CN105449015B - 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法 - Google Patents

微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法 Download PDF

Info

Publication number
CN105449015B
CN105449015B CN201510790881.6A CN201510790881A CN105449015B CN 105449015 B CN105449015 B CN 105449015B CN 201510790881 A CN201510790881 A CN 201510790881A CN 105449015 B CN105449015 B CN 105449015B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layers
ingan
layer
micro
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510790881.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105449015A (zh
Inventor
尹以安
刘力
章勇
张琪伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN201510790881.6A priority Critical patent/CN105449015B/zh
Publication of CN105449015A publication Critical patent/CN105449015A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105449015B publication Critical patent/CN105449015B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0236—Special surface textures
    • H01L31/02366—Special surface textures of the substrate or of a layer on the substrate, e.g. textured ITO/glass substrate or superstrate, textured polymer layer on glass substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0328—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032
    • H01L31/0336—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, semiconductor materials provided for in two or more of groups H01L31/0272 - H01L31/032 in different semiconductor regions, e.g. Cu2X/CdX hetero- junctions, X being an element of Group VI of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明提供了微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法。所述太阳能电池由P电极、p‑Si、n‑InGaN、N电极依次层叠构成，采用垂直电极电导结构，其中的异质结结构采用p‑Si/n‑InGaN杂合pn结，在p‑Si/n‑InGaN接触界面处的p‑Si表面处理成微纳金字塔结构。本发明可大幅度地提高InGaN太阳能电池器件的光电转换效率；有效解决了载流子输运和电极吸收问题，同时采用p‑Si替代高In组分的p‑InGaN，从根本上避开了InGaN的p型掺杂瓶颈问题，p‑Si表面生长出形状可控的微纳金字塔阵列，大大提高了太阳能电池的吸光能力，有效提高了太阳能电池的光电转换效率。

Description

微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术和光电器件领域，特别是微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法。
背景技术
太阳能是一种清洁、无污染、取之不竭用之不尽的新能源，具有其它新能源所不可比拟的优点。当今世界一项重要的利用太阳能应用的研究就是太阳能电池。太阳能电池是通过光电转换原理把太阳能直接转化为电能的一种半导体器件。目前，世界上最成熟的同时转换效率最高的是硅基太阳能电池，但由于其存在成本高和寿命短的缺点，人们开始高度关注III族氮化物的太阳能电池。III族氮化物带隙可以从0.7eV(J.Wu et al.,Appl.Phys.Lett.,80,3967(2002).)到6.2eV连续变化，所对应的波长覆盖了从近红外到紫外极为宽广的光谱范围，并且拥有优良的物理、化学性质，被认为是制作全光谱高效太阳能电池的理想材料。其中，InGaN材料以其吸收系数高、抗辐射能力强、禁带宽度可调等优点，备受各国研究者的重视。
InGaN是直接带隙材料，其吸收系数可达到10-5cm-1，因此，不需生长太厚的InGaN材料便可以实现足够高的内量子效率，从而可以使用InGaN来做更薄、更轻的太阳能电池，特别是应用于航天的太阳能电池，减轻重量非常重要，即达到节约成本的目的。此外，InGaN的抗辐射能力比Si，GaAs等太阳能电池材料强，其更适用于辐射强的环境中。又由于调节In组份可连续改变InGaN的禁带宽度，InxGa1-xN可适合用于制作多结串联太阳能电池，则可采用单一外延生长方法来实现超高效叠层式InGaN太阳能电池。
但是，目前对于InGaN材料的研究仍然面临以下几个问题。首先，InGaN材料体系生长一般是在氮化镓/蓝宝石(GaN/Sapphire)衬底上生长，由于晶格失配，使得高质量的InGaN其临界厚度限制在数百纳米之内，特别是生长高铟组分的InGaN薄膜生长极其困难。InGaN中相分离的程度随In组分升高和厚度增加而随之严重(I.H.Ho et al.,Appl.Phys.Lett.,69,2701(1996).)，相分离形成的富InN区量子点会增加辐射复合几率(Y.T.Moon,et al.,Appl.Phys.Lett.,79,599(2001).)，影响光生少子的寿命，晶体缺陷会增加电池的非辐射复合几率，降低光生电流。因此，高质量的InGaN合金材料同时具备低带隙(<2eV)以及足够厚度(>200nm)仍然是当今外延生长的一大挑战。其次，高In组分InGaN的p型掺杂比较困难。当前，氮化物生长常用的P型掺杂剂是Mg，但Mg受主激活能大，制备高In组分InGaN的P型掺杂比较困难。再者，目前基于蓝宝石衬底的InGaN太阳能电池器件均采用同侧电极结构，即阴极和阳极在芯片的同一侧。由于阴、阳极在同一侧，光生载流子必须横向流过n-GaN层，这将增加光生载流子被缺陷中心捕获的几率，降低光生电流，同时也导致器件的串联电阻增加，降低开路电压。因此，设计和研究新型InGaN太阳能电池具有重要意义。
为了进一步提高器件的性能，在本发明中提供了微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池结构。该电池结构采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题，进而缓解了InGaN材料的相分离和晶体缺陷的产生；另外，采用p-Si/n-InGaN结构，用p-Si替代高In组分的p-InGaN，避开高In组分的P型掺杂瓶颈问题；最后，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构(K.Q.Peng,et al.,J.Am.Chem.Soc.132,6872(2010).)，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，提高了电池的的光电转换效率。
发明内容
本发明主要目的是提供一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池结构及其制法，其重点一是采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；重点二是采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；重点三是在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，大大提高了太阳能电池的转换效率。
本发明提供一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池，其包括：
一P电极层；
一p型Si层，该p型Si层制作在P电极层上，p型Si层的上表面为微纳金字塔结构；
一n型InGaN层，该n型InGaN层制作在p型Si层的表面上，n型InGaN层的上表面为微纳金字塔结构；
一N电极层，该N电极层制作在n型InGaN层上。
进一步地，于所述P电极层是层状结构。
进一步地，p型Si层的厚度为520±10um，微纳金字塔结构由多个金字塔结构紧密排布形成，金字塔结构的深度为4-5um。
进一步地，n型InGaN层上表面与p型Si层的微纳金字塔结构上表面平行，n型InGaN层中的自由电子浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为100nm～200nm。
进一步地，所述的N电极是层状结构，位于n型InGaN层的一边缘上，其包括4层金属结构，分别为铝层、钛层、镍层、金层。
本发明制备所述的微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，包括如下步骤：
采用热蒸发镀膜的方法在p-Si层的反面制作P电极层，在低真空环境中生长，控制生长温度为2000℃～3000℃，生长时间为30min-50min，厚度为80nm～100nm；
对P电极层之上的p-Si单面抛光，晶向是(100)，P电极层的长宽尺寸是10.0mm×10.5mm(±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.1～0.5Ω·cm；其表面经加工形成微纳金字塔结构，得到p型Si层；
在p型Si层2之上制作n型InGaN层，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III(N/Ga)的摩尔比例为1000～1600，H2/N2的体积比例为20％～25％，其生长速率为每小时生长2um～3um，生长温度为800℃～1000℃，压强为100～400mbar，此n型InGaN层最终厚度为3nm～5nm；
在n型InGaN层上的一边缘上方制作N电极层，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作，利用掩膜板使Al层的宽度占外延片宽度的1/4，生长温度为2000℃～2500℃，生长时间为30min-50min，厚度为1um～2um，厚度能覆盖n型InGaN层边缘下方的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3000℃～3500℃，生长时间为10min-30min，厚度为5nm～10nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3000℃～3500℃，生长时间为10min-30min，厚度为5nm～10nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为2000℃～3000℃，生长时间为30min-50min，厚度为100nm～200nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；其次，采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；另外，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，从而提高太阳能电池的效率。
附图说明
图1是本发明提出的微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池结构示意图。
图2a～图2d为实施方案二中p型Si层的制备过程示意图。
图中由下往上依次是：P电极层1；p-Si 2；微纳金字塔结构201；n-InGaN 3；N电极层4，其包括4层金属材料，分别为Al层401，Ti层402，Ni层403，Au层404。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明实施和保护不限于此。
如图1，本发明提供一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池，其包括：P电极层1，p型Si层2，n型InGaN层3，N电极层4。
实施方案一
实施例1
一P电极层1，所述的P电极层为Au材料，采用热蒸发镀膜的方法将其制作在p-Si层的反面；其在低真空(10E5～10E2Pa)环境中生长，控制生长温度为2000℃，生长时间为30min，厚度为80nm。
一p型Si层2，该p-Si层制作在P电极层1之上，采用的p-Si单面抛光，晶向是(100)，其尺寸是10.0mm×10.5mm(±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.1Ω·cm。其表面经过KOH碱性混合溶液在常温下20min腐蚀后形成微纳金字塔结构，金字塔的深度为4um。如下图1所示是P电极层上面生长的带有微纳金字塔结构201的p型Si层。实例中的KOH碱性混合溶液为质量浓度为0.96％的KOH和纯度为99.6％的无水乙醇混合而成，其中无水乙醇作为表面活性剂。采用金字塔结构可以增强太阳能电池的吸光能力。
一n型InGaN层3，该n型InGaN层制作在p型Si层2之上，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III(N/Ga)的摩尔比例为1000，H2/N2的体积比例为20％，其生长速率为每小时生长2um，生长温度为800℃，压强为100mbar。此n型InGaN层最终厚度为3nm。
一N电极层4，所述的N电极层包括4层金属材料，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，其每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作；其中Al层镀在n型InGaN层3右边的金字塔结构上，利用掩膜板使Al层的宽度大约占外延片宽度的1/4，生长温度为2000℃，生长时间为30min，厚度为1um，厚度能覆盖n型InGaN层右边的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3000℃，生长时间为10min，厚度为5nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3000℃，生长时间为10min，厚度为5nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为2000℃，生长时间为30min，厚度为100nm。
本实例采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；其次，采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；另外，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，因而能提高太阳能电池的效率。
实施例2
一P电极层1，所述的P电极层为Au材料，采用热蒸发镀膜的方法将其制作在p-Si层的反面；其在低真空(10E5～10E2Pa)环境中生长，控制生长温度为3000℃，生长时间为50min，厚度为100nm。
一p型Si层2，该p-Si层制作在P电极层1之上，采用的p-Si单面抛光，晶向是(100)，其尺寸是10.0mm×10.5mm(±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.5Ω·cm。其表面经过KOH碱性混合溶液在常温下20min腐蚀后形成微纳金字塔结构，金字塔的深度为5um。如下图1所示是P电极层上面生长的带有微纳金字塔结构201的p型Si层。实例中的KOH碱性混合溶液为质量浓度为0.96％的KOH和纯度为99.6％的无水乙醇混合而成，其中无水乙醇作为表面活性剂。采用金字塔结构可以增强太阳能电池的吸光能力。
一n型InGaN层3，该n型InGaN层制作在p型Si层2之上，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III(N/Ga)的摩尔比例为1600，H2/N2的体积比例为25％，其生长速率为每小时生长3um，生长温度为1000℃，压强为400mbar。此n型InGaN层最终厚度为5nm。
一N电极层4，所述的N电极层包括4层金属材料，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，其每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作；其中Al层镀在n型InGaN层3右边的金字塔结构上，利用掩膜板使Al层的宽度大约占外延片宽度的1/4，生长温度为2500℃，生长时间为50min，厚度为2um，厚度能覆盖n型InGaN层右边的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3500℃，生长时间为30min，厚度为10nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3500℃，生长时间为30min，厚度为10nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为3000℃，生长时间为50min，厚度为200nm。
本实例采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；其次，采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；另外，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，因而能提高太阳能电池的效率。
实施方案二
实施例1
一P电极层1，所述的P电极层为Au材料，采用热蒸发镀膜的方法将其制作在p-Si层的反面；其在低真空环境中生长，控制生长温度为2000℃，生长时间为30min-50min，厚度为80nm。
一p型Si层2，该p-Si层制作在P电极层1之上，采用的p-Si单面抛光，晶向是(100)，其尺寸是10.0mm×10.5mm(±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.1Ω·cm。其表面经过光刻和反应离子刻蚀等过程后形成微纳金字塔结构，金字塔的深度为4um。操作过程首先是对Si片表面进行热氧化，形成一层厚约5um的二氧化硅层，如图图2a所示。然后进行光刻过程，操作步骤如下：
(1)清洗：将具有SiO2的Si片用丙酮超声清洗10min，异丙醇超声清洗5min，再用超纯水清洗，交替超声清洗3遍。
(2)烘干：将清洗干净的Si片用N2吹干，并用热台120℃加热5min。
(3)涂胶：用台式匀胶机低速600r/min、12s，高速4000r/min、45s，涂正型光刻胶。
(4)前烘：把涂胶后的Si片放在120℃的热台加热5min。
(5)曝光：采用G-25型光刻机进行曝光操作，紫外汞灯功率9mW，时间19s，其中的掩膜板是边长为3um，中心间距为7um的正方形阵列。
(6)后烘：曝光完成后，热台120℃加热2min。
(7)显影：把冷却后的Si片用相应的正胶显影液显影2min50s。
(8)坚膜：把显影完的Si片用N2吹干，并用热台120℃加热5min。
(9)BOE：配制BOE溶液进行SiO2掩膜层的刻蚀，BOE溶液的体积配比为NH4F(aq，40％)：HF＝6：1，NH4F溶液质量比配比NH4F：H2O＝4：6，刻蚀时间为2min20s。
(10)去胶：用丙酮超声5min。
去胶之后的Si片截面示意图如图2b所示，其中SiO2是边长为3um的正方形阵列。接着对硅微尖掩膜面进行反应离子刻蚀，采用的是CF4和CHF3气体，刻蚀出高度约5um，侧面与底面夹角大于54.7°的硅微尖阵列，如图2c所示。将片子置于HF溶液中去除二氧化硅掩膜层，如图2d所示，则Si片表面的微纳金字塔结构形成，如下图1所示是P电极层上面生长的带有金字塔结构的p型Si层。采用金字塔结构可以增强太阳能电池的吸光能力。
一n型InGaN层3，该n型InGaN层制作在p型Si层2之上，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III(N/Ga)比例为1000，H2/N2比例为20％，其生长速率为每小时生长2um，生长温度为800℃，压强为100mbar。此n型InGaN层最终厚度为3nmnm。
一N电极层4，所述的N电极层包括4层金属材料，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，其每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作；其中Al层镀在n型InGaN层3右边的金字塔结构上，利用掩膜板使Al层的宽度大约占外延片宽度的1/4，生长温度为2000℃，生长时间为30min，厚度为1um，厚度能覆盖n型InGaN层右边的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3000℃，生长时间为10min，厚度为5nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3000℃，生长时间为10min，厚度为5nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为2000℃，生长时间为30min，厚度为100nm。
实施例2
一P电极层1，所述的P电极层为Au材料，采用热蒸发镀膜的方法将其制作在p-Si层的反面；其在低真空环境中生长，控制生长温度为3000℃，生长时间为50min，厚度为100nm。
一p型Si层2，该p-Si层制作在P电极层1之上，采用的p-Si单面抛光，晶向是(100)，其尺寸是10.0mm×10.5mm(±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.5Ω·cm。其表面经过光刻和反应离子刻蚀等过程后形成微纳金字塔结构，金字塔的深度为5um。操作过程首先是对Si片表面进行热氧化，形成一层厚约5um的二氧化硅层，如图图2a所示。然后进行光刻过程，操作步骤如下：
(11)清洗：将具有SiO2的Si片用丙酮超声清洗10min，异丙醇超声清洗5min，再用超纯水清洗，交替超声清洗3遍。
(12)烘干：将清洗干净的Si片用N2吹干，并用热台120℃加热5min。
(13)涂胶：用台式匀胶机低速600r/min、12s，高速4000r/min、45s，涂正型光刻胶。
(14)前烘：把涂胶后的Si片放在120℃的热台加热5min。
(15)曝光：采用G-25型光刻机进行曝光操作，紫外汞灯功率9mW，时间19s，其中的掩膜板是边长为3um，中心间距为7um的正方形阵列。
(16)后烘：曝光完成后，热台120℃加热2min。
(17)显影：把冷却后的Si片用相应的正胶显影液显影2min50s。
(18)坚膜：把显影完的Si片用N2吹干，并用热台120℃加热5min。
(19)BOE：配制BOE溶液进行SiO2掩膜层的刻蚀，BOE溶液的体积配比为NH4F(aq，40％)：HF＝6：1，NH4F溶液质量比配比NH4F：H2O＝4：6，刻蚀时间为2min20s。
(20)去胶：用丙酮超声5min。
去胶之后的Si片截面示意图如图2b所示，其中SiO2是边长为3um的正方形阵列。接着对硅微尖掩膜面进行反应离子刻蚀，采用的是CF4和CHF3气体，刻蚀出高度约5um，侧面与底面夹角大于54.7°的硅微尖阵列，如图2c所示。将片子置于HF溶液中去除二氧化硅掩膜层，如图2d所示，则Si片表面的微纳金字塔结构形成，如下图1所示是P电极层上面生长的带有金字塔结构的p型Si层。采用金字塔结构可以增强太阳能电池的吸光能力。
一n型InGaN层3，该n型InGaN层制作在p型Si层2之上，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III(N/Ga)比例为1600，H2/N2比例为25％，其生长速率为每小时生长3um，生长温度为1000℃，压强为400mbar。此n型InGaN层最终厚度为5nm。
一N电极层4，所述的N电极层包括4层金属材料，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，其每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作；其中Al层镀在n型InGaN层3右边的金字塔结构上，利用掩膜板使Al层的宽度大约占外延片宽度的1/4，生长温度为2500℃，生长时间为50min，厚度为2um，厚度能覆盖n型InGaN层右边的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3500℃，生长时间为30min，厚度为10nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3500℃，生长时间为30min，厚度为10nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为3000℃，生长时间为50min，厚度为200nm。
本实例采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；其次，采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；另外，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，因而能提高太阳能电池的效率。

Claims (5)

1.制备微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
采用热蒸发镀膜的方法在p-Si层的反面制作P电极层，在低真空环境中生长，控制生长温度为2000℃～3000℃，生长时间为30min-50min，厚度为80nm～100nm；
对P电极层之上的p-Si单面抛光，晶向是(100)，P电极层的长宽尺寸是10.0mm×(10.5mm±0.2mm)，厚度是520±10um，晶向是<100>±0.5，电阻率为0.1～0.5Ω·cm；其表面经加工形成微纳金字塔结构，得到p型Si层；
在p型Si层2之上制作n型InGaN层，采用MOCVD法生长该n型InGaN层，以III族金属有机物三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)作为III族源，NH3作为V族氮源，N2和H2作为载气，硅烷(SiH4)作为n型掺杂剂，其中V/III即N/Ga的摩尔比例为1000～1600，H2/N2的体积比例为20％～25％，其生长速率为每小时生长2um～3um，生长温度为800℃～1000℃，压强为100～400mbar，此n型InGaN层最终厚度为3nm～5nm；
在n型InGaN层上的一边缘上方制作N电极层，分别为Al层、Ti层、Ni层、Au层，每层均在低真空环境中采用热蒸发镀膜的方法制作，利用掩膜板使Al层的宽度占外延片宽度的1/4，生长温度为2000℃～2500℃，生长时间为30min-50min，厚度为1um～2um，厚度能覆盖n型InGaN层边缘下方的金字塔深度；Ti层镀在Al层上，生长温度为3000℃～3500℃，生长时间为10min-30min，厚度为5nm～10nm；Ni层镀在Ti层上面，生长温度为3000℃～3500℃，生长时间为10min-30min，厚度为5nm～10nm；Au层镀在Ni层上面，生长温度为2000℃～3000℃，生长时间为30min-50min，厚度为100nm～200nm；
所制得的一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池包括：
一P电极层；
一p型Si层，该p型Si层制作在P电极层上，p型Si层的上表面为微纳金字塔结构；
一n型InGaN层，该n型InGaN层制作在p型Si层的表面上，n型InGaN层的上表面为微纳金字塔结构；
一N电极层，该N电极层制作在n型InGaN层上。
2.根据权利要求1所述的制备微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，其特征在于所述P电极层是层状结构。
3.根据权利要求1所述的制备微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，其特征在于p型Si层的厚度为520±10um，微纳金字塔结构由多个金字塔结构紧密排布形成，金字塔结构的深度为4-5um。
4.根据权利要求1所述的制备微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，其特征在于n型InGaN层上表面与p型Si层的微纳金字塔结构上表面平行，n型InGaN层中的自由电子浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，厚度为100nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的制备微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池的方法，其特征在于所述的N电极是层状结构，位于n型InGaN层的一边缘上，其包括4层金属结构，分别为铝层、钛层、镍层、金层。
CN201510790881.6A 2015-11-16 2015-11-16 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法 Active CN105449015B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510790881.6A CN105449015B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510790881.6A CN105449015B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105449015A CN105449015A (zh) 2016-03-30
CN105449015B true CN105449015B (zh) 2017-06-16

Family

ID=55558997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510790881.6A Active CN105449015B (zh) 2015-11-16 2015-11-16 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105449015B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814541A (zh) * 2010-04-09 2010-08-25 上海交通大学 表面分布有金属纳米线的硅太阳电池

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2348570A4 (en) * 2008-10-17 2012-08-22 Sharp Kk COLOR-SENSITIZED SOLAR CELL AND SOLAR CELL SENSITIZED SOLAR CELL
US20150122329A1 (en) * 2011-11-07 2015-05-07 International Business Machines Corporation Silicon heterojunction photovoltaic device with non-crystalline wide band gap emitter

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101814541A (zh) * 2010-04-09 2010-08-25 上海交通大学 表面分布有金属纳米线的硅太阳电池

Also Published As

Publication number Publication date
CN105449015A (zh) 2016-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106796965B (zh) 半导体结构及其制造方法
CN101587913B (zh) Sinp硅蓝紫光电池及其制备方法
CN103975449A (zh) 太阳能电池
CN104993059B (zh) 一种硅基钙钛矿异质结太阳电池及其制备方法
JP2013030798A (ja) 多接合太陽電池
JP2008235877A (ja) 太陽電池及びその製造方法
JP6410362B2 (ja) 効率を改善するように構成された低バンドギャップ活性層を有する光活性デバイス及び関連する方法
US20180331245A1 (en) Dual-junction thin film solar cell module, and preparation method thereof
CN102790120B (zh) GaInP/GaAs/Ge三结级联太阳能电池及其制备方法
JP2009224774A (ja) 太陽電池及びその製造方法
Zhang et al. InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with an enhanced open-circuit voltage
JP5001985B2 (ja) 太陽エネルギ電池のＧｅｘＳｉ１−ｘ緩衝層をシリコンウェハ上に形成する方法。
JP2021504980A (ja) フレキシブル二重接合太陽電池
JP5548878B2 (ja) 多接合型光学素子
JP2014220351A (ja) 多接合太陽電池
CN103094378A (zh) 含有变In组分InGaN/GaN多层量子阱结构的太阳能电池
CN210778633U (zh) 一种氮化物多结太阳能电池
CN102214721B (zh) 一种iii族氮化物双异质结太阳能光伏电池
CN102738292A (zh) 多结叠层电池及其制备方法
JP5669228B2 (ja) 多接合太陽電池およびその製造方法
CN105355668A (zh) 一种具有非晶态缓冲层结构的In0.3Ga0.7As电池及制备方法
CN105449015B (zh) 微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法
WO2017084492A1 (zh) 双结薄膜太阳能电池组件及其制作方法
WO2013004188A1 (zh) 太阳能电池，系统，及其制作方法
CN105938855A (zh) 一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220112

Address after: 215000 Room 214, 23 Blocks, Zhongbei District, No. 99 Jinjihu Avenue, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province

Patentee after: Jiangsu third generation semiconductor Research Institute Co.,Ltd.

Address before: 510631 No. 55, Zhongshan Avenue, Tianhe District, Guangdong, Guangzhou

Patentee before: SOUTH CHINA NORMAL University

TR01 Transfer of patent right