增加无机太阳能电池效率的激子能量转移的制作方法
【专利说明】増加无机太阳能电池效率的激子能量转移
[0001] 相关申请的夺叉参考
[0002] 本申请要求2012年9月26日提交的美国临时申请号61/706, 048的权益，所述申 请的公开内容作为参考并入本文中。
[0003] 联合研究协议
[0004] 本申请的主题内容由大学-公司联合研究协议下的以下组织中的一个或多个、 代表以下组织中的一个或多个、和/或与以下组织中的一个或多个一起做出：密西根大学 (UniversityofMichigan)、南加州大学（UniversityofSouthernCalifornia)、全球光 子能源公司（GlobalPhotonicEnergyCorporation)。所述协议在做出请求保护的发明当 天和之前生效，并且请求保护的发明是在所述协议范围内进行的活动的结果。
技术领域
[0005] 本公开内容大体上涉及诸如光伏器件的光电器件及其制造方法。
【背景技术】
[0006] 光电器件依赖于材料的光学和电学性质以电子地产生或检测电磁辐射或由环境 电磁辐射发电。
[0007] 光敏光电器件将电磁辐射转化为电。太阳能电池，也称作光伏（PV)器件，是特定 地用于生成电力的一种光敏光电器件。PV器件可能从除太阳光以外的光源生成电能，其可 以用于驱动耗电负载以提供例如照明、加热，或用于给电子电路或器件如计算器、收音机、 计算机或远程监测或通讯设备供电。这些发电应用还经常涉及电池或其他储能器件的充 电，以使得当没有来自太阳或其他光源的直接照射时运行可能继续，或涉及根据特定的应 用需求来均衡PV器件的功率输出。在本文中使用时，术语"电阻性负载"是指任何的功率 消耗或存储电路、器件、设备或系统。
[0008] 另一种光敏光电器件是光电导体电池。在这一功用中，信号检测电路监测器件的 电阻以检测因光的吸收造成的变化。
[0009] 另一种光敏光电器件是光检测器。在运行中，光检测器与电流检测电路一起使用， 所述电流检测电路测定所述光检测器暴露于电磁辐射且可能具有施加的偏电压时生成的 电流。如在本文中描述的检测电路能够向光检测器提供偏电压和测定所述光检测器对电磁 辐射的电子响应。
[0010] 可根据是否存在如下定义的整流结以及根据所述器件是否在亦称作偏压或偏电 压的外加电压运行，对这三种光敏光电器件进行表征。光电导体电池没有整流结且通常在 偏压下运行。PV器件具有至少一个整流结且在没有偏压下运行。光检测器具有至少一个 整流结且通常但不总是在偏压下运行。作为基本规则，光伏电池向电路、器件或设备提供电 力，但不提供信号或电流以控制检测电路或来自检测电路的信息输出。相反，光检测器或光 电导体提供信号或电流，以控制检测电路或来自检测电路的信息输出，但是不向电路、器件 或设备提供电力。
[0011] 传统上，光敏光电器件由诸如晶体硅、多晶硅和无定形硅、砷化镓、碲化镉等的一 些无机半导体构成。本文中，术语"半导体"是指当电荷载子被热或电磁激发所诱发时能够 导电的材料。术语"光电导"一般涉及如下过程：其中电磁辐射能被吸收并由此转化为电荷 载子的激发能，以使得载流子能够在材料中传导即运输电荷。本文中使用术语"光电导体" 和"光电导材料"来指因其吸收电磁辐射以生成电荷载子的性质而被选择的半导体材料。
[0012] 可以通过PV器件将入射太阳能转化为可用电力的效率来对其进行表征。利用晶 体硅或无定形硅的器件在商业应用中占主导地位，而且一些已经实现了 23%以上的效率。 然而，由于在制造没有显著效率降级缺陷的大晶体时的固有问题，制造基于晶体的高效器 件尤其是表面积大的器件是困难和昂贵的。另一方面，高效无定形硅器件仍遭受稳定性问 题。目前的商购无定形硅电池具有4% -8%的稳定化效率。
[0013] PV器件可经过优化以在标准照明条件（即，标准测试条件，其为1000W/m2、AM1. 5 光谱照射）下实现最大电能产生，使光电流乘以光电压的乘积最大。标准照明条件下的这 种电池的功率转化效率取决于以下三种参数：（1)零偏压下的电流即短路电流Isc，以安培 计，⑵开路条件下的光电压即开路电压I，以伏特计，和⑶填充因数（fillfactor)，ff。
[0014] 当PV器件跨接负载并由光照射时，它们产生光生电流。当在无限负载下照射时， PV器件生成了其最大可能电压、V开路或V%。当在其电触点短路的情况下照射时，PV器件 生成其最大可能电流、I短路或Ise。当真正用于发电时，PV器件连接至有限电阻性负载且 功率输出由电流和电压的乘积IXV给出。PV器件生成的最大总功率固有地不能超过乘积 kxv%。当负载值经过优化以求得最大功率提取时，电流和电压分别具有值I#和V#。
[0015]PV器件的品质因数（figureofmerit)是填充因数ff，定义为：
[0016] ff={I最大V最大）7{ISCv〇c} (1)
[0017] 其中ff总是小于1，因为在实际应用中决不会同时得到LjPV%。尽管如此，随 着ff接近1，器件具有较小的串联或内部电阻，并因此在最佳条件下向负载输送较大百分 比的LjPV%的乘积。如果pin。是器件上的入射功率，则器件的功率效率nP可通过以下 计算：
[0018] nP=ff*(Isc*V0C)/Pinc
[0019] 为了产生占据半导体大量体积的内生电场，常用方法是并置两层材料，所述两层 材料具有适当选择的导电性质，尤其是在它们的分子量子能态分布方面。这两种材料的界 面被称为光伏结。在传统半导体理论中，用于形成PV结的材料已经一般被称为n型或p型。 在此，n型指大多数载流子类型是电子。这可以看作是材料具有在相对自由能态的许多电 子。P型指大多数载流子类型是空穴。这种材料具有在相对自由能态的许多空穴。背景即 非光生的大多数载流子浓度的类型主要取决于缺陷或杂质的无意掺杂。杂质的类型和浓度 决定了导带最小能量和价带最大能量之间能隙内的费米能或能级的值。费米能表征分子量 子能态的统计学占据情况，其由占据可能性等于1/2时的能量值所表示。靠近导带最小能 量的费米能表示电子是主要的载流子。靠近价带最大能量的费米能表示空穴是主要的载流 子。因此，费米能是传统半导体的主要表征性质，原型的PV结传统上是p-n界面。
[0020] 此外，术语"整流"是指界面具有不对称导电特性，即界面优选在一个方向上支持 电子电荷运输。整流通常与内建式电场相关联，所述电场在适当选择的材料之间的结处发 生。
[0021] 常规无机半导体PV电池使用p-n结以建立内部场。高效PV器件通常在单晶生长 基底上产生。这些生长基底可能包括单晶晶片，其可以用于创造完美的晶格和结构载体，以 用于亦称作"外延层"的有源层的外延生长。
[0022] 无机半导体太阳能电池的最大效率的Shockley和Quiesser热力学极限为31%。 本公开内容使用单线态裂变材料作为超过这一基本极限的策略。已经在有机太阳能电池结 构中研究了单线态裂变材料。其方法采用了吸收蓝光并经受激发态（激子）跌落至第二分 子水平的分子物种，所述第二分子水平的能量约为起始激发态能量的一半。在这一方式下， 在吸收单个高能光子后，形成了两个低能量激发态。这一过程的优选途径是采用单线态激 子能量为三线态能量的至少2倍的材料，由此允许单线态裂变容易地发生。本公开内容涉 及在无机太阳能电池中利用这种材料以极大地增加太阳能生成效率。
【发明内容】
[0023] 在本公开内容的一般方面，光敏光电器件包含：两个电极；无机亚电池，其被安置 在所述两个电极之间，其中所述无机亚电池包含具有带隙能（Ee)的至少一种无机半导体材 料；和有机敏化窗口层，其被布置在无机亚电池上且与所述至少一种无机半导体材料物理 接触，其中所述有机敏化窗口层包含单线态裂变材料。
[0024] 在本公开内容的一些实施方式中，所述单线态裂变材料在300nm-700nm范围内的 一个或多个波长处显示至少lOim1的光吸收率。
[0025] 在一些实施方式中，所述单线态裂变材料显示与带隙能（Ee)基本上匹配的激发三 线态能量（ETSF)。
[0026] 在一些实施方式中，所述单线态裂变材料具有0. 5ym-3ym范围内的厚度。
[0027] 在一些实施方式中，所述单线态裂变材料具有大于2.OeV的激发单线态能量 (Bs SF)0
[0028] 在一些实施方式中，所述无机亚电池包含至少一个p-n结。
[0029] 在一些实施方式中，所述至少一个p-n结包含选自如下的至少一种半导体材料： Ge，Si，GaAs，InP，GaN，A1N，CdTe，ZnTe，铜铟镓（二）硒化物（CIGS)和其组合。
[0030]