并有电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间的薄硫族元素化物膜的光伏打装置的制造方法
【专利说明】并有电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间的薄硫族元素化物膜的光伏打装置
[0001]优先权主张
[0002]本专利申请案主张2012年10月9日申请且题为“并有电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间的薄硫族元素化物膜的光伏打装置(PHOTOVOLTAICDEVICES INCORPORATING THIN CHALC0GENIDE FILM ELECTRICALLY INTERPOSED BETWEENPNICTIDE-CONTAINING ABSORBER LAYER AND EMITTER LAYER) ” 的美国临时专利申请案第61/711，580号的益处，其中所述临时专利申请案的全部出于所有目的被并入本文中。
技术领域
[0003]本发明处于具有吸收体-绝缘体-集极结构(例如，MIS及SIS结构)的类型的光伏打装置的领域。更明确地说，本发明涉及绝缘体为包括至少一个硫族元素化物的超薄层且至少一个半导体层包括磷族元素化物半导体的这些装置。
【背景技术】
[0004]基于磷族元素化物的半导体包含IIB/VA族半导体。磷化锌(Zn3P2)为一种IIB/VA族半导体。磷化锌及类似基于磷族元素化物的半导体材料具有显著的作为薄膜光伏打装置中的光敏性吸收体的可能性。举例来说，磷化锌具有1.5eV的报告的直接带隙、在可见区中的高吸光度(例如，大于14Cm^lO5Cm1)及长的少数载体扩散长度(约5μπι到约10 μm) O N.C.魏斯及A.卡特拉诺，应用物理学期刊(Journal ofApplied Physics)，50 (3)，1403-1407 (1979) ο此将准许高的当前收集效率。并且，例如Zn及P的材料量大且成本低。
[0005]已知磷化锌为P型或η型。迄今为止，制造P型磷化锌已更容易得多。见Α.卡特拉诺及 R.B.霍尔，固体物理与化学期刊(Journal ofPhysics and Chemistry ofSolids)，41 (6) ,635-640(1980)。制备n型磷化锌(明确地说，使用适合于工业规模的方法)仍受挑战。研究者已使用分开的锌源与磷化物源，使用分子束外延法技术来制备η型磷化锌。Suda等人，应用物理学快报(Applied Physics Letters)，69 (16)，2426 (1996)。归因于不良的膜质量且缺乏对化学计量的控制，这些膜未展现光电行为。此已对基于磷化锌的p-n同质结的制造带来打击。
[0006]因此，使用磷化锌的太阳能电池最常建构有Mg肖特基(Schottky)接点、液体接点或p/n异质接面。F.C.王、A.L.法伦布拉奇及R.H.布贝，应用物理学期刊，53 (12)，8874-8879 (1982) ο M.布尚、J.A.特纳及B.A帕金森，电化学学会期刊(Journal of theElectrochemical Society)，133 (3)，536-539 (1986)。M.布尚及 A.卡特拉诺，应用物理学快报，38 (I)，39-41 (1981)。示范性光伏打装置包含并有基于p_Zn3P2/Mg的肖特基接点的装置，且对于太阳能转换，已展现大于约6%的效率。M.布尚及A.卡特拉诺，应用物理学快报，38 (I)，39-41 (1981)。归因于针对包括Zn3P2及例如Mg的金属的接面获得的约0.8eV势皇高度，这些二极体的效率理论上将断路电压限制到约0.5伏特。
[0007]基于磷化锌及例如Mg的金属接点的肖特基类型装置已在性能上受限。作为一个因素，控制金属-半导体界面的质量已很困难。改善这些装置的性能的一个方法为在半导体与金属之间的界面处并有绝缘层或隧道势皇。此结构被称为金属-绝缘体-半导体(MIS)装置。至少部分归因于下部界面捕获密度，MIS装置通常显现出比常规肖特基装置好的性能。在电子装置中，也被称作隧道接面的隧道势皇为在比隧道势皇相对更导电的两种材料之间的势皇，例如，薄绝缘层或电位。不希望受理论束缚，相信电流通过量子穿隧的过程穿过势皇。传统地，电子电流具有穿过势皇的零概率。然而，根据量子力学，电子在势皇中具有非零波振幅，且因此其具有穿过势皇的某一概率。在实际实践中，电流事实上穿过势皇。
[0008]使用相对厚的Al2O3绝缘层及Al顶部接点制造基于磷化锌的先前MIS装置。M.S.凯茜、A.L.法伦布拉奇、R.H.布贝，应用物理学期刊，61 (1987)2941-2946。这些装置经制造以经由电容-电压测量来研究磷化锌的表面性质，而不优化光伏打响应。
[0009]SIS装置在结构上类似于MIS装置，除了绝缘层夹入于SIS装置中的两个半导体层之间外。理论上，S层中的一者可被看作提供吸收功能，而另一 S层可被看作提供集极功能。理想地，绝缘层与半导体层中的一或两者之间的界面在一些情况下比在无绝缘层的情况下的两个半导体之间的界面质量高。
[0010]使许多研究及开发精力聚焦于改善MIS及SIS装置(明确地说，并有基于磷族元素化物半导体的光伏打装置)的电子性能。明确地说，需要用于改善绝缘层及其与其它层的界面的质量的策略。
【发明内容】
[0011]本发明提供用于改善绝缘体层与至少一个含磷族元素化物的膜界面连接的MIS及SIS装置中的绝缘层的质量的策略。本发明的原理至少部分基于以下发现:包括硫族元素化物(例如，1-ZnS)的非常薄(20nm或以下)的绝缘膜出人意料地为在并有磷族元素化物半导体的MIS及SIS装置中的优越隧道势皇。所述发现是出人意料的，至少部分归因于以下常规理解:出于形成P-n异质接面的目的，磷族元素化物半导体(例如，P型Zn3P2)与半导体硫族元素化物(例如，相对厚，例如，80nm或以上η型ZnS)之间的界面倾向于具有不良电子质量。因此，令人惊讶地，当P型Zn3P2与ZnS之间的界面能量学与不良性能相关联时(在p-n结构的情况下)，P型Zn3P2与本质ZnS之间的界面在MIS及SIS结构中将以电子方式表现得非常好。本发明了解，与磷族元素化物半导体及硫族元素化物材料相关联的例如传导及价带偏移的电子性质可能不适合于P-n结构，但尽管如此，对于在MIS或SIS结构中使用，却非常好地匹配。
[0012]在一方面，本发明涉及一种光伏打装置，其包括:
[0013]a)半导体区域，其包括至少一个磷族元素化物半导体；
[0014]b)绝缘区域，其电耦合到所述半导体区域，其中所述绝缘区域包括至少一种硫族元素化物且具有在从0.5nm到20nm的范围中的厚度；以及
[0015]c)整流区域，其按所述绝缘区域电插入于集极区域与所述半导体区域之间的方式与所述半导体区域整流电连通。
[0016]在另一方面，本发明涉及一种制造光伏打装置的方法，其包括以下步骤:
[0017]a)提供包括至少一个磷族元素化物半导体的半导体层；
[0018]b)直接或间接在所述半导体层上形成绝缘层，其中所述绝缘层包括至少一种硫族元素化物且具有在从0.5nm到20nm的范围中的厚度；以及
[0019]c)在所述绝缘层上直接或间接地形成额外层，使得所述绝缘层插入于所述额外层与所述半导体层之间，且使得所述半导体层、所述绝缘层及所述额外层形成所述额外层与所述半导体层整流电连通的光伏打接面。
【附图说明】
[0020]图1为并有磷族元素化物半导体的说明性光伏打装置的横截面中的示意性说明。
[0021]图2为展示针对P型磷化锌与η型硫化锌之间的异质接面的可能带隙对准的曲线图，其中界面的大传导带峰值指示不利异质接面。
[0022]图3a示意性说明本发明的Mg/1-ZnS/p_Zn3P2MIS光伏打装置。
[0023]图3b展示针对图3a的Mg/i_ZnS/p-Zn3P2MIS光伏打装置的在暗及AMl.5 I太阳照明下的电流-电压测量。
[0024]图4a示意性地展示n-ZnS/p_Zn3P2异质接面光伏打装置。
[0025]图4b展示针对图4a的n_ZnS/p-Zn3P2异质接面光伏打装置的在暗及AMl.5 I太阳照明下的电流-电压测量。
[0026]图5示意性说明对于p-n异质接面的I型、II型及III型带隙对准。
【具体实施方式】
[0027]以下描述的本发明的实施例并不希望为穷尽性的或将本发明限于以下详细描述中所揭示的精确形式。相反地，选择并且描述实施例，以使得所属领域的技术人员可了解并且理解本发明的原理及实践。出于所有目的，本文中所引用的所有专利、申请中的专利申请案、公开的专利申请案及技术论文皆被按其相应的全部内容以引用的方式并入本文中。
[0028]本发明的原理用以提供并有薄硫族元素化物膜的光伏打装置，所述膜电插入于含磷族元素化物的吸收体层与发射极层之间。光伏打装置显现出改善的电子性能。图1示意性地展示根据本发明的光伏打装置10的说明性实施例。装置10并有光伏打功能性，使得将入射光12转换成电能。
[0029]装置10并有半导体区域14。不希望受理论束缚。相信，半导体区域14至少部分充当吸收体区域(也被称作，吸收体-产生器)。在光伏打装置的情况下，吸收体指吸收光子(即，入射光)且产生光电流的介质。相信，光电流从电子-电洞对的产生而产生。带负电的电子为P型半导体区域中的少数载流子。带正电的载流子(“电洞”)为η型半导体区域中的少数载流子。本发明的优选半导体区域为P型。牢记此理论，半导体区域14理想地并有具有用于浮获光的带隙(例如，1.3eV到1.6eV)、用于浮获入射光的高吸收係数(例如，