一种基于氧化锌作为电子输运层的铟镓氮薄膜太阳能电池的制作方法

本发明属于能源技术领域，具体涉及到薄膜太阳能电池领域。

背景技术：

为了应对全球范围内的能源危机的不断加剧和环境问题的日益恶化，提高现有能源的使用效率，减少环境污染，积极地开发各种可再生的新能源刻不容缓。作为一种易获取、可再生且安全的绿色能源，太阳能已经逐渐从众多新能源中脱颖而出，受到越来越多国家的重视。由于与现有的电力技术完全兼容，同时具有很高的安全保障性，太阳能在能源结构中的比例正在逐年扩大，并将在未来的能源结构中占据主导地位。太阳能的利用方式主要有光热利用、光电利用、光化学利用以及光生物利用等。其中，太阳能光伏发电由于不受太阳辐射方式和地域限制，成为了最广泛的应用方式。太阳能电池是一种以半导体光生伏特效应为基础，将太阳辐射能直接转换为电能的光电子器件，随着生产规模和研发投入不断扩大，太阳能取代传统能源成为人类社会主要能源指日可待。铟镓氮(InGaN)薄膜太阳能电池作为一种新型的III-V族太阳能电池，由于InGaN合金的带隙宽度在0.65eV到3.4eV之间连续可调，

而且仅仅需要改变其中的In组分就可以实现。除此之外，还具有以下优点[J. Wu: When group-III nitrides go infrared: new properties and perspectives. J. Appl. Phys.. 106, 1-28 (2009)]：(1)很高的吸收系数(~10⁵/cm)，意味着只需要很薄的材料就可以达到较高的效率；(2)很强的抗高能辐射的能力，在比较恶劣的环境中也有很高的可靠性；(3)有益的声子带隙结构，使得热载流子冷却速率降低；(4)良好的导热性能，有利于高倍聚光条件使用；(5)材料环境友好，不含有毒元素。基于这些优点，InGaN材料在实现高效太阳能电池和全光谱太阳能电池方面展现出了巨大的发展潜力。

在以往的薄膜太阳能电池结构中，通常的结构为p-i-n结构，即在传统的pn结上，中间加入吸收层所构成。而在这种新型的III-V族太阳能电池领域中，通常运用氮化镓(GaN)作为p型半导体和n型半导体，中间的吸收层用不掺杂的InGaN合金，通过改变InGaN吸收层中In的组分就可以调节半导体能带的大小，从而吸收不同波长的光。然而，GaN作为n型层也即电子传输层会带来一些问题。第一，GaN与InGaN的晶格常数相差比较大，而且这一差值会随着In组分的升高而变大。从而导致材料中的压电极化效应明显，这一效应十分不利于光生电子的运输，最后导致效率降低[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与InGaN两种材料的电子亲和势不同，导致了在n型层和吸收层形成了界面势垒，同样会不利于载流子的运输从而降低转换效率[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作为p型材料也会导致压电极化效应明显，不利于载流子运输。另一方面，p型GaN掺杂的浓度都不会太高，从而不能形成很好的内建电场[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)]。综上所述，p-i-n型InGaN薄膜太阳能电池目前为止所达到的效率都不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于氧化锌作为电子输运层的铟镓氮薄膜太阳能电池，以解决p-i-n型InGaN薄膜太阳能电池存在的压电极化，界面电势和p型掺杂等问题，从而使太阳能电池的转换效率更加高。为了达到这一目的，我们主要对传统的p-i-n型薄膜太阳能电池的p型和n型材料以及对器件的尺寸结构进行改进，同时保留了InGaN材料作为太阳能电池的优势。

本发明是通过以下技术方案实现的。

对于电子传输层而言，传统的GaN材料的晶格常数为3.548Å，而氮化铟(InN)的晶格常数为3.189Å，当In的组分越来越高，InGaN的晶格常数越接近InN，所以晶格失配导致的压电极化也越来越强[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)]。由于氧化锌(ZnO)的晶格常数为3.2495Å，而且从成本的角度上考虑更加廉价，所以我们选择晶格常数更接近InN的ZnO作为太阳能电池的电子传输层[Look D C: Recent advances in ZnO materials and devices. Mater. Sci. Eng. B.. 80, 383-387 (2001)]。除此之外，ZnO作为n型材料的电子亲和势(4.5eV)比GaN的电子亲和势(4eV)要高，所以在与InGaN吸收层形成界面势垒时，ZnO形成的势垒比GaN的势垒要低，更有利于光生电子传输到n型层被电子所收集[Look D C: Recent advances in ZnO materials and devices. Mater. Sci. Eng. B.. 80, 383-387 (2001)]。同时，p型层的GaN也需要换一种材料来解决极化效应和p型掺杂的问题。这里我们考虑到，一般GaN生长过程中通常用Mg作为p型掺杂物，但是由于Mg激活能太高而导致p型掺杂浓度很低。所以，我们选择了InGaN作为p型层来形成p-i-n结构。根据实验中的报道，Mg在InGaN中的激活能比在GaN中低出许多[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)]，这就意味着，我们可以达到很高的空穴浓度。除此之外，吸收层与p型层都选择InGaN材料的话，可以减少极化效应带来的影响。我们改进之后的器件结构如图1所示，图1所示的器件面积为1mm×1mm。薄膜太阳电池器件从衬底开始，在衬底上直接生长n型ZnO电子传输层，之后在由未掺杂的InGaN和p型InGaN层组成p-i-n太阳能电池结构。

本发明所述的一种基于氧化锌作为电子输运层的铟镓氮薄膜太阳能电池是通过以下具体的技术方案实现的。

本发明所述的一种基于氧化锌作为电子输运层的铟镓氮薄膜太阳能电池，其结构包括：衬底，在衬底上依次形成的电子传输层、光吸收层、空穴传输层，以及两端的正负电极。其特征在于：所述的电子传输层为ZnO层，光吸收层为In_xGa_1-xN层，空穴传输层为In_yGa_1-yN层。

本发明所述的光吸收层组分为0.2<x<0.4。

本发明所述的空穴传输层组分为0.2<y<0.4。

本发明所述的衬底为硅或蓝宝石。

进一步，本发明还可以在所述的电子传输层与衬底之间形成一层GaN过渡层。

本发明的有益效果是，在改进太阳能电池的电子传输层和空穴传输层的材料之后，更加有利于吸收层产生的光生载流子输运到两端的电极上，从理论计算表明，能够将传统结构的电池3-4%的转换效率，极大地增加到15%。图2、图3分别给出了传统GaN作为n型层的太阳电池和本发明改进之后的太阳电池的能带结构，可以很清楚地看出ZnO作为电子传输层大大减少了电子输运的势垒。除此之外，并且ZnO材料的价格比GaN材料要低。

附图说明

图1是实施例1的ZnO/InGaN太阳能电池示意图(主视图)。图中：1-1为20nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N层，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3；1-2为500nm厚的未掺杂的In_0.4Ga_0.6N层；1-3为1μm厚的n型ZnO层，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3；1-4为硅衬底；1-5为电极。

图2为传统的GaN作为电子传输层的太阳电池能带图。

图3为本发明改进的ZnO作为电子传输层的太阳能电池能带图。

图4是实施例2的ZnO/InGaN太阳能电池示意图(主视图)。图中：2-1为20nm厚的p型In_0.4Ga_0.6N层，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3；2-2为400nm厚的未掺杂的In_0.4Ga_0.6N层；2-3为1.5μm厚的n型ZnO层，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3；2-4为硅衬底；2-5为电极。

图5是实施例3的ZnO/InGaN太阳能电池示意图(主视图)。图中：3-1为50nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N层，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3；3-2为500nm厚的n型In_0.4Ga_0.6N层，电子浓度是1×10¹⁶cm^-3；3-3为2μm厚的n型ZnO层，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3；3-4为 硅衬底；3-5为电极。

图6是实施例4的ZnO/InGaN太阳能电池示意图(主视图)。图中：4-1为100nm厚的p型In_0.2Ga_0.8N层，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3；4-2为500nm厚的未掺杂的In_0.2Ga_0.8N层；4-3为3μm厚的n型ZnO层，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3；4-4为1μm厚未掺杂的GaN过渡层；4-5为蓝宝石衬底；4-6为电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，我们选用硅作为衬底1-4，在衬底1-4之上生长1μm的n型ZnO电子传输层1-3，掺入浓度约为8×10¹⁸cm^-3的n型杂质。在n型ZnO电子传输层1-3之上继续生长500nm厚的未掺杂的InGaN吸收层1-2，InGaN吸收层1-2的In组分为0.4。然后在InGaN吸收层1-2上生长20nm厚的p型InGaN空穴传输层1-1，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3并且In组分为0.2。最后在衬底1-4和p型InGaN空穴传输层1-1上生长电极1-5，这样便构成了p-i-n薄膜太阳能电池的最核心结构。

在图4的实施例2中，我们仍然使用硅作为衬底2-4，在衬底2-4之上生长1.5μm厚的n型ZnO电子传输层2-3，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO电子传输层2-3之上继续生长400nm厚的未掺杂的InGaN吸收层2-2，InGaN吸收层2-2的In组分为0.4。然后在InGaN吸收层2-2上生长20nm厚的p型InGaN空穴传输层2-1，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3并且In组分为0.4。在器件的p型InGaN空穴传输层2-1和衬底2-4加入电极2-5。

在图5的实施例3中，我们仍然使用硅作为衬底3-4，在衬底3-4之上生长2μm厚的n型ZnO电子传输层3-3，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO电子传输层3-3之后继续生长500nm厚的n型掺杂InGaN吸收层3-2，电子浓度为1×10¹⁶cm^-3，吸收层的In组分为0.4。然后在n型掺杂InGaN吸收层3-2上生长50nm厚的p型InGaN空穴传输层3-1，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3并且In组分为0.2。在器件的p型InGaN空穴传输层3-1和衬底3-4加入电极3-5。

在图6的实施例4中，我们选择蓝宝石作为衬底4-5，在衬底4-5之上先生长1μm的GaN过渡层4-4，然后在GaN过渡层4-4上生长3μm厚的n型ZnO电子传输层4-3，电子浓度为8×10¹⁸cm^-3。在n型ZnO电子传输层4-3之后继续生长500nm厚的未掺杂的InGaN吸收层4-2，InGaN吸收层4-2的In组分为0.2。然后在InGaN吸收层4-2上生长100nm厚的p型InGaN空穴传输层4-1，空穴浓度为4×10¹⁸cm^-3并且In组分为0.2。在p型InGaN空穴传输层4-1和n型ZnO电子传输层4-3的上方安置电极4-6。