倒装双结铟镓氮太阳能电池结构制造技术

一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，包括：一衬底；一氮化镓成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面；一ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面；一ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层制作在ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层的上面；一ｐ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层制作在ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层的上面；一ｎ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层制作在ｐ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层的上面；一ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层制作在ｎ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层的上面；一ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层制作在ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层的上面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属无机光电
，具体涉及一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构。本专利技术采用新型InGaN二元合金半导体材料，其结构可应用于 InGaN系新型高效太阳能电池的制造。背技术太阳能电池是 一 种将太阳能直接转换为电能的器件白从1 9 54年贝尔实验室制成世界上第 一 个具有实用价值的太阳能电池以来，吸引了各国科学家相继研艽开发出各种类型和用途的太阳能电池。巨■ 、/— 目'J太阳能电池的发展和利用当中所碰到的 一 个主要问题就是其光电转换效率较低，特别在太阳能电池应用于宙空间领域时，对太阳能电池的光电转换效率要求更高，而且还需要材料具有一定的抗车畐射性。就空间应用来说，目前的空间站和人造地球卫星上的主要电能都是通过太阳能电池系统提供的。电源 系统是卫星以及空间探测系统的重要分系统之 一 ，有报道称在今后10年到20年间，对于空间探测来说最 需要攻克的关键技术之 一 就是能源系统，对空间站以 及卫星最大的限制就是能源。星上通信及信息处理都 需要大量的能源。目前应用的空间太阳能电池主要包 括单晶硅太阳能电池和砷化镓基太阳能电池，限制它 们进 一 步应用的主要问题是光电转换效率较低。由于 受材料本身性质影响，第 一 代空间太阳能电池单晶硅 太阳能电池的光电转换效率大概在1 8 %到2 3%之间， 第二代空间太阳能电池砷化镓基太阳能电池，它的光 电转换效率相对有些提高(为22 %到26. 5。/。之间)，但这还是满足不了在空间应用中对能量日益增加的需要。随着对111-V族氮化物材料研究的不断深入，研 究人员发现氮化铟的禁带宽度应该在0.7 eV左右(J. Wu， et al. Appl. Phys. Lett. 80 (2002) 474 1.)， 而不是原先大家所接受的1.9 eV (T. L. Tansley， et al， J. Appl. Phys. 59 ( 1 986) 324 1.)。 这一发现表 明，以含有铟、镓和氮的合金(InGaN)材料为基础的 光电池将对太阳光谱的所有辐射，从近红外线 一 直到 紫外线都很灵敏，InGaN材料的禁带宽度与太阳光谱几乎完美匹酉己(J. Wu, et al， J. Appl. Phys.， 94 (2003) 647 7 )。利用这种合金可以研制出性价比较高的新型太 阳能电池板，而且新型太阳能电池将比现有的太阳能 电池具有更高的效率。理论计算表明，用 InGaN合金 制作双结(一结电池禁带宽度为1. 1 e V ，另 一 结为 1. 7eV )太阳能电池效率可高达 50% ，如果制成多结 InGaN电池，效率最高可达70%以上。同时，空间太阳能电池也会受空间辐射的影响。 在近地轨道空间环境中，当高能粒子辐照时，通过与 晶格原子发生碰撞而将能量传递给晶格；当能量大于 某阈值时，便使晶格原子发生位移产生缺陷，进而影响少子寿命，对太阳能电池形成辐射损伤，使输出功率随车虽照、累积量的增加逐渐下降，在空间站整个寿命期间需更换电池片，增加运行维护费用。而InGaN材料具有良好的抗辐射性能(J. W. Ager III ，e tal，P r o cof SPIE，5530(2004)308)， 所以说InGaN材料非常适合应用于空间飞行器的太阳能电池。多结InGaN太阳能电池可以充分利用不同波段的光子能量，具有光电转换效率高，功率/面积比大，耐辐照等优点，新型 InGaN太阳能电池的研和发展使真正的全光谱高效太阳能电池成为可能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出 一 种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，利用本专利技术的结构，可以研制出理论光电转换效率达5 0%,且具有良好的抗辐射性的倒装双结铟镓氮太阳能电池本专利技术针对铟镓氮材料外延生长的特点，采用了倒装结构，避开了在高铟组分铟镓氮上生长低铟组分铟镓氮较为困难的问题。该倒装结构的铟镓氮太阳能电池在实际工作中，太阳光从衬底入射进入电池，不同波段的光子分别被低铟组分的、宽带隙的底层InaGahN电池和高铟组分的、窄带隙的顶层 In。Ga卜。N 电池吸收，从而可以更有效地提高电池的光电转换效率。本专利技术针对双结太阳能电池理想光电转换效率与各结孥带宽度的关系，对各结电池材料选用合适的In组分以达到调节禁带宽度的目的，使得每结电池达到理想的寧带宽度，最为有效地吸收和利用太阳能，提咼电池的光电转换效率。本专利技术1采用了独特的重掺杂pn 结 IruGa,0《b《1 )作为双结铟每氮太阳能电池的隧道结，有效地解决了双结电池串联时的pn结反偏问题。重惨杂 ImGanN ( 0《b《1 )隧道结具有高透光率、阻抗小的9特点，同时通过调整适宜的工艺参数、选择有效的掺 杂浓度避免了由于重掺杂所带来的 一 系列工艺问题如 掺杂剂的扩散等，可以获得最大工作效率。本专利技术提供 一 种倒装双结铟镓氮太阳能电池结 构，其特征在于，其中包括-一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底的 上面，该成核层可以增加衬底表面的成核密度；一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化 镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面，该缓冲层可以 减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；一 n型掺杂ImGahN层，该n型掺杂InaGai — aN层 制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂 层是底层IruGa,iN电池的 一 部分；一 P型掺杂IruGahN层，该p型掺杂InaGa,-aN层 制作在n型掺杂InaGa,-aN层的上面，该p型掺杂层是 底层InaGa,-aN电池的 一 部分；一 p型重掺杂IruGa卜bN层，该p型重掺杂ImGa卜bN 层制作在p型掺杂InaGai-aN层的上面，该p型重掺杂 层是隧道结的 一 部分；一 n型重掺杂IruGa,-hN层，该n型重掺杂IruGa, — bN 层制作在p型重掺杂IruGa^N层的上面，该n型重掺杂层是隧道结的 一 部分；一 n型掺杂In。Ga卜。N层，该n型掺杂In。Ga,-。N层 制作在n型重掺杂IruGa卜bN层的上面，该n型掺杂层 是顶层In。Ga卜。N电池的 一 部分；一 P型掺杂In。Ga卜。N层，该p型掺杂In。Ga卜。N层 制作在n型掺杂In。Ga,-。N层的上面，该p型掺杂层是 顶层1iGa卜。N电池的 一 部分。苴 z 、中所述的衬底是蓝宝石衬底。苴 z 、中所述的氮化镓: 成核层的厚度为0.Ol-O.05um，优选范围为0.0 1-0.03 y m。中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的厚度为0.50-3.OOum，优选范围为1.50_2.5 0 u m 。苴中所述的n型惨杂I n aG a ihN层的厚度为0.05-0.50um， 优选范围为0.05-O. 20 u m， 其中0.35《a《0. 65，优选范围为0. 45《a《0. 55 ，电子浓度为0. 1-5. 0 X 10)7cm3， 优选 范围为0.1-1,0 X 10'7cm3。中所述的P型掺杂I n aG a ihN层的厚度为0.05-0.50um， 优选范围为0. 05-0. 20 u m， 其中0.35《a《0.65，优选范围为0. 45《a《0. 55 ,空穴浓度为0. 1-5. 0 X 10cm3， 优选 范围为0.1-1.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括：　一衬底；　一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可以增加衬底表面的成核密度；　一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面，该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；　一ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层，该ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该ｎ型掺杂层是底层Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ电池的一部分；　一ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层，该ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层制作在ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层的上面，该ｐ型掺杂层是底层Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ电池的一部分；　一ｐ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层，该ｐ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层制作在ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ａ］Ｇａ↓［１－ａ］Ｎ层的上面，该ｐ型重掺杂层是隧道结的一部分；　一ｎ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层，该ｎ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层制作在ｐ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层的上面，该ｎ型重掺杂层是隧道结的一部分；　一ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层，该ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层制作在ｎ型重掺杂Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［１－ｂ］Ｎ层的上面，该ｎ型掺杂层是顶层Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ电池的一部分；　一ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层，该ｐ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层制作在ｎ型掺杂Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ层的上面，该ｐ型掺杂层是顶层Ｉｎ↓［ｃ］Ｇａ↓［１－ｃ］Ｎ电池的一部分。...

【技术特征摘要】
1.一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可以增加衬底表面的成核密度；一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面，该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；一n型掺杂InaGa1-zN层，该n型掺杂InaGa1-aN层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是底层InaGa1-aN电池的一部分；一p型掺杂InaGa1-aN层，该p型掺杂InaGa1-aN层制作在n型掺杂InaGa1-aN层的上面，该p型掺杂层是底层InaGa1-aN电池的一部分；一p型重掺杂InbGa1-bN层，该p型重掺杂InbGa1-bN层制作在p型掺杂InaGa1-aN层的上面，该p型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型重掺杂InbGa1-bN层，该n型重掺杂InbGa1-bN层制作在p型重掺杂InbGa1-bN层的上面，该n型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型掺杂IncGa1-cN层，该n型掺杂IncGa1-cN层制作在n型重掺杂InbGa1-bN层的上面，该n型掺杂层是顶层IncGa1-cN电池的一部分；一p型掺杂IncGa1-cN层，该p型掺杂IncGa1-cN层制作在n型掺杂IncGa1-cN层的上面，该p型掺杂层是顶层IncGa1-cN电池的一部分。2 、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能 电池，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石衬底。3 、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能 电池，其特征在于，其中所述的氮化镓成核层的厚度 为0.01-0.05iim， 优选范围为0.01-0.03um。4 、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能 电池，其特征在于，其中所述的非有意掺杂氮化镓缓 冲层的厚度为 0.50-3.00ym， 优选范围为1. 50-2. 50 y m。5 、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能 电池，其特征在于，其中所述的n型掺杂In Gai-aN层 的厚度为0. 05-0. 50 ii m，优选范围为0.05-0.20 ym， 其中0.35《0.65，优选范围为0.45《...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓亮，杨翠柏，肖红领，胡国新，冉学军，王翠梅，张小宾，李晋闽，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]