CN104638031A - 基于GaN纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GaN纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法。其包括正电极(1)、ITO氧化铟锡透明导电薄膜(2)、第一掺杂层(3)、第二掺杂层(4)、硅衬底(5)和背电极(6)。其中第一掺杂层和第二掺杂层为宽禁带GaN材料且相互接触形成PN结；第二掺杂层表面为GaN纳米线阵列结构，每根GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为2-6μm；该第一掺杂层和ITO氧化铟锡透明导电膜依次层叠在纳米线阵列结构表面，正电极设在纳米线阵列结构顶端。本发明具有良好的陷光效果，且能吸收从可见光到紫外光区的光子，有利于提高换能机构对光子的吸收和利用，改善太阳能电池的转换效率，可用于光伏发电。

Description

基于GaN纳米线阵列的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的技术领域，特别是涉及基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，可用于光伏发电。

背景技术

众所周知，“能源”是人类生存与发展的基石，而随着传统能源的日益开发与枯竭，与之相对的却是社会发展对能源需求的剧增，能源短缺和能源供给问题已切实成为世界各国政府工作的当务之急。全球范围内能源紧缺的日益突出，使得可再生能源的开发和利用备受关注，以可再生能源替代传统化石能源，解决能源短缺的同时，能够缓减环境污染问题。太阳能利用是可再生能源中一个非常重要的部分，围绕着如何提高太阳能电池效率，降低太阳能电池成本，各国对太阳能电池的研究日益深入。

氮化镓(GaN)属于直接带隙半导体，直接带隙半导体的特点就是导带上电子可以直接和价带空穴复合发光，所以吸收效率高。并且GaN材料的禁带宽度为3.44eV，它的吸收范围覆盖了从可见光到近紫外区域，具有较高的光吸收效率

现有的太阳能电池通常采用多晶硅材料，剖面如图2所示。其结构自上而下分别为：金属电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型多晶硅层3、本征多晶硅层4、N型硅衬底5、背电极6。衬底表面通过湿法刻蚀，形成拥有三维倒梯形重复单元的表面，再在其上等离子体化学气相淀积PECVD本征多晶硅层和P型多晶硅层，形成具有三维倒梯形陷光结构的能量转换机构。当光入射电池表面光线会在其表面连续反射，增加光在电池表面陷光结构中的有效运动长度和反射次数，从而增大能量转换机构对光的吸收效率。但是这种结构由于绒面尺寸不均匀且分布较广，使得衬底表面缺陷密度大大增加，在正表面难以获得高质量的绒面陷光，不易降低衬底对光的反射系数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于GaN纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法，以提高太阳能电池对光子的吸收和利用，改善其转化效率。

为实现上述目的，本发明提出的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，自下而上包括背电极6、硅衬底5、第二掺杂层4，其特征在于：所述第二掺杂层4的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线阵列结构表面层叠有第一掺杂层3、ITO氧化铟锡透明导电膜2，纳米线阵列结构顶端设有正电极1，所述第一掺杂层3和第二掺杂层4分别采用N型和P型掺杂的宽禁带GaN材料并且相互接触形成PN结。

作为优选，所述的第一掺杂层3厚度为10-20nm。

作为优选，所述的第二掺杂层4厚度为5-10μm。

作为优选，所述的GaN纳米线阵列中，每根GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为2-6μm。

作为优选，所述的正电极1采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属材料。

作为优选，所述的硅衬底5厚度为200-400μm。

作为优选，所述的背电极6采用厚度为60nm的金属铝材料。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤：

1)采用标准工艺清洗P型硅衬底；

2)将清洗后的P型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除P型硅衬底的表面机械损伤；

3)在抛光后的P型硅衬底上采用低压化学气相淀积LPCVD沉积厚度为5-10μm的P型掺杂GaN外延层；

4)采用干法刻蚀工艺在P型掺杂GaN外延层上制作GaN纳米线阵列；

4a)在P型掺杂GaN层上电子束蒸发厚度为50nm-10μm的金属铝；

4b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸或质量分数为15％的硫酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

4c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸或质量分数为6％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层GaN接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

4d)在步骤4c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面再电子束蒸发一层厚度为5-10nm的金属镍层，并用碱溶液去除阳极氧化铝薄层，在GaN层上得到金属镍纳米颗粒点阵；

4e)利用步骤4d)得到金属镍纳米颗粒点阵作为模板，干法刻蚀GaN外延层，得到GaN纳米线阵列，再用酸性溶液去除金属镍纳米颗粒；

5)在表面有GaN纳米线阵列结构的P型掺杂GaN层，采用杂质掺杂工艺形成厚度为10-20nm的N型掺杂GaN层；

6)在N型掺杂GaN层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极；

7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极；

8)在P型掺杂的硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm的金属铝作为背电极；

9)将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行热退火处理，使电子束蒸发的金属与和它们接触的材料合金化，形成电极，完成整个太阳能电池的制备。

本发明的优点在于：

1.制备该太阳能电池的整个过程中使用的都是常规的半导体设备，工艺简单；

2.采用纳米线阵列结构，具有良好的陷光效果，提高了载流子的收集效率；

3.采用宽禁带的GaN材料，能够吸收从可见光到紫外光区的光子，有利于提高太阳能电池性能。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是现有多晶硅太阳能电池结构示意图。

图3是本发明的制作工艺流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明自下而上包括背电极6、硅衬底5、第二掺杂层4，其中第二掺杂层4的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线阵列结构表面层叠有第一掺杂层3、ITO氧化铟锡透明导电膜2，纳米线阵列结构顶端设有正电极1，第一掺杂层3和第二掺杂层4分别采用N型和P型掺杂的宽禁带GaN材料，并相互接触形成PN结。所述正电极1采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属电极；所述第一掺杂层3的厚度为10-20nm；所述第二掺杂层4厚度为5-10μm，GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为2-6μm；所述硅衬底5厚度为200-400μm；所述背电极采用厚度为60nm的金属铝。

以下给出制作基于GaN纳米线阵列的太阳能电池的三个实施例：

实施例1，制作每根GaN纳米线的直径为50nm，长度为2μm的GaN纳米线阵列太阳能电池。

参照图3，本实例制作步骤如下：

步骤1：清洗，抛光P型硅衬底，去除表面污染物和表面机械损伤。

(1.1)使用丙酮和异丙醇对P型硅衬底交替进行超声波清洗，以去除衬底表面有机物污染；

(1.2)配置1：1：3的氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，并加热至120℃，将P型硅衬底置于此混合溶液中浸泡12分钟，取出后用去离子水冲洗，以去除P型硅衬底表面无机污染物；

(1.3)将P型硅衬底用HF酸缓冲液浸泡2分钟，去除表面的氧化层；

(1.4)将清洗后的P型硅衬底置于浓度为15％的KOH溶液中，加热至65℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去N型硅衬底5的表面机械损伤。

步骤2：沉积P型掺杂GaN外延层。

以固态金属镓作Ga源，以氨气和氮气作氮源，以CP₂Mg作为掺杂杂质，先升温至950℃通入NH3进行原位清洗20min；

再通入氨气、氮气、CP₂Mg，升温至900℃，在P型硅衬底上采用低压化学气相淀积LPCVD工艺沉积厚度为5μm的P型掺杂GaN外延层。

步骤3：采用干法刻蚀工艺在P型掺杂GaN外延层上制作GaN纳米线阵列。

3.1)在P型掺杂GaN层上电子束蒸发厚度为50nm的金属铝；

3.2)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

3.3)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层GaN接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

3.4)在多孔阳极氧化铝薄层表面电子束蒸发一层厚度为5nm的金属镍层，用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在GaN层上得到金属镍纳米颗粒点阵；

3.5)利用金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀GaN外延层，得到GaN纳米线阵列，每根GaN纳米线直径为50nm，长度为2μm，

3.6)用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍颗粒。

步骤4：在P型GaN纳米线结构表面掺杂N型GaN掺杂层。

将形成GaN纳米线阵列的样品放入低压化学气相淀积LPCVD设备中，升温温至900℃，通入氢气和磷烷的混合气体，其中磷烷的浓度为1％，反应腔中压强为1.0Torr，反应时间为20min，在P型GaN纳米线结构表面形成厚度为10nm的N型GaN掺杂层。

步骤5：在N型掺杂GaN层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极。

步骤6：在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极。

步骤7：在p型掺杂硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm的金属铝作为背电极。

步骤8：将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行热退火处理，使电子束蒸发的金属与和它们接触的材料合金化，形成电极，完成整个太阳能电池的制备。

实施例2，制作每根GaN纳米线的直径为75nm，长度为4μm的GaN纳米线阵列太阳能电池。

参照图3，本实例制作步骤如下：

步骤一：清洗，抛光P型硅衬底，去除表面污染物和表面机械损伤。

本步骤与实施例1的步骤1相同。

步骤二：沉积P型掺杂GaN外延层。

以固态金属镓作Ga源，以氨气和氮气作氮源，以CP₂Mg作为掺杂杂质，先升温至950℃通入NH3进行原位清洗20min；再通入氨气、氮气、CP₂Mg，升温至1000℃，在P型硅衬底上采用低压化学气相淀积LPCVD工艺沉积厚度为8μm的P型掺杂GaN外延层。

步骤三：采用干法刻蚀工艺在P型掺杂GaN外延层上制作GaN纳米线阵列。

3a)在P型掺杂GaN层上电子束蒸发厚度为1μm的金属铝；

3b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

3c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层GaN接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

3d)在步骤3.c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面电子束蒸发一层厚度为8nm的金属镍层，并用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在GaN层上得到金属镍纳米颗粒点阵；

35)利用金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀GaN外延层，得到GaN纳米线阵列，每根GaN纳米线直径为75nm，长度为4μm，

36)用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍颗粒。

步骤四：在P型GaN纳米线结构表面掺杂N型GaN掺杂层。

将形成GaN纳米线阵列的样品放入低压化学气相淀积LPCVD设备中，升温温至900℃，通入氢气和磷烷的混合气体，其中磷烷的浓度为1％，反应腔中压强为1.0Torr，反应时间为30min，在P型GaN纳米线结构表面形成厚度为15nm的N型GaN掺杂层。

步骤五：与实施例1的步骤5相同。

步骤六：与实施例1的步骤6相同。

步骤七：与实施例1的步骤7相同。

步骤八：与实施例1的步骤8相同，完成整个太阳能电池制备。

实施例3，制作每根GaN纳米线的直径为100nm，长度为6μm的GaN纳米线阵列太阳能电池。

参照图3，本实例的制作步骤如下：

步骤A：清洗，抛光P型硅衬底，去除表面污染物和表面机械损伤。

本步骤与实施例1的步骤1相同。

步骤B：沉积P型掺杂GaN外延层。

以固态金属镓作Ga源，以氨气和氮气作氮源，以CP₂Mg作为掺杂杂质，先升温至950℃通入NH3进行原位清洗20min；

再通入氨气、氮气、CP₂Mg，升温至1100℃，在P型硅衬底上采用低压化学气相淀积LPCVD工艺沉积厚度为10μm的P型掺杂GaN外延层。

步骤C：采用干法刻蚀工艺在P型掺杂GaN外延层上制作GaN纳米线阵列。

首先，在P型掺杂GaN层上电子束蒸发厚度为10μm的金属铝；

接着，将蒸发有金属铝的样片置于质量分数为15％的硫酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

接着，将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为6％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层GaN接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

接着，在多孔阳极氧化铝薄层表面电子束蒸发一层厚度为10nm的金属镍层，用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在GaN层上得到金属镍纳米颗粒点阵；

接着，利用金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀GaN外延层，得到GaN纳米线阵列，每根GaN纳米线直径为50nm，长度为2μm，

然后，用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍颗粒。

步骤D：在P型GaN纳米线结构表面掺杂N型GaN掺杂层。

将形成GaN纳米线阵列的样品放入低压化学气相淀积LPCVD设备中，升温温至900℃，通入氢气和磷烷的混合气体，其中磷烷的浓度为1％，反应腔中压强为1.0Torr，反应时间为40min，在P型GaN纳米线结构表面形成厚度为20nm的N型GaN掺杂层。

步骤E：与实施例1的步骤5相同。

步骤F：与实施例1的步骤6相同。

步骤G：与实施例1的步骤7相同。

步骤H：与实施例1的步骤8相同，完成整个太阳能电池的制备。

Claims (10)

1.一种基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，自下而上包括背电极(6)、硅衬底(5)、第二掺杂层(4)，其特征在于：

第二掺杂层(4)的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线阵列结构表面依次层叠有第一掺杂层(3)和ITO氧化铟锡透明导电膜(2)，纳米线阵列结构的顶端设有正电极(1)；

所述第一掺杂层(3)和第二掺杂层(4)分别采用N型和P型掺杂的宽禁带GaN材料，且相互接触形成PN结。

2.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：第一掺杂层(3)厚度为10-20nm。

3.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：第二掺杂层(4)厚度为5-10μm。

4.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：GaN纳米线阵列中每根GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为2-6μm。

5.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：正电极(1)采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属材料。

6.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：硅衬底(5)采用厚度为200-400μm的P型掺杂衬底片。

7.根据权利要求1所述的基于GaN纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：背电极(6)采用厚度为60nm的金属铝材料。

8.一种基于GaN纳米线阵列的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

1)采用标准工艺清洗P型硅衬底；

2)将清洗后的P型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除P型硅衬底的表面机械损伤；

3)在抛光后的P型硅衬底上采用低压化学气相淀积LPCVD工艺沉积厚度为5-10μm的P型掺杂GaN外延层；

4)采用干法刻蚀工艺在P型掺杂GaN外延层上制作GaN纳米线阵列；

4a)在P型掺杂GaN层上电子束蒸发厚度为50nm-10μm的金属铝；

4b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸或质量分数为15％的硫酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；

4c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸或质量分数为6％的磷酸与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层GaN接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；

4d)在步骤4c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面再电子束蒸发一层厚度为5-10nm的金属镍层，并用碱溶液去除阳极氧化铝薄层，在GaN层上得到金属镍纳米颗粒点阵；

4e)利用步骤4d)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，干法刻蚀GaN外延层，得到GaN纳米线阵列，再用酸性溶液去除金属镍纳米颗粒；

5)在表面有GaN纳米线阵列结构的P型掺杂GaN层，采用杂质掺杂工艺形成厚度为10-20nm的N型掺杂GaN层；

6)在N型掺杂GaN层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极；

7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极；

8)在p型掺杂的硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm铝作为背电极；

9)将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行热退火处理，使电子束蒸发的金属与和它们接触的材料合金化，形成电极，完成整个太阳能电池的制备。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于步骤3)中所述的低压化学气相淀积，是以固态金属镓作Ga源，以氨气和氮气作氮源，以CP₂Mg作为掺杂杂质，先升温至950℃通入NH₃进行原位清洗20-40min；然后通入氨气、氮气、CP₂Mg，升温至900-1100℃，淀积厚度为5-10μm的P型掺杂GaN层。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于步骤5)中所述的杂质掺杂工艺是将样品放入低压化学气相淀积LPCVD设备中，升温温至900℃，通入氢气和磷烷的混合气体，其中磷烷的浓度为1％，反应腔中压强为1.0Torr，反应时间为20-40min，在P型GaN纳米线样品表面形成厚度为10-20nm的N型GaN掺杂层。