DE102012003467A1 - Solar cell, has tunnel layer made of non-conductive rare earth oxides or rare earth oxy chalcogenides, and collector layer comprising energy difference between electron affinity and donor level, where difference is lesser than electron volt - Google Patents
Solar cell, has tunnel layer made of non-conductive rare earth oxides or rare earth oxy chalcogenides, and collector layer comprising energy difference between electron affinity and donor level, where difference is lesser than electron volt Download PDFInfo
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Abstract
Description
Photovoltaikzellen nach dem Stand der Technik bestehen aus zwei aneinander kontaktierten Halbleitern gegenteiliger Dotierung. Wie bei jedem Kontakt zwischen einem p-leitenden und einem n-leitenden Halbleiter treten vom N-Halbleiter Elektronen in den P-Halbleiter über und Löcher vom P-Halbleiter in den N-Halbleiter, wobei sich die Ladungen jeweils kompensieren. Insgesamt bildet sich in der Grenzfläche eine Zone aus, die an Ladungsträgern verarmt ist. Der N-Halbleiter lädt sich positiv auf der P-Halbleiter negativ. Durch das sich aufbauende elektrische Feld wird der Ladungsfluss gehemmt, der Fluss der Elektronen in den P-Halbleiter und der Löcher in den N-Halbleiter kommt infolge der anliegenden Feldrichtung zum Stillstand. Je größer die Ladungsträgerkonzentrationen sind, desto schneller wird dieser Gleichgewichtszustand erreicht, desto dünner ist die Verarmungszone.Photovoltaic cells according to the prior art consist of two semiconductors of opposite doping, which are contacted to one another. As with any contact between a p-type and an n-type semiconductor, electrons pass from the n-type semiconductor to the p-type semiconductor and pits from the p-type semiconductor to the n-type semiconductor, compensating for the charges, respectively. Overall, a zone forms in the interface, which is depleted of charge carriers. The N-type semiconductor charges positively on the P-type semiconductor negatively. As a result of the electric field building up, the charge flow is inhibited, the flow of the electrons into the P-type semiconductor and the holes into the N-type semiconductor comes to a standstill as a result of the applied field direction. The larger the charge carrier concentrations are, the faster this equilibrium state is achieved, the thinner the depletion zone.
Bei Lichteinfall in die Kontaktfläche bilden einfallende Photonen unter Energieabgabe dort und in tieferen Schichten des Halbleiters Elektron-Lochpaare. Photonen, deren Energieinhalt größer ist als er der Bandlücke entspricht, bewirken innerhalb von etwa 10–14 Sekunden die Bildung der Elektron-Loch-Paare. Die Ladungsträgerpaare werden durch das bestehende elektrische Feld an der Grenzfläche zwischen n-leitendem und p-leitendem Halbleiter getrennt. Elektronen gehen in das Donor-Niveau des N-Halbleiters, Löcher besetzen das Akzeptor-Niveau des P-Halbleiters. Die Elektronen wandern durch den N-Halbleiter, in einen geeigneten Ableiter und von dort durch den äußeren Stromkreis. Sie rekombinieren im Valenzband des P-Halbleiters (innerer Photoeffekt). Nach dem Stand der Technik werden Kupferindiumdiselenid, bei dem Indium teilweise durch Gallium und Selen teilweise durch Schwefel ersetzt werden kann, Cadmiumtellurid und vor allem Silizium als Halbleiter eingesetzt. Silizium weist eine Bandlücke von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV) auf, die anderen Halbleiter teilweise etwas höhere Bandlücken. Einfallende Photonen mit Energien kleiner als die Bandlücke können kein Anheben der Ladungsträger vom Valenzband ins Leitungsband bewirken. Allerdings kann jene Energie, welche die Höhe der Bandlücke übersteigt, nicht genutzt werden. Ladungsträger mit höherer Energie verlieren innerhalb von etwa 10–12 Sekunden durch Stöße mit den Atomen des Kristallgitters ihre erhöhte Energie bevor diese die Ladungsträger-Niveaus erreichen und ihre Überschussenergie nutzbar ist; sie werden „thermalisiert”.When light enters the contact surface, incident photons form energy hole pairs there and in deeper layers of the semiconductor electron-hole pairs. Photons whose energy content is larger than the bandgap result in the formation of the electron-hole pairs within about 10 -14 seconds. The charge carrier pairs are separated by the existing electric field at the interface between n-type and p-type semiconductor. Electrons go into the donor level of the N-type semiconductor, holes occupy the acceptor level of the P-type semiconductor. The electrons travel through the N-type semiconductor, into a suitable arrester and from there through the external circuit. They recombine in the valence band of the P-type semiconductor (internal photoelectric effect). According to the state of the art, copper indium diselenide, in which indium can be partly replaced by gallium and selenium partly by sulfur, cadmium telluride and above all silicon are used as semiconductors. Silicon has a band gap of about 1.1 electron volts (eV), while the other semiconductors have somewhat higher band gaps. Incident photons with energies less than the bandgap can not cause charge carriers to lift from the valence band into the conduction band. However, energy exceeding the bandgap level can not be used. Higher energy carriers lose their increased energy within about 10 -12 seconds by collisions with the atoms of the crystal lattice before they reach the charge carrier levels and their surplus energy is usable; they become "thermalized".
Ihre gegenüber der Bandlücke erhöhte Energie geht als Erwärmung des Kristallgitters verloren. Dieses Verhalten ist allgemein als ,Shockley-Queisser-Limit' bekannt. Danach ist der theoretische Wirkungsgrad bei Bandlücken von 0,8 bis 1,5 eV auf Werte zwischen 30 und 33% begrenzt. Zusätzliche Effekte, wie unerwünschte Rekombinationen von Ladungsträgern, vermindern den Wirkungsgrad in der Praxis weiter auf Werte um 15% bei kommerziellen Photovoltaikzellen auf der Basis von kristallinem Silizium.Their increased energy over the band gap is lost as warming of the crystal lattice. This behavior is commonly known as the Shockley-Queisser-Limit. Thereafter, the theoretical efficiency at band gaps of 0.8 to 1.5 eV is limited to values between 30 and 33%. Additional effects, such as unwanted recombination of carriers, further reduce practical efficiency to levels of about 15% for commercial crystalline silicon based photovoltaic cells.
Photovoltaikzellen auf der Basis von kristallinem Silizium weisen einen weiteren Nachteil auf:
Kristallines Silizium ist ein Halbleiter mit indirekter Bandlücke, was dazu führt, dass seine Lichtabsorption im Vergleich zu Halbleitern mit direkter Bandlücke stark erniedrigt ist. Deshalb ist es notwendig, in Siliziumzellen die Dicke der die Photonen absorbierenden Schicht auf mindestens 200 Mikrometer zu dimensionieren, andernfalls ist die Absorption zu gering, und der Wirkungsgrad sinkt auf unwirtschaftliche Werte. So absorbiert eine Siliziumschicht von 200 Mikrometern Dicke etwa 90% der Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung.Photovoltaic cells based on crystalline silicon have a further disadvantage:
Crystalline silicon is an indirect bandgap semiconductor, which causes its light absorption to be greatly decreased compared to direct bandgap semiconductors. Therefore, in silicon cells, it is necessary to size the thickness of the photon absorbing layer to at least 200 micrometers, otherwise the absorption is too low and the efficiency drops to uneconomic levels. Thus, a silicon layer of 200 microns thickness absorbs about 90% of the intensity of the incident solar radiation.
Um höhere Wirkungsgrade zu erhalten, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen:
Bei Tandemzellen (Multi junction cells) regen die einfallenden Photonen nacheinander bis zu vier verschiedene Halbleiterschichten mit verschieden hohen Energielücken an, für welche jeweils einzeln das Shockley-Queisser-Limit gilt. So kann man Wirkungsgrade bis 45% erzielen. Die Tandemzellen weisen jedoch bis zu 20 Schichten auf, welche für die entsprechenden Wellenlängen transparent und fehlerfrei sein müssen. Diese Schichten müssen in kostenaufwändigen Verfahren wie der Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Deshalb sind derartige Zellen sehr teuer, und man findet sie kaum in terrestrischen Anwendungen.To obtain higher efficiencies, various solutions have been proposed:
In tandem cells (multi junction cells), the incident photons successively stimulate up to four different semiconductor layers with different energy gaps, for each of which the Shockley-Queisser limit applies. So you can achieve efficiencies up to 45%. However, the tandem cells have up to 20 layers, which must be transparent and error-free for the respective wavelengths. These layers must be prepared in costly processes such as molecular beam epitaxy. Therefore, such cells are very expensive and hardly found in terrestrial applications.
Als weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Effizienz von Photovoltaikzellen wurde vorgeschlagen, entweder ein energiereiches Photons in zwei energieärmere (Down-Conversion) oder umgekehrt zwei energiearme Photonen in ein energiereiches Photon (Up-Conversion) durchzuführen. Dies führte zu der Möglichkeit, mit einem optimal auf die Energie der jeweils erzeugten Photonen abgestimmten Halbleiter mittels des inneren Photoeffekts höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Es stünden mehr geeignete Photonen zur Nutzung zur Verfügung als nach dem originären Sonnenspektrum.As another way to increase the efficiency of photovoltaic cells, it has been proposed to either convert a high-energy photon into two lower-energy (down-conversion) or, conversely, two low-energy photons into a high-energy photon (up-conversion). This led to the possibility to achieve higher efficiencies with an optimally matched to the energy of each generated photon semiconductor by means of the internal photo effect. There would be more suitable photons available for use than the original solar spectrum.
Leider wird hierbei das „transformierte” Licht jedoch in alle Richtungen gestreut; es trifft nur teilweise die aktiven P/N-Übergänge, was zu hohen Verlusten führt.Unfortunately, however, the "transformed" light is scattered in all directions; it only partially affects the active P / N transitions, resulting in high losses.
Mit der Einführung eines Zwischenbands (Intermediate Band) in die Energielücke des Halbleiters zur Erzeugung von zwei verschieden großen Bandlücken in einem einzigen Halbleiter versucht man ebenfalls, die Energieverteilung der Photonen besser zu nutzen. Doch auch dieser Ansatz war in der Praxis bisher erfolglos. With the introduction of an intermediate band into the energy gap of the semiconductor to produce two different sized band gaps in a single semiconductor, one also tries to make better use of the energy distribution of the photons. But even this approach was previously unsuccessful in practice.
Mit so genannten „Optical rectennas” versucht man, Licht und Wärme als elektromagnetische Wellen ihren geringen Wellenlängen entsprechend mit einer Vielzahl kurzer, submikrometer langer Antennen, auf einer Fläche angeordnet, zu absorbieren. Die an den Antennchen entstehende Wechselspannung wird gleichgerichtet, vergleichbar mit der Funktion eines frühen Detektorempfängers. Dieses Prinzip funktioniert im Fall von Mikrowellen mit Frequenzen bis in den Terahertzbereich mit Frequenzen von 1012 pro Sekunde. Schnelle Dioden, Schottky-Dioden, sind jedoch zu langsam, um Wechselspannungen der wesentlich höheren Frequenzen von Wärme oder gar sichtbarem Licht, mit Frequenzen von 1014 bis 1015 pro Sekunde, zu verarbeiten. Deshalb wurden für die direkte Umwandlung von Wärmestrahlung durch Rectennas bisher nur extrem geringe Wirkungsgrade von weit unterhalb einem Prozent erreicht. Mit sehr schnellen Tunneldioden mit Metall-Isolator-Metall-Übergang wird versucht, die Optical rectennas für sichtbares Licht nutzbar zu machen. (
Nach der Anmeldung
Ebenfalls die Nutzung des photoemissiven Effekts beansprucht die Anmeldung
Die von den Alkalimetallen emittierten Elektronen weisen maximal die Energie der Photonen des auftreffenden Lichts minus der Austrittsarbeit auf. Sie sollen durch eine oxidische Isolatorschicht wie Magnesiumoxid, Calciumoxid oder Bariumoxid mit Schichtdicken kleiner als 5 Nanometer zu einem metallischen Kollektor höherer Austrittsarbeit tunneln. Im Unterschied zu thermionischen Generatoren soll dabei die kinetische Energie der emittierten Elektronen genutzt werden. Die „heißen” Elektronen sollen die kinetische Energie des Elektronengases des Kollektors erhöhen, wodurch sich die nutzbare Potenzialdifferenz ergeben soll. Die Isolatorschicht bewirkt die elektrische Trennung von Emitter und Kollektor; Energiebänder zwischen Emitter und Kollektor werden nicht verbogen. Diese an sich attraktive Anordnung weist den Nachteil auf, dass nur Photonen mit Energien größer als 2 eV genutzt werden. Zudem wäre es notwendig, dass der metallische Kollektor, hier Aluminium, selbst eine möglichst niedrige Austrittsarbeit aufweisen sollte. Wie bei Photovoltaikzellen nach dem inneren Photoeffekt verlieren die in den Kollektor eintretenden Elektronen auch hier jenen Anteil an Energie, welche der Differenz aus der Höhe der Austrittsarbeit des Kollektormaterials und des Fermi-Niveaus entspricht.The electrons emitted by the alkali metals have at most the energy of the photons of the incident light minus the work function. They are intended to tunnel through an oxidic insulator layer such as magnesium oxide, calcium oxide or barium oxide with layer thicknesses of less than 5 nanometers to form a metallic collector of higher work function. In contrast to thermionic generators, the kinetic energy of the emitted electrons should be used. The "hot" electrons should increase the kinetic energy of the electron gas of the collector, which should result in the usable potential difference. The insulator layer causes the electrical separation of emitter and collector; Energy bands between emitter and collector are not bent. This intrinsically attractive arrangement has the disadvantage that only photons with energies greater than 2 eV are used. In addition, it would be necessary for the metallic collector, here aluminum, itself to have the lowest possible work function. As with photovoltaic cells after the internal photoelectric effect, the electrons entering the collector also lose the proportion of energy corresponding to the difference between the work function of the collector material and the Fermi level.
Die Patentanmeldung
Die Nutzung der Energie „heißer” Ladungsträger ist ein Ziel gegenwärtiger Entwicklung von Photovoltaikzellen höheren Wirkungsgrades (Hot-Carrier-Cell). Experimentell nachweisbare Erfolge sind jedoch bisher nicht bekannt geworden. Einen guten Überblick gibt die Patentanmeldung
Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, welche nicht den Nachteil der Thermalisierung der Ladungsträger aufweist. Es sollten Emitter oder Absorber möglichst niedriger Austrittsarbeit eingesetzt werden, möglichst niedriger als 2 Elektronenvolt (eV). Diese Anordnung sollte durch praktikable, reproduzierbare und wirtschaftliche Prozesse für große Flächen herstellbar sein. Zusätzlich sollten die eingesetzten Emittermaterialien möglichst hohe Quantenausbeuten aufweisen.It was therefore an object of the invention to provide an arrangement which does not have the disadvantage of thermalization of the charge carriers. Emitters or absorbers should be used as low as possible work function, if possible lower than 2 electron volts (eV). This arrangement should be producible by practicable, reproducible and economical processes for large areas. In addition, the emitter materials used should have the highest possible quantum yields.
Es sollte auch auf die Verwendung toxischer Elemente wie Cadmium, Quecksilber, Thallium oder Arsen verzichtet werden. Teure Elemente wie Seltenerdmetalle sollten nur in sehr dünnen Schichten eingesetzt werden. Zudem waren Schichten mit optimalen Eigenschaften zu finden, welche die Anbindung des Elektronenemitters an das Gesamtsystem ohne wesentlichen Wirkungsgradverlust ermöglichen.It should also be dispensed with the use of toxic elements such as cadmium, mercury, thallium or arsenic. Expensive elements such as rare earth metals should only be used in very thin layers. In addition, layers with optimal properties were found, which allow the connection of the electron emitter to the entire system without significant loss of efficiency.
Diese Aufgaben werden gelöst, indem als Emitter Seltenerdverbindungen sehr niedriger Austrittsarbeit von unter 2 eV eingesetzt werden. Bei diesen Seltenerdverbindungen kann es sich in Abhängigkeit von deren elektronischer Struktur um Metalle, Semimetalle oder Halbleiter mit geringer Bandlücke handeln. Dementsprechend können beim Auftreffen von Photonen auf den Emitter Ladungsträger entweder durch den äußeren, photoemissiven Photoeffekt wie auch durch den inneren Photoeffekt generiert werden. Aufgrund der niedrigen Arbeitstemperaturen können Ladungsträger aus dem Kollektor, welche den Wirkungsgrad erniedrigen würden, rein thermisch kaum emittiert werden. Es ist nicht möglich, für den praktischen Einsatz aber auch nicht notwendig, die Einzelprozesse, welche im Emitter oder auf der Emitteroberfläche zur Generierung der Ladungsträger führen, auseinander zu halten. Stöße zwischen energiereicheren und energieärmeren Elektronen, oder, um es im Wellenbild von Elektronen darzustellen, Interferenzen zwischen Elektronenwellen verschiedener Energie führen dazu, dass die breite Verteilung der Energie der einfallenden Photonen in erwünschter Weise verschmälert wird, wodurch die Energieverteilung der emittierten Elektronen schmäler ist als die der einfallenden Photonen. These tasks are solved by using rare earth compounds of very low work function below 2 eV as emitter. Depending on their electronic structure, these rare earth compounds may be metals, semimetals or semiconductors with a narrow band gap. Accordingly, upon impact of photons on the emitter, charge carriers can be generated either by the external photoemissive photoelectric effect as well as by the internal photoelectric effect. Due to the low operating temperatures, charge carriers from the collector, which would lower the efficiency, can hardly be emitted thermally. It is not possible for practical use but also not necessary to separate the individual processes, which lead in the emitter or on the emitter surface for generating the charge carriers, apart. Collisions between higher-energy and lower-energy electrons, or, to represent it in the wave pattern of electrons, interference between electron waves of different energy cause the broad distribution of the energy of the incident photons is desirably narrowed, whereby the energy distribution of the emitted electrons is narrower than that the incident photons.
Zwischen Emitter und Kollektor wird eine sehr dünne, wegen ihrer weiten Bandlücke transparente Seltenerdoxidschicht erzeugt, welche das schnelle Durchtunneln heißer Elektronen vom Emitter zu dem Kollektor ermöglicht, die nachteilige Ankopplung und Angleichung von. Energieniveaus zwischen Emitter und Kollektor wird damit vermieden.Between emitter and collector, a very thin, because of their wide band gap transparent rare earth oxide layer is produced, which allows fast tunneling of hot electrons from the emitter to the collector, the adverse coupling and alignment of. Energy levels between emitter and collector is thus avoided.
Als Kollektor wird ein für das einfallende Licht transparenter Halbleiter weiter Bandlücke eingesetzt, der eine geringe Austrittsarbeit aufweist sowie ein Donorniveau in der Höhe der Austrittsarbeit der Kollektoroberfläche besitzt. Halbleiter, welche diese Anforderungen erfüllen, weisen an ihrer Oberfläche geringe Elektronenaffinitäten oder negative Elektronenaffinitäten auf.As the collector, a semiconductor transparent to the incident light wide band gap is used, which has a low work function and has a donor level in the height of the work function of the collector surface. Semiconductors that meet these requirements have low electron affinities or negative electron affinities on their surface.
Ihr Donorniveau wird durch eine geeignete n-Dotierung erzeugt und damit mit Elektronen besetzt. Das Donorniveau sollte sich möglichst nahe an dem Vakuumniveau der Oberfläche befinden. Mit dieser Anordnung der Niveaus wird erreicht, dass die Elektronen, welche die Tunnelschicht durchquert haben und in das Vakuumniveau des Kollektormaterials injiziert werden, ohne besondere Energieverluste in das Donorniveau gelangen. Die Donorniveaus in n-dotierten Halbleitern liegen gewöhnlich unterhalb der unteren Bandkante des Leitungsbands. Wenn das Vakuumniveau der Kollektoroberfläche nahe beim Donorniveau liegen soll, dann bedingt dies, dass es ebenfalls unterhalb der Bandkante des Leitungsbands liegen muss. In diesem Fall ergibt sich eine negative Energiedifferenz von Vakuumniveau und unterer Leitungsbandkante und damit eine negative Elektronenaffinität. Von Materialien mit Oberflächen negativer Elektronenaffinität ist bekannt, dass sie sehr leicht Elektronen in das Vakuum emittieren. Deshalb sind sie, wie es eine Anzahl von Patentanmeldungen zeigt, als besonders effektive Elektronenemitter für technische Anwendungen wie thermionische Konverter von großer Bedeutung.Their donor level is generated by a suitable n-doping and thus occupied with electrons. The donor level should be as close as possible to the vacuum level of the surface. With this arrangement of the levels, it is achieved that the electrons, which have passed through the tunnel layer and are injected into the vacuum level of the collector material, reach the donor level without any particular energy losses. The donor levels in n-doped semiconductors are usually below the lower band edge of the conduction band. If the vacuum level of the collector surface is to be close to the donor level, then this also means that it must also be below the band edge of the conduction band. In this case, there is a negative energy difference of vacuum level and lower conduction band edge and thus a negative electron affinity. Materials with surfaces of negative electron affinity are known to emit electrons very easily into the vacuum. Therefore, as a number of patent applications show, they are of great importance as particularly effective electron emitters for technical applications such as thermionic converters.
Umgekehrt sind Oberflächen mit negativer Elektronenaffinität sehr gute Absorber für aus dem Vakuum oder aus den energetisch vergleichbaren Tunnelschichten auftreffende Elektronen. Damit weisen als Kollektor nach der Erfindung eingesetzte N-Halbleiter vorzugsweise eine Oberfläche mit negativer Elektronenaffinität auf.Conversely, surfaces with negative electron affinity are very good absorbers for electrons incident from the vacuum or from the energy comparable tunnel layers. Thus, N-type semiconductors used as a collector according to the invention preferably have a surface with negative electron affinity.
Mit Skizze 1 wird das Arbeitsprinzip anhand eines Energiediagramms schematisch dargestellt:
Der Emitter E weist eine möglichst geringe Austrittsarbeit WE auf; entsprechend hoch liegt sein Ferminiveau EFE. Der Kollektor K ist ein Halbleiter mit weiter Bandlücke oberhalb von 3,5 eV zwischen dem Valenzband VB und dem Leitungsband LB. Wegen der weiten Bandlücke ist der Kollektor für die einfallende Strahlung durchgängig. Dementsprechend liegt das Leitungsband im Energiediagramm relativ hoch, in der Höhe des Vakuumniveaus. Das Donorniveau des Kollektors EFK liegt knapp unterhalb des Minimums des Leitungsbands. Fällt ein Photon mit einem Energieinhalt größer als der Austrittsarbeit des Emitters WE auf den Emitter, so wird entweder ein Elektron der Energie EPhoton – WE photoemissiv ausgelöst oder eines mit der Energie des Photon minus der Bandlücke, wenn es sich bei dem Emitter um einen Halbleiter handelt. Dieses Elektron durchquert die Tunnelschicht und trifft ohne besonderen Energieverlust auf die Oberfläche des Kollektors. Dort trifft es in der Höhe des örtlichen Vakuumniveaus auf.
The emitter E has the lowest possible work function W E ; correspondingly high is his Fermi level E FE . The collector K is a wide bandgap semiconductor above 3.5 eV between the valence band VB and the conduction band LB. Because of the wide band gap, the collector is continuous for the incident radiation. Accordingly, the conduction band in the energy diagram is relatively high, in the height of the vacuum level. The donor level of the collector E FK is just below the minimum of the conduction band. If a photon with an energy content greater than the work function of the emitter W E on the emitter, either an electron of energy E photon - W E is triggered photoemissively or one with the energy of the photon minus the band gap when it is at the emitter a semiconductor. This electron traverses the tunnel layer and hits the surface of the collector without any particular loss of energy. There it hits the level of the local vacuum level.
Unter dem Verlust der Energie zwischen dem Vakuumniveau der Oberfläche, EVak,Ob, und dem Donorniveau ED, diese Differenz entspricht der Austrittsarbeit des Kollektors, fällt es auf das Donorniveau des Kollektors herab, oder es muss, falls das Donoriveau höher als das Vakuumniveau liegt, diesen Abstand unter Energieverlust überwinden. Auf der Höhe des Donoriveaus wird der äußere Stromkreis betrieben.Under the loss of energy between the vacuum level of the surface, E Vak, Ob , and the donor level E D , this difference corresponds to the work function of the collector, it drops to the donor level of the collector, or if the donor level is higher than the vacuum level lies, overcome this gap while losing energy. At the level of the donor level, the external circuit is operated.
Kollektoren nach der Erfindung verhalten sich wie thermionische Kollektoren, welche aufgrund keiner oder sehr niedriger Austrittsarbeiten den eintretenden Elektronen keine Barriere entgegensetzen. Das Elektron tritt mit dem Energieinhalt, den es mit dem Austritt in das Vakuumniveau des Emitters aufweist, in das Oberflächenvakuumniveau des Kollektors ein. Damit vereinigt die erfindungsgemäße Anordnung die photoemissive und die photovoltaische Auslösung von Elektronen auf der Emitterseite mit der Absorption der emittierten Elektronen eines thermionischen Kollektors. Collectors according to the invention behave like thermionic collectors, which due to no or very low work functions oppose the entering electrons no barrier. The electron enters the surface vacuum level of the collector with the energy content it has when exiting into the vacuum level of the emitter. Thus, the inventive arrangement combines the photoemissive and the photovoltaic release of electrons on the emitter side with the absorption of the emitted electrons of a thermionic collector.
Die nutzbare Energie beträgt E = E Photon – Austrittsarbeit Emitter – Austrittsarbeit Kollektor.The usable energy is E = E photon work function emitter work function collector.
Ist die Differenz zwischen Oberflächenvakuumniveau und Donor-Niveau des Kollektors und damit seine Austrittsarbeit gering, so kann ein erheblicher Anteil der Energie des Elektrons und damit des auffallenden Lichts genutzt werden. Bezogen auf die Energie der einfallenden Photonen entspricht der Energieverlust der aufzubringenden Austrittsarbeit des Emitters WE plus der Differenz der Energien zwischen Vakuumniveau und Donorniveau des Kollektors, der Austrittsarbeit des Kollektors.If the difference between surface vacuum level and donor level of the collector and thus its work function is low, then a significant proportion of the energy of the electron and thus of the incident light can be used. Based on the energy of the incident photons corresponds to the energy loss of the applied work function of the emitter W E plus the difference in energies between the vacuum level and donor level of the collector, the work function of the collector.
Das beispielhafte Energieschema der Skizze 1 beruht auf in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlichten und anerkannten Werten:
Bezugsniveau ist das Vakuumniveau, dessen Energie definitionsgemäß Null eV entspricht. Die angegebenen Werte sind Energiedifferenzen. Als Emitter dient Lanthanmonosulfid mit einer Austrittsarbeit von 1,14 eV. Kollektor ist ein mit Phosphor dotierter Diamantfilm, der mittels Chemical Vapour Deposititon aus einem Methan/Wasserstoff-Plasma abgeschieden wird, welches Phosphin als Precursor für den Dopanden Phosphor enthält. Die Bandlücke des Diamantfilms beträgt 5,5 eV. Das durch die Dotierung erzeugte Donorniveau liegt 0,6 eV unterhalb des Leitungsbandminimums, die Austrittsarbeit des Bulkmaterials beträgt 1,0 eV.The exemplary energy scheme of
Reference level is the vacuum level, whose energy corresponds to zero eV by definition. The values given are energy differences. The emitter is lanthanum monosulfide with a work function of 1.14 eV. Collector is a doped with phosphorus diamond film, which is deposited by means of chemical vapor deposititon from a methane / hydrogen plasma containing phosphine as a precursor for the dopant phosphorus. The band gap of the diamond film is 5.5 eV. The donor level generated by the doping is 0.6 eV below the conduction band minimum, the work function of the bulk material is 1.0 eV.
Damit liegt das Vakuumniveau des Bulkmaterials 0,4 eV oberhalb des Leitungsbandminimums. Durch die Bindung des Wasserstoffs an der Oberfläche wird dort das Vakuumniveau so weit abgesenkt, dass eine negative Elektronenaktivität von 0,8 eV erhalten wird. An der Oberfläche des Diamantfilms liegt das Vakuumniveau damit 0,8 eV unterhalb des Leitungsbandminimums und 0,2 eV unterhalb des Donorniveaus. Die Energie der nutzbaren Elektronen entspricht der Energie der einfallenden Photonen vermindert um den Betrag der Austrittsarbeit des Emitters sowie der Differenz zwischen Donorniveau und Oberflächenvakuumniveau des Kollektors, also der Austrittsarbeit des Kollektors. In diesem Beispiel beträgt der Energieverlust gegenüber den Photonen 1,14 eV + 0,2 eV = 1,34 eV.Thus, the vacuum level of the bulk material is 0.4 eV above the conduction band minimum. Due to the bonding of the hydrogen at the surface, the vacuum level is lowered there so that a negative electron activity of 0.8 eV is obtained. At the surface of the diamond film, the vacuum level is thus 0.8 eV below the conduction band minimum and 0.2 eV below the donor level. The energy of the usable electrons corresponds to the energy of the incident photons reduced by the amount of the work function of the emitter and the difference between the donor level and the surface vacuum level of the collector, ie the work function of the collector. In this example, the energy loss to the photons is 1.14 eV + 0.2 eV = 1.34 eV.
Geht man von einer Austrittsarbeit des Emitters von 1 eV aus und fällt das Oberflächenvakuumniveau des Kollektors optimalerweise mit seinem Donorniveau zusammen, so beträgt der Energieverlust nur 1 eV. Aus diesem Grund ist es wichtig, Emittermaterialien mit möglichst niedriger Austrittsarbeit einzusetzen sowie die elektronischen Zustände des Kollektors K derart zu gestalten, dass das Donorniveau möglichst nahe am Oberflächenvakuumniveau liegt.Assuming a work function of the emitter of 1 eV and the surface vacuum level of the collector optimally coincides with its donor level, the energy loss is only 1 eV. For this reason, it is important to use emitter materials with the lowest possible work function and to design the electronic states of the collector K such that the donor level is as close as possible to the surface vacuum level.
Skizze 2 zeigt den Aufbau der Zellen nach der Erfindung schematisch dar:
Ein metallisch leitender Rückkontakt (
A metallically conductive back contact (
Die ausgelösten Elektronen tunneln durch die Tunnelschicht (
Das Kollektormaterial weist an seiner Oberfläche eine möglichst niedrige oder negative Elektronenaktivität auf. Damit wird das Vakuumniveau dem Donorniveau angeglichen, es erfolgt ein leichter Übergang vorn Vakuumniveau auf das Donorniveau. Die Elektronen treten ohne Umweg direkt in das Vakuumniveau der Kollektoroberfläche ein. Allenfalls haben sie nur den geringen Abstand zwischen Vakuumniveau und Donorniveau zu überwinden.The collector material has on its surface as low as possible or negative electron activity. Thus, the vacuum level is adjusted to the donor level, there is a slight transition from the vacuum level to the donor level. The electrons enter directly into the vacuum level of the collector surface without detour. At most, they only have to overcome the small distance between vacuum level and donor level.
Da der Kollektor wie der Emitter sehr dünn sein soll, wird er zur Verbesserung der Ableitung der elektrischen Ladungen mit der Schicht eines dickeren transparenten elektrisch leitfähigen Oxids (
Besondere Sorgfalt gilt der Auswahl der Emittermaterialien mit besonders niedriger Austrittsarbeit:
Neuere Arbeiten beschreiben Seltenerdmonosulfide als thermodynamisch stabile Verbindungen mit attraktiv niedrigen Austrittsarbeiten. An den seltenerdreichen Monosulfiden des Typs SES (SE = Seltenerdmetall) werden sehr niedrige Austrittsarbeiten gemessen, wie für NdS 1,36 eV, für CeS 1,05 eV oder für LaS 1,14 eV (
Recent work describes rare earth monosulfides as thermodynamically stable compounds with attractive low work functions. Very low work functions are measured on the rare earth-rich monosulfides of the SES (SE = rare-earth metal) type, as for NdS 1.36 eV, for CeS 1.05 eV or for LaS 1.14 eV (
Die Seltenerdmonosulfide befinden sich bezüglich ihren elektronischen Eigenschaften am Übergang von Halbleitern zu Semimetallen. Das unterste Niveau des Leitungsbands liegt nur geringfügig oberhalb des obersten Niveaus des Valenzbands, oder es überlappt geringfügig mit dem obersten Niveau des Leitungsbands. Das Leitungsband ist jedoch kaum mit Elektronen besetzt. So kommt es zu optisch induzierten Elektronenübergängen; die Verbindungen sind farbig. Cermonosulfid zeigt wie das Lanthanmonosulfid eine goldgelbe Farbe. Die elektrischen Widerstände liegen erfreulich niedrig im Bereich von 20 bis 200 Mikroohm mal Zentimeter.The rare earth monosulfides are at the transition from semiconductors to semimetals with respect to their electronic properties. The lowest level of the conduction band is only slightly above the uppermost level of the valence band, or it overlaps slightly with the uppermost level of the conduction band. However, the conduction band is hardly occupied by electrons. This leads to optically induced electron transitions; the compounds are colored. Cermonosulfide shows as the lanthanum monosulfide a golden yellow color. The electrical resistances are pleasingly low in the range of 20 to 200 microohms by centimeters.
Die Schmelzpunkte der Seltenerdmonosulfide liegen bei 2.000°C bis 2.500°C (LaS: 2.200°C, CeS: 2.450°C). Damit liegen sehr stabile, hochrefraktäre Verbindungen vor.The melting points of the rare earth monosulfides are 2,000 ° C to 2,500 ° C (LaS: 2,200 ° C, CeS: 2,450 ° C). This results in very stable, highly refractory compounds.
Eine Zusammenfassung des neuesten Stands wissenschaftlicher Arbeiten bezüglich Seltenerdmonosulfide gibt der Artikel
Eine mögliche Erklärung für die niedrigen Austrittsarbeiten der Seltenerdmonosulfide liegt darin, dass in den Sulfiden wegen des thermodynamischen Gleichgewichts zwischen Monosulfid und Sesquisulfid nach
Analoge Verhältnisse gelten auch für die Selenide und Telluride der Seltenerdmetalle. Sie sind tieferfarbig, so ist EuSe von dunkelbrauner Farbe. Die Schmelzpunkte der Monoselenide liegen etwas niedriger als die der Sulfide, nämlich bei 1.800°C (CeSe) bis 2.000°C (LaSe). Die Schmelzpunkte der Seltenerdmonotelluride SETe liegen erwartungsgemäß geringfügig unter denen der Monoselenide. So weist CeTe einen Schmelzpunkt von 1.800°C auf, LaTe einen von 1.760°C. Aus Analogiegründen ist zu erwarten, dass die Austrittsarbeiten der Seltenerdmonoselenide und der Seltenerdmonotelluride unter denen der Seltenerdmonosulfide liegen.Analogous conditions also apply to the selenides and tellurides of rare earth metals. They are deep-colored, so EuSe is dark brown in color. The melting points of the monoselenides are slightly lower than those of the sulfides, namely at 1,800 ° C (CeSe) to 2,000 ° C (LaSe). As expected, the melting points of the rare earth monotellurides are below those of the monoselenides. For example, CeTe has a melting point of 1,800 ° C, while LaTe has a temperature of 1,760 ° C. For reasons of analogy, it is to be expected that the work functions of the rare earth monoselenides and the rare earth monotellurides are below those of the rare earth monosulfides.
Die Kombination extrem niedriger Austrittsarbeiten und hoher thermodynamischer Stabilitäten machen die Seltenerdmonosulfide wie auch die Monoselenide und Monotelluride zu wirkungsvollen Elektronenemittern.The combination of extremely low work functions and high thermodynamic stabilities make the rare earth monosulfides as well as the monoselenides and monotellurides effective electron emitters.
Die Seltenerdmonosulfide, Seltenerdmonoselenide und Seltenerdmonotelluride weisen mit ihrer geringen Austrittsarbeit gegenüber oberflächlich aktivierten Materialien nach dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sie als ,Bulk' thermodynamisch extrem stabil sind, durch konkrete Phasendiagramme gekennzeichnet.The rare earth monosulfides, rare earth monoselenides and rare earth monotellurides, with their low work function compared to superficially activated materials according to the prior art, have the advantage that they are extremely thermodynamically stable as 'bulk', characterized by concrete phase diagrams.
Als Elektronenemitter setzt man damit dünne Schichten von Seltenerdmonosulfiden, Seltenerdmonoseleniden oder Seltenerdmonotelluriden oder Mischverbindungen davon ein. Diese entsprechen den Formeln
Obwohl Yttrium nicht zu den Seitenerdmetallen zählt, verhält es sich wie Seltenerdmetalle, sodass Yttriumsulfid, YS, Schmelzpunkt 2.060°C, sowie Yttriumselenid und Yttriumtellurid ebenfalls zu den erfindungsgemäßen Elektronenemittern zählen.Although yttrium does not belong to the rare earth metals, it behaves like rare earth metals, so that yttrium sulfide, YS, melting point 2,060 ° C, as well as yttrium selenide and yttrium telluride also belong to the electron emitters according to the invention.
Aus wirtschaftlichen Gründen kann es auch von Vorteil sein, anstelle eines definierten Seltenerdmetalls eine Mischung von Seltenerdmetallen, das so genannte Mischmetall, zur Herstellung der erfindungsgemäß genutzten Seltenerdverbindungen einzusetzen.For economic reasons, it may also be advantageous, instead of a defined rare earth metal, to use a mixture of rare earth metals, the so-called mischmetal, for producing the rare earth compounds used according to the invention.
Die Seltenerdmonosulfide werden hergestellt, indem man in einem ersten Schritt die preiswerten Seltenerdoxide mit Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff oder Dithiocarbamaten zu den Sesquisulfiden umsetzt. Die Sesquisulfide werden im zweiten Schritt in fester Phase als Pulver mit dem entsprechenden Seltenerdmetall bei Temperaturen um 1.800°C umsetzt. So erhält man beispielsweise Lanthanmonosulfid durch die Umsetzung
Rein formal wird dreiwertiges Lanthan mit nullwertigem, elementarem Lanthan zu zweiwertigem Lanthan reduziert. Weitere Möglichkeiten der Herstellung der Seltenerdmonosulfide, beispielsweise durch Umsetzung der Sesquisulfide mit den Seltenerdhydriden:
Die Seltenerdmonosulfide, -selenide oder -telluride können durch Heißpressen beispielsweise zu Sputtertargets gepresst werden, aus deren Einsatz sich dünne Schichten der Seltenerdverbindungen herstellen lassen.The rare earth monosulfides, selenides or tellurides can be pressed by hot pressing, for example, into sputtering targets, from the use of which thin layers of the rare earth compounds can be produced.
In vielen wissenschaftlichen Arbeiten, welche sich auf Lanthanmonosulfid wegen dessen niedriger Austrittsarbeit um 1 eV beziehen, wird angegeben, dass nach der Abscheidung durch die Verdampfung durch Laserimpulse (pulsed laser deposition), kristallines Lanthanmonosulfid in Inseln von mehr oder weniger amorphem Material oder anderen kristallinen Orientierungen vorläge (
Bei den hohen Temperaturen unter den Abscheidebedingungen der Laserverdampfung erhält die Rückreaktion nach der obigen Gleichung mehr Gewicht,
At the high temperatures under the deposition conditions of the laser evaporation, the back reaction gets more weight according to the above equation,
Nach dem raschen Abkühlen der dünnen Schicht wird die Oberflächenbelegung mit dem Sesquisulfid „eingefroren”, es kann mit dem elementaren Seltenerdmetall nicht mehr zum Monosulfid zurückreagieren. Die Konzentrationen an Sesquisulfid und Seltenerdmetall sind derart gering, dass sie durch Röntgendiffraktion nicht erfasst werden können. Sie sind jedoch derart groß, dass sie die Austrittsarbeit der Oberfläche bestimmen, nämlich mit gerade dem Wert von 2,8 bis 3 eV, der den Werten der Austrittsarbeit des Sesquisulfids mit 2,8 eV und des Lanthans mit 3,1 eV entspricht. Für die Anwesenheit von Sesquisulfid spricht auch, dass man Oxisulfide der Form La2O2S durch die Gegenwart von Schwefelwasserstoff während der Laserverdampfung reduziere. Eine derartige Reduktion führt aber nicht zum Monosulfid, sondern zum Sesquisulfid mit seiner hohen Austrittsarbeit. Zusätzlich wird unter den vorlegenden hohen Temperaturen durch Schwefelwasserstoff die Bildung von Sesquisulfid nach
Nach dieser Kenntnis ist es von Vorteil, Beschichtungsverfahren zur Abscheidung der Monoverbindungen zu nutzen, welche die sehr hohen Temperaturen der Laserverdampfung und damit die Zersetzung in die Elemente vermeiden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise die Kathodenzerstäubung (Sputtern). Durch verbesserte Verfahrensbedingungen, welche während der Laserverdampfung flüssige oder feste Nanocluster entstehen lassen, erwartet man auch mit dieser Abscheidetechnik eine Erhöhung der Ausbeute hinsichtlich von Flächenanteilen niedriger Austrittsarbeit um 1 eV (
Aus wirtschaftlichen Gründen wird man den Einsatz der Seltenerdmonosulfide gegenüber den Seleniden oder Telluriden vorziehen; Selen und Tellur sind wesentlich teurer als Schwefel.For economic reasons, it will be preferable to use the rare earth monosulfides over the selenides or tellurides; Selenium and tellurium are much more expensive than sulfur.
Weitere erfindungsgemäß einsetzbare Elektronenemitter sind thermodynamisch stabile intermetallische Verbindungen der Seltenerdmetalle mit sehr niedriger Austrittsarbeit, wie sie in der deutschen Patentanmeldung
Es handelt sich dabei um die Antimonide und Bismutide von Seltenerdmetallen (Schmelzpunkte in Klammern) wie CeSb (1.760°C), La3Sb2 (1.690°C), SmSb (1.875°C) oder SbY (2.310°C). Als Emittermaterialien niedriger Austrittsarbeit geeignet sind beispielsweise die Bismutide NdBi oder YBi. Diese weisen Schmelzpunkte um 2.000°C auf.These are the antimonides and bismuthides of rare earth metals (melting points in parentheses) such as CeSb (1760 ° C), La 3 Sb 2 (1690 ° C), SmSb (1875 ° C) or SbY (2310 ° C). Suitable low-work-function emitter materials are, for example, the bismuthides NdBi or YBi. These have melting points around 2,000 ° C.
Yttrium gehört zwar formal nicht zu den Seltenerdmetallen, es verhalt sich, wie vorne bereits angeführt, aber sehr ähnlich und weist eine vergleichbare Elektronegativität auf. Deshalb ist auch das Antimonid SbY als Emitter geeignet.Although yttrium is not formally one of the rare earth metals, it behaves very similar as stated above and has a comparable electronegativity. Therefore, the antimonide SbY is also suitable as an emitter.
Die Seltenerdmetalle Lanthan, Cer, Neodym und Samarium oder Mischungen von Seltenerdmetallen, so genanntes Mischmetall, werden auch hier aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt.The rare earth metals lanthanum, cerium, neodymium and samarium or mixtures of rare earth metals, so-called mischmetal, are also preferred here for economic reasons.
Weitere Emittermaterialien im Sinne dieser Erfindung sind die hochschmelzenden Germanide, Stannide oder Plumbide wie La5Ge3 (1.475°C), LaGe2-x (1.500°C), Ce5Ge3 (1.500°C), CeGe2-x (1.513°C), Ce5Sn4 (1.530°C), La5Sn4 (1.600°C), Sm5Sn3 (1.505 °C), La5Pb3 (1.450°C), Sm5Pb3 (1.580°C) oder Ce2Pb (1.380°C).Further emitter materials for the purposes of this invention are the high-melting germanides, stannides or plumbides such as La 5 Ge 3 (1475 ° C.), LaGe 2-x (1500 ° C.), Ce 5 Ge 3 (1500 ° C.), CeGe 2-x ( 1.513 ° C), Ce 5 Sn 4 (1.530 ° C), La 5 Sn 4 (1600 ° C), Sm 5 Sn 3 (1.505 ° C), La 5 Pb 3 (1450 ° C), Sm 5 Pb 3 ( 1,580 ° C) or Ce 2 Pb (1,380 ° C).
Als weitere Emittermaterialien sind die Aluminide, Indide und Gallide der Seltenerdmetalle einsetzbar.As further emitter materials, the aluminides, indides and gallides of rare earth metals can be used.
Solche sind Aluminide wie LaAl2 (1.450°C), GdAl2 (1.480°C), CeAl2 (1.480°C), SmAl2 (1.490°C), NdAl2 (1.460°C) oder EuAl2 (1.300°C) sowie YAl2 (1.455°C),
Gallide wie CeGa2 (1.444°C), LaGa2 (1.450°C), NdGa2 (1.488°C), SmGa2 (1.380°C),
Indide wie SmIn3 (1.130°C), SmIn (1.210°C), NdIn3 (1.220°C), NdIn (1.230°C), LaIn3 (1.140°C), LaIn (1.125°C), La3In5 (1.185°C).Such are aluminides such as LaAl 2 (1450 ° C), GdAl 2 (1480 ° C), CeAl 2 (1480 ° C), SmAl 2 (1490 ° C), NdAl 2 (1460 ° C) or EuAl 2 (1300 ° C ) as well as YAl 2 (1.455 ° C),
Gallides such as CeGa 2 (1.444 ° C), LaGa 2 (1450 ° C), NdGa 2 (1.488 ° C), SmGa 2 (1380 ° C),
Indides such as SmIn 3 (1,130 ° C), SmIn (1,210 ° C), NdIn 3 (1,220 ° C), NdIn (1,230 ° C), LaIn 3 (1,140 ° C), LaIn (1,125 ° C), La 3 In 5 (1,185 ° C).
Eine weitere sehr wichtige Stoffklasse für die erfindungsgemäßen photoelektrischen Generatoren stellen intermetallische Verbindung mit negativ geladenem Magnesium dar, die Magneside, in der englischen Literatur als ,Magnides' bezeichnet. Mit den Magnesiden liegt der Extremfall eines eigentlich sehr elektropositiven Akzeptors, des Magnesiums, vor. Diesem Atom, das bestrebt ist, durch Elektronenabgabe Mg2+-Ionen zu bilden und damit seine Energie zu minimieren, werden durch den starken Donor noch zusätzliche negative Ladungen aufgezwungen. Entsprechend niedrig sind die Austrittsarbeiten. Derartige Magneside sind
CeMg3 (790°C), LaMg3 (800°C), NdMg (800°C), SmMg (796°C) oder SmMg2 (744°C). Another very important class of compounds for the photoelectric generators of the present invention is negatively charged magnesium intermetallic compound, called magnesides, referred to in the English literature as 'Magnides'. With the magnesides is the extreme case of a really very electropositive acceptor, the magnesium, before. This atom, which seeks to form Mg 2+ ions by electron donation and thus minimize its energy, is forced by the strong donor still additional negative charges. The work functions are correspondingly low. Such magnesides are
CeMg 3 (790 ° C), LaMg 3 (800 ° C), NdMg (800 ° C), SmMg (796 ° C) or SmMg 2 (744 ° C).
Viele dieser Magneside sind als ,Laves-Phasen' bekannt.Many of these magnesides are known as 'Laves phases'.
Die aufgeführten Seltenerdverbindungen niedriger Austrittsarbeit können sowohl Halbleiter sein, semimetallischen Charakter zeigen oder sich wie Metalle verhalten.The listed low-work-function rare earth compounds may be both semiconductors, semimetallic in character, or behave like metals.
Die Erfindung ist nicht auf binäre Verbindungen beschränkt. Sowohl die Seltenerdkomponente wie auch der komplementäre Bindungspartner können aus mehreren Elementen ähnlicher Austrittsarbeit bestehen. Allerdings werden die binären Verbindungen aufgrund ihrer thermischen Stabilität, ihrer höheren Schmelzpunkte, ihrer einfacheren Phasendiagramme, ihrer reproduzierbarer Beschichtungen und ihrer leichteren Zugänglichkeit bevorzugt.The invention is not limited to binary connections. Both the rare earth component and the complementary binding partner may consist of several elements of similar work function. However, the binary compounds are preferred for their thermal stability, higher melting points, simpler phase diagrams, reproducible coatings, and easier accessibility.
Die aufgeführten intermetallischen Seltenerdverbindungen können zur weiteren Absenkung ihrer Austrittsarbeit einen Überschuss an Seltenerdkomponente enthalten. Dieser Überschuss kann 0,01 bis zu 10 Atom-Prozent betragen, vorzugsweise 0,1 bis 1 Atomprozent.The listed rare earth intermetallic compounds may contain an excess of rare earth component to further reduce their work function. This excess may be 0.01 to 10 atomic percent, preferably 0.1 to 1 atomic percent.
Diese Vorgehensweise ist möglich, weil sich entsprechend der Phasendiagramme in diesen intermetallischen Verbindungen ein Überschuss an Seltenerdmetall im festen Zustand atomar verteilt löst. Es ist überdies vorteilhaft, in den Emittermaterialien einen gegenüber der Stöchiometrie kleinen Überschuss von Seltenerdmetall zu lösen, weil ein derartiger Überschuss die praktikable Herstellung der isolierenden Tunnelschicht ermöglicht.This procedure is possible because, according to the phase diagrams in these intermetallic compounds, an excess of rare earth metal dissolves atomically in the solid state. It is also advantageous to dissolve in the emitter materials a small excess of rare earth metal relative to the stoichiometry, because such an excess makes it possible to produce the insulating tunnel layer in a practicable manner.
Eine entscheidende Eigenschaft in der Anwendung als Material für einen Emitter ist dessen Quantenausbeute (Quantum efficiency). Bei Metallen liegt diese nur bei 0,001 bis 0,1%, was bedeutet, dass pro tausend bis hunderttausend Lichtquanten nur ein Elektron aus der Materialoberfläche austritt. Allerdings steigt die Quantenausbeute mit sinkender Austrittsarbeit. Die Alkaliantimonide, Cs3Sb oder K2CsSb mit Austrittsarbeiten um 1,5 eV weisen als metallische Materialien immerhin Quantenausbeuten von 1 bis 15% auf, Cs2Te bis zu 20%.A crucial property in the application as material for an emitter is its quantum efficiency. For metals, this is only 0.001 to 0.1%, which means that only one electron exits the material surface per thousand to one hundred thousand light quanta. However, the quantum yield increases with decreasing work function. The Alkaliantimonide, Cs 3 Sb or K 2 CsSb with work functions around 1.5 eV have as metallic materials after all quantum yields of 1 to 15%, Cs 2 Te up to 20%.
Als Materialien sehr niedriger Austrittsarbeit sowie wegen der durch die Verbindungsbildung zwischen Donator und Akzeptor weisen die Aluminide, Gallide, Indide, und Magneside der Seltenerdmetalle wesentlich höhere Quantenausbeuten auf: Wegen des erheblichen Anteils an der chemischen Bindung sind viel weniger freie Elektronen vorhanden, welche im Vergleich zu Metallen die auffallende Strahlung reflektieren oder durch Stöße die Energie der Strahlung in nutzlose Wärme umwandeln. Andererseits sind aber noch genügend bewegliche Elektronen vorhanden, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Der hohe Anteil an Elektronenbindung lässt sich schon aus den Schmelzpunkten ablesen: So beträgt der Schmelzpunkt des CeAl2 1.480°C, die Schmelzpunkte von Cer mit 795°C und der des Aluminiums mit 660°C liegen wesentlich niedriger. Zum Vergleich: Das technisch als Emitter in Photomultipliern genutzte Cäsiumantimonid Cs3Sb weist einen Schmelzpunkt von 725°C auf, der Schmelzpunkt des Cäsiums liegt bei 28°C, der des Antimon bei 630°C, was darauf hinweist, dass die chemische Bindung im Ceraluminid stärker ist und seine Quantenausbeute damit größer ist als die des Cäsiumantimonids.As materials of very low work function, as well as because of the donor to acceptor linkage, the rare earth element aluminides, gallides, indides, and magnesides have significantly higher quantum yields. Because of the substantial amount of chemical bonding, there are much fewer free electrons compared to metals that reflect incident radiation or to transform the energy of radiation into useless heat by means of collisions. On the other hand, enough electrons are still available to allow a high electrical conductivity. The high proportion of electron binding can be seen from the melting points: The melting point of CeAl 2 is 1,480 ° C, the melting point of cerium at 795 ° C and that of aluminum at 660 ° C are much lower. For comparison, the cesium antimonide Cs 3 Sb, which is used as an emitter in photomultipliers, has a melting point of 725 ° C, the cesium melting point is 28 ° C, that of antimony is 630 ° C, indicating that the chemical bond is in the Ceraluminid is stronger and its quantum yield is thus greater than that of cesium antimonide.
Dies gilt in besonderer Weise auch für die Verbindungsbildung zwischen Seltenerdmetall und Schwefel, Selen oder Tellur. Damit weisen die Seltenerdmonosulfide, Seltenerdmonoselenide und Seltenerdmonotelluride ebenfalls hohe Quantenausbeuten auf.This applies in a special way also for the connection formation between rare earth metal and sulfur, selenium or tellurium. Thus, the rare earth monosulfides, rare earth monoselenides and rare earth monotellurides also have high quantum yields.
Der hohe Anteil an Elektronenbindung lässt sich aus den hohen Schmelzpunkten der Verbindungen im Bereich von 1.800 bis 2.500°C ablesen. Die Seltenerdmetalle schmelzen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 800 bis 1.100°C, Schwefel, Selen und Tellur schmelzen unterhalb von 450°C.The high proportion of electron binding can be read from the high melting points of the compounds in the range of 1,800 to 2,500 ° C. The rare earth metals melt at relatively low temperatures of 800 to 1100 ° C, sulfur, selenium and tellurium melt below 450 ° C.
Besondere Sorgfalt gilt auch der Materialauswahl der Tunnelschicht (
Die Tunnel-Schicht sollte möglichst dünn sein, um den Tunneleffekt bereits bei niedrigen Potenzialdifferenzen zu ermöglichen und zudem eine genügend hohe Energielücke aufweisen, um transparent zu sein. Aus der Mikroelektronik sind Tunnelschichtdicken von 0,2 bis 10 Nanometer, vorzugsweise 0,5 bis 5 Nanometer für Tunnelschichten bekannt. Dieser Schichtdickenbereich findet auch bei den Anordnungen nach der Erfindung Einsatz. Beträgt die Spannungsdifferenz zwischen Emitter (
The tunneling layer should be as thin as possible in order to enable the tunneling effect even at low potential differences and also have a sufficiently high energy gap to be transparent. From the Microelectronics are tunnel layer thicknesses of 0.2 to 10 nanometers, preferably 0.5 to 5 nanometers for tunneling layers known. This layer thickness range is also used in the arrangements according to the invention. Is the voltage difference between emitters (
Als Tunnelmaterialien werden die Seltenerdoxide eingesetzt, die man aus der Emitterschicht durch oberflächliche Oxidation erzeugt. Seltenerdoxide weisen Energielücken von 3,5 bis 5 eV auf (z. B. La2O3: 4,3 eV); mit Schmelztemperaturen von 2.300°C bis 2.500°C sind sie thermodynamisch sehr stabil. Eine störende elektrische Leitfähigkeit der Seltenerdoxide durch den Transport von Sauerstoffionen muss bei den Temperaturen der Anwendung von weit unterhalb 600°C nicht befürchtet werden. Diese Eigenschaften führten zu der vermehrten Anwendung von Seltenerdoxiden als „Gate dielectric” in der Mikroelektronik (
Nach dem Durchqueren der Tunnelschicht treffen die hochenergetischen Elektronen auf den Kollektor (
Der Kollektor (
Während die Halbleiter mit enger Bandlücke wie Silizium, Germanium, Indiumantimonid oder Bleitellurid hohe Elektronenaffinitäten aufweisen, zeigen jene mit weiten Bandlücken gerade wegen der weiten Bandlücke vergleichsweise niedrige Elektronenaffinitäten. Die Elektronenaffinität von Halbleitern mit weiter Bandlücke lässt sich durch verschiedene bekannte Maßnahmen erniedrigen oder zu negativen Werten bringen. So sinkt die Elektronenaffinität der Oberfläche von Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid nach einer oberflächlichen Adsorption von Cäsium/Sauerstoff auf Werte um –0,7 eV ab (
Eine Übersicht gibt das Buch
Diamantfilme lassen sich durch die Zugabe von borhaltigen flüchtigen Verbindungen wie Diboran in die Abscheideatmosphäre p-dotieren. Interessanter für den Einsatz im Sinne der Erfindung ist die N-Dotierung, welche zu besetzten Donorniveaus knapp unterhalb des Leitungsbandes führt. Sowohl mit stickstoffhaltigen Verbindungen wie Ammoniak wie auch mit phosphorhaltigen Verbindungen wie Phosphin lässt sich eine N-Dotierung erreichen.Diamond films can be p-doped by the addition of boron-containing volatile compounds such as diborane in the deposition atmosphere. More interesting for use in the context of the invention is the N-doping, which leads to occupied donor levels just below the conduction band. N-type doping can be achieved both with nitrogen-containing compounds such as ammonia and with phosphorus-containing compounds such as phosphine.
Die Dotierung mit Stickstoff führt zu einem Donorniveau, das 1,7 eV unter dem Leitungsbandminimum liegt, die Austrittsarbeit liegt im Bereich von 1,4 bis 1,9 eV und damit um diesen Energiebetrag höher als das Donorniveau (
Günstigere Werte werden durch die Dotierung mit Phosphor erreicht. Die Austrittsarbeit wird auf Werte von 0,9 bis 1,2 eV erniedrigt. Das durch die Dotierung erzeugte besetzte Donorniveau liegt näher an der unteren Kante des Leitungsbands, sein Abstand ist im Bereich von 0,6 eV (
Schließlich werden unter den Abscheidebedingungen Oberflächen erzeugt, an welche Wasserstoff gebunden ist. Die Bindung des Wasserstoffs führt an der Diamantoberfläche zu einer erheblichen Absenkung des Vakuumniveaus und damit der Elektronenaffinität auf Werte um –0,5 bis –1,2 eV (
Auch durch die Oberflächenbelegung mit Cäsium werden Diamantoberflächen mit negativer Elektronenaffinität erhalten.The surface coverage of cesium also yields diamond surfaces with negative electron affinity.
Die Belegungen der Diamantfilme mit Wasserstoff oder mit Cäsium (Schmelzpunkt 28°C, Siedepunkt 671°C) weisen den Nachteil auf, dass diese Oberflächenbelegungen wenig stabil sind. Die Modifizierung mit Erdalkalimetallen, vor allem mit Barium, ergibt dagegen Diamantfilme, die noch oberhalb von 1.000°C eine negative Elektronenaffinität aufweisen (
Bevorzugte Kollektorfilme sind demnach mit Phosphor oder Antimon n-dotierte Diamantfilme, welche oberflächlich mit Barium dotiert sind. Diese Filme sind infolge der hohen Bandlücke von 5,5 eV optisch transparent, weisen eine stabile negative Elektronenaffinität auf, und ihr Donorniveau befindet sich sehr nahe am Vakuumniveau oder fällt mit diesem zusammen.Accordingly, preferred collector films are n-doped diamond films with phosphorus or antimony, which are surface-doped with barium. These films are optically transparent due to the high band gap of 5.5 eV, have a stable negative electron affinity, and their donor level is very close to or coincident with the vacuum level.
Für die Funktion der erfindungsgemäßen photovoltaischen Zellen ist es von hoher Bedeutung, dass zwischen den einzelnen Schichten keine nachteiligen chemischen Reaktionen unter der Ausbildung störender Verbindungen stattfinden. Damit gehört die Auswahl der optimalen Materialkombination ebenfalls zu der Aufgabe der Erfindung.It is of great importance for the function of the photovoltaic cells according to the invention that no disadvantageous chemical reactions take place between the individual layers with the formation of interfering compounds. Thus, the selection of the optimal material combination is also part of the object of the invention.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Zelle kann folgendermaßen erfolgen:
Bei der Anwendung der aufgeführten Elektronenemitter sind naturgemäß die Oberflächeneigenschaften von besonderer Wichtigkeit, sodass man bestrebt ist, diese Materialien sehr sauber und dennoch kostengünstig in der Form von sehr dünnen Schichten auf inerten Substraten herzustellen. Die Schichten werden auf dem Substrat bevorzugt durch Sputtern erzeugt.The structure of the cell according to the invention can be carried out as follows:
In the application of the listed electron emitters naturally the surface properties are of particular importance, so that one endeavors to produce these materials very cleanly and yet inexpensively in the form of very thin layers on inert substrates. The layers are preferably formed on the substrate by sputtering.
Als Rückkontakt (
Die Stärke der Emitterschicht (
Zur reproduzierbaren Ausbildung der Tunnel-Schicht sind grundsätzlich zwei Varianten möglich:
Mit der ersten Variante beschichtet man die Emitterschicht (
The first variant is used to coat the emitter layer (
Nach der zweiten, bevorzugten Variante setzt man die abgeschiedene Emitterschicht (
Besteht die Emitterschicht aus Seltenerdmonosulfiden, -monoseleniden oder -monotelluriden, so ist es möglich, dass nicht die Seltenerdoxide, sondern Seltenerdoxichalkogenide gebildet werden wie beispielsweise
Dies ist nicht von Nachteil, weil auch die Seltenerdchalkogenide der Form SEO2S mit ihren Bandlücken von 4,6 bis 4,8 eV gute Isolatoren sind und so eine geeignete transparente Tunnel-Schicht bilden. Ihre Schmelztemperaturen von 2.000°C bis 2.100°C weisen auf eine ebenfalls hohe thermodynamische Stabilität hin.This is not disadvantageous because even the rare earth chalcogenides of the form SEO 2 S with their band gaps of 4.6 to 4.8 eV are good insulators and thus form a suitable transparent tunnel layer. Their melting temperatures of 2,000 ° C to 2,100 ° C indicate a likewise high thermodynamic stability.
Weil die Seltenerdmetalle extrem unedel sind, wird die Tunnelschicht aus Seltenerdoxid oder Seltenerdoxisulfid unter den Abscheidebedingungen nicht zu den Seltenerdmetallen reduziert. Auch um diesen Umstand zu nutzen, werden als Tunnelmaterial Seltenerdoxide oder Seltenerdoxisulfide eingesetzt. Ihre Schichtdicke beträgt 0,2 bis 100 Nanometer, bevorzugt 1 bis 10 Nanometer.Because the rare earth metals are extremely non-precious, the rare earth oxide or rare earth oxysulfide tunneling layer is not reduced to the rare earth metals under the deposition conditions. Also, to take advantage of this fact, rare earth oxides or rare earth oxysulfides are used as the tunneling material. Its layer thickness is 0.2 to 100 nanometers, preferably 1 to 10 nanometers.
Die Kollektorschicht (
Wegen der geringen Dicke der Kollektorschicht (
Die transparente elektrisch leitende Schicht (
Die Antireflexschicht (
Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Anordnung gemäß einer zweiten Variante in umgekehrter Reihenfolge aufzubauen:
Zunächst wird auf eine geeignete Glasplatte die Antireflexschicht (
First, on a suitable glass plate, the antireflection coating (
Vergleichsweise ist bei Siliziumzellen nach dem Stand der Technik ein Erhalt der heißen Ladungsträger nicht möglich. Die Austrittsarbeit des Siliziums mit rund 5 eV ist zu hoch. Der Unterschied zwischen den Austrittsarbeiten von p- und n-Silizium ist zu niedrig, um einen Übergang der Ladungsträger zu ermöglichen, der schneller ist als die Geschwindigkeit der Thermalisierung. Außerdem entstehen die Ladungsträger bei denn indirekten Halbleiter Silizium tief im Inneren des Siliziums; die Lebenszeit der heißen Elektronen ist zu gering, um an die Grenzfläche des P/N-Übergangs diffundieren zu können.By comparison, it is not possible to obtain the hot charge carriers in the case of silicon cells according to the prior art. The work function of the silicon with around 5 eV is too high. The difference between the Work functions of p-type and n-type silicon are too low to allow carrier transfer which is faster than the rate of thermalization. In addition, the charge carriers arise because of indirect semiconductor silicon deep inside the silicon; the lifetime of the hot electrons is too low to be able to diffuse to the interface of the P / N junction.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Ladungsträger dagegen sehr nahe an der Oberfläche des Emitters niedriger Austrittsarbeit gebildet; die Zeit zum Übertritt in den Kollektor (
Mit den erfindungsgemäß eingesetzten Materialien, ihren Anordnungen und ihren Materialkombinationen wird die Nutzung heißer Ladungsträger bei der Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie in der Praxis ermöglicht.With the materials used according to the invention, their arrangements and their material combinations, the use of hot charge carriers in the conversion of radiation into electrical energy is made possible in practice.
Die Materialkombinationen nach der Erfindung können auch als Emitter von Elektronenkanonen sowie als Photokathoden in Photomultipliern, Restlichtverstärkern oder generell als kalte Kathoden eingesetzt werden.The material combinations according to the invention can also be used as emitters of electron guns and as photocathodes in photomultipliers, residual light amplifiers or generally as cold cathodes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
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Effective date: 20140902 |