在硅中形成超材料的分组纳米结构单元系统以及在其中形成和排列它们的制造方法
【专利说明】在枯中形成超材料的分组纳米结构单元系统W及在其中形成 和排列们的制造方法
[0001] 本发明设及由W排列在娃材料内部的方式分组和处理的纳米结构单元形成的纳 米级系统W及在该娃材料内部完成它的制造方法，W尤其用于全娃光电转换器。
[0002] 该方法引起晶体场改变，即基本晶体单元连同应力场、电场、杂质渗杂。材料调整 允许高效的自由电子脱嵌、特定的电子转移、有用的缺陷屏蔽和适应的几何因素。
[0003]更具体地，该方法是纳米级形成W最佳排列分组的纳米结构单元的超晶格W形成 纳米系统，从而通过热电子改善光电转换效率，W及可W高效地收集在转换器中产生的所 有电子(一次和二次）。
[0004] 1.本发明的技术领域
[000引通过量子力学操作和太阳光谱较宽的扩展，针对太阳光谱调节光电转换器是复杂 的，运是由于一方面，量子力学操作仅在非常窄的光谱子范围内是高效的或最佳的，并且另 一方面，太阳光谱较宽的扩展对于使用单结设备的高效操作而言是太大了。
[0006]两种方式是可能的：
[0007]-通过保留在由研究材料、GaAs家族等制成的最高效的串联电池中使用的光电相 互作用，W及通过导致复杂电流收集的吸收的单一光-物质相互作用的相同的基本单一机 理。
[000引-通过引入多种另外的机理，例如具有多种偶联机理的低能量二次产生，允许特别 的功能分离，例如材料转变、电子转移、…W及特别的载流子收集。
[0009]由于子区域、子系统或亚结构，作为例如包含在W下描述中称为seg物质的娃超材 料的包埋纳米级分层系统，本发明设及通常在光电转换器中W及特别地在太阳福射的全娃 转换器中，改善二次低能量产生W及倍增可收集的另外的载流子的方法。
[0010]低能量电子产生(称为LEEG)是运样的一种方法，通过该方法当在半导体纳米物体 中吸收单一光子时产生多电子。
[0011] LEEG是在准许使用娃的间接间隙半导体中第一种非常有前途的机理，允许半导体 转换器最佳地适应太阳光谱。本发明是特别重要的，因为娃广泛地用于光伏行业，并且在地 壳内的丰度和可采性方面并不存在问题，并且在毒性和再循环方面也没有产生显著的环境 问题。晶体娃设备的近期发展（W某种方式表示返回首次光电产生)是用于本发明所包括的 改善的优异基础。
[0012] 2.定义
[0013] L邸G-低能量电子产生是运样的一种方法，通过该方法当在半导体纳米物质中吸 收单一光子时产生多电子。运种效应代表了增加单结设备中太阳光转换效率的有前途的路 径。
[0014] Segton-是纳米级调节的二次电子产生单元，即，物质的处理的基本单元电池，其 特征在于其特别的和非常有用的电子能级组适合于高效多级光电转换。
[0015]该系统允许额外自由载流子的低能量电子光子产生W及载流子倍增循环。更通常 地，它也是如何产生高度有用的电子能级组的方法，该电子能级组可W针对太阳光谱转换 为电进行优化，并且进一步地每个segton是具有特定的电子能级组的半导体纳米物体，该 电子能级组能够完成天然半导体材料，优选娃的电子能级，用于超高效光电转换器。Segton 是基于准永久性地处于双重负电荷状态的双空穴构造的，并且通过它的物理邻近物处理。 [0016 ]Seg物质-是基于segton的超材料，即用于高效光电转换的特定材料，其由均匀分 散的segton构成，运些segton形成有序超晶格并且插入通过纳米膜限定边界的特定物理环 境。更通常地，该表述还表示如何生产能够使用segton能级组的物质的方法。并且进一步地 seg物质是形成超材料的半导体人工物质，它允许segton处理W及采用多方面的功能，它主 要在纳米级上可供使用。
[0017]MTM:基于娃的超材料 [001引a-Si:非晶娃相
[0019] <a-Si>:在应力下的非晶娃相
[0020] C-Si:晶体娃相
[0021] <C-Si>:应力下的晶体娃相
[0022] 双空穴:在半导体中形成特定结构单元的结构点缺陷，其中在共价材料中出现不 同的原子键，如分子键。
[0023]BSF:背面场
[0024]BSF界面:源自渗杂杂质密度的突然或逐步改变的LH型半导体结
[0025] 3.本发明的【背景技术】
[0026]现今的光伏效应被得到并且基于单结和多结平面半导体设备。运种简单的结构采 用可W可选地稍微改变的天然材料。光子与该物质的相互作用依赖于两种原理:全或无W 及一个光子一个电子-空穴对。
[0027]运种事物看法可W通过指定的转换器子区域、子系统、亚结构，即人工纳米级组件 (应该能够通过新机理实施常规转换)来丰富。
[0028]特定的纳米级组件纳米物体(称为"segton")是必要的但是很大程度上并不足W 采用完全转换过程，所述完全转换过程需要一系列多种连续相互作用（一个接一个地），并 且特别重要的是，实际上它们全部处于非常短的时间尺度。
[0029]可W通过人工调节材料(在此称为在其他物质之间由位于转换器的良好限定的体 积中的良好限定密度的良好限定的构造模块形成的"seg物质"）来采用它。为了确保seg-物 质的完全转换功能，需要实现许多严格条件。seg-物质必须能够通过限制膜有效地与其邻 近娃子系统相互作用。
[0030] 在两个空原子位点（称为双空穴，它们在源于转变的悬挂键（transformed danglingbond)的新的伸长原子键的原点，导致称为双空穴的特定点缺陷）周围形成单独 的Se邑ton。
[0031]但是单独的双空穴（因为它代表在用宇宙射线、丫射线、X射线、电子束、离子注入 等照射半导体材料之后出现的有害缺陷），seg-物质需要最小的segton密度并且仅可W由 能够在转换器的良好限定的子空间中产生大量segton的特定的制造方法得到。仅通过特定 技术(允许在原子尺度上必要地沉积和聚集能量W同时空出大量的晶格位点）可W生产在 良好限定和限制空间中分组的双空穴的足够密的群体。
[0032]基于离子注入和随后热处理详细描述运种制造方法的实例。由于内置局部应力或 应变，将超材料纳米层成型并且保持在约450-550°C和250-450°C的不寻常的高处理溫度 下。已知双空穴在低于250°C的溫度下重新结合。
[0033]为了采用它的功能，将超材料纳米层插入重n-型渗杂材料，优选晶体娃，C-Si,并 且通过双限定界面膜成型。
[0034]在娃衍生材料的一侧上，存在c-Si/<c-Si>边缘，由于膨胀效应（钟慢效应， dila化tion6''6。1:)其通过<(3-5;[〉/曰-5;[界面的内置力场进行确定。在另一侧上，存在源于 非晶化和适当的热力学循环的<(3-51〉/曰-51边缘。两种限制起到能够控制电子转移机理的 纳米膜的作用。由于其segton，超材料纳米膜提供针对低能量电子产生和倍增调节的外在 能级。由于特定的能级组和内置电场，横跨超材料纳米层的电子传导具有单极特性(仅考虑 形成电子电流的电子）。通过内置应变和局部力场由固相外延的重结晶循环引起或导致的 a-Si和C-Si之间的膨胀确定超材料纳米层(<c-Si>纳米层)的厚度。X-射线和LE抓的实验显 示在晶体侧，通过可供使用的技术可W良好地可视化，该厚度具有5-lOnm的等级。
[0CX3日]因此，考虑主要的seg物质特征：
[0036] -可能地在纳米尺度上，半导体，优选C-Si的显著的局部转变，并且导致超材料，优 选Si-超材料，称为seg物质，
[0037] -seg-物质纳米层的均匀稳定的组合物，
[0038] -相应于足够量的入射光子通量的强度的全seg物质超材料，
[0039] -seg物质系统的适应性空间位置，其必须接近高能光子的吸收位置(作为局部优 化)：
[0040] 吸收和第二产生位置的接近度和/或一致度，
[0041] W用于与热电子快速碰撞相互作用的形状和排列的形式最大或优化的暴露表 面，
[0042]-最大或优化与热电子相互作用的时间，所述热电子是具有源于吸收高能光子W 避免其预先部分热化的大量动能的电子;最快可能的相互作用时间尺度，
[0043] -避免由segton转变或重新结合(其通过稳定转换器工作点的内置应变W及较低 的优化溫度而采用）引起的任何老化效应，
[0044] -由于超材料周围和内部的导电机理的多级动力学导致的快速电子再生W及充电 和放电，
[004引-特定导电机理，通过来自转换器下部的电子允许足够快速地segton再充电和再 产生，
[0046]-在仅使用电子的超材料纳米层内部单极传导
[0047]-通过传导带快速电子脱嵌W及通过杂质带替代电子注入，
[0048] -逐出化ickout)和脱嵌电子W及注入电子(其再充电和再生segton)的单向局部 传导;该单向性不包括再捕获逐出平衡电子W及允许二次电子脱嵌，
[0049]由于纳米物体(称为"segton")(即，在纳米尺度上调节的二