專利名稱：一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體光伏器件領(lǐng)域，涉及一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池，可用于太陽能光伏發(fā)電，開發(fā)利用新能源。
背景技術(shù)：
隨著全球范圍的能源危機和生態(tài)環(huán)境問題的日益惡化，太陽能作為一種‘取之不盡、用之不竭’的清潔能源越來越受到人們的廣泛重視。最早1%4年，美國貝爾實驗室首先研制成功第一塊實用意義上的晶體硅Pn結(jié)型太陽電池，并很快將其應(yīng)用于空間技術(shù)。1973 年，石油危機爆發(fā)，從此之后，人們普遍對于太陽電池投入了愈來愈多的關(guān)注。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，并實施龐大的光伏工程計劃，為太陽電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期?，F(xiàn)在，在美國、德國這樣的發(fā)達國家，太陽能光伏發(fā)電的地位已經(jīng)從原來的補充能源上升為重要的戰(zhàn)略替代能源，也是未來最適合人類應(yīng)用的可再生能源之一。2002年日本的Nanishi教授利用RF-MBE方法首次生長出高質(zhì)量的InN晶體，特別是準確測量出InN禁帶寬度為0. 7eV，而不是先前人們認為的1. 9eV。這一新發(fā)現(xiàn)大大擴展了 InGaN的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢，使得全世界范圍掀起了 InGaN研究的熱潮。InGaN是直接帶隙半導體材料，因h組分的改變，其禁帶寬度在從3. 4eV (GaN)
0.7eV(InN)連續(xù)可調(diào)，其對應(yīng)的吸收光譜波長從紫外光365nm可以一直延伸到近紅外光
1.7 μ m，幾乎完整地覆蓋了整個太陽光譜，并且可以在同一設(shè)備中實現(xiàn)不同組分hGaN薄膜的工藝兼容性生長，非常適合制備多層結(jié)構(gòu)的高效太陽電池。2003年美國勞倫斯-伯克萊國家實驗室的mi等人首次提出將InGaN應(yīng)用到太陽電池中。此后，InGaN太陽電池研究始終備受關(guān)注。美國的喬治亞理工大學、加州大學伯克利分校、加州大學圣巴巴拉分校、明尼蘇達大學等，日本的福井大學、東京大學、慶應(yīng)大學等國際知名大學，以及國內(nèi)的廈門大學、南京大學和中科院半導體所等都在InGaN太陽電池方面開展了大量的研究工作。近幾年來，許多研究機構(gòu)陸續(xù)報道了各種不同結(jié)構(gòu)和組分的電池實驗，嘗試提高電池轉(zhuǎn)換效率。但由于其均不能滿足開路電壓和短路電流同時增大的要求，因而轉(zhuǎn)換效率都不能得到明顯的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提出一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池，以在保證高開路電壓的同時，提高電池的短路電流，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池，包括襯底、AlN成核層和GaN緩沖層，其特征在于，GaN緩沖層上依次設(shè)有n_GaN層、i-InGaN層和ρ-GaN層；在 P-GaN層上引出Ni/Au歐姆接觸金屬電極，在n_GaN層上引出Al/Au歐姆接觸金屬電極。所述的n-GaN薄膜厚度為50 lOOnm，電子濃度為1 X IO18 6 X 1019/cm3。所述的i-hGaN層的厚度為100 800nm，In組分為15% 90%，載流子濃度為IXlO16 2X1017/cm3。 所述的P-GaN薄膜厚度為50 lOOnm，空穴濃度為1 X IO17 6X 10w/cm3。
所述的p-GaN歐姆接觸電極采用氧化銦錫ITO材料。所述的p-GaN層歐姆接觸電極采用柵形電極，電極寬度為500 lOOOnm，電極間距為 500 3000nm。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池的制作方法，包括如下步驟(1)在藍寶石或硅襯底上，采用化學氣相沉積法MOCVD依次生長10 SOnm厚的 AlN成核層和1 2 μ m厚的GaN緩沖層；(2)在GaN緩沖層上依次生長50 IOOnm厚的n-GaN層、100 800nm厚的i4nGaN 層和50 IOOnm厚的p-GaN層；(3)在p-GaN層上光刻并刻蝕出電池臺面，露出n_GaN層；(4)將步驟(3)處理后的樣件置于1 7稀釋的HF酸溶液中超聲處理IOmin ；(5)將超聲處理后的樣件置于大氣中600°C退火5 IOmin ；(6)采用電子束蒸發(fā)法在P-GaN層上制備出Ni/Au金屬電極，并在大氣中550°C退火 IOmin ；(7)在n-GaN層上制備出Al/Au金屬電極。所述的生長n-GaN層的工藝條件是生長溫度為800 1100°C ;TMGa流量為50 300sccm ；SiH4流量為20 200sccm ；氨氣流量為2000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為150 250torro所述的生長i-hGaN層的工藝條件是生長溫度為600 800°C 流量為10 IOOsccm ；TMGa流量為50 300sccm ；氨氣流量為2000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為150 250torr。所述的生長p-GaN層的工藝條件是生長溫度為800 1100°C ;TMGa流量為50 300sccm ； (Cp) 2Mg流量為20 300sccm ；氨氣流量為2000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為 150 250torro所述的刻蝕出電池臺面的面積為3 X 3mm2或5 X 5mm2或10 X 10mm2。本發(fā)明具有如下優(yōu)點由于采用本征InGaN薄膜作為光吸收層，不僅可以產(chǎn)生更多的光生載流子，提高有效光吸收，而且由于所采用的本征InGaN薄膜中缺陷和位錯較少，電子和空穴的復(fù)合幾率也較低，故可大大提高電池的短路電流Jsc ；另外由于本方案采用GaN作為pn結(jié)的兩極材料，GaN的帶隙Eg較InGaN更寬，而開路電壓Voc與材料的Eg成正比，所以可獲得更高的Voc，進而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。


圖1是本發(fā)明太陽電池的第一實例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明制作太陽電池的工藝流程圖。
具體實施方式
參照圖1，本發(fā)明給出太陽電池的以下三種實施例實施例一本發(fā)明的p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池自下而上依次包括藍寶石襯底、AlN成核層ll、GaN緩沖層12、n-GaN層13、i_InGaN層14和ρ-GaN層15。其中AlN成核層11為高溫生長；GaN緩沖層12為非故意摻雜層；n-GaN13層厚度為50nm，電子濃度為IX 1018/cm3 ； i-InGaN B 14為本征層，載流子濃度為IX 1016/cm3, In組分為15%，厚度為IOOnm ；p-GaN 層15厚度為50nm，空穴濃度為lXK^/cm3。ρ-GaN層15的表面分布著柵形Ni/Au歐姆電極16，每個電極的寬度為500nm，電極間距為lOOOnm，n-GaN層15表面的右側(cè)引出Al/Au歐姆電極17。實施例二 本發(fā)明的p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池自下而上依次包括硅襯底、AlN成核層ll、GaN緩沖層12,n-GaN M 13、i_InGaN層14和p-GaN層15。其中AlN成核層11為高溫生長；GaN緩沖層12為非故意摻雜層；n-GaN13層厚度為80nm，電子濃度為1 X IO1Vcm3 ； i-hGaN層14為本征層，載流子濃度為6X1016/cm3，In組分為40%，厚度為400nm ；p-GaN 層15厚度為80nm，空穴濃度為lX1018/cm3。ρ-GaN層15的表面分布著柵形Ni/Au歐姆電極16，每個電極的寬度為800nm，電極間距為2000nm，n-GaN層15表面的右側(cè)引出Al/Au歐姆電極17。實施例三本發(fā)明的p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池自下而上依次包括藍寶石襯底、AlN成核層ll、GaN緩沖層12,n-GaN M 13、i_InGaN層14和p-GaN層15。其中AlN成核層11為高溫生長；GaN緩沖層12為非故意摻雜層；n-GaN13層厚度為lOOnm，電子濃度為6 X IO19/ cm3 ；i-InGaN層14為本征層，載流子濃度為2X 1017/cm3, In組分為90%,厚度為800nm ； P-GaN層15厚度為lOOnm，空穴濃度為6 X 1018/cm3。p-GaN層15的表面分布著柵形Ni/Au 歐姆電極16，每個電極的寬度為lOOOnm，電極間距為3000nm，n-GaN層15表面的右側(cè)引出 Al/Au歐姆電極17。參照圖2，本發(fā)明給出制作太陽電池方法的以下三種實施例實施例A Al)用丙酮和乙醇溶液對藍寶石襯底進行超聲清洗；A2)通入氮氣和氫氣混合氣體，升溫至1000°C對襯底表面做氮化處理，如圖2 (a) 所示；A3)在氮化處理后的襯底上，采用MOCVD法生長高溫AlN成核層，溫度為1050°C ；A4)在AlN成核層上生長GaN緩沖層，生長溫度為950°C，如圖2(b)所示；A5)在GaN緩沖層上生長η-GaN層，其工藝條件是TMGa流量為300sccm，SiH4流量為20sccm，氨氣流量為3000sccm，生長溫度850°C，反應(yīng)室氣壓為150torr ；A6)在n-GaN層上生長idnGaN層，其工藝條件是TI\On流量為lOsccm，TMfei流量為300sccm，氨氣流量為2000sccm，生長溫度為800°C，反應(yīng)室氣壓為150torr ；A7)在i4nGaN層上生長p-GaN層，其工藝條件是TMfei流量為300sccm，(Cp)2Mg 流量為20sCCm，氨氣流量為3000sCCm，生長溫度為1000°C，反應(yīng)室氣壓為150torr，如圖 2 (c)所示；
A8)在P-GaN層上進行光刻，再刻蝕出電池臺面，露出n-GaN層，臺面面積約 3X 3mm2，如圖2(d)所示；A9)對刻蝕后的樣品表面用1 7稀釋的HF溶液進行超聲凈化處理，凈化處理時間 IOmin ；A10)對凈化處理后的樣品置于大氣中進行退火處理，退火溫度為600°C，時間為 5 IOmin ；All)對退火處理后的樣品進行二次光刻，再用電子束蒸發(fā)法在P-GaN層上沉積 Ni/Au歐姆電極，然后在550°C大氣中合金化處理lOmin，如圖2(e)所示；A12)在n-GaN上光刻沉積Al/Au歐姆電極，完成整個InGaN太陽電池的制作，如圖 2(f)所示。實施例B Bi)用丙酮和乙醇溶液對硅襯底進行超聲清洗；B2)通入氮氣和氫氣混合氣體，升溫至1000°C對襯底表面做氮化處理，如圖2 (a) 所示；B3)在氮化處理后的襯底上，采用MOCVD法生長高溫AlN成核層，溫度為1050°C ；B4)在AlN成核層上生長GaN緩沖層，生長溫度為950°C，如圖2(b)所示；B5)在GaN緩沖層上生長η-GaN層，其工藝條件是TMGa流量為200sccm，SiH4流量為lOOsccm，氨氣流量為4000sccm，生長溫度950°C，反應(yīng)室氣壓為200torr ；B6)在n-GaN層上生長idnGaN層，其工藝條件是TI\On流量為50sccm，TMfei流量為150sccm，氨氣流量為4000sccm，生長溫度為700°C，反應(yīng)室氣壓為200torr ；B7)在i4nGaN層上生長p-GaN層，其工藝條件是TMfei流量為200sccm，(Cp)2Mg 流量為150SCCm，氨氣流量為4000SCCm，生長溫度為800°C，反應(yīng)室氣壓為200torr，如圖 2 (c)所示；B8)在p-GaN層上樣品進行光刻，再刻蝕出電池臺面，露出n_GaN層，臺面面積約 5X 5mm2，如圖 2(d)所示，；B9)對刻蝕后的樣品表面用1 7稀釋的HF溶液進行超聲凈化處理，凈化處理時間 IOmin ；BlO)對凈化處理后的樣品置于大氣中進行退火處理，退火溫度為600°C，時間為 5 IOmin ；Bll)對退火處理后的樣品進行二次光刻，再用磁控濺射法在P-GaN層上沉積ITO 歐姆電極，然后在550°C大氣中合金化處理lOmin，如圖2(e)所示；B12)在n-GaN上光刻沉積Al/Au歐姆電極，完成整個InGaN太陽電池的制作，如圖 2(f)所示。實施例C Cl)用丙酮和乙醇溶液對藍寶石襯底進行超聲清洗；C2)通入氮氣和氫氣混合氣體，升溫至1000°C對襯底表面做氮化處理，如圖2 (a) 所示；C3)在氮化處理后的襯底上，采用MOCVD法生長高溫AlN成核層，溫度為1050°C ；C4)在AlN成核層上生長GaN緩沖層，生長溫度為950°C，如圖2(b)所示；
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C5)在GaN緩沖層上生長n_GaN層，其工藝條件是TMGa流量為50sccm，SiH4流量為200sccm，氨氣流量為5000sccm，生長溫度1000°C，反應(yīng)室氣壓為250torr ；C6)在n-GaN層上生長idnGaN層，其工藝條件是TiOn流量為lOOsccm，TMfei流量為50sccm，氨氣流量為5000sccm，生長溫度為600°C，反應(yīng)室氣壓為250torr ；C7)在i4nGaN層上生長p-GaN層，其工藝條件是TM(ia流量為50sccm，(Cp)2Mg流量為200sccm，氨氣流量為5000sccm，生長溫度為1000°C，反應(yīng)室氣壓為250torr，如圖2 (c) 所示；C8)在p-GaN層上樣品進行光刻，再刻蝕出電池臺面，露出n-GaN層，臺面面積約 10 X 10mm2，如圖 2(d)所示；C9)對刻蝕后的樣品表面用1 7稀釋的HF溶液進行超聲凈化處理，凈化處理時間 IOmin ；C10)對凈化處理后的樣品置于大氣中進行退火處理，退火溫度為600°C，時間為 5 IOmin ；Cll)對退火處理后的樣品進行二次光刻，再用電子束蒸發(fā)法在P-GaN層上沉積 Ni/Au歐姆電極，然后在550°C大氣中合金化處理lOmin，如圖2(e)所示；C12)在n-GaN上光刻沉積Al/Au歐姆電極，完成整個InGaN太陽電池的制作，如圖 2(f)所示。
權(quán)利要求
1.一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)^iGaN太陽電池，包括襯底、AlN成核層(11)和GaN緩沖層 (12)，其特征在于，GaN緩沖層上依次設(shè)有n-GaN層(13) U-InGaNM (14)和ρ-GaN層(15)； 在P-GaN層上引出Ni/Au歐姆接觸金屬電極(16)，在n-GaN層上引出Al/Au歐姆接觸金屬電極(17)。
2.如權(quán)利要求1所述的InGaN太陽電池，其特征在于，所述的i-hGaN層厚度為100 800nm, h 組分為 15% 90%，載流子濃度為 IxiOni-ZxiO1Vcm3tj
3.如權(quán)利要求1所述的InGaN太陽電池，其特征在于，所述的p-GaN層厚度為50 IOOnm,空穴濃度為 1 X IO17 6 X IO1Vcm30
4.如權(quán)利要求1所述的InGaN太陽電池，其特征在于，所述的n-GaN層厚度為50 IOOnm,電子濃度為 1 X IO18 6 X IO1Vcm30
5.如權(quán)利要求1所述的InGaN太陽電池，其特征在于，所述的ρ-GaN層歐姆接觸電極 (16)采用柵形電極，電極寬度為500 IOOOnm,電極間距為1000 3000nm。
6.一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池的制作方法，包括如下步驟(1)在藍寶石或硅襯底上，采用化學氣相沉積法MOCVD依次生長10 SOnm厚的AlN成核層和1 2 μ m厚的GaN緩沖層；(2)在GaN緩沖層上依次生長50 IOOnm厚的n_GaN層、100 800nm厚的idnGaN 層和50 IOOnm厚的ρ-GaN層；(3)在ρ-GaN層上光刻并刻蝕出電池臺面，露出n-GaN層；(4)將步驟(3)處理后的樣件置于1 7稀釋的HF酸溶液中超聲處理IOmin ；(5)將超聲處理后的樣件置于大氣中600°C退火5 IOmin；(6)采用電子束蒸發(fā)法在P-GaN層上制備出Ni/Au金屬電極，并在大氣中550°C退火 IOmin ；(7)在n-GaN層上制備出Al/Au金屬電極。
7.如權(quán)利要求6所述的InGaN太陽電池制作方法，其中生長n-GaN層的工藝條件是 生長溫度為850 1000°C ；TMGa流量為50 300sccm ；SiH4流量為20 200sccm ；氨氣流量為3000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為150 250torr。
8.如權(quán)利要求6所述的hGaN太陽電池制作方法，其中生長i-hGaN層的工藝條件是 生長溫度為600 800°C ；TMIn流量為10 IOOsccm ；TMGa流量為50 300sccm ；氨氣流量為2000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為150 250torr。
9.如權(quán)利要求6所述的InGaN太陽電池制作方法，其中生長p_GaN層的工藝條件是 生長溫度為800 1000°C ；TMGa流量為50 300sccm ； (Cp)2Mg流量為20 200sccm ；氨氣流量為3000 5000sccm ；反應(yīng)室氣壓為150 250torr。
10.如權(quán)利要求6所述的InGaN太陽電池制作方法，其中刻蝕出電池臺面的面積為 3X3mm2 或 5X5mm2 或 IOX 10mm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種p-i-n夾層結(jié)構(gòu)InGaN太陽電池。主要解決現(xiàn)有InGaN太陽電池的轉(zhuǎn)換效率低的問題。該太陽電池自下而上依次為襯底，高溫生長的AlN成核層(11)，非故意摻雜的GaN緩沖層(12)，厚度為50～100nm、電子濃度為1×1018～6×1019/cm3的n-GaN層(13)，厚度為100～800nm、載流子濃度為1×1016～2×1017/cm3、In組分為15％～90％的i-InGaN層(14)，以及厚度為50～100nm、穴濃度為1×1017～6×1018/cm3的p-GaN層(15)；p-GaN層(15)的表面分布著柵形Ni/Au歐姆電極(16)，n-GaN層(15)表面的右側(cè)引出Al/Au歐姆電極(17)。本發(fā)明提高了電池短路電流和開路電壓，具有更高的轉(zhuǎn)換效率，可用于太陽能光伏發(fā)電。
文檔編號H01L31/075GK102339891SQ20111029342
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者周小偉, 張進成, 畢臻, 王沖, 郝躍, 馬曉華 申請人:西安電子科技大學