CN110164994A - InGaN/GaN多量子阱太阳能电池 - Google Patents

InGaN/GaN多量子阱太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,包括:包含台面区域的多量子阱结构的外延片,该多量子阱结构的外延片自下而上依次包含:基底;本征GaN缓冲层;第一N型GaN层;以及台面区域,该台面区域自下而上包含:第二N型GaN层,四周经刻蚀形成台面隔离;InxGa1‑xN/GaN多量子阱吸收层;以及P型GaN层;金属纳米颗粒阵列,分布于多量子阱结构的外延片的台面区域上表面;以及电流扩展层,覆盖于Ag纳米颗粒阵列的上方;其中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加有应力,受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控。该太阳能电池的太阳能转换效率提高了64%,与传统的通过MOCVD的方法来提高太阳能转换效率相比,具有成本低廉、可回收、调控效果显著、性能可靠的优点。

Description

InGaN/GaN多量子阱太阳能电池
技术领域
本公开属于太阳能电池技术领域,涉及一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池。
背景技术
III族氮化物半导体,例如InN,AlN,GaAs和GaN等等,由于其优越的物理性质而被广泛用于光电子领域。与Si系的太阳能电池相比,InxGa1-xN作为直接带隙半导体材料,其禁带宽度可随In掺杂浓度的变化由InN的0.7eV调节到GaN的3.4eV,非常有优势。此外,研究表明,InxGa1-xN合金具有高的吸收系数,带边吸收系数高达10-5cm-1。并且早期的理论计算表明,当InxGa1-xN合金中的In含量约为40%时,InxGa1-xN基太阳能电池的转换效率将高于50%。
然而,在实际的实验中,生长得到既满足高铟组分又能达到足够的厚度的InGaN薄膜是非常困难的,由于GaN和InGaN之间存在晶格失配,In组分的提高将导致非常高的位错密度,因此造成较差的太阳能功率转换效率。传统的提高太阳能转换效率的方式通常为:通过利用MOCVD的方式改变器件的结构,比如增加量子阱的数量来提高太阳能转换效率,有研究表明:将量子阱的数量从5个增加到40个,器件总体的转换效率从0.09%提高至0.85%,然而,当量子阱的数量进一步增加到100个时,太阳能转换效率反而降低到了0.78%;也有研究人员通过改变InxGa1-xN合金中In的组分来优化太阳能转换效率。但是这些提高太阳能电池转换效率的方法需要多次试验、结构调控的周期长、性能不稳定,因此亟需开发一种新的方式来提高InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的转换效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面,提供了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,包括:包含台面区域的多量子阱结构的外延片,该多量子阱结构的外延片自下而上依次包含:基底;本征GaN缓冲层;第一N型GaN层;以及台面区域,该台面区域自下而上包含:第二N型GaN层,四周经刻蚀形成台面隔离;InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层;以及P型GaN层;金属纳米颗粒阵列,分布于多量子阱结构的外延片的台面区域上表面;以及电流扩展层,覆盖于Ag纳米颗粒阵列的上方;其中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加有应力,受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控。
在本公开的一些实施例中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,还包括:N型电极,位于第一N型GaN层之上;以及P型电极,位于电流扩展层之上。
在本公开的一些实施例中,金属纳米颗粒阵列为Ag纳米颗粒阵列。
在本公开的一些实施例中,Ag纳米颗粒阵列中Ag纳米颗粒的吸收峰位小于InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层的发光峰位。
在本公开的一些实施例中,InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层的发光区间为:390nm~760nm。
在本公开的一些实施例中,InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层中量子阱的周期数量介于5~100之间;和/或InxGa1-xN中x介于0.15~0.3之间。
在本公开的一些实施例中,电流扩展层的材料为:导电的氧化铟锡,该电流扩展层的厚度介于100nm~260nm之间。
在本公开的一些实施例中,N型电极为环形电极;P型电极为栅格阵列,包含若干个栅格,其中,每个栅格的宽度介于35~45μm之间,相邻两个栅格中心之间的距离介于380μm~420μm之间;或者N型电极、P型电极为插指形电极。
在本公开的一些实施例中,N型电极的材料为:Ti/Al/Ti/Au;P型电极的材料为Ni/Au。
在本公开的一些实施例中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加的应力对应的应变ε的调控范围为:0<ε≤0.18%。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本公开提供的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,具有以下有益效果:
通过在多量子阱结构的外延片的台面区域上制作Ag纳米颗粒阵列,该Ag纳米颗粒阵列可用作表面等离子体激元来调制光子的散射和俘获,同时,将该含有Ag纳米颗粒阵列的太阳能电池结构施加应力进行调控,最终得到的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,其太阳能转换效率提高了64%,与传统的通过MOCVD的方法来提高太阳能转换效率相比,具有成本低廉、可回收、调控效果显著、性能可靠的优点。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的外延片的台面区域及其上方结构的剖面结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的对样品施加应力的示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的样品在应力施加前后的状态对比示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的Ag纳米颗粒分布的SEM图。
图6A为不含Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能图。
图6B为含有Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能图。
图7为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的电流密度-电压性能曲线。
图8为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的功率密度-电压的性能曲线。
图9为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的太阳能转换效率-应变的性能曲线。
图10为根据本公开另一实施例所示的包含插指形式的电极的太阳能电池的器件结构示意图。
【符号说明】
101-基底; 102-本征GaN缓冲层;
103-第一N型GaN层; 104-第二N型GaN层;
105-InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层; 106-P型GaN层;
201-电流扩展层; 202-金属纳米颗粒阵列;
301-N型电极; 302-P型电极;
1-样品; 2-夹具;
3-顶丝; 4-电动旋转台。
具体实施方式
本公开提供了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,通过在多量子阱结构的外延片的台面区域上制作金属纳米颗粒阵列,该金属纳米颗粒阵列可用作表面等离子体激元来调制光子的散射和俘获,同时,将该含有金属纳米颗粒阵列的太阳能电池结构施加应力进行调控,最终得到的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,其太阳能转换效率提高了64%,与传统的通过MOCVD的方法来提高太阳能转换效率相比,具有成本低廉、可回收、调控效果显著、性能可靠的优点。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中,提供了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池。
图1为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的外延片的台面区域及其上方结构的剖面结构示意图。
参照图1和图2所示,本公开的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,包括:
包含台面区域的多量子阱结构的外延片,该多量子阱结构的外延片自下而上依次包含:基底101;本征GaN缓冲层102;第一N型GaN层103;以及台面区域,该台面区域自下而上包含:第二N型GaN层104,四周经刻蚀形成台面隔离;InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层105;以及P型GaN层106;
金属纳米颗粒阵列202,分布于多量子阱结构的外延片的台面区域上表面;
电流扩展层201,覆盖于Ag纳米颗粒阵列202的上方;
N型电极301,位于第一N型GaN层103之上;以及
P型电极302,位于电流扩展层201之上;
其中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加有应力,受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控。
下面结合附图,对本公开的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的各个部分进行详细介绍。
本实施例中,基底101为蓝宝石基底。
本实施例中,本征GaN缓冲层102的厚度介于2μm~4μm之间,这里为3μm。
第一N型GaN层103与第二N型GaN层104为N型GaN层刻蚀一定深度之后形成的两个部分,本实施例中,N型GaN层的掺杂元素为Si,N型GaN层的厚度介于2μm~3μm之间,这里为2μm;本实施例中,优选第一N型GaN层103的厚度为1.2μm,第二N型GaN层104的厚度为0.8μm。
InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层105是由多个周期的InxGa1-xN/GaN量子阱堆叠而成的,其中,量子阱的周期数量介于5~100之间,本实施例中以9个周期的量子阱作为示例;每个周期中InxGa1-xN的厚度介于2nm~4nm之间,GaN的厚度介于10nm~15nm之间,本实施例中,InxGa1-xN/GaN的厚度对应为:3nm/13nm;InxGa1-xN中x介于0.15~0.3之间,本实施例以In的组分(原子比例)x=0.25进行示例说明。
P型GaN层106的厚度介于100nm~200nm之间,本实施例以150nm作为示例,其中,P型GaN层的掺杂元素为Mg。
参照图1所示,本实施例中,金属纳米颗粒阵列202为4块平行分布的条形区域,但本公开中金属纳米颗粒阵列202的分布方式以及选用的金属不局限于本实施例。本实施例中优选Ag纳米颗粒,其中,Ag纳米颗粒用作表面等离子体激元来调制光子散射和俘获,具有较佳的性能。
本实施例中,电流扩展层201的材料为:导电的氧化铟锡(ITO),该电流扩展层201的厚度介于100nm~260nm之间,这里以150nm示例说明。
N型电极301和P型电极302可选用常用的电极材料。优选的,N型电极301的材料为:Ti/Al/Ti/Au,P型电极302的材料为Ni/Au;本实施例中,Ti/Al/Ti/Au的厚度对应分别为:30nm/120nm/45nm/55nm;Ni/Au的厚度对应分别为:30nm/150nm。
优选的,N型电极301为环形电极,这里的环形电极为封闭的环形,可以是圆环、方形环或者其他形状的封闭环形,该环形电极的设置是为了便于收集载流子。
优选的,P型电极302的图案与Ag纳米颗粒阵列202的图案互补,使得Ag纳米颗粒阵列202的图案暴露出来。参照图1所示,本实施例中,P型电极302为栅格阵列,这里以5个栅格作为示例,其中,每个栅格的宽度介于35~45μm之间,相邻两个栅格中心之间的距离介于380μm~420μm之间,本实施例中,每个栅格的宽度为40μm,相邻两个栅格中心之间的距离为400μm。
需要说明的是,ITO为透明的材料,参照图2所示,电流扩展层201覆盖于Ag纳米颗粒阵列202的上方,由于电流扩展层201采用透明的ITO材料,另外,由于P型电极302的图案设置为与Ag纳米颗粒阵列202的图案互补,因而在图1所示的示意图中,位于电流扩展层201下方的Ag纳米颗粒阵列202的图案可以完全显露出来,可以最大效率的去实现光子俘获和散射。
参照图2所示,外延片的台面区域自下而上包含:第二N型GaN层104,四周经刻蚀形成台面隔离;InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层105;以及P型GaN层106。金属纳米颗粒阵列202,分布于多量子阱结构的外延片的台面区域上表面;电流扩展层201,覆盖于Ag纳米颗粒阵列202的上方。
图3为根据本公开一实施例所示的对样品施加应力的示意图。图4为根据本公开一实施例所示的样品在应力施加前后的状态对比示意图。
参照图3所示,将该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池作为样品1,被夹具2卡住,两侧固定,电动旋转台4连接顶丝3给样品施加应力,利用电动旋转台4控制顶丝3旋进的高度,从而使得样品被弯曲;样品在弯曲前后的示意图参照图4所示,在应力施加之前的状态对应图4中虚线所示,施加应力之后的状态对应图4中发生弯曲的状态。
本实施例中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加有应力,该应力对应的应变ε的调控范围为:0<ε≤0.18%,优选的,施加的应力对应的应变为:0.152%。
下面介绍本实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的器件制作过程。
第一,准备多量子阱结构的外延片结构。
利用常见的材料生长方法制备外延片结构,该多量子阱结构的外延片结构自下而上依次包括:基底、本征GaN缓冲层、N型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层、以及P型GaN层;将该多量子阱结构的外延片结构在HCl∶4H2O、丙酮、无水乙醇溶液中清洗,然后用去离子水彻底漂洗;
第二,将多量子阱结构的外延片结构进行台面隔离,在同一基底上得到多个隔离开的样品;
利用PECVD的方法,在450W功率下,SiH4、Ar和O2的流量分别为130.5sccm,126sccm和13sccm,反应室温度为80℃,在P型GaN层的表面上沉积1500nm的SiO2层,用于做刻蚀掩膜;然后通过光刻和电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)系统的组合,将2×2mm2的正方形阵列图案转移到多量子阱结构的外延片结构上,实现台面隔离,即在同一基底上得到多个隔离开的样品,每个样品为一个独立的多量子阱结构的外延片结构,尺寸为:2×2mm2
第三,在每个样品中进行刻蚀,刻蚀到N型GaN层的内部,制作出每个样品的台面区域;
先对上一步骤残留的SiO2掩膜进行刻蚀,刻蚀的反应气体及其对应流量分别为:CHF3:20sccm,CF4:40sccm,Ar:10sccm;然后对每个样品采用ICP的方法从上至下依次刻蚀:P型GaN层、InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层、以及N型GaN层,刻蚀到N型GaN层的内部即可,优选刻蚀深度为0.8μm;其中,用于GaN刻蚀的反应气体及其对应流量分别为:Cl2:30sccm,BCl3:15sccm,Ar:5sccm。刻蚀后,将样品浸入氟化氢(HF)溶液中40分钟,以除去SiO2掩模。
第四,在刻蚀后暴露的N型GaN层上表面制作N型电极;
本实施例中,采用电子束蒸发的方法在刻蚀后暴露的N型GaN层上表面制作N型电极,N型电极为:Ti/Al/Ti/Au,Ti/Al/Ti/Au的厚度对应分别为:30nm/120nm/45nm/55nm,紧接着在850℃下,N2氛围中退火30秒。
第五,制作金属纳米颗粒阵列的图案,并制作金属纳米颗粒阵列;
本实施例中,利用光刻的方式制作四个矩形的阵列图案,然后利用电子束蒸发法在对应的图案中沉积Ag层。在一实例中,通过Denton Vacuum/Explore14电子束蒸发器系统,反应压力为1.5×10-5Torr,以的速度将5nm的银沉积到四个矩形的阵列图案中,并将样品浸于丙酮溶液中去除光刻胶,得到包含阵列分布的Ag的样品。
优选的,将样品进行快速热退火,本实施例中,将样品装入RTP-1200快速热退火系统中,并用氮气置换炉内的空气,样品在300℃下退火5分钟,关断加热器电流,在氮气条件下将样品自然冷却至室温,得到银纳米颗粒阵列。这里对样品进行退火,有助于银纳米颗粒的成球和均匀分布,优化其对于光子散射和俘获的调控效果。
图5为根据本公开一实施例所示的Ag纳米颗粒分布的SEM图。
参照图5所示,本实施例中制备得到的Ag纳米颗粒嵌套在GaN表面,呈阵列分布,从扫描电镜图谱中可以看出,银颗粒的平均尺寸为30nm,经表征后银颗粒在P型氮化镓表面的吸收峰位在448nm处。
第六,在金属纳米颗粒阵列上方覆盖电流扩展层;
本实施例中,电流扩展层201的材料为:导电的氧化铟锡(ITO)。
第七,在电流扩展层上制作P型电极;
通过使用光刻和剥离技术的磁控溅射制作P型电极,本实施例中,P型电极302的材料为Ni/Au,厚度对应分别为:30nm/150nm;P型电极302为栅格阵列,这里以5个栅格作为示例,参照图1所示,其中,每个栅格的宽度为40μm,相邻两个栅格中心之间的距离为400μm。
为了证实本申请提出的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池由于受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,因此具备在太阳能转换效率方面的优势,下面对实施例中制备得到的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池进行了性能测试,并将其与不含Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池;以及含有Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能进行了性能对比。
图6A为不含Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能图。图6B为含有Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能图。
不含Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池、以及含有Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的性能均是用太阳光模拟器结合吉时利2450测试的,在1个太阳光的照射下,对应光强为100mW/cm2
不含Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的测试结果参照图6A所示,其开路电压为1.6V,短路电流密度为0.93mA/cm2,效率为0.76%;而含有Ag纳米颗粒阵列、不施加应力调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的测试结果参照图6B所示,其开路电压为1.62V,短路电流密度是1.03mA/cm2,效率为0.98%;有Ag纳米颗粒的太阳能电池效率会比没有Ag纳米颗粒的太阳能电池效率高0.22%,增加了28%。
经分析可知,这种情况下,太阳能电池效率的提高是由于在入射光的照射下,由于金属表面存在大量自由电子,自由电子在入射光场的作用下发生集体振荡,这种集体激发的导体电子的振荡模式被称为表面等离子体。在特定条件下,入射光与金属薄膜的振荡电子发生共振,对入射光的吸收显着增强,这种现象被称为表面等离子体共振。表面等离子体共振效应使金属纳米结构表面局域光电场增强。表面等离子体共振时,入射光的大部分能量耦合到表面等离子体波,使反射光的能量急剧减少,太阳能电池对光的吸收大大增加,因此,金属纳米颗粒带来的微结构使得太阳能电池效率得到了提升。
有研究提出,太阳能电池器件在压电效应的调制下,在器件背面施加外部应力,当外加应变为0.134%时,电池效率增加了11%。
为了突出本申请的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池由于受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,该等离子体和压电效应耦合作用并非是等离子体和压电效应的简单叠加,区别于对于器件简单进行应力调控的案例,对本申请的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池进行了不同应力调控下的性能测试,以突出等离子体和压电效应耦合作用的综合调控效果。
图7为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的电流密度-电压性能曲线。
参照图7所示,对InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加的应力对应的应变分别为:0(不加应力,作为对比参照)、0.030%、0.103%、0.125%、0.135%、0.152%,相应得到的太阳电池的开路电压分别为:1.62V、1.64V、1.56V、1.64V、1.62V、1.64V,基本不变;短路电流密度分别为:1.03mA/cm2、1.05mA/cm2、1.18mA/cm2、1.25mA/cm2、1.32mA/cm2、1.38mA/cm2,逐渐增大。
图8为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的功率密度-电压的性能曲线。
参照图8所示,在不同的应力调控下,每个样品的最大功率密度对应的电压基本上相同;外部应变从0增加到0.152%,最大功率密度随之增加。在0、0.030%、0.103%、0.125%、0.135%、0.152%应变下的最大功率密度分别为:0.98mW/cm2、0.99mW/cm2、1.06mW/cm2、1.14mW/cm2、1.253mW/cm2、1.246mW/cm2
图9为根据本公开一实施例所示的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池在不同应力调制下的太阳能转换效率-应变的性能曲线。
参照图9所示,随着外加应变的增加,太阳能转换效率大致呈增加的趋势。类似地,在0、0.030%、0.103%、0.125%、0.135%、0.152%应变下的太阳能转换效率分别为:0.98%、0.99%、1.06%、1.14%、1.253%、1.246%。
结合图7~图9所示,在AM1.5G照明条件下,随着外加应变的增加,太阳能电池的电流密度由1.03mA/cm2增加至1.38mA/cm2,相应的电池效率增加为1.25%;相比于无外加应变的情况下,增加了27%,而相比于无Ag纳米颗粒的样品,增加了64%;这比单纯的只加Ag纳米颗粒提高的28%和只施加外力提高的11%,又增加了一倍,远远超出等离子体和压电效应的简单叠加的效果。
图10为根据本公开另一实施例所示的包含插指形式的电极的太阳能电池的器件结构示意图。
除了前面的实施例所示意的N型电极301为环形电极,P型电极302为栅格阵列的电极形状之外,还可以是其他常见的电极形式,图10着重示意了P型电极与N型电极呈现插指形式的太阳能电池的器件结构,其它层进行了简化示意,如图10所示,在本公开的其它实施例中,N型电极301与P型电极302还可以均为插指形式的电极,并且二者相互交叉。当然,电极的形状还可以是其他与之类似的变形形状,这里不再一一赘述。
由此可见,本申请提出的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,的确受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,因此基于等离子体和压电效应耦合调控的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池具有成本低廉、可回收、调控效果显著、性能可靠的优点。
至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各组成部分和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:
1、本申请所描述的太阳能电池器件的结构可以适应性改变,可以选择插指形式的电极,参照图10所示;
2、本申请中的银颗粒的尺寸可以是与实施例不同的尺寸,但是银颗粒的吸收峰位一定要小于InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层的发光峰位;
3、本申请中的量子阱的周期数可以改变,量子阱结构也可以发生变化,InGaN中In的组分也可调,以上调节都必须使得InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层的发光区间在390nm~760nm。
综上所述,本公开提供了一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,通过在多量子阱结构的外延片的台面区域上制作金属纳米颗粒阵列,该金属纳米颗粒阵列可用作表面等离子体激元来调制光子的散射和俘获,同时,将该含有金属纳米颗粒阵列的太阳能电池结构施加应力进行调控,最终得到的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控,其太阳能转换效率提高了64%,与传统的通过MOCVD的方法来提高太阳能转换效率相比,具有成本低廉、可回收、调控效果显著、性能可靠的优点。
还需要说明的是,实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向,并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意,本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值,能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言,所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字,应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下,其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。
再者,单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词,以修饰相应的元件,其本身并不意味着该元件有任何的序数,也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序,该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,包括:
包含台面区域的多量子阱结构的外延片,该多量子阱结构的外延片自下而上依次包含:基底;本征GaN缓冲层;第一N型GaN层;以及台面区域,该台面区域自下而上包含:第二N型GaN层,四周经刻蚀形成台面隔离;InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层;以及P型GaN层;
金属纳米颗粒阵列,分布于多量子阱结构的外延片的台面区域上表面;以及
电流扩展层,覆盖于Ag纳米颗粒阵列的上方;
其中,该InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加有应力,受到等离子体和压电效应耦合作用的综合调控。
2.根据权利要求1所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,还包括:
N型电极,位于第一N型GaN层之上;以及
P型电极,位于电流扩展层之上。
3.根据权利要求1或2所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中,所述金属纳米颗粒阵列为Ag纳米颗粒阵列。
4.根据权利要求3所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中,所述Ag纳米颗粒阵列中Ag纳米颗粒的吸收峰位小于InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层的发光峰位。
5.根据权利要求1至4任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中,所述InxGa1- xN/GaN多量子阱吸收层的发光区间为:390nm~760nm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中:
所述InxGa1-xN/GaN多量子阱吸收层中量子阱的周期数量介于5~100之间;和/或
所述InxGa1-xN中x介于0.15~0.3之间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中,所述电流扩展层的材料为:导电的氧化铟锡,该电流扩展层的厚度介于100nm~260nm之间。
8.根据权利要求2至7任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中:
所述N型电极为环形电极;
所述P型电极为栅格阵列,包含若干个栅格,其中,每个栅格的宽度介于35~45μm之间,相邻两个栅格中心之间的距离介于380μm~420μm之间;或者
所述N型电极、P型电极为插指形电极。
9.根据权利要求2至8任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中:
所述N型电极的材料为:Ti/Al/Ti/Au;
所述P型电极的材料为Ni/Au。
10.根据权利要求1至9任一项所述的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池,其中,所述InGaN/GaN多量子阱太阳能电池施加的应力对应的应变ε的调控范围为:0<ε≤0.18%。
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