專利名稱：一種含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種InGaN系寬譜太陽能電池，具體地說是涉及一種含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池。
背景技術(shù)：
寬禁帶半導(dǎo)體GaN材料因其特有的物理性質(zhì)，使其在光電子(包括制備綠色、藍色、紫外發(fā)光二極管、激光二極管和紫外探測器)和微電子領(lǐng)域(包括高電子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)有廣泛的應(yīng)用。2003年，Lawrence Berkely國家實驗室的W.Walukiewicz教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與Cornell大學(xué)和日本Ritsumeikan大學(xué)的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了InN的帶隙為0.7eV，而不是以往認(rèn)為的2eV。這一發(fā)現(xiàn)拓展了InxGa1-xN三元合金的帶隙，使其可從0.7eV變化到3.4eV。這個能量范圍完美地分布于太陽光譜的范圍內(nèi)(0.4～4eV)，為設(shè)計和制備具有理論預(yù)言的理想光電轉(zhuǎn)換效率的高效太陽能電池帶來了希望和機會。
在美國專利US 20040118451中公開了可實現(xiàn)上述預(yù)期功能的InGaN系全譜太陽能電池的材料和結(jié)構(gòu)。但是這種全譜太陽能電池結(jié)構(gòu)并不是完美無缺的，仍然存在著電池的暗電流，從而降低了電池的使用性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進現(xiàn)有的InGaN系太陽能電池的性能，降低其暗電流和增強其對太陽光的吸收，從而提供一種可以降低太陽能電池的暗電流、光電轉(zhuǎn)換效率較高的、含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供的含有多量子阱的InGaN系寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括一襯底，其上依次為過渡層，p型InGaN層，多量子阱結(jié)構(gòu)層，n型InGaN層，其特征在于所述的多量子阱結(jié)構(gòu)層為兩種不同組分的InGaN合金材料組成，其一為具有窄帶隙的InxwGa1-xwN合金組成的量子阱，其二為寬帶隙的InxbGa1-xbN合金組成的勢壘層，其中，0≤xw＜1，0≤xb＜1，且xb＜xw；所述的量子阱厚度為1～20nm，所述的勢壘層的厚度為2～100nm；多量子阱的數(shù)目為1～100，且多量子阱的總厚度小于1μm；所述的n型InGaN層為n型InxnGa1-xnN層，其中，0≤xn＜1，且xb≥xn；該層的厚度為50～1000nm，摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3，摻入的雜質(zhì)為Si；所述的p型InGaN層為p型InxpGa1-xpN層，其中，0≤xp＜1，且xb≥xp；該層的厚度為50～1000nm，摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3，摻入的雜質(zhì)為Mg或Zn；所述的過渡層為選自GaN、AlN、InN、AlxGa1-xN、InxGa1-xN或InxAlyGa1-x-yN(其中，0≤x≤1，0≤y≤1)中一種或多種材料組成的膜層，其厚度為100nm～10μm；所述的襯底為藍寶石襯底或Si襯底。
除了上面所述的含有多量子阱的InGaN系寬譜單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)外(如圖1所示)，利用本發(fā)明的設(shè)計思想，還可以設(shè)計、制備兩結(jié)(圖2)、三結(jié)(圖3)或多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。在多結(jié)太陽能電池的吸收區(qū)，至少有一結(jié)的吸收區(qū)含有上述的InGaN系多量子阱結(jié)構(gòu)。在多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)中，每結(jié)電池的排列方式是具有寬有效帶隙的電池處于電池的頂層，從頂層到底層電池的有效帶隙依次減小，底層電池材料的有效帶隙最小。每結(jié)電池的電流導(dǎo)通方式是通過隧穿結(jié)(見圖2的隧穿結(jié)90或圖3中的隧穿結(jié)90和91)實現(xiàn)串聯(lián)連接的。
本發(fā)明提供的含有多量子阱的InGaN系寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)，其為采用各種常規(guī)的薄膜外延的生長或淀積方式來制備的，具體包括氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機氣相外延(MOCVD)、化學(xué)氣相淀積(CVD)、分子束外延(MBE)等薄膜淀積技術(shù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的含有多量子阱的InGaN系寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于首次提出了一種新型的InGaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)，其使用了能量帶隙可調(diào)的InGaN合金材料組成的多量子阱結(jié)構(gòu)作為制作太陽能電池的吸收區(qū)。由于量子限制效應(yīng)，使量子阱結(jié)構(gòu)具有許多不同于體材料的特殊物理性質(zhì)，也使包含多量子阱的半導(dǎo)體太陽能電池結(jié)構(gòu)具有其獨有的優(yōu)勢。利用量子限制效應(yīng)降低太陽能電池的暗電流，同時可調(diào)整迭層電池的有效能量帶隙寬度，使得組成迭層電池的兩個電池之間具有最佳配合的能量帶隙寬度，從而實現(xiàn)迭層電池的最大能量轉(zhuǎn)換效率，提高InGaN系寬譜太陽能電池的性能。此外，本發(fā)明提供的含有多量子阱的InGaN系寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)中使用的InGaN合金材料的帶隙可從0.7eV變化到3.4eV，多結(jié)太陽能電池的每結(jié)吸收區(qū)的量子阱的能量帶隙也可通過調(diào)解InxGa1-xN三元合金的組分實現(xiàn)調(diào)節(jié)，使不同吸收區(qū)的多量子阱對不同波段的太陽光譜產(chǎn)生相應(yīng)的吸收，實現(xiàn)對太陽能的充分利用。


圖1為本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜兩結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖；其中，100多量子阱，10量子阱，20勢壘層，30n型InGaN層，40p型InGaN層，50襯底，60過渡層；101第二結(jié)電池的多量子阱，11第二結(jié)電池的多量子阱結(jié)構(gòu)中的量子阱，21第二結(jié)電池的多量子阱結(jié)構(gòu)中的勢壘層，31第二結(jié)電池的n型InGaN層，41第二結(jié)電池的p型InGaN層，90隧穿結(jié)；102第三結(jié)電池的多量子阱，12第三結(jié)電池的多量子阱結(jié)構(gòu)中的量子阱，22第三結(jié)電池的多量子阱結(jié)構(gòu)中的勢壘層，32第三結(jié)電池的n型InGaN層，42第三結(jié)電池的p型InGaN層，91第二隧穿結(jié)；圖中的白色波浪區(qū)70、71、72表示此部分的量子阱結(jié)構(gòu)被省略，未畫出。
具體實施例方式
實施例1、如圖1所示，在藍寶石的襯底上，采用MOCVD外延生長技術(shù)，外延生長本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。首先，在襯底50上生長1微米的GaN過渡層60，接著生長500nm的p型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度5×1017cm-3)層40，30周期的In0.45Ga0.55N(量子阱寬4nm)/In0.4Ga0.6N(勢壘寬度10nm)(10/20)，然后是300nm的n型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度1×1018cm-3)層30，得到本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系單結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換效率大于20％。
實施例2、如圖2所示，在藍寶石的襯底上，采用MOCVD外延生長技術(shù)，外延生長本發(fā)明的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜兩結(jié)太陽能電池。首先，在襯底50上生長1微米的GaN和InGaN組合的過渡層60；接著生長具有窄帶隙的底層結(jié)電池，此電池的結(jié)構(gòu)為500nm的p型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Zn，摻雜濃度3×1017cm-3)層40，20周期的In0.6Ga0.4N(量子阱寬3nm)/In0.65Ga0.45N(勢壘寬度8nm)(10/20)，然后是200nm的n型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度2×1018cm-3)層30；在其上生長一個連通頂結(jié)的隧穿結(jié)90；在隧穿結(jié)90上生長頂結(jié)電池結(jié)構(gòu)，該頂結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為400nm的p型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Zn，摻雜濃度7×1017cm-3)層41，25周期的In0.45Ga0.55N(量子阱寬4nm)/In0.4Ga0.6N(勢壘寬度9nm)(11/21)，然后是250nm的n型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度1×1018cm-3)層31；得到本發(fā)明的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜兩結(jié)太陽能電池。此結(jié)構(gòu)的底結(jié)電池的多量子阱的有效帶隙約為1.4eV，頂結(jié)電池多量子阱的有效帶隙約為1.85eV。此兩結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可大于52％。
實施例3、在Si襯底上，采用MOCVD外延生長技術(shù)，外延生長本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜兩結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。首先，在Si襯底上生長800nm的AlGaN過渡層；接著生長具有窄帶隙的底層結(jié)電池，此電池的結(jié)構(gòu)為500nm的p型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度3×1017cm-3)層，35周期的In0.6Ga0.4N(量子阱寬3nm)/In0.55Ga0.45N(勢壘寬度8nm)，然后是200nm的n型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度3×1018cm-3)層；在其上生長一個連通頂結(jié)的隧穿結(jié)；在隧穿結(jié)上生長頂結(jié)電池結(jié)構(gòu)，該頂結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為800nm的p型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度2×1017cm-3)層和600nm的n型In0.4Ga0.6N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度5×1017cm-3)層，得到在底結(jié)中含有InGaN系多量子阱的兩結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的底結(jié)電池的多量子阱的有效帶隙約為1.4eV，頂結(jié)電池材料的有效帶隙約為1.9eV。此兩結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可大于50％。
實施例4、如圖3所示，在藍寶石襯底上，采用MOCVD外延生長技術(shù)，外延生長本發(fā)明的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜三結(jié)太陽能電池。首先，在襯底50上生長2微米由AlN、GaN和InGaN組合的過渡層60；；接著生長具有窄帶隙的底層結(jié)電池，此電池的結(jié)構(gòu)為400nm的p型In0.9Ga0.1N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度1×1017cm-3)層40，20周期的InN(量子阱寬8nm)/In0.9Ga0.1N(勢壘寬度10nm)(10/20)，然后是400nm的n型In0.9Ga0.1N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度3×1017cm-3)層30；在其上生長一個連通中間結(jié)的隧穿結(jié)90；在此隧穿結(jié)90上，生長具有中等有效帶隙寬度的中間電池，中間結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為500nm的p型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度3×1017cm-3)層41，18周期的In0.6Ga0.4N(量子阱寬5nm)/In0.55Ga0.45N(勢壘寬度10nm)(11/21)，然后是300nm的n型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度1×1018cm-3)層31；在其上生長一個連通頂結(jié)的第二隧穿結(jié)91；在第二隧穿結(jié)91上生長頂結(jié)電池，頂結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為400nm的p型In0.3Ga0.7N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度4×1017cm-3)層42，25周期的In0.4Ga0.6N(量子阱寬4nm)/In0.3Ga0.7N(勢壘寬度12nm)(12/22)，然后是350nm的n型In0.3Ga0.7N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度8×1017cm-3)層32，得到本發(fā)明的含有InGaN系多量子阱結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽能電池材料結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)底結(jié)電池的多量子阱的有效帶隙約為0.7eV，中間結(jié)的多量子阱的有效帶隙約為1.4eV，頂結(jié)的多量子阱的有效帶隙約為1.94eV。此兩結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可大于75％。
實施例5、在藍寶石襯底上，采用HVPE技術(shù)生長10微米的InN過渡層；在此過渡層上，采用MOCVD外延生長技術(shù)，外延生長本發(fā)明的含有多量子阱的InGaN系寬譜三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)。首先，在此過渡層上生長具有窄帶隙的底層結(jié)電池，此電池的結(jié)構(gòu)為800nm的p型InN(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度1×1017cm-3)層，600nm的n型InN(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度3×1017cm-3)層；在其上生長一個連通中間結(jié)的隧穿結(jié)；在此隧穿結(jié)上，生長具有中等有效帶隙寬度的中間電池，中間結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為500nm的p型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度3×1017cm-3)層，18周期的In0.6Ga0.4N(量子阱寬5nm)/In0.55Ga0.45N(勢壘寬度10nm)，然后是300nm的n型In0.55Ga0.45N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度1×1018cm-3)層；在其上生長一個連通頂結(jié)的第二隧穿結(jié)；在第二隧穿結(jié)上生長頂結(jié)電池，頂結(jié)電池每層的結(jié)構(gòu)依次為400nm的p型In0.3Ga0.7N(摻入的雜質(zhì)為Mg，摻雜濃度4×1017cm-3)層，25周期的In0.4Ga0.6N(量子阱寬4nm)/In0.3Ga0.7N(勢壘寬度12nm)，然后是350nm的n型In0.3Ga0.7N(摻入的雜質(zhì)為Si，摻雜濃度8×1017cm-3)層，得到本發(fā)明的此結(jié)構(gòu)為具有InGaN系多量子阱結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽能電池材料結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)底結(jié)電池的有效帶隙約為0.7eV，中間結(jié)的多量子阱的有效帶隙約為1.4eV，頂結(jié)的多量子阱的有效帶隙約為1.94eV。此兩結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率可大于70％。
盡管本發(fā)明只給出幾個說明式的示范結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的核心內(nèi)容是在InGaN系的單結(jié)或多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)中，只要在吸收區(qū)包含了InGaN系的多量子阱結(jié)構(gòu)，即為本發(fā)明包含的內(nèi)容。本發(fā)明中提出的多量子阱吸收區(qū)可以是非故意摻雜的，也可以是故意摻雜為n型、p型或p/n結(jié)型。
本發(fā)明所描述的同一個吸收區(qū)的多量子阱的阱深(量子阱的帶隙寬度)和勢壘高度可以是不同的，可以是對稱的量子阱結(jié)構(gòu)，也可以是非對稱的量子阱結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所描述的同一結(jié)電池結(jié)構(gòu)中的n型InGaN和p型InGaN的組分(帶隙)可以是相同的，也可以是不同的。不同結(jié)的InGaN有效帶隙的寬度從頂結(jié)到底結(jié)的帶隙寬度是依次減小的。
盡管這里展示和介紹了本發(fā)明的特定實施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出進一步的改進和提高。如將本發(fā)明所描述的多量子阱InGaN系寬譜太陽能電池結(jié)構(gòu)中提到的InGaN三元合金根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，部分或全部替換為InAlGaN四元合金。我們希望大家理解，本發(fā)明不限于所展示的特殊形式，而是包括由所附權(quán)利要求書覆蓋的不脫離本發(fā)明精神和范圍的所有改進。
權(quán)利要求
1.一種含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其包括一襯底，其上依次為過渡層，p型InGaN層，多量子阱結(jié)構(gòu)層，n型InGaN層，其特征在于所述的多量子阱結(jié)構(gòu)層為兩種不同組分的InGaN合金材料組成，其一為具有窄帶隙的InxwGa1-xwN合金組成的量子阱，其二為寬帶隙的InxbGa1-xbN合金組成的勢壘層，其中，0≤xw＜1，0≤xb＜1，且xb＜xw。
2.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于所述的量子阱厚度為1～20nm，所述的勢壘層的厚度為2～100nm。
3.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于多量子阱的數(shù)目為1～100，且多量子阱的總厚度小于1μm。
4.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于所述的n型InGaN層為n型InxnGa1-xnN層，其中，0≤xn＜1，且xb≥xn；該層的厚度為50～1000nm，摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3，摻入的雜質(zhì)為Si。
5.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于所述的p型InGapN層為p型InxpGa1-xpN層，其中，0≤xp＜1，且xb≥xp；該層的厚度為50～1000nm，摻雜濃度為1×1017～1×1019cm-3，摻入的雜質(zhì)為Mg或Zn。
6.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于所述的過渡層為選自GaN、AlN、InN、AlxGa1-xN、InxGa1-xN或InxAlyGa1-x-yN中一種或多種材料組成的膜層，其厚度為100nm～10μm。
7.如權(quán)利要求1所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其特征在于所述的襯底為藍寶石襯底或Si襯底。
8.一種含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜多結(jié)太陽能電池，其特征在于在所述的多結(jié)太陽能電池的吸收區(qū)中，至少有一結(jié)電池的吸收區(qū)含有權(quán)利要求1所述的InGaN系多量子阱結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜多結(jié)太陽能電池，其特征在于在所述的多結(jié)太陽能電池中，每結(jié)電池的排列方式是具有寬有效帶隙的電池處于電池的頂層，從頂層到底層電池的有效帶隙依次減小，底層電池材料的有效帶隙最小。
10.如權(quán)利要求8所述的含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜多結(jié)太陽能電池，其特征在于在所述的多結(jié)太陽能電池中，每結(jié)電池通過隧穿結(jié)串聯(lián)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含有多量子阱結(jié)構(gòu)的InGaN系寬譜太陽能電池，其包括一襯底，其上依次為過渡層，p型InGaN層，多量子阱結(jié)構(gòu)層，n型InGaN層，所述的多量子阱結(jié)構(gòu)層為兩種不同組分的InGaN合金材料組成，其一為具有窄帶隙的In
文檔編號H01L31/078GK1929153SQ20051009873
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者郭麗偉, 陳弘, 周均銘, 張潔, 何濤 申請人:中國科學(xué)院物理研究所