专利名称：一种InGaN太阳能电池外延片及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种InGaN太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
近年来，以GaN、InGaN为代表的III族氮化物太阳能电池成为人们研究的热点。研究表明，InN的禁带宽度为0. 7eV，这意味着通过调节hfahN三元合金中的InN组分，其对应的吸收光谱的波长几乎完整地覆盖了整个太阳光谱。由于h组分的连续可调，能够达到设计的理想禁带宽度组合，而易获得更高的转换效率，多结InGaN电池光电转换效率最高可达太阳能电池的最大转化效率72%。现有的InGaN太阳能电池基本都是单结的，即吸收层只有一个，如一层未掺杂 InGaN层或hGaN/GaN量子阱。InGaN太阳能电池主要是普通的P_I_N结构，如图6所示， 一般包括衬底、缓冲层、η型层、吸收层、ρ型层。其中衬底材料可采用蓝宝石、SiC、Si、GaN 等。吸收层可以采用一定厚度的非故意掺杂的hGaN层，也可采用hGaN/GaN量子阱结构。 虽然InGaN带边吸收强烈，但是其吸收谱却很窄，采用一定厚度的非故意掺杂的InGaN层， 或采用InGaN/GaN量子阱结构，只能在较窄的光波范围产生较强的吸收。要提高太阳能电池效率最佳的结构是生长多结太阳能电池，需要生长^组分不同的多结结构，使其在较宽的光波范围产生较强吸收。然而，由于高h组分MiaN制备困难，且多结结构很复杂，需要在结与结之间生长高载流子浓度的隧穿结，其生长难度较大，容易形成很多缺陷，导致暗电流过大等不利影响。
发明内容
本发明的一个目的是克服现有技术的不足，提供一种太阳能电池外延片，从而提高InGaN基太阳能电池外延片性的能。本发明的另一个目的是提供所述外延片的制备方法。本发明的第一个发明目的通过以下技术方案来予以实现
提供一种InGaN太阳能电池外延片，所述外延片的结构从下至上依次为衬底、缓冲层、 η型层、吸收层I、吸收层II和ρ型层。衬底与η型层可根据现有技术生长一低温缓冲层。优选地，所述缓冲层和η型层之间还可以包括一层未掺杂GaN层。最好的是，所述吸收层I为InGaN/GaN量子阱层结构，为多量子阱，周期范围为 8 15。最好的是，所述吸收层II为未掺杂的InGaN层。本发明外延片在量子阱吸收层I后生长未掺杂的InGaN吸收层II，所述吸收层II 的^!组分可以比量子阱的低，也可以比量子阱的高。这样的发明设计，一方面，由于增加了未掺杂的InGaN吸收层II，可以拓宽吸收谱的宽度，从而增加太阳能电池量子效率；另一方面，吸收层II增加了吸收层的厚度从而增加了对光子的吸收，提高太阳能电池的整体光电转换效率。所采用的吸收层II，如果吸收谱能够与量子阱的吸收谱刚好匹配的话就能够达到接近多结太阳能电池的光电转换效率，而且其暗电流等性能参数与单结太阳能电池相当。 总体来说增加的吸收层II都是可以增加光电转换效率，从而提升电池性能的
最好的是，所述吸收层II中h组分一般为ο. 0Γ0. 5。最好的是，生长的吸收层II的h组分可以是恒定的也可以是渐变的，恒定的生长较容易，但是其吸收谱宽度恒定，而渐变的生长难度大，但是晶格匹配更好。最好的是，所述吸收层II厚度一般为3ηπΓ 00ηπι。最好的是，所述吸收层II生长完成后可以有GaN覆盖层，也可以没有GaN覆盖层。最好的是，所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。最好的是，本发明外延片η型层优选η型GaN :si层。最好的是，所述ρ型层为ρ型GaN:Mg层，或ρ型AlGaN = Mg层和GaN:Mg层。本发明的第二个发明目的是提供一种具有双吸收层的InGaN太阳能电池的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，包括以下步骤
(1)在1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；
(3)在1000°C的温度下，在衬底上生长η型层；
(4)将温度降至650°C 780°C，生长量子阱吸收层I；
(5)温度650°C 780°C，生长未掺杂的InGaN吸收层II；
(6 )温度升至800 V 1000 °C，生长ρ型层即制备得到所述外延片。由于hGaN和GaN有较大的晶格失配，且本发明中i型hGaN层的厚度较厚，超出了 GaN上生长InGaN的临界厚度，所以获得的InGaN层都是弛豫的。弛豫的InGaN层会产生很多位错，在之后生长量子阱，会使得量子阱的结晶质量很差，这样不利于提高电池的光电转换效率。所以需要先行生长量子阱层，再其后生长未掺杂的InGaN层可以获得结晶质量较高的量子阱和未掺杂InGaN层。与现有技术相比，本发明的有益效果是
(1)本发明外延片在量子阱吸收层I后生长未掺杂的InGaN吸收层II，这样的发明设计，一方面，由于增加了未掺杂的InGaN吸收层II，可以拓宽吸收谱的宽度，从而增加太阳能电池量子效率；另一方面，吸收层II增加了吸收层的厚度从而增加了对光子的吸收，提高太阳能电池的整体光电转换效率。由于量子阱吸收层I和InGaN吸收层II的吸收限不同， 可以有效拓宽吸收谱；同时，由于i型InGaN层也可以吸收光子，引入此层可以增加吸收层的总厚度，从而提高了光电转换效率，提高了太阳能电池的整体性能
由于InGaN和GaN有较大的晶格失配，且本发明中i型InGaN层的厚度较厚，超出了 GaN上生长InGaN的临界厚度，所以获得的InGaN层都是弛豫的。弛豫的InGaN层会产生很多位错，在之后生长量子阱，会使得量子阱的结晶质量很差，这样不利于提高电池的光电转换效率。本发明通过先行生长量子阱层，在其后生长未掺杂的InGaN层从而获得结晶质量较高的量子阱和未掺杂InGaN层。(2)本发明提供所述外延片的制备方法简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
图1为实施例1的InGaN太阳能电池外延片结构示意图； 图2为实施例2的InGaN太阳能电池外延片结构示意图3为实施例3的InGaN太阳能电池外延片结构示意图； 图4为实施例4的InGaN太阳能电池外延片结构示意图； 图5为实施例5的InGaN太阳能电池外延片结构示意图； 图6为现有技术InGaN太阳能电池外延片结构示意图； 图7为本发明InGaN太阳能电池外延片结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图进一步详细说明如图7所示，为本发明InGaN太阳能电池外延片结构示意图。具体实施例如下
实施例1
具有双吸收层WhGaN太阳能电池外延片的结构如附图1所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、η型GaN层、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN层、GaN覆盖层和ρ 型feiN层。其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温缓冲层； 升温至1050°C，生长厚度为1. 0 μ m的未掺杂GaN层；
(3)在1000°C的温度下生长厚度为2.Oym的η型GaN: Si层；
(4)在730°C生长hGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为8；
(5)将温度升至760°C生长30nm的i型InGaN层，h组分为0.05 ；不变温直接生长 4nm的无掺GaN覆盖层；
(6)升温至950°C生长ρ型GaN:Mg层，厚度为0.15 μ m。这种外延片的结构特点是在量子阱生长完后，生长了 30nm厚In组分为0. 05的i 型InGaN作吸收层。采用此结构，可以增加对短波高能光子的吸收，从而增大电池的光电转换效率，并且由于InGaN层较薄，暗电流较小。实施例2
具有双吸收层WhGaN太阳能电池外延片的结构如附图2所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、η型GaN层、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN层、GaN覆盖层、ρ 型AlGaN层和ρ型GaN层。其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温缓冲层；升温至1050°C，生长厚度为Ι.Ομπι的未掺杂GaN层；
(3)在1000°C的温度下生长厚度为2.Oym的η型GaN: Si层；(4)在730°C生长hGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为10；
(5)将温度升至750°C生长80nm的i型InGaN层，h组分为0.1 ；不变温直接生长 4nm的无掺GaN覆盖层；
(6)升温至950°C生长20nmρ型AlGaN:Mg层，Al组分为0. 1 ；不变温直接生长ρ型 GaN:Mg 层，厚度为 0. 15 μ m。这种外延片的结构特点是在量子阱生长完后，生长了 SOnm厚h组分为0. 1的i 型hGaN作吸收层。采用此结构，由于i型hGaN层的厚度较厚，且hGaN i层的吸收谱较宽，可以很明显的增加量子效率，提高光电转换效率更明显。而且由于增加了 P型AlGaN层作电子阻挡层，可以有效提高电子的收集，从而增加了短路电流，提高光电转换效率。实施例3
具有双吸收层WhGaN太阳能电池外延片的结构如附图3所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、η型GaN层、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN层、GaN覆盖层和ρ 型feiN层。其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至1000°c在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温缓冲层；升温至1050°C，生长厚度为Ι.Ομπι的未掺杂GaN层；
(3)在1000°C的温度下生长厚度为2.Oym的η型GaN: Si层；
(4)在730°C生长hGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为15；
(5)将温度降至680°C生长50nm的i型InGaN层，In组分为0.4 ；不变温直接生长5nm 的无掺GaN覆盖层；
(6)升温至950°C生长ρ型GaN:Mg层，厚度为0.15 μ m。这种外延片的结构特点是在量子阱生长完后，生长了 50nm厚h组分为0. 4的i 型InGaN作吸收层。采用此结构，由于i型InGaN层的h组分很高，其吸收波长较量子阱吸收波长长，因此可以提高电池对长波方向的吸收，从而增加电池的光电转换效率。实施例4
具有双吸收层WhGaN太阳能电池外延片的结构如附图4所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、η型GaN层、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN层、GaN覆盖层、ρ 型AlGaN层和ρ型GaN层。其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温缓冲层；升温至1050°C，生长厚度为Ι.Ομπι的未掺杂GaN层；
(3)在1000°C的温度下生长厚度为2.Oym的η型GaN: Si层；
(4)在730°C生长hGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为10；
(5)降温至680°C并线性升温至760°C生长50nm的i型InGaN层，In组分为0.4 0. 05 渐变；不变温直接生长5nm的无掺GaN覆盖层；
(6)升温至950°C生长20nmρ型AlGaN:Mg层，Al组分为0. 1 ；不变温直接生长ρ型 GaN:Mg 层，厚度为 0. 15 μ m。
这种外延片的结构特点是在量子阱生长完后，生长了 50nm厚h组分从0. 4渐变至0. 05的InGaN层作吸收层。采用此结构，由于h组分是渐变的并且InGaN的带边吸收强烈，所以可以很大的拓宽吸收层的吸收谱宽度，从而增加对不同波长的光子吸收，增大太阳能电池的光电转换效率。实施例5
具有双吸收层WhGaN太阳能电池外延片的结构如附图5所示，从下至上依次为衬底、 低温缓冲层、未掺杂GaN层、η型GaN层、InGaN/GaN量子阱、i型InGaN层和ρ型GaN层。其制备方法为
(1)采用MOCVD设备，升温至1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；
(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温缓冲层；升温至1050°C，生长厚度为Ι.Ομπι的未掺杂GaN层；
(3)在1000°C的温度下生长厚度为2.Oym的η型GaN: Si层；
(4)在730°C生长hGaN/GaN量子阱，量子阱周期数为15；
(5)将温度升至750°C生长50nm的i型InGaN层，In组分为0.1 ；
(6)升温至950°C生长ρ型GaN:Mg层，厚度为0.15 μ m。这种外延片的结构特点是在生长50nm In组分为0. 1的i型InGaN作吸收层后， 未生长GaN覆盖层。由于GaN覆盖层可以阻挡ρ区空穴的扩散，因此此种结构的hGaN层可能会有受主中心的存在，可以提高空穴浓度，从而一定程度上增加对空穴的收集，提高电池的光电转换效率。
权利要求
1.一种InGaN太阳能电池外延片，其特征在于所述外延片的结构从下至上依次为衬底、缓冲层、η型层、吸收层I、吸收层II和ρ型层，所述吸收层II位于吸收层I和ρ型层之间。
2.根据权利要求1所述具有双吸收层的hGaN太阳能电池外延片，其特征在于，所述吸收层I为量子阱层结构。
3.根据权利要求1所述InGaN太阳能电池外延片，其特征在于，所述吸收层II为非故意掺杂的i型InGaN层。
4.根据权利要求3所述的InGaN太阳能电池外延片，特征在于，所述InGaN吸收层II的 h组分为0.01 0.5。
5.根据权利要求4所述InGaN太阳能电池外延片，其特征在于，所述InGaN吸收层II的 ^组分是恒定的，或者是在所述范围内渐变的。
6.根据权利要求3所述的InGaN太阳能电池外延片，特征在于所述InGaN吸收层II的厚度为 3nnTl00nm。
7.根据权利要求1所述的InGaN太阳能电池外延片，其特征在于，所述吸收层II和ρ型层之间还包括GaN覆盖层。
8.根据权利要求7所述的^iGaN太阳能电池外延片，其特征在于，所述GaN覆盖层厚度为 InnTlOnm0
9.根据权利要求1所述的InGaN太阳能电池外延片，其特征在于ρ型层为ρ型GaN:Mg 层，或ρ型AlGaNiMg层和GaN:Mg层。
10.一种权利要求1所述的hGaN太阳能电池外延片的制备方法，采用MOCVD设备制备所述外延片，其特征在于包括以下步骤(1)在1000°C在氢气氛围下烘烤衬底10分钟；(2)降温至480°C，在衬底上生长厚度为30nm的GaN低温度缓冲层；(3)在1000°C的温度下，在衬底上生长η型层；(4)将温度降至650°C 780°C，生长量子阱吸收层I；(5)温度650°C 780°C，生长未掺杂的InGaN吸收层II；(6)将温度升至800°C 1000°C，生长ρ型层即制备得到所述外延片。
全文摘要
本发明公开了一种InGaN太阳能电池外延片及其制备方法。所述外延片的结构从下至上依次为衬底、缓冲层、n型层、吸收层Ⅰ、吸收层Ⅱ和p型层，所述吸收层Ⅰ为量子阱层结构，吸收层Ⅱ是非故意掺杂InGaN。本发明在现有量子阱太阳能电池的结构基础上增加了i型InGaN吸收层的结构，由于量子阱吸收层Ⅰ和InGaN吸收层Ⅱ的吸收限不同，可以有效拓宽吸收谱；同时，由于i型InGaN层也可以吸收光子，引入此层可以增加吸收层的总厚度，从而提高了光电转换效率，提高了太阳能电池的整体性能。本发明提供了所述外延片的制备方法，简单易行，成本较低，制备条件精确，可实现工业化生产。
文档编号H01L31/18GK102290458SQ20111027496
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者张康, 李述体 申请人:华南师范大学