[发明专利]一种p-i-n夹层结构InGaN太阳电池

说明书

技术领域

本发明属于半导体光伏器件领域，涉及一种p-i-n夹层结构InGaN太阳电池，可用于太阳能光伏发电，开发利用新能源。

背景技术

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，并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的应用领域和优势，使得全世界范围掀起了InGaN研究的热潮。

InGaN是直接带隙半导体材料，因In组分的改变，其禁带宽度在从3.4eV(GaN)～0.7eV(InN)连续可调，其对应的吸收光谱波长从紫外光365nm可以一直延伸到近红外光1.7μm，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，并且可以在同一设备中实现不同组分InGaN薄膜的工艺兼容性生长，非常适合制备多层结构的高效太阳电池。

2003年美国劳伦斯-伯克莱国家实验室的Wu等人首次提出将InGaN应用到太阳电池中。此后，InGaN太阳电池研究始终备受关注。美国的乔治亚理工大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、明尼苏达大学等，日本的福井大学、东京大学、庆应大学等国际知名大学，以及国内的厦门大学、南京大学和中科院半导体所等都在InGaN太阳电池方面开展了大量的研究工作。近几年来，许多研究机构陆续报道了各种不同结构和组分的电池实验，尝试提高电池转换效率。但由于其均不能满足开路电压和短路电流同时增大的要求，因而转换效率都不能得到明显的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种p-i-n夹层结构InGaN太阳电池，以在保证高开路电压的同时，提高电池的短路电流，从而提高电池的转换效率。

为实现上述目的，本发明的p-i-n夹层结构InGaN太阳电池，包括：衬底、AlN成核层和GaN缓冲层，其特征在于，GaN缓冲层上依次设有n-GaN层、i-InGaN层和p-GaN层；在p-GaN层上引出Ni/Au欧姆接触金属电极，在n-GaN层上引出Al/Au欧姆接触金属电极。

所述的n-GaN薄膜厚度为50～100nm，电子浓度为1×10¹⁸～6×10¹⁹/cm³。

所述的i-InGaN层的厚度为100～800nm，In组分为15％～90％，载流子浓度为1×10¹⁶～2×10¹⁷/cm³。

所述的p-GaN薄膜厚度为50～100nm，空穴浓度为1×10¹⁷～6×10¹⁸/cm³。

所述的p-GaN欧姆接触电极采用氧化铟锡ITO材料。

所述的p-GaN层欧姆接触电极采用栅形电极，电极宽度为500～1000nm，电极间距为500～3000nm。

为实现上述目的，本发明提出的p-i-n夹层结构InGaN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，采用化学气相沉积法MOCVD依次生长10～80nm厚的AlN成核层和1～2μm厚的GaN缓冲层；

(2)在GaN缓冲层上依次生长50～100nm厚的n-GaN层、100～800nm厚的i-InGaN层和50～100nm厚的p-GaN层；

(3)在p-GaN层上光刻并刻蚀出电池台面，露出n-GaN层；

(4)将步骤(3)处理后的样件置于1∶7稀释的HF酸溶液中超声处理10min；

(5)将超声处理后的样件置于大气中600℃退火5～10min；

(6)采用电子束蒸发法在p-GaN层上制备出Ni/Au金属电极，并在大气中550℃退火10min；

(7)在n-GaN层上制备出Al/Au金属电极。