[发明专利]稳定的光伏器件及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2006年5月8日提交的序列号为60/798547的美国临时专利申请以及于2007年5月7日提交的序列号为11/744918的美国专利申请的优先权，通过引用将其结合在此。

技术领域

本发明一般涉及半导体器件。更具体的，本发明涉及光伏器件。更为具体的，本发明涉及由纳米晶的、氢化的半导体合金制造的光伏器件，该器件呈现出增强的性能和/或抗光退化性。

背景技术

纳米晶材料在诸如光伏器件的半导体器件的制造中提供了某些特定优点。然而，迄今为止，对纳米晶材料所知有限，并因而在特定的应用中并没有总是实现其潜力。已经发现，在某些特定应用中，纳米晶材料能够呈现出光致亚稳定性，其使得其中结合了该纳米晶材料的光伏器件性能退化。在其他情况下，包含纳米晶材料的光伏器件的总体性能尚未满足理论预期。迄今为止，在本领域中已经就在纳米晶材料的应用中遇到的这些亚稳定性的性质和成因以及其他的一些问题进行了许多研究。

在本领域中，纳米晶材料被理解为包括一组具有介于无定形材料和结晶材料之间的形态的材料。尽管无定形材料可能具有一定程度的短程原子有序(short range atomic order)，然而它们缺乏长程原子有序(long range atomic order)；与之相反的，结晶材料具有以较大尺度的周期性表现出来的长程原子有序。纳米晶材料包括具有某种程度的中程有序(intermediate range order)，所述中程有序一般意义上被理解为是在多至50个原子直径的范围上有序。这些特征的尺寸将取决于包括该材料的特定元素；但是，总的来说，中程有序被理解为包括大体在10-80埃的尺寸范围内的特征。在特定的情况下，具有中程有序的特征的尺寸范围为大约10-50埃，并且在特定情况下，该尺寸范围为大约30-50埃。

纳米晶材料可以被理解为具有不同有序程度的区域的复合材料。作为示例，纳米晶材料可以包括基本无定形的区域以及具有上述尺寸特征的中程有序的区域。进一步应理解的是，纳米晶材料还可以包含具有较高结晶度的包含物。纳米晶材料可以表现出与无定形材料和结晶材料共同的光学、电学以及物理特性。另外，它们还可以表现出独特的特性。在美国专利6087580中，在硅合金半导体材料的背景下就纳米晶材料进行了说明，通过引用将该专利公开结合在此。

可以参考多种参数来表征和描述纳米晶材料。一种这样的参数被称为“结晶体积”(crystalline volume)，该参数描述了与非晶态相反的处于晶态的体材料的比例。纳米晶材料的另一参数是晶粒尺寸，或微晶(crystallite)尺寸。该参数描述了该材料的有序特征的物理尺度。如在此将解释说明的，本发明的发明人已经发现，对于特定应用，通过共同地或组合地控制这些参数，可以控制并调节纳米晶半导体材料的特性。并且，通过适当控制这些参数，可以控制由其制成的光伏器件和其他半导体器件的性能特性。

将参考p-i-n型光伏器件来解释本发明；但是，应当理解，在此说明的这些原理可以同样适用于其他光伏器件，包括p-n结器件、肖特基势垒器件等。本发明还可适用于其他半导体器件，包括感光器件，诸如光传感器、电光照相部件等，以及非感光器件，诸如电路元件。

出于解释说明的目的，本公开将关注p-i-n型光伏器件。如本领域中所知的，这些器件包括插入在p掺杂的半导体材料层和n掺杂的半导体材料层之间的基本本征的光伏材料的主体。应当理解，由于材料特性、淀积条件等原因，本征半导体材料层的导电性可以固有地为轻微的p型或轻微的n型。但是，当用在这些器件中时，这些材料作为本征半导体材料，因此，术语“基本本征”应被理解为包括完全本征的材料以及可能是轻微p或n型的材料。如本领域中所知的，在p-i-n型光伏器件中，所述基本本征的层吸收入射光，并产生载流子对，所述载流子对被所述p掺杂的层和n掺杂的层所生成的内部场分离。这些载流子被与所述掺杂的层相关联的电极收集，并被传送到外部电路。

在一些情况下，包括本征层的半导体材料可能表现出光致亚稳定性，这使光伏器件的性能退化。到目前为止，在现有技术中对于纳米晶材料中的这种亚稳定性的性质和原因已经进行了许多研究，并且提出了多种并且在某些情况下冲突的理论来解释这些效果的性质和原因。如在此将解释的，本发明的发明人已经确定了导致关于将纳米晶材料应用于半导体器件的问题和混淆的机理和因素。在此公开了材料和器件结构，其提供了稳定高效的半导体器件的制造。

发明内容