[发明专利]均质多带隙装置

说明书

1.相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月23日提交的题为“Homogeneous Band Gap Devices Having A Lead With a Metal Protective Coating”的美国专利申请号61/615,130的优先权，其特此通过引用结合在此。本申请还要求2012年3月23日提交的题为“Homogeneous Multiple Band Gap Devices”的美国专利申请号61/615,137的优先权，其特此通过引用结合在此。本申请还要求2011年10月21日提交的题为“Graphene Nanohole Superlattice-based Photovoltaic Cells”的美国专利申请号61/549,814的优先权，其特此通过引用结合在此。

2.技术领域

本发明涉及在宽波长谱上用于将光子能转换成电压或电流或用于将电流转换成光子能的带隙装置，并且更具体地说，涉及包括纳米孔超晶格的多带隙装置。

3.发明背景

光电装置效率取决于许多外在和内在因素。在这两种类别中，内在因素对光电装置可以实现的最大效率设定了一个限制。占主导的内在因素包括由于(i)光子吸收缺乏、(ii)激子弛豫以及(iii)辐射复合所引起的损失。第一个损失是由半导体不能吸收能量小于半导体的能带隙的光子而引起。第二个损失是在能量大于半导体的能带隙的光子产生电子和空穴时发生，这些电子和空穴立即损失以加热超过半导体的能带隙的几乎所有的能量。并且，第三个损失是由于产生光的电子-空穴对的复合。

减少这些内在损失是光电装置发展中的一个目标，特别是对于在宽波长谱上使用的装置。举例来说，太阳辐射在100nm到14μm的范围内，其中可见光在400nm到700nm的范围内。假定消除了所有外在损失，那么对于由最佳带隙为约1.35eV的单一半导体材料制成的理想太阳能电池来说，最大效率为约31％(参看Journal of Applied Physics 51，4494(1980))。就是说，69％的太阳能由于内在损失而无法得到使用。

一种提高装置效率的策略是使用具有多带隙的材料的多结光电装置。一些现有的多结光伏装置由III-V族半导体建构(参看Energy and Environmental Science，2，174-192(2009))。多结光伏装置的典型结构包括由堆叠在彼此之上的不同半导体材料制成的许多n-p(或p-n)结。每个结具有高于其下面的结的能带隙；并且界面被设置在堆叠的结之间。图1示出了串联连接、单片生长的GaInP/GaInAs/Ge堆叠的通用三结结构(参看M.O.Patton的美国专利号6,660,928)。

需要解决若干问题以制造多带隙装置，例如图1中所描绘的三结光伏装置。第一，用于不同层的半导体材料典型地需要具有匹配的晶格常数以在衬底上外延生长并且形成p-n或n-p结。第二，为促进效率的提高，介于两个n-p(或p-n)结层之间的界面典型地需要具有低电阻以使所产生的电流能够从一个结流到下一个结。因此，在单片结构中，已使用低电阻隧道结使电流流动的阻碍降至最低。第三，在每个层中所产生的电流密度典型地需要大致相同以使得最低光生电流密度不会限制流经多结装置的电流。

这些需求在半导体材料和多结装置的制造中施加了技术挑战。难以构造具有所需带隙并且同时满足其他设计目标(例如匹配的晶格常数)的三种不同半导体材料。举例来说，GaInP/GaAs/Ge系统中的三个结分别受限于1.8、1.4和0.67eV的对应的带隙(参看Energy and Environmental Science 2，174-192(2009))。这导致带隙的非理想组合，并且因此导致较低装置效率。