专利名称：：单带差超晶格结构及其制备的制作方法单带差超晶格结构及其制备一、
技术领域：
本发明属于半导体薄膜材料的结构设计和制备技术。二
背景技术：
：提高太阳电池的转换效率仍是当今光伏科学发展的主要方向之一。第三代太阳电池就是被寄予厚望的具有高转换效率的电池。实现高转换效率的首要途经是尽可能提高太阳光的利用率。尽管宽带隙半导体作为窗口层可以提高太阳电池的短波响应，但是吸收层只有一个确定宽度的能隙，使得电池的理论转换效率受到限制。、1997年，A.Liigue等人提出了多带隙半导体太阳电池模型，这类多带隙半导体具有两个或两个以上由很窄的能带(或杂质带)分开的能隙，各个带隙有不同的宽度，因此对不同波长的光都有很好的吸收。2000年，A.Lugue等设计了一种金属中间能带电池，通过在半导体的禁带中建立一个金属型的能带，即电子半填充，达到利用能量小于Eg的光子的目的。他们通过研究得到，若寧带宽度为0.MeV和1.4eV，则电池效率为46%(开路电压1.9MV，短路电流27.lmA/cm2，填充因子0.889)。对于同样的禁带宽度，单结电池为30.6%，叠层电池为41.9%。若采用0.7leV,和1.24eV的禁带，则电池的效率为63.2%，相应地，单结电池为40.7%，叠层电池为55.4%。可见，这种电池显示了其充分利用太阳光谱的优越性。随后，M.Green进一步估算出这种电池的理论转换效率上限为86.8%,并将此类太阳能电池列入第三代太阳电池。多带隙吸收理论为制备高效率的太阳电池指明了方向，但是并非只有多带隙太阳电池才能吸收不同波段的光。除了多带隙之外，超晶格也存在两种以上的跃迁，也将大大减小光学损失。我们提出了一种新型的超晶格结构——单带差超晶格，可以将其用于薄膜太阳电池，提高电池效率。超晶格材料是由两种或两种以上性质不同的薄膜相互交替生长而形成的多层结构的晶体。其生长周期小于电子的平均自由程，各超薄层的厚度与电子的德布罗伊波长相当，每层薄膜一般含几个以至几十个原子层。组成超晶格的两种材料一般具有相同类型的能带结构，由于两种材料的导带边和价带边的能量不相同，在两种材料交界处，带边发生不连续的变化。图1为普通超晶格在垂直于两种材料界面方向上的导带和价带的势分布示意图。由图可见，在超晶格中除原有的两种材料的晶体势场外，还叠加了一个附加的一维周期性势场。其中，导带底能量较低(价带顶能量较高)的半导体成为势阱(宽度b)，较高(价带顶能量较低)的半导体成为势垒(宽度a)。由此，超晶格主要分为组分超晶格与掺杂超晶格。根据能带不连续性的特点，可将组分超晶格分为四大类型，即第一类型、第二类型(包括错开型和倒转型)、第三类型和多元型超晶格，其结构如图2所示。第一类型如图2(a)所示。材料A的禁带在材料B的禁带中，所以不论电子或空穴，A总是势阱，B总是势垒，电子和空穴都被约束在A中，迁移率很大；第二类型图2(b)、(c)。A、B两种材料，导带和价带完全错开，A比B低，因此A是电子势阱，B是空穴势阱，两种载流子分别约束在两种材料中，迁移率较低；而我们提出的单带差超晶格，与上面的结构不相同，是一种新型的超晶格结构。如图2(d)所示的第三类型A、B中有一种是零带隙材料，如HgTe/CdTe超晶格，它们导带在价带顶之下，价带的能量不连续值AEV近似为零，故又叫单带差超晶格。在此超晶格中电子有效质量为负值，将形成界面态所谓单带差超晶格(singleoffsetsuperlattice)，即是指导带差或价带差等于零或近似为零的超晶格。普通半导体中电子只有从价带到导带一种跃迁方式，而在单带差超晶格中电子存在两种以上的跃迁。超晶格中电子跃迁有多种方式，可以吸收不同波段的太阳光，用于太阳电池吸收层，可以减少光学损失，从而提高电池的转换效率。如图3所示，单带差超晶格中有三种不同的电子跃迁，可以吸收三个不同波段的光。对于AEv"O的单带差超晶格，由于价带顶没有断裂，空穴的输运不受影响；反之，如果导带没有断裂(AEc"0)，电子的输运也不会受影响。因此单带差超晶格用作窗口层更利于载流子的输运。以II-VI族半导体为例，根据己有的资料，能带断裂值小于O.15eV的有八对之多。从光学损失和组分相近等因素来考虑，就有如下表的四种超晶格材料可以作为单带差超晶格结构。表1单带差(能带断裂值小于0.15eV)超晶格材料<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>这四种超晶格各自的三种跃迁在没有子带时对应的能量为1)CdTe/ZnTe:2.26eV，1.44eV，0.77eV2)ZnSe/CdSe:2.67eV，1.70eV，0.86eV3)ZnSe/Se:2.67eV，1.77eV，0.14eV4)ZnS/CdS:3.70eV，2.42eV，1.28eV由此可见，这四种超晶格对各波段的太阳光都有相应吸收，是较理想的太阳电池吸收层材料。单带差超晶格可以用常规超晶格的制备方法进行制备。包括磁控溅射法、分子束外延法(MBE)、原子束外延法(ALE)、化学束外延法(CBE)、金属有机化学气相沉积法(M0-CVD)和热阱外延法(HWE)等等。不过，要求膜厚、周期数严格控制。其中每层薄膜要求薄至纳米级以下。
发明内容本发明的单带差超晶格带结构如图3所示。图3所示为AEv^O的单带差超晶格的能带结构，即价带顶没有断裂的情况。由图3可见，显然存在三种跃迁跃迁1是从价带到导带；跃迁2是从价带到超晶格的势阱底；跃迁3即从势阱底到势阱上的跃迁；另一种单带差超晶格结构，则是导带顶没有断裂的情况(AEc"O)，其能带结构与图3上下颠倒。四图1普通超晶格的不连续能带结构，普通超晶格在垂直于两种材料界面方向上的导带和价带的势分布示意图图2不同类型的半导体超晶格的能带结构图3单带差超晶格的能带结构(价带顶没有断裂，AEv"O的情况)五具体实施例方式以II-VI族半导体为例，我们提出了四对单带差超晶格材料的结构，并用磁控溅射法制备了ZnS/CdS单带差超晶格，此成果尚未公开发表。以磁控溅射法为例，两个射频耙为高纯的ZnS和CdS耙材，通过控制溅射的功率、气压、气氛、衬底的温度和对膜厚的监控，制备出所需的ZnS/CdS单带差超晶格薄膜。一个ZnS和CdS膜层视为一个周期，通过对周期数的控制可以得到不同的ZnS/CdS单带差超晶格薄膜。当然，可以调整靶材的不同，得到不同的超晶格薄膜材料。权利要求1、单带差超晶格半导体薄膜结构的提出及其制备，其特征是利用磁控溅射法等超晶格制备技术，制备新型的单带差超晶格薄膜，包括单带差超晶格的结构；单带差超晶格的材料；单带差超晶格的制备环节。2、如权利要求l所述，其特征是单带差超晶格薄膜结构为多周期的叠层结构，单带差超晶格可分为两大类，一种是AEv"0，另一种是AEe^0，此类结构的超晶格中载流子跃迁可能存在13种方式。3、如权利要求1所述，其特征是单带差超晶格薄膜，由满足能带断裂值小于0.15eV的半导体薄膜交替沉积而成。4、如权利要求l所述，其特征是找出符合权利要求2、3所述的材料，进行结构设计。5、如权利要求l所述，其特征是重点调控每层薄膜厚度，薄至纳米级以下，并满足权利要求2中的能带结构及跃迁方式。全文摘要本发明“单带差超晶格结构及其制备”属于半导体薄膜的结构设计和制备之
技术领域：
。半导体超晶格是当代固体物理学的新生长点和重要前沿领域。在化合物半导体薄膜与器件的制造中，超晶格薄膜是常常使用的一种半导体薄膜材料。超晶格薄膜可应用于热电材料、光电材料和纳米薄膜材料等方面。随着第三代太阳电池概念的提出和薄膜太阳电池研究的发展，基于多带隙半导体太阳电池模型，半导体超晶格薄膜在太阳电池领域的应用备受关注。本发明为了提高薄膜太阳电池的效率，开发新的太阳电池吸收层材料，同时基于降低成本，简化技术环节的目的，设计出了适宜的单带差超晶格薄膜结构，并提出了制备这种薄膜的技术方法。这种超晶格薄膜的设计和制备为开发新型薄膜材料提供了基础。文档编号C30B23/00GK101538742SQ20081004630公开日2009年9月23日申请日期2008年10月20日优先权日2008年10月20日发明者冯良桓,孟奕峰,李愿杰,王洪浩,智雷,璞颜,杨黄,兵黎申请人:四川大学