CN103151416B

CN103151416B - 垂直结构InGaN太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN103151416B
Application number: CN201310084674.XA
Authority: CN
Inventors: 张保平; 蔡晓梅; 张江勇; 余健; 王宇
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: CN103151416A

Abstract

垂直结构InGaN太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池。所述垂直结构InGaN太阳能电池设有：支撑衬底；键合介质层；金属反射镜层；p‑GaN层；InGaN吸收层；n‑GaN层；栅状电极。在外延片表面镀上金属电极，并当作反射镜使用；将镀上反射镜的外延片倒置键合于支撑基板上；采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，将外延薄膜转移到支撑基板上；粗化n‑GaN表面；制作器件台面；制作栅状n‑GaN表面电极，得垂直结构InGaN太阳能电池。可以避免同侧电极带来的电流不均匀性和局部热效应，延长电池的使用寿命；在电池的背面制作反射镜，增强了对入射光的吸收，增大光生载流子数目，从而有效提高电池的光电转换效率。

Description

垂直结构InGaN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，尤其是涉及一种垂直结构InGaN太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，为了维护社会的可持续发展，人们开始提倡开发环保、清洁的可再生新能源。其中，太阳能被认为是人类可利用的最直接的绿色能源，并且它是取之不尽、用之不竭的。而太阳能电池可利用光生伏特效应将太阳光能转化为电能，因此，开展太阳能电池研究，发展光伏发电产业对能源的可持续发展具有非常重要的意义。

目前，太阳能电池主要以硅（包括单晶，多晶和非晶）太阳电池为主，化合物半导体薄膜太阳电池、有机和塑料太阳电池、染料敏化太阳电池等也逐渐兴起。近几年来，由于Ⅲ族氮化物表现出优越的光伏特性，吸引人们探索其在太阳能电池方面的应用。首先，研究者于2002年修正InN的禁带宽度约为0.65eV，这就使得InGaN材料的带隙随In组分的变化可以在3.4eV（GaN）和0.65eV（InN）之间连续可调，其对应的吸收范围几乎覆盖整个太阳光谱。此外，它还是直接带隙材料，具有高的吸收系数，强的抗辐射能力等优点。这些表明InGaN材料适合于制作航空领域的太阳能电池，而且这种同一合金体系的材料在制作全光谱高效多结太阳能电池方面也有很好的应用前景。但是，InGaN太阳能电池尚处于发展的起步阶段，有许多技术困难有待攻克。其中面临的一个问题就是蓝宝石衬底异质外延生长GaN基薄膜，而这却使该太阳能电池的转换效率受到很大限制。我们知道，GaN的体单晶制备异常困难，大面积厚层单晶GaN的生长难以直接获得，目前GaN基材料普遍采用价格相对低廉的蓝宝石作为异质衬底（[5]D.A.Steigerwald,J.C.Bhat,D.Collins,et al.“Illumination with solidstate lighting technology.”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2002,8(2):310-320）。而这种绝缘的蓝宝石衬底就限制了InGaN太阳能电池的结构制作，只能采用同侧台阶电极。同侧台阶电极结构的电流为侧向注入，导致流过有源层的电流不均匀，出现电流簇拥效应（[6]X.Guo,E.Y.Schubert.“Current crowding in GaN/InGaN lightemitting diodes on insulating substrates.”Journal of Appllied Physics.,2001,90:4191-4195）、局部热效应等问题，影响了器件工作的可靠性，缩短使用寿命，降低了器件的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高电池电流均匀性和散热性，延长其使用寿命；同时增强电池对入射光的吸收，提高光电转换效率的垂直结构InGaN太阳能电池及其制备方法。

本发明所述垂直结构InGaN太阳能电池设有：

支撑衬底；

键合介质层，所述键合介质层位于支撑衬底上；

金属反射镜层，所述金属反射镜层位于键合介质层上；

p-GaN层，所述p-GaN层位于金属反射镜层上；

InGaN吸收层，所述InGaN吸收层位于p-GaN层上；

n-GaN层，所述n-GaN层位于InGaN吸收层上；

栅状电极，所述栅状电极位于n-GaN层上。

本发明所述垂直结构InGaN太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

1）在外延片表面镀上金属电极，并当作反射镜使用；

2）将镀上反射镜的外延片倒置键合于支撑基板上；

3）采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，将外延薄膜转移到支撑基板上；

4）粗化n-GaN表面；

5）制作器件台面；

6）制作栅状n-GaN表面电极，得垂直结构InGaN太阳能电池。

在步骤1）中，所述金属可采用与p-GaN形成欧姆接触并具有高反射率的金属，或先蒸镀与p-GaN形成欧姆接触的材料，再蒸镀具有高反射率的金属；所述金属可选自单层的Al、单层的Ag，或多层的其它金属。

在步骤2）中，所述将镀上反射镜的外延片倒置键合于支撑基板上，其键合介质可为液体状粘结剂，或薄的金属过渡层。

在步骤3）中，所述蓝宝石衬底上的InGaN基外延薄膜为p-n结构、p-i-n结构或多节结构，可形成InGaN同质结或GaN/InGaN异质结，InGaN吸收层可为InGaN厚膜、InGaN量子点或者含有InGaN薄膜的多量子阱结构。

在步骤4）中，所述粗化n-GaN表面可采用干法或湿法粗化法。

在步骤6）中，所述垂直结构InGaN太阳能电池的p型和n型电极位于异侧，且n型电极为栅状结构。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.利用本发明可以避免同侧电极带来的电流不均匀性和局部热效应，延长电池的使用寿命。

2.利用本发明在电池的背面制作反射镜，增强了对入射光的吸收，增大光生载流子数目，从而有效提高电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明垂直结构InGaN太阳能电池实施例的结构示意图。

图2为本发明垂直结构InGaN太阳能电池实施例的工艺流程图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明提供了垂直结构InGaN太阳能电池结构：

支撑衬底7，该衬底可选用石英片或者镍（Ni）、铜（Cu）、铬（Cr）、硅（Si）等具有良好导电、导热特性基板；

键合介质层6，键合介质为液体状粘结剂，或薄的金属过渡层；

金属反射镜层5，该层可选用与p-GaN形成欧姆接触并具有高反射率的金属，或先蒸镀与p-GaN形成欧姆接触的材料，再蒸镀具有高反射率的金属，它可以是单层的Al、Ag或多层其它金属；

p-GaN层4、12，该层厚度100～300nm，空穴浓度为5×10¹⁷～5×10¹⁸cm^-3；

InGaN吸收层3、11，该层不掺杂，可为InGaN厚膜、InGaN量子点或者含有InGaN薄膜的多量子阱结构，InGaN的厚度视结构而定，如InGaN厚膜约100～400nm；

n-GaN层2、10，该层厚度500～1μm，电子浓度为3×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；

栅状电极8、9，该电极选用与n-GaN形成欧姆接触的金属，如Cr/Au、Ti/Al/Ti/Au等。

选用的蓝宝石衬底上外延层可形成p-n结构、p-i-n结构或多节结构，可采用InGaN同质结或异质结形式，吸收层可为InGaN厚膜、InGaN量子点或者含有InGaN薄膜的多量子阱结构。

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照图2(a)～(g)，对本发明制备垂直结构InGaN太阳能电池的方法作进一步详细说明，步骤如下：

步骤1：如图2（a），将生长于蓝宝石衬底1上的GaN基薄膜外延片采用标准清洗方法：即甲苯、丙酮、乙醇各超声5min，再用去离子水充分冲洗，将样品放入120℃烘箱30min以上，充分去除水分。

步骤2：在外延片表面蒸镀反射镜层5：Ni/Ag/Ni/Au（2nm/150nm/150nm/200nm），在500℃的温度下退火5min，使金属与p-GaN形成欧姆接触，这种高反射率的多层合金又可当做反射镜使用，如图2（b）所示。

步骤3：将镀上反射镜的外延片倒置键合到石英支撑基板7上，反射镜层5和支撑基板7之间是键合介质层6，如图2（c）所示。

步骤4：采用波长为248nm，脉宽为25ns的KrF准分子激光器，调节均匀光斑透过蓝宝石1辐照样品。去除蓝宝石衬底1后便将InGaN基薄膜转移到石英支撑基板7上，如图2（d）所示。

步骤5：将剥离后的样品浸入KOH水溶液（6mol/L）6min左右进行样品表面粗化（在图中，用标记A表示），用去离子水冲洗后氮气枪吹干。这种粗化的表面可以减小入射光的反射，样品表面示意图如2（e）所示。

步骤6：将样品烘干水分取出待降温后经甩胶、前烘、曝光、显影、清洗，在样品表面形成一个个方块状的台面掩模区域，用等离子体去胶机去除光刻胶底膜，再把样品放入烘箱固化，最后将样品放入感应耦合等离子体ICP(inductively coupled plasma)刻蚀机中刻蚀GaN基材料。刻蚀深度根据外延层的厚度估计，刻蚀至金属反射镜为止。将样品放入丙酮溶液长时间浸泡后去除光刻胶，清洗吹干后露出的金属即可作为接触电极。此时在外延层上已制备出一个个独立器件台面，如图2（f）局部图所示，右侧又多出一个重复单元（n-GaN层10、InGaN吸收层11和p-GaN层12与左侧结构的n-GaN层2、InGaN吸收层3和p-GaN层4相对应）。

步骤7：经甩胶、前烘、曝光、显影、清洗，在样品表面制作栅状电极掩模，蒸镀栅状电极8、9Cr/Au（20nm/200nm）于表面，然后浸入丙酮溶液。电极以外的金属将随着光刻胶剥离，清洗吹干，最终完成栅状电极的制作，如图2（g）所示。

在图2中，标记A表示表面粗化。

本发明最大的特点是：提出了一种在蓝宝石衬底上的外延材料制备InGaN太阳能电池的方法，解决了因蓝宝石衬底不导电制成同侧电极后电流不均匀，导热性差等问题。此外在垂直结构中还有利于添加反射镜，增强电池对入射光的吸收，进一步提高电池的光电转换效率。

本发明为了克服蓝宝石衬底带来的不利影响,提高InGaN太阳能电池的的转换效率,采用键合以及激光剥离技术,将InGaN基外延薄膜转移至其他支撑基板上，甚至是镍、铜、铬、硅等具有良好导电、导热特性基板上，制作成垂直结构InGaN太阳能电池，如图1所示。该方案中采用的激光剥离技术是采用紫外波段的激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，其光子能量介于GaN和蓝宝石的带隙Eg之间(EgGaN<EgLaser<EgSapphire)，激光透过蓝宝石衬底被蓝宝石/GaN界面处的GaN吸收,使GaN发生热分解，从而与蓝宝石衬底相分离。这种垂直结构电池的电极位于异侧，有效避免了上述同侧电极带来的不良效应，而且方便添加底部反射镜，增大电池对入射光的吸收，实现InGaN电池转换效率的提高。

Claims

1.垂直结构InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于所述垂直结构InGaN太阳能电池设有：

支撑衬底；

键合介质层，所述键合介质层位于支撑衬底上；

金属反射镜层，所述金属反射镜层位于键合介质层上；

p-GaN层，所述p-GaN层位于金属反射镜层上；

InGaN吸收层，所述InGaN吸收层位于p-GaN层上；InGaN吸收层为InGaN厚膜、InGaN量子点或者含有InGaN薄膜的多量子阱结构；

n-GaN层，所述n-GaN层位于InGaN吸收层上；

栅状电极，所述栅状电极位于n-GaN层上；

所述制备方法，包括以下步骤：

1)在外延片表面镀上金属电极，并当作反射镜使用；所述金属采用与p-GaN形成欧姆接触并具有高反射率的金属，或先蒸镀与p-GaN形成欧姆接触的材料，再蒸镀具有高反射率的金属；

2)将镀上反射镜的外延片倒置键合于支撑基板上；

3)采用激光剥离技术剥离蓝宝石衬底，将外延薄膜转移到支撑基板上；

4)粗化n-GaN表面；

5)制作器件台面；

6)制作栅状n-GaN表面电极，得垂直结构InGaN太阳能电池；所述垂直结构InGaN太阳能电池的p型和n型电极位于异侧，且n型电极为栅状结构。

2.如权利要求1所述垂直结构InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属选自单层的Al、单层的Ag，或多层的其它金属。

3.如权利要求1所述垂直结构InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述将镀上反射镜的外延片倒置键合于支撑基板上，其键合介质为薄的金属过渡层。

4.如权利要求1所述垂直结构InGaN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述粗化n-GaN表面采用干法或湿法粗化法。