CN103094378B - 含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池 - Google Patents

含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池 Download PDF

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Abstract

一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，包括：一衬底；在衬底上依序制作有低温氮化镓成核层、非故意掺杂氮化镓缓冲层、n型掺杂GaN层、第一非掺杂高In组分量子阱层、第二非掺杂低In组分量子阱层、非掺杂低In组分量子阱层和P型掺杂氮化镓层，该n型掺杂GaN层上面的一侧有一台面，该台面上制作一N型欧姆电极，一P型欧姆电极，其制作在P型掺杂氮化镓层上。本发明可以有效的利用不同波段的太阳光，提高太阳能电池的转换效率。

Description

含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池。
背景技术
进入21世纪后，煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，于是太阳能作为理想的可再生能源受到许多国家的重视。太阳能光伏发电技术利用光伏效应将太阳能直接转化为电能，无噪声无污染，可以成为传统发电技术的有力替代者。但是目前商业化的太阳能电池的转换效率较低，性价比不高，不能满足大规模民用的需要，所以研究高转换效率的新型太阳能电池具有重要意义。
自从InN禁带宽度从1.92eV修正到0.7ev，三元合金InGaN的带隙从近红外光谱区域到紫外光谱区域连续地调节，InGaN材料的禁带宽度与太阳光谱完美匹配，这样通过调整InGaN材料的In组分可以实现高效的光吸收。因此近年来，InGaN材料作为高效太阳能电池材料受到各国研究者的重视。
InGaN合金在带边附近的吸收系数高达105cm-1量级，使得InGaN吸收层在几百纳米范围内吸收了大部分的入射光，但是由于InN与GaN的晶格失配度达11％，In组分为20％的InGaN材料的临界厚度只有10.7nm，增加In组分，InGaN层的临界厚度会急剧下降。所以传统的p-i-n型InGaN太阳能电池，为了得到晶体质量较好的InGaN吸收层，最高In组分只有12％-15％，电池的转换效率不足1％。而采用量子阱作为吸收层，由于垒层生长温度高，可以明显提高吸收层的晶体质量，实现高In组分的InGaN太阳能电池，提高太阳能电池的转换效率。此外，由于InGaN材料中的压电和自发极化电场会屏蔽内建电场，影响载流子的收集，所以高极化作用下，p-i-n型InGaN太阳能电池的转换效率急剧下降，但最近研究发现，极化效应对量子阱太阳能电池的影响相对p-i-n结构明显变小。
太阳能电池普遍采用正入射方式，光线穿过P型层进入量子阱吸收层，由于水平结构中，P、N电极都在电池正面，造成太阳能电池的有效吸光面积减少，短路电流损失。同时由于P-GaN材料生长技术的限制，生长高质量P-GaN材料困难，P-GaN中光生载流子的复合严重，影响载流子的收集效率也是造成短路电流损失的一个原因，而采用背入射方式，将解决上述问题。
综上所述，采用背入射的多层量子阱结构的InGaN太阳能电池结合了InGaN材料及背入射方式的优点，可以有效的利用太阳光能量，具有高转换效率及功率面积比大的优点，使人们研究和利用真正的高效太阳能电池成为可能。
发明内容
本发明主要目的是提供一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其可以有效的利用不同波段的太阳光，提高太阳能电池的转换效率。
本发明提供一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，太阳光是从衬底照射到太阳能电池内部的，其包括：
一衬底；
一低温氮化镓成核层，其制作在衬底之上，该低温氮化镓成核层为后续生长氮化镓材料提供成核中心；
一非故意掺杂氮化镓缓冲层，其制作在低温氮化镓成核层之上；
一n型掺杂GaN层，其制作在非故意掺杂氮化镓缓冲层之上，该n型掺杂GaN层上面的一侧有一台面，该台面低于n型掺杂GaN层的上表面；
一第一非掺杂低In组分量子阱层，其制作在n型掺杂GaN层之上，其由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0＜x＜1；
一第二非掺杂低In组分量子阱层，其制作在第一非掺杂低In组分量子阱层之上，其由InyGa1-yN/GaN多层结构组成，其中0＜y＜1且y＞x；
一非掺杂高In组分量子阱层，其制作在第二非掺杂低In组分量子阱层之上，其由InzGa1-zN/GaN多层结构组成，其中0＜z＜1且z＞y；
一P型掺杂氮化镓层，其制作在非掺杂高In组分量子阱层之上；
一N型欧姆电极，其制作在n型接触层上面的台面上；
一P型欧姆电极，其制作在P型接触层上。
本发明的有益效果是：首先吸收层带隙自下而上逐渐减小，采用背入射方式时，能量最高的光子被底层带隙最宽吸收层吸收，能量居中的光子被带隙居中的吸收层吸收，能量最低的光子被顶层带隙最窄吸收层吸收。相比于单一组分的InGaN太阳能电池，采用这种变In组分的InGaN多层量子阱结构可以吸收的光子数量增多，转换为热能的光子减少，从而提高太阳能电池的转换效率。其次由于InN及GaN晶格失配大，在GaN上生长高In组分的InGaN材料，晶体质量较差，而采用多层变In组分量子阱可以有效的释放InGaN层的应力，改善高In组分InGaN吸收层的晶体质量。最后采用背入射方式可以明显增加太阳能电池的有效吸光面积，减少短路电流损失。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，下面结合具体实例和附图，详细说明如后，其中：
图1本发明的结构示意图。
图2是图1中第一非掺杂低In组分量子阱层5、第二非掺杂低In组分量子阱层6和非掺杂高In组分量子阱层7结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其包括：
一衬底1，所述的衬底1为双面抛光的蓝宝石或氮化镓材料，采用双面抛光蓝宝石或氮化镓衬底可以减少背入射时由于散射造成的入射光损失；
一低温氮化镓成核层2，该低温氮化镓成核层制作在衬底1之上，其生长温度为500℃-600℃，厚度在0.2μm-0.3μm，该低温氮化镓成核层2为后续生长氮化镓材料提供成核中心；
一非故意掺杂氮化镓缓冲层3，该非故意掺杂氮化镓缓冲层3制作在低温氮化镓成核层2之上，其生长温度为1000℃-1050℃，厚度在1μm-2μm，该非故意掺杂氮化镓缓冲层3可以使位错线转向、合并，减少InGaN太阳能电池材料的位错密度；
一n型掺杂GaN层4，该n型掺杂GaN层4制作在非故意掺杂氮化镓缓冲层3之上，该n型掺杂GaN层4的生长温度为1000℃-1100℃，厚度为2μm-3μm，自由电子浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3，用干法刻蚀的方法在该n型掺杂GaN层4上面的一侧制作出一台面41，该台面41低于n型掺杂GaN层4的上表面，其与金属电极形成欧姆接触；
一第一非掺杂低In组分量子阱层5，制作在n型掺杂GaN层4之上，其由InxGa1-xN/GaN多层结构组成(参阅图2)，其中0＜x＜1，优选范围为0.03-0.1，该第一非掺杂低In组分量子阱层5的InxGa1-xN/GaN多层结构中InGaN的厚度为1nm-4nm，GaN的厚度为3nm-15nm，InxGa1-xN/GaN量子阱的周期数为2-10；
一第二非掺杂低In组分量子阱层6，其制作在第一非掺杂低In组分量子阱层5之上，其由InyGa1-yN/GaN多层结构组成(参阅图2)，其中0＜y＜1，优选范围为0.1-0.3，且y＞x，该第一非掺杂低In组分量子阱层6的InyGa1-yN/GaN多层结构中InGaN的厚度为1nm-4nm，GaN的厚度为3nm-15nm，InyGa1-yN/GaN量子阱的周期数为2-10；
一非掺杂高In组分量子阱层7，其制作在第二非掺杂低In组分量子阱层6之上，其由InzGa1-zN/GaN多层结构组成(参阅图2)，其中0＜z＜1，优选范围为0.3-1，且z＞y，该非掺杂高In组分量子阱层7中的InzGa1-zN/GaN多层结构中InGaN的厚度为1nm-4nm，GaN的厚度为3nm-15nm，InzGa1-zN/GaN量子阱的周期数为5-20；
由于InGaN材料的吸收系数随光能量的增加而增大，高能量的光会在表层被吸收，能量较低的光会穿透到材料的深层。而所述第一非掺杂低In组分量子阱层5、第二非掺杂低In组分量子阱层6和非掺杂高In组分量子阱层7的排列方式是具有宽有效带隙的量子阱层处在电池的底层，具有窄有效带隙的量子阱层处在电池的顶层，从底层到顶层有效带隙依次减小，这种情况下，采用太阳光背入射的方式，使得能量最高的光子被底层带隙最宽的第一非掺杂低In组分量子阱层5吸收，能量居中的光子被带隙居中的第二非掺杂低In组分量子阱层6吸收，能量最低的光子被顶层带隙最窄非掺杂高In组分量子阱层7吸收。所以采用这种变In组分的InGaN多层量子阱结构可以分层吸收太阳光，有利于提高太阳能电池的光电转换效率。同时在材料生长方面，这种In组分由低到高渐变的InGaN/GaN多量子阱结构有利于释放GaN与InGaN之间晶格不匹配产生的应力，利于提高第一非掺杂低In组分量子阱层5、第二非掺杂低In组分量子阱层6和非掺杂高In组分量子阱层7的晶体质量；
一P型掺杂氮化镓层8，其制作在非掺杂高In组分量子阱层7之上，所述P型掺杂氮化镓层8的生长温度为900℃-1050℃，厚度为1-3um，自由空穴浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3；
一N型欧姆电极9，其是用光刻、镀膜等方法制作在n型掺杂GaN层4上面一侧的台面41上，所述的N型欧姆电极9是点状结构或环形结构；
一P型欧姆电极10，其是用光刻、镀膜等方法制作在P型接触层8上，其需要用热退火合金工艺来改善P型GaN欧姆接触特性，所述的P型欧姆电极10是点状结构或环形结构。
最后进行管芯压焊、封装，分割制成InGaN太阳能电池。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案做了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其包括：
一衬底；
一低温氮化镓成核层，其制作在衬底之上，该低温氮化镓成核层为后续生长氮化镓材料提供成核中心；
一非故意掺杂氮化镓缓冲层，其制作在低温氮化镓成核层之上；
一n型掺杂GaN层，其制作在非故意掺杂氮化镓缓冲层之上，该n型掺杂GaN层上面的一侧有一台面，该台面低于n型掺杂GaN层的上表面；
一第一非掺杂低In组分量子阱层，其制作在n型掺杂GaN层之上，其由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0＜x＜1；
一第二非掺杂低In组分量子阱层，其制作在第一非掺杂低In组分量子阱层之上，其由InyGa1-yN/GaN多层结构组成，其中0＜y＜1且y＞x；
一非掺杂高In组分量子阱层，其制作在第二非掺杂低In组分量子阱层之上，其由InzGa1-zN/GaN多层结构组成，其中0＜z＜1且z＞y；
一P型掺杂氮化镓层，其制作在非掺杂高In组分量子阱层之上；
一N型欧姆电极，其制作在n型掺杂GaN层上面的台面上；
一P型欧姆电极，其制作在P型掺杂氮化镓层上。
2.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中所述的衬底为双面抛光的蓝宝石或氮化镓材料。
3.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中n型掺杂GaN层中的自由电子浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
4.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中第一非掺杂低In组分量子阱层中InxGa1-xN/GaN的周期数为2-10，第二非掺杂低In组分量子阱层中InyGa1-yN/GaN的周期数为2-10，非掺杂高In组分量子阱层中InzGa1-zN/GaN的周期数为5-20。
5.如权利要求4所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中第一非掺杂低In组分量子阱层、第二非掺杂低In组分量子阱层和非掺杂高In组分量子阱层中的InGaN的厚度为lnm-4nm，GaN的厚度为3nm-15nm。
6.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中所述P型掺杂氮化镓层的厚度为1-3um，自由空穴浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3。
7.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中所述的N型欧姆电极是点状结构或环形结构。
8.如权利要求1所述的含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的背入射太阳能电池，其中所述的P型欧姆电极是点状结构或环形结构。
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