基于GaN納米線陣列的太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池的技術領域，特別是涉及基于GaN納米線陣列的太陽能電池，可用于光伏發電。
【背景技術】
[0002]眾所周知，“能源”是人類生存與發展的基石，而隨著傳統能源的日益開發與枯竭，與之相對的卻是社會發展對能源需求的劇增，能源短缺和能源供給問題已切實成為世界各國政府工作的當務之急。全球范圍內能源緊缺的日益突出，使得可再生能源的開發和利用備受關注，以可再生能源替代傳統化石能源，解決能源短缺的同時，能夠緩減環境污染問題。太陽能利用是可再生能源中一個非常重要的部分，圍繞著如何提高太陽能電池效率，降低太陽能電池成本，各國對太陽能電池的研宄日益深入。
[0003]氮化鎵(GaN)屬于直接帶隙半導體，直接帶隙半導體的特點就是導帶上電子可以直接和價帶空穴復合發光，所以吸收效率高。并且GaN材料的禁帶寬度為3.44eV，它的吸收范圍覆蓋了從可見光到近紫外區域，具有較高的光吸收效率
[0004]現有的太陽能電池通常采用多晶硅材料，剖面如圖2所示。其結構自上而下分別為:金屬電極1、ΙΤΟ氧化銦錫透明導電薄膜2、P型多晶硅層3、本征多晶硅層4、N型硅襯底5、背電極6。襯底表面通過濕法刻蝕，形成擁有三維倒梯形重復單元的表面，再在其上等離子體化學氣相淀積PECVD本征多晶硅層和P型多晶硅層，形成具有三維倒梯形陷光結構的能量轉換機構。當光入射電池表面光線會在其表面連續反射，增加光在電池表面陷光結構中的有效運動長度和反射次數，從而增大能量轉換機構對光的吸收效率。但是這種結構由于絨面尺寸不均勻且分布較廣，使得襯底表面缺陷密度大大增加，在正表面難以獲得高質量的絨面陷光，不易降低襯底對光的反射系數。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于GaN納米線陣列的太陽能電池及其制備方法，以提高太陽能電池對光子的吸收和利用，改善其轉化效率。
[0006]為實現上述目的，本發明提出的基于GaN納米線陣列的太陽能電池，自下而上包括背電極6、硅襯底5、第二摻雜層4，其特征在于:所述第二摻雜層4的上表面采用納米線陣列結構，該納米線陣列結構表面層疊有第一摻雜層3、ITO氧化銦錫透明導電膜2，納米線陣列結構頂端設有正電極1，所述第一摻雜層3和第二摻雜層4分別采用N型和P型摻雜的寬禁帶GaN材料并且相互接觸形成PN結。
[0007]作為優選，所述的第一摻雜層3厚度為10_20nm。
[0008]作為優選，所述的第二摻雜層4厚度為5-10 μ m。
[0009]作為優選，所述的GaN納米線陣列中，每根GaN納米線的直徑為50_100nm，長度為2-6 μ m0
[0010]作為優選，所述的正電極I采用厚度為20nm/20nm/40nm的鈦-镲-銷多層金屬材料。
[0011]作為優選，所述的硅襯底5厚度為200-400 μ m。
[0012]作為優選，所述的背電極6采用厚度為60nm的金屬鋁材料。
[0013]為實現上述目的，本發明的制備方法包括如下步驟:
[0014]I)米用標準工藝清洗P型娃襯底；
[0015]2)將清洗后的P型硅襯底置于濃度為15%—30%的KOH溶液中，加熱至65-70°C，浸泡10分鐘，對其進行拋光處理，去除P型硅襯底的表面機械損傷；
[0016]3)在拋光后的P型硅襯底上采用低壓化學氣相淀積LPCVD沉積厚度為5-10 ym的P型摻雜GaN外延層；
[0017]4)采用干法刻蝕工藝在P型摻雜GaN外延層上制作GaN納米線陣列；
[0018]4a)在P型摻雜GaN層上電子束蒸發厚度為50nm_10 μ m的金屬鋁；
[0019]4b)將蒸發有金屬鋁的樣片置于0.3mol/L草酸或質量分數為15%的硫酸溶液中進行電化學腐蝕，形成小孔；
[0020]4c)將經過電化學腐蝕后的樣片放入質量分數為5%的磷酸或質量分數為6%的磷酸與質量分數為1.8%的鉻酸混合液中浸泡，去除小孔底部與下層GaN接觸的氧化鋁并改變小孔的尺寸，形成規則的網狀多孔陽極氧化鋁薄層；
[0021]4d)在步驟4c)形成的多孔陽極氧化鋁薄層表面再電子束蒸發一層厚度為5-10nm的金屬鎳層，并用堿溶液去除陽極氧化鋁薄層，在GaN層上得到金屬鎳納米顆粒點陣；
[0022]4e)利用步驟4d)得到金屬鎳納米顆粒點陣作為模板，干法刻蝕GaN外延層，得到GaN納米線陣列，再用酸性溶液去除金屬镲納米顆粒；
[0023]5)在表面有GaN納米線陣列結構的P型摻雜GaN層，采用雜質摻雜工藝形成厚度為10-20nm的N型摻雜GaN層；
[0024]6)在N型摻雜GaN層上采用磁控濺射沉積ITO氧化銦錫透明導電薄膜，作為透明導電極；
[0025]7)在ITO氧化銦錫透明導電薄膜上采用電子束蒸發工藝依次沉積厚度為20nm/20nm/40nm的金屬鈦、镲、銷，并刻蝕形成正電極；
[0026]8)在P型摻雜的硅襯底背面采用電子束蒸發工藝沉積厚度為60nm的金屬鋁作為背電極；
[0027]9)將正面和背面蒸發有金屬電極的樣片進行熱退火處理，使電子束蒸發的金屬與和它們接觸的材料合金化，形成電極，完成整個太陽能電池的制備。
[0028]本發明的優點在于:
[0029]1.制備該太陽能電池的整個過程中使用的都是常規的半導體設備，工藝簡單；
[0030]2.采用納米線陣列結構，具有良好的陷光效果，提高了載流子的收集效率；
[0031]3.采用寬禁帶的GaN材料，能夠吸收從可見光到紫外光區的光子，有利于提高太陽能電池性能。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明的剖面結構示意圖。
[0033]圖2是現有多晶娃太陽能電池結構不意圖。
[0034]圖3是本發明的制作工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0035]參照圖1，本發明自下而上包括背電極6、硅襯底5、第二摻雜層4，其中第二摻雜層4的上表面采用納米線陣列結構，該納米線陣列結構表面層疊有第一摻雜層3、ITO氧化銦錫透明導電膜2，納米線陣列結構頂端設有正電極1，第一摻雜層3和第二摻雜層4分別采用N型和P型摻雜的寬禁帶GaN材料，并相互接觸形成PN結。所述正電極I采用厚度為20nm/20nm/40nm的鈦-镲-銷多層金屬電極；所述第一摻雜層3的厚度為10_20nm ;所述第二摻雜層4厚度為5-10 μ m，GaN納米線的直徑為50_100nm，長度為2-6 μ m ;所述硅襯底5厚度為200-400 μ m ;所述背電極采用厚度為60nm的金屬鋁。
[0036]以下給出制作基于GaN納米線陣列的太陽能電池的三個實施例:
[0037]實施例1，制作每根GaN納米線的直徑為50nm，長度為2 μπι的GaN納米線陣列太陽能電池。
[0038]參照圖3，本實例制作步驟如下:
[0039]步驟1:清洗，拋光P型硅襯底，去除表面污染物和表面機械損傷。
[0040](1.1)使用丙酮和異丙醇對P型硅襯底交替進行超聲波清洗，以去除襯底表面有機物污染；
[0041](1.2)配置1:1:3的氨水、雙氧水、去離子水的混合溶液，并加熱至120°C，將P型硅襯底置于此混合溶液中浸泡12分鐘，取出后用去離子水沖洗，以去除P型硅襯底表面無機污染物；
[0042](1.3)將P型硅襯底用HF酸緩沖液浸泡2分鐘，去除表面的氧化層；
[0043](1.4)將清洗后的P型硅襯底置于濃度為15%的KOH溶液中，加熱至65°C，浸泡10分鐘，對其進行拋光處理，去N型娃襯底5的表面機械損傷。
[0044]步驟2:沉積P型摻雜GaN外延層。
[0045]以固態金屬鎵作Ga源，以氨氣和氮氣作氮源，以CP2Mg作為摻雜雜質，先升溫至950°C通入NH3進行原位清洗20min ；
[0046]再通入氨氣、氮氣、CP2Mg,升溫至900°C，在P型硅襯底上采用低壓化學氣相淀積LPCVD工藝沉積厚度為5 μ m的P型摻雜GaN外延層。
[0047]步驟3:采用干法刻蝕工藝在P型摻雜GaN外延層上制作GaN納米線陣列。
[0048]3.1)在P型摻雜GaN層上電子束蒸發厚度為50nm的金屬鋁；
[0049]3.2)將蒸發有金屬鋁的樣片置于0.3mol/L草酸溶液中進行電化學腐蝕，形成小孔；
[0050]3.3)將經過電化學腐蝕后的樣片放入質量分數為5%的磷酸與質量分數為1.8%的鉻酸混合液中浸泡，去除小孔底部與下層GaN接觸的氧化鋁并改變小孔的尺寸，形成規則的網狀多孔陽極氧化鋁薄層；
[0051]3.4)在多孔陽極氧化鋁薄層表面電子束蒸發一層厚度為5nm的金屬鎳層，用濃度為0.4mol/L的NaOH溶液去除陽極氧化銷薄層，在GaN層上得到金屬镲納米顆粒點陣；
[0052]3.5)利用金屬鎳納米顆粒點陣作為模板，采用感應耦合等離子體刻蝕工藝刻蝕GaN外延層，得到GaN納米線陣列，每根GaN納米線直徑為50nm，長度為2 μπι，
[0053]3.6)用濃度比為1:1的硝石酸與氫氟酸的混合溶液去除金屬鎳顆粒。
[0054]步驟4:在P型GaN納米線結構表面摻雜N型GaN摻雜層。
[0055]將形成GaN納米線陣列的樣品放入低壓化學氣相淀積LPCVD設備中，升溫溫至900°C，通入氫氣和磷烷的混合氣體，其中磷烷的濃度為1%，反應腔中壓強為l.0Torr，反應時間為20min，在P型GaN納米線結構表面形成厚度為1nm的N型GaN摻雜層。
[0056]步驟5:在N型摻雜GaN層上采用磁控濺射沉積ITO氧化銦錫透明導電薄膜，作為透明導電極。
[0057]步驟6:在ITO氧化銦錫透明導電薄膜上采用電子束蒸發工藝依次沉積厚度為20nm/20nm/40nm的金屬鈦、镲、銷，并刻蝕形成正電極。
[0058]步驟7:在P型摻雜硅襯底背面采用電子束蒸發工藝沉積厚度為60nm的金屬鋁作為背電極。
[0059]步驟8:將正面和背面蒸發有金屬電極的樣片進行熱退火處理，使電子束蒸發的金屬與和它們接觸的材料合金化，形成電極，完成整個太陽能電池的制備。
[0060]實施例2，制作每根GaN納米線的直徑為75nm，長度為4 μπι的GaN納米