具有掺杂的半导体异质结触点的太阳能电池

摘要

硅太阳能电池具有掺杂的非晶硅触点，所述触点形成在硅基底的表面上的隧道氧化硅层上。在制作该太阳能电池时，不需要高温处理。

说明书

技术领域

【0001】本发明主要涉及光伏太阳能电池，更具体的涉及有效实施且制作经济的太阳能电池结构。

背景技术

【0002】将太阳能辐射直接转换成电能的光伏电池的使用是公知的，例如参见Swanson的美国专利No.4,234,352。简要来讲，光伏电池包括半导体材料的基底，所述半导体材料具有在其中所限定的p-n结。平面型硅电池中，p-n结形成在接收入射辐射的基底表面附近。辐射的光子产生可移动的载流子(空穴和电子)并且基底可以将其引导至电池的外部电路。只有具有至少最低能量水平(例如，对于硅1.1电子伏)的光子可以在半导体对中产生电子-空穴对。具有较低能量的光子或者没被吸收或者作为热量吸收，而具有高于1.1电子伏的光子(例如，波长为1.1μm或更短的光子)的多余能量产生热量。这些以及其他损失使硅光伏电池将太阳能直接转化成电能的效率被限制在低于30％。

【0003】在电池背表面上具有相反极性的指叉型触点的太阳能电池是已知的，并且与具有前面金属栅格和包层或栅格被金属化的背面触点的传统太阳能电池相比具有多种优势，包括由于前栅格屏蔽的消除而提高的光产生，大幅减少了栅格串联阻抗，以及无需为了最小化前触点阻抗(因为没有前触点)对前表面重掺杂，从而改进了“蓝”光响应。除了性能优势之外，由于是共面触点，背接触式电池结构允许简化的模块组件。例如参见Swanson的美国专利No.4,927,770。

【0004】虽然已经制作出指叉型背接触(IBC)太阳能电池，然而对成本的考虑限制了IBC太阳能电池的商业化。因此到目前为止，在制作IBC太阳能电池中采用传统的微电子(集成电路)工艺，包括背面散射、触点和金属线的使用，其中金属线是通过传统的微电子平版印刷、薄膜金属化和刻蚀工艺制作的。该制作工艺能够产生高效的太阳能电池，但是将该工艺应用于传统的低成本、平板太阳能板中是没有成本效率的。通过该工艺实际实现IBC太阳能电池的关键的问题是制作的高成本，包括刻蚀、掺杂和掩模校准，以及通过真空蒸发或溅射沉积的厚金属导体的使用。此外，该工艺必须在洁净室环境内进行。因此使用这些方法制作的IBC太阳能电池被限制在高聚光太阳能电池或很高价值的一个太阳(one-sun)应用中使用。

【0005】共同未决的申请No.11/306,510将半导体基底同受主和施主聚合物触点结合以提供制作经济的太阳能电池。重要的是，通过聚合物触点的喷墨应用的使用，在成本方面和在减小温度循环方面改进了太阳能电池的制作，而不需要现有技术中太阳能电池需要的光刻胶掩蔽、刻蚀以及掺杂物扩散和退火。

【0006】本发明使用诸如非晶硅的半导体作为硅太阳能电池中的受主和施主触点，这种硅太阳能电池可以被容易的并经济的制作。

发明内容

【0007】本发明使用掺杂的非晶硅、Si-Ge或III-V族化合物作为硅太阳能电池施主或受主触点。触点材料可以连同掺杂物(根据用于施主或受主应用的需要)被气相沉积。这里使用的“非晶”硅包括“多晶”硅。

【0008】当沉积在单晶硅基底上时，隧道氧化物首先生长并将沉积的非晶硅从基底分离以阻止非晶硅的再结晶。

【0009】在指叉型背接触(IBC)电池中，前表面可以是通过化学或物理磨损形成织构以便提供具有抗反射和钝化涂层的辐射捕捉表面，所述抗反射和钝化涂层诸如在织构化表面的氮化硅、掺杂的碳化硅或非晶硅薄膜涂层。

【0010】参照附图，通过以下详细描述和附后的权利要求书，本发明及其目标和特征将更加清晰。

附图说明

【0011】图1是根据本发明的一个实施例的包括掺杂的非晶触点的指叉型背接触太阳能电池的截面侧视图。

【0012】图2A-2D示出了图1的太阳能电池在制作过程中的侧视图。

具体实施方式

【0013】根据本发明的一个实施例，指叉型背接触(IBC)太阳能电池包括具有相对的第一和第二主表面的硅半导体本体(semiconductorbody)，该本体通过第一表面接受辐射，并且在第二表面或背表面上具有分别用于接收电子和空穴载流子的受主掺杂非晶硅和施主掺杂非晶硅的第一和第二图案，所述电子和空穴载流子通过辐射的光子在硅基底中产生。这种结构类似于现有技术的背接触太阳能电池，其采用形成在基底中的掺杂的P和N的导电性触点，用于接收由辐射产生的空穴和电子。然而，在基底中采用掺杂的P和N触点需要在太阳能电池的制作中进行光刻胶掩蔽、刻蚀、掺杂物扩散和高温处理。根据本发明的实施例，在结构上使用受主和施主非晶硅触点消除了对光刻胶掩蔽和掺杂物扩散以及在对扩散的掺杂物进行退火所需的高温处理的需要。隧道氧化硅可以放置在所述触点和基底之间用于阻止基底上非晶硅的外延生长。

【0014】现在参照图1，其是根据本发明一个实施例的指叉型背接触(IBC)太阳能电池的截面侧视图。该电池包括轻掺杂n型单晶或多晶基底10，所述基底10具有接受辐射的前表面，以及织构化表面，在该织构化表面上形成有薄的(例如，10-150埃)隧道氧化硅层12，钝化涂层14覆盖隧道氧化物12，隧道氧化物12可以包括氮化硅、掺杂的碳化硅、或掺杂的非晶硅层。

【0015】在基底10的背表面上的是第二隧道氧化层16，在该第二隧道氧化层16上形成有P+非晶硅触点18。诸如氧化硅20的电介质将P+非晶硅18与N+非晶硅22分开，N+非晶硅22在穿过P+单晶硅层18的开口中形成并且与隧道氧化物16接触。非晶硅层18、22是通过低温气相沉积形成的，而隧道氧化物16通过从硅基底10的外延生长阻止非晶硅的任何再结晶。金属触点24与P+非晶硅层18接合，并且金属触点26与N+硅层22接合。

【0016】由于包含了隧道氧化物16、由非晶硅触点所提供的异质结场、以及触点钝化，背接触异质结增强了太阳能电池的背面钝化。如在下面将要进一步描述的，制造该设备的工艺优点是不需要高温掺杂推进。

【0017】图2A-2D是示出了在制作期间图1的太阳能电池的截面图。首先，如在图2A中所示，硅基底10(其可以是本征的或是轻掺杂的)具有在其上生长的厚度可以为例如10-20埃的薄的隧道氧化物16。然后沉积出具有硼掺杂物的非结晶硅层18，掺杂浓度为每立方厘米10²⁰-10²¹或10E20-10E21个原子，并且厚度为500-2000埃。通过气相沉积得到的掺杂的硅层的生长是已知的硅工艺。如果期望得到PIN结构，可以制作包括在p型掺杂硅层下的本征层。

【0018】因此，通过低压化学气相沉积(LPCVD、PECVD、APCVD)或通过在玻璃上旋涂的工艺，可以沉积氧化硅20的绝缘层。在该说明性实施例中，氧化硅层16是500-1000埃。

【0019】因此，如图2B所示，基底10的前表面通过化学或机械磨损形成织构。如果期望，该工艺步骤可以先于图2A的工艺步骤。然后，在基底10的背表面形成光刻胶掩膜，并将其刻蚀以便形成穿过二氧化硅层20和非晶硅18到达基底10的开口。薄的隧道氧化物也在刻蚀过程中被移除，而随后采用化学生长的方法将一个新的隧道氧化硅层穿过所刻蚀的开口施加于基底10的暴露的表面上。在形成图2B中的隧道氧化物16过程中，隧道氧化层12可以同时形成在前表面上。在刻蚀的开口中薄隧道氧化物的生长再次达到10-20埃的厚度，随后N+掺杂的非晶硅层22沉积在背表面上，如图2C所示。

【0020】层22利用诸如磷的N型掺杂物掺杂，其掺杂浓度为每立方厘米10²⁰-10²¹或10E20-10E21个原子。这可以使用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD、LPCVD、APCVD)来沉积。然后，N+非晶硅22被掩蔽并选择性的刻蚀以暴露下面的P+非晶硅18用于容纳金属触点。在图2D中，通过金属沉积和光刻胶掩蔽以及刻蚀将金属触点24和26制作到P+非晶硅18和N+非晶硅22上。通过首先散射诸如铝或铜的导电金属的种子层，然后图案涂覆该种子金属以增加厚度来形成触点。然后，通过使用氮化硅、掺杂的碳化硅或N+掺杂的非晶硅来沉积钝化层14至位于基底10的前表面上的隧道氧化物12上，从而完成电池的制作。

【0021】根据本发明的使用掺杂的非晶硅触点的异质结太阳能电池可使用传统的半导体工艺技术容易地制作出来，而不需要高温处理。虽然已经参照采用P+和N+两种触点的指叉型背接触太阳能电池对本发明进行了描述，本发明还可以应用于在背表面上具有单种掺杂的非晶硅的太阳能电池。此外，虽然异质结是通过非晶硅提供的，其它诸如Ge-Si合金、掺杂的碳化硅或其它III-V族化合物材料的高带隙材料可以应用在该触点结构中。因此，虽然本发明参照特定实施例进行了描述，但是这些描述对本发明是示意性的而不应该认为是对本发明的限制。对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明所附权利要求的精神和范围内可以做出多种改进和应用。