集成有非追踪微型复合抛物面聚光器的经过外延剥离处理的GAAS薄膜太阳能电池制造技术

公开了一种制备光伏器件的方法。具体地，所述方法包括制作集成有低成本、热成形、轻巧和广受光角微型CPC的薄膜GaAs太阳能电池。该制造结合被冷焊接至箔衬底并且随后在无粘合剂转印工艺中将其附接至CPC的ND‑ELO薄膜电池。还公开了一种通过所公开的方法制成的改进型光伏器件。所述改进型光伏器件包括集成有非追踪微型复合抛物面聚光器的薄膜太阳能电池，其中，所述塑料复合抛物面聚光器包括以等于所述复合抛物面聚光器的受光角的角度倾斜的两条抛物线。

Epitaxial GAAS thin film solar cells integrated with a non tracking micro composite parabolic concentrator

Disclosed is a method of making a photovoltaic device. In particular, the method includes the fabrication of thin film GaAs solar cells integrated with low cost, hot forming, lightweight and wide angle CPC. The manufacturing by cold welding to foil substrate and subsequently in the transfer process of ND without adhesive ELO thin film battery connected to CPC. An improved photovoltaic device made by the disclosed method is also disclosed. The improved photovoltaic devices including integrated thin film solar cell, non tracking micro compound parabolic concentrator, the plastic compound parabolic concentrator with equal to that of the compound parabolic concentrator by two parabola light angle tilt.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求于2014年4月4日提交的美国临时专利申请No.61/975,623的优先权，其内容以引用的方式全部并入本文。联合研究协议公开的主题依据大学-公司联合研究协议以下一方或者多方的名义、和/或与以下一方或者多方相关地得以完成：密歇根大学和NanoFlexPowerCorporation的董事。该协议在准备本公开内容的主题的日期当日和之前生效，并且用作在该协议的范围内从事的活动的成果。
本公开大体上涉及用于通过使用外延剥离(ELO)来制作诸如柔性光伏器件的薄膜电子和光电子器件的方法和生长结构。ELO是一种可以将薄膜器件区从生长衬底或者晶片“剥离”并且将其转移至主衬底的技术。通过选择性地蚀刻牺牲层来将器件区从晶片分离。具体地，本公开涉及键合在柔性衬底上的、提供集成太阳能采集器和薄膜电池的唯一机会的薄膜ELO电池。
技术介绍
ELO已经产生了薄单晶GaAs太阳能电池，效率大于28％。尽管令人印象深刻，但是在ELO中，对电池有源层与衬底之间的“牺牲层”使用化学蚀刻的工艺要求对母片(parentwafer)进行后处理，以使该母片再次准备好以便另一太阳能电池有源区的外延生长。例如，为了消除在制备中的这些缺陷以便随后的外延生长，通常使用抛光蚀刻工艺。然而，一般情况下，这种工艺不提供高质量的再生长界面，因此，在ELO后生长在化学抛光表面上的器件层导致随后制造的器件的性能显著降低。Bauhuis,G.J.等人的“WaferreuseforrepeatedgrowthofIII-Vsolarcells”，Prof.Photovolt.18,155-159(2010)。使用化学机械晶片再抛光来解决该问题，但是这种工艺从晶片的顶表面消耗数十微米的材料，从而限制了潜在的晶片重复使用次数。因此，长久以来通过ELO工艺保证的成本降低主要局限于无法在每次生长之后完全恢复最初的晶片表面质量，由于缺陷的累积并且由于通过化学机械抛光造成的晶片减薄，导致了可以回收衬底的次数有限。开发光伏电池的很大努力集中在提高其功率转换效率(PCE)的同时实现低成本。然而，当在制造它们的过程中使用昂贵的活性材料和制造工艺时，单单高PCE不一定会转化为低成本太阳能生产。作为简单地改进PCE的替代物，太阳能聚光器已经被证明是减少使用昂贵的活性太阳能电池材料的一种手段。然而，大多数聚光器在光入射角大时都会发生效率显著衰减，并且还能够导致高电池运行温度，因此，使得昂贵的主动式太阳能追踪和太阳能电池冷却系统成为必需。鉴于上述情况，需要通过结合非破坏性ELO(ND-ELO)、冷焊接键合和真空辅助热成形工艺集成薄膜GaAs太阳能电池和低成本、塑料微型复合、抛物面聚光器(CPC)来进一步降低生产成本。专利技术人已经发现了一种制作集成有低成本、热成形、轻巧和广受光角微型CPC的薄膜GaAs太阳能电池的方法。该制造结合可以被冷焊接至箔衬底并且随后在无粘合剂转印工艺中将其附接至CPC的快速ND-ELO薄膜电池。将薄膜太阳能电池的低温度运行与高截断低型面塑料CPC相结合，在不需要主动式太阳能追踪的情况下，提供了全年增强了2.8倍的能量收集，同时消除了在聚光系统中通常会遇到的在高运行温度时造成的损耗。
技术实现思路
因此，公开了一种用于集成薄膜太阳能电池和非追踪微型聚光器的方法。在实施例中，该方法包括：提供生长衬底；在该生长衬底上沉积至少一个保护层；在该至少一个保护层上沉积至少一个牺牲层；在该牺牲层上沉积光敏电池，其中，该光敏电池是反转的；以及通过光刻法形成图案化金属层，该图案化金属层包括在光敏电池上的台面阵列。在形成台面阵列之后，该方法包括：将图案化金属层键合至塑料片的金属化表面；以及使用将光敏电池从生长衬底去除的一个或者多个蚀刻步骤来蚀刻牺牲层以形成薄膜太阳能电池。该方法然后包括：通过使用至少一种热成形工艺来用塑料材料制造复合抛物面聚光器；以及通过无粘合剂键合步骤来将薄膜太阳能电池转移到热成形的复合抛物面聚光器上，以形成集成的薄膜太阳能电池和复合抛物面聚光器。专利技术人还已经发现了一种改进型光伏器件，该改进型光伏器件包括用所公开的方法制成的集成有非追踪微型复合抛物面聚光器的薄膜太阳能电池。例如，光伏器件包括键合至塑料复合抛物面聚光器的薄膜太阳能电池，其中，塑料复合抛物面聚光器包括以等于该复合抛物面聚光器的受光角的角度倾斜的两条抛物线。在本实施例中，太阳能电池能够以大于复合抛物面聚光器的受光角的角度采集光。除了上面所讨论的主题，本公开包括诸如在下文说明的许多其它示例性特征。要明白，前面的说明和下面的说明都仅是示例性的。附图说明附图结合于本说明书中，并且构成本说明书的一部分。图1(a)至图1(c)是针对预台面图案化、冷焊和ELO工艺的制造流程的示意图。图2是针对经由真空辅助热成形技术的塑料微型CPC的制造流程的示意图。图3(a)至图3(c)是示出了可以用于本公开的自对准转印工艺的各个方面的示意图。图4是示出了经过ND-ELO处理的GaAs薄膜太阳能电池在具有和不具有根据模拟的一个太阳照度测得的CPC的情况下的电流-电压特征的曲线图。图5(a)至图5(e)描述了根据本公开的二维微型CPC设计。图6是沿太阳能路径的两个不同圆柱形CPC对准的示意图，示出了4(a)南北轴对准和4(b)东西轴对准。图7(a)至图7(d)示出了在聚光的光下的薄膜GaAs太阳能电池的性能。图8示出了薄膜和衬底GaAs太阳能电池的运行温度。在1太阳照度(100mW/cm2)下通过IR成像测得的与时间有关的温度。图9(a)和图9(b)示出了从具有和不具有CPC的倾斜的太阳能电池的发电与在亚利桑那州的凤凰城的夏天(9a)和冬天(9b)的追踪的比较。图10(a)至图10(d)示出了根据本公开制成的太阳能电池的性能特征。图11(a)至图11(d)示出了根据本公开的通过使用CPC进行的小时和年度能量收集的特征。图12(a)至图12(c)示出了最大年度能量收集的CPC的最佳对准，包括：图12(a)示出了示出CPC在其最佳季节位置的覆盖范围的极线图；图12(b)示出了通过使用6°倾斜的CPC在亚利桑那州凤凰城的每日和每小时的聚光因子的等值线图；以及图12(c)示出了与无聚光的电池相比较具有6°倾斜的CPC的薄膜GaAs太阳能电池的每日聚光的能量收集因子的比率。具体实施方式定义如本文所使用的，术语“受光角”是可以通过诸如复合抛物面聚光器的太阳能聚光器来捕获入射阳光的最大角度。如本文所使用的，术语“III-V族材料”可以用于指含有来自元素周期表的IIA族和VA族的元素的化合物晶体。更具体地，术语“III-V族材料”在本文中可用于指化合物，该化合物是镓(Ga)、铟(In)和铝(Al)族、和砷(As)、磷(P)、氮(N)、和锑(Sb)族的组合。应该注意，按照缩写的格式来命名本文的III-V族化合物。将两组分材料视为摩尔比近似1:1的III:V族化合物。在三种或者更多种组分的系统(例如，InGaAlAsP)中，III族种类(例如，In、Ga、Al)的总和大约为1，并且V族组分的总和(例如，As和P)大约为1，并且因此，III族对V族的比率基本上一致。从上下文推断，假设III-V族化合物的名称在实现晶格匹配或者晶格失配(应变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于集成薄膜太阳能电池和非追踪微型聚光器的方法，所述方法包括：提供生长衬底；在所述生长衬底上沉积至少一个保护层；在所述至少一个保护层上沉积至少一个牺牲层；在所述牺牲层上沉积光敏电池，其中，所述光敏电池是反转的；通过光刻法形成图案化金属层，所述图案化金属层包括在所述光敏电池上的台面阵列，将所述图案化金属层键合至塑料片的金属化表面，利用将所述光敏电池从所述生长衬底去除的一个或者多个蚀刻步骤，来蚀刻所述牺牲层以形成薄膜太阳能电池；使用至少一种热成形工艺，用塑料材料制造复合抛物面聚光器；以及通过无粘合剂键合步骤，将所述薄膜太阳能电池转移到热成形的所述复合抛物面聚光器上，以形成集成的薄膜太阳能电池和复合抛物面聚光器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.04 US 61/975,6231.一种用于集成薄膜太阳能电池和非追踪微型聚光器的方法，所述方法包括：提供生长衬底；在所述生长衬底上沉积至少一个保护层；在所述至少一个保护层上沉积至少一个牺牲层；在所述牺牲层上沉积光敏电池，其中，所述光敏电池是反转的；通过光刻法形成图案化金属层，所述图案化金属层包括在所述光敏电池上的台面阵列，将所述图案化金属层键合至塑料片的金属化表面，利用将所述光敏电池从所述生长衬底去除的一个或者多个蚀刻步骤，来蚀刻所述牺牲层以形成薄膜太阳能电池；使用至少一种热成形工艺，用塑料材料制造复合抛物面聚光器；以及通过无粘合剂键合步骤，将所述薄膜太阳能电池转移到热成形的所述复合抛物面聚光器上，以形成集成的薄膜太阳能电池和复合抛物面聚光器。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生长衬底包括GaAs或者InP。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个保护层与所述生长衬底晶格匹配。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述至少一个保护层选自AlAs、GaAs、InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb、及其组合。5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过选自气源分子束外延(GSMBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、氢化物汽相外延(HVPE)、固源分子束外延(SSMBE)、和化学束外延中的至少一种工艺，来沉积所述保护层、牺牲层、或者光敏电池中的至少一个。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个保护层包括缓冲层、蚀刻停止层、或者其组合。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光刻法包括在所述至少一个光敏电池上沉积金属层；在所述金属层的顶部上沉积掩膜用于台面蚀刻；以及通过所述掩膜执行至少一个蚀刻步骤以在所述金属层中形成图案。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述图案延伸至所述牺牲层。9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个蚀刻步骤包括：使所述牺牲层与湿蚀刻剂、干蚀刻剂、或者其组合接触。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述湿蚀刻剂包括HF、H3PO4、HCl、H2SO4、H2O2、HNO3、C6H8O7、及其组合，包括与H2O的组合。11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述干蚀刻剂包括具有等离子体的反应离子蚀刻(RIE)。12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述牺牲层包括AlAs，并且所述一个或者多个第二蚀刻步骤包括使所述AlAs与HF接触。13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻图案包括已经在所述至少一个太阳能电池中蚀刻的两个或更多个平行沟槽。14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述两个或者更多个平行沟槽的宽度范围为100μm至500μm。15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个太阳能电池包括单结或者多结电池。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述键合包括选自冷焊接、热辅助冷焊接、或者热压键合的直接附接法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李圭相，斯蒂芬·R·弗里斯特，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US