本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池。

背景技術(shù)：

InGaN材料在制備高效太陽(yáng)能電池方面潛力巨大。首先，In_xGa_1-xN材料是直接帶隙半導(dǎo)體材料，通過(guò)調(diào)節(jié)三元化合物InGaN材料中的In組分，可以實(shí)現(xiàn)其帶隙能量在0.7～3.4eV之間連續(xù)變化，其吸收光譜幾乎與太陽(yáng)光譜完美匹配[1]。其次，InGaN材料還具有高吸收系數(shù)、高電子遷移率、高硬度、耐高溫、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)全光譜太陽(yáng)能電池的理想材料，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的研究?jī)r(jià)值[2]。

然而，現(xiàn)有的量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率依舊較低，如圖2所示。量子阱中的極化電場(chǎng)是造成太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率低下的一個(gè)重要因素。由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN基材料沿(0001)方向存在很強(qiáng)的極化電場(chǎng)，其強(qiáng)度高達(dá)MV/cm量級(jí)，而且現(xiàn)有的極性GaN基太陽(yáng)電池，其極化電場(chǎng)方向與p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相反，會(huì)對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)造成補(bǔ)償，導(dǎo)致有源區(qū)內(nèi)凈電場(chǎng)減小，不利于光生載流子的有效收集；同時(shí)極性太陽(yáng)能電池內(nèi)的極化電場(chǎng)會(huì)使得量子阱區(qū)域能帶發(fā)生傾斜，產(chǎn)生附加勢(shì)壘，阻礙光生載流子的輸運(yùn)，對(duì)太陽(yáng)能電池的性能產(chǎn)生非常不利的影響[3]。

為提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，現(xiàn)有技術(shù)通常采用在器件背部制作反射鏡、在器件表面制作減反膜或采用InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)等技術(shù)來(lái)提高材料對(duì)光的吸收效率[4,5]。然而采用這些技術(shù)仍無(wú)法從根本上解決極性器件中極化電場(chǎng)對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)補(bǔ)償所造成的光電轉(zhuǎn)換效率下降的問(wèn)題。要從根本上解決此問(wèn)題，需使得極化電場(chǎng)方向與p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同或者垂直，以使其不對(duì)p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成補(bǔ)償，但傳統(tǒng)極性器件顯然無(wú)法滿足此要求。因此，研發(fā)非極性GaN基太陽(yáng)能電池，對(duì)于提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率具有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

1.Matsuoka,T.,et al.,Optical bandgap energy of wurtzite InN.Applied Physics Letters,2002.81(7):p.1246-1248.

2.Jani,O.,et al.,Design and characterization of GaN/InGaN solar cells.Applied Physics Letters,2007.91(13):p.132117.

3.Chang,J.-Y.,et al.,Simulation of high-efficiency GaN/InGaN pin solar cell with suppressed polarization and barrier effects.IEEE Journal of Quantum Electronics,2013.49(1):p.17-23.

4.Chen,X.,et al.,Growth,fabrication,and characterization of InGaN solar cells.physica status solidi(a),2008.205(5):p.1103-1105.

5.Tsai,C.-L.,et al.,Substrate-free large gap InGaN solar cells with bottom reflector.Solid-State Electronics,2010.54(5):p.541-544.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)制備的極性量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池。采用該種結(jié)構(gòu)既可以從根本上解決傳統(tǒng)極性量子阱結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中極化電場(chǎng)對(duì)p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，同時(shí)利用此自發(fā)極化電場(chǎng)又可以加速將分離的空穴和電子分別輸運(yùn)至正負(fù)電極處，從而極大地提高太陽(yáng)能電池的光電效率。

技術(shù)方案：本發(fā)明胡具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池包括自下而上依次設(shè)置的襯底，GaN成核層、非摻雜GaN緩沖層、n型GaN層、InGaN吸收層、p型GaN層，在p型GaN層上引出p型歐姆電極，在n型GaN層上引出n型歐姆電極。

其中；

所述GaN成核層、非摻雜GaN緩沖層、n型GaN層、InGaN吸收層、p型GaN層均由非極性材料構(gòu)成。

所述p型歐姆電極和n型歐姆電極分別位于自發(fā)極化電場(chǎng)的正負(fù)兩端。

所述襯底為極性、半極性或非極性取向的藍(lán)寶石、碳化硅、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁。

所述GaN成核層的厚度為15-50nm，非摻雜GaN緩沖層的厚度為50-5000nm，n型GaN層的厚度為200-5000nm，InGaN吸收層的厚度為20-2000nm，p型GaN層的厚度為100-1000nm。

所述InGaN吸收層是單層InGaN外延層結(jié)構(gòu)，或是InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，其中量子阱阱寬為2-10nm，勢(shì)壘寬為5-20nm，重復(fù)周期數(shù)為1-50。

所述p型歐姆電極和n型歐姆電極的材料為Al，Ni，Au或Ti中的任何一種金屬或由以上多種金屬構(gòu)成的復(fù)合電極材料。

有益效果：本發(fā)明提供的是一種具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池。采用非極性材料可以從根本上避免量子阱區(qū)域極化電場(chǎng)對(duì)p-n內(nèi)建電場(chǎng)的補(bǔ)償效應(yīng)，有利于提高光生載流子的縱向即垂直于電池表面分離效率。進(jìn)一步而言，非極性材料里自發(fā)極化電場(chǎng)的存在有利于提高太陽(yáng)能電池中光生載流子的橫向即平行于電池表面空間分離效率，并且由于p型和n型GaN歐姆電極分別位于自發(fā)極化電場(chǎng)的正負(fù)兩端，所以此自發(fā)極化電場(chǎng)還可加速將分離的空穴和電子分別輸運(yùn)至正負(fù)電極處，從而可大大提高光電流的產(chǎn)生效率，故對(duì)于提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率具有重要的意義。

附圖說(shuō)明

圖1為一種具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池的層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中有：襯底101、GaN成核層102、非摻雜GaN緩沖層103、n型GaN層104、InGaN吸收層105、p型GaN層106，p型歐姆電極107，n型歐姆電極108。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)制備的極性太陽(yáng)能電池的層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中有：襯底201、GaN成核層202、非摻雜GaN緩沖層203、n型GaN層204、InGaN吸收層205、p型GaN層206，p型歐姆電極207，n型歐姆電極208。

具體實(shí)施方式

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明具有自發(fā)極化電場(chǎng)的非極性太陽(yáng)能電池包括自下而上依次設(shè)置的襯底101，GaN成核層102、非摻雜GaN緩沖層103、n型GaN層104、InGaN吸收層105、p型GaN層106，在p型GaN層上引出p型歐姆電極107，在n型GaN層上引出n型歐姆電極108。

優(yōu)選的，所述GaN成核層102、非摻雜GaN緩沖層103、n型GaN層104、InGaN吸收層105、p型GaN層106均由非極性材料構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述p型歐姆電極107和n型歐姆電極108分別位于自發(fā)極化電場(chǎng)的正負(fù)兩端。

優(yōu)選的，所述襯底101可以為極性、半極性和非極性取向的藍(lán)寶石、碳化硅、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁等材料。

優(yōu)選的所述GaN成核層102的厚度為15-50nm，非摻雜GaN緩沖層103的厚度為50-5000nm，n型GaN層104的厚度為200-5000nm,InGaN吸收層105的厚度為20-2000nm，p型GaN層106的厚度為100-1000nm。

所述InGaN吸收層105可以是單層InGaN外延層結(jié)構(gòu)，也可以是InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，其中量子阱阱寬為2-10nm，勢(shì)壘寬為5-20nm，重復(fù)周期數(shù)為1-50。

優(yōu)選的，所述p型歐姆電極107和n型歐姆電極108的材料可以為Al，Ni，Au，Ti中的任何一種金屬或由多種金屬構(gòu)成的復(fù)合電極材料。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所做的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。