專利名稱：納米基光電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子學(xué)領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供諸如光伏太陽(yáng)能 電池這樣的器件，它是基于把無(wú)機(jī)基的納米結(jié)構(gòu)引入有源區(qū)內(nèi)，在這場(chǎng)合下， 先預(yù)制單晶納米結(jié)構(gòu)，再沉積在無(wú)機(jī)基的非晶態(tài)基質(zhì)材料上。在一個(gè)實(shí)施例中， 量子力學(xué)隧道法使得帶電載流子在納米結(jié)構(gòu)與包覆層之間移動(dòng)。
技術(shù)背景光電子器件一般由無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的單晶有源區(qū)組成。舉例來(lái)說(shuō)，諸如GaAs 和GaN的111-V族的化合物，如AlGaAs、 InAlGaAs和InGaNp都用于產(chǎn)生光 及用作光檢測(cè)器，而諸如硅那樣的材料則被用作光檢測(cè)器和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器。由 于有源區(qū)的單晶性質(zhì)，包覆區(qū)也一定是單晶，以一組包括晶格匹配的單晶襯底 在內(nèi)的晶格匹配材料為條件。這種處理不僅成本高而且還受限制。成本高是因 為單晶、晶格匹配的襯底以及特別設(shè)計(jì)和制造的晶體生長(zhǎng)裝置。受限制的原因是必須選擇對(duì)具體器件最佳的材料組合，另外還須晶格匹配。具體地說(shuō)，光伏 太陽(yáng)能電池是一種把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能的光電子器件。它的形成方式一般與許 多光電子器件類似。單晶、多晶或非晶態(tài)材料的薄層沉積在襯底上。 一般利用 在n和p摻雜區(qū)之間的接合處形成內(nèi)建電壓電位。吸收了照射在結(jié)構(gòu)上的太陽(yáng) 光，以形成電子和空穴。帶電載流子通過(guò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到電接觸點(diǎn)，并給外部的負(fù) 載電阻提供電流。這些器件的效率與使用的材料有關(guān)，更為重要的是與材料的 晶體性質(zhì)有關(guān)。在現(xiàn)有技術(shù)中，以非晶硅(Si)為基的器件的平均效率為6%， 多晶Si器件的平均效率為15%，單晶Si器件的平均效率為25%，而多個(gè)接合 處(層疊)的AlGaAs-GaAs-Ge器件的平均效率則超過(guò)30%。然而不幸的是， 隨著效率的提高，生產(chǎn)成本也隨之增加，故這種發(fā)電器件難以與其它電源相競(jìng) 爭(zhēng)。本發(fā)明的目的本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種廉價(jià)的光電子器件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種廉價(jià)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種廉價(jià)的發(fā)光器件。發(fā)明內(nèi)容使預(yù)制的納米晶體與非晶體的、非烴的阻隔材料接觸，以用作光檢測(cè) 器、光發(fā)射器和能量轉(zhuǎn)換器。


圖1所示為本發(fā)明的裝置開(kāi)始制造的示意圖。圖2所示為圖1的步驟之后的一制造步驟的示意圖。 圖3所示為本發(fā)明的最優(yōu)選的裝置的示意圖。 圖4所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的示意圖。 圖5所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的示意圖。 圖6所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的示意圖。圖7所示為本發(fā)明的最優(yōu)選的裝置的能帶示意圖，其中，納米晶體上無(wú)光線 射入。圖8所示為本發(fā)明的最優(yōu)選的裝置的能帶示意圖，其中，光線入射在納米晶 體上。圖9所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的能帶示意圖。 圖IO所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的能帶示意圖。 圖11所示為本發(fā)明的優(yōu)選的裝置的能帶示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1中示出了本發(fā)明的裝置開(kāi)始制造的示意圖。襯底IO上沉積了一任 選的導(dǎo)電層12，而層12的頂部沉積了一層阻隔材料14。所述的襯底可以是透 光的材料，例如玻璃、聚合材料，或者是不透明的材料，如不銹鋼或本領(lǐng)域公 知的其它任何廉價(jià)的材料。如果襯底是導(dǎo)電的，就不需要導(dǎo)電層12。對(duì)本發(fā)明 的一些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電層12的材料可以是透明的材料，如氧化銦錫，或者 可以是不透明的材料，如一層金屬鋁。阻隔材料層14是非晶態(tài)、非烴的材料。 對(duì)于本說(shuō)明書(shū)來(lái)說(shuō)，非烴材料被限定為一種非晶態(tài)材料或者是一種包括具有只 是小范圍排序的原子的材料，其中，小范圍排序在三維范圍內(nèi)比將施加于表明 的納米晶體的最大尺寸小得多(以下再作說(shuō)明)。阻隔材料層14可以是勻質(zhì)
材料，或者是不同材料的混合物，或者是具有所含的納米粒子量高的勻質(zhì)材料， 在這種場(chǎng)合下，與最大尺寸的納米晶體相比，納米粒子的尺寸是小的。烴類材 料被限定為具有很多碳?xì)滏I(C-H)的材料，而碳?xì)滏I在很大程度上影響材料的性質(zhì)。為此，本說(shuō)明書(shū)將烴類材料中的C-H鍵用C-F、 C-C1、 C-Br和C-I鍵取代的材料也限定為烴類材料?？赏ㄟ^(guò)蒸發(fā)、濺射、旋轉(zhuǎn)涂層或任何其它本領(lǐng)域公知的沉積薄層的方 法將層14沉積在層12上。圖2所示為圖1的具有層20沉積在層14上的預(yù)制 的納米晶體22的裝置。對(duì)于本說(shuō)明書(shū)來(lái)說(shuō)，納米晶體由晶體材料形成，在這 種場(chǎng)合下，晶體材料的原子具有納米晶體的幾何尺寸的大范圍排序。對(duì)于本說(shuō) 明書(shū)來(lái)說(shuō)，納米晶體的最大尺寸限定為300nm。納米晶體可以是球形的、橢圓 形的或不規(guī)則的形狀，在這種場(chǎng)合下，所有的空間維度都是可比較的，或者可 呈板狀，在這方面， 一個(gè)空間維度比其它兩個(gè)小很多，或者可呈桿狀，在這種 情況下， 一個(gè)空間維度比其它兩個(gè)長(zhǎng)很多。圖2示出了覆蓋了大致上一致的層14的許多納米晶體，但是在本發(fā)明 的一些優(yōu)選實(shí)施例中， 一個(gè)或幾個(gè)納米晶體為一組是必須的。在本發(fā)明最優(yōu)選 的實(shí)施例中，需要很多個(gè)的納米晶體。很多個(gè)的定義是超過(guò)10000個(gè)，且在本 發(fā)明最優(yōu)選的實(shí)施例中，層14完全被至少一層納米晶體所覆蓋，在這種情況 下，襯底10的尺寸單位為厘米或米。如圖2所示，納米粒子本身可施加在層 14的表面上，或者它們與另一種材料混合后再施加在層14的表面上，或者層 14和層20可共同沉積在層12上。與納米晶體混合的材料可以與層12的材料 相同，或者是另一種阻隔材料。納米晶體優(yōu)選是用于半導(dǎo)體的納米晶體，最優(yōu) 選的是I1I-V族的半導(dǎo)體，如GaAs、 AlGaAs、 GalnAlAs、 GaN、 Il-Vi族材料 或元素半導(dǎo)體。阻隔材料定義為這樣一種材料，即勢(shì)能壘靠至少一種類型載流 子在導(dǎo)體材料與預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體層20之間遷移而存在。優(yōu)選的阻隔材料 是氧化物和氮化物，尤其是二氧化硅和氮化硅。由于諸如鈦、鈧、釕等其它金 屬氧化物的化學(xué)穩(wěn)定性好，故它們也可作為阻隔材料。把這些材料的納米粒子 摻進(jìn)其它阻隔材料也是可行的。圖3所示為兩個(gè)沉積在納米晶體層頂部的附加層30和32。層30是一 阻擋層，它的材料可以與層14的材料相同或不相同。層32是一導(dǎo)電層，它可
以是透明或不透明的材料。如果襯底材料和層12都是透明的，層32可以是金 屬材料，如鋁，該層既作為導(dǎo)體又用作密封。圖4是本發(fā)明的裝置的放大圖，其中，可選的附加材料層40、 42、 44 和46用于各種不同的目的，例如是鈍化層或擴(kuò)散阻擋層。圖3的結(jié)構(gòu)示出了導(dǎo)電層12和32與阻擋層14和30為物理接觸，而 所述的層14和30與納米晶體層20為物理接觸。在本發(fā)明中，只要保持電接 觸，就不需要這些層之間的物理接觸。當(dāng)各層的電位至少部分由另一層的電位 確定時(shí)，就能保持電接觸。例如，電流可以在由另一種材料層分開(kāi)的兩種電接 觸的材料之間流動(dòng)，或者其中一層的電位因與其它層的電容耦合而受到影響， 或者帶電載流子會(huì)經(jīng)擴(kuò)散、隧穿、電場(chǎng)或熱電放射，或通過(guò)本領(lǐng)域公知的其它 方式或這些方式的任意組合從一層移動(dòng)到下一層。最優(yōu)選是通過(guò)隧穿使帶電載 流子移動(dòng)。優(yōu)選的遷移載流子的方法是使用場(chǎng)致發(fā)射電子和擴(kuò)散空穴結(jié)合的方 式。圖5所示的是用不同形狀或不同材料的納米晶體51形成的層20的示意圖。圖6所示為圖2中的本發(fā)明可疊加在其它層的頂部。導(dǎo)電層64和66、 阻擋層62和68、納米晶體62的層60都被沉積在預(yù)先制成的器件上。在圖6 中，層66和68是任選的，因?yàn)閷?0將作為納米晶體層20和60的阻擋層。圖7所示為本發(fā)明的圖3的最優(yōu)選的器件在沒(méi)有太陽(yáng)光照射的情況下 的能帶示意圖。虛線代表費(fèi)米能級(jí)(Ef)。組合層包括納米晶體或量子點(diǎn)(QD) 層20、由層14和30表示的兩個(gè)阻擋層(Bl、 B2)、以及由層12和32表示 的兩個(gè)接觸層(Cl、 C2)。阻擋電導(dǎo)帶(Ec)和價(jià)帶(Ev)是傾斜的，這是 因?yàn)閷?dǎo)體具有不同的功函數(shù)，在這方面，所述的功函數(shù)被定義為真空能級(jí)(Evae) 與Ef之間的距離。E;e表示接觸之前的真空能級(jí)，C2與其它的結(jié)構(gòu)配合。功 函數(shù)的差異是導(dǎo)致Ec和Ev傾斜的主因。系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)規(guī)定為平衡狀態(tài)，在整個(gè)系統(tǒng)中，其是一不變的能級(jí) 且被限定為這樣的能量，在該能量下，電子的占據(jù)概率為1/2。功函數(shù)定義為 費(fèi)米能級(jí)與真空能級(jí)之間的差， 一般對(duì)不同的材料有不同的功函數(shù)。在此，我 們最初設(shè)計(jì)的兩觸點(diǎn)的功函數(shù)是不相同的，因此，使得導(dǎo)帶(Ec)和價(jià)帶(Ev) 傾斜。這就使得在QD導(dǎo)電態(tài)的每一側(cè)的Ec的高度相對(duì)于這一狀態(tài)差別很大。 這個(gè)器件的一個(gè)實(shí)施例的唯一特征是遷移的隧穿本質(zhì)。如果在QD處產(chǎn) 生的帶電載流子通過(guò)擴(kuò)散的方式遷移并穿過(guò)非晶態(tài)層，少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度 可能會(huì)變短，在非晶硅器件中的遷移性就達(dá)不到最佳。然而，如果帶電載流子 以量子力學(xué)遂穿阻擋層，則除了與阻擋層缺陷有關(guān)的問(wèn)題之外，平均的擴(kuò)散長(zhǎng) 度將無(wú)關(guān)緊要。如果QD價(jià)與導(dǎo)電態(tài)之間的能量差等于照射在它上面的光子的 能量，且價(jià)態(tài)是滿的，而導(dǎo)電態(tài)是空的，那么就有可能光子被QD吸收，電子 從滿價(jià)態(tài)激發(fā)到導(dǎo)電態(tài)，以形成空穴。電子能夠放回到價(jià)態(tài)，并與空穴在特征 時(shí)間內(nèi)復(fù)合，所述的特征時(shí)間稱作自發(fā)輻射壽命，或者在非輻射壽命內(nèi)非輻射 地釋放并穿過(guò)缺陷或聲子。然而，在我們的器件中，電子在前述任何一個(gè)過(guò)程 發(fā)生之前遂穿勢(shì)壘區(qū)并進(jìn)入導(dǎo)體。同時(shí)，在QD價(jià)態(tài)形成的空穴以相反的方向 遂穿不同的阻擋層并與其它的接觸。因此，特征性遂穿時(shí)間一定比輻射和非輻 射壽命的時(shí)間短。因?yàn)镋c和Ev的高度在QD的每一側(cè)都不相同，電子優(yōu)先地 遂穿B1到C1，而空穴優(yōu)先地遂穿B2到C2。在上述簡(jiǎn)單的平衡圖中，在最小的光照且無(wú)載荷的情況下，載流子將 來(lái)回地從C1 (C2)遂穿B1 (B2)進(jìn)入QD。然而，在適當(dāng)?shù)墓庹蘸洼d荷下， 電子將在一側(cè)形成負(fù)電荷，而空穴將在另一側(cè)形成正電荷，系統(tǒng)將不處于平衡 態(tài)，因此，系統(tǒng)不能用單一的費(fèi)米能級(jí)來(lái)表征。如圖8所示，Cl側(cè)的費(fèi)米能級(jí) 將會(huì)上升(變得更負(fù))，而C2側(cè)的費(fèi)米能級(jí)將下降。遂道電流最初取決于勢(shì)壘高度和寬度的指數(shù)函數(shù)。因此，勢(shì)壘高度和 寬度函數(shù)的細(xì)小差別將導(dǎo)致隧道電流有很大差別。有兩種方法會(huì)使隧道電流回 到平衡態(tài)并鉗住電壓。第一，隨著流入觸點(diǎn)的入射載流子的增加，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 的差也不斷地增加。當(dāng)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)達(dá)到QD值，流入和流出QD態(tài)的電流達(dá)到 平衡。另外，當(dāng)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的差隨電流的增加而增加，電場(chǎng)就變得要更多補(bǔ)償， 勢(shì)壘帶變得更平，因此，減小了隧道電流。兩種方法中的哪一種方法處于支配 地位取決于能帶傾斜度(兩個(gè)觸點(diǎn)的功函數(shù)的差)與QD態(tài)及準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)中的 差。如果能帶傾斜過(guò)程限制了電壓，隨著電壓增加，反向隧道電流會(huì)增加，電 流的減小會(huì)減緩。然而，如果準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與QD限制態(tài)匹配控制了 QD吸收的 電流，這將導(dǎo)致達(dá)到臨界電壓時(shí)，電流急劇下降。由于受到準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與QD
匹配的限制，后一種方法最終將得到最大的I + V產(chǎn)出值(功率)，這是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。最后，空穴和電子隧道電流是相互依賴的。在理想的QD結(jié)構(gòu)中，它們一定是相同的，這是因?yàn)槿绻麅r(jià)態(tài)是空的(空穴占據(jù))，吸收就不 能發(fā)生，如果導(dǎo)電態(tài)已經(jīng)是電子，吸收也不會(huì)發(fā)生。在系統(tǒng)回到初始狀態(tài)之前， 空穴和電子必須隧穿到觸點(diǎn)。即使在量子線或量子阱發(fā)生吸收，在帶態(tài)而不是離散的QD態(tài)下，電子和空穴的遂穿將通過(guò)電路達(dá)到平衡。這不是必須的，且 對(duì)于電子和空穴的隧穿，器件也可能達(dá)不到最佳。 一般地，空穴態(tài)的限制比電 子態(tài)的限制要弱一些(如圖8所示)。從這種狀態(tài)遷移的載流子可能來(lái)自阻擋 層的頂部擴(kuò)散，微弱地限制隧穿，或是兩個(gè)過(guò)程的一些組合。雖然并不常見(jiàn)， 但有可能是上述過(guò)程以導(dǎo)電態(tài)出現(xiàn)，或兩種狀態(tài)下都出現(xiàn) 一 這能用作設(shè)計(jì)參 數(shù)。有幾種方式對(duì)最初的器件進(jìn)行改進(jìn)，以及迫使電壓通過(guò)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的 增加而不是能帶傾斜變平受限制。在寄生(相反)方向的共同隧穿需要減至最 小。增加一個(gè)勢(shì)壘寬度來(lái)限制一個(gè)載流子的隧穿，這將產(chǎn)生必要的優(yōu)先的隧穿， 但是這必須以這樣一種方式實(shí)現(xiàn)，即它不減少?gòu)哪莻€(gè)方向隧穿的另一種載流子 的類型(電子或空穴)。例如，如圖9所示，如果增加圖7中B2的寬度，甚 至在沒(méi)有傾斜的情況下，它也將減少在那個(gè)方向的電子的隧穿。然而，它基本 上將不減少空穴的隧穿，因?yàn)榭昭☉B(tài)是微微地受限。另一種方式是使勢(shì)壘Bl 和B2的功函數(shù)不同，如圖10所示，以致于使所述B2的電子勢(shì)壘高度增加， 同時(shí)減小B2的空穴勢(shì)壘高度。在圖9中，勢(shì)壘寬度是不同的，而且一個(gè)勢(shì)壘相對(duì)于其它材料具有唯 一的功函數(shù)。在圖10中，功函數(shù)全部都相同，但是勢(shì)壘寬度和高度是不同的。光伏太陽(yáng)能電池的優(yōu)化包括了許多的設(shè)計(jì)方面，但我們?cè)谶@只集中于 以下2點(diǎn)(i)優(yōu)化太陽(yáng)光的吸收；以及(ii)優(yōu)化吸收得到的能量。優(yōu)化太 陽(yáng)光的吸收即為以特定的能量分布優(yōu)化吸收光子。地球上的陽(yáng)光入射受發(fā)熱體 的正常輻射分布控制，所述發(fā)熱體隨大氣的吸收而變化。最終的分布自然地分 為3個(gè)或4個(gè)區(qū)。理想地，我們將選擇納米晶體，當(dāng)它置于勢(shì)壘之間時(shí)，納米 晶體具有集中于這些區(qū)的吸收區(qū)。這里還有一種可能的設(shè)計(jì)選擇為基態(tài)吸收， 其取決于納米晶體的通常材料、納米晶體的尺寸、以及在某種程度上，太陽(yáng)能
電池中包覆納米晶體的勢(shì)壘高度。我們不必尋找窄的納米晶體的尺寸分布，因 為我們欲使納米晶體的吸收分布覆蓋地球上的太陽(yáng)光譜的范圍。光子通量相對(duì) 太陽(yáng)光到達(dá)地面的光子能量曲線存在清楚的峰值。從這些數(shù)據(jù)，我們知道地面上來(lái)自太陽(yáng)的大多數(shù)光子的能量接近750meV。這個(gè)能量對(duì)應(yīng)于1.65jim的波長(zhǎng)。 將大部分能量提供給系統(tǒng)的光子的光譜范圍是接近500nm，對(duì)應(yīng)于2.5eV。提 供給系統(tǒng)的第二大貢獻(xiàn)是來(lái)自波長(zhǎng)集中在626nm的波長(zhǎng)范圍，對(duì)應(yīng)于2eV。由 于我們對(duì)得到大的能量轉(zhuǎn)換感興趣，不是光子轉(zhuǎn)換，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)， 以捕獲2.5eV和2eV的光子，以及在較小程度上為3.3eV、 1.67 eV和1.45 eV 的光子。由于在1.45 eV的光通量約是在2.5 eV的光通量的兩倍，我們必須在 這些低能量處加入更多的納米晶體，即使輸出的能量會(huì)比較低。優(yōu)化來(lái)自吸收太陽(yáng)光得到的能量也涉及到太陽(yáng)能電池的材料選擇。具 體地說(shuō)，觸點(diǎn)和阻隔材料的功函數(shù)，以及受限制的納米晶態(tài)的位置將對(duì)器件的 性能產(chǎn)生重大的影響。材料可在很大的參數(shù)范圍內(nèi)選擇。從最后一部分看，在 簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能電池的例子中，兩個(gè)接觸層的功函數(shù)的差對(duì)建立電流方向的最初 遂穿過(guò)程，以及對(duì)可以達(dá)到的總電壓都是至關(guān)重要的。然而，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)阻 擋層的厚度，以及為其中的一個(gè)阻擋層挑選一有利的納米晶體的功函數(shù)，或者 使一個(gè)勢(shì)壘的高度(能量)與另一個(gè)不同，也可達(dá)到相同效果。涉及生產(chǎn)的材料問(wèn)題這種太陽(yáng)能電池的一個(gè)極其重要的方面是開(kāi)發(fā)高產(chǎn)量、低成本的生產(chǎn) 工藝。 一個(gè)例子是將層濺射到玻璃或薄層金屬襯底上。然而，不是所有的材料 都能被濺射，具體地說(shuō)，不是所有的材料都能以相對(duì)低的溫度適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行濺射， 更具體地說(shuō)，不是所有的材料都能通過(guò)濺射較好地沉積到一起。層與層之間的 化學(xué)反應(yīng)，層與層之間的接合處的缺陷以及層內(nèi)的點(diǎn)缺陷都必須要考慮到。如 果我們想減小界面和點(diǎn)缺陷的狀態(tài)，可能就需要升高溫度。溫度方面的問(wèn)題有 兩個(gè)。 一個(gè)是膠質(zhì)納米晶體材料，通常由n-vi族的化合物半導(dǎo)體制成，這些 材料一般能承受最高達(dá)40(TC的高溫且沒(méi)有退化；另外，對(duì)于高產(chǎn)量、低成本 的生產(chǎn)，通常不需要高溫。器件需要一組較高的特定能帶邊失調(diào)值，這有可能 限制我們對(duì)材料的選擇?；瘜W(xué)問(wèn)題也確實(shí)需要考慮進(jìn)去。例如，雖然近乎完美
的硅一二氧化硅界面已成為微電子行業(yè)的基礎(chǔ)之一，但大多數(shù)的界面會(huì)發(fā)生反 應(yīng)或者具有較高的表面態(tài)密度。 一個(gè)非常重要的問(wèn)題是納米晶體材料的濺射。 納米晶體材料可儲(chǔ)藏在溶劑中。溶劑不太可能與其它材料相容，因此，必須在 沉積之前將它除去。另外，將納米晶沉積在阻擋層上也存在一些問(wèn)題。如果納 米晶體的密度過(guò)大，納米晶體會(huì)聚叢并削弱器件的性能納米晶體將不再?gòu)拇?能帶隙材料中分離出來(lái)D如果納米晶體沒(méi)有包含合適的表面涂層以減少聚集， 在沉積過(guò)程中也會(huì)有這種聚叢。濺射是一瞄準(zhǔn)線的過(guò)程。因此，納米晶體將直 接遮蔽納米晶體以下的區(qū)域，而產(chǎn)生空隙。這些肉眼可見(jiàn)的空隙的產(chǎn)生是因?yàn)?納米晶體牢固地在勢(shì)壘區(qū)的頂部，而如果在該區(qū)域內(nèi)植入納米晶體，則應(yīng)當(dāng)是合乎需要的?？刹迦胍恢虚g層來(lái)用于這個(gè)功能。這在圖中示出。 一單獨(dú)的問(wèn)題 是可能在納米晶體與包覆區(qū)之間出現(xiàn)微尺度缺陷。這些缺陷包括點(diǎn)缺陷、微間 隙或者較弱的或不正確的結(jié)合。關(guān)于遮蔽問(wèn)題，需要在納米晶體周圍插入一鈍 化層，以確保適當(dāng)?shù)谋砻驸g化。鈍化層會(huì)理想地包覆著納米晶體并提供初始的 界面，這將不需要減少遮蔽。因此，需要兩組夾層， 一層用于減少遮蔽，另一 層用于協(xié)助鈍化。多層PV電池層迄今為止，我們僅僅討論了單層的納米晶體和與它相關(guān)的阻擋層和觸 點(diǎn)。我們既需要多層冗余的納米晶體吸收，以增加波長(zhǎng)的特定吸收，又需要多 層吸收不同光譜范圍的納米晶體，以完全覆蓋太陽(yáng)光譜。通過(guò)翻轉(zhuǎn)層可以把這 些層簡(jiǎn)單連接起來(lái)，以致于空穴和電子以相反方向遷移到臨近層上并共用觸 點(diǎn)。圖12示出了這種方案的能帶圖。雖然概念是簡(jiǎn)單，但必需用一額外的處 理步驟來(lái)連接所有的奇數(shù)和偶數(shù)的接觸層。而且，我們必須確定組內(nèi)的所有的 納米晶體狀態(tài)是否需要以相同的波長(zhǎng)進(jìn)行吸收。Vsc將可能鉗住最低的納米晶 體的能量。因此，如果不同顏色的吸收層連在一起，那么就需要犧牲一些功率 轉(zhuǎn)換。然而，如果吸收不同顏色的納米晶體層被分開(kāi)，那么就必須采用精細(xì)的 接觸方案。另外，當(dāng)把裝置當(dāng)作太陽(yáng)能電池使用時(shí)，本發(fā)明提供了一些其它吸收 光的電子器件，包括檢測(cè)器。本發(fā)明還提供了發(fā)射和調(diào)節(jié)光的器件。
顯然，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的教導(dǎo)，本發(fā)明還可能有許多的改型和變型。但是， 應(yīng)該理解，在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除了本文的詳細(xì)描述之外，本發(fā)明也 是可以實(shí)施的。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，該裝置包括許多個(gè)預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體；至少一種非烴、非晶體阻隔材料，其中，所述的許多個(gè)預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體與非烴、非晶體阻隔材料電接觸，以及勢(shì)能壘靠至少一種類型載流子在非晶體、非烴阻隔材料與許多個(gè)預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體之間遷移而存在；以及至少一導(dǎo)電材料，其與阻隔材料電接觸。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述的許多個(gè)預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體在第一層內(nèi)形成，所述的第一層在第一非烴、非晶體阻隔材料的第二層的頂 部且與第二層電接觸，以及所述的第二層在第一導(dǎo)電材料的第三層的頂部且 與第三層電接觸。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，第二非烴、非晶體阻隔材料的第四 層在許多個(gè)預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體的第一層的頂部形成并與許多個(gè)預(yù)制的無(wú) 機(jī)納米晶體的第一層電接觸。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，第二導(dǎo)電材料的第五層在第四層的 頂部形成，其中，第五層與第四層電接觸。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，導(dǎo)電材料的第三和第五層中的至少 一層是至少一個(gè)頻率的電磁輻射可穿透的，其中，所述的至少一個(gè)頻率在紫 外線到紅外線的范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的納米晶體層吸收集中于至少 一個(gè)波長(zhǎng)的光。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，至少一個(gè)頻率的電磁輻射穿過(guò)透明 的導(dǎo)電材料，并且被預(yù)制的無(wú)機(jī)非晶體材料吸收，以在第三與第五層之間產(chǎn) 生電流流動(dòng)。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在第三層與第五層之間的電流的流 向由一內(nèi)建電勢(shì)確定，所述的內(nèi)建電勢(shì)由不同功函數(shù)的電接觸區(qū)形成。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，在第三層與第五層之間的電流的流 向由一內(nèi)建電勢(shì)確定，所述的內(nèi)建電勢(shì)由第二層和第四層的材料的不同電子親和勢(shì)形成。
10. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述的納米晶體層是一復(fù)合層， 該層由非晶體、非烴阻隔材料分開(kāi)的納米晶體層形成。
11. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，吸收波長(zhǎng)的分布由納米晶體的尺 寸、形狀和材料中的至少一個(gè)因素決定的。
12. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，至少一附加材料層出現(xiàn)在至少一 層對(duì)之間，所述的層對(duì)包括第二和第三層與第四和第五層，其中，所述的附 加材料層便于層之間的電接觸。
13. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的非烴、非晶體阻隔材料包括多層不同的組合物。
14. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，遷移到許多無(wú)機(jī)納米晶體的載流子復(fù)合并產(chǎn)生電磁輻射。
15. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的非烴、非晶體阻隔材料包 括含氮或含氧的化合物。
16. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述的納米晶體包括半導(dǎo)體材料。
17. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，至少一種導(dǎo)電透明材料包括氧化 銦錫。
18. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在非烴、非晶體阻隔材料與納米 晶體之間插入一層或多層材料，其中，所述的一層或多層材料便于非烴、非 晶體阻隔材料與納米晶體之間的電接觸。
19.
20. —種裝置，其包括至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體；至少一非烴、非晶體阻隔材料，其中所述的至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體 與所述的非烴、非晶體阻隔材料電接觸，以及勢(shì)能壘靠至少一種類型載流子 在非晶體、非烴阻隔材料與至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體之間遷移而存在。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述的至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶 體從納米晶體的膠體溶液中得到。
22. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述的至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶 體的形狀選自由球形、橢圓形、桿形、線形和板形組成的組。
23.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述的至少一預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶 體的能態(tài)部分地是由至少一維的量子限制確定。所述的裝置是太陽(yáng)能電池。 吸收入射到至少一無(wú)機(jī)納米晶體
24. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，吸收入射到至少一無(wú)機(jī)納米晶體 上的電磁輻射，以產(chǎn)生電流。
25. 如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，
26. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于， 上的電磁輻射，以形成光調(diào)制器。
27. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，遷移到至少一無(wú)機(jī)納米晶體的載 流子復(fù)合后產(chǎn)生電磁輻射。
28. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，穿過(guò)非烴、非晶體阻隔材料的載 流子至少部分地通過(guò)量子隧道遷移。
29. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，穿過(guò)非烴、非晶體阻隔材料的載 流子至少部分地通過(guò)熱電子發(fā)射遷移。
30. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，穿過(guò)非烴、非晶體阻隔材料的載 流子至少部分地通過(guò)擴(kuò)散遷移。
31. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述的至少一納米晶體是半導(dǎo)體 材料的晶體。
32. 如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述的半導(dǎo)體材料是m-v族半 導(dǎo)體。
33. —種裝置，其包括襯底；在襯底上形成的第一導(dǎo)電材料的第一層；第二層，其包括在第一層上形成的第一非烴、非晶體阻隔材料； 第三層，其包括許多個(gè)在第二層上形成的預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體； 第四層，其包括在第三層上形成的第二非烴、非晶體阻隔材料； 第五層，其在第四層上形成的第二導(dǎo)電材料；其特征在于， 一勢(shì)能壘靠在載流子阻隔材料與納米晶體之間的遷移而存在。
34. 如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，第一和第五層中的至少一層是至以及少一個(gè)頻率的電磁輻射可穿透的，其中，所述的至少一個(gè)頻率在紫外線到紅 外線的范圍內(nèi)。
35. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，遷移到許多個(gè)無(wú)機(jī)納米晶體的載 流子復(fù)合并產(chǎn)生至少一個(gè)頻率的電磁輻射。
36. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述的電磁輻射被所述的許多個(gè) 預(yù)制的無(wú)機(jī)納米晶體吸收，以在第一和第五層之間產(chǎn)生電流。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是基于將預(yù)制的任意形狀的納米晶體插入非晶體、非烴阻擋層的表面或里面。所述結(jié)構(gòu)的實(shí)施例包括多個(gè)可以被分層的阻擋層和接觸點(diǎn)。當(dāng)所述的結(jié)構(gòu)用作檢測(cè)器或太陽(yáng)能電池時(shí)，在吸收過(guò)程中，在納米晶體中形成的帶電載流子將通過(guò)量子力學(xué)隧穿/熱電子發(fā)射或擴(kuò)散而遷移到電接觸點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例是光電器件，其使用不同的接觸材料和阻擋層形成一內(nèi)建偏壓。該結(jié)構(gòu)也能作用調(diào)節(jié)器或發(fā)射器。本發(fā)明可由許多疊加的結(jié)構(gòu)和共用的鄰近的接觸區(qū)組成，在這種情況下，單獨(dú)的那些層被轉(zhuǎn)用作吸收、發(fā)射或調(diào)節(jié)特定頻率或頻率組的光。
文檔編號(hào)H01L31/042GK101401218SQ200780009057
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月14日
發(fā)明者D·米勒, G·所羅門(mén), J·黑爾瓦根 申請(qǐng)人:森沃特納米體系股份有限公司