CN102290493A - 一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法 - Google Patents

一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法 Download PDF

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孙强
张启明
王帅
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Abstract

本发明涉及一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，包括在衬底上依次生长GaN成核层、GaN缓冲层、n-GaN层和p-GaN层，其特征在于：在n-GaN层和p-GaN层之间还生长未掺杂的i-InxGa1-xN层，p-GaN层上蒸镀半透明电流扩展层，半透明电流扩展层上蒸镀正电极，n-GaN层上蒸镀负电极。本发明采用成熟的生长工艺，在Si掺杂的n-GaN层上生长未掺杂的i-InxGa1-xN层，提高了光电转换效率，相对于量子点或量子阱结构，易于制备；通过蒸镀半透明电流扩展层以及正、负电极，实现了完整太阳电池的直接应用，并进一步提高了抗辐射能力，延长了电池的使用寿命。

Description

一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法
技术领域
 本发明属于太阳能电池结构技术领域，特别是涉及一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着全球范围的能源危机和生态环境问题的日益恶化，人们对太阳能这种取之不尽用之不竭的绿色能源越来越重视，长期以来，人们在孜孜不倦地寻找高转换效率的材料。近年来，第三代半导体材料GaN及InGaN，AlGaN为代表的Ⅲ族氮化物是人们研究的热点，它主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件。2002年的研究结果表明，InN的禁带宽度不是之前报道的1.89eV而是0.7eV，这就意味着通过调节InGaN材料中In组分，可使其禁带宽度从GaN的 3.4eV到InN的 0.7eV连续可调，其对应吸收光谱的波长从365nm的紫外部分可以一直延伸到近1770nm的红外部分，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，于是InGaN材料在太阳能电池领域中的应用引起了人们的密切关注。
除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN材料和常规太阳能电池材料相比，还有如下优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比GaAs、Si高一、两个数量级，这就意味着InGaN太阳能电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，尤其对于航天应用有着重要的意义；第二，InN和GaN的电子迁移率都较高，有利于减小复合，从而提高太阳能电池的短路电流；第三，InGaN材料的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳能电池材料强，更适合应用于强辐射环境。理论计算表明，InGaN单结太阳能电池的最高理论转换效率为27.3%，高于Si或GaAs单结电池的理论值。
经过检索发现专利号为200510098734.9，名称为：一种含多量子阱结构的InGaN系宽谱太阳能电池的发明专利，结构包括一衬底，其上依次为过渡层、p 型InGaN 层、两种不同组分的InGaN材料组成的多量子阱结构层和n型InGaN 层；专利号为200810240351.4，名称为：p-i-n型InGaN量子点太阳能电池结构及其制作方法的发明专利，结构包括：一衬底，其上依次为低温氮化稼成核层、非有意掺杂氮化稼缓冲层、 n 型掺杂 InxGa1-xN 层、非掺杂 i 层 InyGa1-yN 量子点结构和 p 型掺杂 InxGal-xN 层。上述发明专利的光电转换效率均得到提高，但量子阱或量子点导致电池结构在外延生长中的工艺复杂，增加了电池的制作难度；专利号为200710062978.0，名称为：单结铟镓氮太阳能电池结构及制作方法的发明专利，结构包括：一衬底，其上依次为一低温氮化稼成核层，一非有意掺杂氮化稼缓冲层，一n 型掺杂 Inx Ga1-xN 层，一 p 型掺杂 InxGa1-xN 层，本发明专利无量子点或量子阱结构，制作过程简单、抗辐射能力强，但光电转换效率还有待提高。
上述技术均描述至InGaN材料的生长过程，无法作为完整的太阳电池直接应用，并且减少对载流子的收集，影响使用寿命。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种使用寿命长、可加强对载流子的收集、能够直接应用，并且易于制备、抗辐射能力强、光电转换效率高的p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，包括在衬底上采用金属有机化学气相沉积技术依次生长GaN成核层、GaN缓冲层、n-GaN层和p-GaN层，其特点是：在n-GaN层和p-GaN层之间还生长未掺杂的i-InxGa1-xN层，p-GaN层上蒸镀半透明电流扩展层，半透明电流扩展层上蒸镀正电极，n-GaN层上蒸镀负电极；所述未掺杂的i-InxGa1-xN层中：0.5≤x≤0.8，生长温度为500-1000℃，厚度为150-200nm；半透明电流扩展层、正电极、负电极的蒸镀过程包括：
半透明电流扩展层：在p-GaN层上蒸镀ITO膜，蒸镀时真空度为10-4Pa以下，同时通流量约为2-5sccm的氧气，形成厚度为100-300nm后放置在450℃的N2环境下，退火15分钟，形成半透明电流扩展层；
    正电极、负电极蒸镀前：在半透明电流扩展层上光刻出保护区和蚀刻区，通过干法蚀刻去掉蚀刻区的半透明电流扩展层、p-GaN层和i-InxGa1-xN层；在半透明电流扩展层上刻出正电极区域，在蚀刻区的n-GaN层上刻出负电极区域；
正电极的蒸镀：在正电极区域先蒸镀一层厚度20-40nm 的Ni，在Ni层上再蒸镀一层厚度70-90nm的 Au，各蒸镀10-60分钟，形成正电极，蒸镀时真空度为10-4Pa以下，最后在500℃的N2环境下，退火1分钟； 
负电极的蒸镀：在负电极区域依次蒸镀厚度为20-40nm/20-40nm/200-400nm的Ti/Al/Au，各蒸镀10-60分钟，形成负电极，蒸镀时的真空度要为10-4Pa以下，最后在800℃的N2环境下，退火3分钟。
本发明还可以采取如下技术方案：
所述GaN成核层的生长温度为500-650℃，厚度范围为10-35nm。
所述GaN缓冲层的生长温度为950-1100℃，厚度范围为1-2.5μm。
所述Si掺杂的n-GaN层生长温度为600- 1100℃，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3，厚度范围为200nm-250nm。
所述Mg掺杂的p-GaN层，生长温度为600-1100℃，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，厚度范围为100-150nm。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明采用广泛应用于LED、激光二极管和光电探测等领域成熟的生长工艺，通过在Si掺杂的n-GaN层上生长未掺杂的i-InxGa1-xN层，可靠性高，提高了光电转换效率，并且相对于量子点或量子阱结构的太阳能电池，易于制备。 
2、本发明通过蒸镀半透明电流扩展层，加强了对载流子的收集，并进一步提高了抗辐射能力，延长了电池的使用寿命。
3、本发明通过蒸镀半透明电流扩展层以及正、负电极等器件工艺，实现了完整太阳电池的直接应用。
附图说明
图1为本发明p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法主视示意图；
图2为本发明第一次光刻后的俯视示意图；
图3为本发明第二次光刻后的俯视示意图。
图中：1、衬底；2、GaN成核层；3、GaN缓冲层；4、n-GaN层；5、负电极；6、i-InxGa1-xN层；7、p-GaN层；8、半透明电流扩展层；9、正电极；10、保护区；11、蚀刻区；12、正电极区域；13、负电极区域。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1-图3。
首先采用MOCVD即金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底1上依次生长GaN成核层2、GaN缓冲层3、n-GaN层4、i-InxGa1-xN层6和p-GaN层7，具体制作过程为： 
GaN成核层，生长温度为500-650℃，厚度范围为10-35nm，本层可增加衬底表面的成核密度；
GaN缓冲层，生长温度为950-1100℃，厚度范围为1-2.5μm，本层可减少外延层的缺陷密度，从而提高晶体质量；
Si掺杂的n-GaN层，生长温度为600- 1100℃，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3，厚度范围为200nm-250nm，这个厚度范围可同时保证光的吸收以及空穴的扩散；
未掺杂的i-InxGa1-xN层，其中0.5≤x≤0.8，生长温度为500-1000℃，厚度范围为150-200nm，如果超过这个厚度范围，内建电场在此区域会变弱；
Mg掺杂的p-GaN层，生长温度为600-1100℃，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，厚度范围为100-150nm，这个厚度范围可提供足够的电荷，以及合适的顶部金属接触条件。
上述各层材料生长之后，在p-GaN层上蒸镀ITO膜作为半透明电流扩展层8，再依次进行第一次光刻、干法蚀刻、第二次光刻、蒸镀正电极9和负电极5：
蒸镀ITO：采用传统的蒸镀工艺蒸镀ITO膜。为保持ITO薄膜的化学比不失衡，蒸镀时真空度为10-4Pa以下，同时通流量约为3.5sccm的氧气，最终形成半透明电流扩展层，其厚度范围100-300nm，之后放置在450℃的N2环境下，退火15分钟；
第一次光刻：采用传统的光刻工艺，根据图2在半透明电流扩展层上光刻出保护区10和蚀刻区11；
干法蚀刻：采用传统的干法蚀刻工艺，去掉蚀刻区的半透明电流扩展层、p-GaN层和i-InxGa1-xN层，蚀刻深度大约为350nm；
第二次光刻：采用传统的光刻工艺，在保护区的半透明电流扩展层上刻出图3所示的正电极区域12，在蚀刻区的n-GaN层4上刻出图3所示的负电极区域13；
蒸镀正电极：采用传统的蒸镀工艺在正电极区域先蒸镀一层厚度30nm 的Ni，再蒸镀一层厚度80nm的 Au，各蒸镀20分钟，形成图1所示的正电极；蒸镀时的真空度为10-4Pa以下，最后在500℃的N2环境下，退火1分钟；
蒸镀负电极：采用传统的蒸镀工艺在负电极区域依次蒸镀厚度为20nm/20nm/200nm的Ti/Al/Au，各蒸镀20分钟，形成图1所示的负电极；蒸镀时的真空度要为10-4Pa以下，最后在800℃的N2环境下，退火3分钟。
通过以上步骤的实施，完成本发明p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法的制作过程。
以上是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，包括在衬底上采用金属有机化学气相沉积技术依次生长GaN成核层、GaN缓冲层、n-GaN层和p-GaN层，其特征在于：在n-GaN层和p-GaN层之间还生长未掺杂的i-InxGa1-xN层，p-GaN层上蒸镀半透明电流扩展层，半透明电流扩展层上蒸镀正电极，n-GaN层上蒸镀负电极；所述未掺杂的i-InxGa1-xN层中：0.5≤x≤0.8，生长温度为500-1000℃，厚度为150-200nm；半透明电流扩展层、正电极、负电极的蒸镀过程包括：
半透明电流扩展层：在p-GaN层上蒸镀ITO膜，蒸镀时真空度为10-4Pa以下，同时通流量约为2-5sccm的氧气，形成厚度为100-300nm后放置在450℃的N2环境下，退火15分钟，形成半透明电流扩展层；
    正电极、负电极蒸镀前：在半透明电流扩展层上光刻出保护区和蚀刻区，通过干法蚀刻去掉蚀刻区的半透明电流扩展层、p-GaN层和i-InxGa1-xN层；在半透明电流扩展层上刻出正电极区域，在蚀刻区的n-GaN层上刻出负电极区域；
正电极的蒸镀：在正电极区域先蒸镀一层厚度20-40nm 的Ni，在Ni层上再蒸镀一层厚度70-90nm的 Au，各蒸镀10-60分钟，形成正电极，蒸镀时真空度为10-4Pa以下，最后在500℃的N2环境下，退火1分钟； 
负电极的蒸镀：在负电极区域依次蒸镀厚度为20-40nm/20-40nm/200-400nm的Ti/Al/Au，各蒸镀10-60分钟，形成负电极，蒸镀时的真空度要为10-4Pa以下，最后在800℃的N2环境下，退火3分钟。
2.根据权利要求1所述的p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述GaN成核层的生长温度为500-650℃，厚度范围为10-35nm。
3.根据权利要求1所述的p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述GaN缓冲层的生长温度为950-1100℃，厚度范围为1-2.5μm。
4.根据权利要求1所述的p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述Si掺杂的n-GaN层生长温度为600- 1100℃，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3，厚度范围为200nm-250nm。
5.根据权利要求1所述的p-i-n型单结InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述Mg掺杂的p-GaN层，生长温度为600-1100℃，掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，厚度范围为100-150nm。
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