专利名称：高光电转换效率的金属-半导体复合膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光电转换新原理进行高效光电转换的金属一半导体复合膜结构。
传统的半导体太阳电池的光电转换原理是利用半导体的能带，吸收相应能量的光波，产生光生载流子即电子一空穴对，在受到半导体PN结或半导体耗尽层的自建电场的作用下，被分离至太阳电池的上下电极，而完成光电转换的过程。迄今，基于这一原理制造的各种太阳电池存在光电转换效率低而成本高的问题。
本发明是利用制造在半导体太阳电池的PN结或耗尽层的上方整个受光照的面上的金属薄层中的超细微粒的小尺寸效应。由于超细微粒尺寸与光波的或微波的波长或传导电子德布罗意波长等物理尺寸相当或更小时，产生共振吸收效应以及由于晶体周期性的边界条件被破坏，声、光、电磁、热力学等物性都将呈现小尺寸效应。这里所说的超细微粒的尺寸范围用作光电转换时，须为1纳米至300纳米之间(注纳米是一种微小长度单位，1纳米＝10-9米)；用作吸收微波能转换成电能时须为约300纳米至1微米左右。
由于金属中的电子有效质量小，在光波或微波的电磁波矢的作用下迅速加速，产生共振吸收后成为受激电子，同时，当金属微粒中所含原子数目随着微粒尺寸的减小而减少时，其费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂成分立能级，因此，在较宽光谱范围内提供给大量电子以吸收能量的机会。其吸收率可达90％以上，能形成大量受激电子。另一方面，利用金属的和半导体的或者两种能带宽度不同的半导体的超细微粒经混合制成上述受光照的薄层中呈均匀相间分布所产生的垂直多重结等效果也能使对光能(或微波能)吸收的效率大增而转换成受激电子的能量。根据量子力学固体理论，对于约2-3个纳米厚度以下的绝缘薄层，电子具有隧穿势垒的能力。这里所说的势垒包括超细微粒金属间势垒，金属薄层与其下面的半导体层间绝缘层势垒，以及半导体耗尽层势垒等。隧穿势垒后的电子被金属薄层下面的半导体PN结或半导体耗尽层的自建电场收集到下电极，从而完成光(或微波)-电转换过程。
根据本发明提出的新原理及结构可设计成各种光(或微波)-电转换器件。至于具体在器件中所采用的金属或半导体材料的种类、尺寸、形状、薄膜厚度等可根据具体情况分别确定。对于上述器件，利用现有工艺(如半导体薄膜工艺，厚膜工艺等)已有可能进行某些器件的制造，但有些所需工艺设备和工艺技术还需专门研究。对于更完善的器件设计和工艺制造技术则有待于利用正在发展的原子工程技术，即完全可按人的设计在材料制备时安排每个原子或分子生长的位置的技术。
例1“纳米金属一绝缘层一纳米硅(简称纳米MIS)肖特基势垒结构”。
纳米硅(nc-si)具有一系列独特性能，如室温电导率高，掺杂效率好，光、热稳定性能好，光吸收能力强等，有利于在器件中应用。目前生产工艺也比较成熟，一般可利用PECVD淀积系统，使用高氢稀释硅烷为反应气源，进行具有强的[H]基腐蚀作用近化学平衡态的nc-siH薄膜生长。制备纳米金属薄膜的方法也有多种，如蒸发冷凝法，离子溅射法，低温等离子体法，激光诱导法汽相沉积法，等离子体增强化学汽相沉积法等等。
附
图1中所示为以玻璃为衬底的纳米MIS肖特基势垒太阳电池的结构。
例2，在具有耗尽层自建电场的半导体材料层上喷涂由数量上各占50％的同样尺寸的超细微粒金属粉未和半导体粉未均匀混合后制成的桨料，形成薄层，烘干、烧结后，再在其上喷涂一层绝缘抗反射增透膜，则可根据本发明中所述尺寸范围的选择不同，而制成具有可吸收光能或微波能并转换成电能的贴片。该贴片的部分表面腑视放大示意图，如附图2所示。
权利要求
1.一种光(或微波)-电转换复合膜结构。其特征是在具有能起分离并收集电子的作用的半导体材料层的上方存在超细微粒金属的薄层。所说的超细微粒的尺寸范围，用作光电转换时，须为1纳米至300纳米之间(注纳米是一种微小长度单位，1纳米＝10-9米)；用作吸收微波能转换成电能时，须为约300纳米至1微米左右。
2.根据权利要求1所述的一种光(或微波)-电转换复合膜结构，所说的薄层是由权利要求1中所述的尺寸范围的超细微粒的金属或半导体的单晶、微晶、纳米晶或非晶态材料组成的，无论其形状和排列是否规则，并无论是否纯金属或者多层金属膜，并包括a、呈密栅型或密点型分布的超细微粒金属网状薄膜，在该网状薄膜的网眼中可以容纳有半导体材料或其它材料；b、a中所说的网状薄膜也可由半导体材料构成，在该网状薄膜的网眼中可以容纳有超细微粒金属材料。或者与构成该网状薄膜的半导体材料的能带宽度不同的半导体的超细微粒材料。
3.根据权利要求1，2所述的一种光(或微波)-电转换复合膜结构。其进行光(或微波)-电转换过程的特点是利用了超细微粒的小尺寸效应，在对光(或微波)电磁波特征波长能满足共振吸收条件时产生受激电子，然后通过权利要求1中所述的半导体材料层进行分离和收集到下电极。
全文摘要
本发明涉及一种高光电转换效率的金属-半导体复合膜，其特征是在具有分离和收集电子作用的半导体材料层的上方存在一个金属(或/和半导体等)的超细微粒薄层，当其中超细微粒的尺寸满足共振吸收条件时，构成多重垂直结量子阱。电子吸收光子后，成为受激电子；受激电子隧穿至下方的半导体材料层，被分离，收集后，即完成光电转换过程。因此，这是一种全新的光电转换原理，光电转换效率高，不受半导体能带理论光电转换效率极限值的限制。
文档编号H01L31/00GK1122520SQ9411927
公开日1996年5月15日 申请日期1994年12月20日 优先权日1994年12月20日
发明者解青华 申请人:解青华