[发明专利]光接收器件

说明书

技术领域

本发明涉及光接收器件。更具体地，本发明涉及光电探测器和太阳能电池。

背景技术

人们对可再生能源，特别是对利用来自太阳的能量存在浓厚兴趣。要做到这一点，一种可能性是使用光伏模块。大多数目前可商购获得的太阳能电池都是基于硅的，因为这是可大量获得并且制造成本相对较低的。通常，对于光子应用来说硅是相对较差的材料，因为硅是所谓的“间接”带隙半导体，这意味着光跃迁相对较弱。而且，作为元素半导体，只有很小余地或者没有余地去调整晶体结构以提供与太阳光谱的更优重叠。

因此，基于硅的太阳能电池组件效率在过去的20年里保持相对静态，在AM1.5大气下太阳光谱(1kW/m²)下，效率在20％左右徘徊，对于小的实验室规模的电池有上至25％的报导。其他方法包括基于硫系薄膜的电池，对于小的、玻璃衬底上的基于CIGS的电池有19.6％效率的效率报导，对于较大的模块，效率大约为17％。

基于有机的太阳能电池也成为廉价的替代路线来制造大面积面板。对于小的(<0.2cm²)电池，已经报导了上至11.1％的实验室效率，对于较大模块，效率大约为7％。

一般说来，有两种方法来开发太阳能电池，两者都旨在降低发电($/瓦特)的成本。一种这样的方法是形成廉价的大面积、低效率的电池(例如硫族化物、有机和非晶硅的方法)，另一种是形成更高成本但效率明显更高的太阳能电池。在后一种情况中，化合物半导体示范了小的基于GaAs的薄膜电池有28.8％的已验证记录效率，对于基于GaAs的模块，其效率为24.1％。

对于单吸收层(单结)太阳能电池，在1961年首次推导出的肖克利-奎伊瑟效率极限(ShockleyQueisserlimit)基于细致平衡方法定义了太阳照度下最大的可能效率。根据该极限，带隙范围为1.1eV-1.4eV的单结电池有33.7％的最大效率。这连同降低的非辐射复合以及直接带隙一起在很大程度上解释了GaAs相比于硅的成功。然而，为了超越该极限，需要替选方法，例如通过开发多结太阳能电池，由此使用不同带隙的多个半导体层来捕捉太阳光谱的不同部分。

对于InGaP/GaAs/InGaAs三结电池，已经有报道称InGaP/GaAs/InGaAs三结电池在正常太阳照度下有37.7％的效率。目前记录的太阳能电池效率在942suns的浓度下达到44.0％。这是基于包括针对1eV带隙的所谓的稀氮氮化物(dilute-nitride)层的多结电池的几何结构。这些仍然略低于正常太阳照度下三结电池所预期的56％的理论最大效率。

多结电池设计中的限制因素涉及到生产高品质的晶格匹配的半导体层时的困难以及要平衡每个结中的电流生成的需求。

进一步提高效率的其他方法包括在电池中开发更高数量的结以提供对太阳光谱更好的匹配，例如，预测对于8结电池有70％的效率。然而，从材质以及电流平衡角度来实现这一点所涉及的额外复杂性使得这是一个非常具有挑战性的命题。

形成“中间带”太阳能电池的热载流子或量子点方法受到了关注。在这种结构中，中间带材料用作单结电池中的吸收体。在这种材料中，子带隙光子除了直接穿过带隙转换之外还被中间带吸收。两个生成的电流结合，而没有了多结电池的电流平衡问题。量子点提供了一个途径来通过利用量子点能级而实现中间带效应。通过基于In(Ga)As/GaAs量子点的这种方法已经实现了大约18％的效率。这些器件的效率受限于非辐射复合和降低的开路电压。

除了太阳能电池之外，光电探测器也使用半导体材料来探测光。例如，可以使用InGaAs光电二极管来探测红外光。

发明内容

本发明的目的是提供一种诸如光电探测器和太阳能电池的光接收器件，其相比于传统的设施具有改进的性能。

根据本发明的第一方面，提供有一种光伏器件，所述光伏器件具有包括III-V材料的活性区，所述III-V材料包括铋以及一个或多个其他的V族元素，所述材料的带隙能在0.4eV到1.4eV的范围内并且所述材料的自旋轨道分裂能在0.3eV到0.8eV的范围内。

因此，相比于传统的太阳能电池，通过使由电池吸收的太阳光的波长最大化而使这种光伏电池的效率增加。这种实施例可以使得III-V材料的单层能够经由所述材料的自旋轨道分裂能和带隙而吸收显著的可见光。通过改变Bi的量，可以使III-V材料的单层吸收可见光谱的不同部分。