权利要求

1.一种用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底，包括用于制备薄膜太阳电池的外延片和外延片上经过真空蒸镀的种子层，其特征在于，在种子层上依次复合有多个Cu/Ni复合层，衬底Cu层的厚度范围为0～25微米，Ni层的厚度范围为0～25微米，总厚度为10～100微米。

2.根据权利要求1所述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底，其特征在于，第一层是Cu或者Ni，Cu/Ni复合层是整数周期或半整数周期，如Cu/Ni/Cu/Ni或半整数周期Ni/Cu/Ni。

3.根据权利要求1或2所述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底，其特征在于，所述Cu/Ni复合层通过电镀制备。

4.如权利要求1所述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用真空蒸发工艺，在制备薄膜太阳电池的外延片上蒸镀形成种子层;

(2)将上述外延片置于质量百分比浓度为20%稀硫酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

(3)配置铜镀液，其中硫酸铜：硫酸：氯离子摩尔比为1：2：1，阳极为磷铜球，将步骤(2)处理过的外延片放置在夹具中，电流为3～10A，镀铜厚度为2～10微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

(4)将步骤(3)处理过的外延片置于质量百分比浓度为20%稀盐酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

(5)配置镍镀液，其中氨基磺酸镍：氯化镍：硼酸摩尔比为4：1：2，阳极为镍饼，将步骤(4)处理过的外延片放置在夹具中，电流为1～5A，镀镍厚度为0.2～2微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

(6)重复(2)～(5)若干次，直至满足金属复合衬底总厚度要求。

5.根据权利要求4所述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：

(1)在GaAs衬底上反向外延生长三结电池外延片：包括腐蚀阻挡层、接触层、顶电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、渐变缓冲层、底电池、CAP层;

(2)配置腐蚀液a:H2SO4/H2O2/H2O，比例2：1：100;b:HCl/H2O，比例1：2;将上述外延片首先置于腐蚀液a中20～50s，期间上下晃动外延片，去除后用去离子水进行清洗，然后将外延片放置于腐蚀液b中20～50s，期间上下晃动外延片，将外延片从腐蚀液b中取出，用去离子水进行清洗，其中配比的比例为摩尔比;

(3)得到的述外延片放置于金属蒸镀设备承载盘上，抽真空，依次蒸镀金、锌、金、银，第一层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第二层锌蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度10～100nm;第三层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第四层银蒸镀速率1～10nm/s，蒸镀厚度500～2000nm，蒸镀后待外延片冷却至室温后取出;

(4)将得到的外延片放置于真空烧结炉内进行烧结固化，在真空环境下烧结30min，降温到50℃以下后取出。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及太阳电池技术领域，具体说，是一种适用于临近空间环境的用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底及其制备方法。

背景技术

[0002]薄膜太阳电池具有高效、可赋形性、高比功率等优点，在长航时无人机上有着广泛的应用。然而，薄膜电池临近空间应用需要面临多方面的挑战，一方面是长航是无人机多次穿越晨昏线，同时受纬度、太阳入射角等影响，太阳电池工作在很宽的温度范围;另一方面半导体薄膜化以后机械性能变差，变脆容易断裂，需要借助金属衬底进行补强。

[0003]现有技术CN201910831445.7公开了一种用于薄膜砷化镓太阳电池复合结构材料衬底的制备方法，属于半导体技术领域，包括如下步骤：S1、光刻图形;S2、电沉积;S3、真空封装;具体制造步骤如下：S301、将电沉积图形化衬底、封装胶以及聚酰亚胺薄膜依次叠层放入层压机中;;S302、设定层压机程序进行真空封装工艺，真空度不大于1Pa，压力范围为20Pa-1kPa。温度范围为80℃-200℃，时间范围为20min-200min;S303、待程序结束，将产品取出冷却。通过采用上述技术方案，该发明能够使薄膜砷化镓太阳电池实现减轻重量，柔性可弯折的产品特点。使其具有更广泛的应用范围。但是，上述复合结构材料衬底主要是有机物，需要额外的层压工艺，，增加重量，同时也容易造成电池碎片。

发明内容

[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底及其制备方法，通过复合衬底来调控热膨胀系数，减少热应力。同时金属也起到了补强、提升力学性能的目的。

[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底，包括用于制备薄膜太阳电池的外延片和外延片上经过真空蒸镀的种子层，在种子层上依次复合有多个Cu/Ni复合层，衬底Cu层的厚度范围为0～25微米，Ni层的厚度范围为0～25微米，总厚度为10～100微米。

[0006]第一层是Cu或者Ni，Cu/Ni复合层是整数周期或半整数周期，如Cu/Ni/Cu/Ni或半整数周期Ni/Cu/Ni。

[0007]所述Cu/Ni复合层通过电镀制备。

[0008]上述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底的制备方法，包括以下步骤：

[0009](1)采用真空蒸发工艺，在制备薄膜太阳电池的外延片上蒸镀形成种子层;

[0010](2)将上述外延片置于质量百分比浓度为20%稀硫酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

[0011](3)配置铜镀液，其中硫酸铜：硫酸：氯离子摩尔比为1：2：1，阳极为磷铜球，将步骤(2)处理过的外延片放置在夹具中，电流为3～10A，镀铜厚度为2～10微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

[0012](4)将步骤(3)处理过的外延片置于质量百分比浓度为20%稀盐酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

[0013](5)配置镍镀液，其中氨基磺酸镍：氯化镍：硼酸摩尔比为4：1：2，阳极为镍饼，将步骤(4)处理过的外延片放置在夹具中，电流为1～5A，镀镍厚度为0.2～2微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

[0014](6)重复(2)～(5)若干次，直至满足金属复合衬底总厚度要求。

[0015]步骤(1)包括：

[0016](1)在GaAs衬底上反向外延生长三结电池外延片：包括腐蚀阻挡层、接触层、顶电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、渐变缓冲层、底电池、CAP层;

[0017](2)配置腐蚀液a:H2SO4/H2O2/H2O，比例2：1：100;b:HCl/H2O，比例1：2;将上述外延片首先置于腐蚀液a中20～50s，期间上下晃动外延片，去除后用去离子水进行清洗，然后将外延片放置于腐蚀液b中20～50s，期间上下晃动外延片，将外延片从腐蚀液b中取出，用去离子水进行清洗，其中配比的比例为摩尔比;

[0018](3)得到的述外延片放置于金属蒸镀设备承载盘上，抽真空，依次蒸镀金、锌、金、银，第一层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第二层锌蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度10～100nm;第三层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第四层银蒸镀速率1～10nm/s，蒸镀厚度500～2000nm，蒸镀后待外延片冷却至室温后取出;

[0019](4)将得到的外延片放置于真空烧结炉内进行烧结固化，在真空环境下烧结30min，降温到50℃以下后取出。

[0020]本发明的有益效果是：

[0021](1)采用Cu/Ni复合衬底实现热膨胀系数的调控。

[0022](2)采用Cu/Ni复合衬底有效抑制了晶粒长大，提升了衬底的强度。

[0023](3)可以通过电镀技术获得，满足薄膜电池低成本的需求。

附图说明

[0024]图1为本发明的用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底结构图。

[0025]图2为实施例得到电池的I-V特性曲线。

具体实施方式

[0026]下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述;显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027]如图1所示，本发明的用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底，包括用于制备薄膜太阳电池的外延片和外延片上经过真空蒸镀的种子层，在种子层上依次复合有多个Cu/Ni复合层，衬底Cu层的厚度范围为0～25微米，Ni层的厚度范围为0～25微米，总厚度为10～100微米。

[0028]第一层是Cu或者Ni，Cu/Ni复合层是整数周期或半整数周期，如Cu/Ni/Cu/Ni或半整数周期Ni/Cu/Ni。

[0029]所述Cu/Ni复合层通过电镀制备。

[0030]上述用于薄膜太阳电池反向外延生长的Cu/Ni周期复合衬底的制备方法，包括以下步骤：

[0031](1)采用真空蒸发工艺，在制备薄膜太阳电池的外延片上蒸镀形成种子层;

[0032](2)将上述外延片置于质量百分比浓度为20%稀硫酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

[0033](3)配置铜镀液，其中硫酸铜：硫酸：氯离子摩尔比为1：2：1，阳极为磷铜球，将步骤(2)处理过的外延片放置在夹具中，电流为3～10A，镀铜厚度为2～10微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

[0034](4)将步骤(3)处理过的外延片置于质量百分比浓度为20%稀盐酸溶液中活化10～30s，取出用去离子水清洗;

[0035](5)配置镍镀液，其中氨基磺酸镍：氯化镍：硼酸摩尔比为4：1：2，阳极为镍饼，将步骤(4)处理过的外延片放置在夹具中，电流为1～5A，镀镍厚度为0.2～2微米，将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗;

[0036](6)重复(2)～(5)若干次，直至满足金属复合衬底总厚度要求。

[0037]具体地说，步骤(1)包括：

[0038](1)在GaAs衬底上反向外延生长三结电池外延片：包括腐蚀阻挡层、接触层、顶电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、渐变缓冲层、底电池、CAP层;

[0039](2)配置腐蚀液a:H2SO4/H2O2/H2O，比例2：1：100;b:HCl/H2O，比例1：2;将上述外延片首先置于腐蚀液a中20～50s，期间上下晃动外延片，去除后用去离子水进行清洗，然后将外延片放置于腐蚀液b中20～50s，期间上下晃动外延片，将外延片从腐蚀液b中取出，用去离子水进行清洗，其中配比的比例为摩尔比;

[0040](3)得到的述外延片放置于金属蒸镀设备承载盘上，抽真空，依次蒸镀金、锌、金、银，第一层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第二层锌蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度10～100nm;第三层金蒸镀速率0.2～5nm/s，厚度50～200nm;第四层银蒸镀速率1～10nm/s，蒸镀厚度500～2000nm，蒸镀后待外延片冷却至室温后取出;

[0041](4)将得到的外延片放置于真空烧结炉内进行烧结固化，在真空环境下烧结30min，降温到50℃以下后取出。

[0042]铜的热膨胀系数在17e-6/K，镍的热膨胀系数在13e-6/K，通过不同的铜镍比例，可实现热膨胀系数在13e-6/K～17e-6/K范围内调节。由于半导体材料的热膨胀系数较小(约6e-6/K)，降低衬底材料的热膨胀系数有助于减少热应力，提高成品率。

[0043]电镀过程中，铜会产生压应力，镍会产生拉应力，通过多层Cu/Ni结构，可以实现金属衬底应力的调节，降低金属衬底内应力。

[0044]采用多层Cu/Ni结构，每层Cu的厚度在10微米以内，可以有效防止Cu层出现粗大晶粒导致性能的降低。

[0045]将上述外延片进行后续器件工艺，包括刻蚀衬底、刻蚀阻挡层、上电极、腐蚀CAP层、蒸镀减反射膜、划片等。后续工艺为公知的技术。

[0046]实施例1

[0047](1)在GaAs衬底上反向外延生长三结电池外延片;以此生长腐蚀阻挡层、CAP层、顶电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、渐变缓冲层、底电池、CAP层。

[0048](2)配置腐蚀液a:H2SO4/H2O2/H2O，比例2：1:100。配置腐蚀液b:HCl/H2O，比例1：2。将上述外延片首先置于腐蚀液a中30s，期间上下晃动外延片。去除后用去离子水进行清洗。然后将外延片放置于腐蚀液b中30s，期间上下晃动外延片。将外延片从腐蚀液b中取出，用去离子水进行清洗。

[0049](3)将上述外延片放置于金属蒸镀设备承载盘上，抽真空，依次蒸镀金、锌、金、银。第一层金蒸镀速率1nm/s，厚度100nm;第二层锌蒸镀速率1nm/s，厚度50nm;第三层金蒸镀速率1nm/s，厚度100nm;第四层银蒸镀速率1～10nm/s，蒸镀厚度12000nm。蒸镀后待外延片冷却至室温后取出。

[0050](4)将上述外延片放置于真空烧结炉内进行烧结固化，在真空环境下烧结30min，降温到50℃以下后取出。

[0051](5)配置第一表面活化液，为20%稀硫酸溶液。将上述外延片至于第一活化液中10～30s，之后用去离子水清洗。

[0052](6)配置铜镀液，其中硫酸铜：硫酸：氯离子比例为1：：2：1。阳极为磷铜球，将外延片放置在夹具中，电流为6A，镀铜厚度为8微米。将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗。

[0053](7)配置第二表面活化液，为20%稀盐酸溶液。将上述外延片至于第二活化液中10～30s，之后用去离子水清洗。

[0054](8)配置镍镀液，其中氨基磺酸镍：氯化镍：硼酸比例为4：1：2。阳极为镍饼，将外延片放置在夹具中，电流为2A，镀镍厚度为2微米。将外延片从夹具中取出，用去离子水进行清洗。

[0055](9)重复(5)～(8)两次。金属复合衬底总厚度达到30微米。

[0056](10)将上述外延片进行后续器件工艺，包括刻蚀衬底、刻蚀阻挡层、上电极、腐蚀CAP层、蒸镀减反射膜、划片等。制备出电池的I-V曲线如图2所示。

[0057]以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

说明书附图(2)