一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池及其制备方法，其制备方法包含以下工序：S1，在砷化镓太阳电池衬底表面制备二维材料，得到二维材料衬底；S2，采用两步生长退火法制备砷化镓过渡层；S3，将砷化镓太阳电池功能层生长到所述砷化镓过渡层表面，得到太阳电池外延层；S4，分别在所述太阳电池外延层和聚酰亚胺材料表面制备金属层；S5，利用键合技术进行键合，得到聚合物衬底；S6，对所述聚合物衬底施加机械力，进行剥离下来，得到聚合物衬底上的外延层；S7，在所述聚合物衬底上的外延层表面制备电极和减反射膜，切割，得到所需尺寸的砷化镓太阳电池。基于上述方法制备得到的砷化镓太阳电池大大避免了对外延层的损伤。的砷化镓太阳电池大大避免了对外延层的损伤。的砷化镓太阳电池大大避免了对外延层的损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及太阳电池
，具体涉及一种基于范德华外延剥离是砷化镓太阳电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种新型能源，具备清洁无污染，辐射能量功率巨大的优点，是一种最安全可靠的能源形式，因此太阳电池一直是国内外研究发展的热点。
Ⅲ‑
V族化合物太阳电池的转换效率在目前材料体系中转换效率最高，同时具有耐高温性能好、抗辐照能力强、温度特性好等优点。砷化镓太阳电池作为
Ⅲ‑
V族化合物太阳电池的代表被公认为是新一代高性能长寿命空间主电源，已在航天领域得到广泛应用。
[0003]随着空间飞行器技术的发展对空间太阳电池性能(尤其是比功率)提出了越来越高的要求。而在目前的方阵技术下，必须尽可能地减少太阳帆板的面积和重量，达到轻质、柔性、可卷绕的要求。因此，也要求太阳电池朝着轻质、柔性、高比功率的方向发展。
[0004]砷化镓太阳电池由于材料具有较高的吸光系数，几个到数十微米的厚度就能够完全吸收太阳光，而数百微米的晶体衬底只起到支撑太阳电池功能薄膜材料的作用，将砷化镓太阳电池功能材料转移到柔性衬底上，可得到柔性高比功率的薄膜砷化镓太阳电池。
[0005]薄膜电池的制备中外延层转移技术一般采用机械减薄或者湿法工艺，完成砷化镓太阳电池功能材料向柔性衬底的转移，然而此类方法存在工艺时间过长(数小时以上)、外延层易产生缺陷、工艺安全防护高等问题，特别是晶圆尺寸增大，所需剥离时间成倍增加，迫切需要开发新型外延层转移技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有技术的不足，以解决传统湿法外延剥离工艺剥离速率慢、易损伤外延片、不环保等问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池的制备方法，包含以下工序：
[0008]S1，在砷化镓太阳电池衬底表面制备二维材料，得到二维材料衬底；
[0009]S2，将所述二维材料衬底放入外延生长炉中，采用两步生长退火法制备砷化镓过渡层；
[0010]S3，将砷化镓太阳电池功能层生长到所述砷化镓过渡层表面，得到太阳电池外延层；
[0011]S4，分别在所述太阳电池外延层和聚酰亚胺材料表面制备金属层；
[0012]S5，利用键合技术将工序S4中制备金属层后得到的太阳电池外延层的金属面和聚酰亚胺材料的金属面进行键合，得到聚合物衬底；
[0013]S6，对所述聚合物衬底施加机械力，将所述太阳电池外延层从所述二维材料衬底上剥离下来，得到聚合物衬底上的外延层；
[0014]S7，在所述聚合物衬底上的外延层表面制备电极和减反射膜，切割，得到所需尺寸的砷化镓太阳电池。
[0015]其中，所述二维材料包含石墨烯、二维碳化硅、二维硫化钼中的至少一种。
[0016]较佳地，工序S1中，所述二维材料的层数为单层或双层。
[0017]较佳地，工序S2中，所述两步退火法是首先在450℃～500℃下生长50～100nm的砷化镓成核层，然后升温到600℃进行退火，再在600℃条件下生长100～200nm的砷化镓过渡层，然后升温到650～700℃进行退火。
[0018]较佳地，工序S3中，所述太阳电池功能层为GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAs子电池中的任意一种或者任意两种以上的组合。
[0019]较佳地，工序S4中，所述制备金属层之前还包含制备接触层，所述接触层的材料为钛、铂、钼、铬中的任意一种或者任意两种以上的组合。
[0020]较佳地，工序S5中，所述键合的温度为200～300℃，所述键合的压力为0.05～1.5Mpa，所述键合的时间为0.5～2h。
[0021]较佳地，工序S6中，所述剥离之前还包含将砷化镓太阳电池衬底进行固定的工序，所述固定可通过真空吸附或者粘结方式固定。
[0022]较佳地，工序S6中，所述施加机械力包含采用镊子手工操作，或使用具有提拉功能的相关设备。
[0023]较佳地，工序S7中，所述减反射膜的材料为TiOx、AlOx、SiOx、MgF2中的任意一种或者任意两种以上的组合。
[0024]本专利技术还提供了一种根据上述制备方法制备得到的基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026](1)石墨晶体等二维材料具有独特的分层结构，层间结合力弱而层内的原子结合力强，因此能够在外力作用下打破层间结合力，同时保证单层二维层面的完整性。通过在砷化镓衬底表面制备二维材料进行范德华外延后，利用纵向较弱的结合力进行快速剥离，再配合器件工艺，提高了薄膜电池制备的工效，减小性能损耗；
[0027](2)可以有效解决传统衬底剥离难题，实现大面积干法剥离，避免腐蚀溶液的破坏，降低工艺复杂性，为柔性薄膜太阳电池以及其他基于衬底剥离方法的光电器件制备提供新的技术途径。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的制备方法的过程示意图。
[0029]图2为本专利技术实施例制备的范德华剥离技术示意图。
具体实施方式
[0030]以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。
[0031]如图1所示，本专利技术提供的一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池的制备方法，包含以下工序：
[0032](1)砷化镓衬底表面制备二维材料
[0033]首先在铜Cu或者其他衬底表面采用化学气相沉积法(CVD)生长二维材料石墨烯，将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS或其他中间材料制备到石墨烯表面，并腐蚀去除Cu等衬底，最后将石墨烯材料转移到砷化镓GaAs或锗Ge衬底表面(Zejun Tao et al,Graphene/GaAs heterojunction for highly sensitive,self
‑
powered Visible/NIR photodetectors,Materials Science in Semiconductor Processing111(2020)104989.)，衬底尺寸为2～6英寸，厚度为0.3mm～1mm，去除PMMA、PDMS或其他中介材料，得到二维材料衬底。所得到的石墨烯层数为单层或者双层，不得超过3层。石墨烯为单层或双层，在上面外延生长的材料受衬底调控，可以与衬底保持相同的晶体取向，层数超过三层以后，二维材料的屏蔽效应显著，外延材料的取向不受衬底调控，材料质量会受到影响。可以理解的是，此处二维材料除了石墨烯，也可使用二维碳化硅、二维硫化钼等其他同等性能的二维材料。
[0034](2)砷化镓过渡层外延生长
[0035]将所述二维材料衬底放入MOCVD设备中，进行砷化镓过渡层制备。采用三甲基镓(TMGa)为Ga源、砷烷(AsH3)为As源、H2为载气，生长气压为50mbar。首先在450～500℃条件下生长50～100nm的砷化镓成核层，然后升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含以下工序：S1，在砷化镓太阳电池衬底表面制备二维材料，得到二维材料衬底；S2，将所述二维材料衬底放入外延生长炉中，采用两步生长退火法制备砷化镓过渡层；S3，将砷化镓太阳电池功能层生长到所述砷化镓过渡层表面，得到太阳电池外延层；S4，分别在所述太阳电池外延层和聚酰亚胺材料表面制备金属层；S5，利用键合技术将工序S4中制备金属层后得到的太阳电池外延层的金属面和聚酰亚胺材料的金属面进行键合，得到聚合物衬底；S6，对所述聚合物衬底施加机械力，将所述太阳电池外延层从所述二维材料衬底上剥离下来，得到聚合物衬底上的外延层；S7，在所述聚合物衬底上的外延层表面制备电极和减反射膜，切割，得到所需尺寸的砷化镓太阳电池；其中，所述二维材料包含石墨烯、二维碳化硅、二维硫化钼中的至少一种。2.如权利要求1所述的基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，工序S1中，所述二维材料的层数为单层或双层。3.如权利要求1所述的基于范德华外延剥离的砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，工序S2中，所述两步退火法是首先在450℃～500℃下生长50～100nm的砷化镓成核层，然后升温到600℃进行退火，再在600℃条件下生长100～200nm的砷化镓过渡层，然后升温到650～700℃进行退火。4.如权利要求1所述的基于范德华外延剥离的砷化镓太阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：施祥蕾，周丽华，孙利杰，王鑫，宋琳琳，杨慧，朱慧，王训春，
申请(专利权)人：上海空间电源研究所，
类型：发明
国别省市：