專利名稱：：單結銦鎵氮太陽能電池結構及制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬無機光電
技術領域：
，具體涉及一種單結銦鎵氮(InxGai—xN)太陽能電池結構及其制作方法。本發(fā)明采用新型InxGa1-xN三元合金半導體材料，其結構和制作方法可應用于In,Ga,iN系高效太陽能電池的制造。背旦豕技術太陽能電池是將太陽輻照的光能直接轉換為電能的器件太陽能電池用來向負載，如電燈、計算機等提供電能在實際應用中還涉及電能儲存裝置，這樣才能在沒有陽光昭y"、射的情況下對負載持續(xù)不斷地提供電能太陽能電池在光照的情況下會產(chǎn)生光生電壓。在外電路開路的小主l目況下光生電壓為開路電壓voc，在外電路短路下得到的電流為短路電流ISC。在有負載的小主l冃況下，太陽能電池的輸出功率等于負載上的電壓降和通過負載的電流的乘積，它是小于開路電壓和短路電流的乘積的。定義太陽能電池的最大輸出功率與V0CISC的比值為填充因子。目前太陽能電池的發(fā)展和利用當中所碰到的一個主要問題就是其光電轉換效率較低，特別在太陽能電池應用于宇宙空間領域時，對太陽能電池的光電轉換效率要求更高，而且還需要材料具有一定的抗輻射性。就空間應用來說，目前的空間站和人造地球衛(wèi)星上的主要電能都是通過太陽能電池系統(tǒng)提供的。電源系統(tǒng)是衛(wèi)星以及空間探測系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一，有報道稱在今后10年到20年間，對于空間探測來說最需要攻克的關鍵技術之一就是能源系統(tǒng)，對空間站以及衛(wèi)星最大的限制就是能源。星上通信及信息處理都需要大量的能源。目前應用的空間太陽能電池主要包括單晶硅太陽能電池和砷化鎵基太陽能電池，限制它們進一步應用的主要問題是光電轉換效率較低。由于受材料本身性質影響，第一代空間太陽能電池單曰曰曰桂太陽能電池的光電轉換效率大概在l8°/6至U23%之間，第二代空間太陽能電池砷化鎵基太陽能電池，它的光電轉換效率相對有些提高(為22%到26.5%之間)，但這還是滿足不了在空間應用中對能量日j丄增加的需要。隨著對III-V族氮化物材料研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)銦鎵氮(InxGai-xN)材料的禁帶寬度與太陽光譜幾乎完美匹配(J.Wu，etal，J.Appl.Phys.，94(2003)6477)，理論計算表明，用InxGaiN合金制作雙結.(一結電池禁帶寬度為1.1eV，另一結為1.7eV)太陽能電池效率可高達50%，如果制成多結IruGa,-XN電池，效率最高可達70%以上。同時，空間太陽能電池也會受空間輻射的影響在近地軌道空間環(huán)境中，當高能粒子輻照時，通過與曰曰曰格原子發(fā)生碰撞而將能量傳遞給晶格;當能量大于某閾值時，便使晶格原子發(fā)生位移產(chǎn)生缺陷，進而影響少子壽命，對太陽能電池形成輻射損傷，使輸出功率隨輻昭"、、累積量的增加逐漸下降，在空間站整個壽命期間需更換電池片，增加運行維護費用。而InxGai—XN材料具有良好的抗輻射性能(J.W.AgerIII，etal，Proc.ofSPIE，5530(2004)308)，所以說工nxGaiiN材料非常適合應用于空間飛行器的太陽能電池。InxGaiiN太陽能電池可以充分利用不同波段的光子能量，具有轉換效率高，功率/面積比大，耐輻昭y"、等優(yōu)點，新型InxGa,—XN太陽能電池的研究和發(fā)展使真正的高效太陽能電池成為可能。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提出一種單結銦鎵氮太陽能電池結構及其制作方法，利用本發(fā)明的結構及制作方法，可以研制出理論轉換效率達28%且具有良好的抗輻射性的太陽能電池。本發(fā)明一種單結銦鎵氮太陽能電池結構，其特征在于，其中包括襯底；一低溫氮化鎵成核層，該低溫氮化鎵成核層制作在襯底的上面，該成核層可增加襯底表面的成核密度；非有意摻雜氮化鎵緩沖層，該非有意摻雜氮化鎵緩沖層制作在低溫氮化鎵成核層的上面，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量；—n型摻雜InxGaiiN層，該n型摻雜InxGa,-XN層制作在非有意摻雜高阻氮化鎵緩沖層的上面，該n型摻雜層是InxGaiiNp-n結的一部分；一P型摻雜InxGal-xN層，該p型摻雜InxGai_xN層制作在n型摻雜In,Ga,-xN層的上面，該p型摻雜層是InxGa>-XNp-n結的一部分。其中所述的襯底是藍寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底。頁其中所述的低溫氮化鎵成核層的厚度為0.01-0.05um，優(yōu)選范圍為O.O1-0.03um。其中所述的非有意摻雜氮化鎵緩沖層的厚度為100-2.00um，優(yōu)選范圍為1.50-2.00um。其中所述的n型摻雜IruGa,-XN層，厚度為0.10-0.80um，優(yōu)選范圍為O.l0-0.40um。其中所述的P型摻雜InxGai-XN層，厚度為0.2O-l.O0um，優(yōu)選范圍為0.20-0.5Oum。本發(fā)明一種單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1:選擇一襯底；步驟2:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，首先在襯底上生長一層低溫氮化鎵成核層，生長厚度為0.01-0.50um，優(yōu)選范圍為O.l0-0.30ym，該成核層可增加襯底表面的成核密度；步驟3:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變襯底溫度，在低溫氮化鎵成核層上生長非有意摻雜氮化鎵緩沖層，生長厚度為1.00-2.00ym，優(yōu)選范圍為1.50-2.00um，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量；步驟4采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件5在非有意摻雜氮化鎵緩沖層上生長硅摻雜的n型摻雜In,Ga卜xN層，其中0.35《x《0.65，優(yōu)選范圍為0.45《x《0.55，生長厚度為0.10-0.8Onm，優(yōu)選范圍為O.l0—0.4Oum，該n型摻雜層是InxGai—XNp-n結的一部分。步驟5:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，最后，在n型摻雜IruGa,iN層上生長鎂摻雜的p型摻雜InxGai—,N層，其中0.35《x《0.65，優(yōu)選范圍為0.45《x《0.55，生長厚度為0.20-1.00um，優(yōu)選范圍為0.20-0.50um，該p型摻雜層是InxGai—XNp-n結的一部分。其中所述的襯底是藍寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底。其中所述的低溫氮化鎵成核層的生長溫度為450-650°C，優(yōu)選范圍為500-600°C;生長壓力為l3.33—26.67kPa。其中所述的非有意摻雜氮化鎵緩沖層的生長溫度為900-1100°C，優(yōu)選范圍為l000-1100°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa。其中所述的n型摻雜IruGa,-XN層的生長溫度為700-1100°C，優(yōu)選范圍為800-1100°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa;電子濃度為O.5-5X10'7cm3，優(yōu)選范圍為1-5X1019/cm3。其中所述的P型摻雜InxGai—XN層為鎂摻雜的p型摻雜InxGa,-xN層，生長溫度為700-1100°C,優(yōu)選范圍為800-1100°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa;空穴濃度為1-8X1018/cm3，優(yōu)選范圍為5-8X10'7cm3。本發(fā)明關鍵在于采用InxGai-XN三元合金材料，利用該合金材料優(yōu)良的抗輻射性能，以及通過改變其中銦、鎵的組分可優(yōu)選合金的禁帶寬度，并通過精確控制生長條件，得到高質量的InxGai-XNp-n結結構，從而可在理論上達到28%的最大理論轉換效率。為進步說明本發(fā)明方式及附圖對本發(fā)明作一圖1是本發(fā)明的單結構圖。的內容，以下結合具體實施詳細的描述，其中In,Ga,iN太陽能電池材料結具體實施方式本發(fā)明關鍵在于采用獨特的銦鎵氮(InxGai-xN)三元合金材料，利用該合金材料優(yōu)良的抗輻射性能，以及通過改變其中銦、鎵的組分可優(yōu)選合金的禁帶寬度，并通過精確控制生長條件，如生長溫度、生長壓力、V/11I比，得到高質量的InxGai-XNp-n結結構，從而可在理論上達到28%的最大理論轉換效率本發(fā)明釆用新型In,Ga,-XN三元合金半導體材料，其結構和制作方法可應用于InxGai_XN系高效太陽能電池的制造請參閱圖1所示，本發(fā)明包括一種單結InxGai—XN太陽臺,b目匕電池結構，其中包括襯底lo，該襯底io包括藍寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底，也包括適合單結In,Ga,iN太陽能電池材料外延的其他襯底?！蜏氐壋珊藢?0，該低溫氮化鎵成核層20制作在襯底lo的上面，生長厚度為o.o1-0.05m贅優(yōu)選范圍為0.01-0.03um，該成核層可增加襯底表面的成核密度。一非有意摻雜氮化鎵緩沖層30，該非有意摻雜氮化鎵緩沖層30制作在低溫氮化鎵成核層20的上面，生長厚度為1.00-2.00nm，優(yōu)選范圍為l.50-2.00um，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量。一n型摻雜InxGa卜xN層40，該n型摻雜InxGa>-XN層40制作在非有意摻雜高阻氮化鎵緩沖層30的上面，生長厚度為O.l0-0.8Oiim，優(yōu)選范圍為0.10-0.40um，該n型摻雜層是In,Ga卜xNp-n結的一部分。一p型摻雜IrixGa!iN層50，該p型摻雜InxGa,iN層50制作在n型摻雜InxGa,—XN層40的上面，生長厚度為0.20-1.00iim，優(yōu)選范圍為0.20-0.50ixm，該p型摻雜層是InxGa,-xNp-n結的一部分。請再參閱圖l所示，本發(fā)明包括一種單結InxGai-XN太陽能電池制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括但不局限于金屬有機物化學氣相沉積技術、分子束外延技術和氣相外延技術，優(yōu)先采用金屬有機物化學氣相沉積技術。其中包括以下步驟步驟l:選擇一襯底l0，該襯底lO包括藍寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底，也包括適合單結InxGa,iN太陽能電池材料外延的其他襯底。步驟2:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，在襯底l0上生長低溫氮化鎵成核層20，生長溫度為450-650°C，生長壓力為l3.33-26.67kPa，厚度為0.01-0.05um，優(yōu)選范圍為O.O1-0.03um，500-600。C，該成核層可增加襯底表面的成核密度。步驟3:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，在低溫氮化鎵成核層2O上生長非有意摻雜氮化鎵緩沖層30，生長溫度為900-1100°C，生長壓力為13.33-26.67kPa，厚度為l.O0-2.00um，優(yōu)選范圍為l000-1100°C，1.50-2.00um，該緩沖層可減少外延層的位錯密度，提高晶體質量。步驟4:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在非有意摻雜氮化鎵緩沖層30上生長硅摻雜的n型摻雜InxGa卜xN層40，其中0.35《x《0.65，生長溫度為700-1100"C，生長壓力為l3.33-26.67kPa，厚度為O.l0-0.80um，電子濃度為0.5-5XI0'7cm3，優(yōu)選范圍為0.45《x《0.55，800-1100°C，0.10-0.40um，1-5X1019/cm3，該n型摻雜層是IruGa,—XNp-n結的一部分。步驟5:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，在硅摻雜的n型摻雜In,Ga,iN層4O上生長鎂摻雜的p型摻雜IruGa,iN層50，其中0.35《x《0.65，生長溫度為700-1100°C，生長壓力為l3.33-26.67kPa，厚度為0.20-1.00ym，空穴濃度為l-8X10'7cm3，優(yōu)選范圍為0.45《x《055，800—1100。C，0.20—0.50tim，5-8XI0'7cm3，該p型摻雜層是In,Ga,-XNp-n結的一部分。本發(fā)明單結In,Ga,-XN太陽能電池結構的各生長層的具體生長溫度、生長壓力及生長厚度如表l所示-<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>本發(fā)明降低了工藝難度，減少了工藝步驟，獲得了高質量的InxGai-XNp_n結結構材料，同時提高了材料的晶體質量、P-n結界面質量和材料的表面平整度。該材料結構可更有效地提高太陽能電池的光電轉換效率，因此，本發(fā)明可顯著改善和提高單結IruGa卜J太陽能電池的性能。權利要求1.一種單結銦鎵氮太陽能電池結構，其特征在于，其中包括一襯底；一低溫氮化鎵成核層，該低溫氮化鎵成核層制作在襯底的上面，該成核層可增加襯底表面的成核密度；一非有意摻雜氮化鎵緩沖層，該非有意摻雜氮化鎵緩沖層制作在低溫氮化鎵成核層的上面，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量；一n型摻雜InxGa1-xN層，該n型摻雜InxGa1-xN層制作在非有意摻雜高阻氮化鎵緩沖層的上面，該n型摻雜層是InxGa1-xNp-n結的一部分；一p型摻雜InxGa1-xN層，該p型摻雜InxGa1-xN層制作在n型摻雜InxGa1-xN層的上面，該p型摻雜層是InxGa1-xNp-n結的一部分。2、根據(jù)權利要求1所述的單結銦鎵氮太陽能電池，其特征在于，其中所述的襯底是藍寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底。3、根據(jù)權利要求1所述的單結銦鎵氮太陽能電池，其特征在于，其中所述的低溫氮化鎵成核層的厚度為0i1-0.05um，優(yōu)選范圍為O.O1-0.03um。4、根據(jù)權利要求1所述的單結銦鎵氮太陽能電池，其特征在于，其中所述的非有意摻雜氮化鎵緩沖層的厚度為1.00-2.00um，優(yōu)選范圍為l.50-2.00lim。5、根據(jù)權利要求1所述的單結銦鎵氮太陽能電池，其特征在于，其中所述的n型摻雜InxGai—XN層，厚度為0.10-0.80um，優(yōu)選范圍為O.l0-0.40m。6、根據(jù)權利要求1所述的單結銦鎵氮太陽能電池，其特征在于，其中所述的p型摻雜InxGaiiN層，厚度為0.20-1.00ym，優(yōu)選范圍為0.20-0.50mo7、一種單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1:選擇一襯底；步驟2:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，首先在襯底上生長一層低溫氮化鎵成核層，生長厚度為0.01--0.5Opm，優(yōu)選范圍為0.10-0.30um，該成核層可增加襯底表面的成核密度；步驟3:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變襯底溫度，在低溫氮化鎵成核層上生長非有意摻雜氮化鎵緩沖層，生長厚度為l.O0-2.00um，優(yōu)選范圍為1.50-2.00um，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量；步驟4:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在非有意摻雜氮化鎵緩沖層上生長硅摻雜的n型摻雜InxGa卜xN層，其中0.35《x《0.65，優(yōu)選范圍為0.45《x《0.55，生長厚度為0.10-0.8Oym，優(yōu)選范圍為O.l0-0.4Oym，該n型摻雜層是In,Ga卜xNp-n結的一部分。步驟5:采用金屬有機物化學氣相沉積技術，最后，在n型摻雜InxGaiiN層上生長鎂摻雜的p型摻雜InxGa卜xN層，其中0.35《x《0.65，優(yōu)選范圍為0.45《x《0.55，生長厚度為0.20-1.00um，優(yōu)選范圍為0.20-0.50um，該p型摻雜層是In,Ga,-XNp-n結的一部分。8、根據(jù)權利要求7所述的單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，其中所述的襯底是藍寶石襯底或碳化硅襯底或硅襯底。9、根據(jù)權利要求7所述的單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，其中所述的低溫氮化鎵成核層的生長溫度為450-650°C，優(yōu)選范圍為500-600°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa。10、根據(jù)權利要求7所述的單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，其中所述的非有意摻雜氮化鎵緩沖層的生長溫度為900-1100°C，優(yōu)選范圍為l000-1100°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa。11、根據(jù)權利要求7所述的單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，其中所述的n型摻雜IruGa,iN層的生長溫度為700-1100'C，優(yōu)選范圍為800-1100°C;生長壓力為l3.33-2667kPa;電子濃度為0.5-5XI0'7cm3，優(yōu)選范圍為1-5X10'Vcrn3。12、根據(jù)權利要求7所述的單結銦鎵氮太陽能電池的制作方法，其特征在于，其中所述的P型摻雜In,Ga,-,N層為鎂摻雜的p型摻雜In,Ga,-xN層，生長溫度為700-1100°C，優(yōu)選范圍為800-1100°C;生長壓力為l3.33-26.67kPa;空穴濃度為1-8X10'7cm3，優(yōu)選范圍為5-8X10/cmo全文摘要一種單結銦鎵氮太陽能電池結構，其特征在于，其中包括一襯底；一低溫氮化鎵成核層，該低溫氮化鎵成核層制作在襯底的上面，該成核層可增加襯底表面的成核密度；一非有意摻雜氮化鎵緩沖層，該非有意摻雜氮化鎵緩沖層制作在低溫氮化鎵成核層的上面，該緩沖層可減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量；一n型摻雜In_xGa_1-xN層，該n型摻雜In_xGa_1-xN層制作在非有意摻雜高阻氮化鎵緩沖層的上面，該n型摻雜層是In_xGa_1-xNp-n結的一部分；一p型摻雜InxGal-xN層，該p型摻雜In_xGa_1-xN層制作在n型摻雜In_xGa_1-xN層的上面，該p型摻雜層是In_xGa_1-xNp-n結的一部分。文檔編號H01L31/068GK101232050SQ200710062978公開日2008年7月30日申請日期2007年1月24日優(yōu)先權日2007年1月24日發(fā)明者冉學軍,張小賓,李建平,李晉閩,楊翠柏,王曉亮,王翠梅,肖紅領,胡國新申請人:中國科學院半導體研究所