CN102723397A - 异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异质结太阳能电池，包括一具有第一导电类型的第一薄膜，以及在第一薄膜表面依次设置的一有源区及一具有第二导电类型的第二薄膜，所述第一薄膜与有源区之间还包括一与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层，第二薄膜与有源区之间还包括一与第二薄膜相异质的第二渐变缓冲层。本发明还提供一种如上述的一种异质结太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）在第一薄膜裸露表面生长与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层；2）在第一渐变缓冲层裸露表面外延生长有源区；3）在有源区裸露表面生长第二渐变缓冲层；4）在第二渐变缓冲层裸露表面生长与第二渐变缓冲层相异质的第二薄膜层，且第一薄膜与第二薄膜的导电类型相反。

Description

异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着环境污染以及能源危机等问题的加剧，人们对新能源（尤其是基于完全无害的太阳光的太阳电池）的利用充满了期待。某些太阳能电池材料受掺杂和组分的影响，而使用它们的异质结构可避免上述问题，故此含有这种异质结构的P-N或P-I-N太阳电池越来越得到人们的重视。当使用异质结时，由于晶格失配的问题不仅使常规生长的材料中存在过多的晶格缺陷，而且异质结的势垒会阻碍载流子的输运和收集，不利于提高太阳电池的效率。鉴于此，基于渐变层缓冲结构的太阳电池近年来得到了广泛关注。
基于常规异质结设计思想的太阳电池制备方法，简要步骤如图1，包括：步骤100，在衬底205表面依次生长缓冲层204、N型层或P型层203，形成结构如图2A；步骤101，在N型层或P型层203表面生长晶格失配的有源区202，形成结构如图2B；步骤102，在有源区202表面生长顶层P型或N型层201，形成结构如图2C；步骤103，制作电流扩展层206，淀积金属，制作N电极207、P 电极210，形成结构如图2D。如图1、图2A、图2B、图2C和图2D所示，按此方法，在有源区202的生长过程中直接生长与N型和P型层晶格常数差别较大的材料，由于晶格失配度高，生长过程中因为应力释放的原因会出现大量的失配位错，如图2C中的位错208所示，从而降低材料的结晶质量进而影响太阳电池的性能。同时，由于有源区与N型和P型层之间的材料相差较大，故接触的势垒较高，如传统失配体系太阳电池能带结构简图，即图5A所示，这不利于载流子的输运，会降低太阳电池的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供异质结太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种异质结太阳能电池，包括一具有第一导电类型的第一薄膜，以及在第一薄膜表面依次设置的一有源区及一具有第二导电类型的第二薄膜，所述第一薄膜与有源区之间还包括一与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层，第二薄膜与有源区之间还包括一与第二薄膜相异质的第二渐变缓冲层。
所述的异质结太阳能电池，进一步包括一衬底以及一电流扩展层，所述第一薄膜设置在衬底表面，所述电流扩展层设置在第二薄膜表面。
所述第一渐变缓冲层的材料与第二渐变缓冲层的材料均为InxGa1-xN，有源区的材料为InyGa1-yN，y的范围为0至1；第一渐变缓冲层中x按照远离衬底方向由0渐变至y，而第二渐变缓冲层中x按照远离衬底方向由y渐变至0。
所述的异质结太阳能电池，进一步包括一缓冲层，置于衬底与第一薄膜之间。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种如上述的一种异质结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1）在第一薄膜裸露表面生长与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层；
2）在第一渐变缓冲层裸露表面外延生长有源区；
3）在有源区裸露表面生长第二渐变缓冲层；
4）在第二渐变缓冲层裸露表面生长与第二渐变缓冲层相异质的第二薄膜层，且第一薄膜与第二薄膜的导电类型相反。
所述步骤1）之前进一步包括步骤：提供一衬底，在衬底表面生长第一薄膜；所述步骤4）之后进一步包括步骤：在第二薄膜裸露表面生长电流扩展层。
所述步骤1）中第一渐变缓冲层的生长和步骤3）中第二渐变缓冲层的生长均采用组分线性变化生长或组分突变生长。
所述在衬底表面生长第一薄膜的步骤，进一步包括步骤：在衬底表面生长一缓冲层，后在缓冲层表面生长第一薄膜。
本发明提供异质结太阳能电池及其制备方法，优点在于：
本发明对传统异质失配结构的太阳电池器件制备方法做出了创新，解决了传统制备方法中N型和P型层与有源区晶格不匹配所导致的问题，能有效减少材料缺陷带来的载流子复合损失；降低N型和P型与有源区的势垒高度，提高载流子的输运效率，提高了太阳电池的光电性能和效率。
附图说明
图1是传统异质失配体系太阳电池制备的方法流程图；
图2A至2D是传统异质失配体系太阳电池器件制备的工艺步骤流程图；
图3是本发明提供的异质结太阳能电池制备方法第二具体实施例的方法流程图；
图4A至4E是本发明提供的异质结太阳能电池制备第二具体实施例的工艺步骤流程图；
图5A 是传统失配体系太阳电池能带结构简图；
图5B是本发明提供的异质结太阳能电池的能带结构简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的异质结太阳能电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施例
       本具体实施例提供了一种异质结太阳能电池，结构如图4E所示，包括一具有第一导电类型的第一薄膜403，以及在第一薄膜403表面依次设置的一第一渐变缓冲层408、一有源区402、一第二渐变缓冲层409与一具有第二导电类型的第二薄膜401，所述第一渐变缓冲层408与第一薄膜403相异质，第二渐变缓冲层409与第二薄膜401相异质。第一渐变缓冲层408、有源区402、第二渐变缓冲层409依次生长于第一薄膜403和第二薄膜401之间，分别降低了第一薄膜403与有源区402之间及第二薄膜401与有源区402之间的势垒高度，与传统太阳能电池相比，提高了载流子的输运效率。
上述第一导电类型为N型或P型，所述第二导电类型与第一导电类型的导电类型相反。
本具体实施例中采用第一缓冲渐变层408、第二缓冲渐变层409，可降低晶格失配度，避免失配位错的产生，从而有效提高器件性能。
作为可选实施方式，衬底405为蓝宝石衬底、硅衬底及其它类似的衬底。
作为可选实施方式，第一导电类型为N型或P型。
本具体实施例中所述相异质指的是互相异质的两种材料的禁带宽带不同或者晶格常数不同。
作为可选实施方式，所述的异质结太阳能电池，进一步包括一衬底405以及一电流扩展层406，所述第一薄膜403设置在衬底表面405，所述电流扩展层406设置在第二薄膜401表面。
作为可选实施方式，所述第一渐变缓冲层408的材料与第二渐变缓冲层409的材料均为InxGa1-xN，有源区402的材料为InyGa1-yN，y 的范围为0至1；第一渐变缓冲层中x的按照远离衬底405方向上的渐变范围为0至y，而第二渐变缓冲层中x的按照远离衬底405方向上的渐变范围为y至0。
作为可选实施方式，所述第一渐变缓冲层408的材料与第二渐变缓冲层409的材料还可以选用AlxGa1-xN等GaN体系的三元材料，其中x小于等于1且大于等于0;有源区402的材料可选用AlxGa1-xN等GaN体系的三元材料，其中x小于等于1且大于等于0。
作为可选实施方式，所述的异质结太阳能电池，进一步包括一缓冲层404，置于衬底405与第一薄膜403之间。
作为可选实施方式，所述电流扩展层406为铟锡金属氧化物（Indium tin oxides，ITO）。
第二具体实施例
       图3所示为所述的异质结太阳能电池制备方法第二具体实施例的方法流程图。
图4A至4E所示为所述的异质结太阳能电池制备第二具体实施例的工艺步骤流程图。
本具体实施例提供了一种如第一具体实施例所述的一种异质结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
步骤300，在第一薄膜裸露表面生长与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层；
步骤301，在第一渐变缓冲层裸露表面外延生长有源区；
步骤302，在有源区裸露表面生长第二渐变缓冲层；
步骤303，在第二渐变缓冲层裸露表面生长与第二渐变缓冲层相异质的第二薄膜层，且第一薄膜与第二薄膜的导电类型相反。
作为可选实施方式，所述步骤300之前进一步包括步骤：提供一衬底405，在衬底405表面生长第一薄膜403；所述步骤303之后进一步包括步骤：在第二薄膜401裸露表面生长电流扩展层406。
作为可选实施方式，所述步骤300中第一渐变缓冲层408的生长和步骤303中第二渐变缓冲层409的生长均采用组分线性变化生长或组分突变生长。
作为可选实施方式，所述在衬底表面405生长第一薄膜403的步骤，进一步包括步骤：在衬底405表面生长一缓冲层404，后在缓冲层404表面生长第一薄膜403。
作为可选实施方式，在第二薄膜401裸露表面生长电流扩展层406之后，还包括生长N极接触电极407和P极接触电极410的步骤。
接下来给出本发明的一个实施例。
图5A 是传统失配体系太阳电池能带结构简图。
图5B所示为所述的异质结太阳能电池的能带结构简图。
本实施例提供基于渐变层有源区太阳电池器件的制备方法，以蓝宝石衬底表面制备GaN/InGaN/GaN的P-I-N双异质结太阳能电池结构为例，其中本征In0.2Ga0.8N吸收层相当于太阳电池的有源区402，如图4A至图4E所示，制作工艺包括以下主要步骤：
步骤一：参考图4A，在蓝宝石衬底405表面外延生长N型GaN层作为第一薄膜403，以优化薄膜质量。
以InGaN层的有源区402采用MBE生长为例，首先对样品进行清洗吹干，将蓝宝石衬底405放入MBE系统的准备室中，使蓝宝石衬底405升温至900℃至920℃并保持稳定，去除蓝宝石衬底405中残留的水汽。然后将蓝宝石衬底405传入MBE系统的生长室中，蓝宝石衬底405温度维持在720℃，并通入氮气对蓝宝石衬底405进行氮化，持续20min。随后采用高温生长AlN层作为N型层的缓冲层404，衬底温度保持在900℃左右，Al源炉的温度为1110℃，生长大约80nm厚的AlN的缓冲层404。
进行N型GaN层的第一薄膜403生长时，要将蓝宝石衬底405的温度维持在720℃，掺杂剂Si的源炉温度为1280℃，Ga源的BEP（beam equilibrium pressure，等效束流分压）保持在3.7E-7 torr，III/V族元素流量比约为2.6：1，腔室真空压力为3.05E-5torr，大约外延生长400nm的N型GaN层的第一薄膜403。
上述BEP用来确定源的流量，例如Ga源的BEP即用来测定Ga源的流量。
本实施例中3.7E-7 torr表示3.7×10-7torr，文中其他类似的参照上述表示。
步骤二：参考图4B，在第一薄膜403的结构上采用MBE法进行连续或者台阶式的组分渐变InxGa1-xN的第一渐变缓冲层408的生长，其中x按照远离蓝宝石衬底405方向的变化范围为0至0.2。
这里以组分线性渐变生长（即没有生长停止发生）为例，蓝宝石衬底405的起始温度为630℃,In组分源炉的起始温度为790℃，蓝宝石衬底405温度以0.8℃/min下降，In源炉温度以0.3℃/min上升，生长50min以后，衬底温度降为590℃，In源炉温度升至805℃，此时In源BEP约为1.7E-7 torr，生长过程中Ga源炉温度保持不变，温度为851℃，BEP保持在2.6E-8 torr，腔室真空压力保持在1.3E-5 torr，生长厚度约为80nm。如此就能生长In组分x从0渐变为0.2的InxGa1-xN的第一渐变缓冲层408。
步骤三：参考图4C，在第一渐变缓冲层408表面外延生长In0.2Ga0.8N的有源区402。
蓝宝石衬底405温度保持在590℃，In源炉温度为805℃，BEP约为1.7E-7 torr，Ga源BEP保持在2.6E-8 torr，腔室真空压力保持在1.3E-5 torr，生长120min，获得大约200nm厚的In0.2Ga0.8N的有源区402。
步骤四：参考图4D，在有源区402表面外延生长InxGa1-xN的第二渐变缓冲层409，其中x按照远离蓝宝石衬底405方向的变化范围为0.2至0。
蓝宝石衬底405温度在590℃，In源炉温度为805℃，随后蓝宝石衬底405以0.8℃/min上升，In源炉温度以0.3℃/min下降，Ga源BEP保持在2.6E-8 torr，腔室真空压力保持在1.3E-5 torr，生长50min，如此生长In组分x从0.2渐变为0的InxGa1-xN的第二渐变缓冲层409。
步骤五：参考图4E，外延生长P型GaN膜层的第二薄膜401、制作电流扩展层406，沉积N极接触电极407与P极接触电极410。
将蓝宝石衬底405温度升至685℃，P型Mg掺杂剂的源炉温度为270℃，Ga源的BEP保持在8.3E-8 torr，III/V族元素流量比约为1.05：1，腔室真空压力为1.3E-5 torr，大约外延生长200nm的P型GaN层的第二薄膜401。
蒸发180 nm的铟锡金属氧化物（Indium tin oxides，ITO）。进行第一次光刻，以光刻胶做掩模采用感应耦合等离子体（Inductive couple plasmas，ICP）从电流扩展层406往蓝宝石衬底405方向刻蚀，直至第一薄膜403裸露表面，形成台阶结构，去胶，退火，使ITO和第二薄膜401形成欧姆接触，从而形成电流扩展层406。进行二次光刻，蒸发金属电极Ti/Al/Ti/Au，利用剥离的方法在电流扩展层406表面及台阶下方第一薄膜403表面分别制作P极接触电极410和N极接触电极407，如图4E所示。
上述剥离的方法可采用有机溶剂丙酮进行光刻胶的剥离。
参考能带图5B，本实施例中采用第一渐变缓冲层408、有源区402和第二渐变缓冲409的结构，利于载流子的输运，能提高太阳能电池的效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异质结太阳能电池，包括一具有第一导电类型的第一薄膜，以及在第一薄膜表面依次设置的一有源区及一具有第二导电类型的第二薄膜，其特征在于，所述第一薄膜与有源区之间还包括一与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层，第二薄膜与有源区之间还包括一与第二薄膜相异质的第二渐变缓冲层。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，进一步包括一衬底以及一电流扩展层，所述第一薄膜设置在衬底表面，所述电流扩展层设置在第二薄膜表面。
3.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一渐变缓冲层的材料与第二渐变缓冲层的材料均为InxGa1-xN，有源区的材料为InyGa1-yN，y的范围为0至1；第一渐变缓冲层中x按照远离衬底方向由0渐变至y，而第二渐变缓冲层中x按照远离衬底方向由y渐变至0。
4.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，进一步包括一缓冲层，置于衬底与第一薄膜之间。
5.一种权利要求1所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）在第一薄膜裸露表面生长与第一薄膜相异质的第一渐变缓冲层； 2）在第一渐变缓冲层裸露表面外延生长有源区； 3）在有源区裸露表面生长第二渐变缓冲层； 4）在第二渐变缓冲层裸露表面生长与第二渐变缓冲层相异质的第二薄膜层，且第一薄膜与第二薄膜的导电类型相反。
6.根据权利要求5所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）之前进一步包括步骤：提供一衬底，在衬底表面生长第一薄膜；所述步骤4）之后进一步包括步骤：在第二薄膜裸露表面生长电流扩展层。
7.根据权利要求5所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中第一渐变缓冲层的生长和步骤3）中第二渐变缓冲层的生长均采用组分线性变化生长或组分突变生长。
8.根据权利要求6所述的异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述在衬底表面生长第一薄膜的步骤，进一步包括步骤：在衬底表面生长一缓冲层，后在缓冲层表面生长第一薄膜。
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