[发明专利]一种利用自发极化电场的非极性太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。

背景技术

InGaN材料在制备高效太阳能电池方面潜力巨大。首先，In_xGa_1-xN材料是直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物InGaN材料中的In组分，可以实现其带隙能量在0.7～3.4eV之间连续变化，其吸收光谱几乎与太阳光谱完美匹配[1]。其次，InGaN材料还具有高吸收系数、高电子迁移率、高硬度、耐高温、抗辐射等优点，是实现全光谱太阳能电池的理想材料，具有广泛的应用前景和巨大的研究价值[2]。

然而，现有的量子阱结构的GaN基太阳能电池的光电转化效率依旧较低，如图2所示。量子阱中的极化电场是造成太阳能电池的光电转化效率低下的一个重要因素。由于纤锌矿结构GaN基材料沿(0001)方向存在很强的极化电场，其强度高达MV/cm量级，而且现有的极性GaN基太阳电池，其极化电场方向与p-n结内建电场的方向相反，会对内建电场造成补偿，导致有源区内净电场减小，不利于光生载流子的有效收集；同时极性太阳能电池内的极化电场会使得量子阱区域能带发生倾斜，产生附加势垒，阻碍光生载流子的输运，对太阳能电池的性能产生非常不利的影响[3]。

为提高太阳能电池的光电转化效率，现有技术通常采用在器件背部制作反射镜、在器件表面制作减反膜或采用InGaN/GaN超晶格结构等技术来提高材料对光的吸收效率[4,5]。然而采用这些技术仍无法从根本上解决极性器件中极化电场对内建电场补偿所造成的光电转换效率下降的问题。要从根本上解决此问题，需使得极化电场方向与p-n结内建电场的方向相同或者垂直，以使其不对p-n结内建电场形成补偿，但传统极性器件显然无法满足此要求。因此，研发非极性GaN基太阳能电池，对于提高太阳能电池的光电转化效率具有非常重要的意义。

参考文献：

1.Matsuoka,T.,et al.,Optical bandgap energy of wurtzite InN.Applied Physics Letters,2002.81(7):p.1246-1248.

2.Jani,O.,et al.,Design and characterization of GaN/InGaN solar cells.Applied Physics Letters,2007.91(13):p.132117.

3.Chang,J.-Y.,et al.,Simulation of high-efficiency GaN/InGaN pin solar cell with suppressed polarization and barrier effects.IEEE Journal of Quantum Electronics,2013.49(1):p.17-23.

4.Chen,X.,et al.,Growth,fabrication,and characterization of InGaN solar cells.physica status solidi(a),2008.205(5):p.1103-1105.

5.Tsai,C.-L.,et al.,Substrate-free large gap InGaN solar cells with bottom reflector.Solid-State Electronics,2010.54(5):p.541-544.

发明内容

技术问题：针对上述现有技术制备的极性量子阱结构太阳能电池所存在的问题，本发明提供了一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。采用该种结构既可以从根本上解决传统极性量子阱结构太阳能电池中极化电场对p-n结内建电场的补偿的问题，同时利用此自发极化电场又可以加速将分离的空穴和电子分别输运至正负电极处，从而极大地提高太阳能电池的光电效率。

技术方案：本发明胡具有自发极化电场的非极性太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底，GaN成核层、非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN吸收层、p型GaN层，在p型GaN层上引出p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极。

其中；

所述GaN成核层、非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN吸收层、p型GaN层均由非极性材料构成。

所述p型欧姆电极和n型欧姆电极分别位于自发极化电场的正负两端。