專利名稱：一種InGaN太陽能電池外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種InGaN太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，以GaN、InGaN為代表的III族氮化物太陽能電池成為人們研究的熱點(diǎn)。研究表明，InN的禁帶寬度為0. 7eV，這意味著通過調(diào)節(jié)hfahN三元合金中的InN組分，其對(duì)應(yīng)的吸收光譜的波長幾乎完整地覆蓋了整個(gè)太陽光譜。由于h組分的連續(xù)可調(diào)，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的理想禁帶寬度組合，而易獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，多結(jié)InGaN電池光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率72%?，F(xiàn)有的InGaN太陽能電池基本都是單結(jié)的，即吸收層只有一個(gè)，如一層未摻雜 InGaN層或hGaN/GaN量子阱。InGaN太陽能電池主要是普通的P_I_N結(jié)構(gòu)，如圖6所示， 一般包括襯底、緩沖層、η型層、吸收層、ρ型層。其中襯底材料可采用藍(lán)寶石、SiC、Si、GaN 等。吸收層可以采用一定厚度的非故意摻雜的hGaN層，也可采用hGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)。 雖然InGaN帶邊吸收強(qiáng)烈，但是其吸收譜卻很窄，采用一定厚度的非故意摻雜的InGaN層， 或采用InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)，只能在較窄的光波范圍產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收。要提高太陽能電池效率最佳的結(jié)構(gòu)是生長多結(jié)太陽能電池，需要生長^組分不同的多結(jié)結(jié)構(gòu)，使其在較寬的光波范圍產(chǎn)生較強(qiáng)吸收。然而，由于高h(yuǎn)組分MiaN制備困難，且多結(jié)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，需要在結(jié)與結(jié)之間生長高載流子濃度的隧穿結(jié)，其生長難度較大，容易形成很多缺陷，導(dǎo)致暗電流過大等不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽能電池外延片，從而提高InGaN基太陽能電池外延片性的能。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供所述外延片的制備方法。本發(fā)明的第一個(gè)發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來予以實(shí)現(xiàn)
提供一種InGaN太陽能電池外延片，所述外延片的結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、緩沖層、 η型層、吸收層I、吸收層II和ρ型層。襯底與η型層可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)生長一低溫緩沖層。優(yōu)選地，所述緩沖層和η型層之間還可以包括一層未摻雜GaN層。最好的是，所述吸收層I為InGaN/GaN量子阱層結(jié)構(gòu)，為多量子阱，周期范圍為 8 15。最好的是，所述吸收層II為未摻雜的InGaN層。本發(fā)明外延片在量子阱吸收層I后生長未摻雜的InGaN吸收層II，所述吸收層II 的^!組分可以比量子阱的低，也可以比量子阱的高。這樣的發(fā)明設(shè)計(jì)，一方面，由于增加了未摻雜的InGaN吸收層II，可以拓寬吸收譜的寬度，從而增加太陽能電池量子效率；另一方面，吸收層II增加了吸收層的厚度從而增加了對(duì)光子的吸收，提高太陽能電池的整體光電轉(zhuǎn)換效率。所采用的吸收層II，如果吸收譜能夠與量子阱的吸收譜剛好匹配的話就能夠達(dá)到接近多結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，而且其暗電流等性能參數(shù)與單結(jié)太陽能電池相當(dāng)。 總體來說增加的吸收層II都是可以增加光電轉(zhuǎn)換效率，從而提升電池性能的
最好的是，所述吸收層II中h組分一般為ο. 0Γ0. 5。最好的是，生長的吸收層II的h組分可以是恒定的也可以是漸變的，恒定的生長較容易，但是其吸收譜寬度恒定，而漸變的生長難度大，但是晶格匹配更好。最好的是，所述吸收層II厚度一般為3ηπΓ 00ηπι。最好的是，所述吸收層II生長完成后可以有GaN覆蓋層，也可以沒有GaN覆蓋層。最好的是，所述襯底為藍(lán)寶石襯底或硅襯底。最好的是，本發(fā)明外延片η型層優(yōu)選η型GaN :si層。最好的是，所述ρ型層為ρ型GaN:Mg層，或ρ型AlGaN = Mg層和GaN:Mg層。本發(fā)明的第二個(gè)發(fā)明目的是提供一種具有雙吸收層的InGaN太陽能電池的制備方法，采用MOCVD設(shè)備制備所述外延片，包括以下步驟
(1)在1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；
(3)在1000°C的溫度下，在襯底上生長η型層；
(4)將溫度降至650°C 780°C，生長量子阱吸收層I；
(5)溫度650°C 780°C，生長未摻雜的InGaN吸收層II；
(6 )溫度升至800 V 1000 °C，生長ρ型層即制備得到所述外延片。由于hGaN和GaN有較大的晶格失配，且本發(fā)明中i型hGaN層的厚度較厚，超出了 GaN上生長InGaN的臨界厚度，所以獲得的InGaN層都是弛豫的。弛豫的InGaN層會(huì)產(chǎn)生很多位錯(cuò)，在之后生長量子阱，會(huì)使得量子阱的結(jié)晶質(zhì)量很差，這樣不利于提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。所以需要先行生長量子阱層，再其后生長未摻雜的InGaN層可以獲得結(jié)晶質(zhì)量較高的量子阱和未摻雜InGaN層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)本發(fā)明外延片在量子阱吸收層I后生長未摻雜的InGaN吸收層II，這樣的發(fā)明設(shè)計(jì)，一方面，由于增加了未摻雜的InGaN吸收層II，可以拓寬吸收譜的寬度，從而增加太陽能電池量子效率；另一方面，吸收層II增加了吸收層的厚度從而增加了對(duì)光子的吸收，提高太陽能電池的整體光電轉(zhuǎn)換效率。由于量子阱吸收層I和InGaN吸收層II的吸收限不同， 可以有效拓寬吸收譜；同時(shí)，由于i型InGaN層也可以吸收光子，引入此層可以增加吸收層的總厚度，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率，提高了太陽能電池的整體性能
由于InGaN和GaN有較大的晶格失配，且本發(fā)明中i型InGaN層的厚度較厚，超出了 GaN上生長InGaN的臨界厚度，所以獲得的InGaN層都是弛豫的。弛豫的InGaN層會(huì)產(chǎn)生很多位錯(cuò)，在之后生長量子阱，會(huì)使得量子阱的結(jié)晶質(zhì)量很差，這樣不利于提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明通過先行生長量子阱層，在其后生長未摻雜的InGaN層從而獲得結(jié)晶質(zhì)量較高的量子阱和未摻雜InGaN層。(2)本發(fā)明提供所述外延片的制備方法簡單易行，成本較低，制備條件精確，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例1的InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例2的InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖3為實(shí)施例3的InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為實(shí)施例4的InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為實(shí)施例5的InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為現(xiàn)有技術(shù)InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明如圖7所示，為本發(fā)明InGaN太陽能電池外延片結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例如下
實(shí)施例1
具有雙吸收層WhGaN太陽能電池外延片的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、η型GaN層、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN層、GaN覆蓋層和ρ 型feiN層。其制備方法為
(1)采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫緩沖層； 升溫至1050°C，生長厚度為1. 0 μ m的未摻雜GaN層；
(3)在1000°C的溫度下生長厚度為2.Oym的η型GaN: Si層；
(4)在730°C生長hGaN/GaN量子阱，量子阱周期數(shù)為8；
(5)將溫度升至760°C生長30nm的i型InGaN層，h組分為0.05 ；不變溫直接生長 4nm的無摻GaN覆蓋層；
(6)升溫至950°C生長ρ型GaN:Mg層，厚度為0.15 μ m。這種外延片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱生長完后，生長了 30nm厚In組分為0. 05的i 型InGaN作吸收層。采用此結(jié)構(gòu)，可以增加對(duì)短波高能光子的吸收，從而增大電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并且由于InGaN層較薄，暗電流較小。實(shí)施例2
具有雙吸收層WhGaN太陽能電池外延片的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、η型GaN層、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN層、GaN覆蓋層、ρ 型AlGaN層和ρ型GaN層。其制備方法為
(1)采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫緩沖層；升溫至1050°C，生長厚度為Ι.Ομπι的未摻雜GaN層；
(3)在1000°C的溫度下生長厚度為2.Oym的η型GaN: Si層；(4)在730°C生長hGaN/GaN量子阱，量子阱周期數(shù)為10；
(5)將溫度升至750°C生長80nm的i型InGaN層，h組分為0.1 ；不變溫直接生長 4nm的無摻GaN覆蓋層；
(6)升溫至950°C生長20nmρ型AlGaN:Mg層，Al組分為0. 1 ；不變溫直接生長ρ型 GaN:Mg 層，厚度為 0. 15 μ m。這種外延片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱生長完后，生長了 SOnm厚h組分為0. 1的i 型hGaN作吸收層。采用此結(jié)構(gòu)，由于i型hGaN層的厚度較厚，且hGaN i層的吸收譜較寬，可以很明顯的增加量子效率，提高光電轉(zhuǎn)換效率更明顯。而且由于增加了 P型AlGaN層作電子阻擋層，可以有效提高電子的收集，從而增加了短路電流，提高光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例3
具有雙吸收層WhGaN太陽能電池外延片的結(jié)構(gòu)如附圖3所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、η型GaN層、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN層、GaN覆蓋層和ρ 型feiN層。其制備方法為
(1)采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000°c在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫緩沖層；升溫至1050°C，生長厚度為Ι.Ομπι的未摻雜GaN層；
(3)在1000°C的溫度下生長厚度為2.Oym的η型GaN: Si層；
(4)在730°C生長hGaN/GaN量子阱，量子阱周期數(shù)為15；
(5)將溫度降至680°C生長50nm的i型InGaN層，In組分為0.4 ；不變溫直接生長5nm 的無摻GaN覆蓋層；
(6)升溫至950°C生長ρ型GaN:Mg層，厚度為0.15 μ m。這種外延片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱生長完后，生長了 50nm厚h組分為0. 4的i 型InGaN作吸收層。采用此結(jié)構(gòu)，由于i型InGaN層的h組分很高，其吸收波長較量子阱吸收波長長，因此可以提高電池對(duì)長波方向的吸收，從而增加電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例4
具有雙吸收層WhGaN太陽能電池外延片的結(jié)構(gòu)如附圖4所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、η型GaN層、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN層、GaN覆蓋層、ρ 型AlGaN層和ρ型GaN層。其制備方法為
(1)采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫緩沖層；升溫至1050°C，生長厚度為Ι.Ομπι的未摻雜GaN層；
(3)在1000°C的溫度下生長厚度為2.Oym的η型GaN: Si層；
(4)在730°C生長hGaN/GaN量子阱，量子阱周期數(shù)為10；
(5)降溫至680°C并線性升溫至760°C生長50nm的i型InGaN層，In組分為0.4 0. 05 漸變；不變溫直接生長5nm的無摻GaN覆蓋層；
(6)升溫至950°C生長20nmρ型AlGaN:Mg層，Al組分為0. 1 ；不變溫直接生長ρ型 GaN:Mg 層，厚度為 0. 15 μ m。
這種外延片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在量子阱生長完后，生長了 50nm厚h組分從0. 4漸變至0. 05的InGaN層作吸收層。采用此結(jié)構(gòu)，由于h組分是漸變的并且InGaN的帶邊吸收強(qiáng)烈，所以可以很大的拓寬吸收層的吸收譜寬度，從而增加對(duì)不同波長的光子吸收，增大太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例5
具有雙吸收層WhGaN太陽能電池外延片的結(jié)構(gòu)如附圖5所示，從下至上依次為襯底、 低溫緩沖層、未摻雜GaN層、η型GaN層、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN層和ρ型GaN層。其制備方法為
(1)采用MOCVD設(shè)備，升溫至1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；
(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫緩沖層；升溫至1050°C，生長厚度為Ι.Ομπι的未摻雜GaN層；
(3)在1000°C的溫度下生長厚度為2.Oym的η型GaN: Si層；
(4)在730°C生長hGaN/GaN量子阱，量子阱周期數(shù)為15；
(5)將溫度升至750°C生長50nm的i型InGaN層，In組分為0.1 ；
(6)升溫至950°C生長ρ型GaN:Mg層，厚度為0.15 μ m。這種外延片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在生長50nm In組分為0. 1的i型InGaN作吸收層后， 未生長GaN覆蓋層。由于GaN覆蓋層可以阻擋ρ區(qū)空穴的擴(kuò)散，因此此種結(jié)構(gòu)的hGaN層可能會(huì)有受主中心的存在，可以提高空穴濃度，從而一定程度上增加對(duì)空穴的收集，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種InGaN太陽能電池外延片，其特征在于所述外延片的結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、緩沖層、η型層、吸收層I、吸收層II和ρ型層，所述吸收層II位于吸收層I和ρ型層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有雙吸收層的hGaN太陽能電池外延片，其特征在于，所述吸收層I為量子阱層結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述InGaN太陽能電池外延片，其特征在于，所述吸收層II為非故意摻雜的i型InGaN層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的InGaN太陽能電池外延片，特征在于，所述InGaN吸收層II的 h組分為0.01 0.5。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述InGaN太陽能電池外延片，其特征在于，所述InGaN吸收層II的 ^組分是恒定的，或者是在所述范圍內(nèi)漸變的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的InGaN太陽能電池外延片，特征在于所述InGaN吸收層II的厚度為 3nnTl00nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaN太陽能電池外延片，其特征在于，所述吸收層II和ρ型層之間還包括GaN覆蓋層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的^iGaN太陽能電池外延片，其特征在于，所述GaN覆蓋層厚度為 InnTlOnm0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InGaN太陽能電池外延片，其特征在于ρ型層為ρ型GaN:Mg 層，或ρ型AlGaNiMg層和GaN:Mg層。
10.一種權(quán)利要求1所述的hGaN太陽能電池外延片的制備方法，采用MOCVD設(shè)備制備所述外延片，其特征在于包括以下步驟(1)在1000°C在氫氣氛圍下烘烤襯底10分鐘；(2)降溫至480°C，在襯底上生長厚度為30nm的GaN低溫度緩沖層；(3)在1000°C的溫度下，在襯底上生長η型層；(4)將溫度降至650°C 780°C，生長量子阱吸收層I；(5)溫度650°C 780°C，生長未摻雜的InGaN吸收層II；(6)將溫度升至800°C 1000°C，生長ρ型層即制備得到所述外延片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種InGaN太陽能電池外延片及其制備方法。所述外延片的結(jié)構(gòu)從下至上依次為襯底、緩沖層、n型層、吸收層Ⅰ、吸收層Ⅱ和p型層，所述吸收層Ⅰ為量子阱層結(jié)構(gòu)，吸收層Ⅱ是非故意摻雜InGaN。本發(fā)明在現(xiàn)有量子阱太陽能電池的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了i型InGaN吸收層的結(jié)構(gòu)，由于量子阱吸收層Ⅰ和InGaN吸收層Ⅱ的吸收限不同，可以有效拓寬吸收譜；同時(shí)，由于i型InGaN層也可以吸收光子，引入此層可以增加吸收層的總厚度，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率，提高了太陽能電池的整體性能。本發(fā)明提供了所述外延片的制備方法，簡單易行，成本較低，制備條件精確，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102290458SQ20111027496
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者張康, 李述體 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)