[发明专利]具有隧穿势垒嵌在无机基质中的量子点的中能带光敏器件

说明书

美国政府权利

在美国政府的支持下，根据由美国能源部、国家再生能源实验室签订的合同第339-4012号作出本发明。美国政府在本发明中具有特定的权利。

联合研究协议

所要求保护的发明代表联合的大学-公司研究协议的以下团体中的一个或多个的利益或与之相关：Princeton University，The Universityof Southern California和Global Photonic Energy Corporation。该协议在所要求保护的发明作出之前一直有效，且作为在协议范围内进行的活动结果作出所要求保护的发明。

技术领域

本发明总体上涉及光敏光电器件。更具体地说，涉及具有在无机半导体基质中提供中能带的无机量子点的中能带光敏光电器件。

背景技术

光电器件依靠材料的光学和电学属性，以电子地产生或探测电磁辐射，或从环境电磁辐射产生电。

光敏光电器件将电磁辐射转变为电信号或电。太阳能电池，也称作光生伏打(“PV”)器件，是一种光敏光电器件，特别用来产生电能。光电导体电池是一种光敏光电器件，与信号探测电路结合使用，其中，信号探测电路监测器件的电阻以探测由于吸收光而引起的变化。光电探测器，可以接收施加的偏压，是一种光敏光电器件，与电流探测电路结合使用，电流探测电路测量光探测器暴露于电磁辐射时产生的电流。

根据是否存在下面限定的整流结以及也根据该器件是否利用外部施加电压而工作，可以区分这三类光敏光电器件，外部施加的电压亦称为偏置或偏压。光电导体电池不具有整流结，以及通常利用偏压工作。PV器件具有至少一个整流结以及不利用偏压工作。光探测器具有至少一个整流结以及通常但不是一直利用偏压工作。

在此使用的术语“整流”表示，尤其，具有不对称导电特性的界面，即，优选在一个方向上支持电荷传输的界面。术语“光电导的”通常涉及其中吸收电磁辐射能并由此转化为电荷载流子的激发能，以便载流子可以在材料中传导(即，传输)电荷的过程。术语“光电导材料”指利用它们吸收电磁辐射的性能来产生电荷载流子的半导体材料。当在光电导材料上入射适当能量的电磁辐射时，可以吸收光子，以产生激发态。可以有插入层，除非规定第一层“物理接触”或“直接接触”第二层。

在光敏器件的情况下，整流结被称为光生伏打异质结。为了在占据大量体积的光生伏打异质结处内部地产生电场，通常的方法是利用适当地选择的半导体属性并置(juxtapose)两个材料层，特别相对于它们的费米能级和能带边缘。

无机光生伏打异质结的类型包括在p-型掺杂材料和n-型掺杂材料的界面处形成的p-n异质结和在无机光电导材料和金属的界面处形成的肖特基-阻挡异质结。

在无机光生伏打异质结中，形成异质结的材料通常表示为p-型或n-型。这里，n-型表示多数载流子类型是电子。这可以被看作材料具有许多相对自由能态的电子。p-型表示多数载流子类型是空穴。这种材料具有许多相对自由能态的空穴。

半导体和绝缘体的一个共同特点是“带隙”。带隙是用电子填充的最高能级和空的最低能级之间的能量差。在无机半导体或无机绝缘体中，该能量差是价带边缘E_V(价带的顶部)和导带边缘E_C(导带的底部)之间的差值。纯材料的带隙缺乏电子和空穴可能存在的能量态。对于传导唯一可用的载流子是电子和空穴，这些电子和空穴具有足够的被激发的能量穿越带隙。通常，与绝缘体相比，半导体具有较小的带隙。

根据能带模型，到导带中价带电子的激发产生载流子；亦即，电子是在带隙的导带侧的电荷载流子，空穴是在带隙的价带侧的电荷载流子。

相对于平衡条件下的能带图上的能级位置，在此使用的第一能级在第二能级“上面”、  “大于”或“高于”第二能级。能带图是半导体模型的骨干(workhorse)。如传统的无机材料，调整相邻掺杂材料的能量排列(alignment)，以对准各种材料的费米能级(EF)，弯曲掺杂-掺杂界面和掺杂-本征界面之间的真空能级。

如传统的能带图，有利地促使电子移动到较低能级，而有利地促使空穴移动到较高能级(对于空穴是低势能，但是相对于能带图是高势能)。更简洁地，电子下降，而空穴上升。

在无机半导体中，在导带(E_C)边缘上面可能有导带的连续区，以及在价带边缘(E_V)下面可能有价带的连续区。

在无机和有机半导体中载流子迁移率是重要的属性。迁移率测量电荷载流子响应于电场可以穿过导电材料移动的容易程度。与半导体相比，绝缘体通常提供较差的载流子迁移率。

发明内容