CN101866967A - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硅基单结氮化镓铟太阳能电池，其由自下而上排列的背面电极(11)、硅衬底(1)、籽晶层(2)、缓冲层(3)、n型掺杂的氮化镓缓冲层(4)、InaGa1-aN层(5)、非故意掺杂的InbGa1-bN层(6)、p型掺杂的IncGa1-cN层(7)、窗口层(8)、正面电极(9)和减反射导电膜(10)组成，其中：硅衬底和InaGa1-aN层为n型掺杂结构，籽晶层和缓冲层出氧化锌材料制成，窗口层由p型重掺杂的氮化镓制成，减反射导电膜覆盖窗口层除正面电极外的区域。本发明能较有效地解决硅衬底外延氮化镓薄膜时遇到的晶格匹配与热膨胀系数匹配等问题，具有制作成本低和对太阳光的吸收率高等优点。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种硅基单结氮化镓铟太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是一种将太阳能直接转换为电能的光电器件。按照制备材料的不同，主要分为晶体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、CIGS(铜铟镓锡)太阳电池、以砷化镓为代表的III-V族太阳电池、有机聚合物太阳电池等。前四种太阳电池为半导体太阳电池，目前普及最为广泛。半导体太阳电池的原理是利用半导体pn结的光生伏特效应，即利用一定禁带宽度的材料吸收太阳光子能量来激发电子空穴对，产成光生电动势，从而完成光能到电能的转换。
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，同时还要求材料具有一定的抗辐射性。
III-V族化合物多为直接带隙的能带结构，其光吸收系数比间接带隙的材料(如硅、锗等)高2-3个数量级，可以用于制备高效率太阳能电池。随着对III-V族氮化物材料研究的不断深入，2002年研究人员发现氮化铟的禁带宽度应该在0.7eV左右(参见文献：谢自力，et al.，InN材料及其应用.微纳电子技术，2004(12)：p.26-32)，而不是原先大家所接受的1.9eV。因此，InGaN这种三元合金材料可以通过调节其中In元素的含量，实现其禁带宽度在0.7eV(InN的带隙)与3.4eV(GaN的带隙)之间连续可调，使得InGaN材料所对应的吸收光谱范围与太阳光谱几乎完美匹配。因此，通过制备不同带隙的InGaN材料进行搭配组合，就可以研制出效率很高的新型太阳能电池。除了转换效率高之外，InGaN材料还具有良好的抗辐射性能，所以InGaN材料非常适合作为卫星等空间飞行器的太阳能电池。
InGaN材料是利用薄膜外延生长技术，在合适的衬底上生长获得的。最常用的方法是金属有机物化学沉积法(MOCVD法)。然而由于晶格失配、热膨胀系数失配等原因，适合InGaN薄膜的外延生长衬底材料种类很有限。目前最常用的方法是在蓝宝石衬底上淀积氮化镓或氮化铝作为缓冲层，之后在缓冲层上外延InGaN系列材料，这样可以最大程度地减少晶格失配等问题，获得晶格缺陷较少的外延材料。
对于GaN/InGaN器件而言，多数采用的是蓝宝石衬底。蓝宝石衬底尺寸小(普遍只采用2英寸工艺)，价格居高不下，而且还有上涨趋势，使得这类光电器件的衬底成本占芯片成本的比重约为10％-20％。另外由于蓝宝石自身导电性能差，因此当使用该衬底制作氮化镓基器件时，电极需要设计在芯片的同侧。这一方面增加了工艺过程的复杂度，另一方面造成了芯片内部的电流密度分布一致性较差，从而影响器件的电学、光学特性及长期可靠性(参见文献：黄亚军，王良臣，et al.，垂直结构GaN基LEDs电流分布计算分析.半导体技术，2009(9)：p.861-863.)。相对于蓝宝石衬底而言，硅衬底有许多优点，如晶片尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性，能够进行大面积的外延工艺，即可以同时外延生长数量更多的芯片。因此平均到每个芯片，外延工艺成本与设备折旧成本能够明显降低。另外由于硅的导电性好，且对光的吸收能够做出贡献，因此硅基太阳电池可以使用双面上下电极，这样可以免去了光刻电极图形等工艺步骤，降低了电极制作成本。因此使用硅衬底来制作GaN/InGaN器件是许多研究者一直希望实现的技术。目前最大的技术难题在于氮化镓外延层与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，而且在氮化镓薄膜生长过程中容易形成非晶氮化硅(参见文献：江风益，硅衬底氮化镓LED材料与器件研发进展.第11届全国发光学学术会议论文摘要集，2007.)，所以若要在硅衬底上得到无龟裂的高质量的氮化镓材料，需要寻找合适的缓冲层材料以及优化外延工艺来解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基单结氮化镓铟太阳电池，实现在大面积单晶硅上外延InGaN薄膜制备太阳电池的工艺技术。该太阳电池具有工艺成本较低，光电转换效率高(25％以上)，以及良好的抗辐射性等特点。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：由自下而上排列的背面电极、硅衬底、籽晶层、缓冲层、n型掺杂的氮化镓缓冲层、InaGa1-aN层、非故意掺杂的InbGa1-bN层、p型掺杂的IncGa1-cN层、窗口层、正面电极和减反射导电膜组成。其中：硅衬底和InaGa1-aN层为n型掺杂结构，籽晶层和缓冲层由氧化锌材料制成，窗口层由p型重掺杂的氮化镓制成，减反射导电膜覆盖窗口层除正面电极外的区域。
本发明与传统氮化镓铟太阳电池相比具有以下的优点：
其一.能降低器件制作成本。对于氮化镓和氮化镓铟光电器件而言，实际生产中大多数使用的是蓝宝石衬底甚至更贵的碳化硅衬底。相比之下，单晶硅衬底价格低廉，尺寸大，能够进行大面积的芯片外延，即可以单次外延生长数量更多的芯片。因此平均到每个芯片，外延的工艺成本与设备折旧成本降低了。能够降低电极工艺成本。因硅的导电性能好，对光的吸收率高，因此硅基太阳电池可以使用双面上下电极，这样可以免去了光刻电极图形等复杂工艺步骤，降低了电极制作成本。
其二.采用独特的氧化锌纳米阵列作为缓冲层，能较有效地解决硅衬底外延氮化镓薄膜时遇到的晶格匹配与热膨胀系数匹配的问题，有助于减少外延层的缺陷密度和热应力，保证外延层的晶体质量，同时该缓冲层的制备工艺简单，不需要昂贵的设备与材料。
其三.通过外延生长较低In组分InGaN材料来制备太阳电池的n区与p区，同时引入较高铟组分的本征InGaN层共同构成p-i-n结构的光吸收区域，目的是在不影响光电转换效率与成本的情况下，降低直接生长高In组分氮化镓铟pn结的难度，保证薄膜质量，扩大光子吸收范围，最大限度地提高太阳电池效率。
其四.采用p型重掺杂的氮化镓层作为电极窗口层，目的是在电极与太阳电池p区间形成电子势垒，使光生电子远离欧姆接触，减少光生电子的损耗。使用强碱对该层表面进行制绒处理，目的是增加入射光在电池表面的反射次数，提高对太阳光的吸收率。
其五.所设计的结构可用于新型高效太阳电池芯片的制造。
附图说明
图1为单结氮化镓铟太阳电池的结构示意图。
图中：1.n型掺杂的硅衬底；2.氧化锌籽晶层；3.氧化锌纳米阵列缓冲层；4.n型掺杂的氮化镓缓冲层；5.n型掺杂的InaGa1-aN层；6.非故意掺杂的InbGa1-bN层；7.p型掺杂的IncGa1-cN层；8.p型重掺杂的氮化镓窗口层；9.正面电极；10.减反射导电膜；11.背面电极。
具体实施方式
本发明采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，通过精确控制反应物流量比、温度、压强、沉积时间等参数，在反应腔室里进行不同厚度、不同化学组分、不同掺杂浓度的薄膜生长。本发明在硅衬底上制备独特的缓冲层来外延p-i-n结构的InGaN薄膜，并将电极制作在芯片的上下两面。该设计有效降低了衬底成本和电极制作成本，为规模化生产InGaN太阳电池提供了可能性。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
实施例1：硅基单结氮化镓铟(InGaN)太阳能电池。
所述太阳能电池的结构如图1所示：设有一个n型掺杂的硅衬底1，在该硅衬底的上面制作一层氧化锌籽晶层2。设有一层氧化锌纳米阵列缓冲层3，它制作在氧化锌籽晶层2的上面。设有一层n型掺杂的氮化镓缓冲层4，它制作在氧化锌纳米阵列缓冲层3的上面。设有一层n型掺杂InaGa1-aN层，它制作在n型掺杂的氮化镓缓冲层3的上面。设有一层非故意掺杂的InbGa1-bN层6，它制作在n型掺杂InaGa1-aN层5的上面。设有一层p型掺杂的IncGa1-cN层7，它制作在非故意掺杂InbGa1-bN层之上。设有一层p型重掺杂的氮化镓窗口层8，它制作在p型掺杂的IncGa1-cN层7之上。设有正面电极，该正面电极制作在所述氮化镓窗口层之上。设有背面电极，该背面电极制作在所述硅衬底的背光面上。设有一层减反射导电膜，该减反射导电膜覆盖p型重掺杂的氮化镓窗口层8的除正面电极9之外的区域。
所述n型掺杂的硅衬底的电子浓度为5E14-2E20/cm3。
所述的氧化锌籽晶层的厚度为0.01-0.1μm，该氧化锌籽晶层有助于实现氧化锌缓冲层的生长。
所述的氧化锌纳米阵列缓冲层的厚度为0.2-2.5μm，该氧化锌纳米阵列缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，有助于提高晶体质量。
所述的n型掺杂的氮化镓缓冲层的厚度为0.5-3μm，电子浓度为1E16-1E19/cm3，该氮化镓缓冲层能进一步减少外延层的缺陷密度，有助于提高晶体质量。
所述的n型掺杂的InaGa1-aN层的厚度为0.05-0.3μm，其中0.15≤a≤0.35(对应的带隙范围：2.14-2.82eV)，电子浓度为5E17-5E19/cm3，该InaGa1-aN层作为太阳电池p-i-n结的n区。
所述的非故意掺杂的InbGa1-bN层的厚度为0.2-0.6μm，其中0.45≤b≤0.65(对应的带隙范围：1.32-1.84eV)，该非故意掺杂的InbGa1-bN层作为太阳电池p-i-n结的i区。
所述的p型掺杂的IncGa1-cN层的厚度为0.05-0.2μm，其中0.05≤c≤0.35(对应的带隙范围：2.14eV-3.2eV)，空穴浓度为1E17-1E19/cm3，该p型掺杂的IncGa1-cN层作为太阳电池p-i-n结的p区。
所述的p型重掺杂的氮化镓窗口层厚度为0.05-0.2μm，空穴浓度为5E17-5E19/cm3，表面使用强碱处理成绒面结构，该结构有助于提高光电转换效率。
所述的正面电极是金电极或镍金电极或铬金电极，厚度为0.2-5μm。
所述的背面电极是银电极或银铝电极，厚度为0.5-10μm。
所述的减反射导电膜的材料是ITO导电膜或AZO导电膜或ZnS/MgF2膜，厚度为0.05-0.1μm。
实施例2：硅基单结氮化镓铟(InGaN)太阳能电池的制备。
所述太阳能电池的制备采用包括以下步骤的方法：
步骤一：选择一片n型掺杂的硅衬底1，通过掺入磷杂质，得到n型掺杂的硅片；
步骤二：在硅衬底表面溅射一层0.01-0.1μm厚的氧化锌籽晶层2，然后使用湿化学法、水热法或其他方法在硅片表面生长定向氧化锌纳米阵列缓冲层3，厚度为0.2-2.5μm。
步骤三：采用金属有机物化学气相沉积技术，在氧化锌纳米阵列缓冲层3上生长硅掺杂的n型的氮化镓缓冲层4。生长温度为1000-1150℃，生长压力为50-500torr，厚度为0.5-3μm，电子浓度为1E16-1E19/cm3；
步骤四：采用金属有机物化学气相沉积技术，在n型掺杂的氮化镓缓冲层4上生长硅掺杂的n型InaGa1-aN层5。其中0.15≤a≤0.35，生长温度为900-1100℃，生长压力为50-500torr，厚度为0.05-0.3μm，电子浓度为1E17-5E19/cm3。
步骤五：采用金属有机物化学气相沉积技术，在n型掺杂的InaGa1-aN层5上生长非故意掺杂的InbGa1-bN层6。其中0.45≤b≤0.65，生长温度为900-1100℃，生长压力为50-500torr，厚度为0.2-0.6μm；
步骤六：采用金属有机物化学气相沉积技术，在非故意掺杂的InbGa1-bN层6上生长镁掺杂的p型掺杂的IncGa1-cN层7。其中0.05≤c≤0.35，生长温度为1000-1150℃，生长压力为50-500torr，厚度为0.05-0.2μm，空穴浓度为1E17-1E19/cm3。
步骤七：采用金属有机物化学气相沉积技术，在p型掺杂的IncGa1-cN层7上生长镁重掺杂的p型掺杂的氮化镓窗口层8。其中生长温度为1000-1150℃，生长压力为50-500torr，厚度为0.05-0.2μm，空穴浓度为5E17-5E19/cm3。
步骤八：使用强碱溶液处理p型重掺杂的氮化镓窗口层8的表面，使之形成绒面结构。其中所用的强碱溶液是KOH溶液或NaOH溶液。
步骤九：在p型重掺杂的氮化镓窗口层8上制作正面电极9。该正面电极为金电极或镍金电极或铬金电极，厚度为0.2-5μm，制作方法为蒸镀法或溅射法。
步骤十：在p型重掺杂的氮化镓窗口层8的表面(除正面电极之外的区域)溅射一层减反射导电膜10。该减反射导电膜为ITO导电膜或AZO导电膜或ZnS/MgF2膜，厚度为0.05-0.1μm。
步骤十一：在硅衬底背面镀上一层背面电极11。该电极为银电极或银铝电极，厚度为0.5-10μm。
在上述步骤中，InGaN薄膜中a、b、c的含量通过调节MOCVD中金属有机源(TMIn、TMGa)的流量比来实现。电子(空穴)的掺杂浓度的大小通过调节掺杂气体的流量来实现。
另使用PC1D仿真软件对该结构的太阳电池进行模拟仿真。通过调节非故意掺杂InbGa1-bN层6中In元素的含量b，得到结果见表1。
表1中：模拟光源为AM1.5G(0.1W//cm2)；光照面积为1cm2。
附表
表1对本太阳电池进行模拟仿真试验的结果
  b   短路电流(mA)  开路电压(V)   填充因子   转换效率
  0.4   13.8  1.53   85.5％   18％
  0.5   22.4  1.27   83.1％   23.7％
  0.6   29.9  0.99   82.5％   24.2％
  0.65   34.0  0.93   81.1％   25.7％
  0.7   38.7  0.77   76.7％   23.3％

Claims (10)

1.一种太阳能电池，其特征是一种硅基单结氮化镓铟太阳能电池，该电池的结构为由自下而上排列的背面电极(11)、硅衬底(1)、籽晶层(2)、缓冲层(3)、n型掺杂的氮化镓缓冲层(4)、InaGa1-aN层(5)、非故意掺杂的InbGa1-bN层(6)、p型掺杂的IncGa1-cN层(7)、窗口层(8)、正面电极(9)和减反射导电膜(10)组成，其中：硅衬底(1)和InaGa1-aN层(5)为n型掺杂结构，籽晶层(2)和缓冲层(3)由氧化锌材料制成，窗口层(8)由p型重掺杂的氮化镓制成，减反射导电膜(10)覆盖窗口层(8)除正面电极(9)外的区域。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：硅衬底(1)的电子浓度为5E14-2E20/cm3。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：籽晶层(2)和缓冲层(3)的厚度分别为0.01-0.1μm、0.2-2.5μm。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：n型掺杂的氮化镓缓冲层(4)的厚度为0.5-3μm，电子浓度为1E16-1E19/cm9。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述n型掺杂InaGa1-aN层(5)的厚度为0.05-0.3μm，电子浓度为5E17-5E19/cm3，0.15≤a≤0.35。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的非故意掺杂的InbGa1-bN层(6)的厚度为0.2-0.6μm，0.45≤b≤0.65。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的p型掺杂的IncGa1-cN层(7)的厚度为0.05-0.2μm，空穴浓度为1E17-1E19/cm3，0.05≤c≤0.45。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的窗口层(8)的厚度为0.05-0.2μm，空穴浓度为5E17-5E19/cm3，并使用强碱处理成绒面结构。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述的电极中，正面电极(9)是金电极或镍金电极或铬金电极，厚度为0.2-5μm；背面电极(11)是银电极或银铝电极，厚度为0.5-10μm。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述的减反射导电膜(10)的材料是ITO导电膜或AZO导电膜或ZnS/MgF2膜，厚度为0.05-0.1μm。
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