專利名稱：一種iii族氮化物雙異質結太陽能光伏電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種用于轉化太陽光光能為直流電的 PN結光伏電池。
背景技術：
太陽能源是最為潔凈的可再生能源，研究如何利用太陽能是發(fā)展能源技術的重要課題，而太陽能光伏電池是利用太陽能最為簡潔方便的手段之一。目前，太陽能光伏電池主要以多晶硅、單晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池為主。用在太空中的太陽能電池目前多采用轉換效率更高的直接帶隙半導體^GaAsP體系材料。目前，單結的GaAs太陽電池轉換效率可以達到25.7%，單結的hP太陽電池轉換效率可以達到19.9%。為了提高太陽電池的轉換效率，嘗試制備多節(jié)電池結構，充分吸收太陽光譜中各波段的能量。目前，雙結的InGaP/GaAs太陽電池的轉換效率可以達到30. 3%，而三結的InGaP/GaAs/Ge， Ga0.51In0.49P/In0.04Ga0.96As/In0.37Ga0.63As等太陽電池的轉換效率則可以達到40%多。但這些多節(jié)太陽電池制造的難度增加，成本昂貴，很難在民用市場得到推廣，使得主要應用集中在航天航空工業(yè)中。此外，InGaAsP材料制備所需的As，P源具有很強的毒性，對環(huán)境不友好。尋找新的太陽能光伏電池顯得很有必要。III族氮化物中InGaN合金材料的帶隙連續(xù)可調，對應的光譜幾乎完美覆蓋整個太陽光譜，是實現高效率太陽能電池的理想材料體系。這一新材料體系被用來制備太陽電池，尤其是用來制備多節(jié)串聯(lián)電池，只需要改變hGaN合金材料中不同金屬的組分，即可以調節(jié)吸收不同波段的光子，調節(jié)吸收窗口。這給予設計和生長串聯(lián)電池極大的自由度，有利于達到最佳的吸收波段組合。InGaN基與Si、GaAs基太陽電池相比，除了帶隙可以通過h的組分靈活調節(jié)，使得吸收波段與太陽光譜匹配優(yōu)勢外，還具備其他優(yōu)勢，包括 InGaN的吸收系數比Si、GaAs高一至兩個數量級，有利于制備更薄、更輕的電池，對航天應用非常重要；其次，InGaN合金體系多節(jié)串聯(lián)電池生長工藝簡單，在同一生長設備中生長， 通過改變h組分就可制備多節(jié)InGaN太陽電池，比目前用幾種不同的半導體材料制備多節(jié)太陽電池的工藝更簡單，成本更低；第三，InGaN材料硬度高，化學性質和熱穩(wěn)定性很好， 抗輻射能力強，適合應用于強輻射，高溫等惡劣環(huán)境中。因此，III族氮化物太陽能電池可成為第三代光伏技術的重要發(fā)展方向之一。然而，InGaN材料制備并不容易，在高h組分，尤其是當h的組分大于0. 3，常規(guī)方法制備InGaN材料的質量很差，這造成III族氮化物太陽能電池由于h的含量普遍不高，吸收波段往往處于藍紫光和紫外，對于黃綠光、紅光和紅外不能吸收，因而在太陽光譜照射下，往往轉換效率很難提高最多只有1%。為了提高電池的轉換效率，必須拓寬電池的吸收波段，盡量使得太陽光的長波段光能夠被吸收，提高效率。要求hGaN吸收層的帶隙變窄，InGaN合金的h含量大于0. 3，以便能吸收太陽輻射光譜的黃綠光、紅光和紅外波段
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種轉換效率高的III族氮化物太陽能光伏電池。本發(fā)明提供的III族氮化物太陽能光伏電池，采用雙異質結三明治結構，包括η型 In組分InGaN外延薄膜材料作為底層，高h組分InGaN外延薄膜材料為中間層，ρ型低h 組分^GaN外延薄膜材料作為頂層，組成雙異質結結構太陽能光伏電池。采用該雙異質結結構光伏電池可以提高電池吸收層的h的含量，使吸收層的帶隙變窄，便于吸收太陽輻射光譜的黃綠光、紅光和紅外波段，從而獲得更高的電池轉換效率。本發(fā)明提出的新型hGaN/InGaN雙異質結結構太陽能光伏電池，提高吸收層 InGaN中h的含量，使吸收層的帶隙變窄，便于吸收太陽輻射光譜的黃綠光、紅光和紅外波段，從而獲得更高的電池轉換效率。本發(fā)明中，利用低h組分的P型和N型InGaN薄膜材料作為太陽能光伏電池的P 層和N層兩極，代替利用P型和N型GaN薄膜材料作為太陽能光伏電池的P層和N層兩極， 如利用P和N型I% ^a0.9N作為夾層，高h組分如Ina 4Ga0.6N作為中間層制備得三明治雙異質結P-In。. !Ga0.9N/In0.4Ga0.6Ν/Ν_Ιη。. 々ει。. 9Ν Ρ-Ι-Ν太陽能電池，代替P-GaN/In。. 4Ga0.6N/N_GaN P-I-N結構。所述太陽能電池使P和N層與中間的InGaN吸收層材料h組分相差不大，P 和N層與中間的InGaN吸收層的晶格常數差值變小，緩沖N型InGaN下面的支撐層N型GaN 與高^組分的InGaN中間層之間的晶格失配，使得中間InGaN吸收層受到內應力變小，降低中間hGaN吸收層所受拉伸效應(pulling effect)，提高中間hGaN吸收層材料質量并且提高^！在hGaN材料中嵌入，即提高h的組分。所述太陽能電池InGaN吸收層材料質量和提高h的組分，降低InGaN吸收層半導體禁帶帶隙。所述太陽能電池吸收限提高到更長太陽光光波段，展寬吸收太陽光窗口，提高太陽能電池效率。本發(fā)明中，低h組分InGaN層緩沖了支撐層GaN和高h組分InGaN吸收層之間失配，調節(jié)應力，提高InGaN材料質量，提高h組分，展寬吸收窗口，提高III族氮化物太陽能電池的性能，是本發(fā)明的重要特色和創(chuàng)新。本發(fā)明中，所用的襯底材料為藍寶石、碳化硅或硅襯底。本發(fā)明的機理是GaN和InN薄膜的晶格常數相差很大，a軸晶格常數分別為 0. 3189和0. 3537nm, Inx^vxN合金的晶格常數隨h組分χ值增大而增大，在0. 3189-0. 3537nm范圍隨χ值變化。利用金屬有機物化學氣相外延沉積技術制備^GaN薄膜材料都是要在藍寶石或其它襯底上先制備GaN材料，之后在GaN上生長InGaN薄膜。InGaN薄膜含有hN組分，晶格常數比GaN大，在GaN薄膜上生長受到壓力應變，薄膜內部產生壓應力作用。在III族氮化物太陽電池制備中，如果仍然采用^GaN/GaN雙異質結或量子阱結構， 高h組分的InGaN和GaN大晶格失配，晶格應力加大，使得生長InGaN層困難，薄膜質量下降；同樣，如果采用同質結InGaN P-I-N結構，P和N型^iGaN夾層的h組分和中間吸收層 In組分一致，高h組分的P型InGaN不可制備，致使同質InGaN P-I-N結構太陽能電池只能限制在h組分低于0. 2范圍內，吸收窗口太窄，效率低下。本發(fā)明提出一種新型的太陽能電池結構，即用低化組分，如InaiGEia9N的P和N型層作為夾層，高h組分如Ina4GEia6N 作為中間層制備得雙異質結，如P-Ina !Ga0.9N/In0.4Ga0.6Ν/Ν_Ιηα ^a0.9N P-I-N太陽能電池， 其中的P和N層的h組分可調，I層h組分也可調，如圖1所示。所述太陽能電池使P和 N層與中間的InGaN吸收層材料h組分相差不大，P和N層與中間的InGaN吸收層的晶格常數差值變小，緩沖N型InGaN下面的支撐層N型GaN與高h組分的InGaN中間層之間的晶格失配，使得中間InGaN吸收層受到內應力變小，降低中間InGaN吸收層所受拉伸效應 (pulling effect)，提高中間InGaN吸收層材料質量并且提高h在InGaN材料中嵌入，即提高h的組分，降低InGaN吸收層半導體禁帶帶隙，展寬吸收太陽光窗口，提高太陽能電池效率。本發(fā)明有益效果是展寬III族太陽能光伏電池吸收太陽光窗口，提高太陽能電池效率。


圖1是本發(fā)明的III族氮化物雙異質結太陽能光伏電池一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式結合圖1和實施例，詳細說明本發(fā)明。具體制備步驟如下
1、利用金屬有機物化學氣相外延技術在藍寶石1上利用兩步生長法生長一層N型硅摻雜feiN薄膜2。2、利用金屬有機物化學氣相外延技術在N型硅摻雜GaN薄膜2之上外延N型低 In組分InGaN薄膜3。3、利用金屬有機物化學氣相外延技術在N型硅摻雜低h組分InGaN薄膜3之上外延高h組分InGaN薄膜4。4、利用金屬有機物化學氣相外延技術在所述高h組分InGaN薄膜4之上外延P 型低In組分InGaN薄膜5。5、利用電子束蒸發(fā)臺P型低h組分InGaN薄膜5之上蒸發(fā)P電極柵鎳金(Ni/Au) 雙層膜6。6、利用GaN基LED芯片制作工藝刻蝕P型低h組分InGaN薄膜5、高h組分InGaN 薄膜4、N型低h組分InGaN薄膜3到N型GaN薄膜2，露出N型GaN薄膜2，形成GaN臺階。7、利用電子束蒸發(fā)臺在N型GaN薄膜2臺階之上蒸發(fā)N電極鈦鋁(Ti/Al)雙層膜 7。8、在P電極柵鎳金(Ni/Au)雙層膜6和N電極鈦鋁(Ti/Al)雙層膜7之上分別鍵合銅線8。9、利用太陽輻射照射太陽電池9，電池吸收太陽輻射，形成電子10和空穴11，形成光伏效應。
權利要求
1.一種III組氮化物雙異質結太陽能光伏電池，其特征在于雙異質結三明治結構，包括η型h組分InGaN外延薄膜材料作為底層，高h組分InGaN外延薄膜材料為中間層，ρ 型低銦組分hGaN外延薄膜材料作為頂層，組成雙異質結結構太陽能光伏電池。
2.根據權利要求1所述的III組氮化物雙異質結太陽能光伏電池，其特征在于所述三明治結構中，三層外延薄膜半導體禁帶帶隙結構為η型^組分^GaN外延薄膜材料與ρ型低銦組分組分hGaN外延薄膜材料禁帶帶隙相同，高于高h組分hGaN外延薄膜材料中間層的半導體帶隙，形成雙異質結結構。
3.根據權利要求2所述的III組氮化物雙異質結太陽能光伏電池，其特征在于所述的外延是利用金屬有機物化學氣相沉積在襯底材料上的外延。
4.根據權利要求3所述的III組氮化物雙異質結太陽能光伏電池，其特征在于所述的襯底材料為藍寶石、碳化硅或硅襯底。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，具體為一種III組氮化物雙異質結太陽能光伏電池。本發(fā)明利用銦鎵氮(InGaN)材料制備雙異質結PN結構太陽能光伏電池；在所述雙異質結結構包括n型In組分InGaN外延薄膜材料作為底層，高In組分InGaN外延薄膜材料為中間層，p型低銦組分InGaN外延薄膜材料作為頂層，組成雙異質結結構太陽能光伏電池。本發(fā)明利用雙異質結結構設計太陽能光伏電池結構，擴大電池吸收太陽光光波段窗口，提高吸收率，適用于太陽能光伏電池器件。
文檔編號H01L31/078GK102214721SQ20111015089
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權日2011年6月7日
發(fā)明者崔旭高, 梅永豐, 黃高山 申請人:復旦大學