CN101425548A

CN101425548A - InAs量子点材料的制备方法及其在太阳能电池中的应用

Info

Publication number: CN101425548A
Application number: CNA2008100516005A
Authority: CN
Inventors: 李林; 李占国; 李梅; 王勇; 王晓华; 曲轶; 薄报学; 刘国军
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明提供一种InAs量子点材料的制备方法，和一种由该量子点材料制成的多能带太阳能电池中间能级结构。该结构具有不同尺寸的多层量子点材料，其大致均匀地分布于三维空间。本发明采用MOCVD外延技术生长各外延层，通过改变各外延层的生长参数，调节所选择的材料参数，包括量子点的尺寸、成分和面密度，确定量子点材料的带隙。该方法易于控制，工艺稳定。

Description

InAs量子点材料的制备方法及其在太阳能电池中的应用

技术领域

本发明涉及光电池的领域，更具体地，本发明涉及一种采用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)技术制备InAs量子点材料的方法和一种使用这些材料制成多结太阳能电池的方法。

背景技术

电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

入射的太阳光子具有广泛的能量分布，而在半导体内电离出一个电子-空穴对需要的能量等于材料的禁带宽度。对于能量较低的光子，往往无法激发有效的载流子，因此在晶体内的吸收系数也较低(几乎透明)，这部分光子，无法被电池有效利用，即形成所谓的非吸收损失。而对于能量较高的光子，除了可以激发出电子-空穴对之外，还有多余的能量赋予这些电子和空穴，使这些电子和空穴被激发到较高的能态，通俗地说，就是它们具有了高于晶格的“度”。他们在穿过PN结形成电流之前，往往已经跟晶格发生热交换，损失了多余的能量，这就是晶格热振动损失。晶格热振动损失和非吸收损失是互相矛盾的。如果选择较高禁带宽度的半导体材料，则可以提高较高能量光子的利用效率，然而这种材料对低能量光子却几乎透明，非吸收损失就会比较大。仅此一项，就限制了单结太阳能电池的转换效率不能超过40％，常用的硅太阳能电池的转换效率极限只有29％。

太阳能产业的持续发展，对转换效率和成本必将提出更高的要求。为此，多能带太阳能电池技术已经应用于提高光电转换效率。多能带太阳能电池技术人为地在宽禁带半导体材料中引入中间能级，更多光子都可以被有效地吸收。比方说，从价带到中间能级，从中间能级到导带，以及从价带到导带之间的能级差分别为0.7eV，1.4eV，1.8eV，这样从0.7eV到1.8eV之间的光子都可以被有效地吸收。理论上可以达到60％以上的效率。实际设计最重要的考量是，必须保证高、中、低能量的光子各自激发相应能量的载流子跃迁，高能量的光子不会被中间能级捕获而浪费能量。然而，这将导致在该多结电池内的电流不平衡。基于此，一篇文献号为CN1910759A的专利文献公开了一项技术方案，该方案是具有外延生长量子点材料的太阳能电池。该方案提出了一种单片多结半导体光致电压的太阳能电池结构，以及采用的多层量子点材料包括InAs量子点的制备方法。该量子点的制备方法，采用量子点的生长温度为450-550℃，厚度0.6-0.8nm，生长速率为0.001nm/s至3nm/s，以及InAs沉积后的生长停止时间为0秒至300秒。所采用的外延生长设备为分子束外延生长(MBE)、化学束外延生长(CBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)。

事实上，采用量子点材料制作的器件所需要的自组织生长量子点的材料质量，以及量子点的尺寸、面密度和均匀性是一个主要的技术问题。在量子点层外延过程中，量子点发生聚合，量子点尺寸增大，然而，由于量子点的聚合必然导致量子点密度下降；另外，所述的聚合并不像所希望的那样均匀进行，导致量子点尺寸均匀性下降。鉴于此，一篇文献号为CN1786107A的专利文献公开了一项技术方案，该方案采用MBE技术制备In(Ga)As/GaAs量子点体系材料，其量子点层的外延过程是这样的，所生长的InAs的厚度达到0.1ML(单原子层，以下同)、停顿5秒，然后逐次重复这一过程，这一过程总共进行25次，生长出总厚度为2.5ML的InAs量子点层。该方法的效果在于，在生长量子点层的过程中，间歇补充量子点，一则提高量子点面密度，达到4×10¹⁰；二则在生长间隔量子点结构自发调整，量子点尺寸均匀性由此提高。

与MBE和CBE相比，MOCVD更适合工业生产。

发明内容

为了满足实用化、商业化的需要，我们提出了一项名为InAs量子点材料的制备方法及其在太阳能电池中的应用的技术方案。

本发明是这样实现的，采用MOCVD外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、Sb表面活化层、InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs或AlGaAs阻挡层、GaAs覆盖层；所述Sb表面活化层生长速率为10-100微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为50-500μmol；所述InAs量子点的生长速率为0.01-0.1个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.0-4.0ML。在生长InAs量子点层后，引入必要的生长停止时间间隔为20-200秒(s)。

本发明的技术效果在于采用MOCVD技术制备出能够制作不同尺寸、高密度的InAs量子点材料。具有中间能级结构的不同尺寸的多层量子点材料的结构如图2所示，其每一层量子点材料的外延层结构如图1所示。制备的每一层量子点材料均具有良好的量子点尺寸均匀性，如图3-图6所示，表示的是1×1μm²量子点表面原子力显微镜图。本发明之方法易于控制，工艺稳定。

附图说明

图1是采用本发明之方法制备出的InAs量子点材料的外延层结构示意图。图2是具有中间能级结构的不同尺寸的多层量子点材料的结构示意图，该图兼作摘要附图。图3至图6是InAs量子点材料量子点表面原子力显微镜(AFM)图。

具体实施方式

本发明是这样实现的，采用MOCVD外延技术生长各外延层，制备步骤包括：(如图1所示)

步骤1：在GaAs衬底上生长GaAs过渡层11，生长温度为650～700℃范围内的一个温度，生长厚度为200nm；

步骤2：在GaAs过渡层11上生长Sb表面活化层12，温度为470-540℃范围内的一个温度；生长速率为10-100微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为50-500μmol。

步骤3：在Sb表面活化层12上生长InAs量子点层13，温度为470-540℃范围内的一个温度；InAs量子点的生长速率为0.01-0.1个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.0-4.0ML。

步骤3：在InAs量子点层13上生长In_xGa_1-xAs应变层14，0.0≤x≤0.6，生长温度为470～540℃范围内的一个温度，生长厚度为0～10nm；

步骤4：在In_xGa_1-xAs应变层14生长GaAs或AlGaAs阻挡层15，生长温度为470～540℃范围内的一个温度，生长厚度为1～30nm；

步骤5：在GaAs或AlGaAs阻挡层15上生长GaAs覆盖层16，生长温度为550～650℃范围内的一个温度，生长厚度为1～100nm。

步骤6：在GaAs覆盖层16上重复步骤2至步骤5，可循环N次，N从1-100可变。

下面举例进一步说明本发明之方法：

实施例一：采用MOCVD外延技术生长InAs量子点材料层，制备步骤包括：

步骤1：在GaAs衬底上生长GaAs过渡层，生长温度为700℃，生长厚度为200nm；

步骤2：在GaAs过渡层上生长Sb表面活化层，温度为520℃；生长速率为30微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为60μmol。

步骤3：在Sb表面活化层上生长InAs量子点层，温度为520℃；InAs量子点的生长速率为0.01个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.5ML。

所获得的InAs量子点的面密度为5.8×109，平均高度为12nm，如图3所示。

实施例二：采用MOCVD外延技术生长InAs量子点层，制备步骤包括：

步骤2：在GaAs过渡层上生长Sb表面活化层，温度为490℃；生长速率为30微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为120μmol。

步骤3：在Sb表面活化层上生长InAs量子点层，温度为490℃；InAs量子点的生长速率为0.025个单原子层/秒(ML/s)，厚度为3.6ML。

所获得的InAs量子点的面密度为4.7×10¹⁰，量子点的平均高度为10nm，如图4所示。

实施例三：采用MOCVD外延技术生长InAs量子点层，制备步骤包括：

步骤2：在GaAs过渡层上生长Sb表面活化层，温度为480℃；生长速率为30微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为120μmol。

步骤3：在Sb表面活化层上生长InAs量子点层，温度为490℃；InAs量子点的生长速率为0.025个单原子层/秒(ML/s)，厚度为3.4ML。

所获得的InAs量子点的面密度为6.8×10¹⁰，平均高度为8nm，如图5所示。

实施例四：采用MOCVD外延技术生长InAs量子点层，制备步骤包括：

步骤2：在GaAs过渡层上生长Sb表面活化层，温度为490℃；生长速率为30微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为60μmol。

步骤3：在Sb表面活化层上生长InAs量子点层，温度为490℃；InAs量子点的生长速率为0.02个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.8ML。

所获得的InAs量子点的面密度为1.3×10¹¹，平均高度为6.0nm，如图6所示。

Claims

1、一种量子点材料的外延层结构，其特征在于，采用MOCVD外延技术生长各外延层；制备步骤包括：在GaAs衬底上依次生长GaAs过渡层、Sb表面活化层、InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs或AlGaAs阻挡层、GaAs覆盖层。

2、根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，在GaAs覆盖层上重复Sb表面活化层、InAs量子点层、In_xGa_1-xAs应变层、GaAs或AlGaAs阻挡层、GaAs覆盖层，可循环N次，N从1-100可变。

3、一种量子点材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：在GaAs衬底上生长GaAs层，厚度为100-200nm，生长温度为650-700℃范围内的一个温度，然后降低温度到470-540℃范围内的一个温度；生长Sb表面活化层；在470-540℃范围内的一个温度，生长InAs量子点层。

4、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Sb表面活化层生长速率为10-100微摩尔/秒(μmol/s)，生长的量为50-500μmol。

5、根据权利要求3所述的量子点外延层结构，其特征在于，所述InAs量子点的生长速率为0.01-0.1个单原子层/秒(ML/s)，厚度为2.0-4.0ML。

6、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在生长InAs量子点层后，引入必要的生长停止时间为20-200秒(s)。