硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，自下至上包括Si底電池、InxGa1-xN第一電池和InyGa1-yN第二電池；所述底電池的p-Si層上面至第一電池之間依次有AlN成核層和GaN緩沖層，第一電池和第二電池之間有隧道結，其特點是：所述底電池襯底下面制有負電極；第二電池上面制有半透明電流擴展層、半透明電流擴展層上制有正電極。本發(fā)明由于在底電池襯底下面直接蒸鍍負電極，簡化了工藝，降低了成本，還可當做反射鏡使用，充分利用了太陽光譜、電池總轉(zhuǎn)換效率可達40%以上；通過蒸鍍半透明電流擴展層，加強了正電極對載流子的收集，提高了電池的抗輻射能力，延長了電池的使用壽命。
【專利說明】 硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽電池【技術領域】，特別是涉及一種硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池。

【背景技術】
[0002]公知的能源都是不可再生的，經(jīng)過多年的開采之后，這些能源的儲量都在一天天地減少，而且使用后會造成嚴重的環(huán)境問題，于是人們對太陽能這種取之不盡用之不竭的綠色能源越來越重視，長期以來，都在孜孜不倦地尋找太陽能高轉(zhuǎn)換效率的材料。近年來，以GaN及InGaN，AlGaN為代表的第三代半導體材料一III族氮化物是人們研究的熱點，它主要應用于光電器件和高溫、高頻、大功率器件。2002年的研究結果表明，InN的禁帶寬度不是之前報道的1.89eV而是0.7eV，這就意味著通過調(diào)節(jié)InGaN材料中In組分，可使其禁帶寬度從3.4eV (GaN)到0.7eV (InN)連續(xù)可調(diào)，也就是其對應吸收光譜的波長從紫外部分(365nm)可以一直延伸到近紅外部分(1770nm)，幾乎完整地覆蓋了整個太陽光譜，除此之夕卜，還有吸收系數(shù)高、電子遷移率高、抗輻射能力強等優(yōu)點，于是InGaN材料在太陽能電池領域中的應用引起了人們的密切關注。
[0003]藍寶石和碳化硅襯底是目前生長InGaN使用最多的材料，使用藍寶石襯底的制備工藝已經(jīng)很成熟了，但是其硬度高、導電及導熱差，限制了 InGaN器件的性能；碳化硅襯底相比藍寶石襯底具有更優(yōu)良的性能，但其價格昂貴，限制了它的應用；而硅襯底不僅硬度和價格低，而且具有易解理、易得到大面積高質(zhì)量商業(yè)化襯底以及硅基器件易于集成，帶隙為
1.12eV等優(yōu)點，被認為是最有希望取代以上兩種襯底生長InGaN的一種理想材料，但是硅襯底存在晶格失配和熱膨脹失配的問題。
[0004]經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)，人們開始研究如何采用Si襯底生長InGaN材料制備太陽能電池，并克服晶格失配和熱膨脹失配的問題。如:申請?zhí)枮?00810240351.4，名稱為“p-1-n型InGaN量子點太陽能電池結構及其制作方法”的發(fā)明專利，結構包括:一襯底，其上依次為低溫風化嫁成核層、非有思慘雜風化嫁緩沖層、η型慘雜InxGa1-JiN層、非慘雜i層InyGa1-JfN星子點結構和P型摻雜InxGahN層；申請?zhí)枮?01110300096.X，名稱為“含有超晶格結構的p-1-n型InGaN太陽電池”的發(fā)明專利，結構包括:一襯底，其上依次為高溫AlN成核層、非有意摻雜氮化鎵緩沖層、η型摻雜GaN層、InGaN/GaN超晶格和p型摻雜GaN層，而且p型GaN層表面有Ni/Au電極，η型GaN層表面有Al/Au電極；申請?zhí)枮?01210246805.5，名稱為“InGaN/Si雙結太陽能電池”的發(fā)明專利，結構包括:n_Si襯底，n_Si襯底上面自下至上依次有AlN成核層、GaN緩沖層、Si摻雜的I1-1nxGa^N層、Mg摻雜的P-1nxGa^N層、半透明電流擴展層和正電極；申請?zhí)枮?01210246406.9，名稱為“一種InGaN/Si雙結太陽能電池的制備方法”的實用新型專利，結構包括:n_Si襯底，n-Si襯底上面自下至上依次有AlN成核層、GaN緩沖層、Si摻雜的n-1nxGai_xN層、Mg摻雜的P-1nxGa^N層、半透明電流擴展層和正電極。
[0005]上述檢索到的專利申請均采用Si作為襯底制備InGaN系太陽能電池，解決了晶格失配和熱膨脹失配的問題，但前兩個由于增加了外延工藝的復雜度，降低了電池的總轉(zhuǎn)換
效率，提高了生產(chǎn)成本；后兩個為兩結太陽能電池，并不能充分利用太陽光譜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術存在的問題，提供了一種易于制備、生產(chǎn)成本低、能夠充分利用太陽光譜、總轉(zhuǎn)換效率高、抗輻射能力強、使用壽命長的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池。
[0007]本發(fā)明采取的技術方案是:
[0008]硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，自下至上包括Si底電池、InxGahN第一電池和InyGaLyN第二電池，Si底電池由n_Si襯底和ρ-Si層構成；所述p_Si層上面至InxGapxN第一電池之間依次有AlN成核層和GaN緩沖層，InxGapxN第一電池和InyGa1J第二電池之間有隧道結，其特點是:所述n-Si襯底下面制有負電極；所述InyGa1J第二電池上面制有半透明電流擴展層、半透明電流擴展層上制有正電極。
[0009]本發(fā)明還可以采用如下技術方案:
[0010]所述半透明電流擴展層為ITO薄膜；ΙΤ0薄膜上表面涂有光刻膠作為保護區(qū)，涂有光刻膠的ITO薄膜上光刻有梳狀凹槽作為正電極區(qū)域，所述正電極一端置于正電極區(qū)域內(nèi)。
[0011]所述正電極為自下至上蒸鍍成一體構成厚度為20nm/60nm的Ni/Au電極。
[0012]所述的負電極為自上至下蒸鍍成一體構成厚度為15nm/15nm/400nm的Ti/Pd/Ag電極。
[0013]所述的正電極區(qū)域的深度為50_100nm。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果:
[0015]1、本發(fā)明由于在n-Si襯底的下面直接蒸鍍負電極，簡化了工藝，降低了成本，并且這樣蒸鍍的負電極還可以當做反射鏡使用，充分利用了太陽光譜、有效提高了電池的總轉(zhuǎn)換效率，可達到40%以上；
[0016]2、本發(fā)明通過蒸鍍ITO薄膜作為半透明電流擴展層，加強了正電極對載流子的收集，在ITO薄膜上光刻出梳狀凹槽蒸鍍正電極，提高了電池的抗輻射能力，延長了電池的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池結構示意圖；
[0018]圖2是圖1中半透明電流擴展層上光刻出的正電極區(qū)域和保護區(qū)。
[0019]圖中:1-Si底電池，2-A1N成核層，3-GaN緩沖層，4-1nxGai_xN第一電池，5_隧道結，6-1nyGai_yN第二電池，7-半透明電流擴展層，8-正電極，9-負電極，10-正電極區(qū)域，11-保護區(qū)。

【具體實施方式】
[0020]為能進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0021]硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，自下至上包括Si底電池、InxGahN第一電池和InyGai_yN第二電池，Si底電池由n-Si襯底和ρ-Si層構成；所述p_Si層上面至InxGapxN第一電池之間依次有AlN成核層和GaN緩沖層，InxGapxN第一電池和InyGa1J第二電池之間有隧道結。
[0022]本發(fā)明的創(chuàng)新點包括:
[0023]所述n-Si襯底下面制有負電極；所述InyGai_yN第二電池上面制有半透明電流擴展層、半透明電流擴展層上制有正電極。
[0024]本發(fā)明的創(chuàng)新點還包括:
[0025]所述半透明電流擴展層為ITO薄膜；ΙΤ0薄膜上表面涂有光刻膠作為保護區(qū)，涂有光刻膠的ITO薄膜上光刻有梳狀凹槽作為正電極區(qū)域，所述正電極一端置于正電極區(qū)域內(nèi)。
[0026]所述正電極為自下至上蒸鍍成一體構成厚度為20nm/60nm的Ni/Au電極。
[0027]所述的負電極為自上至下蒸鍍成一體構成厚度為15nm/15nm/400nm的Ti/Pd/Ag電極。
[0028]所述的正電極區(qū)域的深度為50_100nm。
[0029]本發(fā)明硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池的制作過程:
[0030]步驟1、選用超聲清洗后的n-Si作為襯底；
[0031]步驟2、采用金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD) Jfn-Si襯底置于反應室中，并通入TMAl和NH3,隨著溫度的升高，Al原子開始擴散到n-Si層中替代Si原子，n_S襯底上形成P-Si層，構成了 Si底電池I ;在900-11001:(最佳值1000°C )進行生長厚度為50-100nm(最佳值60nm)的AlN成核層2 ；
[0032]步驟3、采用金屬有機化學氣相沉積技術在AlN成核層上生長GaN緩沖層3，生長溫度為900-1100°C，厚度范圍為0.5-2 μ m,本層可減少外延層的缺陷密度，從而提高晶體質(zhì)量;
[0033]步驟4、在GaN緩沖層上生長InxGapxN第一電池4，包括Si摻雜的η-Ιηχ6&1_χΝ層和Mg摻雜的P-1nxGahN層，生長溫度為600-1100°C (最佳值為1000°C)，其中0.5彡x彡0.7(最佳值為0.61)，摻雜濃度為I X 117-1 X 1019cm_3 (最佳值分別為IXlO17和1X1018)，厚度范圍為50nm-350nm (最佳值分別為200nm和10nm)；
[0034]步驟5、在InxGahN第一電池上生長隧道結5，包括Mg摻雜的p+-1nxGai_xN層和Si摻雜的!!+-1nxGahN層，生長溫度為600-1100°C (最佳值為900°C)，其中0.5彡x彡0.7(最佳值為0.43)，摻雜濃度為I X 119-1 X 12W3 (最佳值分別為5X1019)，厚度范圍為10nm-50nm (最佳值分別為20nm)；
[0035]步驟6、在GaN緩沖層上生長InyGapyN第二電池6，包括Si摻雜的I1-1nyGa^N層和Mg摻雜的P-1nyGa1J層，生長溫度為600-1100°C (最佳值為1000°C)，其中0.3彡y彡0.5(最佳值為0.43)，摻雜濃度為I X 117-1 X 1019cm_3 (最佳值分別為IXlO17和1X1018)，厚度范圍為50nm-350nm (最佳值分別為200nm和10nm)；
[0036]步驟7、在InyGai_yN第二電池上蒸鍍半透明電流擴展層7 ;即將步驟6生長后的材料和ITO材料置于電子束蒸發(fā)設備中，其真空度為10_4Pa以下，同時通入流量為2-5SCCm(最佳值3.5sccm)的氧氣，溫度約為150-300°C (最佳值200°C)，蒸鍍1_3小時(最佳值2小時)，P-1nxGahN層上形成150_350nm (最佳值200nm)厚的ITO膜；取出蒸鍍后的材料，再放入退火爐中，350-500°C (最佳值450°C)的N2環(huán)境下，退火10-20分鐘(最佳值15分鐘)，隨爐冷卻至常溫，InyGa1^yN第二電池的ITO膜為半透明電流擴展層，在ITO薄膜上表面涂上光刻膠作為保護區(qū)11，采用光刻機，在涂有光刻膠的ITO薄膜上光刻出如圖2所示，深度為50-100nm (最佳值80nm)的梳狀凹槽作為正電極區(qū)域10 ;這樣加強了正電極對載流子的收集，提高了電池的抗輻射能力，延長了電池的使用壽命；
[0037]步驟8、蒸鍍正電極:將光刻后的材料和Au、Ni置于電子束蒸發(fā)設備中，其真空度為10_4Pa以下時開始蒸鍍，正電極區(qū)域蒸鍍出一層厚度10-30nm (最佳值為20nm)的Ni，在Ni上蒸鍍出一層厚度50-70nm(最佳值為60nm)的Au，整個蒸鍍過程中溫度為50_150°C (最佳值為100°c)、蒸鍍時間為1-3小時(最佳值為2小時);在500-600°C (最佳值為550°C)的N2環(huán)境下，退火1-10分鐘(最佳值為5分鐘)，隨爐自然冷卻至常溫后，半透明電流擴展層的正電極區(qū)域即蒸鍍出自下至上成為一體的Ni/Au正電極8 ;
[0038]步驟9、蒸鍍負電極:將蒸鍍正電極后材料的n-Si襯底背面朝上，置于電子束蒸發(fā)設備中，并將T1、Pd和Ag—同置于電子束蒸發(fā)設備中，其真空度為10_4Pa以下時開始蒸鍍，在n-Si襯底的底面依次蒸鍍出厚度10-20nm (最佳值為15nm)的T1、10_30nm (最佳值為15nm)的Pd和300_500nm (最佳值為400nm)的Ag，整個蒸鍍過程中溫度約為50_150°C (最佳值為100°C)、蒸鍍時間為1-3小時(最佳值為2小時)；在700-800°C (最佳值為750°C )的N2環(huán)境下，退火1-10分鐘(最佳值為5分鐘)，隨爐自然冷卻至常溫后，n-Si襯底的背面蒸鍍出圖1所示電池位置自上至下成為一體的Ti/Pd/Ag負電極9，即完成本發(fā)明硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池的制備方法的制作。該負極的制備過程簡化了工藝，降低了成本，并可以當做反射鏡使用，進一步提高了電池的總轉(zhuǎn)換效率，可達到40%以上。
[0039]盡管上面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，自下至上包括Si底電池、InxGahN第一電池和InyGai_yN第二電池，Si底電池由n-Si襯底和ρ-Si層構成；所述p_Si層上面至InxGai_xN第一電池之間依次有A1N成核層和GaN緩沖層，InxGai_xN第一電池和InyGai_yN第二電池之間有隧道結，其特征在于:所述n-Si襯底下面制有負電極；所述InyGai_yN第二電池上面制有半透明電流擴展層、半透明電流擴展層上制有正電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述半透明電流擴展層為ITO薄膜；ITO薄膜上表面涂有光刻膠作為保護區(qū)，涂有光刻膠的ΙΤΟ薄膜上光刻有梳狀凹槽作為正電極區(qū)域，所述正電極一端置于正電極區(qū)域內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述正電極為自下至上蒸鍍成一體構成厚度為20nm/60nm的Ni/Au電極。
4.根據(jù)權利要求1所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述的負電極為自上至下蒸鍍成一體構成厚度為15nm/15nm/400nm的Ti/Pd/Ag電極。
5.根據(jù)權利要求2所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述的正電極區(qū)域的深度為50-100nm。
6.根據(jù)權利要求1所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述InxGai_xN第一電池中0.5彡X彡0.7 ;所述InyGai_yN第二電池中0.3彡y彡0.5。
7.根據(jù)權利要求1所述的硅電池上生長氮鎵銦系的三結太陽能電池，其特征在于:所述隧道結包括Mg摻雜的p+-1nxGai_xN層和Si摻雜的n+-1nxGai_xN層，其中0.5彡x彡0.7。
【文檔編號】H01L31/0224GK104347747SQ201310335019
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權日:2013年8月1日
【發(fā)明者】張啟明, 王帥, 高鵬, 吳艷梅, 劉如彬, 孫強, 肖志斌 申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所