[发明专利]光电有源半导体材料以及光电池

说明书

技术领域

本发明涉及光电池(photovoltaic cell)以及包括在其中的光电有源(photovoltaically active)半导体材料。

背景技术

光电有源材料是将光转换为电能的半导体。这种转换的基本原理长期以来已经是公知的并且在工业上得到应用。工业应用的太阳能电池大部分基于晶体硅(单晶或多晶)。在p与n导电硅之间的边界层中，入射光子激发半导体的电子，以致电子从禁带提升至导带中。

价带与导带之间的能隙高度限制了太阳能电池的最大可能效率。在采用硅的情形中，对于日光照射，该效率大约为30％。另一方面，由于部分载流子通过各种过程进行复合，实际中得到的效率大约为15％，因此不能得到应用。

DE 102 23 744 A1公开了可替换的光电有源材料与包含这些材料的光电池，其显示出达到一个降低的程度的效率降低损失机制。

硅的能隙为约1.1eV，从而具有非常良好的应用价值。尽管降低能隙的大小会导致更多的载流子被传送到导带中，电池电压却变低了。相应地，尽管在大能隙下获得较高的电池电压，却可得到较低的可用电流，这是因为存在较少的用于激发的光子。

为了获得较高的效率，提出了许多配置，例如在串联电池中将具有不同能隙的半导体串联的配置。然而，由于其复杂的结构，很难经济地实现。

一种新的构思包括在能隙内产生中间能级(向上转换(up-conversion))。在例如Proceedings of the 14th Workshop on QuantumSolar Energy Conversion-Quantasol 2002，March，17-23，2002，Rauris，Salzburg，Austria，“Improving solar cells efficiencies by theup-conversion”，TI.Trupke，M.A.Green，P.Würfel中或“Increasing theEfficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions atintermediate 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。1.995eV的带隙与0.713eV的中间能级的能量给出了63.17％的计算最大效率。

例如，对于Cd_1-yMn_yO_xTe_1-x或Zn_1-xMn_xO_yTe_1-y系统，已经利用光谱方法确认了这样的中间能级。这在“Band anticrossing in group II-O_x VI_1-xhighly mismatched alloys：Cd_1-yMn_yO_xTe_1-x quaternaries synthesized by Oion implantation”，W.Walukiewicz et al.，Appl.Phys.Letters，Vol.80，No.9，March 2002，1571-1573中以及“Synthesis and optical properties ofII-O-VI highly mismatched alloys”，W.Walukiewicz et al.，J.Appl.Phys.Vol.95，No.11，June 2004，6232-6238中有所描述。在这些研究中，通过用负电性显著较强的氧离子取代阴离子晶格中的部分碲阴离子，提高带隙中希望的中间能级。在这种情况下，通过薄膜中的离子注入，使得碲被氧取代。这类物质的显著缺点是氧在半导体中的溶解度极低。在Appl.Phys.Letters，Vol.80中的上述公开中，给出了10¹⁷O/cm³的值。结果，例如其中y大于0.0001的化合物Zn_1-xMn_xTe_1-yO_y是热力学不稳定的。