DE102012005802A1 - Energiewandeleinrichtung mit selektiven Kontakten - Google Patents

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Abstract

Eine resonante Tunneleinrichtung weist ein erstes Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz zwischen den Valenz- und Leitungsbändern von Eg1 sowie ein zweites Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsbändern von Eg2 auf, wobei Eg1 und Eg2 voneinander verschieden sind. Die Einrichtung weist des Weiteren eine energieselektiv übertragende Grenzfläche auf, welche die ersten und zweiten Halbleitermaterialien verbindet.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Wandlung von Sonnenergie in Elektrizität. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Absorption von Sonnenenergie und ihre Wandlung in Elektrizität durch einen Zwischenschritt, welcher die Energieverteilung der Energieträger in dem System begrenzt oder beschränkt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Standard-Einzelübergangs-Photovoltaikzelle kann nur zu 31% wirksam sein unter AM1.5G-Bedingungen (40% bei voller Konzentration). Dies beruht auf dem Unvermögen der Zelle, Photonen mit einer Energie zu absorbieren, die unterhalb ihrer Bandlücke liegt, und auf dem Umstand, dass, falls Photonen eine Energie von mehr als der Bandlücke besitzen, sämtliche zusätzliche Energie als Wärme im Gitter verloren geht. 1 zeigt, wie ein Photon mit einer Energie absorbiert wird, welche gleich ist zur Bandlückenenergie 1, und wie ein Photon mit einer Energie absorbiert wird, die größer ist als die Bandlückenenergie 2, und wie die zusätzliche Energie als Wärme an das Gitter 3 verloren geht.
  • Verschiedene Zugänge wurden ersonnen, um dieses Problem zu lösen: Mehrübergangszellen, Zwischenbandzellen, Mehrfachexzitonen erzeugende Zellen und Zellen mit heißen Trägern [sämtliche sind zusammengefasst in M. A. Green, Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, Springer (December, 2005)]. Der erfolgreichste Zugang wird gebildet von Mehrübergangszellen, welche eine Mehrzahl absorbierender Halbleiterschichten aufweisen, von denen jede eine unterschiedliche Bandlücke besitzt. Diese wird so ausgebildet, dass Photonen mit unterschiedlichen Energien in unterschiedlichen Schichten der Zelle derart absorbiert werden, dass die Photonenergie gut an die Schichtbandlücke angepasst ist, und dass die Photonenergie, die über die Bandlücke hinausgeht und die als Wärme verloren geht, minimiert wird. Jedoch sind derartige Einrichtungen teuer, und zwar auf Grund der Schwierigkeit des Aufwachsens unterschiedlicher Hableiterschichten mit optimalen Bandlücken übereinander.
  • Der hier dargestellte Aufbau steht in engem Zusammenhang mit Solarzellen mit heißen Trägern; einen Überblick über das Konzept von Solarzellen mit heißen Trägern kann in der Veröffentlichung von Würfel gefunden werden [P. Würfel et al, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 13[4] 277–285 (June, 2005)). 2 zeigt den Vorgang, bei welchem Licht in einem Halbleiter absorbiert wird und eine Verteilung über das Gitter thermalisierter Elektronen im Leitungsband des Halbleiters erzeugt. Anfangs sind die einzigen Elektronen im Leitungsband diejenigen, welche aus dem Valenzband thermisch angeregt sind (Graph 4). Nach der Anregung mit einem Spektrum an Licht mit Photonen unterschiedlicher Energie werden Elektronen in das Leitungsband des Halbleiters angeregt (Graph 5). Sie besitzen Energien, die über das Minimum (ΔEe) des Leitungsbandes hinausgehen, welches bestimmt wird durch die Differenz der Photonenergie (hv) und der Halbleiterbandlücke (Eg) und der relativen Elektronen- und Lochmassen (me, mh) (Gleichung 1):
    Figure 00020001
  • Diese nicht thermische Verteilung von Elektronen thermalisiert (thermalises) durch Elektron-Elektron-Stöße auf einer Zeitskala von weniger als 100 fs (Graph 6), wonach die Elektronenverteilung durch eine Fermiverteilung (Gleichung 2) beschrieben werden kann mit einer Temperatur (T) deutlich oberhalb der Gittertemperatur:
    Figure 00020002
  • Diese heiße Elektronverteilung wechselwirkt dann mit Phonen und verliert an das Gitter Energie auf einer Zeitskala von 10 ps (Graph 7). Diese gitterthermalisierten Elektronen regen sich dann in das Valenzband des Halbleiters auf einer Zeitskala von Nanosekunden (Graph 8) ab, wobei innerhalb dieses Prozesses oft Photonen emittiert werden. Dieser Vorgang geschieht auch in analoger Art und Weise für die Lochverteilung im Valenzband, und zwar mit ähnlichen Schritten einer Loch-Loch-Thermalisierung und Gitterthermalisierung.
  • Bei einer Standard-Einzelbandlücken-Solarzelle werden Elektronen vom unteren Bereich des Leitungsbandes am Ort 10 extrahiert, das heißt nachdem sie mit dem Gitter thermalisierten und Energie verloren haben. Das Prinzip einer Solarzelle mit heißen Trägern besteht darin, diese am Ort 9 zu extrahieren, um die Extraenergie zu nutzen, die sonst durch die Gitterthermalisierung verloren ginge. Dies wurde zuerst theoretisch im Jahre 1982 vorgeschlagen [Robert T. Ross et al., "Efficiency of Hot-carrier Solar Energy Converters", Journal of Applied Physics, 53[5] 3813–3818 (May, 1982)] und verschiedene andere Veröffentlichungen und Patente folgten in ähnlicher Art und Weise nach, zum Beispiel: P. Würfel, Solar Energy Materials & Solar Cells, 46 (April, 1997) 43–52: Ein theoretische Veröffentlichung welche das Prinzip der Solzarzelle mit heißen Trägern erweitert durch Aufnahme von Stoßionisationsereignissen. Diese Veröffentlichung beschreibt energieselektive ”Membran”-Materialien mit ”einer großen Bandlücke, geringer Bandbreite” über welche ein Kontakt hergestellt wird. Dieser Zugang wird exklusive bei einem resonanten Tunnelkontakt realisiert, dessen diskrete Energieniveaus einen Kontakt mit einer effektiv großen Bandlücke (auf Grund eines Einschlusses oder Confinements) und mit geringer Bandbreite schaffen. Extraktion (Tunneln) liegt implizit vor in ein Metall beim Aufbau gemäß dieser Veröffentlichung.
  • G. Conibeer et al, Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (June, 2009) 713–719: Eine experimentelle Arbeit, welche resonantes Tunneln in Si QDs zeigt, und zwar eingebettet in Siliziumoxid. Der Emitter und der Kollektor waren identisch (n-Si). Dies wurde ausgeführt mit gitterthermalisierten Trägern. Die angegebene Zielsetzung ist jedoch hier die Schaffung eines Aufbaus für einen energieselektiven Kontakt.
  • JP04324214 – PHOTOVOLTAIC FORCE DEVICE – September 2009: Diese Veröffentlichung offenbart eine Solarzelle mit heißen Trägern ähnlich zu derjenigen aus dem Nicht-Patentdokument zum Beispiel von R. T. Ross und P. Würfel mit dem Hauptunterschied, dass die JP 04324214 explizit darlegt, dass die Absorberschicht einen Fremdstoffanteil (n-Typ oder p-Typ) enthalten sollte derart, dass die Majoritätsträger in der Absorberschicht beim Bestrahlen der Absorberschicht mit Licht oberhalb seiner Bandlücke die Majoritätsträger in der Absorberschicht im Wesentlichen auf derselben Temperatur verbleiben. Zielsetzung bei dieser Einrichtung ist, diese Niedrigtemperatur-Majoritätsträger selektiv in einen Kontaktbereich hinein zu tunneln.
  • Diese Einrichtungen arbeiten durch Extrahieren von Trägern bei einer bestimmten Energie (optimal der mittleren Energie) aus Trägern mit einer breiten Energieverteilung. Diese Extraktion muss schneller erfolgen als die Rate der Gitterthermalisierung, jedoch vorzugsweise langsamer als die Rate der Trägerthermalisierung, so dass der Energiezustand, von welchem die Träger tunneln, wieder bevölkert ist oder wird. Dies ist keine strikte Notwendigkeit, falls jedoch die Tunnelrate schneller ist als die Trägerthermalisierung, so wird dann die Verteilung der Träger, welche den Kontakt erreichen, energetisch weiter oder aufgeweitet, als wenn die Trägerthermalisierung schneller erfolgt als das Tunneln. Folglich ist der Wirkungsgrad oder die Effizienz einer derartigen Einrichtung höher, falls die Trägerthermalisierungsrate schneller ist als die Tunnelrate, und zwar aufgrund der geringen Thermalisierungsverluste in den Kontakten.
  • Bei all diesen Veröffentlichungen und Patenten erfolgt das Verfahren der Extraktion heißer Träger über ein energieselektives Tunneln. Unter weiterer Bezugnahme auf 3 wird gezeigt, dass diese zu Stande kommt durch Anordnen von Quantenmuldenschichten 12 und 14 benachbart zur Absorberschicht 13 derart, dass das Tunneln von Trägern erfolgt über die diskreten Energiezustände der Mulden. Das Tunneln erfolgt explizit oder implizit direkt in die elektrischen Kontakte 11 und 15. Bei der beispielhaft gezeigten Einrichtung gemäß 3 sind die Träger in der Absorberschicht 13 fotoerzeugt, um die Verteilungen 16 und 17 der heißen Träger zu bilden, von welchen dann Träger selektiv in die Kontakte 11 und 15 bei Energien Eh bzw. Ee tunneln.
  • Bisher wurde keine Einrichtung konstruiert, bei welcher ein selektives Tunneln heißer Träger aus einer Halbleiterschicht in einen Kontakt mit einem höheren Ferminiveau als dem des Halbleiters auftrat. Jedoch wurden vorläufige Beweise vorgelegt für ein selektives Tunneln heißer Träger zwischen zwei identischen Halbleiterbereichen, und zwar durch S. Yagi [S. Yagi und Y. Okada, Fabrication of resonant tunneling structures for selective energy contact of hot carrier solar cell based an III–V semiconductors, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE, 1213–1216 (June, 2010)]. Der von S. Yagi verwendete Aufbau ist zudem aus 4 ähnlich und ist daher nicht geeignet für eine Verwendung in einer Photovoltaikzelle mit heißen Trägern, da die Gitterthermalisierung der Träger nach dem Tunneln in der Absorberschicht 21 aufträte. Jedoch zeigt diese Veröffentlichung einen vorläufigen Beweis des Prinzips, dass nämlich ein selektives Tunneln heißer Träger zwischen zwei Bereichen auftreten kann, und zwar schneller als die Gitterthermalisierung.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Photovoltaikeinrichtung anzugeben, welche Elektronen einer engen, beschränkten oder begrenzten Energieverteilung aus einer breiten Energieverteilung unter Verwendung resonanten Tunnelns extrahieren kann. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Photovoltaikeinrichtung zu schaffen, welche eine mittlere Elektronenenergie aufrecht kann und jedoch auch einen Anstieg in der Minimumsenergie des Leitungsbandes bereitstellen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Sämtliche Einrichtungen aus dem genannten Stand der Technik, welche aus einem Halbleiter bei einer bestimmten Energie Träger extrahieren, verwenden resonantes Tunneln. Des Weiteren tritt dieses resonante Tunneln explizit oder implizit direkt in einen metallischen elektrischen Kontakt hinein auf. Dies kann problematisch sein, weil das Ferminiveau im Metall notwendigerweise signifikant unterhalb der Resonanztunnelenergie liegen muss, so dass leere Zustände vorliegen, in die hinein getunnelt werden kann. Jedoch führt das zu einem hohen Thermalisierungsverlust, wenn die heißen Elektronen in das Metall tunneln. Dies ist in 3 (aus JP 04324214 ) gezeigt, wo die Elektronen bei Energien Eh und Ee in die Kontakte extrahiert werden, jedoch dann auf Energien E1 bzw. E2 fallen müssen.
  • Falls dagegen das Ferminiveau im Metall in der Nähe der Resonanztunnelenergie liegt, tritt ein signifikantes Tunneln vom Metall in die Absorberschicht auf (entgegengesetzt zur gewünschten Richtung: ”Rücktunneln”) auf, wodurch sich ein reduzierter Ausgangsstrom oder Ausgabestrom für die Einrichtung einstellt. Falls des Weiteren eine derartige Einrichtung vorbeaufschlagt ist oder wird, um Energie aus dem Tunnelstrom herauszuziehen, wird dies das Zurücktunneln in signifikanter Art und Weise steigern, falls das Ferminiveau im Metallakzeptor in der Nähe der Resonanzenergie liegt. Wegen dieses Kontaktproblems schafft es keine Einrichtung aus der Literatur, einen Aufbau bereitzustellen, der in effizienter Art und Weise heiße Träger verwendet, die in einem Halbleiter fotoerzeugt sind.
  • Eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schaffen einen Aufbau, welcher aus einer energetisch breiten Verteilung und Verwendung resonanten Tunnelns eine energetisch begrenzte, beschränkte oder schmale Verteilung von Elektronen extrahiert. Die Einrichtung und das Verfahren erhalten eine mittlere Elektronenergie, schaffen jedoch einen Anstieg in der Minimumsenergie des Leitungsbandes.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Träger in einem Halbleiter bei einer Trägertemperatur oberhalb der Gittertemperatur extrahiert über einen schmalen Bereich von Energien, und zwar in einen zweiten Halbleiter mit einer größeren Bandlücke. Dies führt zu einer Trägerverteilung im zweiten Halbleiter mit einer gesteigerten Minimumsenergie des Leitungsbandes bei einer reduzierten Temperatur.
  • Die beschränkte, begrenzte oder geschmälerte Verteilung bei einer gesteigerten Minimumsenergie des Leitungsbandes kann elektrisch extrahiert und strahlungsrekombiniert werden. Falls die geschmälerte Verteilung elektrisch extrahiert wird, kann dies in einer Solarzelle mit heißen Trägern verendet werden. Falls die geschmälerte Verteilung strahlungsrekombiniert wird, kann die sich ergebende schmalbandige Emission verwendet werden, um eine Photovoltaikzelle zu bestrahlen.
  • Vorteile einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen die folgenden Aspekte:
    • – Die mittlere Energie der Träger wird erhalten, jedoch wird die Trägertemperatur abgesenkt. Dies führt zu einer thermalisierten Verteilung der Träger in einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke.
    • – Es tritt ein niedriges Rücktunneln aus dem Kontakt auf, weil das Tunneln direkt in einen anderen Halbleiter erfolgt, welcher – bei geeigneter Dotierung – keine Träger aufweist in seinem Leitungsband bei der Resonanzenergie, wodurch das Rücktunneln unmöglich wird.
    • – Es tritt im Kontakt eine Thermalisierung auf, weil das Tunneln direkt in eine Gebiet in der Nähe des Minimums des Leitungsbandes eines Halbleiters mit einer breiteren Bandlücke erfolgt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine resonante Tunneleinrichtung auf: ein erstes Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz Eg1 zwischen Valenz- und Leitungsbändern; ein zweites Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz Eg2 zwischen Valenz- und Leitungsbändern, wobei Eg1 und Eg2 voneinander verschieden sind und wobei eine energieselektive durchlässige (transmissive) Grenzfläche die ersten und zweiten Halbleitermaterialien verbindet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eines der ersten oder zweiten Halbleitermaterialen ein Emittermaterial und das andere der ersten oder zweiten Materialien ein Akzeptormaterial auf und die Energiedifferenz zwischen den Valenz- und Leitungsbändern für das Emittermaterial ist geringer als die Energiedifferenz zwischen den Valenz- und Leitungsbändern des Akzeptormaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bei einem resonanten Energieniveau das Akzeptormaterial im Leitungsband keine Träger auf.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Elektronenmasse des Akzeptormaterials größer ist als eine Elektronenmasse des Emittermaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung absorbiert das Emittermaterial Licht und erzeugt Elektronen und Löcher.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist – wenn Elektronen einen Nicht-Majoritätsträger bilden – eine Leitungsbandkante des Emittermaterials eine niedrigere Energie auf als eine Leitungsbandkante des Akzeptormaterials und weist – wenn Löcher die Nicht-Majoritätsträger bilden – die Valenzbandkante des Emittermaterials eine höhere Energie auf als die Valenzbandkante des Akzeptormaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Akzeptorbandlücke abgestuft (graded) von einem Material mit einer breiteren Bandlücke in den ersten L nm des Akzeptormaterials (mit 1 < L < 20 nm) zu einem Material mit einer engeren Bandlücke für den Rest des Akzeptormaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt – wenn Elektronen die Nicht-Majoritätsträger bilden – die energieselektive durchlässige Grenzfläche ein Energieniveau bereit, welches resonantes Tunneln bei einer Elektronenenergie unterstützt, die größer ist als die Leitungsbandkante des Akzeptormaterials, und stellt – wenn Löcher die Nicht-Majoritätsträger bilden – die energieselektive durchlässige Grenzfläche ein Energieniveau bereit, welches resonantes Tunneln bei einer Lochenergie unterstützt, die geringer ist als die Valenzbandkante des Akzeptormaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Nicht-Majoritätsträgerbandkante des Akzeptormaterials im Wesentlichen ausgerichtet oder angeordnet in Bezug auf eine oder zu einer mittleren Energie eines heißen Nicht-Majoritätsträgers im Emittermaterial.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Größe des Emittermaterials geringer oder kleiner als eine Heißthermalisierungslänge (hot thermalisation length) von einem Gebiet aus, wo eine energieselektive Extraktion stattfindet.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung fördert das Akzeptormaterial eine wirkungsvolle oder effiziente Strahlungsrekombination.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Akzeptormaterial mindestens eine Quantenmulde oder -wanne (quantum well) auf, um eine effiziente oder wirkungsvolle Strahlungsrekombination zu unterstützen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine optische Kavität vorgesehen, um eine effiziente oder wirkungsvolle Strahlungsrekombination zu unterstützen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung unterdrückt das Akzeptormaterial eine Strahlungsrekombination.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind eine resonante Tunnelenergie und eine Nicht-Majoritätsbandkante des Akzeptormaterials im Wesentlichen abgestimmt (aligned).
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die energieselektive durchlässige Grenzfläche eine erste Barriereschicht auf, die benachbart zum ersten Halbleitermaterial angeordnet ist, eine zweite Barriereschicht, die benachbart zum zweiten Halbleitermaterial angeordnet ist, sowie eine Quantenmuldenschicht, welche zwischen den ersten und zweiten Barriereschichten angeordnet ist.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die effektive Masse eines Minoritätenträgers im Wesentlichen geringer als die effektive Masse eines Majoritätenträgers bei einem Halbleitermaterial, welches Licht absorbiert.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Valenz- und/oder Leitungsband des ersten Halbleitermaterials versetzt oder verschoben von einem jeweiligen Valenz- oder Leitungsband des zweiten Halbleitermaterials.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das erste Halbleitermaterial p-dotiert, das zweite Halbleitermaterial n-dotiert und Eg1 geringer als Eg2.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind oder werden Träger aus den ersten und zweiten Halbleitermaterialien zu einem äußeren Schaltkreis elektrisch extrahiert.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die energieselektive durchscheinende (transmissive) Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Halbleitermaterialien angeordnet.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Emitter- und Akzeptormaterialien im Wesentlichen undotiert und der Akzeptorbereich oder das Akzeptorgebiet ist ein direktes Bandlückenmaterial (direct band-gap material) mit einer Struktur oder einem Aufbau, welche eine effiziente oder wirkungsvolle Strahlungsrekombination unterstützen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Emittermaterial InAs auf und das Akzeptormaterial ist ein quaternäres Material (quaternary material).
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Verschiebung oder der Versatz zwischen den Valenzbändern der Halbleitermaterialien so gewählt, um einen direkt Lochtransport ohne Tunneln zu ermöglichen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung eine Schicht von Quantendots oder Quantenpunkten als die energieselektive durchscheinende oder transmittierende (Transmissive) Grenzfläche auf.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind das Emittermaterial und das Akzeptormaterial als ein Zylinder ausgebildet.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Einrichtung einen energieselektiven Kontakt auf, der zwischen einem p-dotierten Emittermaterial und einem n-dotierten Akzeptormaterial angeordnet ist.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden Träger aus dem Akzeptormaterial elektrisch extrahiert.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das erste Halbleitermaterial InAs und das zweite Halbleitermaterial ist InAl1-xAsySb1-y.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die energieselektive durchlässige Grenzfläche eine Quantenmulde oder -wanne (quantum well) aus InAs zwischen zwei Schichten von AlSb.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die energieselektive durchlässige (transmissive) Grenzfläche einen Stapel energieselektiver durchlässiger (transmissive) Grenzflächen auf.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine photovoltaische Einrichtung oder Photovoltaikeinrichtung auf: eine photovoltaische Zelle oder Photovoltaikzelle und die hier beschriebene resonante Tunneleinrichtung, wobei die Einrichtung gekoppelt ist oder wird an die Photovoltaikzelle oder photovoltaische Zelle, um die photovoltaische Zelle oder Photovoltaikzelle mit Licht einer Energie zu belichten oder zu bestrahlen, die im Wesentlichen angepasst ist an eine Bandlücke der photovoltaischen Zelle oder Photovoltaikzelle.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein auf die resonante Tunneleinrichtung einfallendes Breitbandstrahlungsspektrum gewandelt durch die resonante Tunneleinrichtung, und zwar in ein im Wesentlichen monochromatisches Spektrum.
  • Zur Erreichung der vorangehend beschriebenen Zielsetzungen weist die Erfindung demzufolge die Merkmale auf, die nachfolgend im Detail beschrieben und in den Ansprüchen hervorgehoben sind. Die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen erläutern im Detail bestimmte illustrative Ausführungsformen der Erfindung. Diese Ausführungsformen sind allein beschreibender Natur, jedoch nur von einigen der verschiedenen Möglichkeiten, gemäß welchen die Grundprinzipien der Erfindung aufgegriffen werden können. Andere Zielsetzungen, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung extrahiert eine energetisch beschränkte, begrenzte oder schmale Verteilung von Elektronen aus einer energetisch breiten Verteilung unter Verwendung resonanten Tunnelns. Zusätzlich erhält die Einrichtung eine mittlere Elektronenenergie aufrecht, schafft jedoch eine Steigerung in der Minimalenergie des Leitungsbandes. Im Ergebnis davon werden der Wirkungsgrad oder die Wirksamkeit der Einrichtung gesteigert. Zusätzlich werden Träger (carrier) in einem Halbleiter bei einer Trägertemperatur, welche über die Gittertemperatur hinausgeht, über einen schmalen Bereich von Energien in einen zweiten Halbleiter mit einer größeren Bandlücke hinein extrahiert. Im Ergebnis davon wird auch eine Trägerverteilung im zweiten Halbleiter bei einer gesteigerten minimalen Energie des Leitungsbandes, jedoch mit reduzierter Temperatur erzeugt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • In den beigefügten Zeichnungen bezeichnen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Bestandteile der Merkmale.
  • 1 Absorption eines Photons in einem Halbleiter mit einer Bandlücke, die gleich ist zur Photonenenergie 1 und geringer ist als eine Photonenenergie 2.
  • 2 Der Prozess der Lichtabsorption in einem Halbleiter und wie er die Elektronenpopulation des Leitungsbandes beeinflusst. Die Graphen zeigen die Elektronendichteverteilung (Γ(E)) als eine Funktion der Elektronenenergie (E) über dem Leitungsbandminimum.
  • 3 Ein Schema einer Solarzelle auf der Grundlage heißer Träger aus dem Stand der Technik.
  • 4 Eine resonante Tunneldiode aus dem Stand der Technik.
  • 5a Eine resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Offsetleitungsband im Akzeptormaterial.
  • 5b Eine resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Offsetleitungsband im Akzeptormaterial.
  • 6 Die Trägerdichte in den unterschiedlichen Gebieten oder Bereichen der resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn mit Licht bestrahlt wird, und die Transmissionswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Elektronenenergie.
  • 7 Ein Schema, welches eine schwerere Elektronenmasse im Akzeptormaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, um auf dem resonanten Energieniveau Energie- und Impulserhaltung zu erreichen.
  • 8 Die Bandstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die Materialien und das Band-Line-Up zeigt.
  • 9 Eine Illustration einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Nanodrahtauslegung (nanowire design) zeigt um zu ermöglichen, dass eine Absorptionsrichtung und eine Tunnelrichtung voneinander entkoppelt sind.
  • 10 Die Tunnelstromdichte als Funktion der Elektronenenergie für das Tunneln aus dem Emittermaterial zum Akzeptormaterial bei der Nanodrahtstruktur.
  • 11 Leitungsbandstruktur und Schichtstruktur für die resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem p-dotierten Emittermaterial und einem n-dotierten Offset- oder Versatzakzeptormaterial.
  • 12 Leitungsbandstruktur für die resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem p-dotierten Emittermaterial und einem n-dotierten Offset- oder Versatzakzeptormaterial, welche eine Illustration der Verteilung heißer Träger zeigt, die im p-dotierten Emittermaterial erzeugt werden.
  • 13 Eine schematische Illustration der Verwendung der resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wodurch Breitbandlicht 48 konzentriert wird mittels einer Optik 49 auf der resonanten Tunnelstruktur 50 und wobei das im Wesentlichen monochromatische Licht 52 von der resonanten Tunnelstruktur emittiert wird und eine angepasste photovoltaische Zelle 53 bestrahlt.
  • 14a Eine resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Versatz- oder Offset-Leitungsband und einem mehrfachen Quantum Well-Bereich 57 im Akzeptormaterial.
  • 14b Eine resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem gradierten oder schrittweisen Offset- oder Versatzleitungsband 58 im Akzeptormaterial.
  • 15 Ein Graph, welcher die Strom-Spannungscharakteristik einer Einrichtung gemäß der 14b unter Bestrahlung mit 810 nm und unter Dunkelbedingungen zeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Photon, welches ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt
    2
    Photon, welches ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt
    3
    Hochenergieleitungsbandelektron, welches überschüssige Energie an das Gitter verliert
    4
    thermische Elektronenverteilung im Leitungsband eines Halbleiters
    5
    Elektronenverteilung im Leitungsband eines Halbleiters nach Bestrahlung mit einem Spektrum von Licht
    6
    Elektronenverteilung im Leitungsband eines Halbleiters nach Trägerthermalisierung (carrier thermalisation)
    7
    Elektronenverteilung im Leitungsband eines Halbleiters nach Gitterthermalisierung (lattice thermalisation)
    8
    Elektronenverteilung im Leitungsband eines Halbleiters nach Strahlungsrekombination
    9
    Extraktion von Elektronen, bevor eine Gitterthermalisierung auftreten kann
    10
    Extraktion von Elektronen, nachdem eine Gitterthermalisierung aufgetreten ist
    11
    Lochkontaktschicht
    12
    lochenergieselektiver Kontakt
    13
    Lichtabsorptionsbereich/gebiet
    14
    elektronenenergieselektiver Kontakt
    15
    Elektronenkontaktschicht
    16
    Heißlochverteilung
    17
    Heißlochverteilung
    18
    Leitungsbandprofil eines RTD aus dem Stand der Technik
    19
    Emitterschicht eines RTD aus dem Stand der Technik
    20
    Wellschicht, Wannenschicht oder Wallschicht eines RTD aus dem Stand der Technik
    21
    Akzeptorschicht eines RTD aus dem Stand der Technik
    22
    Resonanzenergiepegel eines RTD aus dem Stand der Technik
    23
    Leitungsbandprofil einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    23b
    Valenzbandprofil einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    24
    Emittermaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    24b
    Emittermaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-Typ-Abwandlung)
    25
    Wellschicht, Wannenschicht oder Wallschicht einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    25b
    Wellschicht, Wannenschicht oder Wallschicht einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-Typ-Abwandlung)
    26
    Akzeptormaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    26b
    Akzeptormaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-Typ-Abwandlung)
    27
    Energiepegel resonanter Elektronen einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    27b
    Energiepegel resonanter Löcher einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-Typ-Abwandlung)
    28
    Verteilung heißer Elektronen im Emittermaterial
    29
    Transmissionswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Elektronenenergie
    30
    Elektronenverteilung im Akzeptormaterial
    31
    Bandlücke im Emittermaterial
    32
    Bandlücke im Akzeptormaterial
    33
    Gebiet/Bereich von Lichtabsorption (Emittermaterial)
    34
    Quanten Dot oder Quantenpunkt, welche einen diskreten Energiepegel für die Transmission schaffen
    35
    Barriereschicht, welche ein Confinement oder einen Einschluss eines Quanten Dots oder Quantenpunkts schafft
    36
    Akzeptormaterial
    37
    Cap/Abdeckung in Bezug auf einen Nanodraht, welcher eine Lichtabschattung schafft
    38
    konzentrisches Well, konzentrische Wanne, konzentrischer Wall, welcher ein oder mehrere diskrete Energiepegel für die Transmission schaffen
    39
    Emittermaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    40
    Wellschicht, Wannenschicht, Wallschicht einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    41
    Akzeptormaterial einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    42
    Energiepegel resonanter Elektronen einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    43
    Leitungsbandprofil einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    44
    Leitungsbandprofil einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    45
    Verteilung heißer Elektronen im p-Typ-Emittermaterial
    46
    Energiepegel resonanter Elektronen einer resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (p-i-n-Abwandlung)
    47
    Leitungsband des n-Typ-Akzeptormaterials
    48
    Breitbandlichteingabe
    49
    Konzentratoroptik (z. B. Linse)
    50
    Die resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche im Wesentlichen monochromatisches Licht emittiert
    51
    Die resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche im Wesentlichen monochromatisches Licht emittiert (vergrößert)
    52
    Im Wesentlichen monochromatisches Licht
    53
    Eine Photovoltaikzelle mit einer Bandlücke, die anpasst ist an das im Wesentlichen monochromatische Licht 52, in Bezug auf die resonante Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung 50
    54
    Leitungsbandprofil der resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem mehrfachen Quanten well-, Quantenmulden- oder Quantenwellbereich für eine verstärkte Rekombination
    55
    Schema der Schichtstruktur des gewachsenen Materials, um das Leitungsbandprofil 54 zu ergeben
    56
    Energiepegel resonanter Elektronen in der resonanten Tunnelstruktur einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
    57
    mehrfache Quantenmulde im Akzeptorbereich
    58
    gradierter oder gestufter Offset- oder Versatzakzeptorbereich
  • DEFINITION VON BEGRIFFEN
    • Bandlücke: Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband eines Halbleiters.
    • Fermienergie: Höchste Energie besetzter Elektronenzustände am absoluten Temperaturnullpunkt. Ein Aufheizen der Elektronenverteilung führt in einem Aufspreizen der Elektronen bei ~kbT um die Energie herum.
    • Trägerthermalisierung (carrier thermalisation): Träger-Träger-Streuung führt zu einer Neuverteilung der Energie der Träger. Sobald sie einmal ausreichend gestreut sind oder wurden, tendiert ihre Energieverteilung zu einer Fermiverteilung, wodurch die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein gegebenes Träger-Energieniveau besetzt ist, gegeben wird durch die Fermienergie und eine Temperatur. In diesem Zustand werden sie als ”thermalisiert” (thermalised) aufgefasst.
    • Gitterthermalisierung (lattice thermalisation): Träger-Phononen-Streuung reduziert die Temperatur der Trägerverteilung derart, dass die Temperatur der Trägerverteilung gleich ist zu derjenigen des Gitters. Dadurch wird Energie von den Trägern an das Gitter übertragen.
    • Thermalisierungslänge (thermalisation length): Länge, über welche Träger mit dem Gitter thermalisieren (bestimmt durch die Gitterthermalisierungsrate und die Trägergeschwindigkeit).
    • Heiße Träger (hot carriers): Träger, welche eine Temperatur oberhalb der Gittertemperatur aufweisen.
    • Resonante Tunneldiode (RTD): Eine Halbleitereinrichtung mit zwei dotierten Halbleitern auf jeder Seite eines Quantumwell- oder -muldenbereichs (mit zwei dünnen Schichten eines Halbleiters mit hoher Bandlücke, welche eine Dünnschicht eines Halbleiters mit niedriger Bandlücke umgeben). Eine derartige Einrichtung ermöglicht ein Tunneln zwischen den dotierten Halbleiterschichten in Bezug auf Träger mit derselben Energie wie den Energieniveaus der Quantenmulde.
    • Emitter: Bereich oder Material in einer resonanten Tunneldiode, von welchen aus Träger tunneln.
    • Akzeptor: Der Bereich oder das Material in einer resonanten Tunneldiode, zu welchen Träger tunneln.
    • Resonanz (resonante Trägerübertragung): Reflexionslose Transmission von Trägern, welche auftritt zwischen zwei Quantenzuständen, oft in Bezug auf einen definierten Energiebereich, über welchen eine mehr als 50% Chance für eine Transmission von einem Zustand in den anderen besteht.
    • Anordnung, Ausrichtung, Alignment: Ausreichende Energieanpassung von zwei (oder mehr) Energiezuständen derart, dass eine resonante Trägerübertragung von einem Energiezustand zu einem anderen möglich ist.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie oben beschrieben wurde, extrahieren alle Einrichtungen, die im angegebenen Stand der Technik offenbart werden, Träger von einem Halbleiter bei einer bestimmten Energie und verwenden dazu resonantes Tunneln. Ferner findet dieses resonante Tunneln explizit oder implizit statt in direkter Art und Weise in einen elektrischen metallischen Kontakt hinein. Dies ist problematisch, da das Ferminiveau im Metall signifikant unterhalb der Resonanztunnelenergie liegen muss, wodurch sich ein hoher Thermalisierungsverlust einstellt, wenn die heißen Elektronen in das Metall tunneln. Falls das Ferminiveau im Metall nahe bei der Resonanztunnelenergie liegt, tritt ein signifikantes Tunneln vom Metall in die Absorberschicht auf, entgegengesetzt zur gewünschten Richtung: ”Rücktunneln”), wodurch sich eine reduzierter Ausgabestrom oder Ausgangsstrom für die Einrichtung einstellt. Falls darüber hinaus eine Einrichtung voreingestellt ist, um Energie oder Leistung aus dem Tunnelstrom zu extrahieren, wird dies das Rücktunneln in signifikanter Art und Weise steigern, falls das Ferminiveau im Metallakzeptor in der Nähe der Resonanzenergie liegt.
  • Eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schafft eine Lösung für das oben beschriebene Problem. Dies bedeutet insbesondere, dass eine resonante Tunnelstruktur ausgebildet wird, bei welcher ein Tunneln von einem Halbleitermaterial mit einer niedrigen Bandlücke zu einem Halbleitermaterial mit einer hohen Bandlücke auftritt, wobei die zwei Halbleitermaterialien verbunden sind durch eine energieselektive Transmissionsgrenzfläche (zum Beispiel tritt ein Tunneln von einem ersten Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz zwischen den Valenz- und den Leitungsbändern von Eg1 zu einem zweiten Halbleitermaterial mit einer Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsbändern mit Eg2 auf, wobei Eg1 und Eg2 voneinander verschieden sind, wodurch eine energieselektive Transmissionsgrenzfläche ein Tunneln ausschließlich über einen Bereich von Energien ermöglicht, der eng ist im Vergleich mit der Verteilung der Trägerenergien im Emitter. Für eine thermalisierte Verteilung von Trägern im Emitter, wie dies gemäß der Definition der Begriffe erläutert wurde, besitzt die Verteilung der Träger eine Breite von kBTe (wobei Te die Elektronentemperatur im Emitter darstellt). Die Energieselektivität der Transmission durch die Grenzfläche ist enger oder schmaler als kBTe und insbesondere schmaler oder enger als kBTe/10.
  • Bei einer herkömmlichen resonanten Tunnelelektrode liegt ein Quantenwelle oder eine Quantenwanne oder ein Quantenwall zwischen zwei identischen Halbleitern vor, welche n-dotiert sind. Die diskreten Energiezustände im Well, in der Wanne oder im Wall sind die Energien, bei welchen ein selektives Tunneln zwischen den zwei Halbleitern auftreten kann. Ein Schema für eine derartige herkömmliche Einrichtung ist in 4 dargestellt. Die Linie 18 zeigt das Leitungsbandprofil für eine RTD mit einem Schema mit einer Materialschichtstruktur unterhalb. Der Abschnitt 19 bezeichnet den Emitter, der einen Leitungsbandoffset oder einen Leitungsbandversatz von den Barrieren aufweist, welche das Well, die Wanne oder den Wall 20 umschließen oder einschließen, wodurch sich im Well, der Wanne oder dem Wall diskrete Energieniveaus einstellen. Dies ermöglicht ausschließlich den Elektronen mit Energien gleich dem diskreten Well-, Wannen- oder Wallzustand 22 vom Emitter 19 zum angepassten Akzeptor 21 zu tunneln. Eine Detailbeschreibung des resonanten Tunnelns und seiner Verwendung bei resonanten Tunneldioden kann zum Beispiel in Mizuta's Buch gefunden werden [The Physics and Applications of Resonant Tunnelling Diodes, H. Mizuta und T. Tanoue, Cambridge University Press (1995)].
  • Unter Bezugnahme auf die 5a (Leitungsbandtunnelstruktur mit Leitungsbandprofil 23) und 5b (Valenzbandtunnelstruktur mit Valenzbandprofil 23b) ist gezeigt, dass bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Halbleitermaterialien auf jeder Seite der energieselektiven Transmissionsgrenzfläche (eine Quantenwell-, -wannen- oder -wallschicht) unterschiedlich sind, so dass die Energiebandlucke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband im Emittermaterial 24, 24b kleiner ist als die Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband im Akzeptormaterial 26, 26b auf der Seite der energieselektiven Transmissionsgrenzfläche 25, 25b. Dies ist schematisch in 5a dargestellt, welche die Leitungsbandstruktur für die vorgeschlagene Einrichtung oberhalb der Materialschichtstruktur zeigt. Des Weiteren wird auf 6 verwiesen, welche die Trägerdichte und die Transmissionswahrscheinlichkeit als Funktion der Trägerenergie zeigt. Die 5a und 6 sind ausschließlich illustrativ in Bezug auf eine Beispieleinrichtung, deren Emittermaterial gebildet wird von GaAs 24, deren Barrieren gebildet sind von AlAs und die ein GaAs-Well, eine entsprechende Wanne oder einen Wall 25 umgeben und deren Akzeptormaterial gebildet wird von einem Material mit einer höheren Bandlücke, zum Beispiel einer Legierung aus AlxGa1-xAs 26.
  • Diese Beispieleinrichtung ist so ausgebildet, dass sie wie folgt arbeitet. Auf dem Emittermaterial 24 (24b) einfallendes Licht wird eine Verteilung heißer Träger im Emittermaterial 24 (24b) erzeugen. Es wird ein schnelles energieselektives Tunneln durch die Well- oder Muldenstruktur 25 (25b) für Elektronen (Löcher) auftreten, welches resonant ist mit den Energieniveaus des Wells, der Wanne oder des Walls 27 (27b). (Dieses Tunneln hat tatsächlich eine energetische Aufspreizung aufgrund der nicht unendlichen Potentialbarrieren, so dass die Transmissionswahrscheinlichkeit als Funktion der Elektronenenergie (oben das Valenzbandmaximum) für das Beispiel der in Graph 29 gezeigt ist. Das energieselektive Tunneln in das AlxGa1-xAs wird das Leitungsband mit thermalisierten Trägern gemäß Graph 30 bevölkern. Die mittlere Energie der Elektronen wird aufrecht erhalten im Übergang von der Emitterverteilung (Graph 28) zur Akzeptorverteilung (Graph 30), jedoch ist die Leitungsbandminimumsenergie aufgrund des selektiven Tunnelns angehoben. Die thermische Verteilung der Träger (Graph 30) kann dann als elektrischer Strom extrahiert werden an einen externen Schaltkreis oder aber strahlungsmäßig rekombinieren, um monochromatisches Licht bei einer mittleren Energie des Breitbandlichts zu erzeugen, welches in Bezug auf die Einrichtung durch Einfall eingegeben oder zugeführt wird.
  • Sowohl die Tunnelrate der Träger, welche das Emittermaterial 24 verlassen, als auch die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, die auftreten, um das Energieniveau wiederzubevölkern, von welchen Träger selektiv extrahiert werden, sind schneller als die Rate der Gitterthermalisierung. Dies ist insgesamt möglich, weil die Elektron-Elektron-Wechselwirkungen die Elektronverteilung innerhalb von ~100 fs thermalisieren können, wogegen eine Gitterthermalisierung mehr als 1 ps benötigt (und von der Energie der Elektronenverteilung und der Temperatur des Gitters abhängen) (beide Raten von A. J. Nozik, Spectroscopy and Hot Electron Relaxation Dynamics in Semiconductor Quantum Wells and Quantum Dots, Annual Review Physical Chemistry (2001) 52: 193–231]. Die Tunnelrate ist von der Breite der Transmissionswahrscheinlichkeit (Graph 29) abhängig und kann auf derselben Zeitskala in Bezug auf die Trägerthermalisierung ablaufen (zum Beispiel J. North et al., Elektron reflection and interference in the GcAs/AlAs-Al Schottky collector resonant-tunneling diode, Physical Review B, 57, 1847–1854 (1998)].
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Problem des Rücktunnelns von oder der Thermalisierung im Kontakt, wie dies zuvor beschrieben wurde, gelöst werden, da das Tunneln direkt in ein anderes Halbleitermaterial erfolgt (zum Beispiel das Akzeptormaterial), welches, falls es geeignet dotiert ist), dazu führt, dass keine Träger in seinem Leitungsband bei der Resonanzenergie verbleiben, wodurch ein Rücktunneln unmöglich wird.
  • Die tunnelnden Träger sind nicht die Majoritätsträger im Emittermaterial 24, wo das Licht absorbiert ist oder wird. Dies erhält die Verteilung der heißen Träger, als ob ein höherer Anteil oder ein höherer Wert von durch die Dotierung, eine Verunreinigung oder eines Fremdstoffs erzeugter Träger existieren würde, und zwar verglichen mit fotoerzeugten Trägern. Dadurch wird die Temperatur der Trägerverteilung in signifikanter Art und Weise aufgrund der schnellen Trägerthermalisierung der fotoerzeugten heißen Träger mit den kalten durch die Dotierung oder die Verunreinigung oder den Fremdstoff erzeugten Trägern reduziert. Diese niedrigere Trägertemperatur bedeutet, dass dort zu wenige Träger beim Resonanzenergieniveau für eine effiziente Extraktion vorliegen werden. Für eine Einrichtung zum Beispiel, welche dazu ausgebildet ist, heiße Elektronen vom Leitungsband eines Emittermaterials 24 zum Leitungsband eines Akzeptormaterials 26 zu tunneln, sollte das Emittermaterial im Wesentlichen undotiert oder p-dotiert sein, jedoch nicht in signifikanter Art und Weise n-dotiert. Zum Beispiel sollte für eine Leitungsbandtunneleinrichtung die Konzentration des Verunreinigungsdotierstoffes im n-Typ im Emittermaterial 24 vorzugsweise geringer sein als die Konzentration der fotoerzeugten Elektronen (ρ), und zwar gegeben durch die Gleichung 3:
    Figure 00210001
  • Dabei bezeichnet α(λ) den Absorptionskoeffizienten, I0(λ) die Lichtintensität bei einem bestimmten Wellenlängenbereich λ → λ + dλ, Δ die Lichtabsorptionstiefe und τ die Trägerextraktionszeit. Dies gewährleistet, dass die Proportion oder der Anteil des fotoerzeugten Elektronen im Leitungsband größer ist als die Proportion oder der Anteil der durch Dotierstoff erzeugten Elektronen und folglich wird dabei eine hohe Temperatur aufrecht erhalten.
  • Um so effizient oder wirkungsvoll wie möglich zu sein, muss bei der Einrichtung die Trägermasse für das Band, welches die Verteilung heißer Träger enthält, signifikant geringer sein als die Trägermasse für das andere Band (falls zum Beispiel Elektronen als heiße Träger im Leitungsband verwendet werden, dann muss die Elektronenmasse geringer sein als die Lochmasse im Licht absorbierenden Gebiet (Emittermaterial 24)). Dies ist eine Folge von Gleichung (1), welche zeigt, dass die Extraenergie, welche zur Verfügung steht aus der Absorption eines Photons mit einer Energie über der Bandlücke aufgespalten wird zwischen dem Elektron und dem Loch in einem umgekehrten Verhältnis ihrer Massen. Vorzugsweise sollte die Elektronenmasse die Hälfte der Lochmasse derart betragen, dass mehr als zwei Drittel der Überschussenergie sich in der Elektronenverteilung befindet. Bei unseren Beispieleinrichtungen hatten wir angenommen, dass der Massenunterschied derart ausgebildet ist, dass die Elektronenmasse signifikant leichter ist als die Lochmasse, so dass das Leitungsband das Meiste der überschüssigen Energie empfängt und folglich die Verteilung heißer Träger aufweist (zum Beispiel hat InAs me:mh = 1:18, so dass 95% der überschüssigen Photonenenergie in das Leitungsband übergeht). Jedoch ist dies eine willkürliche Entscheidung und ähnliche Einrichtungen können konstruiert werden, bei welchem die Verteilung heißer Träger im Valenzband ausgebildet wird und energieselektives Tunneln von Löchern verwendet wird, um die Verteilung einzuengen.
  • Die beste Betriebsart für diese Einrichtung wird erhalten mit einem Emittermaterial, dessen Bandlücke so niedrig wie möglich liegt (um maximal Licht sämtlicher Wellenlängen zu absorbieren, zum Beispiel mit einer Bandlücke von weniger als 1,16 eV, wodurch eine Absorption mit über der Hälfte der Leistung des solaren Spektrums möglich ist). Ein Akzeptormaterial kann vorgesehen sein, dessen Leitungsbandminimum derart ausgebildet ist, dass es sich anordnet oder ausrichtet zu Energie mit der mittleren Elektronenenergie der Verteilung heißer Träger, die im Emittermaterial durch Photonen erzeugt wird oder wurde. Diese strikte Ausrichtung oder Anordnung wird in Bezug auf das Bandminimum nicht stattfinden, weil zusätzlich zur Energie der Impuls erhalten werden muss in der Einrichtung. Daher muss ein optimales Akzeptormaterial nicht nur eine breitere Bandlücke aufweisen, sondern auch eine schwerere Elektronenmasse als das Emittermaterial. Die schwerere Elektronenmasse gewährleistet, dass Energie und Impulserhaltung erzielt werden können für das Elektron, welches zwischen den Materialien mit einem Leitungsbandversatz oder -offset tunnelt. Dies ist schematisch in 7 dargestellt, welche die Werte des Leitungsbandversatzes der Schichten (gemäß 5a) gemeinsam mit der Elektronenenergie als Funktion eines Impulses parallel zu den Barrieren illustriert.
  • Die Barrieren, welche das Material mit der niedrigen Bandlücke im Tunnelbereich 25 einschließen sind höher als die Majorität der heißen Träger, die im Emitterbereich oder Emittergebiet 24 erzeugt sind oder werden, weil sonst eine direkte thermische Emission aus dem Emittermaterial 24 in das Akzeptormaterial 26 hinein erfolgen würde. Dies würde zu einem hohen Thermalisierungsverlust für diese Träger führen und die mittlere Energie dieser Träger im Emittermaterial absenken.
  • Es ist auch wünschenswert im Hinblick auf einen wirkungsvollen Betrieb, dass die fotoerzeugten Träger im Emittermaterial sich innerhalb der Thermalisierungslänge der heißen Träger aus den Barrieren befinden, sodass keine substantielle Gitterthermalisierung zwischen den Trägern, die fotoerzeugt sind oder werden, und deren Tunneln auftritt.
  • Dieses Verfahren der Trägerextraktion mit der Zielsetzung des energetischen Einengens der Trägerverteilung durch selektives Tunneln zwischen den Halbleitern mit einem Leitungsbandoffset oder Leitungsbandversatz kann dann auf verschiedene Arten und Weisen verwendet werden. Es ist möglich, einen Strom zu erzeugen unter Verwendung dieses Verfahrens überall dort, wo eine Differenz vorliegt in der Elektronentemperatur zwischen zwei Halbleiterbereichen. Dies kann direkt aus Gleichung (4) entnommen werden, welche eine einfache Erweiterung der Tsu-Esaki-Formel für den Strom in einer resonanten Tunneldiode für den Fall unterschiedlicher Elektronentemperaturen im Emittermaterial und Akzeptormaterial darstellt.
  • Figure 00230001
  • Es ist klar, dass, falls T1 > T2 erfüllt ist, der Strom aus dem Gebiet 1 in das Gebiet 2 fließen wird, und zwar selbst dann, falls eine verschwindende Spannung angelegt ist. Dieser Strom wird Elektronen aus dem heißeren Halbleitermaterial zum kälteren Halbleitermaterial transportieren. Falls das kältere Halbleitermaterial eine breitere oder weitere Bandlücke hat als das heißere Maetrial, dann ist es möglich, dass die Verminderung in der Temperatur nicht auf Kosten eines Abfalls oder einer Absenkung in der mittleren Elektronenenergie einhergeht. Wir haben diesen Strom in der Abwesenheit eines angelegten Bias oder Bestrahlung oder Belichtung, und zwar in Zusammenhang mit einer Prototypeneinrichtung, bei welcher das Emittergebiet gebildet wird von GaAs, der resonante Tunnelwell oder die resonante Tunnelmulde eine 6 nm GaAs-Quantenmulde ist, welche eingeschlossen wird durch 1,7 nm AlAs-Barrieren, und das Akzeptorgebiet gebildet wird von Al0.07Ga0.93As. Die Strom-Spannungscharakteristik (IV) für diese Einrichtung im Dunkeln und unter Beleuchtung ist in 15 dargestellt und zeigt die Charakteristika resonanten Tunnelns mit einer IV mit einem Strompeak bei einem Null-Bias und einem Stromtal (current valley) bei 3 V.
  • Ganz allgemein und gemäß der bereits vorliegenden Beschreibung beinhalten die technischen Merkmale der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere der nachfolgenden Aspekte:
    • • Nicht-Majoritätsträger-Resonanztunnelstruktur mit mindestens den nachfolgenden Schichten: einem Emitterhalbleitermaterial, einer ersten Barriereschicht, einer zweiten Barriereschicht, einer energieselektiven Transmissionsgrenzfläche, zum Beispiel einer Quantenwellschicht (oder einem Stapel energieselektiver Grenzflächen), die zwischen den ersten und zweiten Barriereschichten angeordnet sind, und einem Akzeptorhalbleitermaterial, wie in 5a gezeigt ist. Eine Nicht-Majoritätsträger-Resonanztunnelstruktur ist hier definiert als eine, welche ein Tunneln von Minoritätsträgern oder intrinsischen Trägern über den Übergang erlaubt. Die 5a und 5b zeigen Banddiagrammschemata einer Leitungsband- bzw. einer Valenzband-Nicht-Majoritäts-Resonanztunnelstruktur.
    • • Die Bandlücke des Emittermaterials (Eg1) ist geringer als die Bandlücke des Akzeptormaterials (Eg2)
    • • Das Emittermaterial sollte Licht absorbieren und Elektronen und Löcher erzeugen.
    • • Die Leitungs-(Valenz-)Bandkante des Emittermaterials hat eine niedrige (höhere) Energie als die Leitungs-(Valenz-)Bandkante des Akzeptormaterials im Fall von Elektronen (Löchern) als Nicht-Majoritätsträger.
    • • Die Quantenwellschicht schafft ein Energieniveau, welches ein resonantes Tunneln unterstützt bei einer Elektronenenergie (Lochenergie), die größer ist (kleiner ist) als die Leitungsbandkante (Valenzbandkante) des Akzeptormaterials im Fall von Elektronen (Löchern) als den Nicht-Majoritätsträgern.
    • • Die effektive Masse der Nicht-Majoritätsträger des Akzeptormaterials ist größer als diejenige des Emittermaterials.
  • Des Weiteren weist eine Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die nachfolgenden optionalen Merkmale auf:
    • • Die Barrierenhöhe kann mindestens höher sein als die mittlere Energie der fotoerzeugten Nicht-Majoritätsträger.
    • • Die effektive Masse der Minoritätsträger kann im Wesentlichen geringer sein als die Majoritätsträgermasse für das Material, in welchem eine Lichtabsorption stattfindet. Dabei bedeutet ”im Wesentlichen geringer als” in diesem Zusammenhang mit der effektiven Masse der Minoritätsträger, dass die Minoritätsträgermasse geringer ist als die Hälfte der Majoritätsträgermasse derart, dass mehr als zwei Drittel der Energie der heißen Träger in der Minoritätsträgerverteilung aufgeht.
  • Die Nicht-Majoritätsträgerbandkante des Akzeptormaterials kann im Wesentlichen ausgerichtet oder angeordnet sein im Hinblick auf die mittlere Energie der heißen Nicht-Majoritätsträger im Emitter. Diese müssen im Wesentlichen wohl angeordnet oder wohl ausgerichtet sein derart, dass ein resonanter Trägertransfer auftritt von der mittleren Energie der heißen Nicht-Majoritätsträger im Emitter zur Bandkantenenergie des Akzeptors (während Impulserhaltung gewährleistet wird). Um diesen resonanten Trägertransfer zu ermöglichen, müssen im Wesentlichen wohl angeordnete oder wohl ausgerichtete Energieniveaus innerhalb von kBT i Bezug aufeinander vorliegen, wobei T die Gittertemperatur (Phononentemperatur) ist.
    • • Die Resonanztunnelenergie und die Nicht-Majoritätsbandkante des Akzeptormaterials kann im Wesentlichen wohl ausgerichtet oder angeordnet sein, so dass eine Resonanzträgerübertragung zur Akzeptormaterialbandkante möglich ist, während Impulserhaltung garantiert wird). Die Größe des Emittermaterials kann geringer sein als die Thermalisierungslänge der heißen Träger, so dass eine energieselektive Extraktion heißer Träger aus dem Emittermaterial möglich ist.
    • • Das Akzeptormaterial unterstützt eine wirkungsvolle Strahlungsrekombination derart, dass die Rate der Strahlungsrekombination auf derselben Skala oder Größenordnung liegt wie die Tunnelrate der Träger in das Akzeptormaterial hinein.
    • • Das Akzeptormaterial unterdrückt eine Strahlungsrekombination (zum Beispiel indirekte Bandlücke).
  • Ausführungsformen werden im Detail auf den nachfolgenden Seiten erläutert und geben Beispiele der Verwendung der energetischen Einengung der elektronischen Verteilung an durch selektives Tunneln zwischen Halbleitern mit einem Leitungsbandoffset oder Leitungsbandversatz gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsform 1. Die in 8 gezeigte Bandstruktur zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung eines Tunnelschemas zwischen einem Material mit einer niedrigeren Bandkante und einem Material mit einer höheren Bandkante gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind das Emittermaterial 31 und das Akzeptormaterial 32 im Wesentlichen undotiert (das heißt, die Konzentration von Dotierstoffen im Emittermaterial 31 und im Akzeptormaterial 32 ist weniger als die Konzentration fotoerzeugter Elektronen (ρ), gegeben durch Gleichung (3)). Es werden Elektronen im Emittermaterial aber nicht im Akzeptormaterial erzeugt, zum Beispiel durch Bestrahlen oder Beleuchten der Einrichtung durch Abschatten des Akzeptormaterials oder durch Fokussieren des Lichts auf das Emittermaterial. Auf diese Art und Weise wird eine Verteilung heißer Träger im Leitungsband des Emittermaterials erzeugt und es findet ein selektives Tunneln in das Akzeptormaterial hinein statt. Das Akzeptormaterial ist so ausgebildet, dass ein schneller Strahlungszerfall der Elektronen bevorzugt wird, zum Beispiel dadurch, dass das Akzeptormaterial ein Material mit einer direkten Bandlücke ist (direct band-gap material) und dadurch, dass eine Laserkavitätenstruktur vorgesehen ist, welche eine stimulierte Emission von Photon bei der Akzeptorbandlückenenergie unterstützt. Auf diese Art und Weise wird ein einfallendes Breitbandeingangslicht auf dem Emittermaterial reemittiert als im Wesentlichen monochromatisches Ausgabelicht aus dem Akzeptormaterial. Im Wesentlichen monochromatisches Licht bezieht sich auf das Lichtspektrum, welches energetisch betrachtet enger ausgebildet ist als kBT, wobei kB die Boltzmannkonstante und T die Temperatur beim Betrieb der Einrichtung gemäß der Ausführungsform bezeichnen.
  • InAs wird als Emittermaterial 31 verwendet, weil es eine schmale Bandlücke besitzt und eine geringe Elektronenmasse. AlSb wird als Barrierematerial verwendet, weil das Gitter angepasst ist an InAs und weil ein großer Leitungsbandversatz oder -offset (2,1 eV) vorliegt. Ein quaternäres Material InxAl1-xAsySb1-y wird als Akzeptormaterial 32 verwendet, weil es sowohl gitterangepasst ist an InAs und an AlSb und weil es eine höhere Elektronenmasse besitzt als InAs. Ein weiterer Vorteil dieses quaternären Materials besteht darin, dass dessen Bandlücke (und folglich der Leitungsbandoffset oder Leitungsbandversatz) eingestellt werden kann durch Ändern der Werte von x und y. Eine andere bevorzugte Eigenschaft des Materialsystems besteht darin, dass nur ein geringer Versatz oder Offset in den Valenzbändern der unterschiedlichen Halbleiter (InAs, AlSb, InxAl1-xAsySb1-y) vorliegt, sodass ein direkter Lochtransport ohne Tunneln stattfinden kann. Dies ermöglich die Rekombination von Elektronen und Löchern im Akzeptormaterial ohne die Notwendigkeit des Ausgestaltens der Einrichtung derart, dass ein Lochtunneln und ein Elektronentunneln möglich werden. Es ist klar, dass viele andere Kombinationen von Materialien möglich sind, um einen Emitter mit einer niedrigen Bandkante, eine Barriere mit einer Bandkante und einen Akzeptor mit einer mittleren Bandkante auszubilden, die für eine derartige Einrichtung verwendet werden können. Diese Kombinationen beinhalten ohne Einschränkung: Ge oder SiGe, SiO2 und Si; GaAs, AlAs und AlxGa1-xAs; InAs, AlAs und InGaAs; InGaN, AlN und GaN.
  • Ausführungsform 2. Eine Struktur, wie sie in 9 dargestellt ist, wurde ausgebildet und modelliert, um das Tunnelschema von einem Material mit einer niedrigen Bandkante zu einem Material mit einer hohen Bandkante gemäß der Ausführungsform 1 zu verwenden. Die Einrichtung ist dargestellt parallel zur Richtung der Beleuchtung oder Bestrahlung in 9A und senkrecht zu dieser Richtung gemäß 9B. Die Illustration zeigt eine Nanodrahteinrichtung, bei welcher die Absorption von Licht in einem InAs-Emittermaterial 33 erfolgt, die Re-Emission vom InxAl1-xAsySb1-y-Akzeptormaterial 36, welches einen zylindrischen Nanodraht darstellt, erfolgt und ein resonantes Tunneln durch eine Schicht von InAs-Quantenpunkten 34 innerhalb einer AlSb-Schicht 35 erfolgt, welche konzentrisch ausgebildet ist zum Nanodraht. Dies könnte auch in gleicher Art und Weise ausgeführt werden mit konzentrischen Schichten von AlSb/InAs/AlSb, wie dies in den 9C und 9D dargestellt ist, bei welchen das Tunneln durch die konzentrische InAs-Quantenmuldenschicht 38 erfolgt. Zum Steigern der Tunnelrate könnte das Akzeptormaterial 36 mit einer Kappenschicht mit einem reflektiven oder absorbierenden Material 37 versehen werden, um zu verhindern, dass dort fotoerzeugte Träger auftreten. Die Nanodrahtgeometrie wurde verwendet, um die Richtung der Lichtabsorption von der Richtung des Tunnels zu entkoppeln. Auf diese Art und Weise wurde ein hoher Anteil des einfallenden Lichts der Absorption zugeführt (weil die Nanodrahtlänge ausgebildet werden kann in der Größenordnung der Absorptionstiefe für eine gegebene Lichtwellenlänge), während fotoerzeugte Elektronen weiterhin innerhalb der Thermalisierungslänge der Barriere vorliegen, durch welche sie tunneln.
  • Die Wirksamkeit für diesen Vorgang wurde erhalten durch Modellieren dieses Systems mit Ratengleichungen, welche die Kernvorgänge im System repräsentieren: Lichtabsorption im Emitter 33, Gitterthermalisierung, Trägerthermalisierung und Tunneln. Der Tunnelstrom wurde berechnet unter Verwendung eines Transfermatrixverfahrens, um den Transmissionskoeffizienten T für eine gegebene Elektronenenergie E zu erhalten und diese dann für die Berechnung des Stroms von Elektronen zu verwenden, welche vom Emittermaterial zum Akzeptormaterial in einem Energieintervall E → E + dE passieren. Der Tunnelstrom als Funktion der Energie für die erfindungsgemäße Einrichtung ist in 10 dargestellt ist. Diese zeigt eine signifikant eingeengte Energieverteilung für die Elektronen im Akzeptormaterial (im Vergleich mit der Verteilung heißer Elektronen im Emittermaterial). Die Leistungsausgabe aus dem Strahlungszerfall der Elektronen im Akzeptormaterial wurde dann geteilt durch die Eingangsleistung konzentrierten Sonnenlichts, welches in diesem Modell verwendet wurde. Es stellte sich eine Wirksamkeit von 60% für diesen Vorgang ein.
  • Ausführungsform 3. Bei einer dritten Ausführungsform wird eine monochromatische Licht emittierende Einrichtung, wie sie zum Beispiel im Zusammenhang mit einer Ausführungsform 2 im Detail dargelegt wurde, an eine angepasste photovoltaische Zelle oder Photovoltaikzelle gekoppelt (zum Beispiel ist die photovoltaische Zelle an das monochromatische Spektral angepasst), um die photovoltaische Zelle mit Licht einer Energie zu bestrahlen, welche im Wesentlichen angepasst ist an die Bandlücke der photovoltaischen Zelle. Licht einer Energie, die im Wesentlichen angepasst ist an die Bandlücke der photovoltaischen Zelle, meint dabei, dass das emittierte monochromatische Spektrum und die Bandlückenenergie der photovoltaischen Zelle ausreichend angepasst sind oder übereinstimmen, um den Energieverlust aufgrund Thermalisation zu minimieren, während weiterhin die Möglichkeit besteht, dass durch die photovoltaische Zelle eine Absorption stattfindet. Das bedeutet, dass je näher die Energie an der Bandkante liegt, jedoch nicht darunter, desto besser. Dies ist in schematischer Art und Weise in der 13 dargestellt, wobei eine Breitbandquelle 48 eine Konzentrationsoptik 49 bestrahlt, zum Beispiel in Form einer Linse, welche das Licht auf die Resonanztunnelstruktur der Einrichtung 50 gemäß der vorliegenden Erfindung fokussiert, wobei diese Situation vergrößert in 51 dargestellt ist. Diese Resonanztunnelstruktur emittiert im Wesentlichen Breitbandlicht 52 auf eine photovoltaische Zelle 53, wobei eine Bandlücke an die Energie des monochromatischen Lichts angepasst ist. Da die größten Verluste in einer photovoltaischen Zelle durch die Thermalisation der Träger erfolgt, und zwar erzeugt aus den Photonen mit Energien oberhalb der Bandlücke und durch Nicht-Absorption von Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke, kann die Bestrahlung oder Beleuchtung mit im Wesentlichen monochromatischem Licht zu einer sehr wirkungsvollen elektrischen Wandlung in der angepassten photovoltaischen Zelle führen.
  • Ausführungsform 4. Die Bandstruktur und die Materialschicht, die in 11 schematisch dargestellt sind, illustrieren eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei welcher eine energieselektiver Kontakt 40 bei einer bestimmten Energie 42 zwischen einem p-dotierten Emittermaterial 39 und einem n-dotierten Akzeptormaterial 41 vorliegt, wobei dabei ein durch 43 dargestelltes Leitungsbandenergieprofil vorgesehen ist. Wie zuvor beschrieben wurde, besitzt das Akzeptormaterial eine größere Bandlücke als das Emittermaterial.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 12 ist dargestellt, dass heiße Träger im p-dotierten Emittermaterial 45 fotoerzeugt werden und selektiv bei einer bestimmten Energie 46 in das n-dotierte Akzeptormaterial 47 selektiv tunneln. Das n-dotierte Akzeptormaterial kann abgeschattet sein oder werden oder es kann Licht auf den p-dotierten Bereich fokussiert werden, um das Erzeugen einer Verteilung heißer Träger im Akzeptormaterial zu beenden oder zu stoppen. Die Einrichtung kann dann vorbeaufschlagt oder voreingestellt (biased) werden, zum Beispiel wie bei einer herkömmlichen p-n-Übergangssolarzelle, wobei dann der Strom extrahiert wird. Ähnliche Materialsysteme und Strukturen (z. B. 9) können wie bei Ausführungsform 1 verwendet werden, obwohl dabei ein elektrischer Kontakt mit dem Emittermaterial 44 und dem Akzeptormaterial 47 verwendet wird. Diese Einrichtung unterscheidet sich merklich vom Standard der ”Heißträgersolarzelle” (zum Beispiel gemäß JP04324214 ), und zwar dahingehend, dass deren energieselektiver Bereich an der Grenzfläche zwischen einem n- und einem p-dotierten Halbleiterbereich liegt als an den Kontakten der Einrichtung.
  • Ausführungsform 5. Bei einer fünften Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Ausführungsform 1 findet eine Änderung dahingehend statt, dass anstelle des Akzeptormaterials, welches einen schnellen Strahlungszerfall unterstützt, die Träger elektrisch aus dem Akzeptormaterial extrahiert werden. Ein Abschatten des Akzeptormaterials oder ein Fokussieren von Licht auf das Emittermaterial erzeugt einen Elektronentemperaturgradienten (oder Lochtemperaturgradienten), der benötigt wird um einen Strom vom Emittermaterial zum Akzeptormaterial (gemäß Gleichung (4)) zu erzeugen. Die Einrichtung kann dann vorbeaufschlagt oder voreingestellt (biased) werden, um Energie oder Leistung aus diesem Strom zu extrahieren, und zwar mit der Notwendigkeit, dass die Trägerdichte an der selektiven Tunnelenergie niedriger sein muss als im Akzeptormaterial (erzeugt durch Dotieren mit Fremdstoff) und zwar verglichen mit Emittermaterial (erzeugt durch Fotoanregung).
  • Ausführungsform 6. Bei einer sechsten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Ausführungsform 1 findet eine Änderung dahingehend statt, dass eine Strahlungsrekombination im Akzeptormaterial unterstützt wird und dass ein Rücktunneln von Trägern aus dem Akzeptormaterial in den Kollektorbereich reduziert wird. Dies wird erreicht durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Quantenwells oder Quantenmulden im Akzeptormaterial, wie dies in 14a dargestellt ist. Das Materialschichtenschema 55 und das Leitungsbandschema 54. beschreiben diese Ausführungsform, bei welcher nach der Fotoerzeugung Träger durch das Wellresonanzenergieniveau 56 im Mehrfachquantenwellbereich 57 tunneln. Einmal in den Wells gefangen können die Träger durch das Resonanzniveau nicht zurück tunneln. Folglich unterstützt diese Struktur maßgeblich den Transport von Trägern vom Emittermaterial in das Akzeptormaterial. Ferner unterstützt das Mehrfachquantenwellgebiet in effizienter Art und Weise die Rekombination von Trägern, insbesondere dann, wenn das Mehrfachquantenwellgebiet im Innern einer optischen Kavität liegt, die ausgebildet ist für die Re-Emissionswellenlänge des Quantenwells, und noch mehr dann, wenn in bevorzugter Art und Weise das Mehrfachquantenwellgebiet eine Antinode (antinode) der optischen Kavität darstellt.
  • Ausführungsform 7. Bei einer siebten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Ausführungsform 1 findet eine Änderung dahingehend statt, dass ein Rücktunneln von Trägern aus dem Akzeptormaterial in den Kollektorbereich reduziert wird. Dies wird erreicht durch Reduzieren der Akzeptormaterialbandlücke um einige Nanometer nach dem Tunnelgebiet, wie dies im Zusammenhang mit 14b dargestellt ist. Die Bandlücke wird stufig ausgebildet von einem Material einer weiteren Bandlücke (zum Beispiel AlxGa1-xAs) in den ersten L nm des Akzeptorgebiets (mit 1 < L < 20 nm) zu einem Material mit einer schmaleren Bandlücke (z. B. AlyGa1-yAs, mit y < x) für den Rest des Akzeptormaterials, wie dies illustriert wird durch das Gebiet 58. Dies führt zu einem Tunneln von Trägern durch das resonante AlxGa1-xAs-Gebiet und zu einem danach folgenden schnellen Herausdrängen in das nicht resonante AlyGa1-yAs-Gebiet, aus welchem sie nicht in die Struktur zurück tunneln können.
  • Obwohl die Erfindung dargestellt und beschrieben wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen, sind äquivalente Abänderungen und Modifikationen für den Durchschnittsfachmann auf der Grundlage des Lesens und Verstehens dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen möglich. In Bezug auf verschiedene Funktionen, die durch die oben beschriebenen Elemente ausgeführt werden (Komponenten, Anordnungen, Einrichtungen, Zusammensetzungen, usw.), Begriffe (inklusive einer Bezugnahme auf eine Einrichtung oder ein Mittel), die verwendet werden, um derartige Elemente zu beschreiben und mit ihnen zu korrespondieren, sollen diese, solange nichts anderes gesagt ist, Elemente zu jedem Element korrespondieren, welches die bestimmte Funktion des beschriebenen Elements ausführt (das heißt funktional äquivalent ist), korrespondieren, selbst dann, wenn sie strukturell nicht äquivalent sind zur offenbarten Struktur, welche die Funktion bei der hier exemplarisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung ausführt. Zusätzlich können sämtliche Merkmale mit anderen Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden, wie dies wünschenswert oder vorteilhaft für eine bestimmte Anwendung erscheinen mag, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der vorliegenden Erfindung in der oben beschriebenen Art und Weise nur im Zusammenhang mit einem oder mehreren Ausführungsformen beschrieben wurde.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die Einrichtung kann verwendet werden zum Realisieren eines Photovoltaiksystems mit einem sehr hohen Wirkungsgrad (< 50%). Es kann auch verwendet werden um monochromatisches Licht aus einer Breitbandquelle (zum Beispiel der Sonne) zu erzeugen. Ferner kann die Erfindung verwendet werden zum Bestrahlen oder Beleuchten einer Photovoltaikzelle, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad einstellt. Die Erfindung kann auch verwendet werden bei der Implementation einer Heißträgersolarzelle (hot carrier solar cell).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 04324214 [0009, 0009, 0014, 0098]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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    • A. J. Nozik, Spectroscopy and Hot Electron Relaxation Dynamics in Semiconductor Quantum Wells and Quantum Dots, Annual Review Physical Chemistry (2001) 52: 193–231 [0078]
    • J. North et al., Elektron reflection and interference in the GcAs/AlAs-Al Schottky collector resonant-tunneling diode, Physical Review B, 57, 1847–1854 (1998) [0078]

Claims (17)

  1. Resonante Tunneleinrichtung, mit: einem ersten Halbleitermaterial (Emittermaterial) mit einer Energiedifferenz Eg1 zwischen Valenz- und Leitungsbändern; einem zweiten Halbleitermaterial (Akzeptormaterial) mit einer Energiedifferenz Eg2 zwischen Valenz- und Leitungsbändern, wobei Eg1 und Eg2 voneinander verschieden sind und wobei eine energieselektive durchlässige Grenzfläche die ersten und zweiten Halbleitermaterialien verbindet.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei bei einem resonanten Energieniveau das Akzeptormaterial im Leitungsband keine Träger aufweist.
  3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–2, wobei eine Elektronenmasse des Akzeptormaterials größer Ist als eine Elektronenmasse des Emittermaterials.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Emittermaterial Licht absorbiert und Elektronen und Löcher erzeugt.
  5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei – wenn Elektronen einen Nicht-Majoritätsträger bilden – eine Leitungsbandkante des Emittermaterials eine niedrigere Energie aufweist als eine Leitungsbandkante des Akzeptormaterials und wobei – wenn Löcher die Nicht-Majoritätsträger bilden – die Valenzbandkante des Emittermaterials eine höhere Energie aufweist als die Valenzbandkante des Akzeptormaterials.
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei – wenn Elektronen die Nicht-Majoritätsträger bilden – die energieselektive durchlässige Grenzfläche ein Energieniveau bereitstellt, welches resonantes Tunneln bei einer Elektronenenergie unterstützt, die größer ist als die Leitungsbandkante des Akzeptormaterials und wobei – wenn Löcher die Nicht-Majoritätsträger bilden – die energieselektive durchlässige Grenzfläche ein Energieniveau bereitstellt, welches resonantes Tunneln bei einer Lochenergie unterstützt, die geringer ist als die Valenzbandkante des Akzeptormaterials.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, wobei eine Akzeptorbandlücke abgestuft ist von einem Material mit einer breiteren Bandlücke in den ersten L nm des Akzeptormaterials (mit 1 < L < 20 nm) zu einem Material mit einer engeren Bandlücke für den Rest des Akzeptormaterials.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, wobei eine resonante Tunnelenergie und eine Nicht-Majoritätsbandkante des Akzeptormaterials im Wesentlichen abgestimmt sind.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die energieselektive durchlässige Grenzfläche eine erste Barriereschicht aufweist, die benachbart zum ersten Halbleitermaterial angeordnet ist, eine zweite Barriereschicht, die benachbart zum zweiten Halbleitermaterial angeordnet ist, sowie eine Quantenmuldenschicht oder Quantenpunktschicht, welche zwischen den ersten und zweiten Barriereschichten angeordnet ist.
  10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, wobei eine effiziente Strahlungsrekombination in der Akzeptorschicht durch irgendeine Maßnahme gefördert wird, zum Beispiel durch Quantenmulden im Akzeptormaterial oder einen optischen Hohlraum, welcher Licht in der Einrichtung einschließt.
  11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei die effektive Masse eines Minoritätenträgers im Wesentlichen geringer ist als die effektive Masse eines Majoritätenträgers bei einem Halbleitermaterial, welches Licht absorbiert.
  12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, wobei das erste Halbleitermaterial p-dotiert ist, wobei das zweite Halbleitermaterial n-dotiert und wobei Eg1 geringer ist als Eg2.
  13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Emitter- und Akzeptormaterialien im Wesentlichen undotiert sind.
  14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–13, wobei Träger aus den ersten und zweiten Halbleitermaterialien zu einem äußeren Schaltkreis elektrisch extrahiert sind oder werden.
  15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–14, wobei ein Offset zwischen den Valenzbändern der Halbleitermaterialien so ausgewählt ist, um einen direkten Lochtransport ohne Tunneln zu ermöglichen.
  16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–15, wobei das erste Halbleitermaterial InAs ist und das zweite Halbleitermaterial InxAl1-xAsySb1-y ist und wobei die energieselektive durchlässige Grenzfläche eine Quantemulde aus InAs zwischen zwei Schichten aus AlSb ist.
  17. Photovoltaikeinrichtung, mit: einer Photovoltaikzelle und der resonanten Tunneleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die resonante Tunneleinrichtung an die Photovoltaikzelle gekoppelt ist, um die Photovoltaikzelle mit Licht einer Energie zu bestrahlen, die im Wesentlichen an die Bandlücke der Photovoltaikzelle angepasst ist.
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