本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到薄膜太陽能電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了應(yīng)對全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境問題的日益惡化，提高現(xiàn)有能源的使用效率，減少環(huán)境污染，積極地開發(fā)各種可再生的新能源刻不容緩。作為一種易獲取、可再生且安全的綠色能源，太陽能已經(jīng)逐漸從眾多新能源中脫穎而出，受到越來越多國家的重視。由于與現(xiàn)有的電力技術(shù)完全兼容，同時具有很高的安全保障性，太陽能在能源結(jié)構(gòu)中的比例正在逐年擴(kuò)大，并將在未來的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。太陽能的利用方式主要有光熱利用、光電利用、光化學(xué)利用以及光生物利用等。其中，太陽能光伏發(fā)電由于不受太陽輻射方式和地域限制，成為了最廣泛的應(yīng)用方式。太陽能電池是一種以半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的光電子器件，隨著生產(chǎn)規(guī)模和研發(fā)投入不斷擴(kuò)大，太陽能取代傳統(tǒng)能源成為人類社會主要能源指日可待。銦鎵氮(InGaN)薄膜太陽能電池作為一種新型的III-V族太陽能電池，由于InGaN合金的帶隙寬度在0.65eV到3.4eV之間連續(xù)可調(diào)，

而且僅僅需要改變其中的In組分就可以實現(xiàn)。除此之外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)[J. Wu: When group-III nitrides go infrared: new properties and perspectives. J. Appl. Phys.. 106, 1-28 (2009)]：(1)很高的吸收系數(shù)(~10⁵/cm)，意味著只需要很薄的材料就可以達(dá)到較高的效率；(2)很強(qiáng)的抗高能輻射的能力，在比較惡劣的環(huán)境中也有很高的可靠性；(3)有益的聲子帶隙結(jié)構(gòu)，使得熱載流子冷卻速率降低；(4)良好的導(dǎo)熱性能，有利于高倍聚光條件使用；(5)材料環(huán)境友好，不含有毒元素。基于這些優(yōu)點(diǎn)，InGaN材料在實現(xiàn)高效太陽能電池和全光譜太陽能電池方面展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在以往的薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)中，通常的結(jié)構(gòu)為p-i-n結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)的pn結(jié)上，中間加入吸收層所構(gòu)成。而在這種新型的III-V族太陽能電池領(lǐng)域中，通常運(yùn)用氮化鎵(GaN)作為p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體，中間的吸收層用不摻雜的InGaN合金，通過改變InGaN吸收層中In的組分就可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體能帶的大小，從而吸收不同波長的光。然而，GaN作為n型層也即電子傳輸層會帶來一些問題。第一，GaN與InGaN的晶格常數(shù)相差比較大，而且這一差值會隨著In組分的升高而變大。從而導(dǎo)致材料中的壓電極化效應(yīng)明顯，這一效應(yīng)十分不利于光生電子的運(yùn)輸，最后導(dǎo)致效率降低[J.-Y. Chang, Y.-K. Kuo: Numerical study on the influence of piezoelectric polarization on the performance of p-on-n (0001)-face GaN/InGaN p-i-n solar cells. IEEE Electron Device Lett.. 32, 937-939 (2011)]。第二，GaN與InGaN兩種材料的電子親和勢不同，導(dǎo)致了在n型層和吸收層形成了界面勢壘，同樣會不利于載流子的運(yùn)輸從而降低轉(zhuǎn)換效率[Yen-Kuang Kuo, Jih-Yuan Chang, Ya-Hsuan Shih, Numerical Study of the Effects of Hetero-Interfaces, Polarization Charges, and Step-Graded Interlayers on the Photovoltaic Properties of (0001) Face GaN/InGaN p-i-n Solar Cell, IEEE Journal of Quantum Electronics, 48 (2012) 367-374]。GaN作為p型材料也會導(dǎo)致壓電極化效應(yīng)明顯，不利于載流子運(yùn)輸。另一方面，p型GaN摻雜的濃度都不會太高，從而不能形成很好的內(nèi)建電場[Chloe A.M. Fabien, W. Alan Doolittle: Guidelines and limitations for the design of high-efficiency InGaN single-junction solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 130, 354-363 (2014)]。綜上所述，p-i-n型InGaN薄膜太陽能電池目前為止所達(dá)到的效率都不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于氧化鋅作為電子輸運(yùn)層的銦鎵氮薄膜太陽能電池，以解決p-i-n型InGaN薄膜太陽能電池存在的壓電極化，界面電勢和p型摻雜等問題，從而使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率更加高。為了達(dá)到這一目的，我們主要對傳統(tǒng)的p-i-n型薄膜太陽能電池的p型和n型材料以及對器件的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時保留了InGaN材料作為太陽能電池的優(yōu)勢。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

對于電子傳輸層而言，傳統(tǒng)的GaN材料的晶格常數(shù)為3.548?，而氮化銦(InN)的晶格常數(shù)為3.189?，當(dāng)In的組分越來越高，InGaN的晶格常數(shù)越接近InN，所以晶格失配導(dǎo)致的壓電極化也越來越強(qiáng)[Vurgaftman, I., J.R. Meyer, and L. R. Ram-Mohan: Band Parameters for III-V Compound Semiconductors and their Alloys. Journal of Applied Phys.. 89, 5815-5875 (2001)]。由于氧化鋅(ZnO)的晶格常數(shù)為3.2495?，而且從成本的角度上考慮更加廉價，所以我們選擇晶格常數(shù)更接近InN的ZnO作為太陽能電池的電子傳輸層[Look D C: Recent advances in ZnO materials and devices. Mater. Sci. Eng. B.. 80, 383-387 (2001)]。除此之外，ZnO作為n型材料的電子親和勢(4.5eV)比GaN的電子親和勢(4eV)要高，所以在與InGaN吸收層形成界面勢壘時，ZnO形成的勢壘比GaN的勢壘要低，更有利于光生電子傳輸?shù)絥型層被電子所收集[Look D C: Recent advances in ZnO materials and devices. Mater. Sci. Eng. B.. 80, 383-387 (2001)]。同時，p型層的GaN也需要換一種材料來解決極化效應(yīng)和p型摻雜的問題。這里我們考慮到，一般GaN生長過程中通常用Mg作為p型摻雜物，但是由于Mg激活能太高而導(dǎo)致p型摻雜濃度很低。所以，我們選擇了InGaN作為p型層來形成p-i-n結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗中的報道，Mg在InGaN中的激活能比在GaN中低出許多[B.N. Pantha, A. Sedhain, J. Li, J.Y. Lin, H.X. Jiang: Electrical and optical properties of p-type InGaN. Appl. Phys. Lett. 95,261904 (2009)]，這就意味著，我們可以達(dá)到很高的空穴濃度。除此之外，吸收層與p型層都選擇InGaN材料的話，可以減少極化效應(yīng)帶來的影響。我們改進(jìn)之后的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1所示的器件面積為1mm×1mm。薄膜太陽電池器件從襯底開始，在襯底上直接生長n型ZnO電子傳輸層，之后在由未摻雜的InGaN和p型InGaN層組成p-i-n太陽能電池結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的一種基于氧化鋅作為電子輸運(yùn)層的銦鎵氮薄膜太陽能電池是通過以下具體的技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種基于氧化鋅作為電子輸運(yùn)層的銦鎵氮薄膜太陽能電池，其結(jié)構(gòu)包括：襯底，在襯底上依次形成的電子傳輸層、光吸收層、空穴傳輸層，以及兩端的正負(fù)電極。其特征在于：所述的電子傳輸層為ZnO層，光吸收層為In_xGa_1-xN層，空穴傳輸層為In_yGa_1-yN層。

本發(fā)明所述的光吸收層組分為0.2<x<0.4。

本發(fā)明所述的空穴傳輸層組分為0.2<y<0.4。

本發(fā)明所述的襯底為硅或藍(lán)寶石。

進(jìn)一步，本發(fā)明還可以在所述的電子傳輸層與襯底之間形成一層GaN過渡層。

本發(fā)明的有益效果是，在改進(jìn)太陽能電池的電子傳輸層和空穴傳輸層的材料之后，更加有利于吸收層產(chǎn)生的光生載流子輸運(yùn)到兩端的電極上，從理論計算表明，能夠?qū)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池3-4%的轉(zhuǎn)換效率，極大地增加到15%。圖2、圖3分別給出了傳統(tǒng)GaN作為n型層的太陽電池和本發(fā)明改進(jìn)之后的太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)，可以很清楚地看出ZnO作為電子傳輸層大大減少了電子輸運(yùn)的勢壘。除此之外，并且ZnO材料的價格比GaN材料要低。

附圖說明

圖1是實施例1的ZnO/InGaN太陽能電池示意圖(主視圖)。圖中：1-1為20nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N層，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3；1-2為500nm厚的未摻雜的In_0.4Ga_0.6N層；1-3為1μm厚的n型ZnO層，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3；1-4為硅襯底；1-5為電極。

圖2為傳統(tǒng)的GaN作為電子傳輸層的太陽電池能帶圖。

圖3為本發(fā)明改進(jìn)的ZnO作為電子傳輸層的太陽能電池能帶圖。

圖4是實施例2的ZnO/InGaN太陽能電池示意圖(主視圖)。圖中：2-1為20nm厚的p型In_0.4Ga_0.6N層，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3；2-2為400nm厚的未摻雜的In_0.4Ga_0.6N層；2-3為1.5μm厚的n型ZnO層，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3；2-4為硅襯底；2-5為電極。

圖5是實施例3的ZnO/InGaN太陽能電池示意圖(主視圖)。圖中：3-1為50nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N層，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3；3-2為500nm厚的n型In_0.4Ga_0.6N層，電子濃度是1×10¹⁶cm^-3；3-3為2μm厚的n型ZnO層，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3；3-4為 硅襯底；3-5為電極。

圖6是實施例4的ZnO/InGaN太陽能電池示意圖(主視圖)。圖中：4-1為100nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N層，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3；4-2為500nm厚的未摻雜的In_0.2Ga_0.8N層；4-3為3μm厚的n型ZnO層，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3；4-4為1μm厚未摻雜的GaN過渡層；4-5為藍(lán)寶石襯底；4-6為電極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

在圖1中，我們選用硅作為襯底1-4，在襯底1-4之上生長1μm的n型ZnO電子傳輸層1-3，摻入濃度約為8×10¹⁸cm^-3的n型雜質(zhì)。在n型ZnO電子傳輸層1-3之上繼續(xù)生長500nm厚的未摻雜的InGaN吸收層1-2，InGaN吸收層1-2的In組分為0.4。然后在InGaN吸收層1-2上生長20nm厚的p型InGaN空穴傳輸層1-1，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3并且In組分為0.2。最后在襯底1-4和p型InGaN空穴傳輸層1-1上生長電極1-5，這樣便構(gòu)成了p-i-n薄膜太陽能電池的最核心結(jié)構(gòu)。

在圖4的實施例2中，我們?nèi)匀皇褂霉枳鳛橐r底2-4，在襯底2-4之上生長1.5μm厚的n型ZnO電子傳輸層2-3，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO電子傳輸層2-3之上繼續(xù)生長400nm厚的未摻雜的InGaN吸收層2-2，InGaN吸收層2-2的In組分為0.4。然后在InGaN吸收層2-2上生長20nm厚的p型InGaN空穴傳輸層2-1，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3并且In組分為0.4。在器件的p型InGaN空穴傳輸層2-1和襯底2-4加入電極2-5。

在圖5的實施例3中，我們?nèi)匀皇褂霉枳鳛橐r底3-4，在襯底3-4之上生長2μm厚的n型ZnO電子傳輸層3-3，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO電子傳輸層3-3之后繼續(xù)生長500nm厚的n型摻雜InGaN吸收層3-2，電子濃度為1×10¹⁶cm^-3，吸收層的In組分為0.4。然后在n型摻雜InGaN吸收層3-2上生長50nm厚的p型InGaN空穴傳輸層3-1，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3并且In組分為0.2。在器件的p型InGaN空穴傳輸層3-1和襯底3-4加入電極3-5。

在圖6的實施例4中，我們選擇藍(lán)寶石作為襯底4-5，在襯底4-5之上先生長1μm的GaN過渡層4-4，然后在GaN過渡層4-4上生長3μm厚的n型ZnO電子傳輸層4-3，電子濃度為8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO電子傳輸層4-3之后繼續(xù)生長500nm厚的未摻雜的InGaN吸收層4-2，InGaN吸收層4-2的In組分為0.2。然后在InGaN吸收層4-2上生長100nm厚的p型InGaN空穴傳輸層4-1，空穴濃度為4×10¹⁸cm^-3并且In組分為0.2。在p型InGaN空穴傳輸層4-1和n型ZnO電子傳輸層4-3的上方安置電極4-6。