專利名稱：InAs量子點(diǎn)材料的制備方法及其在太陽能電池中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電池的領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積 (MOCVD)技術(shù)制備InAs量子點(diǎn)材料的方法和一種使用這些材料制成多結(jié)太陽能電池的方 法。
背景技術(shù)：
電池行業(yè)是2 l世紀(jì)的朝陽行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。在電池行業(yè)中，最沒有污染、市 場(chǎng)空間最大的應(yīng)該是太陽能電池，太陽能電池的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視。 太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來自太 陽能，廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。太陽能作為可再生能源的一種，則是指 太陽能的直接轉(zhuǎn)化和利用。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的屬于太陽能光發(fā)電 技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽 能光伏技術(shù)。
入射的太陽光子具有廣泛的能量分布，而在半導(dǎo)體內(nèi)電離出一個(gè)電子-空穴對(duì)需要的能量 等于材料的禁帶寬度。對(duì)于能量較低的光子，往往無法激發(fā)有效的載流子，因此在晶體內(nèi)的 吸收系數(shù)也較低(幾乎透明)，這部分光子，無法被電池有效利用，即形成所謂的非吸收損失。 而對(duì)于能量較高的光子，除了可以激發(fā)出電子-空穴對(duì)之外，還有多余的能量賦予這些電子和 空穴，使這些電子和空穴被激發(fā)到較高的能態(tài)，通俗地說，就是它們具有了高于晶格的"度"。 他們?cè)诖┻^PN結(jié)形成電流之前，往往已經(jīng)跟晶格發(fā)生熱交換，損失了多余的能量，這就是晶 格熱振動(dòng)損失。晶格熱振動(dòng)損失和非吸收損失是互相矛盾的。如果選擇較高禁帶寬度的半導(dǎo) 體材料，則可以提高較高能量光子的利用效率，然而這種材料對(duì)低能量光子卻幾乎透明，非 吸收損失就會(huì)比較大。僅此一項(xiàng)，就限制了單結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不能超過40%，常用 的硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率極限只有29%。
太陽能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)換效率和成本必將提出更高的要求。為此，多能帶太陽能 電池技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于提高光電轉(zhuǎn)換效率。多能帶太陽能電池技術(shù)人為地在寬禁帶半導(dǎo)體材料 中引入中間能級(jí)，更多光子都可以被有效地吸收。比方說，從價(jià)帶到中間能級(jí)，從中間能級(jí) 到導(dǎo)帶，以及從價(jià)帶到導(dǎo)帶之間的能級(jí)差分別為0. 7eV， 1. 4eV， 1. 8eV，這樣從0. 7eV到1. 8eV 之間的光子都可以被有效地吸收。理論上可以達(dá)到60%以上的效率。實(shí)際設(shè)計(jì)最重要的考量是，必須保證高、中、低能量的光子各自激發(fā)相應(yīng)能量的載流子躍遷，高能量的光子不會(huì)被 中間能級(jí)捕獲而浪費(fèi)能量。然而，這將導(dǎo)致在該多結(jié)電池內(nèi)的電流不平衡?；诖?， 一篇文 獻(xiàn)號(hào)為CN1910759A的專利文獻(xiàn)公開了一項(xiàng)技術(shù)方案，該方案是具有外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)材料的 太陽能電池。該方案提出了一種單片多結(jié)半導(dǎo)體光致電壓的太陽能電池結(jié)構(gòu)，以及采用的多 層量子點(diǎn)材料包括InAs量子點(diǎn)的制備方法。該量子點(diǎn)的制備方法，采用量子點(diǎn)的生長(zhǎng)溫度為 450-550。C，厚度0. 6 - 0. 8 nm，生長(zhǎng)速率為0. 001nm/s至3咖/s，以及InAs沉積后的生長(zhǎng) 停止時(shí)間為0秒至300秒。所采用的外延生長(zhǎng)設(shè)備為分子束外延生長(zhǎng)(MBE)、化學(xué)束外延 生長(zhǎng)(CBE)、金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)。
事實(shí)上，采用量子點(diǎn)材料制作的器件所需要的自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)的材料質(zhì)量，以及量子
點(diǎn)的尺寸、面密度和均勻性是一個(gè)主要的技術(shù)問題。在量子點(diǎn)層外延過程中，量子點(diǎn)發(fā)生聚 合，量子點(diǎn)尺寸增大，然而，由于量子點(diǎn)的聚合必然導(dǎo)致量子點(diǎn)密度下降；另外，所述的聚 合并不像所希望的那樣均勻進(jìn)行，導(dǎo)致量子點(diǎn)尺寸均勻性下降。鑒于此， 一篇文獻(xiàn)號(hào)為 CNI786107A的專利文獻(xiàn)公開了一項(xiàng)技術(shù)方案，該方案采用MBE技術(shù)制備In(Ga)As/GaAs量 子點(diǎn)體系材料，其量子點(diǎn)層的外延過程是這樣的，所生長(zhǎng)的InAs的厚度達(dá)到0.1ML(單原子 層，以下同)、停頓5秒，然后逐次重復(fù)這一過程，這一過程總共進(jìn)行25次，生長(zhǎng)出總厚度 為2.5ML的InAs量子點(diǎn)層。該方法的效果在于，在生長(zhǎng)量子點(diǎn)層的過程中，間歇補(bǔ)充量子 點(diǎn)， 一則提高量子點(diǎn)面密度，達(dá)到4X10ie; 二則在生長(zhǎng)間隔量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)自發(fā)調(diào)整，量子點(diǎn)尺 寸均勻性由此提高。
與MBE和CBE相比，MOCVD更適合工業(yè)生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足實(shí)用化、商業(yè)化的需要，我們提出了一項(xiàng)名為InAs量子點(diǎn)材料的制備方法及其 在太陽能電池中的應(yīng)用的技術(shù)方案。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)各外延層；制備步驟包括在GaAs 襯底上依次生長(zhǎng)GaAs過渡層、Sb表面活化層、InAs量子點(diǎn)層、InxGai.xAs應(yīng)變層、GaAs或 AlGaAs阻擋層、GaAs覆蓋層；所述Sb表面活化層生長(zhǎng)速率為10 -100微摩爾/秒(|Jmol/s), 生長(zhǎng)的量為50 - 500pmol;所述InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速率為0. 01 - 0. 1個(gè)單原子層/秒(ML/s)， 厚度為2.0 - 4.0MU在生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層后，引入必要的生長(zhǎng)停止時(shí)間間隔為20 - 200
秒(S)o
本發(fā)明的技術(shù)效果在于采用MOCVD技術(shù)制備出能夠制作不同尺寸、高密度的InAs量 子點(diǎn)材料。具有中間能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同尺寸的多層量子點(diǎn)材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其每一層量 子點(diǎn)材料的外延層結(jié)構(gòu)如圖1所示。制備的每一層量子點(diǎn)材料均具有良好的量子點(diǎn)尺寸均勻性，如圖3-圖6所示，表示的是lxlpi^量子點(diǎn)表面原子力顯微鏡圖。本發(fā)明之方法易于控 制，工藝穩(wěn)定。


圖1是采用本發(fā)明之方法制備出的InAs量子點(diǎn)材料的外延層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是具有中 間能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同尺寸的多層量子點(diǎn)材料的結(jié)構(gòu)示意圖，該圖兼作摘要附圖。圖3至圖6是 InAs量子點(diǎn)材料量子點(diǎn)表面原子力顯微鏡(AFM)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)各外延層，制備步驟包括(如圖1 所示)
步驟h在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs過渡層11，生長(zhǎng)溫度為650 70(TC范圍內(nèi)的一個(gè)溫度， 生長(zhǎng)厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層11上生長(zhǎng)Sb表面活化層12，溫度為470 - 540 'C范圍內(nèi)的一 個(gè)溫度；生長(zhǎng)速率為10-100微摩爾/秒(nmol/s),生長(zhǎng)的量為50-500|jmol。
步驟3:在Sb表面活化層12上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層13，溫度為470 - 540 。C范圍內(nèi)的 一個(gè)溫度；InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速率為0. 01 - 0. 1個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為2. 0 - 4. OML。
步驟3:在InAs量子點(diǎn)層13上生長(zhǎng)InxGai.xAs應(yīng)變層14， 0.0 ￡x50.6，生長(zhǎng)溫度為470~540 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，生長(zhǎng)厚度為0 10nm;
步驟4:在InxGa,.xAs應(yīng)變層14生長(zhǎng)GaAs或AlGaAs阻擋層15，生長(zhǎng)溫度為470~540 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，生長(zhǎng)厚度為1 30nrn;
步驟5:在GaAs或AlGaAs阻擋層15上生長(zhǎng)GaAs覆蓋層16，生長(zhǎng)溫度為550 65(TC范 圍內(nèi)的一個(gè)溫度，生長(zhǎng)厚度為1 100nrn。
步驟6:在GaAs覆蓋層16上重復(fù)步驟2至步驟5，可循環(huán)N次，N從l - 100可變。
下面舉例進(jìn)一步說明本發(fā)明之方法
實(shí)施例一采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)材料層，制備步驟包括
步驟l:在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs過渡層，生長(zhǎng)溫度為700'C，生長(zhǎng)厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層上生長(zhǎng)Sb表面活化層，溫度為520 'C;生長(zhǎng)速率為30微摩爾/ 秒(jjmol/s),生長(zhǎng)的量為60pmol。
步驟3:在Sb表面活化層上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，溫度為52(TC; InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速 率為0. 01個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為2. 5ML。所獲得的InAs量子點(diǎn)的面密度為5.8 x 109，平均高度為12 nm，如圖3所示。
實(shí)施例二采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，制備步驟包括
步驟l:在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs過渡層，生長(zhǎng)溫度為700'C,生長(zhǎng)厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層上生長(zhǎng)Sb表面活化層，溫度為49(TC;生長(zhǎng)速率為30微摩爾/ 秒(|jmol/s)，生長(zhǎng)的量為120pmol。
步驟3:在Sb表面活化層上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，溫度為490'C; InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速 率為0. 025個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為3. 6ML。
所獲得的InAs量子點(diǎn)的面密度為4.7x1010，量子點(diǎn)的平均高度為10nm,如圖4所示。
實(shí)施例三采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，制備步驟包括
步驟l:在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs過渡層，生長(zhǎng)溫度為700'C，生長(zhǎng)厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層上生長(zhǎng)Sb表面活化層，溫度為480 。C;生長(zhǎng)速率為30微摩爾/ 秒(pmol/s),生長(zhǎng)的量為120[jmo1。
步驟3:在Sb表面活化層上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，溫度為490 °C; InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速 率為0.025個(gè)單原子層/秒(ML/s),厚度為3.4ML。
所獲得的InAs量子點(diǎn)的面密度為6.8 x 101Q，平均高度為8 nm，如圖5所示。 實(shí)施例四采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，制備步驟包括-
步驟l:在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs過渡層，生長(zhǎng)溫度為700'C，生長(zhǎng)厚度為200nm;
步驟2:在GaAs過渡層上生長(zhǎng)Sb表面活化層，溫度為490'C;生長(zhǎng)速率為30微摩爾/ 秒(|jmol/s),生長(zhǎng)的量為60|jmol。
步驟3:在Sb表面活化層上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層，溫度為490'C; InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速 率為0. 02個(gè)單原子層/秒(ML/s)，厚度為2. 8ML。
所獲得的InAs量子點(diǎn)的面密度為1.3x1011，平均高度為6.0nm，如圖6所示。
權(quán)利要求
1、一種量子點(diǎn)材料的外延層結(jié)構(gòu)，其特征在于，采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)各外延層；制備步驟包括在GaAs襯底上依次生長(zhǎng)GaAs過渡層、Sb表面活化層、InAs量子點(diǎn)層、InxGa1-xAs應(yīng)變層、GaAs或AlGaAs阻擋層、GaAs覆蓋層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的外延層結(jié)構(gòu)，其特征在于，在GaAs覆蓋層上重復(fù)Sb表面活 化層、InAs量子點(diǎn)層、InxGa-xAs.應(yīng)變層、GaAs或AlGaAs阻擋層、GaAs覆蓋層，可循環(huán)N 次，N從1 - 100可變。
3、 一種量子點(diǎn)材料的制備方法，其特征在于，步驟包括在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs層， 厚度為100 _ 200 nm,生長(zhǎng)溫度為650 - 700 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，然后降低溫度到470 -540 'C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度；生長(zhǎng)Sb表面活化層；在470 - 540 ""C范圍內(nèi)的一個(gè)溫度，生長(zhǎng) InAs量子點(diǎn)層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述Sb表面活化層生長(zhǎng)速率為10 -100 微摩爾/秒(Mmol/s),生長(zhǎng)的量為50-500|jmol。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的量子點(diǎn)外延層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述InAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)速 率為0. 01 - 0. 1個(gè)單原子層/秒(ML/S)，厚度為2. 0 - 4. 0ML。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，在生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)層后，引入必要 的生長(zhǎng)停止時(shí)間為20 - 200秒(s)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種InAs量子點(diǎn)材料的制備方法，和一種由該量子點(diǎn)材料制成的多能帶太陽能電池中間能級(jí)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有不同尺寸的多層量子點(diǎn)材料，其大致均勻地分布于三維空間。本發(fā)明采用MOCVD外延技術(shù)生長(zhǎng)各外延層，通過改變各外延層的生長(zhǎng)參數(shù)，調(diào)節(jié)所選擇的材料參數(shù)，包括量子點(diǎn)的尺寸、成分和面密度，確定量子點(diǎn)材料的帶隙。該方法易于控制，工藝穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101425548SQ200810051600
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者劉國軍, 軼 曲, 林 李, 梅 李, 李占國, 勇 王, 王曉華, 薄報(bào)學(xué) 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)