本发明专利技术涉及一种异质结构，包括：由n型掺杂的第一半导体材料制成的第一区（R1）、由p型掺杂第二半导体材料制成的第二区（R2）、和在所述第一区和第二区之间由第三半导体材料的层（C1）和第四半导体材料的层（C2）的交替形成的超晶格结构（SR），所述层足够薄以使载流子在所述超晶格结构内进行移动，从而形成至少一个电子微带（MBe）和一个空穴微带（MBh）；在所述第一区和所述超晶格结构之间的交界面、在所述超晶格结构的层之间的交界面、和在所述超晶格结构和所述第二区之间的交界面相互平行。本发明专利技术还涉及一种光伏电池，所述光伏电池包括所述异质结构作为有源元件。本发明专利技术还涉及包括所述光伏电池的组合的太阳能电池板。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体异质结构和包括该异质结构的光伏电池
本专利技术涉及一种用在光伏电池中的半导体异质结构。本专利技术还涉及一种光伏电池，尤其是薄膜型光伏电池，包括这样的异质结构作为有源元件；且还涉及一种包括该电池的组合的太阳能电池板。
技术介绍
光伏电池是一种将通过光子传输的光能(通常是太阳能来源)转化为直流形式的电能的装置。多个光伏电池通常以串联(以提高电压)和并联(以增大安培数)组合以便形成太阳能电池板或者光伏模块。现有采用多种材料的多种类型的光伏电池:本体光伏电池和薄膜光伏电池，具有同质结或异质结的单结光伏电池或多结光伏电池，有机光伏电池等。但是，在基于无机半导体的所有构型中，一个PN结或多个PN结形成有源元件。最广泛使用的光伏电池由硅-本体硅、或者以取向生长层形式或者以单晶、多晶或者非结晶的形式沉积的硅制成。这是因为硅具有明显的技术优势和经济优势:硅是一种可大量使用的材料、无毒且具有稳定的绝缘氧化物，且已经成功使用数十年。但是，硅由于其间接能带结构而成为一种差的光吸收器；因此，光吸收深度较大(对于对应于太阳光谱的红/近红外的部分的800nm和IIOOnm之间的波长,从10 μ m到100 μ m),并且载流子在到达电触点前必须在相同数量级的距离上扩散。这限制了硅同质结光伏电池的最大光伏能量转化效率。另外，这必须使用厚且因此昂贵的电池。使用直接能带结构材料不是完全令人满意的替选方式。尤其是，这样的材料更有效地吸收光，由此可以限制光致载流子的扩散长度(0.1 μ m-ι μ m)和电池的厚度，但是直接能带结构还促进少量载流子的复合，其与增大能量转换效率的预定目标相背道而驰。由载流子复合引起的问题可以通过用异质结(即，“P”区和“η”区由不同的半导体材料制成的结)代替由直接能带结构的半导体材料制成的同质结来解决。图1非常概要地示出“η”型掺杂CdSe (左侧，附图标记Rl)/ “ρ”型掺杂ZnTe (右侧，附图标记R2)异质结的能带结构。能带的排列使得:-ZnTe的价带的上限Ev2位于CdSe的价带的上限Evi和CdSe的导带的下限Ea之间；和-CdSe导带的下限Ea位于ZnTe的价带的上限Ev2和ZnTe的导带的下限Ee2之间。在这些情况下，采用术语“II型排列”或者“II型异质结构”。在这种结构中，导带的电子“e”在由CdSe制成的区域Rl中具有最小的电位，而价带的空穴“h”在由ZnTe制成的区域R2中具有最大的电位。因此，载流子保持分离在结的相对侧，且复合速率低。而且，应该注意，光吸收阈值对应于在ZnTe中定位的价带状态和在CdSe中定位的导带状态之间的过渡态，即，约IeV的能量，远低于分别考虑的两种材料的带隙的宽度。遗憾地，限制复合速率的载流子分离还作为光子的“低能量”吸收的势垒。尤其是，如上文所述，仅由于存在通过隧道效应在CdSe中定位的电子的波函数到ZnTe层(在ZnTe层中，空穴被定位)的弱穿透，该低能量吸收(光伏应用的最大优点)是可能的。通过与在硅的倒晶格空间中的间接转变类比，这些转变被称作“在真实空间中是间接的”。下列文献研究了 ZnTe/CdSe异质结的光伏特性:-P.A.Gashin 和 A.V.Simashkevich 的 “ZnTe-CdSe Heterojunctions -11.Photoelectric and luminescent properties，，，Phys.Stat.Sol.(a) , 19, 615 (1973);和-N.G.Patel等，“Fabrication and Characterization of ZnTe/CdSe Thin FilmsSolar Cells，，，Cryst.Res.Technol, 29，2，第 247 页至第 252 页(1994)。下列文献研究了其他II型异质结(ZnO/ZnS和ZnO/ZnTe)的光伏特性:J.Schrier 等的 “Optical Properties of ZnO/ZnS and ZnO/ZnTeheterostructures for photovoltaic applications，，，Nano Lett., 2007, 7 (8),第 2377页至第2382页。该文献还研究了核/壳纳米线形式的II型异质结构。关于该主题，读者还可以参考 Y.Zhang 等的文献 ““Quantum Coaxial Cables，，for Solar Energy Harvesting，，，NanoLett., 2007, 7 (5)，第1264页至第1269页。然而，在该基于纳米线的构型中，载流子仍出现在十分靠近表面的位置，在此还发现多个复合中心，由此降低了转化效率。与常规的平面异质结构相比，这些纳米线更难于并入光伏电池中。“Tandem”太阳能电池包括具有不同宽度的带隙的两个异质结构的多层以便更好地利用太阳光谱的范围。例如，参见P.Gashin等的文献“n-ZnSe/p-ZnTe/n-CdSe tandemsolar cells”，Solar Energy Materials and Solar Cells46 (1997) 323-331。然而，这不能使异质结光伏电池的前述缺陷得以弥补。A.Mascarenhas 等的文献“Lateral Superlattice Solar Cells”，AIP Conf.Proc.(第404卷，第303页至第308页，1997年4月5日)提出一种光伏电池，其中有源区通过II型超晶格结构形成，“P”型掺杂区和“η”型掺杂区侧向附接至该II型超晶格结构。因此，超晶格结构的层的平面垂直于在所述超晶格结构和前述“P”型掺杂区和“η”型掺杂区之间的界面。电子/空穴对通过在真实空间和倒晶格空间中的直接迁移产生在所述超晶格结构的层中；电子在具有低能量的导带的层中快速扩散，而空穴在具有较高能量的价带的层中快速扩散；随后这些载流子在这些层的平面中分别朝向“η”型掺杂区和“ρ”型掺杂区扩散，同时保持分离，这最小化了复合率。无论这种结构有什么优点，它的制作都是极其困难的，并且，就专利技术人所知道的来说，实际中还没有被制造。P.Wiirfel 在他的著作 “Physics of Solar Cells-From Principles to NewConcepts” (ffiley-VCH Verlag GmbH&Co KGaA, Weinheim, 2005)的第六章第二段中提出了对于增大太阳能电池的能量转化效率的问题的另一理论解决方案。该结构(在图2中简略说明)包括“η”型掺杂区Rl、“p”型掺杂区R2和在两者之间的吸收区RA。Rl区和R2区都具有比吸收区的带隙宽的带隙。更准确地，吸收区的价带的上限与R2区的由Ev2指示的价带的上限对齐，而其导带的下限则与Rl区的由Ea指示的导带的下限对齐。Rl区的价带的上限Evi位于低于Ev2的能级处，而R2区的导带的下限Effi位于高于Ea的能级处。参比Erc和Efv分别指出对于电子和空穴在光照下吸收区的准费米能级。在吸收区内，光致电子向左漂移Erc梯度(Erc梯度在图中没有示出)，而光致空穴向右漂移Efv梯度(Efv梯度在图中没有示出)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种异质结构，包括：由n型掺杂的第一半导体材料制成的第一区（R1）、由p型掺杂的第二半导体材料制成的第二区（R2）、和在所述第一区和所述第二区之间由第三半导体材料的层（C1）和第四半导体材料的层（C2）的交替形成的超晶格结构（SR），在所述第一区和所述超晶格结构之间的交界面、在所述超晶格结构的所述层之间的交界面、和在所述超晶格结构和所述第二区之间的交界面相互平行；其特征在于：‑所述层（C1、C2）足够薄以使载流子在所述超晶格结构内部离域，从而形成至少一个电子微带（MBe）和一个空穴微带（MBh）；‑所述第四材料的价带的上限（EV4）被包括在所述第三材料的价带的上限（EV3）和所述第三材料的导带的下限（EC3）之间，并且所述第三材料的导带的下限（EC3）被包括在所述第四材料的价带的上限（EV4）和所述第四材料的导带的下限（EC4）之间，这样的方式使得所述第三材料和所述第四材料形成II型异质结；‑所述第一材料的导带的下限（EC1）被包括在所述第三材料的所述导带的下限（EC3）和在所述超晶格结构中的最低能量的电子微带的下限（EMBe）之间，而所述第二材料的价带的上限（EV2）被包括在所述第四材料的价带的上限（EV4）和在所述超晶格结构中的最高能量的空穴微带的上限（EMBh）之间；‑所述第一材料的带隙足够宽以在所述第一区和所述超晶格结构之间的交界面处形成用于空穴的势垒；‑所述第二材料的带隙足够宽以在所述第二区和所述超晶格结构之间的交界面处形成用于电子的势垒。...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.04.11 FR 11531461.一种异质结构，包括:由η型掺杂的第一半导体材料制成的第一区(R1)、由P型掺杂的第二半导体材料制成的第二区(R2)、和在所述第一区和所述第二区之间由第三半导体材料的层(Cl)和第四半导体材料的层(C2)的交替形成的超晶格结构(SR)，在所述第一区和所述超晶格结构之间的交界面、在所述超晶格结构的所述层之间的交界面、和在所述超晶格结构和所述第二区之间的交界面相互平行；其特征在于: -所述层(C1X2)足够薄以使载流子在所述超晶格结构内部离域，从而形成至少一个电子微带(MBe)和一个空穴微带(MBh)； -所述第四材料的价带的上限(Ev4)被包括在所述第三材料的价带的上限(Ev3)和所述第三材料的导带的下限(Ea)之间，并且所述第三材料的导带的下限(Era)被包括在所述第四材料的价带的上限(Ev4)和所述第四材料的导带的下限(Ec4)之间，这样的方式使得所述第三材料和所述第四材料形成II型异质结； -所述第一材料的导带的下限(Ea)被包括在所述第三材料的所述导带的下限(Era)和在所述超晶格结构中的最低能量的电子微带的下限(Esffie)之间，而所述第二材料的价带的上限(Ev2)被包括在所述第四材料的价带的上限(Ev4)和在所述超晶格结构中的最高能量的空穴微带的上限(Esffih)之间； -所述第一材料的带隙足够宽以在所述第一区和所述超晶格结构之间的交界面处形成用于空穴的势垒； -所述第二材料的带隙足够宽以在所述第二区和所述超晶格结构之间的交界面处形成用于电子的势垒。2.如权利要求1所述的异质结构，其中，除了考虑掺杂外，所述第一材料和所述第三材料相同...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷吉斯·安德烈，乔尔·布勒兹，亨利·马里埃特，
申请(专利权)人：国家科学研究中心， 原子能与替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR
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