高效的光電轉換裝置的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本專利文獻要求2013年3月12日提交的、名稱為"HIGH CONVERSION EFFICIENCY SOLAR CELL DEVICES(高轉換效率太陽能電池裝置）"的美國臨時專利申請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 (基于多層納米線結構的有效光電轉換）" 的美國臨時專利申請61/893, 894的優先權權益。以上專利申請的全部內容以引用方式并 入，成為本專利文獻的公開的部分。
技術領域
[0003] 本專利文獻涉及使用納米尺度半導體材料的信號放大技術。
【背景技術】
[0004] 納米技術使用于制造結構、器件和系統的技術或過程具有分子尺度或原子尺度的 特征，例如，在一些應用中，范圍是1納米至數百納米的結構。例如，納米尺度器件可被構造 成近似于一些大分子（例如，諸如酶的生物分子）的大小。用于形成納米結構、納米器件或 納米系統的納米大小材料可表現出在尺寸較大時在相同材料中沒有呈現的各種特有性質 (例如，包括光學性質）并且可在大范圍的應用中利用這些特有性質。
【發明內容】
[0005] 描述了用于高效光電能量轉換的技術、系統和器件，例如，這些技術、系統和器件 超過根據Shockley-Queisser理論能針對單結Si實現的最高效率。
[0006] 在一個方面，提出了一種光電能量轉換裝置。所述光電能量轉換裝置包括由摻雜 半導體材料形成的基板，其中，所述基板包括第一區域和第二區域。所述光電能量轉換裝置 包括多層納米結構的陣列，所述多層納米結構從所述基板的所述第一區域突出，其中，所述 多層納米結構由被形成芯-殼結構的第二共摻雜半導體材料的層覆蓋第一共摻雜半導體 材料形成。所述第一共摻雜半導體材料和所述第二共摻雜半導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。所述光電能量轉換裝置 包括電極，所述電極形成在所述基板的所述第二區域中的被所述層覆蓋的部分上。所述光 電能量轉換裝置的所述多層納米結構被構造成提供光學有源區，所述光學有源區能夠從一 個或多個波長的光吸收光子，以產生所述電極處出現的電信號。
[0007] 在另一個方面，描述了基于級聯激子離子化（CEI)載流子倍增機制進行高效的光 電信號轉換和信號放大的裝置和方法。示例性的CEI裝置和方法可在包括光伏電池、通信 和成像（還有其它應用）的各種應用中實現。在一些實現方式中，示例性的CEI裝置包括 由摻雜半導體材料形成的基板，其中，所述基板包括第一區域和第二區域。示例性的CEI裝 置包括多層納米線結構的陣列，所述納米線結構從所述基板的所述第一區域突出，其中，所 述納米線結構由被形成芯-殼結構的第二共摻雜半導體材料的層覆蓋第一共摻雜半導體 材料形成，其中，所述層覆蓋所述基板的第二區域中的至少一部分。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構被構造成提供光學有源區，所述光學有源區能夠 從一個或多個波長的光吸收光子，以借助級聯激子離子化（CEI)機制產生所述電極處出現 的電信號。
[0008] 在另一個方面，一種將光能轉換成電能的方法包括：在被構造成包括摻雜半導體 基板的表面上接收光，所述表面至少部分被多層納米結構的陣列覆蓋，所述多層納米結構 由被第二共摻雜半導體材料的層覆蓋第一共摻雜半導體材料形成；通過所述多層納米結構 的陣列用級聯激子離子化（CEI)機制將接收到的光轉換成電信號，其中，所述電信號出現 在所述表面的所述摻雜半導體基板上的電極；將所述電信號導向電路。
[0009] 本專利文獻中描述的主題可用特定方式實現，這些方式提供了以下特征中的一個 或多個。例如，公開技術包括加工物理機制、級聯激子離子化（CEI)，以放大芯-殼半導體 納米尺度結構（例如，硅納米線）的光電響應，而沒有MEG或雪崩式機制的限制。在一些實 現方式中，例如，可使用具有重摻雜的、部分補償p-n結的納米尺度器件實現公開的CEI過 程，在該p-n結中，p區包含大量的供體并且η區包含大量的受體。公開的CEI技術的示例 性突出特征在于，不同于雪崩式倍增，CEI過程可發生在低偏置或甚至零偏置時。結果，CEI 過程可檢測光學信號和能量轉換（諸如，光伏電池）或甚至光學冷卻（例如，從被照射的區 域帶走熱）
【附圖說明】
[0010] 圖1示出包括共摻雜的、重補償ρ/η結結構的示例性光電能量轉換裝置的示意圖。
[0011] 圖2Α至圖2C示出具有共摻雜的、重補償ρ/η結結構的示例性的基于Si納米線的 光電能量轉換裝置的示例性光學和掃描電子顯微照片。
[0012] 圖2D示出公開的光電能量轉換裝置的示例性共摻雜的p+/n+結結構的示意圖。
[0013] 圖3示出表明通過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示出例例示公開技術的示例性太陽能電池裝置中的級聯激子離子化 的工作原理的示意性示意圖。
[0015] 圖5示出表明傳統Si單結太陽能電池裝置和所公開技術的示例性太陽能電池裝 置之間的太陽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太陽能電池的示例性結果的示例性圖線。
[0017] 圖7A和圖7B示出測得的波長與短路構造的示例性太陽能電池裝置的響應性和量 子效率的關系示例性數據圖線。
[0018] 圖8A至圖8C示出裝置結構的示例性構造的示意圖。
[0019] 圖9A和圖9B示出例證公開技術的示例性的基于納米線的光電能量轉換裝置的圖 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示出表明使用公開技術形成激子并且產生二次電子空穴對的示 圖。
[0022] 圖12A至圖12D示出公開技術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據圖線。
[0024] 圖14示出通過從單個光子入射開始的級聯激子離子化過程進行的示例性載流子 倍增的示意圖。
[0025] 圖15A和圖15B示出隨因熱電子或空穴出現DAP激發和離子化的概率的變化而變 化的示例性量子效率的數據圖線。
[0026] 圖16A和圖16B示出示例性的納米線級聯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。
【具體實施方式】
[0028] 世界上已經部署的太陽能電池幾乎95 %是結晶Si單結太陽能電池。 Shockley-Queisser限制提出，單結Si (例如，I. IeV帶隙）太陽能電池具有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，導致效率限制。迄今，已經證實了 25%至26%效率的太陽能電池。為了將太陽能 能量作為經濟上切實可行的能量源進行推動，太陽能電池系統、裝置和過程需要顯著超過 低效（諸如，單結Si太陽能電池的29%理論效率）地進行驅動，同時實現低成本方法。
[0029] 單結太陽能電池是指它們的p/n結只由一種類型的材料（例如，Si)制成的裝置。 相比之下，多結太陽能電池被構造成包含由不同帶隙能量的半導體制成的一系列p/n結。 例如，雙結太陽能電池可包括串聯的作為第一 p/n結的GaAs p/n結和作為第二p/n結的Ge p/n結。陽光首先射到第一 GaAs p/n結上，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結下面的第二Ge p/n結吸收。如此，多結太 陽能電池可以用比單結硅太陽能電池高的成本得到更高的能量轉換效率。涉及作為額外組 件的太陽能聚光器的少數應用（諸如，空間應用和設計）能夠利用多結太陽能電池設計的 技術優點以提高效率。在重點考慮成本的大多數應用中，絕大多數地面用太陽能電池是帶 隙能量是I. 12eV的單結、單晶硅太陽能電池。
[0030] 單結硅太陽能電池的上限能量轉換效率在I. 5sun下限于29%，如他們1961年的 論文中公開的Shockley-Queisser理論所預測的。該理論在過去五十年間證實是正確的。 在研究實驗室中證實的最新技術的單結硅太陽能電池表現出25%至26%的效率并且現場 部署的裝置已經達到20%的效率。數十年的研究還沒有得到效率超過Shockley-Queisser 限制的單結Si太陽能電池的效率和再現設計。例如，限制Si太陽能電池效率的一個重要 因素是光子能量損耗。當光子能量大于Si的帶隙能量時，由于光子散射，導致額外能量轉 換成熱，從而造成太陽能中超過50%的損耗。另外，例如，諸如多激子產生（MEG)和二次激 發的技術尚未被證明是有效或實際的，大多數納米結構太陽能電池表現出比最佳傳統裝置 甚至更低的效率。
[0031] 例如描述了高效光電能量轉換的技術、系統和裝置，這些技術、系統和裝置超過了 根據Shockley-Queisser理論的單結Si能實現的最高能量轉換效率。
[0032] 公開的光電能量轉換技術提供了基本上大幅度克服了 Shockley-Queisser限制 的切合實際的低成本方法。公開的技術的示例性方法可應用于許多類型的半導體，包括硅 或除了硅外。在一些方面，例如，公開了實現大于48%的能量轉換效率的Si單結太陽能電 池裝置。
[0033] 在一個方面，公開技術的光電能量轉換裝置被構造成包括具有重補償p/n結的硅 芯/殼納米結構（例如，納米線），以提供用于光電能量轉換的光學區域。光電能量轉換裝 置包括由摻雜的半導體材料形成的基板，其中，基板包括第一區域和第二區域。光電能量轉 換裝置包括從基板的第一區域突出的多層納米結構（諸如，納米線）的陣列，其中，納米結 構（諸如，納米線）由被形成芯-殼結構的