一种硅基氮化铟太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池领域，尤其是涉及一种硅基氮化铟太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

氮化物半导体材料由于电子运动在很宽的范围内可调，因此能带宽度范围大、禁带宽度显著大于Si等半导体材料，在晶体管、新型太阳能电池、半导体照明等诸多领域有着重要应用。其中，氮化铟具有优良的电子输运性能和窄的能带，在光电子器件中具有较好的应用潜力，但现有技术中的太阳能电池对于如何改进基于氮化铟材料的太阳能电池结构以提高其转化效率，未作深入研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种硅基氮化铟太阳能电池及其制备方法，该硅基氮化铟太阳能电池结合Si子电池和柱状p-i-n型InN子电池结构，使得光线从电池两侧照射均能够被吸收，同时由于氮化铟的本质区域(i层)的增加和存在可以允许更有效的载流子产生，进而提高了硅基太阳能电池的转换效率。

本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种硅基氮化铟太阳能电池，包括依次层叠设置的负电极层、电流扩散层、Si子电池、至少一个柱状p-i-n型InN子电池和正电极层，所述正电极层与所述Si子电池之间填充有绝缘材料以完全覆盖柱状p-i-n型InN子电池。

优选地，所述Si子电池包括n型Si层和p型Si层。

优选地，所述绝缘材料为光刻胶，是一种透明材料。进一步优选地，所述光刻胶为SU-8。

优选地，所述电流扩散层为ITO层、AZO、GZO、金属纳米线、纳米碳管、石墨烯、导电高分子中的任一种。电流扩散层能够加强正电极对载流子的收集。

优选地，所述柱状p-i-n型InN子电池为氮化铟纳米线结构。

进一步地，所述氮化铟纳米线结构的直径为100～500nm。

进一步地，所述的氮化铟纳米线结构的线长为1.0～1.6μm。

优选地，所述柱状p-i-n型InN子电池包括依次设置的Si掺杂的n型InN、未掺杂的i型InN和Mg掺杂的p型InN。

优选地，所述正电极层为Cr/Pt/Au正电极。

优选地，所述负电极层为Ti/Ag电极。负电极层同时也具有反射镜功能，可将光子反射回电池内部再吸收利用。

本发明还提供一种上述的硅基氮化铟太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

制备Si子电池：取n型Si衬底，在所述n型Si衬底上制备p型Si层以形成Si子电池；

采用电浆辅助分子束外延系统在所述Si子电池上生长柱状p-i-n型InN子电池；

涂覆光阻剂材料至完全覆盖柱状p-i-n型InN子电池，进行等离子体刻蚀直至所述柱状p-i-n型InN子电池的顶端露出，烘烤以固化所述光阻剂材料；

蒸镀电极：在所述柱状p-i-n型InN子电池的顶端蒸镀正电极，在所述Si子电池的底部蒸镀电流扩散层，在所述电流扩散层的底部溅射负电极。

在一些优选的实施例中，在生长柱状p-i-n型InN子电池前先在Si子电池上沉积原位铟(In)晶种层，以形成铟液滴，可以促进氮化铟的成核和后续的纳米线形成。

本发明的有益效果是：

本发明提供的硅基氮化铟太阳能电池本身拥有独特的抗反射和光局限特性，太阳光在从氮化铟纳米线顶部照射时，能量大于Eg(InN)的光子可以容易被氮化铟奈米线吸收，当光直接照射到衬底上时，能量大于Eg(Si)的光子也可被衬底吸收。在N型半导体-P型半导体接合处的空间电荷区会形成内建电场，由于大的内置电场，在本质层中以及在异质结的两端中产生的电洞和电子可以透过端部的欧姆接触快速收集。另外，由于内置电场抑制了向p型Si的电子注入，相较于传统PN结构的氮化铟电池，p-i-n型氮化铟电池结构而由于氮化铟的本质区域(i层)的增加和存在可以允许更有效的载流子产生。本发明的硅基氮化铟太阳能电池具有较好的转换效率，在太阳能电池领域具有较好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中的硅基太阳能电池的结构示意图；

图2为实施例1中氮化铟纳米线结构的SEM图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种硅基氮化铟太阳能电池，包括依次层叠设置的负电极层1、电流扩散层2、Si子电池3、多组柱状p-i-n型InN子电池4和正电极层5，所述正电极层5与所述Si子电池3之间填充有绝缘材料6以完全覆盖柱状p-i-n型InN子电池4(为便于清楚地看到太阳能电池的内部结构，图1中柱状p-i-n型InN子电池由虚线表示)。本实施例中负电极层1为Ti/Ag电极，电流扩散层2为ITO层，所述Si子电池3包括n型Si层31和p型Si层32，每一个柱状p-i-n型InN子电池4由依次设置的Si掺杂的n型InN 41、未掺杂的i型InN42和Mg掺杂的p型InN 43构成，正电极层5为Cr/Pt/Au正电极，绝缘材料6为光阻剂SU-8。

本实施例还提供一种上述硅基氮化铟太阳能电池的制备方法，按照以下步骤制备：

(1)制备Si子电池：选用n型硅(111面)、电阻率介于0.5～5Ω.cm作为衬底，衬底厚度减轻打薄以标准硅晶圆清洗程序去除金属杂质、有机物污染、微尘与自然氧化物并且降低表面粗糙度，然后对衬底进行清洗，分别使用丙酮、异丙醇、去离子水，采用超音波震荡机震洗各10分钟以清洗衬底表面脏污，采用氢氟酸溶液(水与氢氟酸比例＝50:1)，去除衬底表面的氧化物(二氧化硅)使得硅裸露于表层。采用硼硅酸盐(Borosilicafilm，浓度5×10²⁰cm^-3)扩散源溶液，内含硼原子及具有挥发有机溶剂，使用旋涂机将其涂布于衬底表面，每分钟2500转，时间30秒，旋涂硼硅酸盐(Borosilicafilm)之后，在250℃加热板上进行烘烤10分钟，烘烤之后即在衬底表面上留下一层二氧化硅的硼原子，衬底的硼原子扩散采用高温炉管进行，抽真空后通入高纯度氮气，一大气压开始升温并持温于1000℃，再降温回到常温下，衬底在高温扩散完成后依序浸入丙酮、异丙醇和去离子水，采用超音波震荡机震洗各10分钟，再采用氢氟酸溶液(水与氢氟酸比例＝50:1)去除衬底残留表面的扩散物质，在最后的硅衬底形成PN结，与n-Si(111)衬底形成结深100nm的p-Si(111)层，进而形成Si子电池。

(2)制备柱状p-i-n型InN子电池：将具有PN接面的Si子电池置于电浆辅助分子束外延系统(PA-MBE)，电浆氮气源辅助之气态源分子束外延在富氮条件下直接在Si子电池的p-Si(111)层上生长无催化剂的p-i-n型氮化铟纳米线结构，具体生长条件为：对于p-i-n型氮化铟纳米线结构，衬底温度为500℃，腔体压力为5×10⁸Torr，氮气流速为1～3sccm，电浆正向功率为300W；n型氮化铟(InN：Si)和p型氮化铟生长温度分别为1200℃和250℃。氮化铟纳米线结构由0.6μm高n型氮化铟(InN：Si)、0.1μm高本质未掺杂氮化铟(InN)和0.6μm高p型氮化铟(InN：Mg)层组成，氮化铟纳米线结构中的Si和Mg掺杂剂浓度分别估计为6×10¹⁷cm³和6×10¹⁹cm³，多组氮化铟纳米线结构形成纳米线阵列。实际操作中，由于非平面生长过程，氮化铟纳米线结构中的掺杂剂浓度可以适时变化。在引入氮气之前，可以首先在Si衬底上在生长温度下沉积原位铟(In)晶种层，以形成铟液滴，以促进氮化铟的成核和后续的纳米线形成。

(3)将稀释至25％固体浓度的SU-8光阻剂以旋转涂布机3000rpm旋涂，得到略大于1μm的厚度并完全覆盖柱状p-i-n型InN子电池。接下来，在100W的等电浆功率下使用O2：Ar(1：4)进行蚀刻，从顶部向下蚀刻SU-8层，直到氮化铟奈米线的尖端适当暴露。在获得所需的SU-8厚度之后，将样品在250℃下硬烘烤1小时，以固化SU-8层。SU-8光阻剂硬化后以丙酮清洗表面以便继续蒸镀电极。

(4)蒸镀电极：

蒸镀正型电极：Cr、Pt、Au置于电子束蒸发设备内开始蒸镀，正电极域蒸镀出一层厚度50nm的Cr，在Cr上蒸镀出一层厚度50nm Pt，在Pt上蒸镀出一层厚度2000nm Au，整个蒸镀过程中温度为150℃、蒸镀时间为2小时；在500℃的氮气环境下，再退火5分钟，制程温度自然冷却至常温后，即在柱状p-i-n型InN子电池顶部正电极区域蒸镀出自下至上成为一体、厚度为50nm/50nm/2000nm的Cr/Pt/Au正电极；

在Si子电池的底部继续沉积100nm厚的氧化铟锡(ITO)层，通过在Si衬底的背面溅射Ti/Ag电极材料，完成负型电极制作。

参见图2，图2为Si衬底上生长的p-i-n型氮化铟纳米线结构的SEM图。从图中可以看出氮化铟奈米线晶体外观呈现六角形结构，线长高度大约1.3μm，氮化铟奈米线的直径范围控制从100nm到500nm。氮化铟纳米线表现出六角形立体形态垂直于衬底，几乎完美而没有结构缺陷与错位缺陷。相较于传统PN结构的氮化铟电池，p-i-n型氮化铟电池结构而由于氮化铟的本质区域(i层)的增加和存在可以允许更有效的载流子产生，使得硅基氮化铟太阳能电池具有较好的转换效率。