CN103022211B - 极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池 - Google Patents
极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池，其结构由下至上依次为：衬底、GaN层、全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层、InGaN超晶格层、高In组分n-InyGa1-yN层、高In组分i-InxGa1-xN层、高In组分p-InyGa1-yN层、p-GaN覆盖层；在高In组分n-InyGa1-yN层上引出负电极，在p-GaN覆盖层上引出正电极。本发明的p-i-n结InGaN太阳电池结构是直接生长在全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层上的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层不会对p-i-n结InGaN太阳电池层产生失配应力，可以有效提高p-i-n结InGaN太阳电池材料的质量和电池转换效率；另外较高In组分的n-InGaN层与p-InGaN层将较低In组分的i-InGaN层夹在中间，品格的失配在i-InGaN层中引入了拉应变，可进一步提高p-i-n结InGaN太阳电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，尤其涉及一种p-i-n结InGaN太阳电池。
背景技术
太阳能是人类取之不尽用之不竭的绿色能源，而太阳电池主要是利用光伏效应把太阳光能转换成电能的一种光电子器件，可广泛用于航空航天、国防、工农业、信息电子、住房汽车等领域，为人类可持续发展提供了一项非常重要的能源。
传统的太阳电池材料主要有Si系列，GaAs系列以及其它系列等材料，但是它们的光电转换效率有限，目前Si系列和GaAs系列的单结太阳电池最高只能达到17％和25％，最主要原因是这些太阳电池材料的能隙宽度只对应太阳光谱的一部分，只能吸收部分太阳光能量，另外，有些材料(如硅)是间接带隙材料，吸收系数低，电池吸收区厚，量子效率低。
近十几年来，人们开始研究第三代半导体材料——以GaN及AlGaN、InGaN等合金为代表的III族氮化物材料。由于它们是直接带隙材料，有很高的吸收系数，且具有优异的物理、化学性质，在蓝光发射器件、紫外光探测器件和高频大功率器件等应用方面取得了很大进展。近几年来，国外一些单位研究表明，高质量InN的带隙宽度仅为0.7eV，而不是过去研究认为的1.9eV。这样，InaGa1-aN三元合金随In组分a变化的带隙宽度为3.4～0.7eV，正好与太阳光谱的范围(4.0～0.4eV)相接近，InaGa1-aN还具有直接带隙、高的电子饱和漂移速度、大的迁移率、比其它III-V族化合物更好的抗粒子辐射能力和更高的熔点等特点，因此，可以在减少太阳电池吸收区的层厚的前提下尽可能的提高太阳电池的寿命与可靠性。正因如此，发展新一代的InaGa1-aN化合物半导体太阳电池材料与器件，研究InaGa1-aN化合物半导体材料与器件制备、相关的材料物理与器件物理，也已成为当前国际上太阳电池科学研究的前沿领域。传统的太阳电池的InaGa1-aN材料往往是直接生长在GaN材料上，但是，由于GaN材料和InaGa1-aN材料存在较大的晶格失配，晶格失配一方面会导致高In组分的InaGa1-aN材料质量下降，另一方面，晶格失配会加大InaGa1-aN材料中的极化电场，使得InaGa1-aN太阳电池的转换效率进一步降低。在通常的结构中，作为主要吸光层的i-InGaN层，要不就是没有应力存在，要不就是存在压应变，在没有应力存在的情况下，i-InGaN层中存在自发极化电场，降低电池转换效率；如果存在压应变，将进一步降低电池效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出一种能有效提高电池的转换效率的极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池，其结构由下至上依次为：衬底、GaN层、全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层、InGaN超晶格层、高In组分n-InyGa1-yN层、高In组分i-InxGa1-xN层、高In组分p-InyGa1-yN层、p-GaN覆盖层；在高In组分n-InyGa1-yN层上引出负电极，在p-GaN覆盖层上引出正电极，所述y满足0.3≤y≤1，所述x满足0.2≤x≤0.9，且x＜y。。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述高In组分InGaN超晶格层由3～10个周期的高In组分InyGa1-yN/GaN异质结组成，每个周期中的InyGa1-yN层厚度为1～5nm，GaN层厚度为1～5nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层厚度为500～1000nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述高In组分n-InyGa1-yN层厚度为300～1000nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述高In组分i-InxGa1-xN层厚度为30～100nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述高In组分p-InyGa1-yN层厚度为50～150nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述p-GaN覆盖层厚度为10～30nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述正电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为50～150nm，间距为500～1500nm，厚度为30～150nm。
作为本发明进一步改进的技术方案，负电极为Ti/Al/Ni/Au合金欧姆接触电极，电极尺寸为[0.3～1.0]×[0.3～1.0]mm2，厚度为100～300nm。
与现有技术相比，本发明的p-i-n结InGaN太阳电池结构是直接生长在全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层上的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层以及p-i-n结InGaN太阳电池中n-InGaN层与p-InGaN层的In组分是相同的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层不会对p-i-n结InGaN太阳电池层产生失配应力，可以减少p-i-n结InGaN薄膜中缺陷的数目和位错的生成，有助于表面平整，有效提高p-i-n结InGaN太阳电池材料的质量；同时使得电子和空穴的复合几率也较低，故可大大增大电池的短路电流，提高电池转换效率；另外由于本方案在p-i-n结InGaN三层材料结构中采用不同组分，InGaN材料的晶格常数随着In组分的增加而增大，较高In组分的n-InGaN层与p-InGaN层将较低In组分的i-InGaN层夹在中间，由于n-InGaN层与p-InGaN层的In组分高于i-InGaN层的In组分，n-InGaN层与p-InGaN层的晶格常数大于i-InGaN层的晶格常数，晶格的失配在i-InGaN层中引入了拉应变，而拉应变产生的压电极化电场方向与InGaN材料中存在的自发极化电场方向相反，抵消了极化电场，可进一步提高p-i-n结InGaN太阳电池的转换效率。
附图说明
图1为本发明的p-i-n结InGaN太阳电池的结构示意图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
实施例1
参见图1，本实施例的p-i-n结InGaN太阳电池结构自下而上依次包括：Si衬底1、GaN层2、全应变弛豫InyGa1-yN层3、InGaN超晶格层4、高In组分n-InyGa1-yN层5、高In组分i-InxGa1-xN层7、高In组分p-InyGa1-yN层8、p-GaN层覆盖层9。其中，GaN层2的厚度为1000nm；全应变弛豫InyGa1-yN层3的厚度为1000nm，y为0.5；InGaN超晶格层4包含10个周期的In0.5Ga0.5N/GaN异质结，其中每个周期中的In0.5Ga0.5N层在上，GaN在下，每个周期中的In0.5Ga0.5N和GaN厚度均为5nm；高In组分n-InyGa1-yN层5的厚度为1000nm，y为0.5，高In组分i-InxGa1-xN层7的厚度为100nm，x为0.3；高In组分p-InyGa1-yN层8的厚度为150nm，y为0.5；p-GaN层9的厚度为30nm；在p-GaN层9上引出的正电极10为栅形Ni/Au合金电极，每个电极的宽度为150nm，电极间距为1500nm，厚度为150nm；在n-InGaN层5上引出的负电极6为Ti/Al/Ni/Au合金电极，电极尺寸为1.0×1.0mm2，厚度为300nm。
实施例2
本实施例与实施例1的结构基本相同，其区别在于：全应变弛豫InyGa1-yN层3的厚度为500nm；InGaN超晶格层4包含5个周期的In0.5Ga0.5N/GaN异质结，其中每个周期中的In0.5Ga0.5N和GaN厚度均为1nm；高In组分n-InyGa1-yN层5的厚度为300nm，高In组分i-InxGa1-xN层7的厚度为30nm；高In组分p-InyGa1-yN层8的厚度为50nm；p-GaN层9的厚度为10nm；栅形正电极10每个电极的宽度为50nm，电极间距为500nm，厚度为30nm；负电极6的电极尺寸为0.3×0.3mm2，厚度为100nm。
实施例3
本实施例与实施例1的结构基本相同，其区别在于：全应变弛豫InyGa1-yN层3的厚度为800nm；InGaN超晶格层4包含3个周期的In0.5Ga0.5N/GaN异质结，其中每个周期中的In0.5Ga0.5N和GaN厚度均为3nm；高In组分n-InyGa1-yN层5的厚度为600nm，高In组分i-InxGa1-xN层7的厚度为60nm；高In组分p-InyGa1-yN层8的厚度为100nm；p-GaN层9的厚度为20nm；栅形正电极10每个电极的宽度为100nm，电极间距为1000nm，厚度为100nm；负电极6的电极尺寸为0.6×0.6mm2，厚度为200nm。
实施例4
本实施例与实施例1的结构基本相同，其区别在于：全应变弛豫InyGa1-yN层3、InGaN超晶格层4、高In组分n-InyGa1-yN层5、高In组分p-InyGa1-yN层8中InyGa1-yN的组分y均为0.3，高In组分i-InxGa1-xN层7中In的组分x为0.2。
实施例5
本实施例与实施例1的结构基本相同，其区别在于：全应变弛豫InyGa1-yN层3、InGaN超晶格层4、高In组分n-InyGa1-yN层5、高In组分p-InyGa1-yN层8中InyGa1-yN的组分y均为1，高In组分i-InxGa1-xN层7中In的组分x为0.9。
Claims (9)
1.一种极化增强的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于，其结构由下至上依次为：衬底(1)、GaN层(2)、全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层(3)、InGaN超晶格层(4)、高In组分n-InyGa1-yN层(5)、高In组分i-InxGa1-xN层(7)、高In组分p-InyGa1-yN层(8)、p-GaN覆盖层(9)；在高In组分n-InyGa1-yN层(5)上引出负电极(6)，在p-GaN覆盖层(9)上引出正电极(10)，所述y满足0.3≤y≤1，所述x满足0.2≤x≤0.9，且x＜y。
2.根据权利要求1所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述InGaN超晶格层(4)由3～10个周期的高In组分InyGa1-yN/GaN异质结组成，每个周期中的InyGa1-yN层厚度为1～5nm，GaN层厚度为1～5nm。
3.根据权利要求2所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层(3)厚度为500～1000nm。
4.根据权利要求3所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述高In组分n-InyGa1-yN层(5)厚度为300～1000nm。
5.根据权利要求4所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述高In组分i-InxGa1-xN层(7)厚度为30～100nm。
6.根据权利要求5所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述高In组分p-InyGa1-yN层(8)厚度为50～150nm。
7.根据权利要求6所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述p-GaN覆盖层(9)厚度为10～30nm。
8.根据权利要求1所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：所述正电极(10)为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为50～150nm，间距为500～1500nm，厚度为30～150nm。
9.根据权利要求1所述的p-i-n结InGaN太阳电池，其特征在于：负电极(6)为Ti/Al/Ni/Au合金欧姆接触电极，电极尺寸为[0.3～1.0]×[0.3～1.0]mm2，厚度为100～300nm。
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