[发明专利]基于N极性氮化物材料的光电转换结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于N极性氮化物材料的光电转换结构及制备方法，主要解决现有光电转换结构中的氮化物材料自发极化电场的方向与光照产生的电场相反，导致光电转换结构效率不高的问题。其自下而上包括：衬底(1)、高温AlN成核层(2)、i‑GaN层(3)、n型GaN层(4)、i‑In_xGa_1‑xN层(5)和p型GaN层(6)，其中除衬底以外的各层均采用N极性氮化物材料，即材料的最表层中心原子为N原子。本发明的光电转换结构中由于氮化物材料自发极化产生的电场与光照产生的电场方向相同，起到了对光照产生电场的促进作用，提高了光电转换效率，可用于制作高效率的太阳能电池。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种光电转换技术，可用于制作高效率的太阳能电池。

技术背景

电能作为二次能源有无直接污染和能量高速传递的优势，是信息化社会和现代文明所必不可少的能量来源。目前发电方式主要有煤电、水电和核电等，其中煤电仍然占据最大比例，造成了大量的资源浪费和环境污染。为了解决这一问题，人们开始研究太阳能到电能的转化。太阳能电池是实现太阳能转化为电能的重要技术，提高太阳能电池的效率可以有效提升对于能源的利用率。

目前，对太阳能电池的研究分为了两个技术路线，一个是以钙钛矿材料为主要材料的有机太阳能电池，其工艺简单、成本低廉，但可靠性低下，无法投入实际使用。另一条技术路线则是受到GaN高效率蓝光LED的启发而采用氮化物材料的太阳能电池，氮化物材料体系包括GaN，InN和AlN及其合金，它们较强的自发极化会产生电场，对光电转换过程产生或利或弊的影响，合理利用极化效应可以提高光电转换的效率。

常见的氮化物太阳能电池中的光电转换结构，通常是在衬底上依次生长Al极性高温AlN成核层、Ga极性i-GaN层、Ga极性n型GaN层、InGa极性i-In_xGa_1-xN层和Ga极性p型GaN层，此种结构的自发极化电场的方向与光照产生的电场相反，导致了对光照产生电场的抵消效果，严重降低了光电转换结构的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于N极性氮化物材料的光电转换结构及制备方法，以提高太阳能电池的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明的光电转换结构，自下而上包括：衬底、高温AlN成核层、i-GaN层、n型GaN层、i-In_xGa_1-xN层和p型GaN层，其特征在于：高温AlN成核层、i-GaN层、n型GaN层、i-In_xGa_1-xN层和p型GaN层均采用N极性氮化物材料，即材料的最表层中心原子为N原子，其自发极化产生的电场与光照产生的电场方向相同，起到了对光照产生电场的促进作用，提高了太阳能电池的光电转换效率。

进一步，衬底所用材料是蓝宝石或SiC。

进一步，所述的高温AlN成核层的厚度为20-30nm；所述的i-GaN层的厚度为2-3μm；所述的n型GaN层的厚度为1-2μm；所述的p型GaN层的厚度为100-200nm。

进一步，所述i-In_xGa_1-xN层的厚度为0.2μm，In含量x的调整范围为0.15-0.3。

为实现上述目的本发明基于N极性氮化物材料的光电转换结构制备方法，包括如下步骤：

1)对衬底进行加热和高温氮化的预处理；

2)在预处理后的衬底上采用MOCVD工艺生长20-30nm的AlN成核层；

3)在AlN成核层上采用MOCVD工艺生长2-3μm的i-GaN层；

4)在i-GaN层上采用MOCVD工艺生长1-2μm的n型GaN层；