一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池制造技术

本发明专利技术公开了一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，包括n‑Si衬底和InGaN/GaN层，InGaN/GaN层包括AlN成核层、GaN缓冲层、n‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构和p‑GaN层，p‑GaN层表面为纳米陷光结构；p‑GaN层和n‑GaN层表面引出Ni/Cr/Au欧姆电极。本发明专利技术主要利用纳米软压印技术，制备出具有陷光结构的InGaN/GaN电池原型器件，包括表面条栅结构和周期性纳米阵列，实现表面高减反特性；由于采用了纳米陷光结构，有利于增加入射光程，增加光程和有效光吸收，产生更多的光生载流子，提高电池的光电流和转换效率。

A InGaN/GaN solar cell with surface light trapping structure

The invention discloses a surface light trapping structure of InGaN/GaN solar cells, including n Si and InGaN/GaN substrate layer, InGaN/GaN layer includes AlN nucleation layer and GaN buffer layer, n layer, GaN InGaN/GaN multi quantum well structure and P GaN p layer, GaN layer surface nano light trapping structure; p the GaN layer and N GaN layer surface leads to Ni/Cr/Au ohmic electrode. The invention mainly uses soft nano imprint technology, is prepared in InGaN/GaN battery prototype devices of optical structure, including surface grating structure and periodic nano array, high surface antireflection properties; the nano light trapping structure, is conducive to the increase of incident light path, increasing path and effective absorption, produce more the photogenerated charge carriers, improve battery current and light conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池
本专利技术属于半导体光伏器件领域，涉及一种表面陷光InGaN/GaN太阳电池。利用纳米软压印技术，制备出具有陷光结构的InGaN/GaN电池原型器件，包括表面条栅结构和周期性纳米阵列，实现表面高减反特性，增加光程和光吸收，提高光电流和转换效率。
技术介绍
随着全球范围的能源危机和生态环境问题的日益恶化，太阳能作为一种‘取之不尽、用之不竭的清洁能源越来越受到人们的广泛重视。最早1954年，美国贝尔实验室首先研制成功第一块实用意义上的晶体硅pn结型太阳电池，并很快将其应用于空间技术。1973年，石油危机爆发，从此之后，人们普遍对于太阳电池投入了愈来愈多的关注。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳电池产业进入了高速发展时期。现在，在美国、德国这样的发达国家，太阳能光伏发电的地位已经从原来的补充能源上升为重要的战略替代能源，也是未来最适合人类应用的可再生能源之一。2002年日本的Nanishi教授利用RF-MBE方法首次生长出高质量的InN晶体，特别是准确测量出InN禁带宽度为0.7eV，而不是先前人们认为的1.9eV。这一新发现大大扩展了InGaN材料的应用领域和优势，使得全世界范围掀起了InGaN研究的热潮。III-N族铟镓氮(InGaN)材料池具有全光谱吸收的优势：InxGa1-xN是InN和GaN的三元合金，可通过改变In组分，使其禁带宽度从3.4eV(GaN)～0.7eV(InN)连续可调，其对应的吸收光谱波长可以从紫外光(365nm)一直延伸到近红外光(1.7μm)，几乎完全覆盖了整个太阳光谱，如图2所示。与其它半导体光伏电池相比，InGaN太阳电池拥有以下显著优势：①带隙连续可调，特别适合于制作多结叠层太阳电池；②抗辐射性好，适合制备空间太阳电池；③吸收系数高，更轻薄。正是由于InGaN材料在太阳电池领域具有这些显著的优势，最近十年来国内外很多研究机构对其进行了大量的研究，其中主要包括美国加州大学(UCSB)、康奈尔大学(Cornell)、佐治亚理工(GaTech)、美国国家可再生能源实验室(NREL)、美国伯克利劳伦斯国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)及美国军方实验室(U.S.ARL)，还有日本、新加坡、韩国、德国、瑞士以及台湾等地的科研机构。虽然已经有许多研究机构在材料生长和制备工艺方面进行了大量的探索和实验，提高InGaN电池的效率，但这些尝试都收效甚微。主要原因在于，高质量高In组分的InGaN材料生长和掺杂技术问题没有解决，比如In相分离、高位错密度、高背景载流子浓度等问题。①InGaN薄膜生长时，由于InN比GaN的饱和蒸汽压高，In-N键能较弱、易分解，使得高质量的高In组分的InxGa1-xN薄膜制备困难。由于InN在GaN中混溶性很低，因此在高In组份InGaN薄膜生长中会出现严重的相分离现象，临界厚度小。②提高In组分，会增大与GaN之间的晶格失配，不可避免地使得位错等缺陷密度变大。不仅薄膜结晶质量差，而且背景电子浓度高，未掺杂InGaN薄膜也会呈现强n型，导致高In组分InGaN的p型掺杂实现困难。由于以上种种原因，导致目前实验制备出的InGaN太阳电池的转换频率依然偏低，尤其是作为有效光吸收层的InGaN薄膜自身厚度太薄，限制了对入射光的充分吸收，严重制约了光电转换效率的提高。因此，还必须着重从光学管理方面，通过利用陷光结构、增加光程等方法提高InGaN电池的有效光吸收。本专利技术从太阳电池的光学设计角度考虑，提出通过纳米软压印技术，制备表面纳米陷光结构的InGaN/GaN电池，包括GaN/ITO表面条栅结构和周期性纳米阵列，以实现光学陷光效果，增加光程和光吸收的目的，提高InGaN基太阳电池的光电流和转换效率。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种利用纳米软压印技术，制备表面纳米陷光结构的InGaN/GaN电池，提高InGaN基太阳电池的光电流和转换效率。本专利技术从太阳电池的光学设计角度考虑，提出通过纳米软压印技术，制备表面纳米陷光结构的InGaN/GaN电池，包括GaN/ITO表面条栅结构和周期性纳米阵列，以实现光学陷光效果，增加光程和光吸收的目的，提高InGaN基太阳电池的光电流和转换效率。为达到上述目的，本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术的一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，表面陷光结构太阳电池包括n-Si衬底和InGaN/GaN层，InGaN/GaN层包括AlN成核层、GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构和p-GaN层，p-GaN层表面为纳米陷光结构；p-GaN层和n-GaN层表面引出Ni/Cr/Au欧姆电极。进一步，所述AlN成核层的厚度为80～180nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3；所述GaN缓冲层的厚度为1.0～1.5μm；所述n-GaN层的厚度为50～200nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。进一步，所述InGaN/GaN多量子阱结构的周期数为8～30，阱层InGaN的厚度为3～8nm，垒层GaN的厚度为8～16nm；阱层InGaN和垒层GaN均为本征薄膜，载流子浓度均为1×1016～2×1017/cm3，In组分为15～90％；所述p-GaN层厚度为50～200nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。进一步，所述p-GaN层表面纳米陷光结构包括纳米条栅形、纳米柱和纳米孔阵列；所述纳米条栅的宽度为100～1000nm，长度为5～15mm，深度100～800nm，栅间距为200～2000nm；所述纳米柱和纳米孔阵列的形状为圆形，直径100～1000nm，深度100～800nm，间距200～2000nm，阵列为矩形或六角排列。相应地，本专利技术给出了所述InGaN/GaN表面陷光结构太阳电池的制作方法，包括如下步骤：1)在蓝宝石或硅衬底上，采用MOCVD法依次生长80～180nm厚的AlN成核层、1～1.5μm厚的GaN缓冲层、50～200nm厚的n-GaN层、周期数为8～30的InGaN/GaN多量子阱结构和50～200nm厚的p-GaN层；2)采用纳米软压印法，在p-GaN表面制备纳米条栅，或纳米孔、纳米柱阵列；3)采用光刻和刻蚀工艺，刻蚀形成深度为200～1200nm的方形器件台面，边长为3～10mm；4)采用电子束蒸发法在n-GaN层上制备出Ni/Cr/Au金属电极，并在大气中550℃退火10min，即完成InGaN/GaN表面陷光结构太阳电池的制作。进一步，生长AlN成核层、GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构和p-GaN层的工艺条件包括：生长温度为800～1100℃；TMGa流量为50～300sccm；氨气流量为2000～5000sccm；反应室气压为150～250torr。进一步，生长AlN成核层和n-GaN层工艺条件进一步包括：SiH4流量为20～200sccm。进一步，生长InGaN/GaN多量子阱结构中阱层InGaN的工艺条本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，其特征在于，包括n‑Si衬底和InGaN/GaN层，InGaN/GaN层包括AlN成核层(11)、GaN缓冲层(12)、n‑GaN层(13)、InGaN/GaN多量子阱结构(14)和p‑GaN层(15)，p‑GaN层(15)表面为纳米陷光结构；p‑GaN层(15)和n‑GaN层(13)表面引出Ni/Cr/Au欧姆电极(16)。

【技术特征摘要】
1.一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，其特征在于，包括n-Si衬底和InGaN/GaN层，InGaN/GaN层包括AlN成核层(11)、GaN缓冲层(12)、n-GaN层(13)、InGaN/GaN多量子阱结构(14)和p-GaN层(15)，p-GaN层(15)表面为纳米陷光结构；p-GaN层(15)和n-GaN层(13)表面引出Ni/Cr/Au欧姆电极(16)。2.根据权利要求1所述的一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，其特征在于，所述AlN成核层(11)的厚度为80～180nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3；所述GaN缓冲层(12)的厚度为1.0～1.5μm；所述n-GaN层(13)的厚度为50～200nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。3.根据权利要求1所述的一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱结构(14)的周期数为8～30，阱层InGaN的厚度为3～8nm，垒层GaN的厚度为8～16nm；阱层InGaN和垒层GaN均为本征薄膜，载流子浓度均为1×1016～2×1017/cm3，In组分为15～90％；所述p-GaN层(15)厚度为50～200nm，电子浓度为1×1019～6×1021/cm3。4.根据权利要求1所述的一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池，其特征在于，所述p-GaN层(15)表面纳米陷光结构包括纳米条栅形、纳米柱和纳米孔阵列；所述纳米条栅的宽度为100～1000nm，长度为5～15mm，深度100～800nm，栅间距为200～2000nm；所述纳米柱和纳米孔阵列的形状为圆形，直径100～1000nm，深度100～800nm，间距200～2000nm，阵列为矩形或六角排列。5.一种表面陷光结构InGaN/GaN太阳电池的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在蓝宝石或硅衬底上，采用MOCVD法依次生长80～180nm厚的AlN成核层(11)、1～1.5μm厚的GaN缓冲层(12)、50～200nm厚的n-GaN层(13)、周期数为8～30的InGaN/GaN多量子阱结构(14)和50～200nm厚的p-GaN层(15)；2)采用纳米软压印法，在p-GaN表面制备纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕臻，杨晓东，张进成，张春福，吕玲，林志宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61