高效的光電轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本專利文獻(xiàn)要求2013年3月12日提交的、名稱為"HIGH CONVERSION EFFICIENCY SOLAR CELL DEVICES(高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池裝置）"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/777, 771 和 2013 年 10 月 22 日提交的、名稱為"EFFICIENT OPTICAL TO ELECTRICAL CONVERSION BASED ON MULTILAYERED NANOWIRE STRUCTURES (基于多層納米線結(jié)構(gòu)的有效光電轉(zhuǎn)換）" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/893, 894的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。以上專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并 入，成為本專利文獻(xiàn)的公開(kāi)的部分。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本專利文獻(xiàn)涉及使用納米尺度半導(dǎo)體材料的信號(hào)放大技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004] 納米技術(shù)使用于制造結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的技術(shù)或過(guò)程具有分子尺度或原子尺度的 特征，例如，在一些應(yīng)用中，范圍是1納米至數(shù)百納米的結(jié)構(gòu)。例如，納米尺度器件可被構(gòu)造 成近似于一些大分子（例如，諸如酶的生物分子）的大小。用于形成納米結(jié)構(gòu)、納米器件或 納米系統(tǒng)的納米大小材料可表現(xiàn)出在尺寸較大時(shí)在相同材料中沒(méi)有呈現(xiàn)的各種特有性質(zhì) (例如，包括光學(xué)性質(zhì)）并且可在大范圍的應(yīng)用中利用這些特有性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 描述了用于高效光電能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)、系統(tǒng)和器件，例如，這些技術(shù)、系統(tǒng)和器件 超過(guò)根據(jù)Shockley-Queisser理論能針對(duì)單結(jié)Si實(shí)現(xiàn)的最高效率。
[0006] 在一個(gè)方面，提出了一種光電能量轉(zhuǎn)換裝置。所述光電能量轉(zhuǎn)換裝置包括由摻雜 半導(dǎo)體材料形成的基板，其中，所述基板包括第一區(qū)域和第二區(qū)域。所述光電能量轉(zhuǎn)換裝置 包括多層納米結(jié)構(gòu)的陣列，所述多層納米結(jié)構(gòu)從所述基板的所述第一區(qū)域突出，其中，所述 多層納米結(jié)構(gòu)由被形成芯-殼結(jié)構(gòu)的第二共摻雜半導(dǎo)體材料的層覆蓋第一共摻雜半導(dǎo)體 材料形成。所述第一共摻雜半導(dǎo)體材料和所述第二共摻雜半導(dǎo)體材料包括電子受體摻雜物 和電子供體摻雜物，其中，所述第一共摻雜半導(dǎo)體材料包括濃度比電子受體摻雜物或電子 供體摻雜物中的另一種類型的摻雜物大的一種類型的摻雜物，所述第二共摻雜半導(dǎo)體材料 包括濃度比所述一種類型的摻雜物大的所述另一種類型的摻雜物。所述光電能量轉(zhuǎn)換裝置 包括電極，所述電極形成在所述基板的所述第二區(qū)域中的被所述層覆蓋的部分上。所述光 電能量轉(zhuǎn)換裝置的所述多層納米結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成提供光學(xué)有源區(qū)，所述光學(xué)有源區(qū)能夠從一 個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的光吸收光子，以產(chǎn)生所述電極處出現(xiàn)的電信號(hào)。
[0007] 在另一個(gè)方面，描述了基于級(jí)聯(lián)激子離子化（CEI)載流子倍增機(jī)制進(jìn)行高效的光 電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大的裝置和方法。示例性的CEI裝置和方法可在包括光伏電池、通信 和成像（還有其它應(yīng)用）的各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，示例性的CEI裝置包括 由摻雜半導(dǎo)體材料形成的基板，其中，所述基板包括第一區(qū)域和第二區(qū)域。示例性的CEI裝 置包括多層納米線結(jié)構(gòu)的陣列，所述納米線結(jié)構(gòu)從所述基板的所述第一區(qū)域突出，其中，所 述納米線結(jié)構(gòu)由被形成芯-殼結(jié)構(gòu)的第二共摻雜半導(dǎo)體材料的層覆蓋第一共摻雜半導(dǎo)體 材料形成，其中，所述層覆蓋所述基板的第二區(qū)域中的至少一部分。第一共摻雜硅材料和第 二共摻雜硅材料包括電子受體摻雜物和電子供體摻雜物，其中，第一共摻雜硅材料包括濃 度比受體摻雜物或供體摻雜物中的另一種類型的摻雜物大的一種類型的摻雜物，所述第二 共摻雜硅材料包括濃度比所述一種類型的摻雜物大的所述另一種類型的摻雜物。示例性的 CEI裝置包括電極，所述電極形成在所述基板的所述第二區(qū)域中的被所述層覆蓋的部分上。 示例性的CEI裝置的所述多層納米線結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成提供光學(xué)有源區(qū)，所述光學(xué)有源區(qū)能夠 從一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的光吸收光子，以借助級(jí)聯(lián)激子離子化（CEI)機(jī)制產(chǎn)生所述電極處出現(xiàn) 的電信號(hào)。
[0008] 在另一個(gè)方面，一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的方法包括：在被構(gòu)造成包括摻雜半導(dǎo)體 基板的表面上接收光，所述表面至少部分被多層納米結(jié)構(gòu)的陣列覆蓋，所述多層納米結(jié)構(gòu) 由被第二共摻雜半導(dǎo)體材料的層覆蓋第一共摻雜半導(dǎo)體材料形成；通過(guò)所述多層納米結(jié)構(gòu) 的陣列用級(jí)聯(lián)激子離子化（CEI)機(jī)制將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其中，所述電信號(hào)出現(xiàn) 在所述表面的所述摻雜半導(dǎo)體基板上的電極；將所述電信號(hào)導(dǎo)向電路。
[0009] 本專利文獻(xiàn)中描述的主題可用特定方式實(shí)現(xiàn)，這些方式提供了以下特征中的一個(gè) 或多個(gè)。例如，公開(kāi)技術(shù)包括加工物理機(jī)制、級(jí)聯(lián)激子離子化（CEI)，以放大芯-殼半導(dǎo)體 納米尺度結(jié)構(gòu)（例如，硅納米線）的光電響應(yīng)，而沒(méi)有MEG或雪崩式機(jī)制的限制。在一些實(shí) 現(xiàn)方式中，例如，可使用具有重?fù)诫s的、部分補(bǔ)償p-n結(jié)的納米尺度器件實(shí)現(xiàn)公開(kāi)的CEI過(guò) 程，在該p-n結(jié)中，p區(qū)包含大量的供體并且η區(qū)包含大量的受體。公開(kāi)的CEI技術(shù)的示例 性突出特征在于，不同于雪崩式倍增，CEI過(guò)程可發(fā)生在低偏置或甚至零偏置時(shí)。結(jié)果，CEI 過(guò)程可檢測(cè)光學(xué)信號(hào)和能量轉(zhuǎn)換（諸如，光伏電池）或甚至光學(xué)冷卻（例如，從被照射的區(qū) 域帶走熱）
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1示出包括共摻雜的、重補(bǔ)償ρ/η結(jié)結(jié)構(gòu)的示例性光電能量轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。
[0011] 圖2Α至圖2C示出具有共摻雜的、重補(bǔ)償ρ/η結(jié)結(jié)構(gòu)的示例性的基于Si納米線的 光電能量轉(zhuǎn)換裝置的示例性光學(xué)和掃描電子顯微照片。
[0012] 圖2D示出公開(kāi)的光電能量轉(zhuǎn)換裝置的示例性共摻雜的p+/n+結(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0013] 圖3示出表明通過(guò)能量載流子將耦合束縛激子離子化的示例性圖示。
[0014] 圖4A至圖4F示出例例示公開(kāi)技術(shù)的示例性太陽(yáng)能電池裝置中的級(jí)聯(lián)激子離子化 的工作原理的示意性示意圖。
[0015] 圖5示出表明傳統(tǒng)Si單結(jié)太陽(yáng)能電池裝置和所公開(kāi)技術(shù)的示例性太陽(yáng)能電池裝 置之間的太陽(yáng)能電池效率的定性比較的示例性I-V特征圖線。
[0016] 圖6示出表明紅光照射下的公開(kāi)太陽(yáng)能電池的示例性結(jié)果的示例性圖線。
[0017] 圖7A和圖7B示出測(cè)得的波長(zhǎng)與短路構(gòu)造的示例性太陽(yáng)能電池裝置的響應(yīng)性和量 子效率的關(guān)系示例性數(shù)據(jù)圖線。
[0018] 圖8A至圖8C示出裝置結(jié)構(gòu)的示例性構(gòu)造的示意圖。
[0019] 圖9A和圖9B示出例證公開(kāi)技術(shù)的示例性的基于納米線的光電能量轉(zhuǎn)換裝置的圖 像。
[0020] 圖IOA至圖IOF示出例證圖9A和圖9B的示例性光電能量轉(zhuǎn)換裝置的工作原理的 示圖。
[0021] 圖IlA至圖IlC示出表明使用公開(kāi)技術(shù)形成激子并且產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)的示 圖。
[0022] 圖12A至圖12D示出公開(kāi)技術(shù)的示例性納米線的特性的示例性圖線和示圖。
[0023] 圖13A至圖13C示出示例性納米線器件的電特性的示例性數(shù)據(jù)圖線。
[0024] 圖14示出通過(guò)從單個(gè)光子入射開(kāi)始的級(jí)聯(lián)激子離子化過(guò)程進(jìn)行的示例性載流子 倍增的示意圖。
[0025] 圖15A和圖15B示出隨因熱電子或空穴出現(xiàn)DAP激發(fā)和離子化的概率的變化而變 化的示例性量子效率的數(shù)據(jù)圖線。
[0026] 圖16A和圖16B示出示例性的納米線級(jí)聯(lián)激子離子化裝置的示例性噪聲分析圖 線。
[0027] 圖17A和圖17B示出示例性量子效率分布的直方圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 世界上已經(jīng)部署的太陽(yáng)能電池幾乎95 %是結(jié)晶Si單結(jié)太陽(yáng)能電池。 Shockley-Queisser限制提出，單結(jié)Si (例如，I. IeV帶隙）太陽(yáng)能電池具有29%的最大理 論效率（例如在I. 5Sun)。主要地，由于因具有比硅的帶隙能量高的能量的光子造成的熱能 量損耗，導(dǎo)致效率限制。迄今，已經(jīng)證實(shí)了 25%至26%效率的太陽(yáng)能電池。為了將太陽(yáng)能 能量作為經(jīng)濟(jì)上切實(shí)可行的能量源進(jìn)行推動(dòng)，太陽(yáng)能電池系統(tǒng)、裝置和過(guò)程需要顯著超過(guò) 低效（諸如，單結(jié)Si太陽(yáng)能電池的29%理論效率）地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本方法。
[0029] 單結(jié)太陽(yáng)能電池是指它們的p/n結(jié)只由一種類型的材料（例如，Si)制成的裝置。 相比之下，多結(jié)太陽(yáng)能電池被構(gòu)造成包含由不同帶隙能量的半導(dǎo)體制成的一系列p/n結(jié)。 例如，雙結(jié)太陽(yáng)能電池可包括串聯(lián)的作為第一 p/n結(jié)的GaAs p/n結(jié)和作為第二p/n結(jié)的Ge p/n結(jié)。陽(yáng)光首先射到第一 GaAs p/n結(jié)上，能量比GaAs帶隙能量大的光子大部分被吸收。 能量比GaAs的帶隙低的光子接著被GaAs p/n結(jié)下面的第二Ge p/n結(jié)吸收。如此，多結(jié)太 陽(yáng)能電池可以用比單結(jié)硅太陽(yáng)能電池高的成本得到更高的能量轉(zhuǎn)換效率。涉及作為額外組 件的太陽(yáng)能聚光器的少數(shù)應(yīng)用（諸如，空間應(yīng)用和設(shè)計(jì)）能夠利用多結(jié)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以提高效率。在重點(diǎn)考慮成本的大多數(shù)應(yīng)用中，絕大多數(shù)地面用太陽(yáng)能電池是帶 隙能量是I. 12eV的單結(jié)、單晶硅太陽(yáng)能電池。
[0030] 單結(jié)硅太陽(yáng)能電池的上限能量轉(zhuǎn)換效率在I. 5sun下限于29%，如他們1961年的 論文中公開(kāi)的Shockley-Queisser理論所預(yù)測(cè)的。該理論在過(guò)去五十年間證實(shí)是正確的。 在研究實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)的最新技術(shù)的單結(jié)硅太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出25%至26%的效率并且現(xiàn)場(chǎng) 部署的裝置已經(jīng)達(dá)到20%的效率。數(shù)十年的研究還沒(méi)有得到效率超過(guò)Shockley-Queisser 限制的單結(jié)Si太陽(yáng)能電池的效率和再現(xiàn)設(shè)計(jì)。例如，限制Si太陽(yáng)能電池效率的一個(gè)重要 因素是光子能量損耗。當(dāng)光子能量大于Si的帶隙能量時(shí)，由于光子散射，導(dǎo)致額外能量轉(zhuǎn) 換成熱，從而造成太陽(yáng)能中超過(guò)50%的損耗。另外，例如，諸如多激子產(chǎn)生（MEG)和二次激 發(fā)的技術(shù)尚未被證明是有效或?qū)嶋H的，大多數(shù)納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出比最佳傳統(tǒng)裝置 甚至更低的效率。
[0031] 例如描述了高效光電能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)、系統(tǒng)和裝置，這些技術(shù)、系統(tǒng)和裝置超過(guò)了 根據(jù)Shockley-Queisser理論的單結(jié)Si能實(shí)現(xiàn)的最高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0032] 公開(kāi)的光電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了基本上大幅度克服了 Shockley-Queisser限制 的切合實(shí)際的低成本方法。公開(kāi)的技術(shù)的示例性方法可應(yīng)用于許多類型的半導(dǎo)體，包括硅 或除了硅外。在一些方面，例如，公開(kāi)了實(shí)現(xiàn)大于48%的能量轉(zhuǎn)換效率的Si單結(jié)太陽(yáng)能電 池裝置。
[0033] 在一個(gè)方面，公開(kāi)技術(shù)的光電能量轉(zhuǎn)換裝置被構(gòu)造成包括具有重補(bǔ)償p/n結(jié)的硅 芯/殼納米結(jié)構(gòu)（例如，納米線），以提供用于光電能量轉(zhuǎn)換的光學(xué)區(qū)域。光電能量轉(zhuǎn)換裝 置包括由摻雜的半導(dǎo)體材料形成的基板，其中，基板包括第一區(qū)域和第二區(qū)域。光電能量轉(zhuǎn) 換裝置包括從基板的第一區(qū)域突出的多層納米結(jié)構(gòu)（諸如，納米線）的陣列，其中，納米結(jié) 構(gòu)（諸如，納米線）由被形成芯-殼結(jié)構(gòu)的