[发明专利]制造磷属元素化物吸收体膜和发射体膜之间导带偏移降低的光伏器件的方法

说明书

优先权

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2012年1月31日提交的美国临时申请No.61/592,957的优先权，所述申请题为“METHOD OF MAKING PHOTOVOLTAIC DEVICES WITH REDUCED CONDUCTION BAND OFFSET BETWEEN PNICTIDE ABSORBER FILMS AND EMITTER FILMS(制造磷属元素化物吸收体膜和发射体膜之间导带偏移降低的光伏器件的方法)”，该申请的整体为了所有目的以其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及形成包括p-型磷属元素化物半导体吸收体组成和n-型II族/VI族组成的固态结的方法。更具体地，本发明涉及通过在发射体中掺入降低吸收体与发射体之间的导带偏移的试剂来改善这些异质结的质量的方法。

背景技术

磷属元素化物基半导体包括IIB/VA族半导体。磷化锌(Zn₃P₂)是一种IIB/VA族半导体。磷化锌和类似的磷属元素化物基半导体材料在薄膜光伏器件中作为光活性吸收体具有很大的潜力。例如，据报告磷化锌具有1.5eV的直接带隙、在可见光区域中的高光吸收度(例如，大于10⁴至10⁵cm^-1)和长的少数载流子扩散长度(约5至约10μm)。这将允许高的电流收集效率。还有，例如Zn和P的材料是丰富的和低成本的。

磷属元素化物基半导体包括IIB/VA族半导体。磷化锌(Zn₃P₂)是一种IIB/VA族半导体。磷化锌和类似的磷属元素化物基半导体材料在薄膜光伏器件中作为光活性吸收体具有很大的潜力。例如，磷化锌具有报告的1.5eV的直接带隙、在可见光区域中的高度光吸收(例如，大于10⁴至10⁵cm^-1)和长的少数载流子扩散长度(约5至约10μm)。这将使得电流收集效率高。此外，例如Zn和P的材料是丰富的和低成本的。

已知磷化锌是p-型或n-型的。迄今为止，制造p-型磷化锌要容易得多。制备n-型磷化锌，特别是使用适于工业规模的方法，仍然是具有挑战性的。这阻碍了基于磷化锌的p-n同质结的制造。因此，使用磷化锌的太阳能电池最通常用Mg肖特基接触(Schottky contact)或p/n异质结构造。示例性的光伏器件包括整合了基于p-Zn₃P₂/Mg的肖特基接触的那些并表现出约5.9％的太阳能转换效率。由于包含Zn₃P₂和金属例如Mg的结(junction)所得到的约0.8eV的势垒高度，这样的二极管的效率理论上将开路电压限制到约0.5伏。

许多研究和开发工作集中在改善光电子器件、特别是包括磷属元素化物基半导体的光伏器件的电子性能。一种挑战涉及形成高品质的固态光伏结，所述光伏结包括p-型磷属元素化物半导体作为吸收体层和n-型II族/VI族半导体作为发射体层。锌的硫属元素化物，例如ZnS和ZnSe，是示例性的II族/VI族半导体。当ZnS建议作为用于具有p-型磷属元素化物半导体(例如p-型磷化锌)的光伏异质结的组分时，提供了许多优点。ZnS提供了良好的晶格匹配特性、电子相容性、互补制造和在异质结界面处的低电子缺陷。然而，发射体(例如ZnS)和磷属元素化物吸收体膜(例如Zn₃P₂)之间的导带偏移可大于所希望的。这代表了由于所述异质结的基础势垒高度降低所引起的V_oc(开路电压)直接损失，或与带电荷的载流子跨所述结转运的阻抗相关的电阻的过度增加。理想地，为了达到最佳光伏器件性能，导带偏移尽可能接近零是优选的。在n-型ZnS/p-型Zn₃P₂异质结的情况下，预期理论导带偏移为300mV，从而将器件的预期V_oc降低相应的量。

因此，尽管在光伏结中利用n-型材料例如ZnS与p-型材料例如Zn₃P₂组合的潜在优势，但所述材料过于不同而不能达到更高的性能水平。对于制造更有效地将p-型磷属元素化物材料与相容性的、良好匹配的n-型材料集成的固态光伏结的方案是所希望的。

发明内容