CN114762130A - 直接半导体太阳能装置的改进 - Google Patents

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Abstract

一种光伏电池，其包括由直接半导体形成的半导体元件(20)以及叠加在半导体的正面(22)的第一部分的透明偏压介质(28)，所述偏压介质(28)在半导体元件中产生第一耗尽区(30)。集电极(40)直接接触正面的第二部分。集电极在半导体元件中产生第二耗尽区(44)。集电极(40)不与偏压介质(28)直接导电接触，但与偏压介质靠近。至少部分耗尽多数载流子的连续区域在半导体元件正面的第一耗尽区和第二耗尽区之间延伸。连续区域可包括第一和第二耗尽区(30、44)的重叠部分，或可包括由带电的电介质(147)形成的附加耗尽区(160)。

Description

直接半导体太阳能装置的改进
相关申请的交叉引用
本申请要求在2019年10月2日提交的美国临时专利申请号62/909,424的优先权，其公开的内容通过引用并入本文。
背景技术
2019年6月10日提交的美国专利申请号16/436,004、2014年11月3日提交的美国专利申请号14/531,037、2013年11月4日提交的美国专利号10,355,157和美国临时专利申请号61/899,400(发明名称为无半导体结的高带隙太阳能电池)的公开内容通过引用并入本文。
本发明涉及光伏电池，即能够将光转化为电能的半导体装置。
半导体具有被称为“价带”和“导带”的能级。电是通过导带中的电子和价带中带正电的空位或“空穴”的运动来传导的。在“n型”半导体中，导带电子比空穴多，因此导带电子被称为“多数载流子”。相反，在“p型”半导体中，空穴比电子多，因此空穴为多数载流子。价带和导带之间的能差被称为半导体的带隙。通过加入少量的不同掺杂，许多半导体可被制成n型或p型。
光伏电池的一种形式为p-n结电池。这种电池将n型半导体的层与p型半导体的层合并且彼此接触。这些层共同限定p-n结。电极被提供以在结的相对侧上与半导体接触。费米能级是有50％的概率能级被电子充满的能级。如果彼此分离，p型材料和n型材料则具有不同的费米能级。在本文中使用的术语“标准费米能级”指的是与另一元件接触时不受影响的材料的费米能级。在p-n结电池中，通过电子由n型半导体扩散至p型半导体而使费米能级互相达到平衡。这使得n型半导体靠近结的部分带正电，而p型半导体靠近结的部分带负电。这些部分组成“空间电荷区”，并在结的附近形成电场。随着光冲击半导体材料，对入射光子的吸收促进了电子从半导体材料的价带到导带，由此使得电荷载流子对(即，价带中的空穴和导带中的电子)的数量增加。
空间电荷区的电场加快电荷载流子穿过p-n结，驱使额外的电子进入n型材料以及额外的空穴进入p型材料。空穴和电子沿相反方向移动。电子传到第一电极与n型材料接触，而空穴则朝第二电极传送与p型材料接触。这形成了电极之间的电势差，并因此在电极处形成有用、可用的电能。当电阻器等负载通过外部电路与两个电极连接时，电流将流过负载。
p-n结电池能够容易地由硅形成，并且，现今硅p-n结电池被广泛应用以将太阳能转化为电力，例如在屋顶和公共发电系统中。然而，硅具有约1.1eV(电子伏)的带隙。能量比半导体的带隙更大或相等的光子将被吸收，而能量比半导体的带隙更小的光子将穿过半导体。然而，当能量比带隙更大的光子被吸收时，多余的能量则无法做有效功而被浪费。硅的1.1eV带隙对应于在光谱近红外部分的光。在太阳辐射中所有可见光和紫外光由能量比硅的带隙更大的光子组成。所以，在地球表面曝露于典型太阳辐射的硅光电池的理论最大能量转化效率(由AMI1.5标准光谱表示)约为30％。
人们希望从具有宽带隙(例如，约1.8电子伏或更高)的材料形成光伏电池。宽带隙材料能够更高效地吸收光谱的可见部分和紫外部分中的光。有宽带隙材料形成的电池能够用于与由诸如硅的窄带隙材料形成的电池配合。在此结构中，宽带隙电池被放置在窄带隙电池的前面。长波长光线不被宽带隙电池吸收而通过到达窄带隙电池，在窄带隙电池中被吸收。例如，具有由1.8eV带隙的半导体形成的前置电池以及由对典型太阳辐射具有42％的理论最大效率的硅形成的后置电池的结构。
然而，将许多宽带隙半导体形成为p型材料是很困难的。因此，宽带隙p-n结电池往往过于昂贵，或者在太阳能系统中的实际应用上具有太多缺陷。
另一种类型的光伏电池被称为“肖特基电池”。在肖特基电池中，金属元素形成与半导体的界面，被称为“肖特基接触”。金属元素还作为电池的其中一个电极，而其他电极则与远离肖特基接触的半导体连接。半导体往往是全n型或全p型，大多数一般为全n型。选择金属元素，使得金属具有不同于半导体的标准费米能级的标准费米能级。在半导体为n型的情况下，金属的标准费米能级比半导体的标准费米能级低。通过导带中的电子从邻近界面的半导体转移至金属，金属的费米能级与半导体的费米能级达到平衡。这使得邻近界面的耗尽区的半导体部分地或全部地耗尽电子，并因此带正电，而使得金属元素带负电。穿过耗尽区的电势差被称为“内建电压(built in voltage)”。在理想的情况下，金属直接附接的半导体，且在界面处不形成表面态，内建电压等于半导体的标准费米能级和金属的标准费米能级之间的差值。在操作中，通过吸收光在半导体中形成的额外的少数载流子(n型半导体中的空穴)被耗尽区的电场加速朝向界面，而多数载流子则传向其他电极。
然而，肖特基电池具有明显的缺点。当电池被操作以向连接至电极的外部负载供电时，与电流相反的电压将穿过负载。此负载电压被施加至电极，包括肖特基接触的金属元件。负载电压从需要发电的方向驱使载流子沿相反的方向。而且，负载电压减少了内建电压，并减少了耗尽区的厚度。如下进一步所讨论的，在半导体为直接半导体的情况下，耗尽区厚度的减少尤其重要。在本公开内容所指的直接半导体中，通过将电子从价带跃迁至导带，而无需与另一粒子或波进行相互作用或产生另一粒子或波，光子得以被吸收。这种直接的跃迁过程应当与间接跃迁过程形成对比，间接跃迁过程通常涉及与“声子”相关的相互作用，即，除了光子和电子之外，半导体内的振动波。
直接半导体高效地吸收光。然而，当电子从导带落入价带时发生的载流子复合在直接半导体中发生的速度远快于在间接半导体中发生的速度。在空间电荷区内通过吸收声子而形成载流子对的情况下，在电场的影响下载流子迅速地彼此分离。然而，如果在空间电荷区外通过吸收声子而形成载流子的话，载流子对将在不接触电极的情况下复合，并且将会损失通过形成载流子对来捕捉的所有能量。因此，如果负载电压将空间电荷区的厚度降低至比吸收发生所在的区域的厚度更小，则电池的效率下降。大部分宽带隙半导体为直接半导体。因此，使用宽带隙半导体的肖特基电池并没有提供满意的解决方案。
发明内容
本发明的一个方面是提供了一种光伏电池。根据本发明该方面的电池理想地包括从直接半导体形成的半导体元件。根据本发明该方面的电池理想地还包括覆盖在半导体的正面的第一部分的透明偏压介质，偏压介质在半导体元件中生成第一耗尽区。电池理想地还包括与正面的第二部分(与第一部分分离)直接接触的集电极，正面的第二部分比正面的第一部分小，集电极的标准费米能级不同于半导体元件的标准费米能级，使得集电极在半导体元件中生成第二耗尽区。例如，偏压介质可以是金属或者标准费米能级不同于半导体元件的标准费米能级的半导体，集电极不与偏压介质直接导电接触，但是靠近偏压介质。最理想的是电池具有在正面处第一耗尽区和第二耗尽区之间延伸的连续的少数载流子通道。如下进一步所讨论，少数载流子通道是至少部分耗尽多数载流子的半导体区域。多数载流子通道可以全部由第一耗尽区和第二耗尽区构成，其中这些区域彼此重叠。或者，具有与半导体中的多数载流子相同的极性并且具有固定电荷的介电材料可被布置在偏压介质和集电极之间的间隙中的半导体元件的正表面上，以提供与第一耗尽区和第二耗尽区融合的第三耗尽区，以形成连续的少数载流子通道。在进一步的替代方案中，偏压介质可以是具有与半导体中的多数载流子相同的极性并且具有固定电荷的介电材料。在此情况下，偏压介质和集电极可以是连续的或者彼此靠近，并且连续地少数载流子通道可以通过第一耗尽区和第二耗尽区的融合来形成。电池理想地还包括接触半导体元件的电极，该半导体元件在与耗尽区隔开的位置处。
半导体元件理想地包括从集电极和偏压介质延伸至电极的部分，并且此部分为全p型或全n型。例如，整个半导体元件可以是完全由p型半导体形成或者完全由n型半导体形成。
更优选地，第一耗尽区的内建电压大于第二耗尽区的内建电压。如下进一步所讨论，内建电压的差提供了横向的电位梯度，以驱使少数载流子经由少数载流子通道从第一耗尽区到达第二耗尽区，并因此驱使少数载流子横向地朝向集电极。
本发明的另一方面包括如下进一步讨论的包含光伏电池的电路、光伏转换的方法以及叠型电池结构。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的连接至外部电路的电池的示意平面图。
图2是沿图1的线2-2截取的示意剖视图，描绘了连同外部电路元件的电池。
图3是图2所指区域的放大局部视图。
图4是与图2类似的视图，但描绘了根据本发明的另一实施例的电池。
图5是图4所指区域的放大局部视图。
图6是与图2类似的视图，但描绘了根据本发明的又一实施例的电池。
图7和图8是描绘了根据本发明进一步实施例的电池的原件的示意平面图。
图9是描绘了根据本发明进一步实施例的多电池结构的示意剖视图。
具体实施方式
图1-图3描述了根据本发明的一个实施例的电池。该电池包括具有在图1可见的正面22的半导体元件20以及在厚度方向(图2的垂直方向)上与正面22隔开的背面24。在此实施例中，整个半导体元件由单一类型半导体的直接半导体形成，在此情况下为n型直接半导体。在本公开内容中，当半导体不受外部元件或场的影响时，对半导体类型的引用应理解为说明半导体是n型还是p型。半导体元件22在其前表面具有凹部，并且一个或多个电极26与在凹部中的半导体元件接触。尽管只描绘了单个电极，但是电极可以形成为可选地彼此导电连接的多个元件。理想地，电极26与半导体欧姆接触。
偏压介质28覆盖在半导体元件的正表面22上。偏压介质28理想地覆盖第一表面的一大部分，在此称为正表面的“第一部分”。偏压介质可以是金属或半导体。在此示例中，偏压介质28作为足够薄的层被施加，使得偏压介质对于被半导体吸收的波长的光而言为透明的，但是也具有足够的厚度以形成如下讨论的耗尽区。在偏压介质为金属的情况下，其一般少于10nm厚，一般最多为5-10nm厚。如在本公开内容所使用的，术语“透明的”表示相关波长的大部分光将通过该元件传输的元件。完全透明，即100％传输是不需要的。为了清楚说明，偏压介质28的厚度在图2和图3中大大放大。在所描绘的实施例中，偏压介质与半导体的正表面直接接触，在偏压介质和半导体之间没有中间材料。在其他实施例中，一层薄的电介质可以在偏压介质和半导体正表面之间设置，条件是这层电介质足够薄以允许电子通过隧道穿过此层。
如下进一步讨论，在结合电池的电路中，偏压介质28不直接导电连接至半导体以外的电路的任何元件。尤其，偏压介质在电路中不在半导体元件和负载之间导电连接。因此，偏压介质不用作电池的电极，并且在运作期间不带有由电池产生的光电流。优选地，偏压介质不具有适用于导电连接至外部电路元件的端子。在介电钝化层(未示出)设置在电池的正表面上的情况下，钝化层理想地覆盖偏压介质的全部，使得对于连接到任何外部电路元件而言，偏压介质在物理上是不可及的。
在此实施例中，半导体元件20是n型，并且偏压介质28的标准费米能级EFM低于半导体的标准费米能级EFS。也就是说，偏压介质的逸出功Φm大于正常状态下的半导体的逸出功。材料的逸出功是将电子从材料的费米能级移动至真空所需的能量。金属的逸出功也被称为金属的“电子亲和势”。
偏压介质28在半导体中邻近正表面生成第一耗尽区30。此耗尽区在由偏压介质覆盖的正表面的第一区域后面延伸。如图3示意地示出，第一耗尽区还横向地延伸，在与半导体的正表面平行的方向，超越偏压介质的边缘。第一耗尽区的形成机理与肖特基接触中的形成机理类似。因为电子能够在半导体和偏压介质之间转移，所以偏压介质的费米能级以及它们之间的界面处的半导体的费米能级必须达到两者的能级相等的平衡状态。为了此发生，电子从半导体转移至偏压介质。这使得整个区域邻近正表面22的半导体耗尽电子，并因此带正电，并且使得偏压介质带负电。在偏压介质为金属的情况下，偏压介质中的电荷在极度薄(一般为几埃厚)的区域集中，此区域被称为“delta电荷区”(未示出)，邻接半导体的正表面。邻近正表面的导带中的电子被偏压介质上的负电荷排斥。在离正表面逐渐远的距离处，通过在偏压介质和电子之间逐渐加入更多带正电的半导体，斥力减小。也就是说，半导体的第一耗尽区30内存在电场。
在耗尽区内半导体的导带中的电子具有由电场赋予的额外势能，因此此电子的能级比耗尽区外导带中的电子能级高。通过曲线32在图3中表示，描绘了导带的能级。在半导体和偏压介质之间的界面处，导带中的电子的能级EC位于不受偏压介质影响的半导体的正常值ECN。在耗尽区外的半导体的区域中，导带的能级为更正的数值EC30。能级EC随着与界面的距离的增加而逐渐下降，在耗尽区的边界到达EC30。随距离下降的速率代表耗尽区30中半导体内的电场强度；此数值在耗尽区的边界处达到0。因为带隙是定量，价带的能级遵循与曲线32一致的曲线(未示出)，但处于更低的能级。术语“能带弯曲(band bending)”通常用于形容耗尽区内的能级失真。耗尽区还被称为“空间电荷区”或“耗尽带(depletionzone)”。
这些曲线的弯曲幅度等于EC30和ECN之间的差，并被称为第一耗尽区30的内建电压VBI 30。在理想的情况下，当偏压介质与半导体直接接触而没有介入隧道介电层时，并且当界面处的表面状态不影响势垒高度时，内建电压VBI 30等于半导体20的标准费米能级和偏压介质28的标准费米能级之间的差。耗尽区的尺寸取决于半导体的载流子浓度以及半导体的内建电压和介电常数，并且能够容易地由本领域技术人员计算。
电池还包括导电的集电极40。集电极40在半导体的正表面22的第二部分中与半导体直接接触。正表面的第二部分与被偏压介质28覆盖的第一部分分离。然而，两个表面部分彼此靠近，使得在半导体的正表面22处偏压介质28和集电极40之间存在小的间隙距离DG(图3)。在此实施例中，集电极40布置在偏压介质中的开口42中，但此构造并不是必要的。集电极40优选为不透明的。集电极40包括布置在与半导体的界面处的金属，此金属的费米能级与半导体的标准费米能级不同，并形成与半导体的肖特基接触。在所描述的实施例中，集电极40为单一质量的单个金属，但集电极可包括多层不同的金属。集电极40适于用作连接至外部电路的端子。
集电极40在半导体中形成第二耗尽区44。此耗尽区在被集电极覆盖的正表面的第二部分后面延伸。如图3示意地示出，第二耗尽区还会横向地延伸，在与半导体的正表面平行的方向，超越集电极40。在此实施例中，超过集电极40的第二耗尽区44的横向伸展与超过偏压介质30的第一耗尽区30的横向伸展之和大于间隙距离DG，使得第一耗尽区与第二耗尽区彼此融合。融合的耗尽区形成在第一耗尽区和第二耗尽区之间延伸的连续少数载流子通道。
曲线45示意地描绘了第二耗尽区44中导带的能级。理想地，第二耗尽区44的内建电压VBI 44小于第一耗尽区30的内建电压VBI 30。因此，邻近半导体的正表面22处存在横向定向的电场分量，该电场分量横跨偏压介质28和集电极40之间的间隙。此横向定向的场分量将倾向于加速少数载流子(在n型半导体中为空穴)横向地朝向集电极40，从第一耗尽区30到第二耗尽区44。横向定向的场分量将在相反的横向方向上引导多数载流子(电子)远离集电极。
如上所述的电池处于黑暗条件下的开放电路。在使用中，电池连接至外部电路元件50，例如带有开关54的串联的负载52，以形成包括负载50和电池的电路。当电路处于运作状态时，而开关54关闭，负载在集电极40和电极26之间导电连接。光经由偏压介质穿过半导体主体。随着光被半导体吸收，电子从价带被提升至导带，因此在第一耗尽区30内形成额外的载流子，即电子和空穴。第一耗尽区内厚度方向的电场分量在相反的方向上驱动额外的载流子。少数载流子(空穴)被驱动朝向半导体的正表面，而多数载流子(导带电子)被驱使远离正表面进入耗尽区30外的半导体主体中。同时，空穴被横向定向的电场横向地排斥朝向第二耗尽区44和集电极40。而且，由于集电极40不透明，所以极少或没有光到达第二耗尽区44。因此，实质上第二耗尽区44中没有额外的载流子形成。第二耗尽区中空穴的浓度将比第一耗尽区30中空穴的浓度要低得多。第一耗尽区和第二耗尽区之间的空穴浓度梯度形成了在第一耗尽区中形成、进入第二耗尽区并朝向集电极的空穴扩散电流。
由于耗尽区具有低浓度的多数载流子(电子)，所以电子-空穴复合被限制。连续的少数载流子通道确保在第一耗尽区30内形成的少数载流子能够传到第二耗尽区44而无需穿过具有高浓度多数载流子的半导体区域。而且，由于少数载流子(空穴)被电场和浓度梯度驱动，所以少数载流子到达此集电极所需的时间被最小化，因此进一步限制复合损失。多数载流子(电子)进入半导体的主体并扩散至电极26。少数载流子至集电极40以及多数载流子至电极26的流构成了电池中理想的光电流。
实质上，在耗尽区外的半导体中不存在电场。因此，如果载流子对在耗尽区30和44外的半导体元件20的本体区域内形成，则载流子将通过扩散更完全地实现。由于直接半导体的载流子复合时间非常短，并且由于本体区域具有高浓度的多数载流子，实质上通过在耗尽区外吸收光生成的所有多数载流子将通过复合而损失。更优选地，大部分穿过偏压介质28的光在第一耗尽区30内被吸收。也就是说，第一耗尽区的厚度最优选为大于半导体的吸收区域的厚度，而更优选为至少约吸收区域的厚度的两倍。通过等式给出从半导体的正表面22深度X处的光强度IX：
IX＝I0e-αX
其中：
I0是正表面22处的光强度；和
α是光冲击半导体上该半导体的吸收系数。除非在本公开内容另有说明，α的值应取比半导体的带隙具有更多太阳辐射能量的那部分的平均值。
如在本公开内容所使用的，吸收区域的厚度tA等于深度x等于α-1。在此深度，IX/I0等于e-1或约0.37。也就是说，tA是约63％的进入光子被吸收所在的深度x。在深度x等于两倍tA的地方，IX/I0为约0.14，使得86％的进入光子被吸收。仅作为示例，在氧化锌半导体中，tA约为100纳米。
当开关54关闭且电池被照亮时，电流从集电极40穿过外部电路50的负载52到达电极26。也就是说，电子流从电极26到达集电极40。越过负载52的电压表现为集电极40和电极26之间的外部偏压。这种由负载施加的外部偏压抵消了由集电极和半导体之间的肖特基接触施加的第二耗尽区内的电场。这样有效地降低了内建电压并且缩小了第二耗尽区44的尺寸，如曲线45’(图3)所示。理想地，即使欠载的第二耗尽区的尺寸缩小，但是仍部分与第一耗尽区重叠，使得连续的少数载流子通道保持完好无损的欠载状态。然而，由于除通过半导体外，偏压介质28没有导电连接至集电极40，所以负载电压施加的外部偏压没有直接地施加至偏压介质，使得第一耗尽区30的内建电压和尺寸实质上不受影响。
此外，由于来自半导体的本体区域的一些多数载流子克服耗尽区中的电场而朝向电池的正面移动，外部偏置电压易于产生与光电流相反的电流。此反向电流减少了在电池中流动的光电流。然而，因为外部偏置电压被施加至集电极40而不是偏压介质28，所以这种影响主要在与集电极40对齐的半导体的区域中发生。这些区域构成了电池的相对小部分。另外，如上讨论，横向定向的电场驱使多数载流子从第二耗尽区朝向第一耗尽区的作用减少了反向电流。而且，由于本实施例的集电极40不透明，所以半导体的这些区域实质上不被照亮。在与集电极对齐的半导体的区域中极少或者没有载流子形成，因此这些区域将具有低载流子浓度。所以，所述反向电流将会比在具有透明集电极的同类电池中的小。
在此讨论的电池被称为“分离集电和偏压系统(isolated collection andbiasing system)”电池或“ICBS”电池，其中集电极和偏压介质不直接彼此导电连接。如上所讨论，集电极和偏压介质之间唯一的连接是通过半导体。在ICBS电池中，第一耗尽区的厚度实质上不受运作期间负载所施加的偏置电压所影响。而且，由负载引起的反向电流小于另外的同类肖特基电池中的反向电流。另外，分离的偏压介质和集电极允许在这些元件中使用不同的材料，使得每个元件中的材料能够因应与半导体的特定功能而优化。以下通过示例1进一步描述这些优点。
示例1
参考图1至图3，根据如上讨论的实施例，众多ICBS电池一般使用n型砷化镓半导体、由金形成的不透明集电极以及由银形成的偏压介质来形成。各种ICBS电池的集电极具有不同形状。每个ICBS电池在集电极和偏压介质之间的间隙为约100nm，使得集电极和偏压介质不直接地彼此导电连接，但是如上所讨论的，连续的少数载流子通道在第一耗尽区和第二耗尽区之间延伸。对ICBS电池进行测试。通过在每个电池的集电极和偏压介质之间连接金属分流器，肖特基电池由ICBS电池形成，使得集电极和偏压介质形成复合的肖特基接触。分流器不与半导体接触。所以，除了存在分流器，肖特基电池与ICBS电池一样。使用相同的光照和相同的测量设备来测量ICBS电池和肖特基电池的性能。结果如下表所示。
Figure BDA0003660384840000101
在表格中，RS是串联电阻，Rsh是分流电阻，ΦB势垒高度，J0是反向饱和电流，VOC是开放电路电压，JSC短路电流，而FF是填充因数。填充因数是最大获得功率与开放电路电压和短路电流的乘积的比率。表中的每个值是ICBS电池的平均值或肖特基电池的平均值，如在“电池结构”列中标示。
ICBS电池具有比肖特基电池高的VOC、JSC和FF，因此ICBS电池实质上比肖特基电池产生更多的电功率。
根据本发明的又一实施例的电池(图4和图5)，并入了如上讨论的半导体元件120、电极126、偏压介质128和集电极140(参见图1至图3)。在此再次，偏压介质128形成第一耗尽区130，集电极140形成第二耗尽区144。在图4至图5的电池中，具有固定电荷的电介质147设置在偏压介质128和集电极之间的间隙中。电介质147中的电荷排斥半导体中的多数载流子。例如，在半导体元件为n型的情况下，邻近半导体的电介质中的固定电荷为负。带电的电介质因此在于间隙对齐的半导体的一个小区域中生成另一耗尽区160。如果偏压介质128和集电极140之间的间隙距离DG使第一耗尽区130不与第二耗尽区重叠，此额外的耗尽区与第一耗尽区130和第二耗尽区144重叠，使得存在包括第一耗尽区和第二耗尽区的连续少数载流子通道。也就是说，偏压介质128和集电极140之间的间隙距离DG可以大于第一耗尽区超过偏压介质128的横向伸展与第二耗尽区144超过集电极140的横向伸展之和。由于间隙距离DG可以相对大，可以降低用于形成集电极和偏压介质的过程中所需的精度。而且，连续的少数载流子通道可以在过载条件下保持。
如在图4中最佳所示，电介质147可充当覆盖偏压介质128的钝化层。电介质中引起额外耗尽区160的电荷可在电介质和半导体之间界面处形成为表面电荷。在进一步的变体中，电介质可以是驻极体，即诸如具有分开的固定正电荷和负电荷的有机电介质的电介质。在半导体元件为n型的情况下，负电荷将邻近半导体布置，正电荷将远离半导体布置。
根据本发明的另一实施例的电池(图6)包括类似于如上讨论的对应元件的半导体元件220、电极226和集电极240。在图6的电池中，偏压介质是具有固定电荷的电介质。用于本实施例的电介质可以类似于如上讨论的电介质(参见图4和图5)。在此情况下，电介质通过排斥少数载流子引起第一耗尽区230。由于偏压介质是电介质，所以偏压介质230可接触集电极240而无需与集电极建立导电连接。也就是说，被偏压介质占据的半导体正表面的第一区域可以与被集电极占据的半导体正表面的第二区域毗邻。由于偏压介质可以靠近或邻近集电极形成，所以集电极和偏压介质之间的间隙距离可以很小或不存在。这有利于包括第一耗尽区和第二耗尽区的连续少数载流子通道的形成和维持。可通过形成电介质偏压介质以留下给集电极存放的一个或多个空间，然后将集电极存放在这些一个或多个空间中以完全填充这些空间来制造根据本实施例的电池。这样的过程不需要对集电极存放过程进行精确控制。
在此讨论的任何实施例中，集电极可以形成为包括分布在电池正表面上的多个元件的构造。例如，图7的电池包括形成为多个分开的集电极元件341的集电极，每个集电极元件通过偏压介质328中的开口接触半导体元件的正表面。集电极元件341通过诸如电线或迹线301的导体来彼此导电连接。在进一步的变体中(图8)，集电极元件441包括在偏压介质428中形成的插槽中延伸的长条，集电极元件彼此导电连接。在使用多元件集电极的这些和其他实施例中，在由偏压介质形成的第一耗尽区和由集电极形成的第二耗尽区之间维持连续少数载流子通道而无需在集电极和偏压介质之间形成导电连接所需的上述条件，沿集电极元件和偏压介质之间的每个边界而提供。集电极是否包括单个元件或多个元件，集电极理想地只占据半导体元件的小部分正表面。理想地，偏压介质占据至少约75％的正表面。被偏压介质覆盖的第一区域的面积与被集电极覆盖的第二区域的面积之比理想地为至少约5:1，更理想地约为7:1以上。图7和图8的实施例包括与电机26类似的电极(未示出)以接收多数载流子，这些实施例中的电极可布置在半导体的任何表面上，例如，在电池的后表面上。
在图1至图6的实施例中，电极布置在半导体元件的正表面的凹部中，但是这仅仅是示例性的；半导体元件的正表面可以是平面的，其中电极布置在不被偏压介质或集电极占据的正表面的一部分上；在半导体元件的后表面上，或在远离偏压介质、集电极和耗尽区的任何其他位置。
在如上讨论的实施例中，整个半导体元件完全由n型半导体形成。在合适的直接半导体可用作p型的情况下，整个元件可由p型半导体形成。在此实施例中的集电极和偏压介质的费米能级(较低逸出功)高于半导体以形成耗尽区。如果具有固定电荷的电介质用于形成耗尽区，电介质将带正电。
在如上讨论的实施例中，整个半导体元件完全由一种类型的半导体形成。然而，半导体元件可在形成电池的区域外包括相反类型的区域。
如上讨论的电池能够提供有效的光伏转换并且能够使用现成的直接半导体(包括宽带隙半导体)来制造。合适的半导体包括III-V半导体和II-VI半导体。III-V半导体的示例是包含选自由镓、铟、铝组成的组中一种或多种元素以及选自由氮、磷、砷、锑组成的组中一种或多种元素的半导体。II-VI半导体的示例是包含选自由镉、锌、汞、钴组成的组的金属以及选自由氧、硫、硒、碲组成的组中一种或多种元素的半导体。诸如过渡金属和稀土元素的其他元素可与III-V半导体和II-VI半导体形成合金以调节带隙。因此，如本公开内容使用的，除非另有说明，术语“III-V半导体”和“II-VI半导体”指的是具有或不具有合金元素的半导体。
如上讨论的电池可用于各种目的。然而，在诸如太阳能发电的应用中，如上讨论的任何电池能用于多电池结构，该多电池结构结合了具有带隙依次递降设置的不同带隙的一个或多个电池，使得具有最宽带隙的电池位于结构的正面而具有最窄带隙的电池位于背面。最宽带隙的电池布置在一个或多个较窄带隙的电池的前面。电池能够被分开地形成，然后安装至彼此。在其他设置中，较宽带隙的半导体安装在较窄带隙的半导体的顶部，具有或不具有诸如晶格匹配层的中间元件。图9描绘了多电池结构的一个示例。该结构包括与如上讨论的电池类似的第一电池501，具有直接半导体元件520以及设置在半导体元件的正表面522上的偏压介质528和集电极540。在此再次，如上所讨论的，偏压介质形成第一耗尽区530，且集电极540形成第二耗尽区(未示出)。在此再次，存在包括第一耗尽区和第二耗尽区的连续的少数载流子通道。电极526设置为与宽带隙半导体接触。该结构进一步包括第二电池503，第二电池503具有布置在第一电池501的半导体元件520的背面524之后的半导体元件505。第二电池的半导体元件505的带隙比第一电池的半导体元件520更窄。第二电池503包括与半导体505接触的电极507和电极509。例如，电池503可以是传统的硅肖特基电池或者是传统的硅pn结电池。在双电池结构中，在第二、较窄带隙的电池的半导体元件由硅形成的情况下，第一、较宽带隙的电池理想地具有1.4eV以上的带隙，更理想地1.6eV以上，最理想为1.8eV以上。
在宽带隙电池501的第一耗尽区530实质上比半导体520中吸收区域的厚度更厚的情况下，例如，至少为吸收区域的厚度的两倍，实质上能量大于半导体520的带隙的所有短波长光子将在第一耗尽区内被吸收并转化为有用的电能。在此情况下，宽带隙半导体元件520的厚度(从正面522至背面524)可远大于第一耗尽区的后续而不损失效率。然而，如果第一耗尽区的厚度少于约两倍的吸收区域厚度，则短波长光子的相当一部分将不会在第一耗尽区内被吸收。在此情况下，宽带隙半导体元件520的厚度理想地少于两倍的第一耗尽区530的后续，更理想地少于1.5倍的第一耗尽区厚度，最理想地等于第一耗尽区的厚度。这样能将第一耗尽区外宽带隙半导体520中短波长光子的吸收最小化，使得没有在第一耗尽区530中吸收的那些短波长光子能够进入窄带隙电池503，其中这些光子中的至少一部分能量将被转化为有用的电能。
尽管已经参考特定实施例描述了本文中的本发明，但是应当理解，这些实施例仅仅是对本发明的原理和应用的说明。因此，应当理解，可以对说明性实施例进行许多修改，并且可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下设计其他布置。

Claims (20)

1.一种光伏电池，包括：
(a)由具有正面和背面的直接半导体形成的半导体元件；
(b)与所述正面的第一部分直接接触的透明偏压介质，所述透明偏压介质具有与半导体元件的标准费米能级不同的标准费米能级，使得偏压介质在半导体元件中产生第一耗尽区；
(c)与所述正面的第二部分直接接触的集电极，第二部分与第一部分分离，正面的第二部分小于正面的第一部分，集电极的标准费米能级与半导体元件的标准费米能级不同，使得集电极在半导体元件中产生第二耗尽区，集电极不与偏压介质直接导电接触但与偏压介质靠近，在正面处的第一耗尽区和第二耗尽区之间延伸有连续的少数载流子通道；和
(d)在与耗尽区相隔开的位置处接触半导体元件的电极。
2.根据权利要求2所述的光伏电池，其中半导体元件具有从正面延伸至电极的第一区域，并且其中所述第一区域是全p型或全n型。
3.根据权利要求2所述的光伏电池，其中第一耗尽区的内建电压的量级大于第二耗尽区的内建电压的量级。
4.根据权利要求3所述的光伏电池，其中第一区域为n型且集电极的逸出功低于偏压介质。
5.根据权利要求3所述的光伏电池，其中半导体元件选自由砷化镓和砷化铝镓组成的组，偏压介质为银，集电极为金。
6.根据权利要求1所述的光伏电池，其中半导体元件选自由III-V半导体和II-VI半导体组成的组。7.根据权利要求2所述的光伏电池，其中电极与半导体元件的背面的至少一部分重叠并接触。
7.根据权利要求1所述的光伏电池，其中集电极包括在半导体元件的正面上彼此隔开的多个集电极元件，所述集电极元件导电连接至彼此，并且其中偏压介质在集电极元件之间延伸。
8.根据权利要求7所述的光伏电池，其中每个所述集电极元件是不透明的。
9.根据权利要求1所述的光伏电池，其中第二电极与半导体元件欧姆接触。
10.根据权利要求1所述的光伏电池，其中偏压介质不具有与电池之外的任何元件进行直接导电连接的端子。
11.根据权利要求1所述的光伏电池，其中偏压介质为金属或半导体，并且其中在偏压介质和集电极之间存在间隙。
12.根据权利要求11所述的光伏电池，其中第一耗尽区和第二耗尽区彼此融合使得第一耗尽区和第二耗尽区形成连续的少数载流子通道。
13.根据权利要求11所述的光伏电池，还包括设置在间隙中具有固定电荷的电介质，所述电介质形成附加耗尽区，所述附加耗尽区与第一耗尽区和第二耗尽区融合以便形成连续的少数载流子通道。
14.根据权利要求1所述的光伏电池，其中偏压介质是具有固定电荷的电介质。
15.一种电路，包括根据权利要求1-14任一所述的光伏电池以及在集电极和光伏电池的电极之间电气连接的负载，其中偏压介质在半导体元件和负载之间不导电连接。
16.一种电路，包括根据权利要求1-14任一所述的光伏电池以及在集电极和光伏电池的电极之间电气连接的负载，其中除了电池的半导体元件之外，偏压介质不直接导电连接至电路的任何元件。
17.一种多电池结构，包括根据权利要求1-14任一所述的第一光伏电池和第二光伏电池，所述第二光伏电池包括具有比第一光伏电池的直接半导体的带隙更窄的带隙的半导体元件，第二光伏电池的半导体元件设置在第一光伏电池的背面之后。
18.根据权利要求17所述的多电池结构，其中第一光伏电池的第一耗尽区的厚度大于直接半导体的吸收区的厚度。
19.根据权利要求18所述的多电池结构，其中第一光伏电池的第一耗尽区的厚度小于直接半导体的吸收区的厚度的两倍，并且其中第一光伏电池的半导体元件的厚度小于第一耗尽区的厚度的两倍。
20.一种光伏发电的方法，包括将光施加至根据权利要求1-14任一所述的光伏电池，同时负载在电池的集电极和电极之间连接，以及消耗由负载中的电池产生的电能，在光施加步骤和消耗步骤期间维持连续的少数载流子通道。
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