增加無機(jī)太陽能電池效率的激子能量轉(zhuǎn)移的制作方法
【專利說明】増加無機(jī)太陽能電池效率的激子能量轉(zhuǎn)移
[0001] 相關(guān)申請的奪叉參考
[0002] 本申請要求2012年9月26日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/706, 048的權(quán)益，所述申 請的公開內(nèi)容作為參考并入本文中。
[0003] 聯(lián)合研究協(xié)議
[0004] 本申請的主題內(nèi)容由大學(xué)-公司聯(lián)合研究協(xié)議下的以下組織中的一個(gè)或多個(gè)、 代表以下組織中的一個(gè)或多個(gè)、和/或與以下組織中的一個(gè)或多個(gè)一起做出：密西根大學(xué) (UniversityofMichigan)、南加州大學(xué)（UniversityofSouthernCalifornia)、全球光 子能源公司（GlobalPhotonicEnergyCorporation)。所述協(xié)議在做出請求保護(hù)的發(fā)明當(dāng) 天和之前生效，并且請求保護(hù)的發(fā)明是在所述協(xié)議范圍內(nèi)進(jìn)行的活動的結(jié)果。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本公開內(nèi)容大體上涉及諸如光伏器件的光電器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0006] 光電器件依賴于材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)以電子地產(chǎn)生或檢測電磁輻射或由環(huán)境 電磁輻射發(fā)電。
[0007] 光敏光電器件將電磁輻射轉(zhuǎn)化為電。太陽能電池，也稱作光伏（PV)器件，是特定 地用于生成電力的一種光敏光電器件。PV器件可能從除太陽光以外的光源生成電能，其可 以用于驅(qū)動耗電負(fù)載以提供例如照明、加熱，或用于給電子電路或器件如計(jì)算器、收音機(jī)、 計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)測或通訊設(shè)備供電。這些發(fā)電應(yīng)用還經(jīng)常涉及電池或其他儲能器件的充 電，以使得當(dāng)沒有來自太陽或其他光源的直接照射時(shí)運(yùn)行可能繼續(xù)，或涉及根據(jù)特定的應(yīng) 用需求來均衡PV器件的功率輸出。在本文中使用時(shí)，術(shù)語"電阻性負(fù)載"是指任何的功率 消耗或存儲電路、器件、設(shè)備或系統(tǒng)。
[0008] 另一種光敏光電器件是光電導(dǎo)體電池。在這一功用中，信號檢測電路監(jiān)測器件的 電阻以檢測因光的吸收造成的變化。
[0009] 另一種光敏光電器件是光檢測器。在運(yùn)行中，光檢測器與電流檢測電路一起使用， 所述電流檢測電路測定所述光檢測器暴露于電磁輻射且可能具有施加的偏電壓時(shí)生成的 電流。如在本文中描述的檢測電路能夠向光檢測器提供偏電壓和測定所述光檢測器對電磁 輻射的電子響應(yīng)。
[0010] 可根據(jù)是否存在如下定義的整流結(jié)以及根據(jù)所述器件是否在亦稱作偏壓或偏電 壓的外加電壓運(yùn)行，對這三種光敏光電器件進(jìn)行表征。光電導(dǎo)體電池沒有整流結(jié)且通常在 偏壓下運(yùn)行。PV器件具有至少一個(gè)整流結(jié)且在沒有偏壓下運(yùn)行。光檢測器具有至少一個(gè) 整流結(jié)且通常但不總是在偏壓下運(yùn)行。作為基本規(guī)則，光伏電池向電路、器件或設(shè)備提供電 力，但不提供信號或電流以控制檢測電路或來自檢測電路的信息輸出。相反，光檢測器或光 電導(dǎo)體提供信號或電流，以控制檢測電路或來自檢測電路的信息輸出，但是不向電路、器件 或設(shè)備提供電力。
[0011] 傳統(tǒng)上，光敏光電器件由諸如晶體硅、多晶硅和無定形硅、砷化鎵、碲化鎘等的一 些無機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成。本文中，術(shù)語"半導(dǎo)體"是指當(dāng)電荷載子被熱或電磁激發(fā)所誘發(fā)時(shí)能夠 導(dǎo)電的材料。術(shù)語"光電導(dǎo)"一般涉及如下過程：其中電磁輻射能被吸收并由此轉(zhuǎn)化為電荷 載子的激發(fā)能，以使得載流子能夠在材料中傳導(dǎo)即運(yùn)輸電荷。本文中使用術(shù)語"光電導(dǎo)體" 和"光電導(dǎo)材料"來指因其吸收電磁輻射以生成電荷載子的性質(zhì)而被選擇的半導(dǎo)體材料。
[0012] 可以通過PV器件將入射太陽能轉(zhuǎn)化為可用電力的效率來對其進(jìn)行表征。利用晶 體硅或無定形硅的器件在商業(yè)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，而且一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 23%以上的效率。 然而，由于在制造沒有顯著效率降級缺陷的大晶體時(shí)的固有問題，制造基于晶體的高效器 件尤其是表面積大的器件是困難和昂貴的。另一方面，高效無定形硅器件仍遭受穩(wěn)定性問 題。目前的商購無定形硅電池具有4% -8%的穩(wěn)定化效率。
[0013] PV器件可經(jīng)過優(yōu)化以在標(biāo)準(zhǔn)照明條件（即，標(biāo)準(zhǔn)測試條件，其為1000W/m2、AM1. 5 光譜照射）下實(shí)現(xiàn)最大電能產(chǎn)生，使光電流乘以光電壓的乘積最大。標(biāo)準(zhǔn)照明條件下的這 種電池的功率轉(zhuǎn)化效率取決于以下三種參數(shù)：（1)零偏壓下的電流即短路電流Isc，以安培 計(jì)，⑵開路條件下的光電壓即開路電壓I，以伏特計(jì)，和⑶填充因數(shù)（fillfactor)，ff。
[0014] 當(dāng)PV器件跨接負(fù)載并由光照射時(shí)，它們產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無限負(fù)載下照射時(shí)， PV器件生成了其最大可能電壓、V開路或V%。當(dāng)在其電觸點(diǎn)短路的情況下照射時(shí)，PV器件 生成其最大可能電流、I短路或Ise。當(dāng)真正用于發(fā)電時(shí)，PV器件連接至有限電阻性負(fù)載且 功率輸出由電流和電壓的乘積IXV給出。PV器件生成的最大總功率固有地不能超過乘積 kxv%。當(dāng)負(fù)載值經(jīng)過優(yōu)化以求得最大功率提取時(shí)，電流和電壓分別具有值I#和V#。
[0015]PV器件的品質(zhì)因數(shù)（figureofmerit)是填充因數(shù)ff，定義為：
[0016] ff={I最大V最大）7{ISCv〇c} (1)
[0017] 其中ff總是小于1，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中決不會同時(shí)得到LjPV%。盡管如此，隨 著ff接近1，器件具有較小的串聯(lián)或內(nèi)部電阻，并因此在最佳條件下向負(fù)載輸送較大百分 比的LjPV%的乘積。如果pin。是器件上的入射功率，則器件的功率效率nP可通過以下 計(jì)算：
[0018] nP=ff*(Isc*V0C)/Pinc
[0019] 為了產(chǎn)生占據(jù)半導(dǎo)體大量體積的內(nèi)生電場，常用方法是并置兩層材料，所述兩層 材料具有適當(dāng)選擇的導(dǎo)電性質(zhì)，尤其是在它們的分子量子能態(tài)分布方面。這兩種材料的界 面被稱為光伏結(jié)。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體理論中，用于形成PV結(jié)的材料已經(jīng)一般被稱為n型或p型。 在此，n型指大多數(shù)載流子類型是電子。這可以看作是材料具有在相對自由能態(tài)的許多電 子。P型指大多數(shù)載流子類型是空穴。這種材料具有在相對自由能態(tài)的許多空穴。背景即 非光生的大多數(shù)載流子濃度的類型主要取決于缺陷或雜質(zhì)的無意摻雜。雜質(zhì)的類型和濃度 決定了導(dǎo)帶最小能量和價(jià)帶最大能量之間能隙內(nèi)的費(fèi)米能或能級的值。費(fèi)米能表征分子量 子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)學(xué)占據(jù)情況，其由占據(jù)可能性等于1/2時(shí)的能量值所表示。靠近導(dǎo)帶最小能 量的費(fèi)米能表示電子是主要的載流子?？拷鼉r(jià)帶最大能量的費(fèi)米能表示空穴是主要的載流 子。因此，費(fèi)米能是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要表征性質(zhì)，原型的PV結(jié)傳統(tǒng)上是p-n界面。
[0020] 此外，術(shù)語"整流"是指界面具有不對稱導(dǎo)電特性，即界面優(yōu)選在一個(gè)方向上支持 電子電荷運(yùn)輸。整流通常與內(nèi)建式電場相關(guān)聯(lián)，所述電場在適當(dāng)選擇的材料之間的結(jié)處發(fā) 生。
[0021] 常規(guī)無機(jī)半導(dǎo)體PV電池使用p-n結(jié)以建立內(nèi)部場。高效PV器件通常在單晶生長 基底上產(chǎn)生。這些生長基底可能包括單晶晶片，其可以用于創(chuàng)造完美的晶格和結(jié)構(gòu)載體，以 用于亦稱作"外延層"的有源層的外延生長。
[0022] 無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池的最大效率的Shockley和Quiesser熱力學(xué)極限為31%。 本公開內(nèi)容使用單線態(tài)裂變材料作為超過這一基本極限的策略。已經(jīng)在有機(jī)太陽能電池結(jié) 構(gòu)中研究了單線態(tài)裂變材料。其方法采用了吸收藍(lán)光并經(jīng)受激發(fā)態(tài)（激子）跌落至第二分 子水平的分子物種，所述第二分子水平的能量約為起始激發(fā)態(tài)能量的一半。在這一方式下， 在吸收單個(gè)高能光子后，形成了兩個(gè)低能量激發(fā)態(tài)。這一過程的優(yōu)選途徑是采用單線態(tài)激 子能量為三線態(tài)能量的至少2倍的材料，由此允許單線態(tài)裂變?nèi)菀椎匕l(fā)生。本公開內(nèi)容涉 及在無機(jī)太陽能電池中利用這種材料以極大地增加太陽能生成效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 在本公開內(nèi)容的一般方面，光敏光電器件包含：兩個(gè)電極；無機(jī)亞電池，其被安置 在所述兩個(gè)電極之間，其中所述無機(jī)亞電池包含具有帶隙能（Ee)的至少一種無機(jī)半導(dǎo)體材 料；和有機(jī)敏化窗口層，其被布置在無機(jī)亞電池上且與所述至少一種無機(jī)半導(dǎo)體材料物理 接觸，其中所述有機(jī)敏化窗口層包含單線態(tài)裂變材料。
[0024] 在本公開內(nèi)容的一些實(shí)施方式中，所述單線態(tài)裂變材料在300nm-700nm范圍內(nèi)的 一個(gè)或多個(gè)波長處顯示至少lOim1的光吸收率。
[0025] 在一些實(shí)施方式中，所述單線態(tài)裂變材料顯示與帶隙能（Ee)基本上匹配的激發(fā)三 線態(tài)能量（ETSF)。
[0026] 在一些實(shí)施方式中，所述單線態(tài)裂變材料具有0. 5ym-3ym范圍內(nèi)的厚度。
[0027] 在一些實(shí)施方式中，所述單線態(tài)裂變材料具有大于2.OeV的激發(fā)單線態(tài)能量 (Bs SF)0
[0028] 在一些實(shí)施方式中，所述無機(jī)亞電池包含至少一個(gè)p-n結(jié)。
[0029] 在一些實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)p-n結(jié)包含選自如下的至少一種半導(dǎo)體材料： Ge，Si，GaAs，InP，GaN，A1N，CdTe，ZnTe，銅銦鎵（二）硒化物（CIGS)和其組合。
[0030]