基于GaN納米線陣列的太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于GaN納米線陣列的太陽(yáng)能電池，可用于光伏發(fā)電。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，“能源”是人類生存與發(fā)展的基石，而隨著傳統(tǒng)能源的日益開發(fā)與枯竭，與之相對(duì)的卻是社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求的劇增，能源短缺和能源供給問題已切實(shí)成為世界各國(guó)政府工作的當(dāng)務(wù)之急。全球范圍內(nèi)能源緊缺的日益突出，使得可再生能源的開發(fā)和利用備受關(guān)注，以可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源，解決能源短缺的同時(shí)，能夠緩減環(huán)境污染問題。太陽(yáng)能利用是可再生能源中一個(gè)非常重要的部分，圍繞著如何提高太陽(yáng)能電池效率，降低太陽(yáng)能電池成本，各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研宄日益深入。
[0003]氮化鎵(GaN)屬于直接帶隙半導(dǎo)體，直接帶隙半導(dǎo)體的特點(diǎn)就是導(dǎo)帶上電子可以直接和價(jià)帶空穴復(fù)合發(fā)光，所以吸收效率高。并且GaN材料的禁帶寬度為3.44eV，它的吸收范圍覆蓋了從可見光到近紫外區(qū)域，具有較高的光吸收效率
[0004]現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池通常采用多晶硅材料，剖面如圖2所示。其結(jié)構(gòu)自上而下分別為:金屬電極1、ΙΤΟ氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜2、P型多晶硅層3、本征多晶硅層4、N型硅襯底5、背電極6。襯底表面通過濕法刻蝕，形成擁有三維倒梯形重復(fù)單元的表面，再在其上等離子體化學(xué)氣相淀積PECVD本征多晶硅層和P型多晶硅層，形成具有三維倒梯形陷光結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。當(dāng)光入射電池表面光線會(huì)在其表面連續(xù)反射，增加光在電池表面陷光結(jié)構(gòu)中的有效運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度和反射次數(shù)，從而增大能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)對(duì)光的吸收效率。但是這種結(jié)構(gòu)由于絨面尺寸不均勻且分布較廣，使得襯底表面缺陷密度大大增加，在正表面難以獲得高質(zhì)量的絨面陷光，不易降低襯底對(duì)光的反射系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于GaN納米線陣列的太陽(yáng)能電池及其制備方法，以提高太陽(yáng)能電池對(duì)光子的吸收和利用，改善其轉(zhuǎn)化效率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的基于GaN納米線陣列的太陽(yáng)能電池，自下而上包括背電極6、硅襯底5、第二摻雜層4，其特征在于:所述第二摻雜層4的上表面采用納米線陣列結(jié)構(gòu)，該納米線陣列結(jié)構(gòu)表面層疊有第一摻雜層3、ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電膜2，納米線陣列結(jié)構(gòu)頂端設(shè)有正電極1，所述第一摻雜層3和第二摻雜層4分別采用N型和P型摻雜的寬禁帶GaN材料并且相互接觸形成PN結(jié)。
[0007]作為優(yōu)選，所述的第一摻雜層3厚度為10_20nm。
[0008]作為優(yōu)選，所述的第二摻雜層4厚度為5-10 μ m。
[0009]作為優(yōu)選，所述的GaN納米線陣列中，每根GaN納米線的直徑為50_100nm，長(zhǎng)度為2-6 μ m0
[0010]作為優(yōu)選，所述的正電極I采用厚度為20nm/20nm/40nm的鈦-镲-銷多層金屬材料。
[0011]作為優(yōu)選，所述的硅襯底5厚度為200-400 μ m。
[0012]作為優(yōu)選，所述的背電極6采用厚度為60nm的金屬鋁材料。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的制備方法包括如下步驟:
[0014]I)米用標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗P型娃襯底；
[0015]2)將清洗后的P型硅襯底置于濃度為15%—30%的KOH溶液中，加熱至65-70°C，浸泡10分鐘，對(duì)其進(jìn)行拋光處理，去除P型硅襯底的表面機(jī)械損傷；
[0016]3)在拋光后的P型硅襯底上采用低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD沉積厚度為5-10 ym的P型摻雜GaN外延層；
[0017]4)采用干法刻蝕工藝在P型摻雜GaN外延層上制作GaN納米線陣列；
[0018]4a)在P型摻雜GaN層上電子束蒸發(fā)厚度為50nm_10 μ m的金屬鋁；
[0019]4b)將蒸發(fā)有金屬鋁的樣片置于0.3mol/L草酸或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硫酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，形成小孔；
[0020]4c)將經(jīng)過電化學(xué)腐蝕后的樣片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的磷酸或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的磷酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%的鉻酸混合液中浸泡，去除小孔底部與下層GaN接觸的氧化鋁并改變小孔的尺寸，形成規(guī)則的網(wǎng)狀多孔陽(yáng)極氧化鋁薄層；
[0021]4d)在步驟4c)形成的多孔陽(yáng)極氧化鋁薄層表面再電子束蒸發(fā)一層厚度為5-10nm的金屬鎳層，并用堿溶液去除陽(yáng)極氧化鋁薄層，在GaN層上得到金屬鎳納米顆粒點(diǎn)陣；
[0022]4e)利用步驟4d)得到金屬鎳納米顆粒點(diǎn)陣作為模板，干法刻蝕GaN外延層，得到GaN納米線陣列，再用酸性溶液去除金屬镲納米顆粒；
[0023]5)在表面有GaN納米線陣列結(jié)構(gòu)的P型摻雜GaN層，采用雜質(zhì)摻雜工藝形成厚度為10-20nm的N型摻雜GaN層；
[0024]6)在N型摻雜GaN層上采用磁控濺射沉積ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，作為透明導(dǎo)電極；
[0025]7)在ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜上采用電子束蒸發(fā)工藝依次沉積厚度為20nm/20nm/40nm的金屬鈦、镲、銷，并刻蝕形成正電極；
[0026]8)在P型摻雜的硅襯底背面采用電子束蒸發(fā)工藝沉積厚度為60nm的金屬鋁作為背電極；
[0027]9)將正面和背面蒸發(fā)有金屬電極的樣片進(jìn)行熱退火處理，使電子束蒸發(fā)的金屬與和它們接觸的材料合金化，形成電極，完成整個(gè)太陽(yáng)能電池的制備。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0029]1.制備該太陽(yáng)能電池的整個(gè)過程中使用的都是常規(guī)的半導(dǎo)體設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單；
[0030]2.采用納米線陣列結(jié)構(gòu)，具有良好的陷光效果，提高了載流子的收集效率；
[0031]3.采用寬禁帶的GaN材料，能夠吸收從可見光到紫外光區(qū)的光子，有利于提高太陽(yáng)能電池性能。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2是現(xiàn)有多晶娃太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)不意圖。
[0034]圖3是本發(fā)明的制作工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]參照?qǐng)D1，本發(fā)明自下而上包括背電極6、硅襯底5、第二摻雜層4，其中第二摻雜層4的上表面采用納米線陣列結(jié)構(gòu)，該納米線陣列結(jié)構(gòu)表面層疊有第一摻雜層3、ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電膜2，納米線陣列結(jié)構(gòu)頂端設(shè)有正電極1，第一摻雜層3和第二摻雜層4分別采用N型和P型摻雜的寬禁帶GaN材料，并相互接觸形成PN結(jié)。所述正電極I采用厚度為20nm/20nm/40nm的鈦-镲-銷多層金屬電極；所述第一摻雜層3的厚度為10_20nm ;所述第二摻雜層4厚度為5-10 μ m，GaN納米線的直徑為50_100nm，長(zhǎng)度為2-6 μ m ;所述硅襯底5厚度為200-400 μ m ;所述背電極采用厚度為60nm的金屬鋁。
[0036]以下給出制作基于GaN納米線陣列的太陽(yáng)能電池的三個(gè)實(shí)施例:
[0037]實(shí)施例1，制作每根GaN納米線的直徑為50nm，長(zhǎng)度為2 μπι的GaN納米線陣列太陽(yáng)能電池。
[0038]參照?qǐng)D3，本實(shí)例制作步驟如下:
[0039]步驟1:清洗，拋光P型硅襯底，去除表面污染物和表面機(jī)械損傷。
[0040](1.1)使用丙酮和異丙醇對(duì)P型硅襯底交替進(jìn)行超聲波清洗，以去除襯底表面有機(jī)物污染；
[0041](1.2)配置1:1:3的氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，并加熱至120°C，將P型硅襯底置于此混合溶液中浸泡12分鐘，取出后用去離子水沖洗，以去除P型硅襯底表面無(wú)機(jī)污染物；
[0042](1.3)將P型硅襯底用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層；
[0043](1.4)將清洗后的P型硅襯底置于濃度為15%的KOH溶液中，加熱至65°C，浸泡10分鐘，對(duì)其進(jìn)行拋光處理，去N型娃襯底5的表面機(jī)械損傷。
[0044]步驟2:沉積P型摻雜GaN外延層。
[0045]以固態(tài)金屬鎵作Ga源，以氨氣和氮?dú)庾鞯?，以CP2Mg作為摻雜雜質(zhì)，先升溫至950°C通入NH3進(jìn)行原位清洗20min ；
[0046]再通入氨氣、氮?dú)?、CP2Mg,升溫至900°C，在P型硅襯底上采用低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD工藝沉積厚度為5 μ m的P型摻雜GaN外延層。
[0047]步驟3:采用干法刻蝕工藝在P型摻雜GaN外延層上制作GaN納米線陣列。
[0048]3.1)在P型摻雜GaN層上電子束蒸發(fā)厚度為50nm的金屬鋁；
[0049]3.2)將蒸發(fā)有金屬鋁的樣片置于0.3mol/L草酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，形成小孔；
[0050]3.3)將經(jīng)過電化學(xué)腐蝕后的樣片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的磷酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%的鉻酸混合液中浸泡，去除小孔底部與下層GaN接觸的氧化鋁并改變小孔的尺寸，形成規(guī)則的網(wǎng)狀多孔陽(yáng)極氧化鋁薄層；
[0051]3.4)在多孔陽(yáng)極氧化鋁薄層表面電子束蒸發(fā)一層厚度為5nm的金屬鎳層，用濃度為0.4mol/L的NaOH溶液去除陽(yáng)極氧化銷薄層，在GaN層上得到金屬镲納米顆粒點(diǎn)陣；
[0052]3.5)利用金屬鎳納米顆粒點(diǎn)陣作為模板，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕GaN外延層，得到GaN納米線陣列，每根GaN納米線直徑為50nm，長(zhǎng)度為2 μπι，
[0053]3.6)用濃度比為1:1的硝石酸與氫氟酸的混合溶液去除金屬鎳顆粒。
[0054]步驟4:在P型GaN納米線結(jié)構(gòu)表面摻雜N型GaN摻雜層。
[0055]將形成GaN納米線陣列的樣品放入低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD設(shè)備中，升溫溫至900°C，通入氫氣和磷烷的混合氣體，其中磷烷的濃度為1%，反應(yīng)腔中壓強(qiáng)為l.0Torr，反應(yīng)時(shí)間為20min，在P型GaN納米線結(jié)構(gòu)表面形成厚度為1nm的N型GaN摻雜層。
[0056]步驟5:在N型摻雜GaN層上采用磁控濺射沉積ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，作為透明導(dǎo)電極。
[0057]步驟6:在ITO氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜上采用電子束蒸發(fā)工藝依次沉積厚度為20nm/20nm/40nm的金屬鈦、镲、銷，并刻蝕形成正電極。
[0058]步驟7:在P型摻雜硅襯底背面采用電子束蒸發(fā)工藝沉積厚度為60nm的金屬鋁作為背電極。
[0059]步驟8:將正面和背面蒸發(fā)有金屬電極的樣片進(jìn)行熱退火處理，使電子束蒸發(fā)的金屬與和它們接觸的材料合金化，形成電極，完成整個(gè)太陽(yáng)能電池的制備。
[0060]實(shí)施例2，制作每根GaN納米線的直徑為75nm，長(zhǎng)度為4 μπι的GaN納米