[发明专利]氧化锌多结光电池和光电器件

说明书

相关申请

【0001】该申请是涉及到美国专利申请11/551058号，发明名称为《氧化锌结晶中的浅 受主的传导性》，申请日为2006年10月19日，在此以引用方式并入本文中。该中请提出在 35USC§119(e)下以共同待决申请序号60/874,136为优先权，其发明名称为《利用反复成核 和生长制备氧化锌多结光电池》，申请日为2006年12月11日，在此以引用方式并入本文中。

背景技术

【0002】光电(photovoltaics)是在原子级别将光直接转换为电。一些材料显示出的光电 效应的特性表现为可以吸收光子然后释放出电子。当这些自由电子被捕获时，导致的电子的 流动可用作为电流。

【0003】氧化锌晶体被广泛地用于以下用途包括：1.发射和探测电磁波的光电器件；2.高 频和透明晶体管；3.生物学设备，范围从药物传送的毫微设备到基因标记和鉴定设备。氧化 锌还可以用于涉及包括空间和地表的光电的辐射加固设备合成的应用。硅和锗元素单结光电 池具有很高的光电流，这是由于该材料的带隙的波长接近对应于太阳能的50％的波长。然而， 这些材料都具有相对低吸光系数并导致这些材料层的厚度需要非常厚。此外，这些材料的光 电压相对较小从而导致降额功率输出，其是光电流和光电压的产物。

【0004】大带隙的材料，如砷化镓(GaAs)，有增加的光电压但是光电流减弱，这是由于 这些材料的带隙波长未对准50％太阳能的波长而使这些材料捕获光子的截面缩小。多结可以 同时利用大带隙材料或小带隙材料，这是通过增加捕获的太阳辐射的全光谱的光子的截面来 实现的，以致于宽带隙的材料可以捕获短波长光子，较小带隙的材料可以捕获较长波长的光 子。由于更高的带隙能，光电流的损失典型地大于多结光电池中大量获得的光电压的补偿。 所以在技术上提供一用于形成多结光电池的加强的材料(robust materials)是值得期待的。

【0005】由于异质外延，多结光电池的性能是受限。例如，目前多结光电池利用三种不 同的材料家族，三价磷化物，硅和锗。这些材料晶格常数的明显不同从而导致高密度线缺陷 例如位错，因为外延是直接从锗到硅然后到三价磷化物。材料界面上的位错连续堆积，以捕 获从短波长到长波长的光子，起消耗这些光子的作用，且更重要的是，缩短光产生的少数载 流子的扩散长度和扩散寿命从而减少光电流。此外，杂质分凝可能发生在这些位错上并可能 引入在材料能隙内的中间带隙状态，因此减小所述器件产生的光电压。总而言之，错配晶体 的异质外延沉淀导致的位错减少单结和多结光电器件的整体功率。

发明内容

【0006】本发明提供具有在红光和/或近红外范围能量光谱的能带隙(比如小于1.9伏特) 的以氧化锌为基质的材料。氧化锌基材料可以形成单晶薄膜。

【0007】本发明也描述了氧化锌单结光电器件，其结合这些新颖的氧化锌基材料。

【0008】本发明也提供采用具有不同的带隙能的复合材料以有效地捕获更大范围的光能 的多结光电池。多结电池不会像单结电池那样使光电压减小，或导致热消散。氧化锌基多结 光电池(Multi-junction photovoltaics)可以通过以下技术合成：薄膜沉积的技术、浅受主电离 和具有可改变能隙的氧化锌合金的合成。

【0009】一方面，本发明提供能隙调节在6.0伏特至1.4伏特之间的Zn_XA_1-XO_YB_1-Y结晶 层。组分A与B的分别通过x和y表示，它们可以独立地或非独立地在0到1之间变化，且 A选自相关元素包括镁(Mg)、铍(Be)、钙(Ca)、锶(Sr)、镉(Cd)和铟(In)，以及B选自相关元素 包括碲(Te)和硒(Se)。根据预期的应用，其他元素也可被使用。