电池具有超薄可弯曲和不易破碎的特点。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

提供第一衬底，并在所述第一衬底上制作形成阻挡层；

在所述阻挡层上制作形成电池外延层；

提供第二衬底，并将所述第二衬底固定在所述电池外延层上；

依次去除所述第一衬底和所述阻挡层；

采用正面电池工艺处理所述电池外延层；

提供第三衬底，并将所述第三衬底固定在所述电池外延层上；

去除所述第二衬底；

在所述电池外延层上制作形成柔性导电衬底；

去除所述第三衬底。

优选地，所述在所述阻挡层上制作形成电池外延层的制备方法具体为依序在所述阻挡层上制作形成顶电池、中间电池和底电池，所述顶电池、所述中间电池和所述底电池构成所述电池外延层。

优选地，在所述阻挡层上制作形成电池外延层之后，所述制备方法还包括在所述底电池上生长合金材料，并对所述合金材料进行退火处理以形成欧姆接触层。

优选地，所述提供第二衬底，并将所述第二衬底固定在所述电池外延层上的制备方法具体包括：

提供硅片作为所述第二衬底，并分别在所述第二衬底和所述欧姆接触层上均匀涂覆苯并环丁烯胶；

分别对涂覆有所述苯并环丁烯胶的所述第二衬底和所述欧姆接触层进行前烘处理；

将涂覆有所述苯并环丁烯胶的所述第二衬底和所述欧姆接触层对准后放入键合机中，经键合处理后使得所述第二衬底和所述欧姆接触层之间形成键合层。

优选地，所述依次去除所述第一衬底和所述阻挡层的制备方法具体包括：

对所述第一衬底进行机械减薄；

采用第一腐蚀液去除机械减薄后的所述第一衬底；

采用第二腐蚀液去除所述阻挡层。

优选地，所述采用正面电池工艺处理所述电池外延层的制备方法具体包括：

在所述顶电池上制作形成正面电极栅线；

在所述顶电池制作形成抗反射膜，所述抗反射膜位于所述正面电极栅线所在区域外。

优选地，所述提供第三衬底，并将所述第三衬底固定在所述电池外延层上的制备方法具体包括：

提供聚四氟乙烯面板作为所述第三衬底；

采用石蜡将所述第三衬底固定在经过正面电池工艺处理后的所述顶电池上。

优选地，所述去除所述第二衬底的具体步骤包括：

采用第三腐蚀液去除所述第二衬底或者采用干法刻蚀工艺去除所述第二衬；

采用反应离子刻蚀工艺去除所述键合层。

优选地，所述在所述电池外延层上制作形成柔性导电衬底的制备方法具体为在所述欧姆接触层在生长金属材料以形成所述柔性导电衬底。

优选地，所述去除所述第三衬底的制备方法具体包括：

将形成所述柔性导电衬底后的太阳能电池放入无水乙醇溶液中；

对所述无水乙醇溶液进行水浴加热以融化所述石蜡，以剥离所述第三衬底。

本发明公开了一种基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法，本发明以生长柔性导电衬底取代了pi键合技术，工艺上不仅简化，同时也大大减少了电池损伤的可能；电池正负电极可以异侧，减少了正面面积的占用，增大了电池的正面吸光面积；电池厚度壁比pi柔性电池薄很多。这种方法不仅可以简化柔性电池的制备工艺，同时增大了电池的正面吸光面积，也使得电池片更加薄。

附图说明

图1a至图1j为本发明实施例的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1a至图1j示出了本发明实施例的太阳能电池的制备方法的工艺流程。

步骤s1、提供第一衬底10，并在第一衬底10上制作形成阻挡层20。

具体地，如图1a所示，优选采用gaas衬底作为第一衬底10，阻挡层20的制作材料可选为gainp材料或者alinp材料，阻挡层20用于在后续步骤中腐蚀第一衬底10时保护电池的其他部分不被损坏。

步骤s2、在阻挡层20上制作形成电池外延层30。

作为优选实施例，如图1b所示，电池外延层30选用三结电池外延结构，具体是采用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(mocvd)或者分子束外延工艺(mbe)依序在阻挡层20上制作形成顶电池31、中间电池32及底电池33，其中顶电池31优选采用gainp顶电池，中间电池32优选采用gaas中间电池，底电池33优选采用ingaas底电池。

进一步地，如图1c所示，在电池外延层30制作完成之后，采用蒸镀工艺在底电池33上生长ti/pt/au合金材料，接着对合金材料进行退火处理以形成欧姆接触层34。其中，在蒸镀工艺前，采用丙酮、异丙醇对电池外延层30进行有机清洗，再用稀盐酸溶液对电池外延层30进行无机清洗。另外，退火工艺的温度为420℃，时间为90s。合金材料中金属ti厚度为20nm，pt厚度为50nm，au厚度为200nm。

步骤s3、提供第二衬底40，并将第二衬底40固定在电池外延层30上。

如图1d所示，该步骤具体包括如下：

s31、选用硅片作为第二衬底40，并分别在第二衬底40和欧姆接触层34上均匀涂覆苯并环丁烯胶(bcb胶)。其中，利用旋涂机涂覆苯并环丁烯胶，控制旋涂机的第一阶段转速为600r/min并保持6s，接着旋涂机的第二阶段转速为1500r/min并保持15s，使得并环丁烯胶均匀涂覆在第二衬底40和欧姆接触层34上。

s32、分别对涂覆有苯并环丁烯胶的第二衬底40和欧姆接触层34进行前烘处理。其中前烘处理的时间为5分钟，温度为110℃。

s33、将涂覆有苯并环丁烯胶的第二衬底40和欧姆接触层34对准后放入键合机中，经键合处理后使得第二衬底40和欧姆接触层34之间形成键合层70。其中，键合机抽真空后进行加热加压，加热过程具体为开始加热至100℃并保持10min，接着加热至150℃并保持15min，然后加热至200℃并保持15min，最后加热至250℃并保持1h。降温阶段具体为降温至100℃开始施加压力，键合压力为650n，真空度设置为1x10^-3mbar，直到冷却室温停止加压。这样通过键合层70的键合作用使得第二衬底40和欧姆接触层34相对固定。

步骤s4、依次去除第一衬底10和阻挡层20。

如图1e所示，该步骤具体包括如下：

s41、对第一衬底10进行机械减薄。具体地，键合后的圆片通过石蜡固定到陶瓷托盘上，进行机械减薄，第一衬底10厚度优选为350μm，减薄200μm，便于后续更快地腐蚀第一衬底10。

s42、采用第一腐蚀液去除机械减薄后的第一衬底10，其中第一腐蚀液为h2so4、h2o2和h2o三种化合物组成的混合溶液，其中首先采用比例为h2so4：h2o2：h2o＝1：5：1的第一腐蚀液快速腐蚀第一衬底10直至阻挡层20出现，接着采用比例为h2so4：h2o2：h2o＝1：5：1的第一腐蚀液慢速将剩余的第一衬底10完全去除。

s43、采用第二腐蚀液去除阻挡层20，第二腐蚀液优选为盐酸溶液。这样将第一衬底10和阻挡层20去除后，太阳能电池临时转移至第二衬底40上。

步骤s5、采用正面电池工艺处理电池外延层30。

具体地，如图1f所示，采用蒸镀工艺在顶电池31上制作正面电极栅线80，并在顶电池31上制作形成抗反射膜90，其中抗反射膜90位于正面电极栅线80所在区域外。其中正面电极栅线80的材料为auge/ni/au合金材料，auge/ni/au的厚度分别为35nm/10nm/200nm。抗反射膜90包括依序叠层设置的ti3o5/sio2/ti3o5/sio2四层膜，其中ti3o5/sio2/ti3o5/sio2四层膜的厚度分别为69nm/20nm/28nm/103nm。

步骤s6、提供第三衬底50，并将第三衬底50固定在电池外延层30上。

如图1g所示，该步骤具体包括如下：

s61、提供聚四氟乙烯面板作为第三衬底50。

s62、采用石蜡将第三衬底50固定在经过正面电池工艺处理后的顶电池31上。具体是将融化后的石蜡涂覆在第三衬底50上，将第三衬底50对准顶电池31后进行挤压，待石蜡凝固后，第三衬底50和顶电池31相对固定。

步骤s7、去除第二衬底40。

如图1h所示，该步骤具体包括如下：

s71、采用第三腐蚀液去除第二衬底40，第三腐蚀液为氢氟酸溶液。当然在其他实施方式中，还可采用干法刻蚀工艺去除第二衬底40，先对第二衬底40进行深硅刻蚀，接着利用氢氟酸溶液进行腐蚀

s72、采用反应离子刻蚀工艺去除键合层70。在去除第二衬底40和键合层70后，太阳能电池临时转移至第三衬底50上。

步骤s8、在电池外延层30上制作形成柔性导电衬底60。

如图1i所示，优选采用电镀工艺在电池外延层30上方的欧姆接触层34上生长金属材料以形成柔性导电衬底60，其中柔性导电衬底60通过欧姆接触层34实现与底电池33的电性连接，这样柔性导电衬底60可用作太阳能电池的负电极。作为优选实施例，柔性导电衬底60为20μm厚度的金属铜层，具有良好的柔软性。

步骤s9、去除第三衬底50。

如图1j所示，该步骤具体包括如下：

s91、将形成柔性导电衬底60后的太阳能电池放入无水乙醇溶液中；

s92、对无水乙醇溶液进行水浴加热以融化石蜡，以剥离第三衬底50。

本发明公开了一种基于金属柔性基底的太阳能电池的制备方法，本发明以生长柔性导电衬底取代了pi键合技术，工艺上不仅简化，同时也大大减少了电池损伤的可能；电池正负电极可以异侧，减少了正面面积的占用，增大了电池的正面吸光面积；电池厚度壁pi柔性电池薄很多。这种方法不仅可以简化柔性电池的制备工艺，同时增大了电池的正面吸光面积，也使得电池片更加薄。

本发明公开的制备方法所制得的太阳能电池厚度超薄、超轻的质量，既能够节省电池所占空间，也减少了其产生的负重。柔性导电衬底直接设置在底电池接触金属上，可作为太阳能电池的背面电极。同时制作的器件可以适应平面和曲面，可以直接和其他装置结合在一起，大大减少了装置的质量且占用极少空间。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。