專利名稱：垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池，尤其是涉及一種垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，為了維護(hù)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，人們開始提倡開發(fā)環(huán)保、清潔的可再生新能源。其中，太陽能被認(rèn)為是人類可利用的最直接的綠色能源，并且它是取之不盡、用之不竭的。而太陽能電池可利用光生伏特效應(yīng)將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，開展太陽能電池研究，發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)能源的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。
目前，太陽能電池主要以硅(包括單晶，多晶和非晶)太陽電池為主，化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池、有機(jī)和塑料太陽電池、染料敏化太陽電池等也逐漸興起。近幾年來，由于III族氮化物表現(xiàn)出優(yōu)越的光伏特性，吸引人們探索其在太陽能電池方面的應(yīng)用。首先，研究者于2002年修正InN的禁帶寬度約為0.65eV,這就使得InGaN材料的帶隙隨In組分的變化可以在3.4eV (GaN)和0.65eV (InN)之間連續(xù)可調(diào)，其對(duì)應(yīng)的吸收范圍幾乎覆蓋整個(gè)太陽光譜。此外，它還是直接帶隙材料，具有高的吸收系數(shù)，強(qiáng)的抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn)。這些表明InGaN材料適合于制作航空領(lǐng)域的太陽能電池，而且這種同一合金體系的材料在制作全光譜高效多結(jié)太陽能電池方面也有很好的應(yīng)用前景。但是，InGaN太陽能電池尚處于發(fā)展的起步階段，有許多技術(shù)困難有待攻克。其中面臨的一個(gè)問題就是藍(lán)寶石襯底異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN基薄膜，而這卻使該太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率受到很大限制。我們知道，GaN的體單晶制備異常困難，大面積厚層單晶GaN的生長(zhǎng)難以直接獲得，目前GaN基材料普遍采用價(jià)格相對(duì)低廉的藍(lán)寶石作為異質(zhì)襯底([5]D.A.Steigerwald, J.C.Bhat, D.Collins, et al.“ Illumination with solid state lighting technology.，’IEEE Journalof Selected Topics in Quantum Electronics, 2002，8 (2): 310-320)。而這種絕緣的藍(lán)寶石襯底就限制了 InGaN太陽能電池的結(jié)構(gòu)制作，只能采用同側(cè)臺(tái)階電極。同側(cè)臺(tái)階電極結(jié)構(gòu)的電流為側(cè)向注入，導(dǎo)致流過有源層的電流不均勻，出現(xiàn)電流簇?fù)硇?yīng)([6]X.Guo, E.Y.Schubert.“Current crowding in GaN/InGaN light emitting diodes on insulatingsubstrates.” Journal of Appllied Physics.，2001，90:4191-4195)、局部熱效應(yīng)等問題，影響了器件工作的可靠性，縮短使用壽命，降低了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可提高電池電流均勻性和散熱性，延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)增強(qiáng)電池對(duì)入射光的吸收，提高光電轉(zhuǎn)換效率的垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池及其制備方法。
本發(fā)明所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池設(shè)有:
支撐襯底；
鍵合介質(zhì)層，所述鍵合介質(zhì)層位于支撐襯底上；
金屬反射鏡層，所述金屬反射鏡層位于鍵合介質(zhì)層上；p-GaN層，所述ρ-GaN層位于金屬反射鏡層上；InGaN吸收層，所述InGaN吸收層位于p_GaN層上；n-GaN層，所述η-GaN層位于InGaN吸收層上；柵狀電極，所述柵狀電極位于n-GaN層上。本發(fā)明所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:I)在外延片表面鍍上金屬電極，并當(dāng)作反射鏡使用；2)將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合于支撐基板上；3)采用激光剝離技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底，將外延薄膜轉(zhuǎn)移到支撐基板上；4)粗化 n-GaN 表面；5)制作器件臺(tái)面；6)制作柵狀n-GaN表面電極，得垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池。在步驟I)中，所述金屬可采用與p-GaN形成歐姆接觸并具有高反射率的金屬，或先蒸鍍與P-GaN形成歐姆接觸的材料，再蒸鍍具有高反射率的金屬；所述金屬可選自單層的Al、單層的Ag，或多層的其它金屬。在步驟2)中，所述將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合于支撐基板上，其鍵合介質(zhì)可為液體狀粘結(jié)劑，或薄的金屬過渡層。在步驟3)中，所述藍(lán)寶石襯底上的InGaN基外延薄膜為p_n結(jié)構(gòu)、p-1-n結(jié)構(gòu)或多節(jié)結(jié)構(gòu)，可形成InGaN同質(zhì)結(jié)或GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，InGaN吸收層可為InGaN厚膜、InGaN量子點(diǎn)或者含有InGaN薄膜的多量子講結(jié)構(gòu)。在步驟4)中，所述粗化n-GaN表面可采用干法或濕法粗化法。在步驟6)中，所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的P型和η型電極位于異側(cè)，且η型電極為柵狀結(jié)構(gòu)。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:1.利用本發(fā)明可以避免同側(cè)電極帶來的電流不均勻性和局部熱效應(yīng)，延長(zhǎng)電池的
使用壽命。2.利用本發(fā)明在電池的背面制作反射鏡，增強(qiáng)了對(duì)入射光的吸收，增大光生載流子數(shù)目，從而有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池實(shí)施例的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。參見圖1，本發(fā)明提供了垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池結(jié)構(gòu):支撐襯底7，該襯底可選用石英片或者鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、硅(Si)等具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性基板；鍵合介質(zhì)層6，鍵合介質(zhì)為液體狀粘結(jié)劑，或薄的金屬過渡層；
金屬反射鏡層5，該層可選用與P-GaN形成歐姆接觸并具有高反射率的金屬，或先蒸鍍與P-GaN形成歐姆接觸的材料，再蒸鍍具有高反射率的金屬，它可以是單層的Al、Ag或多層其它金屬；
ρ-GaN 層 4、12，該層厚度 100 300nm，空穴濃度為 5 X IO17 5 X IO18CnT3 ；
InGaN吸收層3、11，該層不摻雜，可為InGaN厚膜、InGaN量子點(diǎn)或者含有InGaN薄膜的多量子阱結(jié)構(gòu)，InGaN的厚度視結(jié)構(gòu)而定，如InGaN厚膜約100 400nm ；
n-GaN層2、10，該層厚度 500 I μ m，電子濃度為 3 X IO18 I X IO19CnT3 ；
柵狀電極8、9，該電極選用與n-GaN形成歐姆接觸的金屬，如Cr/Au、Ti/Al/Ti/Au坐寸ο
選用的藍(lán)寶石襯底上外延層可形成p-n結(jié)構(gòu)、p-1-n結(jié)構(gòu)或多節(jié)結(jié)構(gòu)，可采用InGaN同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)形式，吸收層可為InGaN厚膜、InGaN量子點(diǎn)或者含有InGaN薄膜的多量子講結(jié)構(gòu)。
為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照?qǐng)D2(a) (g)，對(duì)本發(fā)明制備垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明，步驟如下:
步驟1:如圖2(a)，將生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底I上的GaN基薄膜外延片采用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法:即甲苯、丙酮、乙醇各超聲5min，再用去離子水充分沖洗，將樣品放入120°C烘箱30min以上，充分去除水分。
步驟2:在外延片表面蒸鍍反射鏡層 5:Ni/Ag/Ni/Au (2nm/150nm/150nm/200nm),在500°C的溫度下退火5min，使金屬與ρ-GaN形成歐姆接觸，這種高反射率的多層合金又可當(dāng)做反射鏡使用，如圖2 (b)所示。
步驟3:將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合到石英支撐基板7上，反射鏡層5和支撐基板7之間是鍵合介質(zhì)層6,如圖2 (c)所示。
步驟4:采用波長(zhǎng)為248nm，脈寬為25ns的KrF準(zhǔn)分子激光器，調(diào)節(jié)均勻光斑透過藍(lán)寶石I輻照樣品。去除藍(lán)寶石襯底I后便將InGaN基薄膜轉(zhuǎn)移到石英支撐基板7上，如圖2 Cd)所示。
步驟5:將剝離后的樣品浸入KOH水溶液(6mol/L) 6min左右進(jìn)行樣品表面粗化(在圖中，用標(biāo)記A表示)，用去離子水沖洗后氮?dú)鈽尨蹈?。這種粗化的表面可以減小入射光的反射，樣品表面示意圖如2 (e)所示。
步驟6:將樣品烘干水分取出待降溫后經(jīng)甩膠、前烘、曝光、顯影、清洗，在樣品表面形成一個(gè)個(gè)方塊狀的臺(tái)面掩模區(qū)域，用等離子體去膠機(jī)去除光刻膠底膜，再把樣品放入烘箱固化，最后將樣品放入感應(yīng)稱合等離子體ICP(inductively coupled plasma)刻蝕機(jī)中刻蝕GaN基材料?？涛g深度根據(jù)外延層的厚度估計(jì)，刻蝕至金屬反射鏡為止。將樣品放入丙酮溶液長(zhǎng)時(shí)間浸泡后去除光刻膠，清洗吹干后露出的金屬即可作為接觸電極。此時(shí)在外延層上已制備出一個(gè)個(gè)獨(dú)立器件臺(tái)面，如圖2 (f)局部圖所示，右側(cè)又多出一個(gè)重復(fù)單元Cn-GaN層10、InGaN吸收層11和ρ-GaN層12與左側(cè)結(jié)構(gòu)的n_GaN層2、InGaN吸收層3和P-GaN層4相對(duì)應(yīng))。
步驟7:經(jīng)甩膠、前烘、曝光、顯影、清洗，在樣品表面制作柵狀電極掩模，蒸鍍柵狀電極8、9Cr/Au (20nm/200nm)于表面,然后浸入丙酮溶液。電極以外的金屬將隨著光刻膠剝離，清洗吹干，最終完成柵狀電極的制作，如圖2 (g)所示。在圖2中，標(biāo)記A表示表面粗化。本發(fā)明最大的特點(diǎn)是:提出了一種在藍(lán)寶石襯底上的外延材料制備InGaN太陽能電池的方法，解決了因藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電制成同側(cè)電極后電流不均勻，導(dǎo)熱性差等問題。此外在垂直結(jié)構(gòu)中還有利于添加反射鏡，增強(qiáng)電池對(duì)入射光的吸收，進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明為了克服藍(lán)寶石襯底帶來的不利影響，提高InGaN太陽能電池的的轉(zhuǎn)換效率，采用鍵合以及激光剝離技術(shù)，將InGaN基外延薄膜轉(zhuǎn)移至其他支撐基板上，甚至是鎳、銅、鉻、硅等具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性基板上，制作成垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池，如圖1所示。該方案中采用的激光剝離技術(shù)是采用紫外波段的激光光源透過藍(lán)寶石襯底輻照樣品，其光子能量介于GaN和藍(lán)寶石的帶隙Eg之間(EgGaN〈EgLaser〈EgSapphire),激光透過藍(lán)寶石襯底被藍(lán)寶石/GaN界面處的GaN吸收，使GaN發(fā)生熱分解,從而與藍(lán)寶石襯底相分尚。這種垂直結(jié)構(gòu)電池的電極位于異側(cè)，有效避免了上述同側(cè)電極帶來的不良效應(yīng)，而且方便添加底部反射鏡，增大電池對(duì)入射光的吸收，實(shí)現(xiàn)InGaN電池轉(zhuǎn)換效率的提高。
權(quán)利要求
1.垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池，其特征在于設(shè)有: 支撐襯底； 鍵合介質(zhì)層，所述鍵合介質(zhì)層位于支撐襯底上； 金屬反射鏡層，所述金屬反射鏡層位于鍵合介質(zhì)層上； P-GaN層,所述ρ-GaN層位于金屬反射鏡層上； InGaN吸收層，所述InGaN吸收層位于ρ-GaN層上； n-GaN層，所述n_GaN層位于InGaN吸收層上； 柵狀電極，所述柵狀電極位于n-GaN層上。
2.如權(quán)利要求1所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在外延片表面鍍上金屬電極，并當(dāng)作反射鏡使用； 2)將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合于支撐基板上； 3)采用激光剝離技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底，將外延薄膜轉(zhuǎn)移到支撐基板上； 4)粗化n-GaN表面； 5)制作器件臺(tái)面； 6)制作柵狀n-GaN表面電極，得垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池。
3.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述金屬采用與P-GaN形成歐姆接觸并具有高反射率的金屬，或先蒸鍍與p-GaN形成歐姆接觸的材料，再蒸鍍具有高反射率的金屬。
4.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述金屬選自單層的Al、單層的Ag，或多層的其它金屬。
5.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合于支撐基板上，其鍵合介質(zhì)為液體狀粘結(jié)劑，或薄的金屬過渡層。
6.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述藍(lán)寶石襯底上的InGaN基外延薄膜為p-n結(jié)構(gòu)、p-1-n結(jié)構(gòu)或多節(jié)結(jié)構(gòu),形成InGaN同質(zhì)結(jié)或GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，InGaN吸收層為InGaN厚膜、InGaN量子點(diǎn)或者含有InGaN薄膜的多量子阱結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述粗化n-GaN表面采用干法或濕法粗化法。
8.如權(quán)利要求2所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的制備方法，其特征在于在步驟6)中，所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池的p型和η型電極位于異側(cè)，且η型電極為柵狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池及其制備方法，涉及太陽能電池。所述垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池設(shè)有支撐襯底；鍵合介質(zhì)層；金屬反射鏡層；p-GaN層；InGaN吸收層；n-GaN層；柵狀電極。在外延片表面鍍上金屬電極，并當(dāng)作反射鏡使用；將鍍上反射鏡的外延片倒置鍵合于支撐基板上；采用激光剝離技術(shù)剝離藍(lán)寶石襯底，將外延薄膜轉(zhuǎn)移到支撐基板上；粗化n-GaN表面；制作器件臺(tái)面；制作柵狀n-GaN表面電極，得垂直結(jié)構(gòu)InGaN太陽能電池?？梢员苊馔瑐?cè)電極帶來的電流不均勻性和局部熱效應(yīng)，延長(zhǎng)電池的使用壽命；在電池的背面制作反射鏡，增強(qiáng)了對(duì)入射光的吸收，增大光生載流子數(shù)目，從而有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/0693GK103151416SQ20131008467
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者張保平, 蔡曉梅, 張江勇, 余健, 王宇 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)