專利名稱：太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，特別是涉及一種硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。按照制備材料的不同， 主要分為晶體硅太陽(yáng)電池、硅基薄膜太陽(yáng)電池、CIGS(銅銦鎵錫)太陽(yáng)電池、以砷化鎵為代 表的III-V族太陽(yáng)電池、有機(jī)聚合物太陽(yáng)電池等。前四種太陽(yáng)電池為半導(dǎo)體太陽(yáng)電池，目前 普及最為廣泛。半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的原理是利用半導(dǎo)體pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即利用一定禁 帶寬度的材料吸收太陽(yáng)光子能量來(lái)激發(fā)電子空穴對(duì)，產(chǎn)成光生電動(dòng)勢(shì)，從而完成光能到電 能的轉(zhuǎn)換。目前太陽(yáng)能電池的發(fā)展和利用當(dāng)中所碰到的一個(gè)主要問(wèn)題就是其光電轉(zhuǎn)換效率 較低，特別在太陽(yáng)能電池應(yīng)用于宇宙空間領(lǐng)域時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要求更高， 同時(shí)還要求材料具有一定的抗輻射性。III-V族化合物多為直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，其光吸收系數(shù)比間接帶隙的材料(如 硅、鍺等)高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，可以用于制備高效率太陽(yáng)能電池。隨著對(duì)III-V族氮化物材料 研究的不斷深入，2002年研究人員發(fā)現(xiàn)氮化銦的禁帶寬度應(yīng)該在0. 7eV左右(參見(jiàn)文獻(xiàn) 謝自力，et al.，InN材料及其應(yīng)用.微納電子技術(shù)，2004 (12) :p. 26-32)，而不是原先大家 所接受的1.9eV。因此，InGaN這種三元合金材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)其中In元素的含量，實(shí)現(xiàn)其 禁帶寬度在0. 7eV(InN的帶隙)與3. 4eV(GaN的帶隙)之間連續(xù)可調(diào)，使得InGaN材料所對(duì) 應(yīng)的吸收光譜范圍與太陽(yáng)光譜幾乎完美匹配。因此，通過(guò)制備不同帶隙的InGaN材料進(jìn)行 搭配組合，就可以研制出效率很高的新型太陽(yáng)能電池。除了轉(zhuǎn)換效率高之外，InGaN材料還 具有良好的抗輻射性能，所以InGaN材料非常適合作為衛(wèi)星等空間飛行器的太陽(yáng)能電池。InGaN材料是利用薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)，在合適的襯底上生長(zhǎng)獲得的。最常用的方法 是金屬有機(jī)物化學(xué)沉積法(M0CVD法)。然而由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)失配等原因，適合 InGaN薄膜的外延生長(zhǎng)襯底材料種類很有限。目前最常用的方法是在藍(lán)寶石襯底上淀積氮 化鎵或氮化鋁作為緩沖層，之后在緩沖層上外延InGaN系列材料，這樣可以最大程度地減 少晶格失配等問(wèn)題，獲得晶格缺陷較少的外延材料。對(duì)于GaN/InGaN器件而言，多數(shù)采用的是藍(lán)寶石襯底。藍(lán)寶石襯底尺寸小(普遍 只采用2英寸工藝)，價(jià)格居高不下，而且還有上漲趨勢(shì)，使得這類光電器件的襯底成本占 芯片成本的比重約為10%-20%。另外由于藍(lán)寶石自身導(dǎo)電性能差，因此當(dāng)使用該襯底制 作氮化鎵基器件時(shí)，電極需要設(shè)計(jì)在芯片的同側(cè)。這一方面增加了工藝過(guò)程的復(fù)雜度，另一 方面造成了芯片內(nèi)部的電流密度分布一致性較差，從而影響器件的電學(xué)、光學(xué)特性及長(zhǎng)期 可靠性(參見(jiàn)文獻(xiàn)黃亞軍，王良臣，et al.，垂直結(jié)構(gòu)GaN基LEDs電流分布計(jì)算分析.半 導(dǎo)體技術(shù)，2009 (9) :p. 861-863.)。相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，硅襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶片尺 寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，能夠進(jìn)行大面積的外延工藝，即 可以同時(shí)外延生長(zhǎng)數(shù)量更多的芯片。因此平均到每個(gè)芯片，外延工藝成本與設(shè)備折舊成本能夠明顯降低。另外由于硅的導(dǎo)電性好，且對(duì)光的吸收能夠做出貢獻(xiàn)，因此硅基太陽(yáng)電池可 以使用雙面上下電極，這樣可以免去了光刻電極圖形等工藝步驟，降低了電極制作成本。因 此使用硅襯底來(lái)制作GaN/InGaN器件是許多研究者一直希望實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。目前最大的技術(shù) 難題在于氮化鎵外延層與硅襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，而且在氮化鎵薄膜生 長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅(參見(jiàn)文獻(xiàn)江風(fēng)益，硅襯底氮化鎵LED材料與器件研發(fā)進(jìn) 展.第11屆全國(guó)發(fā)光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集，2007.)，所以若要在硅襯底上得到無(wú)龜裂的 高質(zhì)量的氮化鎵材料，需要尋找合適的緩沖層材料以及優(yōu)化外延工藝來(lái)解決這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)電池，實(shí)現(xiàn)在大 面積單晶硅上外延InGaN薄膜制備太陽(yáng)電池的工藝技術(shù)。該太陽(yáng)電池具有工藝成本較低， 光電轉(zhuǎn)換效率高(25%以上)，以及良好的抗輻射性等特點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是由自下而上排列的背面電極、硅襯底、 籽晶層、緩沖層、n型摻雜的氮化鎵緩沖層、InaGai_aN層、非故意摻雜的InbGai_bN層、p型摻 雜的In。Gai_。N層、窗口層、正面電極和減反射導(dǎo)電膜組成。其中硅襯底和InaGai_aN層為n 型摻雜結(jié)構(gòu)，籽晶層和緩沖層由氧化鋅材料制成，窗口層由P型重?fù)诫s的氮化鎵制成，減反 射導(dǎo)電膜覆蓋窗口層除正面電極外的區(qū)域。本發(fā)明與傳統(tǒng)氮化鎵銦太陽(yáng)電池相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)其一.能降低器件制作成本。對(duì)于氮化鎵和氮化鎵銦光電器件而言，實(shí)際生產(chǎn)中 大多數(shù)使用的是藍(lán)寶石襯底甚至更貴的碳化硅襯底。相比之下，單晶硅襯底價(jià)格低廉，尺寸 大，能夠進(jìn)行大面積的芯片外延，即可以單次外延生長(zhǎng)數(shù)量更多的芯片。因此平均到每個(gè)芯 片，外延的工藝成本與設(shè)備折舊成本降低了。能夠降低電極工藝成本。因硅的導(dǎo)電性能好， 對(duì)光的吸收率高，因此硅基太陽(yáng)電池可以使用雙面上下電極，這樣可以免去了光刻電極圖 形等復(fù)雜工藝步驟，降低了電極制作成本。其二 .采用獨(dú)特的氧化鋅納米陣列作為緩沖層，能較有效地解決硅襯底外延氮化 鎵薄膜時(shí)遇到的晶格匹配與熱膨脹系數(shù)匹配的問(wèn)題，有助于減少外延層的缺陷密度和熱應(yīng) 力，保證外延層的晶體質(zhì)量，同時(shí)該緩沖層的制備工藝簡(jiǎn)單，不需要昂貴的設(shè)備與材料。其三.通過(guò)外延生長(zhǎng)較低In組分InGaN材料來(lái)制備太陽(yáng)電池的n區(qū)與p區(qū)，同時(shí) 引入較高銦組分的本征InGaN層共同構(gòu)成p-i-n結(jié)構(gòu)的光吸收區(qū)域，目的是在不影響光電 轉(zhuǎn)換效率與成本的情況下，降低直接生長(zhǎng)高In組分氮化鎵銦pn結(jié)的難度，保證薄膜質(zhì)量， 擴(kuò)大光子吸收范圍，最大限度地提高太陽(yáng)電池效率。其四.采用p型重?fù)诫s的氮化鎵層作為電極窗口層，目的是在電極與太陽(yáng)電池p 區(qū)間形成電子勢(shì)壘，使光生電子遠(yuǎn)離歐姆接觸，減少光生電子的損耗。使用強(qiáng)堿對(duì)該層表面 進(jìn)行制絨處理，目的是增加入射光在電池表面的反射次數(shù)，提高對(duì)太陽(yáng)光的吸收率。其五.所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可用于新型高效太陽(yáng)電池芯片的制造。


圖1為單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1. n型摻雜的硅襯底；2.氧化鋅籽晶層；3.氧化鋅納米陣列緩沖層；4. n型摻雜的氮化鎵緩沖層；5. n型摻雜的InaGai_aN層；6.非故意摻雜的InbGai_bN層；7. p型摻雜 的In。Gai_。N層；8. p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層；9.正面電極；10.減反射導(dǎo)電膜；11.背面電 極。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)技術(shù)，通過(guò)精確控制反應(yīng)物流量 比、溫度、壓強(qiáng)、沉積時(shí)間等參數(shù)，在反應(yīng)腔室里進(jìn)行不同厚度、不同化學(xué)組分、不同摻雜濃 度的薄膜生長(zhǎng)。本發(fā)明在硅襯底上制備獨(dú)特的緩沖層來(lái)外延p-i-n結(jié)構(gòu)的InGaN薄膜，并 將電極制作在芯片的上下兩面。該設(shè)計(jì)有效降低了襯底成本和電極制作成本，為規(guī)?；?產(chǎn)InGaN太陽(yáng)電池提供了可能性。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 硅基單結(jié)氮化鎵銦(InGaN)太陽(yáng)能電池。所述太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示設(shè)有一個(gè)n型摻雜的硅襯底1，在該硅襯底的 上面制作一層氧化鋅籽晶層2。設(shè)有一層氧化鋅納米陣列緩沖層3，它制作在氧化鋅籽晶層 2的上面。設(shè)有一層n型摻雜的氮化鎵緩沖層4，它制作在氧化鋅納米陣列緩沖層3的上面。 設(shè)有一層n型摻雜InaGai_aN層，它制作在n型摻雜的氮化鎵緩沖層3的上面。設(shè)有一層非 故意摻雜的InbGai_bN層6，它制作在n型摻雜InaGai_aN層5的上面。設(shè)有一層p型摻雜的 In。Gai_。N層7，它制作在非故意摻雜InbGai_bN層之上。設(shè)有一層p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口 層8，它制作在p型摻雜的In。Gai_。N層7之上。設(shè)有正面電極，該正面電極制作在所述氮化 鎵窗口層之上。設(shè)有背面電極，該背面電極制作在所述硅襯底的背光面上。設(shè)有一層減反 射導(dǎo)電膜，該減反射導(dǎo)電膜覆蓋P型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層8的除正面電極9之外的區(qū)域。所述n型摻雜的硅襯底的電子濃度為5E14-2E20/cm3。所述的氧化鋅籽晶層的厚度為0. 01-0. 1 u m,該氧化鋅籽晶層有助于實(shí)現(xiàn)氧化鋅 緩沖層的生長(zhǎng)。所述的氧化鋅納米陣列緩沖層的厚度為0. 2-2. 5 u m，該氧化鋅納米陣列緩沖層可 以減少外延層的缺陷密度，有助于提高晶體質(zhì)量。所述的n型摻雜的氮化鎵緩沖層的厚度為0. 5-3 u m,電子濃度為lE16_lE19/cm3， 該氮化鎵緩沖層能進(jìn)一步減少外延層的缺陷密度，有助于提高晶體質(zhì)量。所述的n型摻雜的InaGai_aN層的厚度為0. 05-0. 3 y m，其中0. 15≤a≤0. 35 (對(duì)應(yīng) 的帶隙范圍-.2. 14-2. 82eV)，電子濃度為5E17_5E19/cm3，該InaGai_aN層作為太陽(yáng)電池p-i_n 結(jié)的n區(qū)。所述的非故意摻雜的InbGai_bN層的厚度為0. 2-0. 6 y m，其中0. 45≤b≤0. 65 (對(duì) 應(yīng)的帶隙范圍1. 32-1. 84eV)，該非故意摻雜的InbGai_bN層作為太陽(yáng)電池p-i-n結(jié)的i區(qū)。所述的p型摻雜的In。Gai_。N層的厚度為0. 05-0. 2 ii m，其中0. 05≤c≤0. 35 (對(duì) 應(yīng)的帶隙范圍2. 14eV-3. 2eV)，空穴濃度為1E17_1E19/Cm3，該p型摻雜的In。Gai_。N層作為 太陽(yáng)電池P-i-n結(jié)的p區(qū)。所述的p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層厚度為0. 05-0. 2 ii m，空穴濃度為5E17-5E19/ cm3，表面使用強(qiáng)堿處理成絨面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率。所述的正面電極是金電極或鎳金電極或鉻金電極，厚度為0. 2-5 ym。
所述的背面電極是銀電極或銀鋁電極，厚度為0. 5-10 ym。所述的減反射導(dǎo)電膜的材料是IT0導(dǎo)電膜或AZ0導(dǎo)電膜或ZnS/MgF2膜，厚度為 0. 05-0. liim。實(shí)施例2 硅基單結(jié)氮化鎵銦(InGaN)太陽(yáng)能電池的制備。所述太陽(yáng)能電池的制備采用包括以下步驟的方法步驟一選擇一片n型摻雜的硅襯底1，通過(guò)摻入磷雜質(zhì)，得到n型摻雜的硅片；步驟二 在硅襯底表面濺射一層0.01-0. lym厚的氧化鋅籽晶層2，然后使 用濕化學(xué)法、水熱法或其他方法在硅片表面生長(zhǎng)定向氧化鋅納米陣列緩沖層3，厚度為 0. 2-2. 5iim。步驟三采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在氧化鋅納米陣列緩沖層3上生長(zhǎng) 硅摻雜的n型的氮化鎵緩沖層4。生長(zhǎng)溫度為1000-1150°C，生長(zhǎng)壓力為50_500torr，厚度 為 0. 5-3 u m,電子濃度為 lE16-lE19/cm3 ；步驟四采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在n型摻雜的氮化鎵緩沖層4上生長(zhǎng) 硅摻雜的n型InaGai_aN層5。其中0. 15彡a彡0. 35，生長(zhǎng)溫度為900-1100°C，生長(zhǎng)壓力為 50-500torr,厚度為 0. 05-0. 3 u m,電子濃度為 lE17_5E19/cm3。步驟五采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在n型摻雜的InaGai_aN層5上生長(zhǎng) 非故意摻雜的InbGai_bN層6。其中0. 45彡b彡0. 65，生長(zhǎng)溫度為900-1100°C，生長(zhǎng)壓力為 50-500torr,厚度為 0. 2-0. 6 u m ；步驟六采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在非故意摻雜的InbGai_bN層6上生 長(zhǎng)鎂摻雜的P型摻雜的In。Gai_。N層7。其中0. 05彡c彡0. 35，生長(zhǎng)溫度為1000-1150°C， 生長(zhǎng)壓力為50-500torr，厚度為0. 05-0. 2 urn,空穴濃度為lE17_lE19/cm3。步驟七采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在p型摻雜的In。Gai_。N層7上生 長(zhǎng)鎂重?fù)诫s的P型摻雜的氮化鎵窗口層8。其中生長(zhǎng)溫度為1000-1150°C，生長(zhǎng)壓力為 50-500torr,厚度為 0. 05-0. 2 u m,空穴濃度為 5E17_5E19/cm3。步驟八使用強(qiáng)堿溶液處理p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層8的表面，使之形成絨面結(jié) 構(gòu)。其中所用的強(qiáng)堿溶液是K0H溶液或NaOH溶液。步驟九在p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層8上制作正面電極9。該正面電極為金電 極或鎳金電極或鉻金電極，厚度為0. 2-5 ym，制作方法為蒸鍍法或?yàn)R射法。步驟十在p型重?fù)诫s的氮化鎵窗口層8的表面(除正面電極之外的區(qū)域)濺射 一層減反射導(dǎo)電膜10。該減反射導(dǎo)電膜為IT0導(dǎo)電膜或AZ0導(dǎo)電膜或ZnS/MgF2膜，厚度為 0. 05-0. liim。步驟十一在硅襯底背面鍍上一層背面電極11。該電極為銀電極或銀鋁電極，厚 度為 0. 5-10 u mo在上述步驟中，InGaN薄膜中a、b、c的含量通過(guò)調(diào)節(jié)M0CVD中金屬有機(jī)源(TMIn、 TMGa)的流量比來(lái)實(shí)現(xiàn)。電子(空穴)的摻雜濃度的大小通過(guò)調(diào)節(jié)摻雜氣體的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另使用PC1D仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)調(diào)節(jié)非故意摻雜 InbGai_bN層6中In元素的含量b，得到結(jié)果見(jiàn)表1。表1中模擬光源為AMI. 5G(0. lff//cm2)；光照面積為1cm2。附表
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表1對(duì)本太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)的結(jié)果
權(quán)利要求
一種太陽(yáng)能電池，其特征是一種硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)能電池，該電池的結(jié)構(gòu)為由自下而上排列的背面電極(11)、硅襯底(1)、籽晶層(2)、緩沖層(3)、n型摻雜的氮化鎵緩沖層(4)、InaGa1-aN層(5)、非故意摻雜的InbGa1-bN層(6)、p型摻雜的IncGa1-cN層(7)、窗口層(8)、正面電極(9)和減反射導(dǎo)電膜(10)組成，其中硅襯底(1)和InaGa1-aN層(5)為n型摻雜結(jié)構(gòu)，籽晶層(2)和緩沖層(3)由氧化鋅材料制成，窗口層(8)由p型重?fù)诫s的氮化鎵制成，減反射導(dǎo)電膜(10)覆蓋窗口層(8)除正面電極(9)外的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于硅襯底(1)的電子濃度為 5E14-2E20/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于籽晶層(2)和緩沖層(3)的厚度 分別為 0. 01-0. 1 μ m、0. 2-2. 5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于m型摻雜的氮化鎵緩沖層(4)的厚 度為 0. 5-3 μ m,電子濃度為 lE16-lE19/cm9。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述η型摻雜InaGai_aN層(5)的 厚度為 0. 05-0. 3 μ m，電子濃度為 5E17-5E19/cm3，0. 15 ≤ a ≤ 0. 35。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的非故意摻雜的InbGai_bN層 (6)的厚度為 0. 2-0. 6μπι，0· 45 彡 b 彡 0. 65。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的P型摻雜的In。Gai_。N層(7) 的厚度為 0. 05-0. 2 μ m，空穴濃度為 lE17-lE19/cm3，0. 05 ≤ c ≤ 0. 45。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的窗口層(8)的厚度為 0. 05-0. 2 μ m,空穴濃度為5E17-5E19/cm3，并使用強(qiáng)堿處理成絨面結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的電極中，正面電極(9)是金電 極或鎳金電極或鉻金電極，厚度為0. 2-5μπι;背面電極(11)是銀電極或銀鋁電極，厚度為 0.5-10 μm0
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的減反射導(dǎo)電膜(10)的材 料是ITO導(dǎo)電膜或AZO導(dǎo)電膜或ZnS/MgF2膜，厚度為0. 05-0. 1 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)能電池，其由自下而上排列的背面電極(11)、硅襯底(1)、籽晶層(2)、緩沖層(3)、n型摻雜的氮化鎵緩沖層(4)、InaGa1-aN層(5)、非故意摻雜的InbGa1-bN層(6)、p型摻雜的IncGa1-cN層(7)、窗口層(8)、正面電極(9)和減反射導(dǎo)電膜(10)組成，其中硅襯底和InaGa1-aN層為n型摻雜結(jié)構(gòu)，籽晶層和緩沖層出氧化鋅材料制成，窗口層由p型重?fù)诫s的氮化鎵制成，減反射導(dǎo)電膜覆蓋窗口層除正面電極外的區(qū)域。本發(fā)明能較有效地解決硅襯底外延氮化鎵薄膜時(shí)遇到的晶格匹配與熱膨脹系數(shù)匹配等問(wèn)題，具有制作成本低和對(duì)太陽(yáng)光的吸收率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101866967SQ20101016879
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者劉勝, 汪連山, 申志輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)