CN110767758A - 一种具有多层量子媒介的光伏转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明中的光伏转换器由一种层数被优化过的多层量子介质组成，这种介质包括若干层由厚度被优化过的间隔层隔开的量子点阱复合半导体堆栈结构。优化间隔层的厚度，可使光生电压和光生光电流均增加20％。本发明中的具有多层量子介质的光伏转换器包括半导体衬底11，其上依次为以下层：未掺杂的半导体层13，以及p型掺杂的半导体发射层16。其中，未掺杂半导体层13包含由一系列的量子点阱层14和间隔层15组成的多层量子介质。由于优化了间隔层15的厚度，使其处在35‑45nm的范围内，光伏转换器的光电流和电压均增加20％。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体光电器件，它能够将光信号与电信号相互转换，更具体地说，是一种光伏转换器和光电二极管，可用于太阳能、光学传感器、光学数据处理和光通信等领域。
背景技术
量子尺度异质结被广泛用于现代发光和光伏半导体器件领域，这种异质结是基于量子尺度材料与周围材料晶格失配的原理制成。目前，基于量子阱(QWs)和量子点(QDs)的器件得到了最大程度的实际应用。与基于体材料的器件相比，基于应变QWs和QDs的器件的一个优势是能够吸收和发射更长波长的光。特别是， InGaAs QWs和InAs QDs的使用，使得人们可以制造出边缘吸收波长达1100nm 的光伏转换器(PC)，也可以在GaAs衬底上制备出发射波长大于1300nm的激光二极管。然而，在制备这种异质结构时，需要特别注意尽量减小累积弹性应变带来的负面影响，这种影响使得有源区的设计存在一定的局限性。比如，在有序生长QWs的过程中，弹性应变会导致失配位错等缺陷的形成，反过来又增加了非辐射复合的速率，进而量子效率降低。量子效率的降低使得QWs难以作为器件的有源区。
当应变的InAs层分解为独立的弹性应变的三维岛屿时，就形成了QD。少量的InAs材料和弹性应变的重新分布，使得在不形成大量的缺陷的情况下，在器件的有源区有序形成的QD层数大于10层。此外，InAs属于窄带隙半导体材料，加上足够大的岛屿高度，与QW相比，QD可以在长波长光谱区实现光的吸收/辐射。而且，量子点的态密度受其表面密度的限制，其表面密度相对较小～1010 cm-2。这就决定了QD对辐射的吸收较弱，因此对于光伏转换器，必须使用数量可观的QD。
因此，当务之急是设计复合半导体异质结(介于QW和QD之间)，使其兼具QD和QW二者的优势。在不产生大量缺陷的情况下，这种复合半导体异质结可以在保持高吸光度/放大水平的同时，将部分二维层的弹性应变重新分配到一系列弹性应力区域。
对于本发明的目标应用，即将光转化为电，因此在一定的光谱范围内，光子得到有效的吸收是十分重要的。在过去的几十年里，人们广泛的研究了用于太空和地面的多结太阳能电池(SC)，目前其转换效率已接近50％。然而，基于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge异质结的商用三结(3J)器件在聚光条件下(364个太阳单位，AM1.5D)的效率仅能达到41.6％。之前，这种异质结构专门用于太空领域，目前正在逐渐进入地面市场。现有的晶格匹配的三结太阳能电池的一个局限性是电池间的电流匹配不完善，现有的晶格匹配的三结太阳能电池的一个局限性是电池间的电流匹配不完善，提高效率的主要任务是增加中间级(基于GaAs)电池的光电流。为了解决上述问题，这里采用量子尺度的纳米结构，比如量子阱(Browne etal.2013AIP Conference Proceedings 1556 3-5,Fujii H.,et.al.2014Prog.Photovolt:Res.Appl.22)，量子点(Wheeldon J.F.,et.al.2010Proc.SPIE,7750 77502Q,Kalyuzhnyy N.A.,et.al.2016Prog.Photovolt:Res.Appl.24(9))，以及复合结构(Sugiyama M.,et.al.2016Prog.Photovolt:Res.Appl.,Mintairov S.A.,et.al.2015Nanotechnology 26)。
2015年，S.A.Mintairov等人在(Electronics Letters V.51)上发表的文章中证明，复合InGaAs“量子点肼”(QWDs)结构可以满足这些需求。采用这种复合纳米结构，可以在不显著降低其光学性能的前提下，使其堆栈层数达到20层，并能保证基于GaAs的光伏转换器在长波长光谱区域(从860nm到1100nm)的灵敏度。实验结果表明，采用QWDs结构的GaAs光伏转换器的光电流的增幅达到了创纪录的水平。与QWs相比，基于QWDs的激光器具有较低的阈值电流密度；与QDs 相比，基于QWDs的激光器具有较大的增益。QWD层在900-1100nm的光谱区间内产生光响应，光电流增量有几个mA/cm2，这使其在多结太阳能电池方面具有良好的应用前景。然而，基于GaAs材料中嵌入InGaAs的太阳能电池的开路电压有所下降。本发明通过优化间隔层厚度来使得弹性应变重新分布，提高了基于QWD的光伏转换器的量子效率和开路电流-电压。
必须指出的是，现有技术只介绍了QWD介质相对于QW和QD的主要优势。然而，优化QWD介质中弹性应变的重新分布尚未进行。
要成为高效的光伏转换器或者光电二极管，用于太阳能，光学传感器，光学数据处理，和光通信等领域，就需要解决上述问题。
因此，需要一种具有多层量子介质的光伏转换器，用它可以得到更高的光电流，更重要的是更高的开路电压。
发明内容
本发明优化了一种具有多层量子介质(quantumobjects media)的半导体光伏转换器的特性。在最一般的形式下，光伏转换器是一种半导体光电器件，旨在将光转换成电信号或电力。具体地说，光伏转换器可以是光电二极管、单结太阳能电池或亚晶胞多结太阳能电池的子电池。多层量子介质由若干层叠加而成，每一层代表由间隔层分隔的混合量子阱点 (quantum well-dots)维数的纳米结构。
优化后的光伏转换器特性包括但不限于产生开路电压和产生短路电流。
通过优化在多层量子介质中提供最优弹性应变再分布的间隔层厚度，实现了有源区域特性的优化。
由于弹性应变在多层量子介质中最优地重新分布，界面位错、螺纹位错等晶体缺陷的形成受到了强烈的抑制。
采用本发明所述方法，产生的开路电压和短路电流均提高了20％。
量子阱点提供吸收光子的能量低于复合材料的带隙。这一结果，例如，在额外的光电流中，当活性区用于太阳能电池，或在一个时机以检测波长较长的光，当活性区用于光电二极管。为了达到更高的光电流或更高的灵敏度，需要更高的吸收，这是通过叠加量子阱点的几个平面来实现的。但在非优化设计中，QWD介质可能存在一些缺陷和位错，降低了光电流，更重要的是降低了器件的电压。因此，对QWD基底介质进行优化，可以在不增加QWD面数的前提下，提供上述特性的增量。
根据本发明的具有多层量子介质的光伏转换器如图1所示。
带有多层量子介质的光电转换器依照本发明由半导体衬底11的顺序放置在N型掺杂的半导体基底层12，无掺杂半导体层13和P型掺杂的半导体发射极层16。无掺杂层13包含多层量子介质组成的一系列的量子阱点14层和间隔层15。
根据本发明的最优化的间隔层厚度为40nm。QWD介质的形成是由于In原子和Ga原子的重新分布，导致形成了In含量较高或较低的局部区域。因此，二维QWD层中累积的弹性应变部分地重新分布到表面能，提供了较低的QWD介质应力。对于多层介质，间隔层的厚度起着至关重要的作用。
沉积QWD层时向衬底层提供拉伸应变，而沉积间隔层时向衬底QWD层提供压缩应变。当应变随层厚的增加而增加，在某一间隔层厚度下，可以获得多层量子介质中最优的应变再分布。
图2描述了一种单结太阳能电池的量子产额(QY)光谱，该电池的活性区域由20个InGaAs量子阱点平面组成。间隔层的厚度从25到50纳米不等。GaAs矩阵负责波长在870 nm以下光谱区域的光吸收，量子阱点在较长波长区间导致额外的吸收。在这种特殊情况下，额外的吸收发生在870nm到1100nm区间。
从图2的数据可以看出，随着间隔层厚度从25nm到30nm的变化，QY谱基本保持不变，光电流的变化很小(图3)，但是当间隔层厚度进一步增加(到40nm)，电流会增大很多。在整个光谱范围内，厚度为40nm的太阳能电池QY最高。从图3可以看出，随着间隔片厚度的增加，可以观察到电压在25到40nm之间呈线性增加。间隔层厚度进一步增加到 50nm会导致光电流和电压的下降。
正如本发明作者所实现的，当间隔层厚度约为40nm时，量子阱点介质的结构参数最优，表现为器件的光电流和电压增加20％。最佳厚度区间为35-45nm。
附图说明
图1为根据本发明的具有多层量子介质的光伏转换器。
图2描述了根据本发明，具有20层不同间隔层厚度的量子介质的基于GaAs光伏转换器的量子效率的变化。
图3是根据本发明，具有20层量子介质的基于GaAs的光伏转换器，随着间隔层厚度的增加短路电流和开路电压的变化情况。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
在一个实施例中，光伏转换器代表单结GaAs基的太阳能电池，其光吸收通过InGaAs 量子阱点增强。在这种情况下基底层12，无掺杂层13和发射极层14都是GaAs，量子阱点 14材料是InGaAs，名义上摩尔分数约40％和名义上厚度约8分子层，量子介质有20个量子阱点层，间隔层15的厚度是40nm。这种器件提供31.4mA/cm2的光电流和0.784V的开路电压(图3)。
在另一个实施例中，光伏转换器代表多结InGaP/(In)GaAs/Ge太阳能电池的中等的亚晶胞，其中等的亚晶胞的光吸收被InGaAs量子阱点增强。
仍然在另一个实施例中，光伏转换器代表具有通过InGaAs量子阱点扩展到长波长光吸收的光电二极管。
该领域的技术人员应该明白，本文所描述的发明实例仅仅是本发明原理的应用说明。其他半导体材料可用于实现本发明公开的方法。本文提到的所描述实例的细节，并不打算限制权利要求的范围，这些权利要求本身描述了被视为对本发明至关重要的那些特征。在全文中提及“一个实例”或“一个实例”，是指本发明的至少一个实例中包含与本实例有关的描述的特定特征、结构或性质。因此，出现在整个专利说明书各处的短语“在一个实例中”或“在一个实例中”并不一定都指同一实例。
Claims (5)
1.一种具有多层量子介质的光伏转换器，是在半导体衬底上依次制备n型掺杂的半导体基底层、未掺杂的半导体层和p型掺杂的半导体发射层；其中，未掺杂层包含由一系列量子点阱层和间隔层组成的多层量子介质；其中，间隔层厚度为40±5nm。
2.根据权利要求1所述的光伏转换器，其中，基底层、未掺杂层和发射层材料均为GaAs；量子点阱材料为InGaAs；间隔层材料为GaAs。
3.根据权利要求2所述的光伏转换器，其中量子点阱层厚度约为8个原子层厚度。
4.根据权利要求2所述的光伏转换器，其中量子点阱InGaAs层中InAs的摩尔比约40％。
5.根据权利要求1所述的光伏转换器，其中量子点阱的层数不小于20。
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