CN105428448B - 一种双组分渐变结构太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双组分渐变结构太阳能电池及其制备方法。本发明的太阳能电池包括：衬底、底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层、顶电极、底电极以及钝化层；其中，在衬底上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在各个层的侧面覆盖有钝化层；顶组分渐变层对全太阳光谱均有吸收，可有效提升光电转换效率；部分透过顶组分渐变层的太阳光可进一步被吸收增强层吸收；底组分渐变层既可消除电子(空穴)输运势垒，又可调控晶格应力以提高材料生长质量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，尤其涉及一种双组分渐变结构太阳能电池及其制备方法。
背景技术
新型能源的研发作为国家重大战略需求一直是相关单位研发的重点，大气污染等环境问题直接威胁人类健康、降低生活质量。太阳能电池是一种清洁可再生能源，特别是近年光伏产业成本的大幅降低及光电转换效率的提高，使太阳能电池成为一种可替代传统火力发电的廉价高效新型能源，可以满足新形势下节能环保的需要。光电转换效率是太阳能电池的特征指标，从单结电池到多结电池可以大幅提高光电转换效率，理论上组分渐变结构太阳能电池可进一步提高光电转换效率。
III族氮化物材料属于第三代半导体材料，以GaN、AlN、InN二元合金及其相应三元合金为主要成员，其禁带宽度在0.7eV-6.2eV范围连续可调，具有优异的光电特性。由于InGaN材料的禁带宽度几乎与太阳光谱完美匹配，因此全光谱InGaN组分渐变结构太阳能电池已经成为发展新型高效太阳电池的重要方向。然而，目前高效全光谱InGaN太阳能电池面临高质量InGaN薄膜的外延生长、高In组分InGaN的p-n结的制备、电子空穴输运势垒等难题，大大限制了光生载流子的扩散能力从而降低了转换效率。因此优化InGaN太阳能电池的结构设计，改善全铟组分InGaN薄膜的外延生长质量对于研制出全光谱InGaN新型高效太阳能电池具有非常重要的意义。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种双组分渐变结构太阳能电池，包含顶组分渐变层和底组分渐变层，顶组分渐变层用于吸收全谱太阳光，底组分渐变层既用于消除电子(空穴)输运势垒，又有利于调控晶格应力，提高材料生长质量。
本发明的一个目的在于提供一种双组分渐变结构太阳能电池。
本发明的双组分渐变结构太阳能电池包括：衬底、底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层、顶电极、底电极以及钝化层；其中，在衬底上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层、顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；顶电极接触层为p型掺杂，同时底电极接触层为n型掺杂；或者，顶电极接触层为n型掺杂，同时底电极接触层为p型掺杂；在底组分渐变层中，材料的禁带宽度沿生长方向逐渐变窄；吸收增强层的材料的禁带宽度与底组分渐变层的顶部的禁带宽度相同；顶组分渐变层的底部的禁带宽度与吸收增强层的材料的禁带宽度相同；在顶组分渐变层中，材料的禁带宽度沿生长方向逐渐变宽。
本发明的底组分渐变层，在生长时调控生长条件，沿生长方向，采用在氮化镓中逐渐增加铟的组分形成InGaN三元合金，禁带宽度由宽逐渐变窄。底组分渐变层的厚度在50～300nm之间；底组分渐变层中的禁带宽度在3.40eV～2.67eV之间。沿生长方向材料从禁带较宽到禁带较窄材料渐变，有利于在于消除电子(空穴)输运势垒，并调控晶格应力以提高材料生长质量。
本发明的吸收增强层的材料的禁带宽度与底组分渐变层的顶部的禁带宽度一致，并且，吸收增强层的材料的禁带宽度与顶组分渐变层的顶部的禁带宽度相同，因此，吸收增强层的材料与底组分渐变层的底部的材料相同，并且顶组分渐变层的顶部与吸收增强层的材料相同，以实现具有相同的禁带宽度，吸收增强层的厚度在30～100nm之间，以吸收太阳光谱。
本发明的顶组分渐变层，在生长时调控生长条件，沿生长方向，在三元合金InGaN中逐渐减少铟的组分，禁带宽度由窄逐渐变宽。顶组分渐变层的厚度在50～300nm之间；顶组分渐变层中的禁带宽度在2.67eV～3.40eV之间。沿生长方向从禁带较窄材料到禁带较宽材料渐变，有利于吸收太阳光谱。
顶电极为环形，底组分渐变层、吸收增强层和顶组分渐变层构成有源区，太阳光透过顶电极的环形中间的圆孔照射到太阳能电池的有源区中。
本发明的另一个目的在于提供一种双组分渐变结构太阳能电池的制备方法。
本发明的双组分渐变结构太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)按照吸收全波段太阳光谱的需要进行理论计算，对双组分渐变结构太阳能电池的结构进行模拟和优化；
2)对衬底进行预处理，使表面洁净可直接用于外延生长；
3)利用外延生长设备在衬底上进行双组分渐变结构太阳能电池的外延生长，包括在衬底上依次生长：底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层和顶电极接触层，得到外延晶片；
4)利用材料表征设备对步骤1)至3)得到的外延晶片的晶体质量进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)利用器件工艺设备制备太阳能电池测试单元并封装，制备太阳能电池测试单元包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化；
6)测试太阳能电池的光电响应，包括光电转换效率、开路电压、短路电流以及填充因子。
其中，在步骤1)中，按照吸收全波段太阳光谱的需要，考虑顶组分渐变层和底组分渐变层的材料的禁带宽度可调范围，对太阳能电池的结构进行模拟和优化，得到底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层和顶电极接触层的厚度和组分。
步骤2)中，对衬底进行预处理，包括：①通过化学腐蚀和清洗，除去衬底表面的氧化层和有机物；②预生长一层模板物质；③在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面杂质原子。
步骤3)中，采用外延生长设备在衬底上进行双组分渐变结构太阳能电池的外延生长，具体包括以下步骤：①生长底电极接触层，该层通常为n型掺杂以收集电子，考虑到台面刻蚀容差，厚度应不小于300nm，参考优化值电子浓度为5×1018cm-3，厚度为500nm；②调控生长条件，在生长过程中逐渐线性降低衬底的温度，并同时在氮化镓中线性增加铟金属的并入量，生长底组分渐变层，沿生长方向材料的禁带宽度逐渐变窄，厚度在50～300nm之间；③生长吸收增强层，材料的禁带宽度与底组分渐变层的顶部一致，厚度范围30～100nm；④调控生长条件，在生长过程中逐渐线性升高衬底的温度，并同时在三元合金InGaN中线性减少铟金属的并入量，生长顶组分渐变层，底部的禁带宽度与吸收增强层一致，沿生长方向材料的禁带宽度逐渐变宽，厚度范围50～300nm；⑤生长顶电极接触层，通常为p型掺杂以收集空穴，参考优化值空穴浓度为2×1018cm-3，厚度为50nm。
步骤4)中，采用X射线衍射摇摆曲线半高宽FWHM的大小表征材料位错密度的大小，采用高精度透射电子显微镜来表征多量子阱的界面锐利度，采用原子力显微镜表征材料表面的粗糙度RMS，测试结果FWHM小、界面无互扩散现象、表面原子台阶清晰，RMS小的样品较为合适。
步骤5)中，利用器件工艺设备制备太阳能电池测试单元并封装：台面刻蚀，以露出底电极接触层的表面，形成彼此独立的测试单元；电极蒸镀，分别在底电极接触层和顶电极接触层上形成底电极和顶电极，并快速退火使底电极与底接触层以及顶电极与顶电极接触层分别形成欧姆接触；侧边钝化，防止台面侧边形成有效漏电流通路；封装工艺一般包括连接热沉和引线两个步骤。
通过步骤6)的测试，证明双组分渐变结构太阳能电池可有效提升光电转换效率。
本发明的优点：
(1)顶组分渐变层对全太阳光谱均有吸收，可有效提升光电转换效率；
(2)部分透过顶组分渐变层的太阳光可进一步被吸收增强层吸收；
(3)底组分渐变层既可消除电子(空穴)输运势垒，又可调控晶格应力以提高材料生长质量。
附图说明
图1为本发明的双组分渐变结构太阳能电池的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的双组分渐变结构太阳能电池的一个实施例的有源区的能带图；
图3为本发明的双组分渐变结构太阳能电池的一个实施例的外延晶片的结构示意图；
图4为本发明的双组分渐变结构太阳能电池的一个实施例的封装示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
本实施例中，制备InGaN双组分渐变结构太阳能电池。
如图1所示，本实施例的InGaN双组分渐变结构太阳能电池包括：衬底1、底电极接触层2、底组分渐变层3、吸收增强层4、顶组分渐变层5、顶电极接触层6、顶电极7、底电极8以及钝化层9；其中，在衬底1上生长底电极接触层2；在底电极接触层2的一部分上依次为底组分渐变层3、吸收增强层4、顶组分渐变层5、顶电极接触层6和顶电极7；在底电极接触层2的一部分上为底电极8；在各层的侧面覆盖有钝化层9；顶电极接触层6为p型掺杂、底电极接触层2为n型掺杂。
在本实施例中，衬底1采用蓝宝石；底电极接触层2为500nm硅掺杂GaN，电子浓度为5×1018cm-3；底组分渐变层3沿生长方向从GaN到In0.4Ga0.6N渐变，禁带宽度从3.40eV线性变窄至1.86eV，厚度200nm；吸收增强层4为50nm厚In0.4Ga0.6N，禁带宽度1.86eV；顶组分渐变层5沿生长方向从In0.4Ga0.6N到GaN渐变，禁带宽度从1.86eV线性变宽至3.40eV，厚度200nm；顶电极接触层6为100nm镁掺杂GaN，电子浓度为2×1018cm-3；顶电极7与顶电极接触层6形成欧姆接触，依次蒸镀Ni(45nm)/Au(500nm)形成顶电极7；底电极8与底电极接触层2形成欧姆接触，依次蒸镀Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)形成底电极8；以及钝化层9为厚度300nm的氧化硅。
本实施例的InGaN双组分渐变结构太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)按照吸收全波段太阳光谱的需要进行理论计算，对双组分渐变结构太阳能电池的结构进行模拟和优化，分别得到各层的厚度和组分，该结构的有源区的能带图如图2所示；
2)对衬底进行预处理，使表面洁净可直接用于外延生长。首先，将衬底1置于30％的HF溶液中浸泡10分钟去除表面氧化层，用去离子水反复冲洗后吹干，再经过丙酮超声3分钟去除表面有机物，用酒精超声洗净表面残余丙酮，用去离子水洗净表面残余酒精，用洁净的氮气吹干；然后，将已洁净的衬底1传入金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备中，在高温(1050℃)生长条件下，在衬底1上预生长4.5μm的GaN厚膜作为模板物质，经优化，位错密度一般在107cm-2左右；最后，将已经生长好模板物质的衬底1传入MBE准备室中，300℃烘烤1小时后传入MBE生长室，再生长100nm厚GaN薄膜；
3)利用外延生长设备在衬底上进行双组分渐变结构太阳能电池的外延生长。如图3所示，在预处理后的衬底1上依次生长底电极接触层2(500nm硅掺杂GaN，电子浓度为5×1018cm-3)，底组分渐变层3沿生长方向从GaN到In0.4Ga0.6N渐变，厚度200nm,在生长过程中调控生长条件，逐渐线性降低衬底的温度，并同时线性增加铟金属的并入量，禁带宽度线性变窄，吸收增强层4(50nm厚In0.4Ga0.6N)，顶组分渐变层5沿生长方向从In0.4Ga0.6N到GaN渐变，厚度200nm，在生长过程中调控生长条件，逐渐线性升高衬底的温度，并同时线性减少铟金属的并入量和顶电极接触层6(100nm镁掺杂GaN，电子浓度为2×1018cm-3)，禁带宽度线性变宽，形成外延晶片。各层均采用温控法生长以提高材料生长质量；
4)利用材料表征设备对步骤1)至3)得到的外延晶片的晶体质量进行表征反馈。利用X射线衍射摇摆曲线半高宽(002)与(102)表征材料的晶体质量，经优化，InGaN晶体质量一般为(002)面300arcsec，(102)面1500arcsec；利用高精度透射电子显微镜表征量子阱的周期性和界面锐利程度，经优化，TEM图一般表现为界面清晰无明显互扩散现象，表明界面状况良好；利用原子力显微镜(AFM)观察表面形貌，经优化，AFM形貌一般可以观测到的表面单层原子台阶，表明外延生长模式为层状台阶流模式；
5)利用器件工艺设备制备太阳能电池测试单元并封装，制备太阳能电池测试单元包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化等步骤。利用光刻以及等离子体刻蚀ICP等工艺，将图3所示的外延晶片刻蚀成如图1所示的台面结构，露出底电极接触层，形成彼此独立的测试单元，台面大小为500μm×500μm，刻蚀深度为800nm；然后在顶电极接触层6上利用电子束蒸发(EBM)设备蒸镀Ni(45nm)/Au(500nm)环形电极，可使太阳光从环形中心透过，并进行800℃快速退火形成欧姆接触的顶电极7；在底电极接触层2上蒸镀Ti(20nm)/Al(175nm)/Ni(45nm)/Au(500nm)电极，并快速退火形成底电极8；为防止侧边漏电，用300nm厚的氧化硅对器件进行侧边钝化形成钝化层9。对探测器单元进行封装，如图4所示，将由上述方法制备得到的太阳能电池测试单元固定在热沉10上，用金线11从测试单元的顶电极7和底电极8分别引线至跳线板的电极12上，并用导线13将相应的跳线板电极接在IV测试设备14上。
6)测试太阳能电池的光电响应。如图4所示，太阳光15透过顶电极7的圆孔照射到测试单元的有源区结构中，对封装好的器件测试其光电转换效率、开路电压、短路电流以及填充因子等。
经测试，本发明的双组分渐变结构太阳能电池大幅提升了光电转换效率，预示了本发明具有广阔的应用前景。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种双组分渐变结构太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括：衬底、底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层、顶电极、底电极以及钝化层；其中，在衬底上生长底电极接触层；在底电极接触层的一部分上依次为底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层和顶电极；在底电极接触层的一部分上为底电极；在底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层、顶电极接触层、顶电极和底电极的侧面覆盖有钝化层；所述顶电极接触层为p型掺杂，同时底电极接触层为n型掺杂；或者，所述顶电极接触层为n型掺杂，同时底电极接触层为p型掺杂；在底组分渐变层中，在生长过程中逐渐线性降低衬底的温度的同时在氮化镓中线性增加铟金属的并入量，材料的禁带宽度沿生长方向逐渐线性变窄；吸收增强层的材料的禁带宽度与底组分渐变层的顶部的禁带宽度相同；所述顶组分渐变层的底部的禁带宽度与吸收增强层的材料的禁带宽度相同；在顶组分渐变层中，在生长过程中逐渐线性升高衬底的温度的同时在三元合金InGaN中线性减少铟金属的并入量，材料的禁带宽度沿生长方向逐渐线性变宽。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述底组分渐变层的厚度在50～300nm之间；底组分渐变层中的禁带宽度在3.40eV～2.67eV之间。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述吸收增强层的厚度在30～100nm之间。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述顶组分渐变层厚度在50～300nm之间；顶组分渐变层中的禁带宽度在2.67eV～3.40eV之间。
5.一种权利要求1所述的双组分渐变结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)按照吸收全波段太阳光谱的需要进行理论计算，对双组分渐变结构太阳能电池的结构进行模拟和优化；
2)对衬底进行预处理，使表面洁净可直接用于外延生长；
3)利用外延生长设备在衬底上进行双组分渐变结构太阳能电池的外延生长，包括在衬底上依次生长：底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层和顶电极接触层，得到外延晶片；
4)利用材料表征设备对步骤1)至3)得到的外延晶片的晶体质量进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)利用器件工艺设备制备太阳能电池测试单元并封装，制备太阳能电池测试单元包括对外延晶片进行台面刻蚀、电极蒸镀以及侧边钝化；
6)测试太阳能电池的光电响应，包括光电转换效率、开路电压、短路电流以及填充因子；在步骤3)中，采用外延生长设备在衬底上进行双组分渐变结构太阳能电池的外延生长，具体包括以下步骤：①生长底电极接触层，厚度不小于300nm；②调控生长条件，在生长过程中逐渐线性降低衬底的温度，并同时在氮化镓中线性增加铟金属的并入量，生长底组分渐变层，沿生长方向材料的禁带宽度逐渐变窄，厚度在50～300nm之间；③生长吸收增强层，材料的禁带宽度与底组分渐变层的顶部一致，厚度范围30～100nm；④调控生长条件，在生长过程中逐渐线性升高衬底的温度，并同时在三元合金InGaN中线性减少铟金属的并入量，生长顶组分渐变层，底部的禁带宽度与吸收增强层一致，沿生长方向材料的禁带宽度逐渐变宽，厚度范围50～300nm；⑤生长顶电极接触层，为p型掺杂以收集空穴。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，按照吸收全波段太阳光谱的需要，根据顶组分渐变层和底组分渐变层的材料的禁带宽度可调范围，对太阳能电池的结构进行模拟和优化，得到底电极接触层、底组分渐变层、吸收增强层、顶组分渐变层和顶电极接触层的厚度和组分。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，对衬底进行预处理，包括：①通过化学腐蚀和清洗，除去衬底表面的氧化层和有机物；②预生长一层模板物质；③在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面杂质原子。
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