CN105449025B - InGaN/Ge四结太阳电池及制造工艺方法 - Google Patents

InGaN/Ge四结太阳电池及制造工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种InGaN/Ge四结太阳电池及制造工艺方法，属于太阳能电池结构技术领域，其特征在于：所述InGaN/Ge四结太阳电池包括自下而上的：锗衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、第一隧道结、InaGa1‑aN电池、第二隧道结、InbGa1‑bN电池、第三隧道结、IncGa1‑cN电池、帽层、以及半透明电流扩展层；通过采用上述技术方案，本发明采用正向结构的四结太阳能电池，缩短了工艺流程，易于制作；本结构的理论转换效率可达到55％以上，并可作为完整的电池直接应用；本发明将锗衬底作为底电池使用，有效的提升了太阳电池的性能。

Description

InGaN/Ge四结太阳电池及制造工艺方法
技术领域
本发明属于太阳能电池结构技术领域，特别是涉及一种InGaN/Ge四结太阳电池。
背景技术
三元合金InxGa1-xN为直接带隙半导体材料，随着In组分的变化，其禁带宽度可以在0.7eV至3.40eV范围内连续调节，覆盖了从红外到近紫外的广泛光谱区域，使得其在发光二极管(LED)、激光器(LD)等光电子器件领域有着重要的应用价值；特别是由于其禁带宽度与太阳光谱完全匹配，因而为新一代、高转换效率宽光谱太阳电池的探索开辟了一个新的途径，通过调节不同的In组分，可以实现对太阳光谱不同波段的响应，从而可以克服原有GaAs材料体系带隙与太阳光谱不匹配造成的转换效率低下的瓶颈。
目前生长InGaN材料使用最多是蓝宝石和碳化硅衬底，但是由于价格、导热等问题，还不是最合适的衬底。锗衬底具有价格低、易得到大面积高质量商业化衬底等优点，而且由于其带隙为0.67eV，还可以作为底电池使用，被认为是最有希望取代以上两种衬底生长InGaN材料的一种理想衬底。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种InGaN/Ge四结太阳电池及制造工艺方法；该四结太阳电池外量子效率高、光电转换效率高、使用寿命长、电池工作稳定性高，并可作为完整的电池直接应用的InGaN/Ge四结太阳电池。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种InGaN/Ge四结太阳电池，包括自下而上的：锗衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、第一隧道结、InaGa1-aN电池、第二隧道结、InbGa1-bN电池、第三隧道结、IncGa1-cN电池、帽层、以及半透明电流扩展层；其中：
所述AlN成核层的厚度范围为10-200nm；所述GaN缓冲层的厚度范围为1-5μm；
所述第一隧道结包括Si掺杂的n+-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p+-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，该第一隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，该第一隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述InaGa1-aN电池包括Si掺杂的n-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，该InaGa1-aN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该InaGa1-aN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述第二隧道结包括Si掺杂的n+-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p+-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，该第二隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，该第二隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述InbGa1-bN电池包括Si掺杂的n-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，该InbGa1-bN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该InbGa1-bN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述第三隧道结包括Si掺杂的n+-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p+-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，所述第三隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，所述第三隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述IncGa1-cN电池包括Si掺杂的n-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，所述IncGa1-cN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，所述IncGa1-cN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述帽层为Mg掺杂的p+-IncGa1-cN，其中0.3≤c≤0.5，所述帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，所述帽层的厚度范围为10nm-500nm；
所述半透明电流扩展层为ITO膜；所述ITO膜的厚度范围为100-1000nm；所述半透明电流扩展层上蒸镀有正电极；在所述锗衬底上蒸镀有负电极。
进一步：所述正电极由30nm的Ni和厚度80nm的Au组成；所述负电极自上至下为厚度10nm的Ti、30nm的Al、10nm的Ti、200nm的Au，其中上层Ti蒸镀于n-Ge层下。
一种制造上述InGaN/Ge四结太阳电池的工艺方法，包括如下步骤：
采用金属有机化学气相沉积技术在锗衬底(1)上面依次生长AlN成核层(2)、GaN缓冲层(3)、第一隧道结(4)、InaGa1-aN电池(5)、第二隧道结(6)、InbGa1-bN电池(7)、第三隧道结(8)、IncGa1-cN电池(9)、帽层(10)，具体工艺过程为：
步骤101、在锗衬底(1)上生长AlN成核层(2)，生长温度为500–700℃，通过该AlN成核层(2)中N原子的扩散形成n-Ge层,从而形成锗电池；
步骤102、在AlN成核层(2)上生长GaN缓冲层(3)，生长温度为800–1200℃，
步骤103、在GaN缓冲层(3)上生长第一隧道结(4)，生长温度为600–1200℃；
步骤104、在第一隧道结(4)上生长InaGa1-aN电池(5)，生长温度为600–1200℃；
步骤105、在InaGa1-aN电池(5)上生长第二隧道结(6)，生长温度为600–1200℃；
步骤106、在第二隧道结(6)上生长InbGa1-bN电池(7)，生长温度为600–1200℃；
步骤107、在InbGa1-bN电池(7)上生长第三隧道结(8)，生长温度为600–1200℃；
步骤108、在第三隧道结(8)上生长IncGa1-cN电池(9)，生长温度为600–1200℃；
步骤109、在IncGa1-cN电池(9)上生长帽层(10)，生长温度为600–1200℃；
步骤110、在帽层(10)上蒸镀ITO膜作为半透明电流扩展层(11)；
步骤111、在半透明电流扩展层(11)上进行第一次光刻，获得保护区(15)和蚀刻区(14)；
步骤112、在上述蚀刻区(14)内采用干法蚀刻去掉蚀刻区(14)内的半透明电流扩展层(11)、帽层(10)、IncGa1-cN电池(9)、第三隧道结(8)、InbGa1-bN电池(7)、第二隧道结(6)、InaGa1-aN电池(5)、第一隧道结(4)、GaN缓冲层(3)、AlN成核层(2)和n-Ge层(1)；
步骤113、在保护区(15)的半透明电流扩展层(11)进行第二次光刻，得到正电极区域(16)，在蚀刻区(14)锗电池的基区上刻出负电极区域(17)；
步骤114、在正电极区域(16)蒸镀正电极；具体为：首先在正电极区域蒸镀一层厚度30nm的Ni，然后再蒸镀一层厚度80nm的Au，共蒸镀1-4小时；
步骤115、在负电极区域(17)蒸镀负电极；具体为：在负电极区域依次蒸镀厚度为10nm的Ti、30nm的Al、10nm的Ti、200nm的Au，共蒸镀1-4小时。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明采用正向结构的四结太阳能电池，缩短了工艺流程，易于制作。
2、本结构的理论转换效率可达到55％以上，并可作为完整的电池直接应用。
3、本发明将锗衬底作为底电池使用，有效的提升了太阳电池的性能。
附图说明：
图1为本发明InGaN/Ge四结太阳电池结构示意图。
图2为本发明第一次光刻后的俯视示意图；
图3为本发明第二次光刻后的俯视示意图。
图中：1、锗衬底；2、AlN成核层；3、GaN缓冲层；4、第一隧道结；5、InaGa1-aN电池；6、第二隧道结；7、InbGa1-bN电池；8、第三隧道结；9、IncGa1-cN电池；10、帽层；11、半透明电流扩展层；12、正电极；13、负电极；14、蚀刻区；15、保护区；16、正电极区域；17、负电极区域。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图3，一种InGaN/Ge四结太阳电池，包括锗衬底，其下依次为AlN成核层、GaN缓冲层、四结InGaN电池和之间的隧道结、半透明电流扩展层，蒸镀于半透明电流扩展层下的正电极，其特点是：所述四结InGaN电池和隧道自上至下依次为第一隧道结、InaGa1-aN电池、第二隧道结、InbGa1-bN电池、第三隧道结、IncGa1-cN电池，锗衬底下蒸镀有负电极；所述半透明电流扩展层和IncGa1-cN电池之间置有帽层。其制作过程为：
采用MOCVD即金属有机化学气相沉积技术在锗衬底1上面依次生长AlN成核层2、GaN缓冲层3、第一隧道结4、InaGa1-aN电池5、第二隧道结6、InbGa1-bN电池7、第三隧道结8、IncGa1-cN电池9、帽层10，具体制作过程为：
AlN成核层，生长温度为500–700℃，厚度范围为10-200nm，通过本层中N原子的扩散形成n-Ge层,从而形成锗电池；
GaN缓冲层，生长温度为800–1200℃，厚度范围为1-5μm，本层可减少外延层的缺陷密度，从而提高晶体质量；
第一隧道结，包括Si掺杂的n+-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p+-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm；
InaGa1-aN电池，包括Si掺杂的n-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度范围为100nm-1000nm；
第二隧道结，包括Si掺杂的n+-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p+-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm；
InbGa1-bN电池，包括Si掺杂的n-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度范围为100nm-1000nm；
第三隧道结，包括Si掺杂的n+-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p+-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-100nm；
IncGa1-cN电池，包括Si掺杂的n-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度范围为100nm-1000nm；
帽层为Mg掺杂的p+-IncGa1-cN，其中0.3≤c≤0.5，生长温度为600–1200℃，掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，厚度范围为10nm-500nm。
上述各层材料生长之后，总时间为5-10小时，在帽层上蒸镀ITO膜作为半透明电流扩展层11，再依次进行第一次光刻、干法蚀刻、第二次光刻、蒸镀正电极12和负电极13，构成太阳电池器件：
蒸镀ITO：采用公知的蒸镀工艺蒸镀ITO膜，蒸镀时间为1-4小时，形成厚度100-1000nm半透明电流扩展层；
第一次光刻：采用公知的光刻工艺，光刻出图2所示的保护区15和蚀刻区14；
干法蚀刻：采用公知的干法蚀刻工艺，去掉蚀刻区的半透明电流扩展层、帽层、IncGa1-cN电池、第三隧道结、InbGa1-bN电池、第二隧道结、InaGa1-aN电池、第一隧道结、GaN缓冲层、AlN成核层和n-Ge层；
第二次光刻：采用公知的光刻工艺，在保护区的半透明电流扩展层上刻出图3所示的正电极区域16，在蚀刻区锗电池的基区上刻出图3所示的负电极区域17；
蒸镀正电极：采用公知的蒸镀工艺在正电极区域先蒸镀一层厚度30nm的Ni，再蒸镀一层厚度80nm的Au，共蒸镀1-4小时，形成图3所示的正电极；
蒸镀负电极：采用公知的蒸镀工艺在负电极区域依次蒸镀厚度为10/30/10/200nm的Ti/Al/Ti/Au，共蒸镀1-4小时，形成图3所示的负电极，构成太阳电池器件。
通过以上步骤的实施，完成本发明InGaN/Ge四结太阳电池的制作过程。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种InGaN/Ge四结太阳电池的工艺方法，其特征在于：包括自下而上的：锗衬底、AlN成核层、GaN缓冲层、第一隧道结、InaGa1-aN电池、第二隧道结、InbGa1-bN电池、第三隧道结、IncGa1-cN电池、帽层、以及半透明电流扩展层；其中：
所述AlN成核层的厚度范围为10-200nm；所述GaN缓冲层的厚度范围为1-5μm；
所述第一隧道结包括Si掺杂的n+-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p+-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，该第一隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，该第一隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述InaGa1-aN电池包括Si掺杂的n-InaGa1-aN层和Mg掺杂的p-InaGa1-aN层，其中0.7≤a≤0.9，该InaGa1-aN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该InaGa1-aN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述第二隧道结包括Si掺杂的n+-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p+-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，该第二隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，该第二隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述InbGa1-bN电池包括Si掺杂的n-InbGa1-bN层和Mg掺杂的p-InbGa1-bN层，其中0.5≤b≤0.7，该InbGa1-bN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，该InbGa1-bN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述第三隧道结包括Si掺杂的n+-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p+-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，所述第三隧道结的掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3，所述第三隧道结的厚度范围为10nm-100nm；
所述IncGa1-cN电池包括Si掺杂的n-IncGa1-cN层和Mg掺杂的p-IncGa1-cN层，其中0.3≤c≤0.5，所述IncGa1-cN电池的掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，所述IncGa1-cN电池的厚度范围为100nm-1000nm；
所述帽层为Mg掺杂的p+-IncGa1-cN，其中0.3≤c≤0.5，所述帽层的掺杂浓度为1×1018-1×1021cm-3，所述帽层的厚度范围为10nm-500nm；
所述半透明电流扩展层为ITO膜；所述ITO膜的厚度范围为100-1000nm；所述半透明电流扩展层上蒸镀有正电极；在所述锗衬底上蒸镀有负电极；
所述正电极由30nm的Ni和厚度80nm的Au组成；所述负电极自上至下为厚度10nm的Ti、30nm的Al、10nm的Ti、200nm的Au，其中上层Ti蒸镀于n-Ge层下；
所述工艺方法包括如下步骤：
步骤101、在锗衬底(1)上生长AlN成核层(2)，生长温度为500–700℃，通过该AlN成核层(2)中N原子的扩散形成n-Ge层,从而形成锗电池；
步骤102、在AlN成核层(2)上生长GaN缓冲层(3)，生长温度为800–1200℃，
步骤103、在GaN缓冲层(3)上生长第一隧道结(4)，生长温度为600–1200℃；
步骤104、在第一隧道结(4)上生长InaGa1-aN电池(5)，生长温度为600–1200℃；
步骤105、在InaGa1-aN电池(5)上生长第二隧道结(6)，生长温度为600–1200℃；
步骤106、在第二隧道结(6)上生长InbGa1-bN电池(7)，生长温度为600–1200℃；
步骤107、在InbGa1-bN电池(7)上生长第三隧道结(8)，生长温度为600–1200℃；
步骤108、在第三隧道结(8)上生长IncGa1-cN电池(9)，生长温度为600–1200℃；
步骤109、在IncGa1-cN电池(9)上生长帽层(10)，生长温度为600–1200℃；
步骤110、在帽层(10)上蒸镀ITO膜作为半透明电流扩展层(11)；
步骤111、在半透明电流扩展层(11)上进行第一次光刻，获得保护区(15)和蚀刻区(14)；
步骤112、在上述蚀刻区(14)内采用干法蚀刻去掉蚀刻区(14)内的半透明电流扩展层(11)、帽层(10)、IncGa1-cN电池(9)、第三隧道结(8)、InbGa1-bN电池(7)、第二隧道结(6)、InaGa1-aN电池(5)、第一隧道结(4)、GaN缓冲层(3)、AlN成核层(2)和n-Ge层(1)；
步骤113、在保护区(15)的半透明电流扩展层(11)进行第二次光刻，得到正电极区域(16)，在蚀刻区(14)锗电池的基区上刻出负电极区域(17)；
步骤114、在正电极区域(16)蒸镀正电极；具体为：首先在正电极区域蒸镀一层厚度30nm的Ni，然后再蒸镀一层厚度80nm的Au，共蒸镀1-4小时；
步骤115、在负电极区域(17)蒸镀负电极；具体为：在负电极区域依次蒸镀厚度为10nm的Ti、30nm的Al、10nm的Ti、200nm的Au，共蒸镀1-4小时。
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