本發(fā)明涉及一種具有寬光譜響應(yīng)、高吸收率的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的理論基礎(chǔ)源于光電效應(yīng)，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)。光電效應(yīng)包括內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，其中內(nèi)光電效應(yīng)包括光生伏特效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)，所謂光生伏特效應(yīng)是指光照使得不均勻半導(dǎo)體或者半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象；所謂光電導(dǎo)效應(yīng)是光照作用下電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài)，使得材料電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。利用光生伏特效應(yīng)制造的光生電電池廣泛應(yīng)用于宇宙開(kāi)發(fā)、航空運(yùn)輸、氣象觀測(cè)、通訊設(shè)備、信號(hào)指示等領(lǐng)域；利用光電導(dǎo)效應(yīng)制造的光電探測(cè)器廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、安檢、藥物鑒定、監(jiān)視、成像等領(lǐng)域。

提高光電轉(zhuǎn)換效率是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)中亙古不變的主題，例如：太陽(yáng)能發(fā)電正在給人類(lèi)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)帶來(lái)革命性變化，未來(lái)將會(huì)發(fā)展為與現(xiàn)代化石能源相比擬的重要支撐性能源，然而太陽(yáng)能發(fā)電成本較高，且光電轉(zhuǎn)換效率不盡人意，使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用受到限制；另外，現(xiàn)有光電探測(cè)器存在響應(yīng)光譜范圍窄的缺陷，且光電轉(zhuǎn)換效率亟待提高，傳統(tǒng)的ptsi/p-si肖特基紅外探測(cè)器主要工作在中紅外波段(3～5μm)，集成黑硅的msm型探測(cè)器也只能在近紅外波段有較好的吸收響應(yīng)，上述不足使得窄帶響應(yīng)光電探測(cè)器不能滿足工程的需求。故而，發(fā)展寬光譜、強(qiáng)吸收、高響應(yīng)的光電探測(cè)系統(tǒng)，成為了光電探測(cè)領(lǐng)域重要研究方向之一，

減少反射損失、實(shí)現(xiàn)對(duì)光的高效吸收是提高光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要途徑；同時(shí)，拓寬光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的響應(yīng)光譜不但可以提高對(duì)光的利用效率，而且可以拓寬光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍領(lǐng)域。因此，亟需一種在寬光譜范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)吸收、高響應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的需求，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種具有高光電轉(zhuǎn)換效率的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，本發(fā)明利用黑硅的陷光效應(yīng)并在黑硅的陷光結(jié)構(gòu)上構(gòu)建非平面結(jié)構(gòu)反射光腔，以最大程度提高光線在器件結(jié)構(gòu)內(nèi)經(jīng)過(guò)的光程，從而提高光利用率；利用p型硅、黑硅、ptsi材料不同的吸收響應(yīng)光譜，使得本發(fā)明結(jié)構(gòu)在寬光譜范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)吸收、高響應(yīng)，進(jìn)而解決了現(xiàn)有光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)響應(yīng)光譜窄、光電轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括：p型硅襯底層，ptsi薄膜層，熱空穴反射介質(zhì)層和電極層，所述p型硅襯底層表面設(shè)有尖錐狀微納陣列形成黑硅層；所述黑硅層表面由內(nèi)至外依次設(shè)有ptsi薄膜層、熱空穴反射介質(zhì)層和電極層形成非平面微結(jié)構(gòu)；其中，黑硅層與ptsi薄膜層形成肖特基結(jié)，ptsi薄膜層、熱空穴反射介質(zhì)層和電極層三者形成反射光腔。

進(jìn)一步地，本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置于p型硅襯底層背面的抗反射膜層；抗反射膜層可以增加結(jié)構(gòu)的通光量，抗反射膜的厚度可根據(jù)實(shí)用需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4μm～5μm時(shí)，取中心波長(zhǎng)為2.7μm，若材料折射率為1.5，則根據(jù)計(jì)算可得在0.4μm～5μm的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)為實(shí)現(xiàn)最大增透效果，抗反射膜層的厚度應(yīng)為450nm。

進(jìn)一步地，為了降低入射光在到達(dá)黑硅層之前的損失，同時(shí)滿足對(duì)短波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子激發(fā)，本發(fā)明中p型硅襯底層的厚度為1～10μm。

本發(fā)明具有尖錐狀微納陣列的黑硅層實(shí)際上是一種非平面陷光結(jié)構(gòu)，通過(guò)黑硅的陷光效應(yīng)，使得光線在陷光結(jié)構(gòu)中經(jīng)過(guò)多次的反射，提高通過(guò)的光程，以提高光利用效率，進(jìn)而增加光吸收率；而在p型硅襯底層上制備得到的尖錐狀微納陣列趨于可控，其形狀大小可以通過(guò)工藝控制，本發(fā)明中黑硅層的微納陣列中任一尖錐的底面直徑不小于0.5μm，任一尖錐的高度不小于2μm。

進(jìn)一步地，任一尖錐的高度與底面直徑之比不小于5∶1。

本發(fā)明中ptsi薄膜層直接設(shè)置在黑硅層的陷光結(jié)構(gòu)表面，與黑硅形成肖特基勢(shì)壘，為使ptsi層中受光子激發(fā)產(chǎn)生的熱空穴順利越過(guò)勢(shì)壘，ptsi薄膜的厚度應(yīng)小于空穴在其中的平均自由程，因此，本發(fā)明中ptsi薄膜層的厚度不大于50nm。

為了阻擋ptsi薄膜層中的熱空穴擴(kuò)散，提高空穴注入p型硅襯底的效率，本發(fā)明優(yōu)選熱空穴反射介質(zhì)層的材料為si3n4。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，本發(fā)明中電極層的材料為鋁(al)；為了能夠保證鋁作為電極層用于傳導(dǎo)光生載流子、同時(shí)也能作為反射層同ptsi薄膜層和空穴反射介質(zhì)層形成非平面微結(jié)構(gòu)的反射光腔，進(jìn)而使光線經(jīng)過(guò)多次反射，以吸收更多的光能，故作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明中鋁電極層的厚度不小于100nm。本發(fā)明提供的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可用作光電探測(cè)器或者太陽(yáng)能電池。

本發(fā)明的原理如下：

本發(fā)明中黑硅和ptsi形成的肖特基勢(shì)壘將因光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的空穴和電子分別在黑硅、ptsi中囤積，形成自建電場(chǎng)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，同時(shí)，兩邊的載流子可通過(guò)電極引出，形成電流。

為提高光電轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明首先通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提高光吸收率，其中主要通過(guò)以下三種途徑：(1)在p型硅襯底層的背面設(shè)計(jì)抗反射膜層，確保光線在進(jìn)入結(jié)構(gòu)之前就具備較大的通過(guò)量，以為后續(xù)的吸收提供光輻射量；(2)通過(guò)在p型硅襯底層上設(shè)計(jì)尖錐狀微納陣列形成黑硅層，不僅增大了結(jié)構(gòu)的有效吸收表面積，還使得光線在尖錐狀微納陣列之間進(jìn)行多次反射，提高光線行程，提高了光吸收率、增加光電轉(zhuǎn)換的幾率；(3)通過(guò)黑硅層上的ptsi薄膜層、熱空穴反射介質(zhì)層和電極層這三者形成非平面結(jié)構(gòu)反射光腔，增加光線的傳輸光程，黑硅陷光結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上二次提高反射產(chǎn)生的光吸收利用，大大減少了光線因漏出產(chǎn)生的能量損失，以吸收更多的光能、增加光電轉(zhuǎn)換的幾率。

除此之外，本發(fā)明還通過(guò)以下技術(shù)手段拓寬光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的響應(yīng)光譜：由于本發(fā)明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁帶寬度，光線在經(jīng)過(guò)不同的材料層時(shí)，其不同波段的光被不同材料分別吸收響應(yīng)，因此該光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的總吸收響應(yīng)光譜得到了拓寬，從而實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)的吸收響應(yīng)；進(jìn)一步地，黑硅在制備過(guò)程中引入的雜質(zhì)能級(jí)使得黑硅的禁帶寬度進(jìn)一步降低，能夠使得進(jìn)一步地拓寬吸收響應(yīng)光譜范圍。p型硅材料多對(duì)應(yīng)短波段的吸收響應(yīng)光譜，多見(jiàn)于1.1μm內(nèi)的可見(jiàn)光和近紅外；黑硅材料多對(duì)應(yīng)中波段的吸收響應(yīng)光譜，多見(jiàn)于1.1μm～5μm的近中紅外；ptsi材料多對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波段的吸收光譜，多見(jiàn)于3μm外的中遠(yuǎn)紅外。其分段吸收響應(yīng)可以參見(jiàn)附圖3。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)分段吸收響應(yīng)，拓寬了光譜的響應(yīng)范圍，進(jìn)而拓寬了本發(fā)明的應(yīng)用范圍，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)光電探測(cè)器響應(yīng)光譜窄的問(wèn)題；本發(fā)明通過(guò)陷光效應(yīng)和非平面微結(jié)構(gòu)光反射腔提高了光的吸收率和利用率，根據(jù)說(shuō)明書(shū)附圖4中可以看出：本發(fā)明黑硅材料不摻雜的情況下，通過(guò)此新型結(jié)構(gòu)已可極大提高光吸收率。因此，本發(fā)明所提供的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)吸收、高響應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于光生電技術(shù)中，例如太陽(yáng)能電池技術(shù)以及光電探測(cè)器技術(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通過(guò)黑硅陷光結(jié)構(gòu)(粗箭頭)和光腔結(jié)構(gòu)(細(xì)箭頭)增強(qiáng)吸收效率的示意圖；

圖3為本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)寬光譜分段響應(yīng)的示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲線；

其中，1為抗反射膜層，2為p型硅襯底層，3為黑硅層，4為ptsi薄膜層，5為熱空穴反射介質(zhì)層，6為電極層。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

實(shí)施例：

如圖1所示為本光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：設(shè)置于p型硅襯底層2背面的抗反射膜層1以及設(shè)于p型硅襯底層2表面的尖錐狀微納陣列形成的黑硅層3，所述黑硅層3表面由內(nèi)至外依次設(shè)有ptsi薄膜層4、熱空穴反射介質(zhì)層5和電極層6形成非平面微結(jié)構(gòu)；其中，黑硅層3與ptsi薄膜層4形成肖特基結(jié)，ptsi薄膜層4、熱空穴反射介質(zhì)層5和電極層6三者形成反射光腔。

具體地，本實(shí)施例中p型硅襯底層2的厚度為2μm；

具體地，本實(shí)施例中黑硅層3的微納陣列中尖錐的底面平均直徑為1μm；尖錐的高度為5μm；尖錐的高度與底面直徑之比為5∶1；

具體地，本實(shí)施例中ptsi薄膜層4的厚度為50nm。

具體地，本實(shí)施例中熱空穴反射介質(zhì)層5的材料為si3n4，其厚度為50nm；

具體地，本實(shí)施例中電極層6的材料為al，其厚度為100nm。

本發(fā)明實(shí)施例所提供的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠提高光吸收率，其主要通過(guò)以下三種途徑：

(1)在p型硅襯底層的背面設(shè)計(jì)抗反射膜層，確保光線在進(jìn)入結(jié)構(gòu)之前就具備較大的通過(guò)量，以為后續(xù)的吸收提供光輻射量；

(2)通過(guò)在p型硅襯底層上設(shè)計(jì)尖錐狀微納陣列形成黑硅層，不僅增大了結(jié)構(gòu)的有效吸收表面積，還使得光線在尖錐狀微納陣列之間進(jìn)行多次反射，提高光線行程，提高了光吸收率、增加光電轉(zhuǎn)換的幾率；

(3)通過(guò)黑硅層上的ptsi薄膜層、熱空穴反射介質(zhì)層和電極層這三者形成非平面結(jié)構(gòu)反射光腔，增加光線的傳輸光程，在黑硅陷光結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上二次提高反射產(chǎn)生的光吸收利用，大大減少了光線因漏出產(chǎn)生的能量損失，以吸收更多的光能、增加光電轉(zhuǎn)換的幾率。

如圖2所示，其中粗箭頭表示通過(guò)黑硅陷光結(jié)構(gòu)的光線，細(xì)箭頭表示通過(guò)光腔結(jié)構(gòu)的光線，如上所示通過(guò)這兩種方式均能達(dá)到增強(qiáng)吸收效率的目的。

另一方面，如圖3所示，本發(fā)明采用分段吸收響應(yīng)，由于本發(fā)明中p型硅材料、黑硅材料、ptsi材料具有不同的禁帶寬度，其中黑硅在制備過(guò)程中引入的雜質(zhì)能級(jí)使得黑硅的禁帶寬度進(jìn)一步降低，光線在經(jīng)過(guò)不同的材料層時(shí)，其不同波段的光被不同材料分別吸收響應(yīng)，因此該光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的總吸收響應(yīng)光譜得到了拓寬，從而實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)的吸收響應(yīng)。進(jìn)一步地，p型硅材料多對(duì)應(yīng)短波段的吸收響應(yīng)光譜，多見(jiàn)于1.1μm內(nèi)的可見(jiàn)光和近紅外；黑硅材料多對(duì)應(yīng)中波段的吸收響應(yīng)光譜，多見(jiàn)于1.1μm～5μm的近中紅外；ptsi材料多對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波段的吸收光譜，多見(jiàn)于3μm外的中遠(yuǎn)紅外。

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例在0.4～1.7μm波段的吸收率、透射率、反射率仿真曲線；具體地，由于仿真軟件材料庫(kù)不含ptsi的材料參數(shù)，ptsi的光學(xué)常數(shù)由儀器filmetricsf20測(cè)試獲得，因此選取測(cè)試儀器在工作波段0.4～1.7μm內(nèi)進(jìn)行仿真；結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如前所述；通過(guò)在結(jié)構(gòu)前后設(shè)置光場(chǎng)探測(cè)器分別測(cè)量結(jié)構(gòu)的反射率r、透射率t，通過(guò)如下利用公式計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的吸收率：

a＝1-t-r

其中：a為吸收率，t為透射率，r為反射率。

從圖4中可以看出：本發(fā)明提出的光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在中長(zhǎng)波段吸收率較好，達(dá)到80％以上；同時(shí)因抗反射層厚度不能兼顧所有入射波長(zhǎng)，在短波端因反射率略大在一定程度上影響了結(jié)構(gòu)的吸收，然而依然保持在60％以上，整個(gè)波段因黑硅的陷光結(jié)構(gòu)和反射光腔，透射率降低到了1％以下，可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)提高光吸收的效果顯著。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了闡述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。