[发明专利]太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种硅基单结氮化镓铟太阳能电池。

背景技术

太阳能电池是一种将太阳能直接转换为电能的光电器件。按照制备材料的不同，主要分为晶体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、CIGS(铜铟镓锡)太阳电池、以砷化镓为代表的III-V族太阳电池、有机聚合物太阳电池等。前四种太阳电池为半导体太阳电池，目前普及最为广泛。半导体太阳电池的原理是利用半导体pn结的光生伏特效应，即利用一定禁带宽度的材料吸收太阳光子能量来激发电子空穴对，产成光生电动势，从而完成光能到电能的转换。

目前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宇宙空间领域时，对太阳能电池的光电转换效率要求更高，同时还要求材料具有一定的抗辐射性。

III-V族化合物多为直接带隙的能带结构，其光吸收系数比间接带隙的材料(如硅、锗等)高2-3个数量级，可以用于制备高效率太阳能电池。随着对III-V族氮化物材料研究的不断深入，2002年研究人员发现氮化铟的禁带宽度应该在0.7eV左右(参见文献：谢自力，et al.，InN材料及其应用.微纳电子技术，2004(12)：p.26-32)，而不是原先大家所接受的1.9eV。因此，InGaN这种三元合金材料可以通过调节其中In元素的含量，实现其禁带宽度在0.7eV(InN的带隙)与3.4eV(GaN的带隙)之间连续可调，使得InGaN材料所对应的吸收光谱范围与太阳光谱几乎完美匹配。因此，通过制备不同带隙的InGaN材料进行搭配组合，就可以研制出效率很高的新型太阳能电池。除了转换效率高之外，InGaN材料还具有良好的抗辐射性能，所以InGaN材料非常适合作为卫星等空间飞行器的太阳能电池。

InGaN材料是利用薄膜外延生长技术，在合适的衬底上生长获得的。最常用的方法是金属有机物化学沉积法(MOCVD法)。然而由于晶格失配、热膨胀系数失配等原因，适合InGaN薄膜的外延生长衬底材料种类很有限。目前最常用的方法是在蓝宝石衬底上淀积氮化镓或氮化铝作为缓冲层，之后在缓冲层上外延InGaN系列材料，这样可以最大程度地减少晶格失配等问题，获得晶格缺陷较少的外延材料。

对于GaN/InGaN器件而言，多数采用的是蓝宝石衬底。蓝宝石衬底尺寸小(普遍只采用2英寸工艺)，价格居高不下，而且还有上涨趋势，使得这类光电器件的衬底成本占芯片成本的比重约为10％-20％。另外由于蓝宝石自身导电性能差，因此当使用该衬底制作氮化镓基器件时，电极需要设计在芯片的同侧。这一方面增加了工艺过程的复杂度，另一方面造成了芯片内部的电流密度分布一致性较差，从而影响器件的电学、光学特性及长期可靠性(参见文献：黄亚军，王良臣，et al.，垂直结构GaN基LEDs电流分布计算分析.半导体技术，2009(9)：p.861-863.)。相对于蓝宝石衬底而言，硅衬底有许多优点，如晶片尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性，能够进行大面积的外延工艺，即可以同时外延生长数量更多的芯片。因此平均到每个芯片，外延工艺成本与设备折旧成本能够明显降低。另外由于硅的导电性好，且对光的吸收能够做出贡献，因此硅基太阳电池可以使用双面上下电极，这样可以免去了光刻电极图形等工艺步骤，降低了电极制作成本。因此使用硅衬底来制作GaN/InGaN器件是许多研究者一直希望实现的技术。目前最大的技术难题在于氮化镓外延层与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，而且在氮化镓薄膜生长过程中容易形成非晶氮化硅(参见文献：江风益，硅衬底氮化镓LED材料与器件研发进展.第11届全国发光学学术会议论文摘要集，2007.)，所以若要在硅衬底上得到无龟裂的高质量的氮化镓材料，需要寻找合适的缓冲层材料以及优化外延工艺来解决这些问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基单结氮化镓铟太阳电池，实现在大面积单晶硅上外延InGaN薄膜制备太阳电池的工艺技术。该太阳电池具有工艺成本较低，光电转换效率高(25％以上)，以及良好的抗辐射性等特点。