并有電插入于含磷族元素化物的吸收體層與發(fā)射極層之間的薄硫族元素化物膜的光伏打裝置的制造方法
【專利說明】并有電插入于含磷族元素化物的吸收體層與發(fā)射極層之間的薄硫族元素化物膜的光伏打裝置
[0001]優(yōu)先權(quán)主張
[0002]本專利申請案主張2012年10月9日申請且題為“并有電插入于含磷族元素化物的吸收體層與發(fā)射極層之間的薄硫族元素化物膜的光伏打裝置(PHOTOVOLTAICDEVICES INCORPORATING THIN CHALC0GENIDE FILM ELECTRICALLY INTERPOSED BETWEENPNICTIDE-CONTAINING ABSORBER LAYER AND EMITTER LAYER) ” 的美國臨時專利申請案第61/711，580號的益處，其中所述臨時專利申請案的全部出于所有目的被并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明處于具有吸收體-絕緣體-集極結(jié)構(gòu)(例如，MIS及SIS結(jié)構(gòu))的類型的光伏打裝置的領(lǐng)域。更明確地說，本發(fā)明涉及絕緣體為包括至少一個硫族元素化物的超薄層且至少一個半導(dǎo)體層包括磷族元素化物半導(dǎo)體的這些裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]基于磷族元素化物的半導(dǎo)體包含IIB/VA族半導(dǎo)體。磷化鋅(Zn3P2)為一種IIB/VA族半導(dǎo)體。磷化鋅及類似基于磷族元素化物的半導(dǎo)體材料具有顯著的作為薄膜光伏打裝置中的光敏性吸收體的可能性。舉例來說，磷化鋅具有1.5eV的報告的直接帶隙、在可見區(qū)中的高吸光度(例如，大于14Cm^lO5Cm1)及長的少數(shù)載體擴散長度(約5μπι到約10 μm) O N.C.魏斯及A.卡特拉諾，應(yīng)用物理學(xué)期刊(Journal ofApplied Physics)，50 (3)，1403-1407 (1979) ο此將準(zhǔn)許高的當(dāng)前收集效率。并且，例如Zn及P的材料量大且成本低。
[0005]已知磷化鋅為P型或η型。迄今為止，制造P型磷化鋅已更容易得多。見Α.卡特拉諾及 R.B.霍爾，固體物理與化學(xué)期刊(Journal ofPhysics and Chemistry ofSolids)，41 (6) ,635-640(1980)。制備n型磷化鋅(明確地說，使用適合于工業(yè)規(guī)模的方法)仍受挑戰(zhàn)。研究者已使用分開的鋅源與磷化物源，使用分子束外延法技術(shù)來制備η型磷化鋅。Suda等人，應(yīng)用物理學(xué)快報(Applied Physics Letters)，69 (16)，2426 (1996)。歸因于不良的膜質(zhì)量且缺乏對化學(xué)計量的控制，這些膜未展現(xiàn)光電行為。此已對基于磷化鋅的p-n同質(zhì)結(jié)的制造帶來打擊。
[0006]因此，使用磷化鋅的太陽能電池最常建構(gòu)有Mg肖特基(Schottky)接點、液體接點或p/n異質(zhì)接面。F.C.王、A.L.法倫布拉奇及R.H.布貝，應(yīng)用物理學(xué)期刊，53 (12)，8874-8879 (1982) ο M.布尚、J.A.特納及B.A帕金森，電化學(xué)學(xué)會期刊(Journal of theElectrochemical Society)，133 (3)，536-539 (1986)。M.布尚及 A.卡特拉諾，應(yīng)用物理學(xué)快報，38 (I)，39-41 (1981)。示范性光伏打裝置包含并有基于p_Zn3P2/Mg的肖特基接點的裝置，且對于太陽能轉(zhuǎn)換，已展現(xiàn)大于約6%的效率。M.布尚及A.卡特拉諾，應(yīng)用物理學(xué)快報，38 (I)，39-41 (1981)。歸因于針對包括Zn3P2及例如Mg的金屬的接面獲得的約0.8eV勢皇高度，這些二極體的效率理論上將斷路電壓限制到約0.5伏特。
[0007]基于磷化鋅及例如Mg的金屬接點的肖特基類型裝置已在性能上受限。作為一個因素，控制金屬-半導(dǎo)體界面的質(zhì)量已很困難。改善這些裝置的性能的一個方法為在半導(dǎo)體與金屬之間的界面處并有絕緣層或隧道勢皇。此結(jié)構(gòu)被稱為金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)裝置。至少部分歸因于下部界面捕獲密度，MIS裝置通常顯現(xiàn)出比常規(guī)肖特基裝置好的性能。在電子裝置中，也被稱作隧道接面的隧道勢皇為在比隧道勢皇相對更導(dǎo)電的兩種材料之間的勢皇，例如，薄絕緣層或電位。不希望受理論束縛，相信電流通過量子穿隧的過程穿過勢皇。傳統(tǒng)地，電子電流具有穿過勢皇的零概率。然而，根據(jù)量子力學(xué)，電子在勢皇中具有非零波振幅，且因此其具有穿過勢皇的某一概率。在實際實踐中，電流事實上穿過勢皇。
[0008]使用相對厚的Al2O3絕緣層及Al頂部接點制造基于磷化鋅的先前MIS裝置。M.S.凱茜、A.L.法倫布拉奇、R.H.布貝，應(yīng)用物理學(xué)期刊，61 (1987)2941-2946。這些裝置經(jīng)制造以經(jīng)由電容-電壓測量來研究磷化鋅的表面性質(zhì)，而不優(yōu)化光伏打響應(yīng)。
[0009]SIS裝置在結(jié)構(gòu)上類似于MIS裝置，除了絕緣層夾入于SIS裝置中的兩個半導(dǎo)體層之間外。理論上，S層中的一者可被看作提供吸收功能，而另一 S層可被看作提供集極功能。理想地，絕緣層與半導(dǎo)體層中的一或兩者之間的界面在一些情況下比在無絕緣層的情況下的兩個半導(dǎo)體之間的界面質(zhì)量高。
[0010]使許多研究及開發(fā)精力聚焦于改善MIS及SIS裝置(明確地說，并有基于磷族元素化物半導(dǎo)體的光伏打裝置)的電子性能。明確地說，需要用于改善絕緣層及其與其它層的界面的質(zhì)量的策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明提供用于改善絕緣體層與至少一個含磷族元素化物的膜界面連接的MIS及SIS裝置中的絕緣層的質(zhì)量的策略。本發(fā)明的原理至少部分基于以下發(fā)現(xiàn):包括硫族元素化物(例如，1-ZnS)的非常薄(20nm或以下)的絕緣膜出人意料地為在并有磷族元素化物半導(dǎo)體的MIS及SIS裝置中的優(yōu)越隧道勢皇。所述發(fā)現(xiàn)是出人意料的，至少部分歸因于以下常規(guī)理解:出于形成P-n異質(zhì)接面的目的，磷族元素化物半導(dǎo)體(例如，P型Zn3P2)與半導(dǎo)體硫族元素化物(例如，相對厚，例如，80nm或以上η型ZnS)之間的界面傾向于具有不良電子質(zhì)量。因此，令人驚訝地，當(dāng)P型Zn3P2與ZnS之間的界面能量學(xué)與不良性能相關(guān)聯(lián)時(在p-n結(jié)構(gòu)的情況下)，P型Zn3P2與本質(zhì)ZnS之間的界面在MIS及SIS結(jié)構(gòu)中將以電子方式表現(xiàn)得非常好。本發(fā)明了解，與磷族元素化物半導(dǎo)體及硫族元素化物材料相關(guān)聯(lián)的例如傳導(dǎo)及價帶偏移的電子性質(zhì)可能不適合于P-n結(jié)構(gòu)，但盡管如此，對于在MIS或SIS結(jié)構(gòu)中使用，卻非常好地匹配。
[0012]在一方面，本發(fā)明涉及一種光伏打裝置，其包括:
[0013]a)半導(dǎo)體區(qū)域，其包括至少一個磷族元素化物半導(dǎo)體；
[0014]b)絕緣區(qū)域，其電耦合到所述半導(dǎo)體區(qū)域，其中所述絕緣區(qū)域包括至少一種硫族元素化物且具有在從0.5nm到20nm的范圍中的厚度；以及
[0015]c)整流區(qū)域，其按所述絕緣區(qū)域電插入于集極區(qū)域與所述半導(dǎo)體區(qū)域之間的方式與所述半導(dǎo)體區(qū)域整流電連通。
[0016]在另一方面，本發(fā)明涉及一種制造光伏打裝置的方法，其包括以下步驟:
[0017]a)提供包括至少一個磷族元素化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層；
[0018]b)直接或間接在所述半導(dǎo)體層上形成絕緣層，其中所述絕緣層包括至少一種硫族元素化物且具有在從0.5nm到20nm的范圍中的厚度；以及
[0019]c)在所述絕緣層上直接或間接地形成額外層，使得所述絕緣層插入于所述額外層與所述半導(dǎo)體層之間，且使得所述半導(dǎo)體層、所述絕緣層及所述額外層形成所述額外層與所述半導(dǎo)體層整流電連通的光伏打接面。
【附圖說明】
[0020]圖1為并有磷族元素化物半導(dǎo)體的說明性光伏打裝置的橫截面中的示意性說明。
[0021]圖2為展示針對P型磷化鋅與η型硫化鋅之間的異質(zhì)接面的可能帶隙對準(zhǔn)的曲線圖，其中界面的大傳導(dǎo)帶峰值指示不利異質(zhì)接面。
[0022]圖3a示意性說明本發(fā)明的Mg/1-ZnS/p_Zn3P2MIS光伏打裝置。
[0023]圖3b展示針對圖3a的Mg/i_ZnS/p-Zn3P2MIS光伏打裝置的在暗及AMl.5 I太陽照明下的電流-電壓測量。
[0024]圖4a示意性地展示n-ZnS/p_Zn3P2異質(zhì)接面光伏打裝置。
[0025]圖4b展示針對圖4a的n_ZnS/p-Zn3P2異質(zhì)接面光伏打裝置的在暗及AMl.5 I太陽照明下的電流-電壓測量。
[0026]圖5示意性說明對于p-n異質(zhì)接面的I型、II型及III型帶隙對準(zhǔn)。
【具體實施方式】
[0027]以下描述的本發(fā)明的實施例并不希望為窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限于以下詳細描述中所揭示的精確形式。相反地，選擇并且描述實施例，以使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可了解并且理解本發(fā)明的原理及實踐。出于所有目的，本文中所引用的所有專利、申請中的專利申請案、公開的專利申請案及技術(shù)論文皆被按其相應(yīng)的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
[0028]本發(fā)明的原理用以提供并有薄硫族元素化物膜的光伏打裝置，所述膜電插入于含磷族元素化物的吸收體層與發(fā)射極層之間。光伏打裝置顯現(xiàn)出改善的電子性能。圖1示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的光伏打裝置10的說明性實施例。裝置10并有光伏打功能性，使得將入射光12轉(zhuǎn)換成電能。
[0029]裝置10并有半導(dǎo)體區(qū)域14。不希望受理論束縛。相信，半導(dǎo)體區(qū)域14至少部分充當(dāng)吸收體區(qū)域(也被稱作，吸收體-產(chǎn)生器)。在光伏打裝置的情況下，吸收體指吸收光子(即，入射光)且產(chǎn)生光電流的介質(zhì)。相信，光電流從電子-電洞對的產(chǎn)生而產(chǎn)生。帶負電的電子為P型半導(dǎo)體區(qū)域中的少數(shù)載流子。帶正電的載流子(“電洞”)為η型半導(dǎo)體區(qū)域中的少數(shù)載流子。本發(fā)明的優(yōu)選半導(dǎo)體區(qū)域為P型。牢記此理論，半導(dǎo)體區(qū)域14理想地并有具有用于浮獲光的帶隙(例如，1.3eV到1.6eV)、用于浮獲入射光的高吸收係數(shù)(例如，