CN111640813A - 一种宽光谱高吸收太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱高吸收太阳能电池，该太阳能电池是半导体光伏器件，包括：特定本征吸收层厚度；本征吸收层厚度由光子晶体的陷光效率决定；器件由下往上依次设有衬底层、绝缘掩埋层、顶层吸收层(如Si层)、抗反射薄膜层；器件的顶层吸收区两侧分别注入离子形成p型掺杂区和n型掺杂区，p型掺杂区上形成p电极，n型掺杂区上形成n电极；p型掺杂区与n型掺杂区之间为本征吸收层；本征吸收层的表面制作周期性空气孔形成光子晶体；周期性空气孔的具体的周期，刻蚀深度，根据需要、入射光波长范围和理论计算得出；周期性空气孔可制成圆柱形孔或圆锥形孔；周期性空气孔内填充另一种半导体材料(如Ge)。本发明的太阳能电池具有宽吸收光谱、高吸收效率、高集成度和多功能等优点，适用波长范围为紫外、可见光、近红外波段。

Description

一种宽光谱高吸收太阳能电池
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体设计一种在紫外、可见光、近红外波段具有高吸收效率的多功能太阳能电池。
背景技术
能源是现代社会存在和发展的基石。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、资源的充足性等优点。光伏发电是直接将清洁能源—太阳能转换为电能的新型发电方式，其核心就是太阳能电池。太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价昂贵的输电线路。但是在现阶段，太阳能电池的转换效率、工艺难度、制造成本、使用寿命等问题任然有很大的发展空间。如何在减小能量损耗、提高光电转换效率的同时降低制造成本简化制造工艺，一直都是太阳能电池的发展难点和重点。
单一材料的太阳能电池可吸收光谱范围很小，而采用两种不同材料同时进行光吸收，可以有效的增大吸收光谱的范围，同时与多层薄膜堆叠型光电池相比，舍去了复杂的材料堆叠、量子阱等结构，只需进行一次材料外延生长，大大简化了工艺、降低了成本。单一的PN型结构的光敏面较小，而采用PIN型结构，有效的增大了入射光吸收的光敏面，一定程度上解决了光吸收的问题。在PIN结构的本征吸收层表面通过电子束曝光和干法刻蚀技术制作空气孔，即在高折射率的介质中周期性的出现低折射率介质，高低折射率的介质交替按一定几何结构排列就会形成带隙，从而控制光的运动，形成光子晶体。光入射时，可以通过设计光子晶体来改变色散曲线的斜率实现慢光效应，降低光的能量速度可以使光子充分地与物质相互作用，使光在本征吸收层可以被充分吸收，增大器件对入射光的吸收效率。并进一步使用掩埋绝缘层材料，减小透射增大吸收；在器件上表面沉积SiO2形成抗反射薄膜层，减小光学损耗和反射，增大吸收。并且能量落在上述带隙中的光波不能传播，所以光子晶体还具有陷光能力，是一种优秀的陷光结构，可以有效地捕获光子、存储能量，间接地提高了太阳能电池的光电转化效率。
针对复杂环境下的光能获取，特别是紫外、可见光、近红外波段太阳能电池的低成本，低光能损耗，高转换效率，能和微电子集成电路大面积单片集成的需求，本发明提供一种宽光谱高吸收太阳能电池。
发明内容
本发明公开了一种宽光谱高吸收太阳能电池，所述太阳能电池是半导体光伏器件，包括：特定厚度的本征吸收层；
所述器件由下往上依次设有衬底层、绝缘掩埋层、顶层吸收层、抗反射薄膜层；
所述器件的顶层两侧分别注入离子形成p型掺杂区和n型掺杂区，所述p型掺杂区上形成p电极，所述n型掺杂区上形成n电极；
所述p型掺杂区与n型掺杂区之间为所述本征吸收层；
所述本征吸收层的表面制作周期性空气孔形成光子晶体；
所述周期性空气孔制成圆柱形孔或圆锥形孔；
所述周期性空气孔内填充半导体材料Ge。
作为本发明的进一步改进，所述本征吸收层的厚度由光子晶体的陷光效率决定，所述光子晶体的陷光效率与入射光的中心波长相关，入射光中心波长越长所需要的吸收深度就越深，本征吸收层厚度就越厚，可以更好的满足宽吸收光谱的需要。
作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池为SOI结构，器件材料为：Si/Ge、Si/SiGe、InP/InGaAsP、GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP等。
作为本发明的进一步改进，所述光子晶体为通过电子束曝光和干法刻蚀技术，在所述本征吸收层上纵向形成的周期性孔状结构。
作为本发明的进一步改进，所述周期性空气孔的具体的周期，刻蚀深度，根据需要、入射光波长和理论计算得出。
作为本发明的进一步改进，光吸收在本征吸收层中，通过设计光子晶体改变色散曲线斜率实现慢光效应从而增大光吸收。
作为本发明的进一步改进，所述光子晶体作为陷光结构。
作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池采用两种禁带宽度不同的材料同时进行光吸收。
作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池可利用多个PIN结构并联形成电池阵列。
作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池的适用波长范围为紫外、可见光、近红外波段。
作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池还可作为光电探测器，用于多路光通信、光探测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的太阳能电池具有宽吸收光谱、高吸收、高集成度和多功能等优点，适用波长范围为紫外、可见光、近红外波段，且制造工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的宽光谱高吸收太阳能电池的三维结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的宽光谱高吸收太阳能电池的x-z轴剖视结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的形成p型掺杂区的结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的形成n型掺杂区的结构示意图；
图5为本发明一种实施例公开的进行退火后的结构示意图；
图6为本发明一种实施例公开的形成电极的结构示意图；
图7为本发明一种实施例公开的形成光子晶体的结构示意图；
图8为本发明一种实施例公开的在周期性孔中填充Ge的结构示意图；
图9为本发明一种实施例公开的形成抗反射薄膜层的结构示意图；
图10为本发明一种实施例公开的形成抗反射薄膜层的剖视结构示意图；
图11为本发明一种实施例公开的光子晶体的局部仿真结构及对应光场仿真图。
图中：
101、p+欧姆接触电极；102、n+欧姆接触电极；103、p型掺杂区；104、n型掺杂区；105、本征吸收层；106、绝缘掩埋层；107、衬底层；108、光子晶体；109、Ge填充区；110、抗反射薄膜层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、图2所示，本发明提供一种宽光谱高吸收太阳能电池，具有宽吸收光谱、高吸收、高集成度和多功能等优点，适用波长范围为紫外、可见光、近红外波段；其中：
器件包括特定本征吸收层厚度，本征吸收层的厚度由光子晶体的陷光效率决定，所述光子晶体的陷光效率与入射光的中心波长相关，入射光中心波长越长所需要的吸收深度就越深，本征吸收层厚度就越厚，可以更好的满足宽吸收光谱的需要。在本发明中：本征吸收层厚度略大于入射光中心波长越长所需要的吸收深度，尽可能的覆盖更大波长范围。
本发明的器件为SOI结构，器件材料可为：Si/Ge、Si/SiGe、InP/InGaAsP、GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP等。以Si/Ge材料的SOI器件为例，其自上至下依次为抗反射薄膜层110、顶层吸收层、绝缘掩埋层106和衬底层107；SOI器件顶层吸收层依次通过光刻离子注入在两侧形成p型掺杂区103、n型掺杂区104，p型掺杂区103、n型掺杂区104之间为本征吸收层105；在p型掺杂区103上溅射金属形成p+欧姆接触电极101，在n型掺杂区104上溅射金属形成n+欧姆接触电极102。在本征吸收层105的表面上形成光子晶体108；其中，光子晶体108为通过电子束曝光和干法刻蚀技术，在本征吸收层上纵向形成的周期性孔状结构；光子晶体具体的周期和刻蚀深度，根据需要、入射光波长和理论计算得出；光子晶体可为圆柱孔或锥形孔结构。利用UHV-CVD在Si上选择外延Ge单晶，Ge只在Si材料上沉积，因此Ge单晶被填充到圆柱形孔中，形成Ge填充区109；最后在太阳能电池表面PECVD沉积SiO2形成抗反射薄膜层110；由于Si、Ge两种半导体材料的禁带宽度不同，故对应的吸收波长也不同。本发明正是利用了半导体材料的这一特性，在Si上选择外延Ge单晶，从而在太阳能电池的吸收区实现了硅、锗两种不同半导体材料同时吸收光，实现了更宽的吸收光谱覆盖，有效地增大了光吸收效率。
光吸收在本征吸收层中，通过设计光子晶体改变色散曲线斜率实现慢光效应从而增大光吸收；其中，减小色散曲线的斜率，就可以实现慢光效应，减慢光的能量传播速度。极限情况下，当色散曲线的斜率为0时，可以实现极低的光子传播速度。
本发明宽光谱高吸收太阳能电池的工作原理为：
由于光子晶体的引入使得有足够多的光被太阳能电池充分吸收，光吸收效率达到70％以上。解决了光吸收的同时，还由于在光吸收区采用两种不同材料进行光吸收，实现了宽吸收光谱，有效地应用于紫外、可见光、近红外波段，使太阳光的能量被充分吸收、利用。
本发明太阳能电池的光吸收在本征吸收层中，入射的光在通过光子晶体时，设计好的光子晶体结构可以改变色散曲线的斜率实现“慢光效应”，减慢光子晶体结构中传输的光的速度，使光更好的与Si基材料相互作用，在本征吸收层105被更加充分地吸收。并且由于增加了掩埋绝缘层材料和抗反射薄膜层，有效地降低了光学损耗，减小了透射和反射，增大了吸收。同时由于光子晶体中的高低折射率的介质交替按一定几何结构排列会形成带隙，能量落在上述带隙中的光波不能传播，所以光子晶体具有陷光能力，是一种优秀的陷光结构，可以有效地捕获光子、存储能量，仿真结果如图11所示，间接地提高了太阳能电池的光电转化效率。
本发明太阳能电池能够和微电子集成电路大面积单片集成，能够使用CMOS工艺制作完成。
本发明宽光谱高吸收太阳能电池的制备方法，包括：
步骤1、在绝缘体上硅(SOI)衬底的顶层Si上，进行硼离子注入，形成p型掺杂区103，掺杂浓度为1×1019cm-3，如图3所示；
步骤2、在绝缘体上硅(SOI)衬底的顶层Si上，进行磷离子注入，形成n型掺杂区104，掺杂浓度为1×1019cm-3，如图4所示；
步骤3、清洗、干燥之后做RTA快速退火，激活离子，；
步骤4、表面反转光刻，溅射金属并剥离形成电极，RTA快速退火合金，如图6所示；
步骤5、PECVD沉积SiO2薄膜做刻蚀掩膜；
步骤6、电子束曝光形成光子晶体图形，ICP刻蚀SiO2和Si，形成光子晶体，清洗并干燥，如图7所示；
步骤7、利用UHV-CVD在Si上选择外延Ge单晶，Ge只在Si材料上沉积，因此Ge单晶被填充到圆柱形孔中，形成Ge填充区109，如图8所示；
步骤8、PECVD沉积SiO2形成抗反射薄膜层，如图9和图10所示。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池是半导体光伏器件，包括：特定厚度的本征吸收层；
所述器件由下往上依次设有衬底层、绝缘掩埋层、顶层吸收层、抗反射薄膜层；
所述器件的顶层吸收层两侧分别注入离子形成p型掺杂区和n型掺杂区，所述p型掺杂区上形成p电极，所述n型掺杂区上形成n电极；
所述p型掺杂区与n型掺杂区之间为所述本征吸收层；
所述本征吸收层的表面制作周期性空气孔形成光子晶体；
所述周期性空气孔制成圆柱形孔或圆锥形孔；
所述周期性空气孔内填充半导体材料Ge。
2.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述本征吸收层的厚度由光子晶体的陷光效率决定，所述光子晶体的陷光效率与入射光的中心波长相关，入射光中心波长越长所需要的吸收深度就越深，本征吸收层厚度就越厚，可以更好的满足宽吸收光谱的需要。
3.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池为SOI结构，器件材料为：Si/Ge、Si/SiGe、InP/InGaAsP、GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP。
4.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述光子晶体为通过电子束曝光和干法刻蚀技术，在所述本征吸收层上纵向形成的周期性孔状结构。
5.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述周期性空气孔的具体的周期，刻蚀深度，根据需要、入射光波长和理论计算得出。
6.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，光吸收在本征吸收层中，通过设计光子晶体改变色散曲线斜率实现慢光效应从而增大光吸收。
7.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述光子晶体作为陷光结构。
8.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池采用两种禁带宽度不同的材料同时进行光吸收。
9.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池可利用多个PIN结构并联形成电池阵列。
10.如权利要求1所述的宽光谱高吸收太阳能电池，其特征在于，适用波长范围为紫外、可见光、近红外波段。
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