用于光伏转换器的基于有机硅成份的改进的发射极结构以及制造所述光伏装置的方法

摘要

本发明的目的是降低并且优选地消除载流子收集界限效应，以便显著提高转换效率。这一改进通过对非晶态层厚度进行适当的调整而实现，或者通过非连续性地分隔非晶态化粒子束或者非晶态化纳米级球状来实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多界面新装置的改进的发射极结构，其用于光伏转换器中的光电 转换从而从光能特别是太阳辐射光能中产生电能，以及其制造方法。

背景技术

本发明是在相同发明人Zbigniew T.KUZNICKI和Patrick MEYRUEIS名下的 WO2010/089624中在先公开的光伏发射极的结构的基础上获得，该在先公开的内容结 合于此作为参考。

该现有的光伏装置能够利用高能光子，特别是UV和可见光光子，以及邻近的IR 光子，所述装置包括按照WO2010/089624的权利要求中的方法制造的p型或n型光 伏材料的平板、晶片或薄片，具有用于暴露于光子辐射的上表面，具有内置P-N结， 通过该P-N结分界为发射极部分和基极部分，具有前、后载流子收集和提取部件， 并且包括至少一个专用于或适合于吸收高能或能量光子并且位于相邻或接近至少一 个异质界面的位置的区域或局部。该装置的特征在于所述光伏材料的平板、晶片或 薄片还包括至少一个异向介质场或区域，形成一个低能级副载流子生成腔，其与至 少一个用于能量光子的吸收区域或局部相邻或者接近，并且受到内部或者外部施加 的电场影响，该电场具有足够的强度，能够将由初始的热电子所释放的副电子以足 以防止它们返回到所述异向介质区域或场内的速度从它们在相应异向介质区域或局 部内的最初位点提取和移走，从而形成了产生多级转换亚结构，其中在异向介质场 或区域内的双空位的密度大于10¹⁸双空位/cm³,优选的是大于10¹⁹双空位/cm³，最 优选的是大于10²⁰双空位/cm³，并且在异向介质和相应的相邻n型材料之间的传导 具有一个时间常数，该时间常数最大不超过与副载流子生成时间常数相同的幅度， 其中一个或每个平面非晶态半导体材料层的厚度在10nm至50nm之间，并且其中连 续或者非连续层形状的相应关联异向介质场或区域的宽度小于10nm，所述半导体材 料优选地具有5μm至500μm范围内的厚度，优选的是在10μm至280μm的范围内。

该在先发明的特征还在于具有载流子收集界限，在此称作CCL，其作为将发射极 分隔为上发射极和下发射极两部分的界限，所述上发射极是电子死区，而下发射极 是电子完全激活的区域。如图1所示，该转换器包括连接到前栅极的表面层和连接 到后电极的的基底，以及二者之间的被分隔为上发射极和下发射极的发射极结构。 所述上、下发射极的厚度分别以《du》和《dl》表示（图1）。所述上、下发射极由 被称为CCL（载流子收集界限）的界限区所分隔。该光伏发射极结构可参见图1，其 中所述CCL界限以黑实线表示。

所述CCL可以被定义为是作为阻止所生成的载流子向着PN收集结移动的潜在屏 障的界面。因而在上发射极内生成的具有相反符号的载流子不能被收集，因为它们 不可能相对于所述CCL而彼此分离。

发明内容

本发明具有多个目的。

其中第一个目的是继续对来自所述光电转换器的全体部件的全部光生自由载流 子进行收集，即特别是对来自位于前表面和纳米级硅分层系统之间的上发射极的自 由载流子进行收集。

第二个目的是降低直至优选地消除CCL效应以便极大地提高转换效率。

最后一个目的是通过对非晶态硅层的适当修正进一步提高转换效率。

上述改进在本发明中通过至少一次双转换的方式加以实现，其导致非晶态粒子 束扫描硅晶片。适当的扫描过程产生非连续或局部变薄的并且非常薄的非晶态层。 这一过程可以由离子束移植工艺或者电子束辐射工艺来执行。所述离子可以是，例 如，硅或磷离子。

所述CCL效应通过适当的结构非连续性或者通过，例如，穿越局部变薄的CCL 的隧道传导而加以抑制。

在这一情况下，上述结构传导载流子穿过有限的特定薄层区域，所述载流子必 然到达收集PN结。它们能够穿过埋层子结构的晶体通道或者穿过非常薄的区域，在 这些位置埋层结构的厚度被减小至使得隧道传导效应可以出现。所有这些穿越相对 于载流子沿着埋层子结构的移动—即垂直于收集PN结的移动—来说必须不被过度分 隔。

本发明的以上和其它有益效果将通过下面参照附图的描述中更为清楚。

附图说明

图1是根据WO2010/089624的光伏发射极的横向剖面结构视图，其中CCL区以 加粗黑实线的方式表示；

图2至7是改进后的光伏发射极的剖视图，其中CCL得到抑制；其中更具体的：

图2是非晶态硅层的剖视图，其中a-Si（非晶硅）形状是波状的；

图3是非晶态硅层的剖视图，其中a-Si（非晶硅）形状是四边形的；

图4是与图2相似的非晶态硅层的剖视图，但是其是非连续的；

图5是与图3相似的非晶态硅层的剖视图，但是其是非连续的；

图6是具有三层埋层纳米级硅层系统的非晶态硅层的剖视图，即三层非晶态a-Si 层被埋于不同的深度上；

图7是基本上与图6相同的非晶态硅层的剖视图，但是第二层相对于第一层和 第三层具有偏移；

图8和图9是晶片的平面结构图，其示出了三种不同的离子或电子束扫描图案， 包括采用了纵向路径、交叉路径和倾斜路径。

图11和图12是非晶态粒子束末端和由此生成的形状的示意图，其中更具体的：

图11公开了采用包括多种封闭路径的图案和采用相对低的离子束电流；

图12公开了采用包括单独一个路径的图案和采用相对高的离子束电流。

具体实施方式

有机硅晶片首先部分地按照WO2010/089624中所公开的方法进行处理，该方法 结合于此作为参考。

1.在单晶晶片内插入非晶态硅层

该处理可以通过离子束植入的方式或者通过电子束辐射的方式来执行。所述离 子，例如，优选的是硅离子或者磷离子。

其主要目的是在非晶态硅层a-Si内部或者与非晶态硅层a-Si一起产生包括图2 至7所示的连续凹陷或突起以及空洞或者非连续部分的凸版。这些结构由一层纳米 级异向介质MTM的纳米级层与硅晶体c-Si相分离，所述纳米级异向介质是以离子束 植入或者电子束辐射或者其它等效手段从晶体硅c-Si中提取出来的异向介质。该纳 米级层的所述异向介质MTM用标记<c-Si>来表示。其被插入于非晶态/晶体硅 （a-Si/c-Si）之间的异质界面的单晶硅一侧。标记a-Si和c-Si与在附图中定义的 相同。

在上述处理的任一处理过程中，通过离子或者电子在结构中的渗透以及与之相 互作用会发生插入过程，并且最终在一定深度内达到了稳定。

通过植入或者辐射方式达到的所述插入过程是在已经置入了PN结结构之后发生 的，该PN结结构是通过专门的P掺杂扩散或者通过处延附生而获得的。因而该PN 结是已经置入的并且P掺杂特征是重掺杂特征，同样该PN结的N部也必须是重掺杂 的，因而扫描过程可以发生。

可以通过以离子束或者电子束扫描所述结构而达到了插入，从而可以以可大可 小的能量和剂量，即可大可小的离子流或电子速率执行离子植入或者电子辐射过程。

我们采用离子束植入或者电子束辐射的扫描步幅。如图所示，在对局部受控的 非晶态化必要的时间点上，我们可以采用较低的离子束流和多个封闭路径，或者采 用较高的离子束流和单独一个路径，正如相关的图11和图12中所示的那样。

我们可以采用如图11所示的多个封闭路径和较低能量剂量的离子束，或者采用 单独一个路径和高能量剂量的离子束（图12）。

扫描可以以一个或者多个路径完成，并且接着移动所述离子束以便在凹陷或突 起之间产生非连续部分，即a-Si条带（图8至10）。

采用电子束的扫描也是非常相似的，从而获得相关附图所示的扫描图案。

另一种可选的方式是首先沿着晶片的一个方向扫描，接着沿着与第一个方向垂 直的晶片的另一个方向扫描，如图9所示。

还可以先以直线方式扫描，并且接下来以倾斜方式扫描，如图10所示。

如图8至10所示，在直线之间以a-Si表示的条带限定了形成a-Si材料突起的 粒子束的一条或多条路径的宽度，所述突起具有在离子植入或者电子辐射过程产生 的界限，该界限是从标记为<c-Si>的晶体硅中提取的异向介质MTM。

所述离子植入的能级范围是10至300KeV，并且在具有重掺杂特征的情况下， 离子剂量在5×10¹⁴cm^-2至5×10¹⁶cm^-2之间。

电子束能级，即加速度电势范围为200KeV至5MeV。

离子束流或者沉降能量取决于离子特性。如果植入电荷足以获得非晶态，则需 要至少一条路径。但是如果单一电荷不足以造成处于晶态的硅的非晶态化，则需要 多条路径以局域累积沉降能量。

如果掺杂特性是之前带入到发射极的，则硅离子可以被用于通过硅的自我植入 在硅结构中产生埋层非晶态。

粒子束的末端必须具有适当的形状以及焦点设置以便确保适当的结果。

如图2、3和4所示的形状，即连续的凹陷或者平面和空洞，示出了它们之间的 通道，载流子通过隧道效应而从这些通道中穿过。

由于植入，非晶态化层a-Si与周围的有机硅晶体之间具有相交的界面区域。由 于该相交的界面没有实际的有益效果，有必要进行热处理以便使本装置具有可应用 性。

2.热处理

接下来执行热处理，这一工艺将使所述界限适当变薄和变清洁，其包括多个热 周期。

为了获得非连续c-Si/a-Si界面，要执行适当的热处理。

例如，该热处理包括一初始的连续退火步骤，接下来是至少一个周期的相继非 连续退火序列。

退火速率将被限制在避免产生结构性缺陷的范围。选用大约100℃的低温以稳固 固态的外延附生，而高温为大约500℃。每次高温下的暴露持续例如2至5分钟，而 恢复时间为例如1至4分钟，通过采用适当的温度梯度，该时间可以被减少。例如， 执行3至6个周期是必要的。

在热处理完成之后，物相之间的所述c-Si/a-Si界限是清晰、清洁和精确的。

上面所描述的发射极将被用于光电转换器，该光电转换器还必须具有前、后电 极和各种常规部件，以及适当的光学模块或平台以将太阳辐射光汇聚到晶片上。

如此制造的所述光电转换器将具有高转换效率，从而使整体有效表面积不需要 太大，因而就要求具有适当的汇聚透镜。