CN101233620A - 组成渐变光伏装置及其制备方法与相关制品技术 - Google Patents

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Abstract

本发明披露一种半导体结构，该半导体结构包括一种传导类型的半导体基体；和设置于该半导体基体至少一个表面上的无定形半导体层。该无定形半导体层沿其深度方向组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。本发明还披露包括该结构的光伏装置光伏装置，一个或多个所述装置组成了太阳能电池组件。本发明还披露相关方法。

Description

组成渐变光伏装置及其制备方法与相关制品技术
本专利申请要求于2005年7月28日提交的未决临时申请S.N.60/704181(律师案号：188359-1)的优先权。
技术领域
本发明总体涉及包括异质结的半导体装置，例如光伏装置。
背景技术
本领域熟知那些依靠异质结的装置。(在本文中，异质结通常由具有一种传导类型的层或区域与具有相反传导类型的层或区域之间的接触而形成，例如“p-n”结)。此类装置的实例包括薄膜晶体管、双极晶体管和光伏装置(如太阳能电池)。
光伏装置将辐射例如太阳辐射、白炽辐射或荧光辐射转化为电能。太阳光是大多数装置的典型辐射源。通过众所周知的光伏效应转化为电能。根据该现象，光伏装置中的有效区域(active region)吸收照射在该装置上的辐射，从而产生成对的电子和空穴(这有时也被统称为光生载流子)。所述电子和空穴进行扩散，并被建立在该装置中的电场收集。
作为一种可靠的清洁、可再生能源形式，对太阳能电池的兴趣日益增长，从而促使付出极大的努力来提高此类电池的性能。衡量该性能的一个主要标准是装置的光伏转化效率。能量转化效率通常按照装置所产生的电流量与接触该装置有效表面的光能之比测量。如文献上所记载的，光伏转化效率非常小的提高，例如1％或更小的提高代表了光伏技术的重大进步。
光伏装置的性能很大程度上取决于每个半导体层的组成和微结构。例如，结构缺陷或杂质原子造成的缺陷态可处于单晶半导体层的表面上或其主体之中。而且，多晶半导体材料在晶界处可包含有无规则取向的晶粒，从而产生大量主体缺陷态和表面缺陷态。这种晶粒导致很多主体和表面缺陷。
很多此类缺陷的存在可能是损害光伏装置中有害作用效果的来源因素。例如，许多载流子在靠近异质结的缺陷位置上复合，而不是继续沿着预期的路径到达一个或多个集电极。因此，造成载流子的损失。载流子的复合是光伏转化效率降低的一个主要原因。
通过钝化可以将表面缺陷的负面影响降低到一定程度。例如，本征(即未掺杂)无定形半导体材料层可以形成在基体表面上。该本征层的存在降低了载流子在基体表面的复合，从而改善了光伏装置的性能。
在美国专利5,213,628(Noguchi等)中一般性地总体描述了利用此类本征层的构想。Noguchi描述了一种光伏装置，其包括具有特定传导类型的单晶或多晶半导体层。250埃或小于250埃的近本征层(substantially intrinsiclayer)形成在基体上。近基本上的无定形层形成在本征层上，其与基体的传导性相反，从而形成了“半导体夹心结构”。将光透明电极置于无定形层上并将背电极接于基体下侧从而形成了光伏装置。
Noguchi专利中所描述的光伏装置，看上去在很大程度上，将载流子在某些位置上的复合问题降低到了最小。例如其提及，特定厚度的本征层的存在提高了装置的光伏转化效率。并且，自Noguchi等公开后，许多参考文献中也描述了以这种方式钝化半导体基体表面的构思。这些参考文献的实例包括美国专利5,648,675(Terada等)、美国专利公开2002/0069911A1(Nakamura等)、美国专利公开2003/0168660A1(Terakawa等)和美国专利公开2005/0062041 A1(Terakawa等)。
上述参考文献虽然在一定程度上解决了复合的问题，但是仍然存在着相当大的缺陷。例如，虽然本征层的存在是有利的，但是导致形成了另一界面，即在本征层和其上覆盖的无定形层之间形成了界面。该新界面是捕获和积聚杂质和干扰污染物的又一位置，并可能额外造成载流子复合。例如，在制备多层结构过程中，沉积步骤之间的间断可能为污染物的进入提供机会。而且，因传导性改变和/或带隙改变而在界面处造成的急剧的频带偏移会导致高密度的界面态，这是导致复合的另一可能因素。
出于所述考虑，本领域期待改善的光伏装置。该装置应该使半导体层间的各个界面区上的载流子复合问题降到最小。而且，该装置应该表现出确保良好光伏性能例如光伏转化效率的电性能。此外，应该可以高效、经济地制造该装置。该装置的制造应避免可能引入过量杂质和其他缺陷的沉积步骤。
发明内容
本发明的一种实施方式涉及半导体结构，其包括
(a)具有一种传导类型的半导体基体；和
(b)设置于该半导体基体至少一个表面上的无定形半导体层，其中该无定形半导体层沿其深度方向组成渐变(compositionally graded)，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。
光伏装置构成了本发明的另一实施方式。该装置包括上述半导体结构，该半导体结构在下文中会进行详细介绍，并且该装置还包括：
设置于无定形半导体层表面上的透明电极层，该层与基体相间隔；和
设置在基体相对侧上的电极。
在替换性可供选择的实施方式中，第二无定形半导体层设置在半导体基体的第二表面上，该第二表面基本上与第一基体表面相对。第二无定形半导体层在深度方向也是组成渐变的，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对例上基本上为传导性。下面还要描述该装置的其他元件。
本发明的另一实施方式涉及太阳能电池组件(solar module)。该组件包括一个或更多太阳能电池元件装置(solar cell device)。
另一实施方式涉及制备光伏装置的方法，其包括至少在半导体基体的第一表面上形成无定形半导体层的步骤。无定形半导体层如下形成：在基体上连续沉积半导体材料和掺杂剂，并且同时改变掺杂剂的浓度，从而使得半导体层组分沿其深度方向渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。
将在下文中详细介绍不同的实施方式
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的光伏装置结构的横截面示意图。
图2是根据本发明的另一实施方式的光伏装置结构的横截面示意图。
具体实施方式
多种集体可用于本发明的大多数实施方式中。例如，参考图1，基体10可以是单晶或多晶的。而且，基体材料可以是n型或p型，部分取决于光伏装置的电学要求。本领域技术人员熟知有关所有这些类型的硅基体的细节。
在沉积其他半导体层之前，通常要对基体进行常规处理。例如，清洁该基体并将其放于真空室中(例如如下所述的等离子体反应室)。然后将该真空室加热到足以除去基体上或基体内的所有水分的温度。通常，在约120-约240℃范围内的温度就足够了。有时，会接着将氢气引入到该真空室中，使该基体经受等离子体放电，进行用于额外地的表面清洁。然而，可能有多种清洁和预处理步骤。通常，在真空室中进行这些步骤以用于该装置的附加制造。
通常(但不总是)，通过等离子体沉积在基体上形成多种半导体层。可以是多种不同类型的等离子体沉积。非限定性实例包括化学气相沉积(CVD)、真空等离子体喷涂(VPS)、低压等离子体喷涂(LPPS)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、射频等离子体增强化学气相沉积(RFPECVD)、膨胀热-等离子体化学气相沉积(ETPCVD)、电子回旋加速共振等离子体增强化学气相沉积(ECRPECVD)，感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICPECVD)和空气等离子体喷涂(APS)。也可以使用溅射技术，例如反应溅射法。而且，也可以使用这些技术的任意组合。本领域技术人员熟知所有这些沉积工艺的操作细节。在一些优选实施方式中，通过PECVD工艺来形成不同的半导体层。
如上所述，无定形半导体层12形成在半导体基体10的上表面14上。根据掺杂剂浓度，半导体层12是组成渐变的。通常，掺杂剂浓度在与基体的界面处基本上为0，即在图1的部分16。根据半导体的传导性目标，在层12的相对侧，即部分18上的掺杂剂浓度最大。
在此所用的“组成渐变(compositionally-graded)”指的是掺杂剂浓度随半导体层12深度(“D”)的逐渐变化(即“渐变”)。在一些实施方式中，渐变基本上是连续的，但也不总是这种情况。例如，浓度变化率本身随着深度也会发生变化，在一些区域会略微增加，而在其他的区域会略微减少。(然而，总体渐变过程常常是以掺杂剂浓度朝着基体10的方向降低为特征的)。而且，例如，在深度的某一部分处，虽然那个部分或许非常小，掺杂剂浓度可以保持恒定。任何以及所有这些逐渐改变均包含在术语“渐变”中。对于特定半导体层而言，具体掺杂剂浓度分布(profile)取决于很多因素，例如掺杂剂的类型、对半导体装置的电学要求、无定形层的沉积工艺及半导体层的微结构和厚度。
不管是怎样特殊的掺杂剂分布，掺杂剂的浓度在与基体的界面上基本上为零。因此，界面处存在为本征区域(intrinsic region)，其作用在于防止载流子的复合。相反的，无定形层12的上表面、区域18基本上是传导性的。该区域中掺杂剂的具体浓度取决于对半导体装置特定的要求。作为多晶或单晶硅基体情况下的非限定性实例，区域18中掺杂剂浓度为约1×1016cm-3-约1×1021cm-3。
渐变无定形层12的厚度也取决于多种因素，例如所用掺杂剂的类型、基体的传导类型、渐变分布、区域18中掺杂剂浓度以及层12的光禁带(optical band gap)。通常，层12的厚度小于或等于约250埃。在一些具体的实施方式中，渐变层12的厚度为约30-约180埃。例如通过测量装置的光伏转化效率、开路电压(Voc)和短路电流(Isc)，可容易地确定给定状况下最合适的厚度。
可以通过各种工艺来实现半导体层12的组成渐变。通常，通过在等离子体沉积中调整掺杂剂的量来实现渐变。在典型实施方式中，将硅前体气，例如硅烷(SiH4)引入到内置有基体的真空室中。稀释气，例如氢气，也可以随硅前体气一同引入。前体气的流速范围变化可以很大，但通常在约10sccm-约60sccm之间。在沉积的初始阶段并不存在掺杂剂前体。因而，区域16基本上是如上所述的本征(“未掺杂”)的，从而可对基体10表面进行钝化。
随着沉积过程的继续进行，掺杂剂前体被添加到等离子体混合物中。前体的选择显然取决于所选择的掺杂剂，例如，诸如磷(p)，砷(和)和锑(Sb)的n型掺杂剂或诸如硼(b)的p型掺杂剂。可提供如下几个掺杂剂化合物的非限定性实例：p型掺杂剂乙硼烷气体(B2H6)，或n型掺杂剂磷化氢(PH3)。掺杂剂气体可以是纯态的，也可以使用氩气、氢气或氦气等载气来稀释掺杂剂气体。
仔细控制掺杂剂气体的添加以提供所需的掺杂分布。本领域技术人员熟知气体计量仪器，例如，可用于该方法中的质量流量控制器。对掺杂剂气体的进料流率进行选择以基本上与如上所述的渐变分布相匹配。因此，总体而言，在沉积过程中掺杂剂气体的进料流率会逐渐增大。然而，可以在沉积过程中进行许多特定的流率变化。如上所述，该工艺步骤中的最大流率导致了区域18的形成，如上所述，该区域基本上为传导性。区域18的传导性与基体相反。因此，至少部分无定形半导体层与基体形成了异质结。
在许多实施方式中，将透明导电膜20设置于无定形层12上，该层在光伏装置的接受光一侧。薄层20可用作该设备的前电极(front electrode)。该透明导电膜可以由多种材料，例如金属氧化物构成。透明导电膜的非限定性实例包括氧化锌(ZnO)和铟锡氧化物(ITO)。可以用多种常规工艺来形成膜20，例如溅射法或蒸镀法。其厚度取决于多种因素，例如材料的抗反射性(AR)性能。通常，透明导电膜20的厚度为约200-约1000埃。
金属触头22和24设置于导电膜20上。该触头作为导电电极而将光伏装置所产生的电流传导至所期望的地方。导电该触头可以由多种导电材料形成，例如银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(w)及其各种组合。而且，可以改变其形状、大小和数量，这些变化部分取决于设备的层结构和装置的电子构造。可以通过多种工艺来形成该金属触头，例如，等离子体沉积、丝网印刷、真空蒸镀(有时会使用掩模)、气动分散或直接写入工艺如喷墨打印。
在本发明的一种实施方式中，在基体10的背侧(reverse side)28上形成背电极26。背电极的作用类似于触头22和24，其传导光伏装置所产生的电流。背电极可以由多种材料，例如铝、银、钼、钛、钨及其各种组合构成。而且，背电极可以用任意常规工艺来形成，例如真空蒸镀、等离子体喷射、溅射等。如同其它层，背电极的厚度取决于多种因素。通常，其厚度为约500-约3000埃。在一些情况下，例如需要在如铝和硅这样的材料之间形成扩散阻挡层(diffusion barrier)时，则可以在背电极26和基体10背侧28之间形成缓冲层。
图2描述了本发明半导体结构的另一实施方式。与图1中类似或相同的元件在图2中未加以标记，或者在图2中采用了与之相同的附图标记。因此，组成渐变层12在半导体基体10之上。再将透明导电膜20设置在层12之上，接着形成电触头22和24。然而，在此实施方式中，在基体10的背面52上设置了组成渐变的无定形层50。如同层12，层50也是渐变的，从而提供了基本上是本征性的部分54和基本上是传导性的部分56。因此，可以在基体和层50之间的界面处进行钝化，而没有由于使用独立、分散的本征层和传导层所带来的缺陷。
无定形层50的特定渐变(渐变模式)可以不同于层12的渐变，这部分取决于装置的电学要求。进行渐变所用的装置可以与用在前部的装置相同。无定形层50的厚度并不必须与层12的厚度相同，但是优选也是小于或等于大约250埃。在一些具体实施方式中，渐变层50的厚度为约30-约180埃。此外，本领域技术人员能为特定半导体结构来确定最适宜的厚度。
如同光伏装置的前部(front side)，也可以在其后部，即在无定形层50的上面，设置透明导电膜58。膜58可以与透明导电膜20的材料相同，但是二者组分也可以不同。该膜通常是金属氧化物，例如ZnO或ITO，并且该膜通常通过等离子体沉积法来制备。该膜的厚度通常为约100-约2000埃。如同对前所描述的触头/电极22和24那样，在沉积后，可形成金属触头60和62触头。根据装置的要求，这些触头不必与前部触头具有相同的大小、形状或组成。而且，这些触头的具体位置和数量都可以发生变化。
在此所描述的每个实施方式中，渐变层消除了分散的多层之间的至少一个界面，即如上所述的可以发生载流子复合的界面。认为掺杂剂浓度沿单个层的渐变可以为特定装置的能带隙提供连续变化的定域态，从而消除急剧的频带偏移。而且，如上所述，渐变层在制备装置过程中也会带来好处。例如，可以将沉积步骤之间的间断降为最低，从而使得污染物侵入的机会较小。
上述半导体结构有时也被称为“太阳能电池装置”。一或多个此类装置可以组成太阳能电池组件。例如，多个太阳能电池之间可以以串联或并联的方式进行电连接以形成电池组件。(本领域技术人员熟知电连接等的细节)。与单个太阳能电池装置相比，该电池组件具有更高的能量输出。
太阳电池组件的非限定性实例披露在多个参考文献中，例如美国专利6,667,434(Morizane等)，在此引入作为参考。可以通过各种工艺来制备该电池组件。例如，可以将多个太阳能电池装置夹在玻璃层之间或夹在玻璃层和透明树脂板之间，例如，该透明树脂板可以由EVA(乙烯醋酸乙烯)制备而得。因此，根据本发明的一些实施方式，该太阳能电池组件包括至少一个太阳能电池装置，如上所述，该装置本身包含有与半导体基体邻接的组成渐变的无定形层。使用渐变层可以改善装置的性能，例如改善光伏转化效率等，从而改善了太阳能电池组件的整体性能。
Morizane等也描述了一些太阳能电池组件的许多其他特点。例如，在其专利中描述了“双面入射”-型太阳能电池组件，其中光能接触到太阳能电池组件的前和后表面。而且，在其专利中还描述了太阳能电池组件必须是特别防潮的(例如，特别是那些用于室外的组件)。在这些类型的太阳能电池组件中，可以使用密封树脂以密封各太阳能电池元件的侧面。此外，该电池组件可以包括多个树脂层以防止不期望的来自相邻玻璃层的钠的扩散。所有这些类型的太阳能电池组件可以与本申请所述的包括一个或多个组成渐变的无定形层的装置组合结合。
一般来说，本领域技术人员熟知太阳能电池组件主要部件的细节，例如，各种基体材料、支撑材料和组件框架。其他的细节和考虑因素也为大家所熟知，例如，引入和引出电池组件的连接线(例如，通向变流器的连接线)，以及各种组件封装工艺。
实施例
下述实施例仅是为了说明，其不应限制本发明权利要求的范围。
实施例1
该实施例提供了根据本发明一些实施方式制造的光伏装置制造的非限定性说明。将具有一种传导类型的单晶或多晶半导体基体放置在等离子体反应室中(例如等离子体增强化学气相沉积系统)。用真空泵抽去该反应室中的空气。将待处理的基体预热到约120-约240℃。在组成渐变层沉积之前，进行氢气等离子体表面预处理步骤。氢气(H2)以约50-约500sccm(标准立方厘米/分钟)的流速流入到该反应室中。使用节流阀以将处理压力恒定保持在约200-约800mTorr之间。利用变频输入功率来引发和保持等离子体化，该输入功率的功率密度为约6-约50mW/cm2。所用输入功率可以为约100kHz-约2.45GHz。氢气等离子体表面预处理时间为约1-约60秒。
氢气等离子体预处理结束后，硅烷(SiH4)以约10-约60sccm的流速流进该反应室。这将引发组成渐变的无定形半导体单层的沉积。因为在等离子体中并没有包含掺杂剂前体，该无定形层的组成在最初是本征的(未掺杂的)，所以可以在半导体基体表面进行钝化。随着沉积过程的进行，随后将掺杂剂添加到等离子体混合物中。例如，掺杂剂前体的实例可以是：B2H6、B(CH3)3和PH3。掺杂剂前体可以是纯态的，也可以被如氩、氢或者氦气载气所稀释。在组成渐变层沉积过程中，增大前体的流速。由此在单层中形成了掺杂剂浓度梯度。在渐变层沉积过程结束时，等离子体中的掺杂剂浓度足以获得充分掺杂的无定形半导体性能。
在一种实施方式中，将n型单晶硅片用作基体。在氢气等离子体表面预处理(其为任选)之后，开始沉积组成渐变的无定形层。起初使用纯氢气和硅烷的混合物以形成本征(未掺杂)材料性能，所述性能起到钝化基体表面的作用。随后，在等离子体中增量引入含硼前体。因为硼为p型掺杂剂，所以无定形材料呈现p型电学性能。在该过程的进行中逐渐增加含硼前体，直到实现基本上为传导性的材料性能。从而，得到所含硼浓度沿其厚度连续变化的组成渐变层。渐变层厚度最好是小于或等于约250埃。该层构成了组成渐变装置的前侧结构部分。
随后，可以在装置相反侧的基体表面上进行类似的钝化界面步骤以形成背场(BSF)。区别在于使用的是含磷前体，而非含硼前体。因为磷是n型掺杂剂，所以随着沉积的进行无定形材料开始呈现n型电学性能。组成渐变层沉积结束后，获得基本上为传导性的材料性能。在这种情况下，得到所含磷浓度沿其厚度连续变化的组成渐变层。。并且，该渐变层的厚度最好是小于或等于约250埃。该层构成了组成渐变装置的后面侧结构部分。
将透明导电氧化物(TCO)涂层设置在组份渐变层的前后面上以形成电极。例如，这些涂层可以是氧化铟锡(ITO)或氧化锌(ZnO)。可以对TCO的性能，包括厚度，进行选择，使其作为抗反射涂层(AR)。在电极的前后面上形成金属触头(例如Al、Ag等)以传输装置所产生的电流。
优选实施方式仅是为了说明之用，在前的描述不能限制本发明的范围。因此，对于本领域技术人员，在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，可进行各种改进、改变以及替换。在前所提到的所有专利、专利申请(包括临时申请)、文章以及文献都在此引入以作参考。

Claims (19)

1.一种半导体结构，其包括
(a)传导类型的半导体基体；和
(b)设置于该半导体基体至少一个表面上的无定形半导体层，其中该无定形半导体层沿其深度方向组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其中所述基体是单晶或多晶的；和是n型或p型。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其中构件(b)的无定形半导体层的厚度小于约250埃。
4.如权利要求3所述的半导体结构，其中构件(b)的无定形半导体层的厚度为约30-约180埃。
5.如权利要求1所述的半导体结构，其中所述无定形半导体层中包含n型或p型杂质以提供所选择的传导性。
6.如权利要求5所述的半导体结构，其中n型杂质包括磷；和p型杂质包括硼。
7.如权利要求5所述的半导体结构，其中所述无定形半导体层所选择的传导性与基体的传导性相反。
8.如权利要求7所述的半导体结构，其中至少部分无定形半导体层与基体形成异质结。
9.如权利要求1所述的半导体结构，其中与基体的界面上杂质的浓度基本上为0；和相对侧上的杂质浓度为约1×1016cm-3-约1×1021cm-3。
10.一种光伏装置，其包括权利要求1的半导体结构，并且还包括：
设置于所述无定形半导体层表面上的透明电极层，该层与基体相间隔；和
设置在基体的相对表面上的电极。
11.如权利要求10所述的光伏装置光伏装置，其还包括设置在透明电极层上的集电极。
12.一种半导体结构，包括：
(a)传导类型的半导体基体；
(b)设置于该半导体基体第一表面上的第一无定形半导体层，其中该无定形半导体层沿其深度方向组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性；
(c)设置于第一无定形半导体层表面上的第一透明电极层；
(d)设置于第一透明电极层上的至少一个电触头；
(e)设置于该半导体基体第二表面上的第二无定形半导体层，该第二表面基本上与第一基体表面相对，其中第二无定形半导体层在深度方向组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性；
(f)设置在第二无定形半导体层表面上的第二透明电极层；和
(g)设置于第二透明电极层上的至少一个电触头。
13.一种太阳能电池组件，其包括一个或多个太阳能电池装置，其中至少一个太阳能电池装置包括：
(i)传导类型的半导体基体；和
(ii)设置于该半导体基体至少一个表面上的无定形半导体层，其中该无定形半导体层沿其深度方向组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。
14.一种制备光伏装置的方法，包括至少在半导体基体的第一表面上形成无定形半导体层的步骤，其中通过在基体上连续沉积半导体材料和掺杂剂，同时改变掺杂剂的浓度来形成该无定形半导体层，从而该无定形半导体层沿着其深度方向上组成渐变，从与基体的界面上基本上为本征性变化为在相对侧上基本上为传导性。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过等离子体沉积工艺来形成无定形半导体层。
16.如权利要求15所述的方法，其中等离子体沉积工艺是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
17.如权利要求14所述的方法，其中通过在半导体基体的两个表面上沉积半导体材料来形成两层组成渐变的无定形半导体层。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在无定形半导体层表面上形成透明电极层，随后在该透明电极层上形成至少一个金属触头的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括在与半导体基体第一表面相对的半导体基体第二表面上提供至少一个电极的步骤。
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