[发明专利]现场外掺杂半导体传输层

说明书

本发明的领域 

本发明涉及包括由无机纳米颗粒组成的电荷传输层的无机半导体设备。 

本发明的背景 

含有n型或p-型半导体的电荷传输层能够用于制造各种设备，如场效应晶体管，双极晶体管，p-n二极管，发光二极管(LED)，激光器，传感器，太阳能电池等等。今天使用的大部分半导体设备(无机和有机)都部分地或完全地通过使用昂贵的真空淀积法来形成。人们仍然在寻找低成本制造方法，但迄今为止，设备特性无法满足市场需要。因此，仍然需求用于形成在半导体设备中使用的高质量无机电荷传输层的低成本技术。 

一般，n型和p-型材料都能够称为电荷传输材料，以及含有此类材料的设备的层能够被称作电荷传输层。n-型材料典型地具有过量的传导能带电子，并且本身也被称为电子传输材料。此外，n-型半导体是其中导电主要归因于电子运动的半导体。p-型材料典型地具有过量的“空穴”，并且本身也被称为空穴传输材料。此外，p-型半导体是其中导电主要归因于空穴运动的半导体。电荷传输层的掺杂水平典型地经过设定，要求当这些层与金属接触(为了协助形成欧姆接触)时它们(掺杂水平)是最高的。对于这些层与阳极或阴极接触的情况，该电荷传输层也还典型地被称作接触层。 

半导体二极管设备自十九世纪(1800s)后期以来一直在使用。大部分的现代二极管技术是以半导体p-n结，或在p-型和n-型半导体之间的接触为基础的。然而，许多类型的电子设备将受益于较低成本的电荷传输层。因此，多种类型的结(junctions)可通过使用本发明的电荷传输层来形成。例如，除了p/n结之外，该结能够是p/p结，n/n结，p/i结(其中i指本征半导体)，n/i结，等等。结也可以是半导体/半导体结，半导体/金属结(肖特基结)，或半导体/绝缘体结。该结也可以是两种不同的半导体材料的结(异质结)，掺杂半导体与掺杂或未掺杂半导体的结，或在具有不同的掺杂剂浓度的区域之间的结。该结也可以是缺陷区域与完美单晶，无定形区与晶体，晶体与另一种晶体，无定形区与另一种无定形区，缺陷区域与另一种缺陷区域，无定形区与缺陷区域，等等。 

在光致电压设备的领域中，目前的设备使用半导体材料的薄层，例如，晶体硅，砷化镓等等，引入了p-n结来将太阳能转化成直流电。尽管这些设备可用于某些应用中，它们的效率已经多少受限制，得到典型地稍微优于10-20％的转换效率(例如太阳能至电力)。虽然这些设备的效率已经通过对设备结构的高成本改进来得到改进，但是这些设备的相对低效率连同它们的较高成本已经相结合来抑制太阳电能在消费市场上的广泛采用。作为替代，当通常发的电能无法利用时或当与将通常发的电能输送到需要的地方相关的成本更接近地匹配光致电压系统的成本时，主要使用上述此类系统。 

尽管目前的光致电压技术存在问题，但是仍然希望和需要扩展太阳电能的使用。尤其，一般需要改进的光生伏打电池，它具有以下的一项或多项：提高的能量转换效率，降低的制造成本，更大的柔性和/或合理的耐久性和/或寿命。事实上，在US专利7,087,832(Scher等人)中公开了可涂覆的纳米颗粒在光致电压设备中所用的聚合物粘结剂中的使用。然而，这些设备的使用性能没有报道，并且该混合光敏层的导电性预计是低的，这归因于聚合物粘结剂的高电阻率。有这些杂化吸收剂的设备的特性的例子是在AM 1.5激发下～1.5％的效率(J.Liu等人，JACS126，6550(2004))。最近，全部无机溶液加工的太阳能电池是从CdSe和CdTe量子棒形纳米颗粒形成的，但是再次效率是极低的，甚至在400℃下烧结该膜15分钟之后在3％(I.Gur et.，Science 310，462(2005))。大部分的低效率无疑是由于没有掺杂使得膜是绝缘体(甚至在烧结之后)。对于CdTe和CuIn_1-xGa_xSe_2-yS(CIGSS)太阳能电池，该窗口层典型地是n-CdS(N.G.Dhere et al.，J.Vac.Sci.Technol.A23，1208(2005))。CdS的掺杂和非掺杂形式已经用于设备中，优选的沉积技术是化学浴槽沉积(CBD)。即使溶液加工技术CBD包括整个晶片在浴(它能够是酸性或碱性的)中的浸泡长达数小时的时间。另外，该加工对于其起始原料的利用而言是低效率的。