專利名稱：一種p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種p-i-n型單結(jié)hGaN太陽能電池。
背景技術(shù)：
隨著全球范圍的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境問題的日益惡化，人們對太陽能這種取之不盡用之不竭的綠色能源越來越重視，長期以來，人們在孜孜不倦地尋找高轉(zhuǎn)換效率的材料。 近年來，第三代半導(dǎo)體材料GaN及InGaN，AlGaN為代表的III族氮化物是人們研究的熱點，它主要應(yīng)用于光電器件和高溫、高頻、大功率器件。2002年的研究結(jié)果表明，hN的禁帶寬度不是之前報道的1. 89eV而是0. 7eV,這就意味著通過調(diào)節(jié)InGaN材料中h組分，可使其禁帶寬度從GaN的3. 4eV到hN的0. 7eV連續(xù)可調(diào)，其對應(yīng)吸收光譜的波長從365nm的紫外部分可以一直延伸到近1770nm的紅外部分，幾乎完整地覆蓋了整個太陽光譜，于是InGaN 材料在太陽能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了人們的密切關(guān)注。除了波長范圍與太陽光譜匹配良好外，InGaN材料和常規(guī)太陽能電池材料相比，還有如下優(yōu)點第一，它是直接帶隙材料，其吸收系數(shù)比GaAs、Si高一、兩個數(shù)量級，這就意味著hGaN太陽能電池可以做的更薄、更輕，從而節(jié)約成本，尤其對于航天應(yīng)用有著重要的意義；第二，InN和GaN的電子遷移率都較高，有利于減小復(fù)合，從而提高太陽能電池的短路電流；第三，InGaN材料的抗輻射能力比Si、GaAs等太陽能電池材料強(qiáng)，更適合應(yīng)用于強(qiáng)輻射環(huán)境。理論計算表明，InGaN單結(jié)太陽能電池的最高理論轉(zhuǎn)換效率為27. 3%，高于Si或GaAs 單結(jié)電池的理論值。經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)專利號為200510098734. 9，名稱為一種含多量子阱結(jié)構(gòu)的 InGaN系寬譜太陽能電池的發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)包括一襯底，其上依次為過渡層、ρ型InGaN 層、兩種不同組分的InGaN材料組成的多量子阱結(jié)構(gòu)層和η型^iGaN層；專利號為 200810Μ0351.4，名稱為p-i_n型^iGaN量子點太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制作方法的發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)包括一襯底，其上依次為低溫氮化稼成核層、非有意摻雜氮化稼緩沖層、η型摻雜InxGivxN層、非摻雜i層Iny^vyN量子點結(jié)構(gòu)和ρ型摻雜LxGi^xN層。上述發(fā)明專利的光電轉(zhuǎn)換效率均得到提高，但量子阱或量子點導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)在外延生長中的工藝復(fù)雜，增加了電池的制作難度；專利號為200710062978.0，名稱為單結(jié)銦鎵氮太陽能電池結(jié)構(gòu)及制作方法的發(fā)明專利，結(jié)構(gòu)包括一襯底，其上依次為一低溫氮化稼成核層，一非有意摻雜氮化稼緩沖層，一η型摻雜Inx Ga1^xN層，一 ρ型摻雜hxGai_xN層，本發(fā)明專利無量子點或量子阱結(jié)構(gòu)，制作過程簡單、抗輻射能力強(qiáng)，但光電轉(zhuǎn)換效率還有待提高。上述技術(shù)均描述至hGaN材料的生長過程，無法作為完整的太陽電池直接應(yīng)用， 并且對載流子的收集少，影響使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種使用壽命長、加強(qiáng)對載流子的收集、能夠直接應(yīng)用，并且易于制備、抗輻射能力強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換效率高的p-i-n型單結(jié) hfeiN太陽能電池。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是
一種p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其上依次為GaN成核層、GaN緩沖層、Si摻雜的n-GaN層和Mg摻雜的p_GaN層，其特點是所述Si摻雜的n-GaN層和Mg摻雜的P-GaN層之間生長有i-Inx(iai_xN層，所述Mg摻雜的ρ-GaN層上面蒸鍍有半透明電流擴(kuò)展層，半透明電流擴(kuò)展層上面蒸鍍有正電極，所述Si摻雜的n-GaN層上面蒸鍍有負(fù)電極。本發(fā)明還可以采取如下技術(shù)方案 所述半透明電流擴(kuò)展層為ITO薄膜；
所述正電極為厚度為30nm的Ni和Ni上面厚度為80nm的Au ； 所述負(fù)電極為自下至上依次為厚度20nm/20nm/200nm的Ti/Al/Au。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是
1、本發(fā)明采用廣泛應(yīng)用于LED、激光二極管和光電探測等領(lǐng)域成熟的生長工藝，通過在 Si摻雜的n-GaN層上生長未摻雜的層，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，并且相對于量子點或量子阱結(jié)構(gòu)的太陽能電池，易于制備。2、本發(fā)明通過蒸鍍半透明電流擴(kuò)展層，加強(qiáng)了對載流子的收集，并進(jìn)一步提高了抗輻射能力，延長了電池的使用壽命。3、本發(fā)明通過蒸鍍半透明電流擴(kuò)展層以及正、負(fù)電極等器件工藝，實現(xiàn)了完整太陽電池的直接應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池主視示意圖； 圖2為本發(fā)明第一次光刻后的俯視示意圖3為本發(fā)明第二次光刻后的俯視示意圖。圖中1、襯底；2、GaN成核層；3、GaN 緩沖層；4、n_GaN 層；5、負(fù)電極；6,1-InxGa1^xN 層；7、ρ-GaN層；8、半透明電流擴(kuò)展層；9、正電極；10、保護(hù)區(qū)；11、蝕刻區(qū)；12、正電極區(qū)域； 13、負(fù)電極區(qū)域
具體實施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下
參閱附圖1-圖3。首先采用MOCVD即金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底1上依次生長GaN成核層2、GaN緩沖層3、n-GaN層4、I-InxGa1^xN層6和ρ-GaN層7，具體制作過程為
GaN成核層，生長溫度為500-650°C，厚度范圍為10-35nm，本層可增加襯底表面的成核密度；
GaN緩沖層，生長溫度為950-1100°C，厚度范圍為1_2. 5 μ m,本層可減少外延層的缺陷密度，從而提高晶體質(zhì)量；
Si摻雜的n-GaN層，生長溫度為600- 1100°C，摻雜濃度為1 X IO18-I X 1019cnT3，厚度范圍為200nm-250nm，這個厚度范圍可同時保證光的吸收以及空穴的擴(kuò)散；
未摻雜的iHr^a^N層，其中0. 5彡χ彡0. 8，生長溫度為500-1000°C，厚度范圍為 150-200nm，如果超過這個厚度范圍，內(nèi)建電場在此區(qū)域會變?nèi)酰?br> Mg摻雜的P-GaN層，生長溫度為600-1100°C，摻雜濃度為1 X IO17-I X 1018cm_3，厚度范圍為100-150nm，這個厚度范圍可提供足夠的電荷，以及合適的頂部金屬接觸條件。上述各層材料生長之后，在ρ-GaN層上蒸鍍ITO膜作為半透明電流擴(kuò)展層8，再依次進(jìn)行第一次光刻、干法蝕刻、第二次光刻、蒸鍍正電極9和負(fù)電極5
蒸鍍ITO 采用傳統(tǒng)的蒸鍍工藝蒸鍍ITO膜。為保持ITO薄膜的化學(xué)比不失衡，蒸鍍時真空度為KT4Pa以下，同時通流量約為3. 5sccm的氧氣，最終形成半透明電流擴(kuò)展層，其厚度范圍100-300nm，之后放置在450°C的N2環(huán)境下，退火15分鐘；
第一次光刻采用傳統(tǒng)的光刻工藝，根據(jù)圖2在半透明電流擴(kuò)展層上光刻出保護(hù)區(qū)10 和蝕刻區(qū)11 ；
干法蝕刻采用傳統(tǒng)的干法蝕刻工藝，去掉蝕刻區(qū)的半透明電流擴(kuò)展層、ρ-GaN層和 i-hxGai_xN層，蝕刻深度大約為350nm ；
第二次光刻采用傳統(tǒng)的光刻工藝，在保護(hù)區(qū)的半透明電流擴(kuò)展層上刻出圖3所示的正電極區(qū)域12，在蝕刻區(qū)的n-GaN層4上刻出圖3所示的負(fù)電極區(qū)域13 ；
蒸鍍正電極采用傳統(tǒng)的蒸鍍工藝在正電極區(qū)域先蒸鍍一層厚度30nm的Ni，再蒸鍍一層厚度80nm的Au，蒸鍍20分鐘，形成圖1所示的正電極；蒸鍍時的真空度為KT4Pa以下，最后在500°C的隊環(huán)境下，退火1分鐘；
蒸鍍負(fù)電極采用傳統(tǒng)的蒸鍍工藝在負(fù)電極區(qū)域依次蒸鍍厚度為20nm/20nm/200nm的 Ti/Al/Au，蒸鍍20分鐘，形成圖1所示的負(fù)電極；蒸鍍時的真空度要為10_4Pa以下，最后在 800 0C的隊環(huán)境下，退火3分鐘。通過以上步驟的實施，完成本發(fā)明p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池的制作過程。以上是對本發(fā)明一具體實施例的詳細(xì)描述，對本案保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方法，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種p-i-η型單結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其上依次為GaN成核層、GaN緩沖層、Si摻雜的n-GaN層和Mg摻雜的p_GaN層，其特征在于所述Si摻雜的n-GaN層和Mg 摻雜的P-GaN層之間生長有i-Inx(iai_xN層，所述Mg摻雜的ρ-GaN層上面蒸鍍有半透明電流擴(kuò)展層，半透明電流擴(kuò)展層上面蒸鍍有正電極，所述Si摻雜的n-GaN層上面蒸鍍有負(fù)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述半透明電流擴(kuò)展層為ITO薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述正電極為厚度為30nm的Ni和Ni上面厚度為80nm的Au。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池，其特征在于所述負(fù)電極為自下至上依次為厚度20nm/20nm/200nm的Ti/Al/Au。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種p-i-n型單結(jié)InGaN太陽能電池，包括一襯底，其上依次為GaN成核層、GaN緩沖層、Si摻雜的n-GaN層和Mg摻雜的p-GaN層，其特點是Si摻雜的n-GaN層上生長有i-InxGa1-xN層，Mg摻雜的p-GaN層上面蒸鍍有半透明電流擴(kuò)展層，并蒸鍍有正電極，Si摻雜的n-GaN層上面蒸鍍有負(fù)電極。本發(fā)明采用成熟的生長工藝，在Si摻雜的n-GaN層上生長未摻雜的i-InxGa1-xN層，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，相對于量子點或量子阱結(jié)構(gòu)，易于制備；通過蒸鍍半透明電流擴(kuò)展層以及正、負(fù)電極，實現(xiàn)了完整太陽電池的直接應(yīng)用，并進(jìn)一步提高了抗輻射能力，延長了電池的使用壽命。
文檔編號H01L31/0352GK102290478SQ201110259810
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者劉如彬, 孫強(qiáng), 康培, 張啟明, 王帥, 穆杰, 高鵬 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所