一种利用自发极化电场的非极性太阳能电池

摘要

本发明提供了一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。自下而上依次包括：衬底、GaN成核层、非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN吸收层，p型GaN层，其中除衬底之外的所有氮化物外延层均由非极性材料构成；在p型GaN层上引出p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极。由于非极性外延层面内存在平行于外延层面的单一方向的自发极化电场，且p型和n型GaN欧姆电极分别位于自发极化电场的正负两端，因此自发极化电场的存在有利于提高太阳能电池中光生载流子电子空穴对的横向即平行于电池表面的空间分离效率，并且此自发极化电场还可加速将分离的空穴和电子分别输运至正负电极处，从而可大大提高光电流的产生效率。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。

背景技术

InGaN材料在制备高效太阳能电池方面潜力巨大。首先，In_xGa_1-xN材料是直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物InGaN材料中的In组分，可以实现其带隙能量在0.7～3.4eV之间连续变化，其吸收光谱几乎与太阳光谱完美匹配[1]。其次，InGaN材料还具有高吸收系数、高电子迁移率、高硬度、耐高温、抗辐射等优点，是实现全光谱太阳能电池的理想材料，具有广泛的应用前景和巨大的研究价值[2]。

然而，现有的量子阱结构的GaN基太阳能电池的光电转化效率依旧较低，如图2所示。量子阱中的极化电场是造成太阳能电池的光电转化效率低下的一个重要因素。由于纤锌矿结构GaN基材料沿(0001)方向存在很强的极化电场，其强度高达MV/cm量级，而且现有的极性GaN基太阳电池，其极化电场方向与p-n结内建电场的方向相反，会对内建电场造成补偿，导致有源区内净电场减小，不利于光生载流子的有效收集；同时极性太阳能电池内的极化电场会使得量子阱区域能带发生倾斜，产生附加势垒，阻碍光生载流子的输运，对太阳能电池的性能产生非常不利的影响[3]。

为提高太阳能电池的光电转化效率，现有技术通常采用在器件背部制作反射镜、在器件表面制作减反膜或采用InGaN/GaN超晶格结构等技术来提高材料对光的吸收效率[4,5]。然而采用这些技术仍无法从根本上解决极性器件中极化电场对内建电场补偿所造成的光电转换效率下降的问题。要从根本上解决此问题，需使得极化电场方向与p-n结内建电场的方向相同或者垂直，以使其不对p-n结内建电场形成补偿，但传统极性器件显然无法满足此要求。因此，研发非极性GaN基太阳能电池，对于提高太阳能电池的光电转化效率具有非常重要的意义。

参考文献：

1.Matsuoka,T.,et al.,Optical bandgap energy of wurtzite InN.Applied Physics Letters,2002.81(7):p.1246-1248.

2.Jani,O.,et al.,Design and characterization of GaN/InGaN solar cells.Applied Physics Letters,2007.91(13):p.132117.

3.Chang,J.-Y.,et al.,Simulation of high-efficiency GaN/InGaN pin solar cell with suppressed polarization and barrier effects.IEEE Journal of Quantum Electronics,2013.49(1):p.17-23.

4.Chen,X.,et al.,Growth,fabrication,and characterization of InGaN solar cells.physica status solidi(a),2008.205(5):p.1103-1105.

5.Tsai,C.-L.,et al.,Substrate-free large gap InGaN solar cells with bottom reflector.Solid-State Electronics,2010.54(5):p.541-544.

发明内容

技术问题：针对上述现有技术制备的极性量子阱结构太阳能电池所存在的问题，本发明提供了一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。采用该种结构既可以从根本上解决传统极性量子阱结构太阳能电池中极化电场对p-n结内建电场的补偿的问题，同时利用此自发极化电场又可以加速将分离的空穴和电子分别输运至正负电极处，从而极大地提高太阳能电池的光电效率。

技术方案：本发明胡具有自发极化电场的非极性太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底，GaN成核层、非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN吸收层、p型GaN层，在p型GaN层上引出p型欧姆电极，在n型GaN层上引出n型欧姆电极。

其中；

所述GaN成核层、非掺杂GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN吸收层、p型GaN层均由非极性材料构成。

所述p型欧姆电极和n型欧姆电极分别位于自发极化电场的正负两端。

所述衬底为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝。

所述GaN成核层的厚度为15-50nm，非掺杂GaN缓冲层的厚度为50-5000nm，n型GaN层的厚度为200-5000nm，InGaN吸收层的厚度为20-2000nm，p型GaN层的厚度为100-1000nm。

所述InGaN吸收层是单层InGaN外延层结构，或是InGaN/GaN多量子阱结构，其中量子阱阱宽为2-10nm，势垒宽为5-20nm，重复周期数为1-50。

所述p型欧姆电极和n型欧姆电极的材料为Al，Ni，Au或Ti中的任何一种金属或由以上多种金属构成的复合电极材料。

有益效果：本发明提供的是一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池。采用非极性材料可以从根本上避免量子阱区域极化电场对p-n内建电场的补偿效应，有利于提高光生载流子的纵向即垂直于电池表面分离效率。进一步而言，非极性材料里自发极化电场的存在有利于提高太阳能电池中光生载流子的横向即平行于电池表面空间分离效率，并且由于p型和n型GaN欧姆电极分别位于自发极化电场的正负两端，所以此自发极化电场还可加速将分离的空穴和电子分别输运至正负电极处，从而可大大提高光电流的产生效率，故对于提升太阳能电池的光电转化效率具有重要的意义。

附图说明

图1为一种具有自发极化电场的非极性太阳能电池的层结构示意图。

图中有：衬底101、GaN成核层102、非掺杂GaN缓冲层103、n型GaN层104、InGaN吸收层105、p型GaN层106，p型欧姆电极107，n型欧姆电极108。

图2为现有技术制备的极性太阳能电池的层结构示意图。

图中有：衬底201、GaN成核层202、非掺杂GaN缓冲层203、n型GaN层204、InGaN吸收层205、p型GaN层206，p型欧姆电极207，n型欧姆电极208。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明具有自发极化电场的非极性太阳能电池包括自下而上依次设置的衬底101，GaN成核层102、非掺杂GaN缓冲层103、n型GaN层104、InGaN吸收层105、p型GaN层106，在p型GaN层上引出p型欧姆电极107，在n型GaN层上引出n型欧姆电极108。

优选的，所述GaN成核层102、非掺杂GaN缓冲层103、n型GaN层104、InGaN吸收层105、p型GaN层106均由非极性材料构成。

优选的，所述p型欧姆电极107和n型欧姆电极108分别位于自发极化电场的正负两端。

优选的，所述衬底101可以为极性、半极性和非极性取向的蓝宝石、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝等材料。

优选的所述GaN成核层102的厚度为15-50nm，非掺杂GaN缓冲层103的厚度为50-5000nm，n型GaN层104的厚度为200-5000nm,InGaN吸收层105的厚度为20-2000nm，p型GaN层106的厚度为100-1000nm。

所述InGaN吸收层105可以是单层InGaN外延层结构，也可以是InGaN/GaN多量子阱结构，其中量子阱阱宽为2-10nm，势垒宽为5-20nm，重复周期数为1-50。

优选的，所述p型欧姆电极107和n型欧姆电极108的材料可以为Al，Ni，Au，Ti中的任何一种金属或由多种金属构成的复合电极材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。