姜明序，王 赫，劉樹峰，高 鵬

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384；2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林長春 130000)

以砷化鎵為主要材料的Ⅲ-Ⅴ族太陽電池，具有較好的光譜匹配度、較高的光電轉(zhuǎn)換效率以及優(yōu)異的耐溫耐輻照性能，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、空間站等航天飛行器的電源系統(tǒng)。然而隨著空天飛行器的快速發(fā)展，對為其提供能源的太陽電池陣提出了新的要求，要求更高的光電轉(zhuǎn)換效率、更高的質(zhì)量比功率等。因此，超薄薄膜砷化鎵太陽電池已經(jīng)成為未來重要發(fā)展方向[1]。

目前，研究人員關(guān)注的薄膜砷化鎵太陽電池主要是三結(jié)砷化鎵太陽電池。國外的主要研究單位有Spectrolab、MicroLink Devices、Sharp 以及Alta Devices等。薄膜砷化鎵太陽電池效率可達(dá)到32% (AM0，25 ℃)[2]。技術(shù)路線主要為應(yīng)用平面金屬薄膜作為支撐襯底，采用襯底剝離技術(shù)進(jìn)行外延層轉(zhuǎn)移[3-5]。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，除了高光電轉(zhuǎn)換效率，高質(zhì)量比功率也是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。在效率很難大幅度提升的條件下，減輕電池質(zhì)量是提高質(zhì)量比功率的有效手段。因此，需要進(jìn)一步降低柔性襯底在電池總質(zhì)量中的占比。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中，蜂窩結(jié)構(gòu)是改善材料比強(qiáng)度的重要手段之一[6]。因此，本文將蜂窩結(jié)構(gòu)引入薄膜砷化鎵太陽電池的襯底制備工藝，改變平面金屬襯底為六邊形增強(qiáng)筋支撐襯底，以達(dá)到減少電池面密度的研究目標(biāo)。

本文通過改進(jìn)金屬薄膜支撐襯底的結(jié)構(gòu)，研究了增強(qiáng)筋的制備工藝及測試方法，并對采用增強(qiáng)型襯底的薄膜砷化鎵太陽電池進(jìn)行了電致發(fā)光成像檢測(EL)測試和光照伏安(I-V)測試，制備了高轉(zhuǎn)換效率、低面密度的薄膜砷化鎵太陽電池，為未來長航時(shí)無人機(jī)和深空探測領(lǐng)域的發(fā)展打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 外延生長

使用MOCVD 設(shè)備完成外延層生長工藝。主要使用的材料為Ⅲ族源為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)和三甲基銦(TMIn)；V 族源為砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)；n 型摻雜源為硅烷(SiH4)和二乙基碲(DETe)；p 型摻雜源為二甲基鋅(DMZn)和四氯化碳(CCl4)。反應(yīng)室壓力設(shè)定為5×102Pa，生長溫度為600～700 ℃，襯底材料選用砷化鎵襯底。柔性砷化鎵太陽電池外延結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。采用反向生長晶格失配三結(jié)砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)，三個(gè)結(jié)分別為GaInP(1.9 eV)/GaAs(1.42 eV)/GaInAs(1.0 eV)。每個(gè)子電池分別由窗口層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及背場層組成。各個(gè)子電池之間采用隧穿結(jié)連接，實(shí)現(xiàn)低阻串聯(lián)。

圖1 柔性砷化鎵太陽電池外延結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 柔性襯底制備

襯底圖形設(shè)計(jì)如圖2 所示，本文的加強(qiáng)筋圖形設(shè)計(jì)為蜂窩狀正六邊形結(jié)構(gòu)。六邊形的對邊距為6 mm，邊寬2 mm。通過計(jì)算可知，加強(qiáng)筋的面積占比為43.75%。該圖形呈陣列排布于電池基底層上。

圖2 蜂窩狀加強(qiáng)筋圖形

本文的加強(qiáng)筋增強(qiáng)柔性襯底，通過電沉積工藝和光刻顯影技術(shù)制備。其工藝流程如圖3 所示。首先，在外延Contact層上使用真空鍍膜技術(shù)蒸鍍一層Au 作為種子層，其厚度約為0.1 μm 左右。然后通過電沉積工藝沉積一層金屬銅作為柔性襯底的基底，作為整體支撐。下一步是通過光刻顯影技術(shù)和電沉積工藝相結(jié)合，制備加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，提高襯底機(jī)械強(qiáng)度。

圖3 加強(qiáng)筋襯底制備工藝流程

1.3 襯底剝離

襯底制備完成后，通過腐蝕工藝使外延層與GaAs 襯底剝離。腐蝕液采用40% HF 濃度的氫氟酸，使其與AlAs 犧牲層進(jìn)行反應(yīng)。由于HF 對AlAs 的選擇性遠(yuǎn)高于其他外延結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)整個(gè)犧牲層AlAs 反應(yīng)完畢后，即可實(shí)現(xiàn)外延層與外延襯底的剝離工藝。該過程的主要化學(xué)反應(yīng)為：

1.4 器件工藝

襯底剝離后，對得到的柔性外延層進(jìn)行器件工藝。主要包括上電極及減反射膜。上電極采用遮光面積占比低于5%的梳裝電極圖形，采用光刻顯影技術(shù)和真空蒸鍍工藝制備，其金屬體系為Au/Ag/Au，總厚度為6 μm 左右，滿足電流收集要求。減反射膜采用TiO2/Al2O3雙層膜體系，厚度分別為600 nm 及450 nm。可滿足400～1 500 nm 入射光譜范圍內(nèi)光的減反射要求，采用真空蒸鍍工藝制備減反射膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 增強(qiáng)型襯底制備技術(shù)

2.1.1 光刻顯影工藝

單一平面金屬結(jié)構(gòu)很難兼顧支撐和輕質(zhì)兩種屬性。因此，本文的薄膜砷化鎵太陽電池襯底采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對薄膜砷化鎵太陽電池襯底強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)，通過光刻顯影技術(shù)及電沉積技術(shù)制備。其中核心的工藝參數(shù)為光刻圖形的高度，其決定了增強(qiáng)筋的高度。因此光刻圖形的高度越高越好，但是又受光刻工藝的限制，不可能無限地提高。本文設(shè)計(jì)了三種不同工藝條件a、b、c，其工藝參數(shù)如表1 所示。不同工藝條件下制備的光刻圖形厚度的激光顯微鏡掃描圖如圖4 所示。圖中a、b、c 分別顯示了在光刻膠總厚度為5、20 和40 μm 條件下，曝光10 s 后，通過顯影工藝制備的光刻圖形厚度，分別為5、20 和30 μm。由此可知，當(dāng)光刻膠的厚度增加至40 μm 時(shí)，10 s 曝光的光刻工藝將無法完全使得光刻膠改性，顯影圖形高度小于光刻膠總厚度，不能獲得完整圖形，無法進(jìn)行后續(xù)加強(qiáng)筋的電沉積工藝。因此，本文采用20 μm 厚度的光刻工藝作為加強(qiáng)筋的圖形轉(zhuǎn)移工藝。

表1 三種厚度光刻膠的工藝參數(shù)及結(jié)果

電沉積工藝對光刻圖形厚度有要求。設(shè)計(jì)了三種工藝并用激光顯微鏡測試了顯影后的光刻圖形高度。圖4 為測試結(jié)果，篩選出了既比較高又能露出下面電沉積界面的工藝參數(shù)。

圖4 三種不同工藝條件的光刻圖形厚度掃描圖

2.1.2 電沉積工藝

本文設(shè)計(jì)的電池襯底面密度為100 g/m2左右。共設(shè)計(jì)了三種厚度結(jié)構(gòu)的襯底，編號分別為1#、2#以及3#。其各層厚度及對應(yīng)的面密度如表2 所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度及對應(yīng)的面密度

以2#條件為例最終設(shè)計(jì)并成功轉(zhuǎn)移的加強(qiáng)筋圖形如圖5(a)所示，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)為正六邊形圖形，其邊的寬度為1 mm，圖形占比為43.75%。采用電沉積工藝制備的圖形化襯底如圖5(b)所示，電沉積圖形與光刻圖形高度重合，面積占比誤差不大于2%?；缀穸葹? μm，增強(qiáng)筋厚度為6 μm。

圖5 改進(jìn)工藝后襯底圖片

2.2 襯底剝離技術(shù)

高質(zhì)量的外延襯底剝離技術(shù)是保證薄膜砷化鎵太陽電池效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖6 為外延層與外延襯底剝離后的照片。其中左側(cè)為轉(zhuǎn)移至柔性襯底上的外延層，右側(cè)為外延襯底。從圖中可以看出，無論是外延層還是外延襯底，其表面完整無破損，顏色光亮均勻，表現(xiàn)為鏡面反射，成功實(shí)現(xiàn)了將外延層與外延襯底剝離。

圖6 外延層(左側(cè))與外延襯底剝離后（右側(cè)）照片

2.3 輕質(zhì)薄膜砷化鎵太陽電池

完成襯底剝離后，經(jīng)過器件工藝的制備，即可獲得薄膜砷化鎵太陽電池。圖7 所示為1#、2#以及3#條件制備的薄膜砷化鎵太陽電池EL 照片。從圖中可以看出，1#樣品僅是平面基底作為支撐，在加工或測試等工藝過程中，容易出現(xiàn)折角等斷裂損傷。3#樣品為薄基底與厚增強(qiáng)筋的組合，雖然邊角等位置沒折痕，但是由于基底過薄則導(dǎo)致外延層大面積損傷，導(dǎo)致電池效率大幅下降。2#樣品的基底厚度與增強(qiáng)筋的厚度比例較為合理，既保證了襯底的整體強(qiáng)度，也保證了局部外延層的質(zhì)量。

圖7 薄膜砷化鎵太陽電池EL照片(從左至右分別為1#、2#、3#)

對1#、2#以及3#樣品進(jìn)行I-V 曲線測試，測試條件為AM0 光譜，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)。測試結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯?，與EL 照片對應(yīng)，2#工藝條件制備的薄膜砷化鎵太陽電池效率最高，填充因子最好。1#和3#條件制備的薄膜砷化鎵太陽電池由于存在電池缺陷，導(dǎo)致填充因子大幅下降，因此電池效率也較低。

圖8 薄膜砷化鎵太陽電池I-V曲線

最終，通過采用2#電池的工藝條件，成功制備了一片大面積薄膜砷化鎵太陽電池。如圖9 所示，電池尺寸為60 mm×40 mm，面積達(dá)到24 cm2，可實(shí)現(xiàn)曲率半徑不小于3 cm 的彎曲。使用標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器對薄膜砷化鎵太陽電池進(jìn)行I-V 測試，其效率可達(dá)到30.57%(AM0，25 ℃)。使用電子天平測量，該電池面密度為170.5 g/m2。

圖9 薄膜砷化鎵太陽電池樣品照片

3 結(jié)論

通過外延生長技術(shù)、圖形化襯底制備技術(shù)以及襯底剝離技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了薄膜砷化鎵太陽電池的外延層生長、外延層轉(zhuǎn)移與剝離。結(jié)合薄膜砷化鎵太陽電池器件工藝，成功制備了尺寸為40 mm×60 mm，面積達(dá)到24 cm2的薄膜砷化鎵太陽電池。其效率達(dá)到30.57%(AM0，25 ℃)，質(zhì)量比功率可達(dá)到2.4 kW/kg。這為薄膜砷化鎵太陽電池在未來軍事裝備中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用打下了技術(shù)基礎(chǔ)。