基于氮化物材料的多结光电转换结构及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮化物材料的多结光电转换结构及其制作方法，主要解决现有三结GaInP/GaAs/Ge电池入射光波长的利用率低及光电转换效率有限的问题。其自下而上包括：Ge吸收层、Si吸收层、GaAs吸收层、InGaN吸收层、GaN吸收层、AlGaN吸收层、金刚石吸收层。该InGaN吸收层采用In的组分为15％

【技术实现步骤摘要】
基于氮化物材料的多结光电转换结构及其制作方法


[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种光电转换结构，可用于制作高效率的太阳能电池。
技术背景
[0002]随着全球的环境污染日趋严重，资源匮乏，传统能源带来的环境污染问题也日益严重，而且传统能源效率低下的问题也一直得不到有效解决。在这样的环境下，务必要开发新能源材料来调整能源供需。太阳能由于兼具清洁、安全、能量巨大、长久不衰的特点，逐渐成为未来能源的主要供应形式之一，提高太阳能电池的效率，可以提升对于能源的利用率。
[0003]太阳能电池是一种利用光伏效应将太阳能转化为电能的光电转换器件，目前对太阳能电池的研究主要分为两种技术路线：一种是基于钙钛矿材料的有机太阳能电池，其工艺简单，但可靠性低下。另一种是基于氮化物材料的太阳能电池，氮化物材料体系包括GaN，InN，GaAs和AlN及其合金，这些材料由于是直接带隙的半导体，且合金的带隙可调，因此是光电转换器的优选材料。太阳光辐射光谱是紫外到近红外的宽光谱，而目前传统的单结太阳能电池，只能吸收特定光谱的太阳光，如GaAs半导体具有1.42ev的带隙，只能吸收波长小于850nm的太阳光。基于单结的太阳能电池，研究者提出了双结GaAs电池，该电池相对于单结GaAs电池转换效率相对提升，但只能吸收太阳光的短波段和长波段。为了更高效地利用太阳光，目前主要使用三结GaInP/GaAs/Ge电池，如图1所示。该三结的电池结构自下而上主要由Ge底电池、GaAs中电池和GaInP顶电池构成，电池间通过二极管进行连接。该电池作为一种新型的光电转换器件虽然可提高对入射光波长的利用率，但仍然不能覆盖全波段太阳光，且由于键合技术不成熟，材料键合之间的缺陷会影响器件的性能，导致其光电转换效率有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于氮化物材料的多结光电转换结构及其制作方法，以覆盖全波段太阳光，大幅度提高太阳电池的光电转换效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]1.一种氮化物的多结光电转换结构，自下而上包括：Ge吸收层、GaAs吸收层，其特征在于：
[0007]所述Ge吸收层与GaAs吸收层之间设有Si吸收层，以降低两个吸收层之间晶格差异造成的缺陷，更好地进行带隙匹配；
[0008]所述GaAs吸收层上依次设有InGaN吸收层、GaN吸收层、AlGaN吸收层和金刚石吸收层，以增加P
‑
N结数且降低能量损耗，提高光电转换效率；
[0009]所述InGaN吸收层，采用In的组分为15％
‑
23％的InGaN材料；
[0010]所述AlGaN吸收层，采用Al组分为70％
‑
80％的AlGaN材料；
[0011]所述自下而上所有吸收层采用材料的禁带宽度依次增大，提高入射光波长的吸收
效率。
[0012]进一步，所述的所有吸收层材料均采用立方相晶体结构。
[0013]进一步，所述Si吸收层、GaAs吸收层、InGaN吸收层和GaN吸收层的厚度均为400nm
‑
600nm。
[0014]进一步，所述的Ge吸收层厚度为600nm
‑
800nm；所述的AlGaN吸收层的厚度为6μm
‑
8μm；所述的金刚石吸收层厚度为4μm
‑
5μm；
[0015]2.一种氮化物的多结光电转换结构的制备方法，其特征在于，包括如下：
[0016]1)对Ge衬底进行加热和高温氮化的预处理，将其作为吸收层：
[0017]2)制备n
‑
Ge吸收层：
[0018]设置反应室温度为1200℃
‑
1300℃，调节反应室压力为20Torr
‑
60 Torr，向反应室同时通入流量为100sccm
‑
200sccm的锗源和流量为200sccm
‑
300sccm的磷源，在预处理之后的衬底上制备厚度为300nm
‑
400nm的n
‑
Ge吸收层；
[0019]3)制备Si吸收层：
[0020]3a)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入200sccm
‑
300sccm硼源、流量为300sccm
‑
400sccm氢气和流量为40sccm
‑
60sccm的硅源，在n
‑
Ge吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的p
‑
Si吸收层；
[0021]3b)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入200sccm
‑
300sccm磷源、流量为300sccm
‑
400sccm氢气和流量为40sccm
‑
60sccm的硅源，在p
‑
Si吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的n
‑
Si吸收层
[0022]4)制备GaAs吸收层：
[0023]4a)设置反应室温度为950℃
‑
1050℃，调节反应室压力为30Torr
‑
50 Torr，向反应室同时通入流量为20sccm
‑
40sccm的镓源、流量为20sccm
‑
40sccm的砷源和60sccm
‑
80sccm硅源，在n
‑
Si吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的n
‑
GaAs吸收层；
[0024]4b)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入流量为80sccm
‑
100sccm镁源、流量为20sccm
‑
40sccm的镓源和流量为20sccm
‑
40sccm的砷源，在n
‑
GaAs吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的p
‑
GaAs吸收层
[0025]5)制备InGaN吸收层：
[0026]5a)在p
‑
GaAs吸收层上采用MOCVD工艺制备In组分为15％
‑
23％，厚度为0.2μm
‑
0.3μm的p
‑
InGaN吸收层
[0027]5b)在p
‑
InGaN吸收层上采用MOCVD工艺制备In组分为15％
‑
23％，生长厚度为0.2μm
‑
0.3μm的n
‑
InGaN吸收层
[0028]6)制备GaN吸收层：
[0029]6a)设置反应室温度为820℃
‑
920℃，调节反应室压力为20Torr
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化物的多结光电转换结构，自下而上包括：Ge吸收层(1)、GaAs吸收层(3)，其特征在于：所述Ge吸收层(1)与GaAs吸收层(3)之间设有Si吸收层(2)，以降低两个吸收层之间晶格差异造成的缺陷，更好地进行带隙匹配；所述GaAs吸收层(3)上依次设有InGaN吸收层(4)、GaN吸收层(5)、AlGaN吸收层(6)和金刚石吸收层(7)，以增加P
‑
N结数且降低能量损耗，提高光电转换效率；所述InGaN吸收层(4)，采用In的组分为15％
‑
23％的InGaN材料；所述AlGaN吸收层(6)，采用Al组分为70％
‑
80％的AlGaN材料；所述自下而上所有吸收层采用材料的禁带宽度依次增大，提高入射光波长的吸收效率。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的所有吸收层材料均采用立方相晶体结构。3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述Si吸收层(2)、GaAs吸收层(3)、InGaN吸收层(4)和GaN吸收层(5)的厚度均为400nm
‑
600nm。4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述Ge吸收层(1)的厚度为600nm
‑
800nm；所述AlGaN吸收层(6)的厚度为6μm
‑
8μm；所述金刚石吸收层(7)的厚度为4μm
‑
5μm。5.一种氮化物的多结光电转换器的制备方法，其特征在于，包括如下：1)对Ge衬底进行加热和高温氮化的预处理：2)制备n
‑
Ge吸收层：设置反应室温度为1200℃
‑
1300℃，调节反应室压力为20Torr
‑
60Torr，向反应室同时通入流量为100sccm
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200sccm的锗源和流量为200sccm
‑
300sccm的磷源，在预处理之后的衬底上制备厚度为300nm
‑
400nm的n
‑
Ge吸收层(1)；3)制备Si吸收层，如图2b：3a)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入200sccm
‑
300sccm硼源、流量为300sccm
‑
400sccm氢气和流量为40sccm
‑
60sccm的硅源，在n
‑
Ge吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的p
‑
Si吸收层；3b)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入200sccm
‑
300sccm磷源、流量为300sccm
‑
400sccm氢气和流量为40sccm
‑
60sccm的硅源，在p
‑
Si吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的n
‑
Si吸收层4)制备GaAs吸收层，如图2c：4a)设置反应室温度为950℃
‑
1050℃，调节反应室压力为30Torr
‑
50Torr，向反应室同时通入流量为20sccm
‑
40sccm的镓源、流量为20sccm
‑
40sccm的砷源和60sccm
‑
80sccm硅源，在n
‑
Si吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的n
‑
GaAs吸收层；4b)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入流量为80sccm
‑
100sccm镁源、流量为20sccm
‑
40sccm的镓源和流量为20sccm
‑
40sccm的砷源，在n
‑
GaAs吸收层上制备厚度为200nm
‑
300nm的p
‑
GaAs吸收层5)制备InGaN吸收层，如图2d：
5a)在p
‑
GaAs吸收层上采用MOCVD工艺制备In组分为15％
‑
23％，厚度为0.2μm
‑
0.3μm的p
‑
InGaN吸收层5b)在p
‑
InGaN吸收层上采用MOCVD工艺制备In组分为15％
‑
23％，生长厚度为0.2μm
‑
0.3μm的n
‑
InGaN吸收层6)制备GaN吸收层，如图2e：6a)设置反应室温度为820℃
‑
920℃，调节反应室压力为20Torr
‑
40Torr，向反应室同时通入流量为2500sccm
‑
2600sccm的氨气、流量为20sccm
‑
40sccm的镓源和40sccm
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60sccm硅源，在n
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InGaN吸收层上制备厚度为200nm
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300nm的n
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GaN吸收层6b)保持反应室温度和压力不变，向反应室同时通入流量为2500sccm
‑
26...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晟瑞，王若冰，韩红波，王雨佳，刘旭，胡琳琳，贠博祥，吴前龙，张涛，张雅超，周弘，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：