CN102832272A - InGaN太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种InGaN太阳能电池及其制作方法，包括：一衬底；一GaN缓冲层制作在衬底上；一N型GaN欧姆接触层制作在GaN缓冲层上；一本征InGaN吸收层制作在N型GaN欧姆接触层上面的一侧，N型GaN欧姆接触层的另一侧形成一台面；一GaN保护层制作在本征InGaN吸收层上；一P型GaN层制作在低温GaN保护层上；一P型GaN欧姆接触层制作在P型GaN层上；一电流扩展层制作在P型GaN欧姆接触层上；一P型欧姆接触电极制作在电流扩展层上；一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在N型GaN欧姆接触层的台面上。本发明具有提高InGaN太阳能电池效率的优点。

Description

InGaN太阳能电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是InGaN太阳能电池及其制作方法。

背景技术

作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。最新研究发现，InN材料的室温禁带宽度由之前的1.89eV确定为现在的0.7eV，使的三元合金InGaN的带隙从近红外光谱区域到紫外光谱区域连续地调节，并且氮化物合金在带边附近的吸收系数高达105cm-1量级，使得InGaN吸收层在几百纳米范围内吸收了大部分的入射光，理论上可以利用不同In组分的InGaN合金异质结构，设计一个多节太阳能电池，实现在一个外延系统下满足高效的太阳能电池的需要。另外，InGaN合金具有良好的抗辐射能力，很适用于做为空间太阳能电池材料。因此，InGaN在太阳能电池领域中有着明显优于其他半导体材料的优势。

目前世界上在InGaN太阳能电池方面已经取得的很大的进展，已研制出很多种结构的单元器件，但是由于InGaN材料生长质量的的问题，使得太阳能电池的效率都很低(小于3％)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种InGaN太阳能电池及其制作方法，其具有提高InGaN太阳能电池效率的优点。

本发明提出一种InGaN太阳能电池，包括：

一衬底；

一GaN缓冲层，该GaN缓冲层制作在衬底上；

一N型GaN欧姆接触层，该N型GaN欧姆接触层制作在GaN缓冲层上；

一本征InGaN吸收层，该本征InGaN吸收层制作在N型GaN欧姆接触层上面的一侧，N型GaN欧姆接触层的另一侧形成一台面；

一GaN保护层，该GaN保护层制作在本征InGaN吸收层上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在低温GaN保护层上；

一P型GaN欧姆接触层，该P型GaN欧姆接触层制作在P型GaN层上；

一电流扩展层，该电流扩展层制作在P型GaN欧姆接触层上；

一P型欧姆接触电极，该P型欧姆接触电极制作在电流扩展层上；

一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在N型GaN欧姆接触层的台面上。

本发明还提供一种InGaN太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上利用外研设备依次生长GaN缓冲层、N型GaN欧姆接触层、本征InGaN吸收层、GaN保护层、P型GaN层和P型GaN欧姆接触层；

步骤2：在P型GaN欧姆接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达N型GaN欧姆接触层的表面，使N型GaN欧姆接触层的表面一侧形成台面；

步骤3：在P型GaN欧姆接触层上蒸镀电流扩展层；

步骤4：在电流扩展层上制作P型欧姆电极；

步骤5：在N型GaN欧姆接触层的台面上制作N型欧姆电极，完成太阳能电池的制作。

本发明的有益效果是：GaN保护层能够保护本征InGaN吸收层，提高电池的吸收效率

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，下面结合具体实例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明提出的InGaN太阳能电池的结构示意图。

图2是本发明的制备流程图。

图3是本发明提出的InGaN太阳能电池和普通InGaN太阳能电池外量子效率曲线图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种InGaN太阳能电池，包括：

一衬底1，其中该衬底1的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；GaN缓冲层2，该GaN缓冲层2制作在衬底1上，厚度为25纳米；

一N型GaN欧姆接触层3，该N型GaN欧姆接触层3制作在GaN缓冲层2上；厚度为3微米，电子浓度为3×10¹⁸cm^-3；

一本征InGaN吸收层4，该本征InGaN吸收层4制作在N型GaN欧姆接触层3上面的一侧，使N型GaN欧姆接触层3的另一侧形成一台面31，本征InGaN吸收层4的厚度为150纳米，电子浓度为8×10¹⁶cm^-3；

一GaN保护层5，该GaN保护层5制作在本征InGaN吸收层4上，所述GaN保护层5的生长温度为700-800℃，厚度为5nm-10nm；该GaN保护层5的生长温度与本征InGaN吸收层4的生长温度相同；

一P型GaN层6，该P型GaN层6制作在低温GaN保护层5上，厚度为150nm，空穴浓度为5×10¹⁷cm^-3；

一P-GaN欧姆接触层7，该掺杂P-GaN欧姆接触层7制作在P型GaN层6上，厚度为30nm，空穴浓度为1×10¹⁸cm^-3；

一电流扩展层8，该电流扩展层8制作在掺杂P-GaN欧姆接触层7上，电流扩展层的材料可以是Ni/Au或者ITO材料；

一P型欧姆接触电极9，该P型欧姆接触电极9制作在电流扩展层8上，所述的P型欧姆接触电极9的形状是点状结构或者环形结构；

一N型欧姆接触电极10，该N型欧姆接触电极10制作在N型GaN欧姆接触层3的台面31上，所述的N型欧姆接触电极10的形状是点状结构或者环形结构。

该结构的太阳能电池在本征InGaN吸收层4和p型GaN6之间插入一层GaN保护层5。由于生长p型GaN层6的温度要高于本征InGaN吸收层4的温度，因此，在生长p型GaN层6的时候，高温会使得本征InGaN吸收层4中In解析附，降低In组分，另一方面，高温会使本征InGaN吸收层应力释放，从而产生弛豫现象。最后，本征InGaN吸收层中高的穿透位错密度可以延伸至p型GaN层，这样，p型GaN层中的位错密度也会很高，使得器件的反向漏电流很大。因此，本发明提出的一种InGaN太阳能电池结构中，本征InGaN吸收层之间和p型GaN之间插入一层GaN保护层。该层的生长温度与InGaN的生长温度相同，厚度为5-10nm。这样就能在一定程度上保护本征InGaN吸收层不受高温生长p型GaN的影响，同时，GaN保护层能阻止本征InGaN吸收层中的穿透位错延伸至p-GaN层，提高了p型GaN层的质量，从而提高电池的性能。

请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明还提供一种InGaN太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底1上利用外研设备依次生长厚度为25纳米的GaN缓冲层2、3微米的N型GaN欧姆接触层3、150纳米的本征InGaN吸收层4、5-10纳米的GaN保护层5、150纳米的P型GaN层6和30纳米的P型GaN欧姆接触层7，其中衬底1的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓，所述GaN保护层5的生长温度为700-800℃，厚度为5nm-10nm；该GaN保护层5的生长温度与本征InGaN吸收层4的生长温度相同；

步骤2：在P型GaN欧姆接触层7上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达N型GaN欧姆接触层3的表面，使N型GaN欧姆接触层3的表面一侧形成一台面31；

步骤3：在P型GaN欧姆接触层7上蒸发电流扩展层8；

步骤4：在电流扩展层8上制作P型欧姆电极9，所述的P型欧姆接触电极9的形状是点状结构或者环形结构；

步骤5：在N型GaN欧姆接触层3的台面31上制作N型欧姆电极10，所述的N型欧姆接触电极10的形状是点状结构或者环形结构，完成太阳能电池的制作。

我们对本发明提出的InGaN太阳能电池的外量子效率和光照IV进行了测试，并与普通的InGaN太阳能电池做比较。

图3是两个器件的外量子效率曲线图。其中虚线表示我们发明提出的InGaN太阳能电池的外量子效率，实线表示普通InGaN太阳能电池的外量子效率。

本发明的太阳能电池在本征InGaN吸收层之间和p型GaN之间插入一层低温GaN保护层。加入了GaN保护层层的太阳能电池能提高器件的外量子效率和短路电流，提高光电转换效率。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种InGaN太阳能电池，包括：

一衬底；

一GaN缓冲层，该GaN缓冲层制作在衬底上；

一N型GaN欧姆接触层，该N型GaN欧姆接触层制作在GaN缓冲层上；

一本征InGaN吸收层，该本征InGaN吸收层制作在N型GaN欧姆接触层上面的一侧，N型GaN欧姆接触层的另一侧形成一台面；

一GaN保护层，该GaN保护层制作在本征InGaN吸收层上；

一P型GaN层，该P型GaN层制作在低温GaN保护层上；

一P型GaN欧姆接触层，该P型GaN欧姆接触层制作在P型GaN层上；

一电流扩展层，该电流扩展层制作在P型GaN欧姆接触层上；

一P型欧姆接触电极，该P型欧姆接触电极制作在电流扩展层上；

一N型欧姆接触电极，该N型欧姆接触电极制作在N型GaN欧姆接触层的台面上。

2.根据权利要求1所述的InGaN太阳能电池，其中所述的衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

3.根据权利要求1所述的InGaN太阳能电池，其中GaN保护层的生长温度为700-800℃，厚度为5nm-10nm；该GaN保护层的生长温度与本征InGaN吸收层的生长温度相同。

4.根据权利要求1所述的InGaN太阳能电池，其中所述的P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极的形状是点状结构或者环形结构。

5.一种InGaN太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上利用外研设备依次生长GaN缓冲层、N型GaN欧姆接触层、本征InGaN吸收层、GaN保护层、P型GaN层和P型GaN欧姆接触层；

步骤2：在P型GaN欧姆接触层上面的一侧向下刻蚀，刻蚀深度到达N型GaN欧姆接触层的表面，使N型GaN欧姆接触层的表面一侧形成台面；

步骤3：在P型GaN欧姆接触层上蒸镀电流扩展层；

步骤4：在电流扩展层上制作P型欧姆电极；

步骤5：在N型GaN欧姆接触层的台面上制作N型欧姆电极，完成太阳能电池的制作。

6.根据权利要求5所述的InGaN太阳能电池的制作方法，其中所述的衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。

7.根据权利要求5所述的InGaN太阳能电池的制作方法，其中GaN保护层的生长温度为700-800℃，厚度为5nm-10nm；该GaN保护层的生长温度与本征InGaN吸收层的生长温度相同。

8.根据权利要求5所述的InGaN太阳能电池的制作方法，其中所述的P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极的形状是点状结构或者环形结构。

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