具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法技术

一种具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法，其提供由太阳能产生电力的材料、装置以及方法。在一方面，本发明专利技术包含太阳能电池，该太阳能电池具有第一导体、与该第一导体电性连接的掺杂的硅层、与该掺杂的硅层接触的纳米钻石层、与该纳米钻石层接触的掺杂的无晶钻石层以及与该掺杂的无晶钻石层电性连接的第二导体。透过本发明专利技术可提高太阳能电池的能源转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体装置，例如能增进能源转换效率的太阳能电池。应注意的是，虽然以下讨论是着重在太阳能电池，本专利技术范畴却不应局限于太阳能电池，而应包含能够因本专利技术在文中所传授的内容而受益的各种半导体装置。 目前有人认为使用无晶钻石层作为电子发射器的太阳能电池，造成其转换效率损失的一个重大因素在于被激发电子逆向转变为热能。尤其，虽然许多邻近相隔的能量带能有利于无晶钻石层吸收热或是入射幅射之后电子能增加的程度，这些邻近相隔的能量带也有利于电子能转换为热量(例如声子或是晶格震动)。因此，可通过利用该无晶钻石层内的一个薄能量接收部(例如等于或小于250nm厚度)并且使一种导电材料与该无晶钻石内的薄能量接收部电性连接来增进转换效率。由于无晶钻石接收能量而激发自由电子仅需要经过很小的距离即可移动到导电材料，因此，能使自由电子有效率地移动到导电材料上。举例而言，目前本专利技术人认为使用本专利技术实施例可使转换效率超过约20%。 目前已发现在太阳能电池的N型材料与P型材料上沉积纳米钻石层可同时增加输出电压以及电流，由此增加太阳能电池的转换效率。根据本专利技术多方面所形成的纳米钻石层具有宽广的能带隙，因而有利于作为半导体层的宽能带隙材料，例如无晶钻石掺杂材料。举例而言，在P型硅层与N型无晶钻石层等半导体层之间沉积纳米钻石层则增加相对此两半导体层的能带隙。 此外，本专利技术纳米钻石层特别有利于建构薄膜太阳能电池，举例而言，纳米钻石层特别有利于那些使用薄膜无晶钻石层的太阳能电池。对太阳能电池转换效率的其中一个限制是被激发的电荷载体(电子)在移动到达阳极导体或是阴极导体而能有效地输出电能之前，能量由电荷载体(电子)的形式逆向转换为热量形式。利用该薄无晶钻石层可增加被激发电子在损失能量之前即到达导体的能力。尤其，无晶钻石层可包含一个相对薄的能量接收部，举例而言，该能量接收部可具有大约250纳米或是更小的厚度，或者，就更具体的例子而言，该能量接收部可具有大约IOO纳米或是更小的厚度。导电材料被配置为电性连接该无晶钻石层的能量接收部。使用薄无晶钻石层可使由该无晶钻石层所产生的自由电子快速地达到导体材料，并能增强太阳电池的转换效率。 举例而言，附图说明图1显示了根据本专利技术一个方面的太阳能电池的一个实施例的侧视图。详细而言，该太阳能电池10具有第一导体12。掺杂的硅层14电性连接该第一导体层12。该掺杂的硅层14，举例而言可以是但不受限于无晶或是微结晶(Microcrystalline)状态，且其可为厚膜或薄膜。纳米钻石层17接触该硅层14。掺杂的无晶钻石层16接触该纳米钻石层17。该无晶钻石层16具有小于大约250纳米的厚度，或者，详细举例而言，该无晶钻石层16具有小于大约100纳米的厚度。第二导体18电性连接该掺杂的无晶钻石层16。一方面，该硅层14、纳米钻石层17以及无晶钻石层16共同形成一个PIN连接结构。 本专利技术考虑各种能够供本专利技术半导体装置所使用的掺杂物。举例而言硅可以掺杂有硼以提供P型材料，且无晶钻石可掺杂有氮以提供N型材料。在另一例子之中，硅可掺杂有磷以提供N型材料，且无晶钻石可掺杂有硼以提供P型材料。当然，本专利技术所属
具有通常知识者也可使用许多其它的掺杂物以及这些掺杂物的结合来制造P型与N型材料。 掺杂的无晶钻石层16、该纳米钻石层17以及掺杂的硅层14之间的相互接触创造了一个PIN消耗区而在其中存在一个偏压场(Bias Field)。入射辐射能够在该消耗区内创造电荷载体，该电荷载体则通过消耗区内的偏压场而掠过第一导体12与第二导体18。通过使该无晶钻石层16的厚度维持相对小，则能使自由电子在无晶钻石内必须行经的距离相对小于该载体扩散的长度，是以能够减少自由电子逆转为热量的情形。因此，使用薄的无晶钻石层16能有助于提高在往下步入低能阶之前即到达第二导体18的自由电子的比例。此外，该纳米钻石层16实质上是量子点层。除了提高电压，量子点尚可使多个电子通过单光子交互作用而射出。在缺乏该纳米钻石层16的结构中，一个光子通常仅仅能产生最多一个电子。过多的能量，如高频的紫外光能量，通常转换为热量。纳米钻石能够捕捉光子以形成等离子体(Plasmons)，该等离子体能产生多个电子，因而能同时提高输出电流以及输出电压。 本专利技术可使用许多材料来制造该太阳能电池。举例而言，第一导体、第二导体，或是同时两者，可用 一种透明导体制造，该透明导体包含氧化铟锡。 若有需要，该第一导体、第二导体或者是同时两者，可以是一种掺杂的无晶钻石层。无晶钻石可掺杂有掺杂物以增加导电性并且保持透明。本专利技术可改变掺杂型式以及掺杂浓度、氢含量、sp2以及邓3碳含量、以及其混合物的含量以便提供所需的导电率与光传导率。举例而言，在本专利技术一方面，该具导电性的无晶钻石可提供介于大约10-2到大约10-5奥姆-厘米之间的电阻值。另一方面，该具导电性的无晶钻石可提供大约30%到大约90%的可见光传导率。 掺杂物可包含但不受限于金属。在详细例子中，掺杂物可包含锂或者锂与氮的混合物。本专利技术可使用不同的尺寸和浓度的金属作为掺杂物。举例而言，掺杂物浓度可介于由1到70原子百分比(atom% )之间的金属，而根据本专利技术各方面，掺杂物浓度也可为其它由大约5到大约60、由大约10到大约50、由大约25到大约40、由大约10到大约30、由大约1到大约15、以及由大约30到大约40的原子百分比。金属可为微粒状，可具有适当尺寸，举例而言，可具有由大约1纳米到大约1微米的尺寸，而根据本专利技术各方面，金属尺寸也可为由大约1纳米到大约250纳米、由大约5纳米到大约50纳米、以及由大约1纳米到大约75纳米。在一个具体的例子中，该掺杂物可包含金微粒。 可在如下所述的基板上建造太阳能电池。举例而言，该基板可包含玻璃、半导体、陶瓷以及聚合物材料。该聚合物材料具有经济性且能提供可挠性，以使太阳能电池可以安装到一个弧面上(例如汽车车顶)。 应了解的是，光线或是入射辐射线将会穿过太阳能电池相对薄的层，且只有一部分的入射辐射会转化为电荷载体。因此，可使多种PIN连接结构相互堆栈以增加太阳能电池的整体转换效率。举例而言，如第二图所示，太阳能电池20包含多种PIN连接结构22a、22b、22c，其中各PIN连接结构具有第一导体12、掺杂的薄膜硅层14、纳米钻石层17、掺杂的的无晶钻石层16、以及第二导体层18。相互独立的PIN连接结构由绝缘材料24所分离区隔。可使PIN连接结构之间相互电性连接(图中未见)而进行并联、串联或是其混合，由此能提供所需的输出电流/电压特性。此外，在这类的堆栈结构之中，第一导体与第二导体可以使透明的以提供光穿透第一导体与第二导体而更有效地传输到下面的堆栈式太阳能电池中。 各PIN连接结构之中所使用的材料可大致上相同，且这将导致各PIN连接结构具有相当的能带隙。若改变某些PIN连接结构的能带隙，甚至可获得更高的转换效率。举例而言，可改变硅、无晶钻石或是同时改变两者的掺杂程度，由此控制改变能带隙。透过改变较靠近辐射所入射一侧的层结构可增宽能带隙，反之，透过改变太阳能电池中较深层的层结构可縮窄能带隙。透过上述改变能带隙的做法，可让能带隙涵盖更宽广的辐射光谱，因而能有助于提升太阳能电池的转换效率。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池，其特征在于其包含：一个第一导体；一个掺杂的硅层，其电性连接该第一导体；一个纳米钻石中间层，其接触该掺杂的硅层；一个掺杂的无晶钻石层，其接触该纳米钻石中间层；以及一个第二导体，其电性连接该掺杂的无晶钻石层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋健民，
申请(专利权)人：宋健民，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]