[发明专利]半导体异质结构和包括该异质结构的光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用在光伏电池中的半导体异质结构。本发明还涉及一种光伏电池，尤其是薄膜型光伏电池，包括这样的异质结构作为有源元件；且还涉及一种包括该电池的组合的太阳能电池板。

背景技术

光伏电池是一种将通过光子传输的光能（通常是太阳能来源）转化为直流形式的电能的装置。多个光伏电池通常以串联（以提高电压）和并联（以增大安培数）组合以便形成太阳能电池板或者光伏模块。现有采用多种材料的多种类型的光伏电池：本体光伏电池和薄膜光伏电池，具有同质结或异质结的单结光伏电池或多结光伏电池，有机光伏电池等。但是，在基于无机半导体的所有构型中，一个PN结或多个PN结形成有源元件。

最广泛使用的光伏电池由硅-本体硅、或者以取向生长层形式或者以单晶、多晶或者非结晶的形式沉积的硅制成。这是因为硅具有明显的技术优势和经济优势：硅是一种可大量使用的材料、无毒且具有稳定的绝缘氧化物，且已经成功使用数十年。但是，硅由于其间接能带结构而成为一种差的光吸收器；因此，光吸收深度较大（对于对应于太阳光谱的红/近红外的部分的800nm和1100nm之间的波长，从10μm到100μm），并且载流子在到达电触点前必须在相同数量级的距离上扩散。这限制了硅同质结光伏电池的最大光伏能量转化效率。另外，这必须使用厚且因此昂贵的电池。

使用直接能带结构材料不是完全令人满意的替选方式。尤其是，这样的材料更有效地吸收光，由此可以限制光致载流子的扩散长度（0.1μm-1μm）和电池的厚度，但是直接能带结构还促进少量载流子的复合，其与增大能量转换效率的预定目标相背道而驰。

由载流子复合引起的问题可以通过用异质结（即，“p”区和“n”区由不同的半导体材料制成的结）代替由直接能带结构的半导体材料制成的同质结来解决。图1非常概要地示出“n”型掺杂CdSe（左侧，附图标记R1）/“p”型掺杂ZnTe（右侧，附图标记R2）异质结的能带结构。能带的排列使得：

-ZnTe的价带的上限E_V2位于CdSe的价带的上限E_V1和CdSe的导带的下限E_C1之间；和

-CdSe导带的下限E_C1位于ZnTe的价带的上限E_V2和ZnTe的导带的下限E_C2之间。

在这些情况下，采用术语“II型排列”或者“II型异质结构”。在这种结构中，导带的电子“e”在由CdSe制成的区域R1中具有最小的电位，而价带的空穴“h”在由ZnTe制成的区域R2中具有最大的电位。因此，载流子保持分离在结的相对侧，且复合速率低。而且，应该注意，光吸收阈值对应于在ZnTe中定位的价带状态和在CdSe中定位的导带状态之间的过渡态，即，约1eV的能量，远低于分别考虑的两种材料的带隙的宽度。

遗憾地，限制复合速率的载流子分离还作为光子的“低能量”吸收的势垒。尤其是，如上文所述，仅由于存在通过隧道效应在CdSe中定位的电子的波函数到ZnTe层（在ZnTe层中，空穴被定位）的弱穿透，该低能量吸收（光伏应用的最大优点）是可能的。通过与在硅的倒晶格空间中的间接转变类比，这些转变被称作“在真实空间中是间接的”。

下列文献研究了ZnTe/CdSe异质结的光伏特性：

-P.A.Gashin和A.V.Simashkevich的“ZnTe-CdSe Heterojunctions–II.Photoelectric and luminescent properties”,Phys.Stat.Sol.（a）,19,615（1973）；和

-N.G.Patel等，“Fabrication and Characterization of ZnTe/CdSe Thin Films Solar Cells”，Cryst.Res.Technol,29,2,第247页至第252页（1994）。

下列文献研究了其他II型异质结（ZnO/ZnS和ZnO/ZnTe）的光伏特性：

J.Schrier等的“Optical Properties of ZnO/ZnS and ZnO/ZnTe heterostructures for photovoltaic applications”，Nano Lett.,2007,7（8），第2377页至第2382页。