氮面氮化鎵絨面太陽能電池及其製作方法

2023-06-26 01:22:41

專利名稱：氮面氮化鎵絨面太陽能電池及其製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，特別涉及一種太陽能電池，即氮面氮化鎵絨面太陽能電池。具體地說是在藍寶石上生長一層晶向為W001]的氮面n-GaN層，利用稀釋的KOH 溶液對氮面GaN的表面進行絨面化，在絨面化後的GaN表面旋塗一層有機導電薄膜，形成優良的肖特基接觸，實現光伏特性。
背景技術：
現代工業的發展一方面加大了對能源的需求，引發能源危機，另一方面在常規能源的使用中釋放出大量二氧化碳氣體，導致全球性的「溫室效應」。為此，各國力圖擺脫對常規能源的依賴，加速發展可再生能源，作為一種非常重要的可再生能源。太陽能具有安全可靠、無噪聲、無汙染，能量隨處可得，不受地域限制，無須消耗燃料，無機械轉動部件，故障率低，維護簡便，可以無人職守，建設周期短，規模大小隨意，無須架輸電線路，可以方便地與建築物相結合等優點使得世界各國對利用太陽能發電充滿了濃厚的興趣。太陽能電池主要由光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層以及陰陽兩個電極組成。當太陽光照射在電池的光吸收層上後，光吸收層吸收太陽光子通過光子激發形成電子-空穴對，由於內建電勢的作用，激發形成的電子通過電子傳輸層到達陰極，而空穴通過空穴傳輸層到達陽極，使陰陽兩極形成電勢差，即太陽電池的輸出電壓，從而實現由光能到電能的轉換。傳統的太陽能電池基本分為無機太陽能電池和有機太陽能電池兩種。無機太陽能電池光吸收層、電子傳輸層和空穴傳輸層的材料為無機材料。例如用矽和GaAs製備的太陽能電池因其吸收光譜範圍廣，載流子遷移率高，擴散長度長，熱穩定性高，機械強度大等特點而有較高的光電轉換效率，但是這種無機太陽能電池成本高，毒性大，材料來源稀缺，難以大規模應用。有機太陽電池的光吸收層、電子傳輸層和空穴傳輸層均為有機材料。例如以染料敏化電池和有機聚合物為代表的有機太陽能電池具有成本低，加工工藝簡單，重量輕，超薄以及柔性、吸收係數高等特點，非常適宜大面積製備和個性化應用；但是這種有機物材料中載流子的遷移率過低比無機材料小3個數量級，激子擴散長度較短為lOnm，無法吸收太陽光譜中佔了整個能量的60%的紅外部分能量，使得有機太陽能電池的光電轉換效率較低。 為此，人們嘗試將無機材料吸收光譜範圍廣，載流子遷移率高，擴散長度長，熱穩定性高，機械強度大等特點與有機物的優點結合起來製備無機-有機混和太陽能電池。目前研究較多的是基於寬禁帶半導體材料ZnO和TiO2的混合太陽能電池，雖然它們在可見光範圍內沒有吸收，但是具有較高的電子傳輸性能、合成工藝簡單、成本低廉，毒性低、穩定性好，使用壽命比較長的優點，在無機納米晶-聚合物太陽能電池領域中具有潛在的應用價值。尤其是T^2納米材料，它可以製備成納米多孔的連續結構，使得整個有機聚合物能夠填充到細孔中間，不僅大大減小了器件的厚度，而且也提高了器件的開路電壓和填充因子，除此而外，TiO2還可以用作光學分隔層，有助於收集更多的電子進而提高器件的效率。
除了 TiA和ZnO兩種寬禁帶半導體材料外，還有近年發展起來的氮化鎵(GaN)材料，它屬於直接帶隙半導體，具有禁帶寬，載流子遷移率高，熱導率高，耐高壓，耐高溫，抗腐蝕，抗輻射等突出優點；但是，目前製成的混合太陽能電池不僅生產成本高，而且其光電轉換效率仍舊較低，其最大的轉換效率不足40%。

發明內容
本發明的目的在於針對上述已有技術的不足，提出氮面氮化鎵絨面太陽能電池及其製作方法，以在相對低成本下提高混合太陽電池的效率，擴大其應用範圍。實現本發明目的的技術思路是，利用氮面GaN材料在鹼性溶液中易於實現腐蝕區域的特點，通過GaN的表面絨化提高有機大分子聚合物填充度，提高混合太陽電池的性能， 其技術方案如下本發明的電池，自下而上包括藍寶石襯底、AlN緩衝層、外延層、陰極、有機聚合物層和陽極，其特徵在於其特徵在於外延層採用氮面n-GaN，且該氮面n-GaN層與有機聚合物層的接觸面處採用絨面結構，即氮面n-GaN表面布滿凹陷，其凹陷的密度為 lX107cnT2-4X108cnT2，深度為 450nm-l. 5 μ mD製備本發明上述電池的方法，包括如下步驟(1)在藍寶石襯底上採用MOCVD方法生長厚度為150-200nm的AlN緩衝層；(2)在AlN緩衝層上採用MOCVD方法生長厚度為2_3 μ m、電子濃度為 1.0X 1017cnT3-2. 0X IO18CnT3 的氮面 n-GaN 外延層；(3)將生長氮面n-GaN外延層後的樣品材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別超聲清洗3min，重複2次後用去離子水超聲清洗10-15min ；(4)在燒杯中加入濃度為15% -25%的KOH溶液，用萬用加熱爐加熱至70_90°C， 用熱偶測溫計測溫並隨時控制萬用加熱爐，待溶液溫度保持平衡3-5min後，將清洗後的樣品材料放入KOH溶液中進行表面腐蝕10-20min，形成具有密度為1 X 107cnT2-4X IO8CnT2、深度為450nm-l. 5μπι的凹陷，完成氮面n-GaN外延層的表面絨面化，待樣品冷卻後用去離子水進行衝洗；(5)將表面絨面化後的樣品放入熱蒸發臺中，在氮面n-GaN層上依次澱積20nm的 Ti和80nm的Al，並在600°C的熱退火爐中退火lmin，構成陰極；(6)將退火後的樣品放在甩膠機上，在氮面n-GaN層表面旋塗一層厚度為 50-80nm、經過直徑為450nm過濾器過濾的有機聚合物，以3000-3500rpm轉數，旋轉50_90s 後，再將樣品放在120°C下的熱板上烘烤lOmin，使有機膜與絨面化後的氮面n-GaN層形成良好的肖特基接觸；(7)將完成上述製備流程的樣品放入熱蒸發臺中澱積一層厚度為IOOnm的Au與有機聚合物層形成肖特基接觸構成器件的陽極，完成絨面混合太陽能電池的製備。本發明與現有技術相比具有如下優點1)本發明由於選用氮面n-GaN作為電子傳輸層，其電子遷移率比SiO、TiO2更高， 電子的壽命更長，陰極收集的電子更多，使電池的短路電流更大。2)本發明由於與有機聚合物接觸的氮面n-GaN表面採用布滿凹陷的絨面結構，相對於現有混合太陽電池中光滑的接觸面，這種絨面一方面使氮面GaN層與有機物的接觸面積增加，使光的吸收面積增加，從而提高光的利用率，另一方面有效減少了界面對太陽光的反射，提高了界面對光的吸收，使光激發載流子的效率提高，太陽電池的外量子效率提高， 太陽電池的光電轉換效率也隨之提高。3)相對於鎵面GaN要用高溫熔融狀態的KOH腐蝕，本發明採用的氮面GaN在KOH 稀釋溶液中即可實現腐蝕，腐蝕時間和溫度易於控制、腐蝕區域寬深比大，不僅容易實現表面絨化而且有利於有機聚合物的充分填充，提高太陽能電池的性能。4)本發明採用高導電性，高透光率，高功函數的有機聚合物與氮面n-GaN形成肖特基結構的混合太陽能電池，相對於傳統無機太陽電池成本低廉，工藝簡單，載流子收集效率高。


圖1是本發明氮面氮化鎵太陽電池的結構圖；圖2是本發明的工藝流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的氮面氮化鎵絨面太陽電池結構，自下而上包括藍寶石襯底1、 AlN緩衝層2、外延層3、陰極4、有機聚合物5和陽極6。其中，AlN緩衝層2採用MOCVD方法生長，厚度為150-200nm ；外延層3為氮面n_GaN，採用MOCVD方法生長，厚度為2_3 μ m、 電子濃度為1. OX 1017cm_3-2. OX 1018cm_3，且該氮面n_GaN層與有機聚合物層的接觸面處採用布滿凹陷的絨面結構，其凹陷的密度為IX 107cm_2-4X 108cm_2，深度為450nm-l. 5μ m ；陰極4是在氮面n-GaN層上依次澱積20nm的Ti和80nm的Al形成；有機聚合物5是經過直徑為450nm過濾器過濾，在製作陰極後的氮面η-GaN表面旋塗而成，厚度為50-80nm ；陽極6 是在有機聚合物層上澱積的IOOnm的Au。參照圖2，製作本發明電池的方法給出如下三種實施例實施例1，包括如下步驟步驟1，在藍寶石襯底上採用MOCVD方法生長厚度為150nm的AlN緩衝層，其工藝條件是溫度為 1050°C, NH3 為 3500sccm, TMAl 為 30sccm,時間為 30min。步驟2，在AlN緩衝層上採用MOCVD方法生長厚度為2μπκ電子濃度為 1. OX 1017cm_3-2. OX IO18CnT3的氮面n_GaN外延層，工藝條件是溫度為1020 °C, NH3為 5000sccm, TEGa為220sccm，時間為2小時的下進行。步驟3，將生長氮面n-GaN外延層後的樣品材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別超聲清洗3min，重複2次後用去離子水超聲清洗lOmin。步驟4，在燒杯中加入濃度為15 %的KOH溶液，用萬用加熱爐加熱至80°C，用熱偶測溫計測溫並隨時控制萬用加熱爐，待溶液溫度保持平衡5min後，將清洗後的樣品放入15%的KOH溶液中進行表面腐蝕20min，形成具有密度為1 X 107cnT2-4X 108cnT2、深度為 450nm-800nm的凹陷，完成氮面n-GaN外延層的表面絨面化，待樣品冷卻後用去離子水進行衝洗。步驟5，將表面絨面化後的樣品放入熱蒸發臺中，在氮面n-GaN層上依次澱積20nm 的Ti和80nm的Al形成良好的歐姆接觸，在600°C的熱退火爐中退火lmin，構成陰極。
步驟6，將有機聚合物PED0T:PSS溶液用直徑為450nm過濾器過濾，再將退火後的樣品放在甩膠機上，用尖嘴吸管把過濾過的PED0T:PSS溶液均勻的滴在氮面n-GaN層表面，至溶液覆蓋住整個平面為止，然後以3300rpm轉數，旋轉70s，形成厚度為50nm的 PED0T:PSS有機膜，再將樣品放在120°C下的熱板上烘烤IOmin以去除有機溶劑，使有機膜與絨面化後的氮面n-GaN層形成良好的肖特基接觸。步驟7，將完成上述製備流程的樣品放入熱蒸發臺中，在有機聚合物PED0T:PSS上澱積一層厚度為IOOnm的Au與有機聚合物層形成良好的肖特基接觸構成器件的陽極，完成整個絨面混合太陽能電池的製作。實施例2，包括如下步驟步驟一，在溫度為1050°C，NH3 為 3500sccm，TMAl 為 30sccm，時間為 30min 的工藝條件下，採用MOCVD方法在藍寶石襯底上生長厚度為150nm的AlN緩衝層。步驟二，採用MOCVD 方法，在溫度為 1020 "C, NH3 為 5000sccm，TEGa 為 220sCCm，時間為2小時的工藝條件下，在AlN緩衝層上生長厚度為2 μ m、電子濃度為 1. OX 1017cm_3-2. OX 1018cm_3 的氮面 n-GaN 外延層。步驟三，將生長氮面n-GaN外延層後的樣品依次放入丙酮、無水乙醇中分別超聲清洗3min，重複2次後用去離子水超聲清洗15min。步驟四，在燒杯中加入配好的濃度為20%的KOH溶液，用萬用加熱爐加熱至 85°C，用熱偶測溫計測溫並隨時控制萬用加熱爐，待溶液溫度保持平衡5min後，將清洗後的樣品材料放入上述濃度為20%的KOH溶液中進行表面腐蝕15min，形成具有密度為 1 X 107cm_2-4X 108cm_2、深度為0. 6-1. 1 μ m的凹陷，完成氮面n_GaN外延層的表面絨面化， 待樣品冷卻後用去離子水進行衝洗。步驟五，將表面絨面化後的樣品放入熱蒸發臺中，在氮面n-GaN層上依次澱積 20nm的Ti和SOnm的Al形成良好的歐姆接觸，然後將樣品放入退火爐中，在600°C下退火 Imin，構成陰極。步驟六，將有機聚合物PEDOT PSS溶液用直徑為450nm過濾器過濾，再將退火後的樣品放在甩膠機上，用尖嘴吸管把過濾過的PEDOTPSS溶液均勻的滴滿整個氮面n-GaN表面，以3000轉數，旋轉60s後形成厚度為60nm的PEDOTPSS有機膜，再將樣品放在120°C下的熱板上烘烤lOmin，使有機膜與絨面化後的氮面n-GaN層形成良好的肖特基接觸。步驟七，將完成上述製備流程的樣品放入熱蒸發臺中，在有機聚合物PEDOT:PSS 上澱積一層厚度為IOOnm的Au與有機聚合物層形成良好的肖特基接觸構成器件的陽極，完成絨面混合太陽能電池的製備。實施例3，包括如下步驟步驟A，採用MOCVD在藍寶石襯底上方法生長厚度為200nm的AlN緩衝層，生長的工藝條件為溫度為1050°C, NH3為3500sccm, TMAl為30sccm,時間為40min。步驟B，採用MOCVD在AlN緩衝層上方法生長厚度為3 μ m、電子濃度為 1. OX 1017cm_3-2. OX IO18CnT3的氮面n_GaN外延層，工藝條件為溫度為1020 °C, NH3為 5000sccm, TEGa 為 220sccm,時間為 3 小時。步驟C，將生長氮面n-GaN外延層後的樣品材料依次放入丙酮、無水乙醇中分別超聲清洗3min，重複2次後用去離子水超聲清洗12min。
步驟D，在燒杯中加入配好的濃度為25%的KOH溶液，用萬用加熱爐加熱至 90°C，用熱偶測溫計測溫並隨時控制萬用加熱爐，待溶液溫度保持平衡:3min後，將清洗後的樣品材料放入上述濃度為25%的KOH溶液中進行表面腐蝕20min，形成具有密度為 lX107Cm_2-4X108Cm_2、深度為0. 9-1. 5 μ m的凹陷，完成氮面n-GaN外延層的表面絨面化， 待樣品冷卻後用去離子水進行衝洗。步驟E，將表面絨面化後的樣品放入熱蒸發臺中，在氮面n-GaN層上依次澱積20nm 的Ti和80nm的Al形成良好的歐姆接觸，在600°C的熱退火爐中退火lmin，構成陰極。步驟F，將有機聚合物PANI溶液用直徑為450nm過濾器過濾，再將退火後的樣品放在甩膠機上，用尖嘴吸管把過濾過的PANI溶液均勻的滴滿整個氮面n-GaN層表面，以 2500rpm的轉數，旋轉80s後形成厚度為SOnm的PANI有機膜，再將樣品放在120°C下的熱板上烘烤lOmin，使有機膜與絨面化後的氮面n-GaN層形成良好的肖特基接觸。步驟G，將完成上述製備流程的樣品放入熱蒸發臺中，在有機聚合物PANI上澱積一層厚度為IOOnm的Au與有機聚合物層形成良好的肖特基接觸構成器件的陽極，完成絨面混合太陽能電池的製作。
權利要求
1.一種氮面氮化鎵絨面太陽能電池，自下而上包括藍寶石襯底(1)、A1N緩衝層O)、 外延層(3)、陰極G)、有機聚合物層(5)和陽極(6)，其特徵在於外延層(3)採用氮面 n-GaN,且該氮面n-GaN層與有機聚合物層的接觸面處採用絨面結構，即氮面n_GaN表面布滿凹陷，其凹陷的密度為lX107cnT2-.4X108cnT2，深度為450nm_l. 5μπι。
2.一種氮面氮化鎵絨面混合太陽能電池的製作方法，包括如下步驟(1)在藍寶石襯底上採用MOCVD方法生長厚度為150-200nm的AlN緩衝層；(2)在AlN緩衝層上採用MOCVD方法生長厚度為2_3μ m、電子濃度為 1.0X 1017cnT3-2. 0X IO18CnT3 的氮面 n-GaN 外延層；(3)將生長氮面n-GaN外延層後的樣品依次放入丙酮、無水乙醇中分別超聲清洗;3min， 重複2次後用去離子水超聲清洗10-15min ；(4)在燒杯中加入濃度為15%-25%的KOH溶液，用萬用加熱爐加熱至70-90°C，用熱偶測溫計測溫並隨時控制萬用加熱爐，待溶液溫度保持平衡3-5min後，將清洗後的樣品放入KOH溶液中進行表面腐蝕10-20min，使氮面n-GaN層與有機聚合物層的接觸面處形成布滿凹陷的絨面結構，該凹陷的密度為lX107Cm_2-.4X108Cm_2、深度為450nm-l. 5 μ m，待樣品冷卻後用去離子水進行衝洗；(5)將表面絨面化後的樣品放入熱蒸發臺中，在氮面n-GaN層上依次澱積20nm的Ti和 80nm的Al，並在600°C的熱退火爐中退火lmin，構成陰極；(6)將退火後的樣品放在甩膠機上，在氮面n-GaN層表面旋塗一層厚度為50-80nm、經過直徑為450nm過濾器過濾的有機聚合物，以2500_3500rpm轉數，旋轉.50_90s後，再將樣品放在120°C下的熱板上烘烤lOmin，使有機膜與絨面化後的氮面n-GaN層形成良好的肖特基接觸；(7)將完成上述製備流程的樣品放入熱蒸發臺中澱積一層厚度為IOOnm的Au與有機聚合物層形成肖特基接觸構成器件的陽極，完成絨面混合太陽能電池的製作。
3.根據權利要求2所述的混合太陽能電池的製作方法，其中步驟(1)所述的採用 MOCVD方法生長厚度為150-200nm的AlN緩衝層，是在溫度為1050°C，NH3為3500sccm，TMAl 為30sccm，時間為30-40min的工藝條件下進行。
4.根據權利要求2所述的混合太陽能電池的製作方法，其中步驟( 所述的採用 MOCVD方法生長厚度為2-3 μ m、電子濃度為l.OX 1017cm_3_2. O X .1018cm_3的氮面n_GaN外延層，是在溫度為1020°C，NH3為5000sccm，TEGa為220sccm，時間為2-3小時的工藝條件下進行。
全文摘要
本發明公開了一種氮面氮化鎵絨面太陽能電池及其製作方法，主要解決現有太陽電池效率低，成本高問題。其自下而上包括藍寶石襯底(1)、AlN緩衝層(2)、外延層(3)、陰極(4)、有機聚合物層(5)和陽極(6)。其中，AlN緩衝層(2)採用MOCVD生長，厚度為150-200nm；外延層(3)為採用MOCVD生長的厚度為2-3μm、電子濃度為1.0×1017cm-3-2.0×1018cm-3的氮面n-GaN，且與有機聚合物(5)的接觸面為布滿凹陷的絨面，凹陷密度為1.0×107cm-2-4.0×108cm-2，深度為450nm-1.5μm；陰極(4)是在氮面n-GaN層上澱積Ti和Al形成；有機聚合物(5)由在氮面n-GaN表面旋塗而成，其厚度為50-80nm；陽極(6)是在機聚合物(5)上澱積Au形成。本發明工藝簡單、成本低，光電轉換效率高，可用於商用和民用的發電系統。
文檔編號H01L51/46GK102569655SQ20121001084
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月14日 優先權日2012年1月14日
發明者馮倩, 李倩, 王強, 邢濤, 郝躍 申請人:西安電子科技大學