[发明专利]微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术和光电器件领域，特别是微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池及其制法。

背景技术

太阳能是一种清洁、无污染、取之不竭用之不尽的新能源，具有其它新能源所不可比拟的优点。当今世界一项重要的利用太阳能应用的研究就是太阳能电池。太阳能电池是通过光电转换原理把太阳能直接转化为电能的一种半导体器件。目前，世界上最成熟的同时转换效率最高的是硅基太阳能电池，但由于其存在成本高和寿命短的缺点，人们开始高度关注III族氮化物的太阳能电池。III族氮化物带隙可以从0.7eV(J.Wu et al.,Appl.Phys.Lett.,80,3967(2002).)到6.2eV连续变化，所对应的波长覆盖了从近红外到紫外极为宽广的光谱范围，并且拥有优良的物理、化学性质，被认为是制作全光谱高效太阳能电池的理想材料。其中，InGaN材料以其吸收系数高、抗辐射能力强、禁带宽度可调等优点，备受各国研究者的重视。

InGaN是直接带隙材料，其吸收系数可达到10^-5cm^-1，因此，不需生长太厚的InGaN材料便可以实现足够高的内量子效率，从而可以使用InGaN来做更薄、更轻的太阳能电池，特别是应用于航天的太阳能电池，减轻重量非常重要，即达到节约成本的目的。此外，InGaN的抗辐射能力比Si，GaAs等太阳能电池材料强，其更适用于辐射强的环境中。又由于调节In组份可连续改变InGaN的禁带宽度，In_xGa_1-xN可适合用于制作多结串联太阳能电池，则可采用单一外延生长方法来实现超高效叠层式InGaN太阳能电池。

但是，目前对于InGaN材料的研究仍然面临以下几个问题。首先，InGaN材料体系生长一般是在氮化镓/蓝宝石(GaN/Sapphire)衬底上生长，由于晶格失配，使得高质量的InGaN其临界厚度限制在数百纳米之内，特别是生长高铟组分的InGaN薄膜生长极其困难。InGaN中相分离的程度随In组分升高和厚度增加而随之严重(I.H.Ho et al.,Appl.Phys.Lett.,69,2701(1996).)，相分离形成的富InN区量子点会增加辐射复合几率(Y.T.Moon,et al.,Appl.Phys.Lett.,79,599(2001).)，影响光生少子的寿命，晶体缺陷会增加电池的非辐射复合几率，降低光生电流。因此，高质量的InGaN合金材料同时具备低带隙(<2eV)以及足够厚度(>200nm)仍然是当今外延生长的一大挑战。其次，高In组分InGaN的p型掺杂比较困难。当前，氮化物生长常用的P型掺杂剂是Mg，但Mg受主激活能大，制备高In组分InGaN的P型掺杂比较困难。再者，目前基于蓝宝石衬底的InGaN太阳能电池器件均采用同侧电极结构，即阴极和阳极在芯片的同一侧。由于阴、阳极在同一侧，光生载流子必须横向流过n-GaN层，这将增加光生载流子被缺陷中心捕获的几率，降低光生电流，同时也导致器件的串联电阻增加，降低开路电压。因此，设计和研究新型InGaN太阳能电池具有重要意义。

为了进一步提高器件的性能，在本发明中提供了微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池结构。该电池结构采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题，进而缓解了InGaN材料的相分离和晶体缺陷的产生；另外，采用p-Si/n-InGaN结构，用p-Si替代高In组分的p-InGaN，避开高In组分的P型掺杂瓶颈问题；最后，在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构(K.Q.Peng,et al.,J.Am.Chem.Soc.132,6872(2010).)，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，提高了电池的的光电转换效率。

发明内容

本发明主要目的是提供一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池结构及其制法，其重点一是采用垂直电极电导结构，有效解决了同侧电极结构电流传输、电极吸收问题和低的光吸收问题；重点二是采用p-Si替代高In组分的p-InGaN，形成p-Si/n-InGaN杂合pn结，避开了高In组分的P型掺杂瓶颈问题；重点三是在p-Si/n-InGaN接触界面处的p-Si表面处理成金字塔形纳米硅结构，限光效应增强了太阳能电池的吸光能力，大大提高了太阳能电池的转换效率。

本发明提供一种微纳金字塔硅/InGaN杂合pn结太阳能电池，其包括：

一P电极层；