专利名称：Ⅱ型量子点太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及光敏光电子器件。更具体而言，本发明涉及具有无机半导体基体 中的量子点的光敏光电子器件，其中量子点和半导体基体材料形成具有II型带对准的异 质结。
背景技术：
光电子器件依靠材料的光学和电子特性，以电子地产生或检测电磁辐射或者从周 围电磁辐射来生成电。光敏光电子器件将电磁辐射转换为电信号或电。太阳能电池，也被称为光伏(PV) 器件，是一种类型的光敏光电子器件，其特别地用于生成电力。光电导体电池是一种类型的 光敏光电子器件，其与信号检测电路结合使用，该信号检测电路监视器件的电阻以检测因 吸收的光引起的改变。可以接收所施加的偏置电压的光电检测器是一种类型的光敏光电子 器件，其与电流检测电路结合使用，该电流检测电路测量当光电检测器暴露于电磁辐射时 生成的电流。可以根据是否存在如下限定的整流结，以及还根据器件是否利用外部施加的电压 (也被称为偏置或偏置电压)进行操作，来区分这三类光敏光电子器件。光电导体电池不具 有整流结并且通常不利用偏置来操作。PV器件具有至少一个整流结并且不利用偏置来操 作。光电检测器具有至少一个整流结并且通常但不总是利用偏置来操作。如此处使用的术语“整流”表示，除其他之外，界面具有不对称的传导特性，即，该 界面支持优选地在一个方向上的电子电荷输运。术语“光电传导”通常涉及如下过程，其中 电磁辐射能量被吸收并且由此被转换为电荷载流子的激发能，从而使载流子可以在材料中传导(即，输运)电荷。术语“光电传导材料”意指因其吸收电磁辐射以生成电荷的性质而 被利用的半导体材料。当适当能量的电磁辐射入射在光电传导材料上时，能够吸收光子以 产生激发态。除非指明第一层与第二层“物理接触”或“直接接触”，否则可以存在中间层。在光敏器件的情况中，整流结被称为光伏(photovoltaic)异质结。为了在光伏异 质结处内部地产生占据相当大的体积的所生成的电场，通常的方法是并置具有特别地针对 其费米能级和能带边而适当选择的半传导性质的两个材料层。无机光伏异质结的类型包括在ρ型掺杂材料和η型掺杂材料的界面处形成的ρ-η 异质结，以及在无机光电传导材料和金属的界面处形成的肖特基-势垒异质结。在无机光伏异质结中，形成异质结的材料已被表示为通常是η型或ρ型。这里η 型表示多数载流子类型是电子。这可被视为具有处于相对自由能量状态的许多个电子的材 料。P型表示多数载流子类型是空穴。这样的材料具有处于相对自由能量状态的许多个空 穴。半导体和绝缘体的一个共同特征是“带隙”。带隙是填充有电子的最高能级和最低 能级之间的能量差，其是空的。在无机半导体或无机绝缘体中，该能量差是价带边Ev(价带 顶)与导带边Ec导带底)之间的差。纯净材料的带隙没有可以存在电子和空穴的能量状 态。唯一可用于传导的载流子是具有足够能量以被激发跨越带隙的电子和空穴。通常，与 绝缘体相比，半导体具有相对小的带隙。在能带模型方面，将价带电子激发到导带中产生载流子；S卩，当位于带隙的导带侧 时，电子是电荷载流子，并且当位于带隙的价带侧时，空穴是电荷载流子。如此处使用的，在平衡条件下，相对于能带图上的能级位置，第一能级在第二能级 “上方”，“大于”或“高于”第二能级。能带图是半导体模式的骨干。作为关于无机材料的惯 例，相邻的掺杂材料的能量对准被调节，以使相应材料的费米能级(Ef)对准，使掺杂-掺杂 界面和掺杂_本征界面之间的真空能级弯曲。作为关于能带图的惯例，对于电子，在能量上趋于移动到更低能级，而对于空穴， 在能量上趋于移动到更高能级(对于空穴是更低的势能，但是相对于能带图是更高的)。更 简洁地，电子下落而空穴上升。在无机半导体中，可以存在导带边(Ec)上方的连续的导带和价带边(Ev)下方的连 续的价带。载流子迁移率是无机和有机半导体中的重要特性。迁移率度量电荷载流子可以响 应电场而移动穿过传导材料的容易度。与半导体相比，绝缘体通常提供差的载流子迁移率。
发明内容
提供了一种光电子器件和用于制造该器件的方法，其中该器件包括多个栅栏层， 所述多个栅栏层基本上由在P型和η型半导体材料之间的堆叠中设置的半导体材料组成； 以及多个层，所述多个层基本上由第二半导体材料的量子点的交替层组成，所述第二半导 体材料嵌入在第三半导体材料之间并且与第三半导体材料直接接触。交替层被设置在栅栏 层中的对应的两个栅栏层之间的堆叠中并且与所述对应的两个栅栏层直接接触。每个量子 点提供第一半导体材料的相邻层的导带边和价带边之间的能量处的至少一个量子态。第二 半导体材料的每个量子点和第三半导体材料形成具有Π型带对准的异质结。第三半导体材料可以是无机半导体基体。在一个实施例中，第一半导体材料是AlxGai_xAs，其中χ > 0，第二半导体材料是 GaSb并且第三半导体材料是GaAs。在另一实施例中，该器件包括约10至约20个GaAs/GaSb的交替层。
图1示出量子点太阳能电池。图2 (a)示出具有两个AlxGai_xAs层的GaSb量子点太阳能电池的结构，并且图2(b) 示出相应的能级图。图3示出具有图2中示出的结构的量子点太阳能电池的基态跃迁能量相对于量子 点高度的图。点的半径是13nm。h对应于点高度d对应于周围GaSb层的厚度；以及L对应 于衬底表面的平面中的量子点之间的距离。插图示出直接空穴隧穿和热助空穴隧穿过程的 示意图。图4示出少数载流子扩散Jtll,以及来自具有堆叠的GaSb量子点的太阳能电池的 GaSb量子点Jtl2的暗电流。插图示出当χ从0、0. 1增加到0. 2时计算出的功率转换效率相 对于具有13nm半径的量子点层的数目的关系。图5示出如通常理想化的和如胶质溶液中形成的图1中的器件中的量子点阵列的 横截面。图6示出在无机基体材料中的无机量子点的横截面的能带图，示出传递电子的去 激发和俘获。图中的结构不一定依比例绘制。
具体实施例方式研究中的用于提高太阳能电池的效率的一种方法是使用量子点产生太阳能电池 的带隙中的中间带。量子点将在三维中的电荷载流子(电子、空穴和/或激子)限制到分 立的量子能量状态。每个量子点的横截面尺寸典型地约为数百埃或更小。图1示出量子点太阳能电池器件的示例。该器件包括第一接触(电极)110、第一 过渡层115、在半导体块体基体材料120中嵌入的多个量子点130、第二过渡层150和第二 接触(电极)155。在由无机材料制成的器件中，一个过渡层(115、150)可以是ρ型的，并且另一过渡 层是η型的。块体基体材料120和量子点130可以是本征的(未掺杂的)。过渡层115、150 与块体基体材料120之间的界面可以提供整流，极化电流在器件中流动。作为替选方案，接 触(110、155)与过渡层(115、150)之间的界面可以提供电流整流。图5示出包括球形量子点的阵列的器件的横截面。在实践中，点的实际形状取决 于制造技术的选择。例如，在胶质溶液中无机量子点可以被形成为半导体纳米雏晶，诸如本 领域中已知的“溶胶_凝胶”工艺。对于一些其他布置，即使实际的点不是真正的球体，但 是球体仍可以提供准确的模型。例如，已成功用于在无机基体中产生无机量子点的外延方法是 Stranski-Krastanow方法(有时在文献中被拼写为Stransky-Krastanow)。该方法在使晶格损坏和缺陷最小的同时，高效地产生点与块体基体之间的晶格失配应变。 Stranski-Krastanow有时被称为“自组装量子点”(SAQD)技术。在利用金属-有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的晶体生长期间， 自组装量子点自发地呈现为基本上没有缺陷。使用Stranski-Krastanow方法的生长条件， 可以产生自排序的微小的点( lOnm)的阵列或堆叠，并且具有高的面积密度(> IO11Cm2) 和光学质量。自排序量子点(SOQD)技术能够产生由高密度的无缺陷量子点构成的准晶体， 其中辐射复合是主要的。对于关于无机中间带量子点器件和制造的另外背景，参看A.Marti等人撰 写 白勺“Design constraints of quantum-dot intermediate band solarcell “， Physica E 14，150-157 (2002) ；A. Luque 等人撰写的〃 Progresstowards the practical implementation of the intermediate band solar cell " , Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic SpecialistsConference,1190-1193(2002)； A. Marti ^ Λ ^ W " Partial Filling of aQuantum Dot Intermediate Band for Solar Cells"，IEEE Transactions onElectron Devices,48，2394—2399(2001) ；Y. Ebiko 等人撰写的"Island SizeScaling in InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots", Physical ReviewLetters 80，2650-2653 (1998)；以及授予 Petroff 等人的美国专利 6, 583, 436B2 (June 24,2003)；每个文献通过引用并入此处作为用于描述现有技术状态。近年来对量子点中间带太阳能电池进行了积极的研究，这是因为已经断言，该电 池具有用于实现>60%的太阳能功率转换效率的潜力。参见A. Luque and A. Marti,Phys. Rev. Lett. 78,5014(1997)。事实上，低带隙能量量子点可以通过吸收单个高能光子生成 多个电子-空穴对(激子)，在原理上导致超过100%的量子效率。参见R.D. Schaller andV. I. Klimov, Phys. Rev. Lett. 92，186601—1 (2004)禾口 G. S.Philippe, Nature Mater. 4， 653(2005)。为了将频谱响应扩展至更长的波长，需要将窄带隙量子点(例如，InAs)封装 得足够近，以在主体基体材料(例如，GaAs)的带隙中形成中间能带。然而，应变量子点的高浓度引入了点区域中的高的电荷密度( lX1016cm_3，参 见 R. ffetzler, A. ffacker, E. Schll, C. M. A. Kapteyn, R. Heitz and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 77，1671 (2000))，并且光激发载流子(电子和空穴)被自组装量子点迅速捕获。因 此，部分地由于导致电荷俘获，随后引起点中的光载流子的复合的不理想的能带结构，仍未 实现关于量子点中间带太阳能电池的所预测的非常高的效率。与其中需要快速载流子俘获 的激光应用(参见 L. V. Asryan and R. A. Suris，Semicond. Sci. Technol. 11，554 (1996))相 反，光生载流子必须在量子点周围隧穿或输运以避免在这些地点俘获和复合。理论模型(参见 V. Aroutiounian, S. Petrosyan and A. Khachatryan, Solar Energy Mater. &Solar Cells 89，165 (2005))确认了，对于相对短的复合时间( 2ns)， 量子点主要用作复合而非生成中心，导致光电流随着较大带隙半导体主体中的量子点层的 数目(N)的增加而减小。通过主体的Si δ-掺杂(参见A. Marti，N. Lopez, Ε. Antolin, C. Stanley, C. Farmer, L. Cuadra and A. Luque, Thin Solid Films 511,638 (2006)),中间 带太阳能电池的点区域中的限制状态的部分填充已呈现有限的成功。虽然这些器件具有扩 展到更长波长的光响应，但是与大带隙同质结电池相比，它们还呈现出极大减少的开路电 压(Voc) ο
虽然中间带的形成提高了器件性能，但是结果仍未能实现预期的光电流的理论提 高。对于理想化的量子点中间带太阳能电池，预测了>60%的功率效率。部分由于导致电 荷俘获，随后引起量子点中的光载流子的复合的不理想情况，以及缺乏最优材料组合，该目 标仍未实现。图6示出当电荷载流子衰减至激发态Ee,2(701)或基态Ee>1 (702、703)时自由电 子由量子点130俘获。由于能量作为声子被吸收到晶格中，因此该去激发过程减小了光 电流。对于空穴，也发生了相似的载流子去激发和俘获。因此，为了提高中间带太阳能电 池的性能，需要减少因电荷俘获引起的电荷载流子去激发。授予Forrest等人的美国申 请No. 11/598，006通过将每个量子点封装在薄的势垒壳中，以要求载流子执行量子力学 隧穿以进入点，来减少去激发俘获，该申请的全部内容合并于此。如果通过上文讨论的 Stranski-Krastanow技术形成点，则载流子将隧穿通过势垒层以在块体层之间传输。包括 这样一系列隧穿势垒的这些器件被称为“栅栏中的点”(DFENCE)异质结构。本发明的太阳能电池由于在光伏器件中使用II型带对准，防止电子被俘获到点 中并且减少空间电荷积累，而没有在点周围并入额外的栅栏层或势垒壳。与其中基体材料 的导带处于比量子点的能级高的能级并且基体材料的价带处于较低的能级的传统的I型 量子点相反，在具有II型带对准的量子点中，量子点的导带和价带均处于比基体材料高的 能级。直接带隙材料的参差带对准被认为形成这些异质结构的唯一性质特性。进一步认 为，量子点和基体材料的界面处的二维电子和空穴的空间分离导致了它们的光学性质的可 调性。因此，参差带对准可以允许小于形成异质结的每种基体半导体的带隙的能量处的光 学发射。在一个实施例中，光伏器件包括多个栅栏层，所述多个栅栏层基本上由在ρ型和 η型半导体材料之间的堆叠中设置的半导体材料组成；以及多个层，所述多个层基本上由 第二半导体材料的量子点的交替层组成，第二半导体材料嵌入在第三半导体材料之间并且 与第三半导体材料直接接触。交替层被设置在第一半导体材料的层中的对应的两个层之间 的堆叠中并且与所述对应的两个层直接接触。每个量子点提供第一半导体材料的相邻层的 导带边与价带边之间的能量处的至少一个量子态。第二半导体材料的每个量子点和第三半 导体材料形成具有Π型带对准的异质结。第三半导体材料可以是无机半导体基体。优选地，第一半导体材料是AlxGai_xAs，其中χ > 0。这被认为使载流子的饱和泄漏 最小。在优选实施例中，第二半导体材料是GaSb并且第三半导体材料是GaAs。图2a示出 具有该结构的优选实施例，其中P型和η型半导体均为GaAs。文献中描述了具有参差带对准的GaSb/GaAs II型量子点的特征并且对其进行了 报导。由于大的价带偏移( O.SleV)，空穴被定域在GaSb点内，并且由于电子与定域空 穴的库伦相互作用，电子在点周围产生了浅的量子壳，由此形成了空间间接激发态。参见 Hatami et al.，Appl. Phys. Lett. 67,656(1995)。与在 I 型中间带量子点结构的 InAs/GaAs 中发现的80%的重叠相比，电子和空穴的波函数具有约60%的重叠。参见MGrundman et al. , Phys. Rev. B 52,11969(1995) ；F. Hatami et al. , Phys. Rev. B 57,4635(1998)。用于 II型量子点异质结构的波函数中的重叠被认为取决于，除了点自身的尺寸之外，使电子与 空穴分离的势垒的电势高度。电子和空穴的波函数的较小的重叠导致了，与诸如InAs/GaAs 的I型量子点结构( Ins)相比，II型量子点异质结构具有更长的辐射寿命( 23ns)。参见H. Born et al. ,Phys. StatusSolidi B 228,R4(2001) ；W. H. Chang et al. ,Phys. Rev. B 62,6259(2000)。在利用基体和点之间分开的准费米能级来设计用作生成中心而非复合 中心的量子点时，还要重点考虑减小点中的复合率。这对于获得大于当前报导的单同质结 光伏电池的功率转换效率是有利的。当II型GaSb量子点位于传统的p_n结之间时，认为次带隙光子的吸收将使电子 从GaSb中的分立空穴能级直接泵浦到GaAs基体。此外，GaSb/GaAs界面附近的应变使导带 偏移的下限处于 0. 05-0. IeV 之间。参见 Kapetyn et al.，Phys. Rev. B，60，14265 (1999)。 如上文讨论的，GaSb量子点中的较高的导带能级防止了点中的电子俘获。然而，高电势阱 可以俘获空穴载流子，由此增加GaAs基体中的电荷积累以及与电子的复合。因此，来自量 子点层的暗电流可以增加量子点电池的开路电压。因此，如图2(a)的优选实施例中所示， 可以在耗尽区域的边缘处添加两个AlxGai_xAs栅栏层。认为AlxGai_xAs栅栏层在不危及次 带隙光子吸收的情况下，减小了来自少数载流子生成和提取以及来自GaSb点的热离子空 穴电流的暗电流。使用界面错配(IMF)生长模式的II型应变释放的和密集堆叠的GaSb/GaAs量子 点的形成和光学特性已经证明了出色的晶体质量和室温电致发光。参见Tatebayashi et al.，Appl. Phys. Lett. 89，203116 (2006)。通过使GaSb量子点和GaAs基体的界面处的应变 释放，可以使因约7%的晶格失配引起的来自GaSb量子点的整体压应变驰豫。通过从完全 驰豫的II型GaSb/GaAs量子点导致的导带中的相对小的峰值( 0. IeV)以及大的价带偏 移(O.SleV)，并且利用通过用于量子点的有效质量包络函数理论确定的基体元素，可以计 算GaSb量子点的电子和空穴能级。参见例如Wei and Forrest，Nano. Lett. 7，218 (2007)。 GaSb量子点在GaAs基体中的空间分布可以被视为具有高度h和半径R的圆柱体的密集的、 周期性排列的阵列。周围的GaAs层的厚度是d并且用于量子点“单位单元”的周期是L，其 与衬底表面的平面平行。认为量子点的高度和半径可以变化以完全吸收次带隙光子。图1和2(a)中示出的简单的分层结构被提供作为非限制性的示例，并且应当理 解，可以使用结合广泛的多种其他结构的本发明的实施例。所描述的特定材料和结构在本 质上是示例性的，并且可以使用其他材料和结构。应当理解，此处描述的多种实施例仅作为示例，并且不应限制本发明的范围。例 如，在不偏离本发明的精神的前提下，此处描述的许多材料和结构可以被替换为其他材料 和结构。应当理解，有关本发明如何工作的多种理论不应被当作限制。例如，关于电荷载流 子的理论不应被当作限制。实验图3示出关于具有参差的II型带对准的GaSb/GaAs量子点异质结构的基态跃迁 能量相对于量子点高度的关系。对于半径为13nm的量子点，基态光子跃迁能量从1. 07eV 下降至0.82eV。对于2nm的点高度，基态跃迁能量约为1. 07eV，这接近相似量子点尺寸 的1.05eV处的光致发光频谱的第一峰点。参见Geller et al.，Appl. Phys. Lett. 82， 2706(2003)。小尺寸(量子点或量子阱)太阳能电池的器件性能被认为取决于载流子逸出顺 序。对于大部分III-IV I型纳米结构系统，发现轻空穴首先逸出。为了防止严重的开路电 压劣化，期望电子在重空穴之前逸出。如果重空穴在电子之前逸出，则负电荷会在量子点(或阱)中积累，加强了内建电场。量子点材料中这样的大的负载流子积累将局部削弱耗 尽区域中的内建电场以及相应的载流子逸出概率。这被认为增加了复合率，导致开路电压 下降。由于具有II型带对准的量子点太阳能电池的特征在于弱的电子定域(由于与定域 空穴的库伦相互作用)，因此光生电子将直接激发到GaAs基体和GaSb量子点的界面。内 建电场将使电子漂移通过耗尽区域。再次参见Tatebayashi et al.，Appl. Phys. Lett. 89， 203116(2006)。因此，认为在II型异质结构中电子在重空穴之前从量子点逸出到基体。空穴被强烈地限制到量子点并且定域能为约450meV。参见Gelleret al.，Appl. Phys. Lett. 82，2706 (2003)。在许多粒子区域中，强定域空穴的空穴-空穴相互作用(库伦 荷电)支配电子-电子和电子-空穴相互作用。结果，从GaSb量子点中的分立能级到GaAS 基体的空穴的激活能量从约450meV下降至约140-150meV。(参见Kirsch et al.，Appl. Phys. Lett. 78，1418 (2001))，这对应于量子点的平均空穴占用和积累的空穴之间的斥力的 增加。随着量子点中的电荷量的增加，状态填充和库伦相互作用使热激活能(Ea)降低。 图2的插图中示出的减小的Ea使空穴的逸出速率加速。在存在内建电场F的情况下，量子 点电势高度将减小qFh/2，其中q表示电荷。参见C.M.A Kapteyn et al.，Phys. Rev. B，60， 14265(1999)。由于II型量子点中的电子定域是可忽略的，因此可以从GaSb量子点(Eqd) 与浸润层(Ewl 1.39eV)之间的跃迁能量差来计算GaSb浸润层中的空穴能级El和中间能 级之间的定域能。将N个空穴荷电到不喜欢的点所需的库伦荷电能量En可以被表达为E _V
N 一 ^GOASS0D'其中D是点的典型半径，ε C1是真空介电常数，并且￡eaAs=13. 1。能级EI中的空穴载流子的热激活能可以被表达为
qFhE0=Ew1-Eqd-En-^j-空穴逸出过程的特征在于，热激活到位于GaSb浸润层中的激发能级，随后进行隧 道发射。因此，空穴发射速率可以被表达为
(-E Λ= σ,νΝν exp —f
K κ J t其中N是GaSb中的空穴状态的有效密度，σ i是能级EI上的空穴的捕获横截面 (Q1 = (6 士 3) X IO-1W2)，ν是GaAs缓冲区中的空穴的平均热速度( 1. 3X 105m/s)。计算出的图2中示出的热助隧穿过程的空穴逸出速率从SXlO12s-1G1 = Znm)下降 至2 X IO7iT1 (h = 6nm)，然后增加至3 X IOiV1 (h = 1 Inm)。这被认为是定域能与随量子点高 度减小的电势势垒之间的折衷。可以认为，具有最优量子点半径和高度以及耗尽区域中的内建电场增加了空穴逸 出速率，使得空穴逸出速率将大于辐射复合速率( 4. 3 X ΙΟ、—1)。因此，光生空穴载流子 可以在不经历点中的多数复合的情况下对次带隙光电流有贡献。因此，可以认为，内建电场 中的重要的设计考虑是内建电场促进空穴隧穿通过价带电势中的电势阱的能力。
由于GaSb量子点中的额外的辐射复合电流，对来自中性区域边缘附近的少数载 流子生成和提取的基线-电池反向饱和电流的贡献JO也将增加。反向饱和电流JOl可以 被表达为 其中1是量子点层的数目，B是辐射复合系数，N是与η和ρ侧掺杂相关的有效掺 杂浓度，并且μ是与电子和空穴迁移率相关的有效迁移率。参见Anderson and ffojtczuk, J. App 1. Phys. 79，1973 (1996)。来自空穴的热发射的电流密度可以被表达为 其中Nd。t是量子点的面积密度，并且L是点中的分立能级的数目。计算出的二极管反向饱和电流Jtll和Jtl2随图4中示出的量子点层的数目而逐渐增 力口(h = 3nm, R = 13nm)。在GaAs与AlxGai_xAs层之间，暗电流将随着带隙偏移能量Δ E的增加而极大地减 小，并且可以被表达为 其并入了生成和复合电流(JNR)。图4中示出具有和不具有两个AlxGai_xAs栅栏层的整体功率转换效率。在没有栅 栏层的情况下(X = 0)，对于具有两个量子点层的器件，功率转换效率从22. 5% (没有点) 下降至21.3%。增加量子点层的数目还增加了 GaSb量子点的吸收效率。这对次带隙光电 流的增加有贡献，其对开路电压的略微下降过度补偿。因此，对于本征区域中的约10 约 20个堆叠的GaSb/GaAs量子点层，整体效率接近24. 5%的饱和极限。尽管存在耗尽区域中的复合，但是GaSb量子点中生成的电子-空穴对通过内建电 场高效分离，增加了次带隙光电流。如图4中的插图中所示，增加AlxGai_xAs电势势垒
使暗电流Jtll和Jtl2按因子expi-;)减小。因此，当X = 0.2时，具有16个量子点
层的电池接近34. 7%的功率转换效率，开路电压为0. 88 νο这类似于来自不具有任何量子 点或栅栏层的电池的0.903V。图4还示出，当χ = 0.2时，II型异质结构中的功率转换效 率的上限可以是约38. 5%。虽然针对特定示例和优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于这 些示例和实施例。因此如对本领域的技术人员显而易见的，如请求保护的本发明包括此处 描述的特定示例和优选实施例的变化。
权利要求
一种光伏器件，包括第一电极和第二电极；p型半导体材料层，所述p型半导体材料层被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的堆叠中；n型半导体材料层，所述n型半导体材料层被设置在所述第一电极与所述第二电极之间的堆叠中；多个栅栏层，所述多个栅栏层基本上由在所述p型半导体材料与所述n型半导体材料之间的堆叠中设置的第一半导体材料组成；多个层，所述多个层基本上由第二半导体材料的量子点的交替层组成，所述第二半导体材料嵌入在第三半导体材料之间并且与所述第三半导体材料直接接触，其中，所述交替层被设置在所述栅栏层中的对应的两个栅栏层之间的堆叠中并且与所述对应的两个栅栏层直接接触，以及其中，每个量子点提供所述第一半导体材料的相邻层的导带边和价带边之间的能量处的至少一个量子态；以及其中，所述第二半导体材料的每个量子点和所述第三半导体材料形成具有II型带对准的异质结。
2.如权利要求1所述的器件，其中 所述P型半导体材料是GaAs ；所述第一半导体材料是AlxGai_xAs，其中χ > 0 ； 所述第二半导体材料是GaSb ；以及 所述第三半导体材料是GaAs。
3.如权利要求2所述的器件，包括约10至约20个GaAs/GaSb的交替层。
4.如权利要求3所述的器件，其中，所述η型材料是GaAs。
5.一种制造光伏器件的方法，包括 在第一电极上方沉积P型半导体材料层；在所述P型半导体材料层上方沉积基本上由第一半导体材料组成的多个栅栏层； 沉积多个层，所述多个层基本上由第二半导体材料的量子点的交替层组成，所述第二 半导体材料嵌入在第三半导体材料之间并且与所述第三半导体材料直接接触，其中，所述 交替层被设置在所述栅栏层中的对应的两个栅栏层之间的堆叠中并且与所述对应的两个 栅栏层直接接触；以及每个量子点提供所述第一半导体材料的相邻层的导带边和价带边之 间的能量处的至少一个量子态；以及所述第二半导体材料的每个量子点和所述第三半导体 材料形成具有II型带对准的异质结；在所述栅栏层上方沉积η型半导体材料层；以及 在所述η型半导体层上方沉积第二电极以形成光伏器件。
6.如权利要求5所述的方法，其中 所述P型半导体材料是GaAs ；所述第一半导体材料是AlxGai_xAs，其中χ > 0 ； 所述第二半导体材料是GaSb ；以及 所述第三半导体材料是GaAs。
7.如权利要求6所述的方法，包括约10至约20个GaAs/GaSb的交替层。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述η型材料是GaAs。
全文摘要
一种器件包括半导体材料的多个栅栏层以及第二半导体材料的量子点的多个交替层，第二半导体材料嵌入在第三半导体材料之间并且与第三半导体材料直接接触，所述多个交替层被设置在p型和n型半导体材料之间的堆叠中。第二半导体材料的每个量子点和第三半导体材料形成具有II型带对准的异质结。还提供了用于制造该器件的方法。
文档编号H01L31/0352GK101933153SQ200880111194
公开日2010年12月29日 申请日期2008年10月9日 优先权日2007年10月10日
发明者史蒂芬·R·福里斯特, 徐崑庭, 韦国丹 申请人:密歇根大学董事会;普林斯顿大学理事会