CN101752434B - 具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

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。透过本发明可提高太阳能电池的能源转换效率。

Description

具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法
技术领域
本申请案要求2008年12月12日提出申请的美国第61/122,239号临时专利申请案以及2008年12月17日提出申请的美国第61/138,429号临时专利申请案的权益，上述两临时专利申请案都整合于本案中以作为参考。
本发明是关于产生电力的装置以及其制造方法的，尤指关于一种具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法，该装置与方法特别包括使用纳米钻石材料。因此，本发明涉及物理、化学、电子以及材料科学。
背景技术
太阳能电池技术已发展数十年，因而其对于各种不同应用中的可能性电力作出了重大贡献。尽管太阳能电池的材料与制造方法有了戏剧性的改良，其转换效率限制仍大大低于理论效率值，而现有的太阳能电池的最大效率在大约26％。多种方法企图增加太阳能电池的效率且其中某些方法也成功达到增进效率的目的。上述某些方法包含了光捕捉结构以及埋入式电极以便能将导电金属极板网栅的表面积减至最小。其他方法则包含了后接触结构，即是让电洞电子对的再结合程序发生于电池的背侧。
当使用无晶钻石材料作为一种电子发射材料时，由于其所具有的低功函数(Work Function)，因此无晶钻石材料提供了潜在的效能增进。此外，无晶钻石材料可提供一个宽广的能带隙，其可使电子进行“阶梯式(Step)”的激发。尤其，电子可受到入射能量激发而步入更高的不连续能阶(Discrete EnergyLevel)，犹如步上阶梯般，最后到达充分的能量而使电子被激发成自由电子。虽然无晶钻石材料成功地使用在各式各样的发电装置，其在效能、可制造性、成本以及其它因素的缺点等等仍然有待解决。
发明内容
因此本发明提供一种由太阳能产生电力的材料、装置以及方法，即具有纳米钻石量子井的太阳能电池及其制造方法。一方面，本发明包括一种太阳能电池，其具有一个第一导体、一个与该第一导体电性连接的掺杂的硅层、一个与该含硅层接触的纳米钻石层、一个与该纳米钻石层接触的掺杂的无晶钻石层以及一个与该掺杂的无晶钻石层电性连接的第二导体。
本发明太阳能电池的各层，可根据所使用的材料以及所欲利用的装置而具有不同的厚度以及结构。举例而言，一方面该掺杂的无晶钻石层具有小于约250纳米的厚度。另一方面，该纳米钻石层具有小于约150纳米的厚度。又一方面，该掺杂的硅层是一种P型材料，且该掺杂的无晶钻石层是一种N型材料。又另一方面，该第二导体具有一个无晶钻石层掺杂部分。另一方面，第一导体与第二导体中的至少一个是透明材质。
本发明另外提供可增进能源转换效率的太阳能电池的制造方法。一方面，该制造方法可包含下列步骤：在一个基材上形成一个掺杂的硅层；在该掺杂的硅层上沉积一个纳米钻石层；以及在该纳米钻石层上沉积一个掺杂的无晶钻石层。一方面，该硅层是无晶硅层。另一方面该硅层是以N型型态进行掺杂，且该无晶钻石层是以P型型态进行掺杂；抑或是该硅层以P型态进行掺杂，该无晶钻石层是以N型态进行掺杂。又一方面，该硅层是薄膜硅层。
本发明还考虑各种沉积该纳米钻石层的方法。一方面，举例而言，该沉积纳米钻石层的步骤进一步包含以电泳方式沉积纳米钻石粒子。另一方面，该沉积纳米钻石层的步骤进一步包含用钻石靶材进行纳米钻石粒子的溅镀。
本发明另外提供半导体装置。一方面，举例而言，此种半导体装置可包含一个第一导体、一个与该第一导体电性连接的第一半导体层、一个接触该第一半导体层的纳米钻石层、一个与该纳米钻石层接触的第二半导体层以及一个与该第二半导体层电性连接的第二导体层。在一个特定的方面，该第一半导体层是硅，且该第二半导体层是无晶钻石。在另一方面，该半导体装置是一种太阳能电池。
在此先以较宽广的方式描述本发明各项特征，以使读者能更了解之后本发明的详细描述。本发明其余特征将透过下列的本发明详细说明与所附的权利要求，或者透过实施本发明来清楚呈现。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的太阳能电池的侧面示意图；
图2是本发明另一个实施例的太阳能电池的侧面示意图；
图3A到图3E是本发明的一个实施例的太阳能电池制造程序的一系列示意图；
图4A到图4E是本发明另一个实施例的太阳能电池制造程序的一系列示意图。
附图标记说明：10-太阳能电池；12-第一导体；14-硅层；16-无晶钻石层；17-纳米钻石层；18-第二导体；20-太阳能电池；22a、22b、22c PIN-连接结构；24-绝缘材料；42-基材；44-第一导体；46-硅层；48-纳米钻石层；50-无晶钻石层；52-第二导体；53-基材；54-第一导体；56-无晶钻石层；58-纳米钻石层；60-硅层；62-第二导体。
上述图式将会作进一步详述以与下列实施方式进行结合。此外，这些图式并非依照实际尺度而制作，仅作示意用途，且其尺寸与形状可改变。
具体实施方式
在揭露与描述本发明前，可理解的是，本发明并非限制在之后所揭露的特定的构造、制作步骤或是材料，而是可扩大到被那些相关领域中的技术人员所了解的均等物。也应了解的是，在此所使用的专门用语仅用于叙述特定的实施例，而非旨在造成限制。
必须注意的是，说明书以及附加的权利要求中所使用的冠词“一”及“该”是包含了复数的用法，除非文章中特定指出其他涵义。举例而言，“一层”包含了一个或更多这样的层结构，且“一掺杂物”包含了一个或更多这样的掺杂物。
定义
在描述与申请本发明时，会根据下列提出的定义来使用下列术语。
文中所使用的“钻石”一词是指一种碳原子的结晶结构，该结构中碳原子与碳原子透过四面体配位晶格方式键结，该四面体配位键结即是已知的sp3键结。具体而言，各碳原子被其它四个碳原子环绕而键结，四个周围的碳原子分别位于正四面体的顶点。此外，在室温下，任意两碳原子之间的键长为1.54埃，且任两键之间的夹角为109度28分16秒，实验结果有极微小差异但可忽略。钻石的结构与性质，包括其物理与电气性质，均为该领域的技术人员所知悉。
文中所使用的“扭曲四面体配位”一词是指碳原子的四面体配位键结为不规则状，或者偏离前述钻石的正常四面体结构。此种扭曲型态通常导致其中一些键长加长而其余的键长缩短，并且使得键之间的角度改变。此外，扭曲四面体改变了碳的特性与性质，使其特性与性质实际上介于以sp3配位键结的碳结构(例如钻石)与以sp2配位键结的碳结构(例如石墨)之间。其中具有以扭曲四面体键结的碳原子的材料即是无晶钻石。
文中所使用的“类钻碳”一词是指一种以碳原子为主要成分的含碳材料，该含碳材料中的大量碳原子以扭曲四面体配位键结。气相沉积程序或其它程序可用于形成类钻碳。类钻碳材料中可含有各种作为杂质或掺杂物的元素，这些元素可包含但不受限于氢、氮、硅以及金属等等。
文中所使用的“无晶钻石”一词是指一种类钻碳，该类钻碳主要元素为碳原子，且大多数的碳原子以扭曲四面体配位键结。一方面，无晶钻石中的碳原子数量可占总量的至少大约90％，且这些碳原子之中的至少20％以扭曲四面体配位键结。无晶钻石具有高于钻石的原子密度(钻石密度为176原子/每立方厘米(atoms/cm3))。此外，无晶钻石以及钻石材料在熔化时体积收缩。
文中所使用的“纳米钻石”一词是指由人工或是天然钻石所制造出的钻石粒子，其中此纳米钻石粒子的尺寸是在纳米范围之中。该纳米钻石的尺寸可小于或是等于约500纳米；优选该纳米钻石的尺寸小于或等于约100纳米；更优选该纳米钻石的尺寸小于或是等于约50纳米；最优选该纳米钻石的尺寸小于或是等于约10纳米。
文中所使用的“功函数”一词是指在一种材料上的电子由该材料上的最高能阶处发射到真空之中所需要的能量大小，通常以eV表示。因此，例如铜材料，其具有大约4.5eV的功函数，因此需要4.5eV的能量才能使该铜材料表面上的电子自该表面上发射到理论上完美的真空之中，该理论完美真空能量为0eV。
文中所使用的“电子亲和力”一词是指原子吸引或束缚自由电子到该原子的轨道上的倾向。此外，“负电子亲和力(NEA)”一词是指原子透过少许能量的输入而驱逐自由电子或是释放位于该原子轨道上电子的倾向。负电子亲和力(NEA)一般而言是真空与传导带中的最低能阶之间的能量差。可了解的是，负电子亲和力(NEA)可因为材料的化合性质或是晶体的不规则状态而造成，前述不规则状态，举例而言，可为缺陷、杂质、晶界、双晶面(Twin Planes)或是其综合作用。
文中所使用的“纳米管”一词是指一种圆筒状分子结构，其具有超过大约1000的长宽比。尤其，碳纳米管是以六角形的石墨分子结构卷成筒状，并使卷起的六角形石墨分子结构的边缘互相连接而制成。就碳纳米管尺寸而言，其截面可由大约1纳米到大约10纳米，其长度可由大约1微米到大约1毫米。纳米管可具有单层、双层或是其它结构。
文中所使用的“电性连接”一词是指两材料之间允许电流至少部分地在两者之间流通的关系。该定义是为了同时包含产生实体性接触的不同结构以及不产生实体性接触的不同结构。两电性连接的材料，可形成奥姆接触(OhmicContact)(提供大致上为对称原点的线性电流-伏特性质)或是萧特基接触(Schottky Contact)(其中，两材料间存在一个电位且导致一种非线性的电流-伏特性质)。举例而言，两金属板透过电阻器而实体性相互连结，达成电性连接，并因此使电流能在该两金属板之间流通。就另一反例而言，两金属板由介电材料分隔而并未进行实体性连接，然而，当两金属板连接到一个交流电源，则使电流能透过电容装置而在该两金属板之间流通。此外，依据介电材料的绝缘性质，当提供充足能量时，电子能以挤压方式穿过或是以跳跃方式跃过该介电材料。
文中所使用的“转换效率”一词是指太阳能电池或其他装置对电荷载体所提供的输出功率，相对于输入功率或是入射辐射的比率。转换效率一般可依据“太阳光谱辐照度为大气质量1.5(air mass 1.5spectrum)”时的标准测试条件而测得。
文中所使用的“金属”一词是指一种金属或者是两种以上金属的合金。已知有多种广泛的金属材料，例如铝、铜、铬、银、金、铁、钢、不锈钢、钛、钨、锌、锆、钼等等以及这些金属的合金和化合物。
文中所使用的“大致上”一词是指一种作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果的完全或近乎完全的范围或是程度。举例而言，一个物体“大致上”被包覆，这是指被完全地包覆，或者被几乎完全地包覆。与绝对完全程度的差距的可允许偏差程度在某些例子中取决于说明书文中。然而，一般而言，接近完全时所得到的结果则与在绝对且彻底完全时得到的全部结果一样。当“大致上”用于描述完全或近乎完全地缺乏一种作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果时，该使用方式也是如上述方式而同等地应用的。举例而言，一种“大致上不包含”粒子的组成物，是可以完全缺乏粒子的，或是近乎完全缺乏粒子而达到如同其完全缺乏粒子的程度。换言之，只要“大致上不包含”原料或组件的组成物不具有可测量的效果，该组成物实际上仍可包含这些原料或是组件。
文中所使用的“大约”一词是指给予一个数值范围的端点弹性，所给予的数值可稍微高于该端点或是稍微低于该端点。
文中所使用的复数物品、结构组件、组成组件和/或材料，可以用列表的方式呈现以方便使用。然而，该类列表应被解释为：该列表的各成员是被独立的视为分离且独特的成员。因此，基于此列表的成员出现在同一群组中而没有其它反面的指示，此列表中的各成员均不应被解释为与同一列表中的任何其它成员相同。
浓度、数量以及其它数值资料可以用一个范围的形式表达或呈现。要了解的是，此范围形式仅仅为了方便与简洁而使用，因此该范围形式应该被弹性地解释为不仅包含了被清楚描述作为范围限制的数值，也包含在该范围中的所有独立数值以及子范围。因此，在此数值范围中分别包含了独立数值，例如2、3和4，子范围，例如1-3、2-4和3-5等等，以及1、2、3、4和5。
此相同的原则适用于作为最小值或最大值的单一数值。此外，不论所描述范围或特征的幅度是什么，都应该采用这样的解释。
本发明涉及半导体装置，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，本发明范畴却不应局限于太阳能电池，而应包含能够因本发明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，目前本发明人认为使用本发明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。根据本发明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，本发明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100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，图1显示了根据本发明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。
本发明考虑各种能够供本发明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，本发明所属技术领域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。
本发明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。本发明可改变掺杂型式以及掺杂浓度、氢含量、sp2以及sp3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，在本发明一方面，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。本发明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，而根据本发明各方面，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，而根据本发明各方面，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缩窄能带隙。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。该无晶钻石本身将在每一层中提供不同的能带隙范围，由此捕捉宽广的光谱能量。
在另一例子中，可使用碳纳米管作为其中一个导体。该碳纳米管可在提供高导电性的同时维持相对入射辐射呈大致透明的状态，特别是针对较长波的红外线辐射。太阳能电池可以使其所具有的第一导体包含有碳纳米管层。该碳纳米管可呈现非平坦表面而与N型掺杂无晶钻石层以及P型掺杂薄膜硅层相连接。由此，使得N型与P型材料之间有非平面连接结构。此非平面连接结构有助于增加基材面积中的连接面积，并且同时维持由连接结构到导体之间的距离相对的短。可通过将薄膜硅层进行N型掺杂，并且将该无晶钻石层进行P型掺杂，而得到类似的装置。
该碳纳米管可被配置成一簇(Mat)，其中碳纳米管则随机设置。或者，该碳纳米管的方向可先行受到安排，使碳纳米管的两端沿着大致上垂直于该连接结构的方向而设置。此外，在某些方面，该碳纳米管可设置在一个导电基材(例如金属)或是一个涂布有导体(例如氧化铟锡)的绝缘基材上。
本发明可透过使主动层中(例如在掺杂的无晶钻石层中、在掺杂的硅层中、或者是在同时两者中)包含有导电微粒或是碳纳米管的方式，来减少主动层与第一导体层和/或第二导体层之间的接触电阻，由此进一步增强太阳能电池的操作性。
本发明可根据不同的实施例而使用各种可能的技术来制造太阳能电池。举例而言，图3A到图3E显示制造太阳能电池的各种阶段。一方面，可透过供制造用的暂时性基材或是透过永久成为该太阳能电池完成品一部分的基材来进行制造程序。在某些方面，该基材可为导体，例如第一导体。或者在另一方面，分离的第一导体44可形成在分离的基材42上，如图3A所示。或者，该第一导体可形成在硅半导体硅片(图中未示)上。该第一导体44可透过将导电材料以印刷、沉积、或是设置方式附加该基材42上。举例而言，沉积程序可使用生长、涂布、或者是转写等方法将材料附加到该基材上而进行。举例而言，沉积材料可透过下列方法而实施：旋转涂布、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、电化沉积(Electrochemical Deposition，ECD)、分子束取向附生(Molecular Beam Epitaxy)、原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)以及相关方法。各种气相沉积方法的广泛变化均可为所属技术领域具有通常知该识者所实施。气相沉积方法的实例包括热灯丝化学气相沉积(hot filament CVD)、射频等离子化学气相沉积(rf-CVD)、雷射化学气相沉积(Laser CVD，LCVD)、有机金属化学气相沉积(Metal-organic CVD，MOCVD)、溅镀(sputtering)、热蒸发物理气相沉积(Thermal Evaporation PVD)、离子化金属物理气相沉积(ionized PVD，IMPVD)、电子束物理气相沉积(electron beam PVD，EBPVD)、反应性物理气相沉积(reactive PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)及其它类似方法。
如图3B所示，硅层46可形成在第一导体44(或者，若该基材42是导体，则可形成在该基材42上)上。该硅层46可由上述的沉积程序而形成。且如上所述的，该硅层可进行掺杂。掺杂程序可在形成硅层时，透过共同沉积掺杂物来达成，举例而言，当沉积硅层时，可共同蒸发掺杂物而进行掺杂。在另一例子中，可在形成硅层后，再以离子植入(Ion Implantation)、驱入扩散(Drive-inDiffusion)、场效应掺杂(Field-effect Doping)、电化掺杂、气相沉积或者其它方法来进行掺杂程序。可使用各种掺杂物来形成P型材料，掺杂物例如但不受限于硼；可使用各种掺杂物来形成N型材料，掺杂物例如但不受限于磷化物，或者可使用本发明所属技术领域技术人员所知道的掺杂物来制造上述的P型或是N型材料。
如图3C所示，纳米钻石层48可形成在该硅层46上。该纳米钻石层48可以各种方法形成。举例而言，在一方面，可由爆炸技术形成纳米钻石粒子，例如使用TNT/RDX等已知的爆炸技术。这些纳米钻石粒子接着可透过电泳悬浮技术或是旋转涂布技术来形成位于该硅层上的纳米钻石层48。在另一方面，纳米钻石层48可透过PVD程序由钻石靶材进行溅镀而形成。该钻石靶材的材料可包含钻石膜、人造钻石粒子以及自然钻石粒子等等。此种溅镀形成之纳米钻石层通常其sp3键结比例多于以其它方法制造的纳米钻石层的sp3键结比例。
如图3D所示，无晶钻石层50可沉积于该纳米钻石层48上。该无晶钻石层50具有等于或少于约250纳米的厚度，更详细举例而言，其厚度可等于或少于约100纳米。该无晶钻石层50可使用各种技术进行沉积，包括气相沉积或是其它程序。在一个详细例子中，无晶钻石层50可使用阴极电弧方法来进行沉积。阴极电弧方法一般而言涉及以碳原子进行物理气相沉积到标靶。透过大量电流通过蒸发的石墨电极可产生电弧。可使用具有强度变化的负偏压来驱动碳原子向标靶移动。若碳原子具有充足的能量(例如大约100eV)，则能冲撞标靶且黏附于标靶的表面上而形成含碳材料，例如无晶钻石。
一般而言，可透过改变施加到该标靶上的负偏压来调整进行冲击的碳原子的动能大小，且可经由通过电弧的电流来控制沉积率。控制前述与其它参数，可影响碳原子四面体配位键结的扭曲程度以及无晶钻石材料的几何外形与结构。举例而言，增加负偏压可增加sp3键结。藉由测量材料的拉曼光谱，可测定sp3/sp2比例，虽然已将了解无晶钻石层的扭曲四面体部分并非sp3亦非sp2键结，但是范围内的键结具有介于sp3与sp2之间的特性。此外，增加电弧电流可增加高通量碳离子对标靶的轰炸率。藉此，可提高温度而使沉积的碳转变为更稳定的石墨。因此，可透过操控以形成无晶钻石材料的阴极电弧条件，来控制无晶钻石材料的最后结构以及组成(例如能带隙、负电子亲和力、以及发射表面外型)。
该无晶钻石层可进行掺杂，例如透过共同沉积掺杂物而进行掺杂，或是透过在沉积之后进行离子植入以进行掺杂，如上所述。可使用各种掺杂物来形成N型材料，例如使用氮、锂或是其结合；可使用各种掺杂物来形成P型材料，例如使用硼。
如图3E所示，第二导体52可形成在该掺杂的无晶钻石层50上。该第二导体52可以透过将导电材料以印刷、沉积或者设置等方式附加到该基材上，并且可使用前述沉积第一导体的技术来达成。可使用各种导电材料，例如，使用氧化铟锡等透明的导体。在另一例子中，该第二导体52可透过掺杂该无晶钻石层50的上部而形成以提供高导电率(图中未示)。举例而言，如前述所讨论的，该类钻碳材料可透过充分的掺杂而降低电阻值到小于10-2奥姆-厘米。在又一例子中，可透过沉积或是生长的碳纳米管来形成该第二导体52。举例而言，可使用各种本发明所属技术领域已知技术来形成碳纳米管，并且将碳纳米管沉积到太阳能电池上以形成第二导体。在另一个例子中，碳纳米管透过各种本发明所属技术领域已知技术而在原处进行生长。
另一个太阳能电池的制造方法如图4A到图4E所示。该太阳能电池可在基材53制造，如图4A所示。本发明可使用各种如上所述的基材。第一导体54可透过上述各种技术而形成在该基材上。如上述技术，可使用导电基材，或者可使该基材上的一部分具导电性质。无晶钻石层56沉积在该第一导体上，如图4B所示。该无晶钻石层56可具有少于大约250纳米的厚度。该无晶钻石层56可透过上述技术进行掺杂。
如图4C所示，纳米钻石层58可形成在该无晶钻石层56上。如上所述，该纳米钻石层58可由各种方法而形成。举例而言，在一方面，可经由本发明所属技术领域已知的TNT/RDX等爆炸技术而形成纳米钻石粒子。这些纳米钻石粒子可进一步透过电泳悬浮技术而在硅层上形成纳米钻石层。在另一方面，可透过利用物理气相沉积程序而由钻石靶材溅镀形成纳米钻石层。该钻石靶材的材料可包含钻石膜、人造钻石粒子、自然钻石粒子等等。此种溅镀形成之纳米钻石层通常其sp3键结比例多于以其它方法制造的纳米钻石层的sp3键结比例。
硅层60可透过上述技术而沉积在该纳米钻石层58上，如图4D所示。在某些方面，该硅层可透过上述技术进行掺杂。第二导体62可形成在该硅层60的顶面，如图4E所示。
第一导体与第二导体可沉积为连续层(例如，当使用透明导体时)，或者可进行图形化以减少辐射阻挡(例如，当使用银、金或是其它几乎不透明的导体)。可利用平版印刷技术来进行图形化。在平版印刷技术中，在欲制造的装置上设置光阻层，接着使光阻层使用屏蔽而进行曝光，由此定义各种特征。接着利用显影溶液清洗去除曝光或是未曝光的区域，使该装置一个或是多个部分外露。可使用蚀刻或是其它程序来去除外露区域的材料。蚀刻则有湿蚀刻或是干蚀刻(例如反应离子蚀刻(Reactive Ion Etch，RIE))等方式。
或者，平版印刷技术可利用剥离工艺(Lift-off Process)而实施，其中材料沉积在显影屏蔽上，接着去除该屏蔽，并同时使被屏蔽遮挡的材料部份随着屏蔽一同被去除。当沉积材料难以进行蚀刻或是以其它方式去除时，剥离工艺特别有帮助。可在单一步骤中进行沉积以及剥离而形成材料的多层结构。
实施例
下列实例显示制造本发明太阳能电池等半导体装置的各种技术。然而，应注意的是，下列实例仅是示范或显示本发明的原理。在不违反本发明范畴与精神下，本发明所属技术领域具有通常知识者可构想出各种修改与不同的组合、方法以及系统。所附上的权利要求是欲涵盖这些修改与布局。因此，虽然上述内容已详细叙述本发明，下列实例以本发明复数实施例来提供进一步的详细说明。
实施例一
一种半导体装置透过下列步骤而制造：
在一个氧气不足的容器中引爆炸药(TNT+RDX)而形成纳米钻石，其中纳米钻石粒子具有4-10纳米的尺寸。纳米钻石散布在一种有机胶合剂(OrganicBinder)上并且进行干燥而形成层结构。该纳米钻石层作为靶材以对该靶材进行氩离子的磁控溅镀。
接着使用P型硅硅片作为基材，使该已进行溅镀的钻石轰炸冲击该基材而形成原子簇。该已进行涂布的P型硅硅片再进一步涂布有N型硅以形成PIN连接结构而作为太阳能电池。
实施例二
如实例一所述的半导体装置，然而其P型半导体是铜铟硒化镓(CIGS)，且N型半导体是硫化镉。
实施例三
如实例一所述的半导体装置，然而其P型半导体是掺杂硼的无晶钻石，且N型半导体是掺杂氮的无晶钻石。
实施例四
如实例二所述的半导体装置，其中连接P型与N型材料的电极是由可挠性不锈钢制造，半导体装置的成品，例如太阳能板则具有可挠性。
当然，应了解的是，上述内容仅供说明本发明原理的应用。在不违背本发明范畴及精神的前提下，本发明所属技术领域的技术人员可做出多种修改及不同的配置，且依附在后的权利要求则旨在涵盖这些修改与不同的配置。因此，当本发明中目前被视为是最实用且较佳的实施例的细节已被揭露如上时，对于本发明所属技术领域的技术人员而言，可依据本文中所提出的概念和原则来作出而不受限于多种包含了尺寸、材料、外形、形态、功能、操作方法、组装及使用上的改变。

Claims (18)

1.一种太阳能电池，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；
其中无晶钻石是指一种类钻碳，该类钻碳主要元素为碳原子，且大多数的碳原子以扭曲四面体配位键结；
其中纳米钻石的粒子尺寸是在纳米范围之中，且小于或是等于500纳米。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于该掺杂的无晶钻石层具有一个少于250纳米的厚度。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于该纳米钻石中间层具有小于150纳米的厚度。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于该掺杂的硅层是一种P型材料，且该掺杂的无晶钻石层是一种N型材料。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于其进一步包含设置在第一导体或是第二导体下方的一种基材。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于该基材具有可挠性以使该太阳能电池能被设置在一个弧形表面上。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于该第二导体包含有一个无晶钻石层掺杂部分。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于第一导体与第二导体中的至少一个是透明的。
9.一种具有增进能源转换效率的太阳能电池的制造方法，其特征在于其包含：
在一种基材上形成一个掺杂的硅层；
在该硅层上沉积形成一个纳米钻石中间层；以及
在该纳米钻石中间层上沉积形成一个掺杂的无晶钻石层；
其中无晶钻石是指一种类钻碳，该类钻碳主要元素为碳原子，且大多数的碳原子以扭曲四面体配位键结；
其中纳米钻石的粒子尺寸是在纳米范围之中，且小于或是等于500纳米。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于该硅层是一个无晶硅层。
11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于该硅层是N型掺杂，且该无晶钻石层是P型掺杂。
12.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于该硅层是P型掺杂，且该无晶钻石层是N型掺杂。
13.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于该硅层是一个薄膜硅层。
14.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于该无晶钻石层的厚度小于250纳米。
15.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于在该纳米钻石中间层的沉积步骤中，进一步包含以电泳方式沉积纳米钻石粒子。
16.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于在该纳米钻石中间层的沉积步骤中，进一步包含由一钻石靶材溅镀纳米钻石粒子。
17.一种半导体装置，其特征在于其包含：
一个第一导体；
一个第一半导体层，其电性连接该第一导体，且该第一半导体层是硅；
一个纳米钻石层，其接触该第一半导体层，且该第二半导体层是无晶钻石；
一个第二半导体层，其接触该纳米钻石层；以及
一个第二导体，其电性连接该第二半导体层；
其中无晶钻石是指一种类钻碳，该类钻碳主要元素为碳原子，且大多数的碳原子以扭曲四面体配位键结；
其中纳米钻石的粒子尺寸是在纳米范围之中，且小于或是等于500纳米。
18.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于该半导体装置是一种太阳能电池。
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