一种双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法，电池组件由多个电池单元串联而成，每个电池单元包括选择性生长衬底、底电池和顶电池，顶电池上设有正面金属电极层，选择性生长衬底包括金属基底、图形化的绝缘层和N型微晶锗籽晶层，绝缘层形成于金属基底上，N型微晶锗籽晶层位于绝缘层所形成的图形中；底电池为多晶锗底电池层，顶电池为GaAs电池，多晶锗底电池至顶电池间依次生长有N型的扩散层、N型的缓冲层、隧道结N型区和隧道结P型区，正面金属电极层上形成有减反射层。本发明专利技术采用两次选择性生长工艺在金属基底上生长多晶锗/砷化镓薄膜电池结构，合理的禁带匹配设计可使电池转化效率达到32％(AM1.5)，实现太阳能电池的低成本和柔性化。

Double knot film solar cell component and manufacturing method thereof

The invention discloses a double junction thin film solar cell assembly and manufacturing method thereof, battery module is composed of a plurality of cells in series, each cell includes selective growth substrate, and the top bottom battery battery, battery is arranged on the top of the front metal electrode layer, selective growth substrate includes a metal substrate, an insulating layer and a N graphical micro germanium seed layer, an insulating layer is formed on the metal substrate, N type microcrystalline germanium seed layer on insulating layer formed by the graphics; the bottom cell polycrystalline germanium bottom cell layer, top battery GaAs battery, the polycrystalline germanium bottom to top cell growth in cell between the N type diffusion layer type N, buffer layer, tunnel junction type N tunnel junction area and P area, with a reflecting layer is formed on the positive electrode layer. The invention adopts two selective growth process growth of polycrystalline germanium / GaAs thin film solar cell structure on metal substrates, the reasonable gap matching design can make the battery conversion efficiency reached 32% (AM1.5), low cost and flexible implementation of solar cell.

【技术实现步骤摘要】
一种双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法
本专利技术涉及一种III-V族双结薄膜电池的制作方法，更具体地讲，涉及一种具有选择性生长衬底的双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法。
技术介绍
1954年世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应，20世纪60年代，Gobat等研制了第1个掺锌GaAs太阳能电池，转化率仅为9％～10％，远低于27％的理论值。最早的单结晶体GaAs电池的做法和现在的单晶硅做法基本相同，但是作为直接禁带半导体，吸收层厚度只需要几个微米，晶体GaAs无疑是巨大的浪费。20世纪70年代，IBM公司和前苏联Ioffe技术物理所等为代表的研究单位，采用LPE(液相外延)技术引入GaAlAs异质窗口层，降低了GaAs表面的复合速率，使GaAs太阳电池的效率达16％。不久，美国的HRL(HughesResearchLab)及Spectrolab通过改进LPE技术使得电池的平均效率达到18％，并实现批量生产，开创了高效率砷化镓太阳电池的新时代。从上世纪80年代后，GaAs太阳能电池技术经历了从LPE到MOCVD，从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构，从LM结构到IMM结构等几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高。目前最高效率已达到单结28.8％(altadevices)，三结44.4％(SharpIMM)，四结实验室最高接近50％(Fhg-ISE)目前锗衬底的三结GaAs电池是研究的重点，双结GaAs电池的研究比较少，通常双结电池都采用GaAs和InGaP作为底电池和顶电的双结电池，用电学和光学低损耗的隧道结连接而成。双结必须要考虑底电池和顶电池的禁带宽度匹配问题，对于AM0来说，最佳的禁带宽度是1.23eV和1.97eV，理论效率可以达到35.8％。目前技术上比较可行的是采用晶格匹配的材料从而放宽了对禁带宽度Eg的要求，而且由于底电池的禁带宽度是1.42eV，顶电池是1.9eV左右，两者的差值只有0.48eV左右，并且底电池的禁带宽度过大，不能吸收900nm以上波长的光线、最终的是造成底电池的光生电流密度小于顶电池的电流密度，导致二者的光生电流不匹配，会严重降低了电池的内量子效率。双结GaAs电池通常都是GaAs作为衬底、GaAs和InGaP分别作为底电池和顶电池的双结电池，这种双结电池成本比单结GaAs电池高，外延的成本几乎是单结的两倍，但效率比单结的稍微高一点，目前单结最高效率28.8％、双结最高效率30.8％，还需要使用大量的铟作为原材料。另外，双结GaAs和GaInP的吸收层厚度都比较大，导致电池整体厚度大于10个μm。而柔性薄膜电池的厚度一般要求在1-10μm之间，此类双结电池无法实现电池柔性。
技术实现思路
为此，本专利技术为了实现双结III-V族电池的柔性化，降低双结电池的制造成本，提高电池的发电效率。本专利技术提供了一种具有选择性生长衬底的双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一方面，本专利技术提供了一种双结薄膜太阳能电池组件，由多个电池单元串联而成，每个电池单元包括选择性生长衬底、底电池和顶电池，所述顶电池上设有正面金属电极层，所述选择性生长衬底包括金属基底、图形化的绝缘层和N型微晶锗籽晶层，所述绝缘层形成于所述金属基底上，所述N型微晶锗籽晶层位于所述绝缘层所形成的图形中；所述底电池为多晶锗底电池层，所述顶电池为GaAs电池，所述多晶锗底电池至所述顶电池之间依次生长有N型的扩散层、N型的缓冲层、隧道结N型区和隧道结P型区，所述正面金属电极层上形成有减反射层。所述缓冲层为N型的InGaAs-GaAs渐变缓冲层，其中铟的比例由1％渐变到0％。所述的减反射层为MgF2或ZnS减反射层。所述GaAs电池为在所述隧道结P型区依次外延生长的P型的AlGaAs背场、P型的GaAs基区、N型的AlGaAs发射极、N型的AlGaAs窗口层和N+型的GaAs正面接触层，所述正面金属电极层位于所述正面接触层上。所述窗口层由所述正面接触层中外露，且其表面形成粗化结构。另一方面，本专利技术还提供了一种双结薄膜太阳能电池组件的制作方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，在金属基底上沉积绝缘层，并将绝缘层图形化；步骤二，在图形化的绝缘层表面沉积一层微晶锗籽晶层，去除绝缘层表面多余的微晶锗材料，制成具有微晶锗籽晶层的选择性生长衬底；步骤三，将具有微晶锗籽晶层的选择性生长衬底表面沉积一层多晶锗底电池层，制得多晶锗底电池；步骤四，在多晶锗底电池层表面通过外延生长依次形成扩散层、缓冲层、隧道结和顶电池结构，制得双结电池结构；步骤五，在顶电池结构上形成图形化的正面金属电极层；步骤六，将位于多晶锗底电池层上方外延生长的双结电池结构分离成多个独立电池单元；步骤七，在正面金属电极层上形成减反射层，并依次切割减反射层、多晶锗底电池层和选择性生长衬底，将各电池单元彻底分开；步骤八，将各电池单元串联后置于上下两柔性衬底之间进行封装，制得薄膜电池组件。所述步骤一中在金属基底上沉积绝缘层，并将绝缘层图形化，其具体方法是：在金属基底表面沉积1-5μm厚的绝缘层；通过涂布、显影和曝光方法在绝缘层表面形成图形；采用湿法刻蚀工艺去除多余的绝缘层材料，实现绝缘层的图形化。所述步骤二中采用PECVD设备在图形化的绝缘层表面沉积一层高掺杂P型微晶锗籽晶层，通入纯锗烷和乙硼烷并加热至400～700℃，在反应压强10-2～10Pa、掺杂浓度1-3×1019cm-3下生长形成P型微晶锗籽晶层；采用化学腐蚀抛光工艺去除绝缘层表面上多余的微晶锗籽晶层，制得具有微晶锗籽晶层的选择性生长衬底。所述步骤四中的在多晶锗底电池层表面通过外延生长依次形成扩散层、缓冲层、隧道结和顶电池结构，其具体方法是：在多晶锗底电池层表面生长N型的InGaP扩散层；通过P元素在高温下向多晶锗底电池层内部进行扩散形成浅的扩散PN结；在PH3的氛围下对扩散层InGaP进行退火处理；在恒温条件下依次生长缓冲层、隧道结、顶电池的背场，基区，发射极、窗口层和正面接触层。所述步骤五中在双结电池的正面接触层上通过电镀和湿法刻蚀方法形成图形化的正面金属电极层；然后去除未被正面金属电极层覆盖下的正面接触层，露出窗口层并在窗口层表面形成粗化结构。所述步骤八中的通过铜箔将分离后的各电池串联，然后置于上下两层PET薄膜之间，通过层压机封装形成薄膜柔性电池组件。本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：A.本专利技术采用GaAs衬底、多晶锗和GaAs分别作为底电池和顶电池的双结电池，首先，多晶锗底电池的禁带宽度是0.65eV，顶电池GaAs的禁带宽度是1.4eV，该组合更有利于分割太阳能光谱，形成比较合理的电流匹配，而且能够进一步吸收波长在900-2000nm范围内的光线，电池转化效率可达到32％(AM1.5)。B.本专利技术采用两次选择性生长工艺在金属基底上生长多晶锗/砷化镓薄膜电池结构，通过更合理的禁带匹配设计来提高电池的效率；采用批量生产更低廉的衬底、更薄的浅结多晶Ge作为底电池、更少的铟材料的使用和金属基板本身作为背面金属电极层、以及通过电镀制作正面电极等技术来降低柔性双结GaAs电池的制造成本，从而实现了多晶锗作为底电池的双结三五族电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双结薄膜太阳能电池组件，由多个电池单元串联而成，每个电池单元包括选择性生长衬底、底电池和顶电池，所述顶电池上设有正面金属电极层，其特征在于，所述选择性生长衬底包括金属基底、图形化的绝缘层和N型微晶锗籽晶层，所述绝缘层形成于所述金属基底上，所述N型微晶锗籽晶层位于所述绝缘层所形成的图形中；所述底电池为多晶锗底电池层，所述顶电池为GaAs电池，所述多晶锗底电池至所述顶电池之间依次生长有N型的扩散层、N型的缓冲层、隧道结N型区和隧道结P型区，所述正面金属电极层上形成有减反射层。

【技术特征摘要】
1.一种双结薄膜太阳能电池组件，由多个电池单元串联而成，每个电池单元包括选择性生长衬底、底电池和顶电池，所述顶电池上设有正面金属电极层，其特征在于，所述选择性生长衬底包括金属基底、图形化的绝缘层和N型微晶锗籽晶层，所述绝缘层形成于所述金属基底上，所述N型微晶锗籽晶层位于所述绝缘层所形成的图形中；所述底电池为多晶锗底电池层，所述顶电池为GaAs电池，所述多晶锗底电池至所述顶电池之间依次生长有N型的扩散层、N型的缓冲层、隧道结N型区和隧道结P型区，所述正面金属电极层上形成有减反射层。2.根据权利要求1所述的双结薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述缓冲层为N型的InGaAs-GaAs渐变缓冲层，其中铟的比例由1％渐变到0％。3.根据权利要求1所述的双结薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述的减反射层为MgF2或ZnS减反射层。4.根据权利要求1-3任一所述的双结薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述GaAs电池为在所述隧道结P型区依次外延生长的P型的AlGaAs背场、P型的GaAs基区、N型的AlGaAs发射极、N型的AlGaAs窗口层和N+型的GaAs正面接触层，所述正面金属电极层位于所述正面接触层上。5.根据权利要求4所述的双结薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述窗口层由所述正面接触层中外露，且其表面形成粗化结构。6.一种双结薄膜太阳能电池组件的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一，在金属基底上沉积绝缘层，并将绝缘层图形化；步骤二，在图形化的绝缘层表面沉积一层微晶锗籽晶层，去除绝缘层表面多余的微晶锗材料，制成具有微晶锗籽晶层的选择性生长衬底；步骤三，将具有微晶锗籽晶层的选择性生长衬底表面沉积一层多晶锗底电池层，制得多晶锗底电池；步骤四，在多晶锗底电池层表面通过外延生长依次形成扩散层、缓冲层、隧道结和顶电池结构，制得双结电池结构；步骤五，在顶电池结构上形成图形化的正面金属电极层；步骤六，将位于多晶锗底电...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾世海，张庆钊，
申请(专利权)人：北京汉能创昱科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11