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圖1是晶體半導體薄膜太陽能電池的概念結構
由于燃燒的碳相關燃料產(chǎn)生的二氧化碳導致石油和溫室效應顯著增加，迫切需要使用替代能源，特別是可再生能源。在這些可再生能源中，利用太陽能是太陽能供給充足，清潔，無污染的特點。然而，目前的太陽能電池主要由塊體硅或塊體III-V半導體制成。不幸的是，這些類型的太陽能電池需要大量的原材料，造成生產(chǎn)成本高。因此，薄膜太陽能電池被認為是減少材料使用的良好解決方案。
我們提出了一種開發(fā)晶體半導體薄膜太陽能電池的新技術。如圖1所示，其概念是將晶體Si納米/微米結構或III-V化合物納米/微米結構轉移到外來襯底上以制造沒有晶格匹配關注的太陽能電池。這種具有高晶體質量的薄膜太陽能電池呈現(xiàn)出高功率轉換效率。此外，薄膜型具有大面積制造和彎曲靈活性的優(yōu)點。
以下是我們開發(fā)的傳輸技術。InGaP / GaAs雙結正方形（25μm×25μm）微米長方體陣列通過外延剝離工藝從GaAs襯底中釋放出來。將這些InGaP / GaAs微立方陣列移植到ITO玻璃襯底上成功旋涂的P3HT薄膜上。除了顯著的成本降低，我們的方法顯示了快速移植和高效大面積器件制造的潛力。
由于能夠調整III-V化合物半導體材料的帶隙以匹配太陽光譜，由這些材料制成的太陽能電池具有無與倫比的轉換效率。用于III-V族太陽能電池的最常用的材料如GaAs和InGaP是具有高吸收系數(shù)的直接帶隙半導體。需要這些材料的厚度僅為幾微米的疊層來吸收電池可以轉換成電的所有光。但是，III-V太陽能電池通常不被稱為薄膜電池。為什么III-V電池不被稱為薄膜的原因是電池結構通常沉積在大約數(shù)百微米厚的GaAs或Ge晶片上以獲得單晶太陽能電池結構。
但是，在太陽能電池膜沉積之后，基板的性能不再被使用。高度期望III-V半導體材料的成本的降低和功率與重量比的增加。實現(xiàn)這些目標的最成功的方法是外延剝離（ELO）。該方法使用在器件和GaAs襯底之間生長的非常薄的（5-50nm）犧牲AlxGa1-xAs（x> 0.6）釋放層。通過用HF水溶液選擇性腐蝕Al x Ga 1-x As隔離層以及由蠟層誘發(fā)的壓縮應變，將薄膜器件從其主襯底釋放。由于用于蝕刻GaAs上的AlGaAs的HF溶液具有大的選擇性（> 106），原始襯底不受影響并且可以重新使用。
對于ELO技術的工業(yè)應用來說，高橫向蝕刻速率被認為是必不可少的。因此，最近在文獻中已經(jīng)詳細闡述了通過ELO方法的不同方法獲得的橫向蝕刻速率，包括用蠟制備樣品并將其浸入HF溶液中，直到發(fā)現(xiàn)薄膜在幾個小時或者直到幾天后，通過將臨時柔性載體引導到氣缸表面上，重量感應ELO工藝（WI-ELO）和ELO具有穩(wěn)定的曲率半徑。重量誘導的ELO工藝的缺點是柔性載體容易彎曲太多。這將導致外延層結構的破裂。出于這樣的原因，開發(fā)了通過在氣缸表面引導臨時柔性載體而具有穩(wěn)定的曲率半徑的ELO工藝。對于上述方法，剝離的外延膜的面積越大，ELO蝕刻過程的時間越長，并且微觀裂解裂縫的風險越大。為了縮短ELO的刻蝕時間，防止微觀裂解裂紋，我們開發(fā)了一種獨特的移植方法。
圖2我們的實驗程序的序列
圖2顯示了我們的實驗程序的序列。在厚GaAs母體上生長InGaP / GaAs雙結光伏外延膜之前，
圖3將周期性立方體圖案轉移到涂覆在InGaP / GaAs外延膜上的SiO2層上
襯底，生長薄的犧牲AlAs釋放層。在外延膜生長之后，通過PECVD生長厚二氧化硅（SiO 2）層。之后將光刻膠旋涂在SiO2層上，并進行UV光刻，如圖2（a）所示。每個小立方的周期性圖案的大小是25μm×25μm。在光刻之后，通過如圖2（b）所示的反應離子刻蝕（RIE）將圖案轉移到涂覆在雙結器件上的SiO2層中，然后除去光刻膠。蝕刻時間被優(yōu)化以確?？煽康膱D案轉移，同時對雙結器件的表面造成最小的損傷。在RIE刻蝕之后，如圖3所示，周期性的方形（25μm×25μm）圖案被精確地轉移到SiO2掩模模板上，
圖4 InGaP / GaAs方形微型長方體陣列。
?。╝）通過ICP工藝蝕刻的槽，
?。╞）基于方形的微型長方體陣列
襯底，生長薄的犧牲AlAs釋放層。在外延膜生長之后，通過PECVD生長厚二氧化硅（SiO 2）層。之后將光刻膠旋涂在SiO2層上，并進行UV光刻，如圖2（a）所示。每個小立方的周期性圖案的大小是25μm×25μm。在光刻之后，通過如圖2（b）所示的反應離子刻蝕（RIE）將圖案轉移到涂覆在雙結器件上的SiO2層中，然后除去光刻膠。蝕刻時間被優(yōu)化以確?？煽康膱D案轉移，同時對雙結器件的表面造成最小的損傷。在RIE刻蝕之后，如圖3所示，周期性的方形（25μm×25μm）圖案被精確地轉移到SiO2掩模模板上，
圖5 ELO后，每個InGaP / GaAs長方體下方都有很小的AlAs
然后將樣品浸入HF水溶液中，如圖2（d）所示，在ICP刻蝕后刻蝕犧牲AlAs層和剩余的SiO2掩膜模板。ELO浸沒時間必須短于從GaAs襯底完全釋放外延膜所需的蝕刻時間。在AlAs層的快速濕蝕刻之后，每個長方體下方都會留下非常小的AlAs。這種微小的AlAs不僅固定在GaAs襯底上的每個長方體上，而且可以很容易地卡住，如圖5所示。
圖6將InGaP / GaAs方形微米長方體陣列轉移到ITO玻璃上后的圖像
?。ㄗ螅喉斠晥D，右圖：橫截面）
我們已經(jīng)成功地使用外延剝離（ELO）技術將InGaP / GaAs雙結方形（25μm×25μm）的微立方光伏陣列轉移到在ITO玻璃襯底上旋轉的P3HT膜上。與傳統(tǒng)的ELO方法（包括穩(wěn)定曲率半徑的WI-ELO和ELO）相比，我們的新方法大大縮短了提升時間。此外，對于上述方法，當被剝離的外延膜的面積變大或者器件的應用變得更加彎曲時，可能發(fā)生微觀裂開裂紋。這將限制其應用和性能。然而，我們的新方法顯示了快速移植和同時進行大面積器件制造的潛力，而沒有引起人們的關注。
