[发明专利]热载流子能量转换结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明广义上涉及热载流子能量转换结构及其制造方法。

背景技术

作为有前途的新一代清洁能源，能够将太阳光的能量直接转换为电功率的太阳能电池已经而引起了大家的注意。为了增加每单位太阳能电池面积的发电量，增加光电转换效率是必不可少的，为此，已经开始进行对装置结构和装置制造工艺的开发，以改善作为主体材料的Si的质量。此外，已经开发了多结太阳能电池，其通过结合具有位于不同波长处的吸收限的三种不同类型的材料(GaInP、GaInAs和Ge)而构造。根据这种结构，由于能够吸收阳光中所包含的具有宽波长范围的光，故能够获得高转换效率。为了进一步增强效率，还研究了通过结合四至六种不同类型材料而构造的多结太阳能电池。

然而，通过增加结的数量，转换效率所能增强的程度有限。当结的数量增加时，具有高缺陷密度的半导体界面的数量也增加，在这些界面处，通过吸收光而生成的载流子被缺陷捕获并因此湮没，这导致光电转换效率的下降。另一个缺点在于，因为使用多种类型的昂贵III-V化合物半导体和因为复杂的多层结构需要更多的制造步骤，所以制造成本大大增加。

另一方面，已经提出采用有别于传统结构的装置结构以增强能量转换效率(非专利文献1)的太阳能电池。其中，“热载流子”理论是，允许通过吸收光而生成的具有高能态的载流子(热载流子)移动至电极并同时保持高能态，从而获得高能量转换效率。应用“热载流子”理论的太阳能电池的优点在于，阳光中所包含的宽波长范围的光能够被吸收以转换为电功率，同时还能降低能量损失，且不需要增加结的数量(所使用的各种半导体材料的数量)。在任何情况下，当阳光入射至载流子生成层上时，具有与入射光波长相对应的各种能量的载流子被生成。

在传统类型的太阳能电池的情况下，例如通过吸收短波长光而生成的高能电子达到与导带底部相对应的能级，同时通过与声子的相互作用导致热损失；此后，电子穿过电子转移层并且从电极引出。因此，该装置的能量转换效率下降，下降量等于热损失。一种降低这种热损失的合理方法是提高载流子生成层的导带底部处的能级，即，增加载流子生成层的带隙Eg。

波长更长且能量低于载流子生成层的带隙Eg的光不被载流子生成层吸收，而随光的透射(transmission)而损失。因此，如果试图通过增加载流子生成层的带隙Eg，即通过提高载流子生成层的导带底部处的能级来降低高能载流子的热损失，则不能被激发至导带内的载流子的数量将增加，因此由光透射所导致的损失也将增加。因此，在传统太阳能电池中，不能使用具有过大带隙Eg的材料。此外，由于具有与导带底部相对应的能级的载流子被引出，故传统硅太阳能电池的光电压约为0.6至0.7V，尽管其取决于带隙Eg和载流子生成层的质量。因此，不具有过窄的带隙也是重要的，否则电压会降低。

与上面所述的传统型太阳能电池相比，在热载流子型太阳能电池中使用了能量选择性接触部(ESC)。更具体地，在热载流子型太阳能电池中，包含具有极窄能宽的导带的电子转移层和包含具有极窄能宽的平衡带(balance band)的空穴转移层与载流子生成层相邻地设置，从而仅具有指定能量的载流子能够穿过这两个转移层到达电极。具有更高能量的载流子和具有更低能量的载流子在它们之间经历能量转移，并且在达到能够穿过转移层的能级之后，这些载流子穿过转移层并到达电极以供发电。因此，减少了由高能载流子所导致的热损失，并且增加了能量转换效率。

为了减少由于光透射所导致的损失，如果通过使用窄带隙半导体材料作为载流子生成层来降低导带底部处的能级，则所生成的低能载流子通过与高能载流子的相互作用而获得能量，在达到能够穿过转移层的能级之后，载流子穿过转移层并用于发电。因此，减少了由光透射所导致的热损失，并且增加了能量转换效率。

在热力学术语中，这种ESC的另一个描述是载流子因此随着熵的极小增加而被收集。理想地，在使用单能量接触部(mono-energetic contact)的情况下，该收集将是等熵的。能够发现，一阶中的熵产与ESC的能宽成比例，且能够在该宽度远小于kT时忽略不计。

ESC能量处的稳态电流被增强的程度——相比于由完全吸收光子而产生的在ESC能量处精确提供初始载流子能量(零重整化情况)的电流——由载流子能量重整化的效率和速率以及该速率与载流子引出速率、该速率与载流子能量的热化速率、以及该速率与带隙的对比确定。