專利名稱:多結太陽能電池及其制造方法
技術領域:
本發明涉及一種多結太陽能電池及其制造方法。
背景技術:
作為一種清潔能源,太陽能電池一直是最有活力的研究領域。太陽能電池大致可分為三代。第一代為硅晶電池,可大致分為單晶硅和多晶硅兩種,其商業應用的歷史最長。 第二代為薄膜太陽能電池,主要構成材料為非晶硅與二六族化合物半導體,常被運用于建筑一體化光伏發電。第三代即為以砷化鎵太陽能電池為代表的高效多結太陽能電池,其運用于太空領域已有較長的歷史,但由于砷化鎵電池的價格相對高昂,因此過去很少被用于地面及家庭消費。為了降低砷化鎵的高昂價格所帶來的成本壓力,近年來提出在砷化鎵電池上搭配聚光光學單元而構成高倍聚光光伏組件,以利用較少面積的砷化鎵電池吸收較大面積的太陽光(一般大于100 : I) O此外,為了獲得更高的對太陽光的轉化效率,使用覆蓋不同光譜的多結材料體系來形成電池。其中,出于晶格匹配的原因,技術較為成熟的一種多結砷化鎵電池由 GaInP (磷化鎵銦,或稱鎵銦磷)、GaAs (砷化鎵,或稱鎵砷)和Ge組成。如圖I所示,主流的在產技術三結砷化鎵電池中具有三個子電池,分別為GalnP、 GaInAs和Ge子電池。各子電池覆蓋太陽光譜的不同波段,其中Ge對應O. 67eV(因此能吸收太陽光譜中的波長較長的波段而發電),GaInAs對應I. 42eV(因此能吸收太陽光譜中的波長在中間的波段而發電),而GaInP對應I. 85eV (因此能吸收太陽光譜中的波長較短的波段而發電)。由于Ge的帶隙較低,對應IeV附近的太陽光譜波段(B卩,從右至左數第三個陰影區域)未被有效利用,因此,在標準的AM1.5太陽光譜(該光譜標準由ASTM制定,大約相當于晴天時太陽在水平面上方41. 81度入射時所得到的太陽光譜)下,目前GalnP/GalnAs/ Ge三結電池能實現的轉化效率約為32%。因此,如圖I所示,雖然還未達到商業生產,但已經提出對上述三結砷化鎵結構的改進。其中構思一為使用對應I. 25eV的新材料代替I. 42eV的GaAs,使得未被有效利用的波段減少。而構思二則直接在Ge子電池與GaAs子電池之間插入帶隙約等于I. OeV的新材料。由此,構思二的各子電池對應吸收圖I左側部分所示的太陽光譜的從O. 7eV到4eV左右的各個波段=GaInP層吸收I. 85_4eV波段,然后GaAs層吸收透過來的I. 42-1. 85eV波段, 然后Y材料層吸收透過來I. 0-1. 42eV波段,最后Ge層吸收透過來的O. 67-1. OeV波段光線的能量。盡管有上述的改進,本申請的發明人注意到上述改進均旨在提高整個電池的轉化效率,而基本未涉及成本的降低。具體地說,無論是現在已在生產的由GaInP、GaAs和Ge組成的三結電池,還是已提出構思的理論上可獲得更高轉化效率的兩種改進方案,它們均在底部使用Ge子電池,即由較厚的Ge晶片襯底制成Ge子電池,然后依次氣相沉積出GaAs以及GalnP。但由于Ge資源本身的稀少,以及少數公司(比利時的Umicore以及美國的AXT)壟斷鍺晶片的生產,使得 Ge晶片的價格十分昂貴,導致上述的三種方案的電池的成本難以下降。因此,在CN101859814中,提出在硅襯底上生長InGaP/GaAs/Ge三結太陽能電池的方法以避開對較厚的Ge襯底的使用。但是正如該文獻所述,由于要處理由于Si和Ge之間的晶格失配問題,該方案的生長技術相當復雜,需要生長出應力過渡層和應力完全馳豫層。因此,替代地,本申請的發明人想到用價格較低的硅材料直接替代上述Ge子電池,以機械壓合形成的導電連接代替基于氣相沉積技術的需要晶格匹配的接觸層,從而在工藝不明顯復雜的情況下消除對Ge晶片的使用,而顯著地降低電池的成本。同時Si子電池對應I. 12eV的波段,對太陽光譜中位于I. 42eV和I. 12eV的波段的光子的利用也比Ge 子電池更加充分。
發明內容
本發明旨在克服現有技術中存在的缺陷和問題的至少一個方面。相應地,本發明的目的之一在于提供一種多結太陽能電池,包括由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池,并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案;Si子電池,其具有第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應;通過機械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構成的導電粘結層,所述導電粘結層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成的導電連接。此外,本發明還提供一種制造多結太陽能電池制造方法,包括形成由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池;形成Si子電池;在GaAs子電池上形成第一金屬圖案; 在Si子電池上形成第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應; 機械壓合步驟將所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案對準,通過機械壓合使所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案形成導電粘結層,所述導電粘結層使所述Si子電池與所述 GaAs子電池形成導電連接。同時由于不再需要使用價格昂貴的鍺襯底,本發明的多結電池可以以較低的成本制造,同時不需要過于復雜的生長工藝,并且可以重復利用之前剝離下來的GaAs襯底(這意味著由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池的制造不會產生過高的成本)。進一步地,本發明提供一種多結太陽能電池,包括第一子電池,所述子電池具有第一金屬圖案;第二子電池,其具有第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應;其中所述第一子電池和所述第二子電池對應不同的太陽光譜波段;通過機械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構成的導電粘結層,所述導電粘結層使所述第一子電池與所述第二子電池形成的導電連接。由此,通過金屬材料的機械壓合,本發明的多結太陽能電池可有效解決異結電池之間的接觸問題。上述異結電池之間的接觸通常因為生長時需要考慮的晶格失配問題而難以實現或者受到嚴重的材料選擇上的限制。
圖I示出現有技術的多結太陽能電池各子電池與太陽光譜各波段的對應關系。圖2示出本發明多結太陽能電池主視圖。
圖3示出制造本發明的多結太陽能電池的步驟。圖4示出有可能在本發明的多結太陽能電池制造方法中用作犧牲層的材料的相
關參數。圖5示出根據優選實施例的犧牲層的具體結構。
具體實施例方式下面通過實施例,并結合附圖,對本發明的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中,相同或相似的附圖標號指示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發明實施方式的說明旨在對本發明的總體發明構思進行解釋,而不應當理解為對本發明的一種限制。參考圖2,示出根據本發明的多結太陽能電池,其包括由GaAs子電池120和GaInP子電池130構成的雙結電池,并且GaAs子電池120上具有厚度約500nm的第一金屬圖案121 (圖3a中示出);Si子電池110,其具有厚度約500nm 的第二金屬圖案111 (圖3a中示出),所述第二金屬圖案111與所述第一金屬圖案121至少部分對應;通過機械壓合由所述第一金屬圖案121與所述第二金屬圖案111構成的導電粘結層180,所述導電粘結層180使所述Si子電池110與所述GaAs子電池120形成導電連接。優選地,用于形成導電粘結層180的第一和第二金屬圖案采用延展性好并且不會產生快速加工硬化的金屬或合金,例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、金(Au)、 銀(Ag)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈀(Pd)、銦(In)、錫(Sn)、鉬(Pt)、鉭(Ta)、銀(Nb)以及它們任何兩種材料或兩種以上材料的合金。參考圖3,示出根據本發明的一種多結太陽能電池制造方法,包括形成由GaAs子電池120和GaInP子電池130構成的雙結電池;形成Si子電池110;在GaAs子電池120上形成第一金屬圖案121 ;在Si子電池110上形成第二金屬圖案111,所述第二金屬圖案121與所述第一金屬圖案111至少部分對應;機械壓合步驟將所述第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121對準,通過機械壓合使所述第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121形成導電粘結層180,所述導電粘結層180使所述Si子電池110與所述GaAs子電池120形成導電連接。其中,對準步驟可以由使用紅外線光源照明的光刻機或粘合機(bonder)來完成。因為波長大于1200nm的紅外光能夠完全透過Si子電池、GaAs子電池以及GaInP子電池但是不能穿透金屬圖案,這樣就很容易通過紅外線光源照明完成第一金屬圖案111與所述第二金屬圖案121的對準。壓合時需要確保GaAs子電池120和Si子電池110間距盡量小,從而避免產生顯著的光耦合損失。為了進一步減少入射光在GaAs子電池表面與空氣以及Si子電池表面與空氣的反射,還可以在GaAs子電池120和Si子電池110之間間隙中填充折射率與GaAs子電池120和Si子電池110折射率相匹配(即折射率大致在兩者之間或者至少接近或等于其中一個)的材料(例如高折射率的油)。參考圖3a_3c,示出一種優選地形成由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池的方法,包括
在GaAs襯底150上形成犧牲層140 ;在所述犧牲層140上形成GaInP子電池130 ;在所述GaInP子電池130上形成GaAs子電池120 ;通過蝕刻去除所述犧牲層140 (圖3c)。對犧牲層材料的要求有兩個,第一是其晶格常數與GaAs襯底的匹配(參考圖4,示出包括GaAs在內的一些材料的晶格常數),第二是與GaAs在同一種化學溶液里有非常大的腐蝕速率差別。滿足上述條件的材料包括但不限于MgS,ZnSe, AlAs, AlGaAs和AllnP。更優選地,如圖5所示所述犧牲層140為MgS層182在中間而ZnSe層181、183在上下兩側的三明治結構。另外,優選地,通過蝕刻去除所述犧牲層的步驟在所述機械壓合步驟之后,即優選的生長步驟是從圖3a所示狀態(執行機械壓合步驟)到圖3b所示狀態,再(執行去除犧牲層步驟)到圖3c所示狀態。下面,通過一個實例來完整的介紹本發明的多結太陽能電池的生產過程。首先,如圖3a所示,在GaAs襯底150上形成由例如1_3微米厚的GaAs子電池和 O. 5-1. O微米厚的GaInP子電池構成的雙結電池,由于該雙結電池最終要與GaAs襯底150 分離,因此在形成雙結電池的兩個子電池之前要先形成犧牲層140,該犧牲層包括在中間的 20nm厚的MgS層以及在上下兩側的各IOnm厚的ZnSe。由于MgS晶格常數比GaAs稍小而 ZnSe晶格常數比GaAs稍大,上述ZnSe/MgS/ZnSe三明治結構可以起到與GaAs晶格常數適配的作用。然后在形成好的GaAs子電池120上形成厚度約500nm的第一金屬圖案121,在Si 子電池110 (Si子電池的制造為現有技術,在此不再詳述)上形成厚度約500nm的第二金屬圖案111。在本實例中第一金屬圖案121和第二金屬圖案111為完全相同的柵格圖案,其中柵格的線寬為10微米,間隙為100微米。隨后,在將Si子電池110上的第二金屬圖案111與GaAs子電池120上的第一金屬圖案121對準之后,通過壓焊(可以進行輔助性的加熱以提高壓合強度)將Si子電池 110壓在GaAs子電池120上。由于機械壓合,第一和第二金屬圖案形成導電粘結層180,使 Si子電池110與GaAs子電池120形成導電連接。為了進一步減少入射光在GaAs子電池表面及Si子電池的內側界面處的反射(由于空氣的折射率僅為1,因此空氣的折射率與兩個子電池的折射率差較大,會在子電池與空氣交界的界面處造成較大的反射損失),可以在 GaAs子電池120和Si子電池110之間的間隙中填充折射率較高(η = I. 5-1. 6)的油。然后,通過蝕刻去除犧牲層140。剩下的GaAs襯底150可以被清洗、拋光而用于下一次的雙結電池的制造。而得到的三結電池(包括Si子電池110、GaAs子電池120和 GaInP子電池130)可以進一步分別在Si子電池110和GaInP子電池130上安裝正負電極, 從而形成完整的三結電池。在標準AMl. 5光線下,本實例的匹配的電流密度為14. 2mA/cm2。其中單晶硅子電池在填充因子為至少O. 8的情況下貢獻O. 7V的開路電壓;GaAs/GaInP雙結電池在填充因子為至少O. 82的情況下貢獻2. 488V的開路電壓。在標準AMl. 5光線下總的轉化率至少是36. 9%,即超過主流的GaAs/GalnP/Ge三結電池的32%約7%。而在成本方面,以 IOmmX IOmm大小的電池為例,GaAs/GalnP/Ge三結電池的成本約為50-60RMB,而根據本發明的GaAs/GalnP/Si三結電池的成本為30_40RMB/cm2,降低大約30-40%。雖然已經在上面闡述了將Si子電池與GaAs/GalnP雙結電池導電連接的例子,但本領域人員應該理解的是,本發明可以應用于其他異質結電池中需要導電連接的情況。以上述子電池/雙結電池為例的原因在于,Si子電池與GaAs/GalnP雙結電池均為現有技術中研究非常充分的電池技術,因此以它們實施本發明的概念相對容易,也利于本發明技術的產業化。可以設想的是,如果有其他子電池(單結電池或雙結電池或多結電池)適于替代 Si子電池或者GaAs/GalnP雙結電池,則該子電池可代替本發明的Si子電池或GaAs/GalnP 雙結電池。例如,如果在本發明的專利權有效期限內,發展了新的可代替Si子電池或Ge子電池的例如對應I. OeV太陽光譜波段的W子電池,以及可代替目前最廣泛使用的GaAs/GalnP 雙結電池的例如對應I. 9eV太陽光譜波段的Z子電池,則通過機械壓合上述W子電池與Z 子電池(以形成導電連接)而形成的最終的異質結電池應落入本發明的范圍內。盡管已經結合特定實施例描述了本發明,應該理解,本領域技術人員可以在不偏離本發明的精神和范圍的情況下,對上述實施例進行各種形式和細節的改變。
權利要求
1.一種多結太陽能電池,包括由砷化鎵(GaAs)子電池和磷化鎵銦(GaInP)子電池構成的雙結電池,并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案;Si子電池,其具有第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應; 通過機械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構成的導電粘結層,所述導電粘結層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導電連接。
2.根據權利要求I所述的多結太陽能電池,其中所述第一或第二金屬圖案的金屬材料包括鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鍺(Ge)、 金(Au)、銀(Ag)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鈀(Pd)、銦(In)、錫(Sn)、鉬(Pt)、鉭(Ta)、鈮(Nb)以及它們任何兩種材料或兩種以上材料的合金。
3.一種多結太陽能電池制造方法,包括形成由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池;形成Si子電池;在GaAs子電池上形成第一金屬圖案;在Si子電池上形成第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應;機械壓合步驟將所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案對準,通過機械壓合使所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案形成導電粘結層,所述導電粘結層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導電連接。
4.根據權利要求3所述的方法,其中形成由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池包括在GaAs襯底上形成犧牲層;在所述犧牲層上形成GaInP子電池;在所述GaInP子電池上形成GaAs子電池;通過蝕刻去除所述犧牲層。
5.根據權利要求4所述的方法,其中所述犧牲層為MgS層在中間而ZnSe層在上下兩側的三明治結構。
6.根據權利要求4所述的方法,其中通過蝕刻去除所述犧牲層的步驟在所述機械壓合步驟之后。
7.根據權利要求3所述的方法,其中所述對準裝置為使用紅外線光源照明的光刻機或粘合機。
8.根據權利要求3所述的方法,其中向采用機械壓合的第一子電池和第二子電池之間填充折射率與所述第一和第二電池材料折射率匹配的材料。
9.一種異質結太陽能電池,包括第一子電池,其具有第一金屬圖案;第二子電池,其具有第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應;其中所述第一子電池和所述第二子電池對應不同的太陽光譜波段;通過機械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構成的導電粘結層,所述導電粘結層使所述第一子電池與所述第二子電池形成導電連接。
全文摘要
本申請公開一種多結太陽能電池,包括由GaAs子電池和GaInP子電池構成的雙結電池,并且GaAs子電池上具有第一金屬圖案;Si子電池,其具有第二金屬圖案,所述第二金屬圖案與所述第一金屬圖案至少部分對應;通過機械壓合由所述第一金屬圖案與所述第二金屬圖案構成的導電粘結層,所述導電粘結層使所述Si子電池與所述GaAs子電池形成導電連接。由于使用硅子電池代替鍺子電池,本發明的多結太陽能電池可有效利用1eV能量的波段,因此其總轉化效率可進一步提升。此外,由于不再需要使用價格昂貴的鍺襯底,本發明的多結電池可以以較低的成本制造。
文檔編號H01L31/0687GK102593229SQ20121000701
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者朱忻, 楊軍, 王偉明 申請人:朱忻