CN102214721B - 一种iii族氮化物双异质结太阳能光伏电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，具体为一种III组氮化物双异质结太阳能光伏电池。本发明利用铟镓氮(InGaN)材料制备双异质结PN结构太阳能光伏电池；在所述双异质结结构包括n型In组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高In组分InGaN外延薄膜材料为中间层，p型低铟组分InGaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。本发明利用双异质结结构设计太阳能光伏电池结构，扩大电池吸收太阳光光波段窗口，提高吸收率，适用于太阳能光伏电池器件。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于转化太阳光光能为直流电的PN结光伏电池。
背景技术
太阳能源是最为洁净的可再生能源，研究如何利用太阳能是发展能源技术的重要课题， 而太阳能光伏电池是利用太阳能最为简洁方便的手段之一。目前，太阳能光伏电池主要以多晶硅、单晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池为主。用在太空中的太阳能电池目前多采用转换效率更高的直接带隙半导体InGaAsP 体系材料。目前，单结的GaAs 太阳电池转换效率可以达到25.7％，单结的InP 太阳电池转换效率可以达到19.9％。为了提高太阳电池的转换效率，尝试制备多节电池结构，充分吸收太阳光谱中各波段的能量。目前，双结的InGaP/GaAs 太阳电池的转换效率可以达到30.3％，而三结的InGaP/GaAs/Ge, Ga0.51In0.49P/In0.04Ga0.96As/In0.37Ga0.63As等太阳电池的转换效率则可以达到40％多。但这些多节太阳电池制造的难度增加，成本昂贵，很难在民用市场得到推广,使得主要应用集中在航天航空工业中。此外，InGaAsP 材料制备所需的As，P 源具有很强的毒性，对环境不友好。寻找新的太阳能光伏电池显得很有必要。
III 族氮化物中InGaN 合金材料的带隙连续可调，对应的光谱几乎完美覆盖整个太阳光谱，是实现高效率太阳能电池的理想材料体系。这一新材料体系被用来制备太阳电池，尤其是用来制备多节串联电池，只需要改变InGaN 合金材料中不同In和Ga金属的组分，即可以调节吸收不同波段的光子，调节吸收窗口。这给予设计和生长串联电池极大的自由度，有利于达到最佳的吸收波段组合。InGaN基与Si、GaAs 基太阳电池相比，除了带隙可以通过In的组分灵活调节，使得吸收波段与太阳光谱匹配优势外，还具备其他优势，包括：InGaN的吸收系数比Si、GaAs 高一至两个数量级，有利于制备更薄、更轻的电池，对航天应用非常重要；其次，InGaN 合金体系多节串联电池生长工艺简单，在同一生长设备中生长，通过改变In 组分就可制备多节InGaN太阳电池，比目前用几种不同的半导体材料制备多节太阳电池的工艺更简单，成本更低；第三，InGaN材料硬度高，化学性质和热稳定性很好，抗辐射能力强，适合应用于强辐射，高温等恶劣环境中。因此，III 族氮化物太阳能电池可成为第三代光伏技术的重要发展方向之一。
然而， InGaN材料制备并不容易，在高In组分，尤其是当In的组分大于0.3，常规方法制备InGaN材料的质量很差，这造成III族氮化物太阳能电池由于In的含量普遍不高，吸收波段往往处于蓝紫光和紫外，对于黄绿光、红光和红外不能吸收，因而在太阳光谱照射下，往往转换效率很难提高最多只有1%。为了提高电池的转换效率，必须拓宽电池的吸收波段，尽量使得太阳光的长波段光能够被吸收，提高效率。要求InGaN吸收层的带隙变窄，InGaN合金的In含量大于0.3，以便能吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转换效率高的III族氮化物太阳能光伏电池。
本发明提供的III族氮化物太阳能光伏电池，采用双异质结三明治结构，包括n型In组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高In组分InGaN外延薄膜材料为中间层，p型低In组分InGaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。采用该双异质结结构光伏电池可以提高电池吸收层的In的含量，使吸收层的带隙变窄，便于吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段，从而获得更高的电池转换效率。
本发明提出的新型InGaN/InGaN双异质结结构太阳能光伏电池，提高吸收层InGaN中In的含量，使吸收层的带隙变窄，便于吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段，从而获得更高的电池转换效率。
本发明中，利用低In组分的P型和N型InGaN薄膜材料作为太阳能光伏电池的P层和N层两极，代替利用P型和N型GaN薄膜材料作为太阳能光伏电池的P层和N层两极，如利用P和N型In0.1Ga0.9N作为夹层，高In组分如In0.4Ga0.6N作为中间层制备得三明治双异质结P-In0.1Ga0.9N/In0.4Ga0.6N/N-In0.1Ga0.9N P-I-N太阳能电池，代替P-GaN/In0.4Ga0.6N/N-GaN P-I-N结构。所述太阳能电池使P和N层与中间的InGaN吸收层材料In组分相差不大，P和N层与中间的InGaN吸收层的晶格常数差值变小，缓冲N型InGaN下面的支撑层N型GaN与高In组分的InGaN中间层之间的晶格失配，使得中间InGaN吸收层受到内应力变小，降低中间InGaN吸收层所受拉伸效应(pulling effect)，提高中间InGaN吸收层材料质量并且提高In在InGaN材料中嵌入，即提高In的组分。所述太阳能电池InGaN吸收层材料质量和提高In的组分，降低InGaN吸收层半导体禁带带隙。所述太阳能电池吸收限提高到更长太阳光光波段，展宽吸收太阳光窗口，提高太阳能电池效率。
本发明中，低In组分InGaN层缓冲了支撑层GaN和高In组分InGaN吸收层之间失配，调节应力，提高InGaN材料质量，提高In组分，展宽吸收窗口，提高III族氮化物太阳能电池的性能，是本发明的重要特色和创新。
本发明中，所用的衬底材料为蓝宝石、碳化硅或硅衬底。
本发明的机理是：GaN和InN薄膜的晶格常数相差很大，a轴晶格常数分别为0.3189和0.3537nm，InxGa1-xN合金的晶格常数随In组分x值增大而增大，在0.3189- 0.3537nm范围随x值变化。利用金属有机物化学气相外延沉积技术制备InGaN薄膜材料都是要在蓝宝石或其它衬底上先制备GaN材料，之后在GaN上生长InGaN薄膜。InGaN薄膜含有InN组分，晶格常数比GaN大，在GaN薄膜上生长受到压力应变，薄膜内部产生压应力作用。在III族氮化物太阳电池制备中，如果仍然采用InGaN/GaN双异质结或量子阱结构，高In组分的InGaN和GaN大晶格失配，晶格应力加大，使得生长InGaN层困难，薄膜质量下降；同样，如果采用同质结InGaN P-I-N结构，P和N型InGaN夹层的In组分和中间吸收层In组分一致，高In组分的P型InGaN不可制备，致使同质InGaN P-I-N结构太阳能电池只能限制在In组分低于0.2范围内，吸收窗口太窄，效率低下。本发明提出一种新型的太阳能电池结构，即用低In组分，如In0.1Ga0.9N的P和N型层作为夹层，高In组分如In0.4Ga0.6N作为中间层制备得双异质结，如P-In0.1Ga0.9N/In0.4Ga0.6N/N-In0.1Ga0.9N P-I-N太阳能电池，其中的P和N层的In组分可调，I层In组分也可调，如图1所示。所述太阳能电池使P和N层与中间的InGaN吸收层材料In组分相差不大，P和N层与中间的InGaN吸收层的晶格常数差值变小，缓冲N型InGaN下面的支撑层N型GaN与高In组分的InGaN中间层之间的晶格失配，使得中间InGaN吸收层受到内应力变小，降低中间InGaN吸收层所受拉伸效应(pulling effect)，提高中间InGaN吸收层材料质量并且提高In在InGaN材料中嵌入，即提高In的组分，降低InGaN吸收层半导体禁带带隙，展宽吸收太阳光窗口，提高太阳能电池效率。
本发明有益效果是：展宽III族太阳能光伏电池吸收太阳光窗口，提高太阳能电池效率。
附图说明
图1 是本发明的III族氮化物双异质结太阳能光伏电池一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
结合图1和实施例，详细说明本发明。
具体制备步骤如下：
1、利用金属有机物化学气相外延技术在蓝宝石1上利用两步生长法生长一层N型硅掺杂GaN薄膜2。
2、利用金属有机物化学气相外延技术在 N型硅掺杂GaN薄膜2之上外延N型低In组分InGaN薄膜3。
3、利用金属有机物化学气相外延技术在N型硅掺杂低In组分InGaN薄膜3之上外延高In组分InGaN薄膜4。
4、利用金属有机物化学气相外延技术在所述高In组分InGaN薄膜4之上外延P型低In组分InGaN薄膜5。
5、利用电子束蒸发台P型低In组分InGaN薄膜5之上蒸发 P电极栅镍金(Ni/Au)双层膜6。
6、利用GaN基LED芯片制作工艺刻蚀 P型低In组分InGaN薄膜5、高In组分InGaN薄膜4、N型低In组分InGaN薄膜3到 N型GaN薄膜2，露出N型GaN薄膜2，形成GaN台阶。
7、利用电子束蒸发台在N型GaN薄膜2台阶之上蒸发N电极钛铝(Ti/Al)双层膜7。
8、在P电极栅镍金(Ni/Au)双层膜6和 N电极钛铝(Ti/Al)双层膜7之上分别键合铜线8。
9、利用太阳辐射照射太阳电池9，电池吸收太阳辐射，形成电子10和空穴11，形成光伏效应。
Claims (3)
1.一种III族氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于双异质结三明治结构，包括n型低In组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高In组分InGaN外延薄膜材料为中间层，p型低铟组分InGaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池；
所述三明治结构中，三层外延薄膜半导体禁带带隙结构为n型低In组分InGaN外延薄膜材料与p型低In组分InGaN外延薄膜材料禁带带隙相同，高于高In组分InGaN外延薄膜材料中间层的半导体带隙，形成双异质结结构；
其中，所述低In组分InGaN为In0.1Ga0.9N, 所述高In组分InGaN为In0.4Ga0.6N。
2.根据权利要求1 所述的III族氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于所述的外延是利用金属有机物化学气相沉积在衬底材料上的外延。
3.根据权利要求2所述的III族氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于所述的衬底材料为蓝宝石、碳化硅或硅衬底。
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