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CN113066907A - 一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法 - Google Patents

一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，属于太阳能电池技术领域。本发明利用聚苯乙烯纳米球来制作周期型结构，在微球间隙填充进金属，最后形成周期性纳米结构的整面网状电极，来代替传统的梳状电极，能够减少电池表面电极遮光比，提高电流收集效率。

Description

一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法。
背景技术
目前实际应用中的三结GaAs太阳电池，均使用梳状电极（如图1所示），即采用宽度为12μm-15μm的栅线电极平均分布在电池芯片表面。这样设计的结果是电极分布比较平均，收集电流比较方便。但是，由于电极大面积的分布在电池表面，并且为了提高可靠性，金属必须具备一定的面积，这样就导致表面的遮光面积增大。通常芯片面积越大，金属遮光的面积就越多。随着电池制备逐渐由4寸晶圆过渡到6寸晶圆，表面金属栅线的遮光比已经由3%上升至5%左右，极大的限制了光生电流的产生。此外，梳状电极的形式，所有栅线电极均与主栅单独连接，而为了尽可能的提高受光面积，往往单条的栅线电极设计的比较细，而且栅线之间的间距通常都很大（常规电池栅线间距均为1mm左右）。一旦发生断栅的情况，该栅线所在区域的电流，便无法进行收集，导致电池光电转换效率损失很大。
发明内容
基于此，本发明涉及一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，本发明利用聚苯乙烯纳米球来制作周期型结构，在微球间隙填充进金属，最后形成周期性纳米结构的整面网状电极，来代替传统的梳状电极。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
S1：对外延片进行背电极制作、正面焊点图形制作和活化处理得到活化外延片；
S2：将聚苯乙烯纳米球分散剂采用450倍-550倍的水稀释后，加入水质量的3%-5%的十二烷基磺酸钠，在温度为20℃-30℃，湿度为40%-60%下静置4h-6h，使得聚苯乙烯纳米球在溶液表面形成紧密的单分子膜层，得到聚苯乙烯纳米球混合液；
S3：将S1的活化外延片从一侧缓慢沉入S2制备的聚苯乙烯纳米球混合液中，使得外延片表面从单分子膜层下方缓慢经过，将聚苯乙烯纳米球转移到外延片表面；
S4：将附着有聚苯乙烯纳米球的外延片表面自然干燥，形成紧密排列的聚苯乙烯纳米球模板；
S5：将S4干燥后的外延片在115℃-125℃下，氮气环境中，加热25min-35min，至外延片表面的小球直径缩小为原来的80%-85%，形成网状结构；
S6：利用电子束蒸发的方式，在外延片表面沉积2μm-3μm的Ag，在丙酮溶液中超声使得聚苯乙烯纳米球和外延片分离，在分离的同时带走蒸镀在聚苯乙烯纳米球上的正极金属，留下的金属形成网格状电极；
S7：使用退火炉对外延片进行退火，使用金刚石切割机进行划片切割，形成单体电池。
进一步地，S1所述外延片的制备方法为：在Ge基板上，采用金属有机气相沉积方式依次外延生长制作出Ge电池、GaAs电池与InGaP电池。
进一步地，各个子电池之间，以隧穿结进行连接，隧穿结为GaAs同质隧穿结或者AlGaAs/GaInP异质隧穿结，在结尾处，生长300nm-500nm的N型GaAs，作为欧姆接触层。
进一步地，S1所述制作背电极的方法为：对电池外延片的的背面进行清洗后蒸镀背电极，背电极含有金属Pd。
进一步地，所述清洗的方法为：在外延片的正面采用等离子增强化学气相沉积方式沉积厚度为200nm-500nm的SiO2层，采用的沉积温度为200℃；然后在SiO2层上采用旋涂法涂覆液态聚酰亚胺，涂覆完成后在450℃和N2环境中固化60min形成聚酰亚胺薄膜对外延片正面进行保护，然后采用硝酸、氢氟酸和醋酸的混合酸液对外延片背面腐蚀5min，使用去离子水冲洗干净混合酸液。
进一步地，所述硝酸、所述氢氟酸和所述醋酸的体积之比为2:1:7或1:1:6，其中硝酸的质量浓度为65%-85%；氢氟酸质量浓度为40%，醋酸质量浓度为85%。
进一步地，所述蒸镀背电极的方法为：使用电子束蒸发的方式，蒸镀背面电极，背电极的材料为PdAgAu或者PdAg。
进一步地，S1所述正面焊点图形制作之前包括对外延片正面进行清洗。
进一步地，所述正面进行清洗的方法为：使用手术刀片将正极表面的聚酰亚胺薄膜划出沟道，使用10%的HF水溶液，对正极表面进行浸泡去除聚酰亚胺薄膜，然后将电池外延片依次在丙酮超声5min、异丙醇超声5min，最后在110℃下氮气氛围中烘15min即得。
进一步地，S1所述正面焊点图形制作的方法为：采用负胶曝光出特定图形后进行金属电极蒸镀，蒸镀完成后浸泡丙酮溶液，剥离出电极图形。
进一步地，所述金属电极蒸镀为依次蒸镀AuGe、Au、Ag和Au，蒸镀厚度分别为150nm、50nm、3500nm和100nm。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本发明利用聚苯乙烯纳米球来制作周期型结构，在微球间隙填充进金属，最后形成周期性纳米结构的整面网状电极，来代替传统的梳状电极，能够减少电池表面电极遮光比，提高电流收集效率，遮光比下降了1%-2%，短路电流提升1.5%左右。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中的电池正面电极的梳状电极的结构示意图；
图2为本申请实施例所示的聚苯乙烯纳米球在外延片表面形成纳米圆球阵列的结构示意图；
图3为本申请实施例所示的聚苯乙烯纳米球加热缩聚后形成的纳米圆球阵列的结构示意图；
图4为本申请实施例所示的聚苯乙烯纳米球表面金属剥离后形成的纳米金属网的结构示意图。
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。
为了进一步说明本发明，下面结合附图2-4（注：本发明提供的附图2-4仅作为工艺过程所做的示意图，因为实际的产品尺寸非常小，无法清晰展示制作过程，本发明附图中的尺寸及其在太阳电池上的比例不代表实际比例）对一种纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法进行详细描述，该方法非常适合用于三结砷化镓太阳电池的制作，具体包括以下步骤：
一、在Ge基板上，使用金属有机气相沉积（简称MOCVD）技术，依次制作出Ge电池、GaAs电池与InGaP电池；各个子电池之间，以隧穿结进行连接，隧穿结采用GaAs同质隧穿结或者AlGaAs/GaInP异质隧穿结；在结尾处，生长300nm-500nm的N型GaAs，作为欧姆接触层。
二、对电池外延片进行背面清洗，清洗的关键点在于保护外延片正面，其详细的清洗方法为：
1、正面使用等离子增强化学气相沉积（简称PECVD）方式沉积SiO2层，厚度200nm-500nm，沉积温度200℃；
2、在SiO2层上，利用旋涂法涂覆液态聚酰亚胺，其中，涂覆步骤为：
①使用滴胶瓶在外延片上滴注液态聚酰亚胺，滴注位置在外延片的中心位置，滴胶量是5g-6g；
②旋转速度1000转/分钟，加速时间2s，持续时间10s；
③旋转速度3000转/分钟，加速时间3s，持续时间30s。
3、在450℃条件下，N2环境中，固化60min，表面形成聚酰亚胺薄膜；聚酰亚胺薄膜结构稳定，能够抵御强酸的腐蚀，所以可以很好的保护正面外延结构。
4、配制硝酸（质量浓度为65%-68%）、氢氟酸（质量浓度40%）、醋酸（质量浓度85%）混合酸液，其中硝酸、氢氟酸和醋酸的体积比可以是2:1:7或1:1:6。
5、使用上述配制的混合酸液腐蚀背面5min，然后使用去离子水冲洗干净。
三、背面蒸镀背电极：使用电子束蒸发的方式，在外延片背面蒸镀背面（即锗Ge衬底面）电极；关键点在于：与Ge接触的金属必须是钯（Pd），其组合可以是PdAgAu或PdAg。
四、正面清洗
1、使用手术刀片，将表面的聚酰亚胺薄膜划出沟道，其作用是使得HF可以接触到SiO2，因为聚酰亚胺层会阻挡住HF溶液，因为下面预先沉积了SiO2，所以不会对外延层表面造成划伤。
2、使用10%的HF水溶液，对表面进行浸泡，通过腐蚀SiO2，达到去除聚酰亚胺薄膜的目的，然后对电池外延片进行有机清洗。
3、有机清洗的流程为：丙酮超声5min，异丙醇超声5min，110℃下，氮气保护下，烘箱烘干15min。
五、正面焊点电极制作，使用负胶剥离的方式进行正面焊点图形制作，包括以下步骤：
1、负胶曝光出特定图形；
2、金属电极蒸镀，依次蒸镀AuGe、Au、Ag和Au；其蒸镀厚度分别为：150nm、50nm、3500nm和100nm；
3.浸泡丙酮溶液，剥离出电极图形。
六、聚苯乙烯纳米球表面涂布，包括以下步骤：
1、将聚苯乙烯纳米球分散剂（供货方：中科院苏州纳米所），使用500倍的去离子水来稀释。具体操作为：首先将去离子水滴入烧杯或其他容器中，然后滴管量取聚苯乙烯纳米球分散剂，缓慢滴入液面中央，关键点在于尽量不使水面产生涟漪；
2、添加表面活性剂，在容器边缘缓慢的贴壁滴入十二烷基磺酸钠溶液，其浓度控制在3%-5%（该浓度是指十二烷基磺酸钠和水的质量比例）；
3、溶液在25℃，湿度50%环境中，静置5小时，聚苯乙烯纳米球会在溶液表面形成排列紧密的单分子膜层；
4、对电池外延片表面，进行活化处理；活化方法为Ar等离子体活化，活化条件为：等离子体功率300w，直流射频电源功率150w，时间5min，活化后的外延片表面，会表现出良好的亲水性；
5、将活化好的外延片，从容器边缘缓慢沉入至聚苯乙烯纳米球溶液中，表面从单层膜下方缓慢经过，聚苯乙烯纳米球会转移到外延片表面；
6、在温度25℃，湿度小于5%的干燥箱中，等待外延片表面自然干燥，形成紧密排列的聚苯乙烯纳米球模板（参见图2所示）
七、表面微球缩聚：对干燥后的外延片进行加热，温度控制在120℃，在N2环境中加热30min，小球直径缩小为原来的80%-85%，形成网状结构（参见图3所示）。
八、网状电极制作：利用电子束蒸发的方式，在外延片表面沉积2.5μm的Ag，然后在丙酮溶液中超声10min，此时小球会与外延片分离，并且带走蒸镀在小球上的金属，留下的金属形成网格状电极（参见图4所示）。
九、合金划片：使用退火炉对外延片进行退火，退火为真空环境，350℃，10min；退火后，使用金刚石切割机进行划片切割，形成单体电池。
本发明所采用的的网状电极结构，采用纳米网状金属互相连接，从而在整面都存在电极。纳米小球在未缩聚之前，直径在100nm-110nm，缩聚后，直径变为原来的85%左右，即70nm-80nm，这样的情况下，通过剥离形成的纳米网状线仅有20nm-30nm的尺寸，能够起到降低遮光比的作用。并且由于电极为网状结构，电极之间间距很小，即使有部分电极缺失，仍然不妨碍电池的电流收集，因而电池不损失效率，可靠性大大增强。
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对外延片进行背电极制作、正面焊点图形制作和活化处理得到活化外延片；
S2：将聚苯乙烯纳米球分散剂采用450倍-550倍的水稀释后，加入水质量的3%-5%的十二烷基磺酸钠，在温度为20℃-30℃，湿度为40%-60%下静置4h-6h，使得聚苯乙烯纳米球在溶液表面形成紧密的单分子膜层，得到聚苯乙烯纳米球混合液；
S3：将S1的活化外延片从一侧缓慢沉入S2制备的聚苯乙烯纳米球混合液中，使得外延片表面从单分子膜层下方缓慢经过，将聚苯乙烯纳米球转移到外延片表面；
S4：将附着有聚苯乙烯纳米球的外延片表面自然干燥，形成紧密排列的聚苯乙烯纳米球模板；
S5：将S4干燥后的外延片在115℃-125℃下，氮气环境中，加热25min-35min，至外延片表面的小球直径缩小为原来的80%-85%，形成网状结构；
S6：利用电子束蒸发的方式，在外延片表面沉积2μm-3μm的Ag，在丙酮溶液中超声使得聚苯乙烯纳米球和外延片分离，在分离的同时带走蒸镀在聚苯乙烯纳米球上的正极金属，留下的金属形成网格状电极；
S7：使用退火炉对外延片进行退火，使用金刚石切割机进行划片切割，形成单体电池。
2.根据权利要求1所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，S1所述外延片的制备方法为：在Ge基板上，采用金属有机气相沉积方式依次外延生长制作出Ge电池、GaAs电池与InGaP电池。
3.根据权利要求2所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，各个子电池之间，以隧穿结进行连接，隧穿结为GaAs同质隧穿结或者AlGaAs/GaInP异质隧穿结，在结尾处，生长300nm-500nm的N型GaAs，作为欧姆接触层。
4.根据权利要求1所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，S1所述制作背电极的方法为：对电池外延片的的背面进行清洗后蒸镀背电极，背电极含有金属Pd；
所述清洗的方法为：在外延片的正面采用等离子增强化学气相沉积方式沉积厚度为200nm-500nm的SiO2层，采用的沉积温度为200℃；然后在SiO2层上采用旋涂法涂覆液态聚酰亚胺，涂覆完成后在450℃和N2环境中固化60min形成聚酰亚胺薄膜对外延片正面进行保护，然后采用硝酸、氢氟酸和醋酸的混合酸液对外延片背面腐蚀5min，使用去离子水冲洗干净混合酸液。
5.根据权利要求4所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述硝酸、所述氢氟酸和所述醋酸的体积之比为2:1:7或1:1:6，其中硝酸的质量浓度为65%-85%；氢氟酸质量浓度为40%，醋酸质量浓度为85%。
6.根据权利要求4所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述蒸镀背电极的方法为：使用电子束蒸发的方式，蒸镀背面电极，背电极的材料为PdAgAu或者PdAg。
7.根据权利要求1所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，S1所述正面焊点图形制作之前包括对外延片正面进行清洗。
8.根据权利要求7所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述正面进行清洗的方法为：使用手术刀片将正极表面的聚酰亚胺薄膜划出沟道，使用10%的HF水溶液，对正极表面进行浸泡去除聚酰亚胺薄膜，然后将电池外延片依次在丙酮超声5min、异丙醇超声5min，最后在110℃下氮气氛围中烘15min即得。
9.根据权利要求1或8所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，S1所述正面焊点图形制作的方法为：采用负胶曝光出特定图形后进行金属电极蒸镀，蒸镀完成后浸泡丙酮溶液，剥离出电极图形。
10.根据权利要求9所述一种具有纳米网状表面电极的三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述金属电极蒸镀为依次蒸镀AuGe、Au、Ag和Au，蒸镀厚度分别为150nm、50nm、3500nm和100nm。
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