一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及太阳能技术领域，具体而言，涉及一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用。


背景技术：

2.砷化镓太阳能电池是光电转换效率较高的电池，晶格匹配的刚性砷化镓叠层太阳能电池技术已经较为成熟，在航空航天领域已经有了较大规模的应用。柔性砷化镓太阳能电池具有可弯曲，表面覆盖性好，功重比高、抗辐照性能好等特点。目前柔性砷化镓叠层电池则一般通过金属有机化合物气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)进行生长，在外延生长过程中，存在一些材料间的晶格失配、由长外延生长时间引起的zn掺杂扩散等效应，引起材料缺陷，从而降低电池的整体性能。为了降低材料在外延生长过程中有引起的一些缺陷，往往需设计生长一定厚度的缓冲层或是阻挡层，来降低晶格缺陷或是掺杂扩散所带来的影响，这也带来了外延生长控制的难度和生产成本的增加。
3.现有的一些钙钛矿和砷化镓叠层电池主要通过金属键合方式在刚性衬底上集成，金属键合一般需使用金属键合机，其进口设备价格达百万且单台机产能较小，同时砷化镓材料脆性较大，键合时易发生裂片风险影响良率。柔性的钙钛矿砷化镓叠层电池其制作方法有的是分别制作钙钛矿电池层和砷化镓电池层，之后将一些柔性封装背板材料直接热压合至砷化镓电池一侧金属表面，然后用热压扩散方式，在一定真空条件下将钙钛矿电池器件与带有柔性封装背板压合的砷化镓电池器件热压结合在一起，形成整体的柔性钙钛矿砷化镓叠层电池。砷化镓薄膜电池材料在经历热压等工艺时易产生应力变化，主要由于砷化镓系材料与其背电极金属层材料(如铜、金、银、镍等)存在一定的热膨胀系数差异，导致薄膜电池在工艺过程中易发生形变翘曲，进而薄膜功能层受到应力损伤，从而影响电池器件的性能。传统的与
ⅲ‑ⅴ
族半导体材料形成欧姆接触的金属为高温合金金属体系，合金温度一般在250～400℃左右，但由于砷化镓薄膜电池在温度过高的热过程中易发生翘曲形变造成薄膜应力损伤，因此背金属体系一般采用低温合金体系，温度在150～180℃。如果电池经受不断的热压工艺过程，易使得薄膜发生应力损伤，同时一定温度下使得其背金体系不断受热，会形成过退火效果，影响电池的接触电阻，进而影响电池性能。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种柔性太阳能电池，可大幅提升开路电压和短路电流，大幅提高电池转换效率。
6.本发明的另一个目的在于提供一种柔性太阳能电池的制备方法，制备工艺简单，与柔性砷化镓电池的生产线兼容性好，可避免薄膜的应力损伤，且可有效控制太阳能电池的制作成本。
7.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
8.一种柔性太阳能电池，包括复合金属衬底、gaas层、钙钛矿材料层、透明电极层和电池隔离区；
9.所述复合金属衬底包括底部电极层以及设置在所述底部电极层一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层和设置在所述绝缘胶层上的背金属层，且所述背金属层贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层上；
10.所述gaas层设置在所述复合金属衬底具有背金属层的一侧表面上；所述钙钛矿材料层设置在所述gaas层远离复合金属衬底的表面上；所述透明电极层包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述钙钛矿材料层远离复合金属衬底的表面上，所述延伸段依次贯穿于所述钙钛矿材料层和所述gaas层且抵达至所述背金属层的表面；
11.所述电池隔离区依次贯穿于所述透明电极层、钙钛矿材料层和gaas层且抵达至所述背金属层的表面。
12.在一种实施方式中，所述柔性太阳能电池还包括绝缘保护层；所述绝缘保护层设置在延伸段和所述gaas层之间的至少部分区域以及电池隔离区的至少部分区域。
13.在一种实施方式中，所述绝缘保护层包括二氧化硅、氮化硅和光敏性聚酰亚胺中的至少一种。
14.在一种实施方式中，所述绝缘保护层的厚度为5～10nm。
15.在一种实施方式中，所述底部电极层和所述背金属层均包括au、ag、ni、cr、cu和ge中的至少一种。
16.在一种实施方式中，所述底部电极层的厚度为12～40μm。
17.在一种实施方式中，所述绝缘胶层的厚度为2～3μm，所述背金属层的厚度为2～5μm。
18.在一种实施方式中，所述gaas层和所述钙钛矿材料层之间还设置有透明导电层。
19.在一种实施方式中，所述钙钛矿材料层和透明电极层之间还设置有电子传输层。
20.在一种实施方式中，所述的柔性太阳能电池还包括减反射层；所述减反射层设置在所述透明电极层远离所述复合金属衬底的表面上。
21.如上所述的柔性太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
22.制备复合衬底，所述复合衬底包括复合金属衬底及所述gaas层；将所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合；
23.在所述gaas层的表面生长钙钛矿材料层，在gaas层和钙钛矿材料层上刻蚀p2区域及p3区域；
24.在所述钙钛矿材料层的表面及p2区域中生长透明电极层；刻蚀所述透明电极层，获取电池隔离区，得到复合体；
25.去除所述复合体中的临时衬底，得到柔性太阳能电池。
26.在一种实施方式中，所述复合衬底的制备，具体包括：在gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏胶并刻蚀图形化区域，在图形化区域中制备图形化背金属层，再进行退火处理及金属加厚处理，得到中间复合体，去除所述gaas衬底及alas牺牲层，获得复合衬底。
27.在一种实施方式中，所述退火处理的温度为150～200℃，时间为30～60min。
28.在一种实施方式中，所述金属加厚处理采用镀覆的方式。
29.在一种实施方式中，所述去除gaas衬底及alas牺牲层的方法，具体包括：在中间复合体具有图形化背金属层的一侧表面上涂覆耐腐蚀保护层，再采用腐蚀液进行腐蚀，以去除所述gaas衬底及alas牺牲层；采用有机溶剂去除耐腐蚀保护层，再进行洗涤处理。
30.在一种实施方式中，所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合的方式包括粘合；所述粘合采用双面热解胶。
31.在一种实施方式中，所述临时衬底包括硅片和/或蓝宝石衬底。
32.在一种实施方式中，去除所述临时衬底，具体包括：将所述复合体进行热处理。
33.在一种实施方式中，在所述gaas层的表面生长钙钛矿材料层之前，还包括：在gaas层上生长透明导电层；在gaas层、透明导电层上刻蚀p2区域及p3区域。
34.在一种实施方式中，在刻蚀p2区域及p3区域之后，在所述p2区域及p3区域制备绝缘保护层；
35.在一种实施方式中，在生长透明电极层之前，还包括：在所述钙钛矿材料层上生长电子传输层；再刻蚀所述p2区域对应的电子传输层。
36.在一种实施方式中，还包括：在所述透明电极层的表面上制备减反射层。
37.如上所述的柔性太阳能电池在航天空航天和/或汽车领域中的应用。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
39.(1)本发明的电池中，复合衬底即起到背面支撑衬底作用，避免薄膜的应力损伤，同时也承担串联电池的p1隔断作用，与全金属衬底相比可减轻电池的重量，提高电池的功重比；同时钙钛矿具有1.8～1.9ev带隙，砷化镓的带隙为1.4ev，可以更好的吸收300nm～1000nm范围内的太阳光，提高电池整体的转化效率。
40.(2)本发明通过外延剥离、临时衬底转移等工艺，与现有的柔性砷化镓电池、钙钛矿电池工艺能较好的兼容，可有效控制太阳能电池的生产制作成本。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明实施例1～3的柔性太阳能电池的结构示意图；
43.图2为本发明复合金属衬底的结构示意图。
44.附图标记：
45.1-复合金属衬底、101-底部电极层、102-绝缘胶层、103-背金属层、2-gaas层、3-透明导电层、4-钙钛矿材料层、5-绝缘保护层、6-电子传输层、7-透明电极层、8-电池隔离区、9-减反射层。
具体实施方式
46.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为
可以通过市购获得的常规产品。
47.根据本发明的一个方面，本发明涉及一种柔性太阳能电池，包括复合金属衬底、gaas层、钙钛矿材料层、透明电极层和电池隔离区；
48.所述复合金属衬底包括底部电极层以及设置在所述底部电极层一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层和设置在所述绝缘胶层上的背金属层，且所述背金属层贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层上；背金属层与绝缘胶层的厚度相同；其中，所述预图形化的绝缘胶层是指：在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏胶并刻蚀图形化区域，其固化后形成带有沟槽状的预图形化绝缘胶层结构，背金属层贯穿嵌入在该沟槽内，固化后的各绝缘胶沟槽，即p1槽。
49.所述gaas层设置在所述复合金属衬底具有背金属层的一侧表面上；所述钙钛矿材料层设置在所述gaas层远离复合金属衬底的表面上；所述透明电极层包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述钙钛矿材料层远离复合金属衬底的表面上，所述延伸段依次贯穿于所述钙钛矿材料层和所述gaas层且抵达至所述背金属层的表面；
50.所述电池隔离区依次贯穿于所述透明电极层、钙钛矿材料层和gaas层且抵达至所述背金属层的表面。
51.本发明的柔性太阳能电池可解决砷化镓叠层电池外延生长的材料缺陷问题、掺杂扩散等问题；复合衬底在整个柔性叠层电池中，即起到背面支撑衬底作用，同时也承担串联电池的p1隔断作用，分散背金属衬底在砷化镓薄膜电池工艺过程中的应力，降低膜层应力损伤，与全金属衬底相比可减轻电池的重量，提高了电池的功重比；绝缘胶层包括聚酰亚胺胶体，具有优异的环境适应性、热膨胀系数，可提高电池的稳定性；同时钙钛矿具有1.8～1.9ev带隙，砷化镓的带隙为1.4ev，可以更好的吸收300nm～1000nm范围内的太阳光。本发明的电池通过不同带隙的子电池材料，可吸收不同波长区间太阳辐射能量，大幅提升开路电压和短路电流，提高电池的光电转换效率。
52.在一种实施方式中，所述柔性太阳能电池还包括绝缘保护层；所述绝缘保护层设置在延伸段和所述gaas层之间的至少部分区域以及电池隔离区的至少部分区域。在一种实施方式中，所述绝缘保护层从背金属层向所述透明电极层的第一基体层的方向延伸。在一种实施方式中，所述绝缘保护层包括二氧化硅、氮化硅和光敏性聚酰亚胺中的至少一种。在一种实施方式中，所述绝缘保护层的厚度为5～10nm，例如5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等。本发明通过设置绝缘保护层，能有效避免多结电池的pn结侧边因污染物颗粒、药液水渍残留、激光划刻时的材料熔融颗粒等形成搭接短路，造成漏电，从而影响电池的性能。
53.在一种实施方式中，所述底部电极层和所述背金属层均包括au、ag、ni、cr、cu和ge中的至少一种。在一种实施方式中，所述底部电极层的厚度为12～40μm，例如12μm、15μm、17μm、20μm、22μm、25μm、28μm、30μm、32μm、35μm、40μm等。在一种实施方式中，所述绝缘胶层的厚度为2～3μm，所述背金属层的厚度为2～5μm。本发明通过采用适宜厚度的底部电极层配合适宜厚度为背金属层及绝缘胶层，更有利于提升电池的功重比。
54.在一种实施方式中，透明电极层包括纳米银导电墨水。透明电极层的厚度为15～25nm，例如15nm、16nm、17nm、18nm、20nm、25nm等。
55.在一种实施方式中，钙钛矿材料层的制备原料包括：摩尔比为(0.8～1.2)：(10～15)：(12～17)的甲基氯化铵、碘化甲脒及碘化铅粉末。在一种实施方式中，钙钛矿材料层的
厚度为400～500nm，例如420nm、450nm、480nm、500nm等。
56.在一种实施方式中，所述gaas层和所述钙钛矿材料层之间还设置有透明导电层。在一种实施方式中，透明导电层包括ito，izo和iwo中的至少一种。透明导电层的厚度为60～150nm，例如70nm、90nm、100nm、120nm等。在一种实施方式中，所述延伸段贯穿于钙钛矿材料层、透明导电层和gaas层，且抵达所述背金属层的表面；所述电池隔离区贯穿于所述透明电极层、钙钛矿材料层、透明导电层、gaas层，且抵达所述背金属层的表面。
57.在一种实施方式中，所述钙钛矿材料层和透明电极层之间还设置有电子传输层。在一种实施方式中，电子传输层包括c60层和氧化锡层。在一种实施方式中，c60层的厚度为10～20nm，例如10nm、12nm、15nm、18nm、20nm，氧化锡层的厚度为5～10nm，例如5nm、6nm、7nm、8nm或10nm等。在一种实施方式中，所述延伸段贯穿于gaas层、透明导电层、钙钛矿材料层和电子传输层，且抵达所述背金属层的表面；所述电池隔离区贯穿于所述gaas层、透明导电层、钙钛矿材料层、透明电极层和电子传输层，且抵达所述背金属层的表面。
58.在一种实施方式中，所述的柔性太阳能电池还包括减反射层；所述减反射层设置在所述透明电极层远离所述复合金属衬底的表面上。在一种实施方式中，减反射层包括氧化钛、氧化硅和氟化镁材料中的至少一种。减反射层的厚度为100～150nm，例如100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm等。
59.根据本发明的另一个方面，本发明还涉及如上所述的柔性太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
60.制备复合衬底，所述复合衬底包括复合金属衬底及所述gaas层；将所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合；
61.在所述gaas层的表面生长钙钛矿材料层，在gaas层和钙钛矿材料层上刻蚀p2区域及p3区域；
62.在所述钙钛矿材料层的表面及p2区域中生长透明电极层；刻蚀所述透明电极层，获取电池隔离区，得到复合体；
63.去除所述复合体中的临时衬底，得到柔性太阳能电池。
64.本发明的方法，与现有的柔性砷化镓电池、钙钛矿电池工艺能较好的兼容，制备工艺相对简单。制备方法中的聚酰亚胺绝缘胶的固化过程与原电池的背金属欧姆接触合金工艺可整合一起，可简化工艺步骤。
65.在一种实施方式中，所述复合衬底的制备，具体包括：在gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏胶并刻蚀图形化区域，即形成预图形化的绝缘胶层，在图形化区域中制备图形化背金属层，即在预图形化的绝缘胶层上制备背金属层，再进行退火处理及金属加厚处理，得到中间复合体，去除所述gaas衬底及alas牺牲层，获得复合衬底。在一种实施方式中，gaas衬底包括但不限于4寸或6寸。在一种实施方式中，光敏胶包括聚酰亚胺胶，进行光刻、显影、清洗制程，留下带有聚酰亚胺胶层的图形，即形成图形化区域；再采用电子束蒸发，材料为au、ag、ni、cr、cu、ge中的一种或多种组合，得到图形化背金属层。退火处理可使得聚酰亚胺胶进一步固化粘结，且让背面金属电极与gaas子电池形成有效的欧姆接触。在一种实施方式中，所述退火处理的温度为150～200℃，例如160℃、170℃、180℃等，时间为30～60min，例如35min、40min、50min、55min等。在一种实施方式中，所述金属加厚处理采用镀覆的方式，例如电镀和/或化学镀。在一种实
施方式中，所述去除gaas衬底及alas牺牲层的方法，具体包括：在中间复合体具有图形化背金属层的一侧表面上涂覆耐腐蚀保护层，再采用腐蚀液进行腐蚀，以去除所述gaas衬底及alas牺牲层；采用有机溶剂去除耐腐蚀保护层，再进行洗涤处理。在一种实施方式中，耐腐蚀保护层采用的耐腐蚀保护剂包括黑蜡或是uv胶；通过旋涂方式均匀覆盖复合背金属衬底上。腐蚀液采用15％～30％浓度的氢氟酸溶液，氢氟酸可以与alas牺牲层材料反应，而与gaas材料基本不反应或是反应很缓慢，使得gaas衬底与外延生长的器件薄膜能够实现分离，之后用有机溶剂(如去蜡液或是去胶液)去除清洗耐腐蚀保护层，并用异丙醇、纯水依次清洗样品，获得带复合背金属衬底的柔性gaas电池器件薄膜。
66.在一种实施方式中，所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合的方式包括粘合；所述粘合采用双面热解胶。在一种实施方式中，双面热解胶的热解温度为130～150℃(例如135、140℃、145℃等)。通过采用临时衬底，可保障其在后续电池工艺中的可靠性和稳定性，可在传统的刚性半导体晶圆、太阳能电池相关设备上进行工艺制程。在一种实施方式中，所述临时衬底包括硅片和/或蓝宝石衬底。
67.在一种实施方式中，对复合衬底进行洗涤；采用异丙酮、盐酸溶液、纯水超声清洗去除复合衬底表面的有机物、氧化物和金属颗粒等杂质。
68.在一种实施方式中，在gaas层上生长透明导电层。采用磁控溅射和/或电子束蒸镀方式沉积ito、izo和iwo中的任一种或多种。在一种实施方式中，对透明导电层进行洗涤(包括使用异丙醇、纯水依次清洗)，氮气吹干，在表面旋涂光刻胶，采用双面对准光刻，曝光，显影后，在gaas电池器件薄膜上露出部分p2、p3区域图形，用盐酸、硝酸、纯水混合溶液(体积比为6:1:10)进行腐蚀，将p2、p3图形处深度刻蚀至露出背金属电极。
69.在一种实施方式中，在刻蚀p2区域及p3区域之后，在所述p2区域及p3区域制备绝缘保护层。在一种实施方式中，将样品纯水清洗，氮气吹干后，采用原子层沉积(ald)二氧化硅和/或氮化硅，对p2、p3区域形成侧壁绝缘保护，用去胶液，丙酮、纯水依次清洗样品表面，去除光刻胶，光刻胶覆盖的透明导电层区域。在另一种实施方式中，形成p2,p3区域及侧壁绝缘保护工艺，也可采用两次光刻法，包括：在gaas电池器件薄膜上露出部分p2、p3区域图形，将p2、p3图形处深度刻蚀至露出背金属电极后，再次涂敷光敏性聚酰亚胺胶，光刻显影后，在上述制作的p2,p3区域中留出更窄的线槽，这样p2,p3区域侧壁就形成聚酰亚胺胶保护，经加热固化后，样品用丙酮，纯水清洗，原涂有第一次光刻胶区域在清洗后去除光刻胶露出透明导电层，二次涂敷的附着在一次光刻胶上的聚酰亚胺胶亦随一次光刻胶的去除而去除。
70.在一种实施方式中，在透明导电层上制备带隙在1.8～1.9ev的钙钛矿光吸收材料层，具体包括：将摩尔比为1:12:15的甲基氯化铵、碘化甲脒及碘化铅粉末溶解在dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶剂中，充分搅拌混合，制得前驱体溶液，将溶液旋涂于样品表面，加热至110～130℃(例如115℃、120℃、125℃)，保持8～12min(例如10min、12min等)，自然冷却至室温。
71.在一种实施方式中，还包括：在所述钙钛矿材料层上生长电子传输层；再刻蚀所述p2区域对应的电子传输层。具体地，电子传输层的制备方法，包括：通过蒸镀沉积c60，厚度在10～20nm，之后通过ald沉积氧化锡，厚度在5～10nm。在一种实施方式中，采用激光划刻，在器件p2区域刻出线槽，刻蚀掉钙钛矿材料层，与样上述的p2区域连通。
72.在一种实施方式中，通过旋涂和/或喷涂的方式制备透明电极层。采用激光划刻，在器件p3区域刻出线槽，刻蚀掉透明电极层、电子传输层及钙钛矿材料层，与上述的p3区域连通。
73.在一种实施方式中，还包括：在所述透明电极层的表面上制备减反射层，以增加光的入射。具体地，可采用电子束蒸镀制备减反射层。
74.在一种实施方式中，去除所述临时衬底，具体包括：将所述复合体进行热处理。将所述复合体置于热板或烘箱中，设定温度为双面热解胶发泡减粘温度，加热1～3分钟，双面热解胶发泡进而失去粘性，使柔性电池薄膜与临时支撑衬底分离，继而得到完成柔性电池器件薄膜。
75.在一种实施方式中，根据所需电池尺寸图形，采用点胶机在电池器件尺寸周边涂敷宽度为190～210μm(例如200μm等)的感光绝缘树脂，经光照固化后，在胶体处进行激光切割，即可得到所需尺寸的柔性钙钛矿砷化镓叠层电池单元。绝缘树脂可以对切割后电池单元起到边缘保护作用，防止切割过程中产生的熔渣碎屑在电池边缘造成pn短路搭接，形成漏电风险点。
76.根据本发明的另一个方面，本发明还涉及如上所述的柔性太阳能电池在航空航天和/或汽车领域中的应用。
77.下面结合具体的实施例进一步解释说明。
78.本发明实施例1～3的柔性太阳能电池的结构示意图如图1所示。本发明复合金属衬底的结构示意图如图2所示。
79.实施例1
80.一种柔性太阳能电池，包括复合金属衬底1、gaas层2、透明导电层3、钙钛矿材料层4、电子传输层6、透明电极层7、减反射层和电池隔离区8；
81.所述复合金属衬底1包括底部电极层101以及设置在所述底部电极层101一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层102和设置在所述绝缘胶层102上的背金属层103，且所述背金属层103贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层102上；所述底部电极层101和所述背金属层103均为cu；所述底部电极层101的厚度为22μm；所述绝缘胶层102的厚度为2.5μm，所述背金属层103的厚度为2.5μm；
82.所述gaas层2设置在复合电极层的表面上；所述透明导电层3、钙钛矿材料层4和电子传输层6依次层叠设置在所述gaas层2远离复合金属衬底1的表面上；透明导电层3为ito，厚度为70nm；钙钛矿材料层4的厚度为450nm，电子传输层6依次包括c60层和氧化锡层，c60层的厚度为15nm，氧化锡层的厚度为8nm；
83.所述透明电极层7包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述电子传输层6远离复合金属衬底1的表面上，所述延伸段贯依次穿于电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至背金属层103的表面；透明电极层7包括纳米银导电墨水，透明电极层7的厚度为20nm；
84.所述电池隔离区8依次贯穿于透明电极层7、电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至所述背金属层的表面；
85.所述延伸段和所述gaas层2之间还设置有绝缘保护层5；所述绝缘保护层5包括二氧化硅和/或氮化硅；所述绝缘保护层5的厚度为7.5nm；
86.减反射层9设置在透明电极层7的表面，减反射层9的厚度为120nm。
87.本实施中柔性太阳能电池的制备方法，具体包括：
88.(1)在4寸的gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏性聚酰亚胺胶，进行光刻，显影、清洗制程，留下带有聚酰亚胺胶层的图形，即获得图形化区域，采用电子束蒸发，在图形化区域中制备图形化背金属层103，再进行退火处理，退火温度在180℃，时间45min；退火后，采用电镀方式进行金属加厚处理，得到中间复合体；将中间复合体具有图形化背金属层103的一侧表面涂覆耐腐蚀保护层，耐腐蚀保护剂可采用黑蜡，通过旋涂方式均匀覆盖复合背金属衬底上，采用22％浓度的氢氟酸溶液进行选择性腐蚀，氢氟酸可以与alas牺牲层材料反应，而与gaas材料基本不反应或是反应很缓慢，使得gaas衬底与外延生长的器件薄膜能够实现分离；之后用有机溶剂(去蜡液)去除清洗耐腐蚀保护层，并用异丙醇、纯水依次清洗样品，获得复合衬底；
89.(2)将复合衬底通过双面热解胶与临时支撑衬底(蓝宝石衬底)粘合；再使用异丙酮、盐酸溶液、纯水超声进销存清洗，去除表面的有机物、氧化物和金属颗粒等杂质；
90.(3)采用磁控溅射沉积的方式，在gaas层2的表面制作透明导电层3；再使用异丙醇、纯水依次清洗，氮气吹干，在表面旋涂光刻胶，采用双面对准光刻，曝光，显影后，露出部分p2、p3区域图形，用盐酸、硝酸、纯水混合溶液(体积比为6:1:10)进行腐蚀，将p2、p3图形处深度刻蚀至露出背金属电极；将样品纯水清洗，氮气吹干后，采用原子层沉积氮化硅，对p2、p3区域形成侧壁绝缘保护，用去胶液，丙酮、纯水依次清洗样品表面，去除光刻胶，露出光刻胶覆盖的透明导电层3区域；
91.(4)在透明导电层3上制备带隙在1.85ev的钙钛矿光吸收材料层：将摩尔比为1：12：15的甲基氯化铵、碘化甲脒及碘化铅粉末溶解在dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶剂中，充分搅拌混合，制得前驱体溶液，将溶液旋涂于样品表面，加热至120℃，保持10分钟，自然冷却至室温；
92.(5)在钙钛矿光吸收材料层上制备电子传输层6：将样品通过蒸镀沉积c60，再通过ald沉积氧化锡；采用激光划刻，在器件p2区域刻出线槽，刻蚀掉钙钛矿材料层4，与上述制作的p2区域相连通；
93.(6)制备透明电极层7：在样品表面旋涂或喷涂纳米银导电墨水，形成透明电极层7；采用激光划刻，在器件p3区域刻出线槽，刻蚀掉透明电极层7、电子传输层6及钙钛矿材料层4，与p3区域连通；
94.(7)采用电子束蒸镀的方式在透明电极层7制备减反射层9；
95.(8)分离临时支撑衬底：将样品置于烘箱中，设定温度为双面热解胶发泡减粘温度，加热2分钟，双面热解胶发泡进而失去粘性，使柔性电池薄膜与临时支撑衬底分离，得到柔性太阳能电池。
96.实施例2
97.一种柔性太阳能电池，包括复合金属衬底1、gaas层2、透明导电层3、钙钛矿材料层4、电子传输层6、透明电极层7、减反射层和电池隔离区8；
98.所述复合金属衬底1包括底部电极层101以及设置在所述底部电极层101一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层102和设置在所述绝缘胶层102上的背金属层103，且所述背金属层103贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层102上；所述底部
电极层101和所述背金属层103均为ni；所述底部电极层101的厚度为12μm；所述绝缘胶层102的厚度为2μm，所述背金属层103的厚度为2μm；
99.所述gaas层2设置在复合电极层的表面上；所述透明导电层3、钙钛矿材料层4和电子传输层6依次层叠设置在所述gaas层2远离复合金属衬底1的表面上；透明导电层3为iwo，厚度为60nm；钙钛矿材料层4的厚度为400nm，电子传输层6依次包括c60层和氧化锡层，c60层的厚度为15nm，氧化锡层的厚度为5nm；
100.所述透明电极层7包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述电子传输层6远离复合金属衬底1的表面上，所述延伸段依次贯穿于电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至所述背金属层的表面；透明电极层7包括纳米银导电墨水，透明电极层7的厚度为15nm；
101.所述电池隔离区8依次贯穿于所述透明电极层7、电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至所述背金属层的表面；
102.所述延伸段和所述gaas层2之间还设置有绝缘保护层5；所述绝缘保护层5包括二氧化硅和/或氮化硅；所述绝缘保护层5的厚度为5nm；
103.减反射层9设置在透明电极层7的表面，减反射层9的厚度为100nm。
104.本实施中柔性太阳能电池的制备方法，具体包括：
105.(1)在4寸的gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏性聚酰亚胺胶，进行光刻，显影、清洗制程，留下带有聚酰亚胺胶层的图形，即获得图形化区域，采用电子束蒸发，在图形化区域中制备图形化背金属层103，再进行退火处理，退火温度在150℃，时间60min；退火后，采用电镀方式进行金属加厚处理，得到中间复合体；将中间复合体具有图形化背金属层103的一侧表面涂覆耐腐蚀保护层，耐腐蚀保护剂可采用黑蜡，通过旋涂方式均匀覆盖复合背金属衬底上，采用15％浓度的氢氟酸溶液进行选择性腐蚀，氢氟酸可以与alas牺牲层材料反应，而与gaas材料基本不反应或是反应很缓慢，使得gaas衬底与外延生长的器件薄膜能够实现分离；之后用有机溶剂(去蜡液)去除清洗耐腐蚀保护层，并用异丙醇、纯水依次清洗样品，获得复合衬底；
106.(2)将复合衬底通过双面热解胶与临时支撑衬底(蓝宝石衬底)粘合；再使用异丙酮、盐酸溶液、纯水超声进销存清洗，去除表面的有机物、氧化物和金属颗粒等杂质；
107.(3)采用磁控溅射沉积的方式，在gaas层2的表面制作透明导电层3；再使用异丙醇、纯水依次清洗，氮气吹干，在表面旋涂光刻胶，采用双面对准光刻，曝光，显影后，露出部分p2、p3区域图形，用盐酸、硝酸、纯水混合溶液(体积比6：1：10)进行腐蚀，将p2、p3图形处深度刻蚀至露出背金属电极；将样品纯水清洗，氮气吹干后，采用原子层沉积氮化硅，对p2、p3区域形成侧壁绝缘保护，用去胶液，丙酮、纯水依次清洗样品表面，去除光刻胶，露出光刻胶覆盖的透明导电层3区域；
108.(4)在透明导电层3上制备带隙在1.8-1.9ev的钙钛矿光吸收材料层：将摩尔比1：12：15的甲基氯化铵，碘化甲脒及碘化铅粉末溶解在dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶剂中，充分搅拌混合，制得前驱体溶液，将溶液旋涂于样品表面，加热至120℃，保持10分钟，自然冷却至室温；
109.(5)在钙钛矿光吸收材料层上制备电子传输层6：将样品通过蒸镀沉积c60，再通过ald沉积氧化锡；采用激光划刻，在器件p2区域刻出线槽，刻蚀掉钙钛矿材料层4，与上述制
作的p2区域相连通；
110.(6)制备透明电极层7：在样品表面旋涂或喷涂纳米银导电墨水，形成透明电极层7；采用激光划刻，在器件p3区域刻出线槽，刻蚀掉透明电极层7、电子传输层6及钙钛矿材料层4，与p3区域连通；
111.(7)采用电子束蒸镀的方式在透明电极层7制备减反射层9；
112.(8)分离临时支撑衬底：将样品置于烘箱中，设定温度为双面热解胶发泡减粘温度，加热2分钟，双面热解胶发泡进而失去粘性，使柔性电池薄膜与临时支撑衬底分离，得到柔性太阳能电池。
113.实施例3
114.一种柔性太阳能电池，包括复合金属衬底1、gaas层2、透明导电层3、钙钛矿材料层4、电子传输层6、透明电极层7、减反射层和电池隔离区8；
115.所述复合金属衬底1包括底部电极层101以及设置在所述底部电极层101一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层102和设置在所述绝缘胶层102上的背金属层103，且所述背金属层103贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层102上；所述底部电极层101和所述背金属层103均为cr；所述底部电极层101的厚度为40μm；所述绝缘胶层102的厚度为3μm，所述背金属层103的厚度为3μm；
116.所述gaas层2设置在复合电极层的表面上；所述透明导电层3、钙钛矿材料层4和电子传输层6依次层叠设置在所述gaas层2远离复合金属衬底1的表面上；透明导电层3为ito，厚度为150nm；钙钛矿材料层4的厚度为500nm，电子传输层6依次包括c60层和氧化锡层，c60层的厚度为20nm，氧化锡层的厚度为10nm；
117.所述透明电极层7包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述电子传输层6远离复合金属衬底1的表面上，所述延伸段依次贯穿于电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至所述背金属层的表面；透明电极层7包括纳米银导电墨水，透明电极层7的厚度为25nm；
118.所述电池隔离区8依次贯穿于透明电极层7、电子传输层6、钙钛矿材料层4、透明导电层3、gaas层2且抵达至所述背金属层的表面；
119.所述延伸段和所述gaas层2之间还设置有绝缘保护层5；所述绝缘保护层5包括二氧化硅和/或氮化硅；所述绝缘保护层5的厚度为10nm；
120.减反射层9设置在透明电极层7的表面，减反射层9的厚度为150nm。
121.本实施中柔性太阳能电池的制备方法，具体包括：
122.(1)在4寸的gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池材料层上涂覆光敏性聚酰亚胺胶，进行光刻，显影、清洗制程，留下带有聚酰亚胺胶层的图形，即获得图形化区域，采用电子束蒸发，在图形化区域中制备图形化背金属层103，再进行退火处理，退火温度在200℃，时间30min；退火后，采用电镀方式进行金属加厚处理，得到中间复合体；将中间复合体具有图形化背金属层103的一侧表面涂覆耐腐蚀保护层，耐腐蚀保护剂可采用黑蜡，通过旋涂方式均匀覆盖复合背金属衬底上，采用30％浓度的氢氟酸溶液进行选择性腐蚀，氢氟酸可以与alas牺牲层材料反应，而与gaas材料基本不反应或是反应很缓慢，使得gaas衬底与外延生长的器件薄膜能够实现分离；之后用有机溶剂(去蜡液)去除清洗耐腐蚀保护层，并用异丙醇、纯水依次清洗样品，获得复合衬底；
123.(2)将复合衬底通过双面热解胶与临时支撑衬底(蓝宝石衬底)粘合；再使用异丙酮、盐酸溶液、纯水超声进销存清洗，去除表面的有机物、氧化物和金属颗粒等杂质；
124.(3)采用磁控溅射沉积的方式，在gaas层2的表面制作透明导电层3；再使用异丙醇、纯水依次清洗，氮气吹干，在表面旋涂光刻胶，采用双面对准光刻，曝光，显影后，露出部分p2、p3区域图形，用盐酸、硝酸、纯水混合溶液(体积比6：1：10)进行腐蚀，将p2、p3图形处深度刻蚀至露出背金属电极；将样品纯水清洗，氮气吹干后，采用原子层沉积氮化硅，对p2、p3区域形成侧壁绝缘保护，用去胶液，丙酮、纯水依次清洗样品表面；去除光刻胶，露出光刻胶覆盖的透明导电层3区域；
125.(4)在透明导电层3上制备带隙在1.8-1.9ev的钙钛矿光吸收材料层：将摩尔比为1：12：15的甲基氯化铵、碘化甲脒及碘化铅粉末溶解在dmf(n,n-二甲基甲酰胺)溶剂中，充分搅拌混合，制得前驱体溶液，将溶液旋涂于样品表面，加热至120℃，保持10分钟，自然冷却至室温；
126.(5)在钙钛矿光吸收材料层上制备电子传输层6：将样品通过蒸镀沉积c60，再通过ald沉积氧化锡；采用激光划刻，在器件p2区域刻出线槽，刻蚀掉钙钛矿材料层4，与上述制作的p2区域相连通；
127.(6)制备透明电极层7：在样品表面旋涂或喷涂纳米银导电墨水，形成透明电极层7；采用激光划刻，在器件p3区域刻出线槽，刻蚀掉透明电极层7、电子传输层6及钙钛矿材料层4，与p3区域连通；
128.(7)采用电子束蒸镀的方式在透明电极层7制备减反射层9；
129.(8)分离临时支撑衬底：将样品置于烘箱中，设定温度为双面热解胶发泡减粘温度，加热2分钟，双面热解胶发泡进而失去粘性，使柔性电池薄膜与临时支撑衬底分离，得到柔性太阳能电池。
130.实施例4
131.一种柔性太阳能电池，除不含有绝缘保护层5，其他条件同实施例1。
132.本实施例中的柔性太阳能电池的制备方法，除步骤(3)中不进行原子层沉积氮化硅，其他条件同实施例1。
133.实施例5
134.一种柔性太阳能电池，除不含有反射层，其他条件同实施例1。
135.本实施例中的柔性太阳能电池的制备方法，除不含有步骤(7)，其他条件同实施例1。
136.对比例1
137.一种柔性太阳能电池，钙钛矿和砷化镓叠层电池主要通过金属键合方式在刚性衬底上集成。
138.实验例
139.各实施例及对比例的电池性能测试结果如表1所示。测试条件为am0，1353w/m2。
140.表1各实施例及对比例的电池性能测试结果
[0141][0142]
综上，各实施例中的开路电压、转换效率、电流密度和填充因子相较于对比例1，具有明显提升的优势，采用实施例1具有最优的各项参数性能。
[0143]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种柔性太阳能电池，其特征在于，包括复合金属衬底、gaas层、钙钛矿材料层、透明电极层和电池隔离区；所述复合金属衬底包括底部电极层以及设置在所述底部电极层一侧表面的复合电极层；所述复合电极层包括预图形化的绝缘胶层和设置在所述绝缘胶层上的背金属层，且所述背金属层贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层上；所述gaas层设置在所述复合金属衬底具有背金属层的一侧表面上；所述钙钛矿材料层设置在所述gaas层远离复合金属衬底的表面上；所述透明电极层包括第一基体层及延伸段，所述第一基体层设置在所述钙钛矿材料层远离复合金属衬底的表面上，所述延伸段依次贯穿于所述钙钛矿材料层和所述gaas层且抵达至所述背金属层的表面；所述电池隔离区依次贯穿于所述透明电极层、钙钛矿材料层和gaas层且抵达至所述背金属层的表面。2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述柔性太阳能电池还包括绝缘保护层；所述绝缘保护层设置在所述延伸段和所述gaas层之间的至少部分区域以及所述电池隔离区的至少部分区域；(2)所述绝缘保护层包括二氧化硅、氮化硅和光敏性聚酰亚胺中的至少一种；(3)所述绝缘保护层的厚度为5～10nm。3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述底部电极层和所述背金属层均包括au、ag、ni、cr、cu和ge中的至少一种；(2)所述底部电极层的厚度为12～40μm；(3)所述绝缘胶层的厚度为2～3μm，所述背金属层的厚度为2～5μm。4.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述gaas层和所述钙钛矿材料层之间还设置有透明导电层；(2)所述钙钛矿材料层和透明电极层之间还设置有电子传输层；(3)所述的柔性太阳能电池还包括减反射层；所述减反射层设置在所述透明电极层远离所述复合金属衬底的表面上。5.如权利要求1～4中任一项所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备复合衬底，所述复合衬底包括复合金属衬底及gaas层；将所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合；在所述gaas层的表面生长钙钛矿材料层，在gaas层和钙钛矿材料层上刻蚀p2区域及p3区域；在所述钙钛矿材料层的表面及p2区域中生长透明电极层；刻蚀所述透明电极层，获取电池隔离区，得到复合体；去除所述复合体中的临时衬底，得到柔性太阳能电池。6.根据权利要求5所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述复合衬底的制备，具体包括：在gaas衬底上依次生长alas牺牲层，gaas子电池材料层；在所述gaas子电池
材料层上涂覆光敏胶并刻蚀图形化区域，在图形化区域中制备图形化的背金属层，再进行退火处理及金属加厚处理，得到中间复合体，去除所述gaas衬底及alas牺牲层，获得复合衬底。7.根据权利要求6所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种；(1)所述退火处理的温度为150～200℃，时间为30～60min；(2)所述金属加厚处理采用镀覆的方式；(3)所述去除gaas衬底及alas牺牲层，具体包括：在中间复合体具有图形化背金属层的一侧表面上涂覆耐腐蚀保护层，再采用腐蚀液进行腐蚀，以去除所述gaas衬底及alas牺牲层；采用有机溶剂去除耐腐蚀保护层，再进行洗涤处理。8.根据权利要求5所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述复合衬底远离gaas层的表面与临时衬底进行复合的方式包括粘合；所述粘合采用双面热解胶；(2)所述临时衬底包括硅片和/或蓝宝石衬底；(3)去除所述临时衬底，具体包括：将所述复合体进行热处理。9.根据权利要求5所述的柔性太阳能电池的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(4)中的至少一种：(1)在所述gaas层的表面生长钙钛矿材料层之前，还包括：在gaas层上生长透明导电层；在gaas层、透明导电层上刻蚀p2区域及p3区域；(2)在刻蚀p2区域及p3区域之后，在所述p2区域及p3区域制备绝缘保护层；(3)在生长透明电极层之前，还包括：在所述钙钛矿材料层上生长电子传输层；再刻蚀所述p2区域对应的电子传输层；(4)还包括：在所述透明电极层的表面上制备减反射层。10.如权利要求1～4中任一项所述的柔性太阳能电池在航空航天和/或汽车领域中的应用。

技术总结
本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种柔性太阳能电池及其制备方法和应用。柔性太阳能电池包括复合金属衬底、GaAs层、钙钛矿材料层、透明电极层和电池隔离区；复合金属衬底包括底部电极层以及复合电极层；复合电极层包括预图形化的绝缘胶层和背金属层，且背金属层贯穿式的嵌入到预图形化的绝缘胶层上；复合金属衬底具有背金属层的一侧表面上依次设置钙钛矿材料层、透明电极层；透明电极层包括第一基体层及延伸段，第一基体层设置在钙钛矿材料层的表面上，延伸段贯穿于GaAs层和钙钛矿材料层；电池隔离区贯穿GaAs层、钙钛矿材料层和透明电极层。本发明的柔性太阳能电池可提升开路电压和短路电流，提高电池转换效率。提高电池转换效率。提高电池转换效率。


技术研发人员：请求不公布姓名 冯治华 王雪戈
受保护的技术使用者：极电光能有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/14