发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种锗太阳能电池，通过优化结构设计，能够实现常规刚性太阳能电池的球面弯曲，同时降低了传统锗太阳能电池的重量。

本发明还提出一种上述锗太阳能电池的制备方法。

本发明还提出一种具有上述锗太阳能电池的光伏供电系统。

本发明还提出一种具有上述锗太阳能电池的高空飞行器。

根据本发明的一个方面，提出了一种锗太阳能电池，包括依次叠加设置的锗衬底和外延片；

所述锗衬底远离所述外延片一侧表面，设置有沟槽；

所述沟槽的设置方向与所述锗衬底的(111)晶面相交错。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的锗太阳能电池，相当于在沟槽设置位置进行了减薄处理，因此相较于不进行衬底处理的锗太阳能电池，减轻了重量，同时获得了一定的柔性，使其可进行一定程度的曲面弯曲；同时，又因为其具备了一定的柔性，因此在后期封装等工艺中，降低了破损几率。

(2)锗太阳能电池发生破裂的表层原因是：锗太阳能电池制备过程中，需经由溶液冲刷、抛动、超声、机械手臂取放等工序，这可能会使外延片发生暗裂；又因为每一层(外延层、衬底层等)的热膨胀系数不一样，因此在经受“合金步骤”高温时，锗太阳能电池的内应力增大，进而使外延片的暗裂扩大；

其发生破裂的主要因素是：锗衬底沿与(111)晶面交错的方向生长，(111)晶面是锗衬底的解理面，也就是加工或运输构成中最容易产生暗裂纹的方向，在合金步骤内应力的作用下，上述暗裂纹甚至可能沿(111)晶面，延伸至整个锗太阳能电池片，进而导致其报废；

本发明提供的锗太阳能电池，一方面锗衬底具有未设置沟槽的位置，能够有效阻挡暗裂的扩散，具体的，当暗裂遇到未设置沟槽的位置时，由于高度差的存在(和沟槽之间)，暗裂的扩散方向会转而沿(111)晶面进行，而(111)晶面为锗晶体的滑移面，原子堆叠密集，化学键丰富，相对于(111)晶面，(111)晶面容易发生破裂；

另一方面，本发明设置沟槽的方向避开了锗衬底的(111)晶面，也就是提供了一种诱导弯曲方向，沿上述诱导弯曲方向弯曲时，(111)晶面所受到的张力较小，这相当于保护了锗衬底的最脆弱部位；同时，锗衬底上，未设置沟槽的部位，相当于为整个锗太阳能电池提供了骨架支撑，兼顾了其强度；

因此相较于整体减薄衬底、未处理锗衬底，或者沿锗衬底的(111)晶面设置沟槽形成的锗太阳能电池；本发明提供的锗太阳能电池的破片几率较低。

(3)在锗多结太阳能电池中，锗衬底同时充当底电池，是电荷聚集、电流较高的富裕电池；具体的，受中、顶电池电流的影响，底电池的电流有一大部分被限制在晶体内部不能散发出去，只能转化为热量，这种累积的热量对锗太阳能电池是有害的，如果不能及时散发出去，会使整个锗太阳能电池的温度升高，热辐射加剧，从而影响其效率和寿命；

本发明在锗衬底上设置沟槽，相当于在底电池上设置了散热通道，增加了散热面积，进而提升了锗太阳能电池的性能和寿命；同时，设置沟槽，即减薄了锗衬底，进而降低了底电池中的电流、减少了发热。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽的深度方向，与所述锗衬底的(110)晶面平行。

所述(110)晶面，是锗衬底的滑移面，是原子堆积密度最高的方向，因此形成的化学键更密集，产生暗裂纹(裂痕)所需能量就更多，因此最难以产生暗裂纹。

在本发明的一些实施方式中，所述沟槽的深度方向，垂直于所述锗太阳能电池最大面。

在本发明的一些实施方式中，所述沟槽的深度占所述锗太阳能电池厚度的70％～80％。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽设置位置的锗太阳能电池，厚度15-20μm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽设置位置的锗太阳能电池，厚度15μm。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述沟槽的宽度，可根据所述锗太阳能电池的设计弯曲程度进行调节。

在本发明的一些实施方式中，所述外延片，包括自所述锗衬底开始，依次设置的中电池和顶电池。

在本发明的一些实施方式中，所述中电池，为InGaAs中电池。

在本发明的一些实施方式中，所述顶电池，为GaInP顶电池。

根据本发明的再一个方面，提出了所述锗太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1.在所述锗衬底表面生长所述外延片，并在所述外延片远离所述锗衬底一侧表面进行热蒸发增镀金属；

S2.对步骤S1所得部件，所述锗衬底远离所述外延片的一侧表面，依次进行第一次湿法腐蚀、干法刻蚀和第二次湿法腐蚀，形成所述沟槽；

S3.对步骤S2所得部件进行背金蒸镀处理，即得所述锗太阳能电池。

根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：

(1)常规干法刻蚀，对待刻蚀位置的定位性较好，可有效避免湿法腐蚀中出现的侧腐蚀和形貌崩塌；但是，刻蚀介质通常采用等离子体，过程中，刻蚀介质可能会与待刻蚀部位发生化学或物理化学反应，生成晶格缺陷或固体颗粒，进而导致漏电等锗太阳能电池的缺陷；

常规湿法腐蚀，腐蚀速度可调；但是腐蚀方向各项同性，会发生侧腐蚀，对待刻蚀位置的定位性较差，可能会发生形貌崩塌的问题；同时，正因为方向各向同性，因此被腐蚀部位角度钝化，不易产生裂纹；

本发明中，设置了先湿法腐蚀、再干法刻蚀，最后再进行湿法腐蚀的刻蚀方法，加快了刻蚀速度，保证了刻蚀精度，同时避免了锗太阳能电池漏电等缺陷。

(2)虽然在衬底与外延片接触的一侧表面设置沟槽，再生长外延片，也可形成具有一定柔性的锗太阳能电池，但是为满足外延片生长的要求，这种方法对沟槽形状、沟槽形成后衬底的光洁度要求均很高，同时刻蚀深度不能很深(约为衬底厚度的1/6)；此外，形成的外延片呈块状阵列分布于衬底上；

本发明提供的制备方法，衬底的刻蚀在外延片生长之后，不需兼顾外延片生长工艺，因此，对刻蚀后衬底沟槽所在表面的光洁度要求更低，沟槽的刻蚀深度可以更深(也就是衬底减薄后的厚度更薄)、衬底上沟槽的位置及沟槽形成的图案均有更多选择；此外，外延片是以整片形式存在，相较于块状分布的外延片，有效面积更高；

综上，本申请提供的制备方法，工艺参数范围更广，可操作性更强；同时获得的锗太阳能电池有效面积更高。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述外延生长，方法为MOCVD法(金属有机化合物化学气相沉淀)。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，还包括在所述热蒸发增镀金属前，生长所述外延片后，依次进行第一次清洗和第一次光刻保护工序。

在本发明的一些实施方式中，所述第一次清洗，具体为依次进行以丙酮清洗8-15min、以异丙醇清洗8-15min、以水清洗和甩干操作。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述第一次清洗，具体为依次进行以丙酮清洗约10min、以异丙醇清洗约10min、以QDR(快排冲洗槽)清洗和甩干操作。

在本发明的一些实施方式中，所述第一次光刻保护，采用负性光刻胶，并以≥230mj的能量曝光、显影。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述热蒸发增镀金属，为在所述外延片远离所述锗衬底的一侧表面依次蒸镀AuGeNi、Ag、Au三层金属，作为正金电极。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，还包括在所述热蒸发增镀金属后，采用蓝膜剥离设备，去除所述负性光刻胶；具体的方法为，先用蓝膜撕去表面金属以及部分光刻胶，再在去胶液中超声10-20min(优选为10min)，最后在QDR(快排冲洗槽)中冲水。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括在步骤S1和步骤S2之间，在步骤S1所得部件，远离所述锗衬底的一侧表面，进行匀胶保护、所述锗衬底远离所述外延片一侧表面进行表面处理和去胶工艺。

所述锗衬底远离所述外延片一侧表面进行表面处理，目的是洗去所述锗衬底表面的漂浮物以及氧化物。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，还包括在所述第一次湿法腐蚀之前，进行再次正面匀胶和第二次光刻保护。

在本发明的一些实施方式中，所述再次正面匀胶，采用正性光刻胶。

在本发明的一些实施方式中，所述再次正面匀胶，光刻胶固化温度为100-120℃，固化时间为10-20min。

在本发明的一些实施方式中，所述第二次光刻保护，采用正性光刻胶。

在本发明的一些实施方式中，所述第二次光刻保护，匀胶转速为3000-4000r/s，光刻胶固化温度为100-120℃，固化时间为10-20min。

在本发明的一些实施方式中，所述第二次光刻保护，显影的曝光能量为800-1000mj。

所述第二次光刻保护，可根据所需锗太阳能电池的弯曲程度等要求，调整所述显影的图像，所述图像包括所述沟槽的宽度、数量、间隙和设置位置。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第一次湿法腐蚀，腐蚀时间为5～7min。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第一次湿法腐蚀，腐蚀深度为60-80μm。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述第一次湿法腐蚀，腐蚀深度约为70μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第一次湿法腐蚀后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度为50～60μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第一次湿法腐蚀，所用腐蚀液为包括氯化氢、溴化氢、乙醇和重铬酸钾的混合体系。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，按照体积比计算，所述第一次湿法腐蚀，所用腐蚀液中，氯化氢：溴化氢：乙醇＝5:2:5；所述重铬酸钾的质量与所述乙醇的体积比为0.2g/ml。

所述第一次湿法腐蚀，采用的腐蚀液，对所述锗衬底的腐蚀速度较快，因此加快了所述沟槽的设置速度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述干法刻蚀，方法为采用ICP-RIE(等离子刻蚀机)进行刻蚀。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述干法刻蚀，刻蚀深度为40-60μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述干法刻蚀结束后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度为20-35μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述干法刻蚀结束后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度为20～30μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述干法刻蚀结束后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度约为25μm。

20-35μm已接近柔性太阳能电池的厚度，此时锗太阳能电池已具备一定的柔性；但仍存在晶格缺陷、漏电等隐患，因此需继续进行第二次湿法腐蚀工艺。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀，腐蚀液为氟化氢溶液。

在本发明的一些实施方式中，所述氟化氢溶液，为49wt％浓度的氟化氢浓溶液与水以1:10-1:50的体积比混合得到的；但是也可根据腐蚀效果、速率等调节氟化氢水溶液的浓度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀，腐蚀液为BOE(英文名称：Buffered Oxide Etch；中文名称：缓冲氧化物刻蚀液；由氢氟酸(49wt％)与水或氟化铵与水混合而成)。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀，腐蚀深度约为10μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度为15-20μm。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀后，所述沟槽的设置位置的锗太阳能电池，厚度约为15μm。

步骤S2中，所述第二次湿法腐蚀后，锗太阳能电池的厚度，已薄于多数柔性太阳能电池；因此，由所述制备方法得到的锗太阳能电池，已满足了柔性太阳能电池工作条件的要求。

所述第二次湿法腐蚀，腐蚀速度较慢，易于控制腐蚀速度和精度；此外，所述干法刻蚀过程中形成的晶格缺陷，和颗粒状杂质，还可在第二次湿法腐蚀中，通过化学反应消耗掉，进而避免所述锗太阳能电池的漏电问题。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，还包括在所述第二次湿法腐蚀后，进行第二次清洗处理。

在本发明的一些实施方式中，所述第二次清洗，包括依次进行的以丙酮清洗、更换丙酮后再次清洗、以异丙醇清洗和以水清洗。

在本发明的一些实施方式中，所述第二次清洗，温度为38-42℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述背金蒸镀，背金材质为Pd、Ag和Au的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述背金蒸镀，背金为自所述锗衬底远离所述外延层一侧表面开始，依次形成的Pd层Ag层和Au层。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述背金蒸镀，具体方法参考GJB(国家军用标准)规定的方法进行。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括在所述背金蒸镀后，依次进行帽层腐蚀、ARC(英文名称：anti-reflection coating；中文名称：抗反射涂层)蒸镀、合金、ARC套刻、第三次光刻保护(正面匀胶)、切割、钝化、去胶和测试等步骤。

根据本发明的再一个方面，提出了一种包括所述锗太阳能电池的光伏供电系统。

根据本发明的再一个方面，提出了一种包括所述锗太阳能电池的高空飞行器。

根据本发明的一种优选的实施方式的高空飞行器，至少具有以下有益效果：

本发明提供的锗太阳能电池，由于可以实现球面弯曲，因此可贴合在所述高空飞行器表面，减少飞行过程中的气体阻力，进而降低所述高空飞行器的油耗，增加其续航能力。