[發(fā)明專(zhuān)利]太陽(yáng)能電池

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010168797.8
• 申請(qǐng)日: 2010-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101866967A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪連山;申志輝;劉勝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L31/042
• 分類(lèi)號(hào): H01L31/042;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，特別是涉及一種硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)能電池。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。按照制備材料的不同，主要分為晶體硅太陽(yáng)電池、硅基薄膜太陽(yáng)電池、CIGS(銅銦鎵錫)太陽(yáng)電池、以砷化鎵為代表的III-V族太陽(yáng)電池、有機(jī)聚合物太陽(yáng)電池等。前四種太陽(yáng)電池為半導(dǎo)體太陽(yáng)電池，目前普及最為廣泛。半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的原理是利用半導(dǎo)體pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)，即利用一定禁帶寬度的材料吸收太陽(yáng)光子能量來(lái)激發(fā)電子空穴對(duì)，產(chǎn)成光生電動(dòng)勢(shì)，從而完成光能到電能的轉(zhuǎn)換。

目前太陽(yáng)能電池的發(fā)展和利用當(dāng)中所碰到的一個(gè)主要問(wèn)題就是其光電轉(zhuǎn)換效率較低，特別在太陽(yáng)能電池應(yīng)用于宇宙空間領(lǐng)域時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要求更高，同時(shí)還要求材料具有一定的抗輻射性。

III-V族化合物多為直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，其光吸收系數(shù)比間接帶隙的材料(如硅、鍺等)高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，可以用于制備高效率太陽(yáng)能電池。隨著對(duì)III-V族氮化物材料研究的不斷深入，2002年研究人員發(fā)現(xiàn)氮化銦的禁帶寬度應(yīng)該在0.7eV左右(參見(jiàn)文獻(xiàn)：謝自力，et?al.，InN材料及其應(yīng)用.微納電子技術(shù)，2004(12)：p.26-32)，而不是原先大家所接受的1.9eV。因此，InGaN這種三元合金材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)其中In元素的含量，實(shí)現(xiàn)其禁帶寬度在0.7eV(InN的帶隙)與3.4eV(GaN的帶隙)之間連續(xù)可調(diào)，使得InGaN材料所對(duì)應(yīng)的吸收光譜范圍與太陽(yáng)光譜幾乎完美匹配。因此，通過(guò)制備不同帶隙的InGaN材料進(jìn)行搭配組合，就可以研制出效率很高的新型太陽(yáng)能電池。除了轉(zhuǎn)換效率高之外，InGaN材料還具有良好的抗輻射性能，所以InGaN材料非常適合作為衛(wèi)星等空間飛行器的太陽(yáng)能電池。

InGaN材料是利用薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)，在合適的襯底上生長(zhǎng)獲得的。最常用的方法是金屬有機(jī)物化學(xué)沉積法(MOCVD法)。然而由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)失配等原因，適合InGaN薄膜的外延生長(zhǎng)襯底材料種類(lèi)很有限。目前最常用的方法是在藍(lán)寶石襯底上淀積氮化鎵或氮化鋁作為緩沖層，之后在緩沖層上外延InGaN系列材料，這樣可以最大程度地減少晶格失配等問(wèn)題，獲得晶格缺陷較少的外延材料。

對(duì)于GaN/InGaN器件而言，多數(shù)采用的是藍(lán)寶石襯底。藍(lán)寶石襯底尺寸小(普遍只采用2英寸工藝)，價(jià)格居高不下，而且還有上漲趨勢(shì)，使得這類(lèi)光電器件的襯底成本占芯片成本的比重約為10％-20％。另外由于藍(lán)寶石自身導(dǎo)電性能差，因此當(dāng)使用該襯底制作氮化鎵基器件時(shí)，電極需要設(shè)計(jì)在芯片的同側(cè)。這一方面增加了工藝過(guò)程的復(fù)雜度，另一方面造成了芯片內(nèi)部的電流密度分布一致性較差，從而影響器件的電學(xué)、光學(xué)特性及長(zhǎng)期可靠性(參見(jiàn)文獻(xiàn)：黃亞軍，王良臣，et?al.，垂直結(jié)構(gòu)GaN基LEDs電流分布計(jì)算分析.半導(dǎo)體技術(shù)，2009(9)：p.861-863.)。相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，硅襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶片尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性，能夠進(jìn)行大面積的外延工藝，即可以同時(shí)外延生長(zhǎng)數(shù)量更多的芯片。因此平均到每個(gè)芯片，外延工藝成本與設(shè)備折舊成本能夠明顯降低。另外由于硅的導(dǎo)電性好，且對(duì)光的吸收能夠做出貢獻(xiàn)，因此硅基太陽(yáng)電池可以使用雙面上下電極，這樣可以免去了光刻電極圖形等工藝步驟，降低了電極制作成本。因此使用硅襯底來(lái)制作GaN/InGaN器件是許多研究者一直希望實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。目前最大的技術(shù)難題在于氮化鎵外延層與硅襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，而且在氮化鎵薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅(參見(jiàn)文獻(xiàn)：江風(fēng)益，硅襯底氮化鎵LED材料與器件研發(fā)進(jìn)展.第11屆全國(guó)發(fā)光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集，2007.)，所以若要在硅襯底上得到無(wú)龜裂的高質(zhì)量的氮化鎵材料，需要尋找合適的緩沖層材料以及優(yōu)化外延工藝來(lái)解決這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種硅基單結(jié)氮化鎵銦太陽(yáng)電池，實(shí)現(xiàn)在大面積單晶硅上外延InGaN薄膜制備太陽(yáng)電池的工藝技術(shù)。該太陽(yáng)電池具有工藝成本較低，光電轉(zhuǎn)換效率高(25％以上)，以及良好的抗輻射性等特點(diǎn)。