一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底，衬底上依次设有GaN层和n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上一侧有一台面，n型掺杂GaN层上表面依次设有超晶格层、非掺杂GaN缓冲层、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、GaN势垒层、AlInGaN势垒层和p型掺杂GaN层，p型掺杂GaN层上设有多个p型电极，p型电极之间通过透明电极层连接；n型掺杂GaN层台面上设有n型电极。本发明专利技术通过在外延p‑GaN之前插入一层AllnGaN层来对改进p‑GaN结构，使该层结构具有较好的晶格匹配和较低的热膨胀系数，空穴载流子的输运效率提高，光电转化率达到1.96％。

InGaN / GaN multi quantum well solar cell with the structure of AlInGaN barrier

【技术实现步骤摘要】
一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池
本专利技术涉及半导体材料
，具体为一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池。
技术介绍
III-V族氮化物半导体材料具有带隙宽、光谱范围广、耐高温、耐腐蚀性和抗辐射能力强等特点，在光电子学领域和太空领域都有巨大的应用价值。尤其是InGaN材料，其禁带宽度从0.7-3.4eV连续可调，其波段完整从近红外光谱区覆盖到紫外光谱区域，与太阳光谱完美匹配，因此，InGaN基太阳能电池的研究越来越受到人们的关注。InGaN太阳能电池在实验上的研究始于2003年，Wu等人提出将InGaN应用到太阳能电池设计中；2005年，Jani等人首先尝试设计及制作GaN/InGaN异质结和GaN/InGaN量子阱太阳能电池，并测量其在紫外及白光辐照下的光电响应特性；2007年他们进一步制作出具有高开路电压(2.4eV)、填充因子(80％)及外量子效率(40％)的p-GaN/i-In0.05Ga0.95N/n-GaN异质结太阳能电池，并提出InGaN材料的相分离现象及较差的p型欧姆接触会使电池的性能变差。在此后的研究中，研究者们改善了材料的质量并提升了In的组分。但是随着In组分的提高，研究发现高In组分引起的InGaN材料的相分离会对器件性能产生负面影响，为了在保证材料质量的情况下进一步提高In组分，研究者们开始尝试采用新结构来制作InGaN太阳能电池，例如InGaN/GaN量子阱和超晶格结构等。InGaN/GaN多量子阱太阳能电池具有以下特点：(1)采用多量子阱结构能够更有效地调节电池的吸收带隙，拓宽长波段的光谱响应，提升短路电流密度。同时，III族氮化物半导体材料具有很高的吸收系数，能够在很短的耗尽区内吸收大部分的光子，采用多量子阱结构可以在很薄的有源层中获得较高的短路电流密度，有助于减轻电池重量，降低制作成本；(2)引入多量子阱结构，可以利用双轴应力保持不同材料的共格生长，形成应变结构，降低晶格失配，在改善材料的晶体质量的同时提高InGaN薄膜中的In组分，使高In组分InGaN太阳能电池的研发成为了可能；(3)对多结太阳能电池来说，采用多量子阱结构进行带隙优化调配，通过最优的带隙组合解决电流匹配问题，使得在设计中对不同子电池的带隙和数量的选择更加灵活，工艺上也可以降低制作难度，从而使多结太阳能电池的转换效率达到最高。但是，目前InGaN太阳能电池仍然存在一定的问题，例如极化效应的影响。由于纤锌矿结构和晶格失配，导致在蓝宝石[0001]方向上生长的GaN基材料及其他的III-V族半导体材料都具有极性，包括Ga极性和N极性。不论哪种极性，材料中都存在着很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，其中自发极化是由纤锌矿结构在[0001]方向上的不对称引起的，压电极化是由于不同材料之间的晶格失配使得材料内部产生双轴应变，使得阴阳离子的排列发生位移引起的。在自发极化和压电极化的共同作用下，极化电荷会在界面处形成积累，产生很强的极化电场。极化电场会使基光电子器件的能带结构发生剧烈扭曲倾斜，产生附加势垒，严重阻碍光发生载流子的运输，进而影响器件的光电特性。同样InGaN量子阱材料内部也存在载流子的输运问题，针对这一问题，研究者们通过减少多量子阱区域内部的双轴应力，进而调节势垒区的压电极化效应，从而增强光生电子的隧穿效应，使得较多的有效光生电子输运到n型区域，进而提高光生电子的输运效率，有利于太阳能电池光电转换效率的提升。但是，对改进p-GaN的结构从而提高p-GaN区域的空穴载流子的输运能力，进而改善器件性能的研究仍然较少。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，本专利技术对p-GaN的结构进行了改进，也就是在外延p-GaN之前插入一层AllnGaN层，并调节AlInGaN材料的Al和In组分，得到势垒层为Al0.2In0.04Ga0.76N层，引入适当的晶格常数和热膨胀系数，使得该层结构不仅有较低的热膨胀系数，而且与GaN材料相比具有较好的晶格匹配度，从而使得空穴载流子在p-GaN层具有较强的运输效率，进而改善InGaN/GaN多量子阱太阳能电池效率。本专利技术提供一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底，衬底上设置有GaN层，GaN层上设置有n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上表面的一侧具有一台面，台面低于n型掺杂GaN层的上表面，n型掺杂GaN层上表面从下到上依次层叠设置有超晶格层、非掺杂GaN缓冲层、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、GaN势垒层、AlInGaN势垒层和p型掺杂GaN层，p型掺杂GaN层上设置有多个p型电极，相邻的p型电极之间通过设置在p型掺杂GaN层上的透明电极层连接；n型掺杂GaN层的台面上设置有n型电极。优选的，AlInGaN势垒层为Al0.2In0.04Ga0.76N层，AlInGaN势垒层的厚度为40nm。优选的，非掺杂InGaN/GaN多量子阱层包括10～13个层叠设置的InGaN/GaN周期结构，每个周期内InGaN的厚度为2～5nm，GaN的厚度为5～10nm。优选的，超晶格层包括10～15个InGaN/GaN周期结构，每个周期内InGaN的厚度为2～5nm，GaN的厚度为3～5nm。优选的，非掺杂GaN缓冲层的厚度为80nm，GaN势垒层的厚度为20nm，GaN势垒层的掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，n型掺杂GaN层为Si掺杂的n-GaN层，n型掺杂GaN层的厚度为2μm，n型掺杂GaN层的掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，p型掺杂GaN层为Mg掺杂的p-GaN层，p型掺杂GaN层的厚度为40nm，p型掺杂GaN层的掺杂浓度为1×1021cm-3。优选的，p型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，透明电极层的材料为ITO，n型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到。优选的，GaN层的厚度为2μm。优选的，衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为430μm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过对p-GaN的结构进行改进，也就是在外延p-GaN之前插入一层AllnGaN层，并调节AlInGaN材料的Al和In组分，得到势垒层为Al0.2In0.04Ga0.76N层，使该层结构具有较好的晶格匹配和较低的热膨胀系数，使得空穴载流子的输运效率强烈提高，从而得到高效的InGaN太阳能电池；2、本专利技术中对插入的AlInGaN材料的厚度进行调节，得到40nm的最佳厚度，从而在一定程度上减缓了InGaN层应力的释放；3、本专利技术中引入了Al0.2In0.04Ga0.76N层结构的太阳能电池的光电转换效率达到1.96％，与传统InGaN基太阳能电池相比提高了226.7％。附图说明图1为本专利技术一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的太阳能电池的性能图。图中：1、衬底；2、GaN层；3、n型掺杂GaN层；4、超晶格层；5、非掺杂GaN缓冲层；6、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层；7、GaN势垒层；8、Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)，所述衬底(1)上设置有GaN层(2)，所述GaN层(2)上设置有n型掺杂GaN层(3)，所述n型掺杂GaN层(3)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(3)的上表面，所述n型掺杂GaN层(3)上表面从下到上依次层叠设置有超晶格层(4)、非掺杂GaN缓冲层(5)、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(6)、GaN势垒层(7)、AlInGaN势垒层(8)和p型掺杂GaN层(9)，所述p型掺杂GaN层(9)上设置有多个p型电极(10)，相邻的所述p型电极(10)之间通过设置在所述p型掺杂GaN层(9)上的透明电极层(11)连接；所述n型掺杂GaN层(3)的台面上设置有n型电极(12)。

【技术特征摘要】
1.一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)，所述衬底(1)上设置有GaN层(2)，所述GaN层(2)上设置有n型掺杂GaN层(3)，所述n型掺杂GaN层(3)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(3)的上表面，所述n型掺杂GaN层(3)上表面从下到上依次层叠设置有超晶格层(4)、非掺杂GaN缓冲层(5)、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(6)、GaN势垒层(7)、AlInGaN势垒层(8)和p型掺杂GaN层(9)，所述p型掺杂GaN层(9)上设置有多个p型电极(10)，相邻的所述p型电极(10)之间通过设置在所述p型掺杂GaN层(9)上的透明电极层(11)连接；所述n型掺杂GaN层(3)的台面上设置有n型电极(12)。2.如权利要求1所述的一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述AlInGaN势垒层(8)为Al0.2In0.04Ga0.76N层，所述AlInGaN势垒层(8)的厚度为40nm。3.如权利要求1所述的一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(6)包括10～13个周期结构，每个周期内InGaN的厚度为2～5nm，GaN的厚度为5～10nm。4.如权利要求1所述的一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述超晶格层(4)包括10～15个InGaN/GaN周期结构，每个周期内InGaN的...

【专利技术属性】
技术研发人员：单恒升，侯艳艳，马淑芳，邢茹萍，席婷，郝晓东，许并社，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61