一种氮化物薄膜太阳能电池制造技术

本发明专利技术提供一种氮化物薄膜太阳能电池，包括衬底、非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层、p型掺杂层；在衬底上从下向上设置非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层和p型掺杂层，n型掺杂层的边缘区域为台面，在台面上设置有n型欧姆电极，p型掺杂层上设置有p型欧姆电极。本发明专利技术采用的DBR结构具有高反射率波段可调的特性。通过调整DBR结构中高、低折射率层的氮化物组分、厚度和周期数来调节高反射率波段位置，实现高反射率波段与电池光谱响应曲线的一致、协调；亦即，将高反射率波段调整到与太阳能电池处于高量子效率的波段一致的位置。如此，可使器件的效率实现最大化。

A nitride thin film solar cell

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物薄膜太阳能电池
本专利技术属于光学材料领域，具体涉及一种氮化物薄膜太阳能电池。
技术介绍
太阳能是一种清洁的、方便获取的可再生能源，在全世界范围内受了到广泛关注、重视和青睐。太阳能电池是人类利用太阳能的主要手段，其基本结构是具有p-n结的半导体光电器件。按照制作材料的不同，常见的太阳能电池可分为硅(单晶硅、多晶硅和非晶硅)、砷化镓、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉、硫化镉、钙钛矿、有机物等种类。无论使用哪种材料，更高的转换效率一直是太阳能电池产业发展的重要性能目标。近年来，以铟镓氮(InxGa1-xN,0≤x≤1)、铟铝氮(InyAl1-yN,0≤y≤1)为代表的氮化物半导体材料因其禁带宽度与太阳能光谱几乎完美的匹配，或者完全覆盖太阳光谱辐射的能量范围，而受到人们的关注。具体地，InxGa1-xN的禁带宽度为0.64～3.4eV，InyAl1-yN的禁带宽度为0.64～6.2eV，而地面太阳光谱的能量范围为0.4～4eV。因此，氮化物合金材料在制备多结串联电池上具有很大优势，只要改变合金中金属元素的配比，即可调节带隙吸收不同波段的光子。这就给设计和生长串联电池提供了更大的自由度，有利于实现最佳的吸收波段组合。理论计算表明，用InxGa1-xN制作的双结(禁带宽度分别为1.1eV和1.7eV)太阳能电池的转换效率可达50％；如果制成多结太阳能电池，效率最高可达70％以上。此外，使用氮化物合金材料制作太阳能电池还包括如下优势：①高吸收系数，例如，InxGa1-xN的吸收系数高达105cm-1，比Si、GaAs材料要高出一至两个数量级。利用该项性能将有可能制备更薄、更轻的电池，如此便可以在新兴的电动汽车、移动能源、光伏建筑一体化(BIPV)、可穿戴设备等应用方向大显身手。②使用氮化物合金材料可以使多结串联电池生长工艺更简单，成本更低。具体地，可在同一生长设备中完成器件生长，并通过改变合金组分来实现多结电池的制备。③氮化物材料硬度高，化学性质和热稳定性很好，抗辐射能力强，非常适合应用于强辐射、高温等恶劣环境中。因此，氮化物太阳能电池在航空、航天等作业环境严酷的应用方向(如无人机、空间飞行器、特种机器人等)具有十分明显的优势。例如，中国专利技术专利CN100499179C公开了一种单结铟镓氮太阳能电池结构及制作方法，该结构使用了单一组分InxGa1-xN合金的p-n结结构，旨在提供一种高效、抗辐射的薄膜太阳能电池。但是，就目前的材料生长技术而言，较高厚度、高In组分氮化物薄膜材料的生长还具有很大的挑战性。原因主要来自两个方面，一方面是因为目前无法制备自支撑的氮化物衬底，即组分为GaN、AlN、InN、任意InxGayAl1-x-yN(0≤x,y≤1，0≤x+y≤1)合金组分的体材料。InxGa1-xN合金一般是外延在GaN薄膜外延层之上的；另一方面是因为现有的外延技术有待进一步改进，比如有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法在制备高In组分合金材料时容易出现铟聚集的“铟滴”析出，所以难以制备高In组分的氮化物薄膜。然而，对于可见和红外波段的太阳能量吸收，高In组分氮化物薄膜的制备至关重要。此外，尽管InxGa1-xN合金材料的吸收系数非常高，使得InxGa1-xN合金在几百纳米厚度条件下就可以吸收大部分的太阳光，但是，由于InN和GaN之间的晶格失配高达11％，当In组分为20％时，InxGa1-xN的临界厚度只有10.7nm。如果继续增加In组分，InxGa1-xN的临界厚度会急剧下降。
技术实现思路
针对本领域存在的不足之处，本专利技术的目的是提出一种氮化物薄膜太阳能电池。本专利技术的第二个目的是提出一种所述氮化物薄膜太阳能电池的制备方法。本专利技术上述的目的通过以下技术方案来实现：一种氮化物薄膜太阳能电池，包括衬底、非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层、p型掺杂层；在所述衬底上从下向上依次设置所述非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层和p型掺杂层，所述n型掺杂层的边缘区域为台面，在台面上设置有n型欧姆电极；在所述p型掺杂层上设置有p型欧姆电极。按照本领域常规选择，所述衬底可以为蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌中的一种。其中，所述非掺杂层为氮化物AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1且x+y≤1。优选地，所述非掺杂层可以为氮化物AlxInyGa1-x-yN构成的多层结构，其中0≤x≤1，0≤y≤1且x+y≤1。可选地，所述非掺杂层还包括成核层，所述成核层制作在衬底上，所述非掺杂层在成核层上生长而得，所述成核层为氮化物AlmInnGa1-m-nN，其中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n≤1。其中，所述布拉格反射镜包括高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层和低折射率氮化物层InxlGaylAl1-xl-ylN交替设置的周期性结构，其中，0≤xh≤1，0≤yh≤1，且0≤xh+yh≤1；和/或：0≤xl≤1，0≤yl≤1且0≤xl+yl≤1。所述高折射率氮化物层的折射率高于所述低折射率氮化物层的折射率。优选地，布拉格反射镜中，所述高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层的厚度范围为1～500nm，所述低折射率氮化物InxlGaylAl1-xl-ylN层的厚度为1～500nm。优选地，所述布拉格反射镜包括3～100对高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层和低折射率氮化物层InxlGaylAl1-xl-ylN交替设置的周期性结构。其中，所述n型掺杂层由氮化物AlxnInynGa1-xn-ynN构成，其中0≤xn≤1，0≤yn≤1，xn+yn≤1，所述n型掺杂层中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种。其中，所述p型掺杂层由氮化物AlxpInypGa1-xp-ypN构成，其中0≤xp≤1，0≤yp≤1，xp+yp≤1，所述p型掺杂层中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。其中，所述非掺杂多量子阱层包括1～300对InxwGaywAl1-xw-ywN/InxbGaybAl1-xb-ybN周期性结构，每个周期性结构由量子阱层InxwGaywAl1-xw-ywN和量子垒层InxbGaybAl1-xb-ybN组成，其中，0≤xw≤1，0≤yw≤1，且0≤xw+yw≤1，和/或：0≤xb≤1，0≤yb≤1，且0≤xb+yb≤1，xw>xb。其中，在所述p型掺杂层和p型欧姆电极上覆盖有抗反射层。优选地，所述抗反射层包括1～30组交替的SiO2和Ta2O5薄膜。有限地，所述SiO2和Ta2O5薄膜的厚度互相独立地为1nm～150nm。所述氮化物薄膜太阳能电池的制备方法为，所述布拉格反射镜结构在进行电池功能薄膜层的生长设备中原位生长，所述电池功能薄膜层(即p-n结)包括n型掺杂层、非掺杂多量子阱层及p型掺杂层。优选地，所述非掺杂层、布拉格反射镜结构和电池功能薄膜层在同一个气相沉积设备内原位生长制备。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的氮化物薄膜太阳能电池中，布拉格反射镜(DBR)结构具有高反射率波段可调的特性。通过调整DBR结构中高、低折射率层的氮化物组分、厚度和周期数来调节高反射率波段的位置，这样便可实现高反射率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，包括衬底、非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层、p型掺杂层；在所述衬底上从下向上依次设置所述非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层和p型掺杂层，所述n型掺杂层的边缘区域为台面，在台面上设置有n型欧姆电极；在所述p型掺杂层上设置有p型欧姆电极。

【技术特征摘要】
1.一种氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，包括衬底、非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层、p型掺杂层；在所述衬底上从下向上依次设置所述非掺杂层、布拉格反射镜、n型掺杂层、非掺杂多量子阱层和p型掺杂层，所述n型掺杂层的边缘区域为台面，在台面上设置有n型欧姆电极；在所述p型掺杂层上设置有p型欧姆电极。2.根据权利要求1所述的氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述非掺杂层为氮化物AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。3.根据权利要求2所述的氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述非掺杂层还包括成核层，所述成核层制作在衬底上，所述非掺杂层在成核层上生长而得，所述成核层为氮化物AlmInnGa1-m-nN，其中0≤m≤1，0≤n≤1，且m+n≤1。4.根据权利要求1所述的氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述布拉格反射镜包括高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层和低折射率氮化物层InxlGaylAl1-xl-ylN交替设置的周期性结构，其中，0≤xh≤1，0≤yh≤1，且0≤xh+yh≤1；和/或：0≤xl≤1，0≤yl≤1且0≤xl+yl≤1。5.根据权利要求4所述的氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述布拉格反射镜中，高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层的厚度为1～500nm，所述低折射率氮化物InxlGaylAl1-xl-ylN层的厚度为1～500nm。6.根据权利要求4所述的氮化物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述布拉格反射镜包括3～100对高折射率氮化物InxhGayhAl1-xh-yhN层和低折射率氮化物层I...

【专利技术属性】
技术研发人员：马亮，
申请(专利权)人：北京创昱科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11