[發(fā)明專(zhuān)利]光接收器件

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201480036779.0
• 申請(qǐng)日: 2014-06-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105393365A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 斯蒂芬·斯威尼;康斯坦策·希爾德
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 薩里大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L31/0304
• 分類(lèi)號(hào): H01L31/0304;H01L31/0687;H01L31/075;H01L31/076;H01L31/105;H01L31/18
• 代理公司: 北京派特恩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11270
• 代理人: 王美石;張穎玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光接收器件。更具體地，本發(fā)明涉及光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池。

背景技術(shù)

人們對(duì)可再生能源，特別是對(duì)利用來(lái)自太陽(yáng)的能量存在濃厚興趣。要做到這一點(diǎn)，一種可能性是使用光伏模塊。大多數(shù)目前可商購(gòu)獲得的太陽(yáng)能電池都是基于硅的，因?yàn)檫@是可大量獲得并且制造成本相對(duì)較低的。通常，對(duì)于光子應(yīng)用來(lái)說(shuō)硅是相對(duì)較差的材料，因?yàn)楣枋撬^的“間接”帶隙半導(dǎo)體，這意味著光躍遷相對(duì)較弱。而且，作為元素半導(dǎo)體，只有很小余地或者沒(méi)有余地去調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)以提供與太陽(yáng)光譜的更優(yōu)重疊。

因此，基于硅的太陽(yáng)能電池組件效率在過(guò)去的20年里保持相對(duì)靜態(tài)，在AM1.5大氣下太陽(yáng)光譜(1kW/m²)下，效率在20％左右徘徊，對(duì)于小的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的電池有上至25％的報(bào)導(dǎo)。其他方法包括基于硫系薄膜的電池，對(duì)于小的、玻璃襯底上的基于CIGS的電池有19.6％效率的效率報(bào)導(dǎo)，對(duì)于較大的模塊，效率大約為17％。

基于有機(jī)的太陽(yáng)能電池也成為廉價(jià)的替代路線來(lái)制造大面積面板。對(duì)于小的(<0.2cm²)電池，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)了上至11.1％的實(shí)驗(yàn)室效率，對(duì)于較大模塊，效率大約為7％。

一般說(shuō)來(lái)，有兩種方法來(lái)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池，兩者都旨在降低發(fā)電($/瓦特)的成本。一種這樣的方法是形成廉價(jià)的大面積、低效率的電池(例如硫族化物、有機(jī)和非晶硅的方法)，另一種是形成更高成本但效率明顯更高的太陽(yáng)能電池。在后一種情況中，化合物半導(dǎo)體示范了小的基于GaAs的薄膜電池有28.8％的已驗(yàn)證記錄效率，對(duì)于基于GaAs的模塊，其效率為24.1％。

對(duì)于單吸收層(單結(jié))太陽(yáng)能電池，在1961年首次推導(dǎo)出的肖克利-奎伊瑟效率極限(ShockleyQueisserlimit)基于細(xì)致平衡方法定義了太陽(yáng)照度下最大的可能效率。根據(jù)該極限，帶隙范圍為1.1eV-1.4eV的單結(jié)電池有33.7％的最大效率。這連同降低的非輻射復(fù)合以及直接帶隙一起在很大程度上解釋了GaAs相比于硅的成功。然而，為了超越該極限，需要替選方法，例如通過(guò)開(kāi)發(fā)多結(jié)太陽(yáng)能電池，由此使用不同帶隙的多個(gè)半導(dǎo)體層來(lái)捕捉太陽(yáng)光譜的不同部分。

對(duì)于InGaP/GaAs/InGaAs三結(jié)電池，已經(jīng)有報(bào)道稱(chēng)InGaP/GaAs/InGaAs三結(jié)電池在正常太陽(yáng)照度下有37.7％的效率。目前記錄的太陽(yáng)能電池效率在942suns的濃度下達(dá)到44.0％。這是基于包括針對(duì)1eV帶隙的所謂的稀氮氮化物(dilute-nitride)層的多結(jié)電池的幾何結(jié)構(gòu)。這些仍然略低于正常太陽(yáng)照度下三結(jié)電池所預(yù)期的56％的理論最大效率。

多結(jié)電池設(shè)計(jì)中的限制因素涉及到生產(chǎn)高品質(zhì)的晶格匹配的半導(dǎo)體層時(shí)的困難以及要平衡每個(gè)結(jié)中的電流生成的需求。

進(jìn)一步提高效率的其他方法包括在電池中開(kāi)發(fā)更高數(shù)量的結(jié)以提供對(duì)太陽(yáng)光譜更好的匹配，例如，預(yù)測(cè)對(duì)于8結(jié)電池有70％的效率。然而，從材質(zhì)以及電流平衡角度來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)所涉及的額外復(fù)雜性使得這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的命題。

形成“中間帶”太陽(yáng)能電池的熱載流子或量子點(diǎn)方法受到了關(guān)注。在這種結(jié)構(gòu)中，中間帶材料用作單結(jié)電池中的吸收體。在這種材料中，子帶隙光子除了直接穿過(guò)帶隙轉(zhuǎn)換之外還被中間帶吸收。兩個(gè)生成的電流結(jié)合，而沒(méi)有了多結(jié)電池的電流平衡問(wèn)題。量子點(diǎn)提供了一個(gè)途徑來(lái)通過(guò)利用量子點(diǎn)能級(jí)而實(shí)現(xiàn)中間帶效應(yīng)。通過(guò)基于In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)的這種方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大約18％的效率。這些器件的效率受限于非輻射復(fù)合和降低的開(kāi)路電壓。

除了太陽(yáng)能電池之外，光電探測(cè)器也使用半導(dǎo)體材料來(lái)探測(cè)光。例如，可以使用InGaAs光電二極管來(lái)探測(cè)紅外光。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種諸如光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池的光接收器件，其相比于傳統(tǒng)的設(shè)施具有改進(jìn)的性能。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供有一種光伏器件，所述光伏器件具有包括III-V材料的活性區(qū)，所述III-V材料包括鉍以及一個(gè)或多個(gè)其他的V族元素，所述材料的帶隙能在0.4eV到1.4eV的范圍內(nèi)并且所述材料的自旋軌道分裂能在0.3eV到0.8eV的范圍內(nèi)。

因此，相比于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池，通過(guò)使由電池吸收的太陽(yáng)光的波長(zhǎng)最大化而使這種光伏電池的效率增加。這種實(shí)施例可以使得III-V材料的單層能夠經(jīng)由所述材料的自旋軌道分裂能和帶隙而吸收顯著的可見(jiàn)光。通過(guò)改變Bi的量，可以使III-V材料的單層吸收可見(jiàn)光譜的不同部分。