[发明专利]用于光伏器件的多频带半导体组合物

说明书

本申请是申请日为2004年11月29日的发明名称为“用于光伏器件的多频带半导体组合物”的200480035510.7号申请的分案申请。

关于联邦范围内赞助的研究或开发的声明

这里所描述并要求权利的发明部分利用了美国能源部依照美国能源部与加利福尼亚大学董事之间所签订的第DE-AC03-76SF000-98号合同提供的资金的资助。政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明涉及用于光伏器件的新材料，更具体涉及用于高能量转换效率太阳能电池的多频带半导体。

背景技术

适合用于光伏器件的各种材料是众所周知的，例如四面体的非晶态半导体(举例来说，非晶硅、非晶硅锗和非晶碳化硅)以及包括IV族(Si)、II-VI族化合物半导体(举例来说，CdTe)和III-V族化合物半导体(举例来说，GaAs、GaInP、GaAlAs)的多晶和单晶半导体。传统的太阳能电池使用通过将杂质离子注入或热扩散到硅(Si)或砷化镓(GaAs)的单晶基体中或者通过杂质掺杂层在这种单晶基体上的外延生长而形成的pn结。然而，这种单结太阳能电池只具有有限的效率，这是因为它们对全部太阳光谱的有限部份都是敏感的。通过使用与具有对太阳光谱的不同部分敏感的不同能带的半导体所形成的大量p/n结可以提高效率。这个概念在多结或串接太阳电池(J.M.Olson，T.A.Gessert，M.M.AlJasim，Proc.18^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，552，Las Vegas，Oct.21-25，1985，其全部内容并入本文作为参考)如GaAs/GInP双结或Ge/GaAs/GaInP三结电池中得以实现。在这种电池的最先进型中已经达到37％的能量转换效率。设计的复杂性和高的制造成本限制了这种电池在太空技术上的应用(M.Yamaguchi，Solar Energy Mat.& Solar Cells，75，261(2003))。

其它改进太阳能电池效率的方法基于多频带半导体的概念(M.Wolf，Proc.IRE，48，1246(1960)以及A.Luque，A.Marti.，Phys.Rev.Lett.，78，5014(1997))。人们已经假设，可以使用一个具有多个吸收来自太阳光谱不同部分光子的吸收边缘的半导体来代替使用几个具有不同带隙的半导体。高效率太阳能电池的这种设计最重要的优点在于它们只需要一个单一的p/n结，从而大大简化电池设计并且降低生产成本。理论上已经预测，在使用具有优化的三条和四条能带的材料所制造的太阳能电池中，可以分别得到高达63％和72％的理想的能量转换效率。

能够用于太阳能电池的多频带半导体的实际实现是相当困难的。曾有一些努力想引入大浓度的能够在标准半导体如Si或GaAs的带隙中形成额外窄带的杂质或缺陷。这些努力没有成功，因为杂质和缺陷改变了材料关键的电性能，从而不能制造正常工作的太阳能电池。迄今为止还没有经证实的基于多频带半导体概念上的工作的太阳能电池的示范。