一种薄膜太阳能电池柔性衬底及其制备方法与流程

本发明属于柔性薄膜太阳能电池制造，特别涉及一种薄膜太阳能电池柔性衬底及其制备方法。

背景技术：

1、柔性薄膜太阳能电池凭借极致轻量化、可折叠卷曲、高重量比功率等核心优势，在航空航天、曲面供电等场景具备广阔的应用前景，可有效突破传统刚性太阳能电池板重量大、收纳体积受限的瓶颈。

2、目前金属基柔性衬底是薄膜太阳能电池的主流技术路线之一，其中具有代表性的方案包括两类：

3、一类是采用纯铜电镀柔性衬底，如中国专利cn201810904936.5公开的方案，采用电镀铜制备柔性衬底，具有制备效率高、成本低的特点。但铜的热膨胀系数远高于gaas等半导体外延材料，高温工艺冷却过程中，铜基衬底与外延层的收缩量差异会产生巨大拉应力，易导致外延层翘曲、暗裂甚至失效；同时铜属于半导体中的“快扩散”元素，易迁移至电池有源区形成复合中心，造成光电转换效率衰减；此外铜在空气中易氧化生成不导电氧化物，会提升电池串联电阻，降低长期可靠性，对封装工艺要求严苛。

4、另一类是采用cu/ni周期性复合衬底，如中国专利cn202310980698.7公开的方案，通过周期性电镀cu/ni复合层提升薄膜电池的机械强度。但镍本身硬度高、沉积拉应力大，初始镍层沉积时就可能导致外延层龟裂；多层周期结构会引入多处应力突变界面（例如3个周期要引入3次应力突变界面），界面应力集中易引发材料分层；同时30μm厚的cu/ni复合层弯曲刚度远高于同等厚度纯铜，柔性大幅下降，无法实现小半径弯曲，仅能作为轻量化刚性薄片使用，难以适配曲面贴合场景。此外，cu与ni在潮湿环境中易形成原电池加速腐蚀，高温工况下的界面互相扩散也存在界面脆化的风险。

5、综上，现有金属柔性衬底方案无法同时兼顾低热应力匹配、优异弯曲柔性与足够的机械支撑性能，热膨胀系数失配引发的应力失效、柔性与强度的矛盾，已成为制约柔性薄膜太阳能电池良率与可靠性提升的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池柔性衬底及其制备方法，制作金属中空复合结构作为太阳电池的柔性衬底，在保证衬底机械支撑性能的前提下，解决现有技术热膨胀系数失配、柔性与强度的矛盾问题。

2、为达成上述目的，本技术提供一种薄膜太阳能电池柔性衬底的制备方法，包括：

3、提供一gaas衬底，在gaas衬底上生长倒装多结太阳电池的外延层，得到外延片；

4、在外延层上依次蒸镀ti、mo、ag，形成金属薄膜；

5、在金属薄膜表面旋涂光刻胶进行光刻图形化工艺，经匀胶、曝光、显影后，露出无光刻胶覆盖的区域为阵列排布的图形区域；

6、在图形化后的金属薄膜表面上生长金属厚膜，所述金属厚膜的材质为al、cu、n、ag、au、pt中的任意一种，且金属厚膜的厚度大于光刻胶的厚度，金属厚膜填充图形区域并覆盖光刻胶顶部，光刻胶之间位于图形区域上的金属厚膜部分形成金属支撑柱，金属支撑柱和光刻胶上方的金属厚膜部分形成金属盖板；

7、去除金属厚膜与金属薄膜之间的光刻胶，相邻金属支撑柱之间形成中空隔离道，进而形成由底部金属薄膜、阵列式金属支撑柱与上层金属盖板构成的中空复合金属结构，所述中空复合金属结构作为太阳电池的柔性衬底。

8、进一步，所述柔性衬底还包括应力平衡层，在去除光刻胶后，采用磁控溅射方法在金属厚膜表面沉积应力平衡层，所述应力平衡层为tiw薄膜，所述tiw薄膜的厚度为100nm-300nm。

9、进一步，在制备应力平衡层之前，将去除光刻胶后的外延片浸入体积比为1：16磷酸和水的混合溶液中浸泡2min，去除金属厚膜表面的氧化层，接着冲水清洗，在异丙醇中超声浸泡5分钟，最后在100℃烤箱中真空状态下烘烤10分钟。

10、进一步，所述ti、mo、ag的厚度依次为50å、1000å、30000å，其中，ti作为粘附层，mo作为阻挡层，ag作为背反射层或焊接层。

11、进一步，所述光刻胶的厚度为10μm，所述金属厚膜采用蒸镀、磁控溅射或电镀工艺沉积生长，金属厚膜的厚度小于30μm。

12、进一步，所述金属厚膜的材质为al，厚度为20μm，在金属厚膜制备完成后，在gaas衬底相对外延层的另一面上贴上蓝膜，然后将外延片以金属厚膜朝上的方式置于研磨机上研磨减薄，消除金属厚膜表面凹凸不平的台阶，使得金属厚膜表面平整，减薄后的金属厚膜的厚度为15μm，金属盖板的厚度为5μm。

13、进一步，所述图形区域的形状为正六边形、正方形或圆形中的一种，呈周期阵列排布，且图形区域的总面积占晶圆面积的70%~80%。

14、进一步，所述图形区域为正六边形阵列，正六边形的对边距为250μm，相邻六边形的边间距为30μm，图形区域的总面积占晶圆面积的75%。

15、进一步，在制备得到柔性衬底后，还包括电池成品的制备步骤：将柔性衬底与刚性基板进行临时键合，腐蚀去除gaas衬底，制备正面电极与减反膜，经解键合、退火、划片、端面腐蚀后，得到柔性薄膜太阳能电池芯片。

16、本技术还提供一种薄膜太阳能电池柔性衬底，由上述任意一项的所述制备方法制备而成。

17、采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

18、1、显著改善热应力匹配，降低外延失效风险：本技术通过中空隔离道将连续的金属厚膜拆分为阵列式的独立金属支撑柱，将晶圆级的整体应力拆解为多个局部金属支撑柱的独立变形，每个金属支撑柱的变形被限制在局部范围内，阻断了面内应力的长距离累积路径，避免了应力从中心向边缘的线性叠加。

19、同时，中空隔离道的设置相当于在金属膜层中引入了应力释放槽，可将大面积的连续金属膜层切割成一个个独立的“小岛”或“框架”部分，形成多孔或网格状结构，温度升高时，每个独立部分可以自由地向外膨胀，而不会将巨大的累积应力传递给整个晶圆，形成解耦效应；从宏观力学角度看，这种多孔或网格状结构大大降低了金属膜层的等效杨氏模量，根据双金属片效应公式，应力与模量成正比，模量降低，产生的热应力自然减小，进而热膨胀失配产生的界面剪切应力也减小，大幅缓解了高温工艺冷却后外延层受拉翘曲、暗裂的问题，可显著提升器件制备良率。

20、2、兼顾优异柔性与机械支撑强度：不同于现有cu/ni复合衬底通过高硬度镍层牺牲柔性换取强度的方案，本技术采用“底层金属薄膜+阵列金属支撑柱+上层金属盖板”的夹层中空结构，借助类似工字钢的力学原理提升截面惯性矩，在垂直方向具备良好的抗弯刚度与抗塌陷能力，可为脆弱的半导体外延层提供稳定的机械支撑；同时中空隔离道保留了面内弯曲变形空间，柔性衬底整体仍具备优异的弯曲柔性，可适配曲面贴合、折叠收纳等应用场景。

21、3、优化热学性能，提升抗热冲击可靠性：中空隔离道内的空气或真空介质导热系数远低于金属本体，可形成天然热阻隔层，减缓热量从金属膜层向gaas外延的直接传递速度，或者在外部温度剧烈波动时保护内部器件；在快速升降温的热冲击工况下，中空隔离道为金属膜层的热胀冷缩提供了形变缓冲空间，可有效消减瞬间热形变引发的界面剪切力，配合金属支撑柱的微小弯曲、扭转变形（结构顺应性），可吸收部分热失配产生的应变能，降低界面分层、开裂的风险，提升器件温度循环的长期可靠性。

22、4、工艺兼容性强，兼具轻量化与集成拓展性：本发明的制备流程基于常规半导体光刻、镀膜、研磨工艺实现，与现有薄膜太阳能电池的制备工艺兼容性高，无需新增特殊设备；且柔性衬底的中空结构去除了部分金属材料，直接降低衬底整体重量，契合航空航天场景的超轻量化需求；同时上层金属盖板形成的平整表面，可为后续工艺提供良好的操作面，且中空隔离道内可拓展集成垂直电气互连、流体通道等功能，适配异质集成场景。

23、5、潜在的声、减震性能以及抑制扩散与腐蚀性能：中空结构能延长声音传播路径，具有减震和隔音效果，可使柔性太阳电池对机械振动有更好的耐受性，减少振动对gaas晶格的损伤。柔性衬底的主体可采用单一金属材质制备，避免了cu/ni复合结构的电池腐蚀问题，也消除了多层金属界面互扩散导致的界面脆化风险，可提升器件的长期工作可靠性。