[发明专利]制造薄膜Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池的方法

说明书

相关申请

本申请要求2007年7月3日提出的临时申请60/958,186和2008年4月17日提出的临时申请61/045,850的优先权，本文完整地引入该两项申请作为参考。

政府支持的声明

本文所描述的某些工作由美国国家可再生能源实验室(NREL)按照NAT-7-77015-05号合同赞助。美国政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及光伏装置。更具体地说，本发明涉及基于III-V族化合物的光伏装置和制造基于III-V族化合物基光伏装置中的外延层剥离(epitaxial lift-off)方法。

发明背景

目前，基于III-V族化合物的光伏装置在基底上外延地生长，并在整个制造和配置过程中作为太阳能电池保持固定在基底上。在许多情况下，基底可以是大约150μm厚。使得基底具有这样厚度可能对太阳能电池造成许多不良后果。

这样的不良后果之一是重量。厚基底可以占到所产生的太阳能电池的总重量的很大比例。在某些应用中，如空间应用，在所选定的运载火箭具有给定的运载能力的情况下，太阳能电池的重量和大小可能是意义重大的。

另一种不良后果是导热性差。基底增加了太阳能电池和基底和太阳能电池可以安装在其上的散热片之间的热阻抗。增加的热阻抗导致太阳能电池中较高的结温(junction temperatures)，这随之又降低了太阳能电池的效率。

另一种不良后果是环境影响。基底除了作为太阳能电池的机械支撑外没有其它作用。此外，为了达到大约150μm的基底厚度，通常需要机械地或化学地除去基底的某些部分，这造成进一步的浪费。

另一种不良后果是缺乏柔性。150μm厚的基底是刚性的，这意味着太阳能电池不能被安装在曲面上，且不能卷绕以便于储存。

虽然希望太阳能电池的基底尽可能薄以减轻重量并增加热导率，但薄的基底也可能带来不希望的困难。如果基底太薄，III-V族化合物太阳能电池变得如此脆弱以至于难以操作。例如，直径为100mm但只有2-10μm厚的砷化镓(GaAs)层，即使是进行非常柔和的操作时，也往往会裂开和破裂。这种因素尤其牵涉到III-V族化合物太阳能电池的全晶片。也就是说，基底越薄，越难于制造III-V族化合物太阳能电池的全晶片而不因为破裂和操作损伤而减少产量。

因此，需要薄膜III-V族化合物太阳能电池和在制造过程中利用可移除和可重复使用的基底的制造薄膜III-V族化合物太阳能电池的方法。

发明内容

本发明提出了用于不含基底的薄膜III-V族化合物太阳能电池的不同结构及其制造方法。如本文中所教导的，一种或多种薄膜III-V族化合物太阳能电池在基底上形成的牺牲层上外延生长。随之，通过外延层剥离技术从基底分离一个或多个薄膜III-V族化合物太阳能电池。为了在缺乏基底的情况下为薄膜III-V族化合物太阳能电池提供支持，在薄膜III-V族化合物太阳能电池与基底分离或剥离之前，向薄膜III-V族化合物太阳能电池应用金属化层、聚合物层或金属/聚合物层。为了从基底分离薄膜III-V族化合物太阳能电池，除去牺牲层。金属化层、聚合物层或金属/聚合物层允许薄膜III-V族化合物太阳能电池不受损伤地弯曲。本文教导的制造方法对于薄膜III-V族太阳能电池的大尺寸制造和剥离特别有用。也就是说，本文教导的制造方法适合剥离高到6英寸直径的大面积晶片，其是GaAs晶片可提供的最大直径。剥离已经在高到6英寸直径的晶片上进行。

根据本文教导的制造方法，产生的薄膜III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压(IV)特性与常规的具有附着在其上的基底的III-V族化合物太阳能电池的电流-偏压(IV)特性的比较显示在这两种太阳能电池的IV特性之间很少(如果有的话)的差异。然而，根据本文的教导制造的薄膜III-V族化合物太阳能电池有利地没有受到与具有附着在其上的基底的太阳能电池有关的不利的热和重量限制。此外，一旦基底与薄膜III-V族化合物太阳能电池分离，那么基底可以在另一薄膜III-V族化合物太阳能电池的制造中重复使用。