本发明专利技术属于太阳能电池技术领域，具体为一种III组氮化物双异质结太阳能光伏电池。本发明专利技术利用铟镓氮(InGaN)材料制备双异质结PN结构太阳能光伏电池；在所述双异质结结构包括n型In组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高In组分InGaN外延薄膜材料为中间层，p型低铟组分InGaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。本发明专利技术利用双异质结结构设计太阳能光伏电池结构，扩大电池吸收太阳光光波段窗口，提高吸收率，适用于太阳能光伏电池器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种用于转化太阳光光能为直流电的 PN结光伏电池。
技术介绍
太阳能源是最为洁净的可再生能源，研究如何利用太阳能是发展能源技术的重要课题，而太阳能光伏电池是利用太阳能最为简洁方便的手段之一。目前，太阳能光伏电池主要以多晶硅、单晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池为主。用在太空中的太阳能电池目前多采用转换效率更高的直接带隙半导体^GaAsP体系材料。目前，单结的GaAs太阳电池转换效率可以达到25.7%，单结的hP太阳电池转换效率可以达到19.9%。为了提高太阳电池的转换效率，尝试制备多节电池结构，充分吸收太阳光谱中各波段的能量。目前，双结的InGaP/GaAs太阳电池的转换效率可以达到30. 3%，而三结的InGaP/GaAs/Ge， Ga0.51In0.49P/In0.04Ga0.96As/In0.37Ga0.63As等太阳电池的转换效率则可以达到40%多。但这些多节太阳电池制造的难度增加，成本昂贵，很难在民用市场得到推广，使得主要应用集中在航天航空工业中。此外，InGaAsP材料制备所需的As，P源具有很强的毒性，对环境不友好。寻找新的太阳能光伏电池显得很有必要。III族氮化物中InGaN合金材料的带隙连续可调，对应的光谱几乎完美覆盖整个太阳光谱，是实现高效率太阳能电池的理想材料体系。这一新材料体系被用来制备太阳电池，尤其是用来制备多节串联电池，只需要改变hGaN合金材料中不同金属的组分，即可以调节吸收不同波段的光子，调节吸收窗口。这给予设计和生长串联电池极大的自由度，有利于达到最佳的吸收波段组合。InGaN基与Si、GaAs基太阳电池相比，除了带隙可以通过h的组分灵活调节，使得吸收波段与太阳光谱匹配优势外，还具备其他优势，包括 InGaN的吸收系数比Si、GaAs高一至两个数量级，有利于制备更薄、更轻的电池，对航天应用非常重要；其次，InGaN合金体系多节串联电池生长工艺简单，在同一生长设备中生长， 通过改变h组分就可制备多节InGaN太阳电池，比目前用几种不同的半导体材料制备多节太阳电池的工艺更简单，成本更低；第三，InGaN材料硬度高，化学性质和热稳定性很好， 抗辐射能力强，适合应用于强辐射，高温等恶劣环境中。因此，III族氮化物太阳能电池可成为第三代光伏技术的重要发展方向之一。然而，InGaN材料制备并不容易，在高h组分，尤其是当h的组分大于0. 3，常规方法制备InGaN材料的质量很差，这造成III族氮化物太阳能电池由于h的含量普遍不高，吸收波段往往处于蓝紫光和紫外，对于黄绿光、红光和红外不能吸收，因而在太阳光谱照射下，往往转换效率很难提高最多只有1%。为了提高电池的转换效率，必须拓宽电池的吸收波段，尽量使得太阳光的长波段光能够被吸收，提高效率。要求hGaN吸收层的带隙变窄，InGaN合金的h含量大于0. 3，以便能吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种转换效率高的III族氮化物太阳能光伏电池。本专利技术提供的III族氮化物太阳能光伏电池，采用双异质结三明治结构，包括η型 In组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高h组分InGaN外延薄膜材料为中间层，ρ型低h 组分^GaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。采用该双异质结结构光伏电池可以提高电池吸收层的h的含量，使吸收层的带隙变窄，便于吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段，从而获得更高的电池转换效率。本专利技术提出的新型hGaN/InGaN双异质结结构太阳能光伏电池，提高吸收层 InGaN中h的含量，使吸收层的带隙变窄，便于吸收太阳辐射光谱的黄绿光、红光和红外波段，从而获得更高的电池转换效率。本专利技术中，利用低h组分的P型和N型InGaN薄膜材料作为太阳能光伏电池的P 层和N层两极，代替利用P型和N型GaN薄膜材料作为太阳能光伏电池的P层和N层两极， 如利用P和N型I% ^a0.9N作为夹层，高h组分如Ina 4Ga0.6N作为中间层制备得三明治双异质结P-In。. !Ga0.9N/In0.4Ga0.6Ν/Ν_Ιη。. 々ει。. 9Ν Ρ-Ι-Ν太阳能电池，代替P-GaN/In。. 4Ga0.6N/N_GaN P-I-N结构。所述太阳能电池使P和N层与中间的InGaN吸收层材料h组分相差不大，P 和N层与中间的InGaN吸收层的晶格常数差值变小，缓冲N型InGaN下面的支撑层N型GaN 与高^组分的InGaN中间层之间的晶格失配，使得中间InGaN吸收层受到内应力变小，降低中间hGaN吸收层所受拉伸效应(pulling effect)，提高中间hGaN吸收层材料质量并且提高^！在hGaN材料中嵌入，即提高h的组分。所述太阳能电池InGaN吸收层材料质量和提高h的组分，降低InGaN吸收层半导体禁带带隙。所述太阳能电池吸收限提高到更长太阳光光波段，展宽吸收太阳光窗口，提高太阳能电池效率。本专利技术中，低h组分InGaN层缓冲了支撑层GaN和高h组分InGaN吸收层之间失配，调节应力，提高InGaN材料质量，提高h组分，展宽吸收窗口，提高III族氮化物太阳能电池的性能，是本专利技术的重要特色和创新。本专利技术中，所用的衬底材料为蓝宝石、碳化硅或硅衬底。本专利技术的机理是GaN和InN薄膜的晶格常数相差很大，a轴晶格常数分别为 0. 3189和0. 3537nm, Inx^vxN合金的晶格常数随h组分χ值增大而增大，在0. 3189-0. 3537nm范围随χ值变化。利用金属有机物化学气相外延沉积技术制备^GaN薄膜材料都是要在蓝宝石或其它衬底上先制备GaN材料，之后在GaN上生长InGaN薄膜。InGaN薄膜含有hN组分，晶格常数比GaN大，在GaN薄膜上生长受到压力应变，薄膜内部产生压应力作用。在III族氮化物太阳电池制备中，如果仍然采用^GaN/GaN双异质结或量子阱结构， 高h组分的InGaN和GaN大晶格失配，晶格应力加大，使得生长InGaN层困难，薄膜质量下降；同样，如果采用同质结InGaN P-I-N结构，P和N型^iGaN夹层的h组分和中间吸收层 In组分一致，高h组分的P型InGaN不可制备，致使同质InGaN P-I-N结构太阳能电池只能限制在h组分低于0. 2范围内，吸收窗口太窄，效率低下。本专利技术提出一种新型的太阳能电池结构，即用低化组分，如InaiGEia9N的P和N型层作为夹层，高h组分如Ina4GEia6N 作为中间层制备得双异质结，如P-Ina !Ga0.9N/In0.4Ga0.6Ν/Ν_Ιηα ^a0.9N P-I-N太阳能电池， 其中的P和N层的h组分可调，I层h组分也可调，如图1所示。所述太阳能电池使P和 N层与中间的InGaN吸收层材料h组分相差不大，P和N层与中间的InGaN吸收层的晶格常数差值变小，缓冲N型InGaN下面的支撑层N型GaN与高h组分的InGaN中间层之间的晶格失配，使得中间InGaN吸收层受到内应力变小，降低中间InGaN吸收层所受拉伸效应 (pulling effect)，提高中间InGaN吸收层材料质量并且提高h在InGaN材料中嵌入，即提高h的组分，降低InGaN吸收层半导体禁带带隙，展宽吸收太阳光窗本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种ＩＩＩ组氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于双异质结三明治结构，包括ｎ型Ｉｎ组分ＩｎＧａＮ外延薄膜材料作为底层，高Ｉｎ组分ＩｎＧａＮ外延薄膜材料为中间层，ｐ型低铟组分ＩｎＧａＮ外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。
【技术特征摘要】
1.一种III组氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于双异质结三明治结构，包括η型h组分InGaN外延薄膜材料作为底层，高h组分InGaN外延薄膜材料为中间层，ρ 型低铟组分hGaN外延薄膜材料作为顶层，组成双异质结结构太阳能光伏电池。2.根据权利要求1所述的III组氮化物双异质结太阳能光伏电池，其特征在于所述三明治结构中，三层外延薄膜半导体禁带带隙结构为η型^组分^Ga...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔旭高，黄高山，梅永丰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31
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