专利名称：：倒装双结铟镓氮太阳能电池结构的制作方法
技术领域：
：本发明属无机光电
技术领域：
，具体涉及一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构。本发明采用新型InGaN二元合金半导体材料，其结构可应用于InGaN系新型高效太阳能电池的制造。背技术太阳能电池是一种将太阳能直接转换为电能的器件白从1954年贝尔实验室制成世界上第一个具有实用价值的太阳能电池以来，吸引了各国科学家相继研艽开发出各种类型和用途的太阳能电池。巨■、/—目'J太阳能电池的发展和利用当中所碰到的一个主要问题就是其光电转换效率较低，特别在太阳能电池应用于宙空间领域时，对太阳能电池的光电转换效率要求更高，而且还需要材料具有一定的抗车畐射性。就空间应用来说，目前的空间站和人造地球卫星上的主要电能都是通过太阳能电池系统提供的。电源系统是卫星以及空间探测系统的重要分系统之一，有报道称在今后10年到20年间，对于空间探测来说最需要攻克的关键技术之一就是能源系统，对空间站以及卫星最大的限制就是能源。星上通信及信息处理都需要大量的能源。目前应用的空间太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池和砷化镓基太阳能电池，限制它们进一步应用的主要问题是光电转换效率较低。由于受材料本身性质影响，第一代空间太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率大概在18%到23%之间，第二代空间太阳能电池砷化镓基太阳能电池，它的光电转换效率相对有些提高(为22%到26.5。/。之间)，但这还是满足不了在空间应用中对能量日益增加的需要。随着对111-V族氮化物材料研究的不断深入，研究人员发现氮化铟的禁带宽度应该在0.7eV左右(J.Wu，etal.Appl.Phys.Lett.80(2002)4741.)，而不是原先大家所接受的1.9eV(T.L.Tansley，etal，J.Appl.Phys.59(1986)3241.)。这一发现表明，以含有铟、镓和氮的合金(InGaN)材料为基础的光电池将对太阳光谱的所有辐射，从近红外线一直到紫外线都很灵敏，InGaN材料的禁带宽度与太阳光谱几乎完美匹酉己(J.Wu,etal，J.Appl.Phys.，94(2003)6477)。利用这种合金可以研制出性价比较高的新型太阳能电池板，而且新型太阳能电池将比现有的太阳能电池具有更高的效率。理论计算表明，用InGaN合金制作双结(一结电池禁带宽度为1.1eV，另一结为1.7eV)太阳能电池效率可高达50%，如果制成多结InGaN电池，效率最高可达70%以上。同时，空间太阳能电池也会受空间辐射的影响。在近地轨道空间环境中，当高能粒子辐照时，通过与晶格原子发生碰撞而将能量传递给晶格；当能量大于某阈值时，便使晶格原子发生位移产生缺陷，进而影响少子寿命，对太阳能电池形成辐射损伤，使输出功率随车虽照、累积量的增加逐渐下降，在空间站整个寿命期间需更换电池片，增加运行维护费用。而InGaN材料具有良好的抗辐射性能(J.W.AgerIII，etal，ProcofSPIE，5530(2004)308)，所以说InGaN材料非常适合应用于空间飞行器的太阳能电池。多结InGaN太阳能电池可以充分利用不同波段的光子能量，具有光电转换效率高，功率/面积比大，耐辐照等优点，新型InGaN太阳能电池的研和发展使真正的全光谱高效太阳能电池成为可能。
发明内容本发明的目的在于提出一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，利用本发明的结构，可以研制出理论光电转换效率达50%,且具有良好的抗辐射性的倒装双结铟镓氮太阳能电池本发明针对铟镓氮材料外延生长的特点，采用了倒装结构，避开了在高铟组分铟镓氮上生长低铟组分铟镓氮较为困难的问题。该倒装结构的铟镓氮太阳能电池在实际工作中，太阳光从衬底入射进入电池，不同波段的光子分别被低铟组分的、宽带隙的底层InaGahN电池和高铟组分的、窄带隙的顶层In。Ga卜。N电池吸收，从而可以更有效地提高电池的光电转换效率。本发明针对双结太阳能电池理想光电转换效率与各结孥带宽度的关系，对各结电池材料选用合适的In组分以达到调节禁带宽度的目的，使得每结电池达到理想的寧带宽度，最为有效地吸收和利用太阳能，提咼电池的光电转换效率。本发明1采用了独特的重掺杂pn结IruGa,0《b《1)作为双结铟每氮太阳能电池的隧道结，有效地解决了双结电池串联时的pn结反偏问题。重惨杂ImGanN(0《b《1)隧道结具有高透光率、阻抗小的9特点，同时通过调整适宜的工艺参数、选择有效的掺杂浓度避免了由于重掺杂所带来的一系列工艺问题如掺杂剂的扩散等，可以获得最大工作效率。本发明提供一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括-一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可以增加衬底表面的成核密度；一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面，该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；一n型掺杂ImGahN层，该n型掺杂InaGai—aN层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是底层IruGa,iN电池的一部分；一P型掺杂IruGahN层，该p型掺杂InaGa,-aN层制作在n型掺杂InaGa,-aN层的上面，该p型掺杂层是底层InaGa,-aN电池的一部分；一p型重掺杂IruGa卜bN层，该p型重掺杂ImGa卜bN层制作在p型掺杂InaGai-aN层的上面，该p型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型重掺杂IruGa,-hN层，该n型重掺杂IruGa,—bN层制作在p型重掺杂IruGa^N层的上面，该n型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型掺杂In。Ga卜。N层，该n型掺杂In。Ga,-。N层制作在n型重掺杂IruGa卜bN层的上面，该n型掺杂层是顶层In。Ga卜。N电池的一部分；一P型掺杂In。Ga卜。N层，该p型掺杂In。Ga卜。N层制作在n型掺杂In。Ga,-。N层的上面，该p型掺杂层是顶层1iGa卜。N电池的一部分。苴z、中所述的衬底是蓝宝石衬底。苴z、中所述的氮化镓:成核层的厚度为0.Ol-O.05um，优选范围为0.01-0.03ym。中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的厚度为0.50-3.OOum，优选范围为1.50_2.50um。苴中所述的n型惨杂InaGaihN层的厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-O.20um，其中0.35《a《0.65，优选范围为0.45《a《0.55，电子浓度为0.1-5.0X10)7cm3，优选范围为0.1-1,0X10'7cm3。中所述的P型掺杂InaGaihN层的厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，其中0.35《a《0.65，优选范围为0.45《a《0.55,空穴浓度为0.1-5.0X10"cm3，优选范围为0.1-1.0X1018/cm3。卜bN层的厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-0.010um，其中0《b《l，空穴浓度为0.1-5.OX10'7cm3，优选范围为0.5-5.0X10'7cm:!。其中所述的n型重掺杂IruGa,-bN层的厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-0.010um，其中0《b《l，电子浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.5-5.0X10'7cm3。其中所述的n型掺杂In。Ga卜。N层的厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80，电子浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.0X10'7cm:3。其中所述的P型掺杂In。Ga卜。N层的厚度为0.05-0.50iini，优选范围为0.05-0.20um，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80，空穴浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.0X10'7cm3。为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明作一详细的描述，其中图1是本发明的倒装双结铟镓氮太阳能电池材料幺士构图員体实施方式本发明关键在于采用铟镓氮(InGaN)三元合金材料，利用该合金材料优良的抗辐射性能，以及通过改变苴z、中铟、镓的组分可优选合金的禁带宽度，并通过精确控制生长条件，得到高质量的倒装双结铟镓氮太阳能电池结构材料，从而可在理论上达到50%的最大理论光电转换效率。在多结串接太阳能电池中，由于各分电池由]结组成，如果直接串联在一起，则由于pn结反偏而不导电，采用隧道结结构可以解决这一问题。本发明采用独特的重掺杂pn结IruGa卜bN(0《b《1)作为倒装双结铟镓氮太阳能电池的隧道结，有效地解决了双结电池串联时的pn结反偏问题。针对铟镓氮材料外延生长的特点，本发明采用了倒装结构，避开了在高铟组分铟镓氮上生长低铟组分铟镓氮较为困难的问题。该倒装结构的铟镓氮太阳能电池在实际工作中，太阳光从蓝宝石衬底入射进入电池，不同波段的光子分别被低铟组分的、宽带隙的底层InaGai-电池和高铟组分的、窄带隙的顶层In。Ga,—CN电池吸收，从而可以更有效地提高电池的光电转换效率。另外，为了提高输出功率，本发明通过调整电流匹配、提咼开路电压以提高太阳能电池的实际输出功率，本发明中太阳能电池总的开路电压是底电池和顶电池开路电压之和，总的电流则与底电池、隧道结、顶电池各白的电流相等。由于顶电池的光电流密度较大，因此可以通过调整顶电池、低电池材料带宽的办法，使顶电池电流与隧道结、顶电池的电流相匹配，从而获得最大的工作功率。本发明采用新型InGaN三元合金半导体材料，苴z结构和制作方法可应用于全光谱InGaN系高效太阳能电池的制造请参阅图1所示，本发明是一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括衬底10，该衬底IO是蓝宝石衬底，也包括适合倒装双结铟镓氮太阳能电池材料外延的其他衬底。—低温氮化镓成核层20，该低温氮化镓成核层20制作在衬底10的上面，厚度为0.01-0.05um，优选范围为0.Ol-0.03pni，该成核层可以增加衬底表面的成核密度一非有意惨杂氮化镓缓冲层30，该非有意掺杂氮化镓缓冲层30制作在低温氮化镓成核层20的上面，厚度为0.50-3.00ym，优选范围为1.50-2.50nm，该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量。一n型掺杂InaGa,-aN层40，该n型掺杂IruGa^N层40制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层30的上面，厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，该n型掺杂层是底层InttGa,-aN电池的一部分。一p型掺杂InaGai-aN层50，该p型掺杂InaGa,—aN层50制作在n型掺杂IruGahN层40的上面，厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，该p型掺杂层是底层InaGai-aN电池的一部分。一p型重掺杂ImGa卜bN层60，该p型重掺杂IruGa,-,，N层60制作在p型掺杂InaGai-aN层50的上面，厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-0.010ym，该p型重掺杂层是隧道结的一部分。一n型重掺杂InbGa,-bN层70，该n型重掺杂氮化镓层70制作在p型重惨杂工ruGa,-bN层60的上面，厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-0.010nm，该n型重掺杂层是隧道结的一部分。一n型掺杂In。Ga,—。N层80，该n型掺杂In。Ga,^N层80制作在n型重掺杂IruGa卜bN层70的上面，厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20pm，该n型掺杂层是顶层In。Ga卜。N电池的一部分。一P型掺杂IncGal-cN层90，该p型掺杂In。Ga卜cN层90制作在n型掺杂In。Ga,—。N层80的上面，厚度为0.05-o.50y"m，优选范围为0.05-0.20um，该p型掺杂层是顶层In。Ga卜。N电池的一部分。请再参阅图1所示，本发明倒装双结铟镓氮太阳能电池的制作方法，所述的制作方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术和气相外延技术，优先采用金属有机物化学气相沉积技术。中包括以下步骤止少骤1:选择一衬底10，该衬底IO是蓝宝石衬底，也包括适合倒装双结铟镓氮太阳能电池材料外延的其他衬底。步骤2:采用金属有机物化学气相沉积技术，在衬底10上生长一层低温氮化镓成核层20，生长温度为450-650°C,优选范围为500-600°C。该成核层可以增加衬底表面的成核密度。步骤3:采用金属有机物化学气相沉积技术，改变衬底10温度，在低温氮化镓成核层20上生长非有意掺杂氮化镓缓冲层30，生长温度为900-1100°C，优选范围为1000-1IO(TC。该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，一提高晶体质量。步骤4:采用金属有机物化学气相沉积技术，在非有意掺杂氮化镓缓冲层30上生长硅掺杂的n型掺杂InaGa,-aN层40，其中0.35《a《0.65，优选范围为0.45《a《0.55;生长温度为500-IIO(TC，优选范围为500-800°C;电子浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.OX1018/cm3。该n型掺杂层是底层InaGahN电池的一部分。步骤5:采用金属有机物化学气枏沉积技术，在n型掺杂IruGahN层40上生长镁掺杂的p型掺杂工n,、GahN层50，其中0.35《a《0.65，优选范围为0.45《a《0.55;生长温度为500-1100°C，优选范围为500-800°C;空穴浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.OX1018/cm3。该p型掺杂层是底层InaGahN电池的一部分。步骤6:采用金属有机物化学气相沉积技术，在P型掺杂InaGa,-aN层50上生长镁掺杂的p型重掺杂InhGa,—hN层60，其中0《b《l;生长温度为500-IIO(TC;空穴浓度为0.1-5.OX10'7cm3，优选范围为0.5-5.0X10'7cm3。该p型重掺杂层是隧道结的一部分。步骤7:采用金属有机物化学气相沉积技术，在P型重掺杂IruGa卜bN层60上生长硅掺杂的n型重掺杂IruGa,—bN层70，其中0《b《l;生长温度为500-1100。C;电子浓度为0.1-5.0X10'7cm3,优选范围为0.5-5.OX10'7cm3。该n型重掺杂层是隧道结的一部分。步骤8:采用金属有机物化学气相沉积技术，在n型重掺杂IruGa卜bN层70上生长硅掺杂的n型掺杂IruGa卜。N层80，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80;生长温度为500-IIO(TC，优选范围为500-800°C;电子浓度为0.1-5.0X10'Vcm3，优选范围为0.1-1.OX10'7cm3。该n型掺杂层是顶层In。Ga^N电池的一部分。步骤9:采用金属有机物化学气相沉积技术，最后，在n型掺杂工n。Ga卜。N层80上生长镁掺杂的p型掺杂IruGahN层90，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80;生长温度为500-110CTC，优选范围为500-800。C;空穴浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.0X10'7cm3。该p型掺杂层是顶层In。Ga,—。N电池的一部分。本发明倒装双结铟镓氮太阳能结构的各生长层的具体生长温度、生长厚度、组分及浓度如表1所示表1<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>杂°C，优选范m优选范围范围为IncGai-1围为为0.70《c《0.80;空穴N层90500-800°C0.05-0.20u浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.OX10'Vcm3本发明采用倒装结构，避开了在高铟组分铟镓氮上生长低铟组分铟镓氮较为困难的问题，降低了工艺难度，获得了高质量的倒装双结铟镓氮太阳能电池结构材料，同时提高了材料的晶体质量、pn结界面质量和材料的表面平整度，并通过调整适宜的工艺参数、选择有效的掺杂浓度最大限度的避免了由于重掺杂所带来的一系列工艺问题如掺杂剂的扩散等。该倒装双结电池由重掺杂的氮化镓隧道结连接，不会出现机械连接多结电池中的连接处引入串联电阻、入射光被连接处吸收等问题。该材料结构可更有效地提高太阳能电池的光电转换效率，因此，本发明可显著改善和提高双结太阳能电池的性能。权利要求1.一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，其特征在于，其中包括一衬底；一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底的上面，该成核层可以增加衬底表面的成核密度；一非有意掺杂氮化镓缓冲层，该非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面，该缓冲层可以减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；一n型掺杂InaGa1-zN层，该n型掺杂InaGa1-aN层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面，该n型掺杂层是底层InaGa1-aN电池的一部分；一p型掺杂InaGa1-aN层，该p型掺杂InaGa1-aN层制作在n型掺杂InaGa1-aN层的上面，该p型掺杂层是底层InaGa1-aN电池的一部分；一p型重掺杂InbGa1-bN层，该p型重掺杂InbGa1-bN层制作在p型掺杂InaGa1-aN层的上面，该p型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型重掺杂InbGa1-bN层，该n型重掺杂InbGa1-bN层制作在p型重掺杂InbGa1-bN层的上面，该n型重掺杂层是隧道结的一部分；一n型掺杂IncGa1-cN层，该n型掺杂IncGa1-cN层制作在n型重掺杂InbGa1-bN层的上面，该n型掺杂层是顶层IncGa1-cN电池的一部分；一p型掺杂IncGa1-cN层，该p型掺杂IncGa1-cN层制作在n型掺杂IncGa1-cN层的上面，该p型掺杂层是顶层IncGa1-cN电池的一部分。2、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的衬底是蓝宝石衬底。3、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的氮化镓成核层的厚度为0.01-0.05iim，优选范围为0.01-0.03um。4、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的非有意掺杂氮化镓缓冲层的厚度为0.50-3.00ym，优选范围为1.50-2.50ym。5、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的n型掺杂InGai-aN层的厚度为0.05-0.50iim，优选范围为0.05-0.20ym，其中0.35"《0.65，优选范围为0.45"《0.55;电子浓度为0.1-5.0X10'Vcm3，优选范围为0.1-1.0X10'7cm3。—6、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的p型掺杂InaGa,—aN层的厚度为0.05-0.50ym，优选范围为0.05-0.2Gym，其中0.35《a《0.65，优选范围为0.45《a《0.55;空穴浓度为0.1-5.OX10'7cm3，优选范围为0.l-l.0X10'7cm3。7、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的p型重掺杂IruGa,"N层的厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-0.010ym，其中0《b《l;空穴浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.5-5.0X10)7cm3。8、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的n型重掺杂IruGa,-bN层的厚度为0.005-0.015um，优选范围为0.005-O.OlOum，其中0《b《l;电子浓度为0.1-5.0X1019/cm3，优选范围为0.5-5.0X1019/cm3。9、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的n型掺杂In。Ga卜。N层的厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80;电子浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.l-l.0X10'7cm3。10、根据权利要求1所述的倒装双结铟镓氮太阳能电池，其特征在于，其中所述的P型掺杂In。Ga^N层的厚度为0.05-0.50um，优选范围为0.05-0.20um，其中0.60《c《0.90，优选范围为0.70《c《0.80;空穴浓度为0.1-5.0X10'7cm3，优选范围为0.1-1.0X10'Vcm3。全文摘要一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，包括一衬底；一氮化镓成核层制作在衬底的上面；一非有意掺杂氮化镓缓冲层制作在氮化镓成核层的上面；一n型掺杂In<sub>a</sub>Ga<sub>1-a</sub>N层制作在非有意掺杂氮化镓缓冲层的上面；一p型掺杂In<sub>a</sub>Ga<sub>1-a</sub>N层制作在n型掺杂In<sub>a</sub>Ga<sub>1-a</sub>N层的上面；一p型重掺杂In<sub>b</sub>Ga<sub>1-b</sub>N层制作在p型掺杂In<sub>a</sub>Ga<sub>1-a</sub>N层的上面；一n型重掺杂In<sub>b</sub>Ga<sub>1-b</sub>N层制作在p型重掺杂In<sub>b</sub>Ga<sub>1-b</sub>N层的上面；一n型掺杂In<sub>c</sub>Ga<sub>1-c</sub>N层制作在n型重掺杂In<sub>b</sub>Ga<sub>1-b</sub>N层的上面；一p型掺杂In<sub>c</sub>Ga<sub>1-c</sub>N层制作在n型掺杂In<sub>c</sub>Ga<sub>1-c</sub>N层的上面。文档编号H01L31/065GK101373798SQ200710120608公开日2009年2月25日申请日期2007年8月22日优先权日2007年8月22日发明者冉学军,张小宾,李晋闽,杨翠柏,王晓亮,王翠梅,肖红领,胡国新申请人:中国科学院半导体研究所