CN105431950A - 在硅中形成超材料的分组纳米结构单元系统以及在其中形成和排列它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在硅中形成超材料的分组纳米结构单元系统，以及以最佳方式将它们排列在其中的制造方法。以在硅材料内部最佳排列的方式将所述纳米结构单元分组和处理。所述方法包括通过高效地使用热电子的动能以及高效地收集在转换器中产生的所有电子，来改变基本晶体单元连同应力场、电场以及重杂质掺杂以形成以最佳排列分组的纳米结构单元的超晶格从而改善光电转换效率。

Description

在硅中形成超材料的分组纳米结构单元系统以及在其中形成和排列它们的制造方法
本发明涉及由以排列在硅材料内部的方式分组和处理的纳米结构单元形成的纳米级系统以及在该硅材料内部完成它的制造方法，以尤其用于全硅光电转换器。
该方法引起晶体场改变，即基本晶体单元连同应力场、电场、杂质掺杂。材料调整允许高效的自由电子脱嵌、特定的电子转移、有用的缺陷屏蔽和适应的几何因素。
更具体地，该方法是纳米级形成以最佳排列分组的纳米结构单元的超晶格以形成纳米系统，从而通过热电子改善光电转换效率，以及可以高效地收集在转换器中产生的所有电子(一次和二次)。
1.本发明的技术领域
通过量子力学操作和太阳光谱较宽的扩展，针对太阳光谱调节光电转换器是复杂的，这是由于一方面，量子力学操作仅在非常窄的光谱子范围内是高效的或最佳的，并且另一方面，太阳光谱较宽的扩展对于使用单结设备的高效操作而言是太大了。
两种方式是可能的：
-通过保留在由研究材料、GaAs家族等制成的最高效的串联电池中使用的光电相互作用，以及通过导致复杂电流收集的吸收的单一光-物质相互作用的相同的基本单一机理。
-通过引入多种另外的机理，例如具有多种偶联机理的低能量二次产生，允许特别的功能分离，例如材料转变、电子转移、…以及特别的载流子收集。
由于子区域、子系统或亚结构，作为例如包含在以下描述中称为seg物质的硅超材料的包埋纳米级分层系统，本发明涉及通常在光电转换器中以及特别地在太阳辐射的全硅转换器中，改善二次低能量产生以及倍增可收集的另外的载流子的方法。
低能量电子产生(称为LEEG)是这样的一种方法，通过该方法当在半导体纳米物体中吸收单一光子时产生多电子。
LEEG是在准许使用硅的间接间隙半导体中第一种非常有前途的机理，允许半导体转换器最佳地适应太阳光谱。本发明是特别重要的，因为硅广泛地用于光伏行业，并且在地壳内的丰度和可采性方面并不存在问题，并且在毒性和再循环方面也没有产生显著的环境问题。晶体硅设备的近期发展(以某种方式表示返回首次光电产生)是用于本发明所包括的改善的优异基础。
2.定义
LEEG-低能量电子产生是这样的一种方法，通过该方法当在半导体纳米物质中吸收单一光子时产生多电子。这种效应代表了增加单结设备中太阳光转换效率的有前途的路径。
Segton-是纳米级调节的二次电子产生单元，即，物质的处理的基本单元电池，其特征在于其特别的和非常有用的电子能级组适合于高效多级光电转换。
该系统允许额外自由载流子的低能量电子光子产生以及载流子倍增循环。更通常地，它也是如何产生高度有用的电子能级组的方法，该电子能级组可以针对太阳光谱转换为电进行优化，并且进一步地每个segton是具有特定的电子能级组的半导体纳米物体，该电子能级组能够完成天然半导体材料，优选硅的电子能级，用于超高效光电转换器。Segton是基于准永久性地处于双重负电荷状态的双空穴构造的，并且通过它的物理邻近物处理。
Seg物质-是基于segton的超材料，即用于高效光电转换的特定材料，其由均匀分散的segton构成，这些segton形成有序超晶格并且插入通过纳米膜限定边界的特定物理环境。更通常地，该表述还表示如何生产能够使用segton能级组的物质的方法。并且进一步地seg物质是形成超材料的半导体人工物质，它允许segton处理以及采用多方面的功能，它主要在纳米级上可供使用。
MTM:基于硅的超材料
a-Si:非晶硅相
<a-Si>:在应力下的非晶硅相
c-Si:晶体硅相
<c-Si>:应力下的晶体硅相
双空穴：在半导体中形成特定结构单元的结构点缺陷，其中在共价材料中出现不同的原子键，如分子键。
BSF:背面场
BSF界面：源自掺杂杂质密度的突然或逐步改变的LH型半导体结
3.本发明的背景技术
现今的光伏效应被得到并且基于单结和多结平面半导体设备。这种简单的结构采用可以可选地稍微改变的天然材料。光子与该物质的相互作用依赖于两种原理：全或无以及一个光子一个电子-空穴对。
这种事物看法可以通过指定的转换器子区域、子系统、亚结构，即人工纳米级组件(应该能够通过新机理实施常规转换)来丰富。
特定的纳米级组件纳米物体(称为“segton”)是必要的但是很大程度上并不足以采用完全转换过程，所述完全转换过程需要一系列多种连续相互作用(一个接一个地)，并且特别重要的是，实际上它们全部处于非常短的时间尺度。
可以通过人工调节材料(在此称为在其他物质之间由位于转换器的良好限定的体积中的良好限定密度的良好限定的构造模块形成的“seg物质”)来采用它。为了确保seg-物质的完全转换功能，需要实现许多严格条件。seg-物质必须能够通过限制膜有效地与其邻近硅子系统相互作用。
在两个空原子位点(称为双空穴，它们在源于转变的悬挂键(transformeddanglingbond)的新的伸长原子键的原点，导致称为双空穴的特定点缺陷)周围形成单独的segton。
但是单独的双空穴(因为它代表在用宇宙射线、γ射线、X射线、电子束、离子注入等照射半导体材料之后出现的有害缺陷)，seg-物质需要最小的segton密度并且仅可以由能够在转换器的良好限定的子空间中产生大量segton的特定的制造方法得到。仅通过特定技术(允许在原子尺度上必要地沉积和聚集能量以同时空出大量的晶格位点)可以生产在良好限定和限制空间中分组的双空穴的足够密的群体。
基于离子注入和随后热处理详细描述这种制造方法的实例。由于内置局部应力或应变，将超材料纳米层成型并且保持在约450-550℃和250-450℃的不寻常的高处理温度下。已知双空穴在低于250℃的温度下重新结合。
为了采用它的功能，将超材料纳米层插入重n-型掺杂材料，优选晶体硅，c-Si，并且通过双限定界面膜成型。
在硅衍生材料的一侧上，存在c-Si/<c-Si>边缘，由于膨胀效应(钟慢效应，dilatationeffect)其通过<c-Si>/a-Si界面的内置力场进行确定。在另一侧上，存在源于非晶化和适当的热力学循环的<c-Si>/a-Si边缘。两种限制起到能够控制电子转移机理的纳米膜的作用。由于其segton，超材料纳米膜提供针对低能量电子产生和倍增调节的外在能级。由于特定的能级组和内置电场，横跨超材料纳米层的电子传导具有单极特性(仅考虑形成电子电流的电子)。通过内置应变和局部力场由固相外延的重结晶循环引起或导致的a-Si和c-Si之间的膨胀确定超材料纳米层(<c-Si>纳米层)的厚度。X-射线和LEED的实验显示在晶体侧，通过可供使用的技术可以良好地可视化，该厚度具有5-10nm的等级。
因此，考虑主要的seg物质特征：
-可能地在纳米尺度上，半导体，优选c-Si的显著的局部转变，并且导致超材料，优选Si-超材料，称为seg物质，
-seg-物质纳米层的均匀稳定的组合物，
-相应于足够量的入射光子通量的强度的全seg物质超材料，
-seg物质系统的适应性空间位置，其必须接近高能光子的吸收位置(作为局部优化)：
■吸收和第二产生位置的接近度和/或一致度，
■以用于与热电子快速碰撞相互作用的形状和排列的形式最大或优化的暴露表面，
-最大或优化与热电子相互作用的时间，所述热电子是具有源于吸收高能光子以避免其预先部分热化的大量动能的电子；最快可能的相互作用时间尺度，
-避免由segton转变或重新结合(其通过稳定转换器工作点的内置应变以及较低的优化温度而采用)引起的任何老化效应，
-由于超材料周围和内部的导电机理的多级动力学导致的快速电子再生以及充电和放电，
-特定导电机理，通过来自转换器下部的电子允许足够快速地segton再充电和再产生，
-在仅使用电子的超材料纳米层内部单极传导
-通过传导带快速电子脱嵌以及通过杂质带替代电子注入，
-逐出(kickout)和脱嵌电子以及注入电子(其再充电和再生segton)的单向局部传导；该单向性不包括再捕获逐出平衡电子以及允许二次电子脱嵌，
由于纳米物体(称为“segton”)(即，在纳米尺度上调节的二次电子产生单元)，仅以这种完全方法，可以实现希望的倍增循环。这种有用的电子动力学：仅通过限定seg物质的纳米膜才可以使用电子脱嵌和segton再充电。
通过热电子的电子倍增循环需要segton的良好调节的密度或有效横截面。这种横截面可以在超材料纳米层中按比例放大。
可想到的最好的光电转换器必须由硅构成，硅在地壳中是丰富的，技术最成熟的以及环境友好的在纳米尺度上巧妙转变的。特别重要的是由于包含segton的亚结构，硅可以提供有一组适宜的能级。
这保留与硅纳米晶体(其为转换器提供一组适宜的能级)类比。以此方式，由于吸收高能光子导致的单一的一次电子-空穴产生可以转变成多激子倍增产生：作用是可以进一步导致自由载流子倍增。
当在硅纳米晶体中成型时，然后进行两种类型的硅改性：
i)与纳米晶体尺寸相关的量子力学，以及
ii)定位在纳米晶体界面的特定能量状态。
这种系统可以非常良好地光学调节。使用硅纳米晶体转换的关键问题考虑了自由载流子：倍增、脱嵌和收集。
c-Si的特定能级组，即能带系统和硅segton的特定能级组，即在带隙内的外在能级，允许太阳光谱优化转换。针对太阳光谱的优化转换良好地调节通过热电子碰撞释放弱键合的电子。此外，segton的电荷是可控参数，使得电结构可调节，可能导致新的可调节的电子、光学和电子转移特性，以用于实际应用。
4.简短描述
超级晶格(称为seg物质)是以一个或两个或多个重叠层形式的segton的最佳排列。从入射光辐射和吸收的角度看，Segton有利地结合至它们的物理环境(对其进行严格物理处理)并且有用地放置于转换器内。
由在超晶格中排序的构建模块组织根据本发明的新材料。以此方式，通过实现所希望的通常不能实现的功能，基于双空穴的纳米物体的密度、分布、密度和行为可以导致技术上有用的应用。所使用的segton的两种最特别的特征考虑了它们的接近永久的电荷状态，即电荷状态快速再生。
排列segton以形成有序样的超晶格，它是上述超材料基本单元的规则网络，该超材料基本单元必须成型，例如在纳米层中，优选在晶体硅中。在导致本发明设备的处理步骤期间必须对这种纳米层进行处理和均化。这意味着在所有遭遇的热条件下必须对它进行保护，即处理温度达到550℃，而在通常情况下在低于250℃的温度下双空穴重新结合。
为了用于高效光电转换，在seg物质中的电子动力学是极其快速的。Segton充电和放电的极短的时间常数为皮秒量级。这种操作需要特定的n-型半导体环境，例如由于P掺杂导致的，以及特定的电子转移。例如，这种转移可以源自例如在硅的间接带隙的上半部分中出现的P掺杂杂质带的单极传导跃迁。
Segton的光子-电子、电子-电子相互作用以及电子转移动力学需要专门用于seg物质的转换器的指定的特定纳米空间或体积。这种纳米空间必须通过纳米膜良好地限定，允许其与周围区域完全配合，即结合特定的电子能级组和优异的电子传导/转移。从seg物质中脱嵌和收集电子的能力预先决定了其技术应用。
Segton包括在单晶硅层、晶片或薄层的内部导致多谱光转变成电的电效应的效率增加。通过硅内部segton的特定层排列这种效应是可操作的。通过使用和分组segton作为在两个水平上(原子相互作用水平和纳米级组织水平)结合操作的2维和3维构造模块通过指定的方法产生和组织纳米结构。得到的硅的几何组织构成硅超材料，称为seg物质(其包埋在晶体硅中)。
通过使用可商购的生产设备(其最初专门用于微电子但是以特定方式使用)可以低成本生产Segton和seg物质。与硅材料相比，对于制造和再循环而言，硅转变成硅segton和seg物质并不产生更多的生态问题。对于硅segton和seg物质而言，用于设备制造的碳纳米管存在的健康风险并不存在，因为它们彼此物理“粘合”。如果它们正在融化或已经融化，它们将返回至硅材料，而没有引起颗粒分散的任何问题。
本发明考虑了由于segton吸收高能光子(这导致自由载流子倍增)，导致产生类似多激子产生。
本发明考虑了由于通过segton吸收高能光子(这导致载流子倍增)，导致多激子产生。
可以控制segton的电荷，以提供电子转移性质可调节的可能性。
5.要求
在第一阶段，在适当的特定技术处理期间，必须对seg-物质进行处理(通过这种方式，采用segton优化的分布和密度)。然后可以由在超晶格中排序的构造模块组织新材料。新材料的人工组件结合有利的有用的效应和处理用于实现所希望的通常不能实现的功能。在seg物质中必须使用的所述segton的两种最特殊的特征，即segton电荷状态及其快速再生速率。电荷状态必须允许新的且独特的转换机理，即永不停歇的低能量产生，以完全起作用。
在第二阶段，并且仍然根据本发明，必须将seg物质成型，例如在纳米层中，优选在晶体硅中。在导致本发明设备的处理步骤中必须对这种纳米层进行处理和均化。这意味着在所有遭遇的热处理中必须将其保护起来，即处理温度达到550℃，而正常情况下双空穴在低于250℃的温度下重新结合。
因此，然后在转换器中在至少一个seg物质纳米层中将segton的网络均匀展开，允许所需要的功能(如是碰撞电子产生的最佳可能性)从而将热电子额外动能的最大部分转换至额外的接近平衡的电子群体。在指定设备上必须采用具有大量实际的、技术性的和经济兴趣的能量至群体转换的这种新机理。
在第三阶段上考虑，所公开的和要求保护的发明还教导本领域普通技术人员其可以用于光电转换；segton纳米层必须具有预定有用的形状并且必须定位在采用与源于一次产生的热电子最佳相互作用的区域。为了避免热电子的有害热化，即加热硅晶格，必须在时间和几何尺度方面控制该相互作用。
6.制造
这种制造处理可以将segton定位在良好限定的转换器空间中，该转换器空间必须足够接近吸收区，尤其是接近高能光子的吸收区。由于入射光束的光谱分布，吸收空间依赖于光子能量：能量越高，光子穿透深度越低。这种制造处理可以调节针对吸收空间，segton占据的深度、尺寸、和厚度的位置。
现在使用一般性术语和下文中的表述可以简短地描述根据本发明用于产生和制造纳米级单元的方法。
制作或制造以及处理segton必须同时具有所要求的功能：
i)源于在晶格或非晶体相或非晶化相中原子重组，在类型、电荷状态、密度、在几何空间中的位置和定位等方面产生特定的纳米物体，
ii)插入能够低能量产生二次电子的适当的电子能级组，
iii)实际上，可以活化源于涉及更高效光电转换的多种物理相互作用协同作用的特定功能，有时仅在纳米尺度上，
iv)二次电子的产生和重新结合位置适当地分开并且彼此屏蔽，并且在正面电极上实际上完全地发生自由电子重新结合-脱嵌。
总体上，所要求的功能源于两种类型的作用：紧密地涉及物质结构纳米物体和segton本身的那些以及涉及在纳米尺度上触发的物理场的那些，例如通过与其过渡区的半导体界面的邻近物施加的。
7.本发明的益处和优点
Seg物质允许新的光电转换机理，优选在硅设备中。Segton提供硅主体材料的特定的外在能级组在重要的效率增强方面起到基本的作用或功能(主要是由于低能量二次产生和倍增循环)。以这种方式，在电子倍增循环中每个高能电子可以产生额外电子。然后超高效的全硅光电转换器是可能的，这是因为可调节的硅衍生材料的重叠。硅转换器包含针对最佳转换处理太阳光谱排列的能级和能带。本发明的处理是基于最佳的成熟硅技术并且仅需要对现有生产装置进行改变和补充。
有利地可以通过segton能级的补充组(其尤其针对可见光和UV光子的转换进行优化)来调节不太适合太阳光谱转换的硅的初始能带。
由于两者类型的载流子产生，运行具有seg物质的转换器：第一单一电子-空穴常规产生以及新的第二电子产生。换言之，源于光子吸收的简单的第一次产生的电子-空穴对转换成多级转换循环。二次产生可以避免热电子的有害热化，即加热硅晶格。由于调整的转换器结构，可以在时间和几何尺度上控制热电子相互作用。
使用所有的纳米转变、转换器功能化及其最终的破坏的设备制造完全没有使用自由纳米颗粒的处理步骤，其对于环境和人体可能是危险的。
富有经验的行业操作人员，例如工程师和技术人员，可以采用这种制造。最重要的新制造处理之一考虑了离子注入和随后的热处理。
8.本发明的目的
将源于吸收高能光子(现今在热化中失去)的额外的电子能量转换成额外的电子群体(其可以在外部电路中收集)。由于用于在纳米尺寸上调节的二次电子产生的单元(称为segton)，这种改善是可能的。为了在技术上可用，segton必须实现多种条件，例如足够多以及良好分散，放置在良好限定的纳米空间中，永久保留其有用的电荷状态。
由于用segton碰撞具有足够大动能的电子(其可以是热电子或温电子(warmelectron))，可以释放弱键合的电子。热电子或温电子可以源于光照射、电场加速或其他作用，如载流子注入。所有这些导致并不仅在上面提及的改善，如下：
·具有约63％热力学限制的新的高效光电转换器，
·由使用成熟技术加工的丰富的环境友好的材料制造的新设备，
·由于其低能量性质补充常规操作模式的新的转换机理，
·允许针对太阳光谱调节转换器的新的电子能量系统，
·导致补充基本材料和设备结构的新的转换材料以及结构的新的制造处理。
9.附图说明
·图1是显示比较在850℃下扩散并且通过SIMS测量的磷曲线(31P)的曲线图；
·图2是显示比较双重注入磷曲线(31P)，注入能量的曲线图；
·图3是平面多界面亚结构的截面TEM图像的示意图；
·图4是包埋亚结构的3DBSE(反向散射电镜，BackscatteredElectronMicroscopy)图像，显示了三种不同的Si相：晶体、非晶体和超材料；
·图5是在其最接近的环境中segton的有序超晶格的实例的单层超晶格的总体示意图；
·图6显示了包埋的非连续非晶体的实例的示意图；
·图7是显示比较通过掩模注入的光学显微图像与测试装置的FIB(聚焦离子束)显微图像的图，直接显示出包埋的非连续亚结构；
·图8是在相对较长热处理之后包埋的非晶纳米结构的实例的X-TEM图像；
·图9和10是包埋在晶体硅中的非晶纳米结构的两种不同几何形状的两个X-TEM图像。图9是具有非连续非晶体的图像以及图10是具有局部环形凹形系统(localcircularvalleysystem)的非晶化层的图像；
·图11是纳米膜系统的实例的示意图。并非按比例绘制。
·图12是seg物质纳米层的可能插入位置的截面图；
·图13是比较电子倍增的阶段状理论等级的多图图像；
·图14是比较seg物质的光电影响的多图图像；
·图15是显示来自光子能量的额外电流的曲线；
·图16是用于产生seg物质纳米层的方法的不同步骤的组织图。
10.本发明及其制造方法
涉及称为segton的基本单元的平行保护的描述结合在此用于进一步解释说明(如何需要的话)，并且作为参考。
为了用于光电转换，硅必须经历复杂的转变，这将导致在称为有序超晶格(其形成称为seg物质的超材料)的segton的基本单元上有害的、随机和稀疏分布的结构缺陷。最重要的方面涉及良好定位在转换器空间中的缺陷点或双空穴的特性、密度和数量。
seg-物质的优选制造方法是基于双空穴的存储器，其是发射极内的非晶插入物。在适当的处理期间，这些存储器实现双空穴成为缠绕在每个非晶体周围的纳米层。将与双空穴嫁接并且浸在a-Si/c-Si杂界面处存在的多种物理场中的纳米层转变为称为用于二次电子产生物质的seg物质的超材料。
Seg材料源自通过同时作用的强物理场局部处理半导体晶格，例如应力场、电场、重杂质掺杂、能够形成超材料纳米层的有序结构缺陷。
由于适当的热力学处理，这种纳米级转变可以在晶体或非晶杂界面附近或周围实现，优选a-Si/c-Si杂界面。
通过类比，可以将在主体材料c-Si中seg物质的布置与在电介质中硅纳米晶体的位置相比较。在两种情况下，人工调节电子能级的组以与太阳光谱高效地相互作用。
Seg物质必须优先放置在发射极内，靠近与转换的光波长紧密结合的转换器的正面。能够实现多种所需条件的纳米级转变的方法是基于使用离子束和热力学处理对先前晶体半导体局部非晶化。由于内置的应变场(其通过在c-Si/a-Si界面处的膨胀力产生)，该处理允许在有序的超晶格中良好的自组织。存在至少两种可能的实施方法：
·两步处理：先n-型掺杂(磷)，紧接着离子注入直至局部或包埋非晶化(P,Si)，
·仅使用掺杂离子(P)单一离子注入直至局部或包埋非晶化。
所述两种方法导致局部重掺杂材料并且因此允许同时涉及杂质带和传导带的单极性导电。选择是基于针对转换光谱的精细调节。
在第一步骤中，非晶化产生包埋插入物，其具有粗糙(rough)或坚固(rugged)a-Si/c-Si杂界面和较小的处于c-Si中的a-Si内含物和处于a-Si中的c-Si内含物。随后优选在约500-550℃下的退火循环采用固态外延的形式并且导致两种硅相(晶体和非晶体)清楚分离，以及锐化平面a-Si/c-Si杂界面。相同的退火循环导致产生或多或少平面平行的纳米层，其光滑地缠绕在每个非晶插入物的周围。3-5-10nm厚的所述纳米层是均匀的，没有任何缺陷和不均匀(inequalities)，并且包含多个与seg物质一起形成的有序segton，所述seg物质是基于硅的MTM。
能够采用涉及segton成型的多种要求的最佳技术之一是转变在非晶体-晶体杂界面周围硅相，即受控重结晶先前非晶化晶体材料。非晶相包含具有它们在晶体网络中先前位置“记忆”的位移原子。通过适当的重结晶(其中转变所需能量较低)，一部分位移原子停留在它们的新位置处，同时相变成具有许多点缺陷的晶体。重结晶材料具有主要的晶体行为，但是包含相当均匀分散的许多位移原子。受控重结晶必须考虑多种条件，涉及通过固态外延的重结晶速率、温度、使多个位移原子保留在其新位置的延迟以及避免额外有害的结构损害(例如源自太强烈的原子移动)。
这是能够同时满足所有上述要求的唯一的处理，即离子注入和良好控制的随后或实时热处理。从吸收角度看，这种处理允许良好定位转变材料。
a-Si/c-Si杂界面聚集许多双空穴至约1020cm-3的密度，其捕获在来自拉伸应变场的膨胀中。该拉伸场至少起四种作用：
i)减少双空穴重新结合，
ii)减少双空穴移动，允许它们捕获在良好限定的体积空间中，
iii)在设备制造过程期间，在500-550℃的不寻常的高温下允许双空穴保留以及iv)将双空穴分散有序化成为自身有序的超晶格网络。
在良好定向的内置的LH样电场中，相同的a-Si/c-Si杂界面提供了seg-物质纳米层，源自从轻掺杂区转移至重掺杂区，这脱嵌在seg-物质纳米层外部刚释放的二次电子。
离子注入和随后处理允许实现其他要求，如永久双重负电荷状态、空间布置、电子转移等，所有这些转变导致由segton形成的超材料。Segton双重负电荷状态允许间接Si带隙和传导带的上半部分中双空穴或segton能级之间低能量电子跃迁和/或释放。掺杂杂质，n-型半导体的局部集中必须足够大以对所有众多的双空穴充电和再充电。刚刚在电子发射或脱嵌之后，这种技术上有用的双重负电荷状态必须可以瞬间更新。所有上述要求将双空穴(其是单一物理目标)转变成segton(其是具有适合它的环境的双空穴，即提供被弱键合电子占据的适当能级的技术目标)。
通常，可以同时制作或制造以及处理segton和seg物质：
离子注入允许在晶格中和/或在非晶体或非晶化相中原子重组；导致新材料相的结构转变源于在特定纳米空间或纳米层中聚集或包含的点缺陷的积累；例如新相的密度和内能低于位于晶体和非晶体之间某处的其晶体对应物。
例如可以以两种方式(通过扩散掺杂离子或通过适当掺杂离子注入)获得掺杂型材、n-型和足够的密度。掺杂型材的特定的高密度主要考虑包埋亚结构及其附近的邻近物。
材料调节和结构转变导致已知“老”材料的新相，其用于软光物质(softlight-matter)相互作用。例如可以从其晶体相开始通过其局部较深的转变，导致在晶格中原子位置的特定“调整”。这样的原子级处理导致例如一些原子群体从其在晶体单元电池中的平衡位点移动至通常未被占据的亚稳定位点中。新的亚稳定原子分散必须考虑足够大的原子密度。所要求的处理必须允许局部能量沉积，例如通过或多或少聚焦能量束照射。该操作能够移动大量原子群体占据特定体积并且以这种方法采用必要的显著的材料调整。
通过离子辐射导致产生seg物质的材料调整的实例以多个阶段实现：
1)在T<1000℃下通过所谓的低温热扩散或另外的方法例如在均匀地，轻微地或适度地，P掺杂晶片(例如，预掺杂硼)中掺杂注入的初始n-型掺杂型材(例如，磷)，
2)在扩散过程之后对晶片表面进行预处理以允许良好地控制注入体积，
3)可能地例如通过两种方式，通过自身Si注入或通过P注入导致包埋非晶化的50-200keV离子束辐射，
4)例如在500℃下通过热退火循环构造优异的c-Si/a-Si杂界面，
5)例如在350-450℃下通过热退火循环构造MTM纳米层，
6)活化segton，
7)设备最终处理步骤：AR涂覆、电子钝化、金属化。
转变:
·相转变(离子注入)：晶体→非晶体→具有局部集中点缺陷的晶体，进一步处理成为segton，
·c-Si/a-Si界面(离子注入)：产生→光滑→seg-物质，
·局部均化非晶相和晶相(退火循环)：溶解内含物，
·限定seg物质的纳米膜：a-Si/c-Si→a-Si/<c-Si>-能垒，价带的较高偏移以及<c-Si>/a-Si-电子转移模式改变，
·处理或处置segton(退火循环)：活化重掺杂
表格：改善的光电转换的基础
11.通过附图进行解释说明
以下是借助于附图本发明的简要说明。
·图1是显示比较在离子非晶化合相关处理之后在850℃下扩散以及通过SIMS测量的磷曲线(31P)的图。
·图2是显示比较双重注入磷曲线(31P)的图，注入能量为15keV并且来自范围100-250keV，在离子非净化和相关处理之后通过SIMS测量测量。连续线显示源于针对180keV注入能量Monte-Carlo模拟SRIM代码的注入磷曲线(31P)。
·图3是通过受控重结晶非晶相实现的，通过离子注入和注入后处理包埋在晶体Si中的平面多界面亚结构的截面TEM图像的示意图；详细说明见右图，其说明了2D纳米级亚结构。
·图4是图像：包埋的亚结构3DBSE(反向散射电镜，BackscatteredElectronMicroscopy)图像，显示三种不同的Si相：晶体、非晶体和超材料。
·图5是segton的有序超晶格及其最接近的环境(即，源于通过物理场处理的结构缺陷并且形成seg物质纳米层的segton的适宜的且密集的分散)的实例的单层超晶格的整体示意图。
·图6是包埋的不连续的非晶体(通过光学显微镜横跨注入掩模实现的基序)的实例的示意图。从一个图像至另一个图像，保留的晶体结构显示为宽度为2至10μm的暗线。在右上角不同灰度强度的较宽的带表示在这个处理阶段使用的SiO2框层。
·图7是显示比较通过掩模注入的光学显微图像与测试装置的FIB(聚焦离子束)显微图像的图，直接显示包埋的不连续亚结构。
·图8是在较长热处理之后包埋的非晶纳米结构的实例的X-TEM图像，a-Si总厚度为约5nm。可以看到在重结晶区中良好地结晶。
·图9和10是包埋在晶体Si中的非晶纳米结构的两种不同几何形状的两个X-TEM图像。图9是具有连续非晶化的图像而图10是具有非晶层和局部环形谷系统(localcircularvalleysystem)的图像。
·图11是纳米膜系统的实例的示意图。通过来自局部力场(来自固相外延的重结晶循环引起或导致的膨胀)的内置应变在晶体侧确定Seg物质<c-Si>纳米层的厚度。并未按比例绘制。
·图12是seg物质纳米层的可能的插入位置的截面视图。
·图13是用于比较基于以下三种机理确定的电子倍增的阶梯形理论等级的多图图像：
i)硅晶格的冲击电离，
ii)使用相应于硅带隙的特定能量的激子倍增，以及
iii)由于segton的低能量冲击电离。
·图14是用于比较seg-材料的光电影响与在本体硅中相应影响的多图图像(实验载流子产生场，菱形)，并且使用针对具有光滑和粗糙界面的纳米晶体的量子场的值[D.Timmerman,J.Valenta,K.Dohnalova,W.D.A.M.deBoer,T.Gregorkiewicz,"Step-likeenhancementofluminescencequantumyieldofsiliconnanocrystals,NatureNanotechnology6,710-713(2011)]。
·图15是显示来自光子能量的额外电流的曲线。
·图16是根据本发明用于产生位于光电转换器内的seg-物质纳米层的方法的不同步骤的组织图。
12.详细实施例
以下借助于图12根据以下步骤描述详细实施例。
-通过优先(100)晶体定向以及适度的p-型掺杂(孔)预处理Si晶片
-在转换器背面的第一操作-额外的p-型掺杂，形成BSF
-在转换器正面的操作：
○在注入序列之前处理：蚀刻和掩模
○通过从表面掺杂源扩散n-型掺杂以产生发射极和光电信号发生器内膜，例如PN结，杂质掺杂密度在1018至1021原子cm-3之间。
-形成segton：
○通过使用预定注入能量和剂量(例如50至100keV以及约5x1014离子cm-3的范围)用P离子注入掩模的包埋非晶化，
○成型均匀segton并且在相同条件下将它们定位-定序于应力纳米层的热处理循环
-在固态外延退火循环期间(温度在室温附近至500℃之间变化)将segton成型并且将它们分组于纳米层中，称为sag物质：将具有缠绕填满segton的<c-Si>纳米层的包埋非晶物成型以获得新Si相，其代表称为sag物质的超材料
-在5-30min内通过在400-500℃下特定退火处理Segton和sag物质导致良好的接近均匀分布的segton，segton全部活化，永久双重负电荷状态，有利地sag物质暴露于入射光子
-最终转换器操作：电子钝化、金属化和光捕获。

Claims (19)

1.一种由纳米结构基本单元制成的纳米级系统，由于纳米级转变通过调整常规Si材料，所述纳米结构基本单元以在全硅光电转换器的硅材料内部包埋纳米级Si分层系统的形式排列进行分组和处理，从而形成新的相，其特征在于以下步骤：
A.纳米结构人造物质形成超材料并且以下述方式处理在所述硅内部产生、形成和成型的基本单元的功能性：
a.在半导体晶格中插入一起作用的强物理场，例如应力场、电场、重杂质掺杂、导致初始物质显著地局部转变成超材料纳米层的有序结构缺陷，
b.通过聚焦能量束、电子束、离子束以及其他合适的辐射，从基本晶体结构中移出两个Si原子，形成两个相互作用空穴的系统，称为双空穴，
c.将足够大量的和良好分散的segton放置在良好限定的纳米空间中，
d.将segton放置在正面晶片区中，
e.将大量的segton放置在晶体<c-Si>相内，
f.形成特定的和有用的电子能量组，其完成用于高效光电转换的基本Si能量带，
g.重掺杂被双空穴占据的区域以及该区域周围的空间以局部地表现出n-型行为，
h.在转换器的技术处理期间保留segton群体持续温度升高的时间段
i.通过重叠物理效应、两种场：电场和力场、掺杂、适当暴露于入射光子来处理segton的密集群体，
j.允许准永久性双重负segton电荷状态，
k.采用两种不同的电子转移机理，segton进和出；出是通过传导带，而进是通过杂质带，
l.采用单向segton功能作为能量阀和几何空间阀，
m.由于通过杂质带的电子传导，采用超快速segton再充电，
n.处理具有弱键合电子的二次电子产生中心
以及
其中sag物质有利地放置在与转换的光波长紧密结合的转换器正面附近，
其中产生双空穴存储器，其是插入发射极中的非晶体，
其中产生双空穴的适当的存储器以及其中控制点缺陷或双空穴的密度和数量，
以及其特征在于
其中插入发射极内的产生的双空穴存储器缠绕在纳米层周围，其中所述纳米层与双空穴接合并且浸入在有待转变为称为“seg-物质”的超材料的a-Si/c-Si杂界面处存在的多种物理场中，
B.根据以下步骤形成并且成型纳米层
-由于发射极内纳米级转变调整常规晶体材料，导致插入纳米结构单元的纳米级系统，由于有利地施加的应力场、电场、以及由需要的聚焦能量沉积导致的重杂质掺杂，以在硅材料内部排列的方式将所述纳米结构单元分组和处理，
-以超材料的至少一个纳米层形式构造segton的排列，其位于所述发射极内的纳米空间中并且足够接近光吸收空间或在其内部，
-通过纳米膜将纳米级系统限定在纳米体积内，所述纳米膜是有用地定向于半导体特性改变处的半导体杂界面，例如在纳米膜处电子从一种电子能量组纳米级系统移动至另一种电子能量组纳米级系统，主要的电子转移机理从相当双极性变成相当单极性，反之亦然，其特征在于产生限定seg物质体积的这类纳米膜，其源自重叠由填满缺陷和无缺陷体积所致的两种不同材料晶体和非晶相，以及源自局部物理场的作用，例如应变场和电场，从而通过材料调整形成有序超晶格
-处理半导体界面，其是通过内置力场确定的位于一侧弛豫Si和另一侧衍生的晶体材料之间的c-Si/<c-Si>界面以及位于衍生的晶体材料与非晶材料之间的<c-Si>/a-Si界面，两者都在源自由于非晶化和适当的热力学循环导致的膨胀效应的内置力场下。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由在超晶格中排序为网络的构造模块组织所述超材料，所述网络由segton以一个纳米层或两个重叠纳米层在所述发射极内或其附近，即接近高能光子的吸收区的形式制成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于限定所述超材料纳米层的杂界面聚集了许多双空穴至约1020.cm-3的密度。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于对于通过纳米级系统的特定电子传导发生横跨限制性纳米膜的局部电子注入和脱嵌。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在通过注入周围发射极，通过传导带在seg-物质纳米层外部产生碰撞之后，快速且高效地单向脱嵌二次电子，通过电屏蔽通过保持它们不能返回起点避免了重新捕获逐出的平衡电子。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在全硅光电转换器，尤其是光伏电池内部形成基本纳米级单元或segton，并且其特征在于它包括允许插入最佳电子能级组的纳米级转变，所述电子能级组用于低能量产生适合太阳光谱的二次电子。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于由于用于低能量产生和倍增的亚结构的包埋系统，通过具有用处理的基本纳米级单元或segton饱和的超材料纳米层的纳米级Si-分层系统，将所述改变限于常规转换器的发射极。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述a-Si/c-Si杂界面聚集许多双空穴，它们被捕获在膨胀应变场中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤
·将填满许多点缺陷的晶体<c-Si>相释放
·分散所述晶体<c-Si>，其均匀地围绕在非晶体附近。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：
·在T<1000℃下通过所谓的低温热扩散或另外方法例如在均匀地(轻微地或适度地)P掺杂晶片(例如，预掺杂硼)中掺杂注入的初始n-型掺杂型材(例如，磷)，
·在扩散过程之后对晶片表面进行预处理以允许良好地控制注入体积，
·可能地例如通过两种方式，通过自身Si注入或通过P注入，导致包埋非晶化的50-200keV离子束辐射，
·例如在500℃下通过热退火循环构造优异的c-Si/a-Si杂界面，
·例如在350-450℃下通过热退火循环构造稳定的MTM纳米层，
·活化segton和seg物质
·完成设备最终处理步骤：AR涂覆、电子钝化、金属化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于前述n-型掺杂(P)之后紧接着是离子注入直至局部或包埋非晶化(P，Si)，用于离子注入，导致重掺杂材料，并且因此允许同时涉及杂质带和传导带的单极导电，其中所述非晶化产生包埋的非晶纳米体积，其具有粗糙或坚固的a-Si/c-Si杂界面以及较小的处于c-Si中的a-Si内含物和处于a-Si中的c-Si内含物，随后优选地在约500-550℃下进行退火循环，其采用固态外延形式并且导致两个硅相的清楚分离(晶体以及非晶体)以及锐化平面a-Si/c-Si杂界面并且相同的退火循环导致产生或多或少的平面纳米层，其平滑地缠绕每个非晶化晶粒使得纳米层为3至10nm厚并且均匀，而没有任何缺陷和不均匀，并且包含一起形成seg物质的许多有序的单元，所述seg物质是放置在n-型重掺杂半导体材料中的基于硅的MTM，例如提供有掺杂(Si:P)以及其中通过使用相对低能量/位移原子(约2.5eV/原子)通过将Si原子有限地位移到该基本单元电池外部，晶体硅的基本单元电池在纳米尺度上转变为硅segton，并且两个原子的这种位移导致引入可以捕获和局部化电子的伸长的电子键的所谓的双空穴，并且这种双空穴在技术上是有用的，因为它永久地包含四个捕获电子，其中它们中的一个弱键合在重n-型掺杂材料中，例如提供有高磷掺杂(Si：P)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于单一离子注入直至局部或包埋非晶化仅使用掺杂离子(P)，导致重掺杂材料，并且因此允许同时涉及杂质带和传导带的单极传导，其中非晶化产生包埋非晶纳米体积，其具有粗糙或坚固a-Si/c-Si杂界面，以及较小的处于c-Si中的a-Si内含物和处于a-Si中的c-Si内含物，随后优选在约500-550℃下进行退火循环，其采用固态外延形式并且导致两个硅相的清楚分离(晶体和非晶体)以及锐化平面a-Si/c-Si杂界面，并且相同的退火循环导致产生或多或少平面纳米层，其平滑地缠绕每个非晶化晶粒使得纳米层为3至10nm厚并且均匀，而没有任何缺陷和不均匀，并且包含一起形成seg物质的许多有序的单元，所述seg物质是放置在重n-型掺杂半导体材料内的基于硅的MTM，例如提供有掺杂(Si：P)，并且其中通过使用相对低能量/位移原子(约2.5eV/原子)通过有限位移Si原子至所述基本单元电池外部，晶体硅的基本单元电池在纳米尺度上转变为硅segton，并且两个原子的这种位移导致引入可以捕获和局部化电子的伸长的电子键的所谓的双空穴，并且这种双空穴在技术上是有用的，因为它永久地包含四个捕获电子，其中它们中的一个弱键合在重n-型掺杂材料中，例如提供有高磷掺杂(Si：P)。
13.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于使用离子束进行前述晶体半导体的局部非晶化。
14.根据权利要求1或10或11所述的方法，其特征在于以以下方式进行结构转变和基本纳米级单元处理
·通过离子注入的相转变，其中产生具有局部高度集中的点缺陷的晶体
·源于离子注入的c-Si/a-Si界面：产生→光滑→seg物质
·非晶相和晶相的局部均化(退火循环)：将一种材料相在另一相中的内含物溶解
·产生限定seg物质的纳米膜：a-Si/c-Si→<a-Si>/<c-Si>-能垒(在价带中的高偏移)和<c-Si>/<a-Si>-电子转移模式改变
·通过退火循环处理/处置segton，这导致重掺杂的活化。
15.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于通过离子辐射导致产生基本纳米级单元的材料调整允许所需材料调整通过以下多个阶段实现：
a.在T<1000℃下通过所谓的低温热扩散在均匀地轻微地或适度地P掺杂晶片(例如，预掺杂硼)中开始n-型掺杂型材(例如，磷)，
b在扩散过程之后对晶片表面进行预处理以允许良好地控制注入体积，
c可能地例如通过两种方式，通过自身Si注入或通过P注入，导致包埋非晶化的50-200keV离子束辐射，
d例如在500℃下通过热退火循环构造优异的c-Si/a-Si杂界面，
e例如在350-450℃下通过热退火循环构造超材料纳米层，
f活化segton和seg物质
g设备最终处理步骤包括AR涂覆、电子钝化、金属化。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于由于纳米级转变在全硅光电转换器，尤其是光伏转换器内部形成纳米级内含物，允许插入最佳的电子能级组，所述电子能级组用于低能量产生适合太阳光谱的二次电子。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述a-Si/c-Si杂界面聚集许多双空穴/segton，它们被捕获在膨胀应变场中。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于由于LH型纳米膜(LH型界面)有用的缺陷屏蔽(非晶相的电屏蔽)，将seg物质与非晶体分离。
19.一种装置，为具有根据前述权利要求所述的基本单元的光伏电池，由于基于涉及一次和二次产生的基本纳米级单元的多级转换循环，允许改善转换效率。
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