[发明专利]并有电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间的薄硫族元素化物膜的光伏打装置

说明书

优先权主张

本专利申请案主张2012年10月9日申请且题为“并有电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间的薄硫族元素化物膜的光伏打装置(PHOTOVOLTAICDEVICESINCORPORATINGTHINCHALCOGENIDEFILMELECTRICALLYINTERPOSEDBETWEENPNICTIDE-CONTAININGABSORBERLAYERANDEMITTERLAYER)”的美国临时专利申请案第61/711,580号的益处，其中所述临时专利申请案的全部出于所有目的被并入本文中。

技术领域

本发明处于具有吸收体-绝缘体-集极结构(例如，MIS及SIS结构)的类型的光伏打装置的领域。更明确地说，本发明涉及绝缘体为包括至少一个硫族元素化物的超薄层且至少一个半导体层包括磷族元素化物半导体的这些装置。

背景技术

基于磷族元素化物的半导体包含IIB/VA族半导体。磷化锌(Zn₃P₂)为一种IIB/VA族半导体。磷化锌及类似基于磷族元素化物的半导体材料具有显著的作为薄膜光伏打装置中的光敏性吸收体的可能性。举例来说，磷化锌具有1.5eV的报告的直接带隙、在可见区中的高吸光度(例如，大于10⁴cm^-1到10⁵cm^-1)及长的少数载体扩散长度(约5μm到约10μm)。N.C.魏斯及A.卡特拉诺，应用物理学期刊(JournalofAppliedPhysics)，50(3)，1403-1407(1979)。此将准许高的当前收集效率。并且，例如Zn及P的材料量大且成本低。

已知磷化锌为p型或n型。迄今为止，制造p型磷化锌已更容易得多。见A.卡特拉诺及R.B.霍尔，固体物理与化学期刊(JournalofPhysicsandChemistryofSolids)，41(6)，635-640(1980)。制备n型磷化锌(明确地说，使用适合于工业规模的方法)仍受挑战。研究者已使用分开的锌源与磷化物源，使用分子束外延法技术来制备n型磷化锌。Suda等人，应用物理学快报(AppliedPhysicsLetters)，69(16)，2426(1996)。归因于不良的膜质量且缺乏对化学计量的控制，这些膜未展现光电行为。此已对基于磷化锌的p-n同质结的制造带来打击。

因此，使用磷化锌的太阳能电池最常建构有Mg肖特基(Schottky)接点、液体接点或p/n异质接面。F.C.王、A.L.法伦布拉奇及R.H.布贝，应用物理学期刊，53(12)，8874-8879(1982)。M.布尚、J.A.特纳及B.A帕金森，电化学学会期刊(JournaloftheElectrochemicalSociety)，133(3)，536-539(1986)。M.布尚及A.卡特拉诺，应用物理学快报，38(1)，39-41(1981)。示范性光伏打装置包含并有基于p-Zn₃P₂/Mg的肖特基接点的装置，且对于太阳能转换，已展现大于约6％的效率。M.布尚及A.卡特拉诺，应用物理学快报，38(1)，39-41(1981)。归因于针对包括Zn₃P₂及例如Mg的金属的接面获得的约0.8eV势垒高度，这些二极体的效率理论上将断路电压限制到约0.5伏特。

基于磷化锌及例如Mg的金属接点的肖特基类型装置已在性能上受限。作为一个因素，控制金属-半导体界面的质量已很困难。改善这些装置的性能的一个方法为在半导体与金属之间的界面处并有绝缘层或隧道势垒。此结构被称为金属-绝缘体-半导体(MIS)装置。至少部分归因于下部界面捕获密度，MIS装置通常显现出比常规肖特基装置好的性能。在电子装置中，也被称作隧道接面的隧道势垒为在比隧道势垒相对更导电的两种材料之间的势垒，例如，薄绝缘层或电位。不希望受理论束缚，相信电流通过量子穿隧的过程穿过势垒。传统地，电子电流具有穿过势垒的零概率。然而，根据量子力学，电子在势垒中具有非零波振幅，且因此其具有穿过势垒的某一概率。在实际实践中，电流事实上穿过势垒。

使用相对厚的Al₂O₃绝缘层及Al顶部接点制造基于磷化锌的先前MIS装置。M.S.凯茜、A.L.法伦布拉奇、R.H.布贝，应用物理学期刊，61(1987)2941-2946。这些装置经制造以经由电容-电压测量来研究磷化锌的表面性质，而不优化光伏打响应。