CN102074593A - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了太阳能电池。该太阳能电池包括：含有第一导电类型的第一杂质的基板；含有与第一导电类型相反的第二导电类型的第二杂质的射极层；电连接到射极层的第一电极；以及电连接到基板的第二电极。射极层和基板形成p-n结。射极层的第二杂质的掺杂浓度根据在射极层内的位置的深度而线性地或非线性地变化。

Description

太阳能电池
技术领域
所描述的各种实施方式涉及太阳能电池。
背景技术
近来，由于认为现有能源(如石油和煤)是会被耗尽的，因此对于代替现有能源的另选能源越来越感兴趣。在这些另选能源中，从太阳能产生电能的太阳能电池尤其受到关注。
太阳能电池通常包括基板和射极层，基板和射极层各自由半导体形成，并且在基板和射极层上分别形成有电极。形成基板和射极层的半导体具有不同的导电类型，例如p型和n型。在基板和射极层之间的界面形成p-n结。
当光入射在太阳能电池上时，在半导体中产生多个电子-空穴对。通过光电效应将这些电子-空穴对分成电子和空穴。由此，分出的电子移动到n型半导体(例如射极层)并且分出的空穴移动到p型半导体(例如基板)，然后电子和空穴分别由电连接到射极层和基板的电极收集。这些电极通过电线彼此连接，从而获得电力。
发明内容
一方面，存在一种太阳能电池，该太阳能电池包括晶体基板，该晶体基板含有第一导电类型的第一杂质。所述太阳能电池还包括含有第二导电类型的第二杂质的第一非晶层，所述第一非晶层具有包括第一浓度的第二杂质的第一部分和包括第二浓度的第二杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度。所述太阳能电池还包括第一电极、以及电连接到所述第一非晶层并与所述第一电极电绝缘的第二电极。
所述太阳能电池可以包括含有第三导电类型的第三杂质的第二非晶层，所述第二非晶层具有包括第一浓度的第三杂质的第一部分和包括第二浓度的第三杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度，其中，所述第三导电类型与所述第二导电类型相反。所述第二非晶层可以位于所述晶体基板的没有光入射的非入射面上。
在所述太阳能电池中，所述第一非晶层可以位于所述晶体基板的光入射的入射面上。所述第一非晶层可以位于所述晶体基板的没有光入射的非入射面上。所述第一导电类型可以与所述第三导电类型相同。所述第一非晶层的所述第一部分的所述第二杂质的所述第一浓度可以接近于零。在第一部分和第二部分之间，所述第二杂质的浓度可以按预定的速率增加。
在所述太阳能电池中，所述第一非晶层的所述第一部分可以是本征半导体部分，所述第一非晶层的所述第二部分可以是非本征半导体部分。所述第一非晶层的所述第一部分可以位于所述晶体基板的附近，并且所述非晶层的所述第二部分的位置可以位于所述非晶层的与所述晶体基板相对的表面的附近。所述第一非晶层具有单层结构。所述第一非晶层和所述晶体基板可以形成异质结。所述第二杂质的所述第一浓度和所述第二浓度可以是从大约0/cm3到大约1×1023/cm3。
在另一个总体方面，存在一种半导体结构，该半导体结构位于太阳能电池的晶体半导体基板的第一表面上，所述晶体半导体基板是第一导电类型。半导体层可以包括具有第一浓度的杂质的第一非晶层和具有第二浓度的杂质的第二非晶层，所述第二浓度不同于所述第一浓度。所述第一非晶层和所述第二非晶层各自可以是非本征层。
在所述半导体结构中，所述第一非晶层与所述晶体基板的最小距离可以大于所述第二非晶层与所述晶体基板的最小距离。杂质的所述第一浓度可以大于杂质的所述第二浓度。杂质的所述第二浓度可以大于杂质的所述第一浓度。
另一方面，存在一种方法，该方法包括以下步骤：提供含有第一导电类型的第一杂质的晶体基板。所述方法还可以包括以下步骤：在所述晶体基板上形成含有第二导电类型的第二杂质的非晶层。形成非晶层的步骤可以包括以下步骤：形成所述非晶层的包括第一掺杂浓度的所述第二杂质的第一部分，并且形成所述非晶层的包括第二浓度的所述第二杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度。所述方法还可以包括以下步骤：提供第一电极，并且提供电连接到所述非晶层并与所述第一电极电绝缘的第二电极。
作为所述方法的一部分，形成非晶层的步骤可以包括以下步骤：在注入了掺杂剂气体的处理室中形成非晶层。另外，形成第一部分和第二部分的步骤可以包括以下步骤：以预定速率改变注入到处理室中的掺杂剂气体的量。
附图说明
图1是太阳能电池的局部剖面图。
图2是示出射极层或背面场层的杂质掺杂浓度与深度之间的示例关系的曲线图。
图3示出了基板、射极层和背面场层之间的能带图。
图4是示出电流密度与射极层或背面场层的杂质掺杂浓度之间的关系的曲线图。
图5是示出射极层或背面场层的杂质掺杂浓度与深度之间的另一示例关系的曲线图。
图6是太阳能电池的另一局部剖面图。
图7是示出太阳能电池中的射极层或背面场层的杂质掺杂浓度与深度之间的示例关系的曲线图。
图8示出了太阳能电池中的基板、射极层和背面场层之间的另一能带图。
图9示出了射极层和背面场层的各种示例。
具体实施方式
在附图中，为了清楚起见，放大了层、膜、板、区域等的厚度。在整个说明书中，相同标号表示相同元件。应该理解，当将诸如层、膜、区域或基板的元件称为“位于另一元件上”时，它可以直接位于所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当将一元件称为“直接位于另一元件上”时，不存在中间元件。另外，应该理解，当将诸如层、膜、区域或基板的元件称为“完全”位于另一元件上时，它可以位于所述另一元件的整个表面上，而不可以位于所述另一元件的边缘部分上。
如图1所示，太阳能电池1包括基板200、位于基板200的光入射的正面上的射极层210、以及位于基板200的与基板200的正面相对的没有光入射的背面上的背面场(BSF)层220。太阳能电池1还包括分别位于射极层210和背面场层220上的第一透明导电层231和第二透明导电层232、位于第一透明导电层231上的多个正面电极250、以及位于第二透明导电层232上的背面电极260。
基板200是由第一导电类型的硅(例如n型硅或其它类型的硅)形成的半导体基板。基板200中的硅可以是晶体硅，例如单晶硅和多晶硅。当基板200是n型硅时，基板200可以包括例如磷(P)、砷(As)和/或锑(Sb)的V族元素的杂质。另选的是，基板200可以是p型，并/或包括不同于硅的材料。当基板200是p型时，基板200可以包括例如硼(B)、镓(Ga)和/或铟(In)的III族元素的杂质。
可以对基板200的整个正面和背面进行粗糙化，以形成不平坦的表面或者具有不平坦特性的表面。
位于基板200的正面的射极层210是与基板200的第一导电类型(例如，n型)相反的第二导电类型(例如，p型)的杂质区域。射极层210由与基板200不同的半导体形成，例如，诸如非晶硅(a-Si)的非晶体半导体。在一个示例中，射极层210具有大约10nm到50nm的厚度。然而，也可以使用其它的厚度。由此，在太阳能电池1的非晶硅部分和晶体硅部分之间，射极层210和基板200不仅形成p-n结，而且形成异质结。
在基板200的背面上的背面场层220是更多地掺杂了与基板200相同导电类型的杂质的杂质区域。背面场层220由与基板200不同的半导体形成，例如，诸如非晶硅的非晶体半导体，因此沿基板200形成异质结。
因此，通过由于基板200与背面场层220的杂质掺杂浓度之间的差异而产生的势垒，基本上防止或减少了空穴向基板200的背面的移动。由此，基本上防止或减少了电子和空穴在基板200表面周围的重组和/或消失。
在一些实施方式中，射极层210和背面场层220各自由非晶硅形成，并且基板200由晶体硅(例如微晶硅)形成。因为射极层210和背面场层220的晶体结构与基板200的晶体结构不同，所以射极层210和背面场层220各自与基板200形成异质结。
如图1所示，射极层210和背面场层220各自可以形成为由非晶硅形成的单膜。
在通常在基板与射极层之间和/或基板与背面场层之间具有例如由本征非晶硅形成的单独钝化层的太阳能电池的比较示例的情况下，如图7中所示的杂质掺杂浓度与层深度之间的关系所反映的，在基板与射极层和/或基板与背面场层之间的边界周围，杂质掺杂浓度急剧地改变。
如图7所示，射极层或背面场层中包括的杂质掺杂浓度C1相对较高，钝化层的杂质掺杂浓度C2相对较低。此外，射极层或背面场层的杂质掺杂浓度C1保持在大体恒定的水平。在比较例中，由非晶硅形成的钝化层不具有足够的厚度来稳定地执行如下的钝化操作：将存在于基板表面周围的不稳定键(例如悬空键)转换为稳定键，从而防止或减少由于这些不稳定键而引起的向基板的正面和背面中的每一个移动的载流子的重组和/或消失。由此，钝化层沿钝化层上的射极层或背面场层执行钝化操作。
在另一实施方式中，射极层210和背面场层220各自的杂质掺杂浓度依据距射极层210和背面场层220的表面的深度而线性地或非线性地改变。换句话说，随着与射极层210和背面场层220各自的表面的距离朝向基板200的表面增加，射极层210和背面场层220各自的杂质掺杂浓度改变。
例如，随着与表面的距离增加，射极层210的杂质掺杂浓度以预定速率逐渐减小。由此，在基板200与射极层210之间的接触面周围的射极层210的杂质掺杂浓度低于射极层210的上表面周围的射极层210的杂质掺杂浓度。结果，射极层210在基板200与射极层210之间的接触面或其附近具有相对最小的杂质掺杂浓度，在射极层210的上表面或其附近具有相对最大的杂质掺杂浓度。
此外，类似于射极层210，背面场层220的杂质掺杂浓度作为与基板200的距离的函数而以预定速率逐渐增加。由此，背面场层220在基板200与背面场层220之间的接触面或其附近的杂质掺杂浓度低于背面场层220在背面场层220的上表面或其附近的杂质掺杂浓度。结果，背面场层220在基板200与背面场层220之间的接触面周围具有相对最小的杂质掺杂浓度，并且可以在背面场层220的上表面周围具有相对最大的杂质掺杂浓度。
在另外的示例中，随着射极层210和背面场层220从射极层210和背面场层220与基板200之间的接触面延伸，射极层210和背面场层220各自的杂质掺杂浓度可以逐渐减小。在这些示例中，射极层210和背面场层220可以在与基板200之间的接触面或其附近具有相对最大的杂质掺杂浓度，并且可以在射极层210和背面场层220的上表面或其附近具有相对最小的杂质掺杂浓度。另外，射极层210的杂质掺杂浓度与距射极层210的上表面的距离之间的关系可以不同于背面场层220的杂质掺杂浓度与距背面场层220的上表面的距离之间的关系。例如，射极层210的杂质掺杂浓度与距射极层210的上表面的距离之间的关系可以与背面场层220的杂质掺杂浓度与距背面场层220的上表面的距离之间的关系相反。
在一些实施方式中，射极层210和背面场层220各自在基板200或其附近的杂质掺杂浓度可以至少为0/cm3，并且射极层210和背面场层220各自在射极层210和背面场层220的上表面或其附近的杂质掺杂浓度可以为至多约1×1023/cm3。
关于太阳能电池1的生产，在开始形成射极层210和/或背面场层220的初始阶段之后，随着射极层210和/或背面场层220的形成进展，处理室的气氛中存在的掺杂剂气体的量从基本上没有掺杂剂气体的状态逐渐增加。因此，射极层210和/或背面场层220各自形成为具有逐渐改变的杂质掺杂浓度。如图2所示，射极层210和/或背面场层220内的杂质掺杂浓度由指示线性变化的线性曲线CV1来表示，或者由指示非线性变化的曲线图CV2来表示。
图2的曲线图示出：随着射极层210和/或背面场层220内的位置靠近基板200，射极层210和/或背面场层220的杂质掺杂浓度减小，并且，随着射极层210和/或背面场层220内的位置靠近射极层210和/或背面场层220的上表面，射极层210和/或背面场层220的杂质掺杂浓度增加。
如上所述，图1所示的太阳能电池1不需要能够执行如下的钝化操作的单独钝化层：所述钝化操作将存在于基板200和射极层210之间、基板200与背面场层220之间、以及基板200的表面周围的不稳定键(例如悬空键)转换为稳定的键，由此防止或减少由于不稳定的键而导致的向基板的正面和背面中的每一个移动的载流子的重组和/或消失。
在一些实施方式中，当射极层210和/或背面场层220具有通常随着与射极层210和/或背面场层220的表面(例如，上表面)的距离增加而减小的杂质掺杂浓度时，射极层210和/或背面场层220的上表面表现出非本征半导体特性，并且射极层210和/或背面场层220的在基板200或其附近的部分表现出本征半导体特性。相反，当射极层210和/或背面场层220具有随着与射极层210和/或背面场层220的上表面的距离而增加的杂质掺杂浓度时，射极层210和/或背面场层220的上表面表现出本征半导体特性，并且射极层210和/或背面场层220的在基板200或其附近的部分表现出非本征半导体特性。
尽管图1所示的射极层210和背面场层220各自具有单层结构，但是射极层210和背面场层220各自可以执行钝化操作以及上述操作。更具体地说，射极层210和/或背面场层220的具有低杂质掺杂浓度的本征半导体部分将存在于基板200的表面周围的不稳定的键转换为稳定的键，由此防止载流子的损失，并且也减少由于其低杂质掺杂浓度而导致的杂质与载流子之间的组合所引起的损害(例如，载流子的损失)。另外，射极层210和/或背面场层220的具有高杂质掺杂浓度的非本征半导体部分与基板200形成p-n结，或者沿基板200与其形成势垒，由此执行射极层210和/或背面场层220的操作。
关于图1的太阳能电池1，本征半导体部分具有足以稳定地执行钝化操作的厚度。在一些实施方式中，本征半导体部分具有例如至少6nm的厚度。如上面所述，并且如图2所示，表示杂质掺杂浓度的曲线的斜率可以随着射极层210和/或背面场层220从基板200或其附近的本征半导体部分延伸到上表面或其附近的非本征半导体部分而增加。换句话说，射极层210和/或背面场层220内的杂质掺杂浓度在从基板200转移之后增加到能够执行钝化操作的浓度级别，然后进一步增加，并且在转移到第一透明导电层231和第二透明导电层232之前增加到更大的程度。因此，太阳能电池1的导电性和接触特性得以改进。
在图2中，部分“A”表示本征半导体部分，其中展现本征半导体特性并且执行钝化操作，并且部分“B”表示非本征半导体部分，其中展现非本征半导体特性并且执行射极操作或背面场操作。
非本征半导体部分B包括执行射极操作和/或背面场操作的部分B1和接触部分B2。接触部分B2的杂质掺杂浓度高于部分B1的杂质掺杂浓度，并且部分B2的厚度小于与钝化操作相关联的本征半导体部分A的厚度。
因此，因为如果射极层210和/或背面场层220包括本征半导体部分A那么单独的钝化层(例如，诸如本征非晶硅层的非晶硅层)不是必需的，所以形成钝化层的单独的室也不是必需的。通过形成包括本征半导体部分A的射极层210和/或背面场层220，太阳能电池1的制造成本和时间得以减少。此外，由于基本上防止了在钝化层的形成处理中产生的基板200或其它层的特性的有害变化，所以，通过形成包括本征半导体部分A的射极层210和/或背面场层220，太阳能电池1的效率得以改进。此外，由于在基板200或其附近在射极层210和/或背面场层220中执行钝化操作而没有单独的钝化层，所以改善了太阳能电池1的开路电压，并且改善了太阳能电池1的效率。
在一些实施方式中，第一透明导电层231和第二透明导电层232分别位于射极层210的整个表面上和背面场层220的整个表面上，并且由例如铟锡氧化物(ITO)和掺杂铝的锌氧化物(AZO)的透明导电氧化物(TCO)形成。在一些实施方式中，基板200的没有光入射的背面上的第二透明导电层232可以由不透明或者半透明的导电材料形成。在这种情况下，穿过基板200的光由第二透明导电层232反射，并且然后再次入射到基板200上。因此，可以通过对第二导电层232选择不透明或半透明的导电材料来改进太阳能电池1的效率。
第一透明导电层231和第二透明导电层232各自具有良好的导电性。由此，入射到基板200的正面的光透过第一透明导电层231而入射到基板200内。此外，移动到射极层210的载流子(例如，空穴)穿过第一透明导电层231而迁移到正面电极250，移动到背面场层220的载流子(例如，电子)穿过第二透明导电层232而迁移到背面电极260。
第一透明导电层231上的正面电极250沿固定的方向彼此基本平行地延伸，并且通过第一透明导电层231电连接到射极层210。由此，正面电极250收集移动到射极层210的载流子(例如，空穴)。
图1中所示的太阳能电池1可以进一步包括多个正面电极集电器(current collector)(未示出)，这些正面电极集电器沿着与正面电极250的延伸方向交叉的方向彼此基本平行地延伸。所述多个正面电极集电器与正面电极250位于同一级层，并且在正面电极集电器与正面电极250的各个交叉处电气地和物理地连接到正面电极250。由此，正面电极250和正面电极集电器以格状位于基板200的正面上。正面电极集电器收集移动到正面电极250的载流子。正面电极集电器可以连接到与外部装置相连接的导电带，并且可以通过所述导电带将所收集的载流子输出到外部装置。在一些实施方式中，可以使用或者包括正面电极250和/或正面电极集电器的其它结构。
背面电极260位于第二透明导电层232的基本整个表面上，并通过第二透明导电层232而电连接到背面场层220。由此，背面电极260收集移动到背面场层220的载流子(例如，电子)。
此外，太阳能电池1可以包括位于背面电极260或第二透明导电层232上的多个背面电极集电器。背面电极集电器与正面电极集电器位于相对的位置，基板200插入它们之间。类似于正面电极集电器，背面电极集电器可以收集移动到背面电极260的载流子，可以连接到与外部装置相连接的导电带，并且可以通过所述导电带将所收集的载流子输出到外部装置。
正面电极250和背面电极260可以由从包括以下材料的组中选择的至少一种导电材料形成：镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、铝(Al)、锡(Sn)、锌(Zn)、铟(In)、钛(Ti)、金(Au)、这些金属的合金以及它们的组合。然而，也可以用其它导电材料。
将载流子转移到外部装置的正面电极集电器和背面电极集电器可以包含导电材料。如果有必要或者有需要，则在正面电极集电器和背面电极集电器中使用的导电材料的导电性可以比电极250和260的导电性好。
可以通过使用光掩模或者丝网印刷方法将正面电极250和背面电极260(另外还有正面电极集电器和背面电极集电器)在第一透明导电层231和第二透明导电层232上形成为具有所需要的图案，然后对所述图案执行热处理。在这种情况下，可以将背面电极集电器形成在背面电极260上。
在使用中，当照射到太阳能电池1的光穿过第一透明导电层231入射到基板200上时，在基板200中产生多个电子-空穴对。由于基板200的表面较为粗糙，所以减少了由于从基板反射出去以及向后穿过第一透明导电层231而导致的入射到基板200上的光的损失。此外，因为基板200的粗糙表面使得入射光反射到基板200中，所以增加了光的吸收。因此，改进了太阳能电池1的效率。
基板200和射极层210的p-n结将电子-空穴对分离成电子和空穴。分出的空穴移动到p型射极层210并且然后由正面电极250收集。分出的电子移动到n型背面场层220并且由背面电极260收集。当正面电极250使用电线(未示出)而连接到背面电极260时，电流在其中流动，由此能够使用电流产生电力。
如之前关于图1所述的，在基板200和射极层210之间或者在基板200和背面场层220之间没有形成单独的(本征)非晶硅层(也就是钝化层)。因此，如图3所示，减小了基板200与射极层210之间的界面的周围以及基板200与背面场层220之间的界面的周围的能带隙差。因此，在基板200与射极层210之间的界面以及在基板200与背面场层220之间的界面中，能带隙平缓地改变。
在基板与射极层之间和/或基板与背面场层之间形成单独的钝化层(例如，本征非晶硅层)的比较例的情况下，获得如图8所示的能带图。如图8所示，基板是由n-c-Si(n)表示的n型晶体硅，射极层是由a-Si:H(p)表示的p型非晶硅，背面场层是由a-Si:H(n+)表示的n型非晶硅，并且钝化层是由a-Si:H(i)表示的本征非晶硅。因为通过包括单独的钝化层而产生了相对大的带移(也就是基板和钝化层的能带隙之间的差)，所以不能实现多个层的能带隙之间的平滑连接。
换句话说，当包括单独的钝化层时，在基板与射极层之间以及基板与背面场层之间具有相对大的能带隙差。所述能带隙差不利地影响移动到背面场层的电子“e-”(相应于多数载流子)的移动以及移动到射极层的空穴“h+”(相应于少数载流子)的移动。
另外，当将单独的钝化层形成为具有相对大的厚度时，这种厚钝化层干扰或阻碍载流子的隧道效应并且干扰或阻碍载流子的移动。尤其是，由于非晶硅的不良导电性，当载流子穿过钝化层时，载流子的移动受到干扰或阻碍。因此，包括单独的钝化层减小了太阳能电池的效率。另外，单独的钝化层的厚度不能减少，这是因为，与厚度减小相关联会带来单独的钝化层的执行钝化功能的能力的减弱的影响。
关于图3，因为在基板200与射极层210之间或者在基板200与背面场层220之间不包括单独的钝化层，所以基板200与射极层210之间以及基板200与背面场层220之间的能带隙差小于与单独的钝化层相关联的能带隙差。因此，如上所述，能带隙跨过基板200与射极层210之间的界面并且跨过基板200与背面场层220之间的分界面而逐渐地或平缓地改变。由此，载流子h+和e-很容易移动到射极层210和背面场层220。
此外，当不包括单独的钝化层时，基板200与射极层210之间的距离以及基板200与背面场层220之间的距离减小了，因此，载流子可以很容易地移动并且可以减少载流子移动过程中的载流子损失量。
如上所述，当通过改变各自由非晶硅形成的射极层210和背面场层220的杂质掺杂浓度来实现钝化时，与包括一个或更多个单独钝化层的太阳能电池相比，太阳能电池1的厚度可以减小。此外，因为基板200与射极层210之间的接触面以及基板200与背面场层220之间的接触面具有适于载流子传导的杂质掺杂浓度，所以载流子可以很容易地移动。
换句话说，关于载流子移动，其中执行钝化操作的射极层210和背面场层220的部分包含相对小的杂质浓度的实施方式比其中执行钝化操作的射极层210和背面场层220的部分不包含任何杂质的实施方式更有利。此外，通过在执行钝化操作的部分中包括相对小浓度的杂质，改进了太阳能电池1的电流密度。
图4示出了电流密度和电压取决于非晶硅层的杂质掺杂浓度的变化，包括六条曲线。如图4所示，几乎不包含杂质的本征a-Si层具有最小的电流密度和最小的电压，并且具有最大杂质掺杂浓度的a-Si层具有最大的电流密度和最大的电压。如上所述，随着杂质掺杂浓度增加，电压值增加。因此，输出功率值(也就是，P＝V×I)增加。
然而，在比较例中，因为仅有本征a-Si钝化层执行钝化操作，所以钝化层与位于钝化层上的射极层或背面场层一起执行钝化操作。由此，当射极层或背面场层的杂质掺杂浓度增加时，钝化效应减少。因此，输出电压值和输出功率值减小。
然而，关于太阳能电池1，因为可以仅使用射极层210和背面场层220的本征半导体部分来执行钝化操作，所以即使射极层210和背面场层220各自的其它部分的杂质掺杂浓度增加，钝化效应也不减少。如图4所示，虽然杂质掺杂浓度增加，但是输出功率的值也可以增加。
当在基板200上形成a-Si射极层或者a-Si背面场层220时，用作射极层210或背面场层220的a-Si层的杂质掺杂浓度从0(在本征a-Si层的情况下)逐渐增加到或穿过2×1016/cm3、2×1017/cm3、5×1017/cm3、8×1017/cm3以及2×1018/cm3。也可以使用其它的杂质掺杂浓度量。例如，杂质掺杂浓度可以在0/cm3到1×1023/cm3的杂质掺杂浓度范围内线性地或非线性地改变。
此外，如图5所示，该曲线图示出了当射极层210和背面场层220形成在基板200上时，射极层210和背面场层220的杂质掺杂浓度可以在0/cm3到1×1023/cm3的范围内线性地或非线性地增加。
图5是示出射极层和/或背面场层的杂质掺杂浓度的变化的曲线图。如图5所示，射极层210和/或背面场层220内的杂质掺杂浓度类似于图2的曲线图地非线性变化。
如上所述，在图5中，基板200与射极层210之间和/或基板200与背面场层220之间的接触部分B1的杂质掺杂浓度高于射极层210和/或背面场层220的其余部分A1的杂质掺杂浓度。接触部分B1可以包括基板200与射极层210之间和/或基板200与背面场层220之间的接触面。因此，射极层210和/或背面场层220的杂质掺杂浓度从接触部分B1到射极层210和/或背面场层220的上表面减小。在射极层210和/或背面场层220的不包含杂质或者具有低杂质掺杂浓度的部分产生钝化效应。此外，因为射极层210的对应于光入射面的表面的杂质掺杂浓度较低，所以与其中射极层210的表面的杂质掺杂浓度相对较高的实施方式相比，避免了由于杂质而导致的光入射量的减少。因此，通过在射极层210的表面提供相对较低的杂质掺杂浓度，改进了太阳能电池1的效率。
在图5中，用曲线图示了射极层210和/或背面场层220内的变化的位置的掺杂浓度，其示出了射极层210和/或背面场层220的杂质掺杂浓度在靠近基板200的接触部分B1内急剧减小。由此，在杂质掺杂浓度急剧减小的部分出现本征半导体特性。急剧减小的部分在基板200与射极层210之间和/或在基板200与背面场层220之间的界面周围执行钝化操作。
另选的是，射极层210和背面场层220可以在接触部分B1和/或其余部分A1内具有线性变化的杂质掺杂浓度。
因此，如上所述，因为通过改变射极层210和/或背面场层220的杂质掺杂浓度而无需包括单独的钝化层就可以在射极层210和/或背面场层220中产生钝化效应，所以改进了太阳能电池1的开路电压，并且改进了太阳能电池1的效率。
参照下表1来描述异质结太阳能电池的取决于射极层的杂质掺杂浓度的变化的效率，表1示出了当p型射极层(例如，非晶硅层)形成在n型晶体硅基板上时，取决于p型射极层的杂质掺杂浓度的变化的太阳能电池的效率的模拟结果。
此外，表1示出了在假设不会与改变杂质掺杂浓度相关联地造成缺陷形成增加的情况下的结果。更具体地说，因为仅有本征半导体部分按与图1的太阳能电池1相同的方式执行钝化操作，所以即使非本征半导体部分的杂质掺杂浓度增加，也不会不利地影响钝化效应。
在下表1中，基板的杂质掺杂浓度大约为5×1015/cm3，并且基板的电阻率大约为0.99850Ω.cm。如下表1所示，随着射极层的杂质掺杂浓度增加，开路电压Voc和填充因数(fill factor)FF增加。因此，随着射极层的杂质掺杂浓度增加，射极层的效率增加。因为射极层的导电率随着射极层的杂质掺杂浓度增加而增加，所以用于解决能带隙差的激活能(activation energy)的值大大减小。
在图1的太阳能电池1中，因为利用具有相对较高的杂质掺杂浓度的层将用作射极层和/或背面场层的结部分形成得很薄，所以产生浅结。此外，因为硅基板的表面钝化需要最小厚度的a-Si层，所以可以形成足够的结，并且可以最小化由缺陷导致的钝化效应的减少。此外，因为局部地形成了重掺杂区，因此，由于光透射很少，所以短路电流密度Jsc减小得很少。当将上述情况应用到背面场层而非射极层时，背面场层可以具有能够维持钝化操作同时局部地引起少数载流子的强反射的最小厚度。因此，可以减小太阳能电池的并联电阻。
表1
Figure BSA00000349233500151
射极层210和/或背面场层220可以被形成为包括所期望的杂质分布。例如，可以在单个处理室中将射极层210连续地形成为单层。在所述示例中，随着时间来控制出现在处理室中的杂质浓度，使得射极层210的在第一时间形成的部分包括第一浓度的杂质，并且射极层210的在不同于第一时间的第二时间形成的第二部分包括第二浓度的杂质。如同上面所讨论的，当形成射极层210时，可以讲射极层210中包含的杂质的浓度控制为线性地或非线性地变化，并且所述浓度可以按照需要随时间而增加或减少，以形成具有从基板200到射极层210的上表面的所期望分布的杂质浓度的射极层210。可以在单独的处理室中通过类似的处理来形成背面场层220，或者可以在单个处理室中在不同的时间形成射极层210和背面场层220二者。在任何情况下，根据该示例形成的层在层内包括的杂质浓度根据处理室中存在的杂质的浓度变化(这在层形成的过程中受到控制)而变化。
此外，在该示例中，射极层210内的距上表面给定深度处和/或在基板200上方给定距离处的杂质浓度在射极层210的长度和宽度方向上是基本恒定的。然而，射极层210(这对于背面场层220也是适用的)内的杂质浓度可以通过受控的方式而改变，或者可以由于影响层的形成处理的随机或不受控因素而改变。
在另一个示例中，可以在两个或更多个单独的形成处理中在一个或更多个室中形成诸如射极层210的层。例如，射极层的第一部分可以在第一时间在第一处理室中形成，并且射极层210的第二部分可以在第二时间在第二处理室或第一处理室中形成。存在于第一处理室中(以及第二处理室中，如果使用的话)的杂质浓度可以在射极层210的第一和第二部分各自的形成过程中基本维持恒定。然而，存在于第一处理室的所述浓度不同于，例如小于，存在于第二部分的形成过程中的浓度。此外，或者另选的是，可以在线性地或者非线性地改变处理室中的杂质的浓度的同时形成射极层210的单独的第一和第二部分。
在另一个示例中，使用变化的杂质浓度、恒定的杂质浓度或者它们的组合，可以单独地或者一体地形成层(例如射极层210)的三个或更多个不同的部分。如果单独地形成，则可以将这些不同的部分在一个或更多个处理室中形成。例如，如果需要，则可以在单独的处理室中形成每个单独的部分。类似地，可以在相同的或者不同的处理室中增加其它层，并且/或者也可以在射极层210和/或背面场层220的形成之前、形成过程中或者形成之后执行各种处理或其它加工。
上面关于图1的太阳能电池1描述的原理不仅可以应用到异质结太阳能电池，而且可以应用到背面接触太阳能电池，如图6所示。具体地说，图6是另一太阳能电池11的局部剖面图。不同于图1所示的太阳能电池1，多个正面电极(以及多个正面电极集电器)位于基板300的没有光入射的背面上。
更具体地说，太阳能电池11包括基板300、位于基板300的光入射的正面上的钝化层340、位于钝化层340上的防反射层400、位于基板300的背面上的一个或更多个射极层310、位于基板300的背面上并与多个射极层310分开的一个或更多个背面场层320、分别位于一个或更多个射极层310上的一个或更多个第一电极410、以及分别位于一个或更多个背面场层320上的一个或更多个第二电极420。
基板300与图1所示的基板200基本相同，由第一导电类型的晶体硅(例如，n型晶体硅)形成。
如上所述，钝化层340由本征非晶硅形成，并执行将通常存在于基板300的表面周围的不稳定键转化为稳定键的钝化操作。因为钝化层340由几乎不包含杂质的本征非晶硅形成，所以防止或者减少了由杂质导致的诸如载流子损失的缺陷。除了非晶硅之外，钝化层340还可以由包含例如氮化硅(SiNx)和非晶氮化硅(a-SiNx)的半导体的硅、例如非晶二氧化硅(SiO2)、非晶氧化硅(a-SiO)和二氧化钛(TiO2)的非导电层、非导电聚合体、或者包含这些材料的膏体形成。
防反射层400减小入射到太阳能电池11上的光的反射率，并增大对预定波长带的选择性，由此增加了太阳能电池11的效率。防反射层400可以具有适当的折射率以增大防发射效果。防反射层400可以由SiNx、SiO2、SiNx:H或SiO2:H形成。
如图6所示，防反射层400具有单层结构。然而，防反射层400可以具有多层结构，例如双层结构。另选的是，如果期望，则防反射层400可以省略。防反射层400以与钝化层340同样的方式执行钝化操作。因此，通过基板300的正面上的钝化层340和防反射层400的钝化效应，减少了由于不稳定键而消失的载流子的量。结果，改进了太阳能电池11的效率。
基板300的背面上的一个或更多个射极层310彼此分离并且沿固定方向基本彼此平行地延伸。按与图1的射极层210相同的方式，因为每个射极层310的导电类型与基板300的导电类型相反，所以每个射极层310和基板300形成p-n结。按与图1的射极层210相同的方式，每个射极层310是p型，由非晶硅形成。
一个或更多个背面场层320与射极层310分离，并且在基板300上与射极层310基本平行地延伸。按与图1的背面场层220相同的方式，每个背面场层320由包含与基板300相同导电类型的杂质的非晶硅形成。
每个射极层310的杂质掺杂浓度和每个背面场层320的杂质掺杂浓度按与图1的射极层210和背面场层220的杂质掺杂浓度相同的方式，线性地或非线性地变化。换句话说，除了它们的形成位置和形状之外，每个射极层310和每个背面场层320的杂质掺杂浓度和特性基本与图1的射极层210和背面场层220的杂质掺杂浓度和特性相同。由此，在每个射极层310和每个背面场层320中，在具有低杂质掺杂浓度的部分执行钝化操作，并且在杂质掺杂浓度高于设定浓度的部分，分别执行射极操作和背面场操作。
第一电极410和第二电极420由导电材料形成，并且盖在射极层310和背面场层320上面。第一电极410和第二电极420将分别从基板300移动到并穿过射极层310和背面场层320的载流子输出到外部装置。
如上所述，射极层310和背面场层320的低杂质掺杂浓度部分执行钝化操作，而无需单独的钝化层。
此外，因为光入射在基板300的整个正面上，所以增加了入射到基板300上的光量。因此，改进了太阳能电池11的效率。另外，因为防反射层400减少了入射到基板300上的光的反射损失，所以不会减少入射到基板300上的光量。
参照图9，将描述根据本发明的示例性实施方式的太阳能电池的各种示例。
如图9所示，太阳能电池的示例在基板300与射极层310之间和/或基板300与背面场层320之间还包括单独的本征非晶硅层510。所述本征非晶硅层510是执行钝化操作的钝化层。此时，射极层310和背面场层320的各杂质掺杂浓度从大约0/cm3到大约1×1023/cm3线性地或非线性地变化。
因此，由于由本征非晶硅层510以及射极层310和/或钝化层320执行钝化功能，所以进一步改进钝化效应。
另外，如图9所示，太阳能电池的另一个示例在基板300与射极层310之间和/或基板300与背面场层320之间也包括单独的本征非晶硅层510。如上所述，本征非晶硅层510执行钝化操作。然而，如图9所示，所述太阳能电池包括位于本征非晶硅层510上的其中掺有杂质的第一射极层311、以及位于第一射极层311上的第二射极层312，并且包括位于本征非晶硅层510上的其中掺有杂质的第一背面场层321、以及位于第一背面场层321上的第二背面场层322。此时，第一射极层311和第一背面场层321的杂质掺杂浓度分别小于第二射极层312和第二背面场层322的杂质掺杂浓度。
第一射极层311主要起钝化层的作用，并且第二射极层312起与基板300形成p-n结的射极层的作用。然而，第一射极层311还与第二射极层312一起形成p-n结。
第一背面场层321主要起钝化层的作用，并且第二背面场层322主要进行势垒。第一背面场层321也形成势垒。
因此，由于由本征非晶硅层510以及第一射极层311和/或第一钝化层321执行钝化效应，所以进一步改进钝化效应。
在图9中，射极层310的厚度是大致10nm，并且背面场层320的厚度是大致15nm。
当射极层310具有大约10nm的厚度时，射极层310稳定地执行p-n结并且还执行钝化操作。当背面场层330具有大约5nm的厚度时，背面场层320稳定地形成势垒并且还执行钝化操作。
此外，第一射极层311具有大约6nm的厚度，并且第一射极层311和第二射极层312的总厚度是大致10nm，第一背面场层321具有大约6nm的厚度，并且第一背面场层321和第二背面场层322的总厚度是大致15nm。
在图9中，基板300由晶体硅制成，并且射极层310、311和312以及背面场层320、321和322由非晶硅制成。
虽然已参照多个示例性实施方式描述了太阳能电池，但应该理解，本领域技术人员能够设想落入本公开的原理的范围内的许多其它变型和实施方式。更具体地讲，在本公开的范围内，可以对主题组合设置的组成部件和/或设置进行各种变化和修改。例如，可以改变射极层和背面场层的位置、数量和设置。除了对组成部件和/或设置的各种变化和修改之外，另选用途对于本领域技术人员而言也是很明显的。
本申请要求于2009年9月4日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2009-0083567的优先权和利益，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (20)

1.一种太阳能电池，该太阳能电池包括：
晶体基板，该晶体基板含有第一导电类型的第一杂质；
第一非晶层，该第一非晶层含有第二导电类型的第二杂质，所述第一非晶层具有包括第一浓度的所述第二杂质的第一部分、和包括第二浓度的所述第二杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度；
第一电极；以及
电连接到所述第一非晶层并与所述第一电极电绝缘的第二电极。
2.根据权利要求1的太阳能电池，该太阳能电池还包括含有第三导电类型的第三杂质的第二非晶层，所述第二非晶层具有包括第一浓度的所述第三杂质的第一部分、和包括第二浓度的所述第三杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度，
其中，所述第三导电类型与所述第二导电类型相反。
3.根据权利要求2的太阳能电池，其中，所述第二非晶层位于所述晶体基板的没有光入射的非入射面上。
4.根据权利要求3的太阳能电池，其中，所述第一非晶层位于所述晶体基板的光入射到的入射面上。
5.根据权利要求3的太阳能电池，其中，所述第一非晶层位于所述晶体基板的没有光入射的所述非入射面上。
6.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一导电类型与所述第三导电类型相同。
7.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一非晶层的所述第一部分的所述第二杂质的所述第一浓度近似为零。
8.根据权利要求1的太阳能电池，其中，在所述第一部分和所述第二部分之间，所述第二杂质的浓度按预定的速率增加。
9.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一非晶层的所述第一部分是本征半导体部分，所述第一非晶层的所述第二部分是非本征半导体部分。
10.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一非晶层的所述第一部分位于所述晶体基板的附近，并且所述第一非晶层的所述第二部分位于所述第一非晶层的与所述晶体基板相对的表面的附近。
11.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一非晶层具有单层结构。
12.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第一非晶层和所述晶体基板形成异质结。
13.根据权利要求1的太阳能电池，其中，所述第二杂质的所述第一浓度和所述第二浓度是从大约0/cm3到大约1×1023/cm3。
14.一种半导体结构，该半导体结构位于太阳能电池的晶体半导体基板的第一表面上，所述晶体半导体基板是第一导电类型，所述半导体层包括：
具有第一浓度的杂质的第一非晶层；以及
具有第二浓度的杂质的第二非晶层，所述第二浓度不同于所述第一浓度，
其中，所述第一非晶层和所述第二非晶层各自是非本征层。
15.根据权利要求14的半导体结构，其中，所述第一非晶层与所述晶体基板的最小距离大于所述第二非晶层与所述晶体基板的最小距离。
16.根据权利要求15的半导体结构，其中，杂质的所述第一浓度大于杂质的所述第二浓度。
17.根据权利要求15的半导体结构，其中，杂质的所述第二浓度大于杂质的所述第一浓度。
18.一种方法，该方法包括以下步骤：
提供含有第一导电类型的第一杂质的晶体基板；
在所述晶体基板上形成含有第二导电类型的第二杂质的非晶层，其中，形成非晶层的步骤包括以下步骤：形成所述非晶层的包括第一掺杂浓度的所述第二杂质的第一部分，并且形成所述非晶层的包括第二浓度的所述第二杂质的第二部分，所述第二部分与所述晶体基板的最小距离大于所述第一部分与所述晶体基板的最小距离，所述第二浓度大于所述第一浓度；
提供第一电极；以及
提供电连接到所述非晶层并与所述第一电极电绝缘的第二电极。
19.根据权利要求18的方法，其中，形成非晶层的步骤包括以下步骤：在注入了掺杂剂气体的处理室中形成所述非晶层。
20.根据权利要求19的方法，其中，形成第一部分和第二部分的步骤包括以下步骤：按预定速率改变注入到所述处理室中的所述掺杂剂气体的量。
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