[发明专利]包括包含于其中的光伏有源半导体材料的光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电池以及存在于其中的光伏有源半导体材料。

背景技术

光伏有源材料是将光转化成电能的半导体。其原理已经公知很长时间并且在工业上得到了应用。工业上应用的大多数太阳能电池是基于晶体硅(单晶的或多晶的)的。在p和n导电硅之间的边界层中，入射光子激发半导体的电子，从而将它们从价带跃迁到导带。

价带和导带之间的能隙的量值限定太阳能电池的最大可能效率。就硅而言，此值为日光辐射的约30％。相比而言，因为一些电荷载流子通过各种过程复合且因此不再有效，所以实际上获得约15％的效率。

DE 102 23 744 A1公开了可选的光伏有源材料和其中存在这些材料的光伏电池，其具有将效率降低到更低的程度的损耗机构。

由于约1.1eV的能隙，对于实际应用，硅具有很高的价值。能隙的降低会将更多的电荷载流子推入导带中，但电池电压变低。相似地，更大的能隙会产生更高的电池电压，但由于可得到的被激发光子更少，因此产生的可用电流更低。

已经提出了许多配置以获得更高的效率，例如在串叠型电池中的具有不同能隙的半导体的串联配置。然而，这些由于它们复杂的结构，从而非常难于经济地实现。

一种新的构思包括在能隙内产生中间能级(上转换)。例如在Pr℃eedings of the 14^th Workshop on Quantum Solar EnergyConversion-Quantasol 2002，March 17-23，2002，Rauris，Salzburg，Austria；“Improving solar cells efficiencies by the up-conversion”，Tl.Trupke，M.A.Green，P.或者“Increasing the Efficiency of IdealSolar Cells by Photon Induced Transitions at intermediate Levels”，A.Luque and A.Marti，Phys.Rev.Letters，Vol.78，No.26，June 1997，5014-5017中描述了这种构思。在1.995eV的带隙和0.713eV的中间能级的能量的情况下，最大效率计算为63.17％。

已经在例如体系Cd_1-yMn_yO_xTe_1-x或者Zn_1-xMn_xO_yTe_1-y中利用光谱方法证实了这样的中间能级。在“Band anticrossing in group II-O_xVl_1-x highlymismatched alloys：Cd_1-yMn_yO_xTe_1-x quaternaries synthesized by O ionimplantation”，W.Walukiewicz et al.，Appl.Phys.Letters，Vol 80，No.9，March 2002，1571-1573；以及“Synthesis and optical properties of II-O-Vlhighly mismatched alloys”，W.Walukiewicz et al.，Appl.Phys.Vol 95，No.11，June 2004，6232-6238中描述了这一点。按照这些作者的观点，通过以负电性显著更强的氧离子置换阴离子晶格中的部分碲阴离子，而提高带隙中所期望的中间能级。这里，通过薄膜中的离子注入而以氧置换碲。这类材料的显著缺点在于氧在半导体中的溶解度极低。这就形成例如其中y大于0.001且热力学不稳定的化合物Zn_1-xMn_xTe_1-yO_y。经过长时间的辐照，其分解成稳定的碲化物和氧化物。期望以氧置换多达10原子％的碲，但是这样的化合物不稳定。