專利名稱：一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，特別是涉及一種通過(guò)在透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池柵極加上電壓形成表面電場(chǎng)的場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
目前，廣泛使用的太陽(yáng)能電池其原理是利用Si基及GaAs基等本征半導(dǎo)體材料，通過(guò)離子摻雜、外延等半導(dǎo)體工藝技術(shù)制成pn結(jié)太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)光射入半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)電子-空穴對(duì)，通過(guò)pn結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)將電子-空穴對(duì)分離至兩極，在P型和η型本征半導(dǎo)體材料表面形成同內(nèi)建電場(chǎng)相反的光電壓，再通過(guò)歐姆接觸電極導(dǎo)出電流。雖然pn結(jié)太陽(yáng)能電池發(fā)展已經(jīng)成熟，但是仍存在以下問(wèn)題雖然淺結(jié)太陽(yáng)能電池的pn結(jié)靠近表面，但是仍有大部分短波長(zhǎng)太陽(yáng)光因在材料中的穿透深度很短(0. 1 0.01 μ m)，進(jìn)入結(jié)區(qū)之前就被吸收，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的分離，限制了效率；寬禁帶直接帶隙本征半導(dǎo)體材料&ι0， GaN基材料的ρ型摻雜工藝仍不理想，無(wú)法制備性能優(yōu)良的pn結(jié)太陽(yáng)能電池；由于結(jié)電壓和禁帶寬度的限制，開路電壓較小。中國(guó)專利CN102084491A公開一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池及其制備方法。異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池具有硅制成的吸收體層以及摻雜半導(dǎo)體材料制成的至少一個(gè)異質(zhì)結(jié)層，吸收體層具有基區(qū)摻雜，摻雜半導(dǎo)體材料的帶隙不同于吸收體層的硅的帶隙。吸收體層在朝異質(zhì)結(jié)層方向的界面處具有摻雜層，所述摻雜層的摻雜濃度高于吸收體層的基區(qū)摻雜濃度。作為該摻雜分布的結(jié)果，產(chǎn)生了場(chǎng)效應(yīng)，該場(chǎng)效應(yīng)防止吸收體層內(nèi)產(chǎn)生的電荷載流子對(duì)朝向吸收體層和異質(zhì)結(jié)層之間的界面擴(kuò)散，以及防止在那里復(fù)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種外加?xùn)艠O電壓的透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池。本發(fā)明以其勢(shì)場(chǎng)靠近表面，省去pn結(jié)，無(wú)需ρ型摻雜，可應(yīng)用于GaN、ZnO等ρ型摻雜困難的寬禁帶本征半導(dǎo)體材料，外加?xùn)艠O電壓可調(diào)范圍大以提高開路電壓能較好解決現(xiàn)有太陽(yáng)能電池存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明利用柵極電壓激發(fā)表面電場(chǎng)吸收光能的太陽(yáng)能電池。本發(fā)明從下至上依次設(shè)有底部歐姆電極、襯底、本征半導(dǎo)體材料層、透明絕緣層、 透明導(dǎo)電膜，所述本征半導(dǎo)體材料層通過(guò)外延生長(zhǎng)在襯底上，在本征半導(dǎo)體材料層上生長(zhǎng)一層透明絕緣層，在透明絕緣層上生長(zhǎng)一層透明導(dǎo)電膜，在本征半導(dǎo)體材料層表面一側(cè)或兩側(cè)通過(guò)刻蝕和濺射工藝制成側(cè)面歐姆電極，在透明導(dǎo)電膜上制作金屬柵極，金屬柵極外接電源，在襯底底面制作底部歐姆電極，底部歐姆電極接地。所述襯底可采用ρ型襯底或η型襯底。所述透明導(dǎo)電膜的厚度可為50 150nm ；所述透明導(dǎo)電膜可選用ITO、CTO, InO, ai0、Sn02、GaN、SiC、類金剛石、石墨烯和常規(guī)已知透明導(dǎo)電膜。
所述透明絕緣層的厚度可為10 50nm ；所述透明絕緣層材料可選用Si02、Si3N4, MgO2, A12o3、SiO、TiO2, TaO2, Nb2O5, ZnS 和常規(guī)已知透明絕緣材料。所述本征半導(dǎo)體材料層可選用Si、Ge、GaAs, InP, ZnO, GaN, InGaN, SiC和常規(guī)已知的光伏材料層。所述金屬柵極可選用Al/Ti/Pd/Ag，Agai合金，Ti/Al/Ni/Au，Ag/Ti等中的一種作為柵極材料。所述金屬柵極對(duì)于Si可以選用Al/Ti/Pd/Ag，對(duì)于GaAs可以選用AgSi合金，對(duì)于 GaN可以選用Ti/Al/Ni/Au，對(duì)于ZnO可以選用Ag/Ti作為柵極材料。本發(fā)明提出的外加?xùn)艠O電壓的透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)是1)透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的電場(chǎng)區(qū)域比傳統(tǒng)pn結(jié)太陽(yáng)能電池更靠近表面，且寬度大，更有利于太陽(yáng)光的吸收，特別是通過(guò)表面電場(chǎng)分離由穿透深度短的短波段激發(fā)電子-空穴對(duì)，從而提高了效率。2、透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，可應(yīng)用于制造GaN，ZnO等寬直接帶隙本征半導(dǎo)體材料太陽(yáng)能電池，以避開其P型摻雜的困難。3)柵極電壓在一定范圍可調(diào)，通過(guò)加上較強(qiáng)的柵極電壓，有效的消除了金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差以及絕緣層非故意摻雜電荷對(duì)表面電場(chǎng)的影響，提高開路電壓。


圖1為本發(fā)明外加光伏柵極電壓的典型結(jié)構(gòu)剖面示意圖。在圖1中，各標(biāo)記為電源1、透明導(dǎo)電膜2，透明絕緣層3、本征半導(dǎo)體材料層4、襯底5、底部歐姆電極6、接地7、金屬柵極8、側(cè)面歐姆電極9。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明實(shí)施例從下至上依次設(shè)有底部歐姆電極6、襯底5、本征半導(dǎo)體材料層4、透明絕緣層3、透明導(dǎo)電膜2，所述本征半導(dǎo)體材料層4通過(guò)外延生長(zhǎng)在襯底5上，在本征半導(dǎo)體材料層4上生長(zhǎng)一層透明絕緣層3，在透明絕緣層3上生長(zhǎng)一層透明導(dǎo)電膜2， 在本征半導(dǎo)體材料層4表面一側(cè)或兩側(cè)通過(guò)刻蝕和濺射工藝制成側(cè)面歐姆電極9，在透明導(dǎo)電膜2上制作金屬柵極8，金屬柵極8外接電源1，在襯底5底面制作底部歐姆電極6，底部歐姆電極6接地(在圖1中，標(biāo)記為7)。所述襯底可采用ρ型襯底或η型襯底。襯底5上通過(guò)外延生長(zhǎng)本征半導(dǎo)體材料層 4，然后在本征半導(dǎo)體材料層4表面生長(zhǎng)一層透明絕緣層3，接著在透明絕緣層3上生長(zhǎng)一層透明導(dǎo)電膜2，而后通過(guò)刻蝕和濺射工藝在本征半導(dǎo)體材料層4表面某一側(cè)或兩側(cè)制成側(cè)面歐姆電極9，在透明導(dǎo)電膜2上制作金屬柵極8，最后在襯底5底面制作底部歐姆電極6。 根據(jù)襯底導(dǎo)電類型的不同，η型襯底的該結(jié)構(gòu)電池外加負(fù)柵極電壓，ρ型襯底的電池外加正柵極電壓，而該結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池底部歐姆電極接地(在圖1中，標(biāo)記為7)。在有光照的情況下，外加電源在透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池上提供足夠大的柵極電壓，使透明絕緣層3和本征半導(dǎo)體材料層4界面形成表面電場(chǎng)和反型層，表面電場(chǎng)區(qū)吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在表面電場(chǎng)作用下，受電場(chǎng)力作用方向指向表面的光生載流子通過(guò)表面反型層和側(cè)面歐姆電極9導(dǎo)出，受電場(chǎng)力作用方向指向底部的光生載流子通過(guò)底部歐姆電極6導(dǎo)出，使表面和底面形成電勢(shì)差，從而將光能轉(zhuǎn)換成電能。
本發(fā)明是通過(guò)柵極電壓在透明絕緣層和本征半導(dǎo)體材料界面產(chǎn)生表面電場(chǎng)作為光吸收區(qū)，使受太陽(yáng)光激發(fā)形成的電子-空穴對(duì)分離，在電場(chǎng)作用下，本征材料中與襯底導(dǎo)電類型相反的載流子向表面漂移，通過(guò)反型層和側(cè)面的歐姆電極導(dǎo)出，與襯底導(dǎo)電類型相同的載流子則向下漂移并擴(kuò)散到底面歐姆電極導(dǎo)出。本發(fā)明的柵極電壓是通過(guò)外加電源提供的，連接方式是根據(jù)襯底導(dǎo)電類型的不同，η型襯底的電池外加負(fù)柵極電壓，ρ型襯底的電池外加正柵極電壓，底部歐姆電極接地。所述電池的柵極電壓是通過(guò)1 IOV可調(diào)的外電源，產(chǎn)生足夠大的電壓，使本發(fā)明的表面電場(chǎng)寬度(即耗盡區(qū)寬度)達(dá)到最大，并且形成的高導(dǎo)電率的反型層，并與側(cè)面歐姆電極相連接，形成類似于少子溝道的結(jié)構(gòu)，共同導(dǎo)出少數(shù)載流子。本發(fā)明的透明導(dǎo)電膜采用比吸收區(qū)半導(dǎo)體材料禁帶寬度寬的導(dǎo)電材料，使表面電場(chǎng)分布在整個(gè)太陽(yáng)能電池表面，為使得減反射波長(zhǎng)落在半導(dǎo)體材料吸收強(qiáng)度最強(qiáng)的附近， 設(shè)計(jì)透明導(dǎo)電膜的厚度在50 150nm，根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，透明導(dǎo)電膜可選用ΙΤ0、 CTO、hO、aiO、Sn02、feiN、SiC、類金剛石、石墨烯和常規(guī)已知透明導(dǎo)電膜。本發(fā)明的透明絕緣層厚度在10 50nm之間的透明絕緣層足夠厚以阻斷電子通過(guò)隧道效用進(jìn)入透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池內(nèi)部，根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，透明絕緣層材料可選用Si02、Si3N4, MgO2, A12o3、SiO、TiO2, TaO2, Nb2O5, ZnS和常規(guī)已知透明絕緣材料。本發(fā)明的本征半導(dǎo)體材料層可以是Si、Ge、GaAs, InP, ZnO, GaN, InGaN, SiC和常規(guī)已知的光伏材料層。本發(fā)明的金屬柵極對(duì)于Si可以選用Al/Ti/Pd/Ag，對(duì)于GaAs可以選用AgSi合金， 對(duì)于GaN可以選用Ti/Al/Ni/Au，對(duì)于ZnO可以選用Ag/Ti作為柵極材料。以下給出具體實(shí)施例。實(shí)施例1采用GaN為半導(dǎo)體材料的透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的具體結(jié)構(gòu)是，在η型Si襯底<111>面上依次生長(zhǎng)低溫GaN(LT-GaN)緩沖層、高溫非故意摻雜 η型GaN吸收層、Si3N4透明絕緣層、透明導(dǎo)電膜ITO及側(cè)面歐姆電極、金屬柵極以及底部歐姆電極。其它半導(dǎo)體吸收材料也按照此結(jié)構(gòu)根據(jù)與材料匹配的參數(shù)生長(zhǎng)。而后利用外電源提供負(fù)的1 IOV之間的柵極電壓，透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的底部歐姆電極接地(透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池若采用P型襯底， 則外加正柵極電壓)。GaN透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的生長(zhǎng)方法是，采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積設(shè)備MOCVD在η型Si襯底<111>面上低溫生長(zhǎng)GaN緩沖層，生長(zhǎng)溫度在 400-700°C范圍，厚度在20 200nm范圍，然后對(duì)低溫生長(zhǎng)的GaN緩沖層進(jìn)行1000°C左右的高溫退火。接著高溫生長(zhǎng)GaN吸收層，生長(zhǎng)溫度在1000 1100°C范圍，厚度在500-1500nm 范圍。透明絕緣層薄膜采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD按照常規(guī)方法生長(zhǎng)10 50nm 厚的Si3N4，然后通過(guò)真空蒸發(fā)制作50 150nm左右的透明導(dǎo)電膜ITO層，接著通過(guò)刻蝕和離子濺射在吸收材料側(cè)面做出Ti/Ni/Au歐姆電極，通過(guò)刻蝕和離子濺射在透明絕緣層上制作Ti/Al/Ni/Au金屬柵極，最后通過(guò)濺射在襯底鍍上Al歐姆電極。在有光照的情況下，外電源提供負(fù)的1-10V之間足夠大的柵極電壓，使透明絕緣層和GaN吸收材料界面形成表面電場(chǎng)和反型層，表面電場(chǎng)區(qū)吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)， 在表面電場(chǎng)作用下，空穴通過(guò)表面反型層和歐姆電極導(dǎo)出，電子通過(guò)底面歐姆電極導(dǎo)出，從而將光能轉(zhuǎn)換成電能。實(shí)施例2采用Si為半導(dǎo)體材料的透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的具體結(jié)構(gòu)是，在P型襯底Si襯底<100>面上依次生長(zhǎng)本征Si外延層、SiA透明絕緣層、透明導(dǎo)電膜ITO及側(cè)面歐姆電極、金屬柵極，最后制作底面歐姆電極。而后利用外電源提供正的ι ι ν之間的柵極電壓，透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的底面歐姆電極接地(透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池若采用η型襯底，則外加負(fù)柵極電壓)。Si透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的生長(zhǎng)方法是，采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積設(shè)備MOCVD在ρ型Si襯底<100>面上以氫氣、硅烷為反應(yīng)氣體，生長(zhǎng)Si 本征外延層，生長(zhǎng)溫度在150 250°C，厚度在250 500nm范圍，然后利用真空鍍膜法，在 Si本征外延層上制備一層10 50nm厚的SiO2透明絕緣層，然后通過(guò)真空蒸發(fā)制作50 150nm厚的透明導(dǎo)電膜ITO層，接著通過(guò)刻蝕和離子濺射在吸收材料側(cè)面做出Al/Ti/Pd/Ag 歐姆電極，通過(guò)刻蝕和離子濺射在透明絕緣層上制作Al/Ti/PdAg金屬柵極，最后通過(guò)濺射在襯底鍍上Al歐姆電極。在有光照的情況下，外電源提供正的1 IOV之間足夠大的柵極電壓，使透明絕緣層和Si吸收材料界面形成表面電場(chǎng)和反型層，表面電場(chǎng)區(qū)吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)， 在表面電場(chǎng)作用下，電子通過(guò)表面反型層和歐姆電極導(dǎo)出，空穴通過(guò)底面歐姆電極導(dǎo)出，從而將光能轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)電池的思路及方法，涉及的透明導(dǎo)電膜-透明絕緣層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池具有勢(shì)場(chǎng)靠近表面，無(wú)需P型摻雜，可應(yīng)用于P型摻雜困難的寬禁帶本征半導(dǎo)體材料，外加?xùn)艠O電壓可調(diào)范圍大的特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多， 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中為明確的各組成部分均可以用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于從下至上依次設(shè)有底部歐姆電極、襯底、本征半導(dǎo)體材料層、透明絕緣層、透明導(dǎo)電膜，所述本征半導(dǎo)體材料層通過(guò)外延生長(zhǎng)在襯底上，在本征半導(dǎo)體材料層上生長(zhǎng)一層透明絕緣層，在透明絕緣層上生長(zhǎng)一層透明導(dǎo)電膜，在本征半導(dǎo)體材料層表面一側(cè)或兩側(cè)通過(guò)刻蝕和濺射工藝制成側(cè)面歐姆電極，在透明導(dǎo)電膜上制作金屬柵極，金屬柵極外接電源，在襯底底面制作底部歐姆電極，底部歐姆電極接地。
2.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述襯底采用P型襯底或 η型襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述透明導(dǎo)電膜的厚度為 50 150nmo
4.如權(quán)利要求1或3所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述透明導(dǎo)電膜選用 ITO、CT0, InO, ZnO, SnO2, GaN, SiC、類金剛石、石墨烯和常規(guī)已知透明導(dǎo)電膜。
5.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述透明絕緣層的厚度為 10 50nmo
6.如權(quán)利要求1或5所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述透明絕緣層材料選用 Si02、Si3N4, MgO2, A12o3、SiO、TiO2, TaO2, Nb2O5, ZnS 和常規(guī)已知透明絕緣材料。
7.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述本征半導(dǎo)體材料層選用Si、Ge、GaAs、InP, ZnO, GaN, hGaN、SiC和常規(guī)已知的光伏材料層。
8.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述金屬柵極選用Al/Ti/ Pd/Ag，AgZn合金，Ti/Al/Ni/Au，Ag/Ti中的一種作為柵極材料。
9.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，其特征在于所述金屬柵極對(duì)于Si選用Al/Ti/Pd/Ag，對(duì)于GaAs選用AgSi合金，對(duì)于GaN選用Ti/Al/Ni/Au，對(duì)于SiO選用Ag/ Ti作為柵極材料。
全文摘要
一種場(chǎng)效應(yīng)太陽(yáng)能電池，涉及一種半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。從下至上依次設(shè)有底部歐姆電極、襯底、本征半導(dǎo)體材料層、透明絕緣層、透明導(dǎo)電膜，在本征半導(dǎo)體材料層表面一側(cè)或兩側(cè)通過(guò)刻蝕和濺射工藝制成側(cè)面歐姆電極，在透明導(dǎo)電膜上制作金屬柵極，金屬柵極外接電源，在襯底底面制作底部歐姆電極，底部歐姆電極接地。其電場(chǎng)區(qū)域比傳統(tǒng)pn結(jié)太陽(yáng)能電池更靠近表面，且寬度大，更有利于太陽(yáng)光的吸收，提高了效率。可應(yīng)用于制造GaN，ZnO等寬直接帶隙本征半導(dǎo)體材料太陽(yáng)能電池，以避開其p型摻雜的困難。柵極電壓在一定范圍可調(diào)，通過(guò)加上較強(qiáng)的柵極電壓，有效的消除了金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差以及絕緣層非故意摻雜電荷對(duì)表面電場(chǎng)的影響，提高開路電壓。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102290457SQ201110254380
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者劉威, 劉寶林 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)