CN100499179C - 单结铟镓氮太阳能电池结构及制作方法 - Google Patents

单结铟镓氮太阳能电池结构及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种单结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括：一衬底；一低温氮化镓成核层，该低温氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可增加衬底表面的成核密度；一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在低温氮化镓成核层的上面，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；一n型掺杂InxGa1-xN层，该n型掺杂InxGa1-xN层制作在非有意掺杂高阻氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分；一p型掺杂InxGa1-xN层，该p型掺杂InxGa1-xN层制作在n型掺杂InxGa1-xN层的上面，该p型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。

Description

单结铟镓氮太阳能电池结构及制作方法
技术领域
本发明属无机光电技术领域，具体涉及一种单结铟镓氮(InxGa1-xN)太阳能电池结构及其制作方法。本发明采用新型InxGa1-xN三元合金半导体材料，其结构和制作方法可应用于InxGa1-xN系高效太阳能电池的制造。
背景技术
太阳能电池是将太阳辐照的光能直接转换为电能的器件。太阳能电池用来向负载，如电灯、计算机等提供电能。在实际应用中还涉及电能储存装置，这样才能在没有阳光照射的情况下对负载持续不断地提供电能。太阳能电池在光照的情况下会产生光生电压。在外电路开路的情况下光生电压为开路电压VOC，在外电路短路下得到的电流为短路电流ISC。在有负载的情况下，太阳能电池的输出功率等于负载上的电压降和通过负载的电流的乘积，它是小于开路电压和短路电流的乘积的。定义太阳能电池的最大输出功率与VOCISC的比值为填充因子。
目前太阳能电池的发展和利用当中所碰到的一个主要问题就是其光电转换效率较低，特别在太阳能电池应用于宇宙空间领域时，对太阳能电池的光电转换效率要求更高，而且还需要材料具有一定的抗辐射性。
就空间应用来说，目前的空间站和人造地球卫星上的主要电能都是通过太阳能电池系统提供的。电源系统是卫星以及空间探测系统的重要分系统之一，有报道称在今后10年到20年间，对于空间探测来说最需要攻克的关键技术之一就是能源系统，对空间站以及卫星最大的限制就是能源。星上通信及信息处理都需要大量的能源。目前应用的空间太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池和砷化镓基太阳能电池，限制它们进一步应用的主要问题是光电转换效率较低。由于受材料本身性质影响，第一代空间太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率大概在18％到23％之间，第二代空间太阳能电池砷化镓基太阳能电池，它的光电转换效率相对有些提高(为22％到26.5％之间)，但这还是满足不了在空间应用中对能量日益增加的需要。
随着对III-V族氮化物材料研究的不断深入，研究人员发现铟镓氮(InxGa1-xN)材料的禁带宽度与太阳光谱几乎完美匹配(J.Wu，et al，J.Appl.Phys.，94(2003)6477)，理论计算表明，用InxGa1-xN合金制作双结(一结电池禁带宽度为1.1eV，另一结为1.7eV)太阳能电池效率可高达50％，如果制成多结InxGa1-xN电池，效率最高可达70％以上。
同时，空间太阳能电池也会受空间辐射的影响。在近地轨道空间环境中，当高能粒子辐照时，通过与晶格原子发生碰撞而将能量传递给晶格；当能量大于某阈值时，便使晶格原子发生位移产生缺陷，进而影响少子寿命，对太阳能电池形成辐射损伤，使输出功率随辐照累积量的增加逐渐下降，在空间站整个寿命期间需更换电池片，增加运行维护费用。而InxGa1-xN材料具有良好的抗辐射性能(J.W.Ager III，et al，Proc.of SPIE，5530(2004)308)，所以说InxGa1-xN材料非常适合应用于空间飞行器的太阳能电池。
InxGa1-xN太阳能电池可以充分利用不同波段的光子能量，具有转换效率高，功率/面积比大，耐辐照等优点，新型InxGa1-xN太阳能电池的研究和发展使真正的高效太阳能电池成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种单结铟镓氮太阳能电池结构及其制作方法，利用本发明的结构及制作方法，可以研制出理论转换效率达28％且具有良好的抗辐射性的太阳能电池。
本发明一种单结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一温度为450—650℃的低温氮化镓成核层，该低温氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在低温氮化镓成核层的上面，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
一n型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，该n型掺杂InxGa1-xN层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分；
一p型掺杂InxGa1-xN层，该p型掺杂InxGa1-xN层制作在n型掺杂InxGa1-xN层的上面，该p型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
其中所述的衬底是蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底。
其中所述的低温氮化镓成核层的厚度为0.01-0.05μm。
其中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的厚度为1.00-2.00μm。
其中所述的n型掺杂InxGa1-xN层，厚度为0.10-0.80μm。
其中所述的p型掺杂InxGa1-xN层，厚度为0.20-1.00μm。
本发明一种单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，首先在衬底上生长一层温度为450—650℃的低温氮化镓成核层，生长厚度为0.01-0.50μm，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变衬底温度，在低温氮化镓成核层上生长非有意掺杂氮化镓缓冲层，生长厚度为1.00-2.00μm，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在非有意掺杂氮化镓缓冲层上生长硅掺杂的n型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，生长厚度为0.10-0.80μm，该n型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术，最后，在n型掺杂InxGa1-xN层上生长镁掺杂的p型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，生长厚度为0.20-1.00μm，该p型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
其中所述的衬底是蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底。
其中所述的低温氮化镓成核层的生长压力为13.33-26.67kPa。
其中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的生长温度为900-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa。
其中所述的n型掺杂InxGa1-xN层的生长温度为700-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa；电子浓度为0.5-5×1019/cm3。
其中所述的p型掺杂InxGa1-xN层为镁掺杂的p型掺杂InxGa1-xN层，生长温度为700-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa；空穴浓度为1-8×1018/cm3。
本发明关键在于采用InxGa1-xN三元合金材料，利用该合金材料优良的抗辐射性能，以及通过改变其中铟、镓的组分可优选合金的禁带宽度，并通过精确控制生长条件，得到高质量的InxGa1-xN p-n结结构，从而可在理论上达到28％的最大理论转换效率。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式及附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的单结InxGa1-xN太阳能电池材料结构图。
具体实施方式
本发明关键在于采用独特的铟镓氮(InxGa1-xN)三元合金材料，利用该合金材料优良的抗辐射性能，以及通过改变其中铟、镓的组分可优选合金的禁带宽度，并通过精确控制生长条件，如生长温度、生长压力、V/III比，得到高质量的InxGa1-xN p-n结结构，从而可在理论上达到28％的最大理论转换效率。
本发明采用新型InxGa1-xN三元合金半导体材料，其结构和制作方法可应用于InxGa1-xN系高效太阳能电池的制造。
请参阅图1所示，本发明包括一种单结InxGa1-xN太阳能电池结构，其中包括：
一衬底10，该衬底10包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底，也包括适合单结InxGa1-xN太阳能电池材料外延的其他衬底。
一低温氮化镓成核层20，该低温氮化镓成核层20制作在衬底10的上面，生长厚度为0.01-0.05μm，优选范围为0.01-0.03μm，该成核层可增加衬底表面的成核密度。
一非有意掺杂氮化镓缓冲层30，该非有意掺杂氮化镓缓冲层30制作在低温氮化镓成核层20的上面，生长厚度为1.00-2.00μm，优选范围为1.50-2.00μm，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量。
一n型掺杂InxGa1-xN层40，该n型掺杂InxGa1-xN层40制作在非有意掺杂高阻氮化镓缓冲层30的上面，生长厚度为0.10-0.80μm，优选范围为0.10-0.40μm，该n型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
一p型掺杂InxGa1-xN层50，该p型掺杂InxGa1-xN层50制作在n型掺杂InxGa1-xN层40的上面，生长厚度为0.20-1.00μm，优选范围为0.20-0.50μm，该p型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
请再参阅图1所示，本发明包括一种单结InxGa1-xN太阳能电池制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术和气相外延技术，优先采用金属有机物化学气相沉积技术。其中包括以下步骤：
步骤1：选择一衬底10，该衬底10包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底，也包括适合单结InxGa1-xN太阳能电池材料外延的其他衬底。
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在衬底10上生长低温氮化镓成核层20，生长温度为450-650℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为0.01-0.05μm，优选范围为0.01-0.03μm，500-600℃，该成核层可增加衬底表面的成核密度。
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，在低温氮化镓成核层20上生长非有意掺杂氮化镓缓冲层30，生长温度为900-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为1.00-2.00μm，优选范围为1000-1100℃，1.50-2.00μm，该缓冲层可减少外延层的位错密度，提高晶体质量。
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在非有意掺杂氮化镓缓冲层30上生长硅掺杂的n型掺杂InxGa1-xN层40，其中0.35≤x≤0.65，生长温度为700-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为0.10-0.80μm，电子浓度为0.5-5×1019/cm3，优选范围为0.45≤x≤0.55，800-1100℃，0.10-0.40μm，1-5×1019/cm3，该n型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术，在硅掺杂的n型掺杂InxGa1-xN层40上生长镁掺杂的p型掺杂InxGa1-xN层50，其中0.35≤x≤0.65，生长温度为700-1100℃，生长压力为13.33-26.67kPa，厚度为0.20-1.00μm，空穴浓度为1-8×1018/cm3，优选范围为0.45≤x≤0.55，800-1100℃，0.20-0.50μm，5-8×1018/cm3，该p型掺杂层是InxGa1-xN p-n结的一部分。
本发明单结InxGa1-xN太阳能电池结构的各生长层的具体生长温度、生长压力及生长厚度如表1所示：
表1
 
名称 生长温度 生长压力 生长厚度 备注
低温氮化镓成核层20 450-650℃，优选范围为500-600℃ 13.33-26.67kPa 0.01-0.05μm，优选范围为0.01-0.03μm —
非有意掺杂氮化镓缓冲层30 900-1000℃，优选范围为1000-1100℃ 13.33-26.67kPa 1.00-2.00μm，优选范围为1.50-2.00μm —
硅掺杂n型In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N层40 700-1100℃，优选范围为800-1100℃ 13.33-26.67kPa 0.10-0.80μm，优选范围为0.10-0.40μm 0.35≤x≤0.65，电子浓度19cm<sup>3</sup>为0.5-5×10<sup>19</sup>/cm<sup>3</sup>，优选范围为0.45≤x≤0.55，1-5×10<sup>19</sup>/cm<sup>3</sup>
镁掺杂p型In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N层50 700-1100℃，优选范围为800-1100℃ 13.33-26.67kPa 0.20-1.00μm，优选范围为0.20-0.50μm 0.35≤x≤0.65，空穴浓度为1-8×10<sup>18</sup>/cm<sup>3</sup>，优选范围为0.45≤x≤0.55，5-8×10<sup>18</sup>/cm<sup>3</sup>
本发明降低了工艺难度，减少了工艺步骤，获得了高质量的InxGa1 xNp-n结结构材料，同时提高了材料的晶体质量、p-n结界面质量和材料的表面平整度。该材料结构可更有效地提高太阳能电池的光电转换效率，因此，本发明可显著改善和提高单结InxGa1-xN太阳能电池的性能。

Claims (12)

1、一种单结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一生长温度为450—650℃的低温氮化镓成核层，该低温氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
一非有意掺杂高阻氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在低温氮化镓成核层的上面，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
一n型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，该n型掺杂InxGa1-xN层制作在非有意掺杂高阻氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是InxGa1-xNp-n结的一部分；
一p型掺杂InxGa1-xN层，该p型掺杂InxGa1-xN层制作在n型掺杂InxGa1-xN层的上面，其中0.35≤x≤0.65，该p型掺杂层是InxGa1-xNp-n结的一部分。
2、根据权利要求1所述的单结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底。
3、根据权利要求1所述的单结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的低温氮化镓成核层的厚度为0.01-0.05μm。
4、根据权利要求1所述的单结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的非有意掺杂高阻氮化镓缓冲层的厚度为1.00-2.00μm。
5、根据权利要求1所述的单结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的n型掺杂InxGa1-xN层，厚度为0.10-0.80μm。
6、根据权利要求1所述的单结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的p型掺杂InxGa1-xN层，厚度为0.20-1.00μm。
7、一种单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，首先在衬底上生长一层温度为450—650℃的低温氮化镓成核层，生长厚度为0.01-0.50μm，该成核层可增加衬底表面的成核密度；
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变衬底温度，在低温氮化镓成核层上生长非有意掺杂氮化镓缓冲层，生长厚度为1.00-2.00μm，该缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在非有意掺杂氮化镓缓冲层上生长硅掺杂的n型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，生长厚度为0.10-0.80μm，该n型掺杂层是InxGa1-xNp-n结的一部分；
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术，最后，在n型掺杂InxGa1-xN层上生长镁掺杂的p型掺杂InxGa1-xN层，其中0.35≤x≤0.65，生长厚度为0.20-1.00μm，该p型掺杂层是InxGa1-xNp-n结的一部分。
8、根据权利要求7所述的单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底。
9、根据权利要求7所述的单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，其中所述的低温氮化镓成核层的生长压力为13.33-26.67kPa。
10、根据权利要求7所述的单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的生长温度为900-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa。
11、根据权利要求7所述的单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，其中所述的n型掺杂InxGa1-xN层的生长温度为700-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa；电子浓度为0.5-5×1019/cm3。
12、根据权利要求7所述的单结铟镓氮太阳能电池的制作方法，其特征在于，其中所述的p型掺杂InxGa1-xN层为镁掺杂的p型掺杂InxGa1-xN层，生长温度为700-1100℃；生长压力为13.33-26.67kPa；空穴浓度为1-8×1018/cm3。
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